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Il a récemment été démontré que l'utilisation de l'échographie peut améliorer le rendement tissulaire lors de la biopsie par aspiration à l'aiguille fine (USeFNAB) par rapport à la biopsie par aspiration à l'aiguille fine conventionnelle (FNAB).La relation entre la géométrie du biseau et l’action de la pointe de l’aiguille n’a pas encore été étudiée.Dans cette étude, nous avons étudié les propriétés de résonance et d’amplitude de déflexion de l’aiguille pour diverses géométries de biseau d’aiguille avec différentes longueurs de biseau.En utilisant une lancette conventionnelle avec une coupe de 3,9 mm, le facteur de puissance de déviation de la pointe (DPR) était de 220 et 105 µm/W dans l'air et dans l'eau, respectivement.C'est plus élevé que la pointe biseautée axisymétrique de 4 mm, qui atteint un DPR de 180 et 80 µm/W dans l'air et dans l'eau, respectivement.Cette étude met en évidence l'importance de la relation entre la rigidité en flexion de la géométrie du biseau dans le contexte de différentes aides à l'insertion et peut ainsi fournir un aperçu des méthodes permettant de contrôler l'action de coupe après perforation en modifiant la géométrie du biseau de l'aiguille, ce qui est important pour l'USeFNAB.La candidature est importante.
La biopsie par aspiration à l'aiguille fine (FNAB) est une technique dans laquelle une aiguille est utilisée pour prélever un échantillon de tissu lorsqu'une anomalie est suspectée1,2,3.Il a été démontré que les pointes de type Franseen offrent des performances de diagnostic supérieures à celles des pointes Lancet4 et Menghini5 traditionnelles.Des biseaux axisymétriques (c'est-à-dire circonférentiels) ont également été proposés pour augmenter la probabilité d'obtenir un échantillon adéquat pour l'histopathologie6.
Lors d’une biopsie, une aiguille est passée à travers des couches de peau et de tissus pour révéler une pathologie suspecte.Des études récentes ont montré que l'activation ultrasonique peut réduire la force de perforation requise pour accéder aux tissus mous7,8,9,10.Il a été démontré que la géométrie du biseau de l'aiguille affecte les forces d'interaction de l'aiguille ; par exemple, il a été démontré que les biseaux plus longs ont des forces de pénétration dans les tissus plus faibles 11 .Il a été suggéré qu'une fois que l'aiguille a pénétré la surface du tissu, c'est-à-dire après la perforation, la force de coupe de l'aiguille peut représenter 75 % de la force totale d'interaction aiguille-tissu12.Il a été démontré que l'échographie (US) améliore la qualité de la biopsie diagnostique des tissus mous dans la phase post-ponction13.D'autres méthodes visant à améliorer la qualité des biopsies osseuses ont été développées pour l'échantillonnage de tissus durs14,15, mais aucun résultat n'a été rapporté pour améliorer la qualité des biopsies.Plusieurs études ont également montré que le déplacement mécanique augmente avec l’augmentation de la tension de commande des ultrasons16,17,18.Bien qu'il existe de nombreuses études sur les forces statiques axiales (longitudinales) dans les interactions aiguille-tissu19,20, les études sur la dynamique temporelle et la géométrie du biseau de l'aiguille dans le FNAB amélioré par ultrasons (USeFNAB) sont limitées.
Le but de cette étude était d’étudier l’effet de différentes géométries de biseau sur l’action de la pointe de l’aiguille entraînée par la flexion de l’aiguille aux fréquences ultrasonores.En particulier, nous avons étudié l'effet du milieu d'injection sur la déviation de la pointe de l'aiguille après la perforation pour les biseaux d'aiguille conventionnels (par exemple, les lancettes), les géométries de biseau unique axisymétriques et asymétriques (Fig. pour faciliter le développement d'aiguilles USeFNAB à diverses fins telles que l'aspiration sélective accès ou noyaux des tissus mous.
Diverses géométries de biseau ont été incluses dans cette étude.(a) Lancettes conformes à la norme ISO 7864:201636 où \(\alpha\) est l'angle de biseau principal, \(\theta\) est l'angle de rotation du biseau secondaire et \(\phi\) est l'angle de rotation du biseau secondaire en degrés , en degrés (\(^\circ\)).(b) des chanfreins linéaires asymétriques en une seule étape (appelés « standard » dans la norme DIN 13097 : 201937) et (c) des chanfreins linéaires axisymétriques (circonférentiels) en une seule étape.
Notre approche consiste d’abord à modéliser le changement de longueur d’onde de flexion le long de la pente pour les géométries de pente conventionnelles à lancette, axisymétrique et asymétrique à un étage.Nous avons ensuite calculé une étude paramétrique pour examiner l'effet de l'angle de biseau et de la longueur du tube sur la mobilité du mécanisme de transport.Ceci est fait pour déterminer la longueur optimale pour fabriquer un prototype d'aiguille.Sur la base de la simulation, des prototypes d'aiguilles ont été réalisés et leur comportement de résonance dans l'air, l'eau et 10 % (p/v) de gélatine balistique a été caractérisé expérimentalement en mesurant le coefficient de réflexion de tension et en calculant l'efficacité de transfert de puissance, à partir de laquelle la fréquence de fonctionnement a été déterminé..Enfin, l'imagerie à grande vitesse est utilisée pour mesurer directement la déviation de l'onde de flexion à la pointe de l'aiguille dans l'air et l'eau, et pour estimer la puissance électrique transmise par chaque inclinaison et la géométrie du facteur de puissance de déviation (DPR) de l'injection. moyen.
Comme le montre la figure 2a, utilisez un tuyau n° 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, épaisseur de paroi du tuyau 0,155 mm, paroi standard comme spécifié dans la norme ISO 9626 : 201621) en acier inoxydable 316 (module de Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densité 8070 kg/m\(^{3}\), coefficient de Poisson 0,275).
Détermination de la longueur d'onde de flexion et réglage du modèle d'éléments finis (FEM) de l'aiguille et des conditions aux limites.(a) Détermination de la longueur du biseau (BL) et de la longueur du tuyau (TL).(b) Modèle d'éléments finis (FEM) tridimensionnel (3D) utilisant la force ponctuelle harmonique \(\tilde{F}_y\vec{j}\) pour exciter l'aiguille à l'extrémité proximale, dévier le point et mesurer la vitesse par pointe (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) pour calculer la mobilité mécaniste du transport.\(\lambda _y\) est définie comme la longueur d'onde de flexion associée à la force verticale \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Déterminez le centre de gravité, la section transversale A et les moments d'inertie \(I_{xx}\) et \(I_{yy}\) autour de l'axe des x et de l'axe des y respectivement.
Comme le montre la fig.2b,c, pour un faisceau infini (infini) avec une aire de section transversale A et à une grande longueur d'onde par rapport à la taille de la section transversale du faisceau, la vitesse de phase de flexion (ou de flexion) \(c_{EI}\ ) est défini comme 22 :
où E est le module de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) est la fréquence angulaire d'excitation (rad/s), où \( f_0 \ ) est la fréquence linéaire (1/s ou Hz), I est le moment d'inertie de la zone autour de l'axe d'intérêt \((\text {m}^{4})\) et \(m'=\ rho _0 A \) est la masse sur l'unité de longueur (kg/m), où \(\rho _0\) est la densité \((\text {kg/m}^{3})\) et A est la croix -aire de coupe de la poutre (plan xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Puisque dans notre cas la force appliquée est parallèle à l'axe vertical des y, c'est à dire \(\tilde{F}_y\vec {j}\), nous ne nous intéressons qu'au moment d'inertie de la zone autour de l'axe horizontal x- axe, c'est à dire \(I_{xx} \), c'est pourquoi :
Pour le modèle d'éléments finis (FEM), un déplacement harmonique pur (m) est supposé, donc l'accélération (\(\text {m/s}^{2}\)) est exprimée comme \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), par exemple \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) est un vecteur de déplacement tridimensionnel défini en coordonnées spatiales.Le remplacement de cette dernière par la forme lagrangienne finiment déformable de la loi d'équilibre des moments23, selon son implémentation dans le progiciel COMSOL Multiphysics (versions 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), donne :
Où \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) est l'opérateur de divergence tensorielle, et \({\underline{\sigma}}\) est le deuxième tenseur de contraintes de Piola-Kirchhoff (deuxième ordre, \(\ text { N /m}^{2}\)), et \(\vec {F_V} := F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) est le vecteur de la force corporelle (\(\text {N/m}^{3}\)) de chaque volume déformable, et \(e^{j\phi }\) est la phase du force corporelle, a un angle de phase \(\ phi\) (rad).Dans notre cas, la force volumique du corps est nulle, et notre modèle suppose une linéarité géométrique et de petites déformations purement élastiques, c'est-à-dire \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), où \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) et \({\underline{ \varepsilon}}\) – déformation élastique et déformation totale (sans dimension du second ordre), respectivement.Le tenseur d'élasticité isotrope constitutif de Hooke \(\underline {\underline {C))\) est obtenu en utilisant le module de Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) et le coefficient de Poisson v est défini, de sorte que \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quatrième ordre).Le calcul de la contrainte devient donc \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Les calculs ont été effectués avec des éléments tétraédriques à 10 nœuds de taille d'élément \(\le\) 8 µm.L'aiguille est modélisée sous vide et la valeur de transfert de mobilité mécanique (ms-1 H-1) est définie comme \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, où \(\tilde{v}_y\vec {j}\) est la vitesse complexe de sortie de la pièce à main, et \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) est une force motrice complexe située à l'extrémité proximale du tube, comme le montre la figure 2b.La mobilité mécanique transmissive est exprimée en décibels (dB) en prenant comme référence la valeur maximale, soit \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Toutes les études FEM ont été réalisées à une fréquence de 29,75 kHz.
La conception de l'aiguille (Fig. 3) consiste en une aiguille hypodermique conventionnelle de calibre 21 (numéro de catalogue : 4665643, Sterican\(^\circledR\), d'un diamètre extérieur de 0,8 mm, d'une longueur de 120 mm, en AISI acier inoxydable chrome-nickel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Allemagne) a placé un manchon Luer Lock en plastique proximal en polypropylène avec une modification d'embout correspondante.Le tube d'aiguille est soudé au guide d'ondes comme indiqué sur la figure 3b.Le guide d'ondes a été imprimé sur une imprimante 3D en acier inoxydable (EOS Stainless Steel 316L sur une imprimante 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlande) puis fixé au capteur Langevin à l'aide de boulons M4.Le transducteur Langevin est constitué de 8 éléments annulaires piézoélectriques avec deux poids à chaque extrémité.
Les quatre types de pointes (photo), une lancette disponible dans le commerce (L) et trois biseaux axisymétriques à un étage fabriqués (AX1–3) ont été caractérisés par des longueurs de biseau (BL) de 4, 1,2 et 0,5 mm, respectivement.(a) Gros plan de la pointe de l’aiguille finie.(b) Vue de dessus de quatre broches soudées à un guide d'ondes imprimé en 3D puis connectées au capteur Langevin avec des boulons M4.
Trois pointes biseautées axisymétriques (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) ont été fabriquées avec des longueurs de biseau (BL, déterminées sur la Fig. 2a) de 4,0, 1,2 et 0,5 mm, correspondant à \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) et 18\(^\circ\).Les poids du guide d'ondes et du stylet sont de 3,4 ± 0,017 g (moyenne ± SD, n = 4) pour le biseau L et AX1–3, respectivement (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Allemagne).La longueur totale depuis la pointe de l'aiguille jusqu'à l'extrémité du manchon en plastique est de 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm pour le biseau L et AX1-3 sur la figure 3b, respectivement.
Pour toutes les configurations d'aiguille, la longueur entre la pointe de l'aiguille et la pointe du guide d'ondes (c'est-à-dire la zone de soudure) est de 4,3 cm et le tube de l'aiguille est orienté de manière à ce que le biseau soit orienté vers le haut (c'est-à-dire parallèlement à l'axe Y). ).), comme dans (Fig. 2).
Un script personnalisé dans MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) exécuté sur un ordinateur (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) a été utilisé pour générer un balayage sinusoïdal linéaire de 25 à 35 kHz en 7 secondes, converti en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Le signal analogique \(V_0\) (0,5 Vp-p) a ensuite été amplifié avec un amplificateur radiofréquence (RF) dédié (Mariachi Oy, Turku, Finlande).La tension d'amplification décroissante \({V_I}\) est sortie de l'amplificateur RF avec une impédance de sortie de 50 \(\Omega\) vers un transformateur intégré à la structure de l'aiguille avec une impédance d'entrée de 50 \(\Omega)\) Des transducteurs Langevin (transducteurs piézoélectriques multicouches avant et arrière, chargés de masse) sont utilisés pour générer des ondes mécaniques.L'amplificateur RF personnalisé est équipé d'un compteur de facteur de puissance d'onde stationnaire (SWR) à double canal qui peut détecter l'incident \({V_I}\) et la tension amplifiée réfléchie \(V_R\) via un signal analogique-numérique (AD) de 300 kHz. ) convertisseur (Analog Discovery 2).Le signal d'excitation est modulé en amplitude au début et à la fin pour éviter de surcharger l'entrée de l'amplificateur avec des transitoires.
À l'aide d'un script personnalisé implémenté dans MATLAB, la fonction de réponse en fréquence (AFC), c'est-à-dire suppose un système stationnaire linéaire.Appliquez également un filtre passe-bande de 20 à 40 kHz pour supprimer toutes les fréquences indésirables du signal.En se référant à la théorie des lignes de transmission, \(\tilde{H}(f)\) dans ce cas est équivalent au coefficient de réflexion de tension, c'est-à-dire \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Étant donné que l'impédance de sortie de l'amplificateur \(Z_0\) correspond à l'impédance d'entrée du transformateur intégré du convertisseur, et que le coefficient de réflexion de l'énergie électrique \({P_R}/{P_I}\) est réduit à \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), alors est \(|\rho _{V}|^2\).Dans le cas où la valeur absolue de la puissance électrique est requise, calculez la puissance incidente \(P_I\) et réfléchie\(P_R\) (W) en prenant la valeur efficace (rms) de la tension correspondante, par exemple, pour une ligne de transmission à excitation sinusoïdale, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, où \(Z_0\) est égal à 50 \(\Omega\).La puissance électrique délivrée à la charge \(P_T\) (c'est-à-dire le support inséré) peut être calculée comme \(|P_I – P_R |\) (W RMS) et l'efficacité de transfert de puissance (PTE) peut être définie et exprimée comme un pourcentage (%) donne donc 27 :
La réponse en fréquence est ensuite utilisée pour estimer les fréquences modales \(f_{1-3}\) (kHz) de la conception du stylet et l'efficacité de transfert de puissance correspondante, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) est estimé directement à partir de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), à partir du tableau 1 fréquences \(f_{1-3}\) décrites dans .
