Summary
ここで超音波エラストグラフィのテストで使用するための動脈瘤、大動脈の組織模倣ファントムを製造する方法をについて説明します。コンピューター支援設計 (CAD) と 3 次元 (3 D) 印刷技術生産大動脈ファントム予測可能な複雑な形状と elastographic イメージング実験アルゴリズムを検証するための併用。
Abstract
(米国) 超音波エラストグラフィまたは弾性イメージングは、組織運動の測定し推論または基になる生体力学的特性を定量化する軟部組織の連続米国画像を利用したイメージングの補助です。腹部大動脈瘤 (AAA)、組織の弾性率と組織ストレスの推定値の変化などの生体力学的特性は外科的介入の必要性を評価するために不可欠な場合があります。腹部大動脈瘤米国エラストグラフィは AAA の進行を監視し、高リスク患者の特徴的な生体力学的特性の変化を識別する便利なツールかもしれない。
AAA 米国エラストグラフィ技術の開発における予備的な目標は、知られている特性を持つ物理的に関連するモデルを用いた手法の検証です。ここで物理的に関連するジオメトリと材料特性の空間変調 AAA 組織模倣ファントムの生産のためのプロセスを提案する.これら組織ファントム米国プロパティ、材料係数、および腹部の大動脈瘤の形状を模倣することを目指してください。組織ファントムは、ポリビニル アルコール レゾルシノールーアセトアルデヒド (PVA c) を使用して、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して作成された 3 D プリント パーツを使用して成形品に作られています。PVA c の濃度を変えることによって、レゾルシノールーアセトアルデヒドの重合に使用される凍結融解サイクルの数を変更して、ファントムの弾性率が制御されます。AAA ファントムは、循環ポンプ、生理学的繰返し圧力およびフローをファントムに変形するように設計に接続されます。正規化圧力歪みの空間計算および血管壁の力学物性の同定に使用される変形のファントムの超音像正規化圧力ひずみの代表の結果が掲載されています。
Introduction
腹部大動脈瘤 (AAA) は、大動脈分岐1近く優先的に発生する大動脈の焦点の引き伸ばしです。示唆している多くの理論が、病因が多因子、遺伝的、環境動態、行動の要因2,3AAA 形成の正確な原因は不明です。腹部大動脈瘤の診断を非侵襲的イメージング技術を使用して取得できる、患者固有の破裂リスクの予測は正確な4,5,6ないです。手術は、大動脈破裂のリスクを減らすことができますが、大動脈の手術による修復が関連する罹患率と死亡率7の高率を運ぶ。現在の外科的手法は、破裂の患者のリスクを予測するのに「最大サイズ基準」または、動脈瘤の最大の絶対的な直径を使用します。残念ながら、それも確立されて動脈瘤はまだ以下の外科的修復、任意の大きさの動脈瘤を持つ患者が破裂8,9,のいくつかのリスクを運ぶことを意味臨床的に許容できるサイズ破裂10,11,12,13。 さらに、多くの患者利益13なし手術のリスクにさらされている意味、真破断リスクの可能性の過剰推計を破裂リスクの履歴レポートには知られています。動脈瘤の手術を受ける患者さんのリスク便益比を成層化する患者固有の破裂リスクのより正確な評価が必要です。
それは、AAA 内の空間の応力分布が破断の可能性を決定する上で非常に重要で、最大径14,15,16,17よりもより良い指標があります示されています。,18. AAA 破裂のメカニズムを調査する最近の研究のほとんどが x 線断層撮影 (CT) 画像からセグメント化されたジオメトリを使用して、人口の平均測定大動脈組織の機械的性質前のヴィヴォ。有限要素 (FE) モデルは、容器・壁応力14,15,16,17,18を予測に使用されます。ただし、次の組織の切除、機械的性質が決定される、ためにじゃない明確な結果のモデルが正確に生成される生体内で患者固有応力を描写するかどうか。これらの研究は通常同種血管壁材料特性を仮定し、大動脈壁の血栓19,20,21,22 非常に異種の構造について考慮していません ,23,24,25。
超音波を用いた弾性イメージング、診断し、疾患病態26のさまざまな監視に臨床的に使用されます。この技術は、軟部組織の物理的な相互作用を調査する非侵襲的な手段を提供します。血管弾性イメージングは、スクリーニングの臨床の米国評価のモダリティをイメージングおよび AAAs の監視の補助として使用されています。これらの技術の組み合わせは、両方のジオメトリ情報、相対的な剛性と剛性変化などの直径、長さ、機械データなどを提供します。多くの弾性イメージング技術には、測定可能な組織の変形を誘導する外部負荷が必要ですが、ここで測定する組織運動が心臓の鼓動によって引き起こされる大動脈の圧力の変化によって誘導されます。空間的血管変形のひずみ場を解決する多数の方法を公開されている、ただし、これらのメソッドの検証研究が人間の患者、動物モデル、または前のヴィヴォ組織サンプル27,28 に限られています。 ,29,30,31,32。日には、ほとんどのメソッドを空間様々 な材質27,29カスタム形状の作品の します。
私たちは様々 な関連する大動脈の形状や米国エラストグラフィ技術を検証するための材料の特性に合わせた対応、組織模倣のファントムを製造する方法をご紹介します。印刷可能なゴム米国に高減衰が知られている、後で手段を持っていない以前のグループは、3 D 印刷技術33,34を使用して AAA ジオメトリを模倣する複雑なジオメトリ ファントムを設計することがされているが、その材料の特性。ファントムは、以前示されている維管束組織プロパティ35を模倣するために理想的であるポリビニル アルコール レゾルシノールーアセトアルデヒド (PVA c) から作られています。これらのファントムは、米国、磁気共鳴, と elastographic イメージング36,37,38で使用できます。大動脈瘤の形状は Vorpらによって作成されたシミュレーション モデルを同様に設計されました14. 容器 22.5 mm の公称直径を有し、動脈瘤膨らみ、64 mm の膨らみの長さ、直径 47 mm 偏心 (β = 0.6) 幻の前方側に14 。最後のセクションでは、15 mm の遠位の直径と腸骨の分岐を模倣します。ファントムは厚さが一定の約 5 mm. ラガバン 0.23 4.26 から AAA の容器の厚さの範囲、小規模な研究で報告されたらに選ばれた mm、1.48 mm39の中央値。そのスペクトルの大きい方の端に船公称厚さに選ばれましたここで改善期待と懸念を製造 3 D 印刷技術は成形することができる最小のファントムの厚さを向上させます。ファントムの金型が CAD で設計された、3 D の市販プリンターおよびフィラメントを使用してが印刷されます。
金型は、射出、PVA 溶液で満たされ、凍結/解凍サイクル (-20 ° C から 20 ° C) c PVA ポリマーを架橋しゲルの重合のシリーズを受けます。PVA c の弾性係数は、PVA c ゲルまたは凍結融解サイクル数の濃度を変えることによって制御されます。容器の内部ルーメンから削除するファントムの必要な損失金型の動脈瘤のセクション。これは、ポリビニル アルコール、3 D プリンター フィラメント (PVA) の使用によって達成されました。PVA c パウダーと同様に化学的に、PVA 繊維凍結時は重合していないのでなど、PVA c が設定された後は、この水に溶解することができます。その他のサンプルの金型は同じ PVA c 濃度の「犬の骨」構成で引張試験片を作成する印刷されます。これらの型は、同じ凍結/解凍サイクルを受ける、ファントムのセクションの弾性係数を個別に測定する引張試験のため使用されます。背景素材は、柔らかい PVA c、後腹膜40,41の組織を模して作られた製造されました。この背景のファントムは、4 cm 内径、外径は 16.5 cm 16.5 cm の長さと均一な軸対称筒状の管として製造されました。5 %pva 溶液から作られ合計 2 つの凍結融解を受けます。
最終的な AAA ファントムだった背景ファントムに置かれ、管継手とクランプ、生理周期の流れと圧力ファントムに変形するように設計循環水ポンプを介して接続されました。ポンプの速度は hz 超変形ファントムの音像を集め、約 1 の率で約 6-7 kPa の圧力パルスを提供する設定され、正規化された圧力歪みの違いを識別するために計算された、空間的機械的性質を変化させます。正規化されたひずみ血管領域内で画像が表示されます圧力の代表の結果。均質ファントムを基準にして、硬めの不均質ファントムの正規化されたひずみの増加の地域差は、動脈壁硬化とそれを測定する当社の能力の違いを示しています。
Protocol
1. NIH の 3 D 印刷 Exchange から STL モデルをダウンロードします。
- NIH の 3 D プリント交換 (3dprint.nih.gov) し検索エントリ大動脈動脈瘤ファントム金型のシミュレートを入力、enter キーを押します。
- 後続の一覧は、検索から返される、モデル「 3DPX 009210」を見つける、そのエントリをクリックしますします。
- ダウンロード ボタンをクリックし、その後このファイルをダウンロードするには、ボックスの一覧から大動脈動脈瘤ファントム Mold.zip のシミュレーションファイルをクリックします。
- それを解凍し、手順 2.1 2.7 で 3 D プリントに使用するコンピューターに結果ファイル (InnerDistSTL.stl、InnerProxSTL.stl、OuterAntSTL.stl、OuterPostSTL.stl、BackgroundMoldSTL.stl、SampleMoldSTL.stl) を保存するダウンロードしたファイルをダブルクリックします。
注: 1 つはまた各手順 1.4 で個別に記載されているファイルをダウンロードできます。
2 金型の 3 D プリント
- 3 D プリンター インターフェイス ソフトウェアを開き、接続ボタンを使用してプリンターに接続します。
- 3 D 印刷ソフトウェアにダウンロードした STL ファイルOuterAntSTL.stl (図 1、ブルー) をインポートします。3 D 印刷ソフトウェアで [編集] ボタンを選択し、回転] メニューをクリックすると印刷のベッドに平行軸を合わせてX Y、またはZのボタンをクリックし、モールド部品の向き、金型外印刷のベッドに直面しています。[保存] ボタンをクリックし、印刷ボタンをクリックして印刷ポリ酸 (PLA) プラスチック フィラメントを用いた単一押出機モールド部品。
図 1: ファントム、背景およびサンプル金型の CAD 形式。(a) - (b) 3 D CAD 画像の容器型とアセンブリの部品の方向を。登録スペーサー (i)、ピン (ii)、穴 (iii)、穴を埋めるが表示されます。(c) 内部ルーメン内槽寸法の強調表示の図面。(d) CAD サンプル金型のレンダリング。(e) CAD 背景ファントム金型のレンダリング。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
- (図 1、赤) のOuterPostSTL.stlファイルについて手順 2.2 を繰り返します。
- X Y、または Z回転でメニューをクリックして印刷の 3 D ソフトウェアに STL ファイルInnerDistSTL.stl (図 1、白) をインポート手順 2.2 から同じプロセスに従う「編集」ボタンを選択し、プリント ベッドおよび印刷のベッドとの接触は、(i) 登録ピンなどに対して垂直な軸を整列するためのボタン。[保存] ボタンをクリックして印刷ボタンをクリックし、単一押出機の PLA プラスチック フィラメントを使用してモールド部品を印刷します。
注:、サポート構造を持つこの部分は印刷されません。この印刷部分のない 30% 以上も使用面材を行います。 - 3 D 印刷ソフトウェアに STL ファイルSampleMoldSTL.stl (図 1d) をインポートします。[編集] ボタンを選択し、回転メニュー [印刷のベッドから金型の内側を向いている部分を配置するX Y、またはZボタンをクリックします。[保存] ボタンをクリックして印刷ボタンをクリックし、単一押出機の PLA プラスチック フィラメントを使用してモールド部品を印刷します。
注:、サポート構造を持つこの部分は印刷されません。3 またはよりサンプルの金型を印刷します。 - 3 D 印刷ソフトウェアに STL ファイルBackgroundMoldSTL.stl (図 1e) をインポートします。「編集」ボタンを選択し、回転メニュー印刷ベッドに直面している (すなわち、シリンダーのクローズド エンド) 金型下部分を配置するX、 Y、またはZのボタン] をクリックしますします。[保存] ボタンをクリックして印刷ボタンをクリックし、単一押出機の PLA プラスチック フィラメントを使用してモールド部品を印刷します。
注:、サポート構造を持つこの部分は印刷されません。 - 3 D 印刷ソフトウェアに STL ファイルInnerDistSTL.stl (図 1、黄色) をインポートします。「編集」ボタンを選択し、回転メニューのように長い軸は印刷のベッドに垂直分岐登録ピン (i) に直面している部分の位置を調整するX Y、またはZボタンをクリックして、ベッドを印刷します。[保存] ボタンをクリックし、印刷ボタンをクリックして印刷ポリ酸 (PVA) のプラスチック フィラメントを用いた単一押出機モールド部品。
- 手順 2.1-2.7 (図 2、) の 3 D プリント部分からサポート材を取り除きます。
注: 彼らはモールド アセンブリと干渉しない場合、外側の金型部品からサポート構造を削除する必要はありません。
図 2: 血管ファントム モールド アセンブリおよび最終的な血管ファントム。(a) 最終は、内側と外側のルーメン金型の金型を印刷しました。内側の腔の遠位端は溶ける PVA プラスチックに印刷され、変形可能なワックスを使用して内部ルーメン金型の近位端に接続されています。(b) 管は、外部ルーメン金型と注射器のストッパーの注入ポートに接続。(c) 柔軟なシーリング材の溶射後内部ルーメン金型。(d) 外部ルーメン金型や硬い動脈瘤ファントムの追加 (赤く染めた) PVA c 内部ルーメン金型のもっこリ側のアセンブリ。(e) における容器金型、クランプします。(f) 変形ワックス PVA c の金型からの漏れを防ぐために外部ルーメン金型の継ぎ目に適用されます。(g) 最終的な PVA c ファントム 5 凍結/解凍サイクルと金型からの除去の後。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
3. ゲルの調製
- ガラス ビーカーに水道水 (質量 10%) 200 mL に PVA c 粉末 22.2 g を混ぜます。マイクロ波を沸騰させるソリューションとかき混ぜます。PVA 粉体のすべてが解散したとき、ソリューションが半透明表示されるまでこの手順を繰り返します。
- 10 mL の水に炭酸カルシウム粉末 (質量 0.2%) 0.4 g を中断し、超音波散乱体として機能するステップ 2.1 からソリューションに追加します。ミックス徹底的。ソリューションをカバー (RT) 室温に冷却するようにし、なさい。
メモ: 均質ファントム ステップ 3.5 にスキップします。 - 独立したガラス ビーカーに 100 mL の水道水 (15% 質量または必要に応じて) PVA c 粉の 17.6 g を混ぜます。マイクロ波を沸騰させるソリューションとかき混ぜます。すべての PVA の粉が溶けてソリューションが半透明表示されるまでこの手順を繰り返します。
- 5 mL の水で炭酸カルシウム粉末 (質量 0.2%) 0.4 g の中断およびステップ 2.3 からソリューションに追加。ミックス徹底的。ソリューションをカバーでき、RT に冷却します。
- 別の大鍋で 3.5 L の水道水 (固まりによって 5%) に PVA c 粉末 183.7 g を混ぜます。ソリューションを沸騰させるが、かき混ぜます。PVA の粉が溶けて、ソリューションが半透明表示されます一度の暑さからポットを削除します。
- 10 mL の水に炭酸カルシウム粉末 (質量 0.2%) の 7.4 g を中断およびステップ 2.5 からソリューションへ追加。ミックス徹底的。ソリューションをカバーでき、RT に冷却します。
4. 金型の組立
- 約 100 mm のフレキシブル チューブを外部ルーメン金型の射出ポートに接続します。チューブの反対側の端、シリンジ接続 (図 2b) で活栓を接続します。
- 内部ルーメン金型の登録ピン位置を合わせます、膨らんだ容器ストレート容器内部ルーメン金型部に内部ルーメン金型部変形可能なワックスを使用して、付着します。
- よく換気された場所でヒドロゲルの成形プロセス (図 2c) 中に PVA モールド部品の溶解を防ぐために内部ルーメン金型の動脈瘤の端にスプレーの柔軟なラバー コーティングを適用します。
注: 均質ファントム 4.6 ステップに進みます。 - に直面している外側の金型の動脈瘤の部分の大きい側を 15 ml 3.3 3.4 (図 2b) の手順で作成したソリューションの膨らみを入力します。フロント外側のモールド パーツ (図 2d) で組み立てられた内部金型部品を配置します。場所の内部ルーメンの一部を保持するためにゴムバンドを使用します。
注:図 2PVA c が視認性は赤で染めています。 - 12 時間-20 ° C のフリーザーで金型アセンブリを固定、冷凍庫から取り出してください。金型アセンブリ雪解けでソリューションをさせることがなくステップ 4.6 に移動します。
- (ステップ 4.4) を凍結する金型を待っている間印刷サンプル型のバック面に変形可能なワックスの寛大な量を適用し、(図 3、) 10 mm 60 mm で約 100 mm の最小サイズにカット フラットなプラスチック シートにそれをクランプします。4.3 ステップで使用される同じ PVA の水溶液で金型とプラスチック シート間のスペースを埋めます。ステップ 4.4 で容器の金型と同じ冷凍庫 (-20 ° C) の金型サンプルを凍結します。
図 3: サンプル金型と最後のサンプルと背景ファントム。(a) 金型サンプルと透明なプラスチック シートをクランプします。PVA c は金型サンプルに注がれて、気泡が表面に許可されます。(最終的な凍結/融解サイクル後 b) PVA c サンプル。(c) 実験米国ファントムのイメージング セットアップ シミュレーター ポンプに接続し、ファントムは PVA c 背景に配置。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
- 図 1は 1 b (図 2e) に示す向きで一緒に全体の容器の金型をクランプ、組み立てます。ヒドロゲルが注入 (図 2f) 中に漏洩しないように変形可能なワックスを使用して外部ルーメン金型の継ぎ目を行します。
- ステップ 3.1 と 3.2 で行われた PVA c ソリューションで 60 mL の注射器を満たしなさい。金型の分岐端と注入されたソリューションでの金型のアセンブリ回避空気の泡に PVA c ソリューションを挿入します。
注: 注入中の任意の漏れが発生した場合、注入とパッチ変形ワックス漏洩地域を一時停止します。注射器注射を繰り返して PVA c ソリューション金型を塗りつぶします。 - 座って 30 分、タッピング金型の金型の上部に上昇する空気の泡を許可するように、10 分ごとに軽くモールドを許可します。必要に応じて注射器注入を繰り返します金型の締めくくりに。12 h の全体モールド アセンブリを凍結し、冷凍庫から削除します。12 h の常温解凍しモールド アセンブリを許可します。
- カット フラットなプラスチック シートの説明、組み立て (ステップ 4.8) を凍結する金型を待っていると、別のサンプル金型をクランプで 4.5 (図 3、) はステップします。ステップ 4.7 で使用される同じ PVA の水溶液で金型とプラスチック シート間の空間を埋めます。凍結し、同じ冷凍庫 (-20 ° C) で、ステップ 4.8 容器金型とステップ 4.5 の金型サンプルと同時に金型サンプルを解凍します。
- 凍結し解凍容器金型と手順 4.5 から両方サンプル金型、4.8 と 4.9 あと 4 回、合計 5 24 h フリーズ/フリーズ解除のサイクルします。5回凍結/融解サイクル後の金型 (図 3b) から PVA c テスト サンプルを削除します。サンプルから任意の余分なレゾルシノールーアセトアルデヒドをトリミングし、ボリューム漂白剤/水溶液室温で 5% の密封された容器で保存
- 外部ルーメン金型から PVA c 容器を削除します。慎重に動脈瘤の部分から別の内部ルーメン金型部ストレート容器、PVA c 容器から取り出します。印刷された PVA 繊維を公開する動脈瘤内部ルーメン金型部の分岐端から登録スペーサーをカットします。PVA の動脈瘤の一部を溶解させる常温水バスに配置します。
注: これは 24 時間以上かかる場合があります、ただし、溶解プロセスの速度がお風呂にお湯を追加します。 - 溶解と PVA を削除血管ファントムの中から一部を印刷後は、ボリューム漂白剤/水溶液室温で 5% の密封された容器で怪人を格納します。
- 約 3.3 l ステップ 3.5、3.6、PVA c ソリューションの背景型を入力します。(-20 ° C) 12 h の背景金型を凍結し、冷凍庫から削除します。12 h の常温解凍し、2 凍結/解凍サイクルの合計は繰り返し金型を許可します。
- ステップ 4.13 として同時に塗りつぶしと同じ PVA c ソリューション サンプル金型アセンブリ ステップ 4.13 で使用され、背景の金型と同じフリーズ/フリーズ解除のサンプルを介してそれを置きます。
- 2nd雪解け後背景サンプルとファントムの背景、金型から削除、ボリューム漂白剤/水溶液室温で 5% の密封された容器で保存
5. ファントムとサンプル ・ テスト
- 大水浴に血管ファントムと背景ファントムを配置します。循環水ポンプ42,43用チューブ ・ クランプ (図 3c) を使用しての出力に大きな容器端に取り付けます。船バック グラウンドでファントム ファントム置き、循環ポンプ用チューブ ・ クランプを使用してに入口に幻の分岐端を添付します。
- 容器、ポンプ循環ポンプの入口の近くのシステムで固体圧力センサー カテーテルを配置します。壁変形の圧力が 0 kPa の最小値と、最大 7.5 kPa (図 4、) 間、循環ポンプを実行します。
図 4: プロトコルをイメージングします。(a) 内圧測定ファントム画像のセットアップ中に。(b) 代表的な最小の圧力で幻の B モード画像では。(c) 最高圧力で B モード。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
- 最大血管径 (図 4b 4 c のの位置の断面における背景と血管ファントムの US 像を収集するために約 5 MHz の中心周波数で超音波 (US) システムと凸型探触子を使用します。).(図 4、) デジタル信号集録システムを使用して圧力のデータを記録します。
注: この手順の画像の取得を実行するための詳細は、ミックスら44で見つけることができます。 - 非剛体イメージ登録ベースの手法を使用してミックスらによる変位推定を取得します。44. 二次元 (2 D) 変位の測定から (私u(x))、フィールドは勾配の対称部分を評価することによって 2次元歪テンソル場 (εij(x)) を計算変位場:
- その後、次の方程式を用いた歪テンソル場の最大の主成分として最大主ひずみ (εp) を計算します。
- 最後に、空間分解ピーク圧力と最大および最小のカテーテルの違いによって、このひずみテンソル分野測定圧 (図 4、)、またはパルス圧力 (PP)、除算で主ひずみのフレームを決定します。圧力は、原則としてひずみ (εp/グリップ) を正規化します。
図 5: 圧力ひずみ画像の正規化します。正規化されたひずみ (εp/グリップ) in%/kPa 測定質量血管ファントム (a) と質量 (b) 15%、20% 質量質量前方 25% と不均質ファントムで均質な 10% の容器内の圧力を表すイメージ脳動脈瘤セクション (船の上)。この図は、ミックスらから変更されています。44.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Representative Results
カテーテルにより測定した最小値と最大圧力のファントムを模倣した容器の代表 B モード画像が表示されます (図 4b 4 c、それぞれ)。圧力正規化ひずみ (εp/グリップ) in%/kPa は、4 つの異なる製造されたファントム (図 5) に対して表示されます。図 5 10% 質量 PVA c ソリューション製均質ファントム内で測定された圧力正規化歪みを示しています。前四半期 (画像上) で平均ひずみにファントムの後部四半期 (画像下) の中で、平均ひずみの比 0.92 であった。図 5bの質量 PVA c ソリューションによって 15% と幻の残りで製造された幻の動脈瘤のセクションでファントム/グリップによって作られた 10% を使用して質量 PVA c εpを示しています。このファントムの前方のひずみに後方の比率は、1.87 をことが判明しました。図 5cを示しています εp20% 質量、PVA c 4.23 の前方ひずみ比の後部と異種ファントムの/グリップ。図 5d εpを示しています 7.37 の前方ひずみ比の後部と質量、PVA c が 25% と異種のファントムの/グリップ。
ここに示された結果を示す複雑なジオメトリと材料特性の空間的に変化と腹部大動脈のファントムが作成されています。ファントム形状の設計、またはより具体的に、ファントムの金型が行われた幻のジオメトリ変更 (図 1と1 b) を容易にするコンピューターのソフトウェアを使用しています。印刷して組み立て、金型が容易に 3 D にすることができます、複雑な金型形状は、PVA 繊維と同様、削除されたロスト ワックスを使った印刷ができる鋳造技術。最終船ファントム動的に加圧することができます (図 4、) 大きい負荷の下で安定している.超音波と互換性のあるファントム画像 (図 4b 4 c) と腹部大動脈の剛性を模倣した材料の特性があります。ひずみ画像の後方地域の前方でひずみ比の変化を示す地域さまざまな材料特性 (図 5)、正確な値を定量化するサンプルの独立した機械試験、それぞれのせん断弾性係数。
Discussion
テストのエラストグラフィまたは弾性イメージング アルゴリズムで使用する組織模倣ファントムを製造する手法を提案する.CAD や 3 D プリントの併用により、複雑なジオメトリの場合、瘤状の膨らみを含む管状のファントムを超えると大動脈の模倣したファントムの効率的な設計のため。ファントムの作成は、4 つのステップで行われます1 設計ファントムの幾何学、2) ファントム金型部品の印刷、3) 超音波の特性とファントムの血管の機械的特性と 4) を注いで/注入、レゾルシノールーアセトアルデヒドの模倣が最終的にレゾルシノールーアセトアルデヒド ソリューションの混合金型からの凍結融解と幻の除去と PVA c を設定、金型にソリューションです。CAD を手順 1 で取得した金型の設計により、正確にファントムのジオメトリを変更するための簡単な手段です。金型部品の印刷印刷のサイズによって約 5-8 時間は現在、したがって、金型に繰り返し変更を簡単に行うことが.
ステップ 3 で、レゾルシノールーアセトアルデヒド ソリューションは、組織の米国の散布を模倣した炭酸カルシウム粒子容器、動脈瘤と背景の組織を模倣するように作成されます。レゾルシノールーアセトアルデヒド ソリューションは、カルシウム粒子の混合物から定住している場合は、使用する前に攪拌する必要があります。レゾルシノールーアセトアルデヒドの混合物の正確な濃度はファントムの最終的な機械的性質を決定します。したがって、それぞれの幻の船および背景で使用されるソリューションの独立したサンプルを作成する重要です。ここのプロトコルの一部では、一軸引張試験を使用してサンプルの弾性率の独立した測定を取得必要があります。代表的な結果は、10%、15%、20%、25% のファントムの PVA c サンプルの独立した機械試験は 17.4 ± 1.0 kPa、48.3 ± 5.7 kPa、95.1 ± 0.4 kPa、170.0 ± 4.1 kPa のせん断弾性係数をそれぞれ測定しました。
ステップ 4 は、これらのファントムを作成する最も重要なステップです。登録ピンが他の人を基準にして、適切な位置で金型部品を維持する場所に、金型部品の成形プロセス中に区切らないでくださいいることを確認することが重要です。したがって、金型を保持するクランプを使用します。ステップ 4 の最も重要な考慮事項は、最初の凍結融解サイクル前に金型内に閉じ込められた気泡を最小限に抑えるためです。外側の金型の一方の側を分解し、ファントムを検査後最初の凍結融解サイクル形式が正しくことを確認するに便利です。これは、追加のサイクルを「悪い」ファントムを入れて無駄な時間を節約できます。怪人は完全金型から削除されるとは、継続して使用して数週間水に格納できます。
この研究で開発された PVA c ファントムは、特に大動脈組織の超音波と材料の剛性を模倣するように作成されました。ポリビニル アルコール レゾルシノールーアセトアルデヒドの使用できます大動脈組織材料33,34のようなより多くのゴムと比較して材質変更可能な機械剛性よりよい模倣するの広い範囲。また、ハイドロゲルと鋳造の使用はより良い鋳造ゴムまたは直接 3 D 印刷素材33,45の音響特性をキャプチャします。いくつかの空気の泡は、最初の凍結融解サイクル前に金型に閉じ込められてしまうことができます。これは幻にギャップが発生し、重大な欠陥や音響アーティファクトに 。したがってかどうか、は、プロセスを再起動する必要がありますを決定する最初の凍結融解後の金型からファントムを検査することをお勧めします。さらに、著者は、内側の金型がファントムの動脈瘤の部分の凍結中に移ることができる時を発見しました。この場合、上記のプロトコルの変更の 1 つはしっかりとこのセクションの凍結中に前方外側の金型に内部ルーメン金型を保持する 3 D 印刷、またはそれ以外の場合設計、部品を作成するでしょう。著者は、外側型と後方外側型と内側の金型の間 5 mm のスペーサーの後部側を使用してこの目的のためにうまく動作することを発見しました。
ここで開発したファントムは、元の CAD ファイルを編集することにより動脈瘤径と管腔膜厚の変化の影響や可能性のある組織で血栓の存在を勉強に最適です。ただし、前の仕事はまた示されて 3 D を作成するための CAD 設計印刷ファントム金型でなくこの製造技術は、コンピューター断層撮影画像と領域分割ソフトウェアを使用して患者固有ファントム ジオメトリを生成する変更できます、44。 ここに示した結果を示すアルゴリズムをファントムのセクションの機械的性質の製造の変化を可視化することができた。これらのファントムは、米国ベースのイメージング テクニックをテストに使用された、彼ら、磁気共鳴コンピューター断層撮影の画像処理システムと互換性でがもあると彼らはまた、イメージング、広いのための弾力性の目的を超えて使用することがあります、それは注意してください。新規イメージング技術とモダリティの範囲。
Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、賞号を通じて健康の国民の協会の進めるトランスレーショナル科学センターによって支えられました。UL1 TR000042 と生体イメージング研究所工学賞号を通じて健康の国立研究所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 |
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