تؤثر الهندسة المخروطية للإبرة على سعة الانحناء في خزعة الإبرة الدقيقة المضخمة بالموجات فوق الصوتية

شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
لقد ثبت مؤخرًا أن استخدام الموجات فوق الصوتية يمكن أن يحسن إنتاجية الأنسجة في خزعة الشفط بالإبرة الدقيقة المحسنة بالموجات فوق الصوتية (USeFNAB) مقارنةً بخزعة الشفط بالإبرة الدقيقة التقليدية (FNAB).لم يتم بعد دراسة العلاقة بين الهندسة المخروطية وعمل طرف الإبرة.في هذه الدراسة، قمنا بدراسة خصائص رنين الإبرة وسعة الانحراف لمختلف الأشكال الهندسية المخروطية ذات الأطوال المائلة المختلفة.باستخدام مشرط تقليدي بقطع 3.9 مم، كان عامل قدرة انحراف الطرف (DPR) 220 و105 ميكرومتر/واط في الهواء والماء، على التوالي.وهذا أعلى من الطرف المشطوف المتماثل مقاس 4 مم، والذي حقق معدل DPR قدره 180 و80 ميكرومتر/وات في الهواء والماء، على التوالي.تسلط هذه الدراسة الضوء على أهمية العلاقة بين صلابة الانحناء للهندسة المخروطية في سياق أدوات مساعدة الإدراج المختلفة، وبالتالي قد توفر نظرة ثاقبة لطرق التحكم في عمل القطع بعد الثقب عن طريق تغيير هندسة المخروط المخروطية، وهو أمر مهم لـ USeFNAB.التطبيق مهم.
خزعة الإبرة الدقيقة (FNAB) هي تقنية يتم فيها استخدام إبرة للحصول على عينة من الأنسجة عند الاشتباه في وجود خلل 1،2،3.لقد ثبت أن الأطراف من نوع Franseen توفر أداءً تشخيصيًا أعلى من الأطراف التقليدية Lancet4 وMenghini5.تم أيضًا اقتراح حواف متماثلة المحور (أي محيطية) لزيادة احتمالية وجود عينة مناسبة لعلم التشريح المرضي 6 .
أثناء الخزعة، يتم تمرير إبرة عبر طبقات من الجلد والأنسجة للكشف عن الأمراض المشبوهة.وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن التنشيط بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يقلل من قوة الثقب المطلوبة للوصول إلى الأنسجة الرخوة.لقد ثبت أن هندسة الإبرة المائلة تؤثر على قوى تفاعل الإبرة، على سبيل المثال، تبين أن المشطوف الأطول لديها قوى اختراق أقل للأنسجة 11.وقد اقترح أنه بعد اختراق الإبرة لسطح الأنسجة، أي بعد ثقب، قد تكون قوة القطع للإبرة 75٪ من إجمالي قوة التفاعل بين الأنسجة والإبرة.لقد ثبت أن الموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) تعمل على تحسين جودة خزعة الأنسجة الرخوة التشخيصية في مرحلة ما بعد البزل .تم تطوير طرق أخرى لتحسين خزعة العظام لأخذ عينات الأنسجة الصلبة ولكن لم يتم الإبلاغ عن أي نتائج تعمل على تحسين جودة الخزعة.وقد وجدت العديد من الدراسات أيضًا أن الإزاحة الميكانيكية تزداد مع زيادة جهد محرك الموجات فوق الصوتية .على الرغم من وجود العديد من الدراسات حول القوى الثابتة المحورية (الطولية) في تفاعلات أنسجة الإبرة، فإن الدراسات حول الديناميكيات الزمنية وهندسة شطبة الإبرة في FNAB المعزز بالموجات فوق الصوتية (USEFNAB) محدودة.
كان الهدف من هذه الدراسة هو دراسة تأثير الأشكال الهندسية المخروطية المختلفة على حركة طرف الإبرة المدفوعة بثني الإبرة عند الترددات فوق الصوتية.على وجه الخصوص، قمنا بدراسة تأثير وسيط الحقن على انحراف طرف الإبرة بعد ثقب حواف الإبرة التقليدية (على سبيل المثال، المشارط)، والهندسة المخروطية المفردة المتماثلة وغير المتماثلة (الشكل 1 لتسهيل تطوير إبر USeFNAB لأغراض مختلفة مثل الشفط الانتقائي). الوصول أو نواة الأنسجة الرخوة.
تم تضمين أشكال هندسية شطبة مختلفة في هذه الدراسة.(أ) المشارط المطابقة للمواصفة ISO 7864:201636 حيث \(\alpha\) هي الزاوية المائلة الأولية، و\(\theta\) هي زاوية الدوران المائلة الثانوية، و\(\phi\) هي زاوية الدوران المائلة الثانوية في درجات ، بالدرجات (\(^\circ\)).(ب) غرف خطية غير متماثلة أحادية الخطوة (تسمى "قياسية" في DIN 13097:201937) و(ج) غرف أحادية الخطوة متماثلة محورية خطية (محيطية).
يتمثل نهجنا في وضع نموذج أولي للتغير في طول موجة الانحناء على طول المنحدر بالنسبة لهندسة المنحدرات أحادية المرحلة التقليدية والمتماثلة المحورية وغير المتماثلة.قمنا بعد ذلك بحساب دراسة حدودية لفحص تأثير الزاوية المائلة وطول الأنبوب على حركة آلية النقل.يتم ذلك لتحديد الطول الأمثل لصنع إبرة نموذجية.بناءً على المحاكاة، تم صنع نماذج أولية للإبرة وتم تحديد سلوكها الرنان في الهواء والماء والجيلاتين الباليستي بنسبة 10% (وزن/حجم) تجريبيًا عن طريق قياس معامل انعكاس الجهد وحساب كفاءة نقل الطاقة، والتي تم من خلالها قياس تردد التشغيل. عازم..وأخيرًا، يتم استخدام التصوير عالي السرعة لقياس انحراف موجة الانحناء عند طرف الإبرة في الهواء والماء بشكل مباشر، ولتقدير الطاقة الكهربائية المنقولة بواسطة كل ميل وهندسة عامل قدرة الانحراف (DPR) للحقنة. واسطة.
