يصف هذا البروتوكول طريقة قوية وقابلة للتكرار لتصنيع أشباح كحول البولي فينيل غير المتجانسة (PVA) — وهي أدوات أساسية للتحقق من تقنيات الاستطاع بالموجات فوق الصوتية التي تستهدف الأنسجة الرخوة غير المتجانسة ميكانيكيا (مثل العضلات الهيكلية).
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
تصنيع كحول البوليفينيل غير المتجانس للكحول الوهمي للتصوير المرن بالموجات فوق الصوتية: الإجراءات وضوابط الجودة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
عادة ما تكون الوهميات من البوليفينيل كحول (PVA) متساوية الخواص وتستخدم على نطاق واسع للتحقق من تقنيات التصوير المرن بالموجات فوق الصوتية لتقييم الأنسجة الرخوة. ومع ذلك، تظهر بعض الأنسجة الرخوة البيولوجية (مثل العضلات الهيكلية) تباينا ميكانيكيا واضحا، مما يستلزم استخدام أشباح PVA غير متجانسة الخواص لاختبار دقيق لطرق التصوير المرن التي تستهدف هذه الأنسجة. بينما أشارت الدراسات السابقة إلى أن أشباح PVA غير المتجانسة داخليا يمكن تصنيعها عبر دورات تجميد وذوبان متكاملة مع التمدد، لا تزال التفاصيل الفنية الحرجة (مثل عملية التصنيع، مراقبة الجودة) غير موثقة بشكل كاف. يقدم هذا العمل بروتوكولا مفصلا بصريا وقابلا للتكرار لتصنيع أشباح PVA غير متجانسة، مع التركيز على المواد الرئيسية، والعمليات التدريجية، وضوابط الجودة لتحفيز تباين مستقر وموحد. تشمل المواد الرئيسية PVA كمصفوفة وهمية، وسوربات البوتاسيوم كمادة حافظة، وجزيئات الجرافيت كمشتتات صوتية، والماء النقي (أو الماء منزوع الأيون) كمذيب. تتكون عملية التصنيع من ثلاث مراحل أساسية: 1) تحضير محلول متجانس قائم على PVA عبر ظروف حرارية مضبوطة لضمان الذوبان الكامل لPVA؛ 2) التصلب عبر FTCs: يسكب المحلول المبرد في قوالب مطبوعة ثلاثية الأبعاد، يتبعها قوالب FTC خالية من التمدد لتشكيل هيكل أولي؛ 3) تحفيز التباين عبر ال FTCs الممتدة: يتم إجراء تباين إضافي تحت تمدد متحكم فيه لتحفيز التباين الاتجاهي. تم وصف تدابير مراقبة الجودة (مثل تجنب فقاعات الهواء أثناء ذوبان PVA) بالتفصيل. بعد التصنيع، يتم استخدام تصوير موجات القص بالموجات فوق الصوتية (SWI) واختبار الشد أحادي المحور لتأكيد عدم التوازن الميكانيكي للفانتوم. توفر هذه الورقة نهجا موحدا لتصنيع أشباح تحاكي الأنسجة غير المتجانسة للتحقق من تقنيات التصوير المرن بالموجات فوق الصوتية بدقة واتساق محسنين.
المقدمة
تظهر بعض الأنسجة الرخوة البيولوجية (مثل العضلات الهيكلية) تباينا ميكانيكيا ماكروسكوبيا، والذي ينبع من بنيتها الميكروبينية المتوافقة1. على وجه التحديد، تنظم الأنسجة الضامة ألياف العضلات في بنية هرمية: إبطانة الرحم تحيط بالألياف الفردية، ويحزم الألياف في حزم، ويغطي الإبيميسيوم العضلة بأكملها، داعما لنقل القوة وإمداد العناصر الغذائية2. تستخدم تقنيات الاستماع بالموجات فوق الصوتية، مثل تصوير موجات القص (SWI)، على نطاق واسع لتقييم العضلات 3,4. ومع ذلك، فإن الخصائص الميكانيكية غير المتجانسة للعضلات تؤدي نظريا إلى انتشار موجة القص المعتمدة على الاتجاه5، مما يعقد قياس تيبس العضلات6. ميكانيكيا، تعد الأشباح التي تحاكي الأنسجة غير متجانسة الخواص ضرورية لتطوير التصوير المرن بالموجات فوق الصوتية في تقييم العضلات.
كحول البولي فينيل (PVA) هو مادة مثالية لمثل هذه الأشباح، حيث أن الحفاظ على التمدد الميكانيكي أثناء دورات التجميد/الذوبان (FTCs) يتوافق سلاسل الجزيئات PVA، مما يسبب التباين الميكانيكي 7,8. الأساليب التقليدية التي تستخدم مكعبات PVA البسيطة تحت التمدد غالبا ما تؤدي إلى إجهاد غير متجانس بسبب انزلاق السطح، مما يؤثر على قابلية التكرار. يمكن معالجة هذا القيد باستخدام هندسة وهمية محسنة مع حلقات تثبيت نهائية، مما يضمن تمدد موثوق وتوزيع إجهاد منتظم9—مما يعزز بشكل ملحوظ جودة أشباح PVA غير المتجانسة. في هذه الدراسة، نقدم عرضا بصريا مفصلا لتصنيع هذه الأشباح PVA غير المتجانسة الخواص ونتحقق من تباين التناظر الميكانيكي لديهم من خلال كل من SWI واختبار الشد أحادي المحور.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
ملاحظة: الخطوات التالية موضحة في الشكل 1.
1. 3D طباعة العفن الوهمي
- باستخدام برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد، صمم الهندسة الوهمية لدمج حلقتين مثبتتين (واحدة في كل طرف) للحفاظ على التمدد، مع منطقة مركزية فعالة تتراوح بين 35 مم × 60 مم × 5 مم (الطول × العرض × الارتفاع) لضمان استحث متباين متجانس.
- اطبع القالب باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد.
ملاحظة: تمنع حلقات التثبيت الانزلاق أثناء التمدد، مما يضمن توزيع إجهاد ثابت. جميع ملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد (.stl) متوفرة في الملف الإضافي 1.
2. تحضير محلول PVA
- وزن مسحوق PVA (10 ووت أون)، وسوربات البوتاسيوم (1 ويت)، وجزيئات الجرافيت (1 وزن، ~6.5 ميكرومتر قطر)، وقياس الحجم المقابل للماء النقي (يوصى بالماء منزوع الأيون) لتحضير دفعة ~200 مل.
- امزج مسحوق PVA مع الماء النقي في كأس، وضع الكأس على محرك مغناطيسي مزود بقضيب تحريك، غط الكأس بورق الألمنيوم، وحرك بسرعة ~600 دورة في الدقيقة في درجة حرارة الغرفة لمدة 10 دقائق حتى يتم تشتت PVA بالكامل.
- انقل الكأس إلى حمام ماء بدرجة حرارة 80 درجة مئوية واستمر في التسخين حتى يذوب PVA تماما (كما يتضح من محلول شفاف خال من الجسيمات).
ملاحظة: ارتد قفازات مقاومة للحرارة ومعدات حماية للعين أثناء التدفئة لمنع الحروق الحرارية. تأكد من عدم بقاء جزيئات PVA غير المذابة، لأنها ستؤثر على التجانس الوهمي.
3. إضافة الإضافات والصب
- برد المحلول إلى ~40 درجة مئوية مع الاستمرار في التحريك بسرعة ~600 دورة في الدقيقة على التحريك المغناطيسي.
- أزل ورق الألمنيوم، أضف جزيئات سوربات البوتاسيوم والجرافيت، أعد تغطيته بورق الألمنيوم، وحرك بسرعة ~600 دورة في الدقيقة حتى تتوزع الإضافات بشكل موحد (يؤكد بصريا التوزيع المتجانس).
- (اختياري) قم بإزالة الغاز من محلول PVA لإزالة فقاعات الهواء المتبقية. ضع الكأس الذي يحتوي على المحلول المختلط في غرفة تفريغ وطبق الفراغ لمدة تقارب 30 دقيقة لإزالة فقاعات الهواء من محلول PVA.
- صب المحلول في القالب المطبوع ثلاثي الأبعاد وجمع القالب باستخدام البراغي.
ملاحظة: تجنب إدخال فقاعات الهواء أثناء الصب. انقر بلطف على القالب إذا لزم الأمر لإزالة فقاعات الهواء المحبوسة داخل المحلول.
4. اتفاقية التجارة الفيدرالية الأولية لتصلب PVA
- ضع القالب في فريزر بدرجة حرارة −20 درجة مئوية لمدة 12 ساعة.
- أزل القالب من الفريزر واذابته على درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) لمدة 12 ساعة.
- قم بإزالة السيطرة على الشبح بعناية لمنع الضرر.
ملاحظة: تشكل هذه الخطوة شبح قاعدي متساوي الاتجاه، مما يوفر أساسا مستقرا لاستثناء التباين اللاحق.
5. تحفيز التباين الذاتي عبر FTCs الممتدة
- ضع الشبح على جهاز التمدد المخصص، وقم بشدته تدريجيا إلى 180٪ من طوله الفعال (80٪ إجهاد شد)، وقس مسافة التمدد يدويا، وأقفل الجهاز لمنع الانحباط.
- انقل جهاز التمدد بالكامل (مع تثبيت الشبح) إلى فريزر بدرجة حرارة −20 درجة مئوية لمدة 12 ساعة، ثم إذابة الدماغ في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) لمدة 12 ساعة.
- كرر دورة FTC هذه مرة أخرى تحت تمدد مستمر.
ملاحظة: جهاز التمدد المخصص مصنوع من مرحلة خطية ثنائية الاتجاه وذات خيط معاكس متاحة تجاريا، مجمعة مع حوامل تثبيت وهمية مطبوعة ثلاثية الأبعاد، وتم توفير ملفات STL الخاصة بها في الملف التكميلي 1. ارتد قفازات معزولة واقية من البرد لتجنب قضمة الصقيع عند إزالة جهاز التمدد من الفريزر بدرجة حرارة −20 درجة مئوية. التمدد المستمر أثناء FTCs ينظم سلاسل الجزيئات PVA بشكل أحادي الاتجاه. إجمالي مراكز السحب الوظيفي المستخدمة في هذه الدراسة: دورة واحدة خالية من التمدد + دورتان مشدودتان (إجهاد شدي 80٪).
6. الإصدار النهائي والتخزين
- بعد الخطوة النهائية لإذابة FTC، حرر جهاز التمدد بلطف لمنع الضرر الناتج عن الارتداد.
- أزل الشبح من جهاز التمدد. الوهب غير المتغير الخواص PVA اكتمل الآن.
- خزن الشبح مغمورا في الماء داخل وعاء بلاستيكي مغلق عند 4 درجات مئوية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
يقدم الشكل 2A مخططا لعملية التصنيع الكاملة، بما في ذلك تحضير محلول PVA، والتشكيل، وFTC الأولي بدون تمدد، وإزالة القوالب، وFTCs الممدودة اللاحقة. باستخدام البروتوكول المقترح، قمنا بتصنيع اثنين من شبح PVA غير متجانس الخواص لاختبار SWI واختبار الشد أحادي المحور على التوالي. تم إجراء SWI باستخدام نظام بحث بالموجات فوق الصوتية مزود بمسبار L7-4 (تردد مركزي: 5.2 ميجاهرتز)، باستخدام الوضع الأسرع من الصوت (3 بؤر، دفع 100 ميكروثانية) وتركيب الم...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
يعتمد نجاح هذا البروتوكول على تحقيق ذوبان كامل وموحد لPVA والحفاظ على التمدد المستمر أثناء عمليات FTC — وهما خطوتان حاسمتان لتحفيز تباين ميكانيكي مستقر ومتجانس. تم اختيار الوصفة المستخدمة هنا (أي تركيز PVA، رقم FTC، والإجهاد المطبق بالشد) لصنع أشباح PVA غير متجانسة الخواص ذات صلابة ضمن النطاق الفسيولوجي لأنسجة العضلات. ومن الجدير بالذكر أن صلابة ونسبة التباين في فانتوم PVA يمكن ضبطها بسهولة عن طريق تعديل هذه المعايير للوصفة.
تؤكد أنماط توزيع سرعة موجة القص الم...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
المؤلفون لا يفرضون أي تضارب مصالح.
شكر وتقدير
وقد دعمت هذه الدراسة مؤسسة بكين للعلوم الطبيعية (رقم 1254038). يرغب المؤلفون في شكر البروفيسورة وي-نينغ لي من جامعة هونغ كونغ على مساعدتها في اختبار تصوير الموجات القصية بالموجات فوق الصوتية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| التوازن التحليلي | أوهاوس | AX224 | توازن تحليلي مع معايرة داخلية، سعة 220 جم، وسهولة القراءة 0.1 ملغ |
| المرحلة الخطية ثنائية الاتجاه، ذات خيط معاكس | تاوباو | لا يوجد | مدى السير 250 مم لكل خيط، يستخدم لصنع جهاز التمدد المخصص |
| طابعة FDM ثلاثية الأبعاد | مختبر بامبو | X1 كربون | يستخدم لطباعة قالب الفانتوم، وكذلك لتثبيت التثبيت الوهمي لجهاز التمدد المخصص |
| فري كاد | مجتمع FreeCAD مفتوح المصدر | لا يوجد | الإصدار 0.22.0، يستخدم لتصميم قالب الفانتوم وقواعد تثبيت الشبح لجهاز التمدد المخصص |
| جسيمات الجرافيت | MREDA | M151649 | جزيئات الجرافيت، نقاء 99.95٪، شبكة 2000 (~6.5 ميكرومتر)، تستخدم كمشتت صوتي، 1٪ حسب الوزن |
| قضيب التحريك المغناطيسي | كورنينغ | 401435 | قضيب تحريك مغناطيسي مطلى ب PTFE، 1 × 3/8 بوصة، لتحريك محلول PVA |
| التحريك المغناطيسي | إيكا | 25005927 | نظام التحكم الآمن الأساسي في التحريك المغناطيسي مع وظيفة التسخين |
| كحول البولي فينيل | ماكلين | P81584 | كحول بولي فينيل، Mw 89000-98000، متحلل بنسبة 95٪، يستخدم كمصفوفة وهمية، 10٪ حسب الوزن |
| سوربات البوتاسيوم | سيغما-ألدرتش | 85520 | سوربات البوتاسيوم، & 99.0٪ نقاء يستخدم كمادة حافظة، 1٪ حسب الوزن |
| مرحلة التدوير | نيوبورت | URS50BPP | يستخدم لتدوير مسبار الموجات فوق الصوتية في اختبار تصوير موجات القص لزوايا المجس متعدد النقاط (0°؛ :2° :90°) |
| آلة اختبار شاملة ذات عمود واحد | إنسترون | الطراز 5944 | يستخدم لاختبار الشد أحادي المحور، واستشعار قوة 50 نيوتن |
| نظام الموجات فوق الصوتية البحثي | فيراسونيكس | Vantage 256 | يستخدم لإجراء اختبار تصوير موجات القص، مسبار L7-4 (تردد مركزي: 5.2 ميجاهرتز) |
| حمام مائي | ليشين | HH-2 | شاشة رقمية بحمام ماء بدرجة حرارة ثابتة، وثقبان في صف واحد، لتسخين وإذابة محلول PVA |
المراجع
- Fung, Y. C. . Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).
- Sherwood, L. . Fundamentals of human physiology. , (2011).
- Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review. Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).
- Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).
- Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array. IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).
- Gennisson, J. L., et al. Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).
- Chatelin, S., et al. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization. Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).
- Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).
- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography. J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