L'invention concerne un procédé de mesure de la réponse en fréquence (AFC) d'une structure aciculaire.La mesure sinusoïdale balayée à double canal25,38 est utilisée pour obtenir la fonction de réponse en fréquence \(\tilde{H}(f)\) et sa réponse impulsionnelle H(t).\({\mathcal {F}}\) et \({\mathcal {F}}^{-1}\) désignent respectivement la transformée de Fourier tronquée numérique et l'opération de transformation inverse.\(\tilde{G}(f)\) signifie que les deux signaux sont multipliés dans le domaine fréquentiel, par exemple \(\tilde{G}_{XrX}\) signifie balayage inverse\(\tilde{X} r( f )\) et le signal de chute de tension \(\tilde{X}(f)\).
Comme le montre la fig.5, caméra haute vitesse (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) équipée d'un objectif macro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokyo, Japon) ont été utilisés pour enregistrer la déviation d'une pointe d'aiguille soumise à une excitation de flexion (fréquence unique, sinusoïde continue) à une fréquence de 27,5 à 30 kHz.Pour créer une carte d'ombre, un élément refroidi d'une LED blanche à haute intensité (numéro de pièce : 4052899910881, LED blanche, 3 000 K, 4 150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Allemagne) a été placé derrière le biseau de l'aiguille.
Vue de face du dispositif expérimental.La profondeur est mesurée à partir de la surface du support.La structure de l'aiguille est serrée et montée sur une table de transfert motorisée.Utilisez une caméra haute vitesse avec un objectif à fort grossissement (5\(\times\)) pour mesurer la déviation de la pointe biseautée.Toutes les dimensions sont en millimètres.
Pour chaque type de biseau d'aiguille, nous avons enregistré 300 images de caméra haute vitesse de 128 \(\x\) 128 pixels, chacune avec une résolution spatiale de 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), avec une résolution temporelle de 310 000 images par seconde.Comme le montre la figure 6, chaque image (1) est recadrée (2) de manière à ce que la pointe soit dans la dernière ligne (en bas) de l'image, puis l'histogramme de l'image (3) est calculé, donc les seuils Canny 1 et 2 peut être déterminé.Appliquez ensuite la détection de bord Canny28(4) à l'aide de l'opérateur Sobel 3 \(\times\) 3 et calculez la position du pixel de l'hypoténuse non cavitationnelle (étiquetée \(\mathbf {\times }\)) pour toutes les étapes de 300 fois. .Pour déterminer l'étendue de la déviation à la fin, la dérivée est calculée (à l'aide de l'algorithme de différence centrale) (6) et la trame contenant les extrema locaux (c'est-à-dire le pic) de la déviation (7) est identifiée.Après avoir inspecté visuellement le bord non cavitant, une paire de cadres (ou deux cadres séparés par une demi-période de temps) (7) a été sélectionnée et la déflexion de la pointe mesurée (étiquetée \(\mathbf {\times} \ ). Ce qui précède a été mis en œuvre en Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) en utilisant l'algorithme de détection de bord OpenCV Canny (v4.5.1, bibliothèque de vision par ordinateur open source, opencv.org puissance électrique \ (P_T \) (W, rms) .
La déviation de la pointe a été mesurée à l'aide d'une série d'images prises à partir d'une caméra haute vitesse à 310 kHz à l'aide d'un algorithme en 7 étapes (1-7) comprenant le cadrage (1-2), la détection des bords Canny (3-4), l'emplacement des bords des pixels. le calcul (5) et leurs dérivées temporelles (6), et enfin la déflexion de la pointe crête à crête ont été mesurés sur des paires de cadres inspectées visuellement (7).
Les mesures ont été prises dans l'air (22,4-22,9°C), l'eau déminéralisée (20,8-21,5°C) et la gélatine balistique à 10 % (p/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gélatine d'os de bovin et de porc pour l'analyse balistique de type I, Honeywell International, Caroline du Nord, États-Unis).La température a été mesurée avec un amplificateur à thermocouple de type K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) et un thermocouple de type K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).À partir du milieu, la profondeur a été mesurée à partir de la surface (définie comme l'origine de l'axe z) à l'aide d'une platine motorisée verticale à axe z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituanie) avec une résolution de 5 µm.par étape.
