Her beskriver vi en metode for å produsere aneurisme, aorta vev-mimicking fantomer for bruk i tester ultralyd elastography. Kombinert bruk av dataassistert konstruksjon (CAD) og 3-dimensjonale (3D) utskrift teknikker produsere aorta fantomer med forutsigbare, komplekse geometrier for å godkjenne elastographic tenkelig algoritmer med kontrollerte forsøk.
Ultralyd (US) elastography eller elastisitet bildebehandling, er et supplement tenkelig teknikk som utnytter sekvensielle amerikanske bilder av bløtvev måle vev bevegelse og antyde eller kvantifisere underliggende biomekaniske egenskaper. For abdominal aorta aneurismer (AAA), kan biomekaniske egenskaper som endringer i vevets elastisk modulus og anslag over vev stress være avgjørende for å vurdere behovet for den kirurgiske inngripen. Abdominal aorta aneurismer U.S. elastography kan være et nyttig verktøy for å overvåke AAA progresjon og identifisere endringer i biomekaniske egenskaper karakteristisk for høy-risiko pasienter.
En foreløpig mål i utviklingen av en AAA oss elastography teknikk er validering av metoden bruker en fysisk relevante modell med kjente materialegenskaper. Her presenterer vi en prosess for produksjon av AAA vev-mimicking fantomer med fysisk relevante geometrier og romlig modulert materialegenskaper. Disse vev phantoms mål å etterligne USA egenskaper, materielle modulus og geometrien av abdominal aorta aneurismer. Vev fantomer er laget ved hjelp av en cryogel med polyvinylalkohol (PVA-c) og støpte bruker 3D trykte deler laget med dataassistert konstruksjon (CAD). Modulus av fantomer kontrolleres ved å endre konsentrasjonen av PVA-c og ved å endre antall fryse-Tin sykluser til danner cryogel. AAA fantomer er koblet til en hemodynamic pumpe, designet for å deformere fantomer med fysiologiske syklisk trykk og renn. Ultra lydbildet sekvenser av de deforming fantomer romlige beregningen av press normalisert belastningen og identifikasjon av mekaniske egenskaper av fartøyet veggen. Representant resultatene av press normalisert belastningen presenteres.
Abdominal aorta aneurismer (AAA) er fokal forstørrelser av aorta som forekommer fortrinnsvis nær aorta bifurkasjonen1. Den eksakte årsaken til AAA formasjon er ukjent, selv om mange teorier foreslår at patogenesen er multifaktoriell, med genetiske, atferdsdata, hemodynamic og miljømessige faktorer bidrar2,3. Mens diagnostisering av et abdominalt aortaaneurisme kan oppnås ved hjelp av ikke-invasiv Bildeteknikker, er prediksjon av pasient-spesifikke ruptur risiko ikke så nøyaktig4,5,6. Kirurgisk reparasjon kan redusere risikoen for aorta brudd, men operativ reparasjon av aorta bærer et høyt antall tilknyttede sykelighet og dødelighet7. Gjeldende kirurgisk praksis bruke “maksimumsstørrelsen kriterier” eller maksimale absolutte diameter aneurismer, for å forutsi pasientens risikoen for ruptur. Dessverre, det er godt etablert at aneurisme fortsatt brudd under størrelser klinisk akseptabelt for kirurgiske reparasjon, betyr at pasienter med en stor aneurisme bære noen risikoen for ruptur8,9, 10 , 11 , 12 , 13. i tillegg er det kjent at historiske rapportene ruptur risiko er trolig over-beregninger av ekte ruptur risikoen, betyr mange pasienter er utsatt for kirurgisk risiko uten fordel13. En mer nøyaktig vurdering av pasient-spesifikke ruptur risikoen er nødvendig for å stratify en pasients risiko-nytte-forhold av gjennomgår kirurgisk aneurisme reparasjon.
Det har vist at romlig stress distribusjonen innen en AAA er av avgjørende betydning i å bestemme ruptur potensial og kan være en bedre indikator enn maksimale diameter14,15,16,17 , 18. de fleste av de siste studiene som undersøker mekanikken i AAA ruptur bruker segmentert geometrier fra X-ray beregnet tomografi (CT) bilder og befolkningen gjennomsnitt mekaniske egenskaper av aorta vev målt ex vivo. Finite element (FE) modeller brukes deretter til å forutsi fartøyet veggen påkjenninger14,15,16,17,18. Men fordi de mekaniske egenskapene bestemmes etter vev excision, er det uklart om de resulterende modellene nøyaktig skildrer resulterende i vivo pasient-spesifikke påkjenninger. Disse studiene vanligvis anta homogen fartøyet veggen materialegenskaper og utgjør ikke svært heterogen strukturen av aorta muren og blodpropp19,20,21,22 ,23,24,25.
Ultralyd-baserte elastisitet imaging brukes klinisk kan diagnostisere og overvåke ulike sykdom patologi26. Denne teknologien gir en ikke-invasiv måte å forhøre fysiske samspillet av bløtvev. Vaskulær amerikanske elastisitet bildebehandling har blitt brukt som et supplement imaging modalitet til kliniske amerikanske evaluering i screening og overvåkning av AAAs. Kombinasjonen av disse teknikkene gir både geometrisk informasjon, som diameter og lengde, i tillegg til mekanisk data, for eksempel relativ stivhet og stivhet variasjon. Mens mange elastisitet Bildeteknikker krever en ekstern belastning å indusere en målbar vev deformasjon, er vev bevegelsen skal måles her indusert av endringer i aorta trykket forårsaket av det bankende hjertet. Flere metoder har blitt publisert romlig løser belastning felt i deformeres fartøy, validering studier av disse metodene har imidlertid vært begrenset til menneskelige pasienter, dyremodeller eller ex vivo vev prøver27,28 ,29,30,31,32. Hittil tillater noen metoder kreasjoner av tilpassede geometrier med romlig variert materialegenskaper27,29.
Her presenterer vi en metode for produksjon oss kompatibel, vev-mimicking phantoms som kan skreddersys til en rekke relevante aorta geometrier og materialegenskaper for validering av amerikanske elastography teknikker. Selv om tidligere grupper har vært i stand til å utforme sammensatt geometri fantomer å etterligne AAA geometrier med 3D trykking teknologien33,34, utskrivbare gummi er kjent for å ha en høy demping til USA og trenger ikke å senere deres materialegenskaper. Fantomer er laget av cryogel i polyvinylalkohol (PVA-c), som tidligere har vist seg å være ideell for mimicking vaskulær vev egenskaper35. Disse phantoms kan brukes i USA, magnetisk resonans og elastographic tenkelig36,37,38. Aortaaneurisme geometrien ble utformet på samme måte som i simuleringsmodell skapt av Vorp et al. 14. fartøyet har en nominell diameter på 22,5 mm og har en aneurisme bule som er 64 mm bule, 47 mm i diameter og eksentrisk (β = 0,6)14 til fremre siden av phantom. Den siste delen etterligner iliaca bifurkasjonen distale diameter på 15 mm. Phantom ble valgt til å ha en konstant tykkelse på ca 5 mm. Raghavan et al. rapportert i en liten studie at fartøyet tykkelsen på AAA varierer fra 0,23-4.26 mm, med median verdien 1.48 mm39. Nominell fartøyet tykkelse på den lille enden av spekteret ble valgt her for produksjon bekymringer med en forventning om at forbedret 3D utskrift teknikker vil forbedre minimum phantom tykkelse som kan støpes. Phantom formene ble utformet i CAD og 3D skrives ved hjelp av kommersielt tilgjengelige skrivere og filament.
Formene er injeksjon fylt med PVA-c løsningen og utsatt for en rekke fryse/tine sykluser (20 ° C og +20 ° C) Link PVA-c polymer og danner gel. Elastisk modulus PVA-c kontrolleres ved å endre konsentrasjonen av PVA-c gel eller antall fryse-Tin sykluser. Aneurisme delen av phantom nødvendig tap mold fjerne fra det indre lumen av fartøyet. Dette ble gjort ved bruk av en polyvinylalkohol, 3D skriver filament (PVA). Selv om kjemisk ligner PVA-c pulver, PVA filament danner ikke når frosset og, som sådan, kan bli oppløst i vann etter PVA-c er angitt. Flere eksempler muggsopp skrives for å opprette strekk testing prøver, i “hunden ben” konfigurasjon med samme PVA-c konsentrasjonen. Disse formene gjennomgå samme fryse/tine sykluser, og brukes for strekk testing uavhengig måle elastisk modulus av phantom. En bakgrunnsmateriale ble produsert med mykere PVA-c, laget for å simulere vev av retroperitoneum40,41. Denne bakgrunn phantom ble produsert som en homogen axisymmetric sylindriske rør med 4 cm indre diameter 16,5 cm ytre diameter og en lengde på 16,5 cm. Det var laget av en 5% PVA løsning og utsatt for totalt to fryse-Tin sykluser.
De endelige AAA phantoms var plassert i bakgrunnen phantom og koblet, via Rørarmatur og klemmer, til en hemodynamic vannpumpe utformet for å deformere fantomer med fysiologiske syklisk flyt og presset. Pumpen fart var satt til å levere ca en 6-7 kPa press puls med en hastighet på ca 1 Hz. Ultra lydbildet sekvenser av de deforming phantoms var samlet og press normalisert belastningen ble beregnet for å påpeke forskjeller i den romlig variert mekaniske egenskaper. Representant resultatene av trykket normalisert belastning bilder i regionen fartøyet presenteres. Med økende regionale forskjeller i normalisert belastningen av stivere heterogene fantomer, i forhold til homogen phantom, viser forskjellene i fartøyet stivhet og vår evne til å måle det.
Dette dokumentet presenterer en teknikk for å produsere vev-mimicking fantomer for bruk i elastography eller elastisitet tenkelig algoritmer. Kombinert bruk av CAD- og 3D-utskrift gir effektiv design av aorta mimicking fantomer med komplekse geometrier, utover rørformede fantomer, inkludert aneurisme buler. Etableringen av phantom er gjort i 4 trinn: 1) design av phantom geometri, 2) utskrift av phantom mold deler, 3) blanding av cryogel løsninger som vil til slutt etterligne ultralyd egenskaper og mekaniske egenskaper av phantom fartøyene og 4) helle/sprøytebruk av cryogel løsning i mold, sette PVA-c med fryse-Tin sykluser og fjerning av phantom fra mold. Bruk av CAD i den i utformingen av formene innhentet i trinn 1 gir en enkel måte å presist endre geometrien i fantomer. Utskrift av mold deler for tiden tar ca 5-8 timer avhengig av utskriften, og dermed kan enkelt gjøres for gjentatte endringer formene.
I trinn 3 opprettes cryogel løsninger for å etterligne den fartøy, aneurisme og bakgrunn vev med kalsiumkarbonat partikler mimicking amerikanske scatter av vev. Følgende cryogel bør bli rørt før bruk hvis kalsium partikler har avgjort av blandingen. Nøyaktig konsentrasjonen av blandingen av cryogel vil avgjøre siste mekaniske egenskaper for fantomer. Dermed er det viktig å skape uavhengige prøvene av løsningene som brukes i phantom fartøyet og bakgrunn. Selv om ikke en del av protokollen her, skal uavhengige målinger av prøvens elastisk modulus oppnås ved hjelp av uniaxial spenning testing. Uavhengig mekanisk testing PVA-c prøvene for 10%, 15%, 20% og 25% fantomer opprettet i representant resultatene hadde målt skjær modulus 17.4 ± 1.0 kPa, 48.3 ± 5.7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa og 170.0 ± 4.1 kPa, henholdsvis.
Trinn 4 er det viktigste trinnet i å lage disse phantoms. Selv om registreringer pinnene er å holde mold delene i deres riktige posisjoner i forhold til andre, er det viktig å sikre at mold deler ikke separat under forming prosessen. Dermed bruk av klemmer å holde formen. Viktigste hensynet til trinn 4 er å minimere luftbobler fanget i mold før første fryse-Tin syklus. Det er ofte nyttig å demontere en side av ytre mold og inspisere phantom etter den første fryse-Tin syklus å sikre det dannet riktig. Dette kan spare bortkastet tid å sette en “dårlig” phantom gjennom ytterligere sykluser. Når phantom er fjernet fra formen helt, kan det lagres i vann i flere uker med videre bruk.
PVA-c fantomer utviklet i dette arbeidet ble laget spesielt etterligne ultralyd og materielle stivhet av aorta vev. Bruk av polyvinylalkohol cryogel gir et bredere spekter av mulige mekanisk stivhet, å bedre etterligne de endrede materialegenskaper av aorta vev sammenlignet med mer gummi som materialer33,34. I tillegg fanger bruk av hydrogel og investering støping bedre de akustiske egenskapene til støpt gummi eller direkte 3D trykt materiale33,45. Noen luftbobler kan bli fanget i våre mugg før første fryse-Tin syklus. Dette kan forårsake hull i phantom og føre til vesentlig svakhet eller akustisk gjenstander. Derfor er det anbefalt å inspisere fantomer ut av formen etter første fryse-Tin å avgjøre hvis prosessen skal startes. I tillegg har forfatterne funnet at indre mold kan noen ganger gå under frysing av aneurisme delen av fantomer. Hvis dette skjer, ville en endring av over protokollen være å lage en 3D trykt eller på annen måte utviklet, del å holde fast indre lumen mold på fremre ytre mold under frysing av denne delen. Forfatterne har funnet at bruke den bakre siden av ytre mold og en 5 mm avstand mellom bakre ytre mold og indre mold fungerer godt for dette formålet.
Phantom utviklet her er ideelt for å studere påvirkning av endringer i aneurisme diameter eller luminal tykkelse eller potensielt flere blodpropp i vev ved å redigere de opprinnelige CAD-filene. Men har tidligere arbeid også vist at denne produksjon teknikken kan endres for å produsere pasient-spesifikke phantom geometrier bruke beregnede tomografi bilder og segmentering programvare, snarere enn CAD design, å lage 3D trykt phantom muggsopp 44. resultatene vises her viser at algoritmen kunne visualisere produsert variasjoner i de mekaniske egenskapene av phantom. Det bør bemerkes at selv om disse phantoms ble brukt til å teste USA-baserte Bildeteknikker, de er også kompatibel med magnetisk resonans og beregnede tomografi imaging systems og at de kan også brukes utenfor hensikten med elastisitet imaging for et bredt rekke romanen imaging teknikker og metoder.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av National Center for fremme translasjonsforskning Sciences i National Institutes of Health gjennom Award nr. UL1 TR000042 og National Institute of biomedisinsk bildebehandling og bioteknologi av de nasjonale instituttene helse gjennom Award nr. 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 |