Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Sliders dy't trije artikels per dia sjen litte.Brûk de efter- en folgjende knoppen om troch de dia's te bewegen, of de slide-controller-knoppen oan 'e ein om troch elke dia te bewegen.
Op grûn fan 'e ynterdissiplinêre krusing fan natuerkunde en libbenswittenskippen hawwe diagnostyske en therapeutyske strategyen basearre op presysmedisyn koartlyn in soad oandacht lutsen fanwegen de praktyske tapasberens fan nije yngenieurmetoaden yn in protte fjilden fan medisinen, benammen yn onkology.Binnen dit ramt lûkt it gebrûk fan echografie om kankersellen yn tumors oan te fallen om mooglike meganyske skea op ferskate skalen te feroarsaakjen tanimmend omtinken fan wittenskippers oer de hiele wrâld.Mei dizze faktoaren yn rekken brocht, basearre op elastodynamyske timing-oplossingen en numerike simulaasjes, presintearje wy in foarriedige stúdzje fan komputer-simulaasje fan ultrasound-propagaasje yn weefsels om passende frekwinsjes en krêften te selektearjen troch lokale bestraling.Nije diagnoaze platfoarm foar it laboratoarium On-Fiber technology, neamd it sikehûs needle en al patintearre.It wurdt leaud dat de resultaten fan 'e analyze en relatearre biofysyske ynsjoggen it paad kinne pleatse foar nije yntegreare diagnostyske en therapeutyske oanpakken dy't in sintrale rol kinne spylje yn' e tapassing fan presysmedisyn yn 'e takomst, tekenjen fan' e fjilden fan 'e natuerkunde.In groeiende synergy tusken biology begjint.
Mei it optimalisearjen fan in grut oantal klinyske tapassingen begon de needsaak om side-effekten op pasjinten stadichoan te ûntstean.Foar dit doel is precision medicine1, 2, 3, 4, 5 in strategysk doel wurden om de dosis fan medisinen levere oan pasjinten te ferminderjen, yn essinsje nei twa haad oanpakken.De earste is basearre op in behanneling ûntwurpen neffens it genomysk profyl fan de pasjint.De twadde, dy't de gouden standert wurdt yn onkology, hat as doel om systemyske prosedueres foar levering fan medisyn te foarkommen troch te besykjen om in lyts bedrach fan drugs frij te litten, wylst tagelyk de krektens ferheegje troch it brûken fan lokale terapy.It úteinlike doel is om de negative effekten fan in protte therapeutyske oanpak te eliminearjen of op syn minst te minimalisearjen, lykas gemoterapy of systemyske administraasje fan radionukliden.Ofhinklik fan it type kanker, lokaasje, strielingsdosis en oare faktoaren, kin sels radioterapy in heech ynherint risiko hawwe foar sûn weefsel.By de behanneling fan glioblastoma6,7,8,9 ferwideret sjirurgy mei súkses de ûnderlizzende kanker, mar sels by it ûntbrekken fan metastasen kinne in protte lytse kankerige infiltraten oanwêzich wêze.As se net folslein fuortsmiten wurde, kinne nije kankerige massa's binnen in relatyf koarte tiid groeie.Yn dit ferbân binne de earder neamde strategyen foar presysmedisyn lestich te tapassen, om't dizze infiltraten lestich binne te detektearjen en te fersprieden oer in grut gebiet.Dizze barriêres foarkomme definitive resultaten by it foarkommen fan elke werhelling mei presys medisinen, sadat systemyske leveringsmetoaden yn guon gefallen de foarkar hawwe, hoewol de medisinen dy't brûkt wurde kinne heul hege nivo's fan toxiciteit hawwe.Om dit probleem te oerwinnen soe de ideale behanneling oanpak wêze om minimaal invasive strategyen te brûken dy't kankersellen selektyf kinne oanfalle sûnder sûn weefsel te beynfloedzjen.Yn it ljocht fan dit argumint liket it gebrûk fan ultrasone vibraasjes, dy't oantoand is dat se kanker en sûne sellen oars beynfloedzje, sawol yn iensellige systemen as yn mesoscale heterogene klusters, as in mooglike oplossing.
Fanút in meganysk eachpunt hawwe sûne en kankersellen eins ferskillende natuerlike resonânsjefrekwinsjes.Dit eigendom is ferbûn mei onkogene feroaringen yn 'e meganyske eigenskippen fan' e cytoskeletale struktuer fan kankersellen12,13, wylst tumorsellen yn trochsneed mear ferfoarme binne as normale sellen.Sa, mei in optimale kar fan ultrasound frekwinsje foar stimulearring, trillings feroarsake yn selektearre gebieten kinne feroarsaakje skea oan libbene kanker struktueren, minimalisearje de ynfloed op de sûne omjouwing fan de host.Dizze noch net folslein begrepen effekten kinne ferneatiging omfetsje fan bepaalde sellulêre strukturele komponinten troch hege frekwinsje trillingen dy't troch echografie feroarsake wurde (yn prinsipe tige ferlykber mei lithotripsy14) en sellulêre skea troch in ferskynsel fergelykber mei meganyske wurgens, dy't op syn beurt sellulêre struktuer kin feroarje .programmearring en mechanobiology.Hoewol't dizze teoretyske oplossing liket te wêzen hiel geskikt, spitigernôch kin net brûkt wurde yn gefallen dêr't anechoic biologyske struktueren foarkomme de direkte tapassing fan echografie, bygelyks, yn intracranial applikaasjes fanwege de oanwêzigens fan bonken, en guon boarst tumor massa's lizze yn adipose weefsel.Attenuation kin it plak fan potinsjele therapeutyske effekt beheine.Om dizze problemen te oerwinnen, moat echografie lokaal tapast wurde mei spesjaal ûntworpen transducers dy't de bestrale side sa minder invasyf mooglik berikke kinne.Mei dit yn gedachten hawwe wy de mooglikheid beskôge om ideeën te brûken relatearre oan de mooglikheid om in ynnovatyf technologysk platfoarm te meitsjen neamd it "naaldsikehûs"15.It konsept "Sikehûs yn 'e Needle" omfettet de ûntwikkeling fan in minimaal invasyf medysk ynstrumint foar diagnostyske en therapeutyske tapassingen, basearre op de kombinaasje fan ferskate funksjes yn ien medyske needle.Lykas yn mear detail besprutsen yn 'e seksje Hospital Needle, is dit kompakte apparaat primêr basearre op' e foardielen fan 16, 17, 18, 19, 20, 21 fiberoptyske probes, dy't, troch har skaaimerken, geskikt binne foar ynfoegje yn standert 20 medyske needles, 22 lumen.Troch gebrûk te meitsjen fan de fleksibiliteit oanbean troch Lab-on-Fiber (LOF) 23-technology, wurdt glêstried effektyf in unyk platfoarm foar miniaturisearre en klear te brûken diagnostyske en terapeutyske apparaten, ynklusyf apparaten foar floeibere biopsie en weefselbiopsy.yn biomolekulêre deteksje24,25, ljocht-begeliede lokale medisynlevering26,27, lokale ultrasoundôfbylding28 mei hege presyzje, termyske terapy29,30 en spektroskopy-basearre kankerweefselidentifikaasje31.Binnen dit konsept, mei help fan in lokalisaasje oanpak basearre op de "needle yn it sikehûs" apparaat, wy ûndersykje de mooglikheid fan it optimalisearjen fan lokale stimulearring fan ynwenner biologyske struktueren troch it brûken fan de fuortplanting fan echografie weagen troch needles te excite ultrasound weagen binnen de regio fan belang..Sa kin lege-yntensiteit terapeutyske echografie direkt tapast wurde op it risikogebiet mei minimale invasiveness foar sonicating sellen en lytse fêste formaasjes yn sêfte weefsels, lykas yn it gefal fan de earder neamde intracranial sjirurgy, in lyts gat yn 'e skedel moat wurde ynfoege mei in nulle.Ynspirearre troch resinte teoretyske en eksperimintele resultaten dy't suggerearje dat ultrasound de ûntwikkeling fan bepaalde kankers kin stopje of fertrage, 32,33,34 kin de foarstelde oanpak helpe, teminsten yn prinsipe, de wichtige kompromissen tusken agressive en kurative effekten oan te pakken.Mei dizze oerwagings yn gedachten, yn it hjoeddeistige papier, ûndersiikje wy de mooglikheid fan it brûken fan in naaldapparaat yn it sikehûs foar minimaal invasive ultrasoundterapy foar kanker.Mear krekter, yn 'e ferspriedingsanalyze fan sferyske tumormassa's foar it skatten fan groei-ôfhinklike ultrasoundfrekwinsje-seksje, brûke wy goed fêststelde elastodynamyske metoaden en akoestyske ferspriedingsteory om de grutte te foarsizzen fan bolfoarmige solide tumors groeid yn in elastysk medium.stivens dy't optreedt tusken de tumor en host weefsel fanwege groei-induzearre remodeling fan it materiaal.Nei it beskriuwen fan ús systeem, dat wy de seksje "Sikehûs yn 'e Needle" neame, yn' e seksje "Sikehûs yn 'e Needle", analysearje wy de fuortplanting fan ultrasone weagen troch medyske needles op 'e foarseine frekwinsjes en har numerike model bestraalt it miljeu om te studearjen de wichtichste geometryske parameters (de eigentlike ynderlike diameter, lingte en skerpte fan 'e needle), dy't ynfloed hawwe op' e oerdracht fan 'e akoestyske krêft fan it ynstrumint.Mei it each op de needsaak om nije yngenieurstrategyen te ûntwikkeljen foar presysmedisyn, wurdt leaud dat de foarstelde stúdzje kin helpe by it ûntwikkeljen fan in nij ark foar kankerbehanneling basearre op it brûken fan echografie levere troch in yntegreare theragnostysk platfoarm dat echografie yntegreart mei oare oplossingen.Kombinearre, lykas gerichte medisynlevering en real-time diagnoaze binnen ien naald.
De effektiviteit fan it leverjen fan meganistyske strategyen foar de behanneling fan pleatslike fêste tumors mei help fan ultrasone (ultrasound) stimulearring hat it doel west fan ferskate papieren dy't sawol teoretysk as eksperiminteel omgeane mei it effekt fan ultrasone vibraasjes mei lege yntinsiteit op iensellige systemen 10, 11, 12 .Dit resultaat suggerearret dat, yn prinsipe, tumorsellen kinne selektyf oanfallen wurde troch meganyske prikels dy't de hostomjouwing behâlde.Dit gedrach is in direkte gefolch fan wichtige bewiis dat, yn 'e measte gefallen, tumorsellen mear smeeber binne as sûne sellen, mooglik om har fermogen om te proliferearjen en te migrearjen37,38,39,40 te ferbetterjen.Op grûn fan 'e resultaten krigen mei single-selmodellen, bygelyks op mikroskaal, is de selektiviteit fan kankersellen ek oantoand op' e mesoskaal troch numerike stúdzjes fan 'e harmoniske antwurden fan heterogene selaggregaten.It leverjen fan in oar persintaazje kankersellen en sûne sellen, multicellulêre aggregaten hûnderten mikrometer yn grutte waarden hiërargysk boud.Op it mesolevel fan dizze aggregaten wurde guon mikroskopyske skaaimerken fan belang bewarre troch de direkte ymplemintaasje fan 'e wichtichste strukturele eleminten dy't it meganyske gedrach fan inkele sellen karakterisearje.Benammen elke sel brûkt in tensegrity-basearre arsjitektuer om it antwurd fan ferskate prestressearre cytoskeletale struktueren te mimikjen, en beynfloedet dêrmei har algemiene stivens12,13.Teoretyske foarsizzings en yn vitro eksperiminten fan 'e boppesteande literatuer hawwe bemoedigjende resultaten jûn, wat oanjout dat de needsaak is om de gefoelichheid fan tumormassa's te studearjen foar therapeutyske echografie mei lege yntinsiteit (LITUS), en de beoardieling fan' e frekwinsje fan bestraling fan tumormassa's is krúsjaal.posysje LITUS foar applikaasje op it plak.
Op it weefselnivo is de submakroskopyske beskriuwing fan 'e yndividuele komponint lykwols ûnûntkomber ferlern, en de eigenskippen fan it tumorweefsel kinne wurde traceard mei sekwinsjele metoaden om de massagroei en stress-induzearre ferbouwingsprosessen te folgjen, rekken hâldend mei de makroskopyske effekten fan groei.-yndusearre feroaringen yn weefselelastisiteit op in skaal fan 41.42.Yndied, yn tsjinstelling ta iensellige en aggregearre systemen, groeie solide tumormassa's yn sêfte weefsels troch de stadichoan opgarjen fan ôfwikende residuele spanningen, dy't de natuerlike meganyske eigenskippen feroarje troch in tanimming fan 'e totale intratumorale rigiditeit, en tumorsklerose wurdt faak in bepalende faktor yn tumor opspoaren.
Mei dizze oerwagings yn gedachten, analysearje wy hjir de sonodynamyske reaksje fan tumorsferoïden modeleare as elastyske sfearyske ynklúzjes dy't groeie yn in normale weefselomjouwing.Mear krekter, de elastyske eigenskippen ferbûn mei it toaniel fan 'e tumor waarden bepaald op basis fan' e teoretyske en eksperimintele resultaten krigen troch guon auteurs yn eardere wurken.Under harren is de evolúsje fan solide tumor sferoïden groeid yn vivo yn heterogene media is studearre troch it tapassen fan net-lineêre meganyske modellen 41,43,44 yn kombinaasje mei interspecies dynamyk om de ûntwikkeling fan tumormassa's en assosjearre intratumorale stress te foarsizzen.Lykas hjirboppe neamd, feroarsaakje groei (bgl. inelastyske foarstretching) en oerbliuwende stress progressive werynrjochting fan 'e eigenskippen fan it tumormateriaal, wêrtroch ek syn akoestyske reaksje feroaret.It is wichtich om te merken dat yn ref.41 de ko-evolúsje fan groei en fêste stress yn tumors is oantoand yn eksperimintele kampanjes yn diermodellen.Benammen in fergeliking fan 'e stivens fan' e boarsttumormassa's dy't yn ferskate stadia ôfsnien binne mei de stivens dy't krigen wurdt troch it reprodusearjen fan ferlykbere betingsten yn silico op in sfearysk einich elemint model mei deselde ôfmjittings en rekken hâldend mei it foarseine residuele stressfjild befêstige de foarstelde metoade fan model jildichheid..Yn dit wurk wurde earder krigen teoretyske en eksperimintele resultaten brûkt om in nij ûntwikkele therapeutyske strategy te ûntwikkeljen.Benammen foarspelde maten mei oerienkommende evolúsjonêre wjerstânseigenskippen waarden hjir berekkene, dy't sa brûkt waarden om de frekwinsjeberik te skatten wêrfoar tumormassa's ynbêde yn 'e hostomjouwing gefoeliger binne.Dêrta ûndersochten wy dus it dynamyske gedrach fan 'e tumormassa yn ferskate stadia, nommen op ferskate stadia, rekken hâldend mei akoestyske yndikatoaren yn oerienstimming mei it algemien akseptearre prinsipe fan fersprieding yn antwurd op ultrasone stimuli en markearje mooglike resonânsjeferskynsels fan' e spheroid .ôfhinklik fan tumor en gasthear Groei-ôfhinklike ferskillen yn stivens tusken weefsels.
Sa waarden tumormassa's modeleare as elastyske sfearen fan radius \(a\) yn 'e omlizzende elastyske omjouwing fan' e host basearre op eksperimintele gegevens dy't sjen litte hoe't volumineuze maligne struktueren yn situ groeie yn sfearyske foarmen.Ferwizend nei figuer 1, mei help fan de sfearyske koördinaten \(\{r,\theta,\varphi \}\) (wêr't \(\theta\) en \(\varphi\) respektivelik de anomalyhoek en azimuthoek fertsjintwurdigje), de tumordomein beslacht Regio ynsletten yn sûne romte \({\mathcal {V}}_{T}=\{(r,\theta,\varphi):r\le a\}\) ûnbeheinde regio \({\mathcal { V} }_{H} = \{(r,\theta,\varphi):r > a\}\).Ferwizend nei oanfoljende ynformaasje (SI) foar in folsleine beskriuwing fan de wiskundige model basearre op de goed fêstige elastodynamyske basis rapportearre yn in protte literatuer45,46,47,48, wy beskôgje hjir in probleem karakterisearre troch in axisymmetric oscillation modus.Dizze oanname hâldt yn dat alle fariabelen binnen de tumor en sûne gebieten ûnôfhinklik binne fan 'e azimutale koördinaat \(\varphi\) en dat gjin ferfoarming yn dizze rjochting optreedt.Dêrtroch kinne de ferpleatsings- en stressfjilden wurde krigen fan twa skalêre potensjes \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) en \(\chi = \hat{\chi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\), se binne resp lykas werjûn yn figuer 1) en \(\omega = 2\pi f\) stiet foar de hoekfrekwinsje.Benammen it ynsidintfjild wurdt modelleard troch de fleantúchwelle \(\phi_{H}^{(in)}\) (ek yntrodusearre yn it SI-systeem, yn fergeliking (A.9)) dy't yn it folume fan it lichem propagearret. neffens de wet útdrukking
wêr't \(\phi_{0}\) de amplitudeparameter is.De sfearyske útwreiding fan in ynfallende fleantúchwelle (1) mei in sfearyske golffunksje is it standert argumint:
Wêr't \(j_{n}\) de sfearyske Bessel-funksje is fan 'e earste soarte fan folchoarder \(n\), en \(P_{n}\) it Legendre-polynomium is.In diel fan 'e ynsidintwelle fan' e ynvestearringssfear is ferspraat yn 'e omlizzende medium en oerlapet it ynsidintfjild, wylst it oare diel yn' e sfear ferspraat is, wat bydraacht oan syn trilling.Om dit te dwaan, de harmonische oplossingen fan de golffergeliking \(\nabla^{2} \hat{\phi} + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) en \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi} + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), foarsjoen fan bygelyks Eringen45 (sjoch ek SI ) kin tumor en sûne gebieten oanjaan.Benammen fersprate útwreidingswellen en isovolumyske weagen generearre yn it hostmedium \(H\) jouwe har respektive potensjele enerzjy ta:
Under harren wurdt de sfearyske Hankel-funksje fan 'e earste soarte \(h_{n}^{(1)}\) brûkt om de útgeande ferspriede welle te beskôgjen, en \(\alpha_{n}\) en \(\beta_{ n}\ ) binne de ûnbekende koeffizienten.yn 'e fergeliking.Yn fergelikingen (2) - (4) jouwe de termen \(k_{H1}\) en \(k_{H2}\) de wellennûmers fan seldsume en transversale weagen oan yn it haadgebiet fan it lichem, respektivelik ( sjoch SI).Kompresjefjilden binnen de tumor en ferskowings hawwe de foarm
Wêr't \(k_{T1}\) en \(k_{T2}\) de longitudinale en transversale golfnûmers yn 'e tumorregio fertsjintwurdigje, en de ûnbekende koeffizienten \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) binne, \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Op grûn fan dizze resultaten binne net-nul radiale en circumferentiale ferpleatsingskomponinten karakteristyk foar sûne regio's yn it probleem ûnder behanneling, lykas \(u_{Hr}\) en \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) de symmetry-oanname is net mear nedich) - kin krigen wurde út de relaasje \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi) } \right) + k_}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) troch \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) en \ te foarmjen (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (sjoch SI foar detaillearre wiskundige ôflieding).Lykas, it ferfangen fan \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) en \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) jout {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) en \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta}\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\right)\).
(Links) Geometry fan in bolfoarmige tumor groeid yn in sûne omjouwing dêr't in ynsidint fjild propagates, (rjochts) Korrespondearjende evolúsje fan de tumor-host stivens ratio as funksje fan tumor radius, rapportearre gegevens (oanpast út Carotenuto et al. 41) fan yn kompresjetests vitro waarden krigen fan solide boarsttumoren dy't mei MDA-MB-231-sellen ynokulearre waarden.
Oannommen dat lineêre elastyske en isotropyske materialen, de non-nul stresskomponinten yn 'e sûne en tumorregio's, dws \(\sigma_{Hpq}\) en \(\sigma_{Tpq}\) - folgje de generalisearre Hooke's wet, jûn dat der binne ferskillende Lamé moduli , dy't gasthear en tumor elastisiteit karakterisearje, oanjûn as \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) en \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (sjoch fergeliking (A.11) foar de folsleine útdrukking fan de stress komponinten fertsjintwurdige yn SI).Benammen, neffens de gegevens yn referinsje 41 en presintearre yn figuer 1, toande groeiende tumors in feroaring yn weefselelastisiteit konstanten.Sa wurde ferpleatsing en spanningen yn 'e host- en tumorregio's folslein bepaald oant in set fan ûnbekende konstanten \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) hat teoretysk ûneinige diminsjes.Om dizze koëffisjintfektors te finen, wurde passende ynterfaces en grinsbetingsten tusken de tumor en sûne gebieten ynfierd.Oannimme fan perfekte bining by de tumor-host-ynterface \(r = a\), fereasket kontinuïteit fan ferpleatsing en spanningen de folgjende betingsten:
Systeem (7) foarmet in systeem fan fergelikingen mei ûneinige oplossingen.Dêrneist sil elke grinsbetingst ôfhingje fan 'e anomaly \(\theta\).Om it grinsweardeprobleem te ferminderjen ta in folslein algebraïsk probleem mei \(N\) sets fan sletten systemen, wêrfan elk yn it ûnbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ is {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,...,N}\) (mei \ ( N \ teoretysk), en om de ôfhinklikens fan 'e fergelikingen op 'e trigonometryske termen te eliminearjen, wurde de ynterfacebetingsten yn in swakke foarm skreaun mei de orthogonaliteit fan 'e Legendre polynomen.Benammen de fergeliking (7)1,2 en (7)3,4 wurde fermannichfâldige mei \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) en \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) en dan yntegrearje tusken \(0\) en \(\pi\) mei wiskundige identiteiten:
Sa jout de ynterfacebetingst (7) in kwadratyske algebraïske fergelikingssysteem werom, dat yn matrixfoarm útdrukt wurde kin as \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) en krije de ûnbekende \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\) troch de regel fan Cramer op te lossen.
Om de enerzjyflux ferspraat troch de bol te skatten en ynformaasje te krijen oer syn akoestyske reaksje basearre op gegevens oer it ferspraat fjild dat propagearret yn it hostmedium, is in akoestyske kwantiteit fan belang, dat is in normalisearre bistatyske ferspriedingsdwerssneed.Benammen de ferspriedende dwerstrochsneed, oantsjut mei \(s), drukt de ferhâlding út tusken de akoestyske krêft dy't troch it ferspraat sinjaal oerbrocht wurdt en de ferdieling fan enerzjy dy't troch de ynfallende welle droegen wurdt.Yn dit ferbân is de grutte fan 'e foarmfunksje \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) in faak brûkte kwantiteit yn 'e stúdzje fan akoestyske meganismen ynbêde yn in floeibere of fêste fersprieding fan objekten yn it sedimint.Mear krekter wurdt de amplitude fan 'e foarmfunksje definiearre as de differinsjaal ferstrooiende dwerssneed \(ds\) per ienheidgebiet, dy't ferskilt troch de normaal nei de rjochting fan fuortplanting fan' e ynfallende welle:
dêr't \(f_{n}^{pp}\) en \(f_{n}^{ps}\) de modale funksje oantsjutte, dy't ferwiist nei de ferhâlding fan de krêften fan 'e longitudinale welle en de fersprate welle relatyf oan de ynfallende P-wave yn it ûntfangende medium, respektivelik, wurde jûn mei de folgjende útdrukkingen:
Dielwellefunksjes (10) kinne ûnôfhinklik studearre wurde yn oerienstimming mei de resonânsje-ferstruitteory (RST) 49,50,51,52, dy't it mooglik makket om de doelelastisiteit te skieden fan it totale striefjild by it bestudearjen fan ferskate modi.Neffens dizze metoade kin de modale foarmfunksje opdield wurde yn in som fan twa gelikense dielen, nammentlik \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) binne relatearre oan respektivelik de resonante en net-resonante eftergrûnamplituden.De foarmfunksje fan 'e resonânsjemodus is besibbe oan it antwurd fan it doel, wylst de eftergrûn meastentiids besibbe is oan 'e foarm fan 'e scatterer.Om de earste formant fan it doel foar elke modus te detektearjen, is de amplitude fan 'e modale resonânsjefoarmfunksje \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) wurdt berekkene útgeande fan in hurde eftergrûn, besteande út ûntrochsichtich sfearen yn in elastysk host materiaal.Dizze hypoteze wurdt motivearre troch it feit dat, yn 't algemien, sawol stivens as tichtens tanimme mei de groei fan' e tumormassa troch de oerbliuwende kompresjestress.Sadwaande, op in swier nivo fan groei, wurdt ferwachte dat de impedânsjeferhâlding \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) grutter is as 1 foar de measte makroskopyske solide tumors dy't ûntwikkelje yn sêfte papieren bûsdoekjes.Bygelyks, Krouskop et al.53 rapportearre in ferhâlding fan kanker oant normale modulus fan sawat 4 foar prostaatweefsel, wylst dizze wearde ferhege nei 20 foar boarstweefselmonsters.Dizze relaasjes feroarje ûnûntkomber de akoestyske impedânsje fan it weefsel, lykas ek oantoand troch elastografyske analyze54,55,56, en kinne relatearre wurde oan pleatslike weefseldikking feroarsake troch tumorhyperproliferaasje.Dit ferskil is ek eksperiminteel waarnommen mei ienfâldige kompresjetests fan boarsttumorblokken dy't yn ferskate stadia groeid binne32, en remodeling fan it materiaal kin goed folge wurde mei foarsizzende cross-species modellen fan net-lineêr groeiende tumors43,44.De krigen gegevens oer stivens binne direkt relatearre oan de evolúsje fan 'e Young's modulus fan solide tumors neffens de formule \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2}} \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfearen mei radius \(a\), stivens \(S\) en Poisson's ferhâlding \(\nu\) tusken twa stive platen 57, lykas werjûn yn figuer 1).Sa is it mooglik om akoestyske impedânsjemjittingen te krijen fan 'e tumor en de gasthear op ferskate groeinivo's.Benammen yn ferliking mei de modulus fan normaal weefsel lyk oan 2 kPa yn Fig. yn oerienstimming mei de rapportearre gegevens.yn referinsjes 58, 59 waard fûn dat de druk yn boarstweefselmonsters 0,25-4 kPa is mei ferdwinende prekompresje.Tink der ek oan dat de Poisson-ferhâlding fan in hast net kompressibel weefsel 41,60 is, wat betsjut dat de tichtens fan it weefsel net signifikant feroaret as it folume ferheget.Benammen de gemiddelde massa befolkingstichtens \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 wurdt brûkt.Mei dizze oerwagings kin stivens in eftergrûnmodus oannimme mei de folgjende útdrukking:
Wêr't de ûnbekende konstante \(\widehat{{{\varvec{\upxi)))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) kin wurde berekkene mei de kontinuïteit bias ( 7 )2,4, dat is, troch it oplossen fan it algebrayske systeem \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) mei minderjierrigen\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) en de oerienkommende ferienfâldige kolomvektor\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Biedt basiskennis yn fergeliking (11), twa amplituden fan 'e backscattering-resonânsjemodusfunksje \(\left| {f_{n}^{{. \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) en \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) ferwiist nei P-wave excitation en P- en S-wave refleksje, respektivelik.Fierder waard de earste amplitude rûsd as \(\theta = \pi\), en de twadde amplitude waard rûsd as \(\theta = \pi/4\).Troch it laden fan ferskate komposysje eigenskippen.Figuer 2 lit sjen dat de resonante skaaimerken fan tumor sferoïden oant likernôch 15 mm yn diameter binne benammen konsintrearre yn de frekwinsje band fan 50-400 kHz, wat oanjout de mooglikheid fan it brûken fan leechfrekwinsje echografie te induce resonante tumor excitation.sellen.In soad.Yn dizze frekwinsjeband liet de RST-analyze single-mode-formanten sjen foar modi 1 oant 6, markearre yn figuer 3. Hjir litte sawol pp- as ps-ferspraat weagen formanten fan it earste type sjen, dy't foarkomme op tige lege frekwinsjes, dy't tanimme fanút oer 20 kHz foar de modus 1 oan likernôch 60 kHz foar n = 6, showing gjin signifikante ferskil yn bol radius.De resonânsjefunksje ps ferfalt dan, wylst de kombinaasje fan grutte amplitude pp-formanten in periodisiteit fan sawat 60 kHz leveret, wat in hegere frekwinsjeferskowing mei tanimmend modusnûmer sjen lit.Alle analyzes waarden útfierd mei help fan Mathematica®62 computing software.
De backscatter foarm funksjes krigen út de module fan boarst tumors fan ferskillende maten wurde werjûn yn figuer 1, dêr't de heechste scatter bands wurde markearre mei rekken hâldend mei modus superposition.
Resonânsjes fan selektearre modi fan \(n = 1\) oant \(n = 6\), berekkene op excitaasje en refleksje fan 'e P-welle by ferskate tumorgrutte (swarte krommen fan \(\left | {f_{n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left (\pi \right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) en P-wave excitation en S-wave refleksje (grize krommen jûn troch modale foarmfunksje \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
De resultaten fan dizze foarriedige analyse mei help fan fier-fjild fuortplanting betingsten kinne liede de seleksje fan drive-spesifike drive frekwinsjes yn de folgjende numerike simulaasjes te bestudearjen it effekt fan microvibration stress op massa.De resultaten litte sjen dat de kalibraasje fan optimale frekwinsjes poadiumspesifyk kin wêze tidens tumorgroei en kin wurde bepaald mei de resultaten fan groeimodellen om biomeganyske strategyen te fêstigjen brûkt yn sykteterapy om weefselferbouwing korrekt te foarsizzen.
Wichtige foarútgong yn nanotechnology driuwt de wittenskiplike mienskip om nije oplossingen en metoaden te finen om miniaturisearre en minimaal invasive medyske apparaten te ûntwikkeljen foar in vivo-applikaasjes.Yn dit ferbân hat LOF-technology in opmerklike fermogen toand om de mooglikheden fan optyske fezels út te wreidzjen, wêrtroch de ûntwikkeling fan nije minimaal invasive glêstriedapparaten foar libbenswittenskipapplikaasjes21, 63, 64, 65 mooglik makket. It idee fan yntegrearjen fan 2D en 3D materialen mei winske gemyske, biologyske en optyske eigenskippen oan 'e kanten 25 en / of eintsjes 64 fan optyske fezels mei folsleine romtlike kontrôle op de nanoskaal liedt ta it ûntstean fan in nije klasse fan glêstried nanooptodes.hat in breed oanbod fan diagnostyske en terapeutyske funksjes.Nijsgjirrich, troch har geometryske en meganyske eigenskippen (lytse dwerstrochsneed, grutte aspektferhâlding, fleksibiliteit, leech gewicht) en de biokompatibiliteit fan materialen (meastentiids glês as polymers), binne optyske fezels goed geskikt foar ynfoegje yn needles en katheters.Medyske applikaasjes20, it paad foar in nije fyzje fan it "needle sikehûs" (sjoch figuer 4).
Yn feite, fanwegen de graden fan frijheid oanbean troch LOF-technology, troch gebrûk te meitsjen fan de yntegraasje fan mikro- en nanostruktueren makke fan ferskate metallyske en / of dielektrike materialen, kinne optyske fezels goed funksjonalisearre wurde foar spesifike tapassingen dy't faaks resonânsjemodus stimulearje., It ljocht fjild 21 is sterk gepositioneerd.De befetting fan ljocht op in subwavelength skaal, faak yn kombinaasje mei gemyske en / of biologyske ferwurking63 en de yntegraasje fan gefoelige materialen lykas tûke polymers65,66 kin ferbetterje kontrôle oer de ynteraksje fan ljocht en matearje, dat kin wêze nuttich foar theranostyske doelen.De kar foar type en grutte fan yntegreare komponinten / materialen hinget fansels ôf fan 'e fysike, biologyske of gemyske parameters dy't moatte wurde ûntdutsen21,63.
Yntegraasje fan LOF-probes yn medyske needles rjochte op spesifike plakken yn it lichem sil lokale floeistof- en weefselbiopsies yn vivo ynskeakelje, wêrtroch simultane lokale behanneling mooglik is, side-effekten ferminderje en effisjinsje ferheegje.Potinsjele kânsen omfetsje de deteksje fan ferskate sirkulearjende biomolekulen, ynklusyf kanker.biomarkers of microRNAs (miRNAs)67, identifikaasje fan kanker weefsels mei help fan lineêre en net-lineêre spektroskopy lykas Raman spectroscopy (SERS) 31, hege-resolúsje photoacoustic imaging22,28,68, laser sjirurgy en ablation69, en lokale levering drugs mei help fan ljocht27 en automatyske begelieding fan naalden yn it minsklik lichem20.It is de muoite wurdich op te merken dat hoewol it gebrûk fan optyske fezels de typyske neidielen fan 'klassike' metoaden basearre op elektroanyske komponinten foarkomt, lykas de needsaak foar elektryske ferbiningen en de oanwêzigens fan elektromagnetyske ynterferinsje, dit makket it mooglik om ferskate LOF-sensoren effektyf te yntegrearjen yn 'e systeem.ien medyske needle.Spesjaal omtinken moat betelle wurde oan it ferminderjen fan skealike effekten lykas fersmoarging, optyske ynterferinsje, fysike obstruksjes dy't crosstalk-effekten feroarsaakje tusken ferskate funksjes.It is lykwols ek wier dat in protte fan de neamde funksjes net tagelyk aktyf hoege te wêzen.Dit aspekt makket it mooglik om op syn minst te ferminderjen ynterferinsje, dêrmei beheine de negative ynfloed op de prestaasjes fan elke sonde en de krektens fan de proseduere.Dizze oerwagings jouwe ús it konsept fan 'e "needle yn it sikehûs" te besjen as in ienfâldige fisy om in solide basis te lizzen foar de folgjende generaasje fan therapeutyske needles yn 'e libbenswittenskippen.
Wat de spesifike tapassing besprutsen yn dit papier, sille wy yn 'e folgjende paragraaf numeryk ûndersykje it fermogen fan in medyske naald om ultrasone weagen yn minsklike weefsels te rjochtsjen mei har fuortplanting lâns syn as.
Fersprieding fan ultrasone weagen troch in medyske needle fol mei wetter en ynfoege yn sêfte weefsels (sjoch diagram yn Fig. 5a) waard modelearre mei help fan de kommersjele Comsol Multiphysics software basearre op de einige elemint metoade (FEM) 70, dêr't de needle en weefsel wurde modelearre as lineêre elastyske omjouwing.
Ferwizend nei figuer 5b, de needle wurdt modelearre as in holle silinder (ek wol bekend as in "kanule") makke fan roestfrij stiel, in standert materiaal foar medyske needles71.Benammen waard it modelearre mei Young's modulus E = 205 GPa, Poisson's ferhâlding ν = 0,28, en tichtens ρ = 7850 kg m -372,73.Geometrysk wurdt de needle karakterisearre troch in lingte L, in ynterne diameter D (ek wol "klaring" neamd) en in muorre dikte t.Dêrnjonken wurdt de tip fan 'e naald beskôge as in hoeke α mei respekt foar de longitudinale rjochting (z).It folume fan wetter komt yn essinsje oerien mei de foarm fan 'e binnenste regio fan' e needle.Yn dizze foarriedige analyze waard oannommen dat de needle folslein ûnderdompele wie yn in regio fan weefsel (oannommen om ûnbepaalde tiid út te wreidzjen), modelearre as in sfear fan radius rs, dy't konstant bleau op 85 mm tidens alle simulaasjes.Yn mear detail, wy ôfmeitsje de bolfoarmige regio mei in perfekt oerienkommende laach (PML), dy't op syn minst ferminderet net winske weagen reflektearre út "imaginêre" grinzen.Wy dan keas de straal rs sa as te pleatsen de bolfoarmige domein grins fier genôch fan 'e needle net te beynfloedzjen de berekkening oplossing, en lyts genôch net beynfloedzje de berekkening kosten fan de simulaasje.
In harmonic longitudinale ferskowing fan frekwinsje f en amplitude A wurdt tapast oan de legere grins fan de stylus mjitkunde;dizze situaasje stiet foar in ynfier stimulus tapast op de simulearre mjitkunde.By de oerbleaune grinzen fan 'e nulle (yn kontakt mei weefsel en wetter) wurdt it akseptearre model beskôge as in relaasje tusken twa fysike ferskynsels, wêrfan ien relatearre is oan strukturele meganika (foar it gebiet fan' e naald), en de oare oan strukturele meganika.(foar it acicular gebiet), sadat de oerienkommende betingsten wurde oplein oan de akoestyk (foar wetter en it acicular regio)74.Yn it bysûnder, lytse trillings tapast oan de needle stoel feroarsaakje lytse spanning perturbations;dus, oannommen dat de needle gedraacht as in elastysk medium, de ferpleatsing vector U kin wurde rûsd út de elastodynamyske lykwichtsfergeliking (Navier)75.Strukturele oscillaasjes fan 'e naald feroarsaakje feroaringen yn' e wetterdruk deryn (beskôge as stasjonêr yn ús model), wêrtroch't lûdwellen yn 'e longitudinale rjochting fan' e naald propagearje, yn essinsje neffens de Helmholtz-fergeliking76.As lêste, oannommen dat de net-lineêre effekten yn weefsels negligible binne en dat de amplitude fan 'e skuorwellen folle lytser is as de amplitude fan' e drukwellen, kin de Helmholtz-fergeliking ek brûkt wurde om de propagaasje fan akoestyske weagen yn sêfte weefsels te modellearjen.Nei dizze berekkening wurdt it weefsel beskôge as in flüssigens77 mei in tichtens fan 1000 kg/m3 en in lûdssnelheid fan 1540 m/s (nearje frekwinsje-ôfhinklike demping-effekten).Om dizze twa fysike fjilden te ferbinen, is it needsaaklik om de kontinuïteit fan 'e normale beweging te garandearjen op' e grins fan 'e fêste en flüssige, it statyske lykwicht tusken druk en stress loodrecht op' e grins fan 'e fêste, en de tangentiale spanning op' e grins fan 'e flüssigens moat gelyk wêze oan nul.75 .
Yn ús analyze ûndersiikje wy de fuortplanting fan akoestyske weagen lâns in needel ûnder stasjonêre omstannichheden, rjochte op 'e ynfloed fan' e geometry fan 'e needel op' e emisje fan weagen yn it weefsel.Yn it bysûnder ûndersochten wy de ynfloed fan 'e ynderlike diameter fan' e needle D, de lingte L en de bevelwinkel α, en hâlde de dikte t fêst op 500 µm foar alle ûndersochte gefallen.Dizze wearde fan t is tichtby de typyske standert muorre dikte 71 foar kommersjele needles.
Sûnder ferlies fan algemienens waard de frekwinsje f fan 'e harmonyske ferpleatsing tapast oan' e basis fan 'e needel gelyk oan 100 kHz nommen, en de amplitude A wie 1 μm.Benammen de frekwinsje waard ynsteld op 100 kHz, wat oerienkomt mei de analytyske rûzings jûn yn 'e seksje "Scattering analyze fan sfearyske tumor massa's te skatten groei-ôfhinklike echografie frekwinsjes", dêr't in resonânsje-lykas gedrach fan tumor massa's waard fûn yn it frekwinsjeberik fan 50-400 kHz, mei de grutste ferspriedingsamplitude konsintrearre op legere frekwinsjes om 100-200 kHz (sjoch fig. 2).
De earste parameter studearre wie de ynterne diameter D fan 'e needle.Foar it gemak wurdt it definiearre as in heule fraksje fan 'e akoestyske wellenlange yn' e holte fan 'e needle (dus yn wetter λW = 1,5 mm).Yndied binne de ferskynsels fan weachpropagaasje yn apparaten karakterisearre troch in opjûne mjitkunde (bygelyks yn in waveguide) faak ôfhinklik fan 'e karakteristike grutte fan' e mjitkunde dy't brûkt wurdt yn ferliking mei de golflingte fan 'e propagearjende welle.Derneist, yn 'e earste analyze, om it effekt fan' e diameter D better te beklamjen op 'e propagaasje fan' e akoestyske welle troch de needle, hawwe wy in flakke tip beskôge, en de hoeke α = 90 ° ynstelle.Tidens dizze analyse waard de needellange L fêstmakke op 70 mm.
Op fig.6a toant de gemiddelde lûd yntinsiteit as funksje fan de dimensionless skaal parameter SD, ie D = λW / SD evaluearre yn in bol mei in straal fan 10 mm sintraal op de oerienkommende needle tip.De skaalparameter SD feroaret fan 2 nei 6, dat wol sizze wy beskôgje D-wearden fariearjend fan 7,5 mm oant 2,5 mm (by f = 100 kHz).It berik omfettet ek in standertwearde fan 71 foar medyske needles fan roestfrij stiel.Lykas ferwachte, beynfloedet de ynderlike diameter fan 'e needel de yntensiteit fan it lûd útstjoerd troch de needle, mei in maksimale wearde (1030 W / m2) oerienkommende mei D = λW / 3 (dus D = 5 mm) en in ôfnimmende trend mei ôfnimmend diameter.Dêrby moat opmurken wurde dat de diameter D is in geometryske parameter dy't ek beynfloedet de invasiveness fan in medyske apparaat, dus dit kritysk aspekt kin net negearre wurde by it kiezen fan de optimale wearde.Dêrom, hoewol de fermindering fan D komt troch de legere oerdracht fan akoestyske yntensiteit yn 'e weefsels, foar de folgjende stúdzjes, is de diameter D = λW / 5, dws D = 3 mm (oerienkomt mei de 11G71 standert by f = 100 kHz) , wurdt beskôge as in ridlik kompromis tusken ynkringens fan apparaat en oerdracht fan lûdintensiteit (gemiddeld sawat 450 W / m2).
De gemiddelde yntensiteit fan it lûd útstjoerd troch de tip fan 'e needle (beskôge flak), ôfhinklik fan' e ynderlike diameter fan 'e needle (a), lingte (b) en bevelhoeke α (c).De lingte yn (a, c) is 90 mm, en de diameter yn (b, c) is 3 mm.
De folgjende parameter dy't analysearre wurde is de lingte fan 'e needle L. As per de foarige saakstúdzje, beskôgje wy in skuorke hoeke α = 90 ° en de lingte wurdt skalearre as in mearfâld fan 'e golflingte yn wetter, dus beskôgje L = SL λW .De dimensjeleaze skaalparameter SL wurdt feroare fan 3 troch 7, sadat de gemiddelde yntensiteit fan it lûd útstjoerd troch de tip fan 'e naald yn' e lingteberik fan 4,5 oant 10,5 mm.Dit berik omfettet typyske wearden foar kommersjele needles.De resultaten wurde werjûn yn fig.6b, toant dat de lingte fan 'e needel, L, in grutte ynfloed hat op' e oerdracht fan lûdintensiteit yn weefsels.Spesifyk makke de optimalisaasje fan dizze parameter it mooglik om de oerdracht te ferbetterjen mei sawat in oarder fan grutte.Yn feite, yn it analysearre lingteberik, nimt de gemiddelde lûdintensiteit in lokaal maksimum fan 3116 W/m2 oan by SL = 4 (dus L = 60 mm), en de oare komt oerien mei SL = 6 (dat wol sizze, L = 90 mm).
Nei it analysearjen fan 'e ynfloed fan' e diameter en lingte fan 'e needel op' e fuortplanting fan echografie yn silindryske mjitkunde, rjochte wy ús op 'e ynfloed fan' e bevelwinkel op 'e oerdracht fan lûdintensiteit yn weefsels.De gemiddelde yntensiteit fan it lûd dat út 'e fibertip komt, waard evaluearre as funksje fan' e hoeke α, en feroaret syn wearde fan 10 ° (skerpe tip) nei 90 ° (plat tip).Yn dit gefal wie de straal fan 'e yntegrearjende sfear om' e beskôge punt fan 'e needel 20 mm, sadat foar alle wearden fan α de punt fan' e needel opnommen waard yn it folume berekkene út it gemiddelde.
As werjûn yn fig.6c, as de tip is skerpe, dat wol sizze, as α ôfnimt fanôf 90°, nimt de yntensiteit fan it trochstjoerde lûd ta, en berikt in maksimumwearde fan likernôch 1,5 × 105 W/m2, wat oerienkomt mei α = 50°, ie, 2 is in folchoarder fan grutte heger relatyf oan de platte steat.Mei fierdere skerperjen fan 'e tip (dat wol sizze, by α ûnder 50 °), hat de lûdintensiteit de neiging om te ferminderjen, en berikke wearden fergelykber mei in ôfplatte tip.Hoewol wy lykwols in breed oanbod fan skuorhoeken beskôgen foar ús simulaasjes, is it wurdich te beskôgjen dat it skerpjen fan 'e tip nedich is om it ynstekken fan' e naald yn it weefsel te fasilitearjen.Yn feite, in lytsere bevel hoeke (sawat 10 °) kin ferminderjen de krêft 78 nedich om penetrearje weefsel.
Neist de wearde fan 'e lûdintensiteit dy't binnen it weefsel oerbrocht wurdt, beynfloedet de skuorhoeke ek de rjochting fan' e golfpropagaasje, lykas werjûn yn 'e lûddruknivografiken werjûn yn Fig. 7a (foar de platte tip) en 3b (foar 10 ° ).beveled tip), parallel De longitudinale rjochting wurdt evaluearre yn it fleantúch fan symmetry (yz, cf. Fig. 5).By de utersten fan dizze twa oerwegings wurdt it lûddruknivo (oantsjutten as 1 µPa) benammen konsintrearre yn 'e naaldholte (dus yn it wetter) en útstriele yn it weefsel.Yn mear detail, yn it gefal fan in flakke tip (fig. 7a), is de ferdieling fan it lûddruknivo perfekt symmetrysk mei respekt foar de longitudinale rjochting, en steande weagen kinne wurde ûnderskieden yn it wetter dat it lichem foltôget.De welle is oriïntearre longitudinaal (z-as), de amplitude berikt syn maksimale wearde yn wetter (sawat 240 dB) en fermindert dwers, wat liedt ta in attenuation fan likernôch 20 dB op in ôfstân fan 10 mm fan it sintrum fan 'e nulle.As ferwachte, brekt de ynfiering fan in spitse tip (fig. 7b) dizze symmetry, en de antinodes fan 'e steande weagen "ôfwike" neffens de tip fan' e needel.Blykber beynfloedet dizze asymmetry de strielingintensiteit fan 'e naaldpunt, lykas earder beskreaun (fig. 6c).Om dit aspekt better te begripen, waard de akoestyske yntensiteit evaluearre lâns in snijline ortogonaal nei de longitudinale rjochting fan 'e needel, dy't yn it symmetryflak fan' e needel lei en op in ôfstân fan 10 mm fan 'e punt fan' e needle leit ( resultaten yn figuer 7c).Mear spesifyk waarden ferdielingen fan lûdintensiteit beoardiele op 10 °, 20 ° en 30 ° skuorre hoeken (respektyflik blauwe, reade en griene fêste linen) fergelike mei de ferdieling tichtby it platte ein (swarte stippele bochten).De yntinsiteitferdieling dy't ferbûn is mei flat-tipped needles liket symmetrysk te wêzen oer it sintrum fan 'e needle.Benammen nimt it in wearde oan fan sa'n 1420 W/m2 yn it sintrum, in oerstream fan sa'n 300 W/m2 op in ôfstân fan ~8 mm, en nimt dan ôf nei in wearde fan sa'n 170 W/m2 by ~30 mm .As de tip spitich wurdt, ferdielt de sintrale lobe yn mear lobes fan ferskate yntensiteit.Mear spesifyk, doe't α 30 ° wie, koene trije petalen dúdlik te ûnderskieden wurde yn it profyl mjitten op 1 mm fan 'e punt fan' e needel.De sintrale is hast yn it sintrum fan 'e naald en hat in skatte wearde fan 1850 W / m2, en de hegere rjochts is sawat 19 mm fan it sintrum en berikt 2625 W / m2.By α = 20° binne der 2 haadlobben: ien per -12 mm by 1785 W/m2 en ien per 14 mm by 1524 W/m2.As de tip skerper wurdt en de hoeke 10° berikt, wurdt maksimaal 817 W/m2 berikt op sa'n -20 mm, en binne noch trije lobben fan wat minder yntinsiteit sichtber lâns it profyl.
Lûddruknivo yn it fleantúch fan symmetry y-z fan in naald mei in flak ein (a) en in 10 ° skuorre (b).(c) Akoestyske yntensiteitferdieling rûsd lâns in snijline loodrecht op 'e longitudinale rjochting fan' e needel, op in ôfstân fan 10 mm fan 'e tip fan' e needel en lizzend yn it fleantúch fan symmetry yz.De lingte L is 70 mm en de diameter D is 3 mm.
Mei-elkoar litte dizze resultaten sjen dat medyske needles effektyf kinne wurde brûkt om ultraschall op 100 kHz yn sêft weefsel te stjoeren.De yntinsiteit fan it útstjoerde lûd hinget ôf fan 'e mjitkunde fan' e naald en kin wurde optimalisearre (ûnder foarbehâld fan de beheiningen oplein troch de invasiviteit fan it einapparaat) oant wearden yn it berik fan 1000 W/m2 (by 10 mm).tapast oan 'e boaiem fan' e needle 1. Yn it gefal fan in mikrometer offset, de needle wurdt beskôge folslein ynfoege yn it ûneinich útwreidzjen sêft weefsel.Benammen de bevel hoeke sterk beynfloedet de yntinsiteit en rjochting fan fuortplanting fan lûd weagen yn it weefsel, dy't primêr liedt ta de orthogonality fan 'e snie fan' e needle tip.
Om de ûntwikkeling fan nije tumorbehannelingsstrategyen te stypjen basearre op it brûken fan net-invasive medyske techniken, waard de fuortplanting fan leechfrekwinsje ultrasound yn 'e tumoromjouwing analytysk en komputerysk analysearre.Benammen yn it earste diel fan 'e stúdzje hat in tydlike elastodynamyske oplossing ús de fersprieding fan ultrasone weagen yn fêste tumorsferoïden fan bekende grutte en stivens studearre om de frekwinsje-sensitiviteit fan' e massa te studearjen.Dêrnei waarden frekwinsjes fan 'e folchoarder fan hûnderten kilohertz keazen, en de pleatslike tapassing fan trillingsstress yn' e tumoromjouwing mei in medyske needle drive waard modeleare yn numerike simulaasje troch it bestudearjen fan 'e ynfloed fan' e wichtichste ûntwerpparameters dy't de oerdracht fan 'e akoestyske bepale macht fan it ynstrumint foar it miljeu.De resultaten litte sjen dat medyske needles effektyf kinne wurde brûkt om weefsels te bestralen mei echografie, en har yntinsiteit is nau besibbe oan de geometryske parameter fan 'e needle, neamd de wurkjende akoestyske golflingte.Yn feite, de yntinsiteit fan bestraling troch it weefsel nimt ta mei tanimmende ynterne diameter fan de needle, it berikken fan in maksimum as de diameter is trije kear de golflingte.De lingte fan 'e naald jout ek in mate fan frijheid om eksposysje te optimalisearjen.It lêste resultaat wurdt yndie maksimalisearre as de needellange is ynsteld op in bepaald mearfâld fan 'e operearjende golflingte (spesifyk 4 en 6).Nijsgjirrich, foar it frekwinsjeberik fan belang binne de optimalisearre diameter- en lingtewearden ticht by dyjingen dy't gewoanlik brûkt wurde foar standert kommersjele needles.De bevelhoeke, dy't de skerpte fan 'e needel bepaalt, beynfloedet ek de emissiviteit, peaking op sawat 50 ° en leveret goede prestaasjes op sawat 10 °, dy't gewoanlik brûkt wurdt foar kommersjele needles..Simulaasjeresultaten sille wurde brûkt om de ymplemintaasje en optimisaasje fan it ynterneedle-diagnostykplatfoarm fan it sikehûs te begelieden, diagnostyske en terapeutyske echografie te yntegrearjen mei oare terapeutyske oplossingen yn it apparaat en it realisearjen fan gearwurkjende yntervinsjes foar presys medisinen.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E, Kopp MV. What is precision medicine?Eur, bûtenlânske.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS en Varmus, H. Nije inisjativen yn precision medisinen.N. eng.J. Medicine.372, 793-795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK en Wang, MD.Biomedical Imaging Informatics yn 'e Precision Medicine Era: Achievements, Challenges, and Opportunities.Jam.medisinen.ynformearje.Assistant professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway LA, Verweij J, Ballman KV Precision oncology: a review.J. Klinysk.Oncol.31, 1803-1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., and Salem, A.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G, von Daimling A. Glioblastoma: pathology, molecular mechanisms and markers.Acta Neuropathology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM en Berger, MS Aktuele en takomstige strategyen foar de behanneling fan glioma.neurosurgery.Ed.40, 1–14 (2017).