Asante kwa kutembelea Nature.com.Unatumia toleo la kivinjari lenye uwezo mdogo wa kutumia CSS.Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Upatanifu katika Internet Explorer).Kwa kuongeza, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tunaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Vitelezi vinavyoonyesha makala tatu kwa kila slaidi.Tumia vitufe vya nyuma na vinavyofuata ili kusogeza kwenye slaidi, au vitufe vya kidhibiti cha slaidi mwishoni ili kusogea kwenye kila slaidi.
Kulingana na makutano ya taaluma mbalimbali za fizikia na sayansi ya maisha, mikakati ya uchunguzi na matibabu kulingana na dawa ya usahihi hivi karibuni imevutia umakini mkubwa kutokana na utumiaji wa vitendo wa mbinu mpya za uhandisi katika nyanja nyingi za dawa, haswa katika saratani.Ndani ya mfumo huu, matumizi ya ultrasound kushambulia seli za saratani katika uvimbe ili kusababisha uharibifu wa mitambo kwenye mizani mbalimbali inavutia umakini kutoka kwa wanasayansi kote ulimwenguni.Kwa kuzingatia mambo haya, kwa kuzingatia ufumbuzi wa muda wa elastodynamic na uigaji wa nambari, tunawasilisha uchunguzi wa awali wa uigaji wa kompyuta wa uenezi wa ultrasound katika tishu ili kuchagua masafa na nguvu zinazofaa kwa miale ya ndani.Jukwaa jipya la uchunguzi kwa teknolojia ya maabara ya On-Fiber, inayoitwa sindano ya hospitali na tayari ina hati miliki.Inaaminika kuwa matokeo ya uchanganuzi na maarifa yanayohusiana ya biofizikia yanaweza kufungua njia kwa mbinu mpya jumuishi za uchunguzi na matibabu ambazo zinaweza kuchukua jukumu kuu katika utumiaji wa dawa sahihi katika siku zijazo, kuchora kutoka nyanja za fizikia.Ushirikiano unaokua kati ya biolojia unaanza.
Kwa uboreshaji wa idadi kubwa ya maombi ya kliniki, hitaji la kupunguza athari kwa wagonjwa polepole lilianza kuibuka.Ili kufikia mwisho huu, dawa ya usahihi1, 2, 3, 4, 5 imekuwa lengo la kimkakati la kupunguza kipimo cha dawa zinazotolewa kwa wagonjwa, kimsingi kufuata njia mbili kuu.Ya kwanza inategemea matibabu iliyoundwa kulingana na wasifu wa mgonjwa wa genomic.Ya pili, ambayo inakuwa kiwango cha dhahabu katika oncology, inalenga kuepuka taratibu za utaratibu wa utoaji wa madawa ya kulevya kwa kujaribu kutoa kiasi kidogo cha madawa ya kulevya, wakati huo huo kuongeza usahihi kupitia matumizi ya tiba ya ndani.Lengo kuu ni kuondoa au angalau kupunguza athari mbaya za mbinu nyingi za matibabu, kama vile chemotherapy au usimamizi wa kimfumo wa radionuclides.Kulingana na aina ya saratani, eneo, kipimo cha mionzi, na mambo mengine, hata tiba ya mionzi inaweza kuwa na hatari kubwa ya asili kwa tishu zenye afya.Katika matibabu ya upasuaji wa glioblastoma6,7,8,9 huondoa saratani ya msingi, lakini hata ikiwa hakuna metastases, vijidudu vingi vya saratani vinaweza kuwapo.Ikiwa hazitaondolewa kabisa, makundi mapya ya saratani yanaweza kukua ndani ya muda mfupi.Katika muktadha huu, mikakati ya dawa ya usahihi iliyotajwa hapo juu ni ngumu kutumika kwa sababu upenyezaji huu ni ngumu kugundua na kuenea katika eneo kubwa.Vizuizi hivi huzuia matokeo mahususi katika kuzuia kujirudia tena kwa dawa sahihi, kwa hivyo mbinu za utoaji wa utaratibu hupendelewa katika baadhi ya matukio, ingawa dawa zinazotumiwa zinaweza kuwa na viwango vya juu sana vya sumu.Ili kuondokana na tatizo hili, mbinu bora ya matibabu itakuwa kutumia mikakati ya uvamizi ambayo inaweza kushambulia seli za saratani bila kuathiri tishu zenye afya.Kwa kuzingatia hoja hii, matumizi ya mitetemo ya kiakili, ambayo imeonyeshwa kuathiri seli za saratani na zenye afya kwa njia tofauti, katika mifumo ya unicellular na katika nguzo tofauti za mesoscale, inaonekana kama suluhisho linalowezekana.
Kwa mtazamo wa kimakanika, seli zenye afya na saratani kweli zina masafa tofauti ya asili ya resonant.Mali hii inahusishwa na mabadiliko ya oncogenic katika mali ya mitambo ya muundo wa cytoskeletal wa seli za saratani12,13, wakati seli za tumor, kwa wastani, zinaharibika zaidi kuliko seli za kawaida.Kwa hivyo, kwa chaguo bora zaidi cha mzunguko wa ultrasound kwa ajili ya kusisimua, vibrations inayotokana katika maeneo yaliyochaguliwa inaweza kusababisha uharibifu wa miundo ya kansa hai, kupunguza athari kwa mazingira ya afya ya mwenyeji.Athari hizi ambazo bado hazijaeleweka kikamilifu zinaweza kujumuisha uharibifu wa sehemu fulani za muundo wa seli kwa sababu ya mitetemo ya masafa ya juu inayosababishwa na ultrasound (kimsingi ni sawa na lithotripsy14) na uharibifu wa seli kwa sababu ya jambo linalofanana na uchovu wa mitambo, ambayo inaweza kubadilisha muundo wa seli. .programu na mechanobiolojia.Ingawa suluhisho hili la kinadharia linaonekana kufaa sana, kwa bahati mbaya haliwezi kutumika katika hali ambapo miundo ya kibaolojia ya anechoic inazuia utumiaji wa moja kwa moja wa ultrasound, kwa mfano, katika matumizi ya ndani kwa sababu ya uwepo wa mfupa, na misa kadhaa ya tumor ya matiti iko kwenye adipose. tishu.Kupunguza kunaweza kupunguza tovuti ya athari ya matibabu inayoweza kutokea.Ili kuondokana na matatizo haya, ultrasound lazima itumike ndani ya nchi na transducers iliyoundwa maalum ambayo inaweza kufikia tovuti iliyoangaziwa kwa urahisi iwezekanavyo.Kwa kuzingatia hili, tulizingatia uwezekano wa kutumia mawazo yanayohusiana na uwezekano wa kuunda jukwaa la kiteknolojia la ubunifu linaloitwa "hospitali ya sindano"15.Dhana ya "Hospitali katika Sindano" inahusisha uundaji wa chombo cha matibabu kisichovamia kidogo kwa ajili ya maombi ya uchunguzi na matibabu, kulingana na mchanganyiko wa kazi mbalimbali katika sindano moja ya matibabu.Kama ilivyojadiliwa kwa undani zaidi katika sehemu ya Sindano ya Hospitali, kifaa hiki cha kompakt kimsingi kinategemea faida za 16, 17, 18, 19, 20, 21 fibre optic probes, ambazo, kwa sababu ya sifa zao, zinafaa kuingizwa katika kiwango cha 20. sindano za matibabu, 22 lumens.Kwa kutumia uwezo wa kunyumbulika unaotolewa na teknolojia ya Lab-on-Fiber (LOF)23, nyuzinyuzi inakuwa jukwaa la kipekee la vifaa vya uchunguzi na matibabu vilivyo na uwezo mdogo na vilivyo tayari kutumika, ikijumuisha biopsy ya maji na vifaa vya uchunguzi wa tishu.katika ugunduzi wa kibiomolekuli24,25, uwasilishaji wa dawa za ndani kwa kuongozwa na mwanga26,27, picha za usahihi wa hali ya juu za ultrasound28, tiba ya joto29,30 na utambuzi wa tishu za saratani31.Ndani ya dhana hii, kwa kutumia mbinu ya ujanibishaji kulingana na kifaa cha "sindano hospitalini", tunachunguza uwezekano wa kuboresha uhamasishaji wa ndani wa miundo ya kibaolojia ya wakazi kwa kutumia uenezi wa mawimbi ya ultrasound kupitia sindano ili kusisimua mawimbi ya ultrasound ndani ya eneo la maslahi..Kwa hivyo, ultrasound ya matibabu ya kiwango cha chini inaweza kutumika moja kwa moja kwenye eneo la hatari na uvamizi mdogo kwa seli za sonicating na fomu ndogo imara katika tishu laini, kama katika kesi ya upasuaji wa intracranial uliotajwa hapo juu, shimo ndogo kwenye fuvu lazima iingizwe na sindano.Ikichochewa na matokeo ya hivi majuzi ya kinadharia na majaribio yanayopendekeza kwamba upigaji sauti unaweza kusitisha au kuchelewesha maendeleo ya baadhi ya saratani,32,33,34 mbinu inayopendekezwa inaweza kusaidia kushughulikia, angalau kimsingi, usuluhishi muhimu kati ya athari kali na za kutibu.Kwa kuzingatia haya, katika karatasi ya sasa, tunachunguza uwezekano wa kutumia kifaa cha sindano cha hospitalini kwa matibabu ya saratani ambayo ni vamizi kidogo zaidi ya saratani.Kwa usahihi zaidi, katika Uchanganuzi wa Kutawanya wa Misa ya Uvimbe wa Spherical kwa Kukadiria Ukuaji-Tegemeo la Marudio ya Sauti ya Ultrasound, tunatumia mbinu zilizoimarishwa vyema za elastodynamic na nadharia ya kutawanya kwa sauti ili kutabiri ukubwa wa vivimbe dhabiti vya duara vilivyokuzwa katika hali ya elastic.ugumu unaotokea kati ya tumor na tishu mwenyeji kutokana na urekebishaji wa nyenzo unaosababishwa na ukuaji.Baada ya kuelezea mfumo wetu, ambao tunauita sehemu ya "Hospitali katika Sindano", katika sehemu ya "Hospitali katika Sindano", tunachambua uenezaji wa mawimbi ya ultrasonic kupitia sindano za matibabu katika masafa yaliyotabiriwa na muundo wao wa nambari huangazia mazingira ya kusoma. vigezo kuu vya kijiometri (kipenyo halisi cha ndani , urefu na ukali wa sindano), inayoathiri maambukizi ya nguvu ya acoustic ya chombo.Kwa kuzingatia hitaji la kuunda mikakati mipya ya uhandisi ya dawa ya usahihi, inaaminika kuwa utafiti uliopendekezwa unaweza kusaidia kutengeneza zana mpya ya matibabu ya saratani kulingana na utumiaji wa ultrasound iliyotolewa kupitia jukwaa la utambuzi lililojumuishwa ambalo huunganisha ultrasound na suluhisho zingine.Imeunganishwa, kama vile utoaji wa dawa lengwa na uchunguzi wa wakati halisi ndani ya sindano moja.
Ufanisi wa kutoa mikakati ya kiufundi kwa ajili ya matibabu ya vivimbe imara vilivyojanibishwa kwa kutumia kichocheo cha ultrasonic (ultrasound) imekuwa lengo la karatasi kadhaa zinazoshughulikia kinadharia na kimajaribio na athari za mitetemo ya ultrasonic ya kiwango cha chini kwenye mifumo ya seli moja 10, 11, 12 . , 32, 33, 34, 35, 36 Kwa kutumia mifano ya viscoelastic, wachunguzi kadhaa wameonyesha kwa uchanganuzi kwamba seli za tumor na afya zinaonyesha majibu tofauti ya mzunguko na sifa za kilele cha resonant katika safu ya Marekani 10,11,12.Matokeo haya yanapendekeza kwamba, kimsingi, seli za uvimbe zinaweza kushambuliwa kwa kuchagua na vichocheo vya mitambo vinavyohifadhi mazingira ya mwenyeji.Tabia hii ni tokeo la moja kwa moja la ushahidi muhimu kwamba, katika hali nyingi, seli za uvimbe zinaweza kubadilika zaidi kuliko seli zenye afya, ikiwezekana ili kuimarisha uwezo wao wa kuenea na kuhama37,38,39,40.Kulingana na matokeo yaliyopatikana kwa mifano ya seli moja, kwa mfano katika kiwango kidogo, uteuzi wa seli za saratani pia umeonyeshwa katika kipimo cha mesoscale kupitia tafiti za nambari za majibu ya usawa ya mkusanyiko wa seli tofauti tofauti.Kutoa asilimia tofauti ya seli za saratani na seli zenye afya, mijumuisho ya seli nyingi mamia ya saizi ya maikromita ilijengwa kwa mpangilio.Katika kiwango cha macho cha mkusanyiko huu, baadhi ya vipengele vya kupendeza vya microscopic huhifadhiwa kutokana na utekelezaji wa moja kwa moja wa vipengele vikuu vya kimuundo vinavyoonyesha tabia ya mitambo ya seli moja.Hasa, kila seli hutumia usanifu wa msingi wa tensegrity kuiga majibu ya miundo mbalimbali ya cytoskeletal iliyosisitizwa, na hivyo kuathiri ugumu wao wa jumla12,13.Utabiri wa kinadharia na majaribio ya ndani ya fasihi hapo juu yametoa matokeo ya kutia moyo, yakionyesha hitaji la kusoma unyeti wa wingi wa tumor kwa ultrasound ya matibabu ya kiwango cha chini (LITUS), na tathmini ya marudio ya miale ya wingi wa tumor ni muhimu.weka LITUS kwa maombi kwenye tovuti.
Walakini, katika kiwango cha tishu, maelezo ya sehemu ndogo ya sehemu ya mtu binafsi yanapotea bila shaka, na sifa za tishu za tumor zinaweza kufuatiliwa kwa kutumia njia za mlolongo kufuatilia ukuaji wa wingi na michakato ya urekebishaji inayosababishwa na mafadhaiko, kwa kuzingatia athari za macroscopic. ukuaji.- mabadiliko yanayotokana na elasticity ya tishu kwa kiwango cha 41.42.Kwa kweli, tofauti na mifumo ya unicellular na jumla, misa dhabiti ya tumor hukua kwenye tishu laini kwa sababu ya mkusanyiko wa taratibu wa mikazo ya mabaki, ambayo hubadilisha mali asili ya mitambo kwa sababu ya kuongezeka kwa ugumu wa intratumoral, na sclerosis ya tumor mara nyingi huwa sababu ya kuamua. utambuzi wa tumor.
Kwa kuzingatia haya, hapa tunachanganua mwitikio wa sonodynamic wa spheroidi za uvimbe zilizoigwa kama mjumuisho wa umbo la mduara unaokua katika mazingira ya kawaida ya tishu.Kwa usahihi, sifa za elastic zinazohusiana na hatua ya tumor ziliamua kulingana na matokeo ya kinadharia na majaribio yaliyopatikana na waandishi wengine katika kazi ya awali.Miongoni mwao, mageuzi ya spheroids ya tumor imara iliyopandwa katika vivo katika vyombo vya habari tofauti imesomwa kwa kutumia mifano ya mitambo isiyo ya mstari 41,43,44 pamoja na mienendo ya interspecies kutabiri maendeleo ya wingi wa tumor na matatizo yanayohusiana ya intratumoral.Kama ilivyoelezwa hapo juu, ukuaji (kwa mfano, kunyoosha kwa inelastiki) na mkazo wa mabaki husababisha urekebishaji unaoendelea wa sifa za nyenzo za tumor, na hivyo kubadilisha mwitikio wake wa akustisk.Ni muhimu kutambua kwamba katika ref.41 mageuzi ya ushirikiano wa ukuaji na mkazo thabiti katika uvimbe umeonyeshwa katika kampeni za majaribio katika mifano ya wanyama.Hasa, ulinganisho wa ugumu wa wingi wa uvimbe wa matiti uliotolewa katika hatua tofauti na ugumu unaopatikana kwa kuzaliana kwa hali sawa katika siliko kwenye muundo wa kipengele cha spherical na vipimo sawa na kwa kuzingatia uwanja wa dhiki uliotabiriwa ulithibitisha njia iliyopendekezwa ya uhalali wa mfano..Katika kazi hii, matokeo ya kinadharia na majaribio yaliyopatikana hapo awali hutumiwa kukuza mkakati mpya wa matibabu.Hasa, saizi zilizotabiriwa zilizo na sifa zinazolingana za ukinzani wa mageuzi zilikokotolewa hapa, ambazo kwa hivyo zilitumiwa kukadiria masafa ya masafa ambayo wingi wa uvimbe uliopachikwa katika mazingira ya mwenyeji ni nyeti zaidi.Ili kufikia mwisho huu, tulichunguza tabia ya nguvu ya wingi wa tumor katika hatua tofauti, ikichukuliwa katika hatua tofauti, kwa kuzingatia viashiria vya acoustic kulingana na kanuni inayokubalika kwa ujumla ya kutawanyika kwa kukabiliana na uchochezi wa ultrasonic na kuangazia uwezekano wa matukio ya resonant ya spheroid. .kulingana na uvimbe na jeshi Tofauti zinazotegemea ukuaji wa ugumu kati ya tishu.
Kwa hivyo, wingi wa uvimbe uliundwa kama duara nyumbufu za radius \(a\) katika mazingira nyumbufu yanayozunguka ya mwenyeji kulingana na data ya majaribio inayoonyesha jinsi miundo mikubwa mibaya inakua katika situ katika maumbo ya duara.Ikirejelea Kielelezo 1, kwa kutumia viwianishi vya duara \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (ambapo \(\theta\) na \(\varphi\) vinawakilisha pembe isiyo ya kawaida na pembe ya azimuth mtawalia), kikoa cha uvimbe huchukua Mkoa uliopachikwa katika nafasi yenye afya \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) eneo lisilo na kikomo \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Tukirejelea Taarifa ya Ziada (SI) kwa maelezo kamili ya kielelezo cha hisabati kulingana na msingi ulioimarishwa wa elastodynamic ulioripotiwa katika fasihi nyingi45,46,47,48, tunazingatia hapa tatizo linaloonyeshwa na hali ya oscillation ya axisymmetric.Dhana hii ina maana kwamba vigezo vyote ndani ya tumor na maeneo ya afya ni huru ya kuratibu azimuthal \(\varphi\) na kwamba hakuna kuvuruga hutokea katika mwelekeo huu.Kwa hivyo, sehemu za uhamishaji na dhiki zinaweza kupatikana kutoka kwa uwezo mbili wa scalar \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \kulia)e^{{ - i \omega {\kern 1pt } t }}\) na \(\chi = \kofia{\chi }\kushoto( {r,\theta } \kulia)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , ni kwa mtiririko huo kuhusiana na wimbi la longitudinal na wimbi la kukata, wakati wa kubahatisha t kati ya kuongezeka \(\theta \) na pembe kati ya mwelekeo wa wimbi la tukio na vekta ya nafasi \({\mathbf {x))\) ( kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro 1) na \(\omega = 2\pi f\) inawakilisha mzunguko wa angular.Hasa, uga wa tukio unaigwa na wimbi la ndege \(\phi_{H}^{(in)}\) (pia huletwa katika mfumo wa SI, katika mlinganyo (A.9)) unaoenea ndani ya kiasi cha mwili. kulingana na usemi wa sheria
ambapo \(\phi_{0}\) ni kigezo cha amplitude.Upanuzi wa duara wa wimbi la tukio la ndege (1) kwa kutumia utendaji wa mawimbi ya duara ndiyo hoja ya kawaida:
Ambapo \(j_{n}\) ni kitendakazi cha Bessel cha duara cha aina ya kwanza ya mpangilio \(n\), na \(P_{n}\) ni polynomial ya Legendre.Sehemu ya wimbi la tukio la nyanja ya uwekezaji imetawanyika katika eneo linalozunguka na kuingiliana na uga wa tukio, huku sehemu nyingine ikiwa imetawanyika ndani ya duara, hivyo kuchangia mtetemo wake.Ili kufanya hivyo, suluhu za usawa za mlingano wa wimbi \(\nabla^{2} \kofia{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \kofia{\phi } = 0\,\ ) na \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \kofia{\chi } + k_{2}^{2} \kofia{\chi } = 0\), zinazotolewa kwa mfano na Eringen45 (tazama pia SI ) inaweza kuonyesha tumor na maeneo yenye afya.Hasa, mawimbi ya upanuzi yaliyotawanyika na mawimbi ya isovolumu yanayozalishwa katika hali ya jeshi \(H\) hukubali nguvu zao zinazowezekana:
Miongoni mwao, kitendakazi cha Hankel cha aina ya kwanza \(h_{n}^{(1)}\) kinatumika kuzingatia wimbi lililotawanyika linalotoka, na \(\alpha_{n}\) na \(\beta_{ n}\ ) ni vigawo visivyojulikana.katika mlinganyo.Katika milinganyo (2)–(4), maneno \(k_{H1}\) na \(k_{H2}\) yanaashiria nambari za mawimbi ya mawimbi adimu na yanayopitika katika eneo kuu la mwili, mtawalia ( tazama SI).Maeneo ya kukandamiza ndani ya uvimbe na mabadiliko yana fomu
Ambapo \(k_{T1}\) na \(k_{T2}\) zinawakilisha nambari za mawimbi ya longitudinal na ya mpito katika eneo la uvimbe, na vigawo visivyojulikana ni \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Kulingana na matokeo haya, vipengele visivyo na sufuri vya uhamishaji wa radial na mduara ni sifa ya maeneo yenye afya katika tatizo linalozingatiwa, kama vile \(u_{Hr}\) na \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) dhana ya ulinganifu haihitajiki tena) - inaweza kupatikana kutoka kwa uhusiano \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r}) (r\chi ) } \kulia) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) na \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \kushoto({\phi + \ sehemu_{r } ( r\chi ) } \kulia)\) kwa kuunda \(\phi = \phi_{H}^{(katika)} + \phi_{H}^{(s)}\) na \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (tazama SI kwa utokeo wa kina wa hisabati).Vile vile, kubadilisha \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) na \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) inarudisha {Tr} = \partial_{r} \kushoto( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \kulia) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) na \(u_{T\theta} = r^{-1}\sehemu _{\theta }\kushoto({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\kulia)\).
(Kushoto) Jiometri ya uvimbe wa duara unaokuzwa katika mazingira yenye afya ambapo eneo la tukio hueneza, (kulia) Mabadiliko yanayolingana ya uwiano wa ugumu wa kivimbe kama utendaji wa eneo la uvimbe, data iliyoripotiwa (iliyochukuliwa kutoka kwa Carotenuto et al. 41) kutoka katika vipimo vya compression vitro zilipatikana kutoka kwa uvimbe wa matiti imara uliochanjwa na seli za MDA-MB-231.
Kwa kuchukulia vifaa vya laini na vya isotropiki, vipengele visivyo na sifuri vya mkazo katika maeneo yenye afya na uvimbe, yaani \(\sigma_{Hpq}\) na \(\sigma_{Tpq}\) - kutii sheria ya jumla ya Hooke, ikizingatiwa kuwa kuna ni tofauti Lamé moduli , ambayo ina sifa ya mpangishaji na unyumbufu wa uvimbe, unaoashiria kama \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) na \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (angalia Mlingano (A.11) kwa usemi kamili wa vipengele vya mkazo vinavyowakilishwa katika SI).Hasa, kwa mujibu wa data katika kumbukumbu 41 na iliyotolewa katika Kielelezo 1, tumors zinazokua zilionyesha mabadiliko katika vipengele vya elasticity ya tishu.Kwa hivyo, uhamishaji na mafadhaiko katika eneo la mwenyeji na uvimbe huamuliwa kabisa hadi seti ya safu zisizojulikana \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) ina vipimo vya kinadharia visivyo na kikomo.Ili kupata vectors hizi za mgawo, miingiliano inayofaa na hali ya mipaka kati ya tumor na maeneo yenye afya huletwa.Kwa kuchukulia kuwa ni mfungaji kamili kwenye kiolesura cha mwenyeji wa uvimbe \(r = a\), mwendelezo wa uhamishaji na mikazo unahitaji masharti yafuatayo:
Mfumo (7) huunda mfumo wa milinganyo yenye suluhu zisizo na kikomo.Kwa kuongeza, kila hali ya mpaka itategemea anomaly \(\theta\).Ili kupunguza tatizo la thamani ya mpaka kwa tatizo kamili la algebra na seti za \(N\) za mifumo iliyofungwa, ambayo kila moja iko katika haijulikani \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (pamoja na \ ( N \ hadi \infty \), kinadharia), na kuondoa utegemezi wa milinganyo kwenye masharti ya trigonometriki, hali ya kiolesura huandikwa katika hali dhaifu kwa kutumia uhalisi wa polynomials za Legendre.Hasa, mlinganyo (7)1,2 na (7)3,4 umezidishwa na \(P_{n} \left( {\cos \theta} \kulia)\) na \(P_{n}^{ 1} \kushoto( {\cos\theta}\kulia)\) kisha unganishe kati ya \(0\) na \(\pi\) kwa kutumia vitambulisho vya hisabati:
Kwa hivyo, hali ya kiolesura (7) inarejesha mfumo wa mlinganyo wa aljebra wa quadratic, ambao unaweza kuonyeshwa katika umbo la matrix kama \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) na upate isiyojulikana \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) kwa kutatua sheria ya Cramer.
Ili kukadiria mtiririko wa nishati uliotawanywa na nyanja na kupata taarifa kuhusu mwitikio wake wa akustisk kulingana na data kwenye uwanja uliotawanyika unaoenea katika kituo cha mwenyeji, wingi wa akustika ni wa kupendeza, ambayo ni sehemu ya kawaida ya kutawanyika kwa bistatic.Hasa, sehemu ya msalaba inayotawanya, iliyoashiria \(s), inaelezea uwiano kati ya nguvu ya akustisk inayopitishwa na ishara iliyotawanyika na mgawanyiko wa nishati unaobebwa na wimbi la tukio.Kuhusiana na hili, ukubwa wa kitendakazi cha umbo \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \kulia)} \kulia|^{2}\) ni kiasi kinachotumika mara kwa mara katika utafiti wa mitambo ya akustika. iliyopachikwa kwenye kioevu au kigumu Kueneza kwa vitu kwenye mashapo.Kwa usahihi zaidi, amplitude ya kazi ya umbo inafafanuliwa kama sehemu tofauti ya kutawanya \(ds\) kwa kila eneo la kitengo, ambayo hutofautiana na kawaida kwa mwelekeo wa uenezi wa wimbi la tukio:
ambapo \(f_{n}^{pp}\) na \(f_{n}^{ps}\) inaashiria kitendakazi cha modali, ambacho kinarejelea uwiano wa nguvu za wimbi la longitudinal na wimbi lililotawanyika kuhusiana na Tukio la P-wave katika njia ya kupokea, mtawaliwa, hupewa maneno yafuatayo:
Kazi za mawimbi ya sehemu (10) zinaweza kuchunguzwa kwa kujitegemea kwa mujibu wa nadharia ya kueneza resonant (RST)49,50,51,52, ambayo inafanya uwezekano wa kutenganisha elasticity ya lengo kutoka kwa uwanja wa jumla wa kupotea wakati wa kusoma njia tofauti.Kulingana na njia hii, kitendakazi cha umbo la modali kinaweza kugawanywa katika jumla ya sehemu mbili sawa, ambazo ni \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) yanahusiana na amplitudes ya mandharinyuma ya resonant na nonresonant, mtawalia.Kazi ya sura ya modi ya resonant inahusiana na mwitikio wa lengo, wakati mandharinyuma kawaida huhusiana na umbo la mtawanyiko.Ili kugundua fomati ya kwanza ya lengo kwa kila modi, ukubwa wa kitendakazi cha umbo la modali ya mwonekano \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \kulia)} \kulia|\ ) huhesabiwa kwa kuchukulia usuli mgumu, unaojumuisha tufe zisizoweza kupenyeka katika nyenzo ya mwenyeji elastic.Dhana hii inachochewa na ukweli kwamba, kwa ujumla, ugumu na wiani huongezeka na ukuaji wa molekuli ya tumor kutokana na dhiki ya kubaki iliyobaki.Kwa hivyo, katika kiwango kikubwa cha ukuaji, uwiano wa kizuizi \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) unatarajiwa kuwa mkubwa kuliko 1 kwa vivimbe vingi vikubwa vya ugumu vinavyoendelea katika laini. tishu.Kwa mfano, Krouskop et al.53 iliripoti uwiano wa saratani na moduli ya kawaida ya takriban 4 kwa tishu za kibofu, wakati thamani hii iliongezeka hadi 20 kwa sampuli za tishu za matiti.Mahusiano haya bila shaka yanabadilisha uzuiaji wa akustisk wa tishu, kama inavyoonyeshwa pia na uchanganuzi wa elastografia54,55,56, na inaweza kuhusishwa na unene wa tishu unaosababishwa na kuongezeka kwa uvimbe.Tofauti hii pia imeonekana kwa majaribio na vipimo rahisi vya ukandamizaji wa vizuizi vya uvimbe wa matiti vilivyokuzwa katika hatua tofauti32, na urekebishaji wa nyenzo unaweza kufuatwa vyema na mifano ya utabiri ya spishi-tofauti za uvimbe zisizokua kwa mstari43,44.Data ya ugumu iliyopatikana inahusiana moja kwa moja na mageuzi ya moduli ya Young ya uvimbe mnene kulingana na fomula \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \kulia)/a\sqrt \ varepsilon\ )( tufe zenye kipenyo \(a\), ugumu \(S\) na uwiano wa Poisson \(\nu\) kati ya bamba mbili ngumu 57, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1).Kwa hivyo, inawezekana kupata vipimo vya impedance ya acoustic ya tumor na mwenyeji katika viwango tofauti vya ukuaji.Hasa, kwa kulinganisha na moduli ya tishu ya kawaida sawa na 2 kPa kwenye Mchoro 1, moduli ya elastic ya uvimbe wa matiti katika kiwango cha kiasi cha 500 hadi 1250 mm3 ilisababisha ongezeko kutoka kPa 10 hadi 16 kPa, ambayo ni. kulingana na data iliyoripotiwa.katika marejeleo 58, 59 ilibainika kuwa shinikizo katika sampuli za tishu za matiti ni 0.25–4 kPa na mgandamizo wa kutoweka.Pia fikiria kuwa uwiano wa Poisson wa tishu karibu isiyoweza kubakizwa ni 41.60, ambayo ina maana kwamba msongamano wa tishu haubadilika kwa kiasi kikubwa kama kiasi kinaongezeka.Hasa, wastani wa msongamano wa idadi ya watu \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ - 3}\)61 hutumiwa.Kwa kuzingatia haya, ugumu unaweza kuchukua hali ya usuli kwa kutumia usemi ufuatao:
Ambapo hali isiyojulikana \(\widehat{{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) inaweza kuhesabiwa kwa kuzingatia mwendelezo. upendeleo ( 7 )2,4, yaani, kwa kutatua mfumo wa aljebra \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) inayohusisha watoto\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { {\ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) na vekta ya safu wima iliyorahisishwa inayolingana\(\widehat {\ mathbf {q}}}_{n} (а)\ Hutoa maarifa ya kimsingi katika mlinganyo (11), mikunjo miwili ya kitendakazi cha hali ya kutawanya nyuma \(\left| {f_{n}^{{ \kushoto( {res} \kulia)\,pp}} \kushoto( \theta \kulia)} \kulia| = \kushoto|{f_{n}^{pp} \kushoto( \theta \kulia) - f_{ n}^{pp(b)} \kushoto( \theta \kulia)} \kulia|\) na \( \kushoto|{f_{n}^{{\kushoto( {res} \kulia)\,ps} } \kushoto( \theta \kulia)} \kulia|= \kushoto|{f_{n}^{ps} \kushoto( \theta \kulia) - f_{n}^{ps(b)} \kushoto( \ theta \kulia)} \kulia|\) inarejelea msisimko wa wimbi la P na uakisi wa P- na S-wimbi, mtawalia.Zaidi ya hayo, amplitude ya kwanza ilikadiriwa kama \(\theta = \pi\), na amplitude ya pili ilikadiriwa kama \(\theta = \pi/4\).Kwa kupakia mali mbalimbali za utungaji.Kielelezo cha 2 kinaonyesha kwamba vipengele vya resonant vya spheroids ya uvimbe hadi kipenyo cha mm 15 hujilimbikizia hasa katika bendi ya mzunguko wa 50-400 kHz, ambayo inaonyesha uwezekano wa kutumia ultrasound ya chini-frequency kushawishi uchochezi wa tumor resonant.seli.Mengi ya.Katika bendi hii ya masafa, uchanganuzi wa RST ulifunua miundo ya hali moja ya modi 1 hadi 6, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 3. Hapa, mawimbi ya pp- na ps yaliyotawanyika yanaonyesha fomu za aina ya kwanza, zinazotokea kwa masafa ya chini sana, ambayo huongezeka kutoka. takriban kHz 20 kwa modi ya 1 hadi karibu 60 kHz kwa n = 6, kuonyesha hakuna tofauti kubwa katika radius ya nyanja.Kitendaji cha resonant ps kisha kuoza, ilhali mchanganyiko wa viumbizaji vya amplitude pp hutoa muda wa takriban kHz 60, kuonyesha mabadiliko ya juu ya masafa na kuongezeka kwa nambari ya modi.Uchambuzi wote ulifanywa kwa kutumia programu ya kompyuta ya Mathematica®62.
Kazi za fomu ya backscatter zilizopatikana kutoka kwa moduli ya tumors za matiti za ukubwa tofauti zinaonyeshwa kwenye Mchoro 1, ambapo bendi za juu zaidi za kutawanya zimeangaziwa kwa kuzingatia hali ya juu ya akaunti.
Milio ya hali zilizochaguliwa kutoka \(n = 1\) hadi \(n = 6\), inayokokotolewa juu ya msisimko na uakisi wa wimbi la P katika saizi tofauti za uvimbe (mipingo nyeusi kutoka \(\ kushoto | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \kulia)\,pp}} \left( \pi \kulia)} \kulia = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ kulia) -. f_{n }^{pp(b)} \kushoto( \pi \kulia)} \kulia|\)) na msisimko wa wimbi la P na uakisi wa wimbi la S (mikondo ya kijivu iliyotolewa na kitendakazi cha umbo la modali \( \kushoto | { f_{n }^{{\kushoto({res} \kulia)\,ps}} \kushoto( {\pi /4} \kulia)} \kulia = \left|. \kushoto( {\pi /4} \kulia) – f_{n}^{ps(b)} \kushoto( {\pi /4} \kulia)} \kulia |\)).
Matokeo ya uchanganuzi huu wa awali kwa kutumia hali za uenezi wa sehemu mbali mbali yanaweza kuongoza uteuzi wa masafa ya kiendeshi mahususi katika uigaji wa nambari ufuatao ili kusoma athari za mkazo wa mitetemo kwenye wingi.Matokeo yanaonyesha kwamba urekebishaji wa masafa bora zaidi unaweza kuwa mahususi kwa hatua wakati wa ukuaji wa uvimbe na unaweza kuamuliwa kwa kutumia matokeo ya miundo ya ukuaji ili kuanzisha mikakati ya kibiomekenika inayotumiwa katika matibabu ya magonjwa ili kutabiri kwa usahihi urekebishaji wa tishu.
Maendeleo makubwa katika nanoteknolojia yanasukuma jumuiya ya wanasayansi kutafuta masuluhisho na mbinu mpya za kuunda vifaa vya matibabu visivyo na uwezo mdogo na vamizi kidogo kwa matumizi ya vivo.Katika muktadha huu, teknolojia ya LOF imeonyesha uwezo wa ajabu wa kupanua uwezo wa nyuzi za macho, kuwezesha utengenezaji wa vifaa vipya vya uvamizi vya nyuzinyuzi kwa matumizi ya sayansi ya maisha21, 63, 64, 65. Wazo la kuunganisha nyenzo za 2D na 3D. na kemikali zinazohitajika, kibayolojia, na macho kwenye pande 25 na/au ncha 64 za nyuzi za macho zenye udhibiti kamili wa anga kwenye nanoscale husababisha kuibuka kwa darasa jipya la nanooptodi za fiber optic.ina kazi mbalimbali za uchunguzi na matibabu.Inashangaza, kutokana na mali zao za kijiometri na mitambo (sehemu ndogo ya msalaba, uwiano mkubwa wa kipengele, kubadilika, uzito mdogo) na biocompatibility ya vifaa (kawaida kioo au polima), nyuzi za macho zinafaa kwa kuingizwa kwenye sindano na catheters.Maombi ya matibabu20, kutengeneza njia ya maono mapya ya "hospitali ya sindano" (ona Mchoro 4).
Kwa hakika, kutokana na viwango vya uhuru vinavyotolewa na teknolojia ya LOF, kwa kutumia ujumuishaji wa miundo midogo midogo na nano iliyotengenezwa kutoka kwa nyenzo mbalimbali za metali na/au dielectri, nyuzi za macho zinaweza kufanya kazi ipasavyo kwa matumizi mahususi mara nyingi kusaidia msisimko wa modi ya resonant., Sehemu ya mwanga 21 imewekwa kwa nguvu.Uzuiaji wa mwanga kwenye kipimo cha urefu wa mawimbi madogo, mara nyingi pamoja na uchakataji wa kemikali na/au kibayolojia63 na uunganisho wa nyenzo nyeti kama vile polima mahiri65,66 kunaweza kuongeza udhibiti wa mwingiliano wa mwanga na mata, ambayo inaweza kuwa muhimu kwa madhumuni ya matibabu.Uchaguzi wa aina na ukubwa wa vipengele/vifaa vilivyounganishwa kwa hakika hutegemea vigezo vya kimwili, kibaiolojia au kemikali vinavyoweza kugunduliwa21,63.
Kuunganishwa kwa uchunguzi wa LOF katika sindano za matibabu zinazoelekezwa kwenye tovuti maalum katika mwili utawezesha biopsies ya ndani ya maji na tishu katika vivo, kuruhusu matibabu ya ndani kwa wakati mmoja, kupunguza madhara na kuongeza ufanisi.Fursa zinazowezekana ni pamoja na kugundua biomolecules anuwai zinazozunguka, pamoja na saratani.biomarkers au microRNAs (miRNAs)67, utambuzi wa tishu za saratani kwa kutumia spectroscopy ya mstari na isiyo ya mstari kama vile uchunguzi wa Raman (SERS)31, picha ya picha ya hali ya juu ya azimio la juu22,28,68, upasuaji wa laser na ablation69, na dawa za kujifungua za ndani kwa kutumia light27 na mwongozo wa moja kwa moja wa sindano ndani ya mwili wa binadamu20.Inafaa kumbuka kuwa ingawa utumiaji wa nyuzi za macho huepuka ubaya wa kawaida wa njia za "classical" kulingana na vifaa vya elektroniki, kama vile hitaji la miunganisho ya umeme na uwepo wa kuingiliwa kwa sumakuumeme, hii inaruhusu sensorer anuwai za LOF kuunganishwa kwa ufanisi kwenye mfumo.sindano moja ya matibabu.Uangalifu hasa unapaswa kulipwa ili kupunguza athari zinazodhuru kama vile uchafuzi wa mazingira, kuingiliwa kwa macho, vizuizi vya kimwili vinavyosababisha athari za mazungumzo kati ya utendaji tofauti.Walakini, ni kweli pia kwamba kazi nyingi zilizotajwa sio lazima ziwe amilifu kwa wakati mmoja.Kipengele hiki kinawezesha angalau kupunguza kuingiliwa, na hivyo kupunguza athari mbaya juu ya utendaji wa kila uchunguzi na usahihi wa utaratibu.Mawazo haya yanaturuhusu kuona dhana ya "sindano hospitalini" kama maono rahisi ya kuweka msingi thabiti kwa kizazi kijacho cha sindano za matibabu katika sayansi ya maisha.
Kuhusiana na matumizi maalum yaliyojadiliwa katika karatasi hii, katika sehemu inayofuata tutachunguza kwa nambari uwezo wa sindano ya matibabu kuelekeza mawimbi ya ultrasonic kwenye tishu za binadamu kwa kutumia uenezi wao kwenye mhimili wake.
Uenezi wa mawimbi ya ultrasonic kupitia sindano ya kimatibabu iliyojazwa maji na kuingizwa kwenye tishu laini (ona mchoro katika Mchoro 5a) ulifanywa kielelezo kwa kutumia programu ya kibiashara ya Comsol Multifizikia kulingana na mbinu ya kipengele cha mwisho (FEM)70, ambapo sindano na tishu hutengenezwa. kama mazingira ya laini ya elastic.
Ikirejelea Mchoro 5b, sindano imeundwa kama silinda isiyo na kitu (pia inajulikana kama "cannula") iliyotengenezwa kwa chuma cha pua, nyenzo ya kawaida ya sindano za matibabu71.Hasa, iliundwa na moduli ya Young E = 205 GPa, uwiano wa Poisson ν = 0.28, na msongamano ρ = 7850 kg m -372.73.Kijiometri, sindano ina sifa ya urefu wa L, kipenyo cha ndani D (pia huitwa "kibali") na ukuta wa ukuta t.Kwa kuongeza, ncha ya sindano inachukuliwa kuwa imeelekezwa kwa pembe α kwa heshima na mwelekeo wa longitudinal (z).Kiasi cha maji kimsingi kinalingana na sura ya eneo la ndani la sindano.Katika uchanganuzi huu wa awali, sindano ilichukuliwa kuwa imezamishwa kabisa katika eneo la tishu (inadhaniwa kupanuka kwa muda usiojulikana), ikitoa mfano wa nyanja ya radius rs, ambayo ilibaki mara kwa mara katika 85 mm wakati wa masimulizi yote.Kwa undani zaidi, tunamaliza eneo la spherical na safu inayofanana kabisa (PML), ambayo angalau inapunguza mawimbi yasiyohitajika yaliyoonyeshwa kutoka kwa mipaka ya "imaginary".Kisha tulichagua radius rs ili kuweka mpaka wa kikoa cha duara kwa umbali wa kutosha kutoka kwa sindano ili isiathiri suluhisho la hesabu, na ndogo ya kutosha kutoathiri gharama ya hesabu ya uigaji.
Mabadiliko ya longitudinal ya harmonic ya mzunguko wa f na amplitude A hutumiwa kwenye mpaka wa chini wa jiometri ya stylus;hali hii inawakilisha kichocheo cha pembejeo kinachotumika kwa jiometri iliyoiga.Katika mipaka iliyobaki ya sindano (katika kuwasiliana na tishu na maji), mfano unaokubalika unachukuliwa kuwa ni pamoja na uhusiano kati ya matukio mawili ya kimwili, moja ambayo yanahusiana na mechanics ya miundo (kwa eneo la sindano), na nyingine kwa mechanics ya miundo.(kwa eneo la acicular), hivyo hali zinazofanana zinawekwa kwenye acoustics (kwa maji na eneo la acicular)74.Hasa, vibrations ndogo zinazotumiwa kwenye kiti cha sindano husababisha kuvuruga kwa voltage ndogo;kwa hivyo, kwa kudhani kuwa sindano inatenda kazi kama kiungo nyororo, vekta U ya kuhamishwa inaweza kukadiriwa kutoka kwa mlingano wa msawazo wa elastodynamic (Navier)75.Oscillations ya kimuundo ya sindano husababisha mabadiliko katika shinikizo la maji ndani yake (inachukuliwa kuwa ya utulivu katika mfano wetu), kama matokeo ya ambayo mawimbi ya sauti huenea katika mwelekeo wa muda mrefu wa sindano, kimsingi kutii equation ya Helmholtz76.Hatimaye, kwa kuzingatia kwamba madhara yasiyo ya kawaida katika tishu hayana maana na kwamba amplitude ya mawimbi ya shear ni ndogo sana kuliko amplitude ya mawimbi ya shinikizo, equation ya Helmholtz pia inaweza kutumika kwa mfano wa uenezi wa mawimbi ya acoustic katika tishu laini.Baada ya makadirio haya, tishu huchukuliwa kuwa kioevu77 na msongamano wa kilo 1000 / m3 na kasi ya sauti ya 1540 m / s (kupuuza athari za unyevu zinazotegemea frequency).Ili kuunganisha nyanja hizi mbili za kimwili, ni muhimu kuhakikisha mwendelezo wa harakati za kawaida kwenye mpaka wa imara na kioevu, usawa wa tuli kati ya shinikizo na dhiki perpendicular kwa mpaka wa imara, na mkazo wa tangential kwenye mpaka wa kioevu lazima iwe sawa na sifuri.75 .
Katika uchambuzi wetu, tunachunguza uenezi wa mawimbi ya akustisk kando ya sindano chini ya hali ya stationary, tukizingatia ushawishi wa jiometri ya sindano juu ya utoaji wa mawimbi ndani ya tishu.Hasa, tulichunguza athari za kipenyo cha ndani cha sindano D, urefu L na pembe ya bevel α, tukiweka unene t ukiwa 500 µm kwa visa vyote vilivyosomwa.Thamani hii ya t iko karibu na unene wa kawaida wa ukuta wa 71 kwa sindano za kibiashara.
Bila kupoteza kwa ujumla, mzunguko wa f wa uhamisho wa harmonic uliotumiwa kwenye msingi wa sindano ulichukuliwa sawa na 100 kHz, na amplitude A ilikuwa 1 μm.Hasa, masafa yaliwekwa kuwa 100 kHz, ambayo yanawiana na makadirio ya uchanganuzi yaliyotolewa katika sehemu ya "Uchambuzi wa kutawanya wa wingi wa tumor ya spherical kukadiria masafa ya ultrasound tegemezi ya ukuaji", ambapo tabia kama ya resonance ya wingi wa tumor ilipatikana katika mzunguko wa mzunguko wa 50-400 kHz, na amplitude kubwa zaidi ya kueneza imejilimbikizia kwenye masafa ya chini karibu 100-200 kHz (angalia Mchoro 2).
Parameta ya kwanza iliyosomwa ilikuwa kipenyo cha ndani D cha sindano.Kwa urahisi, inafafanuliwa kama sehemu kamili ya urefu wa wimbi la akustisk kwenye cavity ya sindano (yaani, katika maji λW = 1.5 mm).Hakika, matukio ya uenezi wa wimbi katika vifaa vinavyojulikana na jiometri iliyotolewa (kwa mfano, katika wimbi la wimbi) mara nyingi hutegemea ukubwa wa tabia ya jiometri inayotumiwa kwa kulinganisha na urefu wa wimbi la kuenea.Kwa kuongeza, katika uchambuzi wa kwanza, ili kusisitiza vizuri athari za kipenyo D juu ya uenezi wa wimbi la acoustic kupitia sindano, tulizingatia ncha ya gorofa, kuweka angle α = 90 °.Wakati wa uchambuzi huu, urefu wa sindano L uliwekwa kwa 70 mm.
Kwenye mtini.6a huonyesha kiwango cha wastani cha sauti kama utendaji wa kigezo cha kipimo kisicho na kipimo cha SD, yaani D = λW/SD kilichotathminiwa katika duara na kipenyo cha mm 10 kinachozingatia ncha ya sindano inayolingana.Kigezo cha kuongeza SD kinabadilika kutoka 2 hadi 6, yaani, tunazingatia maadili ya D kutoka 7.5 mm hadi 2.5 mm (saa f = 100 kHz).Masafa pia yanajumuisha thamani ya kawaida ya 71 kwa sindano za matibabu za chuma cha pua.Kama inavyotarajiwa, kipenyo cha ndani cha sindano huathiri ukubwa wa sauti iliyotolewa na sindano, na thamani ya juu (1030 W/m2) inayolingana na D = λW/3 (yaani D = 5 mm) na mwelekeo unaopungua na kupungua. kipenyo.Inapaswa kuzingatiwa kuwa kipenyo cha D ni parameter ya kijiometri ambayo pia huathiri uvamizi wa kifaa cha matibabu, hivyo kipengele hiki muhimu hawezi kupuuzwa wakati wa kuchagua thamani mojawapo.Kwa hivyo, ingawa kupungua kwa D hufanyika kwa sababu ya upitishaji wa chini wa nguvu ya akustisk kwenye tishu, kwa tafiti zifuatazo, kipenyo D = λW/5, yaani D = 3 mm (inalingana na kiwango cha 11G71 kwa f = 100 kHz) , inachukuliwa kuwa maelewano ya kuridhisha kati ya uingiliaji wa kifaa na upitishaji wa nguvu ya sauti (wastani wa 450 W/m2).
Kiwango cha wastani cha sauti inayotolewa na ncha ya sindano (inachukuliwa kuwa gorofa), kulingana na kipenyo cha ndani cha sindano (a), urefu (b) na pembe ya bevel α (c).Urefu katika (a, c) ni 90 mm, na kipenyo katika (b, c) ni 3 mm.
Kigezo kinachofuata cha kuchanganuliwa ni urefu wa sindano L. Kama ilivyo kwa kifani kilichotangulia, tunazingatia pembe ya oblique α = 90° na urefu hupimwa kama kizidishio cha urefu wa mawimbi katika maji, yaani zingatia L = SL λW. .Kigezo cha kipimo kisicho na kipimo cha SL kinabadilishwa kutoka 3 hadi 7, na hivyo kukadiria kiwango cha wastani cha sauti iliyotolewa na ncha ya sindano katika safu ya urefu kutoka 4.5 hadi 10.5 mm.Safu hii inajumuisha maadili ya kawaida ya sindano za kibiashara.Matokeo yanaonyeshwa kwenye Mtini.6b, kuonyesha kwamba urefu wa sindano, L, ina ushawishi mkubwa juu ya maambukizi ya kiwango cha sauti katika tishu.Hasa, uboreshaji wa parameta hii ilifanya iwezekane kuboresha upitishaji kwa takriban mpangilio wa ukubwa.Kwa kweli, katika safu ya urefu iliyochanganuliwa, kiwango cha wastani cha sauti huchukua upeo wa ndani wa 3116 W/m2 kwa SL = 4 (yaani, L = 60 mm), na nyingine inalingana na SL = 6 (yaani, L = 90). mm).
Baada ya kuchambua ushawishi wa kipenyo na urefu wa sindano juu ya uenezi wa ultrasound katika jiometri ya cylindrical, tulizingatia ushawishi wa angle ya bevel juu ya maambukizi ya kiwango cha sauti katika tishu.Kiwango cha wastani cha sauti inayotoka kwenye ncha ya nyuzi kilitathminiwa kama utendaji wa pembe α, na kubadilisha thamani yake kutoka 10° (ncha yenye ncha kali) hadi 90° (ncha bapa).Katika kesi hii, radius ya nyanja ya kuunganisha karibu na ncha iliyozingatiwa ya sindano ilikuwa 20 mm, ili kwa maadili yote ya α, ncha ya sindano ilijumuishwa kwa kiasi kilichohesabiwa kutoka wastani.
Kama inavyoonyeshwa kwenye mtini.6c, wakati ncha imepigwa, yaani, wakati α inapungua kuanzia 90 °, ukubwa wa sauti iliyopitishwa huongezeka, kufikia thamani ya juu ya karibu 1.5 × 105 W/m2, ambayo inalingana na α = 50 °, yaani, 2. ni mpangilio wa ukubwa wa juu kuhusiana na hali ya gorofa.Kwa kunoa zaidi kwa ncha (yaani, kwa α chini ya 50 °), kiwango cha sauti huelekea kupungua, kufikia maadili kulinganishwa na ncha iliyopangwa.Walakini, ingawa tulizingatia anuwai ya pembe za bevel kwa uigaji wetu, inafaa kuzingatia kuwa kunoa ncha ni muhimu ili kuwezesha kuingizwa kwa sindano kwenye tishu.Kwa kweli, pembe ndogo ya bevel (kuhusu 10 °) inaweza kupunguza nguvu 78 inayohitajika kupenya tishu.
Mbali na thamani ya nguvu ya sauti inayopitishwa ndani ya tishu, pembe ya bevel pia huathiri mwelekeo wa uenezi wa wimbi, kama inavyoonyeshwa kwenye grafu za kiwango cha shinikizo la sauti inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7a (kwa ncha bapa) na 3b (kwa 10°). )ncha ya beveled), sambamba Mwelekeo wa longitudinal unatathminiwa katika ndege ya ulinganifu (yz, cf. Mchoro 5).Katika ukali wa mambo haya mawili ya kuzingatia, kiwango cha shinikizo la sauti (kinachojulikana kama 1 µPa) hujilimbikizia zaidi ndani ya tundu la sindano (yaani ndani ya maji) na kuangaziwa kwenye tishu.Kwa undani zaidi, katika kesi ya ncha ya gorofa (Mchoro 7a), usambazaji wa kiwango cha shinikizo la sauti ni ulinganifu kabisa kwa heshima na mwelekeo wa longitudinal, na mawimbi yaliyosimama yanaweza kutofautishwa katika maji yanayojaza mwili.Wimbi linaelekezwa kwa muda mrefu (z-axis), amplitude hufikia thamani yake ya juu katika maji (karibu 240 dB) na hupungua kinyume chake, ambayo husababisha kupungua kwa karibu 20 dB kwa umbali wa mm 10 kutoka katikati ya sindano.Kama inavyotarajiwa, kuanzishwa kwa ncha iliyoelekezwa (Mchoro 7b) huvunja ulinganifu huu, na antinodes ya mawimbi yaliyosimama "hupotosha" kulingana na ncha ya sindano.Inavyoonekana, asymmetry hii huathiri nguvu ya mionzi ya ncha ya sindano, kama ilivyoelezwa hapo awali (Mchoro 6c).Ili kuelewa vizuri kipengele hiki, ukubwa wa akustisk ulipimwa pamoja na mstari wa kukata orthogonal kwa mwelekeo wa longitudinal wa sindano, ambayo ilikuwa kwenye ndege ya ulinganifu wa sindano na iko umbali wa mm 10 kutoka ncha ya sindano ( matokeo katika Kielelezo 7c).Hasa zaidi, usambaaji wa ukubwa wa sauti uliotathminiwa kwa pembe za 10°, 20° na 30° oblique (mistari ya bluu, nyekundu na kijani kibichi mtawalia) ililinganishwa na usambazaji karibu na ncha bapa (mikondo yenye vitone vyeusi).Usambazaji wa nguvu unaohusishwa na sindano za gorofa inaonekana kuwa ya ulinganifu kuhusu katikati ya sindano.Hasa, inachukua thamani ya takriban 1420 W/m2 katikati, kufurika kwa takriban 300 W/m2 kwa umbali wa ~ 8 mm, na kisha inapungua hadi thamani ya karibu 170 W/m2 kwa ~ 30 mm. .Ncha inapoelekezwa, tundu la kati hugawanyika katika lobes zaidi za nguvu tofauti.Hasa zaidi, wakati α ilikuwa 30 °, petals tatu zinaweza kutofautishwa wazi katika wasifu uliopimwa kwa mm 1 kutoka kwenye ncha ya sindano.Ya kati iko karibu katikati ya sindano na ina thamani inayokadiriwa ya 1850 W / m2, na ya juu upande wa kulia ni karibu 19 mm kutoka katikati na kufikia 2625 W / m2.Katika α = 20 °, kuna lobes 2 kuu: moja kwa -12 mm kwa 1785 W / m2 na moja kwa 14 mm kwa 1524 W / m2.Wakati ncha inakuwa kali na angle kufikia 10 °, kiwango cha juu cha 817 W / m2 kinafikiwa karibu -20 mm, na lobes tatu zaidi za kiwango kidogo kidogo zinaonekana pamoja na wasifu.
Kiwango cha shinikizo la sauti katika ndege ya ulinganifu y–z ya sindano yenye ncha bapa (a) na 10° bevel (b).(c) Usambazaji wa nguvu ya akustisk inakadiriwa kando ya mstari wa kukata perpendicular kwa mwelekeo wa longitudinal wa sindano, kwa umbali wa mm 10 kutoka ncha ya sindano na kulala katika ndege ya ulinganifu yz.Urefu L ni 70 mm na kipenyo D ni 3 mm.
Yakijumlishwa, matokeo haya yanaonyesha kuwa sindano za kimatibabu zinaweza kutumika kwa ufanisi kupitisha ultrasound katika 100 kHz hadi kwenye tishu laini.Uzito wa sauti iliyotolewa inategemea jiometri ya sindano na inaweza kuboreshwa (kulingana na mapungufu yaliyowekwa na uvamizi wa kifaa cha mwisho) hadi maadili katika safu ya 1000 W / m2 (saa 10 mm).kutumika chini ya sindano 1. Katika kesi ya kukabiliana na micrometer, sindano inachukuliwa kuwa imeingizwa kikamilifu kwenye tishu za laini za kupanua usio na ukomo.Hasa, pembe ya bevel huathiri sana ukubwa na mwelekeo wa uenezi wa mawimbi ya sauti kwenye tishu, ambayo inaongoza kwa usahihi wa kukatwa kwa ncha ya sindano.
Ili kusaidia uundaji wa mikakati mipya ya matibabu ya tumor kulingana na utumiaji wa mbinu za matibabu zisizo za uvamizi, uenezi wa ultrasound ya masafa ya chini katika mazingira ya uvimbe ulichambuliwa kwa uchanganuzi na kwa njia ya hesabu.Hasa, katika sehemu ya kwanza ya utafiti, ufumbuzi wa elastodynamic wa muda ulituruhusu kujifunza kueneza kwa mawimbi ya ultrasonic katika spheroids ya tumor imara ya ukubwa unaojulikana na ugumu ili kujifunza unyeti wa mzunguko wa wingi.Kisha, masafa ya utaratibu wa mamia ya kilohertz yalichaguliwa, na matumizi ya ndani ya mkazo wa vibration katika mazingira ya tumor kwa kutumia sindano ya matibabu ilitolewa kwa simulation ya nambari kwa kusoma ushawishi wa vigezo kuu vya kubuni vinavyoamua uhamisho wa acoustic. nguvu ya chombo kwa mazingira.Matokeo yanaonyesha kuwa sindano za matibabu zinaweza kutumika kwa ufanisi kuwasha tishu na ultrasound, na ukali wake unahusiana kwa karibu na parameter ya kijiometri ya sindano, inayoitwa urefu wa wimbi la acoustic.Kwa kweli, ukali wa mionzi kupitia tishu huongezeka kwa kuongezeka kwa kipenyo cha ndani cha sindano, kufikia kiwango cha juu wakati kipenyo ni mara tatu ya urefu wa wimbi.Urefu wa sindano pia hutoa kiwango fulani cha uhuru wa kuongeza mfiduo.Matokeo ya mwisho yanakuzwa wakati urefu wa sindano umewekwa kwa safu fulani ya urefu wa uendeshaji (haswa 4 na 6).Inafurahisha, kwa anuwai ya masafa ya riba, thamani za kipenyo na urefu ulioboreshwa ziko karibu na zile zinazotumiwa sana kwa sindano za kawaida za kibiashara.Pembe ya bevel, ambayo huamua ukali wa sindano, pia huathiri hali ya hewa chafu, inayofikia kilele cha takriban 50 ° na kutoa utendaji mzuri wa takriban 10 °, ambayo hutumiwa kwa sindano za kibiashara..Matokeo ya uigaji yatatumika kuongoza utekelezaji na uboreshaji wa jukwaa la uchunguzi wa sindano ya hospitali, kuunganisha uchunguzi wa uchunguzi na matibabu na suluhu zingine za matibabu ya ndani ya kifaa na kutambua afua shirikishi za matibabu ya usahihi.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. na Kopp MV Je, dawa ya usahihi ni nini?Eur, kigeni.Jarida 50, 1700391 (2017).
Collins, FS na Varmus, H. Mipango mipya katika matibabu ya usahihi.N. eng.J. Dawa.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK na Wang, MD.Taarifa za Upigaji Picha za Kibiolojia katika Enzi ya Dawa ya Usahihi: Mafanikio, Changamoto, na Fursa.Jam.dawa.taarifa.Profesa Msaidizi.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: mapitio.J. Kliniki.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., na Salem, A. Uboreshaji wa tiba ya glioblastoma (GBM) kwa kutumia mfumo wa utoaji unaotegemea nanoparticle.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G na von Daimling A. Glioblastoma: patholojia, taratibu za molekuli na alama.Acta Neuropathy.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM na Berger, MS Mikakati ya Sasa na ya siku zijazo ya matibabu ya glioma.upasuaji wa neva.Mh.40, 1–14 (2017).