압흔 및 자기 공명 탄성 탄성 분석을 사용한 연조직 모방 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성 분석

요약

이 기사에서는 연조직을 모방 한 젤라틴 팬텀을 만드는 프로토콜과 압입 및 자기 공명 탄성 탄성을 사용한 해당 점탄성 특성화에 대한 데모 및 요약을 제공합니다.

초록

연질 생물학적 조직의 생체 역학적 특성화는 조직 역학을 이해하고 질병, 부상 및 발달의 생체 역학 관련 메커니즘을 탐구하는 데 중요합니다. 기계적 테스트 방법은 조직 특성화를 위한 가장 간단한 방법이며 생체 내 측정을 위한 검증으로 간주됩니다. 많은 생체 외 기계적 테스트 기술 중에서 압입 테스트는 특히 뇌 조직과 같이 작고 고정하기 어렵고 점탄성이 있는 샘플에 대해 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 자기 공명 탄성 검사(MRE)는 연조직의 생체역학적 특성을 측정하기 위해 임상적으로 사용되는 방법입니다. MRE를 사용하여 기록된 연조직의 전단파 전파를 기반으로 연조직의 점탄성 특성은 파동 방정식을 기반으로 생체 내에서 추정할 수 있습니다. 여기서, 두 가지 농도가 다른 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성은 MRE와 압입으로 측정하였다. 팬텀 제조, 테스트 및 모듈러스 추정의 프로토콜이 제시되었습니다.

서문

대부분의 연질 생물학적 조직은 손상^{과 발달을} 이해하는 데 중요한 점탄성 특성을 가진 것으로 보입니다^1,2. 또한, 점탄성 특성은 섬유증 및 암 3,4,5,6과 같은 다양한 질환의 진단에 중요한 바이오마커이다. 따라서 연조직의 점탄성 특성의 특성화가 중요합니다. 사용되는 많은 특성화 기술 중에서 조직 샘플의 생체 외 기계적 테스트와 생물 의학 이미징을 사용한 생체 내 탄성 검사가 널리 사용되는 두 가지 방법입니다.

연조직 특성화를 위해 다양한 기계적 테스트 기술이 사용되었지만 샘플 크기 및 테스트 조건에 대한 요구 사항을 충족하기가 쉽지 않습니다. 예를 들어, 전단 시험은 전단 플레이트⁷ 사이에 단단히 고정 된 샘플을 가져야합니다. 이축 테스트는 멤브레인 조직에 더 적합하며 특정 클램핑 요구 사항 ^8,9가 있습니다. 압축 시험은 조직 시험에 일반적으로 사용되지만, 하나의 샘플 내의 특정 위치를 특성화할 수는 없다(¹⁰). 압입 검사는 조직 샘플을 고정하기위한 추가 요구 사항이 없으며 뇌 및 간과 같은 많은 생물학적 조직 샘플을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 작은 압자 헤드를 사용하여 샘플 내의 영역 특성을 테스트할 수 있습니다. 따라서 다양한 연조직 ^1,3,11을 테스트하기 위해 압흔 테스트가 채택되었습니다.

생체 내에서 연조직의 생체 역학적 특성을 특성화하는 것은 중개 연구 및 생체 역학의 임상 적용에 중요합니다. 초음파(미국) 및 자기 공명(MR) 영상과 같은 생의학 영상 방식이 가장 많이 사용되는 기술입니다. 미국 영상은 비교적 저렴하고 수행하기 쉽지만 대비가 낮고 뇌와 같은 장기를 측정하기가 어렵습니다. 깊은 구조를 이미징 할 수있는 MR 엘라 스토 그래피 (MRE)는 다양한 연조직 (6,12), 특히 뇌^(13,14)를 측정 할 수 있습니다. 외부 진동이 적용되면 MRE는 특정 주파수에서 연조직의 점탄성 특성을 측정할 수 있습니다.

연구에 따르면 50-60Hz에서 정상 뇌의 전단 계수는 정상 간^1.5의 경우 ~ 2.5-2.5kPa 5,6,13,14,15 및 ~ 2-2.5kPa 입니다 ¹⁶. 따라서, 유사한 생체역학적 특성을 갖는 젤라틴 팬텀은 시험 및 검증^17,18,19를 위해 연조직을 모방하는데 널리 사용되어 왔다. 이 프로토콜에서는 두 가지 농도의 젤라틴 팬텀을 준비하고 테스트했습니다. 젤라틴 팬텀의 점탄성 특성은 맞춤형 전자기 MRE 장치⁽¹⁴) 및 압입 장치(^1,3)를 사용하여 특성화하였다. 테스트 프로토콜은 뇌나 간과 같은 많은 연조직을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.

