Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Fremstilling af abdominale Aorta Hydrogel væv-efterligne Phantoms for ultralyd Elastography validering

Published: September 19, 2018 doi: 10.3791/57984
Automatic Translation
1, 1, 2, 3
1Division of Vascular Surgery, University of Rochester Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Rochester Institute of Technology, 3Department of Surgery, University of Rochester Medical Center

Summary

Her beskriver vi en metode til at fremstille aneurysmal, aorta væv-efterligne phantoms til brug i test ultralyd elastography. Den kombinerede brug af computer aided design (CAD) og 3-dimensionelle (3D) udskrivning teknikker producere aorta phantoms med forudsigelige, komplekse geometrier til at validere elastographic imaging algoritmer med kontrollerede eksperimenter.

Abstract

Ultralyd (os) elastography eller elasticitet imaging, er et supplement imaging teknik, der udnytter sekventielle amerikanske billeder af bløde væv til at måle væv bevægelse og udlede eller kvantificere de underliggende biomekaniske karakteristika. For abdominale aortaaneurismer (AAA), kan biomekaniske egenskaber såsom ændringer i væv elasticitetsmodul og estimater af væv stress være væsentlige for at vurdere behovet for kirurgisk intervention. Abdominale aortaaneurismer U.S. elastography kunne være et nyttigt redskab til at overvåge AAA progression og identificere ændringer i biomekaniske egenskaber karakteristiske af højrisiko patienter.

Et foreløbigt mål i udviklingen af en AAA os elastography teknik er valideringen af metoden ved hjælp af en fysisk relevante model med kendte materialeegenskaber. Her præsenterer vi en proces til fremstilling af AAA væv-efterligne phantoms med fysisk relevante geometrier og rumligt moduleret materialeegenskaber. Disse væv phantoms sigter mod at efterligne USA-egenskaber, materielle modulus og geometri af de abdominale aortaaneurismer. Væv phantoms er lavet ved hjælp af en polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) og støbt ved hjælp af 3D udskrevne dele oprettet ved hjælp af computer aided design (CAD) programmel. Modulus af phantoms kontrolleres ved at ændre koncentrationen af PVA-c og ved at ændre antallet af fryse-tø cykler brugt til at polymerisere cryogel. AAA phantoms er tilsluttet en hæmodynamiske pumpe, beregnet til at deformere phantoms med fysiologisk cyklisk pres og strømme. Ultra lydbillede sekvenser af de akavede phantoms tilladt for den rumlige beregning af pres normaliseret stamme og identifikation af mekaniske egenskaber af karvæggen. Repræsentative resultater af pres normaliseret stammen er præsenteret.

Introduction

Abdominale aortaaneurismer (AAA) er focal udvidelser af aorta, der forekommer fortrinsvis i nærheden af aorta bifurkation1. Den nøjagtige årsag til AAA dannelse er ukendt, selv om mange teorier tyder på, at patogenesen er multifaktoriel, med genetiske, adfærdsdata, hæmodynamiske og miljømæssige faktorer, der bidrager2,3. Mens diagnosticering af en abdominalt aortaaneurisme kan opnås ved hjælp af ikke-invasive billeddannelse teknikker, er forudsigelse af patient-specifikke brud risiko ikke så præcis4,5,6. Kirurgisk reparation kan reducere risikoen for aorta ruptur, men operative reparation af aorta bærer en høj sats af tilknyttede sygelighed og dødelighed7. Nuværende kirurgisk praksis bruge "maksimale størrelseskriterier", eller maksimale absolutte diameter af aneurismer, for at forudsige en patients risiko for brud. Desværre, det har været godt etableret, en aneurisme stadig bristninger under størrelser klinisk acceptabel for kirurgisk reparation, hvilket betyder, at patienter med enhver størrelse aneurisme bære nogle risikoen for ruptur8,9, 10 , 11 , 12 , 13. Derudover det vides, at historiske beretninger om brud risiko er sandsynligvis over skøn over den sande brud risiko, hvilket betyder, at mange patienter er udsat for kirurgisk risiko uden fordel13. En mere nøjagtig vurdering af risikoen, patienten-specifikke brud er nødvendig for at hjælpe med at stratificere en patients risk: benefit ratio af kirurgisk aneurisme reparation.

Det har vist sig at den rumlige stress fordeling inden for en AAA er af kritisk betydning ved fastsættelsen af brud potentiale og kan være en bedre indikator end maksimale diameter14,15,16,17 , 18. de fleste af de seneste undersøgelser, at undersøge mekanikken i AAA brud bruge segmenterede geometrier fra X-ray beregnet tomografi (CT) billeder, og befolkningen i gennemsnit mekaniske egenskaber af aorta væv målt ex vivo. Finite element (FE) modeller bruges derefter til at forudsige fartøj væggen understreger14,15,16,17,18. Dog fordi de mekaniske egenskaber bestemmes efter væv excision, er det uklart, hvorvidt de resulterende modeller præcist skildrer de resulterende i vivo patient-specifikke belastninger. Disse undersøgelser typisk antager homogene fartøj væg materialeegenskaber og højde ikke for de meget heterogene struktur af aorta væggen og blodprop19,20,21,22 ,23,24,25.

Ultralyd-baserede elasticitet imaging bruges klinisk til at diagnosticere og overvåge en række sygdom patologier26. Denne teknologi giver en non-invasiv måde at afhøre de fysiske vekselvirkninger mellem bløddele. Vaskulære amerikanske elasticitet imaging har været brugt som et supplement imaging modalitet til klinisk amerikanske evaluering i screening og overvågning af AAAs. Kombinationen af disse teknikker giver både geometriske oplysninger, såsom diameter samt længde og mekaniske data, såsom relative stivhed og stivhed variation. Mens mange elasticitet Billeddannende teknikker kræver en ekstern belastning at fremkalde en målbar væv deformation, er væv bevægelse måles her fremkaldt af ændringer i aorta pres forårsaget af bankende hjerte. Talrige metoder har været offentliggjort løse rumligt stamme felter i deformering fartøjer, valideringsundersøgelser af disse metoder har dog været begrænset til menneskelige patienter, dyremodeller eller ex vivo væv prøver27,28 ,29,30,31,32. Til dato, mulighed få metoder for kreationer af tilpassede geometrier med rumligt varieret materialeegenskaber27,29.

Her vil vi præsentere en metode til fremstilling af os kompatibel, væv-efterligne spøgelser, der kan skræddersys til en række relevante aorta geometrier og materialeegenskaber til validering af amerikanske elastography teknikker. Selvom tidligere grupper har været i stand til at designe komplekse geometri phantoms at efterligne AAA geometrier ved hjælp af 3D printing technology33,34, printable gummi er kendt for at have en høj dæmpning til USA og har ikke et middel til senere deres materialeegenskaber. Spøgelser er lavet af polyvinylalkohol cryogel (PVA-c), som har tidligere vist sig at være ideel til efterligne karvæv egenskaber35. Disse spøgelser kan bruges i USA, magnetisk resonans og elastographic imaging36,37,38. Aortaaneurisme geometri var designet ligeledes til simulation model lavet af Vorp et al. 14. fartøjet har en nominel diameter på 22,5 mm og har en aneurysmal bule, der er 64 mm bule længe, 47 mm i diameter og excentriske (β = 0,6)14 til den forreste side af fantomet. Den sidste sektion efterligner den iliaca tvedeling med en distal diameter på 15 mm. Fantomet var valgt at have en konstant tykkelse af ca 5 mm. Henrik Møller et al. rapporteret i en lille undersøgelse at fartøjet tykkelsen af AAA spænder fra 0,23-4.26 mm, med en median værdi på 1,48 mm39. Nominelle fartøj tykkelse i den større ende af dette spektrum blev valgt her til fremstilling af bekymringer med forventning om, at forbedret 3D trykteknikker vil forbedre den mindste phantom tykkelse, der er i stand til at blive formet. Phantom forme blev udviklet i CAD og 3D udskrives ved hjælp af kommercielt tilgængelige printere og glødetråden.

Formene er injektion fyldt med PVA-c løsning og udsættes for en serie af fryse/tø cykler (-20 ° C og + 20 ° C) til at krydse-link PVA-c polymer og polymerisere gel. Elasticitetsmodul af PVA-c styres ved at ændre koncentrationen af PVA-c gel eller antallet af fryse-tø cykler. Afsnittet aneurysmal i formen phantom kræves tab til at fjerne fra den indre lumen af fartøjet. Dette blev opnået ved brug af en polyvinylalkohol, 3D printer glødetråden (PVA). Selvom kemisk ligner PVA-c pulver, PVA glødetråden polymerisere ikke når frosne og som sådan kan være opløst i vand efter PVA-c er indstillet. Ekstra prøve forme er trykt for at oprette trækstyrke test prøver, i en "hund knogle" konfiguration, med den samme PVA-c koncentration. Disse forme underkastes de samme fryse/tø cykler og anvendes til trækstyrke testning uafhængigt måle elasticitetsmodul af sektionerne fantom. En baggrundsmateriale blev fremstillet med blødere PVA-Christensen, at simulere væv i retroperitoneum40,41. Denne baggrund phantom blev fremstillet som en homogen axisymmetric cylindrisk rør med en indre diameter på 4 cm, en ydre diameter på 16,5 cm og en længde på 16,5 cm. Det var lavet af en 5% PVA løsning og underkastes en i alt to fryse-tø cykler.

De endelige AAA phantoms blev placeret i baggrunden phantom og forbundet via rør fittings og klemmer, til en hæmodynamiske vandpumpe beregnet til at deformere phantoms med fysiologisk cyklisk strømme og pres. Pumpens omdrejningstal blev sat til at levere ca en 6-7 kPa pres puls med en hastighed på ca 1 Hz. Ultra lydbillede sekvenser af de akavede phantoms blev indsamlet, og pres normaliseret stamme var beregnet til at identificere forskelle i den rumligt varieret mekaniske egenskaber. Repræsentative resultater af presset normaliseret stamme billeder inden for regionen fartøj er præsenteret. De voksende regionale forskelle i den normaliserede stamme af de stivere heterogene phantoms, i forhold til det homogene phantom, vise forskelle i fartøjet stivhed og vores evne til at måle det.

Protocol

1. download STL modeller fra NIH 3D Print udveksling

  1. Naviger til NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) og Skriv Simuleret Aneurysmal aorta Phantom mug i posten Søg og slå den postere nøglen.
  2. I den efterfølgende liste vendte tilbage fra at søge, finde den model " 3DPX-009210" og klik på denne post.
  3. Klik på download-knappen og klik efterfølgende på filen Simuleret Aneurysmal aorta Phantom Mold.zip fra rullelisten at downloade denne fil.
  4. Dobbeltklik på den downloadede fil til unzip det og gemme den resulterende filer (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl og SampleMoldSTL.stl) til den computer, der bruges til 3D udskrivning i trin 2.1-2.7.
    Bemærk: Man kan alternativt downloade hver af filerne på listen i trin 1.4 separat.

