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Recientemente se ha demostrado que el uso de ultrasonido puede mejorar el rendimiento del tejido en la biopsia por aspiración con aguja fina mejorada por ultrasonido (USeFNAB) en comparación con la biopsia por aspiración con aguja fina (PAAF) convencional.Aún no se ha investigado la relación entre la geometría del bisel y la acción de la punta de la aguja.En este estudio, investigamos las propiedades de la resonancia de la aguja y la amplitud de deflexión para varias geometrías de bisel de aguja con diferentes longitudes de bisel.Utilizando una lanceta convencional con un corte de 3,9 mm, el factor de potencia de desviación de la punta (DPR) fue de 220 y 105 µm/W en aire y agua, respectivamente.Esto es más alto que la punta biselada axisimétrica de 4 mm, que logró un DPR de 180 y 80 µm/W en aire y agua, respectivamente.Este estudio destaca la importancia de la relación entre la rigidez a la flexión de la geometría del bisel en el contexto de diferentes ayudas de inserción y, por lo tanto, puede proporcionar información sobre los métodos para controlar la acción de corte después de la punción cambiando la geometría del bisel de la aguja, lo cual es importante para USeFNAB.La aplicación importa.
La biopsia por aspiración con aguja fina (PAAF) es una técnica en la que se utiliza una aguja para obtener una muestra de tejido cuando se sospecha una anomalía1,2,3.Se ha demostrado que las puntas tipo Franseen proporcionan un mayor rendimiento de diagnóstico que las puntas tradicionales Lancet4 y Menghini5.También se han propuesto biseles axisimétricos (es decir, circunferenciales) para aumentar la probabilidad de obtener una muestra adecuada para histopatología6.
Durante una biopsia, se pasa una aguja a través de capas de piel y tejido para revelar una patología sospechosa.Estudios recientes han demostrado que la activación ultrasónica puede reducir la fuerza de punción necesaria para acceder a los tejidos blandos7,8,9,10.Se ha demostrado que la geometría del bisel de la aguja afecta a las fuerzas de interacción de la aguja; por ejemplo, se ha demostrado que los biseles más largos tienen menores fuerzas de penetración en el tejido 11 .Se ha sugerido que después de que la aguja haya penetrado la superficie del tejido, es decir, después de la punción, la fuerza de corte de la aguja puede ser el 75% de la fuerza total de interacción aguja-tejido12.Se ha demostrado que la ecografía (EE.UU.) mejora la calidad de la biopsia diagnóstica de tejidos blandos en la fase pospunción13.Se han desarrollado otros métodos para mejorar la calidad de la biopsia ósea para el muestreo de tejido duro14,15, pero no se han informado resultados que mejoren la calidad de la biopsia.Varios estudios también han encontrado que el desplazamiento mecánico aumenta al aumentar el voltaje del accionamiento del ultrasonido16,17,18.Aunque existen muchos estudios sobre las fuerzas estáticas axiales (longitudinales) en las interacciones aguja-tejido19,20, los estudios sobre la dinámica temporal y la geometría del bisel de la aguja en la PAAF mejorada por ultrasonidos (USeFNAB) son limitados.
El objetivo de este estudio fue investigar el efecto de diferentes geometrías de bisel sobre la acción de la punta de la aguja impulsada por la flexión de la aguja a frecuencias ultrasónicas.En particular, investigamos el efecto del medio de inyección sobre la desviación de la punta de la aguja después de la punción para agujas con biseles convencionales (p. ej., lancetas), geometrías de bisel único asimétricas y axisimétricas (Fig. para facilitar el desarrollo de agujas USeFNAB para diversos fines, como la succión selectiva). acceso o núcleos de tejidos blandos.
En este estudio se incluyeron varias geometrías de bisel.(a) Lancetas que cumplen con ISO 7864:201636 donde \(\alpha\) es el ángulo de bisel primario, \(\theta\) es el ángulo de rotación del bisel secundario y \(\phi\) es el ángulo de rotación del bisel secundario en grados , en grados (\(^\circ\)).(b) chaflanes lineales asimétricos de un solo paso (llamados “estándar” en DIN 13097:201937) y (c) chaflanes lineales axisimétricos (circunferenciales) de un solo paso.
Nuestro enfoque consiste en modelar primero el cambio en la longitud de onda de flexión a lo largo de la pendiente para geometrías de pendiente de una sola etapa, simétricas con eje y asimétricas, de lanceta convencionales.Luego calculamos un estudio paramétrico para examinar el efecto del ángulo del bisel y la longitud del tubo en la movilidad del mecanismo de transporte.Esto se hace para determinar la longitud óptima para fabricar un prototipo de aguja.A partir de la simulación se realizaron prototipos de agujas y se caracterizó experimentalmente su comportamiento resonante en aire, agua y gelatina balística al 10% (p/v), midiendo el coeficiente de reflexión de voltaje y calculando la eficiencia de transferencia de potencia, a partir de la cual se obtuvo la frecuencia de operación. determinado..Finalmente, las imágenes de alta velocidad se utilizan para medir directamente la deflexión de la onda de flexión en la punta de la aguja en el aire y el agua, y para estimar la potencia eléctrica transmitida por cada inclinación y la geometría del factor de potencia de deflexión (DPR) de la inyección. medio.
Como se muestra en la Figura 2a, utilice tubería n.º 21 (0,80 mm de diámetro exterior, 0,49 mm de diámetro interior, espesor de pared de tubería de 0,155 mm, pared estándar como se especifica en ISO 9626:201621) hecha de acero inoxidable 316 (módulo de Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densidad 8070 kg/m\(^{3}\), índice de Poisson 0,275).
Determinación de la longitud de onda de flexión y sintonización del modelo de elementos finitos (FEM) de la aguja y condiciones de contorno.(a) Determinación de la longitud del bisel (BL) y la longitud de la tubería (TL).(b) Modelo de elementos finitos (FEM) tridimensional (3D) que utiliza la fuerza puntual armónica \(\tilde{F}_y\vec{j}\) para excitar la aguja en el extremo proximal, desviar la punta y medir la velocidad. por propina (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) para calcular la movilidad mecanicista del transporte.\(\lambda _y\) se define como la longitud de onda de flexión asociada con la fuerza vertical \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determine el centro de gravedad, el área de la sección transversal A y los momentos de inercia \(I_{xx}\) y \(I_{yy}\) alrededor de los ejes x e y, respectivamente.
Como se muestra en la fig.2b,c, para un haz infinito (infinito) con área de sección transversal A y con una longitud de onda grande en comparación con el tamaño de la sección transversal del haz, la velocidad de fase de flexión (o flexión) \(c_{EI}\ ) se define como 22:
donde E es el módulo de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) es la frecuencia angular de excitación (rad/s), donde \( f_0 \ ) es la frecuencia lineal (1/s o Hz), I es el momento de inercia del área alrededor del eje de interés \((\text {m}^{4})\) y \(m'=\ rho _0 A \) es la masa en unidad de longitud (kg/m), donde \(\rho _0\) es la densidad \((\text {kg/m}^{3})\) y A es la cruz -área de sección de la viga (plano xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Dado que en nuestro caso la fuerza aplicada es paralela al eje y vertical, es decir \(\tilde{F}_y\vec {j}\), solo nos interesa el momento de inercia del área alrededor del eje x horizontal. eje, es decir \(I_{xx} \), Por eso:
Para el modelo de elementos finitos (FEM), se supone un desplazamiento armónico puro (m), por lo que la aceleración (\(\text {m/s}^{2}\)) se expresa como \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parcial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), por ejemplo \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) es un vector de desplazamiento tridimensional definido en coordenadas espaciales.Reemplazando esta última con la forma lagrangiana finitamente deformable de la ley de equilibrio de momento23, según su implementación en el paquete de software COMSOL Multiphysics (versiones 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, EE. UU.), se obtiene:
Donde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) es el operador de divergencia del tensor, y \({\underline{\sigma}}\) es el segundo tensor de tensión de Piola-Kirchhoff (segundo orden, \(\ text { N /m}^{2}\)), y \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) es el vector de la fuerza del cuerpo (\(\text {N/m}^{3}\)) de cada volumen deformable, y \(e^{j\phi }\) es la fase del fuerza del cuerpo, tiene un ángulo de fase \(\ phi\) (rad).En nuestro caso, la fuerza de volumen del cuerpo es cero, y nuestro modelo asume linealidad geométrica y pequeñas deformaciones puramente elásticas, es decir \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), donde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) y \({\underline{ \varepsilon}}\) – deformación elástica y deformación total (adimensional de segundo orden), respectivamente.El tensor de elasticidad isotrópico constitutivo de Hooke \(\underline {\underline {C))\) se obtiene utilizando el módulo de Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) y se define la relación de Poisson v, de modo que \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (cuarto orden).Entonces el cálculo del estrés se convierte en \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Los cálculos se realizaron con elementos tetraédricos de 10 nodos con un tamaño de elemento \(\le\) de 8 µm.La aguja se modela en el vacío y el valor de transferencia de movilidad mecánica (ms-1 H-1) se define como \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, donde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) es la velocidad compleja de salida de la pieza de mano, y \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) es una fuerza impulsora compleja ubicada en el extremo proximal del tubo, como se muestra en la Fig. 2b.La movilidad mecánica transmisiva se expresa en decibelios (dB) utilizando el valor máximo como referencia, es decir \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Todos los estudios FEM se llevaron a cabo a una frecuencia de 29,75 kHz.
El diseño de la aguja (Fig. 3) consiste en una aguja hipodérmica convencional de calibre 21 (número de catálogo: 4665643, Sterican\(^\circledR\), con un diámetro exterior de 0,8 mm, una longitud de 120 mm, fabricada en AISI. acero inoxidable al cromo-níquel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Alemania) colocaron una funda de plástico Luer Lock hecha de polipropileno proximal con una modificación de punta correspondiente.El tubo de la aguja está soldado a la guía de ondas como se muestra en la Fig. 3b.La guía de ondas se imprimió en una impresora 3D de acero inoxidable (EOS Stainless Steel 316L en una impresora 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) y luego se fijó al sensor Langevin mediante pernos M4.El transductor Langevin consta de 8 elementos anulares piezoeléctricos con dos pesas en cada extremo.
Los cuatro tipos de puntas (en la foto), una lanceta disponible comercialmente (L) y tres biseles de una sola etapa con simetría axial (AX1–3) se caracterizaron por longitudes de bisel (BL) de 4, 1,2 y 0,5 mm, respectivamente.(a) Primer plano de la punta de la aguja terminada.(b) Vista superior de cuatro pines soldados a una guía de ondas impresa en 3D y luego conectados al sensor Langevin con pernos M4.
Se fabricaron tres puntas de bisel simétricas axialmente (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) con longitudes de bisel (BL, determinadas en la Fig. 2a) de 4,0, 1,2 y 0,5 mm, correspondientes a \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) y 18\(^\circ\).Los pesos de la guía de ondas y del lápiz óptico son 3,4 ± 0,017 g (media ± SD, n = 4) para el bisel L y AX1–3, respectivamente (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Alemania).La longitud total desde la punta de la aguja hasta el final de la funda de plástico es 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm para el bisel L y AX1-3 en la Figura 3b, respectivamente.
Para todas las configuraciones de aguja, la longitud desde la punta de la aguja hasta la punta de la guía de ondas (es decir, el área de soldadura) es de 4,3 cm, y el tubo de la aguja está orientado de modo que el bisel quede hacia arriba (es decir, paralelo al eje Y). ).), como en (Fig. 2).
Se utilizó un script personalizado en MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, EE. UU.) que se ejecuta en una computadora (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, EE. UU.) para generar un barrido sinusoidal lineal de 25 a 35 kHz en 7 segundos. convertida a una señal analógica mediante un convertidor de digital a analógico (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, EE. UU.).Luego, la señal analógica \(V_0\) (0,5 Vp-p) se amplificó con un amplificador de radiofrecuencia (RF) dedicado (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).El voltaje de amplificación descendente \({V_I}\) sale del amplificador de RF con una impedancia de salida de 50 \(\Omega\) a un transformador integrado en la estructura de la aguja con una impedancia de entrada de 50 \(\Omega\) Los transductores Langevin (transductores piezoeléctricos multicapa delanteros y traseros, cargados de masa) se utilizan para generar ondas mecánicas.El amplificador de RF personalizado está equipado con un medidor de factor de potencia de onda estacionaria (SWR) de doble canal que puede detectar \({V_I}\) incidente y voltaje amplificado reflejado \(V_R\) a través de un voltaje analógico a digital (AD) de 300 kHz. ) convertidor (Analog Discovery 2).La señal de excitación se modula en amplitud al principio y al final para evitar sobrecargar la entrada del amplificador con transitorios.
Utilizando un script personalizado implementado en MATLAB, la función de respuesta de frecuencia (AFC), es decir, supone un sistema estacionario lineal.Además, aplique un filtro de paso de banda de 20 a 40 kHz para eliminar cualquier frecuencia no deseada de la señal.Refiriéndose a la teoría de la línea de transmisión, \(\tilde{H}(f)\) en este caso es equivalente al coeficiente de reflexión de voltaje, es decir, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Dado que la impedancia de salida del amplificador \(Z_0\) corresponde a la impedancia de entrada del transformador incorporado del convertidor, y el coeficiente de reflexión de la energía eléctrica \({P_R}/{P_I}\) se reduce a \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), entonces es \(|\rho _{V}|^2\).En el caso de que se requiera el valor absoluto de la potencia eléctrica, calcule la potencia \(P_I\) incidente y \(P_R\) reflejada (W) tomando el valor cuadrático medio (rms) del voltaje correspondiente, por ejemplo, para una línea de transmisión con excitación sinusoidal, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, donde \(Z_0\) es igual a 50 \(\Omega\).La potencia eléctrica entregada a la carga \(P_T\) (es decir, el medio insertado) se puede calcular como \(|P_I – P_R |\) (W RMS) y la eficiencia de transferencia de energía (PTE) se puede definir y expresar como porcentaje (%) da así 27:
Luego, la respuesta de frecuencia se utiliza para estimar las frecuencias modales \(f_{1-3}\) (kHz) del diseño del lápiz y la correspondiente eficiencia de transferencia de energía, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) se estima directamente a partir de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), de la Tabla 1 frecuencias \(f_{1-3}\) descritas en .
Un método para medir la respuesta de frecuencia (AFC) de una estructura acicular.La medición sinusoidal de barrido de doble canal25,38 se utiliza para obtener la función de respuesta de frecuencia \(\tilde{H}(f)\) y su respuesta de impulso H(t).\({\mathcal {F}}\) y \({\mathcal {F}}^{-1}\) denotan la transformada numérica truncada de Fourier y la operación de transformación inversa, respectivamente.\(\tilde{G}(f)\) significa que las dos señales se multiplican en el dominio de la frecuencia, por ejemplo, \(\tilde{G}_{XrX}\) significa exploración inversa\(\tilde{X} r( f )\) y señal de caída de voltaje \(\tilde{X}(f)\).
Como se muestra en la fig.5, cámara de alta velocidad (Phantom V1612, Vision Research Inc., Nueva Jersey, EE. UU.) equipada con una lente macro (MP-E 65 mm, \(f)/2,8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokio, Japón) se utilizaron para registrar la desviación de la punta de una aguja sometida a excitación por flexión (frecuencia única, sinusoide continua) a una frecuencia de 27,5 a 30 kHz.Para crear un mapa de sombras, se colocó un elemento enfriado de un LED blanco de alta intensidad (número de pieza: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Alemania) detrás del bisel de la aguja.
Vista frontal del montaje experimental.La profundidad se mide desde la superficie del medio.La estructura de la aguja se sujeta y se monta sobre una mesa de transferencia motorizada.Utilice una cámara de alta velocidad con una lente de gran aumento (5\(\times\)) para medir la desviación de la punta biselada.Todas las dimensiones estan en milimetros.
Para cada tipo de bisel de aguja, grabamos 300 fotogramas de cámara de alta velocidad de 128 \(\x\) 128 píxeles, cada uno con una resolución espacial de 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), con una resolución temporal de 310.000 fotogramas por segundo.Como se muestra en la Figura 6, cada cuadro (1) se recorta (2) de modo que la punta esté en la última línea (inferior) del cuadro, y luego se calcula el histograma de la imagen (3), de modo que los umbrales de Canny 1 y 2 se pueden determinar.Luego aplique la detección de bordes Canny28(4) usando el operador Sobel 3 \(\times\) 3 y calcule la posición del píxel de la hipotenusa no cavitacional (etiquetada \(\mathbf {\times }\)) para todos los pasos de 300 veces .Para determinar el alcance de la deflexión al final, se calcula la derivada (usando el algoritmo de diferencia central) (6) y se identifica el marco que contiene los extremos locales (es decir, el pico) de la deflexión (7).Después de inspeccionar visualmente el borde sin cavitación, se seleccionó un par de marcos (o dos marcos separados por medio período de tiempo) (7) y se midió la deflexión de la punta (etiquetada \(\mathbf {\times} \ ). Se implementó lo anterior. en Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) usando el algoritmo de detección de bordes OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca de visión por computadora de código abierto, opencv.org energía eléctrica \ (P_T \) (W, rms). .
La desviación de la punta se midió utilizando una serie de fotogramas tomados con una cámara de alta velocidad a 310 kHz utilizando un algoritmo de 7 pasos (1-7) que incluye encuadre (1-2), detección de bordes Canny (3-4), ubicación de bordes de píxeles. El cálculo (5) y sus derivadas temporales (6) y, finalmente, la deflexión de la punta de pico a pico se midieron en pares de marcos inspeccionados visualmente (7).
Las mediciones se tomaron en aire (22,4-22,9 °C), agua desionizada (20,8-21,5 °C) y gelatina balística al 10 % (p/v) (19,7-23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina de huesos de bovino y de cerdo para análisis balístico tipo I, Honeywell International, Carolina del Norte, EE. UU.).La temperatura se midió con un amplificador de termopar tipo K (AD595, Analog Devices Inc., MA, EE. UU.) y un termopar tipo K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 tipo-K, Fluke Corporation, Washington, EE. UU.).Desde el medio La profundidad se midió desde la superficie (establecida como el origen del eje z) utilizando una platina motorizada vertical del eje z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) con una resolución de 5 µm.por paso.
