Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Tillverkning av bukaorta Hydrogel vävnad-härma fantomer för ultraljud elastografi validering

Published: September 19, 2018 doi: 10.3791/57984
Automatic Translation
1, 1, 2, 3
1Division of Vascular Surgery, University of Rochester Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Rochester Institute of Technology, 3Department of Surgery, University of Rochester Medical Center

Summary

Här beskriver vi en metod för att tillverka aneurysmatisk, aorta vävnad-härma fantomer för användning i tester ultraljud elastografi. Den kombinerade användningen av datorstödd konstruktion (CAD) och 3-dimensionell (3D) utskrift tekniker producera aorta fantomer med förutsägbara, komplexa geometrier för att validera den elastographic imaging algoritmer med kontrollerade experiment.

Abstract

Ultraljud (oss) elastografi eller elasticitet imaging, är ett komplement som bildteknik som använder sekventiell US bilder av mjukvävnad att mäta förslaget vävnad och härleda eller kvantifiera de underliggande biomekaniska egenskaperna. För bukaortaaneurysm (AAA), kan biomekaniska egenskaper såsom förändringar i vävnadens elasticitetsmodul och uppskattningar av vävnad stress vara avgörande för att bedöma behovet av kirurgiska ingrepp. Bukaortaaneurysm U.S. elastografi kan vara ett användbart verktyg för att övervaka AAA progression och identifiera ändringar i biomekaniska egenskaper kännetecknar högriskpatienter.

Ett preliminärt mål i utvecklingen av en AAA oss elastografi teknik är validering av metoden använder en fysiskt relevanta modell med kända materialegenskaper. Här presenterar vi en process för produktion av AAA vävnad-härma fantomer med fysiskt relevanta geometrier och rumsligt modulerade materialegenskaper. Dessa vävnad fantomer syftar till att efterlikna den amerikanska egenskaper materiella modulus och geometri av bukaortaaneurysm. Vävnad fantomer görs med hjälp av analyserna en polyvinylalkohol (PVA-c) och gjuten med hjälp av 3D tryckta delar skapad med datorstödd konstruktion (CAD) programvara. Modulusen av phantoms styrs genom att ändra koncentrationen av PVA-c och ändra antalet frysning-tining cykler används att polymerisera i analyserna. AAA phantoms är anslutna till en hemodynamiska pump, utformad för att deformera phantoms med fysiologiska cykliska tryck och flöden. Ultra ljud bildsekvenser av deformeras phantoms tillåtet för rumsliga beräkningen av trycket normaliseras stammen och identifiering av mekaniska egenskaper av kärlväggen. Representativa resultat av trycket normaliseras stammen presenteras.

Introduction

Bukaortaaneurysm (AAA) är fokal förstoringar av aorta som sker företrädesvis nära aorta bifurkationen1. Den exakta orsaken till AAA bildandet är okänd, men många teorier tyder på att patogenesen är multifaktoriell, med genetiska, beteendemässiga, hemodynamiska och miljömässiga faktorer som bidrar2,3. Medan diagnos av bukaortaaneurysm kan erhållas med hjälp av icke-invasiva avbildningstekniker, är förutsägelse av patientspecifika bristning risk inte lika exakt4,5,6. Kirurgisk reparation kan minska risken för aorta bristning, men avgörande reparation av aorta bär en hög frekvens av associerad mortalitet7. Aktuella kirurgiska metoder använda ”maximal storlek kriterier”, eller absolut diameter på aneurysm, för att förutsäga patientens risk för bristning. Tyvärr, det har väl fastställts att ett aneurysm fortfarande spricker nedan storlekar kliniskt godtagbar för kirurgisk reparation, vilket innebär att patienter med några stora aneurysm bär viss risk för bristning8,9, 10 , 11 , 12 , 13. Dessutom är det känt att historiska rapporter av bristning risken är sannolikt alltför uppskattningar av den sanna bristning risk, vilket innebär att många patienter utsätts för kirurgiska risken utan nytta13. En noggrannare bedömning av patient-specifika bristning risk behövs för att stratifiera patientens nytta-risk-förhållandet som kirurgiska aneurysmet repareras.

