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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Diese Arbeit wurde vom National Center für voran translationale Wissenschaften der National Institutes of Health durch Award Nr. unterstützt. UL1 TR000042 und dem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering von den National Institutes of Health durch Award Nr. R21 EB018432.

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieses Papier stellt eine Technik zur Herstellung von Gewebe imitiert Phantome für den Einsatz in testing Elastographie oder Elastizität imaging-Algorithmen. Der kombinierte Einsatz von CAD und 3D Druck ermöglicht effiziente Gestaltung der Aorta imitiert Phantome mit komplexen Geometrien, darüber hinaus röhrenförmigen Phantome, einschließlich aneurysmal Ausbuchtungen. Die Erstellung des Phantoms erfolgt in 4 Schritten; 1 design der phantom Geometrie, 2) Druck von der phantom Formteile, 3) Mischen der Cryogel Lösungen, die letztlich die Ultraschall Merkmale und mechanischen Eigenschaften der phantom Schiffe und (4) Gießen/Injektion von der Cryogel imitieren werden Lösung in die Form setzen die PVA-c mit Frost-Tau-wechseln und Entfernung des Phantoms aus der Form. Der Einsatz von CAD in die bei der Gestaltung der Formen, die in Schritt 1 ermöglicht eine einfache Möglichkeit, genau die Geometrie der Phantome zu ändern. Druck von der Formteile dauert derzeit ca. 5-8 Stunden abhängig von der Größe des Druckes und kann somit leicht für wiederholte Änderungen an den Formen gemacht werden.
In Schritt 3 werden die Cryogel Lösungen geschaffen, um das Schiff, Aneurysma und Hintergrund Gewebe mit Calciumcarbonat Partikel imitiert die US-Streuung des Gewebes zu imitieren. Die Cryogel Lösungen sollte vor dem Gebrauch, wenn die Kalzium-Teilchen aus der Mischung niedergelassen haben gerührt werden. Die genaue Konzentration des Gemisches aus der Cryogel bestimmt die endgültigen mechanischen Eigenschaften der Phantome. Daher ist es wichtig, die unabhängigen Stichproben der einzelnen Lösungen im phantom Schiff und Hintergrund zu erstellen. Obwohl nicht Teil des Protokolls hier, unabhängige Messungen der Elastizitätsmodul der Probe erhalten Sie mit einachsigen Spannung zu testen. Unabhängige mechanische Prüfung der PVA-c Proben für die 10 %, 15 %, 20 % und 25 % Phantome in die repräsentativen Ergebnisse erstellt hatte Schubmodul von 17,4 ± 1,0 kPa, 48.3 ± 5,7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa und 170,0 ± 4.1 kPa bzw. gemessen.
Schritt 4 ist der wichtigste Schritt bei der Erstellung dieser Phantome. Obwohl die Registrierungen Pins, die Formteile in ihre richtigen Position im Vergleich zu den anderen zu halten sind, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Form, die Teile nicht während dem Formprozess trennen. Somit ist die Verwendung von Klammern um die Form zu halten. Die wichtigste Überlegung von Schritt 4 ist in der Form vor dem ersten Frost-Tau-Zyklus eingeschlossenen Luftbläschen zu minimieren. Es ist oft nützlich, eine Seite der äußeren Form zu zerlegen und das Phantom zu überprüfen, nachdem der erste Frost-Tau-Zyklus, um sicherzustellen, dass es korrekt gebildet. Dies erspart Zeit verschwendet, indem einen "schlechten" Phantom durch zusätzliche Zyklen. Nachdem das Phantom völlig aus der Form entfernt wurde, kann es für mehrere Wochen bei fortgesetzter Anwendung in Wasser gespeichert werden.
