Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Әр слайдта үш мақаланы көрсететін слайдерлер.Слайдтар арқылы жылжу үшін артқа және келесі түймелерді немесе әр слайд бойынша жылжу үшін соңында слайд контроллері түймелерін пайдаланыңыз.
Физика мен өмір туралы ғылымдардың пәнаралық тоғысуы негізінде дәл медицинаға негізделген диагностикалық және терапиялық стратегиялар медицинаның көптеген салаларында, әсіресе онкологияда жаңа инженерлік әдістердің практикалық қолданылуына байланысты соңғы уақытта айтарлықтай назар аударды.Осы шеңберде әртүрлі масштабта ықтимал механикалық зақым келтіру үшін ісіктердегі рак клеткаларына шабуыл жасау үшін ультрадыбысты қолдану бүкіл әлем ғалымдарының назарын аударуда.Осы факторларды ескере отырып, эластодинамикалық уақытты анықтау шешімдеріне және сандық модельдеулерге негізделген, біз жергілікті сәулелену арқылы қолайлы жиіліктер мен қуаттарды таңдау үшін тіндерде ультрадыбыстың таралуын компьютерлік модельдеудің алдын ала зерттеуін ұсынамыз.Аурухана инесі деп аталатын және қазірдің өзінде патенттелген On-Fiber технологиясы зертханасының жаңа диагностикалық платформасы.Талдау нәтижелері және оған қатысты биофизикалық түсініктер болашақта физика салаларынан алынған дәлдік медицинаны қолдануда орталық рөл атқаратын жаңа кешенді диагностикалық және терапиялық тәсілдерге жол ашуы мүмкін деп саналады.Биология арасында өсіп келе жатқан синергия басталады.
Клиникалық қосымшалардың көп санын оңтайландырумен пациенттерге жанама әсерлерді азайту қажеттілігі біртіндеп пайда бола бастады.Осы мақсатта дәлме-дәл медицина1, 2, 3, 4, 5 екі негізгі тәсілге сүйене отырып, пациенттерге жеткізілетін дәрілердің дозасын азайтудың стратегиялық мақсатына айналды.Біріншісі пациенттің геномдық профиліне сәйкес әзірленген емдеуге негізделген.Екіншісі, онкологияда алтын стандартқа айналуда, дәрі-дәрмектің аз мөлшерін босатуға тырысу арқылы жүйелік дәрі-дәрмек жеткізу процедураларынан аулақ болуға, сонымен бірге жергілікті терапияны қолдану арқылы дәлдікті арттыруға бағытталған.Түпкі мақсат - химиотерапия немесе радионуклидтерді жүйелі енгізу сияқты көптеген емдік әдістердің теріс әсерін жою немесе кем дегенде азайту.Қатерлі ісік түріне, орналасуына, сәулелену дозасына және басқа факторларға байланысты, тіпті сәулелік терапия сау тіндерге тән жоғары тәуекелге ие болуы мүмкін.Глиобластоманы емдеуде6,7,8,9 хирургия негізгі қатерлі ісіктерді сәтті жояды, бірақ метастаздар болмаған жағдайда да көптеген ұсақ ісік инфильтраттары болуы мүмкін.Егер олар толығымен жойылмаса, жаңа қатерлі ісік массалары салыстырмалы түрде қысқа уақыт ішінде өсуі мүмкін.Осы контекстте жоғарыда аталған дәлдіктегі медицина стратегияларын қолдану қиын, себебі бұл инфильтраттарды анықтау және үлкен аумаққа тарату қиын.Бұл тосқауылдар дәл медицина көмегімен кез келген қайталанудың алдын алуда түпкілікті нәтижелерге жол бермейді, сондықтан кейбір жағдайларда жүйелі жеткізу әдістеріне артықшылық беріледі, бірақ қолданылатын препараттар өте жоғары уыттылық деңгейіне ие болуы мүмкін.Бұл проблеманы жеңу үшін емдеудің тамаша тәсілі сау тіндерге әсер етпестен рак клеткаларына селективті түрде шабуыл жасай алатын минималды инвазивті стратегияларды қолдану болады.Осы дәлелді ескере отырып, бір жасушалы жүйелерде де, мезошкальді гетерогенді кластерлерде де қатерлі және сау жасушаларға әртүрлі әсер ететін ультрадыбыстық тербелістерді қолдану ықтимал шешім сияқты көрінеді.
Механикалық тұрғыдан сау және қатерлі ісік жасушаларында әртүрлі табиғи резонанстық жиіліктер бар.Бұл қасиет қатерлі ісік жасушаларының цитоскелеттік құрылымының механикалық қасиеттерінің онкогендік өзгерістерімен байланысты12,13, ал ісік жасушалары қалыпты жасушаларға қарағанда орта есеппен деформацияланатын болады.Осылайша, ынталандыру үшін ультрадыбыстық жиілікті оңтайлы таңдау арқылы таңдалған аймақтарда туындаған дірілдер иесінің сау ортасына әсерін барынша азайта отырып, тірі қатерлі ісік құрылымдарына зақым келтіруі мүмкін.Бұл әлі толық түсінілмеген әсерлерге ультрадыбыстық әсер ететін жоғары жиілікті тербелістерге байланысты кейбір жасушалық құрылымдық компоненттердің бұзылуы (негізінде литотрипсияға өте ұқсас14) және механикалық шаршауға ұқсас құбылыстың салдарынан жасушалық зақымдану жатады, бұл өз кезегінде жасуша құрылымын өзгертуі мүмкін. .бағдарламалау және механобиология.Бұл теориялық шешім өте қолайлы болып көрінгенімен, өкінішке орай, оны анекогендік биологиялық құрылымдар ультрадыбысты тікелей қолдануға кедергі келтіретін жағдайларда қолдануға болмайды, мысалы, сүйектің болуына байланысты интракраниальды қолдануда және сүт безінің кейбір ісіктері майлы қабаттарда орналасқан. ұлпа.Әлсіреу ықтимал емдік әсер ету аймағын шектеуі мүмкін.Бұл проблемаларды жеңу үшін ультрадыбысты сәулеленген жерге мүмкіндігінше аз инвазивті түрде жетуге болатын арнайы жасалған түрлендіргіштермен жергілікті түрде қолдану керек.Осыны ескере отырып, біз «инелік аурухана»15 деп аталатын инновациялық технологиялық платформа құру мүмкіндігіне қатысты идеяларды пайдалану мүмкіндігін қарастырдық.«Инедегі аурухана» концепциясы бір медициналық инедегі әртүрлі функциялардың үйлесімі негізінде диагностикалық және емдік қолдану үшін аз инвазивті медициналық құралды әзірлеуді қамтиды.Аурухана инесі бөлімінде толығырақ қарастырылғандай, бұл ықшам құрылғы ең алдымен 16, 17, 18, 19, 20, 21 талшықты-оптикалық зондтардың артықшылықтарына негізделген, олар сипаттамаларына байланысты стандартты 20-ға енгізуге жарамды. медициналық инелер, 22 люмен.Lab-on-Fiber (LOF)23 технологиясының икемділігін пайдалана отырып, талшық сұйықтық биопсиясы мен тін биопсиясы құрылғыларын қоса, миниатюрленген және пайдалануға дайын диагностикалық және емдік құрылғылар үшін тиімді бірегей платформаға айналуда.биомолекулярлық анықтауда24,25, жарықпен басқарылатын жергілікті дәрі-дәрмекті жеткізу26,27, жоғары дәлдіктегі жергілікті ультрадыбыстық бейнелеу28, термиялық терапия29,30 және спектроскопия негізінде қатерлі ісік тінін анықтау31.Осы тұжырымдаманың аясында «Ауруханадағы ине» құрылғысына негізделген локализация әдісін пайдалана отырып, біз ультрадыбыстық толқындарды ультрадыбыстық толқындарды ультрадыбыстық толқындарды қызықтыратын аймақта қоздыру үшін инелер арқылы таратуды пайдалану арқылы жергілікті биологиялық құрылымдарды жергілікті ынталандыруды оңтайландыру мүмкіндігін зерттейміз..Осылайша, төмен қарқынды терапевтік ультрадыбысты ультрадыбыстық жасушалар мен жұмсақ тіндердегі ұсақ қатты түзілімдер үшін минималды инвазивтілігі бар тәуекел аймағына тікелей қолдануға болады, өйткені жоғарыда аталған интракраниальды хирургия жағдайында бас сүйегінің кішкене саңылауын енгізу керек. ине.Ультрадыбыстың белгілі бір қатерлі ісіктердің дамуын тоқтатуы немесе кешіктіруі мүмкін екенін көрсететін соңғы теориялық және эксперименттік нәтижелерден шабыттанған, 32,33,34 ұсынылған тәсіл, ең болмағанда, агрессивті және емдік әсерлер арасындағы негізгі айырбастарды шешуге көмектесуі мүмкін.Осы ойларды ескере отырып, осы мақалада біз қатерлі ісікке арналған аз инвазивті ультрадыбыстық терапия үшін ауруханаішілік ине құрылғысын пайдалану мүмкіндігін зерттейміз.Дәлірек айтқанда, өсуге тәуелді ультрадыбыстық жиілікті бағалау үшін сфералық ісік массаларының шашырауын талдау бөлімінде серпімді ортада өсірілген сфералық қатты ісіктердің мөлшерін болжау үшін жақсы бекітілген эластодинамикалық әдістер мен акустикалық шашырау теориясын қолданамыз.материалдың өсу нәтижесінде қайта құрылуына байланысты ісік пен негізгі тін арасында пайда болатын қаттылық.Біз «Инедегі аурухана» деп аталатын жүйемізді «Инедегі аурухана» бөлімінде сипаттай отырып, біз болжанған жиіліктерде медициналық инелер арқылы ультрадыбыстық толқындардың таралуын талдаймыз және олардың сандық моделі зерттеу үшін қоршаған ортаны сәулелендіреді. аспаптың акустикалық қуатының берілуіне әсер ететін негізгі геометриялық параметрлер (нақты ішкі диаметрі, иненің ұзындығы және өткірлігі).Дәлдік медицина үшін жаңа инженерлік стратегияларды әзірлеу қажеттілігін ескере отырып, ұсынылған зерттеу ультрадыбысты басқа шешімдермен біріктіретін интеграцияланған терагностикалық платформа арқылы жеткізілетін ультрадыбысты қолдануға негізделген қатерлі ісіктерді емдеудің жаңа құралын жасауға көмектесуі мүмкін деп саналады.Бір иненің ішінде мақсатты дәрі-дәрмекті жеткізу және нақты уақыттағы диагностика сияқты біріктірілген.
Ультрадыбыстық (ультрадыбыстық) ынталандыруды қолдана отырып, локализацияланған қатты ісіктерді емдеудің механикалық стратегияларын қамтамасыз ету тиімділігі төмен қарқынды ультрадыбыстық тербелістердің бір жасушалы жүйелерге әсерін теориялық және эксперименттік түрде қарастыратын бірнеше жұмыстардың мақсаты болды 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Тұтқыр серпімді модельдерді пайдалана отырып, бірнеше зерттеушілер ісік пен сау жасушалардың АҚШ 10,11,12 диапазонында айқын резонанстық шыңдарымен сипатталатын әртүрлі жиілік реакцияларын көрсететінін аналитикалық түрде көрсетті.Бұл нәтиже, негізінен, ісік жасушаларына негізгі ортаны сақтайтын механикалық тітіркендіргіштермен таңдамалы түрде шабуылдауға болатындығын көрсетеді.Бұл мінез-құлық көп жағдайда ісік жасушаларының сау жасушаларға қарағанда икемділігінің негізгі дәлелдерінің тікелей салдары болып табылады, мүмкін олардың көбею және көшу қабілетін арттыру үшін37,38,39,40.Бір жасуша үлгілерімен алынған нәтижелерге сүйене отырып, мысалы, микрошкалада, рак клеткаларының селективтілігі де гетерогенді жасуша агрегаттарының гармоникалық жауаптарының сандық зерттеулері арқылы мезошкалада көрсетілді.Қатерлі ісік жасушалары мен сау жасушалардың басқа пайызын қамтамасыз ететін жүздеген микрометрлік көп жасушалы агрегаттар иерархиялық түрде салынды.Бұл агрегаттардың мезольдік деңгейінде жеке жасушалардың механикалық мінез-құлқын сипаттайтын негізгі құрылымдық элементтердің тікелей орындалуына байланысты қызығушылықтың кейбір микроскопиялық белгілері сақталады.Атап айтқанда, әр жасуша әртүрлі алдын ала кернеуленген цитоскелеттік құрылымдардың реакциясын имитациялау үшін кернеуге негізделген архитектураны пайдаланады, осылайша олардың жалпы қаттылығына әсер етеді12,13.Теориялық болжамдар мен жоғарыда аталған әдебиеттердің in vitro эксперименттері ісік массаларының төмен қарқынды терапиялық ультрадыбыстық (LITUS) сезімталдығын зерттеу қажеттілігін көрсете отырып, жігерлендіретін нәтижелер берді және ісік массаларының сәулелену жиілігін бағалау өте маңызды.орнында қолдану үшін LITUS позициясы.
Дегенмен, тін деңгейінде жеке құрамдас бөліктің субмакроскопиялық сипаттамасы сөзсіз жоғалады және ісік тінінің қасиеттерін макроскопиялық әсерлерді ескере отырып, массаның өсуін және стресстен туындаған қайта құру процестерін қадағалаудың дәйекті әдістерін қолдану арқылы байқауға болады. өсу.-41,42 шкала бойынша ұлпа серпімділігінің индуцирленген өзгерістері.Шынында да, біржасушалы және агрегаттық жүйелерден айырмашылығы, қатты ісік массалары жұмсақ тіндерде жалпы ісік ішілік қаттылықтың жоғарылауына байланысты табиғи механикалық қасиеттерін өзгертетін аберрантты қалдық кернеулердің біртіндеп жинақталуына байланысты өседі, ал ісік склерозы жиі анықтаушы факторға айналады. ісіктерді анықтау.
Осы ойларды ескере отырып, біз қалыпты тіндік ортада өсетін серпімді сфералық қосындылар ретінде модельденген ісік сфероидтарының сонодинамикалық реакциясын талдаймыз.Дәлірек айтсақ, ісік сатысына байланысты серпімділік қасиеттері кейбір авторлардың алдыңғы жұмысында алған теориялық және эксперименттік нәтижелер негізінде анықталды.Олардың ішінде гетерогенді ортада in vivo өсірілген қатты ісік сфероидтарының эволюциясы ісік массасының дамуын және онымен байланысты ісік ішілік стрессті болжау үшін 41,43,44 сызықтық емес механикалық модельдерді түраралық динамикамен үйлестіру арқылы зерттелді.Жоғарыда айтылғандай, өсу (мысалы, серпімді емес алдын ала созылу) және қалдық кернеу ісік материалының қасиеттерінің үдемелі қайта құрылуын тудырады, осылайша оның акустикалық реакциясын да өзгертеді.Реф.-де атап өту маңызды.41 Ісіктерде өсу мен қатты стресстің бірлескен эволюциясы жануарлар үлгілеріндегі эксперименталды науқандарда көрсетілді.Атап айтқанда, әртүрлі кезеңдерде резекцияланған сүт безі ісігі массаларының қаттылығын бірдей өлшемдері бар сфералық ақырлы элементтер үлгісінде кремнийде ұқсас жағдайларды жаңғырту арқылы алынған қаттылықпен салыстыру және болжамды қалдық кернеу өрісін ескере отырып, ұсынылған әдісті растады. үлгінің жарамдылығы..Бұл жұмыста бұрын алынған теориялық және эксперименттік нәтижелер жаңа әзірленген терапиялық стратегияны жасау үшін пайдаланылады.Атап айтқанда, осы жерде сәйкес эволюциялық қарсылық қасиеттері бар болжамды өлшемдер есептелді, осылайша олар негізгі ортада енгізілген ісік массаларының сезімталдығы жоғары жиілік диапазондарын бағалау үшін пайдаланылды.Осы мақсатта біз ультрадыбыстық тітіркендіргіштерге жауап ретінде жалпы қабылданған шашырау принципіне сәйкес акустикалық көрсеткіштерді ескере отырып және сфероидтың мүмкін болатын резонанстық құбылыстарын бөлектей отырып, әртүрлі кезеңдердегі ісік массасының динамикалық мінез-құлқын зерттедік. .ісік пен иесіне байланысты тіндер арасындағы қаттылықтағы өсуге байланысты айырмашылықтар.
Осылайша, ісік массалары үлкен қатерлі құрылымдардың сфералық пішіндерде in situ қалай өсетінін көрсететін эксперименттік деректер негізінде иесінің қоршаған серпімді ортасындағы радиусы \(a\) серпімді сфералары ретінде модельденді.1-суретке сілтеме жасай отырып, сфералық координаттарды \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) пайдалана отырып (мұндағы \(\тета\) және \(\varphi\) сәйкесінше аномалия бұрышы мен азимут бұрышын білдіреді), ісік домені сау кеңістікке енгізілген аймақты алады \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta,\varphi ):r\le a\}\) шектелмеген аймақ \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Көптеген әдебиеттерде45,46,47,48 баяндалған жақсы бекітілген эластодинамикалық негізге негізделген математикалық модельдің толық сипаттамасы үшін Қосымша ақпаратқа (SI) сілтеме жасай отырып, біз мұнда осьтік симметриялық тербеліс режимімен сипатталатын мәселені қарастырамыз.Бұл болжам ісік пен сау аймақтардың ішіндегі барлық айнымалы мәндердің \(\varphi\) азимуттық координатасынан тәуелсіз екенін және бұл бағытта ешқандай бұрмалану болмайтынын білдіреді.Демек, орын ауыстыру және кернеу өрістерін екі скаляр потенциалдан алуға болады \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) және \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , олар тиісінше бойлық толқынмен және ығысу толқынымен байланысты, асқын кернеу арасындағы t сәйкестік уақыты \(\тета \) және түсетін толқынның бағыты мен позиция векторы арасындағы бұрыш \({\mathbf {x})\) ( 1 суретте көрсетілгендей және \(\omega = 2\pi f\) бұрыштық жиілікті білдіреді.Атап айтқанда, түскен өріс дененің көлеміне таралатын \(\phi_{H}^{(in)}\) (SI жүйесінде (A.9) теңдеуінде де енгізілген) жазық толқынмен модельденеді. заңдық өрнек бойынша
мұндағы \(\phi_{0}\) - амплитудалық параметр.Сфералық толқын функциясын пайдаланып түсетін жазық толқынның (1) сфералық кеңеюі стандартты аргумент болып табылады:
Мұндағы \(j_{n}\) бірінші ретті \(n\) сфералық Бессель функциясы, ал \(P_{n}\) - Леджендре полиномы.Инвестициялық сфераның түсетін толқынының бір бөлігі қоршаған ортада шашыраңқы болып, түскен өрісті қабаттасады, ал екінші бөлігі шардың ішінде шашыраңқы болып, оның тербелуіне ықпал етеді.Ол үшін \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ толқындық теңдеуінің гармоникалық шешімдері. ) және \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), мысалы, Eringen45 ұсынған (сонымен қатар SI қараңыз). ) ісік пен сау аймақтарды көрсетуі мүмкін.Атап айтқанда, \(H\) негізгі ортада түзілетін шашыраңқы кеңею толқындары және изоволюмдік толқындар өздерінің сәйкес потенциалдық энергиясын қабылдайды:
Олардың ішінде бірінші түрдегі сфералық Ганкель функциясы \(h_{n}^{(1)}\) шығатын шашыраңқы толқынды және \(\альфа_{n}\) және \(\бета_{ n}\ ) - белгісіз коэффициенттер.теңдеуде.(2)–(4) теңдеулерде \(k_{H1}\) және \(k_{H2}\) терминдері сәйкесінше дененің негізгі аймағындағы сиректеу және көлденең толқындардың толқын сандарын білдіреді ( SI қараңыз).Ісік ішіндегі қысу өрістері мен ығысулар пішінге ие
Мұндағы \(k_{T1}\) және \(k_{T2}\) ісік аймағындағы бойлық және көлденең толқын сандарын білдіреді, ал белгісіз коэффициенттер \(\гамма_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Осы нәтижелерге сүйене отырып, нөлдік емес радиалды және айналмалы орын ауыстыру компоненттері қарастырылып отырған мәселедегі сау аймақтарға тән, мысалы, \(u_{Hr}\) және \(u_{H\theta}\) (\(u_{) H\ varphi }\ ) симметрия болжамы енді қажет емес) — \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi )) қатынасынан алуға болады. } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) және \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi +) \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) және \ қалыптастыру арқылы (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (толық математикалық туынды үшін SI қараңыз).Сол сияқты \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) және \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) ауыстырғанда {Tr} = \partial_{r} мәнін қайтарады. \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) және \(u_{T\theta} = r^{-1}\жартылай _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\оң)\).
(Сол жақта) инцидент өрісі таралатын салауатты ортада өсірілген сфералық ісіктің геометриясы, (оң жақта) Ісік радиусының функциясы ретінде ісік иесінің қаттылық қатынасының сәйкес эволюциясы, хабарланған деректер (Каротенуто және т.б. 41 бейімделген) in vitro компрессиялық сынақтардан MDA-MB-231 жасушаларымен егілген қатты кеуде ісіктерінен алынды.
Сызықтық серпімді және изотропты материалдарды алсақ, сау және ісік аймақтарындағы нөлдік емес кернеу құрамдастары, яғни \(\sigma_{Hpq}\) және \(\sigma_{Tpq}\) – жалпыланған Гук заңына бағынады, бұл жерде әр түрлі Lamé модульдері болып табылады, олар хост пен ісіктің серпімділігін сипаттайды, \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) және \(\{ \mu_{T},\, \lambda_) ретінде белгіленеді. {T} \ }\) (SI-де берілген кернеу құрамдастарының толық көрінісі үшін (A.11) теңдеуін қараңыз).Атап айтқанда, 41-анықтамадағы және 1-суретте берілген деректерге сәйкес өсіп келе жатқан ісіктер тіндердің серпімділік константаларының өзгеруін көрсетті.Осылайша, негізгі және ісік аймақтарындағы орын ауыстырулар мен кернеулер белгісіз тұрақтылар жиынына дейін толығымен анықталады \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) теориялық жағынан шексіз өлшемдерге ие.Бұл коэффициент векторларын табу үшін ісік пен сау аймақтар арасындағы қолайлы интерфейстер мен шекаралық шарттар енгізіледі.Ісік-хост интерфейсінде мінсіз байланыстыру \(r = a\) деп есептесек, орын ауыстырулар мен кернеулердің үздіксіздігі келесі шарттарды талап етеді:
Жүйе (7) шешімдері шексіз теңдеулер жүйесін құрайды.Сонымен қатар, әрбір шекаралық шарт \(\тета\) аномалияға байланысты болады.Шектік есептерді толық алгебралық есептерге дейін азайту үшін \(N\) жабық жүйелер жиыны бар, олардың әрқайсысы белгісіз \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (\ ( N \ to \infty \), теориялық) және теңдеулердің тригонометриялық мүшелерге тәуелділігін жою үшін интерфейс шарттары Леджендре көпмүшелерінің ортогоналдығы арқылы әлсіз түрде жазылады.Атап айтқанда, (7)1,2 және (7)3,4 теңдеулері \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) және \(P_{n}^{ сандарына көбейтіледі. 1} \left( { \cos\theta}\right)\) және одан кейін математикалық сәйкестіктерді пайдаланып \(0\) және \(\pi\) арасында біріктіріңіз:
Осылайша, (7) интерфейс шарты матрицалық түрде \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} түрінде өрнектелетін квадрат алгебралық теңдеу жүйесін береді. } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) және Крамер ережесін шешу арқылы белгісіз \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) алыңыз.
Сфера арқылы шашыраңқы энергия ағынын бағалау және негізгі ортада таралатын шашыраңқы өріс туралы деректер негізінде оның акустикалық реакциясы туралы ақпаратты алу үшін нормаланған бистатикалық шашырау көлденең қимасы болып табылатын акустикалық шама қызығушылық тудырады.Атап айтқанда, \(s) деп белгіленген шашырау қимасы шашыраңқы сигнал арқылы берілетін акустикалық қуат пен түскен толқын тасымалдайтын энергияның бөлінуі арасындағы қатынасты білдіреді.Осыған байланысты пішін функциясының шамасы \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) акустикалық механизмдерді зерттеуде жиі қолданылатын шама болып табылады. сұйық немесе қатты затқа салынған Шөгіндідегі заттардың шашырауы.Дәлірек айтқанда, пішін функциясының амплитудасы түсетін толқынның таралу бағытына нормальмен ерекшеленетін бірлік аудандағы дифференциалды шашырау қимасы \(ds\) ретінде анықталады:
мұндағы \(f_{n}^{pp}\) және \(f_{n}^{ps}\) модальдық функцияны белгілейді, ол бойлық толқын мен шашыраңқы толқын қуаттарының шамаға қатысты қатынасын білдіреді. Қабылдаушы ортадағы P-толқыны сәйкесінше келесі өрнектермен берілген:
Жартылай толқындық функцияларды (10) резонанстық шашырау теориясына (RST)49,50,51,52 сәйкес дербес зерттеуге болады, бұл әртүрлі режимдерді зерттеу кезінде мақсатты серпімділікті жалпы адасу өрісінен бөлуге мүмкіндік береді.Бұл әдіске сәйкес модальды пішін функциясын екі тең бөліктің қосындысына ыдыратуға болады, атап айтқанда \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) сәйкесінше резонанстық және резонанстық емес фон амплитудаларымен байланысты.Резонанстық режимнің пішіндік функциясы нысананың жауабымен байланысты, ал фон әдетте шашыратқыштың пішінімен байланысты.Әрбір режим үшін нысананың бірінші формантын анықтау үшін модальды резонанстық пішін функциясының амплитудасы \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) серпімді материалдағы өтпейтін сфералардан тұратын қатты фонды ескере отырып есептеледі.Бұл гипотеза, жалпы алғанда, қалдық қысу кернеуіне байланысты ісік массасының өсуіне байланысты қаттылық пен тығыздықтың жоғарылауымен негізделген.Осылайша, өсудің ауыр деңгейінде жұмсақ тіндерде дамитын макроскопиялық қатты ісіктердің көпшілігі үшін импеданс коэффициенті \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) 1-ден жоғары болады деп күтілуде. тіндер.Мысалы, Кроускоп және т.б.53 простата тіндері үшін қатерлі ісік пен қалыпты модульдің шамамен 4 қатынасын хабарлады, ал сүт безі тінінің үлгілері үшін бұл мән 20-ға дейін өсті.Бұл қатынастар тіннің акустикалық кедергісін сөзсіз өзгертеді, сондай-ақ эластографиялық талдау54,55,56 көрсеткендей, ісік гиперпролиферациясынан туындаған локализацияланған тіндердің қалыңдауына байланысты болуы мүмкін.Бұл айырмашылық сонымен қатар әртүрлі кезеңдерде өсірілген сүт безі ісік блоктарының қарапайым қысу сынақтарымен эксперименталды түрде байқалды32 және материалды қайта құру сызықты емес өсетін ісіктердің болжамды кросс-түрлер модельдерімен жақсы орындалуы мүмкін43,44.Алынған қаттылық деректері \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ формуласы бойынша қатты ісіктердің Янг модулінің эволюциясымен тікелей байланысты. varepsilon\ )( 1-суретте көрсетілгендей радиусы \(a\), қаттылығы \(S\) және Пуассон қатынасы \(\nu\) екі қатты пластина 57 арасындағы шарлар).Осылайша, әртүрлі өсу деңгейлерінде ісік пен хосттың акустикалық кедергі өлшемдерін алуға болады.Атап айтқанда, 1-суреттегі 2 кПа тең қалыпты тіннің модулімен салыстырғанда, шамамен 500-ден 1250 мм3-ге дейінгі көлемдегі диапазондағы сүт безі ісіктерінің серпімділік модулі шамамен 10 кПа-дан 16 кПа-ға дейін ұлғаюына әкелді, бұл хабарланған деректерге сәйкес келеді.58, 59 сілтемелерде сүт безі тінінің үлгілеріндегі қысымның жойылатын прекомпрессиямен 0,25–4 кПа болатыны анықталды.Сондай-ақ қысылмайтын дерлік тіннің Пуассон қатынасы 41,60 деп есептейік, бұл көлем ұлғайған сайын ұлпаның тығыздығы айтарлықтай өзгермейді.Атап айтқанда, халықтың орташа массалық тығыздығы \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 қолданылады.Осы ойларды ескере отырып, қаттылық келесі өрнекті пайдаланып фондық режимде болуы мүмкін:
Мұндағы белгісіз тұрақты \(\widehat{{{\varvec{\upxi})))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) үздіксіздікті ескере отырып есептеуге болады. ығысу ( 7 )2,4, яғни \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} алгебралық жүйені шешу арқылы } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) кәмелетке толмағандарды қатыстыру\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) және сәйкес жеңілдетілген баған векторы\(\widehat) { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\) (11) теңдеуінде, кері шашыраудың екі амплитудасы \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) және \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) сәйкесінше P-толқын қозуын және P- және S-толқынның шағылысуын білдіреді.Одан әрі бірінші амплитудасы \(\тета = \пи\), ал екінші амплитудасы \(\тета = \пи/4\) ретінде бағаланды.Әртүрлі композиция қасиеттерін жүктеу арқылы.2-суретте диаметрі шамамен 15 мм-ге дейінгі ісік сфероидтарының резонанстық ерекшеліктері негізінен 50-400 кГц жиілік диапазонында шоғырланғандығы көрсетілген, бұл ісіктің резонанстық қозуын тудыру үшін төмен жиілікті ультрадыбысты қолдану мүмкіндігін көрсетеді.жасушалар.Көптеген.Осы жиілік диапазонында RST талдауы 3-суретте бөлектелген 1-6 режимдері үшін бір режимді форманттарды анықтады. Мұнда pp- және ps-шашыраған толқындар өте төмен жиіліктерде пайда болатын бірінші типті форманттарды көрсетеді, олар келесіден жоғарылайды 1 режимі үшін шамамен 20 кГц және n = 6 үшін шамамен 60 кГц, сфера радиусында айтарлықтай айырмашылықты көрсетпейді.Содан кейін ps резонанстық функциясы ыдырайды, ал үлкен амплитудалы pp форманттардың комбинациясы режим санының ұлғаюымен жиіліктің жоғары ығысуын көрсететін шамамен 60 кГц мерзімділікті қамтамасыз етеді.Барлық талдаулар Mathematica®62 есептеуіш бағдарламалық құралы арқылы орындалды.
Әртүрлі көлемдегі сүт безі ісіктерінің модулінен алынған кері шашырау пішінінің функциялары 1-суретте көрсетілген, мұнда ең жоғары шашырау жолақтары режимнің суперпозициясын ескере отырып бөлектелген.
\(n = 1\) бастап \(n = 6\) аралығындағы таңдалған режимдердің резонанстары, P-толқынының әртүрлі ісік өлшемдеріндегі қозуы және шағылысуы бойынша есептелген (\(\сол жақтан қара қисықтар | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) және P-толқынының қозуы және S-толқынының шағылыуы (сұр қисықтар модальды пішін функциясы арқылы берілген \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right = \left {f_{n} ^{ ps}. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Алыс өрістің таралу шарттарын пайдалана отырып, осы алдын ала талдаудың нәтижелері микровибрациялық кернеудің массаға әсерін зерттеу үшін келесі сандық модельдеулерде жетекке тән жетек жиіліктерін таңдауға басшылық ете алады.Нәтижелер оңтайлы жиіліктерді калибрлеу ісік өсуі кезінде кезеңге тән болуы мүмкін екенін және тіндердің қайта құрылуын дұрыс болжау үшін ауру терапиясында қолданылатын биомеханикалық стратегияларды орнату үшін өсу үлгілерінің нәтижелерін пайдалану арқылы анықталуы мүмкін екенін көрсетеді.
Нанотехнологиядағы елеулі жетістіктер ғылыми қауымдастықты in vivo қолданбалары үшін шағын және аз инвазивті медициналық құрылғыларды жасаудың жаңа шешімдері мен әдістерін табуға итермелейді.Осы тұрғыда LOF технологиясы оптикалық талшықтардың мүмкіндіктерін кеңейтудің керемет мүмкіндігін көрсетті, бұл өмір туралы ғылым қолданбалары үшін жаңа минималды инвазивті талшықты-оптикалық құрылғыларды жасауға мүмкіндік берді21, 63, 64, 65. 2D және 3D материалдарды біріктіру идеясы қажетті химиялық, биологиялық және оптикалық қасиеттері бар оптикалық талшықтардың 25 және/немесе 64 ұштарында наноөлшемде толық кеңістіктік бақылау бар талшықты-оптикалық нанооптодалардың жаңа класының пайда болуына әкеледі.диагностикалық және емдік қызметтердің кең ауқымына ие.Бір қызығы, олардың геометриялық және механикалық қасиеттеріне (кіші көлденең қимасы, үлкен арақатынасы, икемділігі, салмағы аз) және материалдардың биоүйлесімділігіне (әдетте шыны немесе полимерлер) байланысты оптикалық талшықтар инелер мен катетерлерге енгізу үшін өте қолайлы.Медициналық қосымшалар20, «инелік аурухана» туралы жаңа көзқарасқа жол ашады (4-суретті қараңыз).
Іс жүзінде, LOF технологиясы беретін еркіндік дәрежелеріне байланысты әртүрлі металл және/немесе диэлектрлік материалдардан жасалған микро және наноқұрылымдарды біріктіруді пайдалану арқылы оптикалық талшықтарды жиі резонанстық режимді қоздыруды қолдайтын арнайы қолданбалар үшін дұрыс функционалдық етуге болады., Жарық өрісі 21 қатты орналастырылған.Көбінесе химиялық және/немесе биологиялық өңдеумен63 және смарт полимерлер65,66 сияқты сезімтал материалдарды біріктірумен үйлестіре отырып, кіші толқындық шкаладағы жарықты ұстау тераностикалық мақсаттар үшін пайдалы болуы мүмкін жарық пен заттың өзара әрекеттесуін бақылауды күшейтуі мүмкін.Біріктірілген компоненттердің/материалдардың түрі мен өлшемін таңдау анықталатын физикалық, биологиялық немесе химиялық параметрлерге байланысты екені анық21,63.
LOF зондтарын дененің белгілі бір жерлеріне бағытталған медициналық инелерге біріктіру in vivo жергілікті сұйықтық пен тіндердің биопсияларына мүмкіндік береді, бұл бір уақытта жергілікті емдеуге, жанама әсерлерді азайтуға және тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді.Потенциалды мүмкіндіктерге әртүрлі айналымдағы биомолекулаларды, соның ішінде қатерлі ісіктерді анықтау кіреді.биомаркерлер немесе микроРНҚ (miRNAs)67, Раман спектроскопиясы (SERS)31, жоғары ажыратымдылықтағы фотоакустикалық бейнелеу22,28,68, лазерлік хирургия және абляция69 сияқты сызықтық және сызықты емес спектроскопияны пайдалана отырып, қатерлі ісік тіндерін анықтау,27 және жарықты қолданатын жергілікті жеткізу препараттары инелерді адам ағзасына автоматты түрде бағыттау20.Айта кету керек, оптикалық талшықтарды пайдалану электрлік қосылымдардың қажеттілігі және электромагниттік кедергілердің болуы сияқты электрондық компоненттерге негізделген «классикалық» әдістердің типтік кемшіліктерін болдырмайды, бірақ бұл әртүрлі LOF сенсорларын тиімді біріктіруге мүмкіндік береді. жүйесі.жалғыз медициналық ине.Ластану, оптикалық кедергілер, әртүрлі функциялар арасындағы айқас әсерлерді тудыратын физикалық кедергілер сияқты зиянды әсерлерді азайтуға ерекше назар аудару керек.Дегенмен, аталған көптеген функциялардың бір уақытта белсенді болуы міндетті емес екені де рас.Бұл аспект кем дегенде кедергілерді азайтуға мүмкіндік береді, осылайша әрбір зондтың жұмысына және процедураның дәлдігіне теріс әсерді шектейді.Бұл пайымдаулар «ауруханадағы ине» тұжырымдамасын өмір туралы ғылымдардағы емдік инелердің келесі ұрпағы үшін берік негіз қалау үшін қарапайым көзқарас ретінде қарастыруға мүмкіндік береді.
Осы мақалада талқыланған нақты қолданбаға қатысты келесі бөлімде біз медициналық иненің ультрадыбыстық толқындарды адам тіндеріне олардың осі бойымен таралуы арқылы бағыттау қабілетін сандық түрде зерттейтін боламыз.
Сумен толтырылған және жұмсақ тіндерге енгізілген медициналық ине арқылы ультрадыбыстық толқындардың таралуы (5а-суреттегі диаграмманы қараңыз) соңғы элементтер әдісіне (FEM)70 негізделген коммерциялық Comsol Multiphysics бағдарламалық құралын пайдалану арқылы модельденді, мұнда ине мен тін модельденеді. сызықтық серпімді орта ретінде.
5b суретіне сілтеме жасай отырып, ине медициналық инелер үшін стандартты материал болып табылатын баспайтын болаттан жасалған қуыс цилиндр («канюла» деп те аталады) ретінде үлгіленген71.Атап айтқанда, ол Янг модулі E = 205 GPa, Пуассон қатынасы ν = 0,28 және тығыздығы ρ = 7850 кг m -372,73 болып модельденді.Геометриялық тұрғыдан ине ұзындығы L, ішкі диаметрі D («тазалау» деп те аталады) және қабырғасының қалыңдығымен сипатталады.Сонымен қатар, иненің ұшы бойлық бағытқа (z) қатысты α бұрышында көлбеу болып саналады.Судың көлемі негізінен иненің ішкі аймағының пішініне сәйкес келеді.Бұл алдын ала талдауда ине барлық модельдеу кезінде 85 мм-де тұрақты болып қалатын r радиусының сферасы ретінде модельденген (шексіз ұзартылатын) ұлпа аймағына толығымен батырылған деп болжанған.Толығырақ айтқанда, біз сфералық аймақты мінсіз сәйкес келетін қабатпен (PML) аяқтаймыз, ол кем дегенде «қиял» шекаралардан шағылысқан қажетсіз толқындарды азайтады.Содан кейін біз сфералық домен шекарасын инеден есептеу шешіміне әсер етпейтіндей қашықтықта орналастыру үшін r радиусын таңдадық және модельдеудің есептеу құнына әсер етпейтіндей аз.
Стилус геометриясының төменгі шекарасына f жиілігі мен амплитудасының гармоникалық бойлық ығысуы қолданылады;бұл жағдай симуляцияланған геометрияға қолданылатын кіріс ынталандыруды білдіреді.Иненің қалған шекараларында (тінмен және сумен байланыста) қабылданған модель екі физикалық құбылыс арасындағы қатынасты қамтиды, олардың бірі құрылымдық механикаға қатысты (иненің ауданы үшін) және екіншісі құрылымдық механикаға.(сүйек аймағы үшін), сондықтан тиісті шарттар акустикаға қойылады (су және иық аймағы үшін)74.Атап айтқанда, иненің отырғышына қолданылатын шағын дірілдер шағын кернеудің бұзылуын тудырады;осылайша, ине серпімді орта сияқты әрекет етеді деп есептесек, U орын ауыстыру векторын эластодинамикалық тепе-теңдік теңдеуінен (Навье)75 бағалауға болады.Иненің құрылымдық тербелістері оның ішіндегі су қысымының өзгеруін тудырады (біздің үлгіде стационарлық деп есептеледі), нәтижесінде дыбыс толқындары Гельмгольц теңдеуіне мән бере отырып, иненің бойлық бағытында таралады76.Ақырында, ұлпалардағы сызықтық емес әсерлер шамалы және ығысу толқындарының амплитудасы қысым толқындарының амплитудасынан әлдеқайда аз деп есептесек, Гельмгольц теңдеуін жұмсақ тіндердегі акустикалық толқындардың таралуын модельдеу үшін де қолдануға болады.Осы жуықтаудан кейін ұлпа сұйықтық77 ретінде тығыздығы 1000 кг/м3 және дыбыс жылдамдығы 1540 м/с (жиілікке тәуелді демпферлік әсерлерді ескермей) қарастырылады.Осы екі физикалық өрісті қосу үшін қатты дененің шекарасында қалыпты қозғалыстың үздіксіздігін, қатты дененің шекарасына перпендикуляр қысым мен кернеу арасындағы статикалық тепе-теңдікті және дененің шекарасындағы тангенциалды кернеуді қамтамасыз ету қажет. сұйықтық нөлге тең болуы керек.75 .
Талдауда біз иненің геометриясының ұлпа ішіндегі толқындардың шығарылуына әсеріне назар аудара отырып, стационарлық жағдайда ине бойымен акустикалық толқындардың таралуын зерттейміз.Атап айтқанда, біз барлық зерттелетін жағдайлар үшін t қалыңдығын 500 мкм-де тұрақты сақтай отырып, иненің ішкі диаметрінің D, L ұзындығы мен қиғаш бұрышының α әсерін зерттедік.Бұл t мәні коммерциялық инелер үшін әдеттегі стандартты қабырға қалыңдығына 71 жақын.
Жалпылықты жоғалтпай, иненің негізіне қолданылатын гармоникалық орын ауыстырудың f жиілігі 100 кГц-ке тең, ал амплитудасы A 1 мкм болды.Атап айтқанда, жиілік 100 кГц-ке орнатылды, бұл «Өсуге тәуелді ультрадыбыстық жиіліктерді бағалау үшін сфералық ісік массаларының шашырау талдауы» бөлімінде берілген аналитикалық бағалауларға сәйкес келеді, мұнда ісік массаларының резонанс тәрізді мінез-құлқы табылды. 50–400 кГц жиілік диапазоны, ең үлкен шашырау амплитудасы 100–200 кГц шамасында төменгі жиіліктерде шоғырланған (2-суретті қараңыз).
Зерттелген бірінші параметр иненің ішкі диаметрі D болды.Ыңғайлы болу үшін ол иненің қуысындағы акустикалық толқын ұзындығының бүтін бөлігі ретінде анықталады (яғни суда λW = 1,5 мм).Шынында да, берілген геометриямен сипатталатын құрылғылардағы толқынның таралу құбылыстары (мысалы, толқын өткізгіште) жиі таралатын толқынның толқын ұзындығымен салыстырғанда қолданылатын геометрияның сипаттамалық өлшеміне байланысты.Сонымен қатар, бірінші талдауда ине арқылы акустикалық толқынның таралуына D диаметрінің әсерін жақсырақ көрсету үшін α = 90 ° бұрышын орнатып, тегіс ұшты қарастырдық.Бұл талдау кезінде иненің L ұзындығы 70 мм-де бекітілді.
Суретте.6а орташа дыбыс қарқындылығын өлшемсіз шкала параметрінің SD функциясы ретінде көрсетеді, яғни сәйкес ине ұшында центрленген радиусы 10 мм сферада бағаланған D = λW/SD.SD масштабтау параметрі 2-ден 6-ға дейін өзгереді, яғни D мәндерін 7,5 мм-ден 2,5 мм-ге дейін (f = 100 кГц кезінде) қарастырамыз.Ассортимент сонымен қатар тот баспайтын болаттан жасалған медициналық инелер үшін стандартты 71 мәнін қамтиды.Күтілгендей, иненің ішкі диаметрі D = λW/3 (яғни D = 5 мм) сәйкес келетін максималды мәнмен (1030 Вт/м2) ине шығаратын дыбыстың қарқындылығына әсер етеді және төмендеу үрдісі төмендейді. диаметрі.Диаметр D медициналық құрылғының инвазивтілігіне де әсер ететін геометриялық параметр екенін ескеру керек, сондықтан оңтайлы мәнді таңдау кезінде бұл маңызды аспектіні елемеуге болмайды.Сондықтан, D-ның төмендеуі тіндерде акустикалық қарқындылықтың төмен өтуіне байланысты орын алса да, келесі зерттеулер үшін диаметрі D = λW/5, яғни D = 3 мм (f = 100 кГц кезінде 11G71 стандартына сәйкес келеді) , құрылғының интрузивтілігі мен дыбыс қарқындылығының берілуінің (орта есеппен шамамен 450 Вт/м2) арасындағы ақылға қонымды компромисс болып саналады.
Иненің ішкі диаметріне (а), ұзындығына (b) және қиғаш бұрышына α (c) байланысты ине ұшынан шығатын дыбыстың орташа қарқындылығы (жазық деп саналады).Ұзындығы (a, c) 90 мм, ал диаметрі (b, c) 3 мм.
Талданатын келесі параметр - иненің L ұзындығы. Алдыңғы жағдайды зерттеуге сәйкес, біз қиғаш бұрышты α = 90° деп қарастырамыз және ұзындығы судағы толқын ұзындығының еселігі ретінде масштабталған, яғни L = SL λW деп есептейміз. .Өлшемсіз шкала параметрі SL 3-тен 7-ге дейін өзгереді, осылайша 4,5-тен 10,5 мм-ге дейінгі ұзындық диапазонында ине ұшынан шығатын дыбыстың орташа қарқындылығын бағалайды.Бұл ауқым коммерциялық инелер үшін типтік мәндерді қамтиды.Нәтижелер күріште көрсетілген.6б, иненің L ұзындығының ұлпалардағы дыбыс қарқындылығының өтуіне үлкен әсер ететінін көрсетеді.Атап айтқанда, бұл параметрді оңтайландыру беруді шамамен шама ретімен жақсартуға мүмкіндік берді.Шын мәнінде, талданатын ұзындық диапазонында орташа дыбыс қарқындылығы SL = 4 (яғни, L = 60 мм) кезінде жергілікті максимум 3116 Вт/м2 алады, ал екіншісі SL = 6 (яғни, L = 90) сәйкес келеді. мм).
Цилиндрлік геометриядағы ультрадыбыстың таралуына иненің диаметрі мен ұзындығының әсерін талдағаннан кейін біз тіндердегі дыбыс қарқындылығының берілуіне қиғаш бұрыштың әсеріне тоқталдық.Талшық ұшынан шығатын дыбыстың орташа қарқындылығы оның мәнін 10°-тан (өткір ұшы) 90°-қа (жалпақ ұшы) өзгерте отырып, α бұрышының функциясы ретінде бағаланды.Бұл жағдайда иненің қарастырылған ұшының айналасындағы интегралдау шарының радиусы 20 мм болды, сондықтан α-ның барлық мәндері үшін иненің ұшы орташадан есептелген көлемге қосылады.
Суретте көрсетілгендей.6c, ұшы үшкірленгенде, яғни α 90°-тан бастап төмендегенде, берілетін дыбыстың қарқындылығы артып, шамамен 1,5 × 105 Вт/м2 максималды мәнге жетеді, ол α = 50° сәйкес келеді, яғни, 2. жазық күйге қатысты жоғары шама реті болып табылады.Ұштың одан әрі қайрауымен (яғни, α 50°-тан төмен) дыбыс қарқындылығы төмендеп, тегістелген ұшымен салыстырылатын мәндерге жетеді.Дегенмен, біз модельдеу үшін көлбеу бұрыштардың кең ауқымын қарастырғанымызға қарамастан, инені тінге енгізуді жеңілдету үшін ұшты қайрау қажет екенін ескерген жөн.Шындығында, кішірек қиғаш бұрыш (шамамен 10°) тінге ену үшін қажетті күшті 78 азайтуы мүмкін.
7а (жазық ұшы үшін) және 3b (10° үшін) суретте көрсетілген дыбыс қысымының деңгейінің графиктерінде көрсетілгендей, тіннің ішінде берілетін дыбыс қарқындылығының мәніне қосымша, қиғаш бұрыш толқынның таралу бағытына да әсер етеді. ).қиғаш ұшы), параллель Бойлық бағыт симметрия жазықтығында бағаланады (yz, cf. 5-сурет).Осы екі ойдың шегінде дыбыс қысымының деңгейі (1 мкПа деп аталады) негізінен ине қуысында (яғни суда) шоғырланып, тінге сәулеленеді.Толығырақ айтсақ, тегіс ұшы жағдайында (7а-сурет) дыбыс қысымының деңгейінің таралуы бойлық бағытқа қатысты тамаша симметриялы және денені толтыратын суда тұрақты толқындарды ажыратуға болады.Толқын бойлық бағытта (z осі), амплитудасы судағы ең жоғары мәніне жетеді (шамамен 240 дБ) және көлденеңінен азаяды, бұл иненің ортасынан 10 мм қашықтықта шамамен 20 дБ әлсіреуге әкеледі.Күтілгендей, ұшты ұшты енгізу (7б-сурет) бұл симметрияны бұзады, ал тұрақты толқындардың антинодтары иненің ұшына сәйкес «ауысады».Шамасы, бұл асимметрия бұрын сипатталғандай ине ұшының сәулелену қарқындылығына әсер етеді (6c-сурет).Бұл аспектіні жақсырақ түсіну үшін акустикалық қарқындылық иненің симметрия жазықтығында орналасқан және ине ұшынан 10 мм қашықтықта орналасқан иненің бойлық бағытына ортогональ кесілген сызық бойымен бағаланды ( нәтижелері 7c-сурет).Нақтырақ айтқанда, 10°, 20° және 30° қиғаш бұрыштарда бағаланған дыбыс қарқындылығының үлестірімі (тиісінше көк, қызыл және жасыл қатты сызықтар) жазық ұшына жақын таралумен (қара нүктелі қисықтар) салыстырылды.Жалпақ ұшты инелермен байланысты қарқындылықтың таралуы иненің ортасына қатысты симметриялы болып көрінеді.Атап айтқанда, ол орталықта шамамен 1420 Вт/м2 мән алады, ~8 мм қашықтықта шамамен 300 Вт/м2 толып кетеді, содан кейін ~30 мм-де шамамен 170 Вт/м2 мәнге дейін төмендейді. .Ұшы сүйір болған сайын, орталық лоб әртүрлі қарқындылықтағы көбірек бөліктерге бөлінеді.Нақтырақ айтсақ, α 30° болғанда, ине ұшынан 1 мм қашықтықта өлшенген профильде үш жапырақшаны анық ажыратуға болады.Орталық иненің ортасында дерлік орналасқан және болжамды мәні 1850 Вт / м2, ал оң жақтағы жоғарырақ орталықтан шамамен 19 мм және 2625 Вт / м2 жетеді.α = 20° кезінде 2 негізгі лоб бар: 1785 Вт/м2 кезінде -12 мм-ге бір және 1524 Вт/м2 кезінде 14 мм-ге бір.Ұшы өткірленіп, бұрыш 10°-қа жеткенде -20 мм шамасында максимум 817 Вт/м2 жетеді, профиль бойымен қарқындылығы сәл азырақ тағы үш лоб көрінеді.
Жазық ұшы (a) және 10° қиғаш (b) бар иненің y–z симметрия жазықтығындағы дыбыс қысымының деңгейі.(c) ине ұшынан 10 мм қашықтықта және yz симметрия жазықтығында жатқан иненің бойлық бағытына перпендикуляр кесілген сызық бойымен есептелген акустикалық қарқындылықтың таралуы.Ұзындығы L 70 мм, диаметрі D 3 мм.
Біріктірілген бұл нәтижелер медициналық инелер 100 кГц жиілікте ультрадыбысты жұмсақ тіндерге жіберу үшін тиімді пайдаланылуы мүмкін екенін көрсетеді.Шығарылатын дыбыстың қарқындылығы иненің геометриясына байланысты және оны 1000 Вт/м2 (10 мм-де) диапазонындағы мәндерге дейін оңтайландыруға болады (соңғы құрылғының инвазивтілігімен қойылған шектеулерге сәйкес).иненің түбіне қолданылады 1. Микрометрдің ығысуы жағдайында ине шексіз созылған жұмсақ тінге толығымен енгізілген болып саналады.Атап айтқанда, қиғаш бұрыш тіндегі дыбыс толқындарының таралу қарқындылығы мен бағытына қатты әсер етеді, бұл ең алдымен ине ұшын кесудің ортогональдылығына әкеледі.
Инвазивті емес медициналық әдістерді қолдануға негізделген ісіктерді емдеудің жаңа стратегияларын әзірлеуді қолдау үшін ісік ортасындағы төмен жиілікті ультрадыбысты тарату аналитикалық және есептеу әдісімен талданды.Атап айтқанда, зерттеудің бірінші бөлігінде уақытша эластодинамикалық ерітінді массаның жиілік сезімталдығын зерттеу үшін белгілі өлшемдегі және қаттылықтағы қатты ісік сфероидтарындағы ультрадыбыстық толқындардың шашырауын зерттеуге мүмкіндік берді.Содан кейін жүздеген килогерц ретті жиіліктер таңдалды және медициналық инелер жетегі арқылы ісік ортасындағы діріл кернеуінің жергілікті қолданылуы акустиканың берілуін анықтайтын негізгі конструктивтік параметрлердің әсерін зерттеу арқылы сандық модельдеуде модельденді. құралдың қоршаған ортаға күші.Нәтижелер медициналық инелерді тіндерді ультрадыбыспен сәулелендіру үшін тиімді пайдалануға болатындығын және оның қарқындылығы жұмыс акустикалық толқын ұзындығы деп аталатын иненің геометриялық параметрімен тығыз байланысты екенін көрсетеді.Шын мәнінде, тін арқылы сәулеленудің қарқындылығы иненің ішкі диаметрінің ұлғаюымен артады, диаметрі толқын ұзындығынан үш есе болған кезде максимумға жетеді.Иненің ұзындығы экспозицияны оңтайландыру үшін белгілі бір еркіндік деңгейін де қамтамасыз етеді.Соңғы нәтиже шын мәнінде иненің ұзындығы жұмыс толқын ұзындығының белгілі бір еселігіне (нақтырақ 4 және 6) орнатылғанда максималды болады.Бір қызығы, қызығушылықтың жиілік диапазоны үшін оңтайландырылған диаметр мен ұзындық мәндері стандартты коммерциялық инелер үшін жиі қолданылатын мәндерге жақын.Иненің өткірлігін анықтайтын қиғаш бұрышы да сәуле шығаруға әсер етеді, шамамен 50 ° шыңына жетеді және әдетте коммерциялық инелер үшін қолданылатын шамамен 10 ° жақсы өнімділікті қамтамасыз етеді..Модельдеу нәтижелері аурухананың ішілік диагностикалық платформасын енгізу және оңтайландыру, диагностикалық және терапевтік ультрадыбысты басқа құрылғыдағы терапевтік шешімдермен біріктіру және бірлескен дәлдіктегі медициналық араласуды жүзеге асыру үшін пайдаланылады.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. және Kopp MV. Дәлдік медицина дегеніміз не?Еуро, шетелдік.Журнал 50, 1700391 (2017 ж.).
Коллинз, ФС және Вармус, Х. Дәлдік медицинадағы жаңа бастамалар.N. ағылшын.J. Медицина.372, 793–795 (2015 ж.).
Ху, В., Марки, М.К. және Ванг, MD.Дәл медицина дәуіріндегі биомедициналық бейнелеу информатикасы: жетістіктер, қиындықтар және мүмкіндіктер.Кептеліс.дәрі.хабарлау.Профессор көмекшісі.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: шолу.J. Клиникалық.Онкол.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. және Salem, A. Нанобөлшектерге негізделген жеткізу жүйесін пайдалана отырып, глиобластома (GBM) терапиясын жақсарту.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G және von Daimling A. Glioblastoma: патология, молекулалық механизмдер және маркерлер.Акта невропатологиясы.129(6), 829–848 (2015).
Буш, NAO, Чанг, СМ және Бергер, MS Глиоманы емдеудің ағымдағы және болашақтағы стратегиялары.нейрохирургия.Ред.40, 1–14 (2017).