Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Sliders wat drie artikels per skyfie wys.Gebruik die terug- en volgende-knoppies om deur die skyfies te beweeg, of die skyfiebeheerknoppies aan die einde om deur elke skyfie te beweeg.
Gebaseer op die interdissiplinêre kruising van fisika en lewenswetenskappe, het diagnostiese en terapeutiese strategieë gebaseer op presisiegeneeskunde onlangs aansienlike aandag getrek weens die praktiese toepaslikheid van nuwe ingenieursmetodes in baie velde van medisyne, veral in onkologie.Binne hierdie raamwerk trek die gebruik van ultraklank om kankerselle in gewasse aan te val om moontlike meganiese skade op verskeie skale te veroorsaak toenemende aandag van wetenskaplikes regoor die wêreld.Met inagneming van hierdie faktore, gebaseer op elastodinamiese tydsberekeningsoplossings en numeriese simulasies, bied ons 'n voorlopige studie van rekenaarsimulasie van ultraklankvoortplanting in weefsels aan om geskikte frekwensies en kragte deur plaaslike bestraling te kies.Nuwe diagnostiese platform vir die laboratorium On-Fiber-tegnologie, genoem die hospitaalnaald en reeds gepatenteer.Daar word geglo dat die resultate van die analise en verwante biofisiese insigte die weg kan baan vir nuwe geïntegreerde diagnostiese en terapeutiese benaderings wat 'n sentrale rol kan speel in die toepassing van presisiegeneeskunde in die toekoms, put uit die velde van fisika.'n Groeiende sinergie tussen biologie begin.
Met die optimalisering van 'n groot aantal kliniese toepassings het die behoefte om newe-effekte op pasiënte te verminder geleidelik begin na vore kom.Vir hierdie doel het presisiemedisyne1, 2, 3, 4, 5 'n strategiese doelwit geword om die dosis medisyne wat aan pasiënte gelewer word te verminder, in wese volgens twee hoofbenaderings.Die eerste is gebaseer op 'n behandeling wat volgens die pasiënt se genomiese profiel ontwerp is.Die tweede, wat besig is om die goue standaard in onkologie te word, het ten doel om sistemiese geneesmiddelafleweringsprosedures te vermy deur te probeer om 'n klein hoeveelheid geneesmiddel vry te stel, terwyl dit terselfdertyd akkuraatheid verhoog deur die gebruik van plaaslike terapie.Die uiteindelike doel is om die negatiewe effekte van baie terapeutiese benaderings, soos chemoterapie of sistemiese toediening van radionukliede, uit te skakel of ten minste te verminder.Afhangende van die tipe kanker, ligging, bestralingsdosis en ander faktore, kan selfs bestralingsterapie 'n hoë inherente risiko vir gesonde weefsel inhou.In die behandeling van glioblastoom6,7,8,9 verwyder chirurgie die onderliggende kanker suksesvol, maar selfs in die afwesigheid van metastases, kan baie klein kankeragtige infiltrate teenwoordig wees.As hulle nie heeltemal verwyder word nie, kan nuwe kankermassas binne 'n relatief kort tydperk groei.In hierdie konteks is die voorgenoemde presisiemedisyne strategieë moeilik om toe te pas omdat hierdie infiltrate moeilik is om op te spoor en oor 'n groot gebied te versprei.Hierdie hindernisse verhoed definitiewe resultate in die voorkoming van enige herhaling met presisiemedisyne, so sistemiese afleweringsmetodes word in sommige gevalle verkies, hoewel die middels wat gebruik word, baie hoë vlakke van toksisiteit kan hê.Om hierdie probleem te oorkom, sou die ideale behandelingsbenadering wees om minimaal indringende strategieë te gebruik wat kankerselle selektief kan aanval sonder om gesonde weefsel te beïnvloed.In die lig van hierdie argument, lyk die gebruik van ultrasoniese vibrasies, wat getoon is om kankeragtige en gesonde selle verskillend te beïnvloed, beide in eensellige stelsels en in mesoskaal heterogene trosse, na 'n moontlike oplossing.
Uit 'n meganistiese oogpunt het gesonde en kankerselle eintlik verskillende natuurlike resonansiefrekwensies.Hierdie eienskap word geassosieer met onkogene veranderinge in die meganiese eienskappe van die sitoskeletale struktuur van kankerselle12,13, terwyl tumorselle gemiddeld meer vervormbaar is as normale selle.Dus, met 'n optimale keuse van ultraklankfrekwensie vir stimulasie, kan vibrasies wat in geselekteerde gebiede geïnduseer word, skade aan lewende kankerstrukture veroorsaak, wat die impak op die gesonde omgewing van die gasheer tot die minimum beperk.Hierdie effekte wat nog nie ten volle verstaan ​​word nie, kan vernietiging van sekere sellulêre strukturele komponente insluit as gevolg van hoëfrekwensievibrasies wat deur ultraklank geïnduseer word (in beginsel baie soortgelyk aan litotripsy14) en sellulêre skade as gevolg van 'n verskynsel soortgelyk aan meganiese moegheid, wat op sy beurt sellulêre struktuur kan verander .programmering en meganobiologie.Alhoewel hierdie teoretiese oplossing baie geskik blyk te wees, kan dit ongelukkig nie gebruik word in gevalle waar anechoiese biologiese strukture die direkte toepassing van ultraklank verhoed nie, byvoorbeeld in intrakraniale toedienings as gevolg van die teenwoordigheid van been, en sommige borsgewasmassas in vet voorkom. sneesdoekie.Verswakking kan die plek van potensiële terapeutiese effek beperk.Om hierdie probleme te oorkom, moet ultraklank plaaslik toegepas word met spesiaal ontwerpte transduktors wat die bestraalde plek so minder indringend moontlik kan bereik.Met dit in gedagte het ons die moontlikheid oorweeg om idees te gebruik wat verband hou met die moontlikheid om 'n innoverende tegnologiese platform genaamd die "naaldhospitaal"15 te skep.Die "Hospitaal in die naald"-konsep behels die ontwikkeling van 'n minimaal indringende mediese instrument vir diagnostiese en terapeutiese toepassings, gebaseer op die kombinasie van verskeie funksies in een mediese naald.Soos in meer besonderhede in die Hospitaalnaald-afdeling bespreek is, is hierdie kompakte toestel hoofsaaklik gebaseer op die voordele van 16, 17, 18, 19, 20, 21 optiese vesel probes, wat, as gevolg van hul eienskappe, geskik is vir invoeging in standaard 20 mediese naalde, 22 lumen.Deur gebruik te maak van die buigsaamheid wat Lab-on-Fiber (LOF)23-tegnologie bied, word vesel effektief 'n unieke platform vir geminiaturiseerde en gereed-vir-gebruik diagnostiese en terapeutiese toestelle, insluitend vloeistofbiopsie- en weefselbiopsie-toestelle.in biomolekulêre opsporing24,25, liggeleide plaaslike geneesmiddelaflewering26,27, hoë-presisie plaaslike ultraklankbeelding28, termiese terapie29,30 en spektroskopie-gebaseerde kankerweefselidentifikasie31.Binne hierdie konsep, deur gebruik te maak van 'n lokaliseringsbenadering gebaseer op die "naald in die hospitaal" toestel, ondersoek ons ​​die moontlikheid om plaaslike stimulasie van inwonende biologiese strukture te optimaliseer deur die voortplanting van ultraklankgolwe deur naalde te gebruik om ultraklankgolwe binne die streek van belang op te wek..Dus kan lae-intensiteit terapeutiese ultraklank direk op die risiko area toegepas word met minimale indringendheid vir sonikerende selle en klein soliede formasies in sagte weefsels, soos in die geval van die voorgenoemde intrakraniale chirurgie, 'n klein gaatjie in die skedel moet ingevoeg word met 'n naald.Geïnspireer deur onlangse teoretiese en eksperimentele resultate wat daarop dui dat ultraklank die ontwikkeling van sekere kankers kan stop of vertraag, 32, 33, 34 kan die voorgestelde benadering help om, ten minste in beginsel, die belangrikste afwykings tussen aggressiewe en genesende effekte aan te spreek.Met hierdie oorwegings in gedagte, ondersoek ons ​​in die huidige referaat die moontlikheid om 'n naaldtoestel in die hospitaal te gebruik vir minimaal indringende ultraklankterapie vir kanker.Meer presies, in die Verspreidingsanalise van Sferiese Tumormassas vir die Skatting van Groeiafhanklike Ultraklankfrekwensie-afdeling, gebruik ons ​​goed gevestigde elastodinamiese metodes en akoestiese verstrooiingsteorie om die grootte van sferiese soliede gewasse wat in 'n elastiese medium gekweek word, te voorspel.styfheid wat voorkom tussen die gewas en gasheerweefsel as gevolg van groei-geïnduseerde hermodellering van die materiaal.Nadat ons ons stelsel, wat ons die "Hospitaal in die Naald"-afdeling noem, in die "Hospitaal in die Naald"-afdeling beskryf het, ontleed ons die voortplanting van ultrasoniese golwe deur mediese naalde by die voorspelde frekwensies en hul numeriese model bestraal die omgewing om te bestudeer die belangrikste geometriese parameters (die werklike binnedeursnee, lengte en skerpte van die naald), wat die oordrag van die akoestiese krag van die instrument beïnvloed.Gegewe die behoefte om nuwe ingenieurstrategieë vir presisiemedisyne te ontwikkel, word geglo dat die voorgestelde studie kan help om 'n nuwe instrument vir kankerbehandeling te ontwikkel gebaseer op die gebruik van ultraklank gelewer deur 'n geïntegreerde teragnostiese platform wat ultraklank integreer met ander oplossings.Gekombineer, soos geteikende medisynelewering en intydse diagnostiek binne 'n enkele naald.
Die doeltreffendheid van die verskaffing van meganistiese strategieë vir die behandeling van gelokaliseerde soliede gewasse met behulp van ultrasoniese (ultraklank) stimulasie was die doel van verskeie referate wat beide teoreties en eksperimenteel handel oor die effek van lae-intensiteit ultrasoniese vibrasies op enkelselstelsels 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Met behulp van visko-elastiese modelle het verskeie ondersoekers analities gedemonstreer dat tumor- en gesonde selle verskillende frekwensieresponse vertoon wat gekenmerk word deur duidelike resonante pieke in die VSA 10,11,12-reeks.Hierdie resultaat dui daarop dat, in beginsel, tumorselle selektief aangeval kan word deur meganiese stimuli wat die gasheer omgewing bewaar.Hierdie gedrag is 'n direkte gevolg van sleutelbewyse dat tumorselle in die meeste gevalle meer smeebaar is as gesonde selle, moontlik om hul vermoë om te prolifereer en te migreer te verbeter37,38,39,40.Gebaseer op die resultate verkry met enkelselmodelle, bv op mikroskaal, is die selektiwiteit van kankerselle ook op mesoskaal gedemonstreer deur numeriese studies van die harmoniese response van heterogene selaggregate.Met 'n ander persentasie kankerselle en gesonde selle, is meersellige aggregate honderde mikrometer groot hiërargies gebou.Op die mesovlak van hierdie aggregate word sommige mikroskopiese kenmerke van belang bewaar as gevolg van die direkte implementering van die belangrikste strukturele elemente wat die meganiese gedrag van enkelselle kenmerk.In die besonder, elke sel gebruik 'n tensegriteit-gebaseerde argitektuur om die reaksie van verskeie voorgespanne sitoskeletale strukture na te boots, en sodoende hul algehele styfheid beïnvloed12,13.Teoretiese voorspellings en in vitro eksperimente van die bogenoemde literatuur het bemoedigende resultate gegee, wat die behoefte aandui om die sensitiwiteit van tumormassas vir lae-intensiteit terapeutiese ultraklank (LITUS) te bestudeer, en die assessering van die frekwensie van bestraling van tumormassas is van kardinale belang.pos LITUS vir ter plaatse aansoek.
Op weefselvlak gaan die submakroskopiese beskrywing van die individuele komponent egter onvermydelik verlore, en die eienskappe van die tumorweefsel kan opgespoor word deur gebruik te maak van opeenvolgende metodes om die massagroei en stresgeïnduseerde hermodelleringsprosesse na te spoor, met inagneming van die makroskopiese effekte van groei.-geïnduseerde veranderinge in weefselelastisiteit op 'n skaal van 41.42.Inderdaad, anders as eensellige en aggregaatstelsels, groei soliede tumormassas in sagte weefsels as gevolg van die geleidelike ophoping van afwykende residuele spannings, wat die natuurlike meganiese eienskappe verander as gevolg van 'n toename in die algehele intratumorale rigiditeit, en tumorsklerose word dikwels 'n bepalende faktor in tumor opsporing.
