Girinti ve Manyetik Rezonans Elastografisi Kullanılarak Yumuşak Dokuyu Taklit Eden Jelatin Fantomların Viskoelastik Karakterizasyonu

Özet

Bu makalede, yumuşak dokuları taklit eden jelatin fantomları yapma protokollerinin ve girinti ve manyetik rezonans elastografisi kullanılarak karşılık gelen viskoelastik karakterizasyonun bir gösterimi ve özeti sunulmaktadır.

Özet

Yumuşak biyolojik dokuların biyomekanik özelliklerinin karakterizasyonu, doku mekaniğini anlamak ve biyomekaniğe bağlı hastalık, yaralanma ve gelişim mekanizmalarını araştırmak için önemlidir. Mekanik test yöntemi, doku karakterizasyonu için en basit yoldur ve in vivo ölçüm için doğrulama olarak kabul edilir. Birçok ex vivo mekanik test tekniği arasında, girinti testi, özellikle beyin dokusu gibi küçük, sabitlenmesi zor ve viskoelastik numuneler için güvenilir bir yol sağlar. Manyetik rezonans elastografi (MRE), yumuşak dokuların biyomekanik özelliklerini ölçmek için klinik olarak kullanılan bir yöntemdir. MRE kullanılarak kaydedilen yumuşak dokulardaki kesme dalgası yayılımına dayanarak, yumuşak dokuların viskoelastik özellikleri, dalga denklemine dayanarak in vivo olarak tahmin edilebilir. Burada, iki farklı konsantrasyona sahip jelatin hayaletlerinin viskoelastik özellikleri MRE ve girinti ile ölçülmüştür. Fantom üretimi, testi ve modül tahmini protokolleri sunulmuştur.

Giriş

Yumuşak biyolojik dokuların çoğunun, yaralanmalarını ve gelişimlerini anlamak için önemli olan viskoelastik özelliklere sahip oldukları görülmektedir ^1,2. Ayrıca viskoelastik özellikler fibrozis ve kanser gibi çeşitli hastalıkların tanısında önemli biyobelirteçlerdir ^3,4,5,6. Bu nedenle, yumuşak dokuların viskoelastik özelliklerinin karakterizasyonu çok önemlidir. Kullanılan birçok karakterizasyon tekniği arasında, doku örneklerinin ex vivo mekanik testi ve biyomedikal görüntüleme kullanılarak in vivo elastografi yaygın olarak kullanılan iki yöntemdir.

Yumuşak doku karakterizasyonu için çeşitli mekanik test teknikleri kullanılmasına rağmen, numune büyüklüğü ve test koşulları için gerekliliklerin karşılanması kolay değildir. Örneğin, kesme testi, numunelerin kesme plakaları⁷ arasına sıkıca sabitlenmesi gerekir. Çift eksenli test, membran dokusu için daha uygundur ve spesifik sıkıştırma gereksinimlerine sahiptir ^8,9. Bir sıkıştırma testi, doku testi için yaygın olarak kullanılır, ancak bir örnek¹⁰ içindeki belirli pozisyonları karakterize edemez. Girinti testinin doku örneğini sabitlemek için ek gereksinimleri yoktur ve beyin ve karaciğer gibi birçok biyolojik doku örneğini ölçmek için kullanılabilir. Ek olarak, küçük bir girinti kafası ile, bir numune içindeki bölgesel özellikler test edilebilir. Bu nedenle, çeşitli yumuşak dokuları test etmek için girinti testleri benimsenmiştir ^1,3,11.

Yumuşak dokuların biyomekanik özelliklerinin in vivo olarak karakterize edilmesi, translasyonel çalışmalar ve biyomekaniğin klinik uygulamaları için önemlidir. Ultrason (US) ve manyetik rezonans (MR) görüntüleme gibi biyomedikal görüntüleme yöntemleri en çok kullanılan tekniklerdir. ABD görüntülemesi nispeten ucuz ve gerçekleştirilmesi kolay olmasına rağmen, düşük kontrasttan muzdariptir ve beyin gibi organları ölçmek zordur. Derin yapıları görüntüleyebilen MR Elastografi (MRE), çeşitli yumuşak dokuları 6,12, özellikle de beyin^13,14'ü ölçebilir. Uygulanan harici titreşim ile MRE, yumuşak dokuların viskoelastik özelliklerini belirli bir frekansta ölçebilir.

Çalışmalar, 50-60 Hz'de, normal beynin kesme modülünün normal karaciğer¹⁶ için ~ 1.5-2.5kPa 5,6,13,14,15 ve ~ 2-2,5 kPa olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, benzer biyomekanik özelliklere sahip jelatin hayaletler, test ve doğrulama için yumuşak dokuları taklit etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır^17,18,19. Bu protokolde iki farklı konsantrasyonda jelatin hayaletler hazırlanmış ve test edilmiştir. Jelatin hayaletlerin viskoelastik özellikleri, özel yapım bir elektromanyetik MRE cihazı¹⁴ ve bir girinti cihazı ^1,3 kullanılarak karakterize edildi. Test protokolleri, beyin veya karaciğer gibi birçok yumuşak dokuyu test etmek için kullanılabilir.

Protokol

1. Jelatin fantom preparatı

1. Jelatin, gliserol ve suyu Tablo 1'e göre tartın. Jelatin çözeltisini elde etmek için jelatin tozunu suyla karıştırın.
   NOT: İki hayaleti hazırlamak için ayrı ayrı bileşenlerin konsantrasyonları Tablo 1'de gösterilmiştir. Jelatin konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, hayalet o kadar sert olur.
2. Jelatin çözeltisini bir su banyosunda 60 ° C'ye ısıtın. Sıcaklığı korurken jelatin çözeltisine gliserol ekleyin.
   NOT: Gliserol, jelatin karışımlarını erime sıcaklıklarını ve kesme modülü^17'yi artırarak stabilize eder.
3. Çözeltiyi karıştırın ve tekrar 60 ° C'ye ısıtın. Karışık çözeltiyi MRE ve girinti testleri için kullanılacak bir kaba dökün. Çözeltiyi oda sıcaklığına soğutun ve çözelti katılaşana kadar bekleyin.

2. MRE testi

1. Titreşim plakasını jelatin hayaletin üzerine koyun. Fantom ve titreşim plakası arasındaki temasın sağlam olduğundan emin olun (Şekil 1A).
   NOT: Titreşim plakası 50 x 50 x 5^mm3 boyutlarında Poliamidden yapılmıştır.
2. Jelatin fantomunu baş bobinine yerleştirin. Fantomun sıkıca yerleştirildiğinden emin olmak için jelatin fantomun etrafına süngerler ve kum torbaları koyun. İletim çubuğu^14,18 olan özel yapım bir elektromanyetik aktüatör kullanın. Kafa bobinine bir elektromanyetik aktüatör takın. İletim çubuğunu titreşim plakasına bağlayın (Şekil 1B).
3. Aktüatörün güç hatlarını amplifikatöre bağlayın. Kontrol hatlarını kontrolöre bağlayın (Şekil 1C).
4. Aktüatör ve MRI tarama parametre ayarları
   1. Fonksiyon üretecinde dalga formunu, titreşim frekansını ve genliği ayarlayın. Güç amplifikatörünü ayarlayarak istenen titreşim genliğini ayarlayın.
      NOT: Burada, dalga formu fonksiyon üretecinde sinüzoidal olarak ayarlanır; titreşim frekansı 40 Hz veya 50 Hz'e ayarlanır ve genlik 1,5 Vpp'ye ayarlanır. Güç amplifikatöründe amplifikasyon oranı %40 olarak ayarlanır.
   2. İşlev üretecini tetikleme modunda çalışacak şekilde ayarlayın. Tetikleme hattını MRI makinesinin harici tetikleme bağlantı noktasına bağlayın.
   3. MRE tarama (aktüatör) frekansını fonksiyon üretecininkiyle aynı şekilde ayarlayın, böylece hareket kodlama gradyanı titreşim plakasının hareketi ile senkronize edilir.
5. Veri ölçümü ve analizi
   1. Rutin görüntüleme konumlandırma prosedürlerini takip edin. Jelatin fantom^{20'nin görüntülenmesi için 2D} gradyan-eko (GRE) tabanlı MRE dizisi kullanın. GRE-MRE görüntüleme parametrelerini aşağıdaki gibi ayarlayın: Çevirme açısı = 30°; TR/TE = 50/31 ms; Görüş alanı = 300 mm; Dilim kalınlığı = 5 mm; Voksel boyutu = 2,34 x 2,34 mm².
   2. Faz görüntülerini bir sinüzoidal döngüde dört zamansal noktada ölçün. Her zaman noktasında hem pozitif hem de negatif hareket kodlama gradyanları uygulayın.
   3. Elde edilen faz görüntüsüne bağlı olarak, pozitif ve negatif kodlanmış faz görüntülerini çıkararak arka plan aşamasını kaldırın. Aşamayı güvenilirlik sıralama tabanlı bir algoritma²¹ ile açın.
   4. Ambalajı açılmamış faz görüntülerine hızlı Fourier Dönüşümü uygulayarak hareketin ana bileşenini ayıklayın. Faz görüntüsünü dijital bandpass filtresiyle filtreleyin. Depolama modülü G' ve kayıp modülü ^G'13,14'ü elde etmek için 2B doğrudan ters çevirme (DI) algoritması ile kesme modülünü tahmin edin.
      NOT: Bandpass filtresinin kesme frekansı [0,04 0,08] şeklindedir. DI algoritmasının montaj penceresinin boyutu 11 x 11'dir.

3. Girinti testi

1. Jelatin fantomu sırasıyla silindirik veya küboid bir numuneye kesmek için dairesel bir zımba veya cerrahi bıçak kullanın. Numune kalınlığının 3 ila 10 mm arasında olduğundan ve silindirik numunenin çapının veya küboidin uzun tarafının 4 mm'den büyük olduğundan emin olun. Numunenin yüzeyini girinti için mümkün olduğunca pürüzsüz hale getirmek üzere kesmek için keskin bir bıçak kullanın.
2. Girinti test cihazının gücünü açın. Indenter iletişim prosedürünü otomatikleştirmek için tasarlanmış indenter kontrol programını kullanarak aşağıdakileri gerçekleştirin (özel program; bkz.
   1. Kalibrasyon işlemini başlatmak için GUI'deki Geri Kapat düğmesine tıklayın (Şekil 2B). Lazer sensöründeki değeri okuyun ve değeri BaseLine kutusuna yazın.
      NOT: Kalibrasyon işlemi sırasında, lazer sensörü ile bölme plakası arasındaki mesafe önceden tanımlanmış belirli bir değere ayarlanır.
   2. Bölme plakasına bir cam slayt yerleştirin ve lazer sensörü tarafından gösterilen değeri kaydedin. Ardından, numuneyi cam slayta koyun ve bölme plakasına yerleştirin. Lazer sensöründeki değeri okuyun ve bu değeri Örnek+Slayt kutusuna yazın.
      NOT: Lazer sensör, girintinin yer değiştirmesini kaydetmek için kullanılır, ancak testten önce numune kalınlığını ölçmek için de kullanılır.
   3. Adım 3.2.2'de elde edilen iki değer arasındaki farkı, ilgili bölgedeki numune kalınlığı (ROI) olarak alın.
   4. Numuneyi, altta yatan cam slaytla birlikte indenter'ın hemen altına dikkatlice yerleştirin ve ardından indenter ile numune yüzeyi arasında otomatik teması başlatmak için İletişim Kurun düğmesine tıklayın.
      NOT: Otomatik kontak tatmin edici değilse, yani indenter numunenin derinliklerine bastırırsa veya kontağı yoksa, Ofset kutusuna 0,05-0,1 mm aralığında bir değer yazarak indenter konumunu ayarlayın ve 1.2.1-1.2.4 adımlarını tekrarlayın.
   5. Ölçülen numune kalınlığına (adım 3.2.3) dayanarak, kalınlığı girintili test gerinimi ile çarparak girinti yer değiştirmesini (yani, toplam girinti derinliğini) tahmin edin (burada, girintiyi küçük gerinim varsayımı içinde tutmak için% ≤8 olarak ayarlanmıştır).
   6. Deplasman (mm) kutusuna yer değiştirme değerlerini ( adım 3.2.5) yazın. Bekleme Süresi kutusunda rahatlama süresini 180 sn'ye ayarlayın. Girinti düğmesine tıklayın. Rampa tutma prosedürü sırasında yer değiştirme ve reaktif kuvvet otomatik olarak kaydedilecek ve belirtilen Dosya Yolu'ndaki bir dosyaya kaydedilecektir.
      NOT: Dosya Yolu , test verilerini kaydetme yolu olarak önceden tanımlanabilir.
3. Girinti verilerini bir e-tabloya aktarın. ^1,3,11 kuvvet gevşeme eğrisine uyması için iki dönemlik bir Prony serisi kullanın:
   
4. Takılan parametrelere dayanarak anlık kesme modülünü (G ₀) ve uzun süreli kesme modülünü (G_∞) tahmin edin:
   
   NOT: Yukarıdaki denklemlerde, C ₀, C_i ve τ_i, Prony serisinin model parametreleridir, F girinti kuvvetidir, R, girintinin yarıçapıdır, X, sonsuz yarım uzay varsayımı için telafi faktörüdür, V, girinti hızıdır, t zaman değişkenidir ve t _R, rampa zamanıdır.

Sonuçlar

MRE protokolünü takiben, jelatin fantomlarında 40 ve 50 Hz'de net bir kesme dalgası yayılımı gözlendi (Şekil 3). MRE'den ölçülen viskoelastik özellikler ve girinti testleri Şekil 4'te gösterilmiştir. Her hayalet için her testte tahmini G' ve G" değerleri Tablo 2'de özetlenmiştir. Girinti protokolünü takiben, her bir test noktasındaki her hayaletin viskoelastik özellikleri Tablo 3'te özetlenmiştir.

<...

Tartışmalar

Jelatin hayaletler, algoritmaların ve cihazların^test edilmesi ve doğrulanması için doku taklit edici malzemeler olarak yaygın olarak kullanılır 17,19,22,23,24,25,26,27. MRE ve dinamik kesme testini karşılaştırmak için jelatin fantomunu kullanan...

Malzemeler

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