Budowa przedklinicznego fantomu multimodalnego z wykorzystaniem materiałów naśladujących tkanki w celu zapewnienia jakości w pomiarze wielkości guza

Summary

Ten artykuł opisuje wewnętrzne procedury konstruowania przedklinicznego fantomu multimodalnego wykonanego z materiałów naśladujących tkanki (TM) do zapewnienia jakości (QA) pomiaru wielkości guza w metodach obrazowania zwierząt, takich jak ultrasonografia (US), tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MRI).

Abstract

Grupy robocze Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) i Kryteriów Oceny Odpowiedzi w Guzach Litych (RECIST) opowiedziały się za standaryzacją kryteriów oceny radiologicznej guzów litych w odpowiedzi na terapię przeciwnowotworową odpowiednio w latach 80. i 90. Kryteria WHO mierzą guzy lite w dwóch wymiarach, podczas gdy pomiary RECIST wykorzystują tylko jeden wymiar, który jest uważany za bardziej powtarzalny ^{1, 2, 3,4,5}. Kryteria te są szeroko stosowane jako jedyny biomarker obrazowania zatwierdzony przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) ⁶. W związku z tym, aby dokładnie zmierzyć odpowiedź guza na leki przeciwnowotworowe na obrazach, potrzebne są solidne procedury zapewnienia jakości (QA) i odpowiadający im fantom QA.

Aby zaspokoić tę potrzebę, autorzy skonstruowali przedkliniczny fantom multimodalny (dla ultrasonografii (US), tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI)) przy użyciu materiałów naśladujących tkanki (TM) w oparciu o ograniczoną liczbę docelowych zmian wymaganych przez RECIST, modyfikując komercyjny fantom ⁷ Gammex US. Dodatek w Lee i wsp. Demonstruje procedury wytwarzania fantomów ⁷. W tym artykule wszystkie protokoły są wprowadzane krok po kroku, począwszy od procedur przygotowania form silikonowych do odlewania obiektów testowych symulujących nowotwór w fantomie, następnie przygotowania materiałów TM do obrazowania multimodalnego, a na końcu budowy przedklinicznego fantomu QA multimodalności. Podstawowym celem tego artykułu jest dostarczenie protokołów, które umożliwią każdemu zainteresowanemu samodzielne skonstruowanie fantomu do własnych projektów. Procedury kontroli jakości do pomiaru wielkości guza oraz wyniki pomiarów RECIST, WHO i objętości obiektów testowych wykonanych w wielu instytucjach przy użyciu tego fantomu QA są szczegółowo przedstawione w Lee i wsp. ^{Rozdział 8}.

Introduction

Ocena zmiany wielkości guza jest ważnym punktem końcowym dla oceny aktywności leków przeciwnowotworowych zarówno w zmniejszaniu się guza, jak i w progresji choroby ^{9, 10}. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) i kryteria oceny odpowiedzi w guzach litych (RECIST) to skodyfikowane metody anatomicznej oceny zmian nowotworowych w metodach obrazowania, takich jak ultrasonografia (USG), tomografia komputerowa (CT) lub rezonans magnetyczny (MRI). Dla kryteriów WHO oblicza się iloczyn maksymalnej średnicy guza i jego największej prostopadłej średnicy w płaszczyźnie poprzecznej dla obszarów docelowych ⁴. Natomiast dla RECIST suma najdłuższych średnic w płaszczyźnie poprzecznej dla ograniczonej liczby docelowych zmian chorobowych jest obliczana ⁴. Pomimo stale rosnącego zainteresowania oceną odpowiedzi terapeutycznej nowotworu, nie przeprowadzono procedur przedklinicznego zapewnienia jakości (QA) fantom/QA dla biomarkera obrazowania.

Biorąc pod uwagę, że pomiar wielkości guza na podstawie kryteriów WHO i/lub RECIST jest jedynym biomarkerem obrazowania zatwierdzonym przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA), jako punkt wyjścia do kontroli jakości dla innych biomarkerów obrazowania, Lee i in. zaprojektowali i zbudowali fantomy UTHSCSA/Gammex Mark 1 i Mark 2 do kontroli jakości pomiaru wielkości guza we współpracy z Gammex Inc ⁷. Fantom Mark 1 był poprawioną wersją komercyjnego fantomu Gammex w USA, a zatem jego rozmiar był zbyt duży, aby zmieścić się w skanerach CT i MR dla zwierząt. Również niektóre narzędzia w fantomie Mark 1 były niepotrzebne do pomiaru wielkości guza. Fantom Mark 2 został zaprojektowany w oparciu o RECIST, który jest najnowszym biomarkerem obrazowania zatwierdzonym przez FDA. Jednak rozmiar fantomu Mark 2 był nadal zbyt duży dla skanerów MR, a jakość obrazu CT i MR fantomu była nie do przyjęcia dla dokładnego pomiaru wielkości guza ⁷.

Opisany tutaj fantom QA został przeprojektowany w celu przezwyciężenia niedociągnięć poprzednich fantomów i skonstruowany przy użyciu zmodyfikowanych materiałów naśladujących tkanki (TM) i protokołów opracowanych w naszym laboratorium. W artykule opisano szczegóły protokołów budowy fantomów: Po pierwsze, przedstawiono metody przygotowania form silikonowych potrzebnych do odlewania obiektów testowych symulujących guz oraz montażu rotatora do obracania fantomu w celu zapobieżenia sedymentacji grawitacyjnej. Po drugie, protokoły przygotowania materiałów TM zmodyfikowane w stosunku do D'Souza i wsp." s dla obrazowania USG, CT i MR opisano ¹¹. Właściwości fizyczne materiałów TM zostały przetestowane w każdej modalności, aby upewnić się, że materiały TM reprezentują ludzkie tkanki miękkie, jak zaobserwowano na obrazach uzyskanych za pomocą różnych modalności, ale wyniki nie są tutaj wyświetlane. Po trzecie, opisany jest protokół budowy fantomowej. Na koniec przedstawiono obrazy fantomu z USG, CT i MR jako wyniki.

Protocol

1. Projekt fantomowy

Rysunek przedklinicznego fantomu multimodalności jest pokazany na rysunku 1 ^{7, 8}. Rozmiar fantomu wynosi 38 mm średnicy i 115 mm długości, co pozwala na skanowanie fantomu w różnych skanerach zwierząt. Fantom zawiera pięć obiektów symulujących guz (średnica: 14, 10, 7, 4 i 2 mm) umieszczonych na głębokości 10 mm wewnątrz fantomu.

2. Budowa formy silikonowej

Formy silikonowe są przygotowane do odlewania obiektów testowych symulujących nowotwór, jak opisano w tej sekcji ⁷. Wszystkie płyty i pręty akrylowe potrzebne do przygotowania form silikonowych są cięte z dokładnością do 25 μm w warsztacie mechanicznym w Centrum Nauk o Zdrowiu Uniwersytetu Teksańskiego w San Antonio (UTHSCSA).

1. Wykonaj pięć otworów (średnica: 14, 10, 7, 4, 2 mm) na badane obiekty i kolejne pięć otworów (średnica: 6 mm) na pręty wyrównujące w dwóch akrylowych płytach podstawy (rozmiar: 4,2 cm × 11,5 cm × 0,9 cm) (Rysunek 2A).
2. Wytnij pary dystansów o wysokości 7, 5, 3,5, 2 i 1 mm (rozmiar: 1,0 cm × 5,5 cm) (Rysunek 2B).
3. Przygotuj kulki stalowe (średnica: 14, 10, 7, 4 i 2 mm, dokładność: 2,5 μm).
4. Umieść kolejno dwie pary dystansów o wysokości 7 mm i płytę podstawy na cienkiej płycie akrylowej i dokręć je za pomocą zacisków C (Rysunek 2C).
5. Włóż stalową kulkę o średnicy 14 mm do 14-milimetrowego otworu w płycie podstawy i przyklej ją za pomocą J-B KWIK (rysunek 2C). Powtórz procedury dla pozostałych kulek (rysunek 2D) i dla drugiej płyty podstawy. Należy pamiętać, że stalowe kulki w dwóch płytach podstawy są sklejone jako odbicia lustrzane ⁷.
6. Przymocuj cztery płytki akrylowe o wysokości 2,5 cm (rozmiar: 2,5 cm × 11,5 cm dla dwóch płyt i 2,5 cm × 4,2 cm dla kolejnych dwóch płyt) na każdej podstawie za pomocą taśmy maskującej, takiej jak ogrodzenia (Rysunek 3A).
7. Przymocuj górną płytę (rozmiar: 4,2 cm × 11,5 cm, pięć otworów o średnicy 0,8 cm, dziesięć otworów o średnicy 1,2 cm) w jednym z zespołów płyty podstawy, aby włożyć pięć prętów akrylowych (średnica: 0,8 cm i długość: 0,5 cm) z końcówkami 1 mm i włożenie pięciu prętów wyrównujących (średnica: 0,9 cm i długość: 5,0 cm) i wlać silikon (rysunek 3A).
8. Włóż pręty akrylowe do otworów o średnicy 0,8 cm w górnej płycie aż do górnej części stalowych kulek i przyklej je za pomocą kleju silikonowego. Następnie włóż pręty wyrównujące do otworów w płycie podstawy przez większe otwory w płycie górnej (Rysunek 3A).
9. Zmieszać część A mieszanki kauczuku silikonowego z częścią B w stosunku wagowym 10 do 1.
10. Wlej mieszankę kauczuku silikonowego do zespołu i susz zespół w temperaturze pokojowej przez około 24 godziny (Rysunek 3B).

3. Zespół rotatora

Rotator jest przygotowany z rury PVC i silnika rożna.

1. Szlifuj koniec, aby pasował do otworu silnika rożna.
2. Przykręć uziemiającą do końca rury PVC (długość: 270 mm i średnica wewnętrzna: 75 mm) za pomocą nakrętki i podkładki.
3. Zegnij metalowe płytki i przyklej je do plastikowej płytki za pomocą J-B KWIK, aby podeprzeć rurę PVC i wyregulować wysokość rury PVC ⁷.

4. Przygotowanie materiału TM

Protokoły przygotowania materiałów TM są zmodyfikowane w stosunku do tych opracowanych w laboratorium dr Ernesta L. Madsena na Uniwersytecie Wisconsin w Madison, a więcej szczegółów znajduje się w Lee et al. ^8,11.

4.1 Przygotowanie materiału TM w tle

1. Przepuść dostępne w handlu mleko pełne (200 cm³) przez filtry siatkowe 20 μm, a następnie 10 μm.
2. Rozpuścić tiomersal (0,2 g) w przefiltrowanym mleku (100 cm3).
3. Za pomocą odkurzacza domowego odgazowuj ten roztwór mleka przez 30 sekund w temperaturze pokojowej.
4. Rozpuścić suchą agarozę (2 g) w wodzie dejonizowanej (18 MΩ) (100 cm3) w temperaturze pokojowej.
5. Następnie dodać 1-propanol (7,9 cm3) i BaSO₄ (1 g) do roztworu agarozy.
6. Odgazować roztwór agarozy, a następnie podgrzać go w łaźni wodnej o temperaturze 95 °C, aż roztwór agarozy się przejrzy.
7. Podczas gdy roztwór agarozy klaruje się w łaźni wodnej o temperaturze 95 °C, podgrzej mleko skondensowane w łaźni wodnej o temperaturze 55 °C.
8. Przenieść stopiony roztwór agarozy do łaźni wodnej o temperaturze 55 °C w celu ostygnięcia.
9. Gdy oba roztwory osiągną temperaturę 55 °C, zmieszać roztwór agarozy (50 cm³) z mlekiem skondensowanym (50 cm³) w stosunku 50 do 50 objętości i powoli mieszać mieszaninę, a następnie usunąć pęcherzyki powietrza z powierzchni.
10. Następnie dodać EDTA (0,103 g) i CuCl₂·2H₂O (0,06 g) do mieszaniny agarozy i mleka, a następnie wymieszać w ilości wystarczającej do uzyskania jednorodności.
11. Na koniec dodać kulki szklane (średnica 15 - 60 μm, średnia średnica: 35 μm) (0,1 g) i kilkakrotnie mieszać końcową mieszankę. Przed użyciem namocz szklane kulki w stężonym kwasie azotowym na 24 godziny, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia, a następnie spłucz kwas.

4.2 Przygotowanie materiału TM obiektu testowego

Materiał TM obiektu testowego jest przygotowany w podobny sposób jak materiał TM tła, z wyjątkiem następujących różnic w składzie:

1. Przepuść dostępne w handlu mleko pełne (20 cm³) przez filtry siatkowe 20 μm, a następnie 10 μm.
2. Rozpuść tiomersal (0,02 g) w przefiltrowanym mleku (10 ml ln).
3. Suchą agarozę (0,60 g) rozpuścić w roztworze o temperaturze pokojowej wody dejonizowanej (10 cm3) i 1-propanolu (0,79 cm3).
4. Odgazować roztwór agarozy, a następnie podgrzać go w łaźni wodnej o temperaturze 95 °C, aż roztwór agarozy się przejrzy.
5. Podczas gdy roztwór agarozy klaruje się w łaźni wodnej o temperaturze 95 °C, podgrzej mleko skondensowane w łaźni wodnej o temperaturze 55 °C.
6. Przenieść stopiony roztwór agarozy do łaźni wodnej o temperaturze 55 °C.
7. Gdy oba roztwory osiągną temperaturę 55 °C, zmieszać roztwór agarozy (5 cm³) ze skondensowanym mlekiem (5 °C) i powoli mieszać mieszaninę, a następnie usunąć pęcherzyki powietrza z powierzchni.
8. Następnie dodać EDTA (0,0017 g) i CuCl₂·2H₂O (0,0010 g) do mleka agarozowego, a następnie odpowiednio wymieszać.

5. Multimodalny montaż fantomowy

Korzystając z silikonowych form, wykonuje się następujące kroki w celu skonstruowania fantomu multimodalności.

1. Na silikonowej formie bez otworów 1 mm przymocuj nylonową nić wzdłuż środka kulek i przyklej ją na obu końcach formy za pomocą kleju silikonowego (Rysunek 4A).
2. Za pomocą miękkiej szczotki nałóż smar silikonowy na powierzchnię dwóch form (Rysunek 4A) i zmontuj dwie formy za pomocą prętów wyrównujących.
3. Przygotować materiał TM obiektu testowego zgodnie z opisem w sekcji 4.2 i przelać go przez 1 mm otwory w silikonowej formie za pomocą igły lub strzykawki o rozmiarze 22.
4. Aby umożliwić zastygnięcie badanych obiektów, przechowuj foremki w lodówce (5 °C) przez około 30 minut.
5. Z każdej strony półcylindrycznego pojemnika (długość: 115 mm i średnica: 38 mm) należy wykonać dwa otwory o średnicy 1 mm na głębokości 10 mm od powierzchni fantomowej w celu zamontowania nici nylonowej z przedmiotami do badań. Wykonaj dodatkowy otwór o średnicy 6 mm, aby wylać materiał TM w tle.
6. Wyładuj badane obiekty za pomocą nylonowego gwintu z form (Rysunek 4B), a następnie zamontuj je w półcylindrycznym pojemniku (Rysunek 4C).
7. Za pomocą taśmy 3M Scotch-Weld DP-100 i taśmy klejącej 3M przyklej cienkie, nieprzewodzące aluminium (grubość: 0,12 mm) do akrylowego pojemnika. Zablokuj otwory o średnicy 1 mm w akrylowym pojemniku za pomocą tego samego kleju (Rysunek 4C).
8. Szybko przygotuj materiał tłem TM i powoli wlej go do 6 mm otworu w pojemniku za pomocą małego plastikowego lejka.
9. Po usunięciu wszelkich pęcherzyków powietrza przyklej otwór o średnicy 6 mm za pomocą 3M Scotch-Weld DP-100.
10. Po zmontowaniu obracaj fantom z prędkością 2 obr./min w rotatorze przez 4 do 5 godzin w temperaturze pokojowej.
11. Usuń nylonową nić po całkowitym stwardnieniu materiałów TM w fantomie.

6. Obrazowanie multimodalne

Fantom jest skanowany w przedklinicznym badaniu ultrasonograficznym, tomografii komputerowej i rezonansie magnetycznym, a obrazy w trzech modalnościach są pozyskiwane. Protokoły obrazowania są szczegółowo opisane w Lee i wsp. ^{7, 8}.

Results

Rysunek 3B i Rysunek 5 pokazują odpowiednio dwie silikonowe formy do odlewania obiektów testowych oraz fantom multimodalności. Długość × szerokość × głębokość każdej formy wynosi 109 mm × 37 mm × 21 mm, a dwie formy są identycznymi odbiciami lustrzanymi. Jedna forma ma otwory o średnicy 1 mm, w które można włożyć materiał TM za pomocą cienkiej igły. Każda forma posiada dodatkowe pięć otworów na pręty wyrównujące. Długość × szerokość × głębokość fantomu wynosi 115 mm × 38 mm × 24 mm, a je...

Discussion

Celem tego artykułu było przedstawienie metod wytwarzania materiałów TM do obrazowania multimodalnego oraz skonstruowanie przedklinicznego fantomu multimodalności jako narzędzia QA do dokładnego pomiaru wielkości guza przy użyciu różnych modalności w wielu instytucjach. Jak wcześniej wspomniano, materiały TM zostały pierwotnie opracowane przez laboratorium dr Ernesta L. Madsena na Uniwersytecie Wisconsin w Madison dla fantomu prostaty z wykorzystaniem metody wielokrotnego obrazowania. Zmodyfikowaliśmy protokoły materiało...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Odczynnik/Materiał
Rura PVC	NIE DOTYCZY	DOTYCZY	Home Depot
Śruba, nakrętka, podkładka i płytki metalowe	NIE	DOTYCZY NIE DOTYCZY	Home Depot
Płyty i pręty akrylowe	N/A	N/A Dostawa	tworzyw sztucznych w San Antonio, TX
Kulki stalowe	Nordex, Inc.	AEC-M2-2, -4, -7, -10 i -14	o średnicy 2, 4, 7, 10 i 14 mm
	Regulowany zacisk	1420-C	długości 2 cali
	3M Kleje i taśmy przemysłowe	2600
Taśma klejąca	3M Kleje i taśmy przemysłowe	S-3763SIL&	nbsp;
J-B KWIK	J-B WELD Co.	380238
Klej epoksydowy 3M Scotch-Weld	Kleje i taśmy przemysłowe 3M	DP-100
Smar silikonowy	Permatex, Inc.	22058
Klej silikonowy	DAP, Inc.	688
Mieszanka kauczuku silikonowego	Smooth-ON, Inc.	Smooth-SilTM950 Część A i B	A:B proporcje mieszania = 10:1 wagowo
Pędzel	N/A	N/A	Hobby Lobby
Strzykawka	Becton Dickinson	309604	10 ml
Igła	Becton Dickinson	305156	Lejek o długości 1,5 cala w rozmiarze 22
		Nie
Filtry siatkowe	Małe części, Inc.	CMN-0010-C i CMN-0020-C	10 i 20 μ m
Mleko pełne	N/A	N/A	HEB w San Antonio, TX
Tiomersal	Sigma-Aldrich Co.	T5125
Propanol	Sigma-Aldrich Co.	33538
EDTA	Sigma-Aldrich Co.	431788
CuCl2	Sigma-Aldrich Co.	459097
Agaroza	Sigma-Aldrich Co.	A0169
BaSO4	Sigma-Aldrich Co.	B8675
Koraliki szklane	Potters Industries, Inc.	3000E
PET/AL/LLDPE*	pechiney Plastic Packaging, Inc.	Materiał okładki	Pechiney Spec 151
			* Politereftalan etylenu / aluminium / liniowy polietylen o niskiej gęstości
< mocny > sprzęt< / mocny>
Silnik rożna	Brinkmann	812-7103-S	Home Depot
Łaźnia wodna 1	Precision, Inc.	Model: 282, Numer seryjny #: 601091552
Łaźnia wodna 2	VWR, Inc.	Model: 1212, Numer seryjny #: 08119606
Ultradźwiękowe	dźwięki wizualnesoniczne	Numer seryjny #: 770/120-259
CT	Gamma Medica-Ideas	Numer seryjny #: GR 0050
MRI	Bruker	Część #: W3301390, Numer seryjny #: 0030