Magnetisch-Assisted Remote Controlled Microcatheter Tip Durchbiegung unter Magnetic Resonance Imaging

Summary

Strom, der an einer endovaskulären Mikrokatheter mit Mikrospule Spitze durch Laserschweißen Drehmaschine Lithographie hergestellt werden steuerbaren Verformungen unter Magnetresonanz (MR)-Führung, die Geschwindigkeit und Wirksamkeit der Navigation des Gefäßsystem während verschiedener endovaskulären Verfahren kann verbessert erreichen.

Abstract

Röntgendurchleuchtung-geführte endovaskuläre Verfahren haben mehrere erhebliche Beschränkungen, auch schwierige Katheter Navigation und Verwendung von ionisierender Strahlung, die möglicherweise überwunden werden können mit einem magnetisch steuerbaren Katheter unter MR-Steuerung werden.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, einen Mikrokatheter deren Spitze ferngesteuert werden mit dem Magnetfeld des MR-Scanner zu entwickeln. Dieses Protokoll zielt darauf ab, die Verfahren für die Bestromung der Mikrospule Spitze Mikrokatheter, um konsistente und kontrollierbare Ausschläge erzeugen beschreiben.

Ein Mikrospule wurde hergestellt unter Verwendung eines Lasers auf eine Drehmaschine Lithographie Polyimid-bestückte endovaskulären Katheters. In vitro Testung wurde in einem Wasserbad und Gefäß Phantom unter Anleitung eines 1,5-T MR-System mit stationären freier Präzession (SSFP) Sequenzierung durchgeführt. Verschiedene Strommengen wurden den Spulen des Mikrokatheters angewendet mea produzierensureable Spitze Umlenkungen und navigieren Sie in der vaskulären Phantome.

Die Entwicklung dieses Gerätes bietet eine Plattform für zukünftige Tests und Gelegenheit zu endovaskulären interventionellen MRI-Umgebung zu revolutionieren.

Introduction

Endovaskuläre Eingriffe in der interventionellen Medizin Verwendung x-ray Führung als Werkzeug für Katheter Navigation durch das Gefäßsystem zu mehreren wichtigen Krankheiten wie Gehirn-Aneurysma, ischämischer Schlaganfall, soliden Tumoren, Arteriosklerose und Herzrhythmusstörungen Targeting über eine Million Patienten pro Jahr weltweit ¹ Behandlung durchgeführt ^{- 5.} Mit der Verwendung von Kontrastmitteln, wird die Navigation durch das Gefäßsystem durch manuelle Drehung des Katheters und durch den mechanischen Vorschub interventionistischen Hand ⁶ gelöst. Jedoch wird die Navigation durch kleine gewundene Blutgefäße um viele Biegungen vaskulären zunehmend schwierig, Verlängern der Zeit vor Erreichen des Zielortes. Dies stellt ein Problem für zeitkritische Verfahren wie die Entfernung eines Gerinnsels in einer verstopften Blutgefäßes. Zusätzlich erhöhen das Verfahren verlängert die Strahlendosis und schaffen das Potenzial für Nebenwirkungen ^7-11. Allerdings endovaskuläre Eingriffe unter Magneti durchgeführtc-Resonanz-Tomographie kann eine Lösung bieten.

Die starke homogenes Magnetfeld eines MRI-Scanners kann Katheterspitze Navigation durch Fernsteuerung ^12,13 ausnutzen. Strom, der an einer Mikrowendel bei einer Katheterspitze befindet induziert eine kleine magnetische Moment, das ein Drehmoment erfährt, wie es mit der Bohrung des MRI Scanner ¹³ (Figur 1) ausgerichtet ist. Wenn elektrischer Strom in einer einzelnen Spule aktiviert ist, kann die Katheterspitze in einer Ebene durch Fernsteuerung abgelenkt werden. Wenn drei Spulen bei einer Katheterspitze erregt sind, können Katheterspitze Auslenkung in drei Dimensionen erreicht werden. Somit weist magnetisch erleichtert Lenken eines Katheters des Potentials, um die Geschwindigkeit und Wirksamkeit der vaskulären Navigation in endovaskuläre Verfahren, die Prozedur zu verkürzen könnte Patienten zu verbessern und zu erhöhen. In dieser Studie untersuchten wir, ob Strom, der an einer Mikrowendel-bestückte endovaskulären Katheter zuverlässig und kontrolliert deflecti produzieren kannons unter MR-Leitlinien Vorprüfung des Katheters Navigation Studien.

Protocol

Ein. Mikrospule Fabrication

1. Erhalt eines handelsüblichen Mikrokatheter (zB 2.3F Rapid Transit Cordis Neurovaskuläre Katheter, Raynham, MA) für ein Substrat.
2. Stellen Sie sicher, Kathetern haben keine Eisen-Komponenten werden als MR-Safe und liegen in der Größenordnung von 2,3 bis 3,0 F.
3. Sputter eine Titanhaftschicht durch eine Kupferkeimschicht zu einer 1 bis 2 mm OD Isolierrohr gefolgt. Mögliche Materialien sind Polyimid oder Aluminiumoxid (Ortech Advanced Ceramics, Sacramento, CA).
4. Elektrolytisch eine positive Photoresistschicht unter Verwendung Shipleys PEPR-2400 (derzeit von DOW Chemical unter der Bezeichnung Intervia 3D-P verkauft). Elektrotauchlackier ergibt sich eine gleichmäßige Beschichtung auf der nicht-planaren Zylinderfläche.
5. Fotolack wird durch eine einzigartige Laser-Direkt-write (Laser Drehmaschine, eine nicht-kommerzielle System am Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde) in dem Muster des gewünschten Spulenform (2A) ausgesetzt. Dies ist eine Modifikationtion der Technik ursprünglich in Malba et al. ¹⁴
6. Entwickeln des belichteten Photoresists in einer 1% igen Lösung von Kaliumcarbonat bei 35 ° C.
7. Kupfer wird durch die verbleibende Resistmaske elektroplattiert, um das gewünschte Wicklung zu bilden. Das System kann herzustellen sowohl Magnet-und Helmholtz (Rennstrecke) Kupfer Muster (2C und 2D).
8. Nach Kupfer Elektroabscheidung, entfernen Sie das mit heißem Entwickler widerstehen. Entfernen Sie die Kupferkeimschicht durch die Titanhaftschicht gefolgt.
9. Befestigen Sie den Isolierschlauch der Katheterspitze mit Schrumpffolie, um die Montage zu vervollständigen. Stellen Sie sicher, dass die Schrumpffolie die gesamte coiled Spitze abdeckt. Zu mehrachsigen Kathetern zusammenzubauen platzieren Isolierrohr Strukturen ineinander wie in 2E gezeigt.
10. Faden Kupferdrähte durch das Lumen des Mikrokatheters und Lot zu den Spulen an der Spitze.
11. Ändern und verkürzen 6 ft RJ11 Telefonkabel to 3 m Länge.
12. Verbinden der Kupferdrähte, die aus dem hinteren Ende des Mikrokatheters Nabe zu dem modifizierten 3 ft Telefonbuchse Übertragungsleitung.

2. Wasserbad-Setup

1. Ein kleines Loch in der Mitte der Seite einer Kunststoffwanne etwa 5 cm von der Unterseite.
2. Legen Sie eine 9F Avanti Cordis Gefäßscheide (Cordis Endovascular, Miami Lakes, FL) durch das Loch.
3. Schneiden die distale Spitze des Gefäßscheide Verlassen einer 4 cm langes Stück der sich in dem Becken.
4. Am Ende der Hülle, befestigen eines rotierenden oder hämostatischen Thuoy-Borst-Ventil, um den Ort des Mikrokatheters stabilisieren.
5. Füllen Sie das Becken mit destilliertem Wasser gewährleistet vollständiges Untertauchen des Geräts.
6. Legen Sie den Katheter mit coiled Spitze durch die Gefäßscheide und Ventil.
7. Messen und notieren die hemmungslose Länge der Mikrokatheter sich von dem Ventil in dem Wasserbad.
8. Legen Sie das Wasserbad mit MikroKathetersystem innerhalb des Magneten der MR-Scanner und zu orientieren bezüglich der Bohrung des Magneten.
9. Schließen Sie die geänderte 3 ft Telefonkabel an den Katheter zu einem 25 ft RJ11 Telefonkabel Übertragungsleitung mit einem 2-Wege-Klinkenbuchse.
10. Schließen Sie das andere Ende des 25 ft Telefonkabel zu einem Lambda LPD-422A-FM-Doppeltuner geregelte Stromversorgung zu liefern bis zu 1 A Strom an das Gerät.
11. Platzieren Sie die Übertragungsleitungen durch einen Wellenleiter und der Stromquelle außerhalb des MR-Scanners Raum außerhalb des 5 Gauss-Linie.

3. Schiff Phantom-Setup

1. Konstruieren Sie eine hohles Gefäß Phantom mit einem Y-förmigen Kreuzung aus Gummischlauch vor den Experimenten.
2. Füllen Sie den Behälter Phantom mit einer 0,0102 M Lösung von Gadopentetatdimeglumin (GdDTPA) (Magnevist, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Montville, New Jersey) in destilliertem Wasser, um den Kontrast zwischen dem Phantom Schiffe und Hintergrund zu schaffen.
3. Montieren Sie den MicroCAtheter System wie in den Schritten 1,1 bis 1,9 skizziert. Verbinden des Katheters mit der Stromversorgung und der Position, wie in Schritten von 2,9 bis 2,11 beschrieben.
4. Positionieren Sie die Spitze des Mikrokatheters am Boden des Gefäßes Öffnung.
5. Platzieren des Phantoms innerhalb des Magneten des MR-Scanners und orientieren bezüglich der Bohrung des Magneten.

4. Magnetic Resonance Imaging

1. Führen Bildgebung mit einem 1.5T klinischen MR-System (Siemens Avanto, SW: Syngo B13, Erlangen, Deutschland; Philips Achieva, SW Release 2.1, Cleveland, OH).
2. Übernehmen <50 mA Strom, um die Katheterspitze Position zu visualisieren. Unter MRT, wird ein kleines magnetisches Moment an der Katheterspitze hergestellt werden, um eine deutliche Artefakt unterschiedlicher Form abhängig von dem Spulen erregt werden visualisieren.
3. Bewerben variable Mengen an Strom im Bereich von ± 100 mA aus dem Lambda duale Stromzufuhr zu den Spulen und beobachten Auslenkung der Spitze (3A-3C) im Wasser bath-Setup. Da Auslenkung der Spitze ist fast augenblicklich, müssen Strom nur für ~ 1-2 angewendet werden Sek. maximale Durchbiegung zu visualisieren.
4. Wiederholen und aufzeichnen aufeinanderfolgenden Anwendungen gesetzt Strommengen.
5. Wiederholen Sie Schritt 4,2 und gleichzeitig schieben Sie den Katheter per Hand ermöglicht mechanische Weiterentwicklung durch das Gefäß Phantom (4A und 4B). Anwenden an der Verzweigungsstelle Stroms, um die Katheterspitze in das gewünschte Gefäß abzulenken. Vorzurücken des Katheters in das Zweiggefäß durch manuelles Drücken des Katheterende (4C). Zurückziehen des Katheters an der Gefäßverzweigung und Wiederholung in der gegenüberliegenden Zweig (4D).
6. MR-Bilder zu erwerben Verwendung eines 2D Snapshot-FLASH-Sequenz (TR = 30 msec, TE = 1,4 ms, eine Matrix von 256 x 128 und Flipwinkel ~ 30 °).

5. Deflection Messungen

Analysieren und zu messen Winkel Auslenkungen aufgenommenen Bilder währendWasserbad Experimente mit verschiedenen EDV-Anwendungen (alle Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Viewer).

Representative Results

Aus dem oben beschriebenen Protokoll, eine Abwinkelung zwischen 0 und 90 Grad aus der Anwendung sollte von 50-300 mA Strom gleichzeitig auf beide Spulen eines kombinierten Elektromagnet und Helmholtzspule Mikrokatheter System (2E) geliefert beobachtet werden. Eine Erhöhung der angelegten Strom sollte zu einem Anstieg der Mikrokatheter Ablenkwinkel führen, während eine Umkehr der Strompolarität sollte Auslenkung in entgegengesetzte Richtung führt, wie mit positiven Strom beobachtet (5A-5C). Der Ablenkwinkel ist jedoch, hängt von mehreren Parametern. Die Menge des zugeführten Stroms und der Anzahl der Spulenwindungen im Solenoid und Helmholtzspulen ändert die Stärke des magnetischen Moments in dem Mikrokatheter Spitze. Zusätzlich bestimmt die Stärke des äußeren Magnetfeldes und der Winkel zwischen dem magnetischen Moment des Teilchens und des äußeren Magnetfeldes die Höhe des Drehmoments von der microcathete erlebtr. Schließlich ist das unbeschränkte Länge des Mikrokatheters Spitze, die sich in dem Wasserbad ein weiterer Faktor, verändert werden kann. Änderungen an dieser Variablen produzieren modifiziert Ablenkwinkel.

Genaue Messung der Ablenkwinkel von MR-Bildern durchgeführt werden kann und im Vergleich mit verschiedenen Typen von DICOM-Viewer-Software. Erweiterte Ablenkung kann auch durch erfolgreiche Navigation durch eine simulierte Schiffes Phantom getestet werden.

Abbildung 1. Einachs-Coil Bauplan:. Katheter Durchbiegung infolge der Nutzung der magnetischen Umgebung des MR-Scanners Zuvor in Roberts et al 2002 ^13..

2A. Laser Lithographie phy Diagramm:. Aufbau Laserlithographie Prozess Veröffentlichung in der Presse (Wilson et al 2013 ^16.).

2B. Laser-Lithographie-Coil Fabrication Diagramm: Darstellung der Schritte in der Laser-Drehmaschine Lithographie Herstellung von Mikrospulen beteiligt.

Abbildung 2C. Magnetspule:. Ein Mikrospule Solenoid von 50 Windungen auf einer Polyimidröhre mit lithographischen Technik namens Laser Drehmaschine Lithographie hergestellt Zuvor in Bernhardt et al 2011 ¹⁵ und Muller et al 2012 ¹⁶ und im Druck (Wilson et al 2013 ^17.).. .

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Abbildung 2D. Sattelspule: Ein Helmholtz ("Rennbahn") Mikrospule an der Außenwand eines Katheters mit lithografischen Technik namens Laser Drehmaschine Lithographie hergestellt Zuvor in Bernhardt et al.. 2011 ¹⁵ und Müller et al. 2012 ^16, und in der Presse (Wilson et al. 2013 ^17).

Figur 2E. Kombination Coil: Eine Magnetspule auf einer Katheterspitze innerhalb eines größeren Röhrchen, das eine Helmholtzspule platziert hergestellt Gleichzeitige aktuelle Anwendung zu beiden Spulen ermöglicht Katheter Auslenkung in drei Dimensionen.. Veröffentlichung in der Presse (Wilson et al. 2013 ^17).

3A . Katheter Durchbiegung:. Katheterspitze Durchbiegung bei Anlegen von Strom Blooming Artefakt aus der erregten Spule beobachtbar ist deutlich sichtbar (Pfeil).

3B Anterior-Posterior Katheter Ablenkung im Wasserbad:. Anwendung von 50 mA und 100 mA Strom resultierte in Einklang 10 ° und 14,5 ° Umlenkungen sind. Positive aktuellen Ursachen Auslenkung der Spitze in der vorderen Ebene und negativen Strom zu einer Auslenkung in der hinteren Ebene. Klicken Sie hier um 3B zu sehen .

. 3C Rechts-Links-Katheter Ablenkung im Wasserbad: Anwendung von 50 mA und 100 mA Strom resultierte in Einklang 11,5 ° und 17 ° Umlenkungen sind. Positive aktuellen Ursachen Auslenkung der Spitze in die richtige Ebene und negativen Strom zu einer Auslenkung in der linken Ebene.e.com/files/ftp_upload/50299/50299fig3C.avi "target =" _blank "> Klicken Sie hier, um 3C zu sehen.

Abbildung 4 Katheter Lenkung und Tracking:. Controlled Katheter Ablenkung und Steuerung durch ein Gefäß Phantom. Strom wird dem gewendelten Katheterspitze Herstellung Visualisierung Blühen (Pfeil) aufgebracht. Der Katheter ist mechanisch fortgeschrittene und Strom (- 45 mA) angewendet wird, um die Ablenkung in den unteren Behälter Zweig (C) zu bewirken. Der Katheter wird dann in die Position (B) zurückgezogen wird. Mittels Umkehrphasen Strompolarität (45 mA) wird der Katheter vorgeschoben umgelenkt und in das obere Gefäß Zweig (D).

. 4B Katheter Ablenkung in einer Bifurkation Phantom: Aktuell, um den Katheter al angewendetTiefs erfolgreiche Ausrichtung und Weiterentwicklung in den linken Gefäßasts des Phantoms. Der Katheter wird dann an der Abzweigung eingefahren und in das richtige Schiff Branche. Klicken Sie hier um 4B zu sehen .

. 5A-C geometrischen Muster der Katheter Durchbiegung in ein Wasserbad:. Diese angelegt wird, um Auslenkungen in einer einzigen Ebene in alle Richtungen zu erzeugen Hier kommen auf 5A , 5B , 5C .

Discussion

Hier beschreiben wir die Protokoll für Ablenkung eines Mikrokatheters in einem MR-Scanners. Die wesentlichen Parameter für den Erfolg sind genaue Anwendung der aktuellen und Messung der Ablenkwinkel. Ungenaue Messung der Ablenkwinkel ist die wahrscheinlichste Fehler in diesem Protokoll angetroffen. Die Winkel in MR-Bildern während des Experiments Wasserbad eingefangen ggf. Werte durch geringe Unterschiede in der Orientierung durch die das Medium in Bezug auf die Bohrung des Magneten angeordnet ist, unterscheiden. Um dieses Problem in der Zukunft begegnen, können Bilder von MR-kompatiblen LWL-Kameras in zwei verschiedenen Dimensionen positioniert erfasst werden. Verwenden beider MR und Kamerabilder wird eine genauere, dreidimensionale Ansicht des Mikrokatheters Spitze.

Die Qualität der Bilder kann durch Veränderung der Parameter, unter denen Bildgebung durchgeführt verbessert werden. Eine andere Bildsequenz kann verwendet werden, um festzustellen, ob eine Steigerung der Bildqualität und Klarheit werdenerlebt. Darüber hinaus, da die Übertragungsleitungen rannte aus dem MR-Scanner Leitwarte, war die Integrität des Magneten Raumes RF Gehäuse suboptimale möglicherweise reduziert Bildqualität. Dieses Problem könnte durch Anordnen der Stromleitungen durch einen Filter auf einem Eindringen Panel verbessert werden. Zusätzlich Verwendung der Katheterspitze Mikrospulen als bildgebende Empfängerspulen hält auch das Potenzial, Bilder mit höherer Auflösung unmittelbar benachbart zu der Spitze des Katheters bereitzustellen. Die Möglichkeit der Verwendung von Laser gedrechselte Katheterspitze Spulen als bildgebende Spulen erforscht.

Produktion von Bildern, die nicht nur eine bessere Qualität, aber einfacher zu benutzen, um genaue Winkel Auslenkung zu messen ist ebenfalls möglich. Änderung der Variablen, die Winkelabweichung beeinflussen, wie oben erwähnt, kann in einem größeren Maß an Auslenkung führen. Zusätzlich kann ein 3T klinischen MR-Scanners mit erhöhter Festigkeit an Stelle einer 1.5T Scanner um den Bereich der Mikrokatheter Auslenkung erhöhen verwendet werden. DieseÄnderungen können zu produzieren Trennung von verschiedenen Winkelabweichung zwischen engen Abständen angelegten Strom.

Da dieses Protokoll das Ziel, die Fähigkeit, Mikrokatheter Auslenkung Kontrollversuch wurde das Gefäß Phantom verwendet einfache und enthielt einen einzigen Verzweigungspunkt bei etwa 45 °. Nun, da diese Fähigkeit aufgebaut ist, kann eine weitere Prüfung des Mikrokatheters Auslenkung in komplexeren Phantome durchgeführt werden. Entwurfsvariablen, die verändert werden können, umfassen Gefäßdurchmesser, den Winkel der Gefäßästen, und die Anzahl der Windungen in jeder gegebenen Pfad des Phantoms. Die Gefäße können auch verjüngt sein und das Phantom aus einem anderen Material außer Kunststoffschlauch in dem Bemühen, genauer nachahmen menschliche Gefäßsystem umfaßt. In zukünftigen Studien können Tierversuche auch durchgeführt, um weiter zu prüfen Mikrokatheter Navigation Fähigkeit werden.

Mehrere Einschränkungen dieses Protokoll auch im Hinblick auf die Herstellung von Mikrospulen Verwendung existierenDie Laser Drehmaschine Technik. Linienbreite ist eine Funktion der Messfleck Lackdicke und Pech. Laserfleckgröße ist auf einen Bereich von drei bis fünf Mikrometer im Durchmesser beschränkt und Lackdicke auf 25 Mikrometer begrenzt. Weiterhin wird die Dicke der Kupferleitungen von der Linienbreite und dem Resistdicke begrenzt. Photoresist Exposition mit den Laser-Direkt-Schreib-System Ergebnisse in Öffnungen oder Funktionen in der Resist, dass keine parallelen Seiten. Die Öffnungen sind schmaler an der Unterseite in der Nähe der Keimschicht wodurch die minimale Größe der Merkmale. Zusätzlich, wie Leitungen dicker werden, wachsen sie näher an benachbarten Leitungen. Wenn Linien zu nahe sind, sind die Kupfer-Keimschicht und Titanhaftschicht Verfahren zur Entfernung nicht in der Lage ausgehend ungehemmt.

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