JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تقدم هذه المقالة عرضا توضيحيا وملخصا لبروتوكولات صنع أشباح الجيلاتين التي تحاكي الأنسجة الرخوة ، والتوصيف اللزج المرن المقابل باستخدام المسافة البادئة والتصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي.

Abstract

يعد توصيف الخصائص الميكانيكية الحيوية للأنسجة البيولوجية الرخوة أمرا مهما لفهم ميكانيكا الأنسجة واستكشاف الآليات المتعلقة بالميكانيكا الحيوية للمرض والإصابة والتطور. طريقة الاختبار الميكانيكي هي الطريقة الأكثر مباشرة لتوصيف الأنسجة وتعتبر بمثابة التحقق من القياس في الجسم الحي . من بين العديد من تقنيات الاختبار الميكانيكية خارج الجسم الحي ، يوفر اختبار المسافة البادئة طريقة موثوقة ، خاصة للعينات الصغيرة ويصعب إصلاحها واللزجة المرنة مثل أنسجة المخ. التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي (MRE) هو طريقة مستخدمة سريريا لقياس الخواص الميكانيكية الحيوية للأنسجة الرخوة. بناء على انتشار موجة القص في الأنسجة الرخوة المسجلة باستخدام MRE ، يمكن تقدير الخصائص اللزجة المرنة للأنسجة الرخوة في الجسم الحي بناء على معادلة الموجة. هنا ، تم قياس الخصائص اللزجة المرنة لأشباح الجيلاتين بتركيزين مختلفين بواسطة MRE والمسافة البادئة. تم تقديم بروتوكولات التصنيع الوهمي والاختبار وتقدير المعامل.

Introduction

يبدو أن معظم الأنسجة البيولوجية الرخوة لها خصائص لزجة مرنة مهمة لفهم إصابتها وتطورها 1,2. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الخصائص اللزجة المرنة مؤشرات حيوية مهمة في تشخيص مجموعة متنوعة من الأمراض مثل التليف والسرطان3،4،5،6. لذلك ، فإن توصيف الخصائص اللزجة المرنة للأنسجة الرخوة أمر بالغ الأهمية. من بين العديد من تقنيات التوصيف المستخدمة ، فإن الاختبار الميكانيكي خارج الجسم الحي لعينات الأنسجة والتصوير الإلستوجرافي في الجسم الحي باستخدام التصوير الطبي الحيوي هما الطريقتان المستخدمتان على نطاق واسع.

على الرغم من استخدام تقنيات اختبار ميكانيكية مختلفة لتوصيف الأنسجة الرخوة ، إلا أنه ليس من السهل تلبية متطلبات حجم العينة وظروف الاختبار. على سبيل المثال ، يحتاج اختبار القص إلى تثبيت العينات بإحكام بين ألواح القص7. يعد الاختبار ثنائي المحور أكثر ملاءمة للأنسجة الغشائية وله متطلبات تثبيت محددة 8,9. يستخدم اختبار الضغط بشكل شائع لاختبار الأنسجة ، ولكن لا يمكن توصيف مواضع محددة داخل عينة واحدة10. لا يحتوي اختبار المسافة البادئة على متطلبات إضافية لإصلاح عينة الأنسجة ويمكن استخدامه لقياس العديد من عينات الأنسجة البيولوجية مثل الدماغ والكبد. بالإضافة إلى ذلك ، مع رأس إندينتر صغير ، يمكن اختبار الخصائص الإقليمية داخل العينة. لذلك ، تم اعتماد اختبارات المسافة البادئة لاختبار مجموعة متنوعة من الأنسجة الرخوة1،3،11.

يعد توصيف الخصائص الميكانيكية الحيوية للأنسجة الرخوة في الجسم الحي أمرا مهما للدراسات الانتقالية والتطبيقات السريرية للميكانيكا الحيوية. طرق التصوير الطبي الحيوي مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MR) هي التقنيات الأكثر استخداما. على الرغم من أن التصوير في الولايات المتحدة رخيص نسبيا وسهل التنفيذ ، إلا أنه يعاني من تباين منخفض ويصعب قياس أعضاء مثل الدماغ. قادر على تصوير الهياكل العميقة ، التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي (MRE) يمكنه قياس مجموعة متنوعة من الأنسجة الرخوة 6,12 ، وخاصة الدماغ13,14. مع الاهتزاز الخارجي المطبق ، يمكن ل MRE قياس الخصائص اللزجة المرنة للأنسجة الرخوة بتردد معين.

أظهرت الدراسات أنه عند 50-60 هرتز ، يكون معامل القص للدماغ الطبيعي ~ 1.5-2.5 كيلو باسكال 5،6،13،14،15 و ~ 2-2.5 كيلو باسكال للكبد الطبيعي 16. لذلك ، تم استخدام أشباح الجيلاتين التي لها خصائص ميكانيكية حيوية مماثلة على نطاق واسع لمحاكاة الأنسجة الرخوة للاختبار والتحقق من الصحة17،18،19. في هذا البروتوكول ، تم تحضير واختبار أشباح الجيلاتين بتركيزين مختلفين. تم تمييز الخصائص اللزجة المرنة لأشباح الجيلاتين باستخدام جهاز MRE الكهرومغناطيسيالمصمم خصيصا 14 وجهاز المسافة البادئة 1,3. يمكن استخدام بروتوكولات الاختبار لاختبار العديد من الأنسجة الرخوة مثل الدماغ أو الكبد.

Protocol

1. إعداد الجيلاتين الوهمية

  1. وزن الجيلاتين والجلسرين والماء وفقا للجدول 1. امزج مسحوق الجيلاتين بالماء للحصول على محلول الجيلاتين.
    ملاحظة: تركيزات المكونات الفردية لإعداد الشبحين موضحة في الجدول 1. كلما زاد تركيز الجيلاتين ، زادت صلابة الشبح.
  2. سخني محلول الجيلاتين إلى 60 درجة مئوية في حمام مائي. أضف الجلسرين إلى محلول الجيلاتين مع الحفاظ على درجة الحرارة.
    ملاحظة: يعمل الجليسرول على تثبيت مخاليط الجيلاتين عن طريق زيادة درجة حرارة الانصهار ومعامل القص17.
  3. حرك المحلول وقم بتسخينه إلى 60 درجة مئوية مرة أخرى. صب المحلول المختلط في وعاء سيتم استخدامه لاختبارات MRE والمسافة البادئة. قم بتبريد المحلول إلى درجة حرارة الغرفة وانتظر حتى يتجمد المحلول.

2. اختبار التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. ضع لوحة الاهتزاز فوق شبح الجيلاتين. تأكد من أن التلامس بين الشبح ولوحة الاهتزاز ثابت (الشكل 1 أ).
    ملاحظة: لوحة الاهتزاز مصنوعة من مادة البولي أميد بأبعاد 50 × 50 × 5 مم3.
  2. ضع شبح الجيلاتين في ملف الرأس. ضع الإسفنج وأكياس الرمل حول شبح الجيلاتين للتأكد من وضع الشبح بإحكام. استخدم مشغل كهرومغناطيسي مصمم خصيصا مع شريط نقل14,18. قم بتركيب مشغل كهرومغناطيسي على ملف الرأس. قم بتوصيل شريط النقل بلوحة الاهتزاز (الشكل 1 ب).
  3. قم بتوصيل خطوط الطاقة الخاصة بالمشغل بمكبر الصوت. قم بتوصيل خطوط التحكم بوحدة التحكم (الشكل 1C).
  4. إعدادات معلمة مسح المحرك والتصوير بالرنين المغناطيسي
    1. اضبط شكل الموجة وتردد الاهتزاز والسعة في مولد الوظائف. اضبط سعة الاهتزاز المطلوبة عن طريق ضبط مضخم الطاقة.
      ملاحظة: هنا ، يتم ضبط شكل الموجة على الجيوب الأنفية في مولد الدالة ؛ يتم ضبط تردد الاهتزاز على 40 هرتز أو 50 هرتز ، ويتم ضبط السعة على 1.5 Vpp. في مضخم الطاقة ، يتم ضبط نسبة التضخيم على 40٪.
    2. اضبط مولد الوظائف للعمل في وضع التشغيل. قم بتوصيل خط الزناد بمنفذ الزناد الخارجي لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.
    3. اضبط تردد المسح الضوئي (المشغل) MRE على نفس التردد من مولد الوظائف ، بحيث تتم مزامنة تدرج ترميز الحركة مع حركة لوحة الاهتزاز.
  5. قياس البيانات وتحليلها
    1. اتبع إجراءات تحديد موضع التصوير الروتينية. استخدم تسلسل MRE القائم على التدرج ثنائي الأبعاد (GRE) لتصوير الجيلاتين الوهمي20. اضبط معلمات التصوير GRE-MRE على النحو التالي: زاوية الوجه = 30 درجة ؛ TR / TE = 50/31 مللي ثانية ؛ مجال الرؤية = 300 مم ؛ سمك الشريحة = 5 مم ؛ حجم فوكسل = 2.34 × 2.34 مم2.
    2. قم بقياس صور الطور عند أربع نقاط زمنية في دورة جيبية واحدة. قم بتطبيق كل من تدرجات ترميز الحركة الإيجابية والسالبة في كل نقطة زمنية.
    3. استنادا إلى صورة المرحلة التي تم الحصول عليها ، قم بإزالة طور الخلفية عن طريق طرح صور المرحلة المشفرة الموجبة والسالبة. قم بفك المرحلة باستخدام خوارزمية قائمة على الفرز الموثوقية21.
    4. استخرج المكون الرئيسي للحركة عن طريق تطبيق تحويل فورييه السريع على صور الطور غير المغلفة. قم بتصفية صورة المرحلة باستخدام مرشح تمرير النطاق الترددي الرقمي. تقدير معامل القص باستخدام خوارزمية الانقلاب المباشر ثنائي الأبعاد (DI) للحصول على معامل التخزين G' ومعامل الخسارة G''13,14.
      ملاحظة: تردد القطع لمرشح تمرير النطاق هو [0.04 0.08]. حجم نافذة التركيب لخوارزمية DI هو 11 × 11.

