Konstruktion av en preklinisk Multimodality Phantom Använda Tissue-härma Material för kvalitetssäkring i tumörstorlek Mätning

Summary

Detta dokument beskriver interna rutiner för att konstruera en preklinisk multimodalitet fantom gjord av vävnad-mimicking (TM) material för kvalitetssäkring (QA) av tumörstorlek mätning i animaliska avbildningsmodaliteter såsom ultraljud (US), datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRT).

Abstract

Världshälsoorganisationen (WHO) och Response Criteria Evaluation i solida tumörer (RECIST) arbetsgrupper förespråkat standardiserade kriterier för radiologiska bedömningar av solida tumörer som svar på anti-tumor läkemedelsbehandling under 1980 och 1990, respektive. WHO: s kriterier mäta solida tumörer i två dimensioner, medan RECIST mätningar använder endast en-dimension som anses vara mer reproducerbar ^{1, 2, 3,4,5.} Dessa kriterier har ofta använts som enda avbildning biomarkör som godkänts av den amerikanska myndigheten Food and Drug Administration (FDA) ^6. För att mäta tumörens svar på antitumörläkemedel på bilder med noggrannhet, därför är en gedigen kvalitetssäkring (QA) förfaranden och motsvarande QA fantom behövs.

För att tillgodose detta behov, författarna konstruerat en preklinisk multimodalitet (för ultraljud (US), datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRT)) fantom med silkespapper-mimicking (TM)material baserade på det begränsade antal mål lesioner som krävs enligt RECIST genom att revidera en Gammex amerikanska kommersiella phantom ^7. Tillägget i Lee et al. Visar procedurerna i Phantom tillverkning ^7. I den här artikeln, är alla protokoll införs i ett steg-för-steg sätt börjar med förfaranden för framställning av silikon formar för gjutning av tumör-simulerar testobjekt i fantom, följt av framställning av TM material för multimodalitet imaging, och slutligen byggandet av preklinisk multimodalitet QA fantom. Det primära syftet med denna uppsats är att tillhandahålla protokollen att tillåta alla intresserade självständigt konstruera en fantom för sina egna projekt. Kvalitetssäkringen för tumörstorlek mätning och RECIST, WHO och volym mätresultat av testobjekt gjorts vid flera institutioner använder denna QA fantom visas i detalj i Lee et al. ^8.

Introduction

Bedömning av förändringen i tumörstorlek är en viktig endpoint för utvärdering av aktiviteten av antitumörläkemedel i både tumör krympning och sjukdomsprogression ^{9, 10.} Världshälsoorganisationen (WHO) och Response Criteria Evaluation i solida tumörer (RECIST) är de kodifierade metoder för anatomisk bedömning av tumörlesioner i avbildningsmetoder såsom ultraljud (US), datortomografi (CT) eller magnetisk resonanstomografi (MRT). För WHO: s kriterier, är produkten av tumör maximal diameter och dess största vinkelräta diameter i tvärgående plan för målområden beräknas ^4. I kontrast till RECIST, är summan av längsta diameter i tvärgående planet för ett begränsat antal mål lesioner beräknas ^4. Trots ständigt ökande intresse för tumör terapeutisk respons bedömning har det inte funnits någon preklinisk kvalitetssäkring (QA) fantom / QA förfaranden för avbildning biomarkörer.

innehåll "> Med tanke på att tumörstorlek mätning baserad på WHO: s kriterier och / eller RECIST är den enda avbildning biomarkör som godkänts av den amerikanska myndigheten Food and Drug Administration (FDA), som utgångspunkt för QA för andra imaging biomarkörer, Lee et al. konstruerade och tillverkade UTHSCSA / Gammex Mark 1 och Mark 2 fantomer för QA av tumörstorlek mätningar i samarbete med Gammex Inc ^7. The Mark 1 Fantomen var en reviderad version av en Gammex kommersiell US fantom och därmed var för stor för att passa in djur CT och MR skannrar. Även en del verktyg i Mark 1 fantom var onödigt för tumörstorlek mätning. The Mark 2 fantom var utformad utifrån RECIST som är den senaste FDA-godkända imaging biomarkör. Men storleken på Mark 2 fantom var fortfarande för stor för MR skannrar, och CT och MR bildkvalitet fantom var inte acceptabelt för noggrann tumörstorlek mätning ^7.

Den QA phantom beskrev hantyglar var ny utformning för att avhjälpa bristerna i de tidigare fantomer och konstrueras med modifierad vävnad-härma (TM) material och protokoll som utvecklats i vårt labb. Detta dokument beskriver detaljerna i protokollen för Phantom konstruktion: Först metoder införs för framställning av silikon formar behövs för gjutning tumör-simulerar testobjekt och för att montera en rotator för att vrida en fantom för att förhindra gravitation sedimentering. Second, protokoll för beredning TM material modifierade från D'Souza et al. 'S för USA, CT och MR beskrivs ^11. De fysikaliska egenskaperna hos TM materialet testades i varje modalitet för att säkerställa att de TM materialen representerade mänskliga mjukdelar som observerats i de bilder som förvärvats med de olika formerna, men resultaten visas inte här. Tredje, är protokollet för fantom beskrivna konstruktionen. Slutligen är USA, CT och MR bilder av fantom presenteras som resultat.

Protocol

Ett. Phantom Design

En ritning av den prekliniska multimodalitet fantom visas i figur 1 ^{7, 8.} Storleken på fantom är 38 mm i diameter och 115 mm i längd för att tillåta fantom som ska skannas i olika djur-skannrar. Fantomen innehåller fem tumör-simulerar testobjekt (diameter: 14, 10, 7, 4 och 2 mm) placeras på ett djup av 10 mm i fantom.

2. Silikon formkonstruktion

Silikon formar är beredda att kasta tumör-simulerar testobjekt som beskrivs i avsnitt ^7. Alla akrylplattor och stavar som krävs för framställning av silikon formar skärs med en noggrannhet på 25 mikrometer i verkstaden vid University of Texas Health Science Center i San Antonio (UTHSCSA).

1. Gör fem hål (diameter: 14, 10, 7, 4, 2 mm) för testobjekt och ytterligare fem hål (diameter: 6 mm) för uppriktning stavar i två akryl basplattor (storlek: 4,2 cm x 11.5 cm x 0,9 cm) (Figur 2A).
2. Skär spacer par med höjd 7, 5, 3,5, 2 och 1 mm (storlek: 1,0 cm x 5,5 cm) (Figur 2B).
3. Förbered stålkulor (diameter: 14, 10, 7, 4 och 2 mm, noggrannhet: 2,5 um).
4. Placera två spacer par med höjd av 7 mm och en bottenplatta på ett tunt akrylplatta i sekvens och dra åt dem med hjälp av C-klämmor (figur 2C).
5. Sätt stålkula med 14 mm diameter i 14 mm hål i bottenplattan och limma den med JB KWIK (figur 2C). Upprepa förfarandena för resten av bollarna (Figur 2D) och för det andra basplattan. Observera att stålkulor i två bottenplattor limmas som spegelbilder ^7.
6. Fäst fyra 2,5 cm höga akrylplattor (storlek: 2,5 cm x 11.5 cm för två plattor och 2,5 cm × 4,2 cm för ytterligare två plattor) på varje bas med maskeringstejp som staket (Figure 3A).
7. Fäst den övre plattan (storlek: 4,2 cm × 11.5 cm, fem hål med 0,8 cm i diameter, tio hål med 1,2 cm i diameter) i en av de församlingar bottenplattan för att infoga fem akryl stavar (diameter: 0,8 cm och längd: 0,5 cm) med 1 mm tips, och att sätta fem anpassning stavar (diameter: 0,9 cm och längd: 5,0 cm) och häll silikon (Figur 3A).
8. Sätt i akryl stänger i 0,8 cm hål i den övre plattan hela vägen till toppen av stålkulor och limma dem med silikon lim. Sätt sedan anpassning stänger i hålen i bottenplattan genom större hål i den övre plattan (Figur 3A).
9. Blanda del A av silikongummi förening med del B i förhållandet 10 till 1 viktprocent.
10. Häll föreningen silikongummi i aggregatet och torka aggregatet vid rumstemperatur under ca 24 h (figur 3B).

Tre. Rotator Assembly

Den rotator framställs från PVC-rör och en rotisseriemotorn.

