ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แถบเลื่อนแสดงสามบทความต่อสไลด์ใช้ปุ่มย้อนกลับและปุ่มถัดไปเพื่อเลื่อนไปตามสไลด์ หรือใช้ปุ่มตัวควบคุมสไลด์ที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนไปตามแต่ละสไลด์
จากการผสมผสานแบบสหวิทยาการระหว่างฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต กลยุทธ์การวินิจฉัยและการรักษาที่ใช้การแพทย์แบบแม่นยำได้รับความสนใจเป็นอย่างมากเมื่อเร็วๆ นี้ เนื่องจากการนำไปประยุกต์ใช้จริงของวิธีการทางวิศวกรรมใหม่ๆ ในหลายสาขาการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเนื้องอกวิทยาภายในกรอบการทำงานนี้ การใช้อัลตราซาวนด์เพื่อโจมตีเซลล์มะเร็งในเนื้องอกเพื่อสร้างความเสียหายทางกลที่เป็นไปได้ในระดับต่างๆ กำลังดึงดูดความสนใจที่เพิ่มขึ้นจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกเมื่อคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้ โดยอิงจากโซลูชันการกำหนดเวลาอีลาสโตไดนามิกและการจำลองเชิงตัวเลข เรานำเสนอการศึกษาเบื้องต้นของการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของการแพร่กระจายของอัลตราซาวนด์ในเนื้อเยื่อ เพื่อเลือกความถี่และกำลังที่เหมาะสมโดยการฉายรังสีเฉพาะที่แพลตฟอร์มการวินิจฉัยใหม่สำหรับเทคโนโลยี On-Fiber ในห้องปฏิบัติการที่เรียกว่าเข็มในโรงพยาบาลและได้รับการจดสิทธิบัตรแล้วเป็นที่เชื่อกันว่าผลการวิเคราะห์และข้อมูลเชิงลึกทางชีวฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องสามารถปูทางไปสู่แนวทางการวินิจฉัยและการรักษาแบบบูรณาการใหม่ๆ ที่อาจมีบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้ยาที่แม่นยำในอนาคต โดยดึงมาจากสาขาฟิสิกส์การทำงานร่วมกันที่เพิ่มมากขึ้นระหว่างชีววิทยากำลังเริ่มต้นขึ้น
ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้งานทางคลินิกจำนวนมาก ความจำเป็นในการลดผลข้างเคียงต่อผู้ป่วยจึงค่อยๆ เริ่มปรากฏให้เห็นด้วยเหตุนี้ การแพทย์เฉพาะทาง1, 2, 3, 4, 5 จึงกลายเป็นเป้าหมายเชิงกลยุทธ์ในการลดปริมาณยาที่จัดส่งให้กับผู้ป่วย โดยปฏิบัติตามสองแนวทางหลักเป็นหลักวิธีแรกขึ้นอยู่กับการรักษาที่ออกแบบตามลักษณะทางพันธุกรรมของผู้ป่วยประการที่สองซึ่งกำลังกลายเป็นมาตรฐานทองคำในด้านเนื้องอกวิทยา มีจุดมุ่งหมายเพื่อหลีกเลี่ยงขั้นตอนการจัดส่งยาอย่างเป็นระบบโดยพยายามปล่อยยาในปริมาณเล็กน้อย ขณะเดียวกันก็เพิ่มความแม่นยำผ่านการใช้การรักษาในท้องถิ่นเป้าหมายสูงสุดคือการกำจัดหรืออย่างน้อยก็ลดผลกระทบเชิงลบของวิธีการรักษาหลายวิธี เช่น เคมีบำบัดหรือการบริหารนิวไคลด์กัมมันตรังสีอย่างเป็นระบบขึ้นอยู่กับชนิดของมะเร็ง ตำแหน่ง ปริมาณรังสี และปัจจัยอื่นๆ แม้แต่การฉายรังสีก็อาจมีความเสี่ยงโดยธรรมชาติสูงต่อเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีในการรักษา glioblastoma6,7,8,9 การผ่าตัดสามารถกำจัดมะเร็งที่ซ่อนอยู่ได้สำเร็จ แต่ถึงแม้จะไม่มีการแพร่กระจาย ก็อาจมีมะเร็งแทรกซึมอยู่จำนวนมากหากไม่ได้กำจัดออกไปจนหมด ก้อนมะเร็งใหม่ก็สามารถเติบโตได้ภายในระยะเวลาอันสั้นในบริบทนี้ กลยุทธ์การรักษาแบบแม่นยำดังกล่าวข้างต้นเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้เนื่องจากการแทรกซึมเหล่านี้ยากต่อการตรวจจับและแพร่กระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่อุปสรรคเหล่านี้ป้องกันผลลัพธ์ที่แน่ชัดในการป้องกันการเกิดซ้ำด้วยยาที่มีความแม่นยำ ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้วิธีการจัดส่งอย่างเป็นระบบในบางกรณี แม้ว่ายาที่ใช้อาจมีระดับความเป็นพิษที่สูงมากก็ตามเพื่อเอาชนะปัญหานี้ วิธีการรักษาในอุดมคติคือการใช้กลยุทธ์ที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดซึ่งสามารถโจมตีเซลล์มะเร็งแบบเลือกสรรได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีในแง่ของข้อโต้แย้งนี้ การใช้การสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกซึ่งแสดงให้เห็นว่าส่งผลต่อเซลล์มะเร็งและเซลล์ที่มีสุขภาพดีแตกต่างกัน ทั้งในระบบเซลล์เดียวและในกลุ่มที่ต่างกันแบบ mesoscale ดูเหมือนเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้
จากมุมมองเชิงกลไก จริงๆ แล้วเซลล์ที่มีสุขภาพดีและเป็นเซลล์มะเร็งมีความถี่เรโซแนนซ์ตามธรรมชาติที่แตกต่างกันคุณสมบัตินี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลของโครงสร้างเซลล์มะเร็งของเซลล์มะเร็ง12,13 ในขณะที่เซลล์มะเร็งโดยเฉลี่ยแล้วจะมีรูปร่างผิดปกติมากกว่าเซลล์ปกติดังนั้น ด้วยตัวเลือกความถี่อัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการกระตุ้น การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นในพื้นที่ที่เลือกสามารถทำให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างมะเร็งที่มีชีวิต และลดผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมที่ดีต่อสุขภาพของโฮสต์ผลกระทบที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้เหล่านี้อาจรวมถึงการทำลายส่วนประกอบโครงสร้างเซลล์บางส่วนเนื่องจากการสั่นสะเทือนความถี่สูงที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ (โดยหลักการแล้วคล้ายกับ lithotripsy14 มาก) และความเสียหายของเซลล์เนื่องจากปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกับความล้าทางกล ซึ่งในทางกลับกันสามารถเปลี่ยนโครงสร้างเซลล์ได้ .การเขียนโปรแกรมและกลศาสตร์แม้ว่าวิธีแก้ปัญหาทางทฤษฎีนี้ดูเหมือนจะเหมาะสมมาก แต่น่าเสียดายที่ไม่สามารถใช้ในกรณีที่โครงสร้างทางชีววิทยาที่ไม่มีเสียงสะท้อนขัดขวางการใช้อัลตราซาวนด์โดยตรง เช่น ในการใช้งานในกะโหลกศีรษะเนื่องจากมีกระดูกอยู่ และก้อนเนื้องอกที่เต้านมบางส่วนอยู่ในไขมัน เนื้อเยื่อ.การลดทอนอาจจำกัดตำแหน่งของผลการรักษาที่อาจเกิดขึ้นเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ต้องใช้อัลตราซาวนด์เฉพาะที่ด้วยทรานสดิวเซอร์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถเข้าถึงบริเวณที่ได้รับการฉายรังสีได้น้อยที่สุดด้วยเหตุนี้ เราจึงพิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการใช้แนวคิดที่เกี่ยวข้องกับความเป็นไปได้ในการสร้างแพลตฟอร์มเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมที่เรียกว่า "โรงพยาบาลเข็ม"15แนวคิด "โรงพยาบาลในเข็ม" เกี่ยวข้องกับการพัฒนาเครื่องมือทางการแพทย์ที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับใช้ในการวินิจฉัยและการรักษา โดยอาศัยการผสมผสานฟังก์ชันต่างๆ ไว้ในเข็มทางการแพทย์เพียงอันเดียวตามที่กล่าวไว้ในรายละเอียดเพิ่มเติมในส่วน Hospital Needle อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดนี้อิงตามข้อดีของโพรบไฟเบอร์ออปติก 16, 17, 18, 19, 20, 21 เป็นหลัก ซึ่งเหมาะสำหรับการแทรกลงในมาตรฐาน 20 เนื่องจากคุณลักษณะเฉพาะ เข็มทางการแพทย์ 22 ลูเมนด้วยการใช้ประโยชน์จากความยืดหยุ่นที่ได้รับจากเทคโนโลยี Lab-on-Fiber (LOF)23 ไฟเบอร์จึงกลายเป็นแพลตฟอร์มที่มีเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับอุปกรณ์วินิจฉัยและบำบัดขนาดจิ๋วและพร้อมใช้งาน รวมถึงการตรวจชิ้นเนื้อของเหลวและอุปกรณ์ตรวจชิ้นเนื้อเนื้อเยื่อในการตรวจจับชีวโมเลกุล24,25 การนำส่งยาเฉพาะที่ด้วยแสง26,27 การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์เฉพาะที่ที่มีความแม่นยำสูง28 การบำบัดด้วยความร้อน29,30 และการระบุเนื้อเยื่อมะเร็งด้วยสเปกโทรสโกปี31ภายในแนวคิดนี้ โดยใช้แนวทางการแปลตามท้องถิ่นโดยใช้อุปกรณ์ "เข็มในโรงพยาบาล" เราตรวจสอบความเป็นไปได้ของการเพิ่มประสิทธิภาพการกระตุ้นโครงสร้างทางชีวภาพในท้องถิ่นในท้องถิ่นโดยใช้การแพร่กระจายของคลื่นอัลตราซาวนด์ผ่านเข็มเพื่อกระตุ้นคลื่นอัลตราซาวนด์ภายในภูมิภาคที่สนใจ-ดังนั้นอัลตราซาวนด์เพื่อการบำบัดความเข้มต่ำจึงสามารถนำไปใช้โดยตรงกับพื้นที่เสี่ยงโดยมีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับโซนิเอตติ้งเซลล์และการก่อตัวของของแข็งขนาดเล็กในเนื้อเยื่ออ่อน เช่นในกรณีของการผ่าตัดในกะโหลกศีรษะดังกล่าวข้างต้นจะต้องสอดรูเล็ก ๆ ในกะโหลกศีรษะโดยมี เข็ม.แรงบันดาลใจจากผลทางทฤษฎีและการทดลองล่าสุดที่ชี้ให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์สามารถหยุดหรือชะลอการพัฒนาของมะเร็งบางชนิดได้ 32,33,34 แนวทางที่เสนออาจช่วยแก้ไข อย่างน้อยในหลักการ การแลกเปลี่ยนที่สำคัญระหว่างผลกระทบเชิงรุกและการรักษาด้วยการพิจารณาเหล่านี้ ในรายงานฉบับนี้ เราจึงตรวจสอบความเป็นไปได้ของการใช้อุปกรณ์เข็มในโรงพยาบาลสำหรับการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์ที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับมะเร็งแม่นยำยิ่งขึ้นในการวิเคราะห์การกระเจิงของมวลเนื้องอกทรงกลมสำหรับการประมาณค่าความถี่อัลตราซาวนด์ที่ขึ้นกับการเจริญเติบโต เราใช้วิธีการอีลาสโตไดนามิกที่ได้รับการยอมรับอย่างดีและทฤษฎีการกระเจิงของเสียงเพื่อทำนายขนาดของเนื้องอกแข็งทรงกลมที่เติบโตในตัวกลางที่ยืดหยุ่นความแข็งที่เกิดขึ้นระหว่างเนื้องอกและเนื้อเยื่อโฮสต์เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่เกิดจากการเจริญเติบโตหลังจากที่อธิบายระบบของเรา ซึ่งเราเรียกว่าส่วน "โรงพยาบาลในเข็ม" ในส่วน "โรงพยาบาลในเข็ม" เราจะวิเคราะห์การแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกผ่านเข็มทางการแพทย์ที่ความถี่ที่คาดการณ์ไว้ และแบบจำลองตัวเลขจะฉายรังสีสภาพแวดล้อมเพื่อการศึกษา พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตหลัก (เส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่แท้จริง ความยาวและความคมของเข็ม) ซึ่งส่งผลต่อการส่งผ่านพลังเสียงของเครื่องดนตรีเมื่อพิจารณาถึงความจำเป็นในการพัฒนากลยุทธ์ทางวิศวกรรมใหม่สำหรับการแพทย์ที่แม่นยำ เชื่อกันว่าการศึกษาที่นำเสนอนี้สามารถช่วยพัฒนาเครื่องมือใหม่สำหรับการรักษาโรคมะเร็งโดยอาศัยการใช้อัลตราซาวนด์ที่ส่งผ่านแพลตฟอร์มการบำบัดแบบผสมผสานที่รวมอัลตราซาวนด์เข้ากับโซลูชันอื่น ๆผสมผสานกัน เช่น การจัดส่งยาแบบกำหนดเป้าหมายและการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์ภายในเข็มเดียว
ประสิทธิผลของการจัดทำกลยุทธ์เชิงกลไกสำหรับการรักษาเนื้องอกแข็งที่มีการแปลโดยใช้การกระตุ้นด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (อัลตราซาวนด์) เป็นเป้าหมายของเอกสารหลายฉบับที่เกี่ยวข้องกับทั้งทางทฤษฎีและเชิงทดลองด้วยผลกระทบของการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกความเข้มต่ำบนระบบเซลล์เดียว 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 นักวิจัยหลายคนได้แสดงให้เห็นในเชิงวิเคราะห์ว่าเนื้องอกและเซลล์ที่มีสุขภาพดีแสดงการตอบสนองความถี่ที่แตกต่างกันโดยมีพีคเรโซแนนซ์ที่แตกต่างกันในช่วง 10,11,12 ดอลลาร์สหรัฐผลลัพธ์นี้ชี้ให้เห็นว่า โดยหลักการแล้ว เซลล์เนื้องอกสามารถเลือกโจมตีได้โดยสิ่งเร้าทางกลที่ช่วยรักษาสภาพแวดล้อมของโฮสต์พฤติกรรมนี้เป็นผลโดยตรงจากหลักฐานสำคัญที่ว่าในกรณีส่วนใหญ่ เซลล์เนื้องอกมีความยืดหยุ่นมากกว่าเซลล์ที่มีสุขภาพดี ซึ่งอาจเพิ่มความสามารถในการเพิ่มจำนวนและการย้ายถิ่น37,38,39,40จากผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองเซลล์เดี่ยว เช่น ที่ระดับจุลภาค การเลือกสรรของเซลล์มะเร็งยังแสดงให้เห็นที่ระดับมีโซสเกลด้วยการศึกษาเชิงตัวเลขของการตอบสนองฮาร์มอนิกของการรวมตัวของเซลล์ที่ต่างกันโดยให้เปอร์เซ็นต์ที่แตกต่างกันของเซลล์มะเร็งและเซลล์ที่มีสุขภาพดี มวลรวมหลายเซลล์ขนาดหลายร้อยไมโครเมตรถูกสร้างขึ้นตามลำดับชั้นที่ระดับ mesolevel ของมวลรวมเหล่านี้ คุณลักษณะทางจุลทรรศน์บางอย่างที่น่าสนใจจะถูกรักษาไว้เนื่องจากการนำไปใช้โดยตรงขององค์ประกอบโครงสร้างหลักที่แสดงลักษณะพฤติกรรมเชิงกลของเซลล์เดี่ยวโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แต่ละเซลล์ใช้สถาปัตยกรรมที่ใช้แรงดึงเพื่อเลียนแบบการตอบสนองของโครงสร้างเซลล์โครงร่างที่ถูกอัดแรงต่างๆ ซึ่งส่งผลต่อความแข็งโดยรวมของพวกมันการพยากรณ์ทางทฤษฎีและการทดลองในหลอดทดลองของวรรณกรรมข้างต้นให้ผลลัพธ์ที่น่ายินดี ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการศึกษาความไวของมวลเนื้องอกต่ออัลตราซาวนด์การรักษาที่มีความเข้มต่ำ (LITUS) และการประเมินความถี่ของการฉายรังสีของมวลเนื้องอกถือเป็นสิ่งสำคัญตำแหน่ง LITUS สำหรับการสมัครนอกสถานที่
อย่างไรก็ตาม ในระดับเนื้อเยื่อ คำอธิบาย Submacroscopic ของแต่ละองค์ประกอบจะหายไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และคุณสมบัติของเนื้อเยื่อเนื้องอกสามารถตรวจสอบได้โดยใช้วิธีการตามลำดับเพื่อติดตามการเติบโตของมวลและกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากความเครียด โดยคำนึงถึงผลกระทบระดับมหภาคของ การเจริญเติบโต.- ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความยืดหยุ่นของเนื้อเยื่อในระดับ 41.42แท้จริงแล้ว แตกต่างจากระบบเซลล์เดียวและระบบรวม มวลเนื้องอกที่เป็นของแข็งจะเติบโตในเนื้อเยื่ออ่อนเนื่องจากการสะสมของความเครียดตกค้างที่ผิดปกติอย่างค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลตามธรรมชาติเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความแข็งแกร่งในเนื้องอกโดยรวม และเส้นโลหิตตีบของเนื้องอกมักจะกลายเป็นปัจจัยกำหนดใน การตรวจหาเนื้องอก
