Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Slankikliai, rodantys tris straipsnius vienoje skaidrėje.Norėdami pereiti per skaidres, naudokite mygtukus „Atgal“ ir „Kitas“ arba, norėdami pereiti per kiekvieną skaidrę, naudokite skaidrių valdiklio mygtukus pabaigoje.
Remiantis tarpdisciplinine fizikos ir gyvybės mokslų sankirta, tiksliąja medicina pagrįstos diagnostikos ir gydymo strategijos pastaruoju metu sulaukė didelio dėmesio dėl naujų inžinerinių metodų praktinio pritaikomumo daugelyje medicinos sričių, ypač onkologijoje.Atsižvelgiant į tai, ultragarso naudojimas siekiant atakuoti navikų vėžines ląsteles, siekiant sukelti galimus įvairių masto mechaninius pažeidimus, sulaukia vis daugiau mokslininkų dėmesio visame pasaulyje.Atsižvelgdami į šiuos veiksnius, remdamiesi elastodinaminiais laiko nustatymo sprendimais ir skaitiniais modeliavimais, pateikiame preliminarų ultragarso sklidimo audiniuose modeliavimo kompiuterinį tyrimą, kad vietiniu švitinimu būtų parinkti tinkami dažniai ir galios.Nauja diagnostikos platforma laboratorijai On-Fiber technologija, vadinama ligoninės adata ir jau patentuota.Manoma, kad analizės rezultatai ir susijusios biofizinės įžvalgos galėtų padėti sukurti naujus integruotus diagnostikos ir gydymo metodus, kurie ateityje galėtų atlikti pagrindinį vaidmenį taikant tiksliąją mediciną, remiantis fizikos sritimis.Prasideda didėjanti biologijos sinergija.
Optimizavus daugybę klinikinių programų, palaipsniui ėmė atsirasti poreikis mažinti šalutinį poveikį pacientams.Šiuo tikslu tikslioji medicina1, 2, 3, 4, 5 tapo strateginiu tikslu sumažinti pacientams skiriamų vaistų dozę, iš esmės laikantis dviejų pagrindinių metodų.Pirmasis yra pagrįstas gydymu, sukurtu pagal paciento genominį profilį.Antrasis, tampantis auksiniu onkologijos standartu, siekia išvengti sisteminių vaistų įvedimo procedūrų, bandant išleisti nedidelį vaisto kiekį, o kartu padidinti tikslumą taikant vietinę terapiją.Galutinis tikslas yra pašalinti arba bent jau sumažinti neigiamą daugelio gydymo metodų, tokių kaip chemoterapija ar sisteminis radionuklidų skyrimas, poveikį.Priklausomai nuo vėžio tipo, vietos, spinduliuotės dozės ir kitų veiksnių, net spindulinė terapija gali turėti didelę įgimtą riziką sveikiems audiniams.Gydant glioblastomą6,7,8,9, operacija sėkmingai pašalina pagrindinį vėžį, tačiau net ir nesant metastazių, gali būti daug mažų vėžinių infiltratų.Jei jie nėra visiškai pašalinti, per palyginti trumpą laiką gali išaugti naujos vėžinės masės.Šiame kontekste anksčiau minėtas tikslios medicinos strategijas sunku pritaikyti, nes šiuos infiltratus sunku aptikti ir išplisti dideliame plote.Šios kliūtys užkerta kelią galutiniams rezultatams užkertant kelią bet kokiam pasikartojimui naudojant tikslią mediciną, todėl kai kuriais atvejais pirmenybė teikiama sisteminiams įvedimo metodams, nors naudojami vaistai gali turėti labai didelį toksiškumo lygį.Norint išspręsti šią problemą, idealus gydymo metodas būtų naudoti minimaliai invazines strategijas, kurios gali selektyviai atakuoti vėžines ląsteles nepažeidžiant sveikų audinių.Atsižvelgiant į šį argumentą, ultragarso virpesių naudojimas, kuris, kaip įrodyta, skirtingai veikia vėžines ir sveikas ląsteles tiek vienaląstėse sistemose, tiek mezoskalėje nevienalytėse klasteriuose, atrodo kaip galimas sprendimas.
Mechanistiniu požiūriu sveikos ir vėžinės ląstelės iš tikrųjų turi skirtingus natūralaus rezonanso dažnius.Ši savybė yra susijusi su onkogeniniais vėžinių ląstelių citoskeleto struktūros mechaninių savybių pokyčiais 12, 13, tuo tarpu naviko ląstelės yra vidutiniškai labiau deformuojamos nei normalios ląstelės.Taigi, optimaliai parinkus ultragarso dažnį stimuliacijai, pasirinktose vietose sukeltos vibracijos gali pakenkti gyvoms vėžinėms struktūroms, sumažindamos poveikį sveikai šeimininko aplinkai.Šie dar nevisiškai suprantami poveikiai gali apimti tam tikrų ląstelių struktūrinių komponentų sunaikinimą dėl ultragarso sukeltų aukšto dažnio vibracijų (iš esmės labai panašios į litotripsiją14) ir ląstelių pažeidimą dėl reiškinio, panašaus į mechaninį nuovargį, kuris savo ruožtu gali pakeisti ląstelių struktūrą. .programavimas ir mechanobiologija.Nors šis teorinis sprendimas atrodo labai tinkamas, deja, jis negali būti naudojamas tais atvejais, kai aidės biologinės struktūros neleidžia tiesiogiai taikyti ultragarso, pavyzdžiui, atliekant intrakranijinį taikymą dėl kaulų buvimo, o kai kurios krūties navikų masės yra riebaluose. audinių.Susilpnėjimas gali apriboti galimo terapinio poveikio vietą.Norint išspręsti šias problemas, ultragarsas turi būti taikomas lokaliai su specialiai sukurtais keitikliais, kurie gali pasiekti apšvitintą vietą kuo mažiau invaziškai.Atsižvelgdami į tai, svarstėme galimybę panaudoti idėjas, susijusias su galimybe sukurti novatorišką technologinę platformą, pavadintą „adatų ligonine“15.„Ligoninės adatoje“ koncepcija apima minimaliai invazinio medicininio instrumento, skirto diagnostikos ir terapijos reikmėms, kūrimą, pagrįstą įvairių funkcijų deriniu vienoje medicininėje adatoje.Kaip išsamiau aptarta skyrelyje „Ligoninės adata“, šis kompaktiškas prietaisas visų pirma pagrįstas 16, 17, 18, 19, 20, 21 šviesolaidinių zondų privalumais, kurie dėl savo savybių yra tinkami įkišti į standartinį 20 medicininės adatos, 22 liumenai.Išnaudojant Lab-on-Fiber (LOF)23 technologijos teikiamą lankstumą, pluoštas veiksmingai tampa unikalia platforma miniatiūriniams ir paruoštiems naudoti diagnostikos ir gydymo prietaisams, įskaitant skysčių biopsijos ir audinių biopsijos prietaisus.biomolekulinio aptikimo 24, 25, šviesos valdomo vietinio vaistų tiekimo 26, 27, didelio tikslumo vietinio ultragarsinio vaizdo 28, terminio terapijos 29, 30 ir spektroskopijos metodo vėžio audinių identifikavimo srityse.Pagal šią koncepciją, naudojant lokalizacijos metodą, pagrįstą „adata ligoninėje“ prietaisu, tiriame galimybę optimizuoti vietinę nuolatinių biologinių struktūrų stimuliaciją, naudojant ultragarso bangų sklidimą adatomis, kad sužadintų ultragarso bangas dominančiame regione..Taigi mažo intensyvumo terapinis ultragarsas gali būti taikomas tiesiai į rizikos zoną su minimaliu invaziškumu ultragarsinėms ląstelėms ir mažiems kietiems dariniams minkštuosiuose audiniuose, nes atliekant jau minėtą intrakranijinę operaciją kaukolėje turi būti įterpiama nedidelė skylutė. adata.Įkvėptas naujausių teorinių ir eksperimentinių rezultatų, leidžiančių manyti, kad ultragarsas gali sustabdyti arba sulėtinti tam tikrų vėžio formų vystymąsi, siūlomas metodas bent iš esmės gali padėti išspręsti pagrindinius kompromisus tarp agresyvaus ir gydomojo poveikio.Atsižvelgdami į šias aplinkybes, šiame darbe tiriame galimybę naudoti ligoninės adatinį prietaisą minimaliai invazinei vėžio ultragarso terapijai.Tiksliau, sferinių navikų masių sklaidos analizėje, skirtoje nuo augimo priklausomam ultragarso dažniui įvertinti, naudojame nusistovėjusius elastodinamikos metodus ir akustinės sklaidos teoriją, kad galėtume numatyti sferinių kietųjų navikų, išaugusių elastingoje terpėje, dydį.standumas, atsirandantis tarp naviko ir šeimininko audinio dėl augimo sukelto medžiagos pertvarkymo.Aprašę mūsų sistemą, kurią vadiname skyriumi „Ligoninė adatoje“, skyriuje „Ligoninė adatoje“, analizuojame ultragarso bangų sklidimą medicininėmis adatomis numatytais dažniais, o jų skaitmeninis modelis apšvitina aplinką, kurią reikia tirti. pagrindiniai geometriniai parametrai (tikrasis vidinis skersmuo, adatos ilgis ir aštrumas), įtakojantys instrumento akustinės galios perdavimą.Atsižvelgiant į poreikį sukurti naujas tikslios medicinos inžinerines strategijas, manoma, kad siūlomas tyrimas galėtų padėti sukurti naują vėžio gydymo priemonę, pagrįstą ultragarso, perduodamo per integruotą terapinę platformą, integruojančią ultragarsą su kitais sprendimais, naudojimu.Kombinuotas, pvz., tikslinis vaistų tiekimas ir diagnostika realiuoju laiku naudojant vieną adatą.
Mechanistinių strategijų teikimo lokalizuotų solidinių navikų gydymui naudojant ultragarsinę (ultragarsinę) stimuliaciją veiksmingumas buvo kelių straipsnių, kuriuose teoriškai ir eksperimentiškai nagrinėjamas mažo intensyvumo ultragarso virpesių poveikis vienos ląstelės sistemoms 10, 11, 12, tikslas. , 32, 33, 34, 35, 36 Naudodami viskoelastinius modelius, keli tyrėjai analitiškai įrodė, kad naviko ir sveikų ląstelių dažnio atsakas yra skirtingas, kuriam būdingos skirtingos rezonansinės smailės JAV 10, 11, 12 diapazone.Šis rezultatas rodo, kad iš esmės naviko ląsteles galima selektyviai atakuoti mechaniniais dirgikliais, kurie išsaugo šeimininko aplinką.Toks elgesys yra tiesioginė pagrindinių įrodymų, kad daugeliu atvejų naviko ląstelės yra lankstesnės nei sveikos ląstelės, pasekmė, todėl gali padidėti jų gebėjimas daugintis ir migruoti37, 38, 39, 40.Remiantis rezultatais, gautais naudojant pavienių ląstelių modelius, pvz., mikroskalėje, vėžio ląstelių selektyvumas taip pat buvo įrodytas mezoskalėje atliekant skaitinius heterogeninių ląstelių agregatų harmoninių reakcijų tyrimus.Pateikiant skirtingą procentą vėžinių ląstelių ir sveikų ląstelių, šimtų mikrometrų dydžio daugialąsčiai agregatai buvo sukurti hierarchiškai.Šių agregatų mezolygyje kai kurios dominančios mikroskopinės savybės išsaugomos dėl tiesioginio pagrindinių struktūrinių elementų, apibūdinančių pavienių ląstelių mechaninį elgesį, įgyvendinimo.Visų pirma, kiekviena ląstelė naudoja įtempimu pagrįstą architektūrą, kad imituotų įvairių iš anksto įtemptų citoskeleto struktūrų atsaką, taip paveikdama bendrą jų standumą 12, 13.Aukščiau pateiktos literatūros teorinės prognozės ir eksperimentai in vitro davė vilčių teikiančių rezultatų, rodančių būtinybę tirti navikų masių jautrumą mažo intensyvumo terapiniam ultragarsui (LITUS), o naviko masių švitinimo dažnio įvertinimas yra itin svarbus.pozicija LITUS dėl prašymo vietoje.
Tačiau audinių lygmenyje neišvengiamai prarandamas submakroskopinis atskiro komponento aprašymas, o naviko audinio savybes galima atsekti naudojant nuoseklius metodus, skirtus stebėti masės augimą ir streso sukeltus remodeliavimosi procesus, atsižvelgiant į makroskopinį poveikį. augimas.-sukelti audinių elastingumo pokyčiai 41,42 balo skalėje.Iš tiesų, skirtingai nuo vienaląsčių ir agregatų sistemų, kietųjų navikų masės auga minkštuosiuose audiniuose dėl laipsniško nenormalių liekamųjų įtempių kaupimosi, dėl kurių pakeičiamos natūralios mechaninės savybės dėl bendro intratumorinio standumo padidėjimo, o naviko sklerozė dažnai tampa lemiamu veiksniu. naviko aptikimas.
