Ce protocole décrit une méthode robuste et reproductible pour fabriquer des fantômes anisotropes à l’alcool polyvinylique (PVA) — des outils essentiels pour valider les techniques d’élastographie par ultrasons ciblant mécaniquement les tissus mous anisotropes (par exemple, le muscle squelettique).
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Article de méthode
Fabrication fantôme à l’alcool polyvinylique anisotrope pour l’élastographie par ultrasons : procédure et contrôles qualité
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les fantômes à l’alcool polyvinylique (PVA) sont généralement isotropes et largement utilisés pour valider les techniques d’élastographie par ultrasons pour l’évaluation des tissus mous. Cependant, certains tissus mous biologiques (par exemple, le muscle squelettique) présentent une anisotropie mécanique distincte, ce qui nécessite l’utilisation de fantômes PVA anisotropes pour les tests rigoureux des méthodes d’élastographie ciblant ces tissus. Bien que des études antérieures aient noté que les phantoms anisotropes en interne peuvent être fabriqués via des cycles de congélation/dégel (FTC) intégrés à l’étirement, des détails techniques critiques (par exemple, le processus de fabrication, le contrôle qualité) restent insuffisamment documentés. Ce travail présente un protocole visuellement détaillé et reproductible pour fabriquer des fantômes PVA anisotropes, en se concentrant sur les matériaux clés, les procédés par étapes et les contrôles de qualité afin d’induire une anisotropie stable et uniforme. Les matériaux clés incluent le PVA comme matrice fantôme, le sorbate de potassium comme conservateur, les particules de graphite comme diffuseurs acoustiques, et l’eau pure (ou eau déionisée) comme solvant. Le processus de fabrication comprend trois étapes principales : 1) Préparation d’une solution homogène à base de PVA sous des conditions thermiques contrôlées afin d’assurer une dissolution complète du PVA ; 2) Solidification via FTC : la solution refroidie est versée dans des moules imprimés en 3D, suivie de FTC sans étirement pour former une structure préliminaire ; 3) Induction de l’anisotropie via des FTC étirés : des FTC supplémentaires sont réalisées sous étirement contrôlé pour induire une anisotropie directionnelle. Les mesures de contrôle qualité (par exemple, éviter les bulles d’air lors de la dissolution du PVA) sont décrites en détail. Après fabrication, l’imagerie par ondes de cisaillement par ultrasons (SWI) et des tests de traction uniaxiale sont utilisés pour confirmer l’anisotropie mécanique du fantôme. Cet article propose une approche standardisée pour fabriquer des fantômes anisotropes imitant les tissus afin de valider les techniques d’élastographie par ultrasons avec une précision et une cohérence accrues.
Introduction
Certains tissus mous biologiques (par exemple, le muscle squelettique) présentent une anisotropie mécanique macroscopique, qui provient de leur architecture microstructuralealignée 1. Plus précisément, les tissus conjonctifs organisent les fibres musculaires en une structure hiérarchique : l’endomysium entoure les fibres individuelles, le périmysium regroupe les fibres en fascicles, et l’épimysium encapsule l’ensemble du muscle, soutenant la transmission de la force et l’apport ennutriments 2. Les techniques d’élastographie basées sur les ultrasons, telles que l’imagerie par ondes de cisaillement (SWI), sont largement utilisées pour l’évaluationmusculaire 3,4. Cependant, les propriétés mécaniques anisotropes du muscle entraînent théoriquement une propagation d’onde de cisaillement dépendantede la direction 5, ce qui complique la quantification de la raideurmusculaire 6. Les fantomes mécaniquement anisotropes imitant les tissus sont essentiels pour faire progresser l’élastographie par ultrasons dans l’évaluation musculaire.
L’alcool polyvinylique (PVA) est un matériau idéal pour ces fantômes, car maintenir l’étirement mécanique pendant les cycles de congélation/dégel (FTC) aligne les chaînes moléculaires PVA, induisant ainsi une anisotropie mécanique 7,8. Les approches conventionnelles utilisant des cuboïdes PVA simples sous étirement conduisent souvent à une déformation inhomogène due au glissement de surface, compromettant ainsi la reproductibilité. Cette limitation peut être corrigée en employant une géométrie fantôme optimisée avec des anneaux de maintien à l’extrémité, ce qui assure un étirement fiable et une répartition uniforme des déformations9 — améliorant nettement la qualité des fantômes PVA anisotropes. Dans cette étude, nous fournissons une démonstration visuelle détaillée de la fabrication de tels fantômes PVA anisotropes et validons leur anisotropie mécanique via des tests SWI et de traction uniaxiale.
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Protocole
REMARQUE : Les étapes suivantes sont illustrées à la Figure 1.
1. 3D impression du moule fantôme
- À l’aide d’un logiciel de modélisation 3D, concevez la géométrie fantôme pour intégrer deux anneaux de maintien (un à chaque extrémité) afin de maintenir l’étirement, avec une région centrale efficace de 35 mm × 60 mm × 5 mm (longueur × largeur × hauteur) afin d’assurer une induction uniforme par anisotropie.
- Imprimez le moule à l’aide d’une imprimante 3D.
REMARQUE : Les anneaux de maintien empêchent le glissement lors de l’étirement, assurant une répartition constante de la déformation. Tous les fichiers d’impression 3D (.stl) sont fournis dans le Fichier Supplémentaire 1.
2. Préparation de la solution PVA
- Peser la poudre de PVA (10 wt), le sorbate de potassium (1 wt %) et les particules de graphite (1 wt %, ~6,5 μm de diamètre), et mesurer le volume correspondant d’eau pure (l’eau déionisée est recommandée) pour préparer un volume de lots de ~200 mL.
- Mélangez de la poudre de PVA et de l’eau pure dans un bécher, placez le bécher sur un agitateur magnétique équipé d’une barre d’agitation, couvrez le bécher de papier aluminium, puis remuez à ~600 tr/min à température ambiante pendant 10 minutes jusqu’à ce que le PVA soit complètement dispersé.
- Transférez le bécher dans un bain-marie à 80 °C et continuez à chauffer jusqu’à ce que le PVA soit complètement dissous (comme en témoigne une solution claire sans particules).
REMARQUE : Portez des gants résistants à la chaleur et des protections oculaires lors du chauffage pour éviter les brûlures thermiques. Assurez-vous qu’aucune particule de PVA non dissoute ne subsiste, car elles compromettront l’homogénéité fantôme.
3. Ajout d’additifs et moulage
- Refroidissez la solution à ~40 °C tout en continuant à remuer à ~600 tr/min sur l’agitateur magnétique.
- Retirez le papier aluminium, ajoutez du sorbate de potassium et des particules de graphite, recouvrez à nouveau avec du papier aluminium, puis remuez à ~600 tr/min jusqu’à ce que les additifs soient uniformément dispersés (confirmez visuellement une distribution homogène).
- (Optionnel) Dégazez la solution PVA pour éliminer les bulles d’air résiduelles. Placez le bécher contenant la solution mélangée dans une chambre à vide et apliquez un vide pendant environ 30 minutes pour éliminer les bulles d’air de la solution PVA.
- Coulez la solution dans le moule imprimé en 3D et assemblez le moule à l’aide de vis.
REMARQUE : Évitez d’introduire des bulles d’air lors du lancement. Tapotez doucement le moule si nécessaire pour éliminer les bulles d’air piégées à l’intérieur de la solution.
4. FTC initiale pour la solidification du PVA
- Placez le moule dans un congélateur à −20 °C pendant 12 heures.
- Retirez la moisissure du congélateur et décongelez à température ambiante (20 °C) pendant 12 heures.
- Démoldez soigneusement le fantôme pour éviter les dommages.
REMARQUE : Cette étape forme un fantôme de base isotrope, fournissant une base stable pour une induction d’anisotropie ultérieure.
5. Induction de l’anisotropie via des FTC étirées
- Placez le fantôme sur le dispositif d’étirement sur mesure, étirez-le progressivement jusqu’à 180 % de sa longueur effective (80 % de traction en traction), mesurez manuellement la distance d’étirement, puis verrouillez l’appareil pour éviter toute rétraction.
- Transférez l’ensemble de l’appareil d’étirement (avec le fantôme fixé) dans un congélateur à −20 °C pendant 12 heures, puis décongelez à température ambiante (20 °C) pendant 12 heures.
- Répétez ce cycle FTC une fois de plus sous un étirement soutenu.
REMARQUE : Le dispositif d’étirement sur mesure est constitué d’une scène linéaire bidirectionnelle à filetage opposé commercialement disponible, assemblée avec deux supports de maintien de fantômes imprimés en 3D, pour lesquels les fichiers STL sont fournis dans le Fichier Supplémentaire 1. Portez des gants isolants contre le froid pour éviter les engelures lors du retrait de l’appareil d’étirement du congélateur à −20 °C. Un étirement soutenu lors des FTC aligne les chaînes moléculaires PVA de façon unidirectionnelle. Total des CPT utilisées dans cette étude : un cycle sans étirement + deux cycles étirés (80 % de déformation en traction).
6. Libération finale et stockage
- Après la dernière étape de décongélation FTC, relâchez doucement le dispositif d’étirement pour éviter les dommages causés par le recul.
- Retirez le fantôme du dispositif d’étirement. Le fantôme anisotrope du PVA est désormais complet.
- Conservez le fantôme immergé dans l’eau dans un contenant plastique scellé à 4 °C.
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Résultats
La figure 2A présente un schéma de l’ensemble du processus de fabrication, incluant la préparation de la solution PVA, le moulage, la FTC initiale sans étirement, le démoulage et les FTC étirés qui ont suivi. En utilisant le protocole proposé, nous avons fabriqué deux fantômes PVA anisotropes pour les essais SWI et la traction uniaxiale, respectivement. L’IFS a été réalisée à l’aide d’un système d’échographie de recherche équipé d’une sonde L7-4 (fréquence c...
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Discussion
Le succès de ce protocole repose sur la dissolution complète et uniforme du PVA et le maintien d’un étirement soutenu lors des FTC — deux étapes cruciales pour induire une anisotropie mécanique stable et homogène. La recette utilisée ici (c’est-à-dire la concentration de PVA, le numéro FTC et la tension appliquée) a été choisie pour fabriquer des fantômes PVA anisotropes avec une rigidité dans la gamme physiologique du tissu musculaire. Notamment, le rapport de rigidité et d’anisotropie ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Remerciements
Cette étude a été soutenue par la Fondation des sciences naturelles de Pékin (n° 1254038). Les auteurs tiennent à remercier la professeure Wei-Ning Lee de l’Université de Hong Kong pour son aide lors du test d’imagerie par ondes de cisaillement par ultrasons.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Bilan analytique | OHAUS | AX224 | Bilan analytique avec calibration interne, capacité 220 g, lisibilité 0,1 mg |
| Étape linéaire bidirectionnelle, à thread opposé | Taobao | N/A | Plage de course de 250 mm par filetage, utilisée pour la construction du dispositif d’étirement sur mesure |
| Imprimante 3D FDM | Laboratoire Bambu | X1 Carbon | Utilisé pour imprimer le moule fantôme, ainsi que les supports de maintien du phantom pour le dispositif d’étirement sur mesure |
| FreeCAD | Communauté Open-Source FreeCAD | N/A | Version 0.22.0, utilisée pour concevoir le moule fantôme et les supports de maintien de fantômes du dispositif d’étirement sur mesure |
| Particules de graphite | MREDA | M151649 | Particules de graphite, pureté 99,95 %, maillage 2000 (~6,5 um), utilisées comme diffuseurs acoustiques, 1 % en poids |
| Barre-agitateur magnétique | Corning | 401435 | Barre-mélangeur magnétique recouverte de PTFE, 1 x 3/8 de pouce, pour remuer la solution PVA |
| Agitateur magnétique | IKA | 25005927 | Agitateur magnétique à contrôle de sécurité de base avec fonction de chauffage RCT |
| Alcool polyvinylique | MACKLIN | P81584 | Alcool polyvinylique, Mw 89000-98000, 95 % hydrolysé, utilisé comme matrice fantôme, 10 % en poids |
| Sorbate de potassium | Sigma-Aldrich | 85520 | Sorbate de potassium, &ge ; 99,0 % de pureté, utilisé comme conservateur, 1 % en poids |
| Phase de rotation | Newport | URS50BPP | Utilisé pour faire tourner la sonde à ultrasons lors d’un test d’imagerie par ondes de cisaillement pour les angles de sonde multipe (0° ; :2° ; :90° ;) |
| Machine universelle de test à colonne simple | Instron | Modèle 5944 | Utilisé pour les essais de traction uniaxiale, capteur de force à 50 N |
| Système d’échographie de recherche | Verasonics | Vantage 256 ; | Utilisé pour réaliser des essais d’imagerie par ondes de cisaillement, sonde L7-4 (fréquence centrale : 5,2 MHz) |
| Bain marie | LICHEN | HH-2 | Affichage numérique bain d’eau à température constante, 2 trous rangée unique, pour chauffer et dissoudre la solution PVA |
Références
- Fung, Y. C. . Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).
- Sherwood, L. . Fundamentals of human physiology. , (2011).
- Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review. Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).
- Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).
- Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array. IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).
- Gennisson, J. L., et al. Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).
- Chatelin, S., et al. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization. Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).
- Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).
- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography. J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).
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Réimpressions et autorisations
