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초음파를 사용하면 기존 미세침 흡인 생검(FNAB)에 비해 초음파 강화 미세침 흡인 생검(USEFNAB)에서 조직 수율을 향상시킬 수 있다는 것이 최근 입증되었습니다.베벨 형상과 바늘 끝 동작 사이의 관계는 아직 조사되지 않았습니다.본 연구에서는 베벨 길이가 다른 다양한 니들 베벨 형상에 대한 바늘 공명 및 편향 진폭의 특성을 조사했습니다.3.9mm 절단의 기존 랜싯을 사용했을 때 팁 편향 역률(DPR)은 공기와 물에서 각각 220 및 105μm/W였습니다.이는 공기와 물에서 각각 180 및 80μm/W의 DPR을 달성한 축대칭 4mm 베벨 팁보다 높습니다.이 연구는 다양한 삽입 보조기구의 맥락에서 베벨 형상의 굽힘 강성 간의 관계의 중요성을 강조하므로 USeFNAB에 중요한 바늘 베벨 형상을 변경하여 천공 후 절단 동작을 제어하는 ​​방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.신청이 중요합니다.
세침 흡인 생검(FNAB)은 이상이 의심될 때 바늘을 사용하여 조직 샘플을 채취하는 기술입니다1,2,3.Franseen 유형 팁은 기존 Lancet4 및 Menghini5 팁보다 더 높은 진단 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.축대칭(즉, 원주) 베벨은 조직병리학에 적합한 샘플의 가능성을 높이기 위해 제안되었습니다6.
생검 중에 바늘을 피부와 조직의 층에 통과시켜 의심스러운 병리를 찾아냅니다.최근 연구에 따르면 초음파 활성화는 연조직에 접근하는 데 필요한 천자력을 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.7,8,9,10.바늘 베벨 형상은 바늘 상호 작용력에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 베벨이 길수록 조직 침투력이 낮아지는 것으로 나타났습니다 11.바늘이 조직 표면을 관통한 후, 즉 천자 후 바늘의 절단력은 전체 바늘-조직 상호작용 힘의 75%일 수 있다고 제안되었습니다12.초음파(미국)는 천자 후 단계13에서 진단 연조직 생검의 품질을 향상시키는 것으로 나타났습니다.경조직 샘플링을 위해 뼈 생검 품질을 향상시키는 다른 방법이 개발되었지만14,15 생검 품질을 향상시키는 결과는 보고되지 않았습니다.여러 연구에 따르면 초음파 구동 전압이 증가함에 따라 기계적 변위도 증가한다는 사실이 밝혀졌습니다.바늘-조직 상호 작용에서 축(세로) 정적 힘에 대한 많은 연구가 있지만 초음파 강화 FNAB(USeFNAB)의 시간적 역학 및 바늘 베벨 형상에 대한 연구는 제한적입니다.
이 연구의 목적은 초음파 주파수에서 바늘 굴곡에 의해 구동되는 바늘 끝 동작에 대한 다양한 경사 형상의 효과를 조사하는 것이었습니다.특히, 우리는 기존 바늘 베벨(예: 란셋), 축대칭 및 비대칭 단일 베벨 형상에 대한 천공 후 바늘 끝 편향에 대한 주입 매체의 영향을 조사했습니다(그림 1). 선택적 흡입과 같은 다양한 목적을 위한 USeFNAB 바늘 개발을 촉진합니다. 접근 또는 연조직 핵.
이 연구에는 다양한 베벨 형상이 포함되었습니다.(a) ISO 7864:201636을 준수하는 랜싯 여기서 \(\alpha\)는 기본 베벨 각도이고, \(\theta\)는 보조 베벨 회전 각도이고, \(\phi\)는 보조 베벨 회전 각도입니다. 도 , 도 단위(\(^\circ\)).(b) 선형 비대칭 단일 단계 모따기(DIN 13097:201937에서 "표준"이라고 함) 및 (c) 선형 축대칭(원주) 단일 단계 모따기.
우리의 접근 방식은 먼저 기존의 란셋, 축 대칭 및 비대칭 단일 단계 경사 형상에 대한 경사를 따라 굽힘 파장의 변화를 모델링하는 것입니다.그런 다음 베벨 각도와 튜브 길이가 운송 메커니즘 이동성에 미치는 영향을 조사하기 위해 파라메트릭 연구를 계산했습니다.이는 프로토타입 바늘을 만들기 위한 최적의 길이를 결정하기 위해 수행됩니다.시뮬레이션을 기반으로 바늘 프로토타입이 만들어졌고 공기, 물 및 10%(w/v) 탄도 젤라틴에서의 공진 거동은 전압 반사 계수를 측정하고 전력 전달 효율을 계산하여 실험적으로 특성화되었으며, 이로부터 작동 주파수는 다음과 같습니다. 단호한..마지막으로 고속 이미징을 사용하여 공기와 물 속에서 바늘 끝의 굽힘파의 편향을 직접 측정하고 각 기울기에 의해 전달되는 전력과 주입된 편향 역률(DPR) 형상을 추정합니다. 중간.
그림 2a에 표시된 대로 316 스테인리스강(영률 205)으로 만들어진 No. 21 파이프(0.80mm OD, 0.49mm ID, 0.155mm 파이프 벽 두께, ISO 9626:201621에 지정된 표준 벽)를 사용합니다.\(\text {GN/m}^{2}\), 밀도 8070kg/m\(^{3}\), 포아송 비 0.275).
굽힘 파장 결정 및 바늘의 유한 요소 모델(FEM) 조정 및 경계 조건.(a) 베벨 길이(BL)와 파이프 길이(TL) 결정.(b) 조화 점 힘 \(\tilde{F}_y\vec{j}\)을 사용하여 근위 끝에서 바늘을 자극하고 점을 편향시키고 속도를 측정하는 3차원(3D) 유한 요소 모델(FEM) 팁당 (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) 기계적 운송 이동성을 계산합니다.\(\lambda _y\)는 수직 힘 \(\tilde{F}_y\vec {j}\)과 관련된 굽힘 파장으로 정의됩니다.(c) x축과 y축을 중심으로 무게중심, 단면적 A, 관성모멘트 \(I_{xx}\), \(I_{yy}\)를 각각 구하라.
그림과 같이.2b,c, 단면적이 A이고 빔 단면의 크기에 비해 파장이 큰 무한(무한) 빔의 경우 굽힘(또는 굽힘) 위상 속도 \(c_{EI}\ )는 22로 정의됩니다.
여기서 E는 영률(\(\text {N/m}^{2}\))이고, \(\omega _0 = 2\pi f_0\)은 여기 각주파수(rad/s)입니다. 여기서 \( f_0 \ )는 선형 주파수(1/s 또는 Hz)이고, I는 관심 축 주위 영역의 관성 모멘트 \((\text {m}^{4})\) 및 \(m'=\ rho _0 A \)는 단위 길이당 질량(kg/m)입니다. 여기서 \(\rho _0\)은 밀도 \((\text {kg/m}^{3})\)이고 A는 십자형입니다. -빔의 단면적(xy 평면)(\(\text{m}^{2}\)).우리의 경우 적용된 힘은 수직 y축과 평행하기 때문에, 즉 \(\tilde{F}_y\vec {j}\), 우리는 수평 x-축 주변 영역의 관성 모멘트에만 관심이 있습니다. 축, 즉 \(I_{xx} \), 그 이유는 다음과 같습니다.
유한 요소 모델(FEM)의 경우 순수 조화 변위(m)를 가정하므로 가속도(\(\text {m/s}^{2}\))는 \(\partial ^2 \vec로 표현됩니다. { u}/ \ 부분 t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), 예: \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\)는 공간 좌표에서 정의된 3차원 변위 벡터입니다.COMSOL Multiphysics 소프트웨어 패키지(버전 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA)의 구현에 따라 후자를 운동량 균형 법칙의 유한 변형 가능한 라그랑주 형식으로 대체하면 다음이 제공됩니다.
여기서 \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\)는 텐서 발산 연산자이고 \({\underline{\sigma}}\)는 두 번째 Piola-Kirchhoff 응력 텐서(2차, \(\ text { N /m}^{2}\)) 및 \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \)는 변형 가능한 각 볼륨의 체적력(\(\text {N/m}^{3}\))의 벡터이고, \(e^{j\phi }\)는 체력은 위상각 \(\ phi\)(rad)를 갖습니다.우리의 경우 물체의 부피 힘은 0이고 우리 모델은 기하학적 선형성과 작은 순수 탄성 변형을 가정합니다. 즉 \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), 여기서 \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) 및 \({\underline{\varepsilon}}\) – 각각 탄성 변형 및 전체 변형(2차 무차원)입니다.Hooke의 구성 등방성 탄성 텐서 \(\underline {\underline {C))\)는 영률 E(\(\text{N/m}^{2}\))를 사용하여 구하고 포아송 비 v는 다음과 같이 정의됩니다. \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (4차).따라서 응력 계산은 \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\)가 됩니다.
계산은 요소 크기 \(\le\) 8 μm의 10노드 사면체 요소로 수행되었습니다.바늘은 진공에서 모델링되었으며 기계적 이동성 전달 값(ms-1 H-1)은 \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, 여기서 \(\tilde{v}_y\vec {j}\)는 핸드피스의 출력 복소 속도이고 \( \tilde{ F} _y\vec {j }\)는 그림 2b에 표시된 것처럼 튜브의 근위 단부에 위치한 복소 구동력입니다.전달형 기계적 이동성은 최대값을 기준으로 데시벨(dB)로 표시됩니다. 즉, \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), 모든 FEM 연구는 29.75kHz의 주파수에서 수행되었습니다.
바늘의 디자인(그림 3)은 기존의 21게이지 피하 주사 바늘(카탈로그 번호: 4665643, Sterican\(^\circledR\), 외경 0.8mm, 길이 120mm, AISI로 구성됨) 크롬-니켈 스테인레스 스틸 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany)은 해당 팁 수정을 통해 폴리프로필렌으로 만들어진 플라스틱 Luer Lock 슬리브를 근위부에 배치했습니다.니들 튜브는 그림 3b와 같이 도파관에 납땜됩니다.도파관은 스테인레스 스틸 3D 프린터(EOS M 290 3D 프린터의 EOS 스테인레스 스틸 316L, 핀란드 Jyväskylä의 3D Formtech Oy)에서 인쇄한 다음 M4 볼트를 사용하여 Langevin 센서에 부착했습니다.Langevin 변환기는 각 끝에 2개의 추가 있는 8개의 압전 링 요소로 구성됩니다.
4가지 유형의 팁(그림), 시중에서 판매되는 란셋(L) 및 제조된 3개의 축대칭 단일 스테이지 베벨(AX1-3)의 베벨 길이(BL)는 각각 4, 1.2 및 0.5mm입니다.(a) 완성된 바늘 끝의 클로즈업.(b) 3D 인쇄된 도파관에 납땜된 후 M4 볼트로 Langevin 센서에 연결된 4개의 핀의 상단 보기.
3개의 축 대칭 베벨 팁(그림 3)(TA Machine Tools Oy)은 \(\about\) 2\(^\에 해당하는 4.0, 1.2 및 0.5mm의 베벨 길이(BL, 그림 2a에서 결정)로 제조되었습니다. circ\), 7\(^\circ\) 및 18\(^\circ\).베벨 L 및 AX1-3에 대한 도파관 및 스타일러스 무게는 각각 3.4 ± 0.017g(평균 ± SD, n = 4)입니다(Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germany).바늘 끝에서 플라스틱 슬리브 끝까지의 총 길이는 그림 3b의 베벨 L 및 AX1-3에 대해 각각 13.7, 13.3, 13.3, 13.3cm입니다.
모든 바늘 구성에 대해 바늘 끝에서 도파관 끝까지의 길이(즉, 납땜 영역)는 4.3cm이고, 바늘 튜브는 베벨이 위를 향하도록(즉, Y축과 평행하도록 방향이 설정되어 있습니다. ).), (그림 2)에서와 같이.
컴퓨터(Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA)에서 실행되는 MATLAB(R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA)의 사용자 정의 스크립트를 사용하여 7초 내에 25~35kHz의 선형 정현파 스윕을 생성했습니다. 디지털-아날로그(DA) 변환기(Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA)에 의해 아날로그 신호로 변환됩니다.그런 다음 아날로그 신호 \(V_0\)(0.5Vp-p)를 전용 무선 주파수(RF) 증폭기(Mariachi Oy, Turku, Finland)를 사용하여 증폭했습니다.하강 증폭 전압 \({V_I}\)은 출력 임피던스가 50\(\Omega\)인 RF 증폭기에서 입력 임피던스가 50\(\Omega)\)인 바늘 구조에 내장된 변압기로 출력됩니다. Langevin 변환기(전면 및 후면 다층 압전 변환기, 질량이 로드됨)는 기계적 파동을 생성하는 데 사용됩니다.맞춤형 RF 증폭기에는 300kHz 아날로그-디지털(AD)을 통해 입사({V_I}\) 및 반사 증폭 전압(V_R\)을 감지할 수 있는 이중 채널 정재파 역률(SWR) 미터가 장착되어 있습니다. ) 변환기(아날로그 디스커버리 2).여기 신호는 과도 현상으로 인해 증폭기 입력에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 시작과 끝에서 진폭 변조됩니다.
MATLAB에 구현된 사용자 정의 스크립트를 사용하여 AFC(주파수 응답 함수)는 선형 고정 시스템을 가정합니다.또한 20~40kHz 대역 통과 필터를 적용하여 신호에서 원치 않는 주파수를 제거합니다.전송선 이론을 참조하면, 이 경우 \(\tilde{H}(f)\)는 전압 반사 계수와 동일합니다. 즉, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .증폭기의 출력 임피던스 \(Z_0\)는 컨버터 내장 트랜스포머의 입력 임피던스에 해당하므로 전력 반사 계수 \({P_R}/{P_I}\)는 \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ )는 \ (|\rho _{V}|^2\)와 같습니다.전력의 절대값이 필요한 경우 해당 전압의 rms(제곱 평균 제곱근) 값을 취하여 입사\(P_I\) 및 반사\(P_R\) 전력(W)을 계산합니다. 예를 들어 다음과 같습니다. 정현파 여기가 있는 전송선의 경우 \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, 여기서 \(Z_0\)는 50\(\Omega\)과 같습니다.부하 \(P_T\)(즉, 삽입된 매체)에 전달되는 전력은 \(|P_I – P_R |\)(W RMS)로 계산될 수 있으며 전력 전달 효율(PTE)은 다음과 같이 정의되고 표현될 수 있습니다. 따라서 백분율(%)은 27을 제공합니다.
그런 다음 주파수 응답을 사용하여 스타일러스 설계의 모달 주파수 \(f_{1-3}\)(kHz)와 해당 전력 전달 효율 \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM(\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz)는 표 1의 \(\text {PTE}_{1{-}3}\)에서 직접 추정됩니다. 에 설명된 주파수 \(f_{1-3}\).
침상 구조의 주파수 응답(AFC)을 측정하는 방법입니다.이중 채널 스위프 사인 측정25,38은 주파수 응답 함수 \(\tilde{H}(f)\)와 임펄스 응답 H(t)를 얻는 데 사용됩니다.\({\mathcal {F}}\) 및 \({\mathcal {F}}^{-1}\)은 각각 숫자 잘린 푸리에 변환 및 역변환 연산을 나타냅니다.\(\tilde{G}(f)\)는 두 신호가 주파수 영역에서 곱해지는 것을 의미합니다. 예를 들어 \(\tilde{G}_{XrX}\)는 역 스캔을 의미합니다\(\tilde{X} r( f )\) 및 전압 강하 신호 \(\tilde{X}(f)\).
그림과 같이.5, 매크로 렌즈(MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5\(\times\), Canon Inc.가 장착된 고속 카메라(Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) ., Tokyo, Japan)은 27.5-30 kHz의 주파수에서 굴곡 여기(단일 주파수, 연속 정현파)를 받은 바늘 끝의 편향을 기록하는 데 사용되었습니다.섀도우 맵을 생성하기 위해 고강도 백색 LED(부품 번호: 4052899910881, White Led, 3000K, 4150lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germany)의 냉각 요소를 바늘의 경사면 뒤에 배치했습니다.
실험 장치의 전면 모습입니다.깊이는 미디어 표면에서 측정됩니다.바늘 구조는 전동식 이송 테이블에 고정되어 장착됩니다.고배율 렌즈(5\(\times\))가 장착된 고속 카메라를 사용하여 경사진 팁의 편향을 측정합니다.모든 치수는 밀리미터 단위입니다.
각 유형의 니들 베벨에 대해 우리는 128\(\x\) 128픽셀의 300개의 고속 카메라 프레임을 기록했으며, 각 프레임의 공간 해상도는 1/180mm(\(\about) 5μm)이고 시간 해상도는 다음과 같습니다. 초당 310,000프레임입니다.그림 6에서 볼 수 있듯이 각 프레임(1)은 팁이 프레임의 마지막 줄(하단)에 있도록 크롭(2)한 다음 이미지(3)의 히스토그램을 계산하므로 Canny 임계값 1과 2를 결정할 수 있습니다.그런 다음 Sobel 연산자 3\(\times\) 3을 사용하여 Canny28(4) 가장자리 감지를 적용하고 모든 300겹 단계에 대해 비공동 빗변(\(\mathbf {\times }\)으로 표시됨)의 픽셀 위치를 계산합니다. .끝 부분의 편향 범위를 결정하기 위해 미분값이 계산되고(중심 차이 알고리즘 사용)(6) 편향의 로컬 극값(즉, 피크)을 포함하는 프레임(7)이 식별됩니다.캐비테이션이 없는 가장자리를 육안으로 검사한 후 한 쌍의 프레임(또는 반 시간 간격으로 분리된 두 개의 프레임)(7)을 선택하고 팁 편향을 측정했습니다(\(\mathbf {\times} \ 로 표시됨). 위의 구현 OpenCV Canny 가장자리 감지 알고리즘(v4.5.1, 오픈 소스 컴퓨터 비전 라이브러리, opencv.org)을 사용하여 Python(v3.8, Python Software Foundation, python.org)에서 전력\(P_T\)(W, rms) .
팁 편향은 프레이밍(1-2), Canny 가장자리 감지(3-4), 픽셀 위치 가장자리를 포함한 7단계 알고리즘(1-7)을 사용하여 310kHz에서 고속 카메라에서 가져온 일련의 프레임을 사용하여 측정되었습니다. 계산(5)과 시간 미분(6), 그리고 마지막으로 피크 간 팁 편향을 육안으로 검사한 프레임 쌍(7)에서 측정했습니다.
측정은 공기(22.4~22.9°C), 탈이온수(20.8~21.5°C) 및 탄도 젤라틴 10%(w/v)(19.7~23.0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text)에서 수행되었습니다. { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Type I 탄도 분석용 소 및 돼지 뼈 젤라틴, Honeywell International, North Carolina, USA).온도는 K형 열전대 증폭기(AD595, Analog Devices Inc., MA, USA)와 K형 열전대(Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA)를 사용하여 측정되었습니다.중간 깊이는 수직 전동 z축 스테이지(8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania)를 사용하여 표면(z축의 원점으로 설정)에서 5μm의 해상도로 측정되었습니다.단계마다.
표본 크기가 작아(n=5) 정규성을 가정할 수 없으므로 2표본 양측 Wilcoxon 순위합 검정(R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org)을 사용했습니다. 다양한 베벨에 대한 바늘 끝의 변화량을 비교합니다.기울기당 3번의 비교가 있었기 때문에 수정된 유의 수준 0.017과 오류율 5%로 Bonferroni 보정을 적용했습니다.
이제 그림 7을 살펴보겠습니다.29.75kHz의 주파수에서 21게이지 바늘의 굽힘 반파장(\(\lambda_y/2\))은 \(\대략) 8mm입니다.팁에 접근하면 굽힘 파장은 경사각을 따라 감소합니다.팁 \(\lambda _y/2\) \(\대략\)에는 단일 바늘의 일반적인 피침형(a), 비대칭(b) 및 축대칭(c) 경사에 대해 3, 1 및 7mm의 단계가 있습니다. , 각각.따라서 이는 란셋의 범위가 \(\대략) 5mm(란셋의 두 평면이 단일 점을 형성한다는 사실로 인해29,30), 비대칭 경사는 7mm, 비대칭 경사는 1임을 의미합니다. mm.축대칭 경사(무게 중심은 일정하게 유지되므로 실제로 경사를 따라 파이프 벽 두께만 변경됨).
29.75kHz의 주파수에서 FEM 연구 및 방정식 적용.(1) 랜싯(a), 비대칭(b) 및 축대칭(c) 베벨 형상에 대한 굽힘 반파장(\(\lambda_y/2\))의 변화를 계산할 때(그림 1a,b,c 참조) ) .란셋, 비대칭 및 축대칭 경사의 평균 값 \(\lambda_y/2\)은 각각 5.65, 5.17 및 7.52mm였습니다.비대칭 및 축대칭 베벨의 팁 두께는 \(\about) 50μm로 제한됩니다.
최대 이동도 \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\)는 튜브 길이(TL)와 베벨 길이(BL)의 최적 조합입니다(그림 8, 9).기존 란셋의 경우 크기가 고정되어 있으므로 최적의 TL은 \(\대략) 29.1mm입니다(그림 8).비대칭 및 축대칭 베벨(각각 그림 9a, b)의 경우 FEM 연구에는 1~7mm의 BL이 포함되었으므로 최적의 TL은 26.9~28.7mm(범위 1.8mm) 및 27.9~29.2mm(범위)였습니다. 1.3mm)입니다.비대칭 경사(그림 9a)의 경우 최적의 TL은 선형적으로 증가하여 BL 4mm에서 안정기에 도달한 후 BL 5에서 7mm로 급격히 감소했습니다.축대칭 베벨(그림 9b)의 경우 최적의 TL은 BL이 증가함에 따라 선형적으로 증가했으며 최종적으로 BL에서 6mm에서 7mm로 안정화되었습니다.축대칭 기울기에 대한 확장된 연구(그림 9c)는 \(\about) 35.1–37.1 mm에서 다양한 최적 TL 세트를 보여주었습니다.모든 BL의 경우 가장 좋은 두 TL 사이의 거리는 \(\about\) 8mm(\(\lambda_y/2\)와 동일)입니다.
29.75kHz에서의 랜싯 전송 이동성.바늘은 29.75kHz의 주파수에서 유연하게 여기되었으며 진동은 바늘 끝에서 측정되었으며 TL 26.5-29.5mm(0.1mm 증분)에 대해 전달된 기계적 이동성(최대값에 대한 dB)의 양으로 표현되었습니다. .
29.75kHz의 주파수에서 FEM에 대한 파라메트릭 연구는 축대칭 팁의 전달 이동성이 비대칭 팁보다 튜브 길이 변화에 의해 덜 영향을 받는다는 것을 보여줍니다.FEM을 사용한 주파수 영역 연구에서 비대칭(a) 및 축대칭(b, c) 베벨 형상에 대한 베벨 길이(BL) 및 파이프 길이(TL) 연구(경계 조건은 그림 2에 표시됨).(a, b) TL 범위는 26.5~29.5mm(0.1mm 단계) 및 BL 1~7mm(0.5mm 단계)입니다.(c) \(\lambda_y/2\ )가 팁의 요구 사항을 충족해야 함을 보여주는 TL 25–40mm(0.05mm 증분) 및 BL 0.1–7mm(0.1mm 증분)를 포함한 확장된 축 대칭 기울기 연구.이동 경계 조건.
바늘 구성에는 표 1에 표시된 것처럼 낮은, 중간 및 높은 모드 영역으로 구분된 세 가지 고유 주파수 \(f_{1-3}\)가 있습니다. PTE 크기는 그림에 표시된 대로 기록되었습니다.10을 거쳐 그림 11에서 분석되었다. 각 모달 영역에 대한 결과는 다음과 같다.
20mm 깊이의 공기, 물 및 젤라틴에서 랜싯(L) 및 축대칭 베벨 AX1-3에 대한 스윕 주파수 정현파 여기로 얻은 일반적인 기록 순간 전력 전달 효율(PTE) 진폭입니다.단면 스펙트럼이 표시됩니다.측정된 주파수 응답(300kHz로 샘플링)은 저역 통과 필터링된 다음 모달 분석을 위해 200배로 축소되었습니다.신호 대 잡음비는 \(\le\) 45dB입니다.PTE 단계(보라색 점선)는 각도(\(^{\circ}\))로 표시됩니다.
그림 10에 표시된 모달 응답 분석(평균 ± 표준 편차, n = 5)은 공기, 물 및 10% 젤라틴(깊이 20mm)에서 경사 L 및 AX1-3에 대해 (상단) 3개의 모달 영역( 낮음, 중간, 높음) 및 해당 모달 주파수\(f_{1-3 }\)(kHz), (평균) 에너지 효율\(\text {PTE}_{1{-}3}\) 등가물을 사용하여 계산됨 .(4) 및 (하단) 최대 절반 측정 전폭 \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).낮은 PTE가 등록되면 대역폭 측정을 건너뛰었습니다. 즉, AX2 기울기의 경우 \(\text {FWHM}_{1}\)입니다.\(f_2\) 모드는 최대 99%의 최고 수준의 동력 전달 효율(\(\text {PTE}_{2}\))을 보여 경사 처짐 비교에 가장 적합한 것으로 나타났습니다.
첫 번째 모달 영역: \(f_1\)은 삽입된 매체 유형에 크게 의존하지 않지만 경사의 기하학적 구조에 따라 다릅니다.\(f_1\)은 베벨 길이가 감소함에 따라 감소합니다(AX1-3의 경우 공기 중 각각 27.1, 26.2 및 25.9kHz).지역 평균 \(\text {PTE}_{1}\) 및 \(\text {FWHM}_{1}\)은 각각 \(\about\) 81% 및 230Hz입니다.\(\text {FWHM}_{1}\)은 Lancet(L, 473Hz)에서 젤라틴 함량이 가장 높습니다.\(\text {FWHM}_{1}\) 젤라틴의 AX2는 기록된 FRF 진폭이 낮아 평가할 수 없습니다.
두 번째 모달 영역: \(f_2\)는 삽입된 미디어 유형과 경사에 따라 달라집니다.\(f_2\)의 평균값은 공기, 물 및 젤라틴에서 각각 29.1, 27.9 및 28.5kHz입니다.이 모달 지역은 또한 99%의 높은 PTE를 보여 측정된 모든 그룹 중 가장 높았으며 지역 평균은 84%였습니다.\(\text {FWHM}_{2}\)의 지역 평균은 \(\대략\) 910Hz입니다.
세 번째 모드 영역: 주파수 \(f_3\)는 미디어 유형과 경사에 따라 다릅니다.평균 \(f_3\) 값은 공기, 물 및 젤라틴에서 각각 32.0, 31.0 및 31.3kHz입니다.\(\text {PTE}_{3}\) 지역 평균은 \(\대략\) 74%로 모든 지역 중 가장 낮았습니다.지역 평균 \(\text {FWHM}_{3}\)은 \(\대략\) 1085Hz로 첫 번째 및 두 번째 지역보다 높습니다.
       다음은 그림을 참조한다.12 및 표 2. 란셋(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대한 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR(최대 220μm/ W 공기 중). 12 및 표 2. 란셋(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대한 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR(최대 220μm/ W 공기 중). Следушее относится к рисунку 12 및 표 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостьу для всех наконечник ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . 다음은 그림 12와 표 2에 적용됩니다. Lancet(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대해 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR을 달성했습니다.(공기 중에서 220μm/W 수행)SMT.아래 그림 12 및 표 2.柳叶刀(L) 는 공기압과 수중 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 （공기중고압 220 µm/W)입니다.柳叶刀(L)은 공기와 물에서 가장 높은 편향을 가지며(对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017)(图12a), 가장 높은 DPR(최대 220 µm/W in)을 달성했습니다. 공기). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), игая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet(L)은 공기와 물에서 가장 많이 편향되어(모든 팁에 대해 높은 중요성, \(p<\) 0.017)(그림 12a), 가장 높은 DPR(공기에서 최대 220μm/W)에 도달했습니다. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성, \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성, \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостьу \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким откло) нялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성 \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다.에공공기중,具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高(具有显着性，\(p<\) 0.017)，而AX3（具有最低BL) 的偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W 。 공중에서는 BL이 높은 AX1의 처짐이 AX2-3의 처짐보다 높고(유의하게 \(p<\) 0.017) AX3(BL이 가장 낮은)의 처짐은 AX2의 처짐보다 크며 DPR은 190입니다. µm/W . В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) тся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. 공기 중에서 BL이 높은 AX1은 AX2-3(유의적, \(p<\) 0.017)보다 더 많이 편향되는 반면, AX3(가장 낮은 BL)은 DPR 190 µm/W인 AX2보다 더 많이 편향됩니다.20mm 수심에서 처짐과 PTE AX1–3은 크게 다르지 않았습니다(\(p>\) 0.017).물에서의 PTE 수준(90.2~98.4%)은 일반적으로 공기(56~77.5%)보다 높았으며(그림 12c), 물에서의 실험 중에 캐비테이션 현상이 나타났습니다(그림 13, 추가 참조). 정보).
공기와 물(깊이 20mm)에서 베벨 L 및 AX1-3에 대해 측정된 팁 편향량(평균 ± SD, n = 5)은 베벨 형상 변경의 효과를 보여줍니다.연속적인 단일 주파수 정현파 여기를 사용하여 측정값을 얻었습니다.(a) 팁의 피크 대 피크 편차(\(u_y\vec {j}\))는 (b) 해당 모달 주파수 \(f_2\)에서 측정됩니다.(c) 방정식의 전력 전달 효율(PTE, RMS, %).(4) 및 (d) 편향 역률(DPR, µm/W)은 피크 간 편차 및 전송된 전력 \(P_T\)(Wrms)로 계산됩니다.
반주기에 걸쳐 물(20mm 깊이)에서 란셋(L)과 축대칭 팁(AX1-3)의 피크 대 피크 편차(녹색 및 빨간색 점선)를 보여주는 일반적인 고속 카메라 그림자 플롯입니다.여기 주파수 \(f_2\)(샘플링 주파수 310kHz)에서 사이클.캡처된 회색조 이미지의 크기는 128×128 픽셀이고 픽셀 크기는 \(\about\) 5 µm입니다.추가 정보에서 비디오를 찾을 수 있습니다.
따라서 우리는 굽힘 파장의 변화를 모델링하고(그림 7) 기하학적 모양의 기존 란셋, 비대칭 및 축대칭 모따기에 대한 파이프 길이와 모따기(그림 8, 9)의 조합에 대해 전달 가능한 기계적 이동성을 계산했습니다.후자를 기반으로 그림 5와 같이 팁에서 용접부까지의 최적 거리를 43mm(또는 29.75kHz에서 \(\대략) 2.75\(\lambda _y\))로 추정하고 3개의 축대칭을 만들었습니다. 베벨 길이가 다른 베벨.그런 다음 기존 랜싯(그림 10, 11)과 비교하여 공기, 물 및 10%(w/v) 탄도 젤라틴에서의 주파수 동작을 특성화하고 베벨 편향 비교에 가장 적합한 모드를 결정했습니다.마지막으로, 20mm 깊이의 공기와 수중에서 굴곡파를 통해 팁 편향을 측정하고 각 경사에 대한 삽입 매체의 전력 전달 효율(PTE, %) 및 편향 역률(DPR, μm/W)을 정량화했습니다.각도형(그림 12).
바늘 베벨 형상은 바늘 끝 편향량에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.란셋은 평균 편향이 더 낮은 축대칭 베벨에 비해 가장 높은 편향과 가장 높은 DPR을 달성했습니다(그림 12).가장 긴 베벨을 갖는 4mm 축대칭 베벨(AX1)은 다른 축대칭 니들(AX2-3)에 비해 통계적으로 유의미한 공기 중 최대 처짐을 달성했지만(\(p < 0.017\), 표 2) 유의미한 차이는 없었습니다. .바늘을 물에 넣었을 때 관찰됩니다.따라서 팁의 최대 편향 측면에서 더 긴 베벨 길이를 갖는 것에는 뚜렷한 이점이 없습니다.이를 염두에 두고, 본 연구에서 연구된 베벨의 형상은 베벨의 길이보다 처짐량에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.이는 예를 들어 구부러지는 재료의 전체 두께와 바늘의 디자인에 따라 굽힘 강성으로 인해 발생할 수 있습니다.
실험적 연구에서 반사된 굴곡파의 크기는 팁의 경계 조건에 의해 영향을 받습니다.바늘 끝을 물과 젤라틴에 넣었을 때 \(\text {PTE}_{2}\)는 \(\대략\) 95%이고 \(\text {PTE}_{ 2}\)는 \(\text {PTE}_{ 2}\)입니다. (\text {PTE}_{ 2}\) 값은 (\text {PTE}_{1}\) 및 \(\text {PTE}_{3}\)에 대해 73% 및 77%입니다. 각각 (그림 11).이는 주조 매체, 즉 물이나 젤라틴으로의 음향 에너지의 최대 전달이 \(f_2\)에서 발생함을 나타냅니다.유사한 동작이 41-43 kHz 주파수 범위에서 더 간단한 장치 구성을 사용하여 이전 연구에서 관찰되었으며, 여기서 저자는 임베딩 매체의 기계적 계수에 대한 전압 반사 계수의 의존성을 보여주었습니다.침투 깊이32와 조직의 기계적 특성은 바늘에 기계적 부하를 제공하므로 UZEFNAB의 공진 동작에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.따라서 공명 추적 알고리즘(예: 17, 18, 33)을 사용하여 바늘을 통해 전달되는 음향 전력을 최적화할 수 있습니다.
굽힘 파장에서의 시뮬레이션(그림 7)은 축대칭 팁이 란셋 및 비대칭 베벨보다 구조적으로 더 단단하다는 것을 보여줍니다(즉, 굽힘이 더 단단함).(1)을 기반으로 하고 알려진 속도-주파수 관계를 사용하여 바늘 끝의 굽힘 강성을 란셋, 비대칭 및 축 경사면에 대해 각각 \(\about\) 200, 20 및 1500MPa로 추정합니다.이는 29.75kHz에서 각각 \(\대략\) 5.3, 1.7 및 14.2mm의 \(\lambda_y\)에 해당합니다(그림 7a-c).USeFNAB 동안 임상적 안전성을 고려하여 경사면의 구조적 강성에 대한 기하학의 영향을 평가해야 합니다34.
튜브 길이와 관련된 베벨 매개변수에 대한 연구(그림 9)에서는 최적의 전달 범위가 축대칭 베벨(1.3mm)보다 비대칭 베벨(1.8mm)에서 더 높다는 것을 보여주었습니다.또한 이동성은 비대칭 및 축 대칭 기울기에 대해 각각 4 ~ 4.5mm 및 6 ~ 7mm에서 안정적입니다(그림 9a, b).이 발견의 실질적인 중요성은 제조 공차로 표현됩니다. 예를 들어 최적의 TL 범위가 낮을수록 길이 정확도가 더 높아야 함을 의미할 수 있습니다.동시에 이동도 안정기는 이동도에 큰 영향을 주지 않고 주어진 주파수에서 딥 길이를 선택할 수 있는 더 큰 허용 오차를 제공합니다.
본 연구에는 다음과 같은 제한점이 포함됩니다.가장자리 감지 및 고속 이미징(그림 12)을 사용하여 바늘 편향을 직접 측정한다는 것은 공기 및 물과 같은 광학적으로 투명한 매체로 제한된다는 것을 의미합니다.우리는 또한 시뮬레이션된 전달 이동성을 테스트하기 위해 실험을 사용하지 않았고 그 반대의 경우도 마찬가지였지만 FEM 연구를 사용하여 바늘 제작을 위한 최적의 길이를 결정했다는 점을 지적하고 싶습니다.실제적인 한계와 관련하여 팁에서 슬리브까지의 란셋 길이는 다른 바늘(AX1-3)보다 약 0.4cm 더 깁니다(그림 참조).3b.이는 바늘 디자인의 모달 응답에 영향을 미칠 수 있습니다.또한 도파관 핀 끝에 있는 납땜의 모양과 부피(그림 3 참조)는 핀 설계의 기계적 임피던스에 영향을 미쳐 기계적 임피던스와 굽힘 동작에 오류를 일으킬 수 있습니다.
마지막으로 실험적 베벨 형상이 USeFNAB의 편향량에 영향을 미친다는 것을 입증했습니다.더 큰 편향이 피어싱 후 절단 효율성과 같이 조직에 대한 바늘의 영향에 긍정적인 영향을 미치는 경우 구조 팁의 적절한 강성을 유지하면서 최대 편향을 제공하므로 USeFNAB에서 기존 란셋을 권장할 수 있습니다..더욱이, 최근 연구35에서는 팁 편향이 크면 캐비테이션과 같은 생물학적 효과가 향상되어 최소 침습 수술 응용 분야의 개발이 촉진될 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.총 음향 출력이 증가하면 USeFNAB13에서 생검 수가 증가하는 것으로 나타났으며, 연구된 바늘 형상의 상세한 임상적 이점을 평가하려면 샘플 수량 및 품질에 대한 추가 정량 연구가 필요합니다.