Det har visat att fysisk stress distribution inom en AAA är av avgörande betydelse vid fastställandet av bristning potential och kan vara en bättre indikator än maximal diameter14,15,16,17 , 18. de flesta senaste studier som undersöker mekaniken i AAA bristning använda segmenterade geometrier från röntgenbilder för beräknade datortomografi (CT), och befolkningen i genomsnitt mekaniska egenskaper av aorta vävnad uppmätta ex vivo. Finita element (FE) modeller används sedan för att förutsäga det fartyg vägg betonar14,15,16,17,18. Eftersom de mekaniska egenskaperna bestäms efter den vävnad excision, är det dock oklart huruvida de resulterande modellerna avbildas de resulterande i vivo patient-specifika påfrestningarna. Dessa studier oftast antar homogen fartyget vägg materialegenskaper och redogöra inte för den ytterst heterogen strukturen av aortaväggen och trombos19,20,21,22 ,23,24,25.

Ultraljudsbaserade elasticitet imaging används kliniskt för att diagnostisera och övervaka en mängd sjukdom patologier26. Denna teknik ger en icke-invasiv möjlighet att förhöra de fysiska interaktioner i mjukdelar. Vaskulär US elasticitet imaging har använts som ett komplement imaging modalitet att klinisk US utvärdering i screening och övervakning av AAAs. Kombinationen av dessa tekniker ger både geometrisk information, såsom diameter och längd, samt mekaniska data, såsom relativ stelhet och stelhet variation. Medan många elasticitet imaging tekniker kräver en yttre last att inducera en mätbar vävnad deformation, induceras vävnad förslaget skall mätas här av förändringar i aorta trycket orsakas av pulserande hjärta. Många metoder har publicerats lös rumsligt stam fält i deformeras fartyg, valideringsstudier av dessa metoder har dock begränsat till mänskliga patienter, djurmodeller eller ex vivo vävnad prover27,28 ,29,30,31,32. Hittills har möjliggör några metoder skapelser av anpassade geometrier med rumsligt varierande materialegenskaper27,29.

Här presenterar vi en metod för att tillverka oss kompatibel, vävnad-härma fantomer som kan anpassas till en mängd relevanta aorta geometrier och materialegenskaper för validering av US elastografi tekniker. Även om tidigare grupper har kunnat utforma komplex geometri fantomer att efterlikna AAA geometrier med 3D utskrift teknik33,34, utskrivbara gummin är kända för att ha en hög dämpning till USA och har inte ett medel för att senare deras materialets egenskaper. Phantoms är gjorda av analyserna polyvinylalkohol (PVA-c), som tidigare har visat sig vara perfekt för att imitera kärlvävnad boenden35. Dessa fantomer kan användas i USA, magnetisk resonans och elastographic imaging36,37,38. Aortaaneurysm geometri har utformats på samma sätt som simuleringsmodellen skapad av Vorp et al. 14. fartyget har en nominell diameter på 22,5 mm och har en aneurysmal utbuktning som är 64 mm utbuktning lång, 47 mm i diameter och excentrisk (β = 0,6)14 till den främre sidan av Fantomen. Det sista avsnittet härmar iliaca bifurkation med distala diameter 15 mm. Fantomen var valt att ha en konstant tjocklek ca 5 mm. Raghavan et al. rapporterade i en liten studie att AAA fartyget tjocklek varierar från 0,23-4,26 mm, med ett medianvärde av 1,48 mm39. En nominell fartyget tjocklek på den största delen av det spektrumet valdes här för tillverkning av oro med förväntningen att förbättrad 3D tryckteknik kommer att förbättra minsta phantom tjocklek som kan formas. Phantom formar utformades i CAD och 3D skrivs ut med hjälp av kommersiellt tillgängliga skrivare och glödtråden.

Formarna är injektion fylld med PVA-c lösningen och utsätts för en rad frysas och tinas cykler (-20 ° C och + 20 ° C) för att tvärbinda PVA-c polymeren och polymerisera gelen. Elasticitetsmodulen av PVA-c styrs genom att ändra koncentrationen av PVA-c gelen eller antalet frysning-tining cykler. Aneurysmatisk avsnittet av phantom måste förlust mögel bort från inre lumen av fartyget. Detta uppnåddes genom användning av en polyvinylalkohol, 3D-skrivare glödtråden (PVA). Även om det är kemiskt liknar PVA-c pulvret, PVA glödtråden polymerisera inte när frusen och, som sådan, kan lösas i vatten efter den PVA-c har ställts in. Ytterligare prov formar skrivs ut för att skapa tensile tester exemplar, i en ”hund ben” konfiguration, med samma PVA-c koncentration. Dessa formar genomgå samma frysas och tinas cykler och används för provning av hållfasthet att självständigt mäta elasticitetsmodulen phantom avsnitt. Ett bakgrundsmaterial tillverkades med mjukare PVA-c, gjort att simulera vävnader i retroperitoneum40,41. Denna bakgrund phantom tillverkades som en homogen rotationssymmetriska cylindriskt rör med en 4 cm innerdiameter, en yttre 16,5 cm i diameter och en längd på 16,5 cm. Det gjordes från en 5% PVA lösning och utsätts för sammanlagt två frysning-tining cykler.

Slutliga AAA phantoms placerades i bakgrunden Fantomen och ansluten, via Rörkopplingar och klämmor, till en hemodynamiska vattenpump avsedd att deformera phantoms med fysiologiska cykliska flöden och tryck. Pumpens varvtal sattes att leverera cirka en 6-7 kPa tryck puls vid en hastighet av ca 1 Hz. Ultra ljud bildsekvenser av deformeras phantoms samlades, och trycket normaliseras stammen beräknades för att identifiera skillnader i den rumsligt varierade mekaniska egenskaper. Representativa resultat av trycket normaliserade stam bilder inom regionen fartyget presenteras. Ökande regionala skillnader i den normaliserade stammen av styvare heterogen phantoms, relativt homogena Fantomen, påvisa skillnaderna i fartyget styvheten och vår förmåga att mäta det.

Protocol

1. Hämta STL modeller från NIH 3D utskrift utbyte

  1. Navigera till NIH 3D Print utbyte (3dprint.nih.gov) och skriv Simulerade Aneurysmal aorta Phantom mögel i posten Sök och tryck på Enter.
  2. I den efterföljande listan som returneras från sökningen, hitta den modell ” 3DPX-009210” och klicka på posten.
  3. Klicka på knappen Hämta och klicka därefter på den Simulerade Aneurysmal aorta Phantom Mold.zip filen från nedrullningsbara listan för att hämta den här filen.
  4. Dubbelklicka på den nedladdade filen för att packa upp den och lagra de resulterande filerna (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl och SampleMoldSTL.stl) på datorn som används för 3D-utskrifter i steg 2.1-2,7.
    Obs: Man kan alternativt Ladda ner var och en av filerna som nämns i steg 1.4 separat.

2. 3D-utskrift av formar

  1. Öppna programvaran gränssnitt 3D-skrivare och Använd knappen Anslut för att ansluta till skrivaren.
  2. Importera filen hämtade STL OuterAntSTL.stl (figur 1en, blå) i 3D utskrift programvara. I 3D utskrift programvara, Välj knappen Redigera och orientera den mögel delen genom att klicka på Rotera -menyn och sedan klicka på knapparna X, Yeller Z för att justera den långa axeln parallellt ut sängen med den utanför mögel inför ut sängen. Klicka på knappen Spara och sedan klicka på knappen skriva ut och skriva ut den mögel del med polylactic acid (PLA) plast glödtråden på en enda extruder.

Figure 1
Figur 1 : CAD Representation av Phantom, bakgrund och prov formar. (a) - (b) 3D CAD bilder fartyget mögel och orientering av delar för montering. Registrering distanser (i), pins (ii), hål (iii) och fyll hålet visas. (c) ritning av inre lumen belyser de inre fartyg dimensionerna. (d) CAD rendering av provet formarna. (e) CAD rendering av bakgrunden phantom mögel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Upprepa steg 2.2 för filen OuterPostSTL.stl (figur 1en, röd).
  2. Efter samma process från steg 2.2, importera filen STL InnerDistSTL.stl (figur 1en, vit) till 3D utskrift programvaran och välj knappen ”Redigera” och den Rotera menyn Klicka på den X, Y, eller Z knappar för att justera den långa axeln vinkelrätt mot utskrift säng och så att registrering PIN-koden (jag) är i kontakt med utskriften sängen. Klicka på knappen Spara och sedan klicka på knappen skriva ut och skriva ut den mögel del med hjälp av PLA plast glödtrådens på en enda extruder.
    Obs: Skriv inte ut denna del med stödstrukturen. Gör inte använda mer än 30% utfyllnad för denna tryckt del.
  3. Importera filen STL SampleMoldSTL.stl (figur 1d) i 3D utskrift programvara. Välj knappen Redigera och klicka på knapparna X, Yeller Z för att justera delen så att insidan av formen är uppåt från ut sängen i menyn Rotera . Klicka på knappen Spara och sedan klicka på knappen skriva ut och skriva ut den mögel del med hjälp av PLA plast glödtrådens på en enda extruder.
    Obs: Skriv inte ut denna del med stödstrukturen. Skriv ut 3 eller fler prov formar.
  4. Importera filen STL BackgroundMoldSTL.stl (figur 1e) i 3D utskrift programvara. Välj knappen ”Redigera” och klicka på knapparna X, Yeller Z för att justera delen så att botten av mögel (dvs stängd slutet av cylindern) är vänd ut sängen i menyn Rotera . Klicka på knappen Spara och sedan klicka på knappen skriva ut och skriva ut den mögel del med hjälp av PLA plast glödtrådens på en enda extruder.
    Obs: Skriv inte ut denna del med stödstrukturen.
  5. Importera filen STL InnerDistSTL.stl (figur 1en, gul) i 3D utskrift programvara. Välj knappen ”Redigera” och klicka på knapparna X, Yeller Z för att justera delen så att den långa axeln är vinkelrätt ut sängen och bifurkation registrering pins (jag) står inför i menyn Rotera den skriva ut sängen. Klicka på knappen Spara och sedan klicka på knappen skriva ut och skriva ut den mögel del med hjälp av polyvinyl syra (PVA) plast glödtrådens på en enda extruder.
  6. Ta bort stödmaterial från 3D tryckta delar av steg 2,1-2,7 (figur 2en).
    Obs: Det är inte nödvändigt att ta bort stödstrukturen från yttre mögel delar om de inte stör den mögel församlingen.

Figure 2
Figur 2 : Fartyget Phantom mögel montering och sista fartyget Phantom. (a) den slutliga tryckta mögel av inre och yttre lumen formar. Den distala änden av inre lumen trycks i en dissolvable PVA plast och är kopplad till den proximala änden av inre lumen mögel med deformerbar vax. (b) slang kopplad till injektionsporten av yttre lumen mögel och spruta proppen. (c) den inre lumen mögel efter spray beläggning av flexibelt tätningsmedel. (d) montering av utbuktning sida av yttre lumen mögel och inre lumen mögel med PVA-c (färgad röd) lagts till för stela aneurysm fantomer. (e) full fartyget mögel monterade och spänns. (f) deformerbara vax tillämpas på sömmarna av yttre lumen mögel att förhindra PVA-c läcker från mögel. (g) slutliga PVA-c phantom efter 5 frysas och tinas cykler och avlägsnande från mögel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. Hydrogel förberedelse

  1. Blanda 22,2 g PVA-c pulver i 200 mL kranvatten (10% av massan) i en glasbägare. Mikrovågsugn lösningen till en koka och rör om. Upprepa detta steg tills alla PVA pulvret är upplöst och lösningen visas genomskinliga.
  2. Avbryta 0.4 g kalciumkarbonat pulver (0,2 viktprocent) i 10 mL vatten och tillsätt till lösningen från steg 2.1 att agera som ultraljud scatterers. Blanda noggrant. Täck lösningen och låt det svalna till rumstemperatur (RT).
    Obs: För homogena fantomer hoppa till steg 3.5
  3. Blanda 17,6 g PVA-c pulver i 100 mL kranvatten (15% av massan eller enligt önskemål) i en separat glasbägare. Mikrovågsugn lösningen till en koka och rör om. Upprepa detta steg tills alla PVA pulvret är upplöst och lösningen visas genomskinliga.
  4. Avbryta 0.4 g kalciumkarbonat pulver (0,2 viktprocent) i 5 mL vatten och tillsätt till lösningen från steg 2,3. Blanda noggrant. Täcka lösningen och låt det svalna till RT.
  5. Blanda 183,7 g PVA-c pulver i 3,5 L kranvatten (5% massprocent) i en separat stor gryta. Lösningen till en koka och rör om. Ta bort grytan från värmen när PVA pulvret är upplöst och lösningen visas genomskinliga.
  6. Avbryta 7,4 g kalciumkarbonat pulver (0,2 viktprocent) i 10 mL vatten och tillsätt till lösningen från steg 2,5. Blanda noggrant. Täcka lösningen och låt det svalna till RT.

4. montering av formar

  1. Fäst ca 100 mm av den flexibla slangen till injektionsporten av yttre lumen mögel. Till den motsatta änden av slangen, bifoga en Avstängningskranen med spruta anslutningar (figur 2b).
  2. Justera registreringen stiften av inre lumen mögel och använder deformerbara vax, följa den utbuktande fartyg delen av inre lumen mögel till den raka fartyg delen av inre lumen mögel.
  3. I ett väl ventilerat utrymme, gäller en spray-on flexibel gummibeläggning aneurysmatisk slutet av inre lumen mögel att förhindra att hydrogel upplösning å PVA mögel under molding process (figur 2c).
    Obs: För homogena fantomer hoppa till steg 4,6.
  4. Den största sidan av aneurysmatisk delen av yttre formen vänd nedåt, fylla utbuktning med 15 mL av den lösning som skapats i steg 3.3-3.4 (figur 2b,). Placera de sammansatta inre mögel delarna i främre yttre mögel delen (figur 2d). Använd gummiband för att hålla den inre lumen delen på plats.
    Obs: I figur 2, PVA-c är färgad röd för synlighet.
  5. Frysa den mögel församlingen i-20 ° C frys för 12 h och ta ur frysen. Gå vidare till steg 4,6 utan att låta lösningen i mögel församlingen blidvädret.
  6. Väntan på mögel att frysa (steg 4,4), applicera en generös mängd av deformerbara vax till tillbaka ytan av en tryckt prov mögel och klämma den till en platta med plastfolie som skär till den minsta storleken cirka 100 mm 60 mm med 10 mm (figur 3en). Fyll utrymmet mellan mögel och plast arket med den samma PVA-lösningen som används i steg 4,3. Frys provet mögel i samma frysen (-20 ° C) som fartyget mögel i steg 4,4.

Figure 3
Figur 3 : Prova mögel och slutligt prov och bakgrunden fantomer. (a) fastklämd prov mögel och klar plast ark. PVA-c hälls i provet mögel och luftbubblor tillåts till ytan. (b) PVA-c prov efter sista frysas och tinas cykel. (c) experimentell U.S. imaging setup Phantom fäst simulator pump och placerat i bakgrunden PVA-c phantom. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Montera och klämma ihop hela fartyget mögel i den riktning som visas i figur 1en och 1b (figur 2e). Linje i sömmarna av yttre lumen formarna med en deformerbar vax för att säkerställa att hydrogel inte läcker under injektion (figur 2f).
  2. Fyll en 60 mL spruta med PVA-c lösningen i steg 3.1 och 3.2. Med bifurkation slutet av mögel upp PVA-c lösningen injiceras i mögel församlingen att undvika luftbubblor i den injicerade lösningen.
    Obs: Om några läckor uppstår under injektionen, pausa injektion och patch läckande områden med deformerbar vax. Upprepa spruta injektioner tills PVA-c lösningen fyller formen.
  3. Låt sitta i 30 min, knacka formen försiktigt varje 10 min så att eventuella luftbubblor stiger till toppen av mögel mögel. Upprepa spruta injektion om det behövs till toppen av mögel. Frysa hela mögel församlingen för 12 h och ta ur frysen. Låt mögel enheten Tina i RT för 12 h.
  4. Samtidigt väntar mögel att frysa (steg 4.8), montera och klämma en annan prov mögel och platt plastfolie klippa som beskrivs steg i 4,5 (figur 3en). Fyll utrymmet mellan mögel och plast arket med den samma PVA-lösningen som används i steg 4.7. Frysa och Tina prov mögel i samma frysen (-20 ° C) och samtidigt som fartyget mögel i steg 4,8 och prov mögel steg 4.5.
  5. Frysa och Tina fartyget mögel och båda prov formarna från steg 4.5, 4.8 och 4.9 fyra gånger, för ett totalt fem 24 - h frysas och tinas cykler. Efter 5th frysas och tinas cykeln, ta bort PVA-c testning proverna från deras formar (figur 3b). Trimma alla överskott analyserna av proverna och lagra dem i en sluten behållare på en 5% av volymen blekmedel och vatten lösning på RT.
  6. Ta bort PVA-c fartyget från yttre lumen mögel. Försiktigt separera den raka fartyg delen av inre lumen mögel från aneurysmatisk delen och ta bort från PVA-c fartyget. Skär de registrering distanserna från tvåspetsnitar slutet av aneurysmatisk delen av inre lumen mögel för att exponera tryckta PVA glödtråden. Placera i vattenbad på RT att upplösa den PVA aneurysmatisk delen.
    Obs: Det kan ta 24 h eller mer, dock lägga till varmt vatten i badet kan snabba Proteinupplösande processen.
  7. Efter upplösning och ta bort PVA ut delar från inuti fartyget Fantomen, lagra Fantomen i en sluten behållare på en 5% av volymen blekmedel och vatten lösning på RT.
  8. Fyll bakgrund mögel med cirka 3,3 L av PVA-c lösningen i steg 3.5 och 3.6. Frysa (-20 ° C) bakgrund mögel för 12 h och ta ur frysen. Låt mögel att Tina i RT för 12 h och upprepa för sammanlagt 2 frysas och tinas cykler.
  9. Samtidigt som steg 4.13, Fyll en prov mögel församling med samma PVA-c lösning används i steg 4.13 och lägga den genom samma frysas och tinas proverna som bakgrund mögel.
  10. Efter 2nd blidvädret, ta bort bakgrunden provet och bakgrunden phantom från deras formar och lagra dem i en sluten behållare på en 5% av volymen blekmedel och vatten lösning på RT.

5. phantom och provtagning

  1. Placera kärlet phantom och bakgrunden phantom i ett stort vattenbad. Anslut den största fartyget änden till produktionen av hemodynamiska vatten pump42,43 använda slang klämmor (figur 3c). Placera kärlet phantom i bakgrunden phantom och sedan bifoga tvåspetsnitar ändarna av Fantomen till inloppet till hemodynamiska pumpen använder slang klämmor.
  2. Placera en solid-state tryck sensor kateter i systemet av fartyget samt pumpen nära inloppet av hemodynamiska pumpen. Kör hemodynamiska pumpen så att trycket från de väggen deformationer mellan minst 0 kPa och en maximal 7,5 kPa (figur 4en).

Figure 4
Figur 4 : Protokoll. (a) tryckkurva mätt under installationen av phantom imaging. (b) en representativ B-mode bild av Fantomen vid minsta tryck. (c) B-läge vid maximalt tryck. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Använd ett ultraljud (oss) system och en konvex givare med en center frekvens på cirka 5 MHz för att samla oss bilder av bakgrund och fartyget phantoms i tvärsnitt där maximal fartyget diameter (figur 4b och 4 c ). Registrera tryckdata med hjälp av en digital förvärv system (figur 4en).
    Obs: Detaljer för att utföra bild förvärv i det här steget kan hittas i Mix et al44.
  2. Erhålla deplacement uppskattningar med hjälp av en icke-styv bild registrering-baserad teknik som beskrivs i Mix et al. 44. från mätningar av tvådimensionella (2D) förskjutningen fältet (ujag(x)), beräkna fältet 2D stam tensor (εij(x)) genom att utvärdera den symmetriska delen av gradient fältet förskjutning:
    Equation 1
  3. Sedan beräkna den maximala huvudsakliga stammen (εp) som högsta huvudkomponenten i fältet stam tensor med hjälp av följande ekvation:
    Equation 2
  4. Slutligen avgöra bildrutan i den huvudsakliga påfrestningen vid peak tryck och klyftan fältet stam tensor av skillnad mellan högsta och lägsta katetern mätt tryck (figur 4en) eller pulstrycket (PP), rumsligt lösas trycket normaliseras princip stam (εp/PP).

Figure 5
Figur 5 : Tryck normaliserade stam bilder. Representativa bilder av normaliserade stam (εp/PP) in%/kPa uppmätta inom fartyget för homogena 10% av massa fartyget phantom (a) och heterogena phantoms med 15% av massan (b), 20% massprocent och 25% massprocent främre aneurysmatisk avsnitt (överst på fartyget). Denna siffra har ändrats från Mix o.a. 44. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Representative Results

Representant B-mode bilder av fartyget härma fantomer visas för lägsta och högsta trycket mäts av katetern (figur 4b och 4 c, respektive). De tryck-normaliserade stam (εp/PP) in%/kPa visas fyra olika tillverkade phantoms (figur 5). Figur 5 en visar den uppmätta trycket-normaliserade stammen inom en homogen fantom tillverkas med 10% av massan PVA-c lösning. Förhållandet mellan den genomsnittliga stam som mäts inom det bakre kvartalet (bilden längst ned) Fantomen den genomsnittliga stam i kvarteret främre (bilden överst) var 0,92. Figur 5 b visar εp/PP för en fantom där avsnittet aneurysmatisk i phantom tillverkades med en 15% av massan PVA-c lösning och resten av Fantomen gjordes med hjälp av de 10% av massan PVA-c. Förhållandet mellan bakre till främre stammen för denna phantom befanns vara 1,87. Figur 5 c visar εp/PP för heterogena phantom med 20% massprocent PVA-c, med en bakre till främre stam förhållande på 4,23. Figur 5 d visar εp/PP för heterogena phantom med 25% massprocent PVA-c, med en bakre till främre stam förhållandet mellan 7,37.

Resultaten presenteras här visar att buken aorta fantomer skapades med komplexa geometrier och rumsligt varierande materialegenskaper. Design av phantom geometrier var, eller mer specifikt phantom formar var gjort använder datorprogram som underlättar phantom geometri förändringar (figur 1en och 1b). Mögel kan vara lätt 3D tryckta och monterade och komplexa mögel geometrier kan skrivas ut med PVA glödtråden och borttagna, liknande lost-vax gjutning tekniker. Sista fartyg phantoms kan vara dynamiskt trycksatt och är stabila under stora laster (figur 4en). Phantoms är kompatibla med ultraljud imaging (figur 4b och 4 c) och har materialegenskaper imitera buk aorta stiffnesses. Variationer i belastning kvoterna i de främre till bakre regioner av stam bilderna visar att Regionkommittén har varierande materialegenskaper (figur 5) och den oberoende mekanisk provning på proverna kvantifiera de exakta värdena sin respektive skjuvning moduli.

Discussion

Detta dokument presenterar en teknik för att tillverka vävnad-härma fantomer för användning i testing elastografi eller elasticitet imaging algoritmer. Kombinerad användning av CAD och 3D utskrift möjliggör effektiv design av aorta symtom liknande fantomer med komplexa geometrier, bortom tubulär phantoms, inklusive aneurysmatisk utbuktningar. Skapandet av phantom görs i 4 steg; (1) design av phantom geometri, 2) utskrift av phantom mögel delar, 3) blandning av analyserna lösningar som i slutändan kommer att efterlikna ultraljud egenskaper och mekaniska egenskaper av phantom fartyg och 4) hälla/injicering av analyserna lösning i formen, ställa den PVA-c med frysning-tining cykler och borttagning av Fantomen från mögel. Användning av CAD i den i utformningen av formarna erhålls i steg 1 möjliggör ett enkelt sätt att just ändra geometrin för phantoms. Utskrift av mögel delar tar för närvarande cirka 5-8 timmar beroende på storleken på utskriften och kan därmed lätt göras för upprepade ändringar av formarna.

I steg 3 skapas i analyserna lösningar för att efterlikna de fartyg, aneurysm och bakgrund vävnad med kalciumkarbonat partiklarna härma USA scatteren av vävnaden. De analyserna lösningarna ska röras före användning om kalcium partiklarna har kvittat ur blandningen. Den exakta koncentrationen av blandningen av analyserna kommer att avgöra de slutliga mekaniska egenskaperna av phantoms. Det är således viktigt att skapa oberoende proverna av var och en av de lösningar som används för phantom fartyg och bakgrund. Även om inte en del av protokollet här, bör oberoende mätningar av provets elasticitetsmodul erhållas med enaxligt spänning tester. Oberoende Mekanisk provtagning av PVA-c för 10%, 15%, 20% och 25% phantoms skapade i de representativa resultat hade mätt skjuvning elasticitetsmodul 17,4 ± 1,0 kPa, 48,3 ± 5,7 kPa, 95,1 ± 0,4 kPa och 170,0 ± 4,1 kPa, respektive.

Steg 4 är det mest kritiska steget i att skapa dessa fantomer. Även registreringar stiften på plats att hålla mögel delarna i sina rätta positioner i förhållande till de andra, är det viktigt att säkerställa att mögel delar inte separata under molding process. Således, användning av klämmorna att hålla mögel. Det viktigaste övervägandet av Steg4 är att minimera luftbubblor som fastnar i formen innan den första frysning-tining cykeln. Det är ofta användbart att ta isär ena sidan av yttre mögel och inspektera Fantomen efter den första frysning-tining cykel att säkerställa det bildade ordentligt. Detta kan spara bortkastat att sätta en ”dålig” fantom genom ytterligare cykler. När Fantomen har tagits bort från mögel helt, kan det lagras i vatten i flera veckor med fortsatt användning.

PVA-c phantoms utvecklats i detta arbete skapades för att specifikt efterlikna ultraljud och materiella styvheten i aorta vävnad. Användning av polyvinylalkohol analyserna möjliggör ett bredare spektrum av möjliga mekaniska stelhet, till bättre härma den föränderliga materiella rekvisitan av aorta vävnad jämfört med mer gummi som material33,34. Dessutom, fångar användning av hydrogel och precisionsgjutning bättre de akustiska egenskaperna för gjuten gummi eller direkt 3D tryckt material33,45. Några luftbubblor kan fastna i våra formar före den första frysning-tining cykeln. Detta kan orsaka luckor i Fantomen och leda till materiella svaghet eller akustisk artefakter. Således rekommenderas att inspektera fantomer ur formen efter den första frysning-tining att avgöra om processen ska startas om. Författarna har dessutom funnit att inre mögel ibland kan skifta under frysning av aneurysmatisk portion av phantoms. Om detta inträffar, skulle en ändring av protokollet ovan vara att skapa en 3D tryckta eller på annat sätt utformad, del för att hålla fast inre lumen mögel till främre yttre mögel under frysning av detta avsnitt. Författarna har funnit att använda den bakre sidan av yttre mögel och en 5 mm spacer mellan bakre yttre mögel och inre formen fungerar bra för detta ändamål.

Phantom framkallat här är idealisk för att studera påverkan av förändringar i aneurysmatisk diameter, och luminala tjocklek eller potentiellt förekomsten av trombos i vävnaden genom att redigera den ursprungliga CAD-filer. Tidigare arbete har emellertid också visat att denna tillverkningsmetod kan modifieras för att producera patientspecifika phantom geometrier med datortomografi bilder och segmentering programvara, snarare än CAD design, skapa 3D tryckt phantom formar 44. resultaten visas här visar att algoritmen kunde visualisera tillverkade variationerna i avsnitten phantom mekaniska egenskaper. Det bör noteras att även om dessa fantomer användes för att testa USA-baserade avbildningstekniker, de är även kompatibla med magnetkamera och datortomografi bildsystem och att de också kan användas utöver syftet med elasticitet imaging, för ett brett utbud av romanen avbildningstekniker och modaliteter.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av National Center för framflyttning translationell vetenskaper av National Institutes of Health genom Award No. UL1 TR000042 och det nationella institutet för biomedicinsk Imaging och Bioengineering av de National institutionerna of Health genom Award No. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taylor, S. M. The Juxtarenal Abdominal Aortic Aneurysm. Archives of Surgery. 129 (7), 734-734 (1994).
  2. 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).
  3. Crane, C. Arteriosclerotic Aneurysm of the Abdominal Aorta. The New England Journal of Medicine. 253 (22), 954-958 (1955).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Starnes, B. W., et al. Management of ruptured abdominal aortic aneurysm in the endovascular era. Journal of Vascular Surgery. 51 (1), 9-18 (2010).
  7. 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).
  8. Darling, R. C., et al. Autopsy study of unoperated abdominal aortic aneurysms. The case for early. Circulation. 56, 161-164 (1977).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Zou, Y., Zhang, Y. Mechanical evaluation of decellularized porcine thoracic aorta. The Journal of Surgical Research. 175 (2), 359-368 (2012).
  26. Ophir, J., et al. Elastography: Imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound. Journal of Medical Ultrasonics. 29 (4), 155-171 (2002).
  27. 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).
  28. Fromageau, J., et al. Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE. , 257-260 (2005).
  29. Lopata, R. G. P., et al. Vascular elastography: A validation study. Ultrasound in Medicine and Biology. 40 (8), 1882-1895 (2014).
  30. 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).
  31. Brekken, R., et al. Strain estimation in abdominal aortic aneurysms from 2-D ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 32 (1), 33-42 (2006).
  32. Vonk, T., Nguyen, V., Schurink, G., van de Vosse, F., Lopata, R. Ultrasonics Symposium (IUS), 2014 IEEE International. , 9-12 (2014).
  33. 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).
  34. Doyle, B. J., et al. Experimental modelling of aortic aneurysms: novel applications of silicone rubbers. Medical Engineering and Physics. 31 (8), 1002-1012 (2009).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).

Tags

Bioteknik fråga 139 ultraljud fantomer elastografi Aorta modell 3D-utskrifter Hydrogel Aneurysm simulering
Tillverkning av bukaorta Hydrogel vävnad-härma fantomer för ultraljud elastografi validering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S.… More

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S. W., Richards, M. S. Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation. J. Vis. Exp. (139), e57984, doi:10.3791/57984 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter