Macrostructure युक्त ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों के निर्माण और लक्षण वर्णन
Summary
ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों अंशांकन और ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणालियों और सैद्धांतिक मॉडल के सत्यापन के लक्षण वर्णन के लिए आवश्यक उपकरण हैं । यह लेख प्रेत निर्माण कि ऊतक ऑप्टिकल संपत्तियों और तीन आयामी ऊतक संरचना की प्रतिकृति शामिल है के लिए एक विधि का विवरण ।
Abstract
नई ऑप्टिकल इमेजिंग तकनीक के तेजी से विकास कम लागत, अनुकूलन, और आसानी से reproducible मानकों की उपलब्धता पर निर्भर है । इमेजिंग पर्यावरण नकल करके, एक तकनीक को मान्य करने के लिए महंगा पशु प्रयोगों दरकिनार किया जा सकता है. भविष्यवाणी और vivo में के प्रदर्शन का अनुकूलन और पूर्व vivo इमेजिंग तकनीक नमूने है कि ऑप्टिकली ब्याज के ऊतकों के समान है पर परीक्षण की आवश्यकता है । ऊतक नकल उतार ऑप्टिकल प्रेतों मूल्यांकन, लक्षण वर्णन, या एक ऑप्टिकल प्रणाली के अंशांकन के लिए एक मानक प्रदान करते हैं । समरूप पॉलिमर ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों व्यापक रूप से एक संकीर्ण वर्णक्रमीय रेंज के भीतर एक विशिष्ट ऊतक प्रकार के ऑप्टिकल गुणों की नकल करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं । एपिडर्मिस और dermis के रूप में स्तरित ऊतकों, बस इन समरूप स्लैब प्रेतों स्टैकिंग द्वारा नकल उतारा जा सकता है । हालांकि, कई vivo इमेजिंग तकनीक में और अधिक स्थानिक जटिल ऊतक जहां तीन आयामी संरचनाओं के लिए लागू कर रहे हैं, जैसे रक्त वाहिकाओं, एयरवेज, या ऊतक दोष, इमेजिंग प्रणाली के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं.
इस प्रोटोकॉल एक ऊतक-नकल उतारने प्रेत है कि तीन आयामी संरचनात्मक जटिलता ऊतक के ऑप्टिकल गुणों के साथ सामग्री का उपयोग शामिल के निर्माण का वर्णन है । लुक अप टेबल ऑप्टिकल अवशोषण और कैटरिंग लक्ष्य के लिए भारत इंक और टाइटेनियम डाइऑक्साइड व्यंजनों प्रदान करते हैं । तरीकों की विशेषताएं और सामग्री ऑप्टिकल संपत्तियों धुन वर्णन कर रहे हैं । इस प्रेत निर्माण इस लेख में विस्तृत एक आंतरिक बंटी नकली airway शूंय है; हालांकि, तकनीक मोटे तौर पर अंय ऊतक या अंग संरचनाओं के लिए लागू किया जा सकता है ।
Introduction
ऊतक प्रेतों प्रणाली लक्षण वर्णन और ऑप्टिकल इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी उपकरणों के अंशांकन के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, multimodality प्रणालियों शामिल अल्ट्रासाउंड या परमाणु मोडलों1,2,3 ,4. प्रेतों प्रणाली लक्षण वर्णन और कई जैविक इमेजिंग तकनीक की गुणवत्ता नियंत्रण के लिए एक नियंत्रित ऑप्टिकल वातावरण प्रदान करते हैं । ऊतक नकल उतारने प्रेतों प्रणाली के प्रदर्शन की भविष्यवाणी और हाथ में शारीरिक कार्य के लिए प्रणाली डिजाइन के अनुकूलन में उपयोगी उपकरण हैं; उदाहरण के लिए, ट्यूमर मार्जिन5का आकलन करने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी की जांच की गहराई का अनुमान लगाने के लिए । ऑप्टिकल गुण और प्रेतों के संरचनात्मक डिजाइन विशिष्ट शारीरिक वातावरण जिसमें साधन इस्तेमाल किया जाएगा नकल करने के लिए देखते हैं, इसलिए दोनों व्यवहार्यता अध्ययन और प्रणाली के प्रदर्शन के सत्यापन के लिए अनुमति दी जा सकती है3, 6,7. पूर्व नैदानिक या नैदानिक परीक्षणों में प्रवेश करने से पहले यथार्थवादी ऑप्टिकल प्रेतों के साथ इमेजिंग प्रणाली के प्रदर्शन का सत्यापन vivo अध्ययनों में के दौरान अनुपयोगी डेटा की खराबी या अधिग्रहण के जोखिम को कम करता है । reproducibility और ऑप्टिकल प्रेतों की स्थिरता उन्हें विशेष रूप से विभिन्न उपकरणों के साथ multicenter नैदानिक परीक्षणों में अंतर और अंतर साधन परिवर्तनशीलता, पर नजर रखने के लिए ऑप्टिकल तकनीक के लिए अनुकूलन अंशांकन मानक बनाते हैं, ऑपरेटरों, और पर्यावरण की स्थिति8,9।
ऊतक नकल करने वाले प्रेत भी सैद्धांतिक ऑप्टिकल मॉडल के सत्यापन के लिए स्वरित्र और reproducible शारीरिक मॉडल के रूप में सेवा करते हैं । सिमुलेशन डिजाइन और vivo में ऑप्टिकल उपकरणों के अनुकूलन में सहायता, जबकि पशु प्रयोगों के लिए की जरूरत को कम करने10,11. विकास और ऑप्टिकल सिमुलेशन के सत्यापन सही vivo में वातावरण का प्रतिनिधित्व करने के लिए ऊतक संरचना की जटिलता से भारग्रस्त जा सकता है, जैव रासायनिक सामग्री, और लक्ष्य या शरीर के भीतर ऊतक के स्थान. विषयों के बीच परिवर्तनशीलता सैद्धांतिक मॉडल पशु या मानव माप का उपयोग कर चुनौतीपूर्ण का सत्यापन करता है । बहुलक ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों एक ज्ञात और reproducible ऑप्टिकल पर्यावरण जिसमें फोटॉन प्रवासन12,13,14,15का अध्ययन करने के लिए आपूर्ति द्वारा सैद्धांतिक मॉडल के सत्यापन के लिए अनुमति देते हैं ।
प्रणाली अंशांकन के प्रयोजन के लिए, ठोस ऑप्टिकल प्रेतों ऑप्टिकल कैटरिंग, अवशोषण, या प्रतिदीप्ति ब्याज की तरंग दैर्ध्य के लिए देखते के साथ ठीक बहुलक की एक एकल सजातीय स्लैब से मिलकर हो सकता है । स्तरित पॉलिमर प्रेतों अक्सर उपकला ऊतक मॉडल16,17में ऊतक ऑप्टिकल संपत्तियों की गहराई विचरण नकल करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं. इन प्रेत संरचनाओं उपकला इमेजिंग और मॉडलिंग के लिए पर्याप्त हैं, क्योंकि ऊतक संरचना एक परत के माध्यम से काफी सजातीय है । हालांकि, बड़े पैमाने पर और अधिक जटिल संरचनाओं अन्य अंगों में radiating परिवहन को प्रभावित करते हैं । अधिक जटिल प्रेतों बनाने के तरीके उपचर्म रक्त वाहिकाओं18,19 और भी पूरे अंगों के ऑप्टिकल वातावरण अनुकरण करने के लिए विकसित किया गया है, इस तरह के मूत्राशय के रूप में20. फेफड़ों में मॉडलिंग प्रकाश परिवहन हवा ऊतक इंटरफेस की शाखाओं में बंटी संरचना के कारण एक अनूठी समस्या प्रदान करता है; एक ठोस प्रेत की संभावना अंग में सही ढंग से radiating परिवहन को दोहराने नहीं होगा21। एक ऑप्टिकल प्रेत में जटिल संरचना को शामिल करने के लिए एक विधि का वर्णन है, हम एक विधि का वर्णन करने के लिए एक आंतरिक, reproducible भग्न वृक्ष शूंय है कि तीन आयामी (3 डी) का प्रतिनिधित्व करता है airway (चित्रा 1) macroscopic संरचना ।
पिछले कुछ दशकों में, 3 डी मुद्रण चिकित्सा उपकरणों और मॉडलों के रैपिड प्रोटोटाइप के लिए एक प्रमुख विधि बन गया है22, और ऑप्टिकल ऊतक प्रेत कोई अपवाद नहीं हैं । 3 डी मुद्रण चैनल23, रक्त वाहिका नेटवर्क24, और पूरे शरीर छोटे जानवर25मॉडल के साथ ऑप्टिकल प्रेतों के निर्माण के लिए एक additive विनिर्माण उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया गया है । इन पद्धतियों अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों के साथ एक या दो मुद्रण सामग्री का उपयोग करें । विधि भी मुद्रण सामग्री के ऑप्टिकल गुण धुन के लिए सामांय, पंकिल जैविक ऊतक25,26की नकल विकसित किया गया है । हालांकि, प्राप्त ऑप्टिकल संपत्तियों की रेंज मुद्रण सामग्री द्वारा सीमित हैं, आमतौर पर एक बहुलक जैसे acrylonitrile ब्यूटाडाइन styrene (ABS)26, तो इस विधि सभी जैविक ऊतकों के लिए उपयुक्त नहीं है । Polydimethylsiloxane (PDMS) एक ऑप्टिकली स्पष्ट बहुलक है कि आसानी से तितर बितर और अवशोषित कणों के साथ tunability27,28के एक उच्च स्तर के साथ मिलाया जा सकता है । PDMS भी embolic उपकरणों29,30की तैनाती के लिए धमनीविस्फार मॉडल के साथ प्रेतों मोल्ड करने के लिए इस्तेमाल किया गया है । इन प्रेतों भी एक dissolvable 3 डी मुद्रित भाग का उपयोग, लेकिन डिवाइस तैनाती visualizing के लिए ऑप्टिकली स्पष्ट रहते हैं । यहां, हम तितर बितर और कणों को अवशोषित करने के लिए ऊतक और murine फेफड़ों के एयरवेज के एक प्रारंभिक मॉडल बनाना के साथ PDMS के ऑप्टिकल गुणों के tunability के साथ इस विधि गठबंधन ।
जबकि प्रेत यहां प्रस्तुत फेफड़ों के लिए विशिष्ट है, इस प्रक्रिया को अंय अंगों की एक किस्म के लिए लागू किया जा सकता है । प्रेत की आंतरिक संरचना के 3 डी मुद्रण डिजाइन किसी भी उद्देश्य और मुद्रण योग्य पैमाने के लिए अनुकूलन योग्य होने की अनुमति देता है, चाहे वह एक रक्त या लसीका पोत नेटवर