Name: 압흔 및 자기 공명 탄성 탄성 분석을 사용한 연조직 모방 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성 분석 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: 배우세요 젤라틴 팬텀 제조와 압흔 및 자기 공명 탄성 탄성 분석을 이용한 연조직 점탄성 특성 평가 방법을. 이 기술은 뇌, 간, 종양 등 생물학적 샘플의 생체역학적 바이오마커 발굴에 활용됩니다.

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중국 국립 자연 과학 재단 (보조금 31870941), 상하이 자연 과학 재단 (보조금 22ZR1429600) 및 상하이시 과학 기술위원회 (보조금 19441907700)의 자금 지원이 인정됩니다.

1. 젤라틴 팬텀 준비
<ol><li>표 1에 따라 젤라틴, 글리세롤 및 물의 무게를 잰다. 젤라틴 분말을 물과 혼합하여 젤라틴 용액을 얻습니다. 참고: 두 팬텀을 준비하기 위한 개별 성분의 농도는 표 1에 나와 있습니다. 젤라틴 농도가 높을수록 팬텀이 더 단단해집니다.</li>
	<li>젤라틴 용액을 수조에서 60°C로 가열한다. 온도를 유지하면서 젤라틴 용액에 글리세롤을 첨가하십시오. 알림: 글리세롤은 용융 온도와 전단 계수17을 증가시켜 젤라틴 혼합물을 안정화시킵니다.</li>
	<li>용액을 저어주고 다시 60 ° C로 가열합니다. MRE 및 압입 테스트에 사용할 용기에 혼합 용액을 붓습니다. 용액을 실온으로 식히고 용액이 고형화 될 때까지 기다리십시오.</li>
</ol>2. MRE 테스트
<ol><li>젤라틴 팬텀 위에 진동판을 놓습니다. 팬텀과 진동판 사이의 접촉이 단단한지 확인합니다(그림 1A). 알림: 진동판은 50 x 50 x 5 mm3 크기의 폴리아미드로 만들어졌습니다.</li>
	<li>젤라틴 팬텀을 헤드 코일에 넣습니다. 젤라틴 팬텀 주위에 스폰지와 모래 주머니를 넣어 팬텀이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 변속기 바14,18이 있는 맞춤형 전자기 액추에이터를 사용하십시오. 헤드 코일에 전자기 액추에이터를 장착하십시오. 변속기 바를 진동판에 연결합니다(그림 1B).</li>
	<li>액추에이터의 전력선을 앰프와 연결하십시오. 제어 라인을 컨트롤러와 연결합니다(그림 1C).</li>
	<li>액추에이터 및 MRI 스캔 매개변수 설정<ol><li>함수 발생기에서 파형, 진동 주파수 및 진폭을 설정합니다. 파워 앰프를 조정하여 원하는 진동 진폭을 설정합니다. 참고: 여기서 파형은 함수 발생기에서 정현파로 설정됩니다. 진동 주파수는 40Hz 또는 50Hz로 설정되고 진폭은 1.5Vpp로 설정됩니다. 전력 증폭기에서 증폭 비율은 40 %로 설정됩니다.</li>
		<li>함수 생성기가 트리거 모드에서 작동하도록 설정합니다. 트리거 라인을 MRI 기계의 외부 트리거 포트에 연결합니다.</li>
		<li>MRE 스캐닝(액추에이터) 주파수를 함수 발생기의 주파수와 동일하게 설정하여 모션 인코딩 그래디언트가 진동판의 모션과 동기화되도록 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>데이터 측정 및 분석<ol><li>일상적인 이미징 포지셔닝 절차를 따르십시오. 젤라틴 팬텀 20의 이미징을 위해2D 그래디언트-에코(GRE) 기반 MRE 시퀀스를 사용합니다. GRE-MRE 이미징 파라미터를 다음과 같이 설정합니다: 플립 각도 = 30°; TR / TE = 50/31 밀리 초; 시야각 = 300 mm; 슬라이스 두께 = 5mm; 복셀 크기 = 2.34 x 2.34mm2.</li>
		<li>하나의 정현파 주기에서 4개의 시간 지점에서 위상 이미지를 측정합니다. 각 시점에서 포지티브 및 네거티브 모션 인코딩 그라디언트를 모두 적용합니다.</li>
		<li>획득한 위상 이미지에 기초하여, 포지티브 및 네거티브 인코딩된 위상 이미지를 빼서 배경 페이즈를 제거한다. 신뢰성 정렬 기반 알고리즘(21)으로 위상을 언래핑한다.</li>
		<li>래핑되지 않은 위상 이미지에 고속 푸리에 변환을 적용하여 모션의 주성분을 추출합니다. 디지털 대역통과 필터로 위상 이미지를 필터링합니다. 2D 직접 반전(DI) 알고리즘으로 전단 계수를 추정하여 저장 탄성률 G'' 및 손실 계수 G''13,14를 구합니다. 참고: 대역통과 필터의 차단 주파수는 [0.04 0.08]입니다. DI 알고리즘의 피팅 창 크기는 11 x 11입니다.</li>
	</ol></li>
</ol>3. 압입 테스트
<ol><li>원형 펀치 또는 수술 블레이드를 사용하여 젤라틴 팬텀을 각각 원통형 또는 직육면체 샘플로 자릅니다. 샘플 두께가 3mm에서 10mm 사이이고 원통형 샘플의 직경 또는 직육면체의 긴 면이 4mm보다 큰지 확인하십시오. 날카로운 날을 사용하여 샘플 표면을 다듬어 들여쓰기를 위해 가능한 한 매끄럽게 만듭니다.</li>
	<li>압입 테스터의 전원을 켭니다. 압자 접촉 절차를 자동화하도록 설계된 압자 제어 프로그램(사용자 지정 프로그램, 재료 표 참조)을 사용하여 다음을 수행하십시오.<ol><li>GUI에서 백오프 버튼을 클릭하여 보정 프로세스를 초기화합니다(그림 2B). 레이저 센서에서 값을 읽고 BaseLine 상자에 값을 입력합니다. 알림: 보정 프로세스 중에 레이저 센서와 배플 플레이트 사이의 거리는 미리 정의된 특정 값으로 조정됩니다.</li>
		<li>배플 플레이트에 유리 슬라이드를 놓고 레이저 센서가 보여주는 값을 기록합니다. 그런 다음 샘플을 유리 슬라이드에 놓고 배플 플레이트에 함께 놓습니다. 레이저 센서에서 값을 읽고 샘플+슬라이드 상자에 이 값을 입력합니다. 알림: 레이저 센서는 압입의 변위를 기록하는 데 사용되지만 테스트 전에 샘플 두께를 측정하는 데에도 사용됩니다.</li>
		<li>3.2.2단계에서 얻은 두 값의 차이를 관심 영역(ROI)의 샘플 두께로 취합니다.</li>
		<li>인덴터 바로 아래에 있는 유리 슬라이드와 함께 샘플을 조심스럽게 배치한 다음 접촉 버튼을 클릭하여 인덴터와 샘플 표면 사이의 자동 접촉 을 시작합니다. 참고: 자동 접점이 만족스럽지 않은 경우, 즉 압자가 샘플 깊숙이 누르거나 접점이 없는 경우 오프셋 상자에 0.05-0.1mm 범위의 값을 입력하여 압자 위치를 조정하고 1.2.1-1.2.4단계를 반복합니다.</li>
		<li>측정된 샘플 두께(단계 3.2.3)를 기반으로 두께에 압입된 테스트 변형률을 곱하여 압입 변위(즉, 총 압입 깊이)를 추정합니다(여기서는 작은 변형률 가정 내에서 압입률을 유지하기 위해 ≤8%로 설정됨).</li>
		<li>변위 값(3.2.5단계)을 변위(mm) 상자에 입력합니다. 유지 시간 상자에서 휴식 시간을 180초로 설정합니다. 들여쓰기 버튼을 클릭합니다. 램프 홀드 절차 중 변위와 반력은 자동으로 기록되어 지정된 파일 경로의 파일에 저장됩니다. 참고: 파일 경로는 테스트 데이터를 저장하기 위한 경로로 미리 정의할 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>들여쓰기 데이터를 스프레드시트로 내보냅니다. 힘 완화 곡선 1,3,11을 맞추기 위해 2항 Prony 계열 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;"> 을 사용합니다. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;"></li>
	<li>순간 전단 계수(G 0)와 장기 전단 계수(G∞)를 적합된 모수를 기반으로 추정합니다. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;"> 참고 : 위의 방정식에서 C0, Ci 및 τi는 Prony 시리즈의 모델 매개 변수, F는 압입력, R은 압자의 반경, X는 무한 반쪽 공간 가정에 대한 보상 계수, V는 압입 속도, t는 시간 변수, t R은 램프 시간입니다. </li>
</ol>

<ol><li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+characterization+of+injured+brain+tissue+after+controlled+cortical+impact+%28CCI%29+using+a+mouse+model%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model.</a> Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463(2020).</li>
<li>Garcia, K. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+patterns+of+cortical+expansion+during+folding+of+the+preterm+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+viscoelastic+properties+of+breast+cancer+tissue+in+a+mouse+model+using+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation.</a> Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).</li>
<li>Yin, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+quantification+and+3D+visualization+of+brain+tumor+adhesion+using+slip+interface+imaging+in+patients+with+meningiomas%5BTitle%5D)+AND+%22European+Radiology%22%5BJournal%5D)">A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas.</a> European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).</li>
<li>Streitberger, K. -J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+tissue+fluidity+influences+brain+tumor+progression%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">How tissue fluidity influences brain tumor progression.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128(2020).</li>
<li>Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((REVIEW%3A+MR+elastography+of+brain+tumors%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%3A+Clinical%22%5BJournal%5D)">REVIEW: MR elastography of brain tumors.</a> NeuroImage: Clinical. 25, 102109(2020).</li>
<li>Namani, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+characterization+of+transversely+isotropic+soft+materials+by+dynamic+shear+and+asymmetric+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004(2012).</li>
<li>Potter, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+small-specimen+planar+biaxial+testing+system+with+full+in-plane+deformation+control%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011(2018).</li>
<li>Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+method+for+the+analysis+of+planar+biaxial+mechanical+data+using+tethered+testing+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501(2015).</li>
<li>Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+flat+punch+indentation+methodology+calibrated+against+unconfined+compression+tests+for+determination+of+soft+tissue+biomechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+indentation+and+magnetic+resonance+elastography+for+measuring+viscoelastic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mechanica+Sinica%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties.</a> Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).</li>
<li>Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+elastography+of+liver+and+spleen%3A+Methods+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications.</a> NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891(2018).</li>
<li>Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harnessing+brain+waves%3A+a+review+of+brain+magnetic+resonance+elastography+for+clinicians+and+scientists+entering+the+field%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Radiolology%22%5BJournal%5D)">Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field.</a> British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265(2021).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+electromagnetic+actuator+for+brain+magnetic+resonance+elastography+with+high+frequency+accuracy%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy.</a> NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592(2021).</li>
<li>Hiscox, L. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard-space+atlas+of+the+viscoelastic+properties+of+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain.</a> Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).</li>
<li>Seyedpour, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+magnetic+resonance+imaging+in+liver+biomechanics%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review.</a> Frontiers in Physiology. 12, 733393(2021).</li>
<li>Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+soft+gels%3A+comparison+of+magnetic+resonance+elastography+and+dynamic+shear+testing+in+the+shear+wave+regime%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime.</a> Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).</li>
<li>Feng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multi-purpose+electromagnetic+actuator+for+magnetic+resonance+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography.</a> Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).</li>
<li>Zeng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlinear+inversion+MR+elastography+with+low-frequency+actuation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).</li>
<li>Wang, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+magnetic+resonance+elastography+with+multiphase+radial+encoding+and+harmonic+motion+sparsity+based+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction.</a> Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).</li>
<li>Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+two-dimensional+phase-unwrapping+algorithm+based+on+sorting+by+reliability+following+a+noncontinuous+path%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path.</a> Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).</li>
<li>Gordon-Wylie, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+elastography+at+1+of+gelatin+phantoms+using+3D+or+4D+acquisition%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition.</a> Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).</li>
<li>McGarry, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uniqueness+of+poroelastic+and+viscoelastic+nonlinear+inversion+MR+elastography+at+low+frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies.</a> Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006(2019).</li>
<li>Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+viscoelastic+parameters+in+Magnetic+Resonance+Elastography%3A+a+comparison+at+high+and+low+magnetic+field+intensity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587(2021).</li>
<li>Ozkaya, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-mimicking+phantom+for+biomechanical+validation+of+motion+sensitive+MR+imaging+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680(2021).</li>
<li>Guidetti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axially-+and+torsionally-polarized+radially+converging+shear+wave+MRE+in+an+anisotropic+phantom+made+via+Embedded+Direct+Ink+Writing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483(2021).</li>
<li>Badachhape, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+of+three-dimensional+human+skull+motion+to+brain+tissue+deformation+in+magnetic+resonance+elastography+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021(2017).</li>
</ol>

저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

젤라틴 팬텀은 알고리즘 및 장치 17,19,22,23,24,25,26,27의 테스트 및 검증을 위한 조직-모방 재료로서 통상적으로 사용된다. MRE와 동적 전단 시험을 비교하기 위해 젤라틴 팬텀을 사용한 선구적인 연구 중 하나는 Okamoto et al. (2011) 17. 그들의 연구에서, 젤라틴의 질량 농도는 ~ 2.8 % 였고, 보정 후 추정 된 G '및 G ''값은 각각 1.06-1.15 kPa 및 0.11...

대부분의 연질 생물학적 조직은 손상과 발달을 이해하는 데 중요한 점탄성 특성을 가진 것으로 보입니다1,2. 또한, 점탄성 특성은 섬유증 및 암 3,4,5,6과 같은 다양한 질환의 진단에 중요한 바이오마커이다. 따라서 연조직의 점탄성 특성의 특성화가 중요합니다. 사용되는 많은 특성화 기술 중에서 조직 샘플의 생체 외 기계적 테스트와 생물 의학 이미징을 사용한 생체 내 탄성 검사가 널리 사용되는 두 가지 방법입니다.
연조직 특성화를 위해 다양한 기계적 테스트 기술이 사용되었지만 샘플 크기 및 테스트 조건에 대한 요구 사항을 충족하기가 쉽지 않습니다. 예를 들어, 전단 시험은 전단 플레이트7 사이에 단단히 고정 된 샘플을 가져야합니다. 이축 테스트는 멤브레인 조직에 더 적합하며 특정 클램핑 요구 사항 8,9가 있습니다. 압축 시험은 조직 시험에 일반적으로 사용되지만, 하나의 샘플 내의 특정 위치를 특성화할 수는 없다(10). 압입 검사는 조직 샘플을 고정하기위한 추가 요구 사항이 없으며 뇌 및 간과 같은 많은 생물학적 조직 샘플을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 작은 압자 헤드를 사용하여 샘플 내의 영역 특성을 테스트할 수 있습니다. 따라서 다양한 연조직 1,3,11을 테스트하기 위해 압흔 테스트가 채택되었습니다.
생체 내에서 연조직의 생체 역학적 특성을 특성화하는 것은 중개 연구 및 생체 역학의 임상 적용에 중요합니다. 초음파(미국) 및 자기 공명(MR) 영상과 같은 생의학 영상 방식이 가장 많이 사용되는 기술입니다. 미국 영상은 비교적 저렴하고 수행하기 쉽지만 대비가 낮고 뇌와 같은 장기를 측정하기가 어렵습니다. 깊은 구조를 이미징 할 수있는 MR 엘라 스토 그래피 (MRE)는 다양한 연조직 (6,12), 특히 뇌(13,14)를 측정 할 수 있습니다. 외부 진동이 적용되면 MRE는 특정 주파수에서 연조직의 점탄성 특성을 측정할 수 있습니다.
연구에 따르면 50-60Hz에서 정상 뇌의 전단 계수는 정상 간1.5의 경우 ~ 2.5-2.5kPa 5,6,13,14,15 및 ~ 2-2.5kPa 입니다 16. 따라서, 유사한 생체역학적 특성을 갖는 젤라틴 팬텀은 시험 및 검증17,18,19를 위해 연조직을 모방하는데 널리 사용되어 왔다. 이 프로토콜에서는 두 가지 농도의 젤라틴 팬텀을 준비하고 테스트했습니다. 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성은 맞춤형 전자기 MRE 장치(14) 및 압입 장치(1,3)를 사용하여 특성화하였다. 테스트 프로토콜은 뇌나 간과 같은 많은 연조직을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>24채널 헤드 & 넥 코일</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>100120</td><td>장비</td></tr><tr><td>3T MR 스캐너</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>uMR 790</td><td>장비</td></tr><tr><td>수집 보드</td><td>Advantech Co</td><td>PCI-1706U</td><td>장비</td></tr><tr><td>컴퓨터 -Windows</td><td>HP</td><td>790-07</td><td>장비</td></tr><tr><td>전자기 액추에이터</td><td>상하이 Jiao Tong 대학</td><td></td><td>장비</td></tr><tr><td>함수 발생기</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>장비</td></tr><tr><td>젤라틴</td><td>CARTE D'OR</td><td></td><td>시약</td></tr><tr><td>글리세롤</td><td>밴스 바이오 에너지 Sdn.Bhd</td><td></td><td>시약</td></tr><tr><td>Indenter 제어 프로그램</td><td>맞춤형</td><td></td><td>소프트웨어; 다음을 통해 액세스: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.</td></tr><tr><td>레이저 센서</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>장비</td></tr><tr><td>: 로드셀</td><td>변환기 기술</td><td>: GSO-10</td><td>장비</td></tr><tr><td>: MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>소프트웨어</td></tr><tr><td>전력 증폭기</td><td>Yamaha</td><td>A-S201</td><td>장비</td></tr><tr><td>: 음성 코일 전기 모터</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>장비</td></tr></tbody></table>

압흔 및 자기 공명 탄성 탄성 분석을 사용한 연조직 모방 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성 분석

Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography

연질 생물학적 조직의 생체 역학적 특성화는 조직 역학을 이해하고 질병, 부상 및 발달의 생체 역학 관련 메커니즘을 탐구하는 데 중요합니다. 기계적 테스트 방법은 조직 특성화를 위한 가장 간단한 방법이며 생체 내 측정을 위한 검증으로 간주됩니다. 많은 생체 외 기계적 테스트 기술 중에서 압입 테스트는 특히 뇌 조직과 같이 작고 고정하기 어렵고 점탄성이 있는 샘플에 대해 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 자기 공명 탄성 검사(MRE)는 연조직의 생체역학적 특성을 측정하기 위해 임상적으로 사용되는 방법입니다. MRE를 사용하여 기록된 연조직의 전단파 전파를 기반으로 연조직의 점탄성 특성은 파동 방정식을 기반으로 생체 내에서 추정할 수 있습니다. 여기서, 두 가지 농도가 다른 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성은 MRE와 압입으로 측정하였다. 팬텀 제조, 테스트 및 모듈러스 추정의 프로토콜이 제시되었습니다.

MRE 프로토콜에 따라 40Hz 및 50Hz에서 젤라틴 팬텀에서 명확한 전단파 전파가 관찰되었습니다(그림 3). MRE에서 측정한 점탄성 특성 및 압입 테스트는 그림 4에 나와 있습니다. 각 팬텀에 대한 각 테스트에서 추정된 G' 및 G" 값은 표 2에 요약되어 있습니다. 압입 프로토콜에 따라 각 테스트 지점에서 각 팬텀의 점탄성 특성이 표 3에 요약되어 있습니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이 MRE를 사용한 측정의 경우 40Hz 및 50Hz에서 측정된 G' 및 G" 값의 비교는 두 젤라틴 팬텀 간에 상당한 차이를 보였습니다(스튜던트 t-test, p &lt; 0.05). 또한 40Hz와 50Hz 측정 사이의 G' 및 G" 값 모두에 대해 유의미한...

이 기사에서는 연조직을 모방 한 젤라틴 팬텀을 만드는 프로토콜과 압입 및 자기 공명 탄성 탄성을 사용한 해당 점탄성 특성화에 대한 데모 및 요약을 제공합니다.

Characterization of biomechanical properties of soft biological tissues is important to understand the tissue mechanics and explore the ...

이 프로토콜은 생체 외에서 조직 모방 겔 기능을 준비하는 방법 및 생체 내 생체 역학 특성화 방법을 제공하며, 이는 조직에 대한 새로운 바이오 마커를 이해하고 찾는 데 중요합니다 압흔은 작은 크기의 조직 샘플을 측정 할 수 있으며 수행하기 쉬운 반면 MRE를 사용하여 동일한 샘플을 테스트 할 수있어 생체 내 테스트 시나리오의 직접 추정을 제공합니다. 이 방법은 뇌, 간, 종양 조직 등과 같은 부드러운 생물학적 샘플의 점탄성 주파수 의존적 기계적 특성에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 다른 샘플 팬텀의 유사한 특성도 측정할 수 있습니다.젤라틴 분말을 물과 혼합하여 젤라틴 용액을 얻습니다. 젤라틴 용액을 수조에서 섭씨 60도까지 가열하고 온도를 유지하면서 용액에 글리세롤을 첨가하십시오. 용액을 저어주고 다시 섭씨 60도까지 가열하십시오.MRE 및 압입 테스트에 사용할 용기에 혼합 용액을 붓습니다. 용액을 실온으로 식히고 용액이 고형화 될 때까지 기다리십시오. 젤라틴 팬텀을 헤드 코일에 넣습니다.그런 다음 진동판을 젤라틴 팬텀 위에 놓습니다. 팬텀과 진동판 사이의 접촉이 단단한지 확인하십시오. 젤라틴 팬텀 주위에 스폰지와 모래 주머니를 넣어 팬텀이 단단히 고정되었는지 확인하십시오.헤드 코일에 전자기 액추에이터를 장착하고 변속기 바를 진동판에 연결합니다. 액추에이터의 전력선을 앰프와 연결한 다음 제어 라인을 컨트롤러와 연결합니다. 함수 발생기에서 파형, 진동 주파수, 진폭을 설정합니다.파워 앰프를 조정하여 원하는 진동 진폭을 설정합니다. 그런 다음 함수 생성기가 트리거 모드에서 작동하도록 설정합니다. 트리거 라인을 MRI 기계의 외부 트리거 포트에 연결합니다.MRE 스캔 주파수를 함수 발생기의 주파수와 동일하게 설정하여 모션 인코딩 그래디언트가 진동판의 모션과 동기화되도록 합니다. 그런 다음 대칭 이동 각도를 30도, TR 및 TE를 50밀리초 및 31밀리초로, 시야각을 300밀리미터로, 슬라이스 두께를 5밀리미터로, 복셀 크기를 2.34 x 2.34제곱밀리미터로 설정합니다. 하나의 정현파 주기에서 4개의 시간 지점에서 위상 이미지를 측정합니다.각 시점에서 포지티브 및 네거티브 모션과 코딩 그라디언트를 모두 적용합니다. 획득한 위상 이미지에 기초하여, 포지티브 및 네거티브 인코딩된 위상 이미지를 빼서 배경 페이즈를 제거한다. 안정성 정렬 기반 알고리즘으로 단계의 래핑을 해제합니다.래핑되지 않은 위상 이미지에 고속 푸리에 변환을 적용하여 모션의 주요 구성 요소를 추출합니다. 디지털 대역 통과 필터로 위상 이미지를 필터링하고 2D 직접 반전 알고리즘으로 전단 계수를 추정하여 저장 계수 G-프라임 및 손실 계수 G-이중 소수를 얻습니다. 원형 펀치를 사용하여 젤라틴 팬텀을 원통형 샘플로 트리밍하고 수술용 블레이드를 사용하여 직육면체 샘플로 트리밍합니다.날카로운 칼날로 샘플 표면을 다듬어 들여쓰기를 위해 가능한 한 매끄럽게 만듭니다. 압입 테스터의 전원을 켜고 GUI에서 백오프 버튼을 클릭하여 보정 프로세스를 초기화합니다. 레이저 센서에서 값을 읽고 BaseLine 상자에 값을 입력합니다.배플 플레이트에 유리 슬라이드를 놓고 레이저 센서가 보여주는 값을 기록합니다. 그런 다음 샘플을 유리 슬라이드에 놓고 배플 플레이트에 함께 놓습니다. 레이저 센서에서 값을 읽고 샘플 슬라이드 상자에 이 값을 입력합니다.이 두 값의 차이는 관심 영역의 샘플 두께입니다. 기본 유리 슬라이드와 함께 샘플을 인덴터 바로 아래에 조심스럽게 놓은 다음 접촉 버튼을 클릭하여 인덴터와 샘플 표면 사이의 자동 접촉을 시작합니다. 측정된 샘플 두께를 기반으로 두께에 압입된 테스트 변형률을 곱하여 압입 변위를 추정합니다.변위 상자에 변위 값을 입력합니다. 유지 시간 상자에서 휴식 시간을 180초로 설정하고 들여쓰기 버튼을 클릭합니다. 램프/홀드 절차 중 변위와 반력이 자동으로 기록되어 지정된 파일 경로의 파일에 저장됩니다.40헤르츠 및 50헤르츠에서 두 젤라틴 팬텀에 대한 파동 전파 이미지가 여기에 표시됩니다. 4 개의 위상은 하나의 정현파 사이클에서 4 개의 시간적 점에 해당합니다. MRE 및 압입 실험에서 측정한 점탄성 특성이 여기에 나와 있습니다.대표 이미지는 MRE의 두 젤라틴 팬텀에 대해 40 및 50 헤르츠에서 전형적인 추정 G- 프라임 및 G- 더블 프라임 맵을 보여줍니다. 6개의 반복된 압입 테스트에서 나온 두 팬텀에 대한 G-zero 및 G-infinity 값의 평균 및 표준 편차가 여기에 나와 있습니다. 화면에 표시된 그래픽 이미지는 6개의 반복된 MRE 테스트에서 두 팬텀에 대해 40헤르츠 및 50헤르츠에서 G-프라임 및 G-이중 프라임 값의 평균 및 표준 편차를 나타냅니다.별표 기호는 상당한 차이를 나타냅니다. 이 절차를 시도할 때 진동판이 팬텀 상단에 단단히 눌려져 있고 플레이트가 과도하게 누르지 않도록 하십시오. 샘플을 처리 할 때 표면이 가능한 한 평평한지 확인하십시오.이 기술은 병리학 연구와 관련된 생체 역학적 특성을 탐구하고 질병 진단 및 예후를위한 생체 역학 기반 바이오 마커를 개발할 수있는 길을 열어줍니다.

viscoelastic-characterization-soft-tissue-mimicking-gelatin-phantoms

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

절차는 지방과 미세한 자기 공명 elastography (μMRE)를 사용하여 기계적 성질의 비침 투 현지 심사를 통해 osteogenic 조직 공학 구조의 공학 결과를 모니터링하기위한 자기 공명 elastography의 방법론을 보여줍니다.

조직 평가에 대한 자기 공명 Elastography 방법론은 구조 성장하는 기술

출처: Feng, Y., et al. Indentation 및 Magnetic Resonance Elastography를 사용한 연조직 모방 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성화. J. Vis. Exp. (2022) 이 비디오는 분석하여 조직 점탄성 특성을 평가하는 자기 공명 탄성 촬영(MRE)의 방법을 보여줍니다. 뇌 조직을 모방한 젤라틴 팬텀을 통한 전단파 전파. 이 프로세스에는 자기 공명 영상 또는 MRI로 전단파를 생성 및 캡처하고 파동 패턴을 분석하여 조직 강성을 구별하는 작업이 포함됩니다.

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