Protokół ten opisuje solidną, powtarzalną metodę wytwarzania anizotropowych fantomów poliwinylowych (PVA) — niezbędnych narzędzi do weryfikacji technik elastografii ultradźwiękowej skierowanej do mechanicznie anizotropowych tkanek miękkich (np. mięśni szkieletowych).
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Anizotropowa falogramowa produkcja poliwinylalkoholowa do elastografii ultradźwiękowej: procedura i kontrola jakości
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Fantomy poliwinylalkoholowe (PVA) są zazwyczaj izotropowe i szeroko stosowane do weryfikacji technik elastografii ultradźwiękowej w celu oceny tkanek miękkich. Jednak niektóre biologiczne tkanki miękkie (np. mięśnie szkieletowe) wykazują wyraźną anizotropię mechaniczną, co wymaga zastosowania anizotropowych fantomów PVA do rygorystycznych testów metod elastograficznych ukierunkowanych na te tkanki. Chociaż wcześniejsze badania wykazały, że wewnętrzne anizotropowe fantomy PVA mogą być wytwarzane za pomocą zintegrowanych cykli zamrożenia i rozmrażania (FTC), kluczowe szczegóły techniczne (np. proces produkcji, kontrola jakości) pozostają niewystarczająco udokumentowane. Praca ta przedstawia szczegółowy, powtarzalny protokół wytwarzania anizotropowych fantomów PVA, koncentrujący się na kluczowych materiałach, procesach krokowych oraz kontroli jakości indukujących stabilną, jednolitą anizotropię. Kluczowe materiały to PVA jako matryca fantomowa, sorbian potasu jako konserwant, cząstki grafitu jako rozpraszacze akustyczne oraz czysta woda (lub woda dejonizowana) jako rozpuszczalnik. Proces produkcji składa się z trzech kluczowych etapów: 1) Przygotowania jednorodnego roztworu na bazie PVA w kontrolowanych warunkach termicznych, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie PVA; 2) Utwardzanie za pomocą FTC: schłodzony roztwór jest wlewany do form drukowanych w 3D, a następnie nakładane FTC wolne do rozciągania, aby utworzyć strukturę wstępną; 3) Indukowanie anizotropii przez rozciągnięte FTC: dodatkowe FTC wykonywane są pod kontrolowanym rozciąganiem, aby wywołać anizotropię kierunkową. Szczegółowo opisano środki kontroli jakości (np. unikanie pęcherzyków powietrza podczas rozpuszczania PVA). Po wykonaniu stosuje się ultradźwiękowe obrazowanie falami ścinanymi (SWI) oraz badania jednoosiowe w celu potwierdzenia anizotropii mechanicznej fantoma. Niniejszy artykuł przedstawia ustandaryzowane podejście do wytwarzania anizotropowych fantomów naśladujących tkanki, aby zweryfikować techniki elastografii ultrasonograficznej z większą dokładnością i spójnością.
Wprowadzenie
Niektóre biologiczne tkanki miękkie (np. mięśnie szkieletowe) wykazują makroskopową anizotropię mechaniczną, która wynika z ich wyrównanej mikrostrukturalnej architektury1. Konkretnie, tkanki łączne organizują włókna mięśniowe w hierarchiczną strukturę: endomyzium otacza pojedyncze włókna, perymyzum łączy włókna w pęczki, a epimys otacza cały mięsień, wspierając przekazywanie siły i dostarczanie składników odżywczych2. Techniki elastografii opartej na ultrasonografii, takie jak obrazowanie falami ścinającymi (SWI), są szeroko stosowane do oceny mięśni 3,4. Jednak anizotropowe właściwości mechaniczne mięśnia teoretycznie powodują propagację fal ścinającejzależną od kierunku 5, co komplikuje ilościową identyfikację sztywności mięśnia6. Mechanicznie anizotropowe fantomy naśladujące tkanki są niezbędne do postępu w ultrasonografii w ocenie mięśni.
Poliwinylalkohol (PVA) jest idealnym materiałem dla takich fantomów, ponieważ utrzymanie mechanicznego rozciągnięcia podczas cykli zamarzania/rozmrażania (FTC) ustawia łańcuchy molekularne PVA, indukując tym samym anizotropię mechaniczną 7,8. Konwencjonalne podejścia wykorzystujące proste prostosłupy PVA przy niedostatecznym rozciąganiu często prowadzą do niejednorodnych odkształceń spowodowanych poślizgiem powierzchni, co ogranicza powtarzalność. To ograniczenie można rozwiązać, stosując zoptymalizowaną geometrię fantomową z pierścieniami uchwytowymi na końcach, co zapewnia niezawodne rozciąganie i równomierny rozkład odkształceń9 — co znacząco podnosi jakość anizotropowych fantomów PVA. W tym badaniu przedstawiamy szczegółową wizualną demonstrację wytwarzania takich anizotropowych fantomów PVA oraz potwierdzamy ich mechaniczną anizotropię za pomocą testów rozciąganych SWI i jednoosiowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
UWAGA: Następujące kroki przedstawiono na rysunku 1.
1. 3D druk formy widmowej
- Korzystając z oprogramowania do modelowania 3D, zaprojektuj geometrię fantomową tak, aby zawierała dwa pierścienie trzymające (po jednym na każdym końcu) do utrzymania rozciągania, z efektywnym centralnym obszarem 35 mm × 60 mm × 5 mm (długość × szerokość × wysokość), aby zapewnić równomierną indukcję anizotropii.
- Wydrukuj formę na drukarce 3D.
UWAGA: Pierścienie trzymające zapobiegają ślizgowi podczas rozciągania, zapewniając równomierne rozłożenie naprężeń. Wszystkie pliki druku 3D (.stl) są udostępnione w Pliku Uzupełniającym 1.
2. Przygotowanie roztworu PVA
- Waż proszek PVA (10 masy), sorbian potasu (1 masa%) oraz cząstki grafitu (1 masa, średnica ~6,5 μm) i mierz odpowiadającą objętość czystej wody (zalecana jest woda dejonizowana), aby przygotować objętość partii ~200 mL.
- Połącz proszek PVA z czystą wodą w zlewce, umieść zlewkę na magnetycznej mieszadłowce wyposażonej w mieszankę mieszającą, przykryj zlewkę folią aluminiową i mieszaj z prędkością ~600 obr./min w temperaturze pokojowej przez 10 minut, aż PVA zostanie całkowicie rozproszone.
- Przełóż zlewkę do kąpieli wodnej o temperaturze 80 °C i kontynuuj podgrzewanie, aż PVA całkowicie się rozpuści (co potwierdza przezroczysty, wolny od cząstek roztwór).
UWAGA: Podczas ogrzewania nosz rękawice odporne na wysoką temperaturę i odzież ochronną przed oczami, aby zapobiec oparzeniom termicznym. Upewnij się, że nie pozostaną żadne nierozpuszczone cząstki PVA, ponieważ mogą one zaburzyć jednorodność fantomową.
3. Dodawanie dodatków i odlewanie
- Schłodzić roztwór do ~40 °C, mieszając dalej z prędkością ~600 obr./min na mieszadle magnetycznym.
- Usuń folię aluminiową, dodaj sorbian potasu i cząstki grafitu, ponownie przykryj folią i mieszaj z prędkością ~600 obr./min, aż dodatki zostaną równomiernie rozproszone (wizualnie potwierdzić jednorodny rozkład).
- (Opcjonalnie) Odgazuj roztwór PVA, aby usunąć pozostałości pęcherzyków powietrza. Umieść zlewkę zawierającą mieszany roztwór w komorze próżniowej i przystosuj próżnię przez około 30 minut, aby usunąć pęcherzyki powietrza z roztworu PVA.
- Odlew roztwór do formy drukowanej 3D i złóż formę za pomocą śrub.
UWAGA: Unikaj wprowadzania pęcherzyków powietrza podczas rzutu. Delikatnie stuknij w formę, jeśli to konieczne, aby usunąć uwięzione pęcherzyki powietrza wewnątrz roztworu.
4. Początkowa FTC dla krzepnięcia PVA
- Włóż formę do zamrażarki o temperaturze −20 °C na 12 godzin.
- Wyjmij formę z zamrażarki i rozmraź w temperaturze pokojowej (20 °C) przez 12 godzin.
- Ostrożnie odklej fantoma, aby zapobiec uszkodzeniom.
UWAGA: Ten etap tworzy izotropowy fantom zasady, zapewniając stabilną podstawę dla kolejnej indukcji anizotropii.
5. Indukowanie anizotropii za pomocą rozciągniętych FTC
- Umieść fantoma na specjalnie wykonanym urządzeniu rozciągającym, stopniowo rozciągaj go do 180% efektywnej długości (80% odkształcenia rozciągającego), ręcznie mierz odległość rozciągania i blokuj urządzenie, aby zapobiec cofaniu się.
- Przenieś cały rozciągający urządzenie (z przymocowanym fantomem) do zamrażarki o temperaturze −20 °C na 12 godzin, a następnie rozmrażaj w temperaturze pokojowej (20 °C) przez 12 godzin.
- Powtórz ten cykl FTC jeszcze raz pod długotrwałym rozciąganiem.
UWAGA: Specjalnie wykonane urządzenie rozciągające składa się z komercyjnie dostępnego, dwukierunkowego, przeciwnie nawtorowego liniowego stopnia połączonego z dwoma 3D drukowanymi uchwytami fantomowymi, dla których pliki STL są udostępnione w Pliku Uzupełniającym 1. Noś izolowane rękawice ochronne przed zimnem, aby uniknąć odmrożenia podczas wyjmowania urządzenia rozciągającego z zamrażarki o temperaturze −20 °C. Długotrwałe rozciąganie podczas FTC ustawia łańcuchy molekularne PVA jednokierunkowo. Łączna liczba FTC zastosowana w tym badaniu: jeden cykl bez rozciągania + dwa cykle rozciągnięte (80% odkształcenia rozciągającego).
6. Ostateczne wydanie i przechowywanie
- Po ostatnim kroku rozmrażania FTC delikatnie zwolnij urządzenie rozciągające, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym odrzutem.
- Usuń widmo z urządzenia rozciągającego. Anizotropowy fantom PVA jest teraz kompletny.
- Przechowuj fantoma zanurzonego w wodzie w szczelnie zamkniętym plastikowym pojemniku w temperaturze 4 °C.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Rysunek 2A przedstawia schemat pełnego procesu wytwarzania, obejmujący przygotowanie roztworu PVA, formowanie, wstępny cykl FTC bez rozciągania, rozformowanie oraz późniejsze cykle FTC z rozciąganiem. Stosując proponowany protokół, wykonaliśmy dwa anizotropowe fantomy z PVA, odpowiednio do elastografii fali poprzecznej (SWI) oraz jednowymiarowych prób rozciągania. Badanie SWI przeprowadzono przy użyciu badawczego systemu ultradźwiękowego wyposażonego w głowicę L7-4 (częstotliwość środkowa: 5...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Sukces tego protokołu zależy od uzyskania pełnego, jednorodnego rozpuszczenia PVA oraz utrzymania stałego rozciągania podczas cykli zamrażania i rozmrażania (FTC) — są to dwa krytyczne kroki niezbędne do wywołania stabilnej, jednorodnej anizotropii mechanicznej. Zastosowana tutaj receptura (tj. stężenie PVA, liczba cykli FTC i przyłożona odkształcenie rozciągające) została dobrana w celu wytworzenia anizotropowych fantomów PVA o sztywności mieszczącej się w zakresie fizjologicznym tkanki mięśniowej. Warto zauważyć, że sz...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do zgłoszenia.
Podziękowania
Badanie to zostało wsparte przez Pekińską Fundację Nauk Przyrodniczych (nr 1254038). Autorzy pragną podziękować prof. Wei-Ning Lee z Uniwersytetu Hongkońskiego za pomoc przy badaniu ultradźwiękowym falą ścinającą.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Bilans analityczny | OHAUS | AX224 | Waga analityczna z kalibracją wewnętrzną, pojemność 220 g, czytelność 0,1 mg |
| Dwukierunkowy, liniowy stopień z przeciwnym gwintem | Taobao | Nie ma | Zakres ruchu 250 mm dla każdego gwintu, używany do wykonania specjalnie wykonanego urządzenia rozciągającego |
| Drukarka 3D FDM | Laboratorium Bambu | X1 Carbon | Używany do drukowania formy fantomowej, a także uchwytów fikcyjnych dla specjalnie wykonanego urządzenia rozciągającego |
| FreeCAD | Społeczność FreeCAD Open-Source | Nie ma | Wersja 0.22.0, używana do projektowania formy fantomowej oraz mocowań do trzymania widma w specjalnie wykonanym urządzeniu rozciągającym |
| Cząstki grafitowe | MREDA | M151649 | Cząstki grafitowe, czystość 99,95%, siatka 2000 (~6,5 um), używane jako rozpraszacze akustyczne, 1% pod względem wagi |
| Magnetyczny pręt mieszający | Corning | 401435 | Magnetyczny pręt mieszający powlekany PTFE, 1 x 3/8 cala, do mieszania roztworu PVA |
| Mieszadła magnetyczna | IKA | 25005927 | Podstawowa mieszadła bezpieczeństwa RCT z funkcją podgrzewania |
| Alkohol poliwinylowy | MACKLIN | P81584 | Alkohol poliwinylowy, Mw 89000-98000, w 95% hydrolizowany, używany jako matryca fantomowa, 10% wagowo |
| Sorbian potasu | Sigma-Aldrich | 85520 | Sorbian potasu,≥ 99,0% czystości, używane jako konserwant, 1% wagowo |
| Etap obrotu | Newport | URS50BPP | Używany do obracania sondy ultradźwiękowej w teście obrazowania fal ścinających dla kątów wielokątnych sond (0 i stopni; :2 i stopni; :90 stopni i stopni) |
| Uniwersalna maszyna testująca jednokolumnowa | Instron | Model 5944 | Używany do jednoosiowych testów rozciągania, czujnik siły 50 N |
| Badawczy System USG | Werasonics | Vantage 256 | Sonda L7-4 używana do przeprowadzania testów obrazowania fal ścinanych (częstotliwość centralna: 5,2 MHz) |
| Kąpiel wodna | POROSTY | HH-2 | Cyfrowy wyświetlacz w kąpieli wodnej o stałej temperaturze, 2 otwory w pojedynczym rzędzie, do ogrzewania i rozpuszczania roztworu PVA |
Bibliografia
- Fung, Y. C. . Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).
- Sherwood, L. . Fundamentals of human physiology. , (2011).
- Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review. Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).
- Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).
- Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array. IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).
- Gennisson, J. L., et al. Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).
- Chatelin, S., et al. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization. Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).
- Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).
- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography. J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
