شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
أشرطة التمرير تعرض ثلاث مقالات لكل شريحة.استخدم زري الرجوع والتالي للتنقل عبر الشرائح، أو أزرار التحكم في الشرائح الموجودة في النهاية للتنقل خلال كل شريحة.
استنادًا إلى التقاطع متعدد التخصصات بين الفيزياء وعلوم الحياة، جذبت الاستراتيجيات التشخيصية والعلاجية المعتمدة على الطب الدقيق مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بسبب إمكانية التطبيق العملي للطرق الهندسية الجديدة في العديد من مجالات الطب، وخاصة في علم الأورام.وفي هذا الإطار، فإن استخدام الموجات فوق الصوتية لمهاجمة الخلايا السرطانية في الأورام من أجل إحداث أضرار ميكانيكية محتملة على مستويات مختلفة يجذب اهتمامًا متزايدًا من العلماء في جميع أنحاء العالم.مع أخذ هذه العوامل بعين الاعتبار، بناءً على حلول التوقيت الديناميكي المرن والمحاكاة العددية، نقدم دراسة أولية لمحاكاة حاسوبية لانتشار الموجات فوق الصوتية في الأنسجة من أجل اختيار الترددات والقوى المناسبة عن طريق التشعيع المحلي.منصة تشخيصية جديدة لتكنولوجيا المختبر على الألياف، تسمى إبرة المستشفى وحاصلة على براءة اختراع بالفعل.من المعتقد أن نتائج التحليل والرؤى البيوفيزيائية ذات الصلة يمكن أن تمهد الطريق لأساليب تشخيصية وعلاجية متكاملة جديدة يمكن أن تلعب دورًا مركزيًا في تطبيق الطب الدقيق في المستقبل، مستفيدة من مجالات الفيزياء.لقد بدأ التآزر المتزايد بين علم الأحياء.
ومع تحسين عدد كبير من التطبيقات السريرية، بدأت تظهر تدريجياً الحاجة إلى تقليل الآثار الجانبية على المرضى.ولتحقيق هذه الغاية، أصبح الطب الدقيق 1، 2، 3، 4، 5 هدفًا استراتيجيًا لتقليل جرعة الأدوية المقدمة للمرضى، وذلك باتباع نهجين رئيسيين بشكل أساسي.الأول يعتمد على علاج مصمم وفقًا للملف الجينومي للمريض.أما الطريقة الثانية، والتي أصبحت المعيار الذهبي في علم الأورام، فهي تهدف إلى تجنب إجراءات توصيل الدواء النظامية من خلال محاولة إطلاق كمية صغيرة من الدواء، وفي الوقت نفسه زيادة الدقة من خلال استخدام العلاج المحلي.الهدف النهائي هو إزالة أو على الأقل تقليل الآثار السلبية للعديد من الأساليب العلاجية، مثل العلاج الكيميائي أو الإدارة الجهازية للنويدات المشعة.اعتمادًا على نوع السرطان والموقع والجرعة الإشعاعية وعوامل أخرى، حتى العلاج الإشعاعي يمكن أن يكون له خطر كبير على الأنسجة السليمة.في علاج الورم الأرومي الدبقي 6،7،8،9 تنجح الجراحة في إزالة السرطان الأساسي، ولكن حتى في حالة عدم وجود نقائل، قد يكون هناك العديد من المتسللات السرطانية الصغيرة.إذا لم يتم إزالتها بالكامل، يمكن أن تنمو كتل سرطانية جديدة خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا.وفي هذا السياق، يصعب تطبيق استراتيجيات الطب الدقيق المذكورة أعلاه بسبب صعوبة اكتشاف هذه التسللات وانتشارها على مساحة كبيرة.تمنع هذه العوائق الحصول على نتائج نهائية في منع أي تكرار باستخدام الطب الدقيق، لذلك تُفضل طرق التوصيل الجهازية في بعض الحالات، على الرغم من أن الأدوية المستخدمة يمكن أن تحتوي على مستويات عالية جدًا من السمية.للتغلب على هذه المشكلة، فإن النهج العلاجي المثالي هو استخدام استراتيجيات طفيفة التوغل يمكنها مهاجمة الخلايا السرطانية بشكل انتقائي دون التأثير على الأنسجة السليمة.في ضوء هذه الحجة، فإن استخدام الاهتزازات فوق الصوتية، والتي ثبت أنها تؤثر على الخلايا السرطانية والخلايا السليمة بشكل مختلف، سواء في الأنظمة وحيدة الخلية أو في التجمعات غير المتجانسة متوسطة النطاق، يبدو وكأنه حل ممكن.
من وجهة نظر ميكانيكية، فإن الخلايا السليمة والسرطانية لها في الواقع ترددات رنين طبيعية مختلفة.ترتبط هذه الخاصية بالتغيرات الجينية في الخواص الميكانيكية للهيكل الهيكلي للخلايا السرطانية، في حين تكون الخلايا السرطانية، في المتوسط، أكثر تشوهًا من الخلايا الطبيعية.وبالتالي، مع الاختيار الأمثل لتردد الموجات فوق الصوتية للتحفيز، فإن الاهتزازات المستحثة في مناطق مختارة يمكن أن تسبب ضررًا للهياكل السرطانية الحية، مما يقلل من التأثير على البيئة الصحية للمضيف.قد تشمل هذه التأثيرات التي لم يتم فهمها بشكل كامل بعد تدمير بعض المكونات الهيكلية الخلوية بسبب الاهتزازات عالية التردد الناجمة عن الموجات فوق الصوتية (تشبه إلى حد كبير تفتيت الحصوات من حيث المبدأ14) وتلف الخلايا بسبب ظاهرة مشابهة للتعب الميكانيكي، والذي بدوره يمكن أن يغير البنية الخلوية. .البرمجة وعلم الأحياء الميكانيكي.على الرغم من أن هذا الحل النظري يبدو مناسبًا جدًا، إلا أنه لسوء الحظ لا يمكن استخدامه في الحالات التي تمنع فيها الهياكل البيولوجية عديمة الصدى التطبيق المباشر للموجات فوق الصوتية، على سبيل المثال، في التطبيقات داخل الجمجمة بسبب وجود العظام، وتقع بعض كتل أورام الثدي في المنطقة الدهنية منديل.قد يحد التوهين من موقع التأثير العلاجي المحتمل.للتغلب على هذه المشاكل، يجب تطبيق الموجات فوق الصوتية محليًا باستخدام محولات طاقة مصممة خصيصًا يمكنها الوصول إلى الموقع المشعع بأقل تدخل جراحي قدر الإمكان.ومن هذا المنطلق، نظرنا في إمكانية استخدام الأفكار المتعلقة بإمكانية إنشاء منصة تكنولوجية مبتكرة تسمى “مستشفى الإبرة”[15].يتضمن مفهوم "المستشفى في الإبرة" تطوير أداة طبية طفيفة التوغل للتطبيقات التشخيصية والعلاجية، بناءً على الجمع بين الوظائف المختلفة في إبرة طبية واحدة.كما تمت مناقشته بمزيد من التفصيل في قسم إبرة المستشفى، يعتمد هذا الجهاز المدمج في المقام الأول على مزايا 16، 17، 18، 19، 20، 21 من مسبار الألياف الضوئية، والتي، نظرًا لخصائصها، مناسبة للإدخال في المعيار 20 إبر طبية 22 لومن.من خلال الاستفادة من المرونة التي توفرها تقنية Lab-on-Fiber (LOF)23، أصبحت الألياف فعليًا منصة فريدة للأجهزة التشخيصية والعلاجية المصغرة والجاهزة للاستخدام، بما في ذلك أجهزة خزعة السوائل وخزعة الأنسجة.في الكشف الجزيئي الحيوي 24،25، وتوصيل الأدوية المحلية الموجهة بالضوء 26،27، والتصوير بالموجات فوق الصوتية المحلية عالية الدقة 28، والعلاج الحراري 29،30 وتحديد الأنسجة السرطانية القائمة على التحليل الطيفي .ضمن هذا المفهوم، وباستخدام نهج التعريب القائم على جهاز "الإبرة في المستشفى"، فإننا ندرس إمكانية تحسين التحفيز المحلي للهياكل البيولوجية المقيمة باستخدام انتشار الموجات فوق الصوتية من خلال الإبر لإثارة موجات الموجات فوق الصوتية داخل المنطقة محل الاهتمام..وبالتالي، يمكن تطبيق الموجات فوق الصوتية العلاجية منخفضة الكثافة مباشرة على منطقة الخطر مع الحد الأدنى من التدخل للخلايا الصوتية والتكوينات الصلبة الصغيرة في الأنسجة الرخوة، كما في حالة الجراحة داخل الجمجمة المذكورة أعلاه، يجب إدخال ثقب صغير في الجمجمة باستخدام إبرة.مستوحاة من النتائج النظرية والتجريبية الأخيرة التي تشير إلى أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن توقف أو تؤخر تطور بعض أنواع السرطان،32،33،34 قد يساعد النهج المقترح، على الأقل من حيث المبدأ، في معالجة المفاضلات الرئيسية بين التأثيرات العدوانية والعلاجية.مع أخذ هذه الاعتبارات في الاعتبار، في هذه الورقة، ندرس إمكانية استخدام جهاز إبرة داخل المستشفى للعلاج بالموجات فوق الصوتية الأقل بضعاً للسرطان.وبشكل أكثر دقة، في قسم تحليل التشتت لكتل ​​الأورام الكروية لتقدير تردد الموجات فوق الصوتية المعتمدة على النمو، نستخدم أساليب الديناميكية المرنة الراسخة ونظرية التشتت الصوتي للتنبؤ بحجم الأورام الصلبة الكروية المزروعة في وسط مرن.التيبس الذي يحدث بين الورم والأنسجة المضيفة بسبب إعادة تشكيل المادة الناتج عن النمو.بعد وصف نظامنا الذي نسميه قسم "المستشفى في الإبرة"، في قسم "المستشفى في الإبرة"، قمنا بتحليل انتشار الموجات فوق الصوتية من خلال الإبر الطبية بالترددات المتوقعة ونموذجها العددي يشع البيئة للدراسة المعلمات الهندسية الرئيسية (القطر الداخلي الفعلي وطول الإبرة وحدتها)، مما يؤثر على نقل الطاقة الصوتية للأداة.ونظرًا للحاجة إلى تطوير استراتيجيات هندسية جديدة للطب الدقيق، يُعتقد أن الدراسة المقترحة يمكن أن تساعد في تطوير أداة جديدة لعلاج السرطان تعتمد على استخدام الموجات فوق الصوتية التي يتم تقديمها من خلال منصة تشخيصية متكاملة تدمج الموجات فوق الصوتية مع الحلول الأخرى.مجتمعة، مثل توصيل الأدوية المستهدفة والتشخيص في الوقت الفعلي داخل إبرة واحدة.
كانت فعالية توفير الاستراتيجيات الآلية لعلاج الأورام الصلبة الموضعية باستخدام التحفيز بالموجات فوق الصوتية (الموجات فوق الصوتية) هدفًا للعديد من الأوراق التي تتناول نظريًا وتجريبيًا تأثير الاهتزازات فوق الصوتية منخفضة الشدة على أنظمة الخلية الواحدة 10، 11، 12. ، 32، 33، 34، 35، 36 باستخدام نماذج لزجة مرنة، أثبت العديد من الباحثين من الناحية التحليلية أن الخلايا السرطانية والخلايا السليمة تظهر استجابات ترددية مختلفة تتميز بقمم رنانة متميزة في النطاق الأمريكي 10،11،12.تشير هذه النتيجة، من حيث المبدأ، إلى أنه يمكن مهاجمة الخلايا السرطانية بشكل انتقائي بواسطة المحفزات الميكانيكية التي تحافظ على البيئة المضيفة.هذا السلوك هو نتيجة مباشرة للأدلة الرئيسية التي تشير إلى أن الخلايا السرطانية، في معظم الحالات، أكثر مرونة من الخلايا السليمة، ربما لتعزيز قدرتها على التكاثر والهجرة .استنادًا إلى النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام نماذج الخلية المفردة، على سبيل المثال على المستوى المجهري، تم أيضًا إثبات انتقائية الخلايا السرطانية على المستوى المتوسط ​​من خلال الدراسات العددية للاستجابات التوافقية لمجاميع الخلايا غير المتجانسة.من خلال توفير نسبة مختلفة من الخلايا السرطانية والخلايا السليمة، تم بناء مجاميع متعددة الخلايا يبلغ حجمها مئات الميكرومترات بشكل هرمي.في المستوى المتوسط ​​من هذه المجاميع، يتم الحفاظ على بعض السمات المجهرية المثيرة للاهتمام بسبب التنفيذ المباشر للعناصر الهيكلية الرئيسية التي تميز السلوك الميكانيكي للخلايا المفردة.على وجه الخصوص، تستخدم كل خلية بنية قائمة على الشد لتقليد استجابة مختلف الهياكل الهيكلية الخلوية سابقة الإجهاد، مما يؤثر على صلابتها الإجمالية 12،13.أعطت التنبؤات النظرية والتجارب المختبرية للأدبيات المذكورة أعلاه نتائج مشجعة، مما يشير إلى الحاجة إلى دراسة حساسية كتل الورم للموجات فوق الصوتية العلاجية منخفضة الكثافة (LITUS)، وتقييم وتيرة تشعيع كتل الورم أمر بالغ الأهمية.موقف LITUS للتطبيق في الموقع.
ومع ذلك، على مستوى الأنسجة، يتم فقدان الوصف تحت المجهري للمكون الفردي حتمًا، ويمكن تتبع خصائص أنسجة الورم باستخدام طرق متسلسلة لتتبع النمو الشامل وعمليات إعادة التشكيل الناجمة عن الإجهاد، مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات العيانية للأنسجة السرطانية. نمو.التغيرات المحدثة في مرونة الأنسجة بمقياس 41.42.في الواقع، على عكس الأنظمة أحادية الخلية والمجمعة، تنمو كتل الورم الصلبة في الأنسجة الرخوة بسبب التراكم التدريجي للضغوط المتبقية الشاذة، والتي تغير الخواص الميكانيكية الطبيعية بسبب زيادة الصلابة الشاملة داخل الورم، وغالبًا ما يصبح تصلب الورم عاملاً محددًا في كشف الورم.
مع أخذ هذه الاعتبارات في الاعتبار، نقوم هنا بتحليل الاستجابة الصوتية للأجسام الشبه الكروية الورمية المصممة على شكل شوائب كروية مرنة تنمو في بيئة الأنسجة الطبيعية.وبتعبير أدق، تم تحديد الخصائص المرنة المرتبطة بمرحلة الورم بناءً على النتائج النظرية والتجريبية التي حصل عليها بعض المؤلفين في الأعمال السابقة.من بينها، تمت دراسة تطور الأجسام الشبه الكروية الورمية الصلبة المزروعة في الجسم الحي في الوسائط غير المتجانسة من خلال تطبيق النماذج الميكانيكية غير الخطية 41،43،44 بالاشتراك مع ديناميكيات بين الأنواع للتنبؤ بتطور كتل الورم والإجهاد داخل الورم المرتبط بها.كما هو مذكور أعلاه، يؤدي النمو (على سبيل المثال، التمدد المسبق غير المرن) والإجهاد المتبقي إلى إعادة تشكيل تدريجي لخصائص مادة الورم، وبالتالي تغيير استجابتها الصوتية أيضًا.من المهم أن نلاحظ أنه في المرجع.41 لقد تم إثبات التطور المشترك للنمو والإجهاد الصلب في الأورام في الحملات التجريبية في النماذج الحيوانية.على وجه الخصوص، أكدت مقارنة صلابة كتل ورم الثدي التي تم استئصالها في مراحل مختلفة مع الصلابة التي تم الحصول عليها عن طريق إعادة إنتاج ظروف مماثلة في السيليكو على نموذج العناصر المحدودة الكروية بنفس الأبعاد ومع الأخذ في الاعتبار مجال الإجهاد المتبقي المتوقع، الطريقة المقترحة لـ صلاحية النموذج..في هذا العمل، يتم استخدام النتائج النظرية والتجريبية التي تم الحصول عليها سابقًا لتطوير استراتيجية علاجية جديدة ومتطورة.على وجه الخصوص، تم حساب الأحجام المتوقعة مع خصائص المقاومة التطورية المقابلة هنا، والتي تم استخدامها بالتالي لتقدير نطاقات التردد التي تكون فيها كتل الورم المضمنة في البيئة المضيفة أكثر حساسية.تحقيقًا لهذه الغاية، قمنا بدراسة السلوك الديناميكي لكتلة الورم في مراحل مختلفة، مأخوذة في مراحل مختلفة، مع مراعاة المؤشرات الصوتية وفقًا لمبدأ التشتت المقبول عمومًا استجابةً لمحفزات الموجات فوق الصوتية وتسليط الضوء على ظواهر الرنين المحتملة للشكل الكروي. .اعتمادًا على الورم والمضيف، تختلف الاختلافات المعتمدة على النمو في الصلابة بين الأنسجة.
وهكذا، تم تصميم كتل الورم على شكل مجالات مرنة نصف قطرها \(a\) في البيئة المرنة المحيطة بالمضيف بناءً على بيانات تجريبية توضح كيفية نمو الهياكل الخبيثة الضخمة في الموقع في أشكال كروية.بالإشارة إلى الشكل 1، باستخدام الإحداثيات الكروية \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (حيث يمثل \(\theta\) و \(\varphi\) زاوية الشذوذ وزاوية السمت على التوالي)، يحتل مجال الورم منطقة مضمنة في مساحة صحية \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) منطقة غير محدودة \({\mathcal { V} } _ {H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).بالإشارة إلى المعلومات التكميلية (SI) للحصول على وصف كامل للنموذج الرياضي استنادًا إلى الأساس الديناميكي الراسخ المذكور في العديد من الأدبيات 45،46،47،48، فإننا نعتبر هنا مشكلة تتميز بوضع التذبذب المحوري المتماثل.يشير هذا الافتراض إلى أن جميع المتغيرات داخل الورم والمناطق الصحية مستقلة عن الإحداثيات السمتية \(\varphi\) وأنه لا يحدث أي تشويه في هذا الاتجاه.وبالتالي، يمكن الحصول على مجالات الإزاحة والإجهاد من اثنين من الإمكانات العددية \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) و \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) ، هما يرتبط على التوالي بالموجة الطولية وموجة القص، ووقت المصادفة t بين الاندفاع \(\theta \) والزاوية بين اتجاه الموجة الساقطة ومتجه الموضع \({\mathbf {x))\) ( كما هو موضح في الشكل 1) ويمثل \(\omega = 2\pi f\) التردد الزاوي.على وجه الخصوص، يتم تمثيل المجال الساقط بواسطة الموجة المستوية \(\phi_{H}^{(in)}\) (المقدمة أيضًا في نظام SI، في المعادلة (A.9)) المنتشرة في حجم الجسم حسب تعبير القانون
حيث \(\phi_{0}\) هي معلمة السعة.إن التمدد الكروي لموجة مستوية واردة (1) باستخدام دالة موجة كروية هو الوسيط القياسي:
حيث \(j_{n}\) هي دالة بسل الكروية من النوع الأول من الترتيب \(n\)، و \(P_{n}\) هي كثيرة حدود ليجندر.جزء من الموجة الساقطة من الكرة الاستثمارية منتشر في الوسط المحيط ويتداخل مع المجال الساقط، بينما الجزء الآخر منتشر داخل الكرة مما يساهم في اهتزازها.للقيام بذلك، الحلول التوافقية للمعادلة الموجية \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) و \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi} + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\)، على سبيل المثال بواسطة Eringen45 (انظر أيضًا SI ) قد يشير إلى وجود ورم ومناطق صحية.على وجه الخصوص، فإن موجات التمدد المتناثرة والموجات متساوية الحجم المتولدة في الوسط المضيف \(H\) تعترف بطاقاتها المحتملة:
من بينها، يتم استخدام دالة هانكل الكروية من النوع الأول \(h_{n}^{(1)}\) للنظر في الموجة المتناثرة الصادرة، و \(\alpha_{n}\) و \(\beta_{ n}\ ) هي المعاملات المجهولة.في المعادلة.في المعادلات (2)-(4)، يشير المصطلحان \(k_{H1}\) و \(k_{H2}\) إلى الأعداد الموجية للخلخلة والموجات المستعرضة في المنطقة الرئيسية للجسم، على التوالي ( انظر سي).حقول الضغط داخل الورم والتحولات لها شكل
حيث يمثل \(k_{T1}\) و \(k_{T2}\) أرقام الموجات الطولية والعرضية في منطقة الورم، والمعاملات غير المعروفة هي \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) ، \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).بناءً على هذه النتائج، تعد مكونات الإزاحة الشعاعية والمحيطية غير الصفرية من سمات المناطق الصحية في المشكلة قيد النظر، مثل \(u_{Hr}\) و \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) لم تعد هناك حاجة إلى افتراض التماثل) - يمكن الحصول عليه من العلاقة \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) و \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) بتكوين \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) و \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (انظر SI للحصول على اشتقاق رياضي مفصل).وبالمثل، استبدال \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) و\(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) يُرجع {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) و \(u_{T\theta} = r^{-1}\جزئي _{\ثيتا}\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\يمين)\).
(يسار) هندسة ورم كروي ينمو في بيئة صحية ينتشر من خلالها مجال الحادث، (يمين) التطور المقابل لنسبة صلابة الورم إلى المضيف كدالة لنصف قطر الورم، البيانات المبلغ عنها (مقتبسة من Carotenuto et al. 41) من خلال اختبارات الضغط في المختبر تم الحصول عليها من أورام الثدي الصلبة الملقحة بخلايا MDA-MB-231.
بافتراض وجود مواد خطية مرنة ومتناحية، فإن مكونات الإجهاد غير الصفرية في المناطق الصحية والورمية، أي \(\sigma_{Hpq}\) و \(\sigma_{Tpq}\) - تخضع لقانون هوك المعمم، نظرًا لوجود هناك معاملات لامي مختلفة، والتي تميز مرونة المضيف والورم، ويُشار إليها بـ \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) و \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (انظر المعادلة (A.11) للتعبير الكامل عن مكونات الإجهاد الممثلة في SI).على وجه الخصوص، وفقًا للبيانات الواردة في المرجع 41 والمعروضة في الشكل 1، أظهرت الأورام المتنامية تغيرًا في ثوابت مرونة الأنسجة.وبالتالي، يتم تحديد الإزاحات والضغوطات في مناطق المضيف والورم بشكل كامل حتى مجموعة من الثوابت غير المعروفة \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) له أبعاد لا نهائية من الناحية النظرية.للعثور على نواقل المعاملات هذه، تم تقديم واجهات مناسبة وشروط حدود بين الورم والمناطق الصحية.بافتراض الارتباط المثالي في واجهة مضيف الورم \(r = a\)، فإن استمرارية عمليات النزوح والضغوط تتطلب الشروط التالية:
النظام (7) يشكل نظام معادلات ذات حلول لا نهائية.بالإضافة إلى ذلك، ستعتمد كل حالة حدودية على الشذوذ \(\theta\).لتقليل مشكلة القيمة الحدية إلى مشكلة جبرية كاملة مع مجموعات \(N\) من الأنظمة المغلقة، كل منها في المجهول \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}، \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (مع \ ( N \ إلى \infty \)، من الناحية النظرية)، ولإلغاء اعتماد المعادلات على المصطلحات المثلثية، تمت كتابة شروط الواجهة بشكل ضعيف باستخدام التعامد لمتعددات حدود ليجندر.على وجه الخصوص، يتم ضرب المعادلة (7)1,2 و (7)3,4 في \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) و\(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) ثم قم بالتكامل بين \(0\) و \(\pi\) باستخدام الهويات الرياضية:
وبالتالي، فإن شرط الواجهة (7) يُرجع نظام معادلة جبرية تربيعية، والذي يمكن التعبير عنه في شكل مصفوفة كـ \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) واحصل على المجهول \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) من خلال حل قاعدة كرامر .
لتقدير تدفق الطاقة المنتشرة في المجال والحصول على معلومات حول استجابتها الصوتية بناءً على البيانات المتعلقة بالمجال المتناثر الذي ينتشر في الوسط المضيف، فإن الكمية الصوتية ذات أهمية، وهي عبارة عن مقطع عرضي متناثر ثنائي ثابت.على وجه الخصوص، يعبر المقطع العرضي للتشتت، المشار إليه بـ \(s)، عن النسبة بين القدرة الصوتية المرسلة بواسطة الإشارة المبعثرة وتقسيم الطاقة الذي تحمله الموجة الساقطة.في هذا الصدد، فإن حجم دالة الشكل \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) هي كمية تستخدم بشكل متكرر في دراسة الآليات الصوتية. مضمن في سائل أو صلب تشتت الأجسام في الرواسب.بتعبير أدق، يتم تعريف سعة دالة الشكل على أنها المقطع العرضي للتشتت التفاضلي \(ds\) لكل وحدة مساحة، والذي يختلف حسب الاتجاه الطبيعي لاتجاه انتشار الموجة الساقطة:
حيث تشير \(f_{n}^{pp}\) و \(f_{n}^{ps}\) إلى الوظيفة المشروطة، والتي تشير إلى نسبة قوى الموجة الطولية والموجة المتناثرة بالنسبة إلى يتم إعطاء الموجة P الحادثة في وسط الاستقبال، على التوالي، بالتعبيرات التالية:
يمكن دراسة وظائف الموجة الجزئية (10) بشكل مستقل وفقًا لنظرية تشتت الرنين (RST) 49،50،51،52، مما يجعل من الممكن فصل المرونة المستهدفة عن المجال الضال الكلي عند دراسة الأوضاع المختلفة.وفقا لهذه الطريقة، يمكن تقسيم دالة الشكل المشروط إلى مجموع جزأين متساويين، وهما \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) ترتبط بسعات الخلفية الرنانة وغير الرنانة، على التوالي.ترتبط وظيفة الشكل في وضع الرنين باستجابة الهدف، بينما ترتبط الخلفية عادة بشكل المبعثر.للكشف عن الصياغة الأولى للهدف لكل وضع، سعة دالة شكل الرنين المشروط \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) يتم حسابه على افتراض وجود خلفية صلبة، تتكون من مجالات لا يمكن اختراقها في مادة مضيفة مرنة.الدافع وراء هذه الفرضية هو حقيقة أن كلاً من الصلابة والكثافة بشكل عام تزيد مع نمو كتلة الورم بسبب إجهاد الضغط المتبقي.وبالتالي، عند مستوى شديد من النمو، من المتوقع أن تكون نسبة المعاوقة \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) أكبر من 1 بالنسبة لمعظم الأورام الصلبة العيانية التي تتطور في الأورام الرخوة. مناديل.على سبيل المثال، كروسكوب وآخرون.أفاد 53 أن نسبة المعامل السرطاني إلى الطبيعي تبلغ حوالي 4 لأنسجة البروستاتا، في حين ارتفعت هذه القيمة إلى 20 لعينات أنسجة الثدي.تغير هذه العلاقات حتماً المعاوقة الصوتية للأنسجة، كما يتضح أيضًا من تحليل التصوير المرن، وقد تكون مرتبطة بسماكة الأنسجة الموضعية الناتجة عن فرط انتشار الورم.وقد لوحظ هذا الاختلاف أيضًا بشكل تجريبي من خلال اختبارات الضغط البسيطة لكتل ​​أورام الثدي المزروعة في مراحل مختلفة، ويمكن متابعة إعادة تشكيل المادة جيدًا باستخدام نماذج تنبؤية عبر الأنواع للأورام غير الخطية المتنامية .ترتبط بيانات الصلابة التي تم الحصول عليها ارتباطًا مباشرًا بتطور معامل يونج للأورام الصلبة وفقًا للصيغة \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( كرات نصف قطرها \(a\) والصلابة \(S\) ونسبة بواسون \(\nu\) بين لوحين صلبين 57، كما هو موضح في الشكل 1).وبالتالي، فمن الممكن الحصول على قياسات المعاوقة الصوتية للورم والمضيف عند مستويات نمو مختلفة.على وجه الخصوص، بالمقارنة مع معامل الأنسجة الطبيعية الذي يساوي 2 كيلو باسكال في الشكل 1، أدى معامل المرونة لأورام الثدي في نطاق الحجم من حوالي 500 إلى 1250 ملم3 إلى زيادة من حوالي 10 كيلو باسكال إلى 16 كيلو باسكال، وهو ما يعادل متسقة مع البيانات المبلغ عنها.في المراجع 58، 59 وجد أن الضغط في عينات أنسجة الثدي يتراوح بين 0.25-4 كيلو باسكال مع تلاشي الضغط المسبق.افترض أيضًا أن نسبة بواسون للنسيج غير القابل للضغط تقريبًا هي 41.60، مما يعني أن كثافة النسيج لا تتغير بشكل ملحوظ مع زيادة الحجم.على وجه الخصوص، يتم استخدام متوسط ​​الكثافة السكانية الجماعية \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.مع هذه الاعتبارات، يمكن أن تتخذ الصلابة وضع الخلفية باستخدام التعبير التالي:
حيث يمكن حساب الثابت المجهول \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) مع مراعاة الاستمرارية التحيز ( 7 )2,4، أي عن طريق حل النظام الجبري \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) يشمل القاصرين\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_ {{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) ومتجه العمود المبسط المقابل\(\widehat {{\mathbf {q}}}_{n} (а)\). يوفر المعرفة الأساسية في المعادلة (11)، سعتين لوظيفة وضع الرنين المرتد \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) و \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) - f_{n}^{ps(b)} \left( \ يشير theta \right)} \right|\) إلى إثارة الموجة P وانعكاس الموجة P وS، على التوالي.علاوة على ذلك، تم تقدير السعة الأولى بـ \(\theta = \pi\)، وتم تقدير السعة الثانية بـ \(\theta = \pi/4\).عن طريق تحميل خصائص التكوين المختلفة.يوضح الشكل 2 أن ميزات الرنين للأجسام الشبه الكروية الورمية التي يصل قطرها إلى حوالي 15 مم تتركز بشكل أساسي في نطاق التردد من 50 إلى 400 كيلو هرتز، مما يشير إلى إمكانية استخدام الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد للحث على إثارة الورم الرنان.الخلايا.الكثير من.في نطاق التردد هذا، كشف تحليل RST عن صيغ أحادية الوضع للأوضاع من 1 إلى 6، موضحة في الشكل 3. هنا، تُظهر كل من الموجات المتناثرة pp وps صيغًا من النوع الأول، تحدث عند ترددات منخفضة جدًا، والتي تزيد من حوالي 20 كيلو هرتز للوضع 1 إلى حوالي 60 كيلو هرتز لـ n = 6، مما لا يظهر أي فرق كبير في نصف قطر الكرة.تتحلل بعد ذلك وظيفة الرنين ps، في حين يوفر الجمع بين صيغ pp ذات السعة الكبيرة دورية تبلغ حوالي 60 كيلو هرتز، مما يُظهر تحولًا أعلى في التردد مع زيادة رقم الوضع.تم إجراء جميع التحليلات باستخدام برنامج الحوسبة Mathematica®62.
يظهر الشكل 1 وظائف نموذج التشتت الخلفي التي تم الحصول عليها من وحدة أورام الثدي ذات الأحجام المختلفة، حيث يتم تسليط الضوء على أعلى نطاقات التشتت مع الأخذ في الاعتبار تراكب الوضع.
أصداء الأوضاع المحددة من \(n = 1\) إلى \(n = 6\)، محسوبة على إثارة وانعكاس الموجة P بأحجام مختلفة للورم (منحنيات سوداء من \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) وإثارة الموجة P وانعكاس الموجة S (المنحنيات الرمادية المعطاة بواسطة دالة الشكل المشروط \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
يمكن لنتائج هذا التحليل الأولي باستخدام ظروف الانتشار في المجال البعيد أن توجه اختيار ترددات المحرك الخاصة بالمحرك في عمليات المحاكاة العددية التالية لدراسة تأثير ضغط الاهتزازات الدقيقة على الكتلة.تظهر النتائج أن معايرة الترددات المثالية يمكن أن تكون خاصة بمرحلة معينة أثناء نمو الورم ويمكن تحديدها باستخدام نتائج نماذج النمو لإنشاء استراتيجيات ميكانيكية حيوية تستخدم في علاج الأمراض للتنبؤ بشكل صحيح بإعادة تشكيل الأنسجة.
إن التقدم الكبير في تكنولوجيا النانو يدفع المجتمع العلمي إلى إيجاد حلول وطرق جديدة لتطوير أجهزة طبية مصغرة وقليلة التوغل لتطبيقات الجسم الحي.في هذا السياق، أظهرت تقنية LOF قدرة رائعة على توسيع قدرات الألياف الضوئية، مما أتاح تطوير أجهزة ألياف بصرية جديدة ذات تدخل طفيف لتطبيقات علوم الحياة21، 63، 64، 65. فكرة دمج المواد ثنائية وثلاثية الأبعاد مع الخصائص الكيميائية والبيولوجية والبصرية المرغوبة على الجوانب 25 و/أو الأطراف 64 من الألياف الضوئية مع التحكم المكاني الكامل في المقياس النانوي يؤدي إلى ظهور فئة جديدة من الألياف الضوئية النانوية.لديها مجموعة واسعة من الوظائف التشخيصية والعلاجية.ومن المثير للاهتمام، أنه نظرًا لخصائصها الهندسية والميكانيكية (المقطع العرضي الصغير، ونسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة، والمرونة، والوزن المنخفض) والتوافق الحيوي للمواد (عادةً الزجاج أو البوليمرات)، فإن الألياف الضوئية مناسبة تمامًا لإدخالها في الإبر والقسطرة.التطبيقات الطبية[20]، مما يمهد الطريق لرؤية جديدة لـ”مستشفى الإبرة” (انظر الشكل 4).
في الواقع، نظرًا لدرجات الحرية التي توفرها تقنية LOF، من خلال الاستفادة من تكامل الهياكل الدقيقة والنانوية المصنوعة من مواد معدنية و/أو عازلة مختلفة، يمكن تشغيل الألياف الضوئية بشكل صحيح لتطبيقات محددة غالبًا ما تدعم إثارة وضع الرنين.، يتم وضع مجال الضوء 21 بقوة.يمكن أن يؤدي احتواء الضوء على مقياس الطول الموجي، غالبًا بالاشتراك مع المعالجة الكيميائية و/أو البيولوجية 63 ودمج المواد الحساسة مثل البوليمرات الذكية 65,66 إلى تعزيز التحكم في تفاعل الضوء والمادة، والذي يمكن أن يكون مفيدًا للأغراض العلاجية.من الواضح أن اختيار نوع وحجم المكونات/المواد المتكاملة يعتمد على المعلمات الفيزيائية أو البيولوجية أو الكيميائية التي سيتم اكتشافها.
إن دمج مجسات LOF في الإبر الطبية الموجهة إلى مواقع محددة في الجسم سيمكن من أخذ خزعات السوائل والأنسجة المحلية في الجسم الحي، مما يسمح بالعلاج الموضعي المتزامن، وتقليل الآثار الجانبية وزيادة الكفاءة.وتشمل الفرص المحتملة الكشف عن الجزيئات الحيوية المنتشرة المختلفة، بما في ذلك السرطان.المؤشرات الحيوية أو microRNAs (miRNAs)67، وتحديد الأنسجة السرطانية باستخدام التحليل الطيفي الخطي وغير الخطي مثل مطياف رامان (SERS)31، والتصوير الضوئي الصوتي عالي الدقة22،28،68، وجراحة الليزر والاستئصال69، وأدوية التوصيل المحلية باستخدام الضوء27 و التوجيه التلقائي للإبر في جسم الإنسان20.ومن الجدير بالذكر أنه على الرغم من أن استخدام الألياف الضوئية يتجنب العيوب النموذجية للطرق "الكلاسيكية" القائمة على المكونات الإلكترونية، مثل الحاجة إلى التوصيلات الكهربائية ووجود التداخل الكهرومغناطيسي، فإن هذا يسمح بدمج أجهزة استشعار LOF المختلفة بشكل فعال في نظام.إبرة طبية واحدة.ويجب إيلاء اهتمام خاص لتقليل التأثيرات الضارة مثل التلوث والتداخل البصري والعوائق المادية التي تسبب تأثيرات تداخل بين الوظائف المختلفة.ومع ذلك، فمن الصحيح أيضًا أن العديد من الوظائف المذكورة ليس من الضروري أن تكون نشطة في نفس الوقت.يتيح هذا الجانب تقليل التداخل على الأقل، وبالتالي الحد من التأثير السلبي على أداء كل مسبار ودقة الإجراء.تتيح لنا هذه الاعتبارات أن ننظر إلى مفهوم “الإبرة في المستشفى” كرؤية بسيطة لوضع أساس متين للجيل القادم من الإبر العلاجية في علوم الحياة.
فيما يتعلق بالتطبيق المحدد الذي تمت مناقشته في هذه الورقة، في القسم التالي، سنبحث عدديًا في قدرة الإبرة الطبية على توجيه الموجات فوق الصوتية إلى الأنسجة البشرية باستخدام انتشارها على طول محورها.
تمت محاكاة انتشار الموجات فوق الصوتية من خلال إبرة طبية مملوءة بالماء وإدخالها في الأنسجة الرخوة (انظر الرسم البياني في الشكل 5 أ) باستخدام برنامج Comsol Multiphysics التجاري استنادًا إلى طريقة العناصر المحدودة (FEM)70، حيث تم تصميم الإبرة والأنسجة كبيئة مرنة خطية.
بالإشارة إلى الشكل 5 ب، تم تصميم الإبرة على شكل أسطوانة مجوفة (تُعرف أيضًا باسم "القنية") مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو مادة قياسية للإبر الطبية.على وجه الخصوص، تم تصميمه باستخدام معامل يونج E = 205 GPa، ونسبة بواسون ν = 0.28، والكثافة ρ = 7850 كجم م −372.73.هندسيًا، تتميز الإبرة بطول L، وقطر داخلي D (يسمى أيضًا "الخلوص") وسمك الجدار t.بالإضافة إلى ذلك، يعتبر طرف الإبرة مائلا بزاوية α بالنسبة للاتجاه الطولي (z).يتوافق حجم الماء بشكل أساسي مع شكل المنطقة الداخلية للإبرة.في هذا التحليل الأولي، كان من المفترض أن تكون الإبرة مغمورة تمامًا في منطقة من الأنسجة (يُفترض أنها تمتد إلى أجل غير مسمى)، على غرار كرة نصف قطرها rs، والتي ظلت ثابتة عند 85 ملم خلال جميع عمليات المحاكاة.بمزيد من التفصيل، قمنا بإنهاء المنطقة الكروية بطبقة متطابقة تمامًا (PML)، والتي على الأقل تقلل من الموجات غير المرغوب فيها المنعكسة من الحدود "الخيالية".اخترنا بعد ذلك نصف القطر rs وذلك لوضع حدود المجال الكروي بعيدًا بما يكفي عن الإبرة حتى لا تؤثر على الحل الحسابي، وصغيرًا بما يكفي حتى لا يؤثر على التكلفة الحسابية للمحاكاة.
يتم تطبيق التحول الطولي التوافقي للتردد f والسعة A على الحد السفلي لهندسة القلم؛يمثل هذا الموقف حافزًا للمدخلات مطبقًا على الهندسة المحاكاة.عند الحدود المتبقية للإبرة (في تماسها مع الأنسجة والماء)، يعتبر النموذج المقبول يتضمن علاقة بين ظاهرتين فيزيائيتين، إحداهما تتعلق بالميكانيكا الهيكلية (لمساحة الإبرة)، و والآخر للميكانيكا الهيكلية.(بالنسبة للمنطقة العينية)، لذلك يتم فرض الشروط المقابلة على الصوتيات (بالنسبة للمياه والمنطقة العينية)74.على وجه الخصوص، الاهتزازات الصغيرة المطبقة على مقعد الإبرة تسبب اضطرابات الجهد الصغيرة؛وبالتالي، على افتراض أن الإبرة تتصرف مثل وسط مرن، يمكن تقدير متجه الإزاحة U من معادلة التوازن الديناميكي المرن (نافيير)75.تسبب التذبذبات الهيكلية للإبرة تغيرات في ضغط الماء بداخلها (يعتبر ثابتًا في نموذجنا)، ونتيجة لذلك تنتشر الموجات الصوتية في الاتجاه الطولي للإبرة، مما يتوافق بشكل أساسي مع معادلة هيلمهولتز76.أخيرًا، بافتراض أن التأثيرات غير الخطية في الأنسجة لا تذكر وأن سعة موجات القص أصغر بكثير من سعة موجات الضغط، يمكن أيضًا استخدام معادلة هيلمهولتز لنمذجة انتشار الموجات الصوتية في الأنسجة الرخوة.بعد هذا التقريب، يعتبر النسيج سائلًا بكثافة 1000 كجم/م3 وسرعة صوت 1540 م/ث (تجاهل تأثيرات التخميد المعتمدة على التردد).لربط هذين المجالين الفيزيائيين، من الضروري ضمان استمرارية الحركة العادية عند حدود المادة الصلبة والسائلة، والتوازن الاستاتيكي بين الضغط والإجهاد العمودي على حدود المادة الصلبة، والإجهاد العرضي عند حدود المادة الصلبة. يجب أن يكون السائل مساوياً للصفر.75 .
في تحليلنا، قمنا بدراسة انتشار الموجات الصوتية على طول الإبرة في ظل ظروف ثابتة، مع التركيز على تأثير هندسة الإبرة على انبعاث الموجات داخل الأنسجة.على وجه الخصوص، قمنا بدراسة تأثير القطر الداخلي للإبرة D، والطول L والزاوية المائلة α، مع الحفاظ على السماكة ثابتة عند 500 ميكرومتر لجميع الحالات التي تمت دراستها.هذه القيمة لـ t قريبة من سمك الجدار القياسي النموذجي 71 للإبر التجارية.
بدون فقدان العمومية، تم اعتبار تردد f للإزاحة التوافقية المطبق على قاعدة الإبرة يساوي 100 كيلو هرتز، وكانت السعة A 1 ميكرومتر.على وجه الخصوص، تم ضبط التردد على 100 كيلو هرتز، وهو ما يتوافق مع التقديرات التحليلية الواردة في قسم "تحليل التشتت لكتل ​​الورم الكروية لتقدير ترددات الموجات فوق الصوتية المعتمدة على النمو"، حيث تم العثور على سلوك يشبه الرنين لكتل ​​الورم في نطاق التردد من 50 إلى 400 كيلو هرتز، مع تركيز أكبر سعة انتثار عند الترددات المنخفضة حوالي 100 إلى 200 كيلو هرتز (انظر الشكل 2).
كانت المعلمة الأولى التي تمت دراستها هي القطر الداخلي D للإبرة.للراحة، يتم تعريفه على أنه جزء صحيح من طول الموجة الصوتية في تجويف الإبرة (أي في الماء 1.5 = 1.5 مم).في الواقع، غالبًا ما تعتمد ظاهرة انتشار الموجة في الأجهزة التي تتميز بهندسة معينة (على سبيل المثال، في الدليل الموجي) على الحجم المميز للهندسة المستخدمة مقارنة بالطول الموجي لموجة الانتشار.بالإضافة إلى ذلك، في التحليل الأول، من أجل التأكيد بشكل أفضل على تأثير القطر D على انتشار الموجة الصوتية عبر الإبرة، نظرنا في طرف مسطح، مع ضبط الزاوية α = 90 درجة.خلال هذا التحليل، تم تثبيت طول الإبرة L عند 70 ملم.
على الشكل.يُظهر الشكل 6 أ متوسط ​​شدة الصوت كدالة لمعلمة المقياس بدون أبعاد SD، أي D = W/SD تم تقييمها في كرة يبلغ نصف قطرها 10 مم متمركزة على طرف الإبرة المقابل.تتغير معلمة القياس SD من 2 إلى 6، أي أننا نعتبر قيم D تتراوح من 7.5 مم إلى 2.5 مم (عند f = 100 كيلو هرتز).يتضمن النطاق أيضًا قيمة قياسية تبلغ 71 للإبر الطبية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.كما هو متوقع، يؤثر القطر الداخلي للإبرة على شدة الصوت المنبعث من الإبرة، بقيمة قصوى (1030 واط/م2) تقابل D = μW/3 (أي D = 5 مم) واتجاه تنازلي مع انخفاض قطر الدائرة.يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن القطر D هو معلمة هندسية تؤثر أيضًا على مدى غزو الجهاز الطبي، لذلك لا يمكن تجاهل هذا الجانب الحاسم عند اختيار القيمة المثلى.لذلك، على الرغم من أن الانخفاض في D يحدث بسبب انخفاض انتقال الكثافة الصوتية في الأنسجة، بالنسبة للدراسات التالية، القطر D = μW/5، أي D = 3 مم (يتوافق مع معيار 11G71 عند f = 100 كيلو هرتز) ، يعتبر حلاً وسطًا معقولًا بين تطفل الجهاز ونقل شدة الصوت (متوسط ​​حوالي 450 واط / م2).
متوسط ​​شدة الصوت المنبعث من طرف الإبرة (يعتبر مسطحًا)، اعتمادًا على القطر الداخلي للإبرة (أ) والطول (ب) والزاوية المائلة α (ج).الطول في (أ،ج) 90 ملم، والقطر في (ب،ج) 3 ملم.
المعلمة التالية التي سيتم تحليلها هي طول الإبرة L. وفقًا لدراسة الحالة السابقة، فإننا نعتبر زاوية مائلة α = 90° ويتم قياس الطول كمضاعف للطول الموجي في الماء، أي نأخذ في الاعتبار L = SL αW .تم تغيير معلمة المقياس بدون أبعاد SL من 3 × 7، وبالتالي تقدير متوسط ​​شدة الصوت المنبعث من طرف الإبرة في نطاق الطول من 4.5 إلى 10.5 ملم.يتضمن هذا النطاق قيمًا نموذجية للإبر التجارية.النتائج موجوده في الشكل.يوضح الشكل 6 ب أن طول الإبرة L له تأثير كبير على انتقال شدة الصوت في الأنسجة.على وجه التحديد، جعل تحسين هذه المعلمة من الممكن تحسين الإرسال بحوالي ترتيب من حيث الحجم.في الواقع، في نطاق الطول الذي تم تحليله، يأخذ متوسط ​​شدة الصوت حدًا أقصى محليًا قدره 3116 واط/م2 عند SL = 4 (أي L = 60 مم)، والآخر يتوافق مع SL = 6 (أي L = 90) مم).
بعد تحليل تأثير قطر وطول الإبرة على انتشار الموجات فوق الصوتية في الهندسة الأسطوانية، ركزنا على تأثير الزاوية المخروطية على انتقال شدة الصوت في الأنسجة.تم تقييم متوسط ​​شدة الصوت المنبعث من طرف الألياف كدالة للزاوية α، مما أدى إلى تغيير قيمتها من 10° (طرف حاد) إلى 90° (طرف مسطح).في هذه الحالة، كان نصف قطر الكرة المتكاملة حول طرف الإبرة المدروس 20 مم، بحيث بالنسبة لجميع قيم α، تم تضمين رأس الإبرة في الحجم المحسوب من المتوسط.
كما يظهر في الشكل.كما هو مبين في الشكل 6 ج، عندما يتم شحذ الطرف، أي عندما تنخفض α بدءًا من 90 درجة، تزداد شدة الصوت المرسل، لتصل إلى قيمة قصوى تبلغ حوالي 1.5 × 105 وات/م2، وهو ما يتوافق مع α = 50 درجة، أي 2 هو ترتيب من حيث الحجم أعلى بالنسبة إلى الحالة المسطحة.مع زيادة شحذ الطرف (أي عند α أقل من 50 درجة)، تميل شدة الصوت إلى الانخفاض، وتصل إلى قيم مماثلة للطرف المسطح.ومع ذلك، على الرغم من أننا نظرنا في مجموعة واسعة من الزوايا المجسمة المجسمة لعمليات المحاكاة لدينا، فمن الجدير النظر في أن شحذ الطرف ضروري لتسهيل إدخال الإبرة في الأنسجة.في الواقع، يمكن للزاوية المائلة الأصغر (حوالي 10 درجات) أن تقلل من القوة 78 المطلوبة لاختراق الأنسجة.
بالإضافة إلى قيمة شدة الصوت المنقولة داخل الأنسجة، تؤثر الزاوية المائلة أيضًا على اتجاه انتشار الموجة، كما هو موضح في الرسوم البيانية لمستوى ضغط الصوت الموضح في الشكل 7 أ (للطرف المسطح) و3 ب (لمدة 10 درجات). ).طرف مشطوف)، بالتوازي يتم تقييم الاتجاه الطولي في مستوى التماثل (yz، راجع الشكل 5).في أقصى هذين الاعتبارين، يتركز مستوى ضغط الصوت (المشار إليه بـ 1 ميكروباسكال) بشكل أساسي داخل تجويف الإبرة (أي في الماء) ويشع في الأنسجة.بمزيد من التفصيل، في حالة الطرف المسطح (الشكل 7 أ)، يكون توزيع مستوى ضغط الصوت متماثلًا تمامًا فيما يتعلق بالاتجاه الطولي، ويمكن تمييز الموجات الدائمة في الماء الذي يملأ الجسم.يتم توجيه الموجة طوليًا (المحور z)، وتصل السعة إلى قيمتها القصوى في الماء (حوالي 240 ديسيبل) وتنخفض بشكل عرضي، مما يؤدي إلى توهين يبلغ حوالي 20 ديسيبل على مسافة 10 مم من مركز الإبرة.وكما هو متوقع، فإن إدخال الطرف المدبب (الشكل 7 ب) يكسر هذا التناظر، و"تنحرف" بطانات الموجات الدائمة وفقًا لطرف الإبرة.ومن الواضح أن عدم التماثل هذا يؤثر على شدة إشعاع طرف الإبرة، كما هو موضح سابقًا (الشكل 6ج).لفهم هذا الجانب بشكل أفضل، تم تقييم الشدة الصوتية على طول خط القطع المتعامد مع الاتجاه الطولي للإبرة، والذي كان يقع في مستوى تماثل الإبرة ويقع على مسافة 10 مم من طرف الإبرة ( النتائج في الشكل 7ج).وبشكل أكثر تحديدًا، تمت مقارنة توزيعات شدة الصوت التي تم تقييمها عند زوايا مائلة 10 درجة و20 درجة و30 درجة (خطوط صلبة زرقاء وحمراء وخضراء، على التوالي) بالتوزيع بالقرب من النهاية المسطحة (المنحنيات المنقطة السوداء).يبدو أن توزيع الكثافة المرتبط بالإبر ذات الرؤوس المسطحة يكون متماثلًا حول مركز الإبرة.على وجه الخصوص، فإنه يأخذ قيمة حوالي 1420 واط/م2 في المركز، وتدفق حوالي 300 واط/م2 على مسافة ~ 8 مم، ثم ينخفض ​​إلى قيمة حوالي 170 واط/م2 عند ~ 30 مم .عندما يصبح الطرف مدببًا، ينقسم الفص المركزي إلى المزيد من الفصوص ذات الشدة المتفاوتة.وبشكل أكثر تحديدًا، عندما كانت α 30 درجة، يمكن تمييز ثلاث بتلات بوضوح في المظهر الجانبي المقاس عند 1 مم من طرف الإبرة.المركزية تقع تقريباً في وسط الإبرة وتقدر قيمتها بـ 1850 وات/م2، والأعلى على اليمين تبعد حوالي 19 ملم عن المركز وتصل إلى 2625 وات/م2.عند α = 20°، هناك فصين رئيسيين: واحد لكل −12 مم عند 1785 وات/م2 وواحد لكل 14 مم عند 1524 وات/م2.عندما يصبح الطرف أكثر حدة وتصل الزاوية إلى 10°، يتم الوصول إلى حد أقصى قدره 817 واط/م2 عند حوالي -20 مم، وتظهر ثلاثة فصوص أخرى ذات كثافة أقل قليلاً على طول المظهر الجانبي.
مستوى ضغط الصوت في مستوى التماثل y–z لإبرة ذات نهاية مسطحة (أ) ومائلة بمقدار 10 درجات (ب).(ج) توزيع الكثافة الصوتية المقدرة على طول خط القطع المتعامد مع الاتجاه الطولي للإبرة، على مسافة 10 مم من طرف الإبرة وتقع في مستوى التماثل yz.الطول L 70 ملم والقطر D 3 ملم.
توضح هذه النتائج مجتمعة أنه يمكن استخدام الإبر الطبية بشكل فعال لنقل الموجات فوق الصوتية بسرعة 100 كيلو هرتز إلى الأنسجة الرخوة.تعتمد شدة الصوت المنبعث على هندسة الإبرة ويمكن تحسينها (مع مراعاة القيود التي يفرضها غزو الجهاز النهائي) حتى قيم في حدود 1000 واط / م 2 (عند 10 مم).يتم تطبيقها على الجزء السفلي من الإبرة 1. في حالة إزاحة الميكرومتر، تعتبر الإبرة مدخلة بالكامل في الأنسجة الرخوة الممتدة بشكل لا نهائي.على وجه الخصوص، تؤثر الزاوية المائلة بشدة على شدة واتجاه انتشار الموجات الصوتية في الأنسجة، مما يؤدي في المقام الأول إلى تعامد قطع طرف الإبرة.
لدعم تطوير استراتيجيات جديدة لعلاج الأورام تعتمد على استخدام التقنيات الطبية غير الغازية، تم تحليل انتشار الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد في بيئة الورم تحليليًا وحسابيًا.على وجه الخصوص، في الجزء الأول من الدراسة، سمح لنا الحل المرن المؤقت بدراسة تشتت الموجات فوق الصوتية في الأجسام الشبه الكروية السرطانية ذات الحجم والصلابة المعروفين من أجل دراسة حساسية تردد الكتلة.بعد ذلك، تم اختيار ترددات تصل إلى مئات الكيلو هرتز، وتم تصميم التطبيق المحلي لضغط الاهتزاز في بيئة الورم باستخدام محرك إبرة طبية في محاكاة عددية من خلال دراسة تأثير معلمات التصميم الرئيسية التي تحدد نقل الصوت. قوة الأداة على البيئة.أظهرت النتائج أنه يمكن استخدام الإبر الطبية بشكل فعال لتشعيع الأنسجة بالموجات فوق الصوتية، وترتبط شدتها ارتباطًا وثيقًا بالمعلمة الهندسية للإبرة، والتي تسمى الطول الموجي الصوتي العامل.في الواقع، تزداد شدة التشعيع عبر الأنسجة مع زيادة القطر الداخلي للإبرة، وتصل إلى الحد الأقصى عندما يكون القطر ثلاثة أضعاف الطول الموجي.يوفر طول الإبرة أيضًا درجة معينة من الحرية لتحسين التعرض.يتم بالفعل تعظيم النتيجة الأخيرة عندما يتم ضبط طول الإبرة على مضاعف معين لطول موجة التشغيل (على وجه التحديد 4 و 6).ومن المثير للاهتمام، بالنسبة لنطاق التردد محل الاهتمام، أن قيم القطر والطول الأمثل قريبة من تلك المستخدمة عادة للإبر التجارية القياسية.تؤثر الزاوية المائلة، التي تحدد حدة الإبرة، أيضًا على الانبعاثية، حيث تبلغ ذروتها عند حوالي 50 درجة وتوفر أداءً جيدًا عند حوالي 10 درجات، والتي تستخدم بشكل شائع للإبر التجارية..سيتم استخدام نتائج المحاكاة لتوجيه تنفيذ وتحسين منصة التشخيص داخل الإبرة في المستشفى، ودمج الموجات فوق الصوتية التشخيصية والعلاجية مع الحلول العلاجية الأخرى داخل الجهاز وتحقيق تدخلات الطب الدقيق التعاونية.
Koenig IR، Fuchs O، Hansen G، von Mutius E. and Kopp MV ما هو الطب الدقيق؟يورو، أجنبي.مجلة 50، 1700391 (2017).
Collins، FS and Varmus، H. مبادرات جديدة في الطب الدقيق.ن. م.ي. الطب.372، 793-795 (2015).
هسو، دبليو، ماركي، إم كيه، ووانغ، إم دي.معلوماتية التصوير الطبي الحيوي في عصر الطب الدقيق: الإنجازات والتحديات والفرص.مربى.الدواء.يخبر.استاذ مساعد.20(6)، 1010-1013 (2013).
Garraway، LA، Verweij، J. & Ballman، KV علم الأورام الدقيق: مراجعة.J. السريرية.أونكول.31، 1803-1805 (2013).
Wiwatchaitawee، K.، Quarterman، J.، Geary، S.، and Salem، A. تحسين علاج الورم الأرومي الدبقي (GBM) باستخدام نظام توصيل قائم على الجسيمات النانوية.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K، Zadeh G، منصوري S، Reifenberger G و von Daimling A. ورم أرومي دبقي: علم الأمراض والآليات الجزيئية والعلامات.اكتا علم الأمراض العصبية.129(6)، 829-848 (2015).
بوش، NAO، تشانغ، SM وبيرغر، MS الاستراتيجيات الحالية والمستقبلية لعلاج الورم الدبقي.جراحة الاعصاب.إد.40، 1-14 (2017).