Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Thanh trượt hiển thị ba bài viết trên mỗi slide.Sử dụng các nút quay lại và tiếp theo để di chuyển qua các trang chiếu hoặc các nút điều khiển trang chiếu ở cuối để di chuyển qua từng trang chiếu.
Gần đây người ta đã chứng minh rằng việc sử dụng siêu âm có thể cải thiện năng suất mô trong sinh thiết chọc hút bằng kim nhỏ có tăng cường siêu âm (USEFNAB) so với sinh thiết chọc hút bằng kim nhỏ thông thường (FNAB).Mối quan hệ giữa hình học góc xiên và hoạt động của đầu kim vẫn chưa được nghiên cứu.Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu các tính chất của cộng hưởng kim và biên độ lệch đối với các dạng hình học vát kim khác nhau với độ dài vát khác nhau.Sử dụng một mũi trích thông thường có đường cắt 3,9 mm, hệ số công suất lệch đầu (DPR) lần lượt là 220 và 105 µm/W trong không khí và nước.Con số này cao hơn đầu vát 4mm đối xứng trục, đạt được DPR lần lượt là 180 và 80 µm/W trong không khí và nước.Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của mối quan hệ giữa độ cứng uốn của hình học góc xiên trong bối cảnh các dụng cụ hỗ trợ chèn khác nhau và do đó có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp kiểm soát hành động cắt sau khi đâm thủng bằng cách thay đổi hình học góc xiên kim, điều này rất quan trọng đối với USeFNAB.Vấn đề ứng dụng.
Sinh thiết chọc hút bằng kim nhỏ (FNAB) là một kỹ thuật trong đó sử dụng kim để lấy mẫu mô khi nghi ngờ có bất thường1,2,3.Đầu tip kiểu Franseen đã được chứng minh là mang lại hiệu suất chẩn đoán cao hơn đầu tip Lancet4 và Menghini5 truyền thống.Các góc xiên đối xứng trục (tức là chu vi) cũng đã được đề xuất để tăng khả năng có được một mẫu thích hợp cho mô bệnh học6.
Trong quá trình sinh thiết, một cây kim được đưa qua các lớp da và mô để phát hiện bệnh lý đáng ngờ.Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng kích hoạt siêu âm có thể làm giảm lực đâm cần thiết để tiếp cận các mô mềm7,8,9,10.Hình dạng vát kim đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến lực tương tác của kim, ví dụ, các góc vát dài hơn đã được chứng minh là có lực xuyên qua mô thấp hơn11 .Có ý kiến ​​​​cho rằng sau khi kim xuyên qua bề mặt mô, tức là sau khi đâm thủng, lực cắt của kim có thể bằng 75% tổng lực tương tác giữa kim và mô12.Siêu âm (Mỹ) đã được chứng minh là cải thiện chất lượng chẩn đoán sinh thiết mô mềm ở giai đoạn sau chọc thủng13.Các phương pháp khác để cải thiện chất lượng sinh thiết xương đã được phát triển để lấy mẫu mô cứng14,15 nhưng không có kết quả nào được báo cáo là cải thiện chất lượng sinh thiết.Một số nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng sự dịch chuyển cơ học tăng lên khi điện áp ổ siêu âm tăng16,17,18.Mặc dù có nhiều nghiên cứu về lực tĩnh dọc trục (dọc) trong tương tác mô-kim19,20, các nghiên cứu về động lực học thời gian và hình học vát kim trong FNAB tăng cường siêu âm (USEFNAB) còn hạn chế.
Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng hình học vát khác nhau lên hoạt động của đầu kim do uốn kim ở tần số siêu âm.Đặc biệt, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tiêm đến độ lệch của đầu kim sau khi đâm thủng đối với các góc vát kim thông thường (ví dụ: lưỡi trích), hình học vát đơn đối xứng trục và không đối xứng (Hình. để tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của kim USeFNAB cho các mục đích khác nhau như hút chọn lọc truy cập hoặc nhân mô mềm.
Nhiều hình học vát khác nhau đã được đưa vào nghiên cứu này.(a) Các vết trích phù hợp với ISO 7864:201636 trong đó \(\alpha\) là góc xiên chính, \(\theta\) là góc quay góc xiên thứ cấp, và \(\phi\) là góc quay góc xiên thứ cấp trong độ , tính bằng độ (\(^\circ\)).(b) bộ vát một bước tuyến tính không đối xứng (được gọi là “tiêu chuẩn” trong DIN 13097:201937) và (c) bộ vát một bước tuyến tính đối xứng trục (chu vi).
Cách tiếp cận của chúng tôi trước tiên là mô hình hóa sự thay đổi bước sóng uốn dọc theo độ dốc đối với hình học độ dốc một tầng thông thường, đối xứng trục và không đối xứng.Sau đó, chúng tôi đã tính toán một nghiên cứu tham số để kiểm tra ảnh hưởng của góc xiên và chiều dài ống đến khả năng di chuyển của cơ chế vận chuyển.Điều này được thực hiện để xác định độ dài tối ưu để chế tạo một chiếc kim nguyên mẫu.Dựa trên mô phỏng, các nguyên mẫu kim đã được chế tạo và đặc tính cộng hưởng của chúng trong không khí, nước và gelatin đạn đạo 10% (w/v) được mô tả bằng thực nghiệm bằng cách đo hệ số phản xạ điện áp và tính hiệu suất truyền năng lượng, từ đó xác định tần số hoạt động. xác định..Cuối cùng, hình ảnh tốc độ cao được sử dụng để đo trực tiếp độ lệch của sóng uốn ở đầu kim trong không khí và nước, đồng thời để ước tính công suất điện được truyền qua mỗi lần nghiêng và hình dạng hệ số công suất lệch (DPR) của vật liệu được bơm vào. trung bình.
Như thể hiện trong Hình 2a, sử dụng ống số 21 (đường kính ngoài 0,80 mm, đường kính trong 0,49 mm, độ dày thành ống 0,155 mm, thành tiêu chuẩn theo quy định tại ISO 9626:201621) làm bằng thép không gỉ 316 (mô đun Young's 205).\(\text {GN/m}^{2}\), mật độ 8070 kg/m\(^{3}\), tỷ lệ Poisson 0,275).
Xác định bước sóng uốn và điều chỉnh mô hình phần tử hữu hạn (FEM) của kim và các điều kiện biên.(a) Xác định chiều dài góc xiên (BL) và chiều dài ống (TL).(b) Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều (3D) (FEM) sử dụng lực điểm hài \(\tilde{F y\vec{j}\) để kích thích kim ở đầu gần, làm lệch điểm và đo vận tốc mỗi mẹo (\( \tilde{u y\vec {j}\), \(\tilde{v y\vec {j}\)) để tính toán khả năng di chuyển cơ học của vận chuyển.\(\lambda _y\) được định nghĩa là bước sóng uốn liên quan đến lực dọc \(\tilde{F y\vec {j}\).(c) Xác định trọng tâm, diện tích mặt cắt ngang A, mômen quán tính \(I_{xx}\) và \(I_{yy}\) lần lượt quanh trục x và trục y.
Như thể hiện trong hình.2b,c, đối với chùm tia vô hạn (vô hạn) có tiết diện A và ở bước sóng lớn so với kích thước tiết diện của chùm tia, vận tốc pha uốn (hoặc uốn) \(c_{EI}\ ) được định nghĩa là 22:
trong đó E là mô đun Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) là tần số góc kích thích (rad/s), trong đó \( f_0 \ ) là tần số tuyến tính (1/s hoặc Hz), I là mômen quán tính của diện tích xung quanh trục quan tâm \((\text {m}^{4})\) và \(m'=\ rho _0 A \) là khối lượng trên đơn vị chiều dài (kg/m), trong đó \(\rho _0\) là mật độ \((\text {kg/m}^{3})\) và A là chữ thập -diện tích tiết diện dầm (mặt phẳng xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Vì trong trường hợp của chúng ta, lực tác dụng song song với trục y thẳng đứng, tức là \(\tilde{F y\vec {j}\), nên chúng ta chỉ quan tâm đến mômen quán tính của diện tích xung quanh x- nằm ngang trục, tức là \(I_{xx} \), Đó là lý do:
Đối với mô hình phần tử hữu hạn (FEM), giả sử độ dịch chuyển hài hòa thuần túy (m), do đó gia tốc (\(\text {m/s}^{2}\)) được biểu thị dưới dạng \(\partial ^2 \vec { u}/ \ một phần t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), ví dụ \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) là vectơ dịch chuyển ba chiều được xác định trong tọa độ không gian.Việc thay thế dạng sau bằng dạng Lagrange biến dạng hữu hạn của định luật cân bằng động lượng23, theo cách triển khai của nó trong gói phần mềm COMSOL Multiphysical (phiên bản 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), mang lại:
Trong đó \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) là toán tử phân kỳ tensor và \({\underline{\sigma}}\) là tensor ứng suất Piola-Kirchhoff thứ hai (bậc thứ hai, \(\ text { N /m}^{2}\)) và \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) là vectơ của lực cơ thể (\(\text {N/m}^{3}\)) của mỗi thể tích biến dạng, và \(e^{j\phi }\) là pha của lực của cơ thể, có góc pha \(\ phi\) (rad).Trong trường hợp của chúng ta, lực thể tích của vật bằng 0 và mô hình của chúng ta giả định tuyến tính hình học và các biến dạng đàn hồi thuần túy nhỏ, tức là \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), trong đó \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) và \({\underline{ \varepsilon}}\) – biến dạng đàn hồi và biến dạng toàn phần (không thứ nguyên bậc hai), tương ứng.Tenxơ đàn hồi đẳng hướng cấu thành của Hooke \(\underline {\underline {C))\) thu được bằng cách sử dụng mô đun Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) và tỷ lệ Poisson v được xác định, do đó \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (bậc thứ tư).Vì vậy, phép tính ứng suất trở thành \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Các tính toán được thực hiện với các phần tử tứ diện 10 nút có kích thước phần tử \(\le\) 8 µm.Kim được mô hình hóa trong chân không và giá trị truyền độ di động cơ học (ms-1 H-1) được xác định là \(|\tilde{Y} _{v_yF_y}|= |\tilde{v}y\vec { j} |/|\ dấu ngã{F y\vec {j}|\)24, trong đó \(\tilde{v y\vec {j}\) là vận tốc phức tạp đầu ra của tay khoan và \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) là một động lực phức tạp nằm ở đầu gần của ống, như trong Hình 2b.Độ linh động cơ học truyền dẫn được biểu thị bằng decibel (dB) bằng cách sử dụng giá trị tối đa làm tham chiếu, tức là \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y>Thiết kế của kim (Hình 3) bao gồm một kim tiêm dưới da cỡ 21 thông thường (số danh mục: 4665643, Sterican\(^\circledR\), có đường kính ngoài 0,8 mm, dài 120 mm, được làm bằng AISI thép không gỉ crom-niken 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Đức) đã đặt một ống bọc Luer Lock bằng nhựa làm bằng polypropylen với đầu sửa đổi tương ứng.Ống kim được hàn vào ống dẫn sóng như trong Hình 3b.Ống dẫn sóng được in trên máy in 3D bằng thép không gỉ (Thép không gỉ EOS 316L trên máy in 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Phần Lan) và sau đó được gắn vào cảm biến Langevin bằng bu lông M4.Bộ chuyển đổi Langevin bao gồm 8 phần tử vòng áp điện với hai vật nặng ở mỗi đầu.
Bốn loại đầu (trong hình), một mũi nhọn có bán trên thị trường (L) và ba góc xiên một tầng đối xứng trục được sản xuất (AX1–3) được đặc trưng bởi chiều dài góc xiên (BL) lần lượt là 4, 1,2 và 0,5 mm.(a) Cận cảnh đầu kim đã hoàn thiện.(b) Mặt trên của bốn chân được hàn vào ống dẫn sóng in 3D và sau đó được kết nối với cảm biến Langevin bằng bu lông M4.
Ba đầu vát đối xứng trục (Hình 3) (TAs Machine Tools Oy) được sản xuất với chiều dài vát (BL, được xác định trong Hình 2a) là 4,0, 1,2 và 0,5 mm, tương ứng với \(\approx\) 2\ (^\ Circ\), 7\(^\circ\) và 18\(^\circ\).Trọng lượng của ống dẫn sóng và bút cảm ứng lần lượt là 3,4 ± 0,017 g (trung bình ± SD, n = 4) đối với góc xiên L và AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Đức) .Tổng chiều dài từ đầu kim đến cuối ống nhựa lần lượt là 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm cho góc xiên L và AX1-3 trong Hình 3b.
Đối với tất cả các cấu hình kim, chiều dài từ đầu kim đến đầu ống dẫn sóng (tức là vùng hàn) là 4,3 cm và ống kim được định hướng sao cho góc xiên hướng lên trên (tức là song song với trục Y). ).), như trong (Hình 2).
Một tập lệnh tùy chỉnh trong MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) chạy trên máy tính (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) đã được sử dụng để tạo ra quét hình sin tuyến tính từ 25 đến 35 kHz trong 7 giây, được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự bằng bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Tín hiệu tương tự \(V_0\) (0,5 Vp-p) sau đó được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) chuyên dụng (Mariachi Oy, Turku, Phần Lan).Điện áp khuếch đại giảm \({V_I}\) là đầu ra từ bộ khuếch đại RF có trở kháng đầu ra là 50 \(\Omega\) tới máy biến áp được tích hợp trong cấu trúc kim có trở kháng đầu vào là 50 \(\Omega)\) Đầu dò Langevin (đầu dò áp điện đa lớp phía trước và phía sau, được nạp khối lượng) được sử dụng để tạo ra sóng cơ học.Bộ khuếch đại RF tùy chỉnh được trang bị máy đo hệ số công suất sóng đứng (SWR) kênh đôi có thể phát hiện sự cố \({V_I}\) và điện áp khuếch đại phản xạ \(V_R\) thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (AD) 300 kHz ) (Khám phá tương tự 2).Tín hiệu kích thích được điều chế biên độ ở đầu và cuối để tránh làm quá tải đầu vào bộ khuếch đại do quá độ.
Sử dụng tập lệnh tùy chỉnh được triển khai trong MATLAB, hàm đáp ứng tần số (AFC), tức là giả sử một hệ thống cố định tuyến tính.Ngoài ra, hãy áp dụng bộ lọc thông dải 20 đến 40 kHz để loại bỏ mọi tần số không mong muốn khỏi tín hiệu.Theo lý thuyết đường truyền, \(\tilde{H}(f)\) trong trường hợp này tương đương với hệ số phản xạ điện áp, tức là \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Vì trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại \(Z_0\) tương ứng với trở kháng đầu vào của biến áp tích hợp của bộ chuyển đổi và hệ số phản xạ công suất điện \({P_R}/{P_I}\) giảm xuống \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) bằng \ (|\rho _{V}|^2\).Trong trường hợp cần có giá trị tuyệt đối của công suất điện, hãy tính công suất tới \(P_I\) và phản xạ\(P_R\) (W) bằng cách lấy giá trị bình phương trung bình gốc (rms) của điện áp tương ứng, ví dụ: đối với đường truyền có kích thích hình sin, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, trong đó \(Z_0\) bằng 50 \(\Omega\).Công suất điện được cung cấp cho tải \(P_T\) (tức là môi trường được chèn) có thể được tính bằng \(|P_I – P_R |\) (W RMS) và hiệu suất truyền tải điện (PTE) có thể được xác định và biểu thị dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%) do đó cho 27:
Sau đó, đáp ứng tần số được sử dụng để ước tính tần số phương thức \(f_{1-3}\) (kHz) của thiết kế bút cảm ứng và hiệu suất truyền tải điện tương ứng, \(\text {PTE__{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM__{1{-}3}\), Hz) được ước tính trực tiếp từ \(\text {PTE__{1{-}3}\), từ Bảng 1 tần số \(f_{1-3}\) được mô tả trong .
Phương pháp đo đáp ứng tần số (AFC) của cấu trúc hình kim.Phép đo hình sin kênh đôi25,38 được sử dụng để thu được hàm đáp ứng tần số \(\tilde{H}(f)\) và đáp ứng xung H(t) của nó.\({\mathcal {F}}\) và \({\mathcal {F}}^{-1}\) lần lượt biểu thị phép biến đổi Fourier rút gọn bằng số và phép biến đổi nghịch đảo.\(\tilde{G}(f)\) có nghĩa là hai tín hiệu được nhân lên trong miền tần số, ví dụ \(\tilde{G} _{XrX}\) có nghĩa là quét nghịch đảo\(\tilde{X} r( f )\) và tín hiệu sụt áp \(\tilde{X}(f)\).
Như thể hiện trong hình.5, máy ảnh tốc độ cao (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) được trang bị ống kính macro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokyo, Nhật Bản) được sử dụng để ghi lại độ lệch của đầu kim chịu sự kích thích uốn (tần số đơn, hình sin liên tục) ở tần số 27,5–30 kHz.Để tạo bản đồ bóng, một phần tử được làm mát bằng đèn LED trắng cường độ cao (số bộ phận: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Đức) được đặt phía sau góc xiên của kim.
Mặt trước của thiết lập thử nghiệm.Độ sâu được đo từ bề mặt phương tiện truyền thông.Cấu trúc kim được kẹp và gắn trên bàn chuyển động có động cơ.Sử dụng camera tốc độ cao có thấu kính có độ phóng đại cao (5\(\times\)) để đo độ lệch của đầu vát.Mọi thư được đo băng Mi-li-met.
Đối với mỗi loại vát kim, chúng tôi đã ghi lại 300 khung hình camera tốc độ cao 128 \(\x\) 128 pixel, mỗi khung hình có độ phân giải không gian là 1/180 mm (\(\khoảng) 5 µm), với độ phân giải tạm thời 310.000 khung hình mỗi giây.Như trong Hình 6, mỗi khung hình (1) được cắt (2) sao cho phần đầu nằm ở dòng cuối cùng (dưới cùng) của khung, sau đó biểu đồ của hình ảnh (3) được tính toán, do đó Canny ngưỡng 1 và 2 có thể được xác định.Sau đó, áp dụng tính năng phát hiện cạnh Canny28(4) bằng cách sử dụng toán tử Sobel 3 \(\times\) 3 và tính toán vị trí pixel của cạnh huyền không tạo bọt (được gắn nhãn \(\mathbf {\times }\)) cho tất cả các bước 300 lần .Để xác định khoảng biến dạng ở điểm cuối, đạo hàm được tính toán (sử dụng thuật toán sai phân trung tâm) (6) và hệ quy chiếu chứa cực trị cục bộ (tức là đỉnh) của độ võng (7) được xác định.Sau khi kiểm tra trực quan cạnh không tạo bọt, một cặp khung (hoặc hai khung cách nhau nửa khoảng thời gian) (7) đã được chọn và đo độ lệch của đầu (được gắn nhãn \(\mathbf {\times} \ ) Điều trên đã được thực hiện bằng Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) sử dụng thuật toán phát hiện cạnh OpenCV Canny (v4.5.1, thư viện thị giác máy tính mã nguồn mở, opencv.org). .
Độ lệch đầu được đo bằng cách sử dụng một loạt khung hình được chụp từ camera tốc độ cao ở tần số 310 kHz bằng thuật toán 7 bước (1-7) bao gồm tạo khung hình (1-2), phát hiện cạnh Canny (3-4), cạnh vị trí pixel phép tính (5) và đạo hàm theo thời gian của chúng (6), và cuối cùng là độ lệch đầu đỉnh đến đỉnh được đo trên các cặp khung được kiểm tra bằng mắt (7).
Các phép đo được thực hiện trong không khí (22,4-22,9°C), nước khử ion (20,8-21,5°C) và gelatin đạn đạo 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatin xương bò và thịt lợn dùng cho phân tích đạn đạo loại I, Honeywell International, North Carolina, USA).Nhiệt độ được đo bằng bộ khuếch đại cặp nhiệt điện loại K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) và cặp nhiệt điện loại K (Đầu dò hạt Fluke 80PK-1 số 3648 loại-K, Fluke Corporation, Washington, Hoa Kỳ).Từ độ sâu trung bình được đo từ bề mặt (được đặt làm gốc của trục z) bằng cách sử dụng bệ trục z có động cơ thẳng đứng (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania) với độ phân giải 5 µm.mỗi bước.
Do kích thước mẫu nhỏ (n = 5) và không thể giả định tính quy tắc, nên thử nghiệm tổng xếp hạng Wilcoxon hai đuôi hai mẫu (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) đã được sử dụng để so sánh mức độ chênh lệch đầu kim cho các góc xiên khác nhau.Có 3 so sánh trên mỗi độ dốc, do đó, hiệu chỉnh Bonferroni được áp dụng với mức ý nghĩa được điều chỉnh là 0,017 và tỷ lệ lỗi là 5%.
Bây giờ chúng ta chuyển sang Hình 7.Ở tần số 29,75 kHz, nửa sóng uốn (\(\lambda_y/2\)) của kim 21 thước là \(\xấp xỉ) 8 mm.Khi đến gần đỉnh, bước sóng uốn cong giảm dọc theo góc xiên.Ở đầu \(\lambda _y/2\) \(\khoảng\) có các bước 3, 1 và 7 mm đối với độ nghiêng lanceolate (a), không đối xứng (b) và đối xứng trục (c) thông thường của một kim , tương ứng.Như vậy, điều này có nghĩa là phạm vi của mũi trích là \(\xấp xỉ) 5 mm (do hai mặt phẳng của mũi trích tạo thành một điểm29,30), góc xiên không đối xứng là 7 mm, góc xiên không đối xứng là 1 mm.Độ dốc đối xứng trục (trọng tâm không đổi, do đó chỉ có độ dày thành ống thực sự thay đổi dọc theo độ dốc).
Nghiên cứu FEM và ứng dụng các phương trình ở tần số 29,75 kHz.(1) Khi tính toán sự biến đổi của nửa sóng uốn (\(\lambda_y/2\)) cho hình học vát lancet (a), không đối xứng (b) và đối xứng trục (c) (như trong Hình 1a, b, c ) .Giá trị trung bình \(\lambda_y/2\) của góc xiên hình trích, không đối xứng và đối xứng trục lần lượt là 5,65, 5,17 và 7,52 mm.Lưu ý rằng độ dày đầu đối với các góc xiên không đối xứng và đối xứng trục được giới hạn ở \(\khoảng) 50 µm.
Độ linh động cực đại \(|\tilde{Y} _{v_yF_y}|\) là sự kết hợp tối ưu giữa chiều dài ống (TL) và chiều dài góc xiên (BL) (Hình 8, 9).Đối với một mũi trích thông thường, vì kích thước của nó là cố định nên TL tối ưu là \(\xấp xỉ) 29,1 mm (Hình 8).Đối với các góc xiên không đối xứng và đối xứng trục (Hình 9a, b, tương ứng), các nghiên cứu FEM bao gồm BL từ 1 đến 7 mm, do đó TL tối ưu là từ 26,9 đến 28,7 mm (phạm vi 1,8 mm) và từ 27,9 đến 29,2 mm (phạm vi tương ứng là 1,3 mm.Đối với độ dốc không đối xứng (Hình 9a), TL tối ưu tăng tuyến tính, đạt mức ổn định ở BL 4 mm, sau đó giảm mạnh từ BL 5 xuống 7 mm.Đối với góc xiên đối xứng trục (Hình 9b), TL tối ưu tăng tuyến tính khi tăng BL và cuối cùng ổn định ở BL từ 6 đến 7 mm.Một nghiên cứu mở rộng về độ nghiêng đối xứng trục (Hình 9c) đã tiết lộ một tập hợp TL tối ưu khác ở mức \(\khoảng) 35,1–37,1 mm.Đối với tất cả các BL, khoảng cách giữa hai TL tốt nhất là \(\approx\) 8mm (tương đương với \(\lambda_y/2\)).
Khả năng di chuyển của đường truyền Lancet ở tần số 29,75 kHz.Kim được kích thích linh hoạt ở tần số 29,75 kHz và độ rung được đo ở đầu kim và được biểu thị bằng mức độ di chuyển cơ học truyền qua (dB so với giá trị tối đa) cho TL 26,5-29,5 mm (với bước tăng 0,1 mm) .
Các nghiên cứu tham số của FEM ở tần số 29,75 kHz cho thấy độ linh động truyền của đầu đối xứng trục ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi độ dài của ống so với đối tác không đối xứng của nó.Nghiên cứu chiều dài góc xiên (BL) và chiều dài ống (TL) về hình học góc xiên bất đối xứng (a) và trục đối xứng (b, c) trong nghiên cứu miền tần số sử dụng FEM (các điều kiện biên được hiển thị trong Hình 2).(a, b) TL dao động trong khoảng từ 26,5 đến 29,5 mm (bước 0,1 mm) và BL 1–7 mm (bước 0,5 mm).(c) Các nghiên cứu độ nghiêng đối xứng trục mở rộng bao gồm TL 25–40 mm (với bước tăng 0,05 mm) và BL 0,1–7 mm (với bước tăng 0,1 mm) cho thấy rằng \(\lambda_y/2\ ) phải đáp ứng các yêu cầu của đầu.điều kiện biên chuyển động.
Cấu hình kim có ba tần số riêng \(f_{1-3}\) được chia thành các vùng chế độ thấp, trung bình và cao như trong Bảng 1. Kích thước PTE được ghi lại như trong hình.10 và sau đó được phân tích trong Hình 11. Dưới đây là những phát hiện cho từng khu vực phương thức:
Biên độ hiệu suất truyền công suất tức thời (PTE) điển hình được ghi lại thu được bằng kích thích hình sin tần số quét cho mũi trích (L) và góc xiên đối xứng trục AX1-3 trong không khí, nước và gelatin ở độ sâu 20 mm.Quang phổ một phía được hiển thị.Đáp ứng tần số đo được (lấy mẫu ở tần số 300 kHz) được lọc thông thấp và sau đó được thu nhỏ lại theo hệ số 200 để phân tích phương thức.Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm là \(\le\) 45 dB.Các pha PTE (các đường chấm màu tím) được hiển thị theo độ (\(^{\circ}\)).
Phân tích phản ứng phương thức (trung bình ± độ lệch chuẩn, n = 5) được hiển thị trong Hình 10, đối với độ dốc L và AX1-3, trong không khí, nước và 10% gelatin (độ sâu 20 mm), với (trên cùng) ba vùng phương thức ( thấp, trung bình và cao) và tần số phương thức tương ứng của chúng\(f_{1-3 }\) (kHz), (trung bình) hiệu suất năng lượng \(\text {PTE__{1{-}3}\) Được tính bằng cách sử dụng giá trị tương đương .(4) và (dưới cùng) toàn bộ chiều rộng ở các phép đo tối đa một nửa \(\text {FWHM__{1{-}3}\) (Hz), tương ứng.Lưu ý rằng phép đo băng thông đã bị bỏ qua khi đăng ký PTE thấp, tức là \(\text {FWHM__{1}\) trong trường hợp độ dốc AX2.Chế độ \(f_2\) được cho là phù hợp nhất để so sánh độ lệch của sườn dốc, vì nó cho thấy mức hiệu suất truyền điện cao nhất (\(\text {PTE__{2}\)), lên tới 99%.
Vùng phương thức đầu tiên: \(f_1\) không phụ thuộc nhiều vào loại phương tiện được chèn mà phụ thuộc vào hình dạng của độ dốc.\(f_1\) giảm khi độ dài góc xiên giảm (lần lượt là 27,1, 26,2 và 25,9 kHz trong không khí đối với AX1-3).Mức trung bình trong khu vực \(\text {PTE__{1}\) và \(\text {FWHM__{1}\) lần lượt là \(\approx\) 81% và 230 Hz.\(\text {FWHM__{1}\) có hàm lượng gelatin cao nhất ở Lancet (L, 473 Hz).Lưu ý rằng \(\text {FWHM__{1}\) AX2 trong gelatin không thể đánh giá được do biên độ FRF được ghi lại thấp.
Vùng phương thức thứ hai: \(f_2\) phụ thuộc vào loại phương tiện được chèn và góc xiên.Giá trị trung bình \(f_2\) lần lượt là 29,1, 27,9 và 28,5 kHz trong không khí, nước và gelatin.Khu vực phương thức này cũng cho thấy PTE cao là 99%, cao nhất so với bất kỳ nhóm nào được đo, với mức trung bình của khu vực là 84%.\(\text {FWHM__{2}\) có tần số trung bình trong khu vực là \(\khoảng\) 910 Hz.
Vùng chế độ thứ ba: tần số \(f_3\) phụ thuộc vào loại phương tiện và góc xiên.Giá trị trung bình \(f_3\) ​​lần lượt là 32,0, 31,0 và 31,3 kHz trong không khí, nước và gelatin.Tỷ lệ trung bình của \(\text {PTE__{3}\) trong khu vực là \(\khoảng\) 74%, mức thấp nhất so với bất kỳ khu vực nào.Tần số trung bình của khu vực \(\text {FWHM__{3}\) là \(\khoảng\) 1085 Hz, cao hơn khu vực thứ nhất và thứ hai.
       Sau đây đề cập đến hình.12 và Bảng 2. Mũi trích (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/ W trong không khí). 12 và Bảng 2. Mũi trích (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/ W trong không khí). Следующее относится к рисунку 12 và таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью ля всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Những điều sau đây áp dụng cho Hình 12 và Bảng 2. Lancet (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt được DPR cao nhất.(làm 220 μm/W trong không khí).smt.Hình 12 và Bảng 2 dưới đây.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性,\(p<\) 0,017)（图12a）,实现最高DPR （在空气中高达220 µm/W).柳叶刀(L) có độ lệch cao nhất trong không khí và nước (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) và đạt được DPR cao nhất (lên tới 220 µm/W trong không khí). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде ис. 12а), наибольшего DPR (до 220 mкм/Вт в воздухе). Lancet (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/W trong không khí). Trong không khí, AX1 có BL cao hơn, bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với DPR là 190 µm/W. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn, bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với DPR là 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым ни зким BL) отклонялся больше, чем AX2 với DPR 190 mm/Вт. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với 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AX3（具有最低BL）的偏转大于AX2,DPR 为190 µm/W 。 Trong không khí, độ lệch của AX1 có BL cao hơn cao hơn AX2-3 (đáng kể \(p<\) 0,017) và độ lệch của AX3 (có BL thấp nhất) lớn hơn AX2, DPR là 190 µm/W . В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самымо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 mкм/Вт. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn sẽ lệch nhiều hơn AX2-3 (đáng kể, \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) lệch nhiều hơn AX2 với DPR 190 µm/W.Ở mực nước 20 mm, độ võng và PTE AX1–3 không khác biệt đáng kể (\(p>\) 0,017).Mức PTE trong nước (90,2–98,4%) nhìn chung cao hơn trong không khí (56–77,5%) (Hình 12c) và hiện tượng xâm thực đã được ghi nhận trong quá trình thí nghiệm trong nước (Hình 13, xem thêm thông tin).
Mức độ lệch đầu (trung bình ± SD, n = 5) được đo cho góc xiên L và AX1-3 trong không khí và nước (độ sâu 20 mm) cho thấy tác động của việc thay đổi hình dạng góc xiên.Các phép đo thu được bằng cách sử dụng kích thích hình sin tần số đơn liên tục.(a) Độ lệch từ đỉnh đến đỉnh (\(u_y\vec {j}\)) ở đầu, được đo tại (b) tần số phương thức tương ứng \(f_2\).(c) Hiệu suất truyền tải điện năng (PTE, RMS, %) của phương trình.(4) và (d) Hệ số công suất lệch (DPR, µm/W) được tính bằng độ lệch từ đỉnh đến đỉnh và công suất điện truyền qua \(P_T\) (Wrms).
Biểu đồ bóng máy ảnh tốc độ cao điển hình hiển thị độ lệch từ đỉnh đến đỉnh (các đường chấm màu xanh lục và đỏ) của mũi trích (L) và đầu đối xứng trục (AX1–3) trong nước (độ sâu 20 mm) trong nửa chu kỳ.chu kỳ, ở tần số kích thích \(f_2\) (tần số lấy mẫu 310 kHz).Hình ảnh thang độ xám được chụp có kích thước 128×128 pixel và kích thước pixel là \(\approx\) 5 µm.Video có thể được tìm thấy trong thông tin bổ sung.
Do đó, chúng tôi đã lập mô hình sự thay đổi bước sóng uốn (Hình 7) và tính toán độ linh động cơ học có thể chuyển đổi cho sự kết hợp giữa chiều dài ống và mặt vát (Hình 8, 9) cho các mặt vát hình học, hình trích thông thường, không đối xứng và đối xứng trục.Dựa trên điều sau, chúng tôi ước tính khoảng cách tối ưu là 43 mm (hoặc \(\xấp xỉ) 2,75\(\lambda _y\) ở 29,75 kHz) từ đầu đến mối hàn, như trong Hình 5, và thực hiện Ba trục đối xứng các góc xiên có độ dài góc xiên khác nhau.Sau đó, chúng tôi mô tả hành vi tần số của chúng trong không khí, nước và gelatin đạn đạo 10% (w/v) so với các mũi trích thông thường (Hình 10, 11) và xác định chế độ phù hợp nhất để so sánh độ lệch góc xiên.Cuối cùng, chúng tôi đo độ lệch của đầu bằng sóng uốn trong không khí và nước ở độ sâu 20 mm, đồng thời định lượng hiệu suất truyền công suất (PTE, %) và hệ số công suất lệch (DPR, µm/W) của môi trường chèn cho mỗi góc xiên.loại góc cạnh (Hình 12).
Hình dạng góc xiên của kim đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến mức độ lệch của đầu kim.Mũi trích đạt được độ lệch cao nhất và DPR cao nhất so với góc xiên đối xứng trục có độ lệch trung bình thấp hơn (Hình 12).Kim vát đối xứng trục 4 mm (AX1) với góc xiên dài nhất đạt được độ lệch tối đa có ý nghĩa thống kê trong không khí so với các kim đối xứng trục khác (AX2–3) (\(p < 0,017\), Bảng 2), nhưng không có sự khác biệt đáng kể .quan sát được khi nhúng kim vào nước.Do đó, không có lợi thế rõ ràng nào khi có chiều dài góc xiên dài hơn xét về độ lệch cực đại ở đầu.Với suy nghĩ này, hóa ra hình dạng của góc xiên được nghiên cứu trong nghiên cứu này có ảnh hưởng lớn hơn đến mức độ lệch so với chiều dài của góc xiên.Điều này có thể là do độ cứng khi uốn, ví dụ tùy thuộc vào độ dày tổng thể của vật liệu bị uốn và thiết kế của kim.
Trong các nghiên cứu thực nghiệm, cường độ của sóng uốn phản xạ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện biên của đầu.Khi cắm đầu kim vào nước và gelatin, \(\text {PTE__{2}\) là \(\khoảng\) 95% và \(\text {PTE__{ 2}\) là \ (\text {PTE__{ 2}\) ​​các giá trị ​​là 73% và 77% cho (\text {PTE__{1}\) và \(\text {PTE__{3}\), tương ứng (Hình 11).Điều này chỉ ra rằng sự truyền năng lượng âm thanh tối đa đến môi trường đúc, tức là nước hoặc gelatin, xảy ra ở \(f_2\).Hành vi tương tự đã được quan sát trong một nghiên cứu trước đây31 sử dụng cấu hình thiết bị đơn giản hơn trong dải tần số 41-43 kHz, trong đó các tác giả đã chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số phản xạ điện áp vào mô đun cơ học của môi trường nhúng.Độ sâu thâm nhập32 và các đặc tính cơ học của mô tạo ra tải trọng cơ học lên kim và do đó được cho là sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cộng hưởng của UZEFNAB.Do đó, thuật toán theo dõi cộng hưởng (ví dụ 17, 18, 33) có thể được sử dụng để tối ưu hóa công suất âm thanh được truyền qua kim.
Mô phỏng ở các bước sóng uốn (Hình 7) cho thấy đầu đối xứng có cấu trúc cứng hơn (nghĩa là cứng hơn khi uốn) so với đầu nhọn và góc xiên không đối xứng.Dựa trên (1) và sử dụng mối quan hệ vận tốc-tần số đã biết, chúng tôi ước tính độ cứng uốn ở đầu kim lần lượt là \(\about\) 200, 20 và 1500 MPa cho các mặt phẳng nghiêng hình trích, không đối xứng và hướng trục.Điều này tương ứng với \(\lambda_y\) của \(\khoảng\) 5,3, 1,7 và 14,2 mm, tương ứng ở 29,75 kHz (Hình 7a tựa c).Xem xét sự an toàn lâm sàng trong quá trình USeFNAB, cần đánh giá ảnh hưởng của hình học đến độ cứng cấu trúc của mặt phẳng nghiêng34.
Một nghiên cứu về các thông số góc xiên liên quan đến chiều dài ống (Hình 9) cho thấy phạm vi truyền tối ưu đối với góc xiên không đối xứng (1,8 mm) so với góc xiên đối xứng trục (1,3 mm).Ngoài ra, độ linh động ổn định ở mức \(\xấp xỉ) từ 4 đến 4,5 mm và từ 6 đến 7 mm đối với độ nghiêng không đối xứng và đối xứng trục tương ứng (Hình 9a, b).Ý nghĩa thực tế của khám phá này được thể hiện ở dung sai sản xuất, ví dụ, phạm vi TL tối ưu thấp hơn có thể có nghĩa là cần có độ chính xác về chiều dài lớn hơn.Đồng thời, trạng thái ổn định di động mang lại khả năng chịu đựng lớn hơn cho việc lựa chọn độ dài của khoảng giảm ở một tần số nhất định mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng di chuyển.
Nghiên cứu bao gồm những hạn chế sau đây.Đo trực tiếp độ lệch của kim bằng cách sử dụng tính năng phát hiện cạnh và hình ảnh tốc độ cao (Hình 12) có nghĩa là chúng ta bị giới hạn ở môi trường trong suốt về mặt quang học như không khí và nước.Chúng tôi cũng muốn chỉ ra rằng chúng tôi không sử dụng các thí nghiệm để kiểm tra khả năng di chuyển mô phỏng và ngược lại mà sử dụng các nghiên cứu FEM để xác định độ dài tối ưu cho việc chế tạo kim.Liên quan đến những hạn chế thực tế, chiều dài của kim từ đầu đến ống tay áo dài hơn \(\xấp xỉ) 0,4 cm so với các kim khác (AX1-3), xem hình.3b.Điều này có thể ảnh hưởng đến phản ứng phương thức của thiết kế kim.Ngoài ra, hình dạng và thể tích của vật hàn ở đầu chốt ống dẫn sóng (xem Hình 3) có thể ảnh hưởng đến trở kháng cơ học của thiết kế chân cắm, gây ra lỗi về trở kháng cơ học và hành vi uốn cong.
Cuối cùng, chúng tôi đã chứng minh rằng hình học góc xiên thử nghiệm ảnh hưởng đến mức độ lệch trong USeFNAB.Nếu độ lệch lớn hơn sẽ có tác động tích cực đến tác động của kim lên mô, chẳng hạn như hiệu quả cắt sau khi xỏ khuyên, thì có thể khuyên dùng lancet thông thường trong USeFNAB vì nó mang lại độ lệch tối đa trong khi vẫn duy trì độ cứng thích hợp của đầu cấu trúc..Hơn nữa, một nghiên cứu gần đây35 đã chỉ ra rằng độ lệch đầu mũi lớn hơn có thể tăng cường các hiệu ứng sinh học như tạo bọt, điều này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các ứng dụng phẫu thuật xâm lấn tối thiểu.Cho rằng tổng công suất âm thanh ngày càng tăng đã được chứng minh là làm tăng số lượng sinh thiết trong USeFNAB13, nên cần có các nghiên cứu định lượng sâu hơn về số lượng và chất lượng mẫu để đánh giá lợi ích lâm sàng chi tiết của hình dạng kim được nghiên cứu.