2. 3D udskrivning af forme

  1. Åbn 3D printer interface softwaren og bruge knappen Opret forbindelse til at forbinde til printeren.
  2. Importere den downloadede STL fil OuterAntSTL.stl (figur 1en, blå) i den 3D udskrivning software. I den 3D udskrivning software, skal du vælge knappen Rediger og orientere den mold del af menuen Roter og derefter klikke på knapperne X, Yeller Z for at justere den lange akse parallel med print sengen med den uden for formen vender print sengen. Klik på knappen Gem og derefter klikke på knappen Udskriv og udskrive skimmel del bruger polylactic syre (PLA) plast glødetråden på en enkelt ekstruder.

Figure 1
Figur 1 : CAD repræsentation af Phantom, baggrund og prøve skimmelsvampe. a - b 3D CAD billeder af fartøjet mug og orientering af dele til montering. Registrering afstandsstykker (i), stifter (ii), huller (iii) og fyld hullet er vist. (c) tegning af indre lumen fremhæve indre fartøj dimensioner. (d) CAD rendering af prøven forme. (e) CAD rendering af baggrunden phantom skimmel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Gentag trin 2.2 for OuterPostSTL.stl fil (figur 1en, rød).
  2. Efter den samme proces fra trin 2.2, importere STL fil InnerDistSTL.stl (figur 1en, hvid) til den 3D udskrivning software og vælge "Rediger"-knappen og Roter Klik menu på X, Yeller Z knapper til at justere den lange akse vinkelret på print seng og sådan, at registrering stiften, (i) er i kontakt med print sengen. Klik på knappen Gem og derefter klikke på knappen Udskriv og udskrive den mold del ved hjælp af PLA plast glødetråden på en enkelt ekstruder.
    Bemærk: Udskriv ikke denne del med støttestruktur. Må ikke bruge mere end 30% infill for denne udskrevne del.
  3. Import filen STL SampleMoldSTL.stl (fig. 1d) ind i 3D udskrivning software. Vælg knappen Rediger , og klik på knapperne X, Yeller Z for at justere del således, at indersiden af formen står fra de trykte seng i menuen Roter . Klik på knappen Gem og derefter klikke på knappen Udskriv og udskrive den mold del ved hjælp af PLA plast glødetråden på en enkelt ekstruder.
    Bemærk: Udskriv ikke denne del med støttestruktur. Udskrive 3 eller mere prøve forme.
  4. Importere STL fil BackgroundMoldSTL.stl (figur 1e) til de 3D udskrivning software. Vælg "Rediger"-knappen og klik på knapperne X, Yeller Z for at justere del, så bunden af mold (dvs. den lukkede ende af cylinderen) står print sengen i menuen Roter . Klik på knappen Gem og derefter klikke på knappen Udskriv og udskrive den mold del ved hjælp af PLA plast glødetråden på en enkelt ekstruder.
    Bemærk: Udskriv ikke denne del med støttestruktur.
  5. Importere STL fil InnerDistSTL.stl (figur 1en, gul) i den 3D udskrivning software. Vælg knappen "Rediger" og klik på knapperne X, Yeller Z for at justere del, således at den lange akse er vinkelret på print sengen og bifurcation registrering pins, (i) står i menuen Roter den udskrive seng. Klik på knappen Gem og derefter klikke på knappen Udskriv og udskrive den mold del ved hjælp af polyvinyl syre (PVA) plast glødetråden på en enkelt ekstruder.
  6. Fjerne støttemateriale fra de 3D udskrevne dele af trin 2.1-2.7 (figur 2en).
    Bemærk: Det er ikke nødvendigt at fjerne støttestruktur fra de ydre skimmel dele, hvis de ikke forstyrrer mold forsamlingen.

Figure 2
Figur 2 : Fartøj Phantom skimmel forsamling og endelige fartøj Phantom. (a) den endelige trykte formen af indre og ydre lumen forme. Den distale ende af den indre lumen udskrives i en opløselige PVA plastik og er knyttet til den proksimale ende af indre lumen formen ved hjælp af deformerbare voks. (b) slanger knyttet til havnens injektion af ydre lumen mug og sprøjte prop. c indre lumen skimmel efter spray coating af fleksibel fugemasse. (d) montering af ydre lumen mug og indre lumen mug med PVA-c (farvet rødt) tilføjet til stiv aneurisme phantoms bule side. (e) fuld fartøj skimmel monteret og fastspændt. f deformerbare voks anvendes på sømmene af ydre lumen formen til at forhindre PVA-c fra siver ud fra formen. (g) endelige PVA-c phantom efter 5 fryse/tø cykler og fjernelse fra formen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

3. Hydrogel forberedelse

  1. Bland 22,2 g PVA-c pulver i 200 mL postevand (10% af masse) i et glas bægerglas. Mikroovn løsning i kog og rør. Gentag dette trin, indtil alle PVA pulveret er opløst og løsningen synes gennemsigtig.
  2. Suspendere 0,4 g calciumcarbonat pulver (0,2% af masse) i 10 mL vand og tilføje til løsningen fra trin 2.1 til at fungere som ultralyd scatterers. Blandes grundigt. Dækker løsningen og lad det køle til stuetemperatur (RT).
    Bemærk: For homogene phantoms Spring til trin 3,5
  3. Bland 17,6 g PVA-c pulver i 100 mL postevand (15% af masse eller som ønsket) i en separat glas bægerglas. Mikroovn løsning i kog og rør. Gentag dette trin, indtil alle PVA pulveret er opløst og løsningen synes gennemsigtig.
  4. Suspendere 0,4 g calciumcarbonat pulver (0,2% af masse) i 5 mL vand og tilføje til løsningen fra trin 2.3. Blandes grundigt. Dækker løsningen og lad det køle til RT.
  5. Bland 183.7 g af PVA-c pulver i 3,5 L i vand fra hanen (5 masseprocent) i en separat stor gryde. Bring opløsningen i kog og rør. Fjerne gryden fra varmen, når PVA pulveret er opløst og løsningen synes gennemsigtig.
  6. Suspendere 7,4 g calciumcarbonat pulver (0,2% af masse) i 10 mL vand og tilføje til løsningen fra trin 2,5. Blandes grundigt. Dækker løsningen og lad det køle til RT.

4. montering af forme

  1. Vedhæfte ca 100 mm af den fleksible slange ydre lumen skimmel injektion-port. Den modsatte ende af slangen, tillægger en stophane med sprøjte forbindelser (figur 2b).
  2. Juster registrering stifter af indre lumen skimmel, og bruger deformerbare voks, overholde den svulmende fartøj del af den indre lumen mold til lige fartøj del af indre lumen skimmel.
  3. I et godt ventileret område, skal du anvende en spray-on fleksible gummibelægning på aneurysmal slutningen af indre lumen formen til at forhindre, at hydrogel opløse PVA skimmel del under støbeprocessen (figur 2c).
    Bemærk: For homogene phantoms Spring til trin 4.6.
  4. Med den større side af den aneurysmal del af den ydre skimmel vender nedad, skal du udfylde bule med 15 mL af opløsningen, der er oprettet i trin 3.3-3.4 (figur 2b,). Placer de forsamlede indre mug dele i den forreste ydre skimmel del (figur 2d). Bruge elastikker til at holde den indre lumen del på plads.
    Bemærk: I figur 2, er PVA-c bleget rød for synlighed.
  5. Fryse skimmel forsamling i-20 ° C fryser til 12 h og fjerne fra fryseren. Gå videre til trin 4.6 uden at lade løsningen i mug forsamling tø.
  6. Mens vi venter formen til at fryse (trin 4.4), anvende en generøs mængde af deformerbare voks på ryg overfladen af en udskrevet prøve mug og klemme det til en flad plastfolie skære mindstemål af ca. 100 mm 60 mm med 10 mm (figur 3en). Fylde rummet mellem formen og den plastfolie med samme PVA løsning bruges i trin 4.3. Fryse prøve formen i den samme fryser (-20 ° C) som fartøj mug i trin 4.4.

Figure 3
Figur 3 : Prøve mug og endelige prøve og baggrund Phantoms. a fastspændt prøve mug og klar plastfolie. PVA-c hældes i formen prøve og luftbobler er tilladt at overflade. b PVA-c prøven efter sidste fryse/tø cyklus. c eksperimentel U.S. imaging opsætningen af phantom knyttet til simulator pumpe og placeret i baggrunden PVA-c fantom. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Samle og klemme sammen hele fartøjet skimmel i den retning, der er vist i figur 1en og 1b (figur 2e). Line sømmene på de ydre lumen forme ved hjælp af en deformerbare voks til at sikre, at hydrogel ikke lække under injektion (figur 2f).
  2. Fyld en 60 mL sprøjte med PVA-c løsning i trin 3.1 og 3.2. Med tvedeling injicere slutningen af formen op PVA-c løsning i mug forsamling undgå luftbobler i opløsningen injiceres.
    Bemærk: Hvis nogen utætheder opstår under injektion, pause injektion og lappe utæt områder med deformerbare voks. Gentag sprøjte injektioner, indtil PVA-c løsning fylder formen.
  3. Tillad formen til at sidde i 30 min, trykke formen forsigtigt hver 10 min for at tillade enhver luftbobler til at stige til toppen af mold. Gentag sprøjte indsprøjtning, hvis det er nødvendigt at toppen af formen. Fryse hele skimmel forsamling for 12 h og fjerne fra fryseren. Tillad skimmel forsamlingen til at tø på RT for 12 timer.
  4. Mens venter på formen til at fryse (trin 4.8), samle og klemme en anden prøve mug og flad plastfolie skåret som beskrevet trin i 4.5 (figur 3en). Fylde rummet mellem formen og den plastfolie med samme PVA løsning bruges i trin 4.7. Fryse og tø prøve formen i den samme fryser (-20 ° C) og på samme tid som fartøj mug i trin 4.8 og prøve formen af trin 4.5.
  5. Fryse og tø fartøj mug og begge prøve formene fra trin 4.5, 4.8 og 4.9 fire flere gange, for en samlet fem 24t - fryse/tø cykler. Efter de 5th fryse/tø cyklus, skal du fjerne PVA-c test prøver fra deres forme (figur 3b). Trim eventuelle overskydende cryogel fra prøverne og gemme dem i en forseglet beholder med en 5% af volumen blegemiddel/vand opløsning på RT.
  6. Fjerne PVA-c fartøjet fra formen ydre lumen. Omhyggeligt adskiller den lige fartøj del af indre lumen mug fra aneurysmal del og fjerne fra PVA-c fartøjet. Skære registrering afstandsstykkerne fra todelt slutningen af den aneurysmal del af indre lumen mug for at udsætte trykte PVA glødetråden. Anbringes i et vandbad på RT for at opløse den PVA aneurysmal del.
    Bemærk: Det kan tage 24 timer eller mere, men tilføjer varmt vand til bad kan fremskynde den opløsende proces.
  7. Efter at opløse og fjerne PVA udskrevet del fra indersiden af fartøjet phantom, gemme phantom i en forseglet beholder med en 5% af volumen blegemiddel/vand opløsning på RT.
  8. Fyld formen baggrund med ca 3,3 L af PVA-c løsningen i trin 3.5 og 3.6. Fryse (-20 ° C) baggrund støbeform til 12 h og fjerne fra fryseren. Tillad formen til at tø på RT for 12 h og Gentag i alt 2 fryse/tø cykler.
  9. På samme tid som trin 4.13, Fyld en prøve skimmel forsamling med den samme løsning, PVA-c bruges i trin 4.13 og sætte det gennem de samme fryse/tø prøver som baggrund skimmel.
  10. Efter 2nd tø, fjerne baggrund prøve og baggrund phantom fra deres forme og gemme dem i en forseglet beholder med en 5% af volumen blegemiddel/vand opløsning på RT.

5. phantom og stikprøvekontrol

  1. Placere fartøjet phantom og baggrunden phantom i en stor vandbad. Fastgør den større fartøj ende til output af hæmodynamiske vand pumpe42,43 ved hjælp af slange klemmer (figur 3c). Placere fartøjet fantom i baggrunden phantom og derefter vedhæfte todelt enderne af fantomet til indløb til hæmodynamiske pumpen bruger slange klemmer.
  2. Placer en solid-state pres sensor kateter i systemet med skib og pumpe nær indfaldende hæmodynamiske pumpen. Køre de hæmodynamiske pumpe, således at presset fra væggen deformationer er mellem et minimum på 0 kPa og et maksimum 7,5 kPa (figur 4en).

Figure 4
Figur 4 : Imaging protokol. a trykprofil målt under opsætningen af phantom billeddannelse. b en repræsentant B-mode billede af phantom på den mindste tryk. c B-mode på maksimal pres. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Bruge en ultralyd (os) og en konveks transducer med en center frekvens af ca 5 MHz til at indsamle os billeder af baggrund og fartøj spøgelser i tværsnit på placeringen af den maksimale fartøj diameter (fig. 4b og 4 c ). Registrere de tryk data ved hjælp af en digital erhvervelse system (figur 4en).
    Bemærk: Detaljer til at udføre image erhvervelse i dette trin kan findes i Mix mfl44.
  2. Få forskydning skøn ved hjælp af en ikke-stive billede registrering-baseret teknik som beskrevet i Mix et al. 44. fra målinger af den todimensionale (2D) forskydning felt (u,jeg(x)), beregne feltet 2D stamme tensor (εij(x)) ved at evaluere den symmetriske del af graduering af feltet forskydning:
    Equation 1
  3. Derefter, beregne den maksimale vigtigste stamme (εp) som den maksimale hovedbestanddel af feltet stamme tensor ved hjælp af følgende ligning:
    Equation 2
  4. Endelig afgøre rammen af den primære stamme ved peak tryk og kløft feltet stamme tensor af forskellen i den maksimale og minimale kateter målt pres (figur 4en) eller puls pres (PP), til rumligt løst pres normaliseret princippet stamme (εp/PP).

Figure 5
Figur 5 : Pres normaliseret stamme billeder. Repræsentative billeder af presset normaliseret stamme (εp/PP) in%/kPa målt i skib til den homogene 10% af masse fartøj phantom (a) og de heterogene phantoms med 15% af masse (b), 20% af massen og 25% af masse forreste aneurysmal afsnit (toppen af skib). Dette tal er blevet ændret fra Mix et al. 44. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Representative Results

Repræsentant B-mode billeder af fartøjet efterligne phantoms er vist for de minimale og maksimale pres målt af kateteret (fig. 4b og 4 c, henholdsvis). Pres-normaliseret stamme (εp/PP) in%/kPa er vist for fire forskellige fremstillede phantoms (figur 5). Figur 5 en viser de målte tryk-normaliseret stamme inden for en homogen phantom fremstillet med en 10% af masse PVA-c løsning. Forholdet mellem den gennemsnitlige belastning målt i det bageste kvartal (billedet nederst) af phantom til den gennemsnitlige stamme i den forreste fjerdedel (billedet øverst) var 0,92. Figur 5 b viser εp/PP for et fantom, hvor afsnittet aneurysmal af fantomet blev fremstillet med en 15% af masse PVA-c løsning og den resterende del af fantomet blev foretaget ved hjælp af 10% af masse PVA-c. Forholdet mellem posteriort for forreste stamme for denne phantom fandtes for at være 1,87. Figur 5 c viser εp/PP for den heterogene phantom med 20% af massen PVA-c, med en posterior til forreste stamme forholdet mellem 4.23. Figur 5 d viser εp/PP for den heterogene phantom med 25% af massen PVA-c, med en posterior til forreste stamme forholdet mellem 7.37.

Resultaterne præsenteres her vise, at abdominal aorta phantoms blev oprettet med komplekse geometrier og rumligt varierende materialeegenskaber. Design af phantom geometrier var, eller mere specifikt phantom forme blev gjort ved hjælp af computersoftware, som letter phantom geometri ændringer (figur 1en og 1b). Skimmelsvampe kan være let 3D udskrives og samles og komplekse skimmel geometrier kan udskrives ved hjælp af PVA glødetråd og fjernet, lignende tabt-voks støbning teknikker. De endelige fartøj phantoms kan være dynamisk tryk og er stabile under store belastninger (figur 4en). Spøgelser er kompatibel med ultralyd imaging (fig. 4b og 4 c) og har materialeegenskaber efterligne abdominal aorta stiffnesses. Variationer i stamme nøgletal i den forreste til bageste regioner af stamme billeder viser, at regionerne har varierende materialeegenskaber (figur 5) og den uafhængige mekanisk test på prøver kvantificere de nøjagtige værdier af deres respektive shear moduli.

Discussion

Dette paper præsenterer en teknik til at fremstille væv-efterligne phantoms til brug i test elastography eller elasticitet tænkelig algoritmer. Den kombinerede brug af CAD- og 3D-printning giver mulighed for effektivt design af aorta efterligner phantoms med komplekse geometrier, ud over rørformede phantoms, herunder aneurysmal buler. Oprettelsen af phantom sker i 4 trin; 1) design af phantom geometri, 2) udskrivning af phantom skimmel dele, 3) blanding af cryogel løsninger, som i sidste ende vil efterligne ultralyd egenskaber og mekaniske egenskaber af de fantom fartøjer og 4) hælde/indsprøjtning af cryogel løsning i formen, indstilling PVA-c med fryse-tø cykler og fjernelse af fantomet fra formen. Brug af CAD i den i design af forme fremstillet i trin 1 gør det muligt for en simpel betyder netop redigere phantoms geometri. Udskrivning af mug dele i øjeblikket tager ca 5-8 h afhængigt af print størrelse og kan dermed nemt gøres for gentagne ændringer i formene.

I trin 3, er cryogel løsninger lavet til at efterligne fartøj, aneurisme og baggrunden væv med calciumcarbonat partikler efterligne USA scatter af væv. Cryogel løsninger skal omrøres før brug hvis calcium partikler har afgjort ud af blandingen. Den nøjagtige koncentration af blandingen af cryogel vil afgøre de endelige mekaniske egenskaber af spøgelser. Det er således vigtigt at skabe de uafhængige prøver af hver af de løsninger, der anvendes i phantom fartøj og baggrund. Selv om ikke en del af protokollen her, bør uafhængige målinger af den prøve elasticitetsmodul opnås ved hjælp af enakset spænding test. Uafhængig mekanisk testning af PVA-c prøverne for de 10%, 15%, 20% og 25% phantoms lavet i de repræsentative resultater havde målt shear modulus 17.4 ± 1,0 kPa, 48.3 ± 5.7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa og 170.0 ± 4.1 kPa, henholdsvis.

Trin 4 er den mest afgørende skridt i at skabe disse spøgelser. Selv om registreringer pins er til at holde formen dele i deres rette positioner i forhold til de andre, er det vigtigt at sikre, at formen dele ikke adskille under molding proces. Således brug af klemmer til at holde formen. Den vigtigste overvejelse i trin 4 er at minimere luftbobler fanget i formen inden den første fryse-tø cyklus. Det er ofte nyttigt at adskille én side af den ydre mug og inspicere phantom efter den første fryse-tø cyklus for at sikre det dannet korrekt. Dette kan spare tid spildt at sætte en "dårlig" phantom gennem yderligere cykler. Når phantom er blevet fjernet fra formen helt, kan det være gemt i vand i flere uger ved fortsat brug.

PVA-c phantoms udviklet i dette arbejde var skabt til at specifikt efterligne den ultralyd og materielle stivhed af aorta væv. Brugen af polyvinylalkohol cryogel giver mulighed for en bredere vifte af mulige mekaniske stivhed, til bedre at efterligne de ændrede materialeegenskaber aorta væv i forhold til mere gummi som materialer33,34. Desuden indfanger brug af hydrogel og investering støbning bedre de akustiske egenskaber af støbt gummi eller direkte 3D trykte materialer33,45. Nogle luftbobler kan få fanget i vores forme før den første fryse-tø cyklus. Dette kan forårsage huller i phantom og føre til materielle svaghed eller akustiske artefakter. Således, det anbefales at inspicere spøgelser ud af formen efter den første fryse-tø til at bestemme, hvis processen skal blive genstartet. Derudover har forfatterne fandt, at den indre mug kan undertiden Skift under frysning af aneurysmal del af spøgelser. Hvis dette sker, ville en ændring af ovennævnte protokollen være at skabe en 3D printet, eller ellers designet, del for at fast hold formen indre lumen til den forreste ydre skimmel under indefrysning af dette afsnit. Forfatterne har fundet, at bruge den bageste side af den ydre mug og en 5 mm afstandsstykke mellem formen bageste ydre og indre mug fungerer godt til dette formål.

Phantom udviklet her er ideel til at studere indflydelse af ændringer i aneurysmal diameter, og luminale tykkelse eller potentielt tilstedeværelsen af blodprop i væv ved at redigere de oprindelige CAD-filer. Tidligere arbejde, har også vist, at denne fremstilling teknik kan ændres til at producere patient-specifikke phantom geometrier bruger computertomografi billeder og segmentering software i stedet for CAD design, til at skabe 3D trykt phantom forme 44. resultaterne vist her viser, at algoritmen var i stand til at visualisere de fremstillede variationer i de mekaniske egenskaber af de fantom sektioner. Det skal bemærkes, at selv om disse phantoms blev brugt til at teste USA-baserede Billeddannende teknikker, de er også kompatible med magnetisk resonans og computertomografi billedsystemer og at de også kan anvendes ud over formålet med elasticitet imaging, for en bred række nye billeddiagnostiske teknikker og fremgangsmåder.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af National Center for fremme translationel videnskab af National Institutes of Health gennem Award nr. UL1 TR000042 og National Institute of Biomedical Imaging og bioteknologi af de nationale kontorer i sundhed gennem Award nr. R21 EB018432.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PLA filament MatterHackers, MatterHackers.com MEEDKTKU
PVA filament MatterHackers, MatterHackers.com M4MJTECR
LeakSeal RPM International Inc., Rustoleum.com 265495
Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30) DowDuPont Inc., ChemistryStore.com SKU: 81015
Calcium Carbonate Powder greenwaybiotech.com via amazon.com Amazon: B00HFFCBYQ
Tacky Wax bards.com via amazon.com Bards: BB759
Amazon: B016KBDYRS
Rostock max 3D Printer SeeMeCNC, seemecnc.com SKU: 84459
Onshape CAD software OnShape, onshape.com
Mattercontrol printer software MatterHackers, MatterHackers.com
Mikro-Cath pressure catheter and device Millar, Inc., millar.com 4501016/B
BNC digital acquisition National Instruments Corporation, ni.com NI USB-6251 BNC
clear cast acrylic sheet mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 8560K274
Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile Cole-Parmer, coleparmer.com EW-30600-02
BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock) Cole-Parmer, coleparmer.com EW-07945-28
6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader Tekton, Inc., www.tekton.com 39181
Tygon PVC Clear Tubing mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com 6516T53
MTS Qtest Q/5 MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016
MTS 5N Load Cell MTS Systems Corperation, www.mts.com 4501016/B
Abaqus FEA Dassault Systèmes, 3ds.com

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taylor, S. M. The Juxtarenal Abdominal Aortic Aneurysm. Archives of Surgery. 129 (7), 734-734 (1994).
  2. Nevitt, M. P., Ballard, D. J., Hallett, J. W. Prognosis of Abdominal Aortic Aneurysms. The New England Journal of Medicine. 321 (15), 1009-1014 (1989).
  3. Crane, C. Arteriosclerotic Aneurysm of the Abdominal Aorta. The New England Journal of Medicine. 253 (22), 954-958 (1955).
  4. IMPROVE Trial Investigators. Endovascular or open repair strategy for ruptured abdominal aortic aneurysm: 30-day outcomes from IMPROVE randomised trial. British Medical Journal. 348, 7661 (2014).
  5. Robinson, W. P., et al. Endovascular repair of ruptured abdominal aortic aneurysms does not reduce later mortality compared with open repair. Journal of Vascular Surgery. 63 (3), 617-624 (2016).
  6. Starnes, B. W., et al. Management of ruptured abdominal aortic aneurysm in the endovascular era. Journal of Vascular Surgery. 51 (1), 9-18 (2010).
  7. Schermerhorn, M. L., et al. Endovascular vs. Open Repair of Abdominal Aortic Aneurysms in the Medicare Population. The New England Journal of Medicine. 358 (5), 464-474 (2008).
  8. Darling, R. C., et al. Autopsy study of unoperated abdominal aortic aneurysms. The case for early. Circulation. 56, 161-164 (1977).
  9. Szilagyi, D. E., Smith, R. F., DeRusso, F. J., Elliott, J. P., Sherrin, F. W. Contribution of abdominal aortic aneurysmectomy to prolongation of life. Annals of Surgery. 164 (4), 678-699 (1966).
  10. Skibba, A. A., et al. Reconsidering gender relative to risk of rupture in the contemporary management of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 62 (6), 1429-1436 (2015).
  11. Parkinson, F., et al. Rupture rates of untreated large abdominal aortic aneurysms in patients unfit for elective repair. Journal of Vascular Surgery. 61 (6), 1606-1612 (2015).
  12. Grant, S. W. W., et al. Calculating when elective abdominal aortic aneurysm repair improves survival for individual patients: development of the Aneurysm Repair Decision Aid and economic evaluation. Health technology assessment. 19 (32), Winchester, England. 1-154 (2015).
  13. Lederle, F. a, et al. Rupture rate of large abdominal aortic aneurysms in patients refusing or unfit for elective repair. JAMA: the journal of the American Medical Association. 287 (22), 2968-2972 (2002).
  14. Vorp, D. A., Raghavan, M. L. L., Webster, M. W. Mechanical wall stress in abdominal aortic aneurysm: Influence of diameter and asymmetry. Journal of Vascular Surgery. 27 (4), 632-639 (1998).
  15. Vande Geest, J. P., et al. Towards a noninvasive method for determination of patient-specific wall strength distribution in abdominal aortic aneurysms. Annals of Biomedical Engineering. 34 (7), 1098-1106 (2006).
  16. Stringfellow, M. M., Lawrence, P. F., Stringfellow, R. G. The influence of aorta-aneurysm geometry upon stress in the aneurysm wall. Journal of Surgical Research. 42 (4), 425-433 (1987).
  17. Maier, A., et al. A comparison of diameter, wall stress, and rupture potential index for abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction. Annals of Biomedical Engineering. 38 (10), 3124-3134 (2010).
  18. Raghavan, M. L. L., Vorp, D. A., Federle, M. P., Makaroun, M. S., Webster, M. W. Wall stress distribution on three-dimensionally reconstructed models of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Vascular Surgery. 31 (4), 760-769 (2000).
  19. Di Martino, E. S., et al. Biomechanical properties of ruptured versus electively repaired abdominal aortic aneurysm wall tissue. Journal of Vascular Surgery. 43 (3), 570-576 (2006).
  20. Gasser, T. C., Ogden, R. W., Holzapfel, G. a Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society. 3 (6), 15-35 (2006).
  21. Ruddy, J. M., Jones, J. A., Spinale, F. G., Ikonomidis, J. S. Regional heterogeneity within the aorta: Relevance to aneurysm disease. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 136 (5), 1123-1130 (2008).
  22. Raut, S. S., Chandra, S., Shum, J., Finol, E. A. The role of geometric and biomechanical factors in abdominal aortic aneurysm rupture risk assessment. Annals of Biomedical Engineering. 41 (7), 1459-1477 (2013).
  23. Tavares Monteiro, J. A., et al. Histologic, histochemical, and biomechanical properties of fragments isolated from the anterior wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), (2014).
  24. Vallabhaneni, S. R., et al. Heterogeneity of tensile strength and matrix metalloproteinase activity in the wall of abdominal aortic aneurysms. Journal of endovascular therapy: an official journal of the International Society of Endovascular Specialists. 11 (4), 494-502 (2004).
  25. Zou, Y., Zhang, Y. Mechanical evaluation of decellularized porcine thoracic aorta. The Journal of Surgical Research. 175 (2), 359-368 (2012).
  26. Ophir, J., et al. Elastography: Imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound. Journal of Medical Ultrasonics. 29 (4), 155-171 (2002).
  27. Lopata, R. G. P., et al. Performance evaluation of methods for two-dimensional displacement and strain estimation using ultrasound radio frequency data. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (5), 796-812 (2009).
  28. Fromageau, J., et al. Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE. , 257-260 (2005).
  29. Lopata, R. G. P., et al. Vascular elastography: A validation study. Ultrasound in Medicine and Biology. 40 (8), 1882-1895 (2014).
  30. Mascarenhas, E. J. S., et al. Assessment of mechanical properties of porcine aortas under physiological loading conditions using vascular elastography. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 59, 185-196 (2016).
  31. Brekken, R., et al. Strain estimation in abdominal aortic aneurysms from 2-D ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 32 (1), 33-42 (2006).
  32. Vonk, T., Nguyen, V., Schurink, G., van de Vosse, F., Lopata, R. Ultrasonics Symposium (IUS), 2014 IEEE International. , 9-12 (2014).
  33. Cloonan, A. J., et al. 3D-Printed Tissue-Mimicking Phantoms for Medical Imaging and Computational Validation Applications. 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (1), 14-23 (2014).
  34. Doyle, B. J., et al. Experimental modelling of aortic aneurysms: novel applications of silicone rubbers. Medical Engineering and Physics. 31 (8), 1002-1012 (2009).
  35. Zell, K., Sperl, J., Vogel, M., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), 475 (2007).
  36. Surry, K., Austin, H., Fenster, A., Peters, T. Poly (vinyl alcohol) cryogel phantoms for use in ultrasound and MR imaging. Physics in Medicine and Biology. 49 (24), 5529 (2004).
  37. Chu, K. C., Rutt, B. K. Polyvinyl alcohol cryogel: An ideal phantom material for MR studies of arterial flow and elasticity. Magnetic Resonance in Medicine. 37 (2), 314-319 (1997).
  38. Richards, M. S., et al. Investigating the impact of spatial priors on the performance of model-based IVUS elastography. Physics in Medicine and Biology. 56 (22), 7223-7246 (2011).
  39. Raghavan, M. L., et al. Regional distribution of wall thickness and failure properties of human abdominal aortic aneurysm. Journal of Biomechanics. 39 (16), 3010-3016 (2006).
  40. Farsad, M., Zeinali-Davarani, S., Choi, J., Baek, S. Computational Growth and Remodeling of Abdominal Aortic Aneurysms Constrained by the Spine. Journal of Biomechanical Engineering. , (2015).
  41. Kim, J., Peruski, B., Hunley, C., Kwon, S., Baek, S. Influence of surrounding tissues on biomechanics of aortic wall. International Journal of Experimental and Computational Biomechanics. 2 (2), 105-117 (2013).
  42. Lillie, J. S., et al. Pulse Wave Velocity Prediction and Compliance Assessment in Elastic Arterial Segments. Cardiovascular Engineering and Technology. 6 (1), 49-58 (2015).
  43. Varble, N., et al. In vitro hemodynamic model of the arm arteriovenous circulation to study hemodynamics of native arteriovenous fistula and the distal revascularization and interval ligation procedure. Journal of Vascular Surgery. 59 (5), 1410-1417 (2014).
  44. Mix, D. S., et al. Detecting Regional Stiffness Changes in Aortic Aneurysmal Geometries Using Pressure-Normalized Strain. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (10), 2372-2394 (2017).
  45. Browne, J., Ramnarine, K., Watson, A., Hoskins, P. Assessment of the acoustic properties of common tissue-mimicking test phantoms. Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (7), 1053-1060 (2003).

Tags

Bioteknologi sag 139 ultralyd Phantoms Elastography Aorta Model 3D udskrivning Hydrogel aneurisme simulering
Fremstilling af abdominale Aorta Hydrogel væv-efterligne Phantoms for ultralyd Elastography validering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S.… More

Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S. W., Richards, M. S. Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation. J. Vis. Exp. (139), e57984, doi:10.3791/57984 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter