Name: Caracterización viscoelástica de fantasmas de gelatina que imitan tejidos blandos mediante elastografía por indentación y resonancia magnética (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Aprende a caracterizar propiedades viscoelásticas de tejidos blandos usando elastografía por indentación y resonancia magnética en fantasmas de gelatina. Este método permite evaluar biomarcadores mecánicos en muestras biológicas como cerebro, hígado y tumores.

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1. Preparación fantasma de gelatina
<ol><li>Pese la gelatina, el glicerol y el agua de acuerdo con la Tabla 1. Mezclar la gelatina en polvo con agua para obtener la solución de gelatina. NOTA: Las concentraciones de los componentes individuales para preparar los dos fantasmas se muestran en la Tabla 1. Cuanto mayor es la concentración de gelatina, más rígido es el fantasma.</li>
	<li>Calentar la solución de gelatina a 60 °C en un baño maría. Agregue glicerol a la solución de gelatina mientras mantiene la temperatura. NOTA: El glicerol estabiliza las mezclas de gelatina aumentando su temperatura de fusión y módulo de cizallamiento17.</li>
	<li>Revuelva la solución y caliéntela a 60 °C de nuevo. Vierta la solución mezclada en un recipiente que se utilizará para MRE y pruebas de indentación. Enfríe la solución a temperatura ambiente y espere hasta que la solución se solidifique.</li>
</ol>2. Prueba de MRE
<ol><li>Coloque la placa de vibración encima del fantasma de gelatina. Asegúrese de que el contacto entre el fantasma y la placa vibratoria sea firme (Figura 1A). NOTA: La placa vibratoria está fabricada en Poliamida con una dimensión de 50 x 50 x 5 mm3.</li>
	<li>Coloque el fantasma de gelatina en la bobina de la cabeza. Coloque esponjas y sacos de arena alrededor del fantasma de gelatina para asegurarse de que el fantasma esté firmemente colocado. Utilice un actuador electromagnético personalizado con una barra de transmisión14,18. Monte un actuador electromagnético en la bobina de la cabeza. Conecte la barra de transmisión a la placa vibratoria (Figura 1B).</li>
	<li>Conecte las líneas de alimentación del actuador con el amplificador. Conecte las líneas de control con el controlador (Figura 1C).</li>
	<li>Configuración de los parámetros del actuador y de la resonancia magnética<ol><li>Establezca la forma de onda, la frecuencia de vibración y la amplitud en el generador de funciones. Ajuste la amplitud de vibración deseada ajustando el amplificador de potencia. NOTA: Aquí, la forma de onda se establece en sinusoidal en el generador de funciones; la frecuencia de vibración se establece en 40 Hz o 50 Hz, y la amplitud se establece en 1,5 Vpp. En el amplificador de potencia, la relación de amplificación se establece en 40%.</li>
		<li>Configure el generador de funciones para que funcione en el modo de disparo. Conecte la línea de activación al puerto de disparo externo de la máquina de resonancia magnética.</li>
		<li>Ajuste la frecuencia de escaneo MRE (actuador) igual que la del generador de funciones, de modo que el gradiente de codificación de movimiento se sincronice con el movimiento de la placa de vibración.</li>
	</ol></li>
	<li>Medición y análisis de datos<ol><li>Siga los procedimientos rutinarios de posicionamiento por imágenes. Utilice una secuencia de MRE basada en eco de gradiente (GRE) 2D para obtener imágenes del fantasma de gelatina20. Establezca los parámetros de imagen GRE-MRE de la siguiente manera: Ángulo de giro = 30°; TR/TE = 50/31 ms; Campo de visión = 300 mm; Grosor de la rebanada = 5 mm; Tamaño del vóxel = 2,34 x 2,34 mm2.</li>
		<li>Mida las imágenes de fase en cuatro puntos temporales en un ciclo sinusoidal. Aplique gradientes de codificación de movimiento positivo y negativo en cada punto de tiempo.</li>
		<li>En función de la imagen de fase adquirida, elimine la fase de fondo restando las imágenes de fase codificadas positiva y negativa. Desenvuelva la fase con un algoritmo basado en la clasificación de fiabilidad21.</li>
		<li>Extraiga el componente principal del movimiento aplicando la transformada rápida de Fourier a las imágenes de fase sin ajustar. Filtre la imagen de fase con un filtro de paso de banda digital. Estimar el módulo de corte con un algoritmo de inversión directa (DI) 2D para obtener el módulo de almacenamiento G' y el módulo de pérdida G''13,14. NOTA: La frecuencia de corte del filtro de paso de banda es [0,04 0,08]. El tamaño de la ventana de ajuste del algoritmo DI es 11 x 11.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Prueba de sangría
<ol><li>Use un punzón circular o una cuchilla quirúrgica para recortar el fantasma de gelatina en una muestra cilíndrica o cuboide, respectivamente. Asegúrese de que el grosor de la muestra esté entre 3 y 10 mm y que el diámetro de la muestra cilíndrica o del lado largo del cuboide sea mayor de 4 mm. Use una cuchilla afilada para recortar la superficie de la muestra para que sea lo más suave posible para la hendidura.</li>
	<li>Encienda la alimentación del probador de sangría. Realice lo siguiente utilizando el programa de control de penetrador diseñado para automatizar el procedimiento de contacto del penetrador (programa personalizado; consulte Tabla de materiales).<ol><li>Haga clic en el botón Retroceder en la GUI para inicializar el proceso de calibración (Figura 2B). Lea el valor del sensor láser y escriba el valor en el cuadro Línea base . NOTA: Durante el proceso de calibración, la distancia entre el sensor láser y la placa deflectora se ajusta a un valor predefinido específico.</li>
		<li>Coloque un portaobjetos de vidrio en la placa deflectora y registre el valor mostrado por el sensor láser. A continuación, coloque la muestra en el portaobjetos de vidrio y colóquelos juntos en la placa deflectora. Lea el valor del sensor láser y escriba este valor en el cuadro Muestra+Diapositiva . NOTA: El sensor láser se utiliza para registrar el desplazamiento de la hendidura, pero también se utiliza para medir el grosor de la muestra antes de la prueba.</li>
		<li>Tome la diferencia entre los dos valores obtenidos en el paso 3.2.2 como el espesor de la muestra en la región de interés (ROI).</li>
		<li>Coloque cuidadosamente la muestra junto con el portaobjetos de vidrio subyacente justo debajo del penetrador y, a continuación, haga clic en el botón Contacto para iniciar el contacto automático entre el penetrador y la superficie de la muestra. NOTA: Si el contacto automático no es satisfactorio, es decir, el penetrador presiona profundamente en la muestra o no tiene un contacto, ajuste la posición del penetrador escribiendo un valor en el rango de 0,05-0,1 mm en el cuadro Desplazamiento y repita los pasos 1.2.1-1.2.4.</li>
		<li>Sobre la base del espesor de la muestra medida (paso 3.2.3), estime el desplazamiento de la hendidura (es decir, la profundidad total de la hendidura) multiplicando el espesor por la deformación de prueba con sangría (aquí, se establece en ≤8% para mantener la hendidura dentro de la suposición de deformación pequeña).</li>
		<li>Escriba los valores de desplazamiento (paso 3.2.5) en el cuadro Desplazamiento (mm). Ajuste el tiempo de relajación a 180 s en el cuadro Tiempo de permanencia . Haga clic en el botón Sangría . El desplazamiento y la fuerza reactiva durante el procedimiento de retención de rampa se registrarán automáticamente y se guardarán en un archivo en la ruta de archivo especificada. NOTA: La ruta de archivo se puede predefinir como la ruta para guardar datos de prueba.</li>
	</ol></li>
	<li>Exporta los datos de sangría a una hoja de cálculo. Utilice una serie <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;"> de Prony de dos términos para ajustarse a la curva de relajación de la fuerza 1,3,11: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;"></li>
	<li>Estimar el módulo de cizallamiento instantáneo (G 0) y el módulo de cizallamiento a largo plazo (G∞) basándose en los parámetros ajustados: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;"> NOTA: En las ecuaciones anteriores, C 0, C i y τi son parámetros del modelo de la serie Prony, F es la fuerza de indentación, R es el radio del penetrador, X es el factor de compensación para el supuesto de medio espacio infinito, V es la velocidad de indentación, t es la variable de tiempo y t R es el tiempo de rampa. </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>

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Los fantasmas de gelatina se utilizan comúnmente como materiales que imitan el tejido para probar y validar algoritmos y dispositivos 17,19,22,23,24,25,26,27. Uno de los estudios pioneros que utilizaron el fantasma de gelatina para comparar la ERM y las pru...

La mayoría de los tejidos biológicos blandos parecen tener propiedades viscoelásticas que son importantes para comprender su lesión y desarrollo 1,2. Además, las propiedades viscoelásticas son biomarcadores importantes en el diagnóstico de una variedad de enfermedades como la fibrosis y el cáncer 3,4,5,6. Por lo tanto, la caracterización de las propiedades viscoelásticas de los tejidos blandos es crucial. Entre las muchas técnicas de caracterización utilizadas, las pruebas mecánicas ex vivo de muestras de tejido y la elastografía in vivo utilizando imágenes biomédicas son los dos métodos ampliamente utilizados.
Aunque se han utilizado varias técnicas de prueba mecánica para la caracterización de tejidos blandos, los requisitos para el tamaño de la muestra y las condiciones de prueba no son fáciles de cumplir. Por ejemplo, las pruebas de cizallamiento deben tener muestras fijadas firmemente entre las placas de cizallamiento7. La prueba biaxial es más adecuada para el tejido de membrana y tiene requisitos específicos de sujeción 8,9. Una prueba de compresión se usa comúnmente para pruebas de tejidos, pero no puede caracterizar posiciones específicas dentro de una muestra10. La prueba de indentación no tiene requisitos adicionales para fijar la muestra de tejido y se puede usar para medir muchas muestras de tejido biológico, como el cerebro y el hígado. Además, con una pequeña cabeza penetradora, se podrían probar propiedades regionales dentro de una muestra. Por lo tanto, se han adoptado pruebas de indentación para probar una variedad de tejidos blandos 1,3,11.
La caracterización de las propiedades biomecánicas de los tejidos blandos in vivo es importante para los estudios traslacionales y las aplicaciones clínicas de la biomecánica. Las modalidades de imagen biomédica como la ecografía (US) y la resonancia magnética (RM) son las técnicas más utilizadas. Aunque las imágenes estadounidenses son relativamente baratas y fáciles de llevar a cabo, sufren de bajo contraste y son difíciles de medir órganos como el cerebro. Capaz de obtener imágenes de estructuras profundas, la elastografía por RM (ERM) pudo medir una variedad de tejidos blandos 6,12, especialmente el cerebro13,14. Con la vibración externa aplicada, MRE podría medir las propiedades viscoelásticas de los tejidos blandos a una frecuencia específica.
Los estudios han demostrado que a 50-60 Hz, el módulo de corte del cerebro normal es ~ 1.5-2.5kPa 5,6,13,14,15 y ~ 2-2.5 kPa para el hígado normal 16. Por lo tanto, los fantasmas de gelatina que tienen propiedades biomecánicas similares han sido ampliamente utilizados para imitar tejidos blandos para pruebas y validación17,18,19. En este protocolo, se prepararon y probaron fantasmas de gelatina con dos concentraciones diferentes. Las propiedades viscoelásticas de los fantasmas de gelatina se caracterizaron utilizando un dispositivo electromagnético MRE hecho a medida14 y un dispositivo de hendidura 1,3. Los protocolos de prueba podrían usarse para analizar muchos tejidos blandos como el cerebro o el hígado.

<table><tbody><tr><td>Cabezal de 24 canales & Bobina de cuello</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>100120</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>3T Escáner de resonancia magnética</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>uMR 790</td><td>Tablero</td></tr> de adquisición de equipos <tr><td></td><td>Advantech Co</td><td>PCI-1706U</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>Computadora-Windows</td><td>Equipo HP</td><td>790-07</td><td></td></tr><tr><td>Actuador electromagnético</td><td>Shanghai Jiao Tong University</td><td></td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Generador de funciones</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>Gelatina</td><td>CARTE D'OR</td><td></td><td>Reactivo</td></tr><tr><td>Glicerol</td><td>Vance Bioenergy Sdn.Bhd</td><td></td><td>Reactivo</td></tr> Programa <tr>de<td>control de indentadores</td><td>Software diseñado a medida; consultado a través de: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sensor láser</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>Célula de carga</td><td>Transductor Técnica</td><td>GSO-10</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Amplificador de potencia</td><td>Yamaha</td><td>A-S201</td><td>Equipo</td></tr><tr><td>Motor eléctrico de bobina móvil</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>Equipo</td></tr></tbody></table>

caracterización viscoelástica de fantasmas de gelatina que imitan tejidos blandos mediante elastografía por indentación y resonancia magnética

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

La caracterización de las propiedades biomecánicas de los tejidos biológicos blandos es importante para comprender la mecánica tisular y explorar los mecanismos biomecánicos relacionados con la enfermedad, las lesiones y el desarrollo. El método de prueba mecánica es la forma más sencilla para la caracterización de tejidos y se considera como verificación para la medición in vivo . Entre las muchas técnicas de prueba mecánica ex vivo , la prueba de indentación proporciona una forma confiable, especialmente para muestras que son pequeñas, difíciles de fijar y viscoelásticas, como el tejido cerebral. La elastografía por resonancia magnética (ERM) es un método utilizado clínicamente para medir las propiedades biomecánicas de los tejidos blandos. Sobre la base de la propagación de ondas cortantes en tejidos blandos registrada mediante MRE, las propiedades viscoelásticas de los tejidos blandos se pueden estimar in vivo basándose en la ecuación de onda. Aquí, las propiedades viscoelásticas de los fantasmas de gelatina con dos concentraciones diferentes se midieron mediante MRE y sangría. Se han presentado los protocolos de fabricación fantasma, pruebas y estimación del módulo.

Siguiendo el protocolo MRE, se observó una clara propagación de onda de corte en los fantasmas de gelatina a 40 y 50 Hz (Figura 3). Las propiedades viscoelásticas medidas a partir de MRE, y las pruebas de indentación se muestran en la Figura 4. Los valores estimados de G' y G" en cada prueba para cada fantasma se resumen en la Tabla 2. Siguiendo el protocolo de indentación, las propiedades viscoelásticas de cada fantasma en cada punto de prueba ...

Este artículo presenta una demostración y resumen de los protocolos de fabricación de fantasmas de gelatina que imitan los tejidos blandos, y la correspondiente caracterización viscoelástica mediante indentación y elastografía por resonancia magnética.

Caracterización viscoelástica de fantasmas de gelatina que imitan tejidos blandos mediante elastografía por indentación y resonancia magnética

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

Este protocolo proporciona una forma de preparar funciones de gel que imitan el tejido en los métodos de caracterización biomecánica ex vivo e in vivo, que son críticos para comprender y encontrar nuevos biomarcadores para el tejido. La hendidura puede medir muestras de tejido de tamaño pequeño y es fácil de llevar a cabo, mientras que la misma muestra se puede analizar utilizando MRE, proporcionando una estimación directa de escenarios de prueba in vivo. Este método podría proporcionar información sobre las propiedades mecánicas viscoelásticas dependientes de la frecuencia de muestras biológicas blandas, como el cerebro, el hígado, los tejidos tumorales, etc. También se pueden medir propiedades similares de otros fantasmas de muestra.Comience mezclando el polvo de gelatina con agua para obtener la solución de gelatina. Caliente la solución de gelatina a 60 grados centígrados en un baño de agua y agregue glicerol a la solución mientras mantiene la temperatura. Revuelva la solución y caliéntela a 60 grados centígrados nuevamente.Vierta la solución mezclada en un recipiente que se utilizará para MRE y pruebas de indentación. Enfríe la solución a temperatura ambiente y espere hasta que la solución se solidifique. Coloque el fantasma de gelatina en la bobina de la cabeza.Luego, coloque la placa de vibración encima del fantasma de gelatina. Asegúrese de que el contacto entre el fantasma y la placa vibratoria sea firme. Coloque esponjas y sacos de arena alrededor del fantasma de gelatina para asegurarse de que el fantasma esté firmemente colocado.Monte un actuador electromagnético en la bobina del cabezal y conecte la barra de transmisión a la placa de vibración. Conecte las líneas de alimentación del actuador con el amplificador y luego conecte las líneas de control con el controlador. Establezca la forma de onda, la frecuencia de vibración y la amplitud en el generador de funciones.Ajuste la amplitud de vibración deseada ajustando el amplificador de potencia. Luego, configure el generador de funciones para que funcione en el modo de disparo. Conecte la línea de activación al puerto de disparo externo de la máquina de resonancia magnética.Ajuste la frecuencia de escaneo MRE igual que la del generador de funciones, de modo que el gradiente de codificación de movimiento se sincronice con el movimiento de la placa de vibración. A continuación, ajuste el ángulo de giro a 30 grados, TR y TE a 50 y 31 milisegundos, el campo de visión a 300 milímetros, el grosor de la rebanada a cinco milímetros y el tamaño del vóxel a 2,34 por 2,34 milímetros cuadrados. Mida las imágenes de fase en cuatro puntos temporales en un ciclo sinusoidal.Aplique gradientes de codificación y movimiento positivo y negativo en cada punto de tiempo. En función de la imagen de fase adquirida, elimine la fase de fondo restando las imágenes de fase codificadas positiva y negativa. Desenvuelva la fase con un algoritmo basado en la clasificación de confiabilidad.Extraiga los componentes principales del movimiento aplicando una transformada rápida de Fourier a las imágenes de fase sin envolver. Filtre la imagen de fase con un filtro de paso de banda digital y estime el módulo de corte con un algoritmo de inversión directa 2D para obtener el módulo de almacenamiento G-prime y el módulo de pérdida G-double prime. Use un punzón circular para recortar el fantasma de gelatina en una muestra cilíndrica y use una cuchilla quirúrgica para recortarlo en una muestra cuboide.Recorte la superficie de la muestra con una cuchilla afilada para que sea lo más suave posible para la hendidura. Encienda la alimentación del probador de sangría y haga clic en el botón Retroceder en la GUI para inicializar el proceso de calibración. Lea el valor del sensor láser y escriba el valor en el cuadro Línea base.Coloque un portaobjetos de vidrio en la placa deflectora y registre el valor mostrado por el sensor láser. A continuación, coloque la muestra en el portaobjetos de vidrio y colóquelos juntos en la placa deflectora. Lea el valor del sensor láser y escriba este valor en el cuadro Diapositiva de muestra.La diferencia entre estos dos valores es el grosor de la muestra en la región de interés. Coloque cuidadosamente la muestra junto con el portaobjetos de vidrio subyacente justo debajo del indentor y luego haga clic en el botón Contacto para iniciar el contacto automático entre el indentor y la superficie de la muestra. Basándose en el espesor de la muestra medido, estime el desplazamiento de la hendidura multiplicando el espesor por la deformación de prueba con sangría.Escriba los valores de desplazamiento en el cuadro Desplazamiento. Establezca el tiempo de relajación en 180 segundos en el cuadro Tiempo de permanencia y haga clic en el botón Sangría. El desplazamiento y la fuerza reactiva durante el procedimiento de rampa/retención se registrarán automáticamente y se guardarán en un archivo en la ruta de archivo especificada.Aquí se muestran imágenes de propagación de ondas para los dos fantasmas de gelatina a 40 y 50 hercios. Las cuatro fases corresponden a los cuatro puntos temporales en un ciclo sinusoidal. Aquí se muestran las propiedades viscoelásticas medidas a partir de MRE y experimentos de indentación.Las imágenes representativas representan mapas típicos estimados de primos G y dobles dobles de G a 40 y 50 hercios para los dos fantasmas de gelatina de MRE. Aquí se presentan la media y la desviación estándar de los valores G-cero y G-infinito para los dos fantasmas de las seis pruebas de sangría repetidas. Las imágenes gráficas que se muestran en la pantalla representan la media y la desviación estándar de los valores de primo G y doble primo G a 40 y 50 hercios para los dos fantasmas de las seis pruebas repetidas de ERM.El símbolo de asterisco indica una diferencia significativa. Al intentar este procedimiento, asegúrese de que la placa vibratoria esté firmemente presionada sobre el fantasma y no presione demasiado la placa. Al tratar la muestra, asegúrese de que la superficie sea lo más plana posible.Esta técnica allana el camino para explorar las propiedades biomecánicas relacionadas con los estudios patológicos y desarrollar biomarcadores basados en la biomecánica para el diagnóstico y pronóstico de enfermedades.

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Bioengineering

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Caracterización viscoelástica de fantasmas de gelatina que imitan tejidos blandos mediante elastografía por indentación y resonancia magnética (Video) | JoVE Journal

Caracterización viscoelástica de fantasmas de gelatina que imitan tejidos blandos mediante elastografía por indentación y resonancia magnética

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