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.
Berdasarkan persimpangan interdisipliner antara fisika dan ilmu kehidupan, strategi diagnostik dan terapeutik berdasarkan pengobatan presisi baru-baru ini menarik banyak perhatian karena penerapan praktis metode rekayasa baru di banyak bidang kedokteran, terutama onkologi.Dalam kerangka ini, penggunaan USG untuk menyerang sel kanker pada tumor untuk menyebabkan kemungkinan kerusakan mekanis pada berbagai skala semakin menarik perhatian para ilmuwan di seluruh dunia.Dengan mempertimbangkan faktor-faktor ini, berdasarkan solusi waktu elastodinamik dan simulasi numerik, kami menyajikan studi pendahuluan simulasi komputer propagasi USG dalam jaringan untuk memilih frekuensi dan kekuatan yang sesuai dengan iradiasi lokal.Platform diagnostik baru untuk laboratorium teknologi On-Fiber, disebut jarum rumah sakit dan sudah dipatenkan.Hasil analisis dan wawasan biofisik terkait diyakini dapat membuka jalan bagi pendekatan diagnostik dan terapeutik terintegrasi baru yang dapat memainkan peran penting dalam penerapan pengobatan presisi di masa depan, yang diambil dari bidang fisika.Sinergi yang berkembang antara biologi telah dimulai.
Dengan optimalisasi sejumlah besar aplikasi klinis, kebutuhan untuk mengurangi efek samping pada pasien secara bertahap mulai muncul.Untuk mencapai tujuan ini, pengobatan presisi1, 2, 3, 4, 5 telah menjadi tujuan strategis untuk mengurangi dosis obat yang diberikan kepada pasien, yang pada dasarnya mengikuti dua pendekatan utama.Yang pertama didasarkan pada pengobatan yang dirancang sesuai dengan profil genom pasien.Yang kedua, yang menjadi standar emas dalam onkologi, bertujuan untuk menghindari prosedur pemberian obat sistemik dengan mencoba melepaskan sejumlah kecil obat, sekaligus meningkatkan akurasi melalui penggunaan terapi lokal.Tujuan utamanya adalah untuk menghilangkan atau setidaknya meminimalkan efek negatif dari banyak pendekatan terapeutik, seperti kemoterapi atau pemberian radionuklida secara sistemik.Tergantung pada jenis kanker, lokasi, dosis radiasi, dan faktor lainnya, terapi radiasi pun dapat memiliki risiko tinggi terhadap jaringan sehat.Dalam pengobatan glioblastoma6,7,8,9 pembedahan berhasil menghilangkan kanker yang mendasarinya, namun bahkan tanpa adanya metastasis, banyak infiltrat kanker kecil yang mungkin muncul.Jika tidak dihilangkan seluruhnya, massa kanker baru dapat tumbuh dalam waktu yang relatif singkat.Dalam konteks ini, strategi pengobatan presisi di atas sulit diterapkan karena infiltrasinya sulit dideteksi dan menyebar ke wilayah yang luas.Hambatan ini mencegah hasil yang pasti dalam mencegah kekambuhan dengan pengobatan presisi, sehingga metode pemberian sistemik lebih disukai dalam beberapa kasus, meskipun obat yang digunakan mungkin memiliki tingkat toksisitas yang sangat tinggi.Untuk mengatasi masalah ini, pendekatan pengobatan yang ideal adalah dengan menggunakan strategi invasif minimal yang dapat menyerang sel kanker secara selektif tanpa mempengaruhi jaringan sehat.Mengingat argumen ini, penggunaan getaran ultrasonik, yang telah terbukti mempengaruhi sel kanker dan sel sehat secara berbeda, baik dalam sistem uniseluler maupun dalam kelompok heterogen skala meso, tampaknya merupakan solusi yang mungkin.
Dari sudut pandang mekanistik, sel sehat dan sel kanker sebenarnya memiliki frekuensi resonansi alami yang berbeda.Sifat ini dikaitkan dengan perubahan onkogenik pada sifat mekanik struktur sitoskeletal sel kanker12,13, sedangkan sel tumor rata-rata lebih mudah berubah bentuk dibandingkan sel normal.Oleh karena itu, dengan pilihan frekuensi ultrasonik yang optimal untuk stimulasi, getaran yang ditimbulkan pada area tertentu dapat menyebabkan kerusakan pada struktur kanker yang hidup, sehingga meminimalkan dampak terhadap kesehatan lingkungan inang.Efek yang belum sepenuhnya dipahami ini mungkin termasuk penghancuran komponen struktural seluler tertentu akibat getaran frekuensi tinggi yang disebabkan oleh ultrasound (pada prinsipnya sangat mirip dengan lithotripsy14) dan kerusakan sel akibat fenomena yang mirip dengan kelelahan mekanis, yang pada gilirannya dapat mengubah struktur seluler. .pemrograman dan mekanobiologi.Meskipun solusi teoretis ini tampaknya sangat cocok, sayangnya solusi ini tidak dapat digunakan dalam kasus di mana struktur biologis anechoic menghalangi penerapan USG secara langsung, misalnya, pada aplikasi intrakranial karena adanya tulang, dan beberapa massa tumor payudara terletak di jaringan adiposa. jaringan.Atenuasi dapat membatasi lokasi efek terapeutik potensial.Untuk mengatasi masalah ini, USG harus diterapkan secara lokal dengan transduser yang dirancang khusus yang dapat mencapai lokasi yang diiradiasi dengan cara yang tidak terlalu invasif.Dengan pemikiran ini, kami mempertimbangkan kemungkinan untuk menggunakan ide-ide yang berkaitan dengan kemungkinan menciptakan platform teknologi inovatif yang disebut “rumah sakit jarum”15.Konsep “Rumah Sakit dalam Jarum” melibatkan pengembangan instrumen medis invasif minimal untuk aplikasi diagnostik dan terapeutik, berdasarkan kombinasi berbagai fungsi dalam satu jarum medis.Seperti yang dibahas lebih rinci di bagian Jarum Rumah Sakit, perangkat ringkas ini terutama didasarkan pada keunggulan probe serat optik 16, 17, 18, 19, 20, 21, yang karena karakteristiknya, cocok untuk dimasukkan ke dalam standar 20 jarum medis, 22 lumen.Memanfaatkan fleksibilitas yang diberikan oleh teknologi Lab-on-Fiber (LOF)23, serat secara efektif menjadi platform unik untuk perangkat diagnostik dan terapeutik yang berukuran kecil dan siap digunakan, termasuk perangkat biopsi cairan dan biopsi jaringan.dalam deteksi biomolekuler24,25, pemberian obat lokal dengan panduan cahaya26,27, pencitraan ultrasonografi lokal presisi tinggi28, terapi termal29,30 dan identifikasi jaringan kanker berbasis spektroskopi31.Dalam konsep ini, dengan menggunakan pendekatan lokalisasi berdasarkan perangkat “jarum di rumah sakit”, kami menyelidiki kemungkinan mengoptimalkan stimulasi lokal pada struktur biologis penduduk dengan menggunakan perambatan gelombang ultrasonik melalui jarum untuk merangsang gelombang ultrasonik di wilayah yang diinginkan..Dengan demikian, USG terapeutik intensitas rendah dapat diterapkan langsung ke area risiko dengan invasif minimal untuk menyonikasikan sel dan formasi padat kecil di jaringan lunak, seperti dalam kasus operasi intrakranial yang disebutkan di atas, lubang kecil di tengkorak harus dimasukkan dengan a jarum.Terinspirasi oleh hasil teoritis dan eksperimental baru-baru ini yang menunjukkan bahwa USG dapat menghentikan atau menunda perkembangan kanker tertentu,32,33,34 pendekatan yang diusulkan dapat membantu mengatasi, setidaknya secara prinsip, trade-off utama antara efek agresif dan kuratif.Dengan pertimbangan ini, dalam makalah ini, kami menyelidiki kemungkinan penggunaan perangkat jarum di rumah sakit untuk terapi ultrasonografi invasif minimal untuk kanker.Lebih tepatnya, di bagian Analisis Hamburan Massa Tumor Bulat untuk Memperkirakan Frekuensi Ultrasound yang Bergantung pada Pertumbuhan, kami menggunakan metode elastodinamik yang sudah mapan dan teori hamburan akustik untuk memprediksi ukuran tumor padat berbentuk bola yang tumbuh dalam media elastis.kekakuan yang terjadi antara tumor dan jaringan inang karena remodeling material yang disebabkan oleh pertumbuhan.Setelah mendeskripsikan sistem kami, yang kami sebut bagian “Rumah Sakit dalam Jarum”, di bagian “Rumah Sakit dalam Jarum”, kami menganalisis perambatan gelombang ultrasonik melalui jarum medis pada frekuensi yang diprediksi dan model numeriknya menyinari lingkungan untuk dipelajari. parameter geometris utama (diameter dalam sebenarnya, panjang dan ketajaman jarum), yang mempengaruhi transmisi kekuatan akustik instrumen.Mengingat kebutuhan untuk mengembangkan strategi rekayasa baru untuk pengobatan presisi, penelitian yang diusulkan ini diyakini dapat membantu mengembangkan alat baru untuk pengobatan kanker berdasarkan penggunaan USG yang disampaikan melalui platform theragnostic terintegrasi yang mengintegrasikan USG dengan solusi lain.Gabungan, seperti pemberian obat yang ditargetkan dan diagnostik real-time dalam satu jarum.
Efektivitas penyediaan strategi mekanistik untuk pengobatan tumor padat lokal menggunakan stimulasi ultrasonik (ultrasound) telah menjadi tujuan dari beberapa makalah yang membahas secara teoritis dan eksperimental efek getaran ultrasonik intensitas rendah pada sistem sel tunggal 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Dengan menggunakan model viskoelastik, beberapa peneliti telah secara analitis menunjukkan bahwa sel tumor dan sel sehat menunjukkan respons frekuensi berbeda yang ditandai dengan puncak resonansi berbeda pada kisaran US 10,11,12.Hasil ini menunjukkan bahwa, pada prinsipnya, sel-sel tumor dapat diserang secara selektif oleh rangsangan mekanis yang menjaga lingkungan inangnya.Perilaku ini merupakan konsekuensi langsung dari bukti utama bahwa, dalam banyak kasus, sel tumor lebih mudah dibentuk dibandingkan sel sehat, kemungkinan untuk meningkatkan kemampuan mereka untuk berkembang biak dan bermigrasi37,38,39,40.Berdasarkan hasil yang diperoleh dengan model sel tunggal, misalnya pada skala mikro, selektivitas sel kanker juga telah dibuktikan pada skala meso melalui studi numerik mengenai respons harmonis agregat sel heterogen.Memberikan persentase sel kanker dan sel sehat yang berbeda, agregat multiseluler berukuran ratusan mikrometer dibangun secara hierarki.Pada tingkat meso dari agregat ini, beberapa fitur mikroskopis yang menarik dipertahankan karena penerapan langsung elemen struktural utama yang menjadi ciri perilaku mekanis sel tunggal.Secara khusus, setiap sel menggunakan arsitektur berbasis tensegritas untuk meniru respons berbagai struktur sitoskeletal pratekan, sehingga memengaruhi kekakuan keseluruhannya12,13.Prediksi teoretis dan eksperimen in vitro dari literatur di atas telah memberikan hasil yang menggembirakan, menunjukkan perlunya mempelajari sensitivitas massa tumor terhadap ultrasonografi terapeutik intensitas rendah (LITUS), dan penilaian frekuensi penyinaran massa tumor sangat penting.posisi LITUS untuk aplikasi di tempat.
Namun, pada tingkat jaringan, deskripsi submakroskopik dari masing-masing komponen pasti hilang, dan sifat-sifat jaringan tumor dapat ditelusuri menggunakan metode berurutan untuk melacak pertumbuhan massa dan proses remodeling yang disebabkan oleh stres, dengan mempertimbangkan efek makroskopis dari komponen tersebut. pertumbuhan.-menginduksi perubahan elastisitas jaringan pada skala 41,42.Memang, tidak seperti sistem uniseluler dan agregat, massa tumor padat tumbuh di jaringan lunak karena akumulasi tegangan sisa yang menyimpang secara bertahap, yang mengubah sifat mekanik alami karena peningkatan kekakuan intratumoral secara keseluruhan, dan sklerosis tumor sering menjadi faktor penentu dalam deteksi tumor.
Dengan pertimbangan ini, di sini kami menganalisis respons sonodinamik tumor spheroid yang dimodelkan sebagai inklusi bola elastis yang tumbuh di lingkungan jaringan normal.Lebih tepatnya, sifat elastis yang terkait dengan stadium tumor ditentukan berdasarkan hasil teoritis dan eksperimental yang diperoleh beberapa penulis dalam penelitian sebelumnya.Diantaranya, evolusi spheroid tumor padat yang tumbuh in vivo dalam media heterogen telah dipelajari dengan menerapkan model mekanik non-linier 41,43,44 dalam kombinasi dengan dinamika antarspesies untuk memprediksi perkembangan massa tumor dan tekanan intratumoral terkait.Seperti disebutkan di atas, pertumbuhan (misalnya, pra-peregangan inelastis) dan tegangan sisa menyebabkan remodeling progresif pada sifat bahan tumor, sehingga juga mengubah respons akustiknya.Penting untuk dicatat bahwa dalam ref.41 ko-evolusi pertumbuhan dan stres padat pada tumor telah dibuktikan dalam kampanye eksperimental pada model hewan.Secara khusus, perbandingan kekakuan massa tumor payudara yang direseksi pada tahap yang berbeda dengan kekakuan yang diperoleh dengan mereproduksi kondisi serupa secara silico pada model elemen hingga bola dengan dimensi yang sama dan dengan mempertimbangkan prediksi medan tegangan sisa mengkonfirmasi metode yang diusulkan. validitas model..Dalam karya ini, hasil teoritis dan eksperimental yang diperoleh sebelumnya digunakan untuk mengembangkan strategi terapi baru yang dikembangkan.Secara khusus, ukuran yang diprediksi dengan sifat resistensi evolusioner yang sesuai dihitung di sini, yang kemudian digunakan untuk memperkirakan rentang frekuensi di mana massa tumor yang tertanam di lingkungan inang lebih sensitif.Untuk tujuan ini, kami menyelidiki perilaku dinamis massa tumor pada tahap yang berbeda, diambil pada tahap yang berbeda, dengan mempertimbangkan indikator akustik sesuai dengan prinsip hamburan yang diterima secara umum sebagai respons terhadap rangsangan ultrasonik dan menyoroti kemungkinan fenomena resonansi bola. .tergantung pada tumor dan inang. Perbedaan kekakuan antar jaringan bergantung pada pertumbuhan.
Dengan demikian, massa tumor dimodelkan sebagai bola elastis dengan radius \(a\) di lingkungan elastis sekitar inang berdasarkan data eksperimen yang menunjukkan bagaimana struktur ganas yang besar tumbuh in situ dalam bentuk bola.Mengacu pada Gambar 1, menggunakan koordinat bola \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (di mana \(\theta\) dan \(\varphi\) masing-masing mewakili sudut anomali dan sudut azimut), domain tumor menempati Wilayah yang tertanam dalam ruang sehat \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) wilayah tak terbatas \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Mengacu pada Informasi Tambahan (SI) untuk deskripsi lengkap model matematika berdasarkan dasar elastodinamik mapan yang dilaporkan dalam banyak literatur, di sini kami mempertimbangkan masalah yang ditandai dengan mode osilasi aksisimetris.Asumsi ini menyiratkan bahwa semua variabel dalam tumor dan area sehat tidak bergantung pada koordinat azimut \(\varphi\) dan tidak ada distorsi yang terjadi pada arah ini.Akibatnya, medan perpindahan dan tegangan dapat diperoleh dari dua potensial skalar \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) dan \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , keduanya adalah masing-masing berhubungan dengan gelombang longitudinal dan gelombang geser, waktu kebetulan t antara gelombang \(\theta \) dan sudut antara arah gelombang datang dan vektor posisi \({\mathbf {x))\) ( seperti yang ditunjukkan pada gambar 1) dan \(\omega = 2\pi f\) mewakili frekuensi sudut.Secara khusus, medan datang dimodelkan oleh gelombang bidang \(\phi_{H}^{(in)}\) (juga diperkenalkan dalam sistem SI, dalam persamaan (A.9)) yang merambat ke dalam volume benda menurut ekspresi hukum
di mana \(\phi_{0}\) adalah parameter amplitudo.Perluasan bola dari gelombang bidang datang (1) menggunakan fungsi gelombang bola adalah argumen standar:
Dimana \(j_{n}\) adalah fungsi Bessel bola dari orde pertama \(n\), dan \(P_{n}\) adalah polinomial Legendre.Sebagian gelombang datang dari bidang investasi tersebar di media sekitarnya dan tumpang tindih dengan bidang datang, sedangkan bagian lainnya tersebar di dalam bola, berkontribusi terhadap getarannya.Untuk melakukan hal ini, solusi harmonik persamaan gelombang \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) dan \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), misalnya diberikan oleh Eringen45 (lihat juga SI ) mungkin mengindikasikan tumor dan area sehat.Secara khusus, gelombang ekspansi tersebar dan gelombang isovolumik yang dihasilkan dalam media induk \(H\) mengakui energi potensialnya masing-masing:
Diantaranya, fungsi bola Hankel jenis pertama \(h_{n}^{(1)}\) digunakan untuk mempertimbangkan gelombang hamburan keluar, dan \(\alpha_{n}\) dan \(\beta_{ n}\ ) adalah koefisien yang tidak diketahui.dalam persamaan.Dalam persamaan (2)–(4), suku \(k_{H1}\) dan \(k_{H2}\) masing-masing menyatakan bilangan gelombang penghalusan dan gelombang transversal pada luas utama benda ( lihat SI).Bidang kompresi di dalam tumor dan pergeserannya terlihat
Dimana \(k_{T1}\) dan \(k_{T2}\) mewakili bilangan gelombang longitudinal dan transversal di daerah tumor, dan koefisien yang tidak diketahui adalah \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Berdasarkan hasil tersebut, komponen perpindahan radial dan sirkumferensial bukan nol merupakan karakteristik daerah sehat dalam permasalahan yang sedang dipertimbangkan, seperti \(u_{Hr}\) dan \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) asumsi simetri tidak diperlukan lagi) — dapat diperoleh dari relasi \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \kanan) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) dan \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \kiri({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \kanan)\) dengan membentuk \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) dan \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (lihat SI untuk derivasi matematika terperinci).Demikian pula, mengganti \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) dan \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) akan menghasilkan {Tr} = \partial_{r} \kiri( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \kanan) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) dan \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\kiri({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\kanan)\).
(Kiri) Geometri tumor berbentuk bola yang tumbuh di lingkungan yang sehat di mana bidang kejadian menyebar, (kanan) Evolusi yang sesuai dari rasio kekakuan tumor-host sebagai fungsi dari radius tumor, data yang dilaporkan (diadaptasi dari Carotenuto dkk. 41) dari tes kompresi in vitro diperoleh dari tumor payudara padat yang diinokulasi dengan sel MDA-MB-231.
