Grazie per aver visitato Nature.com.Stai utilizzando una versione del browser con supporto CSS limitato.Per un'esperienza ottimale, ti consigliamo di utilizzare un browser aggiornato (o disattivare la modalità compatibilità in Internet Explorer).Inoltre, per garantire un supporto continuo, mostriamo il sito senza stili e JavaScript.
Visualizza un carosello di tre diapositive contemporaneamente.Utilizza i pulsanti Precedente e Successivo per spostarti tra tre diapositive alla volta oppure utilizza i pulsanti di scorrimento alla fine per spostarti tra tre diapositive alla volta.
È stato recentemente dimostrato che l'uso degli ultrasuoni può migliorare la resa tissutale nella biopsia con agoaspirato mediante ultrasuoni (USeFNAB) rispetto alla biopsia con agoaspirato convenzionale (FNAB).La relazione tra la geometria del bisello e l'azione della punta dell'ago non è stata ancora studiata.In questo studio, abbiamo studiato le proprietà della risonanza dell'ago e dell'ampiezza di deflessione per varie geometrie dello smusso dell'ago con diverse lunghezze dello smusso.Utilizzando una lancetta convenzionale con un taglio di 3,9 mm, il fattore di potenza di deflessione della punta (DPR) era rispettivamente di 220 e 105 µm/W in aria e acqua.Questo valore è superiore a quello della punta smussata assialsimmetrica da 4 mm, che ha raggiunto un DPR di 180 e 80 µm/W rispettivamente in aria e acqua.Questo studio evidenzia l'importanza della relazione tra la rigidità alla flessione della geometria dello smusso nel contesto di diversi ausili per l'inserimento e quindi può fornire informazioni sui metodi per controllare l'azione di taglio dopo la foratura modificando la geometria dello smusso dell'ago, che è importante per USeFNAB.L'applicazione è importante.
La biopsia con ago sottile (FNAB) è una tecnica in cui viene utilizzato un ago per ottenere un campione di tessuto quando si sospetta un'anomalia1,2,3.È stato dimostrato che le punte di tipo Franseen forniscono prestazioni diagnostiche più elevate rispetto alle tradizionali punte Lancet4 e Menghini5.Sono stati proposti anche smussi assialsimmetrici (cioè circonferenziali) per aumentare la probabilità di un campione adeguato per l'istopatologia6.
Durante una biopsia, un ago viene fatto passare attraverso strati di pelle e tessuto per rivelare una patologia sospetta.Studi recenti hanno dimostrato che l'attivazione ultrasonica può ridurre la forza di puntura necessaria per accedere ai tessuti molli7,8,9,10.È stato dimostrato che la geometria dello smusso dell'ago influenza le forze di interazione dell'ago, ad esempio è stato dimostrato che gli smussi più lunghi hanno forze di penetrazione nei tessuti inferiori 11 .È stato suggerito che dopo che l'ago è penetrato nella superficie del tessuto, cioè dopo la puntura, la forza di taglio dell'ago può essere pari al 75% della forza totale di interazione ago-tessuto12.È stato dimostrato che gli ultrasuoni (US) migliorano la qualità della biopsia diagnostica dei tessuti molli nella fase post-puntura13.Sono stati sviluppati altri metodi per migliorare la biopsia ossea per il campionamento dei tessuti duri14,15 ma non sono stati riportati risultati che migliorino la qualità della biopsia.Diversi studi hanno inoltre scoperto che lo spostamento meccanico aumenta con l'aumentare della tensione di comando degli ultrasuoni16,17,18.Sebbene esistano molti studi sulle forze statiche assiali (longitudinali) nelle interazioni ago-tessuto19,20, gli studi sulla dinamica temporale e sulla geometria dello smusso dell'ago nell'FNAB potenziato a ultrasuoni (USeFNAB) sono limitati.
Lo scopo di questo studio era di studiare l'effetto di diverse geometrie di smusso sull'azione della punta dell'ago guidata dalla flessione dell'ago a frequenze ultrasoniche.In particolare, abbiamo studiato l'effetto del mezzo di iniezione sulla deflessione della punta dell'ago dopo la puntura per smussi degli aghi convenzionali (ad esempio, lancette), geometrie a smusso singolo assialsimmetriche e asimmetriche (Fig. per facilitare lo sviluppo di aghi USeFNAB per vari scopi come l'aspirazione selettiva accesso o nuclei dei tessuti molli.
In questo studio sono state incluse varie geometrie di smusso.(a) Lancette conformi alla norma ISO 7864:201636 dove \(\alpha\) è l'angolo di rotazione del bisello primario, \(\theta\) è l'angolo di rotazione del bisello secondario e \(\phi\) è l'angolo di rotazione del bisello secondario in gradi , in gradi (\(^\circ\)).(b) smussi lineari asimmetrici a passo singolo (chiamati "standard" nella norma DIN 13097:201937) e (c) smussi lineari assialsimmetrici (circonferenziali) a passo singolo.