Met hierdie oorwegings in gedagte, ontleed ons hier die sonodinamiese reaksie van tumorsferoïede wat gemodelleer is as elastiese sferiese insluitings wat in 'n normale weefselomgewing groei.Meer presies, die elastiese eienskappe wat verband hou met die stadium van die tumor is bepaal op grond van die teoretiese en eksperimentele resultate wat deur sommige skrywers in vorige werk verkry is.Onder hulle is die evolusie van soliede tumor sferoïede wat in vivo in heterogene media gekweek word bestudeer deur die toepassing van nie-lineêre meganiese modelle 41,43,44 in kombinasie met interspesie dinamika om die ontwikkeling van tumormassas en geassosieerde intratumorale stres te voorspel.Soos hierbo genoem, veroorsaak groei (bv. onelastiese voorrek) en oorblywende stres progressiewe hermodellering van die eienskappe van die tumormateriaal, wat ook die akoestiese reaksie daarvan verander.Dit is belangrik om daarop te let dat in ref.41 die mede-evolusie van groei en vaste stres in gewasse is gedemonstreer in eksperimentele veldtogte in dieremodelle.In die besonder, 'n vergelyking van die styfheid van borsgewasmassas wat in verskillende stadiums geresekseer is met die styfheid wat verkry word deur soortgelyke toestande in silico op 'n sferiese eindige element-model met dieselfde afmetings te reproduseer en met inagneming van die voorspelde residuele stresveld het die voorgestelde metode van model geldigheid..In hierdie werk word voorheen verkry teoretiese en eksperimentele resultate gebruik om 'n nuut ontwikkelde terapeutiese strategie te ontwikkel.Hier is veral voorspelde groottes met ooreenstemmende evolusionêre weerstandseienskappe bereken, wat dus gebruik is om die frekwensiereekse te skat waarvoor tumormassas wat in die gasheeromgewing ingebed is, meer sensitief is.Vir hierdie doel het ons dus die dinamiese gedrag van die tumormassa in verskillende stadiums ondersoek, geneem op verskillende stadiums, met inagneming van akoestiese aanwysers in ooreenstemming met die algemeen aanvaarde beginsel van verstrooiing in reaksie op ultrasoniese stimuli en moontlike resonante verskynsels van die sferoïed uit te lig. .afhangende van gewas en gasheer Groei-afhanklike verskille in styfheid tussen weefsels.
Dus is tumormassas gemodelleer as elastiese sfere met radius \(a\) in die omringende elastiese omgewing van die gasheer gebaseer op eksperimentele data wat wys hoe lywige kwaadaardige strukture in situ in sferiese vorms groei.Met verwysing na Figuur 1, gebruik die sferiese koördinate \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (waar \(\theta\) en \(\varphi\) onderskeidelik die anomaliehoek en asimuthoek verteenwoordig), die tumordomein beslaan Streek ingebed in gesonde ruimte \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) onbegrensde streek \({\mathcal { V} }_{H} = \{(r,\theta,\varphi):r > a\}\).Met verwysing na Aanvullende Inligting (SI) vir 'n volledige beskrywing van die wiskundige model gebaseer op die goed gevestigde elastodinamiese basis wat in baie literatuur gerapporteer word45,46,47,48, beskou ons hier 'n probleem wat gekenmerk word deur 'n aksimmetriese ossillasiemodus.Hierdie aanname impliseer dat alle veranderlikes binne die gewas en gesonde areas onafhanklik is van die asimutale koördinaat \(\varphi\) en dat geen vervorming in hierdie rigting voorkom nie.Gevolglik kan die verplasings- en spanningsvelde verkry word vanaf twee skalêre potensiale \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) en \(\chi = \hat{\chi}\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\), hulle is onderskeidelik verwant aan 'n longitudinale golf en 'n skuifgolf, die samevaltyd t tussen die oplewing \(\theta \) en die hoek tussen die rigting van die invallende golf en die posisievektor \({\mathbf {x))\) ( soos getoon in figuur 1) en \(\omega = 2\pi f\) verteenwoordig die hoekfrekwensie.Die invalveld word veral gemodelleer deur die vlakgolf \(\phi_{H}^{(in)}\) (ook bekendgestel in die SI-stelsel, in vergelyking (A.9)) wat in die volume van die liggaam voortplant. volgens die wetsuitdrukking
waar \(\phi_{0}\) die amplitudeparameter is.Die sferiese uitbreiding van 'n invallende vlakgolf (1) met behulp van 'n sferiese golffunksie is die standaardargument:
Waar \(j_{n}\) die sferiese Bessel-funksie van die eerste soort orde \(n\) is, en \(P_{n}\) die Legendre-polinoom is.'n Deel van die insidentgolf van die beleggingsfeer is in die omliggende medium gestrooi en oorvleuel die insidentveld, terwyl die ander deel binne-in die sfeer verstrooi is, wat bydra tot die vibrasie daarvan.Om dit te doen, die harmoniese oplossings van die golfvergelyking \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) en \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi} + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), verskaf byvoorbeeld deur Eringen45 (sien ook SI ) kan gewas en gesonde areas aandui.Veral verspreide uitsettingsgolwe en isovolumiese golwe wat in die gasheermedium \(H\) gegenereer word, gee hul onderskeie potensiële energieë toe:
Onder hulle word die sferiese Hankel-funksie van die eerste soort \(h_{n}^{(1)}\) gebruik om die uitgaande verstrooide golf te oorweeg, en \(\alpha_{n}\) en \(\beta_{ n}\ ) is die onbekende koëffisiënte.in die vergelyking.In vergelykings (2)–(4), dui die terme \(k_{H1}\) en \(k_{H2}\) die golfgetalle van rafaksie en transversale golwe in onderskeidelik die hoofarea van die liggaam aan ( sien SI).Kompressievelde binne die gewas en verskuiwings het die vorm
Waar \(k_{T1}\) en \(k_{T2}\) die longitudinale en transversale golfgetalle in die tumorgebied voorstel, en die onbekende koëffisiënte is \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Gebaseer op hierdie resultate, is nie-nul radiale en omtreksverplasingskomponente kenmerkend van gesonde streke in die probleem onder oorweging, soos \(u_{Hr}\) en \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) die simmetrie-aanname is nie meer nodig nie) — kan verkry word uit die verhouding \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) deur \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) en \ te vorm (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (sien SI vir gedetailleerde wiskundige afleiding).Net so, vervanging van \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) en \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) gee {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta}\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\right)\).
(Links) Meetkunde van 'n sferiese gewas gegroei in 'n gesonde omgewing waardeur 'n insident veld voortplant, (regs) Ooreenstemmende evolusie van die tumor-gasheer styfheid verhouding as 'n funksie van tumor radius, berig data (aangepas uit Carotenuto et al. 41) van in kompressietoetse vitro is verkry van soliede borsgewasse wat met MDA-MB-231-selle ingeënt is.
As lineêre elastiese en isotropiese materiale aanvaar word, gehoorsaam die nie-nul spanningskomponente in die gesonde en tumorstreke, dws \(\sigma_{Hpq}\) en \(\sigma_{Tpq}\) – die algemene Hooke se wet, gegewe dat daar is verskillende Lamé moduli , wat gasheer- en tumorelastisiteit kenmerk, aangedui as \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) en \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (sien Vergelyking (A.11) vir die volledige uitdrukking van die spanningskomponente wat in SI voorgestel word).In die besonder, volgens die data in verwysing 41 en aangebied in Figuur 1, het groeiende gewasse 'n verandering in weefselelastisiteitskonstantes getoon.Dus word verplasings en spanninge in die gasheer- en tumorstreke heeltemal bepaal tot 'n stel onbekende konstantes \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) het teoreties oneindige afmetings.Om hierdie koëffisiëntvektore te vind, word geskikte koppelvlakke en grenstoestande tussen die gewas en gesonde areas bekendgestel.Met die veronderstelling dat perfekte binding by die tumor-gasheer-koppelvlak \(r = a\), kontinuïteit van verplasings en spanninge die volgende toestande vereis:
Stelsel (7) vorm 'n stelsel van vergelykings met oneindige oplossings.Daarbenewens sal elke grensvoorwaarde afhang van die anomalie \(\theta\).Om die grenswaardeprobleem te reduseer tot 'n volledige algebraïese probleem met \(N\) stelle geslote sisteme, wat elk in die onbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ is {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (met \ ( N \ tot \infty \), teoreties), en om die afhanklikheid van die vergelykings op die trigonometriese terme uit te skakel, word die koppelvlakvoorwaardes in 'n swak vorm geskryf deur die ortogonaliteit van die Legendre-polinome te gebruik.In die besonder word die vergelyking (7)1,2 en (7)3,4 vermenigvuldig met \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) en \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) en integreer dan tussen \(0\) en \(\pi\) deur wiskundige identiteite te gebruik:
Die koppelvlakvoorwaarde (7) gee dus 'n kwadratiese algebraïese vergelykingstelsel terug, wat in matriksvorm uitgedruk kan word as \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) en kry die onbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\) deur Cramer se reël op te los.
Om die energievloed wat deur die sfeer verstrooi word te skat en inligting oor sy akoestiese respons te verkry gebaseer op data oor die verspreide veld wat in die gasheermedium voortplant, is 'n akoestiese hoeveelheid van belang, wat 'n genormaliseerde bistatiese verstrooiingsdwarssnit is.In die besonder, die verstrooiende dwarssnit, aangedui \(s), druk die verhouding uit tussen die akoestiese drywing wat deur die verstrooide sein oorgedra word en die verdeling van energie wat deur die invallende golf gedra word.In hierdie verband is die grootte van die vormfunksie \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) 'n grootheid wat gereeld in die studie van akoestiese meganismes gebruik word. ingebed in 'n vloeistof of vaste stof Verstrooiing van voorwerpe in die sediment.Meer presies, die amplitude van die vormfunksie word gedefinieer as die differensiële verstrooiingsdwarssnit \(ds\) per eenheidsoppervlakte, wat verskil met die normaal tot die voortplantingsrigting van die invallende golf:
waar \(f_{n}^{pp}\) en \(f_{n}^{ps}\) die modale funksie aandui, wat verwys na die verhouding van die magte van die longitudinale golf en die verstrooide golf relatief tot die invallende P-golf in die ontvangsmedium, onderskeidelik, word gegee met die volgende uitdrukkings:
Gedeeltelike golffunksies (10) kan onafhanklik bestudeer word in ooreenstemming met die resonante verstrooiingsteorie (RST)49,50,51,52, wat dit moontlik maak om die teikenelastisiteit van die totale dwaalveld te skei wanneer verskillende modusse bestudeer word.Volgens hierdie metode kan die modale vormfunksie in 'n som van twee gelyke dele ontbind word, naamlik \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) hou verband met die resonante en nieresonante agtergrondamplitudes, onderskeidelik.Die vormfunksie van die resonante modus hou verband met die reaksie van die teiken, terwyl die agtergrond gewoonlik verband hou met die vorm van die strooier.Om die eerste formant van die teiken vir elke modus op te spoor, is die amplitude van die modale resonansievormfunksie \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) word bereken met 'n harde agtergrond, bestaande uit ondeurdringbare sfere in 'n elastiese gasheermateriaal.Hierdie hipotese word gemotiveer deur die feit dat, in die algemeen, beide styfheid en digtheid toeneem met die groei van die tumormassa as gevolg van die oorblywende drukspanning.Dus, op 'n ernstige vlak van groei, word verwag dat die impedansieverhouding \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) groter as 1 sal wees vir die meeste makroskopiese soliede gewasse wat in sagte ontwikkel weefsels.Byvoorbeeld, Krouskop et al.53 het 'n verhouding van kanker tot normale modulus van ongeveer 4 vir prostaatweefsel gerapporteer, terwyl hierdie waarde toegeneem het tot 20 vir borsweefselmonsters.Hierdie verwantskappe verander onvermydelik die akoestiese impedansie van die weefsel, soos ook gedemonstreer deur elastografie-analise54,55,56, en kan verband hou met gelokaliseerde weefselverdikking wat veroorsaak word deur tumorhiperproliferasie.Hierdie verskil is ook eksperimenteel waargeneem met eenvoudige kompressietoetse van borsgewasblokke wat in verskillende stadiums gegroei is32, en hermodellering van die materiaal kan goed gevolg word met voorspellende kruisspesiemodelle van nie-lineêr groeiende gewasse43,44.Die styfheidsdata wat verkry is, hou direk verband met die evolusie van die Young se modulus van soliede gewasse volgens die formule \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2}} \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfere met radius \(a\), styfheid \(S\) en Poisson se verhouding \(\nu\) tussen twee rigiede plate 57, soos getoon in Figuur 1).Dit is dus moontlik om akoestiese impedansiemetings van die gewas en die gasheer op verskillende groeivlakke te verkry.In die besonder, in vergelyking met die modulus van normale weefsel gelyk aan 2 kPa in Fig. 1, het die elastiese modulus van borsgewasse in die volume reeks van ongeveer 500 tot 1250 mm3 gelei tot 'n toename van ongeveer 10 kPa tot 16 kPa, wat is in ooreenstemming met die gerapporteerde data.in verwysings 58, 59 is gevind dat die druk in borsweefselmonsters 0.25–4 kPa is met verdwynende voorkompressie.Aanvaar ook dat die Poisson se verhouding van 'n byna onsamedrukbare weefsel 41,60 is, wat beteken dat die digtheid van die weefsel nie noemenswaardig verander soos die volume toeneem nie.In die besonder word die gemiddelde massabevolkingsdigtheid \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 gebruik.Met hierdie oorwegings kan styfheid 'n agtergrondmodus aanneem deur die volgende uitdrukking te gebruik:
Waar die onbekende konstante \(\widehat{{{\varvec{\upxi)))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) bereken kan word met inagneming van die kontinuïteit vooroordeel ( 7 )2,4, dit wil sê deur die algebraïese stelsel op te los \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) wat minderjariges betrek\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) en die ooreenstemmende vereenvoudigde kolomvektor\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Verskaf basiese kennis in vergelyking (11), twee amplitudes van die terugverstrooiingsresonante modus \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) en \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) verwys na onderskeidelik P-golfopwekking en P- en S-golfrefleksie.Verder is die eerste amplitude beraam as \(\theta = \pi\), en die tweede amplitude is beraam as \(\theta = \pi/4\).Deur verskeie samestelling eienskappe te laai.Figuur 2 toon dat die resonante kenmerke van tumorsferoïede tot ongeveer 15 mm in deursnee hoofsaaklik in die frekwensieband van 50-400 kHz gekonsentreer is, wat die moontlikheid aandui om lae-frekwensie ultraklank te gebruik om resonante tumor opwekking te veroorsaak.selle.Baie van.In hierdie frekwensieband het die RST-analise enkelmodusformante vir modusse 1 tot 6 aan die lig gebring, uitgelig in Figuur 3. Hier toon beide pp- en ps-verstrooide golwe formante van die eerste tipe, wat by baie lae frekwensies voorkom, wat toeneem vanaf ongeveer 20 kHz vir die modus 1 tot ongeveer 60 kHz vir n = 6, wat geen betekenisvolle verskil in sfeer radius toon nie.Die resonante funksie ps verval dan, terwyl die kombinasie van groot amplitude pp formante 'n periodisiteit van ongeveer 60 kHz verskaf, wat 'n hoër frekwensieverskuiwing toon met toenemende modusgetal.Alle ontledings is uitgevoer met behulp van Mathematica®62 rekenaarsagteware.
Die terugstrooivormfunksies verkry uit die module van borsgewasse van verskillende groottes word in Fig. 1 getoon, waar die hoogste verstrooiingsbande uitgelig word met inagneming van modus-superposisie.
Resonansies van geselekteerde modusse van \(n = 1\) tot \(n = 6\), bereken op eksitasie en refleksie van die P-golf by verskillende tumorgroottes (swart kurwes vanaf \(\left | {f_{ n} ^ {{\ links( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left (\pi \right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) en P-golf opwekking en S-golf refleksie (grys krommes gegee deur modale vormfunksie \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Die resultate van hierdie voorlopige analise deur gebruik te maak van ver-veld voortplantingstoestande kan die keuse van dryfspesifieke dryffrekwensies in die volgende numeriese simulasies lei om die effek van mikrovibrasiespanning op massa te bestudeer.Die resultate toon dat die kalibrasie van optimale frekwensies stadium-spesifiek tydens tumorgroei kan wees en bepaal kan word deur die resultate van groeimodelle te gebruik om biomeganiese strategieë wat in siekteterapie gebruik word om weefselhermodellering korrek te voorspel, daar te stel.
Beduidende vooruitgang in nanotegnologie dryf die wetenskaplike gemeenskap om nuwe oplossings en metodes te vind om geminiaturiseerde en minimaal indringende mediese toestelle vir in vivo toepassings te ontwikkel.In hierdie konteks het LOF-tegnologie 'n merkwaardige vermoë getoon om die vermoëns van optiese vesels uit te brei, wat die ontwikkeling moontlik maak van nuwe minimaal indringende optieseveseltoestelle vir lewenswetenskaptoepassings21, 63, 64, 65. Die idee om 2D- en 3D-materiaal te integreer met gewenste chemiese, biologiese en optiese eienskappe aan die kante 25 en/of punte 64 van optiese vesels met volle ruimtelike beheer op die nanoskaal lei tot die ontstaan ​​van 'n nuwe klas optiese vesel nanooptodes.het 'n wye reeks diagnostiese en terapeutiese funksies.Interessant genoeg, as gevolg van hul geometriese en meganiese eienskappe (klein deursnit, groot aspekverhouding, buigsaamheid, lae gewig) en die bioversoenbaarheid van materiale (gewoonlik glas of polimere), is optiese vesels goed geskik vir invoeging in naalde en kateters.Mediese toepassings20, wat die weg baan vir 'n nuwe visie van die "naaldhospitaal" (sien Figuur 4).
Om die waarheid te sê, as gevolg van die grade van vryheid wat deur LOF-tegnologie gebied word, deur die integrasie van mikro- en nanostrukture wat van verskeie metaal- en/of diëlektriese materiale gemaak word, te gebruik, kan optiese vesels behoorlik gefunksionaliseer word vir spesifieke toepassings wat dikwels resonante-modus-opwekking ondersteun., Die ligveld 21 is sterk geposisioneer.Die insluiting van lig op 'n subgolflengte-skaal, dikwels in kombinasie met chemiese en/of biologiese verwerking63 en die integrasie van sensitiewe materiale soos slim polimere65,66 kan beheer oor die interaksie van lig en materie verbeter, wat nuttig kan wees vir teranostiese doeleindes.Die keuse van tipe en grootte van geïntegreerde komponente/materiale hang uiteraard af van die fisiese, biologiese of chemiese parameters wat opgespoor moet word21,63.
Integrasie van LOF-probes in mediese naalde wat na spesifieke plekke in die liggaam gerig is, sal plaaslike vloeistof- en weefselbiopsies in vivo moontlik maak, wat gelyktydige plaaslike behandeling moontlik maak, newe-effekte verminder en doeltreffendheid verhoog.Potensiële geleenthede sluit in die opsporing van verskeie sirkulerende biomolekules, insluitend kanker.biomerkers of mikroRNA's (miRNA's)67, identifikasie van kankerweefsel deur lineêre en nie-lineêre spektroskopie soos Raman-spektroskopie (SERS)31, hoë-resolusie fotoakoestiese beelding22,28,68, laserchirurgie en ablasie69, en plaaslike afleweringsmiddels wat lig gebruik27 en outomatiese leiding van naalde in die menslike liggaam20.Dit is opmerklik dat alhoewel die gebruik van optiese vesels die tipiese nadele van "klassieke" metodes wat op elektroniese komponente gebaseer is vermy, soos die behoefte aan elektriese verbindings en die teenwoordigheid van elektromagnetiese interferensie, dit toelaat dat verskeie LOF-sensors effektief geïntegreer word in die stelsel.enkele mediese naald.Daar moet veral aandag gegee word aan die vermindering van skadelike effekte soos besoedeling, optiese interferensie, fisiese obstruksies wat oorspraak-effekte tussen verskillende funksies veroorsaak.Dit is egter ook waar dat baie van die genoemde funksies nie terselfdertyd aktief hoef te wees nie.Hierdie aspek maak dit moontlik om ten minste interferensie te verminder en sodoende die negatiewe impak op die werkverrigting van elke sonde en die akkuraatheid van die prosedure te beperk.Hierdie oorwegings stel ons in staat om die konsep van die "naald in die hospitaal" te beskou as 'n eenvoudige visie om 'n stewige grondslag te lê vir die volgende generasie terapeutiese naalde in die lewenswetenskappe.
Met betrekking tot die spesifieke toepassing wat in hierdie vraestel bespreek word, sal ons in die volgende afdeling numeries die vermoë van 'n mediese naald ondersoek om ultrasoniese golwe in menslike weefsels te rig deur hul voortplanting langs sy as te gebruik.
Voortplanting van ultrasoniese golwe deur 'n mediese naald wat met water gevul is en in sagte weefsels geplaas is (sien diagram in Fig. 5a) is gemodelleer deur gebruik te maak van die kommersiële Comsol Multiphysics sagteware gebaseer op die eindige element metode (FEM)70, waar die naald en weefsel gemodelleer word as lineêre elastiese omgewing.
Met verwysing na Figuur 5b, is die naald gemodelleer as 'n hol silinder (ook bekend as 'n "kanule") gemaak van vlekvrye staal, 'n standaardmateriaal vir mediese naalde71.Dit is veral gemodelleer met Young se modulus E = 205 GPa, Poisson se verhouding ν = 0.28, en digtheid ρ = 7850 kg m −372.73.Meetkundig word die naald gekenmerk deur 'n lengte L, 'n binnedeursnee D (ook genoem "vryhoogte") en 'n wanddikte t.Daarbenewens word die punt van die naald beskou as skuins teen 'n hoek α met betrekking tot die lengterigting (z).Die volume water stem in wese ooreen met die vorm van die binneste gebied van die naald.In hierdie voorlopige analise is aanvaar dat die naald heeltemal ondergedompel is in 'n weefselgebied (wat veronderstel is om onbepaald uit te strek), gemodelleer as 'n sfeer van radius rs, wat konstant gebly het op 85 mm tydens alle simulasies.In meer besonderhede voltooi ons die sferiese gebied met 'n perfek gepasde laag (PML), wat ten minste ongewenste golwe wat van "denkbeeldige" grense weerkaats word, verminder.Ons het dan die radius rs gekies om die sferiese domeingrens ver genoeg van die naald af te plaas om nie die berekeningsoplossing te beïnvloed nie, en klein genoeg om nie die berekeningskoste van die simulasie te beïnvloed nie.
'n Harmoniese longitudinale verskuiwing van frekwensie f en amplitude A word op die onderste grens van die stylusgeometrie toegepas;hierdie situasie verteenwoordig 'n insetstimulus wat op die gesimuleerde meetkunde toegepas word.By die oorblywende grense van die naald (in kontak met weefsel en water), word die aanvaarde model beskou as 'n verband tussen twee fisiese verskynsels, waarvan een verband hou met strukturele meganika (vir die area van die naald), en die ander na struktuurmeganika.(vir die naaldvormige gebied), dus word die ooreenstemmende voorwaardes op die akoestiek (vir water en die naaldvormige gebied) opgelê74.Veral klein vibrasies wat op die naaldsitplek toegepas word, veroorsaak klein spanningsversteurings;dus, met die veronderstelling dat die naald soos 'n elastiese medium optree, kan die verplasingsvektor U geskat word uit die elastodinamiese ewewigsvergelyking (Navier)75.Strukturele ossillasies van die naald veroorsaak veranderinge in die waterdruk daarin (wat in ons model as stilstaande beskou word), as gevolg waarvan klankgolwe in die lengterigting van die naald voortplant, in wese gehoorsaam aan die Helmholtz-vergelyking76.Ten slotte, met die veronderstelling dat die nie-lineêre effekte in weefsels weglaatbaar is en dat die amplitude van die skuifgolwe baie kleiner is as die amplitude van die drukgolwe, kan die Helmholtz-vergelyking ook gebruik word om die voortplanting van akoestiese golwe in sagte weefsels te modelleer.Na hierdie benadering word die weefsel as 'n vloeistof77 met 'n digtheid van 1000 kg/m3 en 'n klankspoed van 1540 m/s beskou (met die ignorering van frekwensie-afhanklike dempingseffekte).Om hierdie twee fisiese velde te verbind, is dit nodig om die kontinuïteit van normale beweging by die grens van die vastestof en vloeistof, die statiese ewewig tussen druk en spanning loodreg op die grens van die vastestof, en die tangensiële spanning by die grens van die vastestof te verseker. vloeistof moet gelyk aan nul wees.75 .
In ons analise ondersoek ons ​​die voortplanting van akoestiese golwe langs 'n naald onder stilstaande toestande, met die fokus op die invloed van die geometrie van die naald op die emissie van golwe binne die weefsel.Ons het veral die invloed van die binnedeursnee van die naald D, die lengte L en die skuinshoek α ondersoek, en die dikte t vasgehou op 500 µm vir alle gevalle wat bestudeer is.Hierdie waarde van t is naby aan die tipiese standaard wanddikte 71 vir kommersiële naalde.
Sonder verlies aan algemeenheid is die frekwensie f van die harmoniese verplasing toegepas op die basis van die naald gelyk aan 100 kHz geneem, en die amplitude A was 1 μm.Die frekwensie is veral op 100 kHz gestel, wat in ooreenstemming is met die analitiese skattings gegee in die afdeling "Verspreidingsanalise van sferiese tumormassas om groeiafhanklike ultraklankfrekwensies te skat", waar 'n resonansie-agtige gedrag van tumormassas gevind is in die frekwensiereeks van 50–400 kHz, met die grootste verstrooiingsamplitude gekonsentreer by laer frekwensies rondom 100–200 kHz (sien Fig. 2).
Die eerste parameter wat bestudeer is, was die interne deursnee D van die naald.Gerieflikheidshalwe word dit gedefinieer as 'n heelgetal fraksie van die akoestiese golflengte in die holte van die naald (dws in water λW = 1,5 mm).Inderdaad, die verskynsels van golfvoortplanting in toestelle wat gekenmerk word deur 'n gegewe meetkunde (byvoorbeeld in 'n golfleier) hang dikwels af van die kenmerkende grootte van die meetkunde wat gebruik word in vergelyking met die golflengte van die voortplantende golf.Daarbenewens, in die eerste analise, om die effek van die deursnee D op die voortplanting van die akoestiese golf deur die naald beter te beklemtoon, het ons 'n plat punt oorweeg wat die hoek α = 90° stel.Tydens hierdie ontleding is die naaldlengte L op 70 mm vasgestel.
Op fig.6a toon die gemiddelde klankintensiteit as 'n funksie van die dimensielose skaalparameter SD, dws D = λW/SD geëvalueer in 'n sfeer met 'n radius van 10 mm gesentreer op die ooreenstemmende naaldpunt.Die skaalparameter SD verander van 2 na 6, dws ons beskou D-waardes wat wissel van 7,5 mm tot 2,5 mm (by f = 100 kHz).Die reeks sluit ook 'n standaardwaarde van 71 vir vlekvrye staal mediese naalde in.Soos verwag, beïnvloed die binnedeursnee van die naald die intensiteit van die klank wat deur die naald uitgegee word, met 'n maksimum waarde (1030 W/m2) wat ooreenstem met D = λW/3 (dws D = 5 mm) en 'n dalende neiging met dalende deursnee.Daar moet in ag geneem word dat die deursnee D 'n geometriese parameter is wat ook die indringendheid van 'n mediese toestel beïnvloed, dus kan hierdie kritieke aspek nie geïgnoreer word wanneer die optimale waarde gekies word nie.Dus, alhoewel die afname in D voorkom as gevolg van die laer transmissie van akoestiese intensiteit in die weefsels, vir die volgende studies, is die deursnee D = λW/5, dws D = 3 mm (stem ooreen met die 11G71 standaard by f = 100 kHz) , word beskou as 'n redelike kompromie tussen toestelindringendheid en klankintensiteitoordrag (gemiddeld ongeveer 450 W/m2).
Die gemiddelde intensiteit van die klank wat deur die punt van die naald vrygestel word (wat as plat beskou word), afhangende van die binnedeursnee van die naald (a), lengte (b) en skuinshoek α (c).Die lengte in (a, c) is 90 mm, en die deursnee in (b, c) is 3 mm.
Die volgende parameter wat ontleed moet word, is die lengte van die naald L. Soos in die vorige gevallestudie, beskou ons 'n skuins hoek α = 90° en die lengte word geskaal as 'n veelvoud van die golflengte in water, maw beskou L = SL λW .Die dimensielose skaalparameter SL word van 3 by 7 verander, en beraam dus die gemiddelde intensiteit van die klank wat deur die punt van die naald vrygestel word in die lengtereeks van 4,5 tot 10,5 mm.Hierdie reeks bevat tipiese waardes vir kommersiële naalde.Die resultate word in fig.6b, wat wys dat die lengte van die naald, L, 'n groot invloed op die oordrag van klankintensiteit in weefsels het.Spesifiek, die optimalisering van hierdie parameter het dit moontlik gemaak om die transmissie met ongeveer 'n orde van grootte te verbeter.Trouens, in die geanaliseerde lengtereeks neem die gemiddelde klankintensiteit 'n plaaslike maksimum van 3116 W/m2 aan by SL = 4 (dws L = 60 mm), en die ander stem ooreen met SL = 6 (dws L = 90 mm).
Nadat ons die invloed van die deursnee en lengte van die naald op die voortplanting van ultraklank in silindriese meetkunde ontleed het, het ons gefokus op die invloed van die skuinshoek op die oordrag van klankintensiteit in weefsels.Die gemiddelde intensiteit van die klank wat uit die veselpunt voortspruit, is geëvalueer as 'n funksie van die hoek α, wat die waarde daarvan verander het van 10° (skerp punt) na 90° (plat punt).In hierdie geval was die radius van die integrerende sfeer rondom die oorweegde punt van die naald 20 mm, sodat vir alle waardes van α, die punt van die naald ingesluit is in die volume bereken uit die gemiddelde.
Soos in fig.6c, wanneer die punt skerpgemaak word, dws wanneer α afneem vanaf 90°, neem die intensiteit van die oorgedrade klank toe en bereik 'n maksimum waarde van ongeveer 1,5 × 105 W/m2, wat ooreenstem met α = 50°, dws, 2 is 'n orde van grootte hoër relatief tot die plat toestand.Met verdere verskerping van die punt (dws by α onder 50°), is die klankintensiteit geneig om af te neem, en bereik waardes vergelykbaar met 'n afgeplatte punt.Alhoewel ons 'n wye reeks skuinshoeke vir ons simulasies oorweeg het, is dit egter die moeite werd om te oorweeg dat dit nodig is om die punt skerp te maak om die invoeging van die naald in die weefsel te vergemaklik.Trouens, 'n kleiner skuinshoek (ongeveer 10°) kan die krag 78 verminder wat nodig is om weefsel binne te dring.
Benewens die waarde van die klankintensiteit wat binne die weefsel oorgedra word, beïnvloed die skuinshoek ook die rigting van golfvoortplanting, soos getoon in die klankdrukvlakgrafieke getoon in Fig. 7a (vir die plat punt) en 3b (vir 10°) ).skuins punt), parallel Die lengterigting word geëvalueer in die vlak van simmetrie (yz, vgl. Fig. 5).By die uiterstes van hierdie twee oorwegings word die klankdrukvlak (na verwys as 1 µPa) hoofsaaklik binne die naaldholte (dws in die water) gekonsentreer en in die weefsel uitgestraal.In meer besonderhede, in die geval van 'n plat punt (Fig. 7a), is die verspreiding van die klankdrukvlak perfek simmetries met betrekking tot die lengterigting, en staande golwe kan onderskei word in die water wat die liggaam vul.Die golf is longitudinaal (z-as) georiënteer, die amplitude bereik sy maksimum waarde in water (ongeveer 240 dB) en neem dwars af, wat lei tot 'n verswakking van ongeveer 20 dB op 'n afstand van 10 mm vanaf die middel van die naald.Soos verwag, breek die inbring van 'n puntige punt (Fig. 7b) hierdie simmetrie, en die antinodes van die staande golwe "buig" volgens die punt van die naald.Blykbaar beïnvloed hierdie asimmetrie die bestralingsintensiteit van die naaldpunt, soos vroeër beskryf (Fig. 6c).Om hierdie aspek beter te verstaan, is die akoestiese intensiteit geëvalueer langs 'n snylyn ortogonaal tot die lengterigting van die naald, wat in die simmetrievlak van die naald geleë was en op 'n afstand van 10 mm van die punt van die naald geleë was ( resultate in Figuur 7c).Meer spesifiek, klankintensiteitsverspreidings wat by 10°, 20° en 30° skuinshoeke (onderskeidelik blou, rooi en groen soliede lyne) geassesseer is, is vergelyk met die verspreiding naby die plat punt (swart stippelkurwes).Die intensiteitsverspreiding wat geassosieer word met plat punt naalde blyk simmetries te wees oor die middel van die naald.Dit neem veral 'n waarde van ongeveer 1420 W/m2 in die middel aan, 'n oorloop van ongeveer 300 W/m2 op 'n afstand van ~8 mm, en neem dan af tot 'n waarde van ongeveer 170 W/m2 by ~30 mm .Soos die punt spits word, verdeel die sentrale lob in meer lobbe van verskillende intensiteit.Meer spesifiek, wanneer α 30° was, kon drie blomblare duidelik onderskei word in die profiel gemeet op 1 mm vanaf die punt van die naald.Die sentrale een is amper in die middel van die naald en het 'n geskatte waarde van 1850 W / m2, en die hoër een aan die regterkant is ongeveer 19 mm van die middel en bereik 2625 W / m2.By α = 20° is daar 2 hooflobbe: een per −12 mm teen 1785 W/m2 en een per 14 mm by 1524 W/m2.Wanneer die punt skerper word en die hoek 10° bereik, word 'n maksimum van 817 W/m2 teen ongeveer -20 mm bereik, en nog drie lobbe van effens minder intensiteit is langs die profiel sigbaar.
Klankdrukvlak in die vlak van simmetrie y–z van 'n naald met 'n plat punt (a) en 'n 10° skuins (b).(c) Akoestiese intensiteit verspreiding geskat langs 'n snylyn loodreg op die lengterigting van die naald, op 'n afstand van 10 mm vanaf die punt van die naald en lê in die vlak van simmetrie yz.Die lengte L is 70 mm en die deursnee D is 3 mm.
Saamgevat, toon hierdie resultate dat mediese naalde effektief gebruik kan word om ultraklank by 100 kHz na sagteweefsel oor te dra.Die intensiteit van die uitgestraalde klank hang af van die geometrie van die naald en kan geoptimaliseer word (onderhewig aan die beperkings wat deur die indringendheid van die eindtoestel opgelê word) tot waardes in die reeks van 1000 W/m2 (teen 10 mm).aangebring op die onderkant van die naald 1. In die geval van 'n mikrometer offset, word die naald beskou as volledig in die sagte weefsel wat oneindig uitstrek.In die besonder beïnvloed die skuinshoek sterk die intensiteit en rigting van voortplanting van klankgolwe in die weefsel, wat hoofsaaklik lei tot die ortogonaliteit van die sny van die naaldpunt.
Om die ontwikkeling van nuwe tumorbehandelingstrategieë gebaseer op die gebruik van nie-indringende mediese tegnieke te ondersteun, is die voortplanting van lae-frekwensie ultraklank in die tumoromgewing analities en rekenaarmatig ontleed.In die besonder, in die eerste deel van die studie, het 'n tydelike elastodinamiese oplossing ons in staat gestel om die verstrooiing van ultrasoniese golwe in soliede tumor sferoïede van bekende grootte en styfheid te bestudeer om die frekwensie sensitiwiteit van die massa te bestudeer.Toe is frekwensies van die orde van honderde kilohertz gekies, en die plaaslike toepassing van vibrasiestres in die tumoromgewing met behulp van 'n mediese naaldaandrywing is in numeriese simulasie gemodelleer deur die invloed van die hoofontwerpparameters wat die oordrag van die akoestiese krag van die instrument vir die omgewing.Die resultate toon dat mediese naalde effektief gebruik kan word om weefsels met ultraklank te bestraal, en die intensiteit daarvan is nou verwant aan die geometriese parameter van die naald, wat die werkende akoestiese golflengte genoem word.Trouens, die intensiteit van bestraling deur die weefsel neem toe met toenemende interne deursnee van die naald, en bereik 'n maksimum wanneer die deursnee drie keer die golflengte is.Die lengte van die naald bied ook 'n mate van vryheid om blootstelling te optimaliseer.Laasgenoemde resultaat word inderdaad gemaksimeer wanneer die naaldlengte op 'n sekere veelvoud van die bedryfsgolflengte gestel word (spesifiek 4 en 6).Interessant genoeg, vir die frekwensiereeks van belang, is die geoptimaliseerde deursnee- en lengtewaardes naby aan dié wat algemeen gebruik word vir standaard kommersiële naalde.Die skuinshoek, wat die skerpte van die naald bepaal, beïnvloed ook die emissiwiteit, wat 'n hoogtepunt bereik by ongeveer 50° en goeie werkverrigting lewer by ongeveer 10°, wat algemeen vir kommersiële naalde gebruik word..Simulasieresultate sal gebruik word om die implementering en optimalisering van die hospitaal se intranaalddiagnostiese platform te lei, diagnostiese en terapeutiese ultraklank te integreer met ander terapeutiese oplossings in die toestel en om samewerkende presisiemedisyne-intervensies te realiseer.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. en Kopp MV Wat is presisiemedisyne?Eur, buitelandse.Tydskrif 50, 1700391 (2017).
Collins, FS en Varmus, H. Nuwe inisiatiewe in presisie medisyne.N. eng.J. Geneeskunde.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK en Wang, MD.Biomediese beelding-informatika in die presisiegeneeskunde-era: prestasies, uitdagings en geleenthede.Konfyt.medisyne.inlig.Assistent-professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Presisieonkologie: 'n oorsig.J. Klinies.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., en Salem, A. Verbetering in glioblastoom (GBM) terapie met behulp van 'n nanopartikel-gebaseerde afleweringstelsel.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G en von Daimling A. Glioblastoma: patologie, molekulêre meganismes en merkers.Acta neuropatologie.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM en Berger, MS Huidige en toekomstige strategieë vir die behandeling van glioom.neurochirurgie.Ed.40, 1–14 (2017).