Dado que el tamaño de la muestra era pequeño (n = 5) y no se podía asumir la normalidad, se utilizó una prueba de suma de rangos de Wilcoxon de dos colas y dos muestras (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) para comparar la cantidad de variación de la punta de la aguja para diferentes biseles.Hubo 3 comparaciones por pendiente, por lo que se aplicó una corrección de Bonferroni con un nivel de significancia ajustado de 0,017 y una tasa de error del 5%.
Pasemos ahora a la Fig.7.A una frecuencia de 29,75 kHz, la media onda de flexión (\(\lambda_y/2\)) de una aguja de calibre 21 es \(\aproximadamente) 8 mm.A medida que uno se acerca a la punta, la longitud de onda de flexión disminuye a lo largo del ángulo oblicuo.En la punta \(\lambda _y/2\) \(\aproximadamente\) hay pasos de 3, 1 y 7 mm para la inclinación habitual lanceolada (a), asimétrica (b) y axisimétrica (c) de una sola aguja. , respectivamente.Así, esto significa que el alcance de la lanceta es \(\aproximadamente) 5 mm (debido a que los dos planos de la lanceta forman un solo punto29,30), el bisel asimétrico es 7 mm, el bisel asimétrico es 1 mm.Pendientes simétricas (el centro de gravedad permanece constante, por lo que sólo el espesor de la pared de la tubería cambia a lo largo de la pendiente).
Estudios FEM y aplicación de ecuaciones a una frecuencia de 29,75 kHz.(1) Al calcular la variación de la media onda de flexión (\(\lambda_y/2\)) para geometrías de bisel de lanceta (a), asimétrica (b) y axisimétrica (c) (como en las Fig. 1a,b,c ).El valor promedio \(\lambda_y/2\) de los biseles de lanceta, asimétrico y axisimétrico fue de 5,65, 5,17 y 7,52 mm, respectivamente.Tenga en cuenta que el grosor de la punta para biseles asimétricos y simétricos está limitado a \(\aprox) 50 µm.
La movilidad máxima \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) es la combinación óptima de longitud del tubo (TL) y longitud del bisel (BL) (Fig. 8, 9).Para una lanceta convencional, dado que su tamaño es fijo, el TL óptimo es aproximadamente 29,1 mm (Fig. 8).Para biseles asimétricos y axisimétricos (Fig. 9a, b, respectivamente), los estudios FEM incluyeron BL de 1 a 7 mm, por lo que los TL óptimos fueron de 26,9 a 28,7 mm (rango 1,8 mm) y de 27,9 a 29,2 mm (rango 1,3 mm), respectivamente.Para la pendiente asimétrica (Fig. 9a), el TL óptimo aumentó linealmente, alcanzó una meseta en BL 4 mm y luego disminuyó bruscamente de BL 5 a 7 mm.Para un bisel axisimétrico (Fig. 9b), el TL óptimo aumentó linealmente al aumentar BL y finalmente se estabilizó en BL de 6 a 7 mm.Un estudio ampliado de la inclinación axisimétrica (Fig. 9c) reveló un conjunto diferente de TL óptimos en \(\approx) 35,1–37,1 mm.Para todos los BL, la distancia entre los dos mejores TL es \(\approx\) 8 mm (equivalente a \(\lambda_y/2\)).
Movilidad de transmisión de lanceta a 29,75 kHz.La aguja se excitó de manera flexible a una frecuencia de 29,75 kHz y la vibración se midió en la punta de la aguja y se expresó como la cantidad de movilidad mecánica transmitida (dB con respecto al valor máximo) para TL 26,5-29,5 mm (en incrementos de 0,1 mm). .
Los estudios paramétricos del FEM a una frecuencia de 29,75 kHz muestran que la movilidad de transferencia de una punta axisimétrica se ve menos afectada por un cambio en la longitud del tubo que su contraparte asimétrica.Estudios de longitud de bisel (BL) y longitud de tubería (TL) de geometrías de bisel asimétricas (a) y axisimétricas (b, c) en el estudio del dominio de frecuencia utilizando FEM (las condiciones de contorno se muestran en la Fig. 2).(a, b) TL osciló entre 26,5 y 29,5 mm (en pasos de 0,1 mm) y BL entre 1 y 7 mm (en pasos de 0,5 mm).(c) Estudios de inclinación axisimétricos extendidos que incluyen TL 25–40 mm (en incrementos de 0,05 mm) y BL 0,1–7 mm (en incrementos de 0,1 mm) que muestran que \(\lambda_y/2\ ) debe cumplir con los requisitos de la punta.condiciones de contorno en movimiento.
La configuración de la aguja tiene tres frecuencias propias \(f_{1-3}\) divididas en regiones de modo bajo, medio y alto como se muestra en la Tabla 1. El tamaño de PTE se registró como se muestra en la fig.10 y luego analizados en la Fig. 11. A continuación se muestran los hallazgos para cada área modal:
Amplitudes típicas registradas de eficiencia de transferencia de potencia instantánea (PTE) obtenidas con excitación sinusoidal de frecuencia de barrido para una lanceta (L) y un bisel axisimétrico AX1-3 en aire, agua y gelatina a una profundidad de 20 mm.Se muestran espectros unilaterales.La respuesta de frecuencia medida (muestreada a 300 kHz) se filtró de paso bajo y luego se redujo en un factor de 200 para el análisis modal.La relación señal-ruido es \(\le\) 45 dB.Las fases de PTE (líneas de puntos de color púrpura) se muestran en grados (\(^{\circ}\)).
El análisis de respuesta modal (media ± desviación estándar, n = 5) que se muestra en la Fig. 10, para las pendientes L y AX1-3, en aire, agua y 10% de gelatina (profundidad 20 mm), con (arriba) tres regiones modales ( baja, media y alta) y sus correspondientes frecuencias modales\(f_{1-3 }\) (kHz), eficiencia energética (media) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculada usando equivalentes .(4) y (abajo) ancho completo a la mitad de las medidas máximas \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respectivamente.Tenga en cuenta que la medición del ancho de banda se omitió cuando se registró un PTE bajo, es decir, \(\text {FWHM}_{1}\) en el caso de la pendiente AX2.Se encontró que el modo \(f_2\) era el más adecuado para comparar las deflexiones de pendientes, ya que mostró el nivel más alto de eficiencia de transferencia de potencia (\(\text {PTE}_{2}\)), hasta 99%.
Primera región modal: \(f_1\) no depende mucho del tipo de medio insertado, pero sí de la geometría de la pendiente.\(f_1\) disminuye al disminuir la longitud del bisel (27,1, 26,2 y 25,9 kHz en el aire para AX1-3, respectivamente).Los promedios regionales \(\text {PTE}_{1}\) y \(\text {FWHM}_{1}\) son \(\approx\) 81% y 230 Hz respectivamente.\(\text {FWHM}_{1}\) tiene el mayor contenido de gelatina en The Lancet (L, 473 Hz).Tenga en cuenta que \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 en gelatina no se pudo evaluar debido a la baja amplitud de FRF registrada.
La segunda región modal: \(f_2\) depende del tipo de medio insertado y del bisel.Los valores medios \(f_2\) son 29,1, 27,9 y 28,5 kHz en aire, agua y gelatina, respectivamente.Esta región modal también mostró un PTE alto del 99 %, el más alto de cualquier grupo medido, con un promedio regional del 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) tiene un promedio regional de \(\aproximadamente\) 910 Hz.
Región del tercer modo: la frecuencia \(f_3\) depende del tipo de medio y del bisel.Los valores promedio de \(f_3\) son 32,0, 31,0 y 31,3 kHz en aire, agua y gelatina, respectivamente.El promedio regional \(\text {PTE}_{3}\) fue \(\aproximadamente\) 74%, el más bajo de cualquier región.El promedio regional \(\text {FWHM}_{3}\) es \(\aproximadamente\) 1085 Hz, que es más alto que el de la primera y segunda región.
       Lo siguiente se refiere a la Fig.12 y Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con alta significación para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto (hasta 220 µm/ W en el aire). 12 y Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con alta significación para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto (hasta 220 µm/ W en el aire). Следующее относится к рисунку 12 and таблице 2. Lancét (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью для наконечнико в, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Lo siguiente se aplica a la Figura 12 y la Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con un alto significado para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto.(hacer 220 μm/W en aire).Smt.Figura 12 y Tabla 2 a continuación.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) tiene la deflexión más alta en aire y agua (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017) (图12a), y logró el DPR más alto (hasta 220 µm/W en aire). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). La lanceta (L) se desvió más (alta importancia para todas las puntas, \(p<\) 0,017) en aire y agua (Fig. 12a), alcanzando el DPR más alto (hasta 220 µm/W en aire). En el aire, AX1, que tenía un BL más alto, se desvió más que AX2–3 (con significancia, \(p<\) 0,017), mientras que AX3 (que tenía un BL más bajo) se desvió más que AX2 con un DPR de 190 µm/W. En el aire, AX1, que tenía un BL más alto, se desvió más que AX2–3 (con significancia, \(p<\) 0,017), mientras que AX3 (que tenía un BL más bajo) se desvió más que AX2 con un DPR de 190 µm/W. En el caso de AX1 con todos los demás BL, se incluye el AX2–3 (con un valor \(p<\) 0,017), junto con el AX3 (con el mismo número de BL) больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. En el aire, AX1 con mayor BL se desvió más que AX2–3 (con significancia \(p<\) 0.017), mientras que AX3 (con menor BL) se desvió más que AX2 con 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 。 En el aire, la deflexión de AX1 con mayor BL es mayor que la de AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0.017), y la deflexión de AX3 (con menor BL) es mayor que la de AX2, DPR es 190 µm/W. En el AX1 con el mayor número de BL, también se incluye el AX2-3 (con el mismo valor, \(p<\) 0,017), y también el AX3 (con el mismo número de BL) ольше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. En el aire, AX1 con BL más alto se desvía más que AX2-3 (significativo, \(p<\) 0.017), mientras que AX3 (con BL más bajo) se desvía más que AX2 con DPR 190 μm/W.A 20 mm de agua, la deflexión y el PTE AX1–3 no fueron significativamente diferentes (\(p>\) 0,017).Los niveles de PTE en el agua (90,2–98,4%) fueron generalmente más altos que en el aire (56–77,5%) (Fig. 12c), y el fenómeno de cavitación se observó durante el experimento en agua (Fig. 13, ver también información adicional). información).
La cantidad de deflexión de la punta (media ± SD, n = 5) medida para el bisel L y AX1-3 en aire y agua (profundidad 20 mm) muestra el efecto del cambio de la geometría del bisel.Las mediciones se obtuvieron utilizando excitación sinusoidal continua de frecuencia única.(a) Desviación de pico a pico (\(u_y\vec {j}\)) en la punta, medida en (b) sus respectivas frecuencias modales \(f_2\).(c) Eficiencia de transferencia de energía (PTE, RMS,%) de la ecuación.(4) y (d) Factor de potencia de deflexión (DPR, µm/W) calculado como desviación pico a pico y potencia eléctrica transmitida \(P_T\) (Wrms).
Un gráfico de sombra típico de una cámara de alta velocidad que muestra la desviación de pico a pico (líneas de puntos verdes y rojas) de una lanceta (L) y una punta axisimétrica (AX1–3) en agua (20 mm de profundidad) durante medio ciclo.ciclo, a la frecuencia de excitación \(f_2\) (frecuencia de muestreo 310 kHz).La imagen capturada en escala de grises tiene un tamaño de 128×128 píxeles y un tamaño de píxel de \(\approx\) 5 µm.El vídeo se puede encontrar en información adicional.
Por lo tanto, modelamos el cambio en la longitud de onda de flexión (Fig. 7) y calculamos la movilidad mecánica transferible para combinaciones de longitud de tubería y chaflán (Fig. 8, 9) para chaflanes de lanceta, asimétricos y axisimétricos convencionales de formas geométricas.Con base en esto último, estimamos la distancia óptima de 43 mm (o \(\aproximadamente) 2,75\(\lambda _y\) a 29,75 kHz) desde la punta hasta la soldadura, como se muestra en la Fig. 5, y hicimos tres ejes simétricos. biseles con diferentes longitudes de bisel.Luego caracterizamos su comportamiento de frecuencia en aire, agua y gelatina balística al 10% (p/v) en comparación con lancetas convencionales (Figuras 10, 11) y determinamos el modo más adecuado para comparar la deflexión del bisel.Finalmente, medimos la deflexión de la punta al doblar una onda en aire y agua a una profundidad de 20 mm y cuantificamos la eficiencia de transferencia de energía (PTE, %) y el factor de potencia de deflexión (DPR, µm/W) del medio de inserción para cada bisel.tipo angular (Fig. 12).
Se ha demostrado que la geometría del bisel de la aguja afecta la cantidad de desviación de la punta de la aguja.La lanceta logró la deflexión más alta y el DPR más alto en comparación con el bisel simétrico axial con una deflexión promedio más baja (Fig. 12).El bisel axisimétrico de 4 mm (AX1) con el bisel más largo logró una deflexión máxima estadísticamente significativa en el aire en comparación con las otras agujas axisimétricas (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tabla 2), pero no hubo diferencia significativa .observado cuando la aguja se coloca en agua.Por lo tanto, no existe ninguna ventaja obvia en tener una longitud de bisel más larga en términos de deflexión máxima en la punta.Teniendo esto en cuenta, parece que la geometría del bisel estudiada en este estudio tiene un mayor efecto sobre la deflexión que la longitud del bisel.Esto puede deberse a la rigidez a la flexión, dependiendo por ejemplo del espesor total del material que se está doblando y del diseño de la aguja.
En estudios experimentales, la magnitud de la onda de flexión reflejada se ve afectada por las condiciones de contorno de la punta.Cuando la punta de la aguja se inserta en agua y gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) es \(\aproximadamente\) 95 %, y \(\text {PTE}_{ 2}\) es \ (\text {PTE}_{ 2}\) los valores son 73% y 77% para (\text {PTE}_{1}\) y \(\text {PTE}_{3}\), respectivamente (Fig. 11).Esto indica que la transferencia máxima de energía acústica al medio de fundición, es decir, agua o gelatina, se produce en \(f_2\).Se observó un comportamiento similar en un estudio previo31 utilizando una configuración de dispositivo más simple en el rango de frecuencia de 41-43 kHz, en el que los autores mostraron la dependencia del coeficiente de reflexión de voltaje del módulo mecánico del medio de inclusión.La profundidad de penetración32 y las propiedades mecánicas del tejido proporcionan una carga mecánica sobre la aguja y, por lo tanto, se espera que influyan en el comportamiento resonante del UZEFNAB.Por tanto, se pueden utilizar algoritmos de seguimiento de resonancia (por ejemplo, 17, 18, 33) para optimizar la potencia acústica suministrada a través de la aguja.
La simulación en longitudes de onda de flexión (Fig. 7) muestra que la punta axisimétrica es estructuralmente más rígida (es decir, más rígida en flexión) que la lanceta y el bisel asimétrico.Con base en (1) y utilizando la relación velocidad-frecuencia conocida, estimamos la rigidez a la flexión en la punta de la aguja como \(\about\) 200, 20 y 1500 MPa para planos inclinados de lanceta, asimétricos y axiales, respectivamente.Esto corresponde a \(\lambda_y\) de \(\aproximadamente\) 5,3, 1,7 y 14,2 mm, respectivamente, a 29,75 kHz (Fig. 7a-c).Teniendo en cuenta la seguridad clínica durante la USeFNAB, se debe evaluar el efecto de la geometría sobre la rigidez estructural del plano inclinado34.
Un estudio de los parámetros del bisel en relación con la longitud del tubo (Fig. 9) mostró que el rango de transmisión óptimo era mayor para el bisel asimétrico (1,8 mm) que para el bisel axisimétrico (1,3 mm).Además, la movilidad es estable en \(\aproximadamente) de 4 a 4,5 mm y de 6 a 7 mm para inclinaciones asimétricas y axisimétricas, respectivamente (Fig. 9a, b).La importancia práctica de este descubrimiento se expresa en las tolerancias de fabricación; por ejemplo, un rango más bajo de TL óptimo puede significar que se requiere una mayor precisión de longitud.Al mismo tiempo, la meseta de movilidad proporciona una mayor tolerancia para elegir la duración de la caída en una frecuencia determinada sin un impacto significativo en la movilidad.
El estudio incluye las siguientes limitaciones.La medición directa de la desviación de la aguja mediante detección de bordes e imágenes de alta velocidad (Figura 12) significa que estamos limitados a medios ópticamente transparentes como el aire y el agua.También nos gustaría señalar que no utilizamos experimentos para probar la movilidad de transferencia simulada y viceversa, sino que utilizamos estudios FEM para determinar la longitud óptima para la fabricación de la aguja.Con respecto a las limitaciones prácticas, la longitud de la lanceta desde la punta hasta la manga es \(\aproximadamente) 0,4 cm más larga que otras agujas (AX1-3), consulte la fig.3b.Esto puede afectar la respuesta modal del diseño de la aguja.Además, la forma y el volumen de la soldadura al final de un pasador de guía de ondas (ver Figura 3) pueden afectar la impedancia mecánica del diseño del pasador, introduciendo errores en la impedancia mecánica y el comportamiento de flexión.
Finalmente, hemos demostrado que la geometría del bisel experimental afecta la cantidad de deflexión en USeFNAB.Si una desviación mayor tendría un efecto positivo en el efecto de la aguja sobre el tejido, como la eficiencia de corte después de la perforación, entonces se puede recomendar una lanceta convencional en USeFNAB ya que proporciona una desviación máxima manteniendo la rigidez adecuada de la punta estructural..Además, un estudio reciente35 ha demostrado que una mayor desviación de la punta puede mejorar efectos biológicos como la cavitación, lo que puede contribuir al desarrollo de aplicaciones quirúrgicas mínimamente invasivas.Dado que se ha demostrado que aumentar la potencia acústica total aumenta el rendimiento de la biopsia en USeFNAB13, se necesitan más estudios cuantitativos del rendimiento y la calidad de la muestra para evaluar los beneficios clínicos detallados de la geometría de la aguja estudiada.