Grazzi talli żort Nature.com.Qed tuża verżjoni tal-browser b'appoġġ limitat CSS.Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibbiltà fl-Internet Explorer).Barra minn hekk, biex niżguraw appoġġ kontinwu, aħna nuru s-sit mingħajr stili u JavaScript.
Sliders li juru tliet artikoli għal kull slide.Uża l-buttuni ta 'wara u li jmiss biex timxi permezz tal-pjastri, jew il-buttuni tal-kontrollur tas-slajds fl-aħħar biex tiċċaqlaq minn kull slide.
Ibbażat fuq l-intersezzjoni interdixxiplinarja tal-fiżika u x-xjenzi tal-ħajja, strateġiji dijanjostiċi u terapewtiċi bbażati fuq mediċina ta 'preċiżjoni reċentement ġibdu attenzjoni konsiderevoli minħabba l-applikabilità prattika ta' metodi ġodda ta 'inġinerija f'ħafna oqsma tal-mediċina, speċjalment fl-onkoloġija.F'dan il-qafas, l-użu tal-ultrasound biex jattakka ċ-ċelloli tal-kanċer fit-tumuri sabiex jikkawża ħsara mekkanika possibbli fuq skali varji qed jiġbed l-attenzjoni dejjem akbar minn xjenzati madwar id-dinja.B'kont meħud ta 'dawn il-fatturi, ibbażati fuq soluzzjonijiet ta' ħin elastodinamiċi u simulazzjonijiet numeriċi, aħna nippreżentaw studju preliminari ta 'simulazzjoni bil-kompjuter tal-propagazzjoni tal-ultrasound fit-tessuti sabiex jintgħażlu frekwenzi u poteri xierqa permezz ta' irradjazzjoni lokali.Pjattaforma dijanjostika ġdida għat-teknoloġija tal-laboratorju On-Fiber, imsejħa l-labra tal-isptar u diġà privattiva.Huwa maħsub li r-riżultati tal-analiżi u l-għarfien bijofiżiku relatat jistgħu jwittu t-triq għal approċċi dijanjostiċi u terapewtiċi integrati ġodda li jista 'jkollhom rwol ċentrali fl-applikazzjoni tal-mediċina ta' preċiżjoni fil-futur, billi jieħdu mill-oqsma tal-fiżika.Qed tibda sinerġija dejjem tikber bejn il-bijoloġija.
Bl-ottimizzazzjoni ta 'numru kbir ta' applikazzjonijiet kliniċi, il-ħtieġa li jitnaqqsu l-effetti sekondarji fuq il-pazjenti bdiet titfaċċa gradwalment.Għal dan il-għan, il-mediċina ta 'preċiżjoni1, 2, 3, 4, 5 saret mira strateġika biex titnaqqas id-doża ta' mediċini mogħtija lill-pazjenti, essenzjalment wara żewġ approċċi ewlenin.L-ewwel hija bbażata fuq trattament iddisinjat skont il-profil ġenomiku tal-pazjent.It-tieni, li qed isir l-istandard tad-deheb fl-onkoloġija, għandu l-għan li jevita proċeduri sistemiċi ta 'konsenja tad-droga billi jipprova jirrilaxxa ammont żgħir ta' droga, filwaqt li fl-istess ħin iżżid l-eżattezza permezz tal-użu ta 'terapija lokali.L-għan aħħari huwa li jiġu eliminati jew għall-inqas jimminimizzaw l-effetti negattivi ta 'ħafna approċċi terapewtiċi, bħall-kimoterapija jew l-amministrazzjoni sistemika ta' radjonuklidi.Skont it-tip ta 'kanċer, il-post, id-doża tar-radjazzjoni, u fatturi oħra, anke t-terapija bir-radjazzjoni jista' jkollha riskju inerenti għoli għal tessut b'saħħtu.Fit-trattament tal-glioblastoma6,7,8,9 kirurġija tneħħi b'suċċess il-kanċer sottostanti, iżda anke fin-nuqqas ta 'metastasi, ħafna infiltrati kanċeroġeni żgħar jistgħu jkunu preżenti.Jekk ma jitneħħewx kompletament, mases kanċeroġeni ġodda jistgħu jikbru f'perjodu ta 'żmien relattivament qasir.F'dan il-kuntest, l-istrateġiji tal-mediċina ta 'preċiżjoni msemmija hawn fuq huma diffiċli biex jiġu applikati minħabba li dawn l-infiltrati huma diffiċli biex jinstabu u jinfirxu fuq żona kbira.Dawn l-ostakli jipprevjenu riżultati definittivi fil-prevenzjoni ta 'kwalunkwe rikorrenza b'mediċina ta' preċiżjoni, għalhekk metodi ta 'kunsinna sistemiċi huma ppreferuti f'xi każijiet, għalkemm il-mediċini użati jista' jkollhom livelli għoljin ħafna ta 'tossiċità.Biex tingħeleb din il-problema, l-approċċ ta 'trattament ideali jkun li jintużaw strateġiji minimament invażivi li jistgħu jattakkaw b'mod selettiv iċ-ċelloli tal-kanċer mingħajr ma jaffettwaw tessut b'saħħtu.Fid-dawl ta 'dan l-argument, l-użu ta' vibrazzjonijiet ultrasoniċi, li ntwera li jaffettwaw ċelluli kanċeroġeni u b'saħħithom b'mod differenti, kemm f'sistemi uniċellulari kif ukoll f'raggruppamenti eteroġenji tal-mesoscale, jidher bħala soluzzjoni possibbli.
Mil-lat mekkanistiku, ċelluli b'saħħithom u kanċeroġeni fil-fatt għandhom frekwenzi reżonanti naturali differenti.Din il-proprjetà hija assoċjata ma 'bidliet onkoġeniċi fil-proprjetajiet mekkaniċi tal-istruttura ċitoskeletali taċ-ċelloli tal-kanċer12,13, filwaqt li ċ-ċelloli tat-tumur huma, bħala medja, aktar deformabbli minn ċelloli normali.Għalhekk, b'għażla ottima ta 'frekwenza ultrasound għall-istimulazzjoni, vibrazzjonijiet indotti f'żoni magħżula jistgħu jikkawżaw ħsara lill-istrutturi kanċeroġeni ħajjin, u jimminimizzaw l-impatt fuq l-ambjent b'saħħtu tal-ospitant.Dawn l-effetti li għadhom mhux mifhuma bis-sħiħ jistgħu jinkludu qerda ta' ċerti komponenti strutturali ċellulari minħabba vibrazzjonijiet ta' frekwenza għolja indotti mill-ultrasound (fil-prinċipju simili ħafna għal-lithotripsy14) u ħsara ċellulari minħabba fenomenu simili għall-għeja mekkanika, li mbagħad tista' tbiddel l-istruttura ċellulari. .l-ipprogrammar u l-mekkaniknobijoloġija.Għalkemm din is-soluzzjoni teoretika tidher li hija adattata ħafna, sfortunatament ma tistax tintuża f'każijiet fejn strutturi bijoloġiċi anekoiċi jipprevjenu l-applikazzjoni diretta tal-ultrasound, pereżempju, f'applikazzjonijiet intrakranjali minħabba l-preżenza ta 'għadam, u xi mases tat-tumur tas-sider jinsabu f'xaħmi. tessut.L-attenwazzjoni tista' tillimita s-sit ta' effett terapewtiku potenzjali.Biex jingħelbu dawn il-problemi, l-ultrasound għandu jiġi applikat lokalment bi transducers iddisinjati apposta li jistgħu jilħqu s-sit irradjat bl-inqas invażiv possibbli.B’dan f’moħħna, ikkunsidrajna l-possibbiltà li nużaw ideat relatati mal-possibbiltà li tinħoloq pjattaforma teknoloġika innovattiva msejħa “l-isptar tal-labra”15.Il-kunċett "Isptar fil-Labra" jinvolvi l-iżvilupp ta 'strument mediku minimament invażiv għal applikazzjonijiet dijanjostiċi u terapewtiċi, ibbażat fuq il-kombinazzjoni ta' diversi funzjonijiet f'labra medika waħda.Kif diskuss f'aktar dettall fit-taqsima tal-Labra tal-Isptar, dan l-apparat kompatt huwa primarjament ibbażat fuq il-vantaġġi ta '16, 17, 18, 19, 20, 21 sondi tal-fibra ottika, li, minħabba l-karatteristiċi tagħhom, huma adattati biex jiddaħħlu fl-istandard 20 labar mediċi, 22 lumens.Bl-ingranaġġ tal-flessibbiltà mogħtija mit-teknoloġija Lab-on-Fiber (LOF)23, il-fibra effettivament qed issir pjattaforma unika għal apparati dijanjostiċi u terapewtiċi minjaturizzati u lesti għall-użu, inklużi apparati ta 'bijopsija fluwidu u bijopsija tat-tessuti.fl-iskoperta bijomolekulari24,25, konsenja tad-droga lokali iggwidata bid-dawl26,27, immaġni bl-ultrasound lokali ta 'preċiżjoni għolja28, terapija termali29,30 u identifikazzjoni tat-tessut tal-kanċer ibbażata fuq spettroskopija31.Fi ħdan dan il-kunċett, bl-użu ta 'approċċ ta' lokalizzazzjoni bbażat fuq l-apparat "labra fl-isptar", ninvestigaw il-possibbiltà li ntejbu l-istimulazzjoni lokali ta 'strutturi bijoloġiċi residenti billi nużaw il-propagazzjoni ta' mewġ ultrasound permezz ta 'labar biex teċita mewġ ultrasound fir-reġjun ta' interess..Għalhekk, ultrasound terapewtiku b'intensità baxxa jista 'jiġi applikat direttament għaż-żona ta' riskju b'invażività minima għal ċelluli sonicating u formazzjonijiet solidi żgħar f'tessuti rotob, bħal fil-każ tal-kirurġija intrakranjali msemmija hawn fuq, toqba żgħira fil-kranju għandha tiddaħħal b' labra.Ispirat minn riżultati teoretiċi u sperimentali reċenti li jissuġġerixxu li l-ultrasound jista 'jwaqqaf jew jittardja l-iżvilupp ta' ċerti kanċers,32,33,34 l-approċċ propost jista 'jgħin biex jindirizza, għall-inqas fil-prinċipju, il-kompromessi ewlenin bejn l-effetti aggressivi u kurattivi.B'dawn il-kunsiderazzjonijiet f'moħħna, fid-dokument preżenti, ninvestigaw il-possibbiltà li nużaw apparat tal-labra fl-isptar għal terapija bl-ultrasound minimament invażiva għall-kanċer.B'mod aktar preċiż, fit-taqsima tal-Analiżi tat-Tferrix tal-Masses tat-Tumur Sferiku għall-Istima tal-Frekwenza tal-Ultrasound dipendenti mit-Tkabbir, nużaw metodi elastodinamiċi stabbiliti sew u teorija tat-tifrix akustiku biex inbassru d-daqs ta 'tumuri solidi sferiċi mkabbra f'medja elastika.ebusija li sseħħ bejn it-tumur u t-tessut ospitanti minħabba remodeling tal-materjal ikkawżat mit-tkabbir.Wara li ddeskrivejna s-sistema tagħna, li nsejħu s-sezzjoni "Isptar fil-Labra", fit-taqsima "Isptar fil-Labra", aħna nanalizzaw il-propagazzjoni ta 'mewġ ultrasoniku permezz ta' labar mediċi fil-frekwenzi mbassra u l-mudell numeriku tagħhom irradja l-ambjent għall-istudju il-parametri ġeometriċi ewlenin (id-dijametru intern attwali, it-tul u l-sharpness tal-labra), li jaffettwaw it-trażmissjoni tal-qawwa akustika tal-istrument.Minħabba l-ħtieġa li jiġu żviluppati strateġiji ta 'inġinerija ġodda għall-mediċina ta' preċiżjoni, huwa maħsub li l-istudju propost jista 'jgħin biex tiġi żviluppata għodda ġdida għat-trattament tal-kanċer ibbażata fuq l-użu ta' ultrasound mogħtija permezz ta 'pjattaforma teragnostika integrata li tintegra l-ultrasound ma' soluzzjonijiet oħra.Magħquda, bħal kunsinna mmirata tad-droga u dijanjostika f'ħin reali fi ħdan labra waħda.
L-effettività li tipprovdi strateġiji mekkanistiċi għat-trattament ta 'tumuri solidi lokalizzati bl-użu ta' stimulazzjoni ultrasonika (ultrasound) kienet l-għan ta 'diversi dokumenti li jittrattaw kemm teoretikament kif ukoll b'mod sperimentali l-effett ta' vibrazzjonijiet ultrasoniċi ta 'intensità baxxa fuq sistemi ta' ċellula waħda 10, 11, 12. , 32, 33, 34, 35, 36 Bl-użu ta 'mudelli viscoelastiċi, diversi investigaturi wrew b'mod analitiku li ċelluli tat-tumur u b'saħħithom juru reazzjonijiet ta' frekwenza differenti kkaratterizzati minn qċaċet reżonanti distinti fil-medda US 10,11,12.Dan ir-riżultat jissuġġerixxi li, fil-prinċipju, iċ-ċelloli tat-tumur jistgħu jiġu attakkati b'mod selettiv minn stimuli mekkaniċi li jippreservaw l-ambjent ospitanti.Din l-imġieba hija konsegwenza diretta ta 'evidenza ewlenija li, fil-biċċa l-kbira tal-każijiet, iċ-ċelluli tat-tumur huma aktar malleabbli minn ċelloli b'saħħithom, possibbilment biex itejbu l-kapaċità tagħhom li jipproliferaw u jemigraw37,38,39,40.Ibbażat fuq ir-riżultati miksuba b'mudelli ta' ċellula waħda, eż. fil-mikroskala, is-selettività taċ-ċelluli tal-kanċer intweriet ukoll fil-mesoskala permezz ta' studji numeriċi tar-risponsi armoniċi ta' aggregati ta' ċelluli eteroġenji.Li jipprovdu persentaġġ differenti ta 'ċelluli tal-kanċer u ċelluli b'saħħithom, aggregati multiċellulari mijiet ta' mikrometri fid-daqs inbnew b'mod ġerarkiku.Fil-mesolevel ta 'dawn l-aggregati, xi karatteristiċi mikroskopiċi ta' interess huma ppreservati minħabba l-implimentazzjoni diretta tal-elementi strutturali ewlenin li jikkaratterizzaw l-imġieba mekkanika ta 'ċelloli singoli.B'mod partikolari, kull ċellula tuża arkitettura bbażata fuq it-tensegrity biex timita r-rispons ta 'diversi strutturi ċitoskeletali prestressed, u b'hekk taffettwa l-ebusija ġenerali tagħhom12,13.Tbassir teoretiku u esperimenti in vitro tal-letteratura ta 'hawn fuq taw riżultati inkoraġġanti, li jindikaw il-ħtieġa li tiġi studjata s-sensittività tal-mases tat-tumur għal ultrasound terapewtiku ta' intensità baxxa (LITUS), u l-valutazzjoni tal-frekwenza tal-irradjazzjoni tal-mases tat-tumur hija kruċjali.pożizzjoni LITUS għal applikazzjoni fuq il-post.
Madankollu, fil-livell tat-tessut, id-deskrizzjoni submakroskopika tal-komponent individwali tintilef inevitabbilment, u l-proprjetajiet tat-tessut tat-tumur jistgħu jiġu rintraċċati bl-użu ta 'metodi sekwenzjali biex jittraċċaw it-tkabbir tal-massa u l-proċessi ta' remodeling indotti mill-istress, b'kont meħud tal-effetti makroskopiċi ta ' tkabbir.-bidliet indotti fl-elastiċità tat-tessuti fuq skala ta '41.42.Tabilħaqq, b'differenza minn sistemi uniċellulari u aggregati, mases ta 'tumur solidu jikbru f'tessuti rotob minħabba l-akkumulazzjoni gradwali ta' stress residwu aberranti, li jibdlu l-proprjetajiet mekkaniċi naturali minħabba żieda fir-riġidità intratumorali ġenerali, u l-isklerożi tat-tumur ħafna drabi ssir fattur determinanti fil- sejbien tat-tumur.
B'dawn il-kunsiderazzjonijiet f'moħħna, hawnhekk aħna nanalizzaw ir-rispons sonodinamiku ta 'spherojdi tat-tumur immudellati bħala inklużjonijiet sferiċi elastiċi li qed jikbru f'ambjent normali tat-tessut.B'mod aktar preċiż, il-proprjetajiet elastiċi assoċjati mal-istadju tat-tumur ġew determinati abbażi tar-riżultati teoretiċi u sperimentali miksuba minn xi awturi f'xogħol preċedenti.Fosthom, l-evoluzzjoni ta 'spherojdi tat-tumur solidi mkabbra in vivo f'midja eteroġenja ġiet studjata bl-applikazzjoni ta' mudelli mekkaniċi mhux lineari 41,43,44 flimkien ma 'dinamika ta' interspeċi biex tbassar l-iżvilupp ta 'mases tat-tumur u stress intratumorali assoċjat.Kif imsemmi hawn fuq, it-tkabbir (eż., prestretch inelastiku) u stress residwu jikkawżaw remodeling progressiv tal-proprjetajiet tal-materjal tat-tumur, u b'hekk jibdlu wkoll ir-rispons akustiku tiegħu.Huwa importanti li wieħed jinnota li fir-ref.41 il-ko-evoluzzjoni tat-tkabbir u l-istress solidu fit-tumuri intweriet f'kampanji sperimentali f'mudelli tal-annimali.B'mod partikolari, paragun tal-ebusija tal-mases tat-tumur tas-sider resected fi stadji differenti mal-ebusija miksuba bir-riproduzzjoni ta' kundizzjonijiet simili in silico fuq mudell ta' elementi finiti sferiċi bl-istess dimensjonijiet u b'kont meħud tal-kamp ta' stress residwu previst ikkonferma l-metodu propost ta' validità tal-mudell..F'dan ix-xogħol, riżultati teoretiċi u sperimentali miksuba qabel jintużaw biex tiġi żviluppata strateġija terapewtika żviluppata ġdida.B'mod partikolari, hawn ġew ikkalkulati daqsijiet imbassra bi proprjetajiet ta 'reżistenza evoluzzjonarja korrispondenti, li għalhekk intużaw biex jistmaw il-firxiet ta' frekwenza li għalihom il-mases tat-tumur inkorporati fl-ambjent ospitanti huma aktar sensittivi.Għal dan il-għan, aħna għalhekk investigajna l-imġieba dinamika tal-massa tat-tumur fi stadji differenti, meħuda fi stadji differenti, b'kont meħud tal-indikaturi akustiċi skont il-prinċipju ġeneralment aċċettat tat-tifrix b'reazzjoni għal stimuli ultrasoniċi u enfasizzat fenomeni reżonanti possibbli tal-isferojde .jiddependi fuq tumur u ospitanti Differenzi dipendenti fuq it-Tkabbir fl-ebusija bejn it-tessuti.
Għalhekk, il-mases tat-tumur ġew immudellati bħala sferi elastiċi ta 'raġġ \(a\) fl-ambjent elastiku tal-madwar tal-ospitant ibbażat fuq data sperimentali li turi kif strutturi malinni goffi jikbru in situ f'forom sferiċi.B'referenza għall-Figura 1, bl-użu tal-koordinati sferiċi \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (fejn \(\theta\) u \(\varphi\) jirrappreżentaw l-angolu tal-anomalija u l-angolu tal-ażimut rispettivament), il- dominju tat-tumur jokkupa Reġjun inkorporat fl-ispazju b'saħħtu \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) reġjun bla limitu \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).B'referenza għall-Informazzjoni Supplimentari (SI) għal deskrizzjoni sħiħa tal-mudell matematiku bbażat fuq il-bażi elastodinamika stabbilita sew irrappurtata f'ħafna letteratura45,46,47,48, aħna nqisu hawn problema kkaratterizzata minn mod ta 'oxxillazzjoni assisimetrika.Din is-suppożizzjoni timplika li l-varjabbli kollha fi ħdan it-tumur u ż-żoni b'saħħithom huma indipendenti mill-koordinat ażimutali \(\varphi\) u li ma sseħħ l-ebda distorsjoni f'din id-direzzjoni.Konsegwentement, il-kampijiet tal-ispostament u tal-istress jistgħu jinkisbu minn żewġ potenzjali skalari \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) u \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , huma rispettivament relatati ma' mewġa lonġitudinali u mewġa ta' shear, il-ħin ta' koinċidenza t bejn iż-żieda \(\theta \) u l-angolu bejn id-direzzjoni tal-mewġa inċidentali u l-vettur tal-pożizzjoni \({\mathbf {x))\) ( kif muri fil-figura 1) u \(\omega = 2\pi f\) tirrappreżenta l-frekwenza angolari.B'mod partikolari, il-kamp ta' l-inċident huwa mmudellat mill-mewġa pjan \(\phi_{H}^{(in)}\) (introdotta wkoll fis-sistema SI, fl-ekwazzjoni (A.9)) li tippropaga fil-volum tal-ġisem skond l-espressjoni tal-liġi
fejn \(\phi_{0}\) huwa l-parametru tal-amplitudni.L-espansjoni sferika ta 'mewġa pjan inċidentali (1) bl-użu ta' funzjoni ta 'mewġ sferiku hija l-argument standard:
Fejn \(j_{n}\) hija l-funzjoni sferika ta' Bessel ta' l-ewwel tip ta' ordni \(n\), u \(P_{n}\) hija l-polinomju ta' Legendre.Parti mill-mewġa inċidentali tal-isfera tal-investiment hija mxerrda fil-medju tal-madwar u tikkoinċidi l-qasam tal-inċident, filwaqt li l-parti l-oħra hija mxerrda ġewwa l-isfera, li tikkontribwixxi għall-vibrazzjoni tagħha.Biex tagħmel dan, is-soluzzjonijiet armoniċi tal-ekwazzjoni tal-mewġ \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) u \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), ipprovdut pereżempju minn Eringen45 (ara wkoll SI ) jistgħu jindikaw tumur u żoni b'saħħithom.B'mod partikolari, mewġ ta' espansjoni mxerrda u mewġ isovolumiċi ġġenerati fil-mezz ospitanti \(H\) jammettu l-enerġiji potenzjali rispettivi tagħhom:
Fosthom, il-funzjoni Hankel sferika tal-ewwel tip \(h_{n}^{(1)}\) tintuża biex tikkunsidra l-mewġa mxerrda ħierġa, u \(\alpha_{n}\) u \(\beta_{ n}\ ) huma l-koeffiċjenti mhux magħrufa.fl-ekwazzjoni.Fl-ekwazzjonijiet (2)–(4), it-termini \(k_{H1}\) u \(k_{H2}\) jindikaw in-numri tal-mewġ ta 'rarefazzjoni u mewġ trasversali fiż-żona ewlenija tal-ġisem, rispettivament ( ara SI).L-oqsma tal-kompressjoni ġewwa t-tumur u ċ-ċaqliq għandhom il-forma
Fejn \(k_{T1}\) u \(k_{T2}\) jirrappreżentaw in-numri tal-mewġ lonġitudinali u trasversali fir-reġjun tat-tumur, u l-koeffiċjenti mhux magħrufa huma \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Abbażi ta' dawn ir-riżultati, komponenti ta' spostament radjali u ċirkonferenzjali mhux żero huma karatteristiċi ta' reġjuni b'saħħithom fil-problema taħt konsiderazzjoni, bħal \(u_{Hr}\) u \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) is-suppożizzjoni tas-simetrija m'għadhiex meħtieġa) — tista' tinkiseb mir-relazzjoni \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) u \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) billi tifforma \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) u \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (ara SI għal derivazzjoni matematika dettaljata).Bl-istess mod, is-sostituzzjoni ta' \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) u \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) tirritorna {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) u \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Xellug) Ġeometrija ta 'tumur sferiku mkabbar f'ambjent b'saħħtu li minnu jinfirex qasam inċidentali, (lemin) Evoluzzjoni korrispondenti tal-proporzjon ta' ebusija tat-tumur-host bħala funzjoni tar-raġġ tat-tumur, dejta rrappurtata (adattata minn Carotenuto et al. 41) minn testijiet tal-kompressjoni vitro nkisbu minn tumuri solidi tas-sider inokulati b'ċelluli MDA-MB-231.
Jekk wieħed jassumi materjali elastiċi u iżotropiċi lineari, il-komponenti ta' stress mhux żero fir-reġjuni b'saħħithom u tat-tumur, jiġifieri \(\sigma_{Hpq}\) u \(\sigma_{Tpq}\) - jobdu l-liġi ġeneralizzata ta' Hooke, peress li hemm huma moduli differenti ta' Lamé, li jikkaratterizzaw l-elastiċità tal-host u tat-tumur, indikati bħala \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) u \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (ara l-Ekwazzjoni (A.11) għall-espressjoni sħiħa tal-komponenti tal-istress rappreżentati f'SI).B'mod partikolari, skont id-dejta f'referenza 41 u ppreżentata fil-Figura 1, tumuri li qed jikbru wrew bidla fil-kostanti tal-elastiċità tat-tessut.Għalhekk, l-ispostamenti u l-istress fir-reġjuni ospitanti u tat-tumur huma determinati kompletament sa sett ta' kostanti mhux magħrufa \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) għandu dimensjonijiet teoretikament infiniti.Biex jinstabu dawn il-vettori tal-koeffiċjent, huma introdotti interfaces xierqa u kundizzjonijiet tal-konfini bejn it-tumur u ż-żoni b'saħħithom.Jekk wieħed jassumi rabta perfetta fl-interface tat-tumur-host \(r = a\), il-kontinwità tal-ispostamenti u l-istress teħtieġ il-kundizzjonijiet li ġejjin:
Is-sistema (7) tifforma sistema ta' ekwazzjonijiet b'soluzzjonijiet infiniti.Barra minn hekk, kull kundizzjoni tal-konfini se tiddependi fuq l-anomalija \(\theta\).Biex titnaqqas il-problema tal-valur tal-konfini għal problema alġebrin kompluta b'\(N\) settijiet ta' sistemi magħluqa, li kull waħda minnhom tkun fil-forma mhux magħrufa \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (bi \ ( N \ sa \infty \), teoretikament), u biex tiġi eliminata d-dipendenza tal-ekwazzjonijiet fuq it-termini trigonometriċi, il-kundizzjonijiet tal-interface jinkitbu f'forma dgħajfa bl-użu tal-ortogonalità tal-polinomji ta' Legendre.B'mod partikolari, l-ekwazzjoni (7)1,2 u (7)3,4 huma mmultiplikati bi \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) u \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) u mbagħad integra bejn \(0\) u \(\pi\) billi tuża identitajiet matematiċi:
Għalhekk, il-kundizzjoni tal-interface (7) tirritorna sistema ta' ekwazzjonijiet alġebrin kwadratiċi, li tista' tiġi espressa f'forma ta' matriċi bħala \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) u ħu l-mhux magħruf \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) billi ssolvi r-regola ta' Cramer .
Biex tiġi stmata l-fluss ta 'enerġija mxerrda mill-isfera u tikseb informazzjoni dwar ir-rispons akustiku tagħha bbażata fuq data dwar il-kamp imxerred li jippropaga fil-mezz ospitanti, kwantità akustika hija ta' interess, li hija sezzjoni trasversali ta 'tifrix bistatika normalizzata.B'mod partikolari, is-sezzjoni trasversali tat-tifrix, denotata \(s), tesprimi l-proporzjon bejn il-qawwa akustika trażmessa mis-sinjal imxerred u d-diviżjoni tal-enerġija li tinġarr mill-mewġa inċidentali.F'dan ir-rigward, il-kobor tal-funzjoni tal-forma \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) hija kwantità użata ta' spiss fl-istudju ta' mekkaniżmi akustiċi inkorporat f'likwidu jew solidu Tixrid ta' oġġetti fis-sediment.B'mod aktar preċiż, l-amplitudni tal-funzjoni tal-forma hija definita bħala s-sezzjoni trasversali tat-tifrix differenzjali \(ds\) għal kull unità ta 'żona, li tvarja bin-normal għad-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-mewġa inċidentali:
fejn \(f_{n}^{pp}\) u \(f_{n}^{ps}\) jindikaw il-funzjoni modali, li tirreferi għall-proporzjon tas-setgħat tal-mewġ lonġitudinali u l-mewġa mxerrda relattiva għall- mewġa P inċidentali fil-mezz riċevitur, rispettivament, jingħataw bl-espressjonijiet li ġejjin:
Funzjonijiet tal-mewġ parzjali (10) jistgħu jiġu studjati b'mod indipendenti skont it-teorija tat-tifrix reżonanti (RST)49,50,51,52, li tagħmilha possibbli li tissepara l-elastiċità fil-mira mill-qasam totali mitluf meta jiġu studjati modi differenti.Skont dan il-metodu, il-funzjoni tal-forma modali tista' tiġi dekomposta f'somma ta' żewġ partijiet indaqs, jiġifieri \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) huma relatati mal-amplitudnijiet tal-isfond reżonanti u mhux reżonanti, rispettivament.Il-funzjoni tal-forma tal-modalità reżonanti hija relatata mar-rispons tal-mira, filwaqt li l-isfond normalment ikun relatat mal-forma tal-isprejer.Biex tiskopri l-ewwel formant tal-mira għal kull modalità, l-amplitudni tal-funzjoni tal-forma tar-reżonanza modali \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) huwa kkalkulat billi jassumi sfond iebes, li jikkonsisti minn sferi impenetrabbli f'materjal li jospita elastiku.Din l-ipoteżi hija motivata mill-fatt li, b'mod ġenerali, kemm l-ebusija kif ukoll id-densità jiżdiedu bit-tkabbir tal-massa tat-tumur minħabba l-istress kompressiv residwu.Għalhekk, f'livell sever ta 'tkabbir, il-proporzjon ta' impedenza \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) huwa mistenni li jkun akbar minn 1 għall-biċċa l-kbira tat-tumuri solidi makroskopiċi li qed jiżviluppaw f'artab. tessuti.Per eżempju, Krouskop et al.53 irrappurtaw proporzjon ta 'kanċeru modulu normali ta' madwar 4 għat-tessut tal-prostata, filwaqt li dan il-valur żdied għal 20 għall-kampjuni tat-tessut tas-sider.Dawn ir-relazzjonijiet inevitabbilment ibiddlu l-impedenza akustika tat-tessut, kif muri wkoll mill-analiżi tal-elastografija54,55,56, u jistgħu jkunu relatati ma 'tħaxxin tat-tessut lokalizzat ikkawżat mill-iperproliferazzjoni tat-tumur.Din id-differenza ġiet osservata wkoll b'mod sperimentali b'testijiet ta 'kompressjoni sempliċi ta' blokki tat-tumur tas-sider imkabbra fi stadji differenti32, u r-rimodelazzjoni tal-materjal tista 'tiġi segwita tajjeb b'mudelli ta' tbassir bejn speċijiet ta 'tumuri li qed jikbru b'mod mhux lineari43,44.Id-dejta tal-ebusija miksuba hija direttament relatata mal-evoluzzjoni tal-modulu ta' Young ta' tumuri solidi skont il-formula \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sferi b'raġġ \(a\), ebusija \(S\) u proporzjon ta' Poisson \(\nu\) bejn żewġ pjanċi riġidi 57, kif muri fil-Figura 1).Għalhekk, huwa possibbli li jinkiseb kejl ta 'impedenza akustika tat-tumur u l-ospitant f'livelli ta' tkabbir differenti.B'mod partikolari, meta mqabbel mal-modulu tat-tessut normali ugwali għal 2 kPa f'Fig. 1, il-modulu elastiku ta 'tumuri tas-sider fil-medda tal-volum ta' madwar 500 sa 1250 mm3 irriżulta f'żieda minn madwar 10 kPa għal 16 kPa, li hija konsistenti mad-dejta rrappurtata.fir-referenzi 58, 59 instab li l-pressjoni fil-kampjuni tat-tessut tas-sider hija 0.25-4 kPa bi prekompressjoni li tisparixxi.Assumi wkoll li l-proporzjon ta 'Poisson ta' tessut kważi inkompressibbli huwa 41.60, li jfisser li d-densità tat-tessut ma tinbidilx b'mod sinifikanti hekk kif il-volum jiżdied.B'mod partikolari, tintuża d-densità medja tal-popolazzjoni tal-massa \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.B'dawn il-kunsiderazzjonijiet, l-ebusija tista' tieħu mod ta' sfond billi tuża l-espressjoni li ġejja:
Fejn il-kostanti mhux magħrufa \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) tista' tiġi kkalkulata billi titqies il-kontinwità bias ( 7 )2,4, jiġifieri billi ssolvi s-sistema alġebrin \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) li tinvolvi minorenni\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) u l-vettur tal-kolonna simplifikata korrispondenti\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\ Jipprovdi għarfien bażiku fl-ekwazzjoni (11), żewġ amplitudni tal-funzjoni tal-modalità reżonanti ta' backscattering \(\left| {f_{n}^{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) u \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) tirreferi għal eċitazzjoni tal-mewġ P u riflessjoni tal-mewġ P u S, rispettivament.Barra minn hekk, l-ewwel amplitudni ġiet stmata bħala \(\theta = \pi\), u t-tieni amplitudni ġiet stmata bħala \(\theta = \pi/4\).Billi tgħabbi diversi proprjetajiet ta 'kompożizzjoni.Il-Figura 2 turi li l-karatteristiċi reżonanti ta 'spherojdi tat-tumur sa madwar 15 mm fid-dijametru huma prinċipalment ikkonċentrati fil-medda ta' frekwenza ta '50-400 kHz, li tindika l-possibbiltà li tuża ultrasound ta' frekwenza baxxa biex tinduċi eċitazzjoni ta 'tumur reżonanti.ċelloli.Ħafna minn.F'din il-medda ta 'frekwenza, l-analiżi RST żvelat formanti b'mod wieħed għal modi 1 sa 6, enfasizzati fil-Figura 3. Hawnhekk, kemm mewġ pp- u ps-imxerred juru formanti tal-ewwel tip, li jseħħu fi frekwenzi baxxi ħafna, li jiżdiedu minn madwar 20 kHz għall-modalità 1 sa madwar 60 kHz għal n = 6, li ma juru l-ebda differenza sinifikanti fir-raġġ tal-isfera.Il-funzjoni reżonanti ps imbagħad titmermer, filwaqt li l-kombinazzjoni ta 'formanti pp ta' amplitudni kbira tipprovdi perjodiċità ta 'madwar 60 kHz, li turi bidla ta' frekwenza ogħla b'numru ta 'modalità dejjem jiżdied.L-analiżijiet kollha saru bl-użu tas-softwer tal-kompjuter Mathematica®62.
Il-funzjonijiet tal-forma backscatter miksuba mill-modulu ta 'tumuri tas-sider ta' daqsijiet differenti huma murija fil-Fig. 1, fejn l-ogħla meded ta 'tifrix huma enfasizzati b'kont meħud tas-superpożizzjoni tal-mod.
Reżonanzi ta' modi magħżula minn \(n = 1\) sa \(n = 6\), ikkalkulati fuq eċitazzjoni u riflessjoni tal-mewġa P f'daqsijiet differenti ta' tumur (kurvi suwed minn \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) u eċċitazzjoni tal-mewġ P u riflessjoni tal-mewġ S (kurvi griżi mogħtija mill-funzjoni tal-forma modali \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right = {f_{n} ^{ ps}. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Ir-riżultati ta 'din l-analiżi preliminari bl-użu ta' kundizzjonijiet ta 'propagazzjoni ta' kamp imbiegħed jistgħu jiggwidaw l-għażla ta 'frekwenzi ta' drive speċifiċi għas-sewqan fis-simulazzjonijiet numeriċi li ġejjin biex jistudja l-effett tal-istress tal-mikrovibrazzjoni fuq il-massa.Ir-riżultati juru li l-kalibrazzjoni tal-frekwenzi ottimali tista 'tkun speċifika għall-istadju matul it-tkabbir tat-tumur u tista' tiġi determinata bl-użu tar-riżultati ta 'mudelli ta' tkabbir biex jiġu stabbiliti strateġiji bijomekkaniċi użati fit-terapija tal-mard biex ibassar b'mod korrett ir-rimodelazzjoni tat-tessuti.
Avvanzi sinifikanti fin-nanoteknoloġija qed imexxu lill-komunità xjentifika biex issib soluzzjonijiet u metodi ġodda biex tiżviluppa apparat mediku minjaturizzat u minimament invażiv għal applikazzjonijiet in vivo.F'dan il-kuntest, it-teknoloġija LOF wriet kapaċità notevoli li tespandi l-kapaċitajiet tal-fibri ottiċi, li tippermetti l-iżvilupp ta 'apparati ġodda tal-fibra ottika minimament invażivi għal applikazzjonijiet tax-xjenza tal-ħajja21, 63, 64, 65. L-idea li jiġu integrati materjali 2D u 3D bi proprjetajiet kimiċi, bijoloġiċi u ottiċi mixtieqa fuq il-ġnub 25 u/jew truf 64 ta 'fibri ottiċi b'kontroll spazjali sħiħ fin-nanoskala twassal għall-emerġenza ta' klassi ġdida ta 'nanooptodi tal-fibra ottika.għandu firxa wiesgħa ta 'funzjonijiet dijanjostiċi u terapewtiċi.Interessanti, minħabba l-proprjetajiet ġeometriċi u mekkaniċi tagħhom (sezzjoni trasversali żgħira, proporzjon ta 'aspett kbir, flessibilità, piż baxx) u l-bijokompatibilità ta' materjali (ġeneralment ħġieġ jew polimeri), fibri ottiċi huma adattati tajjeb għall-inserzjoni fil-labar u kateters.Applikazzjonijiet mediċi20, li jwittu t-triq għal viżjoni ġdida tal-“isptar tal-labra” (ara l-Figura 4).
Fil-fatt, minħabba l-gradi ta 'libertà mogħtija mit-teknoloġija LOF, billi tuża l-integrazzjoni ta' mikro- u nanostrutturi magħmula minn diversi materjali metalliċi u/jew dielettriċi, fibri ottiċi jistgħu jiġu funzjonalizzati sew għal applikazzjonijiet speċifiċi ta 'spiss li jappoġġaw l-eċitazzjoni tal-mod reżonanti., Il-qasam tad-dawl 21 huwa pożizzjonat b'mod qawwi.Il-konteniment tad-dawl fuq skala subwavelength, ħafna drabi flimkien ma 'proċessar kimiku u/jew bijoloġiku63 u l-integrazzjoni ta' materjali sensittivi bħal polimeri intelliġenti65,66 jistgħu jtejbu l-kontroll fuq l-interazzjoni tad-dawl u l-materja, li jistgħu jkunu utli għal skopijiet teranostiċi.L-għażla tat-tip u d-daqs tal-komponenti/materjali integrati ovvjament tiddependi fuq il-parametri fiżiċi, bijoloġiċi jew kimiċi li għandhom jiġu skoperti21,63.
L-integrazzjoni ta 'sondi LOF f'labar mediċi diretti lejn siti speċifiċi fil-ġisem se tippermetti bijopsiji lokali ta' fluwidu u tessuti in vivo, li tippermetti trattament lokali simultanju, tnaqqas l-effetti sekondarji u żżid l-effiċjenza.Opportunitajiet potenzjali jinkludu l-iskoperta ta 'diversi bijomolekuli li jiċċirkolaw, inkluż il-kanċer.bijomarkaturi jew mikroRNAs (miRNAs)67, identifikazzjoni ta’ tessuti kanċeroġeni bl-użu ta’ spettroskopija lineari u mhux lineari bħal spettroskopija Raman (SERS)31, immaġini fotoakustiċi b’riżoluzzjoni għolja22,28,68, kirurġija bil-laser u ablazzjoni69, u mediċini ta’ twassil lokali bl-użu tad-dawl27 u gwida awtomatika tal-labar fil-ġisem tal-bniedem20.Ta 'min jinnota li għalkemm l-użu ta' fibri ottiċi jevita l-iżvantaġġi tipiċi ta 'metodi "klassiċi" bbażati fuq komponenti elettroniċi, bħall-ħtieġa għal konnessjonijiet elettriċi u l-preżenza ta' interferenza elettromanjetika, dan jippermetti li diversi sensuri LOF jiġu integrati b'mod effettiv fil- sistema.labra medika waħda.Għandha tingħata attenzjoni partikolari biex jitnaqqsu l-effetti ta 'ħsara bħal tniġġis, interferenza ottika, ostruzzjonijiet fiżiċi li jikkawżaw effetti ta' crosstalk bejn funzjonijiet differenti.Madankollu, huwa veru wkoll li ħafna mill-funzjonijiet imsemmija m'għandhomx għalfejn ikunu attivi fl-istess ħin.Dan l-aspett jagħmilha possibbli li tal-inqas titnaqqas l-interferenza, u b'hekk jillimita l-impatt negattiv fuq il-prestazzjoni ta 'kull sonda u l-eżattezza tal-proċedura.Dawn il-kunsiderazzjonijiet jippermettulna naraw il-kunċett tal-"labra fl-isptar" bħala viżjoni sempliċi biex titwaqqaf pedament sod għall-ġenerazzjoni li jmiss ta 'labar terapewtiċi fix-xjenzi tal-ħajja.
Fir-rigward tal-applikazzjoni speċifika diskussa f'dan id-dokument, fit-taqsima li jmiss se ninvestigaw numerikament l-abbiltà ta 'labra medika li tidderieġi mewġ ultrasoniku fit-tessuti umani billi tuża l-propagazzjoni tagħhom tul l-assi tagħha.
Il-propagazzjoni ta’ mewġ ultrasoniku permezz ta’ labra medika mimlija bl-ilma u mdaħħla f’tessuti rotob (ara d-dijagramma f’Fig. 5a) ġiet immudellata bl-użu tas-softwer kummerċjali Comsol Multiphysics ibbażat fuq il-metodu tal-elementi finiti (FEM)70, fejn il-labra u t-tessut huma mmudellati. bħala ambjent elastiku lineari.
B'referenza għall-Figura 5b, il-labra hija mmudellata bħala ċilindru vojt (magħruf ukoll bħala "kannula") magħmul mill-istainless steel, materjal standard għal labar mediċi71.B'mod partikolari, ġie mmudellat bil-modulu ta 'Young E = 205 GPa, il-proporzjon ta' Poisson ν = 0.28, u d-densità ρ = 7850 kg m -372.73.Ġeometrikament, il-labra hija kkaratterizzata minn tul L, dijametru intern D (imsejjaħ ukoll "tneħħija") u ħxuna tal-ħajt t.Barra minn hekk, il-ponta tal-labra titqies li hija inklinata f'angolu α fir-rigward tad-direzzjoni lonġitudinali (z).Il-volum ta 'ilma essenzjalment jikkorrispondi għall-forma tar-reġjun ta' ġewwa tal-labra.F'din l-analiżi preliminari, il-labra kienet preżunta li kienet kompletament mgħaddsa f'reġjun ta 'tessut (preżunt li testendi b'mod indefinit), immudellat bħala sfera ta' raġġ rs, li baqgħet kostanti f'85 mm matul is-simulazzjonijiet kollha.F'aktar dettall, nispiċċaw ir-reġjun sferiku b'saff imqabbel perfettament (PML), li għall-inqas inaqqas il-mewġ mhux mixtieq rifless mill-konfini "immaġinarji".Imbagħad għażilna r-raġġ rs sabiex inpoġġu l-konfini tad-dominju sferiku 'l bogħod biżżejjed mill-labra biex ma taffettwax is-soluzzjoni komputazzjonali, u żgħir biżżejjed biex ma taffettwax l-ispiża komputazzjonali tas-simulazzjoni.
Ċaqliq lonġitudinali armoniku tal-frekwenza f u l-amplitudni A hija applikata mal-konfini t'isfel tal-ġeometrija tal-istilus;din is-sitwazzjoni tirrappreżenta stimolu input applikat għall-ġeometrija simulata.Fil-konfini li jifdal tal-labra (f'kuntatt mat-tessut u l-ilma), il-mudell aċċettat huwa kkunsidrat li jinkludi relazzjoni bejn żewġ fenomeni fiżiċi, li wieħed minnhom huwa relatat mal-mekkanika strutturali (għaż-żona tal-labra), u l-oħra għall-mekkanika strutturali.(għall-reġjun aċikulari), għalhekk il-kundizzjonijiet korrispondenti huma imposti fuq l-akustika (għall-ilma u r-reġjun aċikulari)74.B'mod partikolari, vibrazzjonijiet żgħar applikati għas-sedil tal-labra jikkawżaw perturbazzjonijiet żgħar tal-vultaġġ;għalhekk, jekk wieħed jassumi li l-labra ġġib ruħha bħal mezz elastiku, il-vettur tal-ispostament U jista 'jiġi stmat mill-ekwazzjoni tal-ekwilibriju elastodinamiku (Navier)75.Oxxillazzjonijiet strutturali tal-labra jikkawżaw bidliet fil-pressjoni tal-ilma ġewwa fiha (meqjusa bħala wieqfa fil-mudell tagħna), bħala riżultat ta 'liema mewġ tal-ħoss jippropaga fid-direzzjoni lonġitudinali tal-labra, essenzjalment jobdu l-ekwazzjoni Helmholtz76.Fl-aħħarnett, jekk wieħed jassumi li l-effetti mhux lineari fit-tessuti huma negliġibbli u li l-amplitudni tal-mewġ ta 'shear hija ħafna iżgħar mill-amplitudni tal-mewġ tal-pressjoni, l-ekwazzjoni ta' Helmholtz tista 'tintuża wkoll biex timmudella l-propagazzjoni ta' mewġ akustiku f'tessuti rotob.Wara din l-approssimazzjoni, it-tessut jitqies bħala likwidu77 b'densità ta '1000 kg/m3 u veloċità tal-ħoss ta' 1540 m/s (jinjora l-effetti ta 'damping li jiddependu mill-frekwenza).Biex tgħaqqad dawn iż-żewġ oqsma fiżiċi, huwa meħtieġ li tiġi żgurata l-kontinwità tal-moviment normali fil-konfini tas-solidu u l-likwidu, l-ekwilibriju statiku bejn il-pressjoni u l-istress perpendikolari mal-konfini tas-solidu, u l-istress tanġenzjali fil-konfini tal- likwidu għandu jkun ugwali għal żero.75 .
Fl-analiżi tagħna, aħna ninvestigaw il-propagazzjoni ta 'mewġ akustiku tul labra taħt kundizzjonijiet stazzjonarji, billi niffokaw fuq l-influwenza tal-ġeometrija tal-labra fuq l-emissjoni ta' mewġ ġewwa t-tessut.B'mod partikolari, investigajna l-influwenza tad-dijametru ta 'ġewwa tal-labra D, it-tul L u l-angolu taċ-ċanfrin α, billi nżommu l-ħxuna t ffissata għal 500 µm għall-każijiet kollha studjati.Dan il-valur ta 't huwa qrib il-ħxuna tal-ħajt standard tipiku 71 għal labar kummerċjali.
Mingħajr telf ta 'ġeneralità, il-frekwenza f tal-ispostament armoniku applikat għall-bażi tal-labra ttieħdet ugwali għal 100 kHz, u l-amplitudni A kienet 1 μm.B'mod partikolari, il-frekwenza ġiet issettjata għal 100 kHz, li hija konsistenti mal-istimi analitiċi mogħtija fit-taqsima "Analiżi tat-tifrix tal-mases tat-tumur sferiċi biex jiġu stmati frekwenzi tal-ultrasound li jiddependu mit-tkabbir", fejn instabet imġieba bħal reżonanza tal-mases tat-tumur f' il-firxa tal-frekwenza ta '50-400 kHz, bl-akbar amplitudni tat-tifrix ikkonċentrata fi frekwenzi aktar baxxi madwar 100-200 kHz (ara Fig. 2).
L-ewwel parametru studjat kien id-dijametru intern D tal-labra.Għall-konvenjenza, hija definita bħala frazzjoni sħiħa tat-tul tal-mewġ akustiku fil-kavità tal-labra (jiġifieri, fl-ilma λW = 1.5 mm).Tabilħaqq, il-fenomeni tal-propagazzjoni tal-mewġ f'apparati kkaratterizzati minn ġeometrija partikolari (per eżempju, f'gwida tal-mewġ) spiss jiddependu fuq id-daqs karatteristiku tal-ġeometrija użata meta mqabbla mal-wavelength tal-mewġa ta 'propagazzjoni.Barra minn hekk, fl-ewwel analiżi, sabiex jiġi enfasizzat aħjar l-effett tad-dijametru D fuq il-propagazzjoni tal-mewġ akustiku permezz tal-labra, ikkunsidrajna ponta ċatta, li stabbilixxiet l-angolu α = 90 °.Matul din l-analiżi, it-tul tal-labra L ġie ffissat għal 70 mm.
Fuq il-fig.6a turi l-intensità medja tal-ħoss bħala funzjoni tal-parametru tal-iskala bla dimensjoni SD, jiġifieri D = λW/SD evalwat fi sfera b'raġġ ta '10 mm iċċentrat fuq il-ponta tal-labra korrispondenti.Il-parametru tal-iskala SD jinbidel minn 2 għal 6, jiġifieri nikkunsidraw valuri D li jvarjaw minn 7.5 mm sa 2.5 mm (f' = 100 kHz).Il-firxa tinkludi wkoll valur standard ta '71 għal labar mediċi tal-istainless steel.Kif mistenni, id-dijametru ta 'ġewwa tal-labra jaffettwa l-intensità tal-ħoss emess mill-labra, b'valur massimu (1030 W/m2) li jikkorrispondi għal D = λW/3 (jiġifieri D = 5 mm) u tendenza ta' tnaqqis bi tnaqqis. dijametru.Għandu jitqies li d-dijametru D huwa parametru ġeometriku li jaffettwa wkoll l-invażività ta 'apparat mediku, għalhekk dan l-aspett kritiku ma jistax jiġi injorat meta jintgħażel l-aħjar valur.Għalhekk, għalkemm it-tnaqqis f'D iseħħ minħabba t-trażmissjoni aktar baxxa ta 'intensità akustika fit-tessuti, għall-istudji li ġejjin, id-dijametru D = λW/5, jiġifieri D = 3 mm (jikkorrispondi għall-istandard 11G71 f' = 100 kHz) , huwa meqjus bħala kompromess raġonevoli bejn l-intrużività tal-apparat u t-trasmissjoni tal-intensità tal-ħoss (medja ta 'madwar 450 W/m2).
L-intensità medja tal-ħoss emess mill-ponta tal-labra (meqjusa ċatta), skont id-dijametru ta 'ġewwa tal-labra (a), it-tul (b) u l-angolu taċ-ċanfrin α (c).It-tul f'(a, c) huwa 90 mm, u d-dijametru f'(b, c) huwa 3 mm.
Il-parametru li jmiss li għandu jiġi analizzat huwa t-tul tal-labra L. Skont l-istudju tal-każ preċedenti, nikkunsidraw angolu oblikwu α = 90° u t-tul huwa skalat bħala multiplu tal-wavelength fl-ilma, jiġifieri nikkunsidraw L = SL λW .Il-parametru tal-iskala bla dimensjoni SL jinbidel minn 3 b'7, u b'hekk tiġi stmata l-intensità medja tal-ħoss emess mill-ponta tal-labra fil-medda tat-tul minn 4.5 sa 10.5 mm.Din il-firxa tinkludi valuri tipiċi għal labar kummerċjali.Ir-riżultati huma murija fil-fig.6b, li juri li t-tul tal-labra, L, għandu influwenza kbira fuq it-trasmissjoni tal-intensità tal-ħoss fit-tessuti.Speċifikament, l-ottimizzazzjoni ta 'dan il-parametru għamlitha possibbli li tittejjeb it-trażmissjoni b'madwar ordni ta' kobor.Fil-fatt, fil-medda tat-tul analizzata, l-intensità medja tal-ħoss tieħu massimu lokali ta’ 3116 W/m2 f’SL = 4 (jiġifieri, L = 60 mm), u l-oħra tikkorrispondi għal SL = 6 (jiġifieri, L = 90). mm).
Wara li analizzat l-influwenza tad-dijametru u t-tul tal-labra fuq il-propagazzjoni tal-ultrasound fil-ġeometrija ċilindrika, aħna ffukajna fuq l-influwenza tal-angolu taċ-ċanfrin fuq it-trasmissjoni tal-intensità tal-ħoss fit-tessuti.L-intensità medja tal-ħoss li joħroġ mill-ponta tal-fibra ġiet evalwata bħala funzjoni tal-angolu α, u bidlet il-valur tagħha minn 10 ° (ponta li jaqtgħu) għal 90 ° (ponta ċatta).F'dan il-każ, ir-raġġ ta 'l-isfera ta' integrazzjoni madwar il-ponta kkunsidrata tal-labra kien ta '20 mm, sabiex għall-valuri kollha ta' α, il-ponta tal-labra kienet inkluża fil-volum ikkalkulat mill-medja.
Kif muri fil-fig.6c, meta l-ponta titnaqqas, jiġifieri, meta α tonqos li jibda minn 90°, l-intensità tal-ħoss trażmess tiżdied, u tilħaq valur massimu ta 'madwar 1.5 × 105 W/m2, li jikkorrispondi għal α = 50°, ieie, 2 huwa ordni ta 'kobor ogħla relattiv għall-istat ċatt.B'aktar sann tat-tarf (jiġifieri, f'α taħt 50 °), l-intensità tal-ħoss għandha t-tendenza li tonqos, u tilħaq valuri komparabbli ma 'ponta ċċattjata.Madankollu, għalkemm ikkunsidrajna firxa wiesgħa ta 'angoli taċ-ċanfrin għas-simulazzjonijiet tagħna, ta' min jikkunsidra li l-sann tal-ponta hija meħtieġa biex tiffaċilita d-dħul tal-labra fit-tessut.Fil-fatt, angolu ċanfrin iżgħar (madwar 10 °) jista 'jnaqqas il-forza 78 meħtieġa biex tippenetra t-tessut.
Minbarra l-valur tal-intensità tal-ħoss trażmessa fi ħdan it-tessut, l-angolu taċ-ċanfrin jaffettwa wkoll id-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-mewġ, kif muri fil-grafiċi tal-livell tal-pressjoni tal-ħoss murija fil-Fig. 7a (għall-ponta ċatta) u 3b (għal 10 ° ).ponta ċanfrin), parallela Id-direzzjoni lonġitudinali hija evalwata fil-pjan ta 'simetrija (yz, ara Fig. 5).Fl-estremitajiet ta' dawn iż-żewġ konsiderazzjonijiet, il-livell tal-pressjoni tal-ħoss (imsejjaħ 1 µPa) huwa prinċipalment ikkonċentrat fil-kavità tal-labra (jiġifieri fl-ilma) u rradjat fit-tessut.F'aktar dettall, fil-każ ta 'ponta ċatta (Fig. 7a), id-distribuzzjoni tal-livell tal-pressjoni tal-ħoss hija perfettament simetrika fir-rigward tad-direzzjoni lonġitudinali, u mewġ wieqfa jistgħu jiġu distinti fl-ilma li jimla l-ġisem.Il-mewġa hija orjentata b'mod lonġitudinali (assi z), l-amplitudni tilħaq il-valur massimu tagħha fl-ilma (madwar 240 dB) u tonqos b'mod trasversali, li jwassal għal attenwazzjoni ta 'madwar 20 dB f'distanza ta' 10 mm miċ-ċentru tal-labra.Kif mistenni, l-introduzzjoni ta 'ponta bil-ponta (Fig. 7b) tkisser din is-simetrija, u l-antinodes tal-mewġ wieqfa "jiddevjaw" skond il-ponta tal-labra.Apparentement, din l-assimetrija taffettwa l-intensità tar-radjazzjoni tal-ponta tal-labra, kif deskritt qabel (Fig. 6c).Biex tifhem aħjar dan l-aspett, l-intensità akustika ġiet evalwata tul linja maqtugħa ortogonali għad-direzzjoni lonġitudinali tal-labra, li kienet tinsab fil-pjan ta 'simetrija tal-labra u tinsab f'distanza ta' 10 mm mill-ponta tal-labra ( jirriżulta fil-Figura 7c).B'mod aktar speċifiku, id-distribuzzjonijiet tal-intensità tal-ħoss evalwati f'angoli oblikwi ta '10 °, 20 ° u 30 ° (linji solidi blu, ħomor u ħodor, rispettivament) tqabblu mad-distribuzzjoni ħdejn it-tarf ċatt (kurvi bit-tikek suwed).Id-distribuzzjoni tal-intensità assoċjata mal-labar b'ponta ċatta tidher li hija simetrika madwar iċ-ċentru tal-labra.B'mod partikolari, tieħu valur ta 'madwar 1420 W/m2 fiċ-ċentru, overflow ta' madwar 300 W/m2 f'distanza ta '~8 mm, u mbagħad jonqos għal valur ta' madwar 170 W/m2 f'~30 mm .Hekk kif il-ponta ssir bil-ponta, il-lobu ċentrali jaqsam f'aktar lobi ta 'intensità li tvarja.B'mod aktar speċifiku, meta α kien 30°, tliet petali setgħu jiġu distinti b'mod ċar fil-profil imkejjel f'1 mm mill-ponta tal-labra.Dik ċentrali hija kważi fiċ-ċentru tal-labra u għandha valur stmat ta '1850 W / m2, u l-ogħla waħda fuq il-lemin hija madwar 19 mm miċ-ċentru u tilħaq 2625 W / m2.F'α = 20°, hemm 2 lobi prinċipali: wieħed għal kull -12 mm f'1785 W/m2 u wieħed għal kull 14 mm f'1524 W/m2.Meta l-ponta ssir aktar qawwija u l-angolu jilħaq 10 °, massimu ta '817 W/m2 jintlaħaq f'madwar -20 mm, u tliet lobi oħra ta' intensità kemmxejn inqas huma viżibbli tul il-profil.
Livell tal-pressjoni tal-ħoss fil-pjan ta' simetrija y–z ta' labra b'tarf ċatt (a) u ċanfrin ta' 10° (b).(c) Distribuzzjoni tal-intensità akustika stmata tul linja maqtugħa perpendikolari għad-direzzjoni lonġitudinali tal-labra, f'distanza ta' 10 mm mill-ponta tal-labra u li tinsab fil-pjan ta' simetrija yz.It-tul L huwa 70 mm u d-dijametru D huwa 3 mm.
Meħuda flimkien, dawn ir-riżultati juru li labar mediċi jistgħu jintużaw b'mod effettiv biex jittrasmettu ultrasound f'100 kHz f'tessut artab.L-intensità tal-ħoss emess tiddependi fuq il-ġeometrija tal-labra u tista 'tiġi ottimizzata (suġġett għal-limitazzjonijiet imposti mill-invażività tal-apparat finali) sa valuri fil-medda ta' 1000 W/m2 (f'10 mm).applikata mal-qiegħ tal-labra 1. Fil-każ ta 'mikrometru offset, il-labra hija kkunsidrata li tkun imdaħħla kompletament fit-tessut artab li jestendi infinitament.B'mod partikolari, l-angolu taċ-ċanfrin jaffettwa bil-qawwa l-intensità u d-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-mewġ tal-ħoss fit-tessut, li primarjament iwassal għall-ortogonalità tal-qatgħa tal-ponta tal-labra.
Biex tappoġġja l-iżvilupp ta 'strateġiji ġodda ta' trattament tat-tumur ibbażati fuq l-użu ta 'tekniki mediċi mhux invażivi, il-propagazzjoni ta' ultrasound ta 'frekwenza baxxa fl-ambjent tat-tumur ġiet analizzata b'mod analitiku u komputazzjoni.B'mod partikolari, fl-ewwel parti tal-istudju, soluzzjoni elastodinamika temporanja ppermettietna nistudjaw it-tifrix ta 'mewġ ultrasoniku fi spherojdi tat-tumur solidu ta' daqs u ebusija magħrufa sabiex nistudjaw is-sensittività tal-frekwenza tal-massa.Imbagħad, intgħażlu frekwenzi tal-ordni ta 'mijiet ta' kilohertz, u l-applikazzjoni lokali tal-istress tal-vibrazzjoni fl-ambjent tat-tumur bl-użu ta 'drive tal-labra medika ġiet immudellata f'simulazzjoni numerika billi tiġi studjata l-influwenza tal-parametri ewlenin tad-disinn li jiddeterminaw it-trasferiment tal-akustiku qawwa tal-istrument għall-ambjent.Ir-riżultati juru li labar mediċi jistgħu jintużaw b'mod effettiv biex irradjaw it-tessuti bl-ultrasound, u l-intensità tagħha hija relatata mill-qrib mal-parametru ġeometriku tal-labra, imsejjaħ il-wavelength akustiku tax-xogħol.Fil-fatt, l-intensità tal-irradjazzjoni permezz tat-tessut tiżdied biż-żieda fid-dijametru intern tal-labra, u tilħaq massimu meta d-dijametru jkun tliet darbiet il-wavelength.It-tul tal-labra jipprovdi wkoll ċertu grad ta 'libertà biex tiġi ottimizzata l-espożizzjoni.Ir-riżultat tal-aħħar huwa tabilħaqq massimizzat meta t-tul tal-labra jiġi ssettjat għal ċertu multiplu tal-wavelength operattiv (speċifikament 4 u 6).Interessanti, għall-firxa ta 'frekwenza ta' interess, il-valuri ottimizzati tad-dijametru u t-tul huma qrib dawk komunement użati għal labar kummerċjali standard.L-angolu taċ-ċanfrin, li jiddetermina s-sharpness tal-labra, jaffettwa wkoll l-emissività, li jilħaq il-quċċata ta 'madwar 50 ° u jipprovdi prestazzjoni tajba f'madwar 10 °, li huwa komunement użat għal labar kummerċjali..Ir-riżultati tas-simulazzjoni se jintużaw biex jiggwidaw l-implimentazzjoni u l-ottimizzazzjoni tal-pjattaforma dijanjostika intraneedle tal-isptar, li jintegraw ultrasound dijanjostiku u terapewtiku ma 'soluzzjonijiet terapewtiċi oħra fl-apparat u jirrealizzaw interventi kollaborattivi ta' mediċina ta 'preċiżjoni.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. u Kopp MV X'inhi l-mediċina ta' preċiżjoni?Eur, barrani.Ġurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS u Varmus, H. Inizjattivi ġodda fil-mediċina ta 'preċiżjoni.N. eng.J. Mediċina.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK u Wang, MD.Informatika tal-Immaġini Bijomediċi fl-Era tal-Mediċina ta' Preċiżjoni: Kisbiet, Sfidi, u Opportunitajiet.Ġamm.mediċina.jinforma.Assistent professur.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Onkoloġija ta 'preċiżjoni: reviżjoni.J. Klinika.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., u Salem, A. Titjib fit-terapija tal-glioblastoma (GBM) bl-użu ta 'sistema ta' konsenja bbażata fuq nanopartiċelli.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G u von Daimling A. Glioblastoma: patoloġija, mekkaniżmi molekulari u markaturi.Acta Newropatoloġija.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM u Berger, MS Strateġiji kurrenti u futuri għat-trattament tal-glijoma.newrokirurġija.Ed.40, 1–14 (2017).