Fabrication et caractérisation des fantômes de tissu optique contenant la Macrostructure

Summary

Fantômes de tissu optique sont des outils essentiels pour le calibrage et la caractérisation des systèmes d’imagerie optiques et validation de modèles théoriques. Cet article décrit une méthode de fabrication fantôme qui inclut la réplication des propriétés optiques de tissu et structure du tissu en trois dimensions.

Abstract

Le développement rapide de nouvelles techniques d’imagerie optiques dépend de la disponibilité des normes peu coûteux, personnalisables et facilement reproductibles. En reproduisant l’environnement d’imagerie coûteuses expérimentations animales pour valider une technique peuvent être contournées. Prévoir et optimiser les performances de in vivo et ex vivo , techniques d’imagerie nécessitent l’analyse des échantillons optiquement semblables aux tissus d’intérêt. Tissus imitant des fantômes optiques fournissent une norme pour l’évaluation, caractérisation ou calibrage d’un système optique. Phantoms de tissu optique polymère homogène sont largement utilisés pour reproduire les propriétés optiques d’un type spécifique de tissu dans une fourchette étroite de spectral. Couches de tissus, tels que l’épiderme et le derme, peuvent être imités par empilage simplement ces fantômes dalle homogène. Cependant, beaucoup en vivo de techniques d’imagerie est appliqués pour les tissus plus complexes dans l’espace où les structures tridimensionnelles, comme les vaisseaux sanguins, voies respiratoires ou les défauts de tissu, peuvent affecter les performances du système d’imagerie.

Ce protocole décrit la fabrication d’un tissu imitant fantôme qui incorpore la complexité de la structure en trois dimensions à l’aide de matériaux avec des propriétés optiques des tissus. Tables de recherche fournissent des recettes de l’encre de Chine et du dioxyde de titane pour l’absorption optique et les objectifs de diffusion. Méthodes pour caractériser et régler les propriétés optiques du matériau sont décrites. La fabrication fantôme détaillée dans cet article a un vide interne de simulacre de voies aériennes ramifiées ; Cependant, la technique peut être largement appliquée à d’autres structures de tissu ou un organe.

Introduction

Fantômes de tissus sont largement utilisés pour la caractérisation du système et l’étalonnage des instruments d’imagerie et la spectroscopie optique, y compris les systèmes de multimodalité incorporant des ultrasons ou des modalités nucléaire^{1,2,3 ,4}. Fantômes fournissent un environnement contrôlé optique pour la caractérisation du système et de contrôle de la qualité de plusieurs techniques d’imagerie biologiques. Tissus imitant les fantômes sont des instruments utiles pour prédire le rendement du système et optimiser la conception du système pour la tâche physiologique à portée de main ; par exemple, pour prévoir la profondeur détection des sondes spectroscopiques pour l’évaluation tumorale marges⁵. Propriétés optiques et la conception structurale des fantômes peuvent être ajustées pour imiter l’environnement physiologique spécifique dans lequel l’instrument sera utilisé, ce qui permet pour les études de faisabilité et vérification de performance de système^{3, 6,7}. Vérification de la performance du système avec les phantoms optiques réalistes avant d’entrer dans les essais précliniques ou cliniques d’imagerie permet de réduire le risque de dysfonctionnement ou d’acquisition de données inutilisables lors des études in vivo . La reproductibilité et la stabilité des fantômes optiques rendent personnalisable étalons pour des techniques optiques suivre la variabilité intra – et inter – instrument, en particulier dans des essais cliniques multicentriques avec différents instruments, opérateurs et les conditions environnementales^8,9.

Tissus imitant fantômes servent aussi accordables et reproductibles des modèles physiques pour la validation des modèles théoriques de l’optiques. Simulations d’aide à la conception et l’optimisation d’in vivo des instruments optiques, tout en réduisant le besoin d’animal experiments^10,11. Le développement et la validation des simulations optiques pour représenter avec précision l’environnement in vivo peuvent être grevés par la complexité de la structure du tissu, le contenu biochimique et l’emplacement de la cible ou les tissus dans le corps. La variabilité entre les sujets rend la validation des modèles théoriques difficiles en utilisant des mesures animales ou humaines. Fantômes optiques tissu polymère permettant la validation des modèles théoriques en fournissant un environnement optique connu et reproductible permettant d’étudier les photons migration^12,13,14,15.

Aux fins du système de calibrage, fantômes optiques solides peuvent consister en une simple dalle homogène de polymère durcie avec la dispersion optique, l’absorption ou la fluorescence à l’écoute pour les longueurs d’onde d’intérêt. Couches de polymère fantômes sont fréquemment utilisés pour imiter la variation de la profondeur des propriétés optiques des tissus dans le tissu épithélial modèles^16,17. Ces structures fantômes sont suffisants pour épithéliales d’imagerie et modélisation, parce que la structure du tissu est assez homogène à travers chaque couche. Cependant, la plus grande échelle et des structures plus complexes affectent transport radiatif dans d’autres organes. Méthodes pour créer des fantômes plus complexes ont été développés pour simuler l’environnement optique des vaisseaux sous-cutanés^18,19 et organes même entiers, tels que la vessie²⁰. Transport léger dans les poumons de modélisation fournit un problème unique en raison de la structure de ramification de l’interface air-tissu ; un fantôme solid pas probablement reproduirait transport radiatif dans l’organe exactement²¹. Pour décrire une méthode pour intégrer un fantôme optique de structure complexe, les auteurs décrivent une méthode pour créer une arborescence de l’intérieur, reproductible fractal Sub qui représente la structure macroscopique de tridimensionnelle (3D) des voies aériennes (Figure 1).

Dans les dernières décennies, l’impression 3D est devenue une méthode prédominante pour le prototypage rapide des dispositifs médicaux et les modèles²²et fantômes tissu optique ne font pas exception. Impression 3D a servi comme un outil de fabrication additive pour la fabrication de fantômes optiques avec les canaux²³vaisseaux sanguins réseaux²⁴et confiné petits modèles animaux²⁵. Ces méthodes utilisent un ou deux matériaux d’impression ayant des propriétés optiques uniques. Méthodes ont également été développées pour ajuster les propriétés optiques du matériau d’impression pour imiter des tissus biologiques générales, trouble^25,26. Cependant, la gamme des propriétés optiques réalisables sont limités par le matériel d’impression, habituellement un polymère comme acrylonitrile butadiène styrène (ABS)²⁶, donc cette méthode ne consiste pas pour tous les tissus biologiques. Polydiméthylsiloxane (PDMS) est un polymère transparent qui peut être facilement mélangé à la diffusion et d’absorber les particules avec un niveau plus élevé d’accordabilité^27,28. PDMS a également été utilisé pour mouler les fantômes avec des modèles d’anévrisme pour déploiement de dispositifs embolique^29,30. Ces fantômes aussi utilisent une partie imprimée 3D soluble, mais restent optiquement clair pour la visualisation de déploiement de périphérique. Ici, nous combinons cette méthode avec accordabilité des propriétés optiques de diffusion et d’absorber les particules le PDMS pour fabriquer un modèle préliminaire du tissu et des bronches du poumon murin.

Alors que le fantôme présenté ici est spécifique aux poumons, le processus peut être appliqué à une variété d’autres organes. Impression 3D de la structure interne du fantôme permet la conception d’être personnalisable à n’importe quel usage et imprimable échelle, que ce soit un sang ou réseau de vaisseau lymphatique, la moelle osseuse ou même la structure chambré quatre du coeur³¹. Parce que nous sommes intéressés par imagerie optique et la modélisation des poumons^32,33,34, nous avons opté pour utiliser un arbre fractal de quatre générations comme la structure interne de répliquer dans le polymère fantôme. Cette structure a été conçue pour approcher la structure de ramification des voies respiratoires et avoir le matériel de support amovible pour le procédé d’impression 3D. Une voies aériennes plus anatomiquement correct pourraient être imprimé si le matériau de support amovible n’est pas nécessaire. Bien que ce modèle particulier représente une voie aérienne, la structure interne du fantôme n’a pas à rester un vide important. Une fois que le polymère environnant est soignée et la partie imprimée 3D est dissoute, la structure interne peut être utilisée comme une voie de circulation ou un moule secondaire pour un matériau avec sa propre absorption unique et des caractéristiques de dispersion. Par exemple, si la structure interne de ce protocole a été conçue comme un OS numérique plutôt qu’une voie aérienne, la structure osseuse pourrait être 3D imprimé moulé avec PDMS avec les propriétés optiques du doigt et dissous puis par le fantôme. Le vide pourrait alors être rempli d’un mélange PDMS avec des propriétés optiques différentes. En outre, chaque moule n’est pas limitée à une seule partie soluble. Un fantôme du doigt pourrait être créé afin d’inclure les os, les veines, artères et une couche de tissu mou générales, chacune avec ses propres propriétés optiques uniques.

Protocol

1. sélection et vérification des propriétés matérielles de la matrice Avant de commencer le processus de fabrication fantôme (Figure 1), recherchez l’absorption et les coefficients de diffusion réduite pour les tissus biologiques d’intérêt à l’imagerie wavelength(s). Estimations préliminaires se trouvent dans les références35,,36. Toutefois, la validation des coefficients optiques peut être nécessaire.<…

Representative Results

Pour illustrer la technique de fabrication fantôme, fantômes de tissus pulmonaires souris ont été fabriqués sur mesure afin de simuler les propriétés optiques mesurées du tissu d’excisés pulmonaire murine sain et enflammée à 535 nm (tableau 5). Cette longueur d’onde d’intérêt est la longueur d’onde d’excitation pour tdTomato protéine fluorescente utilisée dans les souches recombinantes journaliste de mycobactéries dans les précédentes études<s…

Discussion

Nous avons démontré une méthode pour créer des fantômes optiques afin de représenter un poumon murin avec une structure de ramification interne pour simuler l’interface air-tissu interne. Les propriétés optiques du tissu pulmonaire murin sont obtenues en incorporant des concentrations uniques de diffusion optiquement et d’absorber les particules distribuées homogène au sein du polymère de matrice en vrac. Ces propriétés optiques peuvent être ajustées pour imiter les valeurs physiologiques au sein des d…

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