Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Liukusäätimet, joissa näkyy kolme artikkelia per dia.Käytä Takaisin- ja Seuraava-painikkeita liikkuaksesi diojen välillä tai diaohjaimen painikkeita lopussa.
Fysiikan ja biotieteiden poikkitieteelliseen leikkauspisteeseen perustuvat tarkkuuslääketieteeseen perustuvat diagnostiset ja terapeuttiset strategiat ovat viime aikoina herättäneet paljon huomiota uusien teknisten menetelmien käytännön soveltuvuuden ansiosta monilla lääketieteen aloilla, erityisesti onkologiassa.Tässä yhteydessä ultraäänen käyttö kasvaimien syöpäsolujen hyökkäämiseen mahdollisten mekaanisten vaurioiden aiheuttamiseksi eri mittakaavassa herättää yhä enemmän tutkijoiden huomiota ympäri maailmaa.Nämä tekijät huomioiden, elastodynaamisten ajoitusratkaisujen ja numeeristen simulaatioiden perusteella, esittelemme alustavan tutkimuksen ultraäänen etenemisen tietokonesimulaatiosta kudoksissa sopivien taajuuksien ja tehojen valitsemiseksi paikallisella säteilytyksellä.Uusi diagnostinen alusta laboratorion On-Fiber-teknologialle, nimeltään sairaalaneula ja jo patentoitu.Analyysin tulosten ja niihin liittyvien biofysikaalisten näkemysten uskotaan voivan tasoittaa tietä uusille integroiduille diagnostisille ja terapeuttisille lähestymistavoille, joilla voisi olla keskeinen rooli tarkkuuslääketieteen soveltamisessa tulevaisuudessa fysiikan aloilta.Kasvava synergia biologian välillä on alkamassa.
Useiden kliinisten sovellusten optimoinnin myötä alkoi vähitellen ilmetä tarve vähentää potilaisiin kohdistuvia sivuvaikutuksia.Tätä tarkoitusta varten tarkkuuslääketiede1, 2, 3, 4, 5 on noussut strategiseksi tavoitteeksi vähentää potilaille toimitettavien lääkkeiden annosta pääasiassa kahden päälinjan mukaisesti.Ensimmäinen perustuu potilaan genomiprofiilin mukaan suunniteltuun hoitoon.Toinen, josta on tulossa kultainen standardi onkologiassa, pyrkii välttämään systeemisiä lääkeannostelutoimenpiteitä yrittämällä vapauttaa pieni määrä lääkettä ja samalla lisätä tarkkuutta käyttämällä paikallista hoitoa.Lopullisena tavoitteena on eliminoida tai ainakin minimoida monien terapeuttisten lähestymistapojen, kuten kemoterapian tai radionuklidien systeemisen annon, negatiiviset vaikutukset.Syövän tyypistä, sijainnista, säteilyannoksesta ja muista tekijöistä riippuen jopa sädehoidolla voi olla suuri luontainen riski terveille kudoksille.Glioblastooman6,7,8,9 hoidossa leikkaus poistaa menestyksekkäästi taustalla olevan syövän, mutta vaikka etäpesäkkeitä ei olisi, monia pieniä syöpäsoluja voi esiintyä.Jos niitä ei poisteta kokonaan, uudet syöpämassat voivat kasvaa suhteellisen lyhyessä ajassa.Tässä yhteydessä edellä mainittuja tarkkuuslääketieteen strategioita on vaikea soveltaa, koska näitä infiltraatteja on vaikea havaita ja levittää suurelle alueelle.Nämä esteet estävät lopullisten tulosten saamisen uusiutumisen estämiseksi tarkkuuslääketieteen avulla, joten systeemiset annostelumenetelmät ovat joissakin tapauksissa edullisia, vaikka käytetyt lääkkeet voivat olla erittäin myrkyllisiä.Tämän ongelman ratkaisemiseksi ihanteellinen hoitotapa olisi käyttää minimaalisesti invasiivisia strategioita, jotka voivat hyökätä valikoivasti syöpäsoluja vastaan ​​vaikuttamatta terveisiin kudoksiin.Tämän väitteen valossa ultraäänivärähtelyjen käyttö, joiden on osoitettu vaikuttavan syöpäsoluihin ja terveisiin soluihin eri tavalla, sekä yksisoluisissa järjestelmissä että mesoskaalaisissa heterogeenisissä klustereissa, näyttää mahdolliselta ratkaisulta.
Mekanistisesta näkökulmasta terveillä ja syöpäsoluilla on itse asiassa erilaiset luonnolliset resonanssitaajuudet.Tämä ominaisuus liittyy onkogeenisiin muutoksiin syöpäsolujen sytoskeletaalisen rakenteen mekaanisissa ominaisuuksissa12,13, kun taas kasvainsolut ovat keskimäärin enemmän muotoaan muuttavia kuin normaalit solut.Siten, kun ultraäänitaajuus valitaan optimaalisesti stimulaatiota varten, valituilla alueilla indusoituneet värähtelyt voivat vahingoittaa eläviä syöpärakenteita, minimoiden vaikutuksen isännän terveelliseen ympäristöön.Näitä ei vielä täysin ymmärrettyjä vaikutuksia voivat olla tiettyjen solujen rakenneosien tuhoutuminen ultraäänen aiheuttamien korkeataajuisten värähtelyjen vuoksi (periaatteessa hyvin samankaltainen kuin litotripsia14) ja soluvauriot, jotka johtuvat mekaanista väsymistä muistuttavasta ilmiöstä, mikä puolestaan ​​voi muuttaa solun rakennetta. .ohjelmointi ja mekanobiologia.Vaikka tämä teoreettinen ratkaisu näyttää erittäin sopivalta, sitä ei valitettavasti voida käyttää tapauksissa, joissa kaiuttomat biologiset rakenteet estävät ultraäänen suoran käytön esimerkiksi kallonsisäisissä sovelluksissa luun läsnäolon vuoksi ja osa rintakasvainmassoista sijaitsee rasvakudoksessa. kudosta.Vaimennus voi rajoittaa mahdollisen terapeuttisen vaikutuksen kohtaa.Näiden ongelmien ratkaisemiseksi ultraääntä on käytettävä paikallisesti erityisesti suunnitelluilla muuntimilla, jotka voivat saavuttaa säteilytetyn kohdan mahdollisimman vähemmän invasiivisesti.Tätä silmällä pitäen pohdimme mahdollisuutta käyttää ideoita, jotka liittyvät mahdollisuuteen luoda innovatiivinen teknologinen alusta nimeltä "neulasairaala"15."Hospital in the Needle" -konsepti sisältää mini-invasiivisen lääketieteellisen instrumentin kehittämisen diagnostisiin ja terapeuttisiin sovelluksiin, jotka perustuvat eri toimintojen yhdistämiseen yhdessä lääketieteellisessä neulassa.Kuten Sairaalanneula-osiossa on tarkemmin käsitelty, tämä kompakti laite perustuu ensisijaisesti 16, 17, 18, 19, 20, 21 valokuituanturien etuihin, jotka ominaisuuksiensa vuoksi soveltuvat asennettavaksi standardiin 20 lääketieteelliset neulat, 22 lumenia.Hyödyntämällä Lab-on-Fiber (LOF)23 -teknologian joustavuutta, kuidusta on todella tulossa ainutlaatuinen alusta pienoiskokoisille ja käyttövalmiille diagnostisille ja terapeuttisille laitteille, mukaan lukien nestebiopsia- ja kudosbiopsialaitteet.biomolekyylien havaitsemisessa24,25, valoohjatussa paikallisessa lääkeannostelussa26,27, erittäin tarkassa paikallisessa ultraäänikuvauksessa28, lämpöhoidossa29,30 ja spektroskopiaan perustuvassa syöpäkudoksen tunnistamisessa31.Tässä konseptissa, käyttämällä "neula sairaalassa" -laitteeseen perustuvaa lokalisointilähestymistapaa, tutkimme mahdollisuutta optimoida paikallisten biologisten rakenteiden stimulaatio käyttämällä ultraääniaaltojen etenemistä neulojen läpi kiihottamaan ultraääniaaltoja kiinnostavalla alueella..Näin ollen matalan intensiteetin terapeuttista ultraääntä voidaan soveltaa suoraan riskialueelle minimaalisella invasiivisuudella sonikoitaville soluille ja pienille kiinteille muodostelmille pehmytkudoksissa, kuten edellä mainitun kallonsisäisen leikkauksen tapauksessa kalloon on tehtävä pieni reikä. neula.Viimeaikaisten teoreettisten ja kokeellisten tulosten innoittamana, että ultraääni voi pysäyttää tai viivästyttää tiettyjen syöpien kehittymistä,32,33,34 ehdotettu lähestymistapa voi auttaa ainakin periaatteessa käsittelemään aggressiivisten ja parantavien vaikutusten välisiä keskeisiä kompromisseja.Nämä näkökohdat huomioon ottaen tutkimme tässä artikkelissa mahdollisuutta käyttää sairaalan neulalaitetta syövän minimaalisesti invasiiviseen ultraäänihoitoon.Tarkemmin sanottuna pallomaisten kasvainmassojen sirontaanalyysissä kasvusta riippuvan ultraäänitaajuuden arvioimiseksi käytämme vakiintuneita elastodynaamisia menetelmiä ja akustista sirontateoriaa ennustaaksemme elastisessa väliaineessa kasvaneiden pallomaisten kiinteiden kasvainten kokoa.jäykkyys, joka ilmenee kasvaimen ja isäntäkudoksen välillä materiaalin kasvun aiheuttaman uudelleenmuodostumisen vuoksi.Kuvattuamme järjestelmäämme, jota kutsumme "sairaala neulassa" -osiossa "Sairaala neulassa", analysoimme ultraääniaaltojen etenemistä lääketieteellisten neulojen läpi ennustetuilla taajuuksilla ja niiden numeerinen malli säteilyttää ympäristöä tutkittavaksi tärkeimmät geometriset parametrit (neulan todellinen sisähalkaisija, pituus ja terävyys), jotka vaikuttavat instrumentin akustisen tehon välitykseen.Koska tarkkuuslääketieteen tarve kehittää uusia teknisiä strategioita, uskotaan, että ehdotettu tutkimus voisi auttaa kehittämään uuden työkalun syövän hoitoon, joka perustuu ultraäänen käyttöön, joka toimitetaan integroidun terapeuttisen alustan kautta, joka integroi ultraäänen muihin ratkaisuihin.Yhdistetty, kuten kohdennettu lääkeannostelu ja reaaliaikainen diagnostiikka yhden neulan sisällä.
Tehokas mekaanisten strategioiden tarjoaminen paikallisten kiinteiden kasvainten hoitoon ultraääni- (ultraääni) stimulaatiolla on ollut useiden tutkimusten tavoitteena sekä teoreettisesti että kokeellisesti alhaisen intensiteetin ultraäänivärähtelyn vaikutusta yksisolujärjestelmiin 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Käyttämällä viskoelastisia malleja useat tutkijat ovat analyyttisesti osoittaneet, että kasvain ja terveet solut osoittavat erilaisia ​​taajuusvasteita, joille on tunnusomaista selkeät resonanssihuiput US 10, 11, 12 -alueella.Tämä tulos viittaa siihen, että periaatteessa kasvainsoluja voidaan hyökätä selektiivisesti mekaanisilla ärsykkeillä, jotka säilyttävät isäntäympäristön.Tämä käyttäytyminen on suora seuraus tärkeistä todisteista, joiden mukaan kasvainsolut ovat useimmissa tapauksissa muokattavampia kuin terveet solut, mikä mahdollisesti parantaa niiden kykyä lisääntyä ja vaeltaa37,38,39,40.Yksittäissolumalleilla esim. mikromittakaavassa saatujen tulosten perusteella syöpäsolujen selektiivisyys on osoitettu myös mesoskaalalla numeerisilla tutkimuksilla heterogeenisten soluaggregaattien harmonisista vasteista.Tarjoten eri prosenttiosuuden syöpäsoluja ja terveitä soluja, monisoluiset satojen mikrometrien kokoiset aggregaatit rakennettiin hierarkkisesti.Näiden aggregaattien mesotason tasolla jotkin kiinnostavat mikroskooppiset piirteet säilyvät, koska yksittäisten solujen mekaanista käyttäytymistä kuvaavien päärakenneosien suora toteutus johtuu.Erityisesti jokainen solu käyttää tensegrity-pohjaista arkkitehtuuria matkimaan erilaisten esijännitettyjen sytoskeletaalisten rakenteiden vastetta, mikä vaikuttaa niiden yleiseen jäykkyyteen12,13.Yllä olevan kirjallisuuden teoreettiset ennusteet ja in vitro -kokeet ovat antaneet rohkaisevia tuloksia, jotka osoittavat tarpeen tutkia kasvainmassojen herkkyyttä matalan intensiteetin terapeuttiselle ultraäänelle (LITUS), ja kasvainmassojen säteilytystiheyden arviointi on ratkaisevan tärkeää.paikka LITUS paikan päällä tehtävää hakemusta varten.
Kudostasolla yksittäisen komponentin submakroskooppinen kuvaus kuitenkin väistämättä katoaa, ja kasvainkudoksen ominaisuuksia voidaan jäljittää peräkkäisillä menetelmillä massan kasvun ja stressin aiheuttamien uusiutumisprosessien seuraamiseksi, ottaen huomioon kudosten makroskooppiset vaikutukset. kasvu.- aiheutti muutoksia kudosten elastisuudessa asteikolla 41,42.Itse asiassa, toisin kuin yksisoluisissa ja aggregaattisysteemeissä, kiinteät kasvainmassat kasvavat pehmytkudoksissa poikkeavien jäännösjännitysten asteittaisen kertymisen vuoksi, mikä muuttaa luonnollisia mekaanisia ominaisuuksia kasvaimen sisäisen yleisen jäykkyyden lisääntymisen vuoksi, ja kasvainskleroosista tulee usein määräävä tekijä kasvaimen havaitseminen.
