Magneticamente-Assisted Remote Controlled Suggerimento Flessione Microcatetere in Risonanza Magnetica

Summary

Corrente applicata ad un microcatetere endovascolare con punta MICROTUBOLARI fatta da litografia laser tornio può ottenere deviazioni controllabili in risonanza magnetica (MR) di orientamento, che può migliorare la velocità e l'efficacia di navigazione dei vasi durante le varie procedure endovascolari.

Abstract

Procedure di fluoroscopia a raggi X a guida endovascolari hanno diverse limitazioni significative, tra cui la navigazione del catetere difficile e l'uso di radiazioni ionizzanti, che potenzialmente possono essere superati utilizzando un catetere magneticamente orientabile sotto la guida di MR.

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di sviluppare un microcatetere la cui punta può essere controllato a distanza mediante il campo magnetico dello scanner MR. Questo protocollo si propone di descrivere le modalità di applicazione di corrente al MICROTUBOLARI punta microcatetere per produrre deviazioni coerenti e controllabili.

Un MICROTUBOLARI è stato fabbricato utilizzando la litografia laser su un tornio poliimmide punta del catetere endovascolare. Test in vitro è stato eseguito in un bagno d'acqua e nave fantasma sotto la guida di un 1,5-T MR come stato stazionario senza precessione (SSFP) sequenziamento. Varie quantità di corrente sono stati applicati alle bobine del microcatetere per produrre MEAdeviazioni punta sureable e navigare in fantasmi vascolari.

Lo sviluppo di questo dispositivo fornisce una piattaforma per test futuri e l'opportunità di rivoluzionare l'ambiente interventistica endovascolare MRI.

Introduction

Procedure endovascolari eseguite in medicina interventistica uso x-ray di orientamento come strumento per la navigazione attraverso il catetere vascolare per il trattamento di varie malattie importanti, come aneurisma cerebrale, ictus ischemico, tumori solidi, l'aterosclerosi e le aritmie cardiache destinati a più di un milione di pazienti ogni anno in tutto il mondo ^{1 - 5.} Con l'uso di mezzi di contrasto, la navigazione attraverso vascolare è ottenuta attraverso la rotazione manuale del catetere avanzamento e meccanica dal interventista mano ^6. Tuttavia, la navigazione attraverso piccoli vasi sanguigni tortuosi intorno molte curve vascolari diventa sempre più difficile, allungando il tempo prima di raggiungere il sito di destinazione. Questo pone un problema per time-sensitive procedure come la rimozione di un coagulo in un vaso sanguigno occluso. Inoltre, procedure prolungate aumentare la dose di radiazioni e creare la possibilità di eventi avversi ^7-11. Tuttavia, le procedure endovascolari eseguite sotto magnetic risonanza può fornire una soluzione.

Il forte campo magnetico omogeneo di uno scanner MRI può essere sfruttato per la navigazione del catetere con il telecomando ^12,13. Corrente applicata a un MICROTUBOLARI situato in una punta di catetere induce un piccolo momento magnetico, che sperimenta una coppia come si allinea con il foro dello scanner MRI ¹³ (Figura 1). Se la corrente elettrica viene attivata in una bobina singola, il catetere può essere deviato in un piano tramite telecomando. Se tre bobine ad una punta di catetere vengono eccitati, punta deflessione del catetere può essere realizzato in tre dimensioni. Così, lo sterzo magneticamente agevolato di un catetere ha il potenziale di aumentare la velocità e l'efficacia di navigazione vascolare nelle procedure endovascolari, che potrebbe ridurre i tempi di procedura e migliorare i risultati dei pazienti. In questo studio, abbiamo esaminato se la corrente applicata ad un MICROTUBOLARI punta di catetere endovascolare può produrre affidabile e controllato deflections in MR-guida come test preliminari degli studi di navigazione del catetere.

Protocol

1. MICROTUBOLARI Fabrication

1. Ottenere un microcatetere disponibile in commercio (ad esempio, 2.3F Rapid Transit Cordis catetere neurovascolare, Raynham, MA) per un substrato.
2. Assicurarsi cateteri non hanno componenti ferrosi, sono considerati MR-safe, e la gamma di dimensioni 2,3-3,0 F.
3. Polverizzare una strato di adesione di titanio seguito da uno strato di rame di un seme al mm 1 a 2 Tubo OD isolante. Materiali possibili includono poliimmide o allumina (ORtech Ceramiche avanzate, Sacramento, CA).
4. Electrodeposit uno strato di fotoresist positivo con Shipley PEPR-2400 (attualmente in vendita da Dow Chemical con il nome Intervia 3D-P). Risultati elettrodeposizione in un rivestimento uniforme sulla superficie non planare cilindrica.
5. Fotoresist è esposto da un laser unico sistema di scrittura diretta (laser tornio, non commerciale sistema sviluppato presso il Lawrence Livermore National Laboratory) nel modello della forma della bobina desiderata (Figura 2A). Questa è una modificazione della tecnica descritto originariamente in Malba et al. ¹⁴
6. Sviluppare il photoresist esposto in una soluzione all'1% di carbonato di potassio a 35 ° C.
7. Rame placcato è attraverso il restante maschera di resist per formare la bobina desiderata. Il sistema può fabbricare sia solenoide e di Helmholtz (pista) i modelli di rame (Figure 2C e 2D).
8. Dopo elettrodeposizione di rame, rimuovere il resist con lo sviluppatore caldo. Rimuovere lo strato di germinazione di rame, seguita dalla strato di adesione di titanio.
9. Fissare il tubo isolante per la punta del catetere con termoretraibile per completare il montaggio. Assicurarsi che il termoretraibile copre tutta la punta a spirale. Per assemblare multiasse cateteri posizionare strutture tubo isolante dentro l'altro come mostrato nella Figura 2E.
10. Fili di rame filo attraverso il lume del microcatetere e saldare le bobine alla punta.
11. Modifica e accorciare un ft 6 cavo telefonico RJ11 to 3 m di lunghezza.
12. Collegare i fili di rame provenienti dal nodo back-end del microcatetere alla modificato 3 linea telefonica di trasmissione ft jack.

2. Bagnomaria Setup

1. Praticare un foro al centro del lato di una bacinella di plastica di circa 5 cm dal fondo.
2. Inserire un 9F Avanti Cordis guaina vascolare (Endovascular Cordis, Miami Lakes, FL) attraverso il foro.
3. Tagliare la punta distale della guaina vascolare lasciando a 4 cm di lunghezza pezzo estende al bacino.
4. Alla fine della guaina, collegare una valvola emostatica rotante o Thuoy-Borst per stabilizzare la posizione del microcatetere.
5. Riempire la vasca con acqua distillata garantire la completa immersione dell'apparato.
6. Inserire il catetere con la punta a spirale attraverso la guaina vascolare e la valvola.
7. Misurare e registrare la lunghezza sfrenata del microcatetere si estende dalla valvola al bagnomaria.
8. Posizionare il bagnomaria con microSistema di catetere all'interno del magnete dello scanner MR e orientare rispetto al diametro del magnete.
9. Collegare il cavo telefonico modificato 3 metri collegato al catetere a un ft 25 RJ11 linea di trasmissione cavo telefonico con un 2 vie presa telefonica.
10. Collegare l'altra estremità del cavo di 25 piedi telefono a una Lambda LPD-422A-FM doppia alimentazione regolata per fornire fino a 1 A di corrente al dispositivo.
11. Posizionare le linee di trasmissione attraverso una guida d'onda e la sorgente di alimentazione esterna della camera scanner MR fuori della linea 5 Gauss.

3. Impostazione della nave fantasma

1. Costruire un fantasma nave con un cavo a Y intersezione partire da un tubo di gomma prima della sperimentazione.
2. Riempire il fantasma nave con una soluzione 0,0102 M di gadopentetato dimeglumina (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) in acqua distillata per creare un contrasto tra le navi fantasma e lo sfondo.
3. Montare il MicroCsistema atheter come indicato nei passi da 1.1 a 1.9. Collegare il catetere per l'alimentazione e la posizione come descritto nelle fasi 2,9-2,11.
4. Posizionare la punta del microcatetere alla base dell'apertura nave.
5. Posizionare il fantasma all'interno del magnete dello scanner MR e orientare rispetto al diametro del magnete.

4. Risonanza Magnetica

1. Eseguire l'imaging con un 1.5T clinica MR sistema (Siemens Avanto, SW: syngo B13, Erlangen, Germania, Philips Achieva, SW versione 2.1, Cleveland, OH).
2. Applica <50 mA di corrente per visualizzare la posizione della punta del catetere. Sotto MRI, un piccolo momento magnetico sarà prodotto sulla punta del catetere di visualizzare un artefatto distinto di varia forma a seconda di quale sono eccitati bobine.
3. Applicare quantità variabili di corrente nel range di ± 100 mA dalla sorgente Lambda doppia alimentazione alle bobine e osservare deflessione tip (Figure 3A-3C) in ba acquath installazione. Perché deflessione punta è quasi istantanea, la corrente può essere applicato solo per ~ 1-2 sec per visualizzare deformazione massima.
4. Ripetere e registrare le applicazioni consecutive di importi stabiliti di corrente.
5. Ripetere passaggio 4,2 e contemporaneamente premere il catetere a mano consentendo l'avanzamento meccanico attraverso il vaso phantom (Figure 4A e 4B). Applicare corrente al punto di diramazione per deflettere la punta del catetere nel vaso desiderato. Avanzare il catetere nel vaso ramo manualmente spingendo l'estremità del catetere (Figura 4C). Ritrarre il catetere alla biforcazione nave e ripetizione nel ramo opposto (Figura 4D).
6. Acquisire immagini RM con un 2D snapshot-FLASH sequenza (TR = 30 msec, TE = 1.4 msec, una matrice di 256 x128 e flip angle ~ 30 °).

5. Deflessione Misure

Analizzare e misurare le deviazioni angolari di immagini acquisite duranteesperimenti bagno d'acqua con varie applicazioni informatiche (qualsiasi Digital Imaging Communications in Medicine (DICOM) Viewer).

Representative Results

Dal protocollo sopra descritto, un angolo di deflessione tra 0 e 90 gradi deve osservare dall'applicazione di 50-300 mA di corrente erogata simultaneamente entrambe le bobine di un solenoide combinato e sistema di bobine di Helmholtz microcatetere (Figura 2E). Un aumento di corrente applicata dovrebbe risultare in un aumento dell'angolo di deflessione microcatetere, mentre un'inversione di polarità corrente dovrebbe comportare deflessione nella direzione opposta come rilevato con corrente positiva (Figure 5A-5C). L'angolo di flessione, tuttavia, dipende da diversi parametri. La quantità di corrente applicata ed il numero di spire della bobina e bobine di Helmholtz altera la forza del momento magnetico sulla punta microcatetere. Inoltre, la forza del campo magnetico esterno e l'angolo tra il momento magnetico della particella e il campo magnetico esterno determina la quantità di torsione subita dalla microcatheter. Infine, la lunghezza della punta sfrenata microcatetere estende per bagnomaria è un altro fattore che può essere alterato. Modifiche a una qualsiasi di queste variabili produrrà angoli modificati di deflessione.

Misurazione accurata di angoli di deviazione da immagini RM può essere eseguita e confrontati con vari tipi di software DICOM viewer. Deflessione avanzata può anche essere testato da una società di successo attraverso un fantasma nave simulato.

Figura 1. Monoassiali schematica Coil:. Deflessione del catetere come risultato di sfruttamento dell'ambiente magnetico dello scanner MR precedentemente pubblicati Roberts et al 2002 ^13..

Figura 2A. Laser Lithogra Diagramma phy:. Configurazione del processo di litografia laser di pubblicazione in corso di stampa (Wilson et al 2013 ^16.).

Figura 2B. Litografia laser Diagramma Coil Fabbricazione: Schema delle fasi del processo di fabbricazione laser litografia tornio di microcoils.

Figura 2C. Bobina:. Un solenoide MICROTUBOLARI di 50 giri fabbricato su un poliimmide tubo con tecnica litografica chiamato laser litografia tornio Precedentemente pubblicato nel Bernhardt et al 2011 ¹⁵ e Muller et al 2012 ^16, e in corso di stampa (Wilson et al 2013 ^17.).. .

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Figura 2d. Sella Coil: A Helmholtz ("pista") MICROTUBOLARI fabbricato sulla parete esterna di un catetere con tecnica litografica chiamato laser litografia tornio precedentemente pubblicati Bernhardt et al.. 2011 ¹⁵ e Muller et al. 2012 ^16, e in stampa (Wilson et al. 2013 ^17).

Figura 2E. Coil combinazione: un solenoide fabbricato su un catetere inserito in un tubo più grande che contiene una bobina Helmholtz simultanea applicazione corrente per entrambe le bobine di deflessione del catetere consente in tre dimensioni.. Pubblicazione in corso di stampa (Wilson et al. 2013 ^17).

Figura 3A . Flessione catetere:. Punta del catetere deflessione osservabile con applicazione di corrente artefatto Blooming dalla bobina eccitata è chiaramente visibile (freccia).

Figura 3B antero-posteriore deflessione catetere in Bagnomaria:. Applicazione di 50 mA e 100 mA di corrente provocato coerenti 10 ° e 14,5 ° rispettivamente deviazioni. Positivo di deflessione della corrente punta cause sul piano anteriore, e risultati negativi attuali deflessione nel piano posteriore. Clicca qui per vedere Figura 3B .

. Figura 3C Destra-Sinistra flessione di catetere Bagnomaria: Applicazione di 50 mA e 100 mA di corrente ha comportato consistenti 11,5 ° e 17 ° rispettivamente deviazioni. Positivi cause attuali punta deflessione nel piano a destra, e risultati negativi attuali deflessione nel piano a sinistra.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Clicca qui per vedere Figura 3C.

Figura 4 sterzo catetere e tracking:. Deflessione catetere controllata e sterzo attraverso un fantasma nave. Corrente viene applicata al catetere avvolto fioritura visualizzazione punta produzione (freccia). Il catetere è meccanicamente avanzato e corrente (- 45 mA) è applicato a provocare deflessione nel ramo recipiente inferiore (C). Il catetere viene quindi retratta alla posizione (B). Dalla polarità invertita corrente (45 mA), il catetere viene deviato e avanzare nel ramo recipiente superiore (D).

. Figura 4B catetere deflessione in un fantasma Bifurcation: corrente applicata al catetere alminimi di targeting di successo e l'avanzamento nel ramo sinistro della nave fantasma. Il catetere viene poi ritirato al punto di diramazione e diretto nel ramo nave destra. Clicca qui per vedere Figura 4B .

. Figura 5A-C motivi geometrici di Deformazione catetere in un bagno d'acqua:. Corrente viene applicata per produrre deviazioni all'interno di un unico piano in tutte le direzioni Clicca qui per vedere Figura 5A , 5B Figura , figura 5C .

Discussion

Qui si descrive il protocollo di deflessione di un microcatetere in uno scanner MR. I parametri chiave per il successo sono l'applicazione precisi di corrente e misura di angolo di deviazione. Misurazione accurata del angolo di deviazione è l'errore più probabile incontrato in questo protocollo. Gli angoli catturati in immagini MR durante l'esperimento bagnomaria possono differire dai valori reali dovute a lievi differenze di orientamento da cui è posizionato il supporto rispetto al diametro del magnete. Per risolvere questo problema in futuro, le immagini possono essere catturate dalle telecamere in fibra ottica MR-compatibili posizionate in due dimensioni diverse. L'uso di entrambe le immagini MR e fotocamera fornirà una più accurata, vista tridimensionale della punta microcatetere.

La qualità delle immagini può essere migliorata modificando i parametri in cui viene eseguita l'imaging. Una sequenza di imaging diverso può essere utilizzato per determinare se un aumento della qualità delle immagini e la chiarezza èsperimentato. Inoltre, poiché le linee di trasmissione corse fuori dalla sala di controllo dello scanner RM, l'integrità del contenitore RF della sala magnete era sub-ottimale può ridurre la qualità delle immagini. Questo problema potrebbe essere migliorata ponendo le linee elettriche attraverso un filtro su un pannello di penetrazione. Inoltre, utilizzando i microcoils catetere punta come bobine di ricezione di imaging detiene anche il potenziale per fornire immagini ad alta risoluzione immediatamente adiacenti alla punta del catetere. La possibilità di utilizzare laser torniti bobine punta del catetere come bobine di imaging è in fase di studio.

Produzione di immagini che non sono solo una migliore qualità, ma più facile da utilizzare per la misurazione precisa dell'angolo di deflessione è anche possibile. Modifica delle variabili che influenzano angolo di deflessione, come menzionato sopra, può comportare un maggior grado di deformazione. Inoltre, una clinica scanner 3T MR di forza maggiore può essere utilizzato in sostituzione di uno scanner 1.5T per aumentare la gamma di deflessione microcatetere. Questecambiamenti in grado di produrre una separazione di angolo di deflessione distinta tra gli intervalli stretti di corrente applicata.

Poiché questo protocollo scopo di testare la capacità di controllare deflessione microcatetere, la nave fantasma utilizzato era semplice e conteneva un singolo punto diramazione a circa 45 °. Ora che questa capacità è stabilito, ulteriori test di deflessione microcatetere può essere eseguita in fantasmi più complessi. Variabili di progetto che possono essere modificati comprendono diametro del vaso, l'angolo di rami dei vasi, e il numero di spire in qualsiasi dato percorso del fantoccio. I vasi possono anche essere rastremato e il fantasma costituito da un materiale diverso da quello fornito tubo di plastica nel tentativo di imitare più da vicino vascolare umano. Negli studi futuri, gli esperimenti sugli animali può essere effettuata anche per esaminare ulteriormente la capacità di navigazione microcatetere.

Diversi limiti di questo protocollo esistono anche per quanto riguarda la fabbricazione di microcoils usandoIl tornio Laser tecnica. Larghezza della linea è una funzione della dimensione spot laser, resistono spessore, e passo. Dimensione dello spot laser è limitata ad un intervallo di 3-5 micron di diametro, e resistere spessore è limitato a 25 micron. Inoltre, lo spessore delle linee di rame è limitato dalla larghezza di linea e lo spessore del resist. Esposizione photoresist con i risultati laser diretta-write in aperture o funzionalità di resist che non hanno lati paralleli. Le aperture sono più strette in basso vicino al livello seme limitando così la dimensione minima delle caratteristiche. Inoltre, le linee diventano più spesse, crescono più vicino a linee adiacenti. Se le linee sono troppo vicini, lo strato di semi di rame e titanio adesione processi di rimozione di livello non sono in grado di procedere senza inibizioni.

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