Fabricage en karakterisatie van optische weefsel Phantoms met macrostructuur

Summary

Optische weefsel phantoms zijn essentiële instrumenten voor het kalibreren en karakterisatie van optische beeldvormingssystemen en validatie van theoretische modellen. In dit artikel een overzicht van een methode voor phantom fabrikatie waarin replicatie van weefsel optische eigenschappen en structuur van de drie-dimensionale weefsel.

Abstract

De snelle ontwikkeling van nieuwe optische beeldvormingstechnieken is afhankelijk van de beschikbaarheid van goedkope, aanpasbare en gemakkelijk reproduceerbaar normen. Door te repliceren het imaging milieu, kunnen dure dierproeven voor het valideren van een techniek worden omzeild. Voorspellen en optimaliseren van de prestaties van in vivo en ex vivo beeldvormende technieken vereist testen op monsters die optisch vergelijkbaar met weefsels van belang zijn. Optische phantoms weefsel nabootsen bieden een standaard voor evaluatie, karakterisering, of kalibratie van een optisch systeem. Homogene polymeer optische weefsel phantoms worden veel gebruikt om na te bootsen de optische eigenschappen van een specifieke weefseltype binnen een smalle spectrale serie. Gelaagde weefsels, zoals de epidermis en dermis, kunnen worden geïmiteerd door gewoon stapelen deze homogene plaat spoken. Echter, veel in vivo imaging technieken worden toegepast op meer ruimtelijk complex weefsel waar drie dimensionale structuren, zoals bloedvaten, luchtwegen of weefsel gebreken, kunnen invloed hebben op de prestaties van het imaging systeem.

Dit protocol beschrijft de fabricage van een weefsel nabootsen phantom waarin drie-dimensionale structurele complexiteit met behulp van materiaal met optische eigenschappen van weefsel. Look-up tabellen bevatten Oost-Indische inkt en titaandioxide recepten voor optische absorptie en verstrooiing doelen. Methoden voor het karakteriseren en afstemmen van de optische eigenschappen van het materiaal worden beschreven. De phantom fabricage gedetailleerd beschreven in dit artikel heeft een interne vertakking mock airway leegte; echter kan de techniek in grote lijnen worden toegepast op andere structuren weefsel of orgaan.

Introduction

Weefsel phantoms worden veel gebruikt voor de karakterisering van het systeem en kalibratie van optische beeldvorming en spectroscopie instrumenten, met inbegrip van multimodaliteit systemen integratie van echografie of nucleaire modaliteiten^{1,2,3 ,4}. Phantoms zorgen voor een gecontroleerde optische omgeving voor systeem karakterisering en kwaliteitscontrole van meerdere biologische beeldvormingstechnieken. Weefsel-nabootsen phantoms zijn nuttige hulpmiddelen in het voorspellen van de systeemprestaties en optimaliseren van het ontwerp van het systeem voor de fysiologische taak bij de hand; bijvoorbeeld, marges om te voorspellen de indringende diepte van spectroscopische sondes voor het beoordelen van de tumor⁵. Optische eigenschappen en structurele ontwerp van de spoken kunnen worden afgestemd om na te bootsen de specifieke fysiologische omgeving waarin het instrument zal worden gebruikt, waardoor voor zowel haalbaarheidsstudies en verificatie van systeem prestaties^{3, 6,7}. Controle van systeemprestaties met realistische optische phantoms precontractuele preklinische of klinische proeven imaging vermindert het risico van storing of verwerving van onbruikbaar gegevens tijdens in vivo studies. De reproduceerbaarheid en de stabiliteit van optische phantoms laten aanpasbare kalibratie standaarden voor optische technieken om te controleren van de intra – en intersite – instrument variabiliteit, met name in multicenter klinisch onderzoek met verschillende instrumenten, operators en milieuomstandigheden^8,9.

Weefsel-nabootsen phantoms ook dienen als afstembare en reproduceerbare fysische modellen voor de validatie van theoretische optische modellen. De steun van de simulaties in het ontwerp en de optimalisatie van in vivo optische instrumenten, terwijl het verminderen van de noodzaak voor dier^{10,11 experimenten}. De ontwikkeling en validatie van optische simulaties voor het milieu in vivo nauwkeurig kunnen worden bezwaard met de complexiteit van de structuur van het weefsel, de biochemische inhoud en de locatie van het doel of weefsel binnen het lichaam. Variabiliteit tussen onderwerpen maakt validatie van theoretische modellen uitdagend met behulp van menselijke of dierlijke metingen. Polymeer optische weefsel phantoms toestaan voor validatie van theoretische modellen door het verstrekken van een bekende en reproduceerbare optische omgeving waarin studie foton migratie^12,13,14,15.

Met het oog op systeem kalibratie, kunnen vaste optische phantoms bestaan uit een enkele homogene plaat van genezen polymeer met de optische verstrooiing, absorptie of fluorescentie die speciaal zijn afgestemd op de golflengten van belang. Gelaagde polymeer phantoms vaak gebruikt worden om na te bootsen de variatie van de diepte van de optische eigenschappen van weefsel van epitheelweefsel modellen^16,17. Deze phantom structuren zijn voldoende voor epitheliale beeldvormings- en modellering, omdat de structuur van het weefsel vrij homogeen door middel van elke laag is. Nochtans, grotere schaal en meer complexe structuren beïnvloeden radiatieve vervoer in andere organen. Methoden voor het maken van meer complexe phantoms zijn ontwikkeld om te simuleren de optische omgeving van subcutane bloedvaten^18,19 en zelfs hele organen, zoals de blaas²⁰. Modellering licht vervoer in de longen biedt een uniek probleem te wijten aan de vertakkende structuur van de lucht-weefsel-interface; een solide phantom zou niet waarschijnlijk repliceren radiatieve vervoer in het orgel nauwkeurig²¹. Om te beschrijven een methode voor het opnemen van complexe structuur in een optische phantom, beschrijven we een methode om te maken een interne, reproduceerbare fractal-tree nietig die vertegenwoordigt de driedimensionale (3D) macroscopische structuur van de luchtwegen (Figuur 1).

In de afgelopen decennia, 3D printen is een overheersende methode voor rapid prototyping van medische hulpmiddelen en modellen²²geworden en optische weefsel phantoms zijn geen uitzondering. 3D printen is gebruikt als een additief productie-instrument voor het fabriceren van optische phantoms met kanalen²³, bloedvat netwerken²⁴en hele lichaam kleine dierlijke modellen²⁵. Deze methoden maken gebruik van één of twee afdrukken materialen met unieke optische eigenschappen. Methoden zijn ook ontwikkeld om de optische eigenschappen van het afdrukken materiaal na te bootsen van algemene, troebel biologisch weefsel^25,26af te stellen. Het bereik van haalbare optische eigenschappen zijn echter beperkt door het afdrukken materiaal, meestal een polymeer zoals acrylonitril butadieen styreen (ABS)²⁶, dus deze methode is niet geschikt voor alle biologische weefsels. Polydimethylsiloxaan (PDMS) is een optisch duidelijk polymeer dat gemakkelijk kan worden gemengd met verstrooiing en het absorberen van deeltjes met een hoger niveau van tunability^27,28. PDMS is ook gebruikt om schimmel phantoms met aneurysma modellen voor implementatie van embolisch apparaten^29,30. Deze phantoms ook gebruik maken van een oplosbaar 3D gedrukte deel, maar blijven optisch duidelijk voor het visualiseren van de implementatie van het apparaat. Hier combineren we deze methode met tunability van de optische eigenschappen van PDMS met verstrooiing en absorberende deeltjes te fabriceren een voorontwerp model van het weefsel en luchtwegen van de lymfkliertest Long.

Terwijl de phantom hier gepresenteerd specifiek voor de longen is, kan het proces worden toegepast op een verscheidenheid van andere organen. 3D printen van de interne structuur van de phantom kan het ontwerp te worden aangepast voor elk doel en afdrukbare schaal, of het nu een bloed of lymfe vaartuig netwerk, beenmerg of zelfs de vier chambered structuur van de hart-³¹. Omdat we geïnteresseerd zijn in optische beeldvorming en modellering van de Long^32,33,34, hebben wij gekozen voor het gebruik van een vier-generatie fractal boom als de interne structuur te repliceren binnen het polymeer phantom. Deze structuur is ontworpen om te benaderen de vertakkende structuur van de luchtwegen en hebben break-away dragermateriaal voor het 3D drukproces. Een meer anatomisch correcte airway kon worden afgedrukt als break-away dragermateriaal niet nodig is. Hoewel dit model een airway vertegenwoordigt, hoeft de interne structuur van de phantom niet te blijven een materiële leegte. Zodra het omliggende polymeer is genezen en het 3D gedrukte deel wordt ontbonden, kan de interne structuur worden gebruikt als een stroom-traject of als een secundaire mal voor een materiaal met een eigen unieke absorptie en verstrooiing kenmerken. Bijvoorbeeld, als de interne structuur van dit protocol is ontworpen als een digitale bone in plaats van een airway, zou de botstructuur 3D afgedrukt, gevormd met PDMS met optische eigenschappen van de vinger, en vervolgens uit de phantom ontbonden. De leegte kan worden gevuld met een mengsel van PDMS met verschillende optische eigenschappen. Bovendien, is elke schimmel niet beperkt tot een enkele oplosbaar deel. Een phantom van de vinger kan worden gemaakt als u wilt opnemen van bot, aders, slagaders en een algemene weke laag, elk met zijn eigen unieke optische eigenschappen.

Protocol

1. selectie en controle van de materiaaleigenschappen van Matrix Voordat u begint de phantom Productie-procédé (Figuur 1), de absorptie en verminderde verstrooiing coëfficiënten voor de biologische weefsel van belang op de imaging wavelength(s) te vinden. Voorlopige schattingen kunnen worden gevonden in de referenties35,36. Validatie van de optische coëfficiënten kunnen echter noodzakelijk. Met behulp van de…

Representative Results

Om aan te tonen de phantom fabricage techniek, muis Long weefsel phantoms werden vervaardigd ter simulering van de gemeten optische eigenschappen van verwijderde gezond en ontstoken lymfkliertest longweefsel op 535 nm (tabel 5). Deze golflengte van belang is de golflengte van de excitatie voor tdTomato fluorescerende eiwit gebruikt in recombinante verslaggever stammen van mycobacteriën in eerdere studies33. Optische metingen van muis longweefsel w…

Discussion

We hebben aangetoond dat een methode voor het maken van optische spoken te vertegenwoordigen een lymfkliertest Long met een interne vertakkende structuur voor de simulatie van de interface van interne lucht-weefsel. De optische eigenschappen van lymfkliertest longweefsel worden bereikt door de integratie van unieke concentraties van optisch verstrooiing en absorberende deeltjes homogeen verspreid binnen het bulk matrix polymeer. Deze optische eigenschappen kunnen worden afgestemd om na te bootsen de fysiologische waarden…

Materials

Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit	Ellsworth Adhesives	184 SIL ELAST KIT 0.5KG	Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms
White Rutile Titanium Dioxide powder	Atlantic Equipment Engineers	TI-602	Scattering particles for optical phantoms
Higgins Fountain Pen India Ink	Michaels Craft Stores	10015483	Absorbing particles for optical phantom
Heat Resistant tape	Uline	S-7595	Heat resistant tape for polymer molds
Fortus 360mc 3D printer	Stratasys	N/A	Able to switch build and support material with this model printer
ABS Ivory Model Material	Stratasys	SDS-000001	Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure
SR-30 Soluble Support	Stratasys	400638-0001	Base soluble support material for printing internal structure
Flacktek Speedmixer	Flacktek Inc.	DAC 150.1 FV	For efficient mixing of polymer and particles
Integrating sphere	Edmund Optics	58-585	For measuring optical properties
Polycarbonate build plates (1 mm)	Stratasys	N/A	Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used