Name: Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Poznaj metodę lepkosprężystej charakteryzacji fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego. Technika ta umożliwia badanie właściwości mechanicznych tkanek biologicznych in vivo i ex vivo.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Przygotowanie fantoma żelatynowego
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Test MRE
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Podłącz linie zasilające siłownika do wzmacniacza. Podłącz linie sterujące do kontrolera (Rycina 1C).</li>
	<li>Ustawienia parametrów siłownika i skanowania MRI
	<ol>
		<li>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%.</li>
		<li>Ustaw generator funkcji tak, aby pracował w trybie wyzwalania. Podłącz linię wyzwalającą do zewnętrznego portu wyzwalania urządzenia MRI.</li>
		<li>Ustaw częstotliwość skanowania MRE (siłownika) taką samą jak w generatorze funkcji, aby gradient kodowania ruchu był zsynchronizowany z ruchem płyty wibracyjnej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar i analiza danych
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Zmierz obrazy fazowe w czterech punktach czasowych w jednym cyklu sinusoidalnym. W każdym punkcie czasowym zastosuj zarówno dodatnie, jak i ujemne gradienty kodowania ruchu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Test wgniecenia
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Włącz zasilanie twardościomierza (indentatora). Wykonaj następujące czynności, korzystając z programu sterującego indentatorem, zaprojektowanego do automatyzacji procedury kontaktu indentatora (program autorski; patrz Tabela materiałów).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Oblicz różnicę między dwiema wartościami uzyskanymi w kroku 3.2.2; będzie ona stanowić grubość próbki w obszarze zainteresowania (ROI).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyeksportuj dane z indentacji do arkusza kalkulacyjnego. Użyj dwuczłonowego szeregu Prony'ego <img alt="Równanie zaniku G(t); analiza statyczna; formuła matematyczna dopasowania danych; zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/63770/63770eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 1">, aby dopasować krzywą relaksacji siły1,3,11: 
	<img alt="Równanie szybkości reakcji chemicznej; formuła matematyczna; analiza naukowa; badanie kinetyczne." src="/files/ftp_upload/63770/63770eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 2"></li>
	<li>Oszacuj chwilowy moduł ścinania (G0) oraz długookresowy moduł ścinania (G∞) na podstawie dopasowanych parametrów: 
	<img alt="Równowaga statyczna z równaniem \(G_0 = \sum_{i=1}^3 C_i, G_\infty = C_0\) w formie schematu." src="/files/ftp_upload/63770/63770eq03.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 3"> 
	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.</li>
</ol>

<ol><li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+characterization+of+injured+brain+tissue+after+controlled+cortical+impact+%28CCI%29+using+a+mouse+model%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model.</a> Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463(2020).</li>
<li>Garcia, K. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+patterns+of+cortical+expansion+during+folding+of+the+preterm+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+viscoelastic+properties+of+breast+cancer+tissue+in+a+mouse+model+using+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation.</a> Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).</li>
<li>Yin, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+quantification+and+3D+visualization+of+brain+tumor+adhesion+using+slip+interface+imaging+in+patients+with+meningiomas%5BTitle%5D)+AND+%22European+Radiology%22%5BJournal%5D)">A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas.</a> European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).</li>
<li>Streitberger, K. -J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+tissue+fluidity+influences+brain+tumor+progression%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">How tissue fluidity influences brain tumor progression.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128(2020).</li>
<li>Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((REVIEW%3A+MR+elastography+of+brain+tumors%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%3A+Clinical%22%5BJournal%5D)">REVIEW: MR elastography of brain tumors.</a> NeuroImage: Clinical. 25, 102109(2020).</li>
<li>Namani, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+characterization+of+transversely+isotropic+soft+materials+by+dynamic+shear+and+asymmetric+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004(2012).</li>
<li>Potter, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+small-specimen+planar+biaxial+testing+system+with+full+in-plane+deformation+control%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011(2018).</li>
<li>Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+method+for+the+analysis+of+planar+biaxial+mechanical+data+using+tethered+testing+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501(2015).</li>
<li>Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+flat+punch+indentation+methodology+calibrated+against+unconfined+compression+tests+for+determination+of+soft+tissue+biomechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+indentation+and+magnetic+resonance+elastography+for+measuring+viscoelastic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mechanica+Sinica%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties.</a> Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).</li>
<li>Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+elastography+of+liver+and+spleen%3A+Methods+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications.</a> NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891(2018).</li>
<li>Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harnessing+brain+waves%3A+a+review+of+brain+magnetic+resonance+elastography+for+clinicians+and+scientists+entering+the+field%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Radiolology%22%5BJournal%5D)">Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field.</a> British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265(2021).</li>
<li>Qiu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+electromagnetic+actuator+for+brain+magnetic+resonance+elastography+with+high+frequency+accuracy%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy.</a> NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592(2021).</li>
<li>Hiscox, L. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard-space+atlas+of+the+viscoelastic+properties+of+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain.</a> Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).</li>
<li>Seyedpour, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+magnetic+resonance+imaging+in+liver+biomechanics%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review.</a> Frontiers in Physiology. 12, 733393(2021).</li>
<li>Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+soft+gels%3A+comparison+of+magnetic+resonance+elastography+and+dynamic+shear+testing+in+the+shear+wave+regime%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime.</a> Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).</li>
<li>Feng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multi-purpose+electromagnetic+actuator+for+magnetic+resonance+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography.</a> Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).</li>
<li>Zeng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlinear+inversion+MR+elastography+with+low-frequency+actuation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).</li>
<li>Wang, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+magnetic+resonance+elastography+with+multiphase+radial+encoding+and+harmonic+motion+sparsity+based+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction.</a> Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).</li>
<li>Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+two-dimensional+phase-unwrapping+algorithm+based+on+sorting+by+reliability+following+a+noncontinuous+path%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path.</a> Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).</li>
<li>Gordon-Wylie, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+elastography+at+1+of+gelatin+phantoms+using+3D+or+4D+acquisition%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition.</a> Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).</li>
<li>McGarry, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uniqueness+of+poroelastic+and+viscoelastic+nonlinear+inversion+MR+elastography+at+low+frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies.</a> Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006(2019).</li>
<li>Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+viscoelastic+parameters+in+Magnetic+Resonance+Elastography%3A+a+comparison+at+high+and+low+magnetic+field+intensity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587(2021).</li>
<li>Ozkaya, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-mimicking+phantom+for+biomechanical+validation+of+motion+sensitive+MR+imaging+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680(2021).</li>
<li>Guidetti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axially-+and+torsionally-polarized+radially+converging+shear+wave+MRE+in+an+anisotropic+phantom+made+via+Embedded+Direct+Ink+Writing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483(2021).</li>
<li>Badachhape, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+of+three-dimensional+human+skull+motion+to+brain+tissue+deformation+in+magnetic+resonance+elastography+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021(2017).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>24-kanałowa głowica & Cewka na szyję</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>100120</td><td></td></tr><tr><td>Sprzęt Skaner MR 3T</td><td>United Imaging Healthcare</td><td>uMR 790</td><td></td></tr><tr><td>Płyta akwizycyjna</td><td>sprzętu Advantech Co</td><td>PCI-1706U</td><td>Sprzęt</td></tr><tr><td>Komputer-Windows</td><td>Sprzęt</td><td>HP</td><td>790-07</td></tr><tr><td>Siłownik elektromagnetyczny</td><td>Szanghaj Jiao Tong University</td><td></td><td>Equipment</td></tr><tr><td>Generator funkcyjny</td><td>RIGOL</td><td>DG1022Z</td><td>Sprzęt</td></tr><tr><td>Żelatyna</td><td>CARTE D'OR</td><td></td><td>Odczynnik</td></tr><tr><td>Glicerol</td><td>Vance Bioenergy Sdn.Bhd</td><td></td><td>Odczynnik</td></tr><tr><td>Indenter Program kontrolny</td> specjalnie <td>zaprojektowane</td><td></td><td>oprogramowanie; dostęp przez: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.</td></tr><tr><td>Czujnik laserowy</td><td>Panasonic</td><td>HG-C1050</td><td>Sprzęt</td></tr><tr><td>Technika przetwornika ogniwa obciążnikowego</td><td></td><td>GSO-10</td><td>Sprzęt</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Wzmacniacz mocy Yamaha</td><td></td><td>A-S201</td><td>Sprzęt</td></tr><tr><td>Silnik elektryczny cewki drgającej</td><td>SMAC Corporation</td><td>DB2583</td><td>Sprzęt</td></tr></tbody></table>

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

Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography

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.

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...

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.

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

Characterization of biomechanical properties of soft biological tissues is important to understand the tissue mechanics and explore the ...

Protokół ten umożliwia przygotowanie funkcji żelu naśladujących tkanki w metodach charakterystyki biomechanicznej ex vivo i in vivo, które mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia i znalezienia nowych biomarkerów dla tkanek Wgłębienie może mierzyć małe próbki tkanek i jest łatwe do przeprowadzenia, podczas gdy tę samą próbkę można przetestować za pomocą MRE, zapewniając bezpośrednie oszacowanie scenariuszy badań in vivo. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat lepkosprężystych, zależnych od częstotliwości właściwości mechanicznych miękkich próbek biologicznych, takich jak mózg, wątroba, tkanki nowotworowe i tak dalej. Podobne właściwości innych fantomów próbek można również zmierzyć.Zacznij od zmieszania żelatyny w proszku z wodą, aby uzyskać roztwór żelatyny. Podgrzej roztwór żelatyny do 60 stopni Celsjusza w łaźni wodnej i dodaj glicerol do roztworu, utrzymując temperaturę. Wymieszaj roztwór i ponownie podgrzej go do 60 stopni Celsjusza.Wlej zmieszany roztwór do pojemnika, który będzie używany do testów MRE i wgnieceń. Schłodzić roztwór do temperatury pokojowej i poczekać, aż roztwór stężeje. Umieść fantom żelatyny w cewce głowicy.Następnie umieść płytkę wibracyjną na fantomie żelatyny. Upewnij się, że kontakt między fantomem a płytą wibracyjną jest mocny. Umieść gąbki i worki z piaskiem wokół fantomu żelatynowego, aby upewnić się, że fantom jest mocno osadzony.Zamontuj siłownik elektromagnetyczny na cewce głowicy i podłącz belkę transmisyjną do płyty wibracyjnej. Połącz przewody zasilające siłownika ze wzmacniaczem, a następnie połącz przewody sterujące ze sterownikiem. Ustaw kształt fali, częstotliwość drgań i amplitudę w generatorze funkcji.Ustaw żądaną amplitudę drgań, regulując moc amplifier. Następnie ustaw generator funkcji tak, aby działał w trybie wyzwalania. Podłącz przewód spustowy do zewnętrznego portu wyzwalającego urządzenia do rezonansu magnetycznego.Ustaw częstotliwość skanowania MRE taką samą jak z generatora funkcji, tak aby gradient kodowania ruchu był zsynchronizowany z ruchem płyty wibracyjnej. Następnie ustaw kąt odwrócenia na 30 stopni, TR i TE na 50 i 31 milisekund, pole widzenia na 300 milimetrów, grubość warstwy na pięć milimetrów i rozmiar woksela na 2,34 na 2,34 milimetra kwadratowego. Zmierz obrazy fazowe w czterech punktach czasowych w jednym cyklu sinusoidalnym.Zastosuj zarówno dodatni, jak i ujemny ruch i gradienty kodowania w każdym punkcie czasowym. Na podstawie uzyskanego obrazu fazy usuń fazę tła, odejmując dodatnie i ujemne zakodowane obrazy fazy. Rozpakuj fazę za pomocą algorytmu opartego na sortowaniu niezawodności.Wyodrębnij główne składowe ruchu, stosując szybką transformację Fouriera do nieopakowanych obrazów fazowych. Przefiltruj obraz fazowy za pomocą cyfrowego filtra pasmowo-przepustowego i oszacuj moduł ścinania za pomocą algorytmu bezpośredniej inwersji 2D, aby uzyskać moduł pamięci G-prime i moduł strat G-double prime. Użyj okrągłego stempla, aby przyciąć fantom żelatyny do cylindrycznej próbki i użyj ostrza chirurgicznego, aby przyciąć go do próbki prostopadłościanu.Przyciąć powierzchnię próbki ostrym ostrzem, aby była jak najbardziej gładka do wgłębienia. Włącz zasilanie twardościomierza i kliknij przycisk Back Off w graficznym interfejsie użytkownika, aby zainicjować proces kalibracji. Odczytaj wartość z czujnika laserowego i wpisz wartość w polu BaseLine.Umieść szkiełko podstawowe na przegrodzie i zapisz wartość pokazaną przez czujnik laserowy. Następnie umieść próbkę na szkiełku podstawowym i umieść je razem na płycie przegrody. Odczytaj wartość z czujnika laserowego i wpisz ją w polu Sample Slide (Przykładowy slajd).Różnica między tymi dwiema wartościami to grubość próbki w obszarze zainteresowania. Ostrożnie umieść próbkę wraz z leżącym pod spodem szkiełkiem tuż pod wgłębnikiem, a następnie kliknij przycisk Kontakt, aby zainicjować automatyczny kontakt między wgłębnikiem a powierzchnią próbki. Na podstawie zmierzonej grubości próbki oszacuj przemieszczenie wgłębienia, mnożąc grubość przez wcięte odkształcenie testowe.Wpisz wartości przemieszczenia w polu Przemieszczenie. Ustaw czas relaksacji na 180 sekund w polu Czas zatrzymania i kliknij przycisk Wcięcie. Przemieszczenie i siła reakcji podczas procedury ramp/hold zostaną automatycznie zarejestrowane i zapisane w pliku w określonej ścieżce pliku.Obrazy rozchodzenia się fal dla dwóch fantomów żelatynowych o częstotliwości 40 i 50 Hz są pokazane tutaj. Cztery fazy odpowiadają czterem punktom czasowym w jednym cyklu sinusoidalnym. Właściwości lepkosprężyste mierzone na podstawie eksperymentów MRE i wgłębień przedstawiono tutaj.Reprezentatywne obrazy przedstawiają typowe szacowane mapy G-prime i G-double prime w zakresie 40 i 50 herców dla dwóch fantomów żelatynowych z MRE. Poniżej przedstawiono średnią i odchylenie standardowe wartości G-zero i G-nieskończoności dla dwóch fantomów z sześciu powtórzonych testów wgłębień. Obrazy graficzne pokazane na ekranie reprezentują średnią i odchylenie standardowe wartości G-prime i G-double prime przy 40 i 50 hercach dla dwóch fantomów z sześciu powtórzonych testów MRE.Symbol gwiazdki oznacza znaczącą różnicę. Próbując wykonać tę procedurę, upewnij się, że płyta wibracyjna jest mocno dociśnięta do fantomu i nie należy jej nadmiernie naciskać. Podczas obróbki próbki upewnij się, że powierzchnia jest tak płaska, jak to możliwe.Technika ta toruje drogę do badania właściwości biomechanicznych związanych z badaniami patologicznymi oraz opracowywania biomarkerów opartych na biomechanice do diagnozowania i prognozowania chorób.

viscoelastic-characterization-soft-tissue-mimicking-gelatin-phantoms

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Procedura demonstruje metodologię elastografii rezonansu magnetycznego w celu monitorowania wyników inżynierii tkankowej konstruktów adypogennych i osteogennych poprzez nieinwazyjną lokalną ocenę właściwości mechanicznych z wykorzystaniem mikroskopowej elastografii rezonansu magnetycznego (μMRE).

Metodologia elastografii rezonansu magnetycznego w ocenie wzrostu konstruktów inżynierii tkankowej

Źródło: Feng, Y., et al. Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego. J. Vis. Exp. (2022) Ten film przedstawia metodę elastografii rezonansu magnetycznego (MRE) do oceny właściwości lepkosprężystych tkanek poprzez analizę Rozchodzenie się fali ścinającej przez fantom żelatynowy, naśladujące tkankę mózgową. Proces ten polega na generowaniu i wychwytywaniu fal poprzecznych za pomocą rezonansu...

Elastografia rezonansu magnetycznego do oceny właściwości lepkosprężystych

Mikroreologia śledząca cząstki może być wykorzystana do nieniszczącego ilościowego i przestrzennego mapowania zmian właściwości mechanicznych macierzy zewnątrzkomórkowej w modelach 3D nowotworów.

Podłużny pomiar sztywności macierzy zewnątrzkomórkowej w modelach 3D guzów przy użyciu mikroreologii śledzenia cząstek

Prezentujemy zestaw technik do scharakteryzowania lepkosprężystych właściwości mechanicznych mózgu w mikro-, mezo- i makro-skali.

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii

Biomechanika tkanek jest ważna dla utrzymania kształtu i funkcji komórki oraz dla określenia fenotypu. W niniejszym raporcie przedstawiono nieniszczące protokoły mechaniczne do charakteryzowania elastycznych i lepkosprężystych właściwości ludzkich tkanek miękkich, które można bezpośrednio zastosować do podłoży inżynierii tkankowej, aby umożliwić ścisłe dopasowanie materiałów inżynieryjnych do tkanek natywnych.

Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

Tutaj opisujemy metodę wytwarzania fantomów tętniaków, naśladujących tkankę aorty do wykorzystania w testowaniu elastografii ultradźwiękowej. Połączone zastosowanie technik projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) i druku trójwymiarowego (3D) tworzy fantomy aorty o przewidywalnej, złożonej geometrii, które umożliwiają walidację algorytmów obrazowania elastograficznego za pomocą kontrolowanych eksperymentów.

Produkcja hydrożelowych fantomów naśladujących tkankę aorty brzusznej do walidacji elastografii ultrasonograficznej

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.

Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego

Ten artykuł podkreśla skuteczność techniki optycznej elastografii koherentnej (OCE) w szybkim i nieniszczącym charakteryzowaniu elastycznych właściwości biofilmu. Wyjaśniamy krytyczne procedury wdrażania OCE w celu uzyskania dokładnych pomiarów i przedstawiamy wartości modułu Younga dla dwóch ziarnistych biofilmów.

Kwantyfikacja właściwości elastycznych biofilmów środowiskowych za pomocą optycznej elastografii koherentnej

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).

Anizotropowa falogramowa produkcja poliwinylalkoholowa do elastografii ultradźwiękowej: procedura i kontrola jakości

Poznaj metodę lepkosprężystej charakteryzacji fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego. Technika ta umożliwia badanie właściwości mechanicznych tkanek biologicznych in vivo i ex vivo.

Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów