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.
Gebaseerd op het interdisciplinaire kruispunt van natuurkunde en levenswetenschappen, hebben diagnostische en therapeutische strategieën gebaseerd op precisiegeneeskunde recentelijk aanzienlijke aandacht getrokken vanwege de praktische toepasbaarheid van nieuwe technische methoden op veel gebieden van de geneeskunde, vooral in de oncologie.Binnen dit raamwerk trekt het gebruik van ultrageluid om kankercellen in tumoren aan te vallen en zo mogelijke mechanische schade op verschillende schaalniveaus te veroorzaken steeds meer aandacht van wetenschappers over de hele wereld.Rekening houdend met deze factoren presenteren we, gebaseerd op elastodynamische timingoplossingen en numerieke simulaties, een voorlopige studie van computersimulatie van ultrasone voortplanting in weefsels om geschikte frequenties en vermogens te selecteren door lokale bestraling.Nieuw diagnostisch platform voor het laboratorium On-Fiber-technologie, de ziekenhuisnaald genoemd en al gepatenteerd.Er wordt aangenomen dat de resultaten van de analyse en de daarmee samenhangende biofysische inzichten de weg zouden kunnen vrijmaken voor nieuwe geïntegreerde diagnostische en therapeutische benaderingen die een centrale rol zouden kunnen spelen in de toepassing van precisiegeneeskunde in de toekomst, voortbouwend op de natuurkunde.Er begint een groeiende synergie tussen de biologie.
Met de optimalisatie van een groot aantal klinische toepassingen begon geleidelijk de noodzaak te ontstaan ​​om de bijwerkingen voor patiënten te verminderen.Met het oog hierop is precisiegeneeskunde1, 2, 3, 4, 5 een strategisch doel geworden om de dosis medicijnen die aan patiënten worden toegediend te verminderen, waarbij in essentie twee hoofdbenaderingen worden gevolgd.De eerste is gebaseerd op een behandeling die is ontworpen op basis van het genomische profiel van de patiënt.De tweede, die de gouden standaard in de oncologie aan het worden is, heeft tot doel systemische medicijntoedieningsprocedures te vermijden door te proberen een kleine hoeveelheid medicijn vrij te geven, terwijl tegelijkertijd de nauwkeurigheid wordt vergroot door het gebruik van lokale therapie.Het uiteindelijke doel is het elimineren of op zijn minst minimaliseren van de negatieve effecten van veel therapeutische benaderingen, zoals chemotherapie of systemische toediening van radionucliden.Afhankelijk van het type kanker, de locatie, de stralingsdosis en andere factoren kan zelfs bestralingstherapie een hoog inherent risico voor gezond weefsel met zich meebrengen.Bij de behandeling van glioblastoom6,7,8,9 verwijdert een operatie met succes de onderliggende kanker, maar zelfs als er geen metastasen zijn, kunnen er veel kleine kankerinfiltraten aanwezig zijn.Als ze niet volledig worden verwijderd, kunnen binnen relatief korte tijd nieuwe kankermassa's groeien.In deze context zijn de bovengenoemde precisiegeneeskundige strategieën lastig toe te passen, omdat deze infiltraten moeilijk te detecteren en over een groot gebied te verspreiden zijn.Deze barrières verhinderen definitieve resultaten bij het voorkomen van herhaling met precisiegeneeskunde, dus in sommige gevallen wordt de voorkeur gegeven aan systemische toedieningsmethoden, hoewel de gebruikte medicijnen een zeer hoge mate van toxiciteit kunnen hebben.Om dit probleem te overwinnen zou de ideale behandelingsaanpak het gebruik van minimaal invasieve strategieën zijn die selectief kankercellen kunnen aanvallen zonder gezond weefsel aan te tasten.In het licht van dit argument lijkt het gebruik van ultrasone trillingen, waarvan is aangetoond dat ze kankercellen en gezonde cellen verschillend beïnvloeden, zowel in eencellige systemen als in heterogene clusters op mesoschaal, een mogelijke oplossing.
Vanuit mechanistisch oogpunt hebben gezonde cellen en kankercellen feitelijk verschillende natuurlijke resonantiefrequenties.Deze eigenschap wordt geassocieerd met oncogene veranderingen in de mechanische eigenschappen van de cytoskeletstructuur van kankercellen12,13, terwijl tumorcellen gemiddeld meer vervormbaar zijn dan normale cellen.Met een optimale keuze van de ultrasone frequentie voor stimulatie kunnen trillingen die in geselecteerde gebieden worden geïnduceerd dus schade aan levende kankerstructuren veroorzaken, waardoor de impact op de gezonde omgeving van de gastheer wordt geminimaliseerd.Deze nog niet volledig begrepen effecten kunnen de vernietiging van bepaalde cellulaire structurele componenten omvatten als gevolg van hoogfrequente trillingen veroorzaakt door ultrageluid (in principe zeer vergelijkbaar met lithotripsie14) en cellulaire schade als gevolg van een fenomeen dat lijkt op mechanische vermoeidheid, wat op zijn beurt de cellulaire structuur kan veranderen. .programmeren en mechanobiologie.Hoewel deze theoretische oplossing zeer geschikt lijkt, kan deze helaas niet worden gebruikt in gevallen waarin anechoïsche biologische structuren de directe toepassing van echografie verhinderen, bijvoorbeeld bij intracraniale toepassingen vanwege de aanwezigheid van bot, en sommige borsttumormassa's zich in vetweefsel bevinden. zakdoek.Verzwakking kan de plaats van potentieel therapeutisch effect beperken.Om deze problemen te ondervangen moet lokaal ultrageluid worden toegepast met speciaal ontworpen transducers die de bestraalde plek zo min mogelijk invasief kunnen bereiken.Met dit in gedachten hebben we de mogelijkheid overwogen om ideeën te gebruiken die verband houden met de mogelijkheid om een ​​innovatief technologisch platform te creëren, genaamd het “naaldziekenhuis”15.Het ‘Ziekenhuis in de Naald’-concept omvat de ontwikkeling van een minimaal invasief medisch instrument voor diagnostische en therapeutische toepassingen, gebaseerd op de combinatie van verschillende functies in één medische naald.Zoals in meer detail besproken in de sectie Ziekenhuisnaalden, is dit compacte apparaat voornamelijk gebaseerd op de voordelen van 16, 17, 18, 19, 20, 21 glasvezelsondes, die vanwege hun eigenschappen geschikt zijn voor plaatsing in standaard 20 medische naalden, 22 lumen.Door gebruik te maken van de flexibiliteit die de Lab-on-Fiber (LOF)23-technologie biedt, wordt glasvezel feitelijk een uniek platform voor geminiaturiseerde en gebruiksklare diagnostische en therapeutische apparaten, waaronder apparaten voor vloeistofbiopten en weefselbiopten.in biomoleculaire detectie24,25, lichtgeleide lokale medicijnafgifte26,27, uiterst nauwkeurige lokale echografie28, thermische therapie29,30 en op spectroscopie gebaseerde identificatie van kankerweefsel31.Binnen dit concept onderzoeken we, met behulp van een lokalisatiebenadering gebaseerd op het 'naald in het ziekenhuis'-apparaat, de mogelijkheid om de lokale stimulatie van aanwezige biologische structuren te optimaliseren door de voortplanting van ultrasone golven door naalden te gebruiken om ultrasone golven binnen het interessegebied te exciteren..Therapeutische echografie met lage intensiteit kan dus rechtstreeks op het risicogebied worden toegepast met minimale invasiviteit voor het sonificeren van cellen en kleine vaste formaties in zachte weefsels, zoals bij de bovengenoemde intracraniale chirurgie een klein gaatje in de schedel moet worden ingebracht met een naald.Geïnspireerd door recente theoretische en experimentele resultaten die suggereren dat echografie de ontwikkeling van bepaalde vormen van kanker kan stoppen of vertragen,32,33,34 kan de voorgestelde aanpak helpen, althans in principe, de belangrijkste afwegingen tussen agressieve en curatieve effecten aan te pakken.Met deze overwegingen in het achterhoofd onderzoeken we in dit artikel de mogelijkheid om een ​​naaldapparaat in het ziekenhuis te gebruiken voor minimaal invasieve ultrasone therapie voor kanker.Preciezer gezegd, in de sectie Verstrooiingsanalyse van sferische tumormassa's voor het schatten van groei-afhankelijke ultrasone frequentie gebruiken we gevestigde elastodynamische methoden en akoestische verstrooiingstheorie om de grootte van sferische vaste tumoren te voorspellen die in een elastisch medium zijn gegroeid.stijfheid die optreedt tussen de tumor en het gastheerweefsel als gevolg van door groei geïnduceerde hermodellering van het materiaal.Nadat we ons systeem, dat we de sectie ‘Ziekenhuis in de naald’ noemen, hebben beschreven, analyseren we in de sectie ‘Ziekenhuis in de naald’ de voortplanting van ultrasone golven door medische naalden met de voorspelde frequenties en hun numerieke model bestraalt de omgeving om te bestuderen de belangrijkste geometrische parameters (de werkelijke binnendiameter, lengte en scherpte van de naald), die de overdracht van het akoestische vermogen van het instrument beïnvloeden.Gezien de noodzaak om nieuwe technische strategieën voor precisiegeneeskunde te ontwikkelen, wordt aangenomen dat de voorgestelde studie zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een nieuw hulpmiddel voor de behandeling van kanker, gebaseerd op het gebruik van echografie, geleverd via een geïntegreerd theragnostisch platform dat echografie integreert met andere oplossingen.Gecombineerd, zoals gerichte medicijnafgifte en realtime diagnostiek binnen één enkele naald.
De effectiviteit van het bieden van mechanistische strategieën voor de behandeling van gelokaliseerde solide tumoren met behulp van ultrasone (ultrasone) stimulatie is het doel geweest van verschillende artikelen die zowel theoretisch als experimenteel het effect van ultrasone trillingen met lage intensiteit op eencellige systemen behandelen 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Met behulp van visco-elastische modellen hebben verschillende onderzoekers analytisch aangetoond dat tumor- en gezonde cellen verschillende frequentieresponsen vertonen, gekenmerkt door duidelijke resonante pieken in het US 10,11,12-bereik.Dit resultaat suggereert dat tumorcellen in principe selectief kunnen worden aangevallen door mechanische stimuli die de gastheeromgeving behouden.Dit gedrag is een direct gevolg van belangrijk bewijs dat tumorcellen in de meeste gevallen beter kneedbaar zijn dan gezonde cellen, mogelijk om hun vermogen om te prolifereren en te migreren te vergroten37,38,39,40.Gebaseerd op de resultaten verkregen met enkelvoudige celmodellen, bijvoorbeeld op microschaal, is de selectiviteit van kankercellen ook op de mesoschaal aangetoond door numerieke studies van de harmonische reacties van heterogene celaggregaten.Meercellige aggregaten van honderden micrometers groot, die een verschillend percentage kankercellen en gezonde cellen opleverden, werden hiërarchisch opgebouwd.Op het mesoniveau van deze aggregaten blijven enkele interessante microscopische kenmerken behouden dankzij de directe implementatie van de belangrijkste structurele elementen die het mechanische gedrag van afzonderlijke cellen karakteriseren.In het bijzonder gebruikt elke cel een op tensegrity gebaseerde architectuur om de respons van verschillende voorgespannen cytoskeletstructuren na te bootsen, waardoor hun algehele stijfheid wordt beïnvloed12,13.Theoretische voorspellingen en in vitro-experimenten uit de bovengenoemde literatuur hebben bemoedigende resultaten opgeleverd, die wijzen op de noodzaak om de gevoeligheid van tumormassa's voor therapeutische ultrasone golven met lage intensiteit (LITUS) te bestuderen, en de beoordeling van de bestralingsfrequentie van tumormassa's is cruciaal.positie LITUS voor toepassing op locatie.
Op weefselniveau gaat de submacroscopische beschrijving van de individuele component echter onvermijdelijk verloren, en de eigenschappen van het tumorweefsel kunnen worden getraceerd met behulp van sequentiële methoden om de massagroei en door stress geïnduceerde hermodelleringsprocessen te volgen, rekening houdend met de macroscopische effecten van groei.-geïnduceerde veranderingen in weefselelasticiteit op een schaal van 41,42.In tegenstelling tot eencellige en geaggregeerde systemen groeien vaste tumormassa's in zachte weefsels als gevolg van de geleidelijke accumulatie van afwijkende restspanningen, die de natuurlijke mechanische eigenschappen veranderen als gevolg van een toename van de algehele intratumorale stijfheid, en tumorsclerose wordt vaak een bepalende factor bij het ontstaan ​​van tumoren. detectie van tumoren.
Met deze overwegingen in gedachten analyseren we hier de sonodynamische respons van tumorsferoïden, gemodelleerd als elastische bolvormige insluitsels die groeien in een normale weefselomgeving.Preciezer gezegd, de elastische eigenschappen die verband houden met het stadium van de tumor werden bepaald op basis van de theoretische en experimentele resultaten die sommige auteurs in eerder werk hadden verkregen.Onder hen is de evolutie van solide tumorsferoïden die in vivo in heterogene media zijn gekweekt, bestudeerd door niet-lineaire mechanische modellen 41,43,44 toe te passen in combinatie met interspeciesdynamica om de ontwikkeling van tumormassa's en daarmee samenhangende intratumorale stress te voorspellen.Zoals hierboven vermeld, veroorzaken groei (bijvoorbeeld inelastische voorstrekking) en restspanning een progressieve hermodellering van de eigenschappen van het tumormateriaal, waardoor ook de akoestische respons ervan verandert.Het is belangrijk op te merken dat in ref.41 De co-evolutie van groei en solide stress bij tumoren is aangetoond in experimentele campagnes in diermodellen.In het bijzonder bevestigde een vergelijking van de stijfheid van borsttumormassa's die in verschillende stadia zijn weggesneden met de stijfheid verkregen door het reproduceren van vergelijkbare omstandigheden in silico op een sferisch eindige-elementenmodel met dezelfde afmetingen en rekening houdend met het voorspelde restspanningsveld de voorgestelde methode van geldigheid van modellen..In dit werk worden eerder verkregen theoretische en experimentele resultaten gebruikt om een ​​nieuw ontwikkelde therapeutische strategie te ontwikkelen.In het bijzonder werden hier voorspelde afmetingen met overeenkomstige evolutionaire resistentie-eigenschappen berekend, die dus werden gebruikt om de frequentiebereiken te schatten waarvoor tumormassa's ingebed in de gastheeromgeving gevoeliger zijn.Daartoe hebben we dus het dynamische gedrag van de tumormassa in verschillende stadia onderzocht, waarbij we rekening hielden met akoestische indicatoren in overeenstemming met het algemeen aanvaarde principe van verstrooiing als reactie op ultrasone stimuli en waarbij we mogelijke resonante verschijnselen van de sferoïde benadrukten. .afhankelijk van tumor en gastheer Groeiafhankelijke verschillen in stijfheid tussen weefsels.
Zo werden tumormassa's gemodelleerd als elastische bollen met straal \(a\) in de omringende elastische omgeving van de gastheer, op basis van experimentele gegevens die laten zien hoe omvangrijke kwaadaardige structuren in situ groeien in bolvormige vormen.Verwijzend naar Figuur 1, met behulp van de sferische coördinaten \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (waar \(\theta\) en \(\varphi\) respectievelijk de anomaliehoek en de azimuthoek vertegenwoordigen), wordt de tumordomein beslaat regio ingebed in gezonde ruimte \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta,\varphi):r\le a\}\) onbegrensde regio \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Verwijzend naar aanvullende informatie (SI) voor een volledige beschrijving van het wiskundige model op basis van de gevestigde elastodynamische basis die in veel literatuur wordt gerapporteerd, beschouwen we hier een probleem dat wordt gekenmerkt door een axiaalsymmetrische oscillatiemodus.Deze aanname impliceert dat alle variabelen binnen de tumor- en gezonde gebieden onafhankelijk zijn van de azimutale coördinaat \(\varphi\) en dat er geen vervorming in deze richting optreedt.Bijgevolg kunnen de verplaatsings- en spanningsvelden worden verkregen uit twee scalaire potentiëlen \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) en \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , ze zijn respectievelijk gerelateerd aan een longitudinale golf en een schuifgolf, de coïncidentietijd t tussen de golf \(\theta \) en de hoek tussen de richting van de invallende golf en de positievector \({\mathbf {x))\) ( zoals weergegeven in figuur 1) en \(\omega = 2\pi f\) vertegenwoordigt de hoekfrequentie.In het bijzonder wordt het invallende veld gemodelleerd door de vlakke golf \(\phi_{H}^{(in)}\) (ook geïntroduceerd in het SI-systeem, in vergelijking (A.9)) die zich voortplant in het volume van het lichaam volgens de wetsuitdrukking
waarbij \(\phi_{0}\) de amplitudeparameter is.De sferische uitzetting van een invallende vlakke golf (1) met behulp van een sferische golffunctie is het standaardargument:
Waar \(j_{n}\) de sferische Bessel-functie is van de eerste soort orde \(n\), en \(P_{n}\) de Legendre-polynoom is.Een deel van de invallende golf van de investeringssfeer wordt verspreid in het omringende medium en overlapt het invallende veld, terwijl het andere deel binnen de bol wordt verspreid, wat bijdraagt ​​aan de trilling ervan.Om dit te doen, zijn de harmonische oplossingen van de golfvergelijking \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) en \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), bijvoorbeeld geleverd door Eringen45 (zie ook SI ) kan wijzen op tumor- en gezonde gebieden.In het bijzonder laten verspreide expansiegolven en isovolumische golven gegenereerd in het gastmedium \(H\) hun respectievelijke potentiële energieën toe:
Onder hen wordt de sferische Hankel-functie van de eerste soort \(h_{n}^{(1)}\) gebruikt om de uitgaande verstrooide golf te beschouwen, en \(\alpha_{n}\) en \(\beta_{ n}\ ) zijn de onbekendencoëfficiënten.in de vergelijking.In vergelijkingen (2)–(4) geven de termen \(k_{H1}\) en \(k_{H2}\) respectievelijk de golfgetallen van verdunning en transversale golven in het hoofdgebied van het lichaam aan ( zie SI).Compressievelden in de tumor en verschuivingen hebben de vorm
Waar \(k_{T1}\) en \(k_{T2}\) de longitudinale en transversale golfgetallen in het tumorgebied vertegenwoordigen, en de onbekende coëfficiënten zijn \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Op basis van deze resultaten zijn radiale en omtreksverplaatsingscomponenten die niet nul zijn kenmerkend voor gezonde regio's in het beschouwde probleem, zoals \(u_{Hr}\) en \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) de aanname van de symmetrie is niet langer nodig) — kan worden verkregen uit de relatie \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) door \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) en \ te vormen (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (zie SI voor gedetailleerde wiskundige afleiding).Op dezelfde manier retourneert het vervangen van \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) en \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{T\theta} = r^{-1}\gedeeltelijk _{\theta }\left({\phi +\gedeeltelijk_{r}(r\chi)}\right)\).
(Links) Geometrie van een bolvormige tumor gekweekt in een gezonde omgeving waardoor een invallend veld zich voortplant, (rechts) Overeenkomstige evolutie van de tumor-gastheer-stijfheidsverhouding als functie van de tumorradius, gerapporteerde gegevens (aangepast van Carotenuto et al. 41) uit compressietests in vitro werden verkregen uit solide borsttumoren geïnoculeerd met MDA-MB-231-cellen.
Uitgaande van lineaire elastische en isotrope materialen, gehoorzamen de spanningscomponenten die niet nul zijn in de gezonde en tumorgebieden, dwz \(\sigma_{Hpq}\) en \(\sigma_{Tpq}\) – aan de algemene wet van Hooke, gegeven het feit dat er zijn verschillende Lamé-moduli , die de elasticiteit van de gastheer en de tumor karakteriseren, aangeduid als \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) en \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (zie vergelijking (A.11) voor de volledige uitdrukking van de spanningscomponenten weergegeven in SI).In het bijzonder vertoonden groeiende tumoren, volgens de gegevens in referentie 41 en weergegeven in Figuur 1, een verandering in de weefselelasticiteitsconstanten.Verplaatsingen en spanningen in de gastheer- en tumorregio's worden dus volledig bepaald op basis van een reeks onbekende constanten \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) heeft theoretisch oneindige dimensies.Om deze coëfficiëntvectoren te vinden, worden geschikte interfaces en randvoorwaarden tussen de tumor en gezonde gebieden geïntroduceerd.Uitgaande van een perfecte binding op het tumor-gastheer-grensvlak \(r = a\), vereist de continuïteit van verplaatsingen en spanningen de volgende voorwaarden:
Systeem (7) vormt een stelsel vergelijkingen met oneindige oplossingen.Bovendien zal elke randvoorwaarde afhangen van de anomalie \(\theta\).Het grenswaardeprobleem terugbrengen tot een compleet algebraïsch probleem met \(N\) sets van gesloten systemen, die zich elk in de onbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ bevinden {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (met \ ( N \ tot \infty \), theoretisch), en om de afhankelijkheid van de vergelijkingen van de trigonometrische termen te elimineren, worden de interfacevoorwaarden in een zwakke vorm geschreven met behulp van de orthogonaliteit van de Legendre-polynomen.In het bijzonder worden de vergelijkingen (7)1,2 en (7)3,4 vermenigvuldigd met \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) en \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) en integreer vervolgens tussen \(0\) en \(\pi\) met behulp van wiskundige identiteiten:
De interfacevoorwaarde (7) retourneert dus een kwadratisch algebraïsch vergelijkingssysteem, dat in matrixvorm kan worden uitgedrukt als \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) en verkrijg de onbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) door de regel van Cramer op te lossen.
Om de door de bol verstrooide energieflux te schatten en informatie te verkrijgen over de akoestische respons ervan op basis van gegevens over het verstrooide veld dat zich voortplant in het gastmedium, is een akoestische grootheid van belang, namelijk een genormaliseerde bistatische verstrooiingsdwarsdoorsnede.In het bijzonder drukt de verstrooiingsdwarsdoorsnede, aangeduid met \(s), de verhouding uit tussen het akoestische vermogen dat door het verstrooide signaal wordt uitgezonden en de verdeling van de energie die door de invallende golf wordt gedragen.In dit opzicht is de grootte van de vormfunctie \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) een veelgebruikte grootheid in de studie van akoestische mechanismen ingebed in een vloeistof of vaste stof Verstrooiing van voorwerpen in het sediment.Preciezer gezegd, de amplitude van de vormfunctie wordt gedefinieerd als de differentiële verstrooiingsdwarsdoorsnede \(ds\) per oppervlakte-eenheid, die verschilt met de normaal van de voortplantingsrichting van de invallende golf:
waarbij \(f_{n}^{pp}\) en \(f_{n}^{ps}\) de modale functie aangeven, die verwijst naar de verhouding van de krachten van de longitudinale golf en de verstrooide golf ten opzichte van de invallende P-golven in het ontvangende medium worden respectievelijk gegeven met de volgende uitdrukkingen:
Gedeeltelijke golffuncties (10) kunnen onafhankelijk worden bestudeerd in overeenstemming met de resonante verstrooiingstheorie (RST)49,50,51,52, die het mogelijk maakt om de doelelasticiteit te scheiden van het totale strooiveld bij het bestuderen van verschillende modi.Volgens deze methode kan de modale vormfunctie worden ontleed in een som van twee gelijke delen, namelijk \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) zijn gerelateerd aan respectievelijk de resonante en niet-resonante achtergrondamplitudes.De vormfunctie van de resonantiemodus houdt verband met de respons van het doel, terwijl de achtergrond gewoonlijk verband houdt met de vorm van de verstrooier.Om de eerste formant van het doel voor elke modus te detecteren, moet de amplitude van de modale resonantievormfunctie \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) wordt berekend uitgaande van een harde achtergrond, bestaande uit ondoordringbare bollen in een elastisch gastmateriaal.Deze hypothese wordt gemotiveerd door het feit dat in het algemeen zowel de stijfheid als de dichtheid toenemen met de groei van de tumormassa als gevolg van de resterende drukspanning.Dus bij een ernstig groeiniveau wordt verwacht dat de impedantieverhouding \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) groter is dan 1 voor de meeste macroscopische solide tumoren die zich ontwikkelen in zachte tumoren. weefsels.Krouskop et al.53 rapporteerden een verhouding van kanker- tot normale modulus van ongeveer 4 voor prostaatweefsel, terwijl deze waarde toenam tot 20 voor borstweefselmonsters.Deze relaties veranderen onvermijdelijk de akoestische impedantie van het weefsel, zoals ook aangetoond door elastografieanalyse , en kunnen verband houden met plaatselijke weefselverdikking veroorzaakt door hyperproliferatie van de tumor.Dit verschil is ook experimenteel waargenomen met eenvoudige compressietests van borsttumorblokken die in verschillende stadia zijn gegroeid32, en hermodellering van het materiaal kan goed worden gevolgd met voorspellende cross-speciesmodellen van niet-lineair groeiende tumoren43,44.De verkregen stijfheidsgegevens houden rechtstreeks verband met de evolutie van de Young-modulus van solide tumoren volgens de formule \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( bollen met straal \(a\), stijfheid \(S\) en Poisson-verhouding \(\nu\) tussen twee stijve platen 57, zoals weergegeven in figuur 1).Het is dus mogelijk om akoestische impedantiemetingen van de tumor en de gastheer op verschillende groeiniveaus te verkrijgen.In het bijzonder resulteerde, in vergelijking met de modulus van normaal weefsel gelijk aan 2 kPa in figuur 1, de elastische modulus van borsttumoren in het volumebereik van ongeveer 500 tot 1250 mm3 in een toename van ongeveer 10 kPa tot 16 kPa, wat consistent met de gerapporteerde gegevens.in referenties 58, 59 werd gevonden dat de druk in borstweefselmonsters 0,25–4 kPa bedraagt ​​met verdwijnende precompressie.Neem ook aan dat de Poisson-verhouding van een bijna onsamendrukbaar weefsel 41,60 is, wat betekent dat de dichtheid van het weefsel niet significant verandert naarmate het volume toeneemt.In het bijzonder wordt de gemiddelde massabevolkingsdichtheid \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 gebruikt.Met deze overwegingen kan stijfheid een achtergrondmodus aannemen met behulp van de volgende uitdrukking:
Waar de onbekende constante \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) kan worden berekend rekening houdend met de continuïteit bias ( 7 )2,4, dat wil zeggen door het algebraïsche systeem \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} op te lossen } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) waarbij minderjarigen betrokken zijn\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) en de bijbehorende vereenvoudigde kolomvector\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Biedt basiskennis in vergelijking (11), twee amplitudes van de terugverstrooiende resonantiemodusfunctie \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{. n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) en \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) verwijst respectievelijk naar P-golfexcitatie en P- en S-golfreflectie.Verder werd de eerste amplitude geschat als \(\theta = \pi\), en de tweede amplitude werd geschat als \(\theta = \pi/4\).Door verschillende compositie-eigenschappen te laden.Figuur 2 laat zien dat de resonante kenmerken van tumorsferoïden met een diameter tot ongeveer 15 mm voornamelijk geconcentreerd zijn in de frequentieband van 50-400 kHz, wat de mogelijkheid aangeeft om laagfrequente echografie te gebruiken om resonante tumorexcitatie te induceren.cellen.Veel.In deze frequentieband onthulde de RST-analyse single-mode formanten voor de modi 1 tot en met 6, gemarkeerd in figuur 3. Hier tonen zowel pp- als ps-verstrooide golven formanten van het eerste type, die voorkomen bij zeer lage frequenties, die toenemen van ongeveer 20 kHz voor de modus 1 tot ongeveer 60 kHz voor n = 6, wat geen significant verschil in bolstraal laat zien.De resonantiefunctie ps vervalt dan, terwijl de combinatie van pp-formanten met grote amplitude een periodiciteit van ongeveer 60 kHz oplevert, wat een hogere frequentieverschuiving laat zien bij toenemend modusnummer.Alle analyses werden uitgevoerd met behulp van Mathematica®62 computersoftware.
De terugverstrooiingsvormfuncties verkregen uit de module van borsttumoren van verschillende groottes worden getoond in figuur 1, waar de banden met de hoogste verstrooiing worden benadrukt, rekening houdend met mode-superpositie.
Resonanties van geselecteerde modi van \(n = 1\) tot \(n = 6\), berekend op basis van excitatie en reflectie van de P-golf bij verschillende tumorgroottes (zwarte curven van \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) en P-golfexcitatie en S-golfreflectie (grijze curven gegeven door modale vormfunctie \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left| {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
De resultaten van deze voorlopige analyse met behulp van propagatieomstandigheden in het verre veld kunnen als leidraad dienen voor de selectie van aandrijfspecifieke aandrijffrequenties in de volgende numerieke simulaties om het effect van microvibratiestress op de massa te bestuderen.De resultaten laten zien dat de kalibratie van optimale frequenties stadiumspecifiek kan zijn tijdens tumorgroei en kan worden bepaald met behulp van de resultaten van groeimodellen om biomechanische strategieën vast te stellen die worden gebruikt bij ziektetherapie om weefselremodellering correct te voorspellen.
Aanzienlijke vooruitgang in de nanotechnologie zet de wetenschappelijke gemeenschap ertoe aan nieuwe oplossingen en methoden te vinden voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde en minimaal invasieve medische hulpmiddelen voor in vivo toepassingen.In deze context heeft LOF-technologie een opmerkelijk vermogen getoond om de mogelijkheden van optische vezels uit te breiden, waardoor de ontwikkeling van nieuwe minimaal invasieve glasvezelapparaten voor biowetenschappelijke toepassingen21, 63, 64, 65 mogelijk wordt. Het idee om 2D- en 3D-materialen te integreren met gewenste chemische, biologische en optische eigenschappen aan de zijkanten 25 en/of uiteinden 64 van optische vezels met volledige ruimtelijke controle op nanoschaal leidt tot de opkomst van een nieuwe klasse glasvezel nano-optodes.heeft een breed scala aan diagnostische en therapeutische functies.Interessant is dat optische vezels vanwege hun geometrische en mechanische eigenschappen (kleine doorsnede, grote aspectverhouding, flexibiliteit, laag gewicht) en de biocompatibiliteit van materialen (meestal glas of polymeren) zeer geschikt zijn voor inbrenging in naalden en katheters.Medische toepassingen20, die de weg vrijmaken voor een nieuwe visie op het ‘naaldenziekenhuis’ (zie Figuur 4).
Dankzij de vrijheidsgraden die de LOF-technologie biedt, kunnen optische vezels, door gebruik te maken van de integratie van micro- en nanostructuren gemaakt van verschillende metallische en/of diëlektrische materialen, op de juiste manier worden gefunctionaliseerd voor specifieke toepassingen die vaak excitatie in resonante modus ondersteunen.Het lichtveld 21 is sterk gepositioneerd.De insluiting van licht op een schaal onder de golflengte, vaak in combinatie met chemische en/of biologische verwerking63 en de integratie van gevoelige materialen zoals slimme polymeren65,66 kan de controle over de interactie van licht en materie vergroten, wat nuttig kan zijn voor theranostische doeleinden.De keuze van het type en de grootte van geïntegreerde componenten/materialen hangt uiteraard af van de te detecteren fysische, biologische of chemische parameters21,63.
Integratie van LOF-sondes in medische naalden die op specifieke plaatsen in het lichaam worden gericht, zal lokale vloeistof- en weefselbiopten in vivo mogelijk maken, waardoor gelijktijdige lokale behandeling mogelijk is, bijwerkingen worden verminderd en de efficiëntie wordt verhoogd.Potentiële mogelijkheden zijn onder meer de detectie van verschillende circulerende biomoleculen, waaronder kanker.biomarkers of microRNA's (miRNA's)67, identificatie van kankerweefsel met behulp van lineaire en niet-lineaire spectroscopie zoals Raman-spectroscopie (SERS)31, foto-akoestische beeldvorming met hoge resolutie22,28,68, laserchirurgie en ablatie69, en medicijnen voor lokale toediening met behulp van licht27 en automatische geleiding van naalden in het menselijk lichaam20.Het is vermeldenswaard dat, hoewel het gebruik van optische vezels de typische nadelen van “klassieke” methoden op basis van elektronische componenten vermijdt, zoals de noodzaak van elektrische verbindingen en de aanwezigheid van elektromagnetische interferentie, dit het mogelijk maakt verschillende LOF-sensoren effectief te integreren in de systeem.enkele medische naald.Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan het verminderen van schadelijke effecten zoals vervuiling, optische interferentie en fysieke obstakels die overspraakeffecten tussen verschillende functies veroorzaken.Het is echter ook zo dat veel van de genoemde functies niet tegelijkertijd actief hoeven te zijn.Dit aspect maakt het mogelijk om op zijn minst de interferentie te verminderen, waardoor de negatieve impact op de prestaties van elke sonde en de nauwkeurigheid van de procedure wordt beperkt.Deze overwegingen stellen ons in staat het concept van de ‘naald in het ziekenhuis’ te beschouwen als een eenvoudige visie om een ​​solide basis te leggen voor de volgende generatie therapeutische naalden in de levenswetenschappen.
Met betrekking tot de specifieke toepassing die in dit artikel wordt besproken, zullen we in de volgende sectie numeriek het vermogen van een medische naald onderzoeken om ultrasone golven in menselijke weefsels te richten met behulp van hun voortplanting langs zijn as.
De voortplanting van ultrasone golven door een medische naald gevuld met water en ingebracht in zachte weefsels (zie diagram in figuur 5a) werd gemodelleerd met behulp van de commerciële Comsol Multiphysics-software gebaseerd op de eindige elementenmethode (FEM), waarbij de naald en het weefsel worden gemodelleerd. als lineair elastische omgeving.
Verwijzend naar figuur 5b is de naald gemodelleerd als een holle cilinder (ook bekend als een “canule”) gemaakt van roestvrij staal, een standaardmateriaal voor medische naalden71.In het bijzonder werd het gemodelleerd met Young's modulus E = 205 GPa, Poisson's verhouding ν = 0,28 en dichtheid ρ = 7850 kg · m -372,73.Geometrisch wordt de naald gekenmerkt door een lengte L, een binnendiameter D (ook wel “speling” genoemd) en een wanddikte t.Bovendien wordt aangenomen dat de punt van de naald onder een hoek a staat ten opzichte van de lengterichting (z).Het watervolume komt in essentie overeen met de vorm van het binnenste gebied van de naald.In deze voorlopige analyse werd aangenomen dat de naald volledig was ondergedompeld in een weefselgebied (waarvan werd aangenomen dat het zich voor onbepaalde tijd uitstrekt), gemodelleerd als een bol met straal rs, die tijdens alle simulaties constant bleef op 85 mm.Meer gedetailleerd werken we het bolvormige gebied af met een perfect op elkaar afgestemde laag (PML), die op zijn minst ongewenste golven vermindert die worden gereflecteerd door ‘denkbeeldige’ grenzen.Vervolgens hebben we de straal rs gekozen om de sferische domeingrens ver genoeg van de naald te plaatsen om de rekenoplossing niet te beïnvloeden, en klein genoeg om de rekenkosten van de simulatie niet te beïnvloeden.
Een harmonische longitudinale verschuiving van frequentie f en amplitude A wordt toegepast op de ondergrens van de naaldgeometrie;deze situatie vertegenwoordigt een invoerstimulus die wordt toegepast op de gesimuleerde geometrie.Aan de resterende grenzen van de naald (in contact met weefsel en water) wordt aangenomen dat het geaccepteerde model een relatie omvat tussen twee fysieke verschijnselen, waarvan er één verband houdt met structurele mechanica (voor het gebied van de naald), en de andere op structurele mechanica.(voor het naaldvormige gebied), zodat de overeenkomstige voorwaarden worden opgelegd aan de akoestiek (voor water en het naaldvormige gebied)74.In het bijzonder veroorzaken kleine trillingen die op de naaldzitting worden uitgeoefend kleine spanningsverstoringen;Dus, ervan uitgaande dat de naald zich gedraagt ​​als een elastisch medium, kan de verplaatsingsvector U worden geschat op basis van de elastodynamische evenwichtsvergelijking (Navier)75.Structurele oscillaties van de naald veroorzaken veranderingen in de waterdruk erin (die in ons model als stationair wordt beschouwd), als gevolg waarvan geluidsgolven zich in de lengterichting van de naald voortplanten en in wezen voldoen aan de Helmholtz-vergelijking76.Ten slotte, ervan uitgaande dat de niet-lineaire effecten in weefsels verwaarloosbaar zijn en dat de amplitude van de schuifgolven veel kleiner is dan de amplitude van de drukgolven, kan de Helmholtz-vergelijking ook worden gebruikt om de voortplanting van akoestische golven in zachte weefsels te modelleren.Na deze benadering wordt het weefsel beschouwd als een vloeistof77 met een dichtheid van 1000 kg/m3 en een geluidssnelheid van 1540 m/s (waarbij frequentieafhankelijke dempingseffecten buiten beschouwing worden gelaten).Om deze twee fysieke velden met elkaar te verbinden, is het noodzakelijk om de continuïteit van de normale beweging op de grens van de vaste stof en de vloeistof, het statische evenwicht tussen druk en spanning loodrecht op de grens van de vaste stof, en de tangentiële spanning op de grens van de vaste stof te garanderen. vloeistof moet gelijk zijn aan nul.75 .
In onze analyse onderzoeken we de voortplanting van akoestische golven langs een naald onder stationaire omstandigheden, waarbij we ons concentreren op de invloed van de geometrie van de naald op de emissie van golven in het weefsel.In het bijzonder onderzochten we de invloed van de binnendiameter van de naald D, de lengte L en de schuine hoek α, waarbij we de dikte t voor alle bestudeerde gevallen op 500 µm hielden.Deze waarde van t ligt dicht bij de typische standaardwanddikte 71 voor commerciële naalden.
Zonder verlies van algemeenheid werd de frequentie f van de harmonische verplaatsing toegepast op de basis van de naald gelijk gesteld aan 100 kHz, en de amplitude A was 1 μm.In het bijzonder werd de frequentie ingesteld op 100 kHz, wat consistent is met de analytische schattingen gegeven in de sectie “Verstrooiingsanalyse van sferische tumormassa’s om groei-afhankelijke ultrasone frequenties te schatten”, waar een resonantie-achtig gedrag van tumormassa’s werd gevonden in het frequentiebereik van 50–400 kHz, waarbij de grootste verstrooiingsamplitude geconcentreerd is bij lagere frequenties rond 100–200 kHz (zie figuur 2).
De eerste bestudeerde parameter was de interne diameter D van de naald.Gemakshalve wordt deze gedefinieerd als een gehele fractie van de akoestische golflengte in de holte van de naald (dwz in water λW = 1,5 mm).De verschijnselen van golfvoortplanting in apparaten die worden gekenmerkt door een bepaalde geometrie (bijvoorbeeld in een golfgeleider) hangen vaak af van de karakteristieke grootte van de gebruikte geometrie in vergelijking met de golflengte van de zich voortplantende golf.Om het effect van de diameter D op de voortplanting van de akoestische golf door de naald beter te benadrukken, hebben we in de eerste analyse bovendien een platte punt overwogen, waarbij de hoek α = 90° werd ingesteld.Tijdens deze analyse werd de naaldlengte L vastgesteld op 70 mm.
Op afb.6a toont de gemiddelde geluidsintensiteit als functie van de dimensieloze schaalparameter SD, dwz D = λW/SD geëvalueerd in een bol met een straal van 10 mm gecentreerd op de overeenkomstige naaldpunt.De schaalparameter SD verandert van 2 naar 6, dwz we beschouwen D-waarden variërend van 7,5 mm tot 2,5 mm (bij f = 100 kHz).Het assortiment omvat ook een standaardwaarde van 71 voor roestvrijstalen medische naalden.Zoals verwacht beïnvloedt de binnendiameter van de naald de intensiteit van het geluid dat door de naald wordt uitgezonden, met een maximale waarde (1030 W/m2) die overeenkomt met D = λW/3 (dwz D = 5 mm) en een dalende trend met afnemende diameter.Er moet rekening mee worden gehouden dat de diameter D een geometrische parameter is die ook de invasiviteit van een medisch hulpmiddel beïnvloedt, dus dit cruciale aspect kan niet worden genegeerd bij het kiezen van de optimale waarde.Daarom, hoewel de afname in D optreedt als gevolg van de lagere transmissie van akoestische intensiteit in de weefsels, is voor de volgende onderzoeken de diameter D = λW/5, dwz D = 3 mm (komt overeen met de 11G71-standaard bij f = 100 kHz) wordt beschouwd als een redelijk compromis tussen de intrusiviteit van het apparaat en de overdracht van geluidsintensiteit (gemiddeld ongeveer 450 W/m2).
De gemiddelde intensiteit van het geluid dat wordt uitgezonden door de punt van de naald (als plat beschouwd), afhankelijk van de binnendiameter van de naald (a), lengte (b) en schuine hoek α (c).De lengte in (a, c) is 90 mm en de diameter in (b, c) is 3 mm.
De volgende parameter die moet worden geanalyseerd is de lengte van de naald L. Net als in de vorige casestudy beschouwen we een schuine hoek α = 90° en wordt de lengte geschaald als een veelvoud van de golflengte in water, dwz beschouw L = SL λW .De dimensieloze schaalparameter SL wordt gewijzigd van 3 bij 7, waardoor de gemiddelde intensiteit wordt geschat van het geluid dat wordt uitgezonden door de punt van de naald in het lengtebereik van 4,5 tot 10,5 mm.Dit bereik omvat typische waarden voor commerciële naalden.De resultaten worden getoond in Fig.6b, waaruit blijkt dat de lengte van de naald, L, een grote invloed heeft op de overdracht van geluidsintensiteit in weefsels.Concreet maakte de optimalisatie van deze parameter het mogelijk om de transmissie met ongeveer een orde van grootte te verbeteren.In feite neemt de gemiddelde geluidsintensiteit in het geanalyseerde lengtebereik een lokaal maximum aan van 3116 W/m2 bij SL = 4 (dwz L = 60 mm), en de andere komt overeen met SL = 6 (dwz L = 90 mm). mm).
Na analyse van de invloed van de diameter en lengte van de naald op de voortplanting van ultrageluid in cilindrische geometrie, hebben we ons geconcentreerd op de invloed van de schuine hoek op de overdracht van geluidsintensiteit in weefsels.De gemiddelde intensiteit van het geluid afkomstig van de vezelpunt werd geëvalueerd als een functie van de hoek α, waarbij de waarde veranderde van 10° (scherpe punt) naar 90° (platte punt).In dit geval was de straal van de integrerende bol rond de beschouwde punt van de naald 20 mm, zodat voor alle waarden van α de punt van de naald werd opgenomen in het op basis van het gemiddelde berekende volume.
Zoals weergegeven in afb.6c, wanneer de punt wordt geslepen, dat wil zeggen, wanneer α afneemt vanaf 90°, neemt de intensiteit van het overgedragen geluid toe en bereikt een maximale waarde van ongeveer 1,5 × 105 W/m2, wat overeenkomt met α = 50°, dat wil zeggen, 2 is een orde van grootte hoger ten opzichte van de vlakke toestand.Bij verdere verscherping van de punt (dat wil zeggen bij α onder 50°) heeft de geluidsintensiteit de neiging af te nemen en waarden te bereiken die vergelijkbaar zijn met een afgeplatte punt.Hoewel we voor onze simulaties een breed scala aan afschuiningshoeken hebben overwogen, is het de moeite waard om te overwegen dat het slijpen van de punt noodzakelijk is om het inbrengen van de naald in het weefsel te vergemakkelijken.In feite kan een kleinere schuine hoek (ongeveer 10°) de kracht 78 verminderen die nodig is om weefsel te penetreren.
Naast de waarde van de geluidsintensiteit die in het weefsel wordt overgedragen, beïnvloedt de schuine hoek ook de richting van de golfvoortplanting, zoals weergegeven in de geluidsdrukniveaugrafieken weergegeven in figuur 7a (voor de platte punt) en 3b (voor 10° ).afgeschuinde punt), evenwijdig. De lengterichting wordt geëvalueerd in het symmetrievlak (yz, zie figuur 5).In het uiterste geval van deze twee overwegingen is het geluidsdrukniveau (ook wel 1 µPa genoemd) hoofdzakelijk geconcentreerd in de naaldholte (dwz in het water) en uitgestraald naar het weefsel.Meer gedetailleerd: in het geval van een platte punt (figuur 7a) is de verdeling van het geluidsdrukniveau perfect symmetrisch ten opzichte van de lengterichting, en kunnen staande golven worden onderscheiden in het water dat het lichaam vult.De golf is longitudinaal georiënteerd (z-as), de amplitude bereikt zijn maximale waarde in water (ongeveer 240 dB) en neemt transversaal af, wat leidt tot een verzwakking van ongeveer 20 dB op een afstand van 10 mm van het midden van de naald.Zoals verwacht doorbreekt de introductie van een puntige punt (Fig. 7b) deze symmetrie, en de antinodes van de staande golven "afbuigen" af volgens de punt van de naald.Blijkbaar beïnvloedt deze asymmetrie de stralingsintensiteit van de naaldpunt, zoals eerder beschreven (Fig. 6c).Om dit aspect beter te begrijpen, werd de akoestische intensiteit geëvalueerd langs een snijlijn loodrecht op de lengterichting van de naald, die zich in het symmetrievlak van de naald bevond en zich op een afstand van 10 mm van de punt van de naald bevond ( resultaten in figuur 7c).Meer specifiek werden de verdelingen van de geluidsintensiteit beoordeeld bij schuine hoeken van 10°, 20° en 30° (respectievelijk blauwe, rode en groene doorgetrokken lijnen) vergeleken met de verdeling nabij het platte uiteinde (zwarte gestippelde curven).De intensiteitsverdeling die gepaard gaat met naalden met platte punt lijkt symmetrisch te zijn rond het midden van de naald.In het bijzonder neemt het een waarde aan van ongeveer 1420 W/m2 in het midden, een overflow van ongeveer 300 W/m2 op een afstand van ~8 mm, en neemt vervolgens af tot een waarde van ongeveer 170 W/m2 op ~30 mm .Naarmate de punt puntiger wordt, verdeelt de centrale lob zich in meer lobben met verschillende intensiteit.Meer specifiek, wanneer α 30° was, konden drie bloembladen duidelijk worden onderscheiden in het profiel gemeten op 1 mm van de punt van de naald.De middelste bevindt zich bijna in het midden van de naald en heeft een geschatte waarde van 1850 W/m2, en de hogere rechts bevindt zich ongeveer 19 mm van het midden en bereikt 2625 W/m2.Bij α = 20° zijn er 2 hoofdlobben: één per −12 mm bij 1785 W/m2 en één per 14 mm bij 1524 W/m2.Wanneer de punt scherper wordt en de hoek 10° bereikt, wordt een maximum van 817 W/m2 bereikt bij ongeveer -20 mm, en zijn er nog drie lobben van iets mindere intensiteit zichtbaar langs het profiel.
Geluidsdrukniveau in het symmetrievlak y–z van een naald met een plat uiteinde (a) en een afschuining van 10° (b).(c) Verdeling van de akoestische intensiteit geschat langs een snijlijn loodrecht op de lengterichting van de naald, op een afstand van 10 mm van de punt van de naald en liggend in het symmetrievlak yz.De lengte L is 70 mm en de diameter D is 3 mm.
Alles bij elkaar laten deze resultaten zien dat medische naalden effectief kunnen worden gebruikt om ultrageluid op 100 kHz naar zacht weefsel te sturen.De intensiteit van het uitgezonden geluid hangt af van de geometrie van de naald en kan worden geoptimaliseerd (behoudens de beperkingen opgelegd door de invasiviteit van het eindapparaat) tot waarden in het bereik van 1000 W/m2 (bij 10 mm).aangebracht op de onderkant van de naald 1. In het geval van een micrometer-offset wordt de naald geacht volledig in het oneindig uitgestrekte zachte weefsel te zijn ingebracht.In het bijzonder heeft de afschuiningshoek een sterke invloed op de intensiteit en richting van de voortplanting van geluidsgolven in het weefsel, wat voornamelijk leidt tot de orthogonaliteit van de snede van de naaldpunt.
Om de ontwikkeling van nieuwe tumorbehandelingsstrategieën op basis van het gebruik van niet-invasieve medische technieken te ondersteunen, werd de verspreiding van laagfrequente echografie in de tumoromgeving analytisch en computationeel geanalyseerd.In het bijzonder stelde een tijdelijke elastodynamische oplossing ons in het eerste deel van het onderzoek in staat de verstrooiing van ultrasone golven in vaste tumorsferoïden van bekende grootte en stijfheid te bestuderen om de frequentiegevoeligheid van de massa te bestuderen.Vervolgens werden frequenties in de orde van honderden kilohertz gekozen, en de lokale toepassing van trillingsstress in de tumoromgeving met behulp van een medische naaldaandrijving werd gemodelleerd in numerieke simulatie door de invloed te bestuderen van de belangrijkste ontwerpparameters die de overdracht van de akoestische signalen bepalen. kracht van het instrument voor het milieu.De resultaten laten zien dat medische naalden effectief kunnen worden gebruikt om weefsels te bestralen met ultrageluid, en de intensiteit ervan hangt nauw samen met de geometrische parameter van de naald, de zogenaamde werkende akoestische golflengte.In feite neemt de intensiteit van de bestraling door het weefsel toe met toenemende interne diameter van de naald, en bereikt een maximum wanneer de diameter drie keer de golflengte is.De lengte van de naald biedt ook enige vrijheid om de belichting te optimaliseren.Dit laatste resultaat wordt inderdaad gemaximaliseerd wanneer de naaldlengte wordt ingesteld op een bepaald veelvoud van de bedrijfsgolflengte (specifiek 4 en 6).Interessant is dat voor het betreffende frequentiebereik de geoptimaliseerde diameter- en lengtewaarden dicht bij de waarden liggen die gewoonlijk worden gebruikt voor standaard commerciële naalden.De schuine hoek, die de scherpte van de naald bepaalt, heeft ook invloed op de emissiviteit, piekt op ongeveer 50° en levert goede prestaties op ongeveer 10°, wat gewoonlijk wordt gebruikt voor commerciële naalden..Simulatieresultaten zullen worden gebruikt om de implementatie en optimalisatie van het intranaalddiagnostisch platform van het ziekenhuis te begeleiden, waarbij diagnostische en therapeutische echografie wordt geïntegreerd met andere therapeutische oplossingen in het apparaat en collaboratieve precisiegeneeskundige interventies worden gerealiseerd.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. en Kopp MV Wat is precisiegeneeskunde?Eur, buitenlands.Tijdschrift 50, 1700391 (2017).
Collins, FS en Varmus, H. Nieuwe initiatieven in precisiegeneeskunde.N. ing.J. Geneeskunde.372, 793-795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK en Wang, MD.Biomedische beeldvormingsinformatica in het tijdperk van de precisiegeneeskunde: prestaties, uitdagingen en kansen.Jam.geneesmiddel.informeren.Assistent professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precisie-oncologie: een overzicht.J. Klinisch.Oncol.31, 1803-1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., en Salem, A. Verbetering van de glioblastoom (GBM) -therapie met behulp van een op nanodeeltjes gebaseerd toedieningssysteem.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G en von Daimling A. Glioblastoma: pathologie, moleculaire mechanismen en markers.Acta Neuropathologie.129(6), 829-848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM en Berger, MS Huidige en toekomstige strategieën voor de behandeling van glioom.neurochirurgie.Ed.40, 1–14 (2017).