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Recentemente hè statu dimustratu chì l'usu di l'ultrasound pò migliurà a produzzione di tissuti in a biòpsia d'aspirazione di agulla fina (USeFNAB) rinforzata da ultrasound paragunata à a biopsia convenzionale di aspirazione di agulla fina (FNAB).A relazione trà a geometria di bisellu è l'azzione di punta di l'agulla ùn hè micca stata investigata.In questu studiu, avemu investigatu e proprietà di a risonanza di l'agulla è l'amplitude di deflessione per diverse geometrie di bisellu di l'agulla cù diverse lunghezze di bisellu.Utilizendu una lancetta cunvinziunali cù un tagliu di 3,9 mm, u fattore di putenza di deflessione di punta (DPR) era 220 è 105 µm/W in aria è acqua, rispettivamente.Questu hè più altu ch'è a punta di bisellu assisimmetrica di 4 mm, chì hà ottenutu un DPR di 180 è 80 µm/W in l'aria è l'acqua, rispettivamente.Stu studiu mette in risaltu l'impurtanza di a relazione trà a rigidità di curvatura di a geometria di bisellu in u cuntestu di diversi aiuti d'inserzione, è cusì pò furnisce una visione di i metudi per cuntrullà l'azzione di taglio dopu a puntura cambiendu a geometria di bisellu di l'agulla, chì hè impurtante per USeFNAB.L'applicazione importa.
A biòpsia d'aspirazione d'agulla fina (FNAB) hè una tecnica in quale una agulla hè aduprata per ottene una mostra di tissutu quandu si sospetta una anormalità1,2,3.Tips Franseen-tipu sò statu dimustratu à furnisce un rendimentu diagnosticu supiriuri cà tradiziunali punte Lancet4 è Menghini5.I biselli assisimmetrici (vale à dì circunferenziali) sò stati pruposti ancu per aumentà a probabilità di un specimenu adattatu per l'istopatologia6.
Durante una biòpsia, una agulla hè passata à traversu strati di pelle è di tissutu per revelà a patologia sospetta.Studi recenti anu dimustratu chì l'attivazione ultrasonica pò riduce a forza di puntura necessaria per accede à i tessuti molli7,8,9,10.A geometria di u bisellu di l'agulla hè stata dimustrata per affettà e forze d'interazione di l'agulla, per esempiu, i biselli più longu sò stati dimustrati per avè forze di penetrazione di tissuti più bassi 11 .Hè statu suggeritu chì dopu chì l'agulla hà penetratu in a superficia di u tissutu, vale à dì dopu à a puntura, a forza di tagliu di l'agulla pò esse 75% di a forza di interazzione tutale di agulla-tissu12.L'ultrasound (US) hè statu dimustratu per migliurà a qualità di a biopsia diagnostica di tessuti molli in a fase post-puncture13.Altri metudi per migliurà a qualità di a biòpsia di l'ossu sò stati sviluppati per u sampling di tissuti duri14,15 ma ùn sò micca stati signalati risultati chì migliurà a qualità di a biòpsia.Diversi studii anu ancu truvatu chì u spustamentu meccanicu aumenta cù l'aumentu di a tensione di l'ultrasound drive16,17,18.Ancu s'ellu ci sò assai studii di forze statiche assiali (longitudinali) in l'interazzione agulla-tessuti19,20, i studii nantu à a dinamica temporale è a geometria di bisellu di l'agulla in FNAB rinforzatu ultrasonicu (USeFNAB) sò limitati.
U scopu di stu studiu era di investigà l'effettu di e diverse geometrie di bisellu nantu à l'azzione di punta di l'agulla guidata da a flexione di l'agulla à frequenze ultrasoniche.In particulare, avemu investigatu l'effettu di u mediu d'iniezione nantu à a deflessione di a punta di l'agulla dopu a puntura per i bevels di l'agulla cunvinziunali (per esempiu, lancette), geometrie assisimmetriche è asimmetriche di bisellu unicu (Fig. Per facilità u sviluppu di l'agulla USeFNAB per diversi scopi, cum'è l'aspirazione selettiva). accessu o nuclei di tessuti molli.
Diverse geometrie di bisellu sò state incluse in stu studiu.(a) Lancette conformi à ISO 7864:201636 induve \(\alpha\) hè l'angolo di bisellu primariu, \(\theta\) hè l'angolo di rotazione di bisellu secundariu, è \(\phi\) hè l'angolo di rotazione di bisellu secundariu in gradi , in gradi (\(^\circ\)).(b) smussi lineari asimmetrici unicu passu (chjamatu "standard" in DIN 13097: 201937) è (c) smussi lineari assisimmetrici (circunferenziali) un passu.
U nostru approcciu hè di primu modellu u cambiamentu di a lunghezza d'onda di curvatura longu a pendenza per e geometrie di lancet convenzionali, assisimmetriche è asimmetriche in una sola fase.Dopu avemu calculatu un studiu parametricu per esaminà l'effettu di l'angolo di bisellu è a lunghezza di u tubu nantu à a mobilità di u mecanismu di trasportu.Questu hè fattu per determinà a lunghezza ottima per fà una agulla prototipu.Basatu nantu à a simulazione, i prototipi di l'agulla sò stati fatti è u so cumpurtamentu risonante in l'aria, l'acqua è a gelatina balistica di 10% (w / v) hè stata carattarizata sperimentalmente da a misurazione di u coefficient di riflessione di tensione è u calculu di l'efficienza di trasferimentu di putenza, da quale a frequenza operativa hè stata. determinatu..Infine, l'imaghjini d'alta velocità hè aduprata per misurà direttamente a deviazione di l'onda di curvatura à a punta di l'agulla in l'aria è l'acqua, è per stimà a putenza elettrica trasmessa da ogni inclinazione è a geometria di u fattore di putenza di deviazione (DPR) di l'injected. mediu.
Cum'è mostra in a Figura 2a, aduprate pipa N ° 21 (0.80 mm OD, 0.49 mm ID, 0.155 mm gruixu di muru di pipa, muru standard cum'è specificatu in ISO 9626: 201621) fattu di acciaio inox 316 (Modulu di Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densità 8070 kg/m\(^{3}\), rapportu di Poisson 0,275).
Determinazione di a lunghezza d'onda di curvatura è l'accordu di u mudellu di elementi finiti (FEM) di l'agulla è e cundizioni di cunfini.(a) Determinazione di a lunghezza di bisellu (BL) è di a lunghezza di u tubu (TL).(b) U mudellu tridimensionale (3D) di elementi finiti (FEM) utilizendu a forza puntuale armonica \(\tilde{F}_y\vec{j}\) per eccitare l'agulla à l'estremità prossimale, deflette u puntu è misurà a velocità. per punta (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) per calculà a mobilità di u trasportu meccanicu.\(\lambda _y\) è definita come la lunghezza d'onda di flessione associata alla forza verticale \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determina u centru di gravità, l'area di a sezione trasversale A, è i mumenti d'inerzia \(I_{xx}\) è \(I_{yy}\) intornu à l'assi x è l'asse y rispettivamente.
Comu mostra in fig.2b,c, pour un faisceau infini (infini) avec une section transversale A et à une grande longueur d'onde par rapport à la taille de la section transversale du faisceau, la vitesse de phase de flexion (ou de flexion) \(c_{EI}\ ) hè definitu cum'è 22:
induve E hè u modulu di Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) hè a frequenza angulare di eccitazione (rad/s), induve \( f_0) \ ) hè a frequenza lineare (1/s o Hz), I hè u mumentu d'inerzia di l'area intornu à l'assi di interessu \((\text {m}^{4})\) è \(m'=\ rho _0 A \) hè a massa nantu à unità di lunghezza (kg/m), induve \(\rho _0\) hè a densità \((\text {kg/m}^{3})\) è A hè a croce -area seccionale di u fasciu (pianu xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Siccomu in u nostru casu a forza applicata hè parallela à l'assi verticale verticale, vale à dì \(\tilde{F}_y\vec {j}\), ci interessa solu u mumentu d'inerzia di l'area intornu à l'orizontale x- assi, ie \(I_{xx} \), Hè per quessa:
Per u mudellu di elementi finiti (FEM), un spostamentu armonicu puru (m) hè assunto, cusì l'accelerazione (\(\text {m/s}^{2}\)) hè espressa cum'è \(\partial ^2 \vec {u}/ \ parziale t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), es. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) hè un vettore di spostamentu tridimensionale definitu in coordenate spaziali.Sustituitu l'ultime cù a forma lagrangiana finitamente deformabile di a lege di bilanciu di momentum23, secondu a so implementazione in u pacchettu di software COMSOL Multiphysics (versioni 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), dà:
Dove \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) hè l'operatore di divergenza tensoriale, è \({\underline{\sigma}}\) hè u sicondu tensore di tensione di Piola-Kirchhoff (secondu ordine, \(\ testu). {N /m}^{2}\)), è \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) hè u vettore di a forza di u corpu (\(\text {N/m}^{3}\)) di ogni vulume deformabile, è \(e^{j\phi }\) hè a fase di u forza di corpu, hà un angolo di fase \(\phi\) (rad).In u nostru casu, a forza di u voluminu di u corpu hè zero, è u nostru mudellu assume linearità geomètrica è picculi deformazioni puramente elastiche, ie \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), induve \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) è \({\underline{ \varepsilon}}\) - deformazione elastica è deformazione tutale (senza dimensione di u sicondu ordine), rispettivamente.U tensore d'elasticità isotropicu costitutivu di Hooke \(\underline {\underline {C))\) hè ottenutu cù u modulu di Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) è u rapportu di Poisson v hè definitu, cusì chì \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quartu ordine).Allora u calculu di stress diventa \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
I calculi sò stati realizati cù elementi tetraedrichi di 10 nodi cù a dimensione di l'elementu \(\le\) 8 µm.L'agulla hè modellata in u vacuum, è u valore di trasferimentu di mobilità meccanica (ms-1 H-1) hè definitu cum'è \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec {j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dove \(\tilde{v}_y\vec {j}\) hè a velocità cumplessa di output di u manipolo, è \( \tilde{ F} _y\vec {j}\) hè una forza motrice cumplessa situata à l'estremità prossimale di u tubu, cum'è mostra in Fig. 2b.A mobilità meccanica trasmissiva hè espressa in decibels (dB) utilizendu u valore massimu cum'è riferimentu, ie \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Tutti i studii FEM sò stati realizati à una freccia di 29.75 kHz.
U disignu di l'agulla (Fig. 3) hè custituitu da una agulla ipodermica convenzionale 21 gauge (numeru di catalogu: 4665643, Sterican\(^\circledR\), cù un diametru esternu di 0,8 mm, una lunghezza di 120 mm, fatta di AISI. chromium-nickel stainless steel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany) hà postu una manica plastica Luer Lock fatta di polipropilene proximal cù una mudificazione di punta currispondente.U tubu di l'agulla hè saldatu à a guida d'onda cum'è mostra in Fig. 3b.A guida d'onda hè stata stampata nantu à una stampante 3D d'acciaio inossidabile (EOS Stainless Steel 316L nantu à una stampante EOS M 290 3D, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) è dopu attaccata à u sensor Langevin cù bulloni M4.U trasduttore Langevin hè custituitu da 8 elementi di anellu piezoelectric cù dui pesi à ogni estremità.
I quattru tippi di punte (in stampa), una lancetta dispunibile in u cummerciu (L), è trè biselli assisimetrici in una sola fase (AX1-3) sò stati carattarizati da lunghezze di bisellu (BL) di 4, 1.2 è 0.5 mm, rispettivamente.(a) Primu pianu di a punta di l'agulla finita.(b) Vista superiore di quattru pin saldati à una guida d'onda stampata in 3D è dopu cunnessu à u sensoru Langevin cù bulloni M4.
Trè punte di bisellu assisimmetricu (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) sò stati fabbricati cù lunghezze di bisellu (BL, determinate in Fig. 2a) di 4,0, 1,2 è 0,5 mm, chì currispondenu à \(\approx\) 2\ (^\). circ\), 7\(^\circ\) è 18\(^\circ\).I pesi della guida d'onda e dello stilo sono 3,4 ± 0,017 g (media ± SD, n = 4) per il bisello L e AX1–3, rispettivamente (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germania) .A durata tutale da a punta di l'agulla à a fine di a manica plastica hè 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm per u bisellu L è AX1-3 in Figura 3b, rispettivamente.
Per tutte e cunfigurazioni di l'agulla, a lunghezza da a punta di l'agulla à a punta di a guida d'onda (vale à dì, l'area di saldatura) hè di 4,3 cm, è u tubu di l'agulla hè orientatu in modu chì u bisellu hè rivoltu (vale à dì, parallelu à l'assi Y). ).), cum'è in (Fig. 2).
Un script persunalizatu in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) in esecuzione nantu à un computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) hè stata utilizata per generà una spazzata sinusoidale lineare da 25 à 35 kHz in 7 seconde, cunvertitu in un signalu analogicu da un cunvertitore digitale-analogicu (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).U signalu analogicu \(V_0\) (0,5 Vp-p) hè statu dopu amplificatu cù un amplificatore di frequenze radio (RF) dedicatu (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).A tensione di amplificazione in caduta \({V_I}\) hè uscita da l'amplificatore RF cù una impedenza di output di 50 \(\Omega\) à un trasformatore integratu in a struttura di l'agulla cù una impedenza di input di 50 \(\Omega)\) I trasduttori di Langevin (trasduttori piezoelettrici multistrati frontali è posteriori, carichi di massa) sò usati per generà onde meccaniche.L'amplificatore RF persunalizatu hè dotatu di un metru di fattore di potenza d'onda stazionaria (SWR) à duale canale chì pò detectà l'incidente \({V_I}\) è a tensione amplificata riflessa \(V_R\) attraversu un 300 kHz analogico-digitale (AD). ) cunvertitore (Analog Discovery 2).U signale di eccitazione hè modulatu in amplitude à l'iniziu è à a fine per prevene a sovraccarica di l'input di l'amplificatore cù transitori.
Utilizendu un script persunalizatu implementatu in MATLAB, a funzione di risposta in frequenza (AFC), vale à dì assume un sistema stazionariu lineale.Inoltre, applicà un filtru di passa di banda da 20 à 40 kHz per caccià qualsiasi frequenze indesiderate da u signale.In riferimentu à a teoria di a linea di trasmissione, \(\tilde{H}(f)\) in questu casu hè equivalente à u coefficient di riflessione di tensione, ie \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Siccomu l'impedenza di output di l'amplificatore \(Z_0\) currisponde à l'impedenza di input di u transformatore integratu di u cunvertitore, è u coefficient di riflessione di l'energia elettrica \({P_R}/{P_I}\) hè ridutta à \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), allora è \(|\rho _{V}|^2\).In u casu induve u valore assolutu di a putenza elettrica hè necessariu, calculate a putenza incidente \(P_I\) è riflessa \(P_R\) (W) pigliendu a radica media quadrata (rms) valore di a tensione currispondente, per esempiu, per una linea di trasmissione cù eccitazione sinusoidale, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, induve \(Z_0\) hè uguale à 50 \(\Omega\).A putenza elettrica furnita à a carica \(P_T\) (vale à dì u mediu inseritu) pò esse calculata cum'è \(|P_I – P_R |\) (W RMS) è l'efficienza di trasferimentu di putenza (PTE) pò esse definita è espressa cum'è un percentuale (%) dà dunque 27:
A risposta di frequenza hè allora aduprata per stimà e frequenze modali \(f_{1-3}\) (kHz) di u disignu di u stylus è l'efficienza di trasferimentu di energia currispondente, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) hè stimatu direttamente da \(\text {PTE}_{1{-}3}\), da a Tabella 1 frequenze \(f_{1-3}\) descritte in .
Un metudu per misurà a risposta di frequenza (AFC) di una struttura acicular.A misurazione di sinusoidale duale-canale25,38 hè aduprata per ottene a funzione di risposta in frequenza \(\tilde{H}(f)\) è a so risposta à l'impulsu H (t).\({\mathcal {F}}\) e \({\mathcal {F}}^{-1}\) denotano rispettivamente la trasformata di Fourier troncata numerica e l'operazione di trasformazione inversa.\(\tilde{G}(f)\) significa chì i dui signali sò multiplicati in u duminiu di freccia, per esempiu \(\tilde{G}_{XrX}\) significa scan inversu\(\tilde{X} r( f). )\) et le signal de chute de tension \(\tilde{X}(f)\).
Comu mostra in fig.5, camera ad alta velocità (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) dotata di una lente macro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokyo, Giappone) sò stati usati per registrà a deflessione di una punta di l'agulla sottumessa à eccitazione flexural (frequenza unica, sinusoide cuntinuu) à una frequenza di 27,5-30 kHz.Per creà una mappa d'ombra, un elementu rinfriscatu di un LED biancu d'alta intensità (numero di parte: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germania) hè stata postu daretu à u bisellu di l'agulla.
Vista frontale di a stallazione sperimentale.A prufundità hè misurata da a superficia media.A struttura di l'agulla hè chjappata è muntata nantu à una tavola di trasferimentu motorizzata.Aduprate una camera d'alta velocità cù una lente d'ingrandimentu elevatu (5\(\times\)) per misurà a deviazione di a punta bisellata.Tutte e dimensioni sò in millimetri.
Per ogni tipu di bisellu di l'agulla, avemu arregistratu 300 fotogrammi di càmera à alta velocità di 128 \(\x\) 128 pixel, ognunu cù una risoluzione spaziale di 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), cù una risoluzione temporale. di 310.000 frames per seconda.Comu mostra in a Figura 6, ogni quadru (1) hè tagliatu (2) in modu chì a punta hè in l'ultima linea (in fondu) di u quadru, è dopu l'istogramma di l'imaghjini (3) hè calculatu, cusì Canny thresholds 1 è 2 pò esse determinatu.Allora applicate a rilevazione di bordu Canny28(4) utilizendu l'operatore Sobel 3 \(\times\) 3 è calculate a pusizione di pixel di l'ipotenusa non-cavitational (etichettata \(\mathbf {\times }\)) per tutti i passi di 300 volte. .Per determinà u span di a deviazione à a fine, a derivativa hè calculata (usendu l'algoritmu di diffarenza cintrali) (6) è u quadru chì cuntene l'estremi lucali (vale à dì u piccu) di a deviazione (7) hè identificatu.Dopu avè inspeccionatu visualmente u bordu non-cavitating, un paru di frames (o dui frames separati da a mità di un periodu di tempu) (7) sò stati selezziunati è a deflessione di punta misurata (etichettata \(\mathbf {\times} \ ) Hè stata implementata sopra. in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) utilizendu l'algoritmu di rilevazione di u bordu OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca di visione di computer open source, opencv.org energia elettrica \ (P_T \) (W, rms). .
A deflessione di punta hè stata misurata utilizendu una seria di fotogrammi pigliati da una camera d'alta velocità à 310 kHz utilizendu un algoritmu di 7 passi (1-7) chì include framing (1-2), rilevazione di bordu Canny (3-4), bordu di locu di pixel. u calculu (5) è i so derivati ​​di u tempu (6), è infine a deflessione di punta di piccu à piccu sò stati misurati nantu à coppie di frames inspeccionati visualmente (7).
E misurazioni sò state prese in aria (22,4-22,9 ° C), acqua deionizzata (20,8-21,5 ° C) è gelatina balistica 10% (w/v) (19,7-23,0 ° C, \(\text {Honeywell}^{ \text) {TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina d'ossa bovina e porcina per l'analisi balistica di tipo I, Honeywell International, North Carolina, USA).A temperatura hè stata misurata cù un amplificatore termocoppiu K-type (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) è un thermocouple K-type (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Da a prufundità media hè stata misurata da a superficia (definita cum'è l'urigine di l'asse z) utilizendu una tappa verticale di l'assi z motorizzata (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) cù una risoluzione di 5 µm.per passu.
Siccomu a dimensione di a mostra era chjuca (n = 5) è a normalità ùn pò micca esse assunta, hè stata utilizata una prova di somma di Wilcoxon à dui campioni à dui coda (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) per paragunà a quantità di punta di l'agulla di varianza per diversi biselli.Ci era 3 paraguni per slope, cusì una correzione Bonferroni hè stata appiicata cù un livellu di significazione aghjustatu di 0,017 è una rata d'errore di 5%.
Andemu avà à Fig.7.À una frequenza di 29,75 kHz, a semionda di curvatura (\(\lambda_y/2\)) di un ago 21-gauge hè \(\circa) 8 mm.À mesure qu'on s'approche de la pointe, la longueur d'onde de flexion diminue le long de l'angle oblique.À a punta \(\lambda _y/2\) \(\approssimativamente\) ci sò passi di 3, 1 è 7 mm per l'inclinazione usuale lanceolate (a), asimmetrica (b) è assisimetrica (c) di una sola agulla. , rispettivamente.Cusì, questu significa chì a gamma di a lancetta hè \(\circa) 5 mm (per via di u fattu chì i dui piani di a lancetta formanu un puntu unicu29,30), u bisellu asimmetricu hè 7 mm, u bisellu asimmetricu hè 1. mm.Pendite assisimmetriche (u centru di gravità ferma custanti, cusì solu u gruixu di u muru di a pipa cambia veramente longu a pendenza).
Studi FEM è applicazione di equazioni à una freccia di 29,75 kHz.(1) Quandu si calcula a variazione di a semi-onda di curvatura (\(\lambda_y/2\)) per e geometrie di bisellu asimmetrica (b) è assisimmetrica (c) (cum'è in Fig. 1a,b,c). ).U valore mediu \(\lambda_y/2\) di a lancetta, asimmetrica è axisymmetric bevels era 5,65, 5,17 è 7,52 mm, rispettivamente.Si noti che lo spessore della punta per i biselli asimmetrici e assisimmetrici è limitato a \(\approx) 50 µm.
Peak mobility \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) hè a cumminazzioni ottima di a lunghezza di tubu (TL) è a lunghezza di bisellu (BL) (Fig. 8, 9).Per una lancetta convenzionale, postu chì a so dimensione hè fissa, u TL ottimali hè \(\approssimativamente) 29,1 mm (Fig. 8).Per i bevels asimmetrici è assisimetrichi (Fig. 9a, b, rispettivamente), i studii FEM includenu BL da 1 à 7 mm, cusì u TL ottimali eranu da 26.9 à 28.7 mm (range 1.8 mm) è da 27.9 à 29 .2 mm (range). 1,3 mm), rispettivamente.Per a pendenza asimmetrica (Fig. 9a), u TL ottimali cresce linearmente, hà righjuntu un plateau à BL 4 mm, è dopu diminuite bruscamente da BL 5 à 7 mm.Per un bevel axisymmetric (Fig. 9b), u TL ottimali cresce linearmente cù l'aumentu di BL è infine stabilizzate à BL da 6 à 7 mm.Un studiu allargatu di tilt axisymmetric (Fig. 9c) revelò un altru settore di TL ottimali à \(\approx) 35.1-37.1 mm.Per tutti i BL, a distanza trà i dui migliori TL hè \(\approx\) 8mm (equivalente à \(\lambda_y/2\)).
Mobilità di trasmissione Lancet à 29,75 kHz.L'agulla hè stata eccitata in modu flessibile à una frequenza di 29,75 kHz è a vibrazione hè stata misurata à a punta di l'agulla è espressa cum'è a quantità di mobilità meccanica trasmessa (dB relative à u valore massimu) per TL 26,5-29,5 mm (in incrementi di 0,1 mm) .
Studi parametrici di u FEM à una freccia di 29.75 kHz mostranu chì a mobilità di trasferimentu di una punta assisimetrica hè menu affettata da un cambiamentu in a lunghezza di u tubu chì a so contraparti asimmetrica.Lunghezza di bisellu (BL) è di lunghezza di tubu (TL) studii di geometria asimmetrica (a) è assisimmetrica (b, c) in u studiu di u duminiu di freccia cù FEM (i cundizzioni di cunfini sò mostrati in Fig. 2).(a, b) TL variava da 26,5 a 29,5 mm (passo 0,1 mm) e BL 1-7 mm (passo 0,5 mm).(c) Studi di inclinazione assisymmetrica estensi cumpresi TL 25–40 mm (in incrementi di 0,05 mm) è BL 0,1–7 mm (in incrementi di 0,1 mm) chì mostranu chì \(\lambda_y/2\) deve risponde à i requisiti di a punta.cundizioni di cunfini in muvimentu.
A cunfigurazione di l'agulla hà trè frequenze propri \(f_{1-3}\) divisu in regioni di modu bassu, mediu è altu cum'è mostra in a Table 1. A dimensione PTE hè stata arregistrata cum'è mostra in a fig.10 è dopu analizatu in Fig. 11. Sottu sò i risultati per ogni zona modale:
Ampiezza tipica registrata di efficienza di trasferimentu di energia istantanea (PTE) ottenuta cù eccitazione sinusoidale di frequenza swept per una lancetta (L) è bisellu assisimmetricu AX1-3 in aria, acqua è gelatina à una prufundità di 20 mm.Spettri unilaterali sò mostrati.A risposta di frequenza misurata (campionata à 300 kHz) hè stata filtrata in passa-bassu è poi scalata da un fattore di 200 per l'analisi modale.U rapportu signal-à-rumore hè \(\le\) 45 dB.E fasi PTE (linee punteggiate viola) sò mostrate in gradi (\(^{\circ}\)).
L'analisi di risposta modale (media ± deviazione standard, n = 5) mostra in Fig. 10, per i pendii L è AX1-3, in aria, acqua è gelatina 10% (prufundità 20 mm), cù (in cima) trè regioni modali ( bassu, mediu è altu) è e so frequenze modali currispondenti \(f_{1-3 }\) (kHz), (media) efficienza energetica \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculate cù equivalenti .(4) è (in fondu) a larghezza piena à a mità di misure massime \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), rispettivamente.Nota chì a misura di larghezza di banda hè stata saltata quandu un PTE bassu hè statu registratu, vale à dì \(\text {FWHM}_{1}\) in casu di pendenza AX2.U modu \(f_2\) hè statu truvatu per esse u più adattatu per paragunà e deflessioni di a pendenza, postu chì mostrava u più altu livellu di efficienza di trasferimentu di energia (\(\text {PTE}_{2}\)), finu à u 99%.
Prima regione modale: \(f_1\) ùn dipende micca assai di u tipu di mediu inseritu, ma dipende da a geometria di a pendenza.\(f_1\) diminuisce cù a diminuzione di a lunghezza di bisellu (27,1, 26,2 è 25,9 kHz in l'aria per AX1-3, rispettivamente).E medie regiunale \(\text {PTE}_{1}\) è \(\text {FWHM}_{1}\) sò \(\approx\) 81% è 230 Hz rispettivamente.\(\text {FWHM}_{1}\) hà u più altu cuntenutu di gelatina in a Lancet (L, 473 Hz).Nota chì \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 in gelatina ùn pudia esse evaluatu per via di a bassa amplitude FRF registrata.
A seconda regione modale: \(f_2\) dipende da u tipu di media inseritu è ​​u bisellu.I valori medii \(f_2\) sò 29,1, 27,9 è 28,5 kHz in aria, acqua è gelatina, rispettivamente.Questa regione modale hà ancu mostratu un altu PTE di 99%, u più altu di qualsiasi gruppu misuratu, cù una media regiunale di 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) hà una media regiunale di \(\circa\) 910 Hz.
Terza regione di modalità: a frequenza \(f_3\) dipende da u tipu di media è bisellu.I valori medii \(f_3\) sò 32,0, 31,0 è 31,3 kHz in aria, acqua è gelatina, rispettivamente.A media regiunale \(\text {PTE}_{3}\) era \(\circa\) 74%, u più bassu di ogni regione.A media regiunale \(\text {FWHM}_{3}\) hè \(\circa\) 1085 Hz, chì hè più altu ch'è a prima è a seconda regione.
       A seguita si riferisce à Fig.12 è Tabella 2. A lancetta (L) hà deviatu u più (cun ​​significatu altu per tutti i punte, \(p<\) 0,017) in l'aria è in l'acqua (Fig. 12a), ottenendu u DPR più altu (finu à 220 µm/). W in aria). 12 è Tabella 2. A lancetta (L) hà deviatu u più (cun ​​significatu altu per tutti i punte, \(p<\) 0,017) in l'aria è in l'acqua (Fig. 12a), ottenendu u DPR più altu (finu à 220 µm/). W in aria). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше вседунку (с вседуюцет) ех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого высокого . I seguenti s'applicanu à a Figura 12 è a Table 2. Lancet (L) deflected the most (cù altu significatu per tutti i cunsiglii, \(p<\) 0.017) in l'aria è l'acqua (Fig. 12a), ottenendu u DPR più altu.(fa 220 μm/W in l'aria).Smt.Figura 12 è Table 2 sottu.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）具有高显着性，高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) ha la più alta deformazione in aria e acqua (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), è hà ottenutu u DPR più altu (finu à 220 µm/W in aria). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) всокая значимость 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) deflette u più (alta significazione per tutti i tips, \(p<\) 0,017) in l'aria è l'acqua (Fig. 12a), righjunghjendu u DPR più altu (finu à 220 µm / W in l'aria). In l'aria, AX1 chì avia un BL più altu, sviatu più altu ch'è AX2–3 (cun ​​significatu, \(p<\) 0,017), mentre chì AX3 (chì avia u BL più bassu) hà deviatu più di AX2 cun un DPR di 190 µm/W. In l'aria, AX1 chì avia un BL più altu, sviatu più altu ch'è AX2–3 (cun ​​significatu, \(p<\) 0,017), mentre chì AX3 (chì avia u BL più bassu) hà deviatu più di AX2 cun un DPR di 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017 токма, кам 3, со мостью м BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. In l'aria, AX1 cù u BL più altu hà deviatu più altu ch'è AX2–3 (cun ​​significatu \(p<\) 0,017), mentri AX3 (cun ​​u più bassu BL) hà deviatu più di AX2 cù 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（具有显着性，\(p<\) 0.017，AX2，具，有显着性，偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W 。 In l'aria, a deviazione di AX1 cun BL più altu hè più altu ch'è quella di AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0,017), è a deviazione di AX3 (cù BL più bassu) hè più grande di quella di AX2, DPR hè 190. µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогсим больше ) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. In l'aria, AX1 cù BL più altu devia più di AX2-3 (significativu, \(p<\) 0,017), mentre chì AX3 (cù BL più bassu) devia più di AX2 cù DPR 190 μm/W.À 20 mm d'acqua, a deviazione è PTE AX1-3 ùn eranu micca significativamente diffirenti (\(p>\) 0.017).I livelli di PTE in l'acqua (90,2-98,4%) sò generalmente più altu ch'è in l'aria (56-77,5%) (Fig. 12c), è u fenomenu di cavitation hè statu nutatu durante l'esperimentu in l'acqua (Fig. 13, vede ancu supplementu). infurmazione).
A quantità di deflessione di punta (media ± SD, n = 5) misurata per u bisellu L è AX1-3 in l'aria è l'acqua (prufundità 20 mm) mostra l'effettu di cambià a geometria di bisellu.E misurazioni sò state ottenute utilizendu eccitazione sinusoidale di frequenza unica continua.(a) Déviation pic à pic (\(u_y\vec {j}\)) à la pointe, mesurée à (b) leurs fréquences modales respectives \(f_2\).(c) Efficienza di trasferimentu di energia (PTE, RMS, %) di l'equazioni.(4) et (d) Facteur de puissance de déflexion (DPR, µm/W) calculé comme déviation crête à crête et puissance électrique transmise \(P_T\) (Wrms).
Un graficu tipicu di l'ombra di a camera à alta velocità chì mostra a deviazione piccu à piccu (linee punteggiate verdi è rosse) di una lancetta (L) è a punta assisimmetrica (AX1-3) in acqua (20 mm di prufundità) nantu à una mità di ciclu.ciclu, à a frequenza di eccitazione \(f_2\) (frequenza di campionamentu 310 kHz).L'imagine in scala di grigi catturata hà una dimensione di 128 × 128 pixel è una dimensione di pixel di \(\approx\) 5 µm.Video pò esse trovu in infurmazione supplementari.
Cusì, avemu modelatu u cambiamentu in a lunghezza d'onda di curvatura (Fig. 7) è hà calculatu a mobilità meccanica trasferibile per cumminzioni di lunghezza di tubu è chamfer (Fig. 8, 9) per lancet convenzionale, chamfers asimmetrici è assisimetrichi di forme geometriche.Basatu annantu à l'ultime, avemu stimatu a distanza ottima di 43 mm (o \(\approssimativamente) 2,75\(\lambda_y\) à 29,75 kHz) da a punta à a saldatura, cum'è mostra in Fig. 5, è hà fattu trè assisimmetrici. biselli cù diverse lunghezze di bisellu.Dopu avemu carattarizatu u so cumpurtamentu di frequenza in l'aria, l'acqua è a gelatina balistica di 10% (w / v) cumparatu cù lancette convenzionali (Figure 10, 11) è hà determinatu u modu più adattatu per a comparazione di deflessione di bisellu.Infine, avemu misuratu a deflessione di punta pieghendu l'onda in aria è acqua à una prufundità di 20 mm è quantificatu l'efficienza di trasferimentu di putenza (PTE, %) è u fattore di putenza di deflessione (DPR, µm / W) di u mediu d'inserzione per ogni bisellu.tipu angulu (Fig. 12).
Hè statu dimustratu chì a geometria di u bisellu di l'agulla influenza a quantità di deflessione di a punta di l'agulla.A lancetta hà ottinutu a più alta deflection è u più altu DPR cumparatu cù u bisellu axisymmetric cù a deviazione media più bassa (Fig. 12).U bisellu assisimmetricu di 4 mm (AX1) cù u bisellu più longu hà ottenutu una deflessione massima statisticamente significativa in l'aria cumparatu cù l'altri aghi axisimmetrici (AX2-3) (\(p <0.017\), Tabella 2), ma ùn ci era micca differenza significativa. .osservatu quandu l'agulla hè posta in acqua.Cusì, ùn ci hè micca un vantaghju evidenti à avè una lunghezza di bisellu più longa in termini di deflessione di punta à a punta.Cù questu in mente, pare chì a geometria di bisellu studiata in stu studiu hà un effettu più grande nantu à a deviazione cà a lunghezza di u bisellu.Questu pò esse dovutu à a rigidità di curvatura, per esempiu, secondu u grossu generale di u materiale chì hè curvatu è u disignu di l'agulla.
In studii sperimentali, a magnitudine di l'onda flexural riflessa hè affettata da e cundizioni di u cunfini di a punta.Quandu a punta di l'agulla hè inserita in acqua è gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) hè \(\circa\) 95%, è \(\text {PTE}_{2}\) hè \ (\text {PTE}_{2}\) i valori sò 73% è 77% per (\text {PTE}_{1}\) è \(\text {PTE}_{3}\), rispittivamenti (Fig. 11).Questu indica chì u trasferimentu massimu di l'energia acustica à u mediu di casting, vale à dì l'acqua o gelatina, si trova in \(f_2\).Un cumpurtamentu simili hè statu osservatu in un studiu precedente31 utilizendu una cunfigurazione di u dispositivu più simplice in a gamma di frequenze 41-43 kHz, in quale l'autori dimustranu a dependenza di u coefficient di riflessione di tensione nantu à u modulu meccanicu di u mediu d'incrustazione.A prufundità di penetrazione32 è e proprietà meccaniche di u tessulu furnisce una carica meccanica nantu à l'agulla è sò per quessa chì influenzanu u cumpurtamentu resonante di l'UZEFNAB.Cusì, l'algoritmi di seguimentu di risonanza (per esempiu 17, 18, 33) ponu esse aduprati per ottimisà a putenza acustica furnita à traversu l'agulla.
A simulazione à e lunghezze d'onda di curvatura (Fig. 7) mostra chì a punta axisimmetrica hè strutturalmente più rigida (vale à dì, più rigida in curvatura) cà a lancetta è bisellu asimmetricu.Basatu nantu à (1) è utilizendu a relazione velocità-frequenza cunnisciuta, stimu a rigidità di curvatura à a punta di l'agulla cum'è \(\circa\) 200, 20 è 1500 MPa per i piani inclinati lancetti, asimmetrici è assiali, rispettivamente.Questu currisponde à \(\lambda_y\) di \(\approssimativamente\) 5,3, 1,7 è 14,2 mm, rispettivamente, à 29,75 kHz (Fig. 7a–c).In cunsiderà a sicurezza clinica durante l'USeFNAB, l'effettu di a geometria nantu à a rigidità strutturale di u pianu inclinatu deve esse valutatu34.
Un studiu di i paràmetri di bisellu relative à a durata di u tubu (Fig. 9) hà dimustratu chì l'intervallu di trasmissione ottimali era più altu per u bisellu asimmetricu (1,8 mm) cà per u bisellu assisimetricu (1,3 mm).Inoltre, a mobilità hè stabile à \ (\ approssimativamente) da 4 à 4,5 mm è da 6 à 7 mm per tilts asimmetrici è assisimetrichi, rispettivamente (Fig. 9a, b).L'impurtanza pratica di sta scuperta hè espressa in tolleranze di fabricazione, per esempiu, una gamma più bassa di TL ottimali pò significà chì una precisione di lunghezza più grande hè necessaria.À u listessu tempu, u pianu di a mobilità furnisce una tolleranza più grande per a scelta di a durata di u dip à una certa freccia senza un impattu significativu in a mobilità.
U studiu include i seguenti limitazioni.A misurazione diretta di a deflessione di l'agulla utilizendu a rilevazione di u bordu è l'imaghjini à alta velocità (Figura 12) significa chì simu limitati à i media otticamente trasparenti cum'è l'aria è l'acqua.Vulemu ancu nutà chì ùn avemu micca usatu esperimenti per pruvà a mobilità di trasferimentu simulata è viceversa, ma hà utilizatu studii FEM per determinà a durata ottima per a fabricazione di l'agulla.In quantu à e limitazioni pratiche, a lunghezza di a lancetta da a punta à a manica hè \(\approssimativamente) 0,4 cm più longa di l'altri agulla (AX1-3), vede fig.3b.Questu pò influenzà a risposta modale di u disignu di l'agulla.Inoltre, a forma è u voluminu di saldatura à a fine di un pin di guida d'onda (vede a Figura 3) ponu influenzà l'impedenza meccanica di u disignu di u pin, introducendu errori in l'impedenza meccanica è u cumpurtamentu di curvatura.
Infine, avemu dimustratu chì a geometria di bisellu sperimentale afecta a quantità di deflessione in USeFNAB.Se una deflessione più grande avaristi un effettu pusitivu nantu à l'effettu di l'agulla nantu à u tissutu, cum'è l'efficienza di taglio dopu u piercing, allora una lancetta convenzionale pò esse ricumandata in USeFNAB perchè furnisce una deviazione massima mentre mantene una rigidità adatta di a punta strutturale..Inoltre, un studiu recente35 hà dimustratu chì una deflessione di punta più grande pò rinfurzà l'effetti biologichi cum'è a cavitazione, chì pò cuntribuisce à u sviluppu di applicazioni chirurgiche minimamente invasive.Dapoi chì l'aumentu di a putenza acustica tutale hè statu dimustratu per aumentà a produzzione di biopsia in USeFNAB13, più studii quantitativi di u rendiment è di a qualità di mostra sò necessarii per valutà i benefici clinichi detallati di a geometria di l'agulla studiata.