Il nostro approccio consiste nel modellare innanzitutto il cambiamento nella lunghezza d'onda di flessione lungo la pendenza per geometrie di pendenza a lancetta convenzionale, assialsimmetrica e asimmetrica a stadio singolo.Abbiamo quindi calcolato uno studio parametrico per esaminare l'effetto dell'angolo di smussatura e della lunghezza del tubo sulla mobilità del meccanismo di trasporto.Questo viene fatto per determinare la lunghezza ottimale per realizzare un ago prototipo.Sulla base della simulazione, sono stati realizzati prototipi di aghi e il loro comportamento risonante in aria, acqua e gelatina balistica al 10% (p/v) è stato caratterizzato sperimentalmente misurando il coefficiente di riflessione della tensione e calcolando l'efficienza di trasferimento di potenza, da cui è stata ricavata la frequenza operativa determinato..Infine, viene utilizzata l'imaging ad alta velocità per misurare direttamente la deflessione dell'onda di flessione sulla punta dell'ago in aria e acqua e per stimare la potenza elettrica trasmessa da ciascuna inclinazione e la geometria del fattore di potenza di deflessione (DPR) dell'ago iniettato. medio.
Come mostrato nella Figura 2a, utilizzare il tubo n. 21 (diametro esterno 0,80 mm, diametro interno 0,49 mm, spessore parete tubo 0,155 mm, parete standard come specificato nella norma ISO 9626:201621) in acciaio inossidabile 316 (modulo di Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densità 8070 kg/m\(^{3}\), coefficiente di Poisson 0,275).
Determinazione della lunghezza d'onda di flessione e messa a punto del modello agli elementi finiti (FEM) dell'ago e delle condizioni al contorno.(a) Determinazione della lunghezza dello smusso (BL) e della lunghezza del tubo (TL).(b) Modello tridimensionale (3D) agli elementi finiti (FEM) che utilizza la forza del punto armonico \(\tilde{F}_y\vec{j}\) per eccitare l'ago all'estremità prossimale, deviare il punto e misurare la velocità per punta (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) per calcolare la mobilità meccanicistica del trasporto.\(\lambda _y\) è definita come la lunghezza d'onda di flessione associata alla forza verticale \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determinare il centro di gravità, l'area della sezione trasversale A e i momenti di inerzia \(I_{xx}\) e \(I_{yy}\) rispettivamente attorno all'asse x e all'asse y.
Come mostrato in fig.2b,c, per un fascio infinito (infinito) con area della sezione trasversale A e con una lunghezza d'onda grande rispetto alla dimensione della sezione trasversale del fascio, la velocità di fase di flessione (o flessione) \(c_{EI}\ ) è definito come 22:
dove E è il modulo di Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) è la frequenza angolare di eccitazione (rad/s), dove \( f_0 \ ) è la frequenza lineare (1/s o Hz), I è il momento di inerzia dell'area attorno all'asse di interesse \((\text {m}^{4})\) e \(m'=\ rho _0 A \) è la massa sull'unità di lunghezza (kg/m), dove \(\rho _0\) è la densità \(((\text {kg/m}^{3})\) e A è la croce -area della sezione della trave (piano xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Poiché nel nostro caso la forza applicata è parallela all'asse y verticale, cioè \(\tilde{F}_y\vec {j}\), siamo interessati solo al momento di inerzia dell'area attorno all'asse orizzontale x- asse, cioè \(I_{xx} \), quindi:
Per il modello agli elementi finiti (FEM), si assume uno spostamento armonico puro (m), quindi l'accelerazione (\(\text {m/s}^{2}\)) è espressa come \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parziale t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), es. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) è un vettore di spostamento tridimensionale definito in coordinate spaziali.Sostituendo quest'ultima con la forma lagrangiana finitamente deformabile della legge di equilibrio della quantità di moto23, secondo la sua implementazione nel pacchetto software COMSOL Multiphysics (versioni 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), si ottiene:
Dove \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) è l'operatore di divergenza del tensore e \({\underline{\sigma}}\) è il secondo tensore dello stress di Piola-Kirchhoff (secondo ordine, \(\ text { N /m}^{2}\)) e \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) è il vettore della forza del corpo (\(\text {N/m}^{3}\)) di ciascun volume deformabile, e \(e^{j\phi }\) è la fase del forza del corpo, ha un angolo di fase \(\ phi\) (rad).Nel nostro caso, la forza di volume del corpo è zero e il nostro modello presuppone linearità geometrica e piccole deformazioni puramente elastiche, ovvero \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), dove \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) e \({\underline{ \varepsilon}}\) – rispettivamente deformazione elastica e deformazione totale (adimensionale del secondo ordine).Il tensore costitutivo dell'elasticità isotropa \(\underline {\underline {C))\) si ottiene utilizzando il modulo di Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) e il rapporto di Poisson v è definito, in modo che \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quarto ordine).Quindi il calcolo dello stress diventa \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
I calcoli sono stati eseguiti con elementi tetraedrici a 10 nodi con dimensione dell'elemento \(\le\) 8 μm.L'ago è modellato nel vuoto e il valore di trasferimento della mobilità meccanica (ms-1 H-1) è definito come \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dove \(\tilde{v}_y\vec {j}\) è la velocità complessa di uscita del manipolo e \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) è una forza motrice complessa situata all'estremità prossimale del tubo, come mostrato in Fig. 2b.La mobilità meccanica trasmissiva è espressa in decibel (dB) utilizzando come riferimento il valore massimo, ovvero \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Tutti gli studi FEM sono stati condotti ad una frequenza di 29,75 kHz.
