이 프로토콜은 기계적으로 이방성 연조직(예: 골격근)을 표적으로 하는 초음파 탄성술 기술을 검증하는 필수 도구인 이방성 폴리비닐 알코올(PVA) 팬텀을 제조하는 견고하고 재현 가능한 방법을 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
폴리비닐 알코올(PVA) 팬텀은 일반적으로 등방성이며, 연조직 평가를 위한 초음파 탄성촬영 기법 검증에 널리 사용됩니다. 그러나 일부 생물학적 연조직(예: 골격근)은 뚜렷한 기계적 이방성을 보여, 이들을 표적으로 하는 탄성학 검사를 엄격히 검증하기 위해 이방성 PVA 팬텀을 사용해야 합니다. 이전 연구에서는 사내 이방성 PVA 팬텀을 스트레치 통합 동결/해동 사이클(FTC)을 통해 제작할 수 있다고 지적했으나, 제작 공정, 품질 관리와 같은 중요한 기술적 세부사항은 여전히 충분히 문서화되지 않았습니다. 이 연구는 안정적이고 균일한 이방성 이방성 유도를 유도하기 위한 주요 재료, 단계별 공정, 품질 관리에 중점을 두어 비등방성 PVA 팬텀을 제작하기 위한 시각적으로 상세하고 재현 가능한 프로토콜을 제시합니다. 주요 재료로는 유령 매트릭스로서의 PVA, 방부제로서의 소르베이트 칼륨, 음향 산란체로서의 흑연 입자, 그리고 용매로서의 순수수(또는 탈이온수)가 있습니다. 제조 공정은 세 가지 핵심 단계로 구성됩니다: 1) 완전한 PVA 용해를 보장하기 위해 제어된 열 조건을 통한 균질 PVA 기반 용액 준비; 2) FTC를 통한 응고: 냉각된 용액을 3D 프린팅 몰드에 붓고, 이어서 신장성 없는 FTC를 통해 예비 구조를 만듭니다; 3) 늘어난 FTC를 통한 이방성 유도: 추가 FTC는 통제된 신장 하에서 수행되어 방향성 이방성을 유도합니다. 품질 관리 조치(예: PVA 용해 시 기포 방지)가 상세히 설명되어 있습니다. 제작 후에는 초음파 전단파 영상(SWI)과 단축 인장 테스트를 통해 팬텀의 기계적 이방성을 확인합니다. 이 논문은 초음파 탄성학 기법을 정확도와 일관성을 높이기 위해 이방성 조직 모방 팬텀을 제작하는 표준화된 접근법을 제시합니다.
서론
특정 생물학적 연조직(예: 골격근)은 정렬된 미세구조 구조에서 기원한 거시적 기계적 이방성을 보인다1. 구체적으로, 결합 조직은 근섬유를 계층적 구조로 조직합니다: 안염체는 개별 섬유를 감싸고, 주변염은 섬유를 다발로 묶으며, 상근균은 근육 전체를 감싸 힘 전달과 영양 공급을 지원합니다2. 전단파 영상(SWI)과 같은 초음파 기반 탄성촬영 기법은 근육 평가에 널리 사용됩니다 3,4. 그러나 근육의 이방성 역학적 특성은 이론적으로 방향에 따른 전단파전파 5를 초래하여 근육강성의 정량화를 복잡하게 만듭니다. 기계적으로 이방성 조직을 모방하는 팬텀은 근육 평가에서 초음파 탄성촬영을 발전시키는 데 필수적입니다.
폴리비닐 알코올(PVA)은 이러한 유령에 이상적인 재료로, 동결/해동 사이클(FTC) 동안 기계적 신장을 유지함으로써 PVA 분자 사슬이 정렬되어 기계적 이방성 7,8을 유도합니다. 단순한 PVA 직육면체를 늘리는 기존 접근법은 표면 미끄러짐으로 인해 균일한 변형률을 초래하여 재현성을 저해하는 경우가 많습니다. 이 한계는 끝 고정 링이 있는 최적화된 팬텀 기하학을 사용하여 신뢰성 있는 신장 및 균일한 변형 분포9를 보장함으로써 해결할 수 있으며, 이는 이방성 PVA 팬텀의 품질을 크게 향상시킵니다. 본 연구에서는 이러한 이방성 PVA 팬텀의 제작 과정을 상세히 시각적으로 보여주고, SWI 및 단축 인장 시험을 통해 기계적 이방성을 검증합니다.
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프로토콜
참고: 다음 단계는 그림 1에 나와 있습니다.
1. 3D 팬텀 몰드 인쇄
- 3D 모델링 소프트웨어를 사용해 팬텀 기하학을 설계하여 신축을 유지하기 위해 양 끝에 각각 하나의 고정 링을 포함시키며, 유효 중앙 영역은 길이× 너비× 높이 35mm× 60mm× 5mm 이루어져 균일한 이방성 유도를 보장합니다.
- 3D 프린터로 몰드를 출력하세요.
참고: 고정 링은 스트레칭 중 미끄러짐을 방지하여 균일한 변형 분포를 보장합니다. 모든 3D 프린팅 파일(.stl)은 보충 파일 1에 제공됩니다.
2. PVA 용액 준비
- PVA 분말(10 wt%), 칼륨 소르베이트(1 wt%), 흑연 입자(1 wt%, ~6.5 μm 직경)를 계량하고, 해당 순수한 물의 부피(탈이온수 권장)를 측정하여 ~200 mL 배치 부피를 준비합니다.
- PVA 분말과 순수한 물을 비커에 섞고, 교반바가 장착된 자석 교반기 위에 비커를 올려놓은 뒤, 알루미늄 호일로 덮은 뒤 상온에서 ~600rpm으로 10분간 저어 PVA가 완전히 분산될 때까지 합니다.
- 비커를 80 °C 수조에 옮기고 PVA가 완전히 녹을 때까지 가열을 계속하세요(투명하고 입자 없는 용액이 증명됨).
참고: 가열 중에는 열 화상을 방지하기 위해 내열 장갑과 보호 장비를 착용하세요. 용해되지 않은 PVA 입자가 남아 있지 않도록 주의하세요. 입자는 유령의 균질성을 해칠 수 있습니다.
3. 첨가제 첨가 및 주조
- 용액을 ~40 °C로 식히면서 자기 교반기에서 ~600 rpm으로 계속 저어줍니다.
- 알루미늄 호일을 제거하고, 소르베이트칼륨과 흑연 입자를 넣은 뒤 다시 호일로 덮고, 첨가물이 균일하게 퍼질 때까지 ~600 rpm으로 저어줍니다(시각적 균일한 분포 확인).
- (선택 사항) PVA 용액의 기류를 제거해 잔여 기포를 제거하세요. 혼합된 용액이 담긴 비커를 진공 챔버에 넣고 약 30분간 진공을 가해 PVA 용액에서 기포를 제거하세요.
- 용액을 3D 프린팅 몰드에 주조하고 나사로 몰드를 조립하세요.
참고: 캐스팅 중 기포를 넣지 마세요. 필요하다면 용액 안에 갇힌 기포를 제거하기 위해 곰팡이를 부드럽게 두드리세요.
4. PVA 고화를 위한 초기 FTC
- 몰드를 −20 °C 냉동고에 12시간 동안 보관하세요.
- 곰팡이를 냉동실에서 꺼내 실온(20°C)에서 12시간 해동하세요.
- 손상을 막기 위해 팬텀을 조심스럽게 탈출하세요.
참고: 이 단계는 등방성 기본 유령을 형성하여 이후 이방성 유도를 위한 안정적인 기초를 제공합니다.
5. 늘어난 FTC를 통한 이방성 유도
- 팬텀을 맞춤형 스트레칭 장치에 올려놓고, 점차 유효 길이의 180%(인장 변형 80%)까지 늘리고, 수동으로 신장 거리를 측정한 후 장치를 잠가서 후퇴를 방지합니다.
- 전체 스트레칭 장치(팬텀이 고정된 상태로)를 −20 °C 냉동고에 12시간 동안 옮긴 후, 실온(20 °C)에서 12시간 해동합니다.
- 이 FTC 사이클을 지속적으로 늘려서 다시 한 번 반복하세요.
참고: 맞춤 제작된 스트레칭 장치는 상업적으로 판매되는 양방향 반대 실 선형 스테이지로, 두 개의 3D 프린팅 팬텀 홀딩 마운트로 조립되었으며, STL 파일은 보충 파일 1에 제공되어 있습니다. 신축 장치를 −20 °C 냉동고에서 꺼낼 때는 동상을 방지하기 위해 단열 방위 장갑을 착용하세요. FTC 중 지속적인 신장은 PVA 분자 사슬을 단방향으로 정렬시킵니다. 이 연구에 사용된 총 FTC: 1개의 신장 없는 사이클 + 2개의 늘려진 사이클(80% 인장 변형).
6. 최종 석방 및 보관
- 최종 FTC 해동 단계 후에는 반동으로 인한 손상을 방지하기 위해 부드럽게 스트레칭 장치를 해제합니다.
- 스트레칭 장치에서 환상을 제거하세요. 이방성 PVA 팬텀이 완성되었습니다.
- 팬텀을 물에 담근 상태로 밀봉된 플라스틱 용기 안에 4°C에서 보관하세요.
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결과
그림 2A는 PVA 용액 준비, 성형, 초기 신장 자유 FTC, 탈몰드 및 이후 신장 FTC를 포함한 전체 제작 과정을 도식으로 보여줍니다. 제안된 프로토콜을 사용하여 각각 SWI 및 단축 인장 시험을 위한 두 개의 이방성 PVA 팬텀을 제작했습니다. SWI는 L7-4 프로브(중심 주파수: 5.2 MHz)가 장착된 연구용 초음파 시스템을 사용하여 수행되었으며, 초음속 모드(3 초점, 100 μs 푸시)4와 코히런트 평면파 복합(CPWC)10을 −2°, 0°, 2° 각도에서 6 kHz 프레임 속도로 사용했습니다. 여러 각도에서 전단파 전파를 포착하기 위해, 초음파 프로브는 회전 단계를 사용해 0°에서 90°까지 2° 단위로 회전시켰습니다. SWI 결과는 타원체 전단파 전파 윤곽선을 보여주었는데, 이는 스트레칭 축에 수직인 방향(즉 <...
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토론
이 프로토콜의 성공은 완전하고 균일한 PVA 용해와 FTC 중 지속적인 신장 유지에 달려 있는데, 이는 안정적이고 균일한 기계적 이방성을 유도하는 데 중요한 두 단계입니다. 여기서 사용된 조리법(즉, PVA 농도, FTC 번호, 인장 변형률)은 근육 조직의 생리적 범위 내에서 강성을 가진 이방성 PVA 팬텀을 제작하기 위해 선택되었습니다. 특히, PVA 팬텀의 강성과 이방성비는 이러한 레시피 파라미터를 조정하여 쉽게 조정할 수 있습니다.
깊이를 따라 나타나는 유사한 전단파 속도 분포 패턴(즉, 그림 2B의 타원)은 팬텀의 균일성을 확인시켜 준다. 더욱이 윤곽이 약간 타원적이지 않아 보이는데, 이는 유령의 경미한 경계 효과 때문일 수 있습니다. 더 나아가, 우리의 실험 경험에 비추어 제안된 프로토콜을 사용하여 이방성 PVA 팬텀을 재현 가능하게 제작할 수 있습니다. S...
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공개 사항
저자들은 이해 상충을 선언할 필요가 없습니다.
감사의 글
이 연구는 베이징 자연과학재단(No. 1254038)의 지원을 받았습니다. 저자들은 홍콩 대학교의 웨이닝 리 교수님께 초음파 전단파 영상 검사에 도움을 주신 데 대해 감사드립니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 분석 균형 | 오하우스 | AX224 | 내부 보정이 포함된 분석 밸런스, 용량 220g, 가독성 0.1 mg |
| 양방향, 반대 나사산 선형 단계 | 타오바오 | 해당 없음 | 각 나사산당 이동 범위 250mm, 맞춤형 신장 장치 제작에 사용됩니다 |
| FDM 3D 프린터 | 밤부 연구소 | X1 카본 | 팬텀 몰드 인쇄와 맞춤형 스트레칭 장치의 팬텀 고정 마운트에 사용됨 |
| 프리캐드 | FreeCAD 오픈 소스 커뮤니티 | 해당 없음 | 버전 0.22.0, 팬텀 몰드 및 맞춤형 스트레칭 장치의 팬텀 홀딩 마운트 설계에 사용됨 |
| 흑연 입자 | 므레다 | M151649 | 흑연 입자, 99.95% 순도, 2000 메쉬(~6.5 um), 음향 산란체로 사용, 무게 기준 1% |
| 자기 교반봉 | 코닝 | 401435 | PTFE 코팅 자기 교반봉, 1 x 3/8인치, PVA 용액 교반용 |
| 자기 교반자 | 이카 | 25005927 | RCT 기본 안전 제어 자기 교반기 가열 기능이 포함되어 있습니다 |
| 폴리비닐 알코올 | 맥클린 | P81584 | 폴리비닐 알코올, Mw 89000-98000, 95% 가수분해, 유령 매트릭스로 사용, 무게 기준 10% |
| 칼륨 소르베이트 | 시그마-올드리치 | 85520 | 칼륨 소르베이트, 순도 99.0%, 방부제로 사용, 무게 기준 1% |
| 회전 단계 | 뉴포트 | URS50BPP | 전단파 영상 테스트에서 다중 프로브 각도(0° :2° :90°) |
| 단일 열 범용 시험기 | 인스트론 | 모델 5944 | 단축 인장 시험에 사용, 50N 힘 센서 |
| 연구 초음파 시스템 | 베라소닉스 | 전망대 256 | 전단파 영상 시험 수행에 사용, L7-4 프로브 (중심 주파수: 5.2 MHz) |
| 물욕 | 지의류 | HH-2 | 디지털 디스플레이 일정 온도 수욕, 2개의 구멍 단일 행, PVA 용액 가열 및 용해 |
참고문헌
- 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).
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- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
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- 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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