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Kürzlich wurde gezeigt, dass der Einsatz von Ultraschall die Gewebeausbeute bei der ultraschallgestützten Feinnadelaspirationsbiopsie (USeFNAB) im Vergleich zur konventionellen Feinnadelaspirationsbiopsie (FNAB) verbessern kann.Der Zusammenhang zwischen der Fasengeometrie und der Nadelspitzenwirkung wurde noch nicht untersucht.In dieser Studie untersuchten wir die Eigenschaften der Nadelresonanz und der Ablenkungsamplitude für verschiedene Nadelschrägengeometrien mit unterschiedlichen Fasenlängen.Bei Verwendung einer herkömmlichen Lanzette mit einem 3,9-mm-Schliff betrug der Leistungsfaktor der Spitzenablenkung (DPR) 220 bzw. 105 µm/W in Luft und Wasser.Dies ist höher als bei der achsensymmetrischen 4-mm-Abschrägungsspitze, die einen DPR von 180 bzw. 80 µm/W in Luft und Wasser erreichte.Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des Zusammenhangs zwischen der Biegesteifigkeit der Abschrägungsgeometrie im Zusammenhang mit verschiedenen Einführhilfen und kann somit Einblicke in Methoden zur Steuerung der Schneidwirkung nach der Punktion durch Änderung der Nadelabschrägungsgeometrie geben, was für USeFNAB wichtig ist.Bewerbung zählt.
Die Feinnadelaspirationsbiopsie (FNAB) ist eine Technik, bei der bei Verdacht auf eine Anomalie mit einer Nadel eine Gewebeprobe entnommen wird1,2,3.Es hat sich gezeigt, dass Spitzen vom Franseen-Typ eine höhere diagnostische Leistung bieten als herkömmliche Lancet4- und Menghini5-Spitzen.Es wurden auch achsensymmetrische (dh umlaufende) Abschrägungen vorgeschlagen, um die Wahrscheinlichkeit einer adäquaten Probe für die Histopathologie zu erhöhen6.
Bei einer Biopsie wird eine Nadel durch Haut- und Gewebeschichten geführt, um verdächtige Pathologien aufzudecken.Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Ultraschallaktivierung die für den Zugang zu Weichgewebe erforderliche Einstichkraft verringern kann7,8,9,10.Es hat sich gezeigt, dass die Geometrie der Nadelschräge Auswirkungen auf die Wechselwirkungskräfte mit der Nadel hat, z. B. hat sich gezeigt, dass längere Schrägen geringere Gewebedurchdringungskräfte haben 11 .Es wurde vermutet, dass die Schneidkraft der Nadel nach dem Eindringen der Nadel in die Gewebeoberfläche, also nach der Punktion, 75 % der gesamten Nadel-Gewebe-Wechselwirkungskraft betragen kann12.Es hat sich gezeigt, dass Ultraschall (US) die Qualität der diagnostischen Weichteilbiopsie in der Phase nach der Punktion verbessert13.Andere Methoden zur Verbesserung der Qualität der Knochenbiopsie wurden für die Probenahme von Hartgewebe entwickelt14,15, es wurden jedoch keine Ergebnisse gemeldet, die die Qualität der Biopsie verbessern würden.Mehrere Studien haben außerdem herausgefunden, dass die mechanische Verschiebung mit zunehmender Ultraschall-Antriebsspannung zunimmt16,17,18.Obwohl es viele Studien zu axialen (longitudinalen) statischen Kräften bei Nadel-Gewebe-Wechselwirkungen gibt19,20, sind Studien zur zeitlichen Dynamik und zur Nadelschrägengeometrie bei ultraschallverstärktem FNAB (USeFNAB) begrenzt.
Ziel dieser Studie war es, die Auswirkung unterschiedlicher Fasengeometrien auf die Nadelspitzenwirkung zu untersuchen, die durch die Nadelbiegung bei Ultraschallfrequenzen verursacht wird.Insbesondere untersuchten wir die Auswirkung des Injektionsmediums auf die Durchbiegung der Nadelspitze nach der Punktion für herkömmliche Nadelschrägen (z. B. Lanzetten), axialsymmetrische und asymmetrische Einzelschrägengeometrien (Abb.), um die Entwicklung von USeFNAB-Nadeln für verschiedene Zwecke wie selektives Absaugen zu erleichtern Zugang oder Weichteilkerne.
In diese Studie wurden verschiedene Fasengeometrien einbezogen.(a) Lanzetten gemäß ISO 7864:201636, wobei \(\alpha\) der primäre Abschrägungswinkel, \(\theta\) der sekundäre Abschrägungsdrehwinkel und \(\phi\) der sekundäre Abschrägungsdrehwinkel ist Grad, in Grad (\(^\circ\)).(b) lineare asymmetrische einstufige Fasen (in DIN 13097:201937 „Standard“ genannt) und (c) lineare achsensymmetrische (umlaufende) einstufige Fasen.
Unser Ansatz besteht darin, zunächst die Änderung der Biegewellenlänge entlang der Steigung für herkömmliche Lanzetten-, achsensymmetrische und asymmetrische einstufige Steigungsgeometrien zu modellieren.Anschließend haben wir eine parametrische Studie berechnet, um die Auswirkung des Abschrägungswinkels und der Rohrlänge auf die Mobilität des Transportmechanismus zu untersuchen.Dies geschieht, um die optimale Länge für die Herstellung eines Nadelprototyps zu bestimmen.Basierend auf der Simulation wurden Nadelprototypen hergestellt und ihr Resonanzverhalten in Luft, Wasser und 10 % (Gew./Vol.) ballistischer Gelatine experimentell charakterisiert, indem der Spannungsreflexionskoeffizient gemessen und die Leistungsübertragungseffizienz berechnet wurde, woraus die Betriebsfrequenz ermittelt wurde bestimmt..Schließlich wird die Hochgeschwindigkeitsbildgebung verwendet, um die Ablenkung der Biegewelle an der Spitze der Nadel in Luft und Wasser direkt zu messen und die durch jede Neigung übertragene elektrische Leistung sowie den Ablenkungsleistungsfaktor (DPR) der Geometrie des injizierten Objekts abzuschätzen Mittel.
Wie in Abbildung 2a gezeigt, verwenden Sie das Rohr Nr. 21 (0,80 mm Außendurchmesser, 0,49 mm Innendurchmesser, 0,155 mm Rohrwandstärke, Standardwand gemäß ISO 9626:201621) aus Edelstahl 316 (Elastizitätsmodul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), Dichte 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonzahl 0,275).
Bestimmung der Biegewellenlänge und Abstimmung des Finite-Elemente-Modells (FEM) der Nadel und Randbedingungen.(a) Bestimmung der Fasenlänge (BL) und der Rohrlänge (TL).(b) Dreidimensionales (3D) Finite-Elemente-Modell (FEM) unter Verwendung der harmonischen Punktkraft \(\tilde{F}_y\vec{j}\), um die Nadel am proximalen Ende anzuregen, den Punkt abzulenken und die Geschwindigkeit zu messen pro Tipp (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) zur Berechnung der mechanistischen Transportmobilität.\(\lambda_y\) ist definiert als die Biegewellenlänge, die mit der vertikalen Kraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\) verbunden ist.(c) Bestimmen Sie den Schwerpunkt, die Querschnittsfläche A und die Trägheitsmomente \(I_{xx}\) und \(I_{yy}\) um die x-Achse bzw. y-Achse.
Wie in Abb. gezeigt.2b,c, für einen unendlichen (unendlichen) Strahl mit Querschnittsfläche A und bei einer großen Wellenlänge im Vergleich zur Größe des Strahlquerschnitts ist die Biegephasengeschwindigkeit \(c_{EI}\ ) ist definiert als 22:
Dabei ist E der Elastizitätsmodul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) die Anregungswinkelfrequenz (rad/s), wobei \( f_0 \ ) ist die lineare Frequenz (1/s oder Hz), I ist das Trägheitsmoment der Fläche um die interessierende Achse \((\text {m}^{4})\) und \(m'=\ rho _0 A \) ist die Masse auf der Längeneinheit (kg/m), wobei \(\rho _0\) die Dichte \((\text {kg/m}^{3})\) und A das Kreuz ist -Querschnittsfläche des Strahls (xy-Ebene) (\ (\text {m}^{2}\)).Da in unserem Fall die wirkende Kraft parallel zur vertikalen y-Achse ist, also \(\tilde{F}_y\vec {j}\), interessiert uns nur das Trägheitsmoment der Fläche um die horizontale x- Achse, also \(I_{xx} \), Deshalb:
Für das Finite-Elemente-Modell (FEM) wird eine rein harmonische Verschiebung (m) angenommen, sodass die Beschleunigung (\(\text {m/s}^{2}\)) ausgedrückt wird als \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partielles t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), zB \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) ist ein dreidimensionaler Verschiebungsvektor, der in Raumkoordinaten definiert ist.Ersetzt man Letzteres durch die endlich verformbare Lagrange-Form des Impulsgleichgewichtsgesetzes23, entsprechend seiner Implementierung im COMSOL Multiphysics-Softwarepaket (Versionen 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), erhält man:
Wobei \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) ist der Tensor-Divergenzoperator und \({\underline{\sigma}}\) ist der zweite Piola-Kirchhoff-Spannungstensor (zweite Ordnung, \(\ text { N /m}^{2}\)), und \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) ist der Vektor der Körperkraft (\(\text {N/m}^{3}\)) jedes verformbaren Volumens und \(e^{j\phi }\) ist die Phase davon Körperkraft, hat einen Phasenwinkel \(\ phi\) (rad).In unserem Fall ist die Volumenkraft des Körpers Null und unser Modell geht von geometrischer Linearität und kleinen rein elastischen Verformungen aus, also \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), wobei \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) und \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastische Verformung bzw. Gesamtverformung (dimensionslos zweiter Ordnung).Der konstitutive isotrope Elastizitätstensor \(\underline {\underline {C))\) von Hooke wird unter Verwendung des Elastizitätsmoduls E(\(\text{N/m}^{2}\)) und der Poissonzahl v definiert, so dass \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (vierte Ordnung).Die Spannungsberechnung lautet also \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Die Berechnungen wurden mit 10-Knoten-Tetraederelementen mit einer Elementgröße \(\le\) 8 µm durchgeführt.Die Nadel wird im Vakuum modelliert und der Wert der mechanischen Mobilitätsübertragung (ms-1 H-1) ist definiert als \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, wobei \(\tilde{v}_y\vec {j}\) die komplexe Ausgangsgeschwindigkeit des Handstücks ist und \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) ist eine komplexe Antriebskraft, die sich am proximalen Ende des Rohrs befindet, wie in Abb. 2b dargestellt.Die transmissive mechanische Mobilität wird in Dezibel (dB) ausgedrückt, wobei der Maximalwert als Referenz dient, d. h. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Alle FEM-Studien wurden bei einer Frequenz von 29,75 kHz durchgeführt.
Das Design der Nadel (Abb. 3) besteht aus einer herkömmlichen 21-Gauge-Injektionsnadel (Katalognummer: 4665643, Sterican\(^\circledR\), mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm, einer Länge von 120 mm, hergestellt aus AISI Chrom-Nickel-Edelstahl 304, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland) platzierte proximal eine Kunststoff-Luer-Lock-Hülse aus Polypropylen mit entsprechender Spitzenmodifikation.Das Nadelrohr wird wie in Abb. 3b gezeigt mit dem Wellenleiter verlötet.Der Wellenleiter wurde auf einem Edelstahl-3D-Drucker (EOS Stainless Steel 316L auf einem EOS M 290 3D-Drucker, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finnland) gedruckt und dann mit M4-Schrauben am Langevin-Sensor befestigt.Der Langevin-Wandler besteht aus 8 piezoelektrischen Ringelementen mit zwei Gewichten an jedem Ende.
Die vier Arten von Spitzen (im Bild), eine im Handel erhältliche Lanzette (L) und drei hergestellte axialsymmetrische einstufige Fasen (AX1–3) zeichneten sich durch Fasenlängen (BL) von 4, 1,2 bzw. 0,5 mm aus.(a) Nahaufnahme der fertigen Nadelspitze.(b) Draufsicht auf vier Pins, die an einen 3D-gedruckten Wellenleiter gelötet und dann mit M4-Schrauben mit dem Langevin-Sensor verbunden sind.
Drei achsensymmetrische Fasenspitzen (Abb. 3) (TAs Machine Tools Oy) wurden mit Fasenlängen (BL, bestimmt in Abb. 2a) von 4,0, 1,2 und 0,5 mm hergestellt, entsprechend \(\ungefähr) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) und 18\(^\circ\).Die Wellenleiter- und Stiftgewichte betragen 3,4 ± 0,017 g (Mittelwert ± SD, n = 4) für die Abschrägung L bzw. AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Deutschland).Die Gesamtlänge von der Nadelspitze bis zum Ende der Kunststoffhülse beträgt 13,7, 13,3, 13,3 bzw. 13,3 cm für die Abschrägung L und AX1-3 in Abbildung 3b.
Bei allen Nadelkonfigurationen beträgt die Länge von der Nadelspitze bis zur Spitze des Wellenleiters (d. h. Lötbereich) 4,3 cm und das Nadelrohr ist so ausgerichtet, dass die Abschrägung nach oben zeigt (d. h. parallel zur Y-Achse). ).), wie in (Abb. 2).
Ein benutzerdefiniertes Skript in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA), das auf einem Computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) ausgeführt wird, wurde verwendet, um in 7 Sekunden einen linearen Sinus-Sweep von 25 auf 35 kHz zu erzeugen. wird von einem Digital-Analog-Wandler (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) in ein analoges Signal umgewandelt.Das analoge Signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) wurde dann mit einem speziellen Hochfrequenzverstärker (RF) (Mariachi Oy, Turku, Finnland) verstärkt.Die abfallende Verstärkungsspannung \({V_I}\) wird vom HF-Verstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 50 \(\Omega\) an einen in die Nadelstruktur eingebauten Transformator mit einer Eingangsimpedanz von 50 \(\Omega)\) ausgegeben. Langevin-Wandler (vordere und hintere mehrschichtige piezoelektrische Wandler, mit Masse belastet) werden zur Erzeugung mechanischer Wellen verwendet.Der kundenspezifische HF-Verstärker ist mit einem Zweikanal-Stehwellen-Leistungsfaktormessgerät (SWR) ausgestattet, das einfallende \({V_I}\) und reflektierte verstärkte Spannung \(V_R\) über ein 300-kHz-Analog-zu-Digital-Messgerät (AD) erkennen kann ) Konverter (Analog Discovery 2).Das Anregungssignal wird am Anfang und am Ende amplitudenmoduliert, um eine Überlastung des Verstärkereingangs durch Transienten zu verhindern.
Mithilfe eines in MATLAB implementierten benutzerdefinierten Skripts geht die Frequenzantwortfunktion (AFC) von einem linearen stationären System aus.Wenden Sie außerdem einen 20- bis 40-kHz-Bandpassfilter an, um unerwünschte Frequenzen aus dem Signal zu entfernen.In Bezug auf die Übertragungsleitungstheorie ist \(\tilde{H}(f)\) in diesem Fall äquivalent zum Spannungsreflexionskoeffizienten, also \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Da die Ausgangsimpedanz des Verstärkers \(Z_0\) der Eingangsimpedanz des eingebauten Transformators des Wandlers entspricht, reduziert sich der Reflexionskoeffizient der elektrischen Leistung \({P_R}/{P_I}\) auf \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), dann ist \(|\rho _{V}|^2\).Wenn der Absolutwert der elektrischen Leistung erforderlich ist, berechnen Sie die einfallende (P_I) und reflektierte (P_R) Leistung (W), indem Sie beispielsweise den quadratischen Mittelwert (rms) der entsprechenden Spannung verwenden. für eine Übertragungsleitung mit sinusförmiger Erregung gilt \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, wobei \(Z_0\) gleich 50 \(\Omega\) ist.Die an die Last \(P_T\) (d. h. das eingesetzte Medium) gelieferte elektrische Leistung kann als \(|P_I – P_R |\) (W RMS) berechnet werden und der Leistungsübertragungswirkungsgrad (PTE) kann als a definiert und ausgedrückt werden Prozentsatz (%) ergibt also 27:
Der Frequenzgang wird dann verwendet, um die Modalfrequenzen \(f_{1-3}\) (kHz) des Stiftdesigns und die entsprechende Leistungsübertragungseffizienz \(\text {PTE}_{1{-}3} abzuschätzen. \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) wird direkt aus \(\text {PTE}_{1{-}3}\) aus Tabelle 1 geschätzt Frequenzen \(f_{1-3}\), beschrieben in .