Il design dell'ago (Fig. 3) è costituito da un ago ipodermico convenzionale calibro 21 (numero di catalogo: 4665643, Sterican\(^\circledR\), con un diametro esterno di 0,8 mm, una lunghezza di 120 mm, realizzato in AISI acciaio inossidabile al cromo-nichel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germania) ha posizionato un manicotto Luer Lock in plastica prossimale in polipropilene con una corrispondente modifica della punta.Il tubo dell'ago è saldato alla guida d'onda come mostrato in Fig. 3b.La guida d'onda è stata stampata su una stampante 3D in acciaio inossidabile (EOS Stainless Steel 316L su una stampante 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) e quindi fissata al sensore Langevin utilizzando bulloni M4.Il trasduttore Langevin è costituito da 8 elementi anulari piezoelettrici con due pesi a ciascuna estremità.
I quattro tipi di punte (nella foto), una lancetta disponibile in commercio (L) e tre smussi assialsimmetrici a stadio singolo prodotti (AX1–3) erano caratterizzati da lunghezze di smusso (BL) rispettivamente di 4, 1,2 e 0,5 mm.(a) Primo piano della punta dell'ago finita.(b) Vista dall'alto di quattro pin saldati a una guida d'onda stampata in 3D e quindi collegati al sensore Langevin con bulloni M4.
Sono state prodotte tre punte per smusso assialsimmetriche (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) con lunghezze di smusso (BL, determinate in Fig. 2a) di 4,0, 1,2 e 0,5 mm, corrispondenti a \(\circa\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) e 18\(^\circ\).I pesi della guida d'onda e dello stilo sono 3,4 ± 0,017 g (media ± SD, n = 4) rispettivamente per il bisello L e AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germania).La lunghezza totale dalla punta dell'ago all'estremità del manicotto di plastica è 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm rispettivamente per la smussatura L e AX1-3 nella Figura 3b.
Per tutte le configurazioni dell'ago, la lunghezza dalla punta dell'ago alla punta della guida d'onda (ovvero l'area di saldatura) è 4,3 cm e il tubo dell'ago è orientato in modo che la smussatura sia rivolta verso l'alto (ovvero parallela all'asse Y ).), come in (Fig. 2).
Uno script personalizzato in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) in esecuzione su un computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) è stato utilizzato per generare una scansione sinusoidale lineare da 25 a 35 kHz in 7 secondi, convertito in un segnale analogico da un convertitore digitale-analogico (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Il segnale analogico \(V_0\) (0,5 Vp-p) è stato quindi amplificato con un amplificatore a radiofrequenza (RF) dedicato (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).La tensione di amplificazione in caduta \({V_I}\) viene emessa dall'amplificatore RF con un'impedenza di uscita di 50 \(\Omega\) ad un trasformatore integrato nella struttura ad ago con un'impedenza di ingresso di 50 \(\Omega)\) I trasduttori Langevin (trasduttori piezoelettrici multistrato anteriori e posteriori, caricati di massa) vengono utilizzati per generare onde meccaniche.L'amplificatore RF personalizzato è dotato di un misuratore del fattore di potenza delle onde stazionarie (SWR) a doppio canale in grado di rilevare la tensione amplificata incidente \({V_I}\) e riflessa \(V_R\) attraverso un segnale analogico-digitale (AD) da 300 kHz ) convertitore (Analog Discovery 2).Il segnale di eccitazione è modulato in ampiezza all'inizio e alla fine per evitare di sovraccaricare l'ingresso dell'amplificatore con transitori.
Utilizzando uno script personalizzato implementato in MATLAB, la funzione di risposta in frequenza (AFC), presuppone cioè un sistema lineare stazionario.Inoltre, applicare un filtro passa banda da 20 a 40 kHz per rimuovere eventuali frequenze indesiderate dal segnale.Facendo riferimento alla teoria delle linee di trasmissione, \(\tilde{H}(f)\) in questo caso equivale al coefficiente di riflessione della tensione, ovvero \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Poiché l'impedenza di uscita dell'amplificatore \(Z_0\) corrisponde all'impedenza di ingresso del trasformatore incorporato del convertitore e il coefficiente di riflessione della potenza elettrica \({P_R}/{P_I}\) è ridotto a \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), allora è \(|\rho _{V}|^2\).Nel caso in cui sia richiesto il valore assoluto della potenza elettrica, calcolare la potenza incidente \(P_I\) e riflessa\(P_R\) (W) prendendo il valore efficace (rms) della tensione corrispondente, ad esempio: per una linea di trasmissione con eccitazione sinusoidale, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, dove \(Z_0\) è uguale a 50 \(\Omega\).La potenza elettrica erogata al carico \(P_T\) (ovvero il mezzo inserito) può essere calcolata come \(|P_I – P_R |\) (W RMS) e l'efficienza di trasferimento di potenza (PTE) può essere definita ed espressa come la percentuale (%) dà quindi 27:
La risposta in frequenza viene quindi utilizzata per stimare le frequenze modali \(f_{1-3}\) (kHz) del design dello stilo e la corrispondente efficienza di trasferimento di potenza, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) è stimato direttamente da \(\text {PTE}_{1{-}3}\), dalla Tabella 1 frequenze \(f_{1-3}\) descritte in .
Un metodo per misurare la risposta in frequenza (AFC) di una struttura aciculare.La misurazione sinusoidale a doppio canale25,38 viene utilizzata per ottenere la funzione di risposta in frequenza \(\tilde{H}(f)\) e la sua risposta all'impulso H(t).\({\mathcal {F}}\) e \({\mathcal {F}}^{-1}\) denotano rispettivamente la trasformata di Fourier numerica troncata e l'operazione di trasformata inversa.\(\tilde{G}(f)\) significa che i due segnali vengono moltiplicati nel dominio della frequenza, ad esempio \(\tilde{G}_{XrX}\) significa scansione inversa\(\tilde{X} r( f )\) e il segnale di caduta di tensione \(\tilde{X}(f)\).
Come mostrato in fig.5, fotocamera ad alta velocità (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) dotata di obiettivo macro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc . ., Tokyo, Giappone) sono stati utilizzati per registrare la deflessione della punta di un ago sottoposta ad eccitazione flessionale (frequenza singola, sinusoide continua) ad una frequenza di 27,5–30 kHz.Per creare una mappa delle ombre, un elemento raffreddato di un LED bianco ad alta intensità (codice articolo: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germania) è stato posizionato dietro la smussatura dell'ago.
Vista frontale dell'apparato sperimentale.La profondità viene misurata dalla superficie del supporto.La struttura dell'ago è bloccata e montata su una tavola di trasferimento motorizzata.Utilizzare una fotocamera ad alta velocità con un obiettivo ad alto ingrandimento (5\(\times\)) per misurare la deflessione della punta smussata.Tutte le dimensioni sono in millimetri.
Per ogni tipo di smusso dell'ago, abbiamo registrato 300 fotogrammi di telecamere ad alta velocità di 128 \(\x\) 128 pixel, ciascuno con una risoluzione spaziale di 1/180 mm (\(\circa) 5 µm), con una risoluzione temporale di 310.000 fotogrammi al secondo.Come mostrato nella Figura 6, ciascun fotogramma (1) viene ritagliato (2) in modo che la punta si trovi nell'ultima riga (in basso) del fotogramma, quindi viene calcolato l'istogramma dell'immagine (3), in modo che Canny soglie 1 e 2 può essere determinato.Quindi applica il rilevamento dei bordi Canny28(4) utilizzando l'operatore Sobel 3 \(\times\) 3 e calcola la posizione in pixel dell'ipotenusa non cavitazionale (etichettata \(\mathbf {\times }\)) per tutti i passaggi di 300 volte .Per determinare l'ampiezza della deflessione alla fine, viene calcolata la derivata (utilizzando l'algoritmo della differenza centrale) (6) e viene identificato il frame contenente gli estremi locali (cioè il picco) della deflessione (7).Dopo aver ispezionato visivamente il bordo non cavitante, è stata selezionata una coppia di fotogrammi (o due fotogrammi separati da metà periodo di tempo) (7) e è stata misurata la deflessione della punta (etichettata \(\mathbf {\times} \ ). Quanto sopra è stato implementato in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) utilizzando l'algoritmo di rilevamento dei bordi OpenCV Canny (v4.5.1, libreria di visione artificiale open source, opencv.org) energia elettrica \ (P_T \) (W, rms) .
La deflessione della punta è stata misurata utilizzando una serie di fotogrammi presi da una telecamera ad alta velocità a 310 kHz utilizzando un algoritmo a 7 fasi (1-7) incluso l'inquadratura (1-2), il rilevamento del bordo Canny (3-4), il bordo di localizzazione dei pixel il calcolo (5) e le loro derivate temporali (6), e infine la deflessione della punta da picco a picco sono stati misurati su coppie di fotogrammi ispezionati visivamente (7).
Le misurazioni sono state effettuate in aria (22,4-22,9°C), acqua deionizzata (20,8-21,5°C) e gelatina balistica 10% (p/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina di ossa di bovino e di maiale per analisi balistiche di tipo I, Honeywell International, North Carolina, USA).La temperatura è stata misurata con un amplificatore per termocoppia di tipo K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) e una termocoppia di tipo K (sonda per sfere Fluke 80PK-1 n. 3648 tipo K, Fluke Corporation, Washington, USA).Dal mezzo La profondità è stata misurata dalla superficie (impostata come origine dell'asse z) utilizzando un tavolino verticale motorizzato con asse z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) con una risoluzione di 5 µm.per passo.
Poiché la dimensione del campione era piccola (n = 5) e non è stato possibile presupporre la normalità, è stato utilizzato un test di somma dei ranghi di Wilcoxon a due code a due campioni (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) per confrontare la quantità di varianza della punta dell'ago per diversi smussi.Sono stati effettuati 3 confronti per pendenza, quindi è stata applicata una correzione Bonferroni con un livello di significatività corretto di 0,017 e un tasso di errore del 5%.
Passiamo ora alla Fig.7.Alla frequenza di 29,75 kHz, la semionda di flessione (\(\lambda_y/2\)) di un ago calibro 21 è \(\circa) 8 mm.Avvicinandosi alla punta, la lunghezza d'onda di flessione diminuisce lungo l'angolo obliquo.In punta \(\lambda _y/2\) \(\circa\) ci sono passi di 3, 1 e 7 mm per la consueta inclinazione lanceolata (a), asimmetrica (b) e assialsimmetrica (c) di un singolo ago , rispettivamente.Ciò significa quindi che l'escursione della lancetta è \(\circa) 5 mm (dovuto al fatto che i due piani della lancetta formano un unico punto29,30), il bisello asimmetrico è 7 mm, il bisello asimmetrico è 1 mm.Pendii assialsimmetrici (il baricentro rimane costante, quindi lungo la pendenza cambia solo lo spessore della parete del tubo).
Studi FEM e applicazione di equazioni alla frequenza di 29,75 kHz.(1) Quando si calcola la variazione della semionda di flessione (\(\lambda_y/2\)) per le geometrie di smusso a lancetta (a), asimmetrico (b) e assialsimmetrico (c) (come in Fig. 1a,b,c ).Il valore medio \(\lambda_y/2\) dei smussi lanceolati, asimmetrici e assialsimmetrici era rispettivamente di 5,65, 5,17 e 7,52 mm.Si noti che lo spessore della punta per gli smussi asimmetrici e assialsimmetrici è limitato a \(\circa) 50 µm.
La mobilità del picco \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) è la combinazione ottimale di lunghezza del tubo (TL) e lunghezza del bisello (BL) (Fig. 8, 9).Per una lancetta convenzionale, poiché la sua dimensione è fissa, il TL ottimale è \(\circa) 29,1 mm (Fig. 8).Per gli smussi asimmetrici e assialsimmetrici (rispettivamente Fig. 9a, b), gli studi FEM includevano BL da 1 a 7 mm, quindi i TL ottimali erano da 26,9 a 28,7 mm (intervallo 1,8 mm) e da 27,9 a 29,2 mm (intervallo 1,3 mm), rispettivamente.Per la pendenza asimmetrica (Fig. 9a), il TL ottimale è aumentato linearmente, ha raggiunto un plateau a BL 4 mm e quindi è diminuito bruscamente da BL 5 a 7 mm.Per uno smusso assialsimmetrico (Fig. 9b), il TL ottimale aumentava linearmente all'aumentare del BL e infine si stabilizzava a BL da 6 a 7 mm.Uno studio approfondito dell'inclinazione assialsimmetrica (Fig. 9c) ha rivelato un diverso insieme di TL ottimali a \(\circa) 35,1–37,1 mm.Per tutti i BL, la distanza tra i due migliori TL è \(\circa\) 8 mm (equivalente a \(\lambda_y/2\)).
Mobilità di trasmissione della lancetta a 29,75 kHz.L'ago è stato eccitato in modo flessibile ad una frequenza di 29,75 kHz e la vibrazione è stata misurata sulla punta dell'ago ed espressa come quantità di mobilità meccanica trasmessa (dB rispetto al valore massimo) per TL 26,5-29,5 mm (con incrementi di 0,1 mm) .
Studi parametrici del FEM alla frequenza di 29,75 kHz mostrano che la mobilità di trasferimento di una punta assialsimmetrica è meno influenzata da una variazione della lunghezza del tubo rispetto alla sua controparte asimmetrica.Studi sulla lunghezza dello smusso (BL) e sulla lunghezza del tubo (TL) delle geometrie dello smusso asimmetriche (a) e assialsimmetriche (b, c) nello studio del dominio della frequenza utilizzando FEM (le condizioni al contorno sono mostrate in Fig. 2).(a, b) TL variava da 26,5 a 29,5 mm (passo di 0,1 mm) e BL 1–7 mm (passo di 0,5 mm).(c) Studi estesi di inclinazione assialsimmetrica inclusi TL 25–40 mm (con incrementi di 0,05 mm) e BL 0,1–7 mm (con incrementi di 0,1 mm) che mostrano che \(\lambda_y/2\ ) deve soddisfare i requisiti della punta.condizioni al contorno in movimento.
