Summary
La corriente aplicada a un microcatéter endovascular con punta microespiral hecha por láser litografía torno puede lograr deflexiones bajo controlables por resonancia magnética (MR) de orientación, que puede mejorar la velocidad y eficacia de la navegación de la vasculatura durante diversos procedimientos endovasculares.
Abstract
Procedimientos de fluoroscopia de rayos X guiada endovasculares tienen varias limitaciones significativas, incluyendo la navegación del catéter difícil y el uso de radiación ionizante, que potencialmente pueden ser superados usando un catéter magnéticamente orientable bajo la guía MR.
El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un micro-catéter cuya punta puede ser controlado remotamente usando el campo magnético del escáner de RM. Este protocolo tiene como objetivo describir los procedimientos de aplicación actual para el microcatéter microespiral de punta para producir desviaciones consistentes y controlables.
Un microespira se fabricó usando litografía láser torno a un catéter endovascular poliimida de punta. En las pruebas in vitro se realizó en un baño de agua y fantasma buque bajo la guía de un sistema de 1,5-T MR utilizando el estado de equilibrio precesión libre (SSFP) secuenciación. Varias cantidades de corriente se aplica a las bobinas del microcatéter para producir meadeflexiones sureable punta y navegar en fantasmas vasculares.
El desarrollo de este dispositivo proporciona una plataforma para futuras pruebas y la oportunidad de revolucionar el ambiente RM intervencionista endovascular.
Introduction
Los procedimientos endovasculares realizados en el uso de la medicina intervencionista guía de rayos X como una herramienta para la navegación a través de catéter vascular para el tratamiento de varias enfermedades graves, como el aneurisma cerebral, infarto cerebral, tumores sólidos, la aterosclerosis y las arritmias cardíacas dirigida a más de un millón de pacientes al año en todo el mundo 1 - 5. Con el uso de medios de contraste, la navegación a través de la vasculatura se logra mediante el giro manual del catéter y el avance mecánico por el intervencionista de mano 6. Sin embargo, la navegación a través de pequeños vasos sanguíneos tortuosos alrededor de muchas curvas vasculares se vuelve cada vez más difícil, alargando el tiempo antes de alcanzar el sitio diana. Esto plantea un problema para los procedimientos sensibles al tiempo tales como la remoción de un coágulo en un vaso sanguíneo ocluido. Además, los procedimientos prolongados aumentar la dosis de radiación y crear el potencial de eventos adversos 7-11. Sin embargo, los procedimientos endovasculares realiza bajo Magnetic resonancia puede ser una solución.
El fuerte campo magnético homogéneo de un escáner de MRI pueden ser explotados para la navegación punta de catéter por control remoto 12,13. La corriente aplicada a una microespira encuentra en una punta de catéter induce un pequeño momento magnético, que experimenta una torsión, ya que se alinea con el orificio del escáner de MRI 13 (Figura 1). Si la corriente eléctrica se activa en una bobina individual, la punta del catéter puede ser desviada en un plano por control remoto. Si tres bobinas en la punta del catéter se energizan, desviación punta del catéter se puede lograr en tres dimensiones. Así, dirección magnéticamente facilitado de un catéter tiene el potencial de aumentar la velocidad y la eficacia de la navegación vascular en los procedimientos endovasculares, lo que podría reducir los tiempos del procedimiento y mejorar los resultados del paciente. En este estudio, hemos examinado si la corriente aplicada a un catéter endovascular microespiral de punta puede producir fiable y controlado deflections bajo MR-guía como las pruebas preliminares de los estudios de localización de catéteres.
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Protocol
1. Microespiral Fabrication
- Obtener un microcatéter disponible comercialmente (por ejemplo 2.3F tránsito rápido Cordis catéter neurovascular, de Raynham, MA) para un sustrato.
- Asegúrese de catéteres no tienen componentes ferrosos, se consideran MR-safe, y varían en tamaño 2.3-3.0 F.
- Catódica una capa de adhesión de titanio seguida de una capa de siembra de cobre hasta un 1 a 2 mm OD tubo aislante. Los posibles materiales incluyen poliimida o alúmina (ORtech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
- Electrodepositar una capa fotorresistente positiva utilizando Shipley PEPR-2400 (actualmente comercializado por Dow Chemical bajo el nombre Intervia 3D-P). Resultados de electrodeposición en un revestimiento uniforme sobre la superficie cilíndrica no plana.
- Fotorresistente se expone por un láser único sistema de escritura directa (láser torno, un sistema no comercial desarrollado en el Lawrence Livermore National Laboratory) en el patrón de la forma de la bobina deseada (Figura 2A). Esta es una modificaciónción de la técnica originalmente descrita en Malba et al. 14
- Desarrollar el fotoprotector expuesto en una solución al 1% de carbonato de potasio a 35 ° C.
- El cobre se electrochapado a través de la máscara de resistencia restante para formar la bobina deseada. El sistema puede fabricar tanto solenoide y de Helmholtz (racetrack) patrones de cobre (Figuras 2C y 2D).
- Después de la electrodeposición de cobre, retire la capa protectora con el desarrollador caliente. Eliminar la capa de siembra de cobre, seguido por la capa de adhesión de titanio.
- Una el tubo aislante a la punta del catéter utilizando envoltura retráctil para completar el montaje. Asegúrese de que el envoltorio cubre la punta en espiral completa. Para el montaje de ejes múltiples catéteres colocar aislantes estructuras de tubos uno dentro del otro como se muestra en la Figura 2E.
- Haga pasar los cables de cobre a través del lumen del microcatéter y soldadura a las bobinas en la punta.
- Modificar y acortar a 6 pies de cable RJ11 de teléfono to 3 pies de largo.
- Conectar los cables de cobre que emanan del buje extremo posterior del microcatéter a la línea telefónica modificada 3 ft gato de transmisión.
2. Baño de agua de instalación
- Hacer un pequeño agujero en el centro del lado de un recipiente de plástico de aproximadamente 5 cm de la parte inferior.
- Inserte una vaina 9F Avanti Cordis vascular (Cordis Endovascular, Miami Lakes, FL) a través del agujero.
- Cortar la punta distal de la vaina vascular dejando un 4 cm de largo pieza que se extiende en la cuenca.
- En el extremo de la funda, adjuntar una válvula rotativa hemostático o Thuoy Borst-para estabilizar la posición del microcatéter.
- Llene el recipiente con agua destilada asegurar la inmersión completa del aparato.
- Inserte el catéter con punta en espiral a través de la vaina vascular y la válvula.
- Mida y registre la longitud ilimitada del microcatéter se extiende desde la válvula en el tanque de agua.
- Coloque el tanque de agua con microsistema de catéter dentro del imán del escáner de RM y orientar con respecto al taladro del imán.
- Conecte el cable de teléfono modificado 3 pies al catéter a un 25 pies RJ11 línea telefónica de transmisión de cable con un conector de teléfono de 2 vías.
- Conecte el otro extremo del cable de 25 pies de teléfono a un Lambda LPD-422A-FM doble fuente de alimentación regulada para entregar hasta 1 A de corriente al dispositivo.
- Colocar las líneas de transmisión a través de una guía de ondas y la fuente de alimentación fuera de la sala de escáner de RM fuera de la línea de 5 Gauss.
3. Buque Fantasma de configuración
- Construir un fantasma recipiente hueco con una intersección en forma de Y a partir de tubo de goma antes de la experimentación.
- Llenar el recipiente fantasma con una solución 0,0102 M de gadopentetato de dimeglumina (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, Nueva Jersey) en agua destilada para crear un contraste entre los vasos fantasma y el fondo.
- Montar el microcatheter sistema como se describe en los pasos a través de 1,1 1,9. Conectar el catéter a la fuente de alimentación y la posición como se describe en los pasos 2,9 a 2,11.
- Colocar la punta del microcatéter en la base de la abertura del recipiente.
- Coloque el fantasma dentro del imán del escáner de RM y orientar con respecto al taladro del imán.
4. Imágenes por Resonancia Magnética
- Realizar imágenes con un sistema 1.5T MR clínico (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Alemania; Philips Achieva, SW versión 2.1, Cleveland, OH).
- Aplicar <50 mA de corriente para visualizar la posición de la punta del catéter. Bajo MRI, un momento magnético pequeño será producido en la punta del catéter para visualizar un artefacto distinto de forma variable en función de que las bobinas se energizan.
- Aplique una cantidad variable de corriente en el rango de ± 100 mA de la fuente de poder dual Lambda a las bobinas de desviación de la punta y observar (Figuras 3A-3C) en el ba aguaª de configuración. Debido desviación de la punta es casi instantánea, actual necesita solamente ser aplicado para ~ 1-2 segundos para visualizar la deflexión máxima.
- Repetir y grabar aplicaciones consecutivas de cantidades fijas de corriente.
- Repetir el paso 4,2, mientras que simultáneamente empuja el catéter a mano permitiendo avance mecánico a través del vaso fantasma (Figuras 4A y 4B). Aplicar corriente en el punto de ramificación para desviar la punta del catéter en el vaso deseado. Avanzar el catéter en la bifurcación del vaso empujando manualmente el extremo del catéter (Figura 4C). Retraer el catéter a la bifurcación recipiente y repetir en la rama opuesta (Figura 4D).
- Adquirir imágenes de RM utilizando una instantánea 2D-FLASH secuencia (TR = 30 ms, TE = 1,4 mseg, una matriz de 256 x128 y ángulo de giro ~ 30 °).
5. Las mediciones de deflexión
Analizar y medir las deflexiones angulares de las imágenes capturadas duranteexperimentos baño de agua con diferentes aplicaciones informáticas (cualquier Imagen Digital y Comunicaciones en Medicina (DICOM) Visor).
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Representative Results
Desde el protocolo descrito anteriormente, un ángulo de deflexión entre 0 y 90 grados debe observar desde la aplicación de 50-300 mA de corriente suministrada simultáneamente a ambas bobinas de un solenoide combinado y bobina de Helmholtz sistema de microcatéter (2E Figura). Un aumento de la corriente aplicada se traducirá en un aumento en el ángulo de deflexión microcatéter, mientras que un cambio en la polaridad de la corriente debe dar lugar a la flexión en la dirección opuesta como se observa con la corriente positiva (Figuras 5A 5C-). El ángulo de desviación, sin embargo, depende de varios parámetros. La cantidad de corriente aplicada y el número de espiras de bobina en el solenoide y bobinas de Helmholtz altera la fuerza del momento magnético en la punta del microcatéter. Además, la intensidad del campo magnético externo y el ángulo entre el momento magnético de la partícula y el campo magnético externo dicta la cantidad de par de torsión experimentado por el microcatheter. Por último, la longitud ilimitada de la punta del microcatéter se extiende en el baño de agua es otro factor que puede ser alterado. Los cambios en cualquiera de estas variables se producen ángulos modificados de la desviación.
La medición precisa de los ángulos de desviación a partir de imágenes de RM pueden realizarse y se compararon con los distintos tipos de software DICOM espectador. Desviación avanzada también puede ser probado por la navegación a través de un exitoso buque fantasma simulado.
Figura 1. Solo-Eje Esquema bobina:. Deflexión catéter como resultado de la explotación del medio ambiente magnético del escáner de RM Publicado anteriormente en Roberts et al 2002 13..
Figura 2A. Laser Lithogra Diagrama phy:. instalación de proceso de litografía láser de publicación en prensa (Wilson et al 2013 16.).
Figura 2B. Litografía Laser bobina Diagrama de Fabricación: Esquema de los pasos involucrados en la fabricación de litografía láser torno de micro-coils.
Figura 2C. Bobina de solenoide:. Un solenoide microespiral de 50 vueltas fabricado sobre un tubo de poliimida utilizando la técnica litográfica denominado láser litografía torno Anteriormente publicado en Bernhardt et al 2011 15 y Muller et al 2012 16, y en prensa (Wilson et al 2013 17.).. .
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Figura 2D. Bobina Saddle: A Helmholtz ("circuito") microespiral fabricado en la pared exterior de un catéter con técnica litográfica denominado láser litografía torno Anteriormente publicado en Bernhardt et al.. 2011 15 y Muller et al. 2012 16, y en prensa (Wilson et al. 2013 17).
Figura 2E. Bobina de combinación: una bobina de solenoide fabricado sobre una punta de catéter que se coloca dentro de un tubo más grande que contiene una bobina de Helmholtz aplicación simultánea de corriente a ambas bobinas permite deflexión del catéter en tres dimensiones.. La publicación en prensa (Wilson et al. 2013 17).
Figura 3A . Deflexión del catéter:. Deflexión punta de catéter observable con la aplicación de corriente artefacto floreciente de la bobina energizada es claramente visible (flecha).
Figura 3B antero-posterior de deflexión catéter en Baño de agua:. Aplicación de 50 mA y 100 mA de corriente dio lugar a constantes 10 ° y 14,5 °, respectivamente deflexiones. Positivo corriente de desviación punta causas en el plano anterior, y los resultados negativos actuales de desviación en el plano posterior. Haga clic aquí para ver la Figura 3B .
. Figura 3C derecha-izquierda Deflexión catéter en Baño de agua: Aplicación de 50 mA y 100 mA de corriente dio lugar a constantes 11,5 ° y 17 ° respectivamente deflexiones. Positivos causas actuales inclinar la flexión en el plano correcto, y los resultados negativos actuales de desviación en el plano izquierdo.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver la Figura 3C.
Figura 4 Dirección del catéter y seguimiento:. Deflexión catéter controlado y dirección a través de un fantasma buque. Se aplica corriente a la espiral de la punta de catéter de visualización producir floración (flecha). El catéter es avanzado y mecánicamente actual (- 45 mA) se aplica a causar deformación en la rama del vaso inferior (C). El catéter se retrae a continuación a la posición (B). Se invierte la polaridad de corriente (45 mA), el catéter se desvía y avanzar dentro de la rama del vaso superior (D).
. Figura 4B Catéter de deflexión en una bifurcación Phantom: corriente aplicada al catéter almínimos exitosa focalización y el avance en la rama izquierda de la nave fantasma. El catéter luego se retractó al punto de bifurcación y se dirige a la rama recipiente adecuado. Haga clic aquí para ver la Figura 4B .
. Figura 5A-C patrones geométricos de deflexión del catéter en un baño de agua:. Se aplica corriente para producir desviaciones dentro de un solo plano en todas las direcciones Haga clic aquí para ver la Figura 5A , la figura 5B , la figura 5C .
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Discussion
Aquí se describe el protocolo para la deflexión de un microcatéter en un escáner de RM. Los parámetros clave para el éxito son una aplicación precisa de la corriente y de medición de ángulo de desviación. Medición inexacta del ángulo de desviación es el error más probable encontrar en este protocolo. Los ángulos capturados en las imágenes de RM durante el experimento baño de agua pueden diferir de los valores reales debido a ligeras diferencias en la orientación mediante el cual se coloca el medio con respecto al diámetro del imán. Para solucionar este problema en el futuro, las imágenes pueden ser capturadas por MR cámaras compatibles de fibra óptica situados en dos dimensiones diferentes. El uso de ambas imágenes de RM y la cámara proporcionará una mayor precisión, una vista tridimensional de la punta del microcatéter.
La calidad de las imágenes puede ser mejorada mediante la alteración de los parámetros bajo los cuales se realiza la formación de imágenes. Una secuencia de imágenes diferentes se puede utilizar para determinar si un aumento en la calidad de la imagen y la claridad esexperimentado. Por otra parte, debido a que las líneas de transmisión se quedó sin la sala de control MR escáner, la integridad del recinto de la sala de imán de RF fue subóptima posiblemente perder calidad de imagen. Este problema podría ser mejorada mediante la colocación de las líneas de alimentación a través de un filtro en un panel de penetración. Además, utilizando las microespirales punta del catéter como bobinas receptoras de imagen también tiene el potencial para proporcionar imágenes de mayor resolución inmediatamente adyacentes a la punta del catéter. La posibilidad de utilizar láser torneadas bobinas punta del catéter como bobinas de formación de imágenes se está explorando.
La producción de imágenes que no son de calidad sólo es mejor, pero más fácil de usar para medir el ángulo de deflexión precisa también es posible. Modificación de las variables que afectan a la desviación de ángulo, como se mencionó anteriormente, puede resultar en un mayor grado de deflexión. Adicionalmente, un escáner 3T MR clínico de aumento de la fuerza puede ser utilizado en lugar de un escáner 1.5T para aumentar el rango de deflexión microcatéter. Estoscambios pueden producir separación de deflexión ángulo distinto entre los intervalos estrechos de corriente aplicada.
Debido a que este protocolo el objetivo de probar la capacidad de controlar la deflexión del microcatéter, el buque fantasma utilizado era simple y contenía un punto de ramificación único a aproximadamente 45 °. Ahora que esta capacidad se establece, más pruebas de deflexión microcatéter se puede realizar en fantasmas más complejas. Las variables de diseño que pueden ser alterados incluyen diámetro del vaso, el ángulo de las ramas del recipiente, y el número de vueltas dentro de cualquier trayectoria dada del espectro. Los vasos también puede ser cónica y el fantasma compuesta de un material diferente que no sea un tubo de plástico en un esfuerzo para imitar más estrechamente vasculatura humana. En futuros estudios, los experimentos con animales también se puede realizar para examinar aún más la capacidad microcatéter navegación.
Varias limitaciones de este protocolo también existen con respecto a la fabricación de micro-utilizandoel láser Torno técnica. Anchura de línea es una función del tamaño del punto láser, resistir grosor y tono. Tamaño del punto láser está restringido a un intervalo de tres a cinco micras de diámetro, y resistir espesor está limitado a 25 micras. Además, el espesor de las líneas de cobre está limitado por el ancho de línea y el grosor de resistir. Fotoresinas exposición con los resultados del sistema de láser directo y escritura en las aberturas o características en la capa protectora que no tienen lados paralelos. Las aberturas son más estrechas en la parte inferior cerca de la capa de la semilla lo que limita el tamaño mínimo de las características. Además, como las líneas se vuelven más gruesas, se acercan a las líneas adyacentes. Si las líneas están demasiado cerca, la capa de semilla de cobre y titanio procesos de eliminación de la capa de adherencia no son capaces de proceder sin inhibiciones.
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Disclosures
Dr. Hetts recibió subsidios de Stryker Corporation y es un consultor pagado para Silk Road Medical, Inc.
Acknowledgments
Pallav Kolli, Settecase Fabio, Amans Mateo, y Robert Taylor de UCSF, Tim Roberts de la Universidad de Pennsylvania
Fuentes de Financiamiento
NIH Instituto Nacional del Corazón Pulmón Blood Institute (NHLBI) Premio (M. Wilson): 1R01HL076486 Sociedad Americana de Neurorradiología de Investigación y Educación de la Fundación Premio Académico (S. Hetts)
NIH Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB) Premio (S. Hetts): 1R01EB012031
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 |
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