Agarose gebaseerde weefsel nabootsen van optische Phantoms voor Diffuse reflectie spectroscopie

Summary

Hier, we laten zien hoe optische phantoms agarose gebaseerde nabootsen van weefsel worden gemaakt en hoe hun optische eigenschappen worden bepaald met behulp van een conventionele optische systeem met een bolfotometer.

Abstract

Dit protocol wordt beschreven hoe u agarose gebaseerde weefsel nabootsen fantomen en laat zien hoe om te bepalen hun optische eigenschappen met behulp van een conventionele optische systeem met een bolfotometer. Meetinstallaties voor de overname van de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra worden geconstrueerd met een breedband witte lichtbron, een lichtgeleider, een achromatische lens, een bolfotometer, een monsterhouder, een optische vezel sonde, en een meerkanaals spectrometer. Een acryl schimmel, bestaande uit twee rechthoekige acryl stukken en een U-vormige acryl stuk is gebouwd om te maken een epidermale phantom en een dermale phantom met volbloed. De toepassing van een natrium-dithioniet (Na₂S₂O₄)-oplossing op de dermale phantom in staat stelt de onderzoeker naar deoxygenate hemoglobine in rode bloedcellen in de dermale phantom verspreid. De inverse Monte Carlo simulatie met de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra gemeten door een spectrometer met een bolfotometer is uitgevoerd om te bepalen van de absorptie coëfficiënt spectrum µ_een(λ) en de verminderd verstrooiing coëfficiënt spectrum µ_s‘ (λ) van elke laag phantom. Een twee-lagen phantom nabootsen van de diffuse reflectie van menselijke huidweefsel wordt ook aangetoond door het opstapelen van de epidermale phantom op de dermale phantom.

Introduction

Optische fantomen zijn objecten nabootsen van de optische eigenschappen van biologische weefsels en hebben op grote schaal gebruikt op het gebied van de biomedische optica. Ze zijn zo ontworpen dat de optische eigenschappen, zoals licht verstrooiing en absorptie coëfficiënten, met die van levende menselijke en dierlijke weefsels overeenkomen. Optische phantoms worden meestal gebruikt voor de volgende doeleinden: het lichte transport in biologische weefsels, kalibreren van een nieuw ontwikkelt optisch systeemontwerp, evaluatie van de kwaliteit en de prestaties van bestaande systemen, vergelijken van de prestaties simuleren tussen systemen, en het vermogen van de optische methodes te kwantificeren van de optische eigenschappen^1,2,3,4,5te valideren. Daarom, gemakkelijk-aan-get stoffen, een eenvoudige productie-procédé, een hoge reproduceerbaarheid en een optische stabiliteit zijn vereist voor het maken van optische fantomen.

Verschillende soorten optische phantoms met verschillende basismaterialen zoals waterige suspensie⁶, gelatine gel⁷, agarose gel^8,9,10, polyacrylamidegel¹¹, hars^{12, 13,14,15,16}, en kamer-temperatuur-vulcanizing siliconen¹⁷ zijn gemeld in de vorige literatuur. Er werd gemeld dat gelatine en alginaat-gebaseerde gels nuttig voor optische phantoms met heterogene structuren^{18 zijn}. Alginaat phantoms hebben een geschikte mechanische en thermische stabiliteit voor de evaluatie van de effecten van de photothermal zoals laser ablatie studies en hyperthermie laser gebaseerde studies¹⁸. Agarose gel hebben de mogelijkheid om het fabriceren van de heterogene structuren en hun mechanische en fysische eigenschappen zijn stabiel voor een lange tijd¹⁸. Hoge zuiverheid agarose gel hebben een zeer lage turbiditeit en een zwakke optische absorptie. Daarom zou de optische eigenschappen van agarose gebaseerde phantoms gemakkelijk worden ontworpen met het juiste licht verstrooiing en het absorberen van agenten. Onlangs, styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) blok copolymeren¹⁹ en PVC (polyvinylchloride) gels²⁰ hebben gemeld als interessante phantom materialen voor optische en photoacoustic technieken.

Polymeer microsferen^7,12,21,22, titanium-oxide poeder¹en lipide emulsies^23,24,25,26 zoals melk en lipide emulsie zijn gebruikt als gemachtigden van de verstrooiing van licht, terwijl zwarte inkt^27,28 en moleculaire kleurstoffen^29,30 als lichte absorptieflessen worden gebruikt. Diffuse reflectie spectra van de meeste levende organen worden gedomineerd door de absorptie van zuurstofrijk en gedeoxygeneerd hemoglobine in rode bloedcellen. Daarom hemoglobine oplossingen^31,32 en volbloed^8,9,10,33,36 worden vaak gebruikt als lichte absorptieflessen in de Phantoms voor een diffuse reflectie spectroscopie en multispectrale beeldbewerking.

De in dit artikel beschreven methode wordt gebruikt voor het maken van een optische phantom nabootsen het licht vervoer in biologische weefsels en te karakteriseren van de optische eigenschappen. Als voorbeeld, een twee-lagen optische phantom nabootsen optische eigenschappen van menselijke huidweefsel wordt aangetoond. De voordelen van deze methode ten opzichte van alternatieve technieken zijn de capaciteit om te vertegenwoordigen diffuse reflectie spectra van levende biologische weefsels in de zichtbaar voor nabij-infrarood golflengte gebied, evenals de eenvoud te maken, met behulp van gemakkelijk beschikbaar materialen en conventionele optische instrumenten. Daarom zullen de optische phantoms gemaakt volgens deze methode nuttig is voor de ontwikkeling van optische methodes op basis van diffuse reflectie spectroscopie en multispectrale beeldvorming.

Protocol

1. bouw van een conventionele Diffuse reflectie en totale doorlatingsfactor spectroscopische systeem Opmerking: Bouw van de meetsystemen voor de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra met behulp van een breedband witte lichtbron, een lichtgeleider, een achromatische lens, een bolfotometer, een monsterhouder, een optische vezel en een meerkanaals-spectrometer. De rol van de lichtvanger is de spiegelende reflectie om onderdeel te verwijderen uit het spectrum van de reflectie. De …

Representative Results

Figuur 3 toont de representatieve geschatte spectra van de coëfficiënt verlaagd verstrooiing en de d’absorption acoustique voor de epidermale phantom en de dermale phantom. De resultaten afgebeeld in Figuur 3 worden de gemiddelden van tien metingen van de reflectiecoëfficiënt zowel doorlating spectra. De verminderde verstrooiing coëfficiënt µs’ heeft een spectrum van brede verstrooiing, vertone…

Discussion

De meest kritische stap in dit protocol is de temperatuurregeling van het basismateriaal. De temperatuur te handhaven het basismateriaal varieerden van 58 tot 60 ° C. Als de temperatuur meer dan 70 ° C is, treedt er een denaturatie van zowel de lipide-emulsie en de volbloed. Dientengevolge, zal de optische eigenschappen van de phantom verslechteren. Als de temperatuur lager dan 40 ° C, het basismateriaal ununiformly gegeleerde zal worden en dus de licht verstrooiing en absorptie-agenten in de phantom ongelijkmatig zul…

Materials

150-W halogen-lamp light source	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LA-150SAE
Light guide	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LGC1-5L1000
Integrating Sphere	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	RT-060-SF
Port adapter	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	PA-050-SMA-SF
Light trap	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	SRS-99-020
Optical fiber	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	USB2000
Achromatic lens	Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan	ACL-50-75M
Intralipid	Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden	Intralipid 10%
Coffee (Blendy Mocha Blend Regular Coffee)	Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan	Unavailable
Whole blood	Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan	0103-2
Agarose	Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan	NE-AG02
Cooking heater	TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan	HP-103K