Bildstyrd Konvektion utökad leverans till Agarosgel Modeller av hjärnan

Summary

Konvektion utökad leverans (CED) har föreslagits som ett behandlingsalternativ för ett brett spektrum av neurologiska sjukdomar. För att förbereda vårdpersonal för antagande av CED, behövs tillgängliga utbildningsmodeller. Vi beskriver användning av agarosgel såsom en sådan modell för den mänskliga hjärnan för testning, forskning och utbildning.

Abstract

Konvektion utökad leverans (CED) har föreslagits som ett behandlingsalternativ för ett brett spektrum av neurologiska sjukdomar. Neuroinfusion kateter CED möjliggör övertryck bulkflöde för att leverera större mängder terapi till en intrakraniell mål än traditionella läkemedelsleveransmetoder. Den kliniska nyttan av realtids MRI guidad CED (rCED) ligger i förmågan att exakt rikta in, övervaka terapi, och identifiera komplikationer. Med utbildning, är rCED effektiv och komplikationer kan minimeras. Gelen modell av hjärnan agaros ger ett tillgängligt verktyg för CED testning, forskning och utbildning. Simulerad hjärna rCED möjliggör utövande av mock kirurgi samtidigt ge visuell feedback av infusionen. Analys av infusionen möjliggör beräkning av den del av fördelningen (Vd / Vi) tillåter den studerande att kontrollera likheten av modellen i jämförelse med human hjärnvävnad. Denna artikel beskriver vår agarosgel hjärna fantom och beskriver viktiga migTrics under en CED infusions och analysprotokoll samtidigt ta itu vanliga fallgropar inför under CED infusion för behandling av neurologiska sjukdomar.

Introduction

Konvektion utökad leverans (CED) har föreslagits som ett behandlingsalternativ för ett brett spektrum av neurologiska sjukdomar, inklusive elakartade hjärntumörer, epilepsi, metabola sjukdomar, neurodegenerativa sjukdomar (t.ex. Parkinsons sjukdom) ^1, stroke och trauma ^2. CED utnyttjar positivt tryck bulkflöde för distribution av ett läkemedel eller annan infusionslösning. CED ger säker, tillförlitlig och homogen leverans av molekylvikt föreningar, allt från låg till hög, vid kliniskt relevanta volymer ^3. Traditionellt läkemedelstillförsel till hjärnvävnaden är kraftigt begränsad genom blod-hjärn-barriären ^4. Bildas av de täta förbindelserna mellan endotelceller som bildar kapillärerna i hjärnan, blod-hjärnbarriärblock polär och högmolekylära molekyler kommer in i parenkymet i hjärnan. Direkt intraparenkymal hjärn infusion via CED kan övervinna begränsningarna i tidigare terapeutiska drogleveransformeroch tillåter användning av terapeutiska medel som inte skulle passera blod-hjärnbarriären, och därför har tidigare inte tillgänglig som viabla behandlingsalternativ ^5.

Forskare från amerikanska National Institutes of Health (NIH) beskrev CED i början av 1990 som ett sätt att uppnå större terapeutiska läkemedelskoncentrationer än med enbart diffusion ^6-8. De första metoderna för CED involverade implantera en eller flera katetrar in i hjärnan, som förbinder en infusionspump till katetern, och att pumpa de terapeutiska medlen direkt in i den målsökta regionen. Den ökade distributionsfraktion och relativt stabil koncentration rapporteras att uppträda som det övertryck som skapas av infusionspumpen gör att vävnaderna att vidgas och tillåter genomträngning av läkemedlet ^9.

Den grundläggande tekniken för CED är i stort sett samma som det beskrevs först. Framsteg inom kateter konstruktion ^10, infusionsteknik 2, och realtids MRI övervakning för att korrigera för hjärnan skift ^{12, 13,} optimera flera collinear infusioner ^14, och övervaka för infusionslösning förlust ¹⁵ har ökat säkerheten och effekten av behandlingen ^10. Extra vikt har lagts vid kateterdesign och infusionsstrategi inklusive flöde. Framgångsrik CED, med begränsad kateter återflöde och vävnadsskada, har korrelerats med kateterdesign och infusionshastighet. Användningen av en kateter med en liten diameter och en låg infusionshastighet för att begränsa tillbakaflöde längs hjärnan-kateter gränssnitt samt begränsa skador på kateterspetsen ^16. MR ger visuell bekräftelse på rätt plats för infusion kateter placering, och därmed läkemedelstillförsel, samtidigt som den tillåter korrigering av infusions reflux eller avvikande leverans ^17. MR-bilder kan också användas för att approximera och spåra distributionsvolymen (Vd) Av den infunderade läkemedlet. Den Vd beräknas med användning av en MR-avbildning signalintensitetsvärde som är större än tre standardavvikelser över medelvärdet från den omgivande icke-infused gel som ett tröskelvärde för segmentering ^18. Den Vd är ett användbart mått för CED eftersom det utgör den volym av läkemedlet distribueras i hjärnan. Tillsammans med den infunderade volymen (Vi), kan ett förhållande att genereras (Vd / Vi) kvantifiering av den volym som omfattas av den infunderade läkemedlet.

