Magneticamente Assistida deflexão da ponta Remote Controlled microcateter em Imagem por Ressonância Magnética

Summary

Corrente aplicada a um microcateter endovascular com ponta micromolas feita por laser litografia torno pode alcançar deflexões controláveis ​​sob orientação de ressonância magnética (MR), que pode melhorar a velocidade e a eficácia de navegação da vasculatura durante vários procedimentos endovasculares.

Abstract

Procedimentos de raios-X fluoroscopia guiada endovasculares têm várias limitações significativas, incluindo a navegação cateter difícil e uso de radiação ionizante, o que pode, potencialmente, ser superado através de um cateter magneticamente dirigível sob a orientação do MR.

O objectivo principal deste trabalho é a de desenvolver um microcateter cuja ponta pode ser controlado remotamente com o campo magnético do scanner de MR. Este protocolo tem como objetivo descrever os procedimentos para a aplicação de corrente para o microcateter micromolas de ponta para produzir desvios consistentes e controlável.

Uma micro foi fabricado usando laser litografia em torno de um cateter poliimida de ponta endovascular. Testes in vitro foi realizada em banho-maria e fantasma navio sob a orientação de um sistema de RM de 1,5 T com estado estável livre de precessão (SSFP) seqüenciamento. Várias quantidades de corrente foram aplicados às bobinas do microcateter para produzir measureable desvios ponta e navegar em fantasmas vasculares.

O desenvolvimento deste dispositivo fornece uma plataforma para testes de futuro e oportunidade de revolucionar o ambiente intervencionista endovascular de ressonância magnética.

Introduction

Procedimentos endovasculares realizados em medicina intervencionista orientação utilização de raio-x como uma ferramenta para navegação através de cateter vascular para tratar várias doenças graves, tais como aneurisma cerebral, acidente vascular cerebral isquêmico, tumores sólidos, aterosclerose e arritmias cardíacas para mais de um milhão de pacientes por ano em todo o mundo ^{1 - 5.} Com a utilização de meios de contraste, a navegação através da vasculatura é conseguido através de rotação manual do avanço do cateter e mecânica, pelo intervencionista da mão ^6. No entanto, a navegação através de pequenos vasos sanguíneos tortuosos em torno de muitas curvas vascular torna-se cada vez mais difícil, alongando o tempo antes de atingir o local do alvo. Isso representa um problema para sensíveis ao tempo de procedimentos, tais como a remoção de um coágulo de sangue num vaso ocluso. Além disso, procedimentos prolongados aumentar a dose de radiação e criar o potencial para eventos adversos ^7-11. No entanto, os procedimentos endovasculares realizados sob magnetic ressonância pode oferecer uma solução.

O campo magnético forte homogênea de um scanner de ressonância magnética podem ser exploradas para a navegação ponta do cateter por controle remoto ^12,13. Corrente aplicada a um micromolas localizado a uma ponta do cateter induz um momento magnético, que experimenta um binário, uma vez que se alinha com o furo do scanner de IRM ¹³ (Figura 1). Se a corrente eléctrica é activado em uma bobina individual, a ponta do cateter pode ser desviado para um plano por controle remoto. Se três bobinas a uma ponta do cateter são energizados, a deflexão da ponta do cateter pode ser conseguido em três dimensões. Assim, direcção magneticamente facilitada de um cateter tem o potencial para aumentar a velocidade e eficácia da navegação vascular em procedimentos endovasculares, que poderia reduzir o tempo de processo e melhorar os resultados do paciente. No presente estudo, examinou-se se a corrente aplicada a um cateter com ponta de micromolas endovascular pode produzir deflecti fiável e controladaons sob orientação MR-como testes preliminares de estudos de navegação do cateter.

Protocol

1. Micromolas Fabricação

1. Obter um microcateter comercialmente disponíveis (por exemplo, 2.3F Rapid Transit Cordis Cateter Neurovascular, Raynham, MA) para um substrato.
2. Garantir cateteres não têm componentes ferrosos, são considerados MR-seguro, e variam em tamanho 2,3-3,0 F.
3. Sputter uma camada de adesão de titânio seguido por uma camada de sementes de cobre até um milímetro 1-2 OD tubo isolante. Os materiais possíveis incluem poliimida, ou alumina (Ortech avançada Ceramics, Sacramento, CA).
4. Electrodepositar uma camada foto-resistente positivo usando Shipley PEPR-2400 (sendo vendida pela DOW Chemical sob o nome Intervia 3D-P). Resultados de electrodeposição em um revestimento uniforme sobre a superfície não plana cilíndrica.
5. Fotossensível é exposta por um único sistema de laser de escrita directa (laser torno, um sistema não-comercial desenvolvido no Lawrence Livermore National Laboratory) no padrão da forma desejada da bobina (Figura 2A). Esta é uma modificaçãoção da técnica originalmente descrita em Malba et al ^14.
6. Desenvolver a fotorresiste exposto de uma solução a 1% de carbonato de potássio a 35 ° C.
7. O cobre é electrodepositado através da máscara resistir remanescente para formar a bobina desejado. O sistema pode fabricar tanto solenóide e os padrões de Helmholtz (pista) de cobre (Figuras 2C e 2D).
8. Depois de eletrodeposição de cobre, retire a resistir com o desenvolvedor quente. Remover a camada de semente de cobre, seguida pela camada de adesão de titânio.
9. Anexar o tubo de isolamento para a ponta do cateter através de invólucro por contracção para completar a montagem. Certifique-se que o envoltório do psiquiatra cobre a ponta enrolada inteiro. Para montar multi-eixo cateteres colocar as estruturas de tubo de isolamento no interior uns dos outros, como mostrado na Figura 2E.
10. Tópico fios de cobre através do lúmen do microcateter e solda para as bobinas na ponta.
11. Modificar e encurtar um 6 pés RJ11 cabo de telefone to ft 3 em comprimento.
12. Conectar os fios de cobre que emanam do cubo extremidade traseira do microcateter a 3 pés de telefone de linha de transmissão modificada tomada.

2. Configuração banho-maria

1. Fazer um pequeno orifício no centro da face de um recipiente de plástico a cerca de 5 cm do fundo.
2. Insira um 9F Avanti Cordis bainha vascular (Cordis Endovascular, Miami, FL) através do orifício.
3. Cortar a extremidade distai da bainha vascular deixando um pedaço 4 cm de comprimento, que se estende em a bacia.
4. No final da bainha, coloque uma válvula hemostática rotativa ou Thuoy-Borst para estabilizar a localização do microcateter.
5. Encher o recipiente com água destilada, assegurando completa submersão do aparelho.
6. Inserir o cateter com ponta em espiral através da bainha vascular e da válvula.
7. Medir e registar a duração irrestrita do microcateter que se estende desde a válvula para o banho de água.
8. Coloque o banho de água com microsistema de cateter no interior do íman do scanner de MR e orientar em relação ao orifício do íman.
9. Conecte o cabo de telefone modificado 3 pés ligado ao cateter para a 25 RJ11 linha telefônica de transmissão pés cabo usando um 2-way conector de telefone.
10. Ligue a outra extremidade do cabo de telefone 25 pés a uma fonte de alimentação Lambda LPD-422A-FM dupla regulado para fornecer até 1 A de corrente para o dispositivo.
11. Coloque as linhas de transmissão por meio de uma guia de onda e a fonte de alimentação para fora da sala de scanner MR fora da linha de Gauss 5.

3. Configuração navio fantasma

1. Construir um navio fantasma oco com uma intersecção em forma de Y a partir de tubo de borracha antes da experimentação.
2. Preencha o fantasma vaso com uma solução 0,0102 M de gadopentetato dimeglumina (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, Nova Jersey) em água destilada para criar um contraste entre os vasos fantasmas e de fundo.
3. Monte o MicroCatheter sistema como descrito nas etapas 1.1 a 1.9. Conectar o catéter à fonte de alimentação e da posição, tal como descrito nos passos 2,9-2,11.
4. Posicionar a ponta do microcateter na base da abertura do vaso.
5. Coloque o fantasma dentro do íman do scanner de MR e orientar em relação ao orifício do íman.

4. Imagem por Ressonância Magnética

1. Realizar imagem com um 1.5T clínica sistema MR (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Alemanha; Philips Achieva, SW versão 2.1, Cleveland, OH).
2. Aplicar <50 mA de corrente a visualizar a posição da ponta do cateter. Sob MRI, um pequeno momento magnético será produzida na ponta do cateter para visualizar um artefato distinto de variar dependendo da forma que as bobinas são energizadas.
3. Aplicar quantidades variáveis ​​de corrente no intervalo de ± 100 mA da fonte de alimentação de dupla Lambda para as bobinas de deflexão e observar ponta (Figuras 3A-3C), no ba de águaª configuração. Porque a deflexão da ponta é quase instantânea, a corrente só necessita de ser aplicado durante 1-2 s ~ para visualizar deflexão máxima.
4. Repetir e gravar aplicações consecutivas de montantes de corrente.
5. Repetir o passo 4,2, ao mesmo tempo que empurra o cateter à mão permitindo avanço mecânico através do vaso fantasma (Figuras 4A e 4B). Aplicar corrente no ponto de ramificação para deflectir a ponta do cateter para dentro do vaso desejado. Avançar o cateter dentro do vaso por ramo manualmente empurrando a extremidade do cateter (Figura 4C). Retrair o cateter para a bifurcação do vaso e repetir no ramo oposto (Figura 4D).
6. Adquirir imagens de RM, utilizando uma sequência instantâneo FLASH-2D (TR = 30 ms, TE = 1,4 ms, uma matriz de 256 x128 e ângulo aleta ~ 30 °).

5. Medidas de deflexão

Analisar e medir deformações angulares de imagens capturadas duranteexperimentos de água de banho com várias aplicações informáticas (qualquer imagem digital e Comunicações em Medicina (DICOM) Viewer).

Representative Results

A partir do protocolo acima descrito, com um ângulo de deflexão entre 0 e 90 graus deve-se observar a partir de aplicação de 50-300 mA de corrente entregue simultaneamente a ambas as bobinas de um solenóide combinado e sistema de microcateter bobina de Helmholtz (Figura 2E). Um aumento da corrente aplicada deve resultar num aumento do ângulo de deflexão microcateter, enquanto que a inversão de polaridade de corrente deve resultar em desvio na direcção oposta, como observado com corrente positiva (Figuras 5A-5C). O ângulo de deflexão, no entanto, depende de vários parâmetros. A quantidade de corrente aplicada e do número de voltas da bobina do solenóide e bobinas de Helmholtz altera a resistência do momento magnético na ponta microcateter. Além disso, a força do campo magnético externo eo ângulo entre o momento magnético da partícula e do campo magnético externo dita a quantidade de torque experimentado pelo microcatheter. Por fim, o comprimento da ponta desenfreada microcateter estende para o tanque de imersão é um outro factor que pode ser alterada. Alterações em qualquer dessas variáveis ​​irá produzir ângulos modificados da deflexão.

Medição precisa de ângulos de deflexão de imagens de RM pode ser realizada e comparada usando vários tipos de software de visualização DICOM. Deflexão avançada também pode ser testada pela navegação de sucesso através de um navio fantasma simulado.

Figura 1. Single-Axis esquemática da bobina:. Deflexão do cateter, como resultado de exploração do meio magnético do scanner de MR Anteriormente publicado em Roberts et al, 2002 ^13..

Figura 2A. Laser Lithogra Diagrama phy:. Configuração do processo de litografia laser de publicação na imprensa (Wilson et al 2013 ^16.).

Figura 2B. Laser Litografia Diagrama de fabricação da bobina: Diagrama das etapas envolvidas na fabricação de laser litografia torno de micro-molas.

Figura 2C. Bobina solenóide:. Um solenóide micromolas de 50 voltas fabricado num tubo de poliimida utilizando a técnica litográfica chamado laser litografia torno Anteriormente publicado em Bernhardt et al, 2011 ¹⁵ e Muller et al 2012 ^16, e no prelo (Wilson et al 2013 ^17.).. .

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Figura 2D. Bobina de sela: Um Helmholtz ("pista") micromolas fabricado na parede exterior de um cateter com a técnica litográfica chamado laser litografia torno Anteriormente publicado em Bernhardt et ai.. 2011 ¹⁵ e Muller et al. 2012 ^16, e no prelo (Wilson et al. 2013 ^17).

Figura 2E. Bobina de combinação: A bobina fabricado sobre uma ponta de cateter colocado dentro de um tubo maior, contendo uma bobina de Helmholtz actual aplicação simultânea de ambas as bobinas de deflexão permite cateter em três dimensões.. Publicação na imprensa (Wilson et al. 2.013 ^17).

A Figura 3A . Deflexão cateter:. Deflexão da ponta do cateter observável com a aplicação de corrente artefato florescência da bobina energizada é claramente visível (seta).

Figura 3B ântero-posterior deflexão Cateter em banho-maria:. Aplicação de 50 mA mA e 100 do atual resultou em consistentes 10 ° e 14,5 °, respectivamente deformações. Deflexão da ponta positiva atual causas no plano anterior, e resultados negativos atuais na deflexão no plano posterior. Clique aqui para ver Figura 3B .

. Figura 3C Deflexão Cateter direito-esquerda em banho-maria: Aplicação de 50 mA e 100 mA de corrente resultou em consistentes 11,5 ° e 17 °, respectivamente deformações. Positivos causas atuais ponta deflexão no plano certo, e negativos os resultados atuais em deflexão no plano esquerdo.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Clique aqui para ver a Figura 3C.

Figura 4 Direcção cateter e Rastreamento:. Deflexão cateter Controlada e da direcção através de um fantasma navio. A corrente é aplicada ao cateter ponta enrolada produzindo visualização floração (seta). O cateter é avançada mecanicamente e corrente (- 45 mA) é aplicado para causar a deflexão para o ramo de recipiente inferior (C). O cateter é então retraído para a posição (B). Por invertida de corrente (45 mA), o cateter é desviada e avançado para dentro do vaso de ramo superior (D).

Figura 4B Deflexão cateter numa Bifurcação Phantom:. Corrente aplicada ao cateter albaixos segmentação de sucesso e avanço para o ramo esquerdo do navio fantasma. O cateter é então retraída para o ponto de ramificação e dirigida para o ramo direito vaso. para ver figura 4B .

Figura 5A.-C, padrões geométricos de Deflexão do cateter num tanque de imersão:. Corrente é aplicado para produzir deflexões dentro de um único plano em todas as direcções para ver Figura 5A , Figura 5B , Figura 5C .

Discussion

Aqui descrevemos o protocolo para a deflexão de um microcateter em um scanner de MR. Os parâmetros-chave para o sucesso são precisas aplicação de corrente e medição do ângulo de deflexão. Medição imprecisa de ângulo de deflexão é o erro mais provável encontrada neste protocolo. Os ângulos capturados em imagens de RM banho de água durante a experiência podem diferir dos valores reais devido a pequenas diferenças na orientação em que o meio é posicionado em relação ao orifício do íman. Para resolver essa questão, no futuro, as imagens podem ser capturadas por MR compatíveis com fibra óptica câmeras posicionadas em duas dimensões diferentes. A utilização de ambas as imagens de RM e de câmara irá proporcionar uma avaliação mais precisa, a visão tridimensional da ponta microcateter.

A qualidade das imagens pode ser melhorada através da alteração dos parâmetros de imagem em que é executada. Uma sequência de imagens diferente pode ser usado para determinar se um aumento da qualidade da imagem e a clareza éexperimentado. Além disso, porque as linhas de transmissão correu para fora da sala de controle do scanner MR, a integridade do recinto da sala ímã RF foi sub-óptima, possivelmente reduzindo a qualidade da imagem. Este problema pode ser minimizado através da colocação das linhas de energia através de um filtro em um painel de penetração. Além disso, utilizando os micromolas de ponta de cateter, como bobinas de recepção de imagens, também tem o potencial de fornecer imagens de alta resolução imediatamente adjacente à ponta do cateter. A possibilidade de utilização de laser bobinas ponta do cateter torneadas como bobinas de imagem está a ser explorada.

Produção de imagens que não são apenas de qualidade melhor, mas mais fácil de usar para medir a deflexão angular precisa também é possível. Modificação das variáveis ​​que afectam a deflexão angular, como mencionado acima, pode resultar num maior grau de deflexão. Além disso, um scanner de MR 3T clínico de um aumento da força pode ser usada em vez de um aparelho de 1,5 T a aumentar a gama de deflexão microcateter. Estesmudanças podem produzir separação de deflexão ângulo distinto entre os intervalos estreitos de corrente aplicada.

Porque este protocolo destinado a testar a capacidade de controlar a deflexão microcateter, o navio fantasma usado foi simples e continha um único ponto de ramificação a, aproximadamente, 45 °. Agora que esta capacidade é estabelecida, o ensaio adicional de deflexão microcateter pode ser realizada em fantasmas mais complexos. Variáveis ​​de projecto que podem ser alterados incluem diâmetro do vaso, o ângulo de ramos dos vasos, e o número de voltas dentro de qualquer dado caminho do fantasma. Os vasos podem também ser afilada e o fantasma constituída por um material diferente do que outros tubos de plástico, num esforço para imitar mais de perto vasculatura humana. Em estudos posteriores, a experimentação animal também pode ser realizada a continuar a analisar a capacidade de navegação microcateter.

Várias limitações deste protocolo também existem no que diz respeito à fabricação de micromolas usandoo Laser Torno técnica. Largura de linha é uma função do tamanho do ponto laser, resistir, espessura e altura. O tamanho do ponto de laser é restringida a uma gama de 3-5 microns de diâmetro, e resistir à espessura é limitado a 25 microns. Além disso, a espessura das linhas de cobre é limitado pela largura de linha e da espessura resistir. Exposição fotorresiste com o laser resultados direta e escrita do sistema em aberturas ou recursos no resistir que não têm lados paralelos. As aberturas são mais estreitos na parte inferior perto da camada de sementes, limitando assim o tamanho mínimo dos recursos. Além disso, como as linhas se tornam mais espessas, elas ficam mais próximos para as linhas adjacentes. Se as linhas estão muito próximas, a camada de semente cobre e titânio de adesão processos de remoção de camada não são capazes de proceder desinibida.

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