Magnetisk Assisted Fjernstyret mikrokateteret Tip Nedbøjning under Magnetic Resonance Imaging

Summary

Nuværende anvendt på en endovaskulær mikrokateteret med microcoil spids lavet af laser drejebænk litografi kan opnå styrbare udbøjninger under magnetisk resonans (MR) vejledning, som kan forbedre hastigheden og effektiviteten af ​​sejlads af vaskulatur under forskellige endovaskulære procedurer.

Abstract

X-ray fluoroskopi-vejledt endovaskulære procedurer har flere væsentlige begrænsninger, herunder vanskelige kateter navigation og anvendelse af ioniserende stråling, der potentielt kan overvindes ved hjælp af en magnetisk styrbare kateter under MR vejledning.

Det primære mål med dette arbejde er at udvikle et mikrokateter hvis spids kan fjernstyres ved hjælp af det magnetiske felt i MR-skanner. Denne protokol har til formål at beskrive de procedurer for anvendelse strøm til microcoil spids mikrokateteret at give ensartede og kontrollerbare nedbøjninger.

En microcoil blev fremstillet ved hjælp af laser drejebænk litografi på en polyimid spids endovaskulær kateter. In vitro tests blev udført i et vandbad og skib fantom under vejledning af en 1,5-T MR-system ved hjælp af steady-state gratis præcession (SSFP) sekventering. Forskellige mængder af strøm blev påført til spolerne i mikrokateteret til at fremstille MEAsureable tip omlægninger og navigere i vaskulære fantomer.

Udviklingen af ​​denne enhed skaber en platform for fremtidig testning og mulighed for at revolutionere den endovaskulære interventionel MRI miljø.

Introduction

Intravaskulært procedurer udføres i interventionel medicin use x-ray vejledning som et redskab til kateter navigation gennem vaskulatur til at behandle flere store sygdomme, såsom hjerne aneurisme, iskæmisk slagtilfælde, solide tumorer, atherosklerose og hjertearytmier målrettet over en million patienter om året på verdensplan ^{1 - 5.} Ved anvendelse af kontrastmidler, der navigation gennem vaskulaturen opnås ved manuel rotation af katetret og mekaniske fremføring af interventionistiske hånd ^6. Men navigation gennem små snoede blodkar omkring mange vaskulære sving bliver stadig vanskeligere, forlængede tiden før den når emnet site. Dette udgør et problem for tidsfølsomme procedurer, såsom fjernelse af en blodprop i en okkluderede blodkar. Derudover langvarige procedurer øger strålingsdosis og skabe potentiale for bivirkninger ^7-11. Imidlertid endovaskulære procedurer udføres under Magnetic resonansbilleddannelse kan være en løsning.

Den stærke homogent magnetfelt af en MR-scanner kan udnyttes til kateterspidsen navigation med fjernbetjening ^12,13. Strøm påført en microcoil placeret ved en kateterspids inducerer en lille magnetisk moment, som oplever et drejningsmoment, som det ligger på linie med boringen i MR-scanner ¹³ (figur 1). Hvis elektrisk strøm er aktiveret i en enkelt spole, kan kateterspidsen blive afbøjet i et plan ved fjernstyring. Hvis tre spoler på en kateterspids er tilsluttet, kan kateterspidsen afbøjning opnås i tre-dimension. Således magnetisk lettet styring af et kateter har potentiale til at øge hastigheden og effektiviteten af ​​vaskulær sejlads i endovaskulære procedurer, som kan reducere procedure gange og forbedre patienternes resultater. I denne undersøgelse undersøgte vi, hvis strøm påføres en microcoil spids endovaskulær kateter kan producere pålidelige og kontrolleret deflections under MR-vejledning, som foreløbig test af kateter navigation undersøgelser.

Protocol

1. Microcoil Fabrication

1. Opnå en kommercielt tilgængelig mikrokateter (f.eks 2.3F Rapid Transit Cordis neurovaskulær Kateter, Raynham, MA) til et substrat.
2. Sørg katetre har ingen jernholdige komponenter, anses MR-sikker, og varierer i størrelse 2,3-3,0 F.
3. Sputter en titanium klæbelag efterfulgt af en kobber frø lag til at være et 1 til 2 mm OD isolerende rør. Mulige materialer indbefatter polyimid eller aluminiumoxid (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Electrodeposit en positiv fotoresistlag ved hjælp Shipley s PEPR-2400 (øjeblikket sælges af Dow Chemical under navnet Intervia 3D-P). Elektroaflejring resulterer i en ensartet belægning på ikke-plane cylindriske overflade.
5. Fotoresist eksponeres af en unik laser direkte-skrivning system (laser drejebænk, et ikke-kommercielt udviklet på Lawrence Livermore National Laboratory) i mønsteret af det ønskede ruller (figur 2A). Dette er en ændrintion af teknikken oprindeligt beskrevet i MALBA et al. ^fjorten
6. Udvikle den eksponerede fotoresist i en 1% opløsning af kaliumcarbonat ved 35 ° C.
7. Kobber elektropletteret ved den resterende resistmasken at danne den ønskede spole. Systemet kan fremstille både solenoide og Helmholtz (racerbane) kobber mønstre (figur 2C og 2D).
8. Efter kobber elektroaflejring, skal du fjerne modstå med varm udvikler. Fjern kobber frø lag, efterfulgt af titan klæbelag.
9. Fastgør isolerende rør til kateterspidsen ved hjælp af krympefolie for at fuldføre samlingen. Sørg for, at shrink wrap dækker hele rullet spids. For at samle fleraksede katetre placere isolerende rør strukturer inden i hinanden som vist i figur 2E.
10. Tråd kobbertråde gennem hulrummet i mikrokateteret og lodde til spolerne ved spidsen.
11. Ændre og forkorte en 6 ft RJ11 telefonkabel to 3 ft i længden.
12. Forbind kobbertråde, der hidrører fra bagenden hub af mikrokateteret til den modificerede 3 ft telefonstik transmissionslinie.

2. Vandbad Setup

1. Lav et lille hul i midten af ​​siden af ​​en plasticbalje omkring 5 cm fra bunden.
2. Indsæt en 9F Avanti Cordis vaskulær skede (Cordis Endovaskulær, Miami Lakes, FL) gennem hullet.
3. Skær den distale spids af det vaskulære kappe efterlader et 4 cm-langt stykke strækker sig til bassinet.
4. Ved afslutningen af ​​hylsteret, vedhæfte en roterende hæmostatisk eller Thuoy-Borst ventil til at stabilisere placeringen af ​​mikrokateteret.
5. Fylde bassinet med destilleret vand sikrer fuldstændig nedsænkning af anordningen.
6. Indsætning af kateteret med oprullet spids gennem det vaskulære kappe og ventil.
7. Måle og registrere den uhæmmede længde af mikrokateteret strækker sig fra ventilen til vandbad.
8. Placer vandbad med mikrokatetersystem i magneten af ​​MR-scanner og orientere med hensyn til boringen i magneten.
9. Slut den modificerede 3 ft telefon kabel fastgjort til kateteret til en 25 ft RJ11 telefonkabel transmission linje med et 2-vejs telefonstik.
10. Forbinde den anden ende af det 25 ft telefonkabel til et Lambda LPD-422A-FM dobbelt reguleret strømforsyning til at levere op til 1 A af strøm til indretningen.
11. Placere transmissionslinier gennem en bølgeleder og strømkilden uden for MR-skanner rum uden for 5 Gauss linjen.

3. Vessel Phantom Setup

1. Konstruér en hul beholder fantom med et Y-formet kryds fra gummislanger før eksperimenteren.
2. Fyld beholderen fantom med en 0,0102 M opløsning af gadopentetate dimeglumin (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) i destilleret vand for at skabe kontrast mellem de stiplede skibe og baggrund.
3. Saml microcatheter system som beskrevet i trin 1.1 til 1.9. Forbinde kateteret til strømforsyningen og position som beskrevet i trin fra 2,9 til 2,11.
4. Positionere spidsen af ​​mikrokateteret ved bunden af ​​beholderen åbning.
5. Anbring fantom i magneten af ​​MR-scanner og orientere med hensyn til boringen i magneten.

4. Magnetic Resonance Imaging

1. Udfør billeddannelse med en 1.5T klinisk MR-system (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Tyskland; Philips Achieva, SW release 2,1, Cleveland, OH).
2. Anvende <50 mA strøm at visualisere kateterspidsen position. Under MRI, vil en mindre magnetisk moment fremstilles ved kateterspidsen at visualisere et særskilt artefakt af varierende form afhængigt af hvilke spoler er aktiverede.
3. Anvende variable mængder af strøm i området fra ± 100 mA fra Lambda dobbelt strømforsyning til spolerne og observere tip afbøjning (fig. 3A-3C) i vand bath setup. Fordi tip afbøjning er næsten øjeblikkelig, aktuelle behov kun anvendes for ~ 1-2 sek at visualisere maksimal udbøjning.
4. Gentag og optage hinanden følgende anvendelser af fastsatte mængder strøm.
5. Gentag trin 4.2, samtidig med at skubbe kateteret med hånden at tillade mekanisk fremføring gennem beholderen phantom (figur 4A og 4B). Anvende strøm ved forgreningspunktet at afbøje kateterspidsen til den ønskede beholder. Før kateteret ind i grenen beholder ved manuelt at skubbe kateterende (fig. 4C). Tilbagetrækning af kateteret til beholderen bifurcatio og gentag i den modsatte gren (figur 4D).
6. Erhverve MR-billeder ved hjælp af en 2D snapshot-FLASH sekvens (TR = 30 msek, TE = 1,4 ms, en matrix på 256 x128 og flipvinkel ~ 30 °).

5. Deformationsmålingen

Analysere og måle vinkel fordrejninger af billeder taget i løbet afvandbad eksperimenter med forskellige edb-applikationer (enhver Digital Imaging og Kommunikation i Medicine (DICOM) Viewer).

Representative Results

Fra den ovenfor beskrevne protokol, en frigang mellem 0 og 90 grader bør observeres ved anvendelse af 50 til 300 mA strøm leveres samtidig til begge spoler i et kombineret solenoide og Helmholtz spole mikrokateteret (figur 2E). En forøgelse af tilført strøm bør resultere i en forøgelse af mikrokateteret afbøjningsvinkel, mens et omslag i nuværende polaritet bør resultere i deformation i den modsatte retning som observeret med positiv strøm (fig. 5A-5C). Afbøjningsvinklen er imidlertid afhængig af flere parametre. Mængden af ​​tilført strøm og antallet af coil vindinger i solenoiden og Helmholtz-spoler ændrer styrken af ​​det magnetiske moment på mikrokateterets spids. Desuden styrken af ​​det eksterne magnetiske felt, og vinklen mellem det magnetiske moment af partiklen og det ydre magnetfelt dikterer størrelsen af ​​drejningsmoment opleves af microcatheter. Endelig den uhæmmede længde mikrokateterets spids strækker sig til vandbadet er en anden faktor, der kan ændres. Ændringer i nogen af ​​disse variabler vil producere modificerede vinkler af indbøjningen.

Nøjagtig måling af afbøjning vinkler fra MR-billeder kan udføres, og sammenlignes med forskellige typer af DICOM viewer software. Advanced udbøjning kan også blive testet af en vellykket navigation gennem en simuleret fartøj fantom.

Figur 1. Single-Axis Coil Skematisk:. Kateter udbøjning som følge af udnyttelse af den magnetiske miljø i MR-skanner Tidligere offentliggjort i Roberts et al 2002 ^13..

Figur 2A. Laser Lithogra grafi Diagram:. Opsætning af laser litografi proces Offentliggørelse i pressen (Wilson et al 2013 ^16.).

Figur 2B. Laser Litografi Coil Fabrication Diagram: Diagram over de trin, der er involveret i laser drejebænk litografi fabrikation af microcoils.

Figur 2C. Magnetspole:. En microcoil solenoide af 50 omgange fabrikeret på en polyimid rør ved hjælp af litografiske teknik kaldet laser drejebænk litografi Tidligere offentliggjort i Bernhardt et al 2011 ¹⁵ og Muller et al 2012 ^16, og i pressen (Wilson et al 2013 ^17.).. .

/ Ftp_upload/50299/50299fig2D.jpg "/>
Figur 2D. Sadel Coil: A Helmholtz ("væddeløbsbane") microcoil fremstillet på den ydre væg af et kateter med litografisk teknik kaldet laser drejebænk litografi Tidligere offentliggjort i Bernhardt et al.. 2011 ¹⁵ og Muller et al. 2012 ^16, og i pressen (Wilson et al. 2.013 ^17).

Figur 2E. Kombination Coil: En solenoidespole fremstillet på en kateterspids anbragt i et større rør indeholdende en Helmholtz spole Samtidig aktuelle program til begge spoler muliggør kateteret afbøjning i tre dimensioner.. Offentliggørelse i pressen (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 3A . Kateter Nedbøjning:. Kateterspids afbøjning observeres med anvendelse af nuværende Blooming genstand fra den strømførende spole er klart synlig (pil).

3B Anterior-Posterior Kateter afbøjning i Vandbad:. Anvendelse af 50 mA og 100 mA strøm resulterede i konsistente 10 ° og 14,5 ° udbøjninger hhv. Positiv strøm årsager tip afbøjning i den forreste plan, og negative strøm resulterer i afbøjning i den bageste plan. Klik her for at se figur 3B .

. Figur 3C højre-venstre Kateter Nedbøjning i Vandbad: Anvendelse af 50 mA og 100 mA strøm resulterede i konsekvente 11,5 ° og 17 ° udbøjninger hhv. Positiv strøm årsager tip afbøjning i den rette plan, og negative strøm resulterer i afbøjning i venstre plan.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Klik her for at se figur 3C.

Figur 4 Kateter Steering og sporing:. Kontrolleret kateter afbøjning og styring gennem et fartøj fantom. Strøm påtrykkes det opspolede kateterspidsen producerer visualisering blomstrende (pil). Kateteret er mekanisk avanceret og strøm (- 45 mA) anvendes til at forårsage afbøjning i den nederste beholder gren (C). Kateteret trækkes derefter tilbage til stilling (B). Ved omvendt strøm polaritet (45 mA), er katetret afbøjes og fremføres ind i det øverste beholder gren (D).

. Figur 4B Kateter Nedbøjning i en Bifurcation Phantom: Nuværende anvendt til kateteret alnedture vellykket målretning og avancement i den venstre beholder gren af ​​fantomet. Kateteret trækkes derefter tilbage af forgreningspunktet og rettet ind i den højre beholder gren. se figur 4B .

. Figur 5A-C geometriske mønstre af kateteret afbøjning i et vandbad:. Strøm tilføres til frembringelse afbøjninger i et enkelt plan i alle retninger , og se figur 5A , 5B , 5C .

Discussion

Her beskriver vi protokollen for afbøjning af en mikrokateter i en MR-skanner. De væsentligste parametre for succes er korrekte anvendelse af strøm og måling af afbøjning vinkel. Unøjagtig måling af udslag vinkel er den mest sandsynlige fejl opstod i denne protokol. Vinklerne fanget i MR-billeder i vandbadet eksperimentet kan afvige fra de faktiske værdier på grund af små forskelle i orienteringen, hvorved mediet er placeret i forhold til boringen i magneten. For at løse dette problem i fremtiden, kan billeder blive fanget af MR-kompatible fiberoptiske kameraer placeret i to forskellige dimensioner. Anvendelse af både MR og kamera billeder vil give en mere nøjagtig, tredimensionalt billede af mikrokateterets spids.

Kvaliteten af ​​billederne kan forbedres ved at ændre de parametre, under hvilke billeddannelse udføres. En anden billeddannelsessekvens kan anvendes til at bestemme, om en stigning i billedkvalitet og klarhed eroplevet. På grund transmissionslinierne løb ud af MR-skanner kontrolrummet, integriteten af ​​magneten rummets RF kabinet er optimalt muligvis reducere billedkvaliteten. Dette problem kunne afhjælpes ved at placere elledninger gennem et filter på en penetration panel. Derudover hjælp kateterspidsen microcoils som billeddannende modtager spoler også har potentiale til at tilvejebringe billeder med højere opløsning i umiddelbar nærhed af kateterspidsen. Muligheden for at anvende laser drejet kateterspids spoler som billeddannende spoler er ved at blive undersøgt.

Produktion af billeder, som ikke kun bedre kvalitet, men lettere at anvende til at måle nøjagtige vinkel afbøjningen er også mulig. Ændring af variabler, der påvirker vinkel deformation, som nævnt ovenfor, kan resultere i en større grad af udbøjning. Endvidere kan en 3T klinisk MR-skanner af forøget styrke anvendes i stedet for en 1,5 T skanner til at øge antallet af mikrokateteret udbøjning. Disseændringer kan producere adskillelse af tydelig vinkel afbøjning mellem nære intervaller af tilført strøm.

Fordi denne protokol var at teste evnen til at kontrollere mikrokateteret udbøjning, at fartøjet phantom anvendte var enkel og indeholdt en enkelt forgreningspunkt på cirka 45 °. Nu, hvor denne evne er etableret, kan yderligere test af mikrokateteret afbøjning udføres i mere komplekse fantomer. Design variabler der kan ændres omfatter kardiameter, vinklen af ​​kargrene, og antallet af vindinger under en bestemt bane af fantomet. Beholderne kan også være tilspidset, og fantomet består af et andet materiale end plastrør i et forsøg på at nærmere efterligne human vaskulatur. I fremtidige studier kan dyreforsøg også udføres til yderligere at undersøge mikrokateteret navigation evne.

Adskillige begrænsninger af denne protokol består også til fremstilling af microcoils anvenderLaser Drejebænk teknik. Stregtykkelse er en funktion af laser pletstørrelse, modstå tykkelse, og tonehøjde. Laserpunktet størrelse er begrænset til en afstand af 3-5 mikron i diameter, og modstå tykkelse er begrænset til 25 mikrometer. Desuden er tykkelsen af ​​kobberledninger begrænset af liniebredden og modstå tykkelse. Fotoresist eksponering med laseren direkte skrive system resulterer i åbninger eller funktioner i modstand, der ikke har parallelle sider. Åbningerne er smallere nederst nær frø lag dermed begrænse den minimale størrelse af funktionerne. Derudover som linier bliver tykkere, de vokser tættere på tilstødende linjer. Hvis linjer er for tæt, kobber frø lag og titanium klæbelag fjernelsesprocesser er ikke i stand fortsætter uhindret.

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