Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Rrëshqitës që tregojnë tre artikuj për rrëshqitje.Përdorni butonat e pasëm dhe të ardhshëm për të lëvizur nëpër rrëshqitje, ose butonat e kontrolluesit të rrëshqitjes në fund për të lëvizur nëpër secilën rrëshqitje.
Bazuar në ndërthurjen ndërdisiplinore të fizikës dhe shkencave të jetës, strategjitë diagnostike dhe terapeutike të bazuara në mjekësinë precize kohët e fundit kanë tërhequr vëmendje të konsiderueshme për shkak të zbatueshmërisë praktike të metodave të reja inxhinierike në shumë fusha të mjekësisë, veçanërisht në onkologji.Në këtë kuadër, përdorimi i ultrazërit për të sulmuar qelizat kancerogjene në tumore me qëllim që të shkaktojë dëmtime të mundshme mekanike në shkallë të ndryshme po tërheq vëmendjen në rritje të shkencëtarëve në mbarë botën.Duke marrë parasysh këta faktorë, bazuar në zgjidhjet e kohës elastodinamike dhe simulimet numerike, ne paraqesim një studim paraprak të simulimit kompjuterik të përhapjes së ultrazërit në inde për të zgjedhur frekuencat dhe fuqitë e përshtatshme nga rrezatimi lokal.Platformë e re diagnostike për teknologjinë laboratorike On-Fiber, e quajtur gjilpëra spitalore dhe tashmë e patentuar.Besohet se rezultatet e analizës dhe njohuritë e lidhura biofizike mund të hapin rrugën për qasje të reja të integruara diagnostike dhe terapeutike që mund të luajnë një rol qendror në aplikimin e mjekësisë precize në të ardhmen, duke u nisur nga fushat e fizikës.Një sinergji në rritje midis biologjisë po fillon.
Me optimizimin e një numri të madh aplikimesh klinike, gradualisht filloi të shfaqej nevoja për të reduktuar efektet anësore te pacientët.Për këtë qëllim, mjekësia precize1, 2, 3, 4, 5 është bërë një objektiv strategjik për të reduktuar dozën e barnave që u jepen pacientëve, duke ndjekur në thelb dy qasje kryesore.E para bazohet në një trajtim të dizajnuar sipas profilit gjenomik të pacientit.E dyta, e cila po bëhet standardi i artë në onkologji, synon të shmangë procedurat sistematike të dhënies së barnave duke u përpjekur të lëshojë një sasi të vogël ilaçi, duke rritur në të njëjtën kohë saktësinë përmes përdorimit të terapisë lokale.Qëllimi përfundimtar është të eliminohen ose të paktën të minimizohen efektet negative të shumë qasjeve terapeutike, të tilla si kimioterapia ose administrimi sistematik i radionuklideve.Në varësi të llojit të kancerit, vendndodhjes, dozës së rrezatimit dhe faktorëve të tjerë, edhe terapia me rrezatim mund të ketë një rrezik të lartë të natyrshëm për indet e shëndetshme.Në trajtimin e glioblastomës 6,7,8,9 kirurgjia heq me sukses kancerin themelor, por edhe në mungesë të metastazave, mund të jenë të pranishëm shumë infiltrate të vogla kanceroze.Nëse ato nuk hiqen plotësisht, masat e reja kancerogjene mund të rriten brenda një periudhe relativisht të shkurtër kohore.Në këtë kontekst, strategjitë e mësipërme të mjekësisë precize janë të vështira për t'u zbatuar sepse këto infiltrate janë të vështira për t'u zbuluar dhe përhapur në një zonë të madhe.Këto barriera parandalojnë rezultate përfundimtare në parandalimin e çdo përsëritjeje me ilaçe precize, kështu që metodat e shpërndarjes sistematike preferohen në disa raste, megjithëse barnat e përdorura mund të kenë nivele shumë të larta toksiciteti.Për të kapërcyer këtë problem, qasja ideale e trajtimit do të ishte përdorimi i strategjive minimalisht invazive që mund të sulmojnë në mënyrë selektive qelizat e kancerit pa prekur indet e shëndetshme.Në dritën e këtij argumenti, përdorimi i dridhjeve tejzanor, të cilat është treguar se prekin ndryshe qelizat kancerogjene dhe ato të shëndetshme, si në sistemet njëqelizore ashtu edhe në grupimet heterogjene mezoshkallë, duket si një zgjidhje e mundshme.
Nga pikëpamja mekanike, qelizat e shëndetshme dhe kanceroze në fakt kanë frekuenca të ndryshme rezonante natyrore.Kjo veti lidhet me ndryshime onkogjene në vetitë mekanike të strukturës citoskeletore të qelizave kancerogjene12,13, ndërsa qelizat tumorale janë mesatarisht më të deformueshme se qelizat normale.Kështu, me një zgjedhje optimale të frekuencës së ultrazërit për stimulim, dridhjet e shkaktuara në zona të zgjedhura mund të shkaktojnë dëme në strukturat e gjalla kanceroze, duke minimizuar ndikimin në mjedisin e shëndetshëm të strehuesit.Këto efekte ende të pa kuptuara plotësisht mund të përfshijnë shkatërrimin e disa komponentëve strukturorë qelizorë për shkak të dridhjeve me frekuencë të lartë të shkaktuar nga ultratingulli (në parim shumë i ngjashëm me litotripsinë14) dhe dëmtimin qelizor për shkak të një fenomeni të ngjashëm me lodhjen mekanike, e cila nga ana tjetër mund të ndryshojë strukturën qelizore .programimi dhe mekanobiologjia.Megjithëse kjo zgjidhje teorike duket të jetë shumë e përshtatshme, fatkeqësisht nuk mund të përdoret në rastet kur strukturat biologjike anekoike pengojnë aplikimin e drejtpërdrejtë të ultrazërit, për shembull, në aplikimet intrakraniale për shkak të pranisë së kockave, dhe disa masa tumorale të gjirit ndodhen në dhjamor. indeve.Zbutja mund të kufizojë vendin e efektit të mundshëm terapeutik.Për të kapërcyer këto probleme, ultratingulli duhet të aplikohet në nivel lokal me transduktorë të projektuar posaçërisht që mund të arrijnë vendin e rrezatuar sa më pak të jetë e mundur.Me këtë në mendje, ne shqyrtuam mundësinë e përdorimit të ideve që lidhen me mundësinë e krijimit të një platforme teknologjike inovative të quajtur “spitali i gjilpërave”15.Koncepti "Spitali në gjilpërë" përfshin zhvillimin e një instrumenti mjekësor minimal invaziv për aplikime diagnostikuese dhe terapeutike, bazuar në kombinimin e funksioneve të ndryshme në një gjilpërë mjekësore.Siç u diskutua më në detaje në seksionin "Gjilpëra spitalore", kjo pajisje kompakte bazohet kryesisht në avantazhet e sondave me fibra optike 16, 17, 18, 19, 20, 21, të cilat, për shkak të karakteristikave të tyre, janë të përshtatshme për futje në standardin 20. gjilpëra