Nämä näkökohdat huomioon ottaen analysoimme tässä normaalissa kudosympäristössä kasvavina elastisina pallomaisina sulkeumina mallinnettujen kasvainsferoidien sonodynaamista vastetta.Tarkemmin sanottuna kasvaimen vaiheeseen liittyvät elastiset ominaisuudet määritettiin joidenkin tekijöiden aikaisemmissa töissä saamien teoreettisten ja kokeellisten tulosten perusteella.Niiden joukossa kiinteiden kasvainsferoidien kehitystä, jotka on kasvatettu in vivo heterogeenisissä väliaineissa, on tutkittu soveltamalla epälineaarisia mekaanisia malleja 41, 43, 44 yhdessä lajienvälisen dynamiikan kanssa kasvainmassojen kehityksen ja siihen liittyvän kasvaimen sisäisen stressin ennustamiseksi.Kuten edellä mainittiin, kasvu (esim. joustamaton esivenytys) ja jäännösjännitys aiheuttavat kasvainmateriaalin ominaisuuksien asteittaista uudelleenmuodostumista, mikä muuttaa myös sen akustista vastetta.On tärkeää huomata, että viitenumerossa.Kasvun ja kiinteän stressin yhteisevoluutio kasvaimissa on osoitettu kokeellisissa kampanjoissa eläinmalleilla.Erityisesti eri vaiheissa resektoitujen rintakasvainmassojen jäykkyyden vertailu jäykkyyteen, joka saatiin toistamalla samanlaiset olosuhteet in silico pallomaisella elementtimallilla, jolla on samat mitat ja ottaen huomioon ennustettu jäännösjännityskenttä, vahvisti ehdotetun menetelmän. mallin voimassaolo..Tässä työssä aiemmin saatuja teoreettisia ja kokeellisia tuloksia hyödynnetään uuden kehitetyn terapeuttisen strategian kehittämisessä.Tässä laskettiin erityisesti ennustetut koot vastaavilla evoluutioresistenssiominaisuuksilla, joita käytettiin siten arvioimaan taajuusalueita, joille isäntäympäristöön upotetut kasvainmassat ovat herkempiä.Tätä varten tutkimme kasvainmassan dynaamista käyttäytymistä eri vaiheissa, eri vaiheissa ottaen huomioon akustiset indikaattorit yleisesti hyväksytyn sirontaperiaatteen mukaisesti vasteena ultraääniärsykkeille ja korostaen sferoidin mahdollisia resonanssiilmiöitä. .riippuen kasvaimesta ja isännästä Kasvusta riippuvaiset erot kudosten välillä.
Siten kasvainmassat mallinnettiin säteen \(a\) elastisiksi palloiksi isännän ympäröivässä elastisessa ympäristössä kokeellisten tietojen perusteella, jotka osoittivat kuinka tilaa vievät pahanlaatuiset rakenteet kasvavat in situ pallomaisissa muodoissa.Viitaten kuvaan 1, käyttämällä pallomaisia ​​koordinaatteja \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (jossa \(\theta\) ja \(\varphi\) edustavat poikkeavuuskulmaa ja atsimuuttikulmaa, vastaavasti), kasvainalue varaa Alue upotettu terveeseen tilaan \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) rajaton alue \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Viitaten lisätietoihin (SI) matemaattisen mallin täydellisen kuvauksen saamiseksi, joka perustuu monissa kirjallisuuksissa raportoituun vakiintuneeseen elastodynaamiseen perustaan ​​45, 46, 47, 48, tarkastelemme tässä ongelmaa, jolle on ominaista aksisymmetrinen värähtelytila.Tämä oletus viittaa siihen, että kaikki muuttujat kasvaimessa ja terveillä alueilla ovat riippumattomia atsimuuttikoordinaatista \(\varphi\) ja että vääristymiä ei tapahdu tähän suuntaan.Näin ollen siirtymä- ja jännityskentät voidaan saada kahdesta skalaaripotentiaalista \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) ja \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , ne ovat vastaavasti pitkittäisaallon ja leikkausaallon kanssa, yhteensattumaaika t aallon \(\theta \) ja tulevan aallon suunnan ja paikkavektorin välisen kulman välillä \({\mathbf {x))\) ( kuten kuvassa 1) näkyy ja \(\omega = 2\pi f\) edustaa kulmataajuutta.Erityisesti tuleva kenttä mallinnetaan tasoaallon \(\phi_{H}^{(in)}\) (joka on myös otettu käyttöön SI-järjestelmässä yhtälössä (A.9)) avulla, joka etenee kehon tilavuuteen lain ilmaisun mukaan
missä \(\phi_{0}\) on amplitudiparametri.Tulevan tasoaallon (1) pallolaajennus käyttämällä palloaaltofunktiota on vakioargumentti:
Missä \(j_{n}\) on ensimmäisen kertaluvun \(n\) pallomainen Bessel-funktio ja \(P_{n}\) on Legendren polynomi.Osa sijoituspallon tulevasta aallosta on hajallaan ympäröivään väliaineeseen ja on päällekkäin tulevan kentän kanssa, kun taas toinen osa on hajallaan pallon sisällä, mikä myötävaikuttaa sen värähtelyyn.Tätä varten aaltoyhtälön \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ harmoniset ratkaisut ) ja \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), jonka tarjoaa esimerkiksi Eringen45 (katso myös SI ) voi osoittaa kasvainta ja terveitä alueita.Erityisesti isäntäväliaineessa \(H\) syntyvät hajalaajenemisaallot ja isovolumiset aallot myöntävät vastaavat potentiaalienergiansa:
Niistä ensimmäisen tyyppistä pallomaista Hankel-funktiota \(h_{n}^{(1)}\) käytetään lähtevän haja-aallon tarkastelussa ja \(\alpha_{n}\) ja \(\beta_{ n}\ ) ovat tuntemattomien kertoimia.yhtälössä.Yhtälöissä (2)–(4) termit \(k_{H1}\) ja \(k_{H2}\) tarkoittavat harventumisen ja poikittaisaaltojen aaltolukuja kehon pääalueella, vastaavasti ( katso SI).Kasvaimen sisällä olevat puristuskentät ja siirtymät ovat muodoltaan
Missä \(k_{T1}\) ja \(k_{T2}\) edustavat pituus- ja poikittaisaaltojen lukuja kasvainalueella ja tuntemattomat kertoimet ovat \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Näiden tulosten perusteella nollasta poikkeavat radiaaliset ja kehäsiirtymäkomponentit ovat ominaisia ​​tarkasteltavan ongelman terveille alueille, kuten \(u_{Hr}\) ja \(u_{H\theta}\) (\(u_{) H\ varphi }\ ) symmetriaoletusta ei enää tarvita) — saadaan suhteesta \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \oikea) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) ja \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) muodostamalla \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) ja \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (katso SI yksityiskohtainen matemaattinen johtaminen).Vastaavasti \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) ja \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) korvaaminen palauttaa {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) ja \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Vasen) Terveessä ympäristössä kasvatetun pallomaisen kasvaimen geometria, jonka läpi sattuva kenttä leviää, (oikealla) Vastaava kasvain-isäntäjäykkyyssuhteen kehitys kasvaimen säteen funktiona, raportoitu data (mukautettu julkaisusta Carotenuto et al. 41) puristustesteissä vitro saatiin kiinteistä rintakasvaimista, jotka oli ympätty MDA-MB-231-soluilla.