La configurazione dell'ago ha tre frequenze proprie \(f_{1-3}\) divise in regioni di modo basso, medio e alto come mostrato nella Tabella 1. La dimensione PTE è stata registrata come mostrato in fig.10 e poi analizzati in Fig. 11. Di seguito i risultati per ciascuna area modale:
Ampiezze tipiche registrate dell'efficienza di trasferimento di potenza istantanea (PTE) ottenute con eccitazione sinusoidale a frequenza di scansione per una lancetta (L) e smusso assialsimmetrico AX1-3 in aria, acqua e gelatina a una profondità di 20 mm.Vengono mostrati gli spettri unilaterali.La risposta in frequenza misurata (campionata a 300 kHz) è stata filtrata passa-basso e quindi ridotta di un fattore 200 per l'analisi modale.Il rapporto segnale/rumore è \(\le\) 45 dB.Le fasi PTE (linee tratteggiate viola) sono mostrate in gradi (\(^{\circ}\)).
L'analisi della risposta modale (media ± deviazione standard, n = 5) mostrata in Fig. 10, per i pendii L e AX1-3, in aria, acqua e gelatina al 10% (profondità 20 mm), con (in alto) tre regioni modali ( basso, medio e alto) e le rispettive frequenze modali\(f_{1-3 }\) (kHz), efficienza energetica (media) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calcolata utilizzando equivalenti .(4) e (in basso) larghezza intera a metà delle misure massime \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), rispettivamente.Si noti che la misurazione della larghezza di banda è stata saltata quando è stato registrato un PTE basso, ovvero \(\text {FWHM}_{1}\) in caso di pendenza AX2.La modalità \(f_2\) è risultata essere la più adatta per confrontare le deflessioni dei pendii, poiché ha mostrato il livello più alto di efficienza di trasferimento di potenza (\(\text {PTE}_{2}\)), fino al 99%.
Prima regione modale: \(f_1\) non dipende molto dal tipo di mezzo inserito, ma dipende dalla geometria del pendio.\(f_1\) diminuisce con la diminuzione della lunghezza dello smusso (rispettivamente 27,1, 26,2 e 25,9 kHz in aria per AX1-3).Le medie regionali \(\text {PTE}_{1}\) e \(\text {FWHM}_{1}\) sono rispettivamente \(\circa\) 81% e 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) ha il più alto contenuto di gelatina su Lancet (L, 473 Hz).Si noti che \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 in gelatina non può essere valutato a causa della bassa ampiezza della FRF registrata.
La seconda regione modale: \(f_2\) dipende dal tipo di supporto inserito e dallo smusso.I valori medi \(f_2\) sono rispettivamente 29,1, 27,9 e 28,5 kHz in aria, acqua e gelatina.Questa regione modale ha mostrato anche un PTE elevato del 99%, il più alto di qualsiasi gruppo misurato, con una media regionale dell'84%.\(\text {FWHM}_{2}\) ha una media regionale di \(\approssimativamente\) 910 Hz.
Regione di terza modalità: la frequenza \(f_3\) dipende dal tipo di supporto e dallo smusso.I valori medi di \(f_3\) sono rispettivamente 32,0, 31,0 e 31,3 kHz in aria, acqua e gelatina.La media regionale \(\text {PTE}_{3}\) è stata del \(\approssimativamente\) 74%, la più bassa di qualsiasi altra regione.La media regionale \(\text {FWHM}_{3}\) è \(\approssimativamente\) 1085 Hz, che è più alta rispetto alla prima e alla seconda regione.
Quanto segue fa riferimento alla Fig.12 e Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con elevata significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto (fino a 220 µm/ W in aria). 12 e Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con elevata significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto (fino a 220 µm/ W in aria). Si spegne quindi il rischio 12 e la tabella 2. La linguetta (L) si chiude più in alto (con la massima sicurezza per tutti) ех наконечников, \(p<\) 0,017) как воздухе, так и воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Quanto segue si applica alla Figura 12 e alla Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con alta significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto.(fare 220 μm/W in aria).smt.Figura 12 e Tabella 2 di seguito.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性,\(p<\) 0.017）（图12a）,实现最高D PR (在空气中高达220 µm/W）).柳叶刀(L) ha la più alta deflessione in aria e acqua (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), e ha raggiunto il DPR più alto (fino a 220 µm/W in aria). La linguetta (L) si spegne più in alto (vысокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) nell'acqua e nell'acqua (рис. 12a), alimentazione DPR (fino a 220 mкм/Вт воздухе). La lancetta (L) ha deviato maggiormente (alto significato per tutte le punte, \(p<\) 0,017) in aria e acqua (Fig. 12a), raggiungendo il DPR più alto (fino a 220 µm/W in aria). Nell'aria, AX1 che aveva un BL più alto, deviava più di AX2–3 (con significatività, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (che aveva un BL più basso) deviava più di AX2 con un DPR di 190 µm/W. Nell'aria, AX1 che aveva un BL più alto, deviava più di AX2–3 (con significatività, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (che aveva un BL più basso) deviava più di AX2 con un DPR di 190 µm/W. Da AX1 con più BL si chiude, da AX2–3 (con valore \(p<\) 0,017), così come AX3 (da AX3 BL) ha aperto più in alto, come AX2 con DPR 190 мкм/Вт. In aria, AX1 con BL più alto ha deviato più di AX2–3 (con significatività \(p<\) 0,017), mentre AX3 (con BL più basso) ha deviato più di AX2 con DPR 190 µm/W.AX3 (p<\) 0.017）, AX3 (BL)大于AX2,DPR 为190 µm/W 。 In aria, la deflessione di AX1 con BL più alto è maggiore di quella di AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0,017), e la deflessione di AX3 (con BL più basso) è maggiore di quella di AX2, DPR è 190 µm/W. Nel caso di AX1 con il maggiore BL si chiude il maggiore, da AX2-3 (valore, \(p<\) 0,017), così come AX3 (con il massimo BL) si spegne di più, come AX2 con DPR 190 mкм/Вт. In aria, AX1 con BL più alto devia più di AX2-3 (significativo, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (con BL più basso) devia più di AX2 con DPR 190 µm/W.A 20 mm di acqua, la deflessione e il PTE AX1–3 non erano significativamente differenti (\(p>\) 0,017).I livelli di PTE nell'acqua (90,2–98,4%) erano generalmente più alti che nell'aria (56–77,5%) (Fig. 12c), e durante l'esperimento in acqua è stato notato il fenomeno della cavitazione (Fig. 13, vedi anche ulteriore informazione).
La quantità di deflessione della punta (media ± SD, n = 5) misurata per lo smusso L e AX1-3 in aria e acqua (profondità 20 mm) mostra l'effetto della modifica della geometria dello smusso.Le misurazioni sono state ottenute utilizzando l'eccitazione sinusoidale continua a frequenza singola.(a) Deviazione da picco a picco (\(u_y\vec {j}\)) sulla punta, misurata in (b) le rispettive frequenze modali \(f_2\).(c) Efficienza di trasferimento di potenza (PTE, RMS,%) dell'equazione.(4) e (d) Fattore di potenza di deflessione (DPR, µm/W) calcolato come deviazione picco-picco e potenza elettrica trasmessa \(P_T\) (Wrms).
Un tipico diagramma delle ombre di una telecamera ad alta velocità che mostra la deviazione picco-picco (linee tratteggiate verdi e rosse) di una lancetta (L) e di una punta assialsimmetrica (AX1–3) in acqua (profondità 20 mm) durante un mezzo ciclo.ciclo, alla frequenza di eccitazione \(f_2\) (frequenza di campionamento 310 kHz).L'immagine in scala di grigi catturata ha una dimensione di 128×128 pixel e una dimensione in pixel di \(\circa\) 5 µm.Il video può essere trovato in ulteriori informazioni.
Pertanto, abbiamo modellato la variazione della lunghezza d'onda di flessione (Fig. 7) e calcolato la mobilità meccanica trasferibile per combinazioni di lunghezza del tubo e smusso (Fig. 8, 9) per lancetta convenzionale, smussi asimmetrici e assialsimmetrici di forme geometriche.Sulla base di quest'ultimo, abbiamo stimato la distanza ottimale di 43 mm (o \(\approssimativamente) 2,75\(\lambda _y\) a 29,75 kHz) dalla punta alla saldatura, come mostrato in Fig. 5, e abbiamo realizzato Tre assialsimmetrici smussi con diverse lunghezze di smusso.Abbiamo quindi caratterizzato il loro comportamento in frequenza in aria, acqua e gelatina balistica al 10% (p/v) rispetto alle lancette convenzionali (Figure 10, 11) e determinato la modalità più adatta per il confronto della deflessione smussata.Infine, abbiamo misurato la deflessione della punta piegando l'onda in aria e acqua a una profondità di 20 mm e quantificato l'efficienza di trasferimento di potenza (PTE,%) e il fattore di potenza di deflessione (DPR, µm/W) del mezzo di inserimento per ciascuna smussatura.tipo angolare (Fig. 12).
È stato dimostrato che la geometria dello smusso dell'ago influisce sulla quantità di deflessione della punta dell'ago.La lancetta ha raggiunto la deflessione più elevata e il DPR più elevato rispetto al bisello assialsimmetrico con deflessione media inferiore (Fig. 12).La smussatura assialsimmetrica da 4 mm (AX1) con la smussatura più lunga ha raggiunto una deflessione massima nell'aria statisticamente significativa rispetto agli altri aghi assialsimmetrici (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tabella 2), ma non è stata riscontrata alcuna differenza significativa .osservato quando l'ago viene immerso nell'acqua.Pertanto, non vi è alcun vantaggio evidente nell’avere un bisello di lunghezza maggiore in termini di deflessione di picco in punta.Tenendo presente tutto ciò, sembra che la geometria dello smusso studiata in questo studio abbia un effetto maggiore sulla deflessione rispetto alla lunghezza dello smusso.Ciò può essere dovuto alla rigidità alla flessione, ad esempio a seconda dello spessore complessivo del materiale da piegare e del design dell'ago.
Negli studi sperimentali, l'entità dell'onda di flessione riflessa è influenzata dalle condizioni al contorno della punta.Quando la punta dell'ago viene inserita in acqua e gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) è \(\approssimativamente\) 95% e \(\text {PTE}_{ 2}\) è \ (\text {PTE}_{ 2}\) i valori sono 73% e 77% per (\text {PTE}_{1}\) e \(\text {PTE}_{3}\), rispettivamente (Fig. 11).Ciò indica che il massimo trasferimento di energia acustica al mezzo di colata, cioè acqua o gelatina, avviene in \(f_2\).Un comportamento simile è stato osservato in uno studio precedente31 utilizzando una configurazione più semplice del dispositivo nell'intervallo di frequenza 41-43 kHz, in cui gli autori hanno mostrato la dipendenza del coefficiente di riflessione della tensione dal modulo meccanico del mezzo di inclusione.La profondità di penetrazione32 e le proprietà meccaniche del tessuto forniscono un carico meccanico sull'ago e quindi si prevede che influenzino il comportamento risonante dell'UZEFNAB.Pertanto, gli algoritmi di tracciamento della risonanza (ad esempio 17, 18, 33) possono essere utilizzati per ottimizzare la potenza acustica erogata attraverso l'ago.
La simulazione a lunghezze d'onda di flessione (Fig. 7) mostra che la punta assialsimmetrica è strutturalmente più rigida (cioè più rigida nella flessione) rispetto alla lancetta e al bisello asimmetrico.Basandosi su (1) e utilizzando la nota relazione velocità-frequenza, stimiamo la rigidità alla flessione sulla punta dell'ago come \(\circa\) 200, 20 e 1500 MPa rispettivamente per i piani inclinati a lancetta, asimmetrici e assiali.Ciò corrisponde a \(\lambda_y\) di \(\circa\) 5,3, 1,7 e 14,2 mm, rispettivamente, a 29,75 kHz (Fig. 7a-c).Considerando la sicurezza clinica durante USeFNAB, dovrebbe essere valutato l’effetto della geometria sulla rigidità strutturale del piano inclinato34.
Uno studio dei parametri del bisello in relazione alla lunghezza del tubo (Fig. 9) ha mostrato che il campo di trasmissione ottimale era maggiore per il bisello asimmetrico (1,8 mm) rispetto al bisello assialsimmetrico (1,3 mm).Inoltre, la mobilità è stabile a \(\approssimativamente) da 4 a 4,5 mm e da 6 a 7 mm rispettivamente per inclinazioni asimmetriche e assialsimmetriche (Fig. 9a, b).Il significato pratico di questa scoperta è espresso nelle tolleranze di produzione: ad esempio, un intervallo inferiore di TL ottimale può significare che è necessaria una maggiore precisione della lunghezza.Allo stesso tempo, il plateau della mobilità fornisce una maggiore tolleranza nella scelta della durata del calo ad una data frequenza senza un impatto significativo sulla mobilità.
Lo studio include le seguenti limitazioni.La misurazione diretta della deflessione dell'ago utilizzando il rilevamento dei bordi e l'imaging ad alta velocità (Figura 12) significa che siamo limitati a mezzi otticamente trasparenti come aria e acqua.Desideriamo inoltre sottolineare che non abbiamo utilizzato esperimenti per testare la mobilità di trasferimento simulata e viceversa, ma abbiamo utilizzato studi FEM per determinare la lunghezza ottimale per la fabbricazione dell'ago.Per quanto riguarda i limiti pratici, la lunghezza della lancetta dalla punta alla manica è \(\circa) 0,4 cm più lunga rispetto ad altri aghi (AX1-3), vedere fig.3b.Ciò può influenzare la risposta modale del design dell'ago.Inoltre, la forma e il volume della saldatura all'estremità di un perno della guida d'onda (vedere Figura 3) possono influenzare l'impedenza meccanica del design del perno, introducendo errori nell'impedenza meccanica e nel comportamento alla flessione.
Infine, abbiamo dimostrato che la geometria della smussatura sperimentale influenza la quantità di deflessione in USeFNAB.Se una deflessione maggiore avesse un effetto positivo sull'effetto dell'ago sul tessuto, come l'efficienza di taglio dopo la perforazione, allora si può raccomandare una lancetta convenzionale in USeFNAB poiché fornisce la massima deflessione pur mantenendo un'adeguata rigidità della punta strutturale..Inoltre, uno studio recente35 ha dimostrato che una maggiore deflessione della punta può potenziare effetti biologici come la cavitazione, che potrebbe facilitare lo sviluppo di applicazioni chirurgiche minimamente invasive.Dato che è stato dimostrato che l'aumento della potenza acustica totale aumenta il numero di biopsie in USeFNAB13, sono necessari ulteriori studi quantitativi sulla quantità e qualità del campione per valutare i vantaggi clinici dettagliati della geometria dell'ago studiata.
Orario di pubblicazione: 06 gennaio 2023