Name: manufacturing abdominal aorta hydrogel tissue-mimicking phantoms for ultrasound elastography validation
Uploaded: 2018-09-19T13:30:00
Duration: 9 min 32 s
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这项工作得到国家卫生研究院促进转化科学中心的支持。UL1 TR000042 和国立卫生研究院生物医学影像和生物工程研究所通过奖励号。R21 EB018432。

1. 从 NIH 3D 打印交换下载 STL 模型
<ol><li>导航到 nih 3D 打印交换 (3 dprint, nih) 和在搜索条目类型模拟动脉瘤主动脉幻像模具, 并按 enter 键。</li>
	<li>在随后从搜索返回的列表中, 找到模型 " 3 dpx-009210", 然后单击该项。</li>
	<li>单击 "下载" 按钮, 然后单击从下拉列表中模拟的动脉瘤主动脉幻像模具. zip文件下载此文件。</li>
	<li>双击下载的文件将其解压缩并存储生成的文件 (InnerDistSTL、InnerProxSTL、OuterAntSTL、stl、BackgroundMoldSTL、stl 和 SampleMoldSTL. stl) 到在步骤 2.1-2.7 中用于3D 打印的计算机。 注意: 您可以另外下载步骤1.4 中列出的每个文件。</li>
</ol>2. 模具3D 打印
<ol><li>打开3D 打印机接口软件, 然后使用 "连接" 按钮连接到打印机。</li>
	<li>将下载的 stl 文件OuterAntSTL (图 1a, 蓝色) 导入到3D 打印软件中。在3D 打印软件中, 选择 "编辑" 按钮, 然后单击 "旋转" 菜单, 然后单击 " X"、" Y" 或 " Z " 按钮, 将与模具外部平行的长轴与打印床对齐, 以调整模具部件的方向。面对打印床。单击 "保存" 按钮, 然后单击 "打印" 按钮, 并在单个挤出机上使用聚乳酸 (PLA) 塑料灯丝打印模具部件。</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57984/57984fig1.jpg"> 图 1: CAD 表示幻影, 背景和样品模具.(a)-(b) 3D. 容器模具的 CAD 图像和装配零件的方向。显示了注册间隔 (i)、针脚 (ii)、孔 (iii) 和填充孔。(c) 内腔的绘制, 突出内容器尺寸。(d) 样品模具的 CAD 绘制。(e) CAD 渲染背景幻影模具。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57984/57984fig1large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本.</a>
<ol start="3"><li>对OuterPostSTL文件重复步骤 2.2 (图 1a, 红色)。</li>
	<li>按照步骤2.2 中的相同过程, 将 stl 文件InnerDistSTL (图 1a, 白色) 导入到3D 打印软件中, 然后选择 "编辑" 按钮, 然后在 "旋转" 菜单中单击X、 Y或Z按钮, 使长轴垂直于打印床, 并使注册 pin (i) 与打印床接触。单击 "保存" 按钮, 然后单击 "打印" 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。 注意: 不要用支持结构打印此部件。请勿对此打印部件使用30% 以上的加密。</li>
	<li>将 stl 文件SampleMoldSTL (图 1d) 导入到3D 打印软件中。选择 "编辑" 按钮, 然后在 "旋转" 菜单中单击 " X"、" Y" 或 " Z " 按钮以对齐部件, 使模具内部从打印床上朝上。单击 "保存" 按钮, 然后单击 "打印" 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。 注意: 不要用支持结构打印此部件。打印3或更多样品模具。</li>
	<li>将 stl 文件BackgroundMoldSTL (图 1e) 导入3D 打印软件。选择 "编辑" 按钮, 然后在 "旋转" 菜单中单击X、 Y或Z按钮以对齐零件, 使模具的底部 (即气缸的闭合端) 朝向打印床。单击 "保存" 按钮, 然后单击 "打印" 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。 注意: 不要用支持结构打印此部件。</li>
	<li>将 stl 文件InnerDistSTL (图 1a, 黄色) 导入到3D 打印软件中。选择 "编辑" 按钮, 然后在 "旋转" 菜单中, 单击X、 Y或Z按钮对齐零件, 使长轴垂直于打印床, 分岔定位销 (i) 正面临打印床。单击 "保存" 按钮, 然后单击 "打印" 按钮, 然后在单个挤出机上使用聚乙烯醇 (PVA) 塑料灯丝打印模具部件。</li>
