Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Slayt başına üç makale gösteren kaydırıcılar.Slaytlar arasında ilerlemek için geri ve ileri düğmelerini veya her slaytta ilerlemek için sondaki slayt denetleyici düğmelerini kullanın.
Fizik ve yaşam bilimlerinin disiplinler arası kesişimine dayanan, hassas tıbbı temel alan tanı ve tedavi stratejileri, yeni mühendislik yöntemlerinin başta onkoloji olmak üzere tıbbın birçok alanında pratik olarak uygulanabilirliği nedeniyle son zamanlarda oldukça ilgi çekmektedir.Bu çerçevede, ultrasonun tümörlerdeki kanser hücrelerine saldırarak çeşitli ölçeklerde olası mekanik hasara yol açmak amacıyla kullanılması, dünya çapında bilim adamlarının giderek artan ilgisini çekmektedir.Bu faktörleri hesaba katarak, elastodinamik zamanlama çözümleri ve sayısal simülasyonlara dayanarak, yerel ışınlamayla uygun frekansları ve güçleri seçmek için dokularda ultrason yayılımının bilgisayar simülasyonuna ilişkin bir ön çalışma sunuyoruz.Hastane iğnesi olarak adlandırılan ve halihazırda patentli olan On-Fiber teknolojisi laboratuvarı için yeni teşhis platformu.Analiz sonuçlarının ve ilgili biyofiziksel anlayışların, fizik alanlarından yararlanarak gelecekte hassas tıbbın uygulanmasında merkezi bir rol oynayabilecek yeni entegre teşhis ve tedavi yaklaşımlarının önünü açabileceğine inanılıyor.Biyoloji arasında büyüyen bir sinerji başlıyor.
Çok sayıda klinik uygulamanın optimizasyonuyla birlikte hastalar üzerindeki yan etkilerin azaltılması ihtiyacı da yavaş yavaş ortaya çıkmaya başladı.Bu amaçla hassas tıp1, 2, 3, 4, 5, esas olarak iki ana yaklaşımı izleyerek hastalara verilen ilaçların dozunu azaltmak için stratejik bir hedef haline gelmiştir.Birincisi hastanın genomik profiline göre tasarlanmış bir tedaviye dayanmaktadır.Onkolojide altın standart haline gelen ikincisi, az miktarda ilaç salmaya çalışarak sistemik ilaç dağıtım prosedürlerinden kaçınmayı ve aynı zamanda lokal terapi kullanımıyla doğruluğu artırmayı amaçlamaktadır.Nihai amaç, kemoterapi veya radyonüklitlerin sistemik uygulanması gibi birçok terapötik yaklaşımın olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak veya en azından en aza indirmektir.Kanserin türüne, konumuna, radyasyon dozuna ve diğer faktörlere bağlı olarak radyasyon terapisinin bile sağlıklı dokulara yönelik yüksek bir doğal riski olabilir.Glioblastoma tedavisinde6,7,8,9 cerrahi, altta yatan kanseri başarılı bir şekilde ortadan kaldırır, ancak metastaz yokluğunda bile birçok küçük kanserli sızıntı mevcut olabilir.Tamamen çıkarılmazlarsa nispeten kısa bir süre içinde yeni kanserli kitleler büyüyebilir.Bu bağlamda yukarıda bahsedilen hassas tıp stratejilerinin uygulanması zordur çünkü bu sızıntıların tespit edilmesi ve geniş bir alana yayılması zordur.Bu bariyerler, hassas ilaç kullanımıyla herhangi bir nüksün önlenmesinde kesin sonuçlar alınmasını engellediğinden, kullanılan ilaçların toksisitesi çok yüksek düzeyde olabilse de bazı durumlarda sistemik dağıtım yöntemleri tercih edilmektedir.Bu sorunun üstesinden gelmek için ideal tedavi yaklaşımı, sağlıklı dokuyu etkilemeden kanser hücrelerine seçici olarak saldırabilen minimal invaziv stratejilerin kullanılması olacaktır.Bu argümanın ışığında kanserli ve sağlıklı hücreleri farklı şekilde etkilediği gösterilen ultrasonik titreşimlerin hem tek hücreli sistemlerde hem de orta ölçekli heterojen kümelerde kullanılması olası bir çözüm gibi görünüyor.
Mekanik açıdan bakıldığında sağlıklı ve kanserli hücreler aslında farklı doğal rezonans frekanslarına sahiptir.Bu özellik, kanser hücrelerinin hücre iskeleti yapısının mekanik özelliklerindeki onkogenik değişikliklerle ilişkilidir12,13, tümör hücreleri ise ortalama olarak normal hücrelere göre daha fazla deforme olabilir.Bu nedenle, stimülasyon için optimum ultrason frekansı seçimiyle, seçilen bölgelerde oluşturulan titreşimler, canlı kanserli yapılara zarar vererek, konağın sağlıklı ortamı üzerindeki etkiyi en aza indirebilir.Henüz tam olarak anlaşılmayan bu etkiler, ultrasonun neden olduğu yüksek frekanslı titreşimler (prensipte litotripsiye çok benzer14) nedeniyle belirli hücresel yapısal bileşenlerin tahribatını ve mekanik yorulmaya benzer bir fenomen nedeniyle hücresel hasarı da içerebilir ve bu da hücresel yapıyı değiştirebilir. .programlama ve mekanobiyoloji.Bu teorik çözüm her ne kadar çok uygun gibi görünse de yankısız biyolojik yapıların ultrasonun doğrudan uygulanmasını engellediği durumlarda, örneğin intrakranyal uygulamalarda kemik varlığı nedeniyle ve bazı meme tümör kitlelerinin yağ dokusunda yer aldığı durumlarda ne yazık ki kullanılamamaktadır. doku.Zayıflatma potansiyel terapötik etki alanını sınırlayabilir.Bu sorunların üstesinden gelmek için ultrasonun, ışınlanmış bölgeye mümkün olduğunca az invazif bir şekilde ulaşabilen özel olarak tasarlanmış dönüştürücüler ile lokal olarak uygulanması gerekir.Bunu aklımızda tutarak, “iğne hastanesi”15 adı verilen yenilikçi bir teknolojik platform yaratma olasılığına ilişkin fikirleri kullanma olasılığını değerlendirdik.“İğnedeki Hastane” konsepti, çeşitli fonksiyonların tek bir tıbbi iğnede kombinasyonuna dayanan, teşhis ve tedavi uygulamaları için minimal invaziv bir tıbbi cihazın geliştirilmesini içerir.Hastane İğnesi bölümünde daha ayrıntılı olarak tartışıldığı gibi, bu kompakt cihaz öncelikle özellikleri nedeniyle standart 20'ye takılmaya uygun olan 16, 17, 18, 19, 20, 21 fiber optik probların avantajlarına dayanmaktadır. tıbbi iğneler, 22 lümen.Lab-on-Fiber (LOF)23 teknolojisinin sağladığı esneklikten yararlanan fiber, sıvı biyopsisi ve doku biyopsisi cihazları da dahil olmak üzere minyatür ve kullanıma hazır teşhis ve tedavi cihazları için etkili bir şekilde benzersiz bir platform haline geliyor.biyomoleküler tespit24,25, ışık rehberliğinde lokal ilaç dağıtımı26,27, yüksek hassasiyetli lokal ultrason görüntüleme28, termal tedavi29,30 ve spektroskopiye dayalı kanser dokusu tanımlamasında31.Bu konsept dahilinde, "hastanedeki iğne" cihazını temel alan bir lokalizasyon yaklaşımı kullanarak, ilgilenilen bölgedeki ultrason dalgalarını uyarmak için ultrason dalgalarının iğneler aracılığıyla yayılmasını kullanarak yerleşik biyolojik yapıların lokal uyarılmasının optimize edilmesi olasılığını araştırıyoruz..Böylece, düşük yoğunluklu terapötik ultrason, yumuşak dokulardaki hücreleri ve küçük katı oluşumları sonikasyona uğratmak için minimum invazivlik ile riskli bölgeye doğrudan uygulanabilir; yukarıda bahsedilen intrakranyal cerrahide olduğu gibi, kafatasına küçük bir delik açılması gerekir. iğne.Ultrasonun belirli kanserlerin gelişimini durdurabileceğini veya geciktirebileceğini öne süren güncel teorik ve deneysel sonuçlardan ilham alan32,33,34 önerilen yaklaşım, en azından prensipte agresif ve iyileştirici etkiler arasındaki temel dengelerin ele alınmasına yardımcı olabilir.Bu hususları akılda tutarak, bu yazıda, kanser için minimal invazif ultrason tedavisi için hastane içi iğne cihazının kullanılma olasılığını araştırıyoruz.Daha doğrusu, Büyümeye Bağlı Ultrason Frekansını Tahmin Etmek için Küresel Tümör Kitlelerinin Saçılma Analizi bölümünde, elastik bir ortamda büyüyen küresel katı tümörlerin boyutunu tahmin etmek için köklü elastodinamik yöntemler ve akustik saçılma teorisini kullanıyoruz.Malzemenin büyümeye bağlı olarak yeniden şekillenmesi nedeniyle tümör ile konak doku arasında meydana gelen sertlik.“İğnedeki Hastane” adını verdiğimiz sistemimizi “İğnedeki Hastane” bölümünde anlattıktan sonra, ultrasonik dalgaların tıbbi iğneler aracılığıyla öngörülen frekanslarda yayılmasını ve sayısal modelinin çalışma ortamını ışınlamasını analiz ediyoruz. enstrümanın akustik gücünün iletimini etkileyen ana geometrik parametreler (iğnenin gerçek iç çapı, uzunluğu ve keskinliği).Hassas tıp için yeni mühendislik stratejileri geliştirme ihtiyacı göz önüne alındığında, önerilen çalışmanın, ultrasonu diğer çözümlerle birleştiren entegre bir teragnostik platform aracılığıyla iletilen ultrason kullanımına dayalı, kanser tedavisi için yeni bir araç geliştirilmesine yardımcı olabileceğine inanılmaktadır.Hedeflenen ilaç dağıtımı ve gerçek zamanlı teşhis gibi özelliklerin tek bir iğnede birleştirilmesi.
Ultrasonik (ultrason) stimülasyon kullanarak lokalize katı tümörlerin tedavisi için mekanik stratejiler sağlamanın etkinliği, düşük yoğunluklu ultrasonik titreşimlerin tek hücreli sistemler üzerindeki etkisini hem teorik hem de deneysel olarak ele alan birçok makalenin hedefi olmuştur 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Viskoelastik modelleri kullanan birçok araştırmacı, tümör ve sağlıklı hücrelerin, ABD 10,11,12 aralığında farklı rezonans zirveleri ile karakterize edilen farklı frekans yanıtları sergilediğini analitik olarak göstermiştir.Bu sonuç, prensipte tümör hücrelerinin, konakçı ortamını koruyan mekanik uyaranlar tarafından seçici olarak saldırıya uğrayabileceğini göstermektedir.Bu davranış, çoğu durumda tümör hücrelerinin, muhtemelen çoğalma ve göç etme yeteneklerini arttırmak için sağlıklı hücrelere göre daha şekillendirilebilir olduğuna dair temel kanıtların doğrudan bir sonucudur37,38,39,40.Tek hücre modelleriyle, örneğin mikro ölçekte elde edilen sonuçlara dayanarak, kanser hücrelerinin seçiciliği, heterojen hücre agregatlarının harmonik tepkilerine ilişkin sayısal çalışmalar yoluyla orta ölçekte de gösterilmiştir.Farklı yüzdelerde kanser hücreleri ve sağlıklı hücreler sağlayan, yüzlerce mikrometre büyüklüğünde çok hücreli agregatlar hiyerarşik olarak oluşturuldu.Bu agregatların orta seviyesinde, tek hücrelerin mekanik davranışını karakterize eden ana yapısal elemanların doğrudan uygulanması nedeniyle ilgi çekici bazı mikroskobik özellikler korunur.Özellikle her hücre, çeşitli öngerilmeli hücre iskeleti yapılarının tepkisini taklit etmek için gerginliğe dayalı bir mimari kullanır ve böylece genel sertliklerini etkiler12,13.Yukarıdaki literatürün teorik tahminleri ve in vitro deneyleri, tümör kitlelerinin düşük yoğunluklu terapötik ultrasona (LITUS) duyarlılığının araştırılması gerektiğini ve tümör kitlelerinin ışınlanma sıklığının değerlendirilmesinin çok önemli olduğunu gösteren cesaret verici sonuçlar vermiştir.LITUS'u yerinde uygulama için konumlandırın.
Bununla birlikte, doku düzeyinde, bireysel bileşenin submakroskopik tanımı kaçınılmaz olarak kaybolur ve tümör dokusunun özellikleri, kütle büyümesini ve stres kaynaklı yeniden modelleme süreçlerini izlemek için sıralı yöntemler kullanılarak, makroskobik etkileri hesaba katarak izlenebilir. büyüme.41.42 ölçeğinde doku elastikiyetinde kaynaklı değişiklikler.Gerçekte, tek hücreli ve agregat sistemlerden farklı olarak, katı tümör kitleleri, genel intratümöral sertlikteki artışa bağlı olarak doğal mekanik özellikleri değiştiren anormal artık gerilimlerin kademeli olarak birikmesi nedeniyle yumuşak dokularda büyür ve tümör sklerozu sıklıkla belirleyici bir faktör haline gelir. tümör tespiti.
Bu hususları akılda tutarak, burada normal bir doku ortamında büyüyen elastik küresel kapanımlar olarak modellenen tümör küresellerinin sonodinamik tepkisini analiz ediyoruz.Daha kesin olarak, tümörün evresiyle ilişkili elastik özellikler, bazı yazarlar tarafından önceki çalışmalarda elde edilen teorik ve deneysel sonuçlara dayanarak belirlendi.Bunlar arasında, heterojen ortamda in vivo olarak yetiştirilen katı tümör küresellerinin evrimi, tümör kitlelerinin ve ilişkili intratumoral stresin gelişimini tahmin etmek için türler arası dinamiklerle birlikte doğrusal olmayan mekanik modeller 41,43,44 uygulanarak incelenmiştir.Yukarıda bahsedildiği gibi büyüme (örn. elastik olmayan öngerilme) ve artık stres, tümör materyalinin özelliklerinin ilerleyici şekilde yeniden şekillenmesine neden olur, dolayısıyla akustik tepkisini de değiştirir.Ref.'de bunu not etmek önemlidir.41 Tümörlerde büyüme ve katı stresin birlikte evrimi, hayvan modellerinde yapılan deneysel kampanyalarda gösterilmiştir.Özellikle, farklı aşamalarda rezeke edilen meme tümörü kitlelerinin sertliğinin, aynı boyutlara sahip küresel bir sonlu eleman modelinde benzer koşulların silico'da yeniden üretilmesiyle elde edilen sertlikle ve tahmin edilen artık stres alanını hesaba katarak elde edilen sertlikle karşılaştırılması, önerilen rezidüel stres alanını dikkate alarak önerilen yöntemi doğruladı. model geçerliliği..Bu çalışmada, daha önce elde edilen teorik ve deneysel sonuçlar, yeni geliştirilen bir terapötik strateji geliştirmek için kullanılmıştır.Özellikle, karşılık gelen evrimsel direnç özelliklerine sahip tahmin edilen boyutlar burada hesaplandı ve bu sayede, konakçı ortamına gömülü tümör kitlelerinin daha duyarlı olduğu frekans aralıklarını tahmin etmek için kullanıldı.Bu amaçla, ultrasonik uyaranlara yanıt olarak genel kabul görmüş saçılma ilkesine uygun olarak akustik göstergeleri dikkate alarak ve sferoidin olası rezonans fenomenini vurgulayarak, tümör kütlesinin farklı aşamalarda, farklı aşamalarda alınan dinamik davranışını araştırdık. .tümöre ve konakçıya bağlı Dokular arasındaki sertlikte büyümeye bağlı farklılıklar.
Böylece, tümör kitleleri, büyük malign yapıların yerinde küresel şekillerde nasıl büyüdüğünü gösteren deneysel verilere dayanarak, konakçıyı çevreleyen elastik ortamda yarıçapı \(a\) olan elastik küreler olarak modellendi.Şekil 1'e atıfta bulunarak, \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) küresel koordinatlarını kullanarak (burada \(\theta\) ve \(\varphi\) sırasıyla anormallik açısını ve azimut açısını temsil eder), tümör alanı sağlıklı uzayda gömülü Bölgeyi kaplar \({\mathcal {V}}__{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) sınırsız bölge \({\mathcal { V} _{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Birçok literatürde45,46,47,48 rapor edilen köklü elastodinamik temele dayanan matematiksel modelin tam bir açıklaması için Ek Bilgilere (SI) atıfta bulunarak, burada eksenel simetrik salınım modu ile karakterize edilen bir sorunu ele alıyoruz.Bu varsayım, tümör ve sağlıklı bölgelerdeki tüm değişkenlerin azimut koordinatından \(\varphi\) bağımsız olduğunu ve bu yönde herhangi bir bozulmanın meydana gelmediğini ima etmektedir.Sonuç olarak, yer değiştirme ve gerilim alanları iki skaler potansiyelden elde edilebilir \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) ve \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , bunlar sırasıyla bir boyuna dalga ve bir kayma dalgası ile ilişkili, dalgalanma \(\theta \) arasındaki çakışma süresi t ve gelen dalganın yönü ile konum vektörü \({\mathbf {x))\) arasındaki açı ( şekil 1'de gösterildiği gibi ve \(\omega = 2\pi f\) açısal frekansı temsil eder.Özellikle, gelen alan, cismin hacmine yayılan düzlem dalgası \(\phi_{H}^{(in)}\) (ayrıca SI sisteminde denklem (A.9) ile tanıtılmıştır) tarafından modellenir. yasa ifadesine göre
burada \(\phi_{0}\) genlik parametresidir.Gelen bir düzlem dalganın (1) küresel bir dalga fonksiyonu kullanılarak küresel olarak genişlemesi standart argümandır:
Burada \(j_{n}\) birinci türden \(n\) küresel Bessel fonksiyonudur ve \(P_{n}\) Legendre polinomudur.Yatırım küresinin gelen dalgasının bir kısmı çevredeki ortama dağılır ve gelen alanla örtüşür, diğer kısmı ise kürenin içine dağılarak titreşimine katkıda bulunur.Bunu yapmak için dalga denkleminin harmonik çözümleri \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) ve \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), örneğin Eringen45 tarafından sağlanmıştır (ayrıca bkz. SI ) tümör ve sağlıklı bölgeleri gösterebilir.Özellikle, konakçı ortamda \(H\) üretilen dağınık genişleme dalgaları ve izovolümik dalgalar, ilgili potansiyel enerjilerini kabul eder:
Bunlar arasında, giden dağınık dalgayı dikkate almak için birinci türden küresel Hankel fonksiyonu \(h_{n}^{(1)}\) kullanılır ve \(\alpha_{n}\) ve \(\beta_{ n}\ ) bilinmeyen katsayılardır.denklemde.Denklemler (2)–(4), \(k_{H1}\) ve \(k_{H2}\) terimleri sırasıyla gövdenin ana bölgesindeki seyrekleşme ve enine dalgaların dalga sayılarını belirtir ( bkz. SI).Tümör içindeki sıkıştırma alanları ve kaymalar şu şekildedir:
Burada \(k_{T1}\) ve \(k_{T2}\) tümör bölgesindeki boyuna ve enine dalga sayılarını temsil eder ve bilinmeyen katsayılar \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) olur, \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Bu sonuçlara dayanarak, sıfır olmayan radyal ve çevresel yer değiştirme bileşenleri, ele alınan problemdeki \(u_{Hr}\) ve \(u_{H\theta}\) (\(u_{) gibi sağlıklı bölgelerin karakteristiğidir. H\ varphi }\ ) simetri varsayımına artık gerek yoktur) - \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) ilişkisinden elde edilebilir } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) ve \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) ve \'yi oluşturarak \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (ayrıntılı matematiksel türetme için SI'ya bakın).Benzer şekilde, \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) ve \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\)'nin değiştirilmesi, {Tr} = \partial_{r} sonucunu verir \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) ve \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Sol) Bir olay alanının yayıldığı sağlıklı bir ortamda büyüyen küresel bir tümörün geometrisi, (sağ) Tümör yarıçapının bir fonksiyonu olarak tümör-konakçı sertlik oranının ilgili evrimi, rapor edilen veriler (Carotenuto ve ark. 41'den uyarlanmıştır) in vitro kompresyon testlerinden MDA-MB-231 hücreleri ile aşılanmış katı meme tümörlerinden elde edildi.
Doğrusal elastik ve izotropik malzemeler varsayıldığında, sağlıklı ve tümör bölgelerindeki sıfır olmayan gerilim bileşenleri, yani \(\sigma_{Hpq}\) ve \(\sigma_{Tpq}\) - genelleştirilmiş Hooke yasasına uyun; konakçı ve tümör elastikiyetini karakterize eden, \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) ve \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ olarak gösterilen farklı Lamé modülleridir. {T} \ }\) (SI'de temsil edilen gerilim bileşenlerinin tam ifadesi için Denklem (A.11)'e bakınız).Özellikle referans 41'deki ve Şekil 1'de sunulan verilere göre, büyüyen tümörler doku elastikiyet sabitlerinde bir değişiklik gösterdi.Böylece, konakçı ve tümör bölgelerindeki yer değiştirmeler ve gerilimler, bir dizi bilinmeyen sabite kadar tamamen belirlenir \({{ \varvec{\upxi}}__{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) teorik olarak sonsuz boyutlara sahiptir.Bu katsayı vektörlerini bulmak için tümör ile sağlıklı alanlar arasında uygun arayüzler ve sınır koşulları tanıtılmaktadır.Tümör-konakçı arayüzünde \(r = a\) mükemmel bağlanma varsayılırsa, yer değiştirmelerin ve gerilimlerin sürekliliği aşağıdaki koşulları gerektirir:
Sistem (7) sonsuz çözümlere sahip bir denklem sistemi oluşturur.Ek olarak, her sınır koşulu anomaliye \(\theta\) bağlı olacaktır.Sınır değeri problemini, her biri bilinmeyen \({{\varvec{\upxi}}}__{n} = \{ \alpha_ içinde olan \(N\) kapalı sistem kümesiyle tam bir cebirsel probleme indirgemek için {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \__{n = 0,…,N}\) (\ ( N \ ile) teorik olarak) ve denklemlerin trigonometrik terimlere bağımlılığını ortadan kaldırmak için arayüz koşulları Legendre polinomlarının dikliği kullanılarak zayıf formda yazılmıştır.Özellikle, (7)1,2 ve (7)3,4 denklemleri \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) ve \(P_{n}^{ ile çarpılır. 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ve ardından matematiksel özdeşlikleri kullanarak \(0\) ve \(\pi\) arasında integral alın:
Böylece, arayüz koşulu (7), matris biçiminde \({\mathbb{D}} _{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} olarak ifade edilebilen ikinci dereceden bir cebirsel denklem sistemi döndürür. } _{ n} = {\mathbf{q}__{n} (a)\) ve Cramer kuralını çözerek bilinmeyen \({{\varvec{\upxi}}}__{n}\ ) değerini elde edin.
Küre tarafından saçılan enerji akışını tahmin etmek ve ana ortamda yayılan dağınık alan hakkındaki verilere dayanarak akustik tepkisi hakkında bilgi elde etmek için, normalleştirilmiş bir bistatik saçılma kesiti olan akustik bir miktar ilgi çekicidir.Özellikle, \(s) olarak gösterilen saçılma kesiti, saçılan sinyal tarafından iletilen akustik güç ile gelen dalga tarafından taşınan enerjinin bölünmesi arasındaki oranı ifade eder.Bu bağlamda, şekil fonksiyonunun büyüklüğü \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) akustik mekanizmaların incelenmesinde sıklıkla kullanılan bir niceliktir. sıvı ya da katı bir maddeye gömülü Tortudaki nesnelerin saçılması.Daha kesin olarak, şekil fonksiyonunun genliği, birim alan başına diferansiyel saçılma kesiti \(ds\) olarak tanımlanır; bu, gelen dalganın yayılma yönünün normaline göre farklılık gösterir:
burada \(f_{n}^{pp}\) ve \(f_{n}^{ps}\) modal fonksiyonu belirtir; bu, boylamsal dalganın ve saçılan dalganın güçlerinin, Alıcı ortamdaki olay P-dalgası sırasıyla aşağıdaki ifadelerle verilmiştir:
Kısmi dalga fonksiyonları (10), farklı modları incelerken hedef esnekliğini toplam kaçak alandan ayırmayı mümkün kılan rezonans saçılma teorisine (RST)49,50,51,52 uygun olarak bağımsız olarak incelenebilir.Bu yönteme göre, modal form işlevi iki eşit parçanın toplamına ayrıştırılabilir: \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) sırasıyla rezonanslı ve rezonanssız arka plan genlikleri ile ilgilidir.Rezonans modunun şekil fonksiyonu hedefin tepkisi ile ilişkili iken arka plan genellikle saçıcının şekli ile ilgilidir.Her mod için hedefin ilk formantını tespit etmek için modal rezonans şekil fonksiyonunun genliği \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) elastik bir ana malzeme içindeki geçilemez kürelerden oluşan sert bir arka plan varsayılarak hesaplanır.Bu hipotez, genel olarak, artık kompresyon stresi nedeniyle tümör kütlesinin büyümesiyle hem sertliğin hem de yoğunluğun artması gerçeğiyle motive edilir.Bu nedenle, ciddi bir büyüme seviyesinde, yumuşak dokuda gelişen çoğu makroskopik katı tümör için empedans oranının \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) 1'den büyük olması beklenir. Dokular.Örneğin Krouskop ve ark.53 prostat dokusu için kanser modülünün normal modüle oranının yaklaşık 4 olduğunu bildirmiş, meme dokusu örneklerinde ise bu değer 20'ye çıkmıştır.Bu ilişkiler, elastografi analizi54,55,56 tarafından da gösterildiği gibi kaçınılmaz olarak dokunun akustik empedansını değiştirir ve tümör hiperproliferasyonunun neden olduğu lokalize doku kalınlaşmasıyla ilişkili olabilir.Bu fark, farklı aşamalarda büyüyen göğüs tümör bloklarının basit sıkıştırma testleriyle deneysel olarak da gözlemlenmiştir32 ve malzemenin yeniden modellenmesi, doğrusal olmayan şekilde büyüyen tümörlerin tahmine dayalı çapraz tür modelleri ile iyi bir şekilde takip edilebilir43,44.Elde edilen sertlik verileri, katı tümörlerin Young modülünün \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ formülüne göre gelişimi ile doğrudan ilişkilidir. varepsilon\ )( Şekil 1'de gösterildiği gibi yarıçapı \(a\), sertliği \(S\) ve iki sert plaka (57) arasındaki Poisson oranı \(\nu\) olan küreler).Böylece tümörün ve konakçının farklı büyüme seviyelerindeki akustik empedans ölçümlerini elde etmek mümkündür.Özellikle, Şekil 1'deki 2 kPa'ya eşit normal doku modülü ile karşılaştırıldığında, yaklaşık 500 ila 1250 mm3 hacim aralığındaki göğüs tümörlerinin elastik modülü, yaklaşık 10 kPa'dan 16 kPa'ya bir artışla sonuçlandı; bildirilen verilerle tutarlıdır.58, 59 numaralı referanslarda göğüs dokusu numunelerindeki basıncın, ön sıkıştırmanın ortadan kalkmasıyla 0,25–4 kPa olduğu bulunmuştur.Ayrıca neredeyse sıkıştırılamaz bir doku için Poisson oranının 41,60 olduğunu varsayalım; bu, hacim arttıkça doku yoğunluğunun önemli ölçüde değişmediği anlamına gelir.Özellikle ortalama kütlesel nüfus yoğunluğu \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 kullanılır.Bu düşüncelerle, aşağıdaki ifadeyi kullanarak sertlik bir arka plan moduna bürünebilir:
Bilinmeyen sabit \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) süreklilik dikkate alınarak hesaplanabildiğinde önyargı ( 7 )2,4, yani cebirsel sistemi çözerek \(\widehat{{\mathbb{D}}}__{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}__{n} (a)\) reşit olmayanları içeriyor\(\widehat{{\mathbb{D}}}__{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}__{n} (a)\__{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ve karşılık gelen basitleştirilmiş sütun vektörü\(\widehat { {\mathbf {q}}} _{n} (а)\) Denklem (11) ile ilgili temel bilgileri sağlar; geri saçılım rezonans modu fonksiyonunun iki genliği \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) ve \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) sırasıyla P dalgası uyarılmasını ve P ve S dalgası yansımasını ifade eder.Ayrıca, ilk genlik \(\theta = \pi\), ikinci genlik ise \(\theta = \pi/4\) olarak tahmin edildi.Çeşitli kompozisyon özelliklerini yükleyerek.Şekil 2, çapı yaklaşık 15 mm'ye kadar olan tümör küremlerinin rezonans özelliklerinin esas olarak 50-400 kHz frekans bandında yoğunlaştığını göstermektedir; bu, rezonans tümör uyarımını tetiklemek için düşük frekanslı ultrason kullanma olasılığını gösterir.hücreler.Birçok.Bu frekans bandında, RST analizi, Şekil 3'te vurgulanan, 1'den 6'ya kadar olan modlar için tek modlu formantları ortaya çıkarmıştır. Burada, hem pp- hem de ps-dağınık dalgalar, çok düşük frekanslarda meydana gelen, birinci türden formantları göstermektedir. mod 1 için yaklaşık 20 kHz ila n = 6 için yaklaşık 60 kHz, küre yarıçapında önemli bir fark göstermez.Rezonans fonksiyonu ps daha sonra azalırken, büyük genlikli pp formantlarının kombinasyonu yaklaşık 60 kHz'lik bir periyodiklik sağlar ve artan mod sayısıyla daha yüksek bir frekans kayması gösterir.Tüm analizler Mathematica®62 bilgisayar yazılımı kullanılarak yapıldı.
Farklı boyutlardaki göğüs tümörlerinin modülünden elde edilen geri saçılım form fonksiyonları, mod süperpozisyonu dikkate alınarak en yüksek saçılma bantlarının vurgulandığı Şekil 1'de gösterilmektedir.
\(n = 1\) ila \(n = 6\) arasında seçilen modların rezonansları, P dalgasının farklı tümör boyutlarında uyarılması ve yansıması üzerine hesaplanır (\(\left | {f_{ n} ^'den siyah eğriler) {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) ve P-dalgası uyarımı ve S-dalgası yansıması (modal şekil fonksiyonu tarafından verilen gri eğriler \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Uzak alan yayılma koşullarını kullanan bu ön analizin sonuçları, mikro titreşim geriliminin kütle üzerindeki etkisini incelemek için aşağıdaki sayısal simülasyonlarda sürücüye özgü tahrik frekanslarının seçimine rehberlik edebilir.Sonuçlar, optimal frekansların kalibrasyonunun tümör büyümesi sırasında aşamaya özgü olabileceğini ve doku yeniden şekillenmesini doğru bir şekilde tahmin etmek için hastalık terapisinde kullanılan biyomekanik stratejileri oluşturmak için büyüme modellerinin sonuçları kullanılarak belirlenebileceğini göstermektedir.
Nanoteknolojideki önemli ilerlemeler, bilim camiasını in vivo uygulamalar için minyatür ve minimal invaziv tıbbi cihazlar geliştirmeye yönelik yeni çözümler ve yöntemler bulmaya yönlendiriyor.Bu bağlamda LOF teknolojisi, optik fiberlerin yeteneklerini genişletme konusunda dikkate değer bir yetenek göstererek yaşam bilimleri uygulamaları için yeni minimal invaziv fiber optik cihazların geliştirilmesine olanak sağlamıştır21, 63, 64, 65. 2D ve 3D malzemeleri entegre etme fikri Optik fiberlerin yanlarında (25) ve/veya uçlarında (64) arzu edilen kimyasal, biyolojik ve optik özelliklere sahip, nano ölçekte tam uzaysal kontrole sahip fiber optik nanooptodlar, yeni bir fiber optik nanooptod sınıfının ortaya çıkmasına yol açar.geniş bir teşhis ve tedavi fonksiyonu yelpazesine sahiptir.İlginç bir şekilde, geometrik ve mekanik özellikleri (küçük kesit, büyük en-boy oranı, esneklik, düşük ağırlık) ve malzemelerin (genellikle cam veya polimerler) biyouyumluluğu nedeniyle optik fiberler, iğnelere ve kateterlere yerleştirilmeye çok uygundur.Tıbbi uygulamalar20 yeni bir “iğne hastanesi” vizyonunun önünü açıyor (bkz. Şekil 4).
Aslında, LOF teknolojisinin sağladığı serbestlik dereceleri nedeniyle, çeşitli metalik ve/veya dielektrik malzemelerden yapılan mikro ve nanoyapıların entegrasyonu kullanılarak optik fiberler, genellikle rezonans modu uyarımını destekleyen belirli uygulamalar için uygun şekilde işlevselleştirilebilir., Işık alanı (21) güçlü bir şekilde konumlandırılmıştır.Işığın dalga boyu altı ölçekte tutulması, genellikle kimyasal ve/veya biyolojik işleme63 ile kombinasyon halinde ve akıllı polimerler65,66 gibi hassas malzemelerin entegrasyonu, ışık ve maddenin etkileşimi üzerindeki kontrolü artırabilir ve bu da terapötik amaçlar için faydalı olabilir.Entegre bileşenlerin/malzemelerin türü ve boyutunun seçimi açıkça tespit edilecek fiziksel, biyolojik veya kimyasal parametrelere bağlıdır21,63.
LOF problarının vücuttaki belirli bölgelere yönlendirilen tıbbi iğnelere entegrasyonu, in vivo olarak lokal sıvı ve doku biyopsilerine olanak tanıyacak, eşzamanlı lokal tedaviye olanak tanıyacak, yan etkileri azaltacak ve verimliliği artıracaktır.Potansiyel fırsatlar arasında kanser de dahil olmak üzere dolaşımdaki çeşitli biyomoleküllerin tespiti yer almaktadır.biyobelirteçler veya mikroRNA'lar (miRNA'lar)67, kanserli dokuların Raman spektroskopisi (SERS)31 gibi doğrusal ve doğrusal olmayan spektroskopi kullanılarak tanımlanması22,28,68, lazer cerrahisi ve ablasyon69 ve ışık27 ve lokal ilaç dağıtımını kullanarak İğnelerin insan vücuduna otomatik olarak yönlendirilmesi20.Optik fiberlerin kullanılması, elektronik bileşenlere dayalı "klasik" yöntemlerin elektrik bağlantılarına duyulan ihtiyaç ve elektromanyetik parazitin varlığı gibi tipik dezavantajlarını ortadan kaldırmasına rağmen, bunun çeşitli LOF sensörlerinin etkin bir şekilde entegre edilmesine olanak tanıdığını belirtmekte fayda var. sistem.tek tıbbi iğne.Farklı işlevler arasında karışma etkisine neden olan kirlilik, optik girişim, fiziksel engeller gibi zararlı etkilerin azaltılmasına özellikle dikkat edilmelidir.Ancak bahsedilen fonksiyonların birçoğunun aynı anda aktif olmasının gerekmediği de bir gerçektir.Bu özellik, en azından parazitin azaltılmasını mümkün kılar, böylece her bir probun performansı ve prosedürün doğruluğu üzerindeki olumsuz etkiyi sınırlandırır.Bu düşünceler, "hastanedeki iğne" kavramını yaşam bilimlerindeki yeni nesil terapötik iğneler için sağlam bir temel oluşturmaya yönelik basit bir vizyon olarak görmemize olanak tanır.
Bu yazıda tartışılan spesifik uygulamayla ilgili olarak, bir sonraki bölümde tıbbi bir iğnenin, kendi ekseni boyunca yayılımını kullanarak ultrasonik dalgaları insan dokularına yönlendirme yeteneğini sayısal olarak araştıracağız.
Suyla doldurulmuş ve yumuşak dokulara yerleştirilen tıbbi bir iğne yoluyla ultrasonik dalgaların yayılması (Şekil 5a'daki diyagrama bakınız), iğne ve dokunun modellendiği sonlu elemanlar yöntemine (FEM)70 dayalı ticari Comsol Multiphysics yazılımı kullanılarak modellenmiştir. doğrusal elastik ortam olarak.
Şekil 5b'ye bakıldığında iğne, tıbbi iğneler için standart bir malzeme olan paslanmaz çelikten yapılmış içi boş bir silindir ("kanül" olarak da bilinir) olarak modellenmiştir71.Özellikle Young modülü E = 205 GPa, Poisson oranı ν = 0,28 ve yoğunluk ρ = 7850 kg m -372,73 ile modellenmiştir.Geometrik olarak iğne, L uzunluğu, D iç çapı ("açıklık" olarak da adlandırılır) ve duvar kalınlığı t ile karakterize edilir.Ayrıca iğnenin ucunun uzunlamasına yöne (z) göre bir α açısıyla eğimli olduğu kabul edilir.Suyun hacmi esas olarak iğnenin iç bölgesinin şekline karşılık gelir.Bu ön analizde, iğnenin, tüm simülasyonlar sırasında 85 mm'de sabit kalan, yarıçapı rs olan bir küre olarak modellenen (süresiz olarak uzandığı varsayılan) bir doku bölgesine tamamen daldırıldığı varsayılmıştır.Daha ayrıntılı olarak, küresel bölgeyi, en azından "hayali" sınırlardan yansıyan istenmeyen dalgaları azaltan, mükemmel şekilde eşleşen bir katmanla (PML) tamamlıyoruz.Daha sonra küresel alan sınırını iğneden hesaplamalı çözümü etkilemeyecek kadar uzağa ve simülasyonun hesaplama maliyetini etkilemeyecek kadar küçük yerleştirecek şekilde yarıçapı rs'yi seçtik.
Frekans f ve genlik A'nın harmonik uzunlamasına kayması, prob ucu geometrisinin alt sınırına uygulanır;bu durum simüle edilen geometriye uygulanan bir girdi uyarısını temsil eder.İğnenin geri kalan sınırlarında (doku ve su ile temas halinde), kabul edilen modelin, biri yapısal mekanikle (iğne alanı için) ilgili olan iki fiziksel olay arasındaki ilişkiyi içerdiği kabul edilir. diğeri yapısal mekaniğe.(iğnemsi bölge için), dolayısıyla karşılık gelen koşullar akustiğe (su ve iğnemsi bölge için)74 uygulanır.Özellikle iğne yuvasına uygulanan küçük titreşimler, küçük voltaj bozulmalarına neden olur;dolayısıyla iğnenin elastik bir ortam gibi davrandığını varsayarsak, yer değiştirme vektörü U elastodinamik denge denkleminden (Navier)75 tahmin edilebilir.İğnenin yapısal salınımları, içindeki su basıncında değişikliklere neden olur (modelimizde sabit olduğu kabul edilir), bunun sonucunda ses dalgaları, esas olarak Helmholtz denklemine76 uyarak iğnenin uzunlamasına yönünde yayılır.Son olarak dokulardaki doğrusal olmayan etkilerin ihmal edilebilir olduğu ve kayma dalgalarının genliğinin basınç dalgalarının genliğinden çok daha küçük olduğu varsayılarak Helmholtz denklemi yumuşak dokularda akustik dalgaların yayılımını modellemek için de kullanılabilir.Bu yaklaşımdan sonra doku, yoğunluğu 1000 kg/m3 ve ses hızı 1540 m/s olan (frekansa bağlı sönümleme etkileri göz ardı edilerek) bir sıvı77 olarak kabul edilir.Bu iki fiziksel alanı birbirine bağlamak için katı ve sıvı sınırında normal hareketin sürekliliğini, katı sınırına dik basınç ve gerilim arasındaki statik dengeyi ve katı sınırında teğetsel gerilim arasındaki statik dengeyi sağlamak gerekir. sıvı sıfıra eşit olmalıdır.75.
Analizimizde, iğne geometrisinin doku içindeki dalgaların emisyonu üzerindeki etkisine odaklanarak, sabit koşullar altında akustik dalgaların bir iğne boyunca yayılmasını araştırıyoruz.Özellikle, incelenen tüm durumlar için kalınlığı t'yi 500 µm'de sabit tutarak iğnenin iç çapının, L uzunluğunun ve eğim açısının α etkisini araştırdık.Bu t değeri, ticari iğneler için tipik standart duvar kalınlığına (71) yakındır.
Genelliği kaybetmeden, iğnenin tabanına uygulanan harmonik yer değiştirmenin frekansı f 100 kHz'e eşit, A genliği ise 1 μm olarak alınmıştır.Özellikle frekans 100 kHz'e ayarlandı; bu, tümör kitlelerinin rezonans benzeri bir davranışının bulunduğu "Büyümeye bağlı ultrason frekanslarını tahmin etmek için küresel tümör kütlelerinin saçılma analizi" bölümünde verilen analitik tahminlerle tutarlıdır. 50–400 kHz frekans aralığı, en büyük saçılma genliği 100–200 kHz civarındaki daha düşük frekanslarda yoğunlaşmıştır (bkz. Şekil 2).
İncelenen ilk parametre iğnenin iç çapı D idi.Kolaylık sağlamak amacıyla, iğnenin boşluğundaki akustik dalga uzunluğunun tam sayı kesri olarak tanımlanır (yani suda λW = 1,5 mm).Gerçekte, belirli bir geometri ile karakterize edilen cihazlarda (örneğin bir dalga kılavuzunda) dalga yayılımı olgusu sıklıkla, yayılan dalganın dalga boyuna kıyasla kullanılan geometrinin karakteristik boyutuna bağlıdır.Ek olarak, ilk analizde, D çapının akustik dalganın iğne boyunca yayılması üzerindeki etkisini daha iyi vurgulamak için, α = 90° açısını ayarlayarak düz bir uç düşündük.Bu analiz sırasında iğne uzunluğu L 70 mm'de sabitlendi.
Şek.Şekil 6a, boyutsuz ölçek parametresi SD'nin bir fonksiyonu olarak ortalama ses yoğunluğunu gösterir, yani karşılık gelen iğne ucu üzerinde merkezlenen 10 mm yarıçaplı bir küre içinde değerlendirilen D = λW/SD.Ölçeklendirme parametresi SD 2'den 6'ya değişir, yani D değerlerinin 7,5 mm'den 2,5 mm'ye kadar (f = 100 kHz'de) olduğunu düşünüyoruz.Bu seri aynı zamanda paslanmaz çelik tıbbi iğneler için standart 71 değerini de içermektedir.Beklendiği gibi iğnenin iç çapı, iğne tarafından yayılan sesin yoğunluğunu etkiler; maksimum değer (1030 W/m2) D = λW/3'e (yani D = 5 mm) karşılık gelir ve azaldıkça azalma eğilimi gösterir. çap.D çapının aynı zamanda bir tıbbi cihazın invazivliğini de etkileyen geometrik bir parametre olduğu dikkate alınmalıdır, dolayısıyla optimum değer seçilirken bu kritik husus göz ardı edilemez.Bu nedenle D'deki azalma, dokulardaki akustik yoğunluğun daha düşük iletimi nedeniyle meydana gelse de, aşağıdaki çalışmalar için çap D = λW/5, yani D = 3 mm (f = 100 kHz'de 11G71 standardına karşılık gelir) , cihazın müdahaleciliği ile ses yoğunluğu iletimi (ortalama yaklaşık 450 W/m2) arasında makul bir uzlaşma olarak kabul edilir.
İğnenin iç çapına (a), uzunluğuna (b) ve eğim açısına (α (c) bağlı olarak, iğnenin ucundan (düz kabul edilir) yayılan sesin ortalama yoğunluğu.(a, c)'deki uzunluk 90 mm, (b, c)'deki çap ise 3 mm'dir.
Analiz edilecek bir sonraki parametre L iğnesinin uzunluğudur. Önceki vaka çalışmasına göre eğik açıyı α = 90° olarak kabul ediyoruz ve uzunluk sudaki dalga boyunun katı olarak ölçekleniyor, yani L = SL λW olarak kabul ediyoruz .Boyutsuz ölçek parametresi SL, 3'ten 7'ye değiştirilerek, iğnenin ucundan yayılan sesin 4,5 ila 10,5 mm uzunluk aralığındaki ortalama şiddeti tahmin edilir.Bu aralık ticari iğneler için tipik değerleri içerir.Sonuçlar şekil 2'de gösterilmektedir.Şekil 6b, iğnenin uzunluğunun (L) dokulardaki ses yoğunluğunun iletimi üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.Spesifik olarak, bu parametrenin optimizasyonu, aktarımın yaklaşık olarak büyük ölçüde iyileştirilmesini mümkün kıldı.Aslında, analiz edilen uzunluk aralığında, ortalama ses yoğunluğu SL = 4'te (yani L = 60 mm) yerel maksimum 3116 W/m2'ye ulaşır ve diğeri SL = 6'ya (yani L = 90 mm) karşılık gelir. mm).
İğnenin çapının ve uzunluğunun silindirik geometride ultrasonun yayılması üzerindeki etkisini analiz ettikten sonra, eğim açısının dokulardaki ses yoğunluğunun iletimi üzerindeki etkisine odaklandık.Fiber ucundan yayılan sesin ortalama yoğunluğu, değeri 10°'den (keskin uç) 90°'ye (düz uç) değiştirilerek a açısının bir fonksiyonu olarak değerlendirildi.Bu durumda, iğnenin dikkate alınan ucu etrafındaki entegre kürenin yarıçapı 20 mm idi, böylece tüm α değerleri için iğnenin ucu, ortalamadan hesaplanan hacme dahil edildi.
Şekil 2'de gösterildiği gibi.Şekil 6c'de, uç keskinleştirildiğinde, yani 90°'den başlayarak α azaldığında, iletilen sesin yoğunluğu artarak maksimum yaklaşık 1,5 × 105 W/m2 değerine ulaşır, bu da α = 50°'ye karşılık gelir, yani, 2 düz duruma göre daha yüksek bir büyüklük sırasıdır.Ucun daha da keskinleştirilmesiyle (yani 50°'nin altındaki α'da), ses yoğunluğu azalma eğilimi göstererek düzleştirilmiş bir uçla karşılaştırılabilecek değerlere ulaşır.Bununla birlikte, simülasyonlarımız için geniş bir eğim açıları aralığını göz önünde bulundurmuş olsak da, iğnenin dokuya yerleştirilmesini kolaylaştırmak için ucun keskinleştirilmesinin gerekli olduğunu düşünmeye değer.Aslında daha küçük bir eğim açısı (yaklaşık 10°), dokuya nüfuz etmek için gereken kuvveti (78) azaltabilir.
Şekil 7a (düz uç için) ve 3b'de (10° için) gösterilen ses basıncı seviyesi grafiklerinde gösterildiği gibi, doku içinde iletilen ses şiddeti değerine ek olarak eğim açısı da dalga yayılma yönünü etkiler. ).eğimli uç), paralel Uzunlamasına yön simetri düzleminde değerlendirilir (yz, bkz. Şekil 5).Bu iki düşüncenin uç noktalarında, ses basıncı seviyesi (1 µPa olarak anılır) esas olarak iğne boşluğunda (yani suda) yoğunlaşır ve dokuya yayılır.Daha ayrıntılı olarak, düz uç durumunda (Şekil 7a), ses basıncı seviyesinin dağılımı uzunlamasına yöne göre mükemmel şekilde simetriktir ve gövdeyi dolduran suda duran dalgalar ayırt edilebilir.Dalga uzunlamasına (z ekseni) yönlendirilir, genlik suda maksimum değerine ulaşır (yaklaşık 240 dB) ve enine yönde azalır, bu da iğnenin merkezinden 10 mm mesafede yaklaşık 20 dB'lik bir zayıflamaya yol açar.Beklendiği gibi, sivri bir ucun eklenmesi (Şekil 7b) bu ​​simetriyi bozar ve duran dalgaların antinodları iğnenin ucuna göre "yön değiştirir".Görünüşe göre bu asimetri, daha önce açıklandığı gibi iğne ucunun radyasyon yoğunluğunu etkiliyor (Şekil 6c).Bu yönü daha iyi anlamak için akustik yoğunluk, iğnenin simetri düzleminde yer alan ve iğnenin ucundan 10 mm uzaklıkta bulunan iğnenin uzunlamasına yönüne dik bir kesim çizgisi boyunca değerlendirildi ( Şekil 7c'deki sonuçlar).Daha spesifik olarak, 10°, 20° ve 30° eğik açılarda (sırasıyla mavi, kırmızı ve yeşil düz çizgiler) değerlendirilen ses yoğunluğu dağılımları, düz uca yakın dağılımla (siyah noktalı eğriler) karşılaştırıldı.Düz uçlu iğnelerle ilişkili yoğunluk dağılımı, iğnenin merkezi etrafında simetrik görünmektedir.Özellikle merkezde yaklaşık 1420 W/m2 değer alır, ~8 mm mesafede yaklaşık 300 W/m2 taşma yapar ve daha sonra ~30 mm'de yaklaşık 170 W/m2 değerine düşer. .Uç sivrileştikçe merkezi lob, değişen yoğunlukta daha fazla loba bölünür.Daha spesifik olarak, α 30° olduğunda, iğnenin ucundan 1 mm uzaklıkta ölçülen profilde üç yaprak açıkça ayırt edilebiliyordu.Merkezi olan neredeyse iğnenin merkezindedir ve tahmini değeri 1850 W / m2'dir, sağdaki daha yüksek olanı ise merkezden yaklaşık 19 mm uzaktadır ve 2625 W / m2'ye ulaşır.α = 20°'de 2 ana lob vardır: 1785 W/m2'de -12 mm'de bir tane ve 1524 W/m2'de 14 mm'de bir tane.Uç keskinleşip açı 10°'ye ulaştığında yaklaşık -20 mm'de maksimum 817 W/m2'ye ulaşılır ve profil boyunca biraz daha düşük yoğunlukta üç lob daha görünür.
Düz uçlu (a) ve 10° eğimli (b) bir iğnenin y-z simetri düzlemindeki ses basıncı düzeyi.(c) İğnenin uzunlamasına yönüne dik bir kesme çizgisi boyunca, iğnenin ucundan 10 mm uzaklıkta ve yz simetri düzleminde uzanan bir kesme çizgisi boyunca tahmin edilen akustik yoğunluk dağılımı.L uzunluğu 70 mm ve D çapı 3 mm'dir.
Birlikte ele alındığında, bu sonuçlar tıbbi iğnelerin 100 kHz'de ultrasonu yumuşak dokuya iletmek için etkili bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir.Yayılan sesin yoğunluğu iğnenin geometrisine bağlıdır ve 1000 W/m2 (10 mm'de) aralığındaki değerlere kadar optimize edilebilir (son cihazın istilacılığının getirdiği sınırlamalara tabi olarak).iğnenin (1) tabanına uygulanır. Mikrometre kayması durumunda, iğnenin sonsuz uzanan yumuşak dokuya tamamen yerleştirildiği kabul edilir.Özellikle eğim açısı, ses dalgalarının dokudaki yayılma yoğunluğunu ve yönünü güçlü bir şekilde etkiler, bu da öncelikle iğne ucunun kesiminin dik olmasına yol açar.
İnvaziv olmayan tıbbi tekniklerin kullanımına dayalı yeni tümör tedavi stratejilerinin geliştirilmesini desteklemek için, düşük frekanslı ultrasonun tümör ortamında yayılması analitik ve hesaplamalı olarak analiz edildi.Özellikle çalışmanın ilk bölümünde, geçici bir elastodinamik çözüm, kütlenin frekans duyarlılığını incelemek için ultrasonik dalgaların bilinen boyut ve sertlikteki katı tümör küreciklerindeki saçılımını incelememize olanak sağladı.Daha sonra, yüzlerce kilohertz mertebesinde frekanslar seçildi ve tıbbi bir iğne tahriki kullanılarak tümör ortamındaki titreşim geriliminin yerel uygulaması, akustik titreşimin transferini belirleyen ana tasarım parametrelerinin etkisi incelenerek sayısal simülasyonda modellendi. enstrümanın gücünü çevreye aktarır.Sonuçlar, tıbbi iğnelerin dokuları ultrasonla ışınlamak için etkili bir şekilde kullanılabileceğini ve yoğunluğunun, çalışma akustik dalga boyu adı verilen iğnenin geometrik parametresi ile yakından ilişkili olduğunu göstermektedir.Aslında doku boyunca ışınlamanın yoğunluğu iğnenin iç çapının artmasıyla artar ve çap dalga boyunun üç katı olduğunda maksimuma ulaşır.İğnenin uzunluğu aynı zamanda pozlamayı optimize etmek için bir dereceye kadar özgürlük sağlar.İğne uzunluğu çalışma dalga boyunun belirli bir katına (özellikle 4 ve 6) ayarlandığında ikinci sonuç gerçekten maksimuma çıkar.İlginç bir şekilde, ilgi duyulan frekans aralığı için optimize edilmiş çap ve uzunluk değerleri, standart ticari iğneler için yaygın olarak kullanılan değerlere yakındır.İğnenin keskinliğini belirleyen eğim açısı aynı zamanda emisyonu da etkiler, yaklaşık 50°'de zirveye ulaşır ve ticari iğnelerde yaygın olarak kullanılan yaklaşık 10°'de iyi performans sağlar..Simülasyon sonuçları, hastanenin iğne içi teşhis platformunun uygulanmasına ve optimizasyonuna rehberlik etmek, teşhis ve tedavi edici ultrasonu diğer cihaz içi terapötik çözümlerle entegre etmek ve işbirliğine dayalı hassas ilaç müdahalelerini gerçekleştirmek için kullanılacak.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. ve Kopp MV Hassas tıp nedir?Avro, yabancı.Dergi 50, 1700391 (2017).
Collins, FS ve Varmus, H. Hassas tıpta yeni girişimler.N.eng.J. Tıp.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK ve Wang, MD.Hassas Tıp Çağında Biyomedikal Görüntüleme Bilişimi: Başarılar, Zorluklar ve Fırsatlar.Reçel.ilaç.bilgi vermek.Doçent.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Hassas onkoloji: bir inceleme.J. Klinik.Onkol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. ve Salem, A. Nanopartikül bazlı bir dağıtım sistemi kullanılarak glioblastoma (GBM) tedavisinde iyileşme.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G ve von Daimling A. Glioblastoma: patoloji, moleküler mekanizmalar ve belirteçler.Acta Nöropatoloji.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM ve Berger, MS Glioma tedavisine yönelik mevcut ve gelecekteki stratejiler.beyin cerrahisi.Ed.40, 1–14 (2017).