Summary

Viskoelastisk karakterisering av mjukvävnadsliknande gelatinfantomer med hjälp av indragning och magnetisk resonanselastografi

Published: May 10, 2022
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Beredning av gelatinfantom Väg gelatin, glycerol och vatten enligt tabell 1. Blanda gelatinpulvret med vatten för att erhålla gelatinlösningen.OBS: Koncentrationerna av de enskilda komponenterna för beredning av de två fantomerna visas i tabell 1. Ju högre koncentration av gelatin, desto styvare fantom. Värm gelatinlösningen till 60 °C i ett vattenbad. Tillsätt glycerol till gelatinlösningen medan temperaturen bibehålls.OBS: Gl…

Representative Results

Efter MRE-protokollet observerades en tydlig skjuvvågsutbredning i gelatinfantomerna vid 40 och 50 Hz (figur 3). De viskoelastiska egenskaperna uppmätta från MRE och indragningstester visas i figur 4. De uppskattade värdena för G’ och G’ vid varje provning för varje fantom sammanfattas i tabell 2. I enlighet med indragningsprotokollet sammanfattas de viskoelastiska egenskaperna hos varje fantom vid varje testpunkt i tabell 3</stron…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

References

  1. Qiu, S., et al. Viscoelastic characterization of injured brain tissue after controlled cortical impact (CCI) using a mouse model. Journal of Neuroscience Methods. 330, 108463 (2020).
  2. Garcia, K. E., et al. Dynamic patterns of cortical expansion during folding of the preterm human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (12), 3156-3161 (2018).
  3. Qiu, S., et al. Characterizing viscoelastic properties of breast cancer tissue in a mouse model using indentation. Journal of Biomechanics. 69, 81-89 (2018).
  4. Yin, Z., et al. A new method for quantification and 3D visualization of brain tumor adhesion using slip interface imaging in patients with meningiomas. European Radiology. 31 (8), 5554-5564 (2021).
  5. Streitberger, K. -. J., et al. How tissue fluidity influences brain tumor progression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (1), 128 (2020).
  6. Bunevicius, A., Schregel, K., Sinkus, R., Golby, A., Patz, S. REVIEW: MR elastography of brain tumors. NeuroImage: Clinical. 25, 102109 (2020).
  7. Namani, R., et al. Elastic characterization of transversely isotropic soft materials by dynamic shear and asymmetric indentation. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (6), 061004 (2012).
  8. Potter, S., et al. A novel small-specimen planar biaxial testing system with full in-plane deformation control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 0510011 (2018).
  9. Zhang, W., Feng, Y., Lee, C. -. H., Billiar, K. L., Sacks, M. S. A generalized method for the analysis of planar biaxial mechanical data using tethered testing configurations. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (6), 064501 (2015).
  10. Delaine-Smith, R. M., Burney, S., Balkwill, F. R., Knight, M. M. Experimental validation of a flat punch indentation methodology calibrated against unconfined compression tests for determination of soft tissue biomechanics. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 60, 401-415 (2016).
  11. Chen, Y., et al. Comparative analysis of indentation and magnetic resonance elastography for measuring viscoelastic properties. Acta Mechanica Sinica. 37 (3), 527-536 (2021).
  12. Garteiser, P., Doblas, S., Van Beers, B. E. Magnetic resonance elastography of liver and spleen: Methods and applications. NMR in Biomedicine. 31 (10), 3891 (2018).
  13. Arani, A., Manduca, A., Ehman, R. L., Huston Iii, J. Harnessing brain waves: a review of brain magnetic resonance elastography for clinicians and scientists entering the field. British Journal of Radiolology. 94 (1119), 20200265 (2021).
  14. Qiu, S., et al. An electromagnetic actuator for brain magnetic resonance elastography with high frequency accuracy. NMR in Biomedicine. 34 (12), 4592 (2021).
  15. Hiscox, L. V., et al. Standard-space atlas of the viscoelastic properties of the human brain. Human Brain Mapping. 41 (18), 5282-5300 (2020).
  16. Seyedpour, S. M., et al. Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics: A systematic review. Frontiers in Physiology. 12, 733393 (2021).
  17. Okamoto, R. J., Clayton, E. H., Bayly, P. V. Viscoelastic properties of soft gels: comparison of magnetic resonance elastography and dynamic shear testing in the shear wave regime. Physics in Medicine and Biology. 56 (19), 6379-6400 (2011).
  18. Feng, Y., et al. A multi-purpose electromagnetic actuator for magnetic resonance elastography. Magnetic Resonance Imaging. 51, 29-34 (2018).
  19. Zeng, W., et al. Nonlinear inversion MR elastography with low-frequency actuation. IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (5), 1775-1784 (2020).
  20. Wang, R., et al. Fast magnetic resonance elastography with multiphase radial encoding and harmonic motion sparsity based reconstruction. Physics in Medicine and Biology. 67 (2), (2022).
  21. Herraez, M. A., Burton, D. R., Lalor, M. J., Gdeisat, M. A. Fast two-dimensional phase-unwrapping algorithm based on sorting by reliability following a noncontinuous path. Applied Optics. 41 (35), 7437-7444 (2002).
  22. Gordon-Wylie, S. W., et al. MR elastography at 1 of gelatin phantoms using 3D or 4D acquisition. Journal of Magnetic Resonance. 296, 112-120 (2018).
  23. McGarry, M., et al. Uniqueness of poroelastic and viscoelastic nonlinear inversion MR elastography at low frequencies. Physics in Medicine and Biology. 64 (7), 075006 (2019).
  24. Zampini, M. A., Guidetti, M., Royston, T. J., Klatt, D. Measuring viscoelastic parameters in Magnetic Resonance Elastography: a comparison at high and low magnetic field intensity. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 120, 104587 (2021).
  25. Ozkaya, E., et al. Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 122, 104680 (2021).
  26. Guidetti, M., et al. Axially- and torsionally-polarized radially converging shear wave MRE in an anisotropic phantom made via Embedded Direct Ink Writing. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 119, 104483 (2021).
  27. Badachhape, A. A., et al. The relationship of three-dimensional human skull motion to brain tissue deformation in magnetic resonance elastography studies. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (5), 0510021 (2017).

Play Video

Cite This Article
Feng, Y., Qiu, S., Chen, Y., Wang, R., He, Z., Kong, L., Chen, Y., Ma, S. Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography. J. Vis. Exp. (183), e63770, doi:10.3791/63770 (2022).

View Video