Bu protokol, anizotropik polivinil alkol (PVA) fantomlarının üretimi için sağlam ve tekrarlanabilir bir yöntemi tanımlar—mekanik olarak anizotropik yumuşak dokuları (örneğin iskelet kasını) hedef alan ultrason elastografi tekniklerinin doğrulanması için temel araçlar.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Ultrason Elastografisi için Anizotropik Polivinil Alkol Hayalet Üretimi: Prosedür ve Kalite Kontrolleri
Bu makalede
Özet
Özet
Polivinil alkol (PVA) fantomları genellikle izotropiktir ve yumuşak doku değerlendirmesi için ultrason elastografi tekniklerinin doğrulanmasında yaygın olarak kullanılır. Ancak, bazı biyolojik yumuşak dokular (örneğin, iskelet kasları) belirgin mekanik anizotropi gösterir; bu da bu dokuları hedef alan elastografi yöntemlerinin titiz testleri için anizotropik PVA fantomlarının kullanılmasını gerektirir. Önceki çalışmalar, kendi içi anizotropik PVA fantomlarının esnek-entegre donma/çözülme döngüleri (FTC) ile üretilebileceğini belirtmiş olsa da, kritik teknik detaylar (örneğin, üretim süreci, kalite kontrol) yeterince belgelenmemiştir. Bu çalışma, anizotropik PVA fantomlarının üretimi için görsel olarak detaylı, tekrarlanabilir bir protokol sunar; temel malzemelere, aşamalı süreçlere ve kalite kontrollerine odaklanarak stabil, uniform anizotropiyi indük eder. Temel malzemeler arasında PVA'nın hayalet matris, potasyum sorbat koruyucu olarak, grafit parçacıklarının akustik saçıcı olarak kullanılması ve çözücü olarak saf su (veya deiyonize su) yer alır. Üretim süreci üç temel aşamadan oluşur: 1) Tam PVA çözünürlüğünü sağlamak için kontrollü termal koşullarda homojen PVA bazlı çözeltinin hazırlanması; 2) FTC'ler aracılığıyla katılaştırma: soğutulmuş çözelti 3D baskılı kalıplara dökülür, ardından esnemeyen FTC'ler kullanılarak ön yapı oluşturulur; 3) Gerilmiş FTC'ler aracılığıyla anizotropi indüksiyonu: Yönsel anizotropiyi indüklemek için kontrollü esneme altında ek FTC'ler yapılır. Kalite kontrol önlemleri (örneğin, PVA çözünürlüğü sırasında hava kabarcıklarının önlenmesi) ayrıntılı olarak açıklanır. Üretimden sonra, fantomun mekanik anizotropisini doğrulamak için ultrason kesme dalgası görüntüleme (SWI) ve tek eksenli çekme testi uygulanır. Bu makale, ultrason elastografi tekniklerini daha yüksek doğruluk ve tutarlılıkla doğrulamak için anizotropik doku taklit eden fantomların üretiminde standartlaştırılmış bir yaklaşım sunmaktadır.
Giriş
Bazı biyolojik yumuşak dokular (örneğin, iskelet kasları) makroskopik mekanik anizotropi gösterir; bu durum hizalanmış mikrostrukturalmimarilerinden kaynaklanır. 1. Özellikle, bağ dokuları kas liflerini hiyerarşik bir yapıya düzenler: endomiysyum bireysel lifleri çevreler, perimiysyum lifleri fasiküllere paketler ve epimiyyum tüm kası kapsar, kuvvet iletimi ve besin tedaminidestekler. Ultrason tabanlı elastografi teknikleri, örneğin kesme dalgası görüntüleme (SWI), kas değerlendirmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır 3,4. Ancak, kasın anizotropik mekanik özellikleri teorik olarak yöne bağlı kesme dalgasıyayılımına yol açar ve bu da kassertliğinin nicelendirilmesini zorlaştırır 6. Mekanik olarak anizotropik doku taklit eden fantomlar, kas değerlendirmesinde ultrason elastografisinin ilerlemesi için gereklidir.
