Caractérisation viscoélastique de fantômes de gélatine imitant les tissus mous à l’aide de l’indentation et de l’élastographie par résonance magnétique

Résumé

Cet article présente une démonstration et un résumé des protocoles de fabrication de fantômes de gélatine qui imitent les tissus mous, ainsi que la caractérisation viscoélastique correspondante à l’aide de l’indentation et de l’élastographie par résonance magnétique.

Résumé

La caractérisation des propriétés biomécaniques des tissus biologiques mous est importante pour comprendre la mécanique tissulaire et explorer les mécanismes biomécaniques liés à la maladie, aux blessures et au développement. La méthode d’essai mécanique est le moyen le plus simple de caractérisation tissulaire et est considérée comme une vérification pour la mesure in vivo . Parmi les nombreuses techniques de test mécanique ex vivo , le test d’indentation fournit un moyen fiable, en particulier pour les échantillons petits, difficiles à fixer et viscoélastiques tels que le tissu cérébral. L’élastographie par résonance magnétique (EMR) est une méthode cliniquement utilisée pour mesurer les propriétés biomécaniques des tissus mous. Sur la base de la propagation des ondes de cisaillement dans les tissus mous enregistrée à l’aide de MRE, les propriétés viscoélastiques des tissus mous peuvent être estimées in vivo sur la base de l’équation d’onde. Ici, les propriétés viscoélastiques des fantômes de gélatine avec deux concentrations différentes ont été mesurées par EMR et indentation. Les protocoles de fabrication fantôme, de test et d’estimation du module ont été présentés.

Introduction

La plupart des tissus biologiques mous semblent avoir des propriétés viscoélastiques qui sont importantes pour comprendre leur lésion et leur développement ^1,2. En outre, les propriétés viscoélastiques sont des biomarqueurs importants dans le diagnostic d’une variété de maladies telles que la fibrose et le cancer 3,4,5,6. Par conséquent, la caractérisation des propriétés viscoélastiques des tissus mous est cruciale. Parmi les nombreuses techniques de caractérisation utilisées, le test mécanique ex vivo d’échantillons de tissus et l’élastographie in vivo par imagerie biomédicale sont les deux méthodes les plus utilisées.

Bien que diverses techniques d’essais mécaniques aient été utilisées pour la caractérisation des tissus mous, il n’est pas facile de satisfaire aux exigences relatives à la taille de l’échantillon et aux conditions d’essai. Par exemple, les essais de cisaillement doivent avoir des échantillons fixés fermement entre les plaques de cisaillement⁷. Les essais biaxiaux conviennent mieux aux tissus membranaires et ont des exigences de serrage spécifiques ^8,9. Un test de compression est couramment utilisé pour les tests tissulaires, mais ne peut pas caractériser des positions spécifiques dans un échantillon¹⁰. Le test d’indentation n’a pas d’exigences supplémentaires pour fixer l’échantillon de tissu et peut être utilisé pour mesurer de nombreux échantillons de tissus biologiques tels que le cerveau et le foie. De plus, avec une petite tête de pénétrateur, les propriétés régionales au sein d’un échantillon pourraient être testées. Par conséquent, des tests d’indentation ont été adoptés pour tester une variété de tissus mous ^1,3,11.

La caractérisation des propriétés biomécaniques des tissus mous in vivo est importante pour les études translationnelles et les applications cliniques de la biomécanique. Les modalités d’imagerie biomédicale telles que l’imagerie par ultrasons (US) et l’imagerie par résonance magnétique (RM) sont les techniques les plus utilisées. Bien que l’imagerie américaine soit relativement bon marché et facile à réaliser, elle souffre d’un faible contraste et est difficile à mesurer des organes tels que le cerveau. Capable d’imager des structures profondes, l’élastographie par résonance magnétique (EMR) a pu mesurer une variété de tissus mous 6,12, en particulier le cerveau^13,14. Avec des vibrations externes appliquées, MRE pourrait mesurer les propriétés viscoélastiques des tissus mous à une fréquence spécifique.

Des études ont montré qu’à 50-60 Hz, le module de cisaillement du cerveau normal est ~1,5-2,5kPa 5,6,13,14,15 et ~^2-2,5 kPa pour le foie normal ¹⁶. Par conséquent, les fantômes de gélatine qui ont des propriétés biomécaniques similaires ont été largement utilisés pour imiter les tissus mous à des fins de test et de validation^17,18,19. Dans ce protocole, des fantômes de gélatine avec deux concentrations différentes ont été préparés et testés. Les propriétés viscoélastiques des fantômes de gélatine ont été caractérisées à l’aide d’un dispositif électromagnétique EMR^{sur mesure 14} et d’un dispositif d’indentation ^1,3. Les protocoles de test pourraient être utilisés pour tester de nombreux tissus mous tels que le cerveau ou le foie.

Protocole

1. Préparation fantôme de gélatine

1. Peser la gélatine, le glycérol et l’eau conformément au tableau 1. Mélanger la poudre de gélatine avec de l’eau pour obtenir la solution de gélatine.
   NOTA: Les concentrations des composants individuels pour la préparation des deux fantômes sont indiquées dans le tableau 1. Plus la concentration de gélatine est élevée, plus le fantôme est rigide.
2. Chauffer la solution de gélatine à 60 °C au bain-marie. Ajouter du glycérol à la solution de gélatine tout en maintenant la température.
   NOTE: Le glycérol stabilise les mélanges de gélatine en augmentant leur température de fusion et leur module de cisaillement¹⁷.
3. Remuer la solution et la chauffer à nouveau à 60 °C. Verser la solution mélangée dans un récipient qui sera utilisé pour les essais d’EMR et d’indentation. Refroidir la solution à température ambiante et attendre que la solution soit solidifiée.

2. Test EMR

1. Placez la plaque vibrante sur le dessus du fantôme de gélatine. Assurez-vous que le contact entre le fantôme et la plaque vibrante est ferme (Figure 1A).
   NOTE: La plaque de vibration est en polyamide avec une dimension de 50 x 50 x 5 mm³.
2. Placez le fantôme de gélatine dans la bobine de tête. Placez des éponges et des sacs de sable autour du fantôme de gélatine pour vous assurer que le fantôme est bien placé. Utilisez un actionneur électromagnétique sur mesure avec une barre de transmission^14,18. Montez un actionneur électromagnétique sur la bobine de tête. Connectez la barre de transmission à la plaque vibrante (Figure 1B).
3. Connectez les lignes électriques de l’actionneur à l’amplificateur. Connectez les lignes de commande au contrôleur (Figure 1C).
4. Paramètres de l’actionneur et de l’IRM
   1. Réglez la forme d’onde, la fréquence de vibration et l’amplitude dans le générateur de fonctions. Réglez l’amplitude de vibration souhaitée en ajustant l’amplificateur de puissance.
      REMARQUE: Ici, la forme d’onde est définie sur sinusoïdale dans le générateur de fonctions; la fréquence de vibration est réglée sur 40 Hz ou 50 Hz, et l’amplitude est réglée sur 1,5 Vpp. Dans l’amplificateur de puissance, le rapport d’amplification est réglé sur 40%.
   2. Réglez le générateur de fonctions pour qu’il fonctionne en mode déclenchement. Connectez la ligne de déclenchement au port de déclenchement externe de l’appareil IRM.
   3. Réglez la fréquence de balayage EMR (actionneur) sur la même que celle du générateur de fonctions, de sorte que le gradient de codage de mouvement soit synchronisé avec le mouvement de la plaque vibrante.
5. Mesure et analyse des données
   1. Suivez les procédures de positionnement d’imagerie de routine. Utilisez une séquence EMR basée sur l’écho de gradient (GRE) 2D pour l’imagerie du fantôme de gélatine²⁰. Réglez les paramètres d’imagerie GRE-MRE comme suit : angle de retournement = 30° ; TR/TE = 50/31 ms; Champ de vision = 300 mm; Épaisseur de tranche = 5 mm; Taille du voxel = 2,34 x 2,34 mm².
   2. Mesurez les images de phase à quatre points temporels dans un cycle sinusoïdal. Appliquez des dégradés d’encodage de mouvement positifs et négatifs à chaque point temporel.
   3. Sur la base de l’image de phase acquise, supprimez la phase d’arrière-plan en soustrayant les images de phase codées positives et négatives. Décompressez la phase avec un algorithme de tri basé sur la fiabilité²¹.
   4. Extrayez la composante principale du mouvement en appliquant la transformée de Fourier rapide aux images de phase non encapsulées. Filtrez l’image de phase avec un filtre passe-bande numérique. Estimer le module de cisaillement avec un algorithme d’inversion directe (DI) 2D pour obtenir le module de stockage G' et le module de perte G'^'13,14.
      REMARQUE : La fréquence de coupure du filtre passe-bande est de [0,04 0,08]. La taille de la fenêtre d’ajustement de l’algorithme DI est de 11 x 11.

3. Essai d’indentation

1. Utilisez un poinçon circulaire ou une lame chirurgicale pour couper le fantôme de gélatine en un échantillon cylindrique ou cuboïde, respectivement. Assurez-vous que l’épaisseur de l’échantillon est comprise entre 3 et 10 mm et que le diamètre de l’échantillon cylindrique ou le côté long du cuboïde est supérieur à 4 mm. Utilisez une lame tranchante pour couper la surface de l’échantillon afin de le rendre aussi lisse que possible pour l’indentation.
2. Activez la puissance du testeur d’indentation. Effectuez les opérations suivantes à l’aide du programme de contrôle des pénétrateurs conçu pour automatiser la procédure de contact du pénétrateur (programme personnalisé ; voir Tableau des matériaux).
   1. Cliquez sur le bouton Back off (Retour désactivé) dans l’interface graphique pour initialiser le processus d’étalonnage (Figure 2B). Lisez la valeur du capteur laser et tapez la valeur dans la zone Ligne de base .
      REMARQUE: Pendant le processus d’étalonnage, la distance entre le capteur laser et la plaque de déflecteur est ajustée à une valeur prédéfinie spécifique.
   2. Placez une lame de verre sur la plaque de déflecteur et notez la valeur indiquée par le capteur laser. Ensuite, placez l’échantillon sur la lame de verre et placez-les ensemble sur la plaque de déflecteur. Lisez la valeur du capteur laser et tapez cette valeur dans la zone Exemple + Diapositive .
      REMARQUE: Le capteur laser est utilisé pour enregistrer le déplacement de l’indentation, mais il est également utilisé pour mesurer l’épaisseur de l’échantillon avant le test.
   3. Prenons la différence entre les deux valeurs obtenues à l’étape 3.2.2 comme l’épaisseur de l’échantillon à la région d’intérêt (ROI).
   4. Placez soigneusement l’échantillon avec la lame de verre sous-jacente juste en dessous du pénétrateur, puis cliquez sur le bouton Contact pour lancer un contact automatique entre le pénétrateur et la surface de l’échantillon.
      REMARQUE : Si le contact automatique n’est pas satisfaisant, c’est-à-dire que le pénétrateur appuie profondément dans l’échantillon ou n’a pas de contact, ajustez la position du pénétrateur en tapant une valeur comprise entre 0,05 et 0,1 mm dans la case Décalage et répétez les étapes 1.2.1 à 1.2.4.
   5. En fonction de l’épaisseur de l’échantillon mesurée (étape 3.2.3), estimer le déplacement par indentation (c.-à-d. la profondeur totale de l’indentation) en multipliant l’épaisseur par la déformation d’essai en retrait (ici, elle est réglée sur ≤8 % pour maintenir l’indentation dans l’hypothèse de petite déformation).
   6. Tapez les valeurs de déplacement (étape 3.2.5) dans la zone Déplacement (mm). Réglez le temps de relaxation sur 180 s dans la zone Temps d’arrêt. Cliquez sur le bouton Indentation. Le déplacement et la force réactive pendant la procédure de maintien de rampe seront automatiquement enregistrés et enregistrés dans un fichier au chemin de fichier spécifié.
      Remarque : Le chemin d’accès au fichier peut être prédéfini comme le chemin d’enregistrement des données de test.
3. Exportez les données d’indentation vers une feuille de calcul. Utiliser une série de Prony à deux termes pour ajuster la courbe de relaxation de force ^1,3,11:
   
4. Estimer le module de cisaillement instantané (G ₀) et le module de cisaillement à long terme (G_∞) en fonction des paramètres ajustés :
   
   NOTE: Dans les équations ci-dessus, C ₀, C i et τ_i sont des paramètres de modèle de la série de Prony, F est la force d’indentation, R est le rayon du pénétrateur, X est le facteur de compensation pour l’hypothèse infinie du demi-espace, V est la vitesse d’indentation, t est la variable temporelle et t _R est le temps de rampe.

Résultats

Conformément au protocole EMR, une propagation claire des ondes de cisaillement dans les fantômes de gélatine à 40 et 50 Hz a été observée (Figure 3). Les propriétés viscoélastiques mesurées à partir des EMR et des essais d’indentation sont illustrées à la figure 4. Les valeurs estimées de G' et G » à chaque essai pour chaque fantôme sont résumées dans le tableau 2. Conformément au protocole d’indentation, les propriét...

Discussion

Les fantômes de gélatine sont couramment utilisés comme matériaux imitant les tissus pour tester et valider des algorithmes et des dispositifs 17,19,22,23,24,25,26,27. L’une des études pionnières utilisant le fantôme de gélatine pour comparer les ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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