Summary
Courant appliqué à un micro-cathéter endovasculaire avec pointe microbobine faite par laser Tour lithographie peut atteindre déviations contrôlables en vertu de résonance (MR) de guidage magnétique, ce qui peut améliorer la vitesse et l'efficacité de la navigation de la vascularisation au cours de diverses procédures endovasculaires.
Abstract
Procédures rayons X guidé par fluoroscopie endovasculaires ont plusieurs limites importantes, y compris la navigation cathéter difficile et l'utilisation des rayonnements ionisants, ce qui peut potentiellement être surmontées à l'aide d'un cathéter orientable magnétique sous la direction de MR.
L'objectif principal de ce travail est de développer un micro-cathéter dont l'extrémité peut être contrôlé à distance en utilisant le champ magnétique de l'IRM. Ce protocole vise à décrire les procédures pour appliquer un courant à l'microcathéter microbobine pointe pour produire des déformations cohérentes et contrôlable.
Un microbobine a été fabriqué en utilisant la lithographie laser tour sur un cathéter à pointe polyimide endovasculaire. L'expérimentation in vitro a été réalisée dans un bain-marie et le fantôme navire sous la direction d'un système 1,5-T MR en utilisant l'état d'équilibre de précession libre (ASAG) séquençage. Diverses quantités de courant ont été appliqués aux bobines du microcathéter pour produire meadéviations pointe sureable et naviguer dans des fantômes vasculaires.
Le développement de ce dispositif fournit une plate-forme pour les essais futurs et la possibilité de révolutionner l'environnement IRM interventionnelle endovasculaire.
Introduction
Procédures endovasculaires effectuées en cours d'utilisation la médecine interventionnelle radiographie l'orientation comme un outil de navigation cathéter dans le système vasculaire pour traiter plusieurs maladies graves, comme la rupture d'anévrisme, accident vasculaire cérébral ischémique, les tumeurs solides, l'athérosclérose et les arythmies cardiaques ciblant plus d'un million de patients par année dans le monde 1 - 5. Avec l'utilisation des produits de contraste, de la navigation à travers le système vasculaire est obtenue par rotation manuelle de l'avancement du cathéter et mécanique par l'intervenant de part 6. Toutefois, la navigation à travers de petits vaisseaux sanguins tortueux à travers de nombreux virages vasculaires devient de plus en plus difficile, en allongeant le temps avant d'atteindre le site cible. Cela pose un problème pour le temps des procédures adaptées telles que la suppression d'un caillot dans un vaisseau sanguin obstrué. En outre, les procédures longues augmenter la dose de rayonnement et créer le potentiel d'événements indésirables 7-11. Toutefois, les procédures endovasculaires réalisée sous magnetic imagerie par résonance magnétique peut apporter une solution.
Le fort champ magnétique homogène d'un scanner IRM peut être exploitée pour la navigation extrémité du cathéter par télécommande 12,13. Courant appliqué à une microbobine située à une extrémité du cathéter induit un moment magnétique faible, qui subit un couple tel qu'il s'aligne avec l'alésage de l'appareil d'IRM 13 (figure 1). Si le courant électrique est activé dans une bobine individuelle, l'extrémité du cathéter peut être déviée dans un plan de commande à distance. Si trois bobines à un bout de cathéter sont excitées, déviation extrémité du cathéter peut être réalisé en trois dimensions. Ainsi, la direction magnétique facilité d'un cathéter a le potentiel d'augmenter la vitesse et l'efficacité de la navigation vasculaire dans les procédures endovasculaires, ce qui pourrait réduire les temps d'intervention et d'améliorer les résultats des patients. Dans cette étude, nous avons examiné si le courant appliqué à un cathéter à pointe microbobine endovasculaire peut produire des données fiables et contrôlées deflections de moins de MR-conseils que les tests préliminaires d'études navigation cathéter.
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Protocol
1. Fabrication microbobine
- Procurez-vous un microcathéter disponible dans le commerce (par exemple 2.3f Rapid Transit Cordis neurovasculaire cathéter, Raynham, MA) pour un substrat.
- Assurez-cathéters n'ont pas de composants ferreux, sont considérés comme MR-fort, et vont de 2,3 à 3,0 F.
- Pulvérisation d'une couche d'adhésion de titane suivie d'une couche de germination de cuivre à l'état d'1 à 2 mm diamètre extérieur du tube isolant. Matériaux possibles comprennent polyimide ou d'alumine (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
- Dépôt électrolytique d'une couche de résine photosensible positive en utilisant Shipley PEPR-2400 (actuellement vendu par Dow Chemical sous le nom Intervia 3D-P). Les résultats d'électrodéposition dans un revêtement uniforme sur la surface non plane cylindrique.
- Résine photosensible est exposée par un laser à écriture directe système unique (laser tour, un système non commercial développé au Lawrence Livermore National Laboratory) dans le modèle de la forme de bobine désiré (figure 2A). Il s'agit d'une modition de la technique initialement décrite dans Malba et al 14.
- Développer la résine photosensible exposée dans une solution à 1% de carbonate de potassium à 35 ° C.
- Cuivre est galvanisé à travers le masque de résist restante pour former la bobine souhaitée. Le système peut fabriquer à la fois magnétique et les modes de Helmholtz cuivre (hippodrome) (figures 2C et 2D).
- Après électrodéposition de cuivre, retirez le développeur résister à chaud. Enlever la couche de germination de cuivre, suivie par la couche d'adhésion de titane.
- Fixez le tube isolant à l'extrémité du cathéter à l'aide pellicule rétractable pour compléter l'assemblage. Assurez-vous que la pellicule rétractable recouvre le bout enroulé entier. Pour assembler plusieurs axes cathéters placer des structures tubulaires isolants à l'intérieur de l'autre comme le montre la figure 2E.
- Fils de cuivre à travers la lumière de fil de soudure et le microcathéter aux bobines à la pointe.
- Modifier et raccourcir de 6 pi de câble téléphonique RJ11 to 3 pieds de longueur.
- Connecter les fils de cuivre émanant du moyeu d'extrémité arrière du microcathéter à la modification de la ligne téléphonique 3 ft transmission vérin.
2. Configuration bain-marie
- Faire un petit trou au centre de la face d'une cuvette en plastique environ 5 cm du fond.
- Insérez une 9F Avanti Cordis vasculaire gaine (Cordis Endovascular, Miami Lakes, FL) dans le trou.
- Couper l'extrémité distale de la gaine vasculaire laissant un 4 cm de long morceau s'étendant dans le bassin.
- À l'extrémité de la gaine, fixer une valve hémostatique rotative ou Thuoy-Borst pour stabiliser l'emplacement du microcathéter.
- Remplir le bassin avec de l'eau distillée assurer une immersion complète de l'appareil.
- Insérer le cathéter à embout en spirale à travers la gaine vasculaire et de la vanne.
- Mesurer et noter la longueur effrénée du microcathéter s'étendant de la vanne dans le bain-marie.
- Placez le bain-marie avec microSystème de cathéter à l'intérieur de l'aimant de l'appareil d'IRM et orienter par rapport à l'alésage de l'aimant.
- Branchez le câble téléphonique modifiée 3 pi attaché au cathéter à un 25 pieds RJ11 ligne de transmission de téléphonie par câble à l'aide d'un téléphone 2-way jack.
- Branchez l'autre extrémité du câble 25 pi téléphone à une alimentation Lambda LPD-422A-FM double alimentation régulée pour fournir jusqu'à 1 A de courant de l'appareil.
- Placez les lignes de transmission à travers un guide d'onde et la source d'alimentation en dehors de la salle du scanner MR en dehors de la ligne 5 Gauss.
3. Navire fantôme de configuration
- Construire un fantôme récipient creux avec une intersection en forme de Y à partir de tubes en caoutchouc avant l'expérimentation.
- Remplissez le fantôme récipient avec une solution 0,0102 M de gadopentétate diméglumine (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) dans de l'eau distillée pour créer un contraste entre les vaisseaux fantômes et le fond.
- Assemblez le MicroCatheter système tel que décrit dans les étapes 1.1 à 1.9. Relier le cathéter à l'alimentation électrique et la position comme décrit dans les étapes de 2,9 à 2,11.
- Positionner la pointe du microcathéter à la base de l'ouverture du récipient.
- Placer le fantôme à l'intérieur de l'aimant de l'appareil d'IRM et orienter par rapport à l'alésage de l'aimant.
4. Imagerie par résonance magnétique
- Effectuer une imagerie avec un système clinique 1.5T MR (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Allemagne; Philips Achieva, SW version 2.1, Cleveland, OH).
- Appliquer <50 mA de courant de visualiser la position de pointe du cathéter. En vertu de l'IRM, un petit moment magnétique sera produite à l'extrémité du cathéter de visualiser un artefact distincte de forme variable en fonction de la bobines sont excitées.
- Appliquer des quantités variables de courant dans la plage de ± 100 mA à partir de la source d'alimentation double Lambda pour les bobines et observer béquillage (figures 3A-3C) dans le ba de l'eaue configuration. Parce que béquillage est presque instantanée, le courant ne doivent être appliqués pour ~ 1-2 secondes pour visualiser déviation maximale.
- Répéter et d'enregistrer applications consécutives de montants de courant.
- Répétez l'étape 4.2, tout en poussant la sonde à la main permettre l'avancement mécanique à travers la cuve (figures 4A et 4B) fantôme. Appliquer le courant au point de branchement de détourner l'extrémité du cathéter dans le vaisseau désiré. Faire avancer le cathéter dans le vaisseau de branche en poussant manuellement l'extrémité de cathéter (Figure 4C). Rétracter le cathéter à la bifurcation de vaisseau et de répétition dans la branche opposée (figure 4D).
- Acquérir des images IRM à l'aide d'un instantané 2D-FLASH séquence (TR = 30 ms, TE = 1,4 ms, une matrice de 256 x 128 et un angle de bascule à 30 °).
5. Les mesures de déflexion
Analyser et mesurer les déviations angulaires des images capturées au coursexpériences bain-marie avec diverses applications informatiques (toute Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Viewer).
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Representative Results
Du protocole décrit ci-dessus, un angle de déviation entre 0 et 90 degrés doit être observée à partir de l'application 50-300 mA de courant délivré simultanément aux deux bobines d'un électro-aimant et le système combiné de Helmholtz microcathéter bobine (2E figure). Une augmentation du courant appliqué devrait se traduire par une augmentation de l'angle de déviation microcathéter, tandis qu'une inversion de polarité de courant doit se traduire par déviation dans la direction opposée comme observé avec un courant positif (Figures 5a à 5c). L'angle de déflexion, cependant, dépend de plusieurs paramètres. La quantité de courant appliqué et le nombre de spires d'enroulement dans l'électro-aimant et les bobines de Helmholtz modifie la force du moment magnétique à la pointe de micro-cathéter. De plus, la force du champ magnétique externe et l'angle entre le moment magnétique de la particule et du champ magnétique externe détermine la valeur du couple subi par la microcatheter. Enfin, la durée illimitée de la pointe microcathéter s'étendant dans le bain-marie est un autre facteur qui peut être modifié. Toute modification de ces variables produisent des angles de déviation modifiés.
La mesure précise des angles de déviation à partir d'images IRM peuvent être réalisées et comparées en utilisant différents types de logiciel de visualisation DICOM. Déviation avancée peuvent également être testés par la navigation réussie grâce à un fantôme navire simulé.
Figure 1. Schéma de la bobine mono-axe:. Déviation cathéter en raison de l'exploitation de l'environnement magnétique de l'appareil d'IRM publiées précédemment dans Roberts et al 2002 13..
Figure 2A. Laser Lithogra Schéma phy:. Configuration du processus de lithographie par laser de publication dans la presse (Wilson et al 2013 16.).
La figure 2B. Lithographie laser de fabrication de bobine Schéma: Schéma des étapes de la fabrication de lithographie par laser Tour de microbobines.
Figure 2C. Bobine:. Un solénoïde microbobine de 50 tours fabriqués sur un tube de polyimide en utilisant la technique lithographique appelé laser Tour lithographie Précédemment publié dans Bernhardt et al 2011 15 et Muller et al 2012 16, et dans la presse (Wilson et al 2013 17.).. .
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Figure 2D. Bobine selle: A Helmholtz ("hippodrome") microbobine fabriqué sur la paroi extérieure d'un cathéter à laser appelée technique lithographique tour lithographie publiées précédemment dans Bernhardt et al.. 2011 15 et Muller et al. 2012 16, et dans la presse (Wilson et al. 2013 17).
Figure 2E. Bobine combinaison: une bobine de solénoïde fabriqué sur une extrémité du cathéter placé dans un tube contenant plus d'une bobine de Helmholtz présente demande simultanée de deux bobines de déviation de cathéter permet en trois dimensions.. La publication dans la presse (Wilson et al. 2013 17).
Figure 3A . Déviation du cathéter:. Béquillage cathéter observable avec application d'un courant d'artefact Floraison à partir de la bobine excitée est bien visible (flèche).
La figure 3B déviation cathéter antéro-postérieur au bain-marie:. Application de 50 mA et 100 mA de courant a entraîné cohérentes 10 ° et 14,5 ° flèches respectivement. Positif courant de déviation pointe causes dans le plan antérieur, et les résultats négatifs actuels en flexion dans le plan postérieur. Cliquez ici pour voir la figure 3B .
. Figure 3C Déviation cathéter Droite-Gauche en bain-marie: Application de 50 mA et 100 mA de courant a entraîné cohérentes 11,5 ° et 17 ° respectivement flèches. Positives causes actuelles basculer déviation dans le plan à droite, et les résultats négatifs actuels en flexion dans le plan gauche.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Cliquez ici pour consulter la figure 3C.
Figure 4 Direction cathéter et le suivi:. Déviation contrôlée du cathéter et la direction grâce à un fantôme navire. Le courant est appliqué à la pointe de cathéter enroulé visualisation floraison production (flèche). Le cathéter est avancé mécaniquement et de courant (- 45 mA) est appliquée pour provoquer la déviation dans la branche inférieure récipient (C). Le cathéter est ensuite rétractée à la position (B). Par polarité inversée courant (45 mA), le cathéter est avancé et dévié dans la branche récipient supérieur (D).
. Figure 4B cathéter de déviation dans une bifurcation Phantom: Courant appliqué au cathéter alciblage bas succès et l'avancement dans la branche gauche du bateau fantôme. Le cathéter est ensuite rétracté au point de branchement et mise en scène dans la branche navire droite. Cliquez ici pour voir la figure 4B .
. Figure 5A-C Geometric Patterns de déviation cathéter dans un bain-marie:. Actuelle est appliquée pour produire des détournements dans un plan unique dans toutes les directions Cliquez ici pour voir la figure 5A , 5B figure , la figure 5C .
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Discussion
Ici, nous décrivons le protocole de déflexion d'un micro-cathéter dans un appareil d'IRM. Les paramètres clés de la réussite sont une application précise du courant et la mesure de l'angle de déviation. Une mesure inexacte du angle de déflexion est l'erreur la plus probable rencontrées dans ce protocole. Les angles capturées en images par résonance magnétique lors de l'expérience à bain d'eau peuvent différer des valeurs réelles en raison de légères différences dans l'orientation, par laquelle le support est positionné par rapport à l'alésage de l'aimant. Pour résoudre ce problème à l'avenir, les images peuvent être capturées par M. compatibles fibres optiques des caméras placées dans deux dimensions différentes. Utiliser des images IRM et l'appareil photo des deux donnera une idée plus précise, en trois dimensions de la pointe microcathéter.
La qualité des images peut être amélioré en modifiant les paramètres selon lesquels l'imagerie est effectuée. Une séquence d'imagerie différent peut être utilisé pour déterminer si une augmentation de la qualité de l'image et de la clarté estconnu. En outre, parce que les lignes de transmission couru hors de la salle d'IRM de contrôle du scanner, de l'intégrité de l'enceinte de la salle aimant RF était sous-optimal peut réduire la qualité d'image. Ce problème pourrait être améliorée en plaçant les lignes électriques à travers un filtre sur un panneau de pénétration. En outre, en utilisant les microbobines extrémité du cathéter d'imagerie comme bobines réceptrices détient également le potentiel de fournir des images haute résolution immédiatement adjacentes à l'extrémité du cathéter. La possibilité d'utiliser des lasers latté bobines extrémité du cathéter d'imagerie sous forme de bobines est à l'étude.
Production d'images qui ne sont pas de qualité mais en mieux, mais plus facile à utiliser pour mesurer la déflexion angle précis est également possible. Modification des variables qui affectent angle de déviation, comme mentionné ci-dessus, peut se traduire par un plus grand degré de déviation. En outre, un scanner 3T MR clinique de la force accrue peut être utilisé en lieu et place d'un scanner 1.5T pour augmenter la plage de débattement microcathéter. Ceschangements peuvent produire une séparation de l'angle de déviation nette entre intervalles rapprochés courant appliqué.
Parce que ce protocole avait pour but de tester la capacité de contrôler déviation microcathéter, le navire fantôme utilisé est simple et contenait un point de branchement unique à environ 45 °. Maintenant que cette capacité est établi, d'autres essais de flexion microcathéter peut être effectuée dans des fantômes plus complexes. Des variables de conception qui peut être modifié, notamment le diamètre des vaisseaux, l'angle de branches vasculaires, et le nombre de spires à l'intérieur de n'importe quel chemin donné du fantôme. Les navires peuvent également être conique et le fantôme constitué d'un matériau différent autre que tube de plastique dans le but de mieux imiter le système vasculaire humain. Dans les études futures, l'expérimentation animale peut également être effectuée pour examiner plus avant la capacité de navigation microcathéter.
Plusieurs limites de ce protocole existent également en ce qui concerne la fabrication de microbobines utilisantla technique laser Tour. Largeur de ligne est fonction de la taille du spot laser, résister à l'épaisseur et la hauteur. La taille du spot laser est limitée à un intervalle de trois à cinq microns de diamètre, et de résister à l'épaisseur est limitée à 25 microns. En outre, l'épaisseur des lignes de cuivre est limitée par la largeur de ligne et l'épaisseur résister. L'exposition résine photosensible avec les résultats du système laser d'écriture directe dans les ouvertures ou les caractéristiques de la résistance qui n'ont pas de côtés parallèles. Les ouvertures sont plus étroites à la partie inférieure à proximité de la couche de germination ainsi limiter la taille minimale des traits. De plus, comme les lignes deviennent plus épais, ils se rapprocher de lignes adjacentes. Si les lignes sont trop rapprochées, la couche de germination de cuivre et de titane processus d'adhésion de couches de déménagement ne sont pas capables de procéder sans entrave.
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Disclosures
Dr Hetts a reçu des subventions de Stryker Corporation et est un consultant rémunéré pour Silk Road Medical, Inc
Acknowledgments
Pallav Kolli, Fabio Settecase, Matthew Amans, et Robert Taylor, de l'UCSF, Tim Roberts, de l'Université de Pennsylvanie
Sources de financement
National Heart Lung NIH Blood Institute (NHLBI) Prix (M. Wilson): 1R01HL076486 American Society of Neuroradiology recherche et l'éducation Scholar Award (S. Hetts)
NIH Institut national d'imagerie biomédicale et bio-ingénierie (NIBIB) Prix (S. Hetts): 1R01EB012031
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 |
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