mjekësore, 22 lumen.Duke shfrytëzuar fleksibilitetin e ofruar nga teknologjia Lab-on-Fiber (LOF)23, fibra po bëhet në mënyrë efektive një platformë unike për pajisjet diagnostike dhe terapeutike të vogla dhe të gatshme për përdorim, duke përfshirë biopsinë e lëngjeve dhe pajisjet e biopsisë së indeve.në zbulimin biomolekular24,25, shpërndarjen lokale të barnave të drejtuara nga drita26,27, imazhe me ultratinguj lokal me precizion të lartë28, terapi termike29,30 dhe identifikimin e indit të kancerit të bazuar në spektroskopi31.Brenda këtij koncepti, duke përdorur një qasje lokalizimi të bazuar në pajisjen "gjilpërë në spital", ne hetojmë mundësinë e optimizimit të stimulimit lokal të strukturave biologjike rezidente duke përdorur përhapjen e valëve ultratinguj përmes gjilpërave për të ngacmuar valët ultratinguj brenda rajonit të interesit..Kështu, ekografia terapeutike me intensitet të ulët mund të aplikohet drejtpërdrejt në zonën e rrezikut me invazivitet minimal për qelizat sonikuese dhe formacionet e vogla të ngurta në indet e buta, pasi në rastin e operacionit intrakranial të sipërpërmendur, një vrimë e vogël në kafkë duhet të futet me një gjilpërë.Frymëzuar nga rezultatet e fundit teorike dhe eksperimentale që sugjerojnë se ultratingulli mund të ndalojë ose vonojë zhvillimin e disa llojeve të kancerit,32,33,34, qasja e propozuar mund të ndihmojë në adresimin, të paktën në parim, shkëmbimet kryesore midis efekteve agresive dhe kurative.Me këto konsiderata në mendje, në punimin aktual, ne hetojmë mundësinë e përdorimit të një pajisjeje gjilpërash brenda spitalit për terapinë me ultratinguj minimalisht invazive për kancerin.Më saktësisht, në seksionin "Analiza e shpërndarjes së masave tumorale sferike për vlerësimin e frekuencës së ultrazërit të varur nga rritja", ne përdorim metoda elastodinamike të mirëpërcaktuara dhe teorinë e shpërndarjes akustike për të parashikuar madhësinë e tumoreve të ngurta sferike të rritura në një mjedis elastik.ngurtësi që ndodh midis tumorit dhe indit pritës për shkak të rimodelimit të materialit të shkaktuar nga rritja.Pasi kemi përshkruar sistemin tonë, të cilin ne e quajmë seksioni "Spitali në gjilpërë", në seksionin "Spitali në gjilpërë", ne analizojmë përhapjen e valëve ultrasonike përmes gjilpërave mjekësore në frekuencat e parashikuara dhe modeli numerik i tyre rrezaton mjedisin për të studiuar. parametrat kryesorë gjeometrikë (diametri aktual i brendshëm, gjatësia dhe mprehtësia e gjilpërës), që ndikojnë në transmetimin e fuqisë akustike të instrumentit.Duke pasur parasysh nevojën për të zhvilluar strategji të reja inxhinierike për mjekësinë precize, besohet se studimi i propozuar mund të ndihmojë në zhvillimin e një mjeti të ri për trajtimin e kancerit bazuar në përdorimin e ultrazërit të ofruar përmes një platforme të integruar teragnostike që integron ultratingullin me zgjidhje të tjera.Të kombinuara, të tilla si shpërndarja e synuar e barnave dhe diagnostikimi në kohë reale brenda një gjilpëre të vetme.
Efektiviteti i ofrimit të strategjive mekanike për trajtimin e tumoreve të ngurta të lokalizuara duke përdorur stimulimin tejzanor (ultratinguj) ka qenë qëllimi i disa punimeve që trajtojnë teorikisht dhe eksperimentalisht efektin e dridhjeve ultrasonike me intensitet të ulët në sistemet me një qelizë 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Duke përdorur modele viskoelastike, disa kërkues kanë demonstruar në mënyrë analitike se qelizat e tumorit dhe të shëndetshme shfaqin përgjigje të ndryshme frekuence të karakterizuara nga maja të dallueshme rezonante në rangun 10,11,12 të SHBA.Ky rezultat sugjeron që, në parim, qelizat tumorale mund të sulmohen në mënyrë selektive nga stimuj mekanikë që ruajnë mjedisin pritës.Kjo sjellje është një pasojë e drejtpërdrejtë e provave kryesore që, në shumicën e rasteve, qelizat tumorale janë më të lakueshme se qelizat e shëndetshme, ndoshta për të rritur aftësinë e tyre për t'u shumuar dhe migruar37,38,39,40.Bazuar në rezultatet e marra me modelet njëqelizore, p.sh. në mikroshkallë, selektiviteti i qelizave kancerogjene është demonstruar edhe në mezoshkallë nëpërmjet studimeve numerike të përgjigjeve harmonike të agregateve qelizore heterogjene.Duke siguruar një përqindje të ndryshme të qelizave të kancerit dhe qelizave të shëndetshme, agregatet shumëqelizore me madhësi qindra mikrometra u ndërtuan në mënyrë hierarkike.Në mesolevin e këtyre agregateve ruhen disa veçori mikroskopike me interes për shkak të zbatimit të drejtpërdrejtë të elementeve strukturorë kryesorë që karakterizojnë sjelljen mekanike të qelizave të vetme.Në veçanti, çdo qelizë përdor një arkitekturë të bazuar në tendosje për të imituar përgjigjen e strukturave të ndryshme citoskeletore të paratensionuara, duke ndikuar kështu në ngurtësinë e tyre të përgjithshme12,13.Parashikimet teorike dhe eksperimentet in vitro të literaturës së mësipërme kanë dhënë rezultate inkurajuese, duke treguar nevojën për të studiuar ndjeshmërinë e masave tumorale ndaj ultrazërit terapeutik me intensitet të ulët (LITUS), dhe vlerësimi i shpeshtësisë së rrezatimit të masave tumorale është vendimtar.pozicioni LITUS për aplikim në vend.
Megjithatë, në nivelin e indeve, përshkrimi nënmakroskopik i komponentit individual humbet në mënyrë të pashmangshme dhe vetitë e indit të tumorit mund të gjurmohen duke përdorur metoda të njëpasnjëshme për të gjurmuar rritjen masive dhe proceset e rimodelimit të shkaktuara nga stresi, duke marrë parasysh efektet makroskopike të rritje.-Ndikoi ndryshime në elasticitetin e indeve në një shkallë prej 41.42.Në të vërtetë, ndryshe nga sistemet njëqelizore dhe agregate, masat e ngurta të tumorit rriten në indet e buta për shkak të akumulimit gradual të sforcimeve të mbetura aberrante, të cilat ndryshojnë vetitë mekanike natyrore për shkak të rritjes së ngurtësisë së përgjithshme intratumorale, dhe skleroza e tumorit shpesh bëhet një faktor përcaktues në zbulimi i tumorit.
