מאמר שיטה

הערכת תצהיר ריאתי אזורי באמצעות דגמי ריאות מודפסים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל

DOI:

10.3791/61706

⸱

11 בנובמבר 2020

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Delaware

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מציגים תפוקה גבוהה, בשיטת במבחנה לכימות תצהיר ריאתי אזורי ברמת האונה באמצעות CT סריקה נגזר, מודלים של ריאות מודפסות 3D עם פרופילי זרימת אוויר מתכווננת.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פיתוח טיפולים ממוקדים למחלות ריאות מוגבל על ידי הזמינות של שיטות בדיקה פרה-קוליניות עם היכולת לחזות משלוח אירוסול אזורי. מינוף הדפסה תלת-ממדית כדי ליצור מודלים ספציפיים לריאות המטופל, אנו מתארים את העיצוב של תפוקה גבוהה, התקנה ניסיונית במבחנה לכימות תצהיר ריאות לובלי. מערכת זו נעשית עם שילוב של רכיבים מסחריים זמינים ותל"ד מודפסים ומאפשרת את קצב הזרימה דרך כל האונה של הריאה להיות נשלט באופן עצמאי. מסירת אירוסולים פלואורסצנטיים לכל אונה נמדדת באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. לפרוטוקול זה יש פוטנציאל לקדם את הצמיחה של רפואה מותאמת אישית למחלות בדרכי הנשימה באמצעות יכולתו לדגמן מגוון רחב של דמוגרפיה של חולים ומדינות מחלה. ניתן לווסת בקלות הן את הגיאומטריה של מודל הריאות המודפסות בתלת-ממד והן את הגדרת פרופיל זרימת האוויר כדי לשקף נתונים קליניים עבור חולים עם גיל, גזע ומין משתנים. מכשירי אספקת תרופות רלוונטיים קלינית, כגון הצינור endotracheal המוצג כאן, ניתן לשלב לתוך מערך הבדיקה כדי לחזות בצורה מדויקת יותר את היכולת של המכשיר למקד משלוח טיפולי לאזור חולה של הריאה. הרבגוניות של התקנה ניסיונית זו מאפשרת לו להיות מותאם אישית כדי לשקף שפע של תנאי שאיפה, שיפור הקשיחות של בדיקות טיפוליות פרה-קוליניות.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחלות ריאות רבות כגון סרטן ריאות ומחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) להפגין הבדלים אזוריים במאפייני המחלה; עם זאת, יש חוסר טכניקות טיפוליות זמין למקד משלוח סמים רק לאזורים חולים של הריאה1. מודלים רבים של דינמי נוזלים חישוביים (CFD) הוכיחו כי ניתן לווסת פרופילי תצהיר סמים על ידי זיהוי התייעלות ספציפית בריאה2,3. פיתוח משאפים ומתאמי צינור אנדוטראצ'י (ET) עם יכולות מיקוד אזוריות מתבצע במעבדה שלנו כדי לשלוט בחלוקת תרסיסים לאזורי ריאות חולים. הרחבת עקרונות אלה לשימוש קליני מוגבלת על ידי יכולת הבדיקה הפרה-קלינית הנוכחית. המיקום המדויק של מרבצי סמים בתוך הריאה ידוע כמנבא היעילות הטוב ביותר; עם זאת, הערכות התרופות הנוכחיות של טיפולי שאיפה צפויות לרוב באמצעות מתאמי ויוו במבחנה בגודל חלקיקים לתצהיר משוערבלבד 4. טכניקה זו אינה מאפשרת כל ניתוח מרחבי כדי לקבוע את ההשפעות של גיאומטריות דרכי הנשימה השונות על התפלגות אזורית באמצעות האונות השונות של הריאה. בנוסף, בדיקה זו חסרה גיאומטריות ריאות מדויקות אנטומית, אשר חוקרים הראו יכולה להיות השפעה משמעותית על פרופילי תצהיר5. נעשו כמה מאמצים לשלב גיאומטריות ריאה ספציפיות למטופל בפרוטוקולי בדיקה באמצעות תוספת של דרכי הנשימה העליונות; עם זאת, רוב הגישות הללו מדגמות משלוח אירוסול לדורות שונים של הריאה ולא לכל אונה ריאה6,7,8. הפרוטוקול הבא מציג שיטת תפוקה גבוהה של יצירת מודלים ריאות ספציפיים למטופל עם היכולת לכמת תצהיר חלקיקים יחסי בכל אחת מחמש האונות של הריאה9.