3. اختبار المسافة البادئة

  1. استخدم لكمة دائرية أو شفرة جراحية لتقليم شبح الجيلاتين إلى عينة أسطوانية أو مكعبة ، على التوالي. تأكد من أن سمك العينة يتراوح بين 3 و 10 مم وأن قطر العينة الأسطوانية أو الجانب الطويل من متوازي المستطيلات أكبر من 4 مم. استخدم شفرة حادة لتقليم سطح العينة لجعلها ناعمة قدر الإمكان للمسافة البادئة.
  2. قم بتشغيل قوة اختبار المسافة البادئة. قم بتنفيذ ما يلي باستخدام برنامج التحكم indenter المصمم لأتمتة إجراء اتصال indenter (برنامج مخصص ؛ راجع جدول المواد).
    1. انقر فوق الزر "رجوع " في واجهة المستخدم الرسومية لتهيئة عملية المعايرة (الشكل 2 ب). اقرأ القيمة من مستشعر الليزر واكتب القيمة في المربع BaseLine .
      ملاحظة: أثناء عملية المعايرة، يتم ضبط المسافة بين مستشعر الليزر ولوحة الحاجز على قيمة محددة مسبقا.
    2. ضع شريحة زجاجية على لوحة الحاجز وسجل القيمة التي يظهرها مستشعر الليزر. بعد ذلك ، ضع العينة على الشريحة الزجاجية وضعها معا على لوحة الحاجز. اقرأ القيمة من مستشعر الليزر واكتب هذه القيمة في المربع عينة + شريحة .
      ملاحظة: يستخدم مستشعر الليزر لتسجيل إزاحة المسافة البادئة ، ولكنه يستخدم أيضا لقياس سمك العينة قبل الاختبار.
    3. خذ الفرق بين القيمتين اللتين تم الحصول عليهما في الخطوة 3.2.2 كسمك العينة في منطقة الاهتمام (ROI).
    4. ضع العينة بعناية مع الشريحة الزجاجية الأساسية أسفل المسافة البادئة مباشرة ، ثم انقر فوق زر الاتصال لبدء الاتصال التلقائي بين المسافة البادئة وسطح العينة.
      ملاحظة: إذا كان الاتصال التلقائي غير مرض، أي أن المسافة البادئة تضغط بعمق في العينة أو لا يوجد بها جهة اتصال، فاضبط موضع المسافة البادئة عن طريق كتابة قيمة في نطاق 0.05-0.1 مم في مربع الإزاحة وكرر الخطوات 1.2.1-1.2.4.
    5. بناء على سمك العينة المقاس (الخطوة 3.2.3) ، قم بتقدير إزاحة المسافة البادئة (أي إجمالي عمق المسافة البادئة) بضرب السماكة بإجهاد الاختبار ذي المسافة البادئة (هنا ، يتم ضبطه على ≤8٪ للحفاظ على المسافة البادئة ضمن افتراض الإجهاد الصغير).
    6. اكتب قيم الإزاحة (الخطوة 3.2.5) في المربع الإزاحة (مم). اضبط وقت الاسترخاء على 180 ثانية في مربع وقت السكون . انقر فوق زر المسافة البادئة . سيتم تسجيل الإزاحة والقوة التفاعلية أثناء إجراء تعليق المنحدر تلقائيا وحفظهما في ملف في مسار الملف المحدد.
      ملاحظة: يمكن تعريف مسار الملف مسبقا كمسار لحفظ بيانات الاختبار.
  3. تصدير بيانات المسافة البادئة إلى جدول بيانات. استخدم سلسلة figure-protocol-5920 Prony المكونة من فصلين دراسيين لتناسب منحنى استرخاء القوة1،3،11:
    figure-protocol-6171
  4. تقدير معامل القص اللحظي (G 0) ومعامل القص طويل المدى (G∞) بناء على المعلمات المجهزة:
    figure-protocol-6398
    ملاحظة: في المعادلات أعلاه ، C0 و C i و τi هي معلمات نموذجية لسلسلة Prony ، F هي قوة المسافة البادئة ، R هي نصف قطر المسافة البادئة ، X هي عامل التعويض لافتراض نصف الفضاء اللانهائي ، V هي سرعة المسافة البادئة ، t هي متغير الوقت ، و tR هو وقت المنحدر.

النتائج

وفقا لبروتوكول MRE ، لوحظ انتشار واضح لموجة القص في أشباح الجيلاتين عند 40 و 50 هرتز (الشكل 3). يتم عرض خصائص المرونة اللزجة المقاسة من MRE ، واختبارات المسافة البادئة في الشكل 4. يتم تلخيص قيم G 'و G المقدرة في كل اختبار لكل شبح في الجدول 2. باتباع بروتوكول ا?...

Discussion

تستخدم أشباح الجيلاتين بشكل شائع كمواد تحاكي الأنسجة لاختبار الخوارزميات والأجهزة والتحقق من صحتها 17،19،22،23،24،25،26،27. تم تقديم إحدى الدراسات...

Disclosures

يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgements

تم الاعتراف بدعم التمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة 31870941) ، ومؤسسة العلوم الطبيعية في شنغهاي (المنحة 22ZR1429600) ، ولجنة العلوم والتكنولوجيا لبلدية شنغهاي (المنحة 19441907700).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
24-channel head & Neck coilUnited Imaging Healthcare100120Equipment
3T MR ScannerUnited Imaging HealthcareuMR 790Equipment
Acquisition boardAdvantech CoPCI-1706UEquipment
Computer-WindowsHP790-07Equipment
Electromagnetic actuatorShanghai Jiao Tong UniversityEquipment
Function generatorRIGOLDG1022ZEquipment
GelatinCARTE D’ORReagent
GlycerolVance Bioenergy Sdn.BhdReagent
Indenter control programcustom-designedSoftware; accessed via: https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code.
Laser sensorPanasonicHG-C1050Equipment
Load cellTransducer TechniqueGSO-10Equipment
MATLABMathworksSoftware
Power amplifierYamahaA-S201Equipment
Voice coil electric motorSMAC CorporationDB2583Equipment

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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

183

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved