Multimodal 3D-utskrift av fantomer for å simulere biologisk vev
Summary
Spin belegg, polyjet utskrift, og smeltet deponering modellering er integrert for å produsere flerlags heterogene fantomer som simulerer strukturelle og funksjonelle egenskaper av biologisk vev.
Abstract
Biomedisinsk optisk Imaging spiller en viktig rolle i diagnostisering og behandling av ulike sykdommer. Nøyaktigheten og reproduserbarheten til en optisk bildegjengivelsesenhet påvirkes imidlertid i stor grad av ytelsesegenskapene til komponentene, testmiljøet og operasjonene. Derfor er det nødvendig å kalibrere disse enhetene ved sporbar fantom standarder. Men de fleste av de tilgjengelige fantomer er homogene fantomer som ikke kan simulere multimodal og dynamiske egenskaper av biologisk vev. Her viser vi fabrikasjon av heterogene vev-simulere fantomer ved hjelp av en produksjonslinje integrere en spin belegg modul, en polyjet modul, en smeltet deponering modellering (FDM) modul, og en automatisk kontroll rammeverk. Den strukturelle informasjon og de optiske parametrene av en “Digital optisk fantom” er definert i en prototype fil, importert til produksjonslinjen, og fremstille lag for lag med sekvensiell bytte mellom ulike utskrift modaliteter. Teknisk evne til en slik produksjonslinje er et eksempel på ved automatisk trykking av hud simulerings fantomer som utgjør epidermis, dermis, under Huds vevet og en innebygd svulst.
Introduction
Biomedisinsk optisk avbildning representerer en familie med medisinsk bildebehandlingsverktøy som oppdager sykdommer og vevs uregelmessigheter basert på lys interaksjoner med biologisk vev. I sammenligning med andre Imaging modaliteter, slik som magnetisk resonans imaging (MRI) og beregnet tomografi (CT), biomedisinsk optisk Imaging tar fordel av ikke-invasiv måling av vev strukturelle, funksjonelle og molekylære egenskaper ved hjelp av lav-pris og bærbare enheter1,2,3,4. Men til tross for sin overlegenhet i kostnader og portabilitet, optisk Imaging har ikke vært allment akseptert for klinisk diagnose og terapeutisk veiledning, delvis på grunn av sin dårlige reproduserbarhet og mangel på kvantitativ kartlegging mellom optiske og biologiske parametre. Hovedårsaken til denne begrensningen er mangelen på sporbare standarder for kvantitativ kalibrering og validering av biomedisinsk optiske bildeenheter.
I det siste, en rekke vev-simulere fantomer ble utviklet for biomedisinsk optisk imaging forskning i ulike vev typer, slik som Brain5,6,7, Skin8,9,10,11,12, blære13, og bryst vev14,15,16,17. Disse fantomer er hovedsakelig produsert av en av følgende fabrikasjon prosesser: 1) spin coating10,18 (for simulere homogen og tynt lagdelt vev); 2) molding19 (for å simulere klumpete vev med geometriske funksjoner); og 3) tredimensjonal (3D) utskrift20,21,22 (for å simulere flerlags heterogene vev). Skin fantomer produsert av molding er i stand til å etterligne bulk optiske egenskaper av hud vevet, men kan ikke simulere den laterale optiske heterogeniteter19. Bentz et al. brukte en to-kanals FDM 3D utskrift metode for å etterligne ulike optiske egenskaper av biologisk vev23. Men ved hjelp av to materialer kan ikke tilstrekkelig simulere vev optiske heterogenitet og anisotropien. Lurie et al. skapte en blære fantom for optisk sammenheng tomografi (OCT) og cystoskopi ved å kombinere 3D-utskrift og Spin belegg13. Men heterogene trekk ved Fantomet, slik som blodkar, måtte håndmalt.
Blant de ovennevnte fantom fabrikasjon prosessene, 3D-utskrift gir mest fleksibilitet for å simulere den strukturelle og funksjonelle heterogeniteter av biologisk vev. Men mange biologiske vevstyper, som for eksempel hud vev, består av flerlags og multiscaled komponenter som ikke kan dupliseres effektivt av en enkelt 3D utskriftsprosess. Derfor er integrering av flere produksjonsprosesser nødvendig. Vi foreslår en produksjonslinje med 3D-utskrift som integrerer flere produksjonsprosesser for automatisk produksjon av flerlags og multiscaled vev som simulerer fantomer som en sporbar standard for biomedisinsk optisk avbildning (figur 1). Selv om spin belegg, polyjet utskrift, og FDM er automatisert i vår 3D-utskrift produksjonslinje, beholder hver modalitet de samme funksjonelle egenskaper som de etablerte prosessene. Derfor gir dette papiret en generell retningslinje for å produsere multiscaled, flerlags, og heterogen vev-simulering fantomer uten behov for fysisk integrering av flere prosesser i et enkelt apparat.
Figur 1: CAD-diagrammet for produksjonslinjen for 3D-utskrift. (A) produksjonslinjen for 3D-utskrift med topp skallet fjernet. (B) skjematisk av Spin coating modulen og den mekaniske hånd modulen. (C) skjematisk av polyjet utskrift modulen. (D) SKJEMATISK av FDM utskrift MODULEN (UV-lampen tilhører polyjet utskrift modul). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
I fabrikasjon av flerlags Phantom, er materialet som brukes for spin coating en slags lys-kureres materiale i stedet for PDMS. Den mellomliggende laget er trykt med polyjet utskrift metoden, som bruker lett kureres harpiks som råstoff. Selv om tynne PDMS fantomer kan gjøres ved å spinne belegg etter å legge tert-butyl alkohol, et PDMS lag kan ikke effektivt binde til lys-kureres materiale under polyjet utskrift. Derfor valgte vi den lys-kureres harpiks for spin belegg.
For øyeblikket er d…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Verket ble støttet av National Natural Science Foundation i Kina (Grant NOS. 11002139 og 81327803) og de grunnleggende Forskningsmidlene for de sentrale universitetene. Vi takker Zachary J. Smith ved University of Science and Technology for å gi lydkommentar spor.
Materials
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | aladdin | H110280-500g | Light initiator http://www.aladdin-e.com/ |
| 3D printing control system | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/ |
| 3D printing system | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| All-in-one nozzle slicing script | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ |
|
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | LP | melting point: 56 °C |
| Graphite | aladdin | G103922-100g | Change object optical absorption parameters http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Titanium dioxide | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylene glycol dimethacrylate | aladdin | T101642-250ml | Photocured monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
Referências
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760 (2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , 80911 (2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , 85830 (2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003 (2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , 932507 (2015).
- 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. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009 (2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012 (2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780 (2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311 (2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