Die PVA-c Phantome entwickelt in dieser Arbeit wurden geschaffen, um speziell die Ultraschall und materielle Steifigkeit der Aorta Gewebe zu imitieren. Die Verwendung von Polyvinylalkohol Cryogel ermöglicht ein breiteres Spektrum an möglichen mechanische Steifigkeit, um bessere Mimik die ändernden Materialeigenschaften der Aorta Gewebe im Vergleich zu mehr Kautschuk wie Materialien33,34. Darüber hinaus erfasst die Verwendung von Hydrogel und Feinguss besser die akustischen Eigenschaften der gegossenen Beläge oder direkt 3D Drucksachen33,45. Einige Luftblasen können in unsere Formen vor dem ersten Frost-Tau-Zyklus gefangen. Dies kann dazu führen, dass Lücken im Phantom und materielle Schwäche oder akustische Artefakte führen. Daher empfiehlt es sich, inspizieren Phantome aus der Form nach dem ersten Frost-Tausalz-um festzustellen, ob der Prozess neu gestartet werden soll. Darüber hinaus fanden die Autoren, dass die Innenform manchmal während des Einfrierens der aneurysmal Teil der Phantome verschieben kann. In diesem Fall wäre eine Änderung des genannten Protokolls zum Erstellen eines 3D gedruckten oder auf andere Weise gestalteten, teils um die innere Lumen-Form an der vorderen äußeren Form während des Einfrierens von diesem Abschnitt festhalten. Die Autoren haben festgestellt, dass mit der hinteren Seite der äußeren Form und einen 5 mm Spacer zwischen der hinteren äußeren Form und der Innenform gut für diesen Zweck funktioniert.
Das Phantom entwickelt hier ist ideal für das Studium den Einfluss von Veränderungen im aneurysmal Durchmesser und luminalen Dicke oder möglicherweise das Vorhandensein von Thromben im Gewebe durch die ursprünglichen CAD-Dateien bearbeiten. Vorarbeiten hat jedoch auch gezeigt, dass diese Herstellungstechnik kann geändert werden, um Patienten-spezifischen phantom Geometrien mit Computertomographie-Bildern und Segmentierung Software zu produzieren, anstatt CAD-Konstruktion, erstelle ich die 3D gedruckt phantom Formen 44. die hier dargestellten Ergebnisse zeigen, dass der Algorithmus der hergestellten Varianten in den mechanischen Eigenschaften der phantom Abschnitte visualisieren konnte. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl diese Phantome verwendet wurden, um US-amerikanische bildgebende Verfahren zu testen, sie auch mit Magnetresonanz und Computertomographie imaging-Systemen kompatibel sind, können sie auch über den Zweck der Elastizität, imaging, für ein breites verwendet werden Auswahl an neuartige bildgebende Verfahren und Modalitäten.