Agarosgel fantomer härma flera avgörande mekaniska egenskaper hos den mänskliga hjärnan som är viktiga för att förstå CED såsom: Vd, gel-kateter växelverkan, poroelastic egenskaper och infusions moln morfologi ^10. Blandningar av 0,2% agarosgel har visats för att härma in vivo-förändringar i lokal por fraktion orsakas av gel dilation grund CED. En liknande pore fraktion till mänskliga hjärnan främjar liknande interaktioner och exakta mätningar av Vd ^19. Dessutom liknande koncentrationer av engarose geler såsom 0,6% och 0,8% har visat liknande infusionstryckprofiler till hjärnan ^20. Vidare, de genomskinliga agarosgeler ger fördelen av realtidsvisualisering av kateterplacering och infusion återflöde. Agarosgel fantomer är relativt billiga att producera. Kostnaden för agarosgelen fantomer kan vara nyckeln till framtida utbredd utbildning under hela neurokirurgi. På grund av dessa egenskaper, agarosgeler ger ett användbart surrogat, replikerar många av de viktigaste attributen för mänskliga hjärnan infusioner utan användning av hjärnvävnad.

Som nämnts ovan, bildstyrd CED i agarosgel modeller ger en fördelaktig in vitro-metod för testning, forskning och utbildning. Syftet med denna artikel är att beskriva hur man kan återskapa agarosgel fantomer, skissera lämpliga CED provning och analys protokoll, och att åtgärda vanliga fel inför under CED infusioner för behandling av neurologiska sjukdomar.

Protocol

1. Beredning av Gel Phantoms och Dye

1. Bered 0,2% agarosgel genom att lösa upp 2 g av 0,1% agaros pulver i 1000 ml avjoniserat vatten. Rör om lösningen under ca 1 min för att säkerställa korrekt blandning; och omedelbart mikrovågsugn lösningen i 3 minuters intervall för 9 min eller tills den är klar, rör mellan intervallen.
2. Medan agarosgel är flytande, häll lösningen i 5 cm x 5 cm x 5 cm behållare. Tillåt utrymme på toppen av behållaren för att tillsätta vatten och låta agarosgel svalna och sedimentera.
3. När agarosgel har stelnat (ca 1-2 timmar), tillsätt 1 cm vatten till toppen av gelén och kyla. Det är bäst att använda gelen inom 24-48 timmar för att blanda, men den kan lagras i upp till en vecka i kylskåp ^10.
4. Bered en radiokontrastfärg i en 60 ml spruta som består av 50 ml av 0,017% bromfenolblått färgämne (BPB) och 2 mM av gadoteridol radio-kontrastmedel.
   1. Kombinera 8.5 mg BPB färgämne till 50 ml avjoniserat vatten för att skapa en 0,017% BPB lösning.
   2. Lägg till 0,2 ml av lager 0,5 M gadoteridol till 50 ml 0,017% BPB lösning för att skapa en 2 mM gadoteridol lösning.