Atsižvelgdami į šiuos svarstymus, čia analizuojame naviko sferoidų, modeliuotų kaip elastingi sferiniai intarpai, augantys normalioje audinių aplinkoje, sonodinaminį atsaką.Tiksliau, su naviko stadija susijusios elastinės savybės buvo nustatytos remiantis kai kurių autorių ankstesniuose darbuose gautais teoriniais ir eksperimentiniais rezultatais.Tarp jų, kietųjų naviko sferoidų, auginamų in vivo heterogeninėje terpėje, raida buvo tiriama taikant nelinijinius mechaninius modelius 41, 43, 44 kartu su tarprūšine dinamika, kad būtų galima prognozuoti naviko masių vystymąsi ir susijusį intratumorinį stresą.Kaip minėta pirmiau, augimas (pvz., neelastingas išankstinis tempimas) ir liekamasis įtempis sukelia laipsnišką naviko medžiagos savybių pertvarkymą, taip pakeičiant jo akustinį atsaką.Svarbu pažymėti, kad nuorod.41 auglių ir kieto streso evoliucija kartu buvo įrodyta eksperimentinėse kampanijose su gyvūnų modeliais.Visų pirma, skirtingais etapais pašalintų krūties navikų masių standumo palyginimas su standumu, gautu atkuriant panašias sąlygas in silico sferiniame baigtinių elementų modelyje, turinčiame tuos pačius matmenis ir atsižvelgiant į numatomą liekamojo įtempio lauką, patvirtino siūlomą metodą. modelio galiojimas..Šiame darbe anksčiau gauti teoriniai ir eksperimentiniai rezultatai naudojami kuriant naują sukurtą terapinę strategiją.Visų pirma, čia buvo apskaičiuoti numatyti dydžiai su atitinkamomis evoliucinio atsparumo savybėmis, kurie buvo naudojami norint įvertinti dažnių diapazonus, kuriems šeimininko aplinkoje įterptos naviko masės yra jautresnės.Šiuo tikslu mes ištyrėme naviko masės dinaminį elgesį įvairiuose etapuose, atsižvelgiant į akustinius rodiklius pagal visuotinai priimtą sklaidos principą reaguojant į ultragarsinius dirgiklius ir išryškinant galimus sferoido rezonansinius reiškinius. .priklausomai nuo naviko ir šeimininko Nuo augimo priklausomi audinių standumo skirtumai.
Taigi, remiantis eksperimentiniais duomenimis, parodančiais, kaip stambios piktybinės struktūros auga in situ sferinėmis formomis, naviko masės buvo modeliuojamos kaip elastinės spindulio sferos \ (a \) aplinkinėje elastinėje šeimininko aplinkoje.Remiantis 1 paveikslu, naudojant sferines koordinates \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (kur \(\theta\) ir \(\varphi\) atitinkamai reiškia anomalijos kampą ir azimuto kampą), auglio domenas užima sveikoje erdvėje įterptą sritį \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) neapribota sritis \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Remdamiesi papildoma informacija (SI), kad gautumėte išsamų matematinio modelio aprašymą, pagrįstą nusistovėjusiu elastodinaminiu pagrindu, aprašytu daugelyje literatūrų 45, 46, 47, 48, čia nagrinėjame problemą, kuriai būdingas ašiesimetrinis virpesių režimas.Ši prielaida reiškia, kad visi naviko ir sveikų sričių kintamieji nepriklauso nuo azimutinės koordinatės \ (\ varphi \) ir kad šia kryptimi nėra iškraipymų.Vadinasi, poslinkio ir įtempių laukus galima gauti iš dviejų skaliarinių potencialų \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) ir \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , jie yra atitinkamai susietas su išilgine banga ir šlyties banga, sutapimo laikas t tarp bangos \(\theta \) ir kampo tarp krintančios bangos krypties ir padėties vektoriaus \({\mathbf {x))\) ( kaip parodyta 1 paveiksle), o \(\omega = 2\pi f\) reiškia kampinį dažnį.Konkrečiai, krintantis laukas modeliuojamas pagal plokštumos bangą \(\phi_{H}^{(in)}\) (taip pat įtraukta į SI sistemą (A.9) lygtyje), sklindančia į kūno tūrį. pagal įstatymo išraišką
kur \(\phi_{0}\) yra amplitudės parametras.Standartinis argumentas yra krintančios plokštumos bangos (1) sferinis plėtimasis naudojant sferinės bangos funkciją:
Kur \(j_{n}\) yra pirmosios eilės \(n\) sferinė Beselio funkcija, o \(P_{n}\) yra Legendre daugianario.Dalis investicinės sferos krintančios bangos yra išsklaidyta aplinkinėje terpėje ir persidengia su kritimo lauku, o kita dalis yra išsklaidyta sferos viduje, prisidedant prie jos vibracijos.Norėdami tai padaryti, bangos lygties \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ harmoniniai sprendiniai ) ir \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), pvz., pateikė Eringen45 (taip pat žr. SI ) gali nurodyti naviką ir sveikas vietas.Visų pirma, išsklaidytos plėtimosi bangos ir izovolinės bangos, sukurtos pagrindinėje terpėje \(H\), suteikia atitinkamą potencialią energiją:
Tarp jų pirmosios rūšies sferinė Hankelio funkcija \(h_{n}^{(1)}\) naudojama išeinančiai išsklaidytai bangai įvertinti, o \(\alpha_{n}\) ir \(\beta_{ n}\ ) yra nežinomųjų koeficientai.lygtyje.(2)–(4) lygtyse terminai \(k_{H1}\) ir \(k_{H2}\) žymi atitinkamai retinimo ir skersinių bangų skaičių pagrindinėje kūno srityje ( žr. SI).Suspaudimo laukai naviko viduje ir poslinkiai turi formą
Kur \(k_{T1}\) ir \(k_{T2}\) reiškia išilginių ir skersinių bangų skaičių naviko srityje, o nežinomi koeficientai yra \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Remiantis šiais rezultatais, nuliniai radialinio ir periferinio poslinkio komponentai būdingi sveikoms nagrinėjamos problemos sritims, pvz., \(u_{Hr}\) ir \(u_{H\theta}\) (\(u_{) H\ varphi }\ ) simetrijos prielaida nebereikalinga) — galima gauti iš santykio \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) ir \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) sudarydami \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) ir \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (žr. SI detalų matematinį išvedimą).Panašiai pakeitus \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) ir \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) gaunama {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) ir \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Kairėje) Sferinio naviko, išauginto sveikoje aplinkoje, per kurią plinta kritimo laukas, geometrija (dešinėje) Atitinkama naviko ir šeimininko standumo santykio raida, kaip naviko spindulio funkcija, pateikti duomenys (pritaikyta iš Carotenuto ir kt. 41) suspaudimo testuose vitro buvo gauti iš kietų krūties navikų, inokuliuotų MDA-MB-231 ląstelėmis.
