Этот протокол описывает надёжный, воспроизводимый метод изготовления фантомов анизотропного поливинил-спирта (ПВА) — необходимых инструментов для валидации методов ультразвуковой эластографии, направленных на механически анизотропные мягкие ткани (например, скелетные мышцы).
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Анизотропная поливинил-спиртовая фантомная обработка для ультразвуковой эластографии: процедуры и контроль качества
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Фантомы поливинилспирта (ПВА) обычно изотропны и широко используются для валидации ультразвуковой эластографии для оценки мягких тканей. Однако некоторые биологические мягкие ткани (например, скелетные мышцы) демонстрируют выраженную механическую анизотропию, что требует использования анизотропных PVA-фантомов для строгого тестирования методов эластографии, направленных на эти ткани. Хотя предыдущие исследования отмечали, что собственные анизотропные PVA фантомы могут быть изготовлены с помощью интегрированных циклов заморозки/оттаивания (FTC), критически важные технические детали (например, процесс изготовления, контроль качества) остаются недостаточно задокументированными. В данной работе представлен визуально детализированный, воспроизводимый протокол изготовления анизотропных PVA-фантомов с акцентом на ключевые материалы, поэтапные процессы и контроль качества для индуцирования стабильной, равномерной анизотропии. Ключевые материалы включают ПВА как фантомную матрицу, сорбат калия как консервант, графитовые частицы как акустические рассеиватели и чистую воду (или деионизированную воду) в качестве растворителя. Процесс изготовления состоит из трёх основных этапов: 1) Подготовка однородного раствора на основе ПВА с помощью контролируемых термических условий для обеспечения полного растворения ПВА; 2) Затвердевание с помощью FTC: охлаждённый раствор заливается в формы, напечатанные на 3D-принтере, затем следуют FTC без растяжения для формирования предварительной структуры; 3) Индуцирование анизотропии с помощью растянутых FTC: дополнительные FTC проводятся под контролируемым растяжением для индуцирования направленной анизотропии. Меры контроля качества (например, предотвращение воздушных пузырьков при растворении ПВА) подробно описаны. После изготовления применяются ультразвуковая визуализация сдвиговых волн (SWI) и одноосное растяжение для подтверждения механической анизотропии фантома. В данной статье представлен стандартизированный подход к изготовлению анизотропных тканевых фантомов, имитирующих ткани, для проверки ультразвуковых эластографических методов с повышенной точностью и последовательностью.
Введение
Некоторые биологические мягкие ткани (например, скелетные мышцы) демонстрируют макроскопическую механическую анизотропию, которая возникает из-за их выровненноймикроструктурной архитектуры 1. В частности, соединительные ткани организуют мышечные волокна в иерархическую структуру: эндомизий окружает отдельные волокна, перимисий — пучки в пучки, а эпимизий охватывает всю мышцу, обеспечивая передачу силы и снабжениепитательными веществами 2. Методы эластографии на основе ультразвука, такие как визуализация сдвиговых волн (SWI), широко используются для оценкимышц 3,4. Однако анизотропные механические свойства мышцы теоретически приводят к направленно-зависящему распространению сдвиговыхволн 5, что усложняет количественную оценку жесткостимышц 6. Механически анизотропные фантомы, имитирующие ткани, необходимы для продвижения ультразвуковой эластографии в области мышечной оценки.
Поливиниловый спирт (ПВА) является идеальным материалом для таких фантомов, так как поддержание механического растяжения во время циклов замерзания/оттаивания (FTC) выравнивает молекулярные цепи ПВА, вызывая механическуюанизотропию 7,8. Традиционные методы, использующие простые кубоиды ПВА при растяжении, часто приводят к неоднородной деформации из-за поверхностного скольжения, что снижает воспроизводимость. Это ограничение можно устранить с помощью оптимизированной фантомной геометрии с удерживающими кольцами концов, что обеспечивает надёжное растяжение и равномерное распределениедеформаций 9 — значительно повышая качество анизотропных PVA-фантомов. В этом исследовании мы предоставляем детальную визуальную демонстрацию изготовления таких анизотропных PVA-фантомов и подтверждаем их механическую анизотропию с помощью SWI и одноосных испытаний на растяжение.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги показаны на рисунке 1.
1. 3D печати фантомной формы
- Используя программное обеспечение для 3D-моделирования, спроектируйте фантомную геометрию так, чтобы включить два удерживающих кольца (по одному на каждом конце) для поддержания растяжения, с эффективной центральной областью 35 мм × 60 мм × 5 мм (длина × ширина × высота) для обеспечения равномерной индукции анизотропии.
- Печатайте форму с помощью 3D-принтера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Удерживающие кольца предотвращают проскальзывание при растяжении, обеспечивая равномерное распределение напряжения. Все файлы 3D-печати (.stl) представлены в Дополнительном файле 1.
2. Подготовка раствора ПВА
- Взвесьте порошок ПВА (10 масса), сорбат калия (1 масса) и графитовые частицы (1 масса, ~6,5 мкм диаметра) и измерьте соответствующий объём чистой воды (рекомендуется деионизированная вода) для подготовки партийного объёма ~200 мл.
- Смешайте порошок ПВА и чистую воду в стакане, поставьте стакан на магнитную мешалка с баром для перемешивания, накройте стакан алюминиевой фольгой и перемешайте при ~600 об/мин при комнатной температуре в течение 10 минут, пока ПВА полностью не рассеется.
- Переведите стакан в водяную ванну при температуре 80 °C и продолжайте нагрев, пока ПВА полностью не растворится (что подтверждается прозрачным, безчастицым раствором).
ПРИМЕЧАНИЕ: Наденьте термостойкие перчатки и защитное снаряжение для глаз во время нагрева, чтобы предотвратить термические ожоги. Убедитесь, что не осталось нерастворённых частиц PVA, так как они могут нарушить фантомную однородность.
3. Добавление добавок и литье
- Охлаждайте раствор до ~40 °C, продолжая перемешивать на магнитной мешалке со скоростью ~600 об/мин.
- Снимите алюминиевую фольгу, добавьте сорбат калия и частицы графита, снова накройте фольгой и перемешайте при ~600 об/мин, пока добавки не будут равномерно распределены (визуально подтвердите однородное распределение).
- (По желанию) Дегаз раствора PVA для удаления остаточных пузырьков воздуха. Поместите стакан с раствором в вакуумную камеру и подайте вакуум примерно на 30 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха из раствора PVA.
- Отлийте раствор в 3D-печатную форму и соберите форму с помощью винтов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте появления воздушных пузырьков во время литья. При необходимости аккуратно постукуйте по форме, чтобы устранить застрявшие пузырьки воздуха внутри раствора.
4. Начальная FTC для затвердевания PVA
- Поставьте форму в морозильник при температуре −20 °C на 12 часов.
- Вынимите форму из морозилки и разморозите при комнатной температуре (20 °C) в течение 12 часов.
- Аккуратно демоляйте фантом, чтобы предотвратить повреждения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап образует изотропный фантом основания, обеспечивая стабильную основу для последующего индукции анизотропии.
5. Индуцирование анизотропии через растянутые FTC
- Поместите фантом на специально изготовленное устройство для растяжения, постепенно растяните его до 180% от эффективной длины (80% от растяжения), измерьте расстояние растяжения вручную и зафиксируйте устройство, чтобы предотвратить втягивание.
- Переместите всё устройство для растяжения (с закреплённым фантомом) в морозильник при температуре −20 °C на 12 часов, затем разморозите при комнатной температуре (20 °C) в течение 12 часов.
- Повторите этот цикл FTC ещё раз при длительном растяжении.
ПРИМЕЧАНИЕ: Специально изготовленное устройство для растяжения состоит из коммерчески доступного двустороннего линейного ступеня с противоположной резьбой, собранного с двумя 3D-печатными фантомными креплениями, для которых STL-файлы представлены в Дополнительном файле 1. Наденьте утеплённые перчатки от холода, чтобы избежать обморожения при извлечении устройства для растяжки из морозильника при температуре −20 °C. Длительное растяжение во время FTC выравнивает молекулярные цепи PVA в одностороннем направлении. Общее количество FTC, использованных в этом исследовании: один цикл без растяжения + два растянутых цикла (80% растяжение).
6. Окончательный выпуск и хранение
- После последнего этапа размораивания FTC аккуратно отпустите устройство для растяжения, чтобы предотвратить повреждения, вызванные отдаче.
- Удалите фантома из устройства для растяжения. Анизотропный фантом PVA теперь завершён.
- Храните фантом, погруженный в воду, внутри герметичного пластикового контейнера при температуре 4 °C.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
На рисунке 2A представлена схема всего процесса изготовления, включая подготовку раствора ПВА, формовку, первоначальную безрастяжённую FTC, снятие формования и последующие растянутые FTC. Используя предложенный протокол, мы изготовили два анизотропных PVA-фантома для SWI и одноосного испытания на растяжение соответственно. SWI проводилась с помощью исследовательской ультразвуковой системы, оснащённой зондом L7-4 (центральная частота: 5,2 МГц), с использовани...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Успех этого протокола зависит от достижения полного, равномерного растворения PVA и поддержания устойчивого растяжения во время FTC — двух ключевых этапов для индуцирования стабильной, однородной механической анизотропии. Рецепт, используемый здесь (то есть концентрация ПВА, номер ФТК и прикладное растяжение), был выбран для изготовления анизотропных фантомов ПВА с жёсткостью в пределах физиологического диапазона мышечной ткани. Особенно стоит отметить, что жёсткость и анизотропный коэфф...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
У авторов нет конфликта интересов, которые можно было бы заявлять.
Благодарности
Это исследование было поддержано Пекинским фондом естественных наук (No 1254038). Авторы выражают благодарность профессору Вэй-Нин Ли из Гонконгского университета за помощь в проведении ультразвукового теста сдвиговой волны.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Аналитический баланс | OHAUS | AX224 | Аналитический баланс с внутренней калибровкой, вместимость 220 г, читаемость 0,1 мг |
| Двунаправленный, противоположный линейный этап | Таобао | Н/Д | Диапазон хода — 250 мм для каждой нити, используется для изготовления индивидуального устройства для растяжения |
| FDM 3D-принтер | Лаборатория Бамбу | X1 Carbon | Используется для печати фантомной формы, а также фиксаторов фантомных креплений для индивидуального растяжительного устройства |
| FreeCAD | Сообщество FreeCAD с открытым исходным кодом | Н/Д | Версия 0.22.0, использовалась для разработки фантомной формы и креплений для удержания фантомов специально изготовленного растягивающего устройства |
| Графитовые частицы | MREDA | M151649 | Графитовые частицы, чистота 99,95%, сетка 2000 (~6,5 мкм), используемые как акустические рассеиватели, 1% по весу |
| Магнитная перемешивающая планка | Корнинг | 401435 | Магнитный перемешиватель с покрытием PTFE, 1 x 3/8 дюйма, для перемешивания раствора PVA |
| Магнитный мешаль | IKA | 25005927 | RCT Basic Safety Control Magnetic Mixer с функцией нагрева |
| Поливиниловый спирт | МАКЛИН | P81584 | Поливиниловый спирт, Mw 89000-98000, 95% гидролизированный, используется как фантомная матрица, 10% по весу |
| Сорбат калия | Сигма-Олдрич | 85520 | сорбат калия, ≥ 99,0% чистоты, используемый как консервант, 1% по весу |
| Стадия вращения | Ньюпорт | URS50BPP | Используется для вращения ультразвукового датчика в тесте сдвиговой волны для множественных углов зонда (0&°; :2° :90°) |
| Универсальная испытательная машина с одной колонной | Инстрон | Модель 5944 | Используется для одноосных испытаний на растяжение, датчик силы 50 N |
| Исследовательская ультразвуковая система | Verasonics | Vantage 256 | Используется для проведения тестирования сдвиговых волн, зонд L7-4 (центральная частота: 5,2 МГц) |
| Водяная баня | ЛИШАЙНИК | HH-2 | Цифровой дисплей с водяной баней постоянной температуры, 2 отверстия в одном ряду, для нагрева и раствора ПВА |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
