Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Паўзункі, якія паказваюць тры артыкулы на слайдзе.Для перамяшчэння па слайдах выкарыстоўвайце кнопкі "Назад" і "Далей" або кнопкі кантролера слайдаў у канцы для перамяшчэння па кожным слайдзе.
Заснаваныя на міждысцыплінарным перасячэнні фізікі і навук аб жыцці, дыягнастычныя і тэрапеўтычныя стратэгіі, заснаваныя на дакладнай медыцыне, у апошні час прыцягваюць значную ўвагу з-за практычнай прымянімасці новых інжынерных метадаў у многіх галінах медыцыны, асабліва ў анкалогіі.У гэтых рамках выкарыстанне ультрагуку для атакі ракавых клетак у пухлінах з мэтай нанясення магчымых механічных пашкоджанняў рознага маштабу прыцягвае ўсё большую ўвагу навукоўцаў ва ўсім свеце.Прымаючы пад увагу гэтыя фактары, на аснове пругкадынамічных рашэнняў па часе і лікавага мадэлявання, мы прадстаўляем папярэдняе даследаванне камп'ютэрнага мадэлявання распаўсюджвання ультрагуку ў тканінах, каб выбраць прыдатныя частоты і магутнасці з дапамогай мясцовага апрамянення.Новая дыягнастычная платформа для лабараторыі па тэхналогіі On-Fiber, якая называецца бальнічнай іголкай і ўжо запатэнтавана.Мяркуецца, што вынікі аналізу і звязаныя з імі біяфізічныя ідэі могуць пракласці шлях для новых інтэграваных дыягнастычных і тэрапеўтычных падыходаў, якія маглі б адыграць цэнтральную ролю ў прымяненні дакладнай медыцыны ў будучыні, абапіраючыся на галіны фізікі.Расце сінэргія паміж біялогіяй пачынаецца.
З аптымізацыяй вялікай колькасці клінічных прыкладанняў паступова стала з'яўляцца неабходнасць паменшыць пабочныя эфекты на пацыентаў.З гэтай мэтай прэцызійная медыцына1, 2, 3, 4, 5 стала стратэгічнай мэтай па зніжэнні дозы лекаў, якія дастаўляюцца пацыентам, па сутнасці прытрымліваючыся двух асноўных падыходаў.Першы заснаваны на лячэнні, распрацаваным у адпаведнасці з геномным профілем пацыента.Другі, які становіцца залатым стандартам у анкалогіі, накіраваны на тое, каб пазбегнуць сістэмных працэдур дастаўкі лекаў, спрабуючы выпусціць невялікую колькасць лекаў, у той жа час павялічваючы дакладнасць за кошт выкарыстання мясцовай тэрапіі.Канчатковай мэтай з'яўляецца ліквідацыя або, па меншай меры, мінімізацыя негатыўных наступстваў многіх тэрапеўтычных падыходаў, такіх як хіміятэрапія або сістэмнае ўвядзенне радыенуклідаў.У залежнасці ад тыпу рака, лакалізацыі, дозы апраменьвання і іншых фактараў, нават прамянёвая тэрапія можа мець высокі неад'емны рызыка для здаровых тканін.Пры лячэнні глиобластомы6,7,8,9 хірургічнае ўмяшанне паспяхова выдаляе асноўны рак, але нават пры адсутнасці метастазаў можа прысутнічаць мноства дробных ракавых інфільтратаў.Калі іх цалкам не выдаліць, новыя ракавыя масы могуць вырасці на працягу адносна кароткага перыяду часу.У гэтым кантэксце вышэйзгаданыя стратэгіі прэцызійнай медыцыны цяжка прымяніць, таму што гэтыя інфільтраты цяжка выявіць і распаўсюдзіць на вялікай плошчы.Гэтыя бар'еры перашкаджаюць дасягненню канчатковых вынікаў у прадухіленні любых рэцыдываў з дапамогай прэцызійнай медыцыны, таму ў некаторых выпадках перавагу аддаюць сістэмным метадам дастаўкі, хоць лекі, якія выкарыстоўваюцца, могуць мець вельмі высокі ўзровень таксічнасці.Для пераадолення гэтай праблемы ідэальным падыходам да лячэння было б выкарыстанне малаінвазіўных стратэгій, якія могуць выбарачна атакаваць ракавыя клеткі, не закранаючы здаровыя тканіны.У святле гэтага аргумента выкарыстанне ультрагукавых ваганняў, якія, як было паказана, па-рознаму ўплываюць на ракавыя і здаровыя клеткі, як у аднаклетачных сістэмах, так і ў мезамаштабных гетэрагенных кластарах, здаецца магчымым рашэннем.
З механістычнага пункту гледжання здаровыя і ракавыя клеткі насамрэч маюць розныя ўласныя рэзанансныя частоты.Гэта ўласцівасць звязана з онкогенными зменамі ў механічных уласцівасцях цыташкілетнай структуры ракавых клетак12,13, у той час як опухолевые клеткі ў сярэднім больш паддаюцца дэфармацыі, чым нармальныя клеткі.Такім чынам, пры аптымальным выбары частоты ультрагуку для стымуляцыі, вібрацыі, выкліканыя ў выбраных зонах, могуць выклікаць пашкоджанне жывых ракавых структур, зводзячы да мінімуму ўздзеянне на здаровае асяроддзе гаспадара.Гэтыя яшчэ не да канца зразумелыя эфекты могуць уключаць у сябе разбурэнне пэўных клеткавых структурных кампанентаў з-за высокачашчынных вібрацый, выкліканых ультрагукам (у прынцыпе вельмі падобна на літатрыпсію14) і пашкоджанне клетак з-за з'явы, падобнай да механічнай стомленасці, якая, у сваю чаргу, можа змяніць клетачную структуру .праграмаванне і механабіялогія.Нягледзячы на ​​​​тое, што гэта тэарэтычнае рашэнне здаецца вельмі прыдатным, на жаль, яно не можа быць выкарыстана ў тых выпадках, калі безэхогенные біялагічныя структуры перашкаджаюць непасрэднаму прымяненню ультрагуку, напрыклад, пры нутрачарапных аплікацыях з-за наяўнасці косткі, а некаторыя пухліны малочнай залозы размешчаны ў тлушчавай тканіны. тканіны.Паслабленне можа абмежаваць месца патэнцыйнага тэрапеўтычнага эфекту.Каб пераадолець гэтыя праблемы, ультрагук павінен прымяняцца лакальна са спецыяльна распрацаванымі датчыкамі, якія могуць дасягнуць апрамененага месца як мага менш інвазіўна.З улікам гэтага мы разглядалі магчымасць выкарыстання ідэй, звязаных з магчымасцю стварэння інавацыйнай тэхналагічнай платформы пад назвай «іголкавая бальніца»15.Канцэпцыя «Бальніца ў ігле» прадугледжвае распрацоўку малаінвазіўнага медыцынскага інструмента для дыягнастычнага і тэрапеўтычнага прымянення, заснаванага на спалучэнні розных функцый у адной медыцынскай іголцы.Як больш падрабязна абмяркоўвалася ў раздзеле "Бальнічная іголка", гэтая кампактная прылада ў асноўным заснавана на перавагах валаконна-аптычных зондаў 16, 17, 18, 19, 20, 21, якія з-за сваіх характарыстык прыдатныя для ўстаўкі ў стандартныя 20 іголкі медыцынскія, 22 люмен.Выкарыстоўваючы гібкасць, якую забяспечвае тэхналогія Lab-on-Fiber (LOF)23, валакно фактычна становіцца унікальнай платформай для мініяцюрных і гатовых да выкарыстання дыягнастычных і тэрапеўтычных прылад, у тым ліку прылад для вадкаснай біяпсіі і біяпсіі тканін.у біямалекулярным выяўленні 24, 25, лакальнай дастаўцы лекаў пад святлом 26, 27, высокадакладнай лакальнай ультрагукавой візуалізацыі 28, цеплавой тэрапіі 29, 30 і ідэнтыфікацыі ракавай тканіны на аснове спектраскапіі 31.У рамках гэтай канцэпцыі, выкарыстоўваючы лакалізацыйны падыход, заснаваны на прыладзе «іголка ў бальніцы», мы даследуем магчымасць аптымізацыі лакальнай стымуляцыі рэзідэнтных біялагічных структур з дапамогай распаўсюджвання ультрагукавых хваль праз іголкі для ўзбуджэння ультрагукавых хваль у вобласці, якая цікавіць..Такім чынам, тэрапеўтычны ультрагук нізкай інтэнсіўнасці можа прымяняцца непасрэдна да зоны рызыкі з мінімальнай інвазівностью для апрацоўкі ультрагукам клетак і невялікіх цвёрдых утварэнняў у мяккіх тканінах, як у выпадку вышэйзгаданай нутрачарапной хірургіі неабходна ўставіць невялікае адтуліну ў чэрапе з дапамогай іголка.Натхнёны нядаўнімі тэарэтычнымі і эксперыментальнымі вынікамі, якія паказваюць, што ультрагук можа спыніць або затрымаць развіццё некаторых відаў раку,32,33,34 прапанаваны падыход можа дапамагчы вырашыць, па меншай меры ў прынцыпе, ключавыя кампрамісы паміж агрэсіўнымі і лячэбнымі эфектамі.Маючы на ​​​​ўвазе гэтыя меркаванні, у дадзенай працы мы даследуем магчымасць выкарыстання ў стацыянары прылады іголкі для малаінвазіўнай ультрагукавой тэрапіі рака.Дакладней, у раздзеле "Аналіз рассейвання сферычных пухлінных мас для ацэнкі ультрагукавой частоты, якая залежыць ад росту", мы выкарыстоўваем добра зарэкамендавалі сябе эластадынамічнымі метадамі і тэорыяй акустычнага рассейвання для прагназавання памеру сферычных цвёрдых пухлін, якія растуць у эластычным асяроддзі.калянасць, якая ўзнікае паміж пухлінай і тканінай гаспадара з-за рэканструкцыі матэрыялу, выкліканага ростам.Апісаўшы нашу сістэму, якую мы называем раздзел «Бальніца ў іголцы», у раздзеле «Бальніца ў іголцы» мы аналізуем распаўсюджванне ультрагукавых хваль праз медыцынскія іголкі на прадказаных частотах і іх лікавую мадэль апрамяняе навакольнае асяроддзе для вывучэння асноўныя геаметрычныя параметры (фактычны ўнутраны дыяметр, даўжыня і вастрыня іголкі), якія ўплываюць на перадачу акустычнай магутнасці інструмента.Улічваючы неабходнасць распрацоўкі новых інжынерных стратэгій для дакладнай медыцыны, лічыцца, што прапанаванае даследаванне можа дапамагчы распрацаваць новы інструмент для лячэння рака, заснаваны на выкарыстанні ультрагуку, які пастаўляецца праз інтэграваную тэрагнастычную платформу, якая аб'ядноўвае ультрагук з іншымі рашэннямі.Камбінаваныя, такія як мэтавая дастаўка лекаў і дыягностыка ў рэжыме рэальнага часу ў рамках адной іголкі.
Эфектыўнасць забеспячэння механістычных стратэгій для лячэння лакалізаваных салідных пухлін з выкарыстаннем ультрагукавой (ультрагукавой) стымуляцыі была мэтай некалькіх прац, якія тэарэтычна і эксперыментальна разглядаюць уплыў ультрагукавых ваганняў нізкай інтэнсіўнасці на аднаклетачныя сістэмы 10, 11, 12. , 32, 33, 34, 35, 36 Выкарыстоўваючы вязкапругкія мадэлі, некалькі даследчыкаў аналітычна прадэманстравалі, што опухолевые і здаровыя клеткі дэманструюць розныя частотныя характарыстыкі, якія характарызуюцца выразнымі рэзананснымі пікамі ў дыяпазоне 10, 11, 12 ЗША.Гэты вынік сведчыць аб тым, што ў прынцыпе опухолевые клеткі могуць падвяргацца выбарачнай атацы механічнымі раздражняльнікамі, якія захоўваюць сераду гаспадара.Такія паводзіны з'яўляюцца прамым следствам ключавых доказаў таго, што ў большасці выпадкаў опухолевые клеткі больш пластычныя, чым здаровыя клеткі, магчыма, для павышэння іх здольнасці да праліферацыі і міграцыі37,38,39,40.Грунтуючыся на выніках, атрыманых з мадэлямі адной клеткі, напрыклад, на мікраўзроўні, селектыўнасць ракавых клетак была таксама прадэманстравана ў мезоуровне шляхам лікавых даследаванняў гарманічных рэакцый гетэрагенных клеткавых агрэгатаў.Забяспечваючы розны працэнт ракавых і здаровых клетак, мнагаклетачныя агрэгаты памерам у сотні мікраметраў будаваліся іерархічна.На мезаўзроўні гэтых агрэгатаў захоўваюцца некаторыя мікраскапічныя асаблівасці, якія ўяўляюць цікавасць, дзякуючы непасрэднай рэалізацыі асноўных структурных элементаў, якія характарызуюць механічныя паводзіны асобных клетак.У прыватнасці, кожная клетка выкарыстоўвае заснаваную на тэнсегрыці архітэктуру для імітацыі рэакцыі розных папярэдне напружаных структур цыташкілета, тым самым уплываючы на ​​іх агульную калянасць12,13.Тэарэтычныя прагнозы і эксперыменты in vitro з вышэйзгаданай літаратуры далі абнадзейлівыя вынікі, якія паказваюць на неабходнасць вывучэння адчувальнасці опухолевых мас да тэрапеўтычнага ультрагуку нізкай інтэнсіўнасці (LITUS), і ацэнка частоты апрамянення опухолевых мас мае вырашальнае значэнне.пазіцыя LITUS для прымянення на месцы.
Аднак на тканкавым узроўні субмакраскапічнае апісанне асобнага кампанента непазбежна губляецца, і ўласцівасці пухліннай тканіны можна прасачыць з дапамогай паслядоўных метадаў для адсочвання росту масы і выкліканых стрэсам працэсаў ремоделірованія з улікам макраскапічных эфектаў рост.-вызваныя змены эластычнасці тканін па шкале 41,42.Сапраўды, у адрозненне ад аднаклетачных і агрэгатных сістэм, салідныя опухолевые масы растуць у мяккіх тканінах за кошт паступовага назапашвання аберрантных рэшткавых напружанняў, якія змяняюць натуральныя механічныя ўласцівасці за кошт павышэння агульнай внутриопухолевой рыгіднасці, а склероз пухліны часта становіцца вызначальным фактарам у выяўленне пухліны.
