Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur.Siz cheklangan CSS-ni qo'llab-quvvatlaydigan brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz.Eng yaxshi tajriba uchun yangilangan brauzerdan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da Moslik rejimini o'chirib qo'ying).Bundan tashqari, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptlarsiz ko'rsatamiz.
Har bir slaydda uchta maqolani ko'rsatadigan slayderlar.Slaydlar boʻylab harakatlanish uchun “Orqaga” va “Keyingi” tugmalaridan yoki har bir slayd boʻylab harakatlanish uchun oxiridagi slaydni boshqarish tugmalaridan foydalaning.
Fizika va hayot haqidagi fanlarning fanlararo kesishishi asosida aniq tibbiyotga asoslangan diagnostika va terapevtik strategiyalar tibbiyotning ko'plab sohalarida, ayniqsa onkologiyada yangi muhandislik usullarining amaliy qo'llanilishi tufayli yaqinda katta e'tiborni tortdi.Shu doirada, turli miqyosda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan mexanik shikastlanishga olib kelishi uchun o'smalardagi saraton hujayralariga hujum qilish uchun ultratovushdan foydalanish butun dunyo olimlarining e'tiborini tortmoqda.Ushbu omillarni hisobga olgan holda, elastodinamik vaqtni aniqlash echimlari va raqamli simulyatsiyalar asosida biz mahalliy nurlanish orqali mos chastotalar va quvvatlarni tanlash uchun to'qimalarda ultratovush tarqalishining kompyuter simulyatsiyasini dastlabki o'rganishni taqdim etamiz.Kasalxona ignasi deb ataladigan va allaqachon patentlangan On-Fiber texnologiyasi laboratoriyasi uchun yangi diagnostika platformasi.Tahlil natijalari va tegishli biofizik tushunchalar fizika sohalaridan kelib chiqib, kelajakda aniq tibbiyotni qo'llashda markaziy rol o'ynashi mumkin bo'lgan yangi integratsiyalashgan diagnostika va terapevtik yondashuvlar uchun yo'l ochishi mumkin, deb ishoniladi.Biologiya o'rtasida o'sib borayotgan sinergiya boshlanadi.
Ko'p sonli klinik ilovalarni optimallashtirish bilan bemorlarga nojo'ya ta'sirlarni kamaytirish zarurati asta-sekin paydo bo'la boshladi.Shu maqsadda aniq tibbiyot 1, 2, 3, 4, 5 asosan ikkita asosiy yondashuvga rioya qilgan holda bemorlarga etkazib beriladigan dorilarning dozasini kamaytirishning strategik maqsadiga aylandi.Birinchisi, bemorning genomik profiliga ko'ra ishlab chiqilgan davolanishga asoslangan.Onkologiyada oltin standartga aylanib borayotgan ikkinchisi, oz miqdordagi dori-darmonlarni chiqarishga urinish orqali tizimli dori vositalarini yuborish tartib-qoidalaridan qochishga qaratilgan bo'lib, ayni paytda mahalliy terapiyani qo'llash orqali aniqlikni oshiradi.Yakuniy maqsad - kimyoterapiya yoki radionuklidlarni tizimli qo'llash kabi ko'plab terapevtik yondashuvlarning salbiy ta'sirini bartaraf etish yoki hech bo'lmaganda minimallashtirish.Saraton turiga, joylashishiga, nurlanish dozasiga va boshqa omillarga qarab, hatto radiatsiya terapiyasi ham sog'lom to'qimalar uchun yuqori xavf tug'dirishi mumkin.Glioblastomani davolashda 6,7,8,9 jarrohlik asosiy saratonni muvaffaqiyatli olib tashlaydi, ammo metastazlar bo'lmasa ham, ko'plab mayda saraton infiltratlar mavjud bo'lishi mumkin.Agar ular butunlay olib tashlanmasa, yangi saraton massalari nisbatan qisqa vaqt ichida o'sishi mumkin.Shu nuqtai nazardan, yuqorida aytib o'tilgan aniq tibbiyot strategiyalarini qo'llash qiyin, chunki bu infiltratlarni aniqlash va katta maydonga tarqalishi qiyin.Ushbu to'siqlar aniq dori vositalari bilan takrorlanishning oldini olishda aniq natijalarga to'sqinlik qiladi, shuning uchun ba'zi hollarda tizimli etkazib berish usullariga afzallik beriladi, garchi ishlatiladigan dorilar juda yuqori toksiklik darajasiga ega bo'lishi mumkin.Ushbu muammoni bartaraf etish uchun ideal davolash usuli sog'lom to'qimalarga ta'sir qilmasdan saraton hujayralariga tanlab hujum qila oladigan minimal invaziv strategiyalardan foydalanish bo'ladi.Ushbu argumentdan kelib chiqqan holda, bir hujayrali tizimlarda ham, mezomiqyosli heterojen klasterlarda ham saraton va sog'lom hujayralarga turlicha ta'sir ko'rsatishi isbotlangan ultratovushli tebranishlardan foydalanish mumkin bo'lgan yechim kabi ko'rinadi.
Mexanik nuqtai nazardan, sog'lom va saraton hujayralari aslida turli xil tabiiy rezonans chastotalariga ega.Bu xususiyat saraton hujayralarining sitoskeletal tuzilishining mexanik xususiyatlaridagi onkogen o'zgarishlar bilan bog'liq12,13, o'simta hujayralari esa, o'rtacha, oddiy hujayralarga qaraganda ko'proq deformatsiyalanadi.Shunday qilib, rag'batlantirish uchun ultratovush chastotasining maqbul tanlovi bilan tanlangan hududlarda tebranishlar tirik saraton tuzilmalariga zarar etkazishi mumkin, bu esa uy egasining sog'lom muhitiga ta'sirini kamaytiradi.Hali to'liq tushunilmagan bu ta'sirlar ultratovush tomonidan qo'zg'atilgan yuqori chastotali tebranishlar (printsipial jihatdan litotripsiya14ga juda o'xshash) va mexanik charchoqqa o'xshash hodisa tufayli hujayraning shikastlanishi tufayli ba'zi hujayra tarkibiy qismlarining yo'q qilinishini o'z ichiga olishi mumkin, bu esa o'z navbatida hujayra tuzilishini o'zgartirishi mumkin. .dasturlash va mexanobiologiya.Garchi bu nazariy yechim juda mos bo'lib tuyulsa-da, afsuski, uni anekoik biologik tuzilmalar ultratovushni to'g'ridan-to'g'ri qo'llashga to'sqinlik qiladigan holatlarda, masalan, suyak mavjudligi sababli intrakranial ilovalarda va ba'zi ko'krak o'smalari massalari yog'da joylashgan hollarda qo'llanilmaydi. to'qimalar.Susayishi mumkin bo'lgan terapevtik ta'sir joyini cheklashi mumkin.Ushbu muammolarni bartaraf etish uchun ultratovush nurlanish joyiga iloji boricha kamroq invaziv etib borishi mumkin bo'lgan maxsus ishlab chiqilgan transduserlar bilan mahalliy darajada qo'llanilishi kerak.Shuni hisobga olib, biz “igna kasalxonasi”15 deb nomlangan innovatsion texnologik platforma yaratish imkoniyati bilan bog‘liq g‘oyalardan foydalanish imkoniyatini ko‘rib chiqdik."Ignadagi shifoxona" kontseptsiyasi diagnostika va terapevtik qo'llash uchun minimal invaziv tibbiy asbobni ishlab chiqishni o'z ichiga oladi, bu bitta tibbiy ignada turli funktsiyalarning kombinatsiyasiga asoslangan.Kasalxona ignasi bo'limida batafsilroq muhokama qilinganidek, ushbu ixcham qurilma birinchi navbatda 16, 17, 18, 19, 20, 21 optik tolali zondlarning afzalliklariga asoslangan bo'lib, ular o'zlarining xususiyatlariga ko'ra standart 20 ga kiritish uchun mos keladi. tibbiy ignalar, 22 lümen.Lab-on-Fiber (LOF)23 texnologiyasi tomonidan taqdim etilgan moslashuvchanlikdan foydalangan holda, tola samarali ravishda miniatyuralashtirilgan va foydalanishga tayyor diagnostika va davolash asboblari, shu jumladan suyuqlik biopsiyasi va to'qimalar biopsiyasi qurilmalari uchun noyob platformaga aylanmoqda.biomolekulyar aniqlashda24,25, yorug'lik bilan boshqariladigan mahalliy dori yetkazib berish26,27, yuqori aniqlikdagi mahalliy ultratovush ko'rish28, termal terapiya29,30 va spektroskopiyaga asoslangan saraton to'qimalarini aniqlash31.Ushbu kontseptsiya doirasida, "kasalxonadagi igna" qurilmasiga asoslangan lokalizatsiya yondashuvidan foydalangan holda, biz ultratovush to'lqinlarining ultratovush to'lqinlarini ignalar orqali tarqalishini qo'llash orqali mahalliy biologik tuzilmalarning mahalliy stimulyatsiyasini optimallashtirish imkoniyatini o'rganamiz..Shunday qilib, past intensivlikdagi terapevtik ultratovush tekshiruvi to'g'ridan-to'g'ri xavf zonasiga qo'llanilishi mumkin, chunki ular yumshoq to'qimalarda ultratovushli hujayralar va kichik qattiq shakllanishlar uchun minimal invazivdir, chunki yuqorida aytib o'tilgan intrakranial jarrohlikda bosh suyagiga kichik bir teshik o'rnatilishi kerak. igna.Ultratovush ma'lum saratonlarning rivojlanishini to'xtatishi yoki kechiktirishi mumkinligini ko'rsatadigan so'nggi nazariy va eksperimental natijalardan ilhomlangan 32,33,34 taklif qilingan yondashuv, hech bo'lmaganda, tajovuzkor va shifobaxsh ta'sirlar o'rtasidagi asosiy kelishuvlarni hal qilishga yordam beradi.Ushbu fikrlarni hisobga olgan holda, ushbu maqolada biz saraton kasalligi uchun minimal invaziv ultratovush terapiyasi uchun shifoxona ichidagi igna qurilmasidan foydalanish imkoniyatini o'rganamiz.Aniqrog'i, o'sishga bog'liq bo'lgan ultratovush chastotasini baholash uchun sferik o'simta massalarining tarqalish tahlili bo'limida elastik muhitda o'stirilgan sharsimon qattiq o'smalarning hajmini taxmin qilish uchun yaxshi tasdiqlangan elastodinamik usullar va akustik tarqalish nazariyasidan foydalanamiz.o'simta va xost to'qimalari o'rtasida materialning o'sishi bilan bog'liq qayta tuzilishi tufayli yuzaga keladigan qattiqlik.Biz "Ignadagi shifoxona" deb ataydigan tizimimizni "Ignadagi kasalxona" bo'limida tasvirlab, biz ultratovush to'lqinlarining tibbiy ignalar orqali prognoz qilingan chastotalarda tarqalishini tahlil qilamiz va ularning raqamli modeli o'rganish uchun atrof-muhitni nurlantiradi. asosiy geometrik parametrlar (haqiqiy ichki diametri , igna uzunligi va o'tkirligi), asbobning akustik kuchini uzatishga ta'sir qiladi.Aniq tibbiyot uchun yangi muhandislik strategiyalarini ishlab chiqish zarurligini hisobga olgan holda, taklif etilayotgan tadqiqot ultratovushni boshqa echimlar bilan birlashtiradigan integratsiyalashgan terapevtik platforma orqali etkazib beriladigan ultratovush tekshiruvidan foydalanishga asoslangan saraton kasalligini davolash uchun yangi vositani ishlab chiqishga yordam berishi mumkin, deb ishoniladi.Birlashtirilgan, masalan, maqsadli dori yetkazib berish va bitta igna ichida real vaqt diagnostikasi.
Ultratovush (ultratovush) stimulyatsiyasidan foydalangan holda mahalliylashtirilgan qattiq o'smalarni davolash uchun mexanik strategiyalarni ta'minlash samaradorligi past intensivlikdagi ultratovush tebranishlarining bir hujayrali tizimlarga ta'sirini nazariy va eksperimental ravishda ko'rib chiqadigan bir nechta maqolalarning maqsadi bo'ldi 10, 11, 12. , 32, 33, 34, 35, 36 Viskoelastik modellardan foydalangan holda, bir nechta tadqiqotchilar o'simta va sog'lom hujayralar AQSH 10,11,12 oralig'ida aniq rezonans cho'qqilari bilan tavsiflangan turli chastotali javoblarni namoyish etishini tahliliy ko'rsatdilar.Bu natija shuni ko'rsatadiki, printsipial jihatdan, o'simta hujayralari mezbon muhitni saqlaydigan mexanik stimullar tomonidan tanlab hujumga uchragan bo'lishi mumkin.Bu xatti-harakat, ko'p hollarda, o'simta hujayralari sog'lom hujayralarga qaraganda ko'proq egiluvchan bo'lishi, ehtimol ularning ko'payish va ko'chish qobiliyatini oshirish uchun asosiy dalillarning bevosita natijasidir37,38,39,40.Yagona hujayra modellari bilan olingan natijalarga asoslanib, masalan, mikroshkalada, saraton hujayralarining selektivligi, shuningdek, heterojen hujayra agregatlarining garmonik javoblarining raqamli tadqiqotlari orqali mezoskalada ko'rsatildi.Saraton hujayralari va sog'lom hujayralarning boshqa foizini ta'minlagan holda, yuzlab mikrometrli ko'p hujayrali agregatlar ierarxik tarzda qurilgan.Ushbu agregatlarning mezol darajasida, bitta hujayraning mexanik xatti-harakatlarini tavsiflovchi asosiy strukturaviy elementlarning bevosita amalga oshirilishi tufayli qiziqishning ba'zi mikroskopik xususiyatlari saqlanib qoladi.Xususan, har bir hujayra turli xil oldindan kuchlanishli sitoskeletal tuzilmalarning javobini taqlid qilish uchun kuchlanishga asoslangan arxitekturadan foydalanadi va shu bilan ularning umumiy qattiqligiga ta'sir qiladi12,13.Yuqoridagi adabiyotlarning nazariy prognozlari va in vitro tajribalari quvonarli natijalar berdi, bu o'simta massalarining past intensivlikdagi terapevtik ultratovushga (LITUS) sezgirligini o'rganish zarurligini ko'rsatadi va o'sma massalarining nurlanish chastotasini baholash juda muhimdir.joyida qo'llash uchun LITUS pozitsiyasi.
Shu bilan birga, to'qimalar darajasida individual komponentning submakroskopik tavsifi muqarrar ravishda yo'qoladi va o'simta to'qimalarining xususiyatlarini makroskopik ta'sirini hisobga olgan holda massa o'sishi va stressdan kelib chiqadigan qayta qurish jarayonlarini kuzatish uchun ketma-ket usullar yordamida kuzatish mumkin. o'sish.-41,42 shkala bo'yicha to'qimalarning elastikligidagi o'zgarishlar.Darhaqiqat, bir hujayrali va agregat tizimlardan farqli o'laroq, qattiq o'simta massalari yumshoq to'qimalarda aberrant qoldiq stresslarning asta-sekin to'planishi tufayli o'sadi, ular umumiy intratumoral qattiqlikning oshishi tufayli tabiiy mexanik xususiyatlarni o'zgartiradi va o'sma sklerozi ko'pincha hal qiluvchi omilga aylanadi. o'smani aniqlash.
Ushbu mulohazalarni hisobga olgan holda, bu erda biz normal to'qima muhitida o'sadigan elastik sferik qo'shimchalar sifatida modellashtirilgan o'simta sferoidlarining sonodinamik javobini tahlil qilamiz.Aniqrog'i, o'simta bosqichi bilan bog'liq elastik xususiyatlar oldingi ishlarda ba'zi mualliflar tomonidan olingan nazariy va eksperimental natijalar asosida aniqlangan.Ular orasida heterojen muhitda in vivo jonli ravishda o'stirilgan qattiq o'simta sferoidlarining evolyutsiyasi o'simta massalarining rivojlanishini va unga bog'liq bo'lgan intratumoral stressni bashorat qilish uchun 41,43,44 chiziqli bo'lmagan mexanik modellarni turlararo dinamika bilan birgalikda qo'llash orqali o'rganildi.Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, o'sish (masalan, elastik bo'lmagan cho'zilish) va qoldiq stress o'simta materialining xususiyatlarini bosqichma-bosqich qayta qurishga olib keladi va shu bilan uning akustik reaktsiyasini ham o'zgartiradi.Referatda shuni ta'kidlash muhimdir.41 o'smalardagi o'sish va qattiq stressning birgalikdagi evolyutsiyasi hayvonlar modellarida eksperimental kampaniyalarda ko'rsatildi.Xususan, turli bosqichlarda rezektsiya qilingan ko'krak o'smalari massalarining qattiqligini bir xil o'lchamdagi sferik chekli elementlar modelida kremniyda o'xshash sharoitlarni qayta ishlab chiqarish natijasida olingan qattiqlik bilan taqqoslash va prognoz qilingan qoldiq kuchlanish maydonini hisobga olgan holda, tavsiya etilgan usulni tasdiqladi. modelning haqiqiyligi..Ushbu ishda ilgari olingan nazariy va eksperimental natijalar yangi ishlab chiqilgan terapevtik strategiyani ishlab chiqish uchun ishlatiladi.Xususan, bu erda tegishli evolyutsion qarshilik xususiyatlariga ega bo'lgan prognoz qilingan o'lchamlar hisoblab chiqilgan, ular shunday qilib, xost muhitida joylashgan o'sma massalari sezgirroq bo'lgan chastota diapazonlarini baholash uchun ishlatilgan.Shu maqsadda biz ultratovushli stimullarga javoban tarqalishning umumiy qabul qilingan printsipiga muvofiq akustik ko'rsatkichlarni hisobga olgan holda va sferoidning mumkin bo'lgan rezonans hodisalarini ta'kidlab, turli bosqichlarda olingan o'simta massasining dinamik xatti-harakatlarini o'rganib chiqdik. .o'simtaga va xostga qarab to'qimalar orasidagi qattiqlikdagi o'sishga bog'liq farqlar.
Shunday qilib, o'simta massalari katta hajmli malign tuzilmalar sferik shakllarda in situ qanday o'sishini ko'rsatadigan eksperimental ma'lumotlarga asoslanib, uy egasining elastik muhitida \(a\) radiusli elastik sharlar sifatida modellashtirildi.1-rasmga murojaat qilib, sferik koordinatalardan \(\{ r,\teta,\varphi \}\) foydalanib (bu erda \(\teta\) va \(\varphi\) mos ravishda anomaliya burchagi va azimut burchagini ifodalaydi), o'simta domeni sog'lom fazoga o'rnatilgan hududni egallaydi \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta,\varphi ):r\le a\}\) chegaralanmagan hudud \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\teta,\varphi):r > a\}\).Ko'pgina adabiyotlarda keltirilgan yaxshi tasdiqlangan elastodinamik asosga asoslangan matematik modelning to'liq tavsifi uchun Qo'shimcha ma'lumotlarga (SI) murojaat qilib, bu erda ekssimetrik tebranish rejimi bilan tavsiflangan muammoni ko'rib chiqamiz.Bu taxmin o'simta va sog'lom hududlardagi barcha o'zgaruvchilar azimutal koordinatadan mustaqil ekanligini va bu yo'nalishda hech qanday buzilish sodir bo'lmasligini anglatadi.Demak, siljish va kuchlanish maydonlarini ikkita skalyar potensialdan olish mumkin \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) va \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , ular mos ravishda bo'ylama to'lqin va siljish to'lqini bilan bog'liq bo'lib, to'lqin o'rtasidagi t mos kelish vaqti \(\teta \) va tushayotgan to'lqin yo'nalishi va pozitsiya vektori orasidagi burchak \({\mathbf {x})\) ( 1-rasmda ko'rsatilgandek) va \(\omega = 2\pi f\) burchak chastotasini ifodalaydi.Xususan, hodisa maydoni jism hajmiga tarqaladigan tekis to'lqin \(\phi_{H}^{(in)}\) (SI tizimida (A.9) tenglamada ham kiritilgan) modellashtirilgan. qonun ifodasiga ko'ra
bu erda \(\phi_{0}\) - amplituda parametri.Sferik to'lqin funksiyasi yordamida tushayotgan tekislik to'lqinining (1) sferik kengayishi standart argumentdir:
Bu yerda \(j_{n}\) birinchi turdagi \(n\) tartibli sferik Bessel funksiyasi, \(P_{n}\) esa Legendre polinomi.Investitsion sferaning tushayotgan to'lqinining bir qismi atrofdagi muhitda tarqalib, hodisa maydonini bir-biriga yopishadi, boshqa qismi esa shar ichida tarqalib, uning tebranishiga hissa qo'shadi.Buning uchun \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ toʻlqin tenglamasining garmonik yechimlari. ) va \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), masalan, Eringen45 tomonidan taqdim etilgan (shuningdek, SIga qarang). ) shish va sog'lom joylarni ko'rsatishi mumkin.Xususan, mezbon muhitda hosil bo'lgan tarqoq kengayish to'lqinlari va izovolumik to'lqinlar \(H\) o'zlarining potentsial energiyalarini tan oladilar:
Ular orasida birinchi turdagi sferik Hankel funksiyasi \(h_{n}^{(1)}\) chiquvchi tarqoq to'lqinni hisobga olish uchun ishlatiladi va \(\alpha_{n}\) va \(\beta_{ n}\ ) - noma'lum koeffitsientlar.tenglamada.(2)–(4) tenglamalarda \(k_{H1}\) va \(k_{H2}\) atamalari mos ravishda tananing asosiy sohasidagi nodirlanish va ko'ndalang to'lqinlarning to'lqin raqamlarini bildiradi ( SI ga qarang).O'simta ichidagi siqilish maydonlari va siljishlar shaklga ega
Bu erda \(k_{T1}\) va \(k_{T2}\) o'simta hududidagi bo'ylama va ko'ndalang to'lqin sonlarini ifodalaydi va noma'lum koeffitsientlar \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Ushbu natijalarga asoslanib, nolga teng bo'lmagan radial va aylana siljish komponentlari ko'rib chiqilayotgan muammoning sog'lom hududlariga xosdir, masalan \(u_{Hr}\) va \(u_{H\theta}\) (\(u_{). H\ varphi }\ ) simmetriya taxmini endi kerak emas) — munosabatdan olinishi mumkin \(u_{Hr} = \qisman_{r} \left( {\phi + \qisman_{r} (r\chi ) } \o'ng) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) va \(u_{H\theta} = r^{- 1} \qisman_{\theta} \left({\phi +) \partial_{r } ( r\chi ) } \o'ng)\) \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) va \ ni hosil qilish orqali (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (batafsil matematik hosila olish uchun SI ga qarang).Xuddi shunday, \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) va \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) oʻrniga {Tr} = \qisman_{r} qaytariladi. \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) va \(u_{T\theta} = r^{-1}\qisman _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\o‘ng)\).
(Chapda) Hodisa maydoni tarqaladigan sog'lom muhitda o'stirilgan sharsimon o'simtaning geometriyasi, (o'ngda) o'simta radiusi funktsiyasi sifatida o'simta-xo'jayin qattiqlik nisbatining mos keladigan evolyutsiyasi, hisobot ma'lumotlari (Carotenuto va boshq. 41 dan moslashtirilgan) siqish testlaridan vitro MDA-MB-231 hujayralari bilan emlangan qattiq ko'krak o'smalaridan olingan.
Chiziqli elastik va izotropik materiallarni hisobga olsak, sog'lom va o'simta mintaqalaridagi nolga teng bo'lmagan stress komponentlari, ya'ni \(\sigma_{Hpq}\) va \(\sigma_{Tpq}\) - umumlashtirilgan Guk qonuniga bo'ysunadi. Xost va o'simta elastikligini tavsiflovchi turli Lamé modullari bo'lib, ular \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) va \(\{ \mu_{T},\, \lambda_) sifatida belgilanadi. {T} \ }\) (SIda ifodalangan stress komponentlarini to'liq ifodalash uchun (A.11) tenglamaga qarang).Xususan, 41-rasmda keltirilgan va 1-rasmda keltirilgan ma'lumotlarga ko'ra, o'sayotgan o'smalar to'qimalarning elastikligi konstantalarining o'zgarishini ko'rsatdi.Shunday qilib, xost va o'simta mintaqalaridagi siljishlar va stresslar noma'lum konstantalar to'plamiga qadar to'liq aniqlanadi \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alfa_{n},{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) nazariy jihatdan cheksiz oʻlchamlarga ega.Ushbu koeffitsient vektorlarini topish uchun o'simta va sog'lom joylar o'rtasidagi mos interfeyslar va chegara sharoitlari kiritiladi.O'simta xost interfeysida mukammal bog'lanish \(r = a\) deb faraz qilsak, siljishlar va kuchlanishlarning uzluksizligi quyidagi shartlarni talab qiladi:
Sistema (7) cheksiz yechimli tenglamalar sistemasini hosil qiladi.Bundan tashqari, har bir chegara sharti anomaliyaga bog'liq bo'ladi \(\teta\).Chegaraviy muammoni to'liq algebraik masalaga qisqartirish uchun \(N\) yopiq tizimlar to'plami, ularning har biri noma'lum \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_) {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (\ ( N \ bilan) to \infty \), nazariy jihatdan) va tenglamalarning trigonometrik atamalarga bog'liqligini bartaraf qilish uchun interfeys shartlari Legendre ko'phadlarining ortogonalligidan foydalangan holda kuchsiz shaklda yoziladi.Xususan, (7)1,2 va (7)3,4 tenglamalari \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) va \(P_{n}^{ ga ko'paytiriladi. 1} \left( { \cos\theta}\right)\) va keyin matematik identifikatsiyalar yordamida \(0\) va \(\pi\) oʻrtasida integratsiya qiling:
Shunday qilib, (7) interfeys sharti kvadrat algebraik tenglama tizimini qaytaradi, uni matritsa shaklida \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} shaklida ifodalash mumkin. } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) va Kramer qoidasini yechish orqali noma'lum \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) ni oling.
Sfera tomonidan tarqalgan energiya oqimini baholash va uning akustik reaktsiyasi haqida ma'lumot olish uchun asosiy muhitda tarqaladigan tarqoq maydon to'g'risidagi ma'lumotlarga asoslanib, akustik miqdor qiziqish uyg'otadi, bu normallashtirilgan bistatik sochilish kesimi.Xususan, \(lar) bilan belgilangan tarqalish kesimi tarqoq signal orqali uzatiladigan akustik quvvat bilan tushayotgan to‘lqin tomonidan olib boriladigan energiyaning bo‘linishi o‘rtasidagi nisbatni ifodalaydi.Shu munosabat bilan akustik mexanizmlarni o'rganishda ko'p ishlatiladigan kattalik \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) shakli funksiyasining kattaligi hisoblanadi. suyuq yoki qattiq ichiga ko'milgan Cho'kindidagi jismlarning sochilishi.Aniqroq qilib aytadigan bo'lsak, shakl funksiyasining amplitudasi tushayotgan to'lqinning tarqalish yo'nalishi bo'yicha normal bilan farq qiluvchi birlik maydoniga differensial sochilish kesimi \(ds\) sifatida aniqlanadi:
Bu erda \(f_{n}^{pp}\) va \(f_{n}^{ps}\) modal funktsiyani bildiradi, bu uzunlamasına to'lqin va tarqoq to'lqinning kuchlarining nisbatiga nisbatan nisbatini bildiradi. Qabul qiluvchi muhitda sodir bo'lgan P to'lqini mos ravishda quyidagi ifodalar bilan ifodalanadi:
Qisman to'lqin funksiyalari (10) rezonansli sochilish nazariyasiga (RST)49,50,51,52 muvofiq mustaqil ravishda o'rganilishi mumkin, bu esa turli rejimlarni o'rganishda maqsadli elastiklikni umumiy adashgan maydondan ajratish imkonini beradi.Ushbu usulga ko'ra, modal shakl funktsiyasini ikkita teng qismning yig'indisiga ajratish mumkin, ya'ni \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) mos ravishda rezonansli va rezonanssiz fon amplitudalari bilan bog'liq.Rezonans rejimining shakl funktsiyasi nishonning javobi bilan bog'liq, fon esa odatda tarqaluvchining shakli bilan bog'liq.Har bir rejim uchun maqsadning birinchi formantini aniqlash uchun modal rezonans shakli funksiyasining amplitudasi \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) elastik xost materialidagi o'tib bo'lmaydigan sharlardan tashkil topgan qattiq fonni hisobga olgan holda hisoblanadi.Bu gipoteza, umuman olganda, qoldiq siqilish stressi tufayli o'simta massasining o'sishi bilan qattiqlik ham, zichlik ham ortib borishi bilan asoslanadi.Shunday qilib, o'sishning og'ir darajasida yumshoq o'smalarda rivojlanayotgan makroskopik qattiq o'smalarning ko'pchiligi uchun impedans nisbati \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) 1 dan katta bo'lishi kutilmoqda. to'qimalar.Masalan, Krouskop va boshqalar.53 prostata to'qimalari uchun saratonning normal modulga nisbati taxminan 4 ni tashkil etganini, ko'krak to'qimalari namunalari uchun esa bu qiymat 20 ga ko'tarilganini xabar qildi.Bu munosabatlar muqarrar ravishda to'qimalarning akustik impedansini o'zgartiradi, shuningdek, elastografiya tahlili54,55,56 tomonidan ko'rsatilgan va o'simta giperproliferatsiyasidan kelib chiqqan mahalliy to'qimalarning qalinlashishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin.Bu farq, shuningdek, turli bosqichlarda o'stirilgan ko'krak o'simtasi bloklarining oddiy siqish testlari bilan eksperimental ravishda kuzatilgan32 va materialni qayta qurish chiziqli bo'lmagan o'smalar43,44-ning bashoratli o'zaro faoliyat turlari modellari bilan yaxshi kuzatilishi mumkin.Olingan qattiqlik ma'lumotlari \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \o'ng)/a\sqrt \ formula bo'yicha qattiq o'smalarning Young modulining evolyutsiyasi bilan bevosita bog'liq. varepsilon\ )( 1-rasmda ko'rsatilganidek, radiusi \(a\), qattiqligi \(S\) va Puasson nisbati \(\nu\) bo'lgan ikkita qattiq plastinka 57 o'rtasidagi sharlar).Shunday qilib, turli o'sish darajalarida o'simta va xostning akustik impedans o'lchovlarini olish mumkin.Xususan, 1-rasmdagi 2 kPa ga teng bo'lgan normal to'qimalarning moduli bilan solishtirganda, taxminan 500 dan 1250 mm3 gacha bo'lgan hajm oralig'ida ko'krak o'smalarining elastik moduli taxminan 10 kPa dan 16 kPa gacha o'sishiga olib keldi. hisobot ma'lumotlariga mos keladi.58, 59-sonli havolalarda ko'krak to'qimalarining namunalaridagi bosim 0,25-4 kPa ni tashkil etishi bilan oldindan siqilish yo'qolishi aniqlandi.Bundan tashqari, deyarli siqilmaydigan to'qimalarning Puasson nisbati 41,60 ga teng deb faraz qiling, ya'ni hajm oshgani sayin to'qimalarning zichligi sezilarli darajada o'zgarmaydi.Xususan, aholining oʻrtacha massa zichligi \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 ishlatiladi.Ushbu fikrlarni hisobga olgan holda, qattiqlik quyidagi ibora yordamida fon rejimini olishi mumkin:
Bu erda noma'lum doimiylik \(\widehat{{{\varvec{\upxi})))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) davomiylikni hisobga olgan holda hisoblanishi mumkin. bias ( 7 )2,4, ya'ni \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} algebraik sistemasini yechish orqali. } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) voyaga etmaganlar ishtirokida\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) va mos keladigan soddalashtirilgan ustun vektori\(\widehat) { {\mathbf {q}}}_{n} (a)\) Tenglamada (11) ikki amplituda rezonansli rezonans funksiyasini beradi \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) va \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ teta \right)} \right|\) mos ravishda P-to'lqin qo'zg'alishi va P- va S-to'lqin aksini bildiradi.Bundan tashqari, birinchi amplituda \(\teta = \pi\) va ikkinchi amplituda \(\teta = \pi/4\) sifatida baholandi.Turli xil kompozitsiya xususiyatlarini yuklash orqali.Shakl 2 diametri taxminan 15 mm gacha bo'lgan o'simta sferoidlarining rezonans xususiyatlari asosan 50-400 kHz chastota diapazonida jamlanganligini ko'rsatadi, bu rezonansli o'simta qo'zg'alishini qo'zg'atish uchun past chastotali ultratovushdan foydalanish imkoniyatini ko'rsatadi.hujayralar.Juda ko'p.Ushbu chastota diapazonida RST tahlili 3-rasmda ta'kidlangan 1 dan 6 gacha rejimlar uchun bir rejimli formatlarni aniqladi. Bu erda ham pp- va ps-tarqalgan to'lqinlar juda past chastotalarda paydo bo'ladigan birinchi turdagi formatlarni ko'rsatadi, ular 1-dan ortadi. 1 rejimi uchun taxminan 20 kHz dan n = 6 uchun taxminan 60 kHz gacha, shar radiusida sezilarli farq yo'q.Keyinchalik rezonans funksiyasi ps pasayadi, katta amplitudali pp formantlarning kombinatsiyasi esa 60 kHz ga yaqin davriylikni ta'minlab, rejim soni ortib borishi bilan yuqori chastotali siljishni ko'rsatadi.Barcha tahlillar Mathematica®62 hisoblash dasturi yordamida amalga oshirildi.
Turli o'lchamdagi ko'krak o'smalari modulidan olingan orqaga tarqalish shakli funktsiyalari 1-rasmda ko'rsatilgan, bu erda eng yuqori tarqalish bantlari rejim superpozitsiyasini hisobga olgan holda ta'kidlangan.
Tanlangan rejimlarning \(n = 1\) dan \(n = 6\) gacha bo'lgan rezonanslari, P-to'lqinining turli o'simta o'lchamlarida qo'zg'alishi va aks etishi (\(\chap | {f_{ n} dan qora egri chiziqlar) ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ o'ng) - f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) va P-toʻlqin qoʻzgʻalishi va S-toʻlqinini aks ettirish (kulrang egri chiziqlar modal shakl funksiyasi tomonidan berilgan \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right = \left {f_{n} ^{ ps}. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Uzoq maydonlarni tarqalish shartlaridan foydalangan holda ushbu dastlabki tahlil natijalari mikrovibratsiyali stressning massaga ta'sirini o'rganish uchun quyidagi raqamli simulyatsiyalarda haydovchiga xos haydovchi chastotalarini tanlashga yordam berishi mumkin.Natijalar shuni ko'rsatadiki, optimal chastotalarni kalibrlash o'simta o'sishi davrida bosqichga xos bo'lishi mumkin va to'qimalarni qayta qurishni to'g'ri taxmin qilish uchun kasallik terapiyasida qo'llaniladigan biomexanik strategiyalarni o'rnatish uchun o'sish modellari natijalari yordamida aniqlanishi mumkin.
Nanotexnologiyadagi muhim yutuqlar ilmiy hamjamiyatni in vivo ilovalar uchun miniatyuralashtirilgan va minimal invaziv tibbiy asboblarni ishlab chiqish uchun yangi echimlar va usullarni topishga undamoqda.Shu nuqtai nazardan, LOF texnologiyasi hayot haqidagi fanlar uchun yangi minimal invaziv optik tolali qurilmalarni ishlab chiqish imkonini beruvchi optik tolalar imkoniyatlarini kengaytirishning ajoyib qobiliyatini ko'rsatdi21, 63, 64, 65. 2D va 3D materiallarni birlashtirish g'oyasi yon tomonlarida kerakli kimyoviy, biologik va optik xususiyatlarga ega bo'lgan 25 va/yoki 64 uchida nano o'lchovda to'liq fazoviy nazoratga ega bo'lgan optik tolalar yangi sinf tolali nanooptodalarning paydo bo'lishiga olib keladi.keng diagnostik va davolash funktsiyalariga ega.Qizig'i shundaki, ularning geometrik va mexanik xususiyatlari (kichik tasavvurlar, katta tomonlar nisbati, moslashuvchanlik, past og'irlik) va materiallarning biologik mosligi (odatda shisha yoki polimerlar) tufayli optik tolalar igna va kateterlarga kiritish uchun juda mos keladi.Tibbiy ilovalar20, "igna kasalxonasi" ning yangi ko'rinishiga yo'l ochadi (4-rasmga qarang).
Aslida, LOF texnologiyasi tomonidan taqdim etilgan erkinlik darajasi tufayli, turli xil metall va / yoki dielektrik materiallardan tayyorlangan mikro va nanostrukturalarning integratsiyasidan foydalangan holda, optik tolalar ko'pincha rezonans rejimini qo'zg'atishni qo'llab-quvvatlaydigan maxsus ilovalar uchun to'g'ri ishlashi mumkin., Yorug'lik maydoni 21 kuchli joylashtirilgan.Ko'pincha kimyoviy va/yoki biologik ishlov berish63 va aqlli polimerlar65,66 kabi sezgir materiallarning integratsiyasi bilan birgalikda subto'lqin uzunligi shkalasida yorug'likni ushlab turish yorug'lik va materiyaning o'zaro ta'siri ustidan nazoratni kuchaytirishi mumkin, bu esa terapiya maqsadlarida foydali bo'lishi mumkin.Integratsiyalashgan komponentlar/materiallarning turi va hajmini tanlash aniqlanishi kerak bo'lgan jismoniy, biologik yoki kimyoviy parametrlarga bog'liq21,63.
LOF problarini tanadagi ma'lum joylarga yo'naltirilgan tibbiy ignalarga integratsiyalashuvi mahalliy suyuqlik va to'qimalar biopsiyalarini in vivo jonli ravishda amalga oshirishga imkon beradi, bu bir vaqtning o'zida mahalliy davolash imkonini beradi, nojo'ya ta'sirlarni kamaytiradi va samaradorlikni oshiradi.Potentsial imkoniyatlar orasida turli xil aylanma biomolekulalarni, shu jumladan saratonni aniqlash kiradi.biomarkerlar yoki mikroRNKlar (miRNKlar)67, Raman spektroskopiyasi (SERS)31 kabi chiziqli va chiziqli bo'lmagan spektroskopiya yordamida saraton to'qimalarini identifikatsiyalash, yuqori aniqlikdagi fotoakustik tasvirlash22,28,68, lazer jarrohlik va ablasyon69 va yorug'likdan foydalangan holda mahalliy etkazib berish preparatlari27 va ignalarni inson tanasiga avtomatik yo'naltirish20.Shuni ta'kidlash kerakki, optik tolalardan foydalanish elektron komponentlarga asoslangan "klassik" usullarning odatiy kamchiliklarini, masalan, elektr ulanishlariga bo'lgan ehtiyoj va elektromagnit parazitlarning mavjudligini chetlab o'tgan bo'lsa-da, bu turli xil LOF sensorlarini samarali integratsiya qilish imkonini beradi. tizimi.bitta tibbiy igna.Turli funktsiyalar o'rtasida o'zaro o'zaro ta'sirlarni keltirib chiqaradigan ifloslanish, optik shovqin, jismoniy to'siqlar kabi zararli ta'sirlarni kamaytirishga alohida e'tibor berilishi kerak.Biroq, aytib o'tilgan funktsiyalarning ko'pchiligi bir vaqtning o'zida faol bo'lishi shart emasligi ham haqiqatdir.Bu jihat hech bo'lmaganda shovqinni kamaytirishga imkon beradi va shu bilan har bir probning ishlashiga va protseduraning aniqligiga salbiy ta'sirni cheklaydi.Ushbu mulohazalar bizga "kasalxonadagi igna" kontseptsiyasini hayot fanlaridagi terapevtik ignalarning keyingi avlodi uchun mustahkam poydevor qo'yish uchun oddiy tasavvur sifatida ko'rishga imkon beradi.
Ushbu maqolada muhokama qilingan maxsus dasturga kelsak, keyingi bo'limda biz tibbiy ignaning ultratovush to'lqinlarini uning o'qi bo'ylab tarqalishidan foydalanib, inson to'qimalariga yo'naltirish qobiliyatini raqamli tekshiramiz.
Ultrasonik to'lqinlarning suv bilan to'ldirilgan va yumshoq to'qimalarga kiritilgan tibbiy igna orqali tarqalishi (5a-rasmdagi diagrammaga qarang) cheklangan elementlar usuli (FEM) 70 ga asoslangan tijorat Comsol Multiphysics dasturi yordamida modellashtirilgan, bu erda igna va to'qimalar modellashtirilgan. chiziqli elastik muhit sifatida.
5b-rasmga ko'ra, igna tibbiy ignalar uchun standart material bo'lgan zanglamaydigan po'latdan yasalgan ichi bo'sh silindr ("kanül" deb ham ataladi) sifatida modellashtirilgan.Xususan, u Young moduli E = 205 GPa, Puasson nisbati n = 0,28 va zichlik r = 7850 kg m -372,73 bilan modellashtirilgan.Geometrik jihatdan igna uzunligi L, ichki diametri D (shuningdek, "bo'shliq" deb ataladi) va devor qalinligi t bilan tavsiflanadi.Bundan tashqari, igna uchi uzunlamasına yo'nalishga (z) nisbatan a burchak ostida qiya deb hisoblanadi.Suv hajmi asosan ignaning ichki qismining shakliga mos keladi.Ushbu dastlabki tahlilda igna barcha simulyatsiyalar davomida 85 mm da doimiy bo'lib qoladigan radius rs sferasi sifatida modellashtirilgan to'qima mintaqasiga (cheksiz cho'zilgan deb hisoblanadi) to'liq botiriladi deb taxmin qilingan.Batafsilroq, biz sferik mintaqani mukammal mos keladigan qatlam (PML) bilan yakunlaymiz, bu hech bo'lmaganda "xayoliy" chegaralardan aks ettirilgan kiruvchi to'lqinlarni kamaytiradi.Keyin sferik domen chegarasini ignadan hisoblash yechimiga ta'sir qilmaslik uchun etarlicha uzoqroqqa joylashtirish va simulyatsiyaning hisoblash narxiga ta'sir qilmaslik uchun radius rs ni tanladik.
Stylus geometriyasining pastki chegarasiga f chastotasi va A amplitudasining garmonik uzunlamasına siljishi qo'llaniladi;bu holat simulyatsiya qilingan geometriyaga qo'llaniladigan kirish stimulini ifodalaydi.Ignaning qolgan chegaralarida (to'qima va suv bilan aloqa qilishda) qabul qilingan model ikkita fizik hodisa o'rtasidagi munosabatlarni o'z ichiga oladi, ulardan biri strukturaviy mexanika bilan bog'liq (igna maydoni uchun) va ikkinchisi konstruktiv mexanikaga.(acikulyar mintaqa uchun), shuning uchun tegishli shartlar akustikaga qo'yiladi (suv va o'tkir mintaqa uchun)74.Xususan, igna o'rindig'iga qo'llaniladigan kichik tebranishlar kichik kuchlanish buzilishlarini keltirib chiqaradi;shunday qilib, igna elastik muhit kabi harakat qiladi deb faraz qilsak, siljish vektor U ni elastodinamik muvozanat tenglamasidan (Navier)75 baholash mumkin.Ignaning strukturaviy tebranishlari uning ichidagi suv bosimining o'zgarishiga olib keladi (bizning modelimizda statsionar deb hisoblanadi), buning natijasida tovush to'lqinlari ignaning uzunlamasına yo'nalishi bo'yicha tarqalib, mohiyatan Helmgolts tenglamasiga bo'ysunadi76.Nihoyat, to'qimalarda chiziqli bo'lmagan ta'sirlar ahamiyatsiz va siljish to'lqinlarining amplitudasi bosim to'lqinlarining amplitudasidan ancha kichik deb hisoblasak, Gelmgolts tenglamasidan yumshoq to'qimalarda akustik to'lqinlarning tarqalishini modellashtirish uchun ham foydalanish mumkin.Ushbu yaqinlashuvdan so'ng to'qima zichligi 1000 kg/m3 va tovush tezligi 1540 m/s (chastotaga bog'liq damping ta'sirini hisobga olmaganda) suyuqlik77 deb hisoblanadi.Bu ikki fizik maydonni bog‘lash uchun qattiq va suyuqlik chegarasida normal harakatning uzluksizligini, qattiq jismning chegarasiga perpendikulyar bo‘lgan bosim va kuchlanish o‘rtasidagi statik muvozanatni va jismning chegarasidagi tangensial kuchlanishni ta’minlash kerak. suyuqlik nolga teng bo'lishi kerak.75 .
Tahlilimizda statsionar sharoitda igna bo'ylab akustik to'lqinlarning tarqalishini o'rganamiz, bunda igna geometriyasining to'qimalar ichidagi to'lqinlar chiqishiga ta'siriga e'tibor qaratamiz.Xususan, biz o'rganilgan barcha holatlar uchun t qalinligini 500 mkm da o'rnatgan holda, ignaning ichki diametri D, uzunligi L va egilish burchagi a ta'sirini o'rgandik.Bu t qiymati tijorat ignalari uchun odatiy standart devor qalinligi 71 ga yaqin.
Umumiylikni yo'qotmasdan, igna tagiga qo'llaniladigan garmonik siljishning f chastotasi 100 kHz ga teng, A amplitudasi esa 1 mikron edi.Xususan, chastota 100 kHz ga o'rnatildi, bu "o'sishga bog'liq ultratovush chastotalarini baholash uchun sferik o'simta massalarining tarqalishi tahlili" bo'limida keltirilgan analitik baholarga mos keladi, bu erda o'simta massalarining rezonansga o'xshash harakati aniqlangan. 50-400 kHz chastota diapazoni, eng katta tarqalish amplitudasi 100-200 kHz atrofida past chastotalarda to'plangan (2-rasmga qarang).
O'rganilgan birinchi parametr ignaning ichki diametri D edi.Qulaylik uchun u igna bo'shlig'idagi akustik to'lqin uzunligining butun soni sifatida aniqlanadi (ya'ni, suvda lW = 1,5 mm).Darhaqiqat, ma'lum bir geometriya bilan tavsiflangan qurilmalarda (masalan, to'lqin o'tkazgichda) to'lqinlarning tarqalishi hodisalari ko'pincha tarqaladigan to'lqinning to'lqin uzunligi bilan taqqoslaganda ishlatiladigan geometriyaning xarakterli o'lchamiga bog'liq.Bundan tashqari, birinchi tahlilda, diametri D ning igna orqali akustik to'lqinning tarqalishiga ta'sirini yaxshiroq ta'kidlash uchun biz a = 90 ° burchakni o'rnatgan holda tekis uchini ko'rib chiqdik.Ushbu tahlil davomida igna uzunligi L 70 mm ga o'rnatildi.
Shaklda.6a o'lchamsiz shkala parametri SD funktsiyasi sifatida o'rtacha tovush intensivligini ko'rsatadi, ya'ni D = lW / SD mos keladigan igna uchida markazlashtirilgan 10 mm radiusli sharda baholanadi.SD masshtablash parametri 2 dan 6 gacha o'zgaradi, ya'ni biz D qiymatlarini 7,5 mm dan 2,5 mm gacha (f = 100 kHz da) ko'rib chiqamiz.Assortiment shuningdek, zanglamaydigan po'latdan yasalgan tibbiy ignalar uchun 71 standart qiymatini ham o'z ichiga oladi.Kutilganidek, ignaning ichki diametri igna chiqaradigan tovushning intensivligiga ta'sir qiladi, maksimal qiymat (1030 Vt/m2) D = lW/3 (ya'ni D = 5 mm) ga to'g'ri keladi va pasayish tendentsiyasi kamayadi. diametri.Shuni hisobga olish kerakki, D diametri tibbiy asbobning invazivligiga ham ta'sir qiluvchi geometrik parametrdir, shuning uchun optimal qiymatni tanlashda bu muhim jihatni e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi.Shu sababli, D ning pasayishi to'qimalarda akustik intensivlikning pastroq uzatilishi tufayli yuzaga kelgan bo'lsa-da, keyingi tadqiqotlar uchun diametr D = lW/5, ya'ni D = 3 mm (f = 100 kHz da 11G71 standartiga to'g'ri keladi). , qurilmaning tajovuzkorligi va tovush intensivligining uzatilishi (o'rtacha taxminan 450 Vt/m2) o'rtasida oqilona kelishuv hisoblanadi.
Igna uchi tomonidan chiqarilgan tovushning o'rtacha intensivligi (tekis deb hisoblanadi), ignaning ichki diametri (a), uzunligi (b) va egilish burchagi a (c) ga bog'liq.Uzunligi (a, c) 90 mm, diametri (b, c) 3 mm.
Tahlil qilinadigan keyingi parametr igna uzunligi L. Oldingi misolga ko'ra, biz qiyshiq burchakni a = 90 ° deb hisoblaymiz va uzunlik suvdagi to'lqin uzunligining ko'paytmasi sifatida ko'rib chiqiladi, ya'ni L = SL lW deb hisoblaymiz. .O'lchovsiz shkala parametri SL 3 dan 7 ga o'zgartiriladi, shuning uchun 4,5 dan 10,5 mm gacha uzunlik oralig'ida igna uchi chiqaradigan tovushning o'rtacha intensivligini baholaydi.Ushbu diapazon tijorat ignalari uchun odatiy qiymatlarni o'z ichiga oladi.Natijalar rasmda ko'rsatilgan.6b, igna uzunligi L, to'qimalarda tovush intensivligini uzatishga katta ta'sir ko'rsatadi.Xususan, ushbu parametrni optimallashtirish uzatishni taxminan kattalik tartibida yaxshilash imkonini berdi.Aslida, tahlil qilingan uzunlik oralig'ida o'rtacha tovush intensivligi SL = 4 (ya'ni, L = 60 mm) da mahalliy maksimal 3116 Vt / m2 ni oladi, ikkinchisi esa SL = 6 ga (ya'ni, L = 90) mos keladi. mm).
Silindrsimon geometriyada ultratovushning tarqalishiga igna diametri va uzunligining ta'sirini tahlil qilgandan so'ng, biz to'qimalarda tovush intensivligini uzatishga egilish burchagi ta'siriga e'tibor qaratdik.Tolaning uchidan chiqadigan tovushning o'rtacha intensivligi a burchakning funktsiyasi sifatida baholandi, uning qiymati 10 ° (o'tkir uchi) dan 90 ° (tekis uchi) ga o'zgartirildi.Bunday holda, ignaning ko'rib chiqilgan uchi atrofida birlashtiruvchi sharning radiusi 20 mm ni tashkil etdi, shuning uchun a ning barcha qiymatlari uchun igna uchi o'rtacha hisoblangan hajmga kiritilgan.
Shaklda ko'rsatilganidek.6c, uchi o'tkirlashganda, ya'ni 90° dan boshlab a pasayganda, uzatiladigan tovushning intensivligi oshib, taxminan 1,5 × 105 Vt/m2 maksimal qiymatga etadi, bu a = 50° ga to'g'ri keladi, ya'ni, 2. yassi holatga nisbatan kattaroq tartibdir.Uchning yanada keskinlashishi bilan (ya'ni, a 50 ° dan pastda) tovush intensivligi pasayib, tekislangan uch bilan taqqoslanadigan qiymatlarga etadi.Biroq, biz simulyatsiya qilish uchun burchak burchaklarining keng doirasini ko'rib chiqsak ham, ignani to'qimalarga kiritishni osonlashtirish uchun uchini keskinlashtirish kerakligini hisobga olish kerak.Aslida, kichikroq burchak burchagi (taxminan 10 °) to'qimalarga kirish uchun zarur bo'lgan kuchni 78 kamaytirishi mumkin.
To'qima ichida uzatiladigan tovush intensivligining qiymatiga qo'shimcha ravishda, qiyshiq burchak to'lqinning tarqalish yo'nalishiga ham ta'sir qiladi, 7a-rasmda (tekis uchi uchun) va 3b (10 ° uchun) ko'rsatilgan tovush bosimi darajasining grafiklarida ko'rsatilgan. ).qiya uchi), parallel bo'ylama yo'nalish simmetriya tekisligida baholanadi (yz, qarang. 5-rasm).Ushbu ikki fikrning chegarasida tovush bosimi darajasi (1 mkPa deb ataladi) asosan igna bo'shlig'ida (ya'ni suvda) to'planadi va to'qimalarga tarqaladi.Batafsilroq aytadigan bo'lsak, tekis uchi (7a-rasm) bo'lsa, tovush bosimi darajasining taqsimlanishi uzunlamasına yo'nalishga nisbatan mukammal nosimmetrikdir va tanani to'ldiradigan suvda turgan to'lqinlarni ajratish mumkin.To'lqin uzunlamasına (z o'qi) yo'naltirilgan, amplituda suvda maksimal qiymatiga etadi (taxminan 240 dB) va ko'ndalang pasayadi, bu esa igna markazidan 10 mm masofada taxminan 20 dB zaiflashishiga olib keladi.Kutilganidek, o'tkir uchi (7b-rasm) kiritilishi bu simmetriyani buzadi va tik turgan to'lqinlarning antinodlari igna uchiga ko'ra "burilish" qiladi.Ko'rinib turibdiki, bu assimetriya ilgari tasvirlanganidek, igna uchining nurlanish intensivligiga ta'sir qiladi (6c-rasm).Ushbu jihatni yaxshiroq tushunish uchun akustik intensivlik igna simmetriya tekisligida joylashgan va igna uchidan 10 mm masofada joylashgan ignaning uzunlamasına yo'nalishiga ortogonal kesilgan chiziq bo'ylab baholandi ( natijalari 7c-rasm).Aniqroq aytganda, 10 °, 20 ° va 30 ° qiyshiq burchaklarda (mos ravishda ko'k, qizil va yashil qattiq chiziqlar) baholangan tovush intensivligi taqsimoti tekis uchi yaqinidagi taqsimot (qora nuqtali egri chiziqlar) bilan taqqoslandi.Yassi uchli ignalar bilan bog'liq intensivlik taqsimoti igna markaziga nisbatan nosimmetrik ko'rinadi.Xususan, u markazda taxminan 1420 Vt/m2 qiymatni oladi, ~8 mm masofada taxminan 300 Vt/m2 toshib ketadi va keyin ~30 mm da taxminan 170 Vt/m2 qiymatiga kamayadi. .Uchi uchi ko'tarilganda, markaziy bo'lak har xil intensivlikdagi ko'proq bo'laklarga bo'linadi.Aniqroq aytganda, a 30 ° bo'lganida, igna uchidan 1 mm masofada o'lchangan profilda uchta gulbargni aniq ajratish mumkin edi.Markaziy qismi deyarli igna markazida joylashgan va taxminiy qiymati 1850 Vt / m2, o'ng tomonda esa markazdan taxminan 19 mm masofada joylashgan va 2625 Vt / m2 ga etadi.a = 20 ° da 2 ta asosiy lob mavjud: 1785 Vt / m2 da -12 mm ga va 1524 Vt / m2 da 14 mm ga bitta.Uchi keskinroq bo'lganda va burchak 10 ° ga yetganda, taxminan -20 mm da maksimal 817 Vt / m2 ga erishiladi va profil bo'ylab bir oz kamroq intensivlikdagi yana uchta lob ko'rinadi.
Yassi uchi (a) va 10° qirrali (b) igna simmetriya y–z tekisligidagi tovush bosimi darajasi.v) igna uchidan 10 mm masofada joylashgan va simmetriya yz tekisligida yotgan ignaning bo'ylama yo'nalishiga perpendikulyar kesilgan chiziq bo'ylab hisoblangan akustik intensivlik taqsimoti.Uzunligi L 70 mm, diametri D 3 mm.
Birgalikda olingan bu natijalar shuni ko'rsatadiki, tibbiy ignalar ultratovushni 100 kHz chastotada yumshoq to'qimalarga o'tkazish uchun samarali ishlatilishi mumkin.Chiqarilgan tovushning intensivligi igna geometriyasiga bog'liq va 1000 Vt / m2 (10 mm da) oralig'idagi qiymatlarga qadar optimallashtirilishi mumkin (oxirgi qurilmaning invazivligi bilan bog'liq cheklovlarga muvofiq).igna pastki qismiga qo'llaniladi 1. Mikrometr ofset holatida igna cheksiz cho'zilgan yumshoq to'qimalarga to'liq kiritilgan deb hisoblanadi.Xususan, burchak burchagi to'qimalarda tovush to'lqinlarining tarqalish intensivligi va yo'nalishiga kuchli ta'sir qiladi, bu birinchi navbatda igna uchini kesishning ortogonalligiga olib keladi.
Invaziv bo'lmagan tibbiy usullardan foydalanishga asoslangan o'smani davolashning yangi strategiyalarini ishlab chiqishni qo'llab-quvvatlash uchun o'sma muhitida past chastotali ultratovushning tarqalishi analitik va hisoblash yo'li bilan tahlil qilindi.Xususan, tadqiqotning birinchi qismida vaqtinchalik elastodinamik eritma massaning chastota sezgirligini o'rganish uchun ma'lum o'lchamdagi va qattiqlikdagi qattiq o'simta sferoidlarida ultratovush to'lqinlarining tarqalishini o'rganishga imkon berdi.Keyin yuzlab kilogerts chastotalari tanlandi va tibbiy igna qo'zg'aysan yordamida o'simta muhitida tebranish kuchlanishining mahalliy qo'llanilishi akustik uzatishni aniqlaydigan asosiy dizayn parametrlarining ta'sirini o'rganish orqali raqamli simulyatsiyada modellashtirildi. asbobning atrof-muhitga ta'siri.Natijalar shuni ko'rsatadiki, tibbiy ignalar to'qimalarni ultratovush bilan nurlantirish uchun samarali ishlatilishi mumkin va uning intensivligi ignaning ishchi akustik to'lqin uzunligi deb ataladigan geometrik parametri bilan chambarchas bog'liq.Darhaqiqat, to'qima orqali nurlanishning intensivligi ignaning ichki diametri ortishi bilan ortadi, diametri to'lqin uzunligidan uch baravar ko'p bo'lganda maksimal darajaga etadi.Igna uzunligi ham ta'sir qilishni optimallashtirish uchun ma'lum darajada erkinlikni ta'minlaydi.Igna uzunligi ish to'lqin uzunligining ma'lum bir ko'paytmasiga (xususan, 4 va 6) o'rnatilganda oxirgi natija haqiqatan ham maksimal bo'ladi.Qizig'i shundaki, qiziqish chastotasi diapazoni uchun optimallashtirilgan diametr va uzunlik qiymatlari standart tijorat ignalari uchun odatda ishlatiladigan qiymatlarga yaqin.Ignaning o'tkirligini aniqlaydigan burchak burchagi, shuningdek, taxminan 50 ° gacha cho'qqisiga chiqadigan emissiyaga ta'sir qiladi va odatda tijorat ignalari uchun ishlatiladigan taxminan 10 ° da yaxshi ishlashni ta'minlaydi..Simulyatsiya natijalari shifoxonaning intraneedle diagnostika platformasini amalga oshirish va optimallashtirish, diagnostika va terapevtik ultratovushni boshqa qurilma ichidagi terapevtik echimlar bilan birlashtirish va hamkorlikda aniq tibbiy aralashuvlarni amalga oshirish uchun ishlatiladi.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. va Kopp MV. Aniq tibbiyot nima?Evro, xorijiy.Jurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS va Varmus, H. Nozik tibbiyotda yangi tashabbuslar.N. eng.J. Tibbiyot.372, 793–795 (2015).
Xsu, V., Markey, MK va Vang, MD.Aniq tibbiyot davrida biomedikal tasvirlash informatikasi: yutuqlar, muammolar va imkoniyatlar.Jam.dori.xabar bering.Dotsent professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision onkologiya: sharh.J. Klinik.Onkol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. va Salem, A. Nanopartikullarga asoslangan etkazib berish tizimidan foydalangan holda glioblastoma (GBM) terapiyasini yaxshilash.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G va von Daimling A. Glioblastoma: patologiya, molekulyar mexanizmlar va markerlar.Acta nevropatologiyasi.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM va Berger, MS Gliomani davolash uchun hozirgi va kelajakdagi strategiyalar.neyroxirurgiya.Ed.40, 1–14 (2017).