ריאות מודל מדויק אנטומית נוצרות על ידי סריקות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של חולה הדפסה תלת מימדית. כאשר משתמשים בו בשילוב עם מערכת זרימה המורכבת בקלות, ניתן לשלוט באופן עצמאי בקצב הזרימה היחסי דרך כל אחת מהאונה של הריאה המודלית ולהתאים אותה לחיקוי אלה של דמוגרפיה של חולים שונים ו/או מצבי מחלה שונים. בשיטה זו, החוקרים יכולים לבדוק את היעילות של שיטות טיפוליות פוטנציאליות בגיאומטריית ריאות רלוונטית ולתאם את הביצועים של כל שיטה עם התקדמות המורפולוגיה החולה. כאן, שני עיצובים מכשיר שפותחו במעבדה שלנו נבדקים על יכולתם להגדיל את התצהיר באונה הריאה הרצויה על ידי שליטה על המיקום של שחרור תרסיס בפה או קנה הנשימה. פרוטוקול זה יש גם פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על התפתחות הליכים מותאמים אישית עבור חולים על ידי הקלת חיזוי מהיר של יעילות הטיפול בריאה מודל ספציפי לנתוני סריקת CT של המטופל.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת רכיבים ניסיוניים מודפסים בתלת מימד

הערה: כל התוכנות המשמשות בפרוטוקול מסומנות בטבלת החומרים. בנוסף, תוכנת ההחתכה המנוצלת היא ספציפית למדפסת תלת-ממד הרשומה בטבלת החומרים; עם זאת, ניתן להרחיב פרוטוקול זה למגוון רחב של מדפסות תלת-ממד סטריאוליטוגרפיות (SLA).

