Denna artikel presenterar en demonstration och sammanfattning av protokoll för att göra gelatinfantom som efterliknar mjuka vävnader och motsvarande viskoelastiska karakterisering med hjälp av indragning och magnetisk resonanselastografi.
Karakterisering av biomekaniska egenskaper hos mjukbiologiska vävnader är viktigt för att förstå vävnadsmekaniken och utforska de biomekanikrelaterade mekanismerna för sjukdom, skada och utveckling. Den mekaniska testmetoden är det enklaste sättet för vävnadskarakterisering och betraktas som verifiering för in vivo-mätning . Bland de många ex vivo mekaniska testteknikerna ger indragningstestet ett tillförlitligt sätt, särskilt för prover som är små, svåra att fixa och viskoelastiska såsom hjärnvävnad. Magnetisk resonanselastografi (MRE) är en kliniskt använd metod för att mäta mjuka vävnaders biomekaniska egenskaper. Baserat på skjuvvågsutbredning i mjuka vävnader registrerade med MRE kan viskoelastiska egenskaper hos mjuka vävnader uppskattas in vivo baserat på vågekvation. Här mättes de viskoelastiska egenskaperna hos gelatinfantom med två olika koncentrationer genom MRE och indragning. Protokollen för fantomtillverkning, testning och moduluppskattning har presenterats.
De flesta av de mjuka biologiska vävnaderna verkar ha viskoelastiska egenskaper som är viktiga för att förstå deras skada och utveckling 1,2. Dessutom är viskoelastiska egenskaper viktiga biomarkörer vid diagnos av en mängd olika sjukdomar som fibros och cancer 3,4,5,6. Därför är karakteriseringen av viskoelastiska egenskaper hos mjuka vävnader avgörande. Bland de många karakteriseringstekniker som används är ex vivo mekanisk testning av vävnadsprover och in vivo-elastografi med biomedicinsk avbildning de två allmänt använda metoderna.
Även om olika mekaniska testtekniker har använts för karakterisering av mjukvävnad, är kraven på provstorlek och testförhållanden inte lätta att uppfylla. Till exempel måste skjuvtestning ha prover fixerade ordentligt mellan skjuvplattorna7. Biaxial testning är mer lämplig för membranvävnad och har specifika klämkrav 8,9. Ett kompressionstest används vanligtvis för vävnadstestning, men kan inte karakterisera specifika positioner inom ett prov10. Indragningstestet har inga ytterligare krav för att fixa vävnadsprovet och kan användas för att mäta många biologiska vävnadsprover som hjärna och lever. Dessutom, med ett litet indenterhuvud, kan regionala egenskaper inom ett prov testas. Därför har indragningstester antagits för att testa en mängd olika mjuka vävnader 1,3,11.
Att karakterisera de biomekaniska egenskaperna hos mjuka vävnader in vivo är viktigt för translationella studier och kliniska tillämpningar av biomekanik. Biomedicinska avbildningsmetoder som ultraljud (USA) och magnetisk resonans (MR) avbildning är de mest använda teknikerna. Även om amerikansk avbildning är relativt billig och lätt att utföra, lider den av låg kontrast och är svår att mäta organ som hjärnan. MR Elastography (MRE) kan avbilda djupa strukturer och kan mäta en mängd olika mjuka vävnader6,12, särskilt hjärnan13,14. Med applicerad yttre vibration kunde MRE mäta de viskoelastiska egenskaperna hos mjuka vävnader vid en specifik frekvens.
Studier har visat att vid 50-60 Hz är skjuvmodulen i den normala hjärnan ~ 1,5-2,5kPa 5,6,13,14,15 och ~ 2-2,5 kPa för normal lever 16. Därför har gelatinfantom som har liknande biomekaniska egenskaper använts i stor utsträckning för att efterlikna mjuka vävnader för testning och validering17,18,19. I detta protokoll framställdes och testades gelatinfantomer med två olika koncentrationer. Viskoelastiska egenskaper hos gelatinfantomerna karakteriserades med användning av en specialbyggd elektromagnetisk MRE-anordning14 och en indragningsanordning 1,3. Testprotokollen kan användas för att testa många mjuka vävnader som hjärnan eller levern.
Gelatinfantom används ofta som vävnadsliknande material för testning och validering av algoritmer och enheter 17,19,22,23,24,25,26,27. En av de banbrytande studierna med gelatinfantom för att jämföra MRE och dynamisk skjuvtestning presenterades av Oka…
The authors have nothing to disclose.
Finansieringsstöd från National Natural Science Foundation of China (bidrag 31870941), Natural Science Foundation of Shanghai (bidrag 22ZR1429600) och Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (bidrag 19441907700) erkänns.
24-channel head & Neck coil | United Imaging Healthcare | 100120 | Equipment |
3T MR Scanner | United Imaging Healthcare | uMR 790 | Equipment |
Acquisition board | Advantech Co | PCI-1706U | Equipment |
Computer-Windows | HP | 790-07 | Equipment |
Electromagnetic actuator | Shanghai Jiao Tong University | Equipment | |
Function generator | RIGOL | DG1022Z | Equipment |
Gelatin | CARTE D’OR | Reagent | |
Glycerol | Vance Bioenergy Sdn.Bhd | Reagent | |
Indenter control program | custom-designed | Software; accessed via: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code. | |
Laser sensor | Panasonic | HG-C1050 | Equipment |
Load cell | Transducer Technique | GSO-10 | Equipment |
MATLAB | Mathworks | Software | |
Power amplifier | Yamaha | A-S201 | Equipment |
Voice coil electric motor | SMAC Corporation | DB2583 | Equipment |