磁力辅助的远程控制微导管尖端偏转根据磁共振成像

Summary

电流施加到血管内的微导管通过激光车床光刻microcoil小费可以实现可控挠度根据磁共振（MR）的指导，这可以改善在各种血管内手术导航中的​​脉管系统的速度和疗效。

Abstract

X线透视引导下血管内的程序有几个显着的限制，包括难以的导管导航和利用电离辐射，可能会被克服MR指导下使用磁性可控的导管。

这项工作的主要目的是开发一种微导管，其尖端使用磁场的MR扫描仪，可以远程控制。该协议的目的是描述的程序申请的microcoil头微导管一贯的，可控的变形。

制作中，采用激光车床光刻技术的一个microcoil到聚酰亚胺头的血管内导管。一个1.5-T磁共振系统的稳态自由进动（SSFP）测序的指导下， 在体外试验中进行水浴中和容器幻象。不同量的电流施加到线圈的微型导管，以产生测量sureable提示的挠度和导航的血管幻影。

此设备的发展提供了一个平台，为未来的测试和革命性的血管内介入MRI环境的机会。

Introduction

血管内介入医学用X射线指导导管通过血管治疗的几大疾病，如脑血管瘤，缺血性中风，实体瘤，动脉粥样硬化和心律失常针对超过一百万患者每年全球¹导航的工具程序^{- 5。}随着造影剂的使用，导航通过脉管系统通过手动旋转的导管和机械进步实现由干预的手^6。然而，通过曲折的小血管周围有许多血管弯曲的导航变得越来越困难，延长的时间才到达目标网站。这就提出了一个问题，对时间敏感的程序，如去除血块阻塞血管。此外，长时间手术增加的辐射剂量，并创造出有潜力的不良事件^7-11。然而，血管内的程序下进行磁化C谐振成像可能提供一种解决方案。

强大的均匀磁场的核磁共振成像扫描仪可以利用导管尖端导航遥控^12,13。电流施加到导管尖端位于microcoil诱导磁矩小，因为它对准的MRI扫描仪^13（ 图1）的孔中，经历了转矩。如果电流在一个单独的线圈被激活，导管尖端可以通过远程控制在一个平面内偏转。如果在导管尖端的三个线圈通电时，可以实现在导管尖端偏转三维。因此，磁推动转向导管有可能增加血管在血管内手术导航的速度和有效性，这可以减少手术时间，改善患者的预后。在这项研究中，我们研究了如果当前应用到microcoil头的血管内导管，可产生可靠的和可控的挠度附加的领导下，指导导管导航研究的初步测试。

Protocol

1。弹簧圈的制作

1. 获取（ 例如 2.3F捷运科迪斯血管神经导管，雷纳姆，MA）基板市售微导管。
2. 确保导管有没有铁的成分，被认为是安全MR-，大小2.3-3.0的范围内F.
3. 溅射的钛粘附层，然后由一个铜籽晶层，直到1至2毫米外径绝缘管。可能的材料包括聚酰亚胺或氧化铝（Ortech高级陶瓷，萨克拉门托，CA）。
4. 电沉积一个正的光致抗蚀剂层，使用希普利的PEPR-2400（目前正在由DOW化学公司出售的名称下Intervia 3D-P）。在一个均匀的涂层的非平面的圆柱形表面上的电沉积的结果。
5. 光致抗蚀剂暴露的独特的激光直写系统（激光车床，在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开发的一个非商业化的系统）所需的线圈形式的格局（ 图2A）。这是一个修饰该技术的重刑最初描述¹⁴在MALBA 等。
6. 发展的曝光的光致抗蚀剂，在碳酸钾的1％溶液在35℃下
7. 铜电镀通过其它的抗蚀剂掩模，以形成所需的线圈。该系统可以制造两个电磁和亥姆霍兹（跑道）的铜图案（ 图2C和2D）。
8. 铜电后，除去抗蚀剂与热开发。拆下的铜籽晶层，然后由钛粘附层。
9. 将绝缘管，导管尖端使用收缩包装完成组装。确保收缩包装涵盖了整个盘绕提示。 ，为了组装多轴导管放置彼此内的绝缘管的结构，如在图2E所示。
10. 螺纹铜线通过微型导管和焊料的尖端处的线圈的内腔。
11. 修改和缩短6英尺RJ11电话线吨O 3英尺长。
12. 连接从后端枢纽的微型导管发出的改性3英尺插口传输线的铜线。

2。水浴设置

1. 做一个小的约5厘米的塑料盆从底部的侧孔的中心。
2. 通过孔插入一个9F阿凡提科迪斯血管鞘（科迪斯血管内，佛罗里达州迈阿密湖）。
3. 切的的血管鞘留下一个4厘米长的片延伸，向盆地的远端头。
4. 在端部的鞘中，附加的旋转-止血或Thuoy的一下Borst阀稳定的微导管的位置。
5. 在蒸馏水确保完全淹没的设备填写盆。
6. 带有螺旋头插入导管通过血管鞘和阀门。
7. 测量和记录的微导管从阀延伸到水浴奔放长度。
8. 将水浴微MR扫描仪和定向相对于磁体的孔中的磁体的内导管系统。
9. 将修改后的3英尺电话线连接的导管，以一个25英尺RJ11电话线传输线使用了2路耳机插孔。
10. 的25英尺电话线的另一端​​连接一个Lambda的LPD-422A-FM双稳压的电力供应提供到设备的电流高达1 A。
11. 将通过的波导管和电源的MR扫描室以外的5高斯线以外的传输线。

3。船舶幻影设置

1. 实验之前从橡胶管与一个Y形的交叉点，构建的中空容器幻像。
2. 填充容器幻像用0.0102 M溶液在蒸馏水中的马根维显（GdDTPA）的（马根维显，拜耳医疗保健药品，蒙特维尔，新泽西）创建幻象船只和背景之间的对比度。
3. 组装的MicroCatheter系统，步骤1.1到1.9中概述的。导管连接到在步骤2.9至2.11所述的电源供应器及位置。
4. 在容器开口部的基础上的微导管的前端的位置。
5. 内放置的幻像MR扫描仪和定向的磁体相对于磁体的孔中。

4。磁共振成像

1. 与1.5T的，临床磁共振系统（西门子Avanto，SW，德国埃尔兰根的syngo B13，飞利浦Achieva，软件版本2.1，克利夫兰，OH）进行成像。
2. 套用<50 mA的电流，以可视化的导管尖端位置。根据MRI，一个小磁矩将在导管尖端看到一个明显的不同形状的工件，这取决于线圈通电。
3. 应用可变数量的电流在±100毫安的范围内的Lambda双电源线圈尖端偏转（ 图3A-3C），并观察在水中巴日设置。由于尖偏转几乎是瞬间，只适用于当前〜1-2秒，以可视化的最大挠度。
4. 重复记录连续的应用程序的设置大量的电流。
5. 重复步骤4.2允许机械提高至容器内，虚线（ 图4A和4B）的手工同时推导管。应用当前的分支点处，以使导管尖端偏转成所需的容器。推进到分支血管导管通过手动推的导管的端部（ 图4C）。缩回导管的血管分叉和重复相反的分支（ 图4D）。
6. 掌握使用2D快照FLASH序列（TR = 30毫秒，TE = 1.4毫秒，256 128倍的矩阵和翻转角〜30°）的MR图像。

5。挠度测量

期间捕获的图像分析和测量角度的偏转水浴实验与计算机应用（任何一个数字成像和通信医学（DICOM）浏览器）。

Representative Results

应该观察到从协议如上所述，在0度和90度之间的偏转角，从应用程序同时交付到一个合并的螺线管和亥姆霍兹线圈微型导管系统（ 图2E）的两个线圈的电流为50-300毫安。应当施加的电流的增加导致在微型导管的偏转角的增加，电流的极性反转而导致的偏转与正电流在完全相反的方向上所观察到的（ 图5A-5C）。的偏转角，但是，是依赖于几个参数。施加的电流的量，并在电磁线圈的匝数和亥姆霍兹线圈的数目的改变的强度在微型导管尖端的磁矩。此外，粒子的磁矩和外部磁场的外部磁场之间的角度的强度决定的扭矩量由microcathete经历河最后，微型导管尖端延伸到水浴奔放长度是可以改变的另一个因素。任何这些变量的改变会产生修改的偏转角。

可以执行从MR图像的偏转角的精确测量和比较使用各类DICOM浏览器软件。先进的偏转，也可以测试，通过模拟容器幻象成功的导航。

图1。单轴线圈结构图：导管偏转作为开采的MR扫描仪的磁场环境结果。此前Roberts 等人发表在2002年^13。

图2A中。激光Lithogra PHY图：安装程序的激光光刻工艺。在新闻出版（Wilson 等^{，2013）。}

图2B。激光光刻线圈的制作图：图的车床激光光刻技术制造的微线圈中所涉及的步骤。

图2C。哈特等人 电磁阀线圈：A microcoil的的电磁线圈50匝聚酰亚胺管采用光刻技术，称为激光车床光刻技术的制造。此前公布的2011年¹⁵ Muller 等人，2012年^16，在按（Wilson 等。2013年^17） 。

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图2D。鞍形线圈：甲亥姆霍兹（“跑道”）microcoil称为激光车床光刻光刻技术的导管的外壁制成。伯恩哈特等此前公布的。 2011 ¹⁵和穆勒等人 2012 ^16，在按威尔逊等人。（2013年^17）。

图2E。组合线圈：制造的电磁线圈上的导管尖端放置在一个较大的管含有亥姆霍兹线圈，同时目前的两个线圈中的应用使在三维空间的导管偏转。在新闻出版（2013年Wilson 等人^。17）。

图3A 。导管偏转：导管尖端的观察与应用的电流。盛开的神器通电线圈的偏转清晰可见（箭头）。

图3B前后导管变形水浴：50 mA和100 mA的电流的应用一致的分别为10°和14.5°的偏转。正向电流的原因尖挠度前平面，反向电流在后面的偏转结果。 点击此处查看图3B 。

图3C右左导管变形水浴：50 mA和100 mA的电流的应用一致的分别为11.5°和17°偏转。正电流的原因在正确的平面内尖端偏转电流和负电流的结果，在左平面偏转。e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi“目标=”_blank“>点击这里查看图3C。

图4。导管指导和跟踪控制导管通过的船只假体的变形和转向。电流被施加到螺旋导管尖端产生可视化开花（箭头所示）。的导管是机械先进和电流的（ - 45毫安）被施加到导致偏转到分支（C）的底部容器。的导管，然后缩回位置（B）。通过反相电流极性（45毫安）中，被偏转的导管，并前进到顶端的血管分支（D）。

图4B。导管变形的分歧幻影：目前适用于导管的人低点成功的针对性和进步的幻象到左侧血管分支。该导管，然后缩回的分支点和右边的血管分支。 点击这里查看图4B 。

图5A-C。导管变形的几何图案的水浴：电流在一个单一的平面在所有方向上产生变形。 点击此处查看图5A ， 图5B ， 5C图 。

Discussion

在这里，我们描述偏转的微导管在MR扫描仪的协议。成功的关键参数是准确的电流和测量应用的偏转角。测量不准确的偏转角是在该协议中最有可能遇到的错误。 MR图像捕获期间水浴实验的角度可能不同于实际值，由于轻微的排列方向不同，该媒介相对于磁体的孔中定位。为了解决这个问题，在未来，可以拍摄的影像通过MR-兼容的光纤相机定位在两个不同的层面。两个MR和摄像头图像的使用，将提供一个更精确的，三维视图的微导管尖端。

的图像的质量，可以提高通过改变的参数下，执行成像。一个不同的成像序列，可以使用，以确定是否是在图像质量和清晰度增加经历过。此外，由于传输线跑出来的磁共振扫描仪控制室，磁铁房间的RF外壳的完整性是次优的可能会降低图像质量。这个问题可以通过将电源线通过的过滤器的穿透面板上改善。此外，作为成像接收器线圈中使用的导管尖端微线圈还持有潜力提供更高分辨率的图像立即相邻的导管尖端。使用激光车床加工的导管尖端线圈作为成像线圈的可能性正在探索之中。

生产的图像，不仅能更好的质量，但更容易使用来精确测量偏转角也是可能的。影响偏转角的变量的修改中，如上所述，可能会导致在一个更大的偏转程度。另外，一个3T临床MR扫描器的增加的强度，可以使用，以代替一个1.5T扫描器，以增加的范围内的微导管偏转。这些变化可以产生不同的偏转角之间的间隔施加的电流分离。

因为此协议旨在进行测试的能力，控制微型导管的偏转，虚线使用的容器是简单的，并包含一个单一的分支点，在约45°。现在，这种能力被建立，可进行进一步测试，微导管偏转在更复杂的幻影。可能会被改变的设计变量，包括血管直径，血管分支的角度，和圈数，在任何给定的路径的幻像。船只也可以是锥形的，并且努力更紧密地模仿人类血管以外的塑料管，在不同的材料组成的幻像。在今后的研究中，也可以进行动物实验，进一步研究微导管的导航能力。

此协议的几个限制也存在关于微线圈的制造中使用的激光车床技术。线条宽度是激光光斑大小的函数的，抗蚀剂的厚度，和俯仰。激光光斑尺寸被限制为3到5微米的范围内的直径，并且至25微米的抗蚀剂的厚度是有限的。此外，铜线路的厚度是有限的线宽度和抗蚀剂厚度。与激光直接写入系统的查询结果中的抗蚀剂不具有平行的侧面的开口部或功能中的光致抗蚀剂曝光。在籽晶层，从而限制的功能的最小尺寸附近的底部的开口窄。此外，由于线路变得更厚，他们更加紧密相邻的线。如果线的距离太近，铜种子层和钛膜去除过程是不能够进行不羁。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
GdDTPA Contrast Media (Magnevist)	Bayer HealthCare Pharmaceuticals Inc.	1240340	McKesson Material Number
Positive Photoresist	Shipley	N/A	PEPR-2400, Replacement: Dow Chemicals Intervia 3D-P
Copper Sulfate	ScienceLab	SLC3778	Crystal form
Sulfuric Acid	ScienceLab	SLS1573	50% w/w solution
Parrafin Wax	Carolina	879190
Potassium Carbonate	Acros Organics	424081000