Magnetisk pasning Remote Controlled Microcatheter Tips Deflection etter Magnetic Resonance Imaging

Summary

Strøm brukes en endovaskulær microcatheter med microcoil tips laget av laser dreiebenk litografi kan oppnå kontrollerbare utslag under magnetisk resonans (MR) veiledning, som kan forbedre hastigheten og effekt av navigering av blodkar i ulike endovaskulære prosedyrer.

Abstract

X-ray gjennomlysning-guided endovaskulære prosedyrer har flere betydelige begrensninger, inkludert vanskelig kateter navigasjon og bruk av ioniserende stråling, som potensielt kan løses ved å bruke en magnetisk styrbar kateter i henhold MR veiledning.

Hovedmålet med dette arbeidet er å utvikle en microcatheter som spiss kan fjernstyres ved hjelp av magnetfelt MR skanner. Denne protokollen tar sikte på å beskrive prosedyrene for å søke strøm til microcoil-tipped microcatheter å produsere konsistente og kontrollerbare avklaringer.

En microcoil ble fabrikkert ved hjelp av laser dreiebenk litografi på en polyimid-tipped endovaskulær kateter. In vitro testing ble utført i et vannbad og fartøy fantom under veiledning av en 1,5-T MR-systemet med steady-state gratis presesjon (SSFP) sekvensering. Ulike mengder strøm ble anvendt på spolene av microcatheter å produsere measureable tips blokkeringer og navigere i vaskulære fantomer.

Utviklingen av denne enheten gir en plattform for fremtidig testing og mulighet til å revolusjonere endovaskulære intervensjonsradiologi MR miljø.

Introduction

Endovaskulære prosedyrer utført i intervensjonsradiologi medisin bruk x-ray veiledning som verktøy for kateter navigasjon gjennom vaskulatur å behandle flere store sykdommer, for eksempel hjerne aneurisme, hjerneinfarkt solide svulster, åreforkalkning og hjertearytmier rettet over en million pasienter per år på verdensbasis ^{1 - 5.} Med bruk av kontrastmidler, er navigasjon gjennom vaskulaturen oppnådd gjennom manuell rotasjon av kateteret og mekaniske avansement av intervensjonistisk hånd ^6. Men blir navigasjon gjennom små kroket blodkar rundt mange vaskulære bøyninger stadig vanskeligere, elongating tid før den når målområdet. Dette utgjør et problem for tidsfølsomme prosedyrer som fjerning av en blodpropp i et okkludert blodåre. I tillegg langvarig prosedyrer øke stråledosen og skape et potensiale for uønskede hendelser ^7-11. Men endovaskulære prosedyrer utført under Magnetic resonansavbildning kan gi en løsning.

Den sterke homogene magnetfelt en MR skanner kan utnyttes for katetertuppen navigasjon med fjernkontroll ^12,13. Strømmen tilført en microcoil ligger på en kateterspiss induserer en liten magnetisk moment, som opplever en dreiemoment som det er justert med boringen i MR ¹³ (figur 1). Hvis elektrisk strøm er aktivert i en individuell spole kan kateterspissen avbøyet i ett plan ved hjelp av fjernkontroll. Hvis tre spoler i en kateterspiss aktiveres, kan kateterspissen avbøyning oppnås i tre-dimensjon. Dermed har magnetisk tilrettelagt styring av et kateter potensial til å øke hastigheten og effektiviteten av vaskulær navigasjon i endovaskulære prosedyrer, som kan redusere prosedyre ganger og forbedre pasientens utfall. I denne studien undersøkte vi om strøm brukes en microcoil-tipped endovaskulær kateter kan produsere pålitelig og kontrollert deflections henhold MR-veiledning som foreløpig testing av kateter navigasjon studier.

Protocol

1. Microcoil Fabrication

1. Skaff en kommersielt tilgjengelig microcatheter (f.eks 2.3F Rapid Transit Cordis neurovaskulær kateter, Raynham, MA) for et substrat.
2. Sikre kateter har ingen jernholdige komponenter, anses MR-safe, og varierer i størrelse 2,3 til 3,0 F.
3. Frese en titan vedheft lag etterfulgt av en kobber frø lag til et 1-2 mm OD isolerende rør. Mulige materialer omfatter polyimid eller alumina (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Electrodeposit en positiv fotoresist lag med Shipley er PEPR-2400 (nå solgt av Dow Chemical under navnet Intervia 3D-P). Electrodeposition resulterer i en ensartet belegg på ikke-plane sylindriske overflate.
5. Fotoresist er eksponert med et unikt laser direkte write system (laser dreiebenk, en ikke-kommersiell system utviklet ved Lawrence Livermore National Laboratory) i mønster av den ønskede spiral form (figur 2A). Dette er en modifikasjosjon av teknikken opprinnelig beskrevet i MALBA et al. ¹⁴
6. Utvikle eksponert fotoresisten i en 1% oppløsning av kalium-karbonat ved 35 ° C.
7. Kobber er galvanisert gjennom gjenværende motstå masken å danne den ønskede spiral. Systemet kan dikte både solenoid og Helmholtz (kjøring) kobber mønstre (Tall 2C og 2D).
8. Etter kobber electrodeposition, fjern motstå med varmt utvikler. Fjerne kobber frø lag, etterfulgt av titan vedheft laget.
9. Fest isolasjonsstrømpen til kateterspissen hjelp krympeplast å fullføre sammenstillingen. Sørg for at krympeplast dekker hele kveilet tips. Å montere multi-aksen katetre plassere isolasjonsstrømpen strukturer inni hverandre som vist i figur 2E.
10. Tråd kobbertråder gjennom lumen av microcatheter og loddetinn på spoler på spissen.
11. Modifisere og forkorte en 6 ft RJ11 telefonkabel to 3 fot i lengde.
12. Koble kobber ledninger som kommer fra baksiden slutten hub av microcatheter til endret 3 ft telefonkontakt overføring linje.

2. Vannbad Setup

1. Foreta et lite hull i midten av den side av et plast bassenget ca 5 cm fra bunnen.
2. Sett inn en 9F Avanti Cordis vaskulær kappe (Cordis Endovaskulær, Miami Lakes, FL) gjennom hullet.
3. Skjær den distale enden av det vaskulære slire forlater en 4 cm lang arb strekker seg til bassenget.
4. Ved enden av kappen, feste en roterende hemostatic eller Thuoy-Borst ventilen å stabilisere plasseringen av microcatheter.
5. Fyll bassenget med destillert vann sikrer komplett submersion av anordningen.
6. Inn katetret med sammenrullede spissen gjennom det vaskulære skjede og ventilen.
7. Måle og registrere den uhemmet lengde microcatheter strekker fra ventilen i til vannbad.
8. Plasser vannbad med microkatetersystem innenfor magnet av MR skanneren og orientere med hensyn til den innvendige diameter til magneten.
9. Koble endret 3 ft telefonkabel festet til kateteret til 25 fot RJ11 telefonkabel overføring linje med en 2-veis telefonkontakt.
10. Koble den andre enden av den 25 fot telefonkabelen til en Lambda LPD-422A-FM dual regulert strømforsyning til å levere opp til 1 A strøm til enheten.
11. Plasser overføringslinjer gjennom en bølgeleder og strømkilden utenfor MR skanneren rom utenom 5 Gauss linje.

3. Fartøyet Phantom Setup

1. Konstruer en hul fartøy fantom med en Y-formet kryss fra gummi slangen før eksperimentering.
2. Fyll karet fantom med en 0,0102 M løsning av gadopentetate dimeglumin (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) i destillert vann for å skape kontrast mellom fantom fartøyene og bakgrunn.
3. Monter microcatheter system som skissert i trinn 1.1 til 1.9. Koble kateteret til strømforsyningen og posisjon som beskrevet i trinn 02.09 til 02.11.
4. Plasser spissen av microcatheter ved foten av fartøyet åpningen.
5. Plasser fantomet innenfor magnet av MR skanneren og orientere med hensyn til den innvendige diameter til magneten.

4. Magnetic Resonance Imaging

1. Utfør avbildning med en 1.5T klinisk MR-systemet (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Tyskland, Philips Achieva, SW utgivelse 2.1, Cleveland, OH).
2. Påfør <50 mA å visualisere kateterspissen posisjon. Under MR, vil en liten magnetisk moment bli produsert ved kateterspissen å visualisere en tydelig konsekvens av varierende form avhengig av hvilke spoler aktiveres.
3. Påfør variable mengder strøm i størrelsesorden ± 100 mA fra Lambda dobbel strømkilde til spolene og observere spissen nedbøyning (figur 3a-3c) i vannet bath oppsett. Fordi tips nedbøyning er nesten momentant, gjeldende må bare brukes for ~ 1-2 sek å visualisere maksimal nedbøyning.
4. Gjenta og tas opp fortløpende anvendelser av satt mengder strøm.
5. Gjenta trinn 4,2 samtidig presser kateteret ved hånden tillater mekanisk avansement gjennom beholderen fantom (Fig. 4A og 4B). Påfør gjeldende ved forgrening til å avbøye kateterspissen i ønsket fartøyet. Advance kateter inn i grenen fartøyet ved manuelt å skyve kateteret enden (figur 4C). Trekke kateteret til fartøyet bifurkasjon og gjenta i den motsatte gren (figur 4D).
6. Erverve MR-bilder ved hjelp av en 2D snapshot-FLASH sekvens (TR = 30 ms, TE = 1,4 ms, en matrise av 256 x128 og flip vinkel ~ 30 °).

5. Deflection Målinger

Analysere og måle vinkelen blokkeringer av bilder tatt undervannbad eksperimenter med ulike dataprogrammer (noen Digital Imaging og kommunikasjon i medisin (DICOM) Viewer).

Representative Results

Fra protokollen beskrevet ovenfor, en vinkel av nedbøyning mellom 0 og 90 grader bør observeres fra anvendelse av 50-300 mA leveres samtidig til begge spoler av en kombinert solenoid og Helmholtz spolen microcatheter system (figur 2E). En økning i anvendt strøm bør resultere i en økning i microcatheter avbøyningsvinkel, mens en reversering i dagens polaritet bør resultere i avbøyning i nøyaktig motsatt retning, som observert med positiv strøm (figur 5A-5C). Vinkelen av nedbøyning, men er avhengig av flere parametere. Mengden av anvendt strøm og antall spolen svinger i solenoiden og Helmholtz spoler endrer styrken på magnetisk moment ved microcatheter tips. Tillegg dikterer styrken av det ytre magnetfelt og vinkel mellom magnetisk moment av partikkelen og det ytre magnetiske feltet mengden av dreiemoment opplevd av microcatheter. Endelig er den uhemmet lengde microcatheter spissen strekker seg til vannbad annen faktor som kan endres. Endringer i noen av disse variablene vil gi endrede vinkler nedbøyning.

Nøyaktig måling av nedbøyning vinkler fra MR-bilder kan utføres og sammenlignet ved hjelp av ulike typer DICOM Viewer-programvaren. Avansert nedbøyning kan også bli testet av vellykket navigering gjennom en simulert fartøy fantom.

Figur 1. Enakse Coil Skjematisk:. Kateter defleksjon som følge av utnyttelse av den magnetiske miljøet av MR skanneren Tidligere publisert i Roberts et al 2002 ^13..

Figur 2A. Laser Lithogra PHY Diagram:. Oppsett av laser litografi prosess publikasjonen trykk (Wilson et al 2013 ^16.).

Figur 2B. Laser Litografi Coil Fabrikasjon Diagram: Diagram av trinnene involvert i laser dreiebenk litografi fabrikasjon av microcoils.

Figur 2C. Solenoid Coil:. En microcoil solenoid av 50 ganger fremstilt på en polyimid tube med litografisk teknikk som kalles laser dreiebenk litografi Tidligere publisert i Bernhardt et al 2011 ¹⁵ og Muller et al 2012 ^16, og i trykk (Wilson et al 2013 ^17.).. .

/ Ftp_upload/50299/50299fig2D.jpg "/>
Figur 2D. Sadel Coil: En Helmholtz ("veddeløpsbane") microcoil fabrikkert på den ytre veggen av et kateter med litografisk teknikk kalt laser dreiebenk litografi Tidligere publisert i Bernhardt et al.. 2011 ¹⁵ og Muller et al. ¹⁶ 2012, og i trykk (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 2E. Kombinasjon Coil: En solenoid spole fremstilt på en kateterspiss plassert innenfor et større rør som inneholder en Helmholtz spiral Simultan gjeldende applikasjon til begge spoler muliggjør kateter avbøyning i tre dimensjoner.. Publisering i trykk (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 3A . Kateter Nedbøyning:. Katetertuppen avbøyning observerbar med bruk av dagens Blooming gjenstand fra den strømførende spolen er godt synlig (pil).

Figur 3B anterior-posterior kateter nedbøyning i vannbad:. Søknad på 50 mA og 100 mA resulterte i konsistente 10 ° og 14,5 ° deflections hhv. Positive gjeldende årsaker tips utslag i fremre planet, og negative dagens resultater i nedbøyning i bakre planet. Klikk her for å se Figur 3B .

. Figur 3C Høyre-venstre kateter nedbøyning i vannbad: Søknad på 50 mA og 100 mA resulterte i samsvar 11,5 ° og 17 ° deflections hhv. Positive strøm forårsaker tips avbøyning i riktig plan, og negativ strøm resulterer i avbøyning i venstre planet.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Klikk her for å se figur 3C.

Figur 4 kateter Styring og Tracking:. Kontrollert kateter nedbøyning og styring gjennom et fartøy fantom. Strøm brukes til kveilet kateterspissen produserende visualisering blomstringen (pil). Kateteret er mekanisk avansert og strøm (- 45 mA) påføres for å forårsake avbøyning inn i bunnen skipet gren (C). Kateteret blir deretter trekkes tilbake til posisjon (B). Ved omvendt gjeldende polaritet (45 mA), blir kateteret avbøyet og ført inn den øverste fartøyet gren (D).

. Figur 4B Kateter Avbøyning i en Bifurcation Phantom Gjeldende anvendt kateteret allows vellykket målretting og avansement i den venstre fartøy grenen av fantom. Kateteret blir deretter trukket tilbake til forgreningspunktet og rettet inn i den rette fartøyet grenen. Klikk her for å vise figur 4B .

. Fig. 5A-C geometriske mønstre av kateter Avbøyning i et vannbad:. Strøm brukes til å produsere nedbøyning innenfor et enkelt plan i alle retninger for å vise fig 5A , figur 5B , figur 5C .

Discussion

Her beskriver vi protokollen for nedbøyning av en microcatheter i en MR-skanner. De viktigste parametrene for suksess er nøyaktig anvendelse av nåværende og måling av nedbøyning vinkel. Unøyaktig måling av avbøyningsvinkel er den mest sannsynlige feil oppstod i denne protokollen. Vinklene fanget i MR-bilder under vannbad eksperimentet kan avvike fra de faktiske verdier grunnet små forskjeller i retningen ved hvilken mediet er plassert med hensyn til den innvendige diameter til magneten. Å løse dette problemet i fremtiden, kan bildene bli fanget av MR-kompatible fiberoptiske kameraer plassert i to forskjellige dimensjoner. Bruk av både MR og kamera bildene vil gi et mer nøyaktig, tre-dimensjonal visning av microcatheter tips.

Kvaliteten av bilder kan bli forbedret ved å endre parametrene under hvilke avbildning utføres. En annen tenkelig sekvens kan brukes for å avgjøre om en økning i bildekvalitet og klarhet eropplevd. Videre, fordi de overføringslinjer løp ut av MR skanneren kontrollrom, var integriteten av magneten rommets RF kabinett suboptimal muligens redusere bildekvaliteten. Dette problemet kunne bedres ved å plassere kraftledningene gjennom et filter på en penetrasjon panel. I tillegg bruker kateterspissen microcoils som imaging mottaker spoler innehar også potensial til å gi bilder med høyere oppløsning umiddelbart tilstøtende til kateterspissen. Muligheten for å bruke laser lathed katetertuppen spoler som imaging spoler blir utforsket.

Produksjon av bilder som ikke bare bedre kvalitet, men lettere å bruke til å måle nøyaktige vinkel nedbøyning er også mulig. Modifikasjon av variable som påvirker vinkel avbøyning, som nevnt ovenfor, kan resultere i en større grad av bøyning. I tillegg kan en 3T klinisk MR skanner for økt styrke brukes i stedet for en 1.5T skanner for å øke omfanget av microcatheter avbøyning. Disseendringer kan produsere separasjon av tydelig vinkel deflection mellom nære intervaller på anvendt strøm.

Fordi denne protokollen mål å teste evnen til å kontrollere microcatheter nedbøyning ble fartøyet fantom brukt enkel og inneholdt en enkel gren punkt ved ca 45 °. Nå som denne evnen er etablert, kan ytterligere testing av microcatheter nedbøyning utføres i mer komplekse fantomer. Design variabler som kan bli endret omfatte kardiameteren, vinkelen på fartøyets grener, og antall omdreininger innenfor enhver banen til fantom. Fartøyene kan også være konisk og fantom består av et annet materiale enn plast slange i et forsøk på å nærmere etterligne humant vaskulatur. I fremtidige studier, kan dyreforsøk også bli utført for å ytterligere undersøke microcatheter navigasjon evne.

Flere begrensninger i protokollen også eksisterer med hensyn til fabrikasjon av microcoils hjelpLaser Lathe teknikk. Linjebredde er en funksjon av laser punktstørrelse, motstå tykkelse og høyde. Laserpunkt størrelsen er begrenset til et område av 3-5 mikron i diameter, og motstå tykkelse er begrenset til 25 mikrometer. Videre er tykkelsen på kobber linjene begrenset av linjetykkelse og resisten tykkelse. Fotoresist eksponering med laser direkte skrive-systemet medfører åpninger eller funksjoner i motstå som ikke har parallelle sider. Åpningene er smalere ved bunnen nær frøet laget dermed begrense minstemål av funksjonene. I tillegg, som linjer blir tykkere, vokser de nærmere tilstøtende linjer. Hvis linjene er for nær, kobber frø laget og titan adhesjon lags fjerning prosesser er ikke i stand til å fortsette uhemmet.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
GdDTPA Contrast Media (Magnevist)	Bayer HealthCare Pharmaceuticals Inc.	1240340	McKesson Material Number
Positive Photoresist	Shipley	N/A	PEPR-2400, Replacement: Dow Chemicals Intervia 3D-P
Copper Sulfate	ScienceLab	SLC3778	Crystal form
Sulfuric Acid	ScienceLab	SLS1573	50% w/w solution
Parrafin Wax	Carolina	879190
Potassium Carbonate	Acros Organics	424081000