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생체공학

복 부 대동맥 히드로 조직 흉내 낸 제조 초음파 Elastography 유효성 검사에 대 한 환영

Published: September 19, 2018
doi:
10.3791/57984
, , ,
1Division of Vascular Surgery,University of Rochester Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering,Rochester Institute of Technology, 3Department of Surgery,University of Rochester Medical Center

Summary

여기 우리가 테스트 초음파 elastography에 사용 하기 위해, aneurysmal, 대동맥 조직 흉내 낸 유령을 제조 하는 방법을 설명 합니다. 컴퓨터 지원 설계 (CAD)과 3 차원 (3D) 인쇄 기술 생산 대동맥 유령 예측 가능, 복잡 한 형상의 제어 실험 알고리즘 이미징 elastographic 유효성 검사의 결합된 사용.

Abstract

(미국) 초음파 elastography 또는 탄성 이미징, 이미징 기술 조직 모션 측정 그리고 추론 또는 biomechanical의 기본 특징을 계량 부드러운 조직의 순차적 미국 이미지를 활용 하 여 겸임 이다. 복 부 대동맥 동맥 류 (AAA), 조직의 탄성 계수와 조직 스트레스의 추정에 변경 biomechanical 속성 외과 개입에 대 한 필요성을 평가 하기 위한 필수적 수 있습니다. 복 부 대동맥 동맥 류 미국 elastography AAA 진행 모니터링 biomechanical 속성의 위험이 높은 환자 특성에 변화를 식별 하는 데 유용한 도구 일 수 있었다.

AAA 미국 elastography 기술 개발에서 예비 목표는 알려진된 소재 속성을 물리적으로 해당 모델을 사용 하 여 메서드의 유효성 검사입니다. 여기 선물이 육체적으로 관련 형상 및 공간적으로 변조 된 물성 AAA 조직 흉내 낸 환영의 생산을 위한 과정. 이러한 조직 유령 미국 속성, 소재 계수, 및 복 부 대동맥 동맥 류의 기하학을 모방 하고자 합니다. 폴 리 비닐 알코올 cryogel (PVA-c)을 사용 하 고 컴퓨터 원조 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용 하 여 만든 3D 인쇄 된 부품을 사용 하 여 주조 조직 마스터가 만들어집니다. 환영의 계수는 PVA-c의 농도 변경 하 여 그리고 freeze-thaw 주기는 cryogel 유해 하는 데 사용의 수를 변경 하 여 제어 됩니다. AAA 유령 생리 순환 압력 및 흐름 환영 변형 설계 hemodynamic 펌프에 연결 됩니다. 울트라 사운드 이미지 정규화 압력 긴장의 공간 계산 및 혈관 벽의 기계적 특성의 식별을 위해 허용 deforming 환영의 시퀀스입니다. 정규화 압력 긴장의 대표적인 결과 표시 됩니다.

Introduction

복 부 대동맥 동맥 류 (AAA)는 대동맥 분기1근처 우선적으로 발생 하는 대동맥의 초점 확대. 비록 많은 이론이 제안 pathogenesis multifactorial, 유전, 행동, hemodynamic, 및 환경 요인을 공헌 하는2,3AAA 형성의 정확한 원인은, 불명 하다. 복 부 대동맥 동맥 류의 진단 비-침략 적 이미징 기술을 사용 하 여 얻을 수 있습니다, 하는 동안 환자 전용 파열 위험 예측 정확한4,,56되지 않습니다. 외과 수리 대동맥 파열의 위험을 줄일 수 있지만 대동맥의 수술 수리 운반 관련된 병 적 상태와 사망률7의 높은 속도. 현재 수술 사례 사용 하 여 “최대 크기 기준”, 또는 최대 절대 직경의 동맥 류, 파열의 환자의 위험을 예측. 불행히도, 그것은 잘 설립 되었습니다 동맥 류 크기 임상 외과 수리, 어떤 크기의 동맥 류 환자 파열8,9, 의 몇 가지 위험을가지고 의미에 적합 아래에 아직도 파열 10 , 11 , 12 , 13. 또한, 파열 위험 기록 보고서는 진정한 파열 위험, 많은 환자가 혜택13없이 수술 위험에 노출 되는 의미의 가능성이 오버 의견 알려져 있다. 환자 전용 파열 위험이 더 정확한 평가 외과 동맥 수리를 받고의 환자의 위험-혜택 비율을 충 하는 데 도움이 필요 합니다.

그것은 보였다는 AAA 내에서 공간 스트레스 분산 파열 잠재력 결정에 있는 중요 한 중요성의 고 최대 직경14,,1516,17 보다 더 나은 표시기를 있을 수 있습니다. , 18. AAA 파열의 역학 조사는 최근 연구의 대부분 사용 세그먼트 형상 계산 x 선 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 이미지, 그리고 인구 평균 대동맥 조직 측정의 기계적 특성 비보 전. 유한 요소 (FE) 모델 다음 배 벽 스트레스14,15,16,,1718를 예측 하는 데 사용 됩니다. 그러나, 기계적 속성 조직 절단에 따라 결정 됩니다, 때문에 아니다 명확 여부 결과 모델 정확 하 게 환자 관련 스트레스 vivo에서 결과 묘사. 이러한 연구 일반적으로 균질 혈관 벽 소재 속성 고 대동맥 벽 혈전19,20,21,22의 매우 이질적인 구조에 대 한 계정을 하지 않습니다. ,23,,2425.

탄성 초음파 기반 이미징 임상 진단 하 고 질병 병 리26다양 한 모니터링에 사용 됩니다. 이 기술은 부드러운 조직의 물리적 상호 작용이 비-침략 적 수단을 제공 합니다. 혈관 미국 탄성 이미징 외래 임상 미국 평가 심사에 적임 이미징 및 AAAs의 모니터링으로 사용 되었습니다. 이러한 기술 조합 기계적 데이터 뿐만 아니라 직경 및 길이, 등, 상대 강성과 강성 변화 등 모두 기하학적 정보를 제공합니다. 많은 탄성 이미징 기술을 필요로 한 측정 가능한 조직 변형 유발 하는 외부 부하, 여기 측정 조직 모션 뛰는 심장으로 인 한 대동맥 압력에 있는 변화에 의해 유발 됩니다. 그러나 수많은 방법이 공간 해결 용기 변형에 스트레인 필드에 게시 된,,이 방법의 유효성 검사 연구 인간의 환자, 동물 모델, 또는 비보 전 조직 샘플27,28 제한 되었습니다. ,,2930,,3132. 날짜 하려면, 몇 가지 방법을 사용자 지정 형상 공간 다양 한 물성27,29로 작품에 대 한 수 있습니다.

여기 우리는 우리에 게 다양 한 관련 대동맥 형상 및 미국 elastography 기술의 유효성 검사에 대 한 재료 특성에 맞춤화 될 수 있는 호환, 조직 흉내 낸 유령 제조 하는 방법 제시. 인쇄용 고무 미국 높은 감쇠를가지고 알려져 있습니다 그리고 나중에 의미 없는 이전 그룹 AAA 형상 3D 기술33,34인쇄를 사용 하 여 모방 복잡 한 형상의 환영을 디자인 할 수 있다, 하지만 그들의 재료 속성입니다. 환영은 cryogel 폴 리 비닐 알코올 (PVA-c), 이전 혈관 조직 속성35를 흉내 낸 위한 이상적인 될 표시 되었습니다에서 만들어집니다. 이 유령은 미국, 자기 공명, 및 elastographic 이미징36,,3738에서 사용할 수 있습니다. 대동맥 동맥 류 형상 Vorp 외 여러분 에 의해 만들어진 시뮬레이션 모델의 유사 하 게 설계 되었습니다. 14. 선박 22.5 m m의 공칭 직경을가지고 있으며 한 aneurysmal 돌출을 64 m m 돌출, 47 m m 직경에 편심 (β = 0.6) 팬텀의 앞쪽 면에14 . 마지막 섹션 15 m m의 원심 직경 장 골 분기점을 모방합니다. 팬텀 일정 두께의 약 5 m m. Raghavan 외. 보고, 작은 연구 AAA의 선박 두께 0.23-4.26에서 범위를 선정 되었다 m m, 1.48 m m39의 중앙값. 그 스펙트럼의 더 큰 끝에 공칭 선 두께 선택 되었다 여기 제조 개선 기대와 함께 우려에 대 한 3 차원 인쇄 기술 주조 될 수 있는 최소 팬텀 두께 향상 시킬 것입니다. 3D 인쇄 상업적으로 사용 가능한 프린터를 사용 하 여 필 라 멘 트과 팬텀 금형 CAD에서 설계 되었습니다.

금형은 사출 PVA c 솔루션으로 가득 하 고 동결/동결 해제 사이클 (-20 ° C와 20 ° C) 상호 링크 PVA c 폴리머 젤 유해 하의 시리즈를 받게. PVA-c의 탄성 계수는 PVA-c 젤 또는 동결-해 동 주기 수의 농도 변경 하 여 제어 됩니다. 혈관의 내부 루멘에서 제거할 팬텀 필요한 손실 형의 aneurysmal 섹션. 이 3D 프린터 필 라 멘 트 (PVA), 폴 리 비닐 알코올의 사용에 의해 달성 되었다. 비록 화학적으로 유사한 PVA c 분말, PVA 필 라 멘 트 냉동 때 유해 하지 않습니다 그리고, 등, 녹을 수 있다 물에 PVA-c를 설정 후. 추가 샘플 금형 인장 테스트 표본 같은 PVA c 농도 함께 “개 뼈” 구성에서 만들려고 인쇄 됩니다. 이 금형 같은 냉동/해 동 주기를 받아야 하 고 유령 섹션의 탄성 계수를 독립적으로 측정 하 인장 테스트에 대 한 사용 됩니다. 배경 자료는 부드럽고 PVA-c, 시뮬레이션 retroperitoneum40,41의 조직에 제조 되었다. 팬텀이 배경 4 cm 내경, 외경 16.5 c m 16.5 c m의 길이와 균질 axisymmetric 원통형 관으로 제조 되었다. 그것은 5 %PVA 솔루션에서 만든 되었고 두 freeze-thaw 주기 총 복종.

최종 AAA 유령 배경 팬텀에 배치 하 고 튜브 피팅 및 클램프, 생리 순환 흐름과 압력을 환영 변형 설계 hemodynamic 물 펌프를 통해, 연결 했다. 펌프 속도 Hz. 울트라 사운드 이미지 시퀀스 deforming 유령 수집, 약 1의 속도로 약 6-7 kPa 압력 펄스를 제공 하 고 정규화 압력 변형 계산에 차이 식별 하는 공간 기계적 특성 변화. 압력 선박 지역 내에서 정규화 된 변형 이미지 제시의 대표적인 결과. 균질 팬텀을 기준으로 엄격한 이기종 환영의 정규화 된 긴장에 증가 지역 다름 배 강성과 그것을 측정 하는 우리의 능력에 차이 보여 줍니다.

Protocol

1. NIH 3D 인쇄 Exchange에서 STL 모델 다운로드 NIH 3D 인쇄 교환 (3dprint.nih.gov)로 이동 및 검색 항목에 Aneurysmal 대동맥 팬텀 형 시뮬레이션 입력 하 고 enter 키를 누르십시오. 검색에서 반환 된 다음 목록에는 모델 ” 3DPX 009210″ 찾아서 해당 항목을 클릭 합니다. 다운로드 버튼을 클릭 한 후이 파일을 다운로드 하 고 드롭-다운 목록에서 Aneurysmal 대동맥 팬텀 Mold.zip 시뮬레이션 파일을 클릭 합니다. 두 번 다운로드 한 파일 그것을 압축 해제 하 고 결과 파일 (InnerDistSTL.stl, InnerProxSTL.stl, OuterAntSTL.stl, OuterPostSTL.stl, BackgroundMoldSTL.stl 및 SampleMoldSTL.stl) 단계 2.1-2.7 3D 인쇄에 사용 하는 컴퓨터에 저장을 클릭 합니다.참고: 한 다운로드할 수 있습니다 또는 별도로 단계 1.4에 나열 된 파일의 각. 2. 금형의 3D 인쇄 3D 프린터 인터페이스 소프트웨어 열고 연결 단추를 사용 하 여 프린터에 연결 합니다. 3D 인쇄 소프트웨어 다운로드 STL 파일을 OuterAntSTL.stl (그림 1는, 파란색)을 가져옵니다. 3D 인쇄 소프트웨어에서 편집 버튼을 선택 하 고 방향을 회전 메뉴를 클릭 하 고 다음 긴 축과 함께 인쇄 침대에 평행 하 게 정렬 하는 X, Y또는 Z 버튼을 클릭 하 여 몰드 부품을 금형 밖 인쇄 침대에 직면. 저장 버튼을 클릭 하 고 인쇄 버튼을 클릭 하 고 단일 압출 기에 polylactic 산 (PLA) 플라스틱 필 라 멘 트를 사용 하 여 금형 부품 인쇄. 그림 1 : 팬텀, 배경 및 샘플 금형의 CAD 표현. (a)-용기 형 및 어셈블리에 대 한 부품의 방향 (b) 3D CAD 이미지. 등록 스페이서 (i), 핀 (ii), (iii) 구멍과 채우기 구멍 표시 됩니다. (c) 내부 용기 크기를 강조 하는 내부 루멘의 도면. (d) CAD 렌더링 샘플 금형. (e) CAD 배경 유령 형의 렌더링. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. OuterPostSTL.stl 파일 (그림 1a, 빨간색)에 대 한 2.2 단계를 반복 합니다. 단계 2.2에서 동일한 절차에 따라 3D 인쇄 소프트웨어 STL 파일 InnerDistSTL.stl (그림 1는, 흰색) 가져올 “편집” 버튼을 선택 하 고 회전 에서 메뉴 클릭 합니다 X, Y또는 Z 긴 축 인쇄 침대와 같은 인쇄 침대 접촉은 (i) 등록 핀에 수직 정렬 단추. 저장 버튼을 클릭 하 고 인쇄 버튼을 클릭 하 고 단일 압출 기에 PLA 플라스틱 필 라 멘 트를 사용 하 여 금형 부품 인쇄.참고: 지원 구조와 함께이 부분을 인쇄 되지 않습니다. 이 인쇄 된 부분에 대 한 하지 사용 하 여 30% 이상의 infill을 마십시오. 3D 인쇄 소프트웨어에 STL 파일을 SampleMoldSTL.stl (그림 1의d)를 가져옵니다. 편집 버튼을 선택 하 고 회전 메뉴에 금형의 내부 인쇄 침대에서 위로 향하도록은 그런 부분에 맞게 X, Y또는 Z 버튼을 클릭 합니다. 저장 버튼을 클릭 하 고 인쇄 버튼을 클릭 하 고 단일 압출 기에 PLA 플라스틱 필 라 멘 트를 사용 하 여 금형 부품 인쇄.참고: 지원 구조와 함께이 부분을 인쇄 되지 않습니다. 3 또는 더 샘플 금형을 인쇄 합니다. 3D 인쇄 소프트웨어에 STL 파일을 BackgroundMoldSTL.stl (그림 1e)를 가져옵니다. “편집” 버튼을 선택 하 고 회전 메뉴에서 (즉, 실린더의 닫힌된 끝) 금형의 하단은 인쇄 침대를 직면 하 고 그런 부분에 맞게 X, Y또는 Z 버튼을 클릭 합니다. 저장 버튼을 클릭 하 고 인쇄 버튼을 클릭 하 고 단일 압출 기에 PLA 플라스틱 필 라 멘 트를 사용 하 여 금형 부품 인쇄.참고: 지원 구조와 함께이 부분을 인쇄 되지 않습니다. 3D 인쇄 소프트웨어에 STL 파일을 InnerDistSTL.stl (그림 1을, 노란색)를 가져옵니다. “편집” 버튼을 선택 하 고 회전 메뉴에서 긴 축 인쇄 침대에 수직 이며 (i) 분기 등록 핀에 직면 하 고 그런 부분에 맞게 X, Y또는 Z 단추를 클릭 합니다 인쇄 침대입니다. 저장 버튼을 클릭 하 고 인쇄 버튼을 클릭 하 고 단일 압출 기에 비닐 산 (PVA) 플라스틱 필 라 멘 트를 사용 하 여 금형 부품 인쇄. 2.1-2.7 (그림 2는) 단계의 3D 인쇄 부분에서 지원 자료를 제거 합니다.참고: 아니에요 몰드 어셈블리와 함께 방해 하지 않습니다 경우 외부 금형 부품에서 지원 구조를 제거 하는 데 필요한. 그림 2 : 선박 팬텀 몰드 어셈블리 및 최종 선박 팬텀. (a) 최종 인쇄 내부 및 외부 루멘 금형의 몰드. 내부 루멘의 선단부 분해할 PVA 플라스틱에서 인쇄 하 고 변형 왁 스를 사용 하 여 내부 루멘 형의 근 위 끝에 첨부 됩니다. (b) 외부 루멘 형과 주사기 스 토퍼의 주입 포트에 연결 된 튜브. (c) 유연 실 란 트의 스프레이 코팅 후 내부 루멘 금형. (d) 돌출의 측 외부 루멘 형 및 뻣 뻣 한 동맥 유령에 대 한 추가 PVA-c (빨간색 염색) 내부 루멘 금형의 조립. (e) 전체 선박 형 조립 하 고 채워. (f) 변형 왁 스 PVA-c 형에서 누수 방지 하기 위해 외부 루멘 형의 솔 기에 적용. (5 냉동/해 동 주기 및 금형에서 제거 후 g) 최종 PVA c 팬텀. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 3. 하이드로 겔 준비 유리 비 커에 수돗물 (질량 10%)의 200 mL에 PVA-c 가루 22.2 g을 혼합. 종 기에 대 한 해결책을 전자 레인지 고 저 어. 이 단계를 반복 하 여 모든 PVA 가루를 해산 하 고 솔루션 반투명 나타납니다. 물 10 mL에 탄산 칼슘 분말 질량 (0.2%)의 0.4 g을 일시 중단 하 고 초음파 scatterers 역할 단계 2.1에서 솔루션에 추가 합니다. 철저 하 게 혼합. 솔루션을 커버 하 고 실내 온도 (RT)을 있습니다.참고: 단계 3.5 건너뜁니다 균질 유령에 대 한 별도 유리 비 커에 17.6 g 수돗물 (질량 또는 원하는 대로 15%)의 100 mL에 PVA-c 가루를 혼합. 종 기에 대 한 해결책을 전자 레인지 고 저 어. 모든 PVA 가루를 녹이 고 솔루션 반투명 표시 될 때까지이 단계를 반복 합니다. 물 5 mL에 탄산 칼슘 분말 질량 (0.2%)의 0.4 g을 일시 중단 하 고 단계 2.3에서 솔루션에 추가 합니다. 철저 하 게 혼합. 솔루션을 커버 하 고는 실시간에 냉각 별도 큰 냄비에 수돗물 (질량 5%)의 3.5 L에 PVA-c 가루 183.7 g을 혼합. 종 기에는 솔루션을가지고 하 고 저 어. PVA 가루를 해산 하 고 솔루션 반투명 표시 열에서 냄비를 제거 합니다. 탄산 칼슘 분말 질량 (0.2%)의 7.4 g을 물 10 mL에 일시 중단 하 고 단계에서 솔루션에 추가 합니다. 철저 하 게 혼합. 솔루션을 커버 하 고는 실시간에 냉각 4입니다. 금형의 조립 유연한 튜브의 약 100 m m 외부 루멘 몰드의 주입 포트에 연결 합니다. 튜브의 반대쪽에 연결 주사기 연결 (그림 2b) 자 지. 내부 루멘 형의 등록 핀을 정렬 하 고, 내부 루멘 형의 직선 배 부분에 내부 루멘 형의 불 룩 한 배 부분을 준수 변형 왁 스를 사용 하 여. 환기가 잘되는 지역에는 하이드로 겔그림 2(c) 과정에서 성형 PVA 몰드 부품을 분해 하지 않도록 하려면 내부 루멘 금형의 aneurysmal 끝에 스프레이-에 유연한 고무 코팅을 적용.참고: 균질 유령에 대 한 단계 4.6 건너뜁니다. 아래로 외부 금형의 aneurysmal 부분의 넓은 쪽으로 돌출 단계 3.3-3.4 (그림 2b)에서 만든 솔루션의 15 mL 채워 놓습니다. 전면 외부 몰드 부품 (그림 2d)에 조립된 내부 금형 부품을 배치 합니다. 고무 밴드를 사용 하 여 장소에 내부 루멘 부분을 잡아.참고: 그림 2, PVA-c는 염색 시정을 위한 빨강. 12 h는-20 ° C 냉동 고에 몰드 어셈블리를 고정 하 고 냉장고에서 제거 합니다. 몰드 어셈블리 재개에 솔루션 없이 단계 4.6 이동 합니다. 기다리는 동안 동결 (단계 4.4) 금형, 인쇄 샘플 형의 뒤 표면에 변형 왁 스의 관대 한 금액을 적용 하 고 10 mm (그림 3는) 60 m m로 약 100 m m의 최소 크기를 잘라 평평 플라스틱 시트를 클램프. 4.3 단계에서에서 사용 된 동일한 PVA 솔루션으로 금형 및 플라스틱 시트 사이의 공간을 채우십시오. 같은 냉동 고 (-20 ° C)에 있는 샘플 형 단계 4.4에서 배 형으로 고정 합니다. 그림 3 : 금형 및 최종 샘플 및 배경 환영. (a) 샘플 형 및 투명 한 플라스틱 시트 클램프. PVA-c 샘플 금형에 부 어 하 고 공기 방울 표면에 사용할 수 있습니다. (b) PVA-c 샘플 후 최종 동결/해 동 주기. 팬텀의 (c) 실험 미국 이미징 설치 시뮬레이터 펌프에 연결 된 한 유령 배경 PVA c에에서 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 조립 하 고 함께 그림 1a , 1b (그림 2e)에 표시 된 방향에서 전체 선박 형 클램프. 사용 하 여 변형 왁 스는 하이드로 겔 주사 (그림 2f) 동안 누설 하지 않는 외부 루멘 금형의 솔 기 선. 단계 3.1 및 3.2에서 PVA c 솔루션으로 60 mL 주사기를 채우십시오. 분기 끝을 금형의 몰드 어셈블리 피하 공기 방울 주입 솔루션에서으로 PVA c 솔루션을 주사.참고: 어떤 누출 든 지 주사 하는 동안 발생 하는 경우 일시 중지 삽입 및 변형 왁 스 패치 새 영역. 주사기 주사를 반복 하 여 PVA c 솔루션 금형을 채웁니다. 부드럽게 금형의 정상에 상승 하는 공기 방울 어떤 수 있도록 모든 10 분 형 도청 30 분 동안 앉아 형을 수 있습니다. 주사기 주입을 반복 하 여 필요한 경우 금형을 가기에. 12 h에 대 한 전체 몰드 어셈블리를 고정 하 고 냉장고에서 제거 합니다. 몰드 어셈블리 12 h에 대 한 실시간에 해빙 하는 것을 허용 한다. 동안 조립 하 고 다른 샘플 형 클램프 (단계 4.8), 동결을 금형에 대 한 대기로 잘라 평평 플라스틱 시트 설명에그림 3(a) 4.5 단계. 단계 4.7에서 사용 된 동일한 PVA 솔루션으로 금형 및 플라스틱 시트 사이의 공간을 채우십시오. 동결 하 고 샘플 형 같은 냉동 고 (-20 ° C)와 단계 4.8에서 선박 형과 단계 4.5의 샘플 형으로 동시에 녹여. 고정 배 형과 두 단계 4.5에서 샘플 금형을 녹여, 4.8과 4.9는 총 5 24 h 동결/동결 해제에 대 한 4 번 더 주기. 5번째 동결/해 동 주기 후 그들의 금형 (그림 3b)에서 PVA c 테스트 샘플을 제거 합니다. 샘플에서 어떤 과잉 cryogel 손질과 볼륨 표 백제/물 솔루션 실시간에 5%의 밀봉된 한 콘테이너에서 저장 PVA-c 선박 외부 루멘 몰드에서 제거 합니다. 신중 하 게 aneurysmal 부분에서 내부 루멘 형의 직선 배 부분을 분리 하 고 PVA c 용기에서 제거 합니다. 인쇄 된 PVA 필 라 멘 트 노출 aneurysmal 부분의 내부 루멘 금형의 분기 끝에서 등록 스페이서를 잘라. PVA aneurysmal 부분을 분해 하는 RT에 물 욕조에 배치 합니다.그러나 참고: 24 시간 이상 걸릴 수 있습니다, 그리고, 따뜻한 물 목욕을 추가 녹이는 과정을 속도 수 있습니다. 용 해 및 제거는 PVA 선박 팬텀의 내부에서 일부 인쇄, 저장 팬텀 5%의 밀봉된 한 콘테이너에서 실시간에 볼륨 표 백제/물 솔루션 약 3.3 l 단계 3.5과 3.6에서 PVA c 솔루션의 배경 몰드를 채우십시오. (-20 ° C) 12 h에 대 한 배경 금형을 고정 하 고 냉장고에서 제거 합니다. 12 h에 대 한 실시간에 해 동 하 여 총 2 냉동/해 동 주기를 반복 형을 수 있습니다. 단계 4.13으로 동시에 채우기 같은 PVA c 솔루션 샘플 몰드 어셈블리 단계 4.13에서 사용 하 고 배경 금형으로 동일한 동결/동결 해제 샘플을 통해 넣어. 2습 니 해 동 후 그들의 금형에서 팬텀 배경과 배경 샘플을 제거 하 고 볼륨 표 백제/물 솔루션 실시간에 5%의 밀봉된 한 콘테이너에서 저장 5. 팬텀 및 샘플 테스트 큰 물 목욕으로 선박 팬텀 및 배경 팬텀을 놓습니다. 튜브 클램프그림 3(c)를 사용 하 여 hemodynamic 물 펌프42,43 의 출력에 큰 배 끝을 연결 합니다. 선박 백그라운드에서 팬텀 팬텀 놓고 후 hemodynamic 펌프 튜브 클램프를 사용 하 여 입구를 팬텀의 분기 끝을 연결 합니다. 선박 및 펌프 hemodynamic 펌프의 입구 근처의 시스템에서 반도체 압력 센서 카 테 터를 놓습니다. 벽 개의 압력 0 kPa의 최소 사이 최대 7.5 kPa (그림 4는) 되도록 hemodynamic 펌프를 실행 합니다. 그림 4 : 프로토콜 이미징. (a) 압력 프로필 팬텀 영상 설치 하는 동안 측정. (최소 압력에서 팬텀의 b)는 대표적인 B 모드 이미지. (c) 최대 압력에서 B-모드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 사용 하 여 (미국) 초음파 시스템 및 볼록 변환기 약 5 m h z의 중심 주파수와 최대 선박 직경 (그림 4b 및 4 c의 위치에 횡단면에서 배경 및 선박 환영의 미국 이미지 수집 ). (그림 4는) 디지털 수집 시스템을 사용 하 여 압력 데이터를 기록 합니다.참고:이 단계에서 이미지 수집을 수행 하기 위한 세부 사항은 혼합 외44에서 찾을 수 있습니다. 혼합 외 에 설명 된 대로 아닌 딱딱한 이미지 등록 기반 기법을 사용 하 여 변위 의견 얻기 44. 2 차원 (2D) 변위의 측정에서 (ui(x)), 필드의 그라데이션 대칭 부분을 평가 하 여 2D 변형 텐서 필드 (εij(x))을 계산 변위 필드: 그런 다음, 다음 수식을 사용 하 여 변형 텐서 필드의 최대 주성분으로 최대 주 스트레인 (εp) 계산: 마지막으로, 결정 피크 압력 차이 최대 및 최소 카 테 테 르에 의해이 긴장 텐서 필드 측정 압력 (그림 4는), 또는 펄스 압력 (PP), 분할에서 주요 긴장의 프레임 공간 해결 압력 정상화 원리 스트레인 (εp/PP). 그림 5 : 압력 변형 이미지 정규화. 정규화 된 스트레인 (εp/PP) in%/kPa 대량 선박 팬텀 (a)와 15% 대량 (b), 질량 20%와 25% 질량 앞쪽 이기종 유령에 의해 균질 10%에 대 한 선박 내에서 측정 하는 압력의 대표 이미지 aneurysmal 섹션 (의 위)입니다. 이 그림에서 혼합 외 수정 되었습니다. 44. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Representative Results

카 테 터로 측정 하는 최소 및 최대 압력에 대 한 환영을 흉내 낸 선박의 대표 B 모드 이미지 표시 됩니다 (그림 4b 와 4 c, 각각). 압력 정규화 스트레인 (εp/PP) in%/kPa는 4 개의 다른 제조 유령 (그림 5)에 대 한 표시 됩니다. 그림 5 균질 팬텀 질량 PVA c 솔루션 10% 제조에서 측정 된 압력 정규화 스트레인을 보여줍니다. (위 이미지) 이전 분기에 평균 스트레인에 팬텀의 후부 분기 (이미지 하단) 내 측정 평균 긴장의 비율은 0.92. 그림 5 b /PP 팬텀의 aneurysmal 섹션 질량 PVA c 솔루션 15%와 팬텀의 나머지 제조 된 팬텀에 대 한 10%를 사용 하 여 의해 만들어진 질량 PVA c εp보여줍니다. 이 팬텀에 대 한 이전 스트레인에 후부의 비율 1.87 발견 했다. 그림 5 c εp보여줍니다 /PP 앞쪽 스트레인 비율 4.23의 후부와 PVA-c, 질량 20%와 다른 유형의 팬텀에 대 한. 그림 5 d 표시 εp/PP 7.37의 앞쪽 스트레인 비율 후부와 질량 PVA-c, 25%와 이기종 팬텀에 대 한. 여기에 제시 된 결과 복 부 대동맥 유령 복잡 한 형상 및 공간적으로 다양 한 재료 특성으로 창조 되었다 보여준다. 팬텀 형상의 디자인 했다, 또는 좀 더 구체적으로, 유령 금형 끝났다 팬텀 형상 변경 (그림 1a , 1b)를 용이 하 게 하는 컴퓨터 소프트웨어를 사용 하 여. 인쇄 하 고 조립 금형 쉽게 3D 수 있으며 복잡 한 금형 형상 PVA 필 라 멘 트 및 제거, 비슷한 잃어버린-왁 스를 사용 하 여 인쇄 될 수 있다 주조 기술. 최종 배 유령 동적으로 가압 수 있으며 (그림 4는) 큰 부하에서 안정. 유령 초음파와 호환 됩니다 (그림 4b 와 4 c) 이미징 및 복 부 대동맥 stiffnesses 흉내 낸 소재 속성. 변형 이미지의 후부 지구 앞쪽에 긴장 비율에서 변화 보여 지구는 다양 한 소재 속성 (그림 5)의 정확한 값을 측정 샘플에 독립적인 기계 테스트 그들의 각 전단 계수입니다.

Discussion

이 종이 테스트 elastography 또는 탄성 알고리즘 이미징에 사용에 대 한 조직을 흉내 낸 유령을 제조 하는 기술을 제공 합니다. CAD 및 3D 인쇄의 결합된 사용 aneurysmal bulges를 포함 한 관 환영 넘어 복잡 한 형상의 대동맥 흉내 낸 유령의 효율적인 설계에 대 한 수 있습니다. 팬텀의 창조 4 단계; 이루어집니다. 1) 팬텀 기하학, 2의 디자인) 팬텀 금형 부품의 인쇄, 3)는 초음파 특성 및 유령 혈관의 기계적 성질 및 4) 쏟아져/주입은 cryogel의 모방 궁극적으로 것 이다 cryogel 솔루션의 혼합 금형, 금형에서 freeze-thaw 주기 및 팬텀의 제거와 PVA c 설정에 솔루션. CAD에서의 사용은 단계 1에서 얻은 금형의 설계에는 팬텀의 형상을 정확 하 게 수정 하는 간단한 방법에 대 한 수 있습니다. 금형 부품의 현재 인쇄의 크기에 따라서 대략 5-8 h 고 이렇게 쉽게 만들 수 있습니다 한 금형에 반복된 수정.

3 단계에서에서 cryogel 솔루션 조직의 미국 분산형을 흉내 낸 탄산 칼슘 입자와 혈관, 동맥 및 배경 조직 모방 하기 위해 만들어집니다. Cryogel 솔루션 칼슘 입자는 혼합물에서 정착 하는 경우 사용 하기 전에 자극 한다. cryogel의 혼합물의 정확한 농도 팬텀의 최종 기계적 특성을 결정 합니다. 따라서, 유령 선박 및 배경에서 사용 되는 솔루션의 각 독립적인 샘플을 생성 하는 것이 중요 하다. 비록 여기 프로토콜의 일부가 아닙니다, 샘플의 탄성 계수의 독립적인 측정 단축 긴장 테스트를 사용 하 여 얻을 수 한다. 대표 결과에 만든 10%, 15%, 20%와 25% 환영에 대 한 PVA c 샘플의 독립적인 기계 테스트 170.0 ± 4.1 kPa, 95.1 ± 0.4 kPa, 48.3 ± 5.7 kPa, 17.4 ± 1.0 kPa의 전단 계수 각각 측정 했다.

단계 4는 이러한 유령 개체를 만드는 가장 중요 한 단계가 이다. 등록 핀 다른 사람을 기준으로 적절 한 위치에 금형 부품을 유지 하는 장소에 있지만, 금형 부품 성형 과정에서 분리가 되지 않아 되도록 중요 하다. 따라서, 금형을 클램프의 사용. 단계 4의 가장 중요 한 고려 사항은 첫 번째 동결-해 동 주기 전에 금형에 갇혀 기포를 최소화 하는 것입니다. 외부 형의 한쪽을 분해 후 첫 번째 동결-해 동 주기 그것 제대로 형성 되도록 팬텀 검사를 종종 유용 합니다. 이 추가 사이클을 통해 “나쁜” 팬텀을 넣어 낭비 하는 시간을 절약할 수 있습니다. 일단 팬텀 금형에서 완전히 제거 되었습니다, 지속적인된 사용과 몇 주 동안 물에 저장할 수 있습니다.

이 작품에서 개발 된 PVA c 환영 특히 대동맥 조직의 초음파 및 소재 강성을 모방 하기 위해 만들어졌습니다. 폴 리 비닐 알코올 cryogel의 사용 가능한 기계적 강성, 더 나은 모방을의 넓은 범위에 대 한 자료33,34같은 더 고무에 비해 대동맥 조직의 변화 재료 속성을 수 있습니다. 또한, 하이드로 겔 및 주조를 사용 하 여 더 나은 casted 고무 또는 직접 3D 인쇄 자료33,45의 음향 특성을 캡처합니다. 일부 공기 방울 첫 동결-해 동 주기 전에 우리의 금형에 갇혀 얻을 수 있습니다. 이 팬텀에 격차 원인과 소재 약점 또는 음향 유물 이어질 수 있습니다. 따라서, 프로세스를 다시 시작 해야 경우 확인 하려면 첫 번째 동결 해 동 후는 금형 환영을 검사 하는 것이 좋습니다. 또한, 저자는 내부 몰드는 팬텀의 aneurysmal 부분의 동안 때때로 이동할 수 있다 발견 했다. 이 경우, 위의 프로토콜에의 한 수정을 단단히 내부 루멘 형 앞쪽 외부 형에이 섹션의 동안 3D 인쇄, 또는 기타 설계 부분을 만들려면 것입니다. 저자는 외부 형과 후부 외부 형와 내부 금형 사이 5mm 스페이서의 후부 측면을 사용 하 여이 목적을 위해 잘 작동을 발견 했다.

여기 개발 팬텀은 원래 CAD 파일을 편집 하 여 aneurysmal 직경, 및 luminal 두께 변화의 영향 또는 잠재적으로 조직에 혈전의 존재를 공부 합니다. 그러나, 이전 작업 또한 표시 것이 제조 기술은 환자 전용 팬텀 형상 단층 이미지와 분할 소프트웨어를 사용 하 여 생산을 수정할 수 있습니다 보다는 만드는 3D CAD 디자인 인쇄 팬텀 금형 44. 여기에 표시 된 결과 입증 알고리즘 팬텀 섹션의 기계적 성질에 있는 제조 변이 시각화 수 있었습니다. 이러한 환영 했다 미국 기반 이미징 기술을 테스트 하는 데 사용 됩니다, 하지만 그들은 또한 자기 공명 단층 촬영 이미징 시스템 호환 하 고 그들은 또한 사용 될 수 있다는 이미지, 넓은 탄력의 목적을 넘어 주목 한다 새로운 이미징 기술과 modalities의 범위입니다.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작품 수상 번호를 통해 국립 보건원의 변환 과학 발전을 위한 국가 센터에 의해 지원 되었다 UL1 TR000042 및 생물 의학 화상 진 찰의 국립 연구소와 생명 공학의 수상 번호를 통해 건강의 국가 학회 R21 EB018432입니다.

Materials

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
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Mix, D. S., Stoner, M. C., Day, S. W., Richards, M. S. Manufacturing Abdominal Aorta Hydrogel Tissue-Mimicking Phantoms for Ultrasound Elastography Validation. J. Vis. Exp. (139), e57984, doi:10.3791/57984 (2018).
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