Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Slider menampilkan tiga artikel per slide.Gunakan tombol kembali dan berikutnya untuk menelusuri slide, atau tombol pengontrol slide di akhir untuk menelusuri setiap slide.
Baru-baru ini telah dibuktikan bahwa penggunaan USG dapat meningkatkan hasil jaringan pada biopsi aspirasi jarum halus yang ditingkatkan dengan USG (USeFNAB) dibandingkan dengan biopsi aspirasi jarum halus (FNAB) konvensional.Hubungan antara geometri bevel dan aksi ujung jarum belum diselidiki.Dalam studi ini, kami menyelidiki sifat resonansi jarum dan amplitudo defleksi untuk berbagai geometri bevel jarum dengan panjang bevel berbeda.Menggunakan lanset konvensional dengan potongan 3,9 mm, faktor daya defleksi ujung (DPR) masing-masing adalah 220 dan 105 µm/W di udara dan air.Ini lebih tinggi dari ujung bevel 4mm axisymmetric, yang mencapai DPR masing-masing sebesar 180 dan 80 µm/W di udara dan air.Studi ini menyoroti pentingnya hubungan antara kekakuan lentur geometri bevel dalam konteks alat bantu penyisipan yang berbeda, dan dengan demikian dapat memberikan wawasan tentang metode untuk mengendalikan tindakan pemotongan setelah tusukan dengan mengubah geometri bevel jarum, yang penting untuk USeFNAB.Penerapan itu penting.
Biopsi aspirasi jarum halus (FNAB) adalah teknik di mana jarum digunakan untuk mengambil sampel jaringan ketika diduga ada kelainan1,2,3.Tip tipe Franseen telah terbukti memberikan kinerja diagnostik yang lebih tinggi dibandingkan tip Lancet4 dan Menghini5 tradisional.Bevel aksisimetris (yaitu melingkar) juga telah diusulkan untuk meningkatkan kemungkinan sampel yang memadai untuk histopatologi6.
Selama biopsi, jarum dimasukkan melalui lapisan kulit dan jaringan untuk mengungkap patologi yang mencurigakan.Penelitian terbaru menunjukkan bahwa aktivasi ultrasonik dapat mengurangi kekuatan tusukan yang diperlukan untuk mengakses jaringan lunak7,8,9,10.Geometri kemiringan jarum telah terbukti mempengaruhi gaya interaksi jarum, misalnya kemiringan yang lebih panjang terbukti mempunyai gaya penetrasi jaringan yang lebih rendah 11 .Telah disarankan bahwa setelah jarum menembus permukaan jaringan, yaitu setelah tusukan, gaya pemotongan jarum mungkin mencapai 75% dari total gaya interaksi jarum-jaringan12.Ultrasonografi (AS) telah terbukti meningkatkan kualitas diagnostik biopsi jaringan lunak pada fase pasca tusukan13.Metode lain untuk meningkatkan kualitas biopsi tulang telah dikembangkan untuk pengambilan sampel jaringan keras14,15 namun belum ada hasil yang dilaporkan yang dapat meningkatkan kualitas biopsi.Beberapa penelitian juga menemukan bahwa perpindahan mekanis meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan penggerak ultrasonik16,17,18.Meskipun ada banyak penelitian tentang gaya statis aksial (longitudinal) dalam interaksi jarum-jaringan19,20, penelitian tentang dinamika temporal dan geometri kemiringan jarum pada FNAB yang ditingkatkan ultrasonik (USeFNAB) masih terbatas.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh geometri bevel yang berbeda terhadap aksi ujung jarum yang didorong oleh fleksi jarum pada frekuensi ultrasonik.Secara khusus, kami menyelidiki efek media injeksi pada defleksi ujung jarum setelah tusukan untuk bevel jarum konvensional (misalnya lanset), geometri bevel tunggal axisymmetric dan asimetris (Gbr. untuk memfasilitasi pengembangan jarum USeFNAB untuk berbagai tujuan seperti hisap selektif akses atau inti jaringan lunak.
Berbagai geometri bevel dimasukkan dalam penelitian ini.(a) Lancet sesuai dengan ISO 7864:201636 dengan \(\alpha\) adalah sudut bevel primer, \(\theta\) adalah sudut rotasi bevel sekunder, dan \(\phi\) adalah sudut rotasi bevel sekunder dalam derajat , dalam derajat (\(^\circ\)).(b) chamfer satu langkah asimetris linier (disebut “standar” dalam DIN 13097:201937) dan (c) chamfer satu langkah aksisimetris linier (melingkar).
Pendekatan kami adalah pertama-tama memodelkan perubahan panjang gelombang lentur sepanjang lereng untuk geometri lereng satu tahap lanset konvensional, axi-simetris, dan asimetris.Kami kemudian menghitung studi parametrik untuk menguji pengaruh sudut kemiringan dan panjang tabung terhadap mobilitas mekanisme transportasi.Hal ini dilakukan untuk menentukan panjang optimal untuk pembuatan prototipe jarum.Berdasarkan simulasi, prototipe jarum dibuat dan perilaku resonansinya di udara, air, dan gelatin balistik 10% (b/v) dikarakterisasi secara eksperimental dengan mengukur koefisien refleksi tegangan dan menghitung efisiensi transfer daya, dari mana frekuensi operasinya adalah bertekad..Terakhir, pencitraan berkecepatan tinggi digunakan untuk mengukur secara langsung defleksi gelombang lentur di ujung jarum di udara dan air, dan untuk memperkirakan daya listrik yang ditransmisikan oleh setiap kemiringan dan geometri faktor daya defleksi (DPR) dari gelombang yang diinjeksi. sedang.
