Summary
Hier beschrijven we een methode voor de vervaardiging van aneurysmal, aorta weefsel nabootsen spoken voor het gebruik in testen echografie elastography. Het gecombineerd gebruik van computer aided design (CAD) en 3-dimensionale (3D) afdrukken technieken produceren aorta phantoms met voorspelbare, complexe geometrieën voor het valideren van de elastographic imaging algoritmen met gecontroleerde experimenten.
Abstract
Echografie (US) elastography, of elasticiteit imaging, is een aanvulling imaging techniek die gebruik maakt van opeenvolgende VS beelden van zachte weefsels te meten van de beweging van het weefsel en het afleiden of het kwantificeren van de onderliggende biomechanische eigenschappen. Voor abdominale aorta aneurysma (AAA), kunnen biomechanische eigenschappen zoals veranderingen in het weefsel van elasticiteitsmodulus en ramingen van de stress van het weefsel zijn essentieel voor de beoordeling van de noodzaak van de chirurgische ingreep. Abdominale aorta aneurysmata U.S. elastography zou een nuttig instrument om te controleren van AAA progressie en veranderingen in biomechanische eigenschappen die kenmerkend zijn voor hoog-risico patiënten identificeren.
Een voorlopige doelstelling bij de ontwikkeling van een AAA ons elastography techniek is de validatie van de methode met behulp van een fysiek relevante model met bekende eigenschappen van het materiaal. Hier presenteren we een proces voor de productie van AAA weefsel nabootsen phantoms met fysiek relevante geometrieën en ruimtelijk gemoduleerde materiaaleigenschappen. Deze weefsel phantoms willen nabootsen van de VS eigenschappen, materiële modulus en geometrie van de abdominale aorta aneurysmata. Weefsel phantoms zijn gemaakt met behulp van een cryogel van polyvinylalcohol (PVA-c) en gevormd met behulp van 3D gedrukte onderdelen gemaakt met behulp van computer aided design (CAD) software. De absolute waarde van de fantomen wordt gecontroleerd door het veranderen van de concentratie van PVA-c en door het aantal bevriezen-ontdooien cycli gebruikt om de cryogel te polymeriseren te wijzigen. De AAA-phantoms zijn verbonden met een hemodynamische pomp, ontworpen om te vervormen de spoken met de fysiologische cyclische druk en stroomt. Ultra geluidsbeeld sequenties van de deforming phantoms toegestaan voor de ruimtelijke berekening van de stam druk genormaliseerd en de identificatie van de mechanische eigenschappen van de vaatwand. Representatieve resultaten van de stam druk genormaliseerd worden gepresenteerd.
Introduction
Abdominale aorta-aneurysma (AAA) zijn focal uitbreidingen van de aorta die bij voorkeur in de buurt van de aorta bifurcatie1 optreden. De precieze oorzaak van de vorming van de AAA is onbekend, hoewel veel theorieën suggereren dat de pathogenese multifactoriële, met genetische, gedrags, hemodynamische en ecologische factoren die bijdragen van2,3. Terwijl de diagnose van een abdominale aorta aneurysma kan worden verkregen met behulp van niet-invasieve beeldvormende technieken, is de voorspelling van patiënt-specifieke breuk risico niet zo precies4,5,6. Chirurgische reparatie kan verminderen het risico van breuk van de aorta, maar operatieve reparatie van de aorta draagt een hoge mate van geassocieerde morbiditeit en mortaliteit7. Huidige chirurgische praktijken "maximumgrootte criteria", of maximale absolute diameter van het aneurysma, gebruiken om een patiënt risico van breuk te voorspellen. Helaas, het is goed opgezet dat een aneurysma nog onder maten klinisch aanvaardbaar voor chirurgische reparatie breuken, wat betekent dat patiënten met enige formaat aneurysma enig risico van breuk8,9, dragen 10 , 11 , 12 , 13. Daarnaast is het bekend dat historische rapporten van breuk risico waarschijnlijk overdreven ramingen van het echte breuk risico, wat betekent dat veel patiënten worden blootgesteld aan chirurgische risico zonder voordeel13. Een meer accurate beoordeling van het risico van de patiënt-specifieke breuk is nodig om te helpen een patiënt risico-batenverhouding ondergaan chirurgische aneurysma reparatie stratificeren.
Het is aangetoond dat de ruimtelijke verdeling binnen een AAA van cruciaal belang is bij het bepalen van de breuk potentieel en kan een betere indicator dan maximale diameter14,15,16,17 , 18. allermeest naar de recente studies die de mechanica van AAA breuk onderzoeken gebruik gesegmenteerde geometrieën van X-ray berekend tomografie (CT) beelden en bevolking gemiddeld mechanische eigenschappen van de aorta weefsel gemeten ex vivo. Eindige elementen (FE) modellen worden vervolgens gebruikt om te voorspellen van het vaartuig muur benadrukt14,15,16,17,18. Echter, aangezien de mechanische eigenschappen worden bepaald na de besnijdenis weefsel, het is onduidelijk of de resulterende modellen beschrijven nauwkeurig de resulterende in vivo patiënt-specifieke benadrukt. Deze studies meestal veronderstellen homogene vaartuig materiaaleigenschappen van de muur en niet goed voor de zeer heterogene structuur van de aorta muur en trombose19,20,21,22 ,23,24,25.
Echografie gebaseerde elasticiteit imaging is klinisch gebruikt voor het opsporen en volgen van een scala aan ziekte pathologieën26. Deze technologie biedt een niet-invasieve manier ondervragen van de fysieke interacties van zachte weefsels. Vasculaire elasticiteit beeldvorming van het Amerikaanse is gebruikt als een aanvulling imaging modaliteit aan klinische evaluatie van de VS in de screening en monitoring van AAAs. De combinatie van deze technieken zorgt zowel geometrische informatie, zoals de diameter en lengte, evenals mechanische gegevens, zoals de relatieve stijfheid en stijfheid variatie. Hoewel veel elasticiteit beeldvormingstechnieken een externe belasting vereisen voor het opwekken van de vervorming van een meetbare weefsel, wordt de beweging van het weefsel meetoplossingen hier veroorzaakt door veranderingen in de aorta druk veroorzaakt door het kloppend hart. Tal van methoden om te lossen ruimtelijk stam velden in het vervormen van de vaartuigen zijn gepubliceerd, validatieonderzoek van deze methoden is echter beperkt tot menselijke patiënten, dierlijke modellen of ex vivo weefsel monsters27,28 ,29,30,31,32. Tot op heden, toestaan paar methoden voor creaties van aangepaste meetkundes met ruimtelijk gevarieerde materiaaleigenschappen27,29.
Hier presenteren we een methode voor de productie van ons compatibel, weefsel nabootsen fantomen die kunnen worden aangepast naar een groot aantal relevante aorta geometrieën en materiaaleigenschappen voor validatie van Amerikaanse elastography technieken. Hoewel eerdere groepen kundig voor ontwerpen van complexe geometrie fantomen om na te bootsen AAA meetkundes met behulp van 3D printing technologie33,34 geweest, afdrukbare rubbers bekend is dat hebben een hoog demping naar VS en hoeft niet een middel om later hun de eigenschappen van het materiaal. Spoken bestaan uit cryogel polyvinylalcohol (PVA-c), die eerder gebleken te zijn ideaal voor het nabootsen van vaatweefsel eigenschappen35. Deze phantoms kunnen worden gebruikt in de VS, magnetische resonantie en elastographic imaging36,37,38. De geometrie van de aorta aneurysma werd ook ontworpen om die van het simulatiemodel gemaakt door Vorp et al. 14. het vaartuig heeft een nominale diameter van 22,5 mm en een aneurysmal uitstulping die is 64 mm uitstulping lang, 47 mm in diameter en excentriek (β = 0.6)14 aan de voorste kant van de phantom. De laatste sectie bootst de iliacale bifurcatie met een distale diameter van 15 mm. De phantom werd gekozen om een constante dikte van ongeveer 5 mm. Raghavan et al. gerapporteerd in een kleine studie dat de dikte van het vaartuig van AAA van 0.23-4.26 varieert mm, met een mediane waarde van 1,48 mm39. Een vaartuig van de nominale dikte op de grotere kant van dat spectrum werd hier gekozen voor het vervaardigen van bezorgdheid met de verwachting dat verbeterd 3D druktechnieken zal verbeteren de phantom minimumdikte welk vermag worden gevormd. Phantom mallen werden ontworpen in CAD en 3D afgedrukt met behulp van commercieel beschikbare printers en filamenten.
De mallen zijn injectie gevuld met de PVA-c oplossing en onderworpen aan een reeks van vorst/dooi cycli (-20 ° C en + 20 ° C) cross-link van het PVA-c polymeer te polymeriseren van de gel. De elasticiteitsmodulus van het PVA-c wordt gecontroleerd door het veranderen van de concentratie van het PVA-c-gel of het aantal cycli bevriezen-ontdooien. Het aneurysmal deel van de phantom vereist verlies schimmel te verwijderen uit de innerlijke lumen van het schip. Dit werd bereikt door het gebruik van een polyvinyl alcohol, 3D-printer filament (PVA). Hoewel chemisch gelijkaardig aan het PVA-c-poeder, de gloeidraad PVA doet niet polymeriseren wanneer bevroren en als zodanig kan worden opgelost in water, nadat de PVA-c is ingesteld. Extra monster mallen worden afgedrukt tot treksterkte testen exemplaren, in een "dog bone" configuratie, met dezelfde PVA-c concentratie. Deze mallen ondergaan de dezelfde vorst/dooi-cycli en worden gebruikt voor het testen van de treksterkte als onafhankelijk eenheid de elasticiteitsmodulus van de phantom secties. Een achtergrondmateriaal was vervaardigd met zachtere PVA-c, gemaakt om te simuleren van weefsels van het retroperitoneum40,41. Deze achtergrond phantom werd geproduceerd als een homogene Axiaalsymmetrische cilindrische buis met een inwendige diameter van 4 cm, een buitendiameter van 16,5 cm en een lengte van 16,5 cm. Het was gemaakt van een oplossing van 5% PVA en onderworpen aan een totaal van twee cycli bevriezen-ontdooien.
De definitieve AAA fantomen waren in de achtergrond phantom geplaatst en aangesloten, via pijpfittingen en klemmen, aan een hemodynamische waterpomp ter vervormen de spoken met fysiologische cyclische stromen en druk. Het toerental van de pomp is ingesteld op ongeveer een 6-7 kPa druk puls leveren met een snelheid van ongeveer 1 Hz. Ultra geluidsbeeld sequenties van de deforming phantoms werden verzameld, en de druk genormaliseerd stam was berekend om te identificeren van verschillen in de ruimtelijk gevarieerd mechanische eigenschappen. Representatieve resultaten van de druk genormaliseerde stam beelden binnen de regio van het schip worden gepresenteerd. De toenemende regionale verschillen in de genormaliseerde stam van de stijvere heterogene fantomen, ten opzichte van de homogene phantom, tonen de verschillen in de stijfheid van het vaartuig en ons vermogen om het te meten.
Protocol
1. download STL modellen uit de NIH 3D Print-uitwisseling
- Navigeer naar de NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) en typ Gesimuleerd Aneurysmal aorta Phantom schimmel in de zoekopdracht en druk op de enter-toets.
- In de volgende lijst opvraagt voor het zoeken, vinden de model " 3DPX-009210" en klik op dat item.
- Klik op de downloadknop en vervolgens klikt u op het bestand Aneurysmal aorta Phantom Mold.zip gesimuleerd van de drop-down lijst voor downloaden zulks vijl.
- Dubbel klik het gedownloade bestand om unzip het en opslaan van de resulterende bestanden (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl en SampleMoldSTL.stl) op de computer die wordt gebruikt voor 3D printen in stappen 2.1-2.7.
Opmerking: Men kan elk van de bestanden vermeld in stap 1.4 afzonderlijk uitwijkmogelijkheid downloaden.
2. 3D printen van mallen
- De 3D-printer interfacesoftware niet openen en gebruik de knop verbinden verbinding maken met de printer.
- De gedownloade STL-bestand OuterAntSTL.stl (Figuur 1een, blauw) in de 3D-printing software importeren. Selecteer de knop bewerken in de 3D printing software, en oriënteren van het deel van de schimmel door te klikken op het menu draaien en vervolgens te klikken op de X, Yof Z knoppen als u wilt uitlijnen van de lange as parallel aan de print bed met de buiten de schimmel geconfronteerd met het print bed. Klik op de knop Opslaan en vervolgens klikt u op de knop afdrukken en afdrukken van het deel van de schimmel met behulp van polylactic acid (PLA) plastic filament op een enkele extruder.
Figuur 1 : CAD vertegenwoordiging van Phantom, achtergrond en monster mallen. (a) - b 3D CAD beelden van het vaartuig schimmel en oriëntatie van onderdelen voor montage. Registratie spacers (i), pinnen (ii), gaten (iii) en het gat vullen worden weergegeven. (c) een tekening van innerlijke lumen markeren de innerlijke vaartuig afmetingen. (d) CAD-weergave van de monster-mallen. (e) CAD-weergave van de achtergrond phantom schimmel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- Herhaal stap 2.2 voor het OuterPostSTL.stl bestand (Figuur 1een, rood).
- Hetzelfde proces van stap 2.2, het STL-bestand InnerDistSTL.stl (Figuur 1een, witte) importeren met het 3D printing software en selecteer de knop "Bewerken" en klik in de draaien menu op de X, Yof Z knoppen uitlijnen van de lange as loodrecht op het print bed and zodanig dat de registratie-pin (i) is in contact met het print bed. Klik op de knop Opslaan en vervolgens klikt u op de knop afdrukken en afdrukken van het deel van de schimmel met behulp van PLA plastic filament op een enkele extruder.
Opmerking: Dit deel met de ondersteunende structuur niet afgedrukt. Doe niet meer dan 30% "infill" voor dit gedrukte deel. - De STL-bestand SampleMoldSTL.stl (Figuur 1d) in de 3D-printing software importeren. Selecteer de knop bewerken en klik in het menu draaien op de X, Yof Z knoppen wilt uitlijnen van het deel dat de binnenkant van de mal van het print bed boven ligt. Klik op de knop Opslaan en vervolgens klikt u op de knop afdrukken en afdrukken van het deel van de schimmel met behulp van PLA plastic filament op een enkele extruder.
Opmerking: Dit deel met de ondersteunende structuur niet afgedrukt. Afdrukken van 3 of meer monster mallen. - De STL-bestand BackgroundMoldSTL.stl (Figuur 1e) in de 3D-printing software importeren. Selecteer de knop "Bewerken" en klik in het menu draaien op de X, Yof Z knoppen als u wilt het deel uitlijnen zodat de bodem van de mal (dat wil zeggen, het gesloten einde van de cilinder) wordt geconfronteerd met het print bed. Klik op de knop Opslaan en vervolgens klikt u op de knop afdrukken en afdrukken van het deel van de schimmel met behulp van PLA plastic filament op een enkele extruder.
Opmerking: Dit deel met de ondersteunende structuur niet afgedrukt. - De STL-bestand InnerDistSTL.stl (Figuur 1een, geel) in de 3D-printing software importeren. Selecteer de knop "bewerken" en klik in het menu draaien op de X, Yof Z knoppen als u wilt het deel uitlijnen zodat de lengteas loodrecht op het print bed staat en bifurcatie registratie pinnen (i) staan de Print bed. Klik op de knop Opslaan en vervolgens klikt u op de knop afdrukken en afdrukken van het deel van de schimmel met behulp van polyvinyl zuur (PVA) plastic filament op een enkele extruder.
- Verwijder eventuele dragermateriaal uit de 3D gedrukte delen van stappen 2.1-2.7 (Figuur 2een).
Opmerking: Het is niet nodig om te verwijderen van de ondersteunende structuur uit de buitenste schimmel delen als ze niet met de vergadering van de schimmel interfereren.
Figuur 2 : Vaartuig Phantom schimmel vergadering en definitieve vaartuig Phantom. (a) de laatste gedrukte mal van innerlijke en uiterlijke lumen mallen. De distale einde van de innerlijke lumen afgedrukt in een oplosbaar PVA plastic en is aangesloten op het proximale einde van de mal van de innerlijke lumen met vervormbare wax. (b) buis aangesloten op de poort van de injectie van de buitenste lumen schimmel en de spuit stop. (c) de innerlijke lumen schimmel na spray coating van flexibele sealant. (d) montage van Ardennen kant van de buitenste lumen schimmel en de schimmel van de innerlijke lumen met PVA-c (roodgeverfde ramsvellen) toegevoegd voor stijve aneurysma spoken. (e) een volledige vaartuig schimmel geassembleerd en geklemd. (f) vervormbare wax toegepast op de naden van de buitenste lumen mal om te voorkomen dat PVA-c uit de mal lekken. (g) definitieve PVA-c phantom na 5 vorst/dooi cycli en verwijdering van de schimmel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
3. Hydrogel voorbereiding
- Meng 22.2 g PVA-c poeder in 200 mL leidingwater (10% van de massa) in een bekerglas van glas. Magnetron de oplossing aan de kook en roer. Herhaal deze stap totdat alle van het PVA-poeder wordt opgelost en de oplossing doorschijnend verschijnt.
- Schorten 0.4 g calciumcarbonaat poeder (0,2% van de massa) in 10 mL water en toevoegen aan de oplossing van stap 2.1 als echografie scatterers op te treden. Meng grondig. Dekking van de oplossing en laat het afkoelen tot kamertemperatuur (RT).
Opmerking: Voor homogene phantoms overslaan naar stap 3.5 - Meng 17.6 g PVA-c poeder in 100 mL leidingwater (15% massaprocent of desgewenst) in een bekerglas van afzonderlijke glas. Magnetron de oplossing aan de kook en roer. Herhaal deze stap totdat alle het PVA-poeder wordt opgelost en de oplossing doorschijnend verschijnt.
- Schorten 0.4 g calciumcarbonaat poeder (0,2% van de massa) in 5 mL water en voeg aan de oplossing van stap 2.3. Meng grondig. Dekking van de oplossing en laat het afkoelen tot de RT.
- Meng 183.7 g PVA-c poeder in 3,5 L van leidingwater (5 massapercenten) in een aparte grote pot. Breng de oplossing aan de kook en roer. Haal de pot van het vuur zodra het PVA-poeder wordt opgelost en de oplossing doorschijnend verschijnt.
- Schorten 7.4 g calciumcarbonaat poeder (0,2% van de massa) in 10 mL water en voeg aan de oplossing van stap 2,5. Meng grondig. Dekking van de oplossing en laat het afkoelen tot de RT.
4. assemblage van mallen
- Sluit ongeveer 100 mm van de flexibele slang aan de poort van de injectie van de buitenste lumen schimmel. Koppelen aan het andere uiteinde van de buis, een afsluiter met spuit verbindingen (Figuur 2b).
- Houd de pennen van de registratie van de innerlijke lumen schimmel en vervormbare wax gebruikt, houden het uitpuilende deel van het schip van de innerlijke lumen schimmel op het rechte schip deel van de mal innerlijke lumen.
- In een goed geventileerde plaats, een spray-on flexibele rubber-coating van toepassing op het aneurysmal einde van de innerlijke lumen mal om te voorkomen dat de hydrogel oplossen van het PVA schimmel deel tijdens de molding proces (Figuur 2c).
Opmerking: Voor homogene phantoms overslaan naar stap 4.6. - Met de grootste zijde van het aneurysmal deel van de buitenste mal naar beneden, door de Ardennen te vullen met 15 mL van de oplossing die is gemaakt in stap 3.3-3.4 (Figuur 2b,). Plaats de delen verzamelde innerlijke schimmel in de voorste buitenste schimmel deel (Figuur 2d). Gebruik elastiekjes om het innerlijke lumen deel op zijn plaats houden.
Opmerking: In Figuur 2, PVA-c is roodgeverfde ramsvellen voor zichtbaarheid. - Bevriezen van de vergadering van de schimmel in een vriezer van-20 ° C voor 12u en verwijderen uit de diepvries. Op naar stap 4.6 verplaatsen zonder dat de oplossing in de mal vergadering dooi.
- Tijdens het wachten voor de schimmel om te bevriezen (stap 4.4), een royaal bedrag van vervormbare was van toepassing op het oppervlak van de achterkant van een afgedrukte monster mal en klem het op een plat plastic vel gesneden aan de minimale grootte van ongeveer 100 mm 60 mm met 10 mm (Figuur 3een). Vul de ruimte tussen de schimmel en de plastic folie met de dezelfde PVA-oplossing gebruikt bij stap 4.3. Het bevriezen van de steekproef schimmel in de dezelfde vriezer (-20 ° C) als de mal van het schip in stap 4.4.
Figuur 3 : Proeven van schimmel en eindmonster en achtergrond Phantoms. (a) geklemd monster schimmel en doorzichtige plastic blad. PVA-c is gegoten in de mal van de steekproef en luchtbellen aan de oppervlakte zijn toegestaan. (b) PVA-c monster na de laatste vorst/dooi cyclus. (c) experimentele U.S. imaging installatie van phantom gekoppeld aan simulator pomp en geplaatst op de achtergrond PVA-c phantom. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- Monteren en klem samen het gehele schip schimmel in de afdrukstand die is weergegeven in Figuur 1een en 1b (Figuur 2e). Lijn de naden van de mallen van de buitenste lumen een vervormbare wax gebruiken om ervoor te zorgen dat de hydrogel niet tijdens de injectie (Figuur 2f lekken doet).
- Vul een 60 mL spuit met de PVA-c oplossing gemaakt in stap 3.1 en 3.2. Met het einde van de bifurcatie van de schimmel omhoog door het PVA-c oplossing te injecteren in de mal vergadering vermijden luchtbellen in de ingespoten oplossing.
Opmerking: Als geen lekken zich tijdens de injectie voordoen, pauzeert injectie en patch lekkende gebieden met vervormbare wax. Herhaal de spuit injecties om de PVA-c oplossing vult de mal. - Laat de mal te zitten voor 30 min, tikken de mal zachtjes elke 10 min zodat alle luchtbellen te stijgen naar de top van de schimmel. De injectie spuit Herhaal indien nodig naar boven uit de mal. Bevriezen van de vergadering van de gehele schimmel voor 12u en verwijderen uit de vriezer. Toestaan dat de vergadering van de schimmel te ontdooien op RT voor 12u.
- Terwijl wachten voor de schimmel om te bevriezen (stap 4.8), assembleren en klem een ander monster schimmel en plat plastic folie gesneden als beschreven stap in 4.5 (Figuur 3een). Vul de ruimte tussen de schimmel en de plastic folie met de dezelfde PVA-oplossing gebruikt bij stap 4.7. Bevriezen en ontdooien van de mal van het monster in de dezelfde vriezer (-20 ° C) en op hetzelfde moment als de mal van het schip in stap 4.8 en de mal van de steekproef van stap 4.5.
- Bevriezen en ontdooien van de mal van het schip en beide de monster mallen van stappen 4.5, 4.8 en 4,9 vier keer, voor een totaal vijf 24u - vorst/dooi cycli. Na de 5th vorst/dooi cyclus, de PVA-c testen monsters uit hun mallen (Figuur 3b) te verwijderen. Trim eventuele overtollige cryogel van de monsters en bewaar ze in een verzegelde container van een 5% door volume bleekwater/water oplossing op RT.
- Het PVA-c schip uit de buitenste lumen schimmel verwijderen. Zorgvuldig scheiden het rechte schip deel van de innerlijke lumen schimmel uit het aneurysmal deel en verwijderen uit het PVA-c schip. Snijd de registratie spacers vanaf het gespleten einde van het aneurysmal deel van de schimmel innerlijke lumen om de afgedrukte PVA gloeidraad bloot te stellen. Plaats in een waterbad op RT te ontbinden van het aneurysmal deel van het PVA.
Opmerking: Dit kan 24 uur of langer duren, echter toe te voegen warm water aan het bad kan versnellen het proces van oplossen. - Na oplossen en verwijderen van het PVA deel van de binnenkant van het vaartuig phantom afgedrukt, slaan de phantom in een verzegelde container van een 5% door volume bleekwater/water oplossing op RT.
- Vul de achtergrond schimmel met ongeveer 3.3 L van het PVA-c oplossing gemaakt in stappen 3.5 en 3.6. Bevriezen (-20 ° C) de schimmel van de achtergrond voor 12u en verwijderen uit de diepvries. Laat de mal te ontdooien op RT voor 12u en herhalen voor een totaal van 2 vorst/dooi cycli.
- Op hetzelfde moment als stap 4.13, opvulling een monster schimmel vergadering met dezelfde PVA-c oplossing gebruikt in stap 4.13 en zet het via de dezelfde vorst/dooi-monsters als de mal van de achtergrond.
- Na de 2nd dooi, verwijder de achtergrond monster en achtergrond phantom uit hun mallen en opgeslagen in een verzegelde container van een 5% door volume bleekwater/water oplossing op RT.
5. phantom en de steekproef testen
- Het vaartuig phantom en achtergrond phantom in een grote waterbad plaatsen. Sluit het grotere schip uiteinde aan de output van de hemodynamische water pomp42,43 met slang klemmen (Figuur 3c). Plaats het vaartuig phantom in de achtergrond phantom en koppelt vervolgens de gespleten uiteinden van de phantom aan de inlaat van de hemodynamische pomp met slang klemmen.
- Plaats een solid-state druk sensor katheter in het systeem van het vaartuig en de pomp in de buurt van de inlaat van de hemodynamische pomp. Voer de hemodynamische pomp zodanig dat de druk van de vervormingen van de wand tussen een minimum van 0 kPa en een maximale 7,5 kPa (Figuur 4een).
Figuur 4 : Imaging Protocol. (a) de drukprofiel gemeten tijdens de phantom imaging installatie. (b) een representatief beeld van de B-modus van de phantom bij de minimale druk. (c) B-modus op de maximumdruk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- Gebruik een echografie (ons) systeem en een convexe transducer met een center frequentie van ongeveer 5 MHz te verzamelen ons beelden van de achtergrond en vaartuig phantoms in doorsnede op de locatie van de diameter van de maximale vaartuig (Figuur 4b en 4 c ). De gegevens van de druk met behulp van een digitale acquisitiesysteem (Figuur 4een) opneemt.
Opmerking: Details voor het uitvoeren van de Beeldacquisitie in deze stap kunnen worden gevonden in Mix et al.44. - De schattingen van de verplaatsing met behulp van een niet-starre beeld registratie gebaseerde techniek, zoals beschreven in de Mix et al. verkrijgen 44. uit de metingen van de tweedimensionale (2D) verplaatsing veld (uik(x)), berekenen het 2D stam tensor veld (εijvan (x)) met een evaluatie van de symmetrische deel van het verloop van het veld verplaatsing:
- Vervolgens berekent de maximale belangrijkste stam (εp) als de maximale belangrijkste component van de stam tensor veld met behulp van de volgende vergelijking:
- Tot slot, het bepalen van het frame van de belangrijkste stam op de piek-druk en verdeel dit veld tensor stam door verschil in de maximale en minimale katheter druk (Figuur 4een), of de pols druk (PP), tot gemeten ruimtelijk opgelost Druk genormaliseerd beginsel stam (εpvan /PP).
Figuur 5 : Druk genormaliseerd stam Images. Representatieve beelden van de genormaliseerde stam (εpvan /PP) in%/kPa binnen het schip voor de homogene 10% door massale vaartuig phantom (a) en de heterogene spoken met een 15% door massa (b), 20% van de massa en 25% door massa anterieure gemeten druk aneurysmal sectie (top van schip). Dit cijfer is gewijzigd van Mix et al. 44. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Representative Results
Vertegenwoordiger B-modus beelden van het vaartuig nabootsen phantoms worden weergegeven voor de minimale en maximale druk gemeten door de katheter (Figuur 4b en 4 c, respectievelijk). De druk-genormaliseerd stam (εpvan /PP) in%/kPa weergegeven voor vier verschillende vervaardigde phantoms (Figuur 5). Figuur 5 een toont de gemeten druk-genormaliseerd spanning binnen een homogene phantom vervaardigd met een 10% door massa PVA-c oplossing. De verhouding van de gemiddelde spanning gemeten in het achterste kwartaal (afbeelding onder) van de phantom aan de gemiddelde spanning in het anterior kwartaal (afbeelding boven) was 0.92. Figuur 5 b toont εp/PP voor een phantom waar het aneurysmal gedeelte van the phantom werd geproduceerd met een 15% door massa PVA-c oplossing en de rest van de phantom is gemaakt met behulp van de 10% van de massa PVA-c. De verhouding van posterior-anterior spanning voor deze phantom bleek te zijn van 1.87. Figuur 5 c toont εp/PP voor de heterogene phantom met 20% door massa PVA-c, met recentere anterior stam/ratio van 4.23. Figuur 5 d toont εp/PP voor de heterogene phantom met 25% door massa PVA-c, met recentere anterior stam/ratio van 7.37.
De resultaten die hier gepresenteerd blijkt dat abdominale aorta phantoms werden gemaakt met complexe geometrieën en ruimtelijk verschillende materiaaleigenschappen. Ontwerp van phantom geometrieën waren, of meer in het bijzonder, phantom mallen werden gedaan met behulp van computersoftware die phantom geometrie veranderingen (Figuur 1een en 1b vergemakkelijkt). Mallen kunnen gemakkelijk 3D afgedrukt en geassembleerd en complexe schimmel geometrieën kunnen worden afgedrukt met behulp van PVA gloeidraad en verwijderd, soortgelijke verloren-was gieten technieken. Het laatste schip fantomen dynamisch drukkend kunnen worden en stabiel onder grote belasting (Figuur 4een). Phantoms zijn compatibel met echografie imaging (Figuur 4b en 4 c) en de materiaaleigenschappen nabootsen van de abdominale aorta stiffnesses hebben. Variaties in de verhoudingen van de stam in de voorste posterieure regio's van de stam beelden laten zien dat de regio's verschillende materiaaleigenschappen (Figuur 5 hebben) en de exacte waarden van de onafhankelijke mechanische testen op de monsters kwantificeren hun respectieve schuintrekken moduli.
Discussion
Dit document stelt een techniek voor de vervaardiging van weefsel nabootsen spoken voor het gebruik in testen elastography of elasticiteit imaging algoritmen. Het gecombineerd gebruik van CAD en 3D printen zorgt voor efficiënte ontwerp van aorta nabootsen phantoms met complexe geometrieën, buiten buisvormige spoken, met inbegrip van aneurysmal uitstulpingen. De oprichting van the phantom gebeurt in 4 stappen; 1) ontwerp van de phantom geometrie, 2) afdrukken van de phantom schimmel delen, 3) mengen van de cryogel-oplossingen die uiteindelijk na te de ultrasone kenmerken en de mechanische eigenschappen van de phantom vaartuigen en 4) gieten/injecteren van de cryogel bootsen zal oplossing in de mal, instellen van de PVA-c met cycli bevriezen-ontdooien en verwijdering van het spook van de schimmel. Het gebruik van CAD-in de in het ontwerp van de mallen verkregen in stap 1 maakt het mogelijk voor een eenvoudig middel precies wijzigen de geometrie van de spoken. Afdrukken van de schimmel delen momenteel neemt ongeveer 5-8 uur afhankelijk van de grootte van de afdruk en zo gemakkelijk kan worden gemaakt voor herhaalde wijzigingen aan de mallen.
In stap 3, worden de cryogel-oplossingen gemaakt waarmee het vaartuig, aneurysma en achtergrond weefsel wordt nagebootst met calciumcarbonaat deeltjes nabootsen van de spreiding van de V.S. van het weefsel. De cryogel oplossingen moeten vóór gebruik als de calcium-deeltjes hebben geregeld uit het mengsel worden bewogen. De exacte concentratie van het mengsel van de cryogel bepaalt de uiteindelijke mechanische eigenschappen van de spoken. Het is dus belangrijk om de onafhankelijke monsters van elk van de oplossingen die zijn gebruikt in de phantom vaartuig en achtergrond. Hoewel geen deel uit van het protocol hier, moeten onafhankelijke metingen van het monster de elasticiteitsmodulus worden verkregen met behulp van eenassige spanning testen. Onafhankelijke mechanische testen voor het PVA-c-samples voor de 10%, 15%, 20% en 25% phantoms gemaakt in de representatieve resultaten had gemeten afschuifmodulus 17.4 kPa 1.0, 48.3 kPa 5,7, 95.1 ± 0,4 kPa en 170,0 kPa 4.1, respectievelijk.
Stap 4 is de meest kritische stap in het creëren van deze spoken. Hoewel de registraties pinnen op zijn plaats zijn te houden van het delen van schimmel in hun juiste positie ten opzichte van de anderen, is het belangrijk ervoor te zorgen dat de schimmel delen niet tijdens de molding proces scheiden u. Dus, het gebruik van de klemmen te houden van de schimmel. De meest belangrijke overweging van stap 4 is ook het minimaliseren van de luchtbellen gevangen in de mal voorafgaand aan de eerste vorst-dooi cyclus. Het is vaak nuttig om één kant van de buitenste schimmel demonteren en inspecteren van de phantom na de eerste bevriezen-dooi cyclus om ervoor te zorgen dat het goed gevormd. Dit bespaart tijd verspild om een "slechte" phantom door extra cycli. Zodra de phantom heeft volledig uit de mal verwijderd, kan deze worden opgeslagen in water wekenlang met voortzetting van het gebruik.
Het PVA-c phantoms ontwikkeld in dit werk werden gecreëerd om na te bootsen specifiek de ultrasone en materiële stijfheid van de aorta weefsel. Het gebruik van polyvinylalcohol cryogel voorziet in een breder scala van mogelijke mechanische stijfheid, aan betere mimic de veranderende materiaaleigenschappen van aorta weefsel in vergelijking met meer rubber zoals materialen33,34. Bovendien, vangt het gebruik van hydrogel en investeringen gieten beter de akoestische eigenschappen van gegoten rubbers of direct 3D drukwerk33,45. Enkele luchtbellen kunnen krijgen gevangen in onze mallen vóór de eerste freeze-dooi cyclus. Dit kan leiden tot hiaten in de phantom en leiden tot materiële zwakte of akoestische artefacten. Dus is het aangeraden om te inspecteren de spoken uit de matrijs na de eerste bevriezen-ontdooien om te bepalen als het proces opnieuw moet worden opgestart. Bovendien, hebben de auteurs gevonden dat de innerlijke schimmel soms tijdens het bevriezen van het aneurysmal gedeelte van de spoken verschuiven kan. Als dit gebeurt, zou een wijziging van het bovengenoemde protocol zijn het creëren van een 3D-gedrukte, of anders ontworpen, deel om stevig vasthouden de innerlijke lumen schimmel aan de voorste en buitenste mal tijdens het bevriezen van deze sectie. De auteurs hebben gevonden dat het gebruik van de posterieure zijde van de buitenste schimmel en een 5 mm spacer tussen de achterste buitenste schimmel en de innerlijke schimmel goed voor dit doel werkt.
