Hier beschrijven we een methode voor de vervaardiging van aneurysmal, aorta weefsel nabootsen spoken voor het gebruik in testen echografie elastography. Het gecombineerd gebruik van computer aided design (CAD) en 3-dimensionale (3D) afdrukken technieken produceren aorta phantoms met voorspelbare, complexe geometrieën voor het valideren van de elastographic imaging algoritmen met gecontroleerde experimenten.
Echografie (US) elastography, of elasticiteit imaging, is een aanvulling imaging techniek die gebruik maakt van opeenvolgende VS beelden van zachte weefsels te meten van de beweging van het weefsel en het afleiden of het kwantificeren van de onderliggende biomechanische eigenschappen. Voor abdominale aorta aneurysma (AAA), kunnen biomechanische eigenschappen zoals veranderingen in het weefsel van elasticiteitsmodulus en ramingen van de stress van het weefsel zijn essentieel voor de beoordeling van de noodzaak van de chirurgische ingreep. Abdominale aorta aneurysmata U.S. elastography zou een nuttig instrument om te controleren van AAA progressie en veranderingen in biomechanische eigenschappen die kenmerkend zijn voor hoog-risico patiënten identificeren.
Een voorlopige doelstelling bij de ontwikkeling van een AAA ons elastography techniek is de validatie van de methode met behulp van een fysiek relevante model met bekende eigenschappen van het materiaal. Hier presenteren we een proces voor de productie van AAA weefsel nabootsen phantoms met fysiek relevante geometrieën en ruimtelijk gemoduleerde materiaaleigenschappen. Deze weefsel phantoms willen nabootsen van de VS eigenschappen, materiële modulus en geometrie van de abdominale aorta aneurysmata. Weefsel phantoms zijn gemaakt met behulp van een cryogel van polyvinylalcohol (PVA-c) en gevormd met behulp van 3D gedrukte onderdelen gemaakt met behulp van computer aided design (CAD) software. De absolute waarde van de fantomen wordt gecontroleerd door het veranderen van de concentratie van PVA-c en door het aantal bevriezen-ontdooien cycli gebruikt om de cryogel te polymeriseren te wijzigen. De AAA-phantoms zijn verbonden met een hemodynamische pomp, ontworpen om te vervormen de spoken met de fysiologische cyclische druk en stroomt. Ultra geluidsbeeld sequenties van de deforming phantoms toegestaan voor de ruimtelijke berekening van de stam druk genormaliseerd en de identificatie van de mechanische eigenschappen van de vaatwand. Representatieve resultaten van de stam druk genormaliseerd worden gepresenteerd.
Abdominale aorta-aneurysma (AAA) zijn focal uitbreidingen van de aorta die bij voorkeur in de buurt van de aorta bifurcatie1 optreden. De precieze oorzaak van de vorming van de AAA is onbekend, hoewel veel theorieën suggereren dat de pathogenese multifactoriële, met genetische, gedrags, hemodynamische en ecologische factoren die bijdragen van2,3. Terwijl de diagnose van een abdominale aorta aneurysma kan worden verkregen met behulp van niet-invasieve beeldvormende technieken, is de voorspelling van patiënt-specifieke breuk risico niet zo precies4,5,6. Chirurgische reparatie kan verminderen het risico van breuk van de aorta, maar operatieve reparatie van de aorta draagt een hoge mate van geassocieerde morbiditeit en mortaliteit7. Huidige chirurgische praktijken “maximumgrootte criteria”, of maximale absolute diameter van het aneurysma, gebruiken om een patiënt risico van breuk te voorspellen. Helaas, het is goed opgezet dat een aneurysma nog onder maten klinisch aanvaardbaar voor chirurgische reparatie breuken, wat betekent dat patiënten met enige formaat aneurysma enig risico van breuk8,9, dragen 10 , 11 , 12 , 13. Daarnaast is het bekend dat historische rapporten van breuk risico waarschijnlijk overdreven ramingen van het echte breuk risico, wat betekent dat veel patiënten worden blootgesteld aan chirurgische risico zonder voordeel13. Een meer accurate beoordeling van het risico van de patiënt-specifieke breuk is nodig om te helpen een patiënt risico-batenverhouding ondergaan chirurgische aneurysma reparatie stratificeren.
Het is aangetoond dat de ruimtelijke verdeling binnen een AAA van cruciaal belang is bij het bepalen van de breuk potentieel en kan een betere indicator dan maximale diameter14,15,16,17 , 18. allermeest naar de recente studies die de mechanica van AAA breuk onderzoeken gebruik gesegmenteerde geometrieën van X-ray berekend tomografie (CT) beelden en bevolking gemiddeld mechanische eigenschappen van de aorta weefsel gemeten ex vivo. Eindige elementen (FE) modellen worden vervolgens gebruikt om te voorspellen van het vaartuig muur benadrukt14,15,16,17,18. Echter, aangezien de mechanische eigenschappen worden bepaald na de besnijdenis weefsel, het is onduidelijk of de resulterende modellen beschrijven nauwkeurig de resulterende in vivo patiënt-specifieke benadrukt. Deze studies meestal veronderstellen homogene vaartuig materiaaleigenschappen van de muur en niet goed voor de zeer heterogene structuur van de aorta muur en trombose19,20,21,22 ,23,24,25.
Echografie gebaseerde elasticiteit imaging is klinisch gebruikt voor het opsporen en volgen van een scala aan ziekte pathologieën26. Deze technologie biedt een niet-invasieve manier ondervragen van de fysieke interacties van zachte weefsels. Vasculaire elasticiteit beeldvorming van het Amerikaanse is gebruikt als een aanvulling imaging modaliteit aan klinische evaluatie van de VS in de screening en monitoring van AAAs. De combinatie van deze technieken zorgt zowel geometrische informatie, zoals de diameter en lengte, evenals mechanische gegevens, zoals de relatieve stijfheid en stijfheid variatie. Hoewel veel elasticiteit beeldvormingstechnieken een externe belasting vereisen voor het opwekken van de vervorming van een meetbare weefsel, wordt de beweging van het weefsel meetoplossingen hier veroorzaakt door veranderingen in de aorta druk veroorzaakt door het kloppend hart. Tal van methoden om te lossen ruimtelijk stam velden in het vervormen van de vaartuigen zijn gepubliceerd, validatieonderzoek van deze methoden is echter beperkt tot menselijke patiënten, dierlijke modellen of ex vivo weefsel monsters27,28 ,29,30,31,32. Tot op heden, toestaan paar methoden voor creaties van aangepaste meetkundes met ruimtelijk gevarieerde materiaaleigenschappen27,29.
Hier presenteren we een methode voor de productie van ons compatibel, weefsel nabootsen fantomen die kunnen worden aangepast naar een groot aantal relevante aorta geometrieën en materiaaleigenschappen voor validatie van Amerikaanse elastography technieken. Hoewel eerdere groepen kundig voor ontwerpen van complexe geometrie fantomen om na te bootsen AAA meetkundes met behulp van 3D printing technologie33,34 geweest, afdrukbare rubbers bekend is dat hebben een hoog demping naar VS en hoeft niet een middel om later hun de eigenschappen van het materiaal. Spoken bestaan uit cryogel polyvinylalcohol (PVA-c), die eerder gebleken te zijn ideaal voor het nabootsen van vaatweefsel eigenschappen35. Deze phantoms kunnen worden gebruikt in de VS, magnetische resonantie en elastographic imaging36,37,38. De geometrie van de aorta aneurysma werd ook ontworpen om die van het simulatiemodel gemaakt door Vorp et al. 14. het vaartuig heeft een nominale diameter van 22,5 mm en een aneurysmal uitstulping die is 64 mm uitstulping lang, 47 mm in diameter en excentriek (β = 0.6)14 aan de voorste kant van de phantom. De laatste sectie bootst de iliacale bifurcatie met een distale diameter van 15 mm. De phantom werd gekozen om een constante dikte van ongeveer 5 mm. Raghavan et al. gerapporteerd in een kleine studie dat de dikte van het vaartuig van AAA van 0.23-4.26 varieert mm, met een mediane waarde van 1,48 mm39. Een vaartuig van de nominale dikte op de grotere kant van dat spectrum werd hier gekozen voor het vervaardigen van bezorgdheid met de verwachting dat verbeterd 3D druktechnieken zal verbeteren de phantom minimumdikte welk vermag worden gevormd. Phantom mallen werden ontworpen in CAD en 3D afgedrukt met behulp van commercieel beschikbare printers en filamenten.
De mallen zijn injectie gevuld met de PVA-c oplossing en onderworpen aan een reeks van vorst/dooi cycli (-20 ° C en + 20 ° C) cross-link van het PVA-c polymeer te polymeriseren van de gel. De elasticiteitsmodulus van het PVA-c wordt gecontroleerd door het veranderen van de concentratie van het PVA-c-gel of het aantal cycli bevriezen-ontdooien. Het aneurysmal deel van de phantom vereist verlies schimmel te verwijderen uit de innerlijke lumen van het schip. Dit werd bereikt door het gebruik van een polyvinyl alcohol, 3D-printer filament (PVA). Hoewel chemisch gelijkaardig aan het PVA-c-poeder, de gloeidraad PVA doet niet polymeriseren wanneer bevroren en als zodanig kan worden opgelost in water, nadat de PVA-c is ingesteld. Extra monster mallen worden afgedrukt tot treksterkte testen exemplaren, in een “dog bone” configuratie, met dezelfde PVA-c concentratie. Deze mallen ondergaan de dezelfde vorst/dooi-cycli en worden gebruikt voor het testen van de treksterkte als onafhankelijk eenheid de elasticiteitsmodulus van de phantom secties. Een achtergrondmateriaal was vervaardigd met zachtere PVA-c, gemaakt om te simuleren van weefsels van het retroperitoneum40,41. Deze achtergrond phantom werd geproduceerd als een homogene Axiaalsymmetrische cilindrische buis met een inwendige diameter van 4 cm, een buitendiameter van 16,5 cm en een lengte van 16,5 cm. Het was gemaakt van een oplossing van 5% PVA en onderworpen aan een totaal van twee cycli bevriezen-ontdooien.
De definitieve AAA fantomen waren in de achtergrond phantom geplaatst en aangesloten, via pijpfittingen en klemmen, aan een hemodynamische waterpomp ter vervormen de spoken met fysiologische cyclische stromen en druk. Het toerental van de pomp is ingesteld op ongeveer een 6-7 kPa druk puls leveren met een snelheid van ongeveer 1 Hz. Ultra geluidsbeeld sequenties van de deforming phantoms werden verzameld, en de druk genormaliseerd stam was berekend om te identificeren van verschillen in de ruimtelijk gevarieerd mechanische eigenschappen. Representatieve resultaten van de druk genormaliseerde stam beelden binnen de regio van het schip worden gepresenteerd. De toenemende regionale verschillen in de genormaliseerde stam van de stijvere heterogene fantomen, ten opzichte van de homogene phantom, tonen de verschillen in de stijfheid van het vaartuig en ons vermogen om het te meten.
Dit document stelt een techniek voor de vervaardiging van weefsel nabootsen spoken voor het gebruik in testen elastography of elasticiteit imaging algoritmen. Het gecombineerd gebruik van CAD en 3D printen zorgt voor efficiënte ontwerp van aorta nabootsen phantoms met complexe geometrieën, buiten buisvormige spoken, met inbegrip van aneurysmal uitstulpingen. De oprichting van the phantom gebeurt in 4 stappen; 1) ontwerp van de phantom geometrie, 2) afdrukken van de phantom schimmel delen, 3) mengen van de cryogel-oplossingen die uiteindelijk na te de ultrasone kenmerken en de mechanische eigenschappen van de phantom vaartuigen en 4) gieten/injecteren van de cryogel bootsen zal oplossing in de mal, instellen van de PVA-c met cycli bevriezen-ontdooien en verwijdering van het spook van de schimmel. Het gebruik van CAD-in de in het ontwerp van de mallen verkregen in stap 1 maakt het mogelijk voor een eenvoudig middel precies wijzigen de geometrie van de spoken. Afdrukken van de schimmel delen momenteel neemt ongeveer 5-8 uur afhankelijk van de grootte van de afdruk en zo gemakkelijk kan worden gemaakt voor herhaalde wijzigingen aan de mallen.
In stap 3, worden de cryogel-oplossingen gemaakt waarmee het vaartuig, aneurysma en achtergrond weefsel wordt nagebootst met calciumcarbonaat deeltjes nabootsen van de spreiding van de V.S. van het weefsel. De cryogel oplossingen moeten vóór gebruik als de calcium-deeltjes hebben geregeld uit het mengsel worden bewogen. De exacte concentratie van het mengsel van de cryogel bepaalt de uiteindelijke mechanische eigenschappen van de spoken. Het is dus belangrijk om de onafhankelijke monsters van elk van de oplossingen die zijn gebruikt in de phantom vaartuig en achtergrond. Hoewel geen deel uit van het protocol hier, moeten onafhankelijke metingen van het monster de elasticiteitsmodulus worden verkregen met behulp van eenassige spanning testen. Onafhankelijke mechanische testen voor het PVA-c-samples voor de 10%, 15%, 20% en 25% phantoms gemaakt in de representatieve resultaten had gemeten afschuifmodulus 17.4 kPa 1.0, 48.3 kPa 5,7, 95.1 ± 0,4 kPa en 170,0 kPa 4.1, respectievelijk.