Seperti terlihat pada Gambar 2a, gunakan pipa No. 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, tebal dinding pipa 0,155 mm, dinding standar sebagaimana ditentukan dalam ISO 9626:201621) yang terbuat dari baja tahan karat 316 (modulus Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), massa jenis 8070 kg/m\(^{3}\), rasio Poisson 0,275).
Penentuan panjang gelombang lentur dan penyetelan model elemen hingga (FEM) jarum dan kondisi batas.(a) Penentuan panjang bevel (BL) dan panjang pipa (TL).(b) Model elemen hingga (FEM) tiga dimensi (3D) menggunakan gaya titik harmonis \(\tilde{F}_y\vec{j}\) untuk mengeksitasi jarum di ujung proksimal, membelokkan titik, dan mengukur kecepatan per tip (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) untuk menghitung mobilitas transportasi mekanistik.\(\lambda _y\) didefinisikan sebagai panjang gelombang lentur yang terkait dengan gaya vertikal \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Tentukan pusat gravitasi, luas penampang A, dan momen inersia \(I_{xx}\) dan \(I_{yy}\) masing-masing di sekitar sumbu x dan sumbu y.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.2b,c, untuk balok tak terhingga (tak terhingga) dengan luas penampang A dan pada panjang gelombang besar dibandingkan dengan ukuran penampang balok, kecepatan fase lentur (atau lentur) \(c_{EI}\ ) didefinisikan sebagai 22:
di mana E adalah modulus Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) adalah frekuensi sudut eksitasi (rad/s), di mana \( f_0 \ ) adalah frekuensi linier (1/s atau Hz), I adalah momen inersia area di sekitar sumbu yang diinginkan \((\text {m}^{4})\) dan \(m'=\ rho _0 A \) adalah massa pada satuan panjang (kg/m), dengan \(\rho _0\) adalah massa jenis \((\text {kg/m}^{3})\) dan A adalah salib -luas penampang balok (bidang xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Karena dalam kasus kita gaya yang diterapkan sejajar dengan sumbu y vertikal, yaitu \(\tilde{F}_y\vec {j}\), kita hanya tertarik pada momen inersia area di sekitar sumbu x horizontal. sumbu, yaitu \(I_{xx} \), Oleh karena itu:
Untuk model elemen hingga (FEM), diasumsikan perpindahan harmonik murni (m), sehingga percepatan (\(\text {m/s}^{2}\)) dinyatakan sebagai \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parsial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), misalnya \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) adalah vektor perpindahan tiga dimensi yang didefinisikan dalam koordinat spasial.Mengganti yang terakhir dengan bentuk hukum keseimbangan momentum Lagrangian yang dapat dideformasi hingga terdeformasi23, menurut implementasinya dalam paket perangkat lunak COMSOL Multiphysics (versi 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, AS), menghasilkan:
Dimana \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) adalah operator divergensi tensor, dan \({\underline{\sigma}}\) adalah tensor tegangan Piola-Kirchhoff kedua (urutan kedua, \(\ text { N /m}^{2}\)), dan \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) adalah vektor gaya benda (\(\text {N/m}^{3}\)) dari setiap volume yang dapat dideformasi, dan \(e^{j\phi }\) adalah fase dari gaya benda, mempunyai sudut fasa \(\ phi\) (rad).Dalam kasus kita, gaya volume benda adalah nol, dan model kita mengasumsikan linearitas geometri dan deformasi elastis murni yang kecil, yaitu \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), dimana \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) dan \({\underline{ \varepsilon}}\) – masing-masing deformasi elastis dan deformasi total (tak berdimensi orde kedua).Tensor elastisitas isotropik konstitutif Hooke \(\underline {\underline {C))\) diperoleh dengan menggunakan modulus Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) dan rasio Poisson v ditentukan, sehingga \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (urutan keempat).Sehingga perhitungan tegangannya menjadi \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Perhitungan dilakukan dengan elemen tetrahedral 10 simpul dengan ukuran elemen \(\le\) 8 µm.Jarum dimodelkan dalam ruang hampa, dan nilai transfer mobilitas mekanis (ms-1 H-1) didefinisikan sebagai \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dengan \(\tilde{v}_y\vec {j}\) adalah kecepatan kompleks keluaran alat genggam, dan \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) adalah gaya penggerak kompleks yang terletak di ujung proksimal tabung, seperti ditunjukkan pada Gambar 2b.Mobilitas mekanik transmisif dinyatakan dalam desibel (dB) dengan menggunakan nilai maksimum sebagai acuan, yaitu \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Semua studi FEM dilakukan pada frekuensi 29,75 kHz.
Desain jarum (Gbr. 3) terdiri dari jarum suntik konvensional ukuran 21 (nomor katalog: 4665643, Sterican\(^\circledR\), dengan diameter luar 0,8 mm, panjang 120 mm, terbuat dari AISI baja tahan karat kromium-nikel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Jerman) memasang selongsong Luer Lock plastik yang terbuat dari polipropilena proksimal dengan modifikasi ujung yang sesuai.Tabung jarum disolder ke pandu gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b.Pandu gelombang dicetak pada printer 3D baja tahan karat (EOS Stainless Steel 316L pada printer 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) dan kemudian dipasang ke sensor Langevin menggunakan baut M4.Transduser Langevin terdiri dari 8 elemen cincin piezoelektrik dengan dua pemberat di setiap ujungnya.
Empat jenis tip (foto), lanset yang tersedia secara komersial (L), dan tiga bevel satu tahap aksisimetris yang diproduksi (AX1–3) dicirikan oleh panjang bevel (BL) masing-masing 4, 1,2, dan 0,5 mm.(a) Tampilan jarak dekat dari ujung jarum yang sudah jadi.(b) Tampak atas empat pin yang disolder ke pandu gelombang cetak 3D dan kemudian dihubungkan ke sensor Langevin dengan baut M4.
Tiga ujung bevel axisymmetric (Gbr. 3) (TAs Machine Tools Oy) dibuat dengan panjang bevel (BL, ditentukan pada Gambar 2a) sebesar 4,0, 1,2 dan 0,5 mm, sesuai dengan \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) dan 18\(^\circ\).Bobot pandu gelombang dan stylus masing-masing adalah 3,4 ± 0,017 g (rata-rata ± SD, n = 4) untuk bevel L dan AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Jerman).Panjang total dari ujung jarum hingga ujung selongsong plastik masing-masing adalah 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm untuk bevel L dan AX1-3 pada Gambar 3b.
Untuk semua konfigurasi jarum, panjang dari ujung jarum ke ujung pandu gelombang (yaitu, area penyolderan) adalah 4,3 cm, dan tabung jarum diorientasikan sehingga bevel menghadap ke atas (yaitu, sejajar dengan sumbu Y ).), seperti pada (Gbr. 2).
Skrip khusus di MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) yang berjalan di komputer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) digunakan untuk menghasilkan sapuan sinusoidal linier dari 25 hingga 35 kHz dalam 7 detik, diubah menjadi sinyal analog oleh konverter digital-ke-analog (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Sinyal analog \(V_0\) (0,5 Vp-p) kemudian diperkuat dengan penguat frekuensi radio (RF) khusus (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).Tegangan penguat yang turun \({V_I}\) dikeluarkan dari penguat RF dengan impedansi keluaran 50 \(\Omega\) ke transformator yang terpasang pada struktur jarum dengan impedansi masukan 50 \(\Omega)\) Transduser Langevin (transduser piezoelektrik multilayer depan dan belakang, diisi dengan massa) digunakan untuk menghasilkan gelombang mekanis.Penguat RF khusus dilengkapi dengan pengukur faktor daya gelombang berdiri (SWR) saluran ganda yang dapat mendeteksi kejadian \({V_I}\) dan memantulkan tegangan yang diperkuat \(V_R\) melalui analog-ke-digital (AD) 300 kHz ) konverter (Penemuan Analog 2).Sinyal eksitasi dimodulasi amplitudo di awal dan di akhir untuk mencegah kelebihan beban pada input amplifier dengan transien.
Menggunakan skrip khusus yang diimplementasikan dalam MATLAB, fungsi respons frekuensi (AFC), yaitu mengasumsikan sistem stasioner linier.Selain itu, terapkan filter band pass 20 hingga 40 kHz untuk menghilangkan frekuensi yang tidak diinginkan dari sinyal.Mengacu pada teori saluran transmisi, \(\tilde{H}(f)\) dalam hal ini setara dengan koefisien refleksi tegangan, yaitu \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Karena impedansi keluaran penguat \(Z_0\) sesuai dengan impedansi masukan transformator internal konverter, dan koefisien refleksi daya listrik \({P_R}/{P_I}\) dikurangi menjadi \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) sama dengan \ (|\rho _{V}|^2\).Jika nilai absolut daya listrik diperlukan, hitunglah daya datang \(P_I\) dan daya pantul\(P_R\) (W) dengan mengambil nilai akar rata-rata kuadrat (rms) dari tegangan yang sesuai, misalnya, untuk saluran transmisi dengan eksitasi sinusoidal, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, dimana \(Z_0\) sama dengan 50 \(\Omega\).Daya listrik yang dikirim ke beban \(P_T\) (yaitu media yang dimasukkan) dapat dihitung sebagai \(|P_I – P_R |\) (W RMS) dan efisiensi perpindahan daya (PTE) dapat didefinisikan dan dinyatakan sebagai a persentase (%) sehingga menghasilkan 27:
Respons frekuensi kemudian digunakan untuk memperkirakan frekuensi modal \(f_{1-3}\) (kHz) dari desain stylus dan efisiensi transfer daya yang sesuai, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) diperkirakan langsung dari \(\text {PTE}_{1{-}3}\), dari Tabel 1 frekuensi \(f_{1-3}\) dijelaskan dalam .
Sebuah metode untuk mengukur respon frekuensi (AFC) dari struktur acicular.Pengukuran sinus sapuan saluran ganda digunakan untuk mendapatkan fungsi respons frekuensi \(\tilde{H}(f)\) dan respons impulsnya H(t).\({\mathcal {F}}\) dan \({\mathcal {F}}^{-1}\) masing-masing menunjukkan transformasi Fourier terpotong numerik dan operasi transformasi invers.\(\tilde{G}(f)\) berarti kedua sinyal dikalikan dalam domain frekuensi, misalnya \(\tilde{G}_{XrX}\) berarti pemindaian terbalik\(\tilde{X} r( f )\) dan sinyal penurunan tegangan \(\tilde{X}(f)\).
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.5, kamera kecepatan tinggi (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, AS) dilengkapi dengan lensa makro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc .., Tokyo, Jepang) digunakan untuk merekam defleksi ujung jarum yang mengalami eksitasi lentur (frekuensi tunggal, sinusoidal kontinu) pada frekuensi 27,5–30 kHz.Untuk membuat peta bayangan, elemen dingin LED putih intensitas tinggi (nomor komponen: 4052899910881, Led Putih, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Jerman) ditempatkan di belakang bevel jarum.
Tampilan depan dari pengaturan eksperimental.Kedalaman diukur dari permukaan media.Struktur jarum dijepit dan dipasang pada meja transfer bermotor.Gunakan kamera kecepatan tinggi dengan lensa pembesaran tinggi (5\(\times\)) untuk mengukur defleksi ujung miring.Semua dimensi dalam milimeter.
Untuk setiap jenis kemiringan jarum, kami merekam 300 bingkai kamera berkecepatan tinggi berukuran 128 \(\x\) 128 piksel, masing-masing dengan resolusi spasial 1/180 mm (\(\kira-kira) 5 µm), dengan resolusi temporal dari 310.000 frame per detik.Seperti terlihat pada Gambar 6, setiap frame (1) di-crop (2) sehingga ujungnya berada pada baris terakhir (bawah) frame, kemudian dihitung histogram dari gambar (3), sehingga Canny ambang batas 1 dan 2 dapat ditentukan.Kemudian terapkan deteksi tepi Canny28(4) menggunakan operator Sobel 3 \(\times\) 3 dan hitung posisi piksel sisi miring non-kavitasi (berlabel \(\mathbf {\times }\)) untuk semua langkah 300 kali lipat .Untuk menentukan rentang defleksi di ujung, turunannya dihitung (menggunakan algoritma beda pusat) (6) dan kerangka yang memuat ekstrem lokal (yaitu puncak) defleksi (7) diidentifikasi.Setelah memeriksa secara visual tepi non-kavitasi, sepasang frame (atau dua frame dipisahkan oleh setengah periode waktu) (7) dipilih dan defleksi ujung diukur (berlabel \(\mathbf {\times} \ ) Hal di atas diterapkan dengan Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) menggunakan algoritma deteksi tepi OpenCV Canny (v4.5.1, perpustakaan visi komputer sumber terbuka, opencv.org electrical power \ (P_T \) (W, rms) .
Lendutan ujung diukur menggunakan serangkaian bingkai yang diambil dari kamera berkecepatan tinggi pada 310 kHz menggunakan algoritma 7 langkah (1-7) termasuk pembingkaian (1-2), deteksi tepi Canny (3-4), lokasi piksel tepi perhitungan (5) dan turunan waktunya (6), dan akhirnya defleksi ujung puncak ke puncak diukur pada pasangan rangka (7) yang diperiksa secara visual.
Pengukuran dilakukan di udara (22,4-22,9°C), air deionisasi (20,8-21,5°C) dan gelatin balistik 10% (b/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatin Tulang Sapi dan Babi untuk Analisis Balistik Tipe I, Honeywell International, North Carolina, AS).Suhu diukur dengan penguat termokopel tipe K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) dan termokopel tipe K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 tipe-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Dari medium Kedalaman diukur dari permukaan (ditetapkan sebagai asal sumbu z) menggunakan tahap sumbu z bermotor vertikal (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania) dengan resolusi 5 µm.per langkah.
Karena ukuran sampel kecil (n = 5) dan normalitas tidak dapat diasumsikan, uji jumlah peringkat Wilcoxon dua sisi dua sampel (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) digunakan untuk membandingkan jumlah varians ujung jarum untuk bevel yang berbeda.Terdapat 3 perbandingan per lereng, sehingga diterapkan koreksi Bonferroni dengan tingkat signifikansi yang disesuaikan sebesar 0,017 dan tingkat kesalahan sebesar 5%.
Sekarang mari kita beralih ke Gambar.7.Pada frekuensi 29,75 kHz, setengah gelombang lentur (\(\lambda_y/2\)) dari jarum ukuran 21 adalah \(\kira-kira) 8 mm.Saat seseorang mendekati ujungnya, panjang gelombang lentur berkurang sepanjang sudut miring.Pada ujung \(\lambda _y/2\) \(\kira-kira\) terdapat langkah 3, 1 dan 7 mm untuk kemiringan lanset (a), asimetris (b) dan sumbusimetris (c) biasa pada jarum tunggal , masing-masing.Jadi, ini berarti jarak lanset adalah \(\kira-kira) 5 mm (karena kedua bidang lanset membentuk satu titik29,30), kemiringan asimetris adalah 7 mm, kemiringan asimetris adalah 1 mm.Kemiringan aksimetris (pusat gravitasi tetap konstan, sehingga hanya ketebalan dinding pipa yang berubah sepanjang lereng).
Kajian FEM dan penerapan persamaan pada frekuensi 29,75 kHz.(1) Saat menghitung variasi setengah gelombang lentur (\(\lambda_y/2\)) untuk geometri bevel lanset (a), asimetris (b) dan axisymmetric (c) (seperti pada Gambar 1a,b,c ) .Nilai rata-rata \(\lambda_y/2\) bevel lanset, asimetris, dan axisymmetric berturut-turut adalah 5,65, 5,17, dan 7,52 mm.Perhatikan bahwa ketebalan ujung untuk bevel asimetris dan aksisimetri dibatasi hingga \(\kira-kira) 50 µm.
Mobilitas puncak \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) adalah kombinasi optimal panjang tabung (TL) dan panjang kemiringan (BL) (Gbr. 8, 9).Untuk lanset konvensional, karena ukurannya tetap, TL optimalnya adalah \(\kira-kira) 29,1 mm (Gbr. 8).Untuk bevel asimetris dan axisymmetric (masing-masing Gambar 9a, b), studi FEM mencakup BL dari 1 hingga 7 mm, sehingga TL optimal adalah dari 26,9 hingga 28,7 mm (kisaran 1,8 mm) dan dari 27,9 hingga 29,2 mm (kisaran 1,3 mm), masing-masing.Untuk kemiringan asimetris (Gbr. 9a), TL optimal meningkat secara linier, mencapai dataran tinggi pada BL 4 mm, dan kemudian menurun tajam dari BL 5 menjadi 7 mm.Untuk bevel axisymmetric (Gbr. 9b), TL optimal meningkat secara linear dengan meningkatnya BL dan akhirnya stabil pada BL dari 6 menjadi 7 mm.Sebuah studi yang diperluas tentang kemiringan axisymmetric (Gbr. 9c) mengungkapkan serangkaian TL optimal yang berbeda pada \(\kira-kira) 35,1–37,1 mm.Untuk semua BL, jarak antara dua TL terbaik adalah \(\approx\) 8mm (setara dengan \(\lambda_y/2\)).
Mobilitas transmisi Lancet pada 29,75 kHz.Jarum dieksitasi secara fleksibel pada frekuensi 29,75 kHz dan getaran diukur pada ujung jarum dan dinyatakan sebagai jumlah mobilitas mekanis yang ditransmisikan (dB relatif terhadap nilai maksimum) untuk TL 26,5-29,5 mm (dalam kelipatan 0,1 mm) .
Studi parametrik FEM pada frekuensi 29,75 kHz menunjukkan bahwa mobilitas transfer ujung axi-simetris kurang terpengaruh oleh perubahan panjang tabung dibandingkan bagian asimetrisnya.Studi panjang bevel (BL) dan panjang pipa (TL) geometri bevel asimetris (a) dan axisymmetric (b, c) dalam studi domain frekuensi menggunakan FEM (kondisi batas ditunjukkan pada Gambar 2).(a, b) TL berkisar antara 26,5 hingga 29,5 mm (langkah 0,1 mm) dan BL 1–7 mm (langkah 0,5 mm).(c) Studi kemiringan sumbu simetris yang diperluas termasuk TL 25–40 mm (dalam kelipatan 0,05 mm) dan BL 0,1–7 mm (dalam kelipatan 0,1 mm) menunjukkan bahwa \(\lambda_y/2\ ) harus memenuhi persyaratan ujung.kondisi batas bergerak.
Konfigurasi jarum memiliki tiga frekuensi eigen \(f_{1-3}\) yang dibagi menjadi wilayah mode rendah, sedang, dan tinggi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Ukuran PTE dicatat seperti yang ditunjukkan pada gambar.10 dan kemudian dianalisis pada Gambar 11. Berikut adalah temuan untuk setiap wilayah modal:
Amplitudo efisiensi transfer daya sesaat (PTE) yang direkam secara khas diperoleh dengan eksitasi sinusoidal frekuensi sapuan untuk lanset (L) dan bevel sumbumetrik AX1-3 di udara, air, dan gelatin pada kedalaman 20 mm.Spektrum satu sisi ditampilkan.Respons frekuensi yang diukur (diambil sampelnya pada 300 kHz) difilter low-pass dan kemudian diperkecil dengan faktor 200 untuk analisis modal.Rasio sinyal terhadap kebisingan adalah \(\le\) 45 dB.Fase PTE (garis putus-putus ungu) ditunjukkan dalam derajat (\(^{\circ}\)).
Analisis respons modal (rata-rata ± standar deviasi, n = 5) ditunjukkan pada Gambar 10, untuk lereng L dan AX1-3, di udara, air, dan gelatin 10% (kedalaman 20 mm), dengan (atas) tiga wilayah modal ( rendah, menengah dan tinggi) dan frekuensi modal yang sesuai\(f_{1-3 }\) (kHz), efisiensi energi (rata-rata) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Dihitung menggunakan ekuivalen .(4) dan (bawah) lebar penuh masing-masing pada setengah pengukuran maksimum \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Perhatikan bahwa pengukuran bandwidth dilewati ketika PTE rendah didaftarkan, yaitu \(\text {FWHM}_{1}\) jika terjadi kemiringan AX2.Mode \(f_2\) dianggap paling cocok untuk membandingkan defleksi lereng, karena mode ini menunjukkan tingkat efisiensi transfer daya tertinggi (\(\text {PTE}_{2}\)), hingga 99%.
Wilayah modal pertama: \(f_1\) tidak terlalu bergantung pada jenis media yang disisipkan, namun bergantung pada geometri lereng.\(f_1\) berkurang dengan menurunnya panjang bevel (masing-masing 27,1, 26,2 dan 25,9 kHz di udara untuk AX1-3).Rata-rata regional \(\text {PTE}_{1}\) dan \(\text {FWHM}_{1}\) masing-masing adalah \(\approx\) 81% dan 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) memiliki kandungan gelatin tertinggi di Lancet (L, 473 Hz).Perhatikan bahwa \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 dalam gelatin tidak dapat dievaluasi karena rendahnya amplitudo FRF yang tercatat.
Wilayah modal kedua: \(f_2\) bergantung pada jenis media yang dimasukkan dan kemiringannya.Nilai rata-rata \(f_2\) masing-masing adalah 29,1, 27,9 dan 28,5 kHz di udara, air, dan gelatin.Wilayah modal ini juga menunjukkan PTE yang tinggi sebesar 99%, yang tertinggi dibandingkan kelompok mana pun yang diukur, dengan rata-rata regional sebesar 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) memiliki rata-rata regional \(\approximately\) 910 Hz.
Wilayah mode ketiga: frekuensi \(f_3\) bergantung pada jenis media dan kemiringan.Nilai rata-rata \(f_3\) masing-masing adalah 32,0, 31,0 dan 31,3 kHz di udara, air, dan gelatin.Rata-rata regional \(\text {PTE}_{3}\) adalah \(\approximately\) 74%, terendah dibandingkan wilayah mana pun.Rata-rata regional \(\text {FWHM}_{3}\) adalah \(\approximately\) 1085 Hz, lebih tinggi dari wilayah pertama dan kedua.
       Berikut ini mengacu pada Gambar.12 dan Tabel 2. Lancet (L) paling banyak dibelokkan (dengan signifikansi tinggi pada semua tip, \(p<\) 0,017) baik di udara maupun di air (Gbr. 12a), mencapai DPR tertinggi (hingga 220 µm/ W di udara). 12 dan Tabel 2. Lancet (L) paling banyak dibelokkan (dengan signifikansi tinggi pada semua tip, \(p<\) 0,017) baik di udara maupun di air (Gbr. 12a), mencapai DPR tertinggi (hingga 220 µm/ W di udara). Следующее относится к рисунку 12 dan таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой) ю для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Hal berikut ini berlaku pada Gambar 12 dan Tabel 2. Lancet (L) paling banyak dibelokkan (dengan signifikansi tinggi untuk semua tip, \(p<\) 0,017) baik di udara maupun di air (Gbr. 12a), mencapai DPR tertinggi.(lakukan 220 μm/W di udara).Smt.Gambar 12 dan Tabel 2 di bawah ini.柳叶刀(Kiri) 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 （ukuran suhu 220 µm/W）。柳叶刀(L) memiliki defleksi tertinggi di udara dan air (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017) (图12a), dan mencapai DPR tertinggi (hingga 220 µm/W pada tahun udara). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе dan в оде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) paling banyak dibelokkan (signifikansi tinggi untuk semua tip, \(p<\) 0,017) di udara dan air (Gbr. 12a), mencapai DPR tertinggi (hingga 220 µm/W di udara). Di udara, AX1 yang memiliki BL lebih tinggi, dibelokkan lebih tinggi dibandingkan AX2–3 (dengan signifikansi, \(p<\) 0,017), sedangkan AX3 (yang memiliki BL terendah) dibelokkan lebih besar dibandingkan AX2 dengan DPR 190 µm/W. Di udara, AX1 yang memiliki BL lebih tinggi, dibelokkan lebih tinggi dibandingkan AX2–3 (dengan signifikansi, \(p<\) 0,017), sedangkan AX3 (yang memiliki BL terendah) dibelokkan lebih besar dibandingkan AX2 dengan DPR 190 µm/W. Untuk AX1 dengan BL отклонялся выше, yaitu AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, yaitu AX2 dengan DPR 190 мкм/Вт. Di udara, AX1 dengan BL lebih tinggi dibelokkan lebih tinggi dari AX2–3 (dengan signifikansi \(p<\) 0,017), sedangkan AX3 (dengan BL terendah) dibelokkan lebih dari AX2 dengan 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kapasitas AX2,DPR 190 µm/W 。 Di udara, defleksi AX1 dengan BL lebih tinggi lebih tinggi dibandingkan AX2-3 (secara signifikan, \(p<\) 0,017), dan defleksi AX3 (dengan BL terendah) lebih besar dari AX2, DPR adalah 190 mikron/W. Untuk AX1 dengan BL отклоняется больше, yaitu AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым ни зким BL) отклоняется больше, yaitu AX2 dengan DPR 190 мкм/Вт. Di udara, AX1 dengan BL lebih tinggi membelokkan lebih besar daripada AX2-3 (signifikan, \(p<\) 0,017), sedangkan AX3 (dengan BL terendah) membelokkan lebih besar daripada AX2 dengan DPR 190 µm/W.Pada kedalaman air 20 mm, defleksi dan PTE AX1–3 tidak berbeda nyata (\(p>\) 0,017).Tingkat PTE dalam air (90,2-98,4%) umumnya lebih tinggi daripada di udara (56-77,5%) (Gambar 12c), dan fenomena kavitasi tercatat selama percobaan di dalam air (Gambar 13, lihat juga tambahan informasi).
Besarnya defleksi ujung (rata-rata ± SD, n = 5) yang diukur untuk bevel L dan AX1-3 di udara dan air (kedalaman 20 mm) menunjukkan pengaruh perubahan geometri bevel.Pengukuran diperoleh dengan menggunakan eksitasi sinusoidal frekuensi tunggal kontinu.(a) Deviasi puncak ke puncak (\(u_y\vec {j}\)) di ujung, diukur pada (b) frekuensi modalnya masing-masing \(f_2\).(c) Efisiensi perpindahan daya (PTE, RMS, %) dari persamaan.(4) dan (d) Faktor daya defleksi (DPR, µm/W) dihitung sebagai deviasi puncak-ke-puncak dan daya listrik yang ditransmisikan \(P_T\) (Wrms).
Plot bayangan kamera kecepatan tinggi yang khas menunjukkan deviasi puncak-ke-puncak (garis putus-putus hijau dan merah) dari lanset (L) dan ujung aksisimetris (AX1–3) di dalam air (kedalaman 20 mm) selama setengah siklus.siklus, pada frekuensi eksitasi \(f_2\) (frekuensi sampling 310 kHz).Gambar skala abu-abu yang diambil memiliki ukuran 128×128 piksel dan ukuran piksel \(\kira-kira\) 5 µm.Video dapat ditemukan di informasi tambahan.
Jadi, kami memodelkan perubahan panjang gelombang lentur (Gbr. 7) dan menghitung mobilitas mekanis yang dapat ditransfer untuk kombinasi panjang pipa dan talang (Gbr. 8, 9) untuk lanset konvensional, talang bentuk geometris asimetris dan aksisimetris.Berdasarkan yang terakhir, kami memperkirakan jarak optimal 43 mm (atau \(\kira-kira) 2,75\(\lambda _y\) pada 29,75 kHz) dari ujung ke las, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dan membuat Tiga sumbu simetris bevel dengan panjang bevel yang berbeda.Kami kemudian mengkarakterisasi perilaku frekuensinya di udara, air, dan gelatin balistik 10% (b/v) dibandingkan dengan lanset konvensional (Gambar 10, 11) dan menentukan mode yang paling sesuai untuk perbandingan defleksi bevel.Terakhir, kami mengukur defleksi ujung dengan membengkokkan gelombang di udara dan air pada kedalaman 20 mm dan menghitung efisiensi transfer daya (PTE, %) dan faktor daya defleksi (DPR, µm/W) dari media penyisipan untuk setiap bevel.tipe sudut (Gbr. 12).
Geometri kemiringan jarum telah terbukti mempengaruhi besarnya defleksi ujung jarum.Lancet mencapai defleksi tertinggi dan DPR tertinggi dibandingkan dengan bevel aksisimetris dengan defleksi rata-rata lebih rendah (Gbr. 12).Bevel axisymmetric 4 mm (AX1) dengan bevel terpanjang mencapai defleksi maksimum yang signifikan secara statistik di udara dibandingkan dengan jarum axisymmetric lainnya (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tabel 2), namun tidak ada perbedaan yang signifikan .diamati ketika jarum dimasukkan ke dalam air.Oleh karena itu, tidak ada keuntungan yang nyata jika memiliki panjang bevel yang lebih panjang dalam hal defleksi puncak pada ujungnya.Dengan mengingat hal tersebut, ternyata geometri bevel yang diteliti pada penelitian ini mempunyai pengaruh yang lebih besar terhadap besar defleksi dibandingkan dengan panjang bevel.Hal ini mungkin disebabkan oleh kekakuan lentur, misalnya tergantung pada ketebalan keseluruhan bahan yang ditekuk dan desain jarumnya.
Dalam studi eksperimental, besarnya gelombang lentur yang dipantulkan dipengaruhi oleh kondisi batas ujungnya.Ketika ujung jarum dimasukkan ke dalam air dan gelatin, \(\text {PTE}_{2}\) adalah \(\approximately\) 95%, dan \(\text {PTE}_{ 2}\) adalah \ (\text {PTE}_{ 2}\) nilainya 73% dan 77% untuk (\text {PTE}_{1}\) dan \(\text {PTE}_{3}\), masing-masing (Gbr. 11).Hal ini menunjukkan bahwa perpindahan energi akustik maksimum ke media pengecoran, yaitu air atau gelatin, terjadi pada \(f_2\).Perilaku serupa diamati dalam penelitian sebelumnya31 menggunakan konfigurasi perangkat yang lebih sederhana pada rentang frekuensi 41-43 kHz, di mana penulis menunjukkan ketergantungan koefisien refleksi tegangan pada modulus mekanik media penyematan.Kedalaman penetrasi32 dan sifat mekanik jaringan memberikan beban mekanis pada jarum dan oleh karena itu diharapkan mempengaruhi perilaku resonansi UZEFNAB.Dengan demikian, algoritma pelacakan resonansi (misalnya 17, 18, 33) dapat digunakan untuk mengoptimalkan daya akustik yang disalurkan melalui jarum.
Simulasi pada panjang gelombang lentur (Gbr. 7) menunjukkan bahwa ujung sumbu simetris secara struktural lebih kaku (yaitu, lebih kaku dalam lentur) dibandingkan lanset dan kemiringan asimetris.Berdasarkan (1) dan menggunakan hubungan kecepatan-frekuensi yang diketahui, kami memperkirakan kekakuan lentur pada ujung jarum sebagai \(\about\) 200, 20 dan 1500 MPa untuk bidang miring lanset, asimetris, dan aksial.Ini sesuai dengan \(\lambda_y\) dari \(\kira-kira\) masing-masing 5,3, 1,7, dan 14,2 mm, pada 29,75 kHz (Gbr. 7a–c).Mempertimbangkan keamanan klinis selama USeFNAB, pengaruh geometri pada kekakuan struktural bidang miring harus dinilai34.
Sebuah studi tentang parameter bevel relatif terhadap panjang tabung (Gbr. 9) menunjukkan bahwa jangkauan transmisi optimal lebih tinggi untuk bevel asimetris (1,8 mm) dibandingkan untuk bevel axisymmetric (1,3 mm).Selain itu, mobilitasnya stabil pada \(\kira-kira) dari 4 hingga 4,5 mm dan dari 6 hingga 7 mm untuk kemiringan asimetris dan sumbusimetris (Gbr. 9a, b).Signifikansi praktis dari penemuan ini dinyatakan dalam toleransi manufaktur, misalnya, kisaran TL optimal yang lebih rendah mungkin berarti diperlukan akurasi panjang yang lebih besar.Pada saat yang sama, dataran tinggi mobilitas memberikan toleransi yang lebih besar dalam memilih panjang kemiringan pada frekuensi tertentu tanpa berdampak signifikan pada mobilitas.
Penelitian ini mencakup keterbatasan berikut.Pengukuran langsung defleksi jarum menggunakan deteksi tepi dan pencitraan berkecepatan tinggi (Gambar 12) berarti kita terbatas pada media transparan optik seperti udara dan air.Kami juga ingin menunjukkan bahwa kami tidak menggunakan eksperimen untuk menguji simulasi mobilitas transfer dan sebaliknya, namun menggunakan studi FEM untuk menentukan panjang optimal untuk pembuatan jarum.Sehubungan dengan keterbatasan praktis, panjang lanset dari ujung ke selongsong adalah \(\kira-kira) 0,4 cm lebih panjang dari jarum lainnya (AX1-3), lihat gbr.3b.Hal ini dapat mempengaruhi respon modal dari desain jarum.Selain itu, bentuk dan volume solder di ujung pin pandu gelombang (lihat Gambar 3) dapat mempengaruhi impedansi mekanis desain pin, menyebabkan kesalahan pada impedansi mekanis dan perilaku lentur.
Akhirnya, kami telah menunjukkan bahwa geometri bevel eksperimental mempengaruhi jumlah defleksi di USeFNAB.Jika defleksi yang lebih besar akan memberikan efek positif pada efek jarum pada jaringan, seperti efisiensi pemotongan setelah penindikan, maka lanset konvensional dapat direkomendasikan di USeFNAB karena memberikan defleksi maksimum dengan tetap menjaga kekakuan ujung struktural yang memadai..Selain itu, penelitian terbaru35 menunjukkan bahwa defleksi ujung yang lebih besar dapat meningkatkan efek biologis seperti kavitasi, yang dapat memfasilitasi pengembangan aplikasi bedah invasif minimal.Mengingat bahwa peningkatan daya akustik total telah terbukti meningkatkan jumlah biopsi di USeFNAB13, studi kuantitatif lebih lanjut mengenai kuantitas dan kualitas sampel diperlukan untuk menilai manfaat klinis terperinci dari geometri jarum yang dipelajari.