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.
Dumasar kana simpang interdisipliner fisika sareng élmu kahirupan, strategi diagnostik sareng terapi dumasar kana ubar precision nembe narik perhatian anu ageung kusabab aplikasi praktis metode rékayasa anyar dina seueur widang kadokteran, khususna dina onkologi.Dina kerangka ieu, pamakean ultrasound pikeun nyerang sél kanker dina tumor pikeun nyababkeun karusakan mékanis dina sababaraha skala anu narik perhatian para ilmuwan di sakumna dunya.Nyandak faktor ieu kana akun, dumasar kana solusi timing elastodynamic sarta simulasi numeris, urang nampilkeun ulikan awal simulasi komputer rambatan ultrasound dina jaringan dina urutan pikeun milih frékuénsi merenah jeung kakuatan ku irradiation lokal.Platform diagnostik anyar pikeun téknologi laboratorium On-Fiber, anu disebut jarum rumah sakit sareng parantos dipaténkeun.Hal ieu dipercaya yén hasil analisis jeung wawasan biophysical patali bisa muka jalan pikeun pendekatan diagnostik jeung terapi terpadu anyar nu bisa maénkeun peran sentral dina aplikasi ubar precision di mangsa nu bakal datang, teken tina widang fisika.Sinergi tumuwuh antara biologi dimimitian.
Kalayan optimasi sajumlah ageung aplikasi klinis, kabutuhan pikeun ngirangan efek samping pasien laun-laun muncul.Pikeun tujuan ieu, precision medicine1, 2, 3, 4, 5 geus jadi tujuan strategis pikeun ngurangan dosis obat dikirimkeun ka penderita, dasarna nuturkeun dua pendekatan utama.Kahiji dumasar kana perlakuan dirancang nurutkeun profil génomik sabar urang.Anu kadua, anu janten standar emas dina onkologi, tujuanana pikeun ngahindarkeun prosedur pangiriman ubar sistemik ku nyobian ngaleupaskeun sajumlah leutik obat, bari dina waktos anu sami ningkatkeun akurasi ngalangkungan panggunaan terapi lokal.Tujuan pamungkas nya éta pikeun ngaleungitkeun atawa sahenteuna ngaleutikan éfék négatif tina loba pendekatan terapi, kayaning kémoterapi atawa administrasi sistemik radionuclides.Gumantung kana jinis kanker, lokasi, dosis radiasi, sareng faktor sanésna, bahkan terapi radiasi tiasa gaduh résiko anu ageung pikeun jaringan séhat.Dina pengobatan glioblastoma6,7,8,9 bedah suksés ngaluarkeun kanker kaayaan, tapi sanajan henteuna metastases, loba infiltrates cancerous leutik bisa hadir.Mun aranjeunna teu sagemblengna dipiceun, massa cancerous anyar bisa tumuwuh dina jangka waktu relatif pondok.Dina kontéks ieu, strategi ubar precision anu disebut tadi hese diterapkeun sabab infiltrat ieu hese dideteksi sareng sumebar ka daérah anu lega.Halangan ieu nyegah hasil anu pasti dina nyegah kambuh deui ku ubar precision, ku kituna metode pangiriman sistemik langkung dipikaresep dina sababaraha kasus, sanaos ubar anu dianggo tiasa gaduh tingkat karacunan anu luhur pisan.Pikeun nungkulan masalah ieu, pendekatan perlakuan idéal bakal ngagunakeun strategi minimally invasif nu bisa selektif narajang sél kanker tanpa mangaruhan jaringan cageur.Dina lampu argumen ieu, pamakéan geter ultrasonik, nu geus ditémbongkeun mangaruhan kanker sarta sél cageur béda, duanana dina sistem unisélular sarta dina klaster hétérogén mesoscale, sigana solusi mungkin.
Tina sudut pandang mékanis, sél séhat sareng kanker saleresna gaduh frékuénsi résonansi alami anu béda.Sipat ieu pakait sareng parobahan onkogenik dina sipat mékanis tina struktur sitoskeletal sél kanker12,13, sedengkeun sél tumor rata-rata leuwih deformable ti sél normal.Ku kituna, kalawan pilihan optimal frékuénsi ultrasound pikeun stimulasi, vibrations ngainduksi di wewengkon dipilih bisa ngabalukarkeun karuksakan kana struktur cancerous hirup, ngaminimalkeun dampak dina lingkungan sehat tina host.Épék anu teu acan kahartos sapinuhna tiasa kalebet karusakan komponén struktur sélulér anu tangtu kusabab geter frekuensi tinggi anu disababkeun ku ultrasound (sacara prinsipna mirip pisan sareng lithotripsy14) sareng karusakan sélulér kusabab fenomena anu sami sareng kacapean mékanis, anu tiasa ngarobih struktur sélulér. .programming jeung mechanobiology.Sanaos solusi téoritis ieu sigana cocog pisan, hanjakalna éta henteu tiasa dianggo dina kasus dimana struktur biologis anechoic nyegah aplikasi langsung tina ultrasound, contona, dina aplikasi intrakranial kusabab ayana tulang, sareng sababaraha massa tumor payudara aya dina adiposa. tisu.Atenuasi tiasa ngabatesan situs pangaruh terapi poténsial.Pikeun ngatasi masalah ieu, ultrasound kedah diterapkeun sacara lokal nganggo transduser anu dirarancang khusus anu tiasa ngahontal situs anu disinari salaku sakedik invasif sabisa.Kalayan émut ieu, urang nganggap kamungkinan ngagunakeun ideu anu aya hubunganana sareng kamungkinan nyiptakeun platform téknologi inovatif anu disebut "rumah sakit jarum"15.Konsep "Rumah Sakit di Jarum" ngalibatkeun ngembangkeun alat médis minimally invasif pikeun aplikasi diagnostik jeung terapi, dumasar kana kombinasi rupa fungsi dina hiji jarum médis.Sakumaha anu dibahas langkung rinci dina bagian Jarum Rumah Sakit, alat kompak ieu utamina dumasar kana kaunggulan 16, 17, 18, 19, 20, 21 panyilidikan serat optik, anu, kusabab karakteristikna, cocog pikeun diselapkeun kana standar 20. jarum médis, 22 lumén.Leveraging kalenturan afforded ku Lab-on-Fiber (LOF) 23 téhnologi, serat ieu éféktif jadi platform unik keur miniaturized tur siap-to-pamakéan alat diagnostik jeung terapi, kaasup biopsy cairan jeung alat biopsy jaringan.dina deteksi biomolekul24,25, pangiriman ubar lokal anu dipandu cahaya26,27, pencitraan ultrasound lokal precision tinggi28, terapi termal29,30 sareng idéntifikasi jaringan kanker dumasar spéktroskopi31.Dina konsép ieu, ngagunakeun pendekatan lokalisasi dumasar kana alat "jarum di rumah sakit", urang nalungtik kamungkinan optimizing stimulasi lokal struktur biologis nyicingan ku ngagunakeun rambatan gelombang ultrasound ngaliwatan jarum ngagumbirakeun gelombang ultrasound dina wewengkon dipikaresep..Ku kituna,-inténsitas low ultrasound terapi bisa dilarapkeun langsung ka wewengkon résiko kalawan invasiveness minimal pikeun sél sonicating sarta formasi padet leutik dina jaringan lemes, sakumaha dina kasus bedah intrakranial disebut tadi, liang leutik dina tangkorak kudu diselapkeun ku a jarum.Diideuan ku hasil téoritis sareng ékspérimén panganyarna anu nunjukkeun yén ultrasound tiasa ngeureunkeun atanapi ngalambatkeun pangembangan kanker tangtu,32,33,34 pendekatan anu diusulkeun tiasa ngabantosan alamat, sahenteuna dina prinsipna, perdagangan konci antara épék agrésif sareng kuratif.Kalayan pertimbangan ieu dina pikiran, dina tulisan ayeuna, urang nalungtik kamungkinan ngagunakeun alat jarum di rumah sakit pikeun terapi ultrasound minimally invasif pikeun kanker.Leuwih tepat, dina Analisis Paburencay Massa Tumor Bula keur Estimasi Pertumbuhan-gumantung Ultrasound Frékuénsi bagian, kami ngagunakeun métode elastodynamic well-ngadegkeun jeung téori scattering akustik keur prediksi ukuran tumor solid buleud tumuwuh dina medium elastis.stiffness anu lumangsung antara tumor jeung jaringan host alatan remodeling-ngainduksi tumuwuhna bahan.Saatos ngajelaskeun sistem kami, anu kami sebut bagian "Rumah Sakit di Jarum", dina bagian "Rumah Sakit di Jarum", kami nganalisis rambatan gelombang ultrasonik ngaliwatan jarum médis dina frékuénsi anu diprediksi sareng modél numerikna nyirnakeun lingkungan pikeun diajar. Parameter géométri utama (diaméter jero saleresna, panjang sareng seukeutna jarum), mangaruhan pangiriman kakuatan akustik alat.Dibikeun kabutuhan pikeun ngembangkeun strategi rékayasa anyar pikeun ubar precision, éta dipercaya yén ulikan diusulkeun bisa mantuan ngamekarkeun alat anyar pikeun pengobatan kanker dumasar kana pamakéan ultrasound dikirimkeun ngaliwatan platform theragnostic terpadu nu integrates ultrasound kalawan solusi séjén.Digabungkeun, sapertos pangiriman ubar anu ditargetkeun sareng diagnostik sacara real-time dina hiji jarum.
Éféktivitas nyadiakeun strategi mékanis pikeun pengobatan tumor padet localized ngagunakeun stimulasi ultrasonik (ultrasound) geus jadi tujuan sababaraha makalah kaayaan duanana téoritis jeung ékspérimén kalawan pangaruh vibrations ultrasonic inténsitas low on sistem sél tunggal 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Ngagunakeun model viscoelastic, sababaraha penyidik ​​geus analytically nunjukkeun yén tumor jeung sél cageur némbongkeun réspon frékuénsi béda dicirikeun ku puncak résonansi béda dina rentang AS 10,11,12.Hasil ieu nunjukkeun yén, prinsipna, sél tumor tiasa sacara selektif diserang ku rangsangan mékanis anu ngajaga lingkungan host.Paripolah ieu mangrupikeun konsékuansi langsung tina bukti konci anu, dina kalolobaan kasus, sél tumor langkung gampang malleable tibatan sél séhat, sigana pikeun ningkatkeun kamampuan pikeun ngalobaan sareng migrasi37,38,39,40.Dumasar hasil nu diala ku model sél tunggal, misalna dina microscale, selektivitas sél kanker ogé geus ditémbongkeun dina mesoscale ngaliwatan studi numerik réspon harmonik tina agrégat sél hétérogén.Nyadiakeun perséntase béda sél kanker jeung sél cageur, multisélular aggregates ratusan mikrométer dina ukuran diwangun hirarki.Dina mesolevel of aggregates ieu, sababaraha fitur mikroskopis dipikaresep dilestarikan alatan palaksanaan langsung tina elemen struktural utama nu characterize kabiasaan mékanis sél tunggal.Hususna, unggal sél ngagunakeun arsitéktur dumasar tensegrity mun meniru respon rupa struktur cytoskeletal prestressed, kukituna mangaruhan stiffness maranéhanana sakabéh12,13.Prediksi téoritis sareng percobaan in vitro tina literatur di luhur parantos masihan hasil anu nyorong, nunjukkeun kabutuhan pikeun diajar sensitipitas massa tumor ka ultrasound terapi inténsitas rendah (LITUS), sareng penilaian frékuénsi irradiasi massa tumor penting pisan.posisi LITUS pikeun aplikasi dina situs.
Sanajan kitu, dina tingkat jaringan, déskripsi submacroscopic sahiji komponén individu geus inevitably leungit, sarta sipat jaringan tumor bisa disusud ngagunakeun métode sequential pikeun ngalacak pertumbuhan massa jeung prosés remodeling stress-ngainduksi, nyokot kana akun épék makroskopis tina. tumuwuhna.-ngainduksi parobahan élastisitas jaringan dina skala 41,42.Mémang, teu sapertos sistem unisélular sareng agrégat, massa tumor padet tumbuh dina jaringan lemes kusabab akumulasi bertahap tina setrés sésa-sésa anu nyimpang, anu ngarobih sipat mékanis alami kusabab paningkatan kaku intratumoral sadayana, sareng sclerosis tumor sering janten faktor penentu dina. deteksi tumor.
Kalayan pertimbangan ieu dina pikiran, di dieu urang nganalisis respon sonodynamic spheroids tumor dimodelkeun salaku inclusions buleud elastis tumuwuh dina lingkungan jaringan normal.Leuwih tepat, sipat elastis pakait sareng tahap tumor ditangtukeun dumasar kana hasil téoritis jeung ékspérimén diala ku sababaraha pangarang dina karya saméméhna.Di antarana, évolusi spheroids tumor padet tumuwuh di vivo dina média hétérogén geus ditalungtik ku nerapkeun model mékanis non-linier 41,43,44 dina kombinasi kalayan dinamika interspésiés keur prediksi ngembangkeun massa tumor jeung stress intratumoral pakait.Sakumaha didadarkeun di luhur, tumuwuhna (misalna prestretching inelastic) jeung stress residual ngabalukarkeun remodeling progresif sipat bahan tumor, kukituna ogé ngarobah respon akustik na.Kadé dicatet yén dina ref.41 ko-évolusi pertumbuhan sareng setrés padet dina tumor parantos ditingalikeun dina kampanye ékspérimén dina modél sato.Khususna, ngabandingkeun kaku massa tumor payudara resected dina tahap béda jeung stiffness diala ku reproducing kaayaan sarupa dina silico dina model unsur terhingga buleud kalayan diménsi sarua jeung nyokot akun diprediksi widang stress residual dikonfirmasi metoda diusulkeun. validitas modél..Dina karya ieu, hasil téoritis sareng ékspérimén anu dicandak sateuacana dianggo pikeun ngembangkeun strategi terapi anu énggal.Khususna, ukuran anu diprediksi sareng sipat résistansi évolusionér anu saluyu diitung di dieu, anu ku kituna dianggo pikeun ngira-ngira rentang frékuénsi dimana massa tumor anu dipasang dina lingkungan host langkung sénsitip.Pikeun tujuan ieu, urang ku kituna nalungtik paripolah dinamis tina massa tumor dina hambalan béda, dicokot dina hambalan béda, nyokot kana akun indikator akustik luyu jeung prinsip scattering ditarima sacara umum dina respon kana rangsangan ultrasonic sarta panyorot mungkin fenomena resonant tina spheroid nu. .gumantung kana tumor jeung host Bedana-gumantung Tumuwuh dina stiffness antara jaringan.
Ku kituna, massa tumor dimodelkeun salaku spheres elastis radius \ (a \) dina lingkungan elastis sabudeureun host dumasar kana data eksperimen némbongkeun kumaha gede pisan struktur malignant tumuwuh di situ dina wangun buleud.Ngarujuk kana Gambar 1, ngagunakeun koordinat bola \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (dimana \(\theta\) jeung \(\varphi\) ngagambarkeun sudut anomali jeung sudut azimuth masing-masing), domain tumor nempatan Wewengkon nu dipasang dina spasi cageur \({\ mathcal {V}}_{T}=\{(r,\theta,\varphi):r\le a\}\) wewengkon unbounded \({\ mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Ngarujuk kana Émbaran Suplemén (SI) pikeun pedaran lengkep model matematik dumasar kana dasar elastodynamic well-ngadegkeun dilaporkeun dina loba literatures45,46,47,48, anggap we didieu masalah dicirikeun ku mode osilasi axisymmetric.Asumsi ieu nunjukkeun yén sadaya variabel dina tumor sareng daérah séhat henteu gumantung kana koordinat azimut \(\varphi\) sareng henteu aya distorsi anu lumangsung dina arah ieu.Akibatna, médan kapindahan jeung tegangan bisa dimeunangkeun tina dua poténsi skalar \(\phi = \hat{\phi}\left({r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) jeung \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , nyaéta masing-masing patali jeung gelombang longitudinal jeung gelombang geser, waktu kabeneran t antara surge \(\theta \) jeung sudut antara arah gelombang kajadian jeung véktor posisi \({\mathbf {x))\) ( ditémbongkeun saperti dina gambar 1) jeung \ (\ omega = 2 \ pi f \) ngagambarkeun frékuénsi sudut.Khususna, widang kajadian dimodelkeun ku gelombang pesawat \(\phi_{H}^{(in)}\) (ogé diwanohkeun dina sistem SI, dina persamaan (A.9)) ngarambat kana volume awak. nurutkeun ekspresi hukum
dimana \(\phi_{0}\) nyaéta parameter amplitudo.Ékspansi buleud tina gelombang pesawat kajadian (1) ngagunakeun fungsi gelombang buleud nyaéta argumen baku:
Dimana \(j_{n}\) nyaéta fungsi Bessel buleud tina ordo kahiji \(n\), jeung \(P_{n}\) nyaéta polinomial Legendre.Bagian tina gelombang kajadian tina lapisan investasi sumebar dina medium sabudeureun tur tumpang tindih widang kajadian, sedengkeun bagian séjén sumebar di jero lapisan, contributing ka Geter na.Jang ngalampahkeun ieu, leyuran harmonik tina persamaan gelombang \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) jeung \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\ chi } + k_{2}^{2} \hat{\ chi } = 0\), disadiakeun contona ku Eringen45 (tingali ogé SI ) tiasa nunjukkeun tumor sareng daérah séhat.Khususna, gelombang ékspansi kasebar sareng gelombang isovolumik anu dihasilkeun dina médium host \(H\) ngaku énergi poténsial masing-masing:
Di antarana, fungsi Hankel buleud tina jenis kahiji \(h_{n}^{(1)}\) dipaké pikeun nimbang gelombang sumebar kaluar, sarta \(\alpha_{n}\) jeung \(\beta_{ n}\ ) nyaéta koefisien nu teu dipikanyaho.dina persamaan.Dina persamaan (2)–(4), istilah \(k_{H1}\) jeung \(k_{H2}\) nuduhkeun wilangan gelombang rarefaction jeung gelombang transversal di wewengkon utama awak, masing-masing ( tingali SI).Widang komprési jero tumor jeung shifts boga formulir
Dimana \(k_{T1}\) jeung \(k_{T2}\) ngagambarkeun wilangan gelombang longitudinal jeung transversal di wewengkon tumor, sarta koefisien nu teu dipikanyaho nyaéta \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Dumasar kana hasil ieu, non-enol komponén radial jeung circumferential displacement mangrupakeun ciri wewengkon cageur dina masalah ditilik, kayaning \(u_{Hr}\) jeung \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) anggapan simétri geus teu diperlukeun deui) - bisa dimeunangkeun tina hubungan \(u_{Hr} = \parsial_{r} \ kénca ( {\phi + \parsial_{r} (r\chi ) } \katuhu) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) jeung \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \parsial_{r} (r\chi)} \kanan)\) ku cara ngabentuk \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) jeung \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (tingali SI pikeun derivasi matematik nu lengkep).Nya kitu, ngaganti \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) jeung \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) mulih {Tr} = \parsial_{r} \ kénca ( {\phi + \parsial_{r} (r\chi)} \ katuhu) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) jeung \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\right)\).
(Kénca) Géométri tumor buleud tumuwuh dina lingkungan cageur ngaliwatan nu hiji widang kajadian propagates, (katuhu) Évolusi pakait rasio stiffness tumor-host salaku fungsi tina radius tumor, dilaporkeun data (diadaptasi tina Carotenuto et al. 41). ti dina tés komprési vitro dicandak ti tumor payudara padet inoculated kalawan sél MDA-MB-231.
Anggap bahan elastis jeung isotropik linier, komponén stress non-enol di wewengkon séhat jeung tumor, nyaéta \(\sigma_{Hpq}\) jeung \(\sigma_{Tpq}\) - taat kana hukum Hooke digeneralisasi, nunjukkeun yen aya moduli Lamé béda, nu dicirikeun élastisitas host jeung tumor, dilambangkeun salaku \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) jeung \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (tingali Persamaan (A.11) pikeun ekspresi pinuh ku komponén stress digambarkeun dina SI).Khususna, dumasar kana data dina rujukan 41 sareng dibere dina Gambar 1, tumor ngembang nunjukkeun parobahan dina konstanta élastisitas jaringan.Ku kituna, displacements jeung stresses di wewengkon host jeung tumor ditangtukeun sagemblengna nepi ka susunan konstanta kanyahoan \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) sacara téoritis miboga diménsi taya wates.Pikeun mendakan vektor koefisien ieu, antarmuka anu cocog sareng kaayaan wates antara tumor sareng daérah séhat diwanohkeun.Anggap beungkeutan sampurna dina panganteur tumor-host \(r = a\), continuity of displacements na stresses merlukeun kaayaan di handap:
Sistem (7) ngabentuk sistem persamaan jeung solusi taya wates.Salaku tambahan, unggal kaayaan wates bakal gumantung kana anomali \(\theta\).Pikeun ngurangan masalah nilai wates jadi masalah aljabar lengkep jeung \(N\) susunan sistem katutup, nu masing-masing aya dina kanyahoan \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (jeung \ ( N \ ka \infty \), sacara téoritis), sarta pikeun ngaleungitkeun kagumantungan persamaan dina istilah trigonometri, kaayaan panganteur ditulis dina wangun lemah ngagunakeun ortogonality tina polynomials Legendre.Khususna, persamaan (7)1,2 jeung (7)3,4 dikalikeun ku \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) jeung \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) teras integrasikeun antara \(0\) sareng \(\pi\) nganggo idéntitas matematik:
Ku kituna, kaayaan panganteur (7) mulihkeun sistem persamaan aljabar kuadrat, nu bisa ditembongkeun dina wangun matriks salaku \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) sarta meunangkeun kanyahoan \({{\varvec{\upxi}}}}_{n}\) ku cara ngajawab aturan Cramer.
Pikeun ngira-ngira fluks énérgi anu kasebar ku sphere sareng kéngingkeun inpormasi ngeunaan réspon akustikna dumasar kana data ngeunaan médan paburencay dina médium host, kuantitas akustik anu dipikaresep, nyaéta bagian melintang paburencay bistatic anu dinormalisasi.Khususna, bagian melintang paburencay, dilambangkeun \(s), nganyatakeun rasio antara daya akustik anu dikirimkeun ku sinyal paburencay sareng pembagian énérgi anu dibawa ku gelombang kajadian.Dina hal ieu, gedena fungsi wangun \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) mangrupa kuantitas nu mindeng dipaké dina ulikan mékanisme akustik. napel dina cair atawa padet Paburencay objék dina sédimén.Leuwih tepat, amplitudo fungsi wangun dihartikeun salaku diferensial scattering cross section \(ds\) per unit aréa, nu béda ku normal jeung arah rambatan gelombang kajadian:
dimana \(f_{n}^{pp}\) jeung \(f_{n}^{ps}\) nuduhkeun fungsi modal, nu nujul kana rasio kakuatan gelombang longitudinal jeung gelombang sumebar relatif ka Insiden P-gelombang dina medium panarima, masing-masing, dirumuskeun kalawan éksprési handap:
Fungsi gelombang parsial (10) bisa diulik sacara mandiri luyu jeung téori paburencay résonansi (RST)49,50,51,52, nu ngamungkinkeun pikeun misahkeun élastisitas udagan tina médan stray total nalika diajar modus béda.Nurutkeun métode ieu, fungsi wangun modal bisa diuraikan jadi jumlah dua bagian nu sarua, nyaéta \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) aya patalina jeung amplitudo tukang résonansi jeung nonrésonansi masing-masing.Fungsi wangun modus résonansi patali jeung réspon udagan, sedengkeun latar biasana patali jeung wangun paburencay.Pikeun ngadeteksi forman munggaran tina udagan pikeun unggal mode, amplitudo fungsi wangun résonansi modal \(\ left| {f_{n}^{(res)} \ left ( \theta \ right)} \ right|\ ) diitung asumsina tukang teuas, diwangun ku spheres impenetrable dina bahan host elastis.Hipotesis ieu didorong ku kanyataan yén, sacara umum, duanana kaku sareng dénsitas ningkat kalayan tumuwuhna massa tumor kusabab setrés komprési sésa.Ku kituna, dina tingkat parna tumuwuhna, rasio impedansi \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) diperkirakeun leuwih gede ti 1 pikeun sabagéan ageung tumor padet makroskopis ngembang dina lemes. tisu.Contona, Krouskop et al.53 ngalaporkeun nisbah cancerous kana modulus normal ngeunaan 4 pikeun jaringan prostat, sedengkeun nilai ieu ngaronjat nepi ka 20 pikeun sampel jaringan payudara.Hubungan ieu inevitably ngarobah impedansi akustik jaringan, sakumaha ogé nunjukkeun ku analisis elastography54,55,56, sarta bisa patali jeung thickening jaringan localized disababkeun ku hyperproliferation tumor.Bédana ieu ogé parantos dititénan sacara ékspériméntal kalayan tés komprési basajan tina blok tumor payudara anu tumbuh dina tahap anu béda32, sareng remodeling bahan tiasa diturutan ogé kalayan modél cross-spésiés duga tina tumor anu henteu linier ngembang43,44.Data stiffness diala langsung patali jeung évolusi modulus Young tumor padet numutkeun rumus \(E_{T} = S\left({1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon \ ) ( spheres kalawan radius \ (a \), stiffness \ (S \) sarta rasio Poisson urang \ (\ nu \) antara dua pelat kaku 57, ditémbongkeun saperti dina Gambar 1).Ku kituna, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun ménta ukuran impedansi akustik tina tumor jeung host dina tingkat tumuwuhna béda.Khususna, dibandingkeun sareng modulus jaringan normal sami sareng 2 kPa dina Gbr. 1, modulus elastis tumor payudara dina kisaran volume sakitar 500 dugi ka 1250 mm3 nyababkeun paningkatan tina sakitar 10 kPa dugi ka 16 kPa, nyaéta. konsisten jeung data dilaporkeun.dina rujukan 58, 59 ieu kapanggih yén tekanan dina sampel jaringan payudara nyaéta 0.25-4 kPa kalawan vanishing precompression.Anggap ogé yén rasio Poisson tina jaringan anu ampir teu tiasa dikomprés nyaéta 41,60, anu hartosna dénsitas jaringan henteu robih sacara signifikan nalika volume naék.Khususna, kapadetan populasi massa rata-rata \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{{ – 3}\)61 digunakeun.Kalayan pertimbangan ieu, stiffness tiasa nyandak kana mode latar nganggo ekspresi ieu:
Dimana konstanta nu teu dipikanyaho \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) bisa diitung merhatikeun kontinuitas bias ( 7 )2,4, nyaéta, ku cara ngajawab sistem aljabar \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) ngalibetkeun budak leutik\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) jeung véktor kolom saderhana nu pakait\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\). \ kénca ( {res} \ katuhu) \,pp}} \ kénca ( \theta \ katuhu)} \ katuhu| = \ kénca|{f_{n}^{pp} \ kénca ( \theta \ katuhu) - f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) jeung \( \left|{f_{n}^{{\ left( {res} \right)\,ps} } \ kénca ( \theta \ katuhu)} \ katuhu|= \ kénca|{f_{n}^{ps} \ kénca ( \theta \ katuhu) – f_{n}^{ps (b)} \ kénca ( \ theta \ katuhu)} \ katuhu|\) nujul kana éksitasi P-gelombang jeung pantulan P- jeung S-gelombang, masing-masing.Salajengna, amplitudo kahiji diperkirakeun salaku \(\theta = \pi\), jeung amplitudo kadua diperkirakeun salaku \(\theta = \pi/4\).Ku ngamuat rupa-rupa sipat komposisi.Gambar 2 nunjukeun yen fitur resonant spheroids tumor nepi ka ngeunaan 15 mm diaméterna utamana ngumpul dina pita frékuénsi 50-400 kHz, nu nunjukkeun kamungkinan ngagunakeun ultrasound frékuénsi low mun dipicuna éksitasi tumor resonant.sél.Seueur.Dina pita frékuénsi ieu, analisis RST ngungkabkeun formulir single-mode pikeun modus 1 nepi ka 6, disorot dina Gambar 3. Di dieu, duanana pp- jeung gelombang ps-paburencay nembongkeun formants sahiji tipe kahiji, lumangsung dina frékuénsi pisan low, nu naek ti kira-kira 20 kHz pikeun mode 1 mun ngeunaan 60 kHz pikeun n = 6, némbongkeun euweuh bédana signifikan dina radius lapisan.Pungsi résonansi ps lajeng decays, bari kombinasi amplitudo badag pp formant nyadiakeun periodicity ngeunaan 60 kHz, némbongkeun shift frékuénsi luhur kalawan ngaronjatna jumlah mode.Sadaya analisa dilakukeun nganggo parangkat lunak komputasi Mathematica®62.
Fungsi bentuk backscatter dicandak tina modul tumor payudara ukuran béda ditémbongkeun dina Gambar 1, dimana pita scattering pangluhurna disorot nyokot kana akun mode superposition.
Résonansi tina modeu dipilih tina \ (n = 1 \) ka \ (n = 6 \), diitung dumasar éksitasi sareng refleksi gelombang P dina ukuran tumor anu béda (kurva hideung tina \ (\ kénca | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left(\pi \right)} \right|\)) jeung P-gelombang éksitasi jeung S-wave cerminan (kurva abu dirumuskeun ku fungsi wangun modal \( \ kénca | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left| {f_{n} ^{ ps} \kenca ({\pi /4} \katuhu) - f_{n}^{ps(b)} \kenca ({\pi /4} \katuhu)} \katuhu |\)).
Hasil analisis awal ieu ngagunakeun kaayaan rambatan jauh-widang bisa pituduh seleksi drive-spésifik drive frékuénsi dina simulasi numeris handap pikeun diajar pangaruh stress microvibration on massa.Hasilna nunjukkeun yén kalibrasi frékuénsi optimal tiasa janten tahap-spésifik nalika kamekaran tumor sareng tiasa ditangtukeun nganggo hasil modél pertumbuhan pikeun netepkeun strategi biomekanik anu dianggo dina terapi panyakit pikeun ngaramalkeun remodeling jaringan anu leres.
Kamajuan anu signifikan dina nanotéhnologi nyababkeun komunitas ilmiah pikeun milarian solusi sareng metode énggal pikeun ngembangkeun alat médis miniatur sareng invasif minimal pikeun aplikasi in vivo.Dina kontéks ieu, téknologi LOF parantos nunjukkeun kamampuan anu luar biasa pikeun ngalegaan kamampuan serat optik, anu ngamungkinkeun para pangembangan alat serat optik invasif minimally anyar pikeun aplikasi élmu kahirupan21, 63, 64, 65. Gagasan ngahijikeun bahan 2D sareng 3D. mibanda sipat kimiawi, biologis, jeung optik nu dipikahoyong dina sisi 25 jeung / atawa tungtung 64 serat optik jeung kontrol spasial pinuh di nanoscale ngabalukarkeun mecenghulna kelas anyar serat optik nanooptodes.boga rupa-rupa fungsi diagnostik jeung terapi.Narikna, alatan sipat geometric jeung mékanis maranéhanana (bagian cross leutik, rasio aspék badag, kalenturan, beurat low) jeung biocompatibility bahan (biasana kaca atawa polimér), serat optik anu ogé cocog pikeun nyelapkeun kana jarum jeung catheters.Aplikasi médis20, paving jalan pikeun visi anyar "rumah sakit jarum" (tingali Gambar 4).
Kanyataanna, alatan darajat kabebasan afforded ku téhnologi LOF, ku ngamangpaatkeun integrasi mikro- sarta nanostructures dijieun tina sagala rupa logam jeung / atawa bahan diéléktrik, serat optik bisa leres functionalized pikeun aplikasi husus mindeng ngarojong éksitasi mode resonant., Widang lampu 21 diposisikan kuat.Ngawadahan cahaya dina skala subwavelength, mindeng digabungkeun jeung kimia jeung/atawa processing biologis63 jeung integrasi bahan sénsitip saperti polimér pinter65,66 bisa ningkatkeun kontrol ngaliwatan interaksi cahaya jeung zat, nu bisa mangpaat pikeun kaperluan theranostic.Pilihan jinis sareng ukuran komponén / bahan terpadu écés gumantung kana parameter fisik, biologis atanapi kimia anu bakal dideteksi21,63.
Integrasi panyilidikan LOF kana jarum médis anu diarahkeun ka situs khusus dina awak bakal ngaktifkeun biopsi cairan sareng jaringan lokal dina vivo, ngamungkinkeun perawatan lokal sakaligus, ngirangan efek samping sareng ningkatkeun efisiensi.Potensi kasempetan kaasup deteksi rupa-rupa biomolekul sirkulasi, kaasup kanker.biomarker atanapi microRNAs (miRNAs)67, idéntifikasi jaringan kanker nganggo spéktroskopi linier sareng non-linier sapertos spéktroskopi Raman (SERS)31, pencitraan fotoakustik resolusi luhur22,28,68, bedah laser sareng ablasi69, sareng obat pangiriman lokal nganggo cahaya27 sareng pituduh otomatis jarum kana awak manusa20.Perlu dicatet yén sanajan pamakéan serat optik ngahindarkeun kalemahan has metode "klasik" dumasar kana komponén éléktronik, sapertos kabutuhan sambungan listrik sareng ayana gangguan éléktromagnétik, ieu ngamungkinkeun rupa-rupa sensor LOF sacara efektif diintegrasikeun kana sistem.jarum médis tunggal.Perhatian khusus kedah dibayar pikeun ngirangan épék ngabahayakeun sapertos polusi, gangguan optik, halangan fisik anu nyababkeun épék crosstalk antara fungsi anu béda.Nanging, leres ogé yén seueur fungsi anu disebatkeun henteu kedah aktip dina waktos anu sami.Aspék ieu ngamungkinkeun sahenteuna ngirangan gangguan, ku kituna ngabatesan dampak negatif kana kinerja unggal usik sareng akurasi prosedur.Pertimbangan ieu ngamungkinkeun urang pikeun ningali konsép "jarum di rumah sakit" salaku visi saderhana pikeun nempatkeun pondasi padet pikeun jarum terapi generasi saterusna dina élmu kahirupan.
Ngeunaan aplikasi husus anu dibahas dina makalah ieu, dina bagian salajengna urang bakal nalungtik numerik kamampuh jarum médis pikeun ngarahkeun gelombang ultrasonik kana jaringan manusa ngagunakeun rambatan maranéhanana sapanjang sumbu na.
Rambatan gelombang ultrasonik ngaliwatan jarum médis anu dieusi cai sareng diselapkeun kana jaringan lemes (tingali diagram dina Gbr. 5a) dimodelkeun nganggo parangkat lunak Comsol Multiphysics komérsial dumasar kana metode unsur terhingga (FEM)70, dimana jarum sareng jaringan dimodelkeun. salaku lingkungan elastis linier.
Ngarujuk kana Gambar 5b, jarum dimodelkeun salaku silinder kerung (ogé katelah "cannula") dijieun tina stainless steel, bahan baku pikeun jarum médis71.Khususna, dimodelkeun ku modulus Young E = 205 GPa, rasio Poisson ν = 0,28, sareng dénsitas ρ = 7850 kg m −372,73.Sacara géometris, jarum dicirikeun ku panjang L, diaméter internal D (disebut oge "clearance") sareng ketebalan témbok t.Sajaba ti éta, ujung jarum dianggap condong dina hiji sudut α kalayan hormat ka arah longitudinal (z).Volume cai dasarna pakait jeung bentuk wewengkon jero jarum.Dina analisis awal ieu, jarum ieu dianggap sagemblengna immersed dina wewengkon jaringan (dianggap manjangkeun salamina), dimodelkeun salaku lapisan radius rs, nu tetep konstan dina 85 mm salila sakabéh simulasi.Dina leuwih jéntré, urang rengse wewengkon buleud kalayan lapisan sampurna cocog (PML), nu sahenteuna ngurangan gelombang nu teu dihoyongkeun reflected ti "imajinér" wates.Urang lajeng milih radius rs pikeun nempatkeun wates domain buleud cukup tebih ti jarum teu mangaruhan solusi komputasi, sarta cukup leutik teu mangaruhan biaya komputasi simulasi.
A shift longitudinal harmonik frékuénsi f jeung amplitudo A dilarapkeun ka wates handap géométri stylus;kaayaan ieu ngagambarkeun stimulus input dilarapkeun ka géométri simulated.Dina wates sésana jarum (dina kontak sareng jaringan sareng cai), modél anu ditampi dianggap kalebet hubungan antara dua fenomena fisik, salah sahijina aya hubunganana sareng mékanika struktural (pikeun daérah jarum), sareng nu séjén pikeun mékanika struktural.(pikeun wewengkon acicular), ku kituna kaayaan nu saluyu ditumpukeun dina akustik (pikeun cai jeung wewengkon acicular)74.Dina sababaraha hal, vibrations leutik dilarapkeun ka korsi jarum ngabalukarkeun gangguan tegangan leutik;sahingga, asumsina yén jarum behaves kawas sedeng elastis, véktor kapindahan U bisa diperkirakeun tina persamaan kasatimbangan elastodynamic (Navier)75.Osilasi struktural jarum ngabalukarkeun parobahan tekanan cai di jerona (dianggap stasioner dina modél urang), balukarna gelombang sora propagate dina arah longitudinal jarum, dasarna nurut kana persamaan Helmholtz76.Tungtungna, asumsina yén épék nonlinier dina jaringan bisa diabaikan sarta yén amplitudo gelombang geser jauh leuwih leutik batan amplitudo gelombang tekanan, persamaan Helmholtz ogé bisa dipaké pikeun model rambatan gelombang akustik dina jaringan lemes.Saatos perkiraan ieu, jaringan dianggap salaku cair77 kalayan kapadetan 1000 kg/m3 sareng laju sora 1540 m/s (teu malire épék damping gumantung kana frékuénsi).Pikeun nyambungkeun dua médan fisik ieu, perlu pikeun mastikeun kontinuitas gerak normal dina wates padet sareng cair, kasatimbangan statik antara tekanan sareng setrés jejeg wates padet, sareng setrés tangensial dina wates éta. cairanana kudu sarua jeung nol.75 .
Dina analisa kami, urang nalungtik rambatan gelombang akustik sapanjang jarum dina kaayaan stasioner, fokus kana pangaruh géométri jarum dina émisi gelombang jero jaringan.Khususna, urang nalungtik pangaruh diaméter jero jarum D, panjang L sareng sudut bevel α, ngajaga ketebalan t tetep dina 500 µm pikeun sadaya kasus anu ditalungtik.Nilai t ieu deukeut jeung ketebalan témbok baku has 71 pikeun jarum komérsial.
Tanpa kaleungitan umum, frékuénsi f tina pamindahan harmonik anu diterapkeun kana dasar jarum dicandak sami sareng 100 kHz, sareng amplitudo A nyaéta 1 μm.Khususna, frékuénsi disetel ka 100 kHz, anu konsisten sareng perkiraan analitik anu dipasihkeun dina bagian "Analisis paburencay massa tumor buleud pikeun ngira-ngira frékuénsi ultrasound anu gumantung kana kamekaran", dimana paripolah massa tumor sapertos résonansi kapanggih dina. rentang frékuénsi 50-400 kHz, jeung amplitudo paburencay pangbadagna konsentrasi dina frékuénsi handap sabudeureun 100-200 kHz (tingali Gbr. 2).
Parameter munggaran anu ditalungtik nyaéta diaméter internal D tina jarum.Pikeun genah, éta dihartikeun salaku fraksi integer tina panjang gelombang akustik dina rongga jarum (ie, dina cai λW = 1,5 mm).Mémang, fénoména rambatan gelombang dina alat anu dicirikeun ku géométri anu ditangtukeun (contona, dina pandu gelombang) sering gumantung kana ukuran karakteristik géométri anu dianggo dibandingkeun sareng panjang gelombang gelombang rambatan.Sajaba ti éta, dina analisis munggaran, guna hadé ngantebkeun pangaruh diaméter D dina rambatan gelombang akustik ngaliwatan jarum, urang dianggap tip datar, netepkeun sudut α = 90 °.Salila analisa ieu, panjang jarum L dibenerkeun dina 70 mm.
Dina Gbr.6a nembongkeun inténsitas sora rata-rata salaku fungsi tina SD parameter skala dimensionless, nyaéta D = λW/SD dievaluasi dina bal kalayan radius 10 mm dipuseurkeun kana ujung jarum pakait.Parameter skala SD robih tina 2 dugi ka 6, nyaéta urang nganggap nilai D tina 7,5 mm dugi ka 2,5 mm (dina f = 100 kHz).Kisaran ogé kalebet nilai standar 71 pikeun jarum médis stainless steel.Sapertos anu dipiharep, diaméter jero jarum mangaruhan inténsitas sora anu dipancarkeun ku jarum, kalayan nilai maksimal (1030 W/m2) saluyu sareng D = λW/3 (nyaéta D = 5 mm) sareng tren turun kalayan turunna. diameter.Perlu diperhatoskeun yén diaméter D mangrupikeun parameter géométri anu ogé mangaruhan invasi alat médis, janten aspék kritis ieu henteu tiasa dipaliré nalika milih nilai optimal.Ku alatan éta, sanajan panurunan dina D lumangsung alatan transmisi handap inténsitas akustik dina jaringan, pikeun studi di handap, diaméter D = λW/5, nyaéta D = 3 mm (cocog jeung standar 11G71 dina f = 100 kHz). , dianggap kompromi lumrah antara intrusiveness alat jeung transmisi inténsitas sora (rata-rata ngeunaan 450 W / m2).
Inténsitas rata-rata sora anu dipancarkeun ku ujung jarum (dianggap datar), gumantung kana diaméter jero jarum (a), panjang (b) sareng sudut bevel α (c).Panjangna dina (a, c) nyaéta 90 mm, sareng diaméterna dina (b, c) nyaéta 3 mm.
Parameter salajengna anu bakal dianalisis nyaéta panjang jarum L. Numutkeun studi kasus saméméhna, urang nganggap sudut serong α = 90 ° sarta panjangna diskalakeun salaku kali ganda tina panjang gelombang dina cai, nyaéta mertimbangkeun L = SL λW. .Parameter skala henteu diménsi SL dirobih tina 3 ku 7, ku kituna ngira-ngira inténsitas rata-rata sora anu dipancarkeun ku ujung jarum dina panjangna ti 4,5 dugi ka 10,5 mm.Kisaran ieu kalebet nilai khas pikeun jarum komérsial.Hasilna ditémbongkeun dina Gbr.6b, nunjukkeun yén panjang jarum, L, gaduh pangaruh anu ageung dina pangiriman inténsitas sora dina jaringan.Husus, optimasi parameter ieu ngamungkinkeun pikeun ngaronjatkeun transmisi ku ngeunaan hiji urutan gedena.Nyatana, dina rentang panjang anu dianalisis, inténsitas sora rata-rata nyandak maksimal lokal 3116 W/m2 dina SL = 4 (nyaéta, L = 60 mm), sareng anu sanésna cocog sareng SL = 6 (nyaéta, L = 90 mm).
Saatos analisa pangaruh diaméter sareng panjang jarum dina rambatan ultrasound dina géométri cylindrical, urang museurkeun kana pangaruh sudut bevel dina pangiriman inténsitas sora dina jaringan.Inténsitas rata-rata sora anu kaluar tina ujung serat dievaluasi salaku fungsi tina sudut α, ngarobah nilaina tina 10° (ujung seukeut) kana 90° (ujung datar).Dina hal ieu, radius bal integrasi sabudeureun ujung jarum dianggap 20 mm, ku kituna pikeun sakabéh nilai α, ujung jarum ieu kaasup kana volume diitung tina rata-rata.
Ditémbongkeun saperti dina Gbr.6c, nalika tip diasah, nyaéta, nalika α turun ti 90 °, inténsitas sora anu dikirimkeun ningkat, ngahontal nilai maksimal sakitar 1,5 × 105 W/m2, anu cocog sareng α = 50 °, ieie, 2 mangrupa urutan gedena leuwih luhur relatif ka kaayaan datar.Kalayan ngasah tip salajengna (nyaéta, dina α sahandapeun 50°), inténsitas sora condong turun, ngahontal nilai anu sabanding sareng tip anu datar.Nanging, sanaos urang nganggap rupa-rupa sudut bevel pikeun simulasi urang, éta kedah dipertimbangkeun yén ngasah tip diperyogikeun pikeun ngagampangkeun nyelapkeun jarum kana jaringan.Kanyataanna, sudut bevel leutik (kira 10 °) bisa ngurangan gaya 78 diperlukeun pikeun nembus jaringan.
Salian nilai inténsitas sora anu dikirimkeun dina jaringan, sudut bevel ogé mangaruhan arah rambatan gelombang, sapertos anu dipidangkeun dina grafik tingkat tekanan sora anu dipidangkeun dina Gbr. 7a (pikeun ujung datar) sareng 3b (pikeun 10°). ).tip beveled), paralel Arah longitudinal dievaluasi dina pesawat simétri (yz, cf. Gbr. 5).Dina ekstrim tina dua pertimbangan ieu, tingkat tekanan sora (disebut salaku 1 µPa) utamana kentel dina rohangan jarum (ie dina cai) jeung radiated kana jaringan.Dina leuwih jéntré, dina kasus tip datar (Gbr. 7a), sebaran tingkat tekanan sora sampurna simetris kalayan hormat ka arah longitudinal, sarta gelombang nangtung bisa dibédakeun dina cai ngeusian awak.Gelombang berorientasi longitudinal (sumbu-z), amplitudo ngahontal nilai maksimum dina cai (sakitar 240 dB) sareng turun transversely, anu nyababkeun atenuasi sakitar 20 dB dina jarak 10 mm ti pusat jarum.Saperti nu diharapkeun, bubuka tip nunjuk (Gbr. 7b) megatkeun simétri ieu, sarta antinodes gelombang nangtung "deflect" nurutkeun ujung jarum.Tétéla, asimétri ieu mangaruhan inténsitas radiasi ujung jarum, sakumaha ditétélakeun saméméhna (Gbr. 6c).Pikeun langkung ngartos aspék ieu, inténsitas akustik dievaluasi sapanjang garis cut ortogonal ka arah longitudinal jarum, anu aya dina bidang simetri jarum sareng ayana dina jarak 10 mm ti ujung jarum ( hasilna dina Gambar 7c).Leuwih husus, sebaran inténsitas sora ditaksir dina 10 °, 20 ° jeung 30 ° sudut serong (biru, beureum jeung héjo garis solid, mungguh) dibandingkeun jeung sebaran deukeut tungtung datar (kurva titik hideung).Sebaran inténsitas pakait sareng jarum datar-tipped sigana simetris ngeunaan puseur jarum.Khususna, butuh nilai kira-kira 1420 W/m2 di tengah, ngabahekeun kira-kira 300 W/m2 dina jarak ~8 mm, teras turun ka nilai kira-kira 170 W/m2 dina ~30 mm. .Salaku ujung jadi nunjuk, lobus sentral ngabagi kana leuwih lobus of varying inténsitas.Leuwih husus, nalika α éta 30 °, tilu petals bisa jelas dibédakeun dina profil diukur dina 1 mm ti ujung jarum.Anu tengah ampir aya di tengah jarum sareng gaduh perkiraan nilai 1850 W / m2, sareng anu langkung luhur di katuhu sakitar 19 mm ti pusat sareng ngahontal 2625 W / m2.Dina α = 20°, aya 2 lobus utama: hiji per −12 mm dina 1785 W/m2 jeung hiji per 14 mm dina 1524 W/m2.Nalika tip janten langkung seukeut sareng sudutna ngahontal 10 °, maksimal 817 W / m2 ngahontal sakitar -20 mm, sareng tilu lobus langkung inténsitas anu langkung handap katingali sapanjang profil.
Tingkat tekanan sora dina bidang simetri y–z tina jarum anu tungtung datar (a) sareng bevel 10° (b).(c) Distribusi inténsitas akustik diperkirakeun sapanjang garis cut jejeg arah longitudinal jarum, dina jarak 10 mm ti ujung jarum jeung bohong dina pesawat simetri yz.Panjang L nyaéta 70 mm sareng diaméter D nyaéta 3 mm.
Dihijikeun, hasil ieu nunjukkeun yén jarum médis tiasa dianggo sacara efektif pikeun ngirimkeun ultrasound dina 100 kHz kana jaringan lemes.Inténsitas sora anu dipancarkeun gumantung kana géométri jarum sareng tiasa dioptimalkeun (tunduk kana watesan anu dikuatkeun ku invasiveness tina alat tungtung) dugi ka nilai dina kisaran 1000 W / m2 (dina 10 mm).dilarapkeun ka handap jarum 1. Dina kasus hiji micrometer offset, jarum dianggap pinuh diselapkeun kana jaringan lemes infinitely ngalegaan.Khususna, sudut bevel kuat mangaruhan inténsitas sareng arah rambatan gelombang sora dina jaringan, anu utamina nuju kana orthogonality tina potongan ujung jarum.
Pikeun ngarojong ngembangkeun strategi perlakuan tumor anyar dumasar kana pamakéan téknik médis non-invasif, rambatan ultrasound frékuénsi low di lingkungan tumor dianalisis analytically tur komputasi.Khususna, dina bagian mimiti pangajaran, leyuran elastodynamic samentara ngamungkinkeun urang pikeun neuleuman scattering gelombang ultrasonic dina spheroids tumor padet ukuran dipikawanoh tur stiffness guna diajar sensitipitas frékuénsi massa.Lajeng, frékuénsi urutan ratusan kilohertz dipilih, sarta aplikasi lokal setrés geter dina lingkungan tumor ngagunakeun jarum médis drive ieu dimodelkeun dina simulasi numeris ku diajar pangaruh parameter desain utama nu nangtukeun mindahkeun tina akustik. kakuatan alat pikeun lingkungan.Hasilna nunjukeun yen jarum médis bisa éféktif dipaké pikeun irradiate jaringan kalawan ultrasound, sarta inténsitas na raket patalina jeung parameter geometrical jarum, disebut panjang gelombang akustik digawé.Kanyataanna, inténsitas irradiation ngaliwatan jaringan naek kalawan ngaronjatna diaméter internal jarum, ngahontal maksimum lamun diaméterna tilu kali panjang gelombang.Panjang jarum ogé nyayogikeun sababaraha tingkat kabébasan pikeun ngaoptimalkeun paparan.Hasil anu terakhir leres-leres maksimal nalika panjang jarum disetel ka sababaraha panjang gelombang operasi (husus 4 sareng 6).Narikna, pikeun rentang frékuénsi dipikaresep, diaméterna dioptimalkeun sarta nilai panjangna deukeut jeung nu ilahar dipaké pikeun jarum komérsial baku.Sudut bevel, nu nangtukeun seukeutna gambar tina jarum, ogé mangaruhan emissivity nu, mun puncak dina ngeunaan 50 ° jeung nyadiakeun kinerja alus ngeunaan 10 °, nu ilahar dipaké pikeun jarum komérsial..Hasil simulasi bakal dianggo pikeun panduan palaksanaan sareng optimasi platform diagnostik intraneedle rumah sakit, ngahijikeun ultrasound diagnostik sareng terapi sareng solusi terapi dina alat anu sanés sareng ngawujudkeun campur tangan ubar precision kolaborasi.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. sarta Kopp MV Naon ubar precision?Eur, asing.Jurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS na Varmus, H. inisiatif anyar dina ubar precision.N. eng.J. Kedokteran.372, 793-795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK jeung Wang, MD.Informatika Imaging Biomédis dina Era Kedokteran Precision: Prestasi, Tantangan, sareng Kasempetan.Jam.landong.ngawartosan.Asistén profésor.20 (6), 1010-1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision onkologi: ulasan.J. Klinis.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., sarta Salem, A. pamutahiran dina terapi glioblastoma (GBM) ngagunakeun sistem pangiriman basis nanopartikel.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G sarta von Daimling A. Glioblastoma: Patologi, mékanisme molekular jeung spidol.Acta Neuropathology.129 (6), 829-848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM sareng Berger, MS Strategi ayeuna sareng masa depan pikeun pengobatan glioma.bedah saraf.Ed.40, 1–14 (2017).