Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Bilang karagdagan, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site na walang mga istilo at JavaScript.
Mga slider na nagpapakita ng tatlong artikulo sa bawat slide.Gamitin ang likod at susunod na mga pindutan upang lumipat sa mga slide, o ang mga pindutan ng slide controller sa dulo upang lumipat sa bawat slide.
Batay sa interdisciplinary intersection ng physics at life sciences, ang mga diagnostic at therapeutic na estratehiya batay sa precision medicine ay nakakuha kamakailan ng malaking atensyon dahil sa praktikal na applicability ng mga bagong pamamaraan ng engineering sa maraming larangan ng medisina, lalo na sa oncology.Sa loob ng balangkas na ito, ang paggamit ng ultrasound upang atakehin ang mga selula ng kanser sa mga tumor upang magdulot ng posibleng mekanikal na pinsala sa iba't ibang kaliskis ay nakakaakit ng pagtaas ng atensyon mula sa mga siyentipiko sa buong mundo.Isinasaalang-alang ang mga salik na ito, batay sa mga elastodynamic timing solution at numerical simulation, nagpapakita kami ng isang paunang pag-aaral ng computer simulation ng ultrasound propagation sa mga tisyu upang pumili ng angkop na mga frequency at kapangyarihan sa pamamagitan ng lokal na pag-iilaw.Bagong diagnostic platform para sa laboratoryo na teknolohiyang On-Fiber, na tinatawag na hospital needle at patented na.Ito ay pinaniniwalaan na ang mga resulta ng pagsusuri at mga kaugnay na biophysical insight ay maaaring magbigay daan para sa mga bagong pinagsama-samang diagnostic at therapeutic approach na maaaring gumanap ng isang sentral na papel sa aplikasyon ng precision medicine sa hinaharap, mula sa mga larangan ng pisika.Ang isang lumalagong synergy sa pagitan ng biology ay nagsisimula.
Sa pag-optimize ng isang malaking bilang ng mga klinikal na aplikasyon, ang pangangailangan na bawasan ang mga epekto sa mga pasyente ay unti-unting nagsimulang lumitaw.Sa layuning ito, ang precision medicine1, 2, 3, 4, 5 ay naging isang madiskarteng layunin na bawasan ang dosis ng mga gamot na inihatid sa mga pasyente, na mahalagang sumusunod sa dalawang pangunahing diskarte.Ang una ay batay sa isang paggamot na idinisenyo ayon sa genomic profile ng pasyente.Ang pangalawa, na nagiging pamantayang ginto sa oncology, ay naglalayong maiwasan ang mga sistematikong pamamaraan ng paghahatid ng gamot sa pamamagitan ng pagsubok na maglabas ng isang maliit na halaga ng gamot, habang sa parehong oras ay nagdaragdag ng katumpakan sa pamamagitan ng paggamit ng lokal na therapy.Ang pinakalayunin ay alisin o bawasan man lang ang mga negatibong epekto ng maraming therapeutic approach, gaya ng chemotherapy o systemic administration ng radionuclides.Depende sa uri ng kanser, lokasyon, dosis ng radiation, at iba pang mga kadahilanan, kahit na ang radiation therapy ay maaaring magkaroon ng mataas na likas na panganib sa malusog na tissue.Sa paggamot ng glioblastoma6,7,8,9 na operasyon ay matagumpay na nag-aalis ng pinagbabatayan na kanser, ngunit kahit na sa kawalan ng metastases, maraming maliliit na cancerous infiltrates ang maaaring naroroon.Kung hindi sila ganap na maalis, ang mga bagong kanser na masa ay maaaring lumaki sa loob ng medyo maikling panahon.Sa kontekstong ito, ang mga nabanggit na diskarte sa precision na gamot ay mahirap ilapat dahil ang mga infiltrate na ito ay mahirap makita at kumalat sa isang malaking lugar.Pinipigilan ng mga hadlang na ito ang mga tiyak na resulta sa pagpigil sa anumang pag-ulit gamit ang tumpak na gamot, kaya mas gusto ang mga sistematikong paraan ng paghahatid sa ilang mga kaso, kahit na ang mga gamot na ginagamit ay maaaring magkaroon ng napakataas na antas ng toxicity.Upang malampasan ang problemang ito, ang perpektong diskarte sa paggamot ay ang paggamit ng minimally invasive na mga diskarte na maaaring piliing umatake sa mga selula ng kanser nang hindi naaapektuhan ang malusog na tissue.Sa liwanag ng argumentong ito, ang paggamit ng mga ultrasonic vibrations, na ipinakita na nakakaapekto sa mga cancerous at malusog na mga cell sa ibang paraan, kapwa sa mga unicellular system at sa mesoscale heterogenous na mga cluster, ay tila isang posibleng solusyon.
Mula sa isang mekanikal na pananaw, ang malusog at cancerous na mga selula ay talagang may iba't ibang natural na resonant frequency.Ang ari-arian na ito ay nauugnay sa mga oncogenic na pagbabago sa mga mekanikal na katangian ng cytoskeletal na istraktura ng mga selula ng kanser12,13, habang ang mga selula ng tumor ay, sa karaniwan, mas deformable kaysa sa mga normal na selula.Kaya, na may pinakamainam na pagpili ng dalas ng ultrasound para sa pagpapasigla, ang mga vibrations na sapilitan sa mga piling lugar ay maaaring magdulot ng pinsala sa nabubuhay na mga istrukturang may kanser, na nagpapaliit sa epekto sa malusog na kapaligiran ng host.Ang mga hindi pa lubos na nauunawaang epekto ay maaaring kabilangan ng pagkasira ng ilang partikular na bahagi ng istruktura ng cellular dahil sa mataas na dalas ng mga panginginig ng boses na dulot ng ultrasound (sa prinsipyo ay halos kapareho sa lithotripsy14) at pagkasira ng cellular dahil sa isang hindi pangkaraniwang bagay na katulad ng mekanikal na pagkapagod, na maaaring magbago ng istraktura ng cellular. .programming at mechanobiology.Bagaman ang teoretikal na solusyon na ito ay tila napaka-angkop, sa kasamaang-palad ay hindi ito magagamit sa mga kaso kung saan ang anechoic biological na istruktura ay pumipigil sa direktang paggamit ng ultrasound, halimbawa, sa mga intracranial na aplikasyon dahil sa pagkakaroon ng buto, at ang ilang mga tumor sa suso ay matatagpuan sa adipose. tissue.Maaaring limitahan ng pagpapalambing ang lugar ng potensyal na therapeutic effect.Upang malampasan ang mga problemang ito, dapat na lokal na ilapat ang ultrasound gamit ang mga espesyal na idinisenyong transduser na maaaring maabot ang irradiated site nang hindi gaanong invasive hangga't maaari.Sa pag-iisip na ito, isinasaalang-alang namin ang posibilidad ng paggamit ng mga ideya na nauugnay sa posibilidad ng paglikha ng isang makabagong teknolohikal na platform na tinatawag na "needle hospital"15.Ang konsepto ng "Hospital in the Needle" ay nagsasangkot ng pagbuo ng isang minimally invasive na medikal na instrumento para sa diagnostic at therapeutic application, batay sa kumbinasyon ng iba't ibang mga function sa isang medikal na karayom.Tulad ng tinalakay nang mas detalyado sa seksyon ng Hospital Needle, ang compact device na ito ay pangunahing batay sa mga pakinabang ng 16, 17, 18, 19, 20, 21 fiber optic probes, na, dahil sa kanilang mga katangian, ay angkop para sa pagpasok sa standard 20 mga medikal na karayom, 22 lumens.Gamit ang flexibility na ibinibigay ng Lab-on-Fiber (LOF)23 na teknolohiya, ang fiber ay epektibong nagiging isang natatanging platform para sa miniaturized at ready-to-use na diagnostic at therapeutic device, kabilang ang fluid biopsy at tissue biopsy device.sa biomolecular detection24,25, light-guided local drug delivery26,27, high-precision local ultrasound imaging28, thermal therapy29,30 at spectroscopy-based na cancer tissue identification31.Sa loob ng konseptong ito, gamit ang diskarte sa localization batay sa device na "needle in the hospital", sinisiyasat namin ang posibilidad ng pag-optimize ng lokal na pagpapasigla ng mga biological na istruktura ng residente sa pamamagitan ng paggamit ng pagpapalaganap ng mga ultrasound wave sa pamamagitan ng mga karayom ​​upang pukawin ang mga ultrasound wave sa loob ng rehiyon ng interes..Kaya, ang low-intensity therapeutic ultrasound ay maaaring direktang ilapat sa lugar ng peligro na may kaunting invasiveness para sa mga sonicating cell at maliliit na solidong pormasyon sa malambot na mga tisyu, tulad ng sa kaso ng nabanggit na intracranial surgery, isang maliit na butas sa bungo ay dapat na ipasok na may isang karayom.May inspirasyon ng kamakailang teoretikal at pang-eksperimentong mga resulta na nagmumungkahi na ang ultrasound ay maaaring huminto o maantala ang pag-unlad ng ilang mga kanser, 32,33,34 ang iminungkahing diskarte ay maaaring makatulong na matugunan, kahit na sa prinsipyo, ang mga pangunahing trade-off sa pagitan ng mga agresibo at nakakagamot na epekto.Sa mga pagsasaalang-alang na ito, sa kasalukuyang papel, sinisiyasat namin ang posibilidad ng paggamit ng in-hospital needle device para sa minimally invasive na ultrasound therapy para sa cancer.Mas tiyak, sa Scattering Analysis of Spherical Tumor Masses para sa Estimating Growth-Dependent Ultrasound Frequency na seksyon, gumagamit kami ng mahusay na itinatag na mga paraan ng elastodynamic at acoustic scattering theory upang mahulaan ang laki ng mga spherical solid tumor na lumaki sa isang elastic medium.paninigas na nangyayari sa pagitan ng tumor at host tissue dahil sa pag-remodel ng materyal na sanhi ng paglaki.Nang mailarawan ang aming system, na tinatawag naming seksyong "Ospital sa Karayom", sa seksyong "Ospital sa Karayom", sinusuri namin ang pagpapalaganap ng mga ultrasonic wave sa pamamagitan ng mga medikal na karayom ​​sa mga hinulaang frequency at ang kanilang numerical na modelo ay nag-iilaw sa kapaligiran upang pag-aralan. ang pangunahing geometric na mga parameter (ang aktwal na panloob na diameter , haba at sharpness ng karayom), na nakakaapekto sa paghahatid ng acoustic power ng instrumento.Dahil sa pangangailangang bumuo ng mga bagong diskarte sa engineering para sa precision na gamot, pinaniniwalaan na ang iminungkahing pag-aaral ay maaaring makatulong sa pagbuo ng isang bagong tool para sa paggamot sa kanser batay sa paggamit ng ultrasound na inihatid sa pamamagitan ng pinagsamang theragnostic platform na nagsasama ng ultrasound sa iba pang mga solusyon.Pinagsama, tulad ng naka-target na paghahatid ng gamot at mga real-time na diagnostic sa loob ng isang karayom.
Ang pagiging epektibo ng pagbibigay ng mga mekanistikong estratehiya para sa paggamot ng mga localized solid tumor gamit ang ultrasonic (ultrasound) stimulation ay naging layunin ng ilang mga papel na tumatalakay sa parehong teoretikal at eksperimental sa epekto ng mababang intensity na ultrasonic vibrations sa mga single-cell system 10, 11, 12 . , 32, 33, 34, 35, 36 Gamit ang mga viscoelastic na modelo, ilang investigator ang nag-analytical na nagpakita na ang mga tumor at malusog na mga cell ay nagpapakita ng iba't ibang mga tugon sa dalas na nailalarawan sa pamamagitan ng natatanging mga resonant na peak sa hanay ng US 10,11,12.Ang resulta na ito ay nagmumungkahi na, sa prinsipyo, ang mga selula ng tumor ay maaaring piliing atakehin ng mekanikal na stimuli na nagpapanatili sa kapaligiran ng host.Ang pag-uugali na ito ay isang direktang kinahinatnan ng pangunahing ebidensya na, sa karamihan ng mga kaso, ang mga selula ng tumor ay mas malambot kaysa sa malusog na mga selula, posibleng mapahusay ang kanilang kakayahang dumami at lumipat37,38,39,40.Batay sa mga resulta na nakuha sa mga modelo ng solong cell, halimbawa sa microscale, ang pagpili ng mga selula ng kanser ay ipinakita din sa mesoscale sa pamamagitan ng mga numerical na pag-aaral ng mga harmonic na tugon ng mga heterogenous na cell aggregates.Nagbibigay ng ibang porsyento ng mga selula ng kanser at malusog na mga selula, ang mga multicellular na pinagsama-samang daan-daang micrometer ang laki ay binuo ayon sa hierarchical.Sa mesolevel ng mga pinagsama-samang ito, ang ilang mga microscopic na tampok ng interes ay napanatili dahil sa direktang pagpapatupad ng mga pangunahing elemento ng istruktura na nagpapakilala sa mekanikal na pag-uugali ng mga solong cell.Sa partikular, ang bawat cell ay gumagamit ng arkitektura na nakabatay sa tensegrity upang gayahin ang tugon ng iba't ibang mga prestressed na istruktura ng cytoskeletal, sa gayon ay nakakaapekto sa kanilang pangkalahatang katigasan12, 13.Ang mga teoretikal na hula at in vitro na mga eksperimento ng literatura sa itaas ay nagbigay ng nakapagpapatibay na mga resulta, na nagpapahiwatig ng pangangailangan na pag-aralan ang sensitivity ng mga masa ng tumor sa low-intensity therapeutic ultrasound (LITUS), at ang pagtatasa ng dalas ng pag-iilaw ng mga masa ng tumor ay napakahalaga.posisyon LITUS para sa on-site na aplikasyon.
Gayunpaman, sa antas ng tissue, ang submacroscopic na paglalarawan ng indibidwal na bahagi ay hindi maiiwasang mawala, at ang mga katangian ng tumor tissue ay maaaring masubaybayan gamit ang mga sunud-sunod na pamamaraan upang subaybayan ang mass growth at stress-induced remodeling na proseso, na isinasaalang-alang ang macroscopic effect ng paglago.-sapilitan pagbabago sa tissue elasticity sa isang sukat na 41.42.Sa katunayan, hindi tulad ng unicellular at pinagsama-samang mga sistema, ang mga solidong masa ng tumor ay lumalaki sa malambot na mga tisyu dahil sa unti-unting akumulasyon ng mga aberrant na natitirang stress, na nagbabago sa mga likas na mekanikal na katangian dahil sa pagtaas ng pangkalahatang intratumoral rigidity, at ang tumor sclerosis ay madalas na nagiging isang kadahilanan sa pagtukoy sa pagtuklas ng tumor.
Sa mga pagsasaalang-alang na ito, sinusuri namin ang sonodynamic na tugon ng mga tumor spheroid na na-modelo bilang nababanat na spherical inclusions na lumalaki sa isang normal na kapaligiran ng tissue.Mas tiyak, ang mga nababanat na katangian na nauugnay sa yugto ng tumor ay tinutukoy batay sa teoretikal at pang-eksperimentong mga resulta na nakuha ng ilang mga may-akda sa nakaraang gawain.Kabilang sa mga ito, ang ebolusyon ng mga solidong tumor spheroid na lumago sa vivo sa heterogenous na media ay napag-aralan sa pamamagitan ng paglalapat ng mga non-linear na mekanikal na modelo 41,43,44 kasama ang interspecies dynamics upang mahulaan ang pag-unlad ng mga masa ng tumor at nauugnay na intratumoral stress.Gaya ng nabanggit sa itaas, ang paglaki (hal., hindi nababanat na prestretching) at natitirang stress ay nagdudulot ng progresibong pagbabago ng mga katangian ng materyal na tumor, at sa gayo'y nagbabago rin ang acoustic response nito.Mahalagang tandaan na sa ref.41 ang co-evolution ng paglago at solidong stress sa mga tumor ay ipinakita sa mga eksperimentong kampanya sa mga modelo ng hayop.Sa partikular, ang paghahambing ng higpit ng mga masa ng tumor sa suso na natanggal sa iba't ibang yugto na may katigasan na nakuha sa pamamagitan ng pagpaparami ng mga katulad na kondisyon sa silico sa isang spherical finite element na modelo na may parehong mga sukat at isinasaalang-alang ang hinulaang natitirang stress field ay nakumpirma ang iminungkahing pamamaraan ng bisa ng modelo..Sa gawaing ito, ang dating nakuhang teoretikal at pang-eksperimentong mga resulta ay ginagamit upang bumuo ng isang bagong binuo na diskarte sa therapeutic.Sa partikular, ang mga hinulaang sukat na may kaukulang mga katangian ng paglaban sa ebolusyon ay kinakalkula dito, na kung saan ay ginamit upang tantyahin ang mga saklaw ng dalas kung saan ang mga masa ng tumor na naka-embed sa kapaligiran ng host ay mas sensitibo.Sa layuning ito, sinisiyasat namin ang pabago-bagong pag-uugali ng masa ng tumor sa iba't ibang yugto, na kinuha sa iba't ibang yugto, na isinasaalang-alang ang mga acoustic indicator alinsunod sa karaniwang tinatanggap na prinsipyo ng scattering bilang tugon sa ultrasonic stimuli at pag-highlight ng mga posibleng resonant phenomena ng spheroid. .depende sa tumor at host Mga pagkakaiba na umaasa sa paglaki sa paninigas sa pagitan ng mga tisyu.
Kaya, ang mga masa ng tumor ay na-modelo bilang nababanat na mga globo ng radius \(a\) sa nakapalibot na nababanat na kapaligiran ng host batay sa pang-eksperimentong data na nagpapakita kung paano lumalaki ang malalaking malignant na istruktura sa lugar sa mga spherical na hugis.Ang pagtukoy sa Figure 1, gamit ang spherical coordinates \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (kung saan ang \(\theta\) at \(\varphi\) ay kumakatawan sa anomalya na anggulo at azimuth angle ayon sa pagkakabanggit), ang sinasakop ng domain ng tumor ang Rehiyon na naka-embed sa malusog na espasyo \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) walang hangganang rehiyon \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Ang pagtukoy sa Karagdagang Impormasyon (SI) para sa isang kumpletong paglalarawan ng modelo ng matematika batay sa mahusay na itinatag na elastodynamic na batayan na iniulat sa maraming mga literatura45, 46, 47, 48, isinasaalang-alang namin dito ang isang problema na nailalarawan ng isang axisymmetric oscillation mode.Ang pagpapalagay na ito ay nagpapahiwatig na ang lahat ng mga variable sa loob ng tumor at malusog na mga lugar ay independiyente sa azimuthal coordinate \(\varphi\) at walang pagbaluktot na nangyayari sa direksyong ito.Dahil dito, ang displacement at stress field ay maaaring makuha mula sa dalawang scalar potentials \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) at \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , sila ay ayon sa pagkakabanggit ay nauugnay sa isang longitudinal wave at isang shear wave, ang coincidence time t sa pagitan ng surge \(\theta \) at ang anggulo sa pagitan ng direksyon ng incident wave at ng position vector \({\mathbf {x))\) ( tulad ng ipinapakita sa figure 1) at \(\omega = 2\pi f\) ay kumakatawan sa angular frequency.Sa partikular, ang field ng insidente ay namodelo ng plane wave \(\phi_{H}^{(in)}\) (ipinakilala rin sa SI system, sa equation (A.9)) na nagpapalaganap sa volume ng katawan ayon sa pagpapahayag ng batas
kung saan ang \(\phi_{0}\) ay ang amplitude parameter.Ang spherical expansion ng incident plane wave (1) gamit ang spherical wave function ay ang karaniwang argumento:
Kung saan ang \(j_{n}\) ay ang spherical Bessel function ng unang uri ng order \(n\), at ang \(P_{n}\) ay ang Legendre polynomial.Ang bahagi ng incident wave ng investment sphere ay nakakalat sa nakapalibot na medium at nagsasapawan sa incident field, habang ang ibang bahagi ay nakakalat sa loob ng sphere, na nag-aambag sa vibration nito.Upang gawin ito, ang mga harmonic na solusyon ng wave equation \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) at \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), na ibinigay halimbawa ng Eringen45 (tingnan din ang SI ) ay maaaring magpahiwatig ng tumor at malusog na mga lugar.Sa partikular, ang mga nakakalat na expansion wave at isovolumic wave na nabuo sa host medium \(H\) ay umamin ng kani-kanilang potensyal na enerhiya:
Kabilang sa mga ito, ang spherical Hankel function ng unang uri na \(h_{n}^{(1)}\) ay ginagamit upang isaalang-alang ang papalabas na nakakalat na alon, at \(\alpha_{n}\) at \(\beta_{ n}\ ) ay ang mga hindi kilalang coefficient.sa equation.Sa mga equation (2)–(4), ang mga terminong \(k_{H1}\) at \(k_{H2}\) ay tumutukoy sa mga wave number ng rarefaction at transverse wave sa pangunahing lugar ng katawan, ayon sa pagkakabanggit ( tingnan ang SI).Ang mga compression field sa loob ng tumor at mga shift ay may anyo
Kung saan ang \(k_{T1}\) at \(k_{T2}\) ay kumakatawan sa mga longitudinal at transverse wave number sa rehiyon ng tumor, at ang hindi kilalang coefficient ay \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Batay sa mga resultang ito, ang mga non-zero radial at circumferential displacement na bahagi ay katangian ng malulusog na rehiyon sa problemang isinasaalang-alang, gaya ng \(u_{Hr}\) at \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) hindi na kailangan ang symmetry assumption) — maaaring makuha mula sa ugnayang \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \kanan) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) at \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) sa pamamagitan ng pagbuo ng \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) at \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (tingnan ang SI para sa detalyadong derivation sa matematika).Katulad nito, ang pagpapalit ng \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) at \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) ay nagbabalik ng {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) at \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Kaliwa) Geometry ng isang spherical tumor na lumaki sa isang malusog na kapaligiran kung saan lumalaganap ang isang field ng insidente, (kanan) Katugmang ebolusyon ng tumor-host stiffness ratio bilang isang function ng tumor radius, iniulat na data (inangkop mula sa Carotenuto et al. 41) mula sa mga pagsubok sa compression vitro ay nakuha mula sa mga solidong tumor sa suso na inoculate ng mga selula ng MDA-MB-231.
Ipagpalagay na ang mga linear na elastic at isotropic na materyales, ang mga non-zero na bahagi ng stress sa malusog at tumor na mga rehiyon, ie \(\sigma_{Hpq}\) at \(\sigma_{Tpq}\) – ay sumusunod sa pangkalahatang batas ng Hooke, dahil doon ay magkaibang Lamé moduli , na nagpapakilala sa host at tumor elasticity, na tinutukoy bilang \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) at \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (tingnan ang Equation (A.11) para sa buong pagpapahayag ng mga bahagi ng stress na kinakatawan sa SI).Sa partikular, ayon sa data sa sanggunian 41 at ipinakita sa Figure 1, ang lumalaking mga tumor ay nagpakita ng pagbabago sa mga constant ng pagkalastiko ng tisyu.Kaya, ang mga displacement at stress sa host at mga rehiyon ng tumor ay ganap na tinutukoy hanggang sa isang hanay ng mga hindi kilalang constants \({{ \varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) ay may theoretically infinite na dimensyon.Upang mahanap ang mga coefficient vector na ito, ipinakilala ang mga angkop na interface at kundisyon ng hangganan sa pagitan ng tumor at malusog na lugar.Sa pag-aakalang perpektong pagbubuklod sa interface ng tumor-host \(r = a\), ang pagpapatuloy ng mga displacement at stress ay nangangailangan ng mga sumusunod na kundisyon:
Ang sistema (7) ay bumubuo ng isang sistema ng mga equation na may mga walang katapusang solusyon.Bilang karagdagan, ang bawat kundisyon ng hangganan ay depende sa anomalya \(\theta\).Upang bawasan ang problema sa boundary value sa isang kumpletong algebraic na problema sa \(N\) set ng mga closed system, na ang bawat isa ay nasa hindi alam na \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (na may \ ( N \ sa \infty \), ayon sa teorya), at upang maalis ang pag-asa ng mga equation sa mga terminong trigonometriko, ang mga kundisyon ng interface ay isinusulat sa mahinang anyo gamit ang orthogonality ng Legendre polynomials.Sa partikular, ang equation (7)1,2 at (7)3,4 ay pinarami ng \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) at \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) at pagkatapos ay isama sa pagitan ng \(0\) at \(\pi\) gamit ang mathematical identity:
Kaya, ang kondisyon ng interface (7) ay nagbabalik ng isang quadratic algebraic equation system, na maaaring ipahayag sa matrix form bilang \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) at kunin ang hindi kilalang \({{\varvec{\upxi}}}}_{n}\ ) sa pamamagitan ng paglutas sa panuntunan ni Cramer .
Upang matantya ang daloy ng enerhiya na nakakalat ng globo at makakuha ng impormasyon tungkol sa pagtugon ng acoustic nito batay sa data sa nakakalat na field na nagpapalaganap sa medium ng host, isang acoustic na dami ang interesado, na isang normalized na bistatic scattering cross section.Sa partikular, ang scattering cross section, na tinutukoy ng \(s), ay nagpapahayag ng ratio sa pagitan ng acoustic power na ipinadala ng scattered signal at ang dibisyon ng enerhiya na dala ng incident wave.Kaugnay nito, ang magnitude ng function ng hugis \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) ay isang madalas na ginagamit na dami sa pag-aaral ng mga acoustic mechanism. naka-embed sa isang likido o solid Pagkalat ng mga bagay sa sediment.Mas tiyak, ang amplitude ng function ng hugis ay tinukoy bilang ang differential scattering cross section \(ds\) bawat unit area, na nag-iiba ayon sa normal sa direksyon ng pagpapalaganap ng incident wave:
kung saan ang \(f_{n}^{pp}\) at \(f_{n}^{ps}\) ay tumutukoy sa modal function, na tumutukoy sa ratio ng mga kapangyarihan ng longitudinal wave at ng scattered wave na may kaugnayan sa Ang insidente P-wave sa receiving medium, ayon sa pagkakabanggit, ay ibinibigay kasama ang mga sumusunod na expression:
Ang mga partial wave function (10) ay maaaring pag-aralan nang nakapag-iisa alinsunod sa resonant scattering theory (RST)49,50,51,52, na ginagawang posible na paghiwalayin ang target na elasticity mula sa kabuuang stray field kapag nag-aaral ng iba't ibang mga mode.Ayon sa pamamaraang ito, ang modal form function ay maaaring mabulok sa kabuuan ng dalawang magkapantay na bahagi, katulad ng \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) ay nauugnay sa resonant at nonresonant na background amplitude, ayon sa pagkakabanggit.Ang function ng hugis ng resonant mode ay nauugnay sa tugon ng target, habang ang background ay karaniwang nauugnay sa hugis ng scatterer.Upang makita ang unang formant ng target para sa bawat mode, ang amplitude ng modal resonance shape function \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) ay kinakalkula sa pag-aakalang isang matigas na background, na binubuo ng mga hindi malalampasan na mga sphere sa isang nababanat na materyal ng host.Ang hypothesis na ito ay hinihimok ng katotohanan na, sa pangkalahatan, ang parehong paninigas at densidad ay tumataas sa paglaki ng mass ng tumor dahil sa natitirang compressive stress.Kaya, sa isang matinding antas ng paglaki, ang impedance ratio \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) ay inaasahang mas malaki kaysa sa 1 para sa karamihan ng mga macroscopic solid tumor na nabubuo sa malambot. mga tissue.Halimbawa, Krouskop et al.53 ay nag-ulat ng ratio ng cancerous sa normal na modulus na humigit-kumulang 4 para sa prostate tissue, habang ang halagang ito ay tumaas sa 20 para sa mga sample ng breast tissue.Ang mga ugnayang ito ay hindi maiiwasang magbago ng acoustic impedance ng tissue, tulad ng ipinakita rin sa pagsusuri ng elastography54,55,56, at maaaring nauugnay sa localized tissue thickening na dulot ng tumor hyperproliferation.Ang pagkakaibang ito ay naobserbahan din sa eksperimento sa mga simpleng pagsusuri sa compression ng mga bloke ng tumor sa suso na lumago sa iba't ibang yugto32, at ang pag-remodel ng materyal ay maaaring maayos na sundan ng mga predictive na cross-species na mga modelo ng mga non-linearly na lumalaking tumor43,44.Ang data ng katigasan na nakuha ay direktang nauugnay sa ebolusyon ng modulus ng Young ng mga solidong tumor ayon sa formula \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( spheres na may radius \(a\), stiffness \(S\) at Poisson's ratio \(\nu\) sa pagitan ng dalawang matibay na plato 57, tulad ng ipinapakita sa Figure 1).Kaya, posible na makakuha ng mga sukat ng acoustic impedance ng tumor at host sa iba't ibang antas ng paglago.Sa partikular, kung ihahambing sa modulus ng normal na tissue na katumbas ng 2 kPa sa Fig. 1, ang nababanat na modulus ng mga tumor sa suso sa hanay ng volume na humigit-kumulang 500 hanggang 1250 mm3 ay nagresulta sa pagtaas mula sa humigit-kumulang 10 kPa hanggang 16 kPa, na kung saan ay naaayon sa iniulat na datos.sa mga sanggunian 58, 59 ay natagpuan na ang presyon sa mga sample ng tisyu ng dibdib ay 0.25-4 kPa na may nawawalang precompression.Ipagpalagay din na ang ratio ng Poisson ng halos hindi mapipigil na tissue ay 41.60, na nangangahulugan na ang density ng tissue ay hindi nagbabago nang malaki habang tumataas ang volume.Sa partikular, ginagamit ang average na mass population density \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Sa mga pagsasaalang-alang na ito, maaaring tumagal ang higpit sa background mode gamit ang sumusunod na expression:
Kung saan ang hindi kilalang pare-parehong \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) ay maaaring kalkulahin na isinasaalang-alang ang pagpapatuloy bias ( 7 )2,4, iyon ay, sa pamamagitan ng paglutas ng algebraic system \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) na kinasasangkutan ng mga menor de edad\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) at ang katumbas na pinasimpleng column vector\(\widehat {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) at \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) ay tumutukoy sa P-wave excitation at P- at S-wave reflection, ayon sa pagkakabanggit.Dagdag pa, ang unang amplitude ay tinatantya bilang \(\theta = \pi\), at ang pangalawang amplitude ay tinatantya bilang \(\theta = \pi/4\).Sa pamamagitan ng pag-load ng iba't ibang mga katangian ng komposisyon.Ipinapakita ng Figure 2 na ang mga resonant feature ng tumor spheroids hanggang sa humigit-kumulang 15 mm ang lapad ay pangunahing puro sa frequency band na 50-400 kHz, na nagpapahiwatig ng posibilidad ng paggamit ng low-frequency na ultrasound upang mahikayat ang resonant tumor excitation.mga selula.Ang daming.Sa frequency band na ito, ang RST analysis ay nagsiwalat ng single-mode formants para sa mga mode 1 hanggang 6, na naka-highlight sa Figure 3. Dito, ang parehong pp- at ps-scattered wave ay nagpapakita ng mga formant ng unang uri, na nagaganap sa napakababang frequency, na tumataas mula sa mga 20 kHz para sa mode 1 hanggang 60 kHz para sa n = 6, na nagpapakita ng walang makabuluhang pagkakaiba sa radius ng globo.Ang resonant function na ps pagkatapos ay nabubulok, habang ang kumbinasyon ng malalaking amplitude pp formants ay nagbibigay ng periodicity na humigit-kumulang 60 kHz, na nagpapakita ng mas mataas na frequency shift na may pagtaas ng mode number.Ang lahat ng mga pagsusuri ay isinagawa gamit ang Mathematica®62 computing software.
Ang mga function ng backscatter form na nakuha mula sa module ng mga tumor sa suso na may iba't ibang laki ay ipinapakita sa Fig. 1, kung saan ang pinakamataas na scattering band ay naka-highlight na isinasaalang-alang ang mode superposition.
Mga resonance ng mga napiling mode mula sa \(n = 1\) hanggang \(n = 6\), kinakalkula sa paggulo at pagmuni-muni ng P-wave sa iba't ibang laki ng tumor (mga itim na kurba mula sa \(\ kaliwa | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left|. {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) at P-wave excitation at S-wave reflection (grey curves na ibinibigay ng modal shape function \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Ang mga resulta ng paunang pagsusuri na ito gamit ang mga kondisyon ng pagpapalaganap ng malayong larangan ay maaaring gabayan ang pagpili ng mga frequency ng drive na partikular sa drive sa mga sumusunod na numerical simulation upang pag-aralan ang epekto ng stress ng microvibration sa masa.Ang mga resulta ay nagpapakita na ang pagkakalibrate ng pinakamainam na mga frequency ay maaaring maging partikular sa yugto sa panahon ng paglaki ng tumor at maaaring matukoy gamit ang mga resulta ng mga modelo ng paglago upang magtatag ng mga biomechanical na estratehiya na ginagamit sa therapy ng sakit upang wastong mahulaan ang pag-remodel ng tissue.
Ang mga makabuluhang pag-unlad sa nanotechnology ay nagtutulak sa siyentipikong komunidad na humanap ng mga bagong solusyon at pamamaraan para bumuo ng miniaturized at minimally invasive na mga medikal na device para sa mga in vivo application.Sa kontekstong ito, ang teknolohiya ng LOF ay nagpakita ng isang kahanga-hangang kakayahang palawakin ang mga kakayahan ng optical fibers, na nagpapagana sa pagbuo ng mga bagong minimally invasive na fiber optic na mga aparato para sa mga aplikasyon ng life science21, 63, 64, 65. Ang ideya ng pagsasama ng 2D at 3D na materyales na may ninanais na kemikal, biyolohikal, at optical na katangian sa mga gilid 25 at/o nagtatapos sa 64 ng mga optical fiber na may ganap na spatial na kontrol sa nanoscale ay humahantong sa paglitaw ng isang bagong klase ng fiber optic nanooptodes.ay may malawak na hanay ng diagnostic at therapeutic function.Nang kawili-wili, dahil sa kanilang mga geometric at mekanikal na katangian (maliit na cross section, malaking aspect ratio, flexibility, mababang timbang) at ang biocompatibility ng mga materyales (karaniwan ay salamin o polymers), ang mga optical fiber ay angkop para sa pagpasok sa mga karayom ​​at catheter.Mga medikal na aplikasyon20, na nagbibigay daan para sa isang bagong pangitain ng "needle hospital" (tingnan ang Larawan 4).
Sa katunayan, dahil sa mga antas ng kalayaan na ibinibigay ng teknolohiya ng LOF, sa pamamagitan ng paggamit ng pagsasama ng micro- at nanostructure na ginawa mula sa iba't ibang metal at/o dielectric na materyales, ang mga optical fiber ay maaaring maayos na gumana para sa mga partikular na aplikasyon na kadalasang sumusuporta sa resonant mode excitation., Malakas ang posisyon ng light field 21.Ang paglalagay ng liwanag sa isang subwavelength na sukat, kadalasang kasama ng kemikal at/o biyolohikal na pagpoproseso63 at ang pagsasama ng mga sensitibong materyales gaya ng smart polymers65,66 ay maaaring mapahusay ang kontrol sa interaksyon ng liwanag at bagay, na maaaring maging kapaki-pakinabang para sa theranostic na mga layunin.Ang pagpili ng uri at sukat ng pinagsama-samang mga sangkap/materyal ay malinaw na nakasalalay sa pisikal, biyolohikal o kemikal na mga parameter na matutuklasan21,63.
Ang pagsasama ng LOF probes sa mga medikal na karayom ​​na nakadirekta sa mga partikular na site sa katawan ay magbibigay-daan sa mga lokal na fluid at tissue biopsy sa vivo, na nagbibigay-daan sa sabay-sabay na lokal na paggamot, pagbabawas ng mga side effect at pagtaas ng kahusayan.Kasama sa mga potensyal na pagkakataon ang pagtuklas ng iba't ibang circulating biomolecules, kabilang ang cancer.biomarker o microRNAs (miRNAs)67, pagkilala sa mga cancerous tissue gamit ang linear at non-linear spectroscopy gaya ng Raman spectroscopy (SERS)31, high-resolution na photoacoustic imaging22,28,68, laser surgery at ablation69, at mga lokal na gamot sa paghahatid gamit ang light27 at awtomatikong paggabay ng mga karayom ​​sa katawan ng tao20.Kapansin-pansin na kahit na ang paggamit ng mga optical fibers ay umiiwas sa mga tipikal na disadvantages ng "klasikal" na mga pamamaraan batay sa mga elektronikong sangkap, tulad ng pangangailangan para sa mga de-koryenteng koneksyon at pagkakaroon ng electromagnetic interference, pinapayagan nito ang iba't ibang mga LOF sensor na epektibong maisama sa sistema.nag-iisang medikal na karayom.Ang partikular na atensyon ay dapat bayaran sa pagbawas ng mga nakakapinsalang epekto tulad ng polusyon, optical interference, mga pisikal na sagabal na nagdudulot ng crosstalk effect sa pagitan ng iba't ibang function.Gayunpaman, totoo rin na marami sa mga function na nabanggit ay hindi kailangang maging aktibo sa parehong oras.Ginagawang posible ng aspetong ito na mabawasan man lang ang interference, sa gayon ay nililimitahan ang negatibong epekto sa pagganap ng bawat probe at ang katumpakan ng pamamaraan.Ang mga pagsasaalang-alang na ito ay nagpapahintulot sa amin na tingnan ang konsepto ng "karayom ​​sa ospital" bilang isang simpleng pananaw upang maglatag ng matatag na pundasyon para sa susunod na henerasyon ng mga therapeutic needle sa mga agham ng buhay.
Tungkol sa partikular na aplikasyon na tinalakay sa papel na ito, sa susunod na seksyon ay susuriin natin ang kakayahan ng isang medikal na karayom ​​na idirekta ang mga ultrasonic wave sa mga tisyu ng tao gamit ang kanilang pagpapalaganap kasama ang axis nito.
Ang pagpapalaganap ng mga ultrasonic wave sa pamamagitan ng isang medikal na karayom ​​na puno ng tubig at ipinasok sa malambot na mga tisyu (tingnan ang diagram sa Fig. 5a) ay ginawang modelo gamit ang komersyal na Comsol Multiphysics software batay sa finite element method (FEM)70, kung saan ang karayom ​​at tissue ay namodelo. bilang linear elastic na kapaligiran.
Ang pagtukoy sa Figure 5b, ang karayom ​​ay namodelo bilang isang guwang na silindro (kilala rin bilang isang "cannula") na gawa sa hindi kinakalawang na asero, isang karaniwang materyal para sa mga medikal na karayom71.Sa partikular, ito ay na-modelo gamit ang Young's modulus E = 205 GPa, Poisson's ratio ν = 0.28, at density ρ = 7850 kg m −372.73.Geometrically, ang karayom ​​ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang haba L, isang panloob na diameter D (tinatawag ding "clearance") at isang kapal ng pader t.Bilang karagdagan, ang dulo ng karayom ​​ay itinuturing na nakakiling sa isang anggulo α na may paggalang sa longitudinal na direksyon (z).Ang dami ng tubig ay mahalagang tumutugma sa hugis ng panloob na rehiyon ng karayom.Sa paunang pagsusuri na ito, ang karayom ​​ay ipinapalagay na ganap na nahuhulog sa isang rehiyon ng tissue (ipinapalagay na pahabain nang walang katiyakan), na na-modelo bilang isang globo ng radius rs, na nanatiling pare-pareho sa 85 mm sa lahat ng mga simulation.Sa higit pang detalye, tinatapos namin ang spherical na rehiyon na may perpektong tugmang layer (PML), na binabawasan man lang ang mga hindi gustong wave na sinasalamin mula sa "haka-haka" na mga hangganan.Pagkatapos ay pinili namin ang radius rs upang mailagay ang spherical domain boundary na sapat na malayo sa karayom ​​upang hindi maapektuhan ang computational solution, at sapat na maliit upang hindi maapektuhan ang computational cost ng simulation.
Ang isang harmonic longitudinal shift ng frequency f at amplitude A ay inilalapat sa ibabang hangganan ng stylus geometry;ang sitwasyong ito ay kumakatawan sa isang input stimulus na inilapat sa simulate geometry.Sa natitirang mga hangganan ng karayom ​​(sa pakikipag-ugnay sa tissue at tubig), ang tinanggap na modelo ay itinuturing na kasama ang isang relasyon sa pagitan ng dalawang pisikal na phenomena, isa sa mga ito ay nauugnay sa structural mechanics (para sa lugar ng karayom), at ang isa sa structural mechanics.(para sa acicular region), kaya ang kaukulang kondisyon ay ipinapataw sa acoustics (para sa tubig at sa acicular region)74.Sa partikular, ang mga maliliit na vibrations na inilapat sa upuan ng karayom ​​ay nagdudulot ng maliliit na boltahe na pag-abala;kaya, ipagpalagay na ang karayom ​​ay kumikilos tulad ng isang nababanat na daluyan, ang displacement vector U ay maaaring matantya mula sa elastodynamic equilibrium equation (Navier)75.Ang mga istrukturang oscillations ng karayom ​​ay nagdudulot ng mga pagbabago sa presyon ng tubig sa loob nito (itinuring na nakatigil sa aming modelo), bilang isang resulta kung saan ang mga sound wave ay nagpapalaganap sa longitudinal na direksyon ng karayom, na mahalagang sumusunod sa Helmholtz equation76.Sa wakas, ipagpalagay na ang mga nonlinear na epekto sa mga tisyu ay bale-wala at ang amplitude ng mga alon ng paggugupit ay mas maliit kaysa sa amplitude ng mga wave ng presyon, ang equation ng Helmholtz ay maaari ding gamitin upang i-modelo ang pagpapalaganap ng mga acoustic wave sa malambot na mga tisyu.Pagkatapos ng pagtatantya na ito, ang tissue ay itinuturing bilang isang likido77 na may density na 1000 kg/m3 at isang bilis ng tunog na 1540 m/s (hindi pinapansin ang mga epekto ng damping na umaasa sa dalas).Upang ikonekta ang dalawang pisikal na patlang na ito, kinakailangan upang matiyak ang pagpapatuloy ng normal na paggalaw sa hangganan ng solid at likido, ang static na equilibrium sa pagitan ng pressure at stress na patayo sa hangganan ng solid, at ang tangential stress sa hangganan ng ang likido ay dapat na katumbas ng zero.75 .
Sa aming pagsusuri, sinisiyasat namin ang pagpapalaganap ng mga acoustic wave kasama ang isang karayom ​​sa ilalim ng mga nakatigil na kondisyon, na nakatuon sa impluwensya ng geometry ng karayom ​​sa paglabas ng mga alon sa loob ng tisyu.Sa partikular, sinisiyasat namin ang impluwensya ng panloob na diameter ng karayom ​​D, ang haba L at ang anggulo ng bevel α, pinapanatili ang kapal t na naayos sa 500 µm para sa lahat ng mga kaso na pinag-aralan.Ang halagang ito ng t ay malapit sa karaniwang kapal ng pader na 71 para sa mga komersyal na karayom.
Nang walang pagkawala ng pangkalahatan, ang dalas ng f ng harmonic displacement na inilapat sa base ng karayom ​​ay kinuha na katumbas ng 100 kHz, at ang amplitude A ay 1 μm.Sa partikular, ang dalas ay itinakda sa 100 kHz, na naaayon sa mga analytical na pagtatantya na ibinigay sa seksyong "Scattering analysis ng spherical tumor mass upang tantyahin ang growth-dependent ultrasound frequency", kung saan natagpuan ang isang resonance-like na pag-uugali ng mga masa ng tumor sa ang frequency range na 50–400 kHz, na may pinakamalaking scattering amplitude na puro sa mas mababang frequency sa paligid ng 100–200 kHz (tingnan ang Fig. 2).
Ang unang parameter na pinag-aralan ay ang panloob na diameter D ng karayom.Para sa kaginhawahan, ito ay tinukoy bilang isang integer na bahagi ng haba ng acoustic wave sa lukab ng karayom ​​(ibig sabihin, sa tubig λW = 1.5 mm).Sa katunayan, ang mga phenomena ng pagpapalaganap ng alon sa mga device na nailalarawan sa isang ibinigay na geometry (halimbawa, sa isang waveguide) ay kadalasang nakadepende sa katangiang laki ng geometry na ginamit kumpara sa wavelength ng nagpapalaganap na alon.Bilang karagdagan, sa unang pagsusuri, upang mas mahusay na bigyang-diin ang epekto ng diameter D sa pagpapalaganap ng acoustic wave sa pamamagitan ng karayom, isinasaalang-alang namin ang isang flat tip, na nagtatakda ng anggulo α = 90 °.Sa panahon ng pagsusuri na ito, ang haba ng karayom ​​L ay naayos sa 70 mm.
Sa fig.Ipinapakita ng 6a ang average na intensity ng tunog bilang isang function ng walang sukat na parameter ng SD, ibig sabihin, D = λW/SD na sinusuri sa isang globo na may radius na 10 mm na nakasentro sa kaukulang dulo ng karayom.Ang scaling parameter SD ay nagbabago mula 2 hanggang 6, ibig sabihin, isinasaalang-alang namin ang mga halaga ng D mula 7.5 mm hanggang 2.5 mm (sa f = 100 kHz).Kasama rin sa hanay ang isang karaniwang halaga na 71 para sa hindi kinakalawang na asero na mga medikal na karayom.Tulad ng inaasahan, ang panloob na diameter ng karayom ​​ay nakakaapekto sa intensity ng tunog na ibinubuga ng karayom, na may pinakamataas na halaga (1030 W/m2) na tumutugma sa D = λW/3 (ibig sabihin D = 5 mm) at isang bumababa na trend na may bumababa. diameter.Dapat itong isaalang-alang na ang diameter D ay isang geometric na parameter na nakakaapekto rin sa invasiveness ng isang medikal na aparato, kaya ang kritikal na aspeto na ito ay hindi maaaring balewalain kapag pumipili ng pinakamainam na halaga.Samakatuwid, kahit na ang pagbaba sa D ay nangyayari dahil sa mas mababang pagpapadala ng acoustic intensity sa mga tisyu, para sa mga sumusunod na pag-aaral, ang diameter D = λW/5, ibig sabihin, D = 3 mm (naaayon sa pamantayang 11G71 sa f = 100 kHz) , ay itinuturing na isang makatwirang kompromiso sa pagitan ng panghihimasok ng device at sound intensity transmission (average na mga 450 W/m2).
Ang average na intensity ng tunog na ibinubuga ng dulo ng karayom ​​(itinuring na flat), depende sa panloob na diameter ng karayom ​​(a), haba (b) at anggulo ng bevel α (c).Ang haba sa (a, c) ay 90 mm, at ang diameter sa (b, c) ay 3 mm.
Ang susunod na parameter na susuriin ay ang haba ng karayom ​​L. Ayon sa nakaraang pag-aaral ng kaso, isinasaalang-alang namin ang isang pahilig na anggulo α = 90° at ang haba ay ini-scale bilang isang multiple ng wavelength sa tubig, ibig sabihin, isaalang-alang ang L = SL λW .Ang parameter na walang sukat na sukat na SL ay binago mula 3 hanggang 7, kaya tinatantya ang average na intensity ng tunog na ibinubuga ng dulo ng karayom ​​sa hanay ng haba mula 4.5 hanggang 10.5 mm.Kasama sa hanay na ito ang mga tipikal na halaga para sa mga komersyal na karayom.Ang mga resulta ay ipinapakita sa fig.6b, na nagpapakita na ang haba ng karayom, L, ay may malaking impluwensya sa paghahatid ng intensity ng tunog sa mga tisyu.Sa partikular, ang pag-optimize ng parameter na ito ay naging posible upang mapabuti ang paghahatid sa pamamagitan ng tungkol sa isang order ng magnitude.Sa katunayan, sa nasuri na hanay ng haba, ang average na intensity ng tunog ay tumatagal sa isang lokal na maximum na 3116 W/m2 sa SL = 4 (ibig sabihin, L = 60 mm), at ang isa ay tumutugma sa SL = 6 (ibig sabihin, L = 90 mm).
Matapos suriin ang impluwensya ng diameter at haba ng karayom ​​sa pagpapalaganap ng ultrasound sa cylindrical geometry, nakatuon kami sa impluwensya ng anggulo ng bevel sa paghahatid ng intensity ng tunog sa mga tisyu.Ang average na intensity ng tunog na nagmumula sa dulo ng hibla ay nasuri bilang isang function ng anggulo α, binabago ang halaga nito mula 10° (matalim na dulo) hanggang 90° (flat na tip).Sa kasong ito, ang radius ng integrating sphere sa paligid ng itinuturing na dulo ng karayom ​​ay 20 mm, upang para sa lahat ng mga halaga ng α, ang dulo ng karayom ​​ay kasama sa dami na kinakalkula mula sa average.
Gaya ng ipinapakita sa fig.6c, kapag ang dulo ay pinatalas, ibig sabihin, kapag ang α ay bumaba simula sa 90°, ang intensity ng ipinadalang tunog ay tumataas, na umaabot sa maximum na halaga na humigit-kumulang 1.5 × 105 W/m2, na tumutugma sa α = 50°, ieie, 2 ay isang order ng magnitude na mas mataas na may kaugnayan sa flat state.Sa karagdagang pagpapatalas ng tip (ibig sabihin, sa α sa ibaba 50°), ang intensity ng tunog ay may posibilidad na bumaba, na umaabot sa mga halaga na maihahambing sa isang flattened tip.Gayunpaman, kahit na isinasaalang-alang namin ang isang malawak na hanay ng mga anggulo ng bevel para sa aming mga simulation, ito ay nagkakahalaga ng pagsasaalang-alang na ang hasa ng tip ay kinakailangan upang mapadali ang pagpasok ng karayom ​​sa tissue.Sa katunayan, ang isang mas maliit na anggulo ng bevel (mga 10°) ay maaaring mabawasan ang puwersa 78 na kinakailangan upang tumagos sa tissue.
Bilang karagdagan sa halaga ng intensity ng tunog na ipinadala sa loob ng tissue, ang anggulo ng bevel ay nakakaapekto rin sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon, tulad ng ipinapakita sa mga graph ng antas ng presyon ng tunog na ipinapakita sa Fig. 7a (para sa flat tip) at 3b (para sa 10° ).beveled tip), parallel Ang longitudinal na direksyon ay sinusuri sa plane of symmetry (yz, cf. Fig. 5).Sa sukdulan ng dalawang pagsasaalang-alang na ito, ang antas ng presyon ng tunog (tinukoy bilang 1 µPa) ay pangunahing nakakonsentra sa loob ng lukab ng karayom ​​(ibig sabihin, sa tubig) at naglalabas sa tissue.Sa mas detalyado, sa kaso ng isang patag na tip (Larawan 7a), ang pamamahagi ng antas ng presyon ng tunog ay perpektong simetriko na may paggalang sa longitudinal na direksyon, at ang mga nakatayong alon ay maaaring makilala sa tubig na pumupuno sa katawan.Ang alon ay nakatuon sa longitudinally (z-axis), ang amplitude ay umabot sa pinakamataas na halaga nito sa tubig (mga 240 dB) at bumababa nang transversely, na humahantong sa isang pagpapalambing ng halos 20 dB sa layo na 10 mm mula sa gitna ng karayom.Tulad ng inaasahan, ang pagpapakilala ng isang matulis na dulo (Larawan 7b) ay sumisira sa simetrya na ito, at ang mga antinodes ng mga nakatayong alon ay "nagpapalihis" ayon sa dulo ng karayom.Tila, ang kawalaan ng simetrya na ito ay nakakaapekto sa intensity ng radiation ng dulo ng karayom, tulad ng inilarawan kanina (Larawan 6c).Upang mas mahusay na maunawaan ang aspetong ito, ang acoustic intensity ay nasuri kasama ang isang cut line orthogonal sa longitudinal na direksyon ng karayom, na matatagpuan sa eroplano ng simetrya ng karayom ​​at matatagpuan sa layo na 10 mm mula sa dulo ng karayom ​​( resulta sa Figure 7c).Higit na partikular, ang mga distribusyon ng intensity ng tunog na nasuri sa 10°, 20° at 30° na pahilig na mga anggulo (asul, pula at berdeng solidong mga linya, ayon sa pagkakabanggit) ay inihambing sa pamamahagi malapit sa patag na dulo (itim na tuldok na mga kurba).Ang pamamahagi ng intensity na nauugnay sa mga flat-tipped na karayom ​​ay mukhang simetriko sa gitna ng karayom.Sa partikular, ito ay tumatagal sa isang halaga na humigit-kumulang 1420 W/m2 sa gitna, isang overflow na humigit-kumulang 300 W/m2 sa layo na ~8 mm, at pagkatapos ay bumababa sa halagang humigit-kumulang 170 W/m2 sa ~30 mm .Habang ang dulo ay nagiging matulis, ang gitnang lobe ay nahahati sa mas maraming lobe na may iba't ibang intensity.Higit na partikular, kapag ang α ay 30°, ang tatlong petals ay maaaring malinaw na makilala sa profile na sinusukat sa 1 mm mula sa dulo ng karayom.Ang gitnang isa ay halos nasa gitna ng karayom ​​at may tinantyang halaga na 1850 W / m2, at ang mas mataas sa kanan ay halos 19 mm mula sa gitna at umabot sa 2625 W / m2.Sa α = 20°, mayroong 2 pangunahing lobe: isa sa bawat −12 mm sa 1785 W/m2 at isa sa bawat 14 mm sa 1524 W/m2.Kapag ang dulo ay naging mas matalas at ang anggulo ay umabot sa 10°, ang maximum na 817 W/m2 ay naabot sa humigit-kumulang -20 mm, at tatlo pang lobe na may bahagyang mas mababang intensity ay makikita sa kahabaan ng profile.
Antas ng presyon ng tunog sa eroplano ng symmetry y–z ng isang karayom ​​na may patag na dulo (a) at isang 10° bevel (b).(c) Ang pamamahagi ng acoustic intensity ay tinatantya kasama ang isang cut line na patayo sa longitudinal na direksyon ng karayom, sa layo na 10 mm mula sa dulo ng karayom ​​at nakahiga sa eroplano ng symmetry yz.Ang haba L ay 70 mm at ang diameter D ay 3 mm.
Kung pinagsama-sama, ipinapakita ng mga resultang ito na ang mga medikal na karayom ​​ay maaaring epektibong magamit upang magpadala ng ultrasound sa 100 kHz sa malambot na tisyu.Ang intensity ng ibinubuga na tunog ay nakasalalay sa geometry ng karayom ​​at maaaring ma-optimize (napapailalim sa mga limitasyon na ipinataw ng invasiveness ng end device) hanggang sa mga halaga sa saklaw na 1000 W/m2 (sa 10 mm).inilapat sa ilalim ng karayom ​​1. Sa kaso ng isang micrometer offset, ang karayom ​​ay itinuturing na ganap na ipinasok sa walang katapusan na pagpapalawak ng malambot na tisyu.Sa partikular, ang anggulo ng bevel ay malakas na nakakaapekto sa intensity at direksyon ng pagpapalaganap ng mga sound wave sa tissue, na pangunahing humahantong sa orthogonality ng hiwa ng dulo ng karayom.
Upang suportahan ang pagbuo ng mga bagong diskarte sa paggamot sa tumor batay sa paggamit ng mga non-invasive na pamamaraang medikal, ang pagpapalaganap ng low-frequency na ultrasound sa kapaligiran ng tumor ay nasuri nang analytically at computation.Sa partikular, sa unang bahagi ng pag-aaral, pinahintulutan kami ng isang pansamantalang solusyon sa elastodynamic na pag-aralan ang pagkalat ng mga ultrasonic wave sa mga solidong spheroid ng tumor ng kilalang laki at higpit upang pag-aralan ang sensitivity ng dalas ng masa.Pagkatapos, ang mga frequency ng pagkakasunud-sunod ng daan-daang kilohertz ay pinili, at ang lokal na aplikasyon ng vibration stress sa kapaligiran ng tumor gamit ang isang medical needle drive ay na-modelo sa numerical simulation sa pamamagitan ng pag-aaral ng impluwensya ng pangunahing mga parameter ng disenyo na tumutukoy sa paglipat ng acoustic. kapangyarihan ng instrumento sa kapaligiran.Ang mga resulta ay nagpapakita na ang mga medikal na karayom ​​ay maaaring epektibong magamit upang i-irradiate ang mga tisyu gamit ang ultrasound, at ang intensity nito ay malapit na nauugnay sa geometrical na parameter ng karayom, na tinatawag na working acoustic wavelength.Sa katunayan, ang intensity ng pag-iilaw sa pamamagitan ng tissue ay tumataas sa pagtaas ng panloob na diameter ng karayom, na umaabot sa maximum kapag ang diameter ay tatlong beses ang haba ng daluyong.Ang haba ng karayom ​​ay nagbibigay din ng ilang antas ng kalayaan upang ma-optimize ang pagkakalantad.Ang huling resulta ay talagang na-maximize kapag ang haba ng karayom ​​ay nakatakda sa isang tiyak na multiple ng operating wavelength (partikular na 4 at 6).Kapansin-pansin, para sa hanay ng dalas ng interes, ang na-optimize na diameter at mga halaga ng haba ay malapit sa mga karaniwang ginagamit para sa mga karaniwang komersyal na karayom.Ang anggulo ng bevel, na tumutukoy sa talas ng karayom, ay nakakaapekto rin sa emissivity, na tumataas sa humigit-kumulang 50° at nagbibigay ng mahusay na pagganap sa humigit-kumulang 10°, na karaniwang ginagamit para sa mga komersyal na karayom..Gagamitin ang mga resulta ng simulation para gabayan ang pagpapatupad at pag-optimize ng intraneedle diagnostic platform ng ospital, pagsasama ng diagnostic at therapeutic ultrasound sa iba pang mga in-device na therapeutic solution at pagsasakatuparan ng collaborative precision medicine interventions.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. at Kopp MV Ano ang precision medicine?Eur, dayuhan.Journal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS at Varmus, H. Mga bagong hakbangin sa precision medicine.N. eng.J. Medisina.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK at Wang, MD.Biomedical Imaging Informatics sa Precision Medicine Era: Mga Achievement, Hamon, at Oportunidad.Jam.gamot.ipaalam.Assistant professor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: isang pagsusuri.J. Klinikal.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., at Salem, A. Pagpapabuti sa glioblastoma (GBM) therapy gamit ang isang nanoparticle-based na sistema ng paghahatid.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G at von Daimling A. Glioblastoma: patolohiya, mga mekanismo ng molekular at mga marker.Acta Neuropathology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM at Berger, MS Mga diskarte sa kasalukuyan at hinaharap para sa paggamot ng glioma.neurosurgery.Ed.40, 1–14 (2017).