マクロを含む光の組織ファントムの作製と評価
Summary
光の組織ファントムは、校正と光学イメージング システムの評価と理論モデルの検証の基本ツールです。この記事は、組織の光学特性と 3次元組織構造のレプリケーションを含むファントムの作製法を詳しく説明します。
Abstract
新しい光学イメージング技術の急速な発展、低コスト、カスタマイズ可能で、容易に再現できる基準の可用性に依存します。イメージング環境をレプリケートすることによりテクニックを検証する高価な動物実験を回避する可能性があります。予測と体内と体外イメージング技術のパフォーマンスを最適化する光のような興味の組織には、サンプルのテストが必要です。組織模倣光ファントムは、評価、特性評価、または光学系のキャリブレーション標準を提供します。狭いスペクトルの範囲内の特定の組織型の光学特性を模倣する均質なポリマー光の組織ファントム広く使用されます。表皮や真皮などの層状組織は、単にこれらの均質なスラブのファントムを積み重ねることによってまねることができます。しかし、多くの生体内イメージング技術が、組織欠損や気道、血管などの三次元構造がイメージング システムのパフォーマンスに影響を与えることができますより多くの複雑な空間的組織に適用されます。
このプロトコルでは、組織の光学特性を持つ材料を用いた三次元構造の複雑さを組み込んだ組織模倣のファントムの作製について説明します。ルックアップ テーブルは、光の吸収と散乱ターゲットの墨と二酸化チタンのレシピを提供します。特徴し、材料の光学特性を調整する方法を説明します。この資料で詳細なファントムの作製は内部分岐モック気道ボイド;しかし、技術は、他の組織や器官の構造に広く適用できます。
Introduction
組織ファントム、システム特性と超音波または核モダリティ1,2,3 を組み込んだマルチモダリティ システムを含む光学イメージングと分光機器の校正のため広く使用されて ,4。ファントムは、制御光環境システムの特性評価と複数のバイオ イメージング技術の品質管理を提供します。組織模倣ファントムがシステムのパフォーマンスの予測と生理学の作業手でのシステムの設計の最適化に便利なツールたとえば、腫瘍の評価用分光プローブのプロービングの深さを予測する5 を余白します。光学的性質とファントムの構造設計、楽器使用されます、したがってフィージビリティスタディやシステム パフォーマンス3の検証を可能にする特定の生理学的な環境を模倣するように調整できます。 6,7。イメージングの前臨床試験や臨床試験に入る前にリアルな光学ファントムとシステムのパフォーマンスの検証は、故障のリスクや生体内での研究中に使用不可能なデータの集録を低減します。再現性と光ファントムの安定性は、それらがさまざまな楽器での多施設共同の臨床試験を中心に、内間 instrument の変動を監視するための光学的手法のためのカスタマイズ可能な校正標準器演算子、および環境条件8,9。
組織模倣ファントムは、光学理論の検証のための可変で再現可能な物理モデルとしても使用。10,11を実験動物の必要性を低減しながら、シミュレーションは設計および生体内で光学機器の最適化支援します。開発と体内環境を正確に表す光学シミュレーションの妥当性は、組織構造、生化学的な内容、ターゲットや、体内組織の位置の複雑さによって妨げられることができます。被験者間変動動物または人間による挑戦的な理論的モデルの検証になります。高分子光の組織ファントム理論モデルの検証を光子移行12,13,14,15を研究するための知られており、再現可能な光環境を提供することによって可能にします。
システム校正を目的として光ファントムは光散乱、吸収、または関心の波長チューニング蛍光硬化ポリマーの単一均質なスラブで構成されます。層状高分子ファントムは頻繁、上皮性のティッシュのモデル16,17組織の光学特性の深さの分散を模倣するために使用されます。これらの幻の構造は、組織構造、各層を通じて極めて均質的なので上皮イメージングと形状モデリング、十分です。しかし、大規模で複雑な構造は、他の臓器における輻射輸送を影響します。複雑なファントムを作成するメソッドは、皮下血管18,19とも全臓器、膀胱20などの光環境をシミュレートするために開発されています。空気組織インターフェイスの分岐構造のため独特の問題は、肺の軽輸送のモデリング固体ファントムが可能性がレプリケートされない機関における輻射輸送正確に21。光学ファントムに複雑な構造を組み込むための方法を記述するには、(図 1) 気道の立体 (3 D) 巨視的構造を表す void 内部、再現可能なフラクタル ツリーを作成する方法をについて説明します。
過去数十年の医療機器のモデル22ラピッドプロトタイピングの優勢な方法となっている 3 D プリントと光の組織ファントムも例外ではありません。3 D プリントは、チャネル23、血管ネットワーク24全身小動物モデル25と光のファントムを製造するため、添加剤の製造ツールとして使用されています。これらのメソッドは、ユニークな光学特性を持つ 1 つまたは 2 つの印刷材料を使用します。メソッドは、一般的な濁った生体25,26を模倣する印刷材料の光学特性を調整する開発されています。ただし、このメソッドはすべての生体組織に適していないので、達成可能な光学特性の範囲は印刷物、アクリロニ トリルのブタジエンのスチレン (ABS)26など通常のポリマーによって制限されます。ポリジメチルシロキサン (PDMS) は、容易に散乱・吸収で高い可変性27,28粒子と混合することができる光学的に透明ポリマーです。PDMS はまた動脈瘤塞栓デバイス29,30の展開モデルのファントムを金型に使用されています。これらのファントムも溶ける 3 D プリント パーツを利用が、光学デバイスの展開を可視化するための明確なまま。ここでは、組織の予備的モデルとマウス肺の気道を作製する散乱粒子を吸収と PDMS の光学特性の可変性このメソッドと組み合わせています。
紹介ファントムは肺に固有ですが、プロセスは様々 な他の臓器に適用できます。幻の内部構造の 3 D プリントは、かどうかは、血液またはリンパ血管網、骨髄、または心31の 4 のチェンバード構造も目的と印刷可能なスケール、カスタマイズできるようにデザインできます。光学イメージングおよび肺32,33,34のモデリングに興味がある、ので、ファントムの高分子内のレプリケートを内部構造として 4 世代フラクタル ツリーを使用しました。この構造体は、3 D 印刷プロセスのブレーク離れてサポート材料をして気道の分岐構造を近似設計されました。休憩離れてサポート素材が必要ない場合、もっと解剖学的に正しい気道を印刷できます。この特定のモデルは、気道を表しているが、幻の内部構造は材料のボイドを維持するはありません。周囲のポリマーを硬化させるし、3 D プリント パーツを解散、一度内部の構造使用できますフロー経路、またはセカンダリ金型として独自のユニークな吸収と散乱特性を持つ材料の。たとえば、この議定書から内部の構造をデジタル骨には、気道ではなく設計した、骨の構造は 3 D 印刷、PDMS、指の光学的性質と成形し、怪人のうち、溶解にかもしれない。ボイドは異なる光学特性と PDMS の混合物と、満たされることが。また、各金型は単一の溶ける部品に限定ではありません。指のファントムを作成して、骨、静脈、動脈、それぞれ独自のユニークな光学特性を持つ一般的な軟部組織層などでした。
Protocol
Representative Results
Discussion
内部空気組織インターフェイスをシミュレートするために内部の分岐構造を持つマウス肺を表す光のファントムを作成する方法を説明してきました。マウス肺組織の光学特性は、光散乱・吸収ゆく一括マトリックス高分子内分散粒子のユニークな濃度を組み込むことによって達成されます。これらの光学特性は、さまざまな状態 (すなわち病気の組織と健康な) 組織の異なったスペクト…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は国立科学財団のキャリアによって支えられた賞なし。あわせて 1254767 と国立研究所のアレルギーと感染症なしを付与します。R01 AI104960。我々 は感謝して援助特性評価測定とテキサス A & M の心血管の病理学研究室マイクロ CT イメージングのためのパトリック · グリフィンとダンを認めます。
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 |
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