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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

מאמר זה מציג הדגמה וסיכום של פרוטוקולים של יצירת פנטומים מג'לטין המחקים רקמות רכות, ואת האפיון הצמיגי המתאים באמצעות כניסה ואלסטוגרפיה של תהודה מגנטית.

Abstract

אפיון התכונות הביומכניות של רקמות ביולוגיות רכות חשוב כדי להבין את מכניקת הרקמות ולחקור את המנגנונים הקשורים לביומכניקה של מחלות, פציעות והתפתחות. שיטת הבדיקה המכנית היא הדרך הפשוטה ביותר לאפיון רקמות ונחשבת כאימות למדידת in vivo . בין טכניקות הבדיקה המכניות הרבות של ex vivo , בדיקת הכניסה מספקת דרך אמינה, במיוחד עבור דגימות קטנות, קשות לתיקון ויסקואלסטיות כגון רקמת מוח. אלסטוגרפיה של תהודה מגנטית (MRE) היא שיטה המשמשת קלינית למדידת התכונות הביומכניות של רקמות רכות. בהתבסס על התפשטות גלי גזירה ברקמות רכות שנרשמו באמצעות MRE, ניתן להעריך תכונות ויסקו-אלסטיות של רקמות רכות in vivo בהתבסס על משוואת הגלים. כאן, התכונות הצמיגיות של פנטומים ג'לטין עם שני ריכוזים שונים נמדדו על ידי MRE וכניסה. הוצגו הפרוטוקולים של ייצור פנטום, בדיקה והערכת מודולוס.

Introduction

נראה כי לרוב הרקמות הביולוגיות הרכות יש תכונות ויסקו-אלסטיות החשובות להבנת הפציעה וההתפתחות שלהן 1,2. בנוסף, תכונות ויסקואלסטיות הן סמנים ביולוגיים חשובים באבחון של מגוון מחלות כגון פיברוזיס וסרטן 3,4,5,6. לכן, אפיון התכונות הויסקואלסטיות של רקמות רכות הוא קריטי. בין טכניקות האפיון הרבות בהן נעשה שימוש, בדיקות מכניות ex vivo של דגימות רקמה ואלסטוגרפיה in vivo באמצעות הדמיה ביו-רפואית הן שתי השיטות הנמצאות בשימוש נרחב.

למרות שטכניקות בדיקה מכניות שונות שימשו לאפיון רקמות רכות, הדרישות לגודל המדגם ולתנאי הבדיקה אינן קלות לעמידה. לדוגמה, בדיקת גזירה צריכה להיות מקובעת היטב בין לוחות הגזירה7. בדיקה דו-צירית מתאימה יותר לרקמת ממברנה ויש לה דרישות הידוק ספציפיות 8,9. בדיקת דחיסה משמשת בדרך כלל לבדיקת רקמות, אך אינה יכולה לאפיין מיקומים ספציפיים בתוך דגימהאחת 10. לבדיקת ההזחה אין דרישות נוספות לתיקון דגימת הרקמה וניתן להשתמש בה למדידת דגימות רקמה ביולוגית רבות כגון המוח והכבד. בנוסף, עם ראש indenter קטן, תכונות אזוריות בתוך מדגם ניתן לבדוק. לכן, אומצו בדיקות כניסה לבדיקת מגוון רקמות רכות 1,3,11.

אפיון התכונות הביומכניות של רקמות רכות in vivo חשוב למחקרים תרגומיים וליישומים קליניים של ביומכניקה. שיטות דימות ביו-רפואיות כגון אולטרסאונד (US) והדמיית תהודה מגנטית (MR) הן הטכניקות הנפוצות ביותר. למרות שההדמיה בארה"ב זולה יחסית וקלה לביצוע, היא סובלת מניגודיות נמוכה וקשה למדוד איברים כמו המוח. מסוגל לדמיין מבנים עמוקים, MR אלסטוגרפיה (MRE) יכול למדוד מגוון של רקמות רכות 6,12, במיוחד המוח 13,14. בעזרת רטט חיצוני מופעל, MRE יכול למדוד את התכונות הצמיגיות של רקמות רכות בתדירות מסוימת.

מחקרים הראו כי ב-50-60 הרץ, מודולוס הגזירה של המוח התקין הוא ~1.5-2.5kPa 5,6,13,14,15 ו~2-2.5 kPa לכבד תקין 16. לכן, פנטומים ג'לטין בעלי תכונות ביומכניות דומות שימשו באופן נרחב לחיקוי רקמות רכות לצורך בדיקה ואימות17,18,19. בפרוטוקול זה הוכנו ונבדקו פנטום ג'לטין עם שני ריכוזים שונים. תכונות ויסקואלסטיות של פנטומי הג'לטין אופיינו באמצעות מכשיר MRE אלקטרומגנטי שנבנה בהתאמה אישית14 ומכשיר כניסה 1,3. פרוטוקולי הבדיקה יכולים לשמש לבדיקת רקמות רכות רבות כגון המוח או הכבד.

Protocol

1. הכנת פנטום ג'לטין

  1. שקלו ג'לטין, גליצרול ומים לפי טבלה 1. מערבבים את אבקת הג'לטין עם מים כדי לקבל את תמיסת הג'לטין.
    הערה: הריכוזים של הרכיבים הבודדים להכנת שני הפנטומים מוצגים בטבלה 1. ככל שריכוז הג'לטין גבוה יותר, כך הפנטום נוקשה יותר.
  2. מחממים את תמיסת הג'לטין ל-60 מעלות צלזיוס באמבט מים. מוסיפים גליצרול לתמיסת הג'לטין תוך שמירה על הטמפרטורה.
    הערה: גליצרול מייצב תערובות ג'לטין על ידי הגדלת טמפרטורת ההיתוך שלהן ומודולוס גזירה17.
  3. מערבבים את התמיסה ומחממים אותה שוב ל-60 מעלות צלזיוס. יוצקים את התמיסה המעורבת למיכל שישמש לבדיקות MRE וכניסה. מקררים את התמיסה לטמפרטורת החדר וממתינים עד שהתמיסה תתמצק.

2. בדיקת MRE

  1. מניחים את צלחת הרטט על גבי פנטום הג'לטין. ודאו שהמגע בין הפנטום ללוחית הרטט יציב (איור 1A).
    הערה: לוח הרטט עשוי פוליאמיד עם ממד של 50 x 50 x 5 מ"מ3.
  2. מניחים את פנטום הג'לטין לתוך סליל הראש. הניחו ספוגים ושקי חול סביב פנטום הג'לטין כדי לוודא שהפנטום ממוקם היטב. השתמש במפעיל אלקטרומגנטי שנבנה בהתאמה אישית עם מוט שידור14,18. הר מפעיל אלקטרומגנטי על סליל הראש. חברו את מוט התמסורת ללוחית הרטט (איור 1B).
  3. חבר את קווי החשמל של המפעיל עם המגבר. חבר את קווי הבקרה לבקר (איור 1C).
  4. הגדרות פרמטרים של סריקה של מפעיל ו- MRI
    1. הגדר את צורת הגל, תדירות הרטט והמשרעת במחולל הפונקציות. הגדר את משרעת הרטט הרצויה על ידי התאמת מגבר הכוח.
      הערה: כאן, צורת הגל מוגדרת לסינוסואידלית במחולל הפונקציות; תדר הרטט מוגדר ל -40 הרץ או 50 הרץ, והמשרעת מוגדרת ל -1.5 Vpp. במגבר ההספק, יחס ההגברה מוגדר ל -40%.
    2. הגדר את מחולל הפונקציות לפעול במצב ההדק. חבר את קו ההדק ליציאת ההדק החיצונית של מכשיר ה- MRI.
    3. הגדר את תדר סריקת MRE (מפעיל) זהה לזה של מחולל הפונקציות, כך שמעבר הצבע של קידוד התנועה מסונכרן עם התנועה של לוח הרטט.
  5. מדידה וניתוח נתונים
    1. בצע את הליכי מיקום ההדמיה השגרתיים. השתמש ברצף MRE מבוסס מעבר צבע דו-ממדי (GRE) להדמיה של פנטום ג'לטין20. הגדר את פרמטרי ההדמיה של GRE-MRE באופן הבא: זווית היפוך = 30°; TR/TE = 50/31 אלפיות השנייה; שדה ראייה = 300 מ"מ; עובי פרוסה = 5 מ"מ; גודל ווקסל = 2.34 x 2.34 מ"מ2.
    2. מדוד את תמונות הפאזה בארבע נקודות טמפורליות במחזור סינוסואידלי אחד. החל מעברי צבע חיוביים ושליליים לקידוד תנועה בכל נקודת זמן.
    3. בהתבסס על תמונת הפאזה שהתקבלה, הסר את שלב הרקע על-ידי הפחתת תמונות הפאזה המקודדות החיוביות והשליליות. פתח את השלב בעזרת אלגוריתם מבוסס מיון אמינות21.
    4. חלץ את הרכיב העיקרי של התנועה על-ידי החלת התמרת פורייה מהירה על תמונות הפאזה שאינן עטופות. סנן את תמונת הפאזה באמצעות מסנן פס פס דיגיטלי. הערך את מודולוס הגזירה באמצעות אלגוריתם היפוך ישיר דו-ממדי (DI) כדי לקבל מודולוס אחסון G' ומודולוס הפסד G''13,14.
      הערה: תדירות הניתוק של מסנן הפס היא [0.04 0.08]. גודל החלון המתאים של אלגוריתם DI הוא 11 x 11.

