ייצור ואפיון רקמות אופטי הפאנטומים המכיל למפלגות
Summary
מטוסי פאנטום רקמות אופטי הם כלים חיוניים כיול של אפיון של מערכות הדמיה אופטית ואימות של מודלים תיאורטיים. מאמר זה מפרט את שיטת ייצור דמה הכולל שכפול של רקמות התכונות האופטיות ואת מבנה רקמות תלת מימדי.
Abstract
ההתפתחות המהירה של טכניקות דימות אופטי חדשות תלויה בזמינות של סטנדרטים נמוכים הניתנים להתאמה אישית, לשחזור בקלות. על-ידי שכפול הסביבה הדמיה, עשוי מצויין יקר לניסויים בבעלי חיים כדי לאמת טכניקה. חיזוי ומיטוב הביצועים של ויוו , לשעבר vivo הדמיה טכניקות דורש בדיקות על דגימות דומים שטיחות לרקמות של הריבית. מחקה רקמות פאנטום אופטי מספקות תקן עבור הערכה, אפיון או כיול של מערכת אופטית. פולימר הומוגנית רקמות אופטי פאנטום נמצאים בשימוש נרחב כדי לחקות את התכונות האופטיות של סוג רקמות ספציפיות בתוך טווח הספקטרום הצר. להיות חיקה רקמות בשכבות, כגון האפידרמיס בדרמיס, על-ידי פשוט לערום האשליות האלה, לוח הומוגני. עם זאת, רבים ויוו טכניקות הדמיה מוחלים יותר רקמות מורכבות במרחב שבו שלושה מבנים תלת-ממדי, כגון כלי דם, דרכי הנשימה או פגמים רקמות, יכולים להשפיע על הביצועים של מערכת ההדמייה.
פרוטוקול זה מתאר את הזיוף של רוח רפאים מחקה רקמות המשלבת תלת מימדי מורכבות מבנית באמצעות חומר עם התכונות האופטיות של רקמות. טבלאות בדיקת מידע מספקות מתכונים הודו ודיו טיטניום דו-חמצני הקליטה אופטי ומטרות פיזור. מתוארות שיטות כדי לאפיין ולכוונן את התכונות האופטיות גשמי. הזיוף פנטום מפורט במאמר זה יש של חלל פנימי מעושה דרכי הנשימה מסעף; עם זאת, הטכניקה ניתן להחיל באופן כללי מבנים אחרים איבר או רקמה.
Introduction
מטוסי פאנטום רקמות משמשים נרחב עבור אפיון המערכת וכיול של מכשירי הדמיה וספקטרוסקופיה אופטי, כולל מערכות multimodality אולטראסאונד או שיטות גרעיני1,2,3 ,4. מטוסי פאנטום מספקים סביבה אופטי מבוקרת על אפיון המערכת ובקרת איכות של מספר טכניקות הדמיה ביולוגי. מטוסי פאנטום מחקה רקמות הינם כלים שימושיים לניבוי ביצועי המערכת, אופטימיזציה של מערכת עיצוב עבור הפעילות הפיזיולוגית לדוגמה, כדי לחזות את העומק החקרנית של הגששים ספקטרוסקופיות להערכת הגידול שוליים בימין5. התכונות האופטיות ותכנון קונסטרוקציה של הפאנטום ניתן לכוונן לחקות הסביבה פיזיולוגי מסוים שבו המכשיר ישמש, ומאפשר לפיכך הן כדאיות ואימות של ביצועי מערכת3, 6,7. אימות של הדמיה ביצועי המערכת עם מטוסי פאנטום אופטי מציאותי מיציאתם ניסויים קליניים או קליניים מפחית את הסיכון של תקלה או רכישה של נתונים לא שמיש במהלך לימודי ויוו . הפארמצבטית והיציבות של פאנטום אופטי להפוך אותם סטנדרטים כיול להתאמה אישית ללימוד טכניקות אופטי לפקח instrument אינטרה בין השתנות, בפרט multicenter ניסויים קליניים עם מכשירים שונים, אופרטורים, תנאים סביבתיים8,9.
מטוסי פאנטום מחקה רקמות גם לשמש tunable לשחזור פיזי דגמים עבור אימות של מודלים תיאורטיים אופטי. סימולציות הסיוע עיצוב של אופטימיזציה של ויוו מכשירים אופטיים, תוך הקטנת הצורך חיה ניסויים10,11. פיתוח, אימות של סימולציות אופטי לייצג באופן מדויק את הסביבה ויוו יכול להיות מכוסה המורכבות של מבנה רקמות, התוכן הביוכימי, ואת המיקום של היעד או רקמה בגוף. השתנות בין נושאים עושה אימות של מודלים תיאורטיים מאתגר באמצעות מדידות בעלי חיים או אדם. פולימר רקמות אופטי פאנטום לאפשר אימות של מודלים תיאורטיים על ידי אספקת סביבה אופטי לשחזור וידוע שבו ללמוד פוטון ההעברה12,13,14,15.
לצורך כיול המערכת, פאנטום מוצקות אופטי עשוי מורכב לוח הומוגני יחיד של פולימר נרפא עם פיזור אופטי, קליטה, או קרינה פלואורסצנטית מכוון עבור אורכי הגל של ריבית. שכבות הפולימר פאנטום משמשים לעתים קרובות כדי לחקות בשינוי העומק של המאפיינים אופטי רקמות רקמת האפיתל מודלים16,17. אלה מבנים פנטום מספיקים עבור הדמיה אפיתל, מידול, בגלל מבנה רקמות הוא הומוגניות למדי דרך כל שכבה. עם זאת, מידה גדול ועל מבנים מורכבים יותר להשפיע על תחבורה קרינה באיברים אחרים. שיטות ליצירת פאנטום מורכבים יותר פותחו כדי לדמות את הסביבה אופטי של כלי דם תת עורי18,19 ו אפילו כל האיברים, כגון שלפוחית השתן20. מידול הובלה אור בריאות מספקת בעיה ייחודית בזכות מבנה הסתעפות של הממשק רקמות אוויר; פאנטום מוצקות לא סביר לשכפל תחבורה קרינה באיבר במדויק21. כדי לתאר את שיטת שילוב המבנה המורכב פנטום אופטי, אנו מתארים שיטה ליצירת עץ פרקטל פנימי, לשחזור של חלל זה מייצג את מבנה תלת-ממדי (3D) מאקרוסקופית של דרכי הנשימה (איור 1).
ב העשורים האחרונים, הדפסת תלת-ממד הפכה להיות שיטה השולט שטנץ מהירה של מכשירים רפואיים מודלים22, רקמות אופטי פאנטום אינם יוצאי דופן. הדפסה תלת-ממדית שימש ככלי הייצור מוספים עבור בדיית פאנטום אופטי עם ערוצי23, רשתות כלי דם24דגמים בעלי חיים קטנים לכל הגוף25. שיטות אלה להשתמש חומרי הדפסה אחד או שניים עם מאפיינים אופטיים ייחודיים. גם פותחו שיטות לכוון את התכונות האופטיות של חומר הדפסה לחקות רקמה ביולוגית כללית, עכורים25,26. עם זאת, טווח התכונות האופטיות השגה מוגבלים על ידי החומר ההדפסה, בדרך כלל פולימר כגון בוטאדיאן טבעי styrene (ABS)26, כך שיטה זו אינה מתאימה לכל רקמות ביולוגיות. Polydimethylsiloxane (PDMS) הוא פולימר שטיחות ברור זה ניתן לערבב בקלות עם פיזור וקליטת חלקיקים עם רמה גבוהה יותר של27,tunability28. PDMS שימש גם להעלות עובש פאנטום עם מפרצת מודלים עבור פריסה של התקנים embolic29,30. האשליות האלה גם לנצל חלק מודפס 3D נמסים, אך נשארים שטיחות ברור להמחשת פריסת מכשירים. כאן, אנו משלבים בשיטה זו עם tunability של מאפייני PDMS עם פיזור וקליטת חלקיקים כדי לבדות דגם ראשוני של הרקמה ואת דרכי הנשימה של הריאות מאתר אופטי.
בעוד הפאנטום המובאת כאן היא ספציפית אל הריאות, ניתן להחיל את התהליך למגוון של איברים אחרים. הדפסה תלת-ממדית של המבנה הפנימי של הפאנטום מאפשר את העיצוב להיות ניתנת להתאמה אישית עבור כל מטרה, מידה להדפסה, בין אם זה יהיה דם או רשת כלי לימפה, מח עצם או אפילו ארבע chambered מבנה הלב31. כי אנו מעוניינים דימות אופטי, מידול של הריאה33,32,, או34, אנחנו שבחרו שתשמש המבנה הפנימי עץ 4 הדור פרקטל להשתכפל בתוך הפולימר פנטום. מבנה זה נועד משוער המבנה הסתעפות של דרכי הנשימה ויש תמיכה הפסקה-משם חומר עבור תהליך ההדפסה התלת מימדית. יכול להיות מודפס של דרכי הנשימה יותר אנטומית אם תמיכה הפסקה-משם חומר אינה נחוצה. אף על פי המודל הזה מייצג של דרכי הנשימה, המבנה הפנימי של הפאנטום לא חייבים להישאר חלל גשמי. לאחר הפולימר שמסביב נרפאה, החלק מודפס 3D התפרקה, המבנה הפנימי יכול לשמש כמו מסלול הזרימה או תבנית משני חומר עם קליטה ייחודי ומאפיינים פיזור משלו. לדוגמה, אם המבנה הפנימי של פרוטוקול זה תוכנן עצם דיגיטלי ולא נתיב אוויר, מבנה העצם יכול להיות 3D מודפס, יצוק עם PDMS עם התכונות האופטיות של האצבע ולאחר מכן התפרקה הפאנטום. החלל הריק ואז יכול להיות מלא עם תערובת PDMS עם מאפיינים אופטיים שונים. בנוסף, כל עובש אינה מוגבלת לחלק נמסים יחיד. רוח רפאים של האצבע הצליחה לכלול העצם, ורידים, עורקים, שכבה כללי רקמות רכות, כל אחד עם מאפיינים אופטיים ייחודיים משלו.
Protocol
Representative Results
Discussion
הראו לנו שיטה ליצירת פאנטום אופטי כדי לייצג ריאה מאתר עם מבנה הסתעפות פנימית כדי לדמות את הממשק אוויר פנימי-רקמות. התכונות האופטיות של רקמת הריאה מאתר מושגות על ידי שילוב ייחודי ריכוזים של שטיחות פיזור וקליטת חלקיקים מופץ למשל בתוך מטריצת הפולימר בצובר. אלה התכונות האופטיות ניתן לכוונן ל?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע הלאומית הקריירה הפרס. לא. CBET-1254767, המכון הלאומי לאלרגיה ומחלות זיהומיות הענק לא. R01 AI104960. אנו להכיר בהכרת תודה פטריק גריפין והובלה דן לסיוע שלהם עם אפיון מידות, טקסס A & M לב וכלי דם לפתולוגיה מעבדה עבור מיקרו-CT הדמיה.
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 |
Referências
- Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
- Miranda, D. A., Cristiano, K. L., Gutiérrez, J. C. Breast phantom for mammary tissue characterization by near infrared spectroscopy. J Phys Conf Ser. 466 (1), 012018 (2013).
- Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
- Wagnières, G., et al. An optical phantom with tissue-like properties in the visible for use in PDT and fluorescence spectroscopy. Phys Med Biol. 42 (7), 1415-1426 (1997).
- Rajaram, N., Reesor, A. F., Mulvey, C. S., Frees, A. E., Ramanujam, N. Non-Invasive, Simultaneous Quantification of Vascular Oxygenation and Glucose Uptake in Tissue. PLoS ONE. 10 (1), 0117132 (2015).
- Niedre, M. J., Turner, G. M., Ntziachristos, V. Time-resolved imaging of optical coefficients through murine chest cavities. J Biomed Opt. 11 (6), 064017 (2006).
- Schmidt, F. E. W., et al. Multiple-slice imaging of a tissue-equivalent phantom by use of time-resolvedoptical tomography. Appl Opt. 39 (19), 3380-3387 (2000).
- Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
- Marín, N. M., et al. Calibration standards for multicenter clinical trials of fluorescence spectroscopy for in vivo diagnosis. J Biomed Opt. 11 (1), 014010 (2006).
- Alexandrakis, G., Rannou, F. R., Chatziioannou, A. F. Tomographic bioluminescence imaging by use of a combined optical-PET (OPET) system: a computer simulation feasibility study. Phys Med Biol. 50 (17), 4225-4241 (2005).
- Wan, Q., Beier, H. T., Ibey, B. L., Good, T., Coté, G. L., Coté, G. L., Priezzhev, A. V. . Optical Diagnostics and Sensing VII. , (2007).
- Chen, C., et al. Preparation of a skin equivalent phantom with interior micron-scale vessel structures for optical imaging experiments. Biomed Opt Express. 5 (9), 3140-3149 (2014).
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. J Biomed Opt. 20 (8), 085003 (2015).
- Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Phys Med Biol. 42 (10), 1971-1979 (1997).
- Bae, Y., Son, T., Park, J., Jung, B. Fabrication of a thin-layer solid optical tissue phantom by a spin-coating method: pilot study. J Biomed Opt. 18 (2), 025006 (2013).
- Park, J., et al., Nordstrom, R. J., et al. . Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , (2013).
- Luu, L., Roman, P. A., Mathews, S. A., Ramella-Roman, J. C. Microfluidics based phantoms of superficial vascular network. Biomed Opt Express. 3 (6), 1350-1364 (2012).
- Chen, A. I., et al. Multilayered tissue mimicking skin and vessel phantoms with tunable mechanical, optical, and acoustic properties. Med Phys. 43 (6), 3117-3131 (2016).
- Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. J Biomed Opt. 19 (3), 036009 (2014).
- Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
- Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol and Surg. 5 (4), 335-341 (2010).
- Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
- Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H. R., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Appl Opt. 55 (2), 280-287 (2016).
- Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102-041116 (2006).
- de Bruin, D. M., et al. Optical phantoms of varying geometry based on thin building blocks with controlled optical properties. J Biomed Opt. 15 (2), 025001-025010 (2010).
- Boyle, A. J., et al. In vitro performance of a shape memory polymer foam-coated coil embolization device. Med Eng Phys. 49, 56-62 (2017).
- Hwang, W., Singhal, P., Miller, M. W., Maitland, D. J. In Vitro Study of Transcatheter Delivery of a Shape Memory Polymer Foam Embolic Device for Treating Cerebral Aneurysms. J Med Dev. 7 (2), 020932 (2013).
- Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
- Mufti, N., Kong, Y., Cirillo, J. D., Maitland, K. C. Fiber optic microendoscopy for preclinical study of bacterial infection dynamics. Biomed Opt Express. 2 (5), 1121-1134 (2011).
- Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
- Nooshabadi, F., et al. Intravital excitation increases detection sensitivity for pulmonary tuberculosis by whole-body imaging with beta-lactamase reporter enzyme fluorescence. J Biophotonics. , (2016).
- Duck, F. A. . Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , (1990).
- Tuchin, V. V., Tuchin, V. . Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, (2007).
- Prahl, S. . Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , (2011).
- . . Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
- Link, T. M., et al. A Comparative Study of Trabecular Bone Properties in the Spine and Femur Using High Resolution MRI and CT. J Bone Miner Res. 13 (1), 122-132 (1998).
- Batiste, D. L., et al. High-resolution MRI and micro-CT in an ex vivo rabbit anterior cruciate ligament transection model of osteoarthritis. Osteoarthr cartil. 12 (8), 614-626 (2004).
- Greening, G. J., et al. Characterization of thin poly(dimethylsiloxane)-based tissue-simulating phantoms with tunable reduced scattering and absorption coefficients at visible and near-infrared wavelengths. J Biomed Opt. 19 (11), 115002 (2014).
- Meissner, S., Knels, L., Krueger, A., Koch, T., Koch, E. Simultaneous three-dimensional optical coherence tomography and intravital microscopy for imaging subpleural pulmonary alveoli in isolated rabbit lungs. J Biomed Opt. 14 (5), 054020 (2009).
- Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
- Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).
