Konwekcja sterowana obrazem w modelach mózgu z żelu agarozowego

Podsumowanie

Wspomaganie konwekcji (CED) zostało zaproponowane jako opcja leczenia szerokiego zakresu chorób neurologicznych. Aby przygotować pracowników służby zdrowia do przyjęcia CED, potrzebne są dostępne modele szkoleniowe. Opisujemy zastosowanie żelu agarozowego jako takiego modelu ludzkiego mózgu do testów, badań i treningu.

Streszczenie

Wspomaganie konwekcji (CED) zostało zaproponowane jako opcja leczenia szerokiego zakresu chorób neurologicznych. Cewnik neuroinfuzyjny CED pozwala na przepływ objętościowy pod dodatnim ciśnieniem w celu dostarczenia większych ilości leków do celu wewnątrzczaszkowego niż tradycyjne metody dostarczania leków. Kliniczna użyteczność CED pod kontrolą rezonansu magnetycznego w czasie rzeczywistym (rCED) polega na możliwości dokładnego ukierunkowania, monitorowania terapii i identyfikacji powikłań. Dzięki treningowi rCED jest skuteczny, a powikłania mogą być zminimalizowane. Model mózgu z żelu agarozowego stanowi dostępne narzędzie do testowania, badań i szkolenia CED. Symulowany mózg rCED umożliwia ćwiczenie pozorowanej operacji, zapewniając jednocześnie wizualną informację zwrotną na temat infuzji. Analiza infuzji pozwala na obliczenie frakcji dystrybucyjnej (Vd/Vi), co pozwala na weryfikację podobieństwa modelu w porównaniu do ludzkiej tkanki mózgowej. W tym artykule opisano nasz fantom mózgu z żelem agarozowym i przedstawiono ważne wskaźniki podczas infuzji CED i protokoły analizy, jednocześnie odnosząc się do typowych pułapek, z jakimi spotyka się podczas infuzji CED w leczeniu chorób neurologicznych.

Wprowadzenie

Wspomaganie konwekcji (CED) zostało zaproponowane jako opcja leczenia szerokiego spektrum zaburzeń neurologicznych, w tym złośliwych guzów mózgu, epilepsji, zaburzeń metabolicznych, chorób neurodegeneracyjnych (takich jak choroba Parkinsona)¹, udaru mózgu i urazów². CED wykorzystuje przepływ objętościowy pod dodatnim ciśnieniem do dystrybucji leku lub innego infuzjatu. CED zapewnia bezpieczne, niezawodne i jednorodne dostarczanie związków o masie cząsteczkowej, od niskiej do wysokiej, w klinicznie istotnych ilościach³. Tradycyjne dostarczanie leków do tkanki mózgowej jest poważnie ograniczone przez barierę krew-mózg⁴. Utworzona przez ścisłe połączenia między komórkami śródbłonka, które tworzą naczynia włosowate w mózgu, bariera krew-mózg blokuje polarne i cząsteczki o dużej masie cząsteczkowej przed wejściem do miąższu mózgu. Bezpośrednia infuzja śródmiąższowa mózgu za pośrednictwem CED może przezwyciężyć ograniczenia poprzednich metod terapeutycznych dostarczania leków i umożliwia stosowanie środków terapeutycznych, które nie przekraczają bariery krew-mózg, a zatem były wcześniej niedostępne jako realne opcje leczenia⁵.

Badacze z amerykańskiego National Institutes of Health (NIH) opisali CED na początku lat 90. jako sposób na osiągnięcie większych stężeń leków terapeutycznych niż przez samą dyfuzję^6-8. Pierwsze metody CED polegały na wszczepieniu jednego lub więcej cewników do mózgu, podłączeniu pompy infuzyjnej do cewnika i pompowaniu środków terapeutycznych bezpośrednio do docelowego obszaru. Stwierdzono, że zwiększona frakcja dystrybucyjna i stosunkowo stabilne stężenie występują, ponieważ nadciśnienie wytwarzane przez pompę infuzyjną powoduje rozszerzenie tkanek i umożliwia przenikanie leku⁹.

Podstawowa technika CED pozostaje w dużej mierze taka sama, jak została opisana. Postępy w projektowaniu cewników¹⁰, technice infuzji^{11, monitorowaniu} ciśnienia w linii 2 i monitorowaniu MRI w czasie rzeczywistym w celu skorygowania przesunięcia mózgu ^12,13, optymalizacji wielokrotnych infuzji współliniowych¹⁴ i monitorowania utraty wlewu¹⁵ zwiększyły bezpieczeństwo i skuteczność leczenia¹⁰. Dodatkowe znaczenie położono na konstrukcję cewnika i strategię infuzji, w tym szybkość przepływu. Skuteczna CED, z ograniczonym refluksem cewnikowym i uszkodzeniem tkanek, jest skorelowana z konstrukcją cewnika i szybkością infuzji. Użycie cewnika o wąskiej średnicy i niskiej szybkości infuzji w celu ograniczenia przepływu wstecznego wzdłuż granicy mózg-cewnik, a także ograniczenia uszkodzeń na końcówce cewnika¹⁶. Obrazowanie MR zapewnia wizualne potwierdzenie prawidłowego miejsca założenia cewnika infuzyjnego, a tym samym podania leku, a także pozwala na korekcję refluksu infuzyjnego lub nieprawidłowego podania¹⁷. Obrazy MR mogą być również wykorzystywane do przybliżania i śledzenia objętości dystrybucji (Vd) podawanego leku. Vd oblicza się przy użyciu wartości natężenia sygnału obrazowania MR większej niż trzy odchylenia standardowe powyżej średniej z otaczającego żelu bez infuzji jako progu segmentacji¹⁸. Vd jest użytecznym pomiarem dla CED, ponieważ reprezentuje objętość leku rozprowadzanego w mózgu. Wraz z objętością podanego leku (Vi) można wygenerować stosunek (Vd/Vi) określający ilościowo objętość objętą podawanym lekiem.

Fantomy żelu agarozowego naśladują kilka kluczowych właściwości mechanicznych ludzkiego mózgu, ważnych dla zrozumienia CED, takich jak: Vd, interakcje żel-cewnik, właściwości poroelastyczne i morfologia chmur infuzyjnych¹⁰. Wykazano, że mieszaniny 0,2% żelu agarozowego naśladują in vivo zmiany w lokalnej frakcji porów spowodowane rozszerzeniem żelu z powodu CED. Podobna frakcja porów do ludzkiego mózgu sprzyja podobnym interakcjom i dokładnym pomiarom Vd¹⁹. Ponadto podobne stężenia żeli agarozowych, takie jak 0,6% i 0,8%, wykazały podobne profile ciśnienia infuzji w mózgu²⁰. Co więcej, półprzezroczyste żele agarozowe zapewniają przewagę w postaci wizualizacji w czasie rzeczywistym umieszczania cewnika i refluksu infuzyjnego. Fantomy żelu agarozowego są stosunkowo niedrogie w produkcji. Koszt fantomów z żelu agarozowego może być kluczem do przyszłego powszechnego szkolenia w zakresie chirurgii neurologicznej. Ze względu na te właściwości żele agarozowe stanowią użyteczny substytut, replikując wiele kluczowych atrybutów naparów z ludzkiego mózgu bez użycia tkanki mózgowej.

Jak stwierdzono powyżej, obrazowe CED w modelach żelu agarozowego dostarcza korzystnej metody in vitro do testowania, badań i szkolenia. Celem tego artykułu jest opisanie jak odtworzyć fantomy żelu agarozowego, nakreślenie odpowiednich protokołów testowania i analizy CED oraz zajęcie się typowymi błędami napotykanymi podczas infuzji CED w leczeniu chorób neurologicznych.

Protokół

1. Przygotowanie fantomów żelowych i barwników

1. Przygotuj 0,2% żel agarozowy, rozpuszczając 2 g 0,1% proszku agarozy w 1,000 ml wody dejonizowanej. Mieszaj roztwór przez około 1 minutę, aby zapewnić prawidłowe wymieszanie; i natychmiast podgrzewaj roztwór w kuchence mikrofalowej w odstępach 3-minutowych przez 9 minut lub do momentu, aż będzie klarowny, mieszając między przerwami.
2. Gdy żel agarozowy jest płynny, wlej roztwór do pojemników o wymiarach 5 cm x 5 cm x 5 cm. Pozostaw miejsce w górnej części pojemnika, aby dodać wodę i pozwól żelowi agarozowemu ostygnąć i osiąść.
3. Gdy żel agarozowy zastygnie (około 1-2 godziny), dodaj 1 cm wody na wierzch żelu i wstaw do lodówki. Żel najlepiej zużyć w ciągu 24-48 godzin od wymieszania, ale można go przechowywać do tygodnia w lodówce¹⁰.
4. Przygotować radiokontrastowy barwnik w strzykawce o pojemności 60 ml składającej się z 50 ml 0,017% niebieskiego barwnika bromofenolowego (BPB) i 2 mM radioaktywnego środka kontrastowego gadoteridolu.
   1. Połącz 8,5 mg barwnika BPB z 50 ml wody dejonizowanej, aby uzyskać 0,017% roztwór BPB.
   2. Dodać 0,2 ml bulionu 0,5 M gadoteridolu do 50 ml 0,017% roztworu BPB, aby uzyskać 2 mM roztwór gadoteridolu.

2. Przygotowanie systemu infuzyjnego

1. System infuzyjny z pompą strzykawkową (preferowana metoda): W celu przygotowania pompy strzykawkowej należy podłączyć cewnik infuzyjny bezpośrednio do strzykawki za pomocą czujnika ciśnienia, zmniejszając martwą objętość linii infuzyjnej. Funkcja przedmuchiwania pompy strzykawkowej może być wykorzystana do oczyszczenia przewodu powietrza za pomocą bolusa większego niż objętość zasysająca cewnika z szybkością 10 μl/min.
2. System infuzyjny z pompą rurkową (metoda alternatywna): Podłączyć strzykawkę zawierającą barwnik z kontrastem radiowym do pompy infuzyjnej. Podłącz czujnik ciśnienia do wylotu pompy za pomocą przetwornika podłączonego do monitora dożylnego. Podłączyć cewnik infuzyjny 16 G do otwartego końca czujnika ciśnienia. Uwaga: Końcówka cewnika infuzyjnego 16 G ma średnicę wewnętrzną 0,2 mm i zewnętrzną 0,35 mm. Końcówka wykonana jest ze stopionej krzemionki, a długość końcówki wynosi 3 mm. Zwiększa się do około 0,75 mm i kontynuuje przez 15 mm, a następnie cewnik zwiększa się w sposób zwężający do 1,6 mm lub 16 G.
3. Przygotować się do infuzji, przepłukując system przez około 15 minut z prędkością 16,667 μl/min w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. Nie przekraczaj natężenia przepływu 16.667 μl/min, ponieważ urządzenie przestanie infuzji z powodu wysokiego ciśnienia w przewodzie. Po podłączeniu cewnika infuzyjnego do przewodu wychodzącego z pompy infuzyjnej, należy oczyścić przewody z powietrza za pomocą funkcji "Bolus" na pompie infuzyjnej.
4. Przymocować mocowanie cewnika infuzyjnego i ramkę trajektorii do pojemnika fantomowego z żelem (5 cm x 5 cm x 5 cm) i umieścić w rezonansie magnetycznym.

3. Infuzja żelu CED i skanowanie MR

1. Wyzeruj wartość ciśnienia (mmHg) zarejestrowaną przez monitor dożylny przed rozpoczęciem infuzji.
2. Wprowadzić cewnik infuzyjny do żelu agarozowego przy pompie infuzyjnej pracującej z najmniejszym możliwym natężeniem przepływu, w tym przypadku 1,667 μl/min.
3. Rozpocznij badanie MR, stosując parametry wymienione w Tabeli 1, i kontynuuj podawanie z szybkością 1,667 μl/min. Wypełniaj żel ze stałą szybkością, aż całkowita objętość wlewu osiągnie 60 μl (około 38 min).
4. Skanuj żel w sposób ciągły w odstępach 3 minut i 50 sekund. Zapisuj odczyty ciśnienia co 60 sekund. Gdy objętość podanej infuzji osiągnie 60 μl, wyłącz pompę infuzyjną; i zakończ skanowanie MR, kontynuując rejestrowanie odczytów ciśnienia.

4. Analiza danych MR

1. Do analizy obrazów MR należy użyć odpowiedniej przeglądarki DICOM z funkcją segmentacji ROI.
2. Wybierz właściwą ramkę w każdym skanie oznaczoną przekrojem poprzecznym cewnika, jak pokazano na rysunku 1.
3. Za pomocą narzędzia "ROI - prostokąt" wybierz największą porcję żelu, która nie obejmuje żadnej części miejsca infuzji. Oprogramowanie wyświetli średnią gęstość pikseli z odchyleniem standardowym. Znajdź wartość odpowiadającą trzem odchyleniom standardowym od średniej. Ta wartość jest używana jako próg do określenia, kiedy występuje kontrast z ufnością 99,7%.
4. Za pomocą narzędzia "ROI - okrąg" okrąż miejsce infuzji wystarczająco dużym okręgiem i nadaj mu unikalną nazwę.
5. Wybierz okrąg i za pomocą narzędzia "ROI - ustaw wartości pikseli na", wprowadź wartość progową znajdującą się w kroku 4.3 w polu "jeśli bieżąca wartość jest większa niż:" i zaznacz tylko tę linię. Następnie w polu "do tej nowej wartości:" wprowadź dużą wartość (25 000). Zresetuj gęstość pikseli, aby wybrać obszar objęty wcześniej zdefiniowanym progiem.
6. Następnie, korzystając z narzędzia "ROI - region wzrostu (segmentacja 2D/3D)", wybierz region uprawy 2D, algorytm ufności z początkowym parametrem promienia = 2 i szczotkuj ROI. Kliknij wewnątrz miejsca infuzji, aby oprogramowanie obliczyło całkowitą powierzchnię tego obszaru.
7. Zakładając sferyczną chmurę infuzyjną, oblicz objętość dyfuzji z obszaru za pomocą następującego równania: V= 4/3π(√(Obszar/π)⁾³

Wyniki

Interpretacja i analiza infuzji CED obejmuje kilka istotnych czynników, takich jak frakcja dystrybucji i refluks infuzatu. Obliczenie frakcji dystrybucji w dużym stopniu zależy od wyznaczenia Vd. Dlatego krytyczna jest dokładna interpretacja obrazów MR. Proponujemy półautomatyczną metodę wiarygodnego powielania opisanych powyżej pomiarów. Metody te obiektywnie określają pole przekroju poprzecznego chmury infuzatu oraz przybliżony promień. Chociaż jest to zmienne, w żelu agarozowym chmura infuzji często miała kształt sfer...

Dyskusja

Kluczowymi krokami zapewniającymi powodzenie infuzji są: oczyszczenie przewodu infuzyjnego z powietrza, wymieszanie żelu agarozowego, analiza danych MR, użycie małych średnic cewnika wewnętrznego, zastosowanie cewnika schodkowego w celu zminimalizowania przepływu wstecznego oraz zminimalizowanie ciśnienia odczuwanego przez żel lub tkankę, do której podawany jest lek. Jak wspomniano wcześniej, główną szkodą dla powodzenia naparu jest powietrze w przewodzie infuzyjnym. Prawidłowe i dokładne oczyszczenie przewodu infuzyjneg...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Radiowe środki kontrastowe	Prohance	Bracco
Niebieski barwnik bromofenolowy	Biorad	161-0404	Barwnik do wizualizacji infuzjatu
Żel agarozowy w proszku	Biorad	161-3101EDU	Proszek agarozowy do tworzenia żeli
Monitor parametrów życiowych Medrad			bezpieczny ciśnieniomierz infuzyjny
16 G Cewnik SmartFlow	Cewnik infuzyjny	SurgiVision
System infuzyjny Medrad Continuum MR	Bezpieczna pompa infuzyjna	Medrad
SMART Frame MRI Ramka sterowana trajektorią	Ramka cewnika infuzyjnego	ClearPoint
obrazowania Osirix i przeglądarka DICOM	Oprogramowanie		Osirix 32-bitowa przeglądarka DICOM

Gadoteridol Veris MR MR Oprogramowanie do do obrazowania