Fabricación y caracterización de tejido óptico fantasmas que contiene macroestructura

Summary

Fantasmas de tejido óptico son herramientas esenciales para la calibración y caracterización de sistemas de proyección de imagen ópticos y validación de modelos teóricos. Este artículo detalla un método para la fabricación de fantasma que incluye replicación de propiedades ópticas del tejido y estructura tridimensional del tejido.

Abstract

El rápido desarrollo de nuevas técnicas de imagen ópticas depende de la disponibilidad de estándares de bajo costo, personalizables y fácilmente reproducibles. Al replicar el entorno de imagen, pueden eludirse costosos experimentos con animales para validar una técnica. Predecir y optimizar el rendimiento de en vivo y ex vivo , técnicas de imagen requieren pruebas en muestras que son ópticamente similares a los tejidos de interés. Fantasmas ópticos imitan tejido proporcionan un estándar para la evaluación, caracterización y calibración de un sistema óptico. Fantasmas de polímero homogéneo tejido óptico son ampliamente utilizados para imitar las propiedades ópticas de un tipo de tejido específico dentro de un rango espectral estrecho. Capas de tejidos, como la epidermis y la dermis, pueden mímico simplemente apilando estos fantasmas de losa homogénea. Sin embargo, muchos en vivo las técnicas de imagen se aplican a más del tejido espacial complejo donde tres estructuras dimensionales, tales como vasos sanguíneos, vías respiratorias o defectos de tejido, pueden afectar al rendimiento del sistema de proyección de imagen.

Este protocolo describe la fabricación de un fantasma imitando tejido que incorpora complejidad estructural tridimensional usando un material de propiedades ópticas del tejido. Tablas de consulta proporcionan recetas de tinta de la India y dióxido de titanio para objetivos de dispersión y absorción óptica. Se describen los métodos para caracterizar y ajustar las propiedades ópticas del material. El fantasma fabricación detallada en este artículo tiene un vacío interno de falsa vía aérea ramificación; sin embargo, la técnica puede aplicarse ampliamente a otras estructuras de tejido u órgano.

Introduction

Fantasmas de tejido se utilizan ampliamente para la caracterización del sistema y la calibración de instrumentos ópticos de proyección de imagen y espectroscopia, incluyendo sistemas multimodalidad con ultrasonido o modalidades nucleares^{1,2,3 ,4}. Fantasmas proporcionan un control entorno óptico para la caracterización del sistema y control de calidad de múltiples técnicas de imagen biológicas. Tejido imitando los fantasmas son útiles en predecir el rendimiento del sistema y optimizar el diseño del sistema para la tarea fisiológica; por ejemplo predecir la profundidad que sondaba de sensores espectroscópicos para evaluar tumor márgenes de⁵. Propiedades ópticas y diseño estructural de los fantasmas pueden ser afinadas para imitar el entorno fisiológico específico en el cual se utilizará el instrumento, permitiendo, por tanto, para estudios de factibilidad y de verificación del sistema de rendimiento^{3, 6,7}. Verificación del rendimiento del sistema con fantasmas ópticos realista antes de entrar en los ensayos preclínicos o clínicos de imagen reduce el riesgo de mal funcionamiento o la adquisición de datos inutilizables durante estudios en vivo . La reproducibilidad y estabilidad de fantasmas ópticos hacen estándares de calibración personalizables de técnicas ópticas controlar la variabilidad de intra y inter instrument, particularmente en ensayos clínicos multicéntricos con diferentes instrumentos, operadores y condiciones ambientales^8,9.

Fantasmas de tejido imitando también sirven como modelos físicos armoniosas y reproducibles para la validación de los modelos teóricos de ópticos. Simulaciones de ayuda en el diseño y optimización de en vivo los instrumentos ópticos, mientras que reduce la necesidad de animal experimentos^10,11. El desarrollo y validación de las simulaciones ópticas para representar fielmente el ambiente en vivo pueden ser estorbadas por la complejidad de la estructura del tejido, el contenido bioquímico y la localización de la blanco o el tejido dentro del cuerpo. Variabilidad entre sujetos hace validación de modelos teóricos difíciles utilizando mediciones de animales o humanas. Fantasmas de tejido óptico del polímero permiten validación de modelos teóricos proporcionando un entorno óptico conocido y reproducible en la que para el estudio del fotón migración^12,13,14,15.

Con el fin de la calibración del sistema, fantasmas ópticos sólidos pueden consistir en una sola losa homogénea de polímero curado con la dispersión óptica, absorción o fluorescencia para las longitudes de onda de interés. Capas de polímero fantasmas se utilizan con frecuencia para simular la variación de la profundidad de las propiedades ópticas del tejido en el tejido epitelial modelos^16,17. Estas estructuras fantasmas son suficientes para la proyección de imagen epitelial y modelado, porque la estructura del tejido es bastante homogénea a través de cada capa. Sin embargo, la escala más grande y estructuras más complejas afectan transporte radiativo en otros órganos. Métodos para crear fantasmas más complejos se han desarrollado para simular el entorno óptico de vasos subcutáneos^18,19 y órganos aun enteros, como el de vejiga²⁰. Modelado de transporte ligero en los pulmones proporciona un problema singular debido a la estructura ramificada de la interfaz de aire tejido; un fantasma sólido no es probable que replicar transporte radiativo en el órgano exactamente²¹. Para describir un método para incorporar un fantasma óptico de estructura compleja, se describe un método para crear un árbol fractal interna, reproducible vacío que representa la estructura macroscópica de tridimensional (3D) de la vía aérea (figura 1).

En las últimas décadas, impresión 3D se ha convertido en un método predominante para la creación rápida de prototipos de dispositivos médicos y modelos²²y fantasmas de tejido óptico no son la excepción. Impresión 3D se ha utilizado como una herramienta de fabricación aditiva para la fabricación de ópticos fantasmas con canales²³, vaso sanguíneo redes²⁴y modelos animales pequeños de cuerpo entero²⁵. Estos métodos utilizan uno o dos materiales de impresión con características ópticas únicas. Métodos también se han desarrollado para afinar las propiedades ópticas del material de impresión para imitar el tejido biológico general, turbio^25,26. Sin embargo, la gama de propiedades ópticas alcanzables están limitados por el material de la impresión, generalmente un polímero como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)²⁶, por lo que este método no es adecuado para todos los tejidos biológicos. Polidimetilsiloxano (PDMS) es un polímero ópticamente transparente que puede ser fácilmente mezclado con dispersión y absorción de partículas con un alto nivel de afinabilidad^27,28. PDMS también se ha utilizado para moldear los fantasmas con modelos de aneurisma para el despliegue de dispositivos embolic^29,30. Estos fantasmas también utilizan una parte impresa 3D soluble, pero siendo ópticamente transparente para visualizar el despliegue del dispositivo. Aquí, se combina este método con afinabilidad de las propiedades ópticas de PDMS con dispersión y absorción de partículas para la fabricación de un modelo preliminar del tejido y las vías respiratorias de los pulmones murinos.

Mientras que el fantasma que se presenta aquí es específico a los pulmones, el proceso puede aplicarse a una variedad de otros órganos. Impresión 3D de la estructura interna del fantasma permite el diseño para ser personalizables para cualquier propósito y escala para imprimir, ya sea sangre o red de vasos linfáticos, médula ósea o incluso las cuatro cámaras estructura del corazón³¹. Porque estamos interesados en la proyección de imagen óptica y modelado del pulmón^32,33,34, se ha optado para usar un árbol de cuatro generación fractal como la estructura interna para replicar en el polímero fantasma. Esta estructura fue diseñada para aproximar la estructura de ramificación de la vía aérea y ruptura de apoyo material para el proceso de impresión 3D. Una vía aérea más anatómicamente correcta podría ser impreso si el material de apoyo de ruptura no es necesario. Aunque este modelo en particular representa una vía aérea, la estructura interna del fantasma no tiene que permanecer un vacío material. Una vez que el polímero circundante se cura y se disuelve la parte impresa 3D, la estructura interna puede utilizarse como una vía de flujo o como un molde secundario para un material con características de dispersión y absorción única. Por ejemplo, si la estructura interna de este protocolo fue diseñada como un hueso digital en lugar de una vía aérea, la estructura ósea podría ser 3D impreso moldeado con PDMS con propiedades ópticas de los dedos y entonces disuelto fuera el fantasma. El vacío puede ser rellenado con una mezcla PDMS con propiedades ópticas diferentes. Además, cada molde no se limita a una sola parte soluble. Un fantasma del dedo podría crearse para incluir huesos, venas, arterias y una capa general de tejido blando, cada uno con sus propias propiedades ópticas únicas.

Protocol

1. selección y verificación de las propiedades del Material matriz Antes de iniciar el proceso de fabricación fantasma (figura 1), encuentra la absorción y los coeficientes de dispersión reducida de los tejidos biológicos de interés en la proyección de imagen wavelength(s). Las estimaciones preliminares pueden encontrarse en las referencias35,36. Sin embargo, la validación de los coeficientes ópticos puede ser nec…

Representative Results

Para demostrar la técnica de fabricación de fantasma, fantasmas de tejido de pulmón de ratón fueron fabricados para simular medidas propiedades ópticas del tejido suprimido pulmones murinos sanos e inflamados en 535 nm (tabla 5). Esta longitud de onda de interés es la longitud de onda de excitación de tdTomato proteína fluorescente utilizada en cepas recombinantes de reportero de micobacterias en anteriores estudios33. Mediciones ópticas d…

Discussion

Hemos demostrado un método para crear fantasmas ópticos para representar un pulmón murino con una estructura de ramificación interna para simular la interfaz de aire-tejido interno. Las propiedades ópticas del tejido pulmonar murino se logran mediante la incorporación de concentración única de ópticamente dispersando y absorbiendo partículas distribuidas homogéneamente en el polímero de matriz a granel. Estas propiedades ópticas pueden ajustarse para imitar los valores fisiológicos dentro de diversas gamas …

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