このプロトコルは、異方性ポリビニルアルコール(PVA)ファントムを製造するための堅牢かつ再現性のある手法を説明しており、これらは機械的に異方性の軟部組織(例:骨格筋)を標的とする超音波エラストグラフィー技術の検証に不可欠なツールです。
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この記事について
サマリー
要約
ポリビニルアルコール(PVA)ファントムは通常等方性であり、軟組織評価のための超音波エラストグラフィー技術の検証に広く用いられています。しかし、一部の生物学的軟組織(例:骨格筋)は明確な機械的異方性を示すため、これらの組織を標的としたエラストグラフィー法の厳密な試験には異方性PVAファントムの使用が必要です。これまでの研究では、社内で異方性PVAファントムをストレッチ統合凍結・融解サイクル(FTC)で製造できることが指摘されていますが、製造プロセスや品質管理などの重要な技術的詳細は十分に文書化されていません。本研究は、安定的で均一な異方性を誘導するための主要材料、段階的なプロセス、品質管理に焦点を当てた、異方性PVAファントムの製造に関する視覚的に詳細かつ再現可能なプロトコルを提示します。主な材料には、幻のマトリックスとしてのPVA、防腐剤としてのソルビン酸カリウム、音響散乱体としてのグラファイト粒子、溶媒としての純水(または脱イオン水)が含まれます。製造プロセスは3つの主要段階から成り立っています。1) 制御された熱条件下で均質なPVA溶液の調製を行い、PVAを完全に溶解させること;2) FTCによる凝固:冷却された溶液を3Dプリント型に注ぎ込み、その後伸縮性のないFTCを用いて予備構造を形成します。3) 伸ばされたFTCによる異方性誘起:制御された伸縮の下で追加のFTCが行われ、方向異方性を誘導します。品質管理措置(例:PVA溶解時の気泡回避)が詳細に説明されています。製造後、超音波せん断波イメージング(SWI)および単軸引張試験を用いてファントムの機械的異方性を確認します。本論文は、異方性組織模倣ファントムを製造するための標準化された手法を提供し、超音波エラストグラフィー技術を精度と一貫性を高めて検証することを目的としています。
概要
特定の生物学的軟組織(例:骨格筋)は、その整列した微細構造構造に起因する巨視的な機械的異方性を示します1。具体的には、結合組織は筋繊維を階層的な構造に組織します。内筋膜は個々の線維を包み込み、周囲筋膜は線維を束にまとめ、上筋膜は筋肉全体を包み込み、力の伝達と栄養供給を支えます。せん断波イメージング(SWI)などの超音波ベースのエラストグラフィー技術は、筋肉評価3,4に広く用いられています。しかし、筋肉の異方力学的性質は理論的には方向依存のせん断波伝播5を生み、筋肉剛性6の定量化を複雑にします。機械的に異方性組織模倣ファントムは、筋肉評価における超音波エラストグラフィーの進展に不可欠です。
ポリビニルアルコール(PVA)はこのようなファントムに理想的な材料であり、凍結・融解サイクル(FTC)中に機械的伸縮を維持することでPVA分子鎖が整列し、機械的異方性7,8を誘発します。従来の単純なPVA直方体を伸ばす方法は、表面の滑りにより均一な応ずみが生じ、再現性が損なわれることが多く、この制限は、エンドホールディングリングを備えた最適化されたファントムジオメトリを用いることで解決でき、これにより信頼性の高い伸縮と均一なひずみ分布9が保証され、異方性PVAファントムの品質が大幅に向上します。本研究では、このような異方性PVAファントムの製造過程を詳細に視覚的に示し、SWIおよび単軸引張試験の両方を用いてその機械的異方性を検証します。
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プロトコル
注意:以下の手順は 図1に示されています。
1. 3D ファントムモールドの印刷
- 3Dモデリングソフトウェアを用いて、ファントムジオメトリを設計し、伸縮を維持するために両端に1つずつ保持リングを組み込み、中央部は35mm × 60mm × 5mm(長さ × 幅 × 高さ)で均一な異方性誘導を確保します。
- 3Dプリンターで型を印刷してください。
注意:ホールディングリングは伸ばす際の滑りを防ぎ、均一な応力分布を確保します。すべての3Dプリントファイル(.stl)は 補足ファイル1に提供されています。
2. PVA溶液の調製
- PVA粉末(10wt%)、ソルビン酸カリウム(1wt%)、グラファイト粒子(1wt%、~直径6.5μm)を計量し、対応する純水体積(脱イオン水推奨)を測定して、約200mLのバッチ体積を準備します。
- PVA粉末と純水をビーカーに混ぜ、攪拌棒付きの磁気攪拌棒にビーカーを置き、アルミホイルで覆い、室温で約600回転/分で10分間かき混ぜてPVAが完全に分散するまで加熱します。
- ビーカーを80°Cの水槽に移し、PVAが完全に溶けるまで加熱を続けます(透明で粒子のない溶液がその証拠です)。
注意:加熱中は耐熱手袋と目を保護する装備を着用し、熱火傷を防ぎましょう。未溶解のPVA粒子が残らないように注意してください。これらは幻影の均質性を損なうためです。
3. 添加剤の追加と鋳造
- 溶液を~40°Cまで冷やし、磁気攪拌器で~600rpmで攪拌を続けます。
- アルミホイルを剥がし、ソルビン酸カリウムとグラファイト粒子を加え、再びアルミホイルで覆い、~600rpmで添加物が均一に分散するまでかき混ぜます(均一分布を目視で確認)。
- (任意)PVA溶液のガスを抜いて残留気泡を取り除きます。混合溶液を入れたビーカーを真空チャンバーに入れ、約30分間真空をかけてPVA溶液から気泡を取り除きます。
- 溶液を3Dプリント型に鋳造し、ネジで型を組み立てます。
注意:キャスト中に気泡を混入させないように注意してください。必要に応じて、溶液中に閉じ込められた気泡を取り除くために優しくカビを叩いてください。
4. PVA固化のための初回FTC
- 型を−20°Cの冷凍庫に12時間入れます。
- カビを冷凍庫から取り出し、室温(20°C)で12時間解凍します。
- 損傷を防ぐために、ファントムを慎重に取り除いてください。
注意:このステップは等方性の基底ファントムを形成し、その後の異方性誘導のための安定した基盤を提供します。
5. 伸ばされたFTCによる異方性の誘導
- ファントムを特注の伸縮装置に装着し、有効長さの180%(引張ひずみ80%)まで徐々に伸ばし、手動で伸ばす距離を測定し、装置をロックして引き戻しを防ぎます。
- ファントムを固定した状態でストレッチ装置全体を−20°Cの冷凍庫に12時間移し、その後室温(20°C)で12時間解凍します。
- このFTCサイクルを持続的な伸縮のもとで繰り返す。
注:特注の伸縮装置は、市販の双方向逆ねじリニアステージを2つの3Dプリントされたファントムホールディングマウントで組み立てており、STLファイルは 補足ファイル1に記載されています。ストレッチ装置を−20°Cの冷凍庫から取り出す際は、凍傷を防ぐために断熱防寒手袋を着用してください。FTC中の持続的な伸縮はPVA分子鎖を一方向に整列させます。本研究で使用されたFTCの総数:ストレッチフリーサイクル1回+伸縮サイクル2回(引張ひずみ80%)。
6. 最終リリースと保管
- 最終FTC解凍工程の後、反動による損傷を防ぐために伸縮装置を優しく解除します。
- ストレッチ装置から幻影を取り外してください。異方性PVAファントムは完成しました。
- ファントムは水に浸した状態で密封されたプラスチック容器の中、4°Cで保存します。
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結果
図2Aは、PVA溶液の準備、成形、初期の伸縮フリーFTC、脱型、その後の伸縮FTCを含む完全な製造プロセスの概説を示しています。提案されたプロトコルを用いて、SWI試験と単軸引張試験用にそれぞれ異方性PVAファントムを2つ製造しました。SWIは、L7-4プローブ(中心周波数:5.2 MHz)を搭載した研究用超音波システムを用いて行われ、超音速モード(3焦点、100μs推進)4とコヒーレント平面波複合(CPWC)10を用い、−2°、0°、2°の角度で6 kHzのフレームレートで実施されました。複数の角度でのせん断波伝播を捉えるために、超音波プローブは回転ステージを用いて0°から90°まで2°ずつ回転させました。SWIの結果は楕円体型せん断波の伝播輪郭を示し、横方向の等方性を示しました。これは伸縮軸に垂直な方向(図2Bの90°)で波速が遅くなることを特徴としてい...
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ディスカッション
このプロトコルの成功は、完全かつ均一なPVA溶解の達成とFTC中の持続的な伸縮を維持することに依存しており、これらは安定で均質な機械的異方性を誘導するための重要なステップです。ここで用いられたレシピ(すなわちPVA濃度、FTC数、加え引張応進)は、筋肉組織の生理的範囲内で剛性を持つ異方性PVAファントムを製造するために選ばれました。特に、PVAファントムの剛性と異方性比は、これらのレシピパラメータを調整することで容易に調整できます。
深さに沿った類似のせん断波速度分布パターン(図2Bの楕円)は、ファントムの均質性を裏付けています。さらに、輪郭はやや非楕円形に見え、これはファントムにおける小さな境界効果による可能性があります。さらに、実験経験に基づき、異方性PVAファントムは提案されたプロトコルを用いて再現可能であることが示されています。SWI試験と一軸引張試験には別々の試料が使用されましたが、E = 3μ = 3...
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開示事項
著者には利益相反を主張するものはありません。
謝辞
この研究は北京自然科学基金(No. 1254038)の支援を受けました。著者らは、超音波せん断波イメージングテストに協力してくださった香港大学の李偉寧教授に感謝の意を表します。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 分析的均衡 | オーハウス | AX224 | 分析バランスと内部校正、容量220g、可読性0.1mg |
| 双方向、逆スレッドの線形ステージ | 桃宝 | 該当なし | 各ねじのストローク範囲は250mmで、カスタムメイドの伸縮装置の製作に使用されます |
| FDM 3Dプリンター | バンブ研究所 | X1カーボン | ファントム型の印刷や、カスタムメイドの伸縮装置のファントム保持マウントの印刷に使用されます |
| FreeCAD | FreeCADオープンソースコミュニティ | 該当なし | バージョン0.22.0、ファントムモールドおよびカスタムストレッチ装置のファントム保持マウントの設計に使用されました |
| グラファイト粒子 | MREDA | M151649 | グラファイト粒子、純度99.95%、2000メッシュ(~6.5 um)、音響散乱体として使用、重量比1% |
| 磁気攪拌棒 | コーニング | 401435 | PVA溶液の攪拌用にPTFEコーティングされた磁気攪拌棒、1×3/8インチ |
| 磁気攪拌器 | イカ | 25005927 | 加熱機能付きのRCT基本安全制御磁気攪拌器 |
| ポリビニルアルコール | マックリン | P81584 | ポリビニルアルコール、Mw 89000-98000、95%加水分解、ファントムマトリックスとして使用、重量比10% |
| ソルビン酸カリウム | シグマ・オルドリッチ | 85520 | ソルビン酸カリウム、純度は99.0%で防腐剤として使用、重量で1% |
| 回転段階 | ニューポート | URS50BPP | せん断波イメージングテストで、多重プローブ角(0°:2°:90°) |
| 単一カラムの普遍試験機 | インストロン | モデル5944 | 単軸引張試験用、50N力センサー |
| 研究用超音波システム | ヴェラソニックス | ヴァンテージ 256 | せん断波イメージング試験の実施に使用、L7-4プローブ(中心周波数:5.2 MHz) |
| 水浴 | 地衣 | HH-2 | デジタル表示定温水浴、2つの穴、単列、PVA溶液の加熱と溶解用 |
参考文献
- 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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