Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Slider nuduhake telung artikel saben slide.Gunakake tombol mburi lan sabanjuré kanggo mindhah liwat minger, utawa tombol controller geser ing mburi kanggo mindhah liwat saben geser.
Adhedhasar persimpangan interdisipliner fisika lan èlmu urip, strategi diagnostik lan terapeutik adhedhasar obat presisi bubar narik kawigatosan amarga penerapan praktis metode teknik anyar ing pirang-pirang bidang kedokteran, utamane ing onkologi.Ing kerangka iki, panggunaan ultrasonik kanggo nyerang sel kanker ing tumor supaya bisa nyebabake karusakan mekanis ing macem-macem skala narik perhatian para ilmuwan ing saindenging jagad.Njupuk faktor-faktor kasebut, adhedhasar solusi wektu elastodinamik lan simulasi numerik, kita nampilake studi awal simulasi komputer panyebaran ultrasonik ing jaringan supaya bisa milih frekuensi lan kekuwatan sing cocok kanthi iradiasi lokal.Platform diagnostik anyar kanggo teknologi On-Fiber laboratorium, diarani jarum rumah sakit lan wis paten.Dipercaya manawa asil analisis lan wawasan biofisik sing gegandhengan bisa mbukak dalan kanggo pendekatan diagnostik lan terapeutik terpadu anyar sing bisa nduwe peran penting ing aplikasi obat presisi ing mangsa ngarep, sing digambar saka bidang fisika.Sinergi sing tuwuh ing antarane biologi wis diwiwiti.
Kanthi optimalisasi aplikasi klinis sing akeh, kebutuhan kanggo nyuda efek samping ing pasien mboko sithik wiwit muncul.Kanggo tujuan kasebut, obat presisi1, 2, 3, 4, 5 wis dadi tujuan strategis kanggo nyuda dosis obat sing dikirim menyang pasien, kanthi dhasar ngetutake rong pendekatan utama.Sing pertama adhedhasar perawatan sing dirancang miturut profil genom pasien.Kapindho, sing dadi standar emas ing onkologi, tujuane kanggo ngindhari prosedur pangiriman obat sistemik kanthi nyoba ngeculake obat sing sithik, lan ing wektu sing padha nambah akurasi liwat nggunakake terapi lokal.Tujuan utama yaiku ngilangi utawa paling ora nyilikake efek negatif saka akeh pendekatan terapeutik, kayata kemoterapi utawa administrasi radionuklida sistemik.Gumantung saka jinis kanker, lokasi, dosis radiasi, lan faktor liyane, malah terapi radiasi bisa duwe risiko dhuwur kanggo jaringan sehat.Ing perawatan glioblastoma6,7,8,9 surgery kasil mbusak kanker sing ndasari, nanging sanajan ora ana metastasis, akeh infiltrat kanker cilik bisa uga ana.Yen ora rampung dibusak, massa kanker anyar bisa tuwuh ing wektu sing relatif cendhak.Ing konteks iki, strategi obat presisi sing kasebut ing ndhuwur angel ditrapake amarga infiltrat iki angel dideteksi lan nyebar ing wilayah sing amba.Rintangan kasebut nyegah asil definitif kanggo nyegah kambuh kanthi obat presisi, saengga metode pangiriman sistemik luwih disenengi ing sawetara kasus, sanajan obat sing digunakake bisa duwe tingkat keracunan sing dhuwur banget.Kanggo ngatasi masalah iki, pendekatan perawatan sing cocog yaiku nggunakake strategi invasif minimal sing bisa nyerang sel kanker kanthi selektif tanpa mengaruhi jaringan sehat.Ing cahya saka argumentasi iki, nggunakake getaran ultrasonik, kang wis ditampilake kanggo mengaruhi sel kanker lan sehat beda, loro ing sistem uniselular lan ing mesoscale heterogen kluster, misale jek kaya solusi.
Saka sudut pandang mekanis, sel sing sehat lan kanker sejatine duwe frekuensi resonansi alami sing beda.Properti iki digandhengake karo owah-owahan onkogenik ing sifat mekanik struktur sitoskeletal sel kanker12,13, dene sel tumor, rata-rata, luwih deformable tinimbang sel normal.Mangkono, kanthi pilihan frekuensi ultrasonik sing optimal kanggo stimulasi, getaran sing disebabake ing wilayah sing dipilih bisa nyebabake karusakan ing struktur kanker sing urip, nyuda dampak ing lingkungan sehat saka host.Efek sing durung dimangerteni kanthi lengkap iki bisa uga kalebu karusakan saka komponen struktur seluler tartamtu amarga getaran frekuensi dhuwur sing disebabake dening ultrasonik (ing prinsip meh padha karo lithotripsy14) lan karusakan seluler amarga fenomena sing padha karo kelelahan mekanik, sing bisa ngganti struktur seluler. .pemrograman lan mekanobiologi.Sanajan solusi teoretis iki katon cocok banget, sayangé ora bisa digunakake ing kasus struktur biologis anechoic nyegah aplikasi langsung ultrasonik, contone, ing aplikasi intrakranial amarga ana balung, lan sawetara massa tumor payudara dumunung ing adipose. tisu.Atenuasi bisa mbatesi situs efek terapeutik sing potensial.Kanggo ngatasi masalah kasebut, ultrasonik kudu ditrapake sacara lokal kanthi transduser sing dirancang khusus sing bisa nyedhaki situs sing disinari kanthi kurang invasif.Kanthi pikiran iki, kita nimbang kemungkinan nggunakake gagasan sing ana gandhengane karo kemungkinan nggawe platform teknologi inovatif sing diarani "rumah sakit jarum"15.Konsep "Rumah Sakit ing Jarum" nyakup pangembangan instrumen medis minimal invasif kanggo aplikasi diagnostik lan terapeutik, adhedhasar kombinasi macem-macem fungsi ing siji jarum medis.Kaya sing dibahas kanthi luwih rinci ing bagean Jarum Rumah Sakit, piranti kompak iki utamane adhedhasar kaluwihan 16, 17, 18, 19, 20, 21 probe serat optik, sing, amarga karakteristike, cocog kanggo dipasang ing standar 20. jarum medis, 22 lumen.Nggunakake keluwesan sing diwenehake dening teknologi Lab-on-Fiber (LOF)23, serat kanthi efektif dadi platform unik kanggo piranti diagnostik lan terapeutik sing miniatur lan siap digunakake, kalebu biopsi cairan lan piranti biopsi jaringan.ing deteksi biomolekul24,25, pangiriman obat lokal sing dipandu cahya26,27, pencitraan ultrasonik lokal presisi dhuwur28, terapi termal29,30 lan identifikasi jaringan kanker adhedhasar spektroskopi31.Ing konsep iki, nggunakake pendekatan lokalisasi adhedhasar piranti "jarum ing rumah sakit", kita nyelidiki kamungkinan ngoptimalake stimulasi lokal struktur biologi penduduk kanthi nggunakake panyebaran gelombang ultrasonik liwat jarum kanggo excite gelombang ultrasonik ing wilayah kapentingan..Mangkono, ultrasonik terapeutik kanthi intensitas rendah bisa ditrapake langsung menyang area resiko kanthi invasi minimal kanggo sel sonikating lan formasi padhet cilik ing jaringan alus, kaya ing kasus operasi intrakranial kasebut, bolongan cilik ing tengkorak kudu dilebokake kanthi a jarum.Diilhami dening asil teoretis lan eksperimen anyar sing nuduhake yen ultrasonik bisa nyegah utawa nundha pangembangan kanker tartamtu,32,33,34 pendekatan sing diusulake bisa mbantu ngatasi, paling ora ing prinsip, trade-off utama antarane efek agresif lan kuratif.Kanthi pertimbangan kasebut, ing makalah iki, kita nyelidiki kemungkinan nggunakake piranti jarum ing rumah sakit kanggo terapi ultrasonik invasif minimal kanggo kanker.Luwih tepate, ing Analisis Scattering Massa Tumor Bulat kanggo Estimasi Frekuensi Ultrasound Growth-Dependent, kita nggunakake metode elastodinamik sing mapan lan teori scattering akustik kanggo prédhiksi ukuran tumor padat bunder sing ditanam ing medium elastis.kaku sing dumadi ing antarane tumor lan jaringan inang amarga remodeling materi sing disebabake wutah.Sawise nerangake sistem kita, sing diarani "Rumah Sakit ing Jarum", ing bagean "Rumah Sakit ing Jarum", kita nganalisa panyebaran gelombang ultrasonik liwat jarum medis ing frekuensi sing diprediksi lan model numerik kasebut nyirnakake lingkungan kanggo sinau. paramèter géometris utama (diameter njero nyata, dawa lan ketajaman jarum), mengaruhi transmisi daya akustik instrumen kasebut.Amarga perlu kanggo ngembangake strategi teknik anyar kanggo obat presisi, dipercaya manawa studi sing diusulake bisa mbantu ngembangake alat anyar kanggo perawatan kanker adhedhasar panggunaan ultrasonik sing dikirim liwat platform theragnostik terpadu sing nggabungake ultrasonik karo solusi liyane.Gabungan, kayata pangiriman obat sing ditargetake lan diagnostik wektu nyata ing jarum siji.
Efektivitas nyediakake strategi mekanistik kanggo perawatan tumor padhet lokal nggunakake stimulasi ultrasonik (ultrasonik) wis dadi tujuan sawetara makalah kanthi teoritis lan eksperimen kanthi efek getaran ultrasonik intensitas rendah ing sistem sel tunggal 10, 11, 12 ., 32, 33, 34, 35, 36 Nggunakake model viscoelastic, sawetara peneliti wis analitis nuduhake yen tumor lan sel sehat nuduhake respon frekuensi beda ditondoi dening puncak resonansi béda ing kisaran US 10,11,12.Asil iki nuduhake yen, ing prinsip, sel tumor bisa diserang kanthi selektif dening rangsangan mekanik sing njaga lingkungan inang.Prilaku iki minangka akibat langsung saka bukti utama sing, ing pirang-pirang kasus, sel tumor luwih gampang dibentuk tinimbang sel sehat, bisa uga nambah kemampuan kanggo berkembang lan migrasi37,38,39,40.Adhedhasar asil sing dipikolehi karo model sel tunggal, contone ing skala mikro, selektivitas sel kanker uga wis dituduhake ing skala meso liwat studi numerik babagan respon harmonik saka agregat sel heterogen.Nyedhiyakake persentase sel kanker lan sel sehat sing beda, agregat multiselular kanthi ukuran atusan mikrometer dibangun kanthi hierarkis.Ing mesolevel saka agregat iki, sawetara fitur mikroskopis kapentingan sing wadi amarga implementasine langsung saka unsur struktural utama sing ciri prilaku mechanical saka sel siji.Utamane, saben sel nggunakake arsitektur adhedhasar tensegrity kanggo niru respon saka macem-macem struktur sitoskeletal pratekanan, saéngga mengaruhi kaku sakabèhé12,13.Prediksi teoretis lan eksperimen in vitro saka literatur ing ndhuwur wis menehi asil sing nyemangati, sing nuduhake perlu kanggo nyinaoni sensitivitas massa tumor kanggo ultrasonik terapeutik intensitas rendah (LITUS), lan penilaian frekuensi iradiasi massa tumor penting banget.posisi LITUS kanggo aplikasi ing situs.
Nanging, ing tingkat jaringan, deskripsi submacroscopic saka komponen individu mesthi ilang, lan sifat-sifat jaringan tumor bisa dilacak kanthi nggunakake metode sekuensial kanggo nglacak pertumbuhan massa lan proses remodeling sing diakibatake stres, kanthi njupuk efek makroskopik saka wutah.- owah-owahan ing elastisitas jaringan ing skala 41,42.Pancen, ora kaya sistem uniseluler lan agrégat, massa tumor sing padhet tuwuh ing jaringan alus amarga akumulasi bertahap saka tekanan residual aberrant, sing ngganti sifat mekanik alami amarga mundhake rigiditas intratumoral sakabèhé, lan sklerosis tumor asring dadi faktor penentu ing deteksi tumor.
Kanthi pertimbangan kasebut, ing kene kita nganalisa respon sonodinamik saka spheroid tumor sing dimodelake minangka inklusi bola elastis sing tuwuh ing lingkungan jaringan normal.Luwih tepat, sifat elastis sing ana gandhengane karo tahap tumor ditemtokake adhedhasar asil teoretis lan eksperimen sing diduweni dening sawetara penulis ing karya sadurunge.Ing antarane, evolusi spheroid tumor padhet sing ditanam ing vivo ing media heterogen wis diteliti kanthi nggunakake model mekanik non-linear 41,43,44 kanthi kombinasi dinamika interspesies kanggo prédhiksi pangembangan massa tumor lan stres intratumoral sing ana gandhengane.Kaya sing kasebut ing ndhuwur, wutah (contone, prestretching inelastic) lan stres residual nyebabake remodeling progresif saka sifat materi tumor, saengga uga ngganti respon akustik.Penting kanggo dicathet yen ing ref.41 co-evolusi wutah lan stres padhet ing tumor wis dituduhake ing kampanye eksperimen ing model kewan.Utamane, perbandingan kekakuan massa tumor payudara direseksi ing macem-macem tahapan kanthi kaku sing dipikolehi kanthi ngasilake kahanan sing padha ing silico ing model unsur terhingga bunder kanthi dimensi sing padha lan njupuk lapangan stres residual sing diprediksi dikonfirmasi metode sing diusulake. validitas model..Ing karya iki, asil teoretis lan eksperimen sing dipikolehi sadurunge digunakake kanggo ngembangake strategi terapi anyar sing dikembangake.Utamane, ukuran sing diprediksi kanthi sifat resistensi evolusi sing cocog diwilang ing kene, mula digunakake kanggo ngira rentang frekuensi sing massa tumor sing dipasang ing lingkungan inang luwih sensitif.Kanggo tujuan iki, kita kanthi mangkono nyelidiki prilaku dinamis massa tumor ing tahapan sing beda-beda, dijupuk ing tahapan sing beda-beda, njupuk indikator akustik miturut prinsip panyebaran sing umum ditampa kanggo nanggepi rangsangan ultrasonik lan nyorot fenomena resonansi saka spheroid. .gumantung ing tumor lan inang Beda gumantung wutah ing kaku antarane jaringan.
Mangkono, massa tumor dimodelake minangka bal elastis saka radius \ (a \) ing lingkungan elastis saka host adhedhasar data eksperimen sing nuduhake carane struktur ganas sing gedhe banget tuwuh ing situ kanthi bentuk bunder.Referring to Figure 1, nggunakake koordinat bola \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (ngendi \(\theta\) lan \(\varphi\) makili sudut anomali lan sudut azimuth mungguh), domain tumor manggoni Wilayah sing ditempelake ing papan sehat \({\ mathcal {V}}_{T}=\{(r,\theta,\varphi ):r\le a\}\) wilayah sing ora ana watese \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Referring kanggo Informasi Tambahan (SI) kanggo gambaran lengkap model matématika adhedhasar basis elastodynamic uga-mantep kacarita ing akeh literatures45,46,47,48, kita nimbang kene masalah ditondoi dening mode osilasi axisymmetric.Asumsi iki nuduhake yen kabeh variabel ing tumor lan wilayah sehat bebas saka koordinat azimut \(\varphi\) lan ora ana distorsi ing arah kasebut.Akibaté, kolom pamindahan lan tegangan bisa dipikolehi saka rong potensial skalar \(\phi = \hat{\phi}\left({r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) lan \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , padha gegandhengan karo gelombang longitudinal lan gelombang geser, wektu ketepakan t antarane lonjakan \(\theta \) lan sudut antarane arah gelombang kedadeyan lan vektor posisi \({\mathbf {x))\) ( minangka ditampilake ing tokoh 1) lan \ (\ omega = 2 \ pi f \) nggantosi frekuensi sudut.Utamane, lapangan kedadeyan dimodelake dening gelombang bidang \(\phi_{H}^{(ing)}\) (uga dikenalake ing sistem SI, ing persamaan (A.9)) sing nyebar menyang volume awak. miturut ekspresi hukum
ngendi \(\phi_{0}\) minangka parameter amplitudo.Ekspansi bola saka gelombang bidang insiden (1) nggunakake fungsi gelombang sferis minangka argumen standar:
Ngendi \(j_{n}\) minangka fungsi Bessel bunder saka urutan pisanan \(n\), lan \(P_{n}\) minangka polinomial Legendre.Bagéyan saka gelombang kedadean saka bal investasi kasebar ing medium lingkungan lan tumpang tindih lapangan kedadean, nalika bagean liyane kasebar ing bal, contributing kanggo getaran sawijining.Kanggo nindakake iki, solusi harmonik saka persamaan gelombang \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) lan \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), sing disedhiyakake contone dening Eringen45 (deleng uga SI ) bisa nunjukake tumor lan wilayah sing sehat.Utamane, gelombang ekspansi sing kasebar lan gelombang isovolumik sing diasilake ing medium inang \(H\) ngakoni energi potensial masing-masing:
Ing antarane, fungsi Hankel bunder saka jinis pisanan \(h_{n}^{(1)}\) digunakake kanggo nimbang gelombang kasebar metu, lan \(\alpha_{n}\) lan \(\beta_{ n}\ ) minangka koefisien sing ora dingerteni.ing persamaan.Ing pepadhan (2)–(4), istilah \(k_{H1}\) lan \(k_{H2}\) nuduhake nomer gelombang rarefaction lan gelombang transversal ing area utama awak, mungguh ( ndeleng SI).Kothak kompresi ing njero tumor lan owah-owahan duwe wujud
Ngendi \(k_{T1}\) lan \(k_{T2}\) makili nomer gelombang longitudinal lan transversal ing wilayah tumor, lan koefisien sing ora dingerteni yaiku \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Adhedhasar asil kasebut, komponen pamindahan radial lan circumferential non-nol minangka karakteristik wilayah sehat ing masalah sing dianggep, kayata \(u_{Hr}\) lan \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) asumsi simetri ora perlu maneh) — bisa dipikolehi saka hubungan \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \tengen) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) lan \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \kiwa({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) kanthi mbentuk \(\phi = \phi_{H}^{(ing)} + \phi_{H}^{(s)}\) lan \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (ndeleng SI kanggo derivasi matematika sing rinci).Kajaba iku, ngganti \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) lan \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) ngasilake {Tr} = \partial_{r} \kiwa( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) lan \(u_{T\theta} = r^{-1}\parsial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\right)\).
(Kiwa) Geometri saka tumor bundher thukul ing lingkungan sehat liwat kang lapangan kedadean propagates, (tengen) Cocog évolusi saka rasio kaku tumor-host minangka fungsi saka radius tumor, kacarita data (diadaptasi saka Carotenuto et al. 41) saka ing tes komprèsi vitro dijupuk saka tumor payudara padhet inoculated karo sel MDA-MB-231.
Kanthi asumsi bahan elastis lan isotropik linier, komponen stres non-nol ing wilayah sehat lan tumor, yaiku \(\sigma_{Hpq}\) lan \(\sigma_{Tpq}\) - nuruti hukum Hooke sing umum, amarga ana modulus Lamé sing béda, sing dadi ciri elastisitas inang lan tumor, dilambangaké minangka \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) lan \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (pirsani Persamaan (A.11) kanggo ekspresi lengkap komponen stres sing dituduhake ing SI).Utamane, miturut data ing referensi 41 lan ditampilake ing Gambar 1, tumor sing akeh nuduhake owah-owahan ing konstanta elastisitas jaringan.Dadi, pamindahan lan tekanan ing wilayah inang lan tumor ditemtokake kanthi lengkap nganti sakumpulan konstanta sing ora dingerteni \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) sacara teoritis nduweni dimensi tanpa wates.Kanggo nemokake vektor koefisien kasebut, antarmuka sing cocog lan kahanan wates antarane tumor lan wilayah sehat dienalake.Kanthi nganggep ikatan sampurna ing antarmuka tumor-host \(r = a\), kontinuitas pamindahan lan tekanan mbutuhake kahanan ing ngisor iki:
Sistem (7) mbentuk sistem persamaan kanthi solusi tanpa wates.Kajaba iku, saben kahanan wates bakal gumantung ing anomali \(\theta\).Kanggo ngurangi masalah nilai wates dadi masalah aljabar lengkap karo \(N\) set sistem tertutup, sing saben ana ing \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (karo \ ( N \ kanggo \infty \), sacara teoritis), lan kanggo ngilangi katergantungan persamaan ing istilah trigonometri, kondisi antarmuka ditulis ing wangun sing ringkih nggunakake orthogonality saka polinomial Legendre.Khususé, persamaan (7)1,2 lan (7)3,4 dikalikan karo \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) lan \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) banjur integrasi antarane \(0\) lan \(\pi\) nggunakake identitas matematika:
Dadi, kondisi antarmuka (7) ngasilake sistem persamaan aljabar kuadrat, sing bisa ditulis ing wangun matriks minangka \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) lan entuk \({{\varvec{\upxi}}}}_{n}\) sing ora dingerteni kanthi ngrampungake aturan Cramer.
Kanggo ngira fluks energi sing kasebar dening bal lan entuk informasi babagan respon akustik adhedhasar data ing lapangan sing kasebar sing nyebar ing medium inang, jumlah akustik sing dikarepake, yaiku bagean salib penyebaran bistatic sing dinormalisasi.Utamane, bagean salib scattering, dilambangake \(s), nyatakake rasio antarane daya akustik sing ditularake dening sinyal sing kasebar lan divisi energi sing digawa dening gelombang kedadeyan.Ing babagan iki, gedhene fungsi wangun \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) minangka kuantitas sing kerep digunakake ing studi mekanisme akustik. ditempelake ing Cairan utawa ngalangi Panyebaran obyek ing endhepan.Luwih tepat, amplitudo saka fungsi wangun ditetepake minangka diferensial scattering cross section \(ds\) per unit area, kang beda-beda dening normal kanggo arah propagasi gelombang kedadean:
ing ngendi \(f_{n}^{pp}\) lan \(f_{n}^{ps}\) nuduhake fungsi modal, sing nuduhake rasio kekuwatan gelombang longitudinal lan gelombang sing kasebar relatif marang Gelombang P kedadeyan ing medium panampa, masing-masing, diwenehake kanthi ekspresi ing ngisor iki:
Fungsi gelombang parsial (10) bisa ditliti kanthi mandiri miturut teori hamburan resonansi (RST)49,50,51,52, sing ndadekake bisa misahake elastisitas target saka lapangan kesasar total nalika sinau mode sing beda.Miturut cara iki, fungsi wangun modal bisa diurai dadi rong bagean sing padha, yaiku \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) ana hubungane karo amplitudo latar mburi resonan lan nonresonan.Fungsi wujud mode resonansi gegayutan karo respon target, dene latar mburi biasane ana hubungane karo wangun scatterer.Kanggo ndeteksi forman pisanan saka target kanggo saben mode, amplitudo saka fungsi wangun resonansi modal \(\left| {f_{n}^{(res)} \left(\theta \right)} \right|\ ) diwilang nganggep latar mburi hard, dumadi saka bal impenetrable ing materi inang elastis.Hipotesis iki didhukung dening kasunyatan sing, ing umum, loro kaku lan Kapadhetan mundhak karo wutah saka massa tumor amarga saka kaku compressive residual.Mangkono, ing tingkat wutah sing abot, rasio impedansi \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H} \) samesthine luwih saka 1 kanggo umume tumor padhet makroskopik sing berkembang ing lemah. tisu.Contone, Krouskop et al.53 nglaporake rasio kanker menyang modulus normal kira-kira 4 kanggo jaringan prostat, dene nilai iki tambah dadi 20 kanggo sampel jaringan payudara.Hubungan kasebut mesthi ngganti impedansi akustik saka jaringan, uga dituduhake dening analisis elastografi54,55,56, lan bisa uga ana hubungane karo penebalan jaringan lokal sing disebabake dening hiperproliferasi tumor.Prabédan iki uga wis diamati eksperimen karo tes komprèsi prasaja saka pamblokiran tumor payudara thukul ing macem-macem tataran32, lan remodeling saka materi bisa uga ngiring karo prediktif model cross-spesies tumor non-linearly tuwuh43,44.Data kekakuan sing dipikolehi langsung ana hubungane karo evolusi modulus Young tumor padat miturut rumus \(E_{T} = S\left({1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon \ ) (bola karo radius \ (a \), kaku \ (S \) lan rasio Poisson \ (\ nu \) antarane rong piring kaku 57, minangka ditampilake ing Figure 1).Mangkono, bisa diwenehi pangukuran impedansi akustik saka tumor lan inang ing tingkat pertumbuhan sing beda.Utamane, dibandhingake karo modulus jaringan normal sing padha karo 2 kPa ing Fig. 1, modulus elastis tumor payudara ing kisaran volume kira-kira 500 nganti 1250 mm3 nyebabake paningkatan saka 10 kPa nganti 16 kPa, yaiku konsisten karo data sing dilapurake.ing referensi 58, 59 ditemokake yen tekanan ing sampel jaringan payudara yaiku 0,25-4 kPa kanthi precompression sing ilang.Uga nganggep yen rasio Poisson saka jaringan sing meh ora bisa dikompres yaiku 41,60, tegese kapadhetan jaringan ora owah sacara signifikan nalika volume mundhak.Khususé, kapadhetan populasi massa rata-rata \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{{ – 3}\)61 digunakake.Kanthi pertimbangan kasebut, kaku bisa njupuk mode latar mburi nggunakake ekspresi ing ngisor iki:
Ngendi konstanta sing ora dingerteni \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) bisa diitung kanthi nimbang kontinuitas bias ( 7 )2,4, yaiku, kanthi ngrampungake sistem aljabar \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) nglibatno bocah cilik\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) lan vektor kolom sing disederhanakaké sing cocog\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\). \kiwa({res} \kanan)\,pp}} \kiwa( \theta \kanan)} \tekanan| = \kiwa|{f_{n}^{pp} \kiwa( \theta \kanan) – f_{ n}^{pp(b)} \kiwa( \theta \tengen)} \tengen|\) lan \( \kiwa|{f_{n}^{{\kiwa({res} \tengen)\,ps} } \kiwa( \theta \kanan)} \kanan|= \kiwa|{f_{n}^{ps} \kiwa( \theta \kanan) – f_{n}^{ps(b)} \kiwa( \ theta \right)} \right|\) nuduhake eksitasi gelombang P lan refleksi gelombang P lan S.Salajengipun, amplitudo pisanan dianggep minangka \(\theta = \pi\), lan amplitudo kapindho dianggep minangka \(\theta = \pi/4\).Kanthi ngemot macem-macem sifat komposisi.Gambar 2 nuduhake yen fitur resonansi spheroid tumor nganti diameter 15 mm utamane dikonsentrasi ing pita frekuensi 50-400 kHz, sing nuduhake kemungkinan nggunakake ultrasonik frekuensi rendah kanggo ngindhuksi eksitasi tumor resonan.sel.akeh.Ing pita frekuensi iki, analisis RST dicethakaké siji-modus formants kanggo mode 1 kanggo 6, disorot ing Figure 3. Kene, loro pp- lan ps-kasebar gelombang nuduhake formants saka jinis pisanan, kedadean ing frekuensi banget kurang, kang mundhak saka bab 20 kHz kanggo mode 1 kanggo bab 60 kHz kanggo n = 6, nuduhake ora prabédan pinunjul ing radius bal.Fungsi resonansi ps banjur bosok, nalika kombinasi amplitudo gedhe pp formant menehi periodicity watara 60 kHz, nuduhake shift frekuensi sing luwih dhuwur karo nomer mode nambah.Kabeh analisis ditindakake nggunakake piranti lunak komputasi Mathematica®62.
Fungsi wangun backscatter sing dipikolehi saka modul tumor payudara saka ukuran sing beda ditampilake ing Fig.
Resonansi saka mode sing dipilih saka \ (n = 1 \) nganti \ (n = 6 \), diitung miturut eksitasi lan refleksi gelombang P ing ukuran tumor sing beda-beda (kurva ireng saka \ (\ kiwa | {f_{ n} ^ {{\ kiwa( {res} \tengen)\,pp}} \kiwa( \pi \tengen)} \tengen| = \kiwa| {f_{n}^{pp} \kiwa ( \pi \ tengen) f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) lan eksitasi gelombang P lan refleksi gelombang S (kurva abu-abu sing diwenehake dening fungsi wangun modal \( \kiwa | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \kiwa( {\pi /4} \tengen) – f_{n}^{ps(b)} \kiwa( {\pi /4} \tengen)} \tengen |\)).
Asil analisis pambuka iki nggunakake kahanan panyebaran adoh-lapangan bisa nuntun pilihan saka drive-tartamtu drive frekuensi ing simulasi numerik ing ngisor iki kanggo nyinaoni efek kaku microvibration ing massa.Asil kasebut nuduhake yen kalibrasi frekuensi optimal bisa dadi panggung khusus sajrone pertumbuhan tumor lan bisa ditemtokake nggunakake asil model pertumbuhan kanggo netepake strategi biomekanik sing digunakake ing terapi penyakit kanggo prédhiksi remodeling jaringan kanthi bener.
Kemajuan sing signifikan ing nanoteknologi nyurung komunitas ilmiah kanggo nemokake solusi lan metode anyar kanggo ngembangake piranti medis miniatur lan minimal invasif kanggo aplikasi in vivo.Ing konteks iki, teknologi LOF wis nuduhake kemampuan sing luar biasa kanggo nggedhekake kemampuan serat optik, ngidini pangembangan piranti serat optik invasif minimal anyar kanggo aplikasi ilmu urip21, 63, 64, 65. Gagasan nggabungake bahan 2D lan 3D. karo kimia sing dikarepake, biologi, lan sifat optik ing sisih 25 lan / utawa ends 64 serat optik karo kontrol spasial lengkap ing nanoscale ndadékaké kanggo emergence saka kelas anyar saka nanooptodes serat optik.nduweni macem-macem fungsi diagnostik lan terapeutik.Sing nggumunake, amarga sifat geometris lan mekanik (bagian salib cilik, rasio aspek gedhe, keluwesan, bobote kurang) lan biokompatibilitas bahan (biasane kaca utawa polimer), serat optik cocok kanggo dipasang ing jarum lan kateter.Aplikasi medis20, mbukak dalan kanggo visi anyar "rumah sakit jarum" (pirsani Gambar 4).
Nyatane, amarga derajat kebebasan sing diwenehake dening teknologi LOF, kanthi nggunakake integrasi mikro- lan struktur nano sing digawe saka macem-macem bahan metalik lan / utawa dielektrik, serat optik bisa difungsikan kanthi bener kanggo aplikasi tartamtu sing asring ndhukung eksitasi mode resonan., Lapangan cahya 21 dipanggonke kanthi kuat.Penahanan cahya ing skala subwavelength, asring digabungake karo pangolahan kimia lan / utawa biologi63 lan integrasi bahan sensitif kayata polimer cerdas65,66 bisa nambah kontrol liwat interaksi cahya lan materi, sing bisa migunani kanggo tujuan theranostic.Pamilihing jinis lan ukuran komponen/material sing terintegrasi temenan gumantung marang paramèter fisik, biologi utawa kimia sing bakal dideteksi21,63.
Integrasi probe LOF menyang jarum medis sing diarahake menyang situs tartamtu ing awak bakal ngaktifake biopsi cairan lan jaringan lokal ing vivo, ngidini perawatan lokal simultan, nyuda efek samping lan nambah efisiensi.Kesempatan potensial kalebu deteksi macem-macem biomolekul sirkulasi, kalebu kanker.biomarker utawa microRNAs (miRNAs)67, identifikasi jaringan kanker nggunakake spektroskopi linier lan non-linear kayata spektroskopi Raman (SERS)31, pencitraan fotoakustik resolusi dhuwur22,28,68, operasi laser lan ablasi69, lan obat pangiriman lokal nggunakake cahya27 lan panuntun otomatis jarum menyang awak manungsa20.Wigati dicathet yen sanajan panggunaan serat optik ngindhari kekurangan khas metode "klasik" adhedhasar komponen elektronik, kayata kabutuhan sambungan listrik lan anané gangguan elektromagnetik, iki ngidini macem-macem sensor LOF bisa diintegrasi kanthi efektif menyang sistem.jarum medis tunggal.Perhatian khusus kudu dibayar kanggo nyuda efek mbebayani kayata polusi, gangguan optik, alangan fisik sing nyebabake efek crosstalk ing antarane fungsi sing beda.Nanging, uga bener yen akeh fungsi sing kasebut ora kudu aktif ing wektu sing padha.Aspek iki ndadekake paling sethithik nyuda gangguan, saéngga mbatesi dampak negatif ing kinerja saben probe lan akurasi prosedur kasebut.Pertimbangan kasebut ngidini kita ndeleng konsep "jarum ing rumah sakit" minangka visi sing gampang kanggo nggawe dhasar sing kuat kanggo jarum terapeutik generasi sabanjure ing ilmu urip.
Kanthi gati kanggo aplikasi tartamtu rembugan ing makalah iki, ing bagean sabanjure kita bakal numerik neliti kemampuan saka jarum medical kanggo ngarahake gelombang ultrasonik menyang jaringan manungsa nggunakake propagasi sadawane sawijining sumbu.
Panyebaran gelombang ultrasonik liwat jarum medis sing diisi banyu lan dilebokake menyang jaringan alus (pirsani diagram ing Fig. 5a) dimodelake nggunakake piranti lunak Comsol Multiphysics komersial adhedhasar metode unsur terhingga (FEM)70, ing ngendi jarum lan jaringan dimodelake. minangka lingkungan elastis linier.
Miturut Gambar 5b, jarum dimodelake minangka silinder kothong (uga dikenal minangka "kanula") sing digawe saka stainless steel, bahan standar kanggo jarum medis71.Utamane, model iki dimodelake kanthi modulus Young E = 205 GPa, rasio Poisson ν = 0,28, lan kapadhetan ρ = 7850 kg m −372,73.Sacara geometris, jarum kasebut ditondoi kanthi dawa L, diameter internal D (uga disebut "reresik") lan t ketebalan tembok.Kajaba iku, pucuk jarum dianggep miring ing sudut α babagan arah longitudinal (z).Volume banyu ateges cocog karo wangun wilayah njero jarum.Ing analisis pendahuluan iki, jarum kasebut dianggep rampung dicemplungake ing wilayah jaringan (dianggep ngluwihi tanpa wates), dimodelake minangka bal radius rs, sing tetep konstan ing 85 mm sajrone kabeh simulasi.Kanthi luwih rinci, kita ngrampungake wilayah bundher kanthi lapisan sing cocog (PML), sing paling ora nyuda gelombang sing ora dikarepake sing dibayangke saka wates "imajiner".Kita banjur milih radius rs supaya kanggo nyeleh wates domain bundher cukup adoh saka jarum ora mengaruhi solusi komputasi, lan cukup cilik ora mengaruhi biaya komputasi simulasi.
Pergeseran longitudinal harmonik frekuensi f lan amplitudo A ditrapake ing wates ngisor geometri stylus;kahanan iki nggantosi stimulus input Applied kanggo geometri simulasi.Ing wates jarum sing isih ana (ing kontak karo jaringan lan banyu), model sing ditampa dianggep kalebu hubungan antarane rong fenomena fisik, salah sijine ana hubungane karo mekanika struktural (kanggo area jarum), lan liyane kanggo mekanika struktural.(kanggo wilayah acicular), supaya kahanan sing cocog ditrapake ing akustik (kanggo banyu lan wilayah acicular)74.Utamane, getaran cilik sing ditrapake ing kursi jarum nyebabake gangguan voltase cilik;Dadi, yen jarum tumindak kaya medium elastis, vektor pamindahan U bisa dikira saka persamaan keseimbangan elastodinamik (Navier)75.Osilasi struktural jarum nyebabake owah-owahan ing tekanan banyu ing njero (dianggep stasioner ing model kita), minangka asil saka gelombang swara nyebar ing arah longitudinal jarum, ateges manut persamaan Helmholtz76.Pungkasan, yen efek nonlinear ing jaringan bisa diabaikan lan amplitudo gelombang geser luwih cilik tinimbang amplitudo gelombang tekanan, persamaan Helmholtz uga bisa digunakake kanggo model propagasi gelombang akustik ing jaringan alus.Sawise kira-kira iki, jaringan kasebut dianggep minangka cairan77 kanthi kapadhetan 1000 kg / m3 lan kacepetan swara 1540 m / s (nglirwakake efek redaman gumantung frekuensi).Kanggo nyambungake rong bidang fisik kasebut, perlu kanggo mesthekake kesinambungan gerakan normal ing wates padhet lan cair, keseimbangan statis antarane tekanan lan stres sing jejeg karo wates padhet, lan tekanan tangensial ing wates kasebut. Cairan kudu padha karo nol.75 .
Ing analisis kita, kita nyelidiki panyebaran gelombang akustik ing sadawane jarum ing kondisi stasioner, fokus ing pengaruh geometri jarum ing emisi gelombang ing jero jaringan.Utamane, kita nyelidiki pengaruh diameter jero jarum D, dawa L lan sudut bevel α, tetep ketebalan t tetep ing 500 µm kanggo kabeh kasus sing diteliti.Nilai t iki cedhak karo kekandelan tembok standar khas 71 kanggo jarum komersial.
Tanpa mundhut umum, frekuensi f saka pamindahan harmonik sing ditrapake ing dasar jarum dijupuk padha karo 100 kHz, lan amplitudo A yaiku 1 μm.Utamane, frekuensi disetel dadi 100 kHz, sing cocog karo perkiraan analitis sing diwenehake ing bagean "Analisis panyebaran massa tumor sferis kanggo ngira frekuensi ultrasonik sing gumantung saka pertumbuhan", ing ngendi prilaku massa tumor sing kaya resonansi ditemokake ing sawetara frekuensi saka 50-400 kHz, karo amplitudo scattering paling gedhé klempakan ing frekuensi ngisor watara 100-200 kHz (ndeleng Fig. 2).
Parameter pisanan sing diteliti yaiku diameter internal D saka jarum.Kanggo penak, ditetepake minangka fraksi integer saka dawa gelombang akustik ing rongga jarum (yaiku, ing banyu λW = 1,5 mm).Pancen, fénoména panyebaran gelombang ing piranti sing ditondoi kanthi géomètri sing diwènèhaké (contone, ing pandu gelombang) asring gumantung ing ukuran karakteristik géomètri sing dipigunakaké dibandhingake karo dawa gelombang panyebaran.Kajaba iku, ing analisis pisanan, supaya luwih nandheske efek diameter D ing panyebaran gelombang akustik liwat jarum, kita nganggep tip sing rata, nyetel sudut α = 90 °.Sajrone analisis iki, dawa jarum L tetep ing 70 mm.
Ing anjir.6a nuduhake intensitas swara rata-rata minangka fungsi saka parameter skala tanpa dimensi SD, yaiku D = λW/SD sing dievaluasi ing bal kanthi radius 10 mm sing dipusatake ing pucuk jarum sing cocog.Parameter skala SD owah saka 2 dadi 6, yaiku kita nganggep nilai D saka 7,5 mm nganti 2,5 mm (ing f = 100 kHz).Rentang kasebut uga kalebu nilai standar 71 kanggo jarum medis stainless steel.Kaya sing dikarepake, diameter jero jarum mengaruhi intensitas swara sing dipancarake jarum, kanthi nilai maksimal (1030 W/m2) cocog karo D = λW/3 (yaiku D = 5 mm) lan tren sing mudhun kanthi nyuda. diameteripun.Sampeyan kudu eling yen diameter D minangka parameter geometris sing uga mengaruhi invasi piranti medis, saengga aspek kritis iki ora bisa digatekake nalika milih nilai optimal.Mulane, sanajan nyuda ing D dumadi amarga transmisi intensitas akustik sing luwih murah ing jaringan, kanggo studi ing ngisor iki, diameter D = λW / 5, yaiku D = 3 mm (cocog karo standar 11G71 ing f = 100 kHz) , dianggep minangka kompromi sing cukup antarane intrusiveness piranti lan transmisi intensitas swara (rata-rata udakara 450 W / m2).
Intensitas swara rata-rata sing dipancarake dening pucuk jarum (dianggep datar), gumantung saka diametere jero jarum (a), dawa (b) lan sudut miring α (c).Dawane ing (a, c) yaiku 90 mm, lan diameter ing (b, c) yaiku 3 mm.
Parameter sabanjure sing bakal dianalisis yaiku dawa jarum L. Kaya ing studi kasus sadurunge, kita nganggep sudut miring α = 90 ° lan dawane diukur minangka pirang-pirang dawane gelombang ing banyu, yaiku nimbang L = SL λW. .Parameter skala tanpa dimensi SL diganti saka 3 nganti 7, saéngga ngira intensitas swara rata-rata sing dipancarake dening pucuk jarum ing sawetara dawa saka 4,5 nganti 10,5 mm.Kisaran iki kalebu nilai khas kanggo jarum komersial.Asil ditampilake ing anjir.6b, nuduhake yen dawa jarum, L, nduweni pengaruh gedhe marang transmisi intensitas swara ing jaringan.Khusus, optimasi parameter iki bisa nambah transmisi kanthi kira-kira urutan gedhene.Nyatane, ing sawetara dawa sing dianalisis, intensitas swara rata-rata njupuk maksimal lokal 3116 W/m2 ing SL = 4 (yaiku, L = 60 mm), lan liyane cocog karo SL = 6 (yaiku, L = 90 mm).
Sawise nganalisa pengaruh diameter lan dawa jarum ing panyebaran ultrasonik ing geometri silinder, kita fokus ing pengaruh sudut bevel ing transmisi intensitas swara ing jaringan.Intensitas swara rata-rata sing metu saka pucuk serat dievaluasi minangka fungsi saka sudut α, ngganti nilai saka 10° (ujung landhep) dadi 90° (ujung datar).Ing kasus iki, radius bal integrasi ing saubengé ujung jarum sing dianggep yaiku 20 mm, saéngga kanggo kabeh nilai α, pucuk jarum kalebu ing volume sing diitung saka rata-rata.
Minangka ditampilake ing anjir.6c, nalika tip diasah, yaiku, nalika α mudhun wiwit saka 90 °, intensitas swara sing ditularake mundhak, tekan nilai maksimal sekitar 1,5 × 105 W/m2, sing cocog karo α = 50 °, ieie, 2 minangka urutan magnitudo sing luwih dhuwur tinimbang negara sing rata.Kanthi luwih ngasah tip (yaiku, ing α ngisor 50 °), intensitas swara cenderung suda, tekan nilai sing bisa dibandhingake karo tip sing rata.Nanging, sanajan kita nganggep macem-macem sudut bevel kanggo simulasi kita, perlu dipikirake yen ngasah tip perlu kanggo nggampangake nyisipake jarum menyang jaringan.Nyatane, sudut bevel sing luwih cilik (kira-kira 10 °) bisa nyuda gaya 78 sing dibutuhake kanggo nembus jaringan.
Saliyane ing nilai intensitas swara sing ditularake ing jaringan, sudut bevel uga mengaruhi arah panyebaran gelombang, kaya sing ditampilake ing grafik tingkat tekanan swara sing ditampilake ing Fig. 7a (kanggo ujung sing rata) lan 3b (kanggo 10 °). ).tip beveled), podo karo Arah longitudinal dievaluasi ing bidang simetri (yz, cf. Fig. 5).Ing ekstrem saka rong pertimbangan kasebut, tingkat tekanan swara (disebut minangka 1 µPa) utamane dikonsentrasi ing rongga jarum (yaiku ing banyu) lan dipancarake menyang jaringan.Luwih rinci, ing kasus tip sing rata (Gbr. 7a), distribusi tingkat tekanan swara sampurna simetris babagan arah longitudinal, lan ombak sing ngadeg bisa dibedakake ing banyu sing ngisi awak.Gelombang kasebut berorientasi longitudinal (sumbu z), amplitudo tekan nilai maksimal ing banyu (udakara 240 dB) lan mudhun kanthi transversal, sing ndadékaké atenuasi kira-kira 20 dB ing jarak 10 mm saka tengah jarum.Kaya sing dikarepake, introduksi tip sing runcing (Fig. 7b) ngrusak simetri iki, lan antinodes saka ombak sing ngadeg "nyimpang" miturut ujung jarum.Ketoke, asimetri iki mengaruhi intensitas radiasi ujung jarum, kaya sing diterangake sadurunge (Gambar 6c).Kanggo luwih ngerti aspek iki, intensitas akustik dievaluasi ing sadawane garis potong ortogonal menyang arah longitudinal jarum, sing dumunung ing bidang simetri jarum lan dumunung ing jarak 10 mm saka ujung jarum ( asil ing Gambar 7c).Luwih khusus, distribusi intensitas swara sing ditaksir ing sudut miring 10 °, 20 ° lan 30 ° (garis padat biru, abang lan ijo) dibandhingake karo distribusi sing cedhak karo ujung sing rata (kurva titik ireng).Distribusi intensitas sing ana gandhengane karo jarum sing rata katon simetris ing tengah jarum.Utamane, njupuk kira-kira 1420 W / m2 ing tengah, kebanjiran udakara 300 W / m2 ing jarak ~ 8 mm, lan banjur mudhun nganti 170 W / m2 ing ~ 30 mm. .Minangka tip dadi nuding, lobus tengah dibagi dadi luwih lobus kanthi intensitas sing beda-beda.Luwih khusus, nalika α 30 °, telung kelopak bisa dibedakake kanthi jelas ing profil sing diukur ing 1 mm saka pucuk jarum.Sing tengah meh ana ing tengah jarum lan duweni nilai kira-kira 1850 W / m2, lan sing luwih dhuwur ing sisih tengen kira-kira 19 mm saka tengah lan tekan 2625 W / m2.Ing α = 20°, ana 2 lobus utama: siji saben -12 mm ing 1785 W/m2 lan siji saben 14 mm ing 1524 W/m2.Nalika pucuk dadi luwih cetha lan sudut tekan 10 °, maksimal 817 W / m2 tekan kira-kira -20 mm, lan telung lobus liyane kanthi intensitas sing rada kurang katon ing profil kasebut.
Tingkat tekanan swara ing bidang simetri y–z saka jarum kanthi ujung rata (a) lan bevel 10° (b).(c) Distribusi intensitas akustik dikira-kira ing sadawane garis potong sing tegak karo arah longitudinal jarum, kanthi jarak 10 mm saka pucuk jarum lan dumunung ing bidang simetri yz.Dawane L yaiku 70 mm lan diameter D yaiku 3 mm.
Digabungake, asil kasebut nuduhake yen jarum medis bisa digunakake kanthi efektif kanggo ngirim ultrasonik ing 100 kHz menyang jaringan alus.Intensitas swara sing dipancarake gumantung saka geometri jarum lan bisa dioptimalake (tundhuk watesan sing ditindakake dening invasi piranti pungkasan) nganti nilai ing kisaran 1000 W / m2 (ing 10 mm).ditrapake ing ngisor jarum 1. Ing kasus offset mikrometer, jarum dianggep wis dilebokake kanthi lengkap menyang jaringan alus tanpa wates.Utamane, sudut bevel banget mengaruhi intensitas lan arah panyebaran gelombang swara ing jaringan, sing utamane ndadékaké orthogonality saka potong ujung jarum.
Kanggo ndhukung pangembangan strategi perawatan tumor anyar adhedhasar panggunaan teknik medis non-invasif, panyebaran ultrasonik frekuensi rendah ing lingkungan tumor dianalisis sacara analitis lan komputasi.Utamane, ing bagian pisanan sinau, solusi elastodinamik sauntara ngidini kita nyinaoni panyebaran gelombang ultrasonik ing spheroids tumor padhet kanthi ukuran lan kaku sing dikenal kanggo nyinaoni sensitivitas frekuensi massa.Banjur, frekuensi saka urutan atusan kilohertz dipilih, lan aplikasi lokal stres getaran ing lingkungan tumor nggunakake drive jarum medis dimodelake ing simulasi numerik kanthi nyinaoni pengaruh paramèter desain utama sing nemtokake transfer akustik. daya instrument kanggo lingkungan.Asil kasebut nuduhake yen jarum medis bisa digunakake kanthi efektif kanggo iradiasi jaringan kanthi ultrasonik, lan intensitas kasebut raket banget karo parameter geometris jarum, sing diarani dawa gelombang akustik sing digunakake.Nyatane, intensitas iradiasi liwat jaringan mundhak kanthi nambah diameter internal jarum, nganti maksimal nalika diametere kaping telu dawane gelombang.Dawane jarum uga menehi sawetara tingkat kebebasan kanggo ngoptimalake cahya.Asil pungkasan pancen maksimal nalika dawa jarum disetel menyang sawetara dawa gelombang operasi (khusus 4 lan 6).Sing nggumunake, kanggo sawetara frekuensi kapentingan, diameter lan dawa sing dioptimalake cocog karo sing umum digunakake kanggo jarum komersial standar.Sudut bevel, sing nemtokake ketajaman jarum, uga mengaruhi emisivitas, puncak ing babagan 50 ° lan nyedhiyakake kinerja sing apik ing sekitar 10 °, sing umum digunakake kanggo jarum komersial..Asil simulasi bakal digunakake kanggo nuntun implementasi lan optimalisasi platform diagnostik intraneedle rumah sakit, nggabungake ultrasonik diagnostik lan terapeutik karo solusi terapeutik ing piranti liyane lan nyadari intervensi obat presisi kolaboratif.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. lan Kopp MV Apa obat presisi?Eur, manca.Jurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS lan Varmus, H. inisiatif anyar ing medicine tliti.N. ing.J. Kedokteran.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK, Wang, MD.Informatika Pencitraan Biomedis ing Era Kedokteran Presisi: Prestasi, Tantangan, lan Kesempatan.Jam.obat.ngandhani.Asisten profesor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision onkologi: review.J. Klinis.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., and Salem, A. Improvement in glioblastoma (GBM) therapy using a nanoparticle-based delivery system.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G lan von Daimling A. Glioblastoma: patologi, mekanisme molekul lan penanda.Neuropatologi Acta.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM lan Berger, MS Strategi saiki lan mangsa kanggo perawatan glioma.bedah saraf.Ed.40, 1–14 (2017).