Multimodala 3D-utskrifter av fantomer för att simulera biologisk vävnad
Summary
Spinn beläggning, polyjettryck och smält deposition modellering är integrerade för att producera flerskiktade heterogena fantomer som simulerar strukturella och funktionella egenskaper av biologisk vävnad.
Abstract
Biomedicinsk optisk avbildning spelar en viktig roll för diagnostik och behandling av olika sjukdomar. Noggrannheten och reproducerbarheten hos en optisk bild apparat påverkas dock i hög grad av prestandaegenskaperna hos dess komponenter, testmiljön och verksamheten. Därför är det nödvändigt att kalibrera dessa enheter genom spårbara fantom standarder. De flesta av de för närvarande tillgängliga fantomer är dock homogena fantomer som inte kan simulera multimodala och dynamiska egenskaper hos biologisk vävnad. Här visar vi tillverkningen av heterogena vävnads simulerande fantomer med hjälp av en produktionslinje som integrerar en spin Coating module, en PolyJet modul, en smält deposition modellering (FDM) modul, och en automatisk kontrollram. Den strukturella informationen och de optiska parametrarna för en “Digital optisk fantom” definieras i en prototyp fil, importeras till produktionslinjen, och fabricerade lager för lager med sekventiell växling mellan olika utskriftsmetoder. Teknisk kapacitet för en sådan produktionslinje exemplifieras av automatisk tryckning av hud-simulating fantomer som omfattar epidermis, dermis, subkutan vävnad, och en inbäddad tumör.
Introduction
Biomedicinsk optisk avbildning representerar en familj av medicinska avbildningsverktyg som upptäcker sjukdomar och vävnads avvikelser baserat på lätta interaktioner med biologisk vävnad. I jämförelse med andra Imaging modaliteter, såsom magnetisk resonanstomografi (MRI) och datortomografi (CT), biomedicinsk optisk avbildning tar fördelen av noninvasiv mätning av vävnad strukturella, funktionella, och molekylära egenskaper med hjälp av billiga och bärbara enheter1,2,3,4. Men trots sin överlägsenhet i kostnader och bärbarhet, optisk avbildning har inte varit allmänt accepterat för klinisk diagnos och terapeutisk vägledning, delvis på grund av dess dåliga reproducerbarhet och brist på kvantitativ mappning mellan optiska och biologiska parametrar. Den främsta orsaken till denna begränsning är avsaknaden av spårbara standarder för kvantitativ kalibrering och validering av biomedicinska optiska bildenheter.
Förr i tiden har en mängd olika vävnads simulerande fantomer utvecklats för biomedicinsk optisk avbildning forskning i olika vävnadstyper, såsom hjärna5,6,7, hud8,9,10,11,12, urinblåsan13, och bröstvävnad14,15,16,17. Dessa fantomer tillverkas främst av en av följande tillverkningsprocesser: 1) spinn beläggning10,18 (för simulering av homogen och tunnskiktad vävnad); 2) gjutning19 (för simulering av skrymmande vävnad med geometriska egenskaper); och 3) tredimensionell (3D) utskrift20,21,22 (för simulering av flerskiktade heterogena vävnad). Hud fantomer produceras av gjutning kan efterlikna bulk optiska egenskaper av hud vävnad men kan inte simulera de laterala optiska heteroeities19. Bentz et al. använde en tvåkanals FDM 3D utskriftsmetod för att efterlikna olika optiska egenskaper av biologisk vävnad23. Men med hjälp av två material kan inte tillräckligt simulera vävnad optisk heterogenitet och anisotropi. Lurie et al. skapade en blåsa fantom för optisk koherens tomografi (ULT) och cystoskopi genom att kombinera 3D-utskrifter och spinn beläggning13. Emellertid, heterogena särdrag av Fantomen, liksom blodkärl, måste att vara handmålade.
Bland ovanstående Phantom Fabrication processer, 3D-utskrifter ger den mest flexibilitet för simulering av strukturella och funktionella heterosanningar av biologisk vävnad. Emellertid, många biologiska vävnadstyper, såsom hud vävnad, består av flerskiktade och flerskalade komponenter som inte kan effektivt dupliceras av en enda 3D-utskrift process. Därför är det nödvändigt att integrera flera tillverkningsprocesser. Vi föreslår en produktionslinje för 3D-utskrifter som integrerar flera tillverkningsprocesser för automatisk produktion av flerskiktade och multiskalade vävnad som simulerar fantomer som spårbar standard för biomedicinsk optisk avbildning (figur 1). Även om spinn beläggning, polyjettryck och FDM automatiseras i vår produktionslinje för 3D-utskrifter, behåller varje modalitet samma funktionella egenskaper som de etablerade processerna. Därför ger detta papper en allmän riktlinje för att producera multiskalade, flerskiktade och heterogena vävnad-simulering fantomer utan behov av fysisk integration av flera processer i en enda apparat.
Bild 1: CAD-diagrammet för produktionslinjen för 3D-utskrifter. (A) produktionslinjen för 3D-utskrifter med det övre skalet borttaget. (B) schematiskt av spinbeläggningsmodulen och den mekaniska handmodulen. C) schematiskt av PolyJet-utskriftsmodulen. D) schematiskt för FDM-utskriftsmodulen (UV-lampan tillhör PolyJet-utskriftsmodulen). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
I tillverkningen av flerskiktade Fantomen, är det material som används för spinn beläggning ett slags ljus-botas material i stället för PDMS. Det mellanliggande skiktet är tryckt med PolyJet utskrift metod, som använder ljus-botas harts som råvara. Även tunna PDMS fantomer kan göras genom spinn beläggning efter tillsats av tert-Butyl alkohol, ett PDMS skikt kan inte effektivt binda till ljus-botas material under PolyJet utskrift. Därför valde vi den ljusbobara kådan för spinn beläggning.
<p class="jo…Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet stöddes av National Natural Science Foundation i Kina (Grant nr 11002139 och 81327803) och de grundläggande forskningsfonderna för de centrala universiteten. Vi tackar Zachary J. Smith vid University of Science and Technology för att tillhandahålla ljud VoiceOver.
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).
