Ómskoðun í æxlisgeislun í gegnum nálar fyrir nákvæmni lyf

Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Rennistikur sem sýna þrjár greinar á hverri glæru.Notaðu til baka og næsta hnappa til að fara í gegnum glærurnar, eða rennibrautarhnappana í lokin til að fara í gegnum hverja glæru.
Byggt á þverfaglegum mótum eðlisfræði og lífvísinda hafa greiningar- og meðferðaraðferðir sem byggjast á nákvæmni læknisfræði vakið töluverða athygli að undanförnu vegna hagnýtingar nýrra verkfræðiaðferða á mörgum sviðum læknisfræðinnar, sérstaklega í krabbameinslækningum.Innan þessa ramma vekur notkun ómskoðunar til að ráðast á krabbameinsfrumur í æxlum til að valda hugsanlegum vélrænum skaða á ýmsum mælikvarða vaxandi athygli vísindamanna um allan heim.Að teknu tilliti til þessara þátta, byggt á teygjanlegum tímasetningarlausnum og tölulegum eftirlíkingum, kynnum við bráðabirgðarannsókn á tölvuhermi á útbreiðslu ómhljóðs í vefjum til að velja viðeigandi tíðni og afl með staðbundinni geislun.Nýr greiningarvettvangur fyrir rannsóknarstofuna On-Fiber tækni, kölluð sjúkrahúsnálin og hefur þegar einkaleyfi.Talið er að niðurstöður greiningarinnar og tengdar lífeðlisfræðilegar innsýn gætu rutt brautina fyrir nýjar samþættar greiningar- og lækningaaðferðir sem gætu gegnt lykilhlutverki í beitingu nákvæmnislækninga í framtíðinni, með því að nýta sér svið eðlisfræðinnar.Vaxandi samvirkni milli líffræði er að hefjast.
Með hagræðingu fjölda klínískra nota fór smám saman að koma fram þörfin á að draga úr aukaverkunum á sjúklinga.Í þessu skyni hefur nákvæmni lyf1, 2, 3, 4, 5 orðið stefnumarkandi markmið til að minnka skammta lyfja sem afhent eru sjúklingum, í meginatriðum eftir tveimur meginaðferðum.Sú fyrri byggir á meðferð sem er hönnuð í samræmi við erfðafræðilega prófíl sjúklings.Hið síðara, sem er að verða gulls ígildi í krabbameinslækningum, miðar að því að forðast almenna lyfjagjöf með því að reyna að losa lítið magn af lyfi, en á sama tíma auka nákvæmni með notkun staðbundinnar meðferðar.Endanlegt markmið er að útrýma eða að minnsta kosti lágmarka neikvæð áhrif margra lækningaaðferða, svo sem lyfjameðferðar eða almennrar gjöf geislavirkra efna.Það fer eftir tegund krabbameins, staðsetningu, geislaskammti og öðrum þáttum, jafnvel geislameðferð getur haft mikla áhættu fyrir heilbrigðan vef.Við meðhöndlun á glioblastoma6,7,8,9 tókst skurðaðgerð að fjarlægja undirliggjandi krabbamein, en jafnvel ef meinvörp eru ekki til staðar geta mörg lítil krabbameinsíferð verið til staðar.Ef þau eru ekki fjarlægð að fullu getur nýr krabbameinsmassa vaxið á tiltölulega stuttum tíma.Í þessu samhengi er erfitt að beita áðurnefndum nákvæmnislækningum vegna þess að erfitt er að greina þessar íferðar og dreifa þeim yfir stórt svæði.Þessar hindranir koma í veg fyrir endanlegar niðurstöður til að koma í veg fyrir endurkomu með nákvæmni lyfjum, þannig að almennar sendingaraðferðir eru ákjósanlegar í sumum tilfellum, þó að lyfin sem notuð eru geta haft mjög mikla eituráhrif.Til að sigrast á þessu vandamáli væri tilvalin meðferðaraðferð að nota lágmarks ífarandi aðferðir sem geta valið ráðist á krabbameinsfrumur án þess að hafa áhrif á heilbrigðan vef.Í ljósi þessara röksemda virðist notkun á úthljóðs titringi, sem sýnt hefur verið fram á að hefur mismunandi áhrif á krabbameinsfrumur og heilbrigðar frumur, bæði í einfruma kerfum og í misleitum klösum á mesóskala, hugsanleg lausn.
Frá vélrænu sjónarhorni hafa heilbrigðar og krabbameinsfrumur í raun mismunandi náttúrulega endurómtíðni.Þessi eiginleiki tengist krabbameinsvaldandi breytingum á vélrænum eiginleikum frumubeinakerfis krabbameinsfrumna12,13, en æxlisfrumur eru að meðaltali aflaganlegri en venjulegar frumur.Þannig, með ákjósanlegu vali á ómskoðunartíðni til örvunar, getur titringur sem framkallaður er á völdum svæðum valdið skemmdum á lifandi krabbameinsbyggingum, sem lágmarkar áhrif á heilbrigt umhverfi hýsilsins.Þessi áhrif sem enn hafa ekki skilið að fullu geta falið í sér eyðileggingu á tilteknum frumubyggingarhlutum vegna hátíðni titrings framkallað af ómskoðun (í grundvallaratriðum mjög svipað lithotripsy14) og frumuskemmdir vegna fyrirbæri sem líkist vélrænni þreytu, sem aftur getur breytt frumubyggingu. .forritun og vélalíffræði.Þrátt fyrir að þessi fræðilega lausn virðist vera mjög hentug, er því miður ekki hægt að nota hana í þeim tilvikum þar sem blóðleysisleg líffræðileg uppbygging kemur í veg fyrir beina beitingu ómskoðunar, til dæmis við notkun innan höfuðkúpu vegna tilvistar beina, og sumir brjóstæxlismassar eru staðsettir í fitu. vefjum.Dempun getur takmarkað hvar hugsanleg lækningaáhrif eru.Til að vinna bug á þessum vandamálum verður að beita ómskoðun á staðnum með sérhönnuðum transducers sem geta komist inn á geislaða staðinn eins minna ífarandi og mögulegt er.Með þetta í huga skoðuðum við möguleikann á að nýta hugmyndir sem tengjast möguleikanum á því að búa til nýstárlegan tæknivettvang sem kallast „nálarspítalinn“15.Hugmyndin „Spítalinn í nálinni“ felur í sér þróun á lágmarks ífarandi lækningatæki til greiningar og meðferðar, byggt á samsetningu ýmissa aðgerða í einni læknisnál.Eins og nánar er fjallað um í kaflanum um sjúkrahúsnál byggist þetta netta tæki fyrst og fremst á kostum 16, 17, 18, 19, 20, 21 ljósleiðara, sem vegna eiginleika sinna henta til að setja í staðal 20 læknanálar, 22 lúmen.Með því að nýta sveigjanleikann sem Lab-on-Fiber (LOF)23 tæknin veitir, eru trefjar í raun að verða einstakur vettvangur fyrir smækkuð og tilbúin til notkunar greiningar- og meðferðartæki, þar á meðal vökvavefjasýni og vefjasýnistæki.í lífsameindagreiningu24,25, ljósstýrðri staðbundinni lyfjagjöf26,27, staðbundinni ómskoðun28 með mikilli nákvæmni, hitameðferð29,30 og greiningu á krabbameinsvef með litrófsgreiningu31.Innan þessarar hugmyndar, með því að nota staðsetningaraðferð sem byggir á „nálinni á sjúkrahúsinu“ tækinu, könnum við möguleikann á að hámarka staðbundna örvun líffræðilegra mannvirkja íbúa með því að nota útbreiðslu ómhljóðsbylgna í gegnum nálar til að örva ómskoðunarbylgjur innan áhugasviðs..Þannig er hægt að beita lágstyrkri meðferðarómskoðun beint á áhættusvæðið með lágmarks ífarandi fyrir hljóðhljóðfrumum og litlum föstum myndum í mjúkvef, eins og í tilviki áðurnefndrar innankúpuaðgerða þarf að setja lítið gat á höfuðkúpuna með a. nál.Innblásin af nýlegum fræðilegum og tilraunaniðurstöðum sem benda til þess að ómskoðun geti stöðvað eða seinkað þróun ákveðinna krabbameina, 32, 33, 34 gæti fyrirhuguð nálgun hjálpað til við að takast á við, að minnsta kosti í grundvallaratriðum, lykilmálin milli árásargjarnra og læknandi áhrifa.Með þessar hugleiðingar í huga, í þessari grein, könnum við möguleikann á að nota nálarbúnað á sjúkrahúsi fyrir lágmarks ífarandi ómskoðunarmeðferð við krabbameini.Nánar tiltekið, í kaflanum Dreifingargreining á kúlulaga æxlismassa til að meta vaxtarháða ómskoðunartíðni, notum við vel þekktar teygjuaflfræðilegar aðferðir og hljóðdreifingarkenningar til að spá fyrir um stærð kúlulaga fastra æxla sem ræktuð eru í teygjanlegum miðli.stirðleiki sem verður á milli æxlis og hýsilvefs vegna endurgerðar efnisins af völdum vaxtar.Eftir að hafa lýst kerfinu okkar, sem við köllum „Spítalinn í nálinni“ hlutanum, í „Spítalinn í nálinni“ hlutanum, greinum við útbreiðslu úthljóðsbylgna í gegnum læknisnálar á spáð tíðni og tölulegt líkan þeirra geislar umhverfið til að rannsaka helstu rúmfræðilegu breyturnar (raunverulegt innra þvermál, lengd og skerpa nálarinnar), sem hafa áhrif á flutning á hljóðstyrk tækisins.Í ljósi þess að þörf er á að þróa nýjar verkfræðiaðferðir fyrir nákvæmnislækningar, er talið að fyrirhuguð rannsókn gæti hjálpað til við að þróa nýtt tæki til krabbameinsmeðferðar sem byggist á notkun ómskoðunar sem afhent er í gegnum samþættan lækningavettvang sem samþættir ómskoðun við aðrar lausnir.Samsett, svo sem markviss lyfjagjöf og rauntímagreining innan einni nál.
Skilvirkni þess að veita vélrænar aðferðir til að meðhöndla staðbundin föstu æxli með úthljóðsörvun hefur verið markmið margra greina sem fjalla bæði fræðilega og tilraunalega um áhrif lágstyrks úthljóðs titrings á einfrumukerfi 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Með því að nota seigjuteygjulíkön hafa nokkrir rannsakendur sýnt fram á að æxli og heilbrigðar frumur sýna mismunandi tíðniviðbrögð sem einkennast af mismunandi ómunartoppum á US 10,11,12 sviðinu.Þessi niðurstaða bendir til þess að í grundvallaratriðum sé hægt að ráðast á æxlisfrumur sértækt af vélrænu áreiti sem varðveita umhverfi hýsilsins.Þessi hegðun er bein afleiðing af helstu vísbendingum um að æxlisfrumur séu í flestum tilfellum sveigjanlegri en heilbrigðar frumur, hugsanlega til að auka getu þeirra til að fjölga sér og flytjast37,38,39,40.Byggt á niðurstöðum sem fengust með einfrumulíkönum, td á smáskala, hefur einnig verið sýnt fram á sérhæfni krabbameinsfrumna á mesókvarða með tölulegum rannsóknum á samhljóða svörun misleitra frumusamsetninga.Með því að veita mismunandi hlutfall af krabbameinsfrumum og heilbrigðum frumum voru fjölfrumusamstæður hundruð míkrómetra að stærð byggðar stigveldis.Á miðstigi þessara fyllinga eru nokkrar smásæjar eiginleikar sem vekja áhuga varðveitt vegna beinnar útfærslu á helstu byggingarþáttum sem einkenna vélræna hegðun stakra frumna.Sérstaklega notar hver fruma arkitektúr sem byggir á spennu til að líkja eftir svörun ýmissa forspenntra frumukerfisbygginga og hefur þar með áhrif á heildarstífleika þeirra12,13.Fræðilegar spár og in vitro tilraunir á ofangreindum bókmenntum hafa gefið uppörvandi niðurstöður, sem benda til þess að rannsaka þurfi næmi æxlismassa fyrir lágstyrkri meðferðarómskoðun (LITUS), og mat á tíðni geislunar æxlismassa skiptir sköpum.stöðu LITUS fyrir umsókn á staðnum.
Hins vegar, á vefjastigi, tapast óumflýjanlega lýsingin á einstökum efnisþáttum undir-makróspekinnar og hægt er að rekja eiginleika æxlisvefsins með því að nota raðaðferðir til að fylgjast með massavexti og umbreytingarferlum af völdum streitu, að teknu tilliti til stórsæisáhrifa vöxtur.-framkallaðar breytingar á teygjanleika vefja á kvarðanum 41,42.Reyndar, ólíkt einfrumu- og samanteknum kerfum, vex fastur æxlismassi í mjúkvef vegna hægfara uppsöfnunar afbrigðilegra leifarálags, sem breyta náttúrulegum vélrænni eiginleikum vegna aukningar á heildarstífleika í æxli, og æxlishersla verður oft ráðandi þáttur í æxlisgreiningu.
Með þessar forsendur í huga, greinum við hér hljóðfræðileg svörun æxliskúlulaga sem eru teygjanlegar kúlulaga innfellingar sem vaxa í eðlilegu vefumhverfi.Nánar tiltekið voru teygjanlegir eiginleikar sem tengjast stigi æxlis ákvörðuð út frá fræðilegum og tilrauna niðurstöðum sem sumir höfundar fengu í fyrri verkum.Meðal þeirra hefur þróun föstu æxlishvolfs sem ræktuð er í lífi í ólíkum miðlum verið rannsökuð með því að beita ólínulegum vélrænum líkönum 41,43,44 í samsetningu með gangverki milli tegunda til að spá fyrir um þróun æxlismassa og tengda streitu í æxli.Eins og nefnt er hér að ofan veldur vöxtur (td óteygjanleg forteygja) og afgangsstreita stigvaxandi endurgerð á eiginleikum æxlisefnisins og breytir þar með einnig hljóðsvörun þess.Rétt er að taka fram að í frv.41 sýnt hefur verið fram á samþróun vaxtar og fastrar streitu í æxlum í tilraunaherferðum í dýralíkönum.Sérstaklega staðfesti samanburður á stífleika brjóstaæxlismassa sem skorinn var á mismunandi stigum við stífleikann sem fæst með því að endurskapa svipaðar aðstæður í kísil á kúlulaga endanlegu frumefnislíkani með sömu stærðum og að teknu tilliti til fyrirhugaðs eftirspennusviðs fyrirhugaða aðferð til að fyrirmyndarréttmæti..Í þessari vinnu eru áður fengnar fræðilegar og tilrauna niðurstöður notaðar til að þróa nýja lækningastefnu.Sérstaklega voru hér reiknaðar spár um stærðir með samsvarandi þróunarþolseiginleikum, sem voru þannig notaðar til að áætla tíðnisvið sem æxlismassar sem eru innbyggðir í hýsilumhverfið eru næmari fyrir.Í þessu skyni rannsökuðum við kraftmikla hegðun æxlismassans á mismunandi stigum, tekin á mismunandi stigum, að teknu tilliti til hljóðvísa í samræmi við almennt viðurkennda meginreglu um dreifingu til að bregðast við ultrasonic áreiti og varpa ljósi á möguleg resonant fyrirbæri kúlu. .fer eftir æxli og hýsil Vaxtarháður munur á stirðleika milli vefja.
Þannig voru æxlismassar gerðir fyrirmyndir sem teygjanlegar kúlur með radíus \(a\) í nærliggjandi teygjanlegu umhverfi hýsilsins byggt á tilraunagögnum sem sýna hvernig fyrirferðarmikil illkynja mannvirki vaxa á staðnum í kúlulaga lögun.Með því að vísa til mynd 1, með því að nota kúlulaga hnitin \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (þar sem \(\theta\) og \(\varphi\) tákna frávikshornið og azimuthornið í sömu röð), æxlislén tekur svæði innbyggt í heilbrigt rými \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) óbundið svæði \({\mathcal { V} }_{H} = \{(r,\theta,\varphi):r > a\}\).Með því að vísa til viðbótarupplýsinga (SI) fyrir heildarlýsingu á stærðfræðilíkaninu sem byggir á vel þekktum teygjanlegum grunni sem greint er frá í mörgum bókmenntum45,46,47,48, teljum við hér vandamál sem einkennist af ássamhverfum sveifluham.Þessi forsenda felur í sér að allar breytur innan æxlis og heilbrigðra svæða séu óháðar azimuthal hnitinu \(\varphi\) og að engin röskun eigi sér stað í þessa átt.Þar af leiðandi er hægt að fá tilfærslu- og streitusviðið úr tveimur stigstærðum \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) og \(\chi = \hat{\chi}\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , þau eru tengt lengdarbylgju og skúfbylgju, hvort um sig, samfallstímann t milli bylgjunnar \(\theta \) og hornsins milli stefnu atfallsbylgjunnar og stöðuvigursins \({\mathbf {x))\) ( eins og sýnt er á mynd 1) og \(\omega = 2\pi f\) táknar horntíðnina.Sérstaklega er atvikssviðið mótað af flugbylgju \(\phi_{H}^{(in)}\) (einnig kynnt í SI-kerfinu, í jöfnu (A.9)) sem breiðist út í rúmmál líkamans samkvæmt orðalaginu
þar sem \(\phi_{0}\) er amplitude færibreytan.Kúlulaga stækkun flugvélabylgju (1) sem notar kúlubylgjufall er staðlað rök:
Þar sem \(j_{n}\) er kúlulaga Bessel fall af fyrstu tegund af röð \(n\), og \(P_{n}\) er Legendre margliðan.Hluti af atviksbylgju fjárfestingarhvolfsins dreifist í nærliggjandi miðil og skarast á atvikssviðinu, en hinn hlutinn er dreifður inni í kúlu, sem stuðlar að titringi hennar.Til að gera þetta eru harmonikulausnir bylgjujöfnunnar \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) og \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), gefnir til dæmis af Eringen45 (sjá einnig SI ) getur bent til æxlis og heilbrigðra svæða.Sérstaklega, dreifðar þenslubylgjur og samþenslubylgjur sem myndast í hýsilmiðlinum \(H\) gefa inn hugsanlega orku sína:
Meðal þeirra er kúlulaga Hankel fall af fyrstu gerð \(h_{n}^{(1)}\) notað til að taka tillit til útgefinna dreifðu bylgjunnar, og \(\alpha_{n}\) og \(\beta_{ n}\ ) eru óþekktir stuðlar.í jöfnunni.Í jöfnum (2)–(4) tákna hugtökin \(k_{H1}\) og \(k_{H2}\) bylgjutölur sjaldgæfu og þverbylgna á aðalsvæði líkamans, í sömu röð ( sjá SI).Þjöppunarreitir inni í æxlinu og vaktir hafa formið
Þar sem \(k_{T1}\) og \(k_{T2}\) tákna lengdar- og þverbylgjutölur á æxlissvæðinu og óþekktir stuðlar eru \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Miðað við þessar niðurstöður eru geisla- og ummálsfærsluhlutir sem eru ekki núll einkennandi fyrir heilbrigð svæði í vandamálinu sem er til skoðunar, eins og \(u_{Hr}\) og \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) samhverfuforsendan er ekki lengur þörf) — er hægt að fá úr tengslum \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi) } \right) + k_}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) og \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) með því að mynda \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) og \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (sjá SI fyrir nákvæma stærðfræðilega útleiðslu).Á sama hátt, ef skipt er út \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) og \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) skilar {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) og \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta}\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\hægri)\).
(Til vinstri) Rúmfræði kúlulaga æxlis sem vaxið er í heilbrigðu umhverfi þar sem atvikssvið breiðist út, (hægri) Samsvarandi þróun á stífleikahlutfalli æxlis og hýsils sem fall af æxlisradíus, tilkynnt gögn (aðlöguð frá Carotenuto o.fl. 41) úr í þjöppunarprófum vitro voru fengin úr föstum brjóstaæxlum sem sáð voru með MDA-MB-231 frumum.
Að því gefnu að línuleg teygjanleg og ísótrópísk efni, þá hlýða streituþættirnir sem eru ekki núll í heilbrigðum og æxlissvæðum, þ.e. \(\sigma_{Hpq}\) og \(\sigma_{Tpq}\) – almennu lögmáli Hooke, í ljósi þess að það er eru mismunandi Lamé moduli, sem einkenna hýsil og æxlisteygni, táknuð sem \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) og \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (sjá jöfnu (A.11) fyrir fulla tjáningu streituþáttanna sem táknuð eru í SI).Sérstaklega, samkvæmt gögnum í tilvísun 41 og sýnd á mynd 1, sýndu vaxandi æxli breytingu á mýktarföstum vefja.Þannig eru tilfærslur og álag á hýsil- og æxlissvæðum ákvörðuð algjörlega upp að mengi óþekktra fasta \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) hefur fræðilega óendanlegar stærðir.Til að finna þessa stuðulferjur eru kynntar viðeigandi snertifletir og jaðarskilyrði milli æxlis og heilbrigðra svæða.Ef gert er ráð fyrir fullkominni bindingu við æxlis-hýsilviðmótið \(r = a\), krefst samfellda tilfærslur og streitu eftirfarandi skilyrði:
Kerfi (7) myndar jöfnukerfi með óendanlegum lausnum.Að auki mun hvert jaðarskilyrði ráðast af frávikinu \(\theta\).Til að minnka mörkagildisvandamálið í algjört algebrufræðilegt vandamál með \(N\) settum af lokuðum kerfum, sem hvert um sig er í óþekktu \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (með \ ( N \ til \infty \), fræðilega), og til að útrýma því hversu háð jöfnurnar eru háðar hornafræðiheitum, eru viðmótsskilyrðin skrifuð á veikum formi með því að nota rétthyrning Legendre margliðanna.Sérstaklega eru jöfnurnar (7)1,2 og (7)3,4 margfaldaðar með \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) og \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) og samþætta síðan á milli \(0\) og \(\pi\) með því að nota stærðfræðileg auðkenni:
Þannig skilar viðmótsskilyrðið (7) ferningsalgebrujöfnukerfi, sem hægt er að gefa upp á fylkisformi sem \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) og fáðu hið óþekkta \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) með því að leysa reglu Cramers .
Til að áætla orkuflæðið sem er dreift af kúlunni og fá upplýsingar um hljóðsvörun hennar út frá gögnum um dreifða sviðið sem breiðist út í hýsilmiðlinum, er hljóðmagn áhugavert, sem er staðlað tvístöðudreifingarþversnið.Sérstaklega lýsir dreifingarþversniðið, táknað \(s), hlutfallið milli hljóðafls sem dreift merkinu sendir frá sér og skiptingar orkunnar sem atviksbylgjan flytur.Í þessu sambandi er stærð lögunfallsins \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) oft notuð stærð í rannsóknum á hljóðeinangrun. felld í vökva eða fast efni. Dreifing hluta í seti.Nánar tiltekið er amplitude formfallsins skilgreint sem mismunadreifingarþversnið \(ds\) á flatarmálseiningu, sem er frábrugðið eðlilegu útbreiðslustefnu atviksbylgjunnar:
þar sem \(f_{n}^{pp}\) og \(f_{n}^{ps}\) tákna formfallið, sem vísar til hlutfalls krafta lengdarbylgjunnar og dreifðrar bylgju miðað við atvik P-bylgja í móttökumiðlinum, hver um sig, eru gefin með eftirfarandi orðatiltæki:
Hlutabylgjuföll (10) er hægt að rannsaka sjálfstætt í samræmi við resonant dreifingarkenninguna (RST)49,50,51,52, sem gerir það mögulegt að aðgreina markteygni frá heildarstreymissviðinu þegar mismunandi háttur er rannsakaður.Samkvæmt þessari aðferð er hægt að sundra formfallinu í summu tveggja jafnra hluta, nefnilega \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) tengjast amplitudum í ómun og óómun bakgrunns, í sömu röð.Lögun ómunarhamsins tengist viðbrögðum skotmarksins, en bakgrunnurinn er venjulega tengdur lögun dreifisins.Til að greina fyrsta formant marksins fyrir hvern ham, amplitude modal resonance form fallsins \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) er reiknað út frá hörðum bakgrunni, sem samanstendur af órjúfanlegum kúlum í teygjanlegu hýsilefni.Þessi tilgáta er rekin af þeirri staðreynd að almennt eykst bæði stífleiki og þéttleiki með vexti æxlismassans vegna eftirstöðvar þrýstiálags.Þannig að við alvarlegt vaxtarstig er búist við að viðnámshlutfallið \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) sé meira en 1 fyrir flest stórsæææxli sem þróast í mjúkum vefjum.Til dæmis, Krouskop o.fl.53 greindu frá hlutfalli krabbameins og eðlilegs stuðul upp á um 4 fyrir blöðruhálskirtilsvef, en þetta gildi hækkaði í 20 fyrir brjóstvefssýni.Þessi tengsl breyta óhjákvæmilega hljóðviðnám vefjarins, eins og einnig er sýnt fram á með teygjugreiningu54,55,56, og geta tengst staðbundinni vefjaþykknun af völdum offjölgunar æxlis.Þessi munur hefur einnig sést með tilraunum með einföldum þjöppunarprófum á brjóstaæxlisblokkum sem ræktaðar eru á mismunandi stigum32 og hægt er að fylgjast vel með endurgerð efnisins með forspárlíkönum milli tegunda af ólínulega vaxandi æxlum43,44.Stífleikagögnin sem fengust eru beintengd þróun Youngs stuðuls fastra æxla samkvæmt formúlunni \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2}} \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( kúlur með radíus \(a\), stífleika \(S\) og Poisson's hlutfall \(\nu\) milli tveggja stífra plötur 57, eins og sýnt er á mynd 1).Þannig er hægt að fá hljóðviðnámsmælingar á æxli og hýsil við mismunandi vaxtarstig.Sérstaklega, í samanburði við stuðull eðlilegs vefja sem er jafn 2 kPa á mynd 1, leiddi teygjustuðull brjóstaæxla á rúmmálsbilinu um 500 til 1250 mm3 til hækkunar úr um 10 kPa í 16 kPa, sem er í samræmi við tilkynnt gögn.í heimildum 58, 59 kom í ljós að þrýstingur í brjóstvefssýnum er 0,25–4 kPa með hverfandi forþjöppun.Gerum líka ráð fyrir að Poisson's hlutfall nánast ósamþjappanlegs vefs sé 41,60, sem þýðir að þéttleiki vefsins breytist ekki verulega eftir því sem rúmmálið eykst.Einkum er notaður meðalfjöldaþéttleiki \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Með þessum forsendum getur stífleiki tekið á sig bakgrunnsham með því að nota eftirfarandi tjáningu:
Þar sem hægt er að reikna óþekkta fastann \(\widehat{{{\varvec{\upxi)))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) með hliðsjón af samfellunni hlutdrægni ( 7 )2,4, það er að segja með því að leysa algebrukerfið \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) sem felur í sér ólögráða börn\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) og samsvarandi einfaldaða dálkavigur\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Veitir grunnþekkingu í jöfnu (11), tvær amplitudur afturdreifingarómunarhamsfallsins \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) og \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) vísar til P-bylgjuörvunar og P- og S-bylgjuendurkasts, í sömu röð.Ennfremur var fyrsta amplitude metið sem \(\theta = \pi\), og annað amplitude var áætlað sem \(\theta = \pi/4\).Með því að hlaða ýmsa samsetningu eiginleika.Mynd 2 sýnir að ómunareiginleikar æxliskúlu sem eru allt að um 15 mm í þvermál eru aðallega einbeitt í tíðnisviðinu 50-400 kHz, sem gefur til kynna möguleikann á að nota lágtíðni ómskoðun til að örva æxlisörvun.frumur.Mikið af.Á þessu tíðnisviði leiddi RST greiningin í ljós einhams formant fyrir ham 1 til 6, auðkennd á mynd 3. Hér sýna bæði pp- og ps-dreifðar bylgjur formant af fyrstu gerð, sem eiga sér stað á mjög lágri tíðni, sem hækkar frá kl. um 20 kHz fyrir ham 1 til um 60 kHz fyrir n = 6, sem sýnir engan marktækan mun á kúluradíus.Ómun fallið ps fellur síðan niður, en samsetning pp formanta með stórum amplitude gefur um það bil 60 kHz tíðni, sem sýnir hærri tíðnibreytingu með hækkandi hamfjölda.Allar greiningar voru gerðar með Mathematica®62 tölvuhugbúnaði.
Bakdreifingarmyndaaðgerðirnar sem fengnar eru úr einingu brjóstaæxla af mismunandi stærðum eru sýndar á mynd 1, þar sem hæstu dreifingarböndin eru auðkennd að teknu tilliti til yfirbyggingar hams.
Ómun valinna hama frá \(n = 1\) til \(n = 6\), reiknuð út frá örvun og endurkasti P-bylgjunnar við mismunandi æxlisstærðir (svartar ferlar frá \(\vinstri | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) og P-bylgju örvun og S-bylgju endurspeglun (gráir ferlar gefnir með formfalli \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Niðurstöður þessarar bráðabirgðagreiningar sem notar útbreiðsluskilyrði á fjarsviði geta leiðbeint vali á aksturssértækum driftíðni í eftirfarandi tölulegum hermum til að rannsaka áhrif örvibrunarálags á massa.Niðurstöðurnar sýna að kvörðun ákjósanlegra tíðna getur verið stigssértæk meðan á æxlisvexti stendur og hægt er að ákvarða hana með því að nota niðurstöður vaxtarlíkana til að koma á lífmeðrænum aðferðum sem notaðar eru í sjúkdómsmeðferð til að spá rétt fyrir um endurgerð vefja.
Verulegar framfarir í nanótækni knýja vísindasamfélagið til að finna nýjar lausnir og aðferðir til að þróa smækkuð og lágmarks ífarandi lækningatæki fyrir in vivo notkun.Í þessu samhengi hefur LOF tæknin sýnt ótrúlega hæfileika til að auka getu ljósleiðara, sem gerir kleift að þróa ný lágmarks ífarandi ljósleiðaratæki fyrir lífvísindaforrit21, 63, 64, 65. Hugmyndin um að samþætta 2D og 3D efni með æskilega efnafræðilega, líffræðilega og sjónræna eiginleika á hliðum 25 og/eða endum 64 ljósleiðara með fullri staðbundinni stjórn á nanóskala leiðir til tilkomu nýs flokks ljósleiðara nanooptodes.hefur fjölbreytt úrval af greiningar- og meðferðaraðgerðum.Athyglisvert er að vegna rúmfræðilegra og vélrænna eiginleika þeirra (lítill þversnið, stórt stærðarhlutfall, sveigjanleiki, lítil þyngd) og lífsamrýmanleika efna (venjulega gler eða fjölliður), eru ljósleiðarar vel til þess fallnar að setja í nálar og hollegg.Læknisfræðileg forrit20, sem ryður brautina fyrir nýja sýn á „nálasjúkrahúsið“ (sjá mynd 4).
Reyndar, vegna frelsisstiganna sem LOF tæknin veitir, með því að nota samþættingu ör- og nanóbygginga úr ýmsum málm- og/eða rafrænum efnum, er hægt að virkja ljósleiðara á réttan hátt fyrir tiltekin forrit sem styðja oft örvun í ómun., Ljóssviðið 21 er sterklega staðsett.Innihald ljóss á undirbylgjulengdarkvarða, oft ásamt efnafræðilegri og/eða líffræðilegri vinnslu63 og samþætting viðkvæmra efna eins og snjallfjölliða65,66 getur aukið stjórn á samspili ljóss og efnis, sem getur verið gagnlegt í hitafræðilegum tilgangi.Val á gerð og stærð samþættra íhluta/efna fer augljóslega eftir eðlisfræðilegum, líffræðilegum eða efnafræðilegum breytum sem á að greina21,63.
Samþætting LOF rannsaka í lækninganálum sem beint er að ákveðnum stöðum í líkamanum mun gera staðbundnar vökva- og vefjasýnistökur kleift in vivo, sem gerir samtímis staðbundna meðferð kleift, draga úr aukaverkunum og auka skilvirkni.Hugsanleg tækifæri eru meðal annars að greina ýmsar lífsameindir í blóðrás, þar á meðal krabbamein.lífmerki eða míkróRNA (miRNA)67, auðkenning á krabbameinsvef með línulegri og ólínulegri litrófsgreiningu eins og Raman litrófsgreiningu (SERS)31, háupplausnarljósmyndatöku22,28,68, laserskurðaðgerð og brottnám69, og staðbundin lyf sem nota ljós27 og sjálfvirk leiðsögn nálar inn í mannslíkamann20.Það er athyglisvert að þó notkun ljósleiðara komi í veg fyrir dæmigerða ókosti „klassískra“ aðferða sem byggjast á rafeindahlutum, svo sem þörf fyrir raftengingar og tilvist rafsegultruflana, gerir þetta kleift að samþætta ýmsa LOF skynjara á áhrifaríkan hátt inn í kerfi.ein læknisnál.Sérstaklega þarf að huga að því að draga úr skaðlegum áhrifum eins og mengun, sjóntruflunum, líkamlegum hindrunum sem valda víxlræðuáhrifum milli mismunandi aðgerða.Hins vegar er það líka rétt að margar af aðgerðunum sem nefnd eru þurfa ekki að vera virkar á sama tíma.Þessi þáttur gerir að minnsta kosti mögulegt að draga úr truflunum og takmarka þannig neikvæð áhrif á frammistöðu hvers rannsakanda og nákvæmni málsmeðferðarinnar.Þessar hugleiðingar gera okkur kleift að líta á hugtakið „nálin á sjúkrahúsinu“ sem einfalda sýn til að leggja traustan grunn að næstu kynslóð lækninganála í lífvísindum.
Með tilliti til sértækrar notkunar sem fjallað er um í þessari grein, í næsta kafla munum við rannsaka tölulega getu læknisnálar til að beina úthljóðsbylgjum inn í vefi manna með því að nota útbreiðslu þeirra meðfram ásnum.
Útbreiðsla úthljóðsbylgna í gegnum læknisnál sem er fyllt með vatni og sett í mjúkvef (sjá skýringarmynd á mynd 5a) var sniðin með því að nota Comsol Multiphysics hugbúnaðinn sem byggir á endanlegu frumefnisaðferðinni (FEM)70, þar sem nálin og vefurinn eru gerðir fyrirmyndir. sem línulegt teygjanlegt umhverfi.
Með vísan til mynd 5b er nálin gerð sem holur strokka (einnig þekktur sem „cannula“) úr ryðfríu stáli, staðlað efni fyrir læknanálar71.Sérstaklega var það líkan með Youngs stuðul E = 205 GPa, hlutfall Poissons ν = 0,28 og þéttleika ρ = 7850 kg m −372,73.Rúmfræðilega séð einkennist nálin af lengd L, innra þvermáli D (einnig kallað „clearance“) og veggþykkt t.Að auki telst nálaroddurinn halla í horn α miðað við lengdarstefnu (z).Rúmmál vatns samsvarar í meginatriðum lögun innra svæðis nálarinnar.Í þessari bráðabirgðagreiningu var gert ráð fyrir að nálin væri algjörlega á kafi í vefsvæði (gert ráð fyrir að hún teygi sig endalaust), líkönuð sem kúlu með radíus rs, sem hélst stöðugur í 85 mm í öllum hermunum.Nánar ítarlega ljúkum við kúlulaga svæðinu með fullkomlega samsvöruðu lagi (PML), sem að minnsta kosti dregur úr óæskilegum bylgjum sem endurkastast frá „ímynduðum“ mörkum.Við völdum síðan radíusinn rs til að setja kúlulaga lénsmörkin nógu langt frá nálinni til að hafa ekki áhrif á reiknilausnina og nógu lítill til að hafa ekki áhrif á reiknikostnað uppgerðarinnar.
Harmónísk lengdartilfærsla á tíðni f og amplitude A er beitt á neðri mörk rúmfræði pennans;þetta ástand táknar inntaksörvun sem beitt er á herma rúmfræðina.Á þeim mörkum sem eftir eru af nálinni (í snertingu við vef og vatn) er viðurkennt líkan talið fela í sér tengsl milli tveggja eðlisfræðilegra fyrirbæra, þar af annað sem tengist burðarvirkjafræði (fyrir svæði nálarinnar), og hitt að burðarvirkjafræði.(fyrir nálasvæði), þannig að samsvarandi skilyrði eru sett á hljóðeinangrun (fyrir vatn og nálasvæði)74.Einkum veldur lítill titringur sem beitt er á nálarsætið litlar spennutruflanir;þannig, að því gefnu að nálin hagi sér eins og teygjanlegur miðill, er hægt að áætla tilfærsluvigur U út frá teygjanlegu jafnvægisjöfnunni (Navier)75.Byggingarsveiflur nálarinnar valda breytingum á vatnsþrýstingi inni í henni (talinn vera kyrrstæður í okkar líkani), sem leiðir til þess að hljóðbylgjur dreifast í lengdarstefnu nálarinnar og hlýða í meginatriðum Helmholtz jöfnunni76.Að lokum, að því gefnu að ólínuleg áhrif í vefjum séu hverfandi og að amplitude skúfbylgnanna sé mun minni en amplitude þrýstibylgjunnar, er einnig hægt að nota Helmholtz jöfnuna til að móta útbreiðslu hljóðbylgna í mjúkvef.Eftir þessa nálgun er vefurinn talinn vera vökvi77 með þéttleika upp á 1000 kg/m3 og hljóðhraða 1540 m/s (sé hunsað tíðniháð dempunaráhrif).Til að tengja þessi tvö eðlissvið er nauðsynlegt að tryggja samfellu eðlilegrar hreyfingar á mörkum fasts efnis og vökva, kyrrstöðujafnvægis milli þrýstings og streitu hornrétt á mörk hins fasta efnis og snertispennu á mörkum fastefnisins. vökvi verður að vera núll.75 .
Í greiningu okkar könnum við útbreiðslu hljóðbylgna meðfram nál við kyrrstæðar aðstæður, með áherslu á áhrif rúmfræði nálarinnar á losun bylgna inni í vefnum.Sérstaklega könnuðum við áhrif innra þvermáls nálarinnar D, lengdar L og skáhorns α, með því að halda þykktinni t fastri við 500 µm í öllum tilfellum sem rannsökuð voru.Þetta gildi t er nálægt dæmigerðri staðlaðri veggþykkt 71 fyrir verslunarnálar.
Án þess að almennt tapist, var tíðnin f harmoniku tilfærslunnar sem beitt var á nálarbotninn tekin jöfn 100 kHz og amplitude A var 1 μm.Sérstaklega var tíðnin stillt á 100 kHz, sem er í samræmi við greiningarmatið sem gefið er upp í kaflanum „Dreifingargreining á kúlulaga æxlismassa til að áætla vaxtarháða ómhljóðstíðni“, þar sem ómunarlík hegðun æxlismassa fannst í tíðnisviðið 50–400 kHz, þar sem mesta dreifingarsviðið er einbeitt við lægri tíðni í kringum 100–200 kHz (sjá mynd 2).
Fyrsta færibreytan sem var rannsökuð var innra þvermál D nálarinnar.Til hægðarauka er það skilgreint sem heiltölubrot af hljóðbylgjulengdinni í holrúmi nálarinnar (þ.e. í vatni λW = 1,5 mm).Reyndar eru fyrirbæri bylgjuútbreiðslu í tækjum sem einkennast af ákveðinni rúmfræði (til dæmis í bylgjuleiðara) oft háð einkennandi stærð rúmfræðinnar sem notuð er í samanburði við bylgjulengd útbreiðslubylgjunnar.Að auki, í fyrstu greiningunni, til þess að leggja betur áherslu á áhrif þvermálsins D á útbreiðslu hljóðbylgjunnar í gegnum nálina, íhuguðum við flatan þjórfé sem stillir hornið α = 90°.Við þessa greiningu var nálarlengdin L fest í 70 mm.
Á mynd.6a sýnir meðalhljóðstyrk sem fall af víddarlausu mælikvarðanum SD, þ.e. D = λW/SD metinn í kúlu með 10 mm radíus með miðju á samsvarandi nálaroddinum.Stærðarbreytan SD breytist úr 2 í 6, þ.e. við lítum á D gildi á bilinu 7,5 mm til 2,5 mm (við f = 100 kHz).Sviðið inniheldur einnig staðalgildi 71 fyrir lækninganálar úr ryðfríu stáli.Eins og búist var við hefur innra þvermál nálarinnar áhrif á styrk hljóðsins sem nálin gefur frá sér, með hámarksgildi (1030 W/m2) sem samsvarar D = λW/3 (þ.e. D = 5 mm) og minnkandi tilhneiging með minnkandi þvermál.Það ætti að taka með í reikninginn að þvermál D er rúmfræðileg breytu sem hefur einnig áhrif á innrásargetu lækningatækis, þannig að ekki er hægt að hunsa þennan mikilvæga þátt þegar ákjósanlegasta gildið er valið.Þess vegna, þó að minnkun á D komi fram vegna minni flutnings á hljóðstyrk í vefjum, fyrir eftirfarandi rannsóknir, er þvermál D = λW/5, þ.e. D = 3 mm (samsvarar 11G71 staðlinum við f = 100 kHz) , er talin hæfileg málamiðlun á milli afskiptasemi tækis og hljóðstyrksflutnings (að meðaltali um 450 W/m2).
Meðalstyrkur hljóðsins sem nálaroddurinn gefur frá sér (talið flatt), fer eftir innra þvermáli nálarinnar (a), lengd (b) og skáhorni α (c).Lengdin í (a, c) er 90 mm og þvermálin í (b, c) er 3 mm.
Næsta færibreyta sem á að greina er lengd nálarinnar L. Eins og í fyrri tilviksrannsókninni lítum við á skáhornið α = 90° og lengdin er mæld sem margfeldi af bylgjulengdinni í vatni, þ.e. L = SL λW .Víddarlausu mælikvarðanum SL er breytt úr 3 um 7 og áætlar þannig meðalstyrk hljóðsins sem gefur frá sér nálaroddinn á lengdarbilinu frá 4,5 til 10,5 mm.Þetta svið inniheldur dæmigerð gildi fyrir viðskiptanálar.Niðurstöðurnar eru sýndar á mynd.6b, sem sýnir að lengd nálarinnar, L, hefur mikil áhrif á miðlun hljóðstyrks í vefjum.Nánar tiltekið, hagræðing þessarar breytu gerði það mögulegt að bæta sendingu um um það bil stærðargráðu.Reyndar, á greindu lengdarbilinu, tekur meðalhljóðstyrkurinn að hámarki á staðnum 3116 W/m2 við SL = 4 (þ.e. L = 60 mm), og hitt samsvarar SL = 6 (þ.e. L = 90 mm).
Eftir að hafa greint áhrif þvermáls og lengdar nálarinnar á útbreiðslu ómskoðunar í sívalur rúmfræði, lögðum við áherslu á áhrif skáhornsins á sendingu hljóðstyrks í vefjum.Meðalstyrkur hljóðsins sem stafar frá trefjaoddinum var metinn sem fall af horninu α og breytti gildi þess úr 10° (skarpur þjórfé) í 90° (flatur þjórfé).Í þessu tilviki var radíus samþættingarkúlunnar í kringum tiltekinn nálarodd 20 mm, þannig að fyrir öll gildi α var nálaroddurinn innifalinn í rúmmálinu sem reiknað er út frá meðaltali.
Eins og sýnt er á mynd.6c, þegar oddurinn er skerptur, þ.e. þegar α minnkar frá 90°, eykst styrkur hljóðsins sem sendir frá sér og nær hámarksgildi um 1,5 × 105 W/m2, sem samsvarar α = 50°, þ.e., 2 er stærðargráðu hærra miðað við flata ástandið.Með frekari skerpingu á oddinum (þ.e. við α undir 50°) hefur hljóðstyrkurinn tilhneigingu til að minnka og nær gildum sem eru sambærileg við flettan odd.Hins vegar, þó að við höfum íhugað mikið úrval af skáhornum fyrir uppgerðina okkar, þá er það þess virði að íhuga að skerpa oddinn er nauðsynleg til að auðvelda innsetningu nálarinnar í vefinn.Reyndar getur minna skáhorn (um 10°) dregið úr kraftinum 78 sem þarf til að komast í gegnum vef.
Til viðbótar við gildi hljóðstyrksins sem sendur er innan vefsins, hefur skáhornið einnig áhrif á útbreiðslustefnu bylgjunnar, eins og sýnt er á línuritum fyrir hljóðþrýstingsstig sem sýnt er á mynd 7a (fyrir flatan odd) og 3b (fyrir 10°) ).skáskorinn oddur), samsíða Lengdarstefnan er metin í samhverfuplani (yz, sbr. mynd 5).Við öfgar þessara tveggja atriða er hljóðþrýstingsstigið (sem vísað er til sem 1 µPa) aðallega í nálarholinu (þ.e. í vatni) og geislað inn í vefinn.Nánar, þegar um er að ræða flatan þjórfé (mynd 7a), er dreifing hljóðþrýstingsstigsins fullkomlega samhverf með tilliti til lengdarstefnu og hægt er að greina standbylgjur í vatninu sem fyllir líkamann.Bylgjan er stillt á lengd (z-ás), amplitude nær hámarksgildi í vatni (um 240 dB) og minnkar þversum, sem leiðir til deyfingar um 20 dB í 10 mm fjarlægð frá miðju nálar.Eins og við var að búast brýtur innleiðing oddsins (Mynd 7b) þessa samhverfu og móthnútar standbylgnanna „beygjast“ í samræmi við nálaroddinn.Svo virðist sem þessi ósamhverfa hefur áhrif á geislunarstyrk nálaroddsins, eins og lýst er áðan (mynd 6c).Til að skilja þennan þátt betur var hljóðstyrkurinn metinn eftir skurðarlínu sem var hornrétt á lengdarstefnu nálarinnar, sem var staðsett í samhverfuplani nálarinnar og staðsett í 10 mm fjarlægð frá nálaroddinum ( niðurstöður á mynd 7c).Nánar tiltekið var dreifing hljóðstyrks metin við 10°, 20° og 30° ská horn (bláar, rauðar og grænar heilu línur, í sömu röð) borin saman við dreifinguna nálægt flata endanum (svartir punktalínur).Styrktardreifingin sem tengist flötum nálum virðist vera samhverf um miðju nálarinnar.Sérstaklega tekur það gildi um 1420 W/m2 í miðjunni, yfirfall upp á um 300 W/m2 í ~8 mm fjarlægð og minnkar síðan í um 170 W/m2 við ~30 mm .Þegar oddurinn verður oddhvass, skiptist miðblaðið í fleiri blöð af mismunandi styrkleika.Nánar tiltekið, þegar α var 30°, mátti greina þrjú krónublöð greinilega í sniðinu mælt 1 mm frá nálaroddinum.Sá miðlægi er næstum í miðju nálarinnar og hefur áætlað verðmæti 1850 W / m2, og sú hærri til hægri er um 19 mm frá miðju og nær 2625 W / m2.Við α = 20° eru 2 aðalflögur: einn á −12 mm við 1785 W/m2 og einn á 14 mm við 1524 W/m2.Þegar oddurinn verður hvassari og hornið nær 10° næst hámarki 817 W/m2 við um -20 mm og þrír flipar til viðbótar með aðeins minni styrkleika sjást meðfram sniðinu.
Hljóðþrýstingsstig í samhverfuplani y–z nálar með flötum enda (a) og 10° skábraut (b).(c) Hljóðstyrksdreifing áætluð eftir skurðarlínu hornrétt á lengdarstefnu nálarinnar, í 10 mm fjarlægð frá nálaroddinum og liggjandi í samhverfuplani yz.Lengdin L er 70 mm og þvermál D er 3 mm.
Samanlagt sýna þessar niðurstöður að hægt er að nota læknisnálar á áhrifaríkan hátt til að senda ómskoðun við 100 kHz inn í mjúkvef.Styrkur hljóðsins sem gefur frá sér fer eftir rúmfræði nálarinnar og hægt er að fínstilla hann (með fyrirvara um takmarkanir sem settar eru af innrásarvirkni lokabúnaðarins) upp að gildum á bilinu 1000 W/m2 (við 10 mm).borið á botn nálarinnar 1. Ef um er að ræða míkrómetra frávik telst nálin vera stungin að fullu í mjúkvefinn sem teygir sig óendanlega út.Sérstaklega hefur skáhornið mikil áhrif á styrk og útbreiðslu hljóðbylgna í vefnum, sem fyrst og fremst leiðir til hornrétta skurðar nálaroddsins.
Til að styðja við þróun nýrra æxlismeðferðaraðferða sem byggðar eru á notkun óífarandi læknisfræðilegra aðferða, var útbreiðsla lágtíðniómskoðunar í æxlisumhverfinu greind með greiningu og reikniaðferð.Sérstaklega, í fyrsta hluta rannsóknarinnar, gerði tímabundin elastóaflfræðileg lausn okkur kleift að rannsaka dreifingu úthljóðsbylgna í föstu æxlkúlum af þekktri stærð og stífleika til að rannsaka tíðninæmi massans.Síðan var tíðni af stærðargráðunni hundruð kílóhertz valin og staðbundin beiting titringsálags í æxlisumhverfinu með því að nota læknisnáladrif var mótuð í tölulegri hermingu með því að rannsaka áhrif helstu hönnunarbreyta sem ákvarða flutning á hljóðeinangrun. kraftur tækisins til umhverfisins.Niðurstöðurnar sýna að hægt er að nota læknisnálar á áhrifaríkan hátt til að geisla vefi með ómskoðun og styrkleiki hennar er nátengdur rúmfræðilegri breytu nálarinnar, sem kallast vinnuhljóðbylgjulengd.Reyndar eykst styrkur geislunar í gegnum vefinn með auknu innra þvermáli nálarinnar og nær hámarki þegar þvermálið er þrisvar sinnum bylgjulengd.Lengd nálarinnar veitir einnig ákveðið frelsi til að hámarka útsetningu.Síðarnefnda niðurstaðan er örugglega hámörkuð þegar nálarlengdin er stillt á ákveðið margfeldi af rekstrarbylgjulengdinni (sérstaklega 4 og 6).Athyglisvert er að fyrir tíðnisviðið sem vekur áhuga eru bjartsýni þvermál og lengdargildi nálægt þeim sem almennt eru notuð fyrir venjulegar viðskiptanálar.Skurðhornið, sem ákvarðar skerpu nálarinnar, hefur einnig áhrif á losun, nær hámarki við um 50° og gefur góða frammistöðu við um það bil 10°, sem er almennt notað fyrir nálar í atvinnuskyni..Niðurstöður hermismuna verða notaðar til að leiðbeina innleiðingu og hagræðingu á nálargreiningarvettvangi spítalans, samþætta greiningar- og meðferðarómskoðun við aðrar lækningalausnir í tækinu og gera sér grein fyrir samverkandi nákvæmni lyfjainngripum.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. og Kopp MV Hvað er nákvæmnislækning?Eur, erlent.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS og Varmus, H. Ný frumkvæði í nákvæmnislækningum.N. Eng.J. Læknisfræði.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK og Wang, MD.Lífeðlisfræðileg myndgreiningarupplýsingafræði á tímum nákvæmnislækninga: afrek, áskoranir og tækifæri.Sulta.lyf.Tilkynna.Aðstoðar prófessor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Nákvæmni krabbameinslækningar: endurskoðun.J. Klínísk.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., og Salem, A. Umbætur á glioblastoma (GBM) meðferð með því að nota nanóagna-undirstaða afhendingarkerfi.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G og von Daimling A. Glioblastoma: meinafræði, sameindakerfi og merki.Acta taugasjúkdómafræði.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM og Berger, MS Núverandi og framtíðaraðferðir til meðferðar á glioma.taugaskurðlækningar.Ed.40, 1–14 (2017).


Birtingartími: 16. maí 2023
  • wechat
  • wechat