Name: 使用压痕和磁共振弹性成像对软组织模拟明胶模型进行粘弹性表征 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: 了解使用压痕和磁共振弹性成像技术对软组织模拟明胶模型进行粘弹性表征的方法。该方案可用于脑、肝脏及肿瘤等生物组织的力学特性研究，为疾病诊断提供生物力学标志物。

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感谢国家自然科学基金（项目编号 31870941）、上海市自然科学基金（项目编号 22ZR1429600）以及上海市科学技术委员会（项目编号 19441907700）提供的经费支持。

1. 明胶仿体制备
<ol>
	<li>根据表1称取明胶、甘油和水。将明胶粉末与水混合，得到明胶溶液。 
	注意：制备两种模体时各组分的浓度见表1。明胶浓度越高，模体越坚硬。</li>
	<li>将明胶溶液置于水浴中加热至60 °C。在保持温度的条件下，向明胶溶液中加入甘油。 
	注意：甘油通过提高明胶混合物的熔点和剪切模量，起到稳定作用17。</li>
	<li>搅拌溶液并再次加热至60 °C。将混合溶液倒入用于磁共振弹性成像（MRE）和压痕测试的容器中。冷却至室温，并等待溶液完全凝固。</li>
</ol>
2. MRE 检测
<ol>
	<li>将振动板放置在明胶模体上方，确保模体与振动板之间的接触牢固（图1A）。 
	注：振动板由聚酰胺材料制成，尺寸为 50 x 50 x 5 mm3。</li>
	<li>将明胶模体放入头部线圈中，在明胶模体周围放置海绵和沙袋，以确保模体固定稳固。使用定制的电磁驱动器并连接传动杆14,18。将电磁驱动器安装在头部线圈上，并将传动杆与振动板连接（图1B）。</li>
	<li>将驱动器的电源线连接至放大器，控制线连接至控制器（图1C）。</li>
	<li>驱动器与MRI扫描参数设置
	<ol>
		<li>在函数发生器中设置波形、振动频率和振幅。通过调节功率放大器设定所需的振动振幅。 
		注：本实验中，函数发生器中设置的波形为正弦波，振动频率设为 40 Hz 或 50 Hz，振幅设为 1.5 Vpp；功率放大器中的放大倍率设为 40%。</li>
		<li>将函数发生器设置为触发模式，并将触发线连接至MRI设备的外部触发端口。</li>
		<li>将磁共振弹性成像（MRE）扫描（驱动器）频率设置为与函数发生器输出频率相同，以确保运动编码梯度与振动板的运动同步。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据采集与分析
	<ol>
		<li>按照常规成像定位流程操作。采用基于二维梯度回波（GRE）的MRE序列对明胶模体进行成像20。GRE-MRE成像参数设置如下：翻转角 = 30°；TR/TE = 50/31 ms；视野 = 300 mm；层厚 = 5 mm；体素大小 = 2.34 x 2.34 mm2。</li>
		<li>在一个正弦周期内，于四个时间点采集相位图像。在每个时间点同时施加正向和负向的运动编码梯度。</li>
		<li>根据所获取的相位图像，通过减去正向与负向编码的相位图像来消除背景相位。采用基于可靠性排序的算法对相位图像进行解包裹处理21。</li>
		<li>对解包裹后的相位图像应用快速傅里叶变换，提取运动的主成分。使用数字带通滤波器对相位图像进行滤波，并采用二维直接反演（DI）算法估算剪切模量，从而获得储能模量 G' 和损耗模量 G''13,14。 
		​注：带通滤波器的截止频率范围为 [0.04 0.08]，DI算法拟合窗口的大小为 11 x 11。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 压痕测试
<ol>
	<li>使用圆形打孔器或手术刀片，分别将明胶仿体修整为圆柱形或长方体样品。确保样品厚度在 3 至 10 mm 之间，圆柱形样品的直径或长方体样品的长边大于 4 mm。使用锋利刀片修整样品表面，使其尽可能平整，以便进行压痕测试。</li>
	<li>打开压痕测试仪的电源。使用专为自动化控制压头接触过程而设计的压痕仪控制程序执行以下步骤（自定义程序；参见材料表）。
	<ol>
		<li>在图形用户界面（GUI）中点击回退按钮以初始化校准过程（图 2B）。读取激光传感器的数值，并将该值输入到基线框中。 
		注：在校准过程中，激光传感器与挡板之间的距离被调整至一个特定的预设值。</li>
		<li>将载玻片放置在挡板上，记录激光传感器显示的数值。然后将样品置于载玻片上，并一起放置于挡板上。读取激光传感器的数值，并将该值输入到样品+载玻片框中。 
		注：激光传感器用于记录压痕过程中的位移，同时也用于在测试前测量样品厚度。</li>
		<li>将步骤 3.2.2 中获得的两个数值相减，所得差值即为感兴趣区域（ROI）的样品厚度。</li>
		<li>小心地将样品连同其下方的载玻片放置在压头正下方，然后点击接触按钮，以启动压头与样品表面的自动接触。 
		注：如果自动接触效果不理想（例如压头深入样品内部或未实现接触），可在偏移量框中输入 0.05–0.1 mm 范围内的数值来调整压头位置，并重复步骤 1.2.1–1.2.4。</li>
		<li>根据测得的样品厚度（步骤 3.2.3），通过将厚度乘以设定的压痕测试应变（此处设定为 ≤8%）来估算压痕位移（即总压痕深度），以确保压痕过程符合小应变假设。</li>
		<li>将计算得到的位移值（步骤 3.2.5）输入到位移（mm）框中。在保持时间框中设置弛豫时间为 180 s。点击压痕按钮。在斜坡-保持过程中产生的位移和反作用力将被自动记录，并保存至指定的文件路径中。 
		注：文件路径可预先设定为测试数据的保存路径。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将压痕数据导出至电子表格。使用两项Prony级数 <img alt="G(t) 衰减方程；静态分析；数据拟合的数学公式；教学用途。" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 1"> 拟合力弛豫曲线1,3,11： 
	<img alt="化学反应速率方程；数学公式；科学分析；动力学研究。" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 2"></li>
	<li>根据拟合参数估算瞬时剪切模量（G0）和长期剪切模量（G∞）： 
	<img alt="静态平衡示意图，包含公式 \(G_0 = \sum_{i=1}^3 C_i, G_\infty = C_0\)。" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 3"> 
	注：在上述公式中，C0、Ci 和 τi 为Prony级数的模型参数，F 为压痕力，R 为压头半径，X 为无限半空间假设的补偿因子，V 为压痕速度，t 为时间变量，tR 为斜坡时间。</li>
</ol>

<ol><li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+characterization+of+injured+brain+tissue+after+controlled+cortical+impact+%28CCI%29+using+a+mouse+model%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model.</a> Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463(2020).</li>
<li>Garcia, K. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+patterns+of+cortical+expansion+during+folding+of+the+preterm+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+viscoelastic+properties+of+breast+cancer+tissue+in+a+mouse+model+using+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation.</a> Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).</li>
<li>Yin, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+quantification+and+3D+visualization+of+brain+tumor+adhesion+using+slip+interface+imaging+in+patients+with+meningiomas%5BTitle%5D)+AND+%22European+Radiology%22%5BJournal%5D)">A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas.</a> European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).</li>
<li>Streitberger, K. -J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+tissue+fluidity+influences+brain+tumor+progression%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">How tissue fluidity influences brain tumor progression.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128(2020).</li>
<li>Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((REVIEW%3A+MR+elastography+of+brain+tumors%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%3A+Clinical%22%5BJournal%5D)">REVIEW: MR elastography of brain tumors.</a> NeuroImage: Clinical. 25, 102109(2020).</li>
<li>Namani, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+characterization+of+transversely+isotropic+soft+materials+by+dynamic+shear+and+asymmetric+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004(2012).</li>
<li>Potter, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+small-specimen+planar+biaxial+testing+system+with+full+in-plane+deformation+control%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011(2018).</li>
<li>Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+method+for+the+analysis+of+planar+biaxial+mechanical+data+using+tethered+testing+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501(2015).</li>
<li>Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+flat+punch+indentation+methodology+calibrated+against+unconfined+compression+tests+for+determination+of+soft+tissue+biomechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+indentation+and+magnetic+resonance+elastography+for+measuring+viscoelastic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mechanica+Sinica%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties.</a> Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).</li>
<li>Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+elastography+of+liver+and+spleen%3A+Methods+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications.</a> NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891(2018).</li>
<li>Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harnessing+brain+waves%3A+a+review+of+brain+magnetic+resonance+elastography+for+clinicians+and+scientists+entering+the+field%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Radiolology%22%5BJournal%5D)">Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field.</a> British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265(2021).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+electromagnetic+actuator+for+brain+magnetic+resonance+elastography+with+high+frequency+accuracy%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy.</a> NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592(2021).</li>
<li>Hiscox, L. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard-space+atlas+of+the+viscoelastic+properties+of+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain.</a> Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).</li>
<li>Seyedpour, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+magnetic+resonance+imaging+in+liver+biomechanics%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review.</a> Frontiers in Physiology. 12, 733393(2021).</li>
<li>Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+soft+gels%3A+comparison+of+magnetic+resonance+elastography+and+dynamic+shear+testing+in+the+shear+wave+regime%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime.</a> Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).</li>
<li>Feng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multi-purpose+electromagnetic+actuator+for+magnetic+resonance+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography.</a> Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).</li>
<li>Zeng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlinear+inversion+MR+elastography+with+low-frequency+actuation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).</li>
<li>Wang, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+magnetic+resonance+elastography+with+multiphase+radial+encoding+and+harmonic+motion+sparsity+based+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction.</a> Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).</li>
<li>Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+two-dimensional+phase-unwrapping+algorithm+based+on+sorting+by+reliability+following+a+noncontinuous+path%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path.</a> Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).</li>
<li>Gordon-Wylie, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+elastography+at+1+of+gelatin+phantoms+using+3D+or+4D+acquisition%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition.</a> Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).</li>
<li>McGarry, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uniqueness+of+poroelastic+and+viscoelastic+nonlinear+inversion+MR+elastography+at+low+frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies.</a> Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006(2019).</li>
<li>Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+viscoelastic+parameters+in+Magnetic+Resonance+Elastography%3A+a+comparison+at+high+and+low+magnetic+field+intensity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587(2021).</li>
<li>Ozkaya, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-mimicking+phantom+for+biomechanical+validation+of+motion+sensitive+MR+imaging+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680(2021).</li>
<li>Guidetti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axially-+and+torsionally-polarized+radially+converging+shear+wave+MRE+in+an+anisotropic+phantom+made+via+Embedded+Direct+Ink+Writing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483(2021).</li>
<li>Badachhape, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+of+three-dimensional+human+skull+motion+to+brain+tissue+deformation+in+magnetic+resonance+elastography+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021(2017).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

明胶仿体常被用作组织模拟材料，以测试和验证算法及设备17,19,22,23,24,25,26,27。Okamoto 等人（2011 年）17首次利用明胶仿体比较磁共振弹性成像（MRE）与动态剪切测试，其中明胶的质量浓度约为 2.8%，经校正后估算的 G' 和 G'' 值分别在 1.06–1.15 kPa 和 0.11–0.27 kPa 范围内。Zeng 等人（2020 年）19也使用明胶仿体来验证 MRE 的反演算...

大多数软生物组织表现出重要的黏弹性特性，理解这些特性对于研究组织的损伤与发育至关重要1,2。此外，黏弹性特性在多种疾病的诊断中是重要的生物标志物，例如纤维化和癌症3,4,5,6。因此，对软组织黏弹性特性的表征至关重要。在众多表征技术中，离体（ex vivo）组织样本力学测试和利用生物医学成像进行的活体（in vivo）弹性成像技术是两种广泛应用的方法。
尽管已有多种力学测试技术用于软组织表征，但其对样本尺寸和测试条件的要求往往难以满足。例如，剪切测试需要将样本牢固地固定在剪切板之间7。双轴拉伸测试更适用于膜状组织，且对夹持方式有特定要求8,9。压缩试验常用于组织测试，但无法表征单个样本内的特定位置10。压痕测试无需额外固定组织样本，可用于测量多种生物组织样本（如脑组织和肝脏）。此外，使用较小的压头可对样本内的局部区域进行力学性能测试。因此，压痕测试已被广泛应用于多种软组织的力学特性检测1,3,11。
表征软组织的生物力学特性 体内 对于生物力学的转化研究和临床应用具有重要意义。超声（US）和磁共振（MR）成像是目前最常用的技术。尽管超声成像相对便宜且易于操作，但其对比度较低，难以对脑等器官进行有效测量。磁共振弹性成像（MRE）能够对深层结构进行成像，可测量多种软组织6,12，尤其是大脑13,14施加外部振动后，磁共振弹性成像（MRE）可在特定频率下测量软组织的黏弹性特性。
研究表明，在50-60 Hz频率下，正常脑组织的剪切模量约为1.5-2.5 kPa5,6,13,14,15，正常肝脏则约为2-2.5 kPa16。因此，具有类似生物力学特性的明胶仿体已被广泛用于模拟软组织，以进行测试和验证17,18,19。在本实验方案中，制备并测试了两种不同浓度的明胶仿体。采用自行研制的电磁磁共振弹性成像（MRE）装置14和压痕装置1,3对明胶仿体的黏弹性特性进行了表征。该测试方案可用于测试多种软组织，如脑组织或肝脏。

<table><tbody><tr><td>24通道头部线圈 &amp;amp; 颈部线圈</td><td>联影医疗</td><td>100120</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>3T MR 扫描仪</td><td>联影医疗</td><td>uMR 790</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>采集板</td><td>研华股份有限公司</td><td>PCI-1706U</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>计算机-Windows</td><td>HP</td><td>790-07</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>电磁致动器</td><td>上海交通大学</td><td></td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>函数发生器</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>明胶</td><td>CARTE D&amp;rsquo;或</td><td></td><td>试剂</td></tr><tr><td>甘油</td><td>Vance Bioenergy Sdn.Bhd</td><td></td><td>试剂</td></tr><tr><td>压痕控制程序</td><td>定制设计</td><td></td><td>软件；可通过以下网址访问：https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code。</td></tr><tr><td>激光传感器</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>加载细胞</td><td>换能器技术</td><td>GSO-10</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>软件</td></tr><tr><td>功率放大器</td><td>雅马哈</td><td>A-S201</td><td>仪器设备</td></tr><tr><td>音圈电机</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>仪器设备</td></tr></tbody></table>

利用压痕法和磁共振弹性成像对模拟软组织的明胶仿体进行黏弹性表征

Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography

表征软性生物组织的生物力学特性对于理解组织力学以及探究与生物力学相关的疾病、损伤和发育机制具有重要意义。机械测试方法是组织表征最直接的手段，也被视为验证 体内 测量。在众多 离体 机械测试技术中，压痕测试提供了一种可靠的方法，尤其适用于体积小、难以固定且具有黏弹性特性的样品，如脑组织。磁共振弹性成像（MRE）是一种临床上用于测量软组织生物力学特性的方法。基于MRE记录的软组织中剪切波的传播情况，可估算软组织的黏弹性特性。 体内 基于波动方程。本文通过磁共振弹性成像（MRE）和压痕法测量了两种不同浓度明胶仿体的黏弹性特性。文中给出了仿体制备、测试及模量估算的详细实验方案。

根据磁共振弹性成像（MRE）方案，在40 Hz和50 Hz下观察到明胶仿体中清晰的剪切波传播（图3）。磁共振弹性成像（MRE）和压痕测试测得的黏弹性特性如图4所示。各次测试中每个仿体的储能模量G'和损耗模量G"的估计值汇总于表2。根据压痕测试方案，每个仿体在各测试点的黏弹性特性汇总于表3。
如图所示 图4，使用磁共振弹性成像（MRE）进行测量时，在40 Hz和50 Hz下测得的储能模量（G'）和损耗模量（G"）值在两种明胶仿体之间表现出显著差异（student's t检验） t-test，p &lt; 0.05）。此外，在 40 Hz 与 50 Hz 测量之间的 G' 和 G" 值均观察到显著差异（student's t-test，p &lt; 0.05）。同样，在使用压痕试验进行测量时，两种幻影之间也...

本文展示了制备模拟软组织的明胶仿体的实验方法及步骤总结，并介绍了利用压痕法和磁共振弹性成像对其进行相应的黏弹性表征。

表征软生物组织的生物力学特性对于理解组织力学行为并探索其……

本方案提供了一种制备模拟组织特性的凝胶的方法，用于离体和在体生物力学表征，这对于理解组织特性并发现新的生物标志物至关重要。压痕法可用于测量尺寸较小的组织样本，操作简便，且同一样本可同时用于磁共振弹性成像（MRE）测试，从而实现对在体测试条件的直接模拟。该方法可揭示软性生物样本（如脑组织、肝脏、肿瘤组织等）的黏弹性频率依赖性力学特性。其他类似样本模型的相应特性也可通过该方法进行测量。首先将明胶粉末与水混合，得到明胶溶液。将明胶溶液置于水浴中加热至60摄氏度，并在保持温度的同时向溶液中加入甘油。搅拌溶液后再次加热至60摄氏度。将混合溶液倒入用于磁共振弹性成像（MRE）和压痕测试的容器中。冷却至室温，等待溶液完全凝固。将明胶仿体放入头部线圈中。然后，将振动板放置在明胶仿体上方，确保仿体与振动板之间的接触牢固。在明胶仿体周围放置海绵和沙袋，以确保仿体固定稳妥。将电磁致动器安装在头部线圈上，并将传动杆连接至振动板。将致动器的电源线连接至放大器，然后将控制线连接至控制器。在函数发生器中设置波形、振动频率和振幅。通过调节功率放大器来设定所需的振动幅度。然后，将函数发生器设置为触发模式。将触发线连接到磁共振成像（MRI）设备的外部触发端口。将MRE扫描频率设置为与函数发生器输出频率相同，以确保运动编码梯度与振动板的运动同步。接下来，将翻转角设为30度，TR和TE分别设为50毫秒和31毫秒，视野设为300毫米，层厚设为5毫米，体素大小设为2.34 × 2.34平方毫米。在一个正弦周期内，于四个时间点采集相位图像。在每个时间点同时施加正向和负向的运动编码梯度。根据所获取的相位图像，通过减去正向和负向编码的相位图像来去除背景相位。使用基于可靠性排序的算法对相位进行解缠绕。通过对解包裹的相位图像应用快速傅里叶变换，提取运动的主要成分。使用数字带通滤波器对相位图像进行滤波，并采用二维直接反演算法估算剪切模量，从而获得储能模量G′和损耗模量G″。使用圆形冲头将明胶模体裁剪成圆柱形样品，再用外科手术刀将其修整为长方体样品。使用锋利的刀片修整样品表面，使其尽可能平整，以便进行压痕测试。打开压痕测试仪的电源，然后在图形用户界面（GUI）中单击“Back Off”按钮以启动校准程序。读取激光传感器的数值，并将该数值输入“BaseLine”输入框中。将载玻片放置在挡板上，记录激光传感器显示的数值。然后将样品置于载玻片上，一起放回挡板上。读取激光传感器的数值，并将该数值输入“样品载玻片”框中。这两个值之间的差即为感兴趣区域的样品厚度。将样品连同其下方的玻璃载片小心地放置在压头正下方，然后点击“接触”按钮，以启动压头与样品表面的自动接触。根据测得的样品厚度，通过将厚度乘以压痕测试应变来估算压痕位移。在“位移”框中输入位移值。在“停留时间”框中将弛豫时间设置为180秒，然后点击“压痕”按钮。在斜坡/保持过程中产生的位移和反作用力将被自动记录，并保存至指定文件路径下的文件中。此处展示了两种明胶仿体在 40 和 50 赫兹下的波传播图像。四个相位对应一个正弦周期中的四个时间点。此处还展示了通过磁共振弹性成像（MRE）和压痕实验测得的黏弹性特性。代表性图像展示了两种明胶仿体在磁共振弹性成像（MRE）中于40和50赫兹下的典型估算G′和G″分布图。此处展示了通过六次重复压痕实验测得的两种仿体的G₀和G∞值的均值及标准差。屏幕上显示的图形图像代表了在六次重复MRE实验中，两种仿体在40和50赫兹下的G′和G″值的均值及标准差。星号表示存在显著差异。进行此操作时，确保振动板牢固地压在模体上方，但不要过度按压。处理样品时，应确保表面尽可能平整。该技术为探索与病理学研究相关的生物力学特性，以及开发基于生物力学的疾病诊断与预后生物标志物奠定了基础。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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该实验步骤展示了利用磁共振弹性成像技术，通过显微磁共振弹性成像（μMRE）对脂肪和成骨组织工程构建物的力学特性进行无创局部评估，从而监测其组织工程效果的方法学。...

磁共振弹性成像技术用于评估组织工程构建物生长的方法学

来源： Feng, Y., 等．利用压痕法与磁共振弹性成像对模拟软组织的明胶仿体进行黏弹性表征．J. Vis. Exp. (2022)...

磁共振弹性成像用于评估黏弹性特性

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利用粒子追踪微流变学对三维肿瘤模型中细胞外基质刚度进行纵向测量

我们介绍了一组用于表征大脑在微观、介观和宏观尺度下的黏弹性力学特性的技术。...

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利用压痕与拉伸试验对人体软组织进行生物力学表征

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