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물리학과 생명과학의 학제간 교차를 기반으로 정밀 의학을 기반으로 한 진단 및 치료 전략은 최근 많은 의학 분야, 특히 종양학에서 새로운 공학적 방법의 실제 적용 가능성으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다.이 프레임워크 내에서 다양한 규모의 기계적 손상을 일으키기 위해 초음파를 사용하여 종양의 암세포를 공격하는 것이 전 세계 과학자들의 관심을 끌고 있습니다.탄성역학적 타이밍 솔루션과 수치 시뮬레이션을 기반으로 이러한 요소를 고려하여 국소 조사에 의한 적절한 주파수와 출력을 선택하기 위해 조직 내 초음파 전파의 컴퓨터 시뮬레이션에 대한 예비 연구를 제시합니다.병원용 바늘이라고 불리는 실험실용 On-Fiber 기술을 위한 새로운 진단 플랫폼으로 이미 특허를 받았습니다.분석 결과와 관련 생물물리학적 통찰은 물리학 분야를 기반으로 미래 정밀의료 적용에 중심 역할을 할 수 있는 새로운 통합 진단 및 치료 접근법의 길을 열 수 있다고 믿어집니다.생물학 간의 시너지 효과가 커지고 있습니다.
다수의 임상 적용이 최적화되면서 환자에 대한 부작용을 줄이고자 하는 필요성이 점차 대두되기 시작했습니다.이를 위해 정밀의료1, 2, 3, 4, 5는 본질적으로 두 가지 주요 접근법에 따라 환자에게 전달되는 약물의 복용량을 줄이는 전략적 목표가 되었습니다.첫 번째는 환자의 게놈 프로필에 따라 설계된 치료법을 기반으로 합니다.종양학의 표준이 되고 있는 두 번째는 소량의 약물 방출을 시도하여 전신 약물 전달 절차를 피하는 동시에 국소 치료법을 사용하여 정확도를 높이는 것을 목표로 합니다.궁극적인 목표는 화학 요법이나 방사성 핵종의 전신 투여와 같은 많은 치료 접근법의 부정적인 영향을 제거하거나 최소한 최소화하는 것입니다.암의 유형, 위치, 방사선량 및 기타 요인에 따라 방사선 치료라도 건강한 조직에 높은 위험을 초래할 수 있습니다.교모세포종 치료에서6,7,8,9 수술은 기저 암을 성공적으로 제거하지만, 전이가 없더라도 많은 작은 암 침윤이 존재할 수 있습니다.완전히 제거되지 않으면 상대적으로 짧은 시간 내에 새로운 암 덩어리가 자랄 수 있습니다.이러한 맥락에서 이러한 침윤물은 감지하기 어렵고 넓은 영역에 퍼지기 어렵기 때문에 앞서 언급한 정밀 의학 전략을 적용하기가 어렵습니다.이러한 장벽은 정밀의료로 재발을 예방하는 확실한 결과를 방해하므로 사용되는 약물의 독성이 매우 높을 수 있지만 경우에 따라 전신 전달 방법이 선호됩니다.이 문제를 극복하기 위한 이상적인 치료 접근법은 건강한 조직에 영향을 주지 않고 암세포를 선택적으로 공격할 수 있는 최소 침습 전략을 사용하는 것입니다.이러한 주장에 비추어 볼 때, 단세포 시스템과 중규모 이종 클러스터 모두에서 암세포와 건강한 세포에 다르게 영향을 미치는 것으로 밝혀진 초음파 진동의 사용이 가능한 해결책처럼 보입니다.
기계적 관점에서 볼 때, 건강한 세포와 ​​암세포는 실제로 서로 다른 자연 공명 주파수를 가지고 있습니다.이 특성은 암세포의 세포골격 구조의 기계적 특성의 발암성 변화와 관련이 있는 반면, 종양 세포는 평균적으로 정상 세포보다 더 변형 가능합니다.따라서 자극을 위한 최적의 초음파 주파수 선택을 통해 선택된 부위에 유발된 진동은 살아있는 암 조직에 손상을 주어 숙주의 건강한 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.아직 완전히 이해되지 않은 이러한 효과에는 초음파에 의해 유발된 고주파 진동으로 인한 특정 세포 구조 구성 요소의 파괴(원칙적으로 쇄석술과 매우 유사14) 및 기계적 피로와 유사한 현상으로 인한 세포 손상이 포함될 수 있으며, 이는 결국 세포 구조를 변경할 수 있습니다. .프로그래밍과 기계생물학.이 이론적 해결책은 매우 적합한 것처럼 보이지만 불행히도 무반향의 생물학적 구조로 인해 초음파의 직접적인 적용을 방해하는 경우(예: 뼈의 존재로 인해 두개내 적용) 및 일부 유방 종양 덩어리가 지방에 위치하는 경우에는 사용할 수 없습니다. 조직.약화는 잠재적인 치료 효과의 부위를 제한할 수 있습니다.이러한 문제를 극복하려면 초음파는 가능한 한 덜 침습적으로 조사된 부위에 도달할 수 있도록 특별히 설계된 변환기를 사용하여 국소적으로 적용되어야 합니다.이를 염두에 두고 우리는 “바늘 병원”15이라는 혁신적인 기술 플랫폼을 만들 가능성과 관련된 아이디어를 사용할 가능성을 고려했습니다."바늘 속의 병원(Hospital in the Needle)" 개념은 하나의 의료용 바늘에 다양한 기능을 결합한 진단 및 치료 용도의 최소 침습 의료 기기 개발을 포함합니다.병원 바늘 섹션에서 자세히 논의된 바와 같이, 이 소형 장치는 주로 16, 17, 18, 19, 20, 21 광섬유 프로브의 장점을 기반으로 하며, 이는 특성으로 인해 표준 20에 삽입하기에 적합합니다. 의료용 바늘, 22루멘.LOF(Lab-on-Fiber)23 기술이 제공하는 유연성을 활용하여 Fiber는 유체 생검 및 조직 생검 장치를 포함하여 소형화되고 즉시 사용 가능한 진단 및 치료 장치를 위한 고유한 플랫폼이 되고 있습니다.생체분자 검출24,25, 광 유도 국소 약물 전달26,27, 고정밀 국소 초음파 영상28, 열 치료29,30 및 분광학 기반 암 조직 식별31에 있습니다.이 개념 내에서 "병원 내 바늘" 장치를 기반으로 한 위치 파악 접근 방식을 사용하여 관심 영역 내에서 초음파를 자극하기 위해 바늘을 통한 초음파 전파를 사용하여 상주 생물학적 구조의 국소 자극을 최적화할 가능성을 조사합니다..따라서 저강도 치료용 초음파는 앞서 언급한 두개내 수술의 경우와 마찬가지로 세포와 연조직의 작은 고형물을 초음파 처리하기 위해 최소한의 침습성을 가지고 위험 부위에 직접 적용할 수 있으며 두개골에 작은 구멍을 삽입해야 합니다. 바늘.초음파가 특정 암의 발병을 중단하거나 지연시킬 수 있다는 최근의 이론적 및 실험적 결과에 영감을 받아 제안된 접근법은 적어도 원칙적으로 공격적인 효과와 치료 효과 사이의 주요 균형을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.이러한 고려 사항을 염두에 두고 본 논문에서는 암에 대한 최소 침습 초음파 치료를 위해 병원 내 바늘 장치를 사용할 가능성을 조사합니다.보다 정확하게는 성장 의존형 초음파 주파수 추정을 위한 구형 종양 질량의 산란 분석 섹션에서 잘 확립된 탄성 역학 방법과 음향 산란 이론을 사용하여 탄성 매체에서 성장한 구형 고형 종양의 크기를 예측합니다.물질의 성장 유발 리모델링으로 인해 종양과 숙주 조직 사이에 발생하는 강성입니다."바늘 위의 병원" 섹션이라고 부르는 우리 시스템을 설명한 후 "바늘 위의 병원" 섹션에서는 예측된 주파수에서 의료용 바늘을 통한 초음파 전파를 분석하고 그 수치 모델을 환경에 조사하여 연구합니다. 주요 기하학적 매개변수(바늘의 실제 내부 직경, 길이 및 선명도)는 기기의 음향 출력 전달에 영향을 미칩니다.정밀 의학을 위한 새로운 엔지니어링 전략을 개발할 필요성을 고려할 때, 제안된 연구는 초음파와 다른 솔루션을 통합하는 통합 치료 진단 플랫폼을 통해 전달되는 초음파 사용을 기반으로 암 치료를 위한 새로운 도구를 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 믿어집니다.단일 바늘 내에서 표적 약물 전달 및 실시간 진단과 같은 결합.
초음파(초음파) 자극을 사용하여 국소 고형 종양 치료를 위한 기계적 전략을 제공하는 효과는 단일 세포 시스템에 대한 저강도 초음파 진동의 효과를 이론적 및 실험적으로 다루는 여러 논문의 목표였습니다 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 점탄성 모델을 사용하여 몇몇 연구자들은 종양과 건강한 세포가 US 10,11,12 범위에서 뚜렷한 공명 피크를 특징으로 하는 서로 다른 주파수 반응을 나타낸다는 것을 분석적으로 입증했습니다.이 결과는 원칙적으로 종양 세포가 숙주 환경을 보존하는 기계적 자극에 의해 선택적으로 공격받을 수 있음을 시사합니다.이러한 행동은 대부분의 경우 종양 세포가 건강한 세포보다 더 유연하여 증식 및 이동 능력을 향상시킬 수 있다는 주요 증거의 직접적인 결과입니다.단일 세포 모델(예: 마이크로 규모)에서 얻은 결과를 바탕으로 암세포의 선택성은 이종 세포 집합체의 조화 반응에 대한 수치 연구를 통해 중규모에서도 입증되었습니다.암세포와 건강한 세포의 비율을 다르게 하여 수백 마이크로미터 크기의 다세포 집합체를 계층적으로 구축했습니다.이러한 집합체의 중간 수준에서는 단일 세포의 기계적 거동을 특징짓는 주요 구조 요소의 직접적인 구현으로 인해 관심 있는 일부 미세한 특징이 보존됩니다.특히, 각 셀은 텐세그리티 기반 아키텍처를 사용하여 다양한 사전 응력을 받은 세포골격 구조의 반응을 모방하여 전반적인 강성에 영향을 미칩니다.위 문헌의 이론적 예측과 시험관 내 실험은 저강도 치료 초음파(LITUS)에 대한 종양 덩어리의 민감도를 연구할 필요성과 종양 덩어리의 조사 빈도 평가가 중요함을 나타내는 고무적인 결과를 제공했습니다.현장 적용을 위해 LITUS를 배치합니다.
그러나 조직 수준에서는 개별 구성 요소에 대한 거시적 설명이 필연적으로 손실되며, 종양 조직의 특성은 거시적 효과를 고려하여 대량 성장 및 스트레스 유발 리모델링 과정을 추적하는 순차적 방법을 사용하여 추적할 수 있습니다. 성장.- 41.42 규모의 조직 탄력성 변화 유발.실제로, 단세포 및 집합체 시스템과 달리, 고형 종양 덩어리는 비정상적인 잔류 응력의 점진적인 축적으로 인해 연조직에서 성장하며, 이는 전반적인 종양 내 강성의 증가로 인해 자연적인 기계적 특성을 변화시키며, 종양 경화증은 종종 종양 경화증에서 결정 요인이 됩니다. 종양 탐지.
이러한 고려 사항을 염두에 두고 여기에서는 정상적인 조직 환경에서 성장하는 탄성 구형 내포물로 모델링된 종양 회전타원체의 초음파 역학적 반응을 분석합니다.보다 정확하게는 종양의 단계와 관련된 탄성 특성은 이전 연구에서 일부 저자가 얻은 이론적 및 실험적 결과를 기반으로 결정되었습니다.그중에서도, 이종 배지에서 생체 내에서 성장한 고형 종양 회전 타원체의 진화는 종양 덩어리의 발달 및 관련 종양 내 스트레스를 예측하기 위해 종간 역학과 결합하여 비선형 기계 모델41,43,44을 적용하여 연구되었습니다.위에서 언급한 바와 같이 성장(예: 비탄성 사전 신장) 및 잔류 응력은 종양 물질 특성의 점진적인 리모델링을 유발하여 음향 반응도 변화시킵니다.심판에서 주목하는 것이 중요합니다.종양의 성장과 고형 스트레스의 공진화는 동물 모델의 실험 캠페인에서 입증되었습니다.특히, 서로 다른 단계에서 절제된 유방 종양 덩어리의 강성과 동일한 치수의 구형 유한 요소 모델에서 유사한 조건을 in silico로 재현하고 예측 잔류 응력 장을 고려하여 얻은 강성을 비교하여 제안된 방법을 확인했습니다. 모델 타당성..이 연구에서는 이전에 얻은 이론적, 실험적 결과를 사용하여 새로 개발된 치료 전략을 개발합니다.특히, 상응하는 진화 저항 특성을 갖는 예측 크기가 여기에서 계산되었으며, 이는 숙주 환경에 내장된 종양 덩어리가 더 민감한 주파수 범위를 추정하는 데 사용되었습니다.이를 위해 우리는 초음파 자극에 반응하여 일반적으로 허용되는 산란 원리에 따라 음향 지표를 고려하고 회전 타원체의 가능한 공명 현상을 강조하면서 다양한 단계에서 종양 덩어리의 동적 거동을 조사했습니다. .종양 및 숙주에 따라 조직 간 강성의 성장 의존적 차이.
따라서 종양 덩어리는 부피가 큰 악성 구조가 현장에서 구형으로 어떻게 성장하는지 보여주는 실험 데이터를 기반으로 숙주의 주변 탄성 환경에서 반경 \(a\)의 탄성 구체로 모델링되었습니다.그림 1을 참조하면, 구면좌표 \(\{r,\theta,\varphi\}\)(여기서 \(\theta\)와 \(\varphi\)는 각각 이상각과 방위각을 나타냄)를 이용하면, 종양 도메인은 건강한 공간 \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\)에 포함된 영역을 차지합니다. 경계가 없는 영역 \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).많은 문헌45,46,47,48에서 보고된 잘 확립된 탄성 역학 기반을 기반으로 하는 수학적 모델에 대한 완전한 설명에 대한 보충 정보(SI)를 참조하여 여기서는 축대칭 진동 모드를 특징으로 하는 문제를 고려합니다.이 가정은 종양과 건강한 부위 내의 모든 변수가 방위각 좌표 \(\varphi\)와 무관하며 이 방향에서는 왜곡이 발생하지 않는다는 것을 의미합니다.결과적으로 변위 및 응력 필드는 두 개의 스칼라 전위 \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) 및 \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , 이들은 다음과 같습니다. 각각 종파와 전단파와 관련되어 서지 \(\theta \)와 입사파의 방향과 위치 벡터 사이의 각도 \({\mathbf {x))\) 사이의 일치 시간 t( 그림 1과 같이 \(\omega = 2\pi f\)는 각주파수를 나타냅니다.특히, 입사장은 몸체의 부피로 전파되는 평면파 \(\phi_{H}^{(in)}\)(SI 시스템, 방정식 (A.9)에서도 도입됨)에 의해 모델링됩니다. 법 표현에 따르면
여기서 \(\phi_{0}\)는 진폭 매개변수입니다.구형파 함수를 사용한 입사 평면파(1)의 구형 확장은 표준 인수입니다.
여기서 \(j_{n}\)는 제1차 차수 \(n\)의 구면 베셀 함수이고 \(P_{n}\)은 르장드르 다항식입니다.투자구의 입사파의 일부는 주변 매질에 산란되어 입사장과 겹치고, 다른 부분은 구 내부에 산란되어 진동에 기여합니다.이를 위해 파동 방정식 \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\의 조화 해 ) 및 \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), 예를 들어 Eringen45에서 제공(SI 참조) )는 종양과 건강한 부위를 나타낼 수 있습니다.특히, 호스트 매질 \(H\)에서 생성된 산란된 팽창파와 등방파는 각각의 잠재적 에너지를 허용합니다.
그 중 제1종 구면 한켈 함수 \(h_{n}^{(1)}\)는 나가는 산란파를 고려하는 데 사용되며 \(\alpha_{n}\) 및 \(\beta_{ n}\ )는 미지수 계수입니다.방정식에서.식 (2)~(4)에서 \(k_{H1}\)과 \(k_{H2}\) 항은 각각 몸체의 주요 영역에서 희박파와 횡파의 파수를 나타냅니다( SI 참조).종양 내부의 압축 장과 교대 형태는 다음과 같습니다.
여기서 \(k_{T1}\) 및 \(k_{T2}\)는 종양 영역의 종파수와 횡파수를 나타내고, 알려지지 않은 계수는 \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\)입니다. \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).이러한 결과를 바탕으로 0이 아닌 방사형 및 원주 변위 구성 요소는 \(u_{Hr}\) 및 \(u_{H\theta}\)(\(u_{)와 같이 고려 중인 문제에서 건강한 영역의 특징입니다. H\ varphi }\ ) 대칭 가정은 더 이상 필요하지 않습니다.) — \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) 관계에서 얻을 수 있습니다. } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) 및 \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) 및 \를 형성하여 \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (자세한 수학적 유도는 SI 참조).마찬가지로 \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) 및 \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\)를 바꾸면 {Tr} = \partial_{r}이 반환됩니다. \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) 및 \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(왼쪽) 입사 필드가 전파되는 건강한 환경에서 성장한 구형 종양의 형상, (오른쪽) 종양 반경의 함수로서 종양-숙주 강성 비율의 상응하는 진화, 보고된 데이터(Carotenuto et al. 41에서 채택) MDA-MB-231 세포를 접종한 고형 유방 종양으로부터 시험관 압축 시험을 통해 얻은 결과입니다.
선형 탄성 및 등방성 재료를 가정하면 건강한 영역과 종양 영역의 0이 아닌 응력 구성요소, 즉 \(\sigma_{Hpq}\) 및 \(\sigma_{Tpq}\)는 일반화된 Hooke의 법칙을 따릅니다. \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) 및 \(\{ \mu_{T},\, \lambda_로 표시되는 숙주 및 종양 탄력성을 특성화하는 Lamé 계수가 다릅니다. {T}\ }\) (SI로 표현된 응력 성분의 전체 표현은 식 (A.11) 참조).특히, 참고문헌 41의 데이터와 도 1에 제시된 데이터에 따르면, 종양이 성장함에 따라 조직 탄력 상수의 변화가 나타났습니다.따라서 숙주와 종양 부위의 변위와 응력은 일련의 알려지지 않은 상수 \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu까지 완전히 결정됩니다. } \ beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ )는 이론적으로 무한한 차원을 갖습니다.이러한 계수 벡터를 찾기 위해 종양과 건강한 영역 사이에 적합한 인터페이스와 경계 조건이 도입됩니다.종양-숙주 인터페이스 \(r = a\)에서 완벽한 결합을 가정하면 변위 및 응력의 연속성은 다음 조건을 필요로 합니다.
시스템 (7)은 무한 해를 갖는 방정식 시스템을 형성합니다.또한 각 경계 조건은 이상 \(\theta\)에 따라 달라집니다.경계값 문제를 \(N\)개의 닫힌 시스템 세트를 사용하는 완전한 대수 문제로 축소하려면 각 시스템은 미지의 \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_에 있습니다. {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (\ ( N \ 포함) 이론적으로는 \infty\)로 계산하고 삼각법 항에 대한 방정식의 의존성을 제거하기 위해 인터페이스 조건은 르장드르 다항식의 직교성을 사용하여 약한 형식으로 작성됩니다.특히, 방정식 (7)1,2 및 (7)3,4에 \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) 및 \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) 그런 다음 수학적 항등식을 사용하여 \(0\)과 \(\pi\)를 통합합니다.
따라서 인터페이스 조건 (7)은 행렬 형태로 \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }}로 표현될 수 있는 2차 대수 방정식 시스템을 반환합니다. } _{n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) 그리고 Cramer의 법칙을 풀어 미지수 \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ )를 얻습니다.
구에 의해 산란된 에너지 플럭스를 추정하고 호스트 매체에서 전파되는 산란된 필드에 대한 데이터를 기반으로 음향 응답에 대한 정보를 얻으려면 정규화된 바이스태틱 산란 단면인 음향량이 중요합니다.특히, 산란 단면적(\(s))은 산란된 신호에 의해 전달된 음향 전력과 입사파에 의해 전달된 에너지 분할 사이의 비율을 나타냅니다.이와 관련하여 형상 함수 \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\)의 크기는 음향 메커니즘 연구에서 자주 사용되는 양입니다. 액체나 고체에 묻혀 있는 퇴적물에 물체가 흩어지는 현상.보다 정확하게는 형상 함수의 진폭은 단위 면적당 차등 산란 단면적 \(ds\)으로 정의되며 입사파 전파 방향에 대한 법선만큼 다릅니다.
여기서 \(f_{n}^{pp}\) 및 \(f_{n}^{ps}\)는 모달 함수를 나타내며, 이는 종파와 산란파의 힘의 비율을 나타냅니다. 수신 매체의 입사 P파는 각각 다음과 같은 식으로 표현됩니다.
부분 파동 함수(10)는 공진 산란 이론(RST)49,50,51,52에 따라 독립적으로 연구할 수 있으며, 이를 통해 다양한 모드를 연구할 때 전체 표유장에서 목표 탄성을 분리할 수 있습니다.이 방법에 따르면 모달 형식 함수는 두 개의 동일한 부분의 합으로 분해될 수 있습니다. 즉, \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ )는 각각 공진 및 비공진 배경 진폭과 관련이 있습니다.공진 모드의 형상 함수는 표적의 반응과 관련이 있는 반면, 배경은 일반적으로 산란체의 형상과 관련이 있습니다.각 모드에 대한 목표의 첫 번째 포먼트를 검출하기 위해 모달 공명 형상 함수의 진폭 \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) 탄성 호스트 재료에 뚫을 수 없는 구체로 구성된 단단한 배경을 가정하여 계산됩니다.이 가설은 일반적으로 잔류 압축 응력으로 인해 종양 덩어리가 성장함에 따라 강성과 밀도가 모두 증가한다는 사실에 근거합니다.따라서 심각한 수준의 성장에서 임피던스 비율 \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\)은 연조직에서 발생하는 대부분의 거시적 고형 종양에 대해 1보다 클 것으로 예상됩니다. 조직.예를 들어, Krouskop et al.53은 전립선 조직의 경우 암 모듈러스 대 정상 모듈러스의 비율이 약 4라고 보고한 반면, 이 값은 유방 조직 샘플의 경우 20으로 증가했습니다.이러한 관계는 탄성촬영 분석54,55,56에서도 입증된 바와 같이 조직의 음향 임피던스를 필연적으로 변경하며 종양 과다증식으로 인한 국부적인 조직 비후와 관련될 수 있습니다.이러한 차이는 다양한 단계에서 성장한 유방 종양 블록의 간단한 압축 테스트를 통해 실험적으로 관찰되었으며 재료의 리모델링은 비선형 성장 종양의 예측 종간 모델을 통해 잘 따라갈 수 있습니다43,44.얻은 강성 데이터는 \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ 공식에 따라 고형 종양의 영률의 진화와 직접적으로 관련됩니다. varepsilon\)( 그림 1에 표시된 대로 두 개의 견고한 플레이트(57) 사이에 반경 \(a\), 강성 \(S\) 및 푸아송 비 \(\nu\)가 있는 구입니다.따라서, 다양한 성장 수준에서 종양과 숙주의 음향 임피던스 측정을 얻는 것이 가능합니다.특히 그림 1의 정상 조직 계수가 2 kPa인 것과 비교하면 약 500~1250 mm3 부피 범위의 유방 종양의 탄성 계수는 ​​약 10 kPa에서 16 kPa로 증가한 결과를 나타냅니다. 보고된 데이터와 일치합니다.참고문헌 58, 59에서 유방 조직 샘플의 압력은 사전 압축이 사라지면서 0.25-4kPa인 것으로 나타났습니다.또한 거의 비압축성인 조직의 포아송 비는 41.60이라고 가정합니다. 이는 부피가 증가해도 조직의 밀도가 크게 변하지 않는다는 것을 의미합니다.특히, 평균 질량 인구 밀도 \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61가 사용됩니다.이러한 고려 사항을 통해 강성은 다음 표현식을 사용하여 배경 모드를 취할 수 있습니다.
알 수 없는 상수 \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\)는 연속성을 고려하여 계산될 수 있습니다. 편향 ( 7 )2,4, 즉 대수학 시스템 \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) 미성년자 포함\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) 및 해당 단순화된 열 벡터\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). 후방 산란 공진 모드 함수 \(\left| {f_{n}^{{)의 두 가지 진폭인 방정식 (11)의 기본 지식을 제공합니다. \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) 및 \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\)는 각각 P파 여기와 P파 및 S파 반사를 나타냅니다.또한, 첫 번째 진폭은 \(\theta = \pi\)로 추정되었고, 두 번째 진폭은 \(\theta = \pi/4\)로 추정되었습니다.다양한 구성 속성을 로드합니다.그림 2는 직경 약 15mm까지의 종양 회전 타원체의 공명 특징이 주로 50-400kHz의 주파수 대역에 집중되어 있음을 보여 주며, 이는 공명 종양 자극을 유도하기 위해 저주파 초음파를 사용할 가능성을 나타냅니다.세포.많은.이 주파수 대역에서 RST 분석은 그림 3에 강조 표시된 모드 1~6에 대한 단일 모드 포먼트를 나타냅니다. 여기서 pp 및 ps 산란파는 모두 매우 낮은 주파수에서 발생하는 첫 번째 유형의 포먼트를 보여줍니다. 모드 1의 경우 약 20kHz, n = 6의 경우 약 60kHz로 구 반경에 큰 차이가 없음을 보여줍니다.그런 다음 공진 함수 ps가 감소하는 반면, 큰 진폭 pp 포먼트의 조합은 약 60kHz의 주기성을 제공하여 모드 번호가 증가함에 따라 더 높은 주파수 이동을 보여줍니다.모든 분석은 Mathematica®62 컴퓨팅 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다.
다양한 크기의 유방 종양 모듈에서 얻은 후방 산란 형태 함수가 그림 1에 표시되어 있으며, 모드 중첩을 고려하여 가장 높은 산란 밴드가 강조 표시되어 있습니다.
다양한 종양 크기에서 P파의 여기 및 반사를 통해 계산된 \(n = 1\)부터 \(n = 6\)까지 선택된 모드의 공명(검은색 곡선은 \(\left | {f_{n} ^ {{\ 왼쪽( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| {f_{n}^{pp} \left( \pi \ 오른쪽) f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) 및 P파 여기 및 S파 반사(모달 형상 함수 \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
원거리장 전파 조건을 사용한 이 예비 분석 결과는 미세진동 응력이 질량에 미치는 영향을 연구하기 위해 다음 수치 시뮬레이션에서 구동별 구동 주파수를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.결과는 최적의 빈도의 보정이 종양 성장 동안 단계별로 이루어질 수 있고 조직 재형성을 정확하게 예측하기 위해 질병 치료에 사용되는 생체역학적 전략을 확립하기 위해 성장 모델의 결과를 사용하여 결정될 수 있음을 보여줍니다.
나노기술의 상당한 발전으로 인해 과학계는 생체 내 적용을 위한 소형화 및 최소 침습 의료 기기를 개발하기 위한 새로운 솔루션과 방법을 찾게 되었습니다.이러한 맥락에서 LOF 기술은 광섬유의 기능을 확장하여 생명 과학 응용 분야를 위한 새로운 최소 침습 광섬유 장치의 개발을 가능하게 하는 놀라운 능력을 보여주었습니다21, 63, 64, 65. 2D 및 3D 재료를 통합하려는 아이디어 광섬유의 측면(25) 및/또는 말단(64)에 원하는 화학적, 생물학적 및 광학적 특성을 갖고 나노크기에서 완전한 공간 제어를 수행하면 새로운 종류의 광섬유 나노옵토드가 출현하게 됩니다.광범위한 진단 및 치료 기능을 가지고 있습니다.흥미롭게도 광섬유는 기하학적 및 기계적 특성(작은 단면적, 큰 종횡비, 유연성, 낮은 무게)과 재료(일반적으로 유리 또는 폴리머)의 생체 적합성으로 인해 바늘과 카테터에 삽입하는 데 매우 적합합니다.의료 응용20, “바늘병원”이라는 새로운 비전을 위한 길을 열다(그림 4 참조).
실제로 LOF 기술이 제공하는 자유도 덕분에 다양한 금속 및/또는 유전체 재료로 만든 마이크로 구조와 나노 구조의 통합을 활용함으로써 광섬유는 종종 공진 모드 여기를 지원하는 특정 응용 분야에 맞게 적절하게 기능화될 수 있습니다., 광 필드(21)가 강하게 위치한다.종종 화학적 및/또는 생물학적 처리63와 스마트 폴리머65,66와 같은 민감한 재료의 통합과 결합하여 파장 이하 규모의 빛을 억제하면 빛과 물질의 상호 작용에 대한 제어를 향상시킬 수 있으며 이는 치료 목적에 유용할 수 있습니다.통합 구성요소/재료의 유형 및 크기 선택은 감지할 물리적, 생물학적 또는 화학적 매개변수에 따라 분명히 달라집니다21,63.
신체의 특정 부위를 겨냥한 의료용 바늘에 LOF 프로브를 통합하면 생체 내에서 국소 체액 및 조직 생검이 가능해 동시 국소 치료가 가능하고 부작용이 줄어들며 효율성이 높아집니다.잠재적인 기회에는 암을 포함한 다양한 순환 생체분자의 검출이 포함됩니다.바이오마커 또는 마이크로RNA(miRNA)67, 라만 분광법(SERS)31과 같은 선형 및 비선형 분광법을 사용한 암 조직 식별, 고해상도 광음향 영상22,28,68, 레이저 수술 및 절제69, 빛을 사용한 국소 전달 약물27 및 바늘을 인체에 자동으로 유도20.광섬유를 사용하면 전기 연결 필요성 및 전자기 간섭 존재와 같은 전자 부품을 기반으로 하는 "전통적인" 방법의 일반적인 단점을 피할 수 있지만 이를 통해 다양한 LOF 센서를 효과적으로 통합할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 체계.단일 의료용 바늘.서로 다른 기능 간에 누화 효과를 일으키는 오염, 광 간섭, 물리적 장애물과 같은 유해한 영향을 줄이는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다.그러나 언급된 많은 기능이 동시에 활성화될 필요는 없는 것도 사실입니다.이러한 측면을 통해 최소한 간섭을 줄일 수 있으므로 각 프로브의 성능과 절차의 정확성에 대한 부정적인 영향을 제한할 수 있습니다.이러한 고려 사항을 통해 우리는 "병원의 바늘"이라는 개념을 생명 과학 분야의 차세대 치료용 바늘을 위한 견고한 기반을 마련하기 위한 단순한 비전으로 볼 수 있습니다.
이 문서에서 논의된 특정 응용 분야와 관련하여 다음 섹션에서는 축을 따라 전파되는 초음파를 사용하여 인체 조직에 초음파를 전달하는 의료용 바늘의 능력을 수치적으로 조사할 것입니다.
물로 채워지고 연조직에 삽입된 의료용 바늘을 통한 초음파 전파(그림 5a의 다이어그램 참조)는 바늘과 조직이 모델링되는 유한 요소법(FEM)70을 기반으로 하는 상업용 Comsol Multiphysics 소프트웨어를 사용하여 모델링되었습니다. 선형 탄성 환경으로.
그림 5b를 참조하면, 바늘은 의료용 바늘의 표준 재료인 스테인리스 스틸로 만들어진 속이 빈 원통형("캐뉼라"라고도 함)으로 모델링되었습니다71.특히 영률 E = 205 GPa, 포아송 비 ν = 0.28, 밀도 ρ = 7850 kg m -372.73으로 모델링되었습니다.기하학적으로 바늘의 특징은 길이 L, 내부 직경 D("틈새"라고도 함) 및 벽 두께 t입니다.또한, 바늘 끝은 길이 방향(z)에 대해 각도 α로 기울어져 있는 것으로 간주됩니다.물의 양은 기본적으로 바늘 내부 영역의 모양과 일치합니다.이 예비 분석에서 바늘은 모든 시뮬레이션 동안 85mm로 일정하게 유지되는 반경 r의 구로 모델링된 조직 영역(무한히 연장되는 것으로 가정)에 완전히 잠겨 있다고 가정했습니다.더 자세히 설명하면, "가상" 경계에서 반사되는 원치 않는 파동을 최소한 줄여주는 완벽하게 일치하는 레이어(PML)로 구형 영역을 마무리합니다.그런 다음 계산 솔루션에 영향을 주지 않고 바늘에서 충분히 멀리 구형 영역 경계를 배치하고 시뮬레이션의 계산 비용에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 작은 반경 rs를 선택했습니다.
주파수 f와 진폭 A의 고조파 세로 이동이 스타일러스 형상의 아래쪽 경계에 적용됩니다.이 상황은 시뮬레이션된 형상에 적용된 입력 자극을 나타냅니다.바늘의 나머지 경계(조직 및 물과 접촉)에서 허용되는 모델은 두 가지 물리적 현상 사이의 관계를 포함하는 것으로 간주됩니다. 그 중 하나는 구조 역학(바늘 영역에 대한)과 관련됩니다. 다른 하나는 구조 역학입니다.(침상 영역의 경우) 따라서 해당 조건이 음향(물 및 침상 영역의 경우)에 부과됩니다74.특히 니들 시트에 가해지는 작은 진동은 작은 전압 교란을 유발합니다.따라서 바늘이 탄성 매체처럼 거동한다고 가정하면 변위 벡터 U는 탄성 역학 평형 방정식(Navier)75에서 추정할 수 있습니다.바늘의 구조적 진동은 바늘 내부의 수압에 변화를 일으키고(우리 모델에서는 고정된 것으로 간주됨), 그 결과 음파가 바늘의 세로 방향으로 전파되어 본질적으로 헬름홀츠 방정식을 따릅니다.마지막으로, 조직의 비선형 효과가 무시할 수 있고 전단파의 진폭이 압력파의 진폭보다 훨씬 작다고 가정하면 헬름홀츠 방정식을 사용하여 연조직의 음파 전파를 모델링할 수도 있습니다.이 근사 이후 조직은 밀도가 1000kg/m3이고 음속이 1540m/s인 액체77로 간주됩니다(주파수 종속 감쇠 효과 무시).이 두 물리적 장을 연결하려면 고체와 액체의 경계에서 정상적인 움직임의 연속성, 고체 경계에 수직인 압력과 응력 사이의 정적 평형, 그리고 고체 경계에서의 접선 응력이 보장되어야 합니다. 액체는 0과 같아야 합니다.75 .
우리의 분석에서 우리는 조직 내부의 파동 방출에 대한 바늘의 기하학의 영향에 초점을 맞춰 고정 조건에서 바늘을 따라 음파의 전파를 조사합니다.특히, 우리는 연구된 모든 경우에 대해 두께 t를 500μm로 고정하면서 바늘의 내경 D, 길이 L 및 베벨 각도 α의 영향을 조사했습니다.이 t 값은 상업용 바늘의 일반적인 표준 벽 두께(71)에 가깝습니다.
일반성을 잃지 않고 바늘 밑면에 적용된 고조파 변위의 주파수 f는 100kHz로, 진폭 A는 1μm로 설정되었습니다.특히, 주파수는 100kHz로 설정되었으며, 이는 "성장 의존적 초음파 주파수를 추정하기 위한 구형 종양 덩어리의 산란 분석" 섹션에 제공된 분석 추정치와 일치합니다. 여기서 종양 덩어리의 공명 유사 동작이 발견되었습니다. 주파수 범위는 50~400kHz이며 가장 큰 산란 진폭은 약 100~200kHz의 낮은 주파수에 집중되어 있습니다(그림 2 참조).
연구된 첫 번째 매개변수는 바늘의 내부 직경 D였습니다.편의상 바늘 공동 내 음향 파장의 정수 분율로 정의됩니다(즉, 물에서 λW = 1.5 mm).실제로, 주어진 기하학적 구조(예: 도파관)로 특징지어지는 장치의 파동 전파 현상은 전파되는 파동의 파장과 비교하여 사용되는 기하학적 구조의 특징적인 크기에 따라 달라지는 경우가 많습니다.또한 첫 번째 분석에서는 바늘을 통한 음파 전파에 대한 직경 D의 영향을 더 잘 강조하기 위해 각도 α = 90°로 설정한 평평한 팁을 고려했습니다.이 분석 동안 바늘 길이 L은 70mm로 고정되었습니다.
그림에.그림 6a는 무차원 척도 매개변수 SD의 함수로서 평균 소리 강도를 보여줍니다. 즉, 해당 바늘 끝을 중심으로 하는 반경 10mm의 구에서 평가된 D = λW/SD입니다.스케일링 매개변수 SD는 2에서 6으로 변경됩니다. 즉, 7.5mm에서 2.5mm(f = 100kHz에서) 범위의 D 값을 고려합니다.이 범위에는 스테인리스 스틸 의료용 바늘에 대한 표준 값 71도 포함됩니다.예상한 대로 바늘의 내부 직경은 바늘에서 방출되는 소리의 강도에 영향을 미치며, 최대값(1030W/m2)은 D = λW/3(즉, D = 5mm)에 해당하고 감소하는 경향이 있습니다. 지름.직경 D는 의료 기기의 침습성에도 영향을 미치는 기하학적 매개변수이므로 최적의 값을 선택할 때 이 중요한 측면을 무시할 수 없다는 점을 고려해야 합니다.따라서 조직에서 음향 강도의 낮은 전달로 인해 D의 감소가 발생하지만 다음 연구에서는 직경 D = λW/5, 즉 D = 3 mm(f = 100 kHz에서 11G71 표준에 해당) 는 장치 침입성과 소리 강도 전송(평균 약 450W/m2) 사이의 합리적인 절충안으로 간주됩니다.
바늘의 내경(a), 길이(b) 및 경사각 α(c)에 따라 바늘 끝(평평한 것으로 간주)에서 방출되는 소리의 평균 강도입니다.(a, c)의 길이는 90mm이고, (b, c)의 직경은 3mm입니다.
분석할 다음 매개변수는 바늘 L의 길이입니다. 이전 사례 연구에 따라 경사각 α = 90°를 고려하고 길이는 물에서 파장의 배수로 조정됩니다. 즉, L = SL λW를 고려합니다. .무차원 척도 매개변수 SL은 3에서 7로 변경되어 4.5~10.5mm 길이 범위의 바늘 끝에서 방출되는 소리의 평균 강도를 추정합니다.이 범위에는 상업용 바늘의 일반적인 값이 포함됩니다.결과는 그림에 나와 있습니다.그림 6b는 바늘의 길이 L이 조직 내 소리 강도 전달에 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.특히, 이 매개변수의 최적화를 통해 전송을 약 10배 정도 향상시킬 수 있었습니다.실제로 분석된 길이 범위에서 평균 소리 강도는 SL = 4(즉, L = 60mm)에서 국지적으로 최대 3116W/m2를 나타내고, 다른 하나는 SL = 6(즉, L = 90)에 해당합니다. mm).
원통형 기하학에서 초음파 전파에 대한 바늘의 직경과 길이의 영향을 분석한 후, 우리는 경사각이 조직의 소리 강도 전달에 미치는 영향에 중점을 두었습니다.섬유 끝에서 나오는 소리의 평균 강도는 각도 α의 함수로 평가되었으며 그 값은 10°(날카로운 끝)에서 90°(평평한 끝)까지 변경되었습니다.이 경우 고려되는 바늘 끝 주위의 적분구 반경은 20mm이므로 모든 α 값에 대해 바늘 끝이 평균에서 계산된 부피에 포함됩니다.
그림과 같이.도 6c를 참조하면, 팁을 날카롭게 하면, 즉 90°부터 α가 감소하면 전달되는 소리의 세기가 증가하여 약 1.5 × 105 W/m2의 최대값에 도달하며 이는 α = 50°에 해당합니다. 즉, 2 평평한 상태에 비해 훨씬 더 높습니다.팁을 더 날카롭게 하면(즉, 50° 미만의 α에서) 소리 강도가 감소하는 경향이 있어 평평한 팁과 비슷한 값에 도달합니다.그러나 시뮬레이션을 위해 다양한 경사각을 고려했지만 바늘을 조직에 쉽게 삽입하려면 팁을 날카롭게 하는 것이 필요하다는 점을 고려해 볼 가치가 있습니다.사실, 더 작은 경사각(약 10°)은 조직을 관통하는 데 필요한 힘을 줄일 수 있습니다.
조직 내에서 전달되는 소리 강도의 값 외에도 베벨 각도는 그림 7a(플랫 팁의 경우) 및 3b(10°의 경우)에 표시된 음압 레벨 그래프에 표시된 것처럼 파동 전파 방향에도 영향을 미칩니다. ).경사진 팁), 평행 세로 방향은 대칭 평면에서 평가됩니다(yz, 그림 5 참조).이 두 가지 고려 사항 중 극단적인 경우 음압 수준(1μPa로 표시)은 주로 바늘 구멍(즉, 물) 내에 집중되어 조직으로 방사됩니다.보다 상세하게는 플랫팁(Fig. 7a)의 경우 음압레벨의 분포가 길이방향을 기준으로 완벽하게 대칭을 이루며, 몸체를 채우고 있는 물에서 정재파를 구별할 수 있다.파동은 세로 방향(z축)으로 향하고 진폭은 수중에서 최대값(약 240dB)에 도달하고 가로 방향으로 감소하여 바늘 중심에서 10mm 거리에서 약 20dB의 감쇠를 가져옵니다.예상한 대로, 뾰족한 팁(그림 7b)의 도입으로 이러한 대칭이 깨지고 정재파의 반대 노드가 바늘 끝을 따라 "편향"됩니다.명백히 이러한 비대칭성은 앞서 설명한 바와 같이 바늘 끝의 방사 강도에 영향을 미칩니다(그림 6c).이러한 측면을 더 잘 이해하기 위해 바늘의 대칭면에 위치하고 바늘 끝에서 10mm 떨어진 곳에 위치하는 바늘의 길이 방향과 직교하는 절단선을 따라 음향 강도를 평가했습니다( 그림 7c)의 결과입니다.보다 구체적으로, 10°, 20° 및 30° 경사각(각각 파란색, 빨간색 및 녹색 실선)에서 평가된 사운드 강도 분포를 평평한 끝 근처의 분포(검은색 점선 곡선)와 비교했습니다.끝이 평평한 바늘과 관련된 강도 분포는 바늘 중심을 기준으로 대칭인 것으로 보입니다.특히 중앙에서 약 1420W/m2의 값을 취하고 ~8mm 거리에서 약 300W/m2의 오버플로를 취한 다음 ~30mm에서 약 170W/m2의 값으로 감소합니다. .끝이 뾰족해짐에 따라 중앙 엽은 다양한 강도의 더 많은 엽으로 나누어집니다.보다 구체적으로, α가 30°인 경우, 바늘 끝으로부터 1mm 지점에서 측정한 윤곽에서 3개의 꽃잎이 명확하게 구별될 수 있었다.중앙의 것은 바늘의 거의 중앙에 있으며 추정값은 1850W/m2이고, 오른쪽의 높은 것은 중앙에서 약 19mm 떨어져 있으며 2625W/m2에 이릅니다.α = 20°에서는 2개의 주 돌출부가 있습니다. 즉, 1785W/m2에서 -12mm당 하나, 1524W/m2에서 14mm당 하나입니다.팁이 더 날카로워지고 각도가 10°에 도달하면 약 -20mm에서 최대 817W/m2에 도달하고 프로파일을 따라 약간 더 낮은 강도의 돌출부가 3개 더 보입니다.
평평한 끝(a)과 10° 베벨(b)이 있는 바늘의 대칭 y-z 평면에서의 음압 수준.(c) 바늘 끝에서 10mm 거리에 있고 대칭 평면 yz에 있는 바늘의 길이 방향에 수직인 절단선을 따라 추정된 음향 강도 분포.길이 L은 70mm이고 직경 D는 3mm입니다.
종합하면, 이러한 결과는 의료용 바늘이 100kHz의 초음파를 연조직에 전달하는 데 효과적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.방출되는 소리의 강도는 바늘의 기하학적 구조에 따라 달라지며 (최종 장치의 침입으로 인한 제한에 따라) 최대 1000W/m2(10mm에서) 범위의 값까지 최적화될 수 있습니다.바늘 바닥에 적용 1. 마이크로미터 오프셋의 경우 바늘이 무한히 연장되는 연조직에 완전히 삽입된 것으로 간주됩니다.특히 베벨 각도는 조직 내 음파 전파의 강도와 방향에 큰 영향을 미치며, 이는 주로 바늘 끝 절단의 직교성을 초래합니다.
비침습적 의료 기술의 사용을 기반으로 한 새로운 종양 치료 전략 개발을 지원하기 위해 종양 환경에서 저주파 초음파의 전파를 분석적 및 계산적으로 분석했습니다.특히 연구의 첫 번째 부분에서는 임시 탄성역학 솔루션을 통해 질량의 주파수 감도를 연구하기 위해 크기와 강성이 알려진 고형 종양 타원체의 초음파 산란을 연구할 수 있었습니다.그런 다음 수백 킬로헤르츠 정도의 주파수를 선택하고 의료용 니들 드라이브를 사용하여 종양 환경에 진동 응력을 국부적으로 적용하는 것을 음향 전달을 결정하는 주요 설계 매개변수의 영향을 연구하여 수치 시뮬레이션으로 모델링했습니다. 환경에 대한 기기의 힘.결과는 의료용 바늘이 조직에 초음파를 조사하는 데 효과적으로 사용될 수 있으며, 그 강도는 작동 음향 파장이라고 불리는 바늘의 기하학적 매개변수와 밀접한 관련이 있음을 보여줍니다.실제로 조직을 통한 조사 강도는 바늘의 내부 직경이 증가함에 따라 증가하며 직경이 파장의 3배일 때 최대에 도달합니다.바늘의 길이는 노출을 최적화할 수 있는 어느 정도의 자유도를 제공합니다.후자의 결과는 바늘 길이가 작동 파장의 특정 배수(구체적으로 4와 6)로 설정될 때 실제로 최대화됩니다.흥미롭게도 관심 주파수 범위에 대해 최적화된 직경과 길이 값은 표준 상업용 바늘에 일반적으로 사용되는 값과 가깝습니다.바늘의 날카로움을 결정하는 베벨 각도는 방사율에도 영향을 미치며, 약 50°에서 정점에 도달하고 약 10°에서 좋은 성능을 제공하며 이는 상용 바늘에 일반적으로 사용됩니다..시뮬레이션 결과는 병원의 바늘 내 진단 플랫폼의 구현 및 최적화를 안내하고 진단 및 치료용 초음파를 다른 기기 내 치료 솔루션과 통합하고 협력적인 정밀 의학 개입을 실현하는 데 사용됩니다.
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