Magnetisch-Assisted Remote Controlled microkatheter Tip Doorbuiging onder Magnetic Resonance Imaging

Summary

Wordt toegepast op een endovasculaire microkatheter met microcoil tip door laser draaibank lithografie kan bereiken bestuurbare doorbuiging onder magnetische resonantie (MR) leiding die snelheid en efficiëntie van navigatie van bloedvaten kan verbeteren tijdens verschillende endovasculaire procedures.

Abstract

X-ray fluoroscopie-geleide endovasculaire procedures hebben een aantal belangrijke beperkingen, met inbegrip van moeilijk katheter navigatie en gebruik van ioniserende straling, die mogelijk kunnen worden overwonnen met behulp van een magnetisch bestuurbare katheter onder MR begeleiding.

Het belangrijkste doel van dit werk is het ontwikkelen van een microkatheter waarvan tip kan op afstand worden bediend met behulp van het magnetisch veld van de MR-scanner. Dit protocol heeft tot doel de procedures voor de toepassing stroom naar de microcoil-tipped microkatheter om consistente en controleerbare doorbuiging te produceren.

Een microcoil werd vervaardigd met behulp van laser-draaibank lithografie op een polyimide-tipped endovasculaire katheter. In vitro testen werden uitgevoerd in een waterbad en schip fantoom onder begeleiding van een 1.5-T MR-systeem met behulp van de steady-state free precessie (SSFP) sequencing. Verschillende hoeveelheden stroom werden toegepast op de spoelen van de microkatheter te produceren measureable tip doorbuigingen en navigeren in vasculaire fantomen.

De ontwikkeling van dit apparaat biedt een platform voor toekomstige testen en kansen voor de endovasculaire interventie-MRI-omgeving revolutie.

Introduction

Endovasculaire procedures uitgevoerd in interventionele geneeskunde gebruikt x-ray begeleiding als een instrument voor catheter navigatie door vaatstelsel aan een aantal belangrijke ziekten, zoals hersenbloeding, ischemische beroerte, solide tumoren, atherosclerose en cardiale aritmieën gericht op meer dan een miljoen patiënten per jaar wereldwijd ^een te behandelen ^{- 5.} Met het gebruik van contrastmiddelen, wordt navigatie door de vasculatuur bereikt door handmatige rotatie van de katheter en mechanische opbouw door de interventionistische hand ^6. Echter navigatie door kronkelige kleine bloedvaten rond bochten veel vasculaire steeds moeilijker en verlengt de tijd voor het bereiken van de doelplaats. Dit vormt een probleem voor tijdgebonden procedures zoals het verwijderen van een klonter in een afgesloten bloedvat. Bovendien, langdurige procedures verhoging van de stralingsdosis en potentieel voor bijwerkingen ^7-11. Echter endovasculaire ingrepen onder magnetic resonance imaging kan dan uitkomst bieden.

De sterke homogene magneetveld van een MRI scanner kan zijn van katheterpunt navigatie door de afstandsbediening ^12,13. Wordt toegepast op een microcoil gelegen op een katheterpunt induceert een klein magnetisch moment, dat een koppel ervaart is uitgelijnd met de boring van de MRI scanner ¹³ (figuur 1). Als stroom wordt geactiveerd in een afzonderlijke spoel, kan de kathetertip worden afgebogen in een vlak op afstand. Indien drie spoelen bij een katheterpunt worden bekrachtigd, kan katheterpunt doorbuiging bereikt in driedimensionale. Zo magnetisch vergemakkelijkt besturing van een catheter heeft de potentie om de snelheid en effectiviteit van vasculaire navigatie in endovasculaire procedures, die afbreuk kunnen doen procedure tijden en verbeteren patiëntenoutcomes verhogen. In deze studie hebben we onderzocht of wordt toegepast op een microcoil-tip endovasculaire katheter betrouwbare en gecontroleerde deflections onder MR-begeleiding als voorbereidende tests van katheternavigatie studies.

Protocol

1. Microcoil Fabrication

1. Zorg voor een in de handel verkrijgbare microkatheter (bijv. 2.3F Rapid Transit Cordis Neurovasculaire Catheter, Raynham, MA) voor een substraat.
2. Zorg ervoor dat katheters hebben geen ferro-componenten, worden beschouwd als MR-veilig, en variëren in grootte 2,3-3.0 F.
3. Spatten titanium hechtlaag gevolgd door een koperen kiemlaag tot 1 à 2 mm OD isolatiebuis. Mogelijke materialen zijn onder meer polyimide of alumina (ORtech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Galvanische positieve fotolaklaag met Shipley PEPR-2400 (momenteel verkocht door Dow Chemical onder de naam Intervia 3D-P). Elektrodepositie resulteert in een uniforme coating op het niet-vlakke cilindrische oppervlak.
5. Fotolak wordt belicht door een unieke laser direct-write systeem (laser draaibank, zonder commercieel systeem ontwikkeld Lawrence Livermore National Laboratory) in het patroon van de gewenste spoelvorm (Figuur 2A). Dit is een aanpastie van de techniek oorspronkelijk beschreven in Malba et al. ^14.
6. Ontwikkelen de belichte fotolak in een 1% oplossing van kaliumcarbonaat bij 35 ° C.
7. Gegalvaniseerde koper door de resterende resistmasker de gewenste spoel te vormen. Het systeem kan fabriceren zowel solenoïde en Helmholtz (circuit) koper patronen (figuur 2C en 2D).
8. Na koper elektrodepositie, verwijdert u de weerstand met warme ontwikkelaar. Verwijder de koperen basislaag, gevolgd door titanium hechtlaag.
9. Bevestig de isolerende buis aan de kathetertip met behulp van krimpfolie om de montage te voltooien. Zorg ervoor dat de shrink wrap de hele opgerolde tip dekt. Voor meerassige catheters monteren plaatsen isolatiebuis structuren in elkaar zoals getoond in figuur 2E.
10. Koperdraden draad door het lumen van de microkatheter en soldeer op de spoelen aan het uiteinde.
11. Wijzigen en verkorten van een 6 ft RJ11 telefoonkabel to 3 m lang.
12. Sluit de koperen draden die uit de back-end-hub van de microkatheter om de gewijzigde 3 ft telefoonaansluiting transmissielijn.

2. Waterbad instellen

1. Een gaatje in het midden van de zijkant van een plastic bak ongeveer 5 cm van de bodem.
2. Plaats een 9F Avanti Cordis vasculaire schede (Cordis Endovasculaire, Miami Lakes, FL) door het gat.
3. Snijd de distale tip van de vasculaire mantel waardoor een 4 cm lang stuk zich in het bekken.
4. Aan het eind van de mantel, voeg een roterende hemostatische of Thuoy-Borst klep om de locatie van de microkatheter stabiliseren.
5. Vul de bak met gedestilleerd water zorgen voor volledige onderdompeling van het apparaat.
6. Plaats de katheter met opgerolde tip door de vasculaire schede en klep.
7. Meet en noteer de ongebreidelde lengte van de microkatheter uitstrekt vanaf de klep naar het waterbad.
8. Plaats het waterbad met microkathetersysteem in de magneet van het MR scanner en oriënteren ten opzichte van de boring van de magneet.
9. Sluit de gewijzigde 3 ft telefoonkabel aangesloten op de katheter om een ​​25 ft RJ11 telefoonkabel transmissielijn met behulp van een 2-weg telefoonaansluiting.
10. Het andere uiteinde van de 25 ft telefoonkabel een Lambda LPD-422A-FM dual geregelde voeding waardoor hij tot 1 A van stroom naar het apparaat.
11. Plaats de transmissielijnen via een golfgeleider en de stroombron buiten de MR scanner kamer buiten de lijn 5 Gauss.

3. Schip Phantom Setup

1. Construeer een hol vat fantoom met een Y-vormige kruising van rubber slangen voor experimenten.
2. Vul het vat fantoom met een 0,0102 M oplossing van gadopentetaat dimeglumine (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) in gedestilleerd water om het contrast tussen het fantoom schepen en achtergrond te creëren.
3. Monteer de microcatheter systeem zoals beschreven in stappen 1.1 tot en met 1.9. Sluit de catheter op de voeding en positie zoals beschreven in stap 2,9 tot 2,11.
4. Plaats de tip van de microkatheter bij de basis van de tankopening.
5. Plaats de fantoom in de magneet van het MR scanner en oriënteren ten opzichte van de boring van de magneet.

4. Magnetic Resonance Imaging

1. Voer beeldvorming met een 1.5T klinische MR-systeem (Siemens Avanto, SW: syngo B13, Erlangen, Duitsland; Philips Achieva, SW-versie 2.1, Cleveland, OH).
2. Toepassen <50 mA van stroom aan de katheterpunt positie visualiseren. Onder MRI, een klein magnetisch moment worden geproduceerd in de katheterpunt een onderscheiden artefact van verschillende vorm, afhankelijk van welke spoelen worden bekrachtigd visualiseren.
3. Toepassing variabele hoeveelheden in het bereik van ± 100 mA van de Lambda dubbele voeding naar de spoelen en observeer tip vervorming (figuren 3A-3C) in het water bae setup. Omdat tip doorbuiging bijna onmiddellijk, huidige behoeven uitsluitend te worden toegepast voor ~ 1-2 seconden naar maximale doorbuiging te visualiseren.
4. Herhalen en neemt achtereenvolgende toepassingen van vaste bedragen van de huidige.
5. Herhaal stap 4,2, terwijl gelijktijdig de catheter met de hand mogelijk mechanische opbouw door het vat fantoom (figuren 4A en 4B). Gebruik de huidige in het kantoor wijzen op de kathetertip buigen in de gewenste vat. De katheter in de tak vaartuig handmatig duwen het cathetereinde (Figuur 4C). Trek de catheter aan het vat bifurcatie en herhaal in tegengestelde tak (figuur 4D).
6. Acquire MR-beelden met behulp van een 2D snapshot-FLASH-sequentie (TR = 30 msec, TE = 1,4 msec, een matrix van 256 x128 en flip hoek ~ 30 °).

5. Doorbuiging Afmetingen

Analyseren en meten van hoek verlegging van beelden die tijdenswaterbad experimenten met verschillende computertoepassingen (elke Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Viewer).

Representative Results

Van de hierboven beschreven protocol, een afbuighoek tussen 0 en 90 graden worden waargenomen bij toepassing van 50-300 mA stroom gelijktijdig geleverd aan beide spoelen van een gecombineerde spoel en Helmholtz spoel microkatheter (figuur 2E). Een toename van aangelegde stroom moeten leiden tot een toename van microkatheter afbuighoek, terwijl een omkering van polariteit stroom moet in deflectie resulteren in de tegenovergestelde richting als waargenomen met positieve stroom (figuren 5A-5C). De afbuighoek is echter afhankelijk van verschillende parameters. De hoeveelheid toegepaste stroom en het aantal spoelwindingen in de solenoïde en Helmholtz spoelen verandert de sterkte van het magnetisch moment bij de microkatheter tip. Bovendien is de sterkte van het externe magneetveld en de hoek tussen het magnetisch moment van het deeltje en het externe magnetische veld bepaalt de hoeveelheid koppel ervaren door de microcatheter. Tenslotte de ongebreidelde lengte van de microkatheter tip zich in het waterbad is een andere factor die kan worden gewijzigd. Wijzigingen in elk van deze variabelen zal produceren gemodificeerde hoeken van de indrukking.

Nauwkeurige meting van afbuighoeken van MR beelden kunnen worden uitgevoerd en vergeleken met verschillende soorten DICOM viewer software. Geavanceerde doorbuiging kan ook getest worden door succesvolle navigatie door een gesimuleerde schip fantoom.

Figuur 1. Single-Axis Coil Schematische:. Catheter doorbuiging als gevolg van de exploitatie van de magnetische omgeving van de MR-scanner Eerder verschenen in Roberts et al. 2002 ^13..

Figuur 2A. Laser Lithogra phy Diagram:. Setup van laser lithografie-proces Publicatie in de pers (Wilson et al., 2013 ^16.).

Figuur 2B. Laser Lithografie Coil Fabrication Diagram: Diagram van de stappen die betrokken zijn bij laser draaibank lithografie fabricage van microcoils.

Figuur 2C. Spoel:. Microcoil een spoel van 50 toeren vervaardigd op een polyimide buis met lithografische techniek genaamd laser draaibank lithografie Eerder gepubliceerd in Bernhardt et al. 2011 ¹⁵ en Muller et al. 2012 ¹⁶ en in press (Wilson et al. 2013 ^17.).. .

/ Ftp_upload/50299/50299fig2D.jpg "/>
Figuur 2D. Zadelspoel: A Helmholtz ("circuit") microcoil gefabriceerd op de buitenwand van een katheter met lithografische techniek genaamd laser draaibank lithografie Eerder gepubliceerd in Bernhardt et al... 2011 ¹⁵ en Muller et al.. 2012 ¹⁶ en in press (Wilson et al. 2013. ^17).

Figuur 2E. Combinatie Coil: A spoel gefabriceerd op een katheterpunt geplaatst in een grotere buis die een Helmholtz spoel Gelijktijdige huidige toepassing aan beide spoelen kunnen catheter doorbuiging in drie dimensies.. Publicatie in de pers (Wilson et al.. 2013 ^17).

Figuur 3A . Catheter Doorbuiging:. Kathetertip afbuiging waarneembaar met toepassing van de huidige Blooming artefact uit de bekrachtigde spoel is duidelijk zichtbaar (pijl).

Figuur 3B Anterior-Posterior Catheter Doorbuiging in Waterbad:. Toepassing van 50 mA en 100 mA stroom resulteerde in een consistente 10 ° en 14,5 ° doorbuiging respectievelijk. Positieve stroom veroorzaakt tip afbuiging in de voorste vlak en negatief huidige resultaten in de doorbuiging van de achterste vliegtuig. Klik hier om Figuur 3B bekijken .

. Figuur 3C Rechts-Links Catheter Doorbuiging in Waterbad: Toepassing van 50 mA en 100 mA stroom resulteerde in een consistente 11,5 ° en 17 ° doorbuiging respectievelijk. Positieve stroom veroorzaakt tip doorbuiging in het juiste vliegtuig, en negatieve stroompulsen in deflectie in het linker vlak.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Klik hier om Figuur 3C te bekijken.

Figuur 4 Catheter Besturing en Tracking:. Gecontroleerde katheter doorbuiging en besturing door een vat fantoom. Stroom wordt toegepast op de gewikkelde katheterpunt produceren visualisatie blooming (pijl). De catheter is mechanisch geavanceerde en actuele (- 45 mA) wordt toegevoerd aan vervorming veroorzaakt in de bodem vat branch (C). De katheter wordt dan teruggetrokken stand (B). Door omgekeerde polariteit stroom (45 mA) wordt de katheter afgebogen en voortbewogen in de top vat branch (D).

. Figuur 4B Catheter afbuiging in een Bifurcation Phantom: wordt toegepast op de catheter aldieptepunten succesvolle targeting en de vooruitgang in de linker vat tak van het fantoom. De katheter wordt dan teruggetrokken om het vertakkingspunt en gericht in de juiste schip tak. Klik hier om Figuur 4B bekijken .

. Figuur 5A-C geometrische patronen van katheter doorbuiging in het waterbad:. Stroom wordt verleggingen produceren binnen een enkel vlak in alle richtingen Klik hier om zie figuur 5A , figuur 5B , figuur 5C .

Discussion

Hier beschrijven we het protocol voor afbuiging van een microkatheter in een MR-scanner. De belangrijkste parameters voor succes zijn nauwkeurige toepassing van de huidige en de meting van afbuighoek. Onnauwkeurige meting van afbuighoek is de meest waarschijnlijke fout is opgetreden in dit protocol. De hoeken opgenomen in MR beelden in het waterbad experiment verschillen van de werkelijke waarden door kleine verschillen in de oriëntatie die het medium wordt gepositioneerd ten opzichte van de boring van de magneet. Om dit probleem in de toekomst aan te pakken, kunnen de beelden worden opgevangen door MR-compatibele glasvezel camera's geplaatst in twee verschillende afmetingen. Gebruik van zowel MR en camerabeelden zal een nauwkeuriger, driedimensionaal beeld van de microkatheter tip.

De beeldkwaliteit kan worden verbeterd door de parameters waaronder beeldvorming wordt uitgevoerd. Een andere imaging sequentie kan worden gebruikt om te bepalen of een hogere beeldkwaliteit en duidelijkheid iservaren. Bovendien, omdat de transmissielijnen rende de MR-scanner control room, de integriteit van RF de magneet kamer behuizing van was suboptimaal eventueel verlies van beeldkwaliteit. Dit probleem kan worden verbeterd door het plaatsen van de elektrische leidingen door een filter op een penetratie panel. Bovendien, met de katheterpunt microcoils als beeldvormende receiver spoelen ook heeft het potentieel om hogere resolutie direct naast de katheterpunt voorzien. De mogelijkheid om met behulp van laser gedraaide kathetertip spoelen als beeldvormende spoelen wordt onderzocht.

De productie van afbeeldingen die niet alleen een betere kwaliteit, maar gemakkelijker te gebruiken om precieze hoek doorbuiging te meten is ook mogelijk. Wijziging van variabelen die hoek doorbuiging beïnvloeden, zoals hierboven vermeld, kan resulteren in een grotere mate van afbuiging. Bovendien kan een 3T klinische MR scanner van grotere sterkte worden gebruikt in plaats van een scanner 1.5T het bereik van microkatheter doorbuiging verhogen. Dezeveranderingen kunnen produceren scheiding van verschillende hoek afbuiging tussen korte tussenpozen van aangelegde stroom.

Omdat dit protocol gericht op het vermogen om microkatheter doorbuiging Controleproef het schip fantoom gebruikt was eenvoudig en bevatte een vertakkingspunt bij ongeveer 45 °. Nu deze mogelijkheid is gevestigd, kan verder onderzoek van microkatheter doorbuiging worden uitgevoerd in complexere fantomen. Ontwerp variabelen die kunnen worden gewijzigd zijn vaatdiameter, de hoek van het schip takken en het aantal windingen in elk pad van de fantoom. De vaten kunnen ook taps en de phantom uit een ander materiaal dan kunststof slang in een poging om meer na te bootsen menselijke vasculatuur. In toekomstige studies kan dierproeven worden uitgevoerd om verder te onderzoeken microkatheter navigatie vermogen.

Aantal beperkingen van dit protocol ook bestaan ​​met betrekking tot de vervaardiging van microcoils metde Laser Draaibank techniek. Lijnbreedte is een functie van laser spotgrootte weerstaan ​​dikte en pitch. Laserspot maat is beperkt tot een bereik van drie tot vijf micron in diameter, en weerstaan ​​dikte is beperkt tot 25 micron. Verder wordt de dikte van de koperen leidingen beperkt door de lijnbreedte en de resist dikte. Fotoresist belichting met de laser direct-schrijven systeem resulteert in openingen of functies in de lak die niet evenwijdige zijden hebben. De openingen zijn smaller aan de bodem nabij de basislaag en daarbij de minimum grootte van de features. Bovendien, als lijnen dikker ze dichter bij naburige lijnen. Als er lijnen zijn te dicht, de koper zaad laag en titanium hechtlaag verwijdering processen zijn niet in staat om te gaan ongeremd.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
GdDTPA Contrast Media (Magnevist)	Bayer HealthCare Pharmaceuticals Inc.	1240340	McKesson Material Number
Positive Photoresist	Shipley	N/A	PEPR-2400, Replacement: Dow Chemicals Intervia 3D-P
Copper Sulfate	ScienceLab	SLC3778	Crystal form
Sulfuric Acid	ScienceLab	SLS1573	50% w/w solution
Parrafin Wax	Carolina	879190
Potassium Carbonate	Acros Organics	424081000