Het doel van dit werk is voor het beschrijven van een protocol voor het maken van een praktische vet-waterfantoom die kan worden aangepast om te spoken met verschillende vet percentages en volumes produceren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Vet-Water Phantoms voor magnetische resonantie beeldvorming validatie: een flexibele en schaalbare Protocol
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Als nieuwe technieken zijn ontwikkeld om de afbeelding adipeus weefsel, worden methoden voor het valideren van dergelijke protocollen steeds belangrijker. Fantomen, experimentele replica's van een weefsel of orgaan van belang, bieden een low-cost, flexibele oplossing. Echter, zonder toegang tot dure en gespecialiseerde apparatuur, bouw stabiel phantoms met hoge vet breuken (bv., > 50% vetfractie niveaus zoals die gezien in bruin vetweefsel) kunnen moeilijk vanwege de hydrofobe aard van lipiden. Dit werk bevat een gedetailleerde, low-cost protocol voor het maken van 5 x 100 mL phantoms met vet breuken van 0%, 25%, 50%, 75% en 100% met behulp van elementaire lab benodigdheden (kookplaat, bekers, enz.) en gemakkelijk toegankelijke componenten (gedistilleerd water, agar, in water oplosbare oppervlakteactieve stof, natriumbenzoaat, gadolinium-diethylenetriaminepentacetate (DTPA) contrast agent, pinda olie en olie oplosbare oppervlakteactieve stof). Het protocol werd ontworpen als flexibele; het kan worden gebruikt om te spoken maken met verschillende vet breuken en een breed scala van volumes. Phantoms gemaakt met deze techniek zijn geëvalueerd in de haalbaarheidsstudie die ten opzichte van de waarden van de vetfractie van vet-water magnetische resonantie beeldvorming tot de streefwaarden in het geconstrueerde spoken. Dit onderzoek leverde een concordantie correlatiecoëfficiënt van 0.998 (95% betrouwbaarheidsinterval: 0.972-1,00). Kortom tonen deze studies het nut van vet phantoms voor de validatie van vetweefsel beeldvormende technieken in een heel scala van klinisch relevante weefsels en organen.
Inleiding
Belangstelling voor kwantificeren adipeus weefsel en triglyceride inhoud met behulp van beeldvormende modaliteiten, zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI), strekt zich uit op vele gebieden. Onderzoeksgebieden omvatten het onderzoek van witte en bruine adipeus weefsel depots en ectopische opslag van lipide in organen en weefsels zoals de lever1, alvleesklier2en3van de skeletspieren. Zoals deze nieuwe technieken voor obesitas kwantificering zijn ontwikkeld, zijn methoden nodig om te bevestigen dat de imaging parameters geldig voor onderzoek en klinische toepassingen zijn.
Fantomen, experimentele replica's van een weefsel of orgaan, bieden een goedkope, flexibele en gecontroleerde instrument te ontwikkelen en valideren beeldvorming technieken4. In het bijzonder kunnen spoken om te bestaan uit vet en water in een volume verhouding of vet fractie (FF) vergelijkbaar met die van het weefsel van klinisch belang worden geconstrueerd. Klinisch, FF waarden in weefsels en organen kunnen sterk uiteenlopen: FF in bruin vetweefsel valt tussen 29,7% en 93,9%5; de gemiddelde lever FF in steatosis patiënten is 18.1 ± 9,0%6; de alvleesklier FF bij volwassenen op risico voor type 2 diabetes varieert tussen 1,6% en 22.2%7; en in sommige gevallen van voorschot ziekte, patiënten met Duchenne spierdystrofie kunnen FF waarden van bijna 90% in sommige spieren8.
Omdat niet-polaire moleculen zoals lipiden lossen niet op in oplossingen die bestaan uit polaire moleculen zoals water, blijft het creëren van stabiele spoken met een hoog doel FF uitdagend. Voor FF tot 50%, veel bestaande methoden kunnen worden gebruikt om te maken vet water phantoms9,10,11,12. Andere methoden die hogere FFs meestal bereiken vereisen dure apparatuur zoals een homogenizer of een ultrasone cel disruptor13,14. Hoewel deze technieken een routekaart voor hoge FF fantomen bieden, beperken beperkingen van de apparatuur en wisselende hoeveelheden van experimentele gegevens ons streven naar reproduceerbaar zijn en robuuste vet water spoken.
Voortbouwend op deze vorige technieken, ontwikkelden we een methode voor de bouw van rendabele en stabiele vet water phantoms in een aanpasbare bereik van FF waarden. Deze gegevens van het protocol van de stappen die nodig is om 5 x 100 mL vet phantoms met FF waarden van 0%, 25%, 50%, 75% en 100% met behulp van een enkele kookplaat. Het kan gemakkelijk worden aangepast om verschillende volumes (10 tot 200 mL) en vet percentages (0 tot 100%) te maken. De werkzaamheid van de phantom techniek is in de haalbaarheid studie vergelijken vet-water MRI FF waarden aan de streefwaarden van de FF in het geconstrueerde phantoms geëvalueerd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Prepareer het werkstation en de materialen
- Voldoen aan alle regels van de veiligheid van het laboratorium. Draag een veiligheidsbril en handschoenen. Lees het veiligheidsinformatieblad voor elk van de reagentia gebruikt en passende voorzorgsmaatregelen te nemen. Bekijk de materialen en apparatuurlijst, chemische behandeling procedures en glaswerk voorzorgsmaatregelen.
Let op: Dit protocol vereist het gebruik van een kookplaat bij hoge temperaturen. Wees voorzichtig en hittebestendige handschoenen dragen als interactie met warme containers en raak niet aan het oppervlak van de kookplaat. - Schakelt u de werkruimte en reinig het oppervlak met een ontsmettingsmiddel. Was uw handen en handschoenen zetten.
- Het steriliseren van alle instrumenten en de binnenkant van alle glazen potten om het potentiële risico van verontreiniging en verhoging van de levensduur van de phantom.
Opmerking: Als de phantom zal worden gebruikt voor meer dan een paar dagen, periodiek reinigen van het oppervlak van de voltooide phantom met ethanol ter voorkoming van bacteriële groei.
2. voorbereiding van de Water-oplossing
- De werkruimte voorbereiden op de water-oplossing. De volgende materialen en apparatuur op de bank plaats: afgestudeerd cilinder, bekerglas van 400 mL, roer bar, schaal, 2 x weeg boten, spatel, 2 x 1,0 mL spuiten met naald, gedestilleerd water, gadolinium-diethylenetriaminepentacetate (DTPA) contrast agent, in water oplosbare oppervlakteactieve stof, agar en natriumbenzoaat.
Opmerking: Spuiten kunnen worden gebruikt met of zonder naalden. Echter, met behulp van naalden zal verbeteren de nauwkeurigheid van de meting en helpen voorkomen dat splatter wanneer de inhoud wordt toegevoegd aan het water of olie oplossingen. - Plaats een roer-bar in een bekerglas van 400 mL. Gebruik een 100 of 200 mL studeerde aan de cilinder om te meten van 300 mL gedestilleerd water en giet het water in het bekerglas. Plaats het bekerglas op de kookplaat en ingesteld op 90 ° C met een roer-tarief voor 100 rpm.
Opmerking: Hoge temperaturen worden gebruikt in dit protocol om snel resultaten te bereiken. Omdat de oplossingen staan niet op de kookplaat voor langere tijd, is de temperatuur van de set-punt voor de kookplaat weerspiegelt niet de temperatuur van de oplossing. - Gebruik een gekalibreerde schaal voor het meten van 0,30 g natriumbenzoaat in een weeg-boot. Natriumbenzoaat aan de water-oplossing toevoegen.
- Gebruik een spuit voor het meten van 0,6 mL van de in water oplosbare oppervlakteactieve stof. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen. Houd de naald een paar millimeter boven het midden van de oplossing en langzaam laat de in water oplosbare oppervlakteactieve stof Voorkom splatter op de wanden van het bekerglas.
- Met behulp van een schone injectiespuit, maatregel 0,24 mL van de gadolinium-DTPA contrast agent. Toevoegen aan het bekerglas, met gebruikmaking van dezelfde techniek als in stap 2.4.
Opmerking: Gadolinium-DTPA wordt gebruikt om de eigenschappen van de ontspanning van de phantom's MRI zodat deze overeenkomen met die van het weefsel van belang. De lezer kan het aanpassen van het volume van de toegevoegde gadolinium-DTPA aan beter overeenkomen met de eigenschappen van de ontspanning van het weefsel van belang. - Maatregel 9.0 g agar in een weeg-boot. Lepel langzaam af in het bekerglas met water de agar met een spatel.
- Zodra alles is toegevoegd aan de water-oplossing, verhogen de temperatuur van de kookplaat tot 350 ° C en roer bar snelheid tot 1100 TPM voor 5-10 min te smelten de agar.
- Om te controleren als de agar is gesmolten, kort de water-oplossing verwijderen uit de kookplaat, stoppen met roeren, en controleer de kleur van de oplossing. Gesmolten agar moeten duidelijk (geen streamers of bosjes) en geel of oranje van kleur.
- Zodra de agar volledig gesmolten is, gebruik van een spuit of giet ongeveer 3,5 mL van de oplossing met water in een kleine flacon. Als de meetoplossing niet stelt of na 5-10 min scheidt, is de agar niet gesmolten. Verhoog de temperatuur van de kookplaat terug tot 350 ° C en blijf verwarming van de oplossing.
- Herhaal stap 2.8 tot water-oplossing in de test flacon sets goed.
- Laat de oplossing met water op de kookplaat bij 50 ° C en 100 rpm. De werkplek schoon en voorbereiden van de olie-oplossing.
- Verwijder de volgende materialen uit de Bank: schalen, 2 x weeg boten, spatel, 2 x 1,0 mL spuiten met naald (gebruikt), gedestilleerd water, gadolinium-DTPA contrast agent, in water oplosbare oppervlakteactieve stof, agar en natriumbenzoaat.
- De volgende materialen en apparatuur op de bank plaats: bekerglas van 400 mL (schoon), roer bar (schoon), 2,0 mL injectiespuit met naald, pinda olie en olie oplosbare oppervlakteactieve stof.
3. olie-oplossing
- Plaats een nieuwe bar van het roer in een bekerglas schoon 400 mL. Gebruik een gegradueerde cilinder voor het meten van 300 mL arachideolie en giet in het bekerglas. Verwijder het bekerglas van de oplossing van water en plaats het bekerglas olie oplossing op de kookplaat. Ingesteld op 90 ° C met een roer-tarief voor 100 rpm voor 1 min.
Opmerking: pinda olie wordt gebruikt omdat het heeft een vergelijkbare nucleaire magnetische resonantie spectrum t.o.v. van triglyceriden in het menselijk vetweefsel15.- Laat niet de olie op de kookplaat zonder toezicht. Als de olie te heet wordt en begint te roken, het verwijderen van de kookplaat en verlaag de temperatuur voordat de olie terug te keren naar de kookplaat.
- Maatregel 3,0 mL van de olie oplosbare oppervlakteactieve stof met een schone injectiespuit. De olie oplosbare oppervlakteactieve stof aan het bekerglas met gebruikmaking van dezelfde techniek in stap 2.4 beschreven, toevoegen. Stel de kookplaat op 150 ° C en 1100 rpm gedurende 5 minuten tot het volledig Meng de olie-oplossing.
- Neem de olie-oplossing uit de kookplaat en reinigen van de werkruimte in voorbereiding voor het maken van de phantom.
- Verwijder de volgende materialen uit de Bank: 2,0 mL injectiespuit met naald (gebruikt), pinda olie en olie oplosbare oppervlakteactieve stof.
- De volgende materialen en apparatuur op de bank plaats: 250 mL conische kolf, roer bar (schoon), volumetrische pipetten, volumetrische Pipetteer houder en 5 x 120 mL glazen potten.
4. Maak Phantom emulsie
- Volumetrische pipetten voorbereiden door de oplossingen van water en olie. Pipetten moeten alleen worden gebruikt met hun respectieve oplossing ter voorkoming van kruisbesmetting.
- Overeenkomen met de grootte van de pipet om het volume in het protocol wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, gebruik 2 x 50 mL volumetrische pipetten (50 mL water oplossing + 50 mL olie solution) maken een 100 mL phantom met een doel FF 50% vet.
- Plaatsen van de oplossing met water op de kookplaat en stel de kookplaat tot 300 ° C en 1100 rpm. Na 4-5 min, de roerder uit te schakelen.
- Met behulp van een volumetrische precisiepipet, Controleer of de water-oplossing klaar voor extractie is door gedeeltelijk vullen de pipet met een klein bedrag (5-10 mL) van de oplossing en het vrijgeven van terug in het bekerglas. Als de water-oplossing kan gemakkelijk worden verwijderd en zonder buitensporige overblijfselen in de pipet vrijgegeven, ga naar de volgende stap, anders, laat het op de kookplaat en weer inchecken op 2-3 min.
Opmerking: De onderdelen van de water-oplossing zijn meer vatbaar voor instellen en scheiden, dus het is best om te houden van de water-oplossing, roeren en/of warme zo vaak mogelijk. Als de oplossing water is niet verwarmd en geroerd vóór de overbrenging, zal het zeer moeilijk om te meten van nauwkeurige volumes als gevolg van de neiging van agar te stollen wanneer gekoeld zijn. - Voeg voorzichtig een schone roer bar naar een conische kolf van 250 mL. Nemen van de water-oplossing uit de kookplaat, meet het juiste volume (tabel 2) en het overbrengen door de erlenmeyer.
- Plaats van de olie-oplossing op de kookplaat en stel bij 90 ° C en 1100 rpm om ervoor te zorgen dat de oplossing is een homogeen. Na 1-2 min, verwijderen van de olie-oplossing van de kookplaat en de conische kolf te vervangen.
- Meten van de juiste hoeveelheid van de olie-oplossing (tabel 2) en voeg langzaam aan de water-oplossing in de erlenmeyer.
- Zodra alle olie-oplossing is toegevoegd, verhogen de temperatuur tot 300 ° C en handhaven van de roeren bij 1100 tpm. Roer de gecombineerde oplossingen voor 4-5 min (er moet vortex vanuit de bar, stir). De emulsie moet wit, met een romige textuur.
- Gebruik een retriever van de bar magnetische roer te verwijderen van de roer-bar.
Opmerking: De roer bar retriever moet worden gebruikt om de roer bars van alle toekomstige emulsies. Reinig het grondig tussen elk gebruik. - Gebruik hittebestendige handschoenen aan zorgvuldig giet het mengsel in de erlenmeyer in een schone 120 mL glazen pot. Giet het mengsel langzaam langs de zijkant van de glazen pot om te voorkomen dat de bubbels in het mengsel, als het afkoelt.
- Reinig de conische kolf en roer bar, herhaal dan stappen 4.2-4.8, aanpassen van de hoeveelheid water en olie oplossingen, totdat alle spoken zijn gemaakt.
Opmerking: Zorg ervoor dat het glas is cool voordat u gaat schoonmaken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Als de water-oplossing correct heeft opgesteld, moet een kleine hoeveelheid van de oplossing snel stollen in een flesje van de test (Figuur 1, links). Als de oplossing scheidt (Figuur 1, rechts), moet de oplossing weer (volgens de instructies in stap 3.8 van het protocol) worden bereid. Als de emulsie scheidt (voorbeelden in Figuur 2, links en rechts...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
We beschrijven een robuuste methode om te maken vet water phantoms geschikt is voor de validatie van de medische beeldvormingstechnieken gebruikt te kwantificeren adipeus weefsel en triglyceride inhoud in vivo. Door het creëren van twee reservoirs (een voor de olie-oplossing) en één voor de water-oplossing, werden stabiele spoken met een verscheidenheid van FF waarden – met inbegrip van waarden van meer dan 50 gewichtspercenten – gebouwd zonder de noodzaak voor dure apparatuur. Hoge FF phantoms (> 50%) zorgen vo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd bij gebrek aan een commerciële of financiële relatie die zou kunnen worden opgevat als een mogelijke belangenconflicten.
Dankbetuigingen
Financiering van de steun voor dit onderzoek werd verstrekt de National Institutes of Health (NIH) en de nationale Instituut van Diabetes en de spijsverterings en ziekten van de nier (NIDDK) / NIH R01-DK-105371. Wij danken Dr. Houchun (Harry) Hu voor advies en suggesties op vet water phantom scheppen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Gedestilleerd water | Amazon | B000P9BY38 | Basis van wateroplossing |
| Agar | Sigma Aldrich Incorporated | A1296-100G | Geleermiddel |
| Wateroplosbaar oppervlakte-actieve stof | Sigma Aldrich Incorporated | P1379-500ML | Opppervlakteactieve stof/emulgerend middel |
| Gadolinium-DTPA-contrastmiddel | Bayer Healthcare | 50419-0188-01 | Contrastmiddel voor magnetische resonantiebeeldvorming. |
| Natriumbenzoaat | Sigma Aldrich Incorporated | 71300-250G | Conserveermiddel |
| Pindaolie | Amazon | 54782-LOU | Basis van olieoplossing |
| Ooplosbaar oppervlakte-actieve stof | Sigma Aldrich Incorporated | S6760-250ML | Opppervlakteactieve stof/emulgerend middel |
| Hotplate met roerder | Fisher Scientific | 07-770-152 | |
| Roerstaven (Ei-vormig) | Sigma Aldrich Incorporated | Z127116-1EA | |
| 400 mL Beker | Sigma Aldrich Incorporated | CLS1003400-48EA | |
| 250 mL Erlenmeyer-kolf | Sigma Aldrich Incorporated | CLS4450250-6EA | |
| 25 mL glazen volumetrische pijp | Fisher Scientific | 13-650-2P | Hoeveelheid = 2 |
| 50 mL glazen volumetrische pijp | Fisher Scientific | 13-650-2S | Hoeveelheid = 2 |
| 75 mL glazen volumetrische pijp | Fisher Scientific | 13-650-2T | Hoeveelheid = 2 |
| 3.0 mL-spuit | Sigma Aldrich Incorporated | Z248002-1PAK | |
| 1.0 mL-spuit | Sigma Aldrich Incorporated | Z230723-1PAK | |
| Spatel | Sigma Aldrich Incorporated | S3897-1EA | |
| Weegschaal (100 g X 0,01 g Resolutie) | Amazon | AWS-100-BLK | |
| Weegschepen | Sigma Aldrich Incorporated | Z740499-500EA | |
| 120 mL glazen potten | McMaster Carr Supply Co | 3801T73 | |
| Hittebestendige handschoenen (paar) | Amazon | B075GX43MN | |
| Spuitnaalden | Sigma Aldrich Incorporated | Z192341-100EA | |
| 18" roerstaaf retriver | Fisher Scientific | 14-513-70 | |
| 1 Dram heldere glazen fles | Fisher Scientific | 03-339-25B |
Referenties
- Franz, D., et al. Association of proton density fat fraction in adipose tissue with imaging-based and anthropometric obesity markers in adults. Int J Obes. , 1-8 (2017).
- Chai, J., et al. MRI chemical shift imaging of the fat content of the pancreas and liver of patients with type 2 diabetes mellitus. Exp Ther Med. 11 (2), 476-480 (2016).
- Hogrel, J. Y., et al. NMR imaging estimates of muscle volume and intramuscular fat infiltration in the thigh: variations with muscle, gender, and age. Age (Omaha). 37 (3), 1-11 (2015).
- Hoskins, P. R. Simulation and Validation of Arterial Ultrasound Imaging and Blood Flow. Ultrasound Med Biol. 34 (5), 693-717 (2008).
- Hu, H. H., Perkins, T. G., Chia, J. M., Gilsanz, V. Characterization of human brown adipose tissue by chemical-shift water-fat MRI. Am J Roentgenol. 200 (1), 177-183 (2013).
- d'Assignies, G., et al. Noninvasive quantitation of human liver steatosis using magnetic resonance and bioassay methods. Eur Radiol. 19 (8), 2033-2040 (2009).
- Schwenzer, N. F., et al. Quantification of pancreatic lipomatosis and liver steatosis by MRI: comparison of in/opposed-phase and spectral-spatial excitation techniques. Invest Radiol. 43 (5), 330-337 (2008).
- Wokke, B. H., et al. Quantitative MRI and strength measurements in the assessment of muscle quality in Duchenne muscular dystrophy. Neuromuscul Disord. 24 (5), 409-416 (2014).
- Fischer, M. A., et al. Liver Fat Quantification by Dual-echo MR Imaging Outperforms Traditional Histopathological Analysis. Acad Radiol. 19 (10), 1208-1214 (2012).
- Hayashi, T., et al. Influence of Gd-EOB-DTPA on proton density fat fraction using the six-echo Dixon method in 3 Tesla magnetic resonance imaging. Radiol Phys Technol. , (2017).
- Hines, C. D. G., Yu, H., Shimakawa, A., McKenzie, C. A., Brittain, J. H., Reeder, S. B. T1 independent, T2* corrected MRI with accurate spectral modeling for quantification of fat: Validation in a fat-water-SPIO phantom. J Magn Reson Imaging. 30 (5), 1215-1222 (2009).
- Fukuzawa, K., et al. Evaluation of six-point modified dixon and magnetic resonance spectroscopy for fat quantification: a fat-water-iron phantom study. Radiol Phys Technol. , 1-10 (2017).
- Bernard, C. P., Liney, G. P., Manton, D. J., Turnbull, L. W., Langton, C. M. Comparison of fat quantification methods: A phantom study at 3.0T. J Magn Reson Imaging. , (2008).
- Poon, C., Szumowski, J., Plewes, D., Ashby, P., Henkelman, R. M. Fat/Water Quantitation and Differential Relaxation Time Measurement Using Chemical Shift Imagin Technique. Magn Reson Imaging. 7 (4), 369-382 (1989).
- Yu, H., Shimakawa, A., Mckenzie, C. a, Brodsky, E., Brittain, J. H., Reeder, S. B. Multi-Echo Water-Fat Separation and Simultaneous R2* Estimation with Multi-Frequency Fat Spectrum Modeling. Spectrum. 60 (5), 1122-1134 (2011).
- Peri, C. The extra-virgin olive oil handbook. , John Wiley & Sons, Ltd. Chichester, UK. (2014).
- Kell, G. S. Density, Thermal Expansivity, and Compressibility of Liquid Water from 0° to 150°C: Correlations and Tables for Atmospheric Pressure and Saturation Reviewed and Expressed on 1968 Temperature Scale. J Chem Eng Data. 20 (1), 97-105 (1975).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
