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Foi recentemente demonstrado que o uso de ultrassom pode melhorar o rendimento do tecido na biópsia aspirativa com agulha fina aprimorada por ultrassom (USeFNAB) em comparação com a biópsia aspirativa com agulha fina convencional (PAAF).A relação entre a geometria do bisel e a ação da ponta da agulha ainda não foi investigada.Neste estudo, investigamos as propriedades da ressonância da agulha e da amplitude de deflexão para várias geometrias de chanfro de agulha com diferentes comprimentos de chanfro.Utilizando uma lanceta convencional com corte de 3,9 mm, o fator de potência de deflexão da ponta (DPR) foi de 220 e 105 µm/W no ar e na água, respectivamente.Isso é maior do que a ponta chanfrada axissimétrica de 4 mm, que atingiu um DPR de 180 e 80 µm/W no ar e na água, respectivamente.Este estudo destaca a importância da relação entre a rigidez à flexão da geometria do bisel no contexto de diferentes auxiliares de inserção e, assim, pode fornecer informações sobre métodos para controlar a ação de corte após a punção, alterando a geometria do bisel da agulha, o que é importante para o USeFNAB.A aplicação é importante.
A biópsia aspirativa com agulha fina (PAAF) é uma técnica na qual uma agulha é usada para obter uma amostra de tecido quando há suspeita de uma anormalidade1,2,3.Demonstrou-se que as pontas do tipo Franseen proporcionam maior desempenho diagnóstico do que as pontas tradicionais Lancet4 e Menghini5.Biséis axissimétricos (isto é, circunferenciais) também foram propostos para aumentar a probabilidade de uma amostra adequada para histopatologia6.
Durante uma biópsia, uma agulha é passada através de camadas de pele e tecido para revelar uma patologia suspeita.Estudos recentes demonstraram que a ativação ultrassônica pode reduzir a força de punção necessária para acessar tecidos moles7,8,9,10.Foi demonstrado que a geometria do bisel da agulha afeta as forças de interação da agulha, por exemplo, foi demonstrado que biséis mais longos têm menores forças de penetração no tecido 11 .Tem sido sugerido que após a agulha ter penetrado na superfície do tecido, ou seja, após a punção, a força de corte da agulha pode ser de 75% da força total de interação agulha-tecido12.Foi demonstrado que a ultrassonografia (US) melhora a qualidade da biópsia diagnóstica de tecidos moles na fase pós-punção13.Outros métodos para melhorar a qualidade da biópsia óssea foram desenvolvidos para amostragem de tecido duro14,15 mas não foram relatados resultados que melhorem a qualidade da biópsia.Vários estudos também descobriram que o deslocamento mecânico aumenta com o aumento da voltagem do ultrassom16,17,18.Embora existam muitos estudos de forças estáticas axiais (longitudinais) nas interações agulha-tecido19,20, os estudos sobre a dinâmica temporal e a geometria do bisel da agulha na PAAF aprimorada por ultrassom (USeFNAB) são limitados.
O objetivo deste estudo foi investigar o efeito de diferentes geometrias de bisel na ação da ponta da agulha acionada pela flexão da agulha em frequências ultrassônicas.Em particular, investigamos o efeito do meio de injeção na deflexão da ponta da agulha após a punção para chanfros de agulha convencionais (por exemplo, lancetas), geometrias de bisel único axissimétrico e assimétrico (Fig. para facilitar o desenvolvimento de agulhas USeFNAB para diversos fins, como sucção seletiva acesso ou núcleos de tecidos moles.
Várias geometrias de chanfro foram incluídas neste estudo.(a) Lancetas em conformidade com a ISO 7864:201636 onde \(\alpha\) é o ângulo de chanfro primário, \(\theta\) é o ângulo de rotação do chanfro secundário e \(\phi\) é o ângulo de rotação do chanfro secundário em graus , em graus (\(^\circ\)).(b) chanfros lineares assimétricos de etapa única (chamados de “padrão” na norma DIN 13097:201937) e (c) chanfros lineares axissimétricos (circunferenciais) de etapa única.
Nossa abordagem é primeiro modelar a mudança no comprimento de onda de flexão ao longo da encosta para geometrias convencionais de lanceta, axissimétrica e assimétrica de inclinação de estágio único.Calculamos então um estudo paramétrico para examinar o efeito do ângulo de bisel e do comprimento do tubo na mobilidade do mecanismo de transporte.Isso é feito para determinar o comprimento ideal para fazer um protótipo de agulha.Com base na simulação, foram confeccionados protótipos de agulhas e seu comportamento ressonante em ar, água e gelatina balística a 10% (p/v) foi caracterizado experimentalmente medindo o coeficiente de reflexão de tensão e calculando a eficiência de transferência de potência, a partir da qual foi calculada a frequência de operação. determinado..Finalmente, a imagem de alta velocidade é usada para medir diretamente a deflexão da onda de curvatura na ponta da agulha no ar e na água e para estimar a potência elétrica transmitida por cada inclinação e a geometria do fator de potência de deflexão (DPR) do injetado. médio.
Conforme mostrado na Figura 2a, use tubo nº 21 (0,80 mm de diâmetro externo, 0,49 mm de diâmetro interno, 0,155 mm de espessura da parede do tubo, parede padrão conforme especificado na ISO 9626:201621) feito de aço inoxidável 316 (módulo de Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densidade 8070 kg/m\(^{3}\), razão de Poisson 0,275).
Determinação do comprimento de onda de flexão e ajuste do modelo de elementos finitos (FEM) da agulha e condições de contorno.(a) Determinação do comprimento do chanfro (BL) e comprimento do tubo (TL).(b) Modelo tridimensional (3D) de elementos finitos (FEM) usando força pontual harmônica \(\tilde{F}_y\vec{j}\) para excitar a agulha na extremidade proximal, desviar a ponta e medir a velocidade por ponta (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) para calcular a mobilidade mecanística do transporte.\(\lambda _y\) é definido como o comprimento de onda de flexão associado à força vertical \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determine o centro de gravidade, a área da seção transversal A e os momentos de inércia \(I_{xx}\) e \(I_{yy}\) em torno dos eixos xey, respectivamente.
Como mostrado na fig.2b,c, para um feixe infinito (infinito) com área de seção transversal A e em um comprimento de onda grande comparado ao tamanho da seção transversal do feixe, a velocidade da fase de flexão (ou flexão) \(c_{EI}\ ) é definido como 22:
onde E é o módulo de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) é a frequência angular de excitação (rad/s), onde \( f_0 \ ) é a frequência linear (1/s ou Hz), I é o momento de inércia da área em torno do eixo de interesse \((\text {m}^{4})\) e \(m'=\ rho _0 A \) é a massa na unidade de comprimento (kg/m), onde \(\rho _0\) é a densidade \((\text {kg/m}^{3})\) e A é a cruz -área da seção da viga (plano xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Como no nosso caso a força aplicada é paralela ao eixo vertical y, ou seja, \(\tilde{F}_y\vec {j}\), estamos interessados ​​apenas no momento de inércia da área em torno da horizontal x- eixo, ou seja, \(I_{xx} \), é por isso:
Para o modelo de elementos finitos (MEF), um deslocamento harmônico puro (m) é assumido, então a aceleração (\(\text {m/s}^{2}\)) é expressa como \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parcial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), por exemplo \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) é um vetor de deslocamento tridimensional definido em coordenadas espaciais.Substituindo esta última pela forma Lagrangiana finitamente deformável da lei de equilíbrio de momento23, de acordo com sua implementação no pacote de software COMSOL Multiphysics (versões 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, EUA), obtém-se:
Onde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) é o operador de divergência do tensor, e \({\underline{\sigma}}\) é o segundo tensor de tensão de Piola-Kirchhoff (segunda ordem, \(\ text { N /m}^{2}\)), e \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) é o vetor da força do corpo (\(\text {N/m}^{3}\)) de cada volume deformável, e \(e^{j\phi }\) é a fase do força corporal, tem um ângulo de fase \(\ phi\) (rad).No nosso caso, a força volumétrica do corpo é zero, e nosso modelo assume linearidade geométrica e pequenas deformações puramente elásticas, ou seja, \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), onde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) e \({\underline{ \varepsilon}}\) – deformação elástica e deformação total (adimensional de segunda ordem), respectivamente.O tensor de elasticidade isotrópica constitutiva de Hooke \(\underline {\underline {C))\) é obtido usando o módulo de Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) e a razão de Poisson v é definida, de modo que \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quarta ordem).Portanto, o cálculo da tensão torna-se \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Os cálculos foram realizados com elementos tetraédricos de 10 nós com tamanho de elemento \(\le\) 8 µm.A agulha é modelada no vácuo, e o valor de transferência de mobilidade mecânica (ms-1 H-1) é definido como \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, onde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) é a velocidade complexa de saída da peça de mão, e \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) é uma força motriz complexa localizada na extremidade proximal do tubo, como mostrado na Fig.A mobilidade mecânica transmissiva é expressa em decibéis (dB) usando o valor máximo como referência, ou seja, \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Todos os estudos FEM foram realizados na frequência de 29,75 kHz.
O desenho da agulha (Fig. 3) consiste em uma agulha hipodérmica convencional de calibre 21 (número de catálogo: 4665643, Sterican\(^\circledR\), com diâmetro externo de 0,8 mm, comprimento de 120 mm, confeccionada em AISI aço inoxidável cromo-níquel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Alemanha) colocou uma luva plástica Luer Lock feita de polipropileno proximal com uma modificação de ponta correspondente.O tubo da agulha é soldado ao guia de ondas conforme mostrado na Fig.O guia de ondas foi impresso em uma impressora 3D de aço inoxidável (EOS Stainless Steel 316L em uma impressora 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlândia) e depois anexado ao sensor Langevin usando parafusos M4.O transdutor Langevin consiste em 8 elementos de anel piezoelétrico com dois pesos em cada extremidade.
Os quatro tipos de pontas (foto), uma lanceta disponível comercialmente (L) e três chanfros axissimétricos de estágio único fabricados (AX1–3) foram caracterizados por comprimentos de chanfro (BL) de 4, 1,2 e 0,5 mm, respectivamente.(a) Close da ponta da agulha acabada.(b) Vista superior de quatro pinos soldados a um guia de ondas impresso em 3D e depois conectados ao sensor Langevin com parafusos M4.
Três pontas de bisel axissimétricas (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) foram fabricadas com comprimentos de bisel (BL, determinados na Fig. 2a) de 4,0, 1,2 e 0,5 mm, correspondendo a \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) e 18\(^\circ\).Os pesos do guia de onda e da caneta são 3,4 ± 0,017 g (média ± DP, n = 4) para chanfro L e AX1–3, respectivamente (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Alemanha).O comprimento total da ponta da agulha até a extremidade da manga plástica é 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm para o bisel L e AX1-3 na Figura 3b, respectivamente.
Para todas as configurações de agulha, o comprimento da ponta da agulha até a ponta do guia de ondas (ou seja, área de solda) é de 4,3 cm, e o tubo da agulha é orientado de modo que o bisel fique voltado para cima (ou seja, paralelo ao eixo Y ).), como na (Fig. 2).
Um script personalizado em MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, EUA) rodando em um computador (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, EUA) foi usado para gerar uma varredura senoidal linear de 25 a 35 kHz em 7 segundos, convertido para um sinal analógico por um conversor digital para analógico (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, EUA).O sinal analógico \(V_0\) (0,5 Vp-p) foi então amplificado com um amplificador de radiofrequência (RF) dedicado (Mariachi Oy, Turku, Finlândia).A tensão de amplificação decrescente \({V_I}\) é emitida pelo amplificador de RF com uma impedância de saída de 50 \(\Omega\) para um transformador embutido na estrutura da agulha com uma impedância de entrada de 50 \(\Omega)\) Transdutores Langevin (transdutores piezoelétricos multicamadas dianteiros e traseiros, carregados com massa) são usados ​​para gerar ondas mecânicas.O amplificador de RF personalizado é equipado com um medidor de fator de potência de onda estacionária (SWR) de canal duplo que pode detectar incidente \({V_I}\) e tensão amplificada refletida \(V_R\) através de um sinal analógico-digital de 300 kHz (AD ) conversor (Analog Discovery 2).O sinal de excitação é modulado em amplitude no início e no final para evitar sobrecarregar a entrada do amplificador com transientes.
Usando um script personalizado implementado em MATLAB, a função de resposta em frequência (AFC), ou seja, assume um sistema estacionário linear.Além disso, aplique um filtro passa-banda de 20 a 40 kHz para remover quaisquer frequências indesejadas do sinal.Referindo-se à teoria da linha de transmissão, \(\tilde{H}(f)\) neste caso é equivalente ao coeficiente de reflexão de tensão, ou seja, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Como a impedância de saída do amplificador \(Z_0\) corresponde à impedância de entrada do transformador embutido do conversor, e o coeficiente de reflexão de potência elétrica \({P_R}/{P_I}\) é reduzido para \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) é igual a \ (|\rho _{V}|^2\).No caso em que o valor absoluto da potência elétrica é necessário, calcule a potência incidente \(P_I\) e refletida\(P_R\) (W) tomando o valor da raiz quadrada média (rms) da tensão correspondente, por exemplo, para uma linha de transmissão com excitação senoidal, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, onde \(Z_0\) é igual a 50 \(\Omega\).A potência elétrica entregue à carga \(P_T\) (ou seja, o meio inserido) pode ser calculada como \(|P_I – P_R |\) (W RMS) e a eficiência de transferência de potência (PTE) pode ser definida e expressa como porcentagem (%) dá 27:
A resposta de frequência é então usada para estimar as frequências modais \(f_{1-3}\) (kHz) do design da ponta e a eficiência de transferência de potência correspondente, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) é estimado diretamente de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), da Tabela 1 frequências \(f_{1-3}\) descritas em .
Um método para medir a resposta de frequência (AFC) de uma estrutura acicular.A medição senoidal varrida de canal duplo25,38 é usada para obter a função de resposta em frequência \(\tilde{H}(f)\) e sua resposta ao impulso H(t).\({\mathcal {F}}\) e \({\mathcal {F}}^{-1}\) denotam a transformada numérica de Fourier truncada e a operação de transformação inversa, respectivamente.\(\tilde{G}(f)\) significa que os dois sinais são multiplicados no domínio da frequência, por exemplo \(\tilde{G}_{XrX}\) significa varredura inversa\(\tilde{X} r( f )\) e sinal de queda de tensão \(\tilde{X}(f)\).
Como mostrado na fig.5, câmera de alta velocidade (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, EUA) equipada com lente macro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tóquio, Japão) foram usados ​​para registrar a deflexão da ponta de uma agulha submetida à excitação flexural (frequência única, sinusóide contínua) a uma frequência de 27,5 a 30 kHz.Para criar um mapa de sombras, um elemento resfriado de um LED branco de alta intensidade (número de peça: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Alemanha) foi colocado atrás do bisel da agulha.
Vista frontal da configuração experimental.A profundidade é medida a partir da superfície da mídia.A estrutura da agulha é fixada e montada em uma mesa de transferência motorizada.Use uma câmera de alta velocidade com lente de alta ampliação (5\(\vezes\)) para medir a deflexão da ponta chanfrada.Todas as dimensões são em milímetros.
Para cada tipo de bisel de agulha, registramos 300 quadros de câmera de alta velocidade de 128 \(\x\) 128 pixels, cada um com resolução espacial de 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), com resolução temporal de 310.000 quadros por segundo.Conforme mostrado na Figura 6, cada quadro (1) é cortado (2) de modo que a ponta fique na última linha (parte inferior) do quadro, e então o histograma da imagem (3) é calculado, de modo que os limites de Canny 1 e 2 pode ser determinado.Em seguida, aplique a detecção de borda Canny28 (4) usando o operador Sobel 3 \(\times\) 3 e calcule a posição do pixel da hipotenusa não cavitacional (rotulada \(\mathbf {\times }\)) para todas as etapas de 300 vezes .Para determinar o vão da deflexão no final, a derivada é calculada (usando o algoritmo de diferença central) (6) e o quadro contendo os extremos locais (ou seja, pico) da deflexão (7) é identificado.Depois de inspecionar visualmente a borda sem cavitação, um par de quadros (ou dois quadros separados por meio período de tempo) (7) foi selecionado e a deflexão da ponta medida (rotulada \(\mathbf {\times} \ ) O acima foi implementado em Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) usando o algoritmo de detecção de borda OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca de visão computacional de código aberto, opencv.org energia elétrica \ (P_T \) (W, rms)). .
A deflexão da ponta foi medida usando uma série de quadros tirados de uma câmera de alta velocidade a 310 kHz usando um algoritmo de 7 etapas (1-7), incluindo enquadramento (1-2), detecção de borda Canny (3-4), localização de pixel na borda cálculo (5) e suas derivadas de tempo (6) e, finalmente, a deflexão da ponta pico a pico foram medidas em pares de quadros inspecionados visualmente (7).
As medições foram feitas em ar (22,4-22,9°C), água deionizada (20,8-21,5°C) e gelatina balística 10% (p/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina de ossos bovinos e suínos para análise balística tipo I, Honeywell International, Carolina do Norte, EUA).A temperatura foi medida com um amplificador de termopar tipo K (AD595, Analog Devices Inc., MA, EUA) e um termopar tipo K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, EUA).A partir do meio, a profundidade foi medida a partir da superfície (definida como a origem do eixo z) utilizando um estágio motorizado vertical do eixo z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituânia) com uma resolução de 5 µm.por etapa.
Como o tamanho da amostra era pequeno (n = 5) e a normalidade não poderia ser assumida, um teste de soma de postos Wilcoxon bicaudal de duas amostras (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) foi usado para comparar a quantidade de variação da ponta da agulha para diferentes chanfros.Foram realizadas 3 comparações por inclinação, portanto foi aplicada a correção de Bonferroni com nível de significância ajustado de 0,017 e taxa de erro de 5%.
