Her beskriver vi en metode til at fremstille aneurysmal, aorta væv-efterligne phantoms til brug i test ultralyd elastography. Den kombinerede brug af computer aided design (CAD) og 3-dimensionelle (3D) udskrivning teknikker producere aorta phantoms med forudsigelige, komplekse geometrier til at validere elastographic imaging algoritmer med kontrollerede eksperimenter.
Ultralyd (os) elastography eller elasticitet imaging, er et supplement imaging teknik, der udnytter sekventielle amerikanske billeder af bløde væv til at måle væv bevægelse og udlede eller kvantificere de underliggende biomekaniske karakteristika. For abdominale aortaaneurismer (AAA), kan biomekaniske egenskaber såsom ændringer i væv elasticitetsmodul og estimater af væv stress være væsentlige for at vurdere behovet for kirurgisk intervention. Abdominale aortaaneurismer U.S. elastography kunne være et nyttigt redskab til at overvåge AAA progression og identificere ændringer i biomekaniske egenskaber karakteristiske af højrisiko patienter.
Et foreløbigt mål i udviklingen af en AAA os elastography teknik er valideringen af metoden ved hjælp af en fysisk relevante model med kendte materialeegenskaber. Her præsenterer vi en proces til fremstilling af AAA væv-efterligne phantoms med fysisk relevante geometrier og rumligt moduleret materialeegenskaber. Disse væv phantoms sigter mod at efterligne USA-egenskaber, materielle modulus og geometri af de abdominale aortaaneurismer. Væv phantoms er lavet ved hjælp af en polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) og støbt ved hjælp af 3D udskrevne dele oprettet ved hjælp af computer aided design (CAD) programmel. Modulus af phantoms kontrolleres ved at ændre koncentrationen af PVA-c og ved at ændre antallet af fryse-tø cykler brugt til at polymerisere cryogel. AAA phantoms er tilsluttet en hæmodynamiske pumpe, beregnet til at deformere phantoms med fysiologisk cyklisk pres og strømme. Ultra lydbillede sekvenser af de akavede phantoms tilladt for den rumlige beregning af pres normaliseret stamme og identifikation af mekaniske egenskaber af karvæggen. Repræsentative resultater af pres normaliseret stammen er præsenteret.
Abdominale aortaaneurismer (AAA) er focal udvidelser af aorta, der forekommer fortrinsvis i nærheden af aorta bifurkation1. Den nøjagtige årsag til AAA dannelse er ukendt, selv om mange teorier tyder på, at patogenesen er multifaktoriel, med genetiske, adfærdsdata, hæmodynamiske og miljømæssige faktorer, der bidrager2,3. Mens diagnosticering af en abdominalt aortaaneurisme kan opnås ved hjælp af ikke-invasive billeddannelse teknikker, er forudsigelse af patient-specifikke brud risiko ikke så præcis4,5,6. Kirurgisk reparation kan reducere risikoen for aorta ruptur, men operative reparation af aorta bærer en høj sats af tilknyttede sygelighed og dødelighed7. Nuværende kirurgisk praksis bruge “maksimale størrelseskriterier”, eller maksimale absolutte diameter af aneurismer, for at forudsige en patients risiko for brud. Desværre, det har været godt etableret, en aneurisme stadig bristninger under størrelser klinisk acceptabel for kirurgisk reparation, hvilket betyder, at patienter med enhver størrelse aneurisme bære nogle risikoen for ruptur8,9, 10 , 11 , 12 , 13. Derudover det vides, at historiske beretninger om brud risiko er sandsynligvis over skøn over den sande brud risiko, hvilket betyder, at mange patienter er udsat for kirurgisk risiko uden fordel13. En mere nøjagtig vurdering af risikoen, patienten-specifikke brud er nødvendig for at hjælpe med at stratificere en patients risk: benefit ratio af kirurgisk aneurisme reparation.
Det har vist sig at den rumlige stress fordeling inden for en AAA er af kritisk betydning ved fastsættelsen af brud potentiale og kan være en bedre indikator end maksimale diameter14,15,16,17 , 18. de fleste af de seneste undersøgelser, at undersøge mekanikken i AAA brud bruge segmenterede geometrier fra X-ray beregnet tomografi (CT) billeder, og befolkningen i gennemsnit mekaniske egenskaber af aorta væv målt ex vivo. Finite element (FE) modeller bruges derefter til at forudsige fartøj væggen understreger14,15,16,17,18. Dog fordi de mekaniske egenskaber bestemmes efter væv excision, er det uklart, hvorvidt de resulterende modeller præcist skildrer de resulterende i vivo patient-specifikke belastninger. Disse undersøgelser typisk antager homogene fartøj væg materialeegenskaber og højde ikke for de meget heterogene struktur af aorta væggen og blodprop19,20,21,22 ,23,24,25.
Ultralyd-baserede elasticitet imaging bruges klinisk til at diagnosticere og overvåge en række sygdom patologier26. Denne teknologi giver en non-invasiv måde at afhøre de fysiske vekselvirkninger mellem bløddele. Vaskulære amerikanske elasticitet imaging har været brugt som et supplement imaging modalitet til klinisk amerikanske evaluering i screening og overvågning af AAAs. Kombinationen af disse teknikker giver både geometriske oplysninger, såsom diameter samt længde og mekaniske data, såsom relative stivhed og stivhed variation. Mens mange elasticitet Billeddannende teknikker kræver en ekstern belastning at fremkalde en målbar væv deformation, er væv bevægelse måles her fremkaldt af ændringer i aorta pres forårsaget af bankende hjerte. Talrige metoder har været offentliggjort løse rumligt stamme felter i deformering fartøjer, valideringsundersøgelser af disse metoder har dog været begrænset til menneskelige patienter, dyremodeller eller ex vivo væv prøver27,28 ,29,30,31,32. Til dato, mulighed få metoder for kreationer af tilpassede geometrier med rumligt varieret materialeegenskaber27,29.
Her vil vi præsentere en metode til fremstilling af os kompatibel, væv-efterligne spøgelser, der kan skræddersys til en række relevante aorta geometrier og materialeegenskaber til validering af amerikanske elastography teknikker. Selvom tidligere grupper har været i stand til at designe komplekse geometri phantoms at efterligne AAA geometrier ved hjælp af 3D printing technology33,34, printable gummi er kendt for at have en høj dæmpning til USA og har ikke et middel til senere deres materialeegenskaber. Spøgelser er lavet af polyvinylalkohol cryogel (PVA-c), som har tidligere vist sig at være ideel til efterligne karvæv egenskaber35. Disse spøgelser kan bruges i USA, magnetisk resonans og elastographic imaging36,37,38. Aortaaneurisme geometri var designet ligeledes til simulation model lavet af Vorp et al. 14. fartøjet har en nominel diameter på 22,5 mm og har en aneurysmal bule, der er 64 mm bule længe, 47 mm i diameter og excentriske (β = 0,6)14 til den forreste side af fantomet. Den sidste sektion efterligner den iliaca tvedeling med en distal diameter på 15 mm. Fantomet var valgt at have en konstant tykkelse af ca 5 mm. Henrik Møller et al. rapporteret i en lille undersøgelse at fartøjet tykkelsen af AAA spænder fra 0,23-4.26 mm, med en median værdi på 1,48 mm39. Nominelle fartøj tykkelse i den større ende af dette spektrum blev valgt her til fremstilling af bekymringer med forventning om, at forbedret 3D trykteknikker vil forbedre den mindste phantom tykkelse, der er i stand til at blive formet. Phantom forme blev udviklet i CAD og 3D udskrives ved hjælp af kommercielt tilgængelige printere og glødetråden.
Formene er injektion fyldt med PVA-c løsning og udsættes for en serie af fryse/tø cykler (-20 ° C og + 20 ° C) til at krydse-link PVA-c polymer og polymerisere gel. Elasticitetsmodul af PVA-c styres ved at ændre koncentrationen af PVA-c gel eller antallet af fryse-tø cykler. Afsnittet aneurysmal i formen phantom kræves tab til at fjerne fra den indre lumen af fartøjet. Dette blev opnået ved brug af en polyvinylalkohol, 3D printer glødetråden (PVA). Selvom kemisk ligner PVA-c pulver, PVA glødetråden polymerisere ikke når frosne og som sådan kan være opløst i vand efter PVA-c er indstillet. Ekstra prøve forme er trykt for at oprette trækstyrke test prøver, i en “hund knogle” konfiguration, med den samme PVA-c koncentration. Disse forme underkastes de samme fryse/tø cykler og anvendes til trækstyrke testning uafhængigt måle elasticitetsmodul af sektionerne fantom. En baggrundsmateriale blev fremstillet med blødere PVA-Christensen, at simulere væv i retroperitoneum40,41. Denne baggrund phantom blev fremstillet som en homogen axisymmetric cylindrisk rør med en indre diameter på 4 cm, en ydre diameter på 16,5 cm og en længde på 16,5 cm. Det var lavet af en 5% PVA løsning og underkastes en i alt to fryse-tø cykler.
De endelige AAA phantoms blev placeret i baggrunden phantom og forbundet via rør fittings og klemmer, til en hæmodynamiske vandpumpe beregnet til at deformere phantoms med fysiologisk cyklisk strømme og pres. Pumpens omdrejningstal blev sat til at levere ca en 6-7 kPa pres puls med en hastighed på ca 1 Hz. Ultra lydbillede sekvenser af de akavede phantoms blev indsamlet, og pres normaliseret stamme var beregnet til at identificere forskelle i den rumligt varieret mekaniske egenskaber. Repræsentative resultater af presset normaliseret stamme billeder inden for regionen fartøj er præsenteret. De voksende regionale forskelle i den normaliserede stamme af de stivere heterogene phantoms, i forhold til det homogene phantom, vise forskelle i fartøjet stivhed og vores evne til at måle det.
Dette paper præsenterer en teknik til at fremstille væv-efterligne phantoms til brug i test elastography eller elasticitet tænkelig algoritmer. Den kombinerede brug af CAD- og 3D-printning giver mulighed for effektivt design af aorta efterligner phantoms med komplekse geometrier, ud over rørformede phantoms, herunder aneurysmal buler. Oprettelsen af phantom sker i 4 trin; 1) design af phantom geometri, 2) udskrivning af phantom skimmel dele, 3) blanding af cryogel løsninger, som i sidste ende vil efterligne ultralyd egenskaber og mekaniske egenskaber af de fantom fartøjer og 4) hælde/indsprøjtning af cryogel løsning i formen, indstilling PVA-c med fryse-tø cykler og fjernelse af fantomet fra formen. Brug af CAD i den i design af forme fremstillet i trin 1 gør det muligt for en simpel betyder netop redigere phantoms geometri. Udskrivning af mug dele i øjeblikket tager ca 5-8 h afhængigt af print størrelse og kan dermed nemt gøres for gentagne ændringer i formene.
I trin 3, er cryogel løsninger lavet til at efterligne fartøj, aneurisme og baggrunden væv med calciumcarbonat partikler efterligne USA scatter af væv. Cryogel løsninger skal omrøres før brug hvis calcium partikler har afgjort ud af blandingen. Den nøjagtige koncentration af blandingen af cryogel vil afgøre de endelige mekaniske egenskaber af spøgelser. Det er således vigtigt at skabe de uafhængige prøver af hver af de løsninger, der anvendes i phantom fartøj og baggrund. Selv om ikke en del af protokollen her, bør uafhængige målinger af den prøve elasticitetsmodul opnås ved hjælp af enakset spænding test. Uafhængig mekanisk testning af PVA-c prøverne for de 10%, 15%, 20% og 25% phantoms lavet i de repræsentative resultater havde målt shear modulus 17.4 ± 1,0 kPa, 48.3 ± 5.7 kPa, 95.1 ± 0,4 kPa og 170.0 ± 4.1 kPa, henholdsvis.
Trin 4 er den mest afgørende skridt i at skabe disse spøgelser. Selv om registreringer pins er til at holde formen dele i deres rette positioner i forhold til de andre, er det vigtigt at sikre, at formen dele ikke adskille under molding proces. Således brug af klemmer til at holde formen. Den vigtigste overvejelse i trin 4 er at minimere luftbobler fanget i formen inden den første fryse-tø cyklus. Det er ofte nyttigt at adskille én side af den ydre mug og inspicere phantom efter den første fryse-tø cyklus for at sikre det dannet korrekt. Dette kan spare tid spildt at sætte en “dårlig” phantom gennem yderligere cykler. Når phantom er blevet fjernet fra formen helt, kan det være gemt i vand i flere uger ved fortsat brug.
PVA-c phantoms udviklet i dette arbejde var skabt til at specifikt efterligne den ultralyd og materielle stivhed af aorta væv. Brugen af polyvinylalkohol cryogel giver mulighed for en bredere vifte af mulige mekaniske stivhed, til bedre at efterligne de ændrede materialeegenskaber aorta væv i forhold til mere gummi som materialer33,34. Desuden indfanger brug af hydrogel og investering støbning bedre de akustiske egenskaber af støbt gummi eller direkte 3D trykte materialer33,45. Nogle luftbobler kan få fanget i vores forme før den første fryse-tø cyklus. Dette kan forårsage huller i phantom og føre til materielle svaghed eller akustiske artefakter. Således, det anbefales at inspicere spøgelser ud af formen efter den første fryse-tø til at bestemme, hvis processen skal blive genstartet. Derudover har forfatterne fandt, at den indre mug kan undertiden Skift under frysning af aneurysmal del af spøgelser. Hvis dette sker, ville en ændring af ovennævnte protokollen være at skabe en 3D printet, eller ellers designet, del for at fast hold formen indre lumen til den forreste ydre skimmel under indefrysning af dette afsnit. Forfatterne har fundet, at bruge den bageste side af den ydre mug og en 5 mm afstandsstykke mellem formen bageste ydre og indre mug fungerer godt til dette formål.
Phantom udviklet her er ideel til at studere indflydelse af ændringer i aneurysmal diameter, og luminale tykkelse eller potentielt tilstedeværelsen af blodprop i væv ved at redigere de oprindelige CAD-filer. Tidligere arbejde, har også vist, at denne fremstilling teknik kan ændres til at producere patient-specifikke phantom geometrier bruger computertomografi billeder og segmentering software i stedet for CAD design, til at skabe 3D trykt phantom forme 44. resultaterne vist her viser, at algoritmen var i stand til at visualisere de fremstillede variationer i de mekaniske egenskaber af de fantom sektioner. Det skal bemærkes, at selv om disse phantoms blev brugt til at teste USA-baserede Billeddannende teknikker, de er også kompatible med magnetisk resonans og computertomografi billedsystemer og at de også kan anvendes ud over formålet med elasticitet imaging, for en bred række nye billeddiagnostiske teknikker og fremgangsmåder.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Center for fremme translationel videnskab af National Institutes of Health gennem Award nr. UL1 TR000042 og National Institute of Biomedical Imaging og bioteknologi af de nationale kontorer i sundhed gennem 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 |