Darant prielaidą, kad linijinės elastinės ir izotropinės medžiagos, nenulinės įtampos komponentai sveikose ir navikinėse srityse, ty \(\sigma_{Hpq}\) ir \(\sigma_{Tpq}\) – paklūsta apibendrintam Huko dėsniui, atsižvelgiant į tai, kad yra skirtingi Lamé moduliai , kurie apibūdina šeimininko ir naviko elastingumą, žymimi kaip \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) ir \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (žr. (A.11) lygtį, kad parodytumėte visą įtempių komponentų, pavaizduotų SI, išraišką).Visų pirma, remiantis 41 nuorodoje ir 1 paveiksle pateiktais duomenimis, augantys navikai parodė audinių elastingumo konstantų pasikeitimą.Taigi, poslinkiai ir įtempiai šeimininko ir naviko srityse yra visiškai nustatomi iki nežinomų konstantų rinkinio \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) teoriškai turi begalinius matmenis.Norint rasti šiuos koeficientų vektorius, įvedamos tinkamos sąsajos ir ribinės sąlygos tarp naviko ir sveikų sričių.Darant prielaidą, kad auglio ir šeimininko sąsajoje \(r = a\) yra tobulas surišimas, poslinkių ir įtempių tęstinumas reikalauja šių sąlygų:
Sistema (7) sudaro lygčių sistemą su begaliniais sprendiniais.Be to, kiekviena ribinė sąlyga priklausys nuo anomalijos \(\theta\).Sumažinti ribinės reikšmės uždavinį iki pilnos algebrinės problemos su \(N\) uždarų sistemų rinkiniais, kurių kiekviena yra nežinomoje \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (su \ ( N \) į \infty \), teoriškai), o siekiant pašalinti lygčių priklausomybę nuo trigonometrinių dėmenų, sąsajos sąlygos rašomos silpna forma, naudojant Legendre daugianario ortogonalumą.Konkrečiai, lygtis (7)1,2 ir (7)3,4 padauginamos iš \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) ir \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ir integruokite tarp \(0\) ir \(\pi\) naudodami matematines tapatybes:
Taigi sąsajos sąlyga (7) grąžina kvadratinių algebrinių lygčių sistemą, kuri gali būti išreikšta matricos forma kaip \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) ir gaukite nežinomą \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) išspręsdami Cramerio taisyklę .
Norint įvertinti sferos išsklaidytą energijos srautą ir gauti informaciją apie jo akustinį atsaką, remiantis duomenimis apie išsklaidytą lauką, sklindantį pagrindinėje terpėje, domina akustinis dydis, kuris yra normalizuotas bistatinės sklaidos skerspjūvis.Visų pirma, sklaidos skerspjūvis, žymimas \(s), išreiškia išsklaidyto signalo perduodamos akustinės galios ir krintančios bangos nešamos energijos padalijimo santykį.Šiuo atžvilgiu formos funkcijos \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) dydis yra dažnai naudojamas dydis tiriant akustinius mechanizmus įterptas į skystą arba kietą Daiktų išsibarstymas nuosėdose.Tiksliau, formos funkcijos amplitudė apibrėžiama kaip diferencinės sklaidos skerspjūvis \(ds\) ploto vienetui, kuris skiriasi nuo krintančios bangos sklidimo krypties normaliu:
kur \(f_{n}^{pp}\) ir \(f_{n}^{ps}\) žymi modalinę funkciją, kuri nurodo išilginės bangos ir išsklaidytos bangos galių santykį su Kritinė P banga priimančiojoje terpėje atitinkamai pateikiamos su šiomis išraiškomis:
Dalinės bangos funkcijos (10) gali būti tiriamos savarankiškai pagal rezonansinės sklaidos teoriją (RST)49,50,51,52, kuri leidžia atskirti tikslinį elastingumą nuo viso klaidžiojo lauko tiriant skirtingus režimus.Pagal šį metodą modalinės formos funkciją galima išskaidyti į dviejų lygių dalių sumą, būtent \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) yra atitinkamai susiję su rezonansine ir nerezonansine fono amplitude.Rezonansinio režimo formos funkcija yra susijusi su taikinio atsaku, o fonas paprastai yra susijęs su sklaidytuvo forma.Norint aptikti pirmąjį kiekvieno režimo taikinio formantą, modalinio rezonanso formos funkcijos amplitudė \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) apskaičiuojamas darant prielaidą, kad kietas fonas susideda iš neprasiskverbiančių sferų elastingoje pagrindinėje medžiagoje.Šią hipotezę motyvuoja faktas, kad apskritai ir standumas, ir tankis didėja augant naviko masei dėl liekamojo gniuždymo įtempio.Taigi, esant stipriam augimo lygiui, impedanso koeficientas \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) bus didesnis nei 1 daugeliui makroskopinių solidinių navikų, besivystančių minkštuose audiniuose. audinių.Pavyzdžiui, Krouskop ir kt.53 pranešė, kad prostatos audinio vėžinio ir normalaus modulio santykis yra maždaug 4, o krūties audinio mėginiams ši vertė padidėjo iki 20.Šie ryšiai neišvengiamai keičia audinio akustinę varžą, kaip rodo elastografijos analizė54, 55, 56, ir gali būti susiję su lokalizuotu audinių sustorėjimu, kurį sukelia naviko hiperproliferacija.Šis skirtumas taip pat buvo eksperimentiškai pastebėtas atliekant paprastus skirtingose ​​stadijose išaugintų krūties navikų blokų suspaudimo testus32, o medžiagos remodeliavimą galima gerai sekti naudojant nuspėjamuosius netiesiškai augančių navikų skirtingų rūšių modelius 43, 44.Gauti standumo duomenys yra tiesiogiai susiję su solidinių navikų Youngo modulio raida pagal formulę \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( rutuliai, kurių spindulys \(a\), standumas \(S\) ir Puasono santykis \(\nu\) tarp dviejų standžių plokščių 57, kaip parodyta 1 paveiksle).Taigi galima gauti naviko ir šeimininko akustinės varžos matavimus skirtingais augimo lygiais.Konkrečiai, lyginant su normalių audinių moduliu, lygiu 2 kPa 1 pav., krūties navikų tamprumo modulis tūrio intervale nuo 500 iki 1250 mm3 padidino nuo maždaug 10 kPa iki 16 kPa, o tai yra atitinka pateiktus duomenis.58, 59 nuorodose nustatyta, kad slėgis krūties audinio mėginiuose yra 0,25–4 kPa su nykstančia išankstine suspaudimu.Taip pat tarkime, kad beveik nesuspaudžiamo audinio Puasono santykis yra 41,60, o tai reiškia, kad didėjant tūriui audinio tankis reikšmingai nekinta.Visų pirma naudojamas vidutinis masės gyventojų tankis \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Atsižvelgiant į šias aplinkybes, standumas gali įgyti foninį režimą, naudojant šią išraišką:
Kur nežinoma konstanta \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) gali būti apskaičiuojama atsižvelgiant į tęstinumą poslinkis ( 7 )2,4, tai yra sprendžiant algebrinę sistemą \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) su nepilnamečiais\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ir atitinkamas supaprastintas stulpelio vektorius\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Suteikia pagrindines žinias apie (11) lygtį, dvi atgalinės sklaidos rezonansinio režimo funkcijos amplitudes \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) ir \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) reiškia atitinkamai P bangos sužadinimą ir P ir S bangų atspindį.Be to, pirmoji amplitudė buvo įvertinta kaip \(\theta = \pi\), o antroji amplitudė buvo įvertinta kaip \(\theta = \pi/4\).Įkeliant įvairias kompozicijos savybes.2 paveiksle parodyta, kad iki maždaug 15 mm skersmens naviko sferoidų rezonansinės savybės daugiausia sutelktos 50–400 kHz dažnių juostoje, o tai rodo galimybę naudoti žemo dažnio ultragarsą rezonansiniam naviko sužadinimui.ląstelės.Daug.Šioje dažnių juostoje RST analizė atskleidė 1–6 režimų vienmodius formantus, paryškintus 3 paveiksle. Čia tiek pp-, tiek ps-išsklaidytos bangos rodo pirmojo tipo formantus, atsirandančius labai žemuose dažniuose, kurie didėja nuo apie 20 kHz 1 režimui iki maždaug 60 kHz, kai n = 6, o tai nerodo reikšmingo sferos spindulio skirtumo.Tada rezonansinė funkcija ps nyksta, o didelės amplitudės pp formantų derinys suteikia maždaug 60 kHz periodiškumą, rodantį didesnį dažnio poslinkį didėjant režimo skaičiui.Visos analizės buvo atliktos naudojant Mathematica®62 skaičiavimo programinę įrangą.
Atgalinės sklaidos formos funkcijos, gautos iš skirtingų dydžių krūties navikų modulio, parodytos 1 pav., kur paryškintos didžiausios sklaidos juostos, atsižvelgiant į režimo superpoziciją.
Pasirinktų režimų rezonansai nuo \(n = 1\) iki \(n = 6\), apskaičiuoti sužadinus ir atspindėjus P bangą esant skirtingiems naviko dydžiams (juodos kreivės iš \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) ir P bangos sužadinimas ir S bangos atspindys (pilkos kreivės, pateiktos modalinės formos funkcija \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left| \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Šios preliminarios analizės, naudojant tolimojo lauko sklidimo sąlygas, rezultatai gali padėti pasirinkti pavarai būdingus pavaros dažnius atliekant šiuos skaitmeninius modeliavimus, siekiant ištirti mikrovibracijos įtempių poveikį masei.Rezultatai rodo, kad optimalių dažnių kalibravimas gali būti specifinis auglio augimo metu ir gali būti nustatytas naudojant augimo modelių rezultatus, siekiant nustatyti biomechanines strategijas, naudojamas ligų terapijoje, siekiant teisingai prognozuoti audinių remodeliavimą.
Didelė nanotechnologijų pažanga skatina mokslo bendruomenę ieškoti naujų sprendimų ir metodų, kaip sukurti miniatiūrinius ir minimaliai invazinius medicinos prietaisus, skirtus naudoti in vivo.Šiame kontekste LOF technologija parodė puikų gebėjimą išplėsti optinių skaidulų galimybes, sudarant sąlygas sukurti naujus minimaliai invazinius šviesolaidinius prietaisus gyvybės mokslų programoms21, 63, 64, 65. Idėja integruoti 2D ir 3D medžiagas su norimomis cheminėmis, biologinėmis ir optinėmis savybėmis optinių skaidulų šonuose 25 ir (arba) galuose 64 su visišku erdviniu valdymu nanoskalėje, todėl atsiranda nauja šviesolaidinių nanooptodų klasė.turi platų diagnostinių ir terapinių funkcijų spektrą.Įdomu tai, kad dėl savo geometrinių ir mechaninių savybių (mažo skerspjūvio, didelio formato santykio, lankstumo, mažo svorio) ir medžiagų (dažniausiai stiklo ar polimerų) biologinio suderinamumo optinės skaidulos puikiai tinka įterpti į adatas ir kateterius.Medicinos pritaikymai20, atveriantys kelią naujai „adatinės ligoninės“ vizijai (žr. 4 pav.).
Tiesą sakant, dėl LOF technologijos suteikiamų laisvės laipsnių, naudojant mikro ir nanostruktūrų, pagamintų iš įvairių metalinių ir (arba) dielektrinių medžiagų, integraciją, optiniai pluoštai gali būti tinkamai funkcionalūs tam tikroms reikmėms, dažnai palaikončioms rezonansinio režimo sužadinimą., Šviesos laukas 21 yra stipriai išdėstytas.Šviesos sulaikymas subbangos ilgio skalėje, dažnai kartu su cheminiu ir (arba) biologiniu apdorojimu63 ir jautrių medžiagų, tokių kaip išmanieji polimerai 65, 66, integravimas gali sustiprinti šviesos ir medžiagos sąveikos kontrolę, o tai gali būti naudinga terapijos tikslais.Integruotų komponentų / medžiagų tipo ir dydžio pasirinkimas akivaizdžiai priklauso nuo fizinių, biologinių ar cheminių parametrų, kuriuos reikia aptikti21,63.
LOF zondų integravimas į medicinines adatas, nukreiptas į konkrečias kūno vietas, leis atlikti vietines skysčių ir audinių biopsijas in vivo, leis vienu metu atlikti vietinį gydymą, sumažinti šalutinį poveikį ir padidinti efektyvumą.Galimos galimybės apima įvairių cirkuliuojančių biomolekulių, įskaitant vėžį, aptikimą.biomarkeriai arba mikroRNR (miRNR)67, vėžinių audinių identifikavimas naudojant linijinę ir nelinijinę spektroskopiją, pvz., Ramano spektroskopiją (SERS)31, didelės skiriamosios gebos fotoakustinis vaizdas22, 28, 68, lazerinė chirurgija ir abliacija69 ir vietinio tiekimo vaistai naudojant šviesą27 ir automatinis adatų nukreipimas į žmogaus kūną20.Verta paminėti, kad nors naudojant optines skaidulas išvengiama tipiškų „klasikinių“ metodų, pagrįstų elektroniniais komponentais, trūkumų, tokių kaip elektros jungčių poreikis ir elektromagnetinių trukdžių buvimas, tai leidžia efektyviai integruoti įvairius LOF jutiklius į sistema.viena medicininė adata.Ypatingas dėmesys turi būti skiriamas žalingų padarinių, tokių kaip tarša, optiniai trukdžiai, fizinės kliūtys, sukeliančios skirtingų funkcijų skersinio pokalbio poveikį, mažinimui.Tačiau tiesa ir tai, kad daugelis paminėtų funkcijų nebūtinai turi būti aktyvios vienu metu.Šis aspektas leidžia bent jau sumažinti trukdžius ir taip apriboti neigiamą poveikį kiekvieno zondo veikimui ir procedūros tikslumui.Šie samprotavimai leidžia žvelgti į „adatos ligoninėje“ koncepciją kaip paprastą viziją, padedančią tvirtą pagrindą naujos kartos terapinėms adatoms gyvybės mokslų srityje.
Kalbant apie konkrečią šiame darbe aptartą taikymą, kitame skyriuje skaičiais ištirsime medicininės adatos gebėjimą nukreipti ultragarso bangas į žmogaus audinius, naudojant jų sklidimą išilgai savo ašies.
Ultragarso bangų sklidimas per medicininę adatą, užpildytą vandeniu ir įterptą į minkštuosius audinius (žr. diagramą 5a pav.), buvo modeliuojamas naudojant komercinę Comsol Multiphysics programinę įrangą, paremtą baigtinių elementų metodu (FEM)70, kur adata ir audinys modeliuojami. kaip linijinė elastinga aplinka.
Remiantis 5b paveikslu, adata modeliuojama kaip tuščiaviduris cilindras (taip pat žinomas kaip „kaniulė“), pagamintas iš nerūdijančio plieno, standartinės medicininių adatų medžiagos71.Visų pirma, jis buvo sumodeliuotas naudojant Youngo modulį E = 205 GPa, Puasono koeficientą ν = 0,28 ir tankį ρ = 7850 kg m -372,73.Geometriškai adata apibūdinama ilgiu L, vidiniu skersmeniu D (taip pat vadinamu „tarpu“) ir sienelės storiu t.Be to, laikoma, kad adatos galas yra pasviręs kampu α išilginės krypties (z) atžvilgiu.Vandens tūris iš esmės atitinka vidinės adatos srities formą.Šioje preliminarioje analizėje buvo manoma, kad adata yra visiškai panardinta į audinio sritį (manoma, kad ji tęsiasi neribotą laiką), modeliuojama kaip rs spindulio sfera, kuri visų modeliavimų metu išliko pastovi 85 mm.Išsamiau sferinę sritį užbaigiame puikiai suderintu sluoksniu (PML), kuris bent jau sumažina nepageidaujamas bangas, atsispindinčias nuo „įsivaizduojamų“ ribų.Tada pasirinkome spindulį rs, kad sferinės srities riba būtų pakankamai toli nuo adatos, kad nepaveiktų skaičiavimo sprendimo, ir pakankamai maža, kad nepaveiktų modeliavimo skaičiavimo išlaidų.
Harmoninis išilginis dažnio f ir amplitudės A poslinkis taikomas apatinei rašiklio geometrijos ribai;ši situacija yra įvesties stimulas, taikomas modeliuojamai geometrijai.Likusiose adatos ribose (kontaktuojant su audiniais ir vandeniu) priimtas modelis apima ryšį tarp dviejų fizinių reiškinių, iš kurių vienas yra susijęs su struktūrine mechanika (adatos plotui), ir kitas – konstrukcijų mechanikai.(aštuolio sričiai), todėl atitinkamos sąlygos keliamos akustikai (vandeniui ir akutės sričiai)74.Visų pirma, mažos adatos lizdo vibracijos sukelia nedidelius įtampos sutrikimus;taigi, darant prielaidą, kad adata elgiasi kaip elastinga terpė, poslinkio vektorius U gali būti įvertintas pagal elastodinaminės pusiausvyros lygtį (Navier)75.Struktūriniai adatos svyravimai sukelia vandens slėgio pokyčius jos viduje (mūsų modelyje laikomi stacionariais), dėl to garso bangos sklinda išilgine adatos kryptimi, iš esmės paklusdamos Helmholtzo lygčiai76.Galiausiai, darant prielaidą, kad netiesinis poveikis audiniuose yra nereikšmingas, o šlyties bangų amplitudė yra daug mažesnė nei slėgio bangų amplitudė, Helmholtz lygtis taip pat gali būti naudojama akustinių bangų sklidimui minkštuose audiniuose modeliuoti.Po šio aproksimavimo audinys laikomas skysčiu77, kurio tankis 1000 kg/m3, o garso greitis 1540 m/s (neatsižvelgiant į nuo dažnio priklausomus slopinimo efektus).Norint sujungti šiuos du fizikinius laukus, būtina užtikrinti normalaus judėjimo tęstinumą ties kietosios medžiagos ir skysčio riba, statinę pusiausvyrą tarp slėgio ir įtempių, statmenų kietojo kūno ribai, ir tangentinį įtempį ties kietojo kūno riba. skystis turi būti lygus nuliui.75 .
Savo analizėje mes tiriame akustinių bangų sklidimą išilgai adatos nejudančiomis sąlygomis, sutelkdami dėmesį į adatos geometrijos įtaką bangų emisijai audinio viduje.Visų pirma, mes ištyrėme adatos D vidinio skersmens, ilgio L ir kampo α įtaką, išlaikant storį t 500 µm visais tirtais atvejais.Ši t vertė yra artima įprastiniam standartiniam sienelių storiui 71 komercinėms adatoms.
Neprarandant bendrumo, adatos pagrindui pritaikyto harmoninio poslinkio dažnis f buvo lygus 100 kHz, o amplitudė A buvo 1 μm.Konkrečiai, nustatytas 100 kHz dažnis, o tai atitinka analitinius įvertinimus, pateiktus skyriuje „Sferinių naviko masių sklaidos analizė, siekiant įvertinti nuo augimo priklausomus ultragarso dažnius“, kur buvo nustatytas į rezonansą panašus naviko masių elgesys. 50–400 kHz dažnių diapazonas, o didžiausia sklaidos amplitudė sutelkta žemesniuose dažniuose apie 100–200 kHz (žr. 2 pav.).
Pirmasis ištirtas parametras buvo vidinis adatos skersmuo D.Patogumui jis apibrėžiamas kaip sveikoji akustinės bangos ilgio dalis adatos ertmėje (ty vandenyje λW = 1,5 mm).Iš tiesų, bangų sklidimo reiškiniai įrenginiuose, kuriems būdinga tam tikra geometrija (pavyzdžiui, bangolaidyje), dažnai priklauso nuo būdingo naudojamos geometrijos dydžio, palyginti su sklindančios bangos bangos ilgiu.Be to, pirmoje analizėje, norėdami geriau pabrėžti skersmens D poveikį akustinės bangos sklidimui per adatą, laikėme plokščią antgalį, nustatantį kampą α = 90°.Šios analizės metu adatos ilgis L buvo fiksuotas 70 mm.
Ant pav.6a parodytas vidutinis garso intensyvumas kaip bematės skalės parametro SD funkcija, ty D = λW/SD, įvertintas sferoje, kurios spindulys 10 mm, centre ant atitinkamo adatos galo.Mastelio keitimo parametras SD keičiasi nuo 2 iki 6, ty mes laikome D reikšmes nuo 7,5 mm iki 2,5 mm (esant f = 100 kHz).Asortimente taip pat yra standartinė 71 vertė nerūdijančio plieno medicininėms adatoms.Kaip ir tikėtasi, vidinis adatos skersmuo turi įtakos adatos skleidžiamo garso intensyvumui, o didžiausia vertė (1030 W/m2) atitinka D = λW/3 (ty D = 5 mm) ir mažėjimo tendencija mažėjant skersmuo.Reikėtų atsižvelgti į tai, kad skersmuo D yra geometrinis parametras, turintis įtakos ir medicinos prietaiso invaziškumui, todėl šio kritinio aspekto negalima ignoruoti renkantis optimalią vertę.Todėl, nors D mažėja dėl mažesnio akustinio intensyvumo perdavimo audiniuose, tolesnių tyrimų metu skersmuo D = λW/5, ty D = 3 mm (atitinka 11G71 standartą esant f = 100 kHz). , laikomas pagrįstu kompromisu tarp įrenginio įsibrovimo ir garso intensyvumo perdavimo (vidutiniškai apie 450 W/m2).
Vidutinis adatos galiuko skleidžiamo garso intensyvumas (laikomas plokščiu), priklausomai nuo adatos vidinio skersmens (a), ilgio (b) ir pasvirimo kampo α (c).Ilgis (a, c) yra 90 mm, o skersmuo (b, c) yra 3 mm.
Kitas analizuojamas parametras yra adatos ilgis L. Kaip ir ankstesniame atvejo tyrime, mes laikome įstrižą kampą α = 90°, o ilgio skalę sudaro bangos ilgio vandenyje kartotinis, ty apsvarstykite L = SL λW .Bematis skalės parametras SL keičiamas iš 3 į 7, taip įvertinant vidutinį adatos galiuko skleidžiamo garso intensyvumą ilgio intervale nuo 4,5 iki 10,5 mm.Šis diapazonas apima tipines komercinių adatų vertes.Rezultatai parodyti fig.6b, rodantis, kad adatos ilgis L turi didelę įtaką garso intensyvumo perdavimui audiniuose.Tiksliau, šio parametro optimizavimas leido patobulinti perdavimą maždaug dydžiu.Tiesą sakant, analizuojamame ilgio diapazone vidutinis garso intensyvumas įgauna vietinį maksimumą 3116 W/m2, kai SL = 4 (ty L = 60 mm), o kitas atitinka SL = 6 (ty L = 90). mm).
Išanalizavę adatos skersmens ir ilgio įtaką ultragarso sklidimui cilindrinėje geometrijoje, daugiausia dėmesio skyrėme nuožulnios kampo įtakai garso intensyvumo perdavimui audiniuose.Vidutinis garso, sklindančio iš pluošto galiuko, intensyvumas buvo įvertintas kaip kampo α funkcija, keičiant jo reikšmę nuo 10° (aštrus galas) iki 90° (plokščias galas).Šiuo atveju integruojančios sferos spindulys aplink svarstomą adatos galiuką buvo 20 mm, todėl visoms α vertėms adatos galas buvo įtrauktas į tūrį, apskaičiuotą iš vidurkio.
Kaip parodyta pav.6c, kai antgalis paaštrintas, ty kai α mažėja nuo 90°, perduodamo garso intensyvumas didėja ir pasiekia maksimalią reikšmę apie 1,5 × 105 W/m2, o tai atitinka α = 50°, ty 2 yra eilės tvarka didesnis, palyginti su plokščia būsena.Toliau aštrinant galiuką (ty esant α žemiau 50°), garso intensyvumas linkęs mažėti ir pasiekia vertes, panašias į suploto galiuko.Tačiau, nors modeliuodami atsižvelgėme į įvairius pasvirimo kampus, verta pagaląsti galiuką, kad būtų lengviau įkišti adatą į audinį.Tiesą sakant, mažesnis pasvirimo kampas (apie 10°) gali sumažinti jėgą 78, reikalingą prasiskverbti į audinį.
