Name: Visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Ontdek visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met inkeping en magnetische resonantie-elastografie. Deze methoden helpen onderzoekers biomechanische eigenschappen in vivo en ex vivo te bestuderen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Gelatine fantoom bereiding
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. MRE-test
<ol><li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Sluit de voedingskabels van de actuator aan op de versterker. Sluit de bedieningslijnen aan op de controller (figuur 1C).</li>
	<li>Instellingen voor actuator- en MRI-scanparameters<ol><li>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%.</li>
		<li>Stel de functiegenerator in om te werken in de triggermodus. Sluit de triggerlijn aan op de externe triggerpoort van de MRI-machine.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Meting en analyse van gegevens<ol><li>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.</li>
		<li>Meet de fasebeelden op vier temporele punten in één sinusoïdale cyclus. Pas zowel positieve als negatieve bewegingscoderingsgradiënten toe op elk tijdstip.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Inspringingstest
<ol><li>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.</li>
	<li>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).<ol><li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Exporteer de inspringingsgegevens naar een spreadsheet. Gebruik een Prony-serie met twee termijnen <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;"> om de krachtversoepelingscurve 1,3,11 te passen: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;"></li>
	<li>Schat de momentane schuifmodulus (G0) en de afschuifmodulus op lange termijn (G∞) op basis van de aangebrachte parameters: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;"> 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.</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>

Auteurs verklaren geen belangenconflicten.

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 ...

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.

<table><tbody><tr><td>24-channel head &amp; Neck coil</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>100120</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>3T MR Scanner</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>uMR 790</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Acquisition board</td><td>Advantech Co</td><td>PCI-1706U</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Computer-Windows</td><td>HP</td><td>790-07</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Electromagnetic actuator</td><td>Shanghai Jiao Tong University</td><td></td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Function generator</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Gelatin</td><td>CARTE D&rsquo;OR</td><td></td><td>Reagent</td></tr><tr><td>Glycerol</td><td>Vance Bioenergy Sdn.Bhd</td><td></td><td>Reagent</td></tr><tr><td>Indenter control program</td><td>custom-designed</td><td></td><td>Software; accessed via: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.</td></tr><tr><td>Laser sensor</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Load cell</td><td>Transducer Technique</td><td>GSO-10</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Power amplifier</td><td>Yamaha</td><td>A-S201</td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Voice coil electric motor</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>Equipment</td></tr></tbody></table>

visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie

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

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.

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...

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.

Visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie

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

Dit protocol biedt een manier om weefsel-nabootsende gelfuncties voor te bereiden in de ex vivo en de in vivo biomechanische karakteriseringsmethoden, die van cruciaal belang zijn voor het begrijpen en vinden van nieuwe biomarkers voor weefsel De inkeping kan kleine weefselmonsters meten en is gemakkelijk uit te voeren, terwijl hetzelfde monster kan worden getest met behulp van MRE, waardoor een directe schatting van in vivo testscenario's wordt geboden. Deze methode zou inzicht kunnen geven in visco-elastische frequentieafhankelijke mechanische eigenschappen van zachte biologische monsters, zoals de hersenen, lever, tumorweefsels, et cetera. Vergelijkbare eigenschappen van andere monsterfantooms kunnen ook worden gemeten.Begin met het mengen van het gelatinepoeder met water om de gelatine-oplossing te verkrijgen. Verwarm de gelatine-oplossing tot 60 graden Celsius in een waterbad en voeg glycerol toe aan de oplossing met behoud van de temperatuur. Roer de oplossing en verwarm deze opnieuw tot 60 graden Celsius.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. Plaats het gelatinefantoom in de kopspoel.Leg vervolgens de trilplaat op het gelatinefantoom. Zorg ervoor dat het contact tussen het fantoom en de trilplaat stevig is. Plaats sponzen en zandzakken rond het gelatinefantoom om ervoor te zorgen dat het fantoom stevig is geplaatst.Monteer een elektromagnetische actuator op de kopspoel en sluit de transmissiebalk aan op de trilplaat. Sluit de voedingslijnen van de actuator aan op de versterker en sluit vervolgens de bedieningslijnen aan op de controller. Stel de golfvorm, trillingsfrequentie en amplitude in de functiegenerator in.Stel de gewenste trillingsamplitude in door de eindversterker aan te passen. Stel vervolgens de functiegenerator in om in de triggermodus te werken. Sluit de triggerlijn aan op de externe triggerpoort van de MRI-machine.Stel de MRE-scanfrequentie op dezelfde manier in als die van de functiegenerator, zodat de bewegingscoderingsgradiënt wordt gesynchroniseerd met de beweging van de trilplaat. Stel vervolgens de omslaghoek in op 30 graden, TR en TE op 50 en 31 milliseconden, het gezichtsveld op 300 millimeter, de plakdikte op vijf millimeter en voxelgrootte op 2,34 bij 2,34 vierkante millimeter. Meet de fasebeelden op vier temporele punten in één sinusoïdale cyclus.Pas zowel positieve als negatieve bewegings- en coderingsgradiënten 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 algoritme.Extraheer de hoofdcomponenten van de beweging door een snelle Fouriertransformatie toe te passen op de onverpakte faseafbeeldingen. Filter het fasebeeld met een digitaal bandpasfilter en schat de schuifmodulus met een 2D direct inversiealgoritme om opslagmodulus G-prime en loss modulus G-double prime te verkrijgen. Gebruik een cirkelvormige pons om het gelatinefantoom in een cilindrisch monster te snijden en gebruik een chirurgisch mes om het in een kubusvormig monster te snijden.Snijd het oppervlak van het monster af met een scherp mes om het zo glad mogelijk te maken voor inkeping. Schakel de inspringingstester in en klik op de knop Terug uit in de GUI om het kalibratieproces te initialiseren. Lees de waarde van de lasersensor en typ de waarde in het vak BaseLine.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.Het verschil tussen deze twee waarden is de dikte van het monster in het betreffende gebied. Plaats het monster voorzichtig samen met de onderliggende glasschuif direct onder de inspringer en klik vervolgens op de knop Contact om automatisch contact tussen de indruklichaam en het monsteroppervlak te starten. Schat op basis van de gemeten monsterdikte de verplaatsing van de indrukking door de dikte te vermenigvuldigen met de ingesprongen teststam.Typ de verplaatsingswaarden in het vak Verplaatsing. Stel de ontspanningstijd in op 180 seconden in het vak Verblijftijd en klik op de knop Inspringing. De verplaatsing en de reactiekracht tijdens de ramp/hold-procedure worden automatisch geregistreerd en opgeslagen in een bestand op het opgegeven bestandspad.Golfvoortplantingsbeelden voor de twee gelatinefantooms bij 40 en 50 hertz worden hier getoond. De vier fasen komen overeen met de vier temporele punten op één sinusoïdale cyclus. Visco-elastische eigenschappen gemeten uit MRE- en inkepingsexperimenten worden hier weergegeven.De representatieve afbeeldingen tonen typische geschatte G-prime en G-double prime kaarten op 40 en 50 hertz voor de twee gelatine phantoms van MRE. De gemiddelde en standaarddeviatie van de G-nul- en G-oneindigheidswaarden voor de twee phantoms van de zes herhaalde inkepingstests worden hier weergegeven. De grafische beelden op het scherm vertegenwoordigen de gemiddelde en standaarddeviatie van de G-priem- en G-dubbele priemwaarden bij 40 en 50 hertz voor de twee phantoms van de zes herhaalde MRE-tests.Het sterretje geeft een significant verschil aan. Wanneer u deze procedure probeert, moet u ervoor zorgen dat de trilplaat stevig op het fantoom wordt gedrukt en dat u de plaat niet te veel indrukt. Zorg er bij de behandeling van het monster voor dat het oppervlak zo vlak mogelijk is.Deze techniek maakt de weg vrij om biomechanische eigenschappen met betrekking tot pathologische studies te onderzoeken en biomechanica-gebaseerde biomarkers te ontwikkelen voor ziektediagnose en -prognose.

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

De procedure toont de methodologie van magnetische resonantie elastografie voor de controle op de gemanipuleerde uitkomst van vet-en osteogene weefselmanipulatieproduct constructies door middel van niet-invasieve lokale evaluatie van de mechanische eigenschappen met behulp van microscopische magnetische resonantie elastografie (μMRE).

Magnetic Resonance elastografie methodologie voor de evaluatie van Tissue Engineered Construct groei

Source: Feng, Y., et al. Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography. J. Vis. Exp. (2022) This video demonstrates the method of magnetic resonance elastography (MRE) for assessing tissue viscoelastic properties by analyzing shear wave propagation through a gelatin phantom, mimicking brain tissue. The process involves generating and capturing shear waves with magnetic resonance imaging or MRI and analyzing wave...

Magnetic Resonance Elastography for Assessing Viscoelastic Properties

Deeltjes volgen microrheology kunnen worden gebruikt om niet-destructieve kwantificeren en veranderingen in extracellulaire matrix mechanische eigenschappen in 3D tumormodellen ruimtelijk in kaart.

Longitudinale Meting van extracellulaire matrix stijfheid in 3D Tumor modellen met-Particle Tracking Microreologie

We presenteren een reeks technieken om de visco-elastische mechanische eigenschappen van de hersenen te karakteriseren op micro-, meso- en macro-schalen.

Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie

Weefselbiomechanica is belangrijk voor het behoud van celvorm en -functie en voor het bepalen van het fenotype. Dit rapport demonstreert niet-destructieve mechanische protocollen voor het karakteriseren van elastische en visco-elastische eigenschappen van menselijk zacht weefsel, die direct kunnen worden toegepast op weefsel-geëngineerde substraten om een nauwe overeenkomst van geëngineerde materialen met natuurlijk weefsel mogelijk te maken.

Biomechanische karakterisering van menselijke zachte weefsels met behulp van inspringen en Trekproeven

Hier beschrijven we een methode voor de vervaardiging van aneurysmal, aorta weefsel nabootsen spoken voor het gebruik in testen echografie elastography. Het gecombineerd gebruik van computer aided design (CAD) en 3-dimensionale (3D) afdrukken technieken produceren aorta phantoms met voorspelbare, complexe geometrieën voor het valideren van de elastographic imaging algoritmen met gecontroleerde experimenten.

Productie weefsel-nabootsen van abdominale Aorta Hydrogel Phantoms voor echografie Elastography validatie

Het protocol presenteert een complete workflow voor nano-indentatie-experimenten met zacht materiaal, inclusief hydrogels en cellen. Ten eerste zijn de experimentele stappen om krachtspectroscopiegegevens te verkrijgen gedetailleerd; vervolgens wordt de analyse van dergelijke gegevens gedetailleerd beschreven via een nieuw ontwikkelde open-source Python-software, die gratis te downloaden is van GitHub.

Experimentele en data-analyse workflow voor soft matter nano-indentatie

Dit protocol beschrijft de fabricage van een stabiel, biologisch relevant fantoommateriaal voor optische en akoestische biomedische beeldvormingstoepassingen, met onafhankelijk afstembare akoestische en optische eigenschappen.

Een stabiel fantoommateriaal voor optische en akoestische beeldvorming

Dit artikel belicht de werkzaamheid van de optische coherentie-elastografie (OCE)-techniek bij het snel en niet-destructief karakteriseren van elastische eigenschappen van biofilm. We verduidelijken kritische OCE-implementatieprocedures voor nauwkeurige metingen en presenteren Young's moduluswaarden voor twee granulaire biofilms.

Kwantificering van elastische eigenschappen van omgevingsbiofilms met behulp van optische coherentie-elastografie

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).

Anisotrope polyvinylalcohol fantoomfabricage voor echografieelastografie: procedure en kwaliteitscontroles

Ontdek visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met inkeping en magnetische resonantie-elastografie. Deze methoden helpen onderzoekers biomechanische eigenschappen in vivo en ex vivo te bestuderen.

Visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie (Video) | JoVE Journal

Visco-elastische karakterisering van zachte weefsel-nabootsende gelatinefantooms met behulp van inkeping en magnetische resonantie-elastografie

Meer video's verkennen