यहाँ हम परीक्षण अल्ट्रासाउंड elastography में उपयोग के लिए aneurysmal, महाधमनी ऊतक-नकल उतार प्रेत निर्माण करने के लिए एक विधि का वर्णन. कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) और 3 आयामी (3 डी) मुद्रण तकनीकों का संयुक्त उपयोग पूर्वानुमानित, जटिल geometries के साथ महाधमनी प्रेतों का उत्पादन करने के लिए नियंत्रित प्रयोगों के साथ elastographic इमेजिंग एल्गोरिदम को मांय ।
अल्ट्रासाउंड (अमेरिका) elastography, या लोच इमेजिंग, एक सहायक इमेजिंग तकनीक है कि ऊतक गति को मापने और अनुमान या अंतर्निहित यांत्रिक विशेषताओं को माप करने के लिए नरम ऊतकों की अनुक्रमिक अमेरिका छवियों का उपयोग करता है. उदर महाधमनी aneurysms (एएए) के लिए, ऊतक के लोचदार मापांक और ऊतक तनाव के अनुमान में परिवर्तन के रूप में यांत्रिक गुणों शल्य चिकित्सा हस्तक्षेप की आवश्यकता का आकलन करने के लिए आवश्यक हो सकता है । उदर महाधमनी aneurysms US elastography एएए प्रगति की निगरानी और उच्च जोखिम वाले रोगियों की विशेषता यांत्रिक गुणों में परिवर्तन की पहचान करने के लिए एक उपयोगी उपकरण हो सकता है ।
एक एएए अमेरिका elastography तकनीक के विकास में एक प्रारंभिक लक्ष्य ज्ञात सामग्री गुणों के साथ एक शारीरिक रूप से प्रासंगिक मॉडल का उपयोग कर विधि के सत्यापन है । यहाँ हम शारीरिक रूप से प्रासंगिक geometries और स्थानिकी संग्राहक सामग्री संपत्तियों के साथ एएए ऊतक नकल करने वाले प्रेतों के उत्पादन के लिए एक प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं । इन ऊतक प्रेतों अमेरिका संपत्तियों, सामग्री मापांक, और उदर महाधमनी aneurysms की ज्यामिति नकल करने के लिए लक्ष्य । ऊतक प्रेतों एक polyvinyl शराब cryogel (PVA-सी) और 3 डी मुद्रित भागों कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर का उपयोग कर बनाया का उपयोग कर ढाला का उपयोग किया जाता है । प्रेतों के मापांक से PVA-सी की एकाग्रता में फेरबदल करके नियंत्रित किया जाता है और cryogel को polymerize करने के लिए प्रयुक्त फ्रीज-गल चक्र की संख्या बदलकर. एएए प्रेतों एक hemodynamic पंप से जुड़े हैं, शारीरिक चक्रीय दबाव और प्रवाह के साथ प्रेतों ख़राब डिजाइन किए हैं । अल्ट्रा ध्वनि विकृत प्रेतों की छवि दृश्यों दबाव सामान्यीकृत तनाव और पोत दीवार के यांत्रिक गुणों की पहचान के स्थानिक गणना के लिए अनुमति दी । दबाव सामान्यीकृत तनाव के प्रतिनिधि परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं ।
उदर महाधमनी aneurysms (एएए) महाधमनी है कि तरजीही महाधमनी विभाजन1के पास होने के फोकल इज़ाफ़ा कर रहे हैं । एएए गठन का सही कारण अज्ञात है, हालांकि कई सिद्धांतों का सुझाव है कि रोगजनन multifactorial है, आनुवंशिक, व्यवहार, hemodynamic के साथ, और पर्यावरण2,3योगदान कारक । जबकि एक उदर महाधमनी धमनीविस्फार के निदान गैर इनवेसिव इमेजिंग तकनीक का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है, रोगी-विशिष्ट टूटना जोखिम की भविष्यवाणी के रूप में सटीक नहीं है4,5,6. शल्य चिकित्सा मरंमत महाधमनी टूटना के जोखिम को कम कर सकते हैं, लेकिन महाधमनी के ऑपरेटिव मरंमत जुड़े रुग्णता और मृत्यु7की एक उच्च दर वहन करती है । वर्तमान शल्य चिकित्सा पद्धतियों टूटना के एक मरीज के जोखिम की भविष्यवाणी करने के लिए “अधिकतम आकार मानदंड”, या aneurysms की अधिकतम निरपेक्ष व्यास का उपयोग करें । दुर्भाग्य से, यह अच्छी तरह से स्थापित किया गया है कि एक धमनीविस्फार अभी भी आकार चिकित्सकीय शल्य चिकित्सा के लिए स्वीकार्य के नीचे टूटना, जिसका अर्थ है कि किसी भी आकार धमनीविस्फार के साथ रोगियों टूटना के कुछ जोखिम ले8,9, 10 , 11 , 12 , 13. इसके अतिरिक्त, यह ज्ञात है कि ऐतिहासिक रिपोर्ट टूटना जोखिम की संभावना खत्म हो रहे हैं-अनुमान सच टूटना जोखिम, अर्थ कई रोगियों शल्य चिकित्सा जोखिम के लिए13लाभ के बिना उजागर कर रहे हैं । रोगी-विशिष्ट टूटना जोखिम का एक और अधिक सटीक मूल्यांकन शल्य धमनीविस्फार मरंमत के दौर से गुजर के एक रोगी के जोखिम लाभ अनुपात stratify मदद करने के लिए की जरूरत है ।
यह दिखाया गया है कि एक एएए के भीतर स्थानिक तनाव वितरण टूटना संभावित निर्धारित करने में महत्वपूर्ण महत्व का है और अधिकतम व्यास14,15,16,17 से एक बेहतर संकेतक हो सकता है , 18. हाल ही में अध्ययन के अधिकांश कि एएए टूटना के यांत्रिकी की जांच का उपयोग एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (सीटी) छवियों से geometries विभाजित, और महाधमनी ऊतक की जनसंख्या औसत यांत्रिक गुणों के पूर्व vivo मापा । परिमित तत्व (FE) मॉडल तो पोत दीवार तनाव14,15, 16,17,18भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किया जाता है । हालांकि, क्योंकि यांत्रिक गुणों ऊतक उत्पाद के बाद निर्धारित कर रहे हैं, यह स्पष्ट नहीं है कि परिणामी मॉडल सही vivo रोगी विशेष तनाव में जिसके परिणामस्वरूप चित्रित । ये अध्ययन आमतौर पर सजातीय पोत दीवार सामग्री गुण ग्रहण और महाधमनी दीवार और थक्का19,20,21,22 के अत्यधिक विषम संरचना के लिए खाते में नहीं ,२३,२४,२५.
अल्ट्रासाउंड आधारित लोच इमेजिंग नैदानिक और रोग विकृतियों की एक किस्म का निदान करने के लिए उपयोग किया जाता है26. इस प्रौद्योगिकी नरम ऊतकों की शारीरिक बातचीत से पूछताछ करने के लिए एक गैर इनवेसिव साधन प्रदान करता है । संवहनी अमेरिका लोच इमेजिंग आळे की स्क्रीनिंग और निगरानी में नैदानिक अमेरिकी मूल्यांकन के लिए एक सहायक इमेजिंग मोडल के रूप में इस्तेमाल किया गया है । इन तकनीकों का संयोजन दोनों ज्यामितीय जानकारी प्रदान करता है, जैसे व्यास और लंबाई, साथ ही साथ यांत्रिक डेटा, रिश्तेदार कठोरता और कठोरता भिन्नता के रूप में. जबकि कई लोच इमेजिंग तकनीक एक बाहरी लोड की आवश्यकता के लिए एक औसत दर्जे का ऊतक विकृति प्रेरित, ऊतक गति यहां मापा जा धड़कता दिल की वजह से महाधमनी दबाव में परिवर्तन से प्रेरित है । कई तरीकों को विशेष रूप से हल जहाजों में तनाव क्षेत्रों को सुलझाने के लिए प्रकाशित किया गया है, तथापि, इन तरीकों का सत्यापन अध्ययन मानव रोगियों, पशु मॉडल, या पूर्व vivo ऊतक नमूने के लिए सीमित किया गया है27,28 ,29,30,31,३२. तारीख करने के लिए, कुछ तरीकों विशेष रूप से विभिंन सामग्री संपत्तियों27,29के साथ कस्टम geometries की कृतियों के लिए अनुमति देते हैं ।
यहाँ हम हमारे elastography तकनीकों के सत्यापन के लिए प्रासंगिक महाधमनी geometries और सामग्री संपत्तियों की एक किस्म के अनुरूप किया जा सकता है कि हमारे संगत, ऊतक नकल उतार प्रेतों के निर्माण की एक विधि प्रस्तुत करते हैं । हालांकि पिछले समूहों के लिए जटिल ज्यामिति प्रेतों डिजाइन करने के लिए एएए geometries 3d प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी३३,३४का उपयोग कर नकल करने में सक्षम है, मुद्रण योग्य रबर के लिए हमें एक उच्च क्षीणन है जाना जाता है और एक का मतलब नहीं है बाद में उनके सामग्री गुण । प्रेतों polyvinyl शराब cryogel (PVA-सी), जो पहले संवहनी ऊतक गुण३५नकल उतार के लिए आदर्श होने के लिए दिखाया गया है से बना रहे हैं । इन प्रेतों अमेरिका, चुंबकीय अनुनाद, और elastographic इमेजिंग३६,३७,३८में इस्तेमाल किया जा सकता है । महाधमनी धमनीविस्फार ज्यामिति इसी तरह Vorp एट अल द्वारा बनाई गई सिमुलेशन मॉडल के लिए डिजाइन किया गया था । 14. पोत २२.५ mm का नाममात्र का व्यास है और एक aneurysmal उभार है कि ६४ mm उभार है लंबे, ४७ मिमी व्यास और सनकी में (β = ०.६)14 प्रेत के पूर्वकाल पक्ष के लिए । पिछले अनुभाग 15 मिमी का एक बाहर का व्यास के साथ श्रोणि विभाजन की नकल । प्रेत की एक निरंतर मोटाई के लिए चुना गया था लगभग 5 मिमी. राघवन एट अल. एक छोटे से अध्ययन में बताया कि 0.23 से एएए पर्वतमाला के पोत मोटाई-4.24 mm, १.४८ mm३९का एक औसत मूल्य के साथ । कि स्पेक्ट्रम के बड़े अंत पर एक नाममात्र पोत मोटाई यहां उंमीद के साथ विनिर्माण चिंताओं के लिए चुना गया था कि बेहतर 3 डी मुद्रण तकनीक में सक्षम है कि ंयूनतम प्रेत मोटाई molded जा सकता है सुधार होगा । प्रेत molds सीएडी में डिजाइन किए थे और 3 डी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्रिंटर और रेशा का उपयोग कर मुद्रित कर रहे हैं ।
मोल्ड्स PVA-c सॉल्यूशन से भरे हुए इंजेक्शन होते हैं और PVA-सी पॉलिमर को क्रॉस-लिंक करने के लिए फ्रीज/गल चक्र (-20 डिग्री सेल्सियस और + 20 डिग्री सेल्सियस) की एक श्रृंखला के अधीन होते हैं और जेल polymerize । PVA-सी की लोचदार मापांक PVA-सी जेल की एकाग्रता या फ्रीज-गल चक्र की संख्या में फेरबदल करके नियंत्रित किया जाता है. प्रेत के aneurysmal अनुभाग आवश्यक नुकसान मोल्ड पोत के भीतरी लुमेन से हटाने के लिए । यह एक polyvinyl शराब, 3 डी प्रिंटर रेशा (PVA) के उपयोग से पूरा किया गया था । यद्यपि रासायनिक PVA-सी चूर्ण के समान, PVA रेशा जम जाने पर polymerize नहीं होता और, जैसे-जैसे, PVA-सी के सेट होने के बाद पानी में घुल सकता है. अतिरिक्त नमूना मोल्ड एक ही PVA-सी एकाग्रता के साथ, एक “कुत्ते की हड्डी” विन्यास में, तन्यता परीक्षण नमूनों बनाने के लिए मुद्रित कर रहे हैं । ये मोल्ड ही फ्रीज/गल चक्र से गुजरती है और स्वतंत्र रूप से प्रेत वर्गों के लोचदार मापांक को मापने के लिए तन्य परीक्षण के लिए उपयोग किया जाता है । एक पृष्ठभूमि सामग्री नरम PVA-सी, retroperitoneum४०,४१के ऊतकों अनुकरण करने के लिए बनाया के साथ निर्मित किया गया था । इस पृष्ठभूमि प्रेत एक सजातीय axisymmetric बेलनाकार ट्यूब के रूप में एक 4 सेमी भीतरी व्यास, एक १६.५ सेमी बाहरी व्यास, और १६.५ सेमी की लंबाई के साथ निर्मित किया गया था । यह एक 5% PVA समाधान से बनाया गया था और दो फ्रीज-गल चक्र के एक कुल के अधीन ।
अंतिम एएए प्रेतों पृष्ठभूमि प्रेत और जुड़े में रखा गया था, ट्यूब फिटिंग और clamps के माध्यम से, एक hemodynamic पानी शारीरिक चक्रीय प्रवाह और दबाव के साथ प्रेतों ख़राब डिजाइन पंप करने के लिए । पंप की गति लगभग 1 हर्ट्ज की दर से लगभग एक 6-7 केपीए दबाव पल्स देने के लिए सेट किया गया था. विरूपण प्रेतों के अल्ट्रा ध्वनि छवि दृश्यों एकत्र किए गए थे, और दबाव सामान्यीकृत तनाव स्थानिकी में मतभेदों की पहचान करने के लिए गणना की गई थी विविध यांत्रिक गुणों । पोत क्षेत्र के भीतर दबाव सामान्यीकृत तनाव छवियों के प्रतिनिधि परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं । कठोर heterogenous प्रेतों के सामान्यीकृत तनाव में बढ़ती क्षेत्रीय मतभेदों, सजातीय प्रेत के सापेक्ष, पोत कठोरता में मतभेद और हमारे लिए यह उपाय करने की क्षमता का प्रदर्शन ।
इस पत्र के परीक्षण elastography या लोच इमेजिंग एल्गोरिदम में उपयोग के लिए ऊतक नकल करने वाले प्रेतों का निर्माण करने के लिए एक तकनीक प्रस्तुत करता है । सीएडी और 3 डी मुद्रण के संयुक्त उपयोग aneurysmal उभारों सहित ट्यूबलर प्रेतों से परे, जटिल geometries के साथ महाधमनी नकल उतार प्रेतों के कुशल डिजाइन के लिए अनुमति देता है । प्रेत का निर्माण 4 चरणों में किया जाता है; 1) प्रेत ज्यामिति के डिजाइन, 2) प्रेत मोल्ड भागों की छपाई, 3) अंततः अल्ट्रासोनिक विशेषताओं और प्रेत वाहिकाओं और 4 के यांत्रिक गुणों की नकल करेंगे cryogel समाधान का मिश्रण) घनघोर/cryogel के इंजेक्शन मोल्ड में समाधान, फ्रीज गल चक्र और मोल्ड से प्रेत को हटाने के साथ PVA-सी की स्थापना । में सीएडी का उपयोग चरण 1 में प्राप्त मोल्ड के डिजाइन में ठीक से प्रेतों की ज्यामिति को संशोधित करने के लिए एक सरल साधन के लिए अनुमति देता है । मोल्ड भागों की छपाई वर्तमान में लगभग 5-8 एच लेता है प्रिंट के आकार पर निर्भर करता है और इस प्रकार आसानी से molds के लिए दोहराया संशोधनों के लिए किया जा सकता है ।
चरण 3 में, cryogel समाधान पोत, धमनीविस्फार और पृष्ठभूमि ऊतक कैल्शियम कार्बोनेट के ऊतकों की अमेरिका बिखराव नकल उतार कणों के साथ नकल करने के लिए बनाया जाता है । cryogel समाधान का उपयोग करने से पहले उभारा जाना चाहिए अगर कैल्शियम कण मिश्रण से बाहर बसे हैं । cryogel के मिश्रण की सटीक एकाग्रता प्रेतों के अंतिम यांत्रिक गुणों का निर्धारण करेगा । इस प्रकार, यह प्रेत पोत और पृष्ठभूमि में इस्तेमाल किया समाधानों में से प्रत्येक के स्वतंत्र नमूने बनाने के लिए महत्वपूर्ण है । हालांकि यहां प्रोटोकॉल का हिस्सा नहीं है, नमूना लोचदार मापांक के स्वतंत्र माप uniaxial तनाव परीक्षण का उपयोग कर प्राप्त किया जाना चाहिए । 10%, 15%, 20% और 25% प्रतिनिधि परिणामों में बनाया प्रेतों के लिए PVA-सी नमूनों की स्वतंत्र यांत्रिक परीक्षण १७.४ ± १.० केपीए, ४८.३ ± ५.७ केपीए, ९५.१ ± ०.४ केपीए और १७०.० ± ४.१ केपीए, क्रमशः के कतरनी मापांक मापा था ।
स्टेप 4 इन प्रेतों को बनाने में सबसे अहम कदम है । हालांकि पंजीकरण पिन जगह में है उनके उचित दूसरों के सापेक्ष पदों में ढालना भागों रखने के लिए, यह सुनिश्चित करें कि मोल्ड भागों मोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान अलग नहीं है महत्वपूर्ण है । इस प्रकार, clamps के उपयोग के लिए मोल्ड पकड़ । चरण 4 के सबसे महत्वपूर्ण विचार करने के लिए हवा पहले फ्रीज-गल चक्र से पहले मोल्ड में फंस बुलबुले को कम करने के लिए है । यह अक्सर बाहरी मोल्ड के एक तरफ जुदा करने के लिए उपयोगी है और यह ठीक से गठन सुनिश्चित करने के लिए पहली फ्रीज-गल चक्र के बाद प्रेत का निरीक्षण किया । यह समय बचा सकता है एक “बुरा” अतिरिक्त चक्र के माध्यम से प्रेत डाल व्यर्थ । एक बार प्रेत पूरी तरह से मोल्ड से हटा दिया गया है, यह निरंतर उपयोग के साथ कई हफ्तों के लिए पानी में संग्रहीत किया जा सकता है ।
इस काम में विकसित PVA-सी प्रेतों विशेष रूप से महाधमनी ऊतक की अल्ट्रासोनिक और सामग्री की जकड़न की नकल करने के लिए बनाए गए थे । polyvinyl शराब cryogel का उपयोग संभव यांत्रिक कठोरता की एक व्यापक रेंज के लिए अनुमति देता है, बेहतर सामग्री३३,३४की तरह अधिक रबर की तुलना में महाधमनी ऊतक के बदलते सामग्री संपत्तियों की नकल करने के लिए । इसके अलावा, hydrogel और निवेश कास्टिंग बेहतर के उपयोग के लिए कच्चा रबर या सीधे 3 डी मुद्रित सामग्री३३,४५के ध्वनिक गुण कब्जा । कुछ हवा के बुलबुले पहले फ्रीज-गल चक्र से पहले हमारे मोल्ड में फंस सकते हैं । इस प्रेत में अंतराल के कारण और सामग्री कमजोरी या ध्वनिक कलाकृतियों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं । इस प्रकार, यह पहली फ्रीज के बाद बाहर मोल्ड के प्रेतों का निरीक्षण करने के लिए सिफारिश की है-गल अगर प्रक्रिया को पुनः आरंभ किया जाना चाहिए निर्धारित करने के लिए । इसके अलावा लेखकों ने पाया है कि भीतरी मोल्ड कभी-कभार ही प्रेतों के aneurysmal हिस्से के जमने के दौरान शिफ्ट हो सकते हैं । यदि ऐसा होता है, इसके बाद के संस्करण प्रोटोकॉल के एक संशोधन के लिए एक 3 डी मुद्रित, या अंयथा डिजाइन, भाग को मजबूती से इस खंड के ठंड के दौरान पूर्वकाल बाहरी मोल्ड करने के लिए भीतरी लुमेन मोल्ड पकड़ बनाने के लिए किया जाएगा । लेखकों ने पाया है कि बाहरी मोल्ड और पीछे बाहरी मोल्ड और भीतरी मोल्ड के बीच एक 5 mm स्पेसर के पीछे की ओर का उपयोग इस प्रयोजन के लिए अच्छी तरह से काम करता है ।
प्रेत यहां विकसित aneurysmal व्यास में परिवर्तन के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए आदर्श है, और चमकदार मोटाई या संभावित ऊतक में थक्का की उपस्थिति के संपादन के द्वारा मूल सीएडी फ़ाइलें । हालांकि, पिछले काम भी दिखाया गया है कि इस निर्माण तकनीक के लिए रोगी-विशिष्ट प्रेत geometries गणना टोमोग्राफी छवियों और विभाजन सॉफ्टवेयर, बजाय सीएडी डिजाइन का उपयोग कर, 3 डी मुद्रित प्रेत molds बनाने के लिए संशोधित किया जा सकता है ४४. परिणाम यहां दिखाया गया है कि एल्गोरिथ्म प्रेत वर्गों के यांत्रिक गुणों में निर्मित रूपांतरों कल्पना करने में सक्षम था प्रदर्शित करता है । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हालांकि इन प्रेतों हमें परीक्षण आधारित इमेजिंग तकनीक का इस्तेमाल किया गया, वे भी चुंबकीय अनुनाद और गणना टोमोग्राफी इमेजिंग प्रणालियों के साथ संगत कर रहे है और है कि वे भी लोच इमेजिंग के प्रयोजन से परे इस्तेमाल किया जा सकता है, के लिए एक व्यापक उपंयास इमेजिंग तकनीक और विधियों की रेंज ।
The authors have nothing to disclose.
यह काम राष्ट्रीय स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थानों के अनुवाद विज्ञान के लिए पुरस्कार सं के माध्यम से आगे बढ़ने के लिए केंद्र द्वारा समर्थित किया गया । UL1 TR000042 और राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ बायोमेडिकल इमेजिंग और जैव इंजीनियरिंग के माध्यम से पुरस्कार सं. R21 EB018432.
PLA filament | MatterHackers, MatterHackers.com | MEEDKTKU | |
PVA filament | MatterHackers, MatterHackers.com | M4MJTECR | |
LeakSeal | RPM International Inc., Rustoleum.com | 265495 | |
Polyvinyl alcohol powder (Elvanol 71-30) | DowDuPont Inc., ChemistryStore.com | SKU: 81015 | |
Calcium Carbonate Powder | greenwaybiotech.com via amazon.com | Amazon: B00HFFCBYQ | |
Tacky Wax | bards.com via amazon.com | Bards: BB759 Amazon: B016KBDYRS |
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Rostock max 3D Printer | SeeMeCNC, seemecnc.com | SKU: 84459 | |
Onshape CAD software | OnShape, onshape.com | ||
Mattercontrol printer software | MatterHackers, MatterHackers.com | ||
Mikro-Cath pressure catheter and device | Millar, Inc., millar.com | 4501016/B | |
BNC digital acquisition | National Instruments Corporation, ni.com | NI USB-6251 BNC | |
clear cast acrylic sheet | mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com | 8560K274 | |
Cole-Parmer Stopcocks with Luer Connections; 3-way; male lock, Non-sterile | Cole-Parmer, coleparmer.com | EW-30600-02 | |
BD Disposable Syringes (60 mL, Luer lock) | Cole-Parmer, coleparmer.com | EW-07945-28 | |
6 Inch Ratchet Bar Clamp / 12 Inch Spreader | Tekton, Inc., www.tekton.com | 39181 | |
Tygon PVC Clear Tubing | mcmaster-carr Supply Company, mcmaster.com | 6516T53 | |
MTS Qtest Q/5 | MTS Systems Corperation, www.mts.com | 4501016 | |
MTS 5N Load Cell | MTS Systems Corperation, www.mts.com | 4501016/B | |
Abaqus FEA | Dassault Systèmes, 3ds.com |