Improvement of Biopsy Needle Inner Surface Quality Using Magnetic Abrasive Jet Machining: A CFD-Supported Experimental Study

في عالم التشخيص الطبي الدقيق، غالبًا ما يبدأ الطريق إلى التشخيص الصحيح بأنبوب صغير مجوف. فخلال عملية خزعة السحب، يقوم الطبيب بإدخال إبرة في الجسم لسحب عينة من الأنسجة لفحصها. ويعتمد نجاح هذا الإجراء بشكل كبير على حالة الجزء الداخلي للإبرة؛ فإذا كان الجدار الداخلي للإبرة خشنًا، فإنه يخلق احتكاكًا يمكن أن يؤدي إلى تلف الخلايا الهشة التي يتم جمعها أو يتسبب في انحشار العينة، مما يؤدي إلى الحصول على عينة غير كافية. أما الجزء الداخلي الأملس تمامًا فيسمح للأنسجة بالانزلاق بأقل قدر من المقاومة، مما يحافظ على سلامة الخلايا ويضمن حصول أخصائي المختبر على عينة عالية الجودة. وبينما تعد حدة الطرف الخارجي للإبرة أمرًا بالغ الأهمية لاختراق الجلد، فإن جودة السطح الداخلي لا تقل أهمية لعملية الجمع، ومع ذلك، فمن الصعب للغاية تلميع السطح الداخلي لأن الفتحة ضيقة جدًا بحيث لا يمكن للأدوات التقليدية الوصول إلى الداخل.

لقد واجه الباحثون في جامعة فرات وجامعة إرجييس في تركيا هذا التحدي من خلال تطوير طريقة جديدة لتنعيم الجزء الداخلي من إبر الخزعة دون لمسها بأداة فيزيائية. فقد ركزوا على نوع محدد من الإبر، يُعرف باسم G14، وهو مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ ويبلغ قطره الداخلي 1.6 مليمتر فقط. ولتنظيف وتلميع هذا النفق الضئيل، صمم الفريق نظامًا يستخدم نفاثًا هوائيًا عالي السرعة يحمل خليطًا من الجسيمات الكاشطة الدقيقة. وما يجعل هذا النهج فريدًا هو إضافة مجال مغناطيسي؛ حيث يحتوي الخليط الكاشط على مسحوق الحديد، وهو مادة مغناطيسية، إلى جانب جسيمات أكثر صلابة مثل أكسيد الألومنيوم وكربيد السيليكونوم التي تقوم بعملية القطع الفعلية. وبينما ينفث تيار الهواء هذه الجسيمات داخل الإبرة، يتحرك مغناطيس قوي موضوع خارج الإبرة ذهابًا وإيابًا على طول طولها. يسحب هذا المغناطيس جزيئات الحديد، والتي بدورها تسحب الجسيمات القاطعة الصلبة ضد الجدار الداخلي، مما يؤدي إلى تنظيفه بعمق. كما تدور الإبرة نفسها أثناء العملية لضمان اتساق عملية التنظيف.

ولفهم كيفية حدوث عملية التنظيف هذه بدقة وإيجاد أفضل الإعدادات للآلة، دمج الباحثون بين التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية المتقدمة. فقد بنوا نظامًا يمكنهم من خلاله التحكم في سرعة دخول الهواء إلى الإبرة والسرعة التي تدور بها الإبرة. واختبروا ثلاث سرعات مختلفة للهواء — 50 و75 و100 متر في الثانية — وثلاث سرعات دوران مختلفة — 300 و500 و700 دورة في الدقيقة. وباستخدام برنامج حاسوبي قوي، قاموا بنمذجة تدفق الهواء وحركة مليارات الجسيمات الفردية داخل الإبرة. سمحت لهم هذه المحاكاة برؤية أين تصطدم الجسيمات بالجدار، ومدى قوة اصطدامها، وكمية المواد التي أزالتها، كل ذلك دون الحاجة إلى قطع الإبرة في كل اختبار. ثم قارنوا هذه التنبؤات الحاسوبية بالنتائج الواقعية، باستخدام مجاهر عالية القدرة لالتقاط صور تفصيلية لأسطح الإبر بعد المعالجة.

وكشفت الدراسة أن سرعة الهواء كانت العامل الأكثر تأثيرًا في تحديد كمية المواد التي تمت إزالتها. فعندما رفع الباحثون سرعة الهواء من 50 مترًا في الثانية إلى 100 متر في الثانية، زاد معدل تآكل السطح بشكل هائل، ليصبح أسرع بأكثر من خمس مرات. وأظهرت النماذج الحاسوبية أن الجسيمات اصطدمت بالجدار بقوة أكبر بكثير مع زيادة سرعة الهواء، مما خلق تأثيرات أعمق وأكثر تكرارًا. وقد تأكد هذا الاكتشاف من خلال صور المجهر، التي أظهرت المزيد من الضرر السطحي والحفر الأعمق في الإبر التي عولجت بأقصى سرعة للهواء. كما أظهرت عمليات المحاكاة أن التنظيف الأكثر كثافة حدث بالقرب من مدخل الإبرة، حيث تتسارع الجسيمات أولاً، وأن قوة اصطدام الجسيمات بالجدار كانت موجهة بالكامل تقريبًا مباشرة على طول الإبرة، وليس من الجانب.

وبينما تحكمت سرعة الهواء في شدة التنظيف، لعبت سرعة دوران الإبرة دورًا حاسمًا في جودة وتجانس السطح. فقد وجد الباحثون أن تدوير الإبرة بسرعة 500 دورة في الدقيقة أنتج النتائج الأكثر اتساقًا ورغبة. عند هذه السرعة المحددة، عمل المجال المغناطيسي بفعالية أكبر لتوجيه الجسيمات، مما خلق كثافة عالية من الخدوش الدقيقة والمتوازية التي صقلت السرض بشكل متساوٍ. وعندما دارت الإبرة ببطء شديد أو بسرعة كبيرة، كانت النتائج أقل مثالية. ففي أعلى سرعة دوران وهي 700 دورة في الدقيقة، بدا أن التحكم المغناطيسي في الجسيمات قد ضعف، مما أدى إلى ضرر غير منتظم وسطح أقل تجانسًا. وأظهرت صور المجهر بوضوح أن إعداد 500 دورة في الدقيقة خلق نمطًا أكثر تنظيمًا للتآكل، مما يشير إلى أن هذه السرعة تسمح للمجال المغناطيسي بتنظيم الجسيمات الكاشطة بشكل أفضل للحصول على تشطيب أملس.

كما قدمت الدراسة نظرة أعمق لما يحدث للمواد أثناء العملية. فمن خلال تحليل الجسيمات بعد استخدامها، وجد الباحثون آثارًا للكروم، وهو معدن موجود في الفولاذ المقاوم للصدأ الخاص بالإبرة. وقد أثبت ذلك أن الجسيمات الكاشطة قد نجحت في اقتطاع كميات ضئيلة من سطح الإبرة. علاوة على ذلك، أظهرت الصور أن الجسيمات الكاشطة الصلبة قد انغرست في سطح الإبرة، حيث ضغطتها قوة حركة مسحوق الحديد ذهابًا وإيابًا. هذا التفاعل الفيزيائي أكد أن المجال المغناطيسي لم يكن يوجه الجسيمات فحسب، بل كان يضغطها بنشاط ضد الجدار للقيام بعملية التلميع. وقد سمح الجمع بين النماذج الحاسوبية والأدلة الفيزيائية للفريق باستنتاج أنه بينما تقود سرعة الهواء عملية إزالة المواد، فإن سرعة الدوران والمجال المغناطيسي يعملان معًا لتحديد نعومة وجودة السطح النهائي.

وفي الختام، تثبت الدراسة أن طريقة النفاث الكاشط المغناطيسي هذه هي وسيلة قابلة للتطبيق لتحسين السطح الداخلي لإبر الخزعة. وقد حدد الفريق أن استخدام سرعة هواء تتراوح بين 75 و100 متر في الثانية مع دوران إبرة قدره 500 دورة في الدقيقة يوفر أفضل توازن. يوفر هذا المزيج قوة كافية لتنظيف السطح بفعالية مع الحفاظ على التجانس المطلوب للاستخدام الطبي. وتسلط الدراسة الضوء على أنه من خلال فهم "الرقصة المعقدة" للهواء والمغناطيسية والجسيمات عبر كل من المحاكاة والتجربة، يمكن صقل أداة طبية بطرق كان من الصعب تحقيقها سابقًا. ويقدم هذا النهج مسارًا واعدًا لضمان أن تكون الإبر المستخدمة في الإجراءات التشخيصية الحرجة سلسة وفعالة قدر الإمكان، مما قد يؤدي إلى عينات أنسجة أفضل وتشخيصات أكثر دقة للمرضى.