Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Naggamit ka usa ka bersyon sa browser nga adunay limitado nga suporta sa CSS.Alang sa labing kaayo nga kasinatian, among girekomenda nga mogamit ka usa ka bag-ong browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Dugang pa, aron masiguro ang padayon nga suporta, gipakita namon ang site nga wala’y mga istilo ug JavaScript.
Mga slider nga nagpakita sa tulo ka mga artikulo matag slide.Gamita ang likod ug sunod nga mga buton sa paglihok sa mga slide, o ang slide controller nga mga buton sa katapusan aron sa paglihok sa matag slide.
Base sa interdisciplinary intersection sa physics ug life sciences, diagnostic ug therapeutic nga mga estratehiya base sa precision medicine bag-o lang nakadani ug dakong pagtagad tungod sa praktikal nga paggamit sa bag-ong mga pamaagi sa engineering sa daghang natad sa medisina, ilabina sa oncology.Sulod niini nga gambalay, ang paggamit sa ultrasound sa pag-atake sa mga selula sa kanser sa mga tumor aron sa pagpahinabo sa posibleng mekanikal nga kadaot sa nagkalain-laing mga timbangan nagdani sa dugang nga pagtagad gikan sa mga siyentipiko sa tibuok kalibutan.Gikonsiderar kini nga mga hinungdan, base sa elastodynamic timing nga mga solusyon ug numerical simulation, among gipresentar ang usa ka preliminary nga pagtuon sa computer simulation sa ultrasound propagation sa mga tisyu aron mapili ang angay nga mga frequency ug mga gahum pinaagi sa lokal nga irradiation.Bag-ong diagnostic nga plataporma alang sa laboratoryo nga On-Fiber nga teknolohiya, nga gitawag nga hospital needle ug patented na.Gituohan nga ang mga resulta sa pag-analisa ug mga may kalabutan nga biophysical nga mga panabut mahimong maghatag dalan alang sa bag-ong integrated diagnostic ug therapeutic nga mga pamaagi nga mahimo’g adunay hinungdanon nga papel sa aplikasyon sa tukma nga tambal sa umaabot, nga nagkuha gikan sa natad sa pisika.Nagsugod na ang nagkadako nga synergy tali sa biology .
Uban sa pag-optimize sa daghang mga klinikal nga aplikasyon, ang panginahanglan sa pagpakunhod sa mga epekto sa mga pasyente hinayhinay nga mitungha.Sa kini nga katuyoan, ang tukma nga tambal1, 2, 3, 4, 5 nahimo nga usa ka estratehikong katuyoan aron makunhuran ang dosis sa mga tambal nga gihatag sa mga pasyente, nga sa tinuud nagsunod sa duha nga panguna nga pamaagi.Ang una gibase sa usa ka pagtambal nga gidisenyo sumala sa genomic profile sa pasyente.Ang ikaduha, nga nahimong gold standard sa oncology, nagtumong sa paglikay sa systemic drug delivery procedures pinaagi sa pagsulay sa pagpagawas sa gamay nga kantidad sa tambal, samtang sa samang higayon nagdugang sa katukma pinaagi sa paggamit sa lokal nga terapiya.Ang katapusang tumong mao ang pagwagtang o labing menos pagpakunhod sa mga negatibong epekto sa daghang mga paagi sa pagtambal, sama sa chemotherapy o sistematikong pagdumala sa radionuclides.Depende sa matang sa kanser, lokasyon, dosis sa radiation, ug uban pang mga hinungdan, bisan ang radiation therapy mahimong adunay taas nga peligro sa himsog nga tisyu.Sa pagtambal sa glioblastoma6,7,8,9 nga operasyon malampuson nga nagtangtang sa nagpahiping kanser, apan bisan kung wala’y metastases, daghang gagmay nga mga infiltrate sa kanser ang mahimong naa.Kung dili kini hingpit nga makuha, ang bag-ong mga kanser nga masa mahimong motubo sulod sa mubo nga panahon.Niini nga konteksto, ang nahisgutan nga mga estratehiya sa tambal nga tukma lisud nga magamit tungod kay kini nga mga paglusot lisud nga makit-an ug mikaylap sa usa ka dako nga lugar.Kini nga mga babag makapugong sa depinitibo nga mga resulta sa pagpugong sa bisan unsa nga pagbalik uban sa tukma nga tambal, mao nga ang sistematikong mga pamaagi sa paghatod gipalabi sa pipila ka mga kaso, bisan pa ang mga tambal nga gigamit mahimong adunay taas kaayo nga lebel sa toxicity.Aron mabuntog kini nga problema, ang sulundon nga pamaagi sa pagtambal mao ang paggamit sa minimally invasive nga mga estratehiya nga makapili sa pag-atake sa mga selula sa kanser nga dili makaapekto sa himsog nga tisyu.Tungod niini nga argumento, ang paggamit sa ultrasonic vibrations, nga gipakita nga makaapekto sa kanser ug himsog nga mga selula sa lahi nga paagi, sa unicellular nga mga sistema ug sa mesoscale heterogeneous clusters, daw usa ka posible nga solusyon.
Gikan sa usa ka mekanikal nga punto sa panglantaw, ang himsog ug cancerous nga mga selula sa tinuod adunay lain-laing mga natural nga resonant frequency.Kini nga kabtangan nalangkit sa oncogenic nga mga pagbag-o sa mekanikal nga mga kabtangan sa cytoskeletal nga istruktura sa mga selula sa kanser12,13, samtang ang mga selula sa tumor, sa kasagaran, mas deformable kay sa normal nga mga selula.Busa, uban sa usa ka kamalaumon nga pagpili sa ultrasound frequency alang sa stimulation, vibrations aghat sa pinili nga mga dapit mahimong hinungdan sa kadaot sa buhi nga kanser nga mga gambalay, pagpamenos sa epekto sa himsog nga palibot sa host.Kini nga mga dili pa hingpit nga nasabtan nga mga epekto mahimong maglakip sa pagkaguba sa pipila nga mga sangkap sa istruktura sa cellular tungod sa taas nga frequency nga mga vibrations nga gipahinabo sa ultrasound (sa prinsipyo susama kaayo sa lithotripsy14) ug kadaot sa cellular tungod sa usa ka panghitabo nga susama sa mekanikal nga kakapoy, nga sa baylo mahimo’g magbag-o sa istruktura sa cellular. .programming ug mechanobiology.Bisan kung kini nga teoretikal nga solusyon daw angayan kaayo, sa kasubo dili kini magamit sa mga kaso diin ang anechoic biological nga mga istruktura nagpugong sa direkta nga paggamit sa ultrasound, pananglitan, sa mga intracranial nga aplikasyon tungod sa presensya sa bukog, ug ang pipila nga mga masa sa tumor sa suso nahimutang sa adipose. tissue.Ang attenuation mahimong limitahan ang lugar sa potensyal nga terapyutik nga epekto.Aron mabuntog kini nga mga problema, ang ultrasound kinahanglan nga magamit sa lokal nga adunay espesyal nga gidisenyo nga mga transduser nga makaabut sa lugar nga gi-irradiated nga dili kaayo invasively kutob sa mahimo.Uban niini sa hunahuna, among gikonsiderar ang posibilidad sa paggamit sa mga ideya nga may kalabutan sa posibilidad sa paghimo sa usa ka bag-o nga teknolohiya nga plataporma nga gitawag nga "needle hospital"15.Ang konsepto sa "Hospital sa Dagum" naglakip sa pagpalambo sa usa ka minimally invasive nga medikal nga instrumento alang sa diagnostic ug therapeutic nga mga aplikasyon, base sa kombinasyon sa lain-laing mga function sa usa ka medikal nga dagom.Sama sa gihisgutan sa dugang nga detalye sa seksyon sa Hospital Needle, kini nga compact device nag-una base sa mga bentaha sa 16, 17, 18, 19, 20, 21 fiber optic probes, nga, tungod sa ilang mga kinaiya, angay alang sa pagsal-ot sa standard 20 medikal nga dagom, 22 lumens.Ang paggamit sa pagka-flexible nga gihatag sa Lab-on-Fiber (LOF)23 nga teknolohiya, ang fiber epektibo nga nahimong usa ka talagsaon nga plataporma alang sa miniaturized ug andam nga gamiton nga diagnostic ug therapeutic nga mga himan, lakip ang fluid biopsy ug tissue biopsy nga mga himan.sa biomolecular detection24,25, light-guided local drug delivery26,27, high-precision local ultrasound imaging28, thermal therapy29,30 ug spectroscopy-based cancer tissue identification31.Sulod niini nga konsepto, gamit ang localization approach base sa "needle in the hospital" device, among gisusi ang posibilidad sa pag-optimize sa lokal nga stimulation sa resident biological structures pinaagi sa paggamit sa propagation sa ultrasound waves pinaagi sa mga dagom aron sa pag-excite sa ultrasound waves sulod sa rehiyon nga interesado..Sa ingon, ang low-intensity therapeutic ultrasound mahimong magamit direkta sa peligro nga lugar nga adunay gamay nga invasiveness alang sa mga sonicating cells ug gagmay nga solidong pormasyon sa humok nga mga tisyu, sama sa kaso sa nahisgutan nga intracranial nga operasyon, usa ka gamay nga lungag sa bagolbagol kinahanglan nga ibutang sa usa ka dagom.Nadasig sa bag-o nga teoretikal ug eksperimento nga mga resulta nga nagsugyot nga ang ultrasound makapahunong o makalangan sa pag-uswag sa pipila ka mga kanser, 32,33,34 ang gisugyot nga pamaagi mahimong makatabang sa pagsulbad, labing menos sa prinsipyo, ang mga mahinungdanong trade-off tali sa agresibo ug curative nga mga epekto.Uban niini nga mga konsiderasyon sa hunahuna, sa karon nga papel, among gisusi ang posibilidad sa paggamit sa usa ka in-hospital needle device alang sa minimally invasive nga ultrasound therapy alang sa kanser.Sa mas tukma, sa Scattering Analysis of Spherical Tumor Masses for Estimating Growth-Dependent Ultrasound Frequency section, naggamit kami og maayo nga natukod nga mga pamaagi sa elastodynamic ug acoustic scattering theory aron matagna ang gidak-on sa spherical solid tumor nga mitubo sa usa ka elastic medium.pagkagahi nga mahitabo tali sa tumor ug sa host tissue tungod sa pagtubo-induced remodeling sa materyal.Sa paghubit sa among sistema, nga among gitawag nga seksyon nga "Ospital sa Dagum", sa seksyon nga "Ospital sa Dagum", among analisahon ang pagpalapad sa mga ultrasonic waves pinaagi sa mga medikal nga dagom sa gitagna nga mga frequency ug ang ilang numerical nga modelo nagdan-ag sa palibot aron tun-an. ang nag-unang geometric nga mga parameter (ang aktuwal nga sulod nga diametro, gitas-on ug kahait sa dagom), nga nakaapekto sa pagpasa sa acoustic power sa instrumento.Tungod sa panginahanglan sa pagpalambo sa bag-ong mga estratehiya sa inhenyeriya alang sa tukma nga tambal, gituohan nga ang gisugyot nga pagtuon makatabang sa pagpalambo sa usa ka bag-ong himan alang sa pagtambal sa kanser base sa paggamit sa ultrasound nga gihatag pinaagi sa usa ka integrated theragnostic nga plataporma nga naghiusa sa ultrasound sa ubang mga solusyon.Gihiusa, sama sa gipunting nga paghatud sa tambal ug tinuod nga oras nga pagdayagnos sa sulod sa usa ka dagom.
Ang pagka-epektibo sa paghatag ug mekanismo nga mga estratehiya alang sa pagtambal sa mga localized solid tumor gamit ang ultrasonic (ultrasound) stimulation mao ang tumong sa daghang mga papel nga naghisgot sa theoretically ug experimentally sa epekto sa low-intensity ultrasonic vibrations sa single-cell system 10, 11, 12 Ang .Kini nga resulta nagsugyot nga, sa prinsipyo, ang mga selula sa tumor mahimong pilion nga atakehon sa mekanikal nga stimuli nga nagpreserbar sa host environment.Kini nga pamatasan usa ka direkta nga sangputanan sa yawe nga ebidensya nga, sa kadaghanan nga mga kaso, ang mga selula sa tumor mas malleable kaysa himsog nga mga selyula, posible aron mapalambo ang ilang abilidad sa pagdaghan ug paglalin37,38,39,40.Base sa mga resulta nga nakuha sa single cell models, eg sa microscale, ang selectivity sa cancer cells gipakita usab sa mesoscale pinaagi sa numerical studies sa harmonic responses sa heterogeneous cell aggregates.Naghatag ug lahi nga porsyento sa mga selula sa kanser ug himsog nga mga selula, ang mga multicellular aggregates gatusan ka micrometer ang gidak-on gitukod nga hierarchically.Sa mesolevel niini nga mga aggregates, ang pipila ka mga mikroskopiko nga bahin sa interes gipreserbar tungod sa direkta nga pagpatuman sa mga nag-unang mga elemento sa istruktura nga nagpaila sa mekanikal nga kinaiya sa usa ka selula.Sa partikular, ang matag cell naggamit sa usa ka tensegrity-based nga arkitektura aron masundog ang tubag sa nagkalain-laing prestressed cytoskeletal structures, sa ingon makaapekto sa ilang kinatibuk-ang pagkagahi12,13.Ang teoretikal nga mga panagna ug in vitro nga mga eksperimento sa mga literatura sa ibabaw naghatag og makapadasig nga mga resulta, nga nagpakita sa panginahanglan sa pagtuon sa pagkasensitibo sa mga masa sa tumor ngadto sa low-intensity therapeutic ultrasound (LITUS), ug ang pagtimbang-timbang sa frequency sa irradiation sa tumor masa mao ang mahinungdanon.posisyon LITUS para sa on-site nga aplikasyon.
Bisan pa, sa lebel sa tisyu, ang submacroscopic nga paghulagway sa indibidwal nga sangkap dili kalikayan nga nawala, ug ang mga kabtangan sa tisyu sa tumor mahimong masubay gamit ang sunud-sunod nga mga pamaagi aron masubay ang pagtubo sa masa ug mga proseso sa pagbag-o nga gipahinabo sa stress, nga gikonsiderar ang macroscopic nga mga epekto sa pagtubo.-gipahinabo nga mga pagbag-o sa elasticity sa tisyu sa sukod nga 41.42.Sa tinuud, dili sama sa unicellular ug aggregate nga mga sistema, ang mga solidong masa sa tumor motubo sa humok nga mga tisyu tungod sa anam-anam nga pagtipon sa mga aberrant residual stress, nga nagbag-o sa natural nga mekanikal nga mga kabtangan tungod sa pagtaas sa kinatibuk-ang pagkagahi sa intratumoral, ug ang tumor sclerosis kanunay nga usa ka hinungdan nga hinungdan sa. pagtuki sa tumor.
Uban niini nga mga konsiderasyon sa hunahuna, dinhi atong analisa ang sonodynamic nga tubag sa tumor spheroids gimodelo ingon pagkamaunat-unat spherical inklusyon nagtubo sa usa ka normal nga tissue palibot.Mas tukma, ang pagkamaunat-unat nga mga kabtangan nga may kalabutan sa yugto sa tumor gitino base sa teoretikal ug eksperimento nga mga resulta nga nakuha sa pipila ka mga tigsulat sa miaging trabaho.Lakip kanila, ang ebolusyon sa solid nga tumor spheroids mitubo sa vivo sa heterogeneous media gitun-an pinaagi sa pagpadapat sa non-linear mekanikal nga mga modelo 41,43,44 sa kombinasyon uban sa interspecies dynamics sa pagtag-an sa kalamboan sa tumor masa ug uban nga intratumoral stress.Sama sa gihisgutan sa ibabaw, ang pagtubo (pananglitan, inelastic prestretching) ug ang nahabilin nga stress hinungdan sa progresibong pagbag-o sa mga kabtangan sa materyal nga tumor, sa ingon usab nagbag-o sa tubag sa tunog niini.Importante nga hinumdoman nga sa ref.41 ang co-evolution sa pagtubo ug solidong stress sa mga tumor gipakita sa mga eksperimento nga kampanya sa mga modelo sa hayop.Sa partikular, ang pagtandi sa katig-a sa mga masa sa tumor sa suso nga gi-resected sa lain-laing mga yugto uban ang katig-a nga nakuha pinaagi sa pagkopya sa susamang mga kondisyon sa silico sa usa ka spherical finite element nga modelo nga adunay parehas nga mga dimensyon ug gikonsiderar ang gitagna nga nahabilin nga stress field nagpamatuod sa gisugyot nga pamaagi sa balido nga modelo..Sa kini nga trabaho, ang nakuha kaniadto nga teoretikal ug eksperimento nga mga resulta gigamit aron makahimo usa ka bag-ong naugmad nga estratehiya sa pagtambal.Sa partikular, ang gitagna nga mga gidak-on nga adunay katugbang nga ebolusyonaryong mga kabtangan sa pagsukol gikalkula dinhi, nga sa ingon gigamit sa pagbanabana sa frequency range diin ang mga masa sa tumor nga nasulod sa host environment mas sensitibo.Niini nga katuyoan, gisusi namon ang dinamikong pamatasan sa masa sa tumor sa lainlaing mga yugto, nga gikuha sa lainlaing mga yugto, nga gikonsiderar ang mga indikasyon sa acoustic uyon sa kasagarang gidawat nga prinsipyo sa pagsabwag agig tubag sa ultrasonic stimuli ug pagpasiugda sa posible nga resonant phenomena sa spheroid. .depende sa tumor ug host Mga kalainan nga nagsalig sa pagtubo sa pagkagahi tali sa mga tisyu.
Sa ingon, ang mga masa sa tumor gimodelo isip pagkamaunat-unat nga spheres sa radius \(a\) sa naglibot nga pagkamaunat-unat nga palibot sa host base sa eksperimento nga datos nga nagpakita kung giunsa pagtubo sa dagkong malignant nga mga istruktura sa situ sa spherical nga mga porma.Naghisgot sa Figure 1, gamit ang spherical coordinates \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (diin ang \(\theta\) ug \(\varphi\) nagrepresentar sa anomaliya nga anggulo ug azimuth angle matag usa), ang ang domain sa tumor nag-okupar sa Rehiyon nga nasulod sa himsog nga luna \({\ mathcal {V}}_{T}=\{(r,\theta,\varphi ):r\le a\}\) walay kinutuban nga rehiyon \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Naghisgot sa Supplementary Information (SI) alang sa usa ka kompleto nga paghulagway sa modelo sa matematika base sa maayo nga natukod nga elastodynamic nga basehan nga gitaho sa daghang mga literatura45,46,47,48, among gikonsiderar dinhi ang usa ka problema nga gihulagway sa usa ka axisymmetric oscillation mode.Kini nga pangagpas nagpasabut nga ang tanan nga mga variable sa sulod sa tumor ug himsog nga mga lugar independente sa azimuthal coordinate \(\varphi\) ug nga walay pagtuis nga mahitabo niini nga direksyon.Tungod niini, ang displacement ug stress fields makuha gikan sa duha ka scalar potentials \(\phi = \hat{\phi}\left({r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) ug \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , sila tagsa-tagsa nga may kalabutan sa usa ka longhitudinal wave ug shear wave, ang sulagma nga oras t tali sa surge \(\theta \) ug ang anggulo tali sa direksyon sa incident wave ug sa position vector \({\mathbf {x))\) ( sama sa gipakita sa numero 1) ug \(\omega = 2\pi f\) nagrepresentar sa angular frequency.Sa partikular, ang field sa insidente gimodelo sa plane wave \(\phi_{H}^{(in)}\) (gipaila usab sa SI system, sa equation (A.9)) nga nagpakaylap ngadto sa gidaghanon sa lawas. sumala sa ekspresyon sa balaod
diin ang \(\phi_{0}\) mao ang amplitude parameter.Ang spherical expansion sa usa ka incident plane wave (1) gamit ang spherical wave function mao ang standard argument:
Diin ang \(j_{n}\) mao ang spherical Bessel function sa unang matang sa han-ay \(n\), ug ang \(P_{n}\) mao ang Legendre polynomial.Ang bahin sa wave wave sa investment sphere nagkatag sa palibot nga medium ug nagsapaw sa field sa insidente, samtang ang laing bahin nagkatag sa sulod sa sphere, nga nakatampo sa pagkurog niini.Aron mahimo kini, ang mga harmonic nga solusyon sa wave equation \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) ug \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), nga gihatag pananglitan sa Eringen45 (tan-awa usab ang SI ) mahimong magpaila sa tumor ug himsog nga mga dapit.Sa partikular, ang nagkatibulaag nga mga balud sa pagpalapad ug mga isovolumic wave nga namugna sa medium nga host \(H\) miangkon sa ilang tagsa-tagsa ka potensyal nga kusog:
Lakip kanila, ang spherical Hankel function sa unang matang \(h_{n}^{(1)}\) gigamit sa pagkonsiderar sa outgoing scattered wave, ug \(\ alpha_{n}\) ug \(\beta_{ n}\ ) mao ang wala mailhi nga mga coefficient.sa equation.Sa mga equation (2)–(4), ang termino nga \(k_{H1}\) ug \(k_{H2}\) nagpasabot sa wave number sa rarefaction ug transverse waves sa main area sa lawas, matag usa ( tan-awa ang SI).Ang mga natad sa kompresyon sa sulod sa tumor ug mga pagbalhin adunay porma
Diin ang \(k_{T1}\) ug \(k_{T2}\) nagrepresentar sa longhitudinal ug transverse wave number sa tumor region, ug ang wala mailhi nga coefficients mao ang \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Base niini nga mga resulta, ang non-zero radial ug circumferential displacement nga mga sangkap maoy kinaiya sa himsog nga mga rehiyon sa problema nga gikonsiderar, sama sa \(u_{Hr}\) ug \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) dili na kinahanglan ang symmetry assumption) — makuha gikan sa relasyon \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \tuo) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) ug \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) pinaagi sa pagporma sa \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) ug \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (tan-awa ang SI para sa detalyado nga derivation sa matematika).Sa susama, ang pag-ilis sa \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) ug \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) mobalik {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \tuo) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) ug \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi)}\tuo)\).
(Wala) Geometry sa usa ka spherical nga tumor nga mitubo sa usa ka himsog nga palibot diin ang usa ka insidente nga natad nagpakaylap, (sa tuo) Katugbang nga ebolusyon sa tumor-host stiffness ratio isip usa ka function sa tumor radius, gitaho nga datos (gipahiangay gikan sa Carotenuto et al. 41) gikan sa mga pagsulay sa compression vitro nakuha gikan sa mga solidong tumor sa suso nga gisudlan sa mga selula sa MDA-MB-231.
Sa pag-ingon nga linear elastic ug isotropic nga mga materyales, ang mga non-zero nga stress nga mga sangkap sa himsog ug tumor nga mga rehiyon, ie \(\sigma_{Hpq}\) ug \(\sigma_{Tpq}\) – nagsunod sa generalized nga balaod ni Hooke, tungod kay adunay lahi ang Lamé moduli , nga nagpaila sa host ug tumor elasticity, gipunting nga \(\{\mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) ug \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (tan-awa ang Equation (A.11) para sa bug-os nga pagpahayag sa mga sangkap sa stress nga girepresentahan sa SI).Sa partikular, sumala sa datos sa reperensiya 41 ug gipresentar sa Figure 1, ang nagtubo nga mga tumor nagpakita sa usa ka kausaban sa tissue elasticity constants.Busa, ang mga displacement ug stress sa host ug tumor nga mga rehiyon hingpit nga determinado hangtod sa usa ka set sa wala mailhi nga mga constants \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) adunay theoretically infinite dimension.Aron makit-an kini nga mga coefficient vector, ang angay nga mga interface ug mga kondisyon sa utlanan tali sa tumor ug himsog nga mga lugar gipaila.Sa pag-ingon nga hingpit nga pagbugkos sa interface sa tumor-host \(r = a\), ang pagpadayon sa mga pagbalhin ug mga kapit-os nanginahanglan sa mosunod nga mga kondisyon:
Ang sistema (7) nagporma ug sistema sa mga equation nga adunay walay kinutuban nga mga solusyon.Dugang pa, ang matag kondisyon sa utlanan magdepende sa anomaliya \(\theta\).Aron makunhuran ang problema sa boundary value ngadto sa usa ka kompletong algebraic nga problema sa \(N\) sets sa closed system, ang matag usa niini anaa sa wala mailhi nga \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \ alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (uban sa \ ( N \ ngadto sa \infty \), sa teoriya), ug aron mawagtang ang pagsalig sa mga equation sa mga termino nga trigonometriko, ang mga kondisyon sa interface gisulat sa huyang nga porma gamit ang orthogonality sa Legendre polynomials.Sa partikular, ang equation (7)1,2 ug (7)3,4 gipadaghan sa \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) ug \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ug dayon i-integrate tali sa \(0\) ug \(\pi\) gamit ang mathematical identity:
Busa, ang kondisyon sa interface (7) mibalik ug quadratic algebraic equation system, nga mahimong ipahayag sa matrix nga porma nga \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) ug kuhaa ang wala mailhi nga \({{\varvec{\upxi}}}}_{n}\ ) pinaagi sa pagsulbad sa lagda ni Cramer .
Aron mabanabana ang kusog nga flux nga nagkatag sa sphere ug makakuha og kasayuran bahin sa acoustic nga tubag niini base sa datos sa nagkatibulaag nga field nga nagpakaylap sa host medium, usa ka acoustic nga gidaghanon ang interesado, nga usa ka normalized bistatic scattering cross section.Sa partikular, ang scattering cross section, denoted \(s), nagpahayag sa ratio tali sa acoustic power nga gipasa sa nagkatag nga signal ug sa dibisyon sa enerhiya nga gidala sa incident wave.Niining bahina, ang gidak-on sa porma nga function \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) maoy kanunay nga gigamit nga gidaghanon sa pagtuon sa acoustic mechanisms nasulod sa usa ka likido o solid Pagsabwag sa mga butang sa linugdang.Sa mas tukma, ang amplitude sa function sa porma gihubit ingon ang differential scattering cross section \(ds\) kada unit area, nga lahi sa normal ngadto sa direksyon sa pagpalapad sa incident wave:
diin ang \(f_{n}^{pp}\) ug \(f_{n}^{ps}\) nagpaila sa modal function, nga nagtumong sa ratio sa mga gahum sa longhitudinal wave ug sa scattered wave nga may kalabotan sa insidente P-wave sa nakadawat nga medium, sa tinagsa, gihatag uban sa mosunod nga mga ekspresyon:
Ang partial wave functions (10) mahimong tun-an nga independente subay sa resonant scattering theory (RST)49,50,51,52, nga nagpaposible sa pagbulag sa target elasticity gikan sa total stray field sa dihang magtuon sa lain-laing mga mode.Sumala niini nga pamaagi, ang modal form function mahimong decomposed ngadto sa usa ka sum sa duha ka managsama nga bahin, nga mao ang \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) nalangkit sa resonant ug nonresonant nga background amplitudes, matag usa.Ang function sa porma sa resonant mode nalangkit sa tubag sa target, samtang ang background kasagaran nalangkit sa porma sa scatterer.Aron mahibal-an ang unang porma sa target alang sa matag mode, ang amplitude sa modal resonance shape function \(\left| {f_{n}^{(res)} \left(\theta \right)} \right|\ ) kalkulado nga nag-asumer sa usa ka gahi nga background, nga naglangkob sa dili masulud nga mga sphere sa usa ka pagkamaunat nga materyal sa host.Kini nga pangagpas gipalihok sa kamatuoran nga, sa kinatibuk-an, ang pareho nga pagkagahi ug densidad nga pagtaas sa pagtubo sa masa sa tumor tungod sa nahabilin nga compressive stress.Busa, sa usa ka grabe nga lebel sa pagtubo, ang impedance ratio \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) gilauman nga labaw pa sa 1 alang sa kadaghanan sa mga macroscopic solid nga tumor nga nag-uswag sa humok. mga tisyu.Pananglitan, Krouskop et al.53 nagtaho sa ratio sa cancerous ngadto sa normal nga modulus nga mga 4 para sa prostate tissue, samtang kini nga value misaka ngadto sa 20 para sa breast tissue samples.Kini nga mga relasyon dili kalikayan nga magbag-o sa acoustic impedance sa tisyu, ingon nga gipakita usab sa pag-analisa sa elastography54,55,56, ug mahimong may kalabutan sa lokal nga pagpalapot sa tisyu tungod sa hyperproliferation sa tumor.Kini nga kalainan naobserbahan usab nga eksperimento sa yano nga mga pagsulay sa compression sa mga bloke sa tumor sa suso nga gipatubo sa lainlaing mga yugto32, ug ang pagbag-o sa materyal mahimo’g masunod nga maayo sa mga predictive nga cross-species nga mga modelo sa non-linearly nga nagtubo nga mga tumor43,44.Ang data sa pagkagahi nga nakuha direktang may kalabutan sa ebolusyon sa Young's modulus sa solid tumor sumala sa pormula \(E_{T} = S\left({1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( mga sphere nga may radius \(a\), stiffness \(S\) ug Poisson's ratio \(\nu\) tali sa duha ka gahi nga plato 57, sama sa gipakita sa Figure 1).Sa ingon, posible nga makakuha og mga pagsukod sa acoustic impedance sa tumor ug sa host sa lainlaing lebel sa pagtubo.Sa partikular, kon itandi sa modulus sa normal nga tisyu nga katumbas sa 2 kPa sa Fig. 1, ang pagkamaunat-unat modulus sa mga tumor sa dughan sa gidaghanon sa gidaghanon sa mga 500 ngadto sa 1250 mm3 miresulta sa usa ka pagtaas gikan sa mga 10 kPa ngadto sa 16 kPa, nga mao ang nahiuyon sa gitaho nga datos.sa mga pakisayran 58, 59 nakit-an nga ang presyur sa mga sample sa tisyu sa suso mao ang 0.25-4 kPa nga adunay nawala nga precompression.Hunahunaa usab nga ang ratio sa Poisson sa usa ka hapit dili mapilit nga tisyu mao ang 41.60, nga nagpasabut nga ang densidad sa tisyu dili mabag-o pag-ayo samtang nagdugang ang gidaghanon.Sa partikular, ang kasagarang mass population density \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 gigamit.Uban niini nga mga konsiderasyon, ang pagkagahi mahimong makuha sa usa ka background mode gamit ang mosunod nga ekspresyon:
Diin ang wala mahibal-an nga kanunay nga \(\widehat{{{\varvec{\upxi)))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) mahimong kwentahon nga gikonsiderar ang pagpadayon bias ( 7 )2,4, sa ato pa, pinaagi sa pagsulbad sa algebraic system \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) nga naglambigit sa mga menor de edad\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ug ang katugbang nga gipasimple nga column vector\(\widehat { {\mathbf {q}}}}_{n} (а)\). \left({res} \tuo)\,pp}} \left( \theta \tuo)} \tuo| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \tuo) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) ug \( \left|{f_{n}^{{\left({res} \right)\,ps} } \left( \theta \tuo)} \tuo|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \tuo) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \ right)} \ right|\) nagtumong sa P-wave excitation ug P- ug S-wave reflection, matag usa.Dugang pa, ang unang amplitude gibanabana nga \(\theta = \pi\), ug ang ikaduhang amplitude gibanabana nga \(\theta = \pi/4\).Pinaagi sa pagkarga sa lainlaing mga kabtangan sa komposisyon.Gipakita sa Figure 2 nga ang mga resonant nga bahin sa tumor spheroids hangtod sa mga 15 mm ang diyametro nag-una nga gikonsentrahan sa frequency band nga 50-400 kHz, nga nagpakita sa posibilidad sa paggamit sa low-frequency nga ultrasound aron mapukaw ang resonant nga pagpukaw sa tumor.mga selula.Daghan sa.Niini nga frequency band, ang RST analysis nagpadayag sa single-mode formants alang sa mga mode 1 ngadto sa 6, nga gipasiugda sa Figure 3. Dinhi, ang pp- ug ps-scattered waves nagpakita sa mga porma sa unang matang, nga nahitabo sa ubos kaayo nga frequency, nga misaka gikan sa mga 20 kHz para sa mode 1 ngadto sa mga 60 kHz para sa n = 6, nga nagpakita nga walay mahinungdanong kalainan sa sphere radius.Ang resonant function ps unya madunot, samtang ang kombinasyon sa dako nga amplitude pp formants naghatag sa usa ka periodicity sa mga 60 kHz, nga nagpakita sa usa ka mas taas nga frequency pagbalhin uban sa pagdugang sa gidaghanon sa mode.Ang tanan nga pag-analisar gihimo gamit ang Mathematica®62 computing software.
Ang backscatter nga porma nga mga gimbuhaton nga nakuha gikan sa module sa mga tumor sa suso sa lain-laing mga gidak-on gipakita sa Fig. 1, diin ang pinakataas nga scattering bands gipasiugda sa pagkuha sa account mode superposition.
Ang mga resonance sa pinili nga mga mode gikan sa \(n = 1\) ngadto sa \(n = 6\), kalkulado sa paghinam-hinam ug pagpamalandong sa P-wave sa lain-laing mga gidak-on sa tumor (itom nga mga kurba gikan sa \(\ wala | {f_{ n} ^ {{\ wala( {res} \tuo)\,pp}} \wala( \pi \tuo)} \tuo| = {f_{n}^{pp} \wala ( \pi \ tuo) –. f_{n }^{pp(b)} \left(\pi \right)} \right|\)) ug P-wave excitation ug S-wave reflection (gray curves nga gihatag sa modal shape function \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \tuo)\,ps}} \left( {\pi /4} \tuo)} \tuo| = {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \tuo) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \tuo)} \tuo |\)).
Ang mga resulta niining preliminary analysis gamit ang far-field propagation nga kondisyon makagiya sa pagpili sa drive-specific drive frequency sa mosunod nga numerical simulations aron tun-an ang epekto sa microvibration stress sa masa.Gipakita sa mga resulta nga ang pag-calibrate sa kamalaumon nga mga frequency mahimong espesipiko sa yugto sa panahon sa pagtubo sa tumor ug mahimong matino gamit ang mga resulta sa mga modelo sa pagtubo aron matukod ang biomechanical nga mga estratehiya nga gigamit sa therapy sa sakit aron husto nga matagna ang pagbag-o sa tisyu.
Mahinungdanon nga pag-uswag sa nanotechnology ang nagduso sa siyentipikong komunidad aron makapangita mga bag-ong solusyon ug pamaagi aron mapalambo ang miniaturized ug minimally invasive nga mga medikal nga aparato para sa mga aplikasyon sa vivo.Niini nga konteksto, ang teknolohiya sa LOF nagpakita sa usa ka talagsaon nga abilidad sa pagpalapad sa mga kapabilidad sa optical fibers, nga makapahimo sa pagpalambo sa bag-ong minimally invasive fiber optic nga mga himan alang sa mga aplikasyon sa life science21, 63, 64, 65. Ang ideya sa paghiusa sa 2D ug 3D nga mga materyales nga adunay gitinguha nga kemikal, biyolohikal, ug optical nga mga kabtangan sa mga kilid 25 ug / o nagtapos sa 64 sa optical fibers nga adunay bug-os nga spatial control sa nanoscale modala ngadto sa pagtunga sa usa ka bag-ong klase sa fiber optic nanooptodes.adunay daghang halapad nga diagnostic ug therapeutic function.Makaiikag, tungod sa ilang geometric ug mekanikal nga mga kabtangan (gamay nga cross section, dako nga aspeto nga ratio, pagka-flexible, ubos nga gibug-aton) ug ang biocompatibility sa mga materyales (kasagaran bildo o polymers), ang mga optical fiber maayo nga haum alang sa pagsulod sa mga dagom ug mga catheter.Medikal nga mga aplikasyon20, naghatag ug dalan alang sa bag-ong panan-awon sa “needle hospital” (tan-awa ang Figure 4).
Sa tinuud, tungod sa mga lebel sa kagawasan nga gihatag sa teknolohiya sa LOF, pinaagi sa paggamit sa panagsama sa micro- ug nanostructures nga gihimo gikan sa lainlaing mga metal ug / o dielectric nga mga materyales, ang mga optical fibers mahimong magamit sa husto alang sa piho nga mga aplikasyon nga kanunay nga nagsuporta sa resonant mode excitation., Ang kahayag nga kapatagan 21 lig-on nga posisyon.Ang pagkupot sa kahayag sa subwavelength nga sukdanan, kasagaran inubanan sa kemikal ug/o biolohikal nga pagproseso63 ug ang paghiusa sa mga sensitibong materyales sama sa smart polymers65,66 makapalambo sa kontrol sa interaksyon sa kahayag ug butang, nga mahimong mapuslanon alang sa theranostic nga mga katuyoan.Ang pagpili sa tipo ug gidak-on sa hiniusa nga mga sangkap/materyal tataw nga nagdepende sa pisikal, biolohikal o kemikal nga mga parametro nga mamatikdan21,63.
Ang pag-integrate sa LOF nga mga probe ngadto sa mga medikal nga dagom nga gitumong ngadto sa piho nga mga dapit sa lawas makahimo sa lokal nga fluid ug tissue biopsy sa vivo, nga magtugot sa dungan nga lokal nga pagtambal, pagkunhod sa mga side effect ug pagdugang sa kahusayan.Ang mga potensyal nga oportunidad naglakip sa pag-ila sa lainlaing mga biomolecules nga nagpalibot, lakip ang kanser.biomarkers o microRNAs (miRNAs)67, pag-ila sa mga cancerous tissue gamit ang linear ug non-linear spectroscopy sama sa Raman spectroscopy (SERS)31, high-resolution photoacoustic imaging22,28,68, laser surgery ug ablation69, ug local delivery drugs gamit ang light27 ug awtomatik nga paggiya sa mga dagom ngadto sa lawas sa tawo20.Angayan nga matikdan nga bisan kung ang paggamit sa mga optical fiber naglikay sa kasagaran nga mga disbentaha sa "klasikal" nga mga pamaagi nga gibase sa mga elektronik nga sangkap, sama sa panginahanglan alang sa mga koneksyon sa elektrisidad ug ang presensya sa electromagnetic interference, kini nagtugot sa lainlaing mga sensor sa LOF nga epektibo nga gisagol sa sistema.usa ka medikal nga dagom.Ang partikular nga pagtagad kinahanglan ibayad sa pagkunhod sa makadaot nga mga epekto sama sa polusyon, optical interference, pisikal nga mga obstructions nga hinungdan sa crosstalk nga mga epekto tali sa lain-laing mga gimbuhaton.Bisan pa, tinuod usab nga daghang mga gimbuhaton nga gihisgutan dili kinahanglan nga aktibo sa parehas nga oras.Kini nga aspeto nagpaposible sa labing menos pagpakunhod sa pagpanghilabot, sa ingon gilimitahan ang negatibo nga epekto sa pasundayag sa matag pagsusi ug ang katukma sa pamaagi.Kini nga mga konsiderasyon nagtugot kanato sa pagtan-aw sa konsepto sa "dagom sa ospital" isip usa ka yano nga panan-awon sa pagpahimutang sa usa ka lig-on nga pundasyon alang sa sunod nga henerasyon sa mga therapeutic needles sa mga siyensya sa kinabuhi.
Mahitungod sa espesipikong aplikasyon nga gihisgutan niini nga papel, sa sunod nga seksyon atong imbestigahan ang gidaghanon sa abilidad sa usa ka medikal nga dagom sa pagdirekta sa mga ultrasonic waves ngadto sa mga tisyu sa tawo gamit ang ilang pagpadaghan sa axis niini.
Pagpakaylap sa mga ultrasonic waves pinaagi sa usa ka medikal nga dagom nga napuno sa tubig ug gisal-ut ngadto sa humok nga mga tisyu (tan-awa ang diagram sa Fig. 5a) gimodelo gamit ang komersyal nga Comsol Multiphysics software nga gibase sa finite element method (FEM)70, diin ang dagom ug tissue gimodelo ingon linear elastic nga palibot.
Naghisgot sa Figure 5b, ang dagom gimodelo isip usa ka hollow cylinder (nailhan usab nga "cannula") nga hinimo sa stainless steel, usa ka standard nga materyal alang sa medikal nga mga dagom71.Sa partikular, kini gimodelo sa Young's modulus E = 205 GPa, Poisson's ratio ν = 0.28, ug densidad ρ = 7850 kg m −372.73.Sa geometriko, ang dagom gihulagway sa usa ka gitas-on L, usa ka internal nga diametro D (gitawag usab nga "clearance") ug usa ka gibag-on sa dingding t.Dugang pa, ang tumoy sa dagom giisip nga hilig sa usa ka anggulo α nga may kalabotan sa longhitudinal nga direksyon (z).Ang gidaghanon sa tubig sa esensya katumbas sa porma sa sulod nga rehiyon sa dagom.Niini nga pasiuna nga pagtuki, ang dagom gituohan nga bug-os nga naunlod sa usa ka rehiyon sa tisyu (gihunahuna nga molugway hangtod sa hangtod), nga gimodelo isip usa ka sphere sa radius rs, nga nagpabilin nga makanunayon sa 85 mm sa panahon sa tanan nga mga simulation.Sa dugang nga detalye, atong tapuson ang spherical nga rehiyon nga adunay usa ka perfectly matched layer (PML), nga labing menos makapamenos sa dili gusto nga mga balud nga makita gikan sa "hinanduraw" nga mga utlanan.Gipili dayon namo ang radius rs aron ibutang ang spherical domain boundary nga layo sa dagom nga dili makaapekto sa computational solution, ug gamay nga dili makaapekto sa computational cost sa simulation.
Ang usa ka harmonic longitudinal nga pagbalhin sa frequency f ug amplitude A gigamit sa ubos nga utlanan sa stylus geometry;Kini nga sitwasyon nagrepresentar sa usa ka input stimulus nga gigamit sa simulate geometry.Sa nahabilin nga mga utlanan sa dagom (sa pagkontak sa tisyu ug tubig), ang gidawat nga modelo gikonsiderar nga naglakip sa usa ka relasyon tali sa duha ka pisikal nga panghitabo, usa niini may kalabutan sa structural mechanics (alang sa lugar sa dagom), ug ang usa ngadto sa structural mechanics.(alang sa acicular nga rehiyon), mao nga ang katugbang nga mga kondisyon gipahamtang sa acoustics (alang sa tubig ug sa acicular nga rehiyon)74.Sa partikular, ang gagmay nga mga pagkurog nga gipadapat sa lingkoranan sa dagom hinungdan sa gagmay nga mga pagsamok sa boltahe;sa ingon, sa paghunahuna nga ang dagom naglihok sama sa usa ka pagkamaunat-unat nga medium, ang displacement vector U mahimong mabanabana gikan sa elastodynamic equilibrium equation (Navier)75.Ang mga istruktura nga oscillations sa dagom hinungdan sa mga pagbag-o sa presyur sa tubig sa sulod niini (gikonsiderar nga wala’y hunong sa among modelo), ingon usa ka sangputanan diin ang mga balud sa tunog nagpakaylap sa longhitudinal nga direksyon sa dagom, nga hinungdanon nga nagsunod sa equation sa Helmholtz76.Sa katapusan, sa paghunahuna nga ang mga nonlinear nga epekto sa mga tisyu wala’y hinungdan ug nga ang amplitude sa mga balud sa paggunting labi ka gamay kaysa sa amplitude sa mga balud sa presyur, ang equation sa Helmholtz mahimo usab nga magamit sa pagmodelo sa pagpadaghan sa mga acoustic wave sa humok nga mga tisyu.Pagkahuman niini nga pagbanabana, ang tisyu gikonsiderar nga usa ka likido77 nga adunay density nga 1000 kg / m3 ug usa ka katulin sa tunog nga 1540 m / s (wala magtagad sa mga epekto sa damping nga nagsalig sa frequency).Aron makonektar kining duha ka pisikal nga mga natad, gikinahanglan aron maseguro ang pagpadayon sa normal nga paglihok sa utlanan sa solid ug likido, ang static nga panimbang tali sa pressure ug stress nga patindog sa utlanan sa solid, ug ang tangential stress sa utlanan sa Ang likido kinahanglan nga katumbas sa zero.75 .
Sa among pag-analisar, among giimbestigahan ang pagpalapad sa mga acoustic waves sa usa ka dagum ubos sa mga kondisyon nga wala'y hunong, nga nagpunting sa impluwensya sa geometry sa dagum sa pagpagawas sa mga balud sa sulod sa tisyu.Sa partikular, among gisusi ang impluwensya sa sulod nga diyametro sa dagom D, ang gitas-on L ug ang bevel angle α, nga nagpabilin ang gibag-on nga t nga gitakda sa 500 µm alang sa tanan nga mga kaso nga gitun-an.Kini nga kantidad sa t duol sa tipikal nga sukaranan nga gibag-on sa dingding 71 alang sa komersyal nga mga dagom.
Kung walay pagkawala sa kinatibuk-an, ang frequency f sa harmonic displacement nga gigamit sa base sa dagum gikuha nga katumbas sa 100 kHz, ug ang amplitude A mao ang 1 μm.Sa partikular, ang frequency gitakda sa 100 kHz, nga nahiuyon sa analytical nga mga banabana nga gihatag sa seksyon nga "Pagsabwag sa pag-analisa sa spherical nga mga masa sa tumor aron mabanabana ang mga frequency sa ultrasound nga nagsalig sa pagtubo", diin ang usa ka resonance-sama nga pamatasan sa mga masa sa tumor nakit-an sa ang frequency range nga 50-400 kHz, nga adunay pinakadako nga scattering amplitude nga gikonsentrar sa ubos nga frequency sa palibot sa 100-200 kHz (tan-awa ang Fig. 2).
Ang unang parameter nga gitun-an mao ang internal diameter D sa dagum.Alang sa kasayon, kini gihubit ingong integer nga tipik sa acoustic wave nga gitas-on sa lungag sa dagom (ie, sa tubig λW = 1.5 mm).Sa tinuud, ang mga panghitabo sa pagpalapad sa balud sa mga aparato nga gihulagway sa usa ka gihatag nga geometry (pananglitan, sa usa ka waveguide) kanunay nagdepende sa kinaiya nga gidak-on sa geometry nga gigamit kung itandi sa wavelength sa nagpakaylap nga balud.Dugang pa, sa una nga pag-analisar, aron mas maayo nga ipasiugda ang epekto sa diametro D sa pagpadaghan sa acoustic wave pinaagi sa dagum, among gikonsiderar ang usa ka patag nga tumoy, nga nagbutang sa anggulo α = 90 °.Atol niini nga pagtuki, ang dagom nga gitas-on L gitakda sa 70 mm.
Sa fig.Ang 6a nagpakita sa kasagaran nga intensity sa tingog isip usa ka function sa walay sukod nga scale parameter SD, ie D = λW/SD nga gisusi sa usa ka sphere nga adunay radius nga 10 mm nga nakasentro sa katugbang nga tumoy sa dagom.Ang scaling parameter SD nagbag-o gikan sa 2 hangtod 6, ie gikonsiderar namon ang mga kantidad sa D gikan sa 7.5 mm hangtod 2.5 mm (sa f = 100 kHz).Ang range naglakip usab sa standard value nga 71 alang sa stainless steel medical needles.Sama sa gipaabot, ang sulod nga diametro sa dagom makaapekto sa intensity sa tingog nga gipagawas sa dagom, nga adunay labing taas nga kantidad (1030 W/m2) nga katumbas sa D = λW/3 (ie D = 5 mm) ug usa ka pagkunhod sa uso sa pagkunhod. diametro.Kinahanglan nga hinumdoman nga ang diametro D usa ka geometric nga parameter nga nakaapekto usab sa invasiveness sa usa ka medikal nga aparato, busa kini nga kritikal nga aspeto dili mabalewala kung gipili ang labing kamalaumon nga kantidad.Busa, bisan kung ang pagkunhod sa D mahitabo tungod sa mas ubos nga transmission sa acoustic intensity sa mga tisyu, alang sa mosunod nga mga pagtuon, ang diametro D = λW/5, ie D = 3 mm (katumbas sa 11G71 standard sa f = 100 kHz) , giisip nga usa ka makatarunganon nga pagkompromiso tali sa pagkalusot sa aparato ug pagpasa sa intensity sa tunog (aberids nga mga 450 W/m2).
Ang kasagaran nga intensity sa tingog nga gipagawas sa tumoy sa dagom (gikonsiderar nga patag), depende sa sulod nga diametro sa dagom (a), gitas-on (b) ug bevel anggulo α (c).Ang gitas-on sa (a, c) 90 mm, ug ang diametro sa (b, c) 3 mm.
Ang sunod nga parameter nga tukion mao ang gitas-on sa dagom L. Sama sa miaging case study, atong gikonsiderar ang usa ka oblique angle α = 90° ug ang gitas-on gi-scale isip multiple sa wavelength sa tubig, ie consider L = SL λW .Ang walay sukod nga scale parameter SL giusab gikan sa 3 sa 7, sa ingon gibanabana ang kasagaran nga intensity sa tingog nga gipagawas sa tumoy sa dagom sa gitas-on gikan sa 4.5 hangtod 10.5 mm.Kini nga sakup naglakip sa tipikal nga mga kantidad alang sa komersyal nga mga dagom.Ang mga resulta gipakita sa fig.6b, nga nagpakita nga ang gitas-on sa dagom, L, adunay dakong impluwensya sa pagpasa sa sound intensity sa mga tisyu.Sa piho, ang pag-optimize sa kini nga parameter nagpaposible sa pagpaayo sa transmission sa hapit usa ka han-ay sa kadako.Sa tinuud, sa gi-analisa nga gitas-on sa gitas-on, ang kasagaran nga intensity sa tunog nagkuha sa usa ka lokal nga maximum nga 3116 W/m2 sa SL = 4 (ie, L = 60 mm), ug ang lain katumbas sa SL = 6 (ie, L = 90 mm).
Human sa pag-analisar sa impluwensya sa diametro ug gitas-on sa dagom sa pagpadaghan sa ultrasound sa cylindrical geometry, among gipunting ang impluwensya sa anggulo sa bevel sa pagpasa sa sound intensity sa mga tisyu.Ang aberids nga intensity sa tingog nga naggikan sa fiber tip gi-evaluate isip function sa anggulo α, nag-usab sa bili niini gikan sa 10° (hait nga tip) ngadto sa 90° (flat tip).Sa kini nga kaso, ang radius sa integrating sphere sa palibot sa gikonsiderar nga tumoy sa dagum mao ang 20 mm, aron sa tanan nga mga kantidad sa α, ang tumoy sa dagum gilakip sa gidaghanon nga gikalkula gikan sa kasagaran.
Ingon sa gipakita sa fig.6c, kung ang tumoy gipahait, ie, kung ang α mikunhod sugod sa 90 °, ang intensity sa gipasa nga tunog nagdugang, nga nakaabut sa labing taas nga kantidad nga mga 1.5 × 105 W / m2, nga katumbas sa α = 50 °, ieie, 2 mao ang usa ka han-ay sa magnitude nga mas taas kay sa patag nga estado.Uban sa dugang nga pagpahait sa tumoy (ie, sa α ubos sa 50°), ang tingog intensity lagmit sa pagkunhod, pagkab-ot sa mga bili nga ikatandi sa usa ka flattened tip.Bisan pa, bisan kung gikonsiderar namon ang usa ka halapad nga mga anggulo sa bevel alang sa among mga simulation, angay nga hunahunaon nga ang pagpahait sa tumoy gikinahanglan aron mapadali ang pagpasok sa dagom sa tisyu.Sa pagkatinuod, ang mas gamay nga anggulo sa bevel (mga 10°) makapakunhod sa puwersa 78 nga gikinahanglan aron makalusot sa tisyu.
Dugang pa sa bili sa sound intensity nga gipasa sulod sa tissue, ang bevel angle makaapekto usab sa direksyon sa wave propagation, sama sa gipakita sa sound pressure level graphs nga gipakita sa Fig. 7a (alang sa flat tip) ug 3b (alang sa 10 °). ).beveled tip), parallel Ang longhitudinal nga direksyon gi-evaluate sa plane of symmetry (yz, cf. Fig. 5).Sa sobra niining duha ka mga konsiderasyon, ang lebel sa presyur sa tingog (gitawag nga 1 µPa) nag-una nga gikonsentrar sulod sa lungag sa dagom (ie sa tubig) ug gisabwag ngadto sa tisyu.Sa dugang nga detalye, sa kaso sa usa ka patag nga tumoy (Fig. 7a), ang pag-apod-apod sa lebel sa presyur sa tingog hingpit nga simetriko kalabot sa longhitudinal nga direksyon, ug ang nagbarog nga mga balud mahimong mailhan sa tubig nga nagpuno sa lawas.Ang balud gipunting nga longitudinally (z-axis), ang amplitude nakaabot sa labing taas nga kantidad sa tubig (mga 240 dB) ug mikunhod nga transversely, nga nagdala sa usa ka attenuation nga mga 20 dB sa gilay-on nga 10 mm gikan sa sentro sa dagum.Sama sa gipaabot, ang pagpaila sa usa ka talinis nga tumoy (Fig. 7b) nagbungkag niini nga simetriya, ug ang mga antinodes sa nagbarog nga mga balod "nagtipas" sumala sa tumoy sa dagom.Dayag, kini nga asymmetry makaapekto sa radiation intensity sa tumoy sa dagom, sama sa gihulagway sa sayo pa (Fig. 6c).Aron mas masabtan kini nga aspeto, ang acoustic intensity gisusi sa usa ka cut line orthogonal ngadto sa longhitudinal nga direksyon sa dagum, nga nahimutang sa eroplano sa simetriya sa dagum ug nahimutang sa gilay-on nga 10 mm gikan sa tumoy sa dagom ( resulta sa Figure 7c).Labaw nga espesipiko, ang sound intensity distributions nga gi-assess sa 10 °, 20 ° ug 30 ° oblique nga mga anggulo (asul, pula ug berde nga solidong mga linya, matag usa) gitandi sa pag-apod-apod duol sa patag nga tumoy (itom nga tuldok nga mga kurba).Ang pag-apud-apod sa intensity nga nalangkit sa flat-tipped nga dagom makita nga simetriko bahin sa sentro sa dagom.Sa partikular, kini nagkinahanglan sa usa ka bili sa mga 1420 W/m2 sa sentro, usa ka pag-awas sa mga 300 W/m2 sa gilay-on nga ~8 mm, ug unya mikunhod ngadto sa usa ka bili sa mga 170 W/m2 sa ~30 mm. .Samtang ang tumoy mahimong tudlo, ang sentral nga lobe nabahin sa daghang mga lobe nga lainlain ang intensidad.Labaw nga espesipiko, kung ang α 30 °, tulo ka mga petals ang klaro nga mailhan sa profile nga gisukod sa 1 mm gikan sa tumoy sa dagom.Ang sentro hapit sa sentro sa dagom ug adunay gibanabana nga kantidad nga 1850 W / m2, ug ang mas taas sa tuo mga 19 mm gikan sa sentro ug moabot sa 2625 W / m2.Sa α = 20°, adunay 2 ka nag-unang lobes: usa kada −12 mm sa 1785 W/m2 ug usa kada 14 mm sa 1524 W/m2.Kung ang tumoy mahimong labi ka hait ug ang anggulo moabot sa 10 °, ang labing kataas nga 817 W / m2 maabut sa mga -20 mm, ug tulo pa nga lobes nga gamay nga gamay nga intensity ang makita sa profile.
Ang lebel sa presyur sa tunog sa eroplano nga simetriya y–z sa dagom nga adunay patag nga tumoy (a) ug 10° bevel (b).(c) Acoustic intensity distribution gibana-bana sa usa ka cut line perpendicular sa longhitudinal nga direksyon sa dagom, sa gilay-on nga 10 mm gikan sa tumoy sa dagom ug nahimutang sa eroplano sa simetriya yz.Ang gitas-on sa L mao ang 70 mm ug ang diametro D mao ang 3 mm.
Sa tingub, kini nga mga resulta nagpakita nga ang medikal nga mga dagom mahimong epektibong gamiton sa pagpasa sa ultrasound sa 100 kHz ngadto sa humok nga tisyu.Ang kakusog sa gipagawas nga tunog nagdepende sa geometry sa dagom ug mahimong ma-optimize (gipailalom sa mga limitasyon nga gipahamtang sa invasiveness sa end device) hangtod sa mga kantidad sa sakup nga 1000 W / m2 (sa 10 mm).gibutang sa ubos sa dagom 1. Sa kaso sa usa ka micrometer offset, ang dagom giisip nga bug-os nga gisal-ut ngadto sa walay katapusan nga pagpalapad humok nga tissue.Sa partikular, ang anggulo sa bevel kusog nga nakaapekto sa intensity ug direksyon sa pagpadaghan sa mga sound wave sa tisyu, nga panguna nga nagdala sa orthogonality sa pagputol sa tip sa dagum.
Aron suportahan ang pagpalambo sa bag-ong mga estratehiya sa pagtambal sa tumor base sa paggamit sa non-invasive nga medikal nga mga teknik, ang pagpadaghan sa low-frequency nga ultrasound sa tumor environment gisusi sa analytically ug computationally.Sa partikular, sa unang bahin sa pagtuon, ang usa ka temporaryo nga elastodynamic nga solusyon nagtugot kanamo sa pagtuon sa pagkatibulaag sa mga ultrasonic waves sa solid nga tumor spheroids nga nailhan nga gidak-on ug kagahi aron sa pagtuon sa frequency sensitivity sa masa.Dayon, ang mga frequency sa han-ay sa gatusan ka kilohertz gipili, ug ang lokal nga aplikasyon sa vibration stress sa tumor environment gamit ang medical needle drive gimodelo sa numerical simulation pinaagi sa pagtuon sa impluwensya sa mga nag-unang mga parameter sa disenyo nga nagtino sa pagbalhin sa acoustic. gahum sa instrumento sa palibot.Gipakita sa mga resulta nga ang mga medikal nga dagom mahimong epektibo nga magamit sa pag-irradiate sa mga tisyu sa ultrasound, ug ang intensity niini suod nga may kalabutan sa geometrical parameter sa dagum, nga gitawag nga working acoustic wavelength.Sa pagkatinuod, ang intensity sa irradiation pinaagi sa tissue nagdugang uban sa pagdugang sa internal nga diametro sa dagom, pagkab-ot sa usa ka maximum sa diha nga ang diametro mao ang tulo ka pilo sa wavelength.Ang gitas-on sa dagom naghatag usab pipila ka lebel sa kagawasan aron ma-optimize ang pagkaladlad.Ang ulahi nga resulta sa tinuud nga maximize kung ang gitas-on sa dagom gitakda sa usa ka piho nga multiple sa operating wavelength (partikular ang 4 ug 6).Makapainteres, alang sa frequency range sa interes, ang na-optimize nga diyametro ug gitas-on nga mga kantidad duol sa kasagarang gigamit alang sa standard nga komersyal nga dagom.Ang anggulo sa bevel, nga nagtino sa kahait sa dagum, makaapekto usab sa emissivity, peaking sa mga 50 ° ug naghatag maayo nga performance sa mga 10 °, nga sagad gigamit alang sa komersyal nga mga dagom..Ang mga resulta sa simulation gamiton sa paggiya sa pagpatuman ug pag-optimize sa intraneedle diagnostic nga plataporma sa ospital, pag-integrate sa diagnostic ug therapeutic ultrasound sa ubang mga in-device therapeutic solutions ug pag-amgo sa collaborative precision medicine interventions.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. ug Kopp MV Unsa ang tambal nga tukma?Eur, langyaw.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS ug Varmus, H. Bag-ong mga inisyatibo sa precision medicine.N. eng.J. Medisina.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK ug Wang, MD.Biomedical Imaging Informatics sa Precision Medicine Era: Mga Kalamposan, Mga Hagit, ug Oportunidad.Jam.tambal.ipahibalo.Katabang nga propesor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: usa ka pagrepaso.J. Klinikal.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., ug Salem, A. Pag-uswag sa glioblastoma (GBM) nga therapy gamit ang nanoparticle-based delivery system.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G ug von Daimling A. Glioblastoma: patolohiya, mga mekanismo sa molekula ug mga marker.Acta Neuropathology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM ug Berger, MS Karon ug umaabot nga mga estratehiya alang sa pagtambal sa glioma.neurosurgery.Ed.40, 1–14 (2017).