Här beskriver vi en metod för att tillverka aneurysmatisk, aorta vävnad-härma fantomer för användning i tester ultraljud elastografi. Den kombinerade användningen av datorstödd konstruktion (CAD) och 3-dimensionell (3D) utskrift tekniker producera aorta fantomer med förutsägbara, komplexa geometrier för att validera den elastographic imaging algoritmer med kontrollerade experiment.
Ultraljud (oss) elastografi eller elasticitet imaging, är ett komplement som bildteknik som använder sekventiell US bilder av mjukvävnad att mäta förslaget vävnad och härleda eller kvantifiera de underliggande biomekaniska egenskaperna. För bukaortaaneurysm (AAA), kan biomekaniska egenskaper såsom förändringar i vävnadens elasticitetsmodul och uppskattningar av vävnad stress vara avgörande för att bedöma behovet av kirurgiska ingrepp. Bukaortaaneurysm U.S. elastografi kan vara ett användbart verktyg för att övervaka AAA progression och identifiera ändringar i biomekaniska egenskaper kännetecknar högriskpatienter.
Ett preliminärt mål i utvecklingen av en AAA oss elastografi teknik är validering av metoden använder en fysiskt relevanta modell med kända materialegenskaper. Här presenterar vi en process för produktion av AAA vävnad-härma fantomer med fysiskt relevanta geometrier och rumsligt modulerade materialegenskaper. Dessa vävnad fantomer syftar till att efterlikna den amerikanska egenskaper materiella modulus och geometri av bukaortaaneurysm. Vävnad fantomer görs med hjälp av analyserna en polyvinylalkohol (PVA-c) och gjuten med hjälp av 3D tryckta delar skapad med datorstödd konstruktion (CAD) programvara. Modulusen av phantoms styrs genom att ändra koncentrationen av PVA-c och ändra antalet frysning-tining cykler används att polymerisera i analyserna. AAA phantoms är anslutna till en hemodynamiska pump, utformad för att deformera phantoms med fysiologiska cykliska tryck och flöden. Ultra ljud bildsekvenser av deformeras phantoms tillåtet för rumsliga beräkningen av trycket normaliseras stammen och identifiering av mekaniska egenskaper av kärlväggen. Representativa resultat av trycket normaliseras stammen presenteras.
Bukaortaaneurysm (AAA) är fokal förstoringar av aorta som sker företrädesvis nära aorta bifurkationen1. Den exakta orsaken till AAA bildandet är okänd, men många teorier tyder på att patogenesen är multifaktoriell, med genetiska, beteendemässiga, hemodynamiska och miljömässiga faktorer som bidrar2,3. Medan diagnos av bukaortaaneurysm kan erhållas med hjälp av icke-invasiva avbildningstekniker, är förutsägelse av patientspecifika bristning risk inte lika exakt4,5,6. Kirurgisk reparation kan minska risken för aorta bristning, men avgörande reparation av aorta bär en hög frekvens av associerad mortalitet7. Aktuella kirurgiska metoder använda ”maximal storlek kriterier”, eller absolut diameter på aneurysm, för att förutsäga patientens risk för bristning. Tyvärr, det har väl fastställts att ett aneurysm fortfarande spricker nedan storlekar kliniskt godtagbar för kirurgisk reparation, vilket innebär att patienter med några stora aneurysm bär viss risk för bristning8,9, 10 , 11 , 12 , 13. Dessutom är det känt att historiska rapporter av bristning risken är sannolikt alltför uppskattningar av den sanna bristning risk, vilket innebär att många patienter utsätts för kirurgiska risken utan nytta13. En noggrannare bedömning av patient-specifika bristning risk behövs för att stratifiera patientens nytta-risk-förhållandet som kirurgiska aneurysmet repareras.
Det har visat att fysisk stress distribution inom en AAA är av avgörande betydelse vid fastställandet av bristning potential och kan vara en bättre indikator än maximal diameter14,15,16,17 , 18. de flesta senaste studier som undersöker mekaniken i AAA bristning använda segmenterade geometrier från röntgenbilder för beräknade datortomografi (CT), och befolkningen i genomsnitt mekaniska egenskaper av aorta vävnad uppmätta ex vivo. Finita element (FE) modeller används sedan för att förutsäga det fartyg vägg betonar14,15,16,17,18. Eftersom de mekaniska egenskaperna bestäms efter den vävnad excision, är det dock oklart huruvida de resulterande modellerna avbildas de resulterande i vivo patient-specifika påfrestningarna. Dessa studier oftast antar homogen fartyget vägg materialegenskaper och redogöra inte för den ytterst heterogen strukturen av aortaväggen och trombos19,20,21,22 ,23,24,25.