Be garso, perduodamo audinyje, vertės, nuožulnus kampas taip pat turi įtakos bangos sklidimo krypčiai, kaip parodyta garso slėgio lygio diagramose, parodytose 7a (plokščiam antgaliui) ir 3b (10°) pav. ).nuožulnus galas), lygiagreti Išilginė kryptis vertinama simetrijos plokštumoje (yz, plg. 5 pav.).Kraštutiniais šių dviejų aspektų atvejais garso slėgio lygis (vadinamas kaip 1 µPa) daugiausia koncentruojamas adatos ertmėje (ty vandenyje) ir spinduliuojamas į audinį.Išsamiau, esant plokščiam antgaliui (7a pav.), garso slėgio lygio pasiskirstymas išilginės krypties atžvilgiu yra visiškai simetriškas, o kūną pripildančiame vandenyje galima išskirti stovinčias bangas.Banga orientuota išilgai (z ašis), amplitudė pasiekia didžiausią reikšmę vandenyje (apie 240 dB) ir mažėja skersai, dėl to 10 mm atstumu nuo adatos centro susilpnėja apie 20 dB.Kaip ir tikėtasi, įvedus smailų galiuką (7b pav.) ši simetrija pažeidžiama, o stovinčių bangų antimazgiai „nukrypsta“ pagal adatos galiuką.Matyt, ši asimetrija turi įtakos adatos galiuko spinduliavimo intensyvumui, kaip aprašyta anksčiau (6c pav.).Siekiant geriau suprasti šį aspektą, akustinis intensyvumas buvo įvertintas išilgai adatos išilginei krypčiai statmenos pjūvio linijos, kuri buvo adatos simetrijos plokštumoje ir yra 10 mm atstumu nuo adatos galiuko ( rezultatai 7c paveiksle).Konkrečiau, garso intensyvumo pasiskirstymas, įvertintas 10 °, 20 ° ir 30 ° įstrižais kampais (atitinkamai mėlynos, raudonos ir žalios ištisinės linijos), buvo lyginamas su pasiskirstymu šalia plokščio galo (juodos punktyrinės kreivės).Intensyvumo pasiskirstymas, susijęs su plokščiais galiukais, yra simetriškas adatos centrui.Konkrečiai, jis įgauna apie 1420 W/m2 vertę centre, perpildymas apie 300 W/m2 ~8 mm atstumu, o tada sumažėja iki maždaug 170 W/m2, esant ~30 mm. .Kai galiukas tampa smailus, centrinė skiltis dalijasi į daugiau įvairaus intensyvumo skilčių.Tiksliau, kai α buvo 30°, profilyje, išmatuotame 1 mm atstumu nuo adatos galo, buvo aiškiai atskirti trys žiedlapiai.Centrinis yra beveik adatos centre ir jo numatoma vertė yra 1850 W / m2, o aukštesnė dešinėje yra apie 19 mm nuo centro ir siekia 2625 W / m2.Esant α = 20°, yra 2 pagrindinės skiltys: viena -12 mm esant 1785 W/m2 ir viena 14 mm esant 1524 W/m2.Kai antgalis tampa aštresnis ir kampas pasiekia 10°, maždaug prie -20 mm pasiekiamas didžiausias 817 W/m2, o išilgai profilio matomos dar trys šiek tiek mažesnio intensyvumo skiltelės.
Adatos su plokščiu galu (a) ir 10° kampu (b) garso slėgio lygis simetrijos plokštumoje y–z.c) Akustinio intensyvumo pasiskirstymas, apskaičiuotas išilgai pjūvio linijos, statmenos išilginei adatos krypčiai, 10 mm atstumu nuo adatos galo ir esančioje simetrijos plokštumoje yz.Ilgis L yra 70 mm, o skersmuo D yra 3 mm.
Visi šie rezultatai rodo, kad medicininės adatos gali būti veiksmingai naudojamos 100 kHz ultragarsui perduoti į minkštuosius audinius.Skleidžiamo garso intensyvumas priklauso nuo adatos geometrijos ir gali būti optimizuotas (atsižvelgiant į galutinio įrenginio invaziškumo nulemtus apribojimus) iki 1000 W/m2 verčių (esant 10 mm).uždedama ant adatos apačios 1. Esant mikrometro poslinkiui, laikoma, kad adata visiškai įsmeigta į be galo besitęsiantį minkštąjį audinį.Visų pirma, nuožulnus kampas stipriai veikia garso bangų sklidimo audinyje intensyvumą ir kryptį, o tai pirmiausia lemia adatos galiuko pjūvio stačiakampį.
Siekiant paremti naujų naviko gydymo strategijų, pagrįstų neinvazinių medicinos metodų taikymu, kūrimą, analitiškai ir skaičiuojant buvo analizuojamas žemo dažnio ultragarso sklidimas naviko aplinkoje.Visų pirma, pirmoje tyrimo dalyje laikinas elastodinaminis sprendimas leido ištirti ultragarso bangų sklaidą žinomo dydžio ir standumo kietuose navikų sferoiduose, siekiant ištirti masės dažnio jautrumą.Tada buvo pasirinkti šimtų kilohercų dažniai, o vietinis vibracijos įtempių taikymas naviko aplinkoje, naudojant medicininę adatinę pavarą, buvo modeliuojamas skaitmeniniu modeliavimu, tiriant pagrindinių projektavimo parametrų, lemiančių akustinio signalo perdavimą. instrumento galia aplinkai.Rezultatai rodo, kad medicinines adatas galima efektyviai panaudoti audiniams švitinti ultragarsu, o jo intensyvumas glaudžiai susijęs su adatos geometriniu parametru, vadinamu darbiniu akustinės bangos ilgiu.Tiesą sakant, švitinimo per audinį intensyvumas didėja didėjant vidiniam adatos skersmeniui ir pasiekia maksimumą, kai skersmuo yra tris kartus didesnis už bangos ilgį.Adatos ilgis taip pat suteikia tam tikrą laisvę optimizuoti ekspoziciją.Pastarasis rezultatas iš tikrųjų yra maksimalus, kai adatos ilgis nustatomas į tam tikrą veikimo bangos ilgio kartotinį (konkrečiai 4 ir 6).Įdomu tai, kad dominančio dažnio diapazono optimizuotos skersmens ir ilgio vertės yra artimos toms, kurios paprastai naudojamos standartinėms komercinėms adatoms.Nuožulnus kampas, kuris lemia adatos aštrumą, taip pat turi įtakos spinduliavimo koeficientui, kurio didžiausias kampas yra maždaug 50 °, o geras veikimas yra maždaug 10 °, kuris paprastai naudojamas komercinėms adatoms..Modeliavimo rezultatai bus naudojami diegiant ir optimizuojant ligoninės intraadatinės diagnostikos platformą, integruojant diagnostinį ir gydomąjį ultragarsą su kitais įrenginyje esančiais terapiniais sprendimais ir įgyvendinant bendras tikslios medicinos intervencijas.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. ir Kopp MV Kas yra tiksli medicina?Eur, užsienio.Žurnalas 50, 1700391 (2017).
Collins, FS ir Varmus, H. Naujos tiksliosios medicinos iniciatyvos.N. angl.J. Medicina.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK ir Wang, MD.Biomedicininio vaizdo informatika tiksliosios medicinos eroje: pasiekimai, iššūkiai ir galimybės.Jam.vaistas.informuoti.Docentas.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Tikslioji onkologija: apžvalga.J. Klinikinis.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. ir Salem, A. Glioblastomos (GBM) terapijos tobulinimas naudojant nanodalelėmis pagrįstą pristatymo sistemą.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G ir von Daimling A. Glioblastoma: patologija, molekuliniai mechanizmai ir žymenys.Acta neuropatologija.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM ir Berger, MS Dabartinės ir būsimos gliomos gydymo strategijos.neurochirurgija.Red.40, 1–14 (2017).