Étant donné que la taille de l'échantillon était petite (n = 5) et que la normalité ne pouvait pas être supposée, un test de somme de rangs de Wilcoxon bilatéral à deux échantillons (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) a été utilisé. pour comparer la quantité de variance de la pointe de l'aiguille pour différents biseaux.Il y a eu 3 comparaisons par pente, donc une correction de Bonferroni a été appliquée avec un niveau de signification ajusté de 0,017 et un taux d'erreur de 5 %.
Passons maintenant à la Fig.7.À une fréquence de 29,75 kHz, la demi-onde de flexion (\(\lambda_y/2\)) d'une aiguille de calibre 21 est de \(\environ) 8 mm.À mesure que l'on s'approche de la pointe, la longueur d'onde de courbure diminue le long de l'angle oblique.A la pointe \(\lambda _y/2\) \(\environ\) il y a des pas de 3, 1 et 7 mm pour l'inclinaison habituelle lancéolée (a), asymétrique (b) et axisymétrique (c) d'une seule aiguille , respectivement.Ainsi, cela signifie que la portée de la lancette est de \(\environ) 5 mm (du fait que les deux plans de la lancette forment une seule pointe29,30), le biseau asymétrique est de 7 mm, le biseau asymétrique est de 1 mm.Pentes axisymétriques (le centre de gravité reste constant, donc seule l'épaisseur de la paroi du tuyau change réellement le long de la pente).
Etudes FEM et application d'équations à une fréquence de 29,75 kHz.(1) Lors du calcul de la variation de la demi-onde de flexion (\(\lambda_y/2\)) pour les géométries de biseau de lancette (a), asymétrique (b) et axisymétrique (c) (comme sur la Fig. 1a, b, c ) .La valeur moyenne \(\lambda_y/2\) des biseaux de la lancette, asymétrique et axisymétrique était respectivement de 5,65, 5,17 et 7,52 mm.Notez que l’épaisseur de la pointe des biseaux asymétriques et axisymétriques est limitée à \(\approx) 50 µm.
La mobilité maximale \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) est la combinaison optimale de la longueur du tube (TL) et de la longueur du biseau (BL) (Fig. 8, 9).Pour une lancette conventionnelle, puisque sa taille est fixe, la TL optimale est de \(\environ) 29,1 mm (Fig. 8).Pour les biseaux asymétriques et axisymétriques (Fig. 9a, b, respectivement), les études FEM incluaient des BL de 1 à 7 mm, de sorte que les TL optimaux étaient de 26,9 à 28,7 mm (plage de 1,8 mm) et de 27,9 à 29,2 mm (plage 1,3 mm), respectivement.Pour la pente asymétrique (Fig. 9a), le TL optimal a augmenté linéairement, a atteint un plateau à BL 4 mm, puis a fortement diminué de BL 5 à 7 mm.Pour un biseau axisymétrique (Fig. 9b), le TL optimal a augmenté linéairement avec l'augmentation de BL et s'est finalement stabilisé à BL de 6 à 7 mm.Une étude approfondie de l'inclinaison axisymétrique (Fig. 9c) a révélé un ensemble différent de TL optimaux à \(\approx) 35,1–37,1 mm.Pour tous les BL, la distance entre les deux meilleurs TL est de \(\approx\) 8 mm (équivalent à \(\lambda_y/2\)).
Mobilité de transmission Lancet à 29,75 kHz.L'aiguille a été excitée de manière flexible à une fréquence de 29,75 kHz et les vibrations ont été mesurées à la pointe de l'aiguille et exprimées en quantité de mobilité mécanique transmise (dB par rapport à la valeur maximale) pour TL 26,5-29,5 mm (par incréments de 0,1 mm). .
Des études paramétriques du FEM à une fréquence de 29,75 kHz montrent que la mobilité de transfert d'une pointe axisymétrique est moins affectée par une modification de la longueur du tube que celle de son homologue asymétrique.Études de longueur de biseau (BL) et de longueur de tuyau (TL) de géométries de biseau asymétriques (a) et axisymétriques (b, c) dans l'étude du domaine fréquentiel à l'aide de FEM (les conditions aux limites sont illustrées sur la Fig. 2).(a, b) TL variait de 26,5 à 29,5 mm (pas de 0,1 mm) et BL 1 à 7 mm (pas de 0,5 mm).(c) Études d'inclinaison axisymétrique étendues, y compris TL 25 à 40 mm (par incréments de 0,05 mm) et BL 0,1 à 7 mm (par incréments de 0,1 mm), montrant que \(\lambda_y/2\ ) doit répondre aux exigences de la pointe.conditions aux limites mobiles.
La configuration de l'aiguille comporte trois fréquences propres \(f_{1-3}\) divisées en régions de mode faible, moyen et élevé, comme indiqué dans le tableau 1. La taille du PTE a été enregistrée comme indiqué sur la fig.10, puis analysés sur la figure 11. Vous trouverez ci-dessous les résultats pour chaque domaine modal :
Amplitudes typiques d'efficacité de transfert de puissance instantanée (PTE) enregistrées obtenues avec une excitation sinusoïdale à fréquence balayée pour une lancette (L) et un biseau axisymétrique AX1-3 dans l'air, l'eau et la gélatine à une profondeur de 20 mm.Les spectres unilatéraux sont affichés.La réponse en fréquence mesurée (échantillonnée à 300 kHz) a été filtrée passe-bas puis réduite d'un facteur 200 pour l'analyse modale.Le rapport signal sur bruit est de \(\le\) 45 dB.Les phases PTE (lignes pointillées violettes) sont indiquées en degrés (\(^{\circ}\)).
L'analyse de la réponse modale (moyenne ± écart type, n = 5) présentée sur la Fig. 10, pour les pentes L et AX1-3, dans l'air, l'eau et 10 % de gélatine (profondeur 20 mm), avec (en haut) trois régions modales ( basse, moyenne et haute) et leurs fréquences modales correspondantes\(f_{1-3 }\) (kHz), efficacité énergétique (moyenne) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculé à l'aide d'équivalents .(4) et (en bas) pleine largeur à mi-mesures maximales \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respectivement.Notez que la mesure de la bande passante a été ignorée lorsqu'un faible PTE a été enregistré, c'est-à-dire \(\text {FWHM}_{1}\) en cas de pente AX2.Le mode \(f_2\) s'est avéré le plus approprié pour comparer les déflexions de pente, car il a montré le plus haut niveau d'efficacité de transfert de puissance (\(\text {PTE}_{2}\)), jusqu'à 99 %.
Première région modale : \(f_1\) ne dépend pas beaucoup du type de support inséré, mais dépend de la géométrie de la pente.\(f_1\) diminue avec la longueur du biseau (27,1, 26,2 et 25,9 kHz dans l'air pour AX1-3, respectivement).Les moyennes régionales \(\text {PTE}_{1}\) et \(\text {FWHM}_{1}\) sont respectivement de \(\approx\) 81 % et 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) a la teneur en gélatine la plus élevée du Lancet (L, 473 Hz).Notez que \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 dans la gélatine n’a pas pu être évalué en raison de la faible amplitude FRF enregistrée.
La deuxième région modale : \(f_2\) dépend du type de support inséré et du biseau.Les valeurs moyennes \(f_2\) sont respectivement de 29,1, 27,9 et 28,5 kHz dans l'air, l'eau et la gélatine.Cette région modale a également montré un PTE élevé de 99 %, le plus élevé de tous les groupes mesurés, avec une moyenne régionale de 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) a une moyenne régionale de \(\environ\) 910 Hz.
Région du troisième mode : la fréquence \(f_3\) dépend du type de support et du biseau.Les valeurs moyennes de \(f_3\) sont respectivement de 32,0, 31,0 et 31,3 kHz dans l'air, l'eau et la gélatine.La moyenne régionale de \(\text {PTE}_{3}\) était de \(\environ\) 74 %, la plus basse de toutes les régions.La moyenne régionale \(\text {FWHM}_{3}\) est de \(\environ\) 1 085 Hz, ce qui est supérieur à celui des première et deuxième régions.
       Ce qui suit fait référence à la Fig.12 et Tableau 2. La lancette (L) a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/ W dans l'air). 12 et Tableau 2. La lancette (L) a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/ W dans l'air). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся всего (с высокой значимостью всех наконечников \(p< \) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Ce qui suit s'applique à la figure 12 et au tableau 2. La lancette (L) est celle qui a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), obtenant ainsi le DPR le plus élevé.(faire 220 μm/W dans l'air).Très bien.Figure 12 et tableau 2 ci-dessous.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，\(p<\) （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) a la déviation la plus élevée dans l'air et l'eau (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), et a atteint le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/W dans air). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольш его DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). La lancette (L) est celle qui a dévié le plus (signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/W dans l'air). Dans l'air, AX1 qui avait un BL plus élevé, déviait plus que AX2–3 (avec une signification, \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (qui avait un BL le plus bas) déviait plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W. Dans l'air, AX1 qui avait un BL plus élevé, déviait plus que AX2–3 (avec une signification, \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (qui avait un BL le plus bas) déviait plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W. Pour que AX1 soit plus grand que BL fermé, c'est-à-dire AX2–3 (avec la valeur \(p<\) 0,017), et AX3 (avec le même niveau de BL) est ouvert et, чем AX2 avec DPR 190 мкм/Вт. Dans l'air, AX1 avec un BL plus élevé a dévié plus que AX2–3 (avec une signification \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (avec un BL le plus bas) a dévié plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W.而AX3（具有最低BL）的偏转Pour AX2, DPR pour 190 µm/W 。 Dans l'air, la déflexion de AX1 avec BL plus élevé est supérieure à celle de AX2-3 (de manière significative, \(p<\) 0,017), et la déflexion de AX3 (avec BL le plus bas) est supérieure à celle de AX2, DPR est de 190 µm/W . Pour que AX1 soit plus grand que BL, c'est-à-dire AX2-3 (\(p<\) 0,017), ainsi que AX3 (avec même niveau BL) plus grand, чем AX2 avec DPR 190 мкм/Вт. Dans l'air, AX1 avec BL plus élevé dévie plus que AX2-3 (significatif, \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (avec BL le plus bas) dévie plus que AX2 avec DPR 190 μm/W.À 20 mm d'eau, la déflexion et la PTE AX1–3 n'étaient pas significativement différentes (\(p>\) 0,017).Les niveaux de PTE dans l'eau (90,2 à 98,4 %) étaient généralement plus élevés que dans l'air (56 à 77,5 %) (Fig. 12c), et le phénomène de cavitation a été noté lors de l'expérience dans l'eau (Fig. 13, voir aussi complément). information).
La quantité de déviation de la pointe (moyenne ± SD, n = 5) mesurée pour le biseau L et AX1-3 dans l'air et l'eau (profondeur 20 mm) montre l'effet du changement de géométrie du biseau.Les mesures ont été obtenues en utilisant une excitation sinusoïdale continue à fréquence unique.(a) Déviation crête à crête (\(u_y\vec {j}\)) à la pointe, mesurée à (b) leurs fréquences modales respectives \(f_2\).(c) Efficacité de transfert de puissance (PTE, RMS, %) de l'équation.(4) et (d) Facteur de puissance de déviation (DPR, µm/W) calculé en tant que déviation crête à crête et puissance électrique transmise \(P_T\) (Wrms).
Un tracé d'ombre typique d'une caméra à grande vitesse montrant la déviation crête à crête (lignes pointillées vertes et rouges) d'une lancette (L) et d'une pointe axisymétrique (AX1-3) dans l'eau (20 mm de profondeur) sur un demi-cycle.cycle, à la fréquence d'excitation \(f_2\) (fréquence d'échantillonnage 310 kHz).L'image en niveaux de gris capturée a une taille de 128 × 128 pixels et une taille de pixel de \(\approx\) 5 µm.La vidéo peut être trouvée dans les informations supplémentaires.
Ainsi, nous avons modélisé le changement de longueur d'onde de flexion (Fig. 7) et calculé la mobilité mécanique transférable pour des combinaisons de longueur de tuyau et de chanfrein (Fig. 8, 9) pour des chanfreins à lancettes conventionnels, asymétriques et axisymétriques de formes géométriques.Sur la base de cette dernière, nous avons estimé la distance optimale de 43 mm (ou \(\environ) 2,75\(\lambda _y\) à 29,75 kHz) de la pointe à la soudure, comme le montre la Fig. 5, et avons réalisé trois axes symétriques. biseaux avec différentes longueurs de biseau.Nous avons ensuite caractérisé leur comportement en fréquence dans l'air, l'eau et la gélatine balistique à 10 % (p/v) par rapport aux lancettes conventionnelles (Figures 10, 11) et avons déterminé le mode le plus approprié pour la comparaison des déflexions en biseau.Enfin, nous avons mesuré la déflexion de la pointe par onde de courbure dans l'air et l'eau à une profondeur de 20 mm et quantifié l'efficacité de transfert de puissance (PTE, %) et le facteur de puissance de déflexion (DPR, µm/W) du milieu d'insertion pour chaque biseau.type angulaire (Fig. 12).
Il a été démontré que la géométrie du biseau de l’aiguille affecte la déviation de la pointe de l’aiguille.La lancette a obtenu la déviation la plus élevée et le DPR le plus élevé par rapport au biseau axisymétrique avec une déviation moyenne plus faible (Fig. 12).Le biseau axisymétrique de 4 mm (AX1) avec le biseau le plus long a atteint une déviation maximale statistiquement significative dans l'air par rapport aux autres aiguilles axisymétriques (AX2-3) (\(p < 0,017\), Tableau 2), mais il n'y avait pas de différence significative. .observé lorsque l’aiguille est placée dans l’eau.Ainsi, il n’y a aucun avantage évident à avoir une longueur de biseau plus longue en termes de déflexion maximale à la pointe.Dans cette optique, il apparaît que la géométrie du biseau étudiée dans cette étude a un effet plus important sur la déflexion que la longueur du biseau.Cela peut être dû à la rigidité à la flexion, par exemple en fonction de l'épaisseur totale du matériau à plier et de la conception de l'aiguille.
Dans les études expérimentales, l’ampleur de l’onde de flexion réfléchie est affectée par les conditions aux limites de la pointe.Lorsque la pointe de l'aiguille est insérée dans l'eau et la gélatine, \(\text {PTE}_{2}\) correspond à \(\environ\) 95 % et \(\text {PTE}_{ 2}\) correspond à \ (\text {PTE}_{ 2}\) les valeurs sont de 73 % et 77 % pour (\text {PTE}_{1}\) et \(\text {PTE}_{3}\), respectivement (Fig. 11).Cela indique que le transfert maximum d'énergie acoustique vers le milieu de coulée, c'est-à-dire l'eau ou la gélatine, se produit à \(f_2\).Un comportement similaire a été observé dans une étude précédente31 utilisant une configuration de dispositif plus simple dans la plage de fréquences de 41 à 43 kHz, dans laquelle les auteurs ont montré la dépendance du coefficient de réflexion de tension sur le module mécanique du milieu d'intégration.La profondeur de pénétration32 et les propriétés mécaniques du tissu exercent une charge mécanique sur l'aiguille et devraient donc influencer le comportement résonant de l'UZEFNAB.Ainsi, des algorithmes de suivi de résonance (par exemple 17, 18, 33) peuvent être utilisés pour optimiser la puissance acoustique délivrée à travers l'aiguille.
La simulation aux longueurs d'onde de courbure (Fig. 7) montre que la pointe axisymétrique est structurellement plus rigide (c'est-à-dire plus rigide en courbure) que la lancette et le biseau asymétrique.Sur la base de (1) et en utilisant la relation vitesse-fréquence connue, nous estimons la rigidité à la flexion à la pointe de l'aiguille à \(\about\) 200, 20 et 1500 MPa pour les plans inclinés de lancette, asymétrique et axial, respectivement.Cela correspond à \(\lambda_y\) de \(\environ\) 5,3, 1,7 et 14,2 mm, respectivement, à 29,75 kHz (Fig. 7a – c).Compte tenu de la sécurité clinique pendant l'USeFNAB, l'effet de la géométrie sur la rigidité structurelle du plan incliné doit être évalué34.
Une étude des paramètres du biseau par rapport à la longueur du tube (Fig. 9) a montré que la plage de transmission optimale était plus élevée pour le biseau asymétrique (1,8 mm) que pour le biseau axisymétrique (1,3 mm).De plus, la mobilité est stable à \(\environ) de 4 à 4,5 mm et de 6 à 7 mm pour les inclinaisons asymétriques et axisymétriques, respectivement (Fig. 9a, b).L'importance pratique de cette découverte s'exprime dans les tolérances de fabrication. Par exemple, une plage inférieure de TL optimale peut signifier qu'une plus grande précision de longueur est requise.Dans le même temps, le plateau de mobilité offre une plus grande tolérance dans le choix de la longueur du creux à une fréquence donnée sans impact significatif sur la mobilité.
L'étude comprend les limites suivantes.La mesure directe de la déviation de l’aiguille à l’aide de la détection des bords et de l’imagerie à grande vitesse (Figure 12) signifie que nous sommes limités aux supports optiquement transparents tels que l’air et l’eau.Nous tenons également à souligner que nous n'avons pas utilisé d'expériences pour tester la mobilité de transfert simulée et vice versa, mais que nous avons utilisé des études FEM pour déterminer la longueur optimale pour la fabrication de l'aiguille.En ce qui concerne les limitations pratiques, la longueur de la lancette, de la pointe au manchon, est \(\environ) 0,4 cm plus longue que celle des autres aiguilles (AX1-3), voir fig.3b.Cela peut affecter la réponse modale de la conception de l’aiguille.De plus, la forme et le volume de la soudure à l'extrémité d'une broche de guide d'ondes (voir Figure 3) peuvent affecter l'impédance mécanique de la conception de la broche, introduisant des erreurs dans l'impédance mécanique et le comportement en flexion.
Enfin, nous avons démontré que la géométrie expérimentale du biseau affecte la quantité de déviation dans USeFNAB.Si une déviation plus importante aurait un effet positif sur l’effet de l’aiguille sur les tissus, comme l’efficacité de coupe après le perçage, alors une lancette conventionnelle peut être recommandée dans USeFNAB car elle offre une déviation maximale tout en maintenant une rigidité adéquate de la pointe structurelle..De plus, une étude récente35 a montré qu’une plus grande déviation de la pointe peut renforcer les effets biologiques tels que la cavitation, ce qui pourrait contribuer au développement d’applications chirurgicales mini-invasives.Étant donné qu’il a été démontré que l’augmentation de la puissance acoustique totale augmente le rendement de la biopsie dans USeFNAB13, des études quantitatives supplémentaires sur le rendement et la qualité des échantillons sont nécessaires pour évaluer les avantages cliniques détaillés de la géométrie de l’aiguille étudiée.