Diolch am ymweld â Nature.com.Rydych chi'n defnyddio fersiwn porwr gyda chefnogaeth CSS gyfyngedig.I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer).Yn ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn dangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Sliders yn dangos tair erthygl fesul sleid.Defnyddiwch y botymau cefn a nesaf i symud trwy'r sleidiau, neu'r botymau rheolydd sleidiau ar y diwedd i symud trwy bob sleid.
Yn seiliedig ar groestoriad rhyngddisgyblaethol ffiseg a gwyddorau bywyd, mae strategaethau diagnostig a therapiwtig yn seiliedig ar feddygaeth fanwl wedi denu cryn sylw yn ddiweddar oherwydd cymhwysedd ymarferol dulliau peirianneg newydd mewn sawl maes meddygaeth, yn enwedig mewn oncoleg.O fewn y fframwaith hwn, mae'r defnydd o uwchsain i ymosod ar gelloedd canser mewn tiwmorau er mwyn achosi difrod mecanyddol posibl ar wahanol raddfeydd yn denu sylw cynyddol gan wyddonwyr ledled y byd.Gan ystyried y ffactorau hyn, yn seiliedig ar atebion amseru elastodynamig ac efelychiadau rhifiadol, rydym yn cyflwyno astudiaeth ragarweiniol o efelychiad cyfrifiadurol o ymlediad uwchsain mewn meinweoedd er mwyn dewis amleddau a phwerau addas trwy arbelydru lleol.Llwyfan diagnostig newydd ar gyfer y labordy technoleg On-Fiber, a elwir yn nodwydd yr ysbyty ac sydd eisoes wedi'i batentu.Credir y gallai canlyniadau'r dadansoddiad a mewnwelediadau bioffisegol cysylltiedig baratoi'r ffordd ar gyfer dulliau diagnostig a therapiwtig integredig newydd a allai chwarae rhan ganolog wrth gymhwyso meddygaeth fanwl yn y dyfodol, gan dynnu o feysydd ffiseg.Mae synergedd cynyddol rhwng bioleg yn dechrau.
Gydag optimeiddio nifer fawr o gymwysiadau clinigol, dechreuodd yr angen i leihau sgîl-effeithiau ar gleifion ddod i'r amlwg yn raddol.I'r perwyl hwn, mae meddygaeth fanwl1, 2, 3, 4, 5 wedi dod yn nod strategol i leihau'r dos o gyffuriau a ddosberthir i gleifion, gan ddilyn dau brif ddull yn y bôn.Mae'r cyntaf yn seiliedig ar driniaeth a ddyluniwyd yn unol â phroffil genomig y claf.Nod yr ail, sy'n dod yn safon aur mewn oncoleg, yw osgoi gweithdrefnau cyflwyno cyffuriau systemig trwy geisio rhyddhau ychydig bach o gyffur, tra ar yr un pryd yn cynyddu cywirdeb trwy ddefnyddio therapi lleol.Y nod yn y pen draw yw dileu neu o leiaf leihau effeithiau negyddol llawer o ddulliau therapiwtig, megis cemotherapi neu weinyddu radioniwclidau yn systemig.Yn dibynnu ar y math o ganser, lleoliad, dos ymbelydredd, a ffactorau eraill, gall hyd yn oed therapi ymbelydredd fod â risg gynhenid ​​uchel i feinwe iach.Wrth drin glioblastoma6,7,8,9 mae llawdriniaeth yn dileu'r canser sylfaenol yn llwyddiannus, ond hyd yn oed yn absenoldeb metastasis, gall llawer o ymdreiddiadau canseraidd bach fod yn bresennol.Os na chânt eu tynnu'n llwyr, gall masau canseraidd newydd dyfu o fewn cyfnod cymharol fyr.Yn y cyd-destun hwn, mae'n anodd cymhwyso'r strategaethau meddygaeth fanwl a grybwyllwyd uchod oherwydd ei bod yn anodd canfod yr ymdreiddiadau hyn a'u lledaenu dros ardal fawr.Mae'r rhwystrau hyn yn atal canlyniadau diffiniol rhag atal unrhyw feddyginiaeth fanwl rhag digwydd eto, felly mae dulliau cyflwyno systemig yn cael eu ffafrio mewn rhai achosion, er y gall y cyffuriau a ddefnyddir fod â lefelau uchel iawn o wenwyndra.I oresgyn y broblem hon, y dull triniaeth delfrydol fyddai defnyddio strategaethau lleiaf ymledol a all ymosod yn ddetholus ar gelloedd canser heb effeithio ar feinwe iach.Yng ngoleuni'r ddadl hon, mae defnyddio dirgryniadau ultrasonic, y dangoswyd eu bod yn effeithio'n wahanol ar gelloedd canseraidd ac iach, mewn systemau ungellog ac mewn clystyrau heterogenaidd mesoscale, yn ymddangos fel ateb posibl.
O safbwynt mecanistig, mewn gwirionedd mae gan gelloedd iach a chanser wahanol amleddau soniarus naturiol.Mae'r eiddo hwn yn gysylltiedig â newidiadau oncogenig ym mhhriodweddau mecanyddol strwythur cytoskeletal celloedd canser12,13, tra bod celloedd tiwmor, ar gyfartaledd, yn fwy anffurfiol na chelloedd arferol.Felly, gyda'r dewis gorau posibl o amlder uwchsain ar gyfer ysgogiad, gall dirgryniadau a achosir mewn ardaloedd dethol achosi difrod i strwythurau canseraidd byw, gan leihau'r effaith ar amgylchedd iach y gwesteiwr.Gall yr effeithiau hyn nad ydynt yn cael eu deall yn llawn eto gynnwys dinistrio rhai cydrannau strwythurol cellog oherwydd dirgryniadau amledd uchel a achosir gan uwchsain (yn debyg iawn i lithotripsi14 mewn egwyddor) a difrod cellog oherwydd ffenomen debyg i flinder mecanyddol, a all yn ei dro newid strwythur cellog. .rhaglennu a mecanobioleg.Er bod yr ateb damcaniaethol hwn yn ymddangos yn addas iawn, yn anffodus ni ellir ei ddefnyddio mewn achosion lle mae strwythurau biolegol anechoic yn atal cymhwyso uwchsain yn uniongyrchol, er enghraifft, mewn cymwysiadau mewngreuanol oherwydd presenoldeb asgwrn, ac mae rhai masau tiwmor y fron wedi'u lleoli mewn adipose. meinwe.Gall gwanhau gyfyngu ar safle'r effaith therapiwtig bosibl.Er mwyn goresgyn y problemau hyn, rhaid defnyddio uwchsain yn lleol gyda thrawsddygiaduron wedi'u cynllunio'n arbennig a all gyrraedd y safle arbelydredig mor llai ymwthiol â phosibl.Gyda hyn mewn golwg, gwnaethom ystyried y posibilrwydd o ddefnyddio syniadau yn ymwneud â’r posibilrwydd o greu llwyfan technolegol arloesol o’r enw “ysbyty nodwyddau”15.Mae'r cysyniad “Ysbyty yn y Nodwyddau” yn ymwneud â datblygu offeryn meddygol lleiaf ymledol ar gyfer cymwysiadau diagnostig a therapiwtig, yn seiliedig ar gyfuniad o swyddogaethau amrywiol mewn un nodwydd feddygol.Fel y trafodwyd yn fanylach yn yr adran Nodwyddau Ysbyty, mae'r ddyfais gryno hon yn seiliedig yn bennaf ar fanteision chwilwyr ffibr optig 16, 17, 18, 19, 20, 21, sydd, oherwydd eu nodweddion, yn addas i'w gosod yn safon 20 nodwyddau meddygol, 22 lumens.Gan drosoli'r hyblygrwydd a roddir gan dechnoleg Lab-on-Fiber (LOF)23, mae ffibr i bob pwrpas yn dod yn llwyfan unigryw ar gyfer dyfeisiau diagnostig a therapiwtig bach sy'n barod i'w defnyddio, gan gynnwys biopsi hylif a dyfeisiau biopsi meinwe.mewn canfod biomoleciwlaidd24,25, cyflenwi cyffuriau lleol dan arweiniad ysgafn26,27, delweddu uwchsain lleol manwl iawn28, therapi thermol29,30 ac adnabod meinwe canser yn seiliedig ar sbectrosgopeg31.O fewn y cysyniad hwn, gan ddefnyddio dull lleoleiddio yn seiliedig ar y ddyfais “nodwydd yn yr ysbyty”, rydym yn ymchwilio i'r posibilrwydd o optimeiddio symbyliad lleol o strwythurau biolegol preswyl trwy ddefnyddio lluosogi tonnau uwchsain trwy nodwyddau i gyffroi tonnau uwchsain o fewn y rhanbarth o ddiddordeb..Felly, gellir cymhwyso uwchsain therapiwtig dwysedd isel yn uniongyrchol i'r ardal risg gydag ychydig iawn o ymlediad ar gyfer celloedd sonigaidd a ffurfiannau solet bach mewn meinweoedd meddal, fel yn achos y llawdriniaeth fewngreuanol a grybwyllwyd uchod, rhaid gosod twll bach yn y benglog gyda a nodwydd.Wedi'i ysbrydoli gan ganlyniadau damcaniaethol ac arbrofol diweddar sy'n awgrymu y gall uwchsain atal neu ohirio datblygiad rhai canserau,32,33,34 gallai'r dull arfaethedig helpu i fynd i'r afael, mewn egwyddor o leiaf, â'r cyfaddawdau allweddol rhwng effeithiau ymosodol ac iachaol.Gyda'r ystyriaethau hyn mewn golwg, yn y papur presennol, rydym yn ymchwilio i'r posibilrwydd o ddefnyddio dyfais nodwydd yn yr ysbyty ar gyfer therapi uwchsain lleiaf ymledol ar gyfer canser.Yn fwy manwl gywir, yn yr adran Dadansoddiad Gwasgariad o Offerennau Tiwmor Sfferig ar gyfer Amcangyfrif Amlder Uwchsain Dibynnol ar Dwf, rydym yn defnyddio dulliau elastodynamig sydd wedi'u hen sefydlu a theori gwasgariad acwstig i ragfynegi maint tiwmorau solet sfferig a dyfir mewn cyfrwng elastig.anystwythder sy'n digwydd rhwng y tiwmor a'r meinwe lletyol oherwydd ailfodelu'r defnydd a achosir gan dwf.Ar ôl disgrifio ein system, yr ydym yn ei galw’n adran “Ysbyty yn y Nodwyddau”, yn yr adran “Ysbyty yn y Nodwyddau”, rydym yn dadansoddi lledaeniad tonnau ultrasonic trwy nodwyddau meddygol ar yr amleddau a ragwelir ac mae eu model rhifiadol yn arbelydru’r amgylchedd i’w astudio. y prif baramedrau geometrig (y diamedr mewnol gwirioneddol, hyd a miniogrwydd y nodwydd), sy'n effeithio ar drosglwyddo pŵer acwstig yr offeryn.O ystyried yr angen i ddatblygu strategaethau peirianneg newydd ar gyfer meddygaeth fanwl, credir y gallai'r astudiaeth arfaethedig helpu i ddatblygu offeryn newydd ar gyfer trin canser yn seiliedig ar ddefnyddio uwchsain a ddarperir trwy lwyfan theragnostig integredig sy'n integreiddio uwchsain ag atebion eraill.Cyfunol, megis dosbarthu cyffuriau wedi'i dargedu a diagnosteg amser real o fewn nodwydd sengl.
Mae effeithiolrwydd darparu strategaethau mecanistig ar gyfer trin tiwmorau solet lleol gan ddefnyddio ysgogiad ultrasonic (uwchsain) wedi bod yn nod i sawl papur sy'n delio'n ddamcaniaethol ac yn arbrofol ag effaith dirgryniadau ultrasonic dwysedd isel ar systemau un-gell 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Gan ddefnyddio modelau viscoelastig, mae sawl ymchwilydd wedi dangos yn ddadansoddol bod tiwmor a chelloedd iach yn dangos gwahanol ymatebion amledd a nodweddir gan gopaon soniarus amlwg yn ystod 10,11,12 UDA.Mae'r canlyniad hwn yn awgrymu, mewn egwyddor, y gellir ymosod yn ddetholus ar gelloedd tiwmor gan symbyliadau mecanyddol sy'n cadw'r amgylchedd lletyol.Mae’r ymddygiad hwn yn ganlyniad uniongyrchol i dystiolaeth allweddol bod celloedd tiwmor, yn y rhan fwyaf o achosion, yn fwy hydrin na chelloedd iach, o bosibl i wella eu gallu i amlhau a mudo37,38,39,40.Yn seiliedig ar y canlyniadau a gafwyd gyda modelau un cell, ee ar y raddfa ficro, mae detholedd celloedd canser hefyd wedi'i ddangos ar y mesoscale trwy astudiaethau rhifiadol o ymatebion harmonig agregau celloedd heterogenaidd.Gan ddarparu canran wahanol o gelloedd canser a chelloedd iach, adeiladwyd agregau amlgellog cannoedd o ficromedrau mewn maint yn hierarchaidd.Ar lefel mesole'r agregau hyn, mae rhai nodweddion microsgopig o ddiddordeb yn cael eu cadw oherwydd gweithrediad uniongyrchol y prif elfennau strwythurol sy'n nodweddu ymddygiad mecanyddol celloedd sengl.Yn benodol, mae pob cell yn defnyddio pensaernïaeth sy'n seiliedig ar tensegrity i ddynwared ymateb gwahanol strwythurau sytosgerbydol sydd wedi'u rhagbwyso, a thrwy hynny effeithio ar eu hanystwythder cyffredinol12,13.Mae rhagfynegiadau damcaniaethol ac arbrofion in vitro o'r llenyddiaeth uchod wedi rhoi canlyniadau calonogol, gan nodi'r angen i astudio sensitifrwydd masau tiwmor i uwchsain therapiwtig dwysedd isel (LITUS), ac mae asesu amlder arbelydru masau tiwmor yn hanfodol.safle LITUS ar gyfer cais ar y safle.
Fodd bynnag, ar lefel y meinwe, mae'n anochel y bydd y disgrifiad submacrosgopig o'r gydran unigol yn cael ei golli, a gellir olrhain priodweddau meinwe'r tiwmor gan ddefnyddio dulliau dilyniannol i olrhain twf màs a phrosesau ailfodelu a achosir gan straen, gan ystyried effeithiau macrosgopig. twf.-newidiadau a achosir yn elastigedd meinwe ar raddfa o 41.42.Yn wir, yn wahanol i systemau ungellog ac agregau, mae masau tiwmor solet yn tyfu mewn meinweoedd meddal oherwydd bod straen gweddilliol afreolaidd yn cronni'n raddol, sy'n newid y priodweddau mecanyddol naturiol oherwydd cynnydd yn yr anhyblygedd intratumoral cyffredinol, ac mae sglerosis tiwmor yn aml yn dod yn ffactor penderfynu. canfod tiwmor.
Gyda'r ystyriaethau hyn mewn golwg, yma rydym yn dadansoddi ymateb sonodinamig sfferoidau tiwmor wedi'u modelu fel cynhwysion sfferig elastig sy'n tyfu mewn amgylchedd meinwe arferol.Yn fwy manwl gywir, penderfynwyd ar yr eiddo elastig sy'n gysylltiedig â cham y tiwmor yn seiliedig ar y canlyniadau damcaniaethol ac arbrofol a gafwyd gan rai awduron mewn gwaith blaenorol.Yn eu plith, astudiwyd esblygiad sfferoidau tiwmor solet a dyfwyd in vivo mewn cyfryngau heterogenaidd trwy gymhwyso modelau mecanyddol aflinol 41,43,44 mewn cyfuniad â dynameg rhyngrywogaeth i ragfynegi datblygiad masau tiwmor a straen intratumoral cysylltiedig.Fel y soniwyd uchod, mae twf (ee, rhagymestyn anelastig) a straen gweddilliol yn achosi ailfodelu cynyddol o briodweddau deunydd y tiwmor, gan newid ei ymateb acwstig hefyd.Mae'n bwysig nodi bod yn cyf.41 mae cyd-esblygiad twf a straen solet mewn tiwmorau wedi'i ddangos mewn ymgyrchoedd arbrofol mewn modelau anifeiliaid.Yn benodol, cadarnhaodd cymhariaeth o anystwythder masau tiwmor y fron a echrychwyd ar wahanol gamau â'r anystwythder a geir trwy atgynhyrchu amodau tebyg mewn silico ar fodel elfen gyfyngedig sfferig gyda'r un dimensiynau a chan ystyried y maes straen gweddilliol a ragfynegwyd y dull arfaethedig o dilysrwydd model..Yn y gwaith hwn, defnyddir canlyniadau damcaniaethol ac arbrofol a gafwyd yn flaenorol i ddatblygu strategaeth therapiwtig ddatblygedig newydd.Yn benodol, cyfrifwyd meintiau rhagfynegedig gyda phriodweddau gwrthiant esblygiadol cyfatebol yma, a ddefnyddiwyd felly i amcangyfrif yr ystodau amlder y mae masau tiwmor sydd wedi'u hymgorffori yn yr amgylchedd lletyol yn fwy sensitif iddynt.I'r perwyl hwn, fe wnaethom felly ymchwilio i ymddygiad deinamig y màs tiwmor ar wahanol gamau, a gymerwyd ar wahanol gamau, gan ystyried dangosyddion acwstig yn unol â'r egwyddor a dderbynnir yn gyffredinol o wasgaru mewn ymateb i ysgogiadau ultrasonic ac amlygu ffenomenau soniarus posibl y spheroid. .yn dibynnu ar tiwmor a gwesteiwr Gwahaniaethau sy'n dibynnu ar dwf mewn anystwythder rhwng meinweoedd.
Felly, modelwyd masau tiwmor fel sfferau elastig o radiws \(a\) yn amgylchedd elastig amgylchynol y gwesteiwr yn seiliedig ar ddata arbrofol yn dangos sut mae strwythurau malaen swmpus yn tyfu yn eu lle mewn siapiau sfferig.Gan gyfeirio at Ffigur 1, gan ddefnyddio'r cyfesurynnau sfferig \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (lle mae \\(\theta\) a \(\varphi\) yn cynrychioli'r ongl anomaledd ac ongl azimuth yn y drefn honno), mae'r parth tiwmor yn meddiannu Rhanbarth wedi'i fewnosod mewn gofod iach \({ \ mathcal {V}}_{T} = \ { ( r , \ theta , \varphi ): r \le a \} \ ) rhanbarth heb ei ffinio \({ \ mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r> a\}\).Gan gyfeirio at Wybodaeth Atodol (SI) i gael disgrifiad cyflawn o'r model mathemategol yn seiliedig ar y sail elastodynamig sydd wedi'i hen sefydlu a adroddwyd mewn llawer o lenyddiaethau45,46,47,48, rydym yn ystyried yma broblem a nodweddir gan fodd osgiliad echelinmetrig.Mae'r rhagdybiaeth hon yn awgrymu bod yr holl newidynnau o fewn y tiwmor a'r ardaloedd iach yn annibynnol ar y cyfesuryn azimuthal \(\varphi\) ac nad oes unrhyw ystumiad yn digwydd i'r cyfeiriad hwn.O ganlyniad, gellir cael y meysydd dadleoli a straen o ddau botensial sgalar \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) a \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\), maent yn yn y drefn honno yn ymwneud â ton hydredol a thon gneifio, yr amser cyd-ddigwyddiad t rhwng yr ymchwydd \(\theta \) a'r ongl rhwng cyfeiriad y don digwyddiad a'r fector safle \({\mathbf {x))\) ( fel y dangosir yn ffigur 1) ac mae \(\omega = 2\pi f\) yn cynrychioli'r amledd onglog.Yn benodol, mae'r maes digwyddiad wedi'i fodelu gan don awyren \(\phi_{H}^{(in)}\) (a gyflwynwyd hefyd yn y system SI, mewn hafaliad (A.9)) yn ymledu i gyfaint y corff yn ol ymadrodd y gyfraith
lle \(\phi_{0}\) yw'r paramedr osgled.Ehangiad sfferig ton awyren ddigwyddiad (1) gan ddefnyddio ffwythiant ton sfferig yw'r ddadl safonol:
Lle \(j_{n}\) yw ffwythiant sfferig Bessel o'r math cyntaf o orchymyn \(n\), a \(P_{n}\) yw'r aml-enw Legendre.Mae rhan o don digwyddiad y maes buddsoddi wedi'i wasgaru yn y cyfrwng cyfagos ac yn gorgyffwrdd â'r maes digwyddiad, tra bod y rhan arall wedi'i gwasgaru y tu mewn i'r sffêr, gan gyfrannu at ei ddirgryniad.I wneud hyn, mae datrysiadau harmonig yr hafaliad tonnau \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} { \mkern 1mu} \hat{ \phi } = 0\,\ ) a \( \ nabla^{2} { \mkern 1mu} \hat{ \chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), a ddarparwyd er enghraifft gan Eringen45 (gweler hefyd OS ) gall ddynodi tiwmor ac ardaloedd iach.Yn benodol, mae tonnau ehangu gwasgaredig a thonnau isofoliwmig a gynhyrchir yn y cyfrwng cynnal \(H\) yn cyfaddef eu priod egni potensial:
Yn eu plith, defnyddir swyddogaeth Hankel sfferig o'r math cyntaf \(h_{n}^{(1)}\) i ystyried y don wasgaredig sy'n mynd allan, a \(\alpha_{n}\) a \(\beta_{ n} \ ) yw'r cyfernodau anhysbys.yn yr hafaliad.Mewn hafaliadau (2)–(4), mae'r termau \(k_{H1}\) a \(k_{H2}\) yn dynodi rhifau tonnau ffasiwn brin a thonnau ardraws ym mhrif arwynebedd y corff, yn y drefn honno ( gweler SI).Mae gan feysydd cywasgu y tu mewn i'r tiwmor a sifftiau'r ffurf
Lle mae \(k_{T1}\) a \(k_{T2}\) yn cynrychioli'r rhifau tonnau hydredol a thraws yn y rhanbarth tiwmor, a'r cyfernodau anhysbys yw \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \( \eta_{ n} { \mkern 1mu} \).Yn seiliedig ar y canlyniadau hyn, mae cydrannau rheiddiol nad ydynt yn sero a dadleoli amgylchiadol yn nodweddiadol o ranbarthau iach yn y broblem dan sylw, megis \(u_{Hr}\) a \(u_{H\theta}\) (\(u_{). H\ varphi } \ ) nid oes angen y dybiaeth cymesuredd mwyach) — gellir ei chael o'r berthynas \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( { \ phi + \partial_{ r} ( r\chi ) } \right) + k_}^{2 } { \mkern 1mu} r\chi\) a \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \chwith({\phi + \partial_{ r } ( r\chi ) } \right)\) drwy ffurfio \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) a \) ( \chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (gweler OS am ddeilliant mathemategol manwl).Yn yr un modd, mae disodli \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) a \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) yn dychwelyd {Tr} = \partial_{r} \chwith( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) a \(u_{T\theta} = r^{-1}\rhannol _{\theta }\chwith({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\iawn)\).
(Chwith) Geometreg tiwmor sfferig a dyfir mewn amgylchedd iach lle mae maes digwyddiad yn lluosogi, (ar y dde) Esblygiad cyfatebol y gymhareb anystwythder tiwmor-gwesteiwr fel swyddogaeth o radiws tiwmor, data a adroddwyd (addaswyd o Carotenuto et al. 41) Mewn profion cywasgu cafwyd vitro o diwmorau solet y fron wedi'u brechu â chelloedd MDA-MB-231.
Gan dybio bod deunyddiau elastig llinol ac isotropig, mae'r cydrannau straen di-sero yn y rhanbarthau iach a thiwmor, hy \(\ sigma_{Hpq}\) a \(\sigma_{Tpq}\) - yn ufuddhau i gyfraith gyffredinol Hooke, o ystyried bod yn wahanol fodwli Lamé , sy'n nodweddu elastigedd gwesteiwr a thiwmor, a ddynodir fel \(\{ \mu_{H}, \, \ lambda_{H} \}\) a \(\{ \mu_{T}, \, \lambda_) {T} \ }\) (gweler yr Hafaliad (A.11) am fynegiant llawn y cydrannau straen a gynrychiolir yn OS).Yn benodol, yn ôl y data yng nghyfeirnod 41 ac a gyflwynwyd yn Ffigur 1, dangosodd tiwmorau cynyddol newid mewn cysonion elastigedd meinwe.Felly, mae dadleoliadau a straenau yn y rhanbarthau gwesteiwr a thiwmor yn cael eu pennu'n gyfan gwbl hyd at set o gysonion anhysbys \({{ \varvec{ \upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu Mae gan } \ beta_{ n} { \ mkern 1mu} \gamma_{ n} , \eta_{ n} \} \ ) ddimensiynau anfeidrol yn ddamcaniaethol.I ddod o hyd i'r fectorau cyfernod hyn, cyflwynir rhyngwynebau addas ac amodau ffin rhwng y tiwmor a'r ardaloedd iach.Gan dybio bod rhwymiad perffaith ar y rhyngwyneb tiwmor-gwesteiwr \(r = a \), mae angen yr amodau canlynol ar gyfer parhad dadleoliadau a straen:
Mae system (7) yn ffurfio system o hafaliadau gyda datrysiadau anfeidrol.Yn ogystal, bydd pob amod terfyn yn dibynnu ar yr anomaledd \(\theta\).Er mwyn lleihau'r broblem gwerth terfyn i broblem algebraidd gyflawn gyda \(N\) setiau o systemau caeedig, pob un ohonynt yn yr anhysbys \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (gyda \( N \) i \infty \), yn ddamcaniaethol), ac i ddileu dibyniaeth yr hafaliadau ar y termau trigonometrig, ysgrifennir amodau'r rhyngwyneb ar ffurf wan gan ddefnyddio orthogonedd polynomialau Legendre.Yn benodol, mae'r hafaliad (7)1,2 a (7)3,4 yn cael eu lluosi â \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) a \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta} \right) \) ac yna integreiddio rhwng \(0\) a \(\pi\) gan ddefnyddio hunaniaethau mathemategol:
Felly, mae cyflwr rhyngwyneb (7) yn dychwelyd system hafaliad algebraidd cwadratig, y gellir ei fynegi ar ffurf matrics fel \({ \mathbb{D}}_{ n} (a) \cdot {{ \varvec{ \upxi }} } _{ n} = { \mathbf{q}}_{ n} (a) \ ) a chael yr anhysbys \({{ \varvec{ \upxi}}}_{ n} \ ) trwy ddatrys rheol Cramer .
Er mwyn amcangyfrif y fflwcs ynni sydd wedi'i wasgaru gan y sffêr a chael gwybodaeth am ei ymateb acwstig yn seiliedig ar ddata ar y cae gwasgaredig sy'n ymledu yn y cyfrwng cynnal, mae swm acwstig o ddiddordeb, sef croestoriad gwasgariad bistatic normal.Yn benodol, mae'r trawstoriad gwasgariad, a ddynodir \(s), yn mynegi'r gymhareb rhwng y pŵer acwstig a drosglwyddir gan y signal gwasgaredig a rhaniad yr egni a gludir gan y don digwyddiad.Yn hyn o beth, mae maint y ffwythiant siâp \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) yn swm a ddefnyddir yn aml wrth astudio mecanweithiau acwstig wedi'i fewnosod mewn hylif neu solet Gwasgaru gwrthrychau yn y gwaddod.Yn fwy manwl gywir, diffinnir osgled y swyddogaeth siâp fel y trawstoriad gwasgariad gwahaniaethol \ (ds \) fesul ardal uned, sy'n wahanol yn ôl y normal i gyfeiriad lluosogi'r don digwyddiad:
lle mae \(f_{n}^{pp}\) a \(f_{n}^{ps}\) yn dynodi'r ffwythiant moddol, sy'n cyfeirio at gymhareb pwerau'r don hydredol a'r don wasgaredig o'i gymharu â'r digwyddiad P-ton yn y cyfrwng derbyn, yn y drefn honno, yn cael eu rhoi gyda'r ymadroddion canlynol:
Gellir astudio swyddogaethau tonnau rhannol (10) yn annibynnol yn unol â'r ddamcaniaeth gwasgariad soniarus (RST)49,50,51,52, sy'n ei gwneud hi'n bosibl gwahanu'r hydwythedd targed oddi wrth gyfanswm y maes crwydr wrth astudio gwahanol foddau.Yn ôl y dull hwn, gellir dadelfennu swyddogaeth y ffurf foddol yn swm o ddwy ran gyfartal, sef \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) sy'n gysylltiedig â'r amplitudes cefndir soniarus ac anghydseiniol, yn y drefn honno.Mae swyddogaeth siâp y modd soniarus yn gysylltiedig ag ymateb y targed, tra bod y cefndir fel arfer yn gysylltiedig â siâp y gwasgarwr.I ganfod ffurfiant cyntaf y targed ar gyfer pob modd, osgled y swyddogaeth siâp cyseiniant moddol \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) yn cael ei gyfrifo gan dybio cefndir caled, sy'n cynnwys sfferau anhreiddiadwy mewn deunydd gwesteiwr elastig.Mae'r rhagdybiaeth hon wedi'i hysgogi gan y ffaith, yn gyffredinol, bod anystwythder a dwysedd yn cynyddu gyda thwf màs y tiwmor oherwydd y straen cywasgol gweddilliol.Felly, ar lefel ddifrifol o dwf, disgwylir i'r gymhareb rhwystriant \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) fod yn fwy nag 1 ar gyfer y rhan fwyaf o diwmorau solet macrosgopig sy'n datblygu'n feddal. meinweoedd.Er enghraifft, mae Krouskop et al.Nododd 53 gymhareb modwlws canseraidd i normal o tua 4 ar gyfer meinwe'r prostad, tra bod y gwerth hwn wedi cynyddu i 20 ar gyfer samplau meinwe'r fron.Mae'r perthnasoedd hyn yn anochel yn newid rhwystriant acwstig y feinwe, fel y dangosir hefyd gan ddadansoddiad elastograffeg54,55,56, a gall fod yn gysylltiedig â thewychu meinwe lleol a achosir gan or-ymlediad tiwmor.Gwelwyd y gwahaniaeth hwn yn arbrofol hefyd gyda phrofion cywasgu syml o flociau tiwmor y fron a dyfwyd ar wahanol gamau32, a gellir dilyn ailfodelu'r deunydd yn dda gyda modelau traws-rywogaeth rhagfynegol o diwmorau sy'n tyfu'n aflinol43,44.Mae'r data anystwythder a gafwyd yn uniongyrchol gysylltiedig ag esblygiad modwlws Young o diwmorau solet yn ôl y fformiwla \(E_{T} = S\chwith( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )(sfferau â radiws \(a\), anystwythder \(S\) a chymhareb Poisson \(\nu\) rhwng dau blât anhyblyg 57, fel y dangosir yn Ffigur 1).Felly, mae'n bosibl cael mesuriadau rhwystriant acwstig o'r tiwmor a'r gwesteiwr ar wahanol lefelau twf.Yn benodol, o'i gymharu â modwlws meinwe arferol sy'n hafal i 2 kPa yn Ffig. 1, arweiniodd modwlws elastig tiwmorau'r fron yn yr ystod gyfaint o tua 500 i 1250 mm3 at gynnydd o tua 10 kPa i 16 kPa, sef gyson â'r data a adroddwyd.yng nghyfeirnodau 58, 59 canfuwyd bod y pwysau mewn samplau meinwe'r fron yn 0.25–4 kPa gyda rhag-gywasgiad yn diflannu.Tybiwch hefyd mai cymhareb y Poisson o feinwe bron yn anghywasgadwy yw 41.60, sy'n golygu nad yw dwysedd y meinwe yn newid yn sylweddol wrth i'r gyfaint gynyddu.Yn benodol, defnyddir y dwysedd poblogaeth màs cyfartalog \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Gyda'r ystyriaethau hyn, gall anystwythder gymryd modd cefndirol gan ddefnyddio'r ymadrodd canlynol:
Lle gellir cyfrifo'r cysonyn anhysbys \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) gan ystyried y parhad bias ( 7 )2,4, hynny yw, trwy ddatrys y system algebraidd \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}}} } } _{ n } = \widehat{{\mathbf{q}}_{n} (a)\) yn cynnwys plant dan oed\( \widehat{{\mathbb{D}}}_{n}(a) = \ { { \ mathbb{D}}_{ n} (a) \}_{{ \{ (1,3),(1,3) \} }}\) a'r fector colofn symlach cyfatebol\(\widehat { { \mathbf {q}}}_{ n} (а)\). \chwith( {res} \right) \,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \chwith|{f_{n}^{pp} \chwith( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) a \( \chwith|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \chwith|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{ n}^{ps(b)} \chwith( \ theta \right)} \right|\) yn cyfeirio at gyffro tonnau P ac adlewyrchiad tonnau P- a S-ton, yn y drefn honno.Ymhellach, amcangyfrifwyd yr osgled cyntaf fel \(\theta = \pi\), ac amcangyfrifwyd yr ail osgled fel \(\theta = \pi/4\).Trwy lwytho priodweddau cyfansoddiad amrywiol.Mae Ffigur 2 yn dangos bod nodweddion soniarus sfferoidau tiwmor hyd at tua 15 mm mewn diamedr wedi'u crynhoi'n bennaf yn y band amledd o 50-400 kHz, sy'n dangos y posibilrwydd o ddefnyddio uwchsain amledd isel i gymell cyffro tiwmor atseiniol.celloedd.Llawer o.Yn y band amledd hwn, datgelodd y dadansoddiad RST ffurfiannau un modd ar gyfer moddau 1 i 6, a amlygir yn Ffigur 3. Yma, mae tonnau gwasgaredig pp- a ps yn dangos ffurfiannau o'r math cyntaf, yn digwydd ar amleddau isel iawn, sy'n cynyddu o tua 20 kHz ar gyfer y modd 1 i tua 60 kHz ar gyfer n = 6, heb ddangos unrhyw wahaniaeth arwyddocaol mewn radiws sffêr.Yna mae'r ffwythiant soniarus ps yn pydru, tra bod y cyfuniad o ffurfyddion pp osgled mawr yn darparu cyfnodoldeb o tua 60 kHz, gan ddangos sifft amledd uwch gyda nifer modd cynyddol.Perfformiwyd yr holl ddadansoddiadau gan ddefnyddio meddalwedd cyfrifiadurol Mathematica®62.
Dangosir y swyddogaethau ffurf backscatter a gafwyd o'r modiwl o diwmorau'r fron o wahanol feintiau yn Ffig. 1, lle mae'r bandiau gwasgariad uchaf yn cael eu hamlygu gan gymryd i ystyriaeth arosodiad modd.
Cyseiniant moddau dethol o \(n = 1\) i \(n = 6\), wedi'u cyfrifo ar ôl cyffro ac adlewyrchiad o'r don P ar wahanol feintiau tiwmor (cromliniau du o \(\chwith | {f_{ n} ^ {{ \ left( {res} \right) \,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \chwith|. f_{ n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) a chyffro ton-P ac adlewyrchiad ton-S (cromliniau llwyd a roddir gan ffwythiant siâp moddol \( \chwith | { f_{ n }^{{ \ chwith( {res} \right) \,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \chwith|. \chwith( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Gall canlyniadau'r dadansoddiad rhagarweiniol hwn gan ddefnyddio amodau lluosogi maes pell arwain y dewis o amleddau gyriant penodol i yrru yn yr efelychiadau rhifiadol canlynol i astudio effaith straen microvibration ar fàs.Mae'r canlyniadau'n dangos y gall graddnodi'r amleddau gorau posibl fod yn gam-benodol yn ystod twf tiwmor a gellir ei bennu gan ddefnyddio canlyniadau modelau twf i sefydlu strategaethau biomecanyddol a ddefnyddir mewn therapi clefydau i ragfynegi ailfodelu meinwe yn gywir.
Mae datblygiadau sylweddol mewn nanotechnoleg yn gyrru'r gymuned wyddonol i ddod o hyd i atebion a dulliau newydd i ddatblygu dyfeisiau meddygol bach a lleiaf ymledol ar gyfer cymwysiadau in vivo.Yn y cyd-destun hwn, mae technoleg LOF wedi dangos gallu rhyfeddol i ehangu galluoedd ffibrau optegol, gan alluogi datblygu dyfeisiau ffibr optig lleiaf ymledol ar gyfer cymwysiadau gwyddor bywyd21, 63, 64, 65. Y syniad o integreiddio deunyddiau 2D a 3D gyda phriodweddau cemegol, biolegol ac optegol dymunol ar yr ochrau 25 a/neu yn gorffen 64 o ffibrau optegol gyda rheolaeth ofodol lawn ar y nanoscale yn arwain at ymddangosiad dosbarth newydd o nanoptodau ffibr optig.mae ganddo ystod eang o swyddogaethau diagnostig a therapiwtig.Yn ddiddorol, oherwydd eu priodweddau geometrig a mecanyddol (trawstoriad bach, cymhareb agwedd fawr, hyblygrwydd, pwysau isel) a biocompatibility deunyddiau (gwydr neu bolymerau fel arfer), mae ffibrau optegol yn addas iawn i'w gosod mewn nodwyddau a chathetrau.Cymwysiadau meddygol20, gan baratoi'r ffordd ar gyfer gweledigaeth newydd o'r “ysbyty nodwydd” (gweler Ffigur 4).
Mewn gwirionedd, oherwydd y graddau o ryddid a roddir gan dechnoleg LOF, trwy ddefnyddio integreiddio micro- a nanostrwythurau wedi'u gwneud o ddeunyddiau metelaidd a / neu dielectrig amrywiol, gellir gweithredu ffibrau optegol yn gywir ar gyfer cymwysiadau penodol sy'n aml yn cefnogi cyffro modd soniarus., Mae'r maes ysgafn 21 mewn sefyllfa gref.Gall cyfyngu golau ar raddfa isdonfedd, yn aml mewn cyfuniad â phrosesu cemegol a/neu fiolegol63 ac integreiddio deunyddiau sensitif megis polymerau clyfar65,66 wella rheolaeth dros ryngweithio golau a mater, a all fod yn ddefnyddiol at ddibenion theranostig.Mae'r dewis o fath a maint o gydrannau/deunyddiau integredig yn amlwg yn dibynnu ar y paramedrau ffisegol, biolegol neu gemegol i'w canfod21,63.
Bydd integreiddio stilwyr LOF i nodwyddau meddygol a gyfeirir at safleoedd penodol yn y corff yn galluogi biopsïau hylif a meinwe lleol mewn vivo, gan ganiatáu triniaeth leol ar yr un pryd, lleihau sgîl-effeithiau a chynyddu effeithlonrwydd.Mae cyfleoedd posibl yn cynnwys canfod biomoleciwlau cylchredol amrywiol, gan gynnwys canser.biofarcwyr neu ficroRNAs (miRNAs)67, adnabod meinweoedd canseraidd gan ddefnyddio sbectrosgopeg llinol ac aflinol fel sbectrosgopeg Raman (SERS)31, delweddu ffotoacwstig cydraniad uchel22,28,68, llawdriniaeth laser ac abladiad69, a chyffuriau dosbarthu lleol gan ddefnyddio golau27 a arweiniad awtomatig o nodwyddau i'r corff dynol20.Mae'n werth nodi, er bod y defnydd o ffibrau optegol yn osgoi anfanteision nodweddiadol dulliau "clasurol" yn seiliedig ar gydrannau electronig, megis yr angen am gysylltiadau trydanol a phresenoldeb ymyrraeth electromagnetig, mae hyn yn caniatáu i synwyryddion LOF amrywiol gael eu hintegreiddio'n effeithiol i'r system.nodwydd feddygol sengl.Rhaid rhoi sylw arbennig i leihau effeithiau niweidiol megis llygredd, ymyrraeth optegol, rhwystrau corfforol sy'n achosi effeithiau crosstalk rhwng gwahanol swyddogaethau.Fodd bynnag, mae hefyd yn wir nad oes rhaid i lawer o'r swyddogaethau a grybwyllir fod yn weithredol ar yr un pryd.Mae'r agwedd hon yn ei gwneud hi'n bosibl lleihau ymyrraeth o leiaf, a thrwy hynny gyfyngu ar yr effaith negyddol ar berfformiad pob stiliwr a chywirdeb y weithdrefn.Mae'r ystyriaethau hyn yn caniatáu inni edrych ar y cysyniad o “nodwydd yn yr ysbyty” fel gweledigaeth syml i osod sylfaen gadarn ar gyfer y genhedlaeth nesaf o nodwyddau therapiwtig yn y gwyddorau bywyd.
O ran y cais penodol a drafodir yn y papur hwn, yn yr adran nesaf byddwn yn ymchwilio'n rhifiadol i allu nodwydd meddygol i gyfeirio tonnau ultrasonic i feinweoedd dynol gan ddefnyddio eu lluosogiad ar hyd ei echelin.
Modelwyd lluosogiad tonnau ultrasonic trwy nodwydd feddygol wedi'i llenwi â dŵr a'i gosod mewn meinweoedd meddal (gweler y diagram yn Ffig. 5a) gan ddefnyddio meddalwedd masnachol Comsol Multiphysics yn seiliedig ar y dull elfen feidraidd (FEM)70, lle mae'r nodwydd a'r meinwe yn cael eu modelu fel amgylchedd elastig llinol.
Gan gyfeirio at Ffigur 5b, mae'r nodwydd wedi'i modelu fel silindr gwag (a elwir hefyd yn “ganiwla”) wedi'i wneud o ddur di-staen, deunydd safonol ar gyfer nodwyddau meddygol71.Yn benodol, cafodd ei fodelu gyda modwlws Young E = 205 GPa, cymhareb Poisson ν = 0.28, a dwysedd ρ = 7850 kg m −372.73.Yn geometrig, nodweddir y nodwydd gan hyd L, diamedr mewnol D (a elwir hefyd yn “glirio”) a thrwch wal t.Yn ogystal, ystyrir bod blaen y nodwydd ar oleddf ar ongl α mewn perthynas â'r cyfeiriad hydredol (z).Mae cyfaint y dŵr yn ei hanfod yn cyfateb i siâp rhanbarth mewnol y nodwydd.Yn y dadansoddiad rhagarweiniol hwn, tybiwyd bod y nodwydd wedi'i drochi'n llwyr mewn rhanbarth o feinwe (tybiwyd ei fod yn ymestyn am gyfnod amhenodol), wedi'i fodelu fel sffêr o radiws rs, a arhosodd yn gyson ar 85 mm yn ystod pob efelychiad.Yn fwy manwl, rydym yn gorffen y rhanbarth sfferig gyda haen sy'n cyfateb yn berffaith (PML), sydd o leiaf yn lleihau tonnau diangen a adlewyrchir o ffiniau “dychmygol”.Yna fe wnaethom ddewis y radiws rs er mwyn gosod ffin y parth sfferig yn ddigon pell oddi wrth y nodwydd i beidio ag effeithio ar y datrysiad cyfrifiannol, ac yn ddigon bach i beidio ag effeithio ar gost gyfrifiadol yr efelychiad.
Mae symudiad hydredol harmonig o amledd f ac osgled A yn cael ei gymhwyso i ffin isaf y geometreg stylus;mae'r sefyllfa hon yn cynrychioli ysgogiad mewnbwn a gymhwysir i'r geometreg efelychiedig.Ar ffiniau'r nodwydd sy'n weddill (mewn cysylltiad â meinwe a dŵr), ystyrir bod y model a dderbynnir yn cynnwys perthynas rhwng dau ffenomen ffisegol, ac mae un ohonynt yn gysylltiedig â mecaneg strwythurol (ar gyfer ardal y nodwydd), a y llall i fecaneg strwythurol.(ar gyfer y rhanbarth acicular), felly mae'r amodau cyfatebol yn cael eu gosod ar yr acwsteg (ar gyfer dŵr a'r rhanbarth acicular)74.Yn benodol, mae dirgryniadau bach a roddir ar sedd y nodwydd yn achosi aflonyddwch foltedd bach;felly, gan dybio bod y nodwydd yn ymddwyn fel cyfrwng elastig, gellir amcangyfrif y fector dadleoli U o'r hafaliad ecwilibriwm elastodynamig (Navier)75.Mae osgiliadau strwythurol y nodwydd yn achosi newidiadau ym mhwysedd y dŵr y tu mewn iddi (a ystyrir yn llonydd yn ein model), ac o ganlyniad mae tonnau sain yn ymledu i gyfeiriad hydredol y nodwydd, gan ufuddhau i hafaliad Helmholtz76 yn y bôn.Yn olaf, gan dybio bod yr effeithiau aflinol mewn meinweoedd yn ddibwys a bod osgled y tonnau cneifio yn llawer llai nag osgled y tonnau pwysau, gellir defnyddio hafaliad Helmholtz hefyd i fodelu lledaeniad tonnau acwstig mewn meinweoedd meddal.Ar ôl y brasamcan hwn, ystyrir y meinwe fel hylif77 gyda dwysedd o 1000 kg/m3 a chyflymder sain o 1540 m/s (gan anwybyddu effeithiau dampio sy'n dibynnu ar amledd).Er mwyn cysylltu'r ddau faes ffisegol hyn, mae angen sicrhau parhad symudiad arferol ar ffin y solet a'r hylif, yr ecwilibriwm statig rhwng pwysau a straen yn berpendicwlar i ffin y solet, a'r straen tangential ar ffin y rhaid i hylif fod yn hafal i sero.75 .
Yn ein dadansoddiad, rydym yn ymchwilio i ymlediad tonnau acwstig ar hyd nodwydd o dan amodau llonydd, gan ganolbwyntio ar ddylanwad geometreg y nodwydd ar allyriad tonnau y tu mewn i'r meinwe.Yn benodol, gwnaethom ymchwilio i ddylanwad diamedr mewnol y nodwydd D, y hyd L a'r ongl bevel α, gan gadw'r trwch t yn sefydlog ar 500 µm ar gyfer pob achos a astudiwyd.Mae'r gwerth hwn o t yn agos at y trwch wal safonol nodweddiadol 71 ar gyfer nodwyddau masnachol.
Heb golli cyffredinolrwydd, cymerwyd amledd f y dadleoli harmonig a roddwyd ar waelod y nodwydd yn hafal i 100 kHz, ac roedd yr osgled A yn 1 μm.Yn benodol, gosodwyd yr amledd i 100 kHz, sy'n gyson â'r amcangyfrifon dadansoddol a roddir yn yr adran “Dadansoddiad gwasgaredig o fasau tiwmor sfferig i amcangyfrif amlder uwchsain sy'n dibynnu ar dwf”, lle canfuwyd ymddygiad tebyg i gyseiniant masau tiwmor yn yr ystod amledd o 50-400 kHz, gyda'r osgled gwasgariad mwyaf wedi'i ganoli ar amleddau is o gwmpas 100-200 kHz (gweler Ffig. 2).
Y paramedr cyntaf a astudiwyd oedd diamedr mewnol D y nodwydd.Er hwylustod, fe'i diffinnir fel ffracsiwn cyfanrif o hyd tonnau acwstig yng ngheudod y nodwydd (hy, mewn dŵr λW = 1.5 mm).Yn wir, mae ffenomenau lluosogi tonnau mewn dyfeisiau a nodweddir gan geometreg benodol (er enghraifft, mewn canllaw tonnau) yn aml yn dibynnu ar faint nodweddiadol y geometreg a ddefnyddir o'i gymharu â thonfedd y don lluosogi.Yn ogystal, yn y dadansoddiad cyntaf, er mwyn pwysleisio'n well effaith y diamedr D ar ymlediad y don acwstig trwy'r nodwydd, fe wnaethom ystyried blaen fflat, gan osod yr ongl α = 90 °.Yn ystod y dadansoddiad hwn, gosodwyd hyd y nodwydd L ar 70 mm.
Ar ffig.Mae 6a yn dangos y dwysedd sain cyfartalog fel swyddogaeth y paramedr graddfa ddi-dimensiwn SD, hy D = λW/SD wedi'i werthuso mewn sffêr â radiws o 10 mm wedi'i ganoli ar flaen y nodwydd cyfatebol.Mae'r paramedr graddio SD yn newid o 2 i 6, hy rydym yn ystyried gwerthoedd D yn amrywio o 7.5 mm i 2.5 mm (ar f = 100 kHz).Mae'r ystod hefyd yn cynnwys gwerth safonol o 71 ar gyfer nodwyddau meddygol dur di-staen.Yn ôl y disgwyl, mae diamedr mewnol y nodwydd yn effeithio ar ddwysedd y sain a allyrrir gan y nodwydd, gydag uchafswm gwerth (1030 W/m2) yn cyfateb i D = λW/3 (hy D = 5 mm) a thuedd sy'n lleihau gyda gostyngiad. diamedr.Dylid cymryd i ystyriaeth bod diamedr D yn baramedr geometrig sydd hefyd yn effeithio ar ymledoledd dyfais feddygol, felly ni ellir anwybyddu'r agwedd hollbwysig hon wrth ddewis y gwerth gorau posibl.Felly, er bod y gostyngiad yn D yn digwydd oherwydd y trosglwyddiad is o ddwysedd acwstig yn y meinweoedd, ar gyfer yr astudiaethau canlynol, mae'r diamedr D = λW/5, hy D = 3 mm (yn cyfateb i safon 11G71 ar f = 100 kHz) , yn cael ei ystyried yn gyfaddawd rhesymol rhwng ymwthiad dyfais a thrawsyriant dwysedd sain (tua 450 W/m2 ar gyfartaledd).
Dwysedd cyfartalog y sain a allyrrir gan flaen y nodwydd (ystyried fflat), yn dibynnu ar ddiamedr mewnol y nodwydd (a), hyd (b) ac ongl befel α (c).Y hyd yn (a, c) yw 90 mm, a'r diamedr yn (b, c) yw 3 mm.
Y paramedr nesaf i'w ddadansoddi yw hyd y nodwydd L. Yn unol â'r astudiaeth achos flaenorol, rydym yn ystyried ongl letraws α = 90° ac mae'r hyd yn cael ei raddio fel lluosrif y donfedd mewn dŵr, hy ystyried L = SL λW .Mae'r paramedr graddfa dimensiwn SL yn cael ei newid o 3 i 7, gan felly amcangyfrif dwyster cyfartalog y sain a allyrrir gan flaen y nodwydd yn yr ystod hyd o 4.5 i 10.5 mm.Mae'r ystod hon yn cynnwys gwerthoedd nodweddiadol ar gyfer nodwyddau masnachol.Dangosir y canlyniadau yn ffig.6b, yn dangos bod hyd y nodwydd, L, yn cael dylanwad mawr ar drosglwyddo dwyster sain mewn meinweoedd.Yn benodol, roedd optimeiddio'r paramedr hwn yn ei gwneud hi'n bosibl gwella'r trosglwyddiad tua threfn maint.Mewn gwirionedd, yn yr ystod hyd a ddadansoddwyd, mae'r dwysedd sain cyfartalog yn cymryd ar uchafswm lleol o 3116 W/m2 ar SL = 4 (hy, L = 60 mm), ac mae'r llall yn cyfateb i SL = 6 (hy, L = 90 mm).
Ar ôl dadansoddi dylanwad diamedr a hyd y nodwydd ar ymlediad uwchsain mewn geometreg silindrog, fe wnaethom ganolbwyntio ar ddylanwad yr ongl bevel ar drosglwyddo dwyster sain mewn meinweoedd.Gwerthuswyd dwyster cyfartalog y sain sy'n deillio o'r blaen ffibr fel swyddogaeth yr ongl α, gan newid ei werth o 10 ° (blaen miniog) i 90 ° (blaen fflat).Yn yr achos hwn, radiws y sffêr integreiddio o amgylch blaen ystyriol y nodwydd oedd 20 mm, fel bod blaen y nodwydd wedi'i gynnwys ar gyfer pob gwerth α yn y cyfaint a gyfrifwyd o'r cyfartaledd.
Fel y dangosir yn ffig.6c, pan fydd y blaen yn cael ei hogi, hy, pan fydd α yn gostwng gan ddechrau o 90 °, mae dwyster y sain a drosglwyddir yn cynyddu, gan gyrraedd uchafswm gwerth o tua 1.5 × 105 W/m2, sy'n cyfateb i α = 50 °, hy, 2 yn orchymyn maint uwch o'i gymharu â'r cyflwr gwastad.Gyda hogi'r domen ymhellach (hy, ar α islaw 50 °), mae'r dwysedd sain yn tueddu i leihau, gan gyrraedd gwerthoedd tebyg i flaen gwastad.Fodd bynnag, er i ni ystyried ystod eang o onglau befel ar gyfer ein hefelychiadau, mae'n werth ystyried bod angen hogi'r blaen i hwyluso gosod y nodwydd yn y meinwe.Mewn gwirionedd, gall ongl befel lai (tua 10 °) leihau'r grym 78 sydd ei angen i dreiddio meinwe.
Yn ogystal â gwerth y dwysedd sain a drosglwyddir o fewn y meinwe, mae'r ongl befel hefyd yn effeithio ar gyfeiriad lledaeniad tonnau, fel y dangosir yn y graffiau lefel pwysedd sain a ddangosir yn Ffig. 7a (ar gyfer y blaen gwastad) a 3b (ar gyfer 10 ° ).blaen beveled), yn gyfochrog Gwerthusir y cyfeiriad hydredol yn y plân cymesuredd (yz, cf. Ffig. 5).Ar eithafion y ddwy ystyriaeth hyn, mae'r lefel pwysedd sain (y cyfeirir ato fel 1 µPa) wedi'i grynhoi'n bennaf o fewn y ceudod nodwydd (hy yn y dŵr) a'i belydru i'r meinwe.Yn fwy manwl, yn achos blaen fflat (Ffig. 7a), mae dosbarthiad lefel y pwysedd sain yn berffaith gymesur o ran y cyfeiriad hydredol, a gellir gwahaniaethu tonnau sefyll yn y dŵr sy'n llenwi'r corff.Mae'r don wedi'i gyfeirio'n hydredol (echel z), mae'r osgled yn cyrraedd ei werth uchaf mewn dŵr (tua 240 dB) ac yn gostwng ar draws, sy'n arwain at wanhad o tua 20 dB ar bellter o 10 mm o ganol y nodwydd.Yn ôl y disgwyl, mae cyflwyno blaen pigfain (Ffig. 7b) yn torri'r cymesuredd hwn, ac mae gwrthnodau'r tonnau sefydlog yn “gwyro” yn ôl blaen y nodwydd.Yn ôl pob tebyg, mae'r anghymesuredd hwn yn effeithio ar ddwysedd ymbelydredd blaen y nodwydd, fel y disgrifiwyd yn gynharach (Ffig. 6c).Er mwyn deall yr agwedd hon yn well, gwerthuswyd y dwyster acwstig ar hyd llinell doriad orthogonal i gyfeiriad hydredol y nodwydd, a oedd wedi'i leoli yn y plân cymesuredd y nodwydd ac wedi'i leoli bellter o 10 mm o flaen y nodwydd ( canlyniadau yn Ffigur 7c).Yn fwy penodol, cymharwyd dosbarthiadau dwysedd sain a aseswyd ar onglau lletraws 10°, 20° a 30° (llinellau solet glas, coch a gwyrdd, yn y drefn honno) â’r dosbarthiad ger y pen gwastad (cromliniau dotiog du).Mae'n ymddangos bod y dosbarthiad dwyster sy'n gysylltiedig â nodwyddau blaen fflat yn gymesur o amgylch canol y nodwydd.Yn benodol, mae'n cymryd gwerth o tua 1420 W/m2 yn y canol, gorlif o tua 300 W/m2 ar bellter o ~8 mm, ac yna'n gostwng i werth o tua 170 W/m2 ar ~30 mm .Wrth i'r blaen ddod yn bigfain, mae'r llabed canolog yn ymrannu'n llabedau mwy o ddwysedd amrywiol.Yn fwy penodol, pan oedd α yn 30 °, gellid gwahaniaethu'n glir rhwng tair petal yn y proffil a fesurwyd ar 1 mm o flaen y nodwydd.Mae'r un canolog bron yng nghanol y nodwydd ac mae ganddo werth amcangyfrifedig o 1850 W / m2, ac mae'r un uwch ar y dde tua 19 mm o'r canol ac yn cyrraedd 2625 W / m2.Ar α = 20°, mae 2 brif labed: un fesul −12 mm ar 1785 W/m2 ac un fesul 14 mm ar 1524 W/m2.Pan fydd y blaen yn dod yn fwy craff a'r ongl yn cyrraedd 10 °, cyrhaeddir uchafswm o 817 W / m2 ar tua -20 mm, ac mae tair llabed arall o ddwysedd ychydig yn llai i'w gweld ar hyd y proffil.
Lefel gwasgedd sain ym phlân cymesuredd y–z nodwydd â phen gwastad (a) a befel 10° (b).(c) Amcangyfrif o'r dosbarthiad dwyster acwstig ar hyd llinell doriad yn berpendicwlar i gyfeiriad hydredol y nodwydd, 10 mm o flaen y nodwydd ac yn gorwedd yn y plân cymesuredd yz.Hyd L yw 70 mm a diamedr D yw 3 mm.
Gyda'i gilydd, mae'r canlyniadau hyn yn dangos y gellir defnyddio nodwyddau meddygol yn effeithiol i drosglwyddo uwchsain ar 100 kHz i feinwe meddal.Mae dwyster y sain a allyrrir yn dibynnu ar geometreg y nodwydd a gellir ei optimeiddio (yn amodol ar y cyfyngiadau a osodir gan ymledoledd y ddyfais derfynol) hyd at werthoedd yn yr ystod o 1000 W / m2 (ar 10 mm).wedi'i gymhwyso i waelod y nodwydd 1. Yn achos gwrthbwyso micromedr, ystyrir bod y nodwydd wedi'i fewnosod yn llawn i'r meinwe meddal sy'n ymestyn yn anfeidrol.Yn benodol, mae'r ongl bevel yn effeithio'n gryf ar ddwysedd a chyfeiriad lluosogi tonnau sain yn y meinwe, sy'n arwain yn bennaf at orthogonality toriad blaen y nodwydd.
Er mwyn cefnogi datblygiad strategaethau trin tiwmor newydd yn seiliedig ar ddefnyddio technegau meddygol anfewnwthiol, dadansoddwyd lledaeniad uwchsain amledd isel yn amgylchedd y tiwmor yn ddadansoddol ac yn gyfrifiadol.Yn benodol, yn rhan gyntaf yr astudiaeth, roedd datrysiad elastodynamig dros dro yn ein galluogi i astudio gwasgariad tonnau ultrasonic mewn sfferoidau tiwmor solet o faint hysbys ac anystwythder er mwyn astudio sensitifrwydd amlder y màs.Yna, dewiswyd amlder y gorchymyn cannoedd o cilohertz, a modelwyd y cymhwysiad lleol o straen dirgryniad yn yr amgylchedd tiwmor gan ddefnyddio gyriant nodwydd meddygol mewn efelychiad rhifiadol trwy astudio dylanwad y prif baramedrau dylunio sy'n pennu trosglwyddiad yr acwstig pŵer yr offeryn i'r amgylchedd.Mae'r canlyniadau'n dangos y gellir defnyddio nodwyddau meddygol yn effeithiol i arbelydru meinweoedd ag uwchsain, ac mae ei ddwysedd yn gysylltiedig yn agos â pharamedr geometregol y nodwydd, a elwir yn donfedd acwstig gweithio.Mewn gwirionedd, mae dwyster yr arbelydru trwy'r meinwe yn cynyddu gyda diamedr mewnol cynyddol y nodwydd, gan gyrraedd uchafswm pan fo'r diamedr dair gwaith y donfedd.Mae hyd y nodwydd hefyd yn rhoi rhywfaint o ryddid i wneud y gorau o amlygiad.Mae'r canlyniad olaf yn wir yn cael ei uchafu pan fydd hyd y nodwydd wedi'i osod i luosrif penodol o'r donfedd gweithredu (4 a 6 yn benodol).Yn ddiddorol, ar gyfer yr ystod amlder o ddiddordeb, mae'r gwerthoedd diamedr a hyd optimized yn agos at y rhai a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer nodwyddau masnachol safonol.Mae'r ongl bevel, sy'n pennu eglurder y nodwydd, hefyd yn effeithio ar yr emissivity, gan gyrraedd uchafbwynt tua 50 ° a darparu perfformiad da tua 10 °, a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer nodwyddau masnachol..Bydd canlyniadau efelychu yn cael eu defnyddio i arwain gweithrediad ac optimeiddio llwyfan diagnostig mewnnodwyddau'r ysbyty, gan integreiddio uwchsain diagnostig a therapiwtig ag atebion therapiwtig eraill mewn dyfais a gwireddu ymyriadau meddygaeth fanwl ar y cyd.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. a Kopp MV Beth yw meddygaeth fanwl?Eur, tramor.Cyfnodolyn 50, 1700391 (2017).
Collins, FS a Varmus, H. Mentrau newydd mewn meddygaeth fanwl.N. eng.J. Meddyginiaeth.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK a Wang, MD.Gwybodeg Delweddu Biofeddygol yn y Cyfnod Meddygaeth Fanwl: Llwyddiannau, Heriau a Chyfleoedd.Jam.meddygaeth.hysbysu.Athro cynorthwyol.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Oncoleg fanwl: adolygiad.J. Clinigol.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., a Salem, A. Gwelliant mewn therapi glioblastoma (GBM) gan ddefnyddio system ddosbarthu sy'n seiliedig ar nanoronynnau.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G a von Daimling A. Glioblastoma: patholeg, mecanweithiau moleciwlaidd a marcwyr.Neuropatholeg Acta.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM a Berger, MS Strategaethau presennol ac yn y dyfodol ar gyfer trin glioma.niwrolawdriniaeth.Ed.40, 1–14 (2017).