كما هو موضح في الشكل 2أ، استخدم الأنبوب رقم 21 (0.80 مم OD، 0.49 مم ID، 0.155 مم سمك جدار الأنبوب، الجدار القياسي كما هو محدد في ISO 9626:201621) مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 (معامل يونج 205).\(\text {GN/m}^{2}\)، الكثافة 8070 كجم/م\(^{3}\)، نسبة بواسون 0.275).
تحديد الطول الموجي الانحناء وضبط نموذج العناصر المحدودة (FEM) للإبرة وظروف الحدود.(أ) تحديد طول المجسم المائل (BL) وطول الأنبوب (TL).(ب) نموذج العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد (FEM) باستخدام قوة النقطة التوافقية \(\tilde{F}_y\vec{j}\) لإثارة الإبرة في الطرف القريب، وانحراف النقطة، وقياس السرعة لكل طرف (\( \tilde{u}_y\vec {j}\)، \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) لحساب حركة النقل الميكانيكية.يتم تعريف \(\lambda _y\) على أنه طول موجة الانحناء المرتبط بالقوة العمودية \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(ج) تحديد مركز الجاذبية ومنطقة المقطع العرضي A ولحظات القصور الذاتي \(I_{xx}\) و\(I_{yy}\) حول المحور السيني والمحور الصادي على التوالي.
كما يظهر في الشكل.في الشكل 2 ب، ج، بالنسبة لحزمة لا نهائية (لا نهائية) بمساحة مقطع عرضي A وبطول موجي كبير مقارنة بحجم المقطع العرضي للحزمة، فإن سرعة طور الانحناء (أو الانحناء) \(c_{EI}\ ) يتم تعريفه على أنه 22:
حيث E هو معامل يونغ (\(\text {N/m}^{2}\)))، \(\omega _0 = 2\pi f_0\) هو التردد الزاوي للإثارة (rad/s)، حيث \( f_0 \ ) هو التردد الخطي (1/s أو هرتز)، I هو عزم القصور الذاتي للمنطقة المحيطة بمحور الاهتمام \((\text {m}^{4})\) و \(m'=\ rho _0 A \) هي الكتلة بوحدة الطول (كجم/م)، حيث \(\rho _0\) هي الكثافة \((\text {kg/m}^{3})\) وA هو التقاطع -المساحة المقطعية للحزمة (المستوى xy) (\ (\text {m}^{2}\)).نظرًا لأن القوة المطبقة في حالتنا موازية للمحور y الرأسي، أي \(\tilde{F}_y\vec {j}\)، فنحن مهتمون فقط بعزم القصور الذاتي للمنطقة المحيطة بالخط الأفقي x- المحور، أي \(I_{xx} \)، لذا:
بالنسبة لنموذج العناصر المحدودة (FEM)، يُفترض وجود إزاحة توافقية خالصة (m)، لذلك يتم التعبير عن التسارع (\(\text {m/s}^{2}\)) بالصيغة \(\partial ^2 \vec { u}/ \ جزئي t^2 = -\omega ^2\vec {u}\)، على سبيل المثال \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) هو متجه إزاحة ثلاثي الأبعاد محدد في الإحداثيات المكانية.إن استبدال الأخير بشكل لاغرانج القابل للتشوه بشكل محدود لقانون توازن الزخم، وفقًا لتطبيقه في حزمة برامج COMSOL Multiphysics (الإصدارات 5.4-5.5، COMSOL Inc.، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية)، يعطي:
حيث \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial {\partial z}\vec {k}\) هو عامل تباعد الموتر، و \({\underline{\sigma}}\) هو موتر الإجهاد الثاني Piola-Kirchhoff (الترتيب الثاني، \(\ text { N /m}^{2}\)))، و \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) هو متجه قوة الجسم (\(\text {N/m}^{3}\)) لكل حجم قابل للتشوه، و\(e^{j\phi }\) هو مرحلة قوة الجسم، لها زاوية طور \(\ phi\) (rad).في حالتنا، قوة حجم الجسم هي صفر، ويفترض نموذجنا وجود خطية هندسية وتشوهات مرنة بحتة صغيرة، أي \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ) ، حيث \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) و \({\underline{ \varepsilon}}\) - تشوه مرن وتشوه إجمالي (بدون أبعاد من الدرجة الثانية)، على التوالي.يتم الحصول على موتر المرونة المتناحية التأسيسية لهوك \(\underline {\underline {C))\) باستخدام معامل يونغ E(\(\text{N/m}^{2}\)) ويتم تعريف نسبة بواسون v، بحيث \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (الترتيب الرابع).وبالتالي يصبح حساب الإجهاد \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
تم إجراء الحسابات باستخدام عناصر رباعية السطوح ذات 10 عقدة بحجم العنصر \(\le\) 8 ميكرومتر.تم تصميم الإبرة في الفراغ، ويتم تعريف قيمة نقل الحركة الميكانيكية (ms-1 H-1) على أنها \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24، حيث \(\tilde{v}_y\vec {j}\) هي السرعة المعقدة للإخراج للقبضة، و \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) هي قوة دافعة معقدة تقع في الطرف القريب للأنبوب، كما هو موضح في الشكل 2 ب.يتم التعبير عن الحركة الميكانيكية الإرسالية بالديسيبل (ديسيبل) باستخدام القيمة القصوى كمرجع، أي \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ) ، أجريت جميع دراسات FEM على تردد 29.75 كيلو هرتز.
يتكون تصميم الإبرة (الشكل 3) من إبرة تحت الجلد تقليدية مقاس 21 (رقم الكتالوج: 4665643، Sterican\(^\circledR\)، بقطر خارجي 0.8 مم، وطول 120 مم، مصنوعة من AISI الفولاذ المقاوم للصدأ بالكروم والنيكل 304.، B. Braun Melsungen AG، Melsungen، ألمانيا) وضع غطاء Luer Lock بلاستيكيًا مصنوعًا من مادة البولي بروبيلين القريبة مع تعديل الطرف المقابل.يتم لحام أنبوب الإبرة بالدليل الموجي كما هو موضح في الشكل 3 ب.تمت طباعة الدليل الموجي على طابعة ثلاثية الأبعاد من الفولاذ المقاوم للصدأ (EOS الفولاذ المقاوم للصدأ 316L على طابعة ثلاثية الأبعاد EOS M 290، 3D Formtech Oy، Jyväskylä، فنلندا) ثم تم توصيله بمستشعر Langevin باستخدام مسامير M4.يتكون محول لانجفين من 8 عناصر حلقية كهرضغطية مع وزنين في كل طرف.
تميزت الأنواع الأربعة من النصائح (في الصورة)، والمشرط المتوفر تجاريًا (L)، وثلاثة حواف مجسمة أحادية المرحلة (AX1–3) بأطوال مجسمة مجسمة (BL) تبلغ 4 و1.2 و0.5 مم، على التوالي.(أ) صورة مقربة لطرف الإبرة النهائي.(ب) المنظر العلوي لأربعة دبابيس ملحومة بدليل موجي مطبوع ثلاثي الأبعاد ومن ثم توصيلها بمستشعر Langevin بمسامير M4.
تم تصنيع ثلاث أطراف مخروطية متماثلة المحور (الشكل 3) (TAs Machine Tools Oy) بأطوال مائلة (BL، محددة في الشكل 2 أ) تبلغ 4.0 و1.2 و0.5 مم، المقابلة لـ \(\تقريبًا\) 2\ (^\ circ\)، 7\(^\circ\) و18\(^\circ\).تبلغ أوزان الدليل الموجي والقلم 3.4 ± 0.017 جم (متوسط ​​± SD، n = 4) للشطبة L و AX1–3، على التوالي (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germany).الطول الإجمالي من طرف الإبرة إلى نهاية الغلاف البلاستيكي هو 13.7، 13.3، 13.3، 13.3 سم للمجسم المشطوف الحواف L وAX1-3 في الشكل 3ب، على التوالي.
بالنسبة لجميع تكوينات الإبرة، يبلغ الطول من طرف الإبرة إلى طرف الدليل الموجي (أي منطقة اللحام) 4.3 سم، ويتم توجيه أنبوب الإبرة بحيث تكون الشطبة متجهة لأعلى (أي موازية للمحور Y) ).) كما في (الشكل 2).
تم استخدام برنامج نصي مخصص في MATLAB (R2019a، The MathWorks Inc.، Massachusetts، USA) يعمل على جهاز كمبيوتر (Latitude 7490، Dell Inc.، Texas، USA) لإنشاء مسح جيبي خطي من 25 إلى 35 كيلو هرتز في 7 ثوانٍ، تم تحويلها إلى إشارة تناظرية بواسطة محول رقمي إلى تناظري (DA) (Analog Discovery 2، Digilent Inc.، واشنطن، الولايات المتحدة الأمريكية).تم بعد ذلك تضخيم الإشارة التناظرية \(V_0\) (0.5 Vp-p) باستخدام مضخم تردد راديوي مخصص (RF) (Mariachi Oy، توركو، فنلندا).يتم إخراج جهد التضخيم الهابط \({V_I}\) من مضخم التردد اللاسلكي بممانعة خرج قدرها 50 \(\Omega\) إلى محول مدمج في هيكل الإبرة بممانعة دخل قدرها 50 \(\Omega)\) يتم استخدام محول لانجفين (محولات الطاقة الكهرضغطية الأمامية والخلفية متعددة الطبقات، المحملة بالكتلة) لتوليد موجات ميكانيكية.تم تجهيز مضخم التردد اللاسلكي المخصص بمقياس عامل طاقة الموجة الدائمة ثنائي القناة (SWR) الذي يمكنه اكتشاف الحادث \({V_I}\) والجهد المضخم المنعكس \(V_R\) من خلال 300 كيلو هرتز تناظري إلى رقمي (AD) ) محول (التناظرية ديسكفري 2).يتم تعديل سعة إشارة الإثارة في البداية والنهاية لمنع التحميل الزائد على مدخلات مكبر الصوت مع العابرين.
باستخدام برنامج نصي مخصص تم تنفيذه في MATLAB، تفترض وظيفة استجابة التردد (AFC)، أي نظامًا ثابتًا خطيًا.قم أيضًا بتطبيق مرشح تمرير النطاق من 20 إلى 40 كيلو هرتز لإزالة أي ترددات غير مرغوب فيها من الإشارة.بالإشارة إلى نظرية خط النقل، \(\tilde{H}(f)\) في هذه الحالة يعادل معامل انعكاس الجهد، أي \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 نظرًا لأن مقاومة الخرج لمكبر الصوت \(Z_0\) تتوافق مع مقاومة الإدخال للمحول المدمج في المحول، ويتم تقليل معامل انعكاس الطاقة الكهربائية \({P_R}/{P_I}\) إلى \ ({V_R}^ 2/{V_I}^2\ )، إذن هو \(|\rho _{V}|^2\).في الحالة التي تكون فيها القيمة المطلقة للطاقة الكهربائية مطلوبة، قم بحساب القدرة الحادثة \(P_I\) والقدرة\(P_R\) المنعكسة (W) عن طريق أخذ قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​(rms) للجهد المقابل، على سبيل المثال، بالنسبة لخط نقل ذي إثارة جيبية، \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26، حيث \(Z_0\) يساوي 50 \(\Omega\).يمكن حساب الطاقة الكهربائية المسلمة للحمل \(P_T\) (أي الوسط المدرج) كـ \(|P_I – P_R |\) (W RMS) ويمكن تعريف كفاءة نقل الطاقة (PTE) والتعبير عنها كـ النسبة المئوية (٪) تعطي 27:
يتم بعد ذلك استخدام استجابة التردد لتقدير الترددات النموذجية \(f_{1-3}\) (كيلو هرتز) لتصميم القلم وكفاءة نقل الطاقة المقابلة، \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\)، هرتز) يتم تقديره مباشرة من \(\text {PTE}_{1{-}3}\)، من الجدول 1 الترددات \(f_{1-3}\) الموضحة في .
طريقة لقياس استجابة التردد (AFC) لبنية محددة.يتم استخدام قياس جيب الجيب ثنائي القناة للحصول على وظيفة استجابة التردد \(\ tilde {H} (f) \) واستجابتها النبضية H (t).يشير \({\mathcal {F}}\) و \({\mathcal {F}}^{-1}\) إلى تحويل فورييه العددي المقطوع وعملية التحويل العكسي، على التوالي.\(\tilde{G}(f)\) يعني أن الإشارتين مضروبتان في مجال التردد، على سبيل المثال \(\tilde{G}_{XrX}\) يعني المسح العكسي\(\tilde{X} r( f )\) وإشارة انخفاض الجهد \(\tilde{X}(f)\).
كما يظهر في الشكل.5، كاميرا عالية السرعة (Phantom V1612، Vision Research Inc.، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية) مزودة بعدسة ماكرو (MP-E 65 مم، \(f)/2.8، 1-5 \ (\times\)، Canon Inc .، طوكيو، اليابان) لتسجيل انحراف طرف الإبرة المعرض لإثارة الانحناء (تردد واحد، الجيوب الأنفية المستمرة) على تردد 27.5-30 كيلو هرتز.لإنشاء خريطة ظل، تم وضع عنصر مبرد من مصباح LED أبيض عالي الكثافة (رقم القطعة: 4052899910881، White Led، 3000 K، 4150 lm، Osram Opto Semiconductors GmbH، Regensburg، ألمانيا) خلف حافة الإبرة.
منظر أمامي للإعداد التجريبي.يتم قياس العمق من سطح الوسائط.يتم تثبيت هيكل الإبرة وتثبيته على طاولة نقل آلية.استخدم كاميرا عالية السرعة مع عدسة تكبير عالية (5\(\times\)) لقياس انحراف الطرف المشطوف.جميع أبعاد هي في ملليمتر.
لكل نوع من أنواع الإبرة المائلة، سجلنا 300 إطار كاميرا عالي السرعة يبلغ 128 \(\x\) 128 بكسل، كل منها بدقة مكانية تبلغ 1/180 ملم (\(\تقريبًا) 5 ميكرومتر)، مع دقة زمنية بمعدل 310.000 إطار في الثانية.كما هو موضح في الشكل 6، يتم اقتصاص كل إطار (1) (2) بحيث يكون الطرف في السطر الأخير (أسفل) من الإطار، ثم يتم حساب الرسم البياني للصورة (3)، لذلك عتبات Canny 1 و 2 يمكن تحديدها.ثم قم بتطبيق اكتشاف الحواف Canny28(4) باستخدام عامل التشغيل Sobel 3 \(\times\) 3 واحسب موضع البكسل للوتر غير التجويف (المسمى \(\mathbf {\times }\)) لجميع الخطوات ذات الـ 300 ضعف .لتحديد مدى الانحراف في النهاية، يتم حساب المشتق (باستخدام خوارزمية الفرق المركزي) (6) ويتم تحديد الإطار الذي يحتوي على الحدود القصوى المحلية (أي الذروة) للانحراف (7).بعد فحص الحافة غير التجويفية بصريًا، تم اختيار زوج من الإطارات (أو إطارين مفصولين بنصف فترة زمنية) (7) وقياس انحراف الطرف (المسمى \(\mathbf {\times} \ ) تم تنفيذ ما ورد أعلاه في Python (الإصدار 3.8، Python Software Foundation، python.org) باستخدام خوارزمية الكشف عن الحواف OpenCV Canny (الإصدار 4.5.1، مكتبة رؤية الكمبيوتر مفتوحة المصدر، opencv.org). الطاقة الكهربائية \ (P_T \) (W, rms) .
تم قياس انحراف الطرف باستخدام سلسلة من الإطارات المأخوذة من كاميرا عالية السرعة عند 310 كيلو هرتز باستخدام خوارزمية مكونة من 7 خطوات (1-7) بما في ذلك الإطارات (1-2)، واكتشاف حافة Canny (3-4)، وحافة موقع البكسل حساب (5) ومشتقاتها الزمنية (6)، وأخيرا تم قياس انحراف طرف الذروة إلى الذروة على أزواج من الإطارات التي تم فحصها بصريا (7).
تم أخذ القياسات في الهواء (22.4-22.9 درجة مئوية)، والماء منزوع الأيونات (20.8-21.5 درجة مئوية) والجيلاتين الباليستي 10% (وزن/حجم) (19.7-23.0 درجة مئوية، \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) جيلاتين عظام البقر ولحم الخنزير للتحليل الباليستي من النوع الأول، هانيويل إنترناشيونال، نورث كارولينا، الولايات المتحدة الأمريكية).تم قياس درجة الحرارة باستخدام مضخم حراري من النوع K (AD595، Analog Devices Inc.، MA، الولايات المتحدة الأمريكية) ومزدوجة حرارية من النوع K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K، Fluke Corporation، Washington، USA).من العمق المتوسط ​​تم قياسه من السطح (الذي تم تعيينه كأصل المحور z) باستخدام مرحلة المحور z العمودية الآلية (8MT50-100BS1-XYZ، Standa Ltd.، Vilnius، ليتوانيا) بدقة 5 ميكرون.لكل خطوة.
نظرًا لأن حجم العينة كان صغيرًا (ن = 5) ولا يمكن افتراض الحالة الطبيعية، تم استخدام اختبار مجموع رتبة ويلكوكسون ثنائي العينة (R، v4.0.3، R Foundation for Statistical Computing، r-project .org). لمقارنة مقدار طرف إبرة التباين للحواف المختلفة.كانت هناك 3 مقارنات لكل منحدر، لذلك تم تطبيق تصحيح Bonferroni بمستوى أهمية معدل قدره 0.017 ومعدل خطأ قدره 5٪.
دعونا ننتقل الآن إلى الشكل 7.عند تردد 29.75 كيلو هرتز، يبلغ نصف موجة الانحناء (\(\lambda_y/2\)) لإبرة قياس 21 \(\تقريبًا) 8 مم.عندما يقترب المرء من القمة، يتناقص طول موجة الانحناء على طول الزاوية المائلة.عند الطرف \(\lambda _y/2\) \(\تقريبًا\) هناك خطوات تبلغ 3 و1 و7 ملم للميل المعتاد (أ) وغير المتماثل (ب) والمحوري (ج) لإبرة واحدة ، على التوالى.وبالتالي، فإن هذا يعني أن نطاق المشرط هو \(\ تقريبًا) 5 مم (نظرًا لأن طائرتي المشرط تشكلان نقطة واحدة29,30)، والشطبة غير المتماثلة هي 7 مم، والشطبة غير المتماثلة هي 1 مم.المنحدرات المحورية المتماثلة (يظل مركز الجاذبية ثابتًا، لذلك يتغير سمك جدار الأنبوب فقط على طول المنحدر).
دراسات FEM وتطبيق المعادلات على تردد 29.75 كيلو هرتز.(1) عند حساب تباين نصف موجة الانحناء (\(\lambda_y/2\)) للمشرط (أ)، والهندسة المخروطية غير المتماثلة (ب) والمحورية (ج) (كما في الشكل 1 أ، ب، ج) ) .كان متوسط ​​قيمة \(\lambda_y/2\) للحواف المشطوفة وغير المتماثلة والمحورية 5.65 و5.17 و7.52 ملم على التوالي.لاحظ أن سمك الطرف للحواف غير المتماثلة والمحورية يقتصر على \(\تقريبًا) 50 ميكرومتر.
ذروة التنقل \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) هي المزيج الأمثل لطول الأنبوب (TL) والطول المائل (BL) (الشكل 8، 9).بالنسبة للمشرط التقليدي، نظرًا لأن حجمه ثابت، فإن الحد الأقصى الأمثل هو \(\تقريبًا) 29.1 ملم (الشكل 8).بالنسبة للحواف غير المتماثلة والمحورية (الشكل 9 أ، ب، على التوالي)، شملت دراسات FEM BL من 1 إلى 7 مم، وبالتالي فإن TL الأمثل كان من 26.9 إلى 28.7 مم (المدى 1.8 مم) ومن 27.9 إلى 29.2 مم (المدى 1.3 ملم) على التوالي.بالنسبة للمنحدر غير المتماثل (الشكل 9 أ)، زاد TL الأمثل خطيًا، ووصل إلى هضبة عند BL 4 مم، ثم انخفض بشكل حاد من BL 5 إلى 7 مم.بالنسبة للشطبة المحورية (الشكل 9 ب) ، زاد TL الأمثل خطيًا مع زيادة BL واستقر أخيرًا عند BL من 6 إلى 7 مم.كشفت دراسة موسعة للإمالة المحورية (الشكل 9 ج) عن مجموعة مختلفة من TLs المثالية عند \ (\ تقريبًا) 35.1-37.1 مم.بالنسبة لجميع BLs، فإن المسافة بين أفضل TLs هي \(\approx\) 8 مم (أي ما يعادل \(\lambda_y/2\)).
إمكانية نقل الحركة بتردد 29.75 كيلو هرتز.تم تحفيز الإبرة بمرونة على تردد 29.75 كيلو هرتز وتم قياس الاهتزاز عند طرف الإبرة وتم التعبير عنه بمقدار الحركة الميكانيكية المنقولة (ديسيبل بالنسبة إلى القيمة القصوى) لـ TL 26.5-29.5 مم (بزيادات قدرها 0.1 مم) .
تُظهر الدراسات البارامترية لـ FEM بتردد 29.75 كيلو هرتز أن حركة نقل الطرف المتماثل أقل تأثراً بالتغير في طول الأنبوب مقارنة بنظيره غير المتماثل.دراسات الطول المائل (BL) وطول الأنبوب (TL) للهندسة المخروطية غير المتماثلة (أ) والمحورية (ب، ج) في دراسة مجال التردد باستخدام FEM (تظهر الشروط الحدودية في الشكل 2).(أ، ب) تراوحت TL من 26.5 إلى 29.5 ملم (خطوة 0.1 ملم) و BL 1-7 ملم (خطوة 0.5 ملم).(ج) دراسات الميل المحوري الموسعة بما في ذلك TL 25–40 مم (بزيادات 0.05 مم) و BL 0.1–7 مم (بزيادات 0.1 مم) توضح أن \(\lambda_y/2\ ) يجب أن يفي بمتطلبات الطرف.شروط الحدود المتحركة
يحتوي تكوين الإبرة على ثلاثة ترددات ذاتية \(f_{1-3}\) مقسمة إلى مناطق منخفضة ومتوسطة وعالية كما هو موضح في الجدول 1. وتم تسجيل حجم PTE كما هو موضح في الشكل.10 ثم تحليلها في الشكل 11. فيما يلي النتائج الخاصة بكل مجال مشروط:
تم الحصول على السعات النموذجية لكفاءة نقل الطاقة اللحظية (PTE) المسجلة من خلال الإثارة الجيبية ذات التردد الممتد للمشرط (L) والمشطوف المتماثل المحوري AX1-3 في الهواء والماء والجيلاتين على عمق 20 مم.وتظهر الأطياف من جانب واحد.تمت تصفية استجابة التردد المقاسة (التي تم أخذ عينات منها عند 300 كيلو هرتز) بتمرير منخفض ثم تم تقليصها بمعامل 200 للتحليل المشروط.نسبة الإشارة إلى الضوضاء هي \(\le\) 45 ديسيبل.تظهر مراحل PTE (الخطوط المنقطة الأرجوانية) بالدرجات (\ (^ {\ circ} \)).
تحليل الاستجابة المشروطة (متوسط ​​± الانحراف المعياري، n = 5) الموضح في الشكل 10، للمنحدرات L وAX1-3، في الهواء والماء و10% جيلاتين (عمق 20 مم)، مع (أعلى) ثلاث مناطق مشروطة ( منخفضة ومتوسطة وعالية) والترددات النمطية المقابلة لها\(f_{1-3 }\) (كيلو هرتز)، (متوسط) كفاءة الطاقة \(\text {PTE}_{1{-}3}\) محسوبة باستخدام المكافئات .(4) و (أسفل) العرض الكامل بنصف القياسات القصوى \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (هرتز)، على التوالي.لاحظ أنه تم تخطي قياس عرض النطاق الترددي عند تسجيل PTE منخفض، أي \(\text {FWHM}_{1}\) في حالة ميل AX2.وجد أن الوضع \(f_2\) هو الأكثر ملاءمة لمقارنة انحرافات المنحدر، حيث أظهر أعلى مستوى من كفاءة نقل الطاقة (\(\text {PTE}_{2}\)) تصل إلى 99%.
المنطقة النموذجية الأولى: \(f_1\) لا تعتمد كثيرًا على نوع الوسط المُدخل، ولكنها تعتمد على هندسة المنحدر.\(f_1\) يتناقص مع انخفاض الطول المائل (27.1 و26.2 و25.9 كيلو هرتز في الهواء لـ AX1-3، على التوالي).المتوسطات الإقليمية \(\text {PTE}_{1}\) و\(\text {FWHM}_{1}\) هي \(\approx\) 81% و230 هرتز على التوالي.\(\text {FWHM}_{1}\) يحتوي على أعلى محتوى جيلاتين في لانسيت (L، 473 هرتز).لاحظ أنه لا يمكن تقييم \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 في الجيلاتين بسبب انخفاض سعة FRF المسجلة.
المنطقة المشروطة الثانية: \(f_2\) تعتمد على نوع الوسائط المدرجة والمجسم المائل.متوسط ​​القيم \(f_2\) هو 29.1 و27.9 و28.5 كيلو هرتز في الهواء والماء والجيلاتين على التوالي.وأظهرت هذه المنطقة النموذجية أيضًا ارتفاع معدل PTE بنسبة 99%، وهي أعلى نسبة في أي مجموعة تم قياسها، بمتوسط ​​إقليمي قدره 84%.يبلغ متوسط ​​\(\text {FWHM}_{2}\) الإقليمي \(\تقريبًا\) 910 هرتز.
منطقة الوضع الثالث: التردد \(f_3\) يعتمد على نوع الوسائط والمجسم المائل.متوسط ​​القيم \(f_3\) هو 32.0 و31.0 و31.3 كيلو هرتز في الهواء والماء والجيلاتين على التوالي.كان المتوسط ​​الإقليمي \(\text {PTE}_{3}\) \(\تقريبًا\) 74%، وهو الأدنى في أي منطقة.المتوسط ​​الإقليمي \(\text {FWHM}_{3}\) هو \(\تقريبًا\) 1085 هرتز، وهو أعلى من المنطقتين الأولى والثانية.
يشير ما يلي إلى الشكل.12 والجدول 2. انحرف المشرط (L) أكثر (مع أهمية عالية لجميع الأطراف، \(p<\) 0.017) في كل من الهواء والماء (الشكل 12 أ)، محققًا أعلى معدل DPR (يصل إلى 220 ميكرومتر/ ث في الهواء). 12 والجدول 2. انحرف المشرط (L) أكثر (مع أهمية عالية لجميع الأطراف، \(p<\) 0.017) في كل من الهواء والماء (الشكل 12 أ)، محققًا أعلى معدل DPR (يصل إلى 220 ميكرومتر/ ث في الهواء). العودة التالية إلى المصدر 12 واللوحة 2. لانسيت (L) يبتعد أكثر من أي وقت مضى (بفضل كبير لجميع الأطراف، \ (p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис.12a), достигая самого высокого DPR . ينطبق ما يلي على الشكل 12 والجدول 2. انحرف المشرط (L) أكثر (مع أهمية عالية لجميع النصائح، \ (p <\) 0.017) في كل من الهواء والماء (الشكل 12 أ)، محققًا أعلى DPR.(تفعل 220 ميكرومتر/واط في الهواء).سمت.الشكل 12 والجدول 2 أدناه.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) 220 ميكرومتر/وات).يتمتع 柳叶刀(L) بأعلى انحراف في الهواء والماء (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017) (图12a)، وحقق أعلى معدل DPR (يصل إلى 220 ميكرومتر/واط في هواء). لانسيت (L) отклонялся бользе всего (высокая значимость для наконечников، \(p<\) 0,017) в воздуче и воде (ريس.12a)، достигая ниб أول جمهورية الكونغو الديمقراطية (حتى 220 ملم / واط في الهواء). انحرف لانسيت (L) أكثر (أهمية عالية لجميع الأطراف، \(p<\) 0.017) في الهواء والماء (الشكل 12 أ)، ليصل إلى أعلى DPR (يصل إلى 220 ميكرومتر / واط في الهواء). في الهواء، انحرف AX1 الذي كان لديه BL أعلى، أعلى من AX2–3 (مع أهمية، \(p<\) 0.017)، بينما انحرف AX3 (الذي كان لديه أدنى BL) أكثر من AX2 مع DPR قدره 190 ميكرومتر / واط. في الهواء، انحرف AX1 الذي كان لديه BL أعلى، أعلى من AX2–3 (مع أهمية، \(p<\) 0.017)، بينما انحرف AX3 (الذي كان لديه أدنى BL) أكثر من AX2 مع DPR قدره 190 ميكرومتر / واط. في الهواء AX1 مع BL كبير يتم حجبه، حيث يتم حجب AX2–3 (بسبب \(p<\) 0,017)، وكذلك AX3 (مع BL نفسه) يتم حجبه علاوة على ذلك، فإن AX2 مع DPR 190 مم/وات. في الهواء، انحرف AX1 ذو BL الأعلى أعلى من AX2–3 (مع أهمية \ (p <\) 0.017)، في حين انحرف AX3 (بأقل BL) أكثر من AX2 مع DPR 190 ميكرومتر / واط.تم اختباره بواسطة BL AX1 وAX2-3 واستبداله بـ AX2 ، DPR 为190 ميكرومتر / واط . في الهواء، يكون انحراف AX1 مع BL أعلى أعلى من انحراف AX2-3 (بشكل ملحوظ، \(p<\) 0.017)، وانحراف AX3 (مع أدنى BL) أكبر من انحراف AX2، DPR هو 190 ميكرومتر/ث. من خلال AX1 مع BL كبير يتم الرفض بشكل أكبر، من خلال AX2-3 (الظاهر، \(p<\) 0,017)، وكذلك AX3 (مع BL الأكثر دقة) يتم الإلغاء علاوة على ذلك، فإن AX2 مع DPR 190 مم/وات. في الهواء، ينحرف AX1 ذو BL الأعلى أكثر من AX2-3 (كبير، \(p<\) 0.017)، بينما ينحرف AX3 (بأقل BL) أكثر من AX2 مع DPR 190 ميكرومتر/واط.عند 20 مم من الماء، لم يكن الانحراف وPTE AX1–3 مختلفين بشكل كبير (\ (p >\) 0.017).كانت مستويات PTE في الماء (90.2-98.4%) أعلى عمومًا منها في الهواء (56-77.5%) (الشكل 12ج)، وقد لوحظت ظاهرة التجويف أثناء التجربة في الماء (الشكل 13، انظر أيضًا المزيد معلومة).
يُظهر مقدار انحراف الطرف (متوسط ​​± SD، n = 5) المُقاس للشطبة L وAX1-3 في الهواء والماء (العمق 20 مم) تأثير تغيير الهندسة المائلة.تم الحصول على القياسات باستخدام الإثارة الجيبية المستمرة ذات التردد الواحد.(أ) الانحراف من الذروة إلى الذروة (\(u_y\vec {j}\)) عند الطرف، ويقاس عند (ب) ترددات الوسائط الخاصة بكل منها \(f_2\).(ج) كفاءة نقل الطاقة (PTE، RMS، %) للمعادلة.(4) و (د) عامل قدرة الانحراف (DPR، ميكرومتر/W) محسوب على أنه انحراف من الذروة إلى الذروة والطاقة الكهربائية المنقولة \(P_T\) (Wrms).
مؤامرة ظل كاميرا نموذجية عالية السرعة تُظهر الانحراف من الذروة إلى الذروة (الخطوط المنقطة باللونين الأخضر والأحمر) للمشرط (L) والطرف المتماثل المحوري (AX1–3) في الماء (عمق 20 مم) على مدار نصف دورة.دورة، عند تردد الإثارة \(f_2\) (تردد أخذ العينات 310 كيلو هرتز).يبلغ حجم الصورة ذات التدرج الرمادي الملتقطة 128 × 128 بكسل وحجم البكسل \(\تقريبًا\) 5 ميكرومتر.يمكن العثور على الفيديو في معلومات إضافية.
وهكذا، قمنا بتصميم نموذج للتغير في طول موجة الانحناء (الشكل 7) وحسبنا الحركة الميكانيكية القابلة للتحويل لمجموعات من طول الأنبوب والشطب (الشكل 8، 9) للأشكال الهندسية التقليدية، والحواف غير المتماثلة والمحورية ذات الأشكال الهندسية.بناءً على الأخير، قمنا بتقدير المسافة المثالية البالغة 43 مم (أو \(\تقريبًا) 2.75\(\lambda _y\) عند 29.75 كيلو هرتز) من الطرف إلى اللحام، كما هو موضح في الشكل 5، وصنعنا ثلاثة محاور متماثلة مشطوف بأطوال مجسمة مختلفة.قمنا بعد ذلك بتمييز سلوك التردد الخاص بها في الهواء والماء والجيلاتين الباليستي بنسبة 10% (وزن/حجم) مقارنة بالمشارط التقليدية (الأشكال 10 و11) وحددنا الوضع الأكثر ملاءمة لمقارنة الانحراف المائل.أخيرًا، قمنا بقياس انحراف الطرف عن طريق ثني الموجة في الهواء والماء على عمق 20 مم وقمنا بقياس كفاءة نقل الطاقة (PTE، %) وعامل قدرة الانحراف (DPR، ميكرومتر/ث) لوسط الإدراج لكل مجسم مشطوف الحواف.النوع الزاوي (الشكل 12).
لقد ثبت أن الهندسة المخروطية للإبرة تؤثر على مقدار انحراف طرف الإبرة.حقق المشرط أعلى انحراف وأعلى DPR مقارنة بالمشطوف المتماثل المحوري مع متوسط ​​انحراف أقل (الشكل 12).حققت الشطبة المتماثلة المحورية مقاس 4 مم (AX1) ذات الشطبة الأطول أقصى انحراف ذو دلالة إحصائية في الهواء مقارنةً بالإبر المتماثلة المحورية الأخرى (AX2–3) (\(p <0.017\)، الجدول 2)، ولكن لم يكن هناك فرق كبير .يتم ملاحظتها عند وضع الإبرة في الماء.وبالتالي، لا توجد ميزة واضحة للحصول على طول مشطوف أطول من حيث ذروة الانحراف عند الطرف.ومع أخذ هذا في الاعتبار، يبدو أن الهندسة المائلة التي تمت دراستها في هذه الدراسة لها تأثير أكبر على الانحراف من طول المائل.قد يكون هذا بسبب صلابة الانحناء، على سبيل المثال اعتمادًا على السُمك الإجمالي للمادة التي يتم ثنيها وتصميم الإبرة.
في الدراسات التجريبية، يتأثر حجم موجة الانحناء المنعكسة بالظروف الحدودية للطرف.عندما يتم إدخال طرف الإبرة في الماء والجيلاتين، \(\text {PTE}_{2}\) يكون \(\تقريبًا\) 95%، و\(\text {PTE}_{ 2}\) يساوي \ (\text {PTE}_{ 2}\) القيمتان هي 73% و77% لـ (\text {PTE}_{1}\) و\(\text {PTE}_{3}\)، على التوالي (الشكل 11).يشير هذا إلى أن الحد الأقصى لانتقال الطاقة الصوتية إلى وسط الصب، أي الماء أو الجيلاتين، يحدث عند \(f_2\).وقد لوحظ سلوك مماثل في دراسة سابقة باستخدام تكوين جهاز أبسط في نطاق التردد 41-43 كيلو هرتز، حيث أظهر المؤلفون اعتماد معامل انعكاس الجهد على المعامل الميكانيكي لوسط التضمين.يوفر عمق الاختراق والخواص الميكانيكية للنسيج حملًا ميكانيكيًا على الإبرة، وبالتالي من المتوقع أن يؤثر على سلوك الرنين في UZEFNAB.وبالتالي، يمكن استخدام خوارزميات تتبع الرنين (على سبيل المثال 17، 18، 33) لتحسين الطاقة الصوتية التي يتم تسليمها من خلال الإبرة.
تُظهر محاكاة الأطوال الموجية المنحنية (الشكل 7) أن الطرف المتماثل المحوري أكثر صلابة من الناحية الهيكلية (أي أكثر صلابة في الانحناء) من المشرط والمشطوف غير المتماثل.بناءً على (1) وباستخدام علاقة السرعة والتردد المعروفة، نقدر صلابة الانحناء عند طرف الإبرة بـ \(\about\) 200 و20 و1500 ميجا باسكال للطائرات المائلة وغير المتماثلة والمحورية، على التوالي.يتوافق هذا مع \(\lambda_y\) لـ \(\تقريبًا\) 5.3 و1.7 و14.2 مم، على التوالي، عند 29.75 كيلو هرتز (الشكل 7 أ-ج).بالنظر إلى السلامة السريرية أثناء USeFNAB، ينبغي تقييم تأثير الهندسة على الصلابة الهيكلية للمستوى المائل.
أظهرت دراسة المعلمات المائلة بالنسبة لطول الأنبوب (الشكل 9) أن نطاق النقل الأمثل كان أعلى بالنسبة للشطبة غير المتماثلة (1.8 مم) مقارنة بالشطبة المتماثلة المحورية (1.3 مم).بالإضافة إلى ذلك، تكون القدرة على الحركة مستقرة عند \(\ تقريبًا) من 4 إلى 4.5 ملم ومن 6 إلى 7 ملم للإمالات غير المتماثلة والمحورية، على التوالي (الشكل 9 أ، ب).يتم التعبير عن الأهمية العملية لهذا الاكتشاف في تفاوتات التصنيع، على سبيل المثال، قد يعني النطاق الأقل من TL الأمثل أن هناك حاجة إلى دقة أكبر للطول.وفي الوقت نفسه، توفر هضبة التنقل قدرًا أكبر من التسامح لاختيار طول الانخفاض عند تردد معين دون تأثير كبير على الحركة.
تتضمن الدراسة القيود التالية.القياس المباشر لانحراف الإبرة باستخدام الكشف عن الحافة والتصوير عالي السرعة (الشكل 12) يعني أننا نقتصر على الوسائط الشفافة بصريًا مثل الهواء والماء.ونود أيضًا أن نشير إلى أننا لم نستخدم التجارب لاختبار حركة النقل المحاكية والعكس، ولكننا استخدمنا دراسات FEM لتحديد الطول الأمثل لتصنيع الإبرة.فيما يتعلق بالقيود العملية، يبلغ طول المشرط من الطرف إلى الكم \(\تقريبًا) 0.4 سم أطول من الإبر الأخرى (AX1-3)، انظر الشكل.3ب.يمكن أن يؤثر هذا على الاستجابة المشروطة لتصميم الإبرة.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤثر شكل وحجم اللحام الموجود في نهاية دبوس الدليل الموجي (انظر الشكل 3) على المعاوقة الميكانيكية لتصميم الدبوس، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في المعاوقة الميكانيكية وسلوك الانحناء.
أخيرًا، أثبتنا أن الهندسة المائلة التجريبية تؤثر على مقدار الانحراف في USeFNAB.إذا كان للانحراف الأكبر تأثير إيجابي على تأثير الإبرة على الأنسجة، مثل كفاءة القطع بعد الثقب، فيمكن التوصية بالمشرط التقليدي في USeFNAB لأنه يوفر أقصى انحراف مع الحفاظ على الصلابة الكافية للطرف الهيكلي..علاوة على ذلك، أظهرت دراسة حديثة أن انحراف الطرف الأكبر يمكن أن يعزز التأثيرات البيولوجية مثل التجويف، مما قد يسهل تطوير التطبيقات الجراحية الأقل بضعاً.وبالنظر إلى أن زيادة إجمالي الطاقة الصوتية قد ثبت أنها تزيد من عدد الخزعات في USeFNAB13، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات الكمية لكمية العينة وجودتها لتقييم الفوائد السريرية التفصيلية لهندسة الإبرة المدروسة.