Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir de Site ouni Stiler a JavaScript.
Sliders déi dräi Artikelen pro Rutsch weisen.Benotzt d'Réck- an d'nächst Knäppercher fir duerch d'Rutschen ze réckelen, oder d'Slide Controller Knäppercher um Enn fir duerch all Rutsch ze réckelen.
Baséierend op der interdisziplinärer Kräizung vu Physik a Liewenswëssenschaften, diagnostesch an therapeutesch Strategien baséiert op Präzisiounsmedizin hu viru kuerzem bedeitend Opmierksamkeet ugezunn wéinst der praktescher Uwendung vun neien Ingenieursmethoden a ville Beräicher vun der Medizin, besonnesch an der Onkologie.An dësem Kader zitt d'Benotzung vun Ultraschall fir Kriibszellen an Tumoren z'attackéieren fir méiglech mechanesche Schued op verschiddene Skalen ze verursaachen ëmmer méi Opmierksamkeet vu Wëssenschaftler ronderëm d'Welt.Dës Faktore berücksichtegt, baséiert op elastodynamesche Timingléisungen an numeresche Simulatioune, presentéiere mir eng virleefeg Studie vun der Computersimulatioun vun der Ultraschallverbreedung an Stoffer fir gëeegent Frequenzen a Kraaft duerch lokal Bestrahlung ze wielen.Nei diagnostesch Plattform fir d'Laboratoire On-Fiber Technologie, genannt Spidolsnadel a scho patentéiert.Et gëtt ugeholl datt d'Resultater vun der Analyse a verbonne biophysikaleschen Abléck de Wee fir nei integréiert diagnostesch an therapeutesch Approche kéinte maachen, déi eng zentral Roll bei der Applikatioun vun der Präzisiounsmedizin an der Zukunft spille kënnen, aus de Felder vun der Physik ze zéien.Eng wuessend Synergie tëscht Biologie fänkt un.
Mat der Optimisatioun vun enger grousser Zuel vu klineschen Uwendungen huet d'Noutwendegkeet fir d'Nebenwirkungen op Patienten ze reduzéieren lues a lues ugefaang.Zu dësem Zweck ass Präzisiounsmedizin1, 2, 3, 4, 5 e strategescht Zil ginn fir d'Dosis vun de Patienten geliwwert Medikamenter ze reduzéieren, am Wesentlechen no zwou Haaptapproën.Déi éischt baséiert op enger Behandlung entworf no dem genomesche Profil vum Patient.Déi zweet, déi de Goldstandard an der Onkologie gëtt, zielt fir systemesch Medikamentverletzungsprozeduren ze vermeiden andeems Dir probéiert eng kleng Quantitéit vum Medikament ze verëffentlechen, a gläichzäiteg d'Genauegkeet duerch d'Benotzung vun der lokaler Therapie erhéijen.D'ultimativ Zil ass et ze eliminéieren oder op d'mannst d'negativ Auswierkunge vu ville therapeuteschen Approchen, wéi Chemotherapie oder systemesch Verwaltung vu Radionukliden, ze minimiséieren.Ofhängeg vun der Aart vu Kriibs, Standuert, Stralungsdosis an aner Faktoren, kann och Stralungstherapie en héije Risiko fir gesond Tissue hunn.Bei der Behandlung vu Glioblastoma6,7,8,9 Chirurgie läscht den zugréngen Kriibs erfollegräich, awer och an der Verontreiung vu Metastasen, kënne vill kleng kierzlech Infiltrate präsent sinn.Wann se net komplett ewechgeholl ginn, kënnen nei Kriibsmassen bannent enger relativ kuerzer Zäit wuessen.An dësem Kontext sinn déi uewe genannte Präzisiounsmedizinstrategien schwéier z'applizéieren, well dës Infiltrate schwéier z'entdecken an iwwer e grousst Gebitt ze verbreeden.Dës Barrièren verhënneren definitiv Resultater fir all Widderhuelung mat Präzisiounsmedizin ze verhënneren, sou datt systemesch Liwwermethoden an e puer Fäll bevorzugt sinn, obwuel d'Drogen benotzt kënne ganz héich Toxizitéitsniveauen hunn.Fir dëse Problem ze iwwerwannen, wier déi ideal Behandlungs Approche minimal invasiv Strategien ze benotzen déi selektiv Kriibszellen attackéiere kënnen ouni gesond Tissue beaflossen.Am Liicht vun dësem Argument schéngt d'Benotzung vun Ultraschallvibratiounen, déi bewisen hunn, kriibserreegend a gesond Zellen anescht ze beaflossen, souwuel an unicellular Systemer wéi a mesoscale heterogene Stärekéip, wéi eng méiglech Léisung.
Aus enger mechanescher Siicht hunn gesond a kriibserreegend Zellen tatsächlech verschidden natierlech Resonanzfrequenzen.Dëse Besëtz ass verbonne mat onkogene Verännerungen an de mechanesche Eegeschafte vun der Zytoskeletal Struktur vu Kriibszellen12,13, während Tumorzellen am Duerchschnëtt méi deforméierbar sinn wéi normal Zellen.Also, mat enger optimaler Auswiel vun der Ultraschallfrequenz fir Stimulatioun, Schwéngungen, déi an ausgewielte Beräicher induzéiert sinn, kënne Schued un lieweg kriibserreegend Strukturen verursaachen, wat den Impakt op d'gesond Ëmfeld vum Host miniméiert.Dës nach net voll verstanen Effekter kënnen d'Zerstéierung vu bestëmmte celluläre strukturelle Komponenten enthalen wéinst héichfrequenz Schwéngungen, déi duerch Ultraschall induzéiert sinn (am Prinzip ganz ähnlech wéi Lithotripsy14) a celluläre Schued wéinst engem Phänomen ähnlech wéi mechanesch Middegkeet, déi am Tour d'zellulär Struktur änneren kann. .programméiere a mechanobiologie.Och wann dës theoretesch Léisung ganz gëeegent schéngt, kann se leider net a Fäll benotzt ginn, wou anechoesch biologesch Strukturen déi direkt Applikatioun vum Ultraschall verhënneren, zum Beispill, an intrakranialen Uwendungen wéinst der Präsenz vu Knach, an e puer Brusttumormassen sinn am Fett lokaliséiert. Tissu.Attenuatioun kann de Site vu potenziellen therapeuteschen Effekt limitéieren.Fir dës Probleemer ze iwwerwannen, muss Ultraschall lokal mat speziell entworfenen Transducer applizéiert ginn, déi sou manner invasiv wéi méiglech op de bestrahlte Site kommen.Mat deem vergiessen hu mir d'Méiglechkeet iwwerluecht fir Iddien ze benotzen, déi mat der Méiglechkeet sinn eng innovativ technologesch Plattform ze kreéieren, genannt "Nadelhospital"15.D'Konzept "Spidol an der Nadel" beinhalt d'Entwécklung vun engem minimal invasivt medizinescht Instrument fir diagnostesch an therapeutesch Uwendungen, baséiert op der Kombinatioun vu verschiddene Funktiounen an enger medizinescher Nadel.Wéi méi am Detail an der Hospital Needle Sektioun diskutéiert gëtt, baséiert dëse kompakten Apparat haaptsächlech op d'Virdeeler vun 16, 17, 18, 19, 20, 21 Glasfasersonden, déi duerch hir Charakteristike gëeegent sinn fir an de Standard 20 ze setzen. medezinesch Nadelen, 22 Lumen.D'Flexibilitéit vun der Lab-on-Fiber (LOF) 23 Technologie ze profitéieren, gëtt d'Faser effektiv eng eenzegaarteg Plattform fir miniaturiséiert a prett-ze-benotzen diagnostesch an therapeutesch Geräter, dorënner flësseg Biopsie a Tissue Biopsie Geräter.an biomolecular Detection24,25, Liicht-guidéiert lokal Drogenofhängeger Liwwerung26,27, héich-Präzisioun lokal Ultraschall Imaging28, thermesch Therapie29,30 a Spektroskopie-baséiert Kriibs Otemschwieregkeeten Identifikatioun31.Bannent dësem Konzept, mat enger Lokaliséierungs Approche baséiert op der "Nadel am Spidol" Apparat, ënnersicht mir d'Méiglechkeet fir lokal Stimulatioun vun résident biologesche Strukturen ze optimiséieren andeems d'Verbreedung vun Ultraschallwellen duerch Nadelen benotzt fir Ultraschallwellen an der Interessiregioun ze excitéieren..Sou kann therapeutesch Ultraschall mat enger niddereger Intensitéit direkt op d'Risikoberäich applizéiert ginn mat minimaler Invasivitéit fir sonicéierend Zellen a kleng fest Formatiounen a Softgewebe, wéi am Fall vun der sougenannten intrakranialen Chirurgie, e klengt Lach am Schädel muss mat engem nadel.Inspiréiert vu rezenten theoreteschen an experimentellen Resultater, déi suggeréieren datt Ultraschall d'Entwécklung vu bestëmmte Kriibs kann stoppen oder verzögeren,32,33,34 kann déi proposéiert Approche hëllefen, op d'mannst am Prinzip, d'Schlësselhandel tëscht aggressiven a kurativen Effekter unzegoen.Mat dëse Considératiounen am Kapp, am haitege Pabeier, ënnersicht mir d'Méiglechkeet fir en In-Spidol Nadelapparat fir minimal invasiv Ultraschalltherapie fir Kriibs ze benotzen.Méi präzis, an der Scattering Analysis of Spherical Tumor Masses for Estimating Wrowth-Dependent Ultrasound Frequenz Sektioun, benotze mir gutt etabléiert elastodynamesch Methoden an akustesch Streuungstheorie fir d'Gréisst vu sphäresche festen Tumoren, déi an engem elastesche Medium gewuess sinn, virauszesoen.Steifheit, déi tëscht dem Tumor an dem Hostgewebe geschitt wéinst Wuesstem-induzéierter Remodeling vum Material.Nodeems mir eise System beschriwwen hunn, dee mir d'Sektioun "Spidol an der Nadel" nennen, an der Rubrik "Spidol an der Nadel", analyséiere mir d'Verbreedung vun Ultraschallwellen duerch medizinesch Nadelen op de virausgesote Frequenzen an hiren numeresche Modell bestraht d'Ëmwelt fir ze studéieren d'Haaptgeometresch Parameteren (den eigentlechen banneschten Duerchmiesser, Längt a Schärft vun der Nadel), déi d'Transmissioun vun der akustescher Kraaft vum Instrument beaflossen.Gitt de Besoin fir nei Ingenieursstrategien fir Präzisiounsmedizin z'entwéckelen, gëtt ugeholl datt d'proposéiert Studie hëllefe kéint en neit Tool fir Kriibsbehandlung entwéckelen baséiert op der Benotzung vun Ultraschall geliwwert duerch eng integréiert theragnostesch Plattform déi Ultraschall mat anere Léisungen integréiert.Kombinéiert, sou wéi geziilte Medikamenter Liwwerung an Echtzäit Diagnostik bannent enger eenzeger Nadel.
D'Effektivitéit vu mechanesche Strategien fir d'Behandlung vu lokaliséierte festen Tumoren mat Ultraschall (Ultraschall) Stimulatioun ze liwweren war d'Zil vu verschiddene Pabeieren, déi souwuel theoretesch wéi experimentell mat dem Effekt vun niddereg-Intensitéit Ultraschallvibrationen op Eenzellesystemer 10, 11, 12 handelen. , 32, 33, 34, 35, 36 Mat viskoelastesche Modeller hunn e puer Enquêteuren analytesch bewisen datt Tumor a gesond Zellen verschidde Frequenzreaktiounen weisen, charakteriséiert duerch verschidde Resonanzpeaks am US 10,11,12.Dëst Resultat hindeit datt am Prinzip Tumorzellen selektiv duerch mechanesch Reizen attackéiert kënne ginn, déi d'Hostëmfeld erhaalen.Dëst Verhalen ass eng direkt Konsequenz vu Schlësselbeweiser datt, an deene meeschte Fäll, Tumorzellen méi formbar sinn wéi gesond Zellen, méiglecherweis fir hir Fäegkeet ze verbreeden an ze migréieren37,38,39,40.Baséierend op d'Resultater, déi mat eenzel Zellmodeller kritt goufen, zB op der Mikroskala, ass d'Selektivitéit vu Kriibszellen och op der Mesoscale duerch numeresch Studien vun den harmonesche Äntwerte vun heterogenen Zellaggregaten bewisen.En anere Prozentsaz vu Kriibszellen a gesonde Zellen ubidden, multicellulär Aggregaten Honnerte vu Mikrometer an der Gréisst goufen hierarchesch gebaut.Op der Mesolevel vun dësen Aggregaten sinn e puer mikroskopesch Charakteristike vun Interesse bewahrt wéinst der direkter Ëmsetzung vun den Haaptstrukturelementer, déi d'mechanesch Verhalen vun eenzel Zellen charakteriséieren.Besonnesch benotzt all Zell eng Tensegritéit-baséiert Architektur fir d'Äntwert vu verschiddene prestresséierten Zytoskelettstrukturen ze mimikéieren, an doduerch hir Gesamtsteifheet12,13 beaflossen.Theoretesch Prognosen an in vitro Experimenter vun der uewe genannter Literatur hunn encouragéierend Resultater ginn, wat beweist datt d'Bedierfnes fir d'Sensibilitéit vun Tumormassen op Low-Intensity therapeutesch Ultraschall (LITUS) ze studéieren, an d'Bewäertung vun der Frequenz vun der Bestrahlung vun Tumormassen ass entscheedend.Positioun LITUS fir Applikatioun op der Plaz.
Wéi och ëmmer, um Tissueniveau ass déi submakroskopesch Beschreiwung vun der individueller Bestanddeel zwangsleefeg verluer, an d'Eegeschafte vum Tumorgewebe kënne mat sequenzielle Methoden verfollegt ginn fir de Massewuesstem a Stress-induzéierte Remodelingprozesser ze verfolgen, andeems d'makroskopesch Effekter vun Wuesstem.-induzéiert Ännerungen an der Tissuelastizitéit op enger Skala vun 41,42.Tatsächlech, am Géigesaz zu eenzellulären an aggregéierte Systemer, wuessen zolidd Tumormassen a mëllen Stoffer wéinst der gradueller Akkumulation vun aberrante Reschtspannungen, déi d'natierlech mechanesch Eegeschaften änneren wéinst enger Erhéijung vun der totaler intratumoraler Steifheit, an Tumorsklerose gëtt dacks e bestëmmte Faktor bei Tumor Detektioun.
Mat dëse Considératiounen am Kapp, analyséiere mir hei d'sonodynamesch Äntwert vun entholl Sphäroiden modelléiert als elastesche Kugelgestalt Inklusiounen an engem normale Tissuëmfeld wuessen.Méi präzis sinn d'elastesch Eegeschaften, déi mat der Bühn vum Tumor verbonne sinn, op Basis vun den theoreteschen an experimentellen Resultater vun e puer Autoren an der fréierer Aarbecht festgeluegt.Dorënner ass d'Evolutioun vun zolidd entholl spheroids zu VIVO an heterogen Medien ugebaut duerch Applikatioun net-linear mechanesch Modeller 41,43,44 a Kombinatioun mat interspecies Dynamik studéiert d'Entwécklung vun entholl Mass an assoziéiert intratumoral Stress virauszesoen.Wéi uewen erwähnt, Wuesstem (zB onelastesch Prestretching) a Reschtstress verursaache progressiv Remodeling vun den Eegeschafte vum Tumormaterial, an doduerch och seng akustesch Äntwert änneren.Et ass wichteg ze bemierken datt am Ref.41 d'Co-Evolutioun vum Wuesstum a festem Stress an Tumoren gouf an experimentellen Kampagnen an Déieremodeller bewisen.Besonnesch e Verglach vun der Steifheit vu Brusttumormassen a verschiddene Stadien mat der Steifheit, déi duerch d'Reproduzéieren vun ähnlechen Konditiounen am Silico op engem kugelfërmege Finite Element Modell mat de selwechten Dimensiounen a berücksichtegt de virausgesote Reschtstressfeld, bestätegt déi proposéiert Method vun Modell Validitéit..An dëser Aarbecht gi virdru kritt theoretesch an experimentell Resultater benotzt fir eng nei entwéckelt therapeutesch Strategie z'entwéckelen.Besonnesch virausgesot Gréisste mat entspriechend evolutiver Resistenzeigenschaften goufen hei berechent, déi also benotzt goufen fir d'Frequenzbereich ze schätzen, op déi Tumormassen, déi am Hostëmfeld agebonne sinn, méi sensibel sinn.Zu dësem Zweck hu mir also d'dynamesch Verhalen vun der Tumormass op verschiddene Stadien ënnersicht, a verschiddene Stadien geholl, akustesch Indikatoren am Aklang mat dem allgemeng akzeptéierte Prinzip vun der Streuung an der Reaktioun op Ultraschallreizen a beliicht méiglech Resonanzphänomener vun der Sphäroid. .ofhängeg vun Tumor a Host Wuesstem-ofhängeg Differenzen an der Steifheit tëscht Stoffer.
Sou goufen entholl Mass als elastesche Sphäre vun Radius modeliséiert \ (a \) an der Emgéigend elastesche Ëmwelt vun der Provider baséiert op experimentell Donnéeën weist wéi voluminös bösart Strukturen an situ zu Kugelgestalt Formen wuessen.Bezitt op d'Figur 1, andeems d'kugelgestalt Koordinaten \(\{r,\theta,\varphi \}\) benotzt (wou \(\theta\) an \(\varphi\) den Anomaliewénkel respektiv den Azimutwénkel representéieren). Tumor Domain besetzt Regioun a gesonde Raum agebaut \({\mathcal {V}}_{T}=\{(r,\theta,\varphi):r\le a\}\) onlimitéiert Regioun \({\mathcal { V} }_{H} = \{(r,\theta,\varphi):r > a\}\).Referenz op Zousaz Informatiounen (SI) fir eng komplett Beschreiwung vun der mathematesch Modell baséiert op der gutt-etabléiert elastodynamic Basis an vill literatur gemellt 45,46,47,48, mir betruecht hei e Problem vun engem axisymmetric Schwéngung Modus charakteriséiert.Dës Virgab implizéiert datt all Variabelen am Tumor a gesonde Gebidder onofhängeg vun der azimuthaler Koordinate \(\varphi\) sinn an datt keng Verzerrung an dëser Richtung geschitt.Dofir kënnen d'Verschiebungs- a Stressfelder aus zwee scalare Potenzialer kritt ginn \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) an \(\chi = \hat{\chi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\), si sinn respektiv mat enger Längswelle an enger Schéierwelle verbonnen, den Zoufallszäit t tëscht dem Stroum \(\theta \) an dem Wénkel tëscht der Richtung vun der Tëschewell an dem Positiounsvektor \({\mathbf {x))\) ( wéi an der Figur 1 gewisen) an \(\omega = 2\pi f\) representéiert d'Wénkelfrequenz.Besonnesch den Tëschefallsfeld gëtt modelléiert vun der Fligerwelle \(\phi_{H}^{(in)}\) (och am SI-System agefouert, an der Equatioun (A.9)) déi an de Volume vum Kierper propagéiert. no dem Gesetz Ausdrock
wou \(\phi_{0}\) den Amplitudeparameter ass.Déi sphäresch Expansioun vun enger Tëschenzäit Fligerwelle (1) mat enger sphärescher Wellefunktioun ass de Standardargument:
Wou \(j_{n}\) déi kugelfërmeg Bessel-Funktioun vun der éischter Aart vun Uerdnung \(n\) ass, a \(P_{n}\) de Legendre Polynom ass.En Deel vun der Tëschefallwelle vun der Investitiounskugel ass am Ëmgéigend Medium verstreet an iwwerlappt den Tëschefallfeld, während den aneren Deel an der Sphär verspreet ass, wat zu senger Schwéngung bäidréit.Fir dëst ze maachen, sinn déi harmonesch Léisunge vun der Wellegleichung \(\nabla^{2} \hat{\phi} + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) an \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi} + k_{2}^{2} \hat{\chi} = 0\), zum Beispill vun Eringen45 zur Verfügung gestallt (kuckt och SI ) kann Tumor a gesond Gebidder uginn.Besonnesch verspreet Expansiounswellen an isovolumesch Wellen, déi am Hostmedium generéiert ginn \(H\) zouginn hir jeweileg potenziell Energien:
Ënnert hinne gëtt déi kugelfërmeg Hankelfunktioun vun der éischter Aart \(h_{n}^{(1)}\) benotzt fir déi erausgaang verspreet Welle ze berücksichtegen, an \(\alpha_{n}\) an \(\beta_{ n}\) sinn d'Onbekannte Koeffizienten.an der Equatioun.An Equatioune (2)–(4) bezeechnen d'Begrëffer \(k_{H1}\) an \(k_{H2}\) d'Wellenzuelen vun der Selten- a Querwellen am Haaptberäich vum Kierper, respektiv ( kuckt SI).Kompressiounsfelder am Tumor a Verréckelung hunn d'Form
Wou \(k_{T1}\) an \(k_{T2}\) d'Längs- a Querwellenzuelen an der Tumorregioun representéieren, an déi onbekannt Koeffizienten sinn \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Baséierend op dës Resultater sinn net-null radial a circumferential Verdrängungskomponente charakteristesch fir gesond Regiounen am betraffene Problem, sou wéi \(u_{Hr}\) an \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\) d'Symmetrie-Annam ass net méi gebraucht) - kann aus der Relatioun \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi) kritt ginn } \right) + k_}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) an \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } (r\chi)} \right)\) duerch \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) an \ ze bilden (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (kuckt SI fir detailléiert mathematesch Oflehnung).Ähnlech gëtt \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) an \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) ersat {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) an \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta}\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\right)\).
(Lénks) Geometrie vun engem sphäreschen Tumor an engem gesonden Ëmfeld ugebaut, duerch deen en Tëschefall Feld propagéiert, (riets) Entspriechend Evolutioun vun der Tumor-Host-Steiffness Verhältnis als Funktioun vum Tumorradius, gemellt Daten (vum Carotenuto et al. 41 ugepasst) aus an Kompressioun Tester vitro sech aus fest Broscht erhéijen kritt mat MDA-MB-231 Zellen inoculated.
Unzehuelen linear elastesch an isotropic Materialien, déi Net-Null Stress Komponente an de gesond an Tumor Regiounen, dh \(\sigma_{Hpq}\) an \(\sigma_{Tpq}\) - befollegen dem generaliséierte Hooke Gesetz, well et gëtt si verschidde Lamé Moduli , déi Host- an Tumorelastizitéit charakteriséieren, bezeechent als \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) an \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (kuckt Equatioun (A.11) fir de kompletten Ausdrock vun de Stresskomponenten, déi am SI vertruede sinn).Besonnesch, laut den Donnéeën an der Referenz 41 a presentéiert an der Figur 1, wuessen Tumoren eng Verännerung vun der Tissuelastizitéitskonstanten.Sou sinn Verrécklungen a Spannungen an de Host- an Tumorregiounen komplett bis zu enger Rei vun onbekannte Konstanten \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu bestëmmt } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\) huet theoretesch onendlech Dimensiounen.Fir dës Koeffizientvektoren ze fannen, gi passend Schnëttplazen a Grenzbedéngungen tëscht dem Tumor a gesonde Gebidder agefouert.Unzehuelen perfekt Bindung um Tumor-Host-Interface \(r = a\), erfuerdert d'Kontinuitéit vu Verrécklungen a Spannungen déi folgend Konditiounen:
System (7) bildt e System vun Equatioune mat onendlech Léisungen.Zousätzlech hänkt all Grenzbedéngung vun der Anomalie of \(\theta\).Fir de Grenzwäertproblem op e komplette algebraesche Problem mat \(N\) Sets vu zouene Systemer ze reduzéieren, déi jidderee am onbekannte \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ ass {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,...,N}\) (mat \( N \ bis \ infty \), theoretesch), a fir d'Ofhängegkeet vun den Equatioune vun den trigonometresche Begrëffer ze eliminéieren, ginn d'Interfacebedéngungen a schwaacher Form mat der Ortogonalitéit vun de Legendre Polynome geschriwwe.Besonnesch d'Equatioun (7)1,2 an (7)3,4 multiplizéiert mat \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) an \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) an dann integréieren tëscht \(0\) an \(\pi\) mat mathemateschen Identitéiten:
Also gëtt d'Interface Bedingung (7) e quadrateschen algebraesche Equatiounssystem zréck, deen a Matrixform ausgedréckt ka ginn als \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) a kritt den onbekannte \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\) andeems Dir dem Cramer seng Regel léist.
Fir den Energieflux ze schätzen, deen duerch d'Kugel verstreet ass, an Informatioun iwwer seng akustesch Äntwert ze kréien baséiert op Daten iwwer dat verstreet Feld, dat sech am Gaaschtmedium propagéiert, ass eng akustesch Quantitéit interessant, wat e normaliséierte bistatesche Streuende Querschnitt ass.Besonnesch d'Streuende Querschnitt, bezeechent \(s), dréckt de Verhältnis tëscht der akustescher Kraaft aus, déi vum verspreete Signal iwwerdroe gëtt, an der Divisioun vun der Energie, déi vun der Tëschewell gedroe gëtt.An dëser Hisiicht ass d'Gréisst vun der Formfunktioun \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) eng dacks benotzt Quantitéit an der Studie vun akustesche Mechanismen agebaut an enger flësseger oder zolitter Streuung vun Objeten am Sediment.Méi präzis ass d'Amplitude vun der Formfunktioun definéiert als den Differential-Streuungs-Querschnitt \(ds\) pro Eenheetfläch, deen sech duerch den Normal an d'Verbreedungsrichtung vun der Incidentwell ënnerscheet:
wou \(f_{n}^{pp}\) an \(f_{n}^{ps}\) d'Modalfunktioun bezeechnen, déi sech op d'Verhältnis vun de Kräfte vun der Längswell an der verspreeter Welle relativ zu der Tëschefall P-Welle am Empfangsmedium, respektiv, gi mat de folgenden Ausdréck uginn:
Deelwellefunktiounen (10) kënnen onofhängeg studéiert ginn am Aklang mat der Resonanzstreuungstheorie (RST)49,50,51,52, wat et méiglech mécht d'Zilelastizitéit vum Gesamtstroossfeld ze trennen wann Dir verschidde Modi studéiert.No dëser Method kann d'modal Form Funktioun an eng Zomm vun zwee gläiche Deeler opgedeelt ginn, nämlech \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) si mat de resonanten an netresonanten Hannergrond Amplituden verbonnen, respektiv.D'Formfunktioun vum Resonanzmodus ass mat der Äntwert vum Zil verbonnen, während den Hannergrond normalerweis mat der Form vum Streuer ass.Fir den éischte Formant vum Zil fir all Modus z'entdecken, ass d'Amplitude vun der modaler Resonanzformfunktioun \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\) gëtt berechent mat engem haarden Hannergrond, besteet aus impenetrabele Kugelen an engem elastesche Gaaschtmaterial.Dës Hypothese ass motivéiert vun der Tatsaach, datt am Allgemengen d'Steifheet an d'Dicht eropgeet mam Wuesstum vun der Tumormass wéinst dem Reschtkompressiounsstress.Also, bei engem schwéiere Wuesstumsniveau, gëtt d'Impedanzverhältnis \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) erwaart méi grouss wéi 1 ze sinn fir déi meescht makroskopesch fest Tumoren, déi a mëllen entwéckelen. Stoffer.Zum Beispill, Krouskop et al.53 bericht e Verhältnis vu kriibserreegend zu normaler Modulus vu ronn 4 fir Prostatagewebe, während dëse Wäert op 20 fir Brustgewebe Proben eropgaang ass.Dës Bezéiungen änneren zwangsleefeg d'akustesch Impedanz vum Tissu, wéi och duerch Elastographie Analyse54,55,56 bewisen, a kënne mat lokaliséierter Tissue Verdickung verursaacht ginn duerch Tumor Hyperproliferatioun.Dësen Ënnerscheed gouf och experimentell mat einfache Kompressiounstester vu Brusttumorblocken, déi a verschiddene Stadien ugebaut goufen32 observéiert, an d'Remodeling vum Material ka gutt gefollegt ginn mat predictive Cross-Arts Modeller vun net-linear wuesse Tumoren43,44.D'Steifheitsdaten, déi kritt goufen, sinn direkt mat der Evolutioun vum Young's Modulus vu festen Tumoren no der Formel \(E_{T} = S\lénks({1 – \nu ^{2}} \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( Kugelen mat Radius \(a\), Steifheet \(S\) an Poisson's Verhältnis \(\nu\) tëscht zwee steife Placke 57, wéi an der Figur 1 gewisen).Also ass et méiglech akustesch Impedanzmiessunge vum Tumor an dem Host op verschiddene Wuesstumsniveauen ze kréien.Besonnesch am Verglach mam Modul vum normalen Tissue gläich wéi 2 kPa an der Fig. konsequent mat de gemellten Donnéeën.an de Referenzen 58, 59 gouf festgestallt datt den Drock an Broschtgewebe Echantillon 0,25-4 kPa mat verschwannen Precompression ass.Gitt och un datt de Poisson-Verhältnis vun engem bal onkompressibelen Tissu 41,60 ass, dat heescht datt d'Dicht vum Tissu net wesentlech ännert wéi de Volumen eropgeet.Besonnesch gëtt déi duerchschnëttlech Mass Bevëlkerungsdicht \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 benotzt.Mat dësen Iwwerleeungen kann d'Steifheet en Hannergrondmodus iwwerhuelen andeems Dir de folgenden Ausdrock benotzt:
Wou déi onbekannt Konstante \(\widehat{{{\varvec{\upxi)))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) kann berechent ginn andeems d'Kontinuitéit berücksichtegt gëtt bias (7)2,4, dat heescht, duerch d'Léisung vum algebraesche System \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) mat Mannerjäregen\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) an den entspriechende vereinfachte Kolonnevektor\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Bitt Basiskenntnisser an der Equatioun (11), zwou Amplituden vun der Réckscattering-Resonanzmodus \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) an \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) bezitt sech op P-Welle-Excitatioun respektiv P- a S-Welle-Reflexioun.Weider gouf déi éischt Amplitude als \(\theta = \pi\ geschat), an déi zweet Amplitude gouf als \(\theta = \pi/4\ geschat).Duerch Luede verschidde Zesummesetzung Eegeschafte.Figure 2 weist datt d'Resonanzeigenschaften vun Tumorspheroiden bis zu ongeféier 15 mm Duerchmiesser haaptsächlech an der Frequenzband vu 50-400 kHz konzentréiert sinn, wat d'Méiglechkeet weist fir Low-Frequenz Ultraschall ze benotzen fir d'Resonanz-Tumor-Excitatioun ze induzéieren.Zellen.E ganze Koup.An dëser Frequenzband huet d'RST Analyse Single-Modus Formanten fir Modi 1 bis 6 opgedeckt, an der Figur 3 beliicht. ongeféier 20 kHz fir de Modus 1 bis ongeféier 60 kHz fir n = 6, weist kee groussen Ënnerscheed am Sphär Radius.D'Resonanzfunktioun ps zerfällt dann, während d'Kombinatioun vu grousser Amplituden pp Formanten eng Periodizitéit vu ronn 60 kHz ubitt, wat eng méi héich Frequenzverschiebung mat ëmmer méi Modusnummer weist.All Analysë goufen mat Mathematica®62 Rechensoftware gesuergt.
D'Backscatter-Formfunktiounen, déi aus dem Modul vu Brust-Tumoren vu verschiddene Gréisste kritt ginn, ginn an der Fig.
Resonanze vu gewielte Modi vu \(n = 1\) bis \(n = 6\), berechent op Excitatioun a Reflexioun vun der P-Welle bei verschiddenen Tumorgréissten (schwaarz Kéiren vu \(\lénks | {f_{n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left (\pi \right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) a P-Welle Excitatioun a S-Welle Reflexioun (gro Kéiren ginn duerch modal Formfunktioun \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
D'Resultater vun dëser virleefeg Analyse mat Hëllef vu wäitfeld Ausbreedungsbedéngungen kënnen d'Auswiel vun fuerspezifesche Fuerfrequenzen an de folgenden numeresche Simulatioune guidéieren fir den Effekt vum Mikrovibrationsstress op Mass ze studéieren.D'Resultater weisen datt d'Kalibrierung vun optimalen Frequenzen während der Tumorwachstum Bühnspezifesch ka sinn a ka mat de Resultater vu Wuesstumsmodeller bestëmmt ginn fir biomechanesch Strategien ze etabléieren déi an der Krankheettherapie benotzt ginn fir Tissue-Remodeling korrekt virauszesoen.
Wichteg Fortschrëtter an der Nanotechnologie féieren d'wëssenschaftlech Gemeinschaft fir nei Léisungen a Methoden ze fannen fir miniaturiséiert a minimal invasiv medizinesch Geräter fir in vivo Uwendungen z'entwéckelen.An dësem Kontext huet d'LOF Technologie eng bemierkenswäert Fäegkeet gewisen fir d'Fäegkeeten vun opteschen Faseren auszebauen, wat d'Entwécklung vun neie minimal invasiv Glasfasergeräter fir Liewenswëssenschaftsapplikatiounen erlaabt21, 63, 64, 65. D'Iddi fir 2D an 3D Materialien z'integréieren. mat gewënschte chemeschen, biologeschen an opteschen Eegeschafte op de Säiten 25 an / oder Enn 64 vun opteschen Faseren mat voller raimlech Kontroll op der Nanoscale féiert zu der Entstoe vun enger neier Klass vun Léngen OPTIC Nanooptodes.huet eng breet Palette vun diagnosteschen an therapeutesche Funktiounen.Interessanterweis, duerch hir geometresch a mechanesch Eegeschaften (kleng Querschnitt, grouss Aspekt Verhältnis, Flexibilitéit, niddereg Gewiicht) an der Biokompatibilitéit vu Materialien (normalerweis Glas oder Polymer), sinn optesch Faseren gutt fir d'Insertion an d'Nadelen a Katheteren.Medizinesch Applikatiounen20, de Wee fir eng nei Visioun vum "Nadel Spidol" erweidert (kuckt Figur 4).
Tatsächlech, duerch d'Fräiheetsgrade vun der LOF Technologie, andeems d'Integratioun vu Mikro- an Nanostrukturen aus verschiddene metalleschen an / oder dielektresche Materialien benotzt gëtt, kënnen optesch Faseren richteg funktionaliséiert ginn fir spezifesch Uwendungen déi dacks Resonanzmodus Excitatioun ënnerstëtzen., D'Liichtfeld 21 ass staark positionéiert.D'Behälter vu Liicht op enger Subwavelength Skala, dacks a Kombinatioun mat chemescher an / oder biologescher Veraarbechtung63 an d'Integratioun vu sensiblen Materialien wéi Smart Polymeren65,66 kënnen d'Kontroll iwwer d'Interaktioun vu Liicht a Matière verbesseren, wat nëtzlech ka fir theranostesch Zwecker sinn.D'Wiel vun Typ a Gréisst vun integréierte Komponenten/Materialien hänkt selbstverständlech vun de physikaleschen, biologeschen oder chemesche Parameteren of, déi z'entdecken21,63.
Integratioun vu LOF-Sonden a medizinesche Nadelen, déi op spezifesch Plazen am Kierper geriicht sinn, erlaabt lokal Flëssegkeets- a Tissuebiopsien in vivo, wat gläichzäiteg lokal Behandlung erlaabt, Nebenwirkungen reduzéieren an Effizienz erhéijen.Potenziell Méiglechkeeten enthalen d'Detektioun vu verschiddene zirkuléierende Biomolekülen, dorënner Kriibs.Biomarker oder MikroRNAs (miRNAs)67, Identifikatioun vu Kriibsgewebe mat linearer an net-linearer Spektroskopie wéi Raman Spektroskopie (SERS)31, héichopléisend photoakustesch Imaging22,28,68, Laserchirurgie an Ablation69, a lokal Liwwerungsmedikamenter mat Light27 an automatesch Leedung vun Nadelen an de mënschleche Kierper20.Et ass derwäert ze bemierken datt och wann d'Benotzung vun opteschen Faseren déi typesch Nodeeler vun "klassesche" Methoden op elektronesche Komponenten vermeit, sou wéi d'Bedierfnes fir elektresch Verbindungen an d'Präsenz vun elektromagnéiteschen Interferenzen, erlaabt dëst verschidde LOF-Sensoren effektiv an de System.eenzeg medizinesch Nadel.Besonnesch Opmierksamkeet muss bezuelt ginn fir schiedlech Effekter wéi Verschmotzung, optesch Interferenz, kierperlech Obstruktiounen ze reduzéieren, déi Crosstalk Effekter tëscht verschiddene Funktiounen verursaachen.Wéi och ëmmer, et ass och richteg datt vill vun de genannte Funktiounen net zur selwechter Zäit aktiv musse sinn.Dësen Aspekt mécht et méiglech op d'mannst d'Interferenz ze reduzéieren, an doduerch den negativen Impakt op d'Leeschtung vun all Sonde an d'Genauegkeet vun der Prozedur limitéiert.Dës Iwwerleeungen erlaben eis d'Konzept vun der "Nadel am Spidol" als eng einfach Visioun ze gesinn fir e festen Fundament fir déi nächst Generatioun vun therapeutesche Nadelen an de Liewenswëssenschaften ze leeën.
Mat Bezuch op déi spezifesch Applikatioun, déi an dësem Pabeier diskutéiert gëtt, wäerte mir an der nächster Sektioun numeresch d'Fäegkeet vun enger medizinescher Nadel ënnersichen fir Ultraschallwellen a mënschlecht Stoffer ze dirigéieren mat hirer Ausbreedung laanscht seng Achs.
Ausbreedung vun Ultraschallwellen duerch eng medizinesch Nadel mat Waasser gefüllt an a Softgewebe agesat (kuckt Diagramm an der Fig. 5a) gouf mat der kommerzieller Comsol Multiphysics Software modelléiert baséiert op der endlech Element Method (FEM) 70, wou d'Nadel an d'Gewëss modelléiert ginn. als linear elastesche Ëmfeld.
Bezitt op Figur 5b, ass d'Nadel als en huel Zylinder (och bekannt als "Kanule") modelléiert aus Edelstol, e Standardmaterial fir medizinesch Nadelen71.Besonnesch gouf et mat Young d'Modul E = 205 GPa, Poisson d'Verhältnis ν = 0,28, an Dicht ρ = 7850 kg m -372,73 modeliséiert.Geometresch ass d'Nadel charakteriséiert duerch eng Längt L, engem internen Duerchmiesser D (och "Clearance" genannt) an enger Wanddicke t.Zousätzlech gëtt den Tipp vun der Nadel ugesinn an engem Wénkel α mat Respekt fir d'Längsrichtung (z).De Volume vum Waasser entsprécht wesentlech der Form vun der banneschten Regioun vun der Nadel.An dëser virleefeg Analyse gouf ugeholl datt d'Nadel komplett an enger Tissuregioun ënnergeet ass (ugeholl fir onbestëmmt ze verlängeren), modelléiert als Kugel vum Radius rs, déi konstant bei 85 mm während all Simulatioune bliwwen ass.Méi detailléiert fäerde mir d'kugelgestalt Regioun mat enger perfekt ugepasste Schicht (PML), déi op d'mannst onerwënscht Wellen reduzéiert, déi aus "imaginäre" Grenzen reflektéiert ginn.Mir hunn dunn de Radius rs gewielt fir d'kugelfërmeg Domain Grenz wäit genuch vun der Nadel ze placéieren fir d'Rechnungsléisung net ze beaflossen, a kleng genuch fir d'Berechnungskäschte vun der Simulatioun net ze beaflossen.
Eng harmonesch Längsverschiebung vun der Frequenz f an der Amplitude A gëtt op déi ënnescht Grenz vun der Stylusgeometrie applizéiert;dës Situatioun duerstellt en Input Reiz fir déi simuléiert Geometrie applizéiert.Op de verbleiwen Grenze vun der Nadel (am Kontakt mat Tissu a Waasser) gëtt den akzeptéierte Modell ugesinn fir eng Bezéiung tëscht zwee kierperleche Phänomener ze enthalen, vun deenen een mat der struktureller Mechanik (fir d'Nadelgebitt) verbonnen ass, an déi aner zu strukturell Mechanik.(fir d'acicular Regioun), sou datt déi entspriechend Konditiounen op d'Akustik (fir Waasser an der acicular Regioun) opgezwong74.Besonnesch kleng Schwéngungen, déi op den Nadel Sëtz applizéiert ginn, verursaachen kleng Spannungsstéierungen;also, unzehuelen datt d'Nadel sech wéi en elastesche Medium behält, kann de Verdrängungsvektor U aus der elastodynamescher Gläichgewiicht Equatioun (Navier)75 geschat ginn.Strukturell Schwéngunge vun der Nadel verursaachen Ännerungen am Waasserdrock bannenzeg (an eisem Modell als stationär ugesi ginn), als Resultat vun deenen d'Schallwellen an der Längsrichtung vun der Nadel propagéieren, am Wesentlechen d'Helmholtz Equatioun76 respektéieren.Schlussendlech, unzehuelen datt d'netlinear Effekter an de Stoffer vernoléisseg sinn an datt d'Amplitude vun de Schéierwellen vill méi kleng ass wéi d'Amplitude vun den Drockwellen, kann d'Helmholtz Equatioun och benotzt ginn fir d'Verbreedung vun akustesche Wellen a mëlle Stoffer ze modelléieren.No dëser Approximatioun gëtt den Tissu als Flëssegkeet77 mat enger Dicht vun 1000 kg/m3 an enger Toungeschwindegkeet vun 1540 m/s ugesinn (Ignoréieren Frequenz-ofhängeg Dämpfungseffekter).Fir dës zwee kierperlech Felder ze verbannen, ass et néideg d'Kontinuitéit vun der normaler Bewegung op der Grenz vum Feststoff a Flëssegkeet ze garantéieren, de statesche Gläichgewiicht tëscht Drock a Stress senkrecht op d'Grenz vum Feststoff, an de tangentielle Stress op der Grenz vum Feststoff. Flëssegkeet muss gläich null sinn.75.
An eiser Analyse ënnersiche mir d'Verbreedung vun akustesche Wellen laanscht eng Nadel ënner stationäre Bedéngungen, konzentréieren op den Afloss vun der Geometrie vun der Nadel op d'Emissioun vu Wellen am Tissu.Besonnesch hu mir den Afloss vum bannenzegen Duerchmiesser vun der Nadel D, der Längt L an de Schrägwinkel α ënnersicht, d'Dicke t fixéiert op 500 µm fir all studéiert Fäll.Dëse Wäert vun t ass no bei der typescher Standard Wanddicke 71 fir kommerziell Nadelen.
Ouni Verloscht vun der Allgemengheet ass d'Frequenz f vun der harmonescher Verdrängung op d'Basis vun der Nadel applizéiert gouf gläich 100 kHz geholl, an d'Amplitude A war 1 μm.Besonnesch war d'Frequenz op 100 kHz gesat, wat konsequent mat den analyteschen Schätzungen, déi an der Rubrik "Scattering Analysis of Spherical Tumor Mass to Estimate Wuesstem-ofhängeg Ultraschall Frequenzen" entsprécht, wou e Resonanzähnlecht Verhalen vun Tumormassen fonnt gouf. d'Frequenzbereich vu 50-400 kHz, mat der gréisster Streuungsamplitude konzentréiert bei méi nidderegen Frequenzen ëm 100-200 kHz (kuckt Fig. 2).
Den éischte Parameter studéiert war den internen Duerchmiesser D vun der Nadel.Fir d'Bequemlechkeet ass et definéiert als eng ganz Fraktioun vun der akustescher Wellelängt an der Kavitéit vun der Nadel (dh am Waasser λW = 1,5 mm).Tatsächlech hänken d'Phänomener vun der Welleverbreedung an Apparater, déi duerch eng bestëmmte Geometrie charakteriséiert sinn (zum Beispill an engem Welleguide) dacks vun der charakteristescher Gréisst vun der Geometrie of, déi am Verglach mat der Wellelängt vun der Verbreedungswell benotzt gëtt.Zousätzlech, an der éischter Analyse, fir den Effekt vum Duerchmiesser D op d'Verbreedung vun der akustescher Welle duerch d'Nadel besser ze betounen, hu mir e flaache Tipp ugesinn, de Wénkel α = 90 ° setzen.Wärend dëser Analyse gouf d'Nadellängt L op 70 mm fixéiert.
Op Fig.6a weist d'Duerchschnëttsschallintensitéit als Funktioun vum Dimensiounslosen Skalaparameter SD, dh D = λW/SD evaluéiert an enger Kugel mat engem Radius vun 10 mm zentréiert um entspriechende Nadelspëtz.De Skalaparameter SD ännert sech vun 2 op 6, also mir betruechten D Wäerter vu 7,5 mm bis 2,5 mm (bei f = 100 kHz).D'Gamme enthält och e Standardwäert vu 71 fir Edelstahl medizinesch Nadelen.Wéi erwaart beaflosst den bannenzegen Duerchmiesser vun der Nadel d'Intensitéit vum Toun, deen duerch d'Nadel emittéiert gëtt, mat engem Maximumwäert (1030 W/m2) entsprécht D = λW/3 (dh D = 5 mm) an e Réckgang mat Ofsenkung Duerchmiesser.Et sollt berécksiichtegt ginn datt den Duerchmiesser D e geometresche Parameter ass, deen och d'Invasivitéit vun engem medizineschen Apparat beaflosst, sou datt dëse kriteschen Aspekt net ignoréiert ka ginn wann Dir den optimale Wäert auswielt.Dofir, obwuel d'Ofsenkung vun D geschitt wéinst der niddereger Iwwerdroung vun der akustescher Intensitéit an de Stoffer, fir déi folgend Studien, den Duerchmiesser D = λW/5, dh D = 3 mm (entsprécht dem 11G71 Standard bei f = 100 kHz) , gët als e vernünfteg Kompromiss tëscht Apparatintrusivitéit an Tounintensitéit Iwwerdroung ugesinn (duerchschnëttlech ongeféier 450 W/m2).
Déi duerchschnëttlech Intensitéit vum Toun, deen duerch den Tipp vun der Nadel emittéiert gëtt (flaach ugesinn), ofhängeg vum banneschten Duerchmiesser vun der Nadel (a), Längt (b) a Schrägwinkel α (c).D'Längt an (a, c) ass 90 mm, an den Duerchmiesser an (b, c) ass 3 mm.
Den nächste Parameter, deen analyséiert gëtt, ass d'Längt vun der Nadel L. Wéi an der viregter Fallstudie betruechte mir en schräg Winkel α = 90° an d'Längt gëtt als Multiple vun der Wellelängt am Waasser skaléiert, dh L = SL λW. .Den Dimensiounslosen Skalaparameter SL gëtt vun 3 op 7 geännert, sou datt d'Duerchschnëttsintensitéit vum Toun aus dem Tipp vun der Nadel an der Längt vun 4,5 bis 10,5 mm emittéiert gëtt.Dës Gamme enthält typesch Wäerter fir kommerziell Nadelen.D'Resultater ginn an der Fig.6b, weist datt d'Längt vun der Nadel, L, e groussen Afloss op d'Transmissioun vun der Tounintensitéit an de Stoffer huet.Besonnesch d'Optimiséierung vun dësem Parameter huet et méiglech gemaach d'Transmissioun ëm ongeféier eng Gréisst ze verbesseren.Tatsächlech, am analyséierten Längtberäich, hëlt déi duerchschnëttlech Tounintensitéit e lokalen Maximum vun 3116 W/m2 bei SL = 4 (dh L = 60 mm), an déi aner entsprécht SL = 6 (dh L = 90). mm).
No der Analyse vum Afloss vum Duerchmiesser an der Längt vun der Nadel op d'Verbreedung vum Ultraschall an der zylindrescher Geometrie konzentréiere mir eis op den Afloss vum Schrägwinkel op d'Transmissioun vun der Tounintensitéit an de Gewëss.D'Duerchschnëttsintensitéit vum Toun, deen aus der Faserspëtzt entsteet, gouf als Funktioun vum Wénkel α evaluéiert, a ännert säi Wäert vun 10 ° (scharfen Tipp) op 90 ° (flaach Tipp).An dësem Fall war de Radius vun der Integratiounskugel ëm den ugesinnten Tipp vun der Nadel 20 mm, sou datt fir all Wäerter vun α den Tipp vun der Nadel am Volume berechent aus der Moyenne abegraff ass.
Wéi an der Fig.6c, wann den Tipp geschärft ass, dh wann α ab 90 ° erofgeet, erhéicht d'Intensitéit vum iwwerdroenen Toun, an erreecht e maximale Wäert vun ongeféier 1,5 × 105 W/m2, wat entsprécht α = 50 °, also 2 ass eng Gréisstenuerdnung méi héich par rapport zum flaache Staat.Mat weider Schärfen vum Tipp (dh bei α ënner 50 °), tendéiert d'Klangintensitéit erof ze goen, an erreecht Wäerter vergläichbar mat engem flaachem Tipp.Wéi och ëmmer, obwuel mir eng breet Palette vu Schrägwinkele fir eis Simulatioune betruecht hunn, ass et derwäert ze berécksiichtegen datt d'Schärfen vum Tipp noutwendeg ass fir d'Insertioun vun der Nadel an den Tissu ze erliichteren.Tatsächlech kann e méi klenge Schrägwénkel (ongeféier 10 °) d'Kraaft reduzéieren 78, déi néideg ass fir Tissue z'ënnerbriechen.
Nieft dem Wäert vun der Schallintensitéit, déi am Tissu iwwerdroe gëtt, beaflosst de Schrägwinkel och d'Richtung vun der Welleverbreedung, wéi an de Schalldrockniveau Grafiken an der Fig. ).geschränkt Tipp), parallel D'Längsrichtung gëtt am Symmetrieplang evaluéiert (yz, cf. Fig. 5).An den Extremen vun dësen zwou Considératiounen ass den Toundrockniveau (1 µPa bezeechent) haaptsächlech an der Nadelhöhle konzentréiert (dh am Waasser) an an den Tissu gestrahlt.Méi detailléiert, am Fall vun engem flachen Tipp (Fig. 7a), ass d'Verdeelung vum Schalldrockniveau perfekt symmetresch mat Respekt fir d'Längsrichtung, a stänneg Wellen kënnen am Waasser ënnerscheeden, deen de Kierper fëllt.D'Welle ass Längs orientéiert (z-Achs), d'Amplitude erreecht säi maximale Wäert am Waasser (ongeféier 240 dB) a verréngert transversal, wat zu enger Dämpfung vu ronn 20 dB op enger Distanz vun 10 mm vum Zentrum vun der Nadel féiert.Wéi erwaart, brécht d'Aféierung vun engem spitzen Tipp (Fig. 7b) dës Symmetrie, an d'Antikoden vun de stännege Wellen "defléieren" no der Spëtzt vun der Nadel.Anscheinend beaflosst dës Asymmetrie d'Stralungsintensitéit vum Nadelspëtz, wéi virdru beschriwwen (Fig. 6c).Fir dësen Aspekt besser ze verstoen, gouf d'akustesch Intensitéit laanscht eng Schnëttlinn orthogonal zu der Längsrichtung vun der Nadel bewäert, déi am Symmetrieplang vun der Nadel läit an op enger Distanz vun 10 mm vum Tipp vun der Nadel läit ( Resultater an der Figur 7c).Méi spezifesch, Tounintensitéit Verdeelungen bewäert bei 10 °, 20 ° an 30 ° Schrägwinkel (respektiv blo, rout a gréng zolidd Linnen) goufen mat der Verdeelung no bei der flächeger Enn verglach (schwaarz Punktekéiren).D'Intensitéit Verdeelung assoziéiert mat flaach-Spëtzt Nadelen schéngt symmetresch iwwer den Zentrum vun der Nadel ze sinn.Besonnesch hëlt se e Wäert vun ongeféier 1420 W/m2 am Zentrum un, en Iwwerschwemmung vun ongeféier 300 W/m2 op enger Distanz vun ~8 mm, a fällt dann op e Wäert vun ongeféier 170 W/m2 bei ~30 mm .Wéi den Tipp spitzt gëtt, trennt d'Zentrallobe sech a méi Lëpse vu variabelen Intensitéit.Méi spezifesch, wann α 30 ° war, konnten dräi Bléieblieder kloer am Profil ënnerscheeden, gemooss op 1 mm vum Tipp vun der Nadel.Déi zentral ass bal am Zentrum vun der Nadel an huet e geschätzte Wäert vun 1850 W / m2, an déi méi héich op der rietser ass ongeféier 19 mm vum Zentrum an erreecht 2625 W / m2.Bei α = 20° ginn et 2 Haaptloben: eng pro -12 mm bei 1785 W/m2 an eng pro 14 mm bei 1524 W/m2.Wann d'Spëtzt méi schaarf gëtt an de Wénkel 10° erreecht, gëtt e Maximum vun 817 W/m2 bei ongeféier -20 mm erreecht, an dräi méi Lobe vu liicht manner Intensitéit sinn laanscht de Profil ze gesinn.
Schalldrockniveau an der Symmetriefläch y–z vun enger Nadel mat engem flaache Enn (a) an enger 10° Schräg (b).(c) Akustesch Intensitéit Verdeelung geschätzt laanscht eng Schnëttlinn senkrecht op d'Längsrichtung vun der Nadel, op enger Distanz vu 10 mm vum Tipp vun der Nadel a läit am Plang vun der Symmetrie yz.D'Längt L ass 70 mm an den Duerchmiesser D ass 3 mm.
Zesummegefaasst weisen dës Resultater datt medizinesch Nadelen effektiv kënne benotzt ginn fir Ultraschall bei 100 kHz a Softgewebe ze vermëttelen.D'Intensitéit vum emittéierte Klang hänkt vun der Geometrie vun der Nadel of a kann optimiséiert ginn (ënnerleien zu den Aschränkungen, déi duerch d'Invasivitéit vum Endapparat opgesat ginn) bis zu Wäerter am Beräich vun 1000 W/m2 (bei 10 mm).op den ënneschten Deel vun der Nadel applizéiert 1. Am Fall vun engem Mikrometer-Offset gëtt d'Nadel als komplett an den onendlech erweiderten Softgewebe ugesinn.Besonnesch de Schrägwinkel beaflosst staark d'Intensitéit an d'Richtung vun der Verbreedung vu Schallwellen am Tissu, wat virun allem zu der Orthogonalitéit vum Schnëtt vum Nadelspëtz féiert.
Fir d'Entwécklung vun neien entholl Behandlung Strategien ze ënnerstëtzen baséiert op der Benotzung vun Net-invasiv medezinesch Techniken, der Ausbreedung vun niddereg-Frequenz Ultraschall am entholl Ëmfeld war analytesch an computationally analyséiert.Besonnesch am éischten Deel vun der Studie huet eng temporär elastodynamesch Léisung eis erlaabt d'Streuung vun Ultraschallwellen a festen Tumorspheroiden vu bekannter Gréisst a Steifheit ze studéieren fir d'Frequenzempfindlechkeet vun der Mass ze studéieren.Duerno goufen d'Frequenzen vun der Uerdnung vun Honnerte vu Kilohertz gewielt, an d'lokal Applikatioun vu Schwéngungsstress am Tumorëmfeld mat Hëllef vun engem medizinesche Nadelfahrt gouf an numerescher Simulatioun modelléiert andeems den Afloss vun den Haaptdesignparameter studéiert, déi den Transfer vun der akustescher bestëmmen. Kraaft vum Instrument fir d'Ëmwelt.D'Resultater weisen datt medizinesch Nadelen effektiv benotzt kënne ginn fir Gewëss mat Ultraschall ze bestrahlen, a seng Intensitéit ass enk mat dem geometresche Parameter vun der Nadel verbonnen, déi akustesch Wellelängt schafft.Tatsächlech erhéicht d'Intensitéit vun der Bestrahlung duerch d'Gewëss mat der Erhéijung vum internen Duerchmiesser vun der Nadel, e Maximum erreecht wann den Duerchmiesser dräimol d'Wellelängt ass.D'Längt vun der Nadel bitt och e gewësse Grad vu Fräiheet fir d'Beliichtung ze optimiséieren.Dat lescht Resultat ass wierklech maximéiert wann d'Nadellängt op e bestëmmte Multiple vun der Operatiounswellelängt gesat gëtt (speziell 4 a 6).Interessanterweis sinn déi optimiséiert Duerchmiesser an Längt Wäerter fir d'Frequenzbereich vun Interesse no bei deenen déi allgemeng fir Standard kommerziell Nadelen benotzt ginn.De Schrägwénkel, deen d'Schärft vun der Nadel bestëmmt, beaflosst och d'Emissivitéit, Peak bei ongeféier 50 ° a bitt gutt Leeschtung bei ongeféier 10 °, wat allgemeng fir kommerziell Nadelen benotzt gëtt..D'Simulatiounsresultater ginn benotzt fir d'Implementatioun an d'Optimiséierung vun der Intraneedle Diagnoseplattform vum Spidol ze guidéieren, diagnostesch an therapeutesch Ultraschall mat aneren In-Device therapeutesche Léisungen z'integréieren an Zesummenaarbecht Präzisioun Medizin Interventiounen ze realiséieren.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E, Kopp MV. What is Precision Medicine?Eur, auslännesch.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS a Varmus, H. Nei Initiativen an der Präzisiounsmedizin.N. Eng.J. Medezin.372, 793-795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK, and Wang, MD.Biomedizinesch Imaging Informatik an der Präzisiounsmedizin Ära: Leeschtungen, Erausfuerderungen a Méiglechkeeten.Jam.Medizin.informéieren.Assistant Professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: a review.J. Klinesch.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., a Salem, A. Verbesserung vun der Glioblastoma (GBM) Therapie mat engem Nanopartikel-baséiert Liwwersystem.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G, von Daimling A. Glioblastoma: Pathology, molecular mechanisms and markers.Acta Neuropathologie.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM a Berger, MS Aktuell an zukünfteg Strategien fir d'Behandlung vu Gliom.neurochirurgie.Ed.40, 1–14 (2017).