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最近、超音波の使用により、従来の細針吸引生検 (FNAB) と比較して、超音波増強細針吸引生検 (USeFNAB) における組織収量が向上することが実証されました。ベベルの形状と針先の動作との関係はまだ調査されていません。この研究では、異なるベベル長さのさまざまなニードル ベベル形状について、ニードルの共振とたわみ振幅の特性を調査しました。3.9 mm カットの従来のランセットを使用した場合、先端たわみ力率 (DPR) は、空気中では 220 μm/W、水中では 105 μm/W でした。これは、空気中および水中でそれぞれ 180 および 80 µm/W の DPR を達成した軸対称 4 mm ベベルチップよりも高くなります。この研究は、さまざまな挿入補助具の状況におけるベベル形状の曲げ剛性間の関係の重要性を強調しており、したがって、USeFNAB にとって重要である針のベベル形状を変更することによって穿刺後の切断動作を制御する方法への洞察を提供する可能性があります。申請事項。
細針吸引生検（FNAB）は、異常が疑われる場合に針を使用して組織サンプルを採取する技術です1、2、3。Franseen タイプのチップは、従来の Lancet4 および Menghini5 チップよりも高い診断性能を提供することが示されています。軸対称（円周方向）のベベルも、組織病理学に適切なサンプルの可能性を高めるために提案されています6。
生検では、皮膚や組織の層に針を刺して、疑わしい病理を明らかにします。最近の研究では、超音波活性化により軟組織へのアクセスに必要な穿刺力が軽減されることが示されています 7、8、9、10。針の斜角の幾何学的形状は、針の相互作用力に影響を与えることが示されており、例えば、斜角が長いほど、組織貫通力が低下することが示されている 11 。針が組織表面を貫通した後、つまり穿刺後、針の切断力は針と組織の相互作用力の合計の 75% になる可能性があることが示唆されています 12。超音波 (US) は、穿刺後の段階での診断用軟組織生検の質を向上させることが示されています 13。骨生検の質を向上させる他の方法が硬組織サンプリング用に開発されています 14,15 が、生検の質を向上させる結果は報告されていません。いくつかの研究では、超音波駆動電圧の増加に伴って機械的変位が増加することも判明しています16、17、18。針と組織の相互作用における軸方向（縦方向）の静的力に関する研究は数多くありますが、超音波増強FNAB（USeFNAB）における時間的力学と針のベベル形状に関する研究は限られています。
この研究の目的は、超音波周波数での針の屈曲によって駆動される針先端の動作に対するさまざまなベベル形状の影響を調査することでした。特に、選択的吸引などのさまざまな目的のためのUSeFNAB針の開発を促進するために、従来の針ベベル（ランセットなど）、軸対称および非対称の単一ベベル形状の穿刺後の針先端のたわみに対する注射媒体の影響を調査しました。アクセスまたは軟組織核。
この研究には、さまざまなベベル形状が含まれています。(a) ISO 7864:201636 に準拠したランセット。\(\alpha\) は主ベベル角度、\(\theta\) は二次ベベル回転角度、\(\phi\) は二次ベベル回転角度です。度 (\(^\circ\)) 単位。(b) 線形非対称 1 段面取り (DIN 13097:201937 では「標準」と呼ばれる)、(c) 線形軸対称 (円周) 1 段面取り。
私たちのアプローチは、まず従来のランセット、軸対称、および非対称の 1 段傾斜形状の傾斜に沿った曲げ波長の変化をモデル化することです。次に、輸送機構の可動性に対するベベル角度とチューブの長さの影響を調べるためにパラメトリック研究を計算しました。これは、試作品の針を作成するための最適な長さを決定するために行われます。シミュレーションに基づいて針のプロトタイプが作成され、空気、水、および 10% (w/v) 弾道ゼラチン中での針の共振挙動が、電圧反射係数の測定と電力伝達効率の計算によって実験的に特徴付けられ、そこから動作周波数が算出されました。決定した。。最後に、高速イメージングを使用して、空気中および水中での針の先端での屈曲波のたわみを直接測定し、各傾斜によって伝達される電力と注入された針のたわみ力率 (DPR) 形状を推定します。中くらい。
図 2a に示すように、316 ステンレス鋼 (ヤング率 205) で作られた No. 21 パイプ (外径 0.80 mm、内径 0.49 mm、パイプ肉厚 0.155 mm、ISO 9626:201621 で指定された標準壁) を使用します。\(\text {GN/m}^{2}\)、密度 8070 kg/m\(^{3}\)、ポアソン比 0.275)。
曲げ波長の決定と、針と境界条件の有限要素モデル (FEM) の調整。(a) ベベル長さ (BL) とパイプ長さ (TL) の決定。(b) 調和点力 \(\tilde{F}_y\vec{j}\) を使用して近位端の針を励起し、点を偏向させ、速度を測定する 3 次元 (3D) 有限要素モデル (FEM)チップごと (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) を使用して、機械的な輸送モビリティを計算します。\(\lambda _y\) は、垂直力 \(\tilde{F}_y\vec {j}\) に関連する曲げ波長として定義されます。(c) 重心、断面積 A、x 軸と y 軸の周りの慣性モーメント \(I_{xx}\) と \(I_{yy}\) をそれぞれ決定します。
図に示すように。2b,c、断面積 A の無限 (無限) ビームの場合、ビームの断面のサイズと比較して大きな波長では、曲げ (または曲げ) 位相速度 \(c_{EI}\ ) は 22 として定義されます。
ここで、E はヤング率 (\(\text {N/m}^{2}\))、\(\omega _0 = 2\pi f_0\) は励起角周波数 (rad/s)、ここで \( f_0 \ ) は線形周波数 (1/s または Hz)、I は対象軸の周りの領域の慣性モーメント \((\text {m}^{4})\) および \(m'=\ rho _0 A \) は単位長さ上の質量 (kg/m) です。ここで \(\rho _0\) は密度 \((\text {kg/m}^{3})\)、A は十字です-ビームの断面積（xy平面）（\（\text {m}^{2}\））。この場合、加えられる力は垂直方向の y 軸、つまり \(\tilde{F}_y\vec {j}\) に平行であるため、水平方向の x 軸の周囲の領域の慣性モーメントのみに関心があります。軸、つまり \(I_{xx} \)、そのため:
有限要素モデル (FEM) の場合、純粋な調和変位 (m) が仮定されるため、加速度 (\(\text {m/s}^{2}\)) は \(\partial ^2 \vec { u}/ \ 部分 t^2 = -\omega ^2\vec {u}\)、例: \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) は、空間座標で定義された 3 次元変位ベクトルです。COMSOL Multiphysics ソフトウェア パッケージ (バージョン 5.4 ～ 5.5、COMSOL Inc.、マサチューセッツ州、米国) での実装に従って、後者を運動量平衡則 23 の有限変形可能なラグランジュ形式に置き換えると、次のようになります。
ここで \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) はテンソル発散演算子、\({\underline{\sigma}}\) は 2 番目のピオラ・キルヒホッフ応力テンソル (2 次、\(\ text { N /m}^{2}\))、および \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) は各変形可能なボリュームの物体力のベクトル (\(\text {N/m}^{3}\)) であり、\(e^{j\phi }\) は変形可能なボリュームの位相です。体積力には位相角 \(\ phi\) (rad) があります。私たちの場合、物体の体積力はゼロであり、モデルは幾何学的直線性と小さな純粋な弾性変形を仮定しています。つまり、 \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ )、ここで \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) と \({\underline{ \varepsilon}}\) – それぞれ弾性変形と全体変形 (2 次の無次元)。フックの構成等方性弾性テンソル \(\underline {\underline {C))\) はヤング率 E(\(\text{N/m}^{2}\)) を使用して取得され、ポアソン比 v は次のように定義されます。 \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (4 次)。したがって、応力計算は \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\) となります。
計算は、要素サイズ \(\le\) 8 µm の 10 節点の四面体要素を使用して実行されました。針は真空中でモデル化され、機械的移動度伝達値 (ms-1 H-1) は \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} として定義されます。 |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24、ここで \(\tilde{v}_y\vec {j}\) はハンドピースの出力複素速度、および \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) は、図 2b に示すように、チューブの近位端に位置する複雑な駆動力です。透過機械移動度は、最大値を基準としてデシベル (dB) で表されます。つまり \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ )、すべての FEM スタディは 29.75 kHz の周波数で実行されました。
針の設計 (図 3) は、従来の 21 ゲージの皮下注射針 (カタログ番号: 4665643、Sterican\(^\circledR\)、外径 0.8 mm、長さ 120 mm、AISI 製) で構成されています。クロムニッケルステンレス鋼３０４．、Ｂ．Ｂｒａｕｎ Ｍｅｌｓｕｎｇｅｎ ＡＧ、メルズンゲン、ドイツ）は、対応する先端修正を施したポリプロピレン製のプラスチック製ルアーロックスリーブを近位に配置した。図 3b に示すように、針管は導波管にはんだ付けされます。導波路はステンレス鋼 3D プリンタ (フィンランド、ユヴァスキュラの 3D Formtech Oy の EOS M 290 3D プリンタで EOS ステンレス鋼 316L) で印刷され、M4 ボルトを使用してランジュバン センサーに取り付けられました。ランジュバン トランスデューサは、両端に 2 つの重りを備えた 8 つの圧電リング要素で構成されています。
4 種類のチップ (写真)、市販のランセット (L)、および 3 つの製造された軸対称一段ベベル (AX1 ～ 3) は、それぞれベベル長さ (BL) が 4、1.2、および 0.5 mm であることを特徴としました。(a) 完成した針先の拡大図。(b) 3D プリントされた導波路にはんだ付けされ、M4 ボルトでランジュバン センサーに接続された 4 つのピンの上面図。
3 つの軸対称ベベルチップ (図 3) (TAs 工作機械 Oy) は、\(\おおよそ\) 2\ (^\ に相当する 4.0、1.2、0.5 mm のベベル長 (BL、図 2a で決定) で製造されましたcirc\)、7\(^\circ\)、18\(^\circ\)。導波管とスタイラスの重量は、ベベル L と AX1 ～ 3 でそれぞれ 3.4 ± 0.017 g (平均 ± SD、n = 4) です (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2、Sartorius AG、ゲッティンゲン、ドイツ)。針の先端からプラスチックスリーブの端までの全長は、図 3b のベベル L と AX1-3 でそれぞれ 13.7、13.3、13.3、13.3 cm です。
すべての針の構成において、針の先端から導波管の先端 (つまり、はんだ付け領域) までの長さは 4.3 cm で、針管はベベルが上を向く (つまり、Y 軸に平行になる) ように配向されています。 ）。）、（図2）のように。
コンピューター (Latitude 7490、Dell Inc.、テキサス州、米国) 上で実行される MATLAB (R2019a、The MathWorks Inc.、マサチューセッツ州、米国) のカスタム スクリプトを使用して、25 kHz から 35 kHz までの線形正弦波スイープを 7 秒で生成しました。デジタルアナログ（DA）コンバーター（Analog Discovery 2、Digilent Inc.、ワシントン、米国）によってアナログ信号に変換されます。次に、アナログ信号 \(V_0\) (0.5 Vp-p) を専用の無線周波数 (RF) 増幅器 (Mariachi Oy、トゥルク、フィンランド) で増幅しました。立ち下がり増幅電圧 \({V_I}\) は、出力インピーダンス 50 \(\Omega\) の RF アンプから、入力インピーダンス 50 \(\Omega)\) のニードル構造に組み込まれたトランスに出力されます。ランジュバン トランスデューサー (質量が負荷された前後の多層圧電トランスデューサー) は、機械波の生成に使用されます。カスタム RF アンプには、300 kHz アナログデジタル (AD) を通じて入射 \({V_I}\) と反射増幅電圧 \(V_R\) を検出できるデュアルチャンネル定在波力率 (SWR) メーターが装備されています。 ) コンバーター (Analog Discovery 2)。励起信号は、過渡現象によるアンプ入力の過負荷を防ぐために、最初と最後で振幅変調されます。
MATLAB で実装されたカスタム スクリプトを使用すると、周波数応答関数 (AFC)、つまり線形定常システムが仮定されます。また、20 ～ 40 kHz のバンドパス フィルターを適用して、信号から不要な周波数を除去します。伝送線路理論を参照すると、この場合の \(\tilde{H}(f)\) は電圧反射係数、つまり \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \) に相当します26。アンプの出力インピーダンス \(Z_0\) はコンバータ内蔵トランスの入力インピーダンスに相当するため、電力反射係数 \({P_R}/{P_I}\) は \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) は \ (|\rho _{V}|^2\) に等しい。電力の絶対値が必要な場合は、対応する電圧の二乗平均平方根 (rms) 値を取得して、入射 \(P_I\) および反射 \(P_R\) 電力 (W) を計算します。正弦波励起の伝送線路の場合、\(P = {V}^2/(2Z_0)\)26、ここで \(Z_0\) は 50 \(\Omega\) に等しくなります。負荷 \(P_T\) (つまり、挿入された媒体) に供給される電力は \(|P_I – P_R |\) (W RMS) として計算でき、電力伝達効率 (PTE) は次のように定義および表現できます。したがって、パーセンテージ (%) は 27 となります。
次に、周波数応答を使用して、スタイラス設計のモード周波数 \(f_{1-3}\) (kHz) と、対応する電力伝達効率 \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) は、表 1 から \(\text {PTE}_{1{-}3}\) から直接推定されます。周波数 \(f_{1-3}\) で説明されています。
針状構造の周波数応答 (AFC) を測定する方法。デュアルチャネル掃引正弦波測定 25,38 は、周波数応答関数 \(\tilde{H}(f)\) とそのインパルス応答 H(t) を取得するために使用されます。\({\mathcal {F}}\) と \({\mathcal {F}}^{-1}\) は、それぞれ数値の切り捨てられたフーリエ変換と逆変換演算を示します。\(\tilde{G}(f)\) は 2 つの信号が周波数領域で乗算されることを意味します。たとえば、\(\tilde{G}_{XrX}\) は逆スキャンを意味します\(\tilde{X} r( f )\) と電圧降下信号 \(\tilde{X}(f)\)。
図に示すように。5、マクロレンズ（MP-E 65mm、\(f)/2.8、1-5\（\times\）を装備した高速カメラ（Phantom V1612、Vision Research Inc.、米国ニュージャージー州、米国））、Canon Inc ..、東京、日本）を使用して、27.5 ～ 30 kHz の周波数で曲げ励起（単一周波数、連続正弦波）を受けた針先端のたわみを記録しました。シャドウ マップを作成するために、高輝度白色 LED (部品番号: 4052899910881、白色 LED、3000 K、4150 lm、Osram Opto Semiconductors GmbH、レーゲンスブルク、ドイツ) の冷却要素をニードルのベベルの後ろに配置しました。
実験装置を正面から見たところ。深さはメディア表面から測定されます。針構造はクランプされ、電動移動テーブルに取り付けられます。高倍率レンズ (5\(\time\)) を備えた高速カメラを使用して、面取りされた先端のたわみを測定します。すべての寸法はミリメートル単位です。
針のベベルの種類ごとに、128 \(\x\) 128 ピクセルの 300 個の高速カメラ フレームを記録しました。各フレームの空間解像度は 1/180 mm (\(\約) 5 μm)、時間解像度は毎秒310,000フレーム。図 6 に示すように、各フレーム (1) は、先端がフレームの最後の行 (下部) に来るようにトリミングされ (2)、画像のヒストグラム (3) が計算されます。そのため、Canny のしきい値 1 と２と判断できます。次に、ソーベル演算子 3 \(\times\) 3 を使用して Canny28(4) エッジ検出を適用し、すべての 300 分割ステップについて非キャビテーション斜辺 (ラベル \(\mathbf {\times }\)) のピクセル位置を計算します。 。最終的なたわみのスパンを決定するために、（中心差分アルゴリズムを使用して）導関数が計算され（6）、たわみの局所的な極値（つまりピーク）を含むフレームが特定されます（7）。キャビテーションのないエッジを視覚的に検査した後、1 組のフレーム (または半分の期間で隔てられた 2 つのフレーム) (7) が選択され、先端のたわみが測定されました (\(\mathbf {\times} \ とラベル付けされています)。上記が実装されましたOpenCV Canny エッジ検出アルゴリズム (v4.5.1、オープン ソース コンピューター ビジョン ライブラリ、opencv.org) を使用した Python (v3.8、Python Software Foundation、python.org) の電力 \ (P_T \) (W、rms)。 。
先端のたわみは、フレーミング (1-2)、キャニー エッジ検出 (3-4)、ピクセル位置エッジを含む 7 ステップのアルゴリズム (1-7) を使用して、310 kHz の高速カメラから取得した一連のフレームを使用して測定されました。計算 (5) とその時間導関数 (6)、そして最後に、目視検査されたフレームのペアでピーク間の先端のたわみが測定されました (7)。
測定は、空気中 (22.4 ～ 22.9°C)、脱イオン水 (20.8 ～ 21.5°C)、およびバリスティック ゼラチン 10% (w/v) (19.7 ～ 23.0°C) で行われました。 \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) I 型弾道分析用のウシおよび豚骨ゼラチン、ハネウェル インターナショナル、ノースカロライナ州、米国）。温度は、K タイプ熱電対アンプ (AD595、Analog Devices Inc.、マサチューセッツ州、米国) および K タイプ熱電対 (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K、Fluke Corporation、米国ワシントン州) を使用して測定しました。媒体から 垂直電動 Z 軸ステージ (8MT50-100BS1-XYZ、Standa Ltd.、ビリニュス、リトアニア) を使用して、解像度 5 μm で表面 (Z 軸の原点として設定) から深さを測定しました。ステップごとに。
サンプルサイズが小さく (n = 5)、正規性が仮定できないため、2 サンプル両側 Wilcoxon 順位和検定 (R、v4.0.3、R Foundation for Statistical Computing、r-project .org) が使用されました。異なるベベルの針先の変動量を比較します。傾きごとに 3 回の比較が行われたため、調整された有意水準 0.017 および誤差率 5% でボンフェローニ補正が適用されました。
次に図 7 を見てみましょう。周波数 29.75 kHz では、21 ゲージ針の曲げ半波長 (\(\lambda_y/2\)) は \(\およそ) 8 mm です。先端に近づくにつれて、曲げ波長は斜角に沿って減少します。先端 \(\lambda _y/2\) \(\おおよそ\) には、通常の槍状 (a)、非対称 (b)、および軸対称 (c) の 1 本の針の傾斜に対して 3、1、7 mm のステップがあります。 、 それぞれ。したがって、これは、ランセットの範囲が \(\おおよそ) 5 mm (ランセットの 2 つの平面が単一の点を形成するという事実により 29,30)、非対称ベベルが 7 mm、非対称ベベルが 1 であることを意味します。んん。軸対称の傾斜 (重心は一定のままであるため、実際には傾斜に沿ってパイプの壁の厚さのみが変化します)。
FEM の研究と周波数 29.75 kHz での方程式の適用。(1) ランセット (a)、非対称 (b)、および軸対称 (c) のベベル形状の曲げ半波 (\(\lambda_y/2\)) の変化を計算する場合 (図 1a、b、c と同様) ）。ランセット、非対称、および軸対称のベベルの平均値 \(\lambda_y/2\) は、それぞれ 5.65、5.17、および 7.52 mm でした。非対称および軸対称ベベルのチップの厚さは \(\約) 50 µm に制限されていることに注意してください。
ピーク移動度 \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) は、チューブ長 (TL) とベベル長 (BL) の最適な組み合わせです (図 8、9)。従来のランセットの場合、サイズが固定されているため、最適なTLは\(\約) 29.1 mmです(図8)。非対称および軸対称のベベル (それぞれ図 9a、b) の場合、FEM 研究には 1 ～ 7 mm の BL が含まれていたため、最適な TL は 26.9 ～ 28.7 mm (範囲 1.8 mm) および 27.9 ～ 29.2 mm (範囲) でした。 1.3 mm)、それぞれ。非対称の傾斜 (図 9a) では、最適な TL は直線的に増加し、BL 4 mm でプラトーに達し、その後 BL 5 から 7 mm まで急激に減少しました。軸対称のベベル (図 9b) の場合、最適な TL は BL の増加に伴って直線的に増加し、最終的に BL 6 mm から 7 mm で安定しました。軸対称傾斜の拡張研究（図9c）により、\（\おおよそ）35.1〜37.1 mmで最適なTLの異なるセットが明らかになりました。すべての BL について、2 つの最適な TL 間の距離は \(\おおよそ\) 8mm (\(\lambda_y/2\) に相当) です。
29.75 kHz でのランセット透過移動度。針を周波数 29.75 kHz で柔軟に励振し、針の先端で振動を測定し、TL 26.5 ～ 29.5 mm (0.1 mm 単位) の伝達された機械的移動度 (最大値に対する dB) の量として表しました。 。
周波数 29.75 kHz での FEM のパラメトリック研究では、軸対称チップの伝達移動度は、非対称チップよりもチューブの長さの変化による影響が少ないことが示されています。FEM を使用した周波数領域研究における非対称 (a) および軸対称 (b、c) のベベル形状のベベル長 (BL) とパイプ長 (TL) の研究 (境界条件は図 2 に示されています)。(a、b) TL は 26.5 ～ 29.5 mm (0.1 mm ステップ)、BL は 1 ～ 7 mm (0.5 mm ステップ) の範囲でした。(c) TL 25 ～ 40 mm (0.05 mm 増分) および BL 0.1 ～ 7 mm (0.1 mm 増分) を含む拡張軸対称傾斜研究は、 \(\lambda_y/2\ ) がチップの要件を満たさなければならないことを示しています。移動境界条件。
針の構成には、表 1 に示すように、低、中、高モード領域に分割された 3 つの固有周波数 \(f_{1-3}\) があります。PTE サイズは、図に示すように記録されました。以下は、各モーダル領域の結果です。
深さ 20 mm の空気、水、ゼラチン中で、ランセット (L) および軸対称ベベル AX1 ～ 3 の掃引周波数正弦波励起で得られた、典型的に記録された瞬間電力伝達効率 (PTE) 振幅。片側スペクトルが表示されます。測定された周波数応答 (300 kHz でサンプリング) はローパス フィルター処理され、モーダル解析のために 200 分の 1 にスケールダウンされました。信号対雑音比は \(\le\) 45 dB です。PTE 位相 (紫色の点線) は度 (\(^{\circ}\)) で示されます。
図 10 に示すモーダル応答解析 (平均 ± 標準偏差、n = 5)、傾斜 L および AX1-3、空気、水および 10% ゼラチン (深さ 20 mm)、(上) 3 つのモーダル領域 (低、中、高）および対応するモード周波数\(f_{1-3 }\) (kHz)、(平均) エネルギー効率 \(\text {PTE}_{1{-}3}\) 等価物を使用して計算。(4) と (下) の半値全幅測定値 \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz)。低い PTE が登録されている場合、つまり AX2 スロープの場合は \(\text {FWHM}_{1}\) の場合、帯域幅測定はスキップされることに注意してください。\(f_2\) モードは、最大 99% の最高レベルの電力伝達効率 (\(\text {PTE}_{2}\)) を示すため、傾斜たわみの比較に最適であることがわかりました。
最初のモーダル領域: \(f_1\) は、挿入された媒体の種類にはあまり依存しませんが、斜面の形状に依存します。\(f_1\) は、ベベル長さが減少するにつれて減少します (AX1 ～ 3 では、空気中でそれぞれ 27.1、26.2、および 25.9 kHz)。地域平均 \(\text {PTE}_{1}\) と \(\text {FWHM}_{1}\) は、それぞれ \(\おおよそ\) 81% と 230 Hz です。\(\text {FWHM}_{1}\) は、ランセット (L、473 Hz) の中でゼラチン含有量が最も高くなります。ゼラチン中の \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 は、記録された FRF 振幅が低いため評価できなかったことに注意してください。
2 番目のモーダル領域: \(f_2\) は、挿入されたメディアのタイプとベベルによって異なります。平均値\(f_2\)は、空気中、水中、ゼラチン中ではそれぞれ29.1、27.9、28.5 kHzです。このモーダル領域では、99% という高い PTE も示されました。これは、測定されたすべてのグループの中で最も高く、地域平均は 84% でした。\(\text {FWHM}_{2}\) の地域平均は \(\おおよそ\) 910 Hz です。
3 番目のモード領域: 周波数 \(f_3\) はメディアの種類とベベルによって異なります。\(f_3\) の平均値は、空気中、水中、ゼラチン中ではそれぞれ 32.0、31.0、31.3 kHz です。\(\text {PTE}_{3}\) の地域平均は \(\おおよそ\) 74% で、全地域の中で最低でした。地域平均 \(\text {FWHM}_{3}\) は \(\おおよそ\) 1085 Hz で、これは 1 番目と 2 番目の領域よりも高くなります。
       以下は図を参照します。ランセット (L) は、空気中と水中での両方で最も大きく偏向し (すべての先端に対して重要度が高く、\(p<\) 0.017) (図 12a)、最高の DPR (最大 220 μm/) を達成しました。空気中のW）。 ランセット (L) は、空気中と水中での両方で最も大きく偏向し (すべての先端に対して重要度が高く、\(p<\) 0.017) (図 12a)、最高の DPR (最大 220 μm/) を達成しました。空気中のW）。 Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больго (с высокой значимостью для всех) конечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR 。 以下は、図 12 と表 2 に当てはまります。ランセット (L) は、空気中と水中で (図 12a)、最高の DPR を達成し (すべての先端で有意性が高く、\(p<\) 0.017) 最も大きくたわみました。(空気中で220μm/Wを行う)。Ｓｍｔ．以下の図 12 と表 2。ヤナギ葉刀(L)は空気中および水中で最も偏向し(すべての先端が高い偏向性を有する、\(p<\) 0.017)(図12a)、最高のDPR(空気中最高220μm/W)を達成した。柳葉刀(L) は、空気中および水中で最も高いたわみを示し (对所记先端可能性が高く、\(p<\) 0.017) (図 12a)、最高の DPR (最大 220 µm/W) を達成しました。空気）。 Ланцет (L) отклонялся больго (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) воздухе и воде (рис), DPR (220 分/Вт в воздухе) まで。 ランセット（L）は空気中と水中で最も大きく偏向し（すべての先端で有意性が高く、\(p<\) 0.017）（図12a）、最高のDPR（空気中で最大220μm/W）に達しました。 空気中では、BL がより高い AX1 は AX2–3 よりも大きくたわみました (有意差あり、\(p<\) 0.017)。一方、AX3 (BL が最も低かった) は 190 µm/W の DPR で AX2 よりもたわみました。 空気中では、BL がより高い AX1 は AX2–3 よりも大きくたわみました (有意差あり、\(p<\) 0.017)。一方、AX3 (BL が最も低かった) は 190 µm/W の DPR で AX2 よりもたわみました。 В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выbolе, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL)から、AX2 から DPR 190 分/Вт まで。 空気中では、BL が高い AX1 は AX2–3 よりも大きくたわみました (有意差 \(p<\) 0.017)が、AX3 (BL が最も低い) は DPR 190 μm/W の AX2 よりもたわみました。空気中では、AX1 が AX2-3 よりも偏度が高く（着性あり、\(p<\) 0.017）、AX3（最低 BL を有する）の偏りが AX2 より大きく、DPR は 190 µm/W です。 。 空気中では、より高い BL を持つ AX1 のたわみは AX2-3 のたわみよりも高く (重要なことに \(p<\) 0.017)、AX3 (最低の BL を持つ) のたわみは AX2 のたわみより大きく、DPR は 190 です。 μm/W 。 В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больге, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL)到着後、AX2 から DPR 190 分/Вт まで。 空気中では、BL が高い AX1 は AX2-3 よりも大きくたわみます (有意、\(p<\) 0.017)。一方、AX3 (BL が最も低い) は DPR 190 µm/W の AX2 よりもたわみます。水深 20 mm では、たわみと PTE AX1 ～ 3 に大きな差はありませんでした (\(p>\) 0.017)。水中の PTE レベル (90.2 ～ 98.4%) は一般に空気中 (56 ～ 77.5%) よりも高く (図 12c)、水中での実験中にキャビテーション現象が観察されました (図 13、追加の説明も参照)情報）。
空気中および水中 (深さ 20 mm) でベベル L および AX1-3 について測定された先端のたわみ量 (平均 ± SD、n = 5) は、ベベル形状の変更の影響を示します。測定値は、連続単一周波数正弦波励起を使用して取得されました。(a) 先端のピーク間偏差 (\(u_y\vec {j}\))、(b) それぞれのモード周波数 \(f_2\) で測定。(c) 式の電力伝達効率 (PTE、RMS、%)。(4) および (d) ピークツーピーク偏差および送信電力 \(P_T\) (Wrms) として計算された偏向力率 (DPR、μm/W)。
典型的な高速カメラのシャドウ プロットは、半サイクルにわたる水中 (深さ 20 mm) でのランセット (L) と軸対称チップ (AX1 ～ 3) のピーク間の偏差 (緑と赤の点線) を示しています。励起周波数 \(f_2\) (サンプリング周波数 310 kHz) でのサイクル。キャプチャされたグレースケール画像のサイズは 128×128 ピクセル、ピクセル サイズは \(\おおよそ\) 5 μm です。ビデオは追加情報にあります。
そこで、曲げ波長の変化をモデル化し（図7）、従来のランセット、非対称および軸対称の幾何学的形状の面取りについて、パイプの長さと面取りの組み合わせで伝達可能な機械的移動度を計算しました（図8、9）。後者に基づいて、図5に示すように、先端から溶接部までの最適な距離43 mm（または29.75 kHzで\(\おおよそ) 2.75\(\lambda _y\)）を推定し、3つの軸対称を作成しました。異なるベベル長さのベベル。次に、空気、水、および 10% (w/v) 弾道ゼラチン中での周波数挙動を従来のランセットと比較して特性評価し (図 10、11)、ベベルたわみの比較に最も適したモードを決定しました。最後に、空気中および水中の深さ 20 mm で曲げ波によるチップのたわみを測定し、ベベルごとの挿入媒体の電力伝達効率 (PTE、%) とたわみ力率 (DPR、μm/W) を定量化しました。角型タイプ（図12）。
針のベベル形状は、針先端のたわみの量に影響を与えることが示されています。ランセットは、平均たわみが低い軸対称ベベルと比較して、最高のたわみと最高の DPR を達成しました (図 12)。最も長いベベルを持つ 4 mm の軸対称ベベル (AX1) は、他の軸対称ニードル (AX2 ～ 3) と比較して、空気中で統計的に有意な最大たわみを達成しました (\(p < 0.017\)、表 2)。ただし、有意な差はありませんでした。 。針を水に入れると観察されます。したがって、先端のピークたわみに関しては、ベベル長さを長くすることには明らかな利点はありません。これを念頭に置くと、この研究で研究したベベルの形状が、ベベルの長さよりもたわみ量に大きな影響を与えることがわかります。これは、曲げられる材料の全体の厚さや針の設計などに応じて、曲げ剛性が原因である可能性があります。
実験研究では、反射されたたわみ波の大きさは先端の境界条件の影響を受けます。針先を水とゼラチンに挿入すると、\(\text {PTE}_{2}\) は \(\おおよそ\) 95%、\(\text {PTE}_{ 2}\) は \ (\text {PTE}_{ 2}\) (\text {PTE}_{1}\) と \(\text {PTE}_{3}\) の値は 73% と 77%、それぞれ（図11）。これは、キャスト媒体、つまり水またはゼラチンへの音響エネルギーの最大伝達が \(f_2\) で発生することを示しています。同様の挙動は、41 ～ 43 kHz の周波数範囲でのより単純なデバイス構成を使用した以前の研究 31 でも観察されており、著者らはこの研究で電圧反射係数が埋め込み媒体の機械的弾性率に依存することを示しました。浸透深さ 32 と組織の機械的特性は針に機械的負荷を与えるため、UZEFNAB の共振挙動に影響を与えると予想されます。したがって、共鳴追跡アルゴリズム（例えば、１７、１８、３３）を使用して、針を通して送達される音響パワーを最適化することができる。
曲げ波長でのシミュレーション (図 7) は、軸対称の先端がランセットや非対称のベベルよりも構造的に剛性が高い (つまり、曲げの剛性が高い) ことを示しています。(1) に基づいて、既知の速度と周波数の関係を使用して、針の先端の曲げ剛性を、ランセット、非対称、および軸方向の傾斜面でそれぞれ \(\about\) 200、20、および 1500 MPa と推定します。これは、29.75 kHz で、それぞれ \(\おおよそ\) 5.3、1.7、および 14.2 mm の \(\lambda_y\) に対応します (図 7a–c)。USeFNAB 中の臨床安全性を考慮すると、傾斜面の構造的剛性に対する形状の影響を評価する必要があります 34。
チューブの長さに対するベベルパラメータの研究 (図 9) では、最適な透過範囲が軸対称ベベル (1.3 mm) よりも非対称ベベル (1.8 mm) の方が高いことが示されました。さらに、移動度は、非対称傾斜と軸対称傾斜の場合、それぞれ 4 ～ 4.5 mm と 6 ～ 7 mm で安定しています（図 9a、b）。この発見の実際的な重要性は、製造公差に表れます。たとえば、最適な TL の範囲が低いほど、より高い長さの精度が必要であることを意味する可能性があります。同時に、モビリティ プラトーにより、モビリティに大きな影響を与えることなく、特定の周波数でのディップの長さを選択する際の許容範囲が大きくなります。
この研究には次の制限が含まれています。エッジ検出と高速イメージングを使用した針のたわみの直接測定 (図 12) は、空気や水などの光学的に透明な媒体に限定されることを意味します。また、シミュレーションによる移動度のテストやその逆のテストに実験を使用したのではなく、針の製造に最適な長さを決定するために FEM 研究を使用したことも指摘したいと思います。実際の制限に関しては、ランセットの先端からスリーブまでの長さは、他の針 (AX1-3) より \(\約) 0.4 cm 長くなります (図を参照)。3b.これは、針の設計のモード応答に影響を与える可能性があります。さらに、導波路ピンの端のはんだの形状と量 (図 3 を参照) がピン設計の機械インピーダンスに影響を及ぼし、機械インピーダンスと曲げ動作に誤差が生じる可能性があります。
最後に、実験的なベベル形状が USeFNAB のたわみ量に影響を与えることを実証しました。より大きなたわみが、穿刺後の切断効率など、組織に対する針の効果にプラスの影響を与える場合、USeFNAB では、構造先端の適切な剛性を維持しながら最大のたわみを提供する従来のランセットを推奨できます。。さらに、最近の研究 35 では、先端のたわみが大きくなるとキャビテーションなどの生物学的効果が強化されることが示されており、これにより低侵襲外科用途の開発が促進される可能性があります。USeFNAB13 では、総音響パワーの増加により生検数が増加することが示されているため、研究された針の形状の詳細な臨床上の利点を評価するには、サンプルの量と質のさらなる定量的研究が必要です。