Name: 各向异性聚乙烯醇幻影制造用于超声弹性成像：程序与质量控制 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-06-05T16:50:00.000+00:00
Duration: 9 min 59 s
Description: 学习各向异性聚乙烯醇幻影制造方法，用于超声弹性成像验证。通过控制拉伸和冻融循环诱导方向依赖性刚度，结合剪切波成像与单轴拉伸测试进行质量控制，为骨骼肌等生物组织提供可靠的组织模拟模型。

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本研究由北京自然科学基金（编号：1254038）资助。作者感谢香港大学的 Wei-Ning Lee 教授在超声剪切波成像测试中提供的帮助。

注意：以下步骤在图1中进行了图示说明。
1. 模体模具的3D打印
<ol>
	<li>使用3D建模软件设计模体几何结构，使其两端各包含一个用于维持拉伸的固定环，中央有效区域长度为35 mm × 60 mm × 5 mm（长度 × 宽度 × 高度）以确保各向异性诱导的均匀性。</li>
	<li>使用3D打印机打印模具。 
	注意：固定环可防止拉伸过程中发生滑动，确保应变分布均匀。所有3D打印文件（.stl）均提供于 补充文件 1.</li>
</ol>
2. 聚乙烯醇溶液的制备
<ol>
	<li>称取聚乙烯醇（PVA）粉末（10 wt%）、山梨酸钾（1 wt%）和石墨颗粒（1 wt%，粒径约 6.5 µm），并量取相应体积的纯水（建议使用去离子水），以配制总体积约为 200 mL 的溶液。</li>
	<li>将 PVA 粉末与纯水加入烧杯中，将烧杯置于带有搅拌子的磁力搅拌器上，用铝箔覆盖烧杯，在室温下以约 600 rpm 的速度搅拌 10 分钟，直至 PVA 完全分散。</li>
	<li>将烧杯转移至 80 °C 水浴中，继续加热直至 PVA 完全溶解（以溶液澄清、无颗粒为标志）。 
	注意：加热过程中应佩戴耐热手套和护目设备，以防烫伤。确保无未溶解的 PVA 颗粒残留，否则会影响仿组织模型的均匀性。</li>
</ol>
3. 添加添加剂并浇铸
<ol>
	<li>在磁力搅拌器上以约 600 rpm 持续搅拌的同时，将溶液冷却至约 40 °C。</li>
	<li>移去铝箔，加入山梨酸钾和石墨颗粒，重新用铝箔覆盖，并以约 600 rpm 搅拌至添加剂均匀分散（通过视觉确认分布均匀）。</li>
	<li>（可选）对 PVA 溶液进行脱气以去除残留的气泡。将盛有混合溶液的烧杯放入真空室中，抽真空约 30 分钟，以除去 PVA 溶液中的气泡。</li>
	<li>将溶液浇铸至 3D 打印模具中，并用螺丝组装模具。 
	注意：浇铸过程中避免引入气泡。如有必要，可轻轻敲击模具以消除溶液内部滞留的气泡。</li>
</ol>
4. PVA 固化的初始 FTC
<ol>
	<li>将模具置于 −20 °C 冰箱中冷冻 12 小时。</li>
	<li>从冰箱中取出模具，在室温（20 °C）下解冻 12 小时。</li>
	<li>小心脱模，以防损坏。 
	注意：此步骤形成各向同性基础模体，为后续各向异性诱导提供稳定基础。</li>
</ol>
5. 通过拉伸 FTC 诱导各向异性
<ol>
	<li>将模型放置于自制拉伸装置上，逐渐拉伸至其有效长度的180%（80%拉伸应变），手动测量拉伸距离，并锁定装置以防止回缩。</li>
	<li>将整个拉伸装置（含固定好的模型）转移至−20 °C冰箱中冷冻12小时，随后在室温（20 °C）下解冻12小时。</li>
	<li>在持续拉伸条件下重复此冻融循环一次。 
	注意：自制拉伸装置由市售双向对向螺纹线性平台组装而成，配有两件3D打印的模型固定夹具，STL文件详见补充文件1。从−20 °C冰箱中取出拉伸装置时，请佩戴隔热防冻手套以避免冻伤。冻融循环期间的持续拉伸可使PVA分子链单向排列。本研究中采用的总冻融循环次数为：1次无拉伸循环 + 2次拉伸循环（80%拉伸应变）。</li>
</ol>
6. 最终释放与储存
<ol>
	<li>在完成最终的 FTC 解冻步骤后，轻柔地释放拉伸装置，以防止因回缩导致的损伤。</li>
	<li>从拉伸装置上取下模体。各向异性 PVA 模体现已制备完成。</li>
	<li>将模体浸没于水中，置于密封的塑料容器内，在 4 °C 下保存。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Fung, Y. C. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).</li><li>Sherwood, L. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of human physiology. , (2011).</li><li>Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+shear+wave+velocity+in+adult+skeletal+muscle+with+ultrasound+2-D+shear+wave+elastography:+a+scoping+review.">Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review.</a> Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).</li><li>Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supersonic+shear+imaging:+a+new+technique+for+soft+tissue+elasticity+mapping.">Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping.</a> IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).</li><li>Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+transverse+isotropic+properties+of+muscle+by+monitoring+acoustic+radiation+force+induced+shear+waves+using+a+2-D+matrix+ultrasound+array.">Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array.</a> IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).</li><li>Gennisson, J. L., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+and+anisotropic+mechanical+properties+of+in+vivo+muscle+tissue+assessed+by+supersonic+shear+imaging.">Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging.</a> Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).</li><li>Chatelin, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+polyvinyl+alcohol+hydrogel+phantom+for+shear+wave+elastography+in+fibrous+biological+soft+tissue:+a+multimodality+characterization.">Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization.</a> Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).</li><li>Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+polyvinyl+alcohol+hydrogel+for+cardiovascular+applications.">Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications.</a> J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).</li><li>Dong, J., Lee, W. N. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+numerical-model-based+optimization+strategy+for+design+and+fabrication+of+transversely+isotropic+tissue-mimicking+phantoms+[poster].">A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster].</a> , (2022).</li><li>Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+plane-wave+compounding+for+very+high+frame+rate+ultrasonography+and+transient+elastography.">Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography.</a> IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).</li><li>Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+physical+and+engineering+factors+potentially+affecting+shear+wave+elastography.">A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography.</a> J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).</li></ol>

作者声明无利益冲突。

该方案的成功依赖于实现PVA的完全且均匀溶解，并在冻融循环（FTC）过程中维持持续拉伸——这是诱导稳定且均匀力学各向异性的两个关键步骤。本文所采用的制备参数（即PVA浓度、冻融循环次数和施加的拉伸应变）旨在制备出刚度处于肌肉组织生理范围内的各向异性PVA模体。值得注意的是，通过调节这些制备参数，可方便地调控PVA模体的刚度和各向异性比。
沿深度方向相似的剪切波速度分布模式（即图2B中的椭圆）证实了该模体的均匀性。此外，轮廓略呈非椭圆形，可能是由于模体中存在轻微的边界效应。进一步地，根据我们的实验经验，采用所提出的方案可重复地制备各向异性的PVA模体。尽管剪切波成像（SWI）和单轴拉伸测试使用了不同的样本，但当假设各个方向满足 E = 3μ = 3ρVg2​（E ：杨氏模量；μ ：剪切模量；ρ ：密度，1000 kg/m3；...

某些生物软组织（例如骨骼肌）表现出宏观力学各向异性，这种特性源于其有序排列的微观结构1。具体而言，结缔组织将肌纤维组织成一种层级结构：肌内膜包绕单个肌纤维，肌束膜将肌纤维聚集成肌束，而肌外膜则包裹整块肌肉，支持力量传递和营养供应2。基于超声的弹性成像技术（如剪切波成像（SWI））已广泛用于肌肉评估3,4。然而，肌肉的力学各向异性理论上会导致剪切波传播具有方向依赖性5，这使得肌肉刚度的量化变得复杂6。用于模拟机械各向异性组织的仿体对于推动超声弹性成像在肌肉评估中的应用至关重要。
聚乙烯醇（PVA）是此类仿组织材料的理想选择，因为在冻融循环（FTCs）过程中维持机械拉伸可使PVA分子链排列对齐，从而诱导产生力学各向异性7,8。传统方法通常在拉伸条件下使用简单的PVA立方体，但由于表面滑移常导致应变不均匀，从而影响实验的可重复性。通过采用带有末端固定环的优化仿组织几何结构，可有效解决这一局限性，确保可靠的拉伸效果和均匀的应变分布9，显著提升各向异性PVA仿组织的质量。在本研究中，我们通过可视化演示详细展示了此类各向异性PVA仿组织的制备过程，并利用剪切波成像（SWI）和单轴拉伸试验对其力学各向异性进行了验证。

<table><tbody><tr><td>分析天平</td><td>OHAUS</td><td>AX224</td><td>带内部校准功能的分析天平，量程 220 g，可读性 0.1 mg</td></tr><tr><td>双向对向螺纹线性平台</td><td>Taobao</td><td>N/A</td><td>每根螺纹行程范围 250 mm，用于构建自制拉伸装置</td></tr><tr><td>FDM 3D 打印机</td><td>Bambu Lab</td><td>X1 Carbon</td><td>用于打印模体模具以及自制拉伸装置中的模体固定夹具</td></tr><tr><td>FreeCAD</td><td>FreeCAD 开源社区</td><td>N/A</td><td>版本 0.22.0，用于设计模体模具及自制拉伸装置的模体固定夹具</td></tr><tr><td>石墨颗粒</td><td>MREDA</td><td>M151649</td><td>石墨颗粒，纯度 99.95%，2000 目（约 6.5 μm），用作声学散射体，质量分数 1%</td></tr><tr><td>磁力搅拌子</td><td>Corning</td><td>401435</td><td>PTFE 涂层磁力搅拌子，1 × 3/8 英寸，用于搅拌 PVA 溶液</td></tr><tr><td>磁力搅拌器</td><td>IKA</td><td>25005927</td><td>RCT basic safety control 型磁力搅拌器，带加热功能</td></tr><tr><td>聚乙烯醇</td><td>MACKLIN</td><td>P81584</td><td>聚乙烯醇，分子量 89000–98000，水解度 95%，用作模体基质，质量分数 10%</td></tr><tr><td>山梨酸钾</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85520</td><td>山梨酸钾，&amp;ge;99.0% 纯度，用作防腐剂，质量分数 1%</td></tr><tr><td>旋转平台</td><td>Newport</td><td>URS50BPP</td><td>用于剪切波成像测试中旋转超声探头，实现多个探头角度（0&amp;deg;:2&amp;deg;:90&amp;deg;）</td></tr><tr><td>单立柱万能试验机</td><td>Instron</td><td>Model 5944</td><td>用于单轴拉伸测试，配备 50 N 力传感器</td></tr><tr><td>科研用超声系统</td><td>Verasonics</td><td>Vantage 256&amp;nbsp;</td><td>用于进行剪切波成像测试，L7-4 探头（中心频率：5.2 MHz）</td></tr><tr><td>水浴锅</td><td>LICHEN</td><td>HH-2</td><td>数显恒温水浴锅，双孔单排，用于加热并溶解 PVA 溶液</td></tr></tbody></table>

各向异性聚乙烯醇超声弹性成像仿体的制备：方法与质量控制

Anisotropic Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication for Ultrasound Elastography: Procedure and Quality Controls

聚乙烯醇（PVA）仿体通常为各向同性，广泛用于验证用于软组织评估的超声弹性成像技术。然而，某些生物软组织（例如骨骼肌）表现出明显的力学各向异性，因此在针对这些组织的弹性成像方法的严格测试中，需要使用各向异性的PVA仿体。尽管先前的研究指出，可通过结合拉伸的冻融循环（FTC）在实验室制备各向异性的PVA仿体，但关键的技术细节（如制备工艺、质量控制）仍缺乏充分记录。本研究提供了一种视觉化、可重复的制备各向异性PVA仿体的实验方案，重点介绍关键材料、分步操作流程及质量控制方法，以实现稳定且均匀的各向异性。关键材料包括：PVA作为仿体基质，山梨酸钾作为防腐剂，石墨颗粒作为声散射体，纯水（或去离子水）作为溶剂。制备过程包括三个核心阶段：1）在可控热条件下制备均匀的PVA基溶液，确保PVA完全溶解；2）通过冻融循环（FTC）固化：将冷却后的溶液倒入3D打印模具中，随后进行无拉伸的冻融循环，形成初步结构；3）通过拉伸状态下的冻融循环诱导各向异性：在可控拉伸条件下进行额外的冻融循环，以产生方向性各向异性。文中详细描述了质量控制措施（例如，在PVA溶解过程中避免气泡产生）。制备完成后，采用超声剪切波成像（SWI）和单轴拉伸测试来验证仿体的力学各向异性。本文提供了一种标准化的各向异性组织模拟仿体制备方法，以更准确、一致地验证超声弹性成像技术。

图2A展示了完整的制备流程示意图，包括PVA溶液配制、 molding（成型）、初始无拉伸FTC、脱模以及后续的拉伸FTC。根据所提出的方案，我们分别制备了两种各向异性的PVA仿组织体，用于剪切波成像（SWI）和单轴拉伸测试。SWI实验使用配备L7-4探头（中心频率：5.2 MHz）的研究型超声系统，采用超声模式（3个焦点，100 µs推动）4和相干平面波复合技术（CPWC）10，在−2°、0°、2°角度下以6 kHz帧率进行。为了捕捉多个角度下的剪切波传播情况，使用旋转平台将超声探头从0°旋转至90°，步长为2°。SWI结果显示出椭球形的剪切波传播轮廓，表明材料具有横向各向同性——即在垂直于拉伸方向的方向上（即图2B中的90°方向）波速较慢。如图2C所示，第二个样品使用万能试验机（应变率：1%/s）进行了单轴拉伸测试。结果显示，沿拉伸方向的杨氏模量（E<s...

本方案描述了一种稳定且可重复的制备各向异性聚乙烯醇（PVA）仿组织体的方法，这类仿组织体是验证针对力学各向异性软组织（如骨骼肌）的超声弹性成像技术的关键工具。

聚乙烯醇（PVA）仿组织体模通常具有各向同性，广泛用于验证用于软组织评估的超声弹性成像技术。

超声弹性成像是一种强大且日益重要的无创评估软组织力学特性的工具，对于诊断多种疾病具有关键作用。为了准确验证和开发这些技术，可靠的仿组织体模不可或缺。传统上，聚乙烯醇（PVA）体模因其类似组织的声学和力学特性而被广泛使用。大多数PVA凝胶模体本质上是各向同性的，这意味着它们的力学性能在各个方向上均匀一致。然而，许多重要的生物组织（如骨骼肌）则表现出明显的力学各向异性，其刚度随不同取向而变化。使用各向同性模体来验证这些各向异性组织的弹性成像方法可能导致误判，并限制其临床适用性。为克服这一问题，迫切需要标准化的各向异性组织模拟工具。尽管先前的研究已表明制备各向异性聚乙烯醇（PVA）模体具有潜力，但关键的技术细节，特别是关于其可重复制备和质量控制方面的内容，往往描述不足。在本视频中，我们展示了一种视觉上详尽且高度可重复的制备坚固PVA心肌模拟体的方案。让我们开始吧。在开始之前，请确保您已准备好所有必要的材料和设备，并始终优先考虑安全，穿戴适当的个人防护装备，如实验服、手套和护目镜。对于模拟体模基质，我们使用聚乙烯醇粉末，特别是高分子量级别，以确保适当的刚度。作为防腐剂，我们使用山梨酸钾以防止微生物生长。加入石墨颗粒作为声学散射体，使体模在超声下可见并可追踪。最后，纯水作为我们的溶剂。诱导各向异性至关重要的是定制设计的3D打印模具。这些模具专门设计用于在制备过程中固定仿组织体。这种定制的拉伸装置使我们能够在特定的冻融循环过程中施加精确且可控的应变。首先，准确称取干燥组分：20克聚乙烯醇（PVA）粉末、2克山梨酸钾和2克石墨颗粒。此处的精确性对于获得稳定的模体特性至关重要。接下来，量取 176 毫升纯水。将纯水加入一个洁净的烧杯中。将烧杯置于磁力搅拌器上，然后小心地将称量好的 PVA 粉末加入纯水中。确保加入搅拌子。溶液搅拌均匀后，用铝箔密封烧杯。铝箔覆盖可减少水分蒸发，从而防止溶液浓度发生变化。然后将烧杯放入水浴中。将水浴的温度设置为 100 摄氏度。这是为了使水浴能够更快地升温，以达到我们设定的目标温度 80 摄氏度。充分加热后，PVA 将完全溶解在溶液中。此时，将烧杯取下并放回磁力搅拌器上，继续缓慢搅拌，使其冷却至约 40 摄氏度。此过程大约需要 15 分钟。接下来，将山梨酸钾和石墨颗粒加入烧杯中。用铝箔密封烧杯，并持续缓慢搅拌。待溶液冷却后，小心将其倒入3D打印的模具中。缓慢倾倒，并使倾倒口靠近模具表面，以防止产生新的气泡，确保模具被均匀填充。将模具放入设定为零下20摄氏度的冰箱中，冷冻12小时。此步骤为第一阶段冷冻。冷冻过程完成后，将模具转移至室温环境，使其完全解冻。此过程大约需要12小时。初始无拉伸循环完成后，小心地将基础仿体脱模。在此阶段，它们仍基本呈各向同性，但已具备稳定的结构。现在，将模体牢固地安装到拉伸装置中，然后对模体施加精确且可控的单轴应变，将其拉伸至原始长度的180%。沿特定轴向的均匀拉伸对于诱导方向性各向异性至关重要，因为聚合物链将沿拉伸方向重新排列。在保持精确拉伸状态的同时，将带有拉伸后模型的整个装置重新放回冷冻箱中冷冻12小时。随后，在持续张力下将其转移至解冻环境中再放置12小时。冷冻过程可固定拉伸所诱导的分子重新排列。重复这些拉伸-冻融循环若干次。每次循环都会进一步增强各向异性特性，从而形成坚固且具有方向依赖性的模型。在最后一次拉伸循环结束后，小心释放装置中的张力，然后轻柔地取出完全成型的各向异性PVA模型。您会注意到，与原始的初步形态相比，该模型的外观没有明显变化。然而实际上，此时其微观结构和力学性能已发生了显著且可重复的变化。制备完成后，验证所诱导的各向异性至关重要。我们采用两种主要方法：超声剪切波成像和单轴拉伸测试。对于超声剪切波成像，我们放置模体并获取剪切波速度测量值。当剪切波沿诱导各向异性的方向传播时，观察到更高的剪切波速度，表明刚度更大。相反，当波在垂直方向传播时，我们测得的剪切波速度显著较低，证实了该模型机械性能的方向依赖性。这种可量化的差异直观地展示了成功的各向异性。此外，沿深度方向相似的剪切波速度分布模式也证实了该模型的均匀性。单轴拉伸试验可提供更直接的力学评估。我们制备了沿诱导各向异性轴方向平行和垂直切割的模型样品。在进行拉伸试验时，应力-应变曲线清晰地展示了两者之间的差异。在各向异性方向上，仿体样本表现出更高的杨氏模量，表明该方向具有更大的刚度和更强的抗变形能力。这些结果明确证实了各向异性聚乙烯醇仿体的成功制备。综上所述，我们提供了一种详细且可重复的各向异性聚乙烯醇仿体制备方案。通过精确控制材料制备、冻融循环以及关键的拉伸步骤，研究人员能够制备出具有可调各向异性特性的高质量组织模拟工具。这些模体填补了弹性成像研究中的一个关键空白，为验证针对各向异性生物组织的技术提供了更符合生理条件的模型。感谢观看。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

各向异性聚乙烯醇幻影制造用于超声弹性成像：程序与质量控制

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通过等离子体金纳米颗粒可控成核空化以增强高强度聚焦超声应用

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评估超声引导下高强度聚焦超声相控阵系统在焦平面内的靶向准确性

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