Olettaen lineaarisia elastisia ja isotrooppisia materiaaleja, nollasta poikkeavat jännityskomponentit terveillä ja kasvainalueilla, eli \(\sigma_{Hpq}\) ja \(\sigma_{Tpq}\) – noudattavat yleistettyä Hooken lakia, koska ovat erilaisia ​​Lamé-moduuleja, jotka kuvaavat isännän ja kasvaimen elastisuutta ja joita merkitään \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) ja \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (katso yhtälö (A.11) SI:ssä esitettyjen jännityskomponenttien täydelliseksi ilmaisuksi).Erityisesti viitteen 41 ja kuviossa 1 esitettyjen tietojen mukaan kasvavat kasvaimet osoittivat muutosta kudosten elastisuusvakioissa.Siten siirtymät ja jännitykset isäntä- ja kasvainalueilla määritetään täysin tuntemattomien vakioiden joukkoon asti \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) on teoriassa äärettömät mitat.Näiden kerroinvektoreiden löytämiseksi otetaan käyttöön sopivat rajapinnat ja rajaolosuhteet kasvaimen ja terveiden alueiden välille.Olettaen täydellisen sitoutumisen kasvain-isäntärajapinnassa \(r = a\), siirtymien ja jännitysten jatkuvuus vaatii seuraavat ehdot:
Järjestelmä (7) muodostaa yhtälöjärjestelmän, jossa on äärettömiä ratkaisuja.Lisäksi jokainen rajaehto riippuu poikkeamasta \(\theta\).Raja-arvoongelman pelkistäminen täydelliseksi algebralliseksi ongelmaksi \(N\) suljettujen järjestelmien joukossa, joista jokainen on tuntemattomassa \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (ja \ ( N \) \infty \), teoreettisesti) ja yhtälöiden trigonometristen termien riippuvuuden eliminoimiseksi rajapintaehdot kirjoitetaan heikossa muodossa käyttäen Legendren polynomien ortogonaalisuutta.Erityisesti yhtälöt (7)1,2 ja (7)3,4 kerrotaan \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) ja \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ja integroi sitten \(0\) ja \(\pi\) välillä käyttämällä matemaattisia identiteettejä:
Siten rajapintaehto (7) palauttaa toisen asteen algebrallisen yhtälöjärjestelmän, joka voidaan ilmaista matriisimuodossa muodossa \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) ja hanki tuntematon \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) ratkaisemalla Cramerin sääntö .
Pallon hajottaman energiavuon arvioimiseksi ja tiedon saamiseksi sen akustisesta vasteesta isäntäväliaineessa etenevän hajakentän tietojen perusteella on kiinnostava akustinen suure, joka on normalisoitu bistaattinen sironnan poikkileikkaus.Erityisesti sirontapoikkileikkaus, jota merkitään \(s), ilmaisee sironneen signaalin lähettämän akustisen tehon ja tulevan aallon kuljettaman energian jakautumisen välistä suhdetta.Tässä suhteessa muotofunktion \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) suuruus on usein käytetty suure akustisten mekanismien tutkimuksessa. upotettu nesteeseen tai kiinteään aineeseen Esineiden sironta sedimentissä.Tarkemmin sanottuna muotofunktion amplitudi määritellään differentiaalisen sironnan poikkileikkauksena \(ds\) pinta-alayksikköä kohti, joka eroaa tulevan aallon etenemissuunnan normaalista:
missä \(f_{n}^{pp}\) ja \(f_{n}^{ps}\) tarkoittavat modaalifunktiota, joka viittaa pitkittäisaallon ja sironneen aallon tehojen suhdetta Vastaanottovälineessä esiintyvä P-aalto annetaan seuraavilla lausekkeilla:
Osaaaltofunktioita (10) voidaan tutkia itsenäisesti resonanssisirontateorian (RST)49,50,51,52 mukaisesti, mikä mahdollistaa kohdeelastisuuden erottamisen kokonaishajakentästä eri moodeja tutkittaessa.Tämän menetelmän mukaan modaalimuotofunktio voidaan jakaa kahden yhtä suuren osan summaksi, nimittäin \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) liittyvät resonanssin ja ei-resonanssin taustan amplitudeihin, vastaavasti.Resonanssimoodin muotofunktio liittyy kohteen vasteeseen, kun taas tausta liittyy yleensä sirottimen muotoon.Kunkin moodin kohteen ensimmäisen formantin havaitsemiseksi modaaliresonanssimuotofunktion amplitudi \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) on laskettu olettaen kova tausta, joka koostuu läpäisemättömistä palloista elastisessa isäntämateriaalissa.Tämä hypoteesi perustuu siihen tosiasiaan, että yleensä sekä jäykkyys että tiheys kasvavat kasvaimen massan kasvaessa jäännöspuristusjännityksen vuoksi.Näin ollen voimakkaalla kasvutasolla impedanssisuhteen \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) odotetaan olevan suurempi kuin 1 useimmissa makroskooppisissa kiinteissä kasvaimissa, jotka kehittyvät pehmeissä tiloissa. kudoksia.Esimerkiksi Krouskop et ai.53 raportoi syöpä- ja normaalimoduulin suhteen noin 4 eturauhaskudokselle, kun taas tämä arvo nousi 20:een rintakudosnäytteillä.Nämä suhteet muuttavat väistämättä kudoksen akustista impedanssia, kuten myös elastografia-analyysi osoitti54, 55, 56, ja ne voivat liittyä kasvaimen hyperproliferaation aiheuttamaan paikalliseen kudoksen paksuuntumiseen.Tämä ero on havaittu myös kokeellisesti eri vaiheissa kasvaneiden rintakasvainlohkojen yksinkertaisilla kompressiotesteillä32, ja materiaalin uudelleenmuotoilua voidaan seurata hyvin ennustavilla lajien välisillä malleilla ei-lineaarisesti kasvavista kasvaimista43,44.Saadut jäykkyystiedot liittyvät suoraan kiinteiden kasvainten Youngin moduulin kehitykseen kaavan \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ mukaisesti. varepsilon\ )( pallot, joiden säde \(a\), jäykkyys \(S\) ja Poissonin suhde \(\nu\) kahden jäykän levyn 57 välillä, kuten kuvassa 1).Siten on mahdollista saada akustisia impedanssimittauksia kasvaimesta ja isännästä eri kasvutasoilla.Erityisesti verrattuna normaalikudoksen moduuliin, joka on yhtä suuri kuin 2 kPa kuvassa 1, rintakasvainten kimmomoduuli tilavuusalueella noin 500 - 1250 mm3 johti nousuun noin 10 kPa:sta 16 kPa:iin, mikä on raportoitujen tietojen kanssa.viitteissä 58, 59 havaittiin, että paine rintakudosnäytteissä on 0,25–4 kPa häviävän esipuristuksen kanssa.Oletetaan myös, että lähes kokoonpuristumattoman kudoksen Poisson-suhde on 41,60, mikä tarkoittaa, että kudoksen tiheys ei muutu merkittävästi tilavuuden kasvaessa.Erityisesti käytetään keskimääräistä väestötiheyttä \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Näillä huomioilla jäykkyys voi saada taustatilan seuraavalla lausekkeella:
Missä tuntematon vakio \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) voidaan laskea ottaen huomioon jatkuvuuden bias ( 7 )2,4, eli ratkaisemalla algebrallinen järjestelmä \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) jossa on alaikäisiä\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ja vastaava yksinkertaistettu sarakevektori\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Antaa perustiedot yhtälöstä (11), kaksi amplitudia takaisinsirontaresonanssitilasta \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) ja \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) viittaa P-aallon herätteeseen ja P- ja S-aallon heijastukseen, vastaavasti.Lisäksi ensimmäinen amplitudi arvioitiin \(\theta = \pi\) ja toinen amplitudi \(\theta = \pi/4\).Lataamalla erilaisia ​​koostumusominaisuuksia.Kuva 2 osoittaa, että halkaisijaltaan noin 15 mm:n kasvainsferoidien resonanssipiirteet keskittyvät pääasiassa 50-400 kHz:n taajuuskaistalle, mikä viittaa mahdollisuuteen käyttää matalataajuista ultraääntä resonoivan kasvaimen virittymisen indusoimiseksi.soluja.Paljon.Tällä taajuuskaistalla RST-analyysi paljasti yksimuotoisia formantteja moodeille 1-6, jotka on korostettu kuvassa 3. Tässä sekä pp- että ps-sironneet aallot osoittavat ensimmäisen tyypin formantteja, joita esiintyy hyvin matalilla taajuuksilla, jotka kasvavat noin 20 kHz moodille 1 - noin 60 kHz, kun n = 6, mikä ei osoita merkitsevää eroa pallon säteessä.Sitten resonanssifunktio ps vaimenee, kun taas suuren amplitudin pp-formanttien yhdistelmä tarjoaa noin 60 kHz:n jaksollisuuden, mikä osoittaa suurempaa taajuussiirtymää moodiluvun kasvaessa.Kaikki analyysit suoritettiin Mathematica®62-laskentaohjelmistolla.
Erikokoisten rintakasvainten moduulista saadut takaisinsirontamuotofunktiot on esitetty kuvassa 1, jossa on korostettu korkeimmat sirontavyöhykkeet moodisuperpositio huomioon ottaen.
Valittujen moodien resonanssit välillä \(n = 1\) - \(n = 6\), laskettu P-aallon virityksestä ja heijastuksesta eri kasvainkokoissa (mustat käyrät kohdasta \(\vasemmalla | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) ja P-aallon heräte ja S-aaltoheijastus (harmaat käyrät, jotka saadaan modaalisen muotofunktion avulla \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Tämän alustavan analyysin tulokset kaukokentän etenemisolosuhteita käyttäen voivat ohjata taajuusmuuttajakohtaisten käyttötaajuuksien valintaa seuraavissa numeerisissa simulaatioissa, joissa tutkitaan mikrovärähtelyjännityksen vaikutusta massaan.Tulokset osoittavat, että optimaalisten taajuuksien kalibrointi voi olla vaihekohtaista kasvaimen kasvun aikana ja se voidaan määrittää käyttämällä kasvumallien tuloksia sairauden hoidossa käytettävien biomekaanisten strategioiden luomiseksi kudosten uudelleenmuodostumisen ennustamiseksi oikein.
Nanoteknologian merkittävä edistys saa tiedeyhteisön löytämään uusia ratkaisuja ja menetelmiä miniatyrisoitujen ja minimaalisesti invasiivisten lääketieteellisten laitteiden kehittämiseen in vivo -sovelluksiin.Tässä yhteydessä LOF-tekniikka on osoittanut huomattavan kyvyn laajentaa optisten kuitujen ominaisuuksia, mikä mahdollistaa uusien minimaalisesti invasiivisten kuituoptisten laitteiden kehittämisen life science -sovelluksiin21, 63, 64, 65. Ajatus 2D- ja 3D-materiaalien integroimisesta halutut kemialliset, biologiset ja optiset ominaisuudet optisten kuitujen sivuilla 25 ja/tai päissä 64 täysin spatiaalisen ohjauksen kanssa nanomittakaavassa johtaa uuden luokan kuituoptisten nanooptodien syntymiseen.on laaja valikoima diagnostisia ja terapeuttisia toimintoja.Mielenkiintoista on, että optiset kuidut soveltuvat geometristen ja mekaanisten ominaisuuksiensa (pieni poikkileikkaus, suuri sivusuhde, joustavuus, pieni paino) ja materiaalien (yleensä lasi tai polymeerit) biologisen yhteensopivuuden ansiosta hyvin neuloihin ja katetriin vietäväksi.Lääketieteelliset sovellukset20, jotka tasoittivat tietä uudelle visiolle "neulasairaalasta" (katso kuva 4).
Itse asiassa LOF-tekniikan tarjoamien vapausasteiden ansiosta optiset kuidut voidaan funktionalisoida oikein erilaisiin erilaisiin metalli- ja/tai dielektrisistä materiaaleista valmistettujen mikro- ja nanorakenteiden integrointia varten erityisiin sovelluksiin, jotka usein tukevat resonanssimoodiviritystä., Valokenttä 21 on sijoitettu vahvasti.Valon eristäminen aliaallonpituusasteikolla, usein yhdistettynä kemialliseen ja/tai biologiseen prosessointiin63 ja herkkien materiaalien, kuten älykkäiden polymeerien65,66, integroiminen voi tehostaa valon ja aineen vuorovaikutuksen hallintaa, mikä voi olla hyödyllistä teranostisiin tarkoituksiin.Integroitujen komponenttien/materiaalien tyypin ja koon valinta riippuu luonnollisesti havaittavista fysikaalisista, biologisista tai kemiallisista parametreista21,63.
LOF-anturien integrointi lääketieteellisiin neuloihin, jotka on suunnattu tiettyihin kohtiin kehossa, mahdollistaa paikalliset neste- ja kudosbiopsiat in vivo, mikä mahdollistaa samanaikaisen paikallishoidon, vähentää sivuvaikutuksia ja lisää tehokkuutta.Mahdollisia mahdollisuuksia ovat erilaisten kiertävien biomolekyylien, mukaan lukien syövän, havaitseminen.biomarkkerit tai mikroRNA:t (miRNA:t)67, syöpäkudosten tunnistaminen käyttämällä lineaarista ja epälineaarista spektroskopiaa, kuten Raman-spektroskopiaa (SERS)31, korkearesoluutioinen fotoakustinen kuvantaminen22, 28, 68, laserkirurgia ja -ablaatio69 sekä paikalliset lääkkeet valolla27 ja automaattinen neulojen ohjaaminen ihmiskehoon20.On syytä huomata, että vaikka optisten kuitujen käyttö välttää "klassisten" elektronisiin komponentteihin perustuvien menetelmien tyypilliset haitat, kuten sähköliitäntöjen tarpeen ja sähkömagneettisten häiriöiden esiintymisen, tämä mahdollistaa erilaisten LOF-anturien tehokkaan integroinnin järjestelmä.yksi lääketieteellinen neula.Erityistä huomiota tulee kiinnittää haitallisten vaikutusten, kuten saasteiden, optisten häiriöiden, fyysisten esteiden, jotka aiheuttavat ylikuulumisvaikutuksia eri toimintojen välillä, vähentämiseen.On kuitenkin myös totta, että monien mainittujen toimintojen ei tarvitse olla aktiivisia samanaikaisesti.Tämä näkökohta mahdollistaa ainakin häiriöiden vähentämisen, mikä rajoittaa kielteistä vaikutusta kunkin anturin suorituskykyyn ja toimenpiteen tarkkuuteen.Nämä pohdinnat antavat meille mahdollisuuden nähdä käsite "neula sairaalassa" yksinkertaisena visiona luoda vankka perusta seuraavan sukupolven terapeuttisille neuloille biotieteissä.
Mitä tulee tässä artikkelissa käsiteltyyn sovellukseen, seuraavassa osiossa tutkimme numeerisesti lääketieteellisen neulan kykyä ohjata ultraääniaaltoja ihmisen kudoksiin käyttämällä niiden etenemistä akseliaan pitkin.
Ultraääniaaltojen leviäminen vedellä täytetyn ja pehmytkudoksiin työnnetyn lääketieteellisen neulan läpi (katso kaavio kuvassa 5a) mallinnettiin kaupallisella Comsol Multiphysics -ohjelmistolla, joka perustuu elementtimenetelmään (FEM)70, jossa neula ja kudos mallinnetaan. lineaarisena elastisena ympäristönä.
Viitaten kuvaan 5b, neula on mallinnettu ontoksi sylinteriksi (tunnetaan myös nimellä "kanyyli"), joka on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, joka on lääketieteellisten neulojen vakiomateriaali71.Erityisesti se mallinnettiin Youngin moduulilla E = 205 GPa, Poissonin suhteella ν = 0,28 ja tiheydellä ρ = 7850 kg m −372,73.Geometrisesti neulalle on tunnusomaista pituus L, sisähalkaisija D (kutsutaan myös "väliksi") ja seinämän paksuus t.Lisäksi neulan kärjen katsotaan olevan vinossa kulmassa α pituussuuntaan (z) nähden.Veden tilavuus vastaa olennaisesti neulan sisäosan muotoa.Tässä alustavassa analyysissä neulan oletettiin olevan täysin upotettuna kudosalueeseen (oletetaan jatkuvan loputtomasti), mallinnetun säteen rs palloksi, joka pysyi vakiona 85 mm:ssä kaikkien simulaatioiden ajan.Yksityiskohtaisemmin viimeistelemme pallomaisen alueen täydellisesti sovitetulla kerroksella (PML), joka ainakin vähentää "kuvitteellisista" rajoista heijastuvia ei-toivottuja aaltoja.Sitten valitsimme säteen rs niin, että pallomainen alueraja sijoitetaan riittävän kauas neulasta, jotta se ei vaikuta laskennalliseen ratkaisuun, ja tarpeeksi pieni, jotta se ei vaikuta simulaation laskentakustannuksiin.
Taajuuden f ja amplitudin A harmoninen pituussuuntainen siirtymä sovelletaan kynän geometrian alarajaan;tämä tilanne edustaa simuloituun geometriaan kohdistettua syöttöärsytystä.Neulan muilla rajoilla (kosketuksessa kudoksen ja veden kanssa) hyväksytyn mallin katsotaan sisältävän kahden fyysisen ilmiön välisen suhteen, joista toinen liittyy rakennemekaniikkaan (neulan alueelle) ja toinen rakennemekaniikkaan.(neulaiselle alueelle), joten vastaavat ehdot asetetaan akustiikkalle (vedelle ja neulaiselle alueelle)74.Erityisesti neulan istukkaan kohdistuvat pienet tärinät aiheuttavat pieniä jännitehäiriöitä;siten, olettaen, että neula käyttäytyy kuin elastinen väliaine, siirtymävektori U voidaan arvioida elastodynaamisesta tasapainoyhtälöstä (Navier)75.Neulan rakenteelliset värähtelyt aiheuttavat muutoksia sen sisällä olevassa vedenpaineessa (jota pidetään mallissamme stationaarisena), minkä seurauksena ääniaallot etenevät neulan pituussuunnassa olennaisesti Helmholtzin yhtälön tottelemalla76.Lopuksi, olettaen, että epälineaariset vaikutukset kudoksissa ovat mitättömiä ja että leikkausaaltojen amplitudi on paljon pienempi kuin paineaaltojen amplitudi, Helmholtzin yhtälöä voidaan käyttää myös akustisten aaltojen etenemisen mallintamiseen pehmytkudoksissa.Tämän likiarvon jälkeen kudosta pidetään nesteenä77, jonka tiheys on 1000 kg/m3 ja äänen nopeus 1540 m/s (taajuusriippuvaiset vaimennusvaikutukset huomioimatta).Näiden kahden fyysisen kentän yhdistämiseksi on varmistettava normaalin liikkeen jatkuvuus kiinteän aineen ja nesteen rajalla, staattinen tasapaino paineen ja jännityksen välillä kohtisuorassa kiinteän aineen rajaa vastaan ​​sekä tangentiaalinen jännitys aineen rajalla. nesteen tulee olla nolla.75 .
Analyysissamme tutkimme akustisten aaltojen etenemistä neulaa pitkin paikallaan olevissa olosuhteissa keskittyen neulan geometrian vaikutukseen aaltojen emissioon kudoksen sisällä.Erityisesti tutkimme neulan D sisähalkaisijan, pituuden L ja viistekulman α vaikutusta pitäen paksuuden t kiinteänä 500 µm:ssä kaikissa tutkituissa tapauksissa.Tämä t:n arvo on lähellä kaupallisten neulojen tyypillistä standardiseinämän paksuutta 71.
Yleisyyden menettämättä neulan pohjaan kohdistetun harmonisen siirtymän taajuudeksi f otettiin 100 kHz ja amplitudiksi A oli 1 μm.Erityisesti taajuudelle asetettiin 100 kHz, mikä on yhdenmukainen analyyttisten arvioiden kanssa, jotka on annettu osiossa "Pyörämäisten kasvainmassojen sirontaanalyysi kasvusta riippuvien ultraäänitaajuuksien arvioimiseksi", jossa kasvainmassojen resonanssimaista käyttäytymistä havaittiin taajuusalue 50–400 kHz, jolloin suurin sirontaamplitudi on keskittynyt alemmille taajuuksille noin 100–200 kHz (ks. kuva 2).
Ensimmäinen tutkittu parametri oli neulan sisähalkaisija D.Mukavuussyistä se määritellään akustisen aallonpituuden kokonaislukuna neulan ontelossa (eli vedessä λW = 1,5 mm).Todellakin, aallon etenemisilmiöt laitteissa, joille on tunnusomaista tietty geometria (esimerkiksi aaltoputkessa), riippuvat usein käytetyn geometrian tunnusomaisesta koosta verrattuna etenevän aallon aallonpituuteen.Lisäksi ensimmäisessä analyysissä, jotta voitaisiin paremmin korostaa halkaisijan D vaikutusta akustisen aallon etenemiseen neulan läpi, tarkasteltiin litteää kärkeä, joka asetti kulman α = 90°.Tämän analyysin aikana neulan pituus L kiinnitettiin 70 mm:iin.
KuvassaKuva 6a esittää keskimääräistä äänenvoimakkuutta dimensiottoman skaalaparametrin SD funktiona, eli D = λW/SD laskettuna pallossa, jonka säde on 10 mm keskitettynä vastaavaan neulan kärkeen.Skaalausparametri SD muuttuu 2:sta 6:een, eli huomioidaan D-arvot välillä 7,5 mm - 2,5 mm (taajuudella f = 100 kHz).Valikoima sisältää myös ruostumattomasta teräksestä valmistettujen lääketieteellisten neulojen vakioarvon 71.Neulan sisähalkaisija vaikuttaa odotetusti neulan lähettämän äänen voimakkuuteen maksimiarvolla (1030 W/m2), joka vastaa arvoa D = λW/3 (eli D = 5 mm) ja laskeva trendi laskevan äänen kanssa. halkaisija.On otettava huomioon, että halkaisija D on geometrinen parametri, joka vaikuttaa myös lääkinnällisen laitteen invasiivisuuteen, joten tätä kriittistä seikkaa ei voida jättää huomiotta optimaalista arvoa valittaessa.Siksi, vaikka D:n lasku johtuu akustisen intensiteetin heikkenemisestä kudoksissa, seuraavissa tutkimuksissa halkaisija D = λW/5, eli D = 3 mm (vastaa 11G71-standardia taajuudella f = 100 kHz) , pidetään kohtuullisena kompromissina laitteen tunkeutumisen ja äänenvoimakkuuden siirron välillä (keskimäärin noin 450 W/m2).
Neulan kärjen lähettämän äänen keskimääräinen voimakkuus (jota pidetään litteänä) riippuen neulan sisähalkaisijasta (a), pituudesta (b) ja viistekulmasta α (c).Pituus kohdassa (a, c) on 90 mm ja halkaisija kohdassa (b, c) 3 mm.
Seuraavaksi analysoitava parametri on neulan pituus L. Kuten edellisessä tapaustutkimuksessa tarkastelemme vinokulmaa α = 90° ja pituus skaalataan aallonpituuden kerrannaisena vedessä, eli katsotaan L = SL λW .Dimensioton skaalausparametri SL muutetaan arvosta 3 7, mikä arvioi neulan kärjen lähettämän äänen keskimääräisen voimakkuuden pituusalueella 4,5 - 10,5 mm.Tämä valikoima sisältää tyypilliset arvot kaupallisille neuloille.Tulokset on esitetty kuvassa.6b, joka osoittaa, että neulan pituudella L on suuri vaikutus äänenvoimakkuuden siirtymiseen kudoksissa.Erityisesti tämän parametrin optimointi mahdollisti lähetyksen parantamisen noin suuruusluokkaa.Itse asiassa analysoidulla pituusalueella keskimääräinen äänenvoimakkuus saa paikallisen maksimiarvon 3116 W/m2, kun SL = 4 (eli L = 60 mm), ja toinen vastaa arvoa SL = 6 (eli L = 90). mm).
Analysoituamme neulan halkaisijan ja pituuden vaikutusta ultraäänen etenemiseen lieriömäisessä geometriassa, keskityimme viistekulman vaikutukseen äänenvoimakkuuden siirtymiseen kudoksissa.Kuidun kärjestä tulevan äänen keskimääräinen intensiteetti arvioitiin kulman α funktiona muuttaen sen arvoa 10°:sta (terävä kärki) 90°:een (litteä kärki).Tässä tapauksessa integroivan pallon säde tarkasteltavan neulan kärjen ympärillä oli 20 mm, joten kaikilla α-arvoilla neulan kärki sisällytettiin keskiarvosta laskettuun tilavuuteen.
Kuten kuvassa näkyy.6c, kun kärki on teroitettu, eli kun α laskee alkaen 90°, lähetetyn äänen intensiteetti kasvaa saavuttaen maksimiarvon noin 1,5 × 105 W/m2, mikä vastaa α = 50°, eli 2 on suuruusluokkaa korkeampi verrattuna tasaiseen tilaan.Kun kärkeä teroitetaan edelleen (eli α:ssa alle 50°), äänenvoimakkuudella on taipumus laskea saavuttaen arvot, jotka ovat verrattavissa litteään kärkeen.Vaikka harkitsimmekin monenlaisia ​​viistekulmia simulaatioissamme, on kuitenkin syytä ottaa huomioon, että kärjen teroitus on välttämätöntä neulan työntämisen helpottamiseksi kudokseen.Itse asiassa pienempi viistekulma (noin 10°) voi vähentää voimaa 78, joka tarvitaan kudoksen tunkeutumiseen.
Kudoksen sisällä välittyvän äänen intensiteetin arvon lisäksi viistekulma vaikuttaa myös aallon etenemissuuntaan, kuten näkyy kuvan 7a (litteälle kärjelle) ja 3b (10°:lle) äänenpainetasokäyrästöstä. ).viisto kärki), yhdensuuntainen Pitkittäissuunta arvioidaan symmetriatasossa (yz, vrt. kuva 5).Näiden kahden näkökohdan ääripäässä äänenpainetaso (jota kutsutaan 1 µPa:ksi) keskittyy pääasiassa neulanonteloon (eli veteen) ja säteilee kudokseen.Tarkemmin sanottuna litteän kärjen (kuva 7a) tapauksessa äänenpainetason jakautuminen on täysin symmetrinen pitkittäissuuntaan nähden ja rungon täyttävästä vedestä voidaan erottaa seisovia aaltoja.Aalto on suunnattu pituussuunnassa (z-akseli), amplitudi saavuttaa maksimiarvonsa vedessä (noin 240 dB) ja pienenee poikittain, mikä johtaa noin 20 dB:n vaimenemiseen 10 mm etäisyydellä neulan keskustasta.Kuten odotettiin, terävän kärjen käyttöönotto (kuva 7b) rikkoo tämän symmetrian, ja seisovien aaltojen antisolmut "poikkeavat" neulan kärjen mukaan.Ilmeisesti tämä epäsymmetria vaikuttaa neulan kärjen säteilyn voimakkuuteen, kuten aiemmin on kuvattu (kuva 6c).Tämän näkökohdan ymmärtämiseksi paremmin akustista intensiteettiä arvioitiin neulan pituussuuntaan nähden kohtisuoraa leikkausviivaa pitkin, joka sijaitsi neulan symmetriatasossa ja 10 mm etäisyydellä neulan kärjestä ( tulokset kuvassa 7c).Tarkemmin sanottuna äänen intensiteetin jakaumia, jotka arvioitiin 10°, 20° ja 30° vinoissa kulmissa (vastaavasti siniset, punaiset ja vihreät kiinteät viivat), verrattiin jakaumaan lähellä tasaista päätä (mustat pisteviivat).Tasakärkisiin neuloihin liittyvä intensiteettijakauma näyttää olevan symmetrinen neulan keskustan suhteen.Erityisesti se saa noin 1420 W/m2 arvon keskellä, ylivuoto noin 300 W/m2 ~8 mm:n etäisyydellä ja laskee sitten arvoon noin 170 W/m2 ~30 mm:n kohdalla. .Kun kärki muuttuu teräväksi, keskikeila jakautuu useammiksi erivoimaisiksi lohkoiksi.Tarkemmin sanottuna, kun a oli 30°, kolme terälehteä voitiin selvästi erottaa profiilissa mitattuna 1 mm:n etäisyydellä neulan kärjestä.Keskimmäinen on melkein neulan keskellä ja sen arvioitu arvo on 1850 W / m2, ja korkeampi oikealla on noin 19 mm keskustasta ja saavuttaa 2625 W / m2.Kun α = 20°, on 2 pääkeilaa: yksi per -12 mm teholla 1785 W/m2 ja yksi per 14 mm teholla 1524 W/m2.Kun kärki terävöityy ja kulma saavuttaa 10°, noin -20 mm:n kohdalla saavutetaan maksimi 817 W/m2 ja profiilin varrella näkyy vielä kolme hieman vähemmän intensiteettiä olevaa keilaa.
Tasaisen pään (a) ja 10° viisteen (b) neulan äänenpainetaso symmetriatasossa y–z.(c) Akustisen intensiteetin jakauma arvioituna leikkausviivaa pitkin, joka on kohtisuorassa neulan pituussuuntaan nähden, 10 mm:n etäisyydellä neulan kärjestä ja sijaitsee symmetriatasossa yz.Pituus L on 70 mm ja halkaisija D 3 mm.
Yhdessä nämä tulokset osoittavat, että lääketieteellisiä neuloja voidaan käyttää tehokkaasti siirtämään ultraääntä 100 kHz:n taajuudella pehmytkudokseen.Lähetetyn äänen voimakkuus riippuu neulan geometriasta, ja se voidaan optimoida (päätelaitteen invasiivisuuden asettamien rajoitusten mukaisesti) arvoon 1000 W/m2 (10 mm:llä).neulan pohjaan kiinnitettynä 1. Mikrometrisiirtymän tapauksessa neulan katsotaan olevan kokonaan työnnettynä loputtomasti ulottuvaan pehmytkudokseen.Erityisesti viistekulma vaikuttaa voimakkaasti ääniaaltojen etenemisen intensiteettiin ja suuntaan kudoksessa, mikä johtaa ensisijaisesti neulan kärjen leikkauksen ortogonaalisuuteen.
Uusien ei-invasiivisten lääketieteellisten tekniikoiden käyttöön perustuvien kasvainten hoitostrategioiden kehittämisen tukemiseksi matalataajuisen ultraäänen leviämistä kasvainympäristössä analysoitiin analyyttisesti ja laskennallisesti.Erityisesti tutkimuksen ensimmäisessä osassa tilapäisen elastodynaamisen ratkaisun avulla pystyimme tutkimaan ultraääniaaltojen sirontaa tunnetun koon ja jäykkyyden omaavissa kiinteissä kasvainpalloissa massan taajuusherkkyyden tutkimiseksi.Sitten valittiin satojen kilohertsien luokkaa olevat taajuudet ja värähtelyrasituksen paikallinen sovellus kasvainympäristössä lääketieteellisellä neulakäytöllä mallinnettiin numeerisella simulaatiolla tutkimalla akustisen äänen siirtymisen määräävien suunnitteluparametrien vaikutusta. laitteen tehosta ympäristölle.Tulokset osoittavat, että lääketieteellisiä neuloja voidaan käyttää tehokkaasti kudosten säteilyttämiseen ultraäänellä, ja sen intensiteetti liittyy läheisesti neulan geometriseen parametriin, jota kutsutaan työakustiseksi aallonpituudeksi.Itse asiassa säteilyn intensiteetti kudoksen läpi kasvaa neulan sisähalkaisijan kasvaessa ja saavuttaa maksimin, kun halkaisija on kolme kertaa aallonpituus.Neulan pituus tarjoaa myös jonkin verran vapautta valotuksen optimointiin.Jälkimmäinen tulos todellakin maksimoidaan, kun neulan pituus asetetaan tiettyyn käyttöaallonpituuden kerrannaiseen (erityisesti 4 ja 6).Mielenkiintoista on, että kiinnostavan taajuusalueen optimoidut halkaisija- ja pituusarvot ovat lähellä niitä, joita tavallisesti käytetään tavallisissa kaupallisissa neuloissa.Viistekulma, joka määrää neulan terävyyden, vaikuttaa myös emissiivisyyteen, saavuttaen huippunsa noin 50°:ssa ja tarjoamalla hyvän suorituskyvyn noin 10°:ssa, jota yleisesti käytetään kaupallisissa neuloissa..Simulaatiotuloksia käytetään ohjaamaan sairaalan neulansisäisen diagnostisen alustan käyttöönottoa ja optimointia, integroimalla diagnostinen ja terapeuttinen ultraääni muihin laitteen sisäisiin terapeuttisiin ratkaisuihin ja toteuttamalla yhteisiä tarkkuuslääketieteellisiä interventioita.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. ja Kopp MV Mitä on tarkkuuslääketiede?euroa, ulkomaalainen.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS ja Varmus, H. Uusia aloitteita tarkkuuslääketieteessä.N. eng.J. Medicine.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK ja Wang, MD.Biolääketieteen kuvantamisinformatiikka tarkkuuslääketieteen aikakaudella: saavutukset, haasteet ja mahdollisuudet.Hillo.lääke.ilmoittaa.Apulaisprofessori.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: a review.J. Clinical.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. ja Salem, A. Parannus glioblastooman (GBM) hoidossa käyttämällä nanopartikkeleihin perustuvaa jakelujärjestelmää.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G ja von Daimling A. Glioblastoma: patologia, molekyylimekanismit ja markkerit.Acta Neuropatology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM ja Berger, MS Nykyiset ja tulevat strategiat gliooman hoitoon.neurokirurgia.Ed.40, 1–14 (2017).