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Bioengineering

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

Published: September 19, 2018 doi: 10.3791/57984
Automatic Translation
1, 1, 2, 3
1Division of Vascular Surgery, University of Rochester Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Rochester Institute of Technology, 3Department of Surgery, University of Rochester Medical Center

Summary

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.

Abstract

Ultraschall (US) Elastographie oder Elastizität Bildgebung ist eine Ergänzung, die imaging-Technik, die aufeinander folgenden US-Bildern der Weichteile zu messen die Gewebe-Bewegung und ableiten oder quantifizieren die zugrunde liegenden biomechanischen Eigenschaften nutzt. Für abdominalen Aortenaneurysmen (AAA) möglicherweise biomechanische Eigenschaften wie z. B. Veränderungen des Gewebes Elastizitätsmodul und Schätzungen der Gewebe Stress wesentlich für die Einschätzung des Bedarfs an den chirurgischen Eingriff. Abdominalen Aortenaneurysmen U.S. Elastographie könnte ein nützliches Instrument zur AAA Fortschreiten zu überwachen und Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften charakteristisch für Patienten mit hohem Risiko zu identifizieren.

Ein vorläufiges Ziel bei der Entwicklung einer AAA uns Elastographie Technik ist die Validierung der Methode mit einem physikalisch relevanten Modell mit bekannten Materialeigenschaften. Hier präsentieren wir einen Prozess zur Herstellung von AAA Gewebe imitiert Phantome physikalisch relevanten Geometrien und räumlich modulierte Materialeigenschaften. Diese Gewebe-Phantome wollen US-Eigenschaften, materielle Elastizitätsmodul und Geometrie der abdominalen Aortenaneurysmen zu imitieren. Gewebe-Phantome erfolgt mithilfe einer Cryogel Polyvinylalkohol (PVA-c) und geformt, mit gedruckten 3D-Teile mit Computer-aided Design (CAD) Software erstellt. Der Modulus der Phantome erfolgt durch Veränderung der Konzentration von PVA-c und durch Ändern der Anzahl der Frost-Tau-Zyklen verwendet, um die Cryogel zu polymerisieren. Die AAA-Phantome sind mit einer hämodynamischen Pumpe, entworfen, um die Phantome mit den physiologischen zyklischer Druck und fließt verformen verbunden. Ultra sound Bildsequenzen der verformenden Phantome für die räumliche Berechnung der Belastung Druck normalisiert und die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von der Gefäßwand erlaubt. Repräsentative Ergebnisse des Stammes Druck normalisiert werden vorgestellt.

Introduction

Abdominale Aortenaneurysmen (AAA) sind fokale Erweiterungen der Aorta, die bevorzugt in der Nähe der Aorta Bifurkation1auftreten. Die genaue Ursache der AAA-Formation ist unbekannt, obwohl viele Theorien besagen, dass die Pathogenese ist multifaktoriell, mit genetischen, Verhaltensstörungen, hämodynamische und ökologischen Faktoren, die2,3. Während die Diagnose einer abdominalen Aortenaneurysma mit nicht-invasiven bildgebenden Verfahren erreicht werden kann, ist die Prognose der Patienten-spezifischen Bruch Risiko nicht als präzise4,5,6. Chirurgische Reparatur kann das Risiko von aortenruptur, aber operative Reparatur der Aorta führt eine hohe Rate von assoziierten Morbidität und Mortalität7. Aktuelle chirurgische Verfahren verwenden die "maximale Größenkriterien" oder absolute Maximaldurchmesser von Aneurysmen, einem Patienten das Risiko einer Ruptur vorherzusagen. Leider wurde auch festgestellt, dass ein Aneurysma noch unter Größen klinisch akzeptabel für die chirurgische Reparatur platzt, was bedeutet, dass Patienten mit einer großen Aneurysma einige Risiko einer Ruptur8,9, tragen 10 , 11 , 12 , 13. Darüber hinaus es ist bekannt, dass historische Berichte der Bruch Risiko wahrscheinlich über Schätzungen des Risikos einer echten Bruch bedeutet, viele Patienten Operationsrisiko ohne nutzen13ausgesetzt sind. Eine genauere Beurteilung des Patienten-spezifischen Bruch Risikos erforderlich, um Schichten des Patienten Nutzen-Risiko-Verhältnis der chirurgische Aneurysma Reparatur unterzogen.

Es hat sich gezeigt, dass die räumliche Spannungsverteilung innerhalb einer AAA von entscheidender Bedeutung ist bei der Bestimmung der Bruch Potenzial und kann ein besserer Indikator als maximaler Durchmesser14,15,16,17 , 18. die meisten Studien, die untersuchen, die Mechanik des AAA Bruch verwenden segmentierten Geometrien aus berechnet Computertomographie (CT) Röntgenbilder und Bevölkerung gemittelt mechanische Eigenschaften der Aorta Gewebe gemessen ex Vivo. Finite Elemente (FE) Modelle werden dann verwendet, um das Schiff Wand betont14,15,16,17,18vorherzusagen. Jedoch da die mechanischen Eigenschaften nach der Exzision des Gewebes bestimmt sind, ist unklar, ob die daraus resultierenden Modelle genau die resultierende in Vivo Patienten-spezifischen Belastungen darstellen. Diese Studien in der Regel homogene Schiff Wand Materialeigenschaften zu übernehmen und nicht der sehr heterogenen Struktur der aortalen Wand und Thrombus19,20,21,22 entfallen ,23,24,25.

