磁共振弹性成像方法评价组织工程构造增长

摘要

程序演示磁共振弹性的脂肪和骨组织，通过当地的机械性能，使用显微磁共振弹性（μMRE）的无创性评估的工程结构设计的结果监测方法。

摘要

传统的机械测试结果往往破坏样品，并在长期组织工程建设研究的情况下，使用破坏性的评估是不能接受的。拟议的另一种方法是使用称为磁共振弹性成像过程。弹性是一种无损检测方法确定工程测量当地的机械属性值（即，复杂的剪切模量），这是确定一个组织的结构和功能的重要标志成果。作为一种非侵入性手段进行评价，监测工程结构，如磁共振成像（MRI）成像已经看到越来越多的兴趣在过去十年^1。例如，磁共振（MR）扩散和relaxometry技术已经能够在化学和物理性质，化学性质的变化特点，在工程组织^发展 。在提出的方法下面的协议，采用显微磁共振弹性（μMRE）的议员作为一种非侵入性测量小^三软组织的力学性能的基础技术。麦格理是通过耦合声波的机械执行机构利益的组织，并记录与横波传播的磁共振扫描仪^4。最近，μMRE已应用于组织工程，以获得增长的重要信息是传统的测量使用破坏性机械⁵宏观技术。在下面的过程中，弹性是通过与工程结构的改良加上机械执行机构哈恩自旋回波序列成像。如图1所示，修改后的顺序同步图像采集与传输的外部横波;随后，该议案是通过振荡双极对使用致敏。继图像采集与正面和负面的议案sensitizaTION，复杂的数据分工产生横波图像。然后，图像评估使用逆算法来生成剪切刚度地图^6。在每个像素的测量结果已显示强烈相关^（R> 0.9914）收集的数据用动态力学分析^7。在这项研究中，纳入监测人类间质干细胞（H，MSC）分化成脂肪细胞和骨结构如图2所示的组织发展过程中的弹性。

方案

1。组织构造的制备

组织建设准备过程包括三个主要阶段:扩张的细胞群，细胞生物材料支架上播种，通过使用化学信号分子的分化。结构编写的程序是基于丹尼斯等 。，香港等 。，马里昂和毛泽东^8,9,10进行的方法。

1. 经过文化和扩张的细胞株，种子人类间质干细胞（H MSCS）到明胶海绵密度为1×10 ⁶细胞/ ml（直径4毫米，厚度为3.5毫米），骨和3X10 ⁶细胞/ ml脂肪的形成。
2. h 的间充质干细胞分化成脂肪，适用于脂肪诱导培养基组成的1μM的地塞米松，0.5微米异丁基甲基黄嘌呤，10μg/ ml的重组人胰岛素，吲哚美辛和200μM的细胞扩大中等一旦细胞出现在断头台上的融合。三天后，取代10微克/毫升在24小时内扩大媒体的重组人类胰岛素，然后返回到感应媒体的媒体。循环重复三次，然后在维护媒体交换只有每隔两天。
3. 诱导成骨，准备作出最后的左旋抗坏血酸2phosphate的50微米，0.1微米的地塞米松，和10毫米的细胞扩增培养基β-甘油浓度的成骨诱导媒体。与新鲜骨媒体每两天更换。

2。执行机构的表征

表征的执行机构是至关重要的一步，为麦格理实验。麦格理依赖于机械横波的传播，以评估当地的力学性能值，因此，这些机械振动，需要生成和组织内使用压电致动器的兴趣特点。一个图文并茂的EXAmple的表征过程如图3所示。此过程的目标是优化执行机构的议案，以产生显著振幅（〜250微米）的无害横波。

1. 在实验之前，适用于0.5％琼脂糖凝胶附上10毫米试管中的构造。凝胶的温度应该是大约37℃，以减少损失构造。
2. 允许设置在室温下的琼脂糖凝胶五分钟后，插入凝胶表面弯曲的压电电机的尖端。
3. 连接管中样品和执行机构刚性支持，东方束激光多普勒测振仪对机械驱动的尖端。调整定位系统，以优化反射信号，如有必要，使用反光胶带。
4. 基于机械驱动的预期共振频率，设置函数发生器，以扫的desired频率范围（即在这个实验中的20至2000赫兹），用白噪声信号20 VPP的工作电压。
5. 查看上利达Vibrosoft程序特征光谱识别系统的共振频率，并设置为y轴的方案，以FFT和速度。
6. 位移测量，交付使用200 VPP的工作电压在指定的共振频率的连续正弦波驱动器设置，并注意被传递到表面的凝胶产生的位移。设置Vibrosoft显示位移为y轴的FFT。

3。图像采集

1. 完成后，执行器的特性，将在核磁共振成像扫描仪中心的样本和执行机构。对于组织结构的实验中，使用的传输和接收射频信号小，更敏感的射频线圈（即在本实验中的10毫米）。 （显示的程序使用9.4ţ配备了三轴梯度，100克/厘米）垂直孔磁铁。
2. 获得侦察图像识别的结构位置。
3. 为收购的参数。一个典型的体外矢状扫描，将有20-40毫秒，切片厚度0.5-1.0毫米，和一个128x128像素的矩阵大小为12X10毫米²场的回声时间为1000毫秒，重复时间。
4. 为弹性参数，设置驱动器的频率由激光多普勒测振仪特性决定的价值。在目前的研究，需要一个双极对梯度幅值的50克/厘米。其他参数的调整，包括应设置延迟到零毫秒的初始收购。
5. 改变函数发生器，突发模式和函数发生器的参数调整，以符合那些在弹性的采集参数，包括频率和周期数。此外，设置的功能TION发生器通过外部触发。
6. 为矢状图像，设置的议案敏在积极片的方向，并开始扫描。收购之后，检查图像和宣传，以改变负切片方向。
7. 执行MATLAB程序将执行复杂的分裂横波图像生成。
8. 评估图像横波和相缠绕的可能，如文物的存在。
9. 如果没有图像的调整是必要的，调整参数数组的大小8个等距值范围从零点几秒到特征的共振频率的整段期间。
10. 收购中的积极和消极两片方向的扫描。
11. 一旦图像被收购，使用MATLAB程序设计产生横波数据从一个图像阵列。

4。麦格理实验图像处理

1. 日E的麦格理的最后一步是计算从横波图像的剪切刚度。放入数据的MATLAB程序，将评估的三维数据集（2的空间，时间1）。

注 :假设一个平面横波，运动解耦方程，使位移的功能和它的Laplacian复值的剪切模量的估计。该算法接近的空间有限差分的二阶导数和计算上的一个像素由像素的基础上的剪切模量。从这个复杂的数字，许多力学参数可以推断，如剪切波速，波的衰减，剪切刚度，弹性剪切，剪切粘度等算法也可以选择感兴趣的区域的平均值和标准偏差每个参数的计算。

2. 成像参数需要被指定在程序的开始。此外，日E的上限，elastogram可以调整优化样品的对比度。

注 :该项目提供的中间结果（低通滤波器后的波，波经过方向滤波，FFT的时间，剖面线等），帮助用户估计复苏的信实。

3. 基于此信息，如低通滤波器，该议案的时间频率，波的传播方向等参数的标准偏差在特定地区的利益，是各级可以调整一些参数，也计算质量的一个指标。

5。代表结果

图4注意到，在整个四个星期的成骨细胞和脂肪细胞的构造发展变化的力学性能。麦格理进行了730-820赫兹。虽然这两个种子海绵开始约3千帕，osteogeniÇ定向组织，在22千帕的刚度;反之，脂肪定向到1千帕的刚度下降的组织。此外，骨结构从开始到结束的研究表明在比较大小的显着下降。从弹性研究的附加属性如表1所示。

图1。磁共振弹性图像采集过程。在图像采集，脉冲序列（一）控制（二）与双极梯度核磁共振成像扫描仪的脉冲信号发生器的同步。在正面和负面的方向切换双极梯度收购之后，（三）横波图像使用复杂的分工。

图2。麦格理过程的流程图，组织发动机ERED等效结构。首先，细胞（一）首次增长，并扩展到设计项目所必需的人口规模。然后，细胞接种于生物材料支架及化学试剂（二）被应用到信号分化。支架的特点是与麦格理（三）是确定的构造耦合的致动器的共振频率，其第一步。下一步，MRI图像（四）被收购产生横波图像（e）。最后，算法用于产生一个elastogram（F），映射结构的刚度。同时，构造是为了验证分化切片组织学评估（G）。

图3。执行机构鉴定程序。括由0.5％琼脂糖凝胶明胶支架。表征白噪声的议案被转移到样品首先被送入系统（1a）和所产生的运动检测使用激光多普勒测振仪（1B）。一旦确定共振频率，共振连续正弦信号（2A）被发送到确定的位移（2B）转移到明胶环境。

图4。建设了4个星期内开发的地图。脂（A）和骨（O）的结构，从左至右显示相应的规模和横波的图像，elastogram，平均剪切刚度。代表与条形图和错误酒吧的配色方案elastogram对应colormap中的每个结构的感兴趣区域内的标准偏差。

表1。超过了经济增长的四个星期内的脂肪和骨结构的力学性能。

讨论

在此过程中，为组织工程结构的麦格理的过程中表现出细胞制备一个elastogram的代。机械非破坏性评估方法应用组织工程管线，它现在可以评估多个发展阶段，整个工程结构变化。此外，麦格理补充监测组织工程建设，如扩散，磁化传递和化学位移分析^1，其他议员的方法。

执行麦格理实验时，应注意一些限制。 体外标本的评估是一个敏感的时间研究。因此，建议研究应持续不超过一小时，使组织结构的任何潜在损害降到最低。此外，刚度地图忠实复苏受到影响，由于结构太小或僵硬^6。上é可能解决​​这个问题，是工作在更高的频率（> 2.5千赫），波长的频率成反比。高电压放大器驱动压电叠堆驱动器能够提供足够的议案，​​在样品中产生的剪切波长在这样的频率。另一种可能的修正协议是使用更快的序列，如快速自旋回波和回波平面成像^11，12。

除了​​在体外组织工程结构的麦格理的可能性，下一步的临床前评估，以评估植入的组织生活制度的发展。麦格理的小鼠研究中的应用，将提供另...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
材料名称	类型	公司	目录编号	评论
MSCGM的子弹包	试剂	龙沙	PT-3001	保存于4°C间
1X DPBS	试剂	Invitrogen公司	21600-010
0.05％胰蛋白酶EDTA	试剂	Gibco公司，Invitrogen公司	25300-054	储存在-20°C
地塞米松	试剂	Sigma-Aldrich公司	D2915
3 - 异丁基-1 - 甲基黄嘌呤	试剂	Sigma-Aldrich公司	I5879	储存在-20°C
胰岛素牛胰腺	试剂	Sigma-Aldrich公司	I6634	储存在-20°C
吲哚美辛	试剂	Sigma-Aldrich公司	I7378
β-甘油	试剂	Sigma-Aldrich公司	G9891
L-抗坏血酸2 - 磷酸	试剂	Sigma-Aldrich公司	A8960
明胶	脚手架	法玛西亚 - 普强公司	09-0315-08
人类间质干细胞	细胞株	龙沙	PT-2501
9.4T议员扫描器	设备	安捷伦		400MHz的白平衡
10毫米利兹线圈	设备	蒂科学
激光多普勒测振仪	设备	利达	PDV-100
vibrosoft（20）	软件	利达
函数发生器	设备	安捷伦	的AFG 3022B
放大器	设备	压电陶瓷公司	环保局-104-115
压电弯曲机	设备	压电INC。	T234-A4Cl-203X
电脑Linux的	设备	处理器:英特尔酷睿2双核E8400 内存:2G
计算机Windows的	设备	处理器:英特尔酷睿2双核E8400 内存:2G
MATLAB的	软件	MathWorks公司		2009B