Abdominale Aortenaneurysmen (AAA) sind fokale Erweiterungen der Aorta, die bevorzugt in der Nähe der Aorta Bifurkation1auftreten. Die genaue Ursache der AAA-Formation ist unbekannt, obwohl viele Theorien besagen, dass die Pathogenese ist multifaktoriell, mit genetischen, Verhaltensstörungen, hämodynamische und ökologischen Faktoren, die2,3. Während die Diagnose einer abdominalen Aortenaneurysma mit nicht-invasiven bildgebenden Verfahren erreicht werden kann, ist die Prognose der Patienten-spezifischen Bruch Risiko nicht als präzise4,5,6. Chirurgische Reparatur kann das Risiko von aortenruptur, aber operative Reparatur der Aorta führt eine hohe Rate von assoziierten Morbidität und Mortalität7. Aktuelle chirurgische Verfahren verwenden die "maximale Größenkriterien" oder absolute Maximaldurchmesser von Aneurysmen, einem Patienten das Risiko einer Ruptur vorherzusagen. Leider wurde auch festgestellt, dass ein Aneurysma noch unter Größen klinisch akzeptabel für die chirurgische Reparatur platzt, was bedeutet, dass Patienten mit einer großen Aneurysma einige Risiko einer Ruptur8,9, tragen 10 , 11 , 12 , 13. Darüber hinaus es ist bekannt, dass historische Berichte der Bruch Risiko wahrscheinlich über Schätzungen des Risikos einer echten Bruch bedeutet, viele Patienten Operationsrisiko ohne nutzen13ausgesetzt sind. Eine genauere Beurteilung des Patienten-spezifischen Bruch Risikos erforderlich, um Schichten des Patienten Nutzen-Risiko-Verhältnis der chirurgische Aneurysma Reparatur unterzogen.
Es hat sich gezeigt, dass die räumliche Spannungsverteilung innerhalb einer AAA von entscheidender Bedeutung ist bei der Bestimmung der Bruch Potenzial und kann ein besserer Indikator als maximaler Durchmesser14,15,16,17 , 18. die meisten Studien, die untersuchen, die Mechanik des AAA Bruch verwenden segmentierten Geometrien aus berechnet Computertomographie (CT) Röntgenbilder und Bevölkerung gemittelt mechanische Eigenschaften der Aorta Gewebe gemessen ex Vivo. Finite Elemente (FE) Modelle werden dann verwendet, um das Schiff Wand betont14,15,16,17,18vorherzusagen. Jedoch da die mechanischen Eigenschaften nach der Exzision des Gewebes bestimmt sind, ist unklar, ob die daraus resultierenden Modelle genau die resultierende in Vivo Patienten-spezifischen Belastungen darstellen. Diese Studien in der Regel homogene Schiff Wand Materialeigenschaften zu übernehmen und nicht der sehr heterogenen Struktur der aortalen Wand und Thrombus19,20,21,22 entfallen ,23,24,25.
Ultraschall-basierte Elastizität Bildgebung ist klinisch zur diagnose und Überwachung einer Vielzahl von Krankheiten Pathologien26. Diese Technologie bietet eine nicht-invasive Mittel, die physikalischen Wechselwirkungen der Weichteile zu befragen. Vaskuläre US Elastizität Bildgebung wurde als Ergänzung bildgebende Modalität klinische US-Bewertung bei der Prüfung und Überwachung der AAAs verwendet. Die Kombination dieser Techniken bietet sowohl geometrische Informationen, wie z. B. Durchmesser und Länge, sowie mechanische Daten, wie z. B. relative Steifigkeit und Steifigkeit Variation. Während viele Elastizität bildgebende Verfahren eine externe Last erfordern induzieren eine messbare Gewebe Verformung, wird die Gewebe Bewegung hier gemessen werden durch Änderungen in der aortendruck verursacht durch das schlagende Herz induziert. Zahlreiche Methoden um räumlich verzerrungsfelder in Verformung Schiffe zu beheben veröffentlicht wurden, wurden jedoch Validierungsstudien dieser Methoden beschränkt sich auf menschliche Patienten, Tiermodelle, oder ex-Vivo Gewebe Proben27,28 ,29,30,31,32. Bisher erlauben einige Methoden für Kreationen von benutzerdefinierten Geometrien mit räumlich vielfältigen Materialeigenschaften27,29.
Hier präsentieren wir ein Verfahren zur Herstellung von uns kompatibel, Gewebe-Nachahmung Phantome, die auf eine Vielzahl von relevanten Aorten Geometrien und Materialeigenschaften für die Validierung von US-Elastographie Techniken zugeschnitten werden können. Obwohl vorherigen Gruppen entwerfen komplexer Geometrie Phantome, AAA Geometrien mit 3D-Druck Technologie33,34imitieren konnte, druckbare Beläge sind bekannt für eine hohe Dämpfung in USA und haben kein Mittel zu einem späteren Zeitpunkt ihre Materialeigenschaften. Phantome bestehen aus Polyvinylalkohol Cryogel (PVA-c), das zuvor gezeigt worden ist, für die Nachahmung gefäßgewebe Eigenschaften35ideal zu sein. Diese Phantome können in USA, Magnetresonanz und Elastographic imaging36,37,38verwendet werden. Die Aortenaneurysma Geometrie war ähnlich derjenigen das Simulationsmodell erstellt von Vorp Et Al. ausgelegt. 14. das Schiff hat einen nominalen Durchmesser von 22,5 mm und verfügt über eine aneurysmal Beule Bulge 64 mm lang, ist 47 mm im Durchmesser und exzentrisch (β = 0,6)14 an der vorderen Seite des Phantoms. Der letzte Abschnitt imitiert den Beckenkamm Gabelung mit einem distalen Durchmesser von 15 mm. Die Phantom wurde gewählt, um eine konstante Dicke von ca. 5 mm. Raghavan haben Et Al. in einer kleinen Studie berichtet, dass die Schiff-Dicke der AAA von 0,23-4,26 reicht mm, mit einem Medianwert von 1,48 mm39. Eine nominale Schiff Dicke auf das größere Ende des Spektrum wurde hier gewählt für die Herstellung von Bedenken mit der Erwartung, die verbessert, dass 3D-Drucktechniken phantom Mindestdicke verbessern werden, die geformt werden kann. Phantom Formen wurden im CAD entworfen und werden mit handelsüblichen Druckern und Filament 3D gedruckt.
Die Formen werden Injektion mit der PVA-c-Lösung gefüllt und eine Reihe von Frost/Tau-Zyklen (-20 ° C und + 20 ° C) zu vernetzen die PVA-c-Polymer und polymerisieren das Gel unterzogen. Der Elastizitätsmodul des PVA-c wird gesteuert durch die Veränderung der Konzentration der PVA-c Gel oder die Anzahl der Frost-Tau-wechseln. Aneurysmal Abschnitt der phantom erforderlich Verlust Form, aus dem inneren Lumen des Gefäßes zu entfernen. Dies wurde erreicht durch den Einsatz von Polyvinylalkohol, 3D-Drucker Filament (PVA). Obwohl chemisch ähnlich wie bei der PVA-c-Pulver, das PVA-Filament nicht polymerisieren beim Einfrieren und als solche kann in Wasser aufgelöst werden, nachdem die PVA-c eingestellt ist. Zusätzliche Probe Formen werden gedruckt, um Tests Zugproben, in einer Konfiguration mit "Hundeknochen" mit der gleichen PVA-c-Konzentration zu erstellen. Diese Formen durchlaufen die gleichen Frost/Tau-Zyklen und dienen für die Zugprüfung der Elastizitätsmodul der phantom Abschnitte unabhängig voneinander messen. Hergestellt wurde ein Hintergrundmaterial mit weicher PVA-c gemacht, Gewebe des Retroperitoneum40,41zu simulieren. Diesem Hintergrund phantom wurde als eine homogene axialsymmetrisch zylindrischen Rohr mit einem inneren Durchmesser von 4 cm, einem äußeren Durchmesser von 16,5 cm und einer Länge von 16,5 cm gefertigt. Es war eine 5 %-PVA-Lösung aus und insgesamt zwei Gefrier-tau-Zyklen unterworfen.
Die endgültige AAA-Phantome wurden in das Hintergrund-Phantom gelegt und über Verschraubungen und Klemmen, um eine hämodynamische Wasserpumpe entwickelt, um die Phantome mit physiologischen zyklische Bewegungen und Druck verformen verbunden. Die Pumpendrehzahl wurde zu ca. 6-7 kPa Druckimpuls mit einer Rate von ca. 1 Hz. Ultra sound Bildsequenzen der verformenden Phantome wurden gesammelt und die Druck normalisiert Belastung errechnete sich um zu Unterschieden in der räumlich mechanische Eigenschaften variiert. Repräsentative Ergebnisse des Drucks normalisierte Dehnung Bilder innerhalb der Region des Schiffes präsentiert werden. Die zunehmende regionale Unterschiede in der normalisierten Belastung der steiferen heterogenen Phantome, relativ homogene Phantom, zeigen die Unterschiede in der Schiff-Steifigkeit und unsere Fähigkeit zu messen.

<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

Ultraschall (US) Elastographie oder Elastizität Bildgebung ist eine Ergänzung, die imaging-Technik, die aufeinander folgenden US-Bildern der Weichteile zu messen die Gewebe-Bewegung und ableiten oder quantifizieren die zugrunde liegenden biomechanischen Eigenschaften nutzt. Für abdominalen Aortenaneurysmen (AAA) möglicherweise biomechanische Eigenschaften wie z. B. Veränderungen des Gewebes Elastizitätsmodul und Schätzungen der Gewebe Stress wesentlich für die Einschätzung des Bedarfs an den chirurgischen Eingriff. Abdominalen Aortenaneurysmen U.S. Elastographie könnte ein nützliches Instrument zur AAA Fortschreiten zu überwachen und Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften charakteristisch für Patienten mit hohem Risiko zu identifizieren.
Ein vorläufiges Ziel bei der Entwicklung einer AAA uns Elastographie Technik ist die Validierung der Methode mit einem physikalisch relevanten Modell mit bekannten Materialeigenschaften. Hier präsentieren wir einen Prozess zur Herstellung von AAA Gewebe imitiert Phantome physikalisch relevanten Geometrien und räumlich modulierte Materialeigenschaften. Diese Gewebe-Phantome wollen US-Eigenschaften, materielle Elastizitätsmodul und Geometrie der abdominalen Aortenaneurysmen zu imitieren. Gewebe-Phantome erfolgt mithilfe einer Cryogel Polyvinylalkohol (PVA-c) und geformt, mit gedruckten 3D-Teile mit Computer-aided Design (CAD) Software erstellt. Der Modulus der Phantome erfolgt durch Veränderung der Konzentration von PVA-c und durch Ändern der Anzahl der Frost-Tau-Zyklen verwendet, um die Cryogel zu polymerisieren. Die AAA-Phantome sind mit einer hämodynamischen Pumpe, entworfen, um die Phantome mit den physiologischen zyklischer Druck und fließt verformen verbunden. Ultra sound Bildsequenzen der verformenden Phantome für die räumliche Berechnung der Belastung Druck normalisiert und die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von der Gefäßwand erlaubt. Repräsentative Ergebnisse des Stammes Druck normalisiert werden vorgestellt.

Vertreter B-Modus Bilder des Schiffes imitiert Phantome für den minimalen und maximalen Druck durch den Katheter gemessen angezeigt werden (Abbildung 4b und 4 c, beziehungsweise). Der Druck normalisiert Dehnung (εpPP) in%/kPa wird für vier verschiedene hergestellten Phantome (Abbildung 5) angezeigt. Abbildung 5 eine zeigt die gemessenen Druck normalisiert Dehnung innerhalb einer homogenen Phantom mit 10 % von Masse PVA-c Lösung hergestellt. Das Verhältnis der durchschnittlichen Belastung gemessen im hinteren Viertel (Bild unten) das Phantom, die durchschnittliche Belastung im Quartier anterior (Bild oben) war 0,92. Abbildung 5 b zeigt εpPP für ein Phantom in der aneurysmal Abschnitt des Phantoms mit 15 % durch Masse PVA-c-Lösung und der Rest des Phantoms hergestellt wurde mit 10 % von Masse PVA-c gemacht wurde. Das Verhältnis der hinteren zum vorderen Belastung für dieses Phantom erwies sich 1,87. Abbildung 5 c zeigt εpPP für die heterogene Phantom mit 20 m.-% PVA-c, mit einer Posterior anterior Stamm-Verhältnis von 4,23. Abbildung 5 d zeigt εpPP für die heterogene Phantom mit 25 m.-% PVA-c, mit einer Posterior anterior Stamm-Verhältnis von 7,37.
Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass abdominale Aorta Phantome mit komplexen Geometrien und räumlich unterschiedliche Materialeigenschaften erstellt wurden. Gestaltung von phantom Geometrien wurden, oder genauer gesagt, phantom Formen fertig waren mit Computersoftware die phantom Geometrie Änderungen (Abbildung 1ein und 1 b) erleichtert. Schimmel können ohne weiteres 3D gedruckt und montiert und komplexe Form Geometrien bedruckbar mit PVA Filament und entfernt, ähnliche Wachsausschmelzverfahren Wurftechniken. Das letzte Schiff Phantome können dynamisch unter Druck gesetzt und sind stabil bei großen Belastungen (Abbildung 4ein). Phantome sind kompatibel mit Ultraschall imaging (Abbildung 4b und 4 c) und Materialeigenschaften abdominale Aorta Steifigkeiten imitiert haben. Variationen in der Stamm-Verhältnisse in der vorderen, hinteren Regionen der Sorte Bilder zeigen, dass die Regionen unterschiedliche Materialeigenschaften (Abbildung 5 haben) und die unabhängige mechanische Prüfung auf die Proben quantifizieren die exakten Werte für ihre jeweiligen Scherung Moduli.

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

Hier beschreiben wir eine Methode zur Herstellung von aneurysmal, Aorten-Gewebe imitiert Phantome für den Einsatz im Test Ultraschall-Elastographie. Die kombinierte Verwendung von Computer aided Design (CAD) und 3-dimensionale (3D) Druck Techniken produzieren Aorten Phantome mit vorhersagbaren, komplexe Geometrien, die Elastographic imaging-Algorithmen mit kontrollierten Experimenten zu validieren.

Herstellung von Bauchschlagader Hydrogel Gewebe-Nachahmung Phantome für Ultraschall-Elastographie-Validierung

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

Diese Methode kann helfen, die Dem Feld der vaskulären Ultraschall-Elastizitäts-Bildgebung innewohnenden Algorithmen zu bewerten, indem klinisch relevante Gefäße mit komplexen Geometrien und räumlich unterschiedlichen Materialeigenschaften nicht invasiv imitiert werden. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine Methodik zur einfachen Herstellung von Gewebenachahmungsphantomen mit abstimmbaren geometrischen Parametern sowie räumlich variierenden mechanischen Eigenschaften etabliert. Diese Herstellungstechnik kann unsere Fähigkeit, abdominale Aortenaneurysmen zu diagnostizieren, durch Validierung eines Verfahrens zur Messung der sich verändernden mechanischen Eigenschaften, die der Krankheit innewohnen, verbessern.Demonstrieren das Verfahren, wird Luke Cybulski, ein Techniker aus meinem Labor sein. Um die Hydrogele vorzubereiten, mischen Sie 22,2 Gramm PVA-c Pulver in 200 Milliliter Leitungswasser in einem Glasbecher, und Mikrowelle die Lösung zum Kochen. Dann rühren und kochen Sie die Lösung wieder, bis die gesamte PVA aufgelöst ist.Als nächstes 0,4 Gramm Calciumcarbonatpulver in 10 Milliliter Wasser aussetzen und die Calciumcarbonatsuspension als Ultraschallstreuer gründlich in die PVA-Lösung mischen. Dann decken Sie die Lösung für die Kühlung auf Raumtemperatur. Machen Sie eine weitere PVA-c-Lösung mit 17,6 Gramm PVA-c Pulver in 100 Milliliter Leitungswasser in einem anderen Glasbecher mit Kochen und Rühren, bis die Lösung klar ist.Dann fügen Sie 0,4 Gramm Calciumcarbonatpulver in fünf Milliliter Wasser-Ultraschall-Streuer Suspension zur zweiten PVA-c-Lösung hinzu. Mischen Sie eine endgültige PVA-c-Lösung mit 193,7 Gramm PVA-c Pulver und 3,5 Liter Leitungswasser in einem großen Topf und bringen Sie die Lösung zum Kochen, wodurch der Topf aus der Hitze entfernt wird, sobald die PVA vollständig in Lösung aufgehängt ist. Dann 7,4 Gramm Calciumcarbonatpulver in 10 Milliliter Wassersuspension in den Topf geben und die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen lassen.Um die Formen zu montieren, befestigen Sie ein Ende von etwa 100 Millimetern flexiblen Schläuchen am Injektionsanschluss einer äußeren Lumenform und befestigen Sie einen Stop-Hahn mit Spritzenanschlüssen am anderen Ende. Mit verformbarem Wachs die Registrierungsstifte der inneren Lumenform ausrichten und den wölbenden Gefäßteil des inneren Lumenschimmels an den geraden Gefäßteil der inneren Lumenform anbringen. In einem gut belüfteten Bereich das aneurysmale Ende der inneren Lumenform mit einem Spray auf die flexible Gummibeschichtung auftragen, um zu verhindern, dass das Hydrogel das PVA-Formteil während des Formprozesses auflöst.Mit der größeren Seite des aneurysmalen Teils der äußeren Form nach unten, füllen Sie die Wölbung mit 15 Milliliter 17,6 Gramm PVA-c Lösung und legen Sie die montierten inneren Formteile in der vorderen äußeren Formteil mit Gummibändern, um das innere Lumenteil an Ort und Stelle zu halten. Dann legen Sie die Formmontage in einem