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

النسيج المستندة إلى [اغروس] محاكاة أشباح البصري للتحليل الطيفي الانعكاس منتشر

Published: August 22, 2018
doi:
10.3791/57578
, , , , , , ,
1Graduate School of Bio-application & Systems Engineering,Tokyo University of Agriculture & Technology, 2Department of Mechanical Engineering,Kushiro National College of Technology, 3Division of Bioinformation and Therapeutic Systems,National Defense Medical College Research Institute, 4Graduate School of Science and Engineering,Yamagata University, 5College of Design and Manufacturing Technology,Muroran Institute of Technology, 6Department of Livestock Services,Ministry of Fisheries and Livestock, Government of Bangladesh

Summary

هنا، نحن توضح كيف يتم إجراؤها على أساس [اغروس] محاكاة الأنسجة أشباح البصري وكيف تتحدد خصائصها الضوئية باستخدام نظام ضوئية تقليدية مع مجال إدماج.

Abstract

توضح هذه المقالة كيفية جعل القائم على [اغروس] محاكاة الأنسجة أشباح هذا البروتوكول ويوضح كيفية تحديد خواصها الضوئية باستخدام نظام ضوئية تقليدية مع مجالاً إدماج. نظم قياس لاقتناء الانعكاس منتشر ومنافذه مجموع الأطياف هي التي شيدت مع مصدر ضوء أبيض ذات النطاق العريض، دليل خفيفة، عدسة أتشروماتيك، مجال تكامل، حامل عينة، تحقيقا ألياف الضوئية، مطياف متعدد القنوات. هي التي شيدت العفن اكريليك تتألف من قطعتين اﻷكريليك مستطيلة وقطعة اكريليك على شكل U لإنشاء فانتوم البشرة والوهمية الجلد بالدم كله. تطبيق حل dithionite (نا2ق2س4) الصوديوم على الجلد وشبح تمكن الباحث ديوكسيجيناتي الهيموغلوبين في خلايا الدم الحمراء التي وزعت في الوهمية عن طريق الجلد. معكوس محاكاة مونتي كارلو مع الانعكاس منتشر ومنافذه مجموع الأطياف التي تقاس مطياف مع مجال إدماج تتم لتحديد امتصاص معامل الطيف μ(λ) انخفاض نثر معامل الطيف μs‘ (λ) لكل طبقة الوهمية. ويتجلى فانتوم الطبقات اثنين محاكاة الانعكاس منتشر في أنسجة جلد الإنسان أيضا تتراكم الوهمية البشرة في الجلد وشبح.

Introduction

الخيالات البصرية هي كائنات محاكاة الخصائص البصرية للأنسجة البيولوجية وقد استخدمت على نطاق واسع في مجال البصريات الطبية الحيوية. وهي مصممة حتى تتوافق الخصائص البصرية، مثل تشتت الضوء ومعاملات الاستيعاب، مع تلك الأنسجة البشرية والحيوانية الحية. الخيالات البصرية تستخدم عادة للأغراض التالية: محاكاة النقل الخفيفة في الأنسجة البيولوجية، ومعايرة تصميم نظام بصري المطورة حديثا، تقييم النوعية والأداء للنظم القائمة، مقارنة الأداء بين الأنظمة، والتحقق من قدرة وسائل بصرية لقياس الخصائص البصرية1،2،3،،من45. ولذلك، سهلة للحصول على المواد وعملية تصنيع بسيطة، إمكانية تكرار نتائج عالية واستقرار بصرية المطلوبة لصنع الخيالات البصرية.

أنواع مختلفة من أشباح البصري مع مختلف المواد الأساسية مثل تعليق مائي6، الجيلاتين جل7, [اغروس] هلام8،،من910, هلام polyacrylamide11،، راتنج12 وأبلغ 13،14،،من1516، ودرجة حرارة الغرفة-الكبرتة سيليكون17 في المؤلفات السابقة. وأفيد أن المواد الهلامية المستندة إلى الجيلاتين والجينات مفيدة لأشباح بصري مع هياكل متغايرة18. وقد أشباح الجينات استقرار الميكانيكية والحرارية مناسبة لتقييم آثار photothermal مثل الدراسات التذرية الليزر والليزر hyperthermia الدراسات18. [اغروس] المواد الهلامية لديها القدرة على اختﻻق هياكل غير المتجانسة، وخواصها الميكانيكية والفيزيائية مستقرة ل وقت طويل18. وقد الجل عالية النقاوة [اغروس] تعكر منخفضة للغاية واستيعاب بصري ضعيف. ولذلك، يمكن بسهولة تصميم الخصائص البصرية لأشباح القائم على [اغروس] مع الضوء المناسبة نثر واستيعاب العوامل. في الآونة الأخيرة، أفيد الستيرين-الإيثيلين-butylene-الستيرين (سيبس) كتلة البوليمرات الإسهامية19 و المواد الهلامية كلوريد البوليفينيل (PVC)20 كمواد الوهمية مثيرة للاهتمام بصرية وتقنيات التنظير.

مستحلبات البوليمر الجزئي المجالات الخرز الصغير7،12،،من2122و مسحوق أكسيد التيتانيوم1، والمادة الدهنية23،24،،من2526 مثل الحليب والدهن مستحلب المستخدمة كعوامل تشتت الضوء، وحين تستخدم الحبر الأسود27،28 و29،الأصباغ الجزيئي30 كامتصاص الضوء. منتشر أطياف الانعكاس لمعيشة معظم أجهزة يهيمن عليها استيعاب اﻷوكسيجين و deoxygenated الهيموغلوبين في خلايا الدم الحمراء. ولذلك، غالباً ما تستخدم كامتصاص الضوء في الهيموغلوبين حلول31،32 والدم كله8،،من910،،من3336 أشباح منتشر الانعكاس الطيفي والتصوير المتعدد الأطياف.

يتم استخدام الطريقة الموضحة في هذه المقالة لإنشاء فانتوم ضوئية محاكاة النقل الخفيفة في الأنسجة البيولوجية وتوصيف الخصائص البصرية الخاصة به. على سبيل مثال، يتضح من الطبقات اثنين بصري وهمية محاكاة خصائص بصرية لانسجة جلد الإنسان. مزايا هذا الأسلوب أكثر تقنيات بديلة هي القدرة على تمثيل أطياف الانعكاس منتشر في الأنسجة البيولوجية الحية في مرئية إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للطول الموجي، فضلا عن البساطة إتاحتها، استخدام بسهولة المواد والأجهزة البصرية التقليدية. ولذلك، ستكون مفيدة لتطوير وسائل بصرية على أساس التحليل الطيفي الانعكاس منتشر والتصوير المتعدد الأطياف أشباح الضوئية المقدمة من هذا الأسلوب.

Protocol

1-بناء منتشر التقليدية الانعكاس ومنافذه مجموع نظام الطيفية ملاحظة: بناء نظم قياس الانعكاس منتشرة وأطياف منافذه إجمالي استخدام مصدر ضوء أبيض ذات النطاق العريض ودليل خفيفة وعدسة achromatic، مجالاً إدماج، حامل عينة، ألياف الضوئية ومن مطياف متعدد القنوات. دور فخ الخفيفة إزالة العنص…

Representative Results

ويبين الشكل 3 الأطياف يقدر الممثل لمعامل انخفاض نثر ومعامل امتصاص البشرة الوهمية والوهمية عن طريق الجلد. أن النتائج تظهر في الشكل 3 هي متوسطات القياسات عشر من أطياف الانعكاس ومنافذه. وقد تناثر انخفاض معامل μs’ طائفة عريضة ون…

Discussion

أن الخطوة الأكثر أهمية في هذا البروتوكول هو التحكم في درجة الحرارة من المواد الأساسية. درجة الحرارة للحفاظ على المواد الأساسية تتراوح من 58 إلى 60 درجة مئوية. إذا كانت درجة حرارة أكثر من 70 درجة مئوية، سيحدث تمسخ مستحلب الدهن والدم كله. نتيجة لذلك، سوف تتدهور الخصائص البصرية للوهمية. إذا كانت …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد جزءا من هذا العمل معونات ل Scientific Research (C) من “الجمعية اليابانية” لتعزيز العلوم (25350520، 22500401، 15 ك 06105) ومركز التجارة الدولية-باك الجيش الأمريكي للبحث وتطوير المشروع (FA5209-15-ف-0175، FA5209-16-P-0132).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102 (2006).
  2. Cohen, G. Contrast–detail–dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
  5. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
  6. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
  7. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
  8. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006 (2007).
  9. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012 (2011).
  10. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
  11. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
  12. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
  13. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
  14. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  15. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
  16. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
  17. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  18. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  19. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  20. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
  21. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
  22. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
  23. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
  24. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
  25. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid – a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
  26. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  27. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  28. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
  29. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  30. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026 (2015).
  31. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
  32. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
  33. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
  34. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
  35. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
  36. . Glossary. Dark Noise Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018)
  37. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021 (2006).
  38. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
  39. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001 (2009).
  40. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  41. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008 (2016).
  42. . Skin Optics Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998)
  43. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
  44. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).

Tags

AgaroseOptical PhantomsDiffuse Reflectance SpectroscopyBiomedical OpticsEpidermal PhantomDermal PhantomMoldSaline SolutionAgarose PowderMelaninCoffee SolutionLipid EmulsionBase MaterialGel Phantom

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Mustari, A., Nishidate, I., Wares, M. A., Maeda, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M., Aizu, Y. Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy. J. Vis. Exp. (138), e57578, doi:10.3791/57578 (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