Вязкоупругие характеристики желатиновых фантомов, имитирующих мягкие ткани, с использованием вмятинной и магнитно-резонансной эластографии

Резюме

В данной статье представлена демонстрация и обобщение протоколов изготовления желатиновых фантомов, имитирующих мягкие ткани, и соответствующая вязкоупругая характеристика с использованием вдавливания и магнитно-резонансной эластографии.

Аннотация

Характеристика биомеханических свойств мягких биологических тканей важна для понимания тканевой механики и изучения связанных с биомеханикой механизмов заболевания, травмы и развития. Метод механического тестирования является наиболее простым способом определения характеристик тканей и рассматривается как проверка для измерения in vivo . Среди многих методов механического тестирования ex vivo тест на углубление обеспечивает надежный способ, особенно для образцов, которые являются небольшими, трудно фиксируемыми и вязкоупругими, такими как ткань мозга. Магнитно-резонансная эластография (МРЭ) является клинически используемым методом измерения биомеханических свойств мягких тканей. На основе распространения сдвиговых волн в мягких тканях, зарегистрированного с помощью MRE, вязкоупругие свойства мягких тканей могут быть оценены in vivo на основе волнового уравнения. Здесь вязкоупругие свойства желатиновых фантомов с двумя различными концентрациями измерялись с помощью MRE и углубления. Представлены протоколы фантомного изготовления, тестирования и оценки модуля.

Введение

Большинство мягких биологических тканей, по-видимому, обладают вязкоупругими свойствами, которые важны для понимания их повреждения и развития ^1,2. Кроме того, вязкоупругие свойства являются важными биомаркерами в диагностике различных заболеваний, таких как фиброз и рак 3,4,5,6. Поэтому характеристика вязкоупругих свойств мягких тканей имеет решающее значение. Среди многих используемых методов характеризации, механическое тестирование образцов тканей ex vivo и эластография in vivo с использованием биомедицинской визуализации являются двумя широко используемыми методами.

Хотя для определения характеристик мягких тканей использовались различные методы механического тестирования, требования к размеру образца и условиям тестирования нелегко выполнить. Например, при испытании на сдвиг необходимо, чтобы образцы прочно фиксировались между пластинами^{сдвига 7}. Двухосное тестирование больше подходит для мембранной ткани и имеет специфические требования к зажимам ^8,9. Компрессионный тест обычно используется для тестирования тканей, но не может охарактеризовать конкретные положения в пределах одного образца¹⁰. Тест на углубление не имеет дополнительных требований для фиксации образца ткани и может быть использован для измерения многих образцов биологических тканей, таких как мозг и печень. Кроме того, с небольшой головкой индентора можно проверить региональные свойства в образце. Поэтому были приняты тесты на углубление для тестирования различных мягких тканей ^1,3,11.

Характеристика биомеханических свойств мягких тканей in vivo важна для трансляционных исследований и клинического применения биомеханики. Методы биомедицинской визуализации, такие как ультразвуковая (УЗИ) и магнитно-резонансная (МРТ) визуализация, являются наиболее используемыми методами. Хотя визуализация США относительно дешева и проста в выполнении, она страдает от низкой контрастности и ее трудно измерить такими органами, как мозг. Способная визуализировать глубокие структуры, МР-эластография (MRE) может измерять различные мягкие ткани ^6,12, особенно мозг^13,14. При применении внешней вибрации МРЭ может измерять вязкоупругие свойства мягких тканей на определенной частоте.

Исследования показали, что при 50-60 Гц модуль сдвига нормального мозга составляет ~1,5-2,5 кПа 5,6,13,14,15 и ~2-2,5 кПа для нормальной печени ¹⁶. Поэтому желатиновые фантомы, обладающие аналогичными биомеханическими свойствами, широко используются для имитации мягких тканей для тестирования и валидации 17,18,19. В этом протоколе были подготовлены и протестированы желатиновые фантомы с двумя различными концентрациями. Вязкоупругие свойства желатиновых фантомов были охарактеризованы с помощью специально построенного электромагнитного устройства МРЭ¹⁴ и устройства^{отступа 1,3}. Протоколы тестирования могут быть использованы для тестирования многих мягких тканей, таких как мозг или печень.

протокол

1. Желатиновый фантомный препарат

1. Взвешивайте желатин, глицерин и воду согласно таблице 1. Смешайте желатиновый порошок с водой для получения желатинового раствора.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Концентрации отдельных компонентов для получения двух фантомов показаны в таблице 1. Чем выше концентрация желатина, тем жестче фантом.
2. Нагрейте желатиновый раствор до 60 °C на водяной бане. Добавьте глицерин в желатиновый раствор при сохранении температуры.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Глицерин стабилизирует желатиновые смеси, увеличивая их температуру плавления и модуль сдвига¹⁷.
3. Перемешайте раствор и снова нагрейте до 60 °C. Перелейте смешанный раствор в контейнер, который будет использоваться для МРЭ и тестов на отступы. Охладите раствор до комнатной температуры и подождите, пока раствор затвердеет.

2. Тест MRE

1. Поместите вибрационную пластину поверх желатинового фантома. Убедитесь, что контакт между фантомом и вибрационной пластиной является прочным (рисунок 1A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Вибрационная пластина изготовлена из полиамида размером 50 х 50 х 5 мм³.
2. Поместите желатиновый фантом в головную катушку. Поместите губки и мешки с песком вокруг желатинового фантома, чтобы убедиться, что фантом прочно размещен. Используйте изготовленный на заказ электромагнитный привод с передающей балкой^14,18. Установите электромагнитный привод на головную катушку. Подключите блок передачи к вибрационной пластине (рисунок 1B).
3. Подключите линии электропередач привода к усилителю. Соедините управляющие линии с контроллером (рисунок 1С).
4. Настройки параметров привода и МРТ-сканирования
   1. Задайте форму сигнала, частоту вибрации и амплитуду в генераторе функций. Установите нужную амплитуду вибрации, регулируя усилитель мощности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь форма сигнала установлена синусоидальной в генераторе функций; частота вибрации устанавливается на 40 Гц или 50 Гц, а амплитуда — на 1,5 Впп. В усилителе мощности коэффициент усиления установлен на 40%.
   2. Настройте генератор функций для работы в режиме триггера. Подключите триггерную линию к внешнему триггерному порту аппарата МРТ.
   3. Установите частоту сканирования (привода) MRE такой же, как и у генератора функций, чтобы градиент кодирования движения синхронизировался с движением вибрационной пластины.
5. Измерение и анализ данных
   1. Следуйте обычным процедурам позиционирования изображений. Используйте последовательность MRE на основе 2D-градиентного эха (GRE) для визуализации желатинового фантома²⁰. Задайте параметры визуализации GRE-MRE следующим образом: Угол наклона = 30°; TR/TE = 50/31 мс; Поле зрения = 300 мм; Толщина среза = 5 мм; Размер вокселя = 2,34 x 2,34 мм².
   2. Измерьте фазовые изображения в четырех временных точках в одном синусоидальном цикле. Применяйте как положительные, так и отрицательные градиенты кодирования движения в каждой точке времени.
   3. Основываясь на полученном фазовом изображении, удалите фоновую фазу, вычитая положительные и отрицательные закодированные фазовые изображения. Распакуйте фазу с помощью алгоритма²¹, основанного на надежности сортировки.
   4. Извлеките основной компонент движения, применив быстрое преобразование Фурье к развернутым фазовым изображениям. Отфильтруйте фазовое изображение с помощью цифрового полосового фильтра. Оцените модуль сдвига с помощью алгоритма прямой инверсии (DI) 2D для получения модуля хранения G' и модуля потерь G''^13,14.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Частота среза полосового фильтра составляет [0,04 0,08]. Размер окна установки алгоритма DI составляет 11 x 11.

3. Тест на отступ

1. Используйте круговой перфоратор или хирургическое лезвие, чтобы обрезать желатиновый фантом в цилиндрический или кубоидный образец соответственно. Убедитесь, что толщина образца составляет от 3 до 10 мм, а диаметр цилиндрического образца или длинной стороны кубоида больше 4 мм. Используйте острое лезвие, чтобы обрезать поверхность образца, чтобы сделать ее как можно более гладкой для углубления.
2. Включите питание тестера отступов. Выполните следующие действия с помощью программы управления индентором, предназначенной для автоматизации процедуры контакта с индентором (пользовательская программа; см. Таблица материалов).
   1. Нажмите кнопку Back off в графическом интерфейсе пользователя, чтобы инициализировать процесс калибровки (рисунок 2B). Считайте значение с лазерного датчика и введите значение в поле BaseLine .
      ПРИМЕЧАНИЕ: В процессе калибровки расстояние между лазерным датчиком и перегородкой регулируется до определенного заранее определенного значения.
   2. Поместите стеклянный слайд на пластину перегородки и запишите значение, отображаемое лазерным датчиком. Затем положите образец на стеклянную горку и поместите их вместе на перегородочную пластину. Считайте значение с лазерного датчика и введите это значение в поле Образец+Слайд .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Лазерный датчик используется для регистрации смещения углубления, но он также используется для измерения толщины образца перед испытанием.
   3. Возьмем разницу между двумя значениями, полученными на этапе 3.2.2, как толщину образца в интересующей области (ROI).
   4. Аккуратно поместите образец вместе с подстилающим стеклянным затвором прямо под индентором, а затем нажмите кнопку «Контакт », чтобы инициировать автоматический контакт между индентором и поверхностью образца.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если автоматический контакт не является удовлетворительным, т.е. индентор вдавливается глубоко в образец или не имеет контакта, отрегулируйте положение индентора, введя значение в диапазоне 0,05-0,1 мм в поле Смещение и повторите шаги 1.2.1-1.2.4.
   5. На основе измеренной толщины образца (этап 3.2.3) оцените смещение отступа (т.е. общую глубину отступа) путем умножения толщины на испытательную деформацию с отступом (здесь она установлена на ≤8%, чтобы сохранить отступ в пределах предположения о малых деформациях).
   6. Введите значения смещения (шаг 3.2.5) в поле Смещение (мм ). Установите время релаксации равным 180 с в поле Время ожидания . Нажмите на кнопку Отступ . Смещение и реактивная сила во время процедуры удержания рампы будут автоматически записаны и сохранены в файле по указанному пути к файлу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Путь к файлу может быть предварительно определен как путь для сохранения тестовых данных.
3. Экспорт данных отступа в электронную таблицу. Используйте двухсеменный ряд Prony, чтобы соответствовать кривой релаксации силы ^1,3,11:
   
4. Оцените модуль мгновенного сдвига (G₀) и долгосрочный модуль сдвига (G_∞) на основе установленных параметров:
   
   ПРИМЕЧАНИЕ: В приведенных выше уравнениях C₀, C_i и τ_i являются параметрами модели ряда Прони, F - сила отступа, R - радиус индентора, X - коэффициент компенсации для предположения о бесконечном полупространстве, V - скорость отступа, t - переменная времени, а t_R - время рампы.

Результаты

Следуя протоколу MRE, наблюдалось четкое распространение волн сдвига в желатиновых фантомах при 40 и 50 Гц (рисунок 3). Вязкоупругие свойства, измеренные с помощью MRE, и тесты на отступ показаны на рисунке 4. Расчетные значения G' и G" при каждом тестировании для ...

Обсуждение

Желатиновые фантомы обычно используются в качестве ткане-имитирующих материалов для тестирования и валидации алгоритмов и устройств ^{17,19,22,23,24,25,26,27}.

Материалы

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