เมื่อคำนึงถึงการพิจารณาเหล่านี้ ที่นี่เราจะวิเคราะห์การตอบสนองทางเสียงแบบไดนามิกของเนื้องอก spheroids ซึ่งจำลองเป็นการรวมทรงกลมแบบยืดหยุ่นที่เติบโตในสภาพแวดล้อมเนื้อเยื่อปกติแม่นยำยิ่งขึ้นคุณสมบัติความยืดหยุ่นที่เกี่ยวข้องกับระยะของเนื้องอกถูกกำหนดโดยอาศัยผลทางทฤษฎีและการทดลองที่ได้รับจากผู้เขียนบางคนในงานก่อนหน้าในหมู่พวกเขา วิวัฒนาการของเนื้องอกเนื้องอก spheroids ที่เติบโต ในร่างกาย ในสื่อที่ต่างกันได้รับการศึกษาโดยการใช้แบบจำลองเชิงกลแบบไม่เชิงเส้น 41, 43, 44 ร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของสปีชีส์เพื่อทำนายการพัฒนาของมวลเนื้องอกและความเครียดในโพรงสมองที่เกี่ยวข้องดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น การเติบโต (เช่น การยืดออกอย่างไม่ยืดหยุ่น) และความเค้นตกค้างทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุเนื้องอกอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงเปลี่ยนการตอบสนองทางเสียงด้วยสิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าในการอ้างอิง41 มีการแสดงให้เห็นวิวัฒนาการร่วมกันของการเจริญเติบโตและความเครียดที่มั่นคงในเนื้องอกในการรณรงค์ทดลองในแบบจำลองสัตว์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเปรียบเทียบความแข็งของมวลเนื้องอกเต้านมที่ผ่าตัดออกในระยะต่างๆ กับความแข็งที่ได้รับจากการสร้างสภาวะที่คล้ายกันในซิลิโกบนแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ทรงกลมที่มีขนาดเท่ากัน และคำนึงถึงสนามความเค้นตกค้างที่คาดการณ์ไว้ยืนยันวิธีการที่นำเสนอของ ความถูกต้องของแบบจำลอง-ในงานนี้ ผลทางทฤษฎีและการทดลองที่ได้รับก่อนหน้านี้จะถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนากลยุทธ์การรักษาที่พัฒนาขึ้นใหม่โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขนาดที่คาดการณ์ซึ่งมีคุณสมบัติต้านทานวิวัฒนาการที่สอดคล้องกันถูกคำนวณที่นี่ ซึ่งใช้เพื่อประมาณช่วงความถี่ที่มวลเนื้องอกที่ฝังอยู่ในสภาพแวดล้อมของโฮสต์มีความอ่อนไหวมากกว่าด้วยเหตุนี้ เราจึงตรวจสอบพฤติกรรมไดนามิกของมวลเนื้องอกในระยะต่าง ๆ ซึ่งดำเนินการในระยะต่าง ๆ โดยคำนึงถึงตัวบ่งชี้ทางเสียงตามหลักการกระเจิงที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง และเน้นปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ที่เป็นไปได้ของทรงกลม .ขึ้นอยู่กับเนื้องอกและโฮสต์ ความแตกต่างขึ้นอยู่กับการเจริญเติบโตในความแข็งระหว่างเนื้อเยื่อ
ดังนั้น มวลเนื้องอกจึงถูกจำลองเป็นทรงกลมยืดหยุ่นของรัศมี \(a\) ในสภาพแวดล้อมที่ยืดหยุ่นโดยรอบของโฮสต์ ตามข้อมูลการทดลองที่แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างมะเร็งขนาดใหญ่เติบโตในแหล่งกำเนิดอย่างไรในรูปทรงทรงกลมอ้างถึงรูปที่ 1 โดยใช้พิกัดทรงกลม \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (โดยที่ \(\theta\) และ \(\varphi\) เป็นตัวแทนของมุมที่ผิดปกติและมุมแอซิมุทตามลำดับ) โดเมนเนื้องอกตรงบริเวณภูมิภาคที่ฝังอยู่ในพื้นที่ที่ดีต่อสุขภาพ \({\mathcal {V}__{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) ภูมิภาคที่ไม่มีขอบเขต \({\mathcal { V} __{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\)อ้างถึงข้อมูลเสริม (SI) สำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์ของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ตามพื้นฐานอีลาสโตไดนามิกที่ได้รับการยอมรับอย่างดีซึ่งรายงานในวรรณคดีหลายฉบับ เราพิจารณาว่านี่เป็นปัญหาที่มีลักษณะเฉพาะโดยโหมดการสั่นของแกนสมมาตรข้อสันนิษฐานนี้บอกเป็นนัยว่าตัวแปรทั้งหมดภายในเนื้องอกและพื้นที่ที่มีสุขภาพดีไม่ขึ้นอยู่กับพิกัดอะซิมุทัล \(\varphi\) และไม่มีการบิดเบือนเกิดขึ้นในทิศทางนี้ดังนั้น สนามการกระจัดและความเครียดสามารถหาได้จากศักย์สเกลาร์สองตัว \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) และ \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) พวกมันคือ ตามลำดับที่เกี่ยวข้องกับคลื่นตามยาวและคลื่นเฉือน เวลาบังเอิญ t ระหว่างกระแสไฟกระชาก \(\theta \) และมุมระหว่างทิศทางของคลื่นตกกระทบและเวกเตอร์ตำแหน่ง \({\mathbf {x))\) ( ดังแสดงในรูปที่ 1) และ \(\omega = 2\pi f\) แทนความถี่เชิงมุมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง สนามเหตุการณ์ถูกจำลองโดยคลื่นระนาบ \(\phi_{H}^{(in)}\) (รวมถึงระบบ SI ในสมการ (A.9)) ที่แพร่กระจายไปสู่ปริมาตรของร่างกาย ตามที่ระบุไว้ในกฎหมาย
โดยที่ \(\phi_{0}\) คือพารามิเตอร์แอมพลิจูดการขยายตัวทรงกลมของคลื่นระนาบตกกระทบ (1) โดยใช้ฟังก์ชันคลื่นทรงกลมเป็นอาร์กิวเมนต์มาตรฐาน:
โดยที่ \(j_{n}\) คือฟังก์ชัน Bessel ทรงกลมของลำดับแรก \(n\) และ \(P_{n}\) คือพหุนาม Legendreคลื่นตกกระทบส่วนหนึ่งของทรงกลมการลงทุนกระจัดกระจายในตัวกลางที่อยู่รอบๆ และทับซ้อนกับสนามตกกระทบ ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งกระจัดกระจายอยู่ภายในทรงกลม ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเมื่อต้องการทำเช่นนี้ คำตอบฮาร์มอนิกของสมการคลื่น \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) และ \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\) จัดให้มีขึ้นตัวอย่างโดย Eringen45 (ดู SI ด้วย ) อาจบ่งบอกถึงเนื้องอกและบริเวณที่มีสุขภาพดีโดยเฉพาะอย่างยิ่ง คลื่นการขยายตัวที่กระจัดกระจายและคลื่นไอโซโวลูมิกที่สร้างขึ้นในตัวกลางที่เป็นโฮสต์ \(H\) ยอมรับพลังงานศักย์ตามลำดับ:
ในหมู่พวกเขา ฟังก์ชัน Hankel ทรงกลมของชนิดแรก \(h_{n}^{(1)}\) ใช้ในการพิจารณาคลื่นกระจัดกระจายขาออก และ \(\alpha_{n}\) และ \(\beta_{ n}\ ) คือค่าสัมประสิทธิ์ที่ไม่รู้จักในสมการในสมการ (2)–(4) คำว่า \(k_{H1}\) และ \(k_{H2}\) แสดงถึงจำนวนคลื่นของการทำให้บริสุทธิ์และคลื่นตามขวางในพื้นที่หลักของวัตถุตามลำดับ ( ดูเอสไอ)ช่องการบีบอัดภายในเนื้องอกและการเปลี่ยนแปลงมีรูปแบบ
โดยที่ \(k_{T1}\) และ \(k_{T2}\) แทนจำนวนคลื่นตามยาวและตามขวางในบริเวณเนื้องอก และค่าสัมประสิทธิ์ที่ไม่ทราบคือ \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\)จากผลลัพธ์เหล่านี้ ส่วนประกอบของการกระจัดในแนวรัศมีและเส้นรอบวงที่ไม่เป็นศูนย์เป็นคุณลักษณะเฉพาะของบริเวณที่มีสุขภาพดีในปัญหาที่กำลังพิจารณา เช่น \(u_{Hr}\) และ \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) ไม่จำเป็นต้องสันนิษฐานเรื่องสมมาตรอีกต่อไป) — หาได้จากความสัมพันธ์ \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) และ \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) โดยการสร้าง \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) และ \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (ดู SI สำหรับการได้มาทางคณิตศาสตร์โดยละเอียด)ในทำนองเดียวกัน การแทนที่ \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) และ \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) จะส่งกลับค่า {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) และ \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\)