프로토콜

1. 젤라틴 팬텀 준비

1. 표 1에 따라 젤라틴, 글리세롤 및 물의 무게를 잰다. 젤라틴 분말을 물과 혼합하여 젤라틴 용액을 얻습니다.
   참고: 두 팬텀을 준비하기 위한 개별 성분의 농도는 표 1에 나와 있습니다. 젤라틴 농도가 높을수록 팬텀이 더 단단해집니다.
2. 젤라틴 용액을 수조에서 60°C로 가열한다. 온도를 유지하면서 젤라틴 용액에 글리세롤을 첨가하십시오.
   알림: 글리세롤은 용융 온도와 전단 계수¹⁷을 증가시켜 젤라틴 혼합물을 안정화시킵니다.
3. 용액을 저어주고 다시 60 ° C로 가열합니다. MRE 및 압입 테스트에 사용할 용기에 혼합 용액을 붓습니다. 용액을 실온으로 식히고 용액이 고형화 될 때까지 기다리십시오.

2. MRE 테스트

1. 젤라틴 팬텀 위에 진동판을 놓습니다. 팬텀과 진동판 사이의 접촉이 단단한지 확인합니다(그림 1A).
   알림: 진동판은 50 x 50 x 5 mm³ 크기의 폴리아미드로 만들어졌습니다.
2. 젤라틴 팬텀을 헤드 코일에 넣습니다. 젤라틴 팬텀 주위에 스폰지와 모래 주머니를 넣어 팬텀이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 변속기 바^14,18이 있는 맞춤형 전자기 액추에이터를 사용하십시오. 헤드 코일에 전자기 액추에이터를 장착하십시오. 변속기 바를 진동판에 연결합니다(그림 1B).
3. 액추에이터의 전력선을 앰프와 연결하십시오. 제어 라인을 컨트롤러와 연결합니다(그림 1C).
4. 액추에이터 및 MRI 스캔 매개변수 설정
   1. 함수 발생기에서 파형, 진동 주파수 및 진폭을 설정합니다. 파워 앰프를 조정하여 원하는 진동 진폭을 설정합니다.
      참고: 여기서 파형은 함수 발생기에서 정현파로 설정됩니다. 진동 주파수는 40Hz 또는 50Hz로 설정되고 진폭은 1.5Vpp로 설정됩니다. 전력 증폭기에서 증폭 비율은 40 %로 설정됩니다.
   2. 함수 생성기가 트리거 모드에서 작동하도록 설정합니다. 트리거 라인을 MRI 기계의 외부 트리거 포트에 연결합니다.
   3. MRE 스캐닝(액추에이터) 주파수를 함수 발생기의 주파수와 동일하게 설정하여 모션 인코딩 그래디언트가 진동판의 모션과 동기화되도록 합니다.
5. 데이터 측정 및 분석
   1. 일상적인 이미징 포지셔닝 절차를 따르십시오. 젤라틴 팬텀 20의 이미징을 위해^2D 그래디언트-에코(GRE) 기반 MRE 시퀀스를 사용합니다. GRE-MRE 이미징 파라미터를 다음과 같이 설정합니다: 플립 각도 = 30°; TR / TE = 50/31 밀리 초; 시야각 = 300 mm; 슬라이스 두께 = 5mm; 복셀 크기 = 2.34 x 2.34mm².
   2. 하나의 정현파 주기에서 4개의 시간 지점에서 위상 이미지를 측정합니다. 각 시점에서 포지티브 및 네거티브 모션 인코딩 그라디언트를 모두 적용합니다.
   3. 획득한 위상 이미지에 기초하여, 포지티브 및 네거티브 인코딩된 위상 이미지를 빼서 배경 페이즈를 제거한다. 신뢰성 정렬 기반 알고리즘(²¹)으로 위상을 언래핑한다.
   4. 래핑되지 않은 위상 이미지에 고속 푸리에 변환을 적용하여 모션의 주성분을 추출합니다. 디지털 대역통과 필터로 위상 이미지를 필터링합니다. 2D 직접 반전(DI) 알고리즘으로 전단 계수를 추정하여 저장 탄성률 G'' 및 손실 계수 G'^'13,14를 구합니다.
      참고: 대역통과 필터의 차단 주파수는 [0.04 0.08]입니다. DI 알고리즘의 피팅 창 크기는 11 x 11입니다.

3. 압입 테스트

1. 원형 펀치 또는 수술 블레이드를 사용하여 젤라틴 팬텀을 각각 원통형 또는 직육면체 샘플로 자릅니다. 샘플 두께가 3mm에서 10mm 사이이고 원통형 샘플의 직경 또는 직육면체의 긴 면이 4mm보다 큰지 확인하십시오. 날카로운 날을 사용하여 샘플 표면을 다듬어 들여쓰기를 위해 가능한 한 매끄럽게 만듭니다.
2. 압입 테스터의 전원을 켭니다. 압자 접촉 절차를 자동화하도록 설계된 압자 제어 프로그램(사용자 지정 프로그램, 재료 표 참조)을 사용하여 다음을 수행하십시오.
   1. GUI에서 백오프 버튼을 클릭하여 보정 프로세스를 초기화합니다(그림 2B). 레이저 센서에서 값을 읽고 BaseLine 상자에 값을 입력합니다.
      알림: 보정 프로세스 중에 레이저 센서와 배플 플레이트 사이의 거리는 미리 정의된 특정 값으로 조정됩니다.
   2. 배플 플레이트에 유리 슬라이드를 놓고 레이저 센서가 보여주는 값을 기록합니다. 그런 다음 샘플을 유리 슬라이드에 놓고 배플 플레이트에 함께 놓습니다. 레이저 센서에서 값을 읽고 샘플+슬라이드 상자에 이 값을 입력합니다.
      알림: 레이저 센서는 압입의 변위를 기록하는 데 사용되지만 테스트 전에 샘플 두께를 측정하는 데에도 사용됩니다.
   3. 3.2.2단계에서 얻은 두 값의 차이를 관심 영역(ROI)의 샘플 두께로 취합니다.
   4. 인덴터 바로 아래에 있는 유리 슬라이드와 함께 샘플을 조심스럽게 배치한 다음 접촉 버튼을 클릭하여 인덴터와 샘플 표면 사이의 자동 접촉 을 시작합니다.
      참고: 자동 접점이 만족스럽지 않은 경우, 즉 압자가 샘플 깊숙이 누르거나 접점이 없는 경우 오프셋 상자에 0.05-0.1mm 범위의 값을 입력하여 압자 위치를 조정하고 1.2.1-1.2.4단계를 반복합니다.
   5. 측정된 샘플 두께(단계 3.2.3)를 기반으로 두께에 압입된 테스트 변형률을 곱하여 압입 변위(즉, 총 압입 깊이)를 추정합니다(여기서는 작은 변형률 가정 내에서 압입률을 유지하기 위해 ≤8%로 설정됨).
   6. 변위 값(3.2.5단계)을 변위(mm) 상자에 입력합니다. 유지 시간 상자에서 휴식 시간을 180초로 설정합니다. 들여쓰기 버튼을 클릭합니다. 램프 홀드 절차 중 변위와 반력은 자동으로 기록되어 지정된 파일 경로의 파일에 저장됩니다.
      참고: 파일 경로는 테스트 데이터를 저장하기 위한 경로로 미리 정의할 수 있습니다.
3. 들여쓰기 데이터를 스프레드시트로 내보냅니다. 힘 완화 곡선 ^1,3,11을 맞추기 위해 2항 Prony 계열 을 사용합니다.
   
4. 순간 전단 계수(G ₀)와 장기 전단 계수(G_∞)를 적합된 모수를 기반으로 추정합니다.
   
   참고 : 위의 방정식에서 C₀, Ci 및 τ_i는 Prony 시리즈의 모델 매개 변수, F는 압입력, R은 압자의 반경, X는 무한 반쪽 공간 가정에 대한 보상 계수, V는 압입 속도, t는 시간 변수, _{t R}은 램프 시간입니다.

결과

MRE 프로토콜에 따라 40Hz 및 50Hz에서 젤라틴 팬텀에서 명확한 전단파 전파가 관찰되었습니다(그림 3). MRE에서 측정한 점탄성 특성 및 압입 테스트는 그림 4에 나와 있습니다. 각 팬텀에 대한 각 테스트에서 추정된 G' 및 G" 값은 표 2에 요약되어 있습니다. 압입 프로토콜에 따라 각 테스트 지점에서 각 팬텀의 점탄성 특성이 표 3에 ?...

토론

젤라틴 팬텀은 알고리즘 및 장치 17,19,22,23,24,25,26,27의 테스트 및 검증을 위한 조직-모방 재료로서 통상적으로 사용된다. MRE와 동적 전단 시험을 비교하기 위해 젤라틴 팬텀을 사용한 선구적인 연?...

자료

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