Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.
Recentment s'ha demostrat que l'ús d'ecografia pot millorar el rendiment de teixit en la biòpsia d'aspiració amb agulla fina (USeFNAB) millorada per ultrasons en comparació amb la biòpsia d'aspiració amb agulla fina convencional (FNAB).La relació entre la geometria del bisell i l'acció de la punta de l'agulla encara no s'ha investigat.En aquest estudi, hem investigat les propietats de la ressonància de l'agulla i l'amplitud de la deflexió per a diverses geometries de bisell de l'agulla amb diferents longituds de bisell.Utilitzant una llanceta convencional amb un tall de 3,9 mm, el factor de potència de deflexió de la punta (DPR) va ser de 220 i 105 µm/W en aire i aigua, respectivament.Això és superior a la punta de bisell axisimètrica de 4 mm, que va aconseguir un DPR de 180 i 80 µm/W en aire i aigua, respectivament.Aquest estudi destaca la importància de la relació entre la rigidesa a la flexió de la geometria del bisell en el context de diferents ajudes d'inserció i, per tant, pot proporcionar informació sobre els mètodes per controlar l'acció de tall després de la punció canviant la geometria del bisell de l'agulla, que és important per a USeFNAB.L'aplicació importa.
La biòpsia per aspiració amb agulla fina (FNAB) és una tècnica en la qual s'utilitza una agulla per obtenir una mostra de teixit quan se sospita una anormalitat1,2,3.S'ha demostrat que les puntes de tipus Franseen proporcionen un rendiment de diagnòstic més alt que les puntes Lancet4 i Menghini5 tradicionals.També s'han proposat bisells axisimètrics (és a dir, circumferencials) per augmentar la probabilitat d'una mostra adequada per a la histopatologia6.
Durant una biòpsia, es passa una agulla a través de capes de pell i teixit per revelar una patologia sospitosa.Estudis recents han demostrat que l'activació ultrasònica pot reduir la força de punció necessària per accedir als teixits tous7,8,9,10.S'ha demostrat que la geometria del bisell de l'agulla afecta les forces d'interacció de l'agulla, per exemple, s'ha demostrat que els bisells més llargs tenen forces de penetració del teixit més baixes 11 .S'ha suggerit que després que l'agulla hagi penetrat a la superfície del teixit, és a dir, després de la punció, la força de tall de l'agulla pot ser del 75% de la força total d'interacció entre agulla i teixit12.S'ha demostrat que l'ecografia (EUA) millora la qualitat de la biòpsia diagnòstica de teixits tous en la fase posterior a la punció13.S'han desenvolupat altres mètodes per millorar la qualitat de la biòpsia òssia per al mostreig de teixit dur14,15, però no s'han informat resultats que millorin la qualitat de la biòpsia.Diversos estudis també han trobat que el desplaçament mecànic augmenta amb l'augment de la tensió de la unitat d'ultrasons16,17,18.Tot i que hi ha molts estudis de forces estàtiques axials (longitudinals) en les interaccions agulla-teixit19,20, els estudis sobre la dinàmica temporal i la geometria del bisell de l'agulla en FNAB millorat per ultrasons (USeFNAB) són limitats.
L'objectiu d'aquest estudi era investigar l'efecte de diferents geometries de bisell sobre l'acció de la punta de l'agulla impulsada per la flexió de l'agulla a freqüències ultrasòniques.En particular, es va investigar l'efecte del medi d'injecció sobre la deflexió de la punta de l'agulla després de la punció per a bisells d'agulla convencionals (per exemple, llancetes), geometries axisimètriques i asimètriques de bisell únic (Fig. Per facilitar el desenvolupament d'agulles USeFNAB per a diversos propòsits, com ara la succió selectiva). nuclis d'accés o de teixit tou.
En aquest estudi es van incloure diverses geometries de bisell.(a) Llancetes conformes a ISO 7864:201636 on \(\alpha\) és l'angle de bisell primari, \(\theta\) és l'angle de rotació del bisell secundari i \(\phi\) és l'angle de rotació del bisell secundari en graus , en graus (\(^\circ\)).(b) xamfrans lineals asimètrics d'un sol pas (anomenats "estàndard" a DIN 13097:201937) i (c) xamfrans lineals axisimètrics (circunferencials) d'un sol pas.
El nostre enfocament és modelar primer el canvi en la longitud d'ona de flexió al llarg del pendent per a les geometries convencionals de lanceta, axisimètrica i asimètrica d'una sola etapa.A continuació, vam calcular un estudi paramètric per examinar l'efecte de l'angle de bisell i la longitud del tub sobre la mobilitat del mecanisme de transport.Això es fa per determinar la longitud òptima per fer un prototip d'agulla.A partir de la simulació, es van fer prototips d'agulla i es va caracteritzar experimentalment el seu comportament ressonant a l'aire, l'aigua i la gelatina balística al 10% (p/v) mesurant el coeficient de reflexió de la tensió i calculant l'eficiència de transferència de potència, a partir de la qual es va calcular la freqüència de funcionament. determinat..Finalment, la imatge d'alta velocitat s'utilitza per mesurar directament la deflexió de l'ona de flexió a la punta de l'agulla a l'aire i l'aigua, i per estimar la potència elèctrica transmesa per cada inclinació i la geometria del factor de potència de deflexió (DPR) de la injectada. mitjà.
Com es mostra a la figura 2a, utilitzeu la canonada núm. 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm de gruix de paret, paret estàndard tal com s'especifica a la norma ISO 9626:201621) feta d'acer inoxidable 316 ( mòdul de Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densitat 8070 kg/m\(^{3}\), relació de Poisson 0,275).
Determinació de la longitud d'ona de flexió i afinació del model d'elements finits (FEM) de l'agulla i condicions de contorn.(a) Determinació de la longitud del bisell (BL) i la longitud del tub (TL).(b) Model d'elements finits (FEM) tridimensional (3D) que utilitza una força puntual harmònica \(\tilde{F}_y\vec{j}\) per excitar l'agulla a l'extrem proximal, desviar el punt i mesurar la velocitat per punta (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) per calcular la mobilitat mecànica del transport.\(\lambda_y\) es defineix com la longitud d'ona de flexió associada a la força vertical \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determineu el centre de gravetat, l'àrea de la secció transversal A i els moments d'inèrcia \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) al voltant de l'eix x i l'eix y respectivament.
Com es mostra a la fig.2b,c, per a un feix infinit (infinit) amb àrea de secció transversal A i amb una gran longitud d'ona en comparació amb la mida de la secció transversal del feix, la velocitat de fase de flexió (o flexió) \(c_{EI}\ ) es defineix com 22:
on E és el mòdul de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) és la freqüència angular d'excitació (rad/s), on \( f_0 \ ) és la freqüència lineal (1/s o Hz), I és el moment d'inèrcia de l'àrea al voltant de l'eix d'interès \((\text {m}^{4})\) i \(m'=\ rho _0 A \) és la massa de la unitat de longitud (kg/m), on \(\rho _0\) és la densitat \((\text {kg/m}^{3})\) i A és la creu -àrea de la secció del feix (pla xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Com que en el nostre cas la força aplicada és paral·lela a l'eix vertical de les y, és a dir, \(\tilde{F}_y\vec {j}\), només ens interessa el moment d'inèrcia de l'àrea al voltant de l'horitzontal x- eix, és a dir, \(I_{xx} \), Per això:
Per al model d'elements finits (FEM), s'assumeix un desplaçament harmònic pur (m), de manera que l'acceleració (\(\text {m/s}^{2}\)) s'expressa com \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parcial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), p. ex. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) és un vector de desplaçament tridimensional definit en coordenades espacials.Reemplaçant aquesta última per la forma lagrangiana finitament deformable de la llei d'equilibri del moment23, segons la seva implementació al paquet de programari COMSOL Multiphysics (versions 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, EUA), dóna:
On \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) és l'operador de divergència del tensor, i \({\underline{\sigma}}\) és el segon tensor de tensió de Piola-Kirchhoff (segon ordre, \(\ text). { N /m}^{2}\)), i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) és el vector de la força corporal (\(\text {N/m}^{3}\)) de cada volum deformable, i \(e^{j\phi }\) és la fase de la força corporal, té un angle de fase \(\phi\) (rad).En el nostre cas, la força de volum del cos és zero, i el nostre model assumeix linealitat geomètrica i petites deformacions purament elàstiques, és a dir, \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), on \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline{ \varepsilon}}\) – deformació elàstica i deformació total (adimensionada de segon ordre), respectivament.El tensor d'elasticitat isòtropa constitutiva de Hooke \(\underline {\underline {C))\) s'obté utilitzant el mòdul de Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) i es defineix la relació de Poisson v, de manera que \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quart ordre).Així, el càlcul de l'esforç es converteix en \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Els càlculs es van realitzar amb elements tetraèdrics de 10 nodes amb una mida d'element \(\le\) 8 µm.L'agulla es modela al buit i el valor de transferència de mobilitat mecànica (ms-1 H-1) es defineix com \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec {j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, on \(\tilde{v}_y\vec {j}\) és la velocitat complexa de sortida de la peça de mà, i \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) és una força motriu complexa situada a l'extrem proximal del tub, tal com es mostra a la figura 2b.La mobilitat mecànica transmissiva s'expressa en decibels (dB) utilitzant el valor màxim com a referència, és a dir, \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Tots els estudis FEM es van dur a terme a una freqüència de 29,75 kHz.
El disseny de l'agulla (Fig. 3) consisteix en una agulla hipodèrmica convencional de calibre 21 (número de catàleg: 4665643, Sterican\(^\circledR\), amb un diàmetre exterior de 0,8 mm, una longitud de 120 mm, feta d'AISI acer inoxidable crom-níquel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Alemanya) va col·locar una funda de plàstic Luer Lock feta de polipropilè proximal amb una modificació de punta corresponent.El tub de l'agulla està soldat a la guia d'ones tal com es mostra a la figura 3b.La guia d'ona es va imprimir en una impressora 3D d'acer inoxidable (EOS Stainless Steel 316L en una impressora 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlàndia) i després es va connectar al sensor Langevin mitjançant cargols M4.El transductor Langevin consta de 8 elements d'anell piezoelèctrics amb dos pesos a cada extrem.
Els quatre tipus de puntes (a la foto), una lanceta disponible comercialment (L) i tres bisells axisimètrics d'una sola etapa (AX1–3) es van caracteritzar per longituds de bisell (BL) de 4, 1, 2 i 0, 5 mm, respectivament.(a) Primer pla de la punta de l'agulla acabada.(b) Vista superior de quatre agulles soldades a una guia d'ona impresa en 3D i després connectades al sensor Langevin amb cargols M4.
Es van fabricar tres puntes de bisell axisimètrics (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) amb longituds de bisell (BL, determinades a la Fig. 2a) de 4,0, 1,2 i 0,5 mm, corresponents a \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\).Els pesos de la guia d'ones i del llapis són 3,4 ± 0,017 g (mitjana ± SD, n = 4) per al bisell L i AX1–3, respectivament (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Alemanya) .La longitud total des de la punta de l'agulla fins a l'extrem de la funda de plàstic és de 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm per al bisell L i AX1-3 de la figura 3b, respectivament.
Per a totes les configuracions d'agulla, la longitud des de la punta de l'agulla fins a la punta de la guia d'ona (és a dir, l'àrea de soldadura) és de 4,3 cm i el tub de l'agulla està orientat de manera que el bisell estigui cap amunt (és a dir, paral·lel a l'eix Y). ).), com a (Fig. 2).
Es va utilitzar un script personalitzat a MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, EUA) que s'executa en un ordinador (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, EUA) per generar un escombrat sinusoïdal lineal de 25 a 35 kHz en 7 segons, convertit a un senyal analògic mitjançant un convertidor de digital a analògic (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, EUA).A continuació, el senyal analògic \(V_0\) (0,5 Vp-p) es va amplificar amb un amplificador de radiofreqüència (RF) dedicat (Mariachi Oy, Turku, Finlàndia).La tensió d'amplificació descendent \({V_I}\) surt des de l'amplificador de RF amb una impedància de sortida de 50 \(\Omega\) a un transformador integrat a l'estructura d'agulla amb una impedància d'entrada de 50 \(\Omega)\) Els transductors Langevin (transductors piezoelèctrics multicapa davanter i posterior, carregats de massa) s'utilitzen per generar ones mecàniques.L'amplificador de RF personalitzat està equipat amb un mesurador de factor de potència d'ones estacionàries (SWR) de doble canal que pot detectar \({V_I}\) incident i la tensió amplificada reflectida \(V_R\) a través d'un analògic a digital (AD) de 300 kHz. ) convertidor (Analog Discovery 2).El senyal d'excitació es modula en amplitud al principi i al final per evitar la sobrecàrrega de l'entrada de l'amplificador amb transitoris.
Utilitzant un script personalitzat implementat a MATLAB, la funció de resposta en freqüència (AFC), és a dir, assumeix un sistema estacionari lineal.A més, apliqueu un filtre de pas de banda de 20 a 40 kHz per eliminar les freqüències no desitjades del senyal.En referència a la teoria de la línia de transmissió, \(\tilde{H}(f)\) en aquest cas és equivalent al coeficient de reflexió de la tensió, és a dir, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Com que la impedància de sortida de l'amplificador \(Z_0\) correspon a la impedància d'entrada del transformador integrat del convertidor, i el coeficient de reflexió de la potència elèctrica \({P_R}/{P_I}\) es redueix a \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), llavors és \(|\rho _{V}|^2\).En el cas que es requereixi el valor absolut de la potència elèctrica, calculeu la potència incident \(P_I\) i reflectida\(P_R\) (W) prenent el valor quadrat mitjà (rms) de la tensió corresponent, per exemple, per a una línia de transmissió amb excitació sinusoïdal, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, on \(Z_0\) és igual a 50 \(\Omega\).La potència elèctrica subministrada a la càrrega \(P_T\) (és a dir, el medi inserit) es pot calcular com \(|P_I – P_R |\) (W RMS) i l'eficiència de transferència de potència (PTE) es pot definir i expressar com a percentatge (%) dóna així 27:
La resposta de freqüència s'utilitza llavors per estimar les freqüències modals \(f_{1-3}\) (kHz) del disseny del llapis i l'eficiència de transferència d'energia corresponent, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) s'estima directament a partir de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), de la taula 1 freqüències \(f_{1-3}\) descrites a .
Un mètode per mesurar la resposta de freqüència (AFC) d'una estructura acicular.El mesurament del sinus escombrat de doble canal25,38 s'utilitza per obtenir la funció de resposta en freqüència \(\tilde{H}(f)\) i la seva resposta a impuls H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) denoten la transformada de Fourier truncada numèrica i l'operació de transformada inversa, respectivament.\(\tilde{G}(f)\) significa que els dos senyals es multipliquen en el domini de la freqüència, per exemple, \(\tilde{G}_{XrX}\) significa exploració inversa\(\tilde{X} r( f )\) i senyal de caiguda de tensió \(\tilde{X}(f)\).
Com es mostra a la fig.5, càmera d'alta velocitat (Phantom V1612, Vision Research Inc., Nova Jersey, EUA) equipada amb una lent macro (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tòquio, Japó) es van utilitzar per registrar la deflexió d'una punta d'agulla sotmesa a excitació de flexió (freqüència única, sinusoide contínua) a una freqüència de 27,5-30 kHz.Per crear un mapa d'ombres, es va col·locar un element refrigerat d'un LED blanc d'alta intensitat (número de peça: 4052899910881, Led blanc, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Alemanya) darrere del bisell de l'agulla.
Vista frontal de la configuració experimental.La profunditat es mesura des de la superfície del suport.L'estructura de l'agulla està subjectada i muntada sobre una taula de transferència motoritzada.Utilitzeu una càmera d'alta velocitat amb una lent de gran augment (5\(\veces\)) per mesurar la deflexió de la punta bisellada.Totes les dimensions són en mil·límetres.
Per a cada tipus de bisell d'agulla, vam gravar 300 fotogrames de càmera d'alta velocitat de 128 \(\x\) 128 píxels, cadascun amb una resolució espacial d'1/180 mm (\(\aprox.) 5 µm), amb una resolució temporal. de 310.000 fotogrames per segon.Com es mostra a la figura 6, cada fotograma (1) es retalla (2) de manera que la punta es trobi a l'última línia (inferior) del fotograma, i després es calcula l'histograma de la imatge (3), de manera que Canny els llindar 1 i 2 es pot determinar.A continuació, apliqueu la detecció de vores Canny28(4) mitjançant l'operador Sobel 3 \(\times\) 3 i calculeu la posició del píxel de la hipotenusa no cavitacional (etiquetada \(\mathbf {\times }\)) per a tots els passos de 300 vegades. .Per determinar l'abast de la deflexió al final, es calcula la derivada (utilitzant l'algorisme de diferència central) (6) i s'identifica el marc que conté els extrems locals (és a dir, el pic) de la deflexió (7).Després d'inspeccionar visualment la vora no cavitativa, es va seleccionar un parell de fotogrames (o dos fotogrames separats per mig període de temps) (7) i es va mesurar la deflexió de la punta (etiquetada \(\mathbf {\times} \ ) Es va implementar l'anterior a Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) utilitzant l'algoritme de detecció de vores OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca de visió per ordinador de codi obert, opencv.org potència elèctrica \ (P_T \) (W, rms). .
La deflexió de la punta es va mesurar utilitzant una sèrie de fotogrames extrets d'una càmera d'alta velocitat a 310 kHz mitjançant un algorisme de 7 passos (1-7), inclòs l'enquadrament (1-2), la detecció de la vora Canny (3-4), la vora de la ubicació de píxels. càlcul (5) i les seves derivades temporals (6) i, finalment, es va mesurar la deflexió de punta de pic a pic en parells de fotogrames inspeccionats visualment (7).
Les mesures es van prendre a l'aire (22,4-22,9 °C), aigua desionitzada (20,8-21,5 °C) i gelatina balística 10% (p/v) (19,7-23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text) { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina d'ossos de boví i porc per a l'anàlisi balística de tipus I, Honeywell International, Carolina del Nord, EUA).La temperatura es va mesurar amb un amplificador de termoparell de tipus K (AD595, Analog Devices Inc., MA, EUA) i un termoparell de tipus K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, EUA).A partir del mitjà, es va mesurar la profunditat des de la superfície (establerta com a origen de l'eix z) mitjançant una etapa d'eix z motoritzada vertical (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituània) amb una resolució de 5 µm.per pas.
Com que la mida de la mostra era petita (n = 5) i no es podia assumir la normalitat, es va utilitzar una prova de suma de rang Wilcoxon de dues mostres de dues cues (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) per comparar la quantitat de punta de l'agulla de variància per a diferents bisells.Hi havia 3 comparacions per pendent, de manera que es va aplicar una correcció de Bonferroni amb un nivell de significació ajustat de 0,017 i una taxa d'error del 5%.
Passem ara a la figura 7.A una freqüència de 29,75 kHz, la mitja ona de flexió (\(\lambda_y/2\)) d'una agulla de calibre 21 és \(\aproximadament) 8 mm.Quan un s'acosta a la punta, la longitud d'ona de flexió disminueix al llarg de l'angle oblic.A la punta \(\lambda _y/2\) \(\aproximadament\) hi ha passos de 3, 1 i 7 mm per a la inclinació habitual lanceolada (a), asimètrica (b) i axisimètrica (c) d'una sola agulla. , respectivament.Així, això significa que l'abast de la llanceta és \(\aproximadament) 5 mm (a causa del fet que els dos plans de la llanceta formen un sol punt29,30), el bisell asimètric és de 7 mm, el bisell asimètric és 1 mm.Pendents axisimètrics (el centre de gravetat es manté constant, de manera que només el gruix de la paret de la canonada canvia al llarg del pendent).
Estudis FEM i aplicació d'equacions a una freqüència de 29,75 kHz.(1) Quan es calcula la variació de la mitja ona de flexió (\(\lambda_y/2\)) per a geometries de bisell asimètrics (b) i asimètrics (c) (com a la figura 1a,b,c). ).El valor mitjà \(\lambda_y/2\) dels bisells de lanceta, asimètrics i axisimètrics va ser de 5,65, 5,17 i 7,52 mm, respectivament.Tingueu en compte que el gruix de la punta per als bisells asimètrics i axisimètrics està limitat a \(\aprox.) 50 µm.
La mobilitat màxima \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) és la combinació òptima de longitud del tub (TL) i longitud de bisell (BL) (Fig. 8, 9).Per a una llanceta convencional, com que la seva mida és fixa, el TL òptim és \(\aproximadament) 29,1 mm (Fig. 8).Per als bisells asimètrics i axisimètrics (Fig. 9a, b, respectivament), els estudis FEM van incloure BL d'1 a 7 mm, de manera que els TL òptims van ser de 26,9 a 28,7 mm (rang 1,8 mm) i de 27,9 a 29,2 mm (rang. 1,3 mm), respectivament.Per al pendent asimètric (Fig. 9a), el TL òptim va augmentar linealment, va arribar a un altiplà a BL 4 mm i després va disminuir bruscament de BL 5 a 7 mm.Per a un bisell axisimètric (Fig. 9b), el TL òptim va augmentar linealment amb l'augment de BL i finalment es va estabilitzar a BL de 6 a 7 mm.Un estudi ampli de la inclinació axisimètrica (Fig. 9c) va revelar un conjunt diferent de TL òptims a \(\aprox.) 35,1–37,1 mm.Per a tots els BL, la distància entre els dos millors TL és \(\aprox\) 8 mm (equivalent a \(\lambda_y/2\)).
Mobilitat de transmissió de lanceta a 29,75 kHz.L'agulla es va excitar de manera flexible a una freqüència de 29,75 kHz i es va mesurar la vibració a la punta de l'agulla i es va expressar com la quantitat de mobilitat mecànica transmesa (dB en relació amb el valor màxim) per a TL 26,5-29,5 mm (en increments de 0,1 mm) .
Els estudis paramètrics del FEM a una freqüència de 29,75 kHz mostren que la mobilitat de transferència d'una punta axisimètrica es veu menys afectada per un canvi en la longitud del tub que la seva contrapart asimètrica.Estudis de longitud de bisell (BL) i longitud de canonada (TL) de geometries de bisell asimètrics (a) i axisimètrics (b, c) en l'estudi del domini de freqüència mitjançant FEM (les condicions de límit es mostren a la figura 2).(a, b) TL oscil·lava entre 26,5 i 29,5 mm (pas de 0,1 mm) i BL 1-7 mm (pas de 0,5 mm).(c) Estudis d'inclinació axisimètric ampliats que inclouen TL 25–40 mm (en increments de 0,05 mm) i BL 0,1–7 mm (en increments de 0,1 mm) que mostren que \(\lambda_y/2\) ha de complir els requisits de la punta.condicions de límit en moviment.
La configuració de l'agulla té tres freqüències pròpies \(f_{1-3}\) dividides en regions de mode baix, mitjà i alt, tal com es mostra a la taula 1. La mida del PTE es va registrar tal com es mostra a la fig.10 i després s'analitza a la figura 11. A continuació es mostren les conclusions per a cada àrea modal:
Amplitudes d'eficiència de transferència de potència instantània (PTE) registrades típiques obtingudes amb excitació sinusoïdal de freqüència escombrada per a una lanceta (L) i bisell axisimètric AX1-3 en aire, aigua i gelatina a una profunditat de 20 mm.Es mostren espectres unilaterals.La resposta de freqüència mesurada (mostrejada a 300 kHz) es va filtrar de pas baix i després es va reduir en un factor de 200 per a l'anàlisi modal.La relació senyal-soroll és \(\le\) 45 dB.Les fases PTE (línies de punts morades) es mostren en graus (\(^{\circ}\)).
L'anàlisi de la resposta modal (mitjana ± desviació estàndard, n = 5) que es mostra a la figura 10, per als pendents L i AX1-3, en aire, aigua i gelatina al 10% (profunditat 20 mm), amb (superior) tres regions modals ( baix, mitjà i alt) i les seves corresponents freqüències modals\(f_{1-3 }\) (kHz), eficiència energètica (mitjana) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculat mitjançant equivalents .(4) i (inferior) amplada completa a la meitat de les mesures màximes \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respectivament.Tingueu en compte que la mesura de l'ample de banda es va saltar quan es va registrar un PTE baix, és a dir, \(\text {FWHM}_{1}\) en cas de pendent AX2.Es va trobar que el mode \(f_2\) era el més adequat per comparar les deflexions de pendent, ja que mostrava el nivell més alt d'eficiència de transferència d'energia (\(\text {PTE}_{2}\)), fins al 99%.
Primera regió modal: \(f_1\) no depèn gaire del tipus de medi inserit, sinó que depèn de la geometria del talús.\(f_1\) disminueix amb la disminució de la longitud del bisell (27,1, 26,2 i 25,9 kHz a l'aire per a AX1-3, respectivament).Les mitjanes regionals \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) són \(\approx\) 81% i 230 Hz respectivament.\(\text {FWHM}_{1}\) té el contingut de gelatina més alt del Lancet (L, 473 Hz).Tingueu en compte que \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 en gelatina no es va poder avaluar a causa de la baixa amplitud de FRF registrada.
La segona regió modal: \(f_2\) depèn del tipus de suport inserit i del bisell.Els valors mitjans \(f_2\) són 29,1, 27,9 i 28,5 kHz en aire, aigua i gelatina, respectivament.Aquesta regió modal també va mostrar un PTE elevat del 99%, el més alt de qualsevol grup mesurat, amb una mitjana regional del 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) té una mitjana regional de \(\aproximadament\) 910 Hz.
Regió del tercer mode: la freqüència \(f_3\) depèn del tipus de suport i del bisell.Els valors mitjans \(f_3\) són 32,0, 31,0 i 31,3 kHz en aire, aigua i gelatina, respectivament.La mitjana regional \(\text {PTE}_{3}\) era \(\aproximadament\) del 74%, la més baixa de qualsevol regió.La mitjana regional \(\text {FWHM}_{3}\) és \(\aproximadament\) 1085 Hz, que és més alta que la primera i la segona regió.
       El següent fa referència a la Fig.12 i Taula 2. La lanceta (L) es va desviar més (amb una gran importància per a totes les puntes, \(p<\) 0,017) tant a l'aire com a l'aigua (Fig. 12a), aconseguint la DPR més alta (fins a 220 µm/). W a l'aire). 12 i Taula 2. La lanceta (L) es va desviar més (amb una gran importància per a totes les puntes, \(p<\) 0,017) tant a l'aire com a l'aigua (Fig. 12a), aconseguint la DPR més alta (fins a 220 µm/). W a l'aire). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего всего (с высосоньч высонко ех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого высокого . El següent s'aplica a la figura 12 i a la taula 2. La lanceta (L) es va desviar més (amb una gran importància per a totes les puntes, \(p<\) 0,017) tant a l'aire com a l'aigua (Fig. 12a), aconseguint el DPR més alt.(fer 220 μm/W a l'aire).Smt.Figura 12 i taula 2 a continuació.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，\(p<\) 0,012（a（12（端具有高显着性，高DPR （在空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) té la deflexió més alta en l'aire i l'aigua (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) i va aconseguir la DPR més alta (fins a 220 µm/W en aire). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) всего (p<\) вхе17) 12а), достигая наибольшего DPR (fins a 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) va desviar més (alta significació per a totes les puntes, \(p<\) 0,017) a l'aire i l'aigua (Fig. 12a), assolint el DPR més alt (fins a 220 µm/W a l'aire). A l'aire, AX1 que tenia un BL més alt, es va desviar més que AX2–3 (amb significació, \(p<\) 0,017), mentre que AX3 (que tenia un BL més baix) va desviar més que AX2 amb un DPR de 190 µm/W. A l'aire, AX1 que tenia un BL més alt, es va desviar més que AX2–3 (amb significació, \(p<\) 0,017), mentre que AX3 (que tenia un BL més baix) va desviar més que AX2 amb un DPR de 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017 тским AX), сог 3 м BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. A l'aire, AX1 amb BL més alt es va desviar més que AX2–3 (amb significació \(p<\) 0,017), mentre que AX3 (amb BL més baix) es va desviar més que AX2 amb 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，AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0,017，AX2-3，有显着性，偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W 。 A l'aire, la deflexió d'AX1 amb BL més alt és més gran que la de AX2-3 (significativament, \(p<\) 0,017), i la deflexió de AX3 (amb BL més baix) és més gran que la de AX2, DPR és de 190. µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогачим тог ) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. A l'aire, AX1 amb BL més alt es desvia més que AX2-3 (significatiu, \(p<\) 0,017), mentre que AX3 (amb BL més baix) desvia més que AX2 amb DPR 190 μm/W.A 20 mm d'aigua, la deflexió i el PTE AX1–3 no eren significativament diferents (\(p>\) 0,017).Els nivells de PTE a l'aigua (90,2–98,4%) eren generalment més alts que a l'aire (56–77,5%) (Fig. 12c), i el fenomen de cavitació es va observar durant l'experiment a l'aigua (Fig. 13, vegeu també addicionals). informació).
La quantitat de deflexió de la punta (mitjana ± SD, n = 5) mesurada per al bisell L i AX1-3 en aire i aigua (profunditat 20 mm) mostra l'efecte de canviar la geometria del bisell.Les mesures es van obtenir mitjançant una excitació sinusoïdal contínua d'una sola freqüència.(a) Desviació de pic a pic (\(u_y\vec {j}\)) a la punta, mesurada a (b) les seves freqüències modals respectives \(f_2\).(c) Eficiència de transferència de potència (PTE, RMS, %) de l'equació.(4) i (d) Factor de potència de deflexió (DPR, µm/W) calculat com a desviació pic a pic i potència elèctrica transmesa \(P_T\) (Wrms).
Una gràfica típica d'ombra de càmera d'alta velocitat que mostra la desviació de pic a pic (línies de punts verdes i vermelles) d'una llanceta (L) i una punta axisimètrica (AX1–3) a l'aigua (20 mm de profunditat) durant mig cicle.cicle, a la freqüència d'excitació \(f_2\) (freqüència de mostreig 310 kHz).La imatge en escala de grisos capturada té una mida de 128 × 128 píxels i una mida de píxels de \(\aprox\) 5 µm.Podeu trobar el vídeo a la informació addicional.
Així, vam modelar el canvi en la longitud d'ona de flexió (Fig. 7) i vam calcular la mobilitat mecànica transferible per a combinacions de longitud de canonada i xamfrà (Fig. 8, 9) per a xamfrans convencionals de lanceta, asimètrics i axisimètrics de formes geomètriques.A partir d'això últim, vam estimar la distància òptima de 43 mm (o \(\aproximadament) 2,75\(\lambda_y\) a 29,75 kHz) des de la punta fins a la soldadura, tal com es mostra a la figura 5, i vam fer tres axisimètrics. bisells amb diferents longituds de bisell.A continuació, vam caracteritzar el seu comportament de freqüència a l'aire, l'aigua i la gelatina balística del 10% (p/v) en comparació amb les llancetes convencionals (figures 10, 11) i vam determinar el mode més adequat per a la comparació de la deflexió del bisell.Finalment, es va mesurar la deflexió de la punta doblegant l'ona a l'aire i l'aigua a una profunditat de 20 mm i es va quantificar l'eficiència de transferència de potència (PTE, %) i el factor de potència de deflexió (DPR, µm / W) del medi d'inserció per a cada bisell.tipus angular (Fig. 12).
S'ha demostrat que la geometria del bisell de l'agulla afecta la quantitat de deflexió de la punta de l'agulla.La llanceta va aconseguir la deflexió més alta i el DPR més alt en comparació amb el bisell axisimètric amb una deflexió mitjana més baixa (Fig. 12).El bisell axisimètric de 4 mm (AX1) amb el bisell més llarg va aconseguir una deflexió màxima estadísticament significativa en l'aire en comparació amb les altres agulles axisimètriques (AX2–3) (\(p <0,017\), Taula 2), però no hi va haver cap diferència significativa. .s'observa quan l'agulla es posa a l'aigua.Per tant, no hi ha cap avantatge evident de tenir una longitud de bisell més llarga en termes de deflexió màxima a la punta.Tenint això en compte, sembla que la geometria del bisell estudiada en aquest estudi té un efecte més gran sobre la deflexió que la longitud del bisell.Això pot ser degut a la rigidesa a la flexió, per exemple, depenent del gruix total del material que es doblega i del disseny de l'agulla.
En estudis experimentals, la magnitud de l'ona de flexió reflectida es veu afectada per les condicions límit de la punta.Quan la punta de l'agulla s'insereix a l'aigua i la gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) és \(\aproximadament\) 95% i \(\text {PTE}_{2}\) és \ (\text {PTE}_{2}\) els valors són 73% i 77% per a (\text {PTE}_{1}\) i \(\text {PTE}_{3}\), respectivament (Fig. 11).Això indica que la transferència màxima d'energia acústica al medi de colada, és a dir, aigua o gelatina, es produeix a \(f_2\).Es va observar un comportament similar en un estudi anterior31 utilitzant una configuració de dispositiu més senzilla en el rang de freqüències de 41-43 kHz, en què els autors van mostrar la dependència del coeficient de reflexió de la tensió del mòdul mecànic del medi d'incorporació.La profunditat de penetració32 i les propietats mecàniques del teixit proporcionen una càrrega mecànica a l'agulla i, per tant, s'espera que influeixin en el comportament ressonant de l'UZEFNAB.Així, es poden utilitzar algorismes de seguiment de ressonància (per exemple, 17, 18, 33) per optimitzar la potència acústica lliurada a través de l'agulla.
La simulació a longituds d'ona de flexió (Fig. 7) mostra que la punta axisimètrica és estructuralment més rígida (és a dir, més rígida a la flexió) que la lanceta i el bisell asimètric.A partir de (1) i utilitzant la relació velocitat-freqüència coneguda, estimem la rigidesa a la flexió a la punta de l'agulla com a \(\aproximadament\) 200, 20 i 1500 MPa per als plans inclinats de lanceta, asimètric i axial, respectivament.Això correspon a \(\lambda_y\) de \(\aproximadament\) 5,3, 1,7 i 14,2 mm, respectivament, a 29,75 kHz (Fig. 7a–c).Tenint en compte la seguretat clínica durant l'USeFNAB, s'hauria d'avaluar l'efecte de la geometria sobre la rigidesa estructural del pla inclinat34.
Un estudi dels paràmetres del bisell relatius a la longitud del tub (Fig. 9) va demostrar que el rang de transmissió òptim era més elevat per al bisell asimètric (1,8 mm) que per al bisell axisimètric (1,3 mm).A més, la mobilitat és estable a \(\aproximadament) de 4 a 4,5 mm i de 6 a 7 mm per a inclinacions asimètriques i axisimètriques, respectivament (Fig. 9a, b).La importància pràctica d'aquest descobriment s'expressa en les toleràncies de fabricació, per exemple, un rang inferior de TL òptim pot significar que es requereix una major precisió de longitud.Al mateix temps, l'altiplà de mobilitat proporciona una major tolerància a l'hora de triar la durada de la caiguda a una freqüència determinada sense un impacte significatiu en la mobilitat.
L'estudi inclou les limitacions següents.La mesura directa de la deflexió de l'agulla mitjançant la detecció de vores i la imatge d'alta velocitat (figura 12) significa que estem limitats a mitjans òpticament transparents com l'aire i l'aigua.També ens agradaria assenyalar que no vam utilitzar experiments per provar la mobilitat de transferència simulada i viceversa, sinó que vam utilitzar estudis FEM per determinar la longitud òptima per a la fabricació d'agulles.Pel que fa a les limitacions pràctiques, la longitud de la llanceta des de la punta fins a la màniga és \(\aproximadament) 0,4 cm més llarga que altres agulles (AX1-3), vegeu fig.3b.Això pot afectar la resposta modal del disseny de l'agulla.A més, la forma i el volum de la soldadura a l'extrem d'un pin de guia d'ona (vegeu la figura 3) poden afectar la impedància mecànica del disseny del pin, introduint errors en la impedància mecànica i el comportament de flexió.
Finalment, hem demostrat que la geometria experimental del bisell afecta la quantitat de deflexió en USeFNAB.Si una deflexió més gran tingués un efecte positiu sobre l'efecte de l'agulla sobre el teixit, com ara l'eficiència de tall després de la perforació, es pot recomanar una llanceta convencional a USeFNAB, ja que proporciona la màxima deflexió mantenint una rigidesa adequada de la punta estructural..A més, un estudi recent35 ha demostrat que una major deflexió de la punta pot millorar efectes biològics com la cavitació, que pot contribuir al desenvolupament d'aplicacions quirúrgiques mínimament invasives.Atès que s'ha demostrat que l'augment de la potència acústica total augmenta el rendiment de la biòpsia a USeFNAB13, es necessiten estudis quantitatius addicionals sobre el rendiment i la qualitat de la mostra per avaluar els beneficis clínics detallats de la geometria de l'agulla estudiada.