Dit protocol beschrijft een robuuste, reproduceerbare methode voor het vervaardigen van anisotrope polyvinylalcohol (PVA) fantomen—essentiële hulpmiddelen voor het valideren van ultrageluidselastografietechnieken gericht op mechanisch anisotrope zachte weefsels (bijv. skeletspieren).
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Anisotrope polyvinylalcohol fantoomfabricage voor echografieelastografie: procedure en kwaliteitscontroles
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Polyvinylalcohol (PVA) fantomen zijn doorgaans isotroop en worden veel gebruikt om ultrageluidselastografietechnieken voor de evaluatie van zacht weefsel te valideren. Sommige biologische zachte weefsels (bijv. skeletspieren) vertonen echter een duidelijke mechanische anisotropie, wat het gebruik van anisotrope PVA-fantomen noodzakelijk maakt voor het rigoureus testen van elastografiemethoden gericht op deze weefsels. Hoewel eerdere studies hebben aangetoond dat interne anisotrope PVA-fantomen kunnen worden vervaardigd via stretch-integrated freeze/thaw cycles (FTC's), blijven kritieke technische details (zoals fabricageproces, kwaliteitscontrole) onvoldoende gedocumenteerd. Dit werk presenteert een visueel gedetailleerd, reproduceerbaar protocol voor het vervaardigen van anisotrope PVA-fantomen, met de nadruk op sleutelmaterialen, stapsgewijze processen en kwaliteitscontroles om stabiele, uniforme anisotropie te induceren. Belangrijke materialen zijn PVA als fantoommatrix, kaliumsorbaat als conserveermiddel, grafietdeeltjes als akoestische verspreiders en puur water (of gedeïoniseerd water) als oplosmiddel. Het fabricageproces bestaat uit drie kernfasen: 1) Bereiding van een homogene PVA-gebaseerde oplossing door gecontroleerde thermische omstandigheden om volledige PVA-oplossing te waarborgen; 2) Stolling via FTC's: de gekoelde oplossing wordt in 3D-geprinte mallen gegoten, gevolgd door rekvrije FTC's om een voorlopige structuur te vormen; 3) Anisotropie induceren via uitgerekte FTC's: aanvullende FTC's worden uitgevoerd onder gecontroleerde uitrekking om directionele anisotropie te induceren. Kwaliteitscontrolemaatregelen (bijvoorbeeld het vermijden van luchtbellen tijdens PVA-oplossing) worden in detail beschreven. Na de fabricage worden ultrageluids-schuifgolfbeeldvorming (SWI) en uniaxiale trektesten toegepast om de mechanische anisotropie van het phantom te bevestigen. Dit artikel biedt een gestandaardiseerde benadering voor het vervaardigen van anisotrope weefsel-nabootsende fantomen om ultrageluidselastografietechnieken met verhoogde nauwkeurigheid en consistentie te valideren.
Inleiding
Bepaalde biologische zachte weefsels (bijv. skeletspieren) vertonen macroscopische mechanische anisotropie, die voortkomt uit hun uitgelijnde microstructurele architectuur1. Specifiek organiseren bindweefsels spiervezels in een hiërarchische structuur: endomysium omsluit individuele vezels, perimysium bundelt vezels tot fascikels, en epimysium omvat de hele spier, wat krachtoverdracht en voedingsstoffen ondersteunt2. Op ultrageluid gebaseerde elastografietechnieken, zoals shear wave imaging (SWI), worden veel gebruikt voor spierbeoordeling 3,4. De anisotrope mechanische eigenschappen van spieren leiden echter theoretisch tot richtingsafhankelijke schuifgolfvoortplanting5, wat de kwantificering van spierstijfheid6 bemoeilijkt. Mechanisch anisotrope weefsel-nabootsende fantomen zijn essentieel voor het bevorderen van echografie in spierbeoordeling.
Polyvinylalcohol (PVA) is een ideaal materiaal voor dergelijke fantomen, omdat het behouden van mechanische rek tijdens vries/dooi-cycli (FTC's) PVA-moleculaire ketens uitlijnt en zo mechanische anisotropie 7,8 induceert. Conventionele benaderingen die eenvoudige PVA-kuboïden gebruiken onder stretching leiden vaak tot inhomogene rek door oppervlakglij, waardoor de reproduceerbaarheid wordt verminderd. Deze beperking kan worden opgelost door gebruik te maken van een geoptimaliseerde fantoomgeometrie met eindhoudringen, wat zorgt voor betrouwbare rek en uniforme rekverdeling9—wat de kwaliteit van anisotrope PVA-fantomen aanzienlijk verbetert. In deze studie geven we een gedetailleerde visuele demonstratie van de fabricage van dergelijke anisotrope PVA-fantomen en valideren we hun mechanische anisotropie via zowel SWI- als uniaxiale trektesten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
OPMERKING: De volgende stappen worden geïllustreerd in Figuur 1.
