Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Produksjon Abdominal Aorta Hydrogel vev-Mimicking Phantoms for ultralyd Elastography validering

Published: September 19, 2018 doi: 10.3791/57984
Automatic Translation
1, 1, 2, 3
1Division of Vascular Surgery, University of Rochester Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Rochester Institute of Technology, 3Department of Surgery, University of Rochester Medical Center

Summary

Her beskriver vi en metode for å produsere aneurisme, aorta vev-mimicking fantomer for bruk i tester ultralyd elastography. Kombinert bruk av dataassistert konstruksjon (CAD) og 3-dimensjonale (3D) utskrift teknikker produsere aorta fantomer med forutsigbare, komplekse geometrier for å godkjenne elastographic tenkelig algoritmer med kontrollerte forsøk.

Abstract

Ultralyd (US) elastography eller elastisitet bildebehandling, er et supplement tenkelig teknikk som utnytter sekvensielle amerikanske bilder av bløtvev måle vev bevegelse og antyde eller kvantifisere underliggende biomekaniske egenskaper. For abdominal aorta aneurismer (AAA), kan biomekaniske egenskaper som endringer i vevets elastisk modulus og anslag over vev stress være avgjørende for å vurdere behovet for den kirurgiske inngripen. Abdominal aorta aneurismer U.S. elastography kan være et nyttig verktøy for å overvåke AAA progresjon og identifisere endringer i biomekaniske egenskaper karakteristisk for høy-risiko pasienter.

En foreløpig mål i utviklingen av en AAA oss elastography teknikk er validering av metoden bruker en fysisk relevante modell med kjente materialegenskaper. Her presenterer vi en prosess for produksjon av AAA vev-mimicking fantomer med fysisk relevante geometrier og romlig modulert materialegenskaper. Disse vev phantoms mål å etterligne USA egenskaper, materielle modulus og geometrien av abdominal aorta aneurismer. Vev fantomer er laget ved hjelp av en cryogel med polyvinylalkohol (PVA-c) og støpte bruker 3D trykte deler laget med dataassistert konstruksjon (CAD). Modulus av fantomer kontrolleres ved å endre konsentrasjonen av PVA-c og ved å endre antall fryse-Tin sykluser til danner cryogel. AAA fantomer er koblet til en hemodynamic pumpe, designet for å deformere fantomer med fysiologiske syklisk trykk og renn. Ultra lydbildet sekvenser av de deforming fantomer romlige beregningen av press normalisert belastningen og identifikasjon av mekaniske egenskaper av fartøyet veggen. Representant resultatene av press normalisert belastningen presenteres.

Introduction

Abdominal aorta aneurismer (AAA) er fokal forstørrelser av aorta som forekommer fortrinnsvis nær aorta bifurkasjonen1. Den eksakte årsaken til AAA formasjon er ukjent, selv om mange teorier foreslår at patogenesen er multifaktoriell, med genetiske, atferdsdata, hemodynamic og miljømessige faktorer bidrar2,3. Mens diagnostisering av et abdominalt aortaaneurisme kan oppnås ved hjelp av ikke-invasiv Bildeteknikker, er prediksjon av pasient-spesifikke ruptur risiko ikke så nøyaktig4,5,6. Kirurgisk reparasjon kan redusere risikoen for aorta brudd, men operativ reparasjon av aorta bærer et høyt antall tilknyttede sykelighet og dødelighet7. Gjeldende kirurgisk praksis bruke "maksimumsstørrelsen kriterier" eller maksimale absolutte diameter aneurismer, for å forutsi pasientens risikoen for ruptur. Dessverre, det er godt etablert at aneurisme fortsatt brudd under størrelser klinisk akseptabelt for kirurgiske reparasjon, betyr at pasienter med en stor aneurisme bære noen risikoen for ruptur8,9, 10 , 11 , 12 , 13. i tillegg er det kjent at historiske rapportene ruptur risiko er trolig over-beregninger av ekte ruptur risikoen, betyr mange pasienter er utsatt for kirurgisk risiko uten fordel13. En mer nøyaktig vurdering av pasient-spesifikke ruptur risikoen er nødvendig for å stratify en pasients risiko-nytte-forhold av gjennomgår kirurgisk aneurisme reparasjon.

Det har vist at romlig stress distribusjonen innen en AAA er av avgjørende betydning i å bestemme ruptur potensial og kan være en bedre indikator enn maksimale diameter14,15,16,17 , 18. de fleste av de siste studiene som undersøker mekanikken i AAA ruptur bruker segmentert geometrier fra X-ray beregnet tomografi (CT) bilder og befolkningen gjennomsnitt mekaniske egenskaper av aorta vev målt ex vivo. Finite element (FE) modeller brukes deretter til å forutsi fartøyet veggen påkjenninger14,15,16,17,18. Men fordi de mekaniske egenskapene bestemmes etter vev excision, er det uklart om de resulterende modellene nøyaktig skildrer resulterende i vivo pasient-spesifikke påkjenninger. Disse studiene vanligvis anta homogen fartøyet veggen materialegenskaper og utgjør ikke svært heterogen strukturen av aorta muren og blodpropp19,20,21,22 ,23,24,25.

Ultralyd-baserte elastisitet imaging brukes klinisk kan diagnostisere og overvåke ulike sykdom patologi26. Denne teknologien gir en ikke-invasiv måte å forhøre fysiske samspillet av bløtvev. Vaskulær amerikanske elastisitet bildebehandling har blitt brukt som et supplement imaging modalitet til kliniske amerikanske evaluering i screening og overvåkning av AAAs. Kombinasjonen av disse teknikkene gir både geometrisk informasjon, som diameter og lengde, i tillegg til mekanisk data, for eksempel relativ stivhet og stivhet variasjon. Mens mange elastisitet Bildeteknikker krever en ekstern belastning å indusere en målbar vev deformasjon, er vev bevegelsen skal måles her indusert av endringer i aorta trykket forårsaket av det bankende hjertet. Flere metoder har blitt publisert romlig løser belastning felt i deformeres fartøy, validering studier av disse metodene har imidlertid vært begrenset til menneskelige pasienter, dyremodeller eller ex vivo vev prøver27,28 ,29,30,31,32. Hittil tillater noen metoder kreasjoner av tilpassede geometrier med romlig variert materialegenskaper27,29.

Her presenterer vi en metode for produksjon oss kompatibel, vev-mimicking phantoms som kan skreddersys til en rekke relevante aorta geometrier og materialegenskaper for validering av amerikanske elastography teknikker. Selv om tidligere grupper har vært i stand til å utforme sammensatt geometri fantomer å etterligne AAA geometrier med 3D trykking teknologien33,34, utskrivbare gummi er kjent for å ha en høy demping til USA og trenger ikke å senere deres materialegenskaper. Fantomer er laget av cryogel i polyvinylalkohol (PVA-c), som tidligere har vist seg å være ideell for mimicking vaskulær vev egenskaper35. Disse phantoms kan brukes i USA, magnetisk resonans og elastographic tenkelig36,37,38. Aortaaneurisme geometrien ble utformet på samme måte som i simuleringsmodell skapt av Vorp et al. 14. fartøyet har en nominell diameter på 22,5 mm og har en aneurisme bule som er 64 mm bule, 47 mm i diameter og eksentrisk (β = 0,6)14 til fremre siden av phantom. Den siste delen etterligner iliaca bifurkasjonen distale diameter på 15 mm. Phantom ble valgt til å ha en konstant tykkelse på ca 5 mm. Raghavan et al. rapportert i en liten studie at fartøyet tykkelsen på AAA varierer fra 0,23-4.26 mm, med median verdien 1.48 mm39. Nominell fartøyet tykkelse på den lille enden av spekteret ble valgt her for produksjon bekymringer med en forventning om at forbedret 3D utskrift teknikker vil forbedre minimum phantom tykkelse som kan støpes. Phantom formene ble utformet i CAD og 3D skrives ved hjelp av kommersielt tilgjengelige skrivere og filament.

Formene er injeksjon fylt med PVA-c løsningen og utsatt for en rekke fryse/tine sykluser (20 ° C og +20 ° C) Link PVA-c polymer og danner gel. Elastisk modulus PVA-c kontrolleres ved å endre konsentrasjonen av PVA-c gel eller antall fryse-Tin sykluser. Aneurisme delen av phantom nødvendig tap mold fjerne fra det indre lumen av fartøyet. Dette ble gjort ved bruk av en polyvinylalkohol, 3D skriver filament (PVA). Selv om kjemisk ligner PVA-c pulver, PVA filament danner ikke når frosset og, som sådan, kan bli oppløst i vann etter PVA-c er angitt. Flere eksempler muggsopp skrives for å opprette strekk testing prøver, i "hunden ben" konfigurasjon med samme PVA-c konsentrasjonen. Disse formene gjennomgå samme fryse/tine sykluser, og brukes for strekk testing uavhengig måle elastisk modulus av phantom. En bakgrunnsmateriale ble produsert med mykere PVA-c, laget for å simulere vev av retroperitoneum40,41. Denne bakgrunn phantom ble produsert som en homogen axisymmetric sylindriske rør med 4 cm indre diameter 16,5 cm ytre diameter og en lengde på 16,5 cm. Det var laget av en 5% PVA løsning og utsatt for totalt to fryse-Tin sykluser.

De endelige AAA phantoms var plassert i bakgrunnen phantom og koblet, via Rørarmatur og klemmer, til en hemodynamic vannpumpe utformet for å deformere fantomer med fysiologiske syklisk flyt og presset. Pumpen fart var satt til å levere ca en 6-7 kPa press puls med en hastighet på ca 1 Hz. Ultra lydbildet sekvenser av de deforming phantoms var samlet og press normalisert belastningen ble beregnet for å påpeke forskjeller i den romlig variert mekaniske egenskaper. Representant resultatene av trykket normalisert belastning bilder i regionen fartøyet presenteres. Med økende regionale forskjeller i normalisert belastningen av stivere heterogene fantomer, i forhold til homogen phantom, viser forskjellene i fartøyet stivhet og vår evne til å måle det.

Protocol

1. Last ned STL modeller fra NIH 3D ut utveksling

  1. Navigere til NIH 3D utskrift Exchange (3dprint.nih.gov) og skriv inn Simulert aneurisme aorta Phantom Mold i oppføringen Søk og trykk ENTER.
  2. Etterfølgende listen returnert fra søket finne modell " 3DPX-009210" og klikk oppføringen.
  3. Klikk Last ned, og klikk deretter filen Simulert aneurisme aorta Phantom Mold.zip fra rullegardinlisten å dataoverføre denne arkiv.
  4. Dobbeltklikk den nedlastede filen for å pakke den og lagre den resulterende filene (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl og SampleMoldSTL.stl) til datamaskinen som ble brukt for 3D utskriften i trinn 2.1-2.7.
    Merk: En kan laste ned alle filene i trinn 1.4 separat.

2. 3D-utskrift av muggsopp

  1. Åpne 3D skriver grensesnitt programvare og bruk Koble for å koble til skriveren.
  2. Importere nedlastede STL-filen OuterAntSTL.stl (figur 1en, blå) i 3D utskrift programvare. Velg knappen Rediger i 3D utskrift programvare, og orientere mold del ved å klikke Roter -menyen og deretter klikke knappene X, Yeller Z for å justere den lange aksen parallell til utskriften seng med den utenfor mold overfor utskriften seng. Klikk Lagre -knappen og deretter klikker Skriv ut og skrive ut den mold delen med polylactic syre (PLA) plast filament på en enkelt extruder.

Figure 1
Figur 1 : CAD representasjon av Phantom, bakgrunn og prøve Molds. (a) - (b) 3D CAD bilder av fartøyet mold og retningen for deler for montering. Registrering avstandsstykker (i), pinner (ii), hull (iii) og fyll hullet vises. (c) tegning av indre lumen utheving indre fartøyet dimensjonene. (d) CAD gjengivelse av prøven muggsopp. (e) CAD gjengivelse av bakgrunnen phantom mold. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Gjenta trinn 2.2 for OuterPostSTL.stl filen (figur 1en, rød).
  2. Etter den samme prosessen fra trinn 2.2, importere STL-filen InnerDistSTL.stl (figur 1en, hvit) til 3D utskrift programvare og velg knappen "Rediger" og i Roter meny Klikk X, Yeller Z å justere den lange aksen vinkelrett til utskriften seng og slik at registrering pin (i) er i kontakt med utskriften seng. Klikk Lagre og deretter klikker Skriv ut og skrive ut den mold delen bruker PLA plast filament på en enkelt extruder.
    Merk: Ikke ut denne delen med støttestruktur. Gjør ikke bruk mer enn 30% infill for denne trykt delen.
  3. Importere STL-filen SampleMoldSTL.stl (figur 1d) til 3D utskrift programvare. Velg Rediger -knappen og på Roter -menyen klikker du knappene X, Yeller Z for å justere delen slik at innsiden av mold vender fra utskriften seng. Klikk Lagre og deretter klikker Skriv ut og skrive ut den mold delen bruker PLA plast filament på en enkelt extruder.
    Merk: Ikke ut denne delen med støttestruktur. Skrive ut 3 eller flere eksempel former.
  4. Importere STL-filen BackgroundMoldSTL.stl (figur 1e) til 3D utskrift programvare. Velg knappen "Rediger" og på Roter -menyen klikker du knappene X, Yeller Z for å justere delen slik at bunnen av mold (dvs., lukket slutten av sylinderen) vender utskriften seng. Klikk Lagre og deretter klikker Skriv ut og skrive ut den mold delen bruker PLA plast filament på en enkelt extruder.
    Merk: Ikke ut denne delen med støttestruktur.
  5. Importere STL-filen InnerDistSTL.stl (figur 1en, gul) til 3D utskrift programvare. Velg knappen "Rediger" og på Roter -menyen klikker du knappene X, Yeller Z for å justere delen slik at den lange aksen er vinkelrett på utskriften seng og bifurkasjonen registrering pinner (i) står overfor den utskriften seng. Klikk Lagre og deretter klikker Skriv ut og skrive ut den mold delen bruker polyvinylacetat acid (PVA) plast filament på en enkelt extruder.
  6. Fjern støtte materiale fra 3D trykt deler av trinnene 2.1-2.7 (figur 2en).
    Merk: Det er ikke nødvendig å fjerne støtte strukturen fra ytre mold deler hvis de ikke forstyrrer samlingen mold.

Figure 2
Figur 2 : Fartøyet Phantom Mold montering og endelige fartøyet Phantom. (a) siste trykket mold av indre og ytre lumen muggsopp. Distale den indre lumen trykt i en dissolvable PVA plast og er knyttet til den proksimale enden av indre lumen mold bruker deformerbare voks. (b) rør koblet til injeksjon porten i ytre lumen mold og sprøyte stopperen. (c) indre lumen mold etter spray belegg med fleksible fugemasse. (d) montering av bule siden av ytre lumen mold og indre lumen mold med PVA-c (farget rød) lagt til stiv aneurisme fantomer. (e) full fartøyet mold samlet og festet. (f) deformerbare voks brukes på sømmene i ytre lumen mold å hindre PVA-c lekker fra mold. (g) final PVA-c phantom etter 5 fryse/tine sykluser og fjerning fra mold. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. Hydrogel forberedelse

  1. Bland 22,2 g PVA-c pulver i 200 mL vann (10% av massen) i et glass beger. Mikrobølgeovn løsningen til en byll og rør. Gjenta dette trinnet til alle PVA pulveret er oppløst og løsningen vises gjennomsiktig.
  2. Suspendere 0,4 g kalsiumkarbonat pulver (0,2% av massen) i 10 mL vann og legge til løsningen fra trinn 2.1 som ultralyd scatterers. Bland godt. Dekk løsningen og la den avkjøles til romtemperatur (RT).
    NOTE For homogen fantomer hoppe til trinn 3.5
  3. Bland 17,6 g PVA-c pulver i 100 mL vann (15% av masse eller som ønsket) i en separat glass kanne. Mikrobølgeovn løsningen til en byll og rør. Gjenta dette trinnet til alle PVA pulveret er oppløst og løsningen vises gjennomsiktig.
  4. Suspendere 0,4 g kalsiumkarbonat pulver (0,2% av massen) i 5 mL vann og legge til løsningen fra trinn 2.3. Bland godt. Dekk løsningen og la den avkjøles til til RT.
  5. Bland 183.7 g PVA-c pulver i 3.5 L av vann fra springen (5% av massen) i en egen stor pott. Ta løsningen til en byll og rør. Fjern potten fra varmen når PVA pulveret er oppløst og løsningen vises gjennomsiktig.
  6. Suspendere 7,4 g kalsiumkarbonat pulver (0,2% av massen) i 10 mL vann og legge til løsningen trinn 2,5. Bland godt. Dekk løsningen og la den avkjøles til til RT.

4. montering av muggsopp

  1. Fest ca 100 mm av fleksible slangen til injeksjon porten på ytre lumen mold. Den motsatte enden av slangen, knytte en stopcock med sprøyte forbindelser (figur 2b).
  2. Juster pinnene registrering av indre lumen mold, og bruker deformerbare voks, følger den svulmende fartøy delen av indre lumen mold til rett fartøyet del av indre lumen mold.
  3. I et godt ventilert område, gjelde en spray-on fleksibel gummibelegg aneurisme slutten av indre lumen mold å hindre hydrogel oppløsende PVA mold del under forming prosessen (figur 2c).
    NOTE For homogen fantomer hoppe til trinn 4.6.
  4. Med større siden av aneurisme del av ytre mold vender ned, fylle bule med 15 mL løsningen opprettet i trinnene 3.3-3.4 (figur 2b,). Sett samlet indre mold delene i delen foran ytre mold (figur 2d). Bruke gummi band til å holde den indre lumen delen på plass.
    Merk: I figur 2, PVA-c farget rødt for synlighet.
  5. Fryse mold samlingen i en 20 ° C fryser 12 h og fjerne fra fryseren. Gå videre til trinn 4.6 uten at løsningen i mold montering Tin.
  6. Mens du venter mold å fryse (trinn 4.4), en sjenerøs mengde deformerbare voks gjelder tilbake overflaten av en trykt prøve mold og klemme den til en flat plast ark kutte til minimumsstørrelsen på ca 100 mm med 60 mm med 10 mm (Figur 3et). Tomrommet mellom mold og plast ark med den samme PVA løsningen brukes i trinn 4.3. Fryse eksempel mold i samme fryseren (20 ° C) som fartøyet mold i trinn 4.4.

Figure 3
Figur 3 : Prøve mold og siste prøven og bakgrunn fantomer. (a) festet eksempel mugg og klar plast ark. PVA-c er helles i formen utvalg og luftbobler er tillatt til overflaten. (b) PVA-c eksempel etter siste fryse/tine syklus. (c) Experimental U.S. tenkelig oppsett av phantom knyttet til simulator pumpen og plassert i bakgrunnen PVA-c phantom. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Montere og klemme sammen hele fartøyet mold i retningen som vist i figur 1en og 1b (figur 2e). Linje i sømmene i de ytre lumen formene med en deformerbare voks for å sikre at hydrogel ikke lekke under injeksjon (figur 2f).
  2. Fyll en 60 mL sprøyte med PVA-c løsningen gjort i fremgangsmåten 3.1 og 3.2. Med bifurkasjonen injisere slutten av mold opp PVA-c løsningen i det mold montering unngå luftbobler i injisert løsningen.
    Merk: Hvis eventuelle lekkasjer oppstår under injeksjon, pause injeksjon og patch lekk områder med deformerbare voks. Gjenta sprøyte injeksjoner til PVA-c løsningen fyller mold.
  3. Tillate mold å sitte i 30 min, trykke mold forsiktig hvert 10 min å tillate noen luftbobler å stige til toppen av mold. Gjenta sprøyte injeksjon om nødvendig til toppen av mold. Fryse hele mold samlingen for 12 h og fjerne fra fryseren. Tillate samlingen mold å tine på RT 12 h.
  4. Mens venter på mold å fryse (trinn 4.8), sette sammen og klemme en annen prøve mold og flat plast ark kutte som beskrevet trinn i 4.5 (Figur 3et). Tomrommet mellom mold og plast ark med den samme PVA løsningen brukes i trinn 4.7. Fryse og tine eksempel mold i samme fryseren (20 ° C) og samtidig som fartøyet mold i trinn 4.8 og prøve mold av trinn 4.5.
  5. Fryse og tine fartøyet mold og begge eksempel formene fra trinn 4.5, 4,8 og 4,9 fire ganger, for en totalt fem 24 - h fryse/tine sykluser. Etter 5th fryse/tine syklusen, fjerne PVA-c testing prøvene fra sine former (Figur 3b). Trimme noen overflødig cryogel fra prøvene og lagre dem i en lukket beholder med en 5% av volumet blekemiddel/vann løsning på RT.
  6. Fjern PVA-c fartøyet fra ytre lumen mold. Nøye separate delen rett fartøyet i indre lumen mold fra aneurisme del og fjerne fra PVA-c fartøyet. Kuttet registrering avstandsstykkene fra bifurcated enden av aneurisme del av indre lumen mold å avsløre den utskrevne PVA filament. Sett i et vannbad på RT å oppløse delen PVA aneurisme.
    Merk: Dette kan ta 24 timer eller mer, men legger varmt vann å badet kan speed oppløsning prosessen.
  7. Etter at oppløsning og fjerne PVA skrevet del fra innsiden av fartøyet phantom, lagre phantom i lukket beholder en 5% av volumet blekemiddel/vann løsning på RT.
  8. Fylle bakgrunnen mold med ca 3,3 L PVA-c løsningen gjort i fremgangsmåten 3.5 og 3.6. Fryse (20 ° C) bakgrunn mold 12 h og fjerne fra fryseren. Tillate mold å tine på RT 12 h og gjenta for totalt 2 fryse/tine sykluser.
  9. Samtidig som trinn 4.13, Fyll en prøve mold montering med samme PVA-c løsningen brukes i trinn 4.13 og putte den gjennom samme fryse/tine prøvene som bakgrunn mold.
  10. Etter 2nd Tin, Fjern bakgrunn utvalg og bakgrunn phantom fra sine former og lagre dem i en lukket beholder med en 5% av volumet blekemiddel/vann løsning på RT.

5. phantom og eksempelannonsene Testing

  1. Plass fartøyet phantom og bakgrunn phantom i en stor vannbad. Knytte større fartøy slutten til utgangen av hemodynamic vann pumpe42,43 ved hjelp av rør klemmer (Figur 3c). Plasser fartøyet phantom i bakgrunnen phantom og fest deretter bifurcated endene av phantom i innløpet til hemodynamic pumpen med slangen klemmer.
  2. Plass en SSD press sensor kateter i systemet til fartøyet og pumpe i mengden av hemodynamic pumpen. Kjør hemodynamic pumpen slik at presset av veggen deformasjoner mellom minst 0 kPa og en maksimal 7,5 kPa (Figur 4en).

Figure 4
Figur 4 : Imaging protokollen. a trykk profil målt under konfigureringen av phantom tenkelig. (b) et representativt B-modus bilde av phantom på minimum trykket. (c) B-modus på maksimalt trykk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Bruke en ultralyd (oss)-system og en konveks svinger med senter frekvens på ca 5 MHz til å samle oss bilder av bakgrunnen og fartøy fantomer tverrsnitt på plasseringen til maksimal fartøyet diameter (Figur 4b og 4 c ). Registrere press data ved hjelp av en digital oppkjøpet system (Figur 4en).
    Merk: Detaljer for å utføre image oppkjøpet i dette trinnet kan finnes i blandingen et al44.
  2. Få forskyvning overslag ved hjelp av en ikke-stive registrering-basert teknikk som beskrevet i blandingen et al. 44. fra målinger av todimensjonal (2D) forskyvning feltet (ujeg(x)), beregne feltet 2D belastning tensoren (εij(x)) ved å evaluere den symmetriske delen av gradient av feltet forskyvning:
    Equation 1
  3. Deretter Beregn maksimal viktigste belastningen (εp) som maksimal viktigste komponenten i belastning tensoren feltet ved hjelp av følgende ligning:
    Equation 2
  4. Til slutt, sikkert rammen av rektor belastningen på topp trykket og dele dette belastning tensoren feltet av forskjell i det maksimum og minimum kateter målt Press (Figur 4en) eller pulstrykk (PP), romlig løst Trykk normalisert prinsippet belastning (εp/PP).

Figure 5
Figur 5 : Press normalisert belastning bilder. Representant bilder av trykket normalisert belastning (εp/PP) in%/kPa målt i fartøyet for homogen 10% av masse fartøyet phantom (a) og de heterogene fantomer med 15% av masse (b), 20% av masse og 25% av masse fremre aneurisme delen (topp fartøy). Dette tallet har blitt endret fra Mix et al. 44. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Representative Results

Representant B-modus bilder av fartøyet mimicking fantomer vises minimum og maksimum presset målt ved kateter (Figur 4b og 4 c, henholdsvis). Trykk-normalisert belastning (εp/PP) in%/kPa vises for fire forskjellige produsert fantomer (figur 5). Figur 5 en viser målt press-normalisert belastningen i en homogen phantom produseres med 10% av masse PVA-c løsning. Forholdet mellom gjennomsnittlig belastningen målt innenfor den bakre kvartalet (bilde nederst) i phantom til gjennomsnittlig belastning i fremre kvartal (bildet øverst) var 0,92. Figur 5 b viser εp/PP for et spøkelse som aneurisme delen av phantom ble produsert med en 15% av masse PVA-c løsning og resten av phantom ble gjort med 10% av masse PVA-c. Forholdet mellom bakenfor fremre påkjenning for deg. ble funnet for å være 1.87. Figur 5 viser εp /PP for heterogene phantom med 20% av masse PVA-c, med en bakre fremre belastning forhold av 4.23. Figur 5 d viser εp/PP for heterogene phantom med 25% av masse PVA-c, med en bakre fremre belastning forhold av 7.37.

Resultatene presenteres her viser at abdominal aorta fantomer ble opprettet med komplekse geometrier og romlig varierende materialegenskaper. Utformingen av phantom geometrier var, eller mer spesifikt, phantom formene ble gjort ved hjelp av programvare som muliggjør phantom geometri endringer (figur 1en og 1b). Muggsopp kan være lett 3D trykt og samlet og komplekse mold geometrier kan trykkes med PVA filament og fjernet, lignende mistet-voks avstøpning teknikker. De endelige fartøyet phantoms kan være dynamisk trykk og er stabile under stor belastning (Figur 4en). Fantomer er kompatible med ultralyd imaging (Figur 4b og 4 c) og har materialegenskaper mimicking abdominal aorta stiffnesses. Variasjoner i belastning prosenter i det fremre til bakre områder av belastning bildene viser at regionene har varierende materialegenskaper (figur 5) og uavhengige mekanisk testing på prøvene kvantifisere de eksakte verdiene for sine respektive skjær moduli.

Discussion

Dette dokumentet presenterer en teknikk for å produsere vev-mimicking fantomer for bruk i elastography eller elastisitet tenkelig algoritmer. Kombinert bruk av CAD- og 3D-utskrift gir effektiv design av aorta mimicking fantomer med komplekse geometrier, utover rørformede fantomer, inkludert aneurisme buler. Etableringen av phantom er gjort i 4 trinn: 1) design av phantom geometri, 2) utskrift av phantom mold deler, 3) blanding av cryogel løsninger som vil til slutt etterligne ultralyd egenskaper og mekaniske egenskaper av phantom fartøyene og 4) helle/sprøytebruk av cryogel løsning i mold, sette PVA-c med fryse-Tin sykluser og fjerning av phantom fra mold. Bruk av CAD i den i utformingen av formene innhentet i trinn 1 gir en enkel måte å presist endre geometrien i fantomer. Utskrift av mold deler for tiden tar ca 5-8 timer avhengig av utskriften, og dermed kan enkelt gjøres for gjentatte endringer formene.

I trinn 3 opprettes cryogel løsninger for å etterligne den fartøy, aneurisme og bakgrunn vev med kalsiumkarbonat partikler mimicking amerikanske scatter av vev. Følgende cryogel bør bli rørt før bruk hvis kalsium partikler har avgjort av blandingen. Nøyaktig konsentrasjonen av blandingen av cryogel vil avgjøre siste mekaniske egenskaper for fantomer. Dermed er det viktig å skape uavhengige prøvene av løsningene som brukes i phantom fartøyet og bakgrunn. Selv om ikke en del av protokollen her, skal uavhengige målinger av prøvens elastisk modulus oppnås ved hjelp av uniaxial spenning testing. Uavhengig mekanisk testing PVA-c prøvene for 10%, 15%, 20% og 25% fantomer opprettet i representant resultatene hadde målt skjær modulus 17.4 ± 1.0 kPa, 48.3 ± 5.7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa og 170.0 ± 4.1 kPa, henholdsvis.

Trinn 4 er det viktigste trinnet i å lage disse phantoms. Selv om registreringer pinnene er å holde mold delene i deres riktige posisjoner i forhold til andre, er det viktig å sikre at mold deler ikke separat under forming prosessen. Dermed bruk av klemmer å holde formen. Viktigste hensynet til trinn 4 er å minimere luftbobler fanget i mold før første fryse-Tin syklus. Det er ofte nyttig å demontere en side av ytre mold og inspisere phantom etter den første fryse-Tin syklus å sikre det dannet riktig. Dette kan spare bortkastet tid å sette en "dårlig" phantom gjennom ytterligere sykluser. Når phantom er fjernet fra formen helt, kan det lagres i vann i flere uker med videre bruk.

PVA-c fantomer utviklet i dette arbeidet ble laget spesielt etterligne ultralyd og materielle stivhet av aorta vev. Bruk av polyvinylalkohol cryogel gir et bredere spekter av mulige mekanisk stivhet, å bedre etterligne de endrede materialegenskaper av aorta vev sammenlignet med mer gummi som materialer33,34. I tillegg fanger bruk av hydrogel og investering støping bedre de akustiske egenskapene til støpt gummi eller direkte 3D trykt materiale33,45. Noen luftbobler kan bli fanget i våre mugg før første fryse-Tin syklus. Dette kan forårsake hull i phantom og føre til vesentlig svakhet eller akustisk gjenstander. Derfor er det anbefalt å inspisere fantomer ut av formen etter første fryse-Tin å avgjøre hvis prosessen skal startes. I tillegg har forfatterne funnet at indre mold kan noen ganger gå under frysing av aneurisme delen av fantomer. Hvis dette skjer, ville en endring av over protokollen være å lage en 3D trykt eller på annen måte utviklet, del å holde fast indre lumen mold på fremre ytre mold under frysing av denne delen. Forfatterne har funnet at bruke den bakre siden av ytre mold og en 5 mm avstand mellom bakre ytre mold og indre mold fungerer godt for dette formålet.

Phantom utviklet her er ideelt for å studere påvirkning av endringer i aneurisme diameter eller luminal tykkelse eller potensielt flere blodpropp i vev ved å redigere de opprinnelige CAD-filene. Men har tidligere arbeid også vist at denne produksjon teknikken kan endres for å produsere pasient-spesifikke phantom geometrier bruke beregnede tomografi bilder og segmentering programvare, snarere enn CAD design, å lage 3D trykt phantom muggsopp 44. resultatene vises her viser at algoritmen kunne visualisere produsert variasjoner i de mekaniske egenskapene av phantom. Det bør bemerkes at selv om disse phantoms ble brukt til å teste USA-baserte Bildeteknikker, de er også kompatibel med magnetisk resonans og beregnede tomografi imaging systems og at de kan også brukes utenfor hensikten med elastisitet imaging for et bredt rekke romanen imaging teknikker og metoder.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Center for fremme translasjonsforskning Sciences i National Institutes of Health gjennom Award nr. UL1 TR000042 og National Institute of biomedisinsk bildebehandling og bioteknologi av de nasjonale instituttene helse gjennom Award nr. R21 EB018432.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PLA filament MatterHackers, MatterHackers.com MEEDKTKU
PVA filament MatterHackers, MatterHackers.com M4MJTECR
LeakSeal RPM International Inc., Rustoleum.com 265495
Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30) DowDuPont Inc., ChemistryStore.com SKU: 81015
Calcium Carbonate Powder greenwaybiotech.com via amazon.com Amazon: B00HFFCBYQ
Tacky Wax bards.com via amazon.com Bards: BB759
Amazon: B016KBDYRS
Rostock max 3D Printer SeeMeCNC, seemecnc.com SKU: 84459
Onshape CAD software OnShape, onshape.com
Mattercontrol printer software MatterHackers, MatterHackers.com
Mikro-Cath pressure catheter and device Millar, Inc., millar.com 4501016/B
BNC digital acquisition National Instruments Corporation, ni.com NI USB-6251 BNC
clear cast acrylic sheet mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 8560K274
Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile Cole-Parmer, coleparmer.com EW-30600-02
BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock) Cole-Parmer, coleparmer.com EW-07945-28
6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader Tekton, Inc., www.tekton.com 39181
Tygon PVC Clear Tubing mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 6516T53
MTS Qtest Q/5 MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016
MTS 5N Load Cell MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016/B
Abaqus FEA Dassault Systèmes, 3ds.com

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taylor, S. M. The Juxtarenal Abdominal Aortic Aneurysm. Archives of Surgery. 129 (7), 734-734 (1994).
  2. Nevitt, M. P., Ballard, D. J., Hallett, J. W. Prognosis of Abdominal Aortic Aneurysms. The New England Journal of Medicine. 321 (15), 1009-1014 (1989).
  3. Crane, C. Arteriosclerotic Aneurysm of the Abdominal Aorta. The New England Journal of Medicine. 253 (22), 954-958 (1955).
  4. IMPROVE Trial Investigators. Endovascular or open repair strategy for ruptured abdominal aortic aneurysm: 30-day outcomes from IMPROVE randomised trial. British Medical Journal. 348, 7661 (2014).
  5. Robinson, W. P., et al. Endovascular repair of ruptured abdominal aortic aneurysms does not reduce later mortality compared with open repair. Journal of Vascular Surgery. 63 (3), 617-624 (2016).
  6. Starnes, B. W., et al. Management of ruptured abdominal aortic aneurysm in the endovascular era. Journal of Vascular Surgery. 51 (1), 9-18 (2010).
  7. Schermerhorn, M. L., et al. Endovascular vs. Open Repair of Abdominal Aortic Aneurysms in the Medicare Population. The New England Journal of Medicine. 358 (5), 464-474 (2008).
  8. Darling, R. C., et al. Autopsy study of unoperated abdominal aortic aneurysms. The case for early. Circulation. 56, 161-164 (1977).
  9. Szilagyi, D. E., Smith, R. F., DeRusso, F. J., Elliott, J. P., Sherrin, F. W. Contribution of abdominal aortic aneurysmectomy to prolongation of life. Annals of Surgery. 164 (4), 678-699 (1966).
  10. Skibba, A. A., et al. Reconsidering gender relative to risk of rupture in the contemporary management of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 62 (6), 1429-1436 (2015).
  11. Parkinson, F., et al. Rupture rates of untreated large abdominal aortic aneurysms in patients unfit for elective repair. Journal of Vascular Surgery. 61 (6), 1606-1612 (2015).
  12. Grant, S. W. W., et al. Calculating when elective abdominal aortic aneurysm repair improves survival for individual patients: development of the Aneurysm Repair Decision Aid and economic evaluation. Health technology assessment. 19 (32), Winchester, England. 1-154 (2015).
  13. Lederle, F. a, et al. Rupture rate of large abdominal aortic aneurysms in patients refusing or unfit for elective repair. JAMA: the journal of the American Medical Association. 287 (22), 2968-2972 (2002).
  14. Vorp, D. A., Raghavan, M. L. L., Webster, M. W. Mechanical wall stress in abdominal aortic aneurysm: Influence of diameter and asymmetry. Journal of Vascular Surgery. 27 (4), 632-639 (1998).
  15. Vande Geest, J. P., et al. Towards a noninvasive method for determination of patient-specific wall strength distribution in abdominal aortic aneurysms. Annals of Biomedical Engineering. 34 (7), 1098-1106 (2006).
  16. Stringfellow, M. M., Lawrence, P. F., Stringfellow, R. G. The influence of aorta-aneurysm geometry upon stress in the aneurysm wall. Journal of Surgical Research. 42 (4), 425-433 (1987).
  17. Maier, A., et al. A comparison of diameter, wall stress, and rupture potential index for abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction. Annals of Biomedical Engineering. 38 (10), 3124-3134 (2010).
  18. Raghavan, M. L. L., Vorp, D. A., Federle, M. P., Makaroun, M. S., Webster, M. W. Wall stress distribution on three-dimensionally reconstructed models of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Vascular Surgery. 31 (4), 760-769 (2000).
  19. Di Martino, E. S., et al. Biomechanical properties of ruptured versus electively repaired abdominal aortic aneurysm wall tissue. Journal of Vascular Surgery. 43 (3), 570-576 (2006).
  20. Gasser, T. C., Ogden, R. W., Holzapfel, G. a Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society. 3 (6), 15-35 (2006).
  21. Ruddy, J. M., Jones, J. A., Spinale, F. G., Ikonomidis, J. S. Regional heterogeneity within the aorta: Relevance to aneurysm disease. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 136 (5), 1123-1130 (2008).
  22. Raut, S. S., Chandra, S., Shum, J., Finol, E. A. The role of geometric and biomechanical factors in abdominal aortic aneurysm rupture risk assessment. Annals of Biomedical Engineering. 41 (7), 1459-1477 (2013).
  23. Tavares Monteiro, J. A., et al. Histologic, histochemical, and biomechanical properties of fragments isolated from the anterior wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), (2014).
  24. Vallabhaneni, S. R., et al. Heterogeneity of tensile strength and matrix metalloproteinase activity in the wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of endovascular therapy: an official journal of the International Society of Endovascular Specialists. 11 (4), 494-502 (2004).
  25. Zou, Y., Zhang, Y. Mechanical evaluation of decellularized porcine thoracic aorta. The Journal of Surgical Research. 175 (2), 359-368 (2012).
  26. Ophir, J., et al. Elastography: Imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound. Journal of Medical Ultrasonics. 29 (4), 155-171 (2002).
  27. Lopata, R. G. P., et al. Performance evaluation of methods for two-dimensional displacement and strain estimation using ultrasound radio frequency data. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (5), 796-812 (2009).
  28. Fromageau, J., et al. Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE. , 257-260 (2005).
  29. Lopata, R. G. P., et al. Vascular elastography: A validation study. Ultrasound in Medicine and Biology. 40 (8), 1882-1895 (2014).
  30. Mascarenhas, E. J. S., et al. Assessment of mechanical properties of porcine aortas under physiological loading conditions using vascular elastography. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 59, 185-196 (2016).
  31. Brekken, R., et al. Strain estimation in abdominal aortic aneurysms from 2-D ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 32 (1), 33-42 (2006).
  32. Vonk, T., Nguyen, V., Schurink, G., van de Vosse, F., Lopata, R. Ultrasonics Symposium (IUS), 2014 IEEE International. , 9-12 (2014).
  33. Cloonan, A. J., et al. 3D-Printed Tissue-Mimicking Phantoms for Medical Imaging and Computational Validation Applications. 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (1), 14-23 (2014).
  34. Doyle, B. J., et al. Experimental modelling of aortic aneurysms: novel applications of silicone rubbers. Medical Engineering and Physics. 31 (8), 1002-1012 (2009).
  35. Zell, K., Sperl, J., Vogel, M., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), 475 (2007).
  36. Surry, K., Austin, H., Fenster, A., Peters, T. Poly (vinyl alcohol) cryogel phantoms for use in ultrasound and MR imaging. Physics in Medicine and Biology. 49 (24), 5529 (2004).
  37. Chu, K. C., Rutt, B. K. Polyvinyl alcohol cryogel: An ideal phantom material for MR studies of arterial flow and elasticity. Magnetic Resonance in Medicine. 37 (2), 314-319 (1997).
  38. Richards, M. S., et al. Investigating the impact of spatial priors on the performance of model-based IVUS elastography. Physics in Medicine and Biology. 56 (22), 7223-7246 (2011).
  39. Raghavan, M. L., et al. Regional distribution of wall thickness and failure properties of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Biomechanics. 39 (16), 3010-3016 (2006).
  40. Farsad, M., Zeinali-Davarani, S., Choi, J., Baek, S. Computational Growth and Remodeling of Abdominal Aortic Aneurysms Constrained by the Spine. Journal of Biomechanical Engineering. , (2015).
  41. Kim, J., Peruski, B., Hunley, C., Kwon, S., Baek, S. Influence of surrounding tissues on biomechanics of aortic wall. International Journal of Experimental and Computational Biomechanics. 2 (2), 105-117 (2013).
  42. Lillie, J. S., et al. Pulse Wave Velocity Prediction and Compliance Assessment in Elastic Arterial Segments. Cardiovascular Engineering and Technology. 6 (1), 49-58 (2015).
  43. Varble, N., et al. In vitro hemodynamic model of the arm arteriovenous circulation to study hemodynamics of native arteriovenous fistula and the distal revascularization and interval ligation procedure. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), 1410-1417 (2014).
  44. Mix, D. S., et al. Detecting Regional Stiffness Changes in Aortic Aneurysmal Geometries Using Pressure-Normalized Strain. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (10), 2372-2394 (2017).
  45. Browne, J., Ramnarine, K., Watson, A., Hoskins, P. Assessment of the acoustic properties of common tissue-mimicking test phantoms. Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (7), 1053-1060 (2003).

Tags

Bioteknologi problemet 139 ultralyd Phantoms Elastography Aorta modellen 3D-utskrift Hydrogel aneurisme simulering
Produksjon Abdominal Aorta Hydrogel vev-Mimicking Phantoms for ultralyd Elastography validering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S.… More

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S. W., Richards, M. S. Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation. J. Vis. Exp. (139), e57984, doi:10.3791/57984 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter