تصنيع وتوصيف أشباح الأنسجة البصرية التي تتضمن حداتها
Summary
أشباح الأنسجة البصرية أدوات أساسية للمعايرة وتوصيف نظم التصوير الضوئي والتحقق من النماذج النظرية. تفاصيل هذه المقالة طريقة لتصنيع الوهمية تتضمن النسخ المتماثل الأنسجة الخصائص البصرية وبنية أنسجة ثلاثية الأبعاد.
Abstract
التطور السريع في تقنيات التصوير الضوئي الجديد مرهون بتوافر معايير منخفضة التكلفة وقابلة للتخصيص واستنساخه بسهولة. بتكرار تصوير البيئة، يجوز التحايل على التجارب على الحيوانات مكلفة التحقق من صحة أسلوب. التنبؤ وتحسين الأداء في فيفو و السابقين فيفو تقنيات التصوير يتطلب اختبار عينات متشابهة بصريا للأنسجة للفائدة. محاكاة الأنسجة أشباح الضوئية تقدم معياراً للتقييم، والوصف، أو معايرة نظام بصري. بوليمر متجانس أشباح الأنسجة البصرية تستخدم على نطاق واسع لمحاكاة الخصائص البصرية لنوع الأنسجة محددة داخل نطاق طيفي ضيق. يمكن أن تحاكي الأنسجة الطبقات، مثل البشرة وباطن الجلد، قبل التراص ببساطة هذه أشباح لوح متجانسة. ومع ذلك، يتم تطبيق كثيرة في فيفو تقنيات التصوير الأنسجة مكانياً معقدة أكثر حيث هياكل الأبعاد الثلاثة، مثل الأوعية الدموية أو الخطوط الجوية أو عيوب الأنسجة، يمكن أن تؤثر على أداء نظام التصوير.
ويصف هذا البروتوكول تلفيق فانتوم محاكاة الأنسجة الذي يشتمل على التعقيد الهيكلي ثلاثي الأبعاد باستخدام المواد مع الخصائص البصرية للأنسجة. جداول البحث تقديم وصفات الحبر الهند وثاني أكسيد التيتانيوم للاستيعاب البصري وتشتت الأهداف. ويرد وصف أساليب تميز وضبط خصائص المواد البصرية. تصنيع الوهمية بالتفصيل في هذه المقالة قد فراغاً مجرى الهواء صورية تفريع داخلية؛ ومع ذلك، يمكن تطبيقها التقنية على نطاق واسع إلى هياكل الأنسجة أو هيئة أخرى.
Introduction
الأنسجة أشباح وتستخدم على نطاق واسع لوصف النظام ومعايرة أجهزة التصوير والتحليل الطيفي الضوئي، بما في ذلك نظم موقفية إدماج الموجات فوق الصوتية أو طرائق نووية1،2،3 ،4. أشباح توفير بيئة بصرية الخاضعة لتوصيف النظام ومراقبة الجودة لتقنيات التصوير بيولوجية متعددة. محاكاة الأنسجة أشباح أدوات مفيدة في التنبؤ بأداء النظام وتحسين تصميم نظام للمهمة الفسيولوجية في متناول اليد؛ على سبيل المثال، التنبؤ بعمق السبر المسابير الطيفية لتقييم الورم الهوامش5. الخصائص البصرية والتصميم الهيكلي الأشباح يمكن ضبطها لمحاكاة البيئة الفسيولوجية المحددة التي ستستخدم في الصك، وبالتالي السماح لدراسات الجدوى والتحقق من نظام الأداء3، 6،7. التحقق من أداء النظام مع أشباح البصري واقعية قبل دخول التجارب قبل الإكلينيكية أو السريرية التصوير يقلل من خطر حدوث الأعطال أو الحصول على بيانات غير صالحة للاستعمال خلال في فيفو الدراسات. إمكانية تكرار نتائج والاستقرار الأشباح الضوئية جعلها معايير المعايرة قابلة للتخصيص للتقنيات البصرية لرصد تقلب instrument داخلها، وبينها، لا سيما في تجارب سريرية متعددة المراكز بأدوات مختلفة، عوامل التشغيل، والظروف البيئية8،9.
بمثابة محاكاة الأنسجة أشباح أيضا النماذج الفيزيائية الانضباطي واستنساخه للتحقق نماذج النظرية البصرية. المعونة المحاكاة في التصميم والتحسين في فيفو الأدوات البصرية، في حين أن الحد من الحاجة للحيوانات والتجارب10،11. يمكن أن يشغلها بالتنمية والتحقق من صحة المحاكاة البصرية تمثيل دقيق للبيئة في فيفو تعقيد هيكل الأنسجة ومحتوى الكيمياء الحيوية، وموقع الهدف أو الأنسجة داخل الجسم. تقلب بين المواضيع يجعل التحقق نماذج النظرية التي تطعن باستخدام قياسات الحيوان أو الإنسان. بوليمر الأنسجة الضوئية أشباح تسمح بالتحقق نماذج النظرية بتوفير بيئة بصرية المعروفة واستنساخه لدراسة فوتون الهجرة12،13،،من1415.
غرض نظام المعايرة، أشباح الضوئية الصلبة قد تتكون من لوح متجانسة واحدة من البوليمر شُفي مع التشتت البصري، والاستيعاب، أو الأسفار ضبطها للأطوال الموجية للفائدة. الطبقات البوليمر أشباح تستخدم بشكل متكرر لتقليد الفرق عمق الخصائص البصرية الأنسجة في نسيج طلائي نماذج16،17. هذه الهياكل الوهمية تكفي للتصوير الظهارية والنمذجة، لأن بنية أنسجة متجانسة إلى حد ما من خلال كل طبقة. ومع ذلك، أوسع نطاقا وأكثر تعقيداً من هياكل تؤثر على النقل الإشعاعي في الأجهزة الأخرى. وقد وضعت أساليب لإنشاء أشباح أكثر تعقيداً لمحاكاة البيئة البصرية من الأوعية الدموية تحت الجلد18،19 وحتى كل الأجهزة، مثل المثانة20. نماذج النقل الخفيفة في الرئتين ويوفر مشكلة فريدة من نوعها بسبب هيكل المتفرعة من واجهة الهواء-النسيج؛ الوهمية صلبة سوف لا يحتمل النسخ المتماثل النقل الإشعاعي في الجهاز بدقة21. لوصف طريقة لإدماج بنية معقدة شبح ضوئية، يصف لنا طريقة لإنشاء شجرة كسورية الداخلية، واستنساخه بالفراغ الذي يمثل الهيكل العيانية ثلاثي الأبعاد (3D) لمجرى الهواء (الشكل 1).
في العقود القليلة الماضية، 3D الطباعة أصبح أسلوب الغالبة للنماذج الأولية السريعة للأجهزة الطبية والنماذج22، وأشباح الأنسجة البصرية ليست استثناء. 3D الطباعة قد استخدمت كأداة تصنيع المواد مضافة لاختلاق أشباح بصري مع23من قنوات و شبكات الأوعية الدموية24نماذج حيوانية صغيرة الجسم كله25. هذه الأساليب تستخدم مواد الطباعة واحد أو اثنين مع خصائص بصرية فريدة من نوعها. كما وضعت أساليب لضبط الخصائص البصرية لمواد الطباعة لتقليد الأنسجة البيولوجية العامة، عكر25،26. ومع ذلك، محدودة مجموعة الخصائص البصرية يمكن تحقيقه بمواد الطباعة، عادة ما تكون بوليمر مثل أكريلونيتريل بيوتادايين ستايرين (ABS)26، حتى هذه الطريقة ليست مناسبة لجميع الأنسجة البيولوجية. بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) هو بوليمر بصريا واضحة التي يمكن أن تكون مختلطة سهولة التشتت وامتصاص الجزيئات مع مستوى أعلى من ألواح27،28. وقد استخدمت أيضا PDMS العفن وأشباح مع نماذج تمدد الأوعية الدموية لنشر أجهزة embolic29،30. هذه الأشباح أيضا الاستفادة من جزء مطبوعة 3D ديسولفابل ولكن تبقى بصريا واضحة لتصور نشر الجهاز. هنا، نجمع بين هذا الأسلوب مع ألواح الخصائص البصرية ل PDMS مع تناثر وامتصاص الجزيئات اختﻻق نموذجا أولياً للأنسجة والخطوط الجوية في الرئة مورين.
بينما الوهمية المقدمة هنا محددة إلى الرئتين، العملية يمكن تطبيقها على مجموعة متنوعة من الأجهزة الأخرى. الطباعة ثلاثية الأبعاد للهيكل الداخلي للوهمية يسمح التصميم لتكون قابلة للتخصيص لأي غرض ونطاق الطباعة، سواء كان ذلك دم أو الليمفاوية شبكة السفينة أو نخاع العظام حتى هيكل أربع غرف القلب31. لأننا مهتمون بالتصوير الضوئي والنمذجة من الرئة32،،من3334، اخترنا لاستخدام شجرة الجيل أربعة النمطي هندسي متكرر كالهيكل الداخلي للنسخ المتماثل داخل البوليمر الوهمية. صمم هذا الهيكل التقريبي هيكل المتفرعة من مجرى الهواء ومواد الدعم كسر بعيداً عن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن طباعة مجرى الهواء أكثر تشريحيا صحيح إذا لم يكن دعم كسر بعيداً المواد اللازمة. على الرغم من أن هذا نموذج معين يمثل مجرى الهواء، ليس لديه البنية الداخلية للوهمية يظل فراغ مادي. متى يشفي البوليمر المحيطة به وهو حل الجزء المطبوع 3D، يمكن استخدام الهيكل الداخلي كمسار تدفق أو العفن ثانوية لمادة مع الاستيعاب فريدة من نوعها ونثر الخصائص الخاصة به. على سبيل المثال، إذا تم تصميم الهيكل الداخلي من هذا البروتوكول كالعظام رقمية بدلاً من مجرى الهواء، يمكن أن تكون بنية العظام 3D مطبوعة ومصبوب مع PDMS مع الخصائص البصرية للاصبع وحلت ثم الخروج من شبح. ثم تكون مليئة الفراغ خليط PDMS مع خصائص بصرية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، كل العفن لا يقتصر على جزء واحد في ديسولفابل. يمكن إنشاء فانتوم الإصبع لتشمل العظام والاوردة والشرايين وطبقة أنسجة لينة عامة، كل منها مع الخصائص البصرية الفريدة الخاصة به.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أظهرنا أسلوب لخلق أشباح بصرية تمثل الرئة موريني مع بنية تفريع داخلية لمحاكاة واجهة الأنسجة الجوية الداخلية. الخصائص البصرية لانسجة الرئة موريني تتحقق من خلال دمج تركيزات فريدة من نوعها لنثر بصريا وامتصاص الجسيمات الموزعة المتجانسة داخل المجمع مصفوفة البوليمر. يمكن ضبطها هذه الخصائص…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أيد هذا العمل “الوظيفي مؤسسة العلوم الوطنية” جائزة لا. كبيت-1254767، والمعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية منحة لا. R01 AI104960. ونعترف مع الامتنان باتريك غريفين ودان تران لمساعدتها مع قياسات توصيف وتكساس A & M مختبر أمراض القلب والأوعية الدموية للتصوير بالأشعة المقطعية الصغرى.
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 |
References
- Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
- 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).
- Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
- 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).
- Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
- Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
- 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).
- Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
- 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).
- Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
- 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).
- Duck, F. A. . Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , (1990).
- Tuchin, V. V., Tuchin, V. . Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, (2007).
- Prahl, S. . Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , (2011).
- . . Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
- Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).