Маючы на ​​​​ўвазе гэтыя меркаванні, тут мы аналізуем сонодинамическую рэакцыю пухлінных сфероідаў, змадэляваных як эластычныя сферычныя ўключэнні, якія растуць у нармальным тканкавым асяроддзі.Дакладней, эластычныя ўласцівасці, звязаныя са стадыяй пухліны, былі вызначаны на падставе тэарэтычных і эксперыментальных вынікаў, атрыманых некаторымі аўтарамі ў папярэдніх працах.Сярод іх эвалюцыя цвёрдых пухлінных сфероідаў, вырашчаных in vivo ў гетэрагенных асяроддзях, вывучалася шляхам прымянення нелінейных механічных мадэляў 41,43,44 у спалучэнні з міжвідавай дынамікай для прагназавання развіцця пухлінных мас і звязанага з імі ўнутрыпухліннага стрэсу.Як згадвалася вышэй, рост (напрыклад, няпругкае папярэдняе расцяжэнне) і рэшткавае напружанне выклікаюць прагрэсавальнае перабудова уласцівасцяў пухліннага матэрыялу, такім чынам, таксама змяняючы яго акустычную рэакцыю.Важна адзначыць, што ў зх.41 сумесная эвалюцыя росту і моцнага стрэсу ў пухлінах была прадэманстравана ў эксперыментальных кампаніях на мадэлях на жывёл.У прыватнасці, параўнанне калянасці пухлін малочнай залозы, рэзекаваных на розных стадыях, з калянасцю, атрыманай пры прайграванні падобных умоў in silico на сферычнай канчаткова-элементнай мадэлі з тымі ж памерамі і з улікам прагназуемага поля рэшткавага напружання, пацвердзіла прапанаваны метад тэрмін дзеяння мадэлі..У гэтай працы атрыманыя раней тэарэтычныя і эксперыментальныя вынікі выкарыстоўваюцца для распрацоўкі новай распрацаванай тэрапеўтычнай стратэгіі.У прыватнасці, тут былі разлічаны прагназуемыя памеры з адпаведнымі эвалюцыйнымі ўласцівасцямі рэзістэнтнасці, якія, такім чынам, выкарыстоўваліся для ацэнкі дыяпазонаў частот, да якіх больш адчувальныя опухолевые масы, убудаваныя ў асяроддзе гаспадара.З гэтай мэтай мы такім чынам даследавалі дынамічныя паводзіны пухліннай масы на розных стадыях, узятых на розных стадыях, з улікам акустычных паказчыкаў у адпаведнасці з агульнапрынятым прынцыпам рассейвання ў адказ на ультрагукавыя раздражняльнікі і вылучаючы магчымыя рэзанансныя з'явы сфероида .у залежнасці ад пухліны і гаспадара Адрозненні ў калянасці паміж тканінамі залежаць ад росту.
Такім чынам, масы пухліны былі змадэляваны ў выглядзе эластычных сфер радыусам \(a\) у навакольным эластычным асяроддзі гаспадара на аснове эксперыментальных дадзеных, якія паказваюць, як аб'ёмныя злаякасныя структуры растуць на месцы ў сферычных формах.Спасылаючыся на малюнак 1, выкарыстоўваючы сферычныя каардынаты \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (дзе \(\theta\) і \(\varphi\) прадстаўляюць вугал анамаліі і вугал азімута адпаведна), дамен пухліны займае Вобласць, убудаваная ў здаровую прастору \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) неабмежаваная вобласць \({\mathcal { V} _{H} = \{(r,\тэта,\varphi):r > a\}\).Звяртаючыся да дадатковай інфармацыі (SI) для поўнага апісання матэматычнай мадэлі, заснаванай на добра ўсталяванай эластадынамічнай аснове, пра якую паведамляецца ў многіх літаратурах45,46,47,48, мы разглядаем тут праблему, якая характарызуецца восесіметрычным рэжымам ваганняў.Гэта здагадка прадугледжвае, што ўсе зменныя ўнутры пухліны і здаровых участкаў не залежаць ад азімутальнай каардынаты \(\varphi\) і што ў гэтым кірунку не адбываецца ніякіх скажэнняў.Такім чынам, палі зрушэння і напружання можна атрымаць з двух скалярных патэнцыялаў \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) і \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , яны адпаведна звязаны з падоўжнай хваляй і хваляй зруху, час супадзення t паміж усплёскам \(\тэта \) і вуглом паміж кірункам падаючай хвалі і вектарам становішча \({\mathbf {x))\) ( як паказана на малюнку 1), а \(\omega = 2\pi f\) уяўляе вуглавую частату.У прыватнасці, падаючае поле мадэлюецца плоскай хваляй \(\phi_{H}^{(in)}\) (таксама ўведзенай у сістэму СІ ва ўраўненні (A.9)), якая распаўсюджваецца ў аб'ём цела згодна з законам выраз
дзе \(\phi_{0}\) — параметр амплітуды.Сферычнае разгортванне падаючай плоскай хвалі (1) з выкарыстаннем сферычнай хвалевай функцыі з'яўляецца стандартным аргументам:
Дзе \(j_{n}\) — сферычная функцыя Беселя першага роду \(n\), а \(P_{n}\) — паліном Лежандра.Частка падаючай хвалі інвестыцыйнай сферы рассейваецца ў навакольным асяроддзі і перакрывае падаючае поле, а іншая частка рассейваецца ўнутры сферы, спрыяючы яе вібрацыі.Для гэтага гарманічныя рашэнні хвалевага ўраўнення \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) і \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), прадстаўленыя, напрыклад, Эрынгенам45 (гл. таксама С.І. ) можа пазначаць пухліна і здаровыя ўчасткі.У прыватнасці, рассеяныя хвалі пашырэння і ізааб'ёмныя хвалі, якія ўзнікаюць у асяроддзі-гаспадары \(H\), маюць адпаведныя патэнцыйныя энергіі:
Сярод іх сферычная функцыя Ганкеля першага роду \(h_{n}^{(1)}\) выкарыстоўваецца для разгляду выходнай рассеянай хвалі, а таксама \(\alpha_{n}\) і \(\beta_{ n}\ ) — невядомыя каэфіцыенты.у раўнанні.Ва ўраўненнях (2)–(4) члены \(k_{H1}\) і \(k_{H2}\) абазначаюць хвалевыя лікі разрэджання і папярочныя хвалі ў асноўнай вобласці цела адпаведна ( гл. SI).Палі здушэння ўнутры пухліны і зрухі маюць выгляд
Дзе \(k_{T1}\) і \(k_{T2}\) прадстаўляюць падоўжныя і папярочныя хвалевыя лікі ў вобласці пухліны, а невядомымі каэфіцыентамі з'яўляюцца \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Зыходзячы з гэтых вынікаў, ненулявыя кампаненты радыяльнага і акружнага зрушэння з'яўляюцца характэрнымі для здаровых абласцей у разглядаемай задачы, такіх як \(u_{Hr}\) і \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) дапушчэнне сіметрыі больш не патрабуецца) — можна атрымаць з суадносін \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \справа) + k_}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) і \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\), утвараючы \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) і \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (падрабязны матэматычны вывад гл. SI).Аналагічна, замена \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) і \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) вяртае {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) і \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Злева) Геаметрыя сферычнай пухліны, растучай у здаровым асяроддзі, праз якую распаўсюджваецца падаючае поле, (справа) Адпаведная эвалюцыя суадносін калянасці пухліны і гаспадара ў залежнасці ад радыуса пухліны, прадстаўленыя даныя (адаптавана з Carotenuto et al. 41) з кампрэсійных тэстаў у прабірцы былі атрыманы з салідных пухлін малочнай залозы, прышчэпленых клеткамі MDA-MB-231.
Мяркуючы, што матэрыялы лінейнапругкія і ізатропныя, ненулявыя кампаненты напружання ў здаровай і пухліннай абласцях, г.зн. \(\sigma_{Hpq}\) і \(\sigma_{Tpq}\) падпарадкоўваюцца абагульненаму закону Гука, улічваючы, што ёсць розныя модулі Ламэ, якія характарызуюць эластычнасць гаспадара і пухліны, пазначаюцца як \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) і \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (гл. ураўненне (A.11) для поўнага выражэння кампанентаў напружання, прадстаўленых у СІ).У прыватнасці, згодна з дадзенымі ў спасылцы 41 і прадстаўленым на малюнку 1, растуць пухліны паказалі змяненне канстант эластычнасці тканін.Такім чынам, перамяшчэнні і напружання ў вобласці гаспадара і пухліны вызначаюцца цалкам з дакладнасцю да набору невядомых канстант \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) мае тэарэтычна бясконцыя памеры.Каб знайсці гэтыя вектары каэфіцыентаў, уводзяцца прыдатныя межы і межавыя ўмовы паміж пухлінай і здаровымі ўчасткамі.Калі выказаць здагадку ідэальнае звязванне на мяжы пухліна-гаспадар \(r = a\), бесперапыннасць зрушэнняў і напружанняў патрабуе наступных умоў:
Сістэма (7) утварае сістэму ўраўненняў з бясконцымі рашэннямі.Акрамя таго, кожная гранічная ўмова будзе залежаць ад анамаліі \(\тэта\).Звесці краёвую задачу да поўнай алгебраічнай задачы з \(N\) наборамі замкнёных сістэм, кожная з якіх знаходзіцца ў невядомым \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n}, {\mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (з \ ( N \ да \infty \), тэарэтычна), і каб ліквідаваць залежнасць ураўненняў ад трыганаметрычных членаў, умовы падзелу запісваюцца ў слабай форме з выкарыстаннем артаганальнасці паліномаў Лежандра.У прыватнасці, ураўненне (7)1,2 і (7)3,4 памнажаецца на \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) і \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\), а затым інтэграваць паміж \(0\) і \(\pi\), выкарыстоўваючы матэматычныя тоеснасці:
Такім чынам, умова інтэрфейсу (7) вяртае сістэму квадратных алгебраічных ураўненняў, якую можна выказаць у матрычнай форме як \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) і атрымаць невядомае \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\), рашаючы правіла Крамера.
Для ацэнкі патоку энергіі, рассеянай сферай, і атрымання інфармацыі аб яе акустычнай рэакцыі на аснове даных аб рассеяным полі, якое распаўсюджваецца ў асяроддзі-гаспадары, уяўляе цікавасць акустычная велічыня, якая ўяўляе сабой нармалізаванае бістатычнае сячэнне рассейвання.У прыватнасці, сячэнне рассейвання, якое пазначаецца \(s), выражае стаўленне паміж акустычнай магутнасцю, якая перадаецца рассеяным сігналам, і падзелам энергіі, якую нясе падаючая хваля.У сувязі з гэтым велічыня функцыі формы \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) з'яўляецца часта выкарыстоўванай велічынёй пры вывучэнні акустычных механізмаў убудаваны ў вадкасць або цвёрдае цела Рассыпанне прадметаў у асадку.Дакладней, амплітуда функцыі формы вызначаецца як дыферэнцыяльнае сячэнне рассейвання \(ds\) на адзінку плошчы, якое адрозніваецца нармаллю да кірунку распаўсюджвання падаючай хвалі:
дзе \(f_{n}^{pp}\) і \(f_{n}^{ps}\) абазначаюць мадальную функцыю, якая адносіцца да суадносін магутнасцей падоўжнай хвалі і рассеянай хвалі адносна падаючая Р-хваля ў прыёмным асяроддзі, адпаведна, задаюцца наступнымі выразамі:
Частковыя хвалевыя функцыі (10) можна вывучаць незалежна ў адпаведнасці з рэзананснай тэорыяй рассейвання (RST) 49, 50, 51, 52, што дазваляе аддзяліць пругкасць мэты ад поўнага поля рассейвання пры вывучэнні розных рэжымаў.У адпаведнасці з гэтым метадам функцыя мадальнай формы можа быць раскладзена на суму дзвюх роўных частак, а менавіта \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) звязаны з рэзананснымі і нерэзананснымі фонавымі амплітудамі адпаведна.Функцыя формы рэзананснага рэжыму звязана з рэакцыяй мішэні, у той час як фон звычайна звязаны з формай рассейвальніка.Для выяўлення першай фарманты мэты для кожнай моды амплітуда функцыі формы мадальнага рэзанансу \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) разлічваецца з улікам цвёрдага фону, які складаецца з непранікальных сфер у эластычным матэрыяле-галоўным матэрыяле.Гэтая гіпотэза абумоўлена тым фактам, што ў цэлым і калянасць, і шчыльнасць павялічваюцца з ростам масы пухліны з-за рэшткавага напружання сціску.Такім чынам, пры сур'ёзным узроўні росту каэфіцыент імпедансу \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) чакаецца большым за 1 для большасці макраскапічных салідных пухлін, якія развіваюцца ў мяккіх тканіны.Напрыклад, Крускоп і інш.53 паведамілі, што суадносіны ракавага і нармальнага модуля каля 4 для тканіны прастаты, у той час як гэта значэнне павялічылася да 20 для узораў тканіны малочнай залозы.Гэтыя ўзаемасувязі непазбежна змяняюць акустычны імпеданс тканіны, як таксама прадэманстраваў аналіз эластаграфіі54,55,56, і могуць быць звязаны з лакалізаваным патаўшчэннем тканіны, выкліканым гіперпраліферацыяй пухліны.Гэтая розніца таксама назіралася эксперыментальна пры простых тэстах на кампрэсію блокаў пухліны малочнай залозы, вырашчаных на розных стадыях 32, і рэканструкцыя матэрыялу можа быць добра адсочвана з дапамогай прагнастычных крос-відавых мадэляў нелінейна растучых пухлін 43,44.Атрыманыя дадзеныя аб калянасці непасрэдна звязаны з эвалюцыяй модуля Юнга салідных пухлін у адпаведнасці з формулай \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( сферы з радыусам \(a\), калянасцю \(S\) і каэфіцыентам Пуасона \(\nu\) паміж дзвюма цвёрдымі пласцінамі 57, як паказана на малюнку 1).Такім чынам, можна атрымаць вымярэнні акустычнага імпедансу пухліны і гаспадара на розных узроўнях росту.У прыватнасці, у параўнанні з модулем нармальнай тканіны, роўным 2 кПа на мал. 1, модуль пругкасці пухлін малочнай залозы ў дыяпазоне аб'ёмаў ад 500 да 1250 мм3 прывёў да павелічэння прыкладна з 10 кПа да 16 кПа, што складае супадае з прадстаўленымі дадзенымі.у спасылках 58, 59 было выяўлена, што ціск ва ўзорах тканін малочнай залозы складае 0,25-4 кпа пры знікаючым предкомпрессии.Дапусцім таксама, што каэфіцыент Пуасона амаль несціскальнай тканіны роўны 41,60, што азначае, што шчыльнасць тканіны істотна не змяняецца пры павелічэнні аб'ёму.У прыватнасці, выкарыстоўваецца сярэдняя масавая шчыльнасць насельніцтва \(\rho = 945\,{\text{кг}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Улічваючы гэтыя меркаванні, калянасць можа прыняць фонавы рэжым, выкарыстоўваючы наступны выраз:
Дзе невядомую канстанту \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) можна вылічыць з улікам бесперапыннасці зрушэнне ( 7 )2,4, гэта значыць шляхам рашэння алгебраічнай сістэмы \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) з удзелам непаўналетніх\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) і адпаведны спрошчаны вектар-слупок\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) і \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ тэта \right)} \right|\) адносіцца да ўзбуджэння Р-хвалі і адлюстравання Р- і S-хвалі адпаведна.Акрамя таго, першая амплітуда была ацэненая як \(\тэта = \пі\), а другая амплітуда была ацэненая як \(\тэта = \пі/4\).Загружаючы розныя ўласцівасці кампазіцыі.На малюнку 2 відаць, што рэзанансныя асаблівасці опухолевых сфероідаў дыяметрам прыкладна да 15 мм сканцэнтраваны ў асноўным у дыяпазоне частот 50-400 кГц, што паказвае на магчымасць выкарыстання нізкачашчыннага ультрагуку для індукцыі рэзананснага ўзбуджэння пухліны.вочак.Шмат.У гэтай паласе частот RST-аналіз выявіў аднамодавыя фарманты для модаў з 1 па 6, якія вылучаны на малюнку 3. Тут як pp-, так і ps-рассеяныя хвалі паказваюць фарманты першага тыпу, якія сустракаюцца на вельмі нізкіх частотах, якія павялічваюцца ад каля 20 кГц для рэжыму 1 да прыкладна 60 кГц для n = 6, не паказваючы істотнай розніцы ў радыусе сферы.Затым рэзанансная функцыя ps затухае, у той час як спалучэнне фармант pp з вялікай амплітудай забяспечвае перыядычнасць каля 60 кГц, дэманструючы больш высокі зрух частоты з павелічэннем нумара моды.Усе аналізы праводзіліся з дапамогай вылічальнага праграмнага забеспячэння Mathematica®62.
Функцыі формы зваротнага рассейвання, атрыманыя з модуля пухлін малочнай залозы розных памераў, паказаны на мал. 1, дзе вылучаны самыя высокія паласы рассейвання з улікам суперпазіцыі мод.
Рэзанансы выбраных мод ад \(n = 1\) да \(n = 6\), разлічаныя пры ўзбуджэнні і адлюстраванні зубца Р пры розных памерах пухліны (чорныя крывыя ад \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) і ўзбуджэнне Р-хвалі і адлюстраванне S-хвалі (шэрыя крывыя, зададзеныя мадальнай функцыяй формы \( \left | { f_{n }^{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Вынікі гэтага папярэдняга аналізу з выкарыстаннем умоў распаўсюджвання ў далёкім полі могуць кіраваць выбарам спецыфічных частот прывада ў наступным лікавым мадэляванні для вывучэння ўплыву мікравібрацыйнага стрэсу на масу.Вынікі паказваюць, што каліброўка аптымальных частот можа быць у залежнасці ад стадыі падчас росту пухліны і можа быць вызначана з дапамогай вынікаў мадэляў росту для ўстанаўлення біямеханічных стратэгій, якія выкарыстоўваюцца ў тэрапіі захворвання для правільнага прагназавання рэканструкцыі тканін.
Значныя дасягненні ў галіне нанатэхналогій падштурхоўваюць навуковую супольнасць да пошуку новых рашэнняў і метадаў распрацоўкі мініяцюрных і малаінвазіўных медыцынскіх прылад для прымянення in vivo.У гэтым кантэксце тэхналогія LOF прадэманстравала выдатную здольнасць пашыраць магчымасці аптычных валокнаў, дазваляючы распрацоўваць новыя малаінвазіўныя валаконна-аптычныя прылады для прымянення навукі аб жыцці 21, 63, 64, 65. Ідэя інтэграцыі 2D і 3D матэрыялаў з жаданымі хімічнымі, біялагічнымі і аптычнымі ўласцівасцямі на баках 25 і/або на канцах 64 аптычных валокнаў з поўным прасторавым кантролем на нанапамеры прыводзіць да з'яўлення новага класа валаконна-аптычных нанааптодаў.валодае шырокім спектрам дыягнастычных і лячэбных функцый.Цікава, што дзякуючы сваім геаметрычным і механічным уласцівасцям (малое перасек, вялікае суадносіны бакоў, гнуткасць, малы вага) і біясумяшчальнасці матэрыялаў (звычайна шкла або палімераў) аптычныя валакна добра падыходзяць для ўвядзення ў іголкі і катетеры.Медыцынскія прымянення20, якія адкрываюць шлях да новага бачання «іголкавай бальніцы» (гл. малюнак 4).
Фактычна, з-за ступені свабоды, якую забяспечвае тэхналогія LOF, шляхам выкарыстання інтэграцыі мікра- і нанаструктур, вырабленых з розных металічных і/або дыэлектрычных матэрыялаў, аптычныя валокны могуць быць належным чынам функцыяналізаваны для канкрэтных прыкладанняў, якія часта падтрымліваюць рэзанансны рэжым узбуджэння., Светлавое поле 21 моцна размешчана.Стрымліванне святла ў субхвалевай шкале, часта ў спалучэнні з хімічнай і/або біялагічнай апрацоўкай63 і інтэграцыяй адчувальных матэрыялаў, такіх як разумныя палімеры65,66, можа ўзмацніць кантроль над узаемадзеяннем святла і матэрыі, што можа быць карысным для тэранастычных мэтаў.Выбар тыпу і памеру інтэграваных кампанентаў/матэрыялаў, відавочна, залежыць ад фізічных, біялагічных або хімічных параметраў, якія падлягаюць выяўленню21,63.
Інтэграцыя зондаў LOF у медыцынскія іголкі, накіраваныя ў пэўныя месцы ў целе, дазволіць праводзіць мясцовую біяпсію вадкасці і тканін in vivo, дазваляючы адначасовае мясцовае лячэнне, памяншаючы пабочныя эфекты і павялічваючы эфектыўнасць.Патэнцыйныя магчымасці ўключаюць выяўленне розных цыркулюючых біямалекул, у тым ліку рака.біямаркеры або мікраРНК (міРНК)67, ідэнтыфікацыя ракавых тканін з дапамогай лінейнай і нелінейнай спектраскапіі, такой як раманаўская спектраскапія (SERS)31, фотаакустычная візуалізацыя з высокім дазволам22,28,68, лазерная хірургія і абляцыя69, а таксама мясцовая дастаўка лекаў з выкарыстаннем святла27 і аўтаматычнае ўвядзенне іголак у цела чалавека20.Варта адзначыць, што хоць выкарыстанне аптычных валокнаў дазваляе пазбегнуць тыповых недахопаў «класічных» метадаў, заснаваных на электронных кампанентах, такіх як неабходнасць электрычных злучэнняў і наяўнасць электрамагнітных перашкод, гэта дазваляе эфектыўна інтэграваць розныя датчыкі LOF у сістэма.адна медыцынская іголка.Асаблівую ўвагу неабходна надаць зніжэнню шкодных уздзеянняў, такіх як забруджванне, аптычныя перашкоды, фізічныя перашкоды, якія выклікаюць перакрыжаваныя перашкоды паміж рознымі функцыямі.Аднак таксама дакладна, што многія з згаданых функцый не павінны быць актыўнымі адначасова.Гэты аспект дазваляе як мінімум паменшыць перашкоды, тым самым абмяжоўваючы негатыўны ўплыў на прадукцыйнасць кожнага зонда і дакладнасць працэдуры.Гэтыя меркаванні дазваляюць нам разглядаць канцэпцыю «іголкі ў бальніцы» як простае бачанне, каб закласці трывалую аснову для наступнага пакалення тэрапеўтычных іголак у навуках аб жыцці.
Што тычыцца канкрэтнага прымянення, якое абмяркоўваецца ў гэтым артыкуле, у наступным раздзеле мы будзем лікава даследаваць здольнасць медыцынскай іголкі накіроўваць ультрагукавыя хвалі ў тканіны чалавека з дапамогай іх распаўсюджвання ўздоўж сваёй восі.
Распаўсюджванне ультрагукавых хваль праз медыцынскую іголку, напоўненую вадой і ўстаўленую ў мяккія тканіны (гл. схему на мал. 5а), было змадэлявана з дапамогай камерцыйнага праграмнага забеспячэння Comsol Multiphysics, заснаванага на метадзе канечных элементаў (FEM)70, дзе мадэлююцца іголка і тканіна. як лінейна-пругкае асяроддзе.
Спасылаючыся на малюнак 5b, іголка мадэлюецца як полы цыліндр (таксама вядомы як «канюля») з нержавеючай сталі, стандартнага матэрыялу для медыцынскіх іголак71.У прыватнасці, ён быў змадэляваны з модулем Юнга E = 205 ГПа, каэфіцыентам Пуасона ν = 0,28 і шчыльнасцю ρ = 7850 кг м −372,73.Геаметрычна іголка характарызуецца даўжынёй L, унутраным дыяметрам D (таксама званым «зазорам») і таўшчынёй сценкі t.Акрамя таго, лічыцца, што кончык іголкі нахілены пад вуглом α адносна падоўжнага кірунку (z).Аб'ём вады практычна адпавядае форме ўнутранай вобласці іголкі.У гэтым папярэднім аналізе меркавалася, што іголка цалкам пагружана ў вобласць тканіны (як мяркуецца, што яна цягнецца бясконца), змадэляваная як сфера радыусу rs, які заставаўся нязменным на ўзроўні 85 мм падчас усіх мадэляванняў.Больш падрабязна, мы завяршаем сферычную вобласць ідэальна падабраным слоем (PML), які прынамсі памяншае непажаданыя хвалі, адлюстраваныя ад «уяўных» межаў.Затым мы выбралі радыус rs такім чынам, каб змясціць сферычную мяжу дамена дастаткова далёка ад іголкі, каб не паўплываць на вылічальнае рашэнне, і дастаткова малым, каб не паўплываць на вылічальныя выдаткі на мадэляванне.
Гарманічны падоўжны зрух частоты f і амплітуды A прымяняецца да ніжняй мяжы геаметрыі стылуса;гэтая сітуацыя ўяўляе сабой ўваходны стымул, які ўжываецца да змадэляванай геаметрыі.На астатніх межах іголкі (у кантакце з тканінай і вадой) лічыцца, што прынятая мадэль уключае ўзаемасувязь паміж двума фізічнымі з'явамі, адна з якіх звязана са структурнай механікай (для вобласці іголкі), і другі — да будаўнічай механікі.(для ігольчатай вобласці), таму адпаведныя ўмовы накладаюцца на акустыку (для вады і ігольчатай вобласці)74.У прыватнасці, невялікія вібрацыі, прыкладзеныя да сядзення іголкі, выклікаюць невялікія перапады напружання;такім чынам, мяркуючы, што іголка паводзіць сябе як пругкае асяроддзе, вектар зрушэння U можа быць ацэнены з раўнання эластадынамічнай раўнавагі (Навье)75.Структурныя ваганні іголкі выклікаюць змены ціску вады ўнутры яе (які ў нашай мадэлі лічыцца стацыянарным), у выніку чаго гукавыя хвалі распаўсюджваюцца ў падоўжным кірунку іголкі, па сутнасці падпарадкоўваючыся раўнанню Гельмгольца76.Нарэшце, мяркуючы, што нелінейныя эфекты ў тканінах нязначныя і што амплітуда хваль зруху значна меншая за амплітуду хваль ціску, ураўненне Гельмгольца таксама можна выкарыстоўваць для мадэлявання распаўсюджвання акустычных хваль у мяккіх тканінах.Пасля гэтага набліжэння тканіна разглядаецца як вадкасць77 са шчыльнасцю 1000 кг/м3 і хуткасцю гуку 1540 м/с (без уліку эфектаў згасання, якія залежаць ад частоты).Каб злучыць гэтыя два фізічныя палі, неабходна забяспечыць бесперапыннасць нармальнага руху на мяжы цвёрдага цела і вадкасці, статычную раўнавагу паміж ціскам і напружаннем, перпендыкулярным да мяжы цвёрдага цела, і датычным напружаннем на мяжы цвёрдага цела. вадкасць павінна быць роўная нулю.75 .
У нашым аналізе мы даследуем распаўсюджванне акустычных хваль уздоўж іголкі ў стацыянарных умовах, засяродзіўшы ўвагу на ўплыве геаметрыі іголкі на выпраменьванне хваль унутры тканіны.У прыватнасці, мы даследавалі ўплыў унутранага дыяметра іголкі D, даўжыні L і кута скосу α, захоўваючы таўшчыню t фіксаванай на 500 мкм для ўсіх вывучаных выпадкаў.Гэта значэнне t блізкае да тыповай стандартнай таўшчыні сценкі 71 для камерцыйных іголак.
Без страты агульнасці частата f гарманічнага зрушэння, прыкладзенага да падставы іголкі, прымалася роўнай 100 кГц, а амплітуда А - 1 мкм.У прыватнасці, частата была ўстаноўлена роўнай 100 кГц, што адпавядае аналітычным ацэнкам, прыведзеным у раздзеле «Аналіз рассейвання сферычных опухолевых мас для ацэнкі ультрагукавых частот, якія залежаць ад росту», дзе было выяўлена рэзананснае паводзіны опухолевых мас у дыяпазон частот 50-400 кГц, з найбольшай амплітудай рассейвання, засяроджанай на больш нізкіх частотах каля 100-200 кГц (гл. мал. 2).