3. בדיקת כניסה

  1. השתמש באגרוף עגול או בלהב כירורגי כדי לחתוך את פנטום הג'לטין לדגימה גלילית או קובואידית, בהתאמה. יש לוודא שעובי הדגימה הוא בין 3 ל-10 מ"מ וקוטר הדגימה הגלילית או הצד הארוך של הקובואיד גדול מ-4 מ"מ. השתמש בלהב חד כדי לחתוך את פני השטח של הדגימה כדי להפוך אותה לחלקה ככל האפשר לכניסה.
  2. הפעל את העוצמה של בודק ההזחה. בצע את הפעולות הבאות באמצעות תוכנית בקרת indenter שנועדה להפוך את הליך איש הקשר של indenter לאוטומטי (תוכנית מותאמת אישית; ראה טבלת חומרים).
    1. לחץ על הלחצן 'חזור כבוי ' בממשק המשתמש הגרפי כדי לאתחל את תהליך הכיול (איור 2B). קרא את הערך מחיישן הלייזר והקלד את הערך בתיבה קו בסיס .
      הערה: במהלך תהליך הכיול, המרחק בין חיישן הלייזר ללוח המבלבל מותאם לערך ספציפי שהוגדר מראש.
    2. הנח שקופית זכוכית על לוח הזכוכית ורשום את הערך המוצג על ידי חיישן הלייזר. לאחר מכן, לשים את המדגם על שקופית זכוכית ומניחים אותם יחד על צלחת מבלבל. קרא את הערך מחיישן הלייזר והקלד ערך זה בתיבה דוגמה+שקופית .
      הערה: חיישן הלייזר משמש לתיעוד התזוזה של הכניסה, אך הוא משמש גם למדידת עובי הדגימה לפני הבדיקה.
    3. קח את ההפרש בין שני הערכים המתקבלים בשלב 3.2.2 כעובי המדגם באזור העניין (ROI).
    4. הנח בזהירות את הדגימה יחד עם שקופית הזכוכית שמתחתיה ממש מתחת לשקע, ולאחר מכן לחץ על לחצן צור קשר כדי ליזום מגע אוטומטי בין השקע למשטח הדגימה.
      הערה: אם המגע האוטומטי אינו משביע רצון, כלומר, ה-indenter לוחץ עמוק לתוך הדגימה או שאין לו מגע, התאם את מיקום ה-indenter על-ידי הקלדת ערך בטווח של 0.05-0.1 מ"מ בתיבה Offset וחזור על שלבים 1.2.1-1.2.4.
    5. בהתבסס על עובי המדגם הנמדד (שלב 3.2.3), הערך את תזוזת הכניסה (כלומר, עומק הכניסה הכולל) על ידי הכפלת העובי בזן הבדיקה המוסט פנימה (כאן, הוא מוגדר ל-≤8% כדי לשמור על ההנעה בתוך הנחת הזן הקטן).
    6. הקלד את ערכי ההזחה (שלב 3.2.5) בתיבה תזוזה (מ"מ). הגדר את זמן ההרפיה ל-180 שניות בתיבה זמן שהייה . לחץ על כפתור הכניסה . התזוזה וכוח התגובה במהלך הליך החזקת הרמפה יתועדו ויישמרו באופן אוטומטי בקובץ בנתיב הקובץ שצוין.
      הערה: ניתן להגדיר מראש את נתיב הקובץ כנתיב לשמירת נתוני בדיקה.
  3. ייצא את נתוני הכניסה לגיליון אלקטרוני. השתמש בסדרת figure-protocol-5468 Prony בת שני מונחים כדי להתאים לעקומת הרפיית הכוח 1,3,11:
    figure-protocol-5712
  4. הערך את מודולוס הגזירה המיידית (G 0) ואת מודולוס הגזירה לטווח ארוך (G∞) בהתבסס על הפרמטרים המותאמים:
    figure-protocol-5955
    הערה: במשוואות הנ"ל, C 0, C i ו- τi הם פרמטרים לדוגמה של סדרת Prony, F הוא כוח ההזחה, R הוא הרדיוס של האינדנטר, X הוא גורם הפיצוי עבור הנחת חצי המרחב האינסופי, V הוא מהירות הכניסה, t הוא משתנה הזמן, ו- tR הוא זמן הרמפה.

תוצאות

בעקבות פרוטוקול MRE, נצפתה התפשטות ברורה של גלי גזירה בפנטומים של ג'לטין ב-40 וב-50 הרץ (איור 3). התכונות הצמיגיות שנמדדו מ-MRE, ומבחני ההזחה מוצגים באיור 4. הערכים המשוערים G' ו-G" בכל בדיקה עבור כל פנטום מסוכמים בטבלה 2. בעקבות פרוטוקול ההזחה, התכונות הצמיגי?...

Discussion

פנטומים מג'לטין משמשים בדרך כלל כחומרים מחקי רקמות לבדיקה ואימות של אלגוריתמים והתקנים 17,19,22,23,24,25,26,27. אחד המחקרים החלוציים שהשתמשו בפנטום הג'...

Disclosures

המחברים מצהירים על היעדר ניגוד עניינים.

Acknowledgements

תמיכה במימון מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק 31870941), הקרן למדעי הטבע של שנגחאי (מענק 22ZR1429600), וועדת המדע והטכנולוגיה של עיריית שנגחאי (מענק 19441907700) מוכרת.

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