Name: Anizotropowa falogramowa produkcja poliwinylalkoholowa do elastografii ultradźwiękowej: procedura i kontrola jakości (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-06-05T16:50:00.000+00:00
Duration: 9 min 59 s
Description: Poznaj metodę produkcji anizotropowych fantomów PVA do walidacji elastografii ultradźwiękowej tkanek biologicznych. Protokół obejmuje cykle zamrażania-rozmrażania z kontrolowanym rozciąganiem w niestandardowych formach drukowanych 3D.

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

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.

UWAGA: Następujące kroki przedstawiono na rysunku 1.
1. 3D druk formy widmowej
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Przygotowanie roztworu PVA
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Dodawanie dodatków i odlewanie
<ol>
	<li>Schłodzić roztwór do ~40 °C, mieszając dalej z prędkością ~600 obr./min na mieszadle magnetycznym.</li>
	<li>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).</li>
	<li>(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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. Początkowa FTC dla krzepnięcia PVA
<ol>
	<li>Włóż formę do zamrażarki o temperaturze −20 °C na 12 godzin.</li>
	<li>Wyjmij formę z zamrażarki i rozmraź w temperaturze pokojowej (20 °C) przez 12 godzin.</li>
	<li>Ostrożnie odklej fantoma, aby zapobiec uszkodzeniom. UWAGA: Ten etap tworzy izotropowy fantom zasady, zapewniając stabilną podstawę dla kolejnej indukcji anizotropii.</li>
</ol>
5. Indukowanie anizotropii za pomocą rozciągniętych FTC
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
</ol>
6. Ostateczne wydanie i przechowywanie
<ol>
	<li>Po ostatnim kroku rozmrażania FTC delikatnie zwolnij urządzenie rozciągające, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym odrzutem.</li>
	<li>Usuń widmo z urządzenia rozciągającego. Anizotropowy fantom PVA jest teraz kompletny.</li>
	<li>Przechowuj fantoma zanurzonego w wodzie w szczelnie zamkniętym plastikowym pojemniku w temperaturze 4 °C.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Fung, Y. C. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).</li><li>Sherwood, L. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of human physiology. , (2011).</li><li>Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+shear+wave+velocity+in+adult+skeletal+muscle+with+ultrasound+2-D+shear+wave+elastography:+a+scoping+review.">Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review.</a> Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).</li><li>Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supersonic+shear+imaging:+a+new+technique+for+soft+tissue+elasticity+mapping.">Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping.</a> IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).</li><li>Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+transverse+isotropic+properties+of+muscle+by+monitoring+acoustic+radiation+force+induced+shear+waves+using+a+2-D+matrix+ultrasound+array.">Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array.</a> IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).</li><li>Gennisson, J. L., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+and+anisotropic+mechanical+properties+of+in+vivo+muscle+tissue+assessed+by+supersonic+shear+imaging.">Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging.</a> Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).</li><li>Chatelin, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+polyvinyl+alcohol+hydrogel+phantom+for+shear+wave+elastography+in+fibrous+biological+soft+tissue:+a+multimodality+characterization.">Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization.</a> Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).</li><li>Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+polyvinyl+alcohol+hydrogel+for+cardiovascular+applications.">Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications.</a> J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).</li><li>Dong, J., Lee, W. N. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+numerical-model-based+optimization+strategy+for+design+and+fabrication+of+transversely+isotropic+tissue-mimicking+phantoms+[poster].">A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster].</a> , (2022).</li><li>Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+plane-wave+compounding+for+very+high+frame+rate+ultrasonography+and+transient+elastography.">Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography.</a> IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).</li><li>Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+physical+and+engineering+factors+potentially+affecting+shear+wave+elastography.">A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography.</a> J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).</li></ol>

Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do zgłoszenia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Bilans analityczny</td><td>OHAUS</td><td>AX224</td><td>Waga analityczna z kalibracją wewnętrzną, pojemność 220 g, czytelność 0,1 mg</td></tr><tr><td>Dwukierunkowy, liniowy stopień z przeciwnym gwintem</td><td>Taobao</td><td>Nie ma</td><td>Zakres ruchu 250 mm dla każdego gwintu, używany do wykonania specjalnie wykonanego urządzenia rozciągającego</td></tr><tr><td>Drukarka 3D FDM</td><td>Laboratorium Bambu</td><td>X1 Carbon</td><td>Używany do drukowania formy fantomowej, a także uchwytów fikcyjnych dla specjalnie wykonanego urządzenia rozciągającego</td></tr><tr><td>FreeCAD</td><td>Społeczność FreeCAD Open-Source</td><td>Nie ma</td><td>Wersja 0.22.0, używana do projektowania formy fantomowej oraz mocowań do trzymania widma w specjalnie wykonanym urządzeniu rozciągającym</td></tr><tr><td>Cząstki grafitowe</td><td>MREDA</td><td>M151649</td><td>Cząstki grafitowe, czystość 99,95%, siatka 2000 (~6,5 um), używane jako rozpraszacze akustyczne, 1% pod względem wagi</td></tr><tr><td>Magnetyczny pręt mieszający</td><td>Corning</td><td>401435</td><td>Magnetyczny pręt mieszający powlekany PTFE, 1 x 3/8 cala, do mieszania roztworu PVA</td></tr><tr><td>Mieszadła magnetyczna</td><td>IKA</td><td>25005927</td><td>Podstawowa mieszadła bezpieczeństwa RCT z funkcją podgrzewania</td></tr><tr><td>Alkohol poliwinylowy</td><td>MACKLIN</td><td>P81584</td><td>Alkohol poliwinylowy, Mw 89000-98000, w 95% hydrolizowany, używany jako matryca fantomowa, 10% wagowo</td></tr><tr><td>Sorbian potasu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85520</td><td>Sorbian potasu,&ge; 99,0% czystości, używane jako konserwant, 1% wagowo</td></tr><tr><td>Etap obrotu</td><td>Newport</td><td>URS50BPP</td><td>Używany do obracania sondy ultradźwiękowej w teście obrazowania fal ścinających dla kątów wielokątnych sond (0 i stopni; :2 i stopni; :90 stopni i stopni)</td></tr><tr><td>Uniwersalna maszyna testująca jednokolumnowa</td><td>Instron</td><td>Model 5944</td><td>Używany do jednoosiowych testów rozciągania, czujnik siły 50 N</td></tr><tr><td>Badawczy System USG</td><td>Werasonics</td><td>Vantage 256&nbsp;</td><td>Sonda L7-4 używana do przeprowadzania testów obrazowania fal ścinanych (częstotliwość centralna: 5,2 MHz)</td></tr><tr><td>Kąpiel wodna</td><td>POROSTY</td><td>HH-2</td><td>Cyfrowy wyświetlacz w kąpieli wodnej o stałej temperaturze, 2 otwory w pojedynczym rzędzie, do ogrzewania i rozpuszczania roztworu PVA</td></tr></tbody></table>

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

Anisotropic Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication for Ultrasound Elastography: Procedure and Quality Controls

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.

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...

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

Polyvinyl alcohol (PVA) phantoms are typically isotropic and are widely used to validate ultrasound elastography techniques for soft-tissue evaluation. ...

Elastografia ultradźwiękowa jest potężnym i coraz bardziej istotnym narzędziem do nieinwazyjnej oceny właściwości mechanicznych tkanek miękkich, co ma kluczowe znaczenie dla diagnostyki różnych stanów chorobowych. Do dokładnej walidacji i rozwoju tych technik niezbędne są niezawodne fantomy imitujące tkanki. Tradycyjnie, ze względu na akustyczne i mechaniczne właściwości przypominające tkanki, szeroko stosowano fantomy z alkoholu poliwinylowego (PVA).Większość fantomów z PVA jest z natury izotropowa, co oznacza, że ich właściwości mechaniczne są jednorodne we wszystkich kierunkach. Jednak wiele kluczowych tkanek biologicznych, takich jak mięśnie szkieletowe, wykazuje wyraźną anizotropię mechaniczną z różną sztywnością w zależności od orientacji.Stosowanie fantomów izotropowych do walidacji metod elastografii w przypadku tych tkanek anizotropowych może prowadzić do błędnych interpretacji i ograniczać przydatność kliniczną. Aby temu zaradzić, istnieje istotna potrzeba opracowania standaryzowanych narzędzi naśladujących tkankę anizotropową. Choć wcześniejsze badania wykazały możliwość wytwarzania anizotropowych fantomów z PVA, kluczowe szczegóły techniczne, szczególnie w zakresie ich powtarzalnego wytwarzania i kontroli jakości, często pozostawały niedostatecznie opisane.W tym filmie przedstawiamy szczegółowy wizualnie i wysoce powtarzalny protokół wytwarzania wytrzymałych fantomów PVA o właściwościach inotropowych. Zacznijmy. Przed rozpoczęciem upewnij się, że wszystkie niezbędne materiały i sprzęt są przygotowane, a bezpieczeństwo jest zawsze priorytetem poprzez noszenie odpowiednich środków ochrony osobistej, takich jak fartuchy laboratoryjne, rękawiczki i okulary ochronne.Do przygotowania matrycy fantomu używamy proszku alkoholu poliwinylowego, a konkretnie stopnia o wysokiej masie cząsteczkowej, aby zapewnić odpowiednią sztywność. Jako konserwant stosujemy sorbinian potasu w celu zapobiegania wzrostowi drobnoustrojów. Cząsteczki grafitu są wprowadzane jako rozpraszacze akustyczne, co sprawia, że fantomy są widoczne i możliwe do śledzenia w badaniu ultradźwiękowym.I na koniec, jako rozpuszczalnik wykorzystujemy wodę oczyszczoną. Kluczowe dla indukowania anizotropii są specjalnie zaprojektowane formy wydrukowane w technologii 3D. Zostały one opracowane w celu unieruchomienia fantomów podczas procesu wytwarzania.To specjalnie skonstruowane urządzenie do rozciągania pozwala nam na przykładanie precyzyjnego i kontrolowanego odkształcenia podczas określonych cykli zamrażania i rozmrażania. Najpierw dokładnie odważ składniki suche: 20 g proszku PVA, 2 g sorbanu potasu oraz 2 g cząsteczek grafitu. Precyzja na tym etapie jest kluczowa dla zapewnienia powtarzalnych właściwości fantomu.Następnie odmierzyć 176 mililitrów czystej wody. Przenieść czystą wodę do czystego zlewki. Postawić zlewkę na mieszadle magnetycznym, a następnie ostrożnie dodać odważony proszek PVA do czystej wody.Upewnij się, że dodano mieszadło magnetyczne. Po jednorodnym wymieszaniu roztworu szczelnie zamknij zlewkę folią aluminiową. Przykrycie z folii aluminiowej minimalizuje parowanie wody, zapobiegając tym samym zmianom stężenia roztworu.Następnie należy umieścić zlewkę w łaźni wodnej. Temperaturę łaźni wodnej należy ustawić na 100 °C. Pozwoli to na szybsze nagrzanie się łaźni wodnej przy docelowej temperaturze ustawionej na 80 °C.Po odpowiednim podgrzaniu PVA całkowicie rozpuści się w roztworze. W tym momencie należy zdjąć zlew i ponownie umieścić go na mieszadle magnetycznym, aby kontynuować powolne mieszanie, pozwalając mu ostygnąć do około 40°C. Proces ten trwa w przybliżeniu 15 minut.Następnie do zlewki należy dodać sorbinian potasu oraz cząsteczki grafitu. Zlewkę szczelnie owinąć folią aluminiową i kontynuować powolne mieszanie. Po ochłodzeniu roztworu ostrożnie przelać go do wydrukowanej w technologii 3D formy.Wlewać powoli, trzymając wlew blisko powierzchni formy, aby zapobiec powstawaniu nowych pęcherzyków powietrza i zapewnić równomierne wypełnienie formy. Umieścić formę w zamrażarce ustawionej na -20°C i zamrażać przez 12 godzin. Rozpoczyna to pierwszy etap mrożenia.Po zakończeniu procesu mrożenia przenieś formę do temperatury pokojowej i pozwól jej całkowicie odmarznąć. Proces ten trwa około 12 godzin. Po zakończeniu wstępnych cykli bez rozciągania ostrożnie wyjmij fantom podstawowy z formy.Na tym etapie są one wciąż w dużej mierze izotropowe, lecz posiadają stabilną strukturę. Teraz należy bezpiecznie zamocować fantom w aparacie do rozciągania, a następnie przyłożyć do niego precyzyjne i kontrolowane odkształcenie jednowymiarowe, rozciągając go do 180% jego pierwotnej długości. Jednorodne rozciąganie wzdłuż określonej osi jest kluczowe dla wywołania anizotropii kierunkowej, ponieważ łańcuchy polimerowe ustawią się ponownie wzdłuż kierunku rozciągania.Zachowując to precyzyjne rozciągnięcie, przenieś cały aparat z rozciągniętym fantomem z powrotem do zamrażarki na 12 godzin. Następnie przenieś go do środowiska rozmrażania na kolejne 12 godzin, wciąż poddając go ciągłemu naprężeniu. Zamrażanie utrwala reorganizację molekularną wywołaną rozciąganiem.Powtórz te rozciągnięte cykle zamrażania i rozmrażania kolejny raz. Każdy cykl dodatkowo wzmacnia właściwości anizotropowe, co pozwala uzyskać trwały fantom o właściwościach zależnych od kierunku. Po ostatnim cyklu rozciągania ostrożnie zwolnij napięcie w urządzeniu, a następnie delikatnie wyjmij całkowicie uformowany anizotropowy fantom z PVA.Zauważą Państwo, że w porównaniu z pierwotną formą wstępną, w wyglądzie fantomu nie nastąpiła żadna wyraźna zmiana. W rzeczywistości w tym momencie w jego mikrostrukturze i właściwościach mechanicznych zaszły jednak istotne i powtarzalne zmiany. Po wykonaniu fantomu kluczowe jest potwierdzenie wywołanej anizotropii.Stosujemy dwie podstawowe metody: obrazowanie fali ścinającej za pomocą ultradźwięków oraz jednowymiarową próbę rozciągania. W przypadku obrazowania fali ścinającej za pomocą ultradźwięków pozycjonujemy fantom i dokonujemy pomiarów prędkości fali ścinającej. Gdy fale ścinające rozprzestrzeniają się równolegle do kierunku indukowanej anizotropii, obserwujemy wyższą prędkość fali ścinającej, co wskazuje na większą sztywność.I odwrotnie, gdy fale są propagowane w kierunku prostopadłym, mierzymy znacznie niższą prędkość fali poprzecznej, co potwierdza kierunkową zależność właściwości mechanicznych fantoma. Ta mierzalna różnica wizualnie demonstruje uzyskaną anizotropię. Ponadto podobne wzorce rozkładu prędkości fal poprzecznych wzdłuż głębokości potwierdzają homogeniczność fantoma.Jednoosiowa próba rozciągania pozwala na bardziej bezpośrednią ocenę mechaniczną. Przygotowujemy próbki fantomowe wycięte zarówno równolegle, jak i prostopadle do indukowanej osi anizotropii. Podczas przeprowadzania próby rozciągania krzywe naprężenie-odkształcenie wyraźnie ilustrują tę różnicę.Próbka fantomu w kierunku równoległym do anizotropii wykazuje wyższy moduł Younga, co wskazuje na większą sztywność i odporność na odkształcenia w tym kierunku. Wyniki te jednoznacznie potwierdzają pomyślną fabrykację anizotropowych fantomów z PVA. Podsumowując, przedstawiliśmy szczegółowy, powtarzalny protokół wytwarzania anizotropowych fantomów z alkoholu poliwinylowego.Dzięki dokładnej kontroli przygotowania materiału, cykli zamrażania i odmrażania oraz kluczowych etapów rozciągania, badacze mogą tworzyć wysokiej jakości narzędzia imitujące tkanki o regulowanych właściwościach anizotropowych. Fantomy te wypełniają istotną lukę w badaniach nad elastografią, oferując model bardziej istotny fizjologicznie do walidacji technik ukierunkowanych na anizotropowe tkanki biologiczne. Dziękujemy za obejrzenie.

anisotropic-polyvinyl-alcohol-phantom-fabrication-for-ultrasound

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Anizotropiczne produkcja fantomów z poli(alkoholu winylowego) do ultrasonografii elastograficznej: procedura i kontrole jakości

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).

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

Optyczne fantomy tkanek są niezbędnymi narzędziami do kalibracji i charakterystyki systemów obrazowania optycznego oraz walidacji modeli teoretycznych. W tym artykule szczegółowo opisano metodę wytwarzania fantomów, która obejmuje replikację właściwości optycznych tkanek i trójwymiarowej struktury tkanki.

Wytwarzanie i charakterystyka fantomów tkanek optycznych zawierających makrostrukturę

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

Ten protokół demonstruje kontrolowane zarodkowanie kawitacji w fantomach żelowych, poprzez jednoczesną ekspozycję zarówno na pulsacyjne światło laserowe bliskiej podczerwieni, jak i skoncentrowane ultradźwięki o wysokiej intensywności (HIFU). Aktywność kawitacyjna może być następnie wykorzystana do poprawy obrazowania i/lub zastosowań terapeutycznych HIFU.

Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności

To badanie opisuje protokół do oceny dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej ultradźwiękowego systemu phased-array o wysokiej intensywności pod kontrolą ultradźwięków.

Ocena dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej dla sterowanego ultradźwiękami systemu Phased-array o wysokiej intensywności

Ten protokół opisuje wytwarzanie czaszki, mózgu i fantomu guza specyficznego dla pacjenta. Wykorzystuje druk 3D do tworzenia form, a alkohol poliwinylowy (PVA-c) jest używany jako materiał naśladujący tkankę.

Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu

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

Tutaj demonstrujemy projekt i tworzenie czterech niestandardowych fantomów ultrasonograficznych z żelatyny balistycznej do treningu znieczulenia regionalnego pod kontrolą USG. Zaprojektowaliśmy fantomy za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, użyliśmy modeli wydrukowanych w 3D do stworzenia form silikonowych, a następnie wlaliśmy do nich stopiony żel balistyczny, aby stworzyć niestandardowe warstwy tkanki.

Budowanie niedrogich, trwałych, średniej wierności fantomów z żelu balistycznego do treningu blokady nerwów pod kontrolą USG

Opracowaliśmy zdecelularyzowaną macierz zewnątrzkomórkową płuca oraz nowatorski bioreaktor biomimetyczny, które mogą być wykorzystywane do generowania funkcjonalnej tkanki płucnej. Poprzez zasiewanie komórek do macierzy i ich hodowlę w bioreaktorze, otrzymujemy tkankę wykazującą efektywną wymianę gazową po krótkotrwałym przeszczepieniu in vivo.

Procedura inżynierii płuc

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

Poznaj metodę produkcji anizotropowych fantomów PVA do walidacji elastografii ultradźwiękowej tkanek biologicznych. Protokół obejmuje cykle zamrażania-rozmrażania z kontrolowanym rozciąganiem w niestandardowych formach drukowanych 3D.

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

Przeglądaj więcej filmów