Першым вывучаным параметрам быў унутраны дыяметр D іголкі.Для зручнасці яе вызначаюць як цэлую долю даўжыні акустычнай хвалі ў паражніны іголкі (гэта значыць у вадзе λW = 1,5 мм).Сапраўды, з'явы распаўсюджвання хвалі ў прыладах, якія характарызуюцца дадзенай геаметрыяй (напрыклад, у хваляводзе), часта залежаць ад характэрнага памеру выкарыстоўванай геаметрыі ў параўнанні з даўжынёй хвалі, якая распаўсюджваецца.Акрамя таго, у першым аналізе, каб лепш падкрэсліць уплыў дыяметра D на распаўсюджванне акустычнай хвалі праз іголку, мы разгледзелі плоскі наканечнік, усталяваўшы кут α = 90°.Падчас гэтага аналізу даўжыня іголкі L была зафіксавана на 70 мм.
На мал.6a паказвае сярэднюю інтэнсіўнасць гуку як функцыю беспамернага параметра шкалы SD, г.зн. D = λW/SD, ацэненага ў сферы з радыусам 10 мм з цэнтрам на адпаведным кончыку іголкі.Параметр маштабавання SD змяняецца ад 2 да 6, гэта значыць мы разглядаем значэння D у дыяпазоне ад 7,5 мм да 2,5 мм (пры f = 100 кГц).Асартымент таксама ўключае стандартнае значэнне 71 для медыцынскіх іголак з нержавеючай сталі.Як і чакалася, унутраны дыяметр іголкі ўплывае на інтэнсіўнасць гуку, які выдаецца іголкай, з максімальным значэннем (1030 Вт/м2), адпаведным D = λW/3 (г.зн. D = 5 мм) і тэндэнцыяй да зніжэння з памяншэннем дыяметр.Варта ўлічваць, што дыяметр D з'яўляецца геаметрычным параметрам, які таксама ўплывае на інвазівных медыцынскага вырабы, таму нельга ігнараваць гэты крытычны аспект пры выбары аптымальнага значэння.Такім чынам, хаця памяншэнне D адбываецца з-за меншай перадачы акустычнай інтэнсіўнасці ў тканінах, для наступных даследаванняў дыяметр D = λW/5, гэта значыць D = 3 мм (адпавядае стандарту 11G71 пры f = 100 кГц) , лічыцца разумным кампрамісам паміж інтрузіўнасцю прылады і перадачай інтэнсіўнасці гуку (у сярэднім каля 450 Вт/м2).
Сярэдняя інтэнсіўнасць гуку, які выдаецца кончыкам іголкі (лічыцца плоскай), у залежнасці ад унутранага дыяметра іголкі (a), даўжыні (b) і вугла скосу α (c).Даўжыня (а, в) роўна 90 мм, дыяметр (б, в) — 3 мм.
Наступным параметрам, які трэба прааналізаваць, з'яўляецца даўжыня іголкі L. Як і ў папярэднім прыкладзе, мы разглядаем касы вугал α = 90°, а даўжыню разлічваем як кратную даўжыні хвалі ў вадзе, г.зн. лічым L = SL λW .Параметр беспамернай шкалы SL змяняецца з 3 на 7, ацэньваючы сярэднюю інтэнсіўнасць гуку, які выдае кончык іголкі ў дыяпазоне даўжынь ад 4,5 да 10,5 мм.Гэты дыяпазон уключае тыповыя значэнні для камерцыйных іголак.Вынікі паказаны на мал.6b, які паказвае, што даўжыня іголкі L аказвае вялікі ўплыў на перадачу інтэнсіўнасці гуку ў тканінах.У прыватнасці, аптымізацыя гэтага параметру дазволіла палепшыць перадачу прыкладна на парадак.Фактычна, у аналізаваным дыяпазоне даўжынь сярэдняя інтэнсіўнасць гуку дасягае лакальнага максімуму 3116 Вт/м2 пры SL = 4 (г.зн. L = 60 мм), а другі адпавядае SL = 6 (г.зн. L = 90 мм). мм).
Прааналізаваўшы ўплыў дыяметра і даўжыні іголкі на распаўсюджванне ультрагуку ў цыліндрычнай геаметрыі, мы засяродзіліся на ўплыве кута скосу на перадачу інтэнсіўнасці гуку ў тканінах.Сярэднюю інтэнсіўнасць гуку, які зыходзіць ад кончыка валакна, ацэньвалі ў залежнасці ад вугла α, змяняючы яго значэнне ад 10° (востры кончык) да 90° (плоскі кончык).У гэтым выпадку радыус інтэгравальнай сферы вакол разгляданага кончыка іголкі складаў 20 мм, так што для ўсіх значэнняў α кончык іголкі ўваходзіў у аб'ём, вылічаны з сярэдняга.
Як паказана на мал.6c, калі наканечнік завостраны, г.зн. калі α памяншаецца, пачынаючы з 90°, інтэнсіўнасць перадаванага гуку павялічваецца, дасягаючы максімальнага значэння каля 1,5 × 105 Вт/м2, што адпавядае α = 50°, г.зн. 2 на парадак вышэй у параўнанні з плоскім станам.Пры далейшым завострыванні наканечніка (г.зн. пры α ніжэй за 50°) інтэнсіўнасць гуку мае тэндэнцыю да зніжэння, дасягаючы значэнняў, параўнальных са сплюшчаным наканечнікам.Аднак, нягледзячы на ​​тое, што для нашага мадэлявання мы разглядалі шырокі дыяпазон вуглоў скосу, варта ўлічваць, што завострыванне наканечніка неабходна для палягчэння ўвядзення іголкі ў тканіну.Фактычна, меншы кут скосу (каля 10°) можа паменшыць сілу 78, неабходную для пранікнення ў тканіну.
У дадатак да значэння інтэнсіўнасці гуку, які перадаецца ўнутры тканіны, кут скосу таксама ўплывае на кірунак распаўсюджвання хвалі, як паказана на графіках узроўню гукавога ціску, паказаных на мал. 7a (для плоскага наканечніка) і 3b (для 10°). ).скошаны кончык), паралельна Падоўжны кірунак ацэньваецца ў плоскасці сіметрыі (yz, гл. мал. 5).У крайнім выпадку з гэтых двух меркаванняў, узровень гукавога ціску (пазначаецца як 1 мкПа) у асноўным канцэнтруецца ў паражніны іголкі (г.зн. у вадзе) і выпраменьваецца ў тканіну.Больш падрабязна, у выпадку плоскага наканечніка (мал. 7а) размеркаванне ўзроўню гукавога ціску цалкам сіметрычна адносна падоўжнага кірунку, і ў вадзе, якая запаўняе цела, можна адрозніць стаячыя хвалі.Хваля арыентавана падоўжна (вось z), амплітуда дасягае максімальнага значэння ў вадзе (каля 240 дБ) і памяншаецца папярочна, што прыводзіць да згасання каля 20 дБ на адлегласці 10 мм ад цэнтра іголкі.Як і варта было чакаць, увядзенне завостранага наканечніка (мал. 7b) парушае гэтую сіметрыю, і пучнасці стаячых хваль «адхіляюцца» ў адпаведнасці з кончыкам іголкі.Па-відаць, гэтая асіметрыя ўплывае на інтэнсіўнасць выпраменьвання кончыка іголкі, як апісана раней (мал. 6с).Каб лепш зразумець гэты аспект, акустычную інтэнсіўнасць ацэньвалі ўздоўж лініі разрэзу, артаганальнай падоўжнаму кірунку іголкі, якая размяшчалася ў плоскасці сіметрыі іголкі і знаходзілася на адлегласці 10 мм ад кончыка іголкі ( вынікі на малюнку 7c).Дакладней, размеркаванне інтэнсіўнасці гуку, ацэненае пад нахільнымі вугламі 10°, 20° і 30° (сінія, чырвоныя і зялёныя суцэльныя лініі адпаведна), параўноўвалася з размеркаваннем каля плоскага канца (крывыя з чорнымі пункцірамі).Размеркаванне інтэнсіўнасці, звязанае з іголкамі з плоскім кончыкам, выглядае сіметрычным адносна цэнтра іголкі.У прыватнасці, яна прымае значэнне каля 1420 Вт/м2 у цэнтры, пераліў каля 300 Вт/м2 на адлегласці ~8 мм, а затым зніжаецца да значэння каля 170 Вт/м2 на ~30 мм .Калі кончык становіцца завостраным, цэнтральная доля дзеліцца на некалькі доляй рознай інтэнсіўнасці.Дакладней, калі α складала 30°, тры пялёсткі можна было выразна адрозніць у профілі, вымераным на адлегласці 1 мм ад кончыка іголкі.Цэнтральная знаходзіцца амаль у цэнтры іголкі і мае разліковае значэнне 1850 Вт / м2, а вышэйшая справа знаходзіцца прыкладна ў 19 мм ад цэнтра і дасягае 2625 Вт / м2.Пры α = 20° ёсць 2 асноўныя пялёсткі: адзін на -12 мм пры 1785 Вт/м2 і адзін на 14 мм пры 1524 Вт/м2.Калі кончык становіцца больш вострым і кут дасягае 10°, максімум 817 Вт/м2 дасягаецца пры -20 мм, і ўздоўж профілю бачныя яшчэ тры пялёсткі крыху меншай інтэнсіўнасці.
Узровень гукавога ціску ў плоскасці сіметрыі y–z іголкі з плоскім канцом (а) і скосам 10° (б).(c) Размеркаванне акустычнай інтэнсіўнасці, ацэненае ўздоўж лініі разрэзу, перпендыкулярнай падоўжнаму кірунку іголкі, на адлегласці 10 мм ад кончыка іголкі і ляжачага ў плоскасці сіметрыі yz.Даўжыня L роўная 70 мм, а дыяметр D роўны 3 мм.
У сукупнасці гэтыя вынікі дэманструюць, што медыцынскія іголкі можна эфектыўна выкарыстоўваць для перадачы ультрагуку частатой 100 кГц у мяккія тканіны.Інтэнсіўнасць выпраменьванага гуку залежыць ад геаметрыі іголкі і можа быць аптымізавана (з улікам абмежаванняў, накладзеных інвазіўнасцю канчатковага прылады) да значэнняў у дыяпазоне 1000 Вт/м2 (пры 10 мм).нанесены на ніжнюю частку іголкі 1. У выпадку мікраметровага зрушэння лічыцца, што іголка цалкам уведзена ў бясконца пашыраную мяккую тканіну.У прыватнасці, кут скосу моцна ўплывае на інтэнсіўнасць і кірунак распаўсюджвання гукавых хваль у тканіны, што ў першую чаргу абумоўлівае артаганальнасць зрэзу кончыка іголкі.
Для падтрымкі распрацоўкі новых стратэгій лячэння пухлін, заснаваных на выкарыстанні неінвазіўных медыцынскіх метадаў, распаўсюджванне нізкачашчыннага ультрагуку ў асяроддзі пухліны было прааналізавана аналітычна і вылічальна.У прыватнасці, у першай частцы даследавання часовае эластадынамічнае рашэнне дазволіла нам вывучыць рассейванне ультрагукавых хваль у цвёрдых пухлінных сфероідах вядомага памеру і калянасці, каб вывучыць частатную адчувальнасць масы.Затым былі выбраны частоты парадку сотняў кілагерц, і лакальнае прымяненне вібрацыйнай нагрузкі ў асяроддзі пухліны з дапамогай прывада медыцынскай іголкі было змадэлявана ў лікавым мадэляванні шляхам вывучэння ўплыву асноўных канструктыўных параметраў, якія вызначаюць перадачу акустычнага магутнасць прыбора для навакольнага асяроддзя.Вынікі паказваюць, што медыцынскія іголкі можна эфектыўна выкарыстоўваць для апраменьвання тканін ультрагукам, а яго інтэнсіўнасць цесна звязана з геаметрычным параметрам іголкі, званым працоўнай даўжынёй акустычнай хвалі.Фактычна, інтэнсіўнасць апраменьвання праз тканіны павялічваецца з павелічэннем ўнутранага дыяметра іголкі, дасягаючы максімуму, калі дыяметр у тры разы перавышае даўжыню хвалі.Даўжыня іголкі таксама забяспечвае пэўную ступень свабоды для аптымізацыі ўздзеяння.Апошні вынік сапраўды максімізуецца, калі даўжыня іголкі ўсталёўваецца на пэўнае кратнае працоўнай даўжыні хвалі (у прыватнасці, 4 і 6).Цікава, што для цікавага дыяпазону частот аптымізаваныя значэнні дыяметра і даўжыні блізкія да значэнняў, якія звычайна выкарыстоўваюцца для стандартных камерцыйных іголак.Вугал скосу, які вызначае вастрыню іголкі, таксама ўплывае на каэфіцыент выпраменьвання, дасягаючы піка каля 50° і забяспечваючы добрую прадукцыйнасць каля 10°, які звычайна выкарыстоўваецца для камерцыйных іголак..Вынікі мадэлявання будуць выкарыстоўвацца для кіраўніцтва ўкараненнем і аптымізацыяй унутрыігольнай дыягнастычнай платформы бальніцы, інтэграцыі дыягнастычнага і тэрапеўтычнага ультрагуку з іншымі тэрапеўтычнымі рашэннямі ў прыладзе і рэалізацыі сумесных метадаў прэцызійнай медыцыны.
Кеніг І.Р., Фукс О., Хансен Г., фон Муцыус Э. і Копп М.В. Што такое прэцызійная медыцына?Eur, замежны.Часопіс 50, 1700391 (2017).
Колінз, FS і Varmus, H. Новыя ініцыятывы ў дакладнай медыцыне.Н. англ.Ж. Медыцына.372, 793–795 (2015).
Хсу, У., Маркі, МК і Ван, доктар медыцынскіх навук.Інфарматыка біямедыцынскай візуалізацыі ў эпоху прэцызійнай медыцыны: дасягненні, праблемы і магчымасці.варэнне.лекі.інфармаваць.Дацэнт.20 (6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Дакладная анкалогія: агляд.Ж. Клінічны.Анколь.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., і Salem, A. Паляпшэнне глиобластомы (GBM) тэрапіі з выкарыстаннем сістэмы дастаўкі на аснове наначасціц.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G і von Daimling A. Glioblastoma: паталогія, малекулярныя механізмы і маркеры.Акта неўрапаталогіі.129 (6), 829–848 (2015).
Буш, НАО, Чанг, С. М. і Бергер, М. С. Сучасныя і будучыя стратэгіі лячэння глиомы.нейрахірургія.Рэд.40, 1–14 (2017).