Dengan asumsi bahan elastis linier dan isotropik, komponen tegangan bukan nol di daerah sehat dan tumor, yaitu \(\sigma_{Hpq}\) dan \(\sigma_{Tpq}\) – mematuhi hukum Hooke yang digeneralisasikan, mengingat bahwa ada adalah Lamé moduli yang berbeda, yang mencirikan elastisitas inang dan tumor, dinotasikan sebagai \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) dan \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (lihat Persamaan (A.11) untuk ekspresi lengkap komponen tegangan yang direpresentasikan dalam SI).Secara khusus, menurut data dalam referensi 41 dan disajikan pada Gambar 1, pertumbuhan tumor menunjukkan perubahan konstanta elastisitas jaringan.Dengan demikian, perpindahan dan tekanan pada daerah inang dan tumor ditentukan sepenuhnya hingga satu set konstanta yang tidak diketahui \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) secara teoritis memiliki dimensi tak terhingga.Untuk menemukan vektor koefisien ini, antarmuka dan kondisi batas yang sesuai antara tumor dan area sehat diperkenalkan.Dengan asumsi pengikatan sempurna pada antarmuka tumor-host \(r = a\), kontinuitas perpindahan dan tekanan memerlukan kondisi berikut:
Sistem (7) membentuk sistem persamaan dengan solusi tak terhingga.Selain itu, setiap kondisi batas akan bergantung pada anomali \(\theta\).Untuk mereduksi permasalahan nilai batas menjadi permasalahan aljabar lengkap dengan \(N\) himpunan sistem tertutup, yang masing-masing berada dalam \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ yang tidak diketahui {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (dengan \ ( N \ hingga \infty \), secara teoritis), dan untuk menghilangkan ketergantungan persamaan pada suku trigonometri, kondisi antarmuka ditulis dalam bentuk lemah menggunakan ortogonalitas polinomial Legendre.Secara khusus, persamaan (7)1,2 dan (7)3,4 dikalikan dengan \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) dan \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) dan kemudian mengintegrasikan antara \(0\) dan \(\pi\) menggunakan identitas matematika:
Dengan demikian, kondisi antarmuka (7) mengembalikan sistem persamaan aljabar kuadrat, yang dapat dinyatakan dalam bentuk matriks sebagai \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) dan dapatkan \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) yang tidak diketahui dengan menyelesaikan aturan Cramer.
Untuk memperkirakan fluks energi yang dihamburkan oleh bola dan memperoleh informasi tentang respons akustiknya berdasarkan data medan hamburan yang merambat di media induk, diperlukan besaran akustik, yang merupakan penampang hamburan bistatik yang dinormalisasi.Secara khusus, penampang hamburan, dinotasikan dengan \(s), menyatakan rasio antara daya akustik yang ditransmisikan oleh sinyal hamburan dan pembagian energi yang dibawa oleh gelombang datang.Dalam hal ini, besaran fungsi bentuk \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) adalah besaran yang sering digunakan dalam studi mekanisme akustik tertanam dalam cairan atau padat. Hamburan benda-benda di dalam sedimen.Lebih tepatnya, amplitudo fungsi bentuk didefinisikan sebagai penampang hamburan diferensial \(ds\) per satuan luas, yang berbeda secara normal terhadap arah rambat gelombang datang:
dimana \(f_{n}^{pp}\) dan \(f_{n}^{ps}\) menunjukkan fungsi modal, yang mengacu pada rasio kekuatan gelombang longitudinal dan gelombang hamburan relatif terhadap gelombang P yang datang pada media penerima, masing-masing, diberikan dengan ekspresi berikut:
Fungsi gelombang parsial (10) dapat dipelajari secara independen sesuai dengan teori hamburan resonansi (RST)49,50,51,52, yang memungkinkan untuk memisahkan elastisitas target dari total medan nyasar ketika mempelajari mode yang berbeda.Menurut metode ini, fungsi bentuk modal dapat didekomposisi menjadi dua bagian yang sama besar, yaitu \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) masing-masing terkait dengan amplitudo latar belakang resonansi dan nonresonansi.Fungsi bentuk mode resonansi berhubungan dengan respon target, sedangkan latar belakang biasanya berhubungan dengan bentuk pencar.Untuk mendeteksi formant pertama dari target untuk setiap mode, amplitudo fungsi bentuk resonansi modal \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) dihitung dengan asumsi latar belakang keras, terdiri dari bola yang tidak dapat ditembus dalam bahan induk yang elastis.Hipotesis ini dilatarbelakangi oleh fakta bahwa, secara umum, kekakuan dan kepadatan meningkat seiring dengan pertumbuhan massa tumor akibat tegangan tekan sisa.Jadi, pada tingkat pertumbuhan yang parah, rasio impedansi \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) diperkirakan lebih besar dari 1 untuk sebagian besar tumor padat makroskopis yang berkembang di jaringan lunak. jaringan.Misalnya, Krouskop dkk.53 melaporkan rasio modulus kanker dan normal sekitar 4 untuk jaringan prostat, sementara nilai ini meningkat menjadi 20 untuk sampel jaringan payudara.Hubungan ini pasti mengubah impedansi akustik jaringan, seperti yang juga ditunjukkan oleh analisis elastografi54,55,56, dan mungkin berhubungan dengan penebalan jaringan lokal yang disebabkan oleh hiperproliferasi tumor.Perbedaan ini juga telah diamati secara eksperimental dengan tes kompresi sederhana dari blok tumor payudara yang tumbuh pada tahapan yang berbeda32, dan remodeling material dapat diikuti dengan baik dengan model prediktif lintas spesies dari tumor yang tumbuh non-linear43,44.Data kekakuan yang diperoleh berhubungan langsung dengan evolusi modulus Young tumor padat sesuai dengan rumus \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( bola dengan jari-jari \(a\), kekakuan \(S\) dan rasio Poisson \(\nu\) antara dua pelat kaku 57, seperti ditunjukkan pada Gambar 1).Dengan demikian, pengukuran impedansi akustik tumor dan inang dapat diperoleh pada tingkat pertumbuhan yang berbeda.Secara khusus, dibandingkan dengan modulus jaringan normal sebesar 2 kPa pada Gambar 1, modulus elastis tumor payudara dalam kisaran volume sekitar 500 hingga 1250 mm3 menghasilkan peningkatan dari sekitar 10 kPa menjadi 16 kPa, yaitu konsisten dengan data yang dilaporkan.dalam referensi 58, 59 ditemukan bahwa tekanan pada sampel jaringan payudara adalah 0,25–4 kPa dengan prakompresi yang hilang.Asumsikan juga bahwa rasio Poisson jaringan yang hampir tidak dapat dimampatkan adalah 41,60, yang berarti kepadatan jaringan tidak berubah secara signifikan seiring dengan bertambahnya volume.Secara khusus, kepadatan populasi massa rata-rata \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 digunakan.Dengan pertimbangan ini, kekakuan dapat mengambil mode latar belakang dengan menggunakan ekspresi berikut:
Dimana konstanta yang tidak diketahui \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) dapat dihitung dengan mempertimbangkan kontinuitas bias ( 7 )2,4, yaitu dengan menyelesaikan sistem aljabar \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) melibatkan anak di bawah umur\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) dan vektor kolom sederhana yang sesuai\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Memberikan pengetahuan dasar dalam persamaan (11), dua amplitudo fungsi mode resonansi hamburan balik \(\left| {f_{n}^{{ \kiri( {res} \kanan)\,pp}} \kiri( \theta \kanan)} \kanan| = \kiri|{f_{n}^{pp} \kiri( \theta \kanan) – f_{ n}^{pp(b)} \kiri( \theta \kanan)} \kanan|\) dan \( \kiri|{f_{n}^{{\kiri( {res} \kanan)\,ps} } \kiri( \theta \kanan)} \kanan|= \kiri|{f_{n}^{ps} \kiri( \theta \kanan) – f_{n}^{ps(b)} \kiri( \ theta \right)} \right|\) mengacu pada eksitasi gelombang P dan refleksi gelombang P dan S.Selanjutnya, amplitudo pertama diperkirakan sebagai \(\theta = \pi\), dan amplitudo kedua diperkirakan sebagai \(\theta = \pi/4\).Dengan memuat berbagai properti komposisi.Gambar 2 menunjukkan bahwa fitur resonansi tumor spheroid dengan diameter hingga sekitar 15 mm sebagian besar terkonsentrasi pada pita frekuensi 50-400 kHz, yang menunjukkan kemungkinan penggunaan ultrasound frekuensi rendah untuk menginduksi eksitasi tumor resonansi.sel.Banyak.Dalam pita frekuensi ini, analisis RST mengungkapkan formant mode tunggal untuk mode 1 hingga 6, yang disorot pada Gambar 3. Di sini, gelombang hamburan pp dan ps menunjukkan formant tipe pertama, terjadi pada frekuensi sangat rendah, yang meningkat dari sekitar 20 kHz untuk mode 1 hingga sekitar 60 kHz untuk n = 6, tidak menunjukkan perbedaan signifikan dalam radius bola.Fungsi resonansi ps kemudian meluruh, sedangkan kombinasi formant pp dengan amplitudo besar memberikan periodisitas sekitar 60 kHz, menunjukkan pergeseran frekuensi yang lebih tinggi dengan meningkatnya nomor mode.Semua analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak komputasi Mathematica®62.
Fungsi bentuk hamburan balik yang diperoleh dari modul tumor payudara dengan ukuran berbeda ditunjukkan pada Gambar. 1, di mana pita hamburan tertinggi disorot dengan mempertimbangkan mode superposisi.
Resonansi mode yang dipilih dari \(n = 1\) hingga \(n = 6\), dihitung berdasarkan eksitasi dan refleksi gelombang P pada ukuran tumor yang berbeda (kurva hitam dari \(\left | {f_{ n} ^ {{\ kiri( {res} \kanan)\,pp}} \kiri( \pi \kanan)} \kanan| = \kiri|. {f_{n}^{pp} \kiri ( \pi \ kanan) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) dan eksitasi gelombang P dan refleksi gelombang S (kurva abu-abu diberikan oleh fungsi bentuk modal \( \left | { f_{n }^{{\kiri( {res} \kanan)\,ps}} \kiri( {\pi /4} \kanan)} \kanan| = \kiri|. \kiri( {\pi /4} \kanan) – f_{n}^{ps(b)} \kiri( {\pi /4} \kanan)} \kanan |\)).
Hasil analisis awal menggunakan kondisi propagasi medan jauh ini dapat memandu pemilihan frekuensi penggerak spesifik penggerak dalam simulasi numerik berikut untuk mempelajari pengaruh tekanan getaran mikro terhadap massa.Hasilnya menunjukkan bahwa kalibrasi frekuensi optimal dapat ditentukan pada tahap tertentu selama pertumbuhan tumor dan dapat ditentukan menggunakan hasil model pertumbuhan untuk menetapkan strategi biomekanik yang digunakan dalam terapi penyakit untuk memprediksi remodeling jaringan dengan benar.
Kemajuan signifikan dalam nanoteknologi mendorong komunitas ilmiah untuk menemukan solusi dan metode baru untuk mengembangkan perangkat medis berukuran kecil dan invasif minimal untuk aplikasi in vivo.Dalam konteks ini, teknologi LOF telah menunjukkan kemampuan luar biasa untuk memperluas kemampuan serat optik, memungkinkan pengembangan perangkat serat optik invasif minimal baru untuk aplikasi ilmu kehidupan21, 63, 64, 65. Ide untuk mengintegrasikan material 2D dan 3D dengan sifat kimia, biologi, dan optik yang diinginkan pada sisi 25 dan/atau ujung 64 serat optik dengan kontrol spasial penuh pada skala nano mengarah pada munculnya kelas baru nanooptode serat optik.memiliki berbagai fungsi diagnostik dan terapeutik.Menariknya, karena sifat geometris dan mekaniknya (penampang kecil, rasio aspek besar, fleksibilitas, bobot rendah) dan biokompatibilitas bahan (biasanya kaca atau polimer), serat optik sangat cocok untuk dimasukkan ke dalam jarum dan kateter.Penerapan medis20, membuka jalan bagi visi baru “rumah sakit jarum” (lihat Gambar 4).
Faktanya, karena tingkat kebebasan yang diberikan oleh teknologi LOF, dengan memanfaatkan integrasi struktur mikro dan nano yang terbuat dari berbagai bahan logam dan/atau dielektrik, serat optik dapat difungsikan dengan baik untuk aplikasi spesifik yang sering kali mendukung eksitasi mode resonansi., Bidang cahaya 21 posisinya kuat.Pembatasan cahaya pada skala sub-panjang gelombang, seringkali dikombinasikan dengan proses kimia dan/atau biologis63 dan integrasi bahan sensitif seperti polimer cerdas65,66 dapat meningkatkan kontrol atas interaksi cahaya dan materi, yang dapat berguna untuk tujuan theranostik.Pilihan jenis dan ukuran komponen/bahan terintegrasi jelas bergantung pada parameter fisik, biologi atau kimia yang akan dideteksi21,63.
Integrasi probe LOF ke dalam jarum medis yang diarahkan ke lokasi tertentu di tubuh akan memungkinkan biopsi cairan dan jaringan lokal secara in vivo, memungkinkan pengobatan lokal secara simultan, mengurangi efek samping dan meningkatkan efisiensi.Peluang potensial mencakup deteksi berbagai biomolekul yang bersirkulasi, termasuk kanker.biomarker atau microRNAs (miRNAs)67, identifikasi jaringan kanker menggunakan spektroskopi linier dan non-linier seperti spektroskopi Raman (SERS)31, pencitraan fotoakustik resolusi tinggi22,28,68, operasi laser dan ablasi69, dan obat penghantaran lokal menggunakan cahaya27 dan bimbingan otomatis jarum ke dalam tubuh manusia20.Perlu dicatat bahwa meskipun penggunaan serat optik menghindari kelemahan khas metode “klasik” berdasarkan komponen elektronik, seperti kebutuhan sambungan listrik dan adanya interferensi elektromagnetik, hal ini memungkinkan berbagai sensor LOF diintegrasikan secara efektif ke dalam sistem.jarum medis tunggal.Perhatian khusus harus diberikan untuk mengurangi efek berbahaya seperti polusi, gangguan optik, penghalang fisik yang menyebabkan efek crosstalk antar fungsi yang berbeda.Namun, benar juga bahwa banyak fungsi yang disebutkan tidak harus aktif secara bersamaan.Aspek ini memungkinkan untuk setidaknya mengurangi interferensi, sehingga membatasi dampak negatif terhadap kinerja setiap probe dan keakuratan prosedur.Pertimbangan-pertimbangan ini memungkinkan kita untuk melihat konsep “jarum di rumah sakit” sebagai sebuah visi sederhana untuk meletakkan dasar yang kuat bagi jarum terapeutik generasi berikutnya dalam ilmu kehidupan.
Sehubungan dengan penerapan spesifik yang dibahas dalam makalah ini, pada bagian selanjutnya kita akan menyelidiki secara numerik kemampuan jarum medis untuk mengarahkan gelombang ultrasonik ke jaringan manusia menggunakan perambatannya sepanjang sumbunya.
Perambatan gelombang ultrasonik melalui jarum medis yang diisi air dan dimasukkan ke dalam jaringan lunak (lihat diagram pada Gambar 5a) dimodelkan menggunakan perangkat lunak Comsol Multiphysics komersial berdasarkan metode elemen hingga (FEM)70, di mana jarum dan jaringan dimodelkan sebagai lingkungan elastis linier.
Mengacu pada Gambar 5b, jarum dimodelkan sebagai silinder berongga (juga dikenal sebagai “kanula”) yang terbuat dari baja tahan karat, yang merupakan bahan standar untuk jarum medis71.Secara khusus, ini dimodelkan dengan modulus Young E = 205 GPa, rasio Poisson ν = 0,28, dan kepadatan ρ = 7850 kg m −372,73.Secara geometris, jarum dicirikan oleh panjang L, diameter dalam D (juga disebut “jarak bebas”) dan ketebalan dinding t.Selain itu, ujung jarum dianggap miring membentuk sudut α terhadap arah memanjang (z).Volume air pada dasarnya sesuai dengan bentuk bagian dalam jarum.Dalam analisis pendahuluan ini, jarum diasumsikan terbenam seluruhnya di suatu wilayah jaringan (diasumsikan memanjang tanpa batas), dimodelkan sebagai bola dengan radius rs, yang tetap konstan pada 85 mm selama semua simulasi.Secara lebih rinci, kami menyelesaikan wilayah bola dengan lapisan yang sangat cocok (PML), yang setidaknya mengurangi gelombang yang tidak diinginkan yang dipantulkan dari batas “imajiner”.Kami kemudian memilih radius rs sehingga menempatkan batas domain bola cukup jauh dari jarum agar tidak mempengaruhi solusi komputasi, dan cukup kecil untuk tidak mempengaruhi biaya komputasi simulasi.
Pergeseran longitudinal harmonik pada frekuensi f dan amplitudo A diterapkan pada batas bawah geometri stylus;situasi ini mewakili stimulus masukan yang diterapkan pada geometri yang disimulasikan.Pada sisa batas jarum (yang bersentuhan dengan jaringan dan air), model yang diterima dianggap mencakup hubungan antara dua fenomena fisika, salah satunya berkaitan dengan mekanika struktur (untuk luas jarum), dan yang lain untuk mekanika struktural.(untuk wilayah acicular), sehingga kondisi yang sesuai diberlakukan pada akustik (untuk air dan wilayah acicular)74.Khususnya, getaran kecil yang diterapkan pada dudukan jarum menyebabkan gangguan tegangan kecil;dengan demikian, dengan asumsi bahwa jarum berperilaku seperti media elastis, vektor perpindahan U dapat diperkirakan dari persamaan kesetimbangan elastodinamik (Navier)75.Osilasi struktural jarum menyebabkan perubahan tekanan air di dalamnya (dianggap stasioner dalam model kami), akibatnya gelombang suara merambat dalam arah memanjang jarum, yang pada dasarnya mengikuti persamaan Helmholtz76.Akhirnya, dengan asumsi bahwa efek nonlinier pada jaringan dapat diabaikan dan amplitudo gelombang geser jauh lebih kecil daripada amplitudo gelombang tekanan, persamaan Helmholtz juga dapat digunakan untuk memodelkan perambatan gelombang akustik pada jaringan lunak.Setelah perkiraan ini, jaringan dianggap sebagai cairan77 dengan kepadatan 1000 kg/m3 dan kecepatan suara 1540 m/s (mengabaikan efek redaman yang bergantung pada frekuensi).Untuk menghubungkan kedua medan fisis ini, perlu dipastikan kesinambungan gerak normal pada batas benda padat dan cair, kesetimbangan statik antara tekanan dan tegangan yang tegak lurus batas benda padat, dan tegangan tangensial pada batas benda padat. cairan harus sama dengan nol.75.
Dalam analisis kami, kami menyelidiki perambatan gelombang akustik sepanjang jarum dalam kondisi stasioner, dengan fokus pada pengaruh geometri jarum terhadap emisi gelombang di dalam jaringan.Secara khusus, kami menyelidiki pengaruh diameter dalam jarum D, panjang L dan sudut kemiringan α, menjaga ketebalan t tetap pada 500 µm untuk semua kasus yang diteliti.Nilai t ini mendekati standar ketebalan dinding 71 untuk jarum komersial.
Tanpa kehilangan keumuman, frekuensi f perpindahan harmonik yang diterapkan pada dasar jarum diambil sama dengan 100 kHz, dan amplitudo A adalah 1 m.Secara khusus, frekuensi diatur ke 100 kHz, yang konsisten dengan perkiraan analitis yang diberikan di bagian “Analisis hamburan massa tumor bulat untuk memperkirakan frekuensi ultrasonik yang bergantung pada pertumbuhan”, di mana perilaku massa tumor yang mirip resonansi ditemukan di rentang frekuensi 50–400 kHz, dengan amplitudo hamburan terbesar terkonsentrasi pada frekuensi rendah sekitar 100–200 kHz (lihat Gambar 2).
Parameter pertama yang dipelajari adalah diameter dalam D jarum.Untuk kemudahan, ini didefinisikan sebagai pecahan bilangan bulat dari panjang gelombang akustik di rongga jarum (yaitu, dalam air λW = 1,5 mm).Memang, fenomena perambatan gelombang pada perangkat yang dicirikan oleh geometri tertentu (misalnya, dalam pandu gelombang) sering kali bergantung pada ukuran karakteristik geometri yang digunakan dibandingkan dengan panjang gelombang gelombang perambatan.Selain itu, pada analisis pertama, untuk lebih menekankan pengaruh diameter D pada perambatan gelombang akustik melalui jarum, kami mempertimbangkan ujung datar, dengan mengatur sudut α = 90°.Selama analisis ini, panjang jarum L ditetapkan pada 70 mm.
Pada gambar.Gambar 6a menunjukkan intensitas suara rata-rata sebagai fungsi dari parameter skala tak berdimensi SD, yaitu D = λW/SD yang dievaluasi dalam bola dengan radius 10 mm yang berpusat pada ujung jarum yang sesuai.Parameter penskalaan SD berubah dari 2 menjadi 6, yaitu kita mempertimbangkan nilai D yang berkisar antara 7,5 mm hingga 2,5 mm (pada f = 100 kHz).Kisaran tersebut juga mencakup nilai standar 71 untuk jarum medis baja tahan karat.Seperti yang diharapkan, diameter dalam jarum mempengaruhi intensitas suara yang dipancarkan oleh jarum, dengan nilai maksimum (1030 W/m2) sesuai dengan D = λW/3 (yaitu D = 5 mm) dan tren menurun seiring penurunan diameter.Perlu diperhatikan bahwa diameter D merupakan parameter geometrik yang juga mempengaruhi invasif suatu alat kesehatan, sehingga aspek penting ini tidak dapat diabaikan saat memilih nilai optimal.Oleh karena itu, meskipun penurunan D terjadi karena transmisi intensitas akustik yang lebih rendah di jaringan, untuk penelitian berikutnya, diameter D = λW/5, yaitu D = 3 mm (sesuai dengan standar 11G71 pada f = 100 kHz) , dianggap sebagai kompromi yang masuk akal antara gangguan perangkat dan transmisi intensitas suara (rata-rata sekitar 450 W/m2).
Intensitas rata-rata bunyi yang dikeluarkan ujung jarum (dianggap datar), bergantung pada diameter dalam jarum (a), panjang (b) dan sudut kemiringan α (c).Panjang pada (a, c) adalah 90 mm, dan diameter pada (b, c) adalah 3 mm.
Parameter berikutnya yang akan dianalisis adalah panjang jarum L. Sesuai dengan studi kasus sebelumnya, kita mempertimbangkan sudut miring α = 90° dan panjangnya diukur sebagai kelipatan panjang gelombang dalam air, misalnya L = SL λW .Parameter skala tak berdimensi SL diubah dari 3 kali 7, sehingga memperkirakan rata-rata intensitas suara yang dipancarkan ujung jarum pada rentang panjang 4,5 hingga 10,5 mm.Kisaran ini mencakup nilai tipikal untuk jarum komersial.Hasilnya ditunjukkan pada gambar.Gambar 6b ​​menunjukkan bahwa panjang jarum, L, mempunyai pengaruh yang besar terhadap transmisi intensitas suara di jaringan.Secara khusus, optimalisasi parameter ini memungkinkan peningkatan transmisi sekitar satu urutan besarnya.Faktanya, dalam rentang panjang yang dianalisis, intensitas suara rata-rata mencapai maksimum lokal sebesar 3116 W/m2 pada SL = 4 (yaitu, L = 60 mm), dan yang lainnya sesuai dengan SL = 6 (yaitu, L = 90 mm).
Setelah menganalisis pengaruh diameter dan panjang jarum terhadap perambatan USG dalam geometri silinder, kami fokus pada pengaruh sudut bevel pada transmisi intensitas suara dalam jaringan.Intensitas rata-rata suara yang berasal dari ujung serat dievaluasi sebagai fungsi sudut α, mengubah nilainya dari 10° (ujung tajam) menjadi 90° (ujung datar).Dalam hal ini, jari-jari bola integrasi di sekitar ujung jarum yang dipertimbangkan adalah 20 mm, sehingga untuk semua nilai α, ujung jarum termasuk dalam volume yang dihitung dari rata-rata.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.6c, ketika ujungnya diasah, yaitu ketika α berkurang mulai dari 90°, intensitas suara yang ditransmisikan meningkat, mencapai nilai maksimum sekitar 1,5 × 105 W/m2, yang setara dengan α = 50°, yaitu, 2 adalah urutan besarnya lebih tinggi dibandingkan dengan keadaan datar.Dengan penajaman ujung yang lebih jauh (yaitu, pada α di bawah 50°), intensitas suara cenderung menurun, mencapai nilai yang sebanding dengan ujung yang rata.Namun, meskipun kami mempertimbangkan berbagai sudut kemiringan untuk simulasi kami, perlu dipertimbangkan bahwa penajaman ujungnya diperlukan untuk memudahkan penyisipan jarum ke dalam jaringan.Faktanya, sudut kemiringan yang lebih kecil (sekitar 10°) dapat mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk menembus jaringan.
Selain nilai intensitas suara yang ditransmisikan di dalam jaringan, sudut kemiringan juga mempengaruhi arah rambat gelombang, seperti yang ditunjukkan pada grafik tingkat tekanan suara yang ditunjukkan pada Gambar 7a (untuk ujung datar) dan 3b (untuk 10° ).ujung miring), paralel Arah memanjang dievaluasi dalam bidang simetri (yz, lih. Gambar 5).Pada dua pertimbangan ekstrem ini, tingkat tekanan suara (disebut sebagai 1 µPa) terutama terkonsentrasi di dalam rongga jarum (yaitu di dalam air) dan diradiasikan ke dalam jaringan.Secara lebih rinci, dalam kasus ujung datar (Gbr. 7a), distribusi tingkat tekanan suara simetris sempurna terhadap arah memanjang, dan gelombang berdiri dapat dibedakan dalam air yang mengisi tubuh.Gelombang berorientasi memanjang (sumbu z), amplitudo mencapai nilai maksimumnya di dalam air (sekitar 240 dB) dan menurun secara melintang, yang menyebabkan redaman sekitar 20 dB pada jarak 10 mm dari pusat jarum.Seperti yang diharapkan, pengenalan ujung runcing (Gbr. 7b) merusak simetri ini, dan antinode gelombang berdiri “menyimpang” sesuai dengan ujung jarum.Rupanya, asimetri ini mempengaruhi intensitas radiasi ujung jarum, seperti yang dijelaskan sebelumnya (Gbr. 6c).Untuk lebih memahami aspek ini, intensitas akustik dievaluasi sepanjang garis potong ortogonal terhadap arah memanjang jarum, yang terletak pada bidang simetri jarum dan terletak pada jarak 10 mm dari ujung jarum ( hasil pada Gambar 7c).Lebih khusus lagi, distribusi intensitas suara yang dinilai pada sudut miring 10°, 20° dan 30° (masing-masing garis padat berwarna biru, merah dan hijau) dibandingkan dengan distribusi di dekat ujung datar (kurva titik-titik hitam).Distribusi intensitas yang terkait dengan jarum berujung datar tampak simetris terhadap bagian tengah jarum.Secara khusus, dibutuhkan nilai sekitar 1420 W/m2 di pusat, luapan sekitar 300 W/m2 pada jarak ~8 mm, dan kemudian menurun hingga nilai sekitar 170 W/m2 pada ~30 mm .Saat ujungnya meruncing, lobus sentral terbagi menjadi lebih banyak lobus dengan intensitas yang bervariasi.Lebih khusus lagi, ketika α adalah 30°, tiga kelopak dapat dibedakan dengan jelas dalam profil yang diukur pada 1 mm dari ujung jarum.Yang di tengah hampir berada di tengah-tengah jarum dan diperkirakan bernilai 1850 W / m2, dan yang lebih tinggi di sebelah kanan sekitar 19 mm dari tengah dan mencapai 2625 W / m2.Pada α = 20°, terdapat 2 lobus utama: satu per −12 mm pada 1785 W/m2 dan satu per 14 mm pada 1524 W/m2.Ketika ujungnya menjadi lebih tajam dan sudutnya mencapai 10°, maksimum 817 W/m2 dicapai pada sekitar -20 mm, dan tiga lobus lagi dengan intensitas yang sedikit lebih rendah terlihat di sepanjang profil.
Tingkat tekanan suara pada bidang simetri y–z dari jarum dengan ujung datar (a) dan kemiringan 10° (b).(c) Distribusi intensitas akustik diperkirakan sepanjang garis potong yang tegak lurus arah memanjang jarum, pada jarak 10 mm dari ujung jarum dan terletak pada bidang simetri yz.Panjang L 70 mm dan diameter D 3 mm.
Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan bahwa jarum medis dapat digunakan secara efektif untuk mengirimkan USG pada 100 kHz ke jaringan lunak.Intensitas suara yang dipancarkan bergantung pada geometri jarum dan dapat dioptimalkan (tergantung pada batasan yang dikenakan oleh invasif perangkat akhir) hingga nilai dalam kisaran 1000 W/m2 (pada 10 mm).diterapkan ke bagian bawah jarum 1. Dalam kasus offset mikrometer, jarum dianggap dimasukkan sepenuhnya ke dalam jaringan lunak yang memanjang tanpa batas.Secara khusus, sudut kemiringan sangat mempengaruhi intensitas dan arah rambat gelombang suara di jaringan, yang terutama mengarah pada ortogonalitas potongan ujung jarum.
Untuk mendukung pengembangan strategi pengobatan tumor baru berdasarkan penggunaan teknik medis non-invasif, penyebaran USG frekuensi rendah di lingkungan tumor dianalisis secara analitis dan komputasi.Secara khusus, pada bagian pertama penelitian, solusi elastodinamik sementara memungkinkan kami mempelajari hamburan gelombang ultrasonik pada spheroid tumor padat dengan ukuran dan kekakuan yang diketahui untuk mempelajari sensitivitas frekuensi massa.Kemudian, frekuensi urutan ratusan kilohertz dipilih, dan penerapan lokal tekanan getaran di lingkungan tumor menggunakan penggerak jarum medis dimodelkan dalam simulasi numerik dengan mempelajari pengaruh parameter desain utama yang menentukan transmisi akustik. kekuatan instrumen terhadap lingkungan.Hasilnya menunjukkan bahwa jarum medis dapat digunakan secara efektif untuk menyinari jaringan dengan ultrasound, dan intensitasnya berkaitan erat dengan parameter geometri jarum, yang disebut panjang gelombang akustik kerja.Faktanya, intensitas iradiasi melalui jaringan meningkat seiring dengan bertambahnya diameter bagian dalam jarum, dan mencapai maksimum ketika diameternya tiga kali panjang gelombang.Panjang jarum juga memberikan kebebasan untuk mengoptimalkan eksposur.Hasil terakhir memang maksimal bila panjang jarum diatur ke kelipatan tertentu dari panjang gelombang pengoperasian (khususnya 4 dan 6).Menariknya, untuk rentang frekuensi yang diminati, nilai diameter dan panjang yang dioptimalkan mendekati nilai yang biasa digunakan untuk jarum komersial standar.Sudut kemiringan, yang menentukan ketajaman jarum, juga mempengaruhi emisivitas, mencapai puncaknya pada sekitar 50° dan memberikan kinerja yang baik pada sekitar 10°, yang biasanya digunakan untuk jarum komersial..Hasil simulasi akan digunakan untuk memandu penerapan dan optimalisasi platform diagnostik intraneedle rumah sakit, mengintegrasikan USG diagnostik dan terapeutik dengan solusi terapi dalam perangkat lainnya, serta mewujudkan intervensi pengobatan presisi kolaboratif.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. dan Kopp MV Apa itu pengobatan presisi?Euro, asing.Jurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS dan Varmus, H. Inisiatif baru dalam pengobatan presisi.N.eng.J.Kedokteran.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK dan Wang, MD.Informatika Pencitraan Biomedis di Era Pengobatan Presisi: Prestasi, Tantangan, dan Peluang.Selai.obat-obatan.memberitahukan.Asisten profesor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Onkologi presisi: ulasan.J. Klinis.Onkol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., dan Salem, A. Peningkatan terapi glioblastoma (GBM) menggunakan sistem pengiriman berbasis nanopartikel.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G dan von Daimling A. Glioblastoma: patologi, mekanisme molekuler dan penanda.Neuropatologi Akta.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM dan Berger, MS Strategi saat ini dan masa depan untuk pengobatan glioma.bedah saraf.Ed.40, 1–14 (2017).