Dieses Protokoll beschreibt eine robuste, reproduzierbare Methode zur Herstellung anisotroper Polyvinylalkohol-(PVA)-Phantome – wesentliche Werkzeuge zur Validierung von Ultraschall-Elastographietechniken, die auf mechanisch anisotrope Weichteile (z. B. Skelettmuskulatur) abzielen.
Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.
Methodenartikel
Anisotrope Polyvinylalkohol-Phantomherstellung für Ultraschallelastographie: Verfahren und Qualitätskontrollen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Polyvinylalkohol-(PVA)-Phantome sind typischerweise isotrop und werden häufig zur Validierung von Ultraschall-Elastographietechniken für die Weichteilbewertung eingesetzt. Einige biologische Weichteile (z. B. Skelettmuskulatur) weisen jedoch eine ausgeprägte mechanische Anisotropie auf, was den Einsatz anisotroper PVA-Phantome für die rigorosen Tests von Elastographiemethoden für diese Gewebe erforderlich macht. Obwohl frühere Studien festgestellt haben, dass hauseigene anisotrope PVA-Phantome über stretch-integrierte Freeze/Thaw-Zyklen (FTCs) hergestellt werden können, sind kritische technische Details (z. B. Fertigungsprozess, Qualitätskontrolle) weiterhin unzureichend dokumentiert. Diese Arbeit präsentiert ein visuell detailliertes, reproduzierbares Protokoll zur Herstellung anisotroper PVA-Phantome, wobei der Fokus auf Schlüsselmaterialien, schrittweise Prozesse und Qualitätskontrollen liegt, um eine stabile, einheitliche Anisotropie zu induzieren. Wichtige Materialien sind PVA als Phantommatrix, Kaliumsorbat als Konservierungsmittel, Graphitpartikel als akustische Streuer und reines Wasser (oder deionisiertes Wasser) als Lösungsmittel. Der Fertigungsprozess besteht aus drei Kernphasen: 1) Herstellung einer homogenen, PVA-basierten Lösung unter kontrollierten thermischen Bedingungen zur vollständigen PVA-Auflösung; 2) Erstarrung mittels FTCs: Die abgekühlte Lösung wird in 3D-gedruckte Formen gegossen, gefolgt von dehnungsfreien FTCs, um eine vorläufige Struktur zu bilden; 3) Anisotropie durch gedehnte FTCs induzieren: Zusätzliche FTCs werden unter kontrollierter Dehnung durchgeführt, um eine richtungsanisotropie zu induzieren. Qualitätskontrollmaßnahmen (z. B. das Vermeiden von Luftblasen während der PVA-Auflösung) werden ausführlich beschrieben. Nach der Herstellung werden Ultraschall-Scherwellenbildgebung (SWI) und uniaxiale Zugtests eingesetzt, um die mechanische Anisotropie des Phantoms zu bestätigen. Dieses Papier bietet einen standardisierten Ansatz zur Herstellung anisotroper, gewebenachahmender Phantome, um Ultraschall-Elastographietechniken mit erhöhter Genauigkeit und Konsistenz zu validieren.
Einleitung
Bestimmte biologische Weichteile (z. B. Skelettmuskulatur) weisen makroskopische mechanische Anisotropie auf, die aus ihrer ausgerichteten mikrostrukturellen Architektur1 entsteht. Konkret organisieren Bindegewebe die Muskelfasern zu einer hierarchischen Struktur: Endomysium umschließt einzelne Fasern, das Perimysium bündelt Fasern zu Faszikeln, und das Epimysium umschließt den gesamten Muskel, unterstützt die Kraftübertragung und die Nährstoffversorgung2. Ultraschallbasierte Elastographietechniken, wie die Scherwellenbildgebung (SWI), werden häufig für die Muskeldiagnostikeingesetzt 3,4. Die anisotropen mechanischen Eigenschaften des Muskels führen jedoch theoretisch zu einer richtungsabhängigen Scherwellenausbreitung5, was die Quantifizierung der Muskelsteifigkeit6 erschwert. Mechanisch anisotrope, gewebenachahmende Phantome sind unerlässlich, um die Ultraschallelastographie bei der Muskeldiagnostik voranzutreiben.
Polyvinylalkohol (PVA) ist ein ideales Material für solche Phantome, da die mechanische Dehnung während der Frost-/Tauzyklen (FTCs) die Molekularketten der PVA ausrichtet und so eine mechanische Anisotropie 7,8 induziert. Konventionelle Ansätze, die einfache PVA-Kuboide beim Dehnen verwenden, führen oft zu einer inhomogenen Dehnung aufgrund von Oberflächenverschiebung, was die Reproduzierbarkeit beeinträchtigt. Diese Einschränkung kann durch die Verwendung einer optimierten Phantomgeometrie mit Endhalten behoben werden, was eine zuverlässige Dehnung und gleichmäßige Dehnungsverteilung9 gewährleistet – was die Qualität anisotroper PVA-Phantome deutlich verbessert. In dieser Studie liefern wir eine detaillierte visuelle Demonstration der Herstellung solcher anisotropen PVA-Phantome und validieren ihre mechanische Anisotropie sowohl durch SWI- als auch uniaxiale Zugtests.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Protokoll
HINWEIS: Die folgenden Schritte sind in Abbildung 1 dargestellt.
1. 3D Drucken von Phantomformen
- Mit 3D-Modellierungssoftware wird die Phantomgeometrie so gestaltet, dass sie zwei Halteringe (je einen an jedem Ende) zur Aufrechterhaltung der Dehnung enthält, mit einem effektiven zentralen Bereich von 35 mm × 60 mm × 5 mm (Länge × Breite × Höhe), um eine gleichmäßige Anisotropieinduktion sicherzustellen.
- Drucken Sie die Form mit einem 3D-Drucker.
HINWEIS: Die Halteringe verhindern ein Durchrutschen beim Dehnen und sorgen so für eine gleichmäßige Dehnungsverteilung. Alle 3D-Druckdateien (.stl) werden in Supplemental File 1 bereitgestellt.
2. Herstellung der PVA-Lösung
- Wägen Sie PVA-Pulver (10 Wt%), Kaliumsorbat (1 Wt%) und Graphitpartikel (1 Wt%, ~6,5 μm Durchmesser) und messen Sie das entsprechende Volumen Reinwassers (deionisiertes Wasser wird empfohlen), um ein Batchvolumen von ~200 ml herzustellen.
- Kombinieren Sie PVA-Pulver und reines Wasser in einem Becher, legen Sie den Becher auf einen magnetischen Rührer mit einem Rührstab, überziehen Sie den Becher mit Alufolie und rühren Sie bei ~600 U/min bei Raumtemperatur 10 Minuten lang, bis PVA vollständig verteilt ist.
- Bringen Sie den Becher in ein 80 °C Wasserbad und erhitzen Sie weiter, bis die PVA vollständig gelöst ist (belegt durch eine klare, partikelfreie Lösung).
HINWEIS: Tragen Sie beim Heizen hitzebeständige Handschuhe und Augenschutz, um Wärmeverbrennungen zu vermeiden. Stellen Sie sicher, dass keine ungelösten PVA-Partikel zurückbleiben, da diese die Phantomhomogenität beeinträchtigen würden.
3. Zugabe von Zusätzen und Gießen
- Kühlen Sie die Lösung auf ~40 °C, während Sie weiter mit ~600 U/min am magnetischen Rührer umrühren.
- Entfernen Sie die Alufolie, fügen Sie Kaliumsorbat und Graphitpartikel hinzu, decken Sie sie erneut mit Folie ab und rühren Sie mit ~600 U/min, bis die Zusätze gleichmäßig verteilt sind (visuelle Bestätigung der homogenen Verteilung).
- (Optional) Entgasen Sie die PVA-Lösung, um Restluftblasen zu entfernen. Stellen Sie den Becher mit der gemischten Lösung in eine Vakuumkammer und legen Sie etwa 30 Minuten lang ein Vakuum an, um Luftblasen aus der PVA-Lösung zu entfernen.
- Gieße die Lösung in die 3D-gedruckte Form und baue die Form mit Schrauben zusammen.
HINWEIS: Vermeiden Sie es, beim Werfen Luftblasen einzuführen. Klopfen Sie bei Bedarf vorsichtig auf die Form, um eingeschlossene Luftblasen in der Lösung zu vermeiden.
4. Erste FTC für PVA-Verfestigung
- Stellen Sie die Form für 12 Stunden in einen −20 °C Gefrierfach.
- Entferne die Form aus dem Gefrierschrank und taue sie 12 Stunden bei Raumtemperatur (20 °C) auf.
- Entforme das Phantom vorsichtig, um Schäden zu verhindern.
HINWEIS: Dieser Schritt bildet ein isotropes Basenphantom, das eine stabile Grundlage für die anschließende Anisotropie-Induktion bietet.
5. Anisotropie durch gedehnte FTCs induzieren
- Platzieren Sie das Phantom auf das maßgefertigte Dehngerät, dehnen Sie es allmählich auf 180 % der effektiven Länge (80 % Zugspannung), messen Sie die Dehndistanz manuell und verschließen Sie das Gerät, um ein Einziehen zu verhindern.
- Das gesamte Dehngerät (mit gesichertem Phantom) für 12 Stunden in einen −20 °C Gefrierfach überführen und anschließend 12 Stunden bei Raumtemperatur (20 °C) auftauen.
- Wiederhole diesen FTC-Zyklus noch einmal unter anhaltender Dehnung.
HINWEIS: Das maßgefertigte Dehngerät besteht aus einer kommerziell erhältlichen bidirektionalen, gegengewindigen linearen Stufe, die mit zwei 3D-gedruckten Phantomhalter-Halterungen zusammengesetzt ist, für die die STL-Dateien in Supplemental File 1 bereitgestellt werden. Tragen Sie isolierte, kälteschützende Handschuhe, um Erfrierungen beim Entfernen des Dehngeräts aus dem −20 °C Gefrierschrank zu vermeiden. Anhaltende Dehnung während FTCs richtet PVA-Molekülketten unidirektional aus. Gesamtzahl der in dieser Studie verwendeten FTCs: ein dehnungsfreier Zyklus + zwei gedehnte Zyklen (80 % Zugdehnung).
6. Endgültige Freigabe und Lagerung
- Nach dem letzten FTC-Auftauschritt wird das Dehngerät vorsichtig gelöst, um Rückstoßschäden zu vermeiden.
- Entferne das Phantom vom Dehngerät. Das anisotrope PVA-Phantom ist nun vollständig.
- Bewahren Sie das Phantom in Wasser in einem verschlossenen Plastikbehälter bei 4 °C auf.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Ergebnisse
Abbildung 2A zeigt einen Schaltplan des gesamten Fertigungsprozesses, einschließlich PVA-Lösungsvorbereitung, Formung, anfänglicher dehnfreier FTC, Entformung und anschließender gedehnter FTCs. Mit dem vorgeschlagenen Protokoll fertigten wir zwei anisotrope PVA-Phantome für SWI- bzw. uniaxiale Zugtests an. SWI wurde mit einem Forschungsultraschallsystem durchgeführt, das mit einer L7-4-Sonde (Mittelfrequenz: 5,2 MHz) ausgestattet war, wobei Überschallmodus (...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Diskussion
Der Erfolg dieses Protokolls hängt davon ab, eine vollständige, gleichmäßige PVA-Auflösung zu erreichen und eine anhaltende Dehnung während FTCs aufrechtzuerhalten – zwei entscheidende Schritte zur Erzeugung einer stabilen, homogenen mechanischen Anisotropie. Das hier verwendete Rezept (d. h. PVA-Konzentration, FTC-Zahl und angelegte Zugdehnung) wurde ausgewählt, um anisotrope PVA-Phantome mit Steifigkeit im physiologischen Bereich des Muskelgewebes herzustellen. Bemerkenswert ist, dass ...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Offenlegungen
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.
Danksagungen
Diese Studie wurde von der Beijing Natural Science Foundation (Nr. 1254038) unterstützt. Die Autoren möchten Prof. Wei-Ning Lee von der Universität Hongkong für ihre Hilfe bei der Ultraschall-Scherwellenbildgebung danken.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Analytisches Gleichgewicht | OHAUS | AX224 | Analytisches Gleichgewicht mit interner Kalibrierung, Kapazität 220 g, Lesbarkeit 0,1 mg |
| Bidirektionale, entgegengesetzte Thread-Linearstufe | Taobao | N/A | Reichweite 250 mm pro Faden, verwendet für die Herstellung des maßgefertigten Spanngeräts |
| FDM 3D-Drucker | Bambu-Labor | X1 Carbon | Verwendet zum Drucken der Phantomform sowie für die Phantomhalter-Halterungen für das maßgefertigte Dehngerät |
| FreeCAD | FreeCAD Open-Source-Community | N/A | Version 0.22.0, verwendet zum Entwurf der Phantomform und der Phantomhalter-Halterungen des maßgefertigten Dehngeräts |
| Graphitpartikel | MREDA | M151649 | Graphitpartikel, 99,95 % Reinheit, 2000 Mesh (~6,5 μm), als akustische Streuer verwendet, 1 % nach Gewicht |
| Magnetischer Rührstab | Corning | 401435 | PTFE-beschichteter magnetischer Rührstab, 1 x 3/8 Zoll, zum Rühren der PVA-Lösung |
| Magnetischer Rührer | IKA | 25005927 | RCT-Basissicherungsmagnetischer Rührer mit Heizfunktion |
| Polyvinylalkohol | MACKLIN | P81584 | Polyvinylalkohol, Mw 89000-98000, 95 % hydrolysiert, verwendet als Phantommatrix, 10 % nach Gewicht |
| Kaliumsorbat | Sigma-Aldrich | 85520 | Kaliumsorbat, ≥ 99,0 % Reinheit, als Konservierungsmittel verwendet, 1 % nach Gewicht |
| Rotationsphase | Newport | URS50BPP | Verwendet zum Drehen der Ultraschallsonde im Scherwellen-Bildgebungstest für Mehrfach-Sondenwinkel (0 Grad; :2° :90°) |
| Ein-Spalten-Universalprüfmaschine | Instron | Modell 5944 | Verwendet für einaxiale Zugprüfungen, 50-N-Kraftsensor |
| Forschungsultraschallsystem | Verasonics | Vantage 256 | Verwendet zur Durchführung von Scherwellenbildgebungstests, L7-4-Sonde (Mittelfrequenz: 5,2 MHz) |
| Wasserbad | FLECHTEN | HH-2 | Digitales Display bei konstanter Temperatur Wasserbad, 2 Löcher in einer Reihe, zum Erhitzen und Auflösen von PVA-Lösung |
Referenzen
- 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).
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Nachdrucke und Genehmigungen
