Tillverkning och karakterisering av optiska vävnad fantomer som innehåller Makrostrukturell

Summary

Optiska vävnad phantoms är viktiga verktyg för kalibrering och karakterisering av optiska bildsystem och validering av teoretiska modeller. Den här artikeln beskriver en metod för phantom tillverkning som omfattar replikering av vävnad optiska egenskaper och tredimensionella vävnadsstrukturen.

Abstract

Den snabba utvecklingen av nya optiska bildteknik är beroende av tillgången till låg kostnad, anpassningsbara och enkelt reproducerbar standarder. Genom att replikera imaging miljön, kan kostsamma djurförsök att validera en teknik kringgås. Förutsäga och optimera prestanda i vivo och ex vivo imaging tekniker kräver tester på prover som är optiskt liknande till vävnader av intresse. Vävnad-härma optiska fantomer ger en standard för utvärdering, karakterisering eller kalibrering av ett optiskt system. Homogen polymer optiska vävnad fantomer används allmänt för att efterlikna de optiska egenskaperna av en specifik vävnadstyp inom ett smalt spektralområde. Skiktad vävnader, såsom epidermis och dermis, kan vara härmade genom att helt enkelt stapla dessa homogen platta fantomer. Många i vivo avbildningstekniker tillämpas dock mer rumsligt komplex vävnad där tre dimensionella strukturer, såsom blodkärl, luftvägar eller vävnad defekter, kan påverka utförandet av de imaging systemet.

Det här protokollet beskriver tillverkning av en vävnad-härma fantom som innehåller tredimensionella strukturella komplexitet med material med optiska egenskaper av vävnad. Look-up tabeller ge Indien färgpulver och titandioxid recept för optisk absorption och spridning mål. Metoder för att karakterisera och finjustera de optiska materialegenskaperna beskrivs. Phantom tillverkning beskrivs i denna artikel har ett inre förgrenade håna luftvägarna tomrum; men kan tekniken tillämpas i huvudsak till andra vävnader eller organ strukturer.

Introduction

Vävnaden fantomer används mycket för systemet karakterisering och kalibrering av optisk imaging och spektroskopi instrument, inklusive multimodalitet systems införliva ultraljud eller nukleära modaliteter^{1,2,3 ,4}. Phantoms ger en kontrollerad optisk miljö för systemet karakterisering och kvalitetskontroll av flera biologiska avbildningstekniker. Vävnad-härma phantoms är användbara verktyg i att förutsäga systemets prestanda och optimera systemdesign för fysiologiska uppgiften; exempelvis marginaler för att förutsäga sondering djupet i spectroscopic sonder för att bedöma tumör⁵. Optiska egenskaper och konstruktion av phantoms kan stämmas för att efterlikna den specifika fysiologiska miljön där instrumentet kommer att användas, därför möjliggör både genomförbarhetsstudier och kontroll av systemet prestanda^{3, 6,7}. Verifiering av imaging systemprestanda med realistiska optiska fantomer innan prekliniska eller kliniska prövningar minskar risken för funktionsfel eller förvärvet av oanvändbara data under in-vivo studier. De reproducerbarhet och stabilitet av optiska fantomer gör dem anpassningsbara kalibrering standarder för optiska tekniker för att övervaka intra – och inter – instrument variabilitet, särskilt i multicenter kliniska prövningar med olika instrument, operatorer och miljöförhållanden^8,9.

Vävnad-härma fantomer också fungera som avstämbara och reproducerbara fysikaliska modeller för validering av teoretiska optiska modeller. Simuleringar stöd till design och optimering av i vivo optiska instrument, samtidigt som den minskar behovet för djur experiment^10,11. Utveckling och validering av optiska simuleringar att korrekt representera i vivo miljön kan att belastas av komplexiteten i vävnad struktur, biokemiska innehållet och platsen för målet eller vävnad i kroppen. Variabiliteten mellan försökspersonerna gör validering av teoretiska modeller utmanande med hjälp av djurs eller människors mätningar. Polymer optiska vävnad fantomer möjliggör validering av teoretiska modeller genom att leverera en kända och reproducerbara optisk miljö att studera photon migration^12,13,14,15.

I syfte att systemet kalibrering, kan fast optisk fantomer bestå av en enda homogen platta av härdade polymer med optisk scattering, absorption eller fluorescens ögonen öppna för våglängderna av intresse. Layered polymer fantomer används ofta för att efterlikna djupvariationen för vävnad optiska egenskaperna i epitelvävnad modeller^16,17. Dessa fiktiva strukturer är tillräckligt för epitelial imaging och modellering, eftersom vävnad struktur är ganska homogen genom varje lager. Större skala och mer komplexa strukturer påverkar dock radiative transport i andra organ. Metoder för att skapa mer komplexa fantomer har utvecklats för att simulera optiska miljön av subkutan blodkärl^18,19 och även hela organ, som urinblåsan²⁰. Modellering ljus transport i lungorna ger en unik problem på grund av förgrenade strukturen av gränssnittet luft-vävnad; en solid phantom skulle sannolikt replikeras inte radiative transport i organ exakt²¹. För att beskriva en metod för att införliva komplex struktur i en optisk phantom, beskriver vi en metod för att skapa en inre, reproducerbara fraktal-träd ogiltiga som representerar tredimensionella (3D) makroskopisk struktur av luftvägarna (figur 1).

3D-utskrift har blivit en dominerande metoden för rapid prototyping av medicintekniska produkter och modeller²²i de senaste decennierna, och optisk vävnad phantoms är inget undantag. 3D-utskrift har använts som ett verktyg för additiv tillverkning för fabricera optiska fantomer med kanaler²³, blodkärl nätverk²⁴och hela kroppen små djurmodeller²⁵. Dessa metoder använder en eller två tryckmaterial med unika optiska egenskaper. Metoder har också utvecklats för att finjustera de optiska egenskaperna av utskrift material att efterlikna allmänna, grumlig biologisk vävnad^25,26. Spänna av uppnåeliga optiska egenskaper är dock begränsad av utskrift material, vanligtvis en polymer såsom akrylnitril butadien styren (ABS)²⁶, så denna metod inte är lämplig för alla biologiska vävnader. Polydimetylsiloxan (PDMS) är ett optiskt klart polymer som lätt kan blandas med spridning och absorberande partiklar med en högre nivå av tunability^27,28. PDMS har också använts till mögel fantomer med aneurysm modeller för distribution av emboliska enheter^29,30. Dessa fantomer också utnyttja en dissolvable 3D tryckt del, men förbli optiskt klar för att visualisera enhet distribution. Här kombinerar vi denna metod med tunability optiska egenskaper av PDMS med spridning och absorberande partiklar att fabricera en preliminär modell av vävnad och luftvägarna av murina lungan.

Medan den phantom som presenteras här är specifika för lungorna, kan processen tillämpas på en mängd andra organ. 3D-utskrift av den interna strukturen av Fantomen tillåter utformningen att vara anpassningsbar för alla ändamål och utskrivbara skala, oavsett om det är en blod eller lymfa fartyg nätverk, benmärg eller ens fyra kamrar strukturen för hjärtat³¹. Eftersom vi är intresserade av optisk imaging och modellering av det lung^32,33,34, har vi valt för att använda en four generations fraktal-träd som den interna strukturen för att replikera inom polymeren phantom. Denna struktur var avsedd att ungefärliga förgrenade strukturen i luftvägarna och har bryta-bort stödmaterial för 3D utskriftsprocessen. En mer anatomiskt korrekt luftväg kunde skrivas om bryta-bort stödmaterial inte är nödvändigt. Även om just denna modell representerar en luftväg, har inte den interna strukturen av Fantomen att förbli ett materiellt tomrum. När omgivande polymeren är botad och 3D-utskrivna delen upplösas, kan den interna strukturen användas som en flöde väg eller som sekundär gjutform för ett material med egen unik absorption och spridning egenskaper. Till exempel om den interna strukturen från detta protokoll är konstruerad som en digital ben i stället för en luftväg, kunde benstrukturen vara 3D tryckt, gjutna med PDMS med optiska egenskaper av fingret, och sedan upplöst ur Fantomen. Void kan sedan fyllas med en PDMS blandning med olika optiska egenskaper. Dessutom är varje mögel inte begränsad till en enda dissolvable del. En fantom av fingret kunde skapas för att inkludera ben, vener, artärer och en allmän mjuk vävnad skikt, alla med sin egen unika optiska egenskaper.

Protocol

1. urval och verifiering av Matrix materialegenskaper Innan du börjar hitta phantom tillverkningsprocessen (figur 1), absorption och minskad spridning koefficienter för den biologiska vävnaden av intresse på den imaging wavelength(s). Preliminära uppskattningar kan hittas i de referenser35,36. Validering av optiska koefficienter kan dock vara nödvändigt. Med tabellerna look-up för absorptionskoefficienten …

Representative Results

För att demonstrera den phantom tillverkningstekniken, mus lunga vävnad vålnader var fabricerade för att simulera uppmätta optiska egenskaper av exciderad friska och inflammerade murina lungvävnad på 535 nm (tabell 5). Denna våglängd av intresse är excitation våglängden för tdTomato fluorescerande protein används i rekombinant reporter stammar av mykobakterier i tidigare studier33. Optiska mätningar av mus lungvävnad erhölls med de…

Discussion

Vi har visat en metod för att skapa optiska fantomer för att representera en murin lunga med en intern förgrenade struktur att simulera gränssnittet inre luft-vävnad. De optiska egenskaperna av murina lungvävnad uppnås genom att införliva unik koncentrationer av optiskt spridning och absorberande partiklar som distribueras likartad inom bulk matrix polymeren. Dessa optiska egenskaper kan stämmas för att efterlikna de fysiologiska värdena inom olika spektrala spänner av vävnader i olika stater (dvs f…

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