Магнитно-Assisted дистанционным управлением отклонения Совет микрокатетер при магнитно-резонансной томографии

Summary

Ток, приложенный к эндоваскулярной микрокатетер с microcoil наконечник сделан по лазерной литографии токарный станок может достичь управляемой прогибов под магнитного резонанса (МР) руководство, которое может улучшить скорость и эффективность навигации сосудистой во время различных эндоваскулярных процедур.

Abstract

Рентгеновской рентгеноскопии наведением эндоваскулярные процедуры есть несколько существенных ограничений, в том числе трудной навигацией катетер и использования ионизирующего излучения, которые потенциально могут быть преодолены использованием магнитно управляемых катетеров под руководством MR.

Основной целью данной работы является разработка микрокатетер вершина которого можно дистанционно управлять с помощью магнитного поля сканера MR. Этот протокол является описание процедуры для подачи тока в microcoil наконечником микрокатетер производить последовательный и контролируемый отклонений.

Microcoil были изготовлены с использованием лазерной литографии на токарных полиимида наконечником эндоваскулярного катетера. Тестирование в пробирке была выполнена в водяную баню и судно призрак под руководством 1,5-Т MR системы с помощью стационарного свободной прецессии (SSFP) последовательности. Различные суммы текущих были применены катушки микрокатетер производить измеренияsureable отклонения зонда и ориентироваться в сосудистой фантомы.

Развитие этого устройства обеспечивает платформу для будущего тестирования и возможность революционизировать эндоваскулярных интервенционных МРТ окружающей среды.

Introduction

Эндоваскулярной процедуры, выполняемые в интервенционной медицине используют рентгеновские руководством в качестве инструмента для навигации по катетер сосудистую для лечения нескольких серьезных заболеваний, таких как аневризмы головного мозга, ишемический инсульт, солидных опухолях, атеросклерозе и сердечной аритмии ориентации более одного миллиона пациентов в год по всему миру ^{1 - 5.} С использованием контрастных средств массовой информации, навигацию по сосудистой достигается путем ручного вращения продвижение катетера и механическим путем интервентов руке ^6. Тем не менее, навигация через небольшие извилистые кровеносные сосуды вокруг многих сосудистых поворотах становится все труднее, удлиняя время до выхода на целевой сайт. Это создает проблему для чувствительного ко времени процедуры, такие как удаление тромба в закупоренный сосуд. Кроме того, длительные процедуры увеличения дозы облучения и создать потенциал для неблагоприятных событий ^7-11. Тем не менее, эндоваскулярных процедур, выполняемых при намагниченностьС-резонансная томография может обеспечить решение.

Сильный однородное магнитное поле МРТ-сканер может быть использован для навигации катетера кончик с помощью дистанционного управления ^12,13. Ток, приложенный к microcoil находится на кончике катетера вызывает небольшой магнитный момент, который переживает момент, как это совпадет с отверстием магнитно-резонансной томографии ¹³ (рис. 1). Если электрический ток включается в отдельные катушки, кончик катетера может быть отклонен в одной плоскости с помощью дистанционного управления. Если три катушки на кончик катетера находятся под напряжением, отклонение наконечника катетера может быть достигнута в три измерения. Таким образом, магнитно способствовало рулевого управления катетер имеет потенциал, чтобы увеличить скорость и эффективность сосудистых навигации в эндоваскулярных процедур, которые могли бы сократить процедуру раза и улучшить результаты лечения пациентов. В данном исследовании мы рассмотрели, если ток, приложенный к microcoil наконечником эндоваскулярной катетер может производить надежный и управляемый deflectiДополнения под MR-руководство, как предварительное тестирование исследований катетер навигации.

Protocol

1. Изготовление Microcoil

1. Получить коммерчески доступных микрокатетер (например, 2.3f Rapid Transit Cordis нейрососудистой катетер, Raynham, Массачусетс), на подложке.
2. Убедитесь, катетеры не имеют черные компонентов, которые считаются MR-сейф, и диапазон в размере 2,3-3,0 F.
3. Sputter слоя титана адгезии следует слой меди семян к 1 до 2 мм OD изоляционные трубки. Возможные материалы включают в себя полиимида или оксида алюминия (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Электролитическое положительные слой фоторезиста использованием Шипли PEPR-2400 (в настоящее время продаются DOW Chemical под названием Intervia 3D-P). Электроосаждение результаты в единую покрытия на неплоских цилиндрической поверхности.
5. Фоторезиста подвергается по уникальной лазерной прямой записи системы (лазерный станок, некоммерческих система, разработанная в Ливерморской национальной лаборатории) в структуре желаемой формы катушки (рис. 2A). Это модификацияния техника описана в MALBA и др. ^14.
6. Разработка открытых фоторезиста в 1% растворе карбоната калия при 35 ° C.
7. Медь гальваническим через оставшиеся противостоять маска с образованием желаемого катушку. Система может изготовить как соленоид и Гельмгольца (ипподром) меди моделей (рис. 2С и 2D).
8. После электроосаждения меди, удалить противостоять горячим разработчика. Удалите слой меди семян, затем слой сцепления титана.
9. Прикрепить изоляционные трубки катетера использовании термоусадочная пленка для завершения сборки. Убедитесь, что термоусадочная пленка покрывает всю кончик гибкой. Чтобы собрать многоосевых катетеры разместить изоляционные трубки структур друг в друга, как показано на рисунке 2E.
10. Тема медного провода через просвет микрокатетер и припаять к катушке на конце.
11. Изменить и сократить 6 футов телефонного кабеля RJ11 тO 3 футов в длину.
12. Подключите медные провода, исходящих из центра обратно конце микрокатетер к модифицированному 3 фута телефонной линии передачи гнездо.

2. Водяная установка

1. Сделайте небольшое отверстие в центре стороне пластикового бассейна около 5 см от дна.
2. Вставьте 9F Avanti Cordis сосудистой оболочки (Cordis Эндоваскулярная, Miami Lakes, FL) через отверстие.
3. Вырезать дистального конца сосудистой оболочки, оставляя 4 см длинной части, проходящей в к бассейну.
4. В конце оболочки, приложите вращающихся гемостатические или Thuoy-Borst клапан для стабилизации расположения микрокатетер.
5. Заполните резервуар дистиллированной воды, обеспечивая полное погружение аппарата.
6. Вставьте кончик катетера с гибкой через сосудистую оболочку и клапана.
7. Измерьте и запишите безудержного длина микрокатетер простирается от клапана на водяной бане.
8. Поместите водяную баню с микро-Дренажная система в магнит MR сканер и ориентироваться по отношению к отверстие магнита.
9. Подключите изменение 3 фута телефонный кабель присоединен к катетеру в 25 футов RJ11 телефонный кабель передачи линии с использованием 2-полосная телефонной розетке.
10. Подключите другой конец 25-телефонный кабель м до Lambda LPD-422A-FM двойного регулируемого блока питания поставить до 1 тока на устройстве.
11. Поместите линий электропередачи через волновод и источник питания вне помещения MR сканер за пределами 5 линия Гаусса.

3. Установка судов Phantom

1. Построить полый сосуд с фантомным Y-образный перекресток с резиновой трубки до экспериментов.
2. Заполнить емкость фантом с 0,0102 М раствора gadopentetate димеглумин (GdDTPA) (Magnevist, Bayer HealthCare Pharmaceuticals, Montville, Нью-Джерси) в дистиллированной воде, чтобы создать контраст между фантомные суда и фона.
3. Соберите MicroCatheter системы, как описано в шагах 1.1 через 1,9. Подключите катетер к источнику питания и положение, как описано в шагах от 2,9 до 2,11.
4. Поместите кончик микрокатетер на дне сосуда открытия.
5. Положите фантом в магнит MR сканер и ориентироваться по отношению к отверстие магнита.

4. Магнитно-резонансная томография

1. Выполните изображений с 1.5T клинических MR системы (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Эрланген, Германия; Philips Achieva, SW версии 2.1, Кливленд, Огайо).
2. Применить <50 мА, для визуализации положения катетера. При МРТ, небольшой магнитный момент будет производиться на кончик катетера для визуализации различных артефактов различной форме в зависимости от катушки напряжением.
3. Применяют различные количества тока в диапазоне ± 100 мА от Lambda двойной источник питания на катушки и наблюдать отклонения наконечника (рис. 3А-3С) в воде бай установки. Потому что чаевые отклонение происходит почти мгновенно, текущая нужно быть применен только в течение ~ 1-2 сек для визуализации максимальный прогиб.
4. Повторите и записывать последовательных применений установить количество тока.
5. Повторите шаг 4,2 одновременным нажатием катетера вручную позволяет механического продвижения через сосуд призрак (рис. 4а и 4б). Применить текущие в точке ветвления, чтобы отвлечь катетер в нужный сосуд. Продвигать катетер в отрасль судна вручную нажатием конце катетера (рис. 4в). Уберите катетер к развилке судна и повторить в обратном ветвь (рис. 4D).
6. Приобретать MR изображения с помощью 2D-FLASH снимок последовательности (TR = 30 мсек, TE = 1,4 мс, матрица из 256 x128 и флип угол ~ 30 °).

5. Отклонение измерений

Анализ и измерения угла отклонения изображения, снятые во времяводяную баню эксперименты с различными компьютерными приложениями (любых цифровых изображений и коммуникации в медицине (DICOM) Viewer).

Representative Results

Из протокола описано выше, угол отклонения от 0 до 90 градусов должны быть соблюдены от применения 50-300 мА тока, подаваемого одновременно обе катушки комбинированного соленоида и катушки Гельмгольца микрокатетер системы (рис. 2E). Увеличение применяться текущий должно привести к увеличению микрокатетер угол отклонения, в то время разворота в полярности тока должно привести к отклонению в точно противоположном направлении наблюдается положительная текущая (рис. 5А-5С). Угол отклонения, однако, зависит от нескольких параметров. Количество применяемого тока и числа витков катушки в соленоиде и катушки Гельмгольца изменяет напряженность магнитного момента в микрокатетер чаевых. Кроме того, напряженность внешнего магнитного поля и угла между направлением магнитного момента частицы и внешнего магнитного поля определяет величину крутящего момента, испытываемые microcatheteр. И, наконец, безудержная длина микрокатетер чаевые, проходящей в в водяную баню еще один фактор, который может быть изменен. Изменения в любой из этих переменных будет производить изменение углов отклонения.

Точные измерения углов отклонения от МРТ может быть выполнена и по сравнению с использованием различных типов программного обеспечения DICOM зрителя. Расширенный отклонения также могут быть проверены успешных навигации по моделируется призрак судна.

Рисунок 1. По одной оси катушки Схема:. Катетер отклонения в результате эксплуатации магнитной среды сканер MR Ранее опубликованные в Roberts и др., 2002 ^13..

Рисунок 2А. Лазерная Lithogra Схема PHY. установки лазерной литографии процесс публикации в прессе (Wilson и др., 2013 ^16.).

Рисунок 2B. Лазерная литография Coil Изготовление схем: схема этапов лазерной литографии токарный станок изготовления микроспиралей.

Рисунок 2С. Катушку. Microcoil соленоид 50 витков, изготовленных на полиимида трубки с помощью литографических техники, называемой лазерной литографии токарный станок Ранее опубликованные в Бернар и др., 2011 ¹⁵ и Мюллер и др., 2012 ^16, и в прессе (Wilson и др., 2013 ^17)... .

/ Ftp_upload/50299/50299fig2D.jpg "/>
Рисунок 2D. Седло катушки: Гельмгольц ("ипподром") microcoil изготовленных на внешней стенке катетера с литографической технологии, называемой лазерной литографии токарный станок Ранее опубликованные в Бернхардт и соавт.. 2011 ¹⁵ и Мюллер и др.. 2012 ^16, а также в прессе (Wilson и соавт. 2013 ^17).

Рисунок 2E. Комбинация катушки: катушка изготовлена ​​на кончик катетера помещен в большую пробирку, содержащую катушки Гельмгольца Одновременное текущее приложение для обеих катушек позволяет катетер отклонения в трех измерениях.. Публикация в прессе (Wilson и соавт. 2013 ^17).

3А . Катетер отклонения. Катетера отклонения наблюдаемых с использованием текущих Цветущий артефакт из напряжением катушки отчетливо видна (стрелка).

Рисунок 3B передне-задней катетер отклонения в Водяная баня. Применение 50 мА и 100 мА, в результате последовательной 10 ° и 14,5 ° соответственно отклонений. Положительный ток чаевые причин отклонения в передней плоскости, а отрицательный ток приводит к отклонению в задней плоскости. Щелкните здесь для просмотра 3В .

На рис. 3C вправо-влево катетер отклонения в Водяная: Применение 50 мА и 100 мА, в результате последовательной 11,5 ° и 17 ° соответственно отклонений. Положительный ток вызывает чаевые отклонения в правой плоскости, и отрицательный ток приводит к отклонению в левой плоскости.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "целевых =" _blank "> Щелкните здесь для просмотра 3С.

Рисунок 4 руководящего катетер и слежения. Контролируемые отклонения катетер и рулевое управление через сосуд призрак. Ток подводится к катетеру гибких наконечника производства визуализации цветущие (стрелка). Катетер механическая система и тока (- 45 мА) применяется вызвать отклонения в нижнюю ветвь сосуда (C). Катетер затем убирается в положение (В). По обратной полярности тока (45 мА), катетер отклоняется и продвинулись в верхней ветви сосуда (D).

На рис. 4B катетер отклонения в Бифуркация Phantom: Текущий применяется к катетеру др.минимумов успешных нападений и продвижение в левой ветви судно призрак. Катетер затем убирается в точке ветвления и направлены в правой ветви судна. Нажмите здесь, чтобы просмотреть рисунок 4B .

На рис. 5A-C геометрические узоры катетер отклонения в водяной бане. Ток применяется для производства отклонения в пределах одной плоскости во всех направлениях Щелкните здесь для просмотра Рисунок 5A , 5B рис , рис 5C .

Discussion

Здесь мы опишем протокол для отклонения микрокатетер в сканер MR. Основными параметрами для успеха точное применение тока и измерения угла отклонения. Неточное измерение угла отклонения является наиболее вероятной ошибки встречаются в этом протоколе. Углов, захваченных в МРТ в ходе эксперимента водяной бане могут отличаться от реальных значений в связи с небольшими различиями в ориентации на которой среда расположена по отношению к отверстие магнита. Для решения этой проблемы в будущем, изображения могут быть захвачены MR-совместимых волоконно-оптических камер, расположенных в двух разных измерениях. Использование обоих MR и изображений с камеры обеспечит более точные, трехмерные зрения микрокатетер чаевых.

Качество изображения может быть улучшено путем изменения параметров, при которых изображение не выполняется. Другая последовательность изображений может быть использован для определения увеличения качество изображения и четкостьиспытали. Кроме того, поскольку линии выбежал из диспетчерской сканер MR, целостности РФ корпуса магнита номер был неоптимальным возможно снижение качества изображения. Эта проблема могла бы быть смягчены путем размещения линий электропередачи через фильтр на проникновение панели. Кроме того, использование микроспиралей катетера, как катушки изображений приемник также имеет потенциал, чтобы обеспечить более высокое разрешение изображения, непосредственно примыкающих к катетера. Возможность использования лазерной lathed катушки кончик катетера изображений рулонах изучается.

Производство изображений, которые являются не только лучшее качество, но проще в использовании для измерения точного угла отклонения также возможно. Изменение переменных, которые влияют на угол отклонения, как отмечалось выше, может привести к большей степенью отклонения. Кроме того, 3T клинические сканер MR повышенной прочности могут быть использованы вместо 1.5T сканер для увеличения дальности микрокатетер отклонения. Этиизменения можно производить разделение различных угол отклонения между близкими интервалами применяется ток.

Из-за этого протокола с целью проверки способности контролировать микрокатетер отклонения, судно фантомные использованы была проста и содержала одну точку ветвления примерно на 45 °. Теперь, когда эта возможность будет установлено, дальнейшее тестирование микрокатетер отклонения могут быть выполнены в более сложных фантомов. Дизайн переменных, которые могут быть изменены включают диаметр сосуда, угол судна филиалов, а число витков в любой путь фантом. Суда также может быть коническим и призрак состоит из различных материалов, кроме пластиковых труб в целях более тесно имитировать человеческие сосуды. В будущих исследованиях, экспериментах на животных, также может быть выполнена для дальнейшего изучения возможностей микрокатетер навигации.

Некоторые ограничения этого протокола существуют также в связи с изготовлением микроспиралей использованияЛазерная техника Lathe. Ширина линии является функцией лазерной размер пятна, сопротивляться толщины и высоты. Размер лазерного пятна ограничены в диапазоне от трех до пяти микрон в диаметре, и противостоять толщиной не более 25 мкм. Кроме того, толщина медных линий ограничена ширина линии и противостоять толщины. Фоторезист экспозиции с лазерным прямой записи результатов в системе отверстия или возможности сопротивляться, которые не имеют параллельные стороны. Отверстия узкие внизу рядом с семенами слой ограничивая тем самым минимальный размер возможностями. Кроме того, как линии становятся толще, они становятся ближе к соседней линии. Если линии расположены слишком близко, медный слой семян и титана адгезии процессы удаления слоя не способны исходя раскованно.

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