JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

Fabbricazione e caratterizzazione dei fantasmi di tessuto ottico contenente macrostruttura

Published: February 12, 2018
doi:
10.3791/57031
, , , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Texas A&M University, 2Deparment of Molecular Pathogenesis and Immunology,Texas A&M College of Medicine

Summary

Fantasmi di tessuto ottico sono strumenti essenziali per la calibrazione e la caratterizzazione di sistemi di imaging ottici e validazione di modelli teorici. Questo articolo descrive in dettaglio un metodo per la fabbricazione di fantasma che include la replica delle proprietà ottiche del tessuto e la struttura tridimensionale del tessuto.

Abstract

Il rapido sviluppo di nuove tecniche di imaging ottici dipende dalla disponibilità di standard di basso costo, personalizzabile e facilmente riproducibili. Replicando l’ambiente di imaging, costosi esperimenti sugli animali per convalidare una tecnica possono essere elusa. Previsione e ottimizzazione delle prestazioni di in vivo ed ex vivo , tecniche di imaging richiede test su campioni che sono otticamente simili ai tessuti di interesse. Che imita il tessuto ottici fantasmi forniscono uno standard per la valutazione, la caratterizzazione o la taratura di un sistema ottico. Fantasmi di tessuto ottico omogeneo polimero sono ampiamente utilizzati per simulare le proprietà ottiche di un tipo di tessuto specifico all’interno di una gamma spettrale stretta. Tessuti a più livelli, come l’epidermide e il derma, possono essere imitati impilando semplicemente questi fantasmi lastra omogenea. Tuttavia, molte tecniche in vivo imaging vengono applicate al tessuto più spazialmente complesso, dove tre strutture dimensionali, come vasi sanguigni, vie respiratorie o i difetti del tessuto, possono influire sulle prestazioni del sistema di imaging.

Questo protocollo descrive la realizzazione di un fantasma che imita il tessuto che incorpora la complessità strutturale tridimensionale utilizzando materiale con proprietà ottiche del tessuto. Tabelle di ricerca forniscono ricette inchiostro di India e biossido di titanio per assorbimento ottico e obiettivi di scattering. Vengono descritti metodi per caratterizzare e sintonizzare le proprietà ottiche dei materiali. Il fantasma fabbricazione dettagliata in questo articolo ha un interno vuoto ramificazione di finto delle vie respiratorie; Tuttavia, la tecnica può essere applicata in linea di massima ad altre strutture di tessuto o organo.

Introduction

Fantasmi di tessuto sono ampiamente utilizzati per la caratterizzazione del sistema e calibrazione di strumenti ottici di imaging e spettroscopia, compresi i sistemi di multimodalità incorporando ultrasuono o modalità nucleare1,2,3 ,4. Fantasmi forniscono un ambiente controllato ottico per la caratterizzazione del sistema e controllo di qualità di più tecniche di imaging biologiche. Fantasmi che imita il tessuto sono strumenti utili per prevedere le prestazioni del sistema e ottimizzare la progettazione di sistema per l’attività fisiologica a portata di mano; ad esempio, per stimare la profondità di sondaggio di sonde spettroscopiche per la valutazione del tumore margini5. Proprietà ottiche e progettazione strutturale dei fantasmi può essere sintonizzati per simulare l’ambiente fisiologico specifico in cui l’apparecchio viene utilizzato, consentendo quindi per studi di fattibilità e la verifica del sistema prestazioni3, 6,7. Verifica delle prestazioni del sistema con ottici realistici fantasmi prima di entrare in studi preclinici o clinici di imaging riduce il rischio di malfunzionamento o l’acquisizione di dati inutilizzabili durante gli studi in vivo . La riproducibilità e la stabilità dei fantasmi ottici li rendono gli standard di calibrazione personalizzabile per tecniche ottiche monitorare la variabilità da intra – e inter – strumentale, in particolare nei trials clinici multicentrici con diversi strumenti, operatori e condizioni ambientali8,9.

Fantasmi che imita il tessuto anche servono come modelli fisici sintonizzabile e riproducibile per la validazione dei modelli teorici di ottici. Simulazioni di aiuto nella progettazione e ottimizzazione di in vivo strumenti ottici, riducendo la necessità per esperimenti sugli animali10,11. Lo sviluppo e la validazione delle simulazioni ottiche per rappresentare accuratamente l’ambiente in vivo può essere ostacolati dalla complessità della struttura del tessuto, il contenuto biochimico e la posizione della destinazione o del tessuto all’interno del corpo. Variabilità tra i soggetti rende la validazione di modelli teorici impegnativo utilizzando misurazioni animale o umane. Fantasmi di polimero tessuto ottico consentono per la validazione dei modelli teorici fornendo un ambiente ottico noto e riproducibile in cui studiare fotone migrazione12,13,14,15.

Ai fini della calibrazione del sistema, solidi ottici fantasmi possono consistere di una singola lastra omogenea di polimero polimerizzato con la dispersione ottica, assorbimento o fluorescenza sintonizzato per le lunghezze d’onda di interesse. A strati di polimero fantasmi sono usati frequentemente per imitare la varianza di profondità delle proprietà ottiche del tessuto in tessuto epiteliale modelli16,17. Queste strutture fantasma sono sufficienti per imaging epiteliale e modellazione, perché la struttura del tessuto è abbastanza omogenea attraverso ogni livello. Tuttavia, più grande scala e strutture più complesse influenzano trasporto radiativo in altri organi. Metodi per creare fantasmi più complessi sono stati sviluppati per simulare l’ambiente ottico di vasi sanguigni sottocutanei18,19 e anche di interi organi, quali la vescica20. Trasporto leggero nei polmoni di modellazione fornisce un unico problema dovuto la struttura ad albero dell’interfaccia aria-tessuto; un fantasma solido non sarebbe probabilmente replicare accuratamente trasporto radiativo nell’organo21. Per descrivere un metodo per incorporare la struttura complessa in un’ottico fantasma, descriviamo un metodo per creare un albero di frattalo interna, riproducibile Sub che rappresenta la struttura macroscopica di tridimensionale (3D) delle vie respiratorie (Figura 1).

Negli ultimi decenni, la stampa 3D è diventata un metodo predominante per la prototipazione rapida di dispositivi medici e modelli22, e fantasmi di tessuto ottico non fanno eccezione. Stampa 3D è stata utilizzata come strumento di produzione di additivi per la realizzazione di ottici fantasmi con canali23, vaso sanguigno reti24e modelli animali piccolo corpo intero25. Questi metodi utilizzano uno o due stampa materiali con proprietà ottiche uniche. Inoltre sono stati sviluppati metodi per ottimizzare le proprietà ottiche del materiale stampa per imitare tessuti biologici generali, torbido25,26. Tuttavia, la gamma di proprietà ottiche ottenibili sono limitate dal materiale stampa, solitamente un polimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)26, quindi questo metodo non è adatto a tutti i tessuti biologici. Polidimetilsilossano (PDMS) è un polimero otticamente chiaro che può essere facilmente miscelato con scattering e assorbimento di particelle con un livello superiore di accordabilità27,28. PDMS è stato utilizzato anche per modellare fantasmi con modelli di aneurisma per la distribuzione di dispositivi embolic29,30. Questi fantasmi anche utilizzano una parte stampata 3D dissolvable, ma rimangono otticamente trasparente per visualizzare la distribuzione di dispositivi. Qui, uniamo questo metodo accordabilità delle proprietà ottiche di PDMS con scattering e assorbimento di particelle per fabbricare un modello preliminare del tessuto e vie aeree del polmone murino.

Mentre il fantasma qui presentato è specifico per i polmoni, il processo può essere applicato ad una varietà di altri organi. Stampa 3D della struttura interna del phantom permette la progettazione essere personalizzabile per qualsiasi scopo e stampabile scala, si tratti di un sangue o linfa vaso rete, midollo osseo o anche la struttura chambered quattro del cuore31. Perché siamo interessati a imaging ottico e modellazione del polmone32,33,34, abbiamo optato per utilizzare un albero di quattro-generazione frattale come la struttura interna di replicare all’interno del polimero fantasma. Questa struttura è stata progettata per approssimare la struttura ad albero delle vie respiratorie e hanno materiale di supporto break-away per il processo di stampa 3D. Lle vie respiratorie più anatomicamente corretta potrebbe essere stampato se fuga supporto materiale non è necessario. Anche se questo particolare modello rappresenta una via aerea, la struttura interna del fantasma non deve rimanere un materiale vuoto. Una volta che il polimero circostante è guarito e la parte stampata in 3D è sciolto, la struttura interna può essere utilizzata come un percorso di flusso o come uno stampo secondario per un materiale con le proprie unica assorbimento e scattering caratteristiche. Ad esempio, se la struttura interna da questo protocollo è stata progettata come un osso digitale anziché lle vie respiratorie, la struttura dell’osso potrebbe essere 3D stampato, modellato con PDMS con proprietà ottiche del dito e poi sciolto fuori il fantasma. Il vuoto potrebbe quindi essere riempito con una miscela PDMS con differenti proprietà ottiche. Inoltre, ogni stampo non è limitato a una singola parte solubile. Un fantasma del dito può essere creato per includere ossa, vene, arterie e uno strato di tessuto molle generale, ognuno con le sue proprietà ottiche uniche.

Protocol

1. selezione e verifica della proprietà del materiale Matrix Prima di iniziare il processo di fabbricazione fantasma (Figura 1), trovare l’assorbimento e dispersione ridotta coefficienti per i tessuti biologici di interesse presso la wavelength(s) di imaging. Stime preliminari possono essere trovate nel riferimenti35,36. Tuttavia, la convalida dei coefficienti ottici potrebbe essere necessario. Utilizzando le tab…

Representative Results

Per illustrare la tecnica di fabbricazione fantasma, fantasmi di tessuto polmonare del mouse sono stati fabbricati per simulare misurata proprietà ottiche del tessuto asportato sano e infiammata del polmone murino a 535 nm (tabella 5). Questa lunghezza d’onda di interesse è la lunghezza d’onda di eccitazione per tdTomato proteina fluorescente utilizzata in ceppi ricombinanti reporter dei micobatteri in precedenti studi33. Misure ottiche del tessu…

Discussion

Abbiamo dimostrato un metodo per la creazione di fantasmi ottici per rappresentare un polmone murino con una struttura interna di ramificazione per simulare l’interfaccia aria-tessuto interno. Le proprietà ottiche del tessuto polmonare murina sono ottenute integrando uniche concentrazioni di otticamente dispersione e assorbire particelle distribuite omogeneamente all’interno del polimero di matrice di massa. Queste proprietà ottiche può essere sintonizzata per simulare i valori fisiologici all’interno di diversi campi…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation carriera premio no. CBET-1254767 e Istituto nazionale di allergie e malattie infettive concedere no. AI104960 R01. Noi riconosciamo con gratitudine Patrick Griffin e Dan Tran per la loro assistenza con misure di caratterizzazione e la Texas A & M laboratorio di patologia cardiovascolare per micro-CT imaging.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
  2. 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).
  3. Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
  22. 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).
  23. Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
  24. Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
  25. 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).
  26. Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
  32. 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).
  33. Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
  34. 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).
  35. Duck, F. A. . Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , (1990).
  36. Tuchin, V. V., Tuchin, V. . Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, (2007).
  37. Prahl, S. . Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , (2011).
  38. . . Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
  44. Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).

Tags

3D PrintingPDMSTitanium DioxideIndia InkIntegrating SphereLight TransportAnatomical ModelingCustomizable Fabrication
check_url/pt/57031?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Durkee, M. S., Nash, L. D., Nooshabadi, F., Cirillo, J. D., Maitland, D. J., Maitland, K. C. Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure. J. Vis. Exp. (132), e57031, doi:10.3791/57031 (2018).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image