פרוטוקול זה מתאר שיטה חזקה וניתנת לשחזור לייצור פנטומים אניזוטרופיים פוליוויניל אלכוהול (PVA) — כלים חיוניים לאימות טכניקות אלסטוגרפיה של אולטרסאונד המיועדות לרקמות רכות אניזוטרופיות מכניות (למשל, שריר שלד).
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
ייצור פנטום אניזוטרופי פוליוויניל אלכוהול לאלסטוגרפיית אולטרסאונד: הליך ובקרת איכות
במאמר זה
סיכום
תקציר
פנטומים של אלכוהול פוליוויניל (PVA) הם בדרך כלל איזוטרופיים ומשמשים באופן נרחב לאימות טכניקות אלסטוגרפיית אולטרסאונד להערכת רקמות רכות. עם זאת, חלק מהרקמות הרכות הביולוגיות (למשל, שריר שלד) מציגות אניזוטרופיה מכנית ברורה, המחייבת שימוש בפנטומים PVA אניזוטרופיים לבדיקות קפדניות של שיטות אלסטוגרפיה המיועדות לרקמות אלו. בעוד שמחקרים קודמים ציינו כי פנטומי PVA אניזוטרופיים פנימיים יכולים להיות מייצרים באמצעות מחזורי הקפאה/הפשרה משולבים במתיחה (FTCs), פרטים טכניים קריטיים (כגון תהליך ייצור, בקרת איכות) עדיין אינם מתועדים מספיק. עבודה זו מציגה פרוטוקול מפורט ויזואלית וניתן לשחזור לייצור פנטומות PVA אניזוטרופיות, המתמקד בחומרים מרכזיים, תהליכים מדורגים ובקרות איכות ליצירת אניזוטרופיה יציבה ואחידה. חומרים מרכזיים כוללים PVA כמטריצת הפנטום, סורבט אשלגן כחומר משמר, חלקיקי גרפיט כמפיזרים אקוסטיים, ומים טהורים (או מים דה-יוניים) כממס. תהליך הייצור מורכב משלושה שלבים מרכזיים: 1) הכנת תמיסה הומוגנית מבוססת PVA בתנאים תרמיים מבוקרים להבטחת התמוססות מלאה של PVA; 2) התמצקות באמצעות תבניות FTC: התמיסה המקוררת נשפכת לתבניות מודפסות בתלת-ממד, ואחריהן תבניות FTC ללא מתיחה ליצירת מבנה ראשוני; 3) השראת אניזוטרופיה באמצעות מתיחות מתוחות FTC: מתבצעות FTCs נוספות תחת מתיחה מבוקרת כדי ליצור אניזוטרופיה כיוונית. אמצעי בקרת איכות (למשל, הימנעות מבועות אוויר במהלך התמוססות PVA) מתוארים בפירוט. לאחר הייצור, נעשה שימוש בהדמיית גלי גזירה אולטרסאונד (SWI) ובדיקות מתיחה חד-ציריות כדי לאשר את האניזוטרופיה המכאנית של הפנטום. מאמר זה מספק גישה סטנדרטית לייצור פנטומים המדמים רקמות אניזוטרופיות לאימות טכניקות אלסטוגרפיית אולטרסאונד בדיוק ועקביות משופרים.
מבוא
רקמות רכות ביולוגיות מסוימות (למשל, שריר שלד) מציגות אניזוטרופיה מכנית מקרוסקופית, שמקורה בארכיטקטורה המיקרו-מבנית המיואשרתשלהן 1. באופן ספציפי, רקמות חיבור מארגנות את סיבי השריר למבנה היררכי: אנדומיזיום מקיף סיבים בודדים, פרימיזיום אוסף סיבים לפאשיקלות, ואפימיזיום עוטף את כל השריר, תומך בהעברת כוח ובאספקת חומרים מזינים2. טכניקות אלסטוגרפיה מבוססות אולטרסאונד, כגון הדמיית גלי גזירה (SWI), משמשות באופן נרחב להערכת שרירים 3,4. עם זאת, התכונות המכאניות האנזוטרופיות של השריר תיאורטית גורמות להתפשטות גל גזירה תלויה בכיוון5, מה שמסבך את כימות נוקשות השריר6. פנטומים המדמים רקמות אניזוטרופיות מבחינה מכנית חיוניים לקידום אלסטוגרפיית אולטרסאונד בהערכת שרירים.
אלכוהול פוליוויניל (PVA) הוא חומר אידיאלי לפנטומים כאלה, שכן שמירה על מתיחה מכנית במהלך מחזורי הקפאה/הפשרה (FTCs) מיישרת את שרשראות המולקולות של PVA, ובכך יוצרת אניזוטרופיה מכנית 7,8. גישות קונבנציונליות המשתמשות בקובואידים PVA פשוטים תחת מתיחה מובילות לעיתים לעיתים למאמץ לא הומוגני עקב החלקת פני השטח, ובכך פוגעות בשחזוריות. מגבלה זו ניתנת להתמודדות על ידי שימוש בגאומטריית פנטום אופטימלית עם טבעות החזקה בקצה, שמבטיחה מתיחה אמינה והתפלגות עיוות אחידה9—מה שמשפר משמעותית את איכות פנטומי PVA אניזוטרופיים. במחקר זה, אנו מספקים הדגמה ויזואלית מפורטת של ייצור פנטומים PVA אניזוטרופיים כאלה ומאמתים את האניזוטרופיה המכנית שלהם באמצעות בדיקות מתיחה חד-ציריות הן באמצעות SWI והן באמצעות בדיקות מתיחה חד-ציריות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
הערה: השלבים הבאים מוצגים באיור 1.
1. 3D הדפסת עובש פנטום
- באמצעות תוכנת מידול תלת-ממדית, תכננו את הגאומטריה הפנטום כך שתשלב שתי טבעות החזקה (אחת בכל קצה) לשמירה על מתיחה, עם אזור מרכזי אפקטיבי של 35 מ "מ × 60 מ "מ × 5 מ"מ (אורך × רוחב × גובה) כדי להבטיח השראה אחידה באניזוטרופיה.
- הדפיסו את התבנית באמצעות מדפסת תלת-ממד.
הערה: טבעות ההחזקה מונעות החלקה במהלך המתיחה, ומבטיחות חלוקת מאמץ עקבית. כל קבצי ההדפסה התלת-ממדית (.stl) מסופקים בקובץ המשלים 1.
2. הכנת תמיסת PVA
- שקלו אבקת PVA (10% משקל), סורבט אשלגן (1% משקל), וחלקיקי גרפיט (משקל 1%, קוטר ~6.5 מיקרון), ומדדו את נפח המים הטהורים המתאים (מומלץ להשתמש במים דה-יוניים) להכנת נפח אצווה של ~200 מ"ל.
- מערבבים אבקת PVA ומים טהורים בכוס, הניחו את הכוסית על מערבל מגנטי המצויד במוט ערבוב, כסו את הבקבוק בנייר אלומיניום, וערבבו במהירות ~600 סל"ד בטמפרטורת החדר למשך 10 דקות עד שה-PVA מתפזר במלואו.
- העבר את הבקבוק לאמבט מים בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס והמשך לחמם עד שה-PVA נמס לחלוטין (כפי שניתן לראות בתמיסה שקופה וללא חלקיקים).
הערה: יש ללבוש כפפות עמידות לחום וציוד הגנה לעיניים בזמן החימום כדי למנוע כוויות תרמיות. ודא שלא יישארו חלקיקי PVA בלתי מומסים, שכן הם יפגעו בהומוגניות הפנטום.
3. הוספת תוספים ויציקה
- קרר את התמיסה לטמפרטורה של ~40 מעלות צלזיוס תוך המשך ערבוב במהירות ~600 סל"ד על הערבוב המגנטי.
- הסר את נייר האלומיניום, הוסף חלקיקי אשלגן וגרפיט, מכסה מחדש בנייר אלומיניום, וערבב במהירות ~600 סל"ד עד שהתוספים מתפזרים באופן אחיד (מאשר ויזואלית התפלגות הומוגנית).
- (אופציונלי) להסיר גזים מתמיסת ה-PVA כדי להסיר בועות אוויר שנותרו. הניחו את הבקבוק המכיל את התמיסה המעורבת בתא ואקום ומרחו ואקום למשך כ-30 דקות כדי להסיר בועות אוויר מתמיסת ה-PVA.
- יצוק את התמיסה לתבנית מודפסת בתלת-ממד ומרכיב את התבנית באמצעות ברגים.
הערה: הימנעו מהחדרת בועות אוויר במהלך היציקה. טפחו בעדינות על התבנית במידת הצורך כדי להסיר בועות אוויר שנלכדו בתוך התמיסה.
4. ה-FTC הראשוני להתגבשות PVA
- הניחו את התבנית במקפיא בטמפרטורה של −20°C למשך 12 שעות.
- הוציאו את התבנית מהמקפיא והפשרו בטמפרטורת החדר (20 מעלות צלזיוס) למשך 12 שעות.
- דמולד את הפנטום בזהירות כדי למנוע נזק.
הערה: שלב זה יוצר פנטום בסיס איזוטרופי, המספק בסיס יציב לאינדוקציה אניזוטרופית מאוחרת.
5. השראת אניזוטרופיה באמצעות מתיחות ב-FTC
- הנח את הפנטום על מכשיר המתיחה המותאם אישית, מתוח אותו בהדרגה ל-180% מאורכו היעיל (80% מאמץ מתיחה), מדוד את מרחק המתיחה ידנית, ונעל את המכשיר כדי למנוע נסיגה.
- העבר את כל מכשיר המתיחה (עם הפנטום מאובטח) למקפיא בטמפרטורה של −20°C למשך 12 שעות, ולאחר מכן הפשרה בטמפרטורת החדר (20 מעלות צלזיוס) למשך 12 שעות.
- חזור על מחזור ה-FTC הזה שוב תחת מתיחה מתמשכת.
הערה: מכשיר המתיחה המותאם אישית עשוי משלב ליניארי דו-כיווני עם חוט הפוך, הזמין מסחרית, המורכב משני תושבות החזקת פנטום מודפסות בתלת-ממד, עבורן קבצי STL מסופקים בקובץ המשלים 1. לבש כפפות מבודדות נגד קור כדי למנוע כוויות קור בעת הסרת מכשיר המתיחה מהמקפיא בטמפרטורה של −20°C. מתיחה מתמשכת במהלך ה-FTC מיישרת את שרשראות המולקולות של PVA באופן חד-כיווני. סך כל ה-FTCs במחקר זה: מחזור אחד ללא מתיחה + שני מחזורים מתוחים (80% מאמץ מתיחה).
6. שחרור סופי ואחסון
- לאחר שלב ההפשרה האחרון של ה-FTC, שחרר בעדינות את מכשיר המתיחה כדי למנוע נזק שנגרם מרתע.
- הסר את הפנטום ממכשיר המתיחה. הפנטום האניזוטרופי של PVA הושלם כעת.
- אחסן את הפנטום טבול במים בתוך מיכל פלסטיק אטום בטמפרטורה של 4°C.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
איור 2A מציג סכמטיקה של תהליך הייצור המלא, כולל הכנת תמיסת PVA, יציקה, FTC ראשוני ללא מתיחה, פירוק תבניות ו-FTCs מתוחים לאחר מכן. באמצעות הפרוטוקול המוצע, יצרנו שני פנטומים PVA אניזוטרופיים לבדיקות מתיחה SWI וחד-ציריות, בהתאמה. SWI בוצע באמצעות מערכת אולטרסאונד מחקרית המצוידת בגלאי L7-4 (תדר מרכזי: 5.2 MHz), תוך שימוש במצב על-קולי (3 מוקדים, דחיפה של 100 מיקרו-שניות) והרכבת גלי מישור קוהרנטיים (CPWC)10 בזוויות ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
הצלחת הפרוטוקול הזה נשענת על השגת פירוק PVA מלא ואחיד ושמירה על מתיחה מתמשכת במהלך FTCs — שני שלבים קריטיים להשראת אניזוטרופיה מכנית יציבה והומוגנית. המתכון שבו נעשה שימוש כאן (כלומר, ריכוז PVA, מספר FTC, ועיוות מתיחה מיושמת) נבחר לייצור פנטומים אניזוטרופיים של PVA עם קשיחות בטווח הפיזיולוגי של רקמת השריר. ראוי לציין כי ניתן לכוונן בקלות את יחס הקשיחות והאניזוטרופיה של פנטום ה-PVA על ידי התאמת פרמטרי המתכון הללו.
דפוסי התפלגות מהירות גלי גזירה דומים לאורך העומ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר עליהם.
תודות
מחקר זה נתמך על ידי קרן המדעים הטבעיים של בייג'ינג (מס' 1254038). המחברים רוצים להודות לפרופ' ווי-נינג לי מאוניברסיטת הונג קונג על עזרתה בבדיקת הדמיית גל גזירה באולטרסאונד.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| איזון אנליטי | OHAUS | AX224 | איזון אנליטי עם כיול פנימי, קיבולת 220 גרם, קריאות 0.1 מ"ג |
| שלב ליניארי דו-כיווני, עם חוט הפוך | טאובאו | לא זמין | טווח תנועה 250 מ"מ לכל הברגה, המשמש לבניית מתיחה מותאמת אישית |
| מדפסת תלת-ממד FDM | במבו לאב | פחמן X1 | שימשו להדפסת תבנית הפנטום, וכן למתקני ההחזקה של מכשיר המתיחה המותאם אישית |
| FreeCAD | קהילת FreeCAD בקוד פתוח | לא זמין | גרסה 0.22.0, המשמשת לעיצוב תבנית הפנטום והרכבות שמחזיקות פנטום במכשיר המתיחה המותאמת אישית |
| חלקיקי גרפיט | MREDA | M151649 | חלקיקי גרפיט, טוהר 99.95%, רשת 2000 (~6.5 מ"מ), משמשים כמפיזרים אקוסטיים, 1% לפי משקל |
| מוט ערבוב מגנטי | קורנינג | 401435 | מוט ערבוב מגנטי מצופה PTFE, בגודל 1 x 3/8 אינץ', לערבוב תמיסת PVA |
| מערבל מגנטי | איקה | 25005927 | מערבל מגנטי בסיסי לבקרת בטיחות RCT עם פונקציית חימום |
| אלכוהול פוליוויניל | מקלין | P81584 | אלכוהול פוליוויניל, Mw 89000-98000, 95% הידרוליזה, משמש כמטריצת פנטום, 10% לפי משקל |
| סורבט אשלגן | סיגמא-אלדריץ' | 85520 | סורבט אשלגן,> 99.0% טוהר, משמש כחומר משמר, 1% לפי משקל |
| שלב סיבוב | ניופורט | URS50BPP | משמש לסיבוב גל האולטרסאונד בבדיקת הדמיית גלי גזירה לזוויות גל מרובות (0° :2° :90°) |
| מכונת בדיקה אוניברסלית חד-עמודית | אינסטרון | דגם 5944 | משמש לבדיקות מתיחה חד-ציריות, חיישן כוח של 50 N |
| מערכת האולטרסאונד המחקרית | וראסוניקס | Vantage 256 | משמש לביצוע בדיקת הדמיית גלי גזירה, גלאי L7-4 (תדר מרכזי: 5.2 מגה-הרץ) |
| אמבט מים | לישן | HH-2 | תצוגה דיגיטלית עם אמבט מים בטמפרטורה קבועה, שני חורים בשורה אחת, לחימום והמסה של תמיסת PVA |
מקורות
- 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).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
