Täname, et külastasite veebilehte Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Liugurid, mis näitavad kolme artiklit slaidi kohta.Kasutage slaidide vahel liikumiseks nuppu Tagasi ja Järgmine või igal slaidil liikumiseks lõpus olevaid slaidijuhtnuppe.
Lähtudes füüsika ja bioteaduste interdistsiplinaarsest kokkupuutepunktist, on täppismeditsiinil põhinevad diagnostika- ja ravistrateegiad viimasel ajal pälvinud märkimisväärset tähelepanu uute insenerimeetodite praktilise rakendatavuse tõttu paljudes meditsiinivaldkondades, eriti onkoloogias.Selle raames äratab kogu maailma teadlaste üha enam tähelepanu ultraheli kasutamine kasvajate vähirakkude ründamiseks, et tekitada võimalikke mehaanilisi kahjustusi erinevas ulatuses.Võttes neid tegureid arvesse, esitame elastodünaamiliste ajastuslahenduste ja numbriliste simulatsioonide põhjal esialgse uuringu ultraheli leviku arvutisimulatsioonist kudedes, et valida kohaliku kiiritamise abil sobivad sagedused ja võimsused.Uus diagnostikaplatvorm labori On-Fiber tehnoloogiale, mida nimetatakse haiglanõelaks ja mis on juba patenteeritud.Usutakse, et analüüsi tulemused ja sellega seotud biofüüsikalised arusaamad võivad sillutada teed uutele integreeritud diagnostilistele ja terapeutilistele lähenemisviisidele, mis võiksid tulevikus füüsika valdkondadest lähtudes mängida keskset rolli täppismeditsiini rakendamisel.Algab kasvav sünergia bioloogia vahel.
Paljude kliiniliste rakenduste optimeerimisega hakkas järk-järgult ilmnema vajadus vähendada kõrvaltoimeid patsientidele.Selleks on täppismeditsiin 1, 2, 3, 4, 5 saanud strateegiliseks eesmärgiks patsientidele tarnitavate ravimite annuse vähendamiseks, järgides sisuliselt kahte peamist lähenemisviisi.Esimene põhineb ravil, mis on kavandatud vastavalt patsiendi genoomsele profiilile.Teise, onkoloogias kuldstandardiks saamas, eesmärk on vältida süsteemseid ravimite manustamise protseduure, üritades vabastada väike kogus ravimit, suurendades samal ajal täpsust kohaliku ravi abil.Lõppeesmärk on kõrvaldada või vähemalt minimeerida paljude ravimeetodite, nagu keemiaravi või radionukliidide süsteemne manustamine, negatiivseid mõjusid.Olenevalt vähi tüübist, asukohast, kiirgusdoosist ja muudest teguritest võib isegi kiiritusravil olla suur risk tervetele kudedele.Glioblastoomi6, 7, 8, 9 ravis eemaldab operatsioon edukalt selle aluseks oleva vähi, kuid isegi metastaaside puudumisel võib esineda palju väikeseid vähkkasvajaid.Kui neid täielikult ei eemaldata, võivad suhteliselt lühikese aja jooksul kasvada uued vähimassid.Selles kontekstis on eelnimetatud täppismeditsiini strateegiaid raske rakendada, kuna neid infiltraate on raske avastada ja levida suurele alale.Need tõkked takistavad lõplike tulemuste saamist täppismeditsiiniga kordumise ärahoidmisel, seetõttu eelistatakse mõnel juhul süsteemseid manustamisviise, kuigi kasutatavatel ravimitel võib olla väga kõrge toksilisuse tase.Selle probleemi lahendamiseks oleks ideaalne raviviis kasutada minimaalselt invasiivseid strateegiaid, mis võivad vähirakke selektiivselt rünnata terveid kudesid mõjutamata.Selle argumendi valguses näib võimaliku lahendusena ultraheli vibratsioonide kasutamine, mis on näidanud, et nii üherakulistes süsteemides kui ka mesoskaalas heterogeensetes klastrites mõjutavad vähi- ja terveid rakke erinevalt.
Mehhanistlikust vaatenurgast on tervetel ja vähirakkudel tegelikult erinevad loomulikud resonantssagedused.Seda omadust seostatakse vähirakkude tsütoskeleti struktuuri mehaaniliste omaduste onkogeensete muutustega 12, 13, samas kui kasvajarakud on keskmiselt rohkem deformeeritavad kui normaalsed rakud.Seega võivad stimulatsiooniks valitud ultraheli sageduse optimaalse valiku korral valitud piirkondades esile kutsutud vibratsioonid kahjustada elavaid vähistruktuure, minimeerides mõju peremeesorganismi tervislikule keskkonnale.Need veel täielikult arusaamatud mõjud võivad hõlmata teatud raku struktuurikomponentide hävimist ultraheliga indutseeritud kõrgsageduslike vibratsioonide tõttu (põhimõtteliselt väga sarnane litotripsiaga14) ja rakukahjustusi mehaanilise väsimusega sarnase nähtuse tõttu, mis omakorda võib muuta raku struktuuri. .programmeerimine ja mehaanobioloogia.Kuigi see teoreetiline lahendus tundub olevat väga sobiv, ei saa seda kahjuks kasutada juhtudel, kus kajatud bioloogilised struktuurid takistavad ultraheli otsest rakendamist, näiteks intrakraniaalsetes rakendustes luu olemasolu tõttu ja osa rinnakasvaja massidest paikneb rasvkoes. pabertaskurätik.Sumbumine võib piirata potentsiaalse ravitoime kohta.Nendest probleemidest ülesaamiseks tuleb ultraheli rakendada kohapeal spetsiaalselt selleks ette nähtud muunduritega, mis jõuavad kiiritatud kohta võimalikult vähem invasiivselt.Seda silmas pidades kaalusime võimalust kasutada ideid, mis on seotud võimalusega luua uudne tehnoloogiline platvorm nimega “nõelhaigla”15."Nõelas haigla" kontseptsioon hõlmab diagnostiliste ja terapeutiliste rakenduste jaoks mõeldud minimaalselt invasiivse meditsiinilise instrumendi väljatöötamist, mis põhineb erinevate funktsioonide kombineerimisel ühes meditsiinilises nõelas.Nagu Haiglanõela osas täpsemalt juttu on, põhineb see kompaktne seade eelkõige 16, 17, 18, 19, 20, 21 fiiberoptiliste sondide eelistel, mis oma omaduste tõttu sobivad sisestamiseks standardsesse 