1. 3D het drukken van fantoommal
- Met behulp van 3D-modelleringssoftware ontwerpt u de fantoomgeometrie met twee houdringen (één aan elk uiteinde) om de rek te behouden, met een effectief centraal gebied van 35 mm × 60 mm × 5 mm (lengte × breedte × hoogte) om uniforme anisotropie-inductie te waarborgen.
- Print de mal met een 3D-printer.
OPMERKING: De houdringen voorkomen slip tijdens het rekken, waardoor de spanningsverdeling wordt geconcentreerd. Alle 3D-printbestanden (.stl) worden geleverd in Supplemental File 1.
2. Bereiding van PVA-oplossing
- Weeg PVA-poeder (10 wt%), kaliumsorbaat (1 wt%) en grafietdeeltjes (1 wt%, ~6,5 μm diameter) en meet het overeenkomstige volume puur water (gedeïoniseerd water wordt aanbevolen) om een batchvolume van ~200 mL te bereiden.
- Combineer PVA-poeder en puur water in een beker, plaats de beker op een magnetische roermachine met een roerstang, bedek de beker met aluminiumfolie en roer op ~600 rpm bij kamertemperatuur gedurende 10 minuten totdat PVA volledig is verspreid.
- Breng de beker over in een 80 °C waterbad en blijf verwarmen totdat de PVA volledig is opgelost (wat blijkt uit een heldere, deeltjesvrije oplossing).
OPMERKING: Draag hittebestendige handschoenen en oogbeschermingskleding tijdens het verwarmen om thermische brandwonden te voorkomen. Zorg ervoor dat er geen onopgeloste PVA-deeltjes achterblijven, want deze zullen de fantoomhomogeniteit aantasten.
3. Toevoeging van additieven en gieten
- Koel de oplossing af tot ~40 °C terwijl je blijft roeren bij ~600 rpm op de magnetische roermachine.
- Verwijder de aluminiumfolie, voeg kaliumsorbaat- en grafietdeeltjes toe, bedek opnieuw met folie en roer op ~600 rpm totdat de additieven gelijkmatig zijn verdeeld (visuele homogene verdeling bevestigen).
- (Optioneel) Ontgass de PVA-oplossing om resterende luchtbellen te verwijderen. Plaats de beker met de gemengde oplossing in een vacuümkamer en breng ongeveer 30 minuten vacuüm toe om luchtbellen uit de PVA-oplossing te verwijderen.
- Giet de oplossing in de 3D-geprinte mal en zet de mal in elkaar met schroeven.
OPMERKING: Vermijd het toevoegen van luchtbellen tijdens het werpen. Tik indien nodig voorzichtig op de mal om opgesloten luchtbellen in de oplossing te verwijderen.
4. Initiële FTC voor PVA-verharding
- Plaats de mal 12 uur in een −20 °C vriezer.
- Haal de schimmel uit de vriezer en ontdooi hem 12 uur op kamertemperatuur (20 °C).
- Demold de Phantom voorzichtig om schade te voorkomen.
OPMERKING: Deze stap vormt een isotrope basisfantoom, die een stabiele basis biedt voor de daaropvolgende anisotropie-inductie.
5. Anisotropie induceren via uitgerekte FTC's
- Plaats de fantoom op het speciaal gemaakte rekapparaat, rek het geleidelijk uit tot 180% van de effectieve lengte (80% trekspanning), meet de rekafstand handmatig en vergrendel het apparaat om terugtrekking te voorkomen.
- Breng het hele rekapparaat (met het fantoom vast) in een −20 °C vriezer voor 12 uur, gevolgd door ontdooien bij kamertemperatuur (20 °C) gedurende 12 uur.
- Herhaal deze FTC-cyclus nogmaals onder aanhoudende stretching.
OPMERKING: Het op maat gemaakte rekapparaat bestaat uit een commercieel verkrijgbare, tweerichtings, lineaire fase met tegenovergestelde draad, samengesteld met twee 3D-geprinte fantoomhouders, waarvoor de STL-bestanden worden geleverd in Supplemental File 1. Draag geïsoleerde koudebeschermende handschoenen om bevriezing te voorkomen bij het verwijderen van het rekapparaat uit de −20 °C vriezer. Aanhoudende uitrekking tijdens FTC's brengt PVA-moleculaire ketens eenzijdig uit. Totaal aantal FTC's die in deze studie worden gebruikt: één rekvrije cyclus + twee uitgerekte cycli (80% trekspanning).
6. Definitieve vrijgave en opslag
- Na de laatste FTC-ontdooistap laat je het rekapparaat voorzichtig los om schade door terugslag te voorkomen.
- Verwijder de fantoom van het rekapparaat. De anisotrope PVA-fantoom is nu compleet.
- Bewaar de fantoom ondergedompeld in water in een afgesloten plastic container bij 4 °C.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 2A toont een schema van het volledige fabricageproces, inclusief PVA-oplossingsvoorbereiding, vormen, initiële rekvrije FTC, deforming en daaropvolgende gespannen FTC's. Met het voorgestelde protocol hebben we twee anisotrope PVA-fantomen vervaardigd voor respectievelijk SWI- en uniaxiale trektesten. SWI werd uitgevoerd met een onderzoeks-ultrageluidssysteem uitgerust met een L7-4 probe (middenfrequentie: 5,2 MHz), waarbij supersonische modus (3 brand...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het succes van dit protocol hangt af van het bereiken van een volledige, uniforme PVA-oplossing en het behouden van een aanhoudende uitrekking tijdens FTC's—twee cruciale stappen voor het induceren van stabiele, homogene mechanische anisotropie. Het hier gebruikte recept (d.w.z. PVA-concentratie, FTC-nummer en toegepaste trekspanning) werd gekozen om anisotrope PVA-fantomen te vervaardigen met stijfheid binnen het fysiologische bereik van spierweefsel. Opmerkelijk is dat de stijfheids- e...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hoeven geen belangenconflicten aan te geven.
Dankbetuigingen
Deze studie werd ondersteund door de Beijing Natural Science Foundation (nr. 1254038). De auteurs willen prof. Wei-Ning Lee van de Universiteit van Hongkong bedanken voor haar hulp bij de echo shear wave imaging test.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Analytische weegschaal | OHAUS | AX224 | Analytische weegschaal met interne kalibratie, capaciteit 220 g, afleesbaarheid 0,1 mg |
| Bidirectionele, tegengesteld-draad lineaire trap | Taobao | N/A | Bewegingsbereik 250 mm voor elke draad, gebruikt voor het bouwen van het op maat gemaakte rekapparaat |
| FDM 3D-printer | Bambu Lab | X1 Carbon | Gebruikt voor het printen van de fantoomvorm, evenals de fantoom-houders voor het op maat gemaakte rekapparaat |
| FreeCAD | FreeCAD Open-Source Community | N/A | Versie 0.22.0, gebruikt voor het ontwerpen van de fantoomvorm en de fantoom-houders van het op maat gemaakte rekapparaat |
| Grafietdeeltjes | MREDA | M151649 | Grafietdeeltjes, 99,95% zuiverheid, 2000 mesh(~6,5 um), gebruikt als akoestische verspreiders, 1% bij gewicht |
| Magnetische roerstaaf | Corning | 401435 | PTFE-gecoate magnetische roerstaaf, 1 x 3/8 inch, voor het roeren van PVA-oplossing |
| Magneetspoel | IKA | 25005927 | RCT basis veiligheidscontrole magnetische roerder met verwarmingsfunctie |
| Polyvinylalcohol | MACKLIN | P81584 | Polyvinylalcohol, Mw 89000-98000, 95% gehydrolyseerd, gebruikt als fantoommatrix, 10% bij gewicht |
| Kaliumsorbaat | Sigma-Aldrich | 85520 | Kaliumsorbaat, ≥99,0% zuiverheid, gebruikt als conserveermiddel, 1% bij gewicht |
| Rotatietrap | Newport | URS50BPP | Gebruikt voor het roteren van de ultrasone sonde in de schuifgolfbeelden test voor meerdere sondehoeken (0°:2°:90°) |
| Universele testmachine met enkele kolom | Instron | Model 5944 | Gebruikt voor uniaxiale trektesten, 50 N krachtsensor |
| Onderzoeks-ultrageluidsysteem | Verasonics | Vantage 256 | Gebruikt voor het uitvoeren van schuifgolfbeelden test, L7-4 sonde (centrumfrequentie: 5,2 MHz) |
| Waterbad | LICHEN | HH-2 | Digitaal display constant temperatuur waterbad, 2 gaten enkele rij, voor het verwarmen en oplossen van PVA-oplossing |
Referenties
- 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).
- Chatelin, S., et al. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization. Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).
- Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).
- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