  1. המר סריקות CT של מטופל לאובייקטים תלת-ממדיים (קבצי .stl).
    הערה: לדיון מפורט יותר בתכונות הגיאומטריות של מודל הריאות הספציפי המשמש במחקרים אלה, עיין בפנג ואח'5.
    1. רינדור סריקות CT לתוך אובייקט תלת-ממדי באמצעות תוכנת סריקת CT (ראה טבלת חומרים). פתח את סריקת ה- CT וצור מסיכה במרחב האווירי באמצעות הכלי Threshold עם הגדרה בטווח של -800 עד -1000. בעזרת הכלי תצוגה מקדימה תלת-ממדית, עיין בעיבוד תלת-ממדי וייצא את העצם (קובץ | ייצוא) כקובץ .stl
    2. ייבוא הקבצים לתוכנת עריכת רשת שינוי (ראה טבלת חומרים),הסרת כל התכונות המשוננות באמצעות הכלי בחירה (פסל | מברשות: | "כיווץ/חלק" מאפיינים: חוזק (50), גודל (10), עומק(0)). החלקת המשטח (Ctrl+A | עיוות | | חלקה החלקה (0.2), סולם החלקה (1)).
    3. בתוכנת עריכת רשת שינוי, הרחב את הקיר של אובייקטים אלה ב- 2 מ"מ (Ctrl+A | עריכת | היסט), ולאפשר לאובייקט הפנימי להישאר חלול כך שרק הקיר נשאר. פרוסת העצם (בחר | עריכת | Plane Cut) בקנה הנשימה כדי ליצור מפרצון ובדורות 2 או 3 שבהם האובייקט מסתעף לכל אונה כדי ליצורשקעים (איור 1A).
      הערה: עובי של 2 מ"מ נבחר בהתבסס על גדלי התכונות המקובלים שצוינו על-ידי יצרן מדפסת תלת-ממד הרשומה בטבלת החומרים. עובי זה יכול להיות מותאם על סמך המפרטים של מדפסת 3D זמין אם הגיאומטריה הפנימית של הדגם נשמרת.
  2. שנה את גיאומטריות השקע של דגם הריאות של המטופל כך שיהיו תואמות לרכיבי מכסה שקע האונה שתוכננו בעבר (איור 1B,C) המפורטים בטבלת החומרים.
    1. ייבוא האובייקט 3D, אשר משכפל את סריקת CT מבפנים, יש עובי קיר של 2 מ"מ, והוא פתוח במפרצון ושקעים, לתוכנת מידול 3D (ראה טבלה של חומרים)כגוף מוצק (פתח | | קבצי רשת שינוי אפשרויות | גוף מוצק).
    2. יצירת מישור המבוסס על פנים בכל אחד מהשקעים (הוסף | | גיאומטריית הפניה מטוס). בעזרת כלי ההסתבכה, יש לעקוב אחר הקיר הפנימי והקיר החיצוני של השקע במערכון במישור(סקיצה | ספלין( Spline ).
    3. לופט צילינדר (OD 18.5 מ"מ, מזהה 12.5 מ"מ, H 15.15 מ"מ) כדי להתחבר לקיר הפנימי והחיוני של הדגם, ובכך להרחיב את השקע להיות אחיד בכל אונה (תכונות | בוס / בסיס לופט). הוסף חריץ מסביב לקצה השקע כדי להתאים למכסה (תכונות | | חתוך מובלט היסט).
      הערה: המכסה(איור 1D)הוא גליל חלול התואם למידות השקעים ויש לו מדף שמתחבר עם חריץ שקע הדגם. קצה אחד של המכסה חסום כך שהמזהה קטן יותר משאר החלק, דבר המבטיח התאמה הדוקה סביב חיבור הצינור הדוקרני(איור 1E). חיבור צינורות דוקרני הוא צורת חרוט דוקרני כך דוקרני מתאים דרך פתיחת הכובע, אבל שאר החלק לא, המאפשר את חיבור צינורות להתאים בבטחה את הכובע. לפיכך, המכסה מתאים היטב הן סביב חיבור צינורות התיל והן סביב דגם הריאות(איור 1F,G).
    4. שנה את כניסת מודל הריאות בהתאם לתנאי הניסוי הרצויים. ניתן לכלול את אזורי הגרון והגלוטטל כדי לחקות מטופל שיכול לנשום בכוחות עצמו (איור 1B). אזורים מעל קנה הנשימה ניתן להסיר באמצעות חתך מובלט לחקות חולה צנרור על תמיכה בהנשמה (תכונות | חיתוך מובלט) (איור 1C).
  3. התמצא ותמוך ברכיבים ניסיוניים בתוכנת ההיחתנות המסופקת על-ידי יצרן המדפסת בתלת-ממד.
    1. יבא קובצי חלק תלת-ממדי לתוכנת הקשה על מדפסת תלת-ממד ובחר את השרף המתאים. השתמש שף קשה כדי להדפיס את דגמי הריאות וחיבורי צינורות דוקרני, ואת שף רך כדי להדפיס את הכובעים.
      הערה: השפם המשמש להדפסת הכובעים חייב להיות בעל תכונות אלסטיות כדי לאפשר לו להימתח על שקע האונה וליצור חותם אטום.
    2. הגדר את כיוון החלק כך שכל "איים" ונפחים לא מומצאים ימוזערו. הכיוון הטוב ביותר לדגמי הריאות הוא עם שקעי האונה הפונים הרחק מפלטפורמת ההדפסה. ודאו שגם חיבורי הצינור הדוקרני וגם הכובעים כוללים את החלקים הרחבים יותר הפונים לפלטפורמת ההדפסה.
      הערה: ניתן להציג פרוסות בודדות כדי לבדוק את המראה של "איים", חלקים של החלק המופיעים לראשונה בפרוסה מבלי להיות מחוברים לגוף הראשי של החלק. ניתן להשתמש בפונקציית הסקירה כדי לחפש פרוסות עם אמצעי אחסון לא מומצאים, אזורים שבהם שרוף לא מאובטח יכול להילכד בתוך החלק במהלך ההדפסה. הן "איים" והן אמצעי אחסון לא מומצאים מפחיתים את איכות ההדפסה ועלולים להוביל לכשל בהדפסה.
    3. הצגת כל פרוסה בנפרד, להוסיף תמיכות לכל "איים" שנותרו בחלק, כמו גם כל אזורים עם overhangs משמעותי. יצא והצג את הפרוסות להדפסה כדי לוודא שכל האזורים נתמכים כראוי.
  4. הדפס רכיבים ניסיוניים והשלים את העיבוד לפי הוראות היצרן.
    הערה: כל השלבים שלאחר העיבוד המתוארים להלן הם ספציפיים למדפסת תלת-ממד המפורטת בטבלת החומרים. בעת שימוש במדפסות או בחומרים חלופיים, התאם שלבים אלה כדי לשקף את הוראות היצרן.
    1. עבור חלקים המודפסים שרף רך, לשטוף עם אלכוהול איזופרופיל טוהר ≥99% (IPA) כדי להסיר עודף שרף לא מאובטח תרופה תרמית בתנור הסעה במשך 8 שעות על פי מפרט היצרן.
      הערה: חלקים המודפסים על-ידי שף רך יכולים להיות עדינים מאוד מיד לאחר ההדפסה, ולכן יש לנקוט בזהירות מיוחדת במהלך שלבי הניקוי. החשיפה ל- IPA צריכה להישמר מתחת למגבלת החשיפה לממס של החומר כדי למנוע השפלה חלקית.
    2. עבור חלקים המודפסים שרף קשה, לשטוף עם IPA כדי להסיר שרף לא מאובטח עודף לרפא בתנור UV (365 ננומטר אור ב 5-10 mW / cm2) במשך 1 דקות לכל צד.
      הערה: כדי להעריך את הדיוק של העותק המשוכפל המודפס בתלת-ממד, מומלץ להשתמש בסריקת μCT של החלק המודפס ותוכנת סריקת CT כדי להשוות, באופן כמותי, וריאציות בין העיבוד בתלת-ממד המקורי לבין העותק המשוכפל המודפס בתלת-ממד.

2. הרכבת מערכת אבובים לבקרת קצב זרימה

  1. בורג 1/4" דוקרני צינור אביזרים לתוך הצד של הסעפת עם 6 יציאות (איור 2A-6)ו צינור תיל 3/8" מתאים ליציאה הנותרת.
  2. חותכים צינורות בגודל 1/4" לאורכים הרצויים ומכניסים לכל קצה של שסתומי הדחיפה לחיבור(איור 2A-5). חבר כל שסתום לאחד מאביזרי "1/4 המוחדרים לסעפת.
  3. חבר מד זרימה(איור 2A-4)לקצה השני של כל שסתום.
  4. מקם את מערכת הצינור על גבי לוח העץ כך שהתאמה יחידה של סעפת 3/8 " משתרעת מעבר לקצה הלוח. כדי לאבטח במקום, הוסיפו שני ברגים לצד לוח העץ וחברו את הסעפת לברגים באמצעות חוט.
  5. הוסיפו ארבעה ברגים הממוקמים סביב כל אחד מהשסתומים ומד הזרימה והשתמשו בחוט כדי לאבטח כל אחד מהם ללוח העץ(איור 2E).
  6. עם צינורות זיהוי בגודל 3/8 אינץ' בקירוב, חבר את הסעפת למסנן דרגת ואקום בגודל 0.1 מיקרומטר. חבר את הקצה השני של המסנן לבקר הזרימה באמצעות צינורות זיהוי נוספים של 6" של 3/8"
    הערה: יש להרכיב את מערכת הצינור פעם אחת בלבד.

3. הרכבה של כובעי שקע האונה עם מודל ריאות המטופל

הערה: יש להשלים חלק זה של הפרוטוקול לפני כל הפעלה ניסיונית.

  1. הכנס חיבור צינורות דוקרני לתוך המכסה עם זרבובית בולטת דרך הפתח בבסיס הכובע. תחילה, הכנס קצה אחד של בסיס חיבור הצינור הסגלגל לתוך המכסה. לאחר מכן, בזהירות למתוח את הכובע הגמיש על הקצה השני של הבסיס הסגלגל, תוך הקפדה מיוחדת לא לפצח את הבסיס הדק.
    הערה: מכסים שהודפסו לאחרונה עשויים להיות נוקשים מהרצוי וניתן למתוחם על-ידי הפעלת שתי אצבעות לאורך פנים המכסה.
  2. חותכים 10 נייר מסנן מיקרומטר כך שהוא מעט גדול יותר מאזור השקע. מקפלים את נייר המסנן מעל שקע האונה ומחזיקים במקום ביד אחת.
  3. מצד שני, השתמשו בפינצטה כדי למתוח את הכובע עם חיבור צינורות דוקרני מעל השקע. לחץ/י על המכסה כלפי מטה עד שהכובע יתאים לרצף המתאים בשקע האונה (איור 2C).
    הערה: העתקת נייר הסינון בשלב זה עלולה לבטל את תוקפן של התוצאות, ולכן יש לנקוט בזהירות מיוחדת כדי למנוע שימוש בכוח מופרז בעת לחיצה על המכסה על השקע.
  4. חזור על הפעולה עבור כל שקעי האונה הנותרים (איור 2D).

4. יצירת פרופיל זרימת אוויר רלוונטי מבחינה קלינית

הערה: יש להשלים חלק זה של הפרוטוקול לפני כל הפעלה ניסיונית.

  1. חבר כל שקע האונה מודל ריאות לצינורות של מד זרימה ושסתום המתאים, מקפיד לא להחיל יותר מדי לחץ לרוחב על חיבור צינורות דוקרני. חבר את מד הזרימה האלקטרוני למפרצון הפה של דגם הריאה כדי למדוד את קצב זרימת האוויר הכולל לדגם הריאות.
  2. הפעל את בקר הזרימה (איור 2A-7) ואת משאבת הוואקום (איור 2A-8). בחר בהגדרה "כיוונון בדיקה" בבקר הזרימה והגדל באיטיות את קצב הזרימה עד שמד הזרימה האלקטרוני יציג את קצב הזרימה הכולל הרצוי.
  3. שימוש בשסתומים(איור 2E-5),התאם את קצב הזרימה דרך כל אחת מחמש אונות הריאה: עליון ימני (RU), ימין אמצעי (RM), ימין תחתון (RL), שמאלי עליון (LU) ושמאל תחתון (LL). לאחר שקצבי זרימת האונה המוצגים במדי הזרימה (איור 2E-4)יציבים לפי הערך הרצוי, בדוק שוב את קצב הזרימה הכולל במד הזרימה האלקטרוני כדי לוודא שאין דליפות במערכת.
    1. אם יש אי התאמה בקצב הזרימה הכולל, הנמך את קצב הזרימה עם בקר הזרימה, הגדר את כל השסתומים לתצורה הפתוחה במלואה וחזור על שלבים 4.2 ו- 4.3.
      הערה: התוצאות שהוצגו כאן התקבלו באמצעות פרופילי זרימת אוויר המבוססים על נתונים שדווחו על ידי Sul et al.10 שברי זרימת מוט אלה חושבו באמצעות תמונות טומוגרפיה ממוחשבת פרוסה דקה של ריאות המטופל במלוא ההשראה ותפוגה, השוואת השינויים היחסיים בנפח של כל אונת ריאה. התוצאות מוצגות עבור שני תנאי זרימה נפרדים, שניהם בקצב זרימת כניסת כולל של 1 L / min. פרופיל זרימת שקע האונה הבריאה מופץ לכל שקע על ידי האחוז הבא של זרימת המפרצון: LL-23.7%, LU-23.7%, RL-18.7%, RM-14.0%, RU-20.3%. פרופיל זרימת שקע האונה COPD מופץ בין כל שקע על ידי האחוז הבא של זרימת המפרצון: LL-10.0%, LU-29.0%, RL-13.0%, RM-5.0%, RU-43.0%9,10.
  4. צא מהפונקציה "הגדרת בדיקה" של בקר הזרימה אך השאר את משאבת הוואקום פועלת.
    הערה: כיבוי משאבת הוואקום בין הגדרת קצבי הזרימה וביצוע ניסוי התצהיר עלול להוביל אי דיוקים בפרופיל הזרימה שנוצר. מומלץ להשאיר את משאבת הוואקום על פעם שיעורי הזרימה הרצויים מוגדרים כדי להשלים את בדיקות תצהיר אירוסול.

5. מסירת תרסיס לדגם הריאה

הערה: ניסויים חייבים להתבצע במכסה המנוע אדים עם אבנט סגור כדי למזער את החשיפה לכל אירוסולים שנוצרו על ידי nebulizer.

  1. מלאו את הנבולייזר בתמיסה של החלקיקים הפלואורסצנטיים הרצויים (איור 2A-1) והתחברו למפרצון דגם הריאות (איור 2B).
    הערה: התוצאות שהוצגו כאן התקבלו באמצעות 30 מ"ל של דילול 1:100 של חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטיים 1 מיקרומטר במתנול.
    1. כדי לאמת את ההתקנה הניסיונית, חבר את הנבולייזר ישירות למפרצון דגם הריאה ללא כל התקן מיקוד.
    2. כדי למדוד את היעילות של התקן מיקוד, חבר את הנבולייזר למכשיר והכנס את ההתקן לדגם הריאות.
  2. חבר את קו האוויר הדחוס לנובולייזר וסגור את אבנט מכסה המנוע אדים ככל האפשר.
  3. הגדר את בקר הזרימה כך שיפעל עבור גירסת ניסיון אחת של 10 שניות. לפני הלחיצה להתחיל, לפתוח את שסתום האוויר דחוס מעט כדי להתחיל לייצר תרסיס בתוך nebulizer.
  4. לחץ להתחיל על בקר הזרימה ומיד לפתוח את שסתום האוויר דחוס באופן מלא. ברגע בקר הזרימה מגיע על 9 s, להתחיל לסגור את שסתום האוויר דחוס.
  5. לאחר שסתום האוויר הדחוס סגור לחלוטין, לנתק את nebulizer מקו האוויר הדחוס, לסגור לחלוטין את אבנט מכסה המנוע אדים, לכבות את משאבת ואקום, ולתת כל אירוסולים ברורים ממכסה המנוע אדים במשך כ 10 דקות.
    הערה: חשוב לכבות את משאבת הוואקום לאחר השלמת ריצה כדי למנוע מוואקום להצטבר בתוך מערכת הצינור.
  6. לאחר המתנה של זמן מספיק, נתק את דגם הריאות ממערכת הצינור, תוך הקפידה מיוחדת לא לפצח את חיבורי הצינור.
  7. הסר את כובעי שקע האונה על ידי הפעלת זוג פינצטה מתחת לקצה הכובע בעדינות להרים אותו ממודל הריאות.
  8. מוציאים את נייר המסנן מהכובע ומניחים אותו לתוך צלחת 24 באר עם הצד שעליו חלקיקים מופקדים להיות בתחתית מול הבאר של הצלחת. חזור על השקעים הנותרים ותייג את הבאר המתאימה לכל אונה.
    הערה: כדי למנוע כל תצהיר חלקיקים שיורית להשפיע על הניסויים הבאים, חשוב לשטוף הן את מודל הריאות ואת רכיבי כובע עם IPA או ממס מתאים בין ריצות. ניתן לאסוף ולכלול זאת בניתוח לפי הצורך. בנוסף, יומן רישום נשמר כדי להבטיח שכל העותקים המשוכפלים שבהם נעשה שימוש נחשפו באופן מינימלי ל- IPA כדי לשמור על שלמות החלקים, ומומלץ לבצע בדיקת חלקים חזותיים לפני השימוש.

6. הדמיית נייר מסנן אאוטלט

  1. הנח את לוחית הבאר במיקרוסקופ הפלואורסצנטי הדיגיטלי והגדר את המיקרוסקופ להגדלה פי 4 ולערוץ הפלואורסצנטי המתאים.
  2. זהה חזותית לאיזה נייר סינון של האונה יש את הכמות הגבוהה ביותר של תצהיר חלקיקים והשתמש בפונקציה "חשיפה אוטומטית". שים לב לערכי זמן החשיפה והשילוב המתקבלים.
  3. החל חשיפה זו על כל המסננים להפעלה והעריך אם ההגדרה יוצרת תמונה משביעת רצון עבור כל אזורי התצהיר הגבוהים של המסננים.
    הערה: ניתן לשנות הגדרות מיקוד ממסנן למסנן; עם זאת, יש לנתח את כל המסננים עבור הפעלה נתונה באותן הגדרות חשיפה. זה אפשרי רק יש מסגרת אחת של מיקוד בכל פעם, כך כיפוף או דמעות בנייר המסנן עשוי למנוע את כל החלקיקים שהופקדו בתצוגה מלהיות בפוקוס. ניתן להימנע מכך על ידי הבטחת נייר הסינון שטוח על החלק התחתון של צלחת הבאר.
  4. צלם לפחות שלוש תמונות של נייר הסינון של כל אונה במיקומים אקראיים ושמור כקבצים .tiff.

7. כימות של תצהיר חלקיקים

  1. יבא את כל תמונות נייר הסינון עבור הפעלה נתונה להפעלת ImageJ.
  2. שנה את הכתב של כל תמונה ל- 8 סיביות באמצעות בחירה באפשרות תמונה | הקלד | 8 סיביות.
  3. פתחו את התמונה עם הפלואורסצנטיות הגבוהה ביותר ובחרו 'תמונה' | כוונון | סף לפתיחת חלון סף. התאם את ערכי הסף כדי למזער את אות הרקע מנייר הסינון ולהגדיר בבירור את קצות החלקיקים. ראו איור 3 לתיאורים של סף באיכות טובה ובאיכות ירודה.
    הערה: עבור מסננים עם רמות גבוהות של תצהיר, "קורונה" של פלואורסצנטיות, הנגרמת על ידי עקיפת האור על ידי סיבי נייר המסנן, ניתן לראות סביב קבוצות גדולות של חלקיקים. בשעת סף תמונות אלה, טווח גדול מדי מציג נקודות קטנות או צורות "דמויי ריכוך קצוות" סביב קיבוצים אלה, כפי שניתן לראות בתמונות הסף "הגרועות" באיור 3. ניתן לשפר זאת על ידי הגדלה הדרגתית של הגבול התחתון של הסף עד שהאות מסיבי נייר הסינון ימוזער מבלי לטשטש את האות מהחלקיקים עצמם.
  4. הפץ את הגדרות הסף של תמונת הפלואוריות הגבוהה ביותר לכל התמונות האחרות.
  5. כימת את מספר החלקיקים ואת האזור הפלואורסצנטי הכולל על-ידי בחירה באפשרות נתח | לנתח חלקיקים.
    הערה: ערכות נתונים מושוות באמצעות בדיקת ההשוואות המרובות של Sidak ו- ANOVA דו-כיווני. בנוסף, תצהיר רק באונה של ריבית מושווה באמצעות סטודנט T-מבחן בהנחה שונות שווה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חלקיקים בטווח גודל זה (1-5 מיקרומטר) ותנאי זרימה (1-10 L /min) עוקבים אחר קווי זרם הנוזלים המבוססים הן על מספר סטוקס התיאורטי שלהם והן על נתוני vivo; לכן, בהיעדר מכשיר משלוח ממוקד, חלקיקים המשתחררים למודל הריאות צפויים להפקיד בהתאם לאחוז זרימת האוויר הכוללת המופנית לכל אונה. לאחר מכן ניתן להשוות את הכמויות היחסיות של מסירת חלקיקים לכל אונה לנתוני קצב זרימת האונה הקלינית המתקבלים באמצעות ניתוח טומוגרפיה ממוחשבת (HRCT) ספציפית למטופל ברזולוציה גבוהה ( HRCT ) סריקות10. מערך ניסיוני מאומת יניב פרופיל ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המכשיר הנוכחי המדינה-of-the-art עבור בדיקות תרופות ריאתי של מינון שאיפה מלאה הוא המשפיע גנרטור הבא (NGI), אשר מודד את הקוטר האווירודינמי שלתרסיס 4. נתוני גודל זה משמשים לאחר מכן כדי לחזות את ייצור הריאות שבו התרסיס יפקיד בהתבסס על מתאם שפותח עבור זכר בוגר בריא11. למרבה הצער, שיטה זו מוגבלת ביכולתה להעריך הבדלים בתצהיר ריאות אזורי, לקבוע את ההשפעות של תנאי המחלה על אספקת תרופות, ולחזות פרופילי תצהיר עבור קבוצות גיל שונות, גזעים, ומינים12,

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים לפרופסור יו פנג, ד"ר ג'נה ברידל, איאן וודוורד ולוקאס אטיה על הדיונים המועילים ביניהם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1/4 אינץ' צינור דוקרני מפלסטיק הולםMcMaster Carr5372K111
10 אום נייר סינוןפישר1093-110
1um חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטייםPolysciences15702-10
1um חלקיקי פוליסטירן שאינם פלואורסצנטייםPolysciences8226
2-פרופנולפישרA516-4הופנה לפרוטוקול כ-"IPA"
3/8" התאמת צינור דוקרני מפלסטיקMcMaster Carr5372K117
מד זרימת אוויר (1 - 280 מ"ל/דקה)McMaster Carr41695K32המכונה בפרוטוקול "מד זרימה"
מדפסת תלת מימד פחמן M1פחמן תלת מימדhttps://www.carbon3d.com/, תוכנה נלווית המכונה בפרוטוקול "תוכנת חיתוך"
קוליסון Jet NebulizerCH TechnologiesARGCNB0008 (CN-25)6 התנגשות אופקית בסגנון Jet MRE עם צנצנת זכוכית, המכונה בפרוטוקול "נבולייזר",
תנור הסעהYamatoDKN602
Copley בקר זרימה קריטית TPK2000 Reve 120VMSP Corp0001-01-9810המכונה בפרוטוקול "בקר זרימה"
משאבת קופלי בעלת קיבולת גבוהה דגם HCP5MSP Corp0001-01-9982המכונה בפרוטוקול "משאבת ואקום"
CytationBioTekCYT5MPVספקטרופוטומטר/מצלמת פלורסנט רב תכליתית המצוידת ביעדי 4x/20x/40x וקוביות לייזר/פילטר DAPI/GFP/TexasRed
EPU40 שרףפחמן תלת מימדhttps://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, המכונה בפרוטוקול "שרף רך"
מסנן למשאבת ואקוםWhatman6722-5000
מד זרימה דגם DFM 2000MSP Corp0001-01-8764המכונה בפרוטוקול "מד זרימה אלקטרוני"
ImageJ SoftwareImageJhttps://imagej.nih.gov/ij/download.html
שסתום בקרת זרימת אוויר מוטבע (דחיפה לחיבור)McMaster Carr62005K333המכונה בפרוטוקול "שסתום"
התקני סינון מוטבעיםWhatmanWHA67225000
יריעת דיקט בדרגה ימיתMcMaster Carr62005K333המכונה בפרוטוקול "לוח עץ"
Materialise מחקה תוכנהMaterialisehttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, המכונה בפרוטוקול "תוכנת סריקת CT"
תוכנת MeshmixerAutodeskhttp://www.meshmixer.com/, המכונה בפרוטוקול "תוכנת עריכת רשת"
מתנולפישרA454-4
Opticure LED CubeAPM Technicaמכונה בפרוטוקול "תנור UV"
PR25 שרףפחמן 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, / מכונה בפרוטוקול "שרף קשה"
צינור PVC לכימיקליםMcMaster Carr5231K1611/4 "ברגי
SolidWorks תוכנהדאסו Systè mes  SolidWorks Corporationhttps://www.solidworks.com/, המכונה בפרוטוקול "תוכנת דוגמנות תלת מימדית",
סעפת מלבנית זרימה ישרהMcMaster Carr1125T31
צינורות לבקר זרימהMcMaster Carr5233K653/8 אינץ' חוט זיהוי
http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf 102843 זיהוי

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer. International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).
  2. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).
  3. Feng, Y., Chen, X., Yang, M. An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method. Design of Medical Devices Conference. , (2018).
  4. Marple, V. A., et al. Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design. Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).
  5. Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree. Bioengineering. 4 (4), 90(2017).
  6. Huynh, B. K., et al. The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).
  7. Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. Development of a realistic human airway model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).
  8. Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).
  9. Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).
  10. Sul, B., et al. Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).
  11. Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
  12. Nahar, K., et al. In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).
  13. Nichols, S. C., et al. A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG). AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).
  14. Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates. AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).
  15. Feng, Y., et al. An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition. Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).
  16. Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
  17. Pietila, T. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals. , Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019).
  18. Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
  19. Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography. Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).
  20. Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size. European Respiratory Journal. 10 (9), 2087(1997).
  21. Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways. Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).
  22. Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study. Computers in Biology and Medicine. 116, 103532(2020).
  23. Kim, S. S., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study. Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).
  24. The Cancer Imaging Archive. , Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020).
  25. Li, A., Ahmadi, G. Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls. Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).
  26. Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor. Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).
  27. Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
  28. Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).
  29. Patton, J. S., Byron, P. R. Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs. Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).
  30. Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model. Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).
  31. Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650(2020).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Endotracheal Tube

מאמרים קשורים