Me këto konsiderata në mendje, këtu ne analizojmë përgjigjen sonodinamike të sferoideve të tumorit të modeluara si përfshirje sferike elastike që rriten në një mjedis normal të indeve.Më saktësisht, vetitë elastike që lidhen me stadin e tumorit u përcaktuan në bazë të rezultateve teorike dhe eksperimentale të marra nga disa autorë në punimet e mëparshme.Midis tyre, evolucioni i sferoideve të ngurta të tumorit të rritur in vivo në mjedise heterogjene është studiuar duke aplikuar modele mekanike jolineare 41,43,44 në kombinim me dinamikën ndërspeciale për të parashikuar zhvillimin e masave tumorale dhe stresin intratumoral të lidhur.Siç u përmend më lart, rritja (p.sh., parashtrirja joelastike) dhe stresi i mbetur shkaktojnë rimodelim progresiv të vetive të materialit të tumorit, duke ndryshuar gjithashtu reagimin e tij akustik.Është e rëndësishme të theksohet se në ref.41 bashkë-evolucioni i rritjes dhe stresit të fortë në tumore është demonstruar në fushatat eksperimentale në modelet e kafshëve.Në veçanti, një krahasim i ngurtësisë së masave të tumorit të gjirit të resektuar në faza të ndryshme me ngurtësinë e përftuar duke riprodhuar kushte të ngjashme në silikon në një model sferik të elementeve të fundme me të njëjtat dimensione dhe duke marrë parasysh fushën e parashikuar të stresit të mbetur, konfirmoi metodën e propozuar të vlefshmëria e modelit..Në këtë punë, rezultatet teorike dhe eksperimentale të marra më parë përdoren për të zhvilluar një strategji të re terapeutike të zhvilluar.Në veçanti, këtu u llogaritën madhësitë e parashikuara me vetitë përkatëse të rezistencës evolucionare, të cilat u përdorën kështu për të vlerësuar diapazonin e frekuencës ndaj të cilave masat tumorale të ngulitura në mjedisin pritës janë më të ndjeshme.Për këtë qëllim, ne hetuam sjelljen dinamike të masës tumorale në faza të ndryshme, të marra në faza të ndryshme, duke marrë parasysh treguesit akustikë në përputhje me parimin e pranuar përgjithësisht të shpërndarjes në përgjigje të stimujve tejzanor dhe duke theksuar fenomenet e mundshme rezonante të sferoidit. .në varësi të tumorit dhe bujtësit Ndryshime të varura nga rritja në ngurtësinë ndërmjet indeve.
Kështu, masat tumorale u modeluan si sfera elastike me rreze \(a\) në mjedisin elastik përreth të strehuesit bazuar në të dhënat eksperimentale që tregojnë se si strukturat e mëdha malinje rriten in situ në forma sferike.Duke iu referuar figurës 1, duke përdorur koordinatat sferike \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (ku \(\theta\) dhe \(\varphi\) përfaqësojnë respektivisht këndin e anomalisë dhe këndin azimuth), domeni i tumorit zë rajonin e ngulitur në hapësirë ​​të shëndetshme \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) rajon i pakufizuar \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Duke iu referuar Informacionit Suplementar (SI) për një përshkrim të plotë të modelit matematikor bazuar në bazën e vendosur mirë elastodinamike të raportuar në shumë literatura45,46,47,48, ne konsiderojmë këtu një problem të karakterizuar nga një modalitet oscilimi bosht simetrik.Ky supozim nënkupton që të gjitha variablat brenda tumorit dhe zonave të shëndetshme janë të pavarura nga koordinata azimutale \(\varphi\) dhe se nuk ndodh asnjë shtrembërim në këtë drejtim.Rrjedhimisht, fushat e zhvendosjes dhe stresit mund të merren nga dy potenciale skalare \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ - i \omega {\kern 1pt } t }}\) dhe \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , ato janë përkatësisht e lidhur me një valë gjatësore dhe një valë prerëse, koha e koincidencës t ndërmjet ngritjes \(\theta \) dhe këndit ndërmjet drejtimit të valës rënëse dhe vektorit të pozicionit \({\mathbf {x))\) ( siç tregohet në figurën 1) dhe \(\omega = 2\pi f\) paraqet frekuencën këndore.Në veçanti, fusha e incidentit është modeluar nga vala e rrafshët \(\phi_{H}^{(në)}\) (e futur gjithashtu në sistemin SI, në ekuacionin (A.9)) që përhapet në vëllimin e trupit sipas shprehjes së ligjit
ku \(\phi_{0}\) është parametri i amplitudës.Zgjerimi sferik i një vale të rrafshët rënëse (1) duke përdorur një funksion të valës sferike është argumenti standard:
Ku \(j_{n}\) është funksioni sferik Bessel i llojit të parë të rendit \(n\), dhe \(P_{n}\) është polinomi Lezhandrit.Një pjesë e valës së incidentit të sferës së investimit shpërndahet në mjedisin përreth dhe mbivendoset në fushën e përplasjes, ndërsa pjesa tjetër shpërndahet brenda sferës, duke kontribuar në dridhjen e saj.Për ta bërë këtë, zgjidhjet harmonike të ekuacionit të valës \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) dhe \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), të ofruara për shembull nga Eringen45 (shih gjithashtu SI ) mund të tregojë tumor dhe zona të shëndetshme.Në veçanti, valët e shpërndara të zgjerimit dhe valët izovolumike të krijuara në mjedisin pritës \(H\) pranojnë energjitë e tyre të mundshme përkatëse:
Midis tyre, funksioni sferik Hankel i llojit të parë \(h_{n}^{(1)}\) përdoret për të marrë në konsideratë valën e shpërndarë dalëse, dhe \(\alpha_{n}\) dhe \(\beta_{ n}\ ) janë koeficientët e të panjohurave.në ekuacion.Në ekuacionet (2)–(4), termat \(k_{H1}\) dhe \(k_{H2}\) tregojnë përkatësisht numrin e valëve të valëve të rrallimit dhe tërthor në zonën kryesore të trupit ( shih SI).Fushat e ngjeshjes brenda tumorit dhe ndërrimet kanë formën
Ku \(k_{T1}\) dhe \(k_{T2}\) përfaqësojnë numrat e valëve gjatësore dhe tërthore në rajonin e tumorit, dhe koeficientët e panjohur janë \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Bazuar në këto rezultate, komponentët e zhvendosjes radiale dhe rrethore jo zero janë karakteristikë për rajonet e shëndetshme në problemin në shqyrtim, si \(u_{Hr}\) dhe \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) supozimi i simetrisë nuk është më i nevojshëm) — mund të merret nga relacioni \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \djathtas) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) dhe \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \majtas({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \djathtas)\) duke formuar \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) dhe \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (shih SI për derivimin e detajuar matematikor).Në mënyrë të ngjashme, duke zëvendësuar \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) dhe \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) kthen {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \djathtas) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) dhe \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\djathtas)\).
(Majtas) Gjeometria e një tumori sferik të rritur në një mjedis të shëndetshëm përmes të cilit përhapet një fushë incidenti, (djathtas) Evolucioni përkatës i raportit të ngurtësisë tumor-strehues si funksion i rrezes së tumorit, të dhënat e raportuara (përshtatur nga Carotenuto et al. 41) nga testet e kompresimit vitro janë marrë nga tumore të ngurta të gjirit të inokuluar me qeliza MDA-MB-231.
Duke supozuar materiale lineare elastike dhe izotropike, përbërësit e stresit jo zero në rajonet e shëndetshme dhe tumorale, p.sh. \(\sigma_{Hpq}\) dhe \(\sigma_{Tpq}\) - i binden ligjit të përgjithësuar të Hooke, duke pasur parasysh se janë module të ndryshme Lamé, të cilat karakterizojnë elasticitetin e bujtësit dhe tumorit, të shënuara si \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) dhe \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (shih ekuacionin (A.11) për shprehjen e plotë të komponentëve të stresit të paraqitur në SI).Në veçanti, sipas të dhënave në referencën 41 dhe të paraqitura në figurën 1, tumoret në rritje treguan një ndryshim në konstantet e elasticitetit të indeve.Kështu, zhvendosjet dhe sforcimet në rajonin pritës dhe tumor përcaktohen plotësisht deri në një grup konstantesh të panjohura \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n},{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) ka dimensione teorikisht të pafundme.Për të gjetur këta vektorë të koeficientit, futen ndërfaqe të përshtatshme dhe kushte kufitare midis tumorit dhe zonave të shëndetshme.Duke supozuar lidhjen perfekte në ndërfaqen tumor-strehues \(r = a\), vazhdimësia e zhvendosjeve dhe streseve kërkon kushtet e mëposhtme:
Sistemi (7) formon një sistem ekuacionesh me zgjidhje të pafundme.Përveç kësaj, çdo kusht kufitar do të varet nga anomalia \(\theta\).Për të reduktuar problemin e vlerës kufitare në një problem të plotë algjebrik me \(N\) grupe sistemesh të mbyllura, secila prej të cilave është në të panjohurën \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (me \ ( N \ në \infty \), teorikisht), dhe për të eliminuar varësinë e ekuacioneve nga termat trigonometrikë, kushtet e ndërfaqes shkruhen në një formë të dobët duke përdorur ortogonalitetin e polinomeve të Lezhandrit.Në veçanti, ekuacioni (7)1,2 dhe (7)3,4 shumëzohen me \(P_{n} \left( {\cos \theta} \djathtas)\) dhe \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) dhe më pas integro midis \(0\) dhe \(\pi\) duke përdorur identitete matematikore:
Kështu, kushti i ndërfaqes (7) kthen një sistem ekuacioni algjebrik kuadratik, i cili mund të shprehet në formë matrice si \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) dhe merrni të panjohurën \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) duke zgjidhur rregullin e Cramer-it.
Për të vlerësuar fluksin e energjisë të shpërndarë nga sfera dhe për të marrë informacion në lidhje me përgjigjen e saj akustike bazuar në të dhënat mbi fushën e shpërndarë që përhapet në mjedisin pritës, është me interes një sasi akustike, e cila është një seksion kryq i shpërndarjes bistatike të normalizuar.Në veçanti, seksioni kryq i shpërndarjes, i shënuar \(s), shpreh raportin ndërmjet fuqisë akustike të transmetuar nga sinjali i shpërndarë dhe ndarjes së energjisë që bartet nga vala e incidentit.Në këtë drejtim, madhësia e funksionit të formës \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) është një sasi e përdorur shpesh në studimin e mekanizmave akustikë ngulitur në një lëng ose të ngurtë Shpërndarja e objekteve në sediment.Më saktësisht, amplituda e funksionit të formës përcaktohet si seksion kryq i shpërndarjes diferenciale \(ds\) për njësi sipërfaqe, i cili ndryshon nga normalja në drejtimin e përhapjes së valës rënëse:
ku \(f_{n}^{pp}\) dhe \(f_{n}^{ps}\) tregojnë funksionin modal, i cili i referohet raportit të fuqive të valës gjatësore dhe valës së shpërndarë në lidhje me Vala P-rendetëse në mediumin marrës, përkatësisht, jepen me shprehjet e mëposhtme:
Funksionet e pjesshme të valës (10) mund të studiohen në mënyrë të pavarur në përputhje me teorinë e shpërndarjes rezonante (RST) 49,50,51,52, e cila bën të mundur ndarjen e elasticitetit të synuar nga fusha totale e humbur gjatë studimit të mënyrave të ndryshme.Sipas kësaj metode, funksioni i formës modale mund të zbërthehet në një shumë prej dy pjesësh të barabarta, përkatësisht \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) janë të lidhura përkatësisht me amplituda e sfondit rezonant dhe jorezonant.Funksioni i formës së mënyrës rezonante lidhet me përgjigjen e objektivit, ndërsa sfondi zakonisht lidhet me formën e shpërndarësit.Për të zbuluar formantin e parë të objektivit për çdo modalitet, amplituda e funksionit të formës së rezonancës modale \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \djathtas|\ ) llogaritet duke supozuar një sfond të fortë, të përbërë nga sfera të padepërtueshme në një material pritës elastik.Kjo hipotezë motivohet nga fakti se, në përgjithësi, si ngurtësia ashtu edhe dendësia rriten me rritjen e masës tumorale për shkak të stresit të mbetur shtypës.Kështu, në një nivel të rëndë rritjeje, raporti i impedancës \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) pritet të jetë më i madh se 1 për shumicën e tumoreve të ngurta makroskopike që zhvillohen në të butë indet.Për shembull, Krouskop et al.53 raportuan një raport të modulit kanceroz me atë normal prej rreth 4 për indet e prostatës, ndërsa kjo vlerë u rrit në 20 për mostrat e indit të gjirit.Këto marrëdhënie ndryshojnë në mënyrë të pashmangshme rezistencën akustike të indit, siç tregohet edhe nga analiza elastografike54,55,56, dhe mund të lidhen me trashjen e lokalizuar të indit të shkaktuar nga hiperproliferimi i tumorit.Ky ndryshim është vërejtur gjithashtu eksperimentalisht me teste të thjeshta të kompresimit të blloqeve të tumorit të gjirit të rritur në faza të ndryshme32, dhe rimodelimi i materialit mund të ndiqet mirë me modelet parashikuese të ndër-specieve të tumoreve në rritje jolineare43,44.Të dhënat e marra të ngurtësisë lidhen drejtpërdrejt me evolucionin e modulit Young të tumoreve të ngurta sipas formulës \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \djathtas)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfera me rreze \(a\), ngurtësi \(S\) dhe raporti Poisson \(\nu\) midis dy pllakave të ngurtë 57, siç tregohet në figurën 1).Kështu, është e mundur të merren matje të impedancës akustike të tumorit dhe bujtësit në nivele të ndryshme rritjeje.Në veçanti, në krahasim me modulin e indit normal të barabartë me 2 kPa në figurën 1, moduli elastik i tumoreve të gjirit në diapazonin e vëllimit prej rreth 500 deri në 1250 mm3 rezultoi në një rritje nga rreth 10 kPa në 16 kPa, që është në përputhje me të dhënat e raportuara.në referencat 58, 59 u zbulua se presioni në mostrat e indeve të gjirit është 0.25-4 kPa me parakompresim të zhdukur.Supozoni gjithashtu se raporti i Poisson-it i një indi pothuajse të pakompresueshëm është 41.60, që do të thotë se dendësia e indit nuk ndryshon ndjeshëm me rritjen e vëllimit.Në veçanti, përdoret dendësia mesatare masive e popullsisë \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Me këto konsiderata, ngurtësia mund të marrë një modalitet sfondi duke përdorur shprehjen e mëposhtme:
Ku konstanta e panjohur \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) mund të llogaritet duke marrë parasysh vazhdimësinë paragjykim ( 7 )2,4, pra duke zgjidhur sistemin algjebrik \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) që përfshin të mitur\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) dhe vektori përkatës i kolonës së thjeshtuar\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (a)\ Ofron njohuri bazë në ekuacionin (11), dy amplituda të funksionit rezonant të pasme \(\majtas| {f_{n}^{). \majtas( {res} \djathtas)\,pp}} \majtas( \theta \djathtas)} \djathtas = \majtas|{f_{n}^{pp} \majtas( \theta \djathtas) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \djathtas)} \djathtas|\) dhe \( \majtas|{f_{n}^{{\left( {res} \djathtas)\,ps} } \left( \theta \djathtas)} \djathtas|= \majtas|{f_{n}^{ps} \left( \theta \djathtas) – f_{n}^{ps(b)} \majtas( \ theta \right)} \right|\) i referohet ngacmimit të valës P dhe reflektimit të valëve P dhe S, respektivisht.Më tej, amplituda e parë u vlerësua si \(\theta = \pi\), dhe amplituda e dytë u vlerësua si \(\theta = \pi/4\).Duke ngarkuar veti të ndryshme të përbërjes.Figura 2 tregon se tiparet rezonante të sferoideve të tumorit deri në rreth 15 mm në diametër janë kryesisht të përqendruara në brezin e frekuencës 50-400 kHz, gjë që tregon mundësinë e përdorimit të ultrazërit me frekuencë të ulët për të nxitur ngacmimin rezonant të tumorit.qelizat.Shumë.Në këtë brez frekuencash, analiza RST zbuloi formantët me një modalitet për modalitetet 1 deri në 6, të theksuar në figurën 3. Këtu, të dyja valët e shpërndara pp dhe ps tregojnë formantët e tipit të parë, që ndodhin në frekuenca shumë të ulëta, të cilat rriten nga rreth 20 kHz për modalitetin 1 deri në rreth 60 kHz për n = 6, duke mos treguar ndonjë ndryshim domethënës në rrezen e sferës.Funksioni rezonant ps më pas zbehet, ndërsa kombinimi i formantëve pp me amplitudë të madhe siguron një periodicitet prej rreth 60 kHz, duke treguar një zhvendosje më të lartë të frekuencës me rritjen e numrit të modalitetit.Të gjitha analizat janë kryer duke përdorur programin kompjuterik Mathematica®62.
Funksionet e formës prapashpërndarëse të marra nga moduli i tumoreve të gjirit të madhësive të ndryshme janë paraqitur në figurën 1, ku shiritat më të lartë të shpërndarjes janë theksuar duke marrë parasysh mbivendosjen e modalitetit.
Rezonancat e mënyrave të zgjedhura nga \(n = 1\) në \(n = 6\), të llogaritura me ngacmimin dhe reflektimin e valës P në madhësi të ndryshme të tumorit (lakore të zeza nga \(\majtas | {f_{ n} ^ {{\ majtas( {res} \djathtas)\,pp}} \majtas( \pi \djathtas) = ​​\majtas| f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \djathtas)} \djathtas|\)) dhe ngacmimi i valës P dhe reflektimi i valës S (lakoret gri të dhëna nga funksioni i formës modale \( \majtas | { f_{n }^{{\majtas( {res} \djathtas)\,ps}} \majtas( {\pi /4} \djathtas)} \djathtas = \majtas|. \left( {\pi /4} \djathtas) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \djathtas)} \djathtas |\)).
Rezultatet e kësaj analize paraprake duke përdorur kushtet e përhapjes në fushë të largët mund të udhëheqin zgjedhjen e frekuencave të lëvizjes specifike të makinës në simulimet numerike të mëposhtme për të studiuar efektin e stresit të mikrovibrimit në masë.Rezultatet tregojnë se kalibrimi i frekuencave optimale mund të jetë specifik i fazës gjatë rritjes së tumorit dhe mund të përcaktohet duke përdorur rezultatet e modeleve të rritjes për të vendosur strategji biomekanike të përdorura në terapinë e sëmundjes për të parashikuar saktë rimodelimin e indeve.
Përparimet e rëndësishme në nanoteknologji po e shtyjnë komunitetin shkencor të gjejë zgjidhje dhe metoda të reja për të zhvilluar pajisje mjekësore të miniaturës dhe minimalisht invazive për aplikime in vivo.Në këtë kontekst, teknologjia LOF ka treguar një aftësi të jashtëzakonshme për të zgjeruar aftësitë e fibrave optike, duke mundësuar zhvillimin e pajisjeve të reja me fibra optike minimalisht invazive për aplikimet e shkencës së jetës21, 63, 64, 65. Ideja e integrimit të materialeve 2D dhe 3D me vetitë e dëshiruara kimike, biologjike dhe optike në anët 25 dhe/ose skajet 64 të fibrave optike me kontroll të plotë hapësinor në shkallë nano çon në shfaqjen e një klase të re nanooptodesh me fibra optike.ka një gamë të gjerë funksionesh diagnostikuese dhe terapeutike.Është interesante se për shkak të vetive të tyre gjeometrike dhe mekanike (seksion i vogël kryq, raport i madh i pamjes, fleksibilitet, peshë e ulët) dhe biopërputhshmërisë së materialeve (zakonisht qelqi ose polimere), fibrat optike janë të përshtatshme për futje në gjilpëra dhe kateterë.Aplikacionet mjekësore20, duke hapur rrugën për një vizion të ri të "spitalit të gjilpërave" (shih Figurën 4).
Në fakt, për shkak të shkallëve të lirisë që ofron teknologjia LOF, duke përdorur integrimin e mikro- dhe nanostrukturave të bëra nga materiale të ndryshme metalike dhe/ose dielektrike, fibrat optike mund të funksionalizohen siç duhet për aplikime specifike që shpesh mbështesin ngacmimin e modalitetit rezonant., Fusha e dritës 21 është e pozicionuar fort.Mbajtja e dritës në një shkallë nën-gjatësie valore, shpesh në kombinim me përpunimin kimik dhe/ose biologjik63 dhe integrimi i materialeve të ndjeshme si polimeret inteligjente65,66 mund të rrisë kontrollin mbi ndërveprimin e dritës dhe materies, gjë që mund të jetë e dobishme për qëllime teranostike.Zgjedhja e llojit dhe madhësisë së komponentëve/materialeve të integruara varet padyshim nga parametrat fizikë, biologjikë ose kimikë që do të zbulohen21,63.
Integrimi i sondave LOF në gjilpërat mjekësore të drejtuara në vende specifike në trup do të mundësojë biopsi lokale të lëngjeve dhe indeve in vivo, duke lejuar trajtimin e njëkohshëm lokal, duke reduktuar efektet anësore dhe duke rritur efikasitetin.Mundësitë e mundshme përfshijnë zbulimin e biomolekulave të ndryshme qarkulluese, duke përfshirë kancerin.biomarkera ose mikroARN (miRNAs)67, identifikimi i indeve kanceroze duke përdorur spektroskopinë lineare dhe jolineare si spektroskopia Raman (SERS)31, imazhet fotoakustike me rezolucion të lartë22,28,68, kirurgjia me lazer dhe ablacioni69 dhe barnat e shpërndarjes lokale duke përdorur dritë27 dhe drejtimi automatik i gjilpërave në trupin e njeriut20.Vlen të theksohet se megjithëse përdorimi i fibrave optike shmang disavantazhet tipike të metodave "klasike" të bazuara në komponentët elektronikë, siç është nevoja për lidhje elektrike dhe prania e ndërhyrjeve elektromagnetike, kjo lejon që sensorë të ndryshëm LOF të integrohen në mënyrë efektive në sistemi.gjilpërë e vetme mjekësore.Vëmendje e veçantë duhet t'i kushtohet zvogëlimit të efekteve të dëmshme si ndotja, interferencat optike, pengesat fizike që shkaktojnë efekte të ndërlidhura midis funksioneve të ndryshme.Megjithatë, është gjithashtu e vërtetë se shumë nga funksionet e përmendura nuk duhet të jenë aktive në të njëjtën kohë.Ky aspekt bën të mundur që të paktën të reduktohet interferenca, duke kufizuar kështu ndikimin negativ në performancën e secilës sondë dhe saktësinë e procedurës.Këto konsiderata na lejojnë ta shohim konceptin e "gjilpërës në spital" si një vizion të thjeshtë për të hedhur një themel të fortë për gjeneratën e ardhshme të gjilpërave terapeutike në shkencat e jetës.
Në lidhje me aplikimin specifik të diskutuar në këtë punim, në pjesën tjetër do të hetojmë numerikisht aftësinë e një gjilpëre mjekësore për të drejtuar valët ultrasonike në indet njerëzore duke përdorur përhapjen e tyre përgjatë boshtit të saj.
Përhapja e valëve ultrasonike përmes një gjilpëre mjekësore të mbushur me ujë dhe e futur në indet e buta (shih diagramin në Fig. 5a) u modelua duke përdorur softuerin komercial Comsol Multiphysics bazuar në metodën e elementeve të fundme (FEM)70, ku modelohen gjilpëra dhe indet si mjedis elastik linear.
Duke iu referuar Figurës 5b, gjilpëra është modeluar si një cilindër i zbrazët (i njohur edhe si "kanulë") i bërë prej çeliku inox, një material standard për hala mjekësore71.Në veçanti, ai u modelua me modulin e Young-it E = 205 GPa, raportin e Poisson-it ν = 0,28 dhe dendësinë ρ = 7850 kg m −372,73.Gjeometrikisht, gjilpëra karakterizohet nga një gjatësi L, një diametër i brendshëm D (i quajtur gjithashtu "pastrimi") dhe një trashësi muri t.Përveç kësaj, maja e gjilpërës konsiderohet të jetë e prirur në një kënd α në lidhje me drejtimin gjatësor (z).Vëllimi i ujit në thelb korrespondon me formën e zonës së brendshme të gjilpërës.Në këtë analizë paraprake, gjilpëra supozohej se ishte e zhytur plotësisht në një rajon indi (supozohet se shtrihet pafundësisht), i modeluar si një sferë me rreze rs, e cila mbeti konstante në 85 mm gjatë të gjitha simulimeve.Në mënyrë më të detajuar, ne përfundojmë rajonin sferik me një shtresë të përputhur në mënyrë perfekte (PML), e cila të paktën redukton valët e padëshiruara të reflektuara nga kufijtë "imagjinarë".Më pas zgjodhëm rrezen rs në mënyrë që të vendosim kufirin e domenit sferik mjaft larg nga gjilpëra për të mos ndikuar në zgjidhjen llogaritëse dhe mjaft të vogël për të mos ndikuar në koston llogaritëse të simulimit.
Një zhvendosje gjatësore harmonike e frekuencës f dhe amplitudës A zbatohet në kufirin e poshtëm të gjeometrisë së majë shkrueses;kjo situatë paraqet një stimul hyrës të aplikuar në gjeometrinë e simuluar.Në kufijtë e mbetur të gjilpërës (në kontakt me indin dhe ujin), modeli i pranuar konsiderohet të përfshijë një marrëdhënie midis dy fenomeneve fizike, njëra prej të cilave lidhet me mekanikën strukturore (për zonën e gjilpërës) dhe tjetra tek mekanika strukturore.(për rajonin acikular), kështu që kushtet përkatëse i vendosen akustikës (për ujin dhe rajonin acikular)74.Në veçanti, dridhjet e vogla të aplikuara në sediljen e gjilpërës shkaktojnë shqetësime të vogla të tensionit;pra, duke supozuar se gjilpëra sillet si një mjedis elastik, vektori i zhvendosjes U mund të vlerësohet nga ekuacioni i ekuilibrit elastodinamik (Navier)75.Lëkundjet strukturore të gjilpërës shkaktojnë ndryshime në presionin e ujit në brendësi të saj (e konsideruar si stacionare në modelin tonë), si rezultat i të cilave valët e zërit përhapen në drejtimin gjatësor të gjilpërës, duke iu bindur në thelb ekuacionit të Helmholcit76.Së fundi, duke supozuar se efektet jolineare në inde janë të papërfillshme dhe se amplituda e valëve prerëse është shumë më e vogël se amplituda e valëve të presionit, ekuacioni Helmholtz mund të përdoret gjithashtu për të modeluar përhapjen e valëve akustike në indet e buta.Pas këtij përafrimi, indi konsiderohet si një lëng77 me densitet 1000 kg/m3 dhe shpejtësi tingulli 1540 m/s (duke injoruar efektet amortizuese të varura nga frekuenca).Për të lidhur këto dy fusha fizike, është e nevojshme të sigurohet vazhdimësia e lëvizjes normale në kufirin e lëndës së ngurtë dhe të lëngshme, ekuilibri statik midis presionit dhe stresit pingul me kufirin e lëndës së ngurtë dhe stresit tangjencial në kufirin e lëngu duhet të jetë i barabartë me zero.75 .
Në analizën tonë, ne hetojmë përhapjen e valëve akustike përgjatë një gjilpëre në kushte stacionare, duke u fokusuar në ndikimin e gjeometrisë së gjilpërës në emetimin e valëve brenda indit.Në veçanti, ne hetuam ndikimin e diametrit të brendshëm të gjilpërës D, gjatësisë L dhe këndit të pjerrësisë α, duke e mbajtur trashësinë t të fiksuar në 500 μm për të gjitha rastet e studiuara.Kjo vlerë e t është afër trashësisë tipike standarde të murit 71 për hala komerciale.
Pa humbje të përgjithshme, frekuenca f e zhvendosjes harmonike të aplikuar në bazën e gjilpërës u mor e barabartë me 100 kHz, dhe amplituda A ishte 1 μm.Në veçanti, frekuenca u vendos në 100 kHz, e cila është në përputhje me vlerësimet analitike të dhëna në seksionin "Analiza e shpërndarjes së masave tumorale sferike për të vlerësuar frekuencat e ultrazërit të varura nga rritja", ku u gjet një sjellje e ngjashme me rezonancën e masave tumorale në diapazoni i frekuencës 50-400 kHz, me amplituda më e madhe e shpërndarjes të përqendruar në frekuenca më të ulëta rreth 100-200 kHz (shih Fig. 2).
Parametri i parë i studiuar ishte diametri i brendshëm D i gjilpërës.Për lehtësi, përkufizohet si një pjesë e plotë e gjatësisë së valës akustike në zgavrën e gjilpërës (dmth. në ujë λW = 1,5 mm).Në të vërtetë, dukuritë e përhapjes së valës në pajisjet e karakterizuara nga një gjeometri e caktuar (për shembull, në një valëdhënës) shpesh varen nga madhësia karakteristike e gjeometrisë së përdorur në krahasim me gjatësinë e valës së valës përhapëse.Përveç kësaj, në analizën e parë, për të theksuar më mirë efektin e diametrit D në përhapjen e valës akustike përmes gjilpërës, kemi marrë në konsideratë një majë të sheshtë, duke vendosur këndin α = 90°.Gjatë kësaj analize, gjatësia e gjilpërës L u fiksua në 70 mm.
Në fig.6a tregon intensitetin mesatar të zërit si funksion i parametrit të shkallës pa dimensione SD, dmth. D = λW/SD i vlerësuar në një sferë me rreze 10 mm të përqendruar në majën përkatëse të gjilpërës.Parametri i shkallëzimit SD ndryshon nga 2 në 6, dmth. ne konsiderojmë vlerat D që variojnë nga 7,5 mm në 2,5 mm (në f = 100 kHz).Gama përfshin gjithashtu një vlerë standarde prej 71 për hala mjekësore inox.Siç pritej, diametri i brendshëm i gjilpërës ndikon në intensitetin e zërit të emetuar nga gjilpëra, me një vlerë maksimale (1030 W/m2) që korrespondon me D = λW/3 (dmth D = 5 mm) dhe një tendencë në rënie me rënie. diametri.Duhet pasur parasysh se diametri D është një parametër gjeometrik që ndikon edhe në invazivitetin e një pajisjeje mjekësore, ndaj ky aspekt kritik nuk mund të anashkalohet kur zgjedh vlerën optimale.Prandaj, megjithëse ulja e D ndodh për shkak të transmetimit më të ulët të intensitetit akustik në inde, për studimet e mëposhtme, diametri D = λW/5, pra D = 3 mm (korrespondon me standardin 11G71 në f = 100 kHz) , konsiderohet një kompromis i arsyeshëm midis ndërhyrjes së pajisjes dhe transmetimit të intensitetit të zërit (mesatarisht rreth 450 W/m2).
Intensiteti mesatar i tingullit të lëshuar nga maja e gjilpërës (konsiderohet e sheshtë), në varësi të diametrit të brendshëm të gjilpërës (a), gjatësisë (b) dhe këndit të pjerrësisë α (c).Gjatësia në (a, c) është 90 mm, dhe diametri në (b, c) është 3 mm.
Parametri tjetër që do të analizohet është gjatësia e gjilpërës L. Sipas rastit të mëparshëm, ne konsiderojmë një kënd të zhdrejtë α = 90° dhe gjatësia është shkallëzuar si shumëfish i gjatësisë së valës në ujë, dmth. konsiderojmë L = SL λW .Parametri i shkallës pa dimensione SL ndryshohet nga 3 me 7, duke vlerësuar kështu intensitetin mesatar të tingullit të lëshuar nga maja e gjilpërës në diapazonin e gjatësisë nga 4,5 në 10,5 mm.Kjo gamë përfshin vlera tipike për gjilpëra komerciale.Rezultatet janë paraqitur në fig.6b, duke treguar se gjatësia e gjilpërës, L, ka një ndikim të madh në transmetimin e intensitetit të zërit në inde.Konkretisht, optimizimi i këtij parametri bëri të mundur përmirësimin e transmetimit me rreth një renditje madhësie.Në fakt, në diapazonin e gjatësisë së analizuar, intensiteti mesatar i zërit merr një maksimum lokal prej 3116 W/m2 në SL = 4 (dmth., L = 60 mm), dhe tjetra korrespondon me SL = 6 (dmth, L = 90 mm).
Pas analizimit të ndikimit të diametrit dhe gjatësisë së gjilpërës në përhapjen e ultrazërit në gjeometrinë cilindrike, u fokusuam në ndikimin e këndit të pjerrësisë në transmetimin e intensitetit të zërit në inde.Intensiteti mesatar i tingullit që del nga maja e fibrës u vlerësua si funksion i këndit α, duke ndryshuar vlerën e tij nga 10° (majë e mprehtë) në 90° (majë e sheshtë).Në këtë rast, rrezja e sferës integruese rreth majës së konsideruar të gjilpërës ishte 20 mm, kështu që për të gjitha vlerat e α, maja e gjilpërës përfshihej në vëllimin e llogaritur nga mesatarja.
Siç tregohet në fig.6c, kur maja mprehet, dmth, kur α zvogëlohet duke filluar nga 90°, intensiteti i zërit të transmetuar rritet, duke arritur një vlerë maksimale prej rreth 1,5 × 105 W/m2, që korrespondon me α = 50°, d.m.th., 2. është një rend i madhësisë më i lartë në raport me gjendjen e sheshtë.Me mprehje të mëtejshme të majës (dmth, në α nën 50°), intensiteti i zërit tenton të ulet, duke arritur vlera të krahasueshme me një majë të rrafshuar.Megjithatë, megjithëse kemi konsideruar një gamë të gjerë këndesh të pjerrëta për simulimet tona, vlen të merret parasysh se mprehja e majës është e nevojshme për të lehtësuar futjen e gjilpërës në inde.Në fakt, një kënd më i vogël i pjerrët (rreth 10°) mund të zvogëlojë forcën 78 të nevojshme për të depërtuar në inde.
Përveç vlerës së intensitetit të zërit të transmetuar brenda indit, këndi i pjerrët ndikon gjithashtu në drejtimin e përhapjes së valës, siç tregohet në grafikët e nivelit të presionit të zërit të paraqitur në Fig. 7a (për majën e sheshtë) dhe 3b (për 10° ).maja e pjerrët), paralele Drejtimi gjatësor vlerësohet në rrafshin e simetrisë (yz, krh. Fig. 5).Në skajet e këtyre dy konsideratave, niveli i presionit të zërit (i referuar si 1 µPa) përqendrohet kryesisht brenda zgavrës së gjilpërës (dmth. në ujë) dhe rrezatohet në inde.Në mënyrë më të detajuar, në rastin e një maje të sheshtë (Fig. 7a), shpërndarja e nivelit të presionit të zërit është krejtësisht simetrike në lidhje me drejtimin gjatësor dhe dallohen valët në këmbë në ujin që mbush trupin.Vala është e orientuar gjatësore (boshti z), amplituda arrin vlerën e saj maksimale në ujë (rreth 240 dB) dhe zvogëlohet në mënyrë tërthore, gjë që çon në një zbutje prej rreth 20 dB në një distancë prej 10 mm nga qendra e gjilpërës.Siç pritej, futja e një maje me majë (Fig. 7b) e thyen këtë simetri dhe antinyjet e valëve në këmbë "devijonin" sipas majës së gjilpërës.Me sa duket, kjo asimetri ndikon në intensitetin e rrezatimit të majës së gjilpërës, siç përshkruhet më parë (Fig. 6c).Për të kuptuar më mirë këtë aspekt, intensiteti akustik u vlerësua përgjatë një linje prerjeje ortogonale me drejtimin gjatësor të gjilpërës, e cila ishte e vendosur në rrafshin e simetrisë së gjilpërës dhe e vendosur në një distancë prej 10 mm nga maja e gjilpërës ( rezulton në figurën 7c).Më konkretisht, shpërndarjet e intensitetit të tingullit të vlerësuara në kënde të pjerrëta 10°, 20° dhe 30° (përkatësisht vija të forta blu, të kuqe dhe jeshile) u krahasuan me shpërndarjen pranë skajit të sheshtë (lakore me pika të zeza).Shpërndarja e intensitetit të lidhur me gjilpërat me majë të sheshtë duket të jetë simetrike rreth qendrës së gjilpërës.Në veçanti, ajo merr një vlerë prej rreth 1420 W/m2 në qendër, një tejmbushje prej rreth 300 W/m2 në një distancë prej ~8 mm, dhe më pas zvogëlohet në një vlerë prej rreth 170 W/m2 në ~30 mm. .Ndërsa maja bëhet e mprehtë, lobi qendror ndahet në më shumë lobe me intensitet të ndryshëm.Më konkretisht, kur α ishte 30°, tre petale mund të dalloheshin qartë në profilin e matur në 1 mm nga maja e gjilpërës.Ai qendror është pothuajse në qendër të gjilpërës dhe ka një vlerë të vlerësuar prej 1850 W / m2, dhe ajo më e larta në të djathtë është rreth 19 mm nga qendra dhe arrin 2625 W / m2.Në α = 20°, ka 2 lobe kryesore: një për −12 mm në 1785 W/m2 dhe një për 14 mm në 1524 W/m2.Kur maja bëhet më e mprehtë dhe këndi arrin 10°, arrihet një maksimum prej 817 W/m2 në rreth -20 mm dhe tre lobe të tjera me intensitet pak më të vogël janë të dukshme përgjatë profilit.
Niveli i presionit të zërit në rrafshin e simetrisë y–z të një gjilpëre me një fund të sheshtë (a) dhe një pjerrësi 10° (b).(c) Shpërndarja e intensitetit akustik e vlerësuar përgjatë vijës së prerjes pingul me drejtimin gjatësor të gjilpërës, në një distancë prej 10 mm nga maja e gjilpërës dhe e shtrirë në rrafshin e simetrisë yz.Gjatësia L është 70 mm dhe diametri D është 3 mm.
Të marra së bashku, këto rezultate tregojnë se gjilpërat mjekësore mund të përdoren në mënyrë efektive për të transmetuar ultratinguj në 100 kHz në indet e buta.Intensiteti i tingullit të emetuar varet nga gjeometria e gjilpërës dhe mund të optimizohet (në varësi të kufizimeve të vendosura nga invaziviteti i pajisjes fundore) deri në vlerat në intervalin 1000 W/m2 (në 10 mm).aplikohet në pjesën e poshtme të gjilpërës 1. Në rastin e zhvendosjes së mikrometrit, gjilpëra konsiderohet të jetë e futur plotësisht në indin e butë të shtrirë pafundësisht.Në veçanti, këndi i pjerrët ndikon fuqishëm në intensitetin dhe drejtimin e përhapjes së valëve të zërit në inde, gjë që kryesisht çon në ortogonalitetin e prerjes së majës së gjilpërës.
Për të mbështetur zhvillimin e strategjive të reja të trajtimit të tumorit bazuar në përdorimin e teknikave mjekësore jo-invazive, u analizua në mënyrë analitike dhe llogaritëse përhapja e ultrazërit me frekuencë të ulët në mjedisin e tumorit.Në veçanti, në pjesën e parë të studimit, një zgjidhje e përkohshme elastodinamike na lejoi të studiojmë shpërndarjen e valëve tejzanor në sferoidet e tumorit të ngurtë me madhësi dhe ngurtësi të njohur për të studiuar ndjeshmërinë e frekuencës së masës.Më pas, u zgjodhën frekuenca të rendit të qindra kilohertz dhe aplikimi lokal i stresit të dridhjes në mjedisin e tumorit duke përdorur një makinë me gjilpërë mjekësore u modelua në simulim numerik duke studiuar ndikimin e parametrave kryesorë të projektimit që përcaktojnë transferimin e akustikës. fuqia e instrumentit ndaj mjedisit.Rezultatet tregojnë se gjilpërat mjekësore mund të përdoren në mënyrë efektive për të rrezatuar indet me ultratinguj dhe intensiteti i saj është i lidhur ngushtë me parametrin gjeometrik të gjilpërës, të quajtur gjatësia e valës akustike të punës.Në fakt, intensiteti i rrezatimit përmes indeve rritet me rritjen e diametrit të brendshëm të gjilpërës, duke arritur një maksimum kur diametri është trefishi i gjatësisë valore.Gjatësia e gjilpërës siguron gjithashtu një farë lirie për të optimizuar ekspozimin.Rezultati i fundit me të vërtetë maksimizohet kur gjatësia e gjilpërës vendoset në një shumëfish të caktuar të gjatësisë së valës së funksionimit (konkretisht 4 dhe 6).Është interesante se për diapazonin e frekuencës së interesit, vlerat e optimizuara të diametrit dhe gjatësisë janë afër atyre që përdoren zakonisht për gjilpërat standarde komerciale.Këndi i pjerrët, i cili përcakton mprehtësinë e gjilpërës, ndikon gjithashtu në emetim, duke arritur kulmin në rreth 50° dhe duke siguruar performancë të mirë në rreth 10°, gjë që përdoret zakonisht për gjilpëra komerciale..Rezultatet e simulimit do të përdoren për të udhëhequr zbatimin dhe optimizimin e platformës së diagnostikimit me gjilpërë të spitalit, duke integruar ultratingullin diagnostik dhe terapeutik me zgjidhje të tjera terapeutike në pajisje dhe duke realizuar ndërhyrjet bashkëpunuese të mjekësisë precize.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. dhe Kopp MV Çfarë është mjekësia precize?Eur, e huaj.Revista 50, 1700391 (2017).
Collins, FS dhe Varmus, H. Iniciativa të reja në mjekësinë precize.N. eng.J. Mjekësi.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK dhe Wang, MD.Informatika e imazhit biomjekësor në epokën e mjekësisë precize: Arritjet, sfidat dhe mundësitë.Jam.bar.informoj.Profesor asistent.20 (6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Onkologjia e saktë: një përmbledhje.J. Klinike.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. dhe Salem, A. Përmirësimi në terapinë e glioblastomës (GBM) duke përdorur një sistem shpërndarjeje të bazuar në nanogrimca.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G dhe von Daimling A. Glioblastoma: patologji, mekanizma molekularë dhe shënues.Neuropatologjia Acta.129 (6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM dhe Berger, MS Strategjitë aktuale dhe të ardhshme për trajtimin e gliomës.neurokirurgjia.Ed.40, 1–14 (2017).