minus 20 Grad Celsius Gefrierschrank für 12 Stunden. In der Zwischenzeit eine großzügige Menge an verformbarem Wachs auf die Rückseite einer bedruckten Probenform auftragen und die Probenform auf eine flache Kunststofffolie klemmen, die auf eine Mindestgröße von ca. 100 mal 60 mal 10 Millimeter geschnitten ist.Dann füllen Sie den Abstand zwischen der Form und der Kunststofffolie mit der 17,6 Gramm PVA-Lösung und legen Sie die Form in den Minus 20 Grad Celsius Gefrierschrank. Ohne die Lösung in der ersten Formbaugruppe auftauen zu lassen, montieren und klemmen Sie die gesamte Gefäßform zusammen, die die Nähte der äußeren Lumenform mit verformbarem Wachs ausstatten, um sicherzustellen, dass das Hydrogel während der Injektion nicht austritt. Füllen Sie eine 60-Milliliter-Spritze mit der 22,2 Gramm SCHWEREN PVC-Lösung und halten Sie das Bifurkationsende der Form hoch, injizieren Sie die PVA-c-Lösung in die Formbaugruppe.Lassen Sie die neu konstruierte Form für 30 Minuten mit sanftem Tippen alle 10 Minuten einstellen, damit jede Luftblase an die Spitze der Form steigen kann. Dann frieren Sie die gesamte Formbaugruppe für 12 Stunden ein. In der Zwischenzeit, montieren und klemmen Sie eine weitere Probenform und flache Kunststofffolie geschnitten, wie gezeigt, füllen Sie den Raum zwischen der Form und der Kunststofffolie mit der 22,2 Gramm PVA-Lösung, und frieren Sie die Form für 12 Stunden.Am Ende der Gefriertauchzeit, tauen beide Formen für 12 Stunden bei Raumtemperatur, gefolgt von vier weiteren 24 Stunden Gefrier- und Tauzyklen. Nach dem fünften Frost-Tau-Zyklus die PVA-c-Prüfproben aus ihren Formen entfernen und überschüssiges Kryogel aus den Proben für die Lagerung in einem versiegelten Behälter mit einer Fünf-Prozent-Volumen-Bleichwasserlösung bei Raumtemperatur schneiden. Als nächstes entfernen Sie das PVA-c-Gefäß aus der äußeren Lumenform und trennen sie vorsichtig den geraden Gefäßteil der inneren Lumenform vom aneurysmalen Teil.Schneiden Sie dann die Registrierungsabstandhalter vom zweifarbigen Ende des aneurysmalen Teils der inneren Lumenform, um das bedruckte PVA-Filament freizulegen, und legen Sie das PVA-gedruckte Teil in ein Wasserbad bei Raumtemperatur, um den ANeurysmalen PVA-Teil aufzulösen. Nach dem Auflösen und Entfernen des PVA-gedruckten Teils aus dem Inneren des Behälters speichern Phantom das Phantom in einem versiegelten Behälter einer fünf Prozent Volumen Bleichenwasserlösung bei Raumtemperatur. Füllen Sie die Hintergrundform mit ca. 3,3 Litern der 183,7 Gramm PVA-c Lösung und füllen Sie eine Probenform mit 183,7 Gramm PVA-c Lösung und frieren und tauen Sie die Hintergrund- und Probenformen für zwei 24-Stunden-Zyklen auf.Nach dem zweiten Tauwetter die Hintergrundprobe und das Hintergrundphantom aus ihren Formen entfernen und bei Raumtemperatur in einem versiegelten Behälter mit frischen fünf Prozent Bleichenwasserlösung lagern. Zum Testen der Phantome und Proben legen Sie das Gefäß und die Hintergrundphantome in ein großes Wasserbad und befestigen Sie das größere Behälterende mit Schlauchklemmen an der Leistung der hämodynamischen Wasserpumpe. Legen Sie das Behälterphantom in den Hintergrund und verwenden Sie Rohrklemmen, um die zweifarbigen Enden des Phantoms am Einlass an der hämodynamischen Pumpe zu befestigen.Legen Sie einen Festkörperdrucksensorkatheter in das System der Behälterendpumpe in der Nähe des Einlasses der hämodynamischen Pumpe und betreiben Sie die hämodynamische Pumpe so, dass die Drücke der Walde-Formationen zwischen einem Minimum von null Kilopascal und einem Maximum von 7,5 Kilopascal liegen. Verwenden Sie dann ein Ultraschallsystem und einen konvexen Messumformer mit einer Mittenfrequenz von etwa fünf Megahertz, um Ultraschallbilder des Hintergrunds und der Gefäßphantome im Querschnitt an der Stelle des maximalen Behälterdurchmessers zu erfassen, der die Druckdaten mit einem digitalen Erfassungssystem aufzeichnet. Hier werden als B-Modus-Bilder des Gefäßes dargestellt, die Phantome für die vom Katheter gemessenen minimalen und maximalen Drücke imitieren.In diesem hergestellten Phantom betrug das Verhältnis der durchschnittlichen drucknormalisierten Dehnung, gemessen im hinteren Viertel des Phantoms, zur durchschnittlichen Belastung im vorderen Quartal 0,92. In diesem hergestellten Phantom wurde der aneurysmale Teil des Phantoms mit einer 15-prozentigen PvA-c-Lösung hergestellt und der Rest des Phantoms wurde mit den 10 Prozent durch Masse PVA-c gemacht und das Verhältnis der hinteren und vorderen Sorte wurde auf 1,87 festgelegt. Hier wurde das heterogene Phantom mit einer Masse PVA-c von 20 Prozent mit einem hinteren bis vorderen Dehnungsverhältnis von 4,23 erzeugt und diese 25 Prozent durch Masse PVA-c heterogene Phantom zeigten einen hinteren bis vorderen Stamm von 7,37.Wie gezeigt, können die endlaufenden Behälterphantome dynamisch unter Druck gesetzt werden und sind unter großen Lasten stabil. Beim Versuch dieses Herstellungsprozesses ist es wichtig, die Registrierung aller Formabschnitte beizubehalten. Wenn die Formteile nicht richtig montiert sind, können dünne Abschnitte der Gefäßwand entstehen.Die Verwendung von Polyvinylalkohol-Kryogel ermöglicht eine breite Palette von Steifigkeitswerten, um die sich ändernden Materialeigenschaften der Blutgefäße nachzuahmen. Nach der in diesem Verfahren gezeigten Technik können andere Phantomgeometrien mit ähnlichen CAD-Formen oder patientenspezifischen Formen aus kontrastverstärkten CT-Bildern von Gefäßen erstellt und getestet werden. Die hier entwickelten Kryogel-Phantome wurden speziell für die Ultraschall-Bildgebung entwickelt, sind aber auch mit magnetischen Verweil- und Computertomogrophy-Bildgebungssystemen kompatibel und können zur Validierung einer Vielzahl von bildgebenden Verfahren verwendet werden.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Magnet-Resonanz-Elastographie Methodik für die Beurteilung von Tissue Engineering gewonnenen Konstrukts Wachstum

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

Forschung

Biotechnik

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

Kultivierung humaner neuronaler Vorläuferzellen in einer 3-dimensionalen Self-Montage Peptide Hydrogel

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Manufacturing Devices and Instruments for Easier Rat Liver Transplantation

Fertigung von Geräten und Instrumenten für eine einfachere Rat Liver Transplantation

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

Bau eines Präklinische Multimodalität Phantom Mit Tissue-ähnlichen Materialien für die Qualitätssicherung in der Tumor Größe Maß

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

Bioprinting cellularized Konstruiert unter Verwendung eines gewebespezifischen Hydrogel Bioink

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

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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

Zusatzstoff Herstellungstechnik für die einfache und schnelle Herstellung von Hydrogel-basierte Micromachines mit magnetisch reagieren Komponenten

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Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

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