Medicine

图像引导的对流增强交付到大脑的琼脂糖凝胶模型

Published: May 14, 2014 doi: 10.3791/51466

Karl A. Sillay^1,2, S. Gray McClatchy³, Brandon A. Shepherd¹, Garrett T. Venable¹, Tyler S. Fuehrer⁴

¹University of Tennessee Health Science Center, ²Semmes-Murphey Clinic, ³University of Arkansas for Medical Sciences, ⁴Restorative Neurosciences Foundation

Summary

对流增强交付（CED）已被提议作为一个广泛的神经系统疾病的治疗选择。为了准备专业医护人员采用CED的，需要访问的培训模式。我们描述了使用琼脂糖凝胶作为人脑的这样的试验，研究和训练的模型。

Abstract

对流增强交付（CED）已被提议作为一个广泛的神经系统疾病的治疗选择。 Neuroinfusion导管海关允许正压大量流量，提供更大量疗法比传统给药方法颅内目标。实时磁共振成像的临床应用指导CED（rCED）在于准确瞄准，监测治疗，并确定并发症的能力。与训练，rCED是有效和并发症可以被最小化。大脑的琼脂糖凝胶模型提供了一种方便的工具CED测试，研究和培训。模拟大脑rCED允许模拟手术的做法，同时还提供可视化的输液反馈。输注的分析允许对分布分数（VD / VI）使学员以验证模型的相似性相比，人脑组织的计算。本文介绍了我们的琼脂糖凝胶假体脑并概述重要的我在同时解决过程中的CED输液面临神经系统疾病的治疗常见的陷阱，一个CED输液和分析协议trics。

Introduction

对流增强输送（CED）已被提议作为用于神经病症包括恶性脑瘤，癫痫，代谢疾病，神经变性疾病（如帕金森病^）1，中风和创伤²的广谱治疗选择。 CED采用正压主体流动的药物或其它输注液的分布。 CED提供安全，可靠，且均匀交付分子量化合物，从低到高，在临床相关卷^3。传统的药物递送到脑组织受到严重的血-脑屏障⁴的限制。由内皮细胞间的紧密连接构成的毛细血管在大脑中，血 - 脑屏障块极性和高分子量的分子进入大脑实质内形成。通过海关直接实质内脑灌注可以克服以前的治疗药物传递方式的局限性并允许使用的治疗剂，不会穿过血-脑屏障，因此，此前已作为可行的治疗方案⁵不可用。

从健康的美国国立卫生研究院（NIH）的研究人员描述土木工程署在上世纪90年代初，作为实现更大的治疗药物浓度的方法比单纯扩散^6-8。 CED的第一方法涉及植入一个或多个导管进入大脑，连接输液泵的导管，并直接泵送治疗剂进入目标区域。增加的分布分数和相对稳定的浓度被报道发生如由输液泵产生的正压引起的组织扩张，并允许该药物⁹的渗透。

最根本的技术CED在很大程度上仍然是它第一次描述的相同。在导管设计^10，输液技术进展2，并实时MRI监测来纠正脑移位^12，13，优化多个共线输注^14，并监测输液损失¹⁵都增加了治疗¹⁰的安全性和有效性。额外的重要性已经被放置在导管的设计和输注策略，包括流速。成功的CED，用有限的导管回流和组织损伤，已与相关导管设计和输注速度。使用的导管的具有窄的直径和低输注率，以限制沿脑导管接口倒流以及损坏限制在导管末端^16。磁共振成像提供了正确的位置，输液导管置入的视觉确认，因而给药，同时还允许修正输液回流或异常分娩^17。 MR图像，也可以用于近似和跟踪分配的体积（VD输注的药物）。在VD是使用磁共振成像信号强度值大于上述平均值与周围非灌注胶为¹⁸分割阈值三个标准差来计算。在Vd为CED为一种有用的测量，因为它代表分布在大脑中的药物的体积。随着输注（六）音量，比率可以生成（VD / VI）量化所涵盖的输注药物的体积。

琼脂糖凝胶体模模仿人类大脑的理解CED等重要几个关键的机械性能：VD，凝胶导管相互作用，多孔弹性性能，并输注云形态^10。的0.2％琼脂糖凝胶的混合物已经显示模拟体内由于CED引起凝胶扩张改变当地的孔隙分数。类似的毛孔小部分人脑类似的促进互动和VD ¹⁹的精确测量。此外，类似浓度的garose凝胶如0.6％和0.8％也显示类似输液压力分布至脑^20。另外，透光性琼脂糖凝胶中提供的导管放置和输注回流的实时可视化的优点。琼脂糖凝胶假体是相对廉价的生产。琼脂糖凝胶假体的费用可能是关键，在整个神经外科未来的广泛培训。由于这些特性，琼脂糖凝胶提供了一个有用的替代，复制了许多人的大脑注入的关键属性，而无需使用脑组织。

如上所述，图像引导到CED琼脂糖凝胶模型提供的体外方法进行测试，研究和培训一个有益的。本文的目的是描述如何重新琼脂糖凝胶假体，勾勒适当CED测试和分析方案，并解决在CED输注用于神经系统疾病的治疗面临的常见错误。

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Protocol

凝胶幻影1。制备及染料

通过以1,000 ml去离子水将2克0.1％的琼脂糖粉制备0.2％琼脂糖凝胶上。搅拌约1分钟，将溶液以保证适当的混合;并立即微波解决方案，在3分钟的间隔为9分钟，或直至清晰，间隔之间搅拌。
而琼脂糖凝胶是液体，将溶液倒入5厘米×5厘米×5厘米的容器中。允许空间在容器的顶部，以加水，并允许琼脂糖凝胶冷却并沉降。
一旦琼脂糖凝胶凝固后（约1-2小时），添加1厘米的水凝胶与冷藏的顶部。最好是在24-48小时的混合使用的凝胶，但它可以存储多达一周冷藏^10。
在60毫升注射器由50毫升0.017％溴酚蓝染料（BPB），和钆特醇无线电造影2mM的制备无线电对比染料。
1. 结合8.5 BPB染料毫克50米升去离子水来创建0.017％BPB溶液。
2. 加入0.2毫升股票0.5M的钆特醇容量为50毫升0.017％BPB解决方案来创建一个2毫米钆特醇溶液。

2，准备输液系统

注射泵的输注系统（优选方法）：用于注射器泵制剂，直接连接输液导管的注射器，通过该压力传感器，减少了输液管线的死体积。注射泵的排出功能可以用于使用大丸剂大于导管以10微升/分钟的速率填充量来清除空气中的行。
管泵输注系统（另一种方法）：连接包含无线电造影剂的输液泵注射器。附加的压力传感器，以与连接到第四显示器换能器的泵出口。附加一个地下16输液导管与压力传感器的开口端。注意：在地下16输注导管的前端有一个内直径米为0.2毫米和0.35毫米的外径。尖端是由熔融二氧化硅和小费长度为3毫米。它增加至约0.75毫米，并继续于15 mm，导管那么步骤在一个锥形时尚到1.6毫米或16 G。
通过清除系统约15分钟，在16.667微升/分钟，以除去任何气泡制备输注。不要超过16.667μL/ min的流速，因为机器会停止输液，由于高线压力。以下所附的输注导管的线离开的输液泵，空气通过使用输注泵“大丸剂”功能吹扫管线。
装上输液导管安装和轨迹帧到凝胶假体容器（5厘米×5厘米×5厘米），发生在MRI检查。

3，CED凝胶灌注及MR扫描

零压力值（毫米汞柱）开始输液前录得的四显示器。
插入输液导管进入琼脂糖凝胶瓦特第i个输液泵运行在最低流速可能的，在这种情况下，1.667微升/分钟。
开始在MR 扫描中，使用表1中列出的参数，并不断注入以1.667微升/分钟的速率。注入的凝胶，以恒定速率输注，直至总体积达到60微升（约38分钟）。
连续扫描凝胶在3分钟和50秒的间隔。记录压力读数，每隔60秒。一旦注入量达到60微升，关闭输液泵;和完整的MR扫描，同时继续记录压力读数。

4，MR数据分析

为了分析的MR图像，使用适当的DICOM浏览器与ROI分割功能。
选择正确的帧中的每个扫描标记的导管， 如图1所示的横截面。
使用“投资回报率 - 矩形”工具，选择凝胶，不包括任何的最大部分输注部位的部分。该软件将输出与标准偏差的平均像素密度。找到对应于三个标准偏差与平均值的值。此值被用作阈值，用于确定当对比度存在99.7％的置信度。
使用“投资回报率 - 圈”的工具，环绕输注部位有一个足够大的圆圈，这给一个唯一的名称。
选择圆和使用“ROI - 设置像素值”的工具，则在步骤4.3中找到输入到阈值“，如果当前值大于”框中，只要选中这一行。然后在“这个新的价值：”框中，输入一个较大的值（25,000）。重置像素密度来选择前面所定义的阈值所包围的区域。
接下来，使用“投资回报率 - 成长区（2D/3D分割）”工具，选择2D的地区，与初始半径参数= 2的信心算法，刷的投资回报率。点击输注部位的软件来计算总面积的内径Ø上本地区。
假设一个球形输液云，计算从该区域扩散通过下列公式的体积：V =4/3π（√（面积^{/π）），3}

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Representative Results

解释和分析CED输液涉及的几个重要因素，如分配分数和输液回流。分配比例计算很大程度上取决于Vd的计算。因此，MR图像的准确解释是关键。我们提出了用于可靠地再现这些测量如上面列出的半自动化方法。这些方法客观地确定输液云和横截面面积的大致半径。而可变，在琼脂糖凝胶输液云往往被证明是球形的。假设一个球形输液云，该半径可以被用来确定在VD为CED输注。 VD / VI的琼脂糖凝胶输注然后可以计算与测量的量注入。在0.2％浓度的琼脂糖凝胶已经证明脑组织合理陈述为5.0 ¹⁰ VD / Vi比，脑组织范围从3.1到5.2的测量VD / VI之间的比例在下降0; ^21,22。

的CED输注期间所采取的压力测量也确保输液保持稳定和恒定重要。检测到的压力尖峰可在输液如在导管气泡或堵塞指示错误。输液的压力分布，预期下降到一个相对稳定的平台期输液²⁰的持续时间之前到开始达到峰值。

主要损害输液的成功是空气在输液管。空气改变了输液压力的测量，以及被注入的染料的量。它也可引起局部组织破坏和影响输液的分布。采用同轴导管的产生参数，以减少或消除空气逸出制作成输液部位²³的效果进行一个成功的研究。从我们的研究，我们确定需要未来investigations成使用单个套管的导管，如根据SmartFlow导管同等地减少或消除空气存在CED输注适当的方法。

用于识别空气在输液管的存在的一个关键参数是注入压力。如图所示的输液压力（毫米汞柱）线在图2中，存在于该空气被引入到导管线的同时输注管路压力尖峰。比较压力读数的MR图像时间戳，压力峰值可能表明气泡前MR图像确认的存在。这表明压力可以是一个潜在的警告标记，用于检测和防止体内的不适当输送空气。有时间的初始尖峰之间的压力和当空气被实际传送到凝胶中。这是需要注意的，因为空气不应该在一个实际的程序注入到大脑。如果增加的压力是observ海关在实际情况下，可能会有充裕的时间，以保持空气到达大脑内的输注部位。

一旦空气到达导管尖端，气泡的生长可以在MR 图像被看作是显示在图3中 ，面板的AF。气泡造成的扩大和染料橡子的凹凸，也改变Vd的测量。因此，识别和验证的方法来制备系统，始终确保它之前放置导管，使某些空气不损害输注是缺乏空气是很重要的。为了防止进入空气导管的一种方法可以是，开始输注前插入导管的进琼脂糖凝胶电泳。

沿导管凝胶界面的输入液回流产生不利的输液通过使输液退出目标影响。而倒流可输注期间发生在任何一点上，有倒流在t发生率增加他开始输液，增加输液速度¹⁰时。回流也已经有气泡，导管插入术和导管设计的存在相关，虽然逆流仍可能会发生尽管在控制了这些变量^23。为了最大限度地减少回流，台阶，耐回流导管，用与输液速度保持恒定，并尽可能地低（1.667微升/分钟）。人们也可以通过防止压力峰值避免不必要的逆流。随着导管直径，初始注入压力峰值（IIPS）（与最终导管阻塞驱逐相关联）已被证明能增加，将发生倒流的可能性。因此，“涓流”技术被用于其中的输注在最小速率正好在插入之前启动的。多孔膜的导管，以及阀尖导管的设计，已经提出了减轻端端口闭塞和相关IIPS。

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表1。成像参数和用于输注的MR扫描值。

图1面板1示出了导管的图象装载和含有琼脂糖凝胶显示输注导管的横截面的一个MR图像沿着面板2的琼脂糖凝胶标签如下：对MR可见轨迹引导装置可通过标签的可见和B，输液导管通过标签C，对由标签D中的琼脂糖凝胶顶部的水，池造影剂在凝胶水界面上的标签E，按标签F中的琼脂糖凝胶，和输液云的标签G。

图2展示图形空气的CED输注的效果。空气注意到在输液管15分钟到输液。在17分钟的压力峰值记录，如图中绿线。空气泡沫还具有由蓝色和棕色虚线分别观察在VD和VD / Vi比大幅影响。当空气进入线，VD约5飙升至9微升;而六依然是线性的。请点击这里查看这个数字的放大版本。

图3。磁共振图像显示生长输液云和封闭气泡，第一图像显示在插入之前在导管的凝胶，所述第二图像显示在开始输注后导管的插入，并示出经过随后的时间是在约4分钟的间隔。气泡扭曲了输液云的真实体积，并防止Vd的精确测量。空气被视为进入输液导管紧接在MR扫描。面板AF对应于点AF在图2中，显示了输注的进展。

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Discussion

为确保输液成功的关键步骤是：吹扫气的输液管，混合琼脂糖凝胶，分析的MR数据，使用小的内导管的直径，使用阶梯导管设计，以减少回流，并最小化所感受到的压力凝胶或组织到其中的药物被注入。如前所述，主要损害输液的成功是输液管的空气。正确地和彻底吹扫空气的输液管是至关重要的，以确保没有空气进入输液。同样重要的是混合的琼脂糖凝胶电泳图谱。不当合成的凝胶可能导致大的变化的浓度和一致性，从而将导致在输液分布的波动。一致的MR数据分析是关键VD和VD /六比准确和客观的测量。正是以下协议中所述的步骤提供了用于分析的MR数据的一致方法。

吨“>然而，这些技术并非没有局限。当插入导管，将琼脂糖凝胶可能会破裂或撕裂状不可预知^10。琼脂糖凝胶上的这种不可预测性，可能导致改变凝胶导管接口使得它从人脑组织异种且无法使用。其他限制可能产生的假设球形输液云为Vd的计算。虽然球形输液云是常见的输液成琼脂糖凝胶，试图重现输注体内可能会产生不同的结果。脑组织更是各向异性的，更异质性，并含有较多的区域的解剖界限比琼脂糖凝胶，因此将导致方差输液云的形态^10。要注意，这些VD是近似粗暴，不考虑磁敏感伪影的存在，这可能会降低信号是非常重要的在输液云的强度。对于这个M的目的anuscript我们做了各向异性扩散的假设，我们明白这是一个估计值。其他修改当前的技术可能存在以提高结果的一致性和准确性。修改可能包括行额外吹扫，以进一步防止空气在输液或使用软件更准确地计算出一个三维体积，以避免假设球形输液云。所描述的Linninger 等计算机建模的方法可以用于更准确地预测和测量CED输液云卷^24，25。

相较于那些需要尸体或动物脑组织现有的方法，琼脂糖凝胶提供了一个更容易获得模型的CED检测。琼脂糖凝胶中的半透明性质也提供了输注实时可视化。这种实时的可视化使学员看到输液回流或气泡是由MR检测之前，所有的能力由于快速校正和修改。对于未来的应用，琼脂糖凝胶提供了必要为未来的测试，研究，并在海关培训的访问模式。

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Disclosures

作者宣称，他们有没有竞争的财务权益。

Acknowledgments

笔者想从磁共振成像设备在塞姆斯 - 墨菲诊所，孟菲斯，田纳西州以及神经外科部门田纳西大学健康科学中心在孟菲斯大学，田纳西感谢工作人员。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Prohance	Bracco		Gadoteridol radio contrast media
Bromophenol blue dye	Biorad	161-0404	Dye for infusate visualization
Agarose gel powder	Biorad	161-3101EDU	Agarose powder for creating gels
Medrad Veris MR Vital Signs Monitor	Medrad		MR safe infusion pressure monitor
16 G SmartFlow Catheter	SurgiVision		Infusion catheter
Medrad Continuum MR Infusion System	Medrad		MR safe infusion pump
SMART Frame MRI Guided trajectory frame	ClearPoint		Infusion catheter frame
Osirix imaging software and DICOM Viewer	Osirix Imaging Software		OsiriX 32-bit DICOM Viewer