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

İmalat ve Macrostructure içeren optik doku hayaletler karakterizasyonu

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

Optik doku hayaletler kalibrasyon ve optik görüntüleme sistemleri karakterizasyonu ve teorik modeller doğrulama için gerekli araçlardır. Bu makalede bir yöntem için çoğaltma doku optik özellikleri ve üç boyutlu doku yapısı içerir hayalet imalat detayları.

Abstract

Yeni optik görüntüleme teknikleri, hızlı geliştirilmesi düşük maliyetli, özelleştirilebilir ve kolayca tekrarlanabilir standartları kullanılabilirliğine bağlıdır. Görüntüleme ortamı çoğaltarak, bir teknik doğrulamak için pahalı hayvan deneyleri atlatılabilirdi. Tahmin ve in vivo ve ex vivo teknikleri görüntüleme performansını en iyi duruma getirme optik ilgi dokulara benzer örnekleri test gerektirir. Optik hayaletler doku taklit eden standart bir değerlendirme, karakterizasyonu veya optik sistemin kalibrasyon için sağlar. Homojen polimer optik doku hayaletler dar bir spektral Aralık içindeki belirli doku türünün optik özelliklerini taklit etmek için yaygın olarak kullanılır. Katmanlı dokular, epidermis ve DermIS, gibi sadece bu homojen levha hayaletler istifleme tarafından taklit. Ancak, birçok vivo içinde görüntüleme teknikleri nerede kan damarları, airways veya doku defektleri, gibi üç boyutlu yapıları görüntüleme sistemi performansını etkileyebilir daha fazla dağınık şekilde karmaşık dokusu ile uygulanır.

Bu iletişim kuralı malzeme doku optik özelliklerini kullanarak üç boyutlu yapısal karmaşıklık içermektedir doku taklit eden bir hayalet imalatı açıklar. Arama tabloları çini mürekkebi ve titanyum dioksit tarifleri optik emme ve saçılma hedefler için sağlar. Karakterize ve malzeme optik özelliklerini ayarlamak için yöntemleri açıklanmıştır. Bu makalede ayrıntılı hayalet imalat iç bir dallanma sahte hava yolu boşluk vardır; Ancak, teknik genel olarak diğer doku veya organ yapıları için uygulanabilir.

Introduction

Doku hayaletler sistem karakterizasyonu ve optik görüntüleme ve spektroskopi aletler ultrason veya nükleer yöntemleri1,2,3 birleşmeyle mobil sistemler dahil olmak üzere, kalibrasyonu için yaygın olarak kullanılan ,4. Hayaletler sistem karakterizasyonu ve birden çok biyolojik görüntüleme teknikleri kalite kontrolü için kontrollü bir optik ortam sağlar. Doku taklit eden hayaletler sistem performansını tahmin ve sistem tasarımı fizyolojik görev için en iyi duruma getirme yararlı araçları vardır; Örneğin, tümör değerlendirmek için spektroskopik probları problama derinliği tahmin etmek için5kenar boşluklarını. Optik özellikleri ve hayaletler yapısal tasarımı hangi enstrüman, bu nedenle fizibilite çalışmaları ve sistem performans3doğrulanması için izin kullanılacak belirli fizyolojik ortamın taklit etmek için ayarlanabilir, 6,7. Sistem performansını önceden klinik veya klinik denemeler girmeden önce gerçekçi optik hayaletler ile görüntüleme ve doğrulama arıza riskini veya kullanılamaz veri edinimi in vivo çalışmalar sırasında azaltır. Optik hayaletler kararlılığını ve tekrarlanabilirlik onları içi ve arası instrument değişkenlik, özellikle kadınlarında klinik çalışmalarda farklı enstrümanlar ile izlemek optik teknikleri için özelleştirilebilir kalibrasyon standartları yapmak, işleçler ve çevre koşulları8,9.

Doku taklit eden hayaletler de doğrulama, teorik optik modelleri için ayarlanabilir ve tekrarlanabilir fiziksel model olarak hizmet. Hayvan gereksinimini azaltma10,11deneyler sırasında simülasyonlar tasarımı ve in vivo optik aletler, optimizasyon yardım. Geliştirme ve in vivo ortamda doğru şekilde göstermek için optik simülasyonlar doğrulanmasını doku yapısı, biyokimyasal içeriği ve hedef veya doku vücut içindeki konumunu karmaşıklığı tarafından ipotekli. Konular arasında değişkenlik teorik modeller hayvan veya insan ölçüler kullanarak zorlu doğrulama yapar. Optik doku hayaletler polimer teorik modeller doğrulamak için hangi foton geçiş12,13,14,15eğitim bilinen ve tekrarlanabilir optik ortamı sağlayarak sağlar.

Amacıyla Sistem kalibrasyon, katı optik hayaletler bir tek homojen levha optik saçılma, emme veya faiz boyları için ayarlı floresan ile tedavi polimer oluşabilir. Hayaletler sık doku optik özellikleri epitel doku modelleri16,17derinlik varyansını taklit etmek için kullanılan polimer katmanlı. Doku yapısı her katman sayesinde oldukça homojen olduğundan bu hayalet epitel görüntüleme ve modelleme, için yeterli yapılardır. Ancak, daha büyük ölçekli ve daha karmaşık yapılar diğer organlarda ışınımsal taşıma etkiler. Daha karmaşık hayaletler oluşturmak için yöntem deri altı kan damarları18,19 ve hatta bütün organların mesane20gibi optik ortamı simüle etmek için geliştirilmiştir. Akciğerlerde hafif nakliye modelleme benzersiz bir sorun nedeniyle hava-doku arabirimi dallanma yapısını sağlar; sağlam bir hayalet büyük olasılıkla organ ışınımsal Ulaştırma doğru bir şekilde çoğaltmak değil21. Karmaşık yapısı optik bir hayalet dahil etmek için bir yöntemi açıklamak için bir dahili, tekrarlanabilir fraktal ağaç geçersiz havayolu (şekil 1) üç boyutlu (3D) makroskopik yapısını temsil eden oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır.

Son birkaç on yıl, 3D baskı tıbbi cihazlar ve modelleri22hızlı prototipleme için baskın bir yöntem haline gelmiştir ve optik doku hayaletler bir istisna vardır. 3D baskı kanal23, damar ağları24ve tüm vücut küçük hayvan modelleri25ile optik hayaletler imalatı için bir katkı üretim aracı olarak kullanılmıştır. Bu yöntemler bir ya da iki baskı malzemeleri ile benzersiz optik özelliklerini kullanın. Yöntemleri, genel, bulanık biyolojik doku25,26taklit etmek için yazdırma malzeme optik özelliklerini ayarlamak için de geliştirilmiştir. Ancak, ulaşılabilir optik özellikleri çeşitli sınırlı baskı malzemesi, genellikle bir polimer Akrilonitril bütadien stiren (ABS)26gibi tarafından bu yöntem tüm biyolojik dokular için uygun değildir bu yüzden. Polydimethylsiloxane (PDMS) kolayca saçılma ve ayar27,28daha yüksek düzeyde parçacıkları emici ile karışabilir optik net bir polimerdir. PDMS hayaletler için dağıtım embolik aygıtları29,30anevrizması modelleri ile kalıp da kullanılmıştır. Bu hayaletler de eriyen bir 3D yazdırılan bölümü kullanmak, ama optik açık aygıt dağıtım görüntülenmesi için kalır. Burada, bu yöntem doku ön bir model ve fare akciğer airways imal etmek saçılma ve parçacıklar emici PDMS optik özelliklerini ayar ile birleştirin.

