超声弹性成像验证腹主动脉水凝胶组织模拟幻影的研制

1. 从 NIH 3D 打印交换下载 STL 模型 导航到 nih 3D 打印交换 (3 dprint, nih) 和在搜索条目类型模拟动脉瘤主动脉幻像模具, 并按 enter 键。 在随后从搜索返回的列表中, 找到模型 ” 3 dpx-009210″, 然后单击该项。 单击 “下载” 按钮, 然后单击从下拉列表中模拟的动脉瘤主动脉幻像模具. zip文件下载此文件。 双击下载的文件将其解压缩并存储生成的文件 (InnerDistSTL、InnerProxSTL、OuterAntSTL、stl、BackgroundMoldSTL、stl 和 SampleMoldSTL. stl) 到在步骤 2.1-2.7 中用于3D 打印的计算机。注意: 您可以另外下载步骤1.4 中列出的每个文件。 2. 模具3D 打印 打开3D 打印机接口软件, 然后使用 “连接” 按钮连接到打印机。 将下载的 stl 文件OuterAntSTL (图 1a, 蓝色) 导入到3D 打印软件中。在3D 打印软件中, 选择 “编辑” 按钮, 然后单击 “旋转” 菜单, 然后单击 ” X”、” Y” 或 ” Z ” 按钮, 将与模具外部平行的长轴与打印床对齐, 以调整模具部件的方向。面对打印床。单击 “保存” 按钮, 然后单击 “打印” 按钮, 并在单个挤出机上使用聚乳酸 (PLA) 塑料灯丝打印模具部件。 图 1: CAD 表示幻影, 背景和样品模具.(a)-(b) 3D. 容器模具的 CAD 图像和装配零件的方向。显示了注册间隔 (i)、针脚 (ii)、孔 (iii) 和填充孔。(c) 内腔的绘制, 突出内容器尺寸。(d) 样品模具的 CAD 绘制。(e) CAD 渲染背景幻影模具。请单击此处查看此图的较大版本. 对OuterPostSTL文件重复步骤 2.2 (图 1a, 红色)。 按照步骤2.2 中的相同过程, 将 stl 文件InnerDistSTL (图 1a, 白色) 导入到3D 打印软件中, 然后选择 “编辑” 按钮, 然后在 “旋转” 菜单中单击X、 Y或Z按钮, 使长轴垂直于打印床, 并使注册 pin (i) 与打印床接触。单击 “保存” 按钮, 然后单击 “打印” 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。注意: 不要用支持结构打印此部件。请勿对此打印部件使用30% 以上的加密。 将 stl 文件SampleMoldSTL (图 1d) 导入到3D 打印软件中。选择 “编辑” 按钮, 然后在 “旋转” 菜单中单击 ” X”、” Y” 或 ” Z ” 按钮以对齐部件, 使模具内部从打印床上朝上。单击 “保存” 按钮, 然后单击 “打印” 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。注意: 不要用支持结构打印此部件。打印3或更多样品模具。 将 stl 文件BackgroundMoldSTL (图 1e) 导入3D 打印软件。选择 “编辑” 按钮, 然后在 “旋转” 菜单中单击X、 Y或Z按钮以对齐零件, 使模具的底部 (即气缸的闭合端) 朝向打印床。单击 “保存” 按钮, 然后单击 “打印” 按钮, 并在单个挤出机上使用 PLA 塑料灯丝打印模具部件。注意: 不要用支持结构打印此部件。 将 stl 文件InnerDistSTL (图 1a, 黄色) 导入到3D 打印软件中。选择 “编辑” 按钮, 然后在 “旋转” 菜单中, 单击X、 Y或Z按钮对齐零件, 使长轴垂直于打印床, 分岔定位销 (i) 正面临打印床。单击 “保存” 按钮, 然后单击 “打印” 按钮, 然后在单个挤出机上使用聚乙烯醇 (PVA) 塑料灯丝打印模具部件。 从步骤 2.1-2.7 的3D 打印部件中删除所有支持材料 (图 2a)。注意: 如果不影响模具组件, 则不必从外部模具部件中删除支持结构。 图 2: 容器幻模总成和最终容器幻影.(a) 内、外流明模具的最终印刷模具。内腔的远端印在可溶解的 PVA 塑料中, 并用可变形蜡附着在内腔模的近端。(b) 附着在外腔模注射口和注射器塞子上的油管。(c) 柔性密封胶喷涂后的内腔模。(d) 在硬动脉瘤幽灵中加入 PVA-c (染红) 的外腔模具和内腔模凸侧的组装。(e) 全套容器模具组装和夹紧。(f) 适用于外腔模接缝处的可变形蜡, 以防止 PVA-c 从模具中泄漏。(g) 5 冻融循环后的最终 PVA-c 幻影, 并从模具中去除。请单击此处查看此图的较大版本. 3. 水凝胶的制备 在玻璃烧杯中, 将22.2 克聚乙烯醇-c 粉混合在200毫升的自来水中 (10% 的质量)。微波溶液煮沸和搅拌。重复这一步骤, 直到所有 PVA 粉末被溶解, 溶液呈半透明状。 将0.4 克碳酸钙粉末 (0.2% 质量) 悬浮在10毫升水中, 并从步骤2.1 中加入溶液, 作为超声波散射。完全混合。覆盖溶液, 让它冷却到室温 (RT)。注意: 对于齐次幽灵跳到步骤3。5 将17.6 克 PVA-c 粉混合在100毫升的自来水中 (15% 按质量或所需) 在单独的玻璃烧杯中。微波溶液煮沸和搅拌。重复此步骤, 直到所有 PVA 粉末溶解, 溶液呈半透明状。 在5毫升水中悬浮0.4 克碳酸钙粉 (0.2% 质量), 并从步骤2.3 中加入溶液。完全混合。覆盖解决方案, 让它冷却到 RT。 将183.7 克 PVA-c 粉混合在3.5 升的自来水中 (5% 按质量) 在一个单独的大锅里。把溶液煮沸并搅拌。一旦 PVA 粉溶解, 溶液呈半透明状, 从热中取出锅。 在10毫升水中悬浮7.4 克碳酸钙粉 (0.2% 质量), 并从步骤2.5 中加入溶液。完全混合。覆盖解决方案, 让它冷却到 RT。 4. 模具装配 将挠性油管的大约100毫米附加到外腔模的注射口。在油管的另一端, 附上旋塞阀与注射器连接 (图 2b)。 对齐内腔模具的定位销, 使用可变形蜡, 将内腔模具的胀形容器部分粘附到内腔模的直容器部分。 在通风良好的区域, 对内腔模的动脉瘤端应用喷涂柔性橡胶涂层, 以防止水凝胶在成型过程中溶解 PVA 模具部分 (图 2c)。注意: 对于齐次幽灵跳到步骤4.6。 当外模的动脉瘤部分的较大一侧朝下时, 用步骤 3.3-3.4 (图 2b) 中创建的解决方案的15毫升填充凸起。将装配的内模零件放置在前外模具部件中 (图 2d)。使用橡皮筋将内腔部分放置到位。注: 在图 2中, 聚乙烯醇 c 被染成红色以供能见度。 将模具组件冻结在-20 摄氏度冷藏柜中12小时, 然后从冰箱中取出。移动到步骤 4.6, 而不让模具组件中的解决方案解冻。 在等待模具冻结时 (步骤 4.4), 将大量可变形蜡应用于打印样品模具的后表面, 并将其夹紧至平面塑料薄板, 其尺寸约为100毫米, 由60毫米降至10毫米 (图 3a)。用在步骤4.3 中使用的相同 PVA 溶液填充模具和塑料板之间的空间。将样品模冻结在同一个冰柜 (-20 °c), 作为容器模具在步骤4.4。 图 3: 样品模具和最终样品和背景幽灵.(a) 夹持样品模和透明塑料片。PVA-c 被倒入样品模具, 气泡被允许表面。(b) 在最终冷冻/解冻周期之后的聚乙烯醇 c 样品。(c) 实验美国成像装置的幻影连接到模拟器泵和放置在后台 PVA-c 幻影。请单击此处查看此图的较大版本. 在图 1a和1b (图 2e) 中显示的方向装配和夹紧整个容器模具。使用可变形蜡来线外腔模具的接缝, 以确保水凝胶在注射过程中不会漏出 (图 2f)。 用步骤3.1 和3.2 中所做的聚乙烯醇 c 溶液填充60毫升注射器。随着模具的分岔端, 将 PVA-c 溶液注入到模具组件中, 避免了注入溶液中的气泡。注: 如果在注射过程中发生任何泄漏, 暂停注射和修补漏区与可变形蜡。重复注射器注射, 直到 PVA-c 溶液填充模具。 允许模具坐30分钟, 轻轻敲击模具每10分钟, 使任何气泡上升到模具的顶部。重复注射器注射, 如果需要, 以顶出模具。将整个模具组件冻结12小时, 然后从冰箱中取出。允许模具组件在 RT 上解冻12小时。 在等待模具冻结 (步骤 4.8), 组装和夹具另一个样品模具和平板塑料板切割, 如步骤4.5 所述 (图 3a)。用在步骤4.7 中使用的相同 PVA 溶液填充模具和塑料板之间的空间。冷冻和解冻的样品模具在同一冷冻机 (-20 °c), 并同时作为容器模具在步骤4.8 和样品模具的步骤4.5。 冻结和解冻的容器模具和两个样品模具从步骤 4.5, 4.8 和4.9 四次, 总共五 24-小时冻结/解冻周期。5冷冻/解冻循环后, 从其模具中取出聚乙烯醇 c 试样 (图 3b)。从样品中修剪任何多余的 cryogel, 并将其储存在5% 的密封容器中, 通过在 RT 上的容积漂白剂/水溶液。 从外腔模中取出聚乙烯醇 c 容器。小心地将内腔模的直血管部分与动脉瘤部分分开, 从聚乙烯醇 c 容器中取出。从内腔模的动脉瘤部分的分岔端切开定位垫片, 以暴露 PVA 丝的印花。在 RT 的水浴中放置, 以溶解 PVA 动脉瘤部分。注: 这可能需要24小时以上, 但是, 增加温水浴可能加快溶解过程。 在溶解和去除容器幻影内的 PVA 印刷部分后, 将幻影储存在5% 的密封容器中, 经 RT 的容积漂白剂/水溶液。 在步骤3.5 和3.6 中, 用约3.3 升的 PVA-c 溶液填充背景模具。冻结 (-20 °c) 的背景模具为12小时, 并从冰箱中删除。允许模具在 RT 上解冻12小时, 并重复2个冻/解冻循环。 在步骤4.13 的同时, 用相同的 PVA-c 溶液在步骤4.13 中填充样品模具组件, 并将其通过与背景模具相同的冷冻/解冻样品。 在2和解冻后, 删除的背景样品和背景幻影从他们的模具, 并存储在一个密封容器的5% 通过容积漂白剂/水溶液在 RT。 5. 幻影和样品测试 将船只幻影和背景幻影放入一个大的水浴。使用油管夹 (图 3c) 将较大的容器端与血流动力学水泵42、43的输出连接。将容器幻影放置在背景幻影中, 然后用油管钳将幻像的分叉端连接到进气道流动力学泵。 将固态压力传感器导管放置在血管和泵浦附近的水泵系统中。运行血流动力学泵, 使墙体变形的压力最小为0帕和最大7.5 帕 (图 4a)。 图 4: 成像协议.(a) 在幻影成像装置期间测量的压力剖面。(b) 具有代表性的 b 型幽灵在最小压力下的图像。(c) 最大压力下的 B 型模式。请单击此处查看此图的较大版本. 使用超声波 (美国) 系统和一个大约5兆赫的中心频率的凸传感器, 收集我们的背景和船只幽灵在最大船只直径位置的剖面上的图像 (图 4b和4c).使用数字采集系统记录压力数据 (图 4a)。注意: 在这个步骤中执行图像采集的详细信息可以在混合 et44中找到。 采用基于非刚性图像配准技术的混合等方法得到位移估计。44. 从二维 (2D) 位移场的测量 (ui(x)), 计算2D 应变张量场 (ε (x)), 通过计算梯度的对称部分位移场: 然后, 利用以下方程计算最大主应变 (εp) 作为应变张量场的最大主分量: 最后, 在峰值压力下确定主应变的帧, 并将该应变张量场除以最大和最小导管测量压力 (图 4a), 或脉冲压力 (PP), 以空间解析压力归一化原理应变(ε/PP)。 图 5: 压力归一化应变图像.压力归一化应变 (εp/PP) in%/人民军的代表性图像测量在容器内为同类10% 由质量容器幻影 (a) 和异类幽灵以15% 按质量 (b), 20% 由质量和25% 由质量前动脉瘤部分 (容器顶部)。这个数字已被修改从混合等。44.请点击这里查看这个数字的更大版本.