Stap 4 is de meest kritische stap in het creëren van deze spoken. Hoewel de registraties pinnen op zijn plaats zijn te houden van het delen van schimmel in hun juiste positie ten opzichte van de anderen, is het belangrijk ervoor te zorgen dat de schimmel delen niet tijdens de molding proces scheiden u. Dus, het gebruik van de klemmen te houden van de schimmel. De meest belangrijke overweging van stap 4 is ook het minimaliseren van de luchtbellen gevangen in de mal voorafgaand aan de eerste vorst-dooi cyclus. Het is vaak nuttig om één kant van de buitenste schimmel demonteren en inspecteren van de phantom na de eerste bevriezen-dooi cyclus om ervoor te zorgen dat het goed gevormd. Dit bespaart tijd verspild om een “slechte” phantom door extra cycli. Zodra de phantom heeft volledig uit de mal verwijderd, kan deze worden opgeslagen in water wekenlang met voortzetting van het gebruik.
Het PVA-c phantoms ontwikkeld in dit werk werden gecreëerd om na te bootsen specifiek de ultrasone en materiële stijfheid van de aorta weefsel. Het gebruik van polyvinylalcohol cryogel voorziet in een breder scala van mogelijke mechanische stijfheid, aan betere mimic de veranderende materiaaleigenschappen van aorta weefsel in vergelijking met meer rubber zoals materialen33,34. Bovendien, vangt het gebruik van hydrogel en investeringen gieten beter de akoestische eigenschappen van gegoten rubbers of direct 3D drukwerk33,45. Enkele luchtbellen kunnen krijgen gevangen in onze mallen vóór de eerste freeze-dooi cyclus. Dit kan leiden tot hiaten in de phantom en leiden tot materiële zwakte of akoestische artefacten. Dus is het aangeraden om te inspecteren de spoken uit de matrijs na de eerste bevriezen-ontdooien om te bepalen als het proces opnieuw moet worden opgestart. Bovendien, hebben de auteurs gevonden dat de innerlijke schimmel soms tijdens het bevriezen van het aneurysmal gedeelte van de spoken verschuiven kan. Als dit gebeurt, zou een wijziging van het bovengenoemde protocol zijn het creëren van een 3D-gedrukte, of anders ontworpen, deel om stevig vasthouden de innerlijke lumen schimmel aan de voorste en buitenste mal tijdens het bevriezen van deze sectie. De auteurs hebben gevonden dat het gebruik van de posterieure zijde van de buitenste schimmel en een 5 mm spacer tussen de achterste buitenste schimmel en de innerlijke schimmel goed voor dit doel werkt.
De phantom die hier ontwikkeld is ideaal voor het bestuderen van de invloed van veranderingen in de diameter van het aneurysmal, en luminal dikte of potentieel de aanwezigheid van trombose in het weefsel door de oorspronkelijke CAD-bestanden te bewerken. Vorige werk is echter ook gebleken dat deze productietechniek kan worden aangepast voor het produceren van patiënt-specifieke phantom geometrieën computertomografie beelden en segmentatie software gebruiken, in plaats van CAD-ontwerpen, maken de 3D afgedrukt phantom mallen 44. de resultaten hieronder tonen aan dat het algoritme kon visualiseren van de vervaardigde variaties in de mechanische eigenschappen van de phantom secties. Opgemerkt moet worden dat hoewel deze phantoms werden gebruikt voor het testen van de US-based beeldvormingstechnieken, ze zijn ook compatibel met magnetische resonantie en computertomografie beeldvormende systemen en dat ze ook kunnen worden gebruikt buiten het doel van elasticiteit imaging, voor een breed bereik van nieuwe beeldvormende technieken en modaliteiten.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk was ondersteund door het National Center for Advancing translationeel Wetenschappen van de National Institutes of Health door Award nr. UL1 TR000042 en het National Institute of Biomedical Imaging en Bioengineering van de National Institutes of Health door 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 |