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Basatu annantu à l'intersezzione interdisciplinaria di a fisica è e scienze di a vita, e strategie diagnostiche è terapeutiche basate nantu à a medicina di precisione anu attiratu recentemente una attenzione considerable per l'applicabilità pratica di novi metudi di ingegneria in parechji campi di a medicina, in particulare in oncologia.In questu quadru, l'usu di l'ultrasound per attaccà e cellule cancerose in i tumuri per causà possibili danni meccanichi à diverse scale attrae l'attenzione crescente da i scientisti di u mondu.Pigliendu questi fattori in contu, basatu nantu à suluzioni di timing elastodinamica è simulazioni numerichi, avemu prisentatu un studiu preliminare di simulazione urdinatore di a propagazione ultrasound in tissuti in ordine per selezziunà frequenze è putenzi adatti da irradiazione lucale.Nova piattaforma di diagnostica per a tecnulugia di laboratoriu On-Fiber, chjamata agulla di l'uspidale è digià patentata.Hè cresce chì i risultati di l'analisi è l'intuizioni biofisiche cunnesse puderanu apre a strada per novi approcci diagnostichi è terapeutichi integrati chì puderanu ghjucà un rolu centrale in l'applicazione di a medicina di precisione in u futuru, trattendu da i campi di a fisica.Una sinergia crescente trà a biologia hè cuminciata.
Cù l'ottimisazione di un gran numaru di applicazioni cliniche, a necessità di riduce l'effetti secundari nantu à i pazienti hà cuminciatu à emergere gradualmente.À questu scopu, a medicina di precisione1, 2, 3, 4, 5 hè diventata un scopu strategicu per riduce a dosa di droghe consegnate à i pazienti, essenzialmente seguendu dui approcci principali.U primu hè basatu annantu à un trattamentu pensatu secondu u prufilu genomicu di u paziente.U sicondu, chì hè diventatu u standard d'oru in oncologia, hà u scopu di evità e prucedure sistemiche di consegna di droghe per pruvà à liberà una piccula quantità di droga, mentre chì à u listessu tempu aumenta a precisione per l'usu di a terapia lucale.L'ultimu scopu hè di eliminà o almenu minimizzà l'effetti negativi di parechji approcci terapeutichi, cum'è a quimioterapia o l'amministrazione sistemica di radionuclidi.Sicondu u tipu di cancru, u locu, a dosa di radiazione è altri fattori, ancu a radioterapia pò avè un altu risicu inherente à u tissutu sano.In u trattamentu di glioblastoma6,7,8,9, a cirurgia sguassate cù successu u cancru sottostante, ma ancu in l'absenza di metastasi, parechji infiltrati cancerous chjuchi ponu esse prisenti.S'ellu ùn sò micca eliminati cumplettamente, e novi masse cancerose ponu cresce in un periudu relativamente cortu di tempu.In questu cuntestu, e strategie di medicina di precisione sopra citate sò difficiuli di applicà perchè sti infiltrati sò difficiuli di detectà è sparghje nantu à una grande zona.Queste barriere impediscenu risultati definitivi in ​​prevenzione di ogni recurrenza cù a medicina di precisione, cusì i metudi di consegna sistemica sò preferiti in certi casi, ancu s'è i droghe utilizati ponu avè un altu livellu di toxicità.Per superà stu prublema, l'approcciu di trattamentu ideale seria di utilizà strategie minimamente invasive chì ponu attaccà selettivamente e cellule cancerose senza affettà i tessuti sani.In vista di questu argumentu, l'usu di vibrazioni ultrasoniche, chì sò stati dimustrati per affettà e cellule cancerose è sane in modu diversu, sia in sistemi unicellulari sia in clusters eterogenei di mesoscale, pare una suluzione pussibule.
Da un puntu di vista meccanicisticu, e cellule sane è cancerose anu in realtà diverse frequenze di risonanza naturali.Sta pruprietà hè assuciata à i cambiamenti oncogeni in e proprietà meccaniche di a struttura citoscheletrica di e cellule cancerose12,13, mentre chì e cellule tumorali sò, in media, più deformable cà e cellule normali.Cusì, cù una scelta ottima di freccia ultrasound per l'estimulazione, vibrazioni induce in spazii selezziunati ponu causà danni à strutture cancerose viventi, minimizendu l'impattu nantu à l'ambiente sanu di l'ospiti.Questi effetti ùn anu micca capitu cumplettamente ponu include a distruzzione di certi cumpunenti strutturali cellulari per via di vibrazioni d'alta frequenza indutte da ultrasound (in principiu assai simili à a litotripsia14) è danni cellulari per un fenomenu simili à a fatigue meccanica, chì à u turnu pò cambià a struttura cellulare. .prugrammazione è meccanobiologia.Ancu s'è sta suluzione teorica pare esse assai adattata, sfurtunatamenti ùn pò esse usata in i casi induve strutture biologiche anecoiche impediscenu l'applicazione diretta di ultrasound, per esempiu, in l'applicazioni intracraniale per via di a prisenza di l'ossu, è qualchi massa di tumore di u pettu sò situati in adipose. tissutu.L'attenuazione pò limità u situ di l'effettu terapeuticu potenziale.Per superà questi prublemi, l'ultrasound deve esse appiicatu in u locu cù transducers apposta chì ponu ghjunghje à u situ irradiatu cum'è menu invasively possible.In questu in mente, avemu cunsideratu a pussibilità d'utilizà idee ligati à a pussibilità di creà una piattaforma tecnologica innovativa chjamata "ospitale di l'agulla"15.U cuncettu "Hospital in the Needle" implica u sviluppu di un strumentu medicale minimamente invasivo per applicazioni diagnostiche è terapeutiche, basatu annantu à a cumminazione di diverse funzioni in una agulla medica.Cum'è discutitu in più detail in a sezione Hospital Needle, stu dispositivu compactu hè principalmente basatu annantu à i vantaghji di 16, 17, 18, 19, 20, 21 sonde di fibra ottica, chì, per via di e so caratteristiche, sò adattati per l'inserimentu in u standard 20. aghi medichi, 22 lumens.Sfruttandu a flessibilità offerta da a tecnulugia Lab-on-Fiber (LOF)23, a fibra hè diventata