Magnetiskt Assisted Remote Controlled mikrokateter Tips Nedböjning under Magnetic Resonance Imaging

Summary

Ström appliceras på en endovaskulär mikrokateter med microcoil spets gjord med laser svarv litografi kan uppnå kontrollerbara nedböjningar under magnetresonans (MR) vägledning, vilket kan förbättra hastigheten och effektiviteten av navigering av kärlsystemet under olika endovaskulära procedurer.

Abstract

Röntgen fluoroskopi-styrda endovaskulära procedurer har flera betydande begränsningar, bland annat svåra kateter navigering och användning av joniserande strålning, som potentiellt kan övervinnas med hjälp av en magnetiskt styrbar kateter under MR vägledning.

Det huvudsakliga målet med detta arbete är att utveckla en kateter vars spets kan fjärrstyras med hjälp av magnetfält MR scannern. Detta protokoll syftar till att beskriva förfarandena för tillämpning ström till microcoil spets kateter för att ge konsekventa och kontrollerbara nedböjningar.

En microcoil tillverkades med hjälp av laser svarv litografi på en polyimid spets endovaskulär kateter. In vitro test utfördes i ett vattenbad och fartyg fantom under ledning av en 1,5-T MR system med steady-state gratis precession (SSFP) sekvensering. Olika mängder av ström påfördes spolarna hos katetem för att producera MEAsureable spets nedböjningar och navigera i vaskulära fantomer.

Utvecklingen av denna enhet ger en plattform för framtida testning och möjlighet att revolutionera endovaskulära interventionella MR-miljö.

Introduction

Endovaskulära procedurer utförs i interventionella medicinen används röntgen vägledning som ett verktyg för kateter navigering genom kärlsystemet för att behandla flera allvarliga sjukdomar, såsom hjärnan aneurysm, ischemisk stroke, solida tumörer, ateroskleros och hjärtarytmier inriktning över en miljon patienter per år i hela världen ^{1 - 5.} Med användning av kontrastmedel, är navigering genom kärlsystemet uppnås genom manuell rotation av katetern och mekaniska framsteg genom interventionistiska hand ^6. Men blir navigeringen genom små slingriga blodkärl runt många vaskulära krökar allt svårare, förlängning av tiden innan den når målplatsen. Detta utgör ett problem för tidskänsliga förfaranden såsom avlägsnande av en propp i ett ockluderat blodkärl. Dessutom förlängd handläggningstid ökar stråldosen med potentiell risk för biverkningar ^7-11. Men endovaskulära procedurer utförs under Magnetic resonanstomografi kan vara en lösning.

Den starka homogena magnetfält en magnetkamera kan utnyttjas för kateterspetsen navigering med fjärrkontroll ^12,13. Ström appliceras på en microcoil belägen vid en kateterspets inducerar en liten magnetiskt moment, som upplever ett vridmoment eftersom den ligger i linje med hålet i magnetkamera ¹³ (figur 1). Om elektrisk ström aktiveras i en individuell spole, kan kateterspetsen avböjas i ett plan genom fjärrkontroll. Om tre spolar på en kateterspets är aktiverade, kan kateterspetsen böjning uppnås i tre-dimension. Sålunda har magnetiskt underlättat styrning av en kateter potential att öka hastigheten och effektiviteten av vaskulär navigering i endovaskulära procedurer, vilket kan minska förfarande gånger och förbättra patientvården. I denna studie undersökte vi om ström appliceras på en microcoil spets endovaskulär kateter kan ge tillförlitlig och kontrollerad deflections enligt MR-riktlinjer preliminära tester av studier kateter navigering.

Protocol

1. Microcoil Fabrication

1. Skaffa en kommersiellt tillgänglig kateter (t.ex. 2.3F Rapid Transit Cordis Neurovaskulär kateter, Raynham, MA) för ett substrat.
2. Se till katetrar har inga järnhaltiga komponenter anses MR-säker, och varierar i storlek 2,3-3,0 F.
3. Sputter ett skikt titan vidhäftning följt av ett koppar frö skikt åt en 1 till 2 mm ytterdiameter isolerande rör. Möjliga material innefattar polyimid eller aluminiumoxid (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Elektrolytiska en positiv fotoresist lager med Shipley s PEPR-2400 (för närvarande säljs av Dow Chemical under namnet Intervia 3D-P). Elektrodeponering resulterar i en enhetlig beläggning på den icke-plana cylindriska yta.
5. Fotoresist exponeras genom en unik laser direkt skriva system (laser svarv, en icke-kommersiell system som utvecklats på Lawrence Livermore National Laboratory) i mönstret av den önskade spolform (Figur 2A). Detta är en modifieringning av den teknik som beskrivs ursprungligen i Malba et al. ¹⁴
6. Utveckla den exponerade fotoresisten i en 1% lösning av kaliumkarbonat vid 35 ° C.
7. Koppar elektropläteras genom den återstående resistmasken att bilda den önskade spolen. Systemet kan tillverka både solenoiden och Helmholtz (rundat) mönster koppar (figurerna 2C och 2D).
8. Efter koppar elektroavsättning, ta bort resist med varmt utvecklare. Avlägsna lagret koppar frö, följt av titan vidhäftningsskiktet.
9. Fäst isolerande röret till kateterspetsen med krympplast för att slutföra monteringen. Se till att krympplast täcker hela lindade spets. Att montera fleraxliga katetrar placerar isolerande rör strukturer i varandra såsom visas i fig 2E.
10. Thread koppartrådar genom lumen mikrokateterns och lodet till spolarna vid spetsen.
11. Ändra och förkorta en 6 ft RJ11 telefonkabel tO 3 fot i längd.
12. Anslut koppartrådarna härrör från den bakre änden av navet katetem till den modifierade 3 fot telefonjack transmissionsledning.

2. Vattenbad inställning

1. Göra ett litet hål i mitten av den sida av en plast bassäng ca 5 cm från botten.
2. Sätt i en 9F Avanti Cordis vaskulär mantel (Cordis Endovaskulär, Miami Lakes, FL) genom hålet.
3. Skär den distala spetsen av den vaskulära höljet lämnar en 4 cm lång bit sträcker sig till bassängen.
4. Vid slutet av manteln, bifoga en roterande hemostatiskt eller Thuoy-Borst ventil för att stabilisera platsen för katetem.
5. Fyll bassängen med destillerat vatten säkerställer fullständig nedsänkning av anordningen.
6. Sätt in katetern med lindade spets genom det vaskulära höljet och ventil.
7. Mät och registrera den ohämmade längd mikrokateterns sträcker sig från ventilen in i vattenbadet.
8. Placera vattenbadet med microkatetersystem inom magneten på MR scanner och orientera med avseende på hålet i magneten.
9. Anslut den modifierade 3 kabel m telefon ansluten till katetern till en 25 fot RJ11 telefonkabel kraftledning med en 2-vägs telefonjack.
10. Anslut den andra änden av 25 m telefonkabel till en Lambda LPD-422A-FM dubbel reglerad strömförsörjning för att leverera upp till 1 A ström till enheten.
11. Placera överföringsledningarna genom en vågledare och kraftkällan utanför MR-skanner rummet utanför 5 Gauss linjen.

3. Fartyget Phantom inställning

1. Konstruera ett ihåligt kärl fantom med en Y-formad skärning av gummi slang före experiment.
2. Fyll kärlet fantomen med en 0,0102 M lösning av gadopentetat dimeglumin (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) i destillerat vatten för att skapa kontrast mellan de streckade fartyg och bakgrund.
3. Montera microcatheter system som beskrivs som i steg 1,1 till 1,9. Anslut katetern till elnätet och position som beskrivs i steg från 2,9 till 2,11.
4. Placera spetsen på mikrokateterns vid basen av behållaröppningen.
5. Placera fantom i magneten på MR scanner och orientera med avseende på hålet i magneten.

4. Magnetisk resonanstomografi

1. Utför avbildning med 1.5T klinisk MR-system (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Tyskland, Philips Achieva, SW Release 2,1, Cleveland, OH).
2. Applicera <50 mA ström för att visualisera läget kateterspetsen. Enligt MRI, kommer en liten magnetiskt moment produceras vid kateterspetsen att visualisera en distinkt artefakt av varierande form beroende på vilka spolar är aktiverade.
3. Applicera varierande mängder av ström i intervallet ± 100 mA från Lambda dubbla strömkällan till spolarna och observera tips nedböjning (figur 3A-3C) i vattnet bae setup. Eftersom tips nedböjning är nästan ögonblicklig, ström behöver endast tillämpas för ~ 1-2 sek för att visualisera maximal utböjning.
4. Upprepa och spela varandra tillämpningar av som mängder av ström.
5. Upprepa steg 4,2 samtidigt trycker katetern hand tillåter mekanisk avancemang genom kärlet fantom (figurerna 4A och 4B). Applicera ström vid förgreningspunkten att böja kateterspetsen till den önskade kärlet. För fram katetern i kärlet gren genom att manuellt trycka katetern änden (Figur 4C). Dra in katetern till kärlet bifurkation och upprepa i motsatt grenen (figur 4D).
6. Acquire MR-bilder med hjälp av en 2D ögonblicksbild-blinksekvens (TR = 30 ms, TE = 1,4 msek, en matris av 256 x128 och flip vinkel ~ 30 °).

5. Deformationsmätningarna

Analysera och mäta vinkel omläggningar av bilder som tagits undervatten bad experiment med olika datorprogram (en digital bildbehandling och kommunikation i medicin (DICOM) Viewer).

Representative Results

Från det ovan beskrivna protokollet, en avböjningsvinkeln mellan 0 och 90 grader bör observeras från tillämpning av 50-300 mA ström levereras samtidigt till båda spolarna av en kombinerad solenoid och helmholtzspole mikrokateter (figur 2E). En ökning i tillämpad ström bör resultera i en ökning av katetem avböjningsvinkel, medan en omsvängning i nuvarande polaritet bör resultera i avböjning i exakt motsatt riktning observeras med positiv ström (fig. 5A-5C). Vinkeln för deformationen, emellertid, är beroende av flera parametrar. Mängden av applicerad ström och antalet varv spolen i solenoiden och Helmholtz-spolar ändrar styrkan av det magnetiska momentet på mikrokatetern spets. Dessutom dikterar styrkan av det yttre magnetfältet och vinkeln mellan det magnetiska momentet av partikeln och det yttre magnetfältet det vridmoment som upplevs av microcatheter. Slutligen är den ohämmade längd mikrokateterns spets sträcker sig till vattenbadet annan faktor som kan ändras. Förändringar någon av dessa variabler kommer att producera modifierade vinklar böjning.

Noggrann mätning av deformationen vinklar från MR-bilder kan utföras och jämföras med olika typer av DICOM Viewer. Avancerad nedböjning kan också testas genom framgångsrik navigering genom en simulerad kärl fantom.

Figur 1. Single-Axis Coil Schematisk:. Kateter nedböjning på grund av utnyttjande av magnetiska miljön MR skanner tidigare publicerade i Roberts et al 2002 ^13..

Figur 2A. Laser Lithogra PHY Diagram:. Inställning av laser litografi process Offentliggörande i pressen (Wilson et al 2013 ^16.).

Figur 2B. Laser Litografi Coil Fabrication Diagram: Diagram över de olika stegen i laser svarv litografi tillverkning av microcoils.

Figur 2C. Magnetspolen:. En microcoil solenoid av 50 varv tillverkas på en polyimid rör med litografisk teknik som kallas laser svarv litografi tidigare publicerade i Bernhardt et al 2011 ¹⁵ och Muller et al 2012 ¹⁶ och i tryck (Wilson et al 2013 ^17.).. .

/ Ftp_upload/50299/50299fig2D.jpg "/>
Figur 2D. Sadel Spole: En Helmholtz ("travet") microcoil tillverkas på den yttre väggen av en kateter med litografisk teknik som kallas laser svarv litografi Tidigare publicerad i Bernhardt et al.. 2011 ¹⁵ och Muller et al. 2012 ^16, och i press (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 2E. Kombination Spole: en solenoidspole tillverkad på en kateterspets placerad inuti en större rör innehållande en Helmholtz-spole möjliggör kateter avböjning i tre dimensioner Samtidig aktuella programmet till båda spolarna.. Offentliggörande i pressen (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 3A . Kateter Nedböjning:. Kateterspetsen avböjning observeras med tillämpning av ström blommande artefakt från den aktiverade spolen är klart synlig (pil).

Figur 3B anterior-posterior kateter nedböjning i Vattenbad:. Tillämpning av 50 mA och 100 mA ström resulterade i konsekventa 10 ° och 14,5 utböjningar ° respektive. Positiv ström orsakar spets nedböjning i den främre planet och negativ ström resulterar i nedböjning i den bakre planet. Klicka här för att se figur 3B .

. Figur 3C höger-vänster kateter Nedböjning i Vattenbad: Tillämpning av 50 mA och 100 mA ström resulterade i konsekventa 11,5 ° och 17 utböjningar ° respektive. Positiva löpande orsaker tips avböjning i rätt plan, och negativa ström resulterar i avböjning i vänstra planet.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Klicka här för att se figur 3C.

Figur 4 kateter Styrning och spårning:. Kontrollerad kateter böjning och styrning genom ett kärl fantom. Ström appliceras på den lindade kateterspetsen producerar visualisering blommande (pil). Katetern är mekaniskt avancerad och ström (- 45 mA) appliceras för att orsaka böjning i den nedre grenen kärlet (C). Katetern dras sedan tillbaka till position (B). Genom omvänd ström polaritet (45 mA) är katetern böjs och framåt i den övre grenen kärlet (D).

. Figur 4B Kateter Nedböjning i en bifurkation Phantom: Current appliceras på katetern aldalar framgångsrika inriktning och avancemang i den vänstra kärlet gren av fantom. Katetern dras sedan tillbaka till förgreningspunkt och riktas in i rätt kärl grenen. Klicka här för att se figur 4B .

. Figur 5A-C geometriska mönster av katetern Nedböjning i ett vattenbad:. Ström appliceras för att producera deflektioner inom ett enda plan i alla riktningar Klicka här för att visa figur 5A , Figur 5B , Figur 5C .

Discussion

Här beskriver vi protokollet för omläggning av en kateter i en MR-skanner. De viktigaste parametrarna för framgång är korrekta tillämpning av nuvarande och mätning av deformationen vinkel. Felaktig mätning av avböjningsvinkel är det mest sannolika felet förekommer i detta protokoll. De vinklar tagna i MR bilder under vattenbadet experimentet kan avvika från de verkliga värdena på grund av små skillnader i orientering genom vilken mediet är placerad i förhållande till hålet i magneten. För att lösa detta problem i framtiden kan bilder tagna av MR-kompatibla fiberoptiska kameror placerade i två olika dimensioner. Användning av både MR och kamera bilder kommer att ge en mer exakt, tredimensionell vy av mikrokateterns spets.

Kvaliteten av bilderna kan förbättras genom att ändra parametrarna under vilka avbildning utförs. En annan avbildning sekvens kan användas för att bestämma om en ökad bildkvalitet och klarhet ärupplevt. Dessutom, eftersom överföringsledningar sprang ut ur MR-scannern kontrollrummet, var integriteten av magneten rummets RF hölje suboptimal möjligen minskar bildkvaliteten. Detta problem kan lindras genom att placera kraftledningarna genom ett filter på en penetration panel. Dessutom använder microcoils kateterspets som avbildning mottagarspolarna också har potential att ge bilder med högre upplösning omedelbart intill kateterspetsen. Möjligheten att använda laser svarvade spolar kateterspets som avbildning spolar håller utforskas.

Produktion av bilder som inte bara bättre kvalitet, men enklare att använda för att mäta exakt vinkel deformationen är också möjlig. Modifiering av variabler som påverkar vinkeln böjning, såsom nämnts ovan, kan resultera i en större grad av avböjning. Dessutom kan en 3T klinisk MR skanner för ökad styrka användas i stället för en 1.5T skanner för att öka utbudet av mikrokateterns böjning. Dessaförändringar kan producera separation av distinkta vinkel böjning mellan täta intervall av applicerad ström.

Eftersom detta protokoll syfte att testa förmågan att kontrollera mikrokateter böjning, var fartyget fantom använde enkla och innehöll en enda förgreningspunkt vid ca 45 °. Nu när denna förmåga är etablerad, kan ytterligare testning av mikrokateterns böjning utföras i mer komplexa fantomer. Design variabler som kan ändras innefattar kärldiametern, vinkeln av fartyg grenar, och antalet varv i en given bana fantom. Fartygen kan också vara avsmalnande och fantom består av ett annat material än plast slang i ett försök att närmare efterlikna mänsklig vaskulatur. I framtida studier kan djurförsök också göras för att ytterligare undersöka möjligheten mikrokateter navigering.

Flera begränsningar i detta protokoll finns också när det gäller tillverkning av microcoils medLaser Svarv tekniken. Linjebredd är en funktion av laserpunkt storlek, motstå tjocklek, och tonhöjd. Laserpunkt storlek är begränsad till ett område av 4:57 mikrometer i diameter, och motstå tjocklek är begränsad till 25 mikron. Vidare är tjockleken av kopparledningar begränsas av linjebredd och motstå tjockleken. Fotoresist exponering med laser direkt skriva system resulterar i öppningar eller funktioner i resist som inte har parallella sidor. Öppningarna är smalare nedtill nära fröet lagret vilket begränsar den minsta storleken av funktionerna. Dessutom, som linjer blir tjockare, växer de närmare intilliggande linjer. Om linjerna är för nära, koppar frön lager och titan vidhäftningslager processer borttagning inte kan gå vidare ohämmat.

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