Dit artikel presenteert een demonstratie en samenvatting van protocollen voor het maken van gelatinefantooms die zachte weefsels nabootsen, en de bijbehorende visco-elastische karakterisering met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Karakterisering van biomechanische eigenschappen van zachte biologische weefsels is belangrijk om de weefselmechanica te begrijpen en de biomechanica-gerelateerde mechanismen van ziekte, letsel en ontwikkeling te verkennen. De mechanische testmethode is de meest eenvoudige manier voor weefselkarakterisering en wordt beschouwd als verificatie voor in vivo metingen. Onder de vele ex vivo mechanische testtechnieken biedt de inkepingstest een betrouwbare manier, vooral voor monsters die klein, moeilijk te fixeren en visco-elastisch zijn, zoals hersenweefsel. Magnetische resonantie-elastografie (MRE) is een klinisch gebruikte methode om de biomechanische eigenschappen van zachte weefsels te meten. Op basis van de voortplanting van afschuifgolven in zachte weefsels, geregistreerd met MRE, kunnen de visco-elastische eigenschappen van zachte weefsels in vivo worden geschat op basis van de golfvergelijking. Hier werden de visco-elastische eigenschappen van gelatinefantooms met twee verschillende concentraties gemeten door MRE en inkeping. De protocollen van fantoomfabricage, testen en modulusschatting zijn gepresenteerd.
Inleiding
De meeste zachte biologische weefsels lijken visco-elastische eigenschappen te hebben die belangrijk zijn om hun verwonding en ontwikkeling te begrijpen 1,2. Daarnaast zijn visco-elastische eigenschappen belangrijke biomarkers bij de diagnose van een verscheidenheid aan ziekten zoals fibrose en kanker 3,4,5,6. Daarom is de karakterisering van visco-elastische eigenschappen van zachte weefsels cruciaal. Onder de vele gebruikte karakteriseringstechnieken zijn ex vivo mechanisch testen van weefselmonsters en in vivo elastografie met behulp van biomedische beeldvorming de twee meest gebruikte methoden.
Hoewel verschillende mechanische testtechnieken zijn gebruikt voor de karakterisering van zacht weefsel, is het niet gemakkelijk om aan de vereisten voor monstergrootte en testomstandigheden te voldoen. Bij afschuiftests moeten bijvoorbeeld monsters stevig tussen de schuifplatenworden bevestigd 7. Biaxiaal testen is meer geschikt voor membraanweefsel en heeft specifieke klemeisen 8,9. Een compressietest wordt vaak gebruikt voor weefselonderzoek, maar kan geen specifieke posities binnen één monster10 karakteriseren. De inspringingstest heeft geen aanvullende vereisten om het weefselmonster te fixeren en kan worden gebruikt om veel biologische weefselmonsters zoals de hersenen en de lever te meten. Bovendien kunnen met een kleine inspringkop regionale eigenschappen binnen een steekproef worden getest. Daarom zijn inkepingstests gebruikt om een verscheidenheid aan zachte weefsels te testen 1,3,11.
Het karakteriseren van de biomechanische eigenschappen van zachte weefsels in vivo is belangrijk voor translationele studies en klinische toepassingen van biomechanica. Biomedische beeldvormingsmodaliteiten zoals echografie (VS) en magnetische resonantie (MR) beeldvorming zijn de meest gebruikte technieken. Hoewel Amerikaanse beeldvorming relatief goedkoop en gemakkelijk uit te voeren is, lijdt het aan een laag contrast en is het moeilijk om organen zoals de hersenen te meten. MR Elastography (MRE) kan diepe structuren in beeld brengen en kan een verscheidenheid aan zachte weefselsmeten 6,12, vooral de hersenen13,14. Met toegepaste externe trillingen kon MRE de visco-elastische eigenschappen van zachte weefsels met een specifieke frequentie meten.
Studies hebben aangetoond dat bij 50-60 Hz de schuifmodulus van de normale hersenen ~ 1,5-2,5 kPa 5,6,13,14,15 en ~ 2-2,5 kPa is voor normale lever16. Daarom zijn gelatinefantoomfantooms met vergelijkbare biomechanische eigenschappen op grote schaal gebruikt voor het nabootsen van zachte weefsels voor testen en validatie 17,18,19. In dit protocol werden gelatinefantooms met twee verschillende concentraties bereid en getest. Visco-elastische eigenschappen van de gelatinefantooms werden gekarakteriseerd met behulp van een op maat gemaakt elektromagnetisch MRE-apparaat14 en een inspringingsapparaat 1,3. De testprotocollen kunnen worden gebruikt voor het testen van veel zachte weefsels zoals de hersenen of de lever.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Gelatine fantoom bereiding
- Weeg gelatine, glycerol en water volgens tabel 1. Meng het gelatinepoeder met water om de gelatine-oplossing te verkrijgen.
OPMERKING: De concentraties van de afzonderlijke componenten voor de bereiding van de twee phantoms zijn weergegeven in tabel 1. Hoe hoger de concentratie gelatine, hoe stijver het fantoom. - Verwarm de gelatineoplossing tot 60 °C in een waterbad. Voeg glycerol toe aan de gelatine-oplossing met behoud van de temperatuur.
OPMERKING: Glycerol stabiliseert gelatinemengsels door hun smelttemperatuur en afschuifmodulus17 te verhogen. - Roer de oplossing en verwarm deze opnieuw tot 60 °C. Giet de gemengde oplossing in een container die zal worden gebruikt voor MRE- en inkepingstests. Koel de oplossing af tot kamertemperatuur en wacht tot de oplossing is gestold.
2. MRE-test
- Leg de trilplaat bovenop het gelatinefantoom. Zorg ervoor dat het contact tussen het fantoom en de trilplaat stevig is (figuur 1A).
OPMERKING: De trilplaat is gemaakt van polyamide met een afmeting van 50 x 50 x 5 mm3. - Plaats het gelatinefantoom in de kopspoel. Plaats sponzen en zandzakken rond het gelatinefantoom om ervoor te zorgen dat het fantoom stevig is geplaatst. Gebruik een op maat gemaakte elektromagnetische actuator met eenzendbalk 14,18. Monteer een elektromagnetische actuator op de kopspoel. Sluit de transmissiebalk aan op de trilplaat (figuur 1B).
- Sluit de voedingskabels van de actuator aan op de versterker. Sluit de bedieningslijnen aan op de controller (figuur 1C).
- Instellingen voor actuator- en MRI-scanparameters
- Stel de golfvorm, trillingsfrequentie en amplitude in de functiegenerator in. Stel de gewenste trillingsamplitude in door de eindversterker aan te passen.
OPMERKING: Hier is de golfvorm ingesteld op sinusoïdaal in de functiegenerator; de trillingsfrequentie is ingesteld op 40 Hz of 50 Hz en de amplitude is ingesteld op 1,5 Vpp. In de eindversterker is de versterkingsverhouding ingesteld op 40%. - Stel de functiegenerator in om te werken in de triggermodus. Sluit de triggerlijn aan op de externe triggerpoort van de MRI-machine.
- Stel de MRE-scanfrequentie (actuator) in op dezelfde manier als die van de functiegenerator, zodat de bewegingscoderingsgradiënt wordt gesynchroniseerd met de beweging van de trillingsplaat.
- Stel de golfvorm, trillingsfrequentie en amplitude in de functiegenerator in. Stel de gewenste trillingsamplitude in door de eindversterker aan te passen.
- Meting en analyse van gegevens
- Volg de routinematige beeldvormingsprocedures. Gebruik een op 2D gradient-echo (GRE) gebaseerde MRE-sequentie voor beeldvorming van het gelatinefantoom20. Stel de GRE-MRE-beeldvormingsparameters als volgt in: Flip-angle = 30°; TR/TE = 50/31 ms; Gezichtsveld = 300 mm; Plakdikte = 5 mm; Voxel formaat = 2,34 x 2,34 mm2.
- Meet de fasebeelden op vier temporele punten in één sinusoïdale cyclus. Pas zowel positieve als negatieve bewegingscoderingsgradiënten toe op elk tijdstip.
