Name: Viskoelastische Charakterisierung weichgewebenachahmender Gelatinephantome mittels Eindringung und Magnetresonanz-Elastographie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Erfahren Sie die viskoelastische Charakterisierung weichgewebenachahmender Gelatinephantome mittels Eindringung und Magnetresonanz-Elastographie. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung biomechanischer Eigenschaften biologischer Gewebe in vivo und ex vivo.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Die finanzielle Unterstützung durch die National Natural Science Foundation of China (grant 31870941), die Natural Science Foundation of Shanghai (grant 22ZR1429600) und die Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (grant 19441907700) wird anerkannt.

1. Gelatine-Phantom-Zubereitung
<ol><li>Wiegen Sie Gelatine, Glycerin und Wasser gemäß Tabelle 1. Mischen Sie das Gelatinepulver mit Wasser, um die Gelatinelösung zu erhalten. ANMERKUNG: Die Konzentrationen der einzelnen Komponenten zur Herstellung der beiden Phantome sind in Tabelle 1 dargestellt. Je höher die Konzentration der Gelatine, desto steifer das Phantom.</li>
	<li>Die Gelatinelösung im Wasserbad auf 60 °C erhitzen. Fügen Sie der Gelatinelösung Glycerin hinzu, während Sie die Temperatur beibehalten. HINWEIS: Glycerin stabilisiert Gelatinegemische, indem es deren Schmelztemperatur und Schermodul17 erhöht.</li>
	<li>Die Lösung umrühren und nochmals auf 60 °C erhitzen. Gießen Sie die gemischte Lösung in einen Behälter, der für MRE- und Eindringtests verwendet wird. Kühlen Sie die Lösung auf Raumtemperatur ab und warten Sie, bis die Lösung erstarrt ist.</li>
</ol>2. MRE-Test
<ol><li>Legen Sie die Vibrationsplatte auf das Gelatinephantom. Stellen Sie sicher, dass der Kontakt zwischen dem Phantom und der Vibrationsplatte fest ist (Abbildung 1A). HINWEIS: Die Vibrationsplatte besteht aus Polyamid mit einer Abmessung von 50 x 50 x 5 mm3.</li>
	<li>Legen Sie das Gelatinephantom in die Kopfspule. Legen Sie Schwämme und Sandsäcke um das Gelatinephantom, um sicherzustellen, dass das Phantom fest platziert ist. Verwenden Sie einen speziell angefertigten elektromagnetischen Aktuator mit einer Übertragungsstange14,18. Montieren Sie einen elektromagnetischen Aktor an der Kopfspule. Schließen Sie die Übertragungsschiene an die Vibrationsplatte an (Abbildung 1B).</li>
	<li>Verbinden Sie die Stromleitungen des Aktors mit dem Verstärker. Verbinden Sie die Steuerleitungen mit dem Controller (Abbildung 1C).</li>
	<li>Parametereinstellungen für Aktor und MRT-Scan<ol><li>Stellen Sie die Wellenform, Vibrationsfrequenz und Amplitude im Funktionsgenerator ein. Stellen Sie die gewünschte Schwingungsamplitude ein, indem Sie die Endstufe einstellen. HINWEIS: Hier wird die Wellenform im Funktionsgenerator auf sinusförmig eingestellt; Die Schwingungsfrequenz wird auf 40 Hz oder 50 Hz und die Amplitude auf 1,5 Vpp eingestellt. In der Endstufe ist das Verstärkungsverhältnis auf 40% eingestellt.</li>
		<li>Stellen Sie den Funktionsgenerator so ein, dass er im Triggermodus arbeitet. Verbinden Sie die Triggerleitung mit dem externen Triggerport des MRT-Geräts.</li>
		<li>Stellen Sie die MRE-Abtastfrequenz (Aktorfrequenz) auf die gleiche wie die des Funktionsgenerators ein, so dass der Bewegungskodierungsgradient mit der Bewegung der Vibrationsplatte synchronisiert wird.</li>
	</ol></li>
	<li>Datenmessung und -analyse<ol><li>Befolgen Sie die routinemäßigen bildgebenden Positionierungsverfahren. Verwenden Sie eine 2D-Gradientenecho-basierte (GRE)-basierte MRE-Sequenz für die Bildgebung des Gelatinephantoms20. Stellen Sie die GRE-MRE-Bildgebungsparameter wie folgt ein: Flip-Winkel = 30°; TR/TE = 50/31 ms; Sichtfeld = 300 mm; Scheibendicke = 5 mm; Voxelgröße = 2,34 x 2,34 mm2.</li>
		<li>Messen Sie die Phasenbilder an vier zeitlichen Punkten in einem sinusförmigen Zyklus. Wenden Sie zu jedem Zeitpunkt sowohl positive als auch negative Bewegungskodierungsverläufe an.</li>
		<li>Entfernen Sie basierend auf dem aufgenommenen Phasenbild die Hintergrundphase, indem Sie die positiven und negativen kodierten Phasenbilder subtrahieren. Entpacken Sie die Phase mit einem auf Zuverlässigkeitssortierung basierenden Algorithmus21.</li>
		<li>Extrahieren Sie die Hauptkomponente der Bewegung, indem Sie eine schnelle Fourier-Transformation auf die unverpackten Phasenbilder anwenden. Filtern Sie das Phasenbild mit einem digitalen Bandpassfilter. Schätzen Sie den Schubmodul mit einem 2D-DI-Algorithmus (Direct Inversion), um den Speichermodul G' und den Verlustmodul G''13,14 zu erhalten. HINWEIS: Die Grenzfrequenz des Bandpassfilters beträgt [0,04 0,08]. Die Größe des passenden Fensters des DI-Algorithmus beträgt 11 x 11.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Eindringprüfung
<ol><li>Verwenden Sie einen kreisförmigen Stempel oder eine chirurgische Klinge, um das Gelatinephantom in eine zylindrische bzw. quaderförmige Probe zu trimmen. Stellen Sie sicher, dass die Probendicke zwischen 3 und 10 mm liegt und der Durchmesser der zylindrischen Probe oder der Längsseite des Quaders größer als 4 mm ist. Verwenden Sie eine scharfe Klinge, um die Oberfläche der Probe zu trimmen, um sie so glatt wie möglich für den Eindruck zu machen.</li>
	<li>Schalten Sie den Eindringtester ein. Führen Sie die folgenden Schritte mit dem Eindringkörpersteuerungsprogramm aus, das zur Automatisierung des Eindringkörperkontakts entwickelt wurde (benutzerdefiniertes Programm; siehe Materialtabelle).<ol><li>Klicken Sie in der grafischen Benutzeroberfläche auf die Schaltfläche Back off , um den Kalibrierungsvorgang zu initialisieren (Abbildung 2B). Lesen Sie den Wert vom Lasersensor, und geben Sie den Wert in das Feld BaseLine ein. HINWEIS: Während des Kalibrierungsprozesses wird der Abstand zwischen dem Lasersensor und der Prallplatte auf einen bestimmten vordefinierten Wert eingestellt.</li>
		<li>Legen Sie einen Objektträger auf die Prallplatte und notieren Sie den vom Lasersensor angezeigten Wert. Als nächstes legen Sie die Probe auf den Glasobjektträger und legen Sie sie zusammen auf die Prallplatte. Lesen Sie den Wert vom Lasersensor, und geben Sie diesen Wert in das Feld Sample+Slide ein. HINWEIS: Der Lasersensor wird verwendet, um die Verschiebung des Eindrucks aufzuzeichnen, aber er wird auch verwendet, um die Probendicke vor dem Test zu messen.</li>
		<li>Nehmen Sie die Differenz zwischen den beiden in Schritt 3.2.2 erhaltenen Werten als Probendicke im interessierenden Bereich (ROI).</li>
		<li>Legen Sie die Probe vorsichtig zusammen mit dem darunter liegenden Glasobjektträger direkt unter den Eindringkörper und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Kontakt, um den automatischen Kontakt zwischen dem Eindringkörper und der Probenoberfläche zu initiieren. HINWEIS: Wenn der automatische Kontakt nicht zufriedenstellend ist, d. h. der Eindringkörper tief in die Probe drückt oder keinen Kontakt hat, passen Sie die Position des Eindringkörpers an, indem Sie einen Wert im Bereich von 0,05-0,1 mm in das Feld Versatz eingeben und die Schritte 1.2.1-1.2.4 wiederholen.</li>
		<li>Schätzen Sie auf der Grundlage der gemessenen Probendicke (Schritt 3.2.3) die Eindringverschiebung (d. h. die gesamte Eindringtiefe), indem Sie die Dicke mit der eingerückten Prüfdehnung multiplizieren (hier wird sie auf ≤8 % festgelegt, um den Eindruck innerhalb der Annahme einer kleinen Dehnung zu halten).</li>
		<li>Geben Sie die Verschiebungswerte (Schritt 3.2.5) in das Feld Wegraum (mm) ein. Stellen Sie die Entspannungszeit im Feld Verweilzeit auf 180 s ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Einrückung . Die Verschiebung und die Reaktionskraft während des Rampenhaltevorgangs werden automatisch aufgezeichnet und in einer Datei unter dem angegebenen Dateipfad gespeichert. HINWEIS: Der Dateipfad kann als Pfad zum Speichern von Testdaten vordefiniert werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Exportieren Sie die Einzugsdaten in eine Tabelle. Verwenden Sie eine Prony-Serie <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;"> mit zwei Begriffen, um die Kraftrelaxationskurve 1,3,11 anzupassen: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;"></li>
	<li>Schätzen Sie den momentanen Schubmodul (G 0) und den Langzeitschubmodul (G∞) basierend auf den angepassten Parametern: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;"> HINWEIS: In den obigen Gleichungen sind C 0, C i und τi Modellparameter der Prony-Reihe, F ist die Eindringkraft, R ist der Radius des Eindringkörpers, X ist der Kompensationsfaktor für die unendliche Halbraumannahme, V ist die Eindringgeschwindigkeit, t ist die Zeitvariable und t R ist die Rampenzeit. </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>

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Gelatinephantome werden üblicherweise als gewebenachahmende Materialien zum Testen und Validieren von Algorithmen und Geräten verwendet 17,19,22,23,24,25,26,27. Eine der bahnbrechenden Studien mit dem Gelatinephantom zum Vergleich von MRE und dynamischen Sc...

Die meisten weichen biologischen Gewebe scheinen viskoelastische Eigenschaften zu haben, die wichtig sind, um ihre Verletzung und Entwicklung zu verstehen 1,2. Darüber hinaus sind viskoelastische Eigenschaften wichtige Biomarker bei der Diagnose einer Vielzahl von Krankheiten wie Fibrose und Krebs 3,4,5,6. Daher ist die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften von Weichteilen entscheidend. Unter den vielen verwendeten Charakterisierungstechniken sind die mechanische Ex-vivo-Prüfung von Gewebeproben und die In-vivo-Elastographie mit biomedizinischer Bildgebung die beiden weit verbreiteten Methoden.
Obwohl verschiedene mechanische Testtechniken für die Charakterisierung von Weichgewebe verwendet wurden, sind die Anforderungen an Probengröße und Testbedingungen nicht einfach zu erfüllen. Zum Beispiel müssen bei der Scherprüfung Proben fest zwischen den Scherplatten7 befestigt werden. Die biaxiale Prüfung ist besser für Membrangewebe geeignet und hat spezifische Klemmanforderungen 8,9. Ein Kompressionstest wird üblicherweise für Gewebetests verwendet, kann jedoch keine spezifischen Positionen innerhalb einer Probecharakterisieren 10. Der Eindrucktest hat keine zusätzlichen Anforderungen zur Fixierung der Gewebeprobe und kann zur Messung vieler biologischer Gewebeproben wie Gehirn und Leber verwendet werden. Zusätzlich konnten mit einem kleinen Eindringkörper regionale Eigenschaften innerhalb einer Stichprobe getestet werden. Daher wurden Eindringtests eingeführt, um eine Vielzahl von Weichteilen 1,3,11 zu testen.
Die Charakterisierung der biomechanischen Eigenschaften von Weichteilen in vivo ist wichtig für translationale Studien und klinische Anwendungen der Biomechanik. Biomedizinische Bildgebungsmodalitäten wie Ultraschall (US) und Magnetresonanztomographie (MR) sind die am häufigsten verwendeten Techniken. Obwohl die US-Bildgebung relativ billig und einfach durchzuführen ist, leidet sie unter geringem Kontrast und ist schwer zu messende Organe wie das Gehirn. Die MR-Elastographie (MRE) ist in der Lage, tiefe Strukturen abzubilden und könnte eine Vielzahl von Weichteilenmessen 6,12, insbesondere das Gehirn13,14. Mit angelegter externer Vibration könnte MRE die viskoelastischen Eigenschaften von Weichteilen bei einer bestimmten Frequenz messen.
Studien haben gezeigt, dass bei 50-60 Hz der Schermodul des normalen Gehirns ~1,5-2,5kPa 5,6,13,14,15 und ~2-2,5 kPa für normale Leber beträgt 16. Daher wurden Gelatinephantome, die ähnliche biomechanische Eigenschaften aufweisen, häufig zur Nachahmung von Weichgeweben für Tests und Validierung verwendet17,18,19. In diesem Protokoll wurden Gelatinephantome mit zwei verschiedenen Konzentrationen hergestellt und getestet. Viskoelastische Eigenschaften der Gelatinephantome wurden unter Verwendung einer speziell angefertigten elektromagnetischen MRE-Vorrichtung14 und einer Eindringvorrichtung 1,3 charakterisiert. Die Testprotokolle könnten zum Testen vieler Weichteile wie Gehirn oder Leber verwendet werden.

<table><tbody><tr><td>24-Kanal-Kopf & Halsspule</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>100120</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>3T MR Scanner</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>uMR 790</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Erfassungsplatine</td><td>Advantech Co</td><td>PCI-1706U</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Computer-Windows</td><td>HP</td><td>790-07</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Elektromagnetischer Aktuator</td><td>Shanghai Jiao Tong Universität</td><td></td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Funktionsgenerator</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Gelatine</td><td>CARTE D'OR</td><td></td><td>Reagenz</td></tr><tr><td>Glycerin</td><td>Vance Bioenergy Sdn.Bhd</td><td></td><td>Reagenz</td></tr><tr><td>Eindringkörper Kontrollprogramm</td><td>kundenspezifische</td><td></td><td>Software; Zugriff über: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.</td></tr><tr><td>Lasersensor</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Wägezelle</td><td>Wandler Technik</td><td>GSO-10</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Leistungsverstärker</td><td>Yamaha</td><td>A-S201</td><td>Ausrüstung</td></tr><tr><td>Schwingspule Elektromotor</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>Ausrüstung</td></tr></tbody></table>

viskoelastische charakterisierung weichgewebenachahmender gelatinephantome mittels eindringung und magnetresonanz-elastographie

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

Die Charakterisierung biomechanischer Eigenschaften von weichen biologischen Geweben ist wichtig, um die Gewebemechanik zu verstehen und die biomechanischen Mechanismen von Krankheit, Verletzung und Entwicklung zu erforschen. Die mechanische Testmethode ist der einfachste Weg zur Gewebecharakterisierung und gilt als Nachweis für die In-vivo-Messung . Unter den vielen ex vivo mechanischen Testtechniken bietet der Eindrucktest einen zuverlässigen Weg, insbesondere für kleine, schwer zu fixierende und viskoelastische Proben wie Hirngewebe. Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ist eine klinisch eingesetzte Methode zur Messung der biomechanischen Eigenschaften von Weichteilen. Basierend auf der Ausbreitung von Scherwellen in Weichteilen, die mit MRE aufgezeichnet wurde, können viskoelastische Eigenschaften von Weichteilen in vivo basierend auf einer Wellengleichung geschätzt werden. Hier wurden die viskoelastischen Eigenschaften von Gelatinephantomen mit zwei unterschiedlichen Konzentrationen mittels MRE und Indentation gemessen. Die Protokolle der Phantomherstellung, des Testens und der Modulschätzung wurden vorgestellt.

Nach dem MRE-Protokoll wurde eine klare Scherwellenausbreitung in den Gelatinephantomen bei 40 und 50 Hz beobachtet (Abbildung 3). Die aus MRE und Eindringversuchen gemessenen viskoelastischen Eigenschaften sind in Abbildung 4 dargestellt. Die geschätzten G'- und G'-Werte bei jeder Prüfung für jedes Phantom sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Nach dem Eindringprotokoll sind die viskoelastischen Eigenschaften jedes Phantoms an jedem Prüfpunkt in <s...

Dieser Artikel präsentiert eine Demonstration und Zusammenfassung von Protokollen zur Herstellung von Gelatinephantomen, die Weichteile nachahmen, und die entsprechende viskoelastische Charakterisierung mittels Eindringung und Magnetresonanzelastographie.

Viskoelastische Charakterisierung weichgewebenachahmender Gelatinephantome mittels Eindringung und Magnetresonanz-Elastographie

Characterization of biomechanical properties of soft biological tissues is important to understand the tissue mechanics and explore the ...

Dieses Protokoll bietet eine Möglichkeit, gewebenachahmende Gelfunktionen in den ex-vivo- und In-vivo-biomechanischen Charakterisierungsmethoden vorzubereiten, die für das Verständnis und die Suche nach neuen Biomarkern für Gewebe entscheidend sind. Die Vertiefung kann kleine Gewebeproben messen und ist einfach durchzuführen, während dieselbe Probe mit MRE getestet werden kann, was eine direkte Schätzung von In-vivo-Testszenarien ermöglicht. Diese Methode könnte Einblicke in viskoelastische frequenzabhängige mechanische Eigenschaften weicher biologischer Proben wie Gehirn, Leber, Tumorgewebe usw. geben. Ähnliche Eigenschaften anderer Probenphantome können ebenfalls gemessen werden.Beginnen Sie mit dem Mischen des Gelatinepulvers mit Wasser, um die Gelatinelösung zu erhalten. Erhitzen Sie die Gelatinelösung auf 60 Grad Celsius in einem Wasserbad und fügen Sie der Lösung Glycerin hinzu, während die Temperatur beibehalten wird. Rühren Sie die Lösung um und erhitzen Sie sie erneut auf 60 Grad Celsius.Gießen Sie die gemischte Lösung in einen Behälter, der für MRE- und Eindringtests verwendet wird. Kühlen Sie die Lösung auf Raumtemperatur ab und warten Sie, bis die Lösung erstarrt ist. Legen Sie das Gelatinephantom in die Kopfspule.Legen Sie dann die Vibrationsplatte auf das Gelatinephantom. Stellen Sie sicher, dass der Kontakt zwischen dem Phantom und der Vibrationsplatte fest ist. Legen Sie Schwämme und Sandsäcke um das Gelatinephantom, um sicherzustellen, dass das Phantom fest platziert ist.Montieren Sie einen elektromagnetischen Aktor an der Kopfspule und verbinden Sie die Übertragungsstange mit der Vibrationsplatte. Verbinden Sie die Stromleitungen des Aktors mit dem Verstärker und verbinden Sie dann die Steuerleitungen mit dem Controller. Stellen Sie die Wellenform, Vibrationsfrequenz und Amplitude im Funktionsgenerator ein.Stellen Sie die gewünschte Schwingungsamplitude ein, indem Sie die Endstufe einstellen. Stellen Sie dann den Funktionsgenerator so ein, dass er im Triggermodus arbeitet. Verbinden Sie die Triggerleitung mit dem externen Triggerport des MRT-Geräts.Stellen Sie die MRE-Abtastfrequenz auf die gleiche wie vom Funktionsgenerator ein, so dass der Bewegungskodierungsgradient mit der Bewegung der Vibrationsplatte synchronisiert wird. Stellen Sie als Nächstes den Flip-Winkel auf 30 Grad, TR und TE auf 50 und 31 Millisekunden, das Sichtfeld auf 300 Millimeter, die Schichtdicke auf fünf Millimeter und die Voxelgröße auf 2,34 x 2,34 Quadratmillimeter ein. Messen Sie die Phasenbilder an vier zeitlichen Punkten in einem sinusförmigen Zyklus.Wenden Sie zu jedem Zeitpunkt sowohl positive als auch negative Bewegungs- und Kodierungsverläufe an. Entfernen Sie basierend auf dem aufgenommenen Phasenbild die Hintergrundphase, indem Sie die positiven und negativen kodierten Phasenbilder subtrahieren. Entpacken Sie die Phase mit einem auf Zuverlässigkeitssortierung basierenden Algorithmus.Extrahieren Sie die Hauptkomponenten der Bewegung, indem Sie eine schnelle Fourier-Transformation auf die unverpackten Phasenbilder anwenden. Filtern Sie das Phasenbild mit einem digitalen Bandpassfilter und schätzen Sie den Schubmodul mit einem direkten 2D-Inversionsalgorithmus, um Speichermodul G-Prime und Verlustmodul G-Doppelprimzahl zu erhalten. Verwenden Sie einen kreisförmigen Stempel, um das Gelatinephantom in eine zylindrische Probe zu trimmen, und verwenden Sie eine chirurgische Klinge, um es in eine quaderförmige Probe zu trimmen.Schneiden Sie die Oberfläche der Probe mit einer scharfen Klinge ab, um sie für den Eindruck so glatt wie möglich zu machen. Schalten Sie den Eindrucktester ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Back Off in der GUI, um den Kalibrierungsvorgang zu initialisieren. Lesen Sie den Wert vom Lasersensor, und geben Sie den Wert in das Feld BaseLine ein.Legen Sie einen Objektträger auf die Prallplatte und notieren Sie den vom Lasersensor angezeigten Wert. Als nächstes legen Sie die Probe auf den Glasobjektträger und legen Sie sie zusammen auf die Prallplatte. Lesen Sie den Wert vom Lasersensor, und geben Sie diesen Wert in das Feld Beispielfolie ein.Die Differenz zwischen diesen beiden Werten ist die Probendicke im interessierenden Bereich. Platzieren Sie die Probe vorsichtig zusammen mit dem darunter liegenden Glasobjektträger direkt unter dem Eindringkörper und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Kontakt, um den automatischen Kontakt zwischen dem Eindringkörper und der Probenoberfläche zu initiieren. Schätzen Sie basierend auf der gemessenen Probendicke die Eindruckverschiebung, indem Sie die Dicke mit der eingerückten Prüfdehnung multiplizieren.Geben Sie die Verschiebungswerte in das Feld Verschiebung ein. Stellen Sie die Entspannungszeit im Feld Verweilzeit auf 180 Sekunden ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Einrückung. Die Verschiebung und die Blindkraft während des Rampen-/Haltevorgangs werden automatisch aufgezeichnet und in einer Datei unter dem angegebenen Dateipfad gespeichert.Wellenausbreitungsbilder für die beiden Gelatinephantome bei 40 und 50 Hertz sind hier gezeigt. Die vier Phasen entsprechen den vier zeitlichen Punkten eines sinusförmigen Zyklus. Viskoelastische Eigenschaften, die aus MRE- und Eindringexperimenten gemessen wurden, sind hier dargestellt.Die repräsentativen Bilder zeigen typische geschätzte G-Prime- und G-Doppelprimzahlkarten bei 40 und 50 Hertz für die beiden Gelatinephantome aus MRE. Mittelwert und Standardabweichung der G-Null- und G-unendlich-Werte für die beiden Phantome aus den sechs wiederholten Eindringversuchen werden hier dargestellt. Die auf dem Bildschirm gezeigten grafischen Bilder stellen den Mittelwert und die Standardabweichung der G-Prime- und G-Doppelprimwerte bei 40 und 50 Hertz für die beiden Phantome aus den sechs wiederholten MRE-Tests dar.Das Sternchen weist auf einen signifikanten Unterschied hin. Wenn Sie diesen Vorgang versuchen, stellen Sie sicher, dass die vibrierende Platte fest auf das Phantom gedrückt wird und die Platte nicht überdrückt. Achten Sie bei der Behandlung der Probe darauf, dass die Oberfläche so flach wie möglich ist.Diese Technik ebnet den Weg zur Erforschung biomechanischer Eigenschaften im Zusammenhang mit pathologischen Studien und zur Entwicklung biomechanischer Biomarker für die Diagnose und Prognose von Krankheiten.

viscoelastic-characterization-soft-tissue-mimicking-gelatin-phantoms

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Das Verfahren zeigt die Methodik der Magnet-Resonanz-Elastographie zur Überwachung der gentechnisch Ergebnis der Fett-und osteogene Gewebezüchtungen Konstruktionen, die durch nicht-invasive lokale Beurteilung der mechanischen Eigenschaften mit mikroskopischen Magnetresonanz-Elastographie (μMRE).

Magnet-Resonanz-Elastographie Methodik für die Beurteilung von Tissue Engineering gewonnenen Konstrukts Wachstum

Source: Feng, Y., et al. Viskoelastische Charakterisierung von Weichgewebe-imitierenden Gelatine-Phantomen mittels Einkerbung und Magnetresonanz-Elastographie. J. Vis. exp. (2022) Dieses Video zeigt die Methode der Magnetresonanz-Elastographie (MRE) zur Beurteilung der viskoelastischen Eigenschaften von Gewebe durch Analyse der Scherwellenausbreitung durch ein Gelatinephantom, das Hirngewebe nachahmt. Der Prozess umfasst die Erzeugung und Erfassung von Scherwellen mit Magnetresonanztomographie...

Magnetresonanz-Elastographie zur Beurteilung viskoelastischer Eigenschaften

Partikel-Tracking Mikrorheologie können zerstörungs quantifizieren und räumlich zuordnen Veränderungen in der extrazellulären Matrix mechanische Eigenschaften im 3D-Tumormodelle verwendet werden.

Längs Messung der extrazellulären Matrix Steifigkeit in 3D Tumormodelle mit Particle-Tracking Mikrorheologie

Wir präsentieren eine Reihe von Techniken zur Charakterisierung der viskoelastischen mechanischen Eigenschaften des Gehirns auf der Mikro-, Meso- und Makroskala.

Charakterisieren Multiskalige Mechanische Eigenschaften von Gehirngewebe mittels Rasterkraftmikroskopie, Schlag Einrückungen und Rheometrie

Die Biomechanik des Gewebes ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Zellform und -funktion und für die Bestimmung des Phänotyps. Dieser Bericht demonstriert zerstörungsfreie mechanische Protokolle zur Charakterisierung der elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von menschlichen Weichgeweben, die direkt auf Tissue-Engineering-Substrate angewendet werden können, um eine enge Anpassung der technischen Materialien an das native Gewebe zu ermöglichen.

Biomechanische Charakterisierung humaner Weichgewebeproben mit Einrückungen und Zugprüfung

Hier beschreiben wir eine Methode zur Herstellung von aneurysmal, Aorten-Gewebe imitiert Phantome für den Einsatz im Test Ultraschall-Elastographie. Die kombinierte Verwendung von Computer aided Design (CAD) und 3-dimensionale (3D) Druck Techniken produzieren Aorten Phantome mit vorhersagbaren, komplexe Geometrien, die Elastographic imaging-Algorithmen mit kontrollierten Experimenten zu validieren.

Herstellung von Bauchschlagader Hydrogel Gewebe-Nachahmung Phantome für Ultraschall-Elastographie-Validierung

Das Protokoll stellt einen vollständigen Workflow für Experimente zur Nanoindentation weicher Materialien dar, einschließlich Hydrogele und Zellen. Zunächst werden die experimentellen Schritte zur Erfassung von Kraftspektroskopiedaten detailliert beschrieben. Dann wird die Analyse solcher Daten durch eine neu entwickelte Open-Source-Python-Software detailliert, die kostenlos von GitHub heruntergeladen werden kann.

Experimenteller und Datenanalyse-Workflow für die Nanoindentation weicher Materie

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines stabilen, biologisch relevanten Phantommaterials für optische und akustische biomedizinische Bildgebungsanwendungen, das unabhängig voneinander einstellbare akustische und optische Eigenschaften aufweist.

Ein stabiles Phantommaterial für die optische und akustische Bildgebung

Dieser Artikel hebt die Wirksamkeit der optischen Kohärenz-Elastographie (OCE) bei der schnellen und zerstörungsfreien Charakterisierung der elastischen Eigenschaften von Biofilmen hervor. Wir erläutern kritische OCE-Implementierungsverfahren für genaue Messungen und präsentieren Youngs Modulwerte für zwei granulare Biofilme.

Quantifizierung der elastischen Eigenschaften von Umweltbiofilmen mittels optischer Kohärenzelastographie

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.

Anisotrope Polyvinylalkohol-Phantomherstellung für Ultraschallelastographie: Verfahren und Qualitätskontrollen

Erfahren Sie die viskoelastische Charakterisierung weichgewebenachahmender Gelatinephantome mittels Eindringung und Magnetresonanz-Elastographie. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung biomechanischer Eigenschaften biologischer Gewebe in vivo und ex vivo.

Viskoelastische Charakterisierung weichgewebenachahmender Gelatinephantome mittels Eindringung und Magnetresonanz-Elastographie

Weitere Videos entdecken