Magnetycznie wspomagane, zdalnie sterowane ugięcie końcówki mikrocewnika w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego

Summary

Prąd stosowany do wewnątrznaczyniowego mikrocewnika z końcówką mikrocewki wykonaną za pomocą litografii tokarki laserowej może osiągać kontrolowane odchylenia pod kontrolą rezonansu magnetycznego (MR), co może poprawić szybkość i skuteczność nawigacji naczyń krwionośnych podczas różnych zabiegów wewnątrznaczyniowych.

Abstract

Zabiegi wewnątrznaczyniowe pod kontrolą fluoroskopii rentgenowskiej mają kilka istotnych ograniczeń, w tym utrudnioną nawigację cewnika i użycie promieniowania jonizującego, które potencjalnie można pokonać za pomocą magnetycznie sterowanego cewnika pod kontrolą MR.

Głównym celem tej pracy jest opracowanie mikrocewnika, którego końcówka może być zdalnie sterowana za pomocą pola magnetycznego skanera MR. Protokół ten ma na celu opisanie procedur doprowadzania prądu do mikrocewnika zakończonego mikrocewką w celu uzyskania spójnych i kontrolowanych odchyleń.

Mikrocewka została wytworzona za pomocą litografii tokarki laserowej na cewniku wewnątrznaczyniowym z poliimidem. Badania in vitro przeprowadzono w kąpieli wodnej i fantomie naczynia pod kierunkiem systemu rezonansu magnetycznego 1,5 T wykorzystującego sekwencjonowanie w stanie ustalonym (SSFP). Do cewek mikrocewnika przyłożono różne ilości prądu, aby wytworzyć mierzalne ugięcia końcówki i nawigację w fantomach naczyniowych.

Rozwój tego urządzenia stanowi platformę do przyszłych testów i możliwość zrewolucjonizowania wewnątrznaczyniowego środowiska interwencyjnego rezonansu magnetycznego.

Introduction

Zabiegi wewnątrznaczyniowe wykonywane w medycynie interwencyjnej wykorzystują naprowadzanie rentgenowskie jako narzędzie do nawigacji cewnika przez naczynia krwionośne w leczeniu kilku poważnych chorób, takich jak tętniak mózgu, udar niedokrwienny, guzy lite, miażdżyca i zaburzenia rytmu serca u ponad miliona pacjentów rocznie na całym świecie^1-5. Za pomocą środków kontrastowych nawigacja po naczyniach krwionośnych odbywa się poprzez ręczne obracanie cewnika i mechaniczne przesuwanie ręką interwenta⁶. Jednak poruszanie się po małych krętych naczyniach krwionośnych wokół wielu zagięć naczyniowych staje się coraz trudniejsze, wydłużając czas do dotarcia do miejsca docelowego. Stanowi to problem w przypadku zabiegów, w których liczy się czas, takich jak usunięcie skrzepu w niedrożnym naczyniu krwionośnym. Dodatkowo, długotrwałe procedury zwiększają dawkę promieniowania i stwarzają możliwość wystąpienia zdarzeń niepożądanych^7-11. Rozwiązaniem mogą być jednak zabiegi wewnątrznaczyniowe wykonywane w ramach rezonansu magnetycznego.

Silne jednorodne pole magnetyczne skanera MRI może być wykorzystane do nawigacji po końcówce cewnika za pomocą pilota^12,13. Prąd przyłożony do mikrocewki umieszczonej na końcówce cewnika indukuje mały moment magnetyczny, który doświadcza momentu obrotowego, gdy wyrównuje się z otworem skanera MRI¹³ (rysunek 1). Jeśli prąd elektryczny jest aktywowany w pojedynczej cewce, końcówka cewnika może być odchylana w jednej płaszczyźnie za pomocą pilota. Jeśli trzy cewki na końcówce cewnika są zasilane, ugięcie końcówki cewnika można uzyskać w trójwymiarze. W związku z tym magnetycznie ułatwione sterowanie cewnikiem może potencjalnie zwiększyć szybkość i skuteczność nawigacji naczyniowej w zabiegach wewnątrznaczyniowych, co może skrócić czas zabiegu i poprawić wyniki leczenia pacjentów. W tym badaniu sprawdziliśmy, czy prąd przyłożony do cewnika wewnątrznaczyniowego zakończonego mikrocewką może powodować niezawodne i kontrolowane odchylenia pod kontrolą MR jako wstępne testy badań nawigacji cewnika.

Protocol

1. Produkcja mikrocewek

1. Zaopatrzyć się w dostępny na rynku mikrocewnik (np. cewnik nerwowo-naczyniowy 2,3F Rapid Transit Cordis, Raynham, MA) jako substrat.
2. Upewnij się, że cewniki nie zawierają składników żelaznych, są uważane za bezpieczne dla MR i mają rozmiar 2,3-3,0 F.
3. Rozpyl tytanową warstwę adhezyjną, a następnie warstwę ziarna miedzi na rurkę izolacyjną o średnicy zewnętrznej od 1 do 2 mm. Możliwe materiały to poliimid lub tlenek glinu (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Elektroosadzanie dodatniej warstwy fotorezystu za pomocą PEPR-2400 firmy Shipley (obecnie sprzedawanej przez DOW Chemical pod nazwą Intervia 3D-P). Elektroosadzanie powoduje powstanie jednolitej powłoki na niepłaskiej powierzchni cylindrycznej.
5. Fotorezystor jest naświetlany przez unikalny laserowy system bezpośredniego zapisu (tokarka laserowa, niekomercyjny system opracowany w Lawrence Livermore National Laboratory) we wzorze pożądanej formy cewki (rysunek 2A). Jest to modyfikacja techniki pierwotnie opisanej w Malba et al.¹⁴
6. Naświetlony fotorezystu wywołać w 1% roztworze węglanu potasu o temperaturze 35 °C.
7. Miedź jest galwanizowana przez pozostałą maskę rezystancyjną w celu utworzenia żądanej cewki. System może wytwarzać zarówno elektromagnesy, jak i miedziane wzory Helmholtza (tor wyścigowy) (rysunki 2C i 2D).
8. Po elektroosadzaniu miedzi usuń rezystor za pomocą gorącego wywoływacza. Usuń warstwę zarodkową miedzi, a następnie warstwę adhezyjną tytanu.
9. Przymocuj rurkę izolacyjną do końcówki cewnika za pomocą folii termokurczliwej, aby zakończyć montaż. Upewnij się, że folia termokurczliwa zakrywa całą zwinięta końcówkę. Aby zmontować cewniki wieloosiowe, umieść struktury rurek izolacyjnych jeden w drugim, jak pokazano na rysunku 2E.
10. Przeciągnij druty miedziane przez światło mikrocewnika i do cewek na końcówce.
11. Zmodyfikuj i skróć telefoniczny RJ11 o długości 6 stóp do 3 stóp.
12. Podłącz miedziane przewody wychodzące z tylnej piasty mikrocewnika do zmodyfikowanej linii transmisyjnej gniazda telefonicznego o długości 3 stóp.

2. Konfiguracja kąpieli wodnej

1. Zrób mały otwór na środku boku plastikowej umywalki około 5 cm od dna.
2. Włożyć osłonkę naczyniową 9F Avanti Cordis (Cordis Endovascular, Miami Lakes, FL) przez otwór.
3. Przeciąć dystalną końcówkę osłonki naczyniowej, pozostawiając kawałek o długości 4 cm sięgający do miski.
4. Na końcu osłony zamocuj obrotową zastawkę hemostatyczną lub Thuoy-Borst, aby ustabilizować położenie mikrocewnika.
5. Napełnij miskę wodą destylowaną, zapewniając całkowite zanurzenie urządzenia.
6. Przełóż cewnik ze zwiniętą końcówką przez osłonkę naczyniową i zastawkę.
7. Zmierzyć i zapisać nieograniczoną długość mikrocewnika rozciągającego się od zaworu do łaźni wodnej.
8. Umieść łaźnię wodną z systemem mikrocewnika w magnesie skanera MR i zorientuj się w stosunku do otworu magnesu.
9. Podłącz zmodyfikowany telefoniczny o długości 3 stóp podłączony do cewnika do linii transmisyjnej telefonicznego RJ11 o długości 25 stóp za pomocą 2-kierunkowego gniazda telefonicznego.
10. Podłącz drugi koniec telefonicznego o długości 25 stóp do podwójnie regulowanego zasilacza Lambda LPD-422A-FM, aby dostarczyć do urządzenia prąd o natężeniu do 1 A.
11. Umieść linie transmisyjne przez falowód i źródło zasilania na zewnątrz pomieszczenia skanera MR poza linią 5 Gaussa.

3. Konfiguracja fantomu statku

1. Zbuduj fantom pustego naczynia z przecięciem w kształcie litery Y z gumowej rurki przed eksperymentami.
2. Napełnij fantom naczynia 0,0102 M roztworem dimegluminu gadopentetatu (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) w wodzie destylowanej, aby stworzyć kontrast między naczyniami fantomowymi a tłem.
3. Zmontuj system mikrocewnika zgodnie z opisem w krokach od 1.1 do 1.9. Podłącz cewnik do zasilania i ustaw go zgodnie z opisem w krokach od 2.9 do 2.11.
4. Umieść końcówkę mikrocewnika u podstawy otworu naczynia.
5. Umieść fantom w magnesie skanera MR i zorientuj się w stosunku do otworu magnesu.

4. Rezonans magnetyczny

1. Wykonywanie obrazowania za pomocą klinicznego systemu MR 1,5 T (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Niemcy; Philips Achieva, wersja oprogramowania 2.1, Cleveland, OH).
2. Zastosuj prąd <50 mA, aby uwidocznić położenie końcówki cewnika. W przypadku rezonansu magnetycznego na końcówce cewnika zostanie wytworzony mały moment magnetyczny, aby uwidocznić wyraźny artefakt o różnym kształcie w zależności od tego, które cewki są zasilane.
3. Przyłóż zmienne ilości prądu w zakresie ±100 mA z podwójnego źródła zasilania Lambda do cewek i obserwuj ugięcie końcówki (rysunki 3A-3C) w konfiguracji łaźni wodnej. Ponieważ ugięcie końcówki jest prawie natychmiastowe, prąd musi być przyłożony tylko przez ~ 1-2 sekundy, aby zobaczyć maksymalne ugięcie.
4. Powtarzaj i nagrywaj kolejne aplikacje o ustalonej wartości prądu.
5. Powtórzyć krok 4.2, jednocześnie popychając cewnik ręką, umożliwiając mechaniczne przesuwanie się przez fantom naczynia (rysunki 4A i 4B). Przyłóż prąd w punkcie rozgałęzienia, aby odchylić końcówkę cewnika do żądanego naczynia. Wsuń cewnik do naczynia odgałęzionego, ręcznie popychając koniec cewnika (Rysunek 4C). Cofnij cewnik do rozwidlenia naczynia i powtórz w przeciwległym odgałęzieniu (ryc. 4D).
6. Pozyskiwanie obrazów MR za pomocą sekwencji 2D snapshot-FLASH (TR=30 ms, TE=1,4 ms, matryca 256 x128 i kąt odwrócenia ~30°).

5. Pomiary ugięcia

Analizuj i mierz odchylenia kątowe obrazów zarejestrowanych podczas eksperymentów w kąpieli wodnej za pomocą różnych aplikacji komputerowych (dowolna przeglądarka Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)).

Results

Z protokołu opisanego powyżej, kąt odchylenia powinien być obserwowany między 0 a 90 stopniami przy zastosowaniu 50-300 mA prądu dostarczanego jednocześnie do obu cewek połączonego elektromagnesu i systemu mikrocewnika cewki Helmholtza (Rysunek 2E). Wzrost przyłożonego prądu powinien spowodować wzrost kąta odchylenia mikrocewnika, podczas gdy odwrócenie polaryzacji prądu powinno spowodować ugięcie w dokładnie przeciwnym kierunku, jak obserwowano w przypadku prądu dodatniego (rysunki 5A-5C

Discussion

W tym miejscu opisujemy protokół odchylania mikrocewnika w skanerze MR. Kluczowymi parametrami sukcesu są dokładne zastosowanie prądu i pomiar kąta odchylenia. Niedokładny pomiar kąta odchylenia jest najbardziej prawdopodobnym błędem napotkanym w tym protokole. Kąty uchwycone na obrazach MR podczas eksperymentu w kąpieli wodnej mogą różnić się od wartości rzeczywistych ze względu na niewielkie różnice w orientacji, według której medium jest ustawione w stosunku do otworu magnesu. Aby rozwiązać ten problem w przyszłości, ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
GdDTPA Środki kontrastowe (Magnevist)	Bayer HealthCare Pharmaceuticals Inc.	1240340	McKesson Numer materiału
Dodatni Fotorezystor	Shipley	N/A	PEPR-2400, zamiennik: Dow Chemicals Intervia 3D-P
Siarczan miedzi	ScienceLab	SLC3778	Forma krystaliczna
Kwas siarkowy	ScienceLab	SLS1573	50% w/w roztwór
Parrafin Wax	Carolina	879190
Węglan potasu	Acros Organics	424081000