Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego

2.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/63770

⸱

10 maja 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia demonstrację i podsumowanie protokołów tworzenia fantomów żelatynowych, które naśladują tkanki miękkie, oraz odpowiadającą im charakterystykę lepkosprężystą za pomocą elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego.

Streszczenie

Charakterystyka właściwości biomechanicznych miękkich tkanek biologicznych jest ważna dla zrozumienia mechaniki tkanek i zbadania związanych z biomechaniką mechanizmów chorób, urazów i rozwoju. Metoda badań mechanicznych jest najprostszym sposobem charakterystyki tkanek i jest uważana za weryfikację pomiaru in vivo. Wśród wielu technik badań mechanicznych ex vivo, test wgnieceń zapewnia niezawodny sposób, szczególnie w przypadku próbek, które są małe, trudne do utrwalenia i lepkosprężyste, takie jak tkanka mózgowa. Elastografia rezonansu magnetycznego (MRE) jest klinicznie stosowaną metodą pomiaru właściwości biomechanicznych tkanek miękkich. Na podstawie propagacji fali poprzecznej w tkankach miękkich zarejestrowanych za pomocą MRE, właściwości lepkosprężyste tkanek miękkich można oszacować in vivo na podstawie równania falowego. W tym przypadku właściwości lepkosprężyste fantomów żelatynowych o dwóch różnych stężeniach mierzono za pomocą MRE i wgłębienia. Przedstawiono protokoły wytwarzania fantomów, testowania i szacowania modułu.

Wprowadzenie

Większość miękkich tkanek biologicznych wydaje się mieć właściwości lepkosprężyste, które są ważne dla zrozumienia ich uszkodzenia i rozwoju1,2. Ponadto właściwości lepkosprężyste są ważnymi biomarkerami w diagnostyce różnych chorób, takich jak zwłóknienie i nowotwory3,4,5,6. W związku z tym kluczowe jest scharakteryzowanie właściwości lepkosprężystych tkanek miękkich. Wśród wielu stosowanych technik charakteryzacji dwie szeroko stosowane metody to badania mechaniczne ex vivo próbek tkanek oraz elastografia in vivo z wykorzystaniem obrazowania biomedycznego.

Chociaż do charakterystyki tkanek miękkich użyto różnych technik testowania mechanicznego, wymagania dotyczące wielkości próbki i warunków testowania nie są łatwe do spełnienia. Na przykład w badaniu ścinaniem próbki muszą być mocno zamocowane między płytami ścinanymi7. Badanie dwuosiowe jest bardziej odpowiednie dla tkanki błonowej i ma określone wymagania dotyczące zaciskania8,9. Test kompresji jest powszechnie stosowany do testowania tkanek, ale nie może scharakteryzować określonych pozycji w jednej próbce10. Test wgniecenia nie ma dodatkowych wymagań dotyczących utrwalenia próbki tkanki i może być używany do pomiaru wielu próbek tkanek biologicznych, takich jak mózg i wątroba. Ponadto, przy małej głowicy wgłębnika, można było przetestować właściwości regionalne w próbce. W związku z tym zastosowano testy wgłębień do testowania różnych tkanek miękkich1,3,11.

Scharakteryzowanie właściwości biomechanicznych tkanek miękkich in vivo jest ważne dla badań translacyjnych i klinicznych zastosowań biomechaniki. Najczęściej stosowanymi technikami są metody obrazowania biomedycznego, takie jak obrazowanie ultrasonograficzne (US) i rezonans magnetyczny (MR). Chociaż obrazowanie USG jest stosunkowo tanie i łatwe do przeprowadzenia, cierpi z powodu niskiego kontrastu i jest trudne do zmierzenia w narządach, takich jak mózg. Zdolna do obrazowania głębokich struktur, elastografia MR (MRE) może mierzyć różne tkanki miękkie6,12, zwłaszcza brain13,14. Dzięki zastosowanym wibracjom zewnętrznym MRE może mierzyć właściwości lepkosprężyste tkanek miękkich z określoną częstotliwością.

Badania wykazały, że przy 50-60 Hz moduł ścinania normalnego mózgu wynosi ~1,5-2,5 kPa5,6,13,14,15 i ~2-2,5 kPa dla prawidłowej wątroby16. W związku z tym fantomy żelatynowe, które mają podobne właściwości biomechaniczne, są szeroko stosowane do naśladowania tkanek miękkich w celu testowania i walidacji17,18,19. W tym protokole przygotowano i przetestowano fantomy żelatynowe o dwóch różnych stężeniach. Właściwości lepkosprężyste fantomów żelatynowych scharakteryzowano za pomocą specjalnie skonstruowanego elektromagnetycznego urządzenia MRE14 oraz urządzenia do wgłębiania1,3. Protokoły testowe mogą być wykorzystywane do badania wielu tkanek miękkich, takich jak mózg czy wątroba.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie fantoma żelatynowego

  1. Odważ żelatynę, glicerol i wodę zgodnie z Tabelą 1. Wymieszaj proszek żelatynowy z wodą, aby otrzymać roztwór żelatyny.
    UWAGA: Stężenia poszczególnych składników do przygotowania dwóch fantomów przedstawiono w Tabeli 1. Im wyższe stężenie żelatyny, tym sztywniejszy jest fantom.
  2. Podgrzej roztwór żelatyny do 60 °C w kąpieli wodnej. Dodaj glicerol do roztworu żelatyny, utrzymując stałą temperaturę.
    UWAGA: Glicerol stabilizuje mieszaniny żelatynowe poprzez zwiększenie ich temperatury topnienia i modułu ścinania17.
  3. Zamieszaj roztwór i ponownie podgrzej go do 60 °C. Przelej zmieszany roztwór do pojemnika, który zostanie wykorzystany w testach MRE i testach wgniatania. Schłodź roztwór do temperatury pokojowej i odczekaj do jego stężenia.

2. Test MRE

  1. Umieść płytę wibracyjną na wierzchu fantoma żelatynowego. Upewnij się, że kontakt między fantomem a płytą wibracyjną jest stabilny (Rycina 1A).
    UWAGA: Płyta wibracyjna jest wykonana z poliamidu i ma wymiary 50 x 50 x 5 mm3.
  2. Umieść fantom żelatynowy w cewce głowowej. Wypełnij przestrzeń wokół fantoma żelatynowego gąbkami i workami z piaskiem, aby upewnić się, że fantom jest stabilnie osadzony. Użyj specjalnie zbudowanego siłownika elektromagnetycznego z prętem przenoszącym14,18. Zamontuj siłownik elektromagnetyczny na cewce głowowej. Połącz pręt przenoszący z płytą wibracyjną (Rycina 1B).
  3. Podłącz linie zasilające siłownika do wzmacniacza. Podłącz linie sterujące do kontrolera (Rycina 1C).
  4. Ustawienia parametrów siłownika i skanowania MRI
    1. Ustaw kształt fali, częstotliwość wibracji i amplitudę w generatorze funkcji. Ustaw pożądaną amplitudę wibracji, regulując wzmacniacz mocy.
      UWAGA: W tym przypadku w generatorze funkcji ustawiono falę sinusoidalną; częstotliwość wibracji ustawiono na 40 Hz lub 50 Hz, a amplitudę na 1,5 Vpp. We wzmacniaczu mocy współczynnik wzmocnienia ustawiono na 40%.
    2. Ustaw generator funkcji tak, aby pracował w trybie wyzwalania. Podłącz linię wyzwalającą do zewnętrznego portu wyzwalania urządzenia MRI.
    3. Ustaw częstotliwość skanowania MRE (siłownika) taką samą jak w generatorze funkcji, aby gradient kodowania ruchu był zsynchronizowany z ruchem płyty wibracyjnej.
  5. Pomiar i analiza danych
    1. Postępuj zgodnie z rutynowymi procedurami pozycjonowania obrazowania. Do obrazowania fantoma żelatynowego użyj sekwencji MRE opartej na 2D gradientowym echu (GRE)20. Ustaw parametry obrazowania GRE-MRE w następujący sposób: Kąt odchylenia = 30°; TR/TE = 50/31 ms; Pole widzenia = 300 mm; Grubość warstwy = 5 mm; Rozmiar woksela = 2,34 x 2,34 mm2.
    2. Zmierz obrazy fazowe w czterech punktach czasowych w jednym cyklu sinusoidalnym. W każdym punkcie czasowym zastosuj zarówno dodatnie, jak i ujemne gradienty kodowania ruchu.
    3. Na podstawie pozyskanych obrazów fazowych usuń fazę tła poprzez odjęcie obrazów fazy kodowanej dodatnio i ujemnie. Rozwiń fazę za pomocą algorytmu opartego na sortowaniu niezawodności21.
    4. Wyodrębnij główną składową ruchu, stosując szybką transformatę Fouriera do rozwiniętych obrazów fazowych. Przefiltruj obraz fazowy za pomocą cyfrowego filtra pasmowo-przepustowego. Oszacuj moduł ścinania za pomocą algorytmu 2D bezpośredniej inwersji (DI), aby uzyskać moduł zachowawczy G' i moduł strat G''13,14.
      ​UWAGA: Częstotliwość odcięcia filtra pasmowo-przepustowego wynosi [0,04 0,08]. Rozmiar okna dopasowania algorytmu DI wynosi 11 x 11.

3. Test wgniecenia

  1. Używając wycinaka kolistego lub skalpela chirurgicznego, przytnij fantom żelatynowy do odpowiednio cylindrycznego lub prostopadłościennego kształtu próbki. Upewnij się, że grubość próbki wynosi od 3 do 10 mm, a średnica próbki cylindrycznej lub dłuższy bok prostopadłościanu jest większa niż 4 mm. Użyj ostrego ostrza, aby wyrównać powierzchnię próbki, czyniąc ją jak najgładszą przed procesem indentacji.
  2. Włącz zasilanie twardościomierza (indentatora). Wykonaj następujące czynności, korzystając z programu sterującego indentatorem, zaprojektowanego do automatyzacji procedury kontaktu indentatora (program autorski; patrz Tabela materiałów).
    1. Kliknij przycisk Back off w interfejsie użytkownika, aby zainicjować proces kalibracji (Rysunek 2B). Odczytaj wartość z czujnika laserowego i wpisz ją w polu BaseLine.
      UWAGA: Podczas procesu kalibracji odległość między czujnikiem laserowym a płytą ograniczającą jest dostosowywana do konkretnej, zdefiniowanej wartości.
    2. Umieść szkiełko przedmiotowe na płycie ograniczającej i zapisz wartość wyświetlaną przez czujnik laserowy. Następnie połóż próbkę na szkiełku i umieść je razem na płycie ograniczającej. Odczytaj wartość z czujnika laserowego i wpisz ją w polu Sample+Slide.
      UWAGA: Czujnik laserowy służy do rejestrowania przemieszczenia podczas indentacji, ale jest on również wykorzystywany do pomiaru grubości próbki przed testem.
    3. Oblicz różnicę między dwiema wartościami uzyskanymi w kroku 3.2.2; będzie ona stanowić grubość próbki w obszarze zainteresowania (ROI).
    4. Ostrożnie umieść próbkę wraz z podkładającym ją szkiełkiem bezpośrednio pod indentatorem, a następnie kliknij przycisk Contact, aby zainicjować automatyczny kontakt między indentatorem a powierzchnią próbki.
      UWAGA: Jeśli automatyczny kontakt jest niesatysfakcjonujący (np. indentator zbyt głęboko wciska się w próbkę lub nie nawiązuje kontaktu), skoryguj pozycję indentatora, wpisując w polu Offset wartość z zakresu 0,05-0,1 mm, a następnie powtórz kroki 1.2.1-1.2.4.
    5. Na podstawie zmierzonej grubości próbki (krok 3.2.3) oszacuj przemieszczenie indentacji (tj. całkowitą głębokość wgłębienia), mnożąc grubość przez odkształcenie testowe indentacji (tutaj ustawione na ≤8%, aby utrzymać indentację w ramach założenia małych odkształceń).
    6. Wpisz wartości przemieszczenia (krok 3.2.5) w polu Displacement (mm). Ustaw czas relaksacji na 180 s w polu Dwell Time. Kliknij przycisk Indentation. Przemieszczenie i siła reakcji podczas procedury ramp-hold zostaną automatycznie zarejestrowane i zapisane w pliku we wskazanej Ścieżce pliku (File Path).
      UWAGA: Ścieżka pliku (File Path) może być zdefiniowana wcześniej jako miejsce zapisu danych z testu.
  3. Wyeksportuj dane z indentacji do arkusza kalkulacyjnego. Użyj dwuczłonowego szeregu Prony'ego Równanie zaniku G(t); analiza statyczna; formuła matematyczna dopasowania danych; zastosowanie edukacyjne., aby dopasować krzywą relaksacji siły1,3,11:
    Równanie szybkości reakcji chemicznej; formuła matematyczna; analiza naukowa; badanie kinetyczne.
  4. Oszacuj chwilowy moduł ścinania (G0) oraz długookresowy moduł ścinania (G∞) na podstawie dopasowanych parametrów:
    Równowaga statyczna z równaniem \(G_0 = \sum_{i=1}^3 C_i, G_\infty = C_0\) w formie schematu.
    UWAGA: W powyższych równaniach C0, Ci oraz τi są parametrami modelu szeregu Prony'ego, F to siła indentacji, R to promień indentatora, X to współczynnik kompensacji dla założenia nieskończonej półprzestrzeni, V to prędkość indentacji, t to zmienna czasu, a tR to czas rampy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Zgodnie z protokołem MRE, w fantomach żelatynowych zaobserwowano wyraźną propagację fal poprzecznych przy częstotliwościach 40 i 50 Hz (Rysunek 3). Właściwości wiskoelastyczne zmierzone za pomocą MRE oraz testy wgniecenia przedstawiono w Rycina 4Szacunkowe wartości G' i G" dla każdego fantomu podczas każdego badania zostały zestawione w Tabela 2Zgodnie z protokołem indentacji, właściwości wiskoelastyczne każdego fantomu w każdym punkcie pomiarow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Fantomy żelatynowe są powszechnie stosowane jako materiały naśladujące tkanki do testowania i walidacji algorytmów i urządzeń 17,19,22,23,24,25,26,27. Jedno z pionierskich badań wykorzystujących fantom żelatyny do porównania MRE i dynamicznego badania ścina...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Podziękowania

Potwierdzamy wsparcie finansowe od Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (grant 31870941), Fundacji Nauk Przyrodniczych w Szanghaju (grant 22ZR1429600) oraz Komisji Nauki i Technologii Gminy Szanghaj (grant 19441907700).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
24-kanałowa głowica & Cewka na szyjęUnited Imaging Healthcare100120
Sprzęt Skaner MR 3TUnited Imaging HealthcareuMR 790
Płyta akwizycyjnasprzętu Advantech CoPCI-1706USprzęt
Komputer-WindowsSprzętHP790-07
Siłownik elektromagnetycznySzanghaj Jiao Tong UniversityEquipment
Generator funkcyjnyRIGOLDG1022ZSprzęt
ŻelatynaCARTE D'OROdczynnik
GlicerolVance Bioenergy Sdn.BhdOdczynnik
Indenter Program kontrolnyzaprojektowaneoprogramowanie; dostęp przez: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.
Czujnik laserowyPanasonicHG-C1050Sprzęt
Technika przetwornika ogniwa obciążnikowegoGSO-10Sprzęt
MATLABMathworksSoftware
Wzmacniacz mocy YamahaA-S201Sprzęt
Silnik elektryczny cewki drgającejSMAC CorporationDB2583Sprzęt
specjalnie

Bibliografia

  1. Qiu, S., et al. Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model. Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463(2020).
  2. Garcia, K. E., et al. Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).
  3. Qiu, S., et al. Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation. Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).
  4. Yin, Z., et al. A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas. European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).
  5. Streitberger, K. -J., et al. How tissue fluidity influences brain tumor progression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128(2020).
  6. Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. REVIEW: MR elastography of brain tumors. NeuroImage: Clinical. 25, 102109(2020).
  7. Namani, R., et al. Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004(2012).
  8. Potter, S., et al. A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011(2018).
  9. Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501(2015).
  10. Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).
  11. Chen, Y., et al. Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties. Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).
  12. Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications. NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891(2018).
  13. Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field. British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265(2021).
  14. Qiu, S., et al. An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy. NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592(2021).
  15. Hiscox, L. V., et al. Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain. Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).
  16. Seyedpour, S. M., et al. Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review. Frontiers in Physiology. 12, 733393(2021).
  17. Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime. Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).
  18. Feng, Y., et al. A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography. Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).
  19. Zeng, W., et al. Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation. IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).
  20. Wang, R., et al. Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction. Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).
  21. Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path. Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).
  22. Gordon-Wylie, S. W., et al. MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition. Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).
  23. McGarry, M., et al. Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies. Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006(2019).
  24. Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587(2021).
  25. Ozkaya, E., et al. Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680(2021).
  26. Guidetti, M., et al. Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483(2021).
  27. Badachhape, A. A., et al. The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021(2017).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Badanie wg bieniemmechanika tkanek mi kkichszacowanie modu u cinaniaw a ciwo ci biomechanicznemateria y imituj ce tkankiobrazowanie propagacji falbadania mechaniczne
Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.