Ultraschall-basierte Elastizität Bildgebung ist klinisch zur diagnose und Überwachung einer Vielzahl von Krankheiten Pathologien26. Diese Technologie bietet eine nicht-invasive Mittel, die physikalischen Wechselwirkungen der Weichteile zu befragen. Vaskuläre US Elastizität Bildgebung wurde als Ergänzung bildgebende Modalität klinische US-Bewertung bei der Prüfung und Überwachung der AAAs verwendet. Die Kombination dieser Techniken bietet sowohl geometrische Informationen, wie z. B. Durchmesser und Länge, sowie mechanische Daten, wie z. B. relative Steifigkeit und Steifigkeit Variation. Während viele Elastizität bildgebende Verfahren eine externe Last erfordern induzieren eine messbare Gewebe Verformung, wird die Gewebe Bewegung hier gemessen werden durch Änderungen in der aortendruck verursacht durch das schlagende Herz induziert. Zahlreiche Methoden um räumlich verzerrungsfelder in Verformung Schiffe zu beheben veröffentlicht wurden, wurden jedoch Validierungsstudien dieser Methoden beschränkt sich auf menschliche Patienten, Tiermodelle, oder ex-Vivo Gewebe Proben27,28 ,29,30,31,32. Bisher erlauben einige Methoden für Kreationen von benutzerdefinierten Geometrien mit räumlich vielfältigen Materialeigenschaften27,29.

Hier präsentieren wir ein Verfahren zur Herstellung von uns kompatibel, Gewebe-Nachahmung Phantome, die auf eine Vielzahl von relevanten Aorten Geometrien und Materialeigenschaften für die Validierung von US-Elastographie Techniken zugeschnitten werden können. Obwohl vorherigen Gruppen entwerfen komplexer Geometrie Phantome, AAA Geometrien mit 3D-Druck Technologie33,34imitieren konnte, druckbare Beläge sind bekannt für eine hohe Dämpfung in USA und haben kein Mittel zu einem späteren Zeitpunkt ihre Materialeigenschaften. Phantome bestehen aus Polyvinylalkohol Cryogel (PVA-c), das zuvor gezeigt worden ist, für die Nachahmung gefäßgewebe Eigenschaften35ideal zu sein. Diese Phantome können in USA, Magnetresonanz und Elastographic imaging36,37,38verwendet werden. Die Aortenaneurysma Geometrie war ähnlich derjenigen das Simulationsmodell erstellt von Vorp Et Al. ausgelegt. 14. das Schiff hat einen nominalen Durchmesser von 22,5 mm und verfügt über eine aneurysmal Beule Bulge 64 mm lang, ist 47 mm im Durchmesser und exzentrisch (β = 0,6)14 an der vorderen Seite des Phantoms. Der letzte Abschnitt imitiert den Beckenkamm Gabelung mit einem distalen Durchmesser von 15 mm. Die Phantom wurde gewählt, um eine konstante Dicke von ca. 5 mm. Raghavan haben Et Al. in einer kleinen Studie berichtet, dass die Schiff-Dicke der AAA von 0,23-4,26 reicht mm, mit einem Medianwert von 1,48 mm39. Eine nominale Schiff Dicke auf das größere Ende des Spektrum wurde hier gewählt für die Herstellung von Bedenken mit der Erwartung, die verbessert, dass 3D-Drucktechniken phantom Mindestdicke verbessern werden, die geformt werden kann. Phantom Formen wurden im CAD entworfen und werden mit handelsüblichen Druckern und Filament 3D gedruckt.

Die Formen werden Injektion mit der PVA-c-Lösung gefüllt und eine Reihe von Frost/Tau-Zyklen (-20 ° C und + 20 ° C) zu vernetzen die PVA-c-Polymer und polymerisieren das Gel unterzogen. Der Elastizitätsmodul des PVA-c wird gesteuert durch die Veränderung der Konzentration der PVA-c Gel oder die Anzahl der Frost-Tau-wechseln. Aneurysmal Abschnitt der phantom erforderlich Verlust Form, aus dem inneren Lumen des Gefäßes zu entfernen. Dies wurde erreicht durch den Einsatz von Polyvinylalkohol, 3D-Drucker Filament (PVA). Obwohl chemisch ähnlich wie bei der PVA-c-Pulver, das PVA-Filament nicht polymerisieren beim Einfrieren und als solche kann in Wasser aufgelöst werden, nachdem die PVA-c eingestellt ist. Zusätzliche Probe Formen werden gedruckt, um Tests Zugproben, in einer Konfiguration mit "Hundeknochen" mit der gleichen PVA-c-Konzentration zu erstellen. Diese Formen durchlaufen die gleichen Frost/Tau-Zyklen und dienen für die Zugprüfung der Elastizitätsmodul der phantom Abschnitte unabhängig voneinander messen. Hergestellt wurde ein Hintergrundmaterial mit weicher PVA-c gemacht, Gewebe des Retroperitoneum40,41zu simulieren. Diesem Hintergrund phantom wurde als eine homogene axialsymmetrisch zylindrischen Rohr mit einem inneren Durchmesser von 4 cm, einem äußeren Durchmesser von 16,5 cm und einer Länge von 16,5 cm gefertigt. Es war eine 5 %-PVA-Lösung aus und insgesamt zwei Gefrier-tau-Zyklen unterworfen.

Die endgültige AAA-Phantome wurden in das Hintergrund-Phantom gelegt und über Verschraubungen und Klemmen, um eine hämodynamische Wasserpumpe entwickelt, um die Phantome mit physiologischen zyklische Bewegungen und Druck verformen verbunden. Die Pumpendrehzahl wurde zu ca. 6-7 kPa Druckimpuls mit einer Rate von ca. 1 Hz. Ultra sound Bildsequenzen der verformenden Phantome wurden gesammelt und die Druck normalisiert Belastung errechnete sich um zu Unterschieden in der räumlich mechanische Eigenschaften variiert. Repräsentative Ergebnisse des Drucks normalisierte Dehnung Bilder innerhalb der Region des Schiffes präsentiert werden. Die zunehmende regionale Unterschiede in der normalisierten Belastung der steiferen heterogenen Phantome, relativ homogene Phantom, zeigen die Unterschiede in der Schiff-Steifigkeit und unsere Fähigkeit zu messen.

Protocol

1. Laden Sie STL-Modelle von den NIH 3D Print Austausch

  1. Navigieren Sie zu der NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) und geben Sie in dem Sucheintrag Simuliert Aneurysmal Aorten Phantom Form und drücken Sie die EINGABETASTE.
  2. Finden Sie in der nachfolgenden Liste, von der Suche zurückgegeben das Modell " 3DPX-009210" zu, und klicken Sie auf diesen Eintrag.
  3. Klicken Sie auf den Download-Button und klicken Sie anschließend auf die Simulierte Aneurysmal Aorten Phantom Mold.zip -Datei aus der Dropdown-Liste zum herunterladen.
  4. Doppelklicken Sie die heruntergeladene Datei zu entpacken es und speichern Sie die resultierenden Dateien (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl und SampleMoldSTL.stl) an den Computer für den 3D-Druck in Schritte 2.1-2.7 verwendet.
    Hinweis: Man kann die Dateien in Schritt 1.4 gesondert aufgeführt Alternativ herunterladen.

2. 3D Druck von Schimmelpilzen

  1. Öffnen Sie die 3D Drucker-Schnittstellen-Software und verwenden Sie den verbinden -Button, um mit dem Drucker verbinden.
  2. Importieren Sie die heruntergeladene STL-Datei OuterAntSTL.stl (Abbildung 1ein, blau) in der 3D Druck-Software. In der 3D-Software drucken, wählen Sie die Schaltfläche " Bearbeiten " und richten Sie das Formteil durch Klicken auf das drehen -Menü und klicken Sie dann auf die X, Yoder Z Schaltflächen, um die Längsachse parallel zu dem druckbett mit Ausrichten der außerhalb der Form mit Blick auf das druckbett. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern " und dann klicken Sie auf die Schaltfläche " Drucken " und Drucken Sie das Formteil mit Polymilchsäure Säure (PLA) Kunststoff-Faden auf einer einzigen Extruder.

Figure 1
Abbildung 1 : CAD Darstellung der Phantom, Hintergrund und Muster Formen. (a) - (b) 3D CAD Bilder des Schiffes Form und Ausrichtung der Teile für die Montage. Registrierung-Abstandhalter (i), Stifte (Ii), Löcher (Iii) und die Einfüllöffnung werden angezeigt. (c) Zeichnung des inneren Lumens Hervorhebung der inneren Behälterabmessungen. (d) CAD-Rendering der Probe Formen. (e) CAD-Rendering der Hintergrund phantom Form. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Wiederholen Sie Schritt 2.2 für die OuterPostSTL.stl -Datei (Abbildung 1ein, rot).
  2. Nach dem gleichen Prozess aus Schritt 2.2, die STL-Datei InnerDistSTL.stl (Abbildung 1ein, weiß) in der 3D Druck-Software importieren und wählen Sie die Schaltfläche "Bearbeiten" und drehen Menü klicken Sie auf das X, Yoder Z Tasten um die Längsachse senkrecht auf das druckbett und solche, die die Registrierung-Pin (i) in Kontakt mit dem druckbett ist auszurichten. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern " und dann klicken Sie auf die Schaltfläche " Drucken " und Drucken Sie das Formteil mit PLA Kunststoff Filament auf eine einzelne Extruder.
    Hinweis: Drucken Sie dieser Teil mit der Tragstruktur nicht. Haben Sie keine Verwendung mehr als 30 % Füllung für diesen gedruckten Teil.
  3. Importieren Sie die STL-Datei SampleMoldSTL.stl (Abbildung 1-d) in der 3D Druck-Software. Wählen Sie die Schaltfläche " Bearbeiten " und klicken Sie im Menü " drehen " auf die X, Yoder Z Schaltflächen, um das Teil ausrichten, so dass die Innenseite der Form aus dem druckbett sehen ist. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern " und dann klicken Sie auf die Schaltfläche " Drucken " und Drucken Sie das Formteil mit PLA Kunststoff Filament auf eine einzelne Extruder.
    Hinweis: Drucken Sie dieser Teil mit der Tragstruktur nicht. Drucken Sie 3 oder mehr Probe Formen.
  4. Importieren Sie die STL-Datei BackgroundMoldSTL.stl (Abbildung 1e) in der 3D Druck-Software. Wählen Sie die Schaltfläche "Bearbeiten" und klicken Sie im Menü " drehen " auf die X, Yoder Z Schaltflächen, um das Teil ausrichten, so dass der Boden der Form (d. h. das geschlossene Ende des Zylinders) das druckbett gegenübersteht. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern " und dann klicken Sie auf die Schaltfläche " Drucken " und Drucken Sie das Formteil mit PLA Kunststoff Filament auf eine einzelne Extruder.
    Hinweis: Drucken Sie dieser Teil mit der Tragstruktur nicht.
  5. Importieren Sie die STL-Datei InnerDistSTL.stl (Abbildung 1ein, gelb) in der 3D Druck-Software. Wählen Sie die Schaltfläche "Bearbeiten" und klicken Sie im Menü " drehen " auf die X, Yoder Z Schaltflächen, um das Teil ausrichten, so dass die lange Achse senkrecht auf das druckbett steht und Bifurkation Registrierung Stifte (i) stehen vor der druckbett. Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern " und dann klicken Sie auf die Schaltfläche " Drucken " und Drucken Sie das Formteil mit polyvinyl Säure (PVA) Kunststoff-Faden auf einer einzigen Extruder.
  6. Unterstützung von 3D gedruckte Teile der Schritte 2.1-2.7 (Abbildung 2eine) entfernen.
    Hinweis: Es ist nicht notwendig, die Tragstruktur aus der äußeren Formteile zu entfernen, wenn sie die formbaugruppe nicht stören.

Figure 2
Abbildung 2 : Phantom Formbaugruppe Schiff und letzte Schiff Phantom. (a) die letzte gedruckte Form von inneren und äußeren Lumen Formen. Das distale Ende des inneren Lumens in eine wasserlösliche PVA-Kunststoff gedruckt und an das proximale Ende der inneren Lumen Form mit verformbaren Wachs befestigt ist. (b) Schlauch an den Anschluss der Injektion der äußeren Lumen Form und der Spritze Stopper angeschlossen. (c) die innere Lumen Schimmel nach Spray Beschichtung von flexiblen Dichtstoff. (d) Montage der Ausbuchtung Seite der äußeren Lumen Schimmel und innere Lumen Schimmel mit PVA-c (rot gefärbt) für steife Aneurysma Phantome hinzugefügt. (e) eine vollständige Schiff Schimmel montiert und eingespannt. (f) verformbaren Wachs auf die Nähte der äußeren Lumen Form zu verhindern, dass PVA-c Austritt aus der Form angewendet. (g) endgültige PVA-c Phantom nach 5 Frost/Tau-wechseln und Entnahme aus der Form. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

3. Hydrogel-Vorbereitung

  1. Ein Becherglas 22,2 g PVA-c-Pulver in 200 mL Leitungswasser (10 % durch Masse) unterrühren. Mikrowellen Sie-die Lösung zum Kochen und rühren. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis alle das PVA-Pulver wird aufgelöst und die Lösung transparent erscheint.
  2. 0,4 g Calciumcarbonat Pulver (0,2 m.-%) in 10 mL Wasser auszusetzen und die Lösung von Schritt 2.1 als Ultraschall streusignal handeln hinzuzufügen. Mischen Sie gründlich. Decken Sie die Lösung und lassen Sie ihn abkühlen auf Raumtemperatur (RT).
    Hinweis: Für homogene Phantome fahren Sie mit Schritt 3.5
  3. Einem separaten Becherglas 17,6 g PVA-c-Pulver in 100 mL Leitungswasser (15 % durch Masse oder nach Wunsch) unterrühren. Mikrowellen Sie-die Lösung zum Kochen und rühren. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis sich das PVA-Pulver aufgelöst und die Lösung transparent erscheint.
  4. 0,4 g Calciumcarbonat Pulver (0,2 m.-%) in 5 mL Wasser auszusetzen und die Lösung von Schritt 2.3 hinzuzufügen. Mischen Sie gründlich. Decken Sie die Lösung und lassen Sie es abkühlen, die RT.
  5. Mischen Sie 183,7 g PVA-c-Pulver in 3,5 L Leitungswasser (5 % durch Masse) in einem separaten großen Topf. Die Lösung zum Kochen bringen und rühren. Nehmen Sie den Topf vom Herd, sobald das PVA-Pulver aufgelöst und die Lösung transparent erscheint.
  6. 7,4 g Calciumcarbonat Pulver (0,2 m.-%) in 10 mL Wasser auszusetzen und die Lösung von Schritt 2.5 hinzuzufügen. Mischen Sie gründlich. Decken Sie die Lösung und lassen Sie es abkühlen, die RT.

4. Montage der Formen

  1. Die spritzenport der äußeren Lumen Form ca. 100 mm von der Schlauch zuordnen. Am anderen Ende des Schlauches legen Sie ein Absperrhahn mit Spritze Verbindungen (Abbildung 2b).
  2. Richten Sie die Registrierung-Pins der inneren Lumen Form und mit verformbaren Wachs, die prall gefüllte Schiff Teil der inneren Lumen Form auf den geraden Schiff Teil der inneren Lumen Form halten.
  3. In einem gut belüfteten Raum Zuweisen einer Spray-auf flexiblen Gummibeschichtung aneurysmal Ende der inneren Lumen Form zu verhindern, dass das Hydrogel auflösen das PVA-Formteil während dem Formprozess (Abbildung 2c).
    Hinweis: Fahren Sie mit Schritt 4.6 für homogene Phantome.
  4. Füllen Sie mit der größeren Seite der aneurysmal Teil der äußeren Form nach unten die Ausbuchtung mit 15 mL der Lösung in Schritten 3.3-3.4 (Abbildung 2b) erstellt. Legen Sie die montierte Innenform Teile in den vorderen äußeren Formteil (Abbildung 2d). Verwenden Sie Gummibänder, um den inneren Lumen Teil in Position zu halten.
    Hinweis: In Abbildung 2wird PVA-c für Sichtbarkeit rot gefärbt.
  5. Einfrieren der Gussform-Baugruppe in einem Gefrierschrank-20 ° C für 12 h, und entfernen Sie aus dem Gefrierfach. Fahren Sie mit Schritt 4.6, ohne dass die Lösung in der Form Montage Tauwetter.
  6. Während des Wartens auf die Form (Schritt 4.4) Einfrieren, wenden Sie eine großzügige Menge von verformbaren Wachs auf der Rückseite Oberfläche einer gedruckten Muster Form an und Klemmen Sie es an eine flache Kunststoffplatte geschnitten auf die minimale Größe von ca. 100 mm x 60 mm 10 mm (Abbildung 3ein). Füllen Sie den Raum zwischen der Form und die Kunststoff-Folie mit der gleichen PVA-Lösung in Schritt 4.3 verwendet. Einfrieren der Probe-Form in der gleichen Gefrierschrank (-20 ° C) als das Schiff Schimmel in Schritt 4.4.

Figure 3
Abbildung 3 : Probieren Sie Schimmel und letzte Probe und Hintergrund Phantome. (a) eingespannt Probe Form und klare Plastikfolie. PVA-c wird in die Probe Form gegossen und Luftblasen an die Oberfläche erlaubt sind. (b) PVA-c-Probe nach dem letzten Frost/Tau-Zyklus. (c) experimentelle U.S. bildgebende Einrichtung der Phantom Simulator Pumpe an und im Hintergrund PVA-c phantom platziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Montieren Sie und spannen Sie zusammen den gesamte Schiff Schimmel in der Ausrichtung, dargestellt in Abbildung 1ein und 1 b (Abb. 2e). Säumen Sie die Nähte der äußeren Lumen Formen mit einem verformbaren Wachs um sicherzustellen, dass das Hydrogel beim Einspritzen (Abbildung 2f) nicht leckt.
  2. Füllen Sie eine 60 mL-Spritze mit der PVA-c-Lösung in Schritte 3.1 und 3.2 gemacht. Mit der Bifurkation Ende der Form, die PVA-c-Lösung in der Form Montage Vermeidung von Luftblasen in der injizierten Lösung injizieren.
    Hinweis: Wenn Undichtigkeiten während der Injektion auftreten, halten Sie Injektion und Patch undichten Bereiche mit verformbaren Wachs an. Spritze Injektionen zu wiederholen, bis die PVA-c-Lösung die Form füllt.
  3. Lassen Sie die Form für 30 min, klopfen die Form vorsichtig alle 10 Minuten damit eventuelle Luftblasen steigen an die Spitze des Werkzeugs kann sitzen. Wiederholen Sie die Spritze Injektion bei Bedarf nach oben aus der Form. Einfrieren der gesamten formbaugruppe für 12 h, und entfernen Sie aus dem Gefrierfach. Lassen Sie die formbaugruppe Auftauen bei RT für 12 h.
  4. Während montieren und spannen eine weitere Probe Schimmel wartet auf die Form (Schritt 4.8), Einfrieren und flache Kunststoffplatte geschnitten wie beschrieben Schritt 4.5 (Abbildung 3ein). Füllen Sie den Raum zwischen der Form und die Kunststoff-Folie mit der gleichen PVA-Lösung in Schritt 4.7 verwendet. Einfrieren und Auftauen der Probe Form in der gleichen Gefrierschrank (-20 ° C) und zur gleichen Zeit als das Schiff Schimmel im Schritt 4.8 und die Probe Form Schritt 4.5.
  5. Einfrieren und Auftauen der Schiff-Form und Muster Formen von Schritten 4,5, 4.8 und 4.9 vier weitere Male für eine insgesamt fünf 24 - h Frost/Tau-Zyklen. Entfernen Sie nach dem 5th Frost/Tau-Zyklus die PVA-c testen Proben aus ihren Formen (Abbildung 3b). Schneiden Sie alle überschüssige Cryogel aus den Proben und speichern sie in einem verschlossenen Behälter von 5 % vom Volumen Bleichmittel/Wasserlösung bei RT
  6. Entfernen Sie das PVA-c-Schiff aus der äußeren Lumen-Form. Sorgfältig trennen Sie die geraden Schiff Teil der inneren Lumen Form vom aneurysmal Teil und aus dem PVA-c-Behälter zu entfernen. Schneiden Sie die Registrierung Abstandhalter aus gegabelten Ende der aneurysmal Teil der inneren Lumen-Form um das gedruckte PVA-Filament verfügbar zu machen. Legen Sie in einem Wasserbad bei RT den PVA aneurysmal Teil aufzulösen.
    Hinweis: Dies kann 24 Stunden oder länger dauern, jedoch das Bad warmes Wasser hinzufügen kann den Prozess zu beschleunigen auflösen.
  7. Speichern Sie das Phantom nach dem auflösen und entfernen die PVA Teil von innerhalb des Schiffes Phantom gedruckt, in einem verschlossenen Behälter von 5 % von Volumen Bleichmittel/Wasserlösung bei RT
  8. Füllen Sie den Hintergrund-Schimmel mit ca. 3,3 L die PVA-c-Lösung made in Schritten 3.5 und 3.6. Frieren Sie ein (-20 ° C) die Hintergrund-Form für 12 h, und entfernen Sie aus dem Gefrierfach. Lassen Sie die Form für 12 h bei RT Auftauen und für insgesamt 2 Frost/Tau-Zyklen wiederholen.
  9. Gleichzeitig mit Schritt 4.13 füllen ein Probe-Gussform-Baugruppe mit der gleichen Lösung PVA-c in Schritt 4.13 verwendet und durch die gleichen Frost/Tau-Proben wie die Hintergrund-Form legen.
  10. Entfernen Sie nach dem Tauwetter 2Nd Hintergrund Probe und Hintergrund phantom aus den Formen und speichern sie in einem verschlossenen Behälter von 5 % vom Volumen Bleichmittel/Wasserlösung bei RT

5. Phantom und Stichproben

  1. Legen Sie das Schiff Phantom und Hintergrund Phantom in ein großes Wasserbad. Befestigen Sie das größere Schiff Ende an den Ausgang des hämodynamischen Wasser Pumpe42,43 mit Schlauch Schellen (Abb. 3c). Stellen Sie das Gefäß im Hintergrund phantom phantom und dann befestigen Sie die gegabelten Enden des Phantoms mit dem Einlass zur hämodynamischen Pumpe mit Schlauch Schellen.
  2. Legen Sie einen Solid-State-Druck-Sensor-Katheter in das System des Schiffes und Pumpe in der Nähe der Einlass der hämodynamischen Pumpe. Lassen Sie die hämodynamische Pumpe laufen, so dass der Druck der Wand Verformungen zwischen einem Minimum von 0 kPa und eine maximale 7,5 kPa (Abbildung 4ein) ist.

Figure 4
Abbildung 4 : Protokoll imaging. (a) Druckprofil gemessen während der phantom bildgebende Einrichtung. (b) ein repräsentatives Bild der B-Modus des Phantoms in der Mindestdruck. (c) B-Modus bei Maximaldruck. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Verwenden Sie ein (US) Ultraschallsystem und einen konvexen Wandler mit einer Mittenfrequenz von etwa 5 MHz uns Bilder der Hintergrund und Schiff Phantome im Querschnitt an der Position des maximalen Schiffs Durchmesser (Abbildung 4b und 4 c sammeln ). Notieren Sie die Druckdaten mithilfe einer digitalen Erfassungssystem (Abbildung 4ein).
    Hinweis: Details zur Durchführung der Bildaufnahme in diesem Schritt finden Sie im Mix Et Al44.
  2. Erhalten Sie die Verschiebung Schätzungen mit einer unstarren Bild Registrierung basierende Technik wie im Mix Et Al. beschrieben 44. Feld (uich(X)), berechnet aus den Messungen der zweidimensionalen (2D) Verschiebung Feld 2D Strain Tensor (εIj(X)) durch die Auswertung des symmetrischen Teils des Verlaufs der Das verschiebungsfeld:
    Equation 1
  3. Berechnen Sie die maximale wichtigsten Dehnung (εp) als der maximale Hauptbestandteil des Feldes Stamm Tensor unter Verwendung der folgenden Gleichung:
    Equation 2
  4. Zu guter Letzt ermitteln Sie den Rahmen der wichtigsten Belastung an der Spitzendruck und teilen diese Sorte Tensor Feld Differenz in der maximalen und minimalen Katheter Druck (Abbildung 4ein) oder der Pulsdruck (PP), gemessen, räumlich aufgelöst Druck normalisiert Prinzip Dehnung (εpPP).

Figure 5
Abbildung 5 : Druck normalisiert Stamm Bilder. Repräsentative Bilder von normalisierten Dehnung (εpPP) in%/kPa innerhalb des Schiffes für die homogene 10 % durch Masse Schiff Phantom (a) und die heterogene Phantome mit 15 % durch Masse (b), 20 Masse-% und 25 % durch Masse anterior gemessene Druck aneurysmal Abschnitt (Spitze des Schiffes). Diese Zahl wurde von Mix Et Al. modifiziert 44. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Representative Results

Vertreter B-Modus Bilder des Schiffes imitiert Phantome für den minimalen und maximalen Druck durch den Katheter gemessen angezeigt werden (Abbildung 4b und 4 c, beziehungsweise). Der Druck normalisiert Dehnung (εpPP) in%/kPa wird für vier verschiedene hergestellten Phantome (Abbildung 5) angezeigt. Abbildung 5 eine zeigt die gemessenen Druck normalisiert Dehnung innerhalb einer homogenen Phantom mit 10 % von Masse PVA-c Lösung hergestellt. Das Verhältnis der durchschnittlichen Belastung gemessen im hinteren Viertel (Bild unten) das Phantom, die durchschnittliche Belastung im Quartier anterior (Bild oben) war 0,92. Abbildung 5 b zeigt εpPP für ein Phantom in der aneurysmal Abschnitt des Phantoms mit 15 % durch Masse PVA-c-Lösung und der Rest des Phantoms hergestellt wurde mit 10 % von Masse PVA-c gemacht wurde. Das Verhältnis der hinteren zum vorderen Belastung für dieses Phantom erwies sich 1,87. Abbildung 5 c zeigt εpPP für die heterogene Phantom mit 20 m.-% PVA-c, mit einer Posterior anterior Stamm-Verhältnis von 4,23. Abbildung 5 d zeigt εpPP für die heterogene Phantom mit 25 m.-% PVA-c, mit einer Posterior anterior Stamm-Verhältnis von 7,37.

Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass abdominale Aorta Phantome mit komplexen Geometrien und räumlich unterschiedliche Materialeigenschaften erstellt wurden. Gestaltung von phantom Geometrien wurden, oder genauer gesagt, phantom Formen fertig waren mit Computersoftware die phantom Geometrie Änderungen (Abbildung 1ein und 1 b) erleichtert. Schimmel können ohne weiteres 3D gedruckt und montiert und komplexe Form Geometrien bedruckbar mit PVA Filament und entfernt, ähnliche Wachsausschmelzverfahren Wurftechniken. Das letzte Schiff Phantome können dynamisch unter Druck gesetzt und sind stabil bei großen Belastungen (Abbildung 4ein). Phantome sind kompatibel mit Ultraschall imaging (Abbildung 4b und 4 c) und Materialeigenschaften abdominale Aorta Steifigkeiten imitiert haben. Variationen in der Stamm-Verhältnisse in der vorderen, hinteren Regionen der Sorte Bilder zeigen, dass die Regionen unterschiedliche Materialeigenschaften (Abbildung 5 haben) und die unabhängige mechanische Prüfung auf die Proben quantifizieren die exakten Werte für ihre jeweiligen Scherung Moduli.

Discussion

Dieses Papier stellt eine Technik zur Herstellung von Gewebe imitiert Phantome für den Einsatz in testing Elastographie oder Elastizität imaging-Algorithmen. Der kombinierte Einsatz von CAD und 3D Druck ermöglicht effiziente Gestaltung der Aorta imitiert Phantome mit komplexen Geometrien, darüber hinaus röhrenförmigen Phantome, einschließlich aneurysmal Ausbuchtungen. Die Erstellung des Phantoms erfolgt in 4 Schritten; 1 design der phantom Geometrie, 2) Druck von der phantom Formteile, 3) Mischen der Cryogel Lösungen, die letztlich die Ultraschall Merkmale und mechanischen Eigenschaften der phantom Schiffe und (4) Gießen/Injektion von der Cryogel imitieren werden Lösung in die Form setzen die PVA-c mit Frost-Tau-wechseln und Entfernung des Phantoms aus der Form. Der Einsatz von CAD in die bei der Gestaltung der Formen, die in Schritt 1 ermöglicht eine einfache Möglichkeit, genau die Geometrie der Phantome zu ändern. Druck von der Formteile dauert derzeit ca. 5-8 Stunden abhängig von der Größe des Druckes und kann somit leicht für wiederholte Änderungen an den Formen gemacht werden.

In Schritt 3 werden die Cryogel Lösungen geschaffen, um das Schiff, Aneurysma und Hintergrund Gewebe mit Calciumcarbonat Partikel imitiert die US-Streuung des Gewebes zu imitieren. Die Cryogel Lösungen sollte vor dem Gebrauch, wenn die Kalzium-Teilchen aus der Mischung niedergelassen haben gerührt werden. Die genaue Konzentration des Gemisches aus der Cryogel bestimmt die endgültigen mechanischen Eigenschaften der Phantome. Daher ist es wichtig, die unabhängigen Stichproben der einzelnen Lösungen im phantom Schiff und Hintergrund zu erstellen. Obwohl nicht Teil des Protokolls hier, unabhängige Messungen der Elastizitätsmodul der Probe erhalten Sie mit einachsigen Spannung zu testen. Unabhängige mechanische Prüfung der PVA-c Proben für die 10 %, 15 %, 20 % und 25 % Phantome in die repräsentativen Ergebnisse erstellt hatte Schubmodul von 17,4 ± 1,0 kPa, 48.3 ± 5,7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa und 170,0 ± 4.1 kPa bzw. gemessen.

Schritt 4 ist der wichtigste Schritt bei der Erstellung dieser Phantome. Obwohl die Registrierungen Pins, die Formteile in ihre richtigen Position im Vergleich zu den anderen zu halten sind, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Form, die Teile nicht während dem Formprozess trennen. Somit ist die Verwendung von Klammern um die Form zu halten. Die wichtigste Überlegung von Schritt 4 ist in der Form vor dem ersten Frost-Tau-Zyklus eingeschlossenen Luftbläschen zu minimieren. Es ist oft nützlich, eine Seite der äußeren Form zu zerlegen und das Phantom zu überprüfen, nachdem der erste Frost-Tau-Zyklus, um sicherzustellen, dass es korrekt gebildet. Dies erspart Zeit verschwendet, indem einen "schlechten" Phantom durch zusätzliche Zyklen. Nachdem das Phantom völlig aus der Form entfernt wurde, kann es für mehrere Wochen bei fortgesetzter Anwendung in Wasser gespeichert werden.

Die PVA-c Phantome entwickelt in dieser Arbeit wurden geschaffen, um speziell die Ultraschall und materielle Steifigkeit der Aorta Gewebe zu imitieren. Die Verwendung von Polyvinylalkohol Cryogel ermöglicht ein breiteres Spektrum an möglichen mechanische Steifigkeit, um bessere Mimik die ändernden Materialeigenschaften der Aorta Gewebe im Vergleich zu mehr Kautschuk wie Materialien33,34. Darüber hinaus erfasst die Verwendung von Hydrogel und Feinguss besser die akustischen Eigenschaften der gegossenen Beläge oder direkt 3D Drucksachen33,45. Einige Luftblasen können in unsere Formen vor dem ersten Frost-Tau-Zyklus gefangen. Dies kann dazu führen, dass Lücken im Phantom und materielle Schwäche oder akustische Artefakte führen. Daher empfiehlt es sich, inspizieren Phantome aus der Form nach dem ersten Frost-Tausalz-um festzustellen, ob der Prozess neu gestartet werden soll. Darüber hinaus fanden die Autoren, dass die Innenform manchmal während des Einfrierens der aneurysmal Teil der Phantome verschieben kann. In diesem Fall wäre eine Änderung des genannten Protokolls zum Erstellen eines 3D gedruckten oder auf andere Weise gestalteten, teils um die innere Lumen-Form an der vorderen äußeren Form während des Einfrierens von diesem Abschnitt festhalten. Die Autoren haben festgestellt, dass mit der hinteren Seite der äußeren Form und einen 5 mm Spacer zwischen der hinteren äußeren Form und der Innenform gut für diesen Zweck funktioniert.

Das Phantom entwickelt hier ist ideal für das Studium den Einfluss von Veränderungen im aneurysmal Durchmesser und luminalen Dicke oder möglicherweise das Vorhandensein von Thromben im Gewebe durch die ursprünglichen CAD-Dateien bearbeiten. Vorarbeiten hat jedoch auch gezeigt, dass diese Herstellungstechnik kann geändert werden, um Patienten-spezifischen phantom Geometrien mit Computertomographie-Bildern und Segmentierung Software zu produzieren, anstatt CAD-Konstruktion, erstelle ich die 3D gedruckt phantom Formen 44. die hier dargestellten Ergebnisse zeigen, dass der Algorithmus der hergestellten Varianten in den mechanischen Eigenschaften der phantom Abschnitte visualisieren konnte. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl diese Phantome verwendet wurden, um US-amerikanische bildgebende Verfahren zu testen, sie auch mit Magnetresonanz und Computertomographie imaging-Systemen kompatibel sind, können sie auch über den Zweck der Elastizität, imaging, für ein breites verwendet werden Auswahl an neuartige bildgebende Verfahren und Modalitäten.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom National Center für voran translationale Wissenschaften der National Institutes of Health durch Award Nr. unterstützt. UL1 TR000042 und dem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering von den National Institutes of Health durch Award Nr. R21 EB018432.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PLA filament MatterHackers, MatterHackers.com MEEDKTKU
PVA filament MatterHackers, MatterHackers.com M4MJTECR
LeakSeal RPM International Inc., Rustoleum.com 265495
Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30) DowDuPont Inc., ChemistryStore.com SKU: 81015
Calcium Carbonate Powder greenwaybiotech.com via amazon.com Amazon: B00HFFCBYQ
Tacky Wax bards.com via amazon.com Bards: BB759
Amazon: B016KBDYRS
Rostock max 3D Printer SeeMeCNC, seemecnc.com SKU: 84459
Onshape CAD software OnShape, onshape.com
Mattercontrol printer software MatterHackers, MatterHackers.com
Mikro-Cath pressure catheter and device Millar, Inc., millar.com 4501016/B
BNC digital acquisition National Instruments Corporation, ni.com NI USB-6251 BNC
clear cast acrylic sheet mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 8560K274
Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile Cole-Parmer, coleparmer.com EW-30600-02
BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock) Cole-Parmer, coleparmer.com EW-07945-28
6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader Tekton, Inc., www.tekton.com 39181
Tygon PVC Clear Tubing mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 6516T53
MTS Qtest Q/5 MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016
MTS 5N Load Cell MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016/B
Abaqus FEA Dassault Systèmes, 3ds.com

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Biotechnologie Ausgabe 139 Ultraschall Phantome Elastographie Aorta Modell 3D-Druck Hydrogel Aneurysma Simulation
Herstellung von Bauchschlagader Hydrogel Gewebe-Nachahmung Phantome für Ultraschall-Elastographie-Validierung
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Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S.… More

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S. W., Richards, M. S. Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation. J. Vis. Exp. (139), e57984, doi:10.3791/57984 (2018).

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