De phantom die hier ontwikkeld is ideaal voor het bestuderen van de invloed van veranderingen in de diameter van het aneurysmal, en luminal dikte of potentieel de aanwezigheid van trombose in het weefsel door de oorspronkelijke CAD-bestanden te bewerken. Vorige werk is echter ook gebleken dat deze productietechniek kan worden aangepast voor het produceren van patiënt-specifieke phantom geometrieën computertomografie beelden en segmentatie software gebruiken, in plaats van CAD-ontwerpen, maken de 3D afgedrukt phantom mallen 44. de resultaten hieronder tonen aan dat het algoritme kon visualiseren van de vervaardigde variaties in de mechanische eigenschappen van de phantom secties. Opgemerkt moet worden dat hoewel deze phantoms werden gebruikt voor het testen van de US-based beeldvormingstechnieken, ze zijn ook compatibel met magnetische resonantie en computertomografie beeldvormende systemen en dat ze ook kunnen worden gebruikt buiten het doel van elasticiteit imaging, voor een breed bereik van nieuwe beeldvormende technieken en modaliteiten.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk was ondersteund door het National Center for Advancing translationeel Wetenschappen van de National Institutes of Health door Award nr. UL1 TR000042 en het National Institute of Biomedical Imaging en Bioengineering van de National Institutes of Health door Award nr. R21 EB018432.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PLA filament | MatterHackers, MatterHackers.com | MEEDKTKU | |
| PVA filament | MatterHackers, MatterHackers.com | M4MJTECR | |
| LeakSeal | RPM International Inc., Rustoleum.com | 265495 | |
| Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30) | DowDuPont Inc., ChemistryStore.com | SKU: 81015 | |
| Calcium Carbonate Powder | greenwaybiotech.com via amazon.com | Amazon: B00HFFCBYQ | |
| Tacky Wax | bards.com via amazon.com | Bards: BB759 Amazon: B016KBDYRS |
|
| Rostock max 3D Printer | SeeMeCNC, seemecnc.com | SKU: 84459 | |
| Onshape CAD software | OnShape, onshape.com | ||
| Mattercontrol printer software | MatterHackers, MatterHackers.com | ||
| Mikro-Cath pressure catheter and device | Millar, Inc., millar.com | 4501016/B | |
| BNC digital acquisition | National Instruments Corporation, ni.com | NI USB-6251 BNC | |
| clear cast acrylic sheet | mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com | 8560K274 | |
| Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile | Cole-Parmer, coleparmer.com | EW-30600-02 | |
| BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock) | Cole-Parmer, coleparmer.com | EW-07945-28 | |
| 6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader | Tekton, Inc., www.tekton.com | 39181 | |
| Tygon PVC Clear Tubing | mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com | 6516T53 | |
| MTS Qtest Q/5 | MTS Systems Corperation, www.mts.com | 4501016 | |
| MTS 5N Load Cell | MTS Systems Corperation, www.mts.com | 4501016/B | |
| Abaqus FEA | Dassault Systèmes, 3ds.com |
References
- Taylor, S. M. The Juxtarenal Abdominal Aortic Aneurysm. Archives of Surgery. 129 (7), 734-734 (1994).
- Nevitt, M. P., Ballard, D. J., Hallett, J. W. Prognosis of Abdominal Aortic Aneurysms. The New England Journal of Medicine. 321 (15), 1009-1014 (1989).
- Crane, C. Arteriosclerotic Aneurysm of the Abdominal Aorta. The New England Journal of Medicine. 253 (22), 954-958 (1955).
- IMPROVE Trial Investigators. Endovascular or open repair strategy for ruptured abdominal aortic aneurysm: 30-day outcomes from IMPROVE randomised trial. British Medical Journal. 348, 7661 (2014).
- Robinson, W. P., et al. Endovascular repair of ruptured abdominal aortic aneurysms does not reduce later mortality compared with open repair. Journal of Vascular Surgery. 63 (3), 617-624 (2016).
- Starnes, B. W., et al. Management of ruptured abdominal aortic aneurysm in the endovascular era. Journal of Vascular Surgery. 51 (1), 9-18 (2010).
- Schermerhorn, M. L., et al. Endovascular vs. Open Repair of Abdominal Aortic Aneurysms in the Medicare Population. The New England Journal of Medicine. 358 (5), 464-474 (2008).
- Darling, R. C., et al. Autopsy study of unoperated abdominal aortic aneurysms. The case for early. Circulation. 56, 161-164 (1977).
- Szilagyi, D. E., Smith, R. F., DeRusso, F. J., Elliott, J. P., Sherrin, F. W. Contribution of abdominal aortic aneurysmectomy to prolongation of life. Annals of Surgery. 164 (4), 678-699 (1966).
- Skibba, A. A., et al. Reconsidering gender relative to risk of rupture in the contemporary management of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 62 (6), 1429-1436 (2015).
- Parkinson, F., et al. Rupture rates of untreated large abdominal aortic aneurysms in patients unfit for elective repair. Journal of Vascular Surgery. 61 (6), 1606-1612 (2015).
- Grant, S. W. W., et al. Calculating when elective abdominal aortic aneurysm repair improves survival for individual patients: development of the Aneurysm Repair Decision Aid and economic evaluation. Health technology assessment. 19 (32), Winchester, England. 1-154 (2015).
- Lederle, F. a, et al. Rupture rate of large abdominal aortic aneurysms in patients refusing or unfit for elective repair. JAMA: the journal of the American Medical Association. 287 (22), 2968-2972 (2002).
- Vorp, D. A., Raghavan, M. L. L., Webster, M. W. Mechanical wall stress in abdominal aortic aneurysm: Influence of diameter and asymmetry. Journal of Vascular Surgery. 27 (4), 632-639 (1998).
- Vande Geest, J. P., et al. Towards a noninvasive method for determination of patient-specific wall strength distribution in abdominal aortic aneurysms. Annals of Biomedical Engineering. 34 (7), 1098-1106 (2006).
- Stringfellow, M. M., Lawrence, P. F., Stringfellow, R. G. The influence of aorta-aneurysm geometry upon stress in the aneurysm wall. Journal of Surgical Research. 42 (4), 425-433 (1987).
- Maier, A., et al. A comparison of diameter, wall stress, and rupture potential index for abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction. Annals of Biomedical Engineering. 38 (10), 3124-3134 (2010).
- Raghavan, M. L. L., Vorp, D. A., Federle, M. P., Makaroun, M. S., Webster, M. W. Wall stress distribution on three-dimensionally reconstructed models of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Vascular Surgery. 31 (4), 760-769 (2000).
- Di Martino, E. S., et al. Biomechanical properties of ruptured versus electively repaired abdominal aortic aneurysm wall tissue. Journal of Vascular Surgery. 43 (3), 570-576 (2006).
- Gasser, T. C., Ogden, R. W., Holzapfel, G. a Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society. 3 (6), 15-35 (2006).
- Ruddy, J. M., Jones, J. A., Spinale, F. G., Ikonomidis, J. S. Regional heterogeneity within the aorta: Relevance to aneurysm disease. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 136 (5), 1123-1130 (2008).
- Raut, S. S., Chandra, S., Shum, J., Finol, E. A. The role of geometric and biomechanical factors in abdominal aortic aneurysm rupture risk assessment. Annals of Biomedical Engineering. 41 (7), 1459-1477 (2013).
- Tavares Monteiro, J. A., et al. Histologic, histochemical, and biomechanical properties of fragments isolated from the anterior wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), (2014).
- Vallabhaneni, S. R., et al. Heterogeneity of tensile strength and matrix metalloproteinase activity in the wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of endovascular therapy: an official journal of the International Society of Endovascular Specialists. 11 (4), 494-502 (2004).
- Zou, Y., Zhang, Y. Mechanical evaluation of decellularized porcine thoracic aorta. The Journal of Surgical Research. 175 (2), 359-368 (2012).
- Ophir, J., et al. Elastography: Imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound. Journal of Medical Ultrasonics. 29 (4), 155-171 (2002).
- Lopata, R. G. P., et al. Performance evaluation of methods for two-dimensional displacement and strain estimation using ultrasound radio frequency data. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (5), 796-812 (2009).
- Fromageau, J., et al. Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE. , 257-260 (2005).
- Lopata, R. G. P., et al. Vascular elastography: A validation study. Ultrasound in Medicine and Biology. 40 (8), 1882-1895 (2014).
- Mascarenhas, E. J. S., et al. Assessment of mechanical properties of porcine aortas under physiological loading conditions using vascular elastography. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 59, 185-196 (2016).
- Brekken, R., et al. Strain estimation in abdominal aortic aneurysms from 2-D ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 32 (1), 33-42 (2006).
- Vonk, T., Nguyen, V., Schurink, G., van de Vosse, F., Lopata, R. Ultrasonics Symposium (IUS), 2014 IEEE International. , 9-12 (2014).
- Cloonan, A. J., et al. 3D-Printed Tissue-Mimicking Phantoms for Medical Imaging and Computational Validation Applications. 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (1), 14-23 (2014).
- Doyle, B. J., et al. Experimental modelling of aortic aneurysms: novel applications of silicone rubbers. Medical Engineering and Physics. 31 (8), 1002-1012 (2009).
- Zell, K., Sperl, J., Vogel, M., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), 475 (2007).
- Surry, K., Austin, H., Fenster, A., Peters, T. Poly (vinyl alcohol) cryogel phantoms for use in ultrasound and MR imaging. Physics in Medicine and Biology. 49 (24), 5529 (2004).
- Chu, K. C., Rutt, B. K. Polyvinyl alcohol cryogel: An ideal phantom material for MR studies of arterial flow and elasticity. Magnetic Resonance in Medicine. 37 (2), 314-319 (1997).
- Richards, M. S., et al. Investigating the impact of spatial priors on the performance of model-based IVUS elastography. Physics in Medicine and Biology. 56 (22), 7223-7246 (2011).
- Raghavan, M. L., et al. Regional distribution of wall thickness and failure properties of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Biomechanics. 39 (16), 3010-3016 (2006).
- Farsad, M., Zeinali-Davarani, S., Choi, J., Baek, S. Computational Growth and Remodeling of Abdominal Aortic Aneurysms Constrained by the Spine. Journal of Biomechanical Engineering. , (2015).
- Kim, J., Peruski, B., Hunley, C., Kwon, S., Baek, S. Influence of surrounding tissues on biomechanics of aortic wall. International Journal of Experimental and Computational Biomechanics. 2 (2), 105-117 (2013).
- Lillie, J. S., et al. Pulse Wave Velocity Prediction and Compliance Assessment in Elastic Arterial Segments. Cardiovascular Engineering and Technology. 6 (1), 49-58 (2015).
- Varble, N., et al. In vitro hemodynamic model of the arm arteriovenous circulation to study hemodynamics of native arteriovenous fistula and the distal revascularization and interval ligation procedure. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), 1410-1417 (2014).
- Mix, D. S., et al. Detecting Regional Stiffness Changes in Aortic Aneurysmal Geometries Using Pressure-Normalized Strain. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (10), 2372-2394 (2017).
- Browne, J., Ramnarine, K., Watson, A., Hoskins, P. Assessment of the acoustic properties of common tissue-mimicking test phantoms. Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (7), 1053-1060 (2003).
