هنا يصف لنا طريقة لتصنيع أشباح التوسعات، الابهري محاكاة الأنسجة لاستخدامها في اختبار الموجات فوق الصوتية الاستوجرافي. الاستخدام المشترك للتصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) وثلاثي الأبعاد (3D) الطباعة تقنيات إنتاج الابهري أشباح مع هندستها المعقدة، ويمكن التنبؤ به للتحقق من صحة الاستوجرافيك التصوير الخوارزميات مع التجارب التي تسيطر عليها.
الاستوجرافي (الولايات المتحدة) بالموجات فوق الصوتية، أو التصوير بمرونة، هو عامل مساعد التصوير التقنية التي تستخدم صور الولايات المتحدة متسلسلة من الأنسجة الرخوة قياس حركة الأنسجة والاستدلال أو تحديد خصائص النشاط الحيوي الأساسي. للبطن تمدد الأوعية الدموية الابهري (AAA)، قد تكون خصائص النشاط الحيوي مثل التغيرات في الأنسجة معامل مرونة والتقديرات من الإجهاد أنسجة ضرورية لتقييم الحاجة إلى التدخل الجراحي. تمدد الأوعية الدموية الابهري البطني الولايات المتحدة elastography يمكن أن تكون أداة مفيدة رصد التطور AAA والتعرف على التغيرات في النشاط الحيوي الخصائص المميزة للمرضى المعرضة للخطر.
هدفا أولياً في تطوير أسلوب elastography AAA لنا هو التحقق من أن أسلوب باستخدام نموذج ذات صلة فعلياً مع خصائص المواد المعروفة. نقدم هنا عملية لإنتاج AAA محاكاة الأنسجة أشباح مع الهندسات ذات الصلة فعلياً وخصائص المواد المعدلة مكانياً. تهدف هذه الأنسجة أشباح لتقليد خصائص الولايات المتحدة، ومعامل التحويل المادي، والهندسة لتمدد الأوعية الدموية الابهري البطني. الأنسجة أشباح مصنوعة باستخدام كريوجيل البولي فينيل الكحول (PVA-ج) ومصبوب أجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تم إنشاؤها باستخدام الحاسوب (CAD) تصميم البرمجيات باستخدام. يتم التحكم معامل الأشباح بتغيير تركيز بولي-ج وعن طريق تغيير عدد دورات تجميد أذاب المستخدمة إلى بلمرة في كريوجيل. أشباح AAA متصلة بمضخة الفسيولوجية، مصممة لتشوه الأشباح مع ضغط دوري الفسيولوجية والتدفقات. تسلسل الصور الصوت فائقة من أشباح تشويه المسموح بها لحساب الضغط الضغط تطبيع المكانية وتحديد الخواص الميكانيكية لجدار الوعاء. وترد نتائج الممثل لإجهاد الضغط تطبيع.
تمدد الأوعية الدموية الابهري البطني (AAA) هي التوسعات المحورية للشريان الاورطي التي تحدث على وجه التفضيل قرب التشعب الابهر1. السبب الدقيق لتشكيل أأأ غير معروف، على الرغم من أن العديد من النظريات تشير إلى أن الآلية المرضية المتعددة العوامل، مع العوامل الوراثية والسلوكية والفسيولوجية والبيئية التي تسهم في2،3. بينما يمكن الحصول على تشخيص الشريان الاورطي البطني باستخدام تقنيات التصوير غير الغازية، التنبؤ بخطر تمزق الخاصة بالمريض ليس ك الدقيق4،،من56. الإصلاح الجراحي يمكن أن تقلل من خطر تمزق الابهر، لكن المنطوق إصلاح الشريان الاورطي يحمل نسبة عالية من معدلات الاعتلال والوفيات المرتبطة بها7. استخدام الممارسات الجراحية الحالية “معايير الحد الأقصى للحجم”، أو الحد الأقصى المطلق من تمدد الأوعية الدموية، قطره للتنبؤ بالمخاطر المريض من تمزق. ولسوء الحظ، كذلك ثبت أن تمدد الأوعية الدموية لا تزال تصدعات أدناه أحجام مقبولة سريرياً للإصلاح الجراحي، مما يعني أن المرضى الذين يعانون من تمدد الأوعية الدموية في أي الحجم تحمل بعض المخاطر من تمزق8،9، 10 , 11 , 12 , 13-بالإضافة إلى ذلك، من المعروف أن التقارير التاريخية من خطر تمزق هي تقديرات الزائد المحتمل من خطر تمزق الحقيقية، مما يعني أن العديد من المرضى الذين يتعرضون لخطر العمليات الجراحية دون فائدة13. إجراء تقييم أكثر دقة لخطر تمزق الخاصة بالمريض مطلوب للمساعدة التجهيزة نسبة المخاطر والمنافع المريض يمر بإصلاح تمدد الأوعية الدموية في الجراحة.
فقد ثبت أن التوزيع المكاني الإجهاد داخل أأأ ذا أهمية حاسمة في تحديد إمكانية تمزق وقد تكون مؤشرا أفضل من القطر الأقصى14،،من1516،17 , 18-استخدام معظم الدراسات الأخيرة أن التحقيق وميكانيكا تمزق AAA الهندسات مجزأة من صور التصوير المقطعي (CT) محسوبة بالأشعة السينية، ومتوسط السكان الخواص الميكانيكية للنسيج الابهري تقاس السابقين فيفو. ثم يتم استخدام العناصر المحدودة (FE) نماذج للتنبؤ بجدار السفينة تؤكد15،14،16،،من1718. ومع ذلك، لأنه يتم تحديد الخواص الميكانيكية بعد الختان الأنسجة، الواضح عما إذا كانت النماذج الناتجة بدقة تصوير الناتجة في فيفو الخاصة بالمريض وتشدد على. هذه الدراسات عادة ما تحمل السفينة متجانسة الخصائص المادية الجدار ولا تستأثر متغايرة جداً بنية الجدار الابهري وخثره19،،من2021،22 ،،من2324،25.
ويستخدم التصوير بالموجات فوق الصوتية على أساس مرونة سريرياً لتشخيص ومراقبة مجموعة متنوعة من الأمراض الأمراض26. هذه التكنولوجيا توفر وسيلة غير الغازية لاستجواب التفاعلات الفيزيائية للأنسجة الرخوة. وقد استخدمت تصوير مرونة الأوعية الدموية في الولايات المتحدة كعامل مساعد التصوير طريقة للتقييم السريري في الولايات المتحدة في الفحص ورصد AAAs. المزيج من هذه الأساليب يوفر معلومات هندسية على حد سواء، مثل القطر والطول، فضلا عن بيانات الميكانيكية، مثل صلابة النسبي وتباين صلابة. بينما تتطلب مرونة العديد من تقنيات التصوير تحميل خارجي للحث تشوه أنسجة القابلة لقياس، الاقتراح الأنسجة التي تقاس هنا هو الناجمة عن التغيرات في ضغط الابهر الناجمة عن قلب ينبض. تم نشر أساليب عديدة لحل مكانياً حقول سلالة في تشويه السفن، بيد دراسات التحقق من صحة هذه الطرق كانت محدودة للمرضى البشر، ونماذج حيوانية، أو السابقين فيفو الأنسجة العينات27،28 ،،من2930،،من3132. وحتى الآن، تسمح بعض الأساليب إبداعات الهندسات مخصص مع خصائص المواد المتنوعة مكانياً27،29.
نقدم هنا طريقة صنع لنا أشباح متوافقة، ومحاكاة الأنسجة التي يمكن تكييفها لمجموعة متنوعة من الهندسات الابهري ذات الصلة، وخصائص المواد للتحقق تقنيات الاستوجرافي الولايات المتحدة. على الرغم من أن المجموعات السابقة كانت قادرة على تصميم أشباح هندسة معقدة لتقليد AAA هندستها باستخدام 3D الطباعة التكنولوجيا33،34، المطاط للطباعة معروفة ليكون توهين عالية إلى الولايات المتحدة، ولا تملك وسيلة لوقت لاحق بهم خصائص المواد. أشباح مصنوعة من كريوجيل البولي فينيل الكحول (PVA-ج)، التي ثبت سابقا أن تكون مثالية لمحاكاة نسيج وعائي خصائص35. يمكن استخدام هذه الأشباح في الولايات المتحدة، والرنين المغناطيسي، والاستوجرافيك التصوير36،،من3738. تم تصميم هندسة الابهر وبالمثل لمحاكاة النموذج تم إنشاؤها بواسطة فورب et al. 14. السفينة قطر 22.5 mm اسمية ولديه انتفاخ التوسعات التي هي الإنتفاخ 64 مم منذ وقت طويل، 47 مم في القطر وغريب الأطوار (β = 0.6)14 في الجانب الأمامي من الوهمية. المقطع الأخير يقلد التشعب حرقفي يبلغ قطرها القاصي من 15 ملم. الوهمية قد اختار أن يكون سمك ثابت من حوالي 5 مم. راغافان ذكرت et al. في دراسة صغيرة أن سمك سفينة AAA يتراوح بين 0.23-4.26 مم، بمتوسط قيمة 1.48 مم39. تم اختيار سمك سفينة اسمية في نهاية هذا الطيف أكبر هنا لتصنيع الشواغل مع التوقع بأن تحسن سوف تحسين تقنيات الطباعة 3D سمك الحد الأدنى الوهمية التي قادرة على أن يكون مصبوب. تم تصميم قوالب الوهمية في كندي وتطبع 3D باستخدام الطابعات المتوفرة تجارياً والشعيرة.
القوالب حقن مملوءة بالحل بولي-ج وتعرض لسلسلة من دورات تجميد/ذوبان الجليد (-20 درجة مئوية و + 20 درجة مئوية) تشابك البوليمر بولي-ج وبلمره الهلام. معامل مرونة بولي-ج يسيطر عليه تغيير تركيز العدد من دورات تجميد أذاب أو هلام بولي-ج. المقطع التوسعات العفن الوهمية الخسارة المطلوبة لإزالة من التجويف الداخلي للسفينة. تم إنجاز هذا باستخدام الكحول البولي، خيوط طابعة 3D (PVA). على الرغم من مشابهة كيميائيا في مسحوق بولي-ج، خيوط بولي بلمرة لا عند المجمدة، وعلى هذا النحو، يمكن أن يذوب في الماء بعد أن تم تعيين بولي-ج. يتم طباعة قوالب نماذج إضافية لإنشاء عينات اختبار الشد، في تكوين “كلب العظام”، مع تركيز بولي-ج نفسه. الخضوع لدورات تجميد/ذوبان الجليد في نفس هذه القوالب وهي المستخدمة لاختبار الشد لقياس معامل مرونة الأقسام الوهمية بشكل مستقل. وقد صنعت مادة خلفية مع جيم بولي ليونة، لمحاكاة الأنسجة من40،ريتروبيريتونيوم41. وقد صنعت هذه الخلفية الوهمية كأنبوب أسطواني أكسيسيميتريك متجانسة مع قطرها داخلي 4 سم وقطرها خارجي 16.5 سم وطوله 16.5 سم. وكان مصنوعة من حل بولي 5% وتعرض لمجموعة من تجميد أذاب دورتين.
توضع في الخلفية وشبح أشباح AAA النهائي ومتصلة، عبر أنبوب التجهيزات والمشابك، لمضخة مياه الفسيولوجية مصممة لتشوه الأشباح مع تدفقات دوري الفسيولوجية والضغوط. تم تعيين سرعة مضخة لتسليم حوالي 6-7 الجيش الشعبي الكوري ضغط نبض بمعدل حوالي 1 هرتز-الترا صورة الصوت متواليات من أشباح تشويه جمعت، وتم حساب الضغط الضغط تطبيع لتحديد الاختلافات في مكانياً تختلف الخصائص الميكانيكية. الممثل نتائج الضغوط التي تعرض صور سلالة تم تسويتها داخل منطقة السفينة. الفروق الإقليمية المتزايدة في سلالة تم تسويتها من أشباح ايربان أشد، بالنسبة إلى فانتوم متجانسة، إظهار الاختلافات في صلابة السفينة وقدرتنا على قياس ذلك.
وتعرض هذه الورقة تقنية لتصنيع محاكاة الأنسجة أشباح لاستخدامها في اختبار الاستوجرافي أو مرونة التصوير الخوارزميات. يسمح الجمع بين استخدام CAD والطباعة 3D لتصميم كفء لأشباح محاكاة الابهر مع هندستها معقدة، تتجاوز أشباح أنبوبي، بما في ذلك التوسعات تضخمات. ويتم إنشاء الوهمية في الخطوات 4؛ 1 تصميم هندسة الوهمية، 2) طباعة أجزاء العفن الوهمية، 3) خلط من الحلول كريوجيل الذي سيتم في نهاية المطاف تحاكي خصائص الموجات فوق الصوتية والخصائص الميكانيكية للسفن الوهمية و 4) صب/الحقن كريوجيل الحل إلى العفن، إعداد بولي-ج مع دورات تجميد أذاب وإزالة شبح من العفن. استخدام كندي في يسمح في تصميم قوالب التي تم الحصول عليها في الخطوة 1 لوسائل بسيطة لتعديل التحديد هندسة الأشباح. طباعة أجزاء العفن يأخذ حاليا حوالي 5-8 ح تبعاً لحجم الطباعة وهكذا يمكن بسهولة إجراء تعديلات متكررة للقوالب.
في الخطوة 3، يتم إنشاء حلول كريوجيل لتقليد السفينة، وأنسجة الأوعية الدموية والخلفية مع كربونات الكالسيوم الجسيمات محاكاة مبعثر الولايات المتحدة من الأنسجة. ينبغي أن تكون الحلول كريوجيل أثارت قبل الاستخدام إذا استقروا جزيئات الكالسيوم من الخليط. سوف تحدد التركيز الدقيق لخليط كريوجيل الخصائص الميكانيكية النهائي الأشباح. وبالتالي، من المهم إنشاء العينات المستقلة لكل من الحلول التي تستخدم في السفينة الوهمية والخلفية. على الرغم من أن ليس جزء من البروتوكول هنا، قياسات مستقلة لمعامل مرونة العينة ينبغي الحصول على استخدام اختبار التوتر أونياكسيال. اختبار ميكانيكية مستقلة عينات بولي-c لأشباح 10%، 15%، 20% ونسبة 25 في المائة التي تم إنشاؤها في نتائج الممثل كان قياس معامل القص 17.4 كيلو باسكال ± 1.0، 48.3 كيلو باسكال ± 5.7، 95.1 كيلو باسكال ± 0.4 و 170.0 ± 4.1 الجيش الشعبي الكوري، على التوالي.
الخطوة 4 هو الخطوة الأكثر أهمية في خلق هذه الأشباح. على الرغم من دبابيس التسجيلات في المكان للحفاظ على أجزاء العفن في مواقعها الصحيحة بالنسبة للآخرين، من المهم التأكد من أن القالب لا تفصل أجزاء أثناء عملية صب. وهكذا، استخدام المشابك عقد العفن. النظر في أهم من الخطوة 4 تقليل فقاعات الهواء محاصرين في القالب قبل فترة تجميد أذاب الأولى. يكون من المفيد غالباً لتفكيك أحد جانبي القالب الخارجي وتفقد الوهمية بعد الأول تجميد أذاب دورة لضمان أنها شكلت بشكل صحيح. هذا يمكن أن يوفر الوقت الضائع في وضع الوهمية “سيئة” من خلال دورات إضافية. بمجرد تم إزالة شبح من العفن تماما، يمكن تخزينه في الماء لعدة أسابيع مع استمرار استخدام.
تم إنشاؤها أشباح ج بولي المتقدمة في هذا العمل على وجه التحديد تقليد صلابة بالموجات فوق الصوتية ومواد النسيج الابهري. يسمح استخدام البولي فينيل الكحول كريوجيل لمجموعة أوسع نطاقا من صلابة ميكانيكية ممكنة، لتقليد أفضل خصائص المواد المتغيرة النسيج الابهري مقارنة بالمطاط أكثر مثل المواد33،34. وبالإضافة إلى ذلك، استخدام المائية والاستثمار الصب يلتقط أفضل الخصائص الصوتية مسبوك المطاط أو المواد المطبوعة مباشرة 3D33،45. يمكن الحصول على المحاصرين بعض فقاعات الهواء في قوالب لدينا قبل فترة تجميد أذاب الأولى. وهذا يؤدي إلى حدوث فجوة في الوهمية ويؤدي إلى ضعف مادي أو التحف الصوتية. وبالتالي، يوصي بفحص أشباح الخروج من القالب بعد أول التجميد أذاب لتحديد إذا كان يجب إعادة تشغيل العملية. وبالإضافة إلى ذلك، وجدت الكتاب أن العفن الداخلي يمكن أن تحول في بعض الأحيان أثناء تجميد الجزء التوسعات الأشباح. في حالة حدوث ذلك، سيكون تعديل واحد من البروتوكول أعلاه لإنشاء 3D جزء مصممة، المطبوعة، أو خلاف ذلك بشدة عقد العفن التجويف الداخلي للقالب الخارجي الأمامي خلال تجميد هذا القسم. قد وجد الباحثون أن استخدام الجانب الخلفي من العفن الخارجي وفاصل 5 ملم بين الخلفي الخارجي العفن والعفن الداخلي يعمل جيدا لهذا الغرض.
الوهمية وضعت هنا يعتبر مثاليا لدراسة تأثير التغيرات في القطر، والتوسعات وسمك لومينال، أو التي يحتمل وجود خثرة في الأنسجة بتحرير ملفات CAD الأصلية. ومع ذلك، الأعمال السابقة أظهرت أيضا أنه يمكن تعديل هذا الأسلوب صناعة لإنتاج الهندسات الوهمية الخاصة بالمريض باستخدام صور التصوير المقطعي وتجزئة البرامج، بدلاً من تصميم كندي، لخلق 3D طباعة قوالب الوهمية 44-أن النتائج تظهر هنا إثبات أن الخوارزمية قادرة على تصور الاختلافات المصنعة في الخواص الميكانيكية للأقسام الوهمية. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن هذه الأشباح استخدمت لاختبار تقنيات التصوير التي مقرها في الولايات المتحدة، أيضا متوافقة مع الرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي نظم التصوير، وأنها قد تستخدم أيضا يتجاوز غرض مرونة التصوير، لمجموعة واسعة مجموعة من تقنيات التصوير الرواية والطرائق.
The authors have nothing to disclose.
هذا العمل كان يدعمها المركز الوطني “النهوض بالعلوم متعدية الجنسيات” من “المعاهد الوطنية للصحة” من خلال “جائزة رقم” UL1 TR000042 والمعهد الوطني للتصوير الطبية الحيوية والهندسة الحيوية للمعاهد الوطنية للصحة عن طريق رقم الجائزة 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 |