in modu efficace una piattaforma unica per i dispositi diagnostichi è terapeutichi miniaturizati è pronti per l'usu, cumpresi i dispositi di biopsia fluida è di biopsia tissutale.in rilevazione biomolecular24,25, consegna di droga locale guidata da luce26,27, imaging ultrasound locale d'alta precisione28, terapia termale29,30 è identificazione di tissuti cancerogeni basati in spettroscopia31.In questu cuncettu, utilizendu un approcciu di localizazione basatu annantu à u dispositivu "agulla in l'uspidale", investighemu a pussibilità di ottimisà l'estimulazione lucale di strutture biologiche residenti utilizendu a propagazione di onde ultrasoniche attraversu aghi per eccitare l'onda ultrasonica in a regione di interessu..Cusì, l'ultrasound therapeutic di bassa intensità pò esse appiicata direttamente à l'area di risicu cù una invasività minima per i celluli di sonicazione è formazioni solidi chjuchi in i tessuti molli, cum'è in u casu di a cirurgia intracraniale sopra citata, un picculu burato in u cranu deve esse inseritu cù un agulla.Ispiratu da i recenti risultati teorichi è sperimentali chì suggerenu chì l'ultrasound pò frenà o ritardà u sviluppu di certi cancers,32,33,34 l'approcciu prupostu pò aiutà à indirizzà, almenu in principiu, i cummerci chjave trà effetti aggressivi è curativi.Cù queste considerazioni in mente, in u presente documentu, investighemu a pussibilità di utilizà un dispositivu d'agulla in l'uspidale per a terapia ultrasound minimamente invasiva per u cancer.Più precisamente, in a sezione di l'Analisi di Scattering of Spherical Tumor Masse per a Estimazione di a Frequenza Ultrasound Dependent di Crescita, usemu metudi elastodinamici ben stabiliti è teoria di scattering acusticu per predichendu a dimensione di tumuri solidi sferichi cultivati ​​in un mediu elasticu.rigidità chì si trova trà u tumore è u tessulu di l'ospitu per via di a rimodulazione indutta da a crescita di u materiale.Dopu avè discrittu u nostru sistema, chì chjamemu a sezione "Hospital in the Needle", in a sezione "Hospital in the Needle", analizemu a propagazione di l'onda ultrasonica à traversu l'agulla medica à e frequenze previste è u so mudellu numericu irradiate l'ambiente per studià. i principali paràmetri geometrichi (u diametru internu propiu, a lunghezza è a nitidezza di l'agulla), chì affettanu a trasmissione di a putenza acustica di u strumentu.In vista di a necessità di sviluppà novi strategie di ingegneria per a medicina di precisione, si crede chì u studiu prupostu puderia aiutà à sviluppà un novu strumentu per u trattamentu di u cancer basatu annantu à l'usu di l'ultrasound furnitu attraversu una piattaforma teragnostica integrata chì integra l'ultrasound cù altre soluzioni.Cumminatu, cum'è a consegna di droga mirata è diagnostichi in tempu reale in una sola agulla.
L'efficacità di furnisce strategie meccanicistiche per u trattamentu di tumuri solidi localizzati cù l'estimulazione ultrasonica (ultrasound) hè stata l'obiettivu di parechji documenti chì trattanu sia teoricamente sia sperimentalmente l'effettu di vibrazioni ultrasoniche di bassa intensità in sistemi unicellulari 10, 11, 12. , 32, 33, 34, 35, 36 Utilizendu mudelli viscoelastici, parechji investigatori anu dimustratu analiticamente chì e cellule tumorali è sane presentanu diverse risposte di frequenza carattarizati da picchi risonanti distinti in a gamma US 10,11,12.Stu risultatu suggerisce chì, in principiu, e cellule tumorali ponu esse attaccati selettivamente da stimuli meccanichi chì priservanu l'ambienti di l'ospiti.Stu cumpurtamentu hè una cunsequenza diretta di l'evidenza chjave chì, in a maiò parte di i casi, e cellule di tumore sò più maleable cà i celluli sani, possibbilmente per rinfurzà a so capacità di proliferazione è migrazione37,38,39,40.Basatu nantu à i risultati ottenuti cù mudelli unichi di cellula, per esempiu à a microscala, a selettività di e cellule cancerose hè stata ancu dimustrata à a mesoscale per mezu di studii numerichi di e risposte armoniche di aggregati cellulari eterogenei.Fornendu un percentinu sfarente di cellule cancerose è cellule sane, aggregati multicellulari di centinaie di micrometri di dimensione sò stati custruiti gerarchicamente.À u mesolevel di questi aggregati, alcune caratteristiche microscòpichi d'interessu sò cunservate per via di l'implementazione diretta di l'elementi strutturali principali chì caratterizeghjanu u cumpurtamentu meccanicu di e cellule singole.In particulare, ogni cellula usa una architettura basata nantu à a tensegrità per imità a risposta di diverse strutture citoscheletali pretensionate, affettendu cusì a so rigidità generale12,13.Previsioni teorichi è esperimenti in vitro di a literatura suprana anu datu risultati incuraghjiti, chì indicanu a necessità di studià a sensibilità di e masse tumorali à l'ultrasound therapeutic di bassa intensità (LITUS), è a valutazione di a freccia di irradiazione di massa tumorale hè cruciale.posizione LITUS per l'applicazione in situ.
In ogni casu, à u livellu di u tissutu, a descrizzione submacroscopica di u cumpunente individuale hè inevitabbilmente persa, è e proprietà di u tessulu tumorale ponu esse tracciate cù metudi sequenziali per seguità a crescita di massa è i prucessi di rimodulazione indotta da stress, tenendu in contu l'effetti macroscòpichi di crescita.-induce cambiamenti in l'elasticità di u tissutu nantu à una scala di 41,42.Infatti, a diferenza di i sistemi unicellulari è aggregati, e masse di tumori solidi crescenu in i tessuti molli per l'accumulazione graduale di stress residuali aberranti, chì cambianu e proprietà meccaniche naturali per un aumentu di a rigidità intratumorale generale, è l'esclerosi tumorale spessu diventa un fattore determinante rilevazione di tumore.
