Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Ρυθμιστικά που εμφανίζουν τρία άρθρα ανά διαφάνεια.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά πίσω και επόμενο για να μετακινηθείτε στις διαφάνειες ή τα κουμπιά του ελεγκτή ολίσθησης στο τέλος για να μετακινηθείτε σε κάθε διαφάνεια.
Με βάση τη διεπιστημονική διασταύρωση της φυσικής και των βιοεπιστημών, οι διαγνωστικές και θεραπευτικές στρατηγικές που βασίζονται στην ιατρική ακριβείας έχουν προσελκύσει πρόσφατα μεγάλη προσοχή λόγω της πρακτικής εφαρμογής νέων μεθόδων μηχανικής σε πολλούς τομείς της ιατρικής, ιδιαίτερα στην ογκολογία.Σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση υπερήχων για την επίθεση στα καρκινικά κύτταρα σε όγκους προκειμένου να προκληθούν πιθανές μηχανικές βλάβες σε διάφορες κλίμακες προσελκύει όλο και περισσότερο την προσοχή των επιστημόνων σε όλο τον κόσμο.Λαμβάνοντας υπόψη αυτούς τους παράγοντες, με βάση λύσεις ελαστοδυναμικού χρονισμού και αριθμητικές προσομοιώσεις, παρουσιάζουμε μια προκαταρκτική μελέτη προσομοίωσης μέσω υπολογιστή της διάδοσης υπερήχων σε ιστούς προκειμένου να επιλεγούν κατάλληλες συχνότητες και ισχύς με τοπική ακτινοβολία.Νέα διαγνωστική πλατφόρμα για την εργαστηριακή τεχνολογία On-Fiber, που ονομάζεται νοσοκομειακή βελόνα και έχει ήδη κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.Πιστεύεται ότι τα αποτελέσματα της ανάλυσης και οι σχετικές βιοφυσικές γνώσεις θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για νέες ολοκληρωμένες διαγνωστικές και θεραπευτικές προσεγγίσεις που θα μπορούσαν να παίξουν κεντρικό ρόλο στην εφαρμογή της ιατρικής ακριβείας στο μέλλον, αντλώντας από τους τομείς της φυσικής.Αρχίζει μια αυξανόμενη συνέργεια μεταξύ της βιολογίας.
Με τη βελτιστοποίηση ενός μεγάλου αριθμού κλινικών εφαρμογών, άρχισε σταδιακά να εμφανίζεται η ανάγκη μείωσης των παρενεργειών στους ασθενείς.Για το σκοπό αυτό, η ιατρική ακριβείας1, 2, 3, 4, 5 έχει γίνει στρατηγικός στόχος για τη μείωση της δόσης των φαρμάκων που χορηγούνται στους ασθενείς, ακολουθώντας ουσιαστικά δύο βασικές προσεγγίσεις.Η πρώτη βασίζεται σε μια θεραπεία σχεδιασμένη σύμφωνα με το γονιδιωματικό προφίλ του ασθενούς.Το δεύτερο, το οποίο γίνεται το χρυσό πρότυπο στην ογκολογία, στοχεύει στην αποφυγή συστηματικών διαδικασιών χορήγησης φαρμάκων προσπαθώντας να απελευθερώσει μικρή ποσότητα φαρμάκου, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει την ακρίβεια μέσω της χρήσης τοπικής θεραπείας.Ο απώτερος στόχος είναι να εξαλειφθούν ή τουλάχιστον να ελαχιστοποιηθούν οι αρνητικές επιπτώσεις πολλών θεραπευτικών προσεγγίσεων, όπως η χημειοθεραπεία ή η συστηματική χορήγηση ραδιονουκλεϊδίων.Ανάλογα με τον τύπο του καρκίνου, τη θέση, τη δόση ακτινοβολίας και άλλους παράγοντες, ακόμη και η ακτινοθεραπεία μπορεί να έχει υψηλό εγγενή κίνδυνο για υγιή ιστό.Στη θεραπεία του γλοιοβλαστώματος6,7,8,9 η χειρουργική επέμβαση αφαιρεί επιτυχώς τον υποκείμενο καρκίνο, αλλά ακόμη και απουσία μεταστάσεων, μπορεί να υπάρχουν πολλές μικρές καρκινικές διηθήσεις.Εάν δεν αφαιρεθούν εντελώς, νέες καρκινικές μάζες μπορούν να αναπτυχθούν σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα.Σε αυτό το πλαίσιο, οι προαναφερθείσες στρατηγικές ιατρικής ακριβείας είναι δύσκολο να εφαρμοστούν επειδή αυτές οι διηθήσεις είναι δύσκολο να ανιχνευθούν και να εξαπλωθούν σε μεγάλη περιοχή.Αυτά τα εμπόδια αποτρέπουν τα οριστικά αποτελέσματα στην πρόληψη οποιασδήποτε υποτροπής με φάρμακα ακριβείας, επομένως οι μέθοδοι συστηματικής χορήγησης προτιμώνται σε ορισμένες περιπτώσεις, αν και τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται μπορεί να έχουν πολύ υψηλά επίπεδα τοξικότητας.Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, η ιδανική θεραπευτική προσέγγιση θα ήταν η χρήση ελάχιστα επεμβατικών στρατηγικών που μπορούν να επιτεθούν επιλεκτικά στα καρκινικά κύτταρα χωρίς να επηρεάσουν τον υγιή ιστό.Υπό το πρίσμα αυτού του επιχειρήματος, η χρήση υπερηχητικών δονήσεων, που έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζουν διαφορετικά τα καρκινικά και τα υγιή κύτταρα, τόσο σε μονοκύτταρα συστήματα όσο και σε ετερογενή συστάδες μεσοκλίμακας, φαίνεται σαν μια πιθανή λύση.
Από μηχανιστική άποψη, τα υγιή και καρκινικά κύτταρα έχουν στην πραγματικότητα διαφορετικές φυσικές συχνότητες συντονισμού.Αυτή η ιδιότητα σχετίζεται με ογκογόνες αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες της κυτταροσκελετικής δομής των καρκινικών κυττάρων12,13, ενώ τα καρκινικά κύτταρα είναι, κατά μέσο όρο, πιο παραμορφώσιμα από τα φυσιολογικά κύτταρα.Έτσι, με τη βέλτιστη επιλογή συχνότητας υπερήχων για διέγερση, οι δονήσεις που προκαλούνται σε επιλεγμένες περιοχές μπορούν να προκαλέσουν βλάβη σε ζωντανές καρκινικές δομές, ελαχιστοποιώντας τις επιπτώσεις στο υγιές περιβάλλον του ξενιστή.Αυτές οι μη πλήρως κατανοητές επιδράσεις μπορεί να περιλαμβάνουν την καταστροφή ορισμένων κυτταρικών δομικών συστατικών λόγω δονήσεων υψηλής συχνότητας που προκαλούνται από υπερήχους (κατ 'αρχήν πολύ παρόμοια με λιθοτριψία14) και κυτταρική βλάβη λόγω ενός φαινομένου παρόμοιου με τη μηχανική κόπωση, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να αλλάξει την κυτταρική δομή .προγραμματισμού και μηχανοβιολογίας.Αν και αυτή η θεωρητική λύση φαίνεται να είναι πολύ κατάλληλη, δυστυχώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις όπου οι ανηχοϊκές βιολογικές δομές εμποδίζουν την άμεση εφαρμογή υπερήχων, για παράδειγμα, σε ενδοκρανιακές εφαρμογές λόγω παρουσίας οστού, και ορισμένες μάζες όγκου του μαστού βρίσκονται στο λιπώδη ιστό. ιστός.Η εξασθένηση μπορεί να περιορίσει τη θέση του πιθανού θεραπευτικού αποτελέσματος.Για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα, ο υπέρηχος πρέπει να εφαρμόζεται τοπικά με ειδικά σχεδιασμένους μετατροπείς που μπορούν να φτάσουν στο σημείο που ακτινοβολήθηκε όσο το δυνατόν λιγότερο επεμβατικά.Έχοντας αυτό κατά νου, εξετάσαμε τη δυνατότητα χρήσης ιδεών που σχετίζονται με τη δυνατότητα δημιουργίας μιας καινοτόμου τεχνολογικής πλατφόρμας που ονομάζεται «needle νοσοκομείο»15.Η ιδέα «Νοσοκομείο στη Βελόνα» περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός ελάχιστα επεμβατικού ιατρικού οργάνου για διαγνωστικές και θεραπευτικές εφαρμογές, που βασίζεται στον συνδυασμό διαφόρων λειτουργιών σε μία ιατρική βελόνα.Όπως συζητήθηκε λεπτομερέστερα στην ενότητα Hospital Needle, αυτή η συμπαγής συσκευή βασίζεται κυρίως στα πλεονεκτήματα των αισθητήρων οπτικών ινών 16, 17, 18, 19, 20, 21, οι οποίοι, λόγω των χαρακτηριστικών τους, είναι κατάλληλοι για εισαγωγή στο πρότυπο 20 ιατρικές βελόνες, 22 lumens.Αξιοποιώντας την ευελιξία που παρέχει η τεχνολογία Lab-on-Fiber (LOF)23, η ίνα γίνεται ουσιαστικά μια μοναδική πλατφόρμα για μικροσκοπικές και έτοιμες προς χρήση διαγνωστικές και θεραπευτικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων συσκευών βιοψίας υγρού και βιοψίας ιστού.στη βιομοριακή ανίχνευση24,25, τοπική χορήγηση φαρμάκου καθοδηγούμενη από το φως26,27, τοπική απεικόνιση υπερήχων υψηλής ακρίβειας28, θερμική θεραπεία29,30 και ταυτοποίηση καρκινικού ιστού με βάση τη φασματοσκοπία31.Στο πλαίσιο αυτής της ιδέας, χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση εντοπισμού που βασίζεται στη συσκευή «βελόνα στο νοσοκομείο», διερευνούμε τη δυνατότητα βελτιστοποίησης της τοπικής διέγερσης των οικιστικών βιολογικών δομών χρησιμοποιώντας τη διάδοση κυμάτων υπερήχων μέσω βελόνων για διέγερση κυμάτων υπερήχων εντός της περιοχής ενδιαφέροντος..Έτσι, το θεραπευτικό υπερηχογράφημα χαμηλής έντασης μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας στην περιοχή κινδύνου με ελάχιστη επεμβατικότητα για υπερήχους κυττάρων και μικρούς στερεούς σχηματισμούς σε μαλακούς ιστούς, όπως στην περίπτωση της προαναφερθείσας ενδοκρανιακής χειρουργικής, πρέπει να εισαχθεί μια μικρή τρύπα στο κρανίο με βελόνα.Εμπνευσμένη από πρόσφατα θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα που υποδηλώνουν ότι ο υπέρηχος μπορεί να σταματήσει ή να καθυστερήσει την ανάπτυξη ορισμένων μορφών καρκίνου,32,33,34, η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση, τουλάχιστον κατ' αρχήν, των βασικών αντισταθμίσεων μεταξύ επιθετικών και θεραπευτικών επιδράσεων.Έχοντας αυτές τις σκέψεις κατά νου, στην παρούσα εργασία, διερευνούμε τη δυνατότητα χρήσης μιας ενδονοσοκομειακής συσκευής βελόνας για ελάχιστα επεμβατική θεραπεία με υπερήχους για τον καρκίνο.Πιο συγκεκριμένα, στην ενότητα Scattering Analysis of Spherical Tumor Masses for Estimating Growth-Dependent Ultrasound Frequency, χρησιμοποιούμε καθιερωμένες ελαστοδυναμικές μεθόδους και θεωρία ακουστικής σκέδασης για να προβλέψουμε το μέγεθος των σφαιρικών συμπαγών όγκων που αναπτύσσονται σε ένα ελαστικό μέσο.ακαμψία που εμφανίζεται μεταξύ του όγκου και του ιστού του ξενιστή λόγω της αναδιαμόρφωσης του υλικού που προκαλείται από την ανάπτυξη.Έχοντας περιγράψει το σύστημά μας, το οποίο ονομάζουμε ενότητα "Νοσοκομείο στη βελόνα", στην ενότητα "Νοσοκομείο στη βελόνα", αναλύουμε τη διάδοση των κυμάτων υπερήχων μέσω ιατρικών βελόνων στις προβλεπόμενες συχνότητες και το αριθμητικό τους μοντέλο ακτινοβολεί το περιβάλλον προς μελέτη τις κύριες γεωμετρικές παραμέτρους (η πραγματική εσωτερική διάμετρος, μήκος και ευκρίνεια της βελόνας), που επηρεάζουν τη μετάδοση της ακουστικής ισχύος του οργάνου.Δεδομένης της ανάγκης ανάπτυξης νέων μηχανικών στρατηγικών για την ιατρική ακριβείας, πιστεύεται ότι η προτεινόμενη μελέτη θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη ενός νέου εργαλείου για τη θεραπεία του καρκίνου που θα βασίζεται στη χρήση υπερήχων που παρέχεται μέσω μιας ολοκληρωμένης θεραπευτικής πλατφόρμας που ενσωματώνει τον υπέρηχο με άλλες λύσεις.Συνδυάζονται, όπως στοχευμένη χορήγηση φαρμάκου και διαγνωστικά σε πραγματικό χρόνο μέσα σε μία μόνο βελόνα.
Η αποτελεσματικότητα της παροχής μηχανιστικών στρατηγικών για τη θεραπεία εντοπισμένων συμπαγών όγκων με χρήση υπερηχητικής διέγερσης (υπερήχων) ήταν ο στόχος πολλών εργασιών που ασχολούνται τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά με την επίδραση των δονήσεων υπερήχων χαμηλής έντασης σε μονοκύτταρα συστήματα 10, 11, 12 .Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι, κατ' αρχήν, τα καρκινικά κύτταρα μπορούν να προσβληθούν επιλεκτικά από μηχανικά ερεθίσματα που διατηρούν το περιβάλλον του ξενιστή.Αυτή η συμπεριφορά είναι άμεση συνέπεια βασικών ενδείξεων ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, τα καρκινικά κύτταρα είναι πιο εύπλαστα από τα υγιή κύτταρα, πιθανώς για να ενισχύσουν την ικανότητά τους να πολλαπλασιάζονται και να μεταναστεύουν37,38,39,40.Με βάση τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με μοντέλα μεμονωμένων κυττάρων, π.χ. σε μικροκλίμακα, η επιλεκτικότητα των καρκινικών κυττάρων έχει επίσης αποδειχθεί στη μεσοκλίμακα μέσω αριθμητικών μελετών των αρμονικών αποκρίσεων ετερογενών κυτταρικών συσσωματωμάτων.Παρέχοντας ένα διαφορετικό ποσοστό καρκινικών κυττάρων και υγιών κυττάρων, πολυκύτταρα συσσωματώματα μεγέθους εκατοντάδων μικρομέτρων κατασκευάστηκαν ιεραρχικά.Στο μεσοεπίπεδο αυτών των αδρανών, ορισμένα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος διατηρούνται λόγω της άμεσης εφαρμογής των κύριων δομικών στοιχείων που χαρακτηρίζουν τη μηχανική συμπεριφορά των μεμονωμένων κυψελών.Ειδικότερα, κάθε κύτταρο χρησιμοποιεί μια αρχιτεκτονική βασισμένη στην ένταση για να μιμηθεί την απόκριση διαφόρων προεντεταμένων κυτταροσκελετικών δομών, επηρεάζοντας έτσι τη συνολική ακαμψία τους12,13.Θεωρητικές προβλέψεις και πειράματα in vitro της παραπάνω βιβλιογραφίας έχουν δώσει ενθαρρυντικά αποτελέσματα, υποδεικνύοντας την ανάγκη μελέτης της ευαισθησίας των μαζών όγκου στο θεραπευτικό υπερηχογράφημα χαμηλής έντασης (LITUS) και η εκτίμηση της συχνότητας ακτινοβόλησης των μαζών όγκου είναι ζωτικής σημασίας.θέση LITUS για επιτόπια εφαρμογή.
Ωστόσο, σε επίπεδο ιστού, η υπομακροσκοπική περιγραφή του μεμονωμένου συστατικού χάνεται αναπόφευκτα και οι ιδιότητες του ιστού όγκου μπορούν να εντοπιστούν χρησιμοποιώντας διαδοχικές μεθόδους παρακολούθησης της ανάπτυξης μάζας και των διαδικασιών αναδιαμόρφωσης που προκαλούνται από το στρες, λαμβάνοντας υπόψη τις μακροσκοπικές επιδράσεις του ανάπτυξη.-προκάλεσε αλλαγές στην ελαστικότητα των ιστών σε κλίμακα 41,42.Πράγματι, σε αντίθεση με τα μονοκύτταρα και τα συσσωματωμένα συστήματα, οι μάζες συμπαγών όγκων αναπτύσσονται στους μαλακούς ιστούς λόγω της σταδιακής συσσώρευσης ανώμαλων υπολειμματικών τάσεων, οι οποίες αλλάζουν τις φυσικές μηχανικές ιδιότητες λόγω της αύξησης της συνολικής ενδοογκικής ακαμψίας και η σκλήρυνση του όγκου συχνά γίνεται καθοριστικός παράγοντας ανίχνευση όγκου.
Έχοντας αυτές τις σκέψεις κατά νου, εδώ αναλύουμε την ηχοδυναμική απόκριση των σφαιροειδών όγκου που διαμορφώνονται ως ελαστικά σφαιρικά εγκλείσματα που αναπτύσσονται σε ένα περιβάλλον φυσιολογικού ιστού.Πιο συγκεκριμένα, οι ελαστικές ιδιότητες που σχετίζονται με το στάδιο του όγκου προσδιορίστηκαν με βάση τα θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν από ορισμένους συγγραφείς σε προηγούμενες εργασίες.Μεταξύ αυτών, η εξέλιξη των σφαιροειδών συμπαγούς όγκου που αναπτύσσονται in vivo σε ετερογενή μέσα έχει μελετηθεί με την εφαρμογή μη γραμμικών μηχανικών μοντέλων 41,43,44 σε συνδυασμό με τη δυναμική μεταξύ των ειδών για την πρόβλεψη της ανάπτυξης μαζών όγκου και του σχετικού ενδοογκικού στρες.Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ανάπτυξη (π.χ. ανελαστική προέκταση) και το υπολειπόμενο στρες προκαλούν προοδευτική αναδιαμόρφωση των ιδιοτήτων του υλικού του όγκου, αλλάζοντας έτσι και την ακουστική του απόκριση.Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι στην αναφ.41 η συνεξέλιξη της ανάπτυξης και του στερεού στρες στους όγκους έχει αποδειχθεί σε πειραματικές εκστρατείες σε ζωικά μοντέλα.Συγκεκριμένα, μια σύγκριση της ακαμψίας μαζών όγκου του μαστού που εκτέμνονται σε διαφορετικά στάδια με την ακαμψία που προκύπτει με την αναπαραγωγή παρόμοιων συνθηκών σε πυρίτιο σε ένα σφαιρικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων με τις ίδιες διαστάσεις και λαμβάνοντας υπόψη το προβλεπόμενο πεδίο υπολειπόμενης τάσης επιβεβαίωσε την προτεινόμενη μέθοδο εγκυρότητα μοντέλου..Σε αυτή την εργασία, χρησιμοποιούνται θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα που έχουν ληφθεί προηγουμένως για την ανάπτυξη μιας νέας αναπτυγμένης θεραπευτικής στρατηγικής.Συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν εδώ προβλεπόμενα μεγέθη με αντίστοιχες ιδιότητες εξελικτικής αντίστασης, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν έτσι για την εκτίμηση των περιοχών συχνοτήτων στις οποίες οι μάζες όγκου που είναι ενσωματωμένες στο περιβάλλον του ξενιστή είναι πιο ευαίσθητες.Για το σκοπό αυτό, διερευνήσαμε τη δυναμική συμπεριφορά της μάζας του όγκου σε διαφορετικά στάδια, που λαμβάνονται σε διαφορετικά στάδια, λαμβάνοντας υπόψη ακουστικούς δείκτες σύμφωνα με τη γενικά αποδεκτή αρχή της σκέδασης ως απόκριση σε υπερηχητικά ερεθίσματα και τονίζοντας πιθανά φαινόμενα συντονισμού του σφαιροειδούς .ανάλογα με τον όγκο και τον ξενιστή Διαφορές ακαμψίας μεταξύ των ιστών που εξαρτώνται από την ανάπτυξη.
Έτσι, οι μάζες όγκου μοντελοποιήθηκαν ως ελαστικές σφαίρες ακτίνας \(a\) στο περιβάλλον ελαστικό περιβάλλον του ξενιστή με βάση πειραματικά δεδομένα που δείχνουν πώς ογκώδεις κακοήθεις δομές αναπτύσσονται in situ σε σφαιρικά σχήματα.Αναφερόμενοι στο σχήμα 1, χρησιμοποιώντας τις σφαιρικές συντεταγμένες \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (όπου \(\theta\) και \(\varphi\) αντιπροσωπεύουν τη γωνία ανωμαλίας και τη γωνία αζιμουθίου αντίστοιχα), η ο τομέας όγκου καταλαμβάνει Περιοχή ενσωματωμένη σε υγιή χώρο \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) απεριόριστη περιοχή \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Αναφερόμενοι στις Συμπληρωματικές Πληροφορίες (SI) για μια πλήρη περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου με βάση την καλά εδραιωμένη ελαστοδυναμική βάση που αναφέρεται σε πολλές βιβλιογραφίες45,46,47,48, θεωρούμε εδώ ένα πρόβλημα που χαρακτηρίζεται από έναν τρόπο αξονικής ταλάντωσης.Αυτή η υπόθεση υπονοεί ότι όλες οι μεταβλητές εντός του όγκου και των υγιών περιοχών είναι ανεξάρτητες από την αζιμουθιακή συντεταγμένη \(\varphi\) και ότι δεν εμφανίζεται παραμόρφωση προς αυτή την κατεύθυνση.Κατά συνέπεια, τα πεδία μετατόπισης και τάσης μπορούν να ληφθούν από δύο βαθμωτά δυναμικά \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) και \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , είναι αντίστοιχα σχετίζεται με ένα διαμήκη κύμα και ένα κύμα διάτμησης, τον χρόνο σύμπτωσης t μεταξύ του κύματος \(\θήτα \) και της γωνίας μεταξύ της κατεύθυνσης του προσπίπτοντος κύματος και του διανύσματος θέσης \({\mathbf {x))\) ( όπως φαίνεται στο σχήμα 1) και το \(\omega = 2\pi f\) αντιπροσωπεύει τη γωνιακή συχνότητα.Συγκεκριμένα, το προσπίπτον πεδίο μοντελοποιείται από το επίπεδο κύμα \(\phi_{H}^{(in)}\) (εισάγεται επίσης στο σύστημα SI, στην εξίσωση (A.9)) που διαδίδεται στον όγκο του σώματος σύμφωνα με την έκφραση του νόμου
όπου \(\phi_{0}\) είναι η παράμετρος πλάτους.Η σφαιρική επέκταση ενός προσπίπτοντος επίπεδου κύματος (1) χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση σφαιρικού κύματος είναι το τυπικό όρισμα:
Όπου \(j_{n}\) είναι η σφαιρική συνάρτηση Bessel του πρώτου είδους τάξης \(n\), και \(P_{n}\) είναι το πολυώνυμο Legendre.Μέρος του προσπίπτοντος κύματος της επενδυτικής σφαίρας είναι διάσπαρτο στο περιβάλλον μέσο και επικαλύπτει το προσπίπτον πεδίο, ενώ το άλλο μέρος είναι διάσπαρτο μέσα στη σφαίρα, συμβάλλοντας στη δόνηση της.Για να γίνει αυτό, οι αρμονικές λύσεις της κυματικής εξίσωσης \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) και \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), που παρέχονται για παράδειγμα από τον Eringen45 (βλ. επίσης SI ) μπορεί να υποδηλώνει όγκο και υγιείς περιοχές.Συγκεκριμένα, τα σκεδασμένα κύματα διαστολής και τα ισοογικά κύματα που δημιουργούνται στο μέσο υποδοχής \(H\) παραδέχονται τις αντίστοιχες πιθανές τους ενέργειες:
Μεταξύ αυτών, η σφαιρική συνάρτηση Hankel του πρώτου είδους \(h_{n}^{(1)}\) χρησιμοποιείται για την εξέταση του εξερχόμενου διάσπαρτου κύματος, και τα \(\alpha_{n}\) και \(\beta_{ n}\ ) είναι οι συντελεστές αγνώστων.στην εξίσωση.Στις εξισώσεις (2)–(4), οι όροι \(k_{H1}\) και \(k_{H2}\) δηλώνουν τους αριθμούς κυμάτων αραίωσης και εγκάρσιων κυμάτων στην κύρια περιοχή του σώματος, αντίστοιχα ( βλέπε SI).Τα πεδία συμπίεσης μέσα στον όγκο και οι μετατοπίσεις έχουν τη μορφή
Όπου τα \(k_{T1}\) και \(k_{T2}\) αντιπροσωπεύουν τους αριθμούς διαμήκους και εγκάρσιου κύματος στην περιοχή του όγκου και οι άγνωστοι συντελεστές είναι \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, τα μη μηδενικά στοιχεία ακτινικής και περιφερειακής μετατόπισης είναι χαρακτηριστικά υγιών περιοχών στο υπό εξέταση πρόβλημα, όπως \(u_{Hr}\) και \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) η υπόθεση συμμετρίας δεν χρειάζεται πλέον) — μπορεί να ληφθεί από τη σχέση \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \δεξιά) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) και \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) σχηματίζοντας \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) και \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (βλ. SI για λεπτομερή μαθηματική παραγωγή).Ομοίως, η αντικατάσταση των \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) και \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) επιστρέφει {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) και \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Αριστερά) Γεωμετρία ενός σφαιρικού όγκου που αναπτύσσεται σε ένα υγιές περιβάλλον μέσω του οποίου διαδίδεται ένα προσπίπτον πεδίο, (δεξιά) Αντίστοιχη εξέλιξη της αναλογίας ακαμψίας όγκου-ξενιστή ως συνάρτηση της ακτίνας του όγκου, αναφερθέντα δεδομένα (προσαρμογή από Carotenuto et al. 41) από δοκιμές συμπίεσης vitro ελήφθησαν από συμπαγείς όγκους μαστού εμβολιασμένους με κύτταρα MDA-MB-231.
Υποθέτοντας γραμμικά ελαστικά και ισότροπα υλικά, οι συνιστώσες μη μηδενικού στρες στις υγιείς περιοχές και τις περιοχές όγκου, π.χ. \(\sigma_{Hpq}\) και \(\sigma_{Tpq}\) - υπακούουν στον γενικευμένο νόμο του Hooke, δεδομένου ότι υπάρχει είναι διαφορετικά μόρια Lamé , τα οποία χαρακτηρίζουν την ελαστικότητα του ξενιστή και του όγκου, που δηλώνονται ως \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) και \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (βλ. Εξίσωση (A.11) για την πλήρη έκφραση των συνιστωσών τάσης που αντιπροσωπεύονται στο SI).Συγκεκριμένα, σύμφωνα με τα δεδομένα στην αναφορά 41 και που παρουσιάζονται στο Σχήμα 1, οι αναπτυσσόμενοι όγκοι έδειξαν μια αλλαγή στις σταθερές ελαστικότητας των ιστών.Έτσι, οι μετατοπίσεις και οι τάσεις στην περιοχή του ξενιστή και του όγκου προσδιορίζονται πλήρως μέχρι ένα σύνολο άγνωστων σταθερών \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) έχει θεωρητικά άπειρες διαστάσεις.Για να βρεθούν αυτοί οι φορείς συντελεστών, εισάγονται κατάλληλες διεπαφές και οριακές συνθήκες μεταξύ του όγκου και των υγιών περιοχών.Υποθέτοντας τέλεια δέσμευση στη διεπαφή όγκου-ξενιστή \(r = a\), η συνέχεια των μετατοπίσεων και των τάσεων απαιτεί τις ακόλουθες συνθήκες:
Το σύστημα (7) σχηματίζει ένα σύστημα εξισώσεων με άπειρες λύσεις.Επιπλέον, κάθε οριακή συνθήκη θα εξαρτηθεί από την ανωμαλία \(\theta\).Για να μειώσετε το πρόβλημα της οριακής τιμής σε ένα πλήρες αλγεβρικό πρόβλημα με \(N\) σύνολα κλειστών συστημάτων, καθένα από τα οποία βρίσκεται στο άγνωστο \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (με \ ( N \ έως \infty\), θεωρητικά), και για να εξαλειφθεί η εξάρτηση των εξισώσεων από τους τριγωνομετρικούς όρους, οι συνθήκες διεπαφής γράφονται σε αδύναμη μορφή χρησιμοποιώντας την ορθογωνικότητα των πολυωνύμων Legendre.Συγκεκριμένα, η εξίσωση (7)1,2 και (7)3,4 πολλαπλασιάζονται με \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) και \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) και στη συνέχεια ενσωματώστε μεταξύ \(0\) και \(\pi\) χρησιμοποιώντας μαθηματικές ταυτότητες:
Έτσι, η συνθήκη διεπαφής (7) επιστρέφει ένα τετραγωνικό αλγεβρικό σύστημα εξισώσεων, το οποίο μπορεί να εκφραστεί σε μορφή πίνακα ως \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) και λάβετε το άγνωστο \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) λύνοντας τον κανόνα του Cramer .
Για να εκτιμηθεί η ροή ενέργειας που σκεδάζεται από τη σφαίρα και να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με την ακουστική της απόκριση με βάση τα δεδομένα στο σκεδαζόμενο πεδίο που διαδίδεται στο μέσο υποδοχής, ενδιαφέρει μια ακουστική ποσότητα, η οποία είναι μια κανονικοποιημένη διατομή διστατικής σκέδασης.Συγκεκριμένα, η διατομή σκέδασης, που συμβολίζεται με \(s), εκφράζει την αναλογία μεταξύ της ακουστικής ισχύος που μεταδίδεται από το σκεδαζόμενο σήμα και της διαίρεσης της ενέργειας που μεταφέρεται από το προσπίπτον κύμα.Από αυτή την άποψη, το μέγεθος της συνάρτησης σχήματος \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) είναι μια ποσότητα που χρησιμοποιείται συχνά στη μελέτη ακουστικών μηχανισμών ενσωματωμένο σε υγρό ή στερεό Σκέδαση αντικειμένων στο ίζημα.Πιο συγκεκριμένα, το πλάτος της συνάρτησης σχήματος ορίζεται ως η διαφορική διατομή σκέδασης \(ds\) ανά μονάδα επιφάνειας, η οποία διαφέρει κατά την κανονική προς την κατεύθυνση διάδοσης του προσπίπτοντος κύματος:
όπου \(f_{n}^{pp}\) και \(f_{n}^{ps}\) δηλώνουν τη συνάρτηση τροπικού τρόπου, η οποία αναφέρεται στον λόγο των δυνάμεων του διαμήκους κύματος και του σκεδαζόμενου κύματος σε σχέση με το Το προσπίπτον κύμα P στο μέσο λήψης, αντίστοιχα, δίνονται με τις ακόλουθες εκφράσεις:
Οι συναρτήσεις μερικού κύματος (10) μπορούν να μελετηθούν ανεξάρτητα σύμφωνα με τη θεωρία σκέδασης συντονισμού (RST) 49,50,51,52, η οποία καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό της ελαστικότητας στόχου από το συνολικό αδέσποτο πεδίο κατά τη μελέτη διαφορετικών τρόπων λειτουργίας.Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, η συνάρτηση τροπικής μορφής μπορεί να αποσυντεθεί σε ένα άθροισμα δύο ίσων μερών, δηλαδή \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) σχετίζονται με τα πλάτη συντονισμού και μη συντονισμού υποβάθρου, αντίστοιχα.Η συνάρτηση σχήματος της λειτουργίας συντονισμού σχετίζεται με την απόκριση του στόχου, ενώ το φόντο σχετίζεται συνήθως με το σχήμα του σκεδαστή.Για να ανιχνεύσετε τον πρώτο σχηματιστή του στόχου για κάθε λειτουργία, το πλάτος της συνάρτησης σχήματος τροπικού συντονισμού \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) υπολογίζεται υποθέτοντας ένα σκληρό υπόβαθρο, που αποτελείται από αδιαπέραστες σφαίρες σε ένα ελαστικό υλικό ξενιστή.Αυτή η υπόθεση υποκινείται από το γεγονός ότι, γενικά, τόσο η ακαμψία όσο και η πυκνότητα αυξάνονται με την ανάπτυξη της μάζας του όγκου λόγω της υπολειπόμενης θλιπτικής τάσης.Έτσι, σε σοβαρό επίπεδο ανάπτυξης, ο λόγος σύνθετης αντίστασης \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) αναμένεται να είναι μεγαλύτερος από 1 για τους περισσότερους μακροσκοπικούς συμπαγείς όγκους που αναπτύσσονται σε μαλακό ιστούς.Για παράδειγμα, οι Krouskop et al.53 ανέφεραν μια αναλογία καρκινικού προς φυσιολογικό συντελεστή περίπου 4 για τον ιστό του προστάτη, ενώ αυτή η τιμή αυξήθηκε στο 20 για δείγματα ιστού μαστού.Αυτές οι σχέσεις αναπόφευκτα αλλάζουν την ακουστική σύνθετη αντίσταση του ιστού, όπως αποδεικνύεται επίσης από την ανάλυση ελαστογραφίας54,55,56, και μπορεί να σχετίζονται με τοπική πάχυνση ιστού που προκαλείται από υπερπολλαπλασιασμό του όγκου.Αυτή η διαφορά έχει επίσης παρατηρηθεί πειραματικά με απλές δοκιμές συμπίεσης μπλοκ όγκων του μαστού που αναπτύσσονται σε διαφορετικά στάδια32 και η αναδιαμόρφωση του υλικού μπορεί να ακολουθηθεί καλά με προγνωστικά μοντέλα διασταύρωσης ειδών μη γραμμικά αναπτυσσόμενων όγκων43,44.Τα δεδομένα ακαμψίας που λαμβάνονται σχετίζονται άμεσα με την εξέλιξη του συντελεστή του Young συμπαγών όγκων σύμφωνα με τον τύπο \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( σφαίρες με ακτίνα \(a\), ακαμψία \(S\) και αναλογία Poisson \(\nu\) μεταξύ δύο άκαμπτων πλακών 57, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1).Έτσι, είναι δυνατό να ληφθούν μετρήσεις ακουστικής αντίστασης του όγκου και του ξενιστή σε διαφορετικά επίπεδα ανάπτυξης.Συγκεκριμένα, σε σύγκριση με το μέτρο του φυσιολογικού ιστού ίσο με 2 kPa στο Σχήμα 1, ο συντελεστής ελαστικότητας των όγκων του μαστού στην περιοχή όγκου από περίπου 500 έως 1250 mm3 οδήγησε σε αύξηση από περίπου 10 kPa σε 16 kPa, που είναι σύμφωνα με τα αναφερόμενα δεδομένα.στις παραπομπές 58, 59 βρέθηκε ότι η πίεση στα δείγματα ιστού μαστού είναι 0,25–4 kPa με εξαφανιζόμενη προσυμπίεση.Υποθέστε επίσης ότι η αναλογία Poisson ενός σχεδόν ασυμπίεστου ιστού είναι 41,60, που σημαίνει ότι η πυκνότητα του ιστού δεν αλλάζει σημαντικά καθώς αυξάνεται ο όγκος.Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται η μέση μαζική πυκνότητα πληθυσμού \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Με αυτές τις σκέψεις, η ακαμψία μπορεί να πάρει μια λειτουργία φόντου χρησιμοποιώντας την ακόλουθη έκφραση:
Όπου η άγνωστη σταθερά \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) μπορεί να υπολογιστεί λαμβάνοντας υπόψη τη συνέχεια προκατάληψη ( 7 )2,4, δηλαδή, λύνοντας το αλγεβρικό σύστημα \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) που αφορά ανηλίκους\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) και το αντίστοιχο απλοποιημένο διάνυσμα στήλης\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (α)\ Παρέχει βασικές γνώσεις στην εξίσωση (11), δύο πλάτη της συνάρτησης οπισθοσκέδασης \(\αριστερά| {f_{n}^{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) και \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ Το theta \right)} \right|\) αναφέρεται στη διέγερση του κύματος P και στην ανάκλαση των κυμάτων P και S, αντίστοιχα.Περαιτέρω, το πρώτο πλάτος εκτιμήθηκε ως \(\theta = \pi\) και το δεύτερο πλάτος εκτιμήθηκε ως \(\theta = \pi/4\).Με τη φόρτωση διαφόρων ιδιοτήτων σύνθεσης.Το Σχήμα 2 δείχνει ότι τα χαρακτηριστικά συντονισμού των σφαιροειδών όγκου με διάμετρο έως περίπου 15 mm συγκεντρώνονται κυρίως στη ζώνη συχνοτήτων των 50-400 kHz, γεγονός που υποδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης υπερήχων χαμηλής συχνότητας για την πρόκληση διέγερσης συντονισμού όγκου.κύτταρα.Πολλά απο.Σε αυτή τη ζώνη συχνοτήτων, η ανάλυση RST αποκάλυψε διαμορφωτές μονής λειτουργίας για τις λειτουργίες 1 έως 6, που επισημαίνονται στο Σχήμα 3. Εδώ, και τα δύο σκεδαζόμενα κύματα pp και ps δείχνουν σχηματιστές του πρώτου τύπου, που εμφανίζονται σε πολύ χαμηλές συχνότητες, οι οποίοι αυξάνονται από περίπου 20 kHz για τη λειτουργία 1 έως περίπου 60 kHz για n = 6, που δεν δείχνει σημαντική διαφορά στην ακτίνα σφαίρας.Η συνάρτηση συντονισμού ps στη συνέχεια διασπάται, ενώ ο συνδυασμός μορφοποιητών pp μεγάλου πλάτους παρέχει μια περιοδικότητα περίπου 60 kHz, δείχνοντας μεγαλύτερη μετατόπιση συχνότητας με αυξανόμενο αριθμό τρόπου λειτουργίας.Όλες οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση υπολογιστικού λογισμικού Mathematica®62.
Οι συναρτήσεις της μορφής οπισθοσκέδασης που λαμβάνονται από τη μονάδα όγκων του μαστού διαφορετικών μεγεθών φαίνονται στο Σχ. 1, όπου επισημαίνονται οι υψηλότερες ζώνες σκέδασης λαμβάνοντας υπόψη την υπέρθεση τρόπου λειτουργίας.
Συντονισμοί επιλεγμένων τρόπων λειτουργίας από \(n = 1\) έως \(n = 6\), υπολογισμένοι με διέγερση και ανάκλαση του κύματος P σε διαφορετικά μεγέθη όγκου (μαύρες καμπύλες από \(\αριστερά | {f_{ n} ^ {{\ αριστερά( {res} \δεξιά)\,pp}} \αριστερά( \pi \δεξιά) = \αριστερά| f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) και διέγερση κύματος P και ανάκλαση κύματος S (γκρι καμπύλες που δίνονται από τη συνάρτηση τροπικού σχήματος \( \αριστερά | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right = \αριστερά|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Τα αποτελέσματα αυτής της προκαταρκτικής ανάλυσης με χρήση συνθηκών διάδοσης σε μακρινό πεδίο μπορούν να καθοδηγήσουν την επιλογή των συχνοτήτων μετάδοσης κίνησης στις ακόλουθες αριθμητικές προσομοιώσεις για τη μελέτη της επίδρασης της τάσης μικροδόνησης στη μάζα.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η βαθμονόμηση των βέλτιστων συχνοτήτων μπορεί να είναι ειδική για το στάδιο κατά την ανάπτυξη του όγκου και μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα των μοντέλων ανάπτυξης για την καθιέρωση εμβιομηχανικών στρατηγικών που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία ασθενειών για τη σωστή πρόβλεψη της αναδιαμόρφωσης των ιστών.
Οι σημαντικές πρόοδοι στη νανοτεχνολογία οδηγούν την επιστημονική κοινότητα να βρει νέες λύσεις και μεθόδους για την ανάπτυξη μικροσκοπικών και ελάχιστα επεμβατικών ιατρικών συσκευών για in vivo εφαρμογές.Σε αυτό το πλαίσιο, η τεχνολογία LOF έχει δείξει μια αξιοσημείωτη ικανότητα να επεκτείνει τις δυνατότητες των οπτικών ινών, επιτρέποντας την ανάπτυξη νέων ελάχιστα επεμβατικών συσκευών οπτικών ινών για εφαρμογές επιστήμης της ζωής21, 63, 64, 65. Η ιδέα της ενσωμάτωσης υλικών 2D και 3D με τις επιθυμητές χημικές, βιολογικές και οπτικές ιδιότητες στις πλευρές 25 και/ή στα άκρα 64 των οπτικών ινών με πλήρη χωρικό έλεγχο σε νανοκλίμακα οδηγεί στην εμφάνιση μιας νέας κατηγορίας νανοοπτώδων οπτικών ινών.έχει ένα ευρύ φάσμα διαγνωστικών και θεραπευτικών λειτουργιών.Είναι ενδιαφέρον ότι λόγω των γεωμετρικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους (μικρή διατομή, μεγάλος λόγος διαστάσεων, ευκαμψία, χαμηλό βάρος) και της βιοσυμβατότητας των υλικών (συνήθως γυαλί ή πολυμερή), οι οπτικές ίνες είναι κατάλληλες για εισαγωγή σε βελόνες και καθετήρες.Ιατρικές εφαρμογές20, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο όραμα του «νοσοκομείου βελόνας» (βλ. Εικόνα 4).
Στην πραγματικότητα, λόγω των βαθμών ελευθερίας που παρέχει η τεχνολογία LOF, χρησιμοποιώντας την ενσωμάτωση μικρο- και νανοδομών από διάφορα μεταλλικά και/ή διηλεκτρικά υλικά, οι οπτικές ίνες μπορούν να λειτουργήσουν σωστά για συγκεκριμένες εφαρμογές που συχνά υποστηρίζουν διέγερση συντονισμού., Το φωτεινό πεδίο 21 είναι ισχυρά τοποθετημένο.Η συγκράτηση του φωτός σε κλίμακα υπομήκους κύματος, συχνά σε συνδυασμό με χημική ή/και βιολογική επεξεργασία63 και η ενσωμάτωση ευαίσθητων υλικών όπως τα έξυπνα πολυμερή65,66 μπορεί να ενισχύσει τον έλεγχο της αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης, κάτι που μπορεί να είναι χρήσιμο για θηρανοστικούς σκοπούς.Η επιλογή του τύπου και του μεγέθους των ενσωματωμένων συστατικών/υλικών εξαρτάται προφανώς από τις φυσικές, βιολογικές ή χημικές παραμέτρους που πρέπει να ανιχνευθούν21,63.
Η ενσωμάτωση των ανιχνευτών LOF σε ιατρικές βελόνες που κατευθύνονται σε συγκεκριμένα σημεία του σώματος θα επιτρέψει τις τοπικές βιοψίες υγρών και ιστών in vivo, επιτρέποντας την ταυτόχρονη τοπική θεραπεία, μειώνοντας τις παρενέργειες και αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα.Οι πιθανές ευκαιρίες περιλαμβάνουν την ανίχνευση διαφόρων κυκλοφορούντων βιομορίων, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου.βιοδείκτες ή microRNAs (miRNAs)67, ταυτοποίηση καρκινικών ιστών με χρήση γραμμικής και μη γραμμικής φασματοσκοπίας όπως φασματοσκοπία Raman (SERS)31, φωτοακουστική απεικόνιση υψηλής ανάλυσης22,28,68, χειρουργική επέμβαση με λέιζερ και αφαίρεση69 και φάρμακα τοπικής χορήγησης με χρήση φωτός27 και αυτόματη καθοδήγηση των βελόνων στο ανθρώπινο σώμα20.Αξίζει να σημειωθεί ότι παρόλο που η χρήση οπτικών ινών αποφεύγει τα τυπικά μειονεκτήματα των «κλασικών» μεθόδων που βασίζονται σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως η ανάγκη για ηλεκτρικές συνδέσεις και η παρουσία ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, αυτό επιτρέπει την αποτελεσματική ενσωμάτωση διάφορων αισθητήρων LOF στο Σύστημα.μονή ιατρική βελόνα.Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη μείωση των επιβλαβών επιπτώσεων όπως η ρύπανση, οι οπτικές παρεμβολές, τα φυσικά εμπόδια που προκαλούν παρεμβολές μεταξύ διαφορετικών λειτουργιών.Ωστόσο, είναι επίσης αλήθεια ότι πολλές από τις λειτουργίες που αναφέρονται δεν χρειάζεται να είναι ενεργές ταυτόχρονα.Αυτή η πτυχή καθιστά δυνατή τουλάχιστον τη μείωση των παρεμβολών, περιορίζοντας έτσι τον αρνητικό αντίκτυπο στην απόδοση κάθε καθετήρα και την ακρίβεια της διαδικασίας.Αυτές οι σκέψεις μας επιτρέπουν να δούμε την έννοια της «βελόνας στο νοσοκομείο» ως ένα απλό όραμα για να θέσουμε μια σταθερή βάση για την επόμενη γενιά θεραπευτικών βελόνων στις επιστήμες της ζωής.
Όσον αφορά τη συγκεκριμένη εφαρμογή που συζητείται σε αυτή την εργασία, στην επόμενη ενότητα θα διερευνήσουμε αριθμητικά την ικανότητα μιας ιατρικής βελόνας να κατευθύνει υπερηχητικά κύματα σε ανθρώπινους ιστούς χρησιμοποιώντας τη διάδοσή τους κατά μήκος του άξονά της.
Η διάδοση των κυμάτων υπερήχων μέσω μιας ιατρικής βελόνας γεμάτη με νερό και που εισάγεται σε μαλακούς ιστούς (βλ. διάγραμμα στο Σχ. 5α) μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το εμπορικό λογισμικό Comsol Multiphysics που βασίζεται στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM)70, όπου η βελόνα και ο ιστός μοντελοποιούνται ως γραμμικό ελαστικό περιβάλλον.
Αναφερόμενοι στο Σχήμα 5β, η βελόνα διαμορφώνεται ως κοίλος κύλινδρος (γνωστός και ως «κάνουλας») από ανοξείδωτο χάλυβα, ένα τυπικό υλικό για ιατρικές βελόνες71.Συγκεκριμένα, μοντελοποιήθηκε με συντελεστή Young E = 205 GPa, λόγο Poisson ν = 0,28 και πυκνότητα ρ = 7850 kg m −372,73.Γεωμετρικά, η βελόνα χαρακτηρίζεται από μήκος L, εσωτερική διάμετρο D (ονομάζεται επίσης «διάκενο») και πάχος τοιχώματος t.Επιπλέον, η άκρη της βελόνας θεωρείται ότι έχει κλίση υπό γωνία α ως προς τη διαμήκη διεύθυνση (z).Ο όγκος του νερού ουσιαστικά αντιστοιχεί στο σχήμα της εσωτερικής περιοχής της βελόνας.Σε αυτήν την προκαταρκτική ανάλυση, η βελόνα θεωρήθηκε ότι ήταν πλήρως βυθισμένη σε μια περιοχή ιστού (υποτίθεται ότι εκτείνεται επ 'αόριστον), διαμορφωμένη ως σφαίρα ακτίνας rs, η οποία παρέμεινε σταθερή στα 85 mm κατά τη διάρκεια όλων των προσομοιώσεων.Πιο αναλυτικά, τελειώνουμε τη σφαιρική περιοχή με ένα απόλυτα ταιριαστό στρώμα (PML), το οποίο τουλάχιστον μειώνει τα ανεπιθύμητα κύματα που ανακλώνται από τα «φανταστικά» όρια.Στη συνέχεια, επιλέξαμε την ακτίνα rs έτσι ώστε να τοποθετήσουμε το όριο του σφαιρικού πεδίου αρκετά μακριά από τη βελόνα ώστε να μην επηρεάζει την υπολογιστική λύση και αρκετά μικρό ώστε να μην επηρεάζει το υπολογιστικό κόστος της προσομοίωσης.
Μια αρμονική διαμήκης μετατόπιση της συχνότητας f και του πλάτους A εφαρμόζεται στο κάτω όριο της γεωμετρίας της γραφίδας.αυτή η κατάσταση αντιπροσωπεύει ένα ερέθισμα εισόδου που εφαρμόζεται στην προσομοιωμένη γεωμετρία.Στα υπόλοιπα όρια της βελόνας (σε επαφή με ιστό και νερό), το αποδεκτό μοντέλο θεωρείται ότι περιλαμβάνει μια σχέση μεταξύ δύο φυσικών φαινομένων, το ένα από τα οποία σχετίζεται με τη δομική μηχανική (για την περιοχή της βελόνας) και το άλλο στη δομική μηχανική.(για την βελονοειδή περιοχή), άρα επιβάλλονται οι αντίστοιχες συνθήκες στην ακουστική (για το νερό και την βελονοειδή περιοχή)74.Ειδικότερα, μικρές δονήσεις που εφαρμόζονται στο κάθισμα της βελόνας προκαλούν μικρές διαταραχές τάσης.Έτσι, υποθέτοντας ότι η βελόνα συμπεριφέρεται σαν ελαστικό μέσο, ​​το διάνυσμα μετατόπισης U μπορεί να εκτιμηθεί από την εξίσωση ελαστοδυναμικής ισορροπίας (Navier)75.Οι δομικές ταλαντώσεις της βελόνας προκαλούν αλλαγές στην πίεση του νερού στο εσωτερικό της (στο μοντέλο μας θεωρείται ακίνητο), με αποτέλεσμα τα ηχητικά κύματα να διαδίδονται στη διαμήκη κατεύθυνση της βελόνας, υπακούοντας ουσιαστικά στην εξίσωση Helmholtz76.Τέλος, υποθέτοντας ότι τα μη γραμμικά φαινόμενα στους ιστούς είναι αμελητέα και ότι το πλάτος των κυμάτων διάτμησης είναι πολύ μικρότερο από το πλάτος των κυμάτων πίεσης, η εξίσωση Helmholtz μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μοντελοποίηση της διάδοσης ακουστικών κυμάτων στους μαλακούς ιστούς.Μετά από αυτήν την προσέγγιση, ο ιστός θεωρείται ως υγρό77 με πυκνότητα 1000 kg/m3 και ταχύτητα ήχου 1540 m/s (αγνοώντας τα φαινόμενα απόσβεσης που εξαρτώνται από τη συχνότητα).Για να συνδεθούν αυτά τα δύο φυσικά πεδία, είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί η συνέχεια της κανονικής κίνησης στο όριο του στερεού και του υγρού, η στατική ισορροπία μεταξύ πίεσης και τάσης κάθετα στο όριο του στερεού και η εφαπτομενική τάση στο όριο του στερεού. το υγρό πρέπει να είναι ίσο με μηδέν.75 .
Στην ανάλυσή μας, διερευνούμε τη διάδοση ακουστικών κυμάτων κατά μήκος μιας βελόνας υπό σταθερές συνθήκες, εστιάζοντας στην επίδραση της γεωμετρίας της βελόνας στην εκπομπή κυμάτων μέσα στον ιστό.Συγκεκριμένα, διερευνήσαμε την επίδραση της εσωτερικής διαμέτρου της βελόνας D, του μήκους L και της γωνίας λοξοτομής α, διατηρώντας το πάχος t σταθερό στα 500 μm για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν.Αυτή η τιμή του t είναι κοντά στο τυπικό τυπικό πάχος τοιχώματος 71 για εμπορικές βελόνες.
Χωρίς απώλεια γενικότητας, η συχνότητα f της αρμονικής μετατόπισης που εφαρμόζεται στη βάση της βελόνας λήφθηκε ίση με 100 kHz και το πλάτος Α ήταν 1 μm.Συγκεκριμένα, η συχνότητα ορίστηκε στα 100 kHz, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αναλυτικές εκτιμήσεις που δίνονται στην ενότητα «Ανάλυση σκέδασης σφαιρικών μαζών όγκου για εκτίμηση συχνοτήτων υπερήχων που εξαρτώνται από την ανάπτυξη», όπου βρέθηκε μια συμπεριφορά παρόμοια με τον συντονισμό των μαζών όγκου στο το εύρος συχνοτήτων 50–400 kHz, με το μεγαλύτερο πλάτος σκέδασης συγκεντρωμένο σε χαμηλότερες συχνότητες γύρω στα 100–200 kHz (βλ. Εικ. 2).
Η πρώτη παράμετρος που μελετήθηκε ήταν η εσωτερική διάμετρος D της βελόνας.Για ευκολία, ορίζεται ως ένα ακέραιο κλάσμα του μήκους ακουστικού κύματος στην κοιλότητα της βελόνας (δηλαδή, στο νερό λW = 1,5 mm).Πράγματι, τα φαινόμενα διάδοσης κύματος σε συσκευές που χαρακτηρίζονται από μια δεδομένη γεωμετρία (για παράδειγμα, σε έναν κυματοδηγό) συχνά εξαρτώνται από το χαρακτηριστικό μέγεθος της γεωμετρίας που χρησιμοποιείται σε σύγκριση με το μήκος κύματος του κύματος διάδοσης.Επιπλέον, στην πρώτη ανάλυση, για να τονίσουμε καλύτερα την επίδραση της διαμέτρου D στη διάδοση του ακουστικού κύματος μέσω της βελόνας, θεωρήσαμε μια επίπεδη άκρη, θέτοντας τη γωνία α = 90°.Κατά τη διάρκεια αυτής της ανάλυσης, το μήκος της βελόνας L σταθεροποιήθηκε στα 70 mm.
Στο σχ.Το σχήμα 6a δείχνει τη μέση ένταση ήχου ως συνάρτηση της αδιάστατης κλίμακας παραμέτρου SD, δηλαδή D = λW/SD που αξιολογείται σε μια σφαίρα με ακτίνα 10 mm με κέντρο την αντίστοιχη άκρη της βελόνας.Η παράμετρος κλιμάκωσης SD αλλάζει από 2 σε 6, δηλαδή θεωρούμε τιμές D που κυμαίνονται από 7,5 mm έως 2,5 mm (στα f = 100 kHz).Η σειρά περιλαμβάνει επίσης μια τυπική τιμή 71 για ιατρικές βελόνες από ανοξείδωτο χάλυβα.Όπως αναμενόταν, η εσωτερική διάμετρος της βελόνας επηρεάζει την ένταση του ήχου που εκπέμπεται από τη βελόνα, με μέγιστη τιμή (1030 W/m2) που αντιστοιχεί σε D = λW/3 (δηλαδή D = 5 mm) και πτωτική τάση με πτωτική διάμετρος.Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η διάμετρος D είναι μια γεωμετρική παράμετρος που επηρεάζει επίσης την επεμβατικότητα μιας ιατρικής συσκευής, επομένως αυτή η κρίσιμη πτυχή δεν μπορεί να αγνοηθεί κατά την επιλογή της βέλτιστης τιμής.Επομένως, αν και η μείωση του D συμβαίνει λόγω της χαμηλότερης μετάδοσης της ακουστικής έντασης στους ιστούς, για τις ακόλουθες μελέτες, η διάμετρος D = λW/5, δηλαδή D = 3 mm (αντιστοιχεί στο πρότυπο 11G71 στα f = 100 kHz) , θεωρείται εύλογος συμβιβασμός μεταξύ της διεισδυτικότητας της συσκευής και της μετάδοσης της έντασης του ήχου (μέσος όρος περίπου 450 W/m2).
Η μέση ένταση του ήχου που εκπέμπεται από την άκρη της βελόνας (θεωρείται επίπεδη), ανάλογα με την εσωτερική διάμετρο της βελόνας (α), το μήκος (β) και τη γωνία λοξοτομής α (c).Το μήκος στο (a, c) είναι 90 mm και η διάμετρος στο (b, c) είναι 3 mm.
Η επόμενη παράμετρος που θα αναλυθεί είναι το μήκος της βελόνας L. Σύμφωνα με την προηγούμενη μελέτη περίπτωσης, θεωρούμε μια λοξή γωνία α = 90° και το μήκος κλιμακώνεται ως πολλαπλάσιο του μήκους κύματος στο νερό, δηλαδή θεωρούμε L = SL λW .Η αδιάστατη παράμετρος κλίμακας SL αλλάζει από 3 επί 7, υπολογίζοντας έτσι τη μέση ένταση του ήχου που εκπέμπεται από την άκρη της βελόνας στο εύρος μήκους από 4,5 έως 10,5 mm.Αυτή η σειρά περιλαμβάνει τυπικές τιμές για εμπορικές βελόνες.Τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχ.6b, που δείχνει ότι το μήκος της βελόνας, L, έχει μεγάλη επίδραση στη μετάδοση της έντασης του ήχου στους ιστούς.Συγκεκριμένα, η βελτιστοποίηση αυτής της παραμέτρου κατέστησε δυνατή τη βελτίωση της μετάδοσης κατά περίπου μια τάξη μεγέθους.Στην πραγματικότητα, στο αναλυόμενο εύρος μήκους, η μέση ένταση ήχου παίρνει ένα τοπικό μέγιστο 3116 W/m2 σε SL = 4 (δηλ., L = 60 mm), και το άλλο αντιστοιχεί σε SL = 6 (δηλαδή, L = 90 mm).
Αφού αναλύσαμε την επίδραση της διαμέτρου και του μήκους της βελόνας στη διάδοση των υπερήχων στην κυλινδρική γεωμετρία, εστιάσαμε στην επίδραση της γωνίας λοξοτομής στη μετάδοση της έντασης του ήχου στους ιστούς.Η μέση ένταση του ήχου που προέρχεται από το άκρο της ίνας αξιολογήθηκε ως συνάρτηση της γωνίας α, αλλάζοντας την τιμή του από 10° (κοφτερό άκρο) σε 90° (επίπεδη άκρη).Σε αυτήν την περίπτωση, η ακτίνα της σφαίρας ενσωμάτωσης γύρω από το εξεταζόμενο άκρο της βελόνας ήταν 20 mm, έτσι ώστε για όλες τις τιμές του α, η άκρη της βελόνας συμπεριλήφθηκε στον όγκο που υπολογίστηκε από τον μέσο όρο.
Όπως φαίνεται στο σχ.6c, όταν το άκρο είναι ακονισμένο, δηλ. όταν το α μειώνεται ξεκινώντας από τις 90°, η ένταση του εκπεμπόμενου ήχου αυξάνεται, φτάνοντας τη μέγιστη τιμή περίπου 1,5 × 105 W/m2, που αντιστοιχεί σε α = 50°, δηλαδή, 2 είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερη σε σχέση με την επίπεδη κατάσταση.Με περαιτέρω ακόνισμα της άκρης (δηλαδή, σε α κάτω από 50°), η ένταση του ήχου τείνει να μειώνεται, φτάνοντας σε τιμές συγκρίσιμες με μια πεπλατυσμένη άκρη.Ωστόσο, αν και εξετάσαμε ένα ευρύ φάσμα γωνιών λοξοτομής για τις προσομοιώσεις μας, αξίζει να λάβουμε υπόψη ότι το ακόνισμα της άκρης είναι απαραίτητο για να διευκολυνθεί η εισαγωγή της βελόνας στον ιστό.Στην πραγματικότητα, μια μικρότερη γωνία λοξοτομής (περίπου 10°) μπορεί να μειώσει τη δύναμη 78 που απαιτείται για να διεισδύσει στον ιστό.
Εκτός από την τιμή της έντασης ήχου που μεταδίδεται μέσα στον ιστό, η γωνία λοξοτομής επηρεάζει επίσης την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, όπως φαίνεται στα γραφήματα στάθμης ηχητικής πίεσης που φαίνονται στο Σχ. 7a (για την επίπεδη άκρη) και 3b (για 10° ).λοξότμητη άκρη), παράλληλη Η διαμήκης διεύθυνση αξιολογείται στο επίπεδο συμμετρίας (yz, πρβλ. Εικ. 5).Στα άκρα αυτών των δύο θεωρήσεων, το επίπεδο ηχητικής πίεσης (αναφέρεται ως 1 µPa) συγκεντρώνεται κυρίως εντός της κοιλότητας της βελόνας (δηλαδή στο νερό) και ακτινοβολείται στον ιστό.Πιο αναλυτικά, στην περίπτωση ενός επίπεδου άκρου (Εικ. 7α), η κατανομή της στάθμης ηχητικής πίεσης είναι απόλυτα συμμετρική ως προς τη διαμήκη κατεύθυνση και τα στάσιμα κύματα διακρίνονται στο νερό που γεμίζει το σώμα.Το κύμα προσανατολίζεται κατά μήκος (άξονας z), το πλάτος φτάνει τη μέγιστη τιμή του σε νερό (περίπου 240 dB) και μειώνεται εγκάρσια, γεγονός που οδηγεί σε εξασθένηση περίπου 20 dB σε απόσταση 10 mm από το κέντρο της βελόνας.Όπως ήταν αναμενόμενο, η εισαγωγή μιας μυτερής άκρης (Εικ. 7β) σπάει αυτή τη συμμετρία και οι αντικόμβοι των στάσιμων κυμάτων «εκτρέπονται» σύμφωνα με την άκρη της βελόνας.Προφανώς, αυτή η ασυμμετρία επηρεάζει την ένταση ακτινοβολίας του άκρου της βελόνας, όπως περιγράφηκε προηγουμένως (Εικ. 6γ).Για την καλύτερη κατανόηση αυτής της πτυχής, η ακουστική ένταση αξιολογήθηκε κατά μήκος μιας γραμμής κοπής ορθογώνια προς τη διαμήκη κατεύθυνση της βελόνας, η οποία βρισκόταν στο επίπεδο συμμετρίας της βελόνας και βρισκόταν σε απόσταση 10 mm από την άκρη της βελόνας ( καταλήγει στο Σχήμα 7γ).Πιο συγκεκριμένα, οι κατανομές της έντασης του ήχου που αξιολογήθηκαν σε λοξές γωνίες 10°, 20° και 30° (μπλε, κόκκινες και πράσινες συμπαγείς γραμμές, αντίστοιχα) συγκρίθηκαν με την κατανομή κοντά στο επίπεδο άκρο (μαύρες καμπύλες με κουκκίδες).Η κατανομή της έντασης που σχετίζεται με τις βελόνες με επίπεδη άκρη φαίνεται να είναι συμμετρική ως προς το κέντρο της βελόνας.Συγκεκριμένα, παίρνει τιμή περίπου 1420 W/m2 στο κέντρο, υπερχείλιση περίπου 300 W/m2 σε απόσταση ~8 mm και στη συνέχεια μειώνεται σε τιμή περίπου 170 W/m2 στα ~30 mm. .Καθώς η άκρη γίνεται μυτερή, ο κεντρικός λοβός χωρίζεται σε περισσότερους λοβούς ποικίλης έντασης.Πιο συγκεκριμένα, όταν το α ήταν 30°, διακρίνονταν ξεκάθαρα τρία πέταλα στο προφίλ μετρημένο σε απόσταση 1 mm από την άκρη της βελόνας.Το κεντρικό βρίσκεται σχεδόν στο κέντρο της βελόνας και έχει εκτιμώμενη τιμή 1850 W / m2 και το υψηλότερο στα δεξιά απέχει περίπου 19 mm από το κέντρο και φτάνει τα 2625 W / m2.Σε α = 20°, υπάρχουν 2 κύριοι λοβοί: ένας ανά −12 mm στα 1785 W/m2 και ένας ανά 14 mm στα 1524 W/m2.Όταν η άκρη γίνεται πιο έντονη και η γωνία φτάσει τις 10°, επιτυγχάνεται μέγιστο όριο 817 W/m2 στα -20 mm περίπου και τρεις ακόμη λοβοί ελαφρώς μικρότερης έντασης είναι ορατοί κατά μήκος του προφίλ.
Επίπεδο ηχητικής πίεσης στο επίπεδο συμμετρίας y–z μιας βελόνας με επίπεδο άκρο (a) και λοξότμηση 10° (b).(γ) Κατανομή ακουστικής έντασης που υπολογίζεται κατά μήκος μιας γραμμής κοπής κάθετης προς τη διαμήκη διεύθυνση της βελόνας, σε απόσταση 10 mm από την άκρη της βελόνας και που βρίσκεται στο επίπεδο συμμετρίας yz.Το μήκος L είναι 70 mm και η διάμετρος D είναι 3 mm.
Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιατρικές βελόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για τη μετάδοση υπερήχων στα 100 kHz σε μαλακούς ιστούς.Η ένταση του εκπεμπόμενου ήχου εξαρτάται από τη γεωμετρία της βελόνας και μπορεί να βελτιστοποιηθεί (με την επιφύλαξη των περιορισμών που επιβάλλονται από την επεμβατικότητα της ακραίας συσκευής) μέχρι τιμές στην περιοχή των 1000 W/m2 (στα 10 mm).εφαρμόζεται στο κάτω μέρος της βελόνας 1. Σε περίπτωση μετατόπισης μικρομέτρου, η βελόνα θεωρείται ότι έχει εισαχθεί πλήρως στον απείρως εκτεινόμενο μαλακό ιστό.Ειδικότερα, η γωνία λοξοτομής επηρεάζει έντονα την ένταση και την κατεύθυνση της διάδοσης των ηχητικών κυμάτων στον ιστό, γεγονός που οδηγεί πρωτίστως στην ορθογωνικότητα της κοπής του άκρου της βελόνας.
Για την υποστήριξη της ανάπτυξης νέων στρατηγικών θεραπείας όγκου που βασίζονται στη χρήση μη επεμβατικών ιατρικών τεχνικών, αναλύθηκε αναλυτικά και υπολογιστικά η διάδοση των υπερήχων χαμηλής συχνότητας στο περιβάλλον του όγκου.Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της μελέτης, μια προσωρινή ελαστοδυναμική λύση μας επέτρεψε να μελετήσουμε τη σκέδαση υπερηχητικών κυμάτων σε σφαιροειδή συμπαγούς όγκου γνωστού μεγέθους και ακαμψίας προκειμένου να μελετήσουμε την ευαισθησία συχνότητας της μάζας.Στη συνέχεια, επιλέχθηκαν συχνότητες της τάξης των εκατοντάδων kilohertz και η τοπική εφαρμογή δόνησης στο περιβάλλον του όγκου με χρήση ιατρικής κίνησης βελόνας μοντελοποιήθηκε σε αριθμητική προσομοίωση μελετώντας την επίδραση των κύριων παραμέτρων σχεδιασμού που καθορίζουν τη μεταφορά της ακουστικής δύναμη του οργάνου στο περιβάλλον.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιατρικές βελόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την ακτινοβολία ιστών με υπερήχους και η έντασή τους σχετίζεται στενά με τη γεωμετρική παράμετρο της βελόνας, που ονομάζεται λειτουργικό ακουστικό μήκος κύματος.Στην πραγματικότητα, η ένταση της ακτινοβολίας μέσω του ιστού αυξάνεται με την αύξηση της εσωτερικής διαμέτρου της βελόνας, φτάνοντας στο μέγιστο όταν η διάμετρος είναι τριπλάσια του μήκους κύματος.Το μήκος της βελόνας παρέχει επίσης κάποιο βαθμό ελευθερίας για τη βελτιστοποίηση της έκθεσης.Το τελευταίο αποτέλεσμα μεγιστοποιείται πράγματι όταν το μήκος της βελόνας ρυθμιστεί σε ένα ορισμένο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος λειτουργίας (συγκεκριμένα 4 και 6).Είναι ενδιαφέρον ότι για το εύρος συχνοτήτων που ενδιαφέρει, οι βελτιστοποιημένες τιμές διαμέτρου και μήκους είναι κοντά σε αυτές που χρησιμοποιούνται συνήθως για τις τυπικές εμπορικές βελόνες.Η γωνία λοξοτομής, η οποία καθορίζει την ευκρίνεια της βελόνας, επηρεάζει επίσης την ικανότητα εκπομπής, κορυφώνοντας περίπου στις 50° και παρέχοντας καλή απόδοση σε περίπου 10°, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για εμπορικές βελόνες..Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα χρησιμοποιηθούν για να καθοδηγήσουν την εφαρμογή και τη βελτιστοποίηση της ενδοβελονικής διαγνωστικής πλατφόρμας του νοσοκομείου, ενσωματώνοντας διαγνωστικούς και θεραπευτικούς υπέρηχους με άλλες θεραπευτικές λύσεις εντός της συσκευής και πραγματοποιώντας συνεργατικές παρεμβάσεις ιατρικής ακρίβειας.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. και Kopp MV Τι είναι η ιατρική ακριβείας;Eur, ξένο.Εφημερίς 50, 1700391 (2017).
Collins, FS and Varmus, H. Νέες πρωτοβουλίες στην ιατρική ακριβείας.N. eng.J. Ιατρική.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK και Wang, MD.Βιοϊατρική Απεικόνιση Πληροφορική στην Εποχή της Ιατρικής Ακριβείας: Επιτεύγματα, Προκλήσεις και Ευκαιρίες.Μαρμελάδα.φάρμακο.πληροφορώ.Επίκουρος Καθηγητής.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: a review.J. Clinical.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., and Salem, A. Βελτίωση στη θεραπεία γλοιοβλαστώματος (GBM) με χρήση συστήματος παροχής με βάση νανοσωματίδια.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G και von Daimling A. Glioblastoma: παθολογία, μοριακοί μηχανισμοί και δείκτες.Acta Neuropathology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM and Berger, MS Τρέχουσες και μελλοντικές στρατηγικές για τη θεραπεία του γλοιώματος.νευροχειρουργική.Εκδ.40, 1–14 (2017).