	<li>从步骤 2.1-2.7 的3D 打印部件中删除所有支持材料 (图 2a)。 注意: 如果不影响模具组件, 则不必从外部模具部件中删除支持结构。</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57984/57984fig2.jpg"> 图 2: 容器幻模总成和最终容器幻影.(a) 内、外流明模具的最终印刷模具。内腔的远端印在可溶解的 PVA 塑料中, 并用可变形蜡附着在内腔模的近端。(b) 附着在外腔模注射口和注射器塞子上的油管。(c) 柔性密封胶喷涂后的内腔模。(d) 在硬动脉瘤幽灵中加入 PVA-c (染红) 的外腔模具和内腔模凸侧的组装。(e) 全套容器模具组装和夹紧。(f) 适用于外腔模接缝处的可变形蜡, 以防止 PVA-c 从模具中泄漏。(g) 5 冻融循环后的最终 PVA-c 幻影, 并从模具中去除。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57984/57984fig2large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本.</a>
3. 水凝胶的制备
<ol><li>在玻璃烧杯中, 将22.2 克聚乙烯醇-c 粉混合在200毫升的自来水中 (10% 的质量)。微波溶液煮沸和搅拌。重复这一步骤, 直到所有 PVA 粉末被溶解, 溶液呈半透明状。</li>
	<li>将0.4 克碳酸钙粉末 (0.2% 质量) 悬浮在10毫升水中, 并从步骤2.1 中加入溶液, 作为超声波散射。完全混合。覆盖溶液, 让它冷却到室温 (RT)。 注意: 对于齐次幽灵跳到步骤3。5</li>
	<li>将17.6 克 PVA-c 粉混合在100毫升的自来水中 (15% 按质量或所需) 在单独的玻璃烧杯中。微波溶液煮沸和搅拌。重复此步骤, 直到所有 PVA 粉末溶解, 溶液呈半透明状。</li>
	<li>在5毫升水中悬浮0.4 克碳酸钙粉 (0.2% 质量), 并从步骤2.3 中加入溶液。完全混合。覆盖解决方案, 让它冷却到 RT。</li>
	<li>将183.7 克 PVA-c 粉混合在3.5 升的自来水中 (5% 按质量) 在一个单独的大锅里。把溶液煮沸并搅拌。一旦 PVA 粉溶解, 溶液呈半透明状, 从热中取出锅。</li>
	<li>在10毫升水中悬浮7.4 克碳酸钙粉 (0.2% 质量), 并从步骤2.5 中加入溶液。完全混合。覆盖解决方案, 让它冷却到 RT。</li>
</ol>4. 模具装配
<ol><li>将挠性油管的大约100毫米附加到外腔模的注射口。在油管的另一端, 附上旋塞阀与注射器连接 (图 2b)。</li>
	<li>对齐内腔模具的定位销, 使用可变形蜡, 将内腔模具的胀形容器部分粘附到内腔模的直容器部分。</li>
	<li>在通风良好的区域, 对内腔模的动脉瘤端应用喷涂柔性橡胶涂层, 以防止水凝胶在成型过程中溶解 PVA 模具部分 (图 2c)。 注意: 对于齐次幽灵跳到步骤4.6。</li>
	<li>当外模的动脉瘤部分的较大一侧朝下时, 用步骤 3.3-3.4 (图 2b) 中创建的解决方案的15毫升填充凸起。将装配的内模零件放置在前外模具部件中 (图 2d)。使用橡皮筋将内腔部分放置到位。 注: 在图 2中, 聚乙烯醇 c 被染成红色以供能见度。</li>
	<li>将模具组件冻结在-20 摄氏度冷藏柜中12小时, 然后从冰箱中取出。移动到步骤 4.6, 而不让模具组件中的解决方案解冻。</li>
	<li>在等待模具冻结时 (步骤 4.4), 将大量可变形蜡应用于打印样品模具的后表面, 并将其夹紧至平面塑料薄板, 其尺寸约为100毫米, 由60毫米降至10毫米 (图 3a)。用在步骤4.3 中使用的相同 PVA 溶液填充模具和塑料板之间的空间。将样品模冻结在同一个冰柜 (-20 °c), 作为容器模具在步骤4.4。</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57984/57984fig3.jpg"> 图 3: 样品模具和最终样品和背景幽灵.(a) 夹持样品模和透明塑料片。PVA-c 被倒入样品模具, 气泡被允许表面。(b) 在最终冷冻/解冻周期之后的聚乙烯醇 c 样品。(c) 实验美国成像装置的幻影连接到模拟器泵和放置在后台 PVA-c 幻影。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57984/57984fig3large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本.</a>
<ol start="7"><li>在图 1a和1b (图 2e) 中显示的方向装配和夹紧整个容器模具。使用可变形蜡来线外腔模具的接缝, 以确保水凝胶在注射过程中不会漏出 (图 2f)。</li>
	<li>用步骤3.1 和3.2 中所做的聚乙烯醇 c 溶液填充60毫升注射器。随着模具的分岔端, 将 PVA-c 溶液注入到模具组件中, 避免了注入溶液中的气泡。 注: 如果在注射过程中发生任何泄漏, 暂停注射和修补漏区与可变形蜡。重复注射器注射, 直到 PVA-c 溶液填充模具。</li>
	<li>允许模具坐30分钟, 轻轻敲击模具每10分钟, 使任何气泡上升到模具的顶部。重复注射器注射, 如果需要, 以顶出模具。将整个模具组件冻结12小时, 然后从冰箱中取出。允许模具组件在 RT 上解冻12小时。</li>
	<li>在等待模具冻结 (步骤 4.8), 组装和夹具另一个样品模具和平板塑料板切割, 如步骤4.5 所述 (图 3a)。用在步骤4.7 中使用的相同 PVA 溶液填充模具和塑料板之间的空间。冷冻和解冻的样品模具在同一冷冻机 (-20 °c), 并同时作为容器模具在步骤4.8 和样品模具的步骤4.5。</li>
	<li>冻结和解冻的容器模具和两个样品模具从步骤 4.5, 4.8 和4.9 四次, 总共五 24-小时冻结/解冻周期。5冷冻/解冻循环后, 从其模具中取出聚乙烯醇 c 试样 (图 3b)。从样品中修剪任何多余的 cryogel, 并将其储存在5% 的密封容器中, 通过在 RT 上的容积漂白剂/水溶液。</li>
	<li>从外腔模中取出聚乙烯醇 c 容器。小心地将内腔模的直血管部分与动脉瘤部分分开, 从聚乙烯醇 c 容器中取出。从内腔模的动脉瘤部分的分岔端切开定位垫片, 以暴露 PVA 丝的印花。在 RT 的水浴中放置, 以溶解 PVA 动脉瘤部分。 注: 这可能需要24小时以上, 但是, 增加温水浴可能加快溶解过程。</li>
	<li>在溶解和去除容器幻影内的 PVA 印刷部分后, 将幻影储存在5% 的密封容器中, 经 RT 的容积漂白剂/水溶液。</li>
	<li>在步骤3.5 和3.6 中, 用约3.3 升的 PVA-c 溶液填充背景模具。冻结 (-20 °c) 的背景模具为12小时, 并从冰箱中删除。允许模具在 RT 上解冻12小时, 并重复2个冻/解冻循环。</li>
	<li>在步骤4.13 的同时, 用相同的 PVA-c 溶液在步骤4.13 中填充样品模具组件, 并将其通过与背景模具相同的冷冻/解冻样品。</li>
	<li>在2和解冻后, 删除的背景样品和背景幻影从他们的模具, 并存储在一个密封容器的5% 通过容积漂白剂/水溶液在 RT。</li>
</ol>5. 幻影和样品测试
<ol><li>将船只幻影和背景幻影放入一个大的水浴。使用油管夹 (图 3c) 将较大的容器端与血流动力学水泵42、43的输出连接。将容器幻影放置在背景幻影中, 然后用油管钳将幻像的分叉端连接到进气道流动力学泵。</li>
	<li>将固态压力传感器导管放置在血管和泵浦附近的水泵系统中。运行血流动力学泵, 使墙体变形的压力最小为0帕和最大7.5 帕 (图 4a)。</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57984/57984fig4.jpg"> 图 4: 成像协议.(a) 在幻影成像装置期间测量的压力剖面。(b) 具有代表性的 b 型幽灵在最小压力下的图像。(c) 最大压力下的 B 型模式。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57984/57984fig4large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本.</a>
<ol start="3"><li>使用超声波 (美国) 系统和一个大约5兆赫的中心频率的凸传感器, 收集我们的背景和船只幽灵在最大船只直径位置的剖面上的图像 (图 4b和4c).使用数字采集系统记录压力数据 (图 4a)。 注意: 在这个步骤中执行图像采集的详细信息可以在混合 et44中找到。</li>
	<li>采用基于非刚性图像配准技术的混合等方法得到位移估计。44. 从二维 (2D) 位移场的测量 (ui(x)), 计算2D 应变张量场 (ε (x)), 通过计算梯度的对称部分位移场: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57984/57984eq1.jpg">
</li>
	<li>然后, 利用以下方程计算最大主应变 (εp) 作为应变张量场的最大主分量: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57984/57984eq2.jpg">
</li>
	<li>最后, 在峰值压力下确定主应变的帧, 并将该应变张量场除以最大和最小导管测量压力 (图 4a), 或脉冲压力 (PP), 以空间解析压力归一化原理应变(ε/PP)。</li>
</ol><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57984/57984fig5.jpg"> 图 5: 压力归一化应变图像.压力归一化应变 (εp/PP) in%/人民军的代表性图像测量在容器内为同类10% 由质量容器幻影 (a) 和异类幽灵以15% 按质量 (b), 20% 由质量和25% 由质量前动脉瘤部分 (容器顶部)。这个数字已被修改从混合等。44.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57984/57984fig5large.jpg" target="_blank">请点击这里查看这个数字的更大版本.</a>

作者没有什么可透露的。

本文提出了一种制造组织仿幽灵的技术, 用于检测弹性成像或弹性图像算法。CAD 和3D 打印的联合使用可以有效地设计复杂几何图形的主动脉仿幽灵, 包括动脉瘤状突起。幻影的创作是在4步内完成的;1) 设计的幻像几何, 2) 印刷的幻影模具零件, 3) 混合的 cryogel 解决方案, 最终会模仿的超声特性和机械性能的幻影容器和 4) 浇注/注射的 cryogel溶液进入模具, 将 PVA-c 与冻融循环, 并从模具中去除幻影。在步骤1中获得的模具设计中, CAD 的使用允许一种简单的方法来精确地修改幽灵的几何形状。模具零件的印刷目前大约需要5-8 小时, 这取决于印刷的大小, 因此可以很容易地作出反复修改模具。
在步骤3中, cryogel 解决方案被创建来模拟血管, 动脉瘤和背景组织与碳酸钙粒子模仿美国分散的组织。如果钙粒子从混合物中沉淀出来, cryogel 溶液应在使用前搅拌。cryogel 的混合物的精确浓度将决定幽灵的最终机械性能。因此, 重要的是要创建独立的样本, 每个解决方案所使用的幽灵船和背景。虽然不属于协议的一部分, 但应通过单轴拉伸试验获得对试样弹性模量的独立测量。对10%、15%、20% 和25% 个在代表性结果中产生的幽灵的 PVA-c 样品进行独立的机械测试, 分别测量了 17.4 "1.0"、48.3 帕、5.7 帕、95.1 帕0.4 人民军和170.0 帕4.1 人民军的剪切模量。
步骤4是创建这些幽灵最关键的一步。虽然注册针脚已到位, 以保持模具部件相对于其他的适当位置, 但重要的是要确保模具部件在成型过程中不分离。因此, 使用夹具来保持模具。步骤4最重要的考虑因素是, 在第一次冻融循环之前, 尽量减少被困在模具中的气泡。在第一次冻融循环后, 拆卸外模一侧并检查幻影, 以确保其正确形成, 通常是有益的。这可以节省浪费时间, 把一个 "坏" 的幻影通过额外的周期。一旦幻影已经完全从模具中删除, 它可以储存在水中几个星期继续使用。
在这项工作中开发的 PVA-c 幽灵是为了特别模仿主动脉组织的超声和材料刚度而创建的。使用聚乙烯醇 cryogel 允许更广泛的可能的机械刚度, 更好地模仿的变化材料性质的主动脉组织相比, 更多的橡胶像材料33,34。此外, 使用水凝胶和投资铸造更好地捕捉铸造橡胶的声学性能或直接3D 印刷材料33,45。在第一次冻融循环之前, 一些气泡会被困在我们的模子里。这可能会导致幻影中的空隙, 导致物质缺陷或声学工件。因此, 建议在第一次冻融后将幽灵从模具中检查出来, 以确定该过程是否应该重新启动。此外, 作者还发现, 内模有时可以在冻结的幽灵动脉瘤部分。如果发生这种情况, 上述协议的一个修改将是创建一个3D 打印, 或以其他方式设计的部分, 以牢固地持有内腔模具到前外模具冻结本节。作者发现, 使用外模后侧和5毫米间隔之间的后外模和内模工作很好, 为此目的。
在这里开发的幻影是研究动脉瘤直径变化的影响, 和腔壁厚度或潜在的血栓存在的组织通过编辑原始 CAD 文件。然而, 以前的工作也表明, 这种制造技术可以修改, 以产生病人特定的幻像几何使用计算机层析图像和分割软件, 而不是 CAD 设计, 以创建3D 打印幻影模具44. 这里显示的结果表明, 该算法能够可视化的机械特性的制造变化的幻影部分。应该指出的是, 尽管这些幽灵被用来测试基于美国的成像技术, 但它们也与核磁共振和计算机断层成像系统兼容, 而且它们也可以超出弹性成像的目的, 用于广泛新的成像技术和方式的范围。

腹主动脉瘤 (AAA) 是主动脉分叉1附近发生的主动脉的焦点放大。AAA 形成的确切原因是未知的, 虽然许多理论认为发病机制是多因素, 与遗传, 行为, 血流动力学和环境因素贡献2,3。虽然可以利用非侵袭性成像技术对腹主动脉瘤进行诊断, 但对患者特异性破裂风险的预测并不像4、5、6那样精确。手术修复可以降低主动脉破裂的风险, 但主动脉的手术修复则伴有发病率和死亡率的高7。目前的手术方法是使用 "最大尺寸标准", 或最大绝对直径的动脉瘤, 以预测病人的破裂风险。不幸的是, 已经建立了一个动脉瘤仍然破裂, 在临床上可以接受手术修复的大小, 这意味着任何大小的动脉瘤患者有破裂的风险8,9,10,11,12,13. 此外, 据了解, 关于破裂风险的历史报告可能过度估计真正的破裂风险, 这意味着许多患者在没有受益13的情况下面临手术风险。需要更准确地评估患者特定的破裂风险, 以帮助分层病人在手术动脉瘤修复中的风险-收益率。
结果表明, 在确定断裂电位时, AAA 内的空间应力分布具有重要意义, 可能比最大直径14、15、16、17更佳。,18. 最近关于 AAA 破裂力学的研究大多使用 X 射线计算机断层扫描 (CT) 图像中的分段几何, 以及在体内测量的主动脉组织的平均机械性能.将有限元模型用于预测容器壁应力14、15、16、17、18。然而, 由于机械性能是在组织切除后确定的, 目前尚不清楚结果模型是否准确地描述了导致体内患者特定的压力。这些研究通常假设均质血管壁材料的性质和不占高度异构结构的主动脉壁和血栓19,20,21,22 ,23,24,25。
超声弹性成像用于临床诊断和监测各种疾病病理26。这种技术提供了一种非侵入性的方法来审问软组织的物理相互作用。血管美国弹性成像已被用作辅助成像方式的临床美国评估的筛选和监测科学促进会。这些技术的结合提供了几何信息, 如直径和长度, 以及机械数据, 如相对刚度和刚度变化。虽然许多弹性成像技术需要外部负荷来诱发可测量的组织变形, 但在这里测量的组织运动是由跳动的心脏引起的主动脉压力的变化引起的。许多方法已经发布到空间解决变形血管的应变场, 但是, 这些方法的验证研究仅限于人类患者, 动物模型, 或活体组织样本27,28 ,29,30,31,32。到目前为止, 很少的方法允许创建具有空间变化的材料属性27,29的自定义几何图形。
在这里, 我们提出了一个方法, 制造我们兼容, 组织模仿幽灵, 可根据各种相关的主动脉几何和材料属性, 以验证美国弹性成像技术。虽然以前的小组已经能够设计复杂的几何幽灵, 以模仿 AAA 几何使用3D 印刷技术33,34, 可打印橡胶是已知有一个高衰减给我们, 并没有手段, 以后来他们的材料性能。幽灵是由聚乙烯醇 cryogel (PVA c), 它以前被证明是理想的模拟血管组织性质35。这些幽灵可以在美国使用, 核磁共振和 elastographic 成像36,37,38。主动脉瘤的几何设计类似于 Vorp 的模拟模型. 14. 该船的公称直径为22.5 毫米, 动脉瘤隆起为64毫米突起长, 直径47毫米, 偏心 (β = 0.6)14到幻影的前侧。最后一节模拟髂分岔的远端直径为15毫米。幻像被选择为有一个恒定的厚度约5毫米. 拉加万等人在一项小研究中报道说, AAA 的血管厚度从 0.23-4. 26 毫米不等, 中间值为1.48 毫米39。在这一光谱的更大的一端的公称容器厚度是在这里选择的制造关注的期望, 改进的3D 印刷技术将提高最低的幻影厚度, 可以塑造。幻影模具设计的 CAD 和3D 打印使用商用打印机和灯丝。
该模具注射填充 pva-c 溶液, 并受到一系列的冻/解冻循环 (-20 °c 和 + 20°c), 以交联聚乙烯醇-c 聚合物和聚合凝胶。通过改变聚乙烯醇-c 凝胶的浓度或冻融循环的数量来控制 pva-c 的弹性模量。所需的幻影的动脉瘤部分需要从容器内腔中去除。这是通过使用聚乙烯醇, 3D 打印机灯丝 (PVA) 完成。虽然在化学上类似 pva-c 粉, pva 灯丝不聚合, 当冻结, 并因此, 可以在水中溶解后, 聚乙烯醇 c 已设置。额外的样品模具印刷, 以创建拉伸测试标本, 在 "狗骨" 的配置, 具有相同的 PVA-c 浓度。这些模具经历相同的冻结/解冻循环, 并用于拉伸试验, 以独立测量的弹性模量的幻影部分。用较软的 PVA c 制作了背景材料, 用于模拟腹腔40、41的组织。这个背景幻影是制造为一个均匀的轴对称圆筒形管以 4 cm 内径, 16.5 cm 外径和长度 16.5 cm。它是由 5% PVA 溶液制成的, 总承受两个冻融循环。
最后的 AAA 幽灵被放置在背景幻影和连接, 通过管配件和夹具, 一个血流动力学水泵设计, 以变形的幽灵与生理循环流动和压力。泵的速度设定为大约6-7 帕压力脉冲, 速度约为1赫兹. 收集了变形幽灵的超声波图像序列, 计算了压力归一化应变, 以确定空间上的差异。各种机械性能。给出了容器区域内压力归一化应变图像的代表性结果。相对于均匀的幻像, 在更强的异质幽灵的归一化应变中, 区域差异不断增大, 证明了血管刚度的差异和测量的能力。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:983px;" width="982">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">PLA filament</td>
			<td style="width:369px;">MatterHackers, MatterHackers.com</td>
			<td style="width:179px;">MEEDKTKU</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">PVA filament</td>
			<td style="width:369px;">MatterHackers, MatterHackers.com</td>
			<td style="width:179px;">M4MJTECR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">LeakSeal</td>
			<td style="width:369px;">RPM International Inc., Rustoleum.com</td>
			<td style="width:179px;">265495</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:268px;">Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30)</td>
			<td style="width:369px;">DowDuPont Inc., ChemistryStore.com</td>
			<td style="width:179px;">SKU: 81015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Calcium Carbonate Powder</td>
			<td style="width:369px;">greenwaybiotech.com via amazon.com</td>
			<td style="width:179px;">Amazon: B00HFFCBYQ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:268px;">Tacky Wax</td>
			<td style="width:369px;">bards.com via amazon.com</td>
			<td style="width:179px;">Bards: BB759 
			Amazon: B016KBDYRS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Rostock max 3D Printer</td>
			<td style="width:369px;">SeeMeCNC, seemecnc.com</td>
			<td style="width:179px;">SKU: 84459</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Onshape CAD software</td>
			<td style="width:369px;">OnShape, onshape.com</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Mattercontrol printer software</td>
			<td style="width:369px;">MatterHackers, MatterHackers.com</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:268px;">Mikro-Cath pressure catheter and device</td>
			<td style="width:369px;">Millar, Inc., millar.com</td>
			<td>4501016/B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">BNC digital acquisition</td>
			<td>National Instruments Corporation, ni.com</td>
			<td style="width:179px;">NI USB-6251 BNC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">clear cast acrylic sheet</td>
			<td align="left">mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com</td>
			<td>8560K274</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:268px;">Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile</td>
			<td style="width:369px;">Cole-Parmer, coleparmer.com</td>
			<td style="width:179px;">EW-30600-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock)</td>
			<td style="width:369px;">Cole-Parmer, coleparmer.com</td>
			<td style="width:179px;">EW-07945-28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader</td>
			<td>Tekton, Inc., www.tekton.com</td>
			<td style="width:179px;">39181</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Tygon PVC Clear Tubing</td>
			<td align="left">mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com</td>
			<td>6516T53</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">MTS Qtest Q/5</td>
			<td style="width:369px;">MTS Systems Corperation, www.mts.com</td>
			<td style="width:179px;">4501016</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">MTS 5N Load Cell</td>
			<td style="width:369px;">MTS Systems Corperation, www.mts.com</td>
			<td style="width:179px;">4501016/B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:268px;">Abaqus FEA</td>
			<td style="width:369px;">Dassault Syst&#232;mes, 3ds.com</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

manufacturing abdominal aorta hydrogel tissue-mimicking phantoms for ultrasound elastography validation

超声 (美国) 弹性成像是一种辅助成像技术, 它利用序列的美国软组织图像来测量组织运动, 推断或量化潜在的生物力学特征。对于腹主动脉瘤 (AAA), 生物力学特性, 如组织的弹性模量变化和估计的组织压力可能是必要的评估需要的手术干预。腹主动脉瘤美国弹性成像可能是一个有用的工具, 以监测 AAA 进展, 并确定变化的生物力学性质的特点, 高危患者。
美国 AAA 弹性成像技术发展的一个初步目标是使用已知材料属性的物理相关模型验证该方法。在这里, 我们提出一个过程, 生产的 AAA 组织模仿幽灵与物理相关的几何和空间调制材料的性质。这些组织幽灵的目的是模仿美国的性质, 材料模数, 和几何的腹主动脉瘤。组织幽灵是使用聚乙烯醇 cryogel (PVA c) 和模压使用3D 印刷零件创建使用计算机辅助设计 (CAD) 软件。通过改变 PVA-c 的浓度和改变用于聚合 cryogel 的冻融循环的数量来控制幽灵的模数。AAA 幽灵连接到血流动力学泵, 设计, 以变形的幽灵与生理循环压力和流动。变形幽灵的超声波图像序列允许对压力归一化应变的空间计算和容器壁力学性能的辨识。给出了压力归一化应变的代表性结果。

模拟幽灵的船只的代表性 B 型图像显示的最小和最大压力测量的导管 (图 4B和4c, 分别)。压力正常化的应变 (εp/PP) in%/人民军为四种不同的制造幽灵 (图 5)。图 5a显示被测量的压力规范化的应变在一个同类的幽灵之内制造以10% 由质量 PVA-c 解答。在幻影的后季度 (图像底部) 内测量的平均应变与前季平均应变的比值为0.92。图 5b显示了一个幻影, 其中的幽灵的动脉瘤部分制造了15% 的质量 pva-c 溶液和其余的幻影是使用10% 的质量 pva-c。该幻影的后向前应变比被发现为1.87。图 5c显示20% 的异质性幻像的εp/PP, 其后向前应变比为4.23。图 5d显示25% 的异质性幻像的εp/PP, 其后向前应变比为7.37。
结果表明, 腹主动脉幽灵是由复杂的几何形状和空间变化的材料性质造成的。幻影几何的设计, 或者更具体地说, 幻影模具是使用计算机软件来完成的, 这有助于幻像几何的改变 (图 1a和1b)。模具可以很容易地3D 印刷和组装, 复杂的模具几何可以打印使用 PVA 灯丝和删除, 类似的消失蜡铸造技术。最后的容器幽灵可以动态加压, 并在大负荷下稳定 (图 4a)。幽灵与超声成像 (图 4b和4c) 兼容, 具有模仿腹主动脉刚度的材料特性。应变图的前后区应变比的变化表明, 这些区域具有不同的材料性质 (图 5), 对样品的独立机械测试量化了它们的精确值。各自的剪切模数。

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Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation

在这里, 我们描述了一个方法来制造动脉瘤, 主动脉组织模拟幽灵用于测试超声弹性成像。计算机辅助设计 (CAD) 和3维 (3D) 印刷技术的结合使用可预测的、复杂的几何形状产生主动脉幻影, 以验证 elastographic 成像算法的控制实验。

超声弹性成像验证腹主动脉水凝胶组织模拟幻影的研制

Ultrasound (US) elastography, or elasticity imaging, is an adjunct imaging technique that utilizes sequential US images of soft tissues to measure the ...

该方法通过无创地模拟具有复杂几何形状和空间变化材料特性的临床相关血管，帮助评估血管超声弹性成像领域固有的算法。该技术的主要优点是，它建立了一种方法，以容易制造组织模仿幻影与可调几何参数以及空间变化的机械性能。这种制造技术可以增强我们诊断腹部主动脉瘤的能力，方法是验证一种测量疾病固有的不断变化的机械特性的方法。演示程序，将是卢克·西布尔斯基，一个技术员从我的实验室。要准备水凝胶，将22.2克PVA-c粉末混合在200毫升自来水中，在玻璃烧杯中，将溶液微波煮沸。然后再次搅拌并煮沸溶液，直到所有PVA溶解。接下来，将0.4克碳酸钙粉悬浮在10毫升水中，将碳酸钙悬浮液作为超声波散射剂彻底混合到PVA溶液中。然后，盖住冷却至室温的溶液。在另一杯烧杯中，用 100 毫升自来水中 17.6 克 PVA-c 粉末制作另一个 PVA-c 溶液，煮沸和搅拌，直到溶液清澈。然后在第二个PVA-c溶液中加入0.4克碳酸钙粉，加入5毫升水超声散射器悬浮液。将最终的 PVA-c 溶液与 193.7 克 PVA-c 粉末和 3.5 升自来水混合在一个大锅中，使溶液沸腾，一旦 PVA 完全悬浮在溶液中，即可将溶液从热中取出。然后将7.4克碳酸钙粉加入10毫升水悬浮液中，使溶液冷却至室温。要组装模具，请将大约 100 毫米柔性管的一端连接到外流明模具的喷射口，并在另一端将带注射器连接的停止旋塞旋塞连接到另一端。使用可变形蜡，对齐内流明模具的注册销，将内流明模具的凸起容器部分粘附到内流明模具的直容器部分。在通风良好的区域，在柔性橡胶涂层上喷洒内流明模具的动脉瘤端，以防止水凝胶在成型过程中溶解PVA模具部件。外部模具动脉瘤部分的较大侧朝下，用 17.6 克 PVA-c 溶液填充 15 毫升凸起，并使用橡皮筋将组装的内模部分放在前外部模具部件中，以固定内流明部分。然后将模具总成放在零下 20 摄氏度的冰柜中 12 小时。同时，在印刷样品模具的背面涂抹大量可变形蜡，将样品模具夹紧到平面塑料片上，尺寸最小约为 100 倍 60 分 10 毫米。然后，用 17.6 克 PVA 溶液填充模具和塑料板之间的空间，将模具放在零下 20 摄氏度的冰柜中。在不让第一个模具组件中的溶液解冻组装和夹紧整个容器模具衬里外流明模具的接缝与可变形的蜡，以确保水凝胶不会泄漏在注射过程中。用 22.2 克 PVC 溶液填充 60 毫升注射器，并按住模具的分叉端，将 PVA-c 溶液注入模具组件。让新建的模具每 10 分钟轻轻敲击 30 分钟，让任何气泡上升到模具顶部。然后，冻结整个模具总成 12 小时。同时，组装和夹紧另一个样品模具和扁平塑料板切割，如所示，用22.2克PVA溶液填充模具和塑料板之间的空间，并冻结模具12小时。在冷冻孵育结束时，在室温下解冻两个模具12小时，然后进行4个24小时冷冻和解冻循环。在第五个冷冻解冻循环后，从模具中取出PVA-c测试样品，并修剪样品中多余的低温凝胶，在室温下通过体积漂白水溶液储存在密封容器中，容器内储存百分之五。接下来，从外流明模具中取出PVA-c容器，小心地将内流明模具的直容器部分从动脉瘤部分分离。然后从内流明模具的动脉瘤部分的两叉端切割注册空间，以暴露印刷的PVA灯丝，并在室温下将PVA打印部分放在水浴中，溶解PVA动脉瘤部分。溶解并取出容器内侧PVA打印件后，在室温下将幻象存放在密封容器中，密封容器内有5%的体积漂白水溶液。用约 3.3 升 183.7 克 PVA-c 溶液填充背景模具，用 183.7 克 PVA-c 溶液填充样品模具，并冻结和解冻背景模具和样品模具两个 24 小时周期。第二次解冻后，从模具中取出背景样品和背景幻像，并在室温下通过体积漂白水溶液将其存放在新鲜 5% 的密封容器中。为了测试幻象和样品，请将容器和背景幻象放入大型水浴中，并使用管夹将较大的容器端连接到血液动力泵的输出。将容器幻象放在背景幻像中，并使用管夹将幻像的分叉端连接到进气泵。将固态压力传感器导管放在容器端泵系统靠近血动力泵入口的位置，并运行血动力泵，使 Walde 层的压力介于最小零千帕和最大 7.5 千帕之间。然后使用超声波系统和中心频率约为 5 兆赫的凸传感器，在最大容器直径位置收集横截面背景和容器幻象的超声波图像，并使用数字采集系统记录压力数据。此处，以 B 模式图像表示，模拟幻象的导管测量的最小和最大压力。在此制造的幻象中，在幻象的后四分之一内测量的平均压力规范化应变与前一季度的平均应变的比值为 0.92。在这个制造的幻象中，幻象的动脉瘤部分是由质量PVA-c溶液的15%，而幻象的其余部分是使用质量PVA-c的10%制造的，后应变和前部应变的比例确定为1.87。在这里，异构幻象以20%的质量PVA-c生成，后前应变比为4.23，而质量PVA-c异质幻象的后位为25%，则表现出后前应变7.37。如所证明，最终的船舶幻像可以动态压力，并在大负载下保持稳定。在尝试此制造工艺时，保持所有模具部分的注册非常重要。如果模具部件未正确安装，则可能导致容器壁的薄部分。使用聚乙烯酒精低温凝胶可以模拟各种刚度值，以模拟血管不断变化的材料特性。按照本程序所示的技术，可以使用类似的 CAD 模具或患者特定的容器增强 CT 图像创建和测试其他幻象几何。这里开发的低温凝胶幻象是专门为超声波成像而设计的，但是，它们还与磁居和计算机影像成像系统兼容，可用于验证各种成像技术。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Magnetic Resonance Elastography Methodology for the Evaluation of Tissue Engineered Construct Growth

磁共振弹性成像方法评价组织工程构造增长

Traditional mechanical testing often results in the destruction of the sample, and in the case of long term tissue engineered construct studies, the use ...

科研

生物工程

Cultivation of Human Neural Progenitor Cells in a 3-dimensional Self-assembling Peptide Hydrogel

在三维自组装多肽水凝胶的人类神经祖细胞的培养

The  influence of 3-dimensional (3D) scaffolds on growth, proliferation and finally  neuronal differentiation is of great interest in order to find new ...

Manufacturing Devices and Instruments for Easier Rat Liver Transplantation

大鼠肝移植更容易的制造设备和仪器

Orthotopic rat liver transplantation is a popular model, which has been shown in a recent JoVE paper with the use of the "quick-linker" device. This ...

Construction of a Preclinical Multimodality Phantom Using Tissue-mimicking Materials for Quality Assurance in Tumor Size Measurement

幻影使用肿瘤尺寸测量的质量保证组织模仿材料的潜伏期多模工程

World Health Organization (WHO) and the Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST) working groups advocated standardized criteria for ...

Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink

生物印刷细胞化构造使用组织特异性水凝胶生物油墨

Bioprinting has emerged as a versatile biofabrication approach for creating tissue engineered organ constructs. These constructs have potential use as ...

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

用原位滞后测量进行磁畴成像的优化设置和协议

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps ...

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

一种简便快速制备磁响应元件的水凝胶基微型机械的添加剂制造技术

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...

Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

含有宏观结构的光学组织幻影的制备与表征

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

基于琼脂糖组织模拟光学幽灵的漫反射光谱研究

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a ...

Fabricating a Kidney Cortex Extracellular Matrix-Derived Hydrogel

肾皮质细胞外基质衍生水凝胶的制备

Extracellular matrix (ECM) provides important biophysical and biochemical cues to maintain tissue homeostasis. Current synthetic hydrogels offer robust ...