(ซ้าย) รูปทรงเรขาคณิตของเนื้องอกทรงกลมที่ปลูกในสภาพแวดล้อมที่มีสุขภาพดีซึ่งมีการแพร่กระจายของสนามเหตุการณ์ (ขวา) วิวัฒนาการที่สอดคล้องกันของอัตราส่วนความแข็งของเนื้องอกต่อโฮสต์ในฐานะหน้าที่ของรัศมีเนื้องอก ข้อมูลที่รายงาน (ดัดแปลงจาก Carotenuto และคณะ 41) จาก ในการทดสอบแรงอัด ในหลอดทดลอง ได้มาจากเนื้องอกเต้านมแข็งที่ฉีดวัคซีนด้วยเซลล์ MDA-MB-231
สมมติว่าวัสดุยืดหยุ่นเชิงเส้นและไอโซโทรปิก องค์ประกอบความเครียดที่ไม่เป็นศูนย์ในบริเวณที่มีสุขภาพดีและบริเวณเนื้องอก เช่น \(\sigma_{Hpq}\) และ \(\sigma_{Tpq}\) – ปฏิบัติตามกฎของฮุคทั่วไป โดยมีเงื่อนไขว่า เป็น Lamé moduli ที่แตกต่างกัน ซึ่งแสดงลักษณะของโฮสต์และความยืดหยุ่นของเนื้องอก แสดงเป็น \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) และ \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (ดูสมการ (A.11) สำหรับการแสดงออกที่สมบูรณ์ขององค์ประกอบความเครียดที่แสดงใน SI)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตามข้อมูลในเอกสารอ้างอิง 41 และนำเสนอในรูปที่ 1 เนื้องอกที่กำลังเติบโตแสดงการเปลี่ยนแปลงในค่าคงที่ความยืดหยุ่นของเนื้อเยื่อดังนั้น การกระจัดและความเครียดในบริเวณโฮสต์และเนื้องอกจึงถูกกำหนดโดยสมบูรณ์จนถึงชุดของค่าคงที่ที่ไม่รู้จัก \({{ \varvec{\upxi}}__{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) มีมิติที่ไม่มีที่สิ้นสุดในทางทฤษฎีในการค้นหาเวกเตอร์สัมประสิทธิ์เหล่านี้ จะมีการแนะนำส่วนต่อประสานและเงื่อนไขขอบเขตที่เหมาะสมระหว่างเนื้องอกและบริเวณที่มีสุขภาพดีสมมติว่าการจับที่สมบูรณ์แบบที่ส่วนต่อประสานระหว่างโฮสต์กับเนื้องอก \(r = a\) ความต่อเนื่องของการกระจัดและความเครียดต้องมีเงื่อนไขต่อไปนี้:
ระบบ (7) สร้างระบบสมการที่มีคำตอบไม่สิ้นสุดนอกจากนี้ เงื่อนไขขอบเขตแต่ละข้อจะขึ้นอยู่กับความผิดปกติ \(\theta\)เพื่อลดปัญหาค่าขอบเขตให้กลายเป็นปัญหาพีชคณิตที่สมบูรณ์ด้วยชุด \(N\) ของระบบปิด ซึ่งแต่ละชุดอยู่ในค่าที่ไม่รู้จัก \({{\varvec{\upxi}}__{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \__{n = 0,…,N}\) (ด้วย \ ( N \ ถึง \infty \) ตามทฤษฎี) และเพื่อกำจัดการพึ่งพาสมการตามเงื่อนไขตรีโกณมิติ เงื่อนไขของอินเทอร์เฟซจะถูกเขียนในรูปแบบที่อ่อนแอโดยใช้ orthogonality ของพหุนาม Legendreโดยเฉพาะสมการ (7)1,2 และ (7)3,4 คูณด้วย \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) และ \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) จากนั้นรวมระหว่าง \(0\) และ \(\pi\) โดยใช้อัตลักษณ์ทางคณิตศาสตร์:
ดังนั้น เงื่อนไขส่วนต่อประสาน (7) จะส่งคืนระบบสมการพีชคณิตกำลังสอง ซึ่งสามารถแสดงในรูปแบบเมทริกซ์เป็น \({\mathbb{D}__{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}__{n} (a)\) และรับค่าที่ไม่รู้จัก \({{\varvec{\upxi}}__{n}\ ) โดยการแก้กฎของ Cramer
ในการประมาณค่าฟลักซ์พลังงานที่กระเจิงโดยทรงกลมและรับข้อมูลเกี่ยวกับการตอบสนองทางเสียงของมันโดยอิงจากข้อมูลบนสนามกระเจิงที่แพร่กระจายในตัวกลางโฮสต์ ปริมาณเสียงเป็นสิ่งที่สนใจ ซึ่งเป็นภาพตัดขวางของการกระเจิงแบบไบสแตติกแบบมาตรฐานโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ส่วนตัดขวางของการกระเจิง ซึ่งแสดงด้วย \(s) จะแสดงอัตราส่วนระหว่างกำลังเสียงที่ส่งผ่านโดยสัญญาณที่กระเจิง และการแบ่งพลังงานที่ถูกส่งโดยคลื่นตกกระทบในเรื่องนี้ ขนาดของฟังก์ชันรูปร่าง \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) เป็นปริมาณที่ใช้บ่อยในการศึกษากลไกทางเสียง ที่ฝังตัวอยู่ในของเหลวหรือของแข็ง การกระเจิงของวัตถุในตะกอนแม่นยำยิ่งขึ้น แอมพลิจูดของฟังก์ชันรูปร่างถูกกำหนดให้เป็นภาพตัดขวางของการกระเจิงแบบดิฟเฟอเรนเชียล \(ds\) ต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งแตกต่างจากทิศทางปกติในทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นตกกระทบ:
โดยที่ \(f_{n}^{pp}\) และ \(f_{n}^{ps}\) แสดงถึงฟังก์ชันโมดอล ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนของกำลังของคลื่นตามยาวและคลื่นที่กระจัดกระจายสัมพันธ์กับ เหตุการณ์ P-wave ในตัวกลางการรับตามลำดับจะได้รับด้วยนิพจน์ต่อไปนี้:
ฟังก์ชันคลื่นบางส่วน (10) สามารถศึกษาได้อย่างอิสระตามทฤษฎีการกระเจิงเรโซแนนซ์ (RST) 49,50,51,52 ซึ่งทำให้สามารถแยกความยืดหยุ่นของเป้าหมายออกจากสนามเรโซแนนซ์รวมเมื่อศึกษาโหมดต่างๆตามวิธีนี้ ฟังก์ชันรูปแบบโมดอลสามารถแยกย่อยเป็นผลรวมของสองส่วนเท่าๆ กัน กล่าวคือ \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) สัมพันธ์กับแอมพลิจูดพื้นหลังแบบเรโซแนนซ์และไม่เรโซแนนซ์ ตามลำดับฟังก์ชันรูปร่างของโหมดเรโซแนนซ์สัมพันธ์กับการตอบสนองของเป้าหมาย ในขณะที่พื้นหลังมักสัมพันธ์กับรูปร่างของตัวกระจายในการตรวจจับรูปแบบแรกของเป้าหมายสำหรับแต่ละโหมด ความกว้างของฟังก์ชันรูปร่างเรโซแนนซ์แบบโมดอล \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) คำนวณโดยสมมติว่ามีพื้นหลังแข็ง ซึ่งประกอบด้วยทรงกลมที่เจาะเข้าไปไม่ได้ในวัสดุโฮสต์ที่ยืดหยุ่นสมมติฐานนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากข้อเท็จจริงที่ว่า โดยทั่วไปแล้ว ทั้งความแข็งและความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นตามการเติบโตของมวลเนื้องอก เนื่องจากความเครียดจากการบีบอัดที่ตกค้างดังนั้น ที่ระดับการเติบโตที่รุนแรง อัตราส่วนความต้านทาน \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) คาดว่าจะมากกว่า 1 สำหรับเนื้องอกแข็งที่มองเห็นด้วยตาเปล่าส่วนใหญ่ที่พัฒนาในรูปแบบอ่อน เนื้อเยื่อตัวอย่างเช่น Krouskop และคณะ53 รายงานอัตราส่วนของมะเร็งต่อโมดูลัสปกติที่ประมาณ 4 สำหรับเนื้อเยื่อต่อมลูกหมาก ในขณะที่ค่านี้เพิ่มขึ้นเป็น 20 สำหรับตัวอย่างเนื้อเยื่อเต้านมความสัมพันธ์เหล่านี้เปลี่ยนความต้านทานทางเสียงของเนื้อเยื่ออย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังที่แสดงโดยการวิเคราะห์อีลาสโตกราฟี และอาจเกี่ยวข้องกับการหนาของเนื้อเยื่อเฉพาะจุดที่เกิดจากการแพร่กระจายของเนื้องอกมากเกินไปความแตกต่างนี้ได้รับการสังเกตจากการทดลองด้วยการทดสอบการบีบอัดอย่างง่าย ๆ ของบล็อกเนื้องอกเต้านมที่ปลูกในระยะต่าง ๆ และการเปลี่ยนแปลงของวัสดุสามารถติดตามได้ดีด้วยแบบจำลองข้ามสายพันธุ์ที่คาดการณ์ได้ของเนื้องอกที่ไม่เติบโตเชิงเส้นข้อมูลความแข็งที่ได้รับมีความสัมพันธ์โดยตรงกับวิวัฒนาการของโมดูลัสของ Young ของเนื้องอกที่เป็นก้อนตามสูตร \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( ทรงกลมที่มีรัศมี \(a\), ความแข็ง \(S\) และอัตราส่วนของปัวซอง \(\nu\) ระหว่างแผ่นแข็งสองแผ่น 57 ดังแสดงในรูปที่ 1)ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับการวัดความต้านทานทางเสียงของเนื้องอกและโฮสต์ในระดับการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับโมดูลัสของเนื้อเยื่อปกติเท่ากับ 2 kPa ในรูปที่ 1 โมดูลัสยืดหยุ่นของเนื้องอกเต้านมในช่วงปริมาตรประมาณ 500 ถึง 1250 mm3 ส่งผลให้เพิ่มขึ้นจากประมาณ 10 kPa เป็น 16 kPa ซึ่งก็คือ สอดคล้องกับข้อมูลที่รายงานในการอ้างอิง 58, 59 พบว่าความดันในตัวอย่างเนื้อเยื่อเต้านมคือ 0.25–4 kPa โดยมีการบีบอัดล่วงหน้าที่หายไปนอกจากนี้ สมมติว่าอัตราส่วนของปัวซองของเนื้อเยื่อที่เกือบจะอัดตัวไม่ได้คือ 41.60 ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของเนื้อเยื่อจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหนาแน่นของประชากรโดยเฉลี่ย \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 ถูกนำมาใช้เมื่อคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้ ความฝืดอาจเกิดขึ้นในโหมดพื้นหลังได้โดยใช้นิพจน์ต่อไปนี้:
โดยที่ค่าคงที่ที่ไม่รู้จัก \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) สามารถคำนวณได้โดยคำนึงถึงความต่อเนื่อง อคติ ( 7 )2,4 นั่นคือ โดยการแก้ระบบพีชคณิต \(\widehat{{\mathbb{D}}__{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}__{n} (a)\) ที่เกี่ยวข้องกับผู้เยาว์\(\widehat{{\mathbb{D}}__{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}__{n} (a)\__{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) และเวกเตอร์คอลัมน์แบบย่อที่สอดคล้องกัน\(\widehat { {\mathbf {q}}__{n} (а)\) ให้ความรู้พื้นฐานในสมการ (11) สองแอมพลิจูดของฟังก์ชันโหมดการกระเจิงกลับ \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) และ \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) หมายถึงการกระตุ้นด้วยคลื่น P และการสะท้อนของคลื่น P- และ S ตามลำดับนอกจากนี้ แอมพลิจูดแรกประมาณเป็น \(\theta = \pi\) และแอมพลิจูดที่สองประมาณเป็น \(\theta = \pi/4\)โดยการโหลดคุณสมบัติองค์ประกอบต่างๆรูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติเรโซแนนซ์ของเนื้องอกสเฟียรอยด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 15 มม. ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในแถบความถี่ 50-400 kHz ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ในการใช้อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำเพื่อกระตุ้นการกระตุ้นเนื้องอกด้วยเรโซแนนซ์เซลล์.มาก.ในย่านความถี่นี้ การวิเคราะห์ RST เปิดเผยรูปแบบโหมดเดียวสำหรับโหมด 1 ถึง 6 ซึ่งเน้นในรูปที่ 3 ที่นี่ คลื่นที่กระจัดกระจายทั้ง pp และ ps แสดงรูปแบบประเภทแรก ซึ่งเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำมาก ซึ่งเพิ่มขึ้นจาก ประมาณ 20 kHz สำหรับโหมด 1 ถึงประมาณ 60 kHz สำหรับ n = 6 ซึ่งไม่แสดงความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในรัศมีทรงกลมจากนั้นฟังก์ชันเรโซแนนซ์ ps จะลดลง ในขณะที่การรวมกันของรูปแบบ pp ที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่ให้คาบประมาณ 60 kHz ซึ่งแสดงการเปลี่ยนความถี่ที่สูงขึ้นด้วยหมายเลขโหมดที่เพิ่มขึ้นการวิเคราะห์ทั้งหมดดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์คำนวณ Mathematica®62
ฟังก์ชั่นรูปแบบการกระจายกลับที่ได้รับจากโมดูลของเนื้องอกในเต้านมที่มีขนาดต่างกันจะแสดงในรูปที่ 1 โดยที่แถบกระเจิงที่สูงที่สุดจะถูกเน้นโดยคำนึงถึงการซ้อนทับของโหมดบัญชี
เสียงสะท้อนของโหมดที่เลือกตั้งแต่ \(n = 1\) ถึง \(n = 6\) คำนวณจากการกระตุ้นและการสะท้อนของคลื่น P ที่ขนาดเนื้องอกต่างกัน (เส้นโค้งสีดำจาก \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left|. {f_{n}^{pp} \left ( \pi \right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) และการกระตุ้นด้วยคลื่น P และการสะท้อนของคลื่น S (เส้นโค้งสีเทากำหนดโดยฟังก์ชันรูปร่างโมดอล \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\))
ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์เบื้องต้นโดยใช้เงื่อนไขการแพร่กระจายในสนามไกลสามารถเป็นแนวทางในการเลือกความถี่ของไดรฟ์เฉพาะในการจำลองเชิงตัวเลขต่อไปนี้เพื่อศึกษาผลกระทบของความเครียดจากการสั่นสะเทือนระดับไมโครต่อมวลผลการวิจัยพบว่าการสอบเทียบความถี่ที่เหมาะสมสามารถเกิดขึ้นเฉพาะระยะในระหว่างการเจริญเติบโตของเนื้องอก และสามารถกำหนดได้โดยใช้ผลลัพธ์ของแบบจำลองการเติบโตเพื่อสร้างกลยุทธ์ทางชีวกลศาสตร์ที่ใช้ในการรักษาโรคเพื่อทำนายการเปลี่ยนแปลงของเนื้อเยื่อได้อย่างถูกต้อง
ความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านนาโนเทคโนโลยีกำลังผลักดันชุมชนวิทยาศาสตร์ให้ค้นหาโซลูชันและวิธีการใหม่ ๆ ในการพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่มีขนาดเล็กลงและมีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับการใช้งานในสิ่งมีชีวิตในบริบทนี้ เทคโนโลยี LOF ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถที่โดดเด่นในการขยายขีดความสามารถของเส้นใยนำแสง ทำให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์ใยแก้วนำแสงที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับการใช้งานด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ21, 63, 64, 65 แนวคิดในการบูรณาการวัสดุ 2D และ 3D ด้วยคุณสมบัติทางเคมี ชีวภาพ และทางแสงที่ต้องการที่ด้านข้าง 25 และ/หรือปลาย 64 ของเส้นใยนำแสงที่มีการควบคุมเชิงพื้นที่เต็มรูปแบบที่ระดับนาโน นำไปสู่การเกิดขึ้นของนาโนออปโทดไฟเบอร์ออปติกประเภทใหม่มีฟังก์ชั่นการวินิจฉัยและการรักษาที่หลากหลายสิ่งที่น่าสนใจ เนื่องจากคุณสมบัติทางเรขาคณิตและเชิงกล (หน้าตัดเล็ก อัตราส่วนกว้างยาว ความยืดหยุ่น น้ำหนักเบา) และความเข้ากันได้ทางชีวภาพของวัสดุ (โดยปกติคือแก้วหรือโพลีเมอร์) เส้นใยนำแสงจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสอดเข้าไปในเข็มและสายสวนการใช้งานทางการแพทย์20 ปูทางไปสู่วิสัยทัศน์ใหม่ของ “โรงพยาบาลเข็ม” (ดูรูปที่ 4)
ในความเป็นจริง เนื่องจากระดับความเป็นอิสระของเทคโนโลยี LOF โดยการใช้การรวมโครงสร้างไมโครและนาโนที่ทำจากวัสดุโลหะและ/หรืออิเล็กทริกต่างๆ เส้นใยนำแสงจึงสามารถทำงานได้อย่างเหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะที่มักจะรองรับการกระตุ้นโหมดเรโซแนนซ์, สนามแสง 21 อยู่ในตำแหน่งที่แข็งแกร่งการกักเก็บแสงในระดับความยาวคลื่น ซึ่งมักใช้ร่วมกับกระบวนการทางเคมีและ/หรือทางชีวภาพ63 และการบูรณาการของวัสดุที่ละเอียดอ่อน เช่น สมาร์ทโพลีเมอร์65,66 สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมอันตรกิริยาของแสงและสสาร ซึ่งอาจมีประโยชน์สำหรับวัตถุประสงค์ทางการบำบัดการเลือกประเภทและขนาดของส่วนประกอบ/วัสดุแบบรวมนั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางกายภาพ ชีวภาพ หรือทางเคมีที่จะตรวจพบ21,63
การบูรณาการหัววัด LOF เข้ากับเข็มทางการแพทย์ที่มุ่งตรงไปยังตำแหน่งเฉพาะในร่างกาย จะช่วยให้สามารถตรวจชิ้นเนื้อของเหลวและเนื้อเยื่อเฉพาะที่ ในสิ่งมีชีวิต ซึ่งช่วยให้สามารถรักษาเฉพาะที่พร้อมกัน ลดผลข้างเคียง และเพิ่มประสิทธิภาพโอกาสที่เป็นไปได้ ได้แก่ การตรวจหาชีวโมเลกุลหมุนเวียนต่างๆ รวมถึงมะเร็งไบโอมาร์คเกอร์หรือไมโครอาร์เอ็นเอ (miRNA)67 การจำแนกเนื้อเยื่อมะเร็งโดยใช้สเปกโทรสโกปีเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น เช่น รามานสเปกโทรสโกปี (SERS)31 การถ่ายภาพด้วยแสงความละเอียดสูง22,28,68 การผ่าตัดด้วยเลเซอร์และการระเหย69 และยานำส่งในพื้นที่โดยใช้แสง27 และ การนำเข็มเข้าสู่ร่างกายมนุษย์โดยอัตโนมัติ 20.เป็นที่น่าสังเกตว่าแม้ว่าการใช้เส้นใยนำแสงจะหลีกเลี่ยงข้อเสียทั่วไปของวิธีการ "คลาสสิก" ที่ใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ความจำเป็นในการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและการมีอยู่ของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า วิธีนี้ทำให้เซ็นเซอร์ LOF ต่างๆ สามารถรวมเข้ากับเซ็นเซอร์ LOF ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบ.เข็มทางการแพทย์อันเดียวต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษในการลดผลกระทบที่เป็นอันตราย เช่น มลพิษ การรบกวนทางแสง สิ่งกีดขวางทางกายภาพที่ทำให้เกิดผลกระทบข้ามสัญญาณระหว่างฟังก์ชันต่างๆอย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องจริงที่ฟังก์ชันหลายอย่างที่กล่าวถึงไม่จำเป็นต้องเปิดใช้งานพร้อมกันลักษณะนี้ทำให้สามารถลดการรบกวนได้อย่างน้อย จึงจำกัดผลกระทบด้านลบต่อประสิทธิภาพของโพรบแต่ละตัวและความแม่นยำของขั้นตอนข้อพิจารณาเหล่านี้ทำให้เรามองแนวคิดเรื่อง "เข็มในโรงพยาบาล" ว่าเป็นวิสัยทัศน์ที่เรียบง่ายในการวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับเข็มรักษาโรครุ่นต่อไปในสาขาวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต
สำหรับการใช้งานเฉพาะที่กล่าวถึงในบทความนี้ ในหัวข้อถัดไป เราจะตรวจสอบเชิงตัวเลขความสามารถของเข็มทางการแพทย์ในการส่งคลื่นอัลตราโซนิกเข้าไปในเนื้อเยื่อของมนุษย์โดยใช้การแพร่กระจายไปตามแกนของมัน
การแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกผ่านเข็มทางการแพทย์ที่เต็มไปด้วยน้ำและสอดเข้าไปในเนื้อเยื่ออ่อน (ดูแผนภาพในรูปที่ 5a) ได้รับการสร้างแบบจำลองโดยใช้ซอฟต์แวร์ Comsol Multiphysics เชิงพาณิชย์โดยใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEM) 70 โดยที่เข็มและเนื้อเยื่อถูกจำลอง เป็นสภาพแวดล้อมยืดหยุ่นเชิงเส้น
จากรูปที่ 5b เข็มถูกจำลองเป็นกระบอกกลวง (หรือที่เรียกว่า “cannula”) ที่ทำจากสแตนเลส ซึ่งเป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับเข็มทางการแพทย์71โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันถูกจำลองด้วยโมดูลัสของ Young E = 205 GPa, อัตราส่วนของปัวซอง ν = 0.28 และความหนาแน่น ρ = 7850 กิโลกรัม m −372.73ในทางเรขาคณิต เข็มมีลักษณะเป็นความยาว L เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน D (หรือที่เรียกว่า "ระยะห่าง") และความหนาของผนัง tนอกจากนี้ ถือว่าปลายเข็มเอียงเป็นมุม α เทียบกับทิศทางตามยาว (z)โดยพื้นฐานแล้วปริมาตรของน้ำจะสอดคล้องกับรูปร่างของบริเวณด้านในของเข็มในการวิเคราะห์เบื้องต้นนี้ เข็มถูกสันนิษฐานว่าแช่อยู่ในบริเวณเนื้อเยื่ออย่างสมบูรณ์ (สันนิษฐานว่าจะขยายออกไปอย่างไม่มีกำหนด) โดยจำลองเป็นทรงกลมที่มีรัศมี rs ซึ่งคงที่ที่ 85 มม. ในระหว่างการจำลองทั้งหมดในรายละเอียดเพิ่มเติม เราจะปิดท้ายขอบเขตทรงกลมด้วยเลเยอร์ที่จับคู่กันอย่างสมบูรณ์แบบ (PML) ซึ่งอย่างน้อยจะช่วยลดคลื่นที่ไม่ต้องการซึ่งสะท้อนจากขอบเขต "จินตภาพ" อย่างน้อยจากนั้นเราเลือกรัศมี rs เพื่อวางขอบเขตโดเมนทรงกลมให้ห่างจากเข็มมากพอที่จะไม่ส่งผลกระทบต่อโซลูชันการคำนวณ และเล็กพอที่จะไม่ส่งผลกระทบต่อต้นทุนการคำนวณของการจำลอง
การเปลี่ยนความถี่ f และแอมพลิจูด A แบบฮาร์โมนิคตามยาวถูกนำไปใช้กับขอบเขตล่างของรูปทรงของสไตลัสสถานการณ์นี้แสดงถึงสิ่งเร้าอินพุตที่ใช้กับเรขาคณิตจำลองที่ขอบเขตที่เหลือของเข็ม (เมื่อสัมผัสกับเนื้อเยื่อและน้ำ) แบบจำลองที่ได้รับการยอมรับจะถือว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทางกายภาพสองปรากฏการณ์ ซึ่งหนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับกลศาสตร์โครงสร้าง (สำหรับพื้นที่ของเข็ม) และ อีกประการหนึ่งคือกลศาสตร์โครงสร้าง(สำหรับบริเวณที่เป็นกรด) ดังนั้นจึงมีการกำหนดเงื่อนไขที่สอดคล้องกันกับเสียง (สำหรับน้ำและบริเวณที่เป็นกรด)74โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การสั่นสะเทือนเล็กๆ น้อยๆ ที่กระทบกับเบาะนั่งของเข็มทำให้เกิดการรบกวนของแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยดังนั้น สมมติว่าเข็มมีพฤติกรรมเหมือนตัวกลางยืดหยุ่น เวกเตอร์การกระจัด U สามารถประมาณได้จากสมการสมดุลอีลาสโตไดนามิก (เนเวียร์)75การแกว่งของโครงสร้างของเข็มทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันน้ำภายใน (ถือว่าคงที่ในแบบจำลองของเรา) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่คลื่นเสียงแพร่กระจายไปในทิศทางตามยาวของเข็ม โดยเป็นไปตามสมการของเฮล์มโฮลทซ์เป็นหลักท้ายที่สุด สมมติว่าผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นในเนื้อเยื่อไม่มีนัยสำคัญ และแอมพลิจูดของคลื่นเฉือนมีขนาดเล็กกว่าแอมพลิจูดของคลื่นความดันมาก สมการเฮล์มโฮลทซ์ยังสามารถใช้จำลองการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในเนื้อเยื่ออ่อนได้หลังจากการประมาณนี้ เนื้อเยื่อจะถือเป็นของเหลว77 ที่มีความหนาแน่น 1,000 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และความเร็วเสียง 1,540 เมตร/วินาที (โดยไม่สนใจผลกระทบที่ทำให้หมาด ๆ ขึ้นอยู่กับความถี่)ในการเชื่อมต่อสนามกายภาพทั้งสองนี้ จำเป็นต้องให้แน่ใจว่าการเคลื่อนไหวปกติที่ขอบเขตของของแข็งและของเหลวมีความต่อเนื่อง สมดุลสถิตระหว่างความดันและความเค้นที่ตั้งฉากกับขอบเขตของของแข็ง และความเค้นสัมผัสที่ขอบเขตของ ของเหลวจะต้องเท่ากับศูนย์75 .
ในการวิเคราะห์ของเรา เราตรวจสอบการแพร่กระจายของคลื่นเสียงตามเข็มภายใต้สภาวะที่อยู่นิ่ง โดยมุ่งเน้นไปที่อิทธิพลของรูปทรงของเข็มที่มีต่อการแผ่คลื่นภายในเนื้อเยื่อโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้ตรวจสอบอิทธิพลของเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของเข็ม D ความยาว L และมุมเอียง α โดยคงความหนา t ไว้ที่ 500 µm สำหรับทุกกรณีที่ศึกษาค่า t นี้ใกล้เคียงกับความหนาของผนังมาตรฐานทั่วไปที่ 71 สำหรับเข็มเชิงพาณิชย์
โดยไม่สูญเสียลักษณะทั่วไป ความถี่ f ของการกระจัดฮาร์มอนิกที่ใช้กับฐานของเข็มจะเท่ากับ 100 kHz และแอมพลิจูด A คือ 1 μmโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความถี่ถูกตั้งไว้ที่ 100 kHz ซึ่งสอดคล้องกับการประมาณการเชิงวิเคราะห์ที่ให้ไว้ในส่วน “การวิเคราะห์การกระเจิงของมวลเนื้องอกทรงกลมเพื่อประมาณความถี่อัลตราซาวนด์ที่ขึ้นกับการเจริญเติบโต” ซึ่งพบพฤติกรรมคล้ายการสั่นพ้องของมวลเนื้องอกใน ช่วงความถี่ 50–400 kHz โดยแอมพลิจูดการกระเจิงที่ใหญ่ที่สุดจะเข้มข้นที่ความถี่ต่ำกว่าประมาณ 100–200 kHz (ดูรูปที่ 2)
พารามิเตอร์แรกที่ศึกษาคือเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน D ของเข็มเพื่อความสะดวก จะกำหนดให้เป็นเศษส่วนจำนวนเต็มของความยาวคลื่นเสียงในช่องเข็ม (เช่น ในน้ำ แลมบ์ = 1.5 มม.)อันที่จริง ปรากฏการณ์ของการแพร่กระจายคลื่นในอุปกรณ์ที่มีคุณลักษณะทางเรขาคณิตที่กำหนด (เช่น ในท่อนำคลื่น) มักจะขึ้นอยู่กับขนาดลักษณะเฉพาะของเรขาคณิตที่ใช้ในการเปรียบเทียบกับความยาวคลื่นของคลื่นที่แพร่กระจายนอกจากนี้ ในการวิเคราะห์ครั้งแรก เพื่อที่จะเน้นผลกระทบของเส้นผ่านศูนย์กลาง D ที่มีต่อการแพร่กระจายของคลื่นเสียงผ่านเข็มได้ดีขึ้น เราจึงพิจารณาปลายแบน โดยตั้งค่ามุม α = 90°ในระหว่างการวิเคราะห์นี้ ความยาวของเข็ม L ถูกกำหนดไว้ที่ 70 มม.
บนรูป6a แสดงความเข้มของเสียงโดยเฉลี่ยเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์มาตราส่วนไร้มิติ SD เช่น D = แลมบ์ดา/SD ที่ประเมินในทรงกลมที่มีรัศมี 10 มม. โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ปลายเข็มที่สอดคล้องกันพารามิเตอร์การปรับขนาด SD เปลี่ยนจาก 2 เป็น 6 นั่นคือเราพิจารณาค่า D ที่มีค่าตั้งแต่ 7.5 มม. ถึง 2.5 มม. (ที่ f = 100 kHz)กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ยังรวมค่ามาตรฐานที่ 71 สำหรับเข็มทางการแพทย์ที่ทำจากสเตนเลสสตีลด้วยตามที่คาดไว้ เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของเข็มส่งผลต่อความเข้มของเสียงที่ปล่อยออกมาจากเข็ม โดยมีค่าสูงสุด (1030 W/m2) ซึ่งสอดคล้องกับ D = แลมบ์ดา/3 (เช่น D = 5 มม.) และแนวโน้มลดลงโดยลดลง เส้นผ่านศูนย์กลางควรคำนึงว่าเส้นผ่านศูนย์กลาง D เป็นพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่ส่งผลต่อการรุกรานของอุปกรณ์ทางการแพทย์ด้วย ดังนั้นจึงไม่สามารถละเลยประเด็นสำคัญนี้เมื่อเลือกค่าที่เหมาะสมที่สุดดังนั้น แม้ว่าการลดลงของ D จะเกิดขึ้นเนื่องจากการส่งผ่านความเข้มของเสียงในเนื้อเยื่อลดลง สำหรับการศึกษาต่อไปนี้ เส้นผ่านศูนย์กลาง D = แลมบ์ดา/5 เช่น D = 3 มม. (สอดคล้องกับมาตรฐาน 11G71 ที่ f = 100 kHz) ถือเป็นการประนีประนอมที่สมเหตุสมผลระหว่างการรบกวนอุปกรณ์และการส่งผ่านความเข้มของเสียง (โดยเฉลี่ยประมาณ 450 วัตต์/ตารางเมตร)
ความเข้มเฉลี่ยของเสียงที่ปล่อยออกมาจากปลายเข็ม (ถือว่าแบน) ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของเข็ม (a) ความยาว (b) และมุมเอียง α (c)ความยาวใน (a, c) คือ 90 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางใน (b, c) คือ 3 มม.
พารามิเตอร์ถัดไปที่จะวิเคราะห์คือความยาวของเข็ม L ตามกรณีศึกษาก่อนหน้านี้ เราจะพิจารณามุมเอียง α = 90° และความยาวจะถูกปรับขนาดเป็นผลคูณของความยาวคลื่นในน้ำ กล่าวคือ พิจารณา L = SL แลมบ์ดา .พารามิเตอร์สเกลไร้มิติ SL เปลี่ยนจาก 3 x 7 ดังนั้นประมาณความเข้มเฉลี่ยของเสียงที่ปล่อยออกมาจากปลายเข็มในช่วงความยาวตั้งแต่ 4.5 ถึง 10.5 มม.ช่วงนี้รวมค่าทั่วไปสำหรับเข็มเชิงพาณิชย์ผลลัพธ์จะแสดงในรูป6b แสดงให้เห็นว่าความยาวของเข็ม L มีอิทธิพลอย่างมากต่อการส่งผ่านความเข้มของเสียงในเนื้อเยื่อโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมที่สุดทำให้สามารถปรับปรุงการส่งสัญญาณตามลำดับความสำคัญได้ในความเป็นจริง ในช่วงความยาวที่วิเคราะห์ ความเข้มของเสียงโดยเฉลี่ยจะอยู่ที่ค่าสูงสุดเฉพาะที่ 3116 วัตต์/ตารางเมตร ที่ SL = 4 (เช่น L = 60 มม.) และอีกค่าหนึ่งสอดคล้องกับ SL = 6 (เช่น L = 90 มม.)
หลังจากวิเคราะห์อิทธิพลของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเข็มที่มีต่อการแพร่กระจายของอัลตราซาวนด์ในรูปทรงทรงกระบอก เราได้มุ่งเน้นไปที่อิทธิพลของมุมเอียงที่มีต่อการถ่ายทอดความเข้มของเสียงในเนื้อเยื่อความเข้มเฉลี่ยของเสียงที่เล็ดลอดออกมาจากปลายไฟเบอร์ได้รับการประเมินตามฟังก์ชันของมุม α โดยเปลี่ยนค่าจาก 10° (ปลายแหลม) เป็น 90° (ปลายแบน)ในกรณีนี้ รัศมีของทรงกลมที่รวมอยู่รอบปลายเข็มที่พิจารณาคือ 20 มม. ดังนั้นสำหรับค่าทั้งหมดของ α ปลายของเข็มจะรวมอยู่ในปริมาตรที่คำนวณจากค่าเฉลี่ย
ดังแสดงในรูป6c เมื่อปลายแหลมขึ้น กล่าวคือ เมื่อ α ลดลงโดยเริ่มจาก 90° ความเข้มของเสียงที่ส่งจะเพิ่มขึ้น จนถึงค่าสูงสุดประมาณ 1.5 × 105 W/m2 ซึ่งสอดคล้องกับ α = 50° เช่น 2 เป็นลำดับความสำคัญที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับสถานะแบนด้วยการลับปลายแหลมเพิ่มเติม (เช่น ที่ α ต่ำกว่า 50°) ความเข้มของเสียงก็มีแนวโน้มลดลง ซึ่งถึงค่าที่เทียบได้กับปลายแหลมที่แบนอย่างไรก็ตาม แม้ว่าเราจะพิจารณามุมเอียงที่หลากหลายสำหรับการจำลองของเรา แต่ก็คุ้มค่าที่จะพิจารณาว่าจำเป็นต้องลับปลายให้คมเพื่ออำนวยความสะดวกในการสอดเข็มเข้าไปในเนื้อเยื่อในความเป็นจริง มุมเอียงที่เล็กลง (ประมาณ 10°) สามารถลดแรง 78 ที่จำเป็นในการเจาะเนื้อเยื่อได้
นอกจากค่าของความเข้มของเสียงที่ส่งผ่านภายในเนื้อเยื่อแล้ว มุมเอียงยังส่งผลต่อทิศทางของการแพร่กระจายคลื่นอีกด้วย ดังที่แสดงในกราฟระดับความดันเสียงที่แสดงในรูปที่ 7a (สำหรับปลายแบน) และ 3b (สำหรับ 10° ).ปลายเอียง) ขนาน ทิศทางตามยาวได้รับการประเมินในระนาบสมมาตร (yz, cf. รูปที่ 5)ที่จุดสูงสุดของการพิจารณาทั้งสองข้อนี้ ระดับความดันเสียง (เรียกว่า 1 µPa) ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในโพรงเข็ม (เช่น ในน้ำ) และแผ่ออกไปในเนื้อเยื่อในรายละเอียดเพิ่มเติม ในกรณีของปลายแบน (รูปที่ 7a) การกระจายของระดับความดันเสียงจะสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบเมื่อเทียบกับทิศทางตามยาว และสามารถแยกแยะคลื่นนิ่งในน้ำที่เติมร่างกายได้คลื่นมีทิศทางตามยาว (แกน z) แอมพลิจูดจะถึงค่าสูงสุดในน้ำ (ประมาณ 240 dB) และลดลงตามขวาง ซึ่งนำไปสู่การลดทอนประมาณ 20 dB ที่ระยะห่าง 10 มม. จากศูนย์กลางของเข็มตามที่คาดไว้ การใช้ปลายแหลม (รูปที่ 7b) ทำลายความสมมาตรนี้ และแอนติโนดของคลื่นนิ่งจะ "เบี่ยงเบน" ตามปลายเข็มเห็นได้ชัดว่าความไม่สมดุลนี้ส่งผลต่อความเข้มของการแผ่รังสีของปลายเข็มตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้า (รูปที่ 6c)เพื่อให้เข้าใจแง่มุมนี้ได้ดีขึ้น ความเข้มของเสียงได้รับการประเมินตามแนวตัดตั้งฉากกับทิศทางตามยาวของเข็ม ซึ่งอยู่ในระนาบสมมาตรของเข็มและอยู่ที่ระยะ 10 มม. จากปลายเข็ม ( ผลลัพธ์ในรูปที่ 7c)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกระจายความเข้มของเสียงที่ประเมินที่มุมเอียง 10°, 20° และ 30° (เส้นทึบสีน้ำเงิน สีแดง และสีเขียว ตามลำดับ) ถูกนำมาเปรียบเทียบกับการกระจายใกล้ปลายแบน (เส้นโค้งประสีดำ)การกระจายความเข้มของเข็มที่มีปลายแบนดูเหมือนจะสมมาตรบริเวณศูนย์กลางเข็มโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ใช้ค่าประมาณ 1420 วัตต์/ตารางเมตรที่ศูนย์กลาง และไหลล้นประมาณ 300 วัตต์/ตารางเมตร ที่ระยะห่าง ~8 มม. จากนั้นจึงลดลงเป็นค่าประมาณ 170 วัตต์/ตารางเมตร ที่ ~30 มม. .เมื่อปลายแหลม กลีบกลางจะแบ่งออกเป็นกลีบที่มีความเข้มต่างกันมากขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อ α อยู่ที่ 30° สามารถแยกแยะกลีบสามกลีบได้อย่างชัดเจนในโปรไฟล์ที่วัดที่ 1 มม. จากปลายเข็มอันตรงกลางเกือบจะอยู่ตรงกลางเข็มและมีค่าประมาณ 1850 W / m2 และอันที่สูงกว่าทางด้านขวาจะอยู่ห่างจากศูนย์กลางประมาณ 19 มม. และถึง 2625 W / m2ที่ α = 20° จะมีกลีบหลัก 2 อัน: หนึ่งกลีบต่อ −12 มม. ที่ 1785 วัตต์/ม.2 และอีกหนึ่งกลีบต่อ 14 มม. ที่ 1524 วัตต์/ม.2เมื่อส่วนปลายคมขึ้นและทำมุมได้ 10° จะสูงถึง 817 W/m2 ที่ประมาณ -20 มม. และอีกสามแฉกที่มีความเข้มน้อยกว่าเล็กน้อยจะมองเห็นได้ตามแนวโปรไฟล์
ระดับความดันเสียงในระนาบสมมาตร y–z ของเข็มที่มีปลายแบน (a) และมุมเอียง 10° (b)(c) การกระจายความเข้มของเสียงโดยประมาณตามเส้นตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางตามยาวของเข็ม ที่ระยะห่าง 10 มม. จากปลายเข็มและอยู่ในระนาบสมมาตร yzความยาว L คือ 70 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง D คือ 3 มม.
เมื่อนำมารวมกัน ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเข็มทางการแพทย์สามารถนำมาใช้ส่งคลื่นอัลตราซาวนด์ที่ 100 kHz ไปยังเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพความเข้มของเสียงที่ปล่อยออกมานั้นขึ้นอยู่กับรูปทรงของเข็มและสามารถปรับให้เหมาะสมได้ (ขึ้นอยู่กับข้อจำกัดที่กำหนดโดยการรุกรานของอุปกรณ์ปลายทาง) จนถึงค่าในช่วง 1,000 W/m2 (ที่ 10 มม.)นำไปใช้กับด้านล่างของเข็ม 1 ในกรณีของการชดเชยไมโครเมตรจะถือว่าเข็มถูกสอดเข้าไปในเนื้อเยื่ออ่อนที่ขยายอย่างไม่สิ้นสุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งมุมเอียงส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเข้มและทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในเนื้อเยื่อซึ่งส่วนใหญ่จะนำไปสู่ความเป็นมุมฉากของการตัดปลายเข็ม
เพื่อสนับสนุนการพัฒนากลยุทธ์การรักษาเนื้องอกแบบใหม่โดยใช้เทคนิคทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน การแพร่กระจายของอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำในสภาพแวดล้อมของเนื้องอกได้รับการวิเคราะห์ในเชิงวิเคราะห์และคำนวณโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนแรกของการศึกษา สารละลายอีลาสโตไดนามิกชั่วคราวช่วยให้เราสามารถศึกษาการกระเจิงของคลื่นอัลตราโซนิกในก้อนเนื้องอกทรงกลมที่มีขนาดและความแข็งที่ทราบ เพื่อศึกษาความไวของความถี่ของมวลจากนั้น เลือกความถี่ในลำดับหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ และการประยุกต์ใช้ความเครียดจากแรงสั่นสะเทือนในท้องถิ่นในสภาพแวดล้อมของเนื้องอกโดยใช้ไดรฟ์เข็มทางการแพทย์ได้รับการสร้างแบบจำลองในการจำลองเชิงตัวเลขโดยการศึกษาอิทธิพลของพารามิเตอร์การออกแบบหลักที่กำหนดการถ่ายโอนของเสียง พลังของเครื่องมือต่อสิ่งแวดล้อมผลการวิจัยพบว่าเข็มทางการแพทย์สามารถนำมาใช้ในการฉายรังสีเนื้อเยื่อด้วยอัลตราซาวนด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และความเข้มของเข็มนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของเข็ม ที่เรียกว่าความยาวคลื่นเสียงที่ทำงานในความเป็นจริง ความเข้มของการฉายรังสีผ่านเนื้อเยื่อจะเพิ่มขึ้นตามเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเข็มที่เพิ่มขึ้น โดยจะถึงระดับสูงสุดเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นสามเท่าของความยาวคลื่นความยาวของเข็มยังให้อิสระในระดับหนึ่งในการปรับการรับแสงให้เหมาะสมที่สุดผลลัพธ์หลังจะถูกขยายให้ใหญ่สุดอย่างแน่นอนเมื่อตั้งค่าความยาวของเข็มเป็นทวีคูณของความยาวคลื่นปฏิบัติการ (โดยเฉพาะ 4 และ 6)สิ่งที่น่าสนใจคือสำหรับช่วงความถี่ที่สนใจ ค่าเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมจะใกล้เคียงกับค่าที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเข็มมาตรฐานเชิงพาณิชย์มุมเอียงซึ่งกำหนดความคมของเข็มก็ส่งผลต่อการแผ่รังสีเช่นกัน โดยมีจุดสูงสุดที่ประมาณ 50° และให้ประสิทธิภาพที่ดีที่ประมาณ 10° ซึ่งมักใช้สำหรับเข็มเชิงพาณิชย์-ผลการจำลองจะถูกใช้เป็นแนวทางในการนำไปใช้และเพิ่มประสิทธิภาพแพลตฟอร์มการวินิจฉัยภายในเข็มของโรงพยาบาล โดยบูรณาการอัลตราซาวนด์เพื่อการวินิจฉัยและการรักษา เข้ากับโซลูชันการรักษาอื่นๆ ในอุปกรณ์ และตระหนักถึงการแทรกแซงทางการแพทย์ที่มีความแม่นยำโดยอาศัยความร่วมมือ
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. และ Kopp MV ยาที่แม่นยำคืออะไร?ยูโร, ต่างประเทศ.วารสาร 50, 1700391 (2017)
Collins, FS และ Varmus, H. ความคิดริเริ่มใหม่ในการแพทย์แม่นยำเอ็นอังกฤษเจ. แพทยศาสตร์.372, 793–795 (2015)
Hsu, W., Markey, MK และ Wang, MDสารสนเทศด้านการถ่ายภาพชีวการแพทย์ในยุคการแพทย์แม่นยำ: ความสำเร็จ ความท้าทาย และโอกาสแยม.ยา.แจ้ง.ผู้ช่วยศาสตราจารย์.20(6), 1010–1013 (2013)
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision oncology: บทวิจารณ์เจคลินิก.อองคอล.31 ก.ค. 1803–1805 (2013)
Wiwatchaitawee, K. , Quarterman, J. , Geary, S. , และ Salem, A. การปรับปรุงการรักษาด้วย glioblastoma (GBM) โดยใช้ระบบการนำส่งที่ใช้อนุภาคนาโนAAPS PharmSciTech 22, 71 (2021)
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G และ von Daimling A. Glioblastoma: พยาธิวิทยา, กลไกระดับโมเลกุลและเครื่องหมายแอคต้าประสาทวิทยา129(6), 829–848 (2015)
Bush, NAO, Chang, SM และ Berger, MS กลยุทธ์ในปัจจุบันและอนาคตสำหรับการรักษาโรคเนื้องอกในสมองศัลยกรรมระบบประสาทเอ็ด40, 1–14 (2017)