Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir atlıkarınca görüntüler.Aynı anda üç slaytta ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Son zamanlarda, ultrason kullanımının, geleneksel ince iğne aspirasyon biyopsisine (İİAB) kıyasla, ultrasonla güçlendirilmiş ince iğne aspirasyon biyopsisinde (USeFNAB) doku verimini artırabildiği gösterilmiştir.Eğim geometrisi ile iğne ucu hareketi arasındaki ilişki henüz araştırılmamıştır.Bu çalışmada, farklı eğim uzunluklarına sahip çeşitli iğne eğim geometrileri için iğne rezonansı ve sapma genliği özelliklerini araştırdık.3,9 mm kesimli geleneksel bir lanset kullanıldığında uç saptırma güç faktörü (DPR), havada ve suda sırasıyla 220 ve 105 µm/W idi.Bu, havada ve suda sırasıyla 180 ve 80 µm/W DPR elde eden eksenel simetrik 4 mm eğimli uçtan daha yüksektir.Bu çalışma, farklı yerleştirme yardımcıları bağlamında eğim geometrisinin bükülme sertliği arasındaki ilişkinin önemini vurgulamaktadır ve bu nedenle, USeFNAB için önemli olan iğne eğim geometrisini değiştirerek delme sonrasında kesme hareketini kontrol etmeye yönelik yöntemler hakkında fikir verebilir.Uygulama önemlidir.
İnce iğne aspirasyon biyopsisi (İİAB), bir anormallikten şüphelenildiğinde doku örneği almak için iğnenin kullanıldığı bir tekniktir1,2,3.Franseen tipi uçların geleneksel Lancet4 ve Menghini5 uçlara göre daha yüksek teşhis performansı sağladığı gösterilmiştir.Eksenel simetrik (yani çevresel) eğimler de histopatoloji6 için yeterli bir numune olasılığını arttırmak için önerilmiştir.
Biyopsi sırasında şüpheli patolojiyi ortaya çıkarmak için deri ve doku katmanlarından bir iğne geçirilir.Son çalışmalar ultrasonik aktivasyonun yumuşak dokulara erişmek için gereken delme kuvvetini azaltabildiğini göstermiştir7,8,9,10.İğne eğim geometrisinin iğne etkileşim kuvvetlerini etkilediği gösterilmiştir, örneğin daha uzun eğimlerin daha düşük doku penetrasyon kuvvetlerine (11) sahip olduğu gösterilmiştir.İğne doku yüzeyine girdikten sonra yani delindikten sonra iğnenin kesme kuvvetinin toplam iğne-doku etkileşim kuvvetinin %75'i olabileceği öne sürülmüştür12.Ultrasonun (ABD) delme sonrası aşamada tanısal yumuşak doku biyopsisinin kalitesini arttırdığı gösterilmiştir13.Sert doku örneklemesi için kemik biyopsisini iyileştirmeye yönelik diğer yöntemler geliştirilmiştir14,15 ancak biyopsi kalitesini artıran hiçbir sonuç bildirilmemiştir.Çeşitli çalışmalar, ultrason sürücü voltajının artmasıyla birlikte mekanik yer değiştirmenin de arttığını bulmuştur16,17,18.İğne-doku etkileşimlerinde eksenel (uzunlamasına) statik kuvvetlerle ilgili birçok çalışma olmasına rağmen19,20, ultrasonik güçlendirilmiş İİAB'de (USeFNAB) zamansal dinamikler ve iğne eğim geometrisi üzerine çalışmalar sınırlıdır.
Bu çalışmanın amacı, farklı eğim geometrilerinin, ultrasonik frekanslarda iğne esnemesiyle tahrik edilen iğne ucu hareketi üzerindeki etkisini araştırmaktır.Özellikle, geleneksel iğne eğimleri (örn. lansetler), eksenel simetrik ve asimetrik tek eğim geometrileri için enjeksiyon ortamının delme sonrasında iğne ucu sapması üzerindeki etkisini araştırdık (Şekil. seçici emme gibi çeşitli amaçlar için USeFNAB iğnelerinin geliştirilmesini kolaylaştırmak için). erişim veya yumuşak doku çekirdekleri.
Bu çalışmaya çeşitli eğim geometrileri dahil edilmiştir.(a) ISO 7864:201636'ya uygun Lansetler; burada \(\alpha\) birincil eğim açısı, \(\theta\) ikincil eğim dönüş açısı ve \(\phi\) ikincil eğim dönüş açısıdır. derece , derece cinsinden (\(^\circ\)).(b) doğrusal asimetrik tek adımlı pahlar (DIN 13097:201937'de "standart" olarak adlandırılır) ve (c) doğrusal eksenel simetrik (çevresel) tek adımlı pahlar.
Yaklaşımımız ilk olarak geleneksel lanset, eksenel simetrik ve asimetrik tek aşamalı eğim geometrileri için eğim boyunca bükülme dalga boyundaki değişimi modellemektir.Daha sonra eğim açısı ve tüp uzunluğunun taşıma mekanizması hareketliliği üzerindeki etkisini incelemek için parametrik bir çalışma hesapladık.Bu, prototip iğne yapmak için en uygun uzunluğu belirlemek için yapılır.Simülasyona dayalı olarak iğne prototipleri yapılmış ve bunların hava, su ve %10 (a/h) balistik jelatin içindeki rezonans davranışları, voltaj yansıma katsayısı ölçülerek ve çalışma frekansının hesaplandığı güç aktarım verimliliği hesaplanarak deneysel olarak karakterize edilmiştir. azimli..Son olarak, yüksek hızlı görüntüleme, hava ve suda iğnenin ucundaki bükülme dalgasının sapmasını doğrudan ölçmek ve her bir eğim tarafından iletilen elektrik gücünü ve enjekte edilen maddenin sapma güç faktörü (DPR) geometrisini tahmin etmek için kullanılır. orta.
Şekil 2a'da gösterildiği gibi, 316 paslanmaz çelikten (Young modülü 205) yapılmış No. 21 boruyu (0,80 mm dış çap, 0,49 mm iç çap, 0,155 mm boru et kalınlığı, ISO 9626:201621'de belirtildiği gibi standart duvar) kullanın.\(\text {GN/m}^{2}\), yoğunluk 8070 kg/m\(^{3}\), Poisson oranı 0,275).
İğnenin bükülme dalga boyunun belirlenmesi ve sonlu eleman modelinin (FEM) ayarlanması ve sınır koşulları.(a) Şev uzunluğunun (BL) ve boru uzunluğunun (TL) belirlenmesi.(b) İğneyi yakın uçta harekete geçirmek, noktayı saptırmak ve hızı ölçmek için harmonik nokta kuvvetini \(\tilde{F__y\vec{j}\) kullanan üç boyutlu (3B) sonlu eleman modeli (FEM) mekanik taşıma hareketliliğini hesaplamak için uç başına (\( \tilde{u__y\vec {j}\), \(\tilde{v__y\vec {j}\)).\(\lambda _y\), dikey kuvvet \(\tilde{F__y\vec {j}\) ile ilişkili bükülme dalga boyu olarak tanımlanır.(c) Sırasıyla ağırlık merkezini, A kesit alanını ve x ekseni ve y ekseni etrafındaki \(I_{xx}\) ve \(I_{yy}\) eylemsizlik momentlerini belirleyin.
Şekil 2'de gösterildiği gibi.2b,c, kesit alanı A olan ve ışın kesitinin boyutuna kıyasla daha büyük bir dalga boyuna sahip sonsuz (sonsuz) bir ışın için, bükülme (veya bükülme) faz hızı \(c_{EI}\ ) 22 olarak tanımlanır:
burada E Young modülüdür (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) uyarılma açısal frekansıdır (rad/s), burada \( f_0 \ ) doğrusal frekanstır (1/s veya Hz), I ilgilenilen eksen etrafındaki alanın eylemsizlik momentidir \((\text {m}^{4})\) ve \(m'=\ rho _0 A \) birim uzunluktaki kütledir (kg/m), burada \(\rho _0\) yoğunluk \((\text {kg/m}^{3})\) ve A çaprazdır -kirişin kesit alanı (xy düzlemi) (\ (\text {m}^{2}\)).Bizim durumumuzda uygulanan kuvvet dikey y eksenine paralel olduğundan, yani \(\tilde{F__y\vec {j}\), yalnızca yatay x- ekseni etrafındaki alanın eylemsizlik momentiyle ilgileniyoruz. ekseni, yani \(I_{xx} \), yani:
Sonlu eleman modeli (FEM) için saf bir harmonik yer değiştirme (m) varsayılır, dolayısıyla ivme (\(\text {m/s}^{2}\)) \(\partial ^2 \vec) olarak ifade edilir { u}/ \ kısmi t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), örneğin \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\), uzaysal koordinatlarla tanımlanan üç boyutlu bir yer değiştirme vektörüdür.İkincisinin, COMSOL Multiphysics yazılım paketindeki (sürüm 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, ABD) uygulamasına göre momentum dengesi yasasının23 sonlu deforme olabilen Lagrangian formuyla değiştirilmesi şunları sağlar:
Nerede \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) tensör ıraksama operatörüdür ve \({\underline{\sigma}}\) ikinci Piola-Kirchhoff gerilim tensörüdür (ikinci dereceden, \(\ text { N /m}^{2}\)) ve \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) her deforme olabilen hacmin gövde kuvvetinin vektörüdür (\(\text {N/m}^{3}\)) ve \(e^{j\phi }\) de hacmin fazıdır. vücut kuvvetinin bir faz açısı \(\ phi\) (rad) vardır.Bizim durumumuzda, cismin hacim kuvveti sıfırdır ve modelimiz geometrik doğrusallık ve küçük tamamen elastik deformasyonları varsayar, yani \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), burada \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) ve \({\underline{ \varepsilon}}\) - sırasıyla elastik deformasyon ve toplam deformasyon (ikinci dereceden boyutsuz).Hooke'un kurucu izotropik esneklik tensörü \(\underline {\underline {C))\) Young modülü E(\(\text{N/m}^{2}\)) kullanılarak elde edilir ve Poisson oranı v tanımlanır, böylece \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (dördüncü sıra).Böylece gerilim hesaplaması \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\) olur.
Hesaplamalar eleman boyutu \(\le\) 8 μm olan 10 düğümlü tetrahedral elemanlarla yapıldı.İğne vakumda modellenmiştir ve mekanik hareketlilik transfer değeri (ms-1 H-1) \(|\tilde{Y_{v_yF_y}|= |\tilde{v_y\vec { j} |/|\ tilde{F__y\vec {j}|\)24, burada \(\tilde{v__y\vec {j}\) el aletinin çıkış karmaşık hızıdır ve \( \tilde{ F} _y\vec {j }\), Şekil 2b'de gösterildiği gibi tüpün yakın ucunda yer alan karmaşık bir itici kuvvettir.İletken mekanik hareketlilik, referans olarak maksimum değer kullanılarak desibel (dB) cinsinden ifade edilir, yani \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y_{max}| )\ ), Tüm FEM çalışmaları 29,75 kHz frekansında gerçekleştirildi.
İğnenin tasarımı (Şekil 3), AISI'den yapılmış, dış çapı 0,8 mm, uzunluğu 120 mm olan, geleneksel 21 gauge hipodermik iğneden (katalog numarası: 4665643, Sterican\(^\circledR\) oluşur. krom-nikel paslanmaz çelik 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Almanya), karşılık gelen uç modifikasyonuyla polipropilenden yapılmış plastik bir Luer Lock manşonunu proksimale yerleştirdi.İğne tüpü, Şekil 3b'de gösterildiği gibi dalga kılavuzuna lehimlenmiştir.Dalga kılavuzu, paslanmaz çelik bir 3D yazıcıya (EOS M 290 3D yazıcıda EOS Paslanmaz Çelik 316L, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandiya) basıldı ve ardından M4 cıvatalar kullanılarak Langevin sensörüne takıldı.Langevin dönüştürücü, her iki ucunda iki ağırlık bulunan 8 piezoelektrik halka elemanından oluşur.
Dört tip uç (resimde), ticari olarak temin edilebilen bir lanset (L) ve üretilen üç eksenel simetrik tek aşamalı eğim (AX1–3), sırasıyla 4, 1,2 ve 0,5 mm eğim uzunlukları (BL) ile karakterize edildi.(a) Bitmiş iğne ucunun yakından görünümü.(b) 3D baskılı dalga kılavuzuna lehimlenen ve ardından M4 cıvatalarla Langevin sensörüne bağlanan dört pimin üstten görünümü.
Üç eksenel simetrik şev ucu (Şekil 3) (TAs Machine Tools Oy), \(\yaklaşık\) 2\ (^\'ye karşılık gelen 4,0, 1,2 ve 0,5 mm'lik şev uzunluklarıyla (BL, Şekil 2a'da belirlendi) üretildi. circ\), 7\(^\circ\) ve 18\(^\circ\).Dalga kılavuzu ve prob ucu ağırlıkları, eğim L ve AX1–3 için sırasıyla 3,4 ± 0,017 g'dır (ortalama ± SD, n = 4) (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Almanya).İğnenin ucundan plastik manşonun ucuna kadar olan toplam uzunluk, Şekil 3b'deki L ve AX1-3 eğimi için sırasıyla 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm'dir.
Tüm iğne konfigürasyonları için, iğnenin ucundan dalga kılavuzunun ucuna kadar olan uzunluk (yani lehimleme alanı) 4,3 cm'dir ve iğne tüpü, eğim yukarı bakacak şekilde (yani, Y eksenine paralel) yönlendirilir ).), (Şekil 2)'deki gibi.
Bir bilgisayarda (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, ABD) çalışan MATLAB'daki (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, ABD) özel bir komut dosyası, 7 saniyede 25 ila 35 kHz arasında doğrusal bir sinüzoidal tarama oluşturmak için kullanıldı. dijitalden analoğa (DA) dönüştürücü (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, ABD) tarafından analog sinyale dönüştürülür.Analog sinyal \(V_0\) (0,5 Vp-p) daha sonra özel bir radyo frekansı (RF) amplifikatörü (Mariachi Oy, Turku, Finlandiya) ile güçlendirildi.Düşen yükseltme voltajı \({V_I}\), 50 \(\Omega\) çıkış empedansına sahip RF amplifikatöründen, 50 \(\Omega)\) giriş empedansına sahip iğne yapısına yerleştirilmiş bir transformatöre gönderilir. Langevin dönüştürücü (kütle yüklü ön ve arka çok katmanlı piezoelektrik dönüştürücüler) mekanik dalgalar oluşturmak için kullanılır.Özel RF amplifikatörü, olayı \({V_I}\) algılayabilen ve 300 kHz analog-dijital (AD) aracılığıyla yansıtılan güçlendirilmiş voltajı \(V_R\) algılayabilen çift kanallı bir duran dalga güç faktörü (SWR) ölçer ile donatılmıştır. ) dönüştürücü (Analog Discovery 2).Uyarma sinyalinin genliği, amplifikatör girişinin geçici olaylarla aşırı yüklenmesini önlemek için başlangıçta ve sonunda modüle edilir.
MATLAB'da uygulanan özel bir komut dosyası kullanarak, frekans yanıtı işlevi (AFC), yani doğrusal bir sabit sistem varsayar.Ayrıca sinyalden istenmeyen frekansları çıkarmak için 20 ila 40 kHz'lik bir bant geçiren filtre uygulayın.İletim hattı teorisine göre, \(\tilde{H}(f)\) bu durumda gerilim yansıma katsayısına eşdeğerdir, yani \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 . Amplifikatörün çıkış empedansı \(Z_0\) dönüştürücünün yerleşik transformatörünün giriş empedansına karşılık geldiğinden ve elektrik gücünün yansıma katsayısı \({P_R}/{P_I}\) \'ye düşürülür ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), o zaman \(|\rho _{V}|^2\).Elektrik gücünün mutlak değerinin gerekli olduğu durumda, karşılık gelen voltajın ortalama karekök (rms) değerini alarak gelen \(P_I\) ve yansıyan\(P_R\) gücü (W) hesaplayın, örneğin, sinüzoidal uyarımlı bir iletim hattı için, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, burada \(Z_0\) 50 \(\Omega\'ya eşittir).\(P_T\) yüküne (yani takılan ortama) iletilen elektrik gücü \(|P_I – P_R |\) (W RMS) olarak hesaplanabilir ve güç aktarım verimliliği (PTE) şu şekilde tanımlanabilir ve ifade edilebilir: yüzde (%) dolayısıyla 27 verir:
Frekans tepkisi daha sonra prob ucu tasarımının modal frekanslarını \(f_{1-3}\) (kHz) ve karşılık gelen güç aktarım verimliliğini, \(\text {PTE__{1{-}3}) tahmin etmek için kullanılır. \ ).FWHM (\(\text {FWHM_{1{-}3}\), Hz) Tablo 1'den doğrudan \(\text {PTE_{1{-}3}\)'den tahmin edilmiştir. 'de açıklanan frekanslar \(f_{1-3}\).
İğnemsi bir yapının frekans tepkisini (AFC) ölçmek için bir yöntem.Frekans tepki fonksiyonunu \(\tilde{H}(f)\) ve bunun dürtü tepkisini H(t) elde etmek için çift kanallı süpürülmüş sinüs ölçümü25,38 kullanılır.\({\mathcal {F}}\) ve \({\mathcal {F}}^{-1}\) sırasıyla sayısal kesik Fourier dönüşümünü ve ters dönüşüm işlemini belirtir.\(\tilde{G}(f)\) iki sinyalin frekans alanında çarpıldığı anlamına gelir, örneğin \(\tilde{G}__{XrX}\) ters tarama anlamına gelir\(\tilde{X} r( f )\) ve voltaj düşüşü sinyali \(\tilde{X}(f)\).
Şekil 2'de gösterildiği gibi.5, makro lens (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ile donatılmış yüksek hızlı kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, ABD) . ., Tokyo, Japonya), 27,5-30 kHz frekansında bükülme uyarımına (tek frekans, sürekli sinüzoid) maruz kalan bir iğne ucunun sapmasını kaydetmek için kullanıldı.Bir gölge haritası oluşturmak için yüksek yoğunluklu beyaz LED'in soğutulmuş bir elemanı (parça numarası: 4052899910881, Beyaz Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Almanya) iğnenin eğiminin arkasına yerleştirildi.
Deney düzeneğinin önden görünüşü.Derinlik medya yüzeyinden ölçülür.İğne yapısı kelepçelenir ve motorlu bir transfer tablasına monte edilir.Eğimli ucun sapmasını ölçmek için yüksek büyütme merceğine (5\(\time\)) sahip yüksek hızlı bir kamera kullanın.Tüm ölçüler milimetredir.
Her bir iğne eğimi türü için, her biri 1/180 mm (\(\yaklaşık) 5 µm) uzaysal çözünürlüğe sahip, zamansal çözünürlükte 128 \(\x\) 128 piksellik 300 yüksek hızlı kamera karesi kaydettik. saniyede 310.000 kare.Şekil 6'da gösterildiği gibi, her kare (1), uç kısmı çerçevenin son satırında (alt) olacak şekilde kırpılır (2) ve ardından görüntünün histogramı (3) hesaplanır, böylece Canny eşikleri 1 ve 2 belirlenebilir.Daha sonra Sobel operatörünü 3 \(\times\) 3 kullanarak Canny28(4) kenar tespitini uygulayın ve tüm 300 katlı adımlar için kavitasyonel olmayan hipotenüsün (etiketli \(\mathbf {\times }\)) piksel konumunu hesaplayın .Uçtaki sapmanın açıklığını belirlemek için türev hesaplanır (merkezi fark algoritması kullanılarak) (6) ve sapmanın (7) yerel ekstremumunu (yani tepe noktasını) içeren çerçeve tanımlanır.Kavitasyon oluşturmayan kenar görsel olarak incelendikten sonra, bir çift çerçeve (veya yarım zaman aralığıyla ayrılmış iki çerçeve) (7) seçildi ve uç sapması ölçüldü (\(\mathbf {\times} \ etiketli) Yukarıdaki uygulandı Python'da (v3.8, Python Software Foundation, python.org) OpenCV Canny kenar algılama algoritmasını (v4.5.1, açık kaynak bilgisayarlı görme kitaplığı, opencv.org) kullanarak. elektrik gücü \ (P_T \) (W, rms) .
Uç sapması, çerçeveleme (1-2), Canny kenar tespiti (3-4), piksel konum kenarı dahil olmak üzere 7 adımlı bir algoritma (1-7) kullanılarak 310 kHz'de yüksek hızlı bir kameradan alınan bir dizi kare kullanılarak ölçülmüştür. hesaplama (5) ve bunların zaman türevleri (6) ve son olarak, görsel olarak incelenen çerçeve çiftleri (7) üzerinde tepeden tepeye uç sapması ölçüldü.
Ölçümler havada (22,4-22,9°C), deiyonize suda (20,8-21,5°C) ve balistik jelatin %10 (a/h) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text) ortamında alınmıştır. { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Tip I Balistik Analiz için Sığır ve Domuz Kemiği Jelatini, Honeywell International, Kuzey Carolina, ABD).Sıcaklık, bir K tipi termokupl amplifikatörü (AD595, Analog Devices Inc., MA, ABD) ve bir K tipi termokupl (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, ABD) ile ölçülmüştür.Ortamdan Derinlik, 5 µm çözünürlükte dikey motorlu bir z ekseni tablası (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litvanya) kullanılarak yüzeyden (z ekseninin kökeni olarak ayarlanmıştır) ölçüldü.adım başına.
Örneklem büyüklüğü küçük olduğundan (n = 5) ve normallik kabul edilemediğinden, iki örnekli iki kuyruklu Wilcoxon sıralama toplamı testi (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) kullanıldı. farklı eğimler için değişken iğne ucu miktarını karşılaştırmak için.Eğim başına 3 karşılaştırma vardı, dolayısıyla 0,017'lik düzeltilmiş anlamlılık düzeyi ve %5'lik hata oranıyla bir Bonferroni düzeltmesi uygulandı.
Şimdi Şekil 7'ye dönelim.29,75 kHz frekansta, 21 kalibrelik bir iğnenin bükülme yarım dalgası (\(\lambda_y/2\)) \(\yaklaşık) 8 mm'dir.Ucuna yaklaştıkça bükülme dalga boyu eğik açı boyunca azalır.Uçta \(\lambda _y/2\) \(\yaklaşık\) tek bir iğnenin olağan mızrak şeklinde (a), asimetrik (b) ve eksenel simetrik (c) eğimi için 3, 1 ve 7 mm'lik adımlar vardır , sırasıyla.Yani bu, lanset aralığının \(\yaklaşık) 5 mm olduğu (lansetin iki düzleminin tek bir nokta oluşturması nedeniyle29,30), asimetrik eğimin 7 mm, asimetrik eğimin 1 olduğu anlamına gelir. mm.Eksenel simetrik eğimler (ağırlık merkezi sabit kalır, dolayısıyla eğim boyunca gerçekte yalnızca boru duvar kalınlığı değişir).
29,75 kHz frekansında FEM çalışmaları ve denklemlerin uygulanması.(1) Lanset (a), asimetrik (b) ve eksenel simetrik (c) eğim geometrileri için bükülme yarım dalgasının (\(\lambda_y/2\)) değişimini hesaplarken (Şekil 1a,b,c'deki gibi) ).Lanset, asimetrik ve eksenel simetrik eğimlerin ortalama değeri \(\lambda_y/2\) sırasıyla 5,65, 5,17 ve 7,52 mm idi.Asimetrik ve eksenel simetrik eğimler için uç kalınlığının \(\yaklaşık) 50 µm ile sınırlı olduğunu unutmayın.
Tepe hareketliliği \(|\tilde{Y} _{v_yF_y}|\), tüp uzunluğu (TL) ve eğim uzunluğunun (BL) optimal kombinasyonudur (Şekil 8, 9).Geleneksel bir neşter için boyutu sabit olduğundan optimal TL \(\yaklaşık) 29,1 mm'dir (Şekil 8).Asimetrik ve eksenel simetrik eğimler için (sırasıyla Şekil 9a, b), FEM çalışmaları 1'den 7 mm'ye kadar BL'yi içeriyordu, dolayısıyla optimal TL 26,9'dan 28,7 mm'ye (aralık 1,8 mm) ve 27,9'dan 29,2 mm'ye (aralık) idi. 1,3 mm), sırasıyla.Asimetrik eğim için (Şekil 9a), optimal TL doğrusal olarak arttı, BL 4 mm'de bir platoya ulaştı ve ardından BL 5'ten 7 mm'ye keskin bir şekilde düştü.Eksenel simetrik bir eğim için (Şekil 9b), optimal TL, artan BL ile doğrusal olarak arttı ve son olarak BL'de 6'dan 7 mm'ye kadar stabilize edildi.Eksenel simetrik eğime ilişkin genişletilmiş bir çalışma (Şekil 9c), \(\yaklaşık) 35,1–37,1 mm'de farklı bir optimal TL seti ortaya çıkardı.Tüm BL'ler için, en iyi iki TL arasındaki mesafe \(\yaklaşık\) 8 mm'dir (\(\lambda_y/2\'ye eşdeğerdir).
29,75 kHz'de Lancet iletim hareketliliği.İğne 29,75 kHz frekansta esnek bir şekilde uyarıldı ve titreşim iğnenin ucunda ölçüldü ve 26,5-29,5 mm TL (0,1 mm'lik artışlarla) için iletilen mekanik hareketlilik miktarı (maksimum değere göre dB) olarak ifade edildi. .
29,75 kHz frekansındaki FEM'in parametrik çalışmaları, eksenel simetrik bir ucun transfer hareketliliğinin, asimetrik muadiline göre tüpün uzunluğundaki bir değişiklikten daha az etkilendiğini göstermektedir.FEM kullanılarak frekans alanı çalışmasında asimetrik (a) ve eksenel simetrik (b, c) eğim geometrilerinin eğim uzunluğu (BL) ve boru uzunluğu (TL) çalışmaları (sınır koşulları Şekil 2'de gösterilmektedir).(a, b) TL 26,5 ila 29,5 mm (0,1 mm adım) ve BL 1–7 mm (0,5 mm adım) arasında değişmektedir.(c) TL 25–40 mm (0,05 mm artışlarla) ve BL 0,1–7 mm (0,1 mm artışlarla) dahil olmak üzere \(\lambda_y/2\ ) öğesinin ucun gereksinimlerini karşılaması gerektiğini gösteren genişletilmiş eksenel simetrik eğim çalışmaları.Hareketli sınır koşulları.
İğne konfigürasyonu, Tablo 1'de gösterildiği gibi düşük, orta ve yüksek mod bölgelerine bölünmüş üç özfrekansa \(f_{1-3}\) sahiptir. PTE boyutu, şekil 2'de gösterildiği gibi kaydedildi.10 ve ardından Şekil 11'de analiz edilmiştir. Aşağıda her modal alan için bulgular verilmiştir:
Hava, su ve jelatin içinde 20 mm derinlikte bir lanset (L) ve eksenel simetrik eğim AX1-3 için süpürme frekanslı sinüzoidal uyarımla elde edilen tipik kaydedilen anlık güç aktarım verimliliği (PTE) genlikleri.Tek taraflı spektrumlar gösterilmektedir.Ölçülen frekans tepkisi (300 kHz'de örneklenmiş) düşük geçişli filtreden geçirildi ve ardından modal analiz için 200 kat küçültüldü.Sinyal-gürültü oranı \(\le\) 45 dB'dir.PTE aşamaları (mor noktalı çizgiler) derece (\(^{\circ}\)) cinsinden gösterilir.
Hava, su ve %10 jelatin (derinlik 20 mm) içinde L ve AX1-3 eğimleri için Şekil 10'da gösterilen modal tepki analizi (ortalama ± standart sapma, n = 5), (üstte) üç modal bölge ( düşük, orta ve yüksek) ve bunlara karşılık gelen modal frekanslar\(f_{1-3 }\) (kHz), (ortalama) enerji verimliliği \(\text {PTE__{1{-}3}\) Eşdeğerler kullanılarak hesaplanır .(4) ve (altta) tam genişlikte, yarı maksimum ölçümlerde sırasıyla \(\text {FWHM_{1{-}3}\) (Hz).Düşük bir PTE kaydedildiğinde bant genişliği ölçümünün atlandığına dikkat edin, yani AX2 eğimi durumunda \(\text {FWHM__{1}\).\(f_2\) modunun eğim sapmalarını karşılaştırmak için en uygun mod olduğu bulundu çünkü %99'a kadar en yüksek düzeyde güç aktarımı verimliliği (\(\text {PTE__{2}\)) gösterdi.
Birinci modal bölge: \(f_1\) eklenen ortamın türüne pek bağlı değildir ancak eğimin geometrisine bağlıdır.\(f_1\) eğim uzunluğu azaldıkça azalır (AX1-3 için havada sırasıyla 27,1, 26,2 ve 25,9 kHz).Bölgesel ortalamalar \(\text {PTE}\{1}\) ve \(\text {FWHM_{1}\) sırasıyla \(\approx\) %81 ve 230 Hz'dir.\(\text {FWHM__{1}\) Lancet'te en yüksek jelatin içeriğine sahiptir (L, 473 Hz).Jelatindeki \(\text {FWHM_{1}\) AX2'nin, kaydedilen düşük FRF genliği nedeniyle değerlendirilemediğini unutmayın.
İkinci modal bölge: \(f_2\) eklenen ortamın türüne ve eğime bağlıdır.Ortalama değerler \(f_2\) havada, suda ve jelatinde sırasıyla 29,1, 27,9 ve 28,5 kHz'dir.Bu modal bölge ayrıca %99'luk yüksek bir PTE gösterdi; bu, %84'lük bölgesel ortalamayla ölçülen tüm gruplar arasında en yüksek değerdi.\(\text {FWHM_{2}\)'nin bölgesel ortalaması \(\yaklaşık\) 910 Hz'dir.
Üçüncü mod bölgesi: frekans \(f_3\) ortam türüne ve eğime bağlıdır.Ortalama \(f_3\) değerleri havada, suda ve jelatinde sırasıyla 32,0, 31,0 ve 31,3 kHz'dir.\(\text {PTE__{3}\) bölgesel ortalaması \(\yaklaşık\) %74 ile tüm bölgeler arasında en düşük seviyedeydi.Bölgesel ortalama \(\text {FWHM}\{3}\) \(\yaklaşık\) 1085 Hz olup, birinci ve ikinci bölgelerden daha yüksektir.
Aşağıdakiler Şekil 1'e atıfta bulunmaktadır.Şekil 12 ve Tablo 2. Lanset (L) hem havada hem de suda (Şekil 12a) en fazla sapmayı (tüm uçlar için yüksek öneme sahip, \(p<\) 0,017) gerçekleştirerek en yüksek DPR'yi (220 µm/'ye kadar) elde etti. Havada W). Şekil 12 ve Tablo 2. Lanset (L) hem havada hem de suda (Şekil 12a) en fazla sapmayı (tüm uçlar için yüksek öneme sahip, \(p<\) 0,017) gerçekleştirerek en yüksek DPR'yi (220 µm/'ye kadar) elde etti. Havada W). 12. günde ve 2. günde относится. ех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Aşağıdakiler Şekil 12 ve Tablo 2 için geçerlidir. Hem havada hem de suda (Şekil 12a) en fazla saptırılan (tüm uçlar için yüksek önemle, \(p<\) 0,017) lanset (L) en yüksek DPR'ye ulaştı.(havada 220 μm/W yapın).Smt.Şekil 12 ve Tablo 2 aşağıdadır.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 (220 µm/W) değerinde.柳叶刀(L), havada ve suda en yüksek sapmaya sahiptir (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) ve en yüksek DPR'ye (220 µm/W'a kadar) ulaştı. hava). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), DPR'ye göre teslimat (220 mkm/Vт воздухе). Lancet (L), havada ve suda (Şekil 12a) en fazla sapmayı (tüm uçlar için yüksek önem, \(p<\) 0,017) gerçekleştirerek en yüksek DPR'ye (havada 220 µm/W'ye kadar) ulaştı. Havada, daha yüksek BL'ye sahip olan AX1, AX2–3'ten daha yüksek saptı (anlamlılıkla, \(p<\) 0,017), oysa AX3 (en düşük BL'ye sahipti), 190 µm/W DPR ile AX2'den daha fazla saptı. Havada, daha yüksek BL'ye sahip olan AX1, AX2–3'ten daha yüksek saptı (anlamlılıkla, \(p<\) 0,017), oysa AX3 (en düşük BL'ye sahipti), 190 µm/W DPR ile AX2'den daha fazla saptı. AX1'in BL ile aynı olması durumunda, AX2–3'ün (p<\) 0,017 ile aynı olması), AX3'ün (daha az) olması gerekir. BL) отклонялся больше, чем AX2 ile DPR 190 mкм/Vт. Havada, daha yüksek BL'ye sahip AX1, AX2–3'ten daha yüksek saptı (önemli \(p<\) 0,017), oysa AX3 (en düşük BL'ye sahip), DPR 190 µm/W ile AX2'den daha fazla saptı.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） AX2, DPR, 190 µm/W . Havada, daha yüksek BL'li AX1'in sapması AX2-3'ünkinden daha yüksektir (önemli ölçüde, \(p<\) 0,017) ve AX3'ün sapması (en düşük BL'li) AX2'ninkinden daha büyüktür, DPR 190'dır µm/W . AX1'in BL ile aynı değerde olması, AX2-3'ün (önemli, \(p<\) 0,017) yanı sıra AX3'e (aynı şekilde) karşılık gelir. BL) отклоняется больше, чем AX2 ile DPR 190 mкм/Vт. Havada, daha yüksek BL'ye sahip AX1, AX2-3'ten (anlamlı, \(p<\) 0,017) daha fazla saptırırken, AX3 (en düşük BL'ye sahip), DPR 190 µm/W ile AX2'den daha fazla saptırır.20 mm suda sapma ve PTE AX1–3 önemli ölçüde farklı değildi (\(p>\) 0,017).Sudaki PTE seviyeleri (%90,2-98,4) genellikle havadakinden (%56-77,5) daha yüksekti (Şekil 12c) ve sudaki deney sırasında kavitasyon olgusu kaydedildi (Şekil 13, ayrıca bkz. ek) bilgi).
Havada ve suda (derinlik 20 mm) L ve AX1-3 eğimi için ölçülen uç sapma miktarı (ortalama ± SD, n = 5), eğim geometrisinin değiştirilmesinin etkisini göstermektedir.Ölçümler sürekli tek frekanslı sinüzoidal uyarım kullanılarak elde edildi.(a) Uçta tepeden tepeye sapma (\(u_y\vec {j}\)), (b) ilgili modal frekanslarında \(f_2\) ölçülmüştür.(c) Denklemin güç aktarım verimliliği (PTE, RMS, %).(4) ve (d) Sapma güç faktörü (DPR, µm/W), tepeden tepeye sapma ve iletilen elektrik gücü \(P_T\) (Wrms) olarak hesaplanır.
Bir lansetin (L) ve eksenel simetrik ucun (AX1–3) sudaki (20 mm derinlik) yarım döngü boyunca tepeden tepeye sapmasını (yeşil ve kırmızı noktalı çizgiler) gösteren tipik bir yüksek hızlı kamera gölge grafiği.döngü, uyarma frekansında \(f_2\) (örnekleme frekansı 310 kHz).Yakalanan gri tonlamalı görüntünün boyutu 128×128 piksel ve piksel boyutu \(\yaklaşık\) 5 µm'dir.Video ek bilgilerde bulunabilir.
Böylece, bükülme dalga boyundaki değişimi modelledik (Şekil 7) ve geleneksel lanset, asimetrik ve eksenel simetrik geometrik şekilli pahlar için boru uzunluğu ve pah kombinasyonları (Şekil 8, 9) için aktarılabilir mekanik hareketliliği hesapladık.İkincisine dayanarak, Şekil 5'te gösterildiği gibi uçtan kaynağa kadar olan optimal mesafeyi 43 mm (veya 29,75 kHz'de \(\yaklaşık) 2,75\(\lambda _y\)) olarak tahmin ettik ve Üç eksenli simetrik hale getirdik farklı eğim uzunluklarına sahip eğimler.Daha sonra bunların hava, su ve %10 (ağırlık/hacim) balistik jelatin içindeki frekans davranışlarını geleneksel neşterlerle karşılaştırdık (Şekil 10, 11) ve eğim sapması karşılaştırması için en uygun modu belirledik.Son olarak, 20 mm derinlikte hava ve sudaki dalgayı bükerek uç sapmasını ölçtük ve her eğim için yerleştirme ortamının güç aktarım verimliliğini (PTE, %) ve sapma güç faktörünü (DPR, µm/W) ölçtük.açısal tip (Şekil 12).
İğne eğim geometrisinin iğne ucu sapması miktarını etkilediği gösterilmiştir.Lanset, eksenel simetrik eğime kıyasla daha düşük ortalama sapmayla en yüksek sapmayı ve en yüksek DPR'yi elde etti (Şekil 12).En uzun eğime sahip 4 mm eksenel simetrik eğim (AX1), diğer eksenel simetrik iğnelerle (AX2–3) karşılaştırıldığında havada istatistiksel olarak anlamlı bir maksimum sapma elde etti (\(p < 0,017\), Tablo 2), ancak anlamlı bir fark yoktu .İğne suya yerleştirildiğinde gözlemlenir.Bu nedenle, uçtaki tepe sapması açısından daha uzun bir eğim uzunluğuna sahip olmanın bariz bir avantajı yoktur.Bunu akılda tutarak, bu çalışmada incelenen şev geometrisinin, şev uzunluğundan ziyade sapma üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğu görülmektedir.Bunun nedeni, örneğin bükülen malzemenin genel kalınlığına ve iğnenin tasarımına bağlı olarak bükülme sertliği olabilir.
Deneysel çalışmalarda yansıyan bükülme dalgasının büyüklüğü ucun sınır koşullarından etkilenir.İğne ucu suya ve jelatine batırıldığında, \(\text {PTE__{2}\) \(\yaklaşık\) %95 olur ve \(\text {PTE__{ 2}\) \ (\text {PTE_{ 2}\) (\text {PTE_{1}\) ve \(\text {PTE_{3}\) için değerler %73 ve %77'dir, sırasıyla (Şekil 11).Bu, akustik enerjinin döküm ortamına, yani suya veya jelatine maksimum transferinin \(f_2\)'de meydana geldiğini gösterir.Benzer davranış, 41-43 kHz frekans aralığında daha basit bir cihaz konfigürasyonu kullanılarak yapılan önceki bir çalışmada31 gözlemlenmiştir; burada yazarlar, voltaj yansıma katsayısının gömme ortamının mekanik modülüne bağlı olduğunu göstermiştir.Penetrasyon derinliği32 ve dokunun mekanik özellikleri iğne üzerinde mekanik bir yük oluşturur ve bu nedenle UZEFNAB'ın rezonans davranışını etkilemesi beklenir.Böylece rezonans izleme algoritmaları (örneğin 17, 18, 33) iğne aracılığıyla iletilen akustik gücü optimize etmek için kullanılabilir.
Dalga boylarının bükülmesindeki simülasyon (Şekil 7), eksenel simetrik ucun neşter ve asimetrik eğimden yapısal olarak daha sert (yani bükülmede daha sert) olduğunu göstermektedir.(1)'e dayanarak ve bilinen hız-frekans ilişkisini kullanarak, iğnenin ucundaki bükülme sertliğini lanset, asimetrik ve eksenel eğimli düzlemler için sırasıyla \(\yaklaşık\) 200, 20 ve 1500 MPa olarak tahmin ediyoruz.Bu, 29,75 kHz'de sırasıyla \(\yaklaşık\) 5,3, 1,7 ve 14,2 mm'lik \(\lambda_y\)'ye karşılık gelir (Şekil 7a–c).USeİİAB sırasında klinik güvenlik göz önüne alındığında, geometrinin eğimli düzlemin yapısal sertliği üzerindeki etkisi değerlendirilmelidir34.
Boru uzunluğuna göre eğim parametreleri üzerine yapılan bir çalışma (Şekil 9), asimetrik eğim için (1,8 mm) optimal iletim aralığının eksenel simetrik eğimden (1,3 mm) daha yüksek olduğunu gösterdi.Ek olarak, hareketlilik asimetrik ve eksenel simetrik eğimler için sırasıyla 4 ila 4,5 mm ve 6 ila 7 mm arasında \(\yaklaşık) stabildir (Şekil 9a, b).Bu keşfin pratik önemi imalat toleranslarında ifade edilmektedir; örneğin, optimal TL'nin daha düşük bir aralığı, daha fazla uzunluk doğruluğunun gerekli olduğu anlamına gelebilir.Aynı zamanda hareketlilik platosu, hareketlilik üzerinde önemli bir etki olmaksızın belirli bir frekansta eğimin uzunluğunun seçilmesi için daha büyük bir tolerans sağlar.
Araştırma aşağıdaki sınırlılıkları içermektedir.Kenar algılama ve yüksek hızlı görüntüleme (Şekil 12) kullanılarak iğne sapmasının doğrudan ölçümü, hava ve su gibi optik olarak şeffaf ortamlarla sınırlı olduğumuz anlamına gelir.Ayrıca simüle edilmiş transfer hareketliliğini test etmek için deneyler kullanmadığımızı ve bunun tersini değil, iğne üretimi için en uygun uzunluğu belirlemek için FEM çalışmalarını kullandığımızı belirtmek isteriz.Pratik sınırlamalara ilişkin olarak, lansetin uçtan manşona kadar olan uzunluğu diğer iğnelerden (AX1-3) \(\yaklaşık) 0,4 cm daha uzundur, bkz.3b.Bu, iğne tasarımının modal tepkisini etkileyebilir.Ek olarak, dalga kılavuzu piminin ucundaki lehimin şekli ve hacmi (bkz. Şekil 3), pim tasarımının mekanik empedansını etkileyebilir, mekanik empedans ve bükülme davranışında hatalara neden olabilir.
Son olarak deneysel eğim geometrisinin USeFNAB'daki sapma miktarını etkilediğini gösterdik.Daha büyük bir sapma, iğnenin doku üzerindeki etkisi üzerinde, delme sonrasında kesme verimliliği gibi olumlu bir etkiye sahip olacaksa, yapısal ucun yeterli sertliğini korurken maksimum sapma sağladığı için USeFNAB'da geleneksel bir neşter önerilebilir..Ayrıca yakın zamanda yapılan bir çalışma35, daha büyük uç saptırmanın, minimal invaziv cerrahi uygulamaların geliştirilmesini kolaylaştırabilecek kavitasyon gibi biyolojik etkileri artırabileceğini göstermiştir.Artan toplam akustik gücün USeFNAB13'teki biyopsi sayısını arttırdığının gösterildiği göz önüne alındığında, incelenen iğne geometrisinin ayrıntılı klinik faydalarını değerlendirmek için numune miktarı ve kalitesine ilişkin daha fazla niceliksel çalışmalara ihtiyaç vardır.
Gönderim zamanı: Ocak-06-2023