2. Beredning av infusionssystem

1. Sprutpump infusionssystemet (föredragen metod): För sprutpump beredning, fästa infusionskatetern direkt till sprutan genom trycksensorn, vilket reducerar den döda volymen av infusionsslangen. Spolnings funktion av sprutpump kan användas för att radera raden av luft med användning av en bolus större än grundvolym av katetern med en hastighet av 10 | il / min.
2. Rör pump infusionssystem (alternativ metod): Anslut sprutan innehåller radio kontrast färgämne till infusionspumpen. Fäst tryckgivaren till pumputloppet med givaren ansluten till IV-monitorn. Fäst en 16 G infusionskatetern till den öppna änden av trycksensorn. Anm: Spetsen på 16 G infusionskateter har en innerdiametermeter av 0,2 mm och en ytterdiameter av 0,35 mm. Spetsen är gjord av kvartsglas och spetslängden är 3 mm. Det ökar till cirka 0,75 mm och fortsätter under 15 mm, steg katetern sedan upp på ett avsmalnande sätt till 1,6 mm eller 16 G.
3. Förbered för infusion genom spolning av systemet under ca 15 min vid 16,667 | il / min för att avlägsna eventuella luftbubblor. Överskrid inte flödet 16,667 l / min, eftersom maskinen kommer att upphöra infusion på grund av högt ledningstryck. Efter att fästa infusionskatetern till linjen lämnar infusionspump, reningslinjer luft genom att använda "bolus"-funktionen på infusionspumpen.
4. Fäst infusionskatetern montera och bana ram till gelen fantombehållaren (5 cm x 5 cm x 5 cm) och placera i MRI.

3. CED Gel Infusion och MR skanning

1. Noll tryckvärdet (mm Hg) registreras av IV-monitorn innan infusionen.
2. Sätt i infusions katetern i agarosgel with infusionspumpen körs vid den lägsta flödeshastigheten är möjligt, i detta fall 1,667 ul / min.
3. Begin MR scan, med användning av de parametrar som anges i tabell 1, och fortsätter infusion med en hastighet av 1,667 ml / min. Infundera gelén vid en konstant hastighet tills den totala infunderade volymen når 60 ^ il (ca 38 min).
4. Skanna gelen kontinuerligt i 3 min och 50 sek intervall. Spela in tryckavläsningarna var 60 sek. När volymen infunderas når 60 pl, stäng av infusionspumpen; och fullständig MR scanning samtidigt fortsätta att spela in tryckavläsningar.

4. MR Dataanalys

1. För analys av MR-bilder, använd en lämplig DICOM betraktaren med ROI segmente funktionalitet.
2. Välj korrekt ram i varje scanning markeras av tvärsektionen av katetern som visas i figur 1.
3. Med hjälp av "ROI - rektangel" verktyg, välj den största delen av den gel som inte innehåller någonparti av infusionsstället. Programvaran kommer utgång en genomsnittlig pixeldensitet med standardavvikelse. Hitta det värde som motsvarar tre standardavvikelser från medelvärdet. Detta värde används som tröskelnivå för att fastställa när kontrasten är närvarande med en konfidensnivå av 99,7%.
4. Med hjälp av "ROI - cirkeln" verktyg, omringa infusionsstället med en tillräckligt stor cirkel och ge detta ett unikt namn.
5. Markera cirkeln och genom att använda "ROI - ange pixelvärden på" verktyg, ingående tröskelvärdet finns i steg 4.3 till "om aktuella värdet är större än:" rutan och bock denna rad bara. Sedan i "till detta nya värde:" anger du ett stort värde (25.000). Återställ pixeltäthet för att välja det område som omsluts av den tröskel som tidigare definierats.
6. Nästa, med hjälp av "ROI - odla region (2D/3D segmentering)" verktyg, välj 2D växande region, förtroende algoritm med initial radie parametern = 2, och borsta ROI. Klicka inuti infusionsstället för programvaran för att beräkna den totala ytan of. denna region.
7. Under antagande av en sfärisk infusion moln, beräkna volymen av diffusion från området med följande ekvation: V = 4/3π (√ (Område / π)) ³

Representative Results

Tolkning och analys av CED infusioner involverar flera viktiga faktorer som distributionsfraktion och infusat reflux. Fraktionen beräkningsfördelningen beror mycket på beräkningen av Vd. Därför noggrann tolkning av MR-bilder är kritisk. Vi föreslår en halvautomatisk metod för att på ett tillförlitligt sätt återge dessa mätningar enligt ovan. Dessa metoder objektivt bestämma tvärsnittsytan hos infusatet molnet och en ungefärlig radie. Även variabel, i agarosgel infusions molnet ofta visat sfäriska. Under antagande av en sfärisk infusat molnet kan denna radie kan användas för att bestämma den Vd för CED infusion. Vd / Vi för agarosgel infusionen kan sedan beräknas med den uppmätta volymen infunderas. Agarosgel vid 0,2% koncentration har visat sig vara en rimlig representation av hjärnvävnad med en Vd / Vi-förhållande på 5,0 ^10, som faller in mellan uppmätta Vd / Vi-förhållanden av hjärnvävnad som sträcker sig från 3,1 till 5,20, ^{21, 22.}

Tryck mätningar under CED infusionen är också viktiga för att säkerställa att infusionen är fortsatt stabil och konstant. Upptäckta tryckstötar kan indikera fel i infusions exempel luftbubblor eller stopp i katetern. Den tryckprofilen av infusions förväntas initialt topp innan den minskar till en relativt stabil platå under varaktigheten av infusions ^20.

Den huvudsakliga nackdel för framgången av infusions finns luft i infusionsslangen. Luft förändrar mätning av infusionstryck såväl som volymen av färgämnet som infunderas. Det kan också orsaka vävnadsstörningar lokalt och påverka fördelningen av infusionsvätskan. En lyckad studie utfördes med hjälp av koaxial katetrar som gav parametrar för att minimera eller eliminera effekterna som produceras av luft fly in infusionsstället ^23. Från vår studie, vi identifierar ett behov av framtida Investigsamheten i rätt metoder för CED infusioner, använder en kanyl katetrar såsom Smartflow katetern till lika minimera eller eliminera förekomsten av luft.

En viktig parameter för att identifiera närvaron av luft i infusionsslangen är infusionstryck. Såsom visas av infusionstryck (mmHg) linje i figur 2, finns en stegring i infusionsslangen trycket samtidigt som luft införes i kateterledningen. Vid jämförelse av tryckavläsningarna för MR-bildtidsstämplar kan en tryckspik indikera närvaron av en luftbubbla innan MR-bilden bekräftelsen. Detta tyder på tryck kan vara en potentiell markör för att detektera och förhindra olämplig avgivning av luft in vivo varning. Det fanns tid mellan den första spiken i tryck och när luften faktiskt levereras in i gelen. Det är viktigt att notera eftersom luft inte skall infunderas in i hjärnan under en verklig procedur. Vid ökat tryck var observered i ett verkligt fall kan det finnas gott om tid för att rena luft från att nå infusionsstället i hjärnan.

När luften når kateterspetsen, kan tillväxten av luftbubblan ses i MR-bilderna som visas i figur 3, panel AF. Den luftbubbla orsakar utvidgning och oegentligheter av färg ekollon och förändrar mätning av Vd också. Således är det viktigt att identifiera och validera en metod för att förbereda systemet som genomgående ger det saknar luft före placering av katetern, vilket gör viss luft försämrar inte infusionen. Ett sätt att förhindra att luft kommer in i katetern kan vara att påbörja infusionen före insättning av katetern i agarosgelen.

Backflöde av infusionsvätskan längs katetern-gel-gränssnittet kan påverka infusionen genom att låta infusatet att avsluta målet. Även backflöde kan inträffa när som helst under en infusion, det finns en ökad förekomst av backflöde vid t Han börjar av infusionen och vid ökning av infusionshastigheten ^10. Backflöde har också satts i samband med förekomst av luftbubblor, kateterinföringsteknik och kateterdesign, även om tillbakaflöde fortfarande kan ske trots att kontrollera för dessa variabler ^23. För att minimera returflöde, var en stegad, reflux resistent kateter som används, och infusionshastigheten hölls konstant och så låg som möjligt (1,667 xl / min). Man kan också undvika onödig backflöde genom att förhindra tryckstötar. Tillsammans med kateter diameter, har initiala infusionstryckstötar (IIps) (i samband med utvisning av en slut kateter ocklusion) visat sig öka sannolikheten för att backflöde inträffar. Därför var en "trickle" teknik som används där infusionen initierades på den miniminivå strax före insättning. Porösa membran katetrar samt ventil spets kateter designer, har föreslagits för att minska sluthamn ocklusioner och tillhörande IIps.

tält "fo: keep-together.within-page =" alltid ">
Tabell 1. Imaging parametrar och värden som används för MR-avsökning av infusionen.

. Figur 1 Panel 1 visar en bild av katetern montera och agarosgel tillsammans panel 2 som innehåller en MR-bild av agarosgel som visar ett tvärsnitt av infusionskateter Etiketter enligt följande:. MR synlig bana guide kan ses av etiketter A och B, infusionskatetern efter etikett C, vattnet ovanpå agarosgel genom etikett D, pooling kontrastmedel vid gelén vatten-gränsytan genom etiketten E, agarosgelen genom etiketten F, och infusions moln av etikett G.

Figur 2. Diagram som visar effekten av luft på CED infusion. Luft noterades i infusionsslangen 15 min in i infusionen. Vid 17 min en spik i trycket registrerades, vilket framgår av den gröna linjen. Luftbubblan har också en drastisk effekt på Vd och Vd / Vi-förhållande som ses av de blå och bruna streckade linjer resp. När luft kommer in i linje, Vd spiked från approximativt 5-9 pl; medan Vi förblev linjära. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Magnetiska resonansbilder som visartillväxt av infusions molnet och inneslutna luftbubblor. Den första bilden visar gelén före införandet av katetern, visar den andra bilden insättningen av katetern efter att ha påbörjat infusionen, och den efterföljande tidsperiod som visas i ungefär fyra-minuters intervall . Luftbubblan förvränger den sanna volymen av infusat molnet och förhindrar noggrann mätning av Vd. Luft sågs in i infusionskatetern omedelbart före MRT. Paneler AF motsvarar punkterna AF i fig. 2, som visar fortgången av infusionen.

Discussion

De kritiska stegen för att säkerställa framgång för infusionen är: spolning av infusionsslangen av luft, blandning agarosgelen, analysera MR-data, med hjälp av små innerkatetem diametrar, med hjälp av stegkateter mönster att minimera returflöde och minimerar det tryck som uppfattas av gel eller vävnad in i vilken läkemedlet infunderas. Som tidigare nämnts, den viktigaste nackdel för framgången av infusionen är infusionsslangen luft. Korrekt och grundligt rensa infusionsslang för luft är avgörande för att säkerställa att ingen luft kommer in i infusionen. Lika viktigt är att blanda i agarosgel. Felaktig syntes av gelen kan leda till stora variationer i koncentration och konsekvens, vilket i sin tur kommer att orsaka svängningar i infusat distributionen. Konsekvent MR dataanalys är nyckeln för noggranna och objektiva mätningar av Vd och Vd / Vi-förhållanden. Just följa stegen i protokollet ger en konsekvent metod för analys av MR-data.

t "> Dessa tekniker är inte utan begränsningar. När du sätter in katetern, kan den agarosgel fraktur eller sarga oförutsägbart ^10. Denna oförutsägbara agarosgelen kan orsaka förändringar i gel-kateter gränssnitt gör det olika från mänsklig hjärnvävnad och oanvändbar. Ytterligare begränsningar kan uppstå om man antar en sfärisk infusions moln för beräkning av Vd. Medan sfäriska infusions molnen var gemensam med infusioner i agarosgel, försöker reproducera infusion in vivo kan ge olika resultat. Hjärnvävnad är mer anisotropt, mer heterogen och innehåller mera regionala anatomiska gränser än agarosgel och därför kommer att orsaka variationer i infusions moln morfologi ^10. Det är viktigt att notera att dessa Vd var approximeras grovt, utan att ta hänsyn till närvaron av magnetiska mottaglighets artefakter, vilket kan minska den signal intensiteten hos infusat molnet. Vid tillämpning av denna manuscript vi gjort antagandet av anisotropisk diffusion och vi förstår att detta är en uppskattning. Ytterligare ändringar i den nuvarande tekniken kan finnas för att förbättra konsekvens och exakthet i resultaten. Ändringar kan omfatta ytterligare rensning av linjerna för att ytterligare förhindra luft i infusion eller med hjälp av programvara för att mer exakt beräkna en 3D-volym för att undvika att man antar en sfärisk infusate moln. Metoder för datormodellering som beskrivs av Linninger et al. Kan användas för att mer exakt förutsäga och mäta CED infusions molnet volym ^{24, 25.}

Jämfört med befintliga metoder som kräver avliden eller djurhjärnvävnad, ger agarosgel en mer lättillgänglig modell för CED testning. Den genomskinliga karaktären hos agarosgel erbjuder också realtidsvisualisering av infusionen. Denna realtidsvisualisering ger den studerande förmågan att se uppstötningar eller luftbubblor i infusion innan den detekteras av MR, allatack för snabb korrigering och modifiering. För framtida tillämpningar, ger agarosgel de tillgängliga modeller som behövs för framtida testning, forskning och utbildning i CED.

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