Eine Methode zur Messung des Frequenzgangs (AFC) einer nadelförmigen Struktur.Die Zweikanal-Sweep-Sinus-Messung25,38 wird verwendet, um die Frequenzgangfunktion \(\tilde{H}(f)\) und ihre Impulsantwort H(t) zu erhalten.\({\mathcal {F}}\) und \({\mathcal {F}}^{-1}\) bezeichnen die numerische abgeschnittene Fourier-Transformation bzw. die inverse Transformationsoperation.\(\tilde{G}(f)\) bedeutet, dass die beiden Signale im Frequenzbereich multipliziert werden, z. B. \(\tilde{G}_{XrX}\) bedeutet inverser Scan\(\tilde{X} r( f )\) und Spannungsabfallsignal \(\tilde{X}(f)\).
Wie in Abb. gezeigt.5, Hochgeschwindigkeitskamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA), ausgestattet mit einem Makroobjektiv (MP-E 65 mm, \(f)/2,8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokio, Japan) wurden verwendet, um die Auslenkung einer Nadelspitze bei Biegeanregung (einzelne Frequenz, kontinuierliche Sinuskurve) bei einer Frequenz von 27,5–30 kHz aufzuzeichnen.Um eine Schattenkarte zu erstellen, wurde ein gekühltes Element einer hochintensiven weißen LED (Teilenummer: 4052899910881, weiße LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Deutschland) hinter der Abschrägung der Nadel platziert.
Vorderansicht des Versuchsaufbaus.Die Tiefe wird von der Medienoberfläche aus gemessen.Die Nadelstruktur wird auf einem motorisierten Transfertisch festgeklemmt und montiert.Verwenden Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einem Objektiv mit hoher Vergrößerung (5\(\times\)), um die Durchbiegung der abgeschrägten Spitze zu messen.Alle Maße sind in Millimetern angegeben.
Für jede Art von Nadelfase haben wir 300 Hochgeschwindigkeitskamerabilder mit 128 \(\x\) 128 Pixeln aufgezeichnet, jedes mit einer räumlichen Auflösung von 1/180 mm (\(\ungefähr) 5 µm) und einer zeitlichen Auflösung von 310.000 Bildern pro Sekunde.Wie in Abbildung 6 gezeigt, wird jedes Bild (1) so zugeschnitten (2), dass sich die Spitze in der letzten Zeile (unten) des Bildes befindet, und dann wird das Histogramm des Bildes (3) berechnet, also Canny-Schwellenwerte 1 und 2 ermittelt werden.Wenden Sie dann die Canny28(4)-Kantenerkennung mit dem Sobel-Operator 3 \(\times\) 3 an und berechnen Sie die Pixelposition der nicht-kavitativen Hypotenuse (beschriftet mit \(\mathbf {\times }\)) für alle 300-fachen Schritte .Um die Spanne der Auslenkung am Ende zu bestimmen, wird die Ableitung berechnet (unter Verwendung des zentralen Differenzalgorithmus) (6) und der Rahmen identifiziert, der die lokalen Extrema (dh den Peak) der Auslenkung enthält (7).Nach einer visuellen Inspektion der nicht kavitierenden Kante wurde ein Rahmenpaar (oder zwei Rahmen, die um eine halbe Zeitspanne voneinander getrennt waren) (7) ausgewählt und die Spitzenauslenkung gemessen (beschriftet mit \(\mathbf {\times} \ ). Das Obige wurde implementiert in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) unter Verwendung des OpenCV Canny-Kantenerkennungsalgorithmus (v4.5.1, Open-Source-Computer-Vision-Bibliothek, opencv.org) (W, rms). .
Die Spitzenauslenkung wurde anhand einer Reihe von Bildern gemessen, die von einer Hochgeschwindigkeitskamera bei 310 kHz aufgenommen wurden, unter Verwendung eines 7-stufigen Algorithmus (1-7), einschließlich Rahmen (1-2), Canny-Kantenerkennung (3-4) und Pixelpositionskante Berechnung (5) und ihre zeitlichen Ableitungen (6) sowie schließlich die Spitze-zu-Spitze-Ablenkung wurden an visuell inspizierten Rahmenpaaren gemessen (7).
Die Messungen wurden in Luft (22,4–22,9 °C), entionisiertem Wasser (20,8–21,5 °C) und ballistischer Gelatine 10 % (w/v) (19,7–23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text.) durchgeführt { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Rinder- und Schweineknochengelatine für die ballistische Analyse vom Typ I, Honeywell International, North Carolina, USA).Die Temperatur wurde mit einem K-Typ-Thermoelementverstärker (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) und einem K-Typ-Thermoelement (Fluke 80PK-1 Bead Probe Nr. 3648 Typ-K, Fluke Corporation, Washington, USA) gemessen.Die mittlere Tiefe wurde von der Oberfläche (als Ursprung der Z-Achse festgelegt) unter Verwendung eines vertikalen motorisierten Z-Achsentisches (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) mit einer Auflösung von 5 µm gemessen.pro Schritt.
Da die Stichprobengröße klein war (n = 5) und keine Normalität angenommen werden konnte, wurde ein zweiseitiger Wilcoxon-Rangsummentest mit zwei Stichproben (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) verwendet um die Varianz der Nadelspitze für verschiedene Fasen zu vergleichen.Es gab drei Vergleiche pro Steigung, daher wurde eine Bonferroni-Korrektur mit einem angepassten Signifikanzniveau von 0,017 und einer Fehlerrate von 5 % angewendet.
Wenden wir uns nun Abb.7 zu.Bei einer Frequenz von 29,75 kHz beträgt die Biegehalbwelle (\(\lambda_y/2\)) einer 21-Gauge-Nadel \(\ungefähr) 8 mm.Wenn man sich der Spitze nähert, nimmt die Biegewellenlänge entlang des schrägen Winkels ab.An der Spitze \(\lambda _y/2\) \(\ungefähr\) gibt es Schritte von 3, 1 und 7 mm für die übliche lanzettliche (a), asymmetrische (b) und achsensymmetrische (c) Neigung einer einzelnen Nadel , jeweils.Dies bedeutet also, dass die Reichweite der Lanzette ungefähr 5 mm beträgt (aufgrund der Tatsache, dass die beiden Ebenen der Lanzette einen einzigen Punkt bilden29,30), die asymmetrische Abschrägung 7 mm und die asymmetrische Abschrägung 1 mm beträgt mm.Achsensymmetrische Neigungen (der Schwerpunkt bleibt konstant, sodass sich entlang der Neigung tatsächlich nur die Rohrwandstärke ändert).
FEM-Studien und Anwendung von Gleichungen bei einer Frequenz von 29,75 kHz.(1) Bei der Berechnung der Variation der Biegehalbwelle (\(\lambda_y/2\)) für Lanzetten- (a), asymmetrische (b) und achsensymmetrische (c) Fasengeometrien (wie in Abb. 1a,b,c). ).Der Durchschnittswert \(\lambda_y/2\) der lanzettenförmigen, asymmetrischen und axialsymmetrischen Abschrägungen betrug 5,65, 5,17 bzw. 7,52 mm.Beachten Sie, dass die Spitzendicke für asymmetrische und axialsymmetrische Fasen auf ca. 50 µm begrenzt ist.
Die Spitzenmobilität \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) ist die optimale Kombination aus Rohrlänge (TL) und Fasenlänge (BL) (Abb. 8, 9).Da die Größe einer herkömmlichen Lanzette fest ist, beträgt die optimale TL ca. 29,1 mm (Abb. 8).Für asymmetrische und achsensymmetrische Fasen (Abb. 9a bzw. b) umfassten FEM-Studien BL von 1 bis 7 mm, sodass die optimalen TL zwischen 26,9 und 28,7 mm (Bereich 1,8 mm) und zwischen 27,9 und 29,2 mm (Bereich) lagen 1,3 mm).Für die asymmetrische Steigung (Abb. 9a) stieg der optimale TL linear an, erreichte ein Plateau bei BL 4 mm und nahm dann stark von BL 5 auf 7 mm ab.Bei einer achsensymmetrischen Abschrägung (Abb. 9b) stieg der optimale TL linear mit zunehmendem BL und stabilisierte sich schließlich bei BL von 6 auf 7 mm.Eine erweiterte Untersuchung der achsensymmetrischen Neigung (Abb. 9c) ergab einen anderen Satz optimaler TLs bei ca. 35,1–37,1 mm.Für alle BLs beträgt der Abstand zwischen den beiden besten TLs \(\ungefähr) 8 mm (entspricht \(\lambda_y/2\)).
Lancet-Übertragungsmobilität bei 29,75 kHz.Die Nadel wurde bei einer Frequenz von 29,75 kHz flexibel angeregt und die Vibration wurde an der Nadelspitze gemessen und als Ausmaß der übertragenen mechanischen Beweglichkeit (dB relativ zum Maximalwert) für TL 26,5–29,5 mm (in Schritten von 0,1 mm) ausgedrückt. .
Parametrische Untersuchungen der FEM bei einer Frequenz von 29,75 kHz zeigen, dass die Transfermobilität einer achsensymmetrischen Spitze durch eine Änderung der Rohrlänge weniger beeinflusst wird als die ihres asymmetrischen Gegenstücks.Studien zur Abschrägungslänge (BL) und Rohrlänge (TL) asymmetrischer (a) und axialsymmetrischer (b, c) Abschrägungsgeometrien in der Frequenzbereichsstudie mittels FEM (Randbedingungen sind in Abb. 2 dargestellt).(a, b) TL lag im Bereich von 26,5 bis 29,5 mm (0,1-mm-Schritt) und BL 1–7 mm (0,5-mm-Schritt).(c) Erweiterte achsensymmetrische Neigungsstudien einschließlich TL 25–40 mm (in Schritten von 0,05 mm) und BL 0,1–7 mm (in Schritten von 0,1 mm), die zeigen, dass \(\lambda_y/2\ ) die Anforderungen der Spitze erfüllen muss.sich bewegende Randbedingungen.
Die Nadelkonfiguration weist drei Eigenfrequenzen \(f_{1-3}\) auf, die in niedrige, mittlere und hohe Modebereiche unterteilt sind, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die PTE-Größe wurde wie in Abb. gezeigt aufgezeichnet.10 und dann in Abb. 11 analysiert. Nachfolgend sind die Ergebnisse für jeden Modalbereich aufgeführt:
Typische aufgezeichnete Amplituden der momentanen Leistungsübertragungseffizienz (PTE), die mit Sinusanregung mit gewobbelter Frequenz für eine Lanzette (L) und eine achsensymmetrische Abschrägung AX1-3 in Luft, Wasser und Gelatine in einer Tiefe von 20 mm erhalten wurden.Es werden einseitige Spektren dargestellt.Der gemessene Frequenzgang (abgetastet bei 300 kHz) wurde tiefpassgefiltert und dann für die Modalanalyse um den Faktor 200 verkleinert.Das Signal-Rausch-Verhältnis beträgt \(\le\) 45 dB.PTE-Phasen (lila gepunktete Linien) werden in Grad (\(^{\circ}\)) angezeigt.
Die in Abb. 10 gezeigte modale Antwortanalyse (Mittelwert ± Standardabweichung, n = 5) für die Steigungen L und AX1-3 in Luft, Wasser und 10 % Gelatine (Tiefe 20 mm) mit (oben) drei Modalbereichen ( niedrig, mittel und hoch) und ihre entsprechenden Modalfrequenzen\(f_{1-3 }\) (kHz), (durchschnittliche) Energieeffizienz \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Berechnet unter Verwendung von Äquivalenten .(4) bzw. (unten) Vollbreite bei Halbwertsmessungen \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Beachten Sie, dass die Bandbreitenmessung übersprungen wurde, wenn ein niedriger PTE registriert wurde, dh \(\text {FWHM}_{1}\) im Fall einer AX2-Steigung.Der \(f_2\)-Modus erwies sich als am besten geeignet für den Vergleich von Hangablenkungen, da er die höchste Leistungsübertragungseffizienz (\(\text {PTE}_{2}\)) von bis zu 99 % aufwies.
Erster Modalbereich: \(f_1\) hängt nicht stark von der Art des eingesetzten Mediums ab, sondern von der Geometrie des Hangs.\(f_1\) nimmt mit abnehmender Fasenlänge ab (27,1, 26,2 bzw. 25,9 kHz in Luft für AX1-3).Die regionalen Durchschnittswerte \(\text {PTE}_{1}\) und \(\text {FWHM}_{1}\) betragen \(\ approx\) 81 % bzw. 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) hat den höchsten Gelatinegehalt im Lancet (L, 473 Hz).Beachten Sie, dass \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 in Gelatine aufgrund der niedrigen aufgezeichneten FRF-Amplitude nicht ausgewertet werden konnte.
Der zweite modale Bereich: \(f_2\) hängt von der Art des eingelegten Mediums und der Abschrägung ab.Die Durchschnittswerte \(f_2\) betragen 29,1, 27,9 und 28,5 kHz in Luft, Wasser und Gelatine.Diese Modalregion wies auch einen hohen PTE von 99 % auf, der höchste aller gemessenen Gruppen, mit einem regionalen Durchschnitt von 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) hat einen regionalen Durchschnitt von \(\ungefähr\) 910 Hz.
Dritter Modusbereich: Die Frequenz \(f_3\) hängt vom Medientyp und der Abschrägung ab.Die durchschnittlichen \(f_3\)-Werte betragen 32,0, 31,0 bzw. 31,3 kHz in Luft, Wasser und Gelatine.Der \(\text {PTE}_{3}\) regionale Durchschnitt lag bei \(\ungefähr\) 74 % und war damit der niedrigste aller Regionen.Der regionale Durchschnitt \(\text {FWHM}_{3}\) beträgt \(\ungefähr\) 1085 Hz und ist damit höher als in der ersten und zweiten Region.
       Das Folgende bezieht sich auf Abb.12 und Tabelle 2. Die Lanzette (L) wurde sowohl in Luft als auch in Wasser am stärksten abgelenkt (mit hoher Signifikanz für alle Spitzen, \(p<\) 0,017) (Abb. 12a) und erreichte den höchsten DPR (bis zu 220 µm/ W in Luft). 12 und Tabelle 2. Die Lanzette (L) wurde sowohl in Luft als auch in Wasser am stärksten abgelenkt (mit hoher Signifikanz für alle Spitzen, \(p<\) 0,017) (Abb. 12a) und erreichte den höchsten DPR (bis zu 220 µm/ W in Luft). Weitere Informationen zu Risiko 12 und Tabelle 2. Lanzet (L) hat mehr als einen Wert (mit einem Wert von 0,017) erreicht ) Aufgrund des Gesetzes und des Gesetzes (Risk. 12a) gilt die DVR als Rechtsgrundlage . Das Folgende gilt für Abbildung 12 und Tabelle 2. Lanzette (L) wurde sowohl in Luft als auch in Wasser am stärksten abgelenkt (mit hoher Signifikanz für alle Spitzen, \(p<\) 0,017) (Abb. 12a) und erreichte den höchsten DPR.(Machen Sie 220 μm/W in Luft).Smt.Abbildung 12 und Tabelle 2 unten.(L) (Durchschnittstemperatur von 220 µm/W).柳叶刀(L) hat die höchste Durchbiegung in Luft und Wasser (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) und erreicht den höchsten DPR (bis zu 220 µm/W in Luft). Lanzet (L) hat mehr als 100.000 US-Dollar pro Woche (Gesetz 12.01.2016) erhalten 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) wurde in Luft und Wasser am stärksten abgelenkt (hohe Signifikanz für alle Spitzen, \(p<\) 0,017) (Abb. 12a) und erreichte den höchsten DPR (bis zu 220 µm/W in Luft). In Luft wurde AX1, das einen höheren BL aufwies, stärker abgelenkt als AX2–3 (mit einer Signifikanz von \(p<\) 0,017), während AX3 (das den niedrigsten BL aufwies) stärker abgelenkt wurde als AX2 mit einem DPR von 190 µm/W. In Luft wurde AX1, das einen höheren BL aufwies, stärker abgelenkt als AX2–3 (mit einer Signifikanz von \(p<\) 0,017), während AX3 (das den niedrigsten BL aufwies) stärker abgelenkt wurde als AX2 mit einem DPR von 190 µm/W. Im letzten Jahr wurde AX1 mit AX2–3 (mit einem Wert von \(p<\) 0,017) und AX3 (mit weniger als 100 BL) angezeigt м AX2 mit DPR 190 мкм/Вт. In Luft wurde AX1 mit höherem BL stärker abgelenkt als AX2–3 (mit Signifikanz \(p<\) 0,017), wohingegen AX3 (mit niedrigstem BL) stärker abgelenkt wurde als AX2 mit DPR 190 µm/W.在空气中, 具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0.017）, 而AX3（具有最低BL）的偏转Größe: AX2, DPR: 190 µm/W 。 In Luft ist die Auslenkung von AX1 mit höherem BL höher als die von AX2-3 (signifikant \(p<\) 0,017), und die Auslenkung von AX3 (mit niedrigstem BL) ist größer als die von AX2, DPR beträgt 190 µm/W . Im Vergleich zu AX1 und BL wird mehr als AX2-3 angezeigt (nicht angegeben, \(p<\) 0,017), da AX3 (mit weniger BL) mehr angezeigt wird. AX2 mit DPR 190 мкм/Вт. In Luft lenkt AX1 mit höherem BL stärker ab als AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), wohingegen AX3 (mit niedrigstem BL) mehr ablenkt als AX2 mit DPR 190 μm/W.Bei 20 mm Wasser waren die Durchbiegung und der PTE AX1–3 nicht signifikant unterschiedlich (\(p>\) 0,017).Die PTE-Werte in Wasser (90,2–98,4 %) waren im Allgemeinen höher als in Luft (56–77,5 %) (Abb. 12c), und das Phänomen der Kavitation wurde während des Experiments in Wasser festgestellt (Abb. 13, siehe auch Zusatz). Information).
Das Ausmaß der Spitzenauslenkung (Mittelwert ± SD, n = 5), gemessen für Fase L und AX1-3 in Luft und Wasser (Tiefe 20 mm), zeigt die Auswirkung sich ändernder Fasengeometrie.Die Messungen wurden unter Verwendung einer kontinuierlichen sinusförmigen Einzelfrequenzanregung durchgeführt.(a) Peak-to-Peak-Abweichung (\(u_y\vec {j}\)) an der Spitze, gemessen bei (b) ihren jeweiligen Modalfrequenzen \(f_2\).(c) Leistungsübertragungseffizienz (PTE, RMS, %) der Gleichung.(4) und (d) Ablenkungsleistungsfaktor (DPR, µm/W), berechnet als Abweichung von Spitze zu Spitze und übertragene elektrische Leistung \(P_T\) (Wrms).
Ein typisches Schattendiagramm einer Hochgeschwindigkeitskamera, das die Spitze-zu-Spitze-Abweichung (grüne und rote gepunktete Linien) einer Lanzette (L) und einer axialsymmetrischen Spitze (AX1–3) in Wasser (20 mm Tiefe) über einen halben Zyklus zeigt.Zyklus, bei Anregungsfrequenz \(f_2\) (Abtastfrequenz 310 kHz).Das aufgenommene Graustufenbild hat eine Größe von 128×128 Pixel und eine Pixelgröße von ca. 5 µm.Das Video finden Sie in den Zusatzinformationen.
Daher haben wir die Änderung der Biegewellenlänge modelliert (Abb. 7) und die übertragbare mechanische Beweglichkeit für Kombinationen aus Rohrlänge und Fase (Abb. 8, 9) für herkömmliche Lanzetten-, asymmetrische und achsensymmetrische Fasen geometrischer Formen berechnet.Basierend auf letzterem haben wir den optimalen Abstand von 43 mm (oder \(\ungefähr) 2,75\(\lambda _y\) bei 29,75 kHz) von der Spitze zur Schweißnaht geschätzt, wie in Abb. 5 gezeigt, und drei achsensymmetrisch gemacht Fasen mit unterschiedlichen Fasenlängen.Anschließend haben wir ihr Frequenzverhalten in Luft, Wasser und 10 % (Gew./Vol.) ballistischer Gelatine im Vergleich zu herkömmlichen Lanzetten charakterisiert (Abbildungen 10, 11) und den Modus ermittelt, der für den Vergleich der Abschrägungsablenkung am besten geeignet ist.Schließlich haben wir die Spitzenablenkung durch Biegewellen in Luft und Wasser in einer Tiefe von 20 mm gemessen und die Leistungsübertragungseffizienz (PTE, %) und den Ablenkungsleistungsfaktor (DPR, µm/W) des Einführmediums für jede Abschrägung quantifiziert.eckiger Typ (Abb. 12).
Es hat sich gezeigt, dass die Geometrie der Nadelschräge das Ausmaß der Ablenkung der Nadelspitze beeinflusst.Die Lanzette erreichte die höchste Auslenkung und den höchsten DPR im Vergleich zur achsensymmetrischen Abschrägung mit geringerer durchschnittlicher Auslenkung (Abb. 12).Die 4 mm große axialsymmetrische Abschrägung (AX1) mit der längsten Abschrägung erreichte im Vergleich zu den anderen axialsymmetrischen Nadeln (AX2–3) eine statistisch signifikante maximale Auslenkung in Luft (\(p < 0,017\), Tabelle 2), es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied .beobachtet, wenn die Nadel in Wasser gelegt wird.Daher bietet eine längere Fasenlänge hinsichtlich der Spitzenauslenkung an der Spitze keinen offensichtlichen Vorteil.Vor diesem Hintergrund scheint es, dass die in dieser Studie untersuchte Fasengeometrie einen größeren Einfluss auf die Durchbiegung hat als die Länge der Fase.Dies kann auf die Biegesteifigkeit zurückzuführen sein, die beispielsweise von der Gesamtdicke des zu biegenden Materials und der Konstruktion der Nadel abhängt.
In experimentellen Untersuchungen wird die Größe der reflektierten Biegewelle durch die Randbedingungen der Spitze beeinflusst.Wenn die Nadelspitze in Wasser und Gelatine eingeführt wird, beträgt \(\text {PTE}_{2}\) \(\ungefähr\) 95 % und \(\text {PTE}_{ 2}\) \ (\text {PTE}_{ 2}\) die Werte betragen 73 % und 77 % für (\text {PTE}_{1}\) und \(\text {PTE}_{3}\), bzw. (Abb. 11).Dies weist darauf hin, dass die maximale Übertragung akustischer Energie auf das Gießmedium, also Wasser oder Gelatine, bei \(f_2\) erfolgt.Ein ähnliches Verhalten wurde in einer früheren Studie31 mit einer einfacheren Gerätekonfiguration im Frequenzbereich von 41–43 kHz beobachtet, in der die Autoren die Abhängigkeit des Spannungsreflexionskoeffizienten vom mechanischen Modul des Einbettungsmediums zeigten.Die Eindringtiefe32 und die mechanischen Eigenschaften des Gewebes bewirken eine mechanische Belastung der Nadel und dürften daher das Resonanzverhalten des UZEFNAB beeinflussen.Somit können Resonanzverfolgungsalgorithmen (z. B. 17, 18, 33) verwendet werden, um die durch die Nadel abgegebene akustische Leistung zu optimieren.
Eine Simulation bei Biegewellenlängen (Abb. 7) zeigt, dass die achsensymmetrische Spitze strukturell steifer ist (dh biegesteifer) als die Lanzette und die asymmetrische Abschrägung.Basierend auf (1) und unter Verwendung der bekannten Geschwindigkeits-Frequenz-Beziehung schätzen wir die Biegesteifigkeit an der Nadelspitze auf etwa 200, 20 und 1500 MPa für Lanzettenebenen, asymmetrische bzw. axiale geneigte Ebenen.Dies entspricht \(\lambda_y\) von \(\ungefähr\) 5,3, 1,7 bzw. 14,2 mm bei 29,75 kHz (Abb. 7a–c).Unter Berücksichtigung der klinischen Sicherheit während der USeFNAB sollte der Einfluss der Geometrie auf die strukturelle Steifigkeit der schiefen Ebene beurteilt werden34.
Eine Untersuchung der Abschrägungsparameter im Verhältnis zur Rohrlänge (Abb. 9) zeigte, dass der optimale Übertragungsbereich für die asymmetrische Abschrägung (1,8 mm) höher war als für die axialsymmetrische Abschrägung (1,3 mm).Darüber hinaus ist die Beweglichkeit stabil bei etwa 4 bis 4,5 mm bzw. 6 bis 7 mm für asymmetrische bzw. axialsymmetrische Neigungen (Abb. 9a, b).Die praktische Bedeutung dieser Entdeckung drückt sich in Herstellungstoleranzen aus. Beispielsweise kann ein niedrigerer Bereich des optimalen TL bedeuten, dass eine größere Längengenauigkeit erforderlich ist.Gleichzeitig bietet das Mobilitätsplateau eine größere Toleranz für die Wahl der Länge des Einbruchs bei einer bestimmten Frequenz, ohne dass die Mobilität wesentlich beeinträchtigt wird.
Die Studie beinhaltet die folgenden Einschränkungen.Durch die direkte Messung der Nadelauslenkung mittels Kantenerkennung und Hochgeschwindigkeitsbildgebung (Abbildung 12) sind wir auf optisch transparente Medien wie Luft und Wasser beschränkt.Wir möchten auch darauf hinweisen, dass wir die simulierte Transfermobilität nicht experimentell getestet haben und umgekehrt, sondern FEM-Studien verwendet haben, um die optimale Länge für die Nadelherstellung zu ermitteln.Aus praktischen Gründen ist die Länge der Lanzette von der Spitze bis zur Hülse ca. 0,4 cm länger als bei anderen Nadeln (AX1-3), siehe Abb.3b.Dies kann die modale Reaktion des Nadeldesigns beeinflussen.Darüber hinaus können Form und Volumen des Lots am Ende eines Wellenleiterstifts (siehe Abbildung 3) die mechanische Impedanz des Stiftdesigns beeinflussen und zu Fehlern in der mechanischen Impedanz und im Biegeverhalten führen.
Schließlich haben wir gezeigt, dass die experimentelle Fasengeometrie das Ausmaß der Durchbiegung in USeFNAB beeinflusst.Wenn sich eine größere Auslenkung positiv auf die Wirkung der Nadel auf das Gewebe auswirken würde, beispielsweise auf die Schneideffizienz nach dem Einstechen, kann bei USeFNAB eine herkömmliche Lanzette empfohlen werden, da diese eine maximale Auslenkung bietet und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit der Strukturspitze beibehält..Darüber hinaus hat eine aktuelle Studie35 gezeigt, dass eine größere Auslenkung der Spitze biologische Effekte wie Kavitation verstärken kann, was zur Entwicklung minimalinvasiver chirurgischer Anwendungen beitragen kann.Angesichts der Tatsache, dass eine Erhöhung der gesamten akustischen Leistung nachweislich die Biopsieausbeute bei USeFNAB erhöht13, sind weitere quantitative Studien zur Probenausbeute und -qualität erforderlich, um die detaillierten klinischen Vorteile der untersuchten Nadelgeometrie zu bewerten.