1. Mal i slutet av en bult för att passa i hålet av en rotisseriemotorn.
2. Skruva marken bulten till slutet av PVC-rör (längd: 270 mm och inre diameter: 75 mm) med hjälp av en mutter och en bricka.
3. Böj metallplattor och limma dem på en plastplatta med JB KWIK att stödja PVC-rör och att justera höjden på PVC-rör ^7.

4. TM Material Framställning

Protokollen för framställning av TM materialen modifieras från de som utvecklats i Dr Ernest L. Madsen laboratorium vid University of Wisconsin Madison och mer information finns i Lee et al. ^8,11.

4.1 Bakgrund TM materialberedning

1. Pass kommersiella helmjölk (200 cc) genom 20 pm och sedan 10 um filter mesh.
2. Lös Timerosal (0,2 g) i den filtrerade mjölken (100 cc).
3. Använda husvakuum, detta Degasmjölk lösning under 30 s vid rumstemperatur.
4. Lös torr agaros (2 g) i avjoniserat vatten (18 MQ) (100 cm ^) vid rumstemperatur.
5. Tillsätt sedan 1-propanol (7,9 cc) och BaSO ₄ (1 g) till agaroslösningen.
6. Degas agaroslösningen och sedan värma den i en 95 ° C vattenbad tills agarosen lösningen klarnar.
7. Medan agaroslösningen klar i det 95 ° C vattenbad, värm kondenserad mjölk i ett 55 ° C vattenbad.
8. Flytta den smälta agarosen lösning på 55 ° C vattenbad för att svalna.
9. När båda lösningar är vid 55 ° C, blanda agaroslösning (50 cc) med kondenserad mjölk (50 cc) för att göra förhållandet på 50 till 50 i volym och långsamt rör blandningen följt av luftbubblor avlägsnas från ytan.
10. Tillsätt sedan EDTA (0,103 g) och CuCl ₂ · 2H ₂ O (0,06 g) till agaros-mjölk blandningen följt av tillräcklig omröring för säkerställande av homogenitet.
11. Slutligen tillsätts glaspärlor (15-60 μmi diameter, medeldiameter: 35 ^ m) (0,1 g) och rör om den slutliga blandningen upprepade gånger. Före användning, blöt glaspärlor i koncentrerad salpetersyra under 24 timmar för att avlägsna eventuella orenheter och sedan skölja bort syran.

4,2 Testobjekt TM materialberedning

Testet objektet TM material framställs på ett liknande sätt som bakgrunden TM materialet med undantag för följande sammansättning skillnader:

1. Pass kommersiella helmjölk (20 cc) genom 20 pm och sedan 10 um filter mesh.
2. Lös Timerosal (0,02 g) i den filtrerade mjölken (10 cc).
3. Lös torr agaros (0,60 g) i en lösning vid rumstemperatur av avjoniserat vatten (10 cm ^) och 1-propanol (0,79 cc).
4. Degas agaroslösningen och sedan värma den i en 95 ° C vattenbad tills agarosen lösningen klarnar.
5. Medan agaroslösningen klar i det 95 ° C vattenbad, värm kondenserad mjölk i ett 55 ° C vattenbad.
6. Flytta the smälta agarosen lösning på 55 ° C vattenbad.
7. När båda lösningar är vid 55 ° C, blanda agaroslösningen (5 cc) med kondenserad mjölk (5 cc) och långsamt rör blandningen följt av luftbubblor avlägsnas från ytan.
8. Tillsätt sedan EDTA (0,0017 g) och CuCl ₂ · 2H ₂ O (0,0010 g) till agaros-mjölk följt av tillräcklig omröring.

Fem. Multimodalitet Phantom Assembly

Använda silikon formar, är följande åtgärder genomföras för att konstruera multimodalitet fantom.

1. På silikonformen utan 1 mm hål, fäst nylontråd längs mitten av sfärer och limma den vid båda ändarna av formen med hjälp av silikonlim (figur 4A).
2. Med hjälp av en mjuk borste, applicera silikonfett på ytan av två formar (Figur 4A) och montera två formar med anpassning stavar.
3. Förbered testobjekt TM material som beskrivs i avsnitt 4.2 och poUR den genom 1 mm hål i silikon mögel med en 22-gauge nål i en spruta.
4. För att tillåta provobjekten att ställa in, lagra formarna i kylskåp (5 ° C) under omkring 30 min.
5. I varje sida av en halv-cylindrisk behållare (längd: 115 mm och diameter: 38 mm), göra två hål av 1 mm på ett djup av 10 mm från den fantom yta för att montera nylontråd med testobjekt. Gör ytterligare ett hål på 6 mm för att hälla bakgrunden TM material.
6. Lasta provobjekten med nylontråd från formarna (Figur 4B) och sedan montera dem i halv-cylindriska behållare (Figur 4C).
7. Använda 3M Scotch-Weld DP-100 och 3M tejp, hålla tunt icke ledande aluminium (tjocklek: 0,12 mm) på akryl behållaren. Blockera 1 mm hål i akryl behållaren med samma lim (figur 4C).
8. Förbered bakgrund TM material snabbt och långsamt hälla den i 6 mm hål i behållaren med hjälp av en litentratt.
9. Efter avlägsnande av eventuella luftbubblor, limma 6 mm hål med 3M Scotch-Weld DP-100.
10. När monterade, rotera fantom vid 2 rpm i rotator i 4 till 5 timmar vid rumstemperatur.
11. Avlägsna nylontråd efter TM material i fantom helt hårdnar.

6. Multimodalitet Imaging

Fantomen skannas i preklinisk ultraljud, CT och MRI och bilder i tre modaliteter förvärvas. De avbilda protokollen beskrivs i detalj i Lee et al. ^{7, 8.}

Representative Results

Figur 3 B Figur 5 visar två silikon formar för gjutning testobjekt, och multimodalitet fantom, respektive. Den längd × bredd × djup varje form är 109 mm × 37 mm × 21 mm och två formarna är identiska spegelbilder. En mögel har 1 mm hål där TM material kan införas med hjälp av en tunn nål. Varje form har ytterligare fem hål för justering stavar. Den längd × bredd × djup fantom är 115 mm × 38 mm × 24 mm och den ursprungliga vikten var 101,02 g. Storleken på fantom är tillräcklig för att passa in i prekliniska skannrar.

Bilder förvärvats av USA, CT och MRI visas i figur 6. Kontrasten mellan testobjekt och bakgrund är tillräckligt för att särskilja testobjekt och mäta deras storlekar. Inga svåra artefakter observeras i några bilder utom för liten efterklang i de amerikanska bilderna.

Figur 1. Design av en preklinisk multimodalitet fantom. Fantomen har fem tumörer simulerar testobjekt med diameter på 2, 4, 7, 10 och 14 mm placeras 10 mm från fantom ytan.

Figur 2. Förberedelser för gjutning silikon formar. A. en bottenplatta med fem hål för testobjekt och ytterligare fem hål för justering stavar. B. Spacer par med höjd 7, 5, 3,5, 2 och 1 mm. C. Limning stålkulor med tunna akrylplatta, distanser, bottenplatta och C-klämmor, D. En bottenplatta med fem limmade stålkulor.

Fig. ure 3. Rutiner för gjutning silikon formar. A. Konstruktion av församlingar bottenplatta innan du häller silikon förening. B. silikon formar.

Figur 4. Rutiner för gjutning testobjekt med silikon formar. A. Beredning innan gjutning testobjekt i silikon formar med nylontråd, silikonfett och stavar Justering. B. testobjekt i silikon mögel före lossning. C. Montering av testobjekt i en akryl behållare .

Figur 5. En multimodalitet fantom gjord av vävnad-härma material. The Phantom passar in olika djur skannrar i flera institutioner.

ontent "fo: keep-together.within-sida =" alltid ">
Figur 6. A. USA, B. CT och C. T2 viktade MR-bilder av de syntetiska. Bilderna visar inte allvarliga artefakter och luftbubblor. Kontrasten mellan testobjekt och bakgrund var lämplig för storlek mätning.

Discussion

Målet med denna artikel var att tillhandahålla metoder för att göra TM material för multimodalitet imaging och konstruera en preklinisk multimodalitet fantom som ett QA verktyg för noggrann tumörstorlek mätning med olika modaliteter inom flera institutioner. Som tidigare nämnts, var TM material som ursprungligen utvecklades av Dr Ernest L. Madsen laboratorium vid University of Wisconsin Madison för en multi-avbildningsmodalitet prostata fantom. Vi ändrade Dr Madsens TM materiella protokoll för vårt eget syfte för att få tillräcklig kontrast mellan testobjekt och bakgrund och att representera de fysiska egenskaperna hos mjukvävnad i USA, CT och MR-bilder. Metoderna för fantom konstruktion med hjälp av våra egna TM material protokollen kortfattat av Lee et al. För första gången ^{7, 8.} I denna uppsats har protokoll på TM material och Phantom konstruktion förklaras i detalj.

Före TM materiella förberedelser, Var silikon formar och en rotator skräddarsy i vårt labb. Eftersom silikon formar kan krympa i processen för torkning, är det viktigt att välja rätt silikonföreningen för mögel beredning. Vi mätte diametern av varje objekt i formarna med användning av en NIST-spårbara tjocklek efter att de härdade för att säkerställa att det var minimal krympning. Rotatorn var nödvändigt för att förhindra gravitationell sedimentation av glaspärlor i underlaget.

TM material gjordes av flera kemikalier av följande skäl ^{7, 11, 12:} Mjölk har samma egenskaper som mänsklig vävnad, Timerosal förhindrar bakteriell invasion i mjölk, mesh filter avlägsna eventuella föroreningar som kan ha införts under föregående koncentrering och kommersiell förpackning av mjölk, agaros är ett bindemedel och MR T2 avkoppling tid modifier, avjoniserat vatten inte inkluderar metalljoner som sänker relaxationstider skillnad kranvatten, Propanol ökar ljudhastigheten för water (1,484 m / s) till att för mjuka vävnader (1.540 m / s), BaSO ₄ är för CT kontrast förbättring, Cu ^{2 +} / EDTA minskar MR T1 avkoppling tid, Glaspärlor är för US kontrast förbättring. Kontrasten i bilder och fysikaliska egenskaper diskuteras i Lee et al. ^8.

TM material av testobjekt bör avgasas och långsamt injiceras genom 1 mm-hål i silikon mögel med hjälp av en spruta för att undvika luftbubblor i testobjekt. När testobjekt är gjutna i silikon formar, bör de laddas in en akryl fantom omedelbart och toppen av fantom bör omfattas och limmas omedelbart samt att förhindra uttorkning av testobjekt.

Regelbunden vägning av fantom är nödvändigt att kontrollera uttorkning. Våra resultat visade att det fanns en högst 1,68% viktminskning på ett år i vår fantomer ^8, vilket är acceptabelt för fantom ansökan. Denna förlust kan korrigeras genom att periodiskt injecting snyggt ersättare vatten. Behöver dock effekten av viktminskning om ändringar i bilder som ska undersökas genom att skanna fantom och mäta storleken på testobjekt regelbundet. Det är också viktigt att hålla fantom i rumstemperatur och bort från fukt för att förhindra uttorkning.

Den nuvarande QA Phantom tar inte hänsyn till variationer i form observerats i typiska djur eller humana tumörer. Således kommer en fantom med testobjekt av oregelbunden form måste konstrueras och testas som vår framtida studie ^8. Ändå är den nuvarande Fantomen fortfarande användbar för andra ändamål, t ex exakt bildsystem kalibrering, testa riktigheten av ett mätverktyg i USA, CT eller MR-system, och så vidare. Det kan också användas kliniskt med översynen av fantom storlek.

För tumörstorlek mätning QA använder phantom, små system djur imaging som har förmågan att ge tredimensionella bilder (bredd, längd och djup i figur 5) är obligatoriska. QA förfaranden för noggrann tumörstorlek mätning inklusive scanning fantom och avbilda protokoll har tagits fram ^8. För reproducerbarhet bildkvaliteten är samma avbildning protokoll inklusive samma MR spole som används i denna studie rekommenderas eftersom avbildning kontrast beror på imaging parametrar. Detaljerna i avbilda protokoll som avses i våra tidigare artiklar ^7,8 och de är baserade på små protokoll djur avbildning som har använts vid UTHSCSA. USA, CT och MR bilder som erhållits i denna studie hade tillräcklig kontrast för att mäta storleken på testobjekt (Figur 6). Dock är kvaliteten på amerikanska och CT bilder inte lika bra som i MR-bilder. I USA, bör mer gel användas för att få bättre kontakt mellan fantom membran och givaren på ytan. För bättre kontrast i amerikanska bilder, en öka något i mängden glaspärlor i bakgrunden TM preparatet kundekan användas så länge som de amerikanska egenskaper är inom området för mjuka vävnader. På liknande sätt kan mer BaSO ₄ sättas till bakgrunden TM material för att förbättra CT kontrast. Ett annat sätt att förbättra CT kontrasten skulle vara att minska röntgenröret spänningen eller öka rörström, men små djur CT scanners har begränsade möjligheter att ändra dessa rör parametrar.

RECIST, WHO och volym mätresultat av testobjekt visas inte här eftersom de är utanför ramen för denna uppsats. Lee et al. ⁸ kortfattat experimentella data analyseras från tre oberoende mätningar på USA, CT och MRI i två institutionerna. I UTHSCSA, varierade standardavvikelser (SD) av tre mätningar i diameter testobjekt 0-0,06 mm, 0,01-0,26 mm och från 0,01 till 0,09 mm för USA, CT och MRI, respektive i tre vinkelräta riktningar och i fem olika diametrar. I UC Denver, varierade SDs från 0,02 till 0,21 mm, från 0,01 till0.31 mm, 0,06-0,29 mm för USA, CT och MRI, respektive. Ytterligare information presenteras i Lee et al. ^{7, 8.} En annan framtida studie kommer att omfatta fler observatörer för att undersöka inter-observatör variabilitet.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent/Material
PVC pipe	N/A	N/A	Home Depot
Bolt, nut, washer and metal plates	N/A	N/A	Home Depot
Acrylic plates and rods	N/A	N/A	Plastic supply in San Antonio, TX
Steel balls	Nordex, Inc.	AEC-M2-2, -4, -7, -10 and -14	2, 4, 7, 10 and 14 mm diameter
C-clamps	Adjustable Clamp	1420-C	2 inch length
Masking tape	3M Industrial Adhesives and Tapes	2600
Duct tape	3M Industrial Adhesives and Tapes	S-3763SIL
J-B KWIK	J-B WELD Co.	380238
3M Scotch-Weld Epoxy Adhesive	3M Industrial Adhesives and Tapes	DP-100
Silicone grease	Permatex, Inc.	22058
Silicone glue	DAP, Inc.	688
Silicone rubber compound	Smooth-ON, Inc.	Smooth-SilTM950 Part A and B	A:B mix ratio = 10:1 by weight
Brush	N/A	N/A	Hobby Lobby
Syringe	Becton Dickinson	309604	10 ml
Needle	Becton Dickinson	305156	22-gauge 1.5 inch length
Funnel	N/A	N/A
Mesh filters	Small parts, Inc.	CMN-0010-C and CMN-0020-C	10 and 20 μm
Whole milk	N/A	N/A	HEB in San Antonio, TX
Thimerosal	Sigma-Aldrich Co.	T5125
Propanol	Sigma-Aldrich Co.	33538
EDTA	Sigma-Aldrich Co.	431788
CuCl2	Sigma-Aldrich Co.	459097
Agarose	Sigma-Aldrich Co.	A0169
BaSO4	Sigma-Aldrich Co.	B8675
Glass beads	Potters Industries, Inc.	3000E
PET/AL/LLDPE*	Pechiney Plastic Packaging, Inc.	Pechiney Spec 151	Phantom cover material
			*Polyethylene terephthalate/aluminum/linear low density polyethylene
Equipment
Rotisserie motor	Brinkmann	812-7103-S	Home Depot
Water bath 1	Precision, Inc.	Model: 282, Serial #: 601091552
Water bath 2	VWR, Inc.	Model: 1212, Serial #: 08119606
Ultrasound	Visualsonics	Serial #: 770/120-259
CT	Gamma Medica-Ideas	Serial #: GR 0050
MRI	Bruker	Part #: W3301390, Serial #: 0030