- Verwijder op basis van de verkregen faseafbeelding de achtergrondfase door de positief en negatief gecodeerde faseafbeeldingen af te trekken. Pak de fase uit met een op betrouwbaarheidssortering gebaseerd algoritme21.
- Extraheer de hoofdcomponent van de beweging door snelle Fouriertransformatie toe te passen op de niet-uitgepakte faseafbeeldingen. Filter de faseafbeelding met een digitaal bandpassfilter. Schat de afschuifmodulus met een 2D direct inversion (DI) algoritme om opslagmodulus G' en verliesmodulus G''13,14 te verkrijgen.
OPMERKING: De afkapfrequentie van het bandpassfilter is [0,04 0,08]. De grootte van het pasvenster van het DI-algoritme is 11 x 11.
3. Inspringingstest
- Gebruik een cirkelvormige pons of een chirurgisch mes om het gelatinefantoom in respectievelijk een cilindrisch of cuboïde monster te snijden. Zorg ervoor dat de dikte van het monster tussen 3 en 10 mm ligt en dat de diameter van het cilindrische monster of de lange zijde van het kubusje groter is dan 4 mm. Gebruik een scherp mes om het oppervlak van het monster bij te snijden om het zo glad mogelijk te maken voor inkeping.
- Schakel de stroom van de inspringingstester in. Voer het volgende uit met behulp van het inspringprogramma dat is ontworpen om de procedure voor inspringingscontacten te automatiseren (aangepast programma; zie Materiaaltabel).
- Klik op de knop Terug uit in de GUI om het kalibratieproces te initialiseren (figuur 2B). Lees de waarde van de lasersensor en typ de waarde in het vak BaseLine .
OPMERKING: Tijdens het kalibratieproces wordt de afstand tussen de lasersensor en de baffleplaat aangepast aan een specifieke vooraf gedefinieerde waarde. - Plaats een glasplaat op de baffleplaat en noteer de waarde die door de lasersensor wordt weergegeven. Leg vervolgens het monster op de glazen schuif en plaats ze samen op de baffleplaat. Lees de waarde van de lasersensor en typ deze waarde in het vak Sample+Slide .
OPMERKING: De lasersensor wordt gebruikt om de verplaatsing van de inkeping te registreren, maar wordt ook gebruikt om de monsterdikte vóór de test te meten. - Neem het verschil tussen de twee waarden verkregen in stap 3.2.2 als de dikte van het monster in het gebied van belang (ROI).
- Plaats het monster voorzichtig samen met de onderliggende glasschuif direct onder het indruklichaam en klik vervolgens op de knop Contact om automatisch contact te maken tussen het indruklichaam en het monsteroppervlak.
OPMERKING: Als het automatische contact niet bevredigend is, d.w.z. dat het indruklichaam diep in het monster drukt of geen contact heeft, past u de positie van het indruklichaam aan door een waarde in het bereik van 0,05-0,1 mm in het vak Offset te typen en de stappen 1.2.1-1.2.4 te herhalen. - Schat op basis van de gemeten monsterdikte (stap 3.2.3) de verplaatsing van de indrukking (d.w.z. de totale inkepingsdiepte) door de dikte te vermenigvuldigen met de ingesprongen teststam (hier is deze ingesteld op ≤8% om de indrukking binnen de aanname van de kleine spanning te houden).
- Typ de verplaatsingswaarden (stap 3.2.5) in het vak Verplaatsing (mm ). Stel de ontspanningstijd in op 180 s in de Dwell Time box. Klik op de knop Inspringing . De verplaatsing en reactiekracht tijdens de ramp-hold-procedure worden automatisch geregistreerd en opgeslagen in een bestand op het opgegeven bestandspad.
OPMERKING: Het bestandspad kan vooraf worden gedefinieerd als het pad voor het opslaan van testgegevens.
- Klik op de knop Terug uit in de GUI om het kalibratieproces te initialiseren (figuur 2B). Lees de waarde van de lasersensor en typ de waarde in het vak BaseLine .
- Exporteer de inspringingsgegevens naar een spreadsheet. Gebruik een Prony-serie met twee termijnen
om de krachtversoepelingscurve 1,3,11 te passen:
- Schat de momentane schuifmodulus (G0) en de afschuifmodulus op lange termijn (G∞) op basis van de aangebrachte parameters:
OPMERKING: In de bovenstaande vergelijkingen zijn C0, Ci en τi modelparameters van de Prony-reeks, F is de inspringingskracht, R is de straal van de indenter, X is de compensatiefactor voor de oneindige halfruimteaanname, V is de inkepingssnelheid, t is de tijdvariabele en tR is de ramptijd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Volgens het MRE-protocol werd een duidelijke afschuifgolfvoortplanting in de gelatinefantooms bij 40 en 50 Hz waargenomen (figuur 3). De visco-elastische eigenschappen gemeten aan de hand van MRE en inkepingstests zijn weergegeven in figuur 4. De geschatte G- en G"-waarden bij elke test voor elk fantoom zijn samengevat in tabel 2. Volgens het inspringingsprotocol worden de visco-elastische eigenschappen van elk fantoom op elk testpunt samengevat...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Gelatinefantooms worden vaak gebruikt als weefselnabootsende materialen voor het testen en valideren van algoritmen en apparaten 17,19,22,23,24,25,26,27. Een van de baanbrekende studies met behulp van het gelatinefantoom om MRE en dynamische schuiftests te ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Auteurs verklaren geen belangenconflicten.
Dankbetuigingen
Financieringssteun van de National Natural Science Foundation of China (subsidie 31870941), Natural Science Foundation of Shanghai (subsidie 22ZR1429600) en de Science and Technology Commission van de gemeente Shanghai (subsidie 19441907700) wordt erkend.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 24-channel head & Neck coil | United Imaging Healthcare | 100120 | Equipment |
| 3T MR Scanner | United Imaging Healthcare | uMR 790 | Equipment |
| Acquisition board | Advantech Co | PCI-1706U | Equipment |
| Computer-Windows | HP | 790-07 | Equipment |
| Electromagnetic actuator | Shanghai Jiao Tong University | Equipment | |
| Function generator | RIGOL | DG1022Z | Equipment |
| Gelatin | CARTE D’OR | Reagent | |
| Glycerol | Vance Bioenergy Sdn.Bhd | Reagent | |
| Indenter control program | custom-designed | Software; accessed via: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code. | |
| Laser sensor | Panasonic | HG-C1050 | Equipment |
| Load cell | Transducer Technique | GSO-10 | Equipment |
| MATLAB | Mathworks | Software | |
| Power amplifier | Yamaha | A-S201 | Equipment |
| Voice coil electric motor | SMAC Corporation | DB2583 | Equipment |
Referenties
- Qiu, S., et al. Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model. Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463(2020).
- Garcia, K. E., et al. Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).
- Qiu, S., et al. Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation. Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).
- Yin, Z., et al. A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas. European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).
- Streitberger, K. -J., et al. How tissue fluidity influences brain tumor progression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128(2020).
- Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. REVIEW: MR elastography of brain tumors. NeuroImage: Clinical. 25, 102109(2020).
- Namani, R., et al. Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004(2012).
- Potter, S., et al. A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011(2018).
- Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501(2015).
- Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).
- Chen, Y., et al. Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties. Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).
- Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications. NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891(2018).
- Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field. British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265(2021).
- Qiu, S., et al. An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy. NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592(2021).
- Hiscox, L. V., et al. Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain. Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).
- Seyedpour, S. M., et al. Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review. Frontiers in Physiology. 12, 733393(2021).
- Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime. Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).
- Feng, Y., et al. A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography. Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).
- Zeng, W., et al. Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation. IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).
- Wang, R., et al. Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction. Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).
- Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path. Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).
- Gordon-Wylie, S. W., et al. MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition. Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).
- McGarry, M., et al. Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies. Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006(2019).
- Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587(2021).
- Ozkaya, E., et al. Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680(2021).
- Guidetti, M., et al. Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483(2021).
- Badachhape, A. A., et al. The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021(2017).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
