Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Sliders met drie artikelen per dia.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door de dia's te bladeren, of de knoppen op de schuifregelaar aan het einde om door elke dia te bladeren.
Onlangs is aangetoond dat het gebruik van echografie de weefselopbrengst kan verbeteren bij echografie-ondersteunde fijne naaldaspiratiebiopsie (USeFNAB) in vergelijking met conventionele fijne naaldaspiratiebiopsie (FNAB).De relatie tussen de schuine geometrie en de actie van de naaldpunt is nog niet onderzocht.In deze studie hebben we de eigenschappen van naaldresonantie en afbuigingsamplitude onderzocht voor verschillende naaldafschuiningsgeometrieën met verschillende afschuiningslengtes.Bij gebruik van een conventioneel lancet met een snede van 3,9 mm was de tipafbuigvermogensfactor (DPR) respectievelijk 220 en 105 µm/W in lucht en water.Dit is hoger dan de asymmetrische schuine punt van 4 mm, die een DPR van respectievelijk 180 en 80 µm/W in lucht en water behaalde.Deze studie benadrukt het belang van de relatie tussen de buigstijfheid van de afschuiningsgeometrie in de context van verschillende inbrenghulpmiddelen, en kan dus inzicht verschaffen in methoden voor het controleren van de snijactie na punctie door de naaldafschuiningsgeometrie te veranderen, wat belangrijk is voor USeFNAB.Toepassing is belangrijk.
Fijne naaldaspiratiebiopsie (FNAB) is een techniek waarbij met een naald een weefselmonster wordt afgenomen wanneer er een afwijking wordt vermoed1,2,3.Het is aangetoond dat tips van het Franseen-type hogere diagnostische prestaties bieden dan traditionele Lancet4- en Menghini5-tips.Er is ook voorgesteld dat asymmetrische (dwz omtreks) afschuiningen de waarschijnlijkheid van een adequaat monster voor histopathologie vergroten6.
Tijdens een biopsie wordt een naald door huid- en weefsellagen gestoken om verdachte pathologie aan het licht te brengen.Recente onderzoeken hebben aangetoond dat ultrasone activering de prikkracht kan verminderen die nodig is om toegang te krijgen tot zachte weefsels7,8,9,10.Er is aangetoond dat de geometrie van de naaldafschuining invloed heeft op de krachten op de interactie tussen de naalden. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat langere afschuiningen lagere weefselpenetratiekrachten hebben 11 .Er is gesuggereerd dat nadat de naald het weefseloppervlak is binnengedrongen, dwz na een punctie, de snijkracht van de naald 75% kan bedragen van de totale interactiekracht tussen naald en weefsel12.Er is aangetoond dat echografie (VS) de kwaliteit van diagnostische weke delenbiopten in de post-punctiefase verbetert13.Er zijn andere methoden ontwikkeld om de kwaliteit van botbiopten te verbeteren voor bemonstering van hard weefsel14,15, maar er zijn geen resultaten gerapporteerd die de biopsiekwaliteit verbeteren.Verschillende onderzoeken hebben ook aangetoond dat de mechanische verplaatsing toeneemt met toenemende ultrasone aandrijfspanning16,17,18.Hoewel er veel onderzoeken zijn naar axiale (longitudinale) statische krachten in naald-weefselinteracties19,20, zijn onderzoeken naar de temporele dynamiek en de geometrie van de naaldschuine kant in ultrasoon verbeterde FNAB (USeFNAB) beperkt.
Het doel van deze studie was om het effect van verschillende schuine geometrieën op de actie van de naaldpunt te onderzoeken, aangedreven door naaldflexie bij ultrasone frequenties.In het bijzonder onderzochten we het effect van het injectiemedium op de afbuiging van de naaldpunt na punctie voor conventionele naaldafschuiningen (bijv. lancetten), asymmetrische en asymmetrische enkelvoudige afschuiningsgeometrieën (Fig. om de ontwikkeling van USeFNAB-naalden voor verschillende doeleinden te vergemakkelijken, zoals selectieve zuigkracht toegang of kernen van zacht weefsel.
In dit onderzoek zijn verschillende schuine geometrieën meegenomen.(a) Lancetten conform ISO 7864:201636 waarbij \(\alpha\) de primaire schuine hoek is, \(\theta\) de secundaire schuine rotatiehoek is, en \(\phi\) de secundaire schuine rotatiehoek is graden , in graden (\(^\circ\)).(b) lineaire asymmetrische enkelvoudige afschuiningen (in DIN 13097:201937 “standaard” genoemd) en (c) lineaire asymmetrische (omtrek) enkelvoudige afschuiningen.
Onze aanpak is om eerst de verandering in de buiggolflengte langs de helling te modelleren voor conventionele lancet-, asymmetrische en asymmetrische eentraps-hellinggeometrieën.Vervolgens hebben we een parametrisch onderzoek berekend om het effect van de schuine hoek en de buislengte op de mobiliteit van het transportmechanisme te onderzoeken.Dit wordt gedaan om de optimale lengte te bepalen voor het maken van een prototypenaald.Op basis van de simulatie werden naaldprototypes gemaakt en werd hun resonantiegedrag in lucht, water en 10% (w/v) ballistische gelatine experimenteel gekarakteriseerd door het meten van de spanningsreflectiecoëfficiënt en het berekenen van de energieoverdrachtsefficiëntie, waaruit de werkfrequentie werd afgeleid. bepaald..Ten slotte wordt hogesnelheidsbeeldvorming gebruikt om direct de afbuiging van de buiggolf aan de punt van de naald in lucht en water te meten, en om het elektrisch vermogen te schatten dat door elke kanteling wordt overgedragen en de geometrie van de afbuigvermogensfactor (DPR) van de geïnjecteerde golf. medium.
Zoals weergegeven in figuur 2a, gebruikt u buis nr. 21 (0,80 mm buitendiameter, 0,49 mm binnendiameter, buiswanddikte 0,155 mm, standaardwand zoals gespecificeerd in ISO 9626:201621) gemaakt van roestvrij staal 316 (Young's modulus 205).\(\text {GN/m}^{2}\), dichtheid 8070 kg/m\(^{3}\), Poisson-verhouding 0,275).
Bepaling van de buiggolflengte en afstemming van het eindige elementenmodel (FEM) van de naald en randvoorwaarden.(a) Bepaling van de schuine lengte (BL) en buislengte (TL).(b) Driedimensionaal (3D) eindige-elementenmodel (FEM) met behulp van harmonische puntkracht \(\tilde{F}_y\vec{j}\) om de naald aan het proximale uiteinde te exciteren, het punt af te buigen en de snelheid te meten per fooi (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) om de mechanistische transportmobiliteit te berekenen.\(\lambda _y\) wordt gedefinieerd als de buiggolflengte geassocieerd met de verticale kracht \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Bepaal het zwaartepunt, het dwarsdoorsnedeoppervlak A en de traagheidsmomenten \(I_{xx}\) en \(I_{yy}\) rond respectievelijk de x-as en de y-as.
Zoals weergegeven in afb.2b,c, voor een oneindige (oneindige) straal met dwarsdoorsnedeoppervlak A en bij een grote golflengte vergeleken met de grootte van de dwarsdoorsnede van de straal, de buig- (of buig-) fasesnelheid \(c_{EI}\ ) wordt gedefinieerd als 22:
waarbij E de Young-modulus is (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) de excitatiehoekfrequentie (rad/s) is, waarbij \( f_0 \ ) is de lineaire frequentie (1/s of Hz), I is het traagheidsmoment van het gebied rond de relevante as \((\text {m}^{4})\) en \(m'=\ rho _0 A \) is de massa op lengte-eenheid (kg/m), waarbij \(\rho _0\) de dichtheid \((\text {kg/m}^{3})\) is en A het kruis is -doorsnedeoppervlak van de balk (xy-vlak) (\ (\text {m}^{2}\)).Omdat in ons geval de uitgeoefende kracht evenwijdig is aan de verticale y-as, dwz \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zijn we alleen geïnteresseerd in het traagheidsmoment van het gebied rond de horizontale x- as, dat wil zeggen \(I_{xx} \), Daarom:
Voor het eindige elementenmodel (FEM) wordt uitgegaan van een zuivere harmonische verplaatsing (m), dus de versnelling (\(\text {m/s}^{2}\)) wordt uitgedrukt als \(\partial ^2 \vec { u}/ \ gedeeltelijk t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), bijv. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) is een driedimensionale verplaatsingsvector gedefinieerd in ruimtelijke coördinaten.Het vervangen van dit laatste door de eindig vervormbare Lagrangiaanse vorm van de momentumbalanswet23, volgens de implementatie ervan in het COMSOL Multiphysics-softwarepakket (versies 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, VS), geeft:
Waar \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) is de tensordivergentie-operator, en \({\underline{\sigma}}\) is de tweede Piola-Kirchhoff spanningstensor (tweede orde, \(\ text { N /m}^{2}\)), en \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) is de vector van de lichaamskracht (\(\text {N/m}^{3}\)) van elk vervormbaar volume, en \(e^{j\phi }\) is de fase van de lichaamskracht, heeft een fasehoek \(\ phi\) (rad).In ons geval is de volumekracht van het lichaam nul, en ons model gaat uit van geometrische lineariteit en kleine, puur elastische vervormingen, dwz \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), waarbij \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) en \({\underline{ \varepsilon}}\) – respectievelijk elastische vervorming en totale vervorming (dimensieloos van de tweede orde).Hooke's constitutieve isotrope elasticiteitstensor \(\underline {\underline {C))\) wordt verkregen met behulp van Young's modulus E(\(\text{N/m}^{2}\)) en Poisson's verhouding v wordt gedefinieerd, zodat \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (vierde orde).De spanningsberekening wordt dus \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
De berekeningen zijn uitgevoerd met tetraëdrische elementen met 10 knooppunten en een elementgrootte \(\le\) 8 µm.De naald is gemodelleerd in vacuüm en de waarde voor mechanische mobiliteitsoverdracht (ms-1 H-1) is gedefinieerd als \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, waarbij \(\tilde{v}_y\vec {j}\) de complexe uitgangssnelheid van het handstuk is, en \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) is een complexe aandrijfkracht die zich aan het proximale uiteinde van de buis bevindt, zoals weergegeven in figuur 2b.Transmissieve mechanische mobiliteit wordt uitgedrukt in decibel (dB) met de maximale waarde als referentie, dwz \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ) Alle FEM-onderzoeken zijn uitgevoerd met een frequentie van 29,75 kHz.
Het ontwerp van de naald (Fig. 3) bestaat uit een conventionele injectienaald van 21 gauge (catalogusnummer: 4665643, Sterican\(^\circledR\), met een buitendiameter van 0,8 mm, een lengte van 120 mm, gemaakt van AISI chroom-nikkel roestvrij staal 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Duitsland) plaatste proximaal een plastic Luer Lock-huls gemaakt van polypropyleen met een overeenkomstige tipmodificatie.De naaldbuis is aan de golfgeleider gesoldeerd zoals weergegeven in figuur 3b.De golfgeleider werd geprint op een roestvrijstalen 3D-printer (EOS Stainless Steel 316L op een EOS M 290 3D-printer, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) en vervolgens met M4-bouten aan de Langevin-sensor bevestigd.De Langevin-transducer bestaat uit 8 piëzo-elektrische ringelementen met aan elk uiteinde twee gewichten.
De vier soorten tips (afgebeeld), een in de handel verkrijgbaar lancet (L) en drie vervaardigde asymmetrische eentraps afschuiningen (AX1–3) werden gekenmerkt door afschuiningslengtes (BL) van respectievelijk 4, 1,2 en 0,5 mm.(a) Close-up van de voltooide naaldpunt.(b) Bovenaanzicht van vier pinnen gesoldeerd aan een 3D-geprinte golfgeleider en vervolgens verbonden met de Langevin-sensor met M4-bouten.
Er werden drie asymmetrische schuine punten (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) vervaardigd met schuine lengtes (BL, bepaald in Fig. 2a) van 4,0, 1,2 en 0,5 mm, overeenkomend met \(\circa\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) en 18\(^\circ\).Het gewicht van de golfgeleider en de naald bedraagt ​​respectievelijk 3,4 ± 0,017 g (gemiddelde ± SD, n = 4) voor afschuining L en AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Duitsland).De totale lengte vanaf de punt van de naald tot het uiteinde van de plastic huls is respectievelijk 13,7, 13,3, 13,3 en 13,3 cm voor de afschuining L en AX1-3 in figuur 3b.
Voor alle naaldconfiguraties is de lengte van de punt van de naald tot de punt van de golfgeleider (dwz het soldeergebied) 4,3 cm, en de naaldbuis is zo georiënteerd dat de afschuining naar boven wijst (dwz parallel aan de Y-as ).), zoals in (Fig. 2).
Een aangepast script in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, VS) dat op een computer draaide (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, VS) werd gebruikt om een ​​lineaire sinusoïdale sweep van 25 naar 35 kHz in 7 seconden te genereren, omgezet naar een analoog signaal door een digitaal-naar-analoog (DA) omzetter (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, VS).Het analoge signaal \(V_0\) (0,5 Vp-p) werd vervolgens versterkt met een speciale radiofrequentie (RF) versterker (Mariachi Oy, Turku, Finland).De dalende versterkingsspanning \({V_I}\) wordt door de RF-versterker met een uitgangsimpedantie van 50 \(\Omega\) naar een in de naaldstructuur ingebouwde transformator met een ingangsimpedantie van 50 \(\Omega)\) gestuurd Langevin-transducers (meerlaagse piëzo-elektrische transducers voor en achter, geladen met massa) worden gebruikt om mechanische golven te genereren.De op maat gemaakte RF-versterker is uitgerust met een tweekanaals staande golf power factor (SWR)-meter die invallende \({V_I}\) en gereflecteerde versterkte spanning \(V_R\) kan detecteren via een 300 kHz analoog-naar-digitaal (AD )-converter (Analog Discovery 2).Het excitatiesignaal wordt aan het begin en aan het einde in amplitude gemoduleerd om overbelasting van de versterkeringang met transiënten te voorkomen.
Met behulp van een aangepast script geïmplementeerd in MATLAB, gaat de frequentieresponsfunctie (AFC) uit van een lineair stationair systeem.Pas ook een banddoorlaatfilter van 20 tot 40 kHz toe om ongewenste frequenties uit het signaal te verwijderen.Verwijzend naar de transmissielijntheorie is \(\tilde{H}(f)\) in dit geval equivalent aan de spanningsreflectiecoëfficiënt, dwz \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 Omdat de uitgangsimpedantie van de versterker \(Z_0\) overeenkomt met de ingangsimpedantie van de ingebouwde transformator van de omzetter, en de reflectiecoëfficiënt voor elektrisch vermogen \({P_R}/{P_I}\) wordt gereduceerd tot \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) is gelijk aan \ (|\rho _{V}|^2\).In het geval dat de absolute waarde van elektrisch vermogen vereist is, berekent u het invallende \(P_I\) en gereflecteerde\(P_R\) vermogen (W) door bijvoorbeeld de root mean square (rms) waarde van de overeenkomstige spanning te nemen: voor een transmissielijn met sinusoïdale excitatie, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, waarbij \(Z_0\) gelijk is aan 50 \(\Omega\).Het elektrische vermogen dat wordt geleverd aan de belasting \(P_T\) (dwz het ingevoegde medium) kan worden berekend als \(|P_I – P_R |\) (W RMS) en de energieoverdrachtsefficiëntie (PTE) kan worden gedefinieerd en uitgedrukt als een percentage (%) geeft dus 27:
De frequentierespons wordt vervolgens gebruikt om de modale frequenties \(f_{1-3}\) (kHz) van het stylusontwerp en de bijbehorende vermogensoverdrachtsefficiëntie te schatten, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) wordt rechtstreeks geschat op basis van \(\text {PTE}_{1{-}3}\), uit Tabel 1 frequenties \(f_{1-3}\) beschreven in .
Een methode voor het meten van de frequentierespons (AFC) van een naaldvormige structuur.Tweekanaals sinusmeting wordt gebruikt om de frequentieresponsfunctie \(\tilde{H}(f)\) en de impulsrespons H(t) te verkrijgen.\({\mathcal {F}}\) en \({\mathcal {F}}^{-1}\) duiden respectievelijk de numerieke afgeknotte Fourier-transformatie en de inverse transformatiebewerking aan.\(\tilde{G}(f)\) betekent dat de twee signalen worden vermenigvuldigd in het frequentiedomein, bijv. \(\tilde{G}_{XrX}\) betekent inverse scan\(\tilde{X} r( f )\) en spanningsvalsignaal \(\tilde{X}(f)\).
Zoals weergegeven in afb.5, hogesnelheidscamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, VS) uitgerust met een macrolens (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokyo, Japan) werden gebruikt om de afbuiging van een naaldpunt te registreren die werd onderworpen aan buigexcitatie (enkele frequentie, continue sinusoïde) met een frequentie van 27,5-30 kHz.Om een ​​schaduwkaart te creëren werd een gekoeld element van een witte LED met hoge intensiteit (onderdeelnummer: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Duitsland) achter de afschuining van de naald geplaatst.
Vooraanzicht van de experimentele opstelling.De diepte wordt gemeten vanaf het mediaoppervlak.De naaldstructuur wordt vastgeklemd en gemonteerd op een gemotoriseerde transfertafel.Gebruik een hogesnelheidscamera met een lens met hoge vergroting (5\(\times\)) om de doorbuiging van de afgeschuinde punt te meten.Alle afmetingen zijn in millimeters.
Voor elk type naaldafschuining hebben we 300 hogesnelheidscameraframes van 128 \(\x\) 128 pixels opgenomen, elk met een ruimtelijke resolutie van 1/180 mm (\(\circa) 5 µm), met een temporele resolutie van 310.000 frames per seconde.Zoals weergegeven in Figuur 6 wordt elk frame (1) bijgesneden (2) zodat de punt zich in de laatste lijn (onder) van het frame bevindt, en vervolgens wordt het histogram van de afbeelding (3) berekend, zodat Canny drempels 1 en 2 kan worden bepaald.Pas vervolgens Canny28(4)-randdetectie toe met behulp van de Sobel-operator 3 \(\times\) 3 en bereken de pixelpositie van de niet-cavitatiehypotenusa (gelabeld \(\mathbf {\times }\)) voor alle 300-voudige stappen .Om de overspanning van de doorbuiging aan het einde te bepalen, wordt de afgeleide berekend (met behulp van het centrale verschilalgoritme) (6) en wordt het frame met de lokale extrema (dat wil zeggen de piek) van de doorbuiging (7) geïdentificeerd.Na visuele inspectie van de niet-caviterende rand, werd een paar frames (of twee frames gescheiden door een halve tijdsperiode) (7) geselecteerd en werd de tipafbuiging gemeten (gelabeld \(\mathbf {\times} \ ) Het bovenstaande werd geïmplementeerd in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) met behulp van het OpenCV Canny edge-detectiealgoritme (v4.5.1, open source computer vision-bibliotheek, opencv.org elektrisch vermogen \ (P_T \) (W, rms)). .
De tipafbuiging werd gemeten met behulp van een reeks frames genomen van een hogesnelheidscamera op 310 kHz met behulp van een 7-stapsalgoritme (1-7) inclusief framing (1-2), Canny edge-detectie (3-4), pixellocatierand berekening (5) en hun tijdsafgeleiden (6), en tenslotte de piek-tot-piek-topafbuiging werden gemeten op visueel geïnspecteerde paren frames (7).
Metingen zijn uitgevoerd in lucht (22,4-22,9°C), gedeïoniseerd water (20,8-21,5°C) en ballistische gelatine 10% (w/v) (19,7-23,0°C), \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Botgelatine van runderen en varkensvlees voor type I ballistische analyse, Honeywell International, North Carolina, VS).De temperatuur werd gemeten met een K-type thermokoppelversterker (AD595, Analog Devices Inc., MA, VS) en een K-type thermokoppel (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, VS).Vanaf het medium werd de diepte gemeten vanaf het oppervlak (ingesteld als de oorsprong van de z-as) met behulp van een verticaal gemotoriseerd z-asplatform (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litouwen) met een resolutie van 5 µm.per stap.
Omdat de steekproefomvang klein was (n = 5) en normaliteit niet kon worden aangenomen, werd een tweezijdige Wilcoxon-rangsomtest met twee steekproeven (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) gebruikt. om de hoeveelheid variantie van de naaldpunt voor verschillende schuine randen te vergelijken.Er waren 3 vergelijkingen per helling, dus werd een Bonferroni-correctie toegepast met een aangepast significantieniveau van 0,017 en een foutenpercentage van 5%.
Laten we nu naar figuur 7 kijken.Bij een frequentie van 29,75 kHz is de buigende halve golf (\(\lambda_y/2\)) van een 21-gauge naald \(\ongeveer) 8 mm.Naarmate men de punt nadert, neemt de buiggolflengte af langs de schuine hoek.Aan de punt \(\lambda _y/2\) \(\circa\) zijn er stappen van 3, 1 en 7 mm voor de gebruikelijke lancetvormige (a), asymmetrische (b) en axisymmetrische (c) helling van een enkele naald respectievelijk.Dit betekent dus dat het bereik van het lancet \(\ongeveer) 5 mm is (vanwege het feit dat de twee vlakken van het lancet één enkel punt vormen29,30), de asymmetrische afschuining is 7 mm, de asymmetrische afschuining is 1 mm.Axiaalsymmetrische hellingen (het zwaartepunt blijft constant, dus alleen de buiswanddikte verandert daadwerkelijk langs de helling).
FEM-studies en toepassing van vergelijkingen met een frequentie van 29,75 kHz.(1) Bij het berekenen van de variatie van de buigende halve golf (\(\lambda_y/2\)) voor schuine geometrieën van lancet (a), asymmetrische (b) en asymmetrische (c) (zoals in figuur 1a, b, c ).De gemiddelde waarde \(\lambda_y/2\) van de lancet-, asymmetrische en axiaalsymmetrische afschuiningen was respectievelijk 5,65, 5,17 en 7,52 mm.Houd er rekening mee dat de puntdikte voor asymmetrische en asymmetrische afschuiningen beperkt is tot \(\ca.) 50 µm.
Piekmobiliteit \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) is de optimale combinatie van buislengte (TL) en schuine lengte (BL) (Fig. 8, 9).Voor een conventioneel lancet is de optimale TL \(\ongeveer) 29,1 mm (fig. 8), omdat de maat vastligt.Voor asymmetrische en asymmetrische afschuiningen (respectievelijk Fig. 9a, b) omvatten FEM-onderzoeken BL van 1 tot 7 mm, dus de optimale TL was van 26,9 tot 28,7 mm (bereik 1,8 mm) en van 27,9 tot 29,2 mm (bereik 1,3 mm), respectievelijk.Voor de asymmetrische helling (figuur 9a) nam de optimale TL lineair toe, bereikte een plateau bij BL 4 mm en daalde vervolgens scherp van BL 5 naar 7 mm.Voor een asymmetrische afschuining (figuur 9b) nam de optimale TL lineair toe met toenemende BL en stabiliseerde zich uiteindelijk bij BL van 6 tot 7 mm.Een uitgebreid onderzoek naar axisymmetrische kanteling (Fig. 9c) onthulde een andere reeks optimale TL's bij \(\ongeveer) 35,1–37,1 mm.Voor alle BL's is de afstand tussen de twee beste TL's \(\circa\) 8 mm (equivalent aan \(\lambda_y/2\)).
Lancet-transmissiemobiliteit bij 29,75 kHz.De naald werd flexibel aangeslagen met een frequentie van 29,75 kHz en de trillingen werden gemeten aan de punt van de naald en uitgedrukt als de hoeveelheid overgedragen mechanische mobiliteit (dB ten opzichte van de maximale waarde) voor TL 26,5-29,5 mm (in stappen van 0,1 mm) .
Parametrische studies van de FEM bij een frequentie van 29,75 kHz tonen aan dat de overdrachtsmobiliteit van een asymmetrische punt minder wordt beïnvloed door een verandering in de lengte van de buis dan zijn asymmetrische tegenhanger.Studies naar schuine lengte (BL) en pijplengte (TL) van asymmetrische (a) en asymmetrische (b, c) schuine geometrieën in het frequentiedomeinonderzoek met behulp van FEM (randvoorwaarden worden getoond in figuur 2).(a, b) TL varieerde van 26,5 tot 29,5 mm (stap van 0,1 mm) en BL 1-7 mm (stap van 0,5 mm).(c) Uitgebreide axisymmetrische kantelstudies inclusief TL 25–40 mm (in stappen van 0,05 mm) en BL 0,1–7 mm (in stappen van 0,1 mm), waaruit blijkt dat \(\lambda_y/2\ ) moet voldoen aan de vereisten van de tip.bewegende randvoorwaarden.
De naaldconfiguratie heeft drie eigenfrequenties \(f_{1-3}\) verdeeld in lage, gemiddelde en hoge modusgebieden, zoals weergegeven in Tabel 1. De PTE-grootte werd geregistreerd zoals weergegeven in Fig.10 en vervolgens geanalyseerd in figuur 11. Hieronder staan ​​de bevindingen voor elk modaal gebied:
Typische geregistreerde amplitudes van de instantane vermogensoverdrachtsefficiëntie (PTE) verkregen met sinusoïdale excitatie met geveegde frequentie voor een lancet (L) en asymmetrische afschuining AX1-3 in lucht, water en gelatine op een diepte van 20 mm.Eenzijdige spectra worden getoond.De gemeten frequentierespons (bemonsterd op 300 kHz) werd laagdoorlaatgefilterd en vervolgens met een factor 200 verkleind voor modale analyse.De signaal-ruisverhouding bedraagt ​​\(\le\) 45 dB.PTE-fasen (paarse stippellijnen) worden weergegeven in graden (\(^{\circ}\)).
De modale responsanalyse (gemiddelde ± standaardafwijking, n = 5) getoond in figuur 10, voor hellingen L en AX1-3, in lucht, water en 10% gelatine (diepte 20 mm), met (bovenste) drie modale regio's ( laag, midden en hoog) en hun overeenkomstige modale frequenties\(f_{1-3 }\) (kHz), (gemiddelde) energie-efficiëntie \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Berekend met behulp van equivalenten .(4) en (onder) volledige breedte bij respectievelijk halve maximale metingen \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Merk op dat de bandbreedtemeting werd overgeslagen wanneer een lage PTE werd geregistreerd, dwz \(\text {FWHM}_{1}\) in het geval van AX2-helling.De \(f_2\) modus bleek het meest geschikt voor het vergelijken van hellingsdoorbuigingen, omdat deze het hoogste niveau van energieoverdrachtsefficiëntie liet zien (\(\text {PTE}_{2}\)), tot 99%.
Eerste modale gebied: \(f_1\) hangt niet veel af van het type medium dat wordt ingevoegd, maar hangt af van de geometrie van de helling.\(f_1\) neemt af met afnemende afschuiningslengte (respectievelijk 27,1, 26,2 en 25,9 kHz in lucht voor AX1-3).De regionale gemiddelden \(\text {PTE}_{1}\) en \(\text {FWHM}_{1}\) zijn respectievelijk \(\circa\) 81% en 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) heeft het hoogste gelatinegehalte in de Lancet (L, 473 Hz).Merk op dat \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 in gelatine niet kon worden geëvalueerd vanwege de lage geregistreerde FRF-amplitude.
Het tweede modale gebied: \(f_2\) hangt af van het type media dat is geplaatst en de afschuining.Gemiddelde waarden \(f_2\) zijn respectievelijk 29,1, 27,9 en 28,5 kHz in lucht, water en gelatine.Deze modale regio vertoonde ook een hoge PTE van 99%, de hoogste van alle gemeten groepen, met een regionaal gemiddelde van 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) heeft een regionaal gemiddelde van \(\ongeveer\) 910 Hz.
Derde modusgebied: frequentie \(f_3\) hangt af van het mediatype en de afschuining.Gemiddelde \(f_3\) waarden zijn respectievelijk 32,0, 31,0 en 31,3 kHz in lucht, water en gelatine.Het regionale gemiddelde \(\text {PTE}_{3}\) was \(\ongeveer\) 74%, het laagste van alle regio's.Het regionale gemiddelde \(\text {FWHM}_{3}\) is \(\circa\) 1085 Hz, wat hoger is dan de eerste en tweede regio.
       Het volgende heeft betrekking op afb.12 en Tabel 2. Het lancet (L) week het meest af (met een hoge betekenis voor alle punten, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waarbij de hoogste DPR werd bereikt (tot 220 µm/ W in lucht). 12 en Tabel 2. Het lancet (L) week het meest af (met een hoge betekenis voor alle punten, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waarbij de hoogste DPR werd bereikt (tot 220 µm/ W in lucht). Следюще su p <\) 0,017) как в воздхе, так и в воде (рис. 12а), достиvr . Het volgende is van toepassing op Figuur 12 en Tabel 2. Lancet (L) week het meest af (met hoge betekenis voor alle tips, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waardoor de hoogste DPR werd bereikt.(doe 220 μm/W in lucht).Smt.Figuur 12 en Tabel 2 hieronder.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0,017）（图12a），实现最DPR (在空气中高达220 µm/W)。柳叶刀(L) heeft de hoogste doorbuiging in lucht en water (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), en behaalde de hoogste DPR (tot 220 µm/W in lucht). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) in возду хе en воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт in воздухе). Lancet (L) week het meest af (hoge betekenis voor alle tips, \(p<\) 0,017) in lucht en water (Fig. 12a) en bereikte de hoogste DPR (tot 220 µm/W in lucht). In de lucht boog AX1, dat een hogere BL had, hoger af dan AX2–3 (met significantie, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (dat de laagste BL had) meer afbuigde dan AX2 met een DPR van 190 µm/W. In de lucht boog AX1, dat een hogere BL had, hoger af dan AX2–3 (met significantie, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (dat de laagste BL had) meer afbuigde dan AX2 met een DPR van 190 µm/W. Als AX1 met BL is, is AX2–3 (met \(p<\) 0,017), en AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. In de lucht heeft AX1 met hogere BL meer afgebogen dan AX2–3 (met significantie \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (met laagste BL) meer afbuigde dan AX2 met DPR 190 μm / W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，(p<\) 0.017），而AX3（具有最低BL）的AX2, DPR 为190 µm/W 。 In de lucht is de doorbuiging van AX1 met hogere BL hoger dan die van AX2-3 (significant, \(p<\) 0,017), en de doorbuiging van AX3 (met laagste BL) is groter dan die van AX2, DPR is 190 µm/W . Als AX1 met BL is, dan is AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), en AX3 (met са мым низким BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. In de lucht buigt AX1 met hogere BL meer af dan AX2-3 (significant, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (met laagste BL) meer afbuigt dan AX2 met DPR 190 µm/W.Bij 20 mm water waren de doorbuiging en PTE AX1–3 niet significant verschillend (\(p>\) 0,017).De niveaus van PTE in water (90,2-98,4%) waren over het algemeen hoger dan in lucht (56-77,5%) (Fig. 12c), en het fenomeen van cavitatie werd opgemerkt tijdens het experiment in water (Fig. 13, zie ook aanvullende informatie). informatie).
De mate van doorbuiging van de punt (gemiddelde ± SD, n = 5) gemeten voor afschuining L en AX1-3 in lucht en water (diepte 20 mm) toont het effect van een veranderende afschuiningsgeometrie.De metingen werden verkregen met behulp van continue sinusoïdale excitatie met enkele frequentie.(a) Piek-tot-piekafwijking (\(u_y\vec {j}\)) aan de punt, gemeten bij (b) hun respectieve modale frequenties \(f_2\).(c) Vermogensoverdrachtsefficiëntie (PTE, RMS, %) van de vergelijking.(4) en (d) Afbuigvermogensfactor (DPR, µm/W) berekend als afwijking piek-piek en uitgezonden elektrisch vermogen \(P_T\) (Wrms).
Een typisch schaduwdiagram van een hogesnelheidscamera dat de piek-tot-piekafwijking (groene en rode stippellijnen) toont van een lancet (L) en asymmetrische punt (AX1–3) in water (20 mm diepte) gedurende een halve cyclus.cyclus, bij excitatiefrequentie \(f_2\) (bemonsteringsfrequentie 310 kHz).Het vastgelegde grijswaardenbeeld heeft een grootte van 128×128 pixels en een pixelgrootte van \(\circa\) 5 µm.Video vindt u bij aanvullende informatie.
Zo hebben we de verandering in de buiggolflengte gemodelleerd (Fig. 7) en de overdraagbare mechanische mobiliteit berekend voor combinaties van pijplengte en afschuining (Fig. 8, 9) voor conventionele lancet-, asymmetrische en axiaalsymmetrische afschuiningen met geometrische vormen.Op basis van dit laatste hebben we de optimale afstand van 43 mm (of \(\ongeveer) 2,75\(\lambda _y\) bij 29,75 kHz) geschat van de punt tot de las, zoals weergegeven in figuur 5, en drie axisymmetrisch gemaakt. afschuiningen met verschillende afschuinlengtes.Vervolgens hebben we hun frequentiegedrag in lucht, water en 10% (w/v) ballistische gelatine gekarakteriseerd vergeleken met conventionele lancetten (figuren 10, 11) en de modus bepaald die het meest geschikt is voor vergelijking van schuine afbuiging.Ten slotte hebben we de doorbuiging van de tip gemeten door golven in lucht en water te buigen op een diepte van 20 mm en hebben we de energieoverdrachtsefficiëntie (PTE, %) en de afbuigvermogensfactor (DPR, µm/W) van het inbrengmedium voor elke afschuining gekwantificeerd.hoekig type (Fig. 12).
Er is aangetoond dat de geometrie van de naaldafschuining de mate van afbuiging van de naaldpunt beïnvloedt.Het lancet bereikte de hoogste doorbuiging en de hoogste DPR vergeleken met de asymmetrische afschuining met een lagere gemiddelde doorbuiging (Fig. 12).De asymmetrische afschuining van 4 mm (AX1) met de langste afschuining bereikte een statistisch significante maximale afbuiging in de lucht vergeleken met de andere asymmetrische naalden (AX2–3) (\(p <0,017\), Tabel 2), maar er was geen significant verschil .waargenomen wanneer de naald in water wordt geplaatst.Er is dus geen duidelijk voordeel aan het hebben van een langere afschuiningslengte in termen van piekafbuiging aan de punt.Met dit in gedachten blijkt dat de geometrie van de afschuining die in dit onderzoek is bestudeerd een grotere invloed heeft op de mate van doorbuiging dan de lengte van de afschuining.Dit kan te wijten zijn aan buigstijfheid, bijvoorbeeld afhankelijk van de totale dikte van het materiaal dat wordt gebogen en het ontwerp van de naald.
In experimentele studies wordt de grootte van de gereflecteerde buiggolf beïnvloed door de randvoorwaarden van de punt.Wanneer de naaldpunt in water en gelatine wordt gestoken, is \(\text {PTE}_{2}\) \(\circa\) 95%, en \(\text {PTE}_{ 2}\) is \ (\text {PTE}_{ 2}\) de waarden zijn 73% en 77% voor (\text {PTE}_{1}\) en \(\text {PTE}_{3}\), respectievelijk (Fig. 11).Dit geeft aan dat de maximale overdracht van akoestische energie naar het gietmedium, dat wil zeggen water of gelatine, plaatsvindt bij \(f_2\).Vergelijkbaar gedrag werd waargenomen in een eerdere studie31 met behulp van een eenvoudiger apparaatconfiguratie in het frequentiebereik van 41-43 kHz, waarin de auteurs de afhankelijkheid van de spanningsreflectiecoëfficiënt van de mechanische modulus van het inbeddingsmedium aantoonden.De penetratiediepte32 en de mechanische eigenschappen van het weefsel zorgen voor een mechanische belasting van de naald en zullen daarom naar verwachting het resonantiegedrag van de UZEFNAB beïnvloeden.Aldus kunnen resonantievolgalgoritmen (bijvoorbeeld 17, 18, 33) worden gebruikt om het akoestische vermogen dat door de naald wordt afgegeven te optimaliseren.
Simulatie bij buiggolflengten (Fig. 7) laat zien dat de asymmetrische punt structureel stijver is (dwz stijver bij buigen) dan het lancet en de asymmetrische afschuining.Gebaseerd op (1) en gebruikmakend van de bekende snelheid-frequentierelatie, schatten we de buigstijfheid aan de punt van de naald op \(\ongeveer\) 200, 20 en 1500 MPa voor respectievelijk lancet-, asymmetrische en axiale hellende vlakken.Dit komt overeen met \(\lambda_y\) van respectievelijk \(\ongeveer\) 5,3, 1,7 en 14,2 mm bij 29,75 kHz (Fig. 7a – c).Met het oog op de klinische veiligheid tijdens USeFNAB moet het effect van de geometrie op de structurele stijfheid van het hellende vlak worden beoordeeld34.
Een onderzoek naar de afschuiningsparameters in relatie tot de buislengte (Fig. 9) toonde aan dat het optimale transmissiebereik hoger was voor de asymmetrische afschuining (1,8 mm) dan voor de asymmetrische afschuining (1,3 mm).Bovendien is de mobiliteit stabiel op \(\ongeveer) van 4 tot 4,5 mm en van 6 tot 7 mm voor respectievelijk asymmetrische en axisymmetrische kantelingen (Fig. 9a, b).De praktische betekenis van deze ontdekking komt tot uiting in productietoleranties; een lager bereik van optimale TL kan bijvoorbeeld betekenen dat een grotere lengtenauwkeurigheid vereist is.Tegelijkertijd biedt het mobiliteitsplateau een grotere tolerantie voor het kiezen van de lengte van de dip bij een bepaalde frequentie zonder een significante impact op de mobiliteit.
Het onderzoek omvat de volgende beperkingen.Directe meting van naaldafbuiging met behulp van randdetectie en snelle beeldvorming (Figuur 12) betekent dat we ons beperken tot optisch transparante media zoals lucht en water.We willen er ook op wijzen dat we geen experimenten hebben gebruikt om de gesimuleerde transfermobiliteit te testen en vice versa, maar FEM-onderzoeken hebben gebruikt om de optimale lengte voor naaldfabricage te bepalen.Met betrekking tot praktische beperkingen is de lengte van het lancet van punt tot mouw \(\ongeveer) 0,4 cm langer dan andere naalden (AX1-3), zie fig.3b.Dit kan de modale respons van het naaldontwerp beïnvloeden.Bovendien kunnen de vorm en het volume van het soldeer aan het uiteinde van een golfgeleiderpen (zie figuur 3) de mechanische impedantie van het penontwerp beïnvloeden, waardoor fouten in de mechanische impedantie en het buiggedrag worden geïntroduceerd.
Ten slotte hebben we aangetoond dat de experimentele afschuiningsgeometrie de hoeveelheid doorbuiging in USeFNAB beïnvloedt.Als een grotere doorbuiging een positief effect zou hebben op het effect van de naald op het weefsel, zoals de snijefficiëntie na het doorboren, dan kan een conventioneel lancet worden aanbevolen in USeFNAB, omdat dit maximale doorbuiging biedt terwijl de structurele punt voldoende stijf blijft..Bovendien heeft een recente studie35 aangetoond dat een grotere tipafbuiging biologische effecten zoals cavitatie kan versterken, wat de ontwikkeling van minimaal invasieve chirurgische toepassingen kan vergemakkelijken.Gegeven dat is aangetoond dat het verhogen van het totale akoestische vermogen het aantal biopsieën in USeFNAB13 doet toenemen, zijn verdere kwantitatieve onderzoeken naar de hoeveelheid en kwaliteit van het monster nodig om de gedetailleerde klinische voordelen van de bestudeerde naaldgeometrie te beoordelen.