Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Sliders némbongkeun tilu artikel per slide.Paké tombol pungkur jeung hareup pikeun mindahkeun ngaliwatan slides, atawa tombol controller slide dina tungtung pikeun mindahkeun ngaliwatan unggal slide.
Ayeuna parantos nunjukkeun yén panggunaan ultrasound tiasa ningkatkeun ngahasilkeun jaringan dina biopsi aspirasi jarum halus (USeFNAB) anu ditingkatkeun ultrasound dibandingkeun sareng biopsi aspirasi jarum halus (FNAB) konvensional.Hubungan antara géométri bevel sareng aksi tip jarum henteu acan ditalungtik.Dina ulikan ieu, urang nalungtik sipat résonansi jarum jeung amplitudo defleksi pikeun sagala rupa géométri bevel jarum kalayan panjang bevel béda.Nganggo lancet konvensional kalayan potongan 3,9 mm, faktor daya defleksi tip (DPR) masing-masing 220 sareng 105 µm/W dina hawa sareng cai.Ieu langkung luhur tibatan tip bevel 4mm axisymmetric, anu ngahontal DPR masing-masing 180 sareng 80 µm/W dina hawa sareng cai.Ulikan ieu highlights pentingna hubungan antara stiffness bending tina géométri bevel dina konteks AIDS sisipan béda, sahingga bisa nyadiakeun wawasan kana métode pikeun ngadalikeun aksi motong sanggeus tusukan ku cara ngarobah géométri bevel jarum, nu penting pikeun USeFNAB.Urusan aplikasi.
Fine needle aspiration biopsy (FNAB) nyaéta téknik dimana jarum digunakeun pikeun meunangkeun sampel jaringan nalika disangka aya abnormalitas1,2,3.Tip-tipe Franseen parantos ditingalikeun nyayogikeun kinerja diagnostik anu langkung luhur tibatan tip tradisional Lancet4 sareng Menghini5.Bevels Axisymmetric (ie circumferential) ogé geus diusulkeun pikeun ngaronjatkeun likelihood sampel nyukupan pikeun histopatologi6.
Salila biopsy, jarum dialirkeun kana lapisan kulit sareng jaringan pikeun nembongkeun patologi anu curiga.Panaliti anyar nunjukkeun yén aktivasina ultrasonik tiasa ngirangan gaya tusukan anu diperyogikeun pikeun ngakses jaringan lemes7,8,9,10.Géométri bevel jarum parantos kabuktian mangaruhan gaya interaksi jarum, contona bevel anu langkung panjang kabuktian gaduh gaya penetrasi jaringan anu langkung handap 11 .Disarankeun yén saatos jarum nembus kana permukaan jaringan, nyaéta saatos tusukan, gaya motong jarum tiasa 75% tina total gaya interaksi jarum-jaringan12.Ultrasound (AS) geus ditémbongkeun pikeun ngaronjatkeun kualitas diagnostik biopsy jaringan lemes dina pos-tusukan phase13.Métode séjén pikeun ngaronjatkeun kualitas biopsy tulang geus dimekarkeun pikeun jaringan teuas sampling14,15 tapi euweuh hasil geus dilaporkeun yén ngaronjatkeun kualitas biopsy.Sababaraha studi ogé geus kapanggih yén kapindahan mékanis naek kalawan ngaronjatna tegangan drive ultrasound16,17,18.Sanajan aya loba studi ngeunaan gaya statik axial (longitudinal) dina interaksi jarum-jaringan19,20, studi dina dinamika temporal jeung géométri bevel jarum dina ultrasonic ditingkatkeun FNAB (USeFNAB) diwatesan.
Tujuan tina ulikan ieu pikeun nalungtik pangaruh géométri bevel anu béda dina aksi ujung jarum anu didorong ku flexion jarum dina frékuénsi ultrasonik.Khususna, urang nalungtik pangaruh tina médium suntik dina deflection tip jarum sanggeus tusukan pikeun bevels jarum konvensional (contona, lancets), axisymmetric sarta geometri bevel tunggal asimétri (Gbr. pikeun mempermudah ngembangkeun jarum USeFNAB pikeun sagala rupa kaperluan kayaning nyeuseup selektif. aksés atawa inti jaringan lemes.
Rupa-rupa géométri bevel kaasup dina ulikan ieu.(a) Lancets saluyu sareng ISO 7864: 201636 dimana \(\alpha\) nyaéta sudut bevel primér, \(\theta\) nyaéta sudut rotasi bevel sekundér, sareng \(\phi\) nyaéta sudut rotasi bevel sekundér dina derajat , dina derajat (\(^\circ\)).(b) linear asymmetrical single step chamfers (disebut "standar" dina DIN 13097:201937) jeung (c) linear axisymmetric (circumferential) single step chamfers.
Pendekatan kami nyaéta mimiti modél parobahan dina panjang gelombang bending sapanjang lamping pikeun lancet konvensional, axisymmetric, sareng géométri lamping tahap tunggal asimétri.Urang lajeng ngitung ulikan parametrik pikeun nalungtik pangaruh sudut bevel sarta panjang tube on mobilitas mékanisme angkutan.Hal ieu dilakukeun pikeun nangtukeun panjang optimal pikeun nyieun jarum prototipe.Dumasar kana simulasi, prototipe jarum dijieun jeung paripolah résonansi maranéhanana dina hawa, cai, jeung 10% (w/v) gelatin balistik dicirian sacara ékspériméntal ku cara ngukur koefisien pantulan tegangan jeung ngitung efisiensi mindahkeun daya, ti mana frékuénsi operasi éta. ditangtukeun..Tungtungna, pencitraan-speed tinggi dipaké pikeun langsung ngukur deflection gelombang bending dina ujung jarum dina hawa jeung cai, sarta keur estimasi daya listrik dikirimkeun ku unggal Deflection sarta faktor kakuatan deflection (DPR) géométri nu nyuntik. sedeng.
Ditémbongkeun saperti dina Gambar 2a, make No.. 21 pipe (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm ketebalan témbok pipe, témbok baku sakumaha dieusian dina ISO 9626: 201621) dijieunna tina 316 stainless steel (Modulus ngora 205).\(\text {GN/m}^{2}\), kapadetan 8070 kg/m\(^{3}\), babandingan Poisson 0,275).
Penentuan panjang gelombang bending sareng tuning modél unsur terhingga (FEM) tina kaayaan jarum sareng wates.(a) Penentuan panjang bevel (BL) sareng panjang pipa (TL).(b) Modél unsur terhingga (FEM) tilu diménsi (3D) ngagunakeun gaya titik harmonik \(\tilde{F}_y\vec{j}\) pikeun ngagumbirakeun jarum dina tungtung proksimal, ngabengkokkeun titik, sareng ngukur laju. per tip (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) keur ngitung mobilitas angkutan mékanis.\(\lambda _y\) dihartikeun salaku panjang gelombang bending pakait jeung gaya nangtung \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Nangtukeun puseur gravitasi, aréa cross-sectional A, sarta momen inersia \(I_{xx}\) jeung \(I_{yy}\) masing-masing sabudeureun sumbu-x jeung sumbu-y.
Ditémbongkeun saperti dina Gbr.2b,c, pikeun balok tanpa wates (teu aya watesna) kalayan aréa cross-sectional A jeung dina panjang gelombang badag dibandingkeun ukuran cross-section tina balok, bending (atawa bending) laju fase \(c_{EI}\ ) dihartikeun 22:
dimana E nyaéta modulus Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) nyaéta frékuénsi sudut éksitasi (rad/s), dimana \(f_0 \ ) nyaéta frékuénsi linier (1/s atawa Hz), I nyaéta momen inersia wewengkon sabudeureun sumbu dipikaresep \((\text {m}^{4})\) jeung \(m'=\ rho _0 A \) nyaéta massa dina hijian panjang (kg/m), dimana \(\rho _0\) nyaéta dénsitas \((\text {kg/m}^{3})\) jeung A nyaéta salib -wewengkon bagian tina balok (bidang xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Kusabab dina hal urang gaya anu diterapkeun sajajar jeung sumbu y nangtung, nyaéta \(\tilde{F}_y\vec {j}\), urang ngan museurkeun kana momen inersia wewengkon sabudeureun horizontal x- sumbu, nyaéta \(I_{xx} \), Éta sababna:
Pikeun modél unsur terhingga (FEM), displacement harmonik murni (m) dianggap, jadi akselerasi (\(\text {m/s}^{2}\)) dinyatakeun salaku \(\parsial ^2 \vec { u}/ \ parsial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), misalna \(\vec {u}(x, y, z, t):= u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) nyaéta véktor kapindahan tilu diménsi anu ditetepkeun dina koordinat spasial.Ngaganti anu terakhir ku bentuk Lagrangian anu tiasa dideformasi tina hukum kasaimbangan moméntum23, numutkeun palaksanaanna dina pakét parangkat lunak COMSOL Multiphysics (versi 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, AS), masihan:
Dimana \(\vec {\nabla}:= \frac{\parsial}}{\parsial x}\vec {i} + \frac{\parsial}}{\parsial y}\vec {j} + \frac{ \parsial }{\parsial z}\vec {k}\) nyaéta operator divergénsi tensor, sarta \({\ underline{\sigma}}\) nyaéta tensor stress Piola-Kirchhoff kadua (urutan kadua, \(\ text). { N /m}^{2}\)), jeung \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) nyaéta véktor gaya awak (\(\text {N/m}^{3}\)) unggal volume deformable, sarta \(e^{j\phi }\) nyaéta fase tina gaya awak, boga sudut fase \(\ phi\) (rad).Dina kasus urang, gaya volume awak téh nol, sarta model urang nganggap linearity geometri sarta deformasi elastis murni leutik, nyaéta \({\ underline{\ varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), dimana \({\ underline {\ varepsilon}}^{el}\) jeung \({\underline{\varepsilon}}\) - deformasi elastis jeung total deformasi (dimensionless tina orde kadua).Tensor élastisitas isotropik konstitutif Hooke \(\underline {\underline {C))\) dicandak maké modulus Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) jeung rasio Poisson v dihartikeun, jadi \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (urutan kaopat).Jadi itungan stress jadi \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Itungan dilaksanakeun ku elemen tétrahedral 10 titik kalayan ukuran unsur \(\le\) 8 µm.Jarum dimodelkeun dina vakum, sarta nilai mindahkeun mobilitas mékanis (ms-1 H-1) dihartikeun salaku \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec {j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dimana \(\tilde{v}_y\vec {j}\) nyaéta laju kompléks kaluaran handpiece, sarta \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) mangrupakeun gaya nyetir kompléks lokasina di tungtung proksimal tabung, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 2b.Mobilitas mékanis Transmissive dinyatakeun dina decibel (dB) ngagunakeun nilai maksimum salaku rujukan, nyaéta \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Sadaya studi FEM dilaksanakeun dina frékuénsi 29,75 kHz.
Desain jarum (Gbr. 3) diwangun ku jarum hypodermic 21 gauge konvensional (nomer katalog: 4665643, Sterican\(^\circledR\), kalayan diaméter luar 0,8 mm, panjangna 120 mm, dijieunna tina AISI kromium-nikel stainless steel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Jérman) nempatkeun leungeun baju Luer Konci palastik dijieunna tina polipropilén proksimal jeung modifikasi tip pakait.Pipa jarum soldered kana waveguide sakumaha ditémbongkeun dina Gbr. 3b.Waveguide ieu dicitak dina printer 3D stainless steel (EOS Stainless Steel 316L dina printer EOS M 290 3D, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) lajeng napel sensor Langevin maké bolts M4.Transduser Langevin diwangun ku 8 elemen cingcin piezoelektrik sareng dua beurat dina unggal tungtung.
Opat jinis tip (gambar), lancet anu sayogi komersil (L), sareng tilu bevel tahap tunggal axisymmetric (AX1-3) dicirikeun ku panjang bevel (BL) masing-masing 4, 1,2, sareng 0,5 mm.(a) Tutup-up tina ujung jarum rengse.(b) Top view tina opat pin soldered ka waveguide dicitak 3D lajeng disambungkeun ka sensor Langevin kalawan M4 bolts.
Tilu tips bevel axisymmetric (Gbr. 3) (TAs Mesin Parabot Oy) dijieun kalawan panjang bevel (BL, ditangtukeun dina Gbr. 2a) tina 4,0, 1,2 jeung 0,5 mm, pakait jeung \ (\ approx \) 2 \ (^\ circ\), 7\(^\circ\) jeung 18\(^\circ\).Waveguide na stylus beurat nyaéta 3,4 ± 0,017 g (hartosna ± SD, n = 4) pikeun bevel L na AX1-3, masing-masing (Quntix \ (^ \ circledR \) 224 Desain 2, Sartorius AG, Göttingen, Jérman).Panjang total ti ujung jarum ka tungtung leungeun baju plastik nyaéta 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm pikeun bevel L sareng AX1-3 masing-masing dina Gambar 3b.
Pikeun sakabéh konfigurasi jarum, panjangna ti ujung jarum nepi ka ujung pandu gelombang (ie, aréa soldering) nyaéta 4,3 cm, sarta tabung jarum diorientasi ku kituna bevel nyanghareup ka luhur (ie, sajajar jeung sumbu Y. ).), sakumaha dina (Gbr. 2).
Skrip khusus dina MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, AS) dijalankeun dina komputer (Lintang 7490, Dell Inc., Texas, AS) dipaké pikeun ngahasilkeun sapuan sinusoida linier ti 25 nepi ka 35 kHz dina 7 detik, dirobah jadi sinyal analog ku digital-to-analog (DA) converter (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, AS).Sinyal analog \(V_0\) (0,5 Vp-p) lajeng diamplifikasi ku frékuénsi radio dedicated (RF) amplifier (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).Tegangan amplifying ragrag \({V_I}\) nyaéta kaluaran tina amplifier RF kalawan impedansi kaluaran 50 \(\ Omega \) ka trafo diwangun kana struktur jarum kalawan impedansi input 50 \(\ Omega) \) Langevin transduser (hareup jeung pungkur multilayer piezoelektrik transduser, dieusian ku massa) dipaké pikeun ngahasilkeun gelombang mékanis.Penguat RF khusus dilengkepan ku méteran faktor kakuatan gelombang nangtung (SWR) dua saluran anu tiasa ngadeteksi kajadian \({V_I}\) sareng tegangan amplified \(V_R\) ngalangkungan analog-to-digital 300 kHz (AD). ) converter (Papanggihan Analog 2).Sinyal éksitasi dimodulasi amplitudo di awal sareng di ahir pikeun nyegah overloading input amplifier sareng transients.
Ngagunakeun Aksara custom dilaksanakeun dina MATLAB, fungsi respon frékuénsi (AFC), nyaéta nganggap sistem stasioner linier.Ogé, panawaran saringan pass pita 20 dugi ka 40 kHz pikeun ngaleungitkeun frékuénsi anu teu dipikahoyong tina sinyal.Ngarujuk kana téori jalur transmisi, \(\tilde{H}(f)\) dina hal ieu sarua jeung koefisien pantulan tegangan, nyaéta \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Kusabab impedansi kaluaran panguat \(Z_0 \) pakait jeung impedansi input tina trafo diwangun-di of converter, sarta koefisien cerminan kakuatan listrik \ ({P_R} / {P_I} \) diréduksi jadi \ ( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) sarua \ (|\rho _{V}|^2\).Dina kasus dimana nilai mutlak kakuatan listrik diperlukeun, ngitung kajadian \(P_I\) jeung reflected\(P_R\) daya (W) ku cara nyokot akar mean kuadrat (rms) nilai tegangan pakait, contona, pikeun saluran transmisi kalayan éksitasi sinusoida, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, dimana \(Z_0\) sarua jeung 50 \(\Omega\).Daya listrik anu dikirimkeun kana beban \(P_T\) (nyaéta médium anu diselapkeun) tiasa diitung salaku \(|P_I – P_R |\) (W RMS) sareng efisiensi transfer daya (PTE) tiasa dihartikeun sareng dikedalkeun salaku a perséntase (%) sahingga méré 27:
Réspon frékuénsi satuluyna dipaké pikeun ngira-ngira frékuénsi modal \(f_{1-3}\) (kHz) tina rarancang stylus jeung efisiensi mindahkeun daya nu saluyu, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) ditaksir langsung tina \(\text {PTE}_{1{-}3}\), tina Tabél 1 frékuénsi \(f_{1-3}\) dijelaskeun dina.
Métode pikeun ngukur réspon frékuénsi (AFC) tina struktur acicular.Dual-channel swept-sine measurement25,38 dipaké pikeun meunangkeun pungsi réspon frékuénsi \(\ tilde{H}(f)\) jeung réspon impuls na H(t).\({\ mathcal {F}}\) jeung \({\ mathcal {F}}^{-1}\) masing-masing nuduhkeun transformasi Fourier numerik anu dipotong jeung operasi transformasi tibalik.\(\tilde{G}(f)\) hartina dua sinyal dikalikeun dina domain frékuénsi, misalna \(\tilde{G}_{XrX}\) hartina scan tibalik\(\tilde{X} r(f )\) jeung sinyal turun tegangan \(\tilde{X}(f)\).
Ditémbongkeun saperti dina Gbr.5, kaméra-speed tinggi (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, AS) dilengkepan lénsa makro (MP-E 65mm, \ (f) / 2.8, 1-5 \ (\times \), Canon Inc ., Tokyo, Jepang) dipaké pikeun ngarékam defleksi ujung jarum anu ngalaman éksitasi flexural (frekuensi tunggal, sinusoid kontinyu) dina frékuénsi 27,5-30 kHz.Pikeun nyieun peta kalangkang, unsur tiis tina inténsitas tinggi LED bodas (nomer bagian: 4052899910881, Bodas Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Jérman) ieu disimpen di tukangeun bevel jarum.
Panempoan hareup tina setelan eksperimen.Jero diukur tina permukaan média.Struktur jarum dijepit sareng dipasang dina méja transfer bermotor.Paké kaméra speed tinggi jeung lénsa magnification tinggi (5\(\times\)) pikeun ngukur deflection tina ujung beveled.Sadaya diménsi aya dina milimeter.
Pikeun unggal jenis bevel jarum, urang ngarékam 300 pigura kaméra-speed tinggi 128 \(\x\) 128 piksel, unggal kalawan resolusi spasial 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), kalawan resolusi temporal. ti 310.000 pigura per detik.Ditémbongkeun saperti dina Gambar 6, unggal pigura (1) dipotong (2) ku kituna tip aya dina garis panungtungan (handap) pigura, lajeng histogram gambar (3) diitung, jadi Canny thresholds 1 jeung 2 bisa ditangtukeun.Teras nerapkeun deteksi tepi Canny28(4) nganggo operator Sobel 3 \(\times\) 3 sareng ngitung posisi piksel tina hypotenuse non-cavitational (dilabélan \(\mathbf {\times }\)) pikeun sakabéh léngkah 300-melu. .Pikeun nangtukeun bentang defleksi dina tungtungna, turunan diitung (ngagunakeun algoritma bédana sentral) (6) jeung pigura ngandung extrema lokal (ie puncak) deflection nu (7) dicirikeun.Saatos inspecting visually ujung non-cavitating, sapasang pigura (atawa dua pigura dipisahkeun ku satengah periode waktu) (7) dipilih sarta deflection tip diukur (dilabélan \(\mathbf {\times} \ ) Di luhur dilaksanakeun. dina Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) ngagunakeun algoritma deteksi tepi OpenCV Canny (v4.5.1, open source perpustakaan visi komputer, opencv.org kakuatan listrik \ (P_T \) (W, rms). .
Deflection tip diukur ngagunakeun runtuyan pigura nu dicokot tina kaméra-speed tinggi dina 310 kHz maké algoritma 7-hambalan (1-7) kaasup framing (1-2), deteksi tepi Canny (3-4), tepi lokasi piksel. itungan (5) jeung turunan waktu maranéhanana (6), sarta tungtungna puncak-ka-puncak defleksi ujung diukur dina pasangan visually inspected pigura (7).
Pangukuran dilaksanakeun dina hawa (22.4-22.9°C), cai deionisasi (20.8-21.5°C) sareng gelatin balistik 10% (w/v) (19.7-23.0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text {TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatin Bovine sareng Babi Bone pikeun Analisis Balistik Tipe I, Honeywell International, North Carolina, AS).Suhu diukur ku K-tipe thermocouple panguat (AD595, Analog Alat Inc., MA, AS) jeung K-tipe thermocouple (Fluke 80PK-1 Bead usik No. 3648 tipe-K, Fluke Corporation, Washington, AS).Tina sedeng Jerona diukur tina permukaan (disetél salaku asal sumbu-z) ngagunakeun panggung z-axis motorized nangtung (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania) kalayan resolusi 5 µm.per léngkah.
Kusabab ukuran sampelna leutik (n = 5) jeung normalitas teu bisa dianggap, dua-sampel dua-buntut Wilcoxon rank jumlah test (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) dipaké. pikeun ngabandingkeun jumlah varians tip jarum pikeun bevels béda.Aya 3 babandingan per lamping, ku kituna koreksi Bonferroni diterapkeun kalayan tingkat signifikansi anu disaluyukeun 0,017 sareng tingkat kasalahan 5%.
Hayu urang ayeuna giliran Gbr.7.Dina frékuénsi 29,75 kHz, satengah gelombang bending (\(\lambda_y/2\)) tina jarum 21-gauge nyaéta \(\ kurang leuwih) 8 mm.Nalika hiji ngadeukeutan ujung, panjang gelombang bending nurun sapanjang sudut serong.Dina ujung \(\lambda _y/2\) \(\kira-kira\) aya léngkah 3, 1 sareng 7 mm kanggo lanceolate biasa (a), asimétri (b) sareng axisymmetric (c) inclination tina jarum tunggal. , masing-masing.Ku kituna, ieu ngandung harti yén rentang lancet nyaéta \(\ kurang leuwih) 5 mm (kusabab kanyataan yén dua planes of lancet ngabentuk titik tunggal29,30), bevel asimétri nyaéta 7 mm, bevel asimétri nyaéta 1. mm.lamping Axisymmetric (puseur gravitasi tetep konstan, jadi ngan ketebalan témbok pipe sabenerna robah sapanjang lamping).
Studi FEM sareng aplikasi persamaan dina frékuénsi 29,75 kHz.(1) Nalika ngitung variasi bending satengah gelombang (\(\lambda_y/2\)) pikeun lancet (a), asimétri (b) jeung axisymmetric (c) géométri bevel (saperti dina Gbr. 1a,b,c). ).Nilai rata-rata \(\lambda_y/2\) tina lancet, asimétri, sareng axisymmetric bevels nyaéta 5,65, 5,17, sareng 7,52 mm, masing-masing.Catet yén ketebalan tip pikeun bevel asimétri sareng axisymmetric dugi ka \(\approx) 50 µm.
Mobilitas puncak \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) mangrupa kombinasi optimal panjang tube (TL) jeung panjang bevel (BL) (Gbr. 8, 9).Pikeun lancet konvensional, saprak ukuranana tetep, TL optimal nyaéta \ (\ kira-kira) 29,1 mm (Gbr. 8).Pikeun bevels asimétri jeung axisymmetric (Gbr. 9a, b, mungguh), studi FEM kaasup bl ti 1 nepi ka 7 mm, jadi TL optimal ti 26,9 nepi ka 28,7 mm (rentang 1,8 mm) jeung ti 27,9 nepi ka 29 ,2 mm (rentang). 1,3 mm), masing-masing.Pikeun lamping asimétri (Gbr. 9a), TL optimal ngaronjat linier, ngahontal dataran di bl 4 mm, lajeng sharply turun tina bl 5 ka 7 mm.Pikeun bevel axisymmetrical (Gbr. 9b), TL optimal ngaronjat linier kalawan ngaronjatna bl sarta tungtungna stabilized di bl tina 6 ka 7 mm.Hiji studi nambahan axisymmetric Dengdekkeun (Gbr. 9c) wangsit a set béda tina TLs optimal dina \ (\ approx) 35,1-37,1 mm.Pikeun sakabéh BL, jarak antara dua TL pangalusna nyaéta \(\approx\) 8mm (sarua jeung \(\lambda_y/2\)).
Lancet transmisi mobilitas dina 29,75 kHz.Jarum éta fléksibel bungah dina frékuénsi 29,75 kHz sareng geter diukur dina ujung jarum sareng dinyatakeun salaku jumlah mobilitas mékanis anu dikirimkeun (dB relatif ka nilai maksimal) pikeun TL 26,5-29,5 mm (dina paningkatan 0,1 mm). .
Ulikan paramétrik FEM dina frékuénsi 29,75 kHz nunjukkeun yén mobilitas mindahkeun ujung axisymmetrical kirang kapangaruhan ku parobahan dina panjang tabung ti tara asimétri na.Bevel panjang (BL) jeung pipa panjang (TL) studi asimétri (a) jeung axisymmetric (b, c) geometries bevel dina ulikan domain frékuénsi ngagunakeun FEM (kaayaan wates ditémbongkeun dina Gbr. 2).(a, b) TL dibasajankeun 26,5 ka 29,5 mm (0,1 mm hambalan) jeung bl 1-7 mm (0,5 mm hambalan).(c) Ngalegaan studi axisymmetric Dengdekkeun kaasup TL 25-40 mm (dina 0,05 mm increments) jeung BL 0,1-7 mm (dina 0,1 increments mm) némbongkeun yén \(\lambda_y/2\) kudu minuhan sarat tina tip.kaayaan wates pindah.
Konfigurasi jarum boga tilu eigenfrékuénsi \ (f_{1-3}\) dibagi kana low, sedeng jeung luhur wewengkon mode sakumaha ditémbongkeun dina Table 1. Ukuran PTE kacatet ditémbongkeun saperti dina Gbr.10 lajeng dianalisis dina Gbr. 11. Di handap ieu papanggihan pikeun tiap aréa modal:
Amplitudo efisiensi transfer kakuatan instan (PTE) anu biasa dirékam kalayan éksitasi sinusoida frekuensi disapu pikeun lancet (L) sareng bevel axisymmetric AX1-3 dina hawa, cai sareng gelatin dina jerona 20 mm.spéktra hiji-sided ditémbongkeun.Réspon frékuénsi anu diukur (sampel dina 300 kHz) disaring low-pass teras diturunkeun ku faktor 200 pikeun analisis modal.Babandingan signal-to-noise nyaéta \(\le\) 45 dB.Fase PTE (garis titik-titik ungu) dipidangkeun dina derajat (\(^{\circ}\)).
Analisis respon modal (hartosna ± simpangan baku, n = 5) ditémbongkeun dina Gbr. 10, keur lamping L na AX1-3, dina hawa, cai jeung 10% gelatin (jero 20 mm), kalawan (luhureun) tilu wewengkon modal ( low, tengah jeung luhur) jeung frékuénsi modal pakait maranéhanana \(f_{1-3 }\) (kHz), (rata-rata) efisiensi énergi \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Diitung maké equivalents .(4) jeung (handap) lebar pinuh dina satengah ukuran maksimum masing-masing \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Catet yén pangukuran rubakpita dilewatan nalika PTE rendah kadaptar, nyaéta \(\text {FWHM}_{1}\) dina kasus lamping AX2.Modeu \(f_2\) dianggap paling cocog pikeun ngabandingkeun defleksi lamping, sabab nunjukkeun tingkat efisiensi transfer kakuatan anu paling luhur (\(\text {PTE}_{2}\)), nepi ka 99%.
Wewengkon modal munggaran: \ (f_1 \) henteu gumantung pisan kana jinis sedeng anu diselapkeun, tapi gumantung kana géométri lamping.\(f_1\) nurun kalawan nurunna panjang bevel (27,1, 26,2 jeung 25,9 kHz dina hawa pikeun AX1-3, mungguh).Rata-rata régional \(\text {PTE}_{1}\) sareng \(\text {FWHM}_{1}\) masing-masing nyaéta \(\approx\) 81% sareng 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) boga eusi gelatin pangluhurna dina Lancet (L, 473 Hz).Catet yén \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 dina gelatin henteu tiasa dievaluasi kusabab amplitudo FRF anu kacatet rendah.
Wewengkon modal kadua: \ (f_2 \) gumantung kana jinis média anu diselapkeun sareng bevel.Nilai rata-rata \(f_2\) nyaéta 29,1, 27,9 sareng 28,5 kHz dina hawa, cai sareng gelatin, masing-masing.Wewengkon modal ieu ogé nunjukkeun PTE anu luhur 99%, anu pangluhurna tina grup anu diukur, kalayan rata-rata régional 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) miboga rata-rata régional \(\ kurang leuwih\) 910 Hz.
Wewengkon mode katilu: frékuénsi \(f_3\) gumantung kana jenis média jeung bevel.Nilai rata-rata \(f_3\) nyaéta 32.0, 31.0 sareng 31.3 kHz dina hawa, cai sareng gelatin, masing-masing.Rata-rata régional \(\text {PTE}_{3}\) nyaéta \(\kira-kira\) 74%, panghandapna tina daérah mana waé.Rata-rata régional \(\text {FWHM}_{3}\) nyaéta \(\kira-kira\) 1085 Hz, nu leuwih luhur ti wewengkon kahiji jeung kadua.
       Di handap ieu nujul kana Gbr.12 jeung Table 2. Lancet (L) paling deflected (kalawan significance tinggi ka sadaya tips, \(p<\) 0,017) dina duanana hawa jeung cai (Gbr. 12a), achieving DPR pangluhurna (nepi ka 220 µm/ W dina hawa). 12 jeung Table 2. Lancet (L) paling deflected (kalawan significance tinggi ka sadaya tips, \(p<\) 0,017) dina duanana hawa jeung cai (Gbr. 12a), achieving DPR pangluhurna (nepi ka 220 µm/ W dina hawa). Следующее относится к рисунку 12 jeung таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значикдоть p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Di handap ieu manglaku ka Gambar 12 sarta Table 2. Lancet (L) deflected paling (kalawan significance tinggi pikeun sakabéh tips, \ (p<\) 0,017) dina duanana hawa jeung cai (Gbr. 12a), achieving DPR pangluhurna.(nepi ka 220 μm/W dina hawa).Smt.Gambar 12 jeung Tabél 2 di handap.A （在空气中高达220 µm/W).柳叶刀(L) boga defleksi pangluhurna dina hawa jeung cai (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), sarta ngahontal DPR pangluhurna (nepi ka 22W0 µm/m/m). hawa). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздух и , свдух ин ольшего DPR (dо 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) deflected paling (significance luhur pikeun sakabéh tips, \(p<\) 0,017) dina hawa jeung cai (Gbr. 12a), ngahontal DPR pangluhurna (nepi ka 220 µm / W dina hawa). Dina hawa, AX1 nu miboga BL luhur, deflected leuwih luhur ti AX2–3 (kalawan significance, \(p<\) 0,017), sedengkeun AX3 (nu miboga BL panghandapna) deflected leuwih ti AX2 kalawan DPR 190 µm/W. Dina hawa, AX1 nu miboga BL luhur, deflected leuwih luhur ti AX2–3 (kalawan significance, \(p<\) 0,017), sedengkeun AX3 (nu miboga BL panghandapna) deflected leuwih ti AX2 kalawan DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда злонялся зломки больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Dina hawa, AX1 kalayan BL anu langkung luhur ngalieurkeun langkung luhur tibatan AX2-3 (kalawan signifikansi \(p<\) 0,017), sedengkeun AX3 (kalayan BL panghandapna) ngalieurkeun langkung ti AX2 kalayan DPR 190 μm / W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0.017），而一们夏而佬圉显着性。 AX2，DPR 为190 µm/W . Dina hawa, defleksi AX1 kalayan BL anu langkung luhur langkung luhur tibatan AX2-3 (nyata, \(p<\) 0,017), sareng defleksi AX3 (kalayan BL panghandapna) langkung ageung tibatan AX2, DPR 190 µm/W . В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (bln) бол ольше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Dina hawa, AX1 kalawan BL nu leuwih luhur defleksi leuwih ti AX2-3 (signifikan, \(p<\) 0,017), sedengkeun AX3 (kalawan BL panghandapna) deflects leuwih ti AX2 kalawan DPR 190 µm/W.Dina cai 20 mm, defleksi sareng PTE AX1-3 henteu béda sacara signifikan (\(p>\) 0,017).Tingkat PTE dina cai (90.2-98.4%) éta umumna leuwih luhur ti dina hawa (56-77.5%) (Gbr. 12c), sarta fenomena cavitation ieu nyatet salila percobaan dina cai (Gbr. 13, tingali ogé tambahan. inpormasi).
Jumlah deflection tip (hartosna ± SD, n = 5) diukur pikeun bevel L na AX1-3 dina hawa jeung cai (jero 20 mm) nembongkeun pangaruh ngarobah géométri bevel.Pangukuran dicandak ngagunakeun éksitasi sinusoida frekuensi tunggal kontinyu.(a) Puncak ka puncak simpangan (\(u_y\vec {j}\)) dina ujung, diukur dina (b) frékuénsi modal masing-masing \(f_2\).(c) Efisiensi mindahkeun kakuatan (PTE, RMS, %) tina persamaan.(4) jeung (d) Faktor daya defleksi (DPR, µm/W) diitung salaku simpangan puncak-ka-puncak jeung daya listrik dikirimkeun \(P_T\) (Wrms).
Plot kalangkang kaméra has-speed tinggi anu nunjukkeun simpangan puncak-ka-puncak (garis titik-titik héjo sareng beureum) tina lancet (L) sareng tip axisymmetric (AX1-3) dina cai (jero 20 mm) dina satengah siklus.siklus, dina frékuénsi éksitasi \ (f_2 \) (frékuénsi sampling 310 kHz).Gambar grayscale anu dicandak gaduh ukuran 128×128 piksel sareng ukuran piksel \(\approx\) 5 µm.Video tiasa dipendakan dina inpormasi tambahan.
Ku kituna, urang dimodelkeun parobahan dina panjang gelombang bending (Gbr. 7) jeung ngitung mobilitas mékanis transferable pikeun kombinasi panjang pipa na chamfer (Gbr. 8, 9) pikeun lancet konvensional, asimétri jeung axisymmetric chamfers tina wangun geometri.Dumasar dimungkinkeun, kami diperkirakeun jarak optimal 43 mm (atawa \ (\ kira-kira) 2,75 \ (\ lambda _y \) di 29,75 kHz) ti ujung ka weld nu, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 5, sarta dijieun Tilu axisymmetric bevels kalawan panjang bevel béda.Urang lajeng dicirikeun kabiasaan frékuénsi maranéhanana dina hawa, cai, jeung 10% (w / v) gelatin balistik dibandingkeun lancets konvensional (Angka 10, 11) jeung nangtukeun mode paling cocog pikeun bevel deflection ngabandingkeun.Tungtungna, urang ngukur defleksi tip ku cara ngabengkokkeun gelombang dina hawa sareng cai dina jerona 20 mm sareng ngitung efisiensi transfer kakuatan (PTE,%) sareng faktor daya defleksi (DPR, µm / W) tina médium sisipan pikeun unggal bevel.tipe sudut (Gbr. 12).
Géométri bevel jarum geus ditémbongkeun mangaruhan jumlah deflection ujung jarum.Lancet ngahontal defleksi pangluhurna sarta DPR pangluhurna dibandingkeun bevel axisymmetric kalawan deflection rata handap (Gbr. 12).Bevel axisymmetrical 4 mm (AX1) kalayan bevel pangpanjangna ngahontal defleksi maksimum sacara statistik signifikan dina hawa dibandingkeun jarum axisymmetrical séjén (AX2-3) (\(p <0,017 \), Tabél 2), tapi teu aya béda anu signifikan. .dititénan nalika jarum disimpen dina cai.Janten, teu aya kauntungan anu jelas pikeun gaduh panjang bevel anu langkung panjang dina hal defleksi puncak dina ujung.Kalayan émut ieu, tétéla yén géométri bevel anu diulik dina ieu panalungtikan ngagaduhan pangaruh anu langkung ageung kana jumlah defleksi tibatan panjang bevel.Ieu bisa jadi alatan stiffness bending, contona gumantung kana ketebalan sakabéh bahan keur bengkok jeung desain jarum.
Dina studi ékspérimén, gedena gelombang flexural reflected kapangaruhan ku kaayaan wates ujung.Nalika ujung jarum diselapkeun kana cai sareng gelatin, \(\text {PTE}_{2}\) nyaéta \(\approach\) 95%, sareng \(\text {PTE}_{ 2}\) nyaéta \ (\text {PTE}_{ 2}\) nilaina nyaéta 73% sareng 77% pikeun (\text {PTE}_{1}\) sareng \(\text {PTE}_{3}\), masing-masing (Gbr. 11).Ieu nunjukkeun yén transfer maksimum énergi akustik kana médium casting, nyaéta cai atawa gelatin, lumangsung dina \(f_2\).Paripolah anu sami dititénan dina ulikan saméméhna31 nganggo konfigurasi alat anu langkung sederhana dina rentang frekuensi 41-43 kHz, dimana pangarang nunjukkeun gumantungna koefisien refleksi tegangan dina modulus mékanis tina médium embedding.Jero penetrasi32 sareng sipat mékanis jaringan nyayogikeun beban mékanis dina jarum sahingga diperkirakeun mangaruhan paripolah résonansi UZEFNAB.Ku kituna, algoritma tracking résonansi (misalna 17, 18, 33) bisa dipaké pikeun ngaoptimalkeun daya akustik dikirimkeun ngaliwatan jarum.
Simulasi dina panjang gelombang bending (Gbr. 7) nunjukeun yen ujung axisymmetrical sacara stuktur leuwih kaku (ie, leuwih kaku dina bending) ti lancet jeung bevel asimétri.Dumasar kana (1) jeung ngagunakeun hubungan laju-frékuénsi dipikawanoh, urang estimasi stiffness bending di ujung jarum salaku \(\ ngeunaan \) 200, 20 jeung 1500 MPa pikeun lancet, asimétri jeung planes condong axial, masing-masing.Ieu pakait jeung \ (\ lambda_y \) tina \ (\ kira-kira \) 5,3, 1,7, jeung 14,2 mm masing-masing dina 29,75 kHz (Gbr. 7a-c).Mertimbangkeun kaamanan klinis salila USeFNAB, pangaruh géométri dina stiffness struktural pesawat condong kudu ditaksir34.
Ulikan ngeunaan parameter bevel relatif ka panjang tube (Gbr. 9) némbongkeun yén rentang transmisi optimal éta luhur pikeun bevel asimétri (1,8 mm) ti bevel axisymmetric (1,3 mm).Sajaba ti éta, mobilitas stabil dina \ (\ kira-kira) ti 4 ka 4,5 mm sarta ti 6 ka 7 mm pikeun tilts asimétri jeung axisymmetric, mungguh (Gbr. 9a, b).Signifikansi praktis tina kapanggihna ieu dinyatakeun dina tolerances manufaktur, contona, rentang handap TL optimal bisa hartosna yén akurasi panjang nu leuwih gede diperlukeun.Dina waktos anu sami, dataran mobilitas nyayogikeun kasabaran anu langkung ageung pikeun milih panjangna dip dina frékuénsi anu ditangtukeun tanpa dampak anu signifikan dina mobilitas.
pangajaran ngawengku watesan di handap.Pangukuran langsung tina defleksi jarum ngagunakeun deteksi ujung jeung pencitraan-speed tinggi (Gambar 12) hartina urang diwatesan ka média optik transparan kayaning hawa jeung cai.Kami ogé hoyong nunjukkeun yén kami henteu nganggo percobaan pikeun nguji mobilitas transfer simulasi sareng sabalikna, tapi nganggo studi FEM pikeun nangtukeun panjang optimal pikeun fabrikasi jarum.Ngeunaan watesan praktis, panjang lancet ti ujung ka leungeun baju nyaéta \(\ kurang leuwih) 0,4 cm leuwih panjang batan jarum séjén (AX1-3), tingali Gbr.3b.Ieu tiasa mangaruhan réspon modal tina desain jarum.Sajaba ti éta, bentuk jeung volume solder dina tungtung pin waveguide (tingali Gambar 3) bisa mangaruhan impedansi mékanis tina desain pin, ngawanohkeun kasalahan dina impedansi mékanis jeung kabiasaan bending.
Tungtungna, kami geus nunjukkeun yén géométri bevel eksperimen mangaruhan jumlah deflection di USeFNAB.Upami defleksi anu langkung ageung bakal gaduh pangaruh anu positif kana pangaruh jarum dina jaringan, sapertos efisiensi motong saatos ditindik, maka lancet konvensional tiasa disarankeun dina USeFNAB sabab nyayogikeun defleksi maksimal bari ngajaga kaku anu cekap tina ujung struktural..Leuwih ti éta, ulikan panganyarna35 geus ditémbongkeun yén deflection tip gede bisa ningkatkeun épék biologis kayaning cavitation, nu bisa mempermudah ngembangkeun aplikasi bedah minimally invasif.Nunjukkeun yen ngaronjatna total kakuatan akustik geus ditémbongkeun nambahan jumlah biopsies di USeFNAB13, studi kuantitatif salajengna kuantitas jeung kualitas sampel diperlukeun pikeun assess mangpaat klinis lengkep tina géométri jarum ditalungtik.