Herstellung und Charakterisierung von optischen Gewebe Phantome, die Makrostruktur enthalten
Summary
Optische Gewebe Phantome sind unverzichtbare Werkzeuge für Kalibrierung und Charakterisierung von optischen bildgebenden Systemen und Validierung von theoretischen Modellen. Dieser Artikel beschreibt eine Methode für die phantom Fertigung, die Replikation von optischen Gewebeeigenschaften und dreidimensionale Gewebestruktur enthält.
Abstract
Die rasante Entwicklung der neuen optischen bildgebenden Verfahren ist abhängig von der Verfügbarkeit von kostengünstigen, anpassbar und leicht reproduzierbare Standards. Durch die Replikation der bildgebenden Umwelt, können kostspielige Tierversuche, eine Technik zu validieren umgangen werden. Vorhersage und Optimierung der Performance von in Vivo und Ex Vivo bildgebende Verfahren erfordert Tests an Proben, die optisch ähnlich zu den Geweben von Interesse sind. Gewebe-Nachahmung optische Phantome bieten einen Standard für die Bewertung, Charakterisierung und Kalibrierung eines optischen Systems. Homogene Polymer optische Gewebe Phantome werden häufig verwendet, um die optischen Eigenschaften eines bestimmten Gewebe-Typs in einem engen Spektralbereich zu imitieren. Mehrschichtige Gewebe wie die Epidermis und Dermis, können nachgeahmt werden, indem einfach stapeln diese homogene Platte Phantome. Jedoch sind viele in-Vivo Bildgebung auf mehr räumlich komplexe Gewebe angewendet wo drei dreidimensionale Strukturen, wie Blutgefäße, Atemwege oder Gewebedefekte, die Leistung des imaging Systems beeinträchtigen können.
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines Gewebes imitiert Phantoms, das dreidimensionale strukturelle Komplexität mit Material mit optischen Eigenschaften des Gewebes umfasst. Nachschlagetabellen bieten Tusche und Titandioxid Rezepte für optische Absorption und Streuung Ziele. Methoden zur Charakterisierung und optimieren die optischen Materialeigenschaften werden beschrieben. Die phantom Herstellung ausführlich in diesem Artikel hat eine interne Verzweigung mock Atemwege leere; die Technik ist jedoch weitgehend auf andere Gewebe oder Organ Strukturen einsetzbar.
Introduction
Gewebe-Phantome sind weit verbreitet für System-Charakterisierung und Kalibrierung von optischen Bildgebung und Spektroskopie Instrumenten, einschließlich der Multimodalität Systeme mit Ultraschall oder nuklearen Modalitäten1,2,3 ,4. Phantome bieten eine kontrollierte optische Umgebung für System-Charakterisierung und Qualitätskontrolle mehrere biologische bildgebender Verfahren. Gewebe-Nachahmung Phantome sind nützliche Werkzeuge in der Vorhersage der System-Performance und Optimierung der System-Design für die physiologische Aufgabe; zum Beispiel Margen zur Vorhersage der Sondierungstiefen spektroskopische Sonden für die Beurteilung der Tumor5. Optische Eigenschaften und Konstruktion der Phantome können abgestimmt werden, um die spezifische physiologische Umgebung zu imitieren, in der das Instrument verwendet werden wird, für Machbarkeitsstudien und Überprüfung der System Leistung3ermöglichen, 6,7. Überprüfung von imaging-System-Performance mit realistischen optische Phantome vor dem Betreten der präklinischen oder klinischer Studien vermindert das Risiko einer Fehlfunktion oder Datenerfassung unbrauchbar bei in Vivo Studien. Die Reproduzierbarkeit und die Stabilität des optischen Phantome machen sie anpassbare Kalibrierstandards für optische Technologien, Intra – und inter – instrument Variabilität, vor allem in multizentrischen klinischen Studien mit verschiedenen Instrumenten zu überwachen, Operatoren und Umweltbedingungen8,9.
Gewebe-Nachahmung Phantome dienen auch als abstimmbaren und reproduzierbare physikalische Modelle zur Überprüfung der theoretischen optischen Modellen. Simulationen-Hilfe bei der Gestaltung und Optimierung von in Vivo optischen Instrumenten, und reduzieren die Notwendigkeit für Tierversuche10,11. Die Entwicklung und Validierung von optische Simulationen um genau darzustellen, die in Vivo -Umgebung können durch die Komplexität der Gewebestruktur, die biochemische Inhalt und die Position des Ziels oder der Gewebe im Körper belastet werden. Variabilität zwischen Subjekten macht Validierung von theoretischen Modellen mit tierischen oder menschlichen Maßen eine Herausforderung. Polymer optische Gewebe Phantome ermöglichen Validierung von theoretischen Modellen durch die Bereitstellung einer bekannt und reproduzierbare optische Umfeld, in dem Photon Migration12,13,14,15zu studieren.
Zum Zweck der Kalibrierung des Systems können solide optische Phantome einer einzigen homogenen Platte des ausgehärteten Polymer optische Streuung, Absorption oder Fluoreszenz abgestimmt für die Wellenlängen von Interesse bestehen. Geschichteten Polymer Phantome häufig verwendet, um die Tiefe Varianz der optischen Gewebeeigenschaften in Epithelgewebe Modelle16,17zu imitieren. Diese phantom Strukturen sind ausreichend für epitheliale imaging und Modellierung, weil die Gewebestruktur durch jede Schicht relativ homogen ist. Größere und komplexere Strukturen beeinflussen jedoch Strahlungs Transport in andere Organe. Methoden zum Erstellen komplexer Phantome wurden entwickelt, um die optische Umgebung des subkutanen Blutgefäße18,19 und sogar ganze Organe wie die Blase20zu simulieren. Leichtes Transportflugzeug in der Lunge Modellierung bietet ein einzigartiges Problem aufgrund der Verzweigungsstruktur der Luft-Gewebe-Schnittstelle; eine solide Phantom würde nicht wahrscheinlich replizieren Strahlungs Transport in der Orgel genau21. Um eine Methode zur Integration von komplexen Struktur in eine optische Phantom beschreiben, beschreiben wir eine Methode zum Erstellen eines internen, reproduzierbare Fraktal-Baums nichtig, die dreidimensionale (3D) makroskopische Struktur der Atemwege (Abbildung 1) darstellt.
In den letzten Jahrzehnten 3D-Druck ist eine vorherrschende Methode für das rapid Prototyping von medizinischen Geräten und Modelle22geworden und optische Gewebe Phantome sind keine Ausnahme. 3D Druck wurde als Instrument der additiven Fertigung verwendet für die Herstellung von optischen Phantome mit Kanäle23, Blutgefäß Netzwerke24und kleiner Tiermodelle Ganzkörper-25. Diese Methoden verwenden ein oder zwei Druckmaterialien mit einzigartigen optischen Eigenschaften. Auch wurden Methoden entwickelt, um die optischen Eigenschaften des Bedruckstoffes, allgemeine, trübe biologisches Gewebe25,26imitieren zu optimieren. Aber die erzielbaren optischen Eigenschaften sind begrenzt durch das Druckmaterial, in der Regel ein Polymer wie Acrylnitril Butadien Styrol (ABS)26, so ist diese Methode nicht geeignet für alle biologischen Gewebe. Polydimethylsiloxan (PDMS) ist ein optisch klares Polymer, das leicht mischbar mit Streuung und Absorption Partikel mit einem höheren Maß an Einstellbarkeit27,28. PDMS wurde auch verwendet, um Phantome mit Aneurysma-Modelle für die Bereitstellung der embolischen Geräte29,30Formen. Diese Phantome auch nutzen einen auflösbaren 3D gedruckte Teil, aber optisch klar zur Visualisierung von Gerätebereitstellung bleiben. Hier kombinieren wir diese Methode mit Einstellbarkeit der optischen Eigenschaften von PDMS mit Streuung und Absorption Teilchen, ein vorläufiges Modell des Gewebes und Fluglinien des murinen Lungenflügels zu fabrizieren.
Während das Phantom hier vorgestellten spezifisch für die Lungen ist, kann der Prozess auf eine Vielzahl von anderen Organen angewendet werden. 3D Druck der inneren Struktur des Phantoms erlaubt das Design individuell für jeden Zweck und druckbare Maßstab sein, sei es ein Blut oder Lymphe Schiff Netzwerk, Knochenmark oder auch die vier Kammern Struktur der Herzen31. Weil wir optische Bildgebung und Modellierung der Lunge32,33,34interessiert sind, haben wir uns entschieden, einen vier-Generationen-Fraktal-Baum als die interne Struktur zu verwenden, um innerhalb des Polymers phantom zu replizieren. Diese Struktur wurde entwickelt, um ungefähre der Verzweigungsstruktur der Atemwege und Break-away Trägermaterial für den 3D Druck haben. Mehr anatomisch korrekte Fluglinie konnte gedruckt werden, wenn Break-away Trägermaterial nicht notwendig ist. Obwohl dieses Modell eine Atemwege darstellt, muss die interne Struktur des Phantoms keine wesentliche Lücke bleiben. Sobald die umliegenden Polymer geheilt ist und der 3D gedruckte Teil aufgelöst, kann die interne Struktur als ein Fluss Weg oder als sekundäre Form für ein Material mit seinen eigenen einzigartigen Absorption und Streueigenschaften verwendet werden. Wenn die interne Struktur aus diesem Protokoll als eine digitale Knochen, anstatt eine Atemwege entwickelt wurde, könnte die Knochenstruktur beispielsweise 3D gedruckt, mit optischen Eigenschaften des Fingers mit PDMS geformt und dann aus der Phantom aufgelöst. Die Lücke könnte dann mit einem PDMS-Mischung mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften gefüllt werden. Darüber hinaus ist jeder Form nicht auf ein einziges auflösbare Teil beschränkt. Ein Phantom des Fingers kann erstellt werden, um Knochen, Venen, Arterien und eine allgemeine Weichgewebe-Schicht, jeder mit seinen eigenen einzigartigen optischen Eigenschaften erweitert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben eine Methode zum Erstellen von optischen Phantome zur Darstellung einer murinen Lungenkrebs mit einer internen verzweigte Struktur die internen Luft-Gewebe-Schnittstelle simulieren bewiesen. Die optischen Eigenschaften der murinen Lungengewebe werden erreicht durch den Einbau von einzigartigen Konzentration von optisch Streuung und absorbierende Partikel innerhalb der Masse Matrix Polymer homogen verteilt. Diese optischen Eigenschaften können abgestimmt werden, um die physiologischen Werte in unterschiedliche …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation Karriere nicht zu vergeben. CBET 1254767 und National Institute of Allergy and Infectious Diseases gewähren keine. R01 AI104960. Wir erkennen dankbar Patrick Griffin und Dan Tran für ihre Unterstützung mit Charakterisierung Messungen und der Texas A & M Herz-Kreislauf-Pathologie-Labor für die Mikro-CT-Bildgebung.
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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