Burada sunulan hayalet akciğerlere belirli olmakla birlikte, işlem için a değişiklik-in diğer organlara uygulanabilir. 3D baskı Hayalet’in iç yapısının bir kan veya lenf damarı ağ, kemik iliği veya kalp31bile dört odacıklı yapısını olsun herhangi bir amaç ve yazdırılabilir ölçek için özelleştirilebilir tasarım sağlar. Çünkü biz optik görüntüleme ve akciğer32,33,–34in modelleme ilgi, hayali polimer içinde çoğaltmak için iç yapısı olarak dört nesil fraktal ağaç kullanmak için seçtiniz. Bu yapı hava yolu dallanma yapısı yaklaşık ve 3D yazdırma işlemi için kırılabilir destek malzeme sağlamak için tasarlanmıştır. Kırılabilir destek malzeme gerekli değilse bir anatomik daha hava yolu basılmış. Her ne kadar bu modelle borusunu temsil eder, hayalet iç yapısını bir malzeme boşluk kalmasını sahip değil. Bir kez çevreleyen polimer tedavi ve 3D yazdırılan bölümü tasfiye edilir, iç yapısı akış yolu veya ikincil bir kalıp olarak, kendi benzersiz emme ve saçılma özellikleri olan bir malzeme için kullanılabilir. Örneğin, bu iletişim kuralı iç yapısından borusunu yerine dijital bir kemik olarak tasarlanmışsa, kemik yapısı baskılı, PDMS ile parmak optik özellikleri ile kalıp ve Operadaki Hayalet dışında çözünmüş 3D olabilir. Boşluğu daha sonra farklı optik özellikleri ile PDMS karışımı ile dolu. Ayrıca, her kalıp bir tek eriyen kısmı için sınırlı değildir. Bir hayalet parmak kemik, damar, damar ve bir genel yumuşak doku tabakası, her biri kendi benzersiz optik özellikleri içerecek şekilde oluşturulmuş olabilir.

Protocol

1. seçimi ve matris malzeme özellikleri doğrulama (Şekil 1) hayalet üretim işlemine başlamadan önce görüntüleme wavelength(s) faiz biyolojik doku için emme ve azaltılmış saçılma katsayıları bulmak. Ön tahminler başvurular35,36bulunabilir. Ancak, doğrulama optik katsayıları gerekli olabilir. Emilim, µbirve azaltılmış saçılma katsayısı, µsiçin arama tabloları …

Representative Results

Hayalet imalat tekniği göstermek için fare Akciğer doku hayaletler ölçülen optik özellikleri, 535 eksize sağlıklı ve iltihaplı fare akciğer dokusunun benzetimini yapmak için fabrikasyon nm (Tablo 5). Bu dalga boyu ilgi tdTomato floresan protein rekombinant muhabir soy-in önceki çalışmalar33mikobakteriler kullanılan için uyarma dalga boyu var. Fare akciğer dokusunun optik ölçümler 1.4-1.5 adımlarda açıklanan aynı yönteml…

Discussion

Bir fare akciğer iç hava-doku arabirimi taklit etmek için dahili bir dallanma yapısı ile temsil etmek için optik hayaletler oluşturmak için bir yöntem göstermiştir. Fare akciğer dokusunun optik özellikleri optik saçılma ve homojen toplu matris polimer içinde dağıtılmış parçacıklar emici benzersiz konsantrasyonları içeren ile elde edilir. Bu optik özellikleri farklı spektral aralıklar (Yani hastalıklı doku karşı sağlıklı) farklı durumlardaki dokuların fizyolojik değerlerinin …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser Ulusal Bilim Vakfı kariyer tarafından desteklenen ödül yok. CBET-1254767 ve Ulusal Enstitüsü alerji ve enfeksiyon hastalıkları Hayır verin. R01 AI104960. Biz minnetle Patrick Griffin ve Dan Tran mikro-CT görüntüleme için karakterizasyonu ölçümleri ve Texas A & M kardiyovasküler patoloji laboratuvarı onların yardımını kabul edersiniz.

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