Vamos agora voltar para a Fig.7.A uma frequência de 29,75 kHz, a meia onda de flexão (\(\lambda_y/2\)) de uma agulha de calibre 21 é \(\aproximadamente) 8 mm.À medida que se aproxima da ponta, o comprimento de onda de flexão diminui ao longo do ângulo oblíquo.Na ponta \(\lambda _y/2\) \(\aproximadamente\) existem degraus de 3, 1 e 7 mm para a inclinação usual lanceolada (a), assimétrica (b) e axissimétrica (c) de uma única agulha , respectivamente.Assim, isso significa que o alcance da lanceta é de \(\aproximadamente) 5 mm (devido ao fato dos dois planos da lanceta formarem um único ponto29,30), o bisel assimétrico é de 7 mm, o bisel assimétrico é de 1 milímetros.Inclinações axissimétricas (o centro de gravidade permanece constante, portanto apenas a espessura da parede do tubo muda ao longo da inclinação).
Estudos FEM e aplicação de equações na frequência de 29,75 kHz.(1) Ao calcular a variação da meia onda de flexão (\(\lambda_y/2\)) para geometrias de bisel lanceta (a), assimétrica (b) e axissimétrica (c) (como na Fig. 1a,b,c ).O valor médio \(\lambda_y/2\) dos chanfros lanceta, assimétrico e axissimétrico foi de 5,65, 5,17 e 7,52 mm, respectivamente.Observe que a espessura da ponta para chanfros assimétricos e axissimétricos é limitada a \(\aprox) 50 µm.
A mobilidade de pico \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) é a combinação ideal de comprimento do tubo (TL) e comprimento do chanfro (BL) (Fig. 8, 9).Para uma lanceta convencional, como seu tamanho é fixo, o TL ideal é \(\aproximadamente) 29,1 mm (Fig. 8).Para chanfros assimétricos e axissimétricos (Fig. 9a, b, respectivamente), os estudos FEM incluíram BL de 1 a 7 mm, de modo que os TL ideais foram de 26,9 a 28,7 mm (faixa de 1,8 mm) e de 27,9 a 29,2 mm (faixa 1,3mm), respectivamente.Para a inclinação assimétrica (Fig. 9a), o TL ideal aumentou linearmente, atingiu um platô em BL 4 mm e depois diminuiu drasticamente de BL 5 para 7 mm.Para um bisel axissimétrico (Fig. 9b), o TL ideal aumentou linearmente com o aumento do BL e finalmente estabilizou no BL de 6 a 7 mm.Um estudo extenso de inclinação axissimétrica (Fig. 9c) revelou um conjunto diferente de TLs ideais em \(\approx) 35,1–37,1 mm.Para todos os BLs, a distância entre os dois melhores TLs é \(\approx\) 8mm (equivalente a \(\lambda_y/2\)).
Mobilidade de transmissão da lanceta em 29,75 kHz.A agulha foi excitada de forma flexível a uma frequência de 29,75 kHz e a vibração foi medida na ponta da agulha e expressa como a quantidade de mobilidade mecânica transmitida (dB em relação ao valor máximo) para TL 26,5-29,5 mm (em incrementos de 0,1 mm) .
Estudos paramétricos do FEM na frequência de 29,75 kHz mostram que a mobilidade de transferência de uma ponta axissimétrica é menos afetada por uma mudança no comprimento do tubo do que sua contraparte assimétrica.Estudos de comprimento de chanfro (BL) e comprimento de tubo (TL) de geometrias de chanfro assimétricas (a) e axissimétricas (b, c) no estudo de domínio de frequência usando FEM (as condições de contorno são mostradas na Fig. 2).(a, b) TL variou de 26,5 a 29,5 mm (passo de 0,1 mm) e BL 1–7 mm (passo de 0,5 mm).(c) Estudos de inclinação axissimétrica estendida, incluindo TL 25–40 mm (em incrementos de 0,05 mm) e BL 0,1–7 mm (em incrementos de 0,1 mm) mostrando que \(\lambda_y/2\ ) deve atender aos requisitos da ponta.condições de contorno móveis.
A configuração da agulha possui três frequências próprias \(f_{1-3}\) divididas em regiões de modo baixo, médio e alto, conforme mostrado na Tabela 1. O tamanho do PTE foi registrado conforme mostrado na fig.10 e depois analisados ​​na Fig. 11. Abaixo estão os resultados para cada área modal:
Amplitudes típicas de eficiência de transferência de energia instantânea registrada (PTE) obtidas com excitação senoidal de frequência varrida para uma lanceta (L) e bisel axissimétrico AX1-3 em ar, água e gelatina a uma profundidade de 20 mm.Espectros unilaterais são mostrados.A resposta de frequência medida (amostrada em 300 kHz) foi filtrada passa-baixo e depois reduzida por um fator de 200 para análise modal.A relação sinal-ruído é \(\le\) 45 dB.As fases do PTE (linhas pontilhadas roxas) são mostradas em graus (\(^{\circ}\)).
A análise da resposta modal (média ± desvio padrão, n = 5) mostrada na Fig. 10, para as inclinações L e AX1-3, em ar, água e gelatina a 10% (profundidade 20 mm), com (topo) três regiões modais ( baixa, média e alta) e suas frequências modais correspondentes\(f_{1-3 }\) (kHz), eficiência energética (média) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculada usando equivalentes .(4) e (parte inferior) largura total na metade das medidas máximas \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respectivamente.Observe que a medição da largura de banda foi ignorada quando um PTE baixo foi registrado, ou seja, \(\text {FWHM}_{1}\) no caso de inclinação AX2.O modo \(f_2\) foi considerado o mais adequado para comparar deflexões de taludes, pois apresentou o maior nível de eficiência de transferência de potência (\(\text {PTE}_{2}\)), até 99%.
Primeira região modal: \(f_1\) não depende muito do tipo de meio inserido, mas depende da geometria do talude.\(f_1\) diminui com a diminuição do comprimento do chanfro (27,1, 26,2 e 25,9 kHz no ar para AX1-3, respectivamente).As médias regionais \(\text {PTE}_{1}\) e \(\text {FWHM}_{1}\) são \(\approx\) 81% e 230 Hz respectivamente.\(\text {FWHM}_{1}\) tem o maior teor de gelatina no Lancet (L, 473 Hz).Observe que \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 em gelatina não pôde ser avaliado devido à baixa amplitude de FRF registrada.
A segunda região modal: \(f_2\) depende do tipo de mídia inserida e do chanfro.Os valores médios \(f_2\) são 29,1, 27,9 e 28,5 kHz no ar, água e gelatina, respectivamente.Essa região modal também apresentou um PTE elevado de 99%, o maior de todos os grupos medidos, com média regional de 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) tem uma média regional de \(\aproximadamente\) 910 Hz.
Região do terceiro modo: a frequência \(f_3\) depende do tipo de mídia e do bisel.Os valores médios \(f_3\) são 32,0, 31,0 e 31,3 kHz no ar, água e gelatina, respectivamente.A \(\text {PTE}_{3}\) média regional foi de \(\aproximadamente\) 74%, a mais baixa de qualquer região.A média regional \(\text {FWHM}_{3}\) é \(\aproximadamente\) 1085 Hz, que é maior que a primeira e a segunda regiões.
       O seguinte refere-se à Fig.12 e Tabela 2. A lanceta (L) foi a que mais desviou (com alta significância para todas as pontas, \(p<\) 0,017) tanto no ar quanto na água (Fig. 12a), alcançando o maior DPR (até 220 µm/ W no ar). 12 e Tabela 2. A lanceta (L) foi a que mais desviou (com alta significância para todas as pontas, \(p<\) 0,017) tanto no ar quanto na água (Fig. 12a), alcançando o maior DPR (até 220 µm/ W no ar). Selecione o ponto 12 e a tabela 2. A alavanca (L) abre a maior parte do seu corpo (com o seu valor definido para сех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . O seguinte se aplica à Figura 12 e à Tabela 2. A lanceta (L) foi a que mais desviou (com alta significância para todas as pontas, \(p<\) 0,017) tanto no ar quanto na água (Fig. 12a), alcançando o maior DPR.(faça 220 μm/W no ar).Smt.Figura 12 e Tabela 2 abaixo.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0.017）（图12a），实现最高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) tem a maior deflexão no ar e na água (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), e alcançou o DPR mais alto (até 220 µm/W em ar). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) em воздухе и воде (risos 1. 2a), envio por DPR (até 220 milhões/Vt na entrega). A lanceta (L) foi a que mais desviou (alta significância para todas as pontas, \(p<\) 0,017) no ar e na água (Fig. 12a), atingindo o maior DPR (até 220 µm/W no ar). No ar, AX1 que teve maior BL, desviou mais que AX2–3 (com significância, \(p<\) 0,017), enquanto AX3 (que teve menor BL) desviou mais que AX2 com um DPR de 190 µm/W. No ar, AX1 que teve maior BL, desviou mais que AX2–3 (com significância, \(p<\) 0,017), enquanto AX3 (que teve menor BL) desviou mais que AX2 com um DPR de 190 µm/W. No caso do AX1, você deve usar BL para obter mais informações, como AX2–3 (com valor \(p<\) 0,017), assim como AX3 (com o mesmo valor BL) отклонялся больше, чем AX2 com DPR 190 мкм/Вт. No ar, AX1 com BL mais alto desviou mais que AX2–3 (com significância \(p<\) 0,017), enquanto AX3 (com BL mais baixo) desviou mais que AX2 com DPR 190 μm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0.017），而AX3（具有最低BL）的偏转大于AX2,DPR 为190 µm/W 。 No ar, a deflexão de AX1 com BL mais alto é maior que a de AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0,017), e a deflexão de AX3 (com BL mais baixo) é maior que a de AX2, DPR é 190 µm/W . No seu AX1, você pode usar BL com maior volume, como AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), assim como AX3 (com o mesmo número de BL) отклоняется больше, чем AX2 com DPR 190 мкм/Вт. No ar, AX1 com BL mais alto desvia mais que AX2-3 (significativo, \(p<\) 0,017), enquanto AX3 (com BL mais baixo) desvia mais que AX2 com DPR 190 µm/W.Na água de 20 mm, a deflexão e o PTE AX1–3 não foram significativamente diferentes (\(p>\) 0,017).Os níveis de PTE na água (90,2–98,4%) foram geralmente mais elevados do que no ar (56–77,5%) (Fig. 12c), e o fenômeno da cavitação foi observado durante o experimento na água (Fig. 13, ver também adicional Informação).
A quantidade de deflexão da ponta (média ± DP, n = 5) medida para o chanfro L e AX1-3 no ar e na água (profundidade 20 mm) mostra o efeito da alteração da geometria do chanfro.As medições foram obtidas usando excitação sinusoidal contínua de frequência única.(a) Desvio pico a pico (\(u_y\vec {j}\)) na ponta, medido em (b) suas respectivas frequências modais \(f_2\).(c) Eficiência de transferência de potência (PTE, RMS, %) da equação.(4) e (d) Fator de potência de deflexão (DPR, µm/W) calculado como desvio pico a pico e potência elétrica transmitida \(P_T\) (Wrms).
Um típico gráfico de sombra de câmera de alta velocidade mostrando o desvio pico a pico (linhas pontilhadas verdes e vermelhas) de uma lanceta (L) e ponta axissimétrica (AX1–3) em água (20 mm de profundidade) ao longo de meio ciclo.ciclo, na frequência de excitação \(f_2\) (frequência de amostragem 310 kHz).A imagem capturada em tons de cinza tem um tamanho de 128×128 pixels e um tamanho de pixel de \(\approx\) 5 µm.O vídeo pode ser encontrado em informações adicionais.
Assim, modelamos a mudança no comprimento de onda de flexão (Fig. 7) e calculamos a mobilidade mecânica transferível para combinações de comprimento de tubo e chanfro (Fig. 8, 9) para lancetas convencionais, chanfros assimétricos e axissimétricos de formas geométricas.Com base neste último, estimamos a distância ideal de 43 mm (ou \(\aproximadamente) 2,75\(\lambda _y\) a 29,75 kHz) da ponta à solda, conforme mostrado na Fig. 5, e fizemos três axissimétricos chanfros com diferentes comprimentos de chanfro.Em seguida, caracterizamos seu comportamento de frequência em ar, água e gelatina balística a 10% (p/v) em comparação com lancetas convencionais (Figuras 10, 11) e determinamos o modo mais adequado para comparação de deflexão de bisel.Finalmente, medimos a deflexão da ponta dobrando a onda no ar e na água a uma profundidade de 20 mm e quantificamos a eficiência de transferência de energia (PTE, %) e o fator de potência de deflexão (DPR, µm/W) do meio de inserção para cada chanfro.tipo angular (Fig. 12).
Foi demonstrado que a geometria do bisel da agulha afeta a quantidade de deflexão da ponta da agulha.A lanceta alcançou a maior deflexão e o maior DPR em comparação ao bisel axissimétrico com menor deflexão média (Fig. 12).O bisel axissimétrico de 4 mm (AX1) com o bisel mais longo alcançou uma deflexão máxima estatisticamente significativa no ar em comparação com as outras agulhas axissimétricas (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tabela 2), mas não houve diferença significativa .observado quando a agulha é colocada na água.Assim, não há vantagem óbvia em ter um comprimento de bisel maior em termos de deflexão máxima na ponta.Com isto em mente, verifica-se que a geometria do bisel estudado neste estudo tem maior influência na quantidade de deflexão do que o comprimento do bisel.Isto pode ser devido à rigidez à flexão, por exemplo, dependendo da espessura total do material a ser dobrado e do desenho da agulha.
Em estudos experimentais, a magnitude da onda flexural refletida é afetada pelas condições de contorno da ponta.Quando a ponta da agulha é inserida em água e gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) é \(\aproximadamente\) 95%, e \(\text {PTE}_{ 2}\) é \ (\text {PTE}_{ 2}\) os valores são 73% e 77% para (\text {PTE}_{1}\) e \(\text {PTE}_{3}\), respectivamente (Fig. 11).Isto indica que a transferência máxima de energia acústica para o meio de fundição, ou seja, água ou gelatina, ocorre em \(f_2\).Comportamento semelhante foi observado em estudo anterior31 utilizando uma configuração de dispositivo mais simples na faixa de frequência de 41-43 kHz, no qual os autores mostraram a dependência do coeficiente de reflexão da tensão com o módulo mecânico do meio de incorporação.A profundidade de penetração32 e as propriedades mecânicas do tecido proporcionam uma carga mecânica na agulha e, portanto, espera-se que influenciem o comportamento ressonante da UZEFNAB.Assim, algoritmos de rastreamento de ressonância (por exemplo, 17, 18, 33) podem ser usados ​​para otimizar a potência acústica distribuída através da agulha.
A simulação em comprimentos de onda de flexão (Fig. 7) mostra que a ponta axissimétrica é estruturalmente mais rígida (isto é, mais rígida na flexão) do que a lanceta e o bisel assimétrico.Com base em (1) e usando a relação velocidade-frequência conhecida, estimamos a rigidez à flexão na ponta da agulha como \(\about\) 200, 20 e 1500 MPa para lanceta, planos inclinados assimétricos e axiais, respectivamente.Isso corresponde a \(\lambda_y\) de \(\aproximadamente\) 5,3, 1,7 e 14,2 mm, respectivamente, a 29,75 kHz (Fig. 7a-c).Considerando a segurança clínica durante a USePAAF, o efeito da geometria na rigidez estrutural do plano inclinado deve ser avaliado34.
Um estudo dos parâmetros de bisel relativos ao comprimento do tubo (Fig. 9) mostrou que a faixa de transmissão ideal foi maior para o bisel assimétrico (1,8 mm) do que para o bisel axissimétrico (1,3 mm).Além disso, a mobilidade é estável em (aproximadamente) de 4 a 4,5 mm e de 6 a 7 mm para inclinações assimétricas e axissimétricas, respectivamente (Fig. 9a, b).O significado prático desta descoberta é expresso nas tolerâncias de fabricação, por exemplo, uma faixa mais baixa de TL ideal pode significar que é necessária maior precisão de comprimento.Ao mesmo tempo, o patamar de mobilidade proporciona uma maior tolerância para a escolha da duração do mergulho numa determinada frequência sem um impacto significativo na mobilidade.
O estudo inclui as seguintes limitações.A medição direta da deflexão da agulha usando detecção de bordas e imagens de alta velocidade (Figura 12) significa que estamos limitados a meios opticamente transparentes, como ar e água.Gostaríamos também de salientar que não utilizamos experimentos para testar a mobilidade de transferência simulada e vice-versa, mas utilizamos estudos FEM para determinar o comprimento ideal para fabricação de agulhas.No que diz respeito às limitações práticas, o comprimento da lanceta da ponta à manga é \(\aproximadamente) 0,4 cm mais longo do que outras agulhas (AX1-3), ver fig.3b.Isso pode afetar a resposta modal do desenho da agulha.Além disso, o formato e o volume da solda na extremidade de um pino do guia de onda (ver Figura 3) podem afetar a impedância mecânica do projeto do pino, introduzindo erros na impedância mecânica e no comportamento de flexão.
Finalmente, demonstramos que a geometria experimental do bisel afeta a quantidade de deflexão no USeFNAB.Se uma deflexão maior tiver um efeito positivo no efeito da agulha no tecido, como a eficiência de corte após a perfuração, então uma lanceta convencional pode ser recomendada na USeFNAB, pois proporciona deflexão máxima, mantendo a rigidez adequada da ponta estrutural..Além disso, um estudo recente35 mostrou que uma maior deflexão da ponta pode potencializar efeitos biológicos como a cavitação, o que pode facilitar o desenvolvimento de aplicações cirúrgicas minimamente invasivas.Dado que foi demonstrado que o aumento da potência acústica total aumenta o número de biópsias na USeFNAB13, são necessários mais estudos quantitativos da quantidade e qualidade da amostra para avaliar os benefícios clínicos detalhados da geometria da agulha estudada.