เรขาคณิตมุมเอียงของเข็มส่งผลต่อแอมพลิจูดการโค้งงอในการตรวจชิ้นเนื้อเข็มละเอียดแบบขยายด้วยอัลตราซาวนด์

ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
มีการแสดงให้เห็นเมื่อเร็วๆ นี้ว่าการใช้อัลตราซาวนด์สามารถช่วยเพิ่มผลผลิตเนื้อเยื่อในการตรวจชิ้นเนื้อด้วยการสำลักด้วยเข็มละเอียด (USeFNAB) ที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์ เมื่อเปรียบเทียบกับการตรวจชิ้นเนื้อด้วยการสำลักด้วยเข็มละเอียดทั่วไป (FNAB)ความสัมพันธ์ระหว่างรูปทรงเอียงและการกระทำของปลายเข็มยังไม่ได้รับการตรวจสอบในการศึกษานี้ เราได้ตรวจสอบคุณสมบัติของเรโซแนนซ์ของเข็มและแอมพลิจูดของการโก่งตัวสำหรับรูปทรงมุมเอียงของเข็มต่างๆ ที่มีความยาวมุมเอียงต่างกันการใช้มีดผ่าตัดแบบธรรมดาที่มีการตัดขนาด 3.9 มม. ตัวประกอบกำลังการเบี่ยงเบนของทิป (DPR) คือ 220 และ 105 µm/W ในอากาศและน้ำ ตามลำดับซึ่งสูงกว่าปลายเอียงแบบแกนสมมาตรขนาด 4 มม. ซึ่งมี DPR ที่ 180 และ 80 µm/W ในอากาศและน้ำ ตามลำดับการศึกษานี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งในการดัดงอของรูปทรงมุมเอียงในบริบทของอุปกรณ์ช่วยสอดต่างๆ และอาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการควบคุมการทำงานของการตัดหลังการเจาะโดยการเปลี่ยนรูปทรงมุมเอียงของเข็ม ซึ่งมีความสำคัญสำหรับ USeFNABเรื่องการสมัคร
การตรวจชิ้นเนื้อด้วยการสำลักแบบละเอียด (FNAB) เป็นเทคนิคที่ใช้เข็มเพื่อเก็บตัวอย่างเนื้อเยื่อเมื่อสงสัยว่ามีความผิดปกติ1,2,3ทิปประเภท Franseen ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าให้ประสิทธิภาพการวินิจฉัยที่สูงกว่าทิป Lancet4 และ Menghini5 แบบเดิมมีการเสนอมุมเอียงตามแนวแกนสมมาตร (เช่น เส้นรอบวง) เพื่อเพิ่มความน่าจะเป็นของตัวอย่างที่เพียงพอสำหรับการตรวจชิ้นเนื้อ
ในระหว่างการตรวจชิ้นเนื้อ เข็มจะถูกส่งผ่านชั้นผิวหนังและเนื้อเยื่อเพื่อเผยให้เห็นพยาธิสภาพที่น่าสงสัยการศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการเปิดใช้งานอัลตราโซนิกสามารถลดแรงเจาะที่จำเป็นในการเข้าถึงเนื้อเยื่ออ่อน7,8,9,10เรขาคณิตของมุมเอียงของเข็มแสดงให้เห็นว่าส่งผลต่อแรงกระทำระหว่างเข็ม เช่น มุมเอียงที่ยาวขึ้นแสดงให้เห็นว่ามีแรงเจาะเนื้อเยื่อต่ำกว่า 11แนะนำว่าหลังจากที่เข็มทะลุพื้นผิวเนื้อเยื่อ เช่น หลังจากเจาะ แรงตัดของเข็มอาจอยู่ที่ 75% ของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างเนื้อเยื่อกับเข็มทั้งหมด12อัลตราซาวนด์ (สหรัฐอเมริกา) ได้รับการแสดงเพื่อปรับปรุงคุณภาพของการตรวจชิ้นเนื้อเนื้อเยื่ออ่อนเพื่อการวินิจฉัยในระยะหลังการเจาะ 13วิธีการอื่นในการปรับปรุงการตรวจชิ้นเนื้อกระดูกได้รับการพัฒนาสำหรับการสุ่มตัวอย่างเนื้อเยื่อแข็ง14,15 แต่ไม่มีรายงานผลลัพธ์ที่ปรับปรุงคุณภาพการตรวจชิ้นเนื้อการศึกษาหลายชิ้นยังพบว่าการกระจัดเชิงกลเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์อัลตราซาวนด์เพิ่มขึ้นแม้ว่าจะมีการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับแรงสถิตในแนวแกน (ตามยาว) ในปฏิกิริยาระหว่างเนื้อเยื่อกับเข็ม แต่การศึกษาเกี่ยวกับพลวัตของเวลาและเรขาคณิตของมุมเอียงของเข็มใน FNAB (USeFNAB) ที่ปรับปรุงด้วยอัลตราโซนิกนั้นมีจำกัด
การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงมุมเอียงที่แตกต่างกันต่อการกระทำของปลายเข็มที่ขับเคลื่อนโดยการงอของเข็มที่ความถี่อัลตราโซนิกโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้ตรวจสอบผลกระทบของตัวกลางในการฉีดต่อการโก่งตัวของปลายเข็มหลังการเจาะสำหรับมุมเอียงของเข็มแบบธรรมดา (เช่น มีดหมอ) รูปทรงมุมเอียงแบบแกนเดียวและไม่สมมาตร (รูปที่ เพื่ออำนวยความสะดวกในการพัฒนาเข็ม USeFNAB เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่น การดูดแบบเลือกสรร การเข้าถึงหรือนิวเคลียสของเนื้อเยื่ออ่อน
การศึกษานี้รวมรูปทรงเรขาคณิตมุมเอียงต่างๆ ไว้ด้วย(a) มีดหมอที่สอดคล้องกับ ISO 7864:201636 โดยที่ \(\alpha\) คือมุมเอียงหลัก \(\theta\) คือมุมการหมุนเอียงรอง และ \(\phi\) คือมุมการหมุนเอียงรองใน องศา เป็นองศา (\(^\circ\))(b) การลบมุมขั้นตอนเดียวแบบอสมมาตรเชิงเส้น (เรียกว่า "มาตรฐาน" ใน DIN 13097:201937) และ (c) การลบมุมขั้นตอนเดียวแบบแกนสมมาตรเชิงเส้น (เส้นรอบวง)
แนวทางของเราคือการสร้างแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นการโค้งงอตามแนวลาดสำหรับเรขาคณิตแบบมีดหมอแบบธรรมดา แบบแกนสมมาตร และแบบไม่สมมาตรแบบขั้นเดียวจากนั้นเราคำนวณการศึกษาแบบพาราเมตริกเพื่อตรวจสอบผลกระทบของมุมเอียงและความยาวของท่อต่อการเคลื่อนย้ายกลไกการขนส่งทำเพื่อกำหนดความยาวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการทำเข็มต้นแบบจากการจำลอง ได้มีการสร้างต้นแบบเข็มขึ้นและพฤติกรรมการสะท้อนของพวกมันในอากาศ น้ำ และเจลาตินแบบขีปนาวุธ 10% (w/v) ได้รับการทดลองโดยการวัดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแรงดันไฟฟ้า และคำนวณประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงาน ซึ่งเป็นความถี่ในการทำงาน มุ่งมั่น..ในที่สุด การถ่ายภาพความเร็วสูงจะใช้ในการวัดการโก่งตัวของคลื่นดัดที่ปลายเข็มในอากาศและน้ำโดยตรง และเพื่อประเมินพลังงานไฟฟ้าที่ส่งโดยการเอียงแต่ละครั้งและเรขาคณิตของตัวประกอบกำลังการโก่งตัว (DPR) ของการฉีด ปานกลาง.
ดังแสดงในรูปที่ 2a ให้ใช้ท่อหมายเลข 21 (OD 0.80 มม., ID 0.49 มม., ความหนาของผนังท่อ 0.155 มม. ผนังมาตรฐานตามที่ระบุใน ISO 9626:201621) ทำจากสแตนเลส 316 (โมดูลัสของ Young 205)\(\ข้อความ {GN/m}^{2}\) ความหนาแน่น 8070 กิโลกรัม/เมตร\(^{3}\) อัตราส่วนปัวซอง 0.275)
การหาค่าความยาวคลื่นของการดัดงอและการปรับโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEM) ของเข็มและเงื่อนไขขอบเขต(a) การกำหนดความยาวเอียง (BL) และความยาวท่อ (TL)(b) โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติ (3D) (FEM) โดยใช้แรงจุดฮาร์มอนิก \(\tilde{F__y\vec{j}\) เพื่อกระตุ้นเข็มที่ปลายใกล้เคียง เบี่ยงเบนจุด และวัดความเร็ว ต่อทิป (\( \tilde{u__y\vec {j}\), \(\tilde{v__y\vec {j}\)) เพื่อคำนวณความคล่องตัวในการขนส่งด้วยกลไก\(\lambda _y\) ถูกกำหนดให้เป็นความยาวคลื่นการดัดงอที่เกี่ยวข้องกับแรงในแนวตั้ง \(\ตัวหนอน{F__y\vec {j}\)(c) หาจุดศูนย์ถ่วง พื้นที่หน้าตัด A และโมเมนต์ความเฉื่อย \(I_{xx}\) และ \(I_{yy}\) รอบแกน x และแกน y ตามลำดับ
ดังแสดงในรูป2b,c สำหรับลำแสงอนันต์ (อนันต์) ที่มีพื้นที่หน้าตัด A และที่ความยาวคลื่นสูงเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของหน้าตัดของลำแสง ความเร็วเฟสการดัดงอ (หรือการดัดงอ) \(c_{EI}\ ) ถูกกำหนดให้เป็น 22:
โดยที่ E คือโมดูลัสของ Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) คือความถี่เชิงมุมของการกระตุ้น (rad/s) โดยที่ \( f_0 \ ) คือความถี่เชิงเส้น (1/s หรือ Hz) I คือโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่รอบแกนที่สนใจ \((\text {m}^{4})\) และ \(m'=\ rho _0 A \) คือมวลต่อหน่วยความยาว (kg/m) โดยที่ \(\rho _0\) คือความหนาแน่น \((\text {kg/m}^{3})\) และ A คือกากบาท -พื้นที่หน้าตัดของลำแสง (ระนาบ xy) (\ (\text {m}^{2}\))เนื่องจากในกรณีของเรา แรงที่ใช้นั้นขนานกับแกน y แนวตั้ง นั่นคือ \(\tilde{F__y\vec {j}\) เราจึงสนใจเฉพาะโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่รอบๆ แนวนอน x- แกน เช่น \(I_{xx} \) ดังนั้น:
สำหรับโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEM) สมมุติว่ามีการกระจัดฮาร์มอนิกบริสุทธิ์ (m) ดังนั้นความเร่ง (\(\text {m/s}^{2}\)) จึงแสดงเป็น \(\partial ^2 \vec { u}/ \ บางส่วน t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) เช่น \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) เป็นเวกเตอร์การกระจัดสามมิติที่กำหนดในพิกัดเชิงพื้นที่การแทนที่อย่างหลังด้วยกฎสมดุลโมเมนตัมในรูปแบบลากรองจ์ที่เปลี่ยนรูปได้ไม่สิ้นสุด23 ตามการใช้งานในแพ็คเกจซอฟต์แวร์ COMSOL Multiphysics (เวอร์ชัน 5.4-5.5, COMSOL Inc., แมสซาชูเซตส์, สหรัฐอเมริกา) ให้:
โดยที่ \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) เป็นตัวดำเนินการลู่ออกของเทนเซอร์ และ \({\underline{\sigma}}\) เป็นตัวดำเนินการความเครียดเทนเซอร์ของ Piola-Kirchhoff ตัวที่สอง (ลำดับที่สอง \(\ text { N /m}^{2}\)) และ \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) คือเวกเตอร์ของแรงของร่างกาย (\(\text {N/m}^{3}\)) ของปริมาตรที่เปลี่ยนรูปได้แต่ละปริมาตร และ \(e^{j\phi }\) คือเฟสของ แรงของร่างกาย มีมุมเฟส \(\ phi\) (rad)ในกรณีของเรา แรงปริมาตรของร่างกายเป็นศูนย์ และแบบจำลองของเราถือว่าความเป็นเส้นตรงทางเรขาคณิตและการเสียรูปแบบยืดหยุ่นเพียงเล็กน้อย เช่น \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ) โดยที่ \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) และ \({\underline{ \varepsilon}}\) – การเสียรูปแบบยืดหยุ่นและการเสียรูปทั้งหมด (ไม่มีมิติในลำดับที่สอง) ตามลำดับเทนเซอร์ความยืดหยุ่นไอโซโทรปิกที่เป็นส่วนประกอบของฮุค \(\ขีดเส้นใต้ {\ขีดเส้นใต้ {C))\) ได้มาจากโมดูลัสของยัง E(\(\text{N/m}^{2}\)) และอัตราส่วนของปัวซอง v ถูกกำหนดไว้ ดังนั้น \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (ลำดับที่สี่)ดังนั้นการคำนวณความเครียดจึงกลายเป็น \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\)
ทำการคำนวณด้วยองค์ประกอบจัตุรมุข 10 โหนดที่มีขนาดองค์ประกอบ \(\le\) 8 μmเข็มถูกสร้างแบบจำลองในสุญญากาศ และค่าการถ่ายโอนการเคลื่อนที่เชิงกล (ms-1 H-1) ถูกกำหนดเป็น \(|\tilde{Y__{v_yF_y}|= |\tilde{v__y\vec { j} |/|\ tilde{F__y\vec {j}|\)24 โดยที่ \(\tilde{v__y\vec {j}\) คือความเร็วเชิงซ้อนเอาท์พุตของด้ามจับ และ \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) เป็นแรงผลักดันเชิงซ้อนซึ่งอยู่ที่ปลายท่อ ดังแสดงในรูปที่ 2bการเคลื่อนที่เชิงกลแบบส่งผ่านจะแสดงเป็นเดซิเบล (dB) โดยใช้ค่าสูงสุดเป็นข้อมูลอ้างอิง เช่น \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y__{max}| )\ ) การศึกษา FEM ทั้งหมดดำเนินการที่ความถี่ 29.75 kHz
การออกแบบเข็ม (รูปที่ 3) ประกอบด้วยเข็มไฮโปเดอร์มิกธรรมดาขนาด 21 เกจ (หมายเลขแค็ตตาล็อก: 4665643, Sterican\(^\circledR\) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 0.8 มม. ยาว 120 มม. ทำจาก AISI สแตนเลสโครเมียม-นิกเกิล 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, เยอรมนี) วางปลอกพลาสติก Luer Lock ที่ทำจากโพลีโพรพีลีนใกล้เคียงพร้อมการปรับเปลี่ยนส่วนปลายที่สอดคล้องกันท่อเข็มถูกบัดกรีเข้ากับท่อนำคลื่นดังแสดงในรูปที่ 3bท่อนำคลื่นถูกพิมพ์บนเครื่องพิมพ์ 3D สเตนเลสสตีล (EOS Stainless Steel 316L บนเครื่องพิมพ์ 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, ฟินแลนด์) จากนั้นจึงติดเข้ากับเซ็นเซอร์ Langevin โดยใช้สลักเกลียว M4ทรานดิวเซอร์ Langevin ประกอบด้วยส่วนประกอบวงแหวนเพียโซอิเล็กทริก 8 ชิ้น โดยมีน้ำหนัก 2 อันที่ปลายแต่ละด้าน
ทิปสี่ประเภท (ในภาพ) มีดหมอที่มีจำหน่ายทั่วไป (L) และมุมเอียงแบบขั้นเดียวแบบสมมาตรแกนที่ผลิตขึ้น (AX1–3) สามประเภทมีลักษณะพิเศษคือความยาวเอียง (BL) ที่ 4, 1.2 และ 0.5 มม. ตามลำดับ(a) ภาพระยะใกล้ของปลายเข็มที่เสร็จแล้ว(b) มุมมองด้านบนของหมุดสี่ตัวที่บัดกรีเข้ากับท่อนำคลื่นที่พิมพ์แบบ 3 มิติ จากนั้นเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ Langevin ด้วยสลักเกลียว M4
ปลายเอียงแบบสมมาตรแกนสามอัน (รูปที่ 3) (TAs Machine Tools Oy) ถูกผลิตขึ้นโดยมีความยาวมุมเอียง (BL กำหนดไว้ในรูปที่ 2a) ที่ 4.0, 1.2 และ 0.5 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ \(\ประมาณ\) 2\ (^\ เซอร์กิต\), 7\(^\circ\) และ 18\(^\circ\)น้ำหนักของท่อนำคลื่นและสไตลัสคือ 3.4 ± 0.017 กรัม (หมายถึง ± SD, n = 4) สำหรับมุมเอียง L และ AX1–3 ตามลำดับ (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germany)ความยาวรวมจากปลายเข็มถึงปลายปลอกพลาสติกคือ 13.7, 13.3, 13.3, 13.3 ซม. สำหรับมุมเอียง L และ AX1-3 ในรูปที่ 3b ตามลำดับ
สำหรับการกำหนดค่าเข็มทั้งหมด ความยาวจากปลายเข็มถึงปลายท่อนำคลื่น (เช่น พื้นที่บัดกรี) คือ 4.3 ซม. และท่อเข็มถูกจัดวางในลักษณะที่มุมเอียงหงายขึ้น (เช่น ขนานกับแกน Y ).) เช่นเดียวกับใน (รูปที่ 2)
สคริปต์ที่กำหนดเองใน MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) ที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์ (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างการกวาดล้างไซน์เชิงเส้นเชิงเส้นจาก 25 ถึง 35 kHz ใน 7 วินาที แปลงเป็นสัญญาณอะนาล็อกโดยตัวแปลงดิจิทัลเป็นอะนาล็อก (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA)จากนั้น สัญญาณอะนาล็อก \(V_0\) (0.5 Vp-p) จะถูกขยายด้วยเครื่องขยายสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) โดยเฉพาะ (Mariachi Oy, เมือง Turku, ฟินแลนด์)แรงดันไฟฟ้าขยายที่กำลังตก \({V_I}\) ส่งออกจากเครื่องขยายสัญญาณ RF ที่มีอิมพีแดนซ์เอาต์พุต 50 \(\Omega\) ไปยังหม้อแปลงที่ติดตั้งไว้ในโครงสร้างเข็มที่มีอิมพีแดนซ์อินพุต 50 \(\Omega)\) ทรานสดิวเซอร์ Langevin (ทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกหลายชั้นด้านหน้าและด้านหลัง โหลดด้วยมวล) ถูกใช้เพื่อสร้างคลื่นกลเครื่องขยายสัญญาณ RF แบบกำหนดเองมาพร้อมกับมิเตอร์กำลังคลื่นนิ่ง (SWR) สองช่องสัญญาณที่สามารถตรวจจับเหตุการณ์ \({V_I}\) และสะท้อนแรงดันไฟฟ้าขยาย \(V_R\) ผ่านแอนะล็อกเป็นดิจิทัล 300 kHz (AD ) ตัวแปลง (Analog Discovery 2)สัญญาณกระตุ้นจะถูกมอดูเลตแอมพลิจูดที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด เพื่อป้องกันไม่ให้อินพุตของเครื่องขยายเสียงโอเวอร์โหลดด้วยภาวะชั่วคราว
การใช้สคริปต์ที่กำหนดเองที่ใช้ใน MATLAB ฟังก์ชันตอบสนองความถี่ (AFC) เช่น ถือว่าระบบคงที่เชิงเส้นนอกจากนี้ ให้ใช้ตัวกรองความถี่ 20 ถึง 40 kHz เพื่อลบความถี่ที่ไม่ต้องการออกจากสัญญาณอ้างอิงถึงทฤษฎีสายส่ง \(\tilde{H}(f)\) ในกรณีนี้เทียบเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแรงดันไฟฟ้า กล่าวคือ \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 เนื่องจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียง \(Z_0\) สอดคล้องกับอิมพีแดนซ์อินพุตของหม้อแปลงในตัวของคอนเวอร์เตอร์ และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของกำลังไฟฟ้า \({P_R}/{P_I}\) จะลดลงเหลือ \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) จากนั้นคือ \(|\rho _{V}|^2\)ในกรณีที่ต้องการค่าสัมบูรณ์ของกำลังไฟฟ้า ให้คำนวณเหตุการณ์ \(P_I\) และกำลังสะท้อน\(P_R\) (W) โดยการหาค่ารากกำลังสองเฉลี่ย (rms) ของแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน เช่น สำหรับสายส่งที่มีการกระตุ้นแบบไซน์ซอยด์ \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26 โดยที่ \(Z_0\) เท่ากับ 50 \(\Omega\)กำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังโหลด \(P_T\) (เช่น ตัวกลางที่แทรก) สามารถคำนวณได้เป็น \(|P_I – P_R |\) (W RMS) และประสิทธิภาพการถ่ายโอนกำลัง (PTE) สามารถกำหนดและแสดงเป็น เปอร์เซ็นต์ (%) จึงให้ 27:
จากนั้นการตอบสนองความถี่จะใช้ในการประมาณค่าความถี่โมดอล \(f_{1-3}\) (kHz) ของการออกแบบสไตลัสและประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานที่สอดคล้องกัน \(\text {PTE__{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM__{1{-}3}\), Hz) ถูกประมาณโดยตรงจาก \(\text {PTE`{1{1{-}3}\) จากตารางที่ 1 ความถี่ \(f_{1-3}\) อธิบายไว้ใน .
วิธีการวัดการตอบสนองความถี่ (AFC) ของโครงสร้างแอคคิวลาร์การวัดแบบสวิปไซน์แบบสองช่องสัญญาณ ใช้เพื่อรับฟังก์ชันตอบสนองความถี่ \(\tilde{H}(f)\) และการตอบสนองแบบอิมพัลส์ H(t)\({\mathcal {F}}\) และ \({\mathcal {F}}^{-1}\) แสดงถึงการแปลงฟูริเยร์ที่ถูกตัดทอนเป็นตัวเลขและการดำเนินการแปลงผกผัน ตามลำดับ\(\tilde{G}(f)\) หมายถึงสัญญาณทั้งสองคูณกันในโดเมนความถี่ เช่น \(\tilde{G__{XrX}\) หมายถึง inverse scan\(\tilde{X} r( f )\) และสัญญาณแรงดันไฟฟ้าตก \(\ตัวหนอน{X}(f)\)
ดังแสดงในรูป5, กล้องความเร็วสูง (Phantom V1612, Vision Research Inc., นิวเจอร์ซีย์, สหรัฐอเมริกา) มาพร้อมกับเลนส์มาโคร (MP-E 65 มม., \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc . ., โตเกียว, ญี่ปุ่น) ถูกนำมาใช้เพื่อบันทึกการโก่งตัวของปลายเข็มภายใต้การกระตุ้นด้วยแรงดัดงอ (ความถี่เดียว, ไซนัสอยด์ต่อเนื่อง) ที่ความถี่ 27.5–30 kHzในการสร้างแผนที่เงา องค์ประกอบระบายความร้อนของ LED สีขาวความเข้มสูง (หมายเลขชิ้นส่วน: 4052899910881, ไฟ LED สีขาว, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, เยอรมนี) ถูกวางไว้ด้านหลังมุมเอียงของเข็ม
มุมมองด้านหน้าของการตั้งค่าการทดลองความลึกวัดจากพื้นผิวของสื่อโครงสร้างเข็มถูกยึดและติดตั้งบนโต๊ะเคลื่อนย้ายด้วยมอเตอร์ใช้กล้องความเร็วสูงที่มีเลนส์กำลังขยายสูง (5\(\ครั้ง\)) เพื่อวัดการโก่งตัวของปลายที่เอียงขนาดทั้งหมดมีหน่วยเป็นมิลลิเมตร
สำหรับมุมเอียงของเข็มแต่ละประเภท เราได้บันทึกเฟรมของกล้องความเร็วสูงจำนวน 300 เฟรม ความละเอียด 128 \(\x\) 128 พิกเซล โดยแต่ละเฟรมมีความละเอียดเชิงพื้นที่ 1/180 มม. (\(\ประมาณ) 5 µm) พร้อมด้วยความละเอียดชั่วคราว 310,000 เฟรมต่อวินาทีดังแสดงในรูปที่ 6 แต่ละเฟรม (1) จะถูกครอบตัด (2) เพื่อให้ส่วนปลายอยู่ในบรรทัดสุดท้าย (ล่าง) ของเฟรม จากนั้นจึงคำนวณฮิสโตแกรมของรูปภาพ (3) ดังนั้น Canny เกณฑ์ 1 และ 2 สามารถกำหนดได้จากนั้นใช้การตรวจจับขอบ Canny28(4) โดยใช้ตัวดำเนินการ Sobel 3 \(\times\) 3 และคำนวณตำแหน่งพิกเซลของด้านตรงข้ามมุมฉากที่ไม่ใช่โพรงอากาศ (มีป้ายกำกับ \(\mathbf {\times }\)) สำหรับขั้นตอน 300 เท่าทั้งหมด .เพื่อกำหนดช่วงของการโก่งตัวที่จุดสิ้นสุด อนุพันธ์จะถูกคำนวณ (โดยใช้อัลกอริธึมผลต่างศูนย์กลาง) (6) และกรอบที่มีการระบุค่าสุดขีดเฉพาะที่ (เช่น จุดสูงสุด) ของการโก่งตัว (7)หลังจากตรวจสอบขอบที่ไม่มีการเกิดโพรงด้วยสายตาแล้ว ได้มีการเลือกเฟรมคู่หนึ่ง (หรือสองเฟรมที่คั่นด้วยช่วงครึ่งเวลา) (7) และวัดการโก่งตัวของทิป (มีป้ายกำกับ \(\mathbf {\times} \ ) สิ่งที่กล่าวข้างต้นได้ถูกนำมาใช้ ใน Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) โดยใช้อัลกอริธึมการตรวจจับขอบ OpenCV Canny (v4.5.1, ไลบรารีวิทัศน์คอมพิวเตอร์โอเพ่นซอร์ส, opencv.org) พลังงานไฟฟ้า \ (P_T \) (W, rms) .
การโก่งตัวของทิปวัดโดยใช้ชุดเฟรมที่ถ่ายจากกล้องความเร็วสูงที่ 310 kHz โดยใช้อัลกอริธึม 7 ขั้นตอน (1-7) รวมถึงการจัดเฟรม (1-2), การตรวจจับขอบ Canny (3-4), ขอบตำแหน่งพิกเซล การคำนวณ (5) และอนุพันธ์ของเวลา (6) และในที่สุดการโก่งตัวของทิปจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดถูกวัดบนคู่ของเฟรมที่ตรวจสอบด้วยสายตา (7)
ทำการวัดในอากาศ (22.4-22.9°C), น้ำปราศจากไอออน (20.8-21.5°C) และเจลาตินขีปนาวุธ 10% (w/v) (19.7-23.0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) เจลาตินกระดูกและกระดูกหมูสำหรับการวิเคราะห์ Ballistic ประเภทที่ 1, Honeywell International, นอร์ทแคโรไลนา, สหรัฐอเมริกา)วัดอุณหภูมิด้วยแอมพลิฟายเออร์เทอร์โมคัปเปิลชนิด K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) และเทอร์โมคัปเปิลชนิด K (Fluke 80PK-1 Bead Probe หมายเลข 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA)จากระยะกลาง ความลึกถูกวัดจากพื้นผิว (ตั้งค่าเป็นจุดกำเนิดของแกน z) โดยใช้สเตจแกน z แบบใช้มอเตอร์ในแนวตั้ง (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., วิลนีอุส, ลิทัวเนีย) ที่มีความละเอียด 5 µmต่อขั้นตอน
เนื่องจากขนาดตัวอย่างมีขนาดเล็ก (n = 5) และไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นมาตรฐาน จึงใช้การทดสอบผลรวมอันดับ Wilcoxon แบบสองตัวอย่าง (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) เพื่อเปรียบเทียบจำนวนปลายเข็มความแปรปรวนสำหรับมุมเอียงต่างๆมีการเปรียบเทียบ 3 ครั้งต่อความชัน ดังนั้นจึงใช้การแก้ไข Bonferroni โดยมีระดับนัยสำคัญที่ปรับปรุงแล้ว 0.017 และอัตราความผิดพลาด 5%
ให้เราหันไปที่รูปที่ 7ที่ความถี่ 29.75 kHz ค่าการโค้งงอของเข็มขนาด 21 เกจ (\(\lambda_y/2\)) คือ \(\ประมาณ) 8 มม.เมื่อเข้าใกล้ส่วนปลาย ความยาวคลื่นที่โค้งงอจะลดลงตามมุมเฉียงที่ส่วนปลาย \(\lambda _y/2\) \(\โดยประมาณ\) มีขั้นละ 3, 1 และ 7 มม. สำหรับการเอียงรูปใบหอกปกติ (a), ไม่สมมาตร (b) และแกนสมมาตร (c) ความเอียงของเข็มเข็มเดียว ตามลำดับดังนั้น นี่หมายความว่าช่วงของมีดหมอคือ \(\โดยประมาณ) 5 มม. (เนื่องจากความจริงที่ว่าระนาบทั้งสองของมีดหมอก่อตัวเป็นจุดเดียว29,30) มุมเอียงที่ไม่สมมาตรคือ 7 มม. มุมเอียงที่ไม่สมมาตรคือ 1 มม.ความชันตามแนวแกนสมมาตร (จุดศูนย์ถ่วงยังคงที่ ดังนั้นความหนาของผนังท่อเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงไปตามความชัน)
การศึกษา FEM และการประยุกต์ใช้สมการที่ความถี่ 29.75 kHz(1) เมื่อคำนวณความแปรผันของการโค้งงอครึ่งคลื่น (\(\lambda_y/2\)) สำหรับ lancet (a), asymmetric (b) และ axisymmetric (c) รูปทรงมุมเอียง (ดังในรูปที่ 1a,b,c ) .ค่าเฉลี่ย \(\lambda_y/2\) ของมีดหมอ มุมเอียงแบบอสมมาตร และแนวแกนสมมาตรคือ 5.65, 5.17 และ 7.52 มม. ตามลำดับโปรดทราบว่าความหนาของปลายสำหรับมุมเอียงแบบอสมมาตรและแกนสมมาตรนั้นจำกัดไว้ที่ \(\ประมาณ) 50 µm
ความคล่องตัวสูงสุด \(|\tilde{Y__{v_yF_y}|\) คือการผสมผสานที่เหมาะสมระหว่างความยาวท่อ (TL) และความยาวมุมเอียง (BL) (รูปที่ 8, 9)สำหรับมีดหมอแบบธรรมดา เนื่องจากขนาดได้รับการแก้ไขแล้ว TL ที่เหมาะสมคือ \(\ประมาณ) 29.1 มม. (รูปที่ 8)สำหรับมุมเอียงที่ไม่สมมาตรและแกนสมมาตร (รูปที่ 9a, b ตามลำดับ) การศึกษา FEM ได้รวม BL ตั้งแต่ 1 ถึง 7 มม. ดังนั้น TL ที่เหมาะสมที่สุดจึงอยู่ที่ 26.9 ถึง 28.7 มม. (ช่วง 1.8 มม.) และตั้งแต่ 27.9 ถึง 29 .2 มม. (ช่วง 1.3 มม.) ตามลำดับสำหรับความชันแบบอสมมาตร (รูปที่ 9a) ค่า TL ที่เหมาะสมที่สุดจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง จนถึงจุดราบที่ BL 4 มม. จากนั้นลดลงอย่างรวดเร็วจาก BL 5 เป็น 7 มม.สำหรับมุมเอียงของแกนสมมาตร (รูปที่ 9b) TL ที่เหมาะสมจะเพิ่มขึ้นเชิงเส้นตรงโดยเพิ่ม BL และสุดท้ายก็เสถียรที่ BL จาก 6 เป็น 7 มม.การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเอียงของแกนสมมาตร (รูปที่ 9c) เผยให้เห็นชุด TL ที่เหมาะสมที่สุดที่แตกต่างกันที่ \(\ประมาณ) 35.1–37.1 มม.สำหรับ BL ทั้งหมด ระยะห่างระหว่าง TL ที่ดีที่สุดสองตัวคือ \(\ประมาณ\) 8 มม. (เทียบเท่ากับ \(\lambda_y/2\))
ความคล่องตัวในการส่งสัญญาณมีดหมอที่ 29.75 kHzเข็มถูกตื่นเต้นอย่างยืดหยุ่นที่ความถี่ 29.75 kHz และการสั่นสะเทือนถูกวัดที่ปลายเข็มและแสดงเป็นปริมาณการเคลื่อนที่เชิงกลที่ส่งผ่าน (dB สัมพันธ์กับค่าสูงสุด) สำหรับ TL 26.5-29.5 มม. (เพิ่มขึ้น 0.1 มม.) .
การศึกษาพาราเมตริกของ FEM ที่ความถี่ 29.75 kHz แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ในการถ่ายโอนของปลายแกนสมมาตรได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความยาวของท่อน้อยกว่าท่อที่ไม่สมมาตรการศึกษาความยาวเอียง (BL) และความยาวท่อ (TL) ของรูปทรงเอียงแบบอสมมาตร (a) และแกนสมมาตร (b, c) ในการศึกษาโดเมนความถี่โดยใช้ FEM (เงื่อนไขขอบเขตแสดงในรูปที่ 2)( a, b ) TL อยู่ระหว่าง 26.5 ถึง 29.5 มม. (ขั้นละ 0.1 มม.) และ BL 1–7 มม. (ขั้นละ 0.5 มม.)(c) การศึกษาการเอียงของแกนสมมาตรแบบขยายรวมถึง TL 25–40 มม. (เพิ่มขึ้น 0.05 มม.) และ BL 0.1–7 มม. (เพิ่มขึ้น 0.1 มม.) แสดงให้เห็นว่า \(\lambda_y/2\ ) ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของส่วนปลายเงื่อนไขการย้ายขอบเขต
การกำหนดค่าเข็มมีความถี่ลักษณะเฉพาะสามค่า \(f_{1-3}\) แบ่งออกเป็นภูมิภาคโหมดต่ำ ปานกลาง และสูง ดังแสดงในตารางที่ 1 ขนาด PTE ถูกบันทึกดังแสดงในรูป10 แล้ววิเคราะห์ในรูปที่ 11 ด้านล่างนี้คือผลการวิจัยสำหรับแต่ละพื้นที่โมดอล:
แอมพลิจูดของประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานทันที (PTE) ที่บันทึกไว้ทั่วไป ซึ่งได้จากการกระตุ้นไซนูซอยด์ความถี่กวาดสำหรับมีดหมอ (L) และมุมเอียงแบบสมมาตรแกน AX1-3 ในอากาศ น้ำ และเจลาตินที่ความลึก 20 มม.มีการแสดงสเปกตรัมด้านเดียวการตอบสนองความถี่ที่วัดได้ (สุ่มตัวอย่างที่ 300 kHz) จะถูกกรองผ่านความถี่ต่ำ จากนั้นจึงลดขนาดลงด้วยปัจจัย 200 สำหรับการวิเคราะห์โมดอลอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนคือ \(\le\) 45 dBระยะ PTE (เส้นประสีม่วง) จะแสดงเป็นองศา (\(^{\circ}\))
การวิเคราะห์การตอบสนองแบบโมดัล (ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน n = 5) แสดงในรูปที่ 10 สำหรับความลาดชัน L และ AX1-3 ในอากาศ น้ำ และเจลาติน 10% (ความลึก 20 มม.) โดยมี (ด้านบน) สามขอบเขตโมดัล ( ต่ำ กลาง และสูง) และความถี่โมดอลที่สอดคล้องกัน\(f_{1-3 }\) (kHz) (เฉลี่ย) ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน \(\text {PTE__{1{-}3}\) คำนวณโดยใช้ค่าที่เทียบเท่า .(4) และ (ล่าง) ความกว้างเต็มที่ที่การวัดสูงสุดเพียงครึ่งเดียว \(\text {FWHM`{1{-}3}\) (Hz) ตามลำดับโปรดทราบว่าการวัดแบนด์วิธถูกข้ามไปเมื่อมีการลงทะเบียน PTE ต่ำ เช่น \(\text {FWHM__{1}\) ในกรณีที่มีความชันของ AX2พบว่าโหมด \(f_2\) เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบการโก่งตัวของความชัน เนื่องจากแสดงประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานในระดับสูงสุด (\(\text {PTE__{2}\)) สูงถึง 99%
ขอบเขตกิริยาแรก: \(f_1\) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับประเภทของตัวกลางที่แทรกมากนัก แต่ขึ้นอยู่กับเรขาคณิตของความชัน\(f_1\) ลดลงเมื่อความยาวเอียงลดลง (27.1, 26.2 และ 25.9 kHz ในอากาศสำหรับ AX1-3 ตามลำดับ)ค่าเฉลี่ยระดับภูมิภาค \(\text {PTE__{1}\) และ \(\text {FWHM__{1}\) คือ \(\ประมาณ\) 81% และ 230 Hz ตามลำดับ\(\text {FWHM__{1}\) มีปริมาณเจลาตินสูงที่สุดในมีดหมอ (L, 473 Hz)โปรดทราบว่า \(\text {FWHM__{1}\) AX2 ในเจลาตินไม่สามารถประเมินได้เนื่องจากแอมพลิจูด FRF ที่บันทึกไว้ต่ำ
ขอบเขตกิริยาที่สอง: \(f_2\) ขึ้นอยู่กับประเภทของสื่อที่ใส่และมุมเอียงค่าเฉลี่ย \(f_2\) คือ 29.1, 27.9 และ 28.5 kHz ในอากาศ น้ำ และเจลาติน ตามลำดับภูมิภาคโมดอลนี้ยังแสดงค่า PTE สูงถึง 99% ซึ่งสูงที่สุดในบรรดากลุ่มใดๆ ที่วัดได้ โดยมีค่าเฉลี่ยในระดับภูมิภาคที่ 84%\(\text {FWHM__{2}\) มีค่าเฉลี่ยภูมิภาคที่ \(\ประมาณ\) 910 Hz
ขอบเขตโหมดที่สาม: ความถี่ \(f_3\) ขึ้นอยู่กับประเภทสื่อและมุมเอียงค่าเฉลี่ย \(f_3\) คือ 32.0, 31.0 และ 31.3 kHz ในอากาศ น้ำ และเจลาติน ตามลำดับค่าเฉลี่ยภูมิภาค \(\text {PTE`{3}\) อยู่ที่ \(\ประมาณ\) 74% ซึ่งต่ำที่สุดในบรรดาภูมิภาคใดๆค่าเฉลี่ยของภูมิภาค \(\text {FWHM__{3}\) คือ \(\ประมาณ\) 1,085 Hz ซึ่งสูงกว่าภูมิภาคที่หนึ่งและที่สอง
ต่อไปนี้อ้างถึงรูปที่12 และตารางที่ 2 มีดหมอ (L) เบี่ยงเบนไปมากที่สุด (โดยมีความสำคัญสูงต่อเคล็ดลับทั้งหมด \(p<\) 0.017) ทั้งในอากาศและน้ำ (รูปที่ 12a) บรรลุ DPR สูงสุด (สูงถึง 220 µm/ W ในอากาศ) 12 และตารางที่ 2 มีดหมอ (L) เบี่ยงเบนไปมากที่สุด (โดยมีความสำคัญสูงต่อเคล็ดลับทั้งหมด \(p<\) 0.017) ทั้งในอากาศและน้ำ (รูปที่ 12a) บรรลุ DPR สูงสุด (สูงถึง 220 µm/ W ในอากาศ) Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью для всех наконечни ков, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . ข้อมูลต่อไปนี้ใช้กับรูปที่ 12 และตารางที่ 2 มีดหมอ (L) เบี่ยงเบนมากที่สุด (โดยมีความสำคัญสูงสำหรับเคล็ดลับทั้งหมด \(p<\) 0.017) ทั้งในอากาศและน้ำ (รูปที่ 12a) บรรลุ DPR สูงสุด(ทำ 220 µm/W ในอากาศ)เอสเอ็มทีรูปที่ 12 และตารางที่ 2 ด้านล่าง柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0.017）（จิน12a），实现最高DPR （在空气中高达2 20 ไมโครเมตร/วัตต์).柳叶刀(L) มีการโก่งตัวของอากาศและน้ำสูงสุด (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017) (จิน12a), และบรรลุ DPR สูงสุด (สูงถึง 220 µm/W ใน อากาศ). ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) воздухе и воде (рис. 12а), дости гая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). มีดหมอ (L) เบี่ยงเบนมากที่สุด (ความสำคัญสูงสำหรับเคล็ดลับทั้งหมด \(p<\) 0.017) ในอากาศและน้ำ (รูปที่ 12a) ไปถึง DPR สูงสุด (สูงถึง 220 µm/W ในอากาศ) ในอากาศ AX1 ซึ่งมี BL สูงกว่า มีการเบี่ยงเบนสูงกว่า AX2–3 (โดยมีนัยสำคัญ \(p<\) 0.017) ในขณะที่ AX3 (ซึ่งมี BL ต่ำสุด) เบี่ยงเบนมากกว่า AX2 โดยมี DPR ที่ 190 µm/W ในอากาศ AX1 ซึ่งมี BL สูงกว่า มีการเบี่ยงเบนสูงกว่า AX2–3 (โดยมีนัยสำคัญ \(p<\) 0.017) ในขณะที่ AX3 (ซึ่งมี BL ต่ำสุด) เบี่ยงเบนมากกว่า AX2 โดยมี DPR ที่ 190 µm/W В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклоня лся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. ในอากาศ AX1 ที่มี BL สูงกว่าจะเบี่ยงเบนไปมากกว่า AX2–3 (โดยมีนัยสำคัญ \(p<\) 0.017) ในขณะที่ AX3 (ที่มี BL ต่ำสุด) เบี่ยงเบนมากกว่า AX2 ด้วย DPR 190 µm/Wอยู่ที่空气中，具有更高BL ของ AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0.017），而AX3（具有最低BL）ของ AX2，DPR สูงถึง 190 µm/W . ในอากาศ การโก่งตัวของ AX1 ที่มี BL สูงกว่าจะสูงกว่าของ AX2-3 (อย่างมีนัยสำคัญ \(p<\) 0.017) และการโก่งตัวของ AX3 (ที่มี BL ต่ำสุด) มากกว่าของ AX2, DPR คือ 190 ไมโครเมตร/วัตต์ . Воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклоняетс มี AX2 с DPR 190 мкм/Вт. ในอากาศ AX1 ที่มี BL สูงกว่าจะเบี่ยงเบนมากกว่า AX2-3 (นัยสำคัญ \(p<\) 0.017) ในขณะที่ AX3 (ที่มี BL ต่ำสุด) เบี่ยงเบนมากกว่า AX2 โดยมี DPR 190 µm/Wที่น้ำ 20 มม. การโก่งตัวและ PTE AX1–3 ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (\(p>\) 0.017)โดยทั่วไประดับของ PTE ในน้ำ (90.2–98.4%) จะสูงกว่าในอากาศ (56–77.5%) (รูปที่ 12c) และปรากฏการณ์ของการเกิดโพรงอากาศถูกสังเกตในระหว่างการทดลองในน้ำ (รูปที่ 13 ดูเพิ่มเติม ข้อมูล).
ปริมาณการโก่งตัวของปลาย (เฉลี่ย ± SD, n = 5) ที่วัดสำหรับมุมเอียง L และ AX1-3 ในอากาศและน้ำ (ความลึก 20 มม.) แสดงผลจากการเปลี่ยนแปลงรูปทรงมุมเอียงการวัดได้มาจากการกระตุ้นไซนูซอยด์ความถี่เดียวอย่างต่อเนื่อง(a) ค่าเบี่ยงเบนจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุด (\(u_y\vec {j}\)) ที่ส่วนปลาย วัดที่ (b) ความถี่โมดอลตามลำดับ \(f_2\)(c) ประสิทธิภาพการถ่ายโอนกำลัง (PTE, RMS, %) ของสมการ(4) และ (d) ตัวประกอบกำลังการโก่งตัว (DPR, µm/W) คำนวณเป็นการเบี่ยงเบนจากยอดถึงยอดและกำลังไฟฟ้าที่ส่ง \(P_T\) (Wrms)
พล็อตเงาของกล้องความเร็วสูงทั่วไปแสดงความเบี่ยงเบนจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุด (เส้นประสีเขียวและสีแดง) ของมีดหมอ (L) และปลายแกนสมมาตร (AX1–3) ในน้ำ (ความลึก 20 มม.) ตลอดครึ่งรอบรอบที่ความถี่กระตุ้น \(f_2\) (ความถี่สุ่มตัวอย่าง 310 kHz)ภาพระดับสีเทาที่ถ่ายมีขนาด 128×128 พิกเซล และขนาดพิกเซล \(\ประมาณ\) 5 µmดูวิดีโอได้ในข้อมูลเพิ่มเติม
ดังนั้นเราจึงสร้างแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นในการดัดงอ (รูปที่ 7) และคำนวณการเคลื่อนที่เชิงกลที่สามารถถ่ายโอนได้สำหรับการรวมกันของความยาวท่อและการลบมุม (รูปที่ 8, 9) สำหรับมีดหมอธรรมดา การลบมุมแบบอสมมาตร และแกนสมมาตรของรูปทรงเรขาคณิตจากข้อมูลอย่างหลัง เราประมาณระยะห่างที่เหมาะสมที่สุดที่ 43 มม. (หรือ \(\โดยประมาณ) 2.75\(\lambda _y\) ที่ 29.75 kHz) จากปลายถึงรอยเชื่อม ดังแสดงในรูปที่ 5 และสร้างแกนสมมาตรสามแกน เอียงที่มีความยาวเอียงต่างกันจากนั้น เราจึงกำหนดลักษณะพฤติกรรมความถี่ของพวกมันในอากาศ น้ำ และเจลาตินแบบขีปนาวุธ 10% (w/v) เมื่อเปรียบเทียบกับมีดหมอแบบธรรมดา (รูปที่ 10, 11) และกำหนดโหมดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบการโก่งตัวของมุมเอียงสุดท้าย เราวัดการโก่งตัวของทิปโดยการดัดคลื่นในอากาศและน้ำที่ความลึก 20 มม. และวัดปริมาณประสิทธิภาพการถ่ายโอนกำลัง (PTE, %) และตัวประกอบกำลังการโก่งตัว (DPR, µm/W) ของตัวกลางแทรกสำหรับแต่ละมุมเอียงประเภทเชิงมุม (รูปที่ 12)
รูปทรงของมุมเอียงของเข็มแสดงให้เห็นว่าส่งผลต่อปริมาณการโก่งตัวของปลายเข็มมีดหมอมีการโก่งตัวสูงสุดและ DPR สูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับมุมเอียงของแกนสมมาตรที่มีการโก่งเฉลี่ยต่ำกว่า (รูปที่ 12)มุมเอียงของแกนสมมาตรขนาด 4 มม. (AX1) ที่มีมุมเอียงที่ยาวที่สุดทำให้เกิดการโก่งตัวในอากาศสูงสุดที่มีนัยสำคัญทางสถิติเมื่อเปรียบเทียบกับเข็มสมมาตรแกนอื่นๆ (AX2–3) (\(p < 0.017\), ตารางที่ 2) แต่ไม่มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญ .สังเกตได้เมื่อนำเข็มไปจุ่มน้ำดังนั้นจึงไม่มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการมีความยาวมุมเอียงที่ยาวขึ้นในแง่ของการโก่งตัวสูงสุดที่ส่วนปลายด้วยเหตุนี้ จึงปรากฏว่าเรขาคณิตมุมเอียงที่ศึกษาในการศึกษานี้มีผลต่อการโก่งตัวมากกว่าความยาวของมุมเอียงอาจเนื่องมาจากความแข็งในการดัดงอ เช่น ขึ้นอยู่กับความหนาโดยรวมของวัสดุที่กำลังดัดงอและการออกแบบเข็ม
ในการศึกษาทดลอง ขนาดของคลื่นดัดงอที่สะท้อนจะได้รับผลกระทบจากเงื่อนไขขอบเขตของส่วนปลายเมื่อสอดปลายเข็มลงในน้ำและเจลาติน \(\text {PTE` (\text {PTE__{ 2}\) ค่าคือ 73% และ 77% สำหรับ (\text {PTE__{1}\) และ \(\text {PTE__{3}\) ตามลำดับ (รูปที่ 11)สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการถ่ายโอนพลังงานเสียงสูงสุดไปยังตัวกลางในการหล่อ เช่น น้ำหรือเจลาติน เกิดขึ้นที่ \(f_2\)พฤติกรรมที่คล้ายกันนี้พบในการศึกษาก่อนหน้านี้ โดยใช้การกำหนดค่าอุปกรณ์ที่ง่ายกว่าในช่วงความถี่ 41-43 kHz ซึ่งผู้เขียนได้แสดงให้เห็นการพึ่งพาค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแรงดันไฟฟ้ากับโมดูลัสเชิงกลของตัวกลางที่ฝังความลึกของการเจาะทะลุ 32 และคุณสมบัติทางกลของเนื้อเยื่อทำให้เกิดภาระทางกลบนเข็ม และด้วยเหตุนี้จึงคาดว่าจะมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมการสั่นพ้องของ UZEFNABดังนั้น อัลกอริธึมการติดตามเสียงสะท้อน (เช่น 17, 18, 33) จึงสามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังเสียงที่ส่งผ่านเข็มได้
การจำลองที่ความยาวคลื่นของการดัดงอ (รูปที่ 7) แสดงให้เห็นว่าปลายแกนสมมาตรมีโครงสร้างที่แข็งแรงกว่า (เช่น มีความแข็งในการดัดงอมากกว่า) มากกว่ามีดหมอและมุมเอียงที่ไม่สมมาตรจาก (1) และใช้ความสัมพันธ์ของความเร็ว-ความถี่ที่ทราบ เราประมาณค่าความแข็งในการดัดงอที่ปลายเข็มเป็น \(\about\) 200, 20 และ 1500 MPa สำหรับมีดหมอ ระนาบเอียงแบบไม่สมมาตร และตามแนวแกน ตามลำดับซึ่งสอดคล้องกับ \(\lambda_y\) ของ \(\ประมาณ\) 5.3, 1.7 และ 14.2 มม. ตามลำดับที่ 29.75 kHz (รูปที่ 7a–c)เมื่อพิจารณาถึงความปลอดภัยทางคลินิกในระหว่าง USeFNAB ควรประเมินผลกระทบของเรขาคณิตต่อความแข็งของโครงสร้างของระนาบเอียง
การศึกษาพารามิเตอร์มุมเอียงที่สัมพันธ์กับความยาวของท่อ (รูปที่ 9) แสดงให้เห็นว่าช่วงการส่งผ่านที่เหมาะสมที่สุดสำหรับมุมเอียงแบบอสมมาตร (1.8 มม.) สูงกว่าสำหรับมุมเอียงแบบสมมาตรแกน (1.3 มม.)นอกจากนี้ ความคล่องตัวยังมีความเสถียรที่ \(\โดยประมาณ) ตั้งแต่ 4 ถึง 4.5 มม. และจาก 6 ถึง 7 มม. สำหรับการเอียงแบบไม่สมมาตรและแกนสมมาตร ตามลำดับ (รูปที่ 9a, b)ความสำคัญเชิงปฏิบัติของการค้นพบนี้แสดงอยู่ในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนในการผลิต ตัวอย่างเช่น ช่วง TL ที่เหมาะสมที่สุดที่ต่ำกว่าอาจหมายความว่าจำเป็นต้องมีความแม่นยำของความยาวมากขึ้นในเวลาเดียวกัน ที่ราบสูงในการเคลื่อนที่ให้ความทนทานมากขึ้นในการเลือกความยาวของการดิ่งลงที่ความถี่ที่กำหนด โดยไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเคลื่อนไหว
การศึกษานี้มีข้อจำกัดดังต่อไปนี้การวัดการโก่งตัวของเข็มโดยตรงโดยใช้การตรวจจับขอบและการถ่ายภาพด้วยความเร็วสูง (รูปที่ 12) หมายความว่าเราถูกจำกัดให้ใช้ตัวกลางที่โปร่งใสทางแสง เช่น อากาศและน้ำนอกจากนี้เรายังต้องการชี้ให้เห็นว่าเราไม่ได้ใช้การทดลองเพื่อทดสอบความคล่องตัวในการถ่ายโอนจำลองและในทางกลับกัน แต่ใช้การศึกษา FEM เพื่อกำหนดความยาวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตเข็มสำหรับข้อจำกัดในทางปฏิบัติ ความยาวของมีดหมอจากปลายถึงปลอกจะยาว \(\ประมาณ) 0.4 ซม. มากกว่าเข็มอื่นๆ (AX1-3) ดูภาพประกอบ3บีซึ่งอาจส่งผลต่อการตอบสนองแบบกิริยาของการออกแบบเข็มนอกจากนี้ รูปร่างและปริมาตรของโลหะบัดกรีที่ปลายหมุดท่อนำคลื่น (ดูรูปที่ 3) อาจส่งผลต่อความต้านทานทางกลของการออกแบบหมุด ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในความต้านทานทางกลและพฤติกรรมการโค้งงอ
สุดท้ายนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่าเรขาคณิตเชิงมุมแบบทดลองส่งผลต่อปริมาณการโก่งตัวใน USeFNABหากการโก่งตัวที่มากขึ้นจะส่งผลเชิงบวกต่อผลกระทบของเข็มต่อเนื้อเยื่อ เช่น ประสิทธิภาพการตัดหลังการเจาะ ดังนั้นสามารถใช้มีดหมอแบบธรรมดาใน USeFNAB ได้ เนื่องจากให้การโก่งตัวสูงสุดในขณะที่ยังคงความแข็งของปลายโครงสร้างไว้เพียงพอ.นอกจากนี้ การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ แสดงให้เห็นว่าการโก่งงอของทิปที่มากขึ้นสามารถเพิ่มผลกระทบทางชีวภาพ เช่น การเกิดโพรงอากาศ ซึ่งอาจเอื้อต่อการพัฒนาแอปพลิเคชันการผ่าตัดที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดเนื่องจากพลังเสียงโดยรวมที่เพิ่มขึ้นได้แสดงให้เห็นแล้วว่าเพิ่มจำนวนการตัดชิ้นเนื้อใน USeFNAB13 จึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงปริมาณเพิ่มเติมเกี่ยวกับปริมาณและคุณภาพของตัวอย่างเพื่อประเมินประโยชน์ทางคลินิกโดยละเอียดของรูปทรงเข็มที่ศึกษา