Name: manufacturing abdominal aorta hydrogel tissue-mimicking phantoms for ultrasound elastography validation
Uploaded: 2018-09-19T13:30:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי המרכז הלאומי עבור קידום מדעי Translational של מכוני הבריאות הלאומיים דרך פרס מס UL1 TR000042, המכון הלאומי של הדמיה ביו בביו-הנדסה של המכונים הלאומיים לבריאות דרך פרס מס R21 EB018432.

המחברים אין לחשוף.

מאמר זה מציג שיטה לייצור מטוסי פאנטום מחקה רקמות לשימוש במכוני בדיקה elastography או גמישות הדמיה אלגוריתמים. השימוש המשולב של CAD ו הדפסה תלת-ממדית מאפשרת עיצוב יעיל של אבי העורקים פאנטום היה שווה עם לסימולציה, מעבר פנטומים צינורי, כולל גבשושיות וזיזים aneurysmal. היצירה של הפאנטום נעשית ב- 4 שלבים; 1) עיצוב של הגיאומטריה פנטום, 2) הדפסה של החלקים עובש פנטום, 3) ערבוב של פתרונות cryogel המחקות בסופו של דבר את מאפייני אולטראסוניות ואת תכונות מכניות של כלי פנטום ו 4) מוזג/הזרקת של cryogel פתרון לתבנית, הגדרת את c-PVA עם מחזורים ההקפאה-הפשרה והסרה של הפאנטום של העובש. השימוש של CAD ב בעיצוב של התבניות מתקבל בשלב 1 מאפשר פשוט אומר בדיוק לשנות הצורה הגיאומטרית של הפאנטום. הדפסה של חלקים התבנית כרגע לוקח כ 5-8 h בהתאם לגודל ההדפסה, וכך ניתן בקלות לבצע עבור שינויים חוזרים ונשנים התבניות.
בשלב 3, הפתרונות cryogel נוצרים כדי לחקות את כלי השיט, רקמות מפרצת ורקע עם החלקיקים סידן פחמתי מחקה את פיזור ארה של הרקמה. הפתרונות cryogel צריך ויגבר לפני השימוש, אם החלקיקים סידן התיישבו מתוך התערובת. הריכוז המדויק של התערובת של cryogel יקבע התכונות המכאניות הסופי של הפאנטום. לכן, חשוב ליצור את הדגימות עצמאית של כל אחד הפתרונות המשמשים את ספינת רפאים ורקע. אמנם לא חלק הפרוטוקול פה, מדידות עצמאי של הנפח של הדגימה צריכה להתקבל באמצעות בדיקת מתח uniaxial. בדיקות מכניות עצמאית של הדגימות PVA-c על הפאנטום 10%, 15%, 20% ו-25% שנוצרו בהתוצאות נציג היה נמדד מודולוס גזירה של kPa ± 1.0 17.4, kPa ± 5.7: 48.3, kPa ± 0.4 95.1 kPa ± 4.1 170.0, בהתאמה.
שלב 4 הוא השלב הקריטי ביותר ביצירת האשליות האלה. למרות הפינים רישומים במקום לשמור את החלקים עובש בעמדות נאות שלהם ביחס אחרים, חשוב להבטיח כי העובש חלקים תפריד בתהליך היציקה. לפיכך, השימוש התפסים להחזיק את התבנית. השיקול החשוב ביותר של שלב 4 היא למזער את בועות אוויר לכוד בתוך כייר לפני מחזור הפשרת ההקפאה הראשונה. לעתים קרובות שימושי כדי לפרק צד אחד של העובש החיצוני ולבדוק את הפאנטום לאחר הראשון ההקפאה-הפשרה מחזור כדי להבטיח שהוא הקים כראוי. זה יכול לחסוך זמן מבוזבז מעביר פאנטום "רע" מחזורים נוספים. ברגע הפאנטום הוסר מ העובש לחלוטין, זה יכול להיות מאוחסנים במים למשך מספר שבועות עם המשך השימוש.
הפאנטום PVA-c שפותחה בעבודה זו נוצרו לחקות באופן ספציפי את הנוקשות אולטראסוניות, החומרי של רקמות אבי העורקים. השימוש של אלכוהול cryogel מאפשרת מגוון רחב יותר של נוקשות מכני אפשרי, כדי לחקות טוב יותר את המאפיינים גשמי המשתנים של אבי העורקים רקמות לעומת גומי יותר כמו חומרי33,34. בנוסף, השימוש הידרוג ההשקעה הליהוק כדאי לוכדת את המאפיינים אקוסטית של קונדומים casted או חומרים מודפסים ישירות 3D33,45. אפשר כמה בועות אוויר לכוד בתבניות שלנו לפני מחזור הפשרת ההקפאה הראשונה. זה יכול לגרום פערים הפאנטום, להוביל לחולשה חומרים או חפצים אקוסטית. לפיכך, מומלץ לבחון פאנטום העובש לאחר ההפשרה ההקפאה הראשונה כדי לקבוע אם להפעיל מחדש את התהליך. בנוסף, החוקרים מצאו כייר הפנימי יכול לפעמים המשמרת במהלך ההקפאה של החלק aneurysmal של הרוחות. במקרה זה, שינוי אחד של הפרוטוקול הנ ל יהיה ליצור 3D מודפס, או אחרת מעוצב, חלק לשמור בחוזקה את התבנית הפנימית לומן כייר הקדמי החיצוני במהלך ההקפאה של סעיף זה. החוקרים מצאו כי שימוש בצד האחורי של העובש החיצוני כרווח 5 מ מ בין כייר החיצוני האחורי הפנימי העובש עובד טוב למטרה זו.
הפאנטום פותח כאן הינו אידיאלי עבור הלומדים את ההשפעה של שינויים aneurysmal קוטר ועובי luminal או שעשויות להיות הנוכחות של כגון ברקמה על-ידי עריכת קובצי CAD המקוריים. עם זאת, העבודה הקודם הראו גם כי ניתן לשנות את הטכניקה הייצור לייצר גיאומטריות פנטום מטופל ספציפי באמצעות טומוגרפיה תמונות ותוכנות פילוח, מאשר עיצוב CAD, ליצירת 3D מודפס בתבניות דמה 44. התוצאות המוצגות כאן מדגימים כי האלגוריתם היה מסוגל לדמיין הווריאציות מיוצרים התכונות המכאניות של הסעיפים פנטום. יצוין כי למרות האשליות האלה שימשו כדי לבדוק שבסיסן טכניקות הדמיה, הם גם תואמים עם תהודה מגנטית, טומוגרפיה מערכות הדמיה, כי הם עשויים גם לשמש מעבר מטרת אלסטיות הדמיה, עבור רחב מגוון של טכניקות הדמיה הרומן ואופני הפעולה.

מפרצת אבי העורקים בבטן (AAA) הם מוקד הגדלות של אבי העורקים המתרחשות מעדיפים ליד נגע הסתעפות אבי העורקים1. הגורם המדויק של היווצרות AAA אינו ידוע, אף על פי תיאוריות רבות להציע בפתוגנזה זה multifactorial, עם גורמים גנטיים, התנהגותית, בגרימת וסביבתיים התורמים2,3. בזמן האבחון של מפרצת באב העורקים ניתן להשיג באמצעות טכניקות הדמיה לא פולשנית, נבואתו של המטופל הספציפי קרע הסיכון הוא לא מדויק4,5,6. תיקון ניתוחי יכול להפחית את הסיכון של באב העורקים, אך תיקון פעיל של אבי העורקים נושא שיעור גבוה של התחלואה והתמותה המשויך7. נוהלי כירורגי הנוכחי השתמש הגודל המרבי ב"קריטריונים", או מאקסימאלי מוחלטת של מפרצות, כדי לנבא את הסיכון של החולה של קרע. למרבה הצער, זה הוכח גם כי מפרצת עדיין ציסטות נקרעות מתחת גדלי קליני מקובל עבור תיקון כירורגי, כלומר חולים עם מפרצת בגודל כלשהו לשאת בסיכון מסוים של קרע8,9, 10 , 11 , 12 , 13. בנוסף, ידוע כי דוחות היסטוריים של קרע סיכון הן הסבירות יתר הערכות של הסיכון קרע אמיתי, כלומר חולים רבים חשופים לסיכון כירורגית ללא תועלת13. הערכה מדויקת יותר של הסיכון לחולה ספציפי קרע נדרש כדי לסייע stratify יחס של החולה סיכון-תועלת של ביצוע תיקון כירורגי מפרצת.
הוכח כי התפלגות מרחבית מתח בתוך AAA חשיבות קריטית בקביעת פוטנציאל קרע, וייתכן שהוא דרך מוצלחת יותר מאשר מאקסימאלי14,15,16,17 , 18. רוב המחקרים האחרונים לחקור את המכניקה של AAA קרע גיאומטריות מקוטע מתמונות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) טומוגרפיה הממחושבת ושימוש האוכלוסייה בממוצע המכאניות של אבי העורקים הרקמה למדידה ex-vivo. מודלים סופיים (FE) משמשות לאחר מכן לחזות את כלי השיט קיר מדגיש14,15,16,17,18. עם זאת, כי התכונות המכאניות נקבעים לאחר הכריתה של רקמה, לא ברור הדגמים וכתוצאה מכך להדגמה מדויקת יותר וכתוצאה מכך אין ויוו החולה הספציפי הלחצים. מחקרים אלה בדרך כלל מניחים כלי הומוגנית תכונות החומר קיר ולהתחשב אל המבנה מאוד הטרוגנית של אבי העורקים לקיר, כגון19,20,21,22 ,23,24,25.
גמישות מבוסס-אולטרסאונד לדימות משמש קלינית כדי לאבחן ולעקוב אחר מגוון של מחלות פתולוגיות26. טכנולוגיה זו מספקת אמצעי פולשני לחקור את האינטראקציות פיזי של הרקמות הרכות. הדמיה אלסטיות ארה ב כלי הדם שימש כתוספת הדמיה להערכה קלינית בארה בההקרנה וניטור של AAAs. השילוב של טכניקות אלה מספק שני נתונים גיאומטריים, כגון קוטר אורך, כמו גם נתונים מכאניים, כגון קשיחות יחסית והגיוון נוקשות. בעוד רבים אלסטיות טכניקות הדמיה דורשים של עומס חיצוני כדי לגרום עיוות הרקמה למדידה, רקמות תנועה שאפשר יהיה למדוד כאן הנגרמת על ידי שינויי הלחץ אבי העורקים נגרמת על ידי הלב הפועם. שיטות רבות פורסמו לפתרון במרחב שדות זן עיוות כלי, עם זאת, לימודי אימות השיטות האלה היו מוגבלים בני אדם חולים, חייתיים או ex-vivo רקמות דגימות27,28 ,29,30,31,32. עד כה, שיטות מעט לאפשר ליצירותיהם של גיאומטריות מותאם אישית עם תכונות החומר מגוונת במרחב27,29.
כאן אנו מציגים שיטת ייצור לנו מטוסי פאנטום תואם, מחקה רקמות התפורות למגוון של אבי העורקים הרלוונטיים ורשתות תכונות החומר עבור אימות של טכניקות elastography ארה ב. למרות קבוצות קודמות הצליחו לעצב גאומטריה מורכבת פאנטום לחקות AAA גיאומטריות באמצעות 3D הדפסה טכנולוגיה33,34, קונדומים להדפסה ידועים הנחתה גבוהה הברית וגם אין אמצעי אחר כך שלהם תכונות החומר. מטוסי פאנטום עשויים cryogel אלכוהול (PVA-c), אשר הוכח בעבר להיות אידיאלי מחקה וסקולריים רקמות מאפיינים35. האשליות האלה, ניתן להשתמש בארה ב, תהודה מגנטית ו elastographic-37,36,-דימות-38. הגיאומטריה של מפרצת אבי העורקים תוכנן באופן דומה לזה של מודל סימולציה שנוצרו על-ידי. Vorp et al. 14. כלי הקיבול כולל קוטר נומינלי של 22.5 מ מ, כולל של aneurysmal בליטה זו הבליטה 64 מ מ ארוך, 47 מ מ, קוטר ו אקסצנטרי (β = 0.6)14 בצד הקדמי של הפאנטום. בסעיף האחרון מחקה ההסתעפות iliac בקוטר דיסטלי של 15 מ מ. הפאנטום נבחר יש עובי קבועה של 5 מ מ. Raghavan et al. דיווחו במחקר קטן כי העובי הקיבול של AAA נע בין 0.23-4.26 מ מ, עם ערך החציוני של 1.48 מ מ39. עובי כלי הנומינלי בקצה גדול יותר של הספקטרום הזה נבחר כאן לייצור חששות עם הציפייה כי שיפור טכניקות הדפסה 3D תשפר את הפאנטום עובי מינימלי, כי הוא מסוגל להיות יצוק. בתבניות דמה עוצבו ב- CAD ו 3D מודפס באמצעות מדפסות זמינים מסחרית ואת הלהט.
התבניות הם הזרקת מלא עם הפתרון PVA-c ונחשפו לסדרה של מחזורים ההקפאה/ההפשרה (-20 ° C ו +20 ° C) קשר צולב הפולימר PVA-c, פולימריזציה הג'ל. הנפח של PVA-c נשלטת על ידי שינוי הריכוז של הג'ל PVA-c או מספר מחזורים ההקפאה-הפשרה. החלק aneurysmal של העובש פנטום אובדן נדרש להסיר את לומן הפנימי של כלי השיט. דבר זה הושג על ידי שימוש אלכוהול פילמנט במדפסת תלת-ממד (PVA). למרות כימית דומה האבקה PVA-c, חוט הלהט PVA לא פולימריזציה כאשר קפוא, בתור שכזה, יכול להיות מומס במים לאחר PVA-c הוגדר. דוגמה נוספת בתבניות מודפסות ליצירת דגימות בדיקות מתיחה, בתצורת "עצם", עם ריכוז PVA-c זהה. בתבניות אלה עוברים את מחזורים ההקפאה/ההפשרה אותו, משמשות עבור בדיקות מתיחה, באופן עצמאי למדוד את הנפח של הסעיפים פנטום. חומר רקע יוצר עם רך PVA-c, כדי לדמות רקמות של מקבץ40,41. על רקע זה דמה היה מיוצר בתור צינור גלילי axisymmetric הומוגנית עם הקוטר הפנימי של 4 ס מ, קוטר חיצוני 16.5 ס"מ אורך 16.5 ס"מ. זה היה עשוי פתרון PVA 5%, נתון סך של שני מחזורים ההקפאה-הפשרה.
הפאנטום AAA הסופי למקם את הפאנטום רקע, מחוברים, באמצעות ריהוט שפופרת, תופסנים, לשאוב מים והמודינמיקה שנועדה לעוות את הרוחות עם זרמי מחזורית הפיזיולוגיות, לחצים. מהירות המשאבה הייתה מוכנה לספק כ 6-7 kPa לחץ דופק בקצב של 1 הרץ. אולטרה רצפי תמונות צליל הפאנטום deforming נאספו, המתח לחץ מנורמל מחושב כדי לזהות הבדלים במרחב מגוון תכונות מכניות. התוצאות נציג של הלחץ המתח מנורמל תמונות בתוך אזור כלי מוצגים. הבדלים אזוריים הגדלת המתח מנורמל הפאנטום heterogenous נוקשה, ביחס הפאנטום הומוגנית, מדגימים את ההבדלים הקשיחות כלי השיט, היכולת שלנו למדוד את זה.

<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

Elastography סאונד (לנו), או הדמיה אלסטיות, הוא תיאור imaging טכניקה אשר מנצל תמונות ארה ב רציפים של הרקמות הרכות למדוד את התנועה רקמות ולא להסיק או לכמת את מאפייני biomechanical הבסיסית. מפרצת אבי העורקים בבטן (AAA), ביו-מכני מאפיינים כגון שינויי הנפח של הרקמות ושל האומדנים של מתח רקמות עשוי להיות חיוני לשם הערכת הצורך להתערבות כירורגית. מפרצת אבי העורקים בבטן ארה ב elastography יכול להיות כלי שימושי כדי לפקח על התקדמות AAA ולזהות שינויים במאפייני biomechanical אופיינית לחולים בסיכון גבוה.
יעד ראשוני בפיתוח של AAA אותנו elastography טכניקה היא האימות של השיטה באמצעות מודל הרלוונטיים פיזית עם תכונות החומר הידוע. כאן אנו מציגים את תהליך הייצור של מטוסי פאנטום מחקה רקמות AAA עם ורשתות במרחב מאופנן תכונות חומר רלוונטי מבחינה פיזית. האשליות האלה, רקמת המטרה כדי לחקות את ארה ב מאפייני מודולוס גשמי, הגיאומטריה של מפרצות אבי העורקים בבטן. מטוסי פאנטום רקמות נעשים באמצעות cryogel של אלכוהול (PVA-c), יצוק באמצעות 3D חלקים המודפס שנוצרו באמצעות תוכנת עיצוב (CAD) באמצעות מחשב. המודולוס הפאנטום נשלטת על ידי שינוי הריכוז של PVA-c על ידי שינוי מספר מחזורים ההקפאה-הפשרה נהגה פולימריזציה של cryogel. הפאנטום AAA מחוברים משאבה והמודינמיקה, שנועדה לעוות את הרוחות עם הלחץ מחזורית הפיזיולוגיות, זורם. רצפי תמונות אולטרה סאונד הפאנטום deforming המותר עבור החישוב המרחבי של המתח לחץ מנורמל וזיהוי של תכונות מכאניות של הקיר כלי. התוצאות נציג של המתח לחץ מנורמל מוצגים.

תמונות נציג B-במצב של כלי השיט מחקה פאנטום מוצגים עבור הלחצים מינימום ומקסימום נמדדת הקטטר (איור 4b ו- 4 c, בהתאמה). In%/kPa זן מנורמל-לחץ (חדוהp/PP) מוצג עבור ארבעה פנטומים מיוצרים שונים (איור 5). איור 5 מראה המתח מנורמל לחץ שנמדדה בתוך פנטום הומוגני יוצר עם 10% ע י מסת פתרון PVA-c. היחס בין המתח הממוצע נמדד האחורי ברבעון (התמונה למטה) של הפאנטום לאמץ הממוצע ברבעון הקדמי (תמונה למעלה) היה 0.92. איור 5 b מראה חדוהp/PP עבור פנטום שבו החלק aneurysmal של הפאנטום היה מיוצר עם 15% על-ידי פתרון מסה PVA-c ואת היתרה של הפאנטום נעשתה באמצעות 10% על ידי המוני PVA-c. היחס של אחורי לזן הקדמי על הפאנטום הזה נמצא 1.87. איור 5 ג מראה חדוהp/PP על הפאנטום הטרוגנית עם 20% על ידי המוני PVA-c, את ישבנה זן הקדמי יחס של 4.23. איור 5 d מראה חדוהp/PP על הפאנטום הטרוגנית עם 25% על ידי המוני PVA-c, את ישבנה זן הקדמי יחס של 7.37.
התוצאות המובאות כאן מראים כי פאנטום אב-עורקית של הבטן שנוצרו עם לסימולציה, תכונות החומר משתנה במרחב. העיצוב של גיאומטריות דמה, או ליתר דיוק, בתבניות דמה נעשו באמצעות תוכנת מחשב המאפשרת שינויים בגיאומטריה פנטום (איור 1 ו- 1b). עובש יכול להיות בקלות 3D מודפס ומורכבים, גיאומטריות מורכבות עובש ניתן להדפיס באמצעות PVA פילמנט שהוסר, בדומה השעווה האבודה טכניקות יציקה. הפאנטום הקיבול הסופי יכולה להיות מווסתת באופן דינמי, יציבים תחת המון גדול (איור 4). מטוסי פאנטום תואמים אולטראסאונד הדמיה (איור 4b ו- 4 c) ויש תכונות החומר מחקה stiffnesses אב-עורקית של הבטן. בווריאציות יחס המתח ב הקדמי באזורים האחוריים של תמונות זן להדגים כי האזורים יש תכונות החומר בדרגות שונות (איור 5), בדיקות מכניות עצמאית על הדגימות לכמת את הערכים המדויקים של שלהם מודולים בהתאמה הטיה.

Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation at JoVE.com

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

כאן אנו מתארים שיטה לייצור aneurysmal, אבי העורקים מחקה רקמות פאנטום לשימוש במכוני בדיקה אולטרסאונד elastography. השימוש המשולב של תכנון בעזרת מחשב (CAD) ופאנטום תלת-ממדי (3D) הדפסה טכניקות התוצרת אבי העורקים עם גיאומטריות צפוי, מורכבים כדי לאמת את elastographic הדמיה אלגוריתמים עם ניסויים מבוקרים.

ייצור העורק הידרוג רקמות-מחקה פאנטום עבור אימות Elastography אולטראסאונד

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

שיטה זו יכולה לעזור להעריך את האלגוריתמים הטבועים בתחום הדמיית גמישות אולטרסאונד כלי הדם, על ידי חיקוי לא פולשני של כלי שירות רלוונטיים קלינית עם גיאומטריות מורכבות ומאפיינים חומריים משתנים מרחבית. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא קובעת מתודולוגיה לייצור קל של פאנטומים מחקים רקמות עם פרמטרים גיאומטריים הניתנים לכוונון, כמו גם תכונות מכניות משתנות מבחינה מרחבית. טכניקת ייצור זו עשויה לקדם את היכולת שלנו לאבחן מפרצת אבי העורקה בבטן על ידי אימות שיטה למדידת המאפיינים המכניים המשתנים הטבועים במחלה.הדגמת ההליך, יהיה לוק Cybulski, טכנאי מהמעבדה שלי. כדי להכין את הידרוג'ל, מערבבים 22.2 גרם של אבקת PVA-c ב 200 מיליליטר של מי ברז ב זכוכית, ומיקרוגל את הפתרון לרתיחה. ואז מערבבים ומרתיחים את הפתרון שוב עד שכל PVA מומס.לאחר מכן, להשעות 0.4 גרם של אבקת סידן פחמתי ב 10 מיליליטר של מים ומערבבים את ההשעיה סידן פחמתי ביסודיות לתוך פתרון PVA כמו פיזור אולטרסאונד. לאחר מכן, לכסות את הפתרון לקירור לטמפרטורת החדר. הפוך עוד פתרון PVA-c עם 17.6 גרם של אבקת PVA-c ב 100 מיליליטר של מי ברז ב זכוכית אחרת עם רותחים ומערבבים עד הפתרון ברור.לאחר מכן להוסיף 0.4 גרם של אבקת סידן פחמתי בחמישה מיליליטר של השעיה פיזור אולטרסאונד מים לפתרון PVA-c השני. מערבבים פתרון PVA-c סופי עם 193.7 גרם אבקת PVA-c ו 3.5 ליטר מי ברז בסיר גדול ומביאים את הפתרון לרתיחה, מסירים את הסיר מהחום ברגע שה- PVA מושעה לחלוטין בתסכול. לאחר מכן להוסיף 7.4 גרם של אבקת סידן פחמתי ב 10 מיליליטר של השעיית מים לסיר ולאפשר את הפתרון להתקרר לטמפרטורת החדר.כדי להרכיב את התבניות, לחבר קצה אחד של כ 100 מילימטר חתיכת צינורות גמישים ליציאת ההזרקה של עובש לומן חיצוני ולצרף תקע תקע עם חיבורי מזרק לקצה השני. באמצעות שעווה מעוותת, ליישר את סיכות הרישום של עובש לומן הפנימי לדבוק חלק כלי בולט של עובש לומן הפנימי לחלק כלי ישר של עובש לומן הפנימי. באזור מאוורר היטב, להחיל תרסיס על ציפוי גומי גמיש הקצה המפרצת של עובש לומן הפנימי כדי למנוע הידרוג'ל להמיס את חלק עובש PVA במהלך תהליך דפוס.עם הצד הגדול יותר של החלק המפרצת של התבנית החיצונית הפונה כלפי מטה, למלא את הבליטה עם 15 מיליליטר של 17.6 גרם פתרון PVA-c ולמקם את חלקי עובש פנימי התאספו בחלק עובש החיצוני הקדמי באמצעות גומיות להחזיק את החלק לומן הפנימי במקום. לאחר מכן מניחים את מכלול העובש במקפיא מינוס 20 מעלות במשך 12 שעות. בינתיים, להחיל כמות נדיבה של שעווה מעוותת על המשטח האחורי של תבנית מדגם מודפס ומהדקים את התבנית מדגם גיליון פלסטיק שטוח לחתוך לגודל מינימלי של כ 100 על ידי 60 על ידי 10 מילימטרים.לאחר מכן, למלא את החלל בין התבנית ואת יריעת פלסטיק עם 17.6 גרם פתרון PVA ולמקום את התבנית במקפיא מינוס 20 מעלות צלזיוס. מבלי לתת לפתרון בהרכבת התבנית הראשונה להפשיר ולהדק יחד את תבנית כלי השיט כולו רירית התפרים של עובש לומן החיצוני עם שעווה מעוותת כדי להבטיח כי הידרוג'ל לא לדלוף במהלך ההזרקה. מלא מזרק 60 מיליליטר עם פתרון PVC 22.2 גרם והחזקת קצה bifurcation של התבנית עד להזריק את פתרון PVA-c לתוך הרכבה עובש.אפשר את התבנית החדשה שנבנתה להגדיר במשך 30 דקות עם הקשה עדינה כל 10 דקות כדי לאפשר לכל בועת אוויר לעלות לראש התבנית. לאחר מכן, להקפיא את כל מכלול עובש במשך 12 שעות. בינתיים, להרכיב ולהדק עובש מדגם נוסף גיליון פלסטיק שטוח לחתוך כפי שהוכח, למלא את החלל בין התבנית ואת יריעת פלסטיק עם 22.2 גרם PVA פתרון, להקפיא את התבנית במשך 12 שעות.בסוף הדגירה המקפיאה, מפשירים את שתי התבניות במשך 12 שעות בטמפרטורת החדר, ואחריהן עוד ארבעה מחזורי הקפאה והפשרה של 24 שעות. לאחר מחזור ההפשרה החמישי, הסר את דגימות בדיקת PVA-c מהתבניות שלהם וקצץ קריוגל עודף מהדגימות לאחסון במיכל אטום של חמישה אחוזים על ידי פתרון מים אקונומיקה נפח בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, להסיר את כלי PVA-c מן עובש לומן החיצוני, בזהירות להפריד את החלק כלי ישר של עובש לומן הפנימי מן החלק המפרצת.לאחר מכן חותכים את מרווחי הרישום מהקצה הדו-קוטבי של החלק המפרצת של תבנית הלומן הפנימית כדי לחשוף את תמיסת ה- PVA המודפסת ומ מניחים את החלק המודפס של PVA באמבט מים בטמפרטורת החדר כדי להמיס את החלק המפרצת של PVA. לאחר המסה והסרה של החלק המודפס PVA מתוך פנטום כלי השיט לאחסן את הפנטום במיכל אטום של חמישה אחוזים על ידי נפח אקונומיקה תמיסת מים בטמפרטורת החדר. ממלאים את תבנית הרקע בכ-3.3 ליטרים של תווי PVA-c 183.7 גרם וממלאים תבנית לדוגמה בתווית PVA-c של 183.7 גרם ומקפיאים ומפשירים את תבניות הרקע והדגימה לשני מחזורים של 24 שעות.לאחר ההפשרה השנייה, הסר את דגימת הרקע ואת פנטום הרקע מהתבניות שלהם ואחסן אותם במיכל אטום של חמישה אחוזים טריים על ידי פתרון מים אקונומיקה נפח בטמפרטורת החדר. לבדיקה של הפאנטום והדגימות, מניחים את כלי השיט ואת רוח הדם ברקע באמבט מים גדול ולהשתמש מלחצי צינורות כדי לחבר את קצה כלי גדול יותר לתפוקה של משאבת המים המודינמית. מניחים את פנטום הכלי בפנטום הרקע ולהשתמש מלחצי צינורות כדי לחבר את הקצוות bifurcated של הפנטום להיכנס למשאבה המודינמית.מניחים קטטר חיישן לחץ מצב מוצק במערכת של משאבת קצה הספינה ליד הכניסה של המשאבה המודינמית ולהפעיל את המשאבה המודינמית כך הלחצים של תצורות ולד הם בין מינימום של אפס קילופסקלים למקסימום של 7.5 קילופסקלים. לאחר מכן השתמש במערכת אולטרסאונד ומתמר קמר עם תדר מרכזי של כחמישה מגה הרץ כדי לאסוף תמונות אולטרסאונד של רוחות הרקע וכלי השיט בהצלבה במיקום של קוטר כלי מרבי המתעד את נתוני הלחץ באמצעות מערכת רכישה דיגיטלית. כאן, מיוצג כתמונות במצב B של כלי המחקה רוחות רפאים עבור הלחצים המינימליים והמקסימום הנמדדים על ידי הקטטר מוצגים.בפנטום מיוצר זה היחס בין הזן המנורמל של הלחץ הממוצע שנמדד ברבעון האחורי של הפנטום לזן הממוצע ברבעון הראשון היה 0.92. בפנטום מיוצר זה, החלק המפרצת של הפנטום נעשה עם 15 אחוזים על ידי פתרון PVA-c המוני ושארית הפנטום נעשה באמצעות 10 אחוזים על ידי מסה PVA-c והיחס של האחורי לזן לפנים נקבע להיות 1.87. כאן, הפנטום ההטרוגני נוצר עם 20 אחוז על ידי PVA-c המוני עם יחס זן אחורי לפנים של 4.23 וזה 25 אחוז על ידי פנטום המוני PVA-c הטרוגני הפגין זן אחורי לפנים של 7.37.כפי שהוכח, ניתן ללחוץ באופן דינמי על פנטומי החללית הסופיים והם יציבים תחת עומסים גדולים. בעת ניסיון תהליך ייצור זה, חשוב לשמור על רישום של כל קטעי עובש. אם חלקי עובש אינם מצוידים כראוי חלקים דקים של קיר כלי עלול לגרום.השימוש קריוגל אלכוהול פוליוויניל מאפשר מגוון רחב של ערכי נוקשות לחקות את התכונות החומריות המשתנות של כלי הדם. בעקבות הטכניקה המוצגת בהליך זה, גיאומטריות פנטום אחרות ניתן ליצור ולבדוק באמצעות תבניות CAD דומות או תבניות ספציפיות למטופל מן תמונות CT משופרת ניגודיות של כלי. פאנטום קריוגל שפותחו כאן תוכננו במיוחד עבור הדמיית אולטרסאונד, עם זאת, הם תואמים גם עם מגורים מגנטיים ומערכות הדמיה tomogrophy מחשב עשוי לשמש כדי לאמת מגוון רחב של טכניקות הדמיה.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

תהודה מגנטית elastography מתודולוגיה להערכת של רקמות מהונדסות צמיחה Construct

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

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

טיפוח האדם ובתאים עצבית ב Hydrogel עצמית להרכבת 3 מימדי פפטיד

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

התקני ייצור מכשירים להשתלת כבד חולדה קלה יותר

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

בנייה של פנטום multimodality Preclinical שימוש בחומרים רקמות-מחקים לאבטחת איכות במדידת גודל גידול

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 בונה בעזרת רקמות ספציפיות הידרוג&#39;ל 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

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

פרוטוקול עבור הדמיה מגנטית תחום עם בחיי עיר היסטרזיס מדידת וההתקנה ממוטבת

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

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

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

ייצור ואפיון רקמות אופטי הפאנטומים המכיל למפלגות

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

רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה

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

בדיית כליות קורטקס חוץ-תאית מטריקס-Derived הידרוג

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