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भौतिकी और जीवन विज्ञान के अंतःविषय अंतर्संबंध के आधार पर, सटीक चिकित्सा पर आधारित नैदानिक ​​और चिकित्सीय रणनीतियों ने हाल ही में चिकित्सा के कई क्षेत्रों, विशेष रूप से ऑन्कोलॉजी में नई इंजीनियरिंग विधियों की व्यावहारिक प्रयोज्यता के कारण काफी ध्यान आकर्षित किया है।इस ढांचे के भीतर, विभिन्न स्तरों पर संभावित यांत्रिक क्षति का कारण बनने के लिए ट्यूमर में कैंसर कोशिकाओं पर हमला करने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग दुनिया भर के वैज्ञानिकों का ध्यान आकर्षित कर रहा है।इन कारकों को ध्यान में रखते हुए, इलास्टोडायनामिक समय समाधान और संख्यात्मक सिमुलेशन के आधार पर, हम स्थानीय विकिरण द्वारा उपयुक्त आवृत्तियों और शक्तियों का चयन करने के लिए ऊतकों में अल्ट्रासाउंड प्रसार के कंप्यूटर सिमुलेशन का प्रारंभिक अध्ययन प्रस्तुत करते हैं।प्रयोगशाला ऑन-फ़ाइबर तकनीक के लिए नया डायग्नोस्टिक प्लेटफ़ॉर्म, जिसे हॉस्पिटल नीडल कहा जाता है और पहले से ही पेटेंट कराया गया है।ऐसा माना जाता है कि विश्लेषण के परिणाम और संबंधित बायोफिजिकल अंतर्दृष्टि नए एकीकृत नैदानिक ​​​​और चिकित्सीय दृष्टिकोणों के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं जो भविष्य में भौतिकी के क्षेत्रों से लेते हुए सटीक चिकित्सा के अनुप्रयोग में केंद्रीय भूमिका निभा सकते हैं।जीव विज्ञान के बीच बढ़ते तालमेल की शुरुआत हो रही है।
बड़ी संख्या में नैदानिक ​​​​अनुप्रयोगों के अनुकूलन के साथ, रोगियों पर दुष्प्रभावों को कम करने की आवश्यकता धीरे-धीरे उभरने लगी।इस उद्देश्य से, अनिवार्य रूप से दो मुख्य दृष्टिकोणों का पालन करते हुए, मरीजों को दी जाने वाली दवाओं की खुराक को कम करने के लिए सटीक दवा 1, 2, 3, 4, 5 एक रणनीतिक लक्ष्य बन गया है।पहला रोगी की जीनोमिक प्रोफ़ाइल के अनुसार डिज़ाइन किए गए उपचार पर आधारित है।दूसरा, जो ऑन्कोलॉजी में स्वर्ण मानक बन रहा है, इसका उद्देश्य थोड़ी मात्रा में दवा जारी करने की कोशिश करके प्रणालीगत दवा वितरण प्रक्रियाओं से बचना है, साथ ही स्थानीय चिकित्सा के उपयोग के माध्यम से सटीकता बढ़ाना है।अंतिम लक्ष्य कई चिकित्सीय दृष्टिकोणों, जैसे कि कीमोथेरेपी या रेडियोन्यूक्लाइड्स के प्रणालीगत प्रशासन के नकारात्मक प्रभावों को खत्म करना या कम से कम करना है।कैंसर के प्रकार, स्थान, विकिरण की खुराक और अन्य कारकों के आधार पर, विकिरण चिकित्सा में भी स्वस्थ ऊतकों के लिए उच्च अंतर्निहित जोखिम हो सकता है।ग्लियोब्लास्टोमा6,7,8,9 के उपचार में सर्जरी से अंतर्निहित कैंसर को सफलतापूर्वक हटा दिया जाता है, लेकिन मेटास्टेस की अनुपस्थिति में भी, कई छोटे कैंसरयुक्त घुसपैठ मौजूद हो सकते हैं।यदि उन्हें पूरी तरह से हटाया नहीं जाता है, तो अपेक्षाकृत कम समय के भीतर नए कैंसर समूह विकसित हो सकते हैं।इस संदर्भ में, उपरोक्त सटीक चिकित्सा रणनीतियों को लागू करना मुश्किल है क्योंकि इन घुसपैठों का पता लगाना और बड़े क्षेत्र में फैलाना मुश्किल है।ये बाधाएं सटीक दवा के साथ किसी भी पुनरावृत्ति को रोकने में निश्चित परिणामों को रोकती हैं, इसलिए कुछ मामलों में प्रणालीगत वितरण विधियों को प्राथमिकता दी जाती है, हालांकि उपयोग की जाने वाली दवाओं में विषाक्तता का स्तर बहुत अधिक हो सकता है।इस समस्या को दूर करने के लिए, आदर्श उपचार दृष्टिकोण न्यूनतम आक्रामक रणनीतियों का उपयोग करना होगा जो स्वस्थ ऊतकों को प्रभावित किए बिना कैंसर कोशिकाओं पर चुनिंदा रूप से हमला कर सकते हैं।इस तर्क के प्रकाश में, अल्ट्रासोनिक कंपन का उपयोग, जो एककोशिकीय प्रणालियों और मेसोस्केल विषम समूहों दोनों में कैंसरग्रस्त और स्वस्थ कोशिकाओं को अलग-अलग तरीके से प्रभावित करता है, एक संभावित समाधान की तरह लगता है।
यंत्रवत दृष्टिकोण से, स्वस्थ और कैंसरग्रस्त कोशिकाओं में वास्तव में अलग-अलग प्राकृतिक गुंजयमान आवृत्तियाँ होती हैं।यह गुण कैंसर कोशिकाओं12,13 की साइटोस्केलेटल संरचना के यांत्रिक गुणों में ऑन्कोजेनिक परिवर्तनों से जुड़ा है, जबकि ट्यूमर कोशिकाएं, औसतन, सामान्य कोशिकाओं की तुलना में अधिक विकृत होती हैं।इस प्रकार, उत्तेजना के लिए अल्ट्रासाउंड आवृत्ति के इष्टतम विकल्प के साथ, चयनित क्षेत्रों में प्रेरित कंपन जीवित कैंसरग्रस्त संरचनाओं को नुकसान पहुंचा सकते हैं, जिससे मेजबान के स्वस्थ वातावरण पर प्रभाव कम हो सकता है।अभी तक पूरी तरह से समझे नहीं गए इन प्रभावों में अल्ट्रासाउंड से प्रेरित उच्च-आवृत्ति कंपन के कारण कुछ सेलुलर संरचनात्मक घटकों का विनाश (सैद्धांतिक रूप से लिथोट्रिप्सी 14 के समान) और यांत्रिक थकान के समान घटना के कारण सेलुलर क्षति शामिल हो सकती है, जो बदले में सेलुलर संरचना को बदल सकती है। .प्रोग्रामिंग और मैकेनोबायोलॉजी।यद्यपि यह सैद्धांतिक समाधान बहुत उपयुक्त प्रतीत होता है, दुर्भाग्य से इसका उपयोग उन मामलों में नहीं किया जा सकता है जहां एनेकोइक जैविक संरचनाएं अल्ट्रासाउंड के प्रत्यक्ष अनुप्रयोग को रोकती हैं, उदाहरण के लिए, हड्डी की उपस्थिति के कारण इंट्राक्रैनील अनुप्रयोगों में, और कुछ स्तन ट्यूमर द्रव्यमान वसा में स्थित होते हैं ऊतक।क्षीणन संभावित चिकित्सीय प्रभाव की साइट को सीमित कर सकता है।इन समस्याओं को दूर करने के लिए, अल्ट्रासाउंड को विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए ट्रांसड्यूसर के साथ स्थानीय रूप से लागू किया जाना चाहिए जो कि विकिरणित साइट तक यथासंभव कम आक्रामक तरीके से पहुंच सके।इसे ध्यान में रखते हुए, हमने "सुई अस्पताल"15 नामक एक नवीन तकनीकी मंच बनाने की संभावना से संबंधित विचारों का उपयोग करने की संभावना पर विचार किया।"हॉस्पिटल इन द नीडल" अवधारणा में एक चिकित्सा सुई में विभिन्न कार्यों के संयोजन के आधार पर, नैदानिक ​​और चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए एक न्यूनतम इनवेसिव चिकित्सा उपकरण का विकास शामिल है।जैसा कि हॉस्पिटल नीडल अनुभाग में अधिक विस्तार से चर्चा की गई है, यह कॉम्पैक्ट डिवाइस मुख्य रूप से 16, 17, 18, 19, 20, 21 फाइबर ऑप्टिक जांच के फायदों पर आधारित है, जो अपनी विशेषताओं के कारण मानक 20 में सम्मिलन के लिए उपयुक्त हैं। मेडिकल सुई, 22 लुमेन।लैब-ऑन-फाइबर (एलओएफ)23 तकनीक द्वारा प्रदान किए गए लचीलेपन का लाभ उठाते हुए, फाइबर प्रभावी रूप से द्रव बायोप्सी और ऊतक बायोप्सी उपकरणों सहित लघु और उपयोग में आसान नैदानिक ​​और चिकित्सीय उपकरणों के लिए एक अनूठा मंच बन रहा है।बायोमोलेक्यूलर डिटेक्शन24,25, प्रकाश-निर्देशित स्थानीय दवा वितरण26,27, उच्च परिशुद्धता स्थानीय अल्ट्रासाउंड इमेजिंग28, थर्मल थेरेपी29,30 और स्पेक्ट्रोस्कोपी-आधारित कैंसर ऊतक पहचान31 में।इस अवधारणा के भीतर, "अस्पताल में सुई" डिवाइस पर आधारित स्थानीयकरण दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, हम रुचि के क्षेत्र के भीतर अल्ट्रासाउंड तरंगों को उत्तेजित करने के लिए सुइयों के माध्यम से अल्ट्रासाउंड तरंगों के प्रसार का उपयोग करके निवासी जैविक संरचनाओं की स्थानीय उत्तेजना को अनुकूलित करने की संभावना की जांच करते हैं।.इस प्रकार, कम तीव्रता वाले चिकित्सीय अल्ट्रासाउंड को सीधे जोखिम वाले क्षेत्र में लागू किया जा सकता है, जिसमें सॉनिकेटिंग कोशिकाओं और नरम ऊतकों में छोटे ठोस संरचनाओं के लिए न्यूनतम आक्रमण होता है, जैसा कि उपरोक्त इंट्राक्रैनियल सर्जरी के मामले में, खोपड़ी में एक छोटा सा छेद डाला जाना चाहिए। सुई.हाल के सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिणामों से प्रेरित होकर जो बताते हैं कि अल्ट्रासाउंड कुछ कैंसर के विकास को रोक या विलंबित कर सकता है,32,33,34 प्रस्तावित दृष्टिकोण कम से कम सिद्धांत रूप में, आक्रामक और उपचारात्मक प्रभावों के बीच प्रमुख व्यापार-बंद को संबोधित करने में मदद कर सकता है।इन विचारों को ध्यान में रखते हुए, वर्तमान पेपर में, हम कैंसर के लिए न्यूनतम इनवेसिव अल्ट्रासाउंड थेरेपी के लिए अस्पताल में सुई डिवाइस का उपयोग करने की संभावना की जांच करते हैं।अधिक सटीक रूप से, विकास-निर्भर अल्ट्रासाउंड आवृत्ति अनुभाग का अनुमान लगाने के लिए गोलाकार ट्यूमर द्रव्यमान के प्रकीर्णन विश्लेषण में, हम एक लोचदार माध्यम में विकसित गोलाकार ठोस ट्यूमर के आकार की भविष्यवाणी करने के लिए अच्छी तरह से स्थापित इलास्टोडायनामिक तरीकों और ध्वनिक प्रकीर्णन सिद्धांत का उपयोग करते हैं।सामग्री के विकास-प्रेरित रीमॉडलिंग के कारण ट्यूमर और मेजबान ऊतक के बीच होने वाली कठोरता।हमारे सिस्टम का वर्णन करने के बाद, जिसे हम "सुई में अस्पताल" अनुभाग कहते हैं, "सुई में अस्पताल" अनुभाग में, हम अनुमानित आवृत्तियों पर चिकित्सा सुइयों के माध्यम से अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार का विश्लेषण करते हैं और उनके संख्यात्मक मॉडल अध्ययन के लिए पर्यावरण को विकिरणित करते हैं। मुख्य ज्यामितीय पैरामीटर (सुई का वास्तविक आंतरिक व्यास, लंबाई और तीक्ष्णता), उपकरण की ध्वनिक शक्ति के संचरण को प्रभावित करते हैं।सटीक चिकित्सा के लिए नई इंजीनियरिंग रणनीतियों को विकसित करने की आवश्यकता को देखते हुए, यह माना जाता है कि प्रस्तावित अध्ययन एक एकीकृत थेराग्नोस्टिक प्लेटफॉर्म के माध्यम से वितरित अल्ट्रासाउंड के उपयोग के आधार पर कैंसर के उपचार के लिए एक नया उपकरण विकसित करने में मदद कर सकता है जो अल्ट्रासाउंड को अन्य समाधानों के साथ एकीकृत करता है।संयुक्त, जैसे एक ही सुई के भीतर लक्षित दवा वितरण और वास्तविक समय निदान।
अल्ट्रासोनिक (अल्ट्रासाउंड) उत्तेजना का उपयोग करके स्थानीयकृत ठोस ट्यूमर के उपचार के लिए यंत्रवत रणनीति प्रदान करने की प्रभावशीलता एकल-कोशिका प्रणालियों 10, 11, 12 पर कम तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक कंपन के प्रभाव से सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक रूप से निपटने वाले कई पत्रों का लक्ष्य रही है। , 32, 33, 34, 35, 36 विस्कोलेस्टिक मॉडल का उपयोग करते हुए, कई जांचकर्ताओं ने विश्लेषणात्मक रूप से प्रदर्शित किया है कि ट्यूमर और स्वस्थ कोशिकाएं यूएस 10,11,12 रेंज में अलग-अलग गुंजयमान चोटियों की विशेषता वाली विभिन्न आवृत्ति प्रतिक्रियाएं प्रदर्शित करती हैं।यह परिणाम बताता है कि, सिद्धांत रूप में, ट्यूमर कोशिकाओं पर यांत्रिक उत्तेजनाओं द्वारा चुनिंदा रूप से हमला किया जा सकता है जो मेजबान वातावरण को संरक्षित करते हैं।यह व्यवहार प्रमुख सबूतों का प्रत्यक्ष परिणाम है कि, ज्यादातर मामलों में, ट्यूमर कोशिकाएं स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना में अधिक लचीली होती हैं, संभवतः उनकी प्रसार और प्रवास करने की क्षमता को बढ़ाने के लिए37,38,39,40।एकल कोशिका मॉडल से प्राप्त परिणामों के आधार पर, उदाहरण के लिए सूक्ष्म पैमाने पर, विषम कोशिका समुच्चय के हार्मोनिक प्रतिक्रियाओं के संख्यात्मक अध्ययन के माध्यम से कैंसर कोशिकाओं की चयनात्मकता को मेसोस्केल पर भी प्रदर्शित किया गया है।कैंसर कोशिकाओं और स्वस्थ कोशिकाओं का एक अलग प्रतिशत प्रदान करते हुए, सैकड़ों माइक्रोमीटर आकार के बहुकोशिकीय समुच्चय को पदानुक्रमित रूप से बनाया गया था।इन समुच्चय के मेसोलेवल पर, एकल कोशिकाओं के यांत्रिक व्यवहार को दर्शाने वाले मुख्य संरचनात्मक तत्वों के प्रत्यक्ष कार्यान्वयन के कारण रुचि की कुछ सूक्ष्म विशेषताएं संरक्षित रहती हैं।विशेष रूप से, प्रत्येक कोशिका विभिन्न पूर्व-तनावग्रस्त साइटोस्केलेटल संरचनाओं की प्रतिक्रिया की नकल करने के लिए एक तनाव-आधारित वास्तुकला का उपयोग करती है, जिससे उनकी समग्र कठोरता प्रभावित होती है।उपरोक्त साहित्य की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों और इन विट्रो प्रयोगों ने उत्साहजनक परिणाम दिए हैं, जो कम तीव्रता वाले चिकित्सीय अल्ट्रासाउंड (एलआईटीयूएस) के प्रति ट्यूमर द्रव्यमान की संवेदनशीलता का अध्ययन करने की आवश्यकता का संकेत देते हैं, और ट्यूमर द्रव्यमान के विकिरण की आवृत्ति का आकलन महत्वपूर्ण है।ऑन-साइट आवेदन के लिए स्थिति LITUS।
हालाँकि, ऊतक स्तर पर, व्यक्तिगत घटक का सबमैक्रोस्कोपिक विवरण अनिवार्य रूप से खो जाता है, और बड़े पैमाने पर वृद्धि और तनाव-प्रेरित रीमॉडलिंग प्रक्रियाओं को ट्रैक करने के लिए अनुक्रमिक तरीकों का उपयोग करके ट्यूमर ऊतक के गुणों का पता लगाया जा सकता है, मैक्रोस्कोपिक प्रभावों को ध्यान में रखते हुए विकास।41.42 के पैमाने पर ऊतक लोच में प्रेरित परिवर्तन।वास्तव में, एककोशिकीय और समग्र प्रणालियों के विपरीत, ठोस ट्यूमर द्रव्यमान असामान्य अवशिष्ट तनावों के क्रमिक संचय के कारण नरम ऊतकों में बढ़ते हैं, जो समग्र इंट्राटुमोरल कठोरता में वृद्धि के कारण प्राकृतिक यांत्रिक गुणों को बदलते हैं, और ट्यूमर स्केलेरोसिस अक्सर एक निर्धारण कारक बन जाता है। ट्यूमर का पता लगाना.
इन विचारों को ध्यान में रखते हुए, यहां हम सामान्य ऊतक वातावरण में बढ़ने वाले लोचदार गोलाकार समावेशन के रूप में तैयार किए गए ट्यूमर स्फेरोइड की सोनोडायनामिक प्रतिक्रिया का विश्लेषण करते हैं।अधिक सटीक रूप से, ट्यूमर के चरण से जुड़े लोचदार गुणों को पिछले काम में कुछ लेखकों द्वारा प्राप्त सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिणामों के आधार पर निर्धारित किया गया था।उनमें से, विषम मीडिया में विवो में विकसित ठोस ट्यूमर गोलाकारों के विकास का अध्ययन ट्यूमर द्रव्यमान और संबंधित इंट्राटूमोरल तनाव के विकास की भविष्यवाणी करने के लिए अंतर-प्रजाति गतिशीलता के संयोजन में गैर-रेखीय यांत्रिक मॉडल 41,43,44 को लागू करके किया गया है।जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, वृद्धि (उदाहरण के लिए, इनलेस्टिक प्रीस्ट्रेचिंग) और अवशिष्ट तनाव ट्यूमर सामग्री के गुणों के प्रगतिशील रीमॉडलिंग का कारण बनते हैं, जिससे इसकी ध्वनिक प्रतिक्रिया भी बदल जाती है।यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि रेफरी में।41 पशु मॉडल में प्रायोगिक अभियानों में ट्यूमर में वृद्धि और ठोस तनाव के सह-विकास का प्रदर्शन किया गया है।विशेष रूप से, समान आयामों के साथ एक गोलाकार परिमित तत्व मॉडल पर सिलिको में समान स्थितियों को पुन: उत्पन्न करके प्राप्त कठोरता के साथ विभिन्न चरणों में काटे गए स्तन ट्यूमर द्रव्यमान की कठोरता की तुलना और अनुमानित अवशिष्ट तनाव क्षेत्र को ध्यान में रखते हुए प्रस्तावित विधि की पुष्टि की गई मॉडल वैधता..इस कार्य में, पहले से प्राप्त सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिणामों का उपयोग एक नई विकसित चिकित्सीय रणनीति विकसित करने के लिए किया जाता है।विशेष रूप से, संबंधित विकासवादी प्रतिरोध गुणों के साथ अनुमानित आकार की गणना यहां की गई थी, जिसका उपयोग इस प्रकार आवृत्ति रेंज का अनुमान लगाने के लिए किया गया था कि मेजबान वातावरण में एम्बेडेड ट्यूमर द्रव्यमान अधिक संवेदनशील हैं।इस प्रयोजन के लिए, हमने विभिन्न चरणों में ट्यूमर द्रव्यमान के गतिशील व्यवहार की जांच की, अल्ट्रासोनिक उत्तेजनाओं के जवाब में बिखरने के आम तौर पर स्वीकृत सिद्धांत के अनुसार ध्वनिक संकेतकों को ध्यान में रखा और गोलाकार की संभावित गुंजयमान घटना को उजागर किया। .ट्यूमर और मेजबान के आधार पर ऊतकों के बीच कठोरता में वृद्धि-निर्भर अंतर।
इस प्रकार, प्रयोगात्मक डेटा के आधार पर ट्यूमर द्रव्यमान को मेजबान के आसपास के लोचदार वातावरण में त्रिज्या \(ए\) के लोचदार क्षेत्रों के रूप में तैयार किया गया था, जिसमें दिखाया गया था कि गोलाकार आकार में भारी घातक संरचनाएं कैसे बढ़ती हैं।चित्र 1 का संदर्भ लेते हुए, गोलाकार निर्देशांक \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) का उपयोग करते हुए (जहां \(\theta\) और \(\varphi\) क्रमशः विसंगति कोण और दिगंश कोण का प्रतिनिधित्व करते हैं), ट्यूमर डोमेन स्वस्थ स्थान में एम्बेडेड क्षेत्र पर कब्जा कर लेता है \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) असीमित क्षेत्र \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).कई साहित्य 45,46,47,48 में रिपोर्ट किए गए सुस्थापित इलास्टोडायनामिक आधार पर आधारित गणितीय मॉडल के संपूर्ण विवरण के लिए पूरक सूचना (एसआई) का संदर्भ लेते हुए, हम यहां एक अक्षीय सममित दोलन मोड की विशेषता वाली समस्या पर विचार करते हैं।इस धारणा का तात्पर्य है कि ट्यूमर और स्वस्थ क्षेत्रों के भीतर सभी चर अज़ीमुथल समन्वय \(\varphi\) से स्वतंत्र हैं और इस दिशा में कोई विकृति नहीं होती है।परिणामस्वरूप, विस्थापन और तनाव क्षेत्र दो अदिश विभवों से प्राप्त किए जा सकते हैं \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) और \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {kern 1pt} t }}\) , वे हैं क्रमशः एक अनुदैर्ध्य तरंग और एक कतरनी तरंग से संबंधित, उछाल \(\theta \) और घटना तरंग की दिशा और स्थिति वेक्टर के बीच के कोण के बीच संयोग समय t \({\mathbf {x))\) ( जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है) और \(\omega = 2\pi f\) कोणीय आवृत्ति का प्रतिनिधित्व करता है।विशेष रूप से, घटना क्षेत्र को शरीर के आयतन में फैलने वाली समतल तरंग \(\phi_{H}^{(in)}\) (एसआई प्रणाली में भी प्रस्तुत किया गया है, समीकरण (A.9) में) द्वारा प्रतिरूपित किया जाता है। कानून अभिव्यक्ति के अनुसार
जहां \(\phi_{0}\) आयाम पैरामीटर है।गोलाकार तरंग फ़ंक्शन का उपयोग करके आपतित समतल तरंग (1) का गोलाकार विस्तार मानक तर्क है:
जहां \(j_{n}\) पहले प्रकार के क्रम का गोलाकार बेसेल फ़ंक्शन है \(n\), और \(P_{n}\) लीजेंड्रे बहुपद है।निवेश क्षेत्र की घटना तरंग का एक हिस्सा आसपास के माध्यम में बिखरा हुआ है और घटना क्षेत्र को ओवरलैप करता है, जबकि दूसरा हिस्सा क्षेत्र के अंदर बिखरा हुआ है, जो इसके कंपन में योगदान देता है।ऐसा करने के लिए, तरंग समीकरण के हार्मोनिक समाधान \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) और \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), उदाहरण के लिए इरिंगेन45 द्वारा प्रदान किया गया (SI भी देखें) ) ट्यूमर और स्वस्थ क्षेत्रों का संकेत दे सकता है।विशेष रूप से, मेजबान माध्यम \(H\) में उत्पन्न बिखरी हुई विस्तार तरंगें और आइसोवॉल्यूमिक तरंगें अपनी संबंधित संभावित ऊर्जाओं को स्वीकार करती हैं:
उनमें से, पहली तरह के गोलाकार हेंकेल फ़ंक्शन का उपयोग आउटगोइंग बिखरी हुई लहर पर विचार करने के लिए किया जाता है, और \(\alpha_{n}\) और \(\beta_{ n}\ ) अज्ञात गुणांक हैं।समीकरण में.समीकरण (2)-(4) में, शब्द \(k_{H1}\) और \(k_{H2}\) क्रमशः शरीर के मुख्य क्षेत्र में विरलन और अनुप्रस्थ तरंगों की तरंग संख्याओं को दर्शाते हैं ( एसआई देखें)।ट्यूमर के अंदर संपीड़न क्षेत्र और बदलाव का रूप होता है
जहां \(k_{T1}\) और \(k_{T2}\) ट्यूमर क्षेत्र में अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ तरंग संख्याओं का प्रतिनिधित्व करते हैं, और अज्ञात गुणांक \(\गामा_{n} {mkern 1mu}\) हैं, \(\ eta_{n} {mkern 1mu}\).इन परिणामों के आधार पर, गैर-शून्य रेडियल और परिधीय विस्थापन घटक विचाराधीन समस्या में स्वस्थ क्षेत्रों की विशेषता हैं, जैसे कि \(u_{Hr}\) और \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) समरूपता धारणा की अब आवश्यकता नहीं है) - संबंध \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi) से प्राप्त किया जा सकता है } \दाएं) + k_}^{2 } {mkern 1mu} r\chi\) और \(u_{H\theta} = r^{- 1} \आंशिक_{\theta} \left({\phi + \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) और \ बनाकर \आंशिक_{r } ( r\chi ) } \right)\) (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (विस्तृत गणितीय व्युत्पत्ति के लिए SI देखें)।इसी प्रकार, \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) और \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) को प्रतिस्थापित करने पर {Tr} = \partial_{r} प्राप्त होता है \left( {phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {mkern 1mu} r\chi\) और \(u_{T\theta} = r^{-1}\आंशिक _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(बाएं) एक स्वस्थ वातावरण में विकसित एक गोलाकार ट्यूमर की ज्यामिति जिसके माध्यम से एक घटना क्षेत्र फैलता है, (दाएं) ट्यूमर त्रिज्या के एक समारोह के रूप में ट्यूमर-मेजबान कठोरता अनुपात के अनुरूप विकास, रिपोर्ट किए गए डेटा (कैरोटेनुटो एट अल 41 से अनुकूलित) संपीड़न परीक्षणों से इन विट्रो को एमडीए-एमबी-231 कोशिकाओं के साथ लगाए गए ठोस स्तन ट्यूमर से प्राप्त किया गया था।
रैखिक लोचदार और आइसोट्रोपिक सामग्रियों को मानते हुए, स्वस्थ और ट्यूमर क्षेत्रों में गैर-शून्य तनाव घटक, यानी \(\sigma_{Hpq}\) और \(\sigma_{Tpq}\) - सामान्यीकृत हुक के नियम का पालन करते हैं, यह देखते हुए अलग-अलग लैम मॉड्यूल हैं, जो मेजबान और ट्यूमर लोच की विशेषता रखते हैं, जिन्हें \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) और \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (एसआई में दर्शाए गए तनाव घटकों की पूर्ण अभिव्यक्ति के लिए समीकरण (ए.11) देखें)।विशेष रूप से, संदर्भ 41 के आंकड़ों और चित्र 1 में प्रस्तुत के अनुसार, बढ़ते ट्यूमर ने ऊतक लोच स्थिरांक में परिवर्तन दिखाया।इस प्रकार, मेजबान और ट्यूमर क्षेत्रों में विस्थापन और तनाव पूरी तरह से अज्ञात स्थिरांक के एक सेट तक निर्धारित होते हैं \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) के सैद्धांतिक रूप से अनंत आयाम हैं।इन गुणांक वैक्टर को खोजने के लिए, ट्यूमर और स्वस्थ क्षेत्रों के बीच उपयुक्त इंटरफेस और सीमा की स्थिति पेश की जाती है।ट्यूमर-होस्ट इंटरफ़ेस \(r = a\) पर सही बंधन मानते हुए, विस्थापन और तनाव की निरंतरता के लिए निम्नलिखित स्थितियों की आवश्यकता होती है:
सिस्टम (7) अनंत समाधान वाले समीकरणों की एक प्रणाली बनाता है।इसके अलावा, प्रत्येक सीमा स्थिति विसंगति \(\theta\) पर निर्भर करेगी।बंद प्रणालियों के \(N\) सेट के साथ सीमा मान समस्या को एक पूर्ण बीजगणितीय समस्या में बदलने के लिए, जिनमें से प्रत्येक अज्ञात में है \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ (n) \infty \), सैद्धांतिक रूप से), और त्रिकोणमितीय शब्दों पर समीकरणों की निर्भरता को खत्म करने के लिए, लीजेंड्रे बहुपद की ऑर्थोगोनलिटी का उपयोग करके इंटरफ़ेस स्थितियों को कमजोर रूप में लिखा जाता है।विशेष रूप से, समीकरण (7)1,2 और (7)3,4 को \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) और \(P_{n}^{ से गुणा किया जाता है) 1} \left( { \cos\theta}\right)\) और फिर गणितीय पहचान का उपयोग करके \(0\) और \(\pi\) के बीच एकीकृत करें:
इस प्रकार, इंटरफ़ेस स्थिति (7) एक द्विघात बीजगणितीय समीकरण प्रणाली लौटाती है, जिसे मैट्रिक्स रूप में \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। } _{ n} = {mathbf{q}}_{n} (a)\) और क्रैमर नियम को हल करके अज्ञात \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) प्राप्त करें।
गोले द्वारा बिखरे हुए ऊर्जा प्रवाह का अनुमान लगाने और मेजबान माध्यम में फैले बिखरे हुए क्षेत्र पर डेटा के आधार पर इसकी ध्वनिक प्रतिक्रिया के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए, एक ध्वनिक मात्रा रुचि की है, जो एक सामान्यीकृत द्विस्थैतिक बिखरने वाला क्रॉस सेक्शन है।विशेष रूप से, प्रकीर्णन क्रॉस सेक्शन, जिसे \(s) कहा जाता है, बिखरे हुए सिग्नल द्वारा प्रेषित ध्वनिक शक्ति और घटना तरंग द्वारा किए गए ऊर्जा के विभाजन के बीच के अनुपात को व्यक्त करता है।इस संबंध में, आकार फ़ंक्शन का परिमाण \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) ध्वनिक तंत्र के अध्ययन में अक्सर उपयोग की जाने वाली मात्रा है किसी तरल या ठोस पदार्थ में समाहित तलछट में वस्तुओं का बिखराव।अधिक सटीक रूप से, आकार फ़ंक्शन के आयाम को प्रति इकाई क्षेत्र में अंतर बिखरने वाले क्रॉस सेक्शन \(डीएस\) के रूप में परिभाषित किया गया है, जो घटना तरंग के प्रसार की दिशा के सामान्य से भिन्न होता है:
जहां \(f_{n}^{pp}\) और \(f_{n}^{ps}\) मोडल फ़ंक्शन को दर्शाते हैं, जो अनुदैर्ध्य तरंग की शक्तियों और बिखरी हुई लहर के सापेक्ष अनुपात को संदर्भित करता है प्राप्तकर्ता माध्यम में घटना पी-तरंग क्रमशः निम्नलिखित अभिव्यक्तियों के साथ दी गई है:
आंशिक तरंग कार्यों (10) का अध्ययन गुंजयमान प्रकीर्णन सिद्धांत (आरएसटी)49,50,51,52 के अनुसार स्वतंत्र रूप से किया जा सकता है, जो विभिन्न मोड का अध्ययन करते समय लक्ष्य लोच को कुल भटक क्षेत्र से अलग करना संभव बनाता है।इस विधि के अनुसार, मोडल फॉर्म फ़ंक्शन को दो समान भागों के योग में विघटित किया जा सकता है, अर्थात् \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) क्रमशः गुंजयमान और गैर-गुंजयमान पृष्ठभूमि आयामों से संबंधित हैं।गुंजयमान मोड का आकार कार्य लक्ष्य की प्रतिक्रिया से संबंधित होता है, जबकि पृष्ठभूमि आमतौर पर स्कैटरर के आकार से संबंधित होती है।प्रत्येक मोड के लिए लक्ष्य के पहले फॉर्मेंट का पता लगाने के लिए, मोडल अनुनाद आकार फ़ंक्शन का आयाम \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) एक कठोर पृष्ठभूमि मानकर गणना की जाती है, जिसमें एक लोचदार मेजबान सामग्री में अभेद्य क्षेत्र शामिल होते हैं।यह परिकल्पना इस तथ्य से प्रेरित है कि, सामान्य तौर पर, अवशिष्ट संपीड़न तनाव के कारण ट्यूमर द्रव्यमान की वृद्धि के साथ कठोरता और घनत्व दोनों बढ़ते हैं।इस प्रकार, वृद्धि के गंभीर स्तर पर, नरम में विकसित होने वाले अधिकांश मैक्रोस्कोपिक ठोस ट्यूमर के लिए प्रतिबाधा अनुपात \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) 1 से अधिक होने की उम्मीद है ऊतक.उदाहरण के लिए, क्राउस्कोप एट अल।53 में प्रोस्टेट ऊतक के लिए लगभग 4 के कैंसरग्रस्त और सामान्य मापांक का अनुपात बताया गया, जबकि स्तन ऊतक के नमूनों के लिए यह मान बढ़कर 20 हो गया।ये संबंध अनिवार्य रूप से ऊतक की ध्वनिक प्रतिबाधा को बदलते हैं, जैसा कि इलास्टोग्राफी विश्लेषण54,55,56 द्वारा भी प्रदर्शित किया गया है, और ट्यूमर हाइपरप्रोलिफरेशन के कारण स्थानीय ऊतक मोटाई से संबंधित हो सकता है।यह अंतर प्रयोगात्मक रूप से विभिन्न चरणों में विकसित स्तन ट्यूमर ब्लॉकों के सरल संपीड़न परीक्षणों के साथ भी देखा गया है, और सामग्री के रीमॉडलिंग को गैर-रेखीय रूप से बढ़ते ट्यूमर के पूर्वानुमानित क्रॉस-प्रजाति मॉडल के साथ अच्छी तरह से पालन किया जा सकता है।प्राप्त कठोरता डेटा सीधे सूत्र \(E_{T} = S\left( {1 - \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ के अनुसार ठोस ट्यूमर के यंग मापांक के विकास से संबंधित हैं। varepsilon\ )( दो कठोर प्लेटों 57 के बीच त्रिज्या \(a\), कठोरता \(S\) और पॉइसन अनुपात \(\nu\) वाले गोले, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है)।इस प्रकार, विभिन्न विकास स्तरों पर ट्यूमर और मेजबान की ध्वनिक प्रतिबाधा माप प्राप्त करना संभव है।विशेष रूप से, चित्र 1 में 2 kPa के बराबर सामान्य ऊतक के मापांक की तुलना में, लगभग 500 से 1250 mm3 की मात्रा सीमा में स्तन ट्यूमर के लोचदार मापांक में लगभग 10 kPa से 16 kPa तक की वृद्धि हुई, जो है रिपोर्ट किए गए डेटा के अनुरूप।संदर्भ 58, 59 में यह पाया गया कि स्तन ऊतक के नमूनों में दबाव गायब होने वाले पूर्वसंपीड़न के साथ 0.25-4 केपीए है।यह भी मान लें कि लगभग असम्पीडित ऊतक का पॉइसन अनुपात 41.60 है, जिसका अर्थ है कि आयतन बढ़ने पर ऊतक का घनत्व महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलता है।विशेष रूप से, औसत सामूहिक जनसंख्या घनत्व \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 का उपयोग किया जाता है।इन विचारों के साथ, निम्नलिखित अभिव्यक्ति का उपयोग करके कठोरता पृष्ठभूमि मोड पर ले जा सकती है:
जहां अज्ञात स्थिरांक \(\वाइडहैट{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) की गणना निरंतरता को ध्यान में रखते हुए की जा सकती है पूर्वाग्रह ( 7 )2,4, अर्थात्, बीजगणितीय प्रणाली को हल करके \(\idehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \वाइडहैट{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \वाइडहैट{{\mathbf{q}}}_{n} (ए)\) जिसमें नाबालिग शामिल हैं\(\वाइडहैट{{\mathbb{D}}}_{n} (ए) = \ { { \ Mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) और संबंधित सरलीकृत कॉलम वेक्टर\(\वाइडहैट {{mathbf {q}}}_{n} (а)\). समीकरण (11) में बुनियादी ज्ञान प्रदान करता है, बैकस्कैटरिंग रेजोनेंट मोड फ़ंक्शन के दो आयाम \(\left| {f_{n}^{{ \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) और \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ थीटा \दाएं)} \दाएं|\) क्रमशः पी-तरंग उत्तेजना और पी- और एस-तरंग प्रतिबिंब को संदर्भित करता है।इसके अलावा, पहले आयाम का अनुमान \(\theta = \pi\) के रूप में लगाया गया था, और दूसरे आयाम का अनुमान \(\theta = \pi/4\) के रूप में लगाया गया था।विभिन्न संरचना गुणों को लोड करके।चित्र 2 से पता चलता है कि लगभग 15 मिमी व्यास तक के ट्यूमर गोलाकारों की गुंजयमान विशेषताएं मुख्य रूप से 50-400 kHz के आवृत्ति बैंड में केंद्रित होती हैं, जो गुंजयमान ट्यूमर उत्तेजना को प्रेरित करने के लिए कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करने की संभावना को इंगित करती हैं।कोशिकाएं.बहुत ज़्यादा।इस आवृत्ति बैंड में, आरएसटी विश्लेषण ने मोड 1 से 6 के लिए एकल-मोड फॉर्मेंट का खुलासा किया, चित्र 3 में हाइलाइट किया गया। यहां, पीपी- और पीएस-बिखरी हुई दोनों तरंगें पहले प्रकार के फॉर्मेंट दिखाती हैं, जो बहुत कम आवृत्तियों पर होती हैं, जो बढ़ती हैं मोड 1 के लिए लगभग 20 किलोहर्ट्ज़ से लेकर n = 6 के लिए लगभग 60 किलोहर्ट्ज़ तक, गोले की त्रिज्या में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं दिखता है।गुंजयमान फ़ंक्शन पीएस तब क्षय हो जाता है, जबकि बड़े आयाम पीपी फॉर्मेंट का संयोजन लगभग 60 किलोहर्ट्ज़ की आवधिकता प्रदान करता है, जो बढ़ती मोड संख्या के साथ उच्च आवृत्ति बदलाव दिखाता है।सभी विश्लेषण Mathematica®62 कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके किए गए थे।
विभिन्न आकारों के स्तन ट्यूमर के मॉड्यूल से प्राप्त बैकस्कैटर फॉर्म फ़ंक्शंस चित्र 1 में दिखाए गए हैं, जहां उच्चतम स्कैटरिंग बैंड को ध्यान में रखते हुए मोड सुपरपोज़िशन को हाइलाइट किया गया है।
\(n = 1\) से \(n = 6\) तक चयनित मोड की प्रतिध्वनि, विभिन्न ट्यूमर आकारों पर पी-वेव के उत्तेजना और प्रतिबिंब पर गणना की जाती है (\(\left | {f_{ n} ^ से काले वक्र) {{\ बायां( {res} \दाएं)\,पीपी}} \बाएं( \pi \दाएं)} \दाएं| = \बाएं|। f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) और P-तरंग उत्तेजना और S-तरंग परावर्तन (मोडल आकार फ़ंक्शन द्वारा दिए गए ग्रे वक्र \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {pi /4} \right)} \right| = \left| \left({pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left({pi /4} \right)} \right |\)).
दूर-क्षेत्र प्रसार स्थितियों का उपयोग करके इस प्रारंभिक विश्लेषण के परिणाम द्रव्यमान पर माइक्रोवाइब्रेशन तनाव के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए निम्नलिखित संख्यात्मक सिमुलेशन में ड्राइव-विशिष्ट ड्राइव आवृत्तियों के चयन का मार्गदर्शन कर सकते हैं।परिणाम बताते हैं कि ट्यूमर के विकास के दौरान इष्टतम आवृत्तियों का अंशांकन चरण-विशिष्ट हो सकता है और ऊतक रीमॉडलिंग की सही भविष्यवाणी करने के लिए रोग चिकित्सा में उपयोग की जाने वाली बायोमैकेनिकल रणनीतियों को स्थापित करने के लिए विकास मॉडल के परिणामों का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है।
नैनोटेक्नोलॉजी में महत्वपूर्ण प्रगति वैज्ञानिक समुदाय को विवो अनुप्रयोगों के लिए लघु और न्यूनतम आक्रामक चिकित्सा उपकरणों को विकसित करने के लिए नए समाधान और तरीके खोजने के लिए प्रेरित कर रही है।इस संदर्भ में, एलओएफ तकनीक ने ऑप्टिकल फाइबर की क्षमताओं का विस्तार करने की उल्लेखनीय क्षमता दिखाई है, जिससे जीवन विज्ञान अनुप्रयोगों21, 63, 64, 65 के लिए नए न्यूनतम इनवेसिव फाइबर ऑप्टिक उपकरणों का विकास संभव हो सका है। 2डी और 3डी सामग्रियों को एकीकृत करने का विचार नैनोस्केल पर पूर्ण स्थानिक नियंत्रण के साथ ऑप्टिकल फाइबर के किनारों 25 और/या सिरों 64 पर वांछित रासायनिक, जैविक और ऑप्टिकल गुणों के साथ फाइबर ऑप्टिक नैनोऑप्टोड के एक नए वर्ग का उद्भव होता है।इसमें नैदानिक ​​और चिकित्सीय कार्यों की एक विस्तृत श्रृंखला है।दिलचस्प बात यह है कि, उनके ज्यामितीय और यांत्रिक गुणों (छोटे क्रॉस सेक्शन, बड़े पहलू अनुपात, लचीलेपन, कम वजन) और सामग्रियों की जैव-अनुकूलता (आमतौर पर ग्लास या पॉलिमर) के कारण, ऑप्टिकल फाइबर सुइयों और कैथेटर में डालने के लिए उपयुक्त हैं।चिकित्सा अनुप्रयोग20, "सुई अस्पताल" की एक नई दृष्टि का मार्ग प्रशस्त करता है (चित्र 4 देखें)।
वास्तव में, एलओएफ प्रौद्योगिकी द्वारा प्रदान की गई स्वतंत्रता की डिग्री के कारण, विभिन्न धातु और/या ढांकता हुआ सामग्रियों से बने सूक्ष्म और नैनोस्ट्रक्चर के एकीकरण का उपयोग करके, ऑप्टिकल फाइबर को विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए उचित रूप से कार्यान्वित किया जा सकता है जो अक्सर अनुनाद मोड उत्तेजना का समर्थन करते हैं।, प्रकाश क्षेत्र 21 मजबूती से स्थित है।उप-तरंगदैर्घ्य पैमाने पर प्रकाश का नियंत्रण, अक्सर रासायनिक और/या जैविक प्रसंस्करण63 के साथ संयोजन में और स्मार्ट पॉलिमर65,66 जैसी संवेदनशील सामग्रियों का एकीकरण प्रकाश और पदार्थ की परस्पर क्रिया पर नियंत्रण बढ़ा सकता है, जो चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए उपयोगी हो सकता है।एकीकृत घटकों/सामग्रियों के प्रकार और आकार का चुनाव स्पष्ट रूप से पता लगाए जाने वाले भौतिक, जैविक या रासायनिक मापदंडों पर निर्भर करता है21,63।
शरीर में विशिष्ट स्थानों पर निर्देशित चिकित्सा सुइयों में एलओएफ जांच का एकीकरण विवो में स्थानीय तरल पदार्थ और ऊतक बायोप्सी को सक्षम करेगा, जिससे एक साथ स्थानीय उपचार की अनुमति मिलेगी, दुष्प्रभाव कम होंगे और दक्षता बढ़ेगी।संभावित अवसरों में कैंसर सहित विभिन्न परिसंचारी जैव अणुओं का पता लगाना शामिल है।बायोमार्कर या माइक्रोआरएनए (एमआईआरएनए)67, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसईआरएस)31 जैसे रैखिक और गैर-रेखीय स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके कैंसरग्रस्त ऊतकों की पहचान, उच्च-रिज़ॉल्यूशन फोटोकॉस्टिक इमेजिंग22,28,68, लेजर सर्जरी और एब्लेशन69, और प्रकाश27 का उपयोग करके स्थानीय वितरण दवाएं और मानव शरीर में सुइयों का स्वचालित मार्गदर्शन20।यह ध्यान देने योग्य है कि यद्यपि ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक घटकों पर आधारित "शास्त्रीय" तरीकों के विशिष्ट नुकसान से बचाता है, जैसे कि विद्युत कनेक्शन की आवश्यकता और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप की उपस्थिति, यह विभिन्न एलओएफ सेंसर को प्रभावी ढंग से एकीकृत करने की अनुमति देता है। प्रणाली।एकल चिकित्सा सुई.प्रदूषण, ऑप्टिकल हस्तक्षेप, भौतिक बाधाओं जैसे हानिकारक प्रभावों को कम करने पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए जो विभिन्न कार्यों के बीच क्रॉसस्टॉक प्रभाव का कारण बनते हैं।हालाँकि, यह भी सच है कि उल्लिखित कई कार्यों का एक ही समय में सक्रिय होना आवश्यक नहीं है।यह पहलू कम से कम हस्तक्षेप को कम करना संभव बनाता है, जिससे प्रत्येक जांच के प्रदर्शन और प्रक्रिया की सटीकता पर नकारात्मक प्रभाव सीमित हो जाता है।ये विचार हमें "अस्पताल में सुई" की अवधारणा को जीवन विज्ञान में चिकित्सीय सुइयों की अगली पीढ़ी के लिए एक ठोस आधार रखने की एक सरल दृष्टि के रूप में देखने की अनुमति देते हैं।
इस पेपर में चर्चा किए गए विशिष्ट अनुप्रयोग के संबंध में, अगले भाग में हम अपनी धुरी के साथ उनके प्रसार का उपयोग करके अल्ट्रासोनिक तरंगों को मानव ऊतकों में निर्देशित करने के लिए एक चिकित्सा सुई की क्षमता की संख्यात्मक रूप से जांच करेंगे।
पानी से भरी और नरम ऊतकों में डाली गई एक मेडिकल सुई के माध्यम से अल्ट्रासोनिक तरंगों का प्रसार (चित्र 5 ए में चित्र देखें) परिमित तत्व विधि (एफईएम) 70 पर आधारित वाणिज्यिक कॉमसोल मल्टीफिजिक्स सॉफ्टवेयर का उपयोग करके मॉडलिंग किया गया था, जहां सुई और ऊतक का मॉडल बनाया गया है। रैखिक लोचदार वातावरण के रूप में।
चित्र 5बी के संदर्भ में, सुई को स्टेनलेस स्टील से बने एक खोखले सिलेंडर (जिसे "कैनुला" भी कहा जाता है) के रूप में तैयार किया गया है, जो चिकित्सा सुइयों के लिए एक मानक सामग्री है71।विशेष रूप से, इसे यंग के मापांक E = 205 GPa, पॉइसन के अनुपात ν = 0.28, और घनत्व ρ = 7850 kg m −372.73 के साथ तैयार किया गया था।ज्यामितीय रूप से, सुई की विशेषता लंबाई एल, आंतरिक व्यास डी (जिसे "निकासी" भी कहा जाता है) और दीवार की मोटाई टी होती है।इसके अलावा, सुई की नोक को अनुदैर्ध्य दिशा (z) के संबंध में α कोण पर झुका हुआ माना जाता है।पानी की मात्रा अनिवार्य रूप से सुई के आंतरिक क्षेत्र के आकार से मेल खाती है।इस प्रारंभिक विश्लेषण में, सुई को पूरी तरह से ऊतक के एक क्षेत्र (अनिश्चित काल तक विस्तारित माना जाता है) में डूबा हुआ माना गया था, जिसे त्रिज्या आरएस के एक गोले के रूप में तैयार किया गया था, जो सभी सिमुलेशन के दौरान 85 मिमी पर स्थिर रहा।अधिक विस्तार से, हम गोलाकार क्षेत्र को पूरी तरह से मेल खाने वाली परत (पीएमएल) के साथ समाप्त करते हैं, जो कम से कम "काल्पनिक" सीमाओं से प्रतिबिंबित अवांछित तरंगों को कम करता है।फिर हमने त्रिज्या आरएस को चुना ताकि गोलाकार डोमेन सीमा को सुई से इतनी दूर रखा जा सके कि कम्प्यूटेशनल समाधान प्रभावित न हो, और इतना छोटा हो कि सिमुलेशन की कम्प्यूटेशनल लागत प्रभावित न हो।
आवृत्ति एफ और आयाम ए का एक हार्मोनिक अनुदैर्ध्य बदलाव स्टाइलस ज्यामिति की निचली सीमा पर लागू होता है;यह स्थिति सिम्युलेटेड ज्यामिति पर लागू इनपुट प्रोत्साहन का प्रतिनिधित्व करती है।सुई की शेष सीमाओं (ऊतक और पानी के संपर्क में) पर, स्वीकृत मॉडल को दो भौतिक घटनाओं के बीच संबंध शामिल माना जाता है, जिनमें से एक संरचनात्मक यांत्रिकी (सुई के क्षेत्र के लिए) से संबंधित है, और दूसरा संरचनात्मक यांत्रिकी के लिए।(एसिक्यूलर क्षेत्र के लिए), इसलिए ध्वनिकी (पानी और एसिक्यूलर क्षेत्र के लिए)74 पर संबंधित शर्तें लगाई जाती हैं।विशेष रूप से, सुई सीट पर लगाए गए छोटे कंपन छोटे वोल्टेज गड़बड़ी का कारण बनते हैं;इस प्रकार, यह मानते हुए कि सुई एक लोचदार माध्यम की तरह व्यवहार करती है, विस्थापन वेक्टर यू का अनुमान इलास्टोडायनामिक संतुलन समीकरण (नेवियर)75 से लगाया जा सकता है।सुई के संरचनात्मक दोलन इसके अंदर पानी के दबाव में परिवर्तन का कारण बनते हैं (हमारे मॉडल में इसे स्थिर माना जाता है), जिसके परिणामस्वरूप ध्वनि तरंगें सुई की अनुदैर्ध्य दिशा में फैलती हैं, जो अनिवार्य रूप से हेल्महोल्त्ज़ समीकरण76 का पालन करती हैं।अंत में, यह मानते हुए कि ऊतकों में गैर-रैखिक प्रभाव नगण्य हैं और कतरनी तरंगों का आयाम दबाव तरंगों के आयाम से बहुत छोटा है, हेल्महोल्ट्ज़ समीकरण का उपयोग नरम ऊतकों में ध्वनिक तरंगों के प्रसार को मॉडल करने के लिए भी किया जा सकता है।इस सन्निकटन के बाद, ऊतक को 1000 किलोग्राम/घन मीटर के घनत्व और 1540 मीटर/सेकेंड की ध्वनि की गति (आवृत्ति-निर्भर भिगोना प्रभाव को नजरअंदाज करते हुए) के साथ एक तरल77 माना जाता है।इन दो भौतिक क्षेत्रों को जोड़ने के लिए, ठोस और तरल की सीमा पर सामान्य गति की निरंतरता, ठोस की सीमा के लंबवत दबाव और तनाव के बीच स्थैतिक संतुलन और सीमा पर स्पर्शरेखा तनाव को सुनिश्चित करना आवश्यक है। द्रव शून्य के बराबर होना चाहिए.75 .
हमारे विश्लेषण में, हम स्थिर परिस्थितियों में सुई के साथ ध्वनिक तरंगों के प्रसार की जांच करते हैं, ऊतक के अंदर तरंगों के उत्सर्जन पर सुई की ज्यामिति के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित करते हैं।विशेष रूप से, हमने अध्ययन किए गए सभी मामलों के लिए मोटाई टी को 500 µm पर निर्धारित रखते हुए, सुई डी के आंतरिक व्यास, लंबाई एल और बेवल कोण α के प्रभाव की जांच की।टी का यह मान वाणिज्यिक सुइयों के लिए विशिष्ट मानक दीवार मोटाई 71 के करीब है।
व्यापकता के नुकसान के बिना, सुई के आधार पर लागू हार्मोनिक विस्थापन की आवृत्ति एफ को 100 किलोहर्ट्ज़ के बराबर लिया गया था, और आयाम ए 1 माइक्रोन था।विशेष रूप से, आवृत्ति को 100 kHz पर सेट किया गया था, जो "विकास-निर्भर अल्ट्रासाउंड आवृत्तियों का अनुमान लगाने के लिए गोलाकार ट्यूमर द्रव्यमान का बिखराव विश्लेषण" खंड में दिए गए विश्लेषणात्मक अनुमानों के अनुरूप है, जहां ट्यूमर द्रव्यमान का अनुनाद जैसा व्यवहार पाया गया था। 50-400 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति रेंज, 100-200 किलोहर्ट्ज़ के आसपास कम आवृत्तियों पर केंद्रित सबसे बड़े बिखरने वाले आयाम के साथ (चित्र 2 देखें)।
अध्ययन किया गया पहला पैरामीटर सुई का आंतरिक व्यास डी था।सुविधा के लिए, इसे सुई की गुहा में ध्वनिक तरंग लंबाई के पूर्णांक अंश के रूप में परिभाषित किया गया है (यानी, पानी में λW = 1.5 मिमी)।दरअसल, किसी दिए गए ज्यामिति (उदाहरण के लिए, एक वेवगाइड में) द्वारा विशेषता वाले उपकरणों में तरंग प्रसार की घटनाएं अक्सर प्रसार तरंग की तरंग दैर्ध्य की तुलना में उपयोग की जाने वाली ज्यामिति के विशिष्ट आकार पर निर्भर करती हैं।इसके अलावा, पहले विश्लेषण में, सुई के माध्यम से ध्वनिक तरंग के प्रसार पर व्यास डी के प्रभाव पर बेहतर जोर देने के लिए, हमने कोण α = 90° सेट करते हुए एक सपाट टिप पर विचार किया।इस विश्लेषण के दौरान, सुई की लंबाई L 70 मिमी तय की गई थी।
अंजीर पर.6ए औसत ध्वनि तीव्रता को आयाम रहित स्केल पैरामीटर एसडी के एक फ़ंक्शन के रूप में दिखाता है, अर्थात डी = λW/एसडी का मूल्यांकन संबंधित सुई की नोक पर केंद्रित 10 मिमी की त्रिज्या के साथ एक गोले में किया जाता है।स्केलिंग पैरामीटर SD 2 से 6 तक बदलता है, अर्थात हम 7.5 मिमी से 2.5 मिमी (f = 100 kHz पर) तक के D मानों पर विचार करते हैं।इस श्रेणी में स्टेनलेस स्टील मेडिकल सुइयों के लिए 71 का मानक मूल्य भी शामिल है।जैसा कि अपेक्षित था, सुई का भीतरी व्यास सुई द्वारा उत्सर्जित ध्वनि की तीव्रता को प्रभावित करता है, जिसका अधिकतम मान (1030 W/m2) D = λW/3 (यानी D = 5 मिमी) के अनुरूप होता है और घटती प्रवृत्ति के साथ व्यास.यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि व्यास डी एक ज्यामितीय पैरामीटर है जो एक चिकित्सा उपकरण की आक्रामकता को भी प्रभावित करता है, इसलिए इष्टतम मूल्य चुनते समय इस महत्वपूर्ण पहलू को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है।इसलिए, हालांकि डी में कमी ऊतकों में ध्वनिक तीव्रता के कम संचरण के कारण होती है, निम्नलिखित अध्ययनों के लिए, व्यास डी = λW/5, यानी डी = 3 मिमी (एफ = 100 किलोहर्ट्ज़ पर 11जी71 मानक के अनुरूप) , डिवाइस की घुसपैठ और ध्वनि तीव्रता संचरण (औसतन लगभग 450 W/m2) के बीच एक उचित समझौता माना जाता है।
सुई की नोक (सपाट मानी जाने वाली) द्वारा उत्सर्जित ध्वनि की औसत तीव्रता, सुई के आंतरिक व्यास (ए), लंबाई (बी) और बेवल कोण α (सी) पर निर्भर करती है।(ए, सी) में लंबाई 90 मिमी है, और (बी, सी) में व्यास 3 मिमी है।
विश्लेषण किया जाने वाला अगला पैरामीटर सुई L की लंबाई है। पिछले मामले के अध्ययन के अनुसार, हम एक तिरछे कोण α = 90° पर विचार करते हैं और लंबाई को पानी में तरंग दैर्ध्य के गुणक के रूप में मापा जाता है, अर्थात L = SL λW पर विचार करें .आयाम रहित स्केल पैरामीटर एसएल को 3 से 7 तक बदल दिया जाता है, इस प्रकार लंबाई सीमा में सुई की नोक द्वारा उत्सर्जित ध्वनि की औसत तीव्रता 4.5 से 10.5 मिमी तक का अनुमान लगाया जाता है।इस श्रेणी में वाणिज्यिक सुइयों के लिए विशिष्ट मूल्य शामिल हैं।परिणाम छवि में दिखाया गया है।6बी, दर्शाता है कि सुई की लंबाई, एल, ऊतकों में ध्वनि की तीव्रता के संचरण पर बहुत प्रभाव डालती है।विशेष रूप से, इस पैरामीटर के अनुकूलन ने परिमाण के क्रम में संचरण में सुधार करना संभव बना दिया।वास्तव में, विश्लेषण की गई लंबाई सीमा में, औसत ध्वनि तीव्रता एसएल = 4 (यानी, एल = 60 मिमी) पर 3116 डब्लू/एम2 की स्थानीय अधिकतम होती है, और अन्य एसएल = 6 (यानी, एल = 90) से मेल खाती है। मिमी).
बेलनाकार ज्यामिति में अल्ट्रासाउंड के प्रसार पर सुई के व्यास और लंबाई के प्रभाव का विश्लेषण करने के बाद, हमने ऊतकों में ध्वनि की तीव्रता के संचरण पर बेवल कोण के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित किया।फाइबर टिप से निकलने वाली ध्वनि की औसत तीव्रता का मूल्यांकन कोण α के एक फ़ंक्शन के रूप में किया गया था, जिससे इसका मान 10° (तेज टिप) से 90° (फ्लैट टिप) में बदल गया।इस मामले में, सुई की मानी गई नोक के चारों ओर एकीकृत क्षेत्र की त्रिज्या 20 मिमी थी, ताकि α के सभी मूल्यों के लिए, सुई की नोक औसत से गणना की गई मात्रा में शामिल हो।
जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।6सी, जब टिप को तेज किया जाता है, अर्थात, जब α 90° से शुरू होकर घटता है, तो संचरित ध्वनि की तीव्रता बढ़ जाती है, जो लगभग 1.5 × 105 W/m2 के अधिकतम मान तक पहुंच जाती है, जो α = 50°, अर्थात, 2 से मेल खाती है समतल अवस्था के सापेक्ष परिमाण का एक क्रम अधिक है।टिप को और अधिक तेज करने के साथ (अर्थात, 50° से नीचे α पर), ध्वनि की तीव्रता कम हो जाती है, जो एक चपटी टिप के तुलनीय मूल्यों तक पहुंच जाती है।हालाँकि, हालांकि हमने अपने सिमुलेशन के लिए बेवल कोणों की एक विस्तृत श्रृंखला पर विचार किया है, यह विचार करने योग्य है कि ऊतक में सुई को डालने की सुविधा के लिए टिप को तेज करना आवश्यक है।वास्तव में, एक छोटा बेवल कोण (लगभग 10°) ऊतक में प्रवेश करने के लिए आवश्यक बल 78 को कम कर सकता है।
ऊतक के भीतर प्रसारित ध्वनि की तीव्रता के मूल्य के अलावा, बेवल कोण तरंग प्रसार की दिशा को भी प्रभावित करता है, जैसा कि चित्र 7 ए (फ्लैट टिप के लिए) और 3 बी (10 डिग्री के लिए) में दिखाए गए ध्वनि दबाव स्तर ग्राफ़ में दिखाया गया है। ).बेवेल्ड टिप), समानांतर अनुदैर्ध्य दिशा का मूल्यांकन समरूपता के विमान में किया जाता है (yz, cf. चित्र 5)।इन दो विचारों के चरम पर, ध्वनि दबाव स्तर (जिसे 1 μPa कहा जाता है) मुख्य रूप से सुई गुहा (यानी पानी में) के भीतर केंद्रित होता है और ऊतक में विकिरणित होता है।अधिक विस्तार से, एक सपाट टिप (छवि 7 ए) के मामले में, ध्वनि दबाव स्तर का वितरण अनुदैर्ध्य दिशा के संबंध में पूरी तरह से सममित है, और शरीर में भरने वाले पानी में खड़ी तरंगों को पहचाना जा सकता है।तरंग अनुदैर्ध्य रूप से (जेड-अक्ष) उन्मुख होती है, आयाम पानी में अपने अधिकतम मूल्य (लगभग 240 डीबी) तक पहुंचता है और अनुप्रस्थ रूप से घटता है, जिससे सुई के केंद्र से 10 मिमी की दूरी पर लगभग 20 डीबी का क्षीणन होता है।जैसा कि अपेक्षित था, एक नुकीली नोक (चित्र 7 बी) की शुरूआत इस समरूपता को तोड़ देती है, और खड़ी तरंगों के एंटीनोड सुई की नोक के अनुसार "विक्षेपित" हो जाते हैं।जाहिरा तौर पर, यह विषमता सुई की नोक की विकिरण तीव्रता को प्रभावित करती है, जैसा कि पहले बताया गया है (चित्र 6सी)।इस पहलू को बेहतर ढंग से समझने के लिए, ध्वनिक तीव्रता का मूल्यांकन सुई की अनुदैर्ध्य दिशा में कट लाइन ऑर्थोगोनल के साथ किया गया था, जो सुई के समरूपता के विमान में स्थित था और सुई की नोक से 10 मिमी की दूरी पर स्थित था ( चित्र 7सी में परिणाम)।अधिक विशेष रूप से, 10°, 20° और 30° तिरछे कोणों (क्रमशः नीली, लाल और हरी ठोस रेखाएं) पर मूल्यांकन किए गए ध्वनि तीव्रता वितरण की तुलना सपाट सिरे (काले बिंदीदार वक्र) के पास वितरण से की गई थी।फ्लैट-टिप वाली सुइयों से जुड़ा तीव्रता वितरण सुई के केंद्र के बारे में सममित प्रतीत होता है।विशेष रूप से, यह केंद्र में लगभग 1420 W/m2 का मान लेता है, ~8 मिमी की दूरी पर लगभग 300 W/m2 का अतिप्रवाह, और फिर ~30 मिमी पर लगभग 170 W/m2 के मान तक घट जाता है। .जैसे ही सिरा नुकीला हो जाता है, केंद्रीय लोब अलग-अलग तीव्रता के अधिक लोबों में विभाजित हो जाता है।अधिक विशेष रूप से, जब α 30° था, तो सुई की नोक से 1 मिमी पर मापी गई प्रोफ़ाइल में तीन पंखुड़ियों को स्पष्ट रूप से पहचाना जा सकता था।केंद्रीय वाला लगभग सुई के केंद्र में है और इसका अनुमानित मान 1850 W/m2 है, और दाईं ओर ऊंचा वाला केंद्र से लगभग 19 मिमी दूर है और 2625 W/m2 तक पहुंचता है।α = 20° पर, 2 मुख्य लोब होते हैं: एक प्रति −12 मिमी 1785 W/m2 पर और एक प्रति 14 मिमी 1524 W/m2 पर।जब टिप तेज़ हो जाती है और कोण 10° तक पहुँच जाता है, तो अधिकतम 817 W/m2 लगभग -20 मिमी तक पहुँच जाता है, और प्रोफ़ाइल के साथ थोड़ी कम तीव्रता के तीन और लोब दिखाई देते हैं।
समतल सिरे (ए) और 10° बेवल (बी) वाली सुई के समरूपता तल y-z में ध्वनि दबाव स्तर।(सी) सुई की नोक से 10 मिमी की दूरी पर और समरूपता yz के विमान में पड़ी सुई की अनुदैर्ध्य दिशा के लंबवत कट लाइन के साथ ध्वनिक तीव्रता वितरण का अनुमान लगाया गया है।लंबाई L 70 मिमी और व्यास D 3 मिमी है।
एक साथ लेने पर, ये परिणाम दर्शाते हैं कि 100 kHz पर अल्ट्रासाउंड को नरम ऊतक में संचारित करने के लिए चिकित्सा सुइयों का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जा सकता है।उत्सर्जित ध्वनि की तीव्रता सुई की ज्यामिति पर निर्भर करती है और इसे 1000 W/m2 (10 मिमी पर) की सीमा में मूल्यों तक अनुकूलित किया जा सकता है (अंतिम डिवाइस की आक्रामकता द्वारा लगाई गई सीमाओं के अधीन)।सुई के नीचे लगाया जाता है 1. माइक्रोमीटर ऑफसेट के मामले में, सुई को पूरी तरह से असीम रूप से विस्तारित नरम ऊतक में डाला हुआ माना जाता है।विशेष रूप से, बेवल कोण ऊतक में ध्वनि तरंगों के प्रसार की तीव्रता और दिशा को दृढ़ता से प्रभावित करता है, जो मुख्य रूप से सुई की नोक के कट की ऑर्थोगोनलिटी की ओर जाता है।
गैर-आक्रामक चिकित्सा तकनीकों के उपयोग के आधार पर नई ट्यूमर उपचार रणनीतियों के विकास का समर्थन करने के लिए, ट्यूमर वातावरण में कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड के प्रसार का विश्लेषणात्मक और कम्प्यूटेशनल रूप से विश्लेषण किया गया था।विशेष रूप से, अध्ययन के पहले भाग में, एक अस्थायी इलास्टोडायनामिक समाधान ने हमें द्रव्यमान की आवृत्ति संवेदनशीलता का अध्ययन करने के लिए ज्ञात आकार और कठोरता के ठोस ट्यूमर गोलाकारों में अल्ट्रासोनिक तरंगों के बिखरने का अध्ययन करने की अनुमति दी।फिर, सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ के क्रम की आवृत्तियों को चुना गया, और एक मेडिकल सुई ड्राइव का उपयोग करके ट्यूमर वातावरण में कंपन तनाव के स्थानीय अनुप्रयोग को ध्वनिक के हस्तांतरण को निर्धारित करने वाले मुख्य डिजाइन मापदंडों के प्रभाव का अध्ययन करके संख्यात्मक सिमुलेशन में तैयार किया गया था। पर्यावरण के लिए उपकरण की शक्ति.परिणाम बताते हैं कि चिकित्सा सुइयों का उपयोग अल्ट्रासाउंड के साथ ऊतकों को विकिरणित करने के लिए प्रभावी ढंग से किया जा सकता है, और इसकी तीव्रता सुई के ज्यामितीय पैरामीटर से निकटता से संबंधित है, जिसे कार्यशील ध्वनिक तरंग दैर्ध्य कहा जाता है।वास्तव में, ऊतक के माध्यम से विकिरण की तीव्रता सुई के आंतरिक व्यास में वृद्धि के साथ बढ़ती है, अधिकतम तक पहुंचती है जब व्यास तरंग दैर्ध्य से तीन गुना होता है।सुई की लंबाई एक्सपोज़र को अनुकूलित करने के लिए कुछ हद तक स्वतंत्रता भी प्रदान करती है।बाद वाला परिणाम वास्तव में अधिकतम होता है जब सुई की लंबाई ऑपरेटिंग तरंग दैर्ध्य (विशेष रूप से 4 और 6) के एक निश्चित गुणक पर सेट होती है।दिलचस्प बात यह है कि रुचि की आवृत्ति रेंज के लिए, अनुकूलित व्यास और लंबाई मान आमतौर पर मानक वाणिज्यिक सुइयों के लिए उपयोग किए जाने वाले मूल्यों के करीब हैं।बेवल कोण, जो सुई की तीक्ष्णता को निर्धारित करता है, उत्सर्जन को भी प्रभावित करता है, जो लगभग 50° पर चरम पर होता है और लगभग 10° पर अच्छा प्रदर्शन प्रदान करता है, जो आमतौर पर वाणिज्यिक सुइयों के लिए उपयोग किया जाता है।.सिमुलेशन परिणामों का उपयोग अस्पताल के इंट्रानीडल डायग्नोस्टिक प्लेटफॉर्म के कार्यान्वयन और अनुकूलन को निर्देशित करने, अन्य इन-डिवाइस चिकित्सीय समाधानों के साथ डायग्नोस्टिक और चिकित्सीय अल्ट्रासाउंड को एकीकृत करने और सहयोगी सटीक चिकित्सा हस्तक्षेप को साकार करने के लिए किया जाएगा।
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