Ultraljudsbaserade elasticitet imaging används kliniskt för att diagnostisera och övervaka en mängd sjukdom patologier26. Denna teknik ger en icke-invasiv möjlighet att förhöra de fysiska interaktioner i mjukdelar. Vaskulär US elasticitet imaging har använts som ett komplement imaging modalitet att klinisk US utvärdering i screening och övervakning av AAAs. Kombinationen av dessa tekniker ger både geometrisk information, såsom diameter och längd, samt mekaniska data, såsom relativ stelhet och stelhet variation. Medan många elasticitet imaging tekniker kräver en yttre last att inducera en mätbar vävnad deformation, induceras vävnad förslaget skall mätas här av förändringar i aorta trycket orsakas av pulserande hjärta. Många metoder har publicerats lös rumsligt stam fält i deformeras fartyg, valideringsstudier av dessa metoder har dock begränsat till mänskliga patienter, djurmodeller eller ex vivo vävnad prover27,28 ,29,30,31,32. Hittills har möjliggör några metoder skapelser av anpassade geometrier med rumsligt varierande materialegenskaper27,29.
Här presenterar vi en metod för att tillverka oss kompatibel, vävnad-härma fantomer som kan anpassas till en mängd relevanta aorta geometrier och materialegenskaper för validering av US elastografi tekniker. Även om tidigare grupper har kunnat utforma komplex geometri fantomer att efterlikna AAA geometrier med 3D utskrift teknik33,34, utskrivbara gummin är kända för att ha en hög dämpning till USA och har inte ett medel för att senare deras materialets egenskaper. Phantoms är gjorda av analyserna polyvinylalkohol (PVA-c), som tidigare har visat sig vara perfekt för att imitera kärlvävnad boenden35. Dessa fantomer kan användas i USA, magnetisk resonans och elastographic imaging36,37,38. Aortaaneurysm geometri har utformats på samma sätt som simuleringsmodellen skapad av Vorp et al. 14. fartyget har en nominell diameter på 22,5 mm och har en aneurysmal utbuktning som är 64 mm utbuktning lång, 47 mm i diameter och excentrisk (β = 0,6)14 till den främre sidan av Fantomen. Det sista avsnittet härmar iliaca bifurkation med distala diameter 15 mm. Fantomen var valt att ha en konstant tjocklek ca 5 mm. Raghavan et al. rapporterade i en liten studie att AAA fartyget tjocklek varierar från 0,23-4,26 mm, med ett medianvärde av 1,48 mm39. En nominell fartyget tjocklek på den största delen av det spektrumet valdes här för tillverkning av oro med förväntningen att förbättrad 3D tryckteknik kommer att förbättra minsta phantom tjocklek som kan formas. Phantom formar utformades i CAD och 3D skrivs ut med hjälp av kommersiellt tillgängliga skrivare och glödtråden.
Formarna är injektion fylld med PVA-c lösningen och utsätts för en rad frysas och tinas cykler (-20 ° C och + 20 ° C) för att tvärbinda PVA-c polymeren och polymerisera gelen. Elasticitetsmodulen av PVA-c styrs genom att ändra koncentrationen av PVA-c gelen eller antalet frysning-tining cykler. Aneurysmatisk avsnittet av phantom måste förlust mögel bort från inre lumen av fartyget. Detta uppnåddes genom användning av en polyvinylalkohol, 3D-skrivare glödtråden (PVA). Även om det är kemiskt liknar PVA-c pulvret, PVA glödtråden polymerisera inte när frusen och, som sådan, kan lösas i vatten efter den PVA-c har ställts in. Ytterligare prov formar skrivs ut för att skapa tensile tester exemplar, i en ”hund ben” konfiguration, med samma PVA-c koncentration. Dessa formar genomgå samma frysas och tinas cykler och används för provning av hållfasthet att självständigt mäta elasticitetsmodulen phantom avsnitt. Ett bakgrundsmaterial tillverkades med mjukare PVA-c, gjort att simulera vävnader i retroperitoneum40,41. Denna bakgrund phantom tillverkades som en homogen rotationssymmetriska cylindriskt rör med en 4 cm innerdiameter, en yttre 16,5 cm i diameter och en längd på 16,5 cm. Det gjordes från en 5% PVA lösning och utsätts för sammanlagt två frysning-tining cykler.
Slutliga AAA phantoms placerades i bakgrunden Fantomen och ansluten, via Rörkopplingar och klämmor, till en hemodynamiska vattenpump avsedd att deformera phantoms med fysiologiska cykliska flöden och tryck. Pumpens varvtal sattes att leverera cirka en 6-7 kPa tryck puls vid en hastighet av ca 1 Hz. Ultra ljud bildsekvenser av deformeras phantoms samlades, och trycket normaliseras stammen beräknades för att identifiera skillnader i den rumsligt varierade mekaniska egenskaper. Representativa resultat av trycket normaliserade stam bilder inom regionen fartyget presenteras. Ökande regionala skillnader i den normaliserade stammen av styvare heterogen phantoms, relativt homogena Fantomen, påvisa skillnaderna i fartyget styvheten och vår förmåga att mäta det.
Detta dokument presenterar en teknik för att tillverka vävnad-härma fantomer för användning i testing elastografi eller elasticitet imaging algoritmer. Kombinerad användning av CAD och 3D utskrift möjliggör effektiv design av aorta symtom liknande fantomer med komplexa geometrier, bortom tubulär phantoms, inklusive aneurysmatisk utbuktningar. Skapandet av phantom görs i 4 steg; (1) design av phantom geometri, 2) utskrift av phantom mögel delar, 3) blandning av analyserna lösningar som i slutändan kommer att efterlikna ultraljud egenskaper och mekaniska egenskaper av phantom fartyg och 4) hälla/injicering av analyserna lösning i formen, ställa den PVA-c med frysning-tining cykler och borttagning av Fantomen från mögel. Användning av CAD i den i utformningen av formarna erhålls i steg 1 möjliggör ett enkelt sätt att just ändra geometrin för phantoms. Utskrift av mögel delar tar för närvarande cirka 5-8 timmar beroende på storleken på utskriften och kan därmed lätt göras för upprepade ändringar av formarna.
I steg 3 skapas i analyserna lösningar för att efterlikna de fartyg, aneurysm och bakgrund vävnad med kalciumkarbonat partiklarna härma USA scatteren av vävnaden. De analyserna lösningarna ska röras före användning om kalcium partiklarna har kvittat ur blandningen. Den exakta koncentrationen av blandningen av analyserna kommer att avgöra de slutliga mekaniska egenskaperna av phantoms. Det är således viktigt att skapa oberoende proverna av var och en av de lösningar som används för phantom fartyg och bakgrund. Även om inte en del av protokollet här, bör oberoende mätningar av provets elasticitetsmodul erhållas med enaxligt spänning tester. Oberoende Mekanisk provtagning av PVA-c för 10%, 15%, 20% och 25% phantoms skapade i de representativa resultat hade mätt skjuvning elasticitetsmodul 17,4 ± 1,0 kPa, 48,3 ± 5,7 kPa, 95,1 ± 0,4 kPa och 170,0 ± 4,1 kPa, respektive.
Steg 4 är det mest kritiska steget i att skapa dessa fantomer. Även registreringar stiften på plats att hålla mögel delarna i sina rätta positioner i förhållande till de andra, är det viktigt att säkerställa att mögel delar inte separata under molding process. Således, användning av klämmorna att hålla mögel. Det viktigaste övervägandet av Steg4 är att minimera luftbubblor som fastnar i formen innan den första frysning-tining cykeln. Det är ofta användbart att ta isär ena sidan av yttre mögel och inspektera Fantomen efter den första frysning-tining cykel att säkerställa det bildade ordentligt. Detta kan spara bortkastat att sätta en ”dålig” fantom genom ytterligare cykler. När Fantomen har tagits bort från mögel helt, kan det lagras i vatten i flera veckor med fortsatt användning.
PVA-c phantoms utvecklats i detta arbete skapades för att specifikt efterlikna ultraljud och materiella styvheten i aorta vävnad. Användning av polyvinylalkohol analyserna möjliggör ett bredare spektrum av möjliga mekaniska stelhet, till bättre härma den föränderliga materiella rekvisitan av aorta vävnad jämfört med mer gummi som material33,34. Dessutom, fångar användning av hydrogel och precisionsgjutning bättre de akustiska egenskaperna för gjuten gummi eller direkt 3D tryckt material33,45. Några luftbubblor kan fastna i våra formar före den första frysning-tining cykeln. Detta kan orsaka luckor i Fantomen och leda till materiella svaghet eller akustisk artefakter. Således rekommenderas att inspektera fantomer ur formen efter den första frysning-tining att avgöra om processen ska startas om. Författarna har dessutom funnit att inre mögel ibland kan skifta under frysning av aneurysmatisk portion av phantoms. Om detta inträffar, skulle en ändring av protokollet ovan vara att skapa en 3D tryckta eller på annat sätt utformad, del för att hålla fast inre lumen mögel till främre yttre mögel under frysning av detta avsnitt. Författarna har funnit att använda den bakre sidan av yttre mögel och en 5 mm spacer mellan bakre yttre mögel och inre formen fungerar bra för detta ändamål.
Phantom framkallat här är idealisk för att studera påverkan av förändringar i aneurysmatisk diameter, och luminala tjocklek eller potentiellt förekomsten av trombos i vävnaden genom att redigera den ursprungliga CAD-filer. Tidigare arbete har emellertid också visat att denna tillverkningsmetod kan modifieras för att producera patientspecifika phantom geometrier med datortomografi bilder och segmentering programvara, snarare än CAD design, skapa 3D tryckt phantom formar 44. resultaten visas här visar att algoritmen kunde visualisera tillverkade variationerna i avsnitten phantom mekaniska egenskaper. Det bör noteras att även om dessa fantomer användes för att testa USA-baserade avbildningstekniker, de är även kompatibla med magnetkamera och datortomografi bildsystem och att de också kan användas utöver syftet med elasticitet imaging, för ett brett utbud av romanen avbildningstekniker och modaliteter.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Center för framflyttning translationell vetenskaper av National Institutes of Health genom Award No. UL1 TR000042 och det nationella institutet för biomedicinsk Imaging och Bioengineering av de National institutionerna of Health genom Award No. 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 |
|
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 |