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.
Dựa trên sự giao thoa liên ngành giữa vật lý và khoa học đời sống, các chiến lược chẩn đoán và điều trị dựa trên y học chính xác gần đây đã thu hút được sự chú ý đáng kể nhờ khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp kỹ thuật mới trong nhiều lĩnh vực y học, đặc biệt là ung thư.Trong khuôn khổ này, việc sử dụng siêu âm để tấn công các tế bào ung thư trong khối u nhằm gây ra tổn thương cơ học có thể xảy ra ở nhiều quy mô khác nhau đang ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới.Có tính đến các yếu tố này, dựa trên các giải pháp thời gian đàn hồi động và mô phỏng số, chúng tôi trình bày một nghiên cứu sơ bộ về mô phỏng máy tính lan truyền siêu âm trong các mô để chọn tần số và công suất phù hợp bằng chiếu xạ cục bộ.Nền tảng chẩn đoán mới dành cho công nghệ On-Fiber trong phòng thí nghiệm, được gọi là kim bệnh viện và đã được cấp bằng sáng chế.Người ta tin rằng kết quả phân tích và những hiểu biết sinh lý liên quan có thể mở đường cho các phương pháp chẩn đoán và điều trị tích hợp mới có thể đóng vai trò trung tâm trong ứng dụng y học chính xác trong tương lai, xuất phát từ các lĩnh vực vật lý.Một sức mạnh tổng hợp ngày càng tăng giữa sinh học đang bắt đầu.
Với việc tối ưu hóa một số lượng lớn các ứng dụng lâm sàng, nhu cầu giảm tác dụng phụ đối với bệnh nhân dần dần xuất hiện.Để đạt được mục tiêu này, y học chính xác1, 2, 3, 4, 5 đã trở thành mục tiêu chiến lược nhằm giảm liều thuốc cung cấp cho bệnh nhân, về cơ bản tuân theo hai phương pháp chính.Phương pháp đầu tiên dựa trên phương pháp điều trị được thiết kế theo hồ sơ gen của bệnh nhân.Thứ hai, đang trở thành tiêu chuẩn vàng trong ung thư học, nhằm mục đích tránh các quy trình phân phối thuốc toàn thân bằng cách cố gắng giải phóng một lượng nhỏ thuốc, đồng thời tăng độ chính xác thông qua việc sử dụng liệu pháp cục bộ.Mục tiêu cuối cùng là loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu tác động tiêu cực của nhiều phương pháp điều trị, chẳng hạn như hóa trị hoặc sử dụng các hạt nhân phóng xạ toàn thân.Tùy thuộc vào loại ung thư, vị trí, liều bức xạ và các yếu tố khác, ngay cả xạ trị cũng có thể có nguy cơ cao đối với các mô khỏe mạnh.Trong điều trị u nguyên bào thần kinh đệm, phẫu thuật loại bỏ thành công ung thư tiềm ẩn, nhưng ngay cả khi không có di căn, nhiều thâm nhiễm ung thư nhỏ vẫn có thể xuất hiện.Nếu chúng không được loại bỏ hoàn toàn, khối ung thư mới có thể phát triển trong một khoảng thời gian tương đối ngắn.Trong bối cảnh này, các chiến lược y học chính xác nói trên rất khó áp dụng vì những sự xâm nhập này khó phát hiện và lan rộng trên một khu vực rộng lớn.Những rào cản này ngăn cản kết quả cuối cùng trong việc ngăn ngừa bất kỳ sự tái phát nào bằng thuốc chính xác, vì vậy các phương pháp phân phối toàn thân được ưu tiên trong một số trường hợp, mặc dù các loại thuốc được sử dụng có thể có mức độ độc tính rất cao.Để khắc phục vấn đề này, phương pháp điều trị lý tưởng là sử dụng các chiến lược xâm lấn tối thiểu để có thể tấn công có chọn lọc các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các mô khỏe mạnh.Theo lập luận này, việc sử dụng các rung động siêu âm, đã được chứng minh là có tác động khác nhau đến tế bào ung thư và tế bào khỏe mạnh, cả trong hệ thống đơn bào và trong các cụm không đồng nhất ở quy mô trung bình, có vẻ như là một giải pháp khả thi.
Từ quan điểm cơ học, tế bào khỏe mạnh và tế bào ung thư thực sự có tần số cộng hưởng tự nhiên khác nhau.Đặc tính này có liên quan đến những thay đổi gây ung thư về tính chất cơ học của cấu trúc khung tế bào của tế bào ung thư12,13, trong khi các tế bào khối u nhìn chung dễ biến dạng hơn các tế bào bình thường.Do đó, với sự lựa chọn tối ưu tần số siêu âm để kích thích, các rung động gây ra ở những khu vực được chọn có thể gây tổn hại cho các cấu trúc ung thư còn sống, giảm thiểu tác động đến môi trường lành mạnh của vật chủ.Những tác động chưa được hiểu đầy đủ này có thể bao gồm sự phá hủy một số thành phần cấu trúc tế bào do rung động tần số cao do siêu âm gây ra (về nguyên tắc rất giống với tán sỏi14) và tổn thương tế bào do hiện tượng tương tự như mỏi cơ học, do đó có thể thay đổi cấu trúc tế bào .lập trình và cơ học.Mặc dù giải pháp lý thuyết này có vẻ rất phù hợp, nhưng tiếc là nó không thể được sử dụng trong trường hợp các cấu trúc sinh học không có tiếng vang ngăn cản việc áp dụng trực tiếp siêu âm, ví dụ, trong các ứng dụng nội sọ do sự hiện diện của xương và một số khối u vú nằm trong mỡ. mô.Sự suy giảm có thể hạn chế vị trí có tác dụng điều trị tiềm năng.Để khắc phục những vấn đề này, siêu âm phải được áp dụng cục bộ bằng các đầu dò được thiết kế đặc biệt để có thể tiếp cận vị trí được chiếu xạ ít xâm lấn nhất có thể.Với suy nghĩ này, chúng tôi đã xem xét khả năng sử dụng các ý tưởng liên quan đến khả năng tạo ra một nền tảng công nghệ đổi mới được gọi là “bệnh viện kim tiêm”15.Khái niệm “Bệnh viện trong kim” liên quan đến việc phát triển một dụng cụ y tế xâm lấn tối thiểu cho các ứng dụng chẩn đoán và điều trị, dựa trên sự kết hợp nhiều chức năng khác nhau trong một kim y tế.Như đã thảo luận chi tiết hơn trong phần Kim bệnh viện, thiết bị nhỏ gọn này chủ yếu dựa trên ưu điểm của đầu dò sợi quang 16, 17, 18, 19, 20, 21, do đặc điểm của chúng nên phù hợp để đưa vào tiêu chuẩn 20 kim y tế, 22 lumens.Tận dụng tính linh hoạt mà công nghệ Lab-on-Fiber (LOF)23 mang lại, sợi thực sự đang trở thành một nền tảng độc đáo cho các thiết bị chẩn đoán và điều trị thu nhỏ và sẵn sàng sử dụng, bao gồm các thiết bị sinh thiết chất lỏng và sinh thiết mô.trong phát hiện phân tử sinh học24,25, phân phối thuốc cục bộ dưới hướng dẫn bằng ánh sáng26,27, hình ảnh siêu âm cục bộ có độ chính xác cao28, liệu pháp nhiệt29,30 và nhận dạng mô ung thư dựa trên quang phổ31.Trong khái niệm này, sử dụng phương pháp định vị dựa trên thiết bị “kim trong bệnh viện”, chúng tôi nghiên cứu khả năng tối ưu hóa kích thích cục bộ các cấu trúc sinh học thường trú bằng cách sử dụng sự truyền sóng siêu âm qua kim để kích thích sóng siêu âm trong vùng quan tâm..Do đó, siêu âm điều trị cường độ thấp có thể được áp dụng trực tiếp vào vùng nguy cơ với khả năng xâm lấn tối thiểu đối với các tế bào siêu âm và các khối rắn nhỏ trong mô mềm, như trong trường hợp phẫu thuật nội sọ nói trên, một lỗ nhỏ trên hộp sọ phải được chèn bằng một vật liệu siêu âm. cây kim.Lấy cảm hứng từ các kết quả lý thuyết và thực nghiệm gần đây cho thấy siêu âm có thể ngăn chặn hoặc trì hoãn sự phát triển của một số bệnh ung thư,32,33,34 phương pháp được đề xuất có thể giúp giải quyết, ít nhất về nguyên tắc, sự cân bằng chính giữa tác dụng tích cực và tác dụng chữa bệnh.Với những cân nhắc này, trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu khả năng sử dụng thiết bị kim tiêm trong bệnh viện để điều trị siêu âm xâm lấn tối thiểu cho bệnh ung thư.Chính xác hơn, trong phần Phân tích tán xạ của các khối u hình cầu để ước tính tần số siêu âm phụ thuộc vào tăng trưởng, chúng tôi sử dụng các phương pháp đàn hồi động lực học và lý thuyết tán xạ âm thanh đã được thiết lập tốt để dự đoán kích thước của các khối u rắn hình cầu phát triển trong môi trường đàn hồi.độ cứng xảy ra giữa khối u và mô chủ do sự tái cấu trúc của vật liệu do tăng trưởng gây ra.Sau khi mô tả hệ thống của chúng tôi, mà chúng tôi gọi là phần “Bệnh viện trong kim”, trong phần “Bệnh viện trong kim”, chúng tôi phân tích sự truyền sóng siêu âm qua kim y tế ở tần số dự đoán và mô hình số của chúng chiếu xạ môi trường để nghiên cứu các thông số hình học chính (đường kính bên trong thực tế, chiều dài và độ sắc nét của kim), ảnh hưởng đến việc truyền công suất âm thanh của nhạc cụ.Do nhu cầu phát triển các chiến lược kỹ thuật mới cho y học chính xác, người ta tin rằng nghiên cứu đề xuất có thể giúp phát triển một công cụ mới để điều trị ung thư dựa trên việc sử dụng siêu âm được truyền qua nền tảng trị liệu tích hợp siêu âm với các giải pháp khác.Kết hợp, chẳng hạn như phân phối thuốc theo mục tiêu và chẩn đoán theo thời gian thực chỉ trong một kim tiêm.
Hiệu quả của việc cung cấp các chiến lược cơ học để điều trị khối u rắn cục bộ bằng kích thích siêu âm (siêu âm) là mục tiêu của một số bài báo đề cập cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm với tác động của rung động siêu âm cường độ thấp trên các hệ thống đơn bào. , 32, 33, 34, 35, 36 Sử dụng mô hình đàn hồi nhớt, một số nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng phương pháp phân tích rằng khối u và tế bào khỏe mạnh biểu hiện các đáp ứng tần số khác nhau được đặc trưng bởi các đỉnh cộng hưởng khác biệt trong phạm vi 10,11,12 của Hoa Kỳ.Kết quả này cho thấy, về nguyên tắc, các tế bào khối u có thể bị tấn công có chọn lọc bởi các kích thích cơ học nhằm bảo vệ môi trường vật chủ.Hành vi này là hệ quả trực tiếp của bằng chứng quan trọng cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, tế bào khối u dễ uốn nắn hơn tế bào khỏe mạnh, có thể tăng cường khả năng sinh sôi nảy nở và di chuyển của chúng37,38,39,40.Dựa trên kết quả thu được với các mô hình tế bào đơn lẻ, ví dụ ở cấp độ vi mô, tính chọn lọc của tế bào ung thư cũng đã được chứng minh ở cấp độ trung bình thông qua các nghiên cứu số học về phản ứng hài hòa của các tập hợp tế bào không đồng nhất.Cung cấp tỷ lệ tế bào ung thư và tế bào khỏe mạnh khác nhau, các tập hợp đa bào có kích thước hàng trăm micromet được xây dựng theo thứ bậc.Ở cấp độ trung bình của các tập hợp này, một số đặc điểm vi mô quan tâm được bảo tồn do việc thực hiện trực tiếp các yếu tố cấu trúc chính đặc trưng cho hoạt động cơ học của các tế bào đơn lẻ.Đặc biệt, mỗi tế bào sử dụng kiến ​​trúc dựa trên độ căng để bắt chước phản ứng của các cấu trúc khung tế bào được ứng suất trước khác nhau, do đó ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của chúng12,13.Những dự đoán lý thuyết và thí nghiệm in vitro của các tài liệu trên đã cho kết quả đáng khích lệ, cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu độ nhạy cảm của khối u với siêu âm trị liệu cường độ thấp (LITUS) và việc đánh giá tần suất chiếu xạ của khối u là rất quan trọng.định vị LITUS cho ứng dụng tại chỗ.
Tuy nhiên, ở cấp độ mô, mô tả dưới kính hiển vi của từng thành phần riêng lẻ chắc chắn bị mất và các đặc tính của mô khối u có thể được theo dõi bằng các phương pháp tuần tự để theo dõi sự phát triển khối lượng và quá trình tái cấu trúc do căng thẳng gây ra, có tính đến các tác động vĩ mô của sự phát triển.- gây ra những thay đổi về độ đàn hồi của mô trên thang điểm 41,42.Thật vậy, không giống như các hệ thống đơn bào và tổng hợp, các khối u rắn phát triển trong các mô mềm do sự tích tụ dần dần của các ứng suất dư bất thường, làm thay đổi các tính chất cơ học tự nhiên do sự gia tăng độ cứng tổng thể của khối u và xơ cứng khối u thường trở thành yếu tố quyết định trong phát hiện khối u.
Với những cân nhắc này, ở đây chúng tôi phân tích phản ứng siêu âm của các nhân vật siêu nhân khối u được mô hình hóa dưới dạng các thể vùi hình cầu đàn hồi phát triển trong môi trường mô bình thường.Chính xác hơn, tính chất đàn hồi liên quan đến giai đoạn của khối u được xác định dựa trên kết quả lý thuyết và thực nghiệm của một số tác giả trong công trình trước đây.Trong số đó, sự tiến hóa của các nhân vật siêu anh hùng khối u rắn phát triển in vivo trong môi trường không đồng nhất đã được nghiên cứu bằng cách áp dụng các mô hình cơ học phi tuyến tính 41,43,44 kết hợp với động lực học giữa các loài để dự đoán sự phát triển của khối u và căng thẳng liên quan đến khối u.Như đã đề cập ở trên, sự phát triển (ví dụ, sự kéo dãn trước không đàn hồi) và ứng suất dư gây ra sự tái cấu trúc dần dần các đặc tính của vật liệu khối u, do đó cũng làm thay đổi phản ứng âm thanh của nó.Điều quan trọng cần lưu ý là trong ref.41 sự đồng tiến hóa của sự tăng trưởng và căng thẳng rắn trong các khối u đã được chứng minh trong các chiến dịch thử nghiệm trên mô hình động vật.Cụ thể, việc so sánh độ cứng của khối u vú được cắt bỏ ở các giai đoạn khác nhau với độ cứng thu được bằng cách tái tạo các điều kiện tương tự trong silico trên mô hình phần tử hữu hạn hình cầu có cùng kích thước và có tính đến trường ứng suất dư dự đoán đã xác nhận phương pháp đề xuất của tính hợp lệ của mô hình..Trong công trình này, các kết quả lý thuyết và thực nghiệm thu được trước đây được sử dụng để phát triển một chiến lược trị liệu mới được phát triển.Đặc biệt, các kích thước dự đoán với các đặc tính kháng tiến hóa tương ứng đã được tính toán ở đây, do đó được sử dụng để ước tính các dải tần số mà khối u nhúng trong môi trường vật chủ nhạy cảm hơn.Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu hành vi động của khối u ở các giai đoạn khác nhau, được thực hiện ở các giai đoạn khác nhau, có tính đến các chỉ số âm thanh theo nguyên tắc tán xạ được chấp nhận chung để đáp ứng với kích thích siêu âm và làm nổi bật các hiện tượng cộng hưởng có thể có của hình cầu .tùy thuộc vào khối u và vật chủ. Sự khác biệt phụ thuộc vào sự tăng trưởng về độ cứng giữa các mô.
Do đó, khối u được mô hình hóa dưới dạng các quả cầu đàn hồi có bán kính \(a\) trong môi trường đàn hồi xung quanh của vật chủ dựa trên dữ liệu thực nghiệm cho thấy các cấu trúc ác tính cồng kềnh phát triển tại chỗ theo hình cầu như thế nào.Tham khảo Hình 1, sử dụng tọa độ cầu \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (trong đó \(\theta\) và \(\varphi\) lần lượt biểu thị góc dị thường và góc phương vị), miền khối u chiếm Vùng được nhúng trong không gian lành mạnh \({\mathcal {V}}__{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) vùng không giới hạn \({\mathcal { V} _{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Đề cập đến Thông tin bổ sung (SI) để có mô tả đầy đủ về mô hình toán học dựa trên cơ sở đàn hồi được thiết lập tốt được báo cáo trong nhiều tài liệu, chúng tôi xem xét ở đây một vấn đề được đặc trưng bởi chế độ dao động đối xứng trục.Giả định này ngụ ý rằng tất cả các biến trong khối u và vùng khỏe mạnh đều độc lập với tọa độ phương vị \(\varphi\) và không có biến dạng nào xảy ra theo hướng này.Do đó, trường chuyển vị và ứng suất có thể được lấy từ hai thế vô hướng \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) và \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , chúng là lần lượt liên quan đến sóng dọc và sóng biến dạng, thời gian trùng hợp t giữa xung \(\theta \) và góc giữa hướng của sóng tới và vectơ vị trí \({\mathbf {x))\) ( như trong hình 1) và \(\omega = 2\pi f\) biểu thị tần số góc.Đặc biệt, trường tới được mô hình hóa bằng sóng phẳng \(\phi_{H}^{(in)}\) (cũng được đưa vào hệ SI, trong phương trình (A.9)) truyền vào thể tích của vật thể theo biểu thức pháp luật
trong đó \(\phi_{0}\) là tham số biên độ.Sự giãn nở hình cầu của sóng phẳng tới (1) sử dụng hàm sóng cầu là đối số tiêu chuẩn:
Trong đó \(j_{n}\) là hàm Bessel hình cầu loại thứ nhất \(n\) và \(P_{n}\) là đa thức Legendre.Một phần sóng tới của quả cầu đầu tư bị phân tán trong môi trường xung quanh và chồng lên trường tới, trong khi phần còn lại nằm rải rác bên trong quả cầu, góp phần gây ra rung động của nó.Để làm được điều này, nghiệm điều hòa của phương trình sóng \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) và \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), ví dụ được cung cấp bởi Eringen45 (xem thêm SI ) có thể chỉ ra khối u và vùng khỏe mạnh.Cụ thể, sóng giãn nở rải rác và sóng đẳng tích được tạo ra trong môi trường chủ \(H\) thừa nhận năng lượng tiềm năng tương ứng của chúng:
Trong số đó, hàm Hankel hình cầu loại thứ nhất \(h_{n}^{(1)}\) được sử dụng để xem xét sóng phân tán đi ra ngoài và \(\alpha_{n}\) và \(\beta_{ n}\ ) là các hệ số chưa biết.trong phương trình.Trong các phương trình (2)–(4), các thuật ngữ \(k_{H1}\) và \(k_{H2}\) lần lượt biểu thị số sóng hiếm và sóng ngang trong vùng chính của cơ thể ( xem SI).Các trường nén bên trong khối u và dịch chuyển có dạng
Trong đó \(k_{T1}\) và \(k_{T2}\) biểu thị số sóng dọc và ngang trong vùng khối u và các hệ số chưa xác định là \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Dựa trên những kết quả này, các thành phần chuyển vị xuyên tâm và chu vi khác 0 là đặc trưng của các vùng lành mạnh trong bài toán đang được xem xét, chẳng hạn như \(u_{Hr}\) và \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) giả định tính đối xứng không còn cần thiết nữa) — có thể thu được từ mối quan hệ \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) và \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) bằng cách hình thành \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) và \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (xem SI để biết đạo hàm toán học chi tiết).Tương tự, thay thế \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) và \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) trả về {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) và \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Trái) Hình học của một khối u hình cầu phát triển trong môi trường lành mạnh qua đó trường sự cố lan truyền, (phải) Sự tiến hóa tương ứng của tỷ lệ độ cứng của khối u-vật chủ như là một hàm của bán kính khối u, dữ liệu được báo cáo (điều chỉnh từ Carotenuto và cộng sự 41) từ các thử nghiệm nén trong ống nghiệm được lấy từ các khối u vú rắn được cấy tế bào MDA-MB-231.
Giả sử các vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, các thành phần ứng suất khác 0 ở vùng khỏe mạnh và vùng khối u, tức là \(\sigma_{Hpq}\) và \(\sigma_{Tpq}\) – tuân theo định luật Hooke tổng quát, cho rằng ở đó là các mô đun Lamé khác nhau, đặc trưng cho độ đàn hồi của vật chủ và khối u, được ký hiệu là \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) và \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (xem Công thức (A.11) để biết biểu thức đầy đủ của các thành phần ứng suất được biểu thị trong SI).Đặc biệt, theo số liệu ở tài liệu tham khảo 41 và trình bày ở Hình 1, các khối u đang phát triển cho thấy sự thay đổi về hằng số đàn hồi của mô.Do đó, sự dịch chuyển và ứng suất trong vùng vật chủ và khối u được xác định hoàn toàn dựa trên một tập hợp các hằng số không xác định \({{ \varvec{\upxi}}__{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) về mặt lý thuyết có số chiều vô hạn.Để tìm các vectơ hệ số này, các giao diện và điều kiện biên phù hợp giữa khối u và vùng khỏe mạnh được đưa ra.Giả sử liên kết hoàn hảo ở giao diện khối u-máy chủ \(r = a\), tính liên tục của chuyển vị và ứng suất đòi hỏi các điều kiện sau:
Hệ (7) tạo thành hệ phương trình có nghiệm vô hạn.Ngoài ra, mỗi điều kiện biên sẽ phụ thuộc vào dị thường \(\theta\).Để giảm bài toán giá trị biên thành một bài toán đại số hoàn chỉnh với các tập hợp \(N\) hệ kín, mỗi tập hợp đó nằm trong một ẩn số \({{\varvec{\upxi}}__{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \__{n = 0,…,N}\) (với \ ( N \ về mặt lý thuyết đến \infty \), và để loại bỏ sự phụ thuộc của các phương trình vào các số hạng lượng giác, các điều kiện giao diện được viết ở dạng yếu bằng cách sử dụng tính trực giao của đa thức Legendre.Cụ thể, phương trình (7)1,2 và (7)3,4 được nhân với \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) và \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) rồi lấy tích phân giữa \(0\) và \(\pi\) bằng cách sử dụng các đồng nhất thức toán học:
Do đó, điều kiện giao diện (7) trả về một hệ phương trình đại số bậc hai, có thể được biểu thị dưới dạng ma trận dưới dạng \({\mathbb{D}__{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}__{n} (a)\) và nhận được ẩn số \({{\varvec{\upxi}}__{n}\ ) bằng cách giải quy tắc Cramer .
Để ước tính dòng năng lượng bị phân tán bởi quả cầu và thu được thông tin về phản ứng âm thanh của nó dựa trên dữ liệu về trường phân tán lan truyền trong môi trường vật chủ, một đại lượng âm thanh được quan tâm, đó là mặt cắt tán xạ hai tĩnh chuẩn hóa.Cụ thể, tiết diện tán xạ, ký hiệu là \(s), biểu thị tỷ lệ giữa công suất âm được truyền bởi tín hiệu tán xạ và sự phân chia năng lượng do sóng tới mang theo.Về vấn đề này, độ lớn của hàm hình dạng \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) là đại lượng được sử dụng thường xuyên trong nghiên cứu cơ chế âm thanh nhúng trong chất lỏng hoặc chất rắn. Sự phân tán các vật thể trong trầm tích.Chính xác hơn, biên độ của hàm hình dạng được định nghĩa là tiết diện tán xạ vi sai \(ds\) trên một đơn vị diện tích, khác với phương pháp truyền của sóng tới:
trong đó \(f_{n}^{pp}\) và \(f_{n}^{ps}\) biểu thị hàm phương thức, đề cập đến tỷ lệ công suất của sóng dọc và sóng phân tán so với Sóng P tới trong môi trường thu tương ứng được cho bởi các biểu thức sau:
Các hàm sóng từng phần (10) có thể được nghiên cứu độc lập theo lý thuyết tán xạ cộng hưởng (RST)49,50,51,52, giúp tách độ đàn hồi mục tiêu khỏi trường tán xạ tổng khi nghiên cứu các chế độ khác nhau.Theo phương pháp này, hàm dạng phương thức có thể được phân tách thành tổng của hai phần bằng nhau, cụ thể là \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) tương ứng có liên quan đến biên độ nền cộng hưởng và không cộng hưởng.Chức năng hình dạng của chế độ cộng hưởng có liên quan đến phản ứng của mục tiêu, trong khi nền thường liên quan đến hình dạng của bộ tán xạ.Để phát hiện dạng đầu tiên của mục tiêu cho mỗi chế độ, biên độ của hàm hình dạng cộng hưởng phương thức \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) được tính toán với giả định nền cứng, bao gồm các quả cầu không thể xuyên thủng trong vật liệu chủ đàn hồi.Giả thuyết này được thúc đẩy bởi thực tế là, nói chung, cả độ cứng và mật độ đều tăng cùng với sự phát triển của khối u do ứng suất nén còn sót lại.Do đó, ở mức tăng trưởng nghiêm trọng, tỷ lệ trở kháng \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) dự kiến ​​sẽ lớn hơn 1 đối với hầu hết các khối u rắn vĩ mô phát triển ở phần mềm. mô.Ví dụ, Krouskop và cộng sự.53 đã báo cáo tỷ lệ mô đun ung thư so với bình thường là khoảng 4 đối với mô tuyến tiền liệt, trong khi giá trị này tăng lên 20 đối với các mẫu mô vú.Những mối quan hệ này chắc chắn sẽ làm thay đổi trở kháng âm của mô, như cũng được chứng minh bằng phân tích độ đàn hồi54,55,56, và có thể liên quan đến sự dày lên cục bộ của mô do tăng sinh khối u.Sự khác biệt này cũng đã được quan sát bằng thực nghiệm với các thử nghiệm nén đơn giản đối với các khối u vú phát triển ở các giai đoạn khác nhau32, và việc tái cấu trúc vật liệu có thể được thực hiện tốt bằng các mô hình dự đoán chéo loài của các khối u phát triển phi tuyến tính43,44.Dữ liệu độ cứng thu được có liên quan trực tiếp đến sự tiến hóa mô đun khối u rắn của Young theo công thức \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( các quả cầu có bán kính \(a\), độ cứng \(S\) và tỷ lệ Poisson \(\nu\) giữa hai tấm cứng 57, như trong Hình 1).Vì vậy, có thể thu được các phép đo trở kháng âm thanh của khối u và vật chủ ở các mức độ phát triển khác nhau.Đặc biệt, so với mô đun của mô bình thường bằng 2 kPa trong Hình 1, mô đun đàn hồi của khối u vú trong phạm vi thể tích khoảng 500 đến 1250 mm3 dẫn đến tăng từ khoảng 10 kPa lên 16 kPa, tức là phù hợp với số liệu được báo cáo.trong tài liệu tham khảo 58, 59 cho thấy áp suất trong các mẫu mô vú là 0,25–4 kPa với áp suất biến mất.Cũng giả sử rằng tỷ lệ Poisson của một mô gần như không thể nén được là 41,60, có nghĩa là mật độ của mô không thay đổi đáng kể khi thể tích tăng lên.Cụ thể, mật độ dân số trung bình \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 được sử dụng.Với những cân nhắc này, độ cứng có thể ở chế độ nền bằng cách sử dụng biểu thức sau:
Trong đó hằng số chưa biết \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) có thể được tính toán có tính đến tính liên tục độ lệch ( 7 )2,4, tức là bằng cách giải hệ đại số \(\widehat{{\mathbb{D}}}__{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}__{n} (a)\) liên quan đến trẻ vị thành niên\(\widehat{{\mathbb{D}}__{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}__{n} (a)\__{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) và vectơ cột đơn giản hóa tương ứng\(\widehat { {\mathbf {q}}__{n} (а)\). Cung cấp kiến ​​thức cơ bản về phương trình (11), hai biên độ của hàm chế độ cộng hưởng tán xạ ngược \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) và \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) lần lượt đề cập đến sự kích thích sóng P và phản xạ sóng P và S.Hơn nữa, biên độ đầu tiên được ước tính là \(\theta = \pi\) và biên độ thứ hai được ước tính là \(\theta = \pi/4\).Bằng cách tải các thuộc tính thành phần khác nhau.Hình 2 cho thấy đặc điểm cộng hưởng của các nhân vật khối u có đường kính lên tới khoảng 15 mm chủ yếu tập trung ở dải tần 50-400 kHz, điều này cho thấy khả năng sử dụng siêu âm tần số thấp để tạo ra sự kích thích khối u cộng hưởng.tế bào.Rất nhiều.Trong dải tần số này, phân tích RST cho thấy các dạng sóng đơn mode cho các chế độ 1 đến 6, được đánh dấu trong Hình 3. Ở đây, cả hai sóng phân tán pp và ps đều hiển thị các dạng sóng thuộc loại đầu tiên, xuất hiện ở tần số rất thấp, tăng từ khoảng 20 kHz đối với chế độ 1 đến khoảng 60 kHz đối với n = 6, cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về bán kính hình cầu.Hàm cộng hưởng ps sau đó phân rã, trong khi sự kết hợp của các dạng pp biên độ lớn cung cấp chu kỳ khoảng 60 kHz, cho thấy sự dịch chuyển tần số cao hơn với số chế độ tăng dần.Tất cả các phân tích được thực hiện bằng phần mềm máy tính Mathematica®62.
Các hàm dạng tán xạ ngược thu được từ mô-đun khối u vú có kích thước khác nhau được hiển thị trong Hình 1, trong đó các dải tán xạ cao nhất được làm nổi bật có tính đến sự chồng chất của chế độ.
Độ cộng hưởng của các chế độ đã chọn từ \(n = 1\) đến \(n = 6\), được tính toán dựa trên sự kích thích và phản xạ của sóng P ở các kích thước khối u khác nhau (các đường cong màu đen từ \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) và kích thích sóng P và phản xạ sóng S (các đường cong màu xám được tạo bởi hàm hình dạng phương thức \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Kết quả phân tích sơ bộ này sử dụng các điều kiện lan truyền trường xa có thể hướng dẫn việc lựa chọn tần số truyền động dành riêng cho ổ đĩa trong các mô phỏng số sau đây để nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất vi dao động lên khối lượng.Kết quả cho thấy việc hiệu chỉnh tần số tối ưu có thể theo từng giai đoạn cụ thể trong quá trình phát triển của khối u và có thể được xác định bằng cách sử dụng kết quả của các mô hình tăng trưởng để thiết lập các chiến lược cơ sinh học được sử dụng trong điều trị bệnh nhằm dự đoán chính xác quá trình tái tạo mô.
Những tiến bộ đáng kể trong công nghệ nano đang thúc đẩy cộng đồng khoa học tìm ra các giải pháp và phương pháp mới để phát triển các thiết bị y tế thu nhỏ và xâm lấn tối thiểu cho các ứng dụng in vivo.Trong bối cảnh này, công nghệ LOF đã cho thấy khả năng vượt trội trong việc mở rộng khả năng của sợi quang, cho phép phát triển các thiết bị sợi quang xâm lấn tối thiểu mới cho các ứng dụng khoa học đời sống21, 63, 64, 65. Ý tưởng tích hợp vật liệu 2D và 3D với các đặc tính hóa học, sinh học và quang học mong muốn ở các mặt 25 và/hoặc các đầu 64 của sợi quang với khả năng kiểm soát không gian hoàn toàn ở cấp độ nano dẫn đến sự xuất hiện của một loại quang nano sợi quang mới.có nhiều chức năng chẩn đoán và điều trị.Điều thú vị là do các đặc tính hình học và cơ học của chúng (tiết diện nhỏ, tỷ lệ khung hình lớn, tính linh hoạt, trọng lượng thấp) và khả năng tương thích sinh học của vật liệu (thường là thủy tinh hoặc polyme), sợi quang rất thích hợp để đưa vào kim và ống thông.Ứng dụng y tế20, mở đường cho tầm nhìn mới về “bệnh viện kim tiêm” (xem Hình 4).
Trên thực tế, do mức độ tự do mà công nghệ LOF mang lại, bằng cách sử dụng sự tích hợp của các cấu trúc vi mô và nano được làm từ các vật liệu kim loại và/hoặc điện môi khác nhau, sợi quang có thể được chức năng hóa phù hợp cho các ứng dụng cụ thể thường hỗ trợ kích thích chế độ cộng hưởng., Trường ánh sáng 21 được định vị mạnh.Việc ngăn chặn ánh sáng ở quy mô bước sóng dưới, thường kết hợp với xử lý hóa học và/hoặc sinh học63 và tích hợp các vật liệu nhạy cảm như polyme thông minh65,66 có thể tăng cường kiểm soát sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, có thể hữu ích cho mục đích trị liệu.Việc lựa chọn loại và kích thước của các thành phần/vật liệu tích hợp rõ ràng phụ thuộc vào các thông số vật lý, sinh học hoặc hóa học được phát hiện21,63.
Việc tích hợp đầu dò LOF vào kim y tế hướng đến các vị trí cụ thể trong cơ thể sẽ cho phép sinh thiết mô và dịch cục bộ trong cơ thể, cho phép điều trị tại chỗ đồng thời, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả.Các cơ hội tiềm năng bao gồm việc phát hiện các phân tử sinh học lưu hành khác nhau, bao gồm cả ung thư.dấu ấn sinh học hoặc microRNA (miRNA)67, xác định các mô ung thư bằng phương pháp quang phổ tuyến tính và phi tuyến tính như quang phổ Raman (SERS)31, hình ảnh quang học có độ phân giải cao22,28,68, phẫu thuật laser và cắt bỏ69, và các loại thuốc phân phối cục bộ bằng ánh sáng27 và hướng dẫn tự động của kim vào cơ thể con người20.Điều đáng chú ý là mặc dù việc sử dụng sợi quang tránh được những nhược điểm điển hình của các phương pháp “cổ điển” dựa trên các linh kiện điện tử, chẳng hạn như nhu cầu kết nối điện và sự hiện diện của nhiễu điện từ, nhưng điều này cho phép các cảm biến LOF khác nhau được tích hợp hiệu quả vào hệ thống.kim y tế duy nhất.Phải đặc biệt chú ý đến việc giảm thiểu các tác động có hại như ô nhiễm, nhiễu quang học, vật cản vật lý gây hiệu ứng nhiễu xuyên âm giữa các chức năng khác nhau.Tuy nhiên, cũng đúng là nhiều chức năng được đề cập không nhất thiết phải hoạt động cùng lúc.Khía cạnh này ít nhất có thể giảm nhiễu, do đó hạn chế tác động tiêu cực đến hiệu suất của từng đầu dò và độ chính xác của quy trình.Những cân nhắc này cho phép chúng tôi xem khái niệm “kim tiêm trong bệnh viện” như một tầm nhìn đơn giản nhằm đặt nền tảng vững chắc cho thế hệ kim trị liệu tiếp theo trong khoa học đời sống.
Liên quan đến ứng dụng cụ thể được thảo luận trong bài viết này, trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu số lượng khả năng của kim y tế hướng sóng siêu âm vào các mô của con người bằng cách truyền sóng dọc theo trục của nó.
Sự truyền sóng siêu âm qua kim y tế chứa đầy nước và đưa vào các mô mềm (xem sơ đồ trong Hình 5a) được mô hình hóa bằng phần mềm Comsol Multiphysicals thương mại dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)70, trong đó kim và mô được mô hình hóa như môi trường đàn hồi tuyến tính.
Tham khảo Hình 5b, kim được mô hình hóa như một hình trụ rỗng (còn được gọi là “ống thông”) được làm bằng thép không gỉ, vật liệu tiêu chuẩn cho kim y tế71.Cụ thể, nó được mô hình hóa với mô đun Young E = 205 GPa, tỷ lệ Poisson ν = 0,28 và mật độ ρ = 7850 kg m −372,73.Về mặt hình học, kim được đặc trưng bởi chiều dài L, đường kính trong D (còn gọi là “khe hở”) và độ dày thành t.Ngoài ra, đầu kim được coi là nghiêng một góc α so với phương dọc (z).Thể tích nước về cơ bản tương ứng với hình dạng của vùng bên trong kim.Trong phân tích sơ bộ này, chiếc kim được cho là được nhúng hoàn toàn vào một vùng mô (được cho là kéo dài vô tận), được mô hình hóa dưới dạng một hình cầu có bán kính rs, không đổi ở mức 85 mm trong tất cả các mô phỏng.Chi tiết hơn, chúng tôi hoàn thiện vùng hình cầu bằng một lớp phù hợp hoàn hảo (PML), điều này ít nhất làm giảm các sóng không mong muốn phản xạ từ các ranh giới “tưởng tượng”.Sau đó, chúng tôi chọn bán kính rs để đặt ranh giới miền hình cầu đủ xa kim để không ảnh hưởng đến giải pháp tính toán và đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến chi phí tính toán của mô phỏng.
Một sự dịch chuyển theo chiều dọc hài hòa của tần số f và biên độ A được áp dụng cho ranh giới dưới của hình dạng bút stylus;tình huống này thể hiện một kích thích đầu vào được áp dụng cho hình học mô phỏng.Tại các ranh giới còn lại của kim (tiếp xúc với mô và nước), mô hình được chấp nhận được coi là bao gồm mối quan hệ giữa hai hiện tượng vật lý, một trong số đó liên quan đến cơ học cấu trúc (đối với diện tích của kim) và cái còn lại là cơ học kết cấu.(đối với vùng hình kim), do đó, các điều kiện tương ứng được áp dụng đối với âm học (đối với nước và vùng hình kim)74.Đặc biệt, những rung động nhỏ tác dụng lên bệ kim gây ra nhiễu loạn điện áp nhỏ;do đó, giả sử rằng kim hoạt động giống như một môi trường đàn hồi, vectơ dịch chuyển U có thể được ước tính từ phương trình cân bằng đàn hồi động (Navier)75.Dao động cấu trúc của kim gây ra sự thay đổi áp suất nước bên trong nó (được coi là đứng yên trong mô hình của chúng tôi), do đó sóng âm truyền theo hướng dọc của kim, về cơ bản tuân theo phương trình Helmholtz76.Cuối cùng, giả sử rằng các hiệu ứng phi tuyến trong mô là không đáng kể và biên độ của sóng biến dạng nhỏ hơn nhiều so với biên độ của sóng áp suất, phương trình Helmholtz cũng có thể được sử dụng để mô hình hóa sự lan truyền của sóng âm trong mô mềm.Sau phép tính gần đúng này, mô được coi là chất lỏng77 với mật độ 1000 kg/m3 và tốc độ âm thanh 1540 m/s (bỏ qua các hiệu ứng giảm chấn phụ thuộc tần số).Để kết nối hai trường vật lý này cần đảm bảo tính liên tục của chuyển động pháp tuyến ở ranh giới chất rắn và chất lỏng, sự cân bằng tĩnh giữa áp suất và ứng suất vuông góc với ranh giới của chất rắn và ứng suất tiếp tuyến tại ranh giới của chất rắn. chất lỏng phải bằng không.75 .
Trong phân tích của chúng tôi, chúng tôi nghiên cứu sự lan truyền của sóng âm dọc theo kim trong điều kiện đứng yên, tập trung vào ảnh hưởng của hình dạng của kim đến sự phát xạ của sóng bên trong mô.Đặc biệt, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính trong của kim D, chiều dài L và góc xiên α, giữ cố định độ dày t ở mức 500 µm cho tất cả các trường hợp nghiên cứu.Giá trị này của t gần với độ dày thành tiêu chuẩn điển hình 71 đối với kim thương mại.
Không làm mất tính tổng quát, tần số f của độ dịch chuyển hài tác dụng lên đế kim được lấy bằng 100 kHz và biên độ A là 1 μm.Đặc biệt, tần số được đặt thành 100 kHz, phù hợp với ước tính phân tích được đưa ra trong phần “Phân tích tán xạ của khối u hình cầu để ước tính tần số siêu âm phụ thuộc vào sự tăng trưởng”, trong đó hành vi giống như cộng hưởng của khối u được tìm thấy ở dải tần số 50–400 kHz, với biên độ tán xạ lớn nhất tập trung ở tần số thấp hơn khoảng 100–200 kHz (xem Hình 2).
Thông số đầu tiên được nghiên cứu là đường kính trong D của kim.Để thuận tiện, nó được định nghĩa là một phần nguyên của chiều dài sóng âm trong khoang kim (nghĩa là trong nước λW = 1,5 mm).Thật vậy, hiện tượng truyền sóng trong các thiết bị có đặc điểm hình học nhất định (ví dụ, trong ống dẫn sóng) thường phụ thuộc vào kích thước đặc trưng của hình học được sử dụng so với bước sóng của sóng truyền.Ngoài ra, trong phân tích đầu tiên, để nhấn mạnh hơn tác động của đường kính D đến sự truyền sóng âm qua kim, chúng tôi đã xem xét một đầu phẳng, đặt góc α = 90°.Trong quá trình phân tích này, chiều dài kim L được cố định ở mức 70 mm.
Trên hình.Hình 6a biểu thị cường độ âm thanh trung bình là một hàm của tham số thang đo không thứ nguyên SD, tức là D = λW/SD được đánh giá trong một hình cầu có bán kính 10 mm có tâm ở đầu kim tương ứng.Tham số tỷ lệ SD thay đổi từ 2 đến 6, tức là chúng ta xem xét các giá trị D nằm trong khoảng từ 7,5 mm đến 2,5 mm (tại f = 100 kHz).Phạm vi này cũng bao gồm giá trị tiêu chuẩn là 71 cho kim y tế bằng thép không gỉ.Đúng như dự đoán, đường kính trong của kim ảnh hưởng đến cường độ âm thanh do kim phát ra, có giá trị tối đa (1030 W/m2) tương ứng với D = λW/3 (tức D = 5 mm) và có xu hướng giảm dần khi giảm dần. đường kính.Cần lưu ý rằng đường kính D là một thông số hình học cũng ảnh hưởng đến khả năng xâm lấn của thiết bị y tế, vì vậy không thể bỏ qua khía cạnh quan trọng này khi chọn giá trị tối ưu.Do đó, mặc dù sự giảm D xảy ra do sự truyền cường độ âm thanh trong các mô thấp hơn, nhưng đối với các nghiên cứu sau đây, đường kính D = λW/5, tức là D = 3 mm (tương ứng với tiêu chuẩn 11G71 ở f = 100 kHz) , được coi là sự dung hòa hợp lý giữa khả năng xâm nhập của thiết bị và cường độ truyền âm thanh (trung bình khoảng 450 W/m2).
Cường độ trung bình của âm thanh phát ra từ đầu kim (được coi là phẳng), tùy thuộc vào đường kính trong của kim (a), chiều dài (b) và góc xiên α (c).Chiều dài trong (a, c) là 90 mm và đường kính trong (b, c) là 3 mm.
Tham số tiếp theo cần phân tích là chiều dài của kim L. Theo nghiên cứu trường hợp trước đó, chúng tôi xét góc xiên α = 90° và chiều dài được chia thành bội số của bước sóng trong nước, tức là xét L = SL λW .Tham số thang đo không thứ nguyên SL được thay đổi từ 3 x 7, từ đó ước tính cường độ trung bình của âm thanh phát ra từ đầu kim trong khoảng chiều dài từ 4,5 đến 10,5 mm.Phạm vi này bao gồm các giá trị tiêu biểu cho kim thương mại.Các kết quả được hiển thị trong hình.Như hình 6b cho thấy chiều dài của kim L có ảnh hưởng lớn đến việc truyền cường độ âm thanh trong các mô.Cụ thể, việc tối ưu hóa tham số này giúp cải thiện khả năng truyền tải khoảng một bậc.Trên thực tế, trong phạm vi độ dài được phân tích, cường độ âm thanh trung bình đạt mức tối đa cục bộ là 3116 W/m2 tại SL = 4 (tức là L = 60 mm) và cường độ âm thanh còn lại tương ứng với SL = 6 (tức là L = 90). mm).
Sau khi phân tích ảnh hưởng của đường kính và chiều dài của kim đến sự lan truyền siêu âm trong hình trụ, chúng tôi tập trung vào ảnh hưởng của góc xiên đến việc truyền cường độ âm thanh trong các mô.Cường độ trung bình của âm thanh phát ra từ đầu sợi được đánh giá là hàm của góc α, thay đổi giá trị của nó từ 10° (đầu nhọn) thành 90° (đầu phẳng).Trong trường hợp này, bán kính của hình cầu tích phân xung quanh đầu kim đang xét là 20 mm, do đó với tất cả các giá trị của α, đầu kim được tính vào thể tích tính từ mức trung bình.
Như thể hiện trong hình.Như hình 6c, khi đầu nhọn, tức là khi α giảm bắt đầu từ 90° thì cường độ âm truyền qua tăng lên, đạt giá trị cực đại khoảng 1,5 × 105 W/m2, tương ứng với α = 50°, tức là 2 là một bậc có cường độ cao hơn so với trạng thái phẳng.Khi đầu nhọn hơn nữa (tức là ở mức α dưới 50°), cường độ âm thanh có xu hướng giảm, đạt đến các giá trị tương đương với đầu dẹt.Tuy nhiên, mặc dù chúng tôi đã xem xét nhiều góc vát cho mô phỏng của mình, nhưng cần lưu ý rằng việc mài nhọn đầu là cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa kim vào mô.Trên thực tế, góc vát nhỏ hơn (khoảng 10°) có thể làm giảm lực cần thiết để xuyên qua mô.
Ngoài giá trị cường độ âm thanh truyền trong mô, góc xiên cũng ảnh hưởng đến hướng truyền sóng, như thể hiện trong biểu đồ mức áp suất âm thanh được hiển thị trong Hình 7a (đối với đầu phẳng) và 3b (đối với 10°). ).đầu vát), song song Hướng dọc được đánh giá trong mặt phẳng đối xứng (yz, xem Hình 5).Ở mức cao nhất của hai điểm cân nhắc này, mức áp suất âm thanh (gọi tắt là 1 µPa) chủ yếu tập trung trong khoang kim (tức là trong nước) và tỏa vào mô.Chi tiết hơn, trong trường hợp đầu phẳng (Hình 7a), sự phân bố mức áp suất âm thanh hoàn toàn đối xứng theo hướng dọc và có thể phân biệt được sóng dừng trong nước lấp đầy cơ thể.Sóng định hướng dọc (trục z), biên độ đạt giá trị cực đại trong nước (khoảng 240 dB) và giảm dần theo phương ngang, dẫn đến suy giảm khoảng 20 dB ở khoảng cách 10 mm tính từ tâm kim.Đúng như dự đoán, việc đưa một đầu nhọn (Hình 7b) phá vỡ tính đối xứng này, và các phản nút của sóng đứng “làm lệch” theo đầu kim.Rõ ràng, sự bất đối xứng này ảnh hưởng đến cường độ bức xạ của đầu kim, như được mô tả trước đó (Hình 6c).Để hiểu rõ hơn về khía cạnh này, cường độ âm thanh được đánh giá dọc theo một đường cắt trực giao với hướng dọc của kim, nằm trong mặt phẳng đối xứng của kim và nằm ở khoảng cách 10 mm tính từ đầu kim ( kết quả trong Hình 7c).Cụ thể hơn, sự phân bố cường độ âm thanh được đánh giá ở các góc xiên 10°, 20° và 30° (các đường liền màu xanh lam, đỏ và xanh lục tương ứng) được so sánh với sự phân bố gần đầu phẳng (các đường cong chấm đen).Sự phân bố cường độ liên quan đến kim có đầu phẳng dường như đối xứng với tâm của kim.Cụ thể, nó có giá trị khoảng 1420 W/m2 ở trung tâm, tràn khoảng 300 W/m2 ở khoảng cách ~8 mm, sau đó giảm xuống giá trị khoảng 170 W/m2 ở ~30 mm .Khi đầu nhọn trở nên nhọn, thùy trung tâm sẽ chia thành nhiều thùy với cường độ khác nhau.Cụ thể hơn, khi góc α là 30°, ba cánh hoa có thể được phân biệt rõ ràng theo mặt cắt được đo ở khoảng cách 1 mm tính từ đầu kim.Cái ở giữa gần như nằm ở tâm kim và có giá trị ước tính là 1850 W/m2, cái cao hơn bên phải cách tâm khoảng 19 mm và đạt 2625 W/m2.Ở góc α = 20°, có 2 thùy chính: một trên −12 mm ở 1785 W/m2 và một trên 14 mm ở 1524 W/m2.Khi đầu trở nên sắc nét hơn và góc đạt tới 10°, đạt tối đa 817 W/m2 ở khoảng -20 mm và có thể nhìn thấy thêm ba thùy có cường độ thấp hơn một chút dọc theo mặt cắt.
Mức áp suất âm thanh trong mặt phẳng đối xứng y–z của kim có đầu phẳng (a) và góc xiên 10° (b).(c) Phân bố cường độ âm được ước tính dọc theo đường cắt vuông góc với phương dọc của kim, ở khoảng cách 10 mm tính từ đầu kim và nằm trong mặt phẳng đối xứng yz.Chiều dài L là 70 mm và đường kính D là 3 mm.
Kết hợp lại với nhau, những kết quả này chứng minh rằng kim y tế có thể được sử dụng một cách hiệu quả để truyền siêu âm ở tần số 100 kHz vào mô mềm.Cường độ của âm thanh phát ra phụ thuộc vào hình dạng của kim và có thể được tối ưu hóa (tuân theo các giới hạn do khả năng xâm lấn của thiết bị cuối) lên đến các giá trị trong phạm vi 1000 W/m2 (ở 10 mm).áp vào đáy kim 1. Trong trường hợp lệch micromet, kim được coi là đã cắm hoàn toàn vào mô mềm kéo dài vô tận.Đặc biệt, góc vát ảnh hưởng mạnh đến cường độ và hướng truyền sóng âm trong mô, điều này chủ yếu dẫn đến tính trực giao của vết cắt của đầu kim.
Để hỗ trợ phát triển các chiến lược điều trị khối u mới dựa trên việc sử dụng các kỹ thuật y tế không xâm lấn, việc truyền sóng siêu âm tần số thấp trong môi trường khối u đã được phân tích bằng phương pháp phân tích và tính toán.Đặc biệt, trong phần đầu của nghiên cứu, giải pháp đàn hồi động tạm thời cho phép chúng tôi nghiên cứu sự tán xạ của sóng siêu âm trong các nhân vật khối u rắn có kích thước và độ cứng đã biết để nghiên cứu độ nhạy tần số của khối.Sau đó, các tần số hàng trăm kilohertz đã được chọn và ứng dụng rung động cục bộ trong môi trường khối u bằng cách sử dụng ổ kim y tế được mô hình hóa bằng mô phỏng số bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế chính quyết định việc truyền âm thanh. sức mạnh của thiết bị tới môi trường.Kết quả cho thấy kim y tế có thể được sử dụng một cách hiệu quả để chiếu xạ các mô bằng siêu âm và cường độ của nó có liên quan chặt chẽ đến thông số hình học của kim, được gọi là bước sóng âm thanh làm việc.Trên thực tế, cường độ chiếu xạ qua mô tăng khi đường kính trong của kim tăng, đạt cực đại khi đường kính gấp ba lần bước sóng.Chiều dài của kim cũng mang lại một số mức độ tự do để tối ưu hóa độ phơi sáng.Kết quả thứ hai thực sự được tối đa hóa khi chiều dài kim được đặt thành bội số nhất định của bước sóng hoạt động (cụ thể là 4 và 6).Điều thú vị là, đối với dải tần quan tâm, các giá trị đường kính và chiều dài được tối ưu hóa gần với các giá trị thường được sử dụng cho kim thương mại tiêu chuẩn.Góc vát quyết định độ sắc nét của kim cũng ảnh hưởng đến độ phát xạ, đạt cực đại ở khoảng 50° và mang lại hiệu suất tốt ở khoảng 10°, thường được sử dụng cho kim thương mại..Kết quả mô phỏng sẽ được sử dụng để hướng dẫn triển khai và tối ưu hóa nền tảng chẩn đoán kim tiêm của bệnh viện, tích hợp siêu âm chẩn đoán và điều trị với các giải pháp điều trị trong thiết bị khác và thực hiện các biện pháp can thiệp y học chính xác mang tính hợp tác.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. và Kopp MV Thuốc chính xác là gì?Âu, nước ngoài.Tạp chí 50, 1700391 (2017).
Collins, FS và Varmus, H. Những sáng kiến ​​mới trong y học chính xác.N. eng.J. Y học.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK và Wang, MD.Tin học hình ảnh y sinh trong kỷ nguyên y học chính xác: Thành tựu, thách thức và cơ hội.Mứt.thuốc.thông báo.Trợ lý giáo sư.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Ung thư chính xác: đánh giá.J. Lâm sàng.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. và Salem, A. Cải thiện liệu pháp điều trị u nguyên bào thần kinh đệm (GBM) bằng hệ thống phân phối dựa trên hạt nano.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G và von Daimling A. Glioblastoma: bệnh lý, cơ chế phân tử và dấu hiệu.Bệnh lý thần kinh Acta.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM và Berger, MS Các chiến lược hiện tại và tương lai để điều trị u thần kinh đệm.phẫu thuật thần kinh.Ed.40, 1–14 (2017).