Polivinil alkol (PVA), bu tür fantomlar için ideal bir malzemedir; donma/erime döngüleri (FTC) sırasında mekanik esnemeyi sürdürmek, PVA moleküler zincirlerini hizalarak mekanikanizotropi 7,8'i oluşturur. Esneme altında basit PVA küp birimleri kullanan geleneksel yaklaşımlar, yüzey kayması nedeniyle homojen olmayan gerilmeye yol açar ve bu da tekrarlanabilirliği tehlikeye düşürür. Bu sınırlama, uç tutma halkalarıyla optimize edilmiş bir fantom geometrisi kullanılarak giderilebilir; bu da güvenilir esneme ve eşit gerilmedağılımı 9 sağlar—anizotropik PVA fantomlarının kalitesini belirgin şekilde artırır. Bu çalışmada, bu anizotropik PVA fantomlarının üretiminin ayrıntılı görsel gösterimini sunuyor ve mekanik anizotropilerini hem SWI hem de tek eksenli çekme testleriyle doğruluyoruz.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
NOT: Aşağıdaki adımlar Şekil 1'de gösterilmiştir.
1. 3D Hayalet kalıp baskısı
- 3D modelleme yazılımı kullanılarak, fantom geometrisini esnemeyi korumak için iki tutma halkası (her iki uçta birer tane) içerecek şekilde tasarlayın; etkili merkezi bölge 35 mm × 60 mm × 5 mm (uzunluk, × genişlik × yükseklik) olarak belirlenir; böylece anizotropi indüksiyonu eşit olur.
- Kalıbı 3D yazıcı ile yazdırın.
NOT: Tutma halkaları esneme sırasında kaymayı önler ve gerilme dağılımının tutarlı olmasını sağlar. Tüm 3D baskı dosyaları (.stl) Ek Dosya 1'de sağlanmıştır.
2. PVA çözeltisi hazırlanır
- PVA tozu (10 kızın), potasyum sorbat (1 kızın) ve grafit parçacıklarını (1 ağırlık, ~6,5 μm çap) tartın ve karşılık gelen saf su hacmini ölçün (deiyonize su önerilir) böylece ~200 mL bir parti hacmi hazırlanın.
- PVA tozu ile saf suyu bir beakerde birleştirin, beaker'i karıştırma çubuğu ile donatılmış manyetik bir karıştırıcıya yerleştirin, kabı alüminyum folyo ile kaplayın ve ~600 rpm'de oda sıcaklığında 10 dakika boyunca karıştırın, PVA tamamen dağılıyana kadar.
- Kabı 80 °C su banyosuna aktarın ve PVA tamamen çözünene kadar ısıtmaya devam edin (şeffaf, partikül içermeyen bir çözeltiyle kanıtlanmıştır).
NOT: Isıtma sırasında ısıya dayanıklı eldivenler ve göz koruma ekipmanı giyin, böylece termal yanıkları önleyin. Çözünmemiş PVA parçacıklarının kalmadığından emin olun, çünkü bunlar hayalet homojenliği tehlikeye atacaktır.
3. Katkı maddeleri ve döküm eklenmesi
- Çözmeyi ~40 °C'ye kadar soğutun ve manyetik karıştırıcıda ~600 rpm'de karıştırmaya devam edin.
- Alüminyum folyoyu çıkarın, potasyum sorbat ve grafit parçacıkları ekleyin, üzünü folyoyla kapatın ve ~600 rpm'de karıştırın, katkı maddeleri eşit şekilde dağılıp (homojen dağılımını görsel olarak doğrulayın).
- (İsteğe bağlı) PVA çözeltisini gazdan çıkararak kalan hava kabarcıklarını giderin. Karışık çözeltiyi içeren beaker'i vakum odasına yerleştirin ve PVA çözeltisinden hava kabarcıklarını çıkarmak için yaklaşık 30 dakika vakum uygulayın.
- Çözeltiyi 3D baskılı kalıba dökün ve kalıpı vidalar kullanarak monte edin.
NOT: Döküm sırasında hava kabarcıkları oluşturmaktan kaçının. Gerekirse kalıba hafifçe dokunarak çözeltinin içinde sıkışmış hava kabarcıklarını ortadan kaldırın.
4. PVA katılaşması için ilk FTC
- Kalıpı −20 °C dondurucuya 12 saat koyun.
- Küfü dondurucudan çıkarın ve oda sıcaklığında (20 °C) 12 saat çözün.
- Hayaleti dikkatlice yok ederek hasarı önleyin.
NOT: Bu adım, izotropik baz fantomu oluşturur ve sonraki anizotropi indüksiyonu için stabil bir temel sağlar.
5. Gerilmiş FTC'lerle anizotropiyi indüklemek
- Hayaleti özel yapımı esneme cihazına yerleştirin, etkili uzunluğunun %180'ine (%80 çekme gerilimine) kadar yavaş yavaş gerin, germe mesafesini elle ölçün ve geri çekilmeyi önlemek için cihazı kilitleyin.
- Tüm esneme cihazını (fantom sabitlenmiş) −20 °C sıcaklığında 12 saat dondurucuya aktarın, ardından oda sıcaklığında (20 °C) 12 saat eritin.
- Bu FTC döngüsünü bir kez daha sürekli esneme altında tekrarlayın.
NOT: Özel olarak üretilen esneme cihazı, ticari olarak mevcut olan çift taraflı, karşı dişli doğrusal bir aşamadan yapılmıştır ve iki adet 3D baskılı hayalet tutucu montajla birleştirilmiştir ve STL dosyaları Ek Dosya 1'de sağlanmıştır. −20 °C dondurucudan esneme cihazını çıkarırken donmayı önlemek için yalıtımlı soğuk koruyucu eldivenler giyin. FTC'ler sırasında sürekli esnetme PVA moleküler zincirlerini tek yönlü hizalar. Bu çalışmada kullanılan toplam FTC'ler: bir gerilmesiz döngü + iki gerilmiş döngü (%80 çekme gerilimi).
6. Son sürüm ve depolama
- Son FTC eritme adımından sonra, geri tepme kaynaklı hasarı önlemek için esneme cihazını nazikçe bırakın.
- Hayaleti esneme cihazından çıkarın. Anizotropik PVA fantomu artık tamamlanmıştır.
- Hayaleti 4 °C sıcaklıkta kapalı plastik bir kapta suya batırılmış şekilde sakla.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
Şekil 2A, PVA çözeltisi hazırlanması, kalıplama, başlangıçta esnemesiz FTC, kalıp çıkarma ve ardından gerilmiş FTC'leri içeren tüm üretim sürecinin şemasını sunmaktadır. Önerilen protokolü kullanarak, sırasıyla SWI ve tek eksenli çekme testi için iki anizotropik PVA fantomu ürettik. SWI, L7-4 probu (merkez frekans: 5.2 MHz) ile donatılmış bir araştırma ultrason sistemi kullanılarak gerçekleştirildi; süpersonik mod (3 odak, 100 μs itme)4
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu protokolün başarısı, tam, uniform PVA çözünürlüğü sağlamak ve FTC'ler sırasında sürekli esnemeyi sürdürmek gerekir—bu iki kritik adım, stabil, homojen mekanik anizotropi oluşturmak için iki kritik adımdır. Burada kullanılan tarif (yani PVA konsantrasyonu, FTC numarası ve uygulanan çekme gerilmesi), kas dokusunun fizyolojik aralığında sertlikte anizotropik PVA fantomları üretmek için seçilmiştir. Özellikle, PVA fantomunun sertliği ve anizotropi oranı, bu tarif parametreleri ayarlanarak...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarların beyan edecek çıkar çatışmaları yoktur.
Teşekkürler
Bu çalışma, Pekin Doğa Bilimleri Vakfı (No. 1254038) tarafından desteklendi. Yazarlar, ultrason kesme dalgası görüntüleme testindeki yardımı için Hong Kong Üniversitesi'nden Prof. Wei-Ning Lee'ye teşekkür etmek ister.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Analitik denge | OHAUS | AX224 | Analitik denge ve iç kalibrasyon, kapasite 220 g, okunabilirlik 0,1 mg |
| İki yönlü, zıt iplikli doğrusal aşama | Taobao | Yok | Her dişi için hareket mesafesi 250 mm, özel yapımı esneme cihazının yapımında kullanılır |
| FDM 3D Yazıcı | Bambu Laboratuvarı | X1 Karbon | Hayalet kalıbın baskısı ve özel yapımı esnetme cihazı için hayalet tutucu montajlar için kullanıldı |
| FreeCAD | FreeCAD Açık Kaynak Topluluğu | Yok | 0.22.0 sürümü, özel olarak hazırlanmış esnetme cihazının hayalet kalıbı ve hayalet tutucu montajlarının tasarımı için kullanılmıştır |
| Grafit parçacıkları | MREDA | M151649 | Grafit parçacıkları, %99,95 saflık, 2000 mesh(~6,5 um), akustik saçıcı olarak kullanılıyor, ağırlık oranında %1 |
| Manyetik karıştırma çubuğu | Corning | 401435 | PVA çözeltisi için 1 x 3/8 inç PTFE kaplı manyetik karıştırma çubuğu |
| Manyetik karıştırıcı | IKA | 25005927 | RCT temel güvenlik kontrol manyetik karıştırıcı ve ısıtma fonksiyonlu |
| Polivinil alkol | MACKLIN | P81584 | Polivinil alkol, Mw 89000-98000, %95 hidroliz, fantom matris olarak kullanılmış, ağırlık olarak %10 |
| Potasyum sorbat | Sigma-Aldrich | 85520 | Potasyum sorbesi,≥ %99,0 saflık, koruyucu olarak kullanılır, ağırlık bacısına %1 |
| Dönme aşaması | Newport | URS50BPP | Çoklu prob açıları için kesme dalgası görüntüleme testinde ultrason probunu döndürmek için kullanılır (0 derece :2&derece; :90&derece;) |
| Tek sütunlu evrensel test makinesi | Instron | Model 5944 | Tek eksenli çekme testi için kullanılır, 50 N kuvvet sensörü |
| Araştırma Ultrason Sistemi | Verasonics | Vantage 256 | Kesme dalgası görüntüleme testi için kullanılan L7-4 probu (merkez frekans: 5.2 MHz) |
| Su banyosu | LICHEN | HH-2 | Dijital ekran, sabit sıcaklıklı su banyosu, 2 delikli tek sıra için, ısıtma ve PVA çözeltisi için |
Kaynaklar
- Fung, Y. C. . Biomechanics: mechanical properties of living tissues. , (2013).
- Sherwood, L. . Fundamentals of human physiology. , (2011).
- Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review. Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).
- Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).
- Wang, M., Byram, B., Palmeri, M., Rouze, N., Nightingale, K. Imaging transverse isotropic properties of muscle by monitoring acoustic radiation force induced shear waves using a 2-D matrix ultrasound array. IEEE Trans Med Imaging. 32 (9), 1671-1684 (2013).
- Gennisson, J. L., et al. Viscoelastic and anisotropic mechanical properties of in vivo muscle tissue assessed by supersonic shear imaging. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 789-801 (2010).
- Chatelin, S., et al. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel phantom for shear wave elastography in fibrous biological soft tissue: a multimodality characterization. Phys Med Biol. 59 (22), 6923 (2014).
- Millon, L., Mohammadi, H., Wan, W. Anisotropic polyvinyl alcohol hydrogel for cardiovascular applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 79 (2), 305-311 (2006).
- Dong, J., Lee, W. N. A numerical-model-based optimization strategy for design and fabrication of transversely isotropic tissue-mimicking phantoms [poster]. , (2022).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- Nitta, N., Yamakawa, M., Hachiya, H., Shiina, T. A review of physical and engineering factors potentially affecting shear wave elastography. J Med Ultrason. 48 (4), 403-414 (2021).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
