Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Повзунки, що показують три статті на слайді.Використовуйте кнопки «Назад» і «Далі» для переходу між слайдами або кнопки керування слайдами в кінці для переходу між слайдами.
Нещодавно було продемонстровано, що використання ультразвуку може покращити вихід тканини під час тонкоголкової аспіраційної біопсії (USeFNAB) у порівнянні зі звичайною тонкоголковою аспіраційною біопсією (FNAB).Зв'язок між геометрією скосу та дією кінчика голки ще не досліджено.У цьому дослідженні ми досліджували властивості резонансу голки та амплітуду відхилення для різних геометрій скосу голки з різною довжиною скосу.Використовуючи звичайний ланцет із зрізом 3,9 мм, коефіцієнт потужності відхилення кінчика (DPR) становив 220 і 105 мкм/Вт у повітрі та воді відповідно.Це вище, ніж осесиметричний 4-міліметровий скошений наконечник, який досягав DPR 180 і 80 мкм/Вт у повітрі та воді відповідно.Це дослідження підкреслює важливість зв’язку між жорсткістю на вигин геометрії скосу в контексті різних допоміжних засобів для введення, і, таким чином, може дати розуміння методів контролю дії різання після проколу шляхом зміни геометрії скосу голки, що важливо для USeFNAB.Застосування має значення.
Тонкоголкова аспіраційна біопсія (FNAB) — це техніка, при якій голка використовується для отримання зразка тканини при підозрі на аномалію1,2,3.Показано, що наконечники типу Franseen забезпечують вищу ефективність діагностики, ніж традиційні наконечники Lancet4 і Menghini5.Осесиметричні (тобто окружні) скоси також були запропоновані для збільшення ймовірності адекватного зразка для гістопатології6.
Під час біопсії голка проходить через шари шкіри і тканин, щоб виявити підозрілу патологію.Недавні дослідження показали, що ультразвукова активація може зменшити силу проколу, необхідну для доступу до м’яких тканин7,8,9,10.Було показано, що геометрія скосу голки впливає на сили взаємодії голки, наприклад, було показано, що довші скоси мають нижчу силу проникнення в тканину 11 .Було припущено, що після того, як голка проникла в поверхню тканини, тобто після проколу, сила різання голки може становити 75% від загальної сили взаємодії голки з тканиною12.Показано, що ультразвукове дослідження (УЗД) покращує якість діагностичної біопсії м’яких тканин у постпункційній фазі13.Інші методи покращення якості біопсії кістки були розроблені для взяття зразків твердих тканин14,15, але не було повідомлено про результати, які покращують якість біопсії.Кілька досліджень також виявили, що механічне зміщення збільшується зі збільшенням напруги приводу ультразвуку16,17,18.Хоча існує багато досліджень аксіальних (поздовжніх) статичних сил у взаємодії голки та тканини19,20, дослідження тимчасової динаміки та геометрії скосу голки в ультразвуковому посиленому FNAB (USeFNAB) обмежені.
Метою цього дослідження було дослідити вплив різної геометрії скосу на дію кінчика голки, викликану згинанням голки на ультразвукових частотах.Зокрема, ми досліджували вплив ін’єкційного середовища на відхилення кінчика голки після проколу для звичайних скосів голки (наприклад, ланцети), осесиметричної та асиметричної геометрії з одним скосом (рис. для полегшення розробки голок USeFNAB для різних цілей, таких як вибіркове всмоктування доступу або ядер м’яких тканин.
У цьому дослідженні були включені різні геометрії скосу.(a) Ланцети, що відповідають стандарту ISO 7864:201636, де \(\alpha\) — основний кут скосу, \(\theta\) — вторинний кут повороту скоса, а \(\phi\) — вторинний кут повороту скоса в градуси , у градусах (\(^\circ\)).(b) лінійні асиметричні одноступінчасті фаски (так звані «стандартні» в DIN 13097:201937) і (c) лінійні осесиметричні (окружні) одноступеневі фаски.
Наш підхід полягає в тому, щоб спочатку змоделювати зміну довжини хвилі вигину вздовж схилу для звичайної ланцетної, осесиметричної та асиметричної одноступеневої геометрії схилу.Потім ми розрахували параметричне дослідження, щоб дослідити вплив кута скосу та довжини труби на рухливість транспортного механізму.Це робиться для визначення оптимальної довжини для виготовлення прототипу голки.На основі моделювання були виготовлені прототипи голок, а їх резонансна поведінка в повітрі, воді та 10% (w/v) балістичному желатині була експериментально охарактеризована шляхом вимірювання коефіцієнта відбиття напруги та розрахунку ефективності передачі потужності, з якої робоча частота була визначається..Нарешті, високошвидкісна візуалізація використовується для безпосереднього вимірювання відхилення хвилі вигину на кінчику голки в повітрі та воді, а також для оцінки електричної потужності, що передається кожним нахилом, і геометрії коефіцієнта потужності відхилення (DPR) ін’єктованого середній.
Як показано на малюнку 2a, використовуйте трубу № 21 (0,80 мм зовнішнього діаметра, 0,49 мм внутрішнього діаметра, товщина стінки труби 0,155 мм, стандартна стінка згідно з ISO 9626:201621), виготовлену з нержавіючої сталі 316 (модуль Юнга 205).\(\text {GN/m}^{2}\), щільність 8070 кг/м\(^{3}\), коефіцієнт Пуассона 0,275).
Визначення довжини хвилі вигину та налаштування кінцево-елементної моделі (FEM) голки та граничних умов.(a) Визначення довжини скосу (BL) і довжини труби (TL).(b) Тривимірна (3D) модель кінцевих елементів (FEM) з використанням гармонічної точкової сили \(\tilde{F}_y\vec{j}\) для збудження голки на проксимальному кінці, відхилення точки та вимірювання швидкості за наконечник (\(\tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) для розрахунку механічної транспортної мобільності.\(\lambda _y\) визначається як довжина хвилі вигину, пов'язана з вертикальною силою \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Визначте центр тяжіння, площу поперечного перерізу A та моменти інерції \(I_{xx}\) і \(I_{yy}\) навколо осі x та осі y відповідно.
Як показано на рис.2b,c, для нескінченного (нескінченного) пучка з площею поперечного перерізу A і при великій довжині хвилі порівняно з розміром поперечного перерізу пучка згинальна (або згинальна) фазова швидкість \(c_{EI}\ ) визначається як 22:
де E — модуль Юнга (\(\text {Н/м}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) — кутова частота збудження (рад/с), де \( f_0 \ ) — лінійна частота (1/с або Гц), I — момент інерції області навколо досліджуваної осі \((\text {m}^{4})\) і \(m'=\ rho _0 A \) — маса одиниці довжини (кг/м), де \(\rho _0\) — густина \((\text {кг/м}^{3})\), а A — хрест -площа перерізу балки (площина xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Оскільки в нашому випадку прикладена сила паралельна вертикальній осі y, тобто \(\tilde{F}_y\vec {j}\), нас цікавить лише момент інерції області навколо горизонтальної x- вісь, тобто \(I_{xx} \), Ось чому:
Для моделі кінцевих елементів (FEM) передбачається чисте гармонічне зміщення (м), тому прискорення (\(\text {m/s}^{2}\)) виражається як \(\partial ^2 \vec { u}/ \ часткове t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), наприклад \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) є тривимірним вектором переміщення, визначеним у просторових координатах.Заміна останнього на скінченно деформуючу лагранжеву форму закону балансу імпульсу23, відповідно до його реалізації в програмному пакеті COMSOL Multiphysics (версії 5.4-5.5, COMSOL Inc., Массачусетс, США), дає:
Де \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) — оператор розбіжності тензора, а \({\underline{\sigma}}\) — другий тензор напружень Піола-Кірхгофа (другий порядок, \(\ текст { N /m}^{2}\)), і \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) — вектор об’ємної сили (\(\text {Н/м}^{3}\)) кожного об’єму, що деформується, а \(e^{j\phi }\) — фаза тілесна сила, має фазовий кут \(\ фі\) (рад).У нашому випадку об’ємна сила тіла дорівнює нулю, і наша модель передбачає геометричну лінійність і малі чисто пружні деформації, тобто \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), де \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) та \({\underline{ \varepsilon}}\) – пружна та повна деформація (безрозмірна другого порядку) відповідно.Конститутивний ізотропний тензор пружності Гука \(\underline {\underline {C))\) отримано за допомогою модуля Юнга E(\(\text{N/m}^{2}\)) і визначено коефіцієнт Пуассона v, так що \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвертий порядок).Отже, обчислення напруги виглядає як \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Розрахунки проводились з 10-вузловими тетраедричними елементами з розміром елемента \(\le\) 8 мкм.Голка моделюється у вакуумі, а значення передачі механічної рухливості (мс-1 Г-1) визначається як \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, де \(\tilde{v}_y\vec {j}\) вихідна комплексна швидкість наконечника, а \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) є складною рушійною силою, розташованою на проксимальному кінці трубки, як показано на рис. 2b.Трансмісійна механічна рухливість виражається в децибелах (дБ), використовуючи максимальне значення як еталон, тобто \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ) , Усі дослідження FEM проводились на частоті 29,75 кГц.
Конструкція голки (рис. 3) складається зі звичайної підшкірної голки 21 калібру (каталожний номер: 4665643, Sterican\(^\circledR\), зовнішній діаметр 0,8 мм, довжина 120 мм, виготовлена ​​з AISI хромонікелева нержавіюча сталь 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Німеччина) проксимально розмістив пластикову втулку Luer Lock з поліпропілену з відповідною модифікацією наконечника.Голчаста трубка припаяна до хвилеводу, як показано на рис. 3b.Хвилевід був надрукований на 3D-принтері з нержавіючої сталі (EOS Stainless Steel 316L на 3D-принтері EOS M 290, 3D Formtech Oy, Ювяскюля, Фінляндія), а потім прикріплений до датчика Ланжевена за допомогою болтів M4.Перетворювач Ланжевена складається з 8 п'єзоелектричних кільцевих елементів з двома вантажами на кожному кінці.
Чотири типи наконечників (на фото), комерційно доступний ланцет (L) і три виготовлені осесиметричні одноступеневі фаски (AX1–3) характеризуються довжиною фаски (BL) 4, 1,2 і 0,5 мм відповідно.(a) Збільшений план готового кінчика голки.(b) Вид зверху чотирьох контактів, припаяних до хвилеводу, надрукованого на 3D, а потім підключених до датчика Ланжевена за допомогою болтів M4.
Три осесиметричні скошені наконечники (рис. 3) (TAs Machine Tools Oy) були виготовлені з довжиною скосу (BL, визначеною на рис. 2а) 4,0, 1,2 і 0,5 мм, що відповідає \(\приблизно\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) і 18\(^\circ\).Вага хвилеводу та стилуса становить 3,4 ± 0,017 г (середнє значення ± SD, n = 4) для фаски L і AX1–3 відповідно (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Геттінген, Німеччина).Загальна довжина від кінчика голки до кінця пластикової втулки становить 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 см для фаски L і AX1-3 на малюнку 3b відповідно.
Для всіх конфігурацій голки довжина від кінчика голки до кінчика хвилеводу (тобто зони спаювання) становить 4,3 см, а трубка голки орієнтована так, що фаска спрямована вгору (тобто паралельно осі Y ).), як на (рис. 2).
Спеціальний сценарій у MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Массачусетс, США), запущений на комп’ютері (Latitude 7490, Dell Inc., Техас, США), використовувався для створення лінійної синусоїдальної розгортки від 25 до 35 кГц за 7 секунд, перетворюється на аналоговий сигнал цифрово-аналоговим (DA) перетворювачем (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, США).Потім аналоговий сигнал \(V_0\) (0,5 Vp-p) був посилений за допомогою спеціального підсилювача радіочастот (RF) (Mariachi Oy, Турку, Фінляндія).Падаюча підсилювальна напруга \({V_I}\) виводиться з радіочастотного підсилювача з вихідним опором 50 \(\Omega\) на трансформатор, вбудований у структуру голки з вхідним опором 50 \(\Omega)\) Перетворювач Ланжевена (передній і задній багатошарові п'єзоелектричні перетворювачі, навантажені масою) використовуються для генерації механічних хвиль.Індивідуальний радіочастотний підсилювач оснащено двоканальним вимірювачем коефіцієнта потужності стоячої хвилі (КСВ), який може виявляти падаючу \({V_I}\) і відбиту посилену напругу \(V_R\) через аналого-цифровий сигнал 300 кГц (AD). ) конвертер (Analog Discovery 2).Сигнал збудження модулюється по амплітуді на початку і в кінці, щоб запобігти перевантаженню входу підсилювача перехідними процесами.
Використовуючи спеціальний скрипт, реалізований у MATLAB, функція частотної характеристики (AFC), тобто передбачає лінійну стаціонарну систему.Крім того, застосуйте смуговий фільтр від 20 до 40 кГц, щоб видалити з сигналу будь-які небажані частоти.Посилаючись на теорію лінії передачі, \(\tilde{H}(f)\) у цьому випадку еквівалентно коефіцієнту відбиття напруги, тобто \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Оскільки вихідний опір підсилювача \(Z_0\) відповідає вхідному опору вбудованого трансформатора перетворювача, а коефіцієнт відбиття електричної потужності \({P_R}/{P_I}\) зменшується до \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) дорівнює \ (|\rho _{V}|^2\).У випадку, коли потрібне абсолютне значення електричної потужності, обчисліть падаючу \(P_I\) і відбиту\(P_R\) потужність (Вт), взявши середньоквадратичне (середньоквадратичне) значення відповідної напруги, наприклад, для лінії передачі із синусоїдальним збудженням \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, де \(Z_0\) дорівнює 50 \(\Omega\).Електрична потужність, що надходить до навантаження \(P_T\) (тобто вставлене середовище), може бути розрахована як \(|P_I – P_R |\) (Вт RMS), а ефективність передачі потужності (PTE) може бути визначена та виражена як відсоток (%) таким чином дає 27:
Потім частотна характеристика використовується для оцінки модальних частот \(f_{1-3}\) (кГц) конструкції стилуса та відповідної ефективності передачі потужності \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Гц) оцінюється безпосередньо з \(\text {PTE}_{1{-}3}\), з таблиці 1 частоти \(f_{1-3}\), описані в .
Метод вимірювання частотної характеристики (АЧХ) голчастої структури.Двоканальне вимірювання синусоїдальної розгортки25,38 використовується для отримання функції частотної характеристики \(\tilde{H}(f)\) та її імпульсної характеристики H(t).\({\mathcal {F}}\) і \({\mathcal {F}}^{-1}\) позначають числове усічене перетворення Фур'є та операцію зворотного перетворення відповідно.\(\tilde{G}(f)\) означає, що два сигнали перемножуються в частотній області, наприклад \(\tilde{G}_{XrX}\) означає зворотне сканування\(\tilde{X} r( f )\) і сигнал падіння напруги \(\tilde{X}(f)\).
Як показано на рис.5, високошвидкісна камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., Нью-Джерсі, США) з макрооб’єктивом (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Токіо, Японія) використовувалися для реєстрації відхилення кінчика голки, підданого згинальному збудженню (одночастотна, безперервна синусоїда) на частоті 27,5–30 кГц.Щоб створити карту тіней, охолоджений елемент білого світлодіода високої інтенсивності (номер деталі: 4052899910881, білий світлодіод, 3000 К, 4150 лм, Osram Opto Semiconductors GmbH, Регенсбург, Німеччина) був розміщений позаду скосу голки.
Вид спереду експериментальної установки.Глибина вимірюється від поверхні носія.Конструкція голки затискається та монтується на моторизованому транспортному столі.Використовуйте високошвидкісну камеру з об’єктивом із великим збільшенням (5\(\разів\)), щоб виміряти відхилення скошеного кінчика.Всі розміри вказані в міліметрах.
Для кожного типу скосу голки ми записали 300 високошвидкісних кадрів камери 128 \(\x\) 128 пікселів, кожен з просторовою роздільною здатністю 1/180 мм (\(\приблизно) 5 мкм), з тимчасовою роздільною здатністю 310 000 кадрів в секунду.Як показано на малюнку 6, кожен кадр (1) обрізається (2) так, щоб кінчик знаходився в останньому рядку (внизу) кадру, а потім обчислюється гістограма зображення (3), тому пороги Canny 1 і 2 можна визначити.Потім застосуйте визначення ребер Canny28(4) за допомогою оператора Sobel 3 \(\times\) 3 і обчисліть позицію пікселя некавітаційної гіпотенузи (позначеної \(\mathbf {\times }\)) для всіх 300-кратних кроків .Для визначення розмаху прогину в кінці обчислюється похідна (з використанням алгоритму центральної різниці) (6) і ідентифікується кадр, що містить локальні екстремуми (тобто пік) прогину (7).Після візуального огляду краю без кавітації було обрано пару кадрів (або два кадри, розділених половиною періоду часу) (7) і виміряно відхилення кінчика (позначене \(\mathbf {\times} \ ). Вищезазначене було реалізовано у Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) з використанням алгоритму виявлення краю OpenCV Canny (v4.5.1, бібліотека комп’ютерного бачення з відкритим кодом, opencv.org) електрична потужність \ (P_T \) (Вт, середньоквадратичне значення). .
Відхилення наконечника було виміряно за допомогою серії кадрів, зроблених високошвидкісною камерою на частоті 310 кГц, із використанням 7-етапного алгоритму (1-7), включаючи кадрування (1-2), виявлення краю Canny (3-4), край розташування пікселя обчислення (5) та їх похідні за часом (6), і, нарешті, відхилення вершини від піку до піку були виміряні на візуально перевірених парах рамок (7).
Вимірювання проводили в повітрі (22,4-22,9°C), деіонізованій воді (20,8-21,5°C) і балістичному желатині 10% (мас./об.) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Бичачий і свинячий кістковий желатин для балістичного аналізу типу I, Honeywell International, Північна Кароліна, США).Температуру вимірювали за допомогою підсилювача з термопарою K-типу (AD595, Analog Devices Inc., Массачусетс, США) і термопари K-типу (Fluke 80PK-1 Bead Probe № 3648 type-K, Fluke Corporation, Вашингтон, США).Від середовища Глибина вимірювалася від поверхні (встановлена ​​як початок осі z) за допомогою вертикального моторизованого столика для осі z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вільнюс, Литва) з роздільною здатністю 5 мкм.за крок.
Оскільки розмір вибірки був малим (n = 5) і не можна було припустити нормальність, було використано двовибірковий двобічний тест суми рангів Вілкоксона (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). щоб порівняти величину відхилення кінчика голки для різних фасок.Було 3 порівняння на нахил, тому було застосовано поправку Бонферроні зі скоригованим рівнем значущості 0,017 і рівнем помилок 5%.
Тепер звернемося до рис.7.На частоті 29,75 кГц півхвиля вигину (\(\lambda_y/2\)) стрілки 21-го калібру становить \(\приблизно) 8 мм.У міру наближення до кінчика довжина хвилі вигину зменшується вздовж похилого кута.На вістрі \(\lambda _y/2\) \(\приблизно\) є кроки 3, 1 і 7 мм для звичайного ланцетного (а), асиметричного (б) і осесиметричного (в) нахилу однієї голки. , відповідно.Таким чином, це означає, що діапазон ланцета \(\приблизно) 5 мм (через те, що дві площини ланцета утворюють одну точку29,30), асиметричний скіс — 7 мм, асиметричний скіс — 1 мм. мм.Осесиметричні схили (центр ваги залишається постійним, тому вздовж схилу фактично змінюється лише товщина стінки труби).
Дослідження конечних елементів і застосування рівнянь на частоті 29,75 кГц.(1) Під час розрахунку варіації напівхвилі вигину (\(\lambda_y/2\)) для ланцетної (a), асиметричної (b) та осесиметричної (c) геометрії скосу (як на рис. 1a,b,c) ) .Середнє значення \(\lambda_y/2\) ланцетного, асиметричного та осесиметричного скосів становило 5,65, 5,17 та 7,52 мм відповідно.Зауважте, що товщина наконечника для асиметричних і осесиметричних фасок обмежена \(\приблизно) 50 мкм.
Пікова рухливість \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) є оптимальною комбінацією довжини труби (TL) і довжини скосу (BL) (рис. 8, 9).Для звичайного ланцета, оскільки його розмір фіксований, оптимальна TL становить \(\приблизно) 29,1 мм (рис. 8).Для асиметричних та осесиметричних скосів (рис. 9а, б, відповідно) дослідження FEM включали BL від 1 до 7 мм, тому оптимальні TL були від 26,9 до 28,7 мм (діапазон 1,8 мм) та від 27,9 до 29,2 мм (діапазон). 1,3 мм) відповідно.Для асиметричного нахилу (рис. 9а) оптимальна TL зростала лінійно, досягла плато при BL 4 мм, а потім різко знизилася від BL 5 до 7 мм.Для осесиметричного скосу (рис. 9b) оптимальний TL зростав лінійно зі збільшенням BL і остаточно стабілізувався на BL від 6 до 7 мм.Розширене дослідження осесиметричного нахилу (рис. 9c) виявило інший набір оптимальних TL на \(\приблизно) 35,1–37,1 мм.Для всіх BL відстань між двома найкращими TL становить \(\приблизно\) 8 мм (еквівалентно \(\lambda_y/2\)).
Мобільність передачі ланцета на 29,75 кГц.Голку гнучко збуджували на частоті 29,75 кГц, і вібрацію вимірювали на кінчику голки та виражали як величину переданої механічної рухливості (дБ відносно максимального значення) для TL 26,5-29,5 мм (з кроком 0,1 мм) .
Параметричні дослідження FEM на частоті 29,75 кГц показують, що зміна довжини трубки менше впливає на рухливість передачі осесиметричного наконечника, ніж його асиметричного аналога.Дослідження довжини скосу (BL) і довжини труби (TL) асиметричної (a) і осесиметричної (b, c) геометрії скосу в дослідженні частотної області за допомогою методу FEM (граничні умови показані на рис. 2).(а, б) TL коливався від 26,5 до 29,5 мм (з кроком 0,1 мм), а BL 1–7 мм (з кроком 0,5 мм).(c) Розширені осесиметричні дослідження нахилу, включаючи TL 25–40 мм (з кроком 0,05 мм) і BL 0,1–7 мм (з кроком 0,1 мм), які показують, що \(\lambda_y/2\ ) має відповідати вимогам наконечника.рухомі граничні умови.
Конфігурація голки має три власні частоти \(f_{1-3}\), розділені на області низького, середнього та високого режимів, як показано в таблиці 1. Розмір PTE був записаний, як показано на рис.10, а потім проаналізовано на рис. 11. Нижче наведено результати для кожної модальної області:
Типові зареєстровані амплітуди миттєвої ефективності передачі потужності (PTE), отримані за допомогою синусоїдального збудження качаючої частоти для ланцета (L) і осесиметричного скосу AX1-3 у повітрі, воді та желатині на глибині 20 мм.Показано однобічні спектри.Виміряна частотна характеристика (з частотою дискретизації 300 кГц) була відфільтрована через низькі частоти, а потім зменшена у 200 разів для модального аналізу.Відношення сигнал/шум \(\le\) 45 дБ.Фази PTE (фіолетові пунктирні лінії) показано в градусах (\(^{\circ}\)).
Аналіз модального відгуку (середнє ± стандартне відхилення, n = 5), показаний на рис. 10, для нахилів L і AX1-3, у повітрі, воді та 10% желатину (глибина 20 мм), з (угорі) трьома модальними областями ( низький, середній і високий) та їх відповідні модальні частоти\(f_{1-3 }\) (кГц), (середня) енергоефективність \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Обчислено за допомогою еквівалентів .(4) і (внизу) повна ширина на половині максимальних вимірювань \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Гц), відповідно.Зауважте, що вимірювання смуги пропускання було пропущено, коли було зареєстровано низький PTE, тобто \(\text {FWHM}_{1}\) у випадку нахилу AX2.Режим \(f_2\) виявився найбільш придатним для порівняння прогинів схилів, оскільки він показав найвищий рівень ефективності передачі потужності (\(\text {PTE}_{2}\)), до 99%.
Перша модальна область: \(f_1\) не сильно залежить від типу вставленого середовища, але залежить від геометрії схилу.\(f_1\) зменшується зі зменшенням довжини скосу (27,1, 26,2 і 25,9 кГц у повітрі для AX1-3 відповідно).Середні регіональні значення \(\text {PTE}_{1}\) і \(\text {FWHM}_{1}\) становлять \(\приблизно\) 81% і 230 Гц відповідно.\(\text {FWHM}_{1}\) має найвищий вміст желатину в Lancet (L, 473 Гц).Зверніть увагу, що \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 у желатині не можна було оцінити через низьку зареєстровану амплітуду FRF.
Друга модальна область: \(f_2\) залежить від типу вставленого носія та фаски.Середні значення \(f_2\) становлять 29,1, 27,9 і 28,5 кГц в повітрі, воді і желатині відповідно.Цей модальний регіон також продемонстрував високий PTE 99%, найвищий серед усіх виміряних груп, із середнім регіональним показником 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) має середнє регіональне значення \(\приблизно\) 910 Гц.
Область третього режиму: частота \(f_3\) залежить від типу носія та фаски.Середні значення \(f_3\) становлять 32,0, 31,0 і 31,3 кГц в повітрі, воді і желатині відповідно.\(\text {PTE}_{3}\) середній регіональний показник становив \(\приблизно\) 74%, найнижчий показник з усіх регіонів.Середня регіональна частота \(\text {FWHM}_{3}\) становить \(\приблизно\) 1085 Гц, що вище, ніж у першому та другому регіонах.
       Нижче наведено посилання на рис.12 і Таблиця 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значимістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/ W у повітрі). 12 і Таблиця 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значимістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/ W у повітрі). Наступне відноситься до малюнка 12 і таблиці 2. Ланцет (L) відклонився більше (з високою значущістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017), як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягнута сама висока ДПР . Наступне стосується рисунка 12 і таблиці 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значущістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12a), досягаючи найвищого DPR.(до 220 мкм/Вт у повітрі).смт.Малюнок 12 і Таблиця 2 нижче.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），实现最高DPR （在空气中高达220 мкм/Вт）。柳叶刀(L) має найвищий прогин у повітрі та воді (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), і досяг найвищого DPR (до 220 мкм/Вт у повітря). Ланцет (L) відклонявся більше всього (висока значущість для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) в повітрі і воді (рис. 12а), досягаючи найбільшого DPR (до 220 мкм/Вт в повітрі). Lancet (L) найбільше відхилявся (висока значущість для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) у повітрі та воді (рис. 12a), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/Вт у повітрі). У повітрі AX1, який мав вищий BL, відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (який мав найнижчий BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1, який мав вищий BL, відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (який мав найнижчий BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з більш високим BL відхилявся вище, ніж AX2–3 (з значущістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з вищим BL відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт.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）的偏转大于AX2，DPR 为190 мкм/Вт . У повітрі відхилення AX1 з вищим BL вище, ніж відхилення AX2-3 (значно, \(p<\) 0,017), а відхилення AX3 (з найнижчим BL) більше, ніж відхилення AX2, DPR становить 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з більш високим BL відклоняється більше, ніж AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відклоняється більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з вищим BL відхиляє більше, ніж AX2-3 (значно, \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відхиляє більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт.При 20 мм водного шару прогин і PTE AX1–3 істотно не відрізнялися (\(p>\) 0,017).Рівні PTE у воді (90,2–98,4%) були загалом вищими, ніж у повітрі (56–77,5%) (рис. 12c), а під час експерименту у воді було відмічено явище кавітації (рис. 13, див. також додаткові інформація).
Величина відхилення кінчика (середнє значення ± SD, n = 5), виміряна для фаски L і AX1-3 у повітрі та воді (глибина 20 мм), показує ефект зміни геометрії фаски.Вимірювання були отримані з використанням безперервного одночастотного синусоїдального збудження.(a) Відхилення від піку до піку (\(u_y\vec {j}\)) на вершині, виміряне на (b) їх відповідних модальних частотах \(f_2\).(c) Ефективність передачі потужності (PTE, RMS, %) рівняння.(4) і (d) Коефіцієнт потужності відхилення (DPR, мкм/Вт), розрахований як відхилення від піку до піку та переданої електричної потужності \(P_T\) (Wrms).
Типова діаграма тіні високошвидкісної камери, що показує відхилення від піку до піку (зелені та червоні пунктирні лінії) ланцета (L) і осесиметричного наконечника (AX1–3) у воді (глибина 20 мм) протягом половини циклу.циклу, на частоті збудження \(f_2\) (частота дискретизації 310 кГц).Захоплене зображення в градаціях сірого має розмір 128×128 пікселів і розмір пікселя \(\приблизно\) 5 мкм.Відео можна знайти в додатковій інформації.
Таким чином, ми змоделювали зміну довжини хвилі вигину (рис. 7) та розрахували переносну механічну рухливість для комбінацій довжини труби та фаски (рис. 8, 9) для звичайних ланцетних, асиметричних та осесиметричних фасок геометричних форм.Виходячи з останнього, ми оцінили оптимальну відстань у 43 мм (або \(\приблизно) 2,75\(\lambda _y\) при 29,75 кГц) від кінчика до зварного шва, як показано на рис. 5, і зробили три осесиметричні фаски з різною довжиною фаски.Потім ми охарактеризували їх частотну поведінку в повітрі, воді та 10% (мас./об.) балістичного желатину порівняно зі звичайними ланцетами (рис. 10, 11) і визначили режим, який найбільше підходить для порівняння відхилення скосу.Нарешті, ми виміряли відхилення наконечника хвилею вигину в повітрі та воді на глибині 20 мм і кількісно визначили ефективність передачі потужності (PTE, %) і коефіцієнт потужності відхилення (DPR, мкм/Вт) середовища для введення для кожного скосу.кутового типу (рис. 12).
Показано, що геометрія скосу голки впливає на величину відхилення кінчика голки.Стрілка досягла найвищого відхилення та найвищого DPR порівняно з осесиметричним скісом із меншим середнім відхиленням (рис. 12).Осесиметричний скіс 4 мм (AX1) із найдовшим скісом досяг статистично значущого максимального відхилення в повітрі порівняно з іншими осесиметричними голками (AX2–3) (\(p < 0,017\), таблиця 2), але суттєвої різниці не було .спостерігається, коли голку поміщають у воду.Таким чином, немає очевидної переваги більшої довжини фаски з точки зору пікового відхилення на кінчику.Враховуючи це, виявляється, що геометрія скосу, досліджена в цьому дослідженні, має більший вплив на величину прогину, ніж довжина скосу.Це може бути наслідком жорсткості при вигині, наприклад, в залежності від загальної товщини матеріалу, який згинається, і конструкції голки.
В експериментальних дослідженнях на величину відбитої згинальної хвилі впливають граничні умови вістря.Коли кінчик голки вставляється у воду та желатин, \(\text {PTE}_{2}\) становить \(\приблизно\) 95%, а \(\text {PTE}_{ 2}\) становить \ (\text {PTE}_{ 2}\) значення становлять 73% і 77% для (\text {PTE}_{1}\) і \(\text {PTE}_{3}\), відповідно (рис. 11).Це вказує на те, що максимальна передача акустичної енергії середовищу лиття, тобто воді або желатину, відбувається при \(f_2\).Подібна поведінка спостерігалася в попередньому дослідженні31 з використанням простішої конфігурації пристрою в частотному діапазоні 41-43 кГц, в якому автори показали залежність коефіцієнта відбиття напруги від механічного модуля вбудовуючого середовища.Глибина проникнення32 і механічні властивості тканини забезпечують механічне навантаження на голку і, отже, очікується, що вони впливатимуть на резонансну поведінку UZEFNAB.Таким чином, алгоритми відстеження резонансу (наприклад, 17, 18, 33) можна використовувати для оптимізації акустичної потужності, що подається через голку.
Моделювання на довжинах хвиль вигину (рис. 7) показує, що осесиметричний наконечник структурно більш жорсткий (тобто більш жорсткий на згин), ніж ланцет і асиметричний скіс.Базуючись на (1) і використовуючи відоме співвідношення швидкості і частоти, ми оцінюємо жорсткість на вигин на кінчику голки як \(\близько\) 200, 20 і 1500 МПа для ланцетної, асиметричної та осьової похилих площин відповідно.Це відповідає \(\lambda_y\) \(\приблизно\) 5,3, 1,7 і 14,2 мм, відповідно, на 29,75 кГц (рис. 7a–c).Враховуючи клінічну безпеку під час USeFNAB, слід оцінити вплив геометрії на структурну жорсткість похилої площини34.
Дослідження параметрів скосу відносно довжини труби (рис. 9) показало, що оптимальний діапазон пропускання був вищим для асиметричного скосу (1,8 мм), ніж для осесиметричного скосу (1,3 мм).Крім того, рухливість стабільна на \(\приблизно) від 4 до 4,5 мм і від 6 до 7 мм для асиметричних і осесиметричних нахилів відповідно (рис. 9а, б).Практичне значення цього відкриття виражається у виробничих допусках, наприклад, нижчий діапазон оптимального TL може означати, що потрібна більша точність довжини.У той же час плато рухливості забезпечує більший допуск для вибору довжини падіння на заданій частоті без істотного впливу на рухливість.
Дослідження містить такі обмеження.Пряме вимірювання відхилення голки за допомогою визначення країв і високошвидкісного зображення (Малюнок 12) означає, що ми обмежені оптично прозорими середовищами, такими як повітря та вода.Ми також хотіли б зазначити, що ми не використовували експерименти для перевірки змодельованої рухливості перенесення і навпаки, а використовували дослідження FEM для визначення оптимальної довжини для виготовлення голки.З огляду на практичні обмеження, довжина ланцета від кінчика до рукава \(\приблизно) на 0,4 см довша, ніж інші голки (AX1-3), див. мал.3б.Це може вплинути на модальну реакцію конструкції голки.Крім того, форма та об’єм припою на кінці хвилеводного штифта (див. рис. 3) можуть впливати на механічний опір конструкції штифта, вносячи помилки в механічний опір і поведінку при вигині.
Нарешті, ми продемонстрували, що експериментальна геометрія скосу впливає на величину прогину в USeFNAB.Якщо більший прогин матиме позитивний вплив на вплив голки на тканину, наприклад, на ефективність різання після проколу, тоді в USeFNAB можна рекомендувати звичайний ланцет, оскільки він забезпечує максимальний прогин, зберігаючи адекватну жорсткість структурного кінчика..Крім того, нещодавнє дослідження35 показало, що більший прогин кінчика може посилити біологічні ефекти, такі як кавітація, що може сприяти розробці мінімально інвазивних хірургічних застосувань.З огляду на те, що збільшення загальної акустичної потужності, як було показано, збільшує кількість біопсій в USeFNAB13, необхідні подальші кількісні дослідження кількості та якості зразків для оцінки детальних клінічних переваг досліджуваної геометрії голки.