20-sse. meditsiinilised nõelad, 22 luumenit.Kasutades Lab-on-Fiberi (LOF)23 tehnoloogia pakutavat paindlikkust, on kiust tegelikult saamas ainulaadne platvorm miniatuursetele ja kasutusvalmis diagnostika- ja raviseadmetele, sealhulgas vedelikubiopsia- ja koebiopsiaseadmetele.biomolekulaarses tuvastamises 24, 25, valgusjuhitavas lokaalses ravimi kohaletoimetamises 26, 27, ülitäpses lokaalses ultrahelipildis28, termoteraapias 29, 30 ja spektroskoopial põhinev vähikoe tuvastamine31.Selle kontseptsiooni raames uurime "nõel haiglas" seadmel põhinevat lokaliseerimismeetodit kasutades võimalust optimeerida kohalike bioloogiliste struktuuride kohalikku stimulatsiooni, kasutades ultrahelilainete levikut läbi nõelte, et ergutada ultrahelilaineid huvipakkuvas piirkonnas..Seega saab madala intensiivsusega terapeutilist ultraheli rakendada otse riskipiirkonda minimaalse invasiivsusega rakkude ultrahelitöötluse ja pehmete kudede väikeste tahkete moodustiste jaoks, kuna eelmainitud intrakraniaalse operatsiooni puhul tuleb koljusse sisestada väike auk. nõel.Inspireerituna hiljutistest teoreetilistest ja eksperimentaalsetest tulemustest, mis viitavad sellele, et ultraheli võib teatud vähivormide arengut peatada või edasi lükata, 32, 33, 34 võib pakutud lähenemisviis aidata vähemalt põhimõtteliselt lahendada peamisi kompromisse agressiivse ja raviva mõju vahel.Neid kaalutlusi silmas pidades uurime käesolevas artiklis võimalust kasutada haiglasisest nõelaseadet vähi minimaalselt invasiivseks ultraheliraviks.Täpsemalt, jaotises Sfääriliste kasvajate masside hajuvusanalüüs kasvust sõltuva ultraheli sageduse hindamiseks kasutame elastses keskkonnas kasvanud sfääriliste tahkete kasvajate suuruse ennustamiseks väljakujunenud elastodünaamilisi meetodeid ja akustilise hajumise teooriat.jäikus, mis tekib kasvaja ja peremeeskoe vahel, mis on tingitud materjali kasvust põhjustatud ümberkujundamisest.Olles kirjeldanud meie süsteemi, mida me nimetame jaotiseks "Haigla nõelas", jaotises "Nõelas haigla", analüüsime ultraheli lainete levimist läbi meditsiiniliste nõelte prognoositud sagedustel ja nende numbriline mudel kiiritab uuritavat keskkonda. peamised geomeetrilised parameetrid (nõela tegelik siseläbimõõt, pikkus ja teravus), mis mõjutavad instrumendi akustilise võimsuse edastamist.Arvestades vajadust töötada välja uued täppismeditsiini inseneristrateegiad, arvatakse, et kavandatav uuring võib aidata välja töötada uue vähiravi vahendi, mis põhineb integreeritud terapeutilise platvormi kaudu edastatava ultraheli kasutamisel, mis integreerib ultraheli teiste lahendustega.Kombineeritud, näiteks sihipärane ravimite kohaletoimetamine ja reaalajas diagnostika ühe nõela sees.
Mehhaaniliste strateegiate pakkumise tõhusus lokaliseeritud soliidkasvajate raviks ultraheli (ultraheli) stimulatsiooni abil on olnud mitme paberi eesmärk, mis käsitleb nii teoreetiliselt kui ka eksperimentaalselt madala intensiivsusega ultrahelivibratsiooni mõju üherakulistele süsteemidele 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Kasutades viskoelastseid mudeleid, on mitmed uurijad analüütiliselt näidanud, et kasvajal ja tervetel rakkudel on erinevad sagedusreaktsioonid, mida iseloomustavad erinevad resonantsi piigid USA 10, 11, 12 vahemikus.See tulemus viitab sellele, et põhimõtteliselt saab kasvajarakke selektiivselt rünnata mehaaniliste stiimulitega, mis säilitavad peremeeskeskkonda.See käitumine on otsene tagajärg peamistele tõenditele, et enamikul juhtudel on kasvajarakud rohkem tempermalmist kui terved rakud, mis võib suurendada nende võimet vohada ja migreeruda37, 38, 39, 40.Üksikrakuliste mudelitega, nt mikroskaalal, saadud tulemuste põhjal on vähirakkude selektiivsust näidatud ka mesoskaalal heterogeensete rakuagregaatide harmooniliste vastuste arvuliste uuringute kaudu.Vähirakkude ja tervete rakkude erineva protsendi pakkumisel ehitati hierarhiliselt sadade mikromeetrite suurused mitmerakulised agregaadid.Nende agregaatide mesotasandil säilivad mõned huvipakkuvad mikroskoopilised tunnused üksikute rakkude mehaanilist käitumist iseloomustavate peamiste struktuurielementide otsese rakendamise tõttu.Eelkõige kasutab iga rakk pingepõhist arhitektuuri, et jäljendada erinevate eelpingestatud tsütoskeleti struktuuride vastust, mõjutades seeläbi nende üldist jäikust 12, 13.Ülaltoodud kirjanduse teoreetilised ennustused ja in vitro katsed on andnud julgustavaid tulemusi, mis viitavad vajadusele uurida kasvajamasside tundlikkust madala intensiivsusega terapeutilise ultraheli (LITUS) suhtes ning kasvajamasside kiiritamise sageduse hindamine on ülioluline.positsioon LITUS kohapealseks kandideerimiseks.
Kuid koe tasandil kaob paratamatult üksiku komponendi submakroskoopiline kirjeldus ja kasvajakoe omadusi saab jälgida järjestikuste meetoditega, et jälgida massikasvu ja stressist põhjustatud ümberkujunemisprotsesse, võttes arvesse kasvajate makroskoopilisi mõjusid. kasvu.-indutseeritud muutused kudede elastsuses skaalal 41,42.Tõepoolest, erinevalt üherakulistest ja agregaatsüsteemidest kasvavad tahked kasvajamassid pehmetes kudedes hälbivate jääkpingete järkjärgulise kuhjumise tõttu, mis muudavad üldise kasvajasisese jäikuse suurenemise tõttu loomulikke mehaanilisi omadusi ning kasvaja skleroos muutub sageli määravaks teguriks. kasvaja tuvastamine.
Neid kaalutlusi silmas pidades analüüsime siin normaalses koekeskkonnas kasvavate elastsete sfääriliste kandmistena modelleeritud tuumori sferoidide sonodünaamilist vastust.Täpsemalt, kasvaja staadiumiga seotud elastsed omadused määrati mõne autori varasemas töös saadud teoreetiliste ja eksperimentaalsete tulemuste põhjal.Nende hulgas on uuritud heterogeenses söötmes in vivo kasvatatud tahkete kasvaja sferoidide arengut, kasutades mittelineaarseid mehaanilisi mudeleid 41, 43, 44 koos liikidevahelise dünaamikaga, et ennustada kasvaja masside arengut ja sellega seotud intratumoraalset stressi.Nagu eespool mainitud, põhjustavad kasv (nt mitteelastne eelvenitus) ja jääkpinge kasvaja materjali omaduste järkjärgulist ümberkujunemist, muutes seeläbi ka selle akustilist vastust.Oluline on märkida, et viites.41 kasvu ja tugeva stressi koosarengut kasvajates on demonstreeritud loommudelite katsekampaaniates.Eelkõige kinnitas eri staadiumides resekteeritud rinnakasvaja masside jäikuse võrdlus jäikusega, mis saadi sarnaste tingimuste taasesitamisel in silico samade mõõtmetega sfäärilisel lõplike elementide mudelil ja võttes arvesse prognoositavat jääkpingevälja, pakutud meetodit. mudeli kehtivus..Käesolevas töös kasutatakse eelnevalt saadud teoreetilisi ja eksperimentaalseid tulemusi uue väljatöötatud ravistrateegia väljatöötamiseks.Eelkõige arvutati siin prognoositud suurused koos vastavate evolutsiooniliste resistentsusomadustega, mida kasutati seega sagedusvahemike hindamiseks, mille suhtes peremeeskeskkonda manustatud kasvaja massid on tundlikumad.Sel eesmärgil uurisime seega kasvaja massi dünaamilist käitumist erinevates etappides, võttes arvesse akustilisi indikaatoreid vastavalt üldtunnustatud hajumise põhimõttele vastuseks ultraheli stiimulitele ja tuues esile sferoidi võimalikud resonantsnähtused. .sõltuvalt kasvajast ja peremeesorganismist Kasvust sõltuvad erinevused kudede jäikuses.
Seega modelleeriti kasvaja massid raadiusega \ (a \) elastsete sfääridena peremeesorganismi ümbritsevas elastses keskkonnas eksperimentaalsete andmete põhjal, mis näitasid, kuidas mahukad pahaloomulised struktuurid kasvavad in situ sfäärilise kujuga.Viidates joonisele 1, kasutades sfäärilisi koordinaate \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (kus \(\theta\) ja \(\varphi\) tähistavad vastavalt anomaalia nurka ja asimuutnurka), kasvaja domeen hõivab tervesse ruumi manustatud piirkond \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) piiramatu piirkond \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Viidates täiendavale teabele (SI) matemaatilise mudeli täielikuks kirjelduseks, mis põhineb paljudes kirjandustes kirjeldatud väljakujunenud elastodünaamilisel alusel 45, 46, 47, 48, käsitleme siin probleemi, mida iseloomustab teljesümmeetriline võnkerežiim.See eeldus eeldab, et kõik muutujad kasvajas ja tervetes piirkondades ei sõltu asimuutkoordinaadist \ (\ varphi \) ja selles suunas moonutusi ei esine.Järelikult saab nihke- ja pingeväljad saada kahest skalaarpotentsiaalist \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) ja \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , need on vastavalt pikisuunalise laine ja nihkelainega, kokkulangevusaeg t tõusu \(\theta \) ning langeva laine suuna ja asukohavektori vahelise nurga vahel \({\mathbf {x))\) ( nagu on näidatud joonisel 1) ja \(\omega = 2\pi f\) tähistab nurksagedust.Eelkõige modelleeritakse langevat välja tasapinnalise lainega \(\phi_{H}^{(in)}\) (see on samuti kasutusele võetud SI-süsteemi võrrandis (A.9)), mis levib keha ruumalasse. seaduse väljendi järgi
kus \(\phi_{0}\) on amplituudiparameeter.Langeva tasapinnalise laine (1) sfääriline paisumine sfäärilise lainefunktsiooni abil on standardne argument:
Kus \(j_{n}\) on esimest tüüpi \(n\) Besseli sfääriline funktsioon ja \(P_{n}\) on Legendre'i polünoom.Osa investeerimissfääri langevast lainest on hajutatud ümbritsevas keskkonnas ja kattub langeva väljaga, teine ​​osa aga hajub sfääri sees, aidates kaasa selle vibratsioonile.Selleks tuleb lainevõrrandi \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ harmoonilised lahendid ) ja \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), mille pakub näiteks Eringen45 (vt ka SI ) võib näidata kasvajat ja terveid piirkondi.Eelkõige lubavad peremeeskeskkonnas \(H\) genereeritud hajutatud paisumislained ja isovolumlained oma vastavaid potentsiaalseid energiaid:
Nende hulgas kasutatakse väljamineva hajuslaine arvestamiseks esimest tüüpi sfäärilist Hankeli funktsiooni \(h_{n}^{(1)}\) ning \(\alpha_{n}\) ja \(\beta_{ n}\ ) on tundmatute koefitsiendid.võrrandis.Valemites (2)–(4) tähistavad terminid \(k_{H1}\) ja \(k_{H2}\) vastavalt harvendamise ja põiklainete lainete arvu keha põhipiirkonnas ( vaata SI).Kompressiooniväljad kasvaja sees ja nihked on kujuga
kus \(k_{T1}\) ja \(k_{T2}\) tähistavad piki- ja põiklainete arvu kasvaja piirkonnas ning tundmatud koefitsiendid on \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Nende tulemuste põhjal on nullist erinevad radiaal- ja ümbermõõdu nihkekomponendid iseloomulikud vaadeldava probleemi tervetele piirkondadele, nagu \(u_{Hr}\) ja \(u_{H\theta}\) (\(u_{) H\ varphi }\ ) sümmeetriaeeldus pole enam vajalik) — saab seosest \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) ja \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\), moodustades \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) ja \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (üksikasjaliku matemaatilise tuletamise kohta vt SI).Samamoodi tagastab \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) ja \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) asendamine {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) ja \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Vasakul) Tervislikus keskkonnas kasvatatud sfäärilise kasvaja geomeetria, mille kaudu levib intsidentväli, (paremal) Tuumori ja peremeesorganismi jäikuse suhte vastav areng kasvaja raadiuse funktsioonina, esitatud andmed (kohandatud Carotenuto et al. 41) saadi MDA-MB-231 rakkudega inokuleeritud tahketest rinnakasvajatest.
Eeldades lineaarseid elastseid ja isotroopseid materjale, järgivad nullist erinevad pingekomponendid tervetes ja kasvajapiirkondades, st \(\sigma_{Hpq}\) ja \(\sigma_{Tpq}\) üldistatud Hooke'i seadust, arvestades, et on erinevad Lamé moodulid , mis iseloomustavad peremeesorganismi ja kasvaja elastsust ja mida tähistatakse kui \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) ja \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (vt võrrandit (A.11) SI-s esitatud pingekomponentide täieliku avaldise jaoks).Täpsemalt, vastavalt viites 41 ja joonisel 1 esitatud andmetele näitasid kasvavad kasvajad koe elastsuse konstantide muutust.Seega määratakse peremees- ja kasvajapiirkondade nihked ja pinged täielikult kuni tundmatute konstantide komplekti \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) on teoreetiliselt lõpmatud mõõtmetega.Nende koefitsientide vektorite leidmiseks tutvustatakse kasvaja ja tervete piirkondade vahel sobivaid liideseid ja piirtingimusi.Eeldades täiuslikku sidumist kasvaja-peremehe liidesel \ (r = a \), nõuab nihkete ja pingete järjepidevus järgmisi tingimusi:
Süsteem (7) moodustab lõpmatute lahenditega võrrandisüsteemi.Lisaks sõltuvad kõik piirtingimused anomaaliast \(\teeta\).Piirväärtusprobleemi taandamiseks täielikuks algebraliseks ülesandeks suletud süsteemide \(N\) komplektidega, millest igaüks on tundmatus \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (koos \ ( N \) \infty \), teoreetiliselt) ja et kõrvaldada võrrandite sõltuvus trigonomeetrilistest liikmetest, kirjutatakse liidese tingimused nõrgal kujul, kasutades Legendre polünoomide ortogonaalsust.Täpsemalt, võrrandid (7)1,2 ja (7)3,4 korrutatakse \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) ja \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ja seejärel integreerige \(0\) ja \(\pi\) vahel, kasutades matemaatilisi identiteete:
Seega liidese tingimus (7) tagastab ruutalgebralise võrrandisüsteemi, mida saab väljendada maatriksi kujul kujul \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) ja hankige tundmatu \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ), lahendades Crameri reegli .
Sfääri poolt hajutatud energiavoo hindamiseks ja selle akustilise reaktsiooni kohta teabe saamiseks peremeeskeskkonnas leviva hajutatud välja andmete põhjal on huvipakkuv akustiline suurus, mis on normaliseeritud bistaatiline hajumise ristlõige.Eelkõige väljendab hajumise ristlõige, mida tähistatakse \(s), hajutatud signaali edastatava akustilise võimsuse ja langeva laine poolt kantud energia jagunemise vahelist suhet.Sellega seoses on kujufunktsiooni \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) suurus akustiliste mehhanismide uurimisel sageli kasutatav suurus vedelikku või tahket ainesse põimitud Esemete hajumine settes.Täpsemalt määratletakse kujufunktsiooni amplituud diferentsiaalse hajumise ristlõikena \(ds\) pindalaühiku kohta, mis erineb langeva laine levimissuuna normaalväärtuse võrra:
kus \(f_{n}^{pp}\) ja \(f_{n}^{ps}\) tähistavad modaalfunktsiooni, mis viitab pikilaine ja hajutatud laine võimsuste suhtele langevad P-laine vastuvõtvas meediumis on vastavalt antud järgmiste väljenditega:
Osalainefunktsioone (10) saab iseseisvalt uurida vastavalt resonantshajutuse teooriale (RST)49,50,51,52, mis võimaldab erinevate režiimide uurimisel eraldada sihtelastsust kogu hajuväljast.Selle meetodi kohaselt saab modaalvormi funktsiooni lagundada kahe võrdse osa summaks, nimelt \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) on seotud vastavalt resonantse ja mitteresonantse tausta amplituudiga.Resonantsrežiimi kujufunktsioon on seotud sihtmärgi reaktsiooniga, samas kui taust on tavaliselt seotud hajutaja kujuga.Iga režiimi sihtmärgi esimese formandi tuvastamiseks modaalse resonantsi kuju funktsiooni amplituud \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) arvutatakse, eeldades kõva tausta, mis koosneb läbitungimatutest sfääridest elastses põhimaterjalis.See hüpotees on ajendatud asjaolust, et üldiselt suurenevad nii jäikus kui ka tihedus koos tuumori massi kasvuga jääksurvepinge tõttu.Seega on impedantsi suhe \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) tugeva kasvu korral suurem kui 1 enamiku makroskoopiliste tahkete kasvajate puhul, mis arenevad pehmetes kasvajates. koed.Näiteks Krouskop jt.53 teatas, et eesnäärmekoe puhul on vähi ja normaalse mooduli suhe ligikaudu 4, samas kui rinnakoe proovide puhul tõusis see väärtus 20-ni.Need seosed muudavad paratamatult koe akustilist impedantsi, nagu näitas ka elastograafia analüüs 54, 55, 56, ja need võivad olla seotud kasvaja hüperproliferatsioonist põhjustatud lokaalse koe paksenemisega.Seda erinevust on eksperimentaalselt täheldatud ka erinevatel etappidel kasvatatud rinnakasvaja plokkide lihtsate kompressioonitestidega32 ja materjali ümberkujundamist saab hästi jälgida mittelineaarselt kasvavate kasvajate ennustavate liikidevaheliste mudelitega 43, 44.Saadud jäikusandmed on otseselt seotud tahkete kasvajate Youngi mooduli arenguga vastavalt valemile \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfäärid raadiusega \(a\), jäikus \(S\) ja Poissoni suhe \(\nu\) kahe jäiga plaadi 57 vahel, nagu on näidatud joonisel 1).Seega on võimalik saada kasvaja ja peremeesorganismi akustilise impedantsi mõõtmisi erinevatel kasvutasemetel.Täpsemalt, võrreldes normaalse koe mooduliga, mis on võrdne 2 kPa joonisel fig 1, põhjustas rinnakasvajate elastsusmoodul mahuvahemikus ligikaudu 500 kuni 1250 mm3 tõusu ligikaudu 10 kPa-lt 16 kPa-le, mis on kooskõlas esitatud andmetega.viidetes 58, 59 leiti, et rõhk rinnakoe proovides on 0,25–4 kPa koos kaduva eelpressimisega.Samuti oletame, et peaaegu kokkusurumatu koe Poissoni suhe on 41,60, mis tähendab, et koe tihedus mahu suurenedes oluliselt ei muutu.Eelkõige kasutatakse massi keskmist rahvastikutihedust \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Nendel kaalutlustel võib jäikus omandada taustarežiimi, kasutades järgmist väljendit:
Kus saab järjepidevust arvesse võttes arvutada tundmatu konstandi \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) bias ( 7 )2,4, st lahendades algebralise süsteemi \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\), mis hõlmab alaealisi\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ja vastav lihtsustatud veeruvektor\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Annab põhiteadmised võrrandist (11), kaks amplituudi tagasihajumise resonantsrežiimi funktsioonist \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) ja \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ teeta \right)} \right|\) viitab vastavalt P-laine ergastusele ning P- ja S-laine peegeldusele.Lisaks hinnati esimeseks amplituudiks \(\theta = \pi\) ja teiseks amplituudiks \(\theta = \pi/4\).Erinevate kompositsiooniomaduste laadimisega.Joonisel 2 on näidatud, et kuni umbes 15 mm läbimõõduga tuumori sferoidide resonantstunnused on peamiselt koondunud sagedusalasse 50-400 kHz, mis näitab madala sagedusega ultraheli kasutamise võimalust resonantstuumori ergastuse esilekutsumiseks.rakud.Palju.Selles sagedusribas näitas RST analüüs ühemoodilisi formante režiimide 1 kuni 6 jaoks, mis on esile tõstetud joonisel 3. Siin näitavad nii pp- kui ka ps-hajutatud lained esimest tüüpi formante, mis esinevad väga madalatel sagedustel, mis suurenevad alates umbes 20 kHz režiimi 1 puhul kuni umbes 60 kHz n = 6 korral, mis ei näita olulist erinevust sfääri raadiuses.Seejärel resonantsfunktsioon ps vaibub, samas kui suure amplituudiga pp formantide kombinatsioon annab umbes 60 kHz perioodilisuse, mis näitab suuremat sageduse nihet režiimi arvu suurenemisega.Kõik analüüsid viidi läbi Mathematica®62 arvutustarkvara abil.
Erineva suurusega rinnakasvajate moodulist saadud tagasihajumisvormi funktsioonid on näidatud joonisel 1, kus kõrgeimad hajumise ribad on esile tõstetud, võttes arvesse režiimide superpositsiooni.
Valitud režiimide resonants vahemikus \(n = 1\) kuni \(n = 6\), arvutatud P-laine ergastamisel ja peegeldumisel erinevate kasvaja suuruste korral (mustad kõverad alates \(\left | {f_{ n} ^ {{\ vasak( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) ja P-laine ergastus ja S-laine peegeldus (moodaalse kuju funktsiooniga antud hallid kõverad \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Selle kaugvälja levimistingimusi kasutava esialgse analüüsi tulemused võivad suunata ajamispetsiifiliste ajamisageduste valimist järgmistes numbrilistes simulatsioonides, et uurida mikrovibratsiooni stressi mõju massile.Tulemused näitavad, et optimaalsete sageduste kalibreerimine võib kasvaja kasvu ajal olla staadiumispetsiifiline ja seda saab määrata kasvumudelite tulemuste abil, et luua haiguste ravis kasutatavad biomehaanilised strateegiad, et õigesti ennustada kudede ümberkujunemist.
Märkimisväärsed edusammud nanotehnoloogia vallas sunnivad teadusringkondi leidma uusi lahendusi ja meetodeid miniatuursete ja minimaalselt invasiivsete meditsiiniseadmete väljatöötamiseks in vivo rakenduste jaoks.Selles kontekstis on LOF-tehnoloogia näidanud märkimisväärset võimet laiendada optiliste kiudude võimalusi, võimaldades välja töötada uusi minimaalselt invasiivseid fiiberoptilisi seadmeid eluteaduste rakenduste jaoks21, 63, 64, 65. 2D- ja 3D-materjalide integreerimise idee Soovitud keemiliste, bioloogiliste ja optiliste omadustega optiliste kiudude külgedel 25 ja/või otstes 64 koos täieliku ruumilise kontrolliga nanomõõtmes viib uue kiudoptiliste nanooptoodide klassi tekkimiseni.omab laia valikut diagnostilisi ja terapeutilisi funktsioone.Huvitaval kombel sobivad optilised kiud oma geomeetriliste ja mehaaniliste omaduste (väike ristlõige, suur kuvasuhe, paindlikkus, väike kaal) ja materjalide (tavaliselt klaasi või polümeeride) biosobivuse tõttu hästi nõeltesse ja kateetritesse sisestamiseks.Meditsiinilised rakendused20, sillutades teed uuele visioonile „nõelhaiglast” (vt joonis 4).
Tegelikult saab tänu LOF-tehnoloogia pakutavale vabadusastmele, kasutades mitmesugustest metallilistest ja/või dielektrilistest materjalidest valmistatud mikro- ja nanostruktuuride integreerimist, optilisi kiude konkreetsete rakenduste jaoks, mis sageli toetavad resonantsrežiimi ergastamist, korralikult funktsionaliseerida., Valgusväli 21 on tugevalt paigutatud.Valguse piiramine alamlainepikkuse skaalal, sageli koos keemilise ja/või bioloogilise töötlemisega63 ja tundlike materjalide, nagu arukad polümeerid65,66, integreerimine võib suurendada kontrolli valguse ja aine vastastikmõju üle, mis võib olla kasulik terapeutilistel eesmärkidel.Integreeritud komponentide/materjalide tüübi ja suuruse valik sõltub ilmselgelt tuvastatavatest füüsikalistest, bioloogilistest või keemilistest parameetritest21,63.
LOF-sondide integreerimine meditsiinilistesse nõelatesse, mis on suunatud keha kindlatesse kohtadesse, võimaldab in vivo teha lokaalseid vedelike ja kudede biopsiaid, võimaldades samaaegset kohalikku ravi, vähendades kõrvaltoimeid ja suurendades tõhusust.Võimalikud võimalused hõlmavad erinevate ringlevate biomolekulide, sealhulgas vähi tuvastamist.biomarkerid või mikroRNA-d (miRNA-d)67, vähikudede tuvastamine lineaarse ja mittelineaarse spektroskoopia abil, nagu Ramani spektroskoopia (SERS)31, kõrge eraldusvõimega fotoakustiline pildistamine22, 28,68, laserkirurgia ja ablatsioon69 ning valgust kasutavad kohalikud manustamisravimid27 ja nõelte automaatne juhtimine inimkehasse20.Väärib märkimist, et kuigi optiliste kiudude kasutamine väldib elektroonilistel komponentidel põhinevate "klassikaliste" meetodite tüüpilisi puudusi, nagu elektriühenduste vajadus ja elektromagnetiliste häirete olemasolu, võimaldab see erinevaid LOF-andureid tõhusalt integreerida süsteem.üksik meditsiiniline nõel.Erilist tähelepanu tuleb pöörata selliste kahjulike mõjude vähendamisele nagu saaste, optilised häired, füüsilised takistused, mis põhjustavad erinevate funktsioonide vahelisi läbirääkimisi.Samas on tõsi ka see, et paljud mainitud funktsioonid ei pea olema samal ajal aktiivsed.See aspekt võimaldab vähemalt häireid vähendada, piirates seeläbi negatiivset mõju iga sondi jõudlusele ja protseduuri täpsusele.Need kaalutlused võimaldavad meil vaadelda "nõela haiglas" kontseptsiooni kui lihtsat visiooni, et panna kindel alus järgmise põlvkonna ravinõeltele bioteadustes.
Seoses käesolevas artiklis käsitletud konkreetse rakendusega uurime järgmises osas numbriliselt meditsiinilise nõela võimet suunata ultrahelilaineid inimese kudedesse, kasutades nende levikut piki selle telge.
Ultrahelilainete levikut läbi veega täidetud ja pehmetesse kudedesse sisestatud meditsiinilise nõela (vt joonisel 5a) modelleeriti kaubandusliku Comsol Multiphysics tarkvara abil, mis põhineb lõplike elementide meetodil (FEM)70, kus nõel ja kude modelleeritakse. lineaarse elastse keskkonnana.
Viidates joonisele 5b, on nõel modelleeritud õõnsa silindrina (tuntud ka kui „kanüül”), mis on valmistatud roostevabast terasest, mis on meditsiiniliste nõelte standardmaterjal71.Eelkõige modelleeriti seda Youngi mooduliga E = 205 GPa, Poissoni suhtega ν = 0,28 ja tihedusega ρ = 7850 kg m-372,73.Geomeetriliselt iseloomustab nõela pikkus L, siseläbimõõt D (nimetatakse ka kliirensiks) ja seina paksus t.Lisaks loetakse, et nõela ots on pikisuuna (z) suhtes nurga α all kaldu.Vee maht vastab sisuliselt nõela sisemise piirkonna kujule.Selles esialgses analüüsis eeldati, et nõel on täielikult sukeldatud koe piirkonda (eeldatavasti ulatub määramata ajaks), modelleerituna raadiusega rs, mis püsis kõigi simulatsioonide ajal konstantsena 85 mm.Üksikasjalikumalt viimistleme sfäärilise piirkonna ideaalselt sobiva kihiga (PML), mis vähemalt vähendab "kujuteldavatest" piiridest peegelduvaid soovimatuid laineid.Seejärel valisime raadiuse rs, et asetada sfäärilise domeeni piir nõelast piisavalt kaugele, et see ei mõjutaks arvutuslikku lahendust, ja piisavalt väike, et mitte mõjutada simulatsiooni arvutuskulusid.
Pliiatsi geomeetria alumisele piirile rakendatakse sageduse f ja amplituudi A harmoonilist pikisuunalist nihet;see olukord kujutab endast simuleeritud geomeetriale rakendatud sisendstiimulit.Nõela ülejäänud piiridel (kontaktis koe ja veega) loetakse aktsepteeritud mudeliks seos kahe füüsikalise nähtuse vahel, millest üks on seotud struktuurimehaanikaga (nõela pindala jaoks) ja teine ​​ehitusmehaanikasse.(nõelapiirkonna jaoks), seega seatakse vastavad tingimused akustikale (vee ja nõelapiirkonna jaoks)74.Eelkõige põhjustavad nõelapesa väikesed vibratsioonid väikeseid pingehäireid;seega, eeldades, et nõel käitub nagu elastne keskkond, saab nihkevektorit U hinnata elastodünaamilise tasakaalu võrrandi (Navier)75 alusel.Nõela struktuursed võnked põhjustavad veerõhu muutusi selle sees (meie mudelis loetakse seda statsionaarseks), mille tulemusena levivad helilained nõela pikisuunas, alludes sisuliselt Helmholtzi võrrandile76.Lõpuks, eeldades, et mittelineaarsed mõjud kudedes on tühised ja nihkelainete amplituud on palju väiksem kui rõhulainete amplituud, saab Helmholtzi võrrandit kasutada ka akustiliste lainete leviku modelleerimiseks pehmetes kudedes.Pärast seda lähendamist loetakse kude vedelikuks77, mille tihedus on 1000 kg/m3 ja helikiirus 1540 m/s (jättes tähelepanuta sagedusest sõltuvad summutusefektid).Nende kahe füüsikalise välja ühendamiseks on vaja tagada normaalse liikumise järjepidevus tahke aine ja vedeliku piiril, staatiline tasakaal rõhu ja pinge vahel, mis on risti tahke aine piiriga, ning tangentsiaalne pinge aine piiril. vedelik peab olema võrdne nulliga.75 .
Analüüsis uurime akustiliste lainete levimist piki nõela statsionaarsetes tingimustes, keskendudes nõela geomeetria mõjule lainete emissioonile koes.Eelkõige uurisime nõela D siseläbimõõdu, pikkuse L ja kaldenurga α mõju, hoides paksuse t fikseerituna 500 µm kõigil uuritud juhtudel.See t väärtus on lähedane kaubanduslike nõelte tüüpilisele standardsele seinapaksusele 71.
Üldisust kaotamata võeti nõela põhjale rakendatud harmoonilise nihke sageduseks f 100 kHz ja amplituudiks A oli 1 μm.Eelkõige määrati sageduseks 100 kHz, mis on kooskõlas analüütiliste hinnangutega, mis on antud jaotises "Sfääriliste kasvajamasside hajuvusanalüüs kasvust sõltuvate ultrahelisageduste hindamiseks", kus leiti kasvaja masside resonantsilaadne käitumine. sagedusvahemik 50–400 kHz, kusjuures suurim hajumise amplituud on koondunud madalamatele sagedustele 100–200 kHz (vt joonis 2).
Esimene uuritud parameeter oli nõela siseläbimõõt D.Mugavuse huvides on see defineeritud kui täisarvuline osa akustilise laine pikkusest nõela õõnsuses (st vees λW = 1,5 mm).Tõepoolest, lainete levimise nähtused seadmetes, mida iseloomustab antud geomeetria (näiteks lainejuhis), sõltuvad sageli kasutatava geomeetria iseloomulikust suurusest võrreldes leviva laine lainepikkusega.Lisaks käsitlesime esimeses analüüsis, et paremini rõhutada läbimõõdu D mõju akustilise laine levimisele läbi nõela, lamedat otsa, mille nurk oli α = 90°.Selle analüüsi käigus fikseeriti nõela pikkuseks L 70 mm.
Joonisel fig.6a näitab keskmist helitugevust funktsioonina mõõtmeteta skaala parameetrist SD, st D = λW/SD, mis on hinnatud 10 mm raadiusega sfääris, mis on tsentreeritud vastava nõela otsaga.Skaleerimise parameeter SD muutub 2-lt 6-le, st arvestame D-väärtusi vahemikus 7,5 mm kuni 2,5 mm (f = 100 kHz juures).Sarjas on ka roostevabast terasest meditsiininõelte standardväärtus 71.Ootuspäraselt mõjutab nõela siseläbimõõt nõela tekitatava heli intensiivsust maksimaalse väärtusega (1030 W/m2), mis vastab väärtusele D = λW/3 (st D = 5 mm) ja väheneva trendiga koos kahanemisega. läbimõõt.Tuleb arvestada, et läbimõõt D on geomeetriline parameeter, mis mõjutab ka meditsiiniseadme invasiivsust, seega ei saa seda kriitilist aspekti optimaalse väärtuse valimisel tähelepanuta jätta.Seega, kuigi D vähenemine tuleneb akustilise intensiivsuse madalamast ülekandest kudedes, on järgmiste uuringute puhul läbimõõt D = λW/5, st D = 3 mm (vastab 11G71 standardile sagedusel f = 100 kHz) , peetakse mõistlikuks kompromissiks seadme pealetükkivuse ja helitugevuse edastamise vahel (keskmiselt umbes 450 W/m2).
Nõela otsa poolt tekitatava heli keskmine intensiivsus (peetakse tasaseks), olenevalt nõela siseläbimõõdust (a), pikkusest (b) ja kaldenurgast α (c).Pikkus punktides (a, c) on 90 mm ja läbimõõt punktides (b, c) on 3 mm.
Järgmine analüüsitav parameeter on nõela pikkus L. Eelmise juhtumiuuringu kohaselt arvestame kaldnurka α = 90° ja pikkust skaleeritakse vee lainepikkuse kordseks, st arvestame L = SL λW .Mõõtmeteta skaalaparameetrit SL muudetakse 3-lt 7-le, hinnates nõela otsa poolt tekitatava heli keskmist intensiivsust pikkusevahemikus 4,5–10,5 mm.See vahemik sisaldab kaubanduslike nõelte tüüpilisi väärtusi.Tulemused on näidatud joonisel fig.6b, mis näitab, et nõela pikkusel L on suur mõju heli intensiivsuse edastamisele kudedes.Täpsemalt võimaldas selle parameetri optimeerimine edastust umbes suurusjärgu võrra parandada.Tegelikult on analüüsitud pikkusevahemikus keskmine heliintensiivsus lokaalseks maksimumiks 3116 W/m2, kui SL = 4 (st L = 60 mm) ja teine ​​vastab väärtusele SL = 6 (st L = 90 mm).
Olles analüüsinud nõela läbimõõdu ja pikkuse mõju ultraheli levikule silindrilises geomeetrias, keskendusime kaldenurga mõjule heli intensiivsuse edastamisele kudedes.Kiu otsast lähtuva heli keskmist intensiivsust hinnati nurga α funktsioonina, muutes selle väärtust 10°-lt (terav ots) 90°-ni (lame ots).Sel juhul oli integreeriva sfääri raadius nõela vaadeldava otsa ümber 20 mm, nii et kõigi α väärtuste puhul arvati nõela ots keskmisest arvutatud ruumalasse.
Nagu on näidatud joonisel fig.6c, kui ots on teritatud, st kui α väheneb alates 90°, suureneb edastatava heli intensiivsus, saavutades maksimaalse väärtuse umbes 1,5 × 105 W/m2, mis vastab α = 50°, st 2 on suurusjärgu võrra kõrgem lameda oleku suhtes.Otsa edasise teritamise korral (st α alla 50°) kipub heli intensiivsus vähenema, saavutades väärtused, mis on võrreldavad lameda otsaga.Kuigi kaalusime oma simulatsioonide jaoks laia valikut kaldnurki, tasub siiski arvestada, et nõela koesse sisestamise hõlbustamiseks on vaja otsa teritada.Tegelikult võib väiksem kaldenurk (umbes 10°) vähendada jõudu 78, mis on vajalik koesse tungimiseks.
Lisaks koes edastatava heli intensiivsuse väärtusele mõjutab kaldenurk ka laine levimise suunda, nagu on näidatud helirõhutaseme graafikutel, mis on näidatud joonistel 7a (lame ots) ja 3b (10° puhul). ).kaldus ots), paralleelne Pikisuunda hinnatakse sümmeetriatasandil (yz, vrd joon. 5).Nende kahe kaalutluse äärmuslikel juhtudel kontsentreerub helirõhutase (viidatud kui 1 µPa) peamiselt nõelaõõnde (st vette) ja kiirgub koesse.Täpsemalt on lameda tipu puhul (joon. 7a) helirõhutaseme jaotus pikisuuna suhtes täiesti sümmeetriline ning keha täitvas vees on eristatavad seisulained.Laine on orienteeritud pikisuunas (z-telg), amplituud saavutab vees maksimaalse väärtuse (umbes 240 dB) ja väheneb põiki, mis viib nõela keskpunktist 10 mm kaugusel sumbumiseni umbes 20 dB.Ootuspäraselt rikub terava otsa kasutuselevõtt (joonis 7b) seda sümmeetriat ja seisulainete antisõlmed “painduvad” nõela otsa järgi.Ilmselt mõjutab see asümmeetria nõela otsa kiirguse intensiivsust, nagu varem kirjeldatud (joonis 6c).Selle aspekti paremaks mõistmiseks hinnati akustilist intensiivsust mööda lõikejoont, mis oli risti nõela pikisuunaga, mis asus nõela sümmeetriatasandil ja paiknes nõela otsast 10 mm kaugusel ( tulemused joonisel 7c).Täpsemalt võrreldi heli intensiivsuse jaotusi, mida hinnati 10 °, 20 ° ja 30 ° kaldus nurga all (vastavalt sinised, punased ja rohelised pidevad jooned), jaotusega lameda otsa lähedal (mustad punktiirkõverad).Lameda otsaga nõeltega seotud intensiivsuse jaotus näib olevat nõela keskkoha suhtes sümmeetriline.Eelkõige omandab see väärtuse umbes 1420 W/m2 keskel, ülevoolu umbes 300 W/m2 ~8 mm kaugusel ja seejärel väheneb väärtuseni umbes 170 W/m2 ~30 mm juures. .Kui ots muutub teravaks, jaguneb kesksagara rohkemaks erineva intensiivsusega sagarateks.Täpsemalt, kui α oli 30°, võis profiilis selgelt eristada kolme kroonlehte, mõõdetuna 1 mm kaugusel nõela otsast.Keskne on peaaegu nõela keskel ja selle hinnanguline väärtus on 1850 W / m2 ning parempoolne kõrgem on keskelt umbes 19 mm kaugusel ja ulatub 2625 W / m2.α = 20° juures on 2 põhisagarat: üks –12 mm kohta 1785 W/m2 ja üks 14 mm kohta 1524 W/m2 juures.Kui ots muutub teravamaks ja nurk ulatub 10°-ni, saavutatakse umbes -20 mm juures maksimaalne 817 W/m2 ja piki profiili on näha veel kolm veidi väiksema intensiivsusega laba.
Lameda otsaga (a) ja 10° kaldega (b) nõela helirõhutase sümmeetriatasandil y–z.c) Akustilise intensiivsuse jaotus, mis on hinnatud piki lõikejoont, mis on risti nõela pikisuunaga, 10 mm kaugusel nõela otsast ja asub sümmeetriatasandil yz.Pikkus L on 70 mm ja läbimõõt D on 3 mm.
Kokkuvõttes näitavad need tulemused, et meditsiinilisi nõelu saab tõhusalt kasutada ultraheli edastamiseks sagedusel 100 kHz pehmetesse kudedesse.Väljastatava heli intensiivsus sõltub nõela geomeetriast ja seda saab optimeerida (vastavalt lõppseadme invasiivsusest tulenevatele piirangutele) kuni väärtusteni vahemikus 1000 W/m2 (10 mm juures).rakendatakse nõela põhjale 1. Mikromeetri nihke korral loetakse nõel täielikult torgatuks lõpmatuseni ulatuvasse pehmesse koesse.Eelkõige mõjutab kaldnurk tugevalt helilainete levimise intensiivsust ja suunda koes, mis viib eelkõige nõela otsa lõike ortogonaalsuseni.
Mitteinvasiivsete meditsiinitehnikate kasutamisel põhinevate uute kasvajaravi strateegiate väljatöötamise toetamiseks analüüsiti analüütiliselt ja arvutuslikult madala sagedusega ultraheli levikut kasvaja keskkonnas.Eelkõige võimaldas ajutine elastodünaamiline lahendus uuringu esimeses osas uurida ultrahelilainete hajumist teadaoleva suuruse ja jäikusega tahke kasvaja sferoidides, et uurida massi sagedustundlikkust.Seejärel valiti sadade kilohertside suurusjärgus sagedused ning arvulises simulatsioonis modelleeriti vibratsioonistressi lokaalne rakendamine kasvajakeskkonnas meditsiinilise nõelaajamiga, uurides peamiste akustilise heli ülekande määravate konstruktsiooniparameetrite mõju. instrumendi võimsus keskkonnale.Tulemused näitavad, et meditsiinilisi nõelu saab tõhusalt kasutada kudede ultraheliga kiiritamiseks ning selle intensiivsus on tihedalt seotud nõela geomeetrilise parameetriga, mida nimetatakse tööakustiliseks lainepikkuseks.Tegelikult suureneb läbi koe kiiritamise intensiivsus nõela sisediameetri suurenemisega, saavutades maksimumi, kui läbimõõt on kolm korda suurem kui lainepikkus.Nõela pikkus annab ka teatud vabaduse särituse optimeerimiseks.Viimane tulemus on tõepoolest maksimeeritud, kui nõela pikkus on seatud töölainepikkuse teatud kordsele (täpsemalt 4 ja 6).Huvitav on see, et huvipakkuva sagedusvahemiku jaoks on optimeeritud läbimõõdu ja pikkuse väärtused lähedased tavaliste kaubanduslike nõelte jaoks tavaliselt kasutatavatele väärtustele.Kaldnurk, mis määrab nõela teravuse, mõjutab ka kiirgusvõimet, saavutades haripunkti umbes 50° juures ja pakkudes head jõudlust umbes 10° juures, mida tavaliselt kasutatakse kaubanduslike nõelte puhul..Simulatsioonitulemusi kasutatakse haigla nõelasisese diagnostika platvormi rakendamise ja optimeerimise suunamiseks, integreerides diagnostilise ja terapeutilise ultraheli teiste seadmesiseste ravilahendustega ning teostades koostööl põhinevaid täppismeditsiini sekkumisi.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. ja Kopp MV Mis on täppismeditsiin?Eur, välismaa.Ajakiri 50, 1700391 (2017).
Collins, FS ja Varmus, H. Uued algatused täppismeditsiinis.N. eng.J. Meditsiin.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK ja Wang, MD.Biomeditsiiniline pildistamise informaatika täppismeditsiini ajastul: saavutused, väljakutsed ja võimalused.Jam.ravim.teavitama.Dotsent.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: ülevaade.J. Clinical.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. ja Salem, A. Glioblastoomi (GBM) ravi parandamine nanoosakestel põhineva manustamissüsteemi abil.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G ja von Daimling A. Glioblastoom: patoloogia, molekulaarsed mehhanismid ja markerid.Acta neuropatoloogia.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM ja Berger, MS Glioomi ravi praegused ja tulevased strateegiad.neurokirurgia.Ed.40, 1–14 (2017).