Cù sti cunsiderazioni in mente, quì analizemu a risposta sonodinamica di sferoidi tumorali mudeli cum'è inclusioni sferiche elastiche chì crescenu in un ambiente di tissutu normale.Più precisamente, e proprietà elastiche assuciate cù u stadiu di u tumore sò stati determinati nantu à i risultati teorichi è sperimentali ottenuti da alcuni autori in u travagliu precedente.Frà elli, l'evoluzione di sferoidi tumorali solidi cultivati ​​in vivo in media eterogenei hè stata studiata appliendu mudelli meccanichi non lineari 41,43,44 in cumminazione cù dinamica interspecie per predichendu u sviluppu di massa tumorale è u stress intratumoral assuciatu.Cum'è l'esitatu sopra, a crescita (per esempiu, pre-stretching inelasticu) è u stress residuale causanu rimodulazione progressiva di e proprietà di u materiale di u tumore, cambiendu cusì ancu a so risposta acustica.Hè impurtante à nutà chì in ref.41 a coevoluzione di a crescita è u stress solidu in i tumuri hè stata dimustrata in campagni sperimentali in mudelli animali.In particulare, un paragone di a rigidità di e masse tumorali di u pettu resecate in diverse tappe cù a rigidità ottenuta da a ripruduzzione di cundizioni simili in silico nantu à un mudellu d'elementu finitu sfericu cù e stesse dimensioni è tenendu in contu u campu di stress residuale previstu hà cunfirmatu u metudu prupostu di validità di mudellu..In questu travagliu, i risultati teorichi è sperimentali ottenuti prima sò usati per sviluppà una nova strategia terapeutica sviluppata.In particulare, e dimensioni previste cù e proprietà di resistenza evolutiva currispondente sò stati calculati quì, chì sò stati cusì utilizati per stimà i intervalli di freccia à quale e masse tumorali incrustate in l'ambienti di l'ospiti sò più sensibili.Per questu scopu, avemu investigatu cusì u cumpurtamentu dinamicu di a massa tumorale in diverse tappe, pigliate in diverse tappe, tenendu in contu l'indicatori acustici in cunfurmità cù u principiu generalmente accettatu di scattering in risposta à stimuli ultrasonici è mette in risaltu pussibuli fenomeni risonanti di u sferoide. .sicondu u tumore è l'ospiti Differenze di crescita dipendente di a rigidità trà i tessuti.
Cusì, e massi tumorali sò stati modellati cum'è sfere elastiche di radiu \(a\) in l'ambienti elasticu circundante di l'ospitu basatu nantu à dati sperimentali chì mostranu cumu e strutture maligne voluminose crescenu in situ in forme sferiche.In riferimentu à a Figura 1, usendu e coordenate sferiche \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (induve \(\theta\) è \(\varphi\) rapprisentanu rispettivamente l'angolo di anomalia è l'angolo azimutale), u U duminiu di tumore occupa a regione incrustata in u spaziu sanu \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) regione illimitata \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).In riferimentu à l'Informazioni Supplementari (SI) per una descrizzione cumpleta di u mudellu matematicu basatu annantu à a basa elastodinamica ben stabilita rappurtata in parechje letteratura45,46,47,48, cunsideremu quì un prublema carattarizatu da un modu di oscillazione assisimmetrica.Questa assunzione implica chì tutte e variàbili in u tumore è i zoni sani sò indipindenti da a coordenada azimutale \(\varphi\) è chì nisuna distorsione si trova in questa direzzione.In cunseguenza, i campi di spostamentu è di stress ponu esse ottenuti da dui potenziali scalari \(\phi = \hat{\phi}\left({r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) è \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , sò rispettivamente cù una onda longitudinale è una onda di taglio, u tempu di coincidenza t trà l'onda \(\theta \) è l'angolo trà a direzzione di l'onda incidente è u vettore di posizione \({\mathbf {x))\) ( cum'è mostra in a figura 1) è \(\omega = 2\pi f\) rapprisenta a frequenza angulare.In particulare, u campu incidente hè modellatu da l'onda piana \(\phi_{H}^{(in)}\) (intrudutta ancu in u sistema SI, in l'equazione (A.9)) chì si propaga in u voluminu di u corpu. secondu l'espressione di a lege
induve \(\phi_{0}\) hè u paràmetru di ampiezza.L'espansione sferica di un'onda piana incidente (1) utilizendu una funzione d'onda sferica hè l'argumentu standard:
Induve \(j_{n}\) hè a funzione sferica di Bessel di u primu tipu d'ordine \(n\), è \(P_{n}\) hè u polinomiu di Legendre.A parte di l'onda incidente di a sfera d'investimentu hè spargugliata in u mediu circundante è si sovrappone à u campu incidente, mentri l'altra parte hè spargugliata in l'esfera, cuntribuiscenu à a so vibrazione.Per fà questu, e soluzioni armoniche di l'equazioni d'onda \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) è \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), forniti per esempiu da Eringen45 (vede ancu SI ) pò indicà zoni tumorali è sani.In particulare, onde di espansione sparse è onde isovolumiche generate in u mediu ospite \(H\) ammettenu e so energie potenziali rispettive:
Frà elli, a funzione sferica di Hankel di u primu tipu \(h_{n}^{(1)}\) hè aduprata per cunsiderà l'onda sparsa in uscita, è \(\alpha_{n}\) è \(\beta_{ n}\ ) sò i coefficienti incogniti.in l'equazioni.In l'equazioni (2)-(4), i termini \(k_{H1}\) è \(k_{H2}\) indicanu i numeri d'onda di rarefazione è onde trasversali in l'area principale di u corpu, rispettivamente ( vede SI).I campi di cumpressione in u tumore è i cambiamenti anu a forma
Dove \(k_{T1}\) è \(k_{T2}\) rapprisentanu i numeri d'onda longitudinali è trasversali in a regione tumorale, è i coefficienti inconnu sò \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Basatu nantu à questi risultati, cumpunenti di spostamenti radiali è circunferenziali non zero sò carattiristichi di e regioni sane in u prublema in esame, cum'è \(u_{Hr}\) è \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) l'assunzione di simmetria ùn hè più necessaria) - pò esse ottenuta da a relazione \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) è \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } (r\chi) } \right)\) formando \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) è \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (vede SI per a derivazione matematica dettagliata).Similmente, rimpiazzà \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) è \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) restituisce {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) è \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Left) Geometria di un tumore sfericu cultivatu in un ambiente sanu attraversu quale si propaga un campu incidente, (a destra) Evoluzione currispundente di u rapportu di rigidità tumore-ospiti in funzione di u radius di tumore, dati riportati (adattatu da Carotenuto et al. 41) da in testi di compressione in vitro sò stati ottenuti da tumuri di u pettu solidu inoculate cù cellule MDA-MB-231.
Supponendo materiali elastici e isotropici lineari, i componenti di stress non nulli nelle regioni sane e tumorali, ie \(\sigma_{Hpq}\) e \(\sigma_{Tpq}\) - obbediscano alla legge di Hooke generalizzata, dato che ci sont différents modules de Lamé, qui caractérisent l'élasticité de l'hôte et de la tumeur, notés par \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) et \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (vede l'Equazione (A.11) per l'espressione completa di i cumpunenti di stress rapprisintati in SI).In particulare, sicondu i dati in riferimentu 41 è presentati in a Figura 1, i tumuri in crescita dimustranu un cambiamentu di l'elasticità di tissuti custanti.Cusì, i spostamenti è i stressi in e regioni di l'ospite è di u tumore sò determinati cumpletamente finu à un inseme di constanti inconnu \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) ha dimensioni teoricamente infinite.Per truvà sti vettori di coefficienti, sò introdutte interfacce adattate è e cundizioni di cunfini trà u tumore è e zoni sani.Assumindu un ligame perfettu à l'interfaccia tumeur-ospite \(r = a\), a continuità di spustamenti è stress richiede e seguenti cundizioni:
U sistema (7) forma un sistema di equazioni cù suluzioni infinite.Inoltre, ogni cundizione di cunfini dependerà di l'anomalia \(\theta\).Per riduce u prublema di u valore di u cunfini à un prublema algebricu cumpletu cù \(N\) insemi di sistemi chjusi, ognunu di i quali hè in u scunnisciutu \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (cù \ ( N \ à \infty \), teoricamente), è per eliminà a dependenza di l'equazioni nantu à i termini trigonometrichi, e cundizioni di l'interfaccia sò scritte in una forma debule usendu l'ortugunalità di i polinomi di Legendre.In particulare, l'equazioni (7)1,2 è (7)3,4 sò multiplicate da \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) è \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) è dopu integrà trà \(0\) è \(\pi\) usendu identità matematiche:
Cusì, a cundizione d'interfaccia (7) restituisce un sistema di equazioni algebriche quadratiche, chì pò esse espressa in forma di matrice cum'è \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) è ottene u scunnisciutu \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) risolvendu a regula di Cramer.
Per stimà u flussu d'energia spargugliatu da a sfera è ottene infurmazione nantu à a so risposta acustica basata nantu à e dati nantu à u campu spargugliatu chì si propaga in u mediu ospitante, una quantità acustica hè d'interessu, chì hè una sezione trasversale di scattering bistatic normalizzata.In particulare, a sezione trasversale di scattering, denotata \(s), sprime u rapportu trà a putenza acustica trasmessa da u segnu spargugliatu è a divisione di l'energia purtata da l'onda incidente.In questu sensu, a magnitudine di a funzione di forma \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) hè una quantità spessu usata in u studiu di i miccanismi acustici. incrustatu in un liquidu o solidu Scattering di l'uggetti in u sedimentu.Più precisamente, l'amplitude di a funzione di forma hè definita cum'è a sezione trasversale di scattering differenziale \(ds\) per unità di area, chì differisce da a normale à a direzzione di propagazione di l'onda incidente:
induve \(f_{n}^{pp}\) è \(f_{n}^{ps}\) denote a funzione modale, chì si riferisce à u rapportu di e putenzi di l'onda longitudinale è di l'onda dispersa relative à u L'onda P incidente in u mediu di ricezione, rispettivamente, sò datu cù e seguenti espressioni:
E funzioni d'onda parziali (10) ponu esse studiate indipindentamente in cunfurmità cù a teoria di scattering resonant (RST) 49,50,51,52, chì permette di separà l'elasticità di destinazione da u campu stray tutale quandu studia diversi modi.Sicondu stu metudu, a funzione di forma modale pò esse scomposta in una somma di duie parti uguali, à dì \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) sò ligati à l'amplitude di fondo risonante è non resonant, rispettivamente.A funzione di forma di u modu di resonante hè in relazione cù a risposta di u mira, mentre chì u fondu hè di solitu ligatu à a forma di u scatterer.Per detectà u primu formante di u target per ogni modu, l'amplitude di a funzione di forma di risonanza modale \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) hè calculatu assumendu un fondo duru, custituitu di sfere impenetrabili in un materiale ospitu elasticu.Questa ipotesi hè motivata da u fattu chì, in generale, sia a rigidità è a densità aumentanu cù a crescita di a massa tumorale per via di u stress compressive residuale.Cusì, à un livellu severu di crescita, u rapportu d'impedenza \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) hè previstu di esse più grande di 1 per a maiò parte di i tumuri solidi macroscopici chì si sviluppanu in molle. tissuti.Per esempiu, Krouskop et al.53 hà riportatu un rapportu di u modulu cancerosu à u normale di circa 4 per u tessulu di prostata, mentre chì stu valore hè aumentatu à 20 per i campioni di tissutu di u pettu.Queste relazioni cambianu inevitabbilmente l'impedenza acustica di u tissutu, cum'è ancu dimustratu da l'analisi di l'elastografia54,55,56, è ponu esse ligati à l'engrossimentu di tissutu localizatu causatu da l'iperproliferazione di tumore.Sta differenza hè stata ancu osservata sperimentalmente cù teste di compressione simplici di blocchi di tumore di u pettu cultivati ​​in diverse tappe32, è a rimodellazione di u materiale pò esse seguita bè cù mudelli di spezie predittivi di tumuri in crescita non lineale43,44.Les données de rigidité obtenues sont directement liées à l'évolution du module de Young des tumeurs solides selon la formule \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sphères avec rayon \(a\), rigidité \(S\) et rapport de Poisson \(\nu\) entre deux plaques rigides 57, comme illustré dans la figure 1).Cusì, hè pussibule ottene misurazioni di l'impedenza acustica di u tumore è di l'ospiti à diversi livelli di crescita.In particulare, in paragunà cù u modulu di u tissutu normale uguali à 2 kPa in Fig. 1, u modulu elasticu di i tumuri di u pettu in u voluminu di circa 500 à 1250 mm3 hà risultatu in un incrementu da circa 10 kPa à 16 kPa, chì hè coherente cù i dati riportati.in i riferimenti 58, 59 hè statu trovu chì a prissioni in i campioni di tissuti di u pettu hè 0.25-4 kPa cù precompressioni sparizione.Pigliate ancu chì a ratio di Poisson di un tissutu quasi incompressible hè 41,60, chì significa chì a densità di u tissutu ùn cambia significativamente cum'è u voluminu aumenta.In particulare, a densità media di a populazione di massa \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 hè aduprata.Cù queste considerazioni, a rigidità pò piglià un modu di fondu cù l'espressione seguente:
Induve a constante scunnisciuta \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) pò esse calculata tenendu in contu a continuità bias (7)2,4, vale à dì, risolve u sistema algebricu \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}}_{n} (a)\) chì implica minori\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) è u vettore di colonna simplificatu corrispondente\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Fornisce a cunniscenza basica in l'equazione (11), duie amplitude di a funzione di u modu di risonanza di retrodiffusione \(\left| {f_{n}^{). \left({res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left(\theta \right)} \right|\) è \( \left|{f_{n}^{{\left({res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) si riferisce rispettivamente all'eccitazione delle onde P e alla riflessione delle onde P e S.Inoltre, a prima amplitude hè stata stimata cum'è \(\theta = \pi\), è a seconda amplitude hè stata stimata cum'è \(\theta = \pi/4\).Caricà diverse proprietà di cumpusizioni.A Figura 2 mostra chì e caratteristiche di risonanza di sferoidi tumorali finu à circa 15 mm di diametru sò principarmenti cuncentrati in a banda di freccia di 50-400 kHz, chì indica a pussibilità di utilizà ultrasound di bassa frequenza per induce l'excitazione di tumore resonant.cellule.Una mansa di.In questa banda di freccia, l'analisi RST hà revelatu formanti unicu per i modi 1 à 6, evidenziati in a Figura 3. Quì, l'onda pp è ps sparse mostranu formanti di u primu tipu, chì si trovanu à frequenze assai bassu, chì aumentanu da circa 20 kHz per u modu 1 à circa 60 kHz per n = 6, chì ùn mostra micca una differenza significativa in u raghju di a sfera.A funzione di risonanza ps poi decade, mentri a cumminazione di formanti pp di grande amplitude furnisce una periodicità di circa 60 kHz, chì mostra un cambiamentu di frequenza più altu cù u numeru di modalità crescente.Tutte l'analisi sò state realizate cù u software di computing Mathematica®62.
E funzioni di forma di backscatter ottenute da u modulu di tumuri di u pettu di diverse dimensioni sò mostrati in a Fig.
Résonances des modes sélectionnés de \(n = 1\) à \(n = 6\), calculées sur l'excitation et la réflexion de l'onde P à différentes tailles tumorales (curves noires de \(\left | {f_{n} ^ {{\ left({res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = {f_{n}^{pp} \left (\pi \ right) -. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) e l'eccitazione dell'onda P e la riflessione dell'onda S (curve grigie date dalla funzione di forma modale \( \left | { f_{n }^{{\left({res} \right)\,ps}} \left({\pi /4} \right)} \right = {f_{n} ^{ ps}. \left( {\pi /4} \right) - f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
I risultati di sta analisi preliminare utilizendu e cundizioni di propagazione di u campu luntanu ponu guidà a selezzione di frequenze di drive specifichi di unità in e seguenti simulazioni numeriche per studià l'effettu di u stress di microvibrazione nantu à a massa.I risultati mostranu chì a calibrazione di frequenze ottimali pò esse specifica per u stadiu durante a crescita di u tumore è pò esse determinata utilizendu i risultati di mudelli di crescita per stabilisce strategie biomeccaniche utilizzate in a terapia di malatie per predichendu currettamente a remodelazione di tissuti.
Avanzati significativi in ​​a nanotecnologia stanu guidanu a cumunità scientifica per truvà soluzioni è metudi novi per sviluppà apparecchi medichi miniaturizzati è minimamente invasivi per applicazioni in vivo.In questu cuntestu, a tecnulugia LOF hà dimustratu una capacità rimarchevule per espansione e capacità di fibre ottiche, chì permette u sviluppu di novi dispositi di fibra ottica minimamente invasivi per l'applicazioni di scienza di a vita21, 63, 64, 65. L'idea di integrà materiali 2D è 3D. cù proprietà chimichi, biologichi è ottichi desiderati nantu à i lati 25 è / o estremità 64 di fibre ottiche cù un cuntrollu spaziale cumpletu à a nanoscala porta à l'emergenza di una nova classe di nanooptodi di fibra ottica.hà una larga gamma di funzioni diagnostichi è terapeutiche.Curiosamente, per via di e so proprietà geometriche è meccaniche (piccola sezione trasversale, grande proporzioni d'aspettu, flessibilità, pocu pesu) è a biocompatibilità di i materiali (di solitu vetru o polimeri), e fibre ottiche sò adattate per l'inserzione in agulla è cateteri.L'applicazioni mediche20, aprendu a strada per una nova visione di "l'ospedale di l'agulla" (vede Figura 4).
Infatti, per via di i gradi di libertà assicurati da a tecnulugia LOF, utilizendu l'integrazione di micro- è nanostrutture fatti da diversi materiali metallici è / o dielettrici, e fibre ottiche ponu esse funziunate currettamente per applicazioni specifiche chì spessu sustenenu l'eccitazione in modalità risonante., U campu di luce 21 hè fermamente posizionatu.U cuntinimentu di a luce nantu à una scala subwavelength, spessu in cumminazione cù u processu chimicu è / o biologicu63 è l'integrazione di materiali sensibili cum'è polimeri intelligenti65,66 ponu rinfurzà u cuntrollu di l'interazzione di a luce è a materia, chì pò esse utile per scopi teranostici.L'scelta di u tipu è a dimensione di cumpunenti / materiali integrati dipende ovviamente da i parametri fisichi, biologichi o chimichi per esse rilevati21,63.
L'integrazione di sonde LOF in aghi mediche dirette à siti specifichi in u corpu permetterà biopsie di fluidi lucali è tissuti in vivo, chì permette u trattamentu lucale simultaneo, riducendu l'effetti secundari è aumentendu l'efficienza.Opportunità putenziali includenu a rilevazione di diverse biomolecule circulanti, cumpresu u cancer.biomarcatori o microRNAs (miRNAs)67, identificazione di tessuti cancerosi utilizendu spettroscopia lineari è non lineari cum'è spettroscopia Raman (SERS)31, imaging fotoacustica d'alta risoluzione22,28,68, chirurgia laser è ablazione69, è droghe di consegna lucali chì utilizanu luce27 è guida automatica di aghi in u corpu umanu20.Hè da nutà chì, ancu s'è l'usu di fibre ottiche evita i svantaghji tipici di i metudi "classici" basati nantu à cumpunenti elettronichi, cum'è a necessità di cunnessione elettriche è a presenza di interferenza elettromagnetica, questu permette à vari sensori LOF di esse integrati in modu efficace in u sistema. sistema.una sola agulla medica.Una attenzione particulare deve esse pagata à riduce l'effetti dannosi cum'è a contaminazione, l'interferenza ottica, l'ostruzzioni fisiche chì causanu effetti di diafonia trà e diverse funzioni.Tuttavia, hè ancu veru chì assai di e funzioni citate ùn anu micca esse attivu à u stessu tempu.Stu aspettu permette almenu di riduce l'interferenza, limitendu cusì l'impattu negativu nantu à a prestazione di ogni sonda è a precisione di a prucedura.Queste considerazioni ci permettenu di vede u cuncettu di "agulla in l'uspidale" cum'è una visione simplice per stabilisce una basa solida per a prossima generazione di agulla terapeutica in e scienze di a vita.
In quantu à l'applicazione specifica discussa in stu documentu, in a sezione dopu, investigheremu numericamente l'abilità di una agulla medica per dirige l'onda ultrasonica in i tessuti umani utilizendu a so propagazione longu u so assi.
A propagazione di l'onda ultrasonica à traversu una agulla medica piena d'acqua è inserita in tessuti molli (vede u diagramma in Fig. 5a) hè stata modellata cù u software Comsol Multiphysics cummerciale basatu nantu à u metudu di elementi finiti (FEM)70, induve l'agulla è u tissutu sò modellati. cum'è un ambiente elasticu lineare.
In riferimentu à a Figura 5b, l'agulla hè modellata cum'è un cilindru cavu (cunnisciutu ancu com'è "cannula") fattu di acciaio inossidabile, un materiale standard per l'agulla medica71.En particulier, il a été modélisé avec le module de Young E = 205 GPa, le rapport de Poisson ν = 0,28 et la densité ρ = 7850 kg m -372,73.Geometricamente, l'agulla hè carattarizata da una lunghezza L, un diametru internu D (chjamatu ancu "clearance") è un gruixu di muru t.Inoltre, a punta di l'agulla hè cunsiderata cum'è inclinata à un angulu α rispettu à a direzzione longitudinale (z).U voluminu di l'acqua currisponde essenzialmente à a forma di a regione interna di l'agulla.In questa analisi prelimiunale, l'agulla hè stata suppurtata cumpritamenti immersa in una regione di tissutu (assume chì si stende indefinitu), modellata cum'è una sfera di radius rs, chì ferma custanti à 85 mm durante tutte e simulazioni.In più detail, finiscemu a regione sferica cù una strata perfettamente adattata (PML), chì almenu riduce l'onda indesiderata riflessa da i cunfini "imaginari".Dopu avemu sceltu u raghju rs in modu di mette u cunfini di u duminiu sfericu abbastanza luntanu da l'agulla per ùn affettà a suluzione computazionale, è abbastanza chjuca per ùn affettà u costu computazionale di a simulazione.
Un shift longitudinale armonicu di a freccia f è l'amplitude A hè appiicata à u cunfini inferjuri di a geometria di u stylus;sta situazione rapprisenta un stimulus input appiicata à a geometria simulata.À u restu di i limiti di l'agulla (in cuntattu cù u tissutu è l'acqua), u mudellu accettatu hè cunsideratu cum'è una relazione trà dui fenomeni fisichi, unu di i quali hè in relazione cù a meccanica strutturale (per l'area di l'agulla), è l'altru à a meccanica strutturale.(per a regione acicular), cusì i cundizioni currispundenti sò imposti à l'acustica (per l'acqua è a regione acicular)74.In particulare, picculi vibrazioni appiicati à u sediu di l'agulla causanu picculi perturbazioni di tensione;cusì, assumendu chì l'agulla si cumporta cum'è un mediu elasticu, u vettore di spustamentu U pò esse stimatu da l'equazioni d'equilibriu elastodinamicu (Navier)75.L'oscillazioni strutturale di l'agulla causanu cambiamenti in a pressione di l'acqua in questu (considerata stazionaria in u nostru mudellu), per via di quale l'onda di u sonu si propaga in a direzzione longitudinale di l'agulla, essenzialmente ubbidì à l'equazioni di Helmholtz76.Infine, assumendu chì l'effetti non lineari in i tissuti sò insignificanti è chì l'amplitude di l'onda di cisura hè assai più chjuca di l'amplitude di l'onda di pressione, l'equazione di Helmholtz pò ancu esse aduprata per mudele a propagazione di l'onda acustica in i tessuti molli.Dopu à sta apprussimazzioni, u tissutu hè cunsideratu cum'è un liquid77 cù una densità di 1000 kg/m3 è una vitezza di u sonu di 1540 m/s (ignorendu l'effetti di damping dipendente da a freccia).Per cunnette sti dui campi fisichi, hè necessariu di assicurà a continuità di u muvimentu nurmale à u cunfini di u solidu è u liquidu, l'equilibriu staticu trà a pressione è u stress perpendiculare à u cunfini di u solidu, è u stress tangenziale à u cunfini di u solidu. liquidu deve esse uguali à zero.75 .
In a nostra analisi, investighemu a propagazione di l'onde acustiche longu una agulla in cundizioni stazionarie, cuncintrate nantu à l'influenza di a geometria di l'agulla nantu à l'emissione di onde in u tissutu.En particulier, nous avons étudié l'influence du diamètre intérieur de l'aiguille D, de la longueur L et de l'angle de biseau α, en gardant l'épaisseur t fixée à 500 µm pour tous les cas étudiés.Stu valore di t hè vicinu à u spessore di u muru standard tipicu 71 per l'agulla cummerciale.
Senza perdita di generalità, a freccia f di u spustamentu armonicu applicatu à a basa di l'agulla hè stata presa uguale à 100 kHz, è l'amplitude A era 1 μm.In particulare, a freccia hè stata stabilita à 100 kHz, chì hè coherente cù l'estimi analitici dati in a sezione "Analisi di scattering di masse tumorali sferiche per stima frequenze ultrasound dependenti di crescita", induve un cumpurtamentu di risonanza di massa tumorale hè stata truvata in a gamma di freccia di 50-400 kHz, cù a più grande amplitude di scattering cuncentrata à frequenze più bassu intornu à 100-200 kHz (vede Fig. 2).
U primu paràmetru studiatu hè u diametru internu D di l'agulla.Per comodità, hè definitu cum'è una frazione entera di a lunghezza d'onda acustica in a cavità di l'agulla (ie, in acqua λW = 1,5 mm).Infatti, i fenomeni di propagazione di l'onda in i dispositi carattarizati da una data geometria (per esempiu, in una guida d'onda) dipende spessu da a dimensione caratteristica di a geometria utilizata in paragone cù a lunghezza d'onda di l'onda chì si propaga.Inoltre, in a prima analisi, per enfatizà megliu l'effettu di u diametru D nantu à a propagazione di l'onda acustica à traversu l'agulla, avemu cunsideratu una punta piatta, chì stabilisce l'angolo α = 90 °.Durante questa analisi, a lunghezza di l'agulla L hè stata fissata à 70 mm.
Nantu à fig.6a mostra l'intensità media di u sonu in funzione di u parametru di scala adimensionale SD, vale à dì D = λW/SD evaluatu in una sfera cù un raghju di 10 mm centrata nantu à a punta di l'agulla currispundente.U paràmetru di scala SD cambia da 2 à 6, vale à dì cunsiderà valori D chì varianu da 7,5 mm à 2,5 mm (à f = 100 kHz).A gamma include ancu un valore standard di 71 per l'agulla medica in acciaio inox.Comme prévu, le diamètre intérieur de l'aiguille affecte l'intensité du son émis par l'aiguille, avec une valeur maximale (1030 W/m2) correspondant à D = λW/3 (ie D = 5 mm) et une tendance à la baisse à la baisse. diamitru.Hè da esse cunsideratu chì u diametru D hè un paràmetru geomètrico chì afecta ancu l'invasività di un dispositivu medicale, cusì questu aspettu criticu ùn pò esse ignoratu quandu sceglite u valore ottimali.Dunque, ancu s'è a diminuzione di D hè dovuta à a trasmissione più bassa di l'intensità acustica in i tessuti, per i studii seguenti, u diametru D = λW/5, vale à dì D = 3 mm (currisponde à u standard 11G71 à f = 100 kHz) , hè cunsideratu un cumprumissu raghjone trà l'intrusione di u dispusitivu è a trasmissione di l'intensità di u sonu (media circa 450 W / m2).
L'intensità media di u sonu emessu da a punta di l'agulla (considerata piatta), secondu u diametru internu di l'agulla (a), a lunghezza (b) è l'angolo di bisellu α (c).A lunghezza in (a, c) hè 90 mm, è u diametru in (b, c) hè 3 mm.
U prossimu paràmetru da analizà hè a lunghezza di l'agulla L. In quantu à u studiu di casu precedente, avemu cunsideratu un angulu oblicu α = 90 ° è a lunghezza hè scalata cum'è un multiplu di a lunghezza d'onda in l'acqua, vale à dì cunsiderà L = SL λW .U paràmetru di scala senza dimensione SL hè cambiatu da 3 per 7, cusì stima l'intensità media di u sonu emessu da a punta di l'agulla in a gamma di lunghezza da 4,5 à 10,5 mm.Questa gamma include i valori tipici per l'agulla cummerciale.I risultati sò mostrati in fig.6b, chì mostra chì a lunghezza di l'agulla, L, hà una grande influenza nantu à a trasmissione di l'intensità di u sonu in i tessuti.In particulare, l'ottimisazione di stu paràmetru hà permessu di migliurà a trasmissione di circa un ordine di grandezza.Infatti, in a gamma di lunghezza analizzata, l'intensità media di u sonu assume un massimu locale di 3116 W/m2 à SL = 4 (ie, L = 60 mm), è l'altru currisponde à SL = 6 (ie, L = 90). mm).
Dopu avè analizatu l'influenza di u diametru è a lunghezza di l'agulla nantu à a propagazione di l'ultrasound in geometria cilindrica, avemu focu annantu à l'influenza di l'angolo di bisellu nantu à a trasmissione di l'intensità di u sonu in i tessuti.L'intensità media di u sonu chì emana da a punta di a fibra hè stata evaluata cum'è una funzione di l'angulu α, cambiendu u so valore da 10 ° (punta affilata) à 90 ° (punta flat).In questu casu, u raghju di a sfera integrata intornu à a punta cunsiderata di l'agulla era 20 mm, cusì per tutti i valori di α, a punta di l'agulla hè stata inclusa in u voluminu calculatu da a media.
Comu mostra in fig.6c, quandu a punta hè affilata, vale à dì, quandu α diminuisce partendu da 90 °, l'intensità di u sonu trasmessu aumenta, righjunghjendu un valore massimu di circa 1,5 × 105 W/m2, chì currisponde à α = 50 °, ieie, 2 hè un ordine di grandezza più altu relative à u statu pianu.Au fur et à mesure de l'affûtage de la pointe (ie, à α sous 50°), l'intensité du son tend à diminuer, atteignant des valeurs comparables à une pointe aplatie.In ogni casu, ancu s'è avemu cunsideratu una larga gamma di anguli di bisellu per i nostri simulazioni, vale a pena cunsiderà chì l'affilatura di a punta hè necessariu per facilità l'inserimentu di l'agulla in u tissutu.In fattu, un angolo di bisellu più chjucu (circa 10 °) pò riduce a forza 78 necessaria per penetrà u tissutu.
In più di u valore di l'intensità di u sonu trasmessa in u tissutu, l'angolo di bisellu influenza ancu a direzzione di a propagazione di l'onda, cum'è mostratu in i grafici di u nivellu di pressione di u sonu mostratu in Fig. 7a (per a punta piatta) è 3b (per 10 °). ).punta bisellata), parallella A direzzione longitudinale hè evaluata in u pianu di simetria (yz, cf. Fig. 5).À l'estremu di sti dui cunsiderazioni, u livellu di pressione di u sonu (riferitu cum'è 1 µPa) hè principalmente cuncentratu in a cavità di l'agulla (vale à dì in l'acqua) è irradiatu in u tissutu.In più detail, in u casu di una punta flat (Fig. 7a), a distribuzione di u nivellu di pressione di u sonu hè perfettamenti simmetricu cù u rispettu à a direzzione longitudinale, è l'onda standing ponu esse distinti in l'acqua chì riempia u corpu.L'onda hè orientata longitudinalmente (z-axis), l'amplitude righjunghji u so valore massimu in l'acqua (circa 240 dB) è diminuite transversalmente, chì porta à una attenuazione di circa 20 dB à una distanza di 10 mm da u centru di l'agulla.Comu aspittatu, l'intruduzioni di una punta punta (Fig. 7b) rompe sta simetria, è l'antinodi di l'onda standing "deflect" secondu a punta di l'agulla.Apparentemente, sta asimmetria afecta l'intensità di a radiazione di a punta di l'agulla, cum'è discrittu prima (Fig. 6c).Per capisce megliu questu aspettu, l'intensità acustica hè stata evaluata longu una linea di cut ortogonale à a direzzione longitudinale di l'agulla, chì era situata in u pianu di simetria di l'agulla è situata à una distanza di 10 mm da a punta di l'agulla ( risultati in Figura 7c).Più specificamente, e distribuzioni di intensità di u sonu valutate à 10 °, 20 ° è 30 ° oblicu anguli (ligni solidi blu, rossi è verdi, rispettivamente) sò stati paragunati à a distribuzione vicinu à l'estremità flat (curve punteggiate neri).A distribuzione di l'intensità assuciata à l'agulla flat-tipped pare esse simmetrica annantu à u centru di l'agulla.In particulare, piglia un valore di circa 1420 W/m2 à u centru, un overflow di circa 300 W/m2 à una distanza di ~ 8 mm, è poi diminuisce à un valore di circa 170 W/m2 à ~ 30 mm. .Quandu a punta diventa punta, u lòbulu cintrali si divide in più lobi di intensità variata.Plus précisément, lorsque α était de 30°, on pouvait distinguer clairement trois pétales dans le profil mesuré à 1 mm de la pointe de l'aiguille.U centru hè quasi in u centru di l'agulla è hà un valore stimatu di 1850 W / m2, è u più altu à a diritta hè di circa 19 mm da u centru è righjunghji 2625 W / m2.À α = 20 °, ci sò 2 lobi principali: unu per -12 mm à 1785 W/m2 è unu per 14 mm à 1524 W/m2.Quandu a punta diventa più forte è l'angolo righjunghji 10 °, un massimu di 817 W / m2 hè righjuntu à circa -20 mm, è trè lobi più di intensità ligeramente menu sò visibili longu u prufilu.
Livellu di pressione di u sonu in u pianu di simmetria y-z di una agulla cù una estremità plana (a) è un bisellu di 10 ° (b).(c) Distribuzione di intensità acustica stimata longu una linea cut perpendicular à a direzzione longitudinale di l'agulla, à una distanza di 10 mm da a punta di l'agulla è stendu in u pianu di simetria yz.A lunghezza L hè 70 mm è u diametru D hè 3 mm.
Inseme, questi risultati dimustranu chì l'agulla medica pò esse usata in modu efficace per trasmette ultrasound à 100 kHz in i tessuti molli.L'intensità di u sonu emessu dipende da a geometria di l'agulla è pò esse ottimisata (sughjettu à e limitazioni imposte da l'invasività di u dispusitivu finale) finu à i valori in a gamma di 1000 W/m2 (à 10 mm).appiicata à u fondu di l'agulla 1. In u casu di un offset micrometru, l'agulla hè cunsiderata cum'è inserita cumplettamente in u tessulu molle infinitu chì si estende.In particulare, l'angolo di bisellu influenza assai l'intensità è a direzzione di a propagazione di l'onda di u sonu in u tissutu, chì porta principalmente à l'ortogonalità di u tagliu di a punta di l'agulla.
Per sustene u sviluppu di novi strategie di trattamentu di tumore basate nantu à l'usu di tecniche mediche non invasive, a propagazione di l'ultrasound di bassa frequenza in l'ambienti di u tumore hè stata analizata analiticamente è computationally.In particulare, in a prima parte di u studiu, una suluzione elastodinamica tempurale hà permessu di studià a scattering di l'onda ultrasonica in sferoidi di tumore solidu di grandezza è rigidità cunnisciuta per studià a sensibilità di frequenza di a massa.Allora, frequenze di l'ordine di centinaie di kilohertz sò stati scelti, è l'applicazione lucale di u stress di vibrazione in l'ambiente di u tumore utilizendu un drive di agulla medica hè stata modellata in simulazione numerica studiendu l'influenza di i principali paràmetri di cuncepimentu chì determinanu u trasferimentu di l'acustica. putenza di u strumentu à l'ambiente.I risultati mostranu chì l'agulla medica pò esse usata in modu efficace per irradiate tissuti cù ultrasound, è a so intensità hè strettamente ligata à u paràmetru geomètrico di l'agulla, chjamata a lunghezza d'onda acustica di travagliu.In fattu, l'intensità di l'irradiazione attraversu u tissutu aumenta cù u diametru internu di l'agulla, ghjunghje à un massimu quandu u diametru hè trè volte a lunghezza d'onda.A durata di l'agulla furnisce ancu un certu gradu di libertà per ottimisà l'esposizione.L'ultimu risultatu hè veramente maximizatu quandu a lunghezza di l'agulla hè stabilita à un certu multiplu di a lunghezza d'onda operativa (specificamente 4 è 6).Curiosamente, per a gamma di freccia d'interessu, i valori di diametru è di lunghezza ottimizzati sò vicini à quelli chì sò cumunamenti usati per l'agulla cummerciale standard.L'angolo di bisellu, chì determina a nitidezza di l'agulla, affetta ancu l'emissività, culminendu à circa 50 ° è furnisce un bonu rendimentu à circa 10 °, chì hè comunmente utilizatu per l'agulla cummerciale..I risultati di simulazione seranu aduprati per guidà l'implementazione è l'ottimisazione di a piattaforma di diagnostica intraneedle di l'uspitalu, integrendu l'ultrasound diagnosticu è terapeuticu cù altre soluzioni terapeutiche in u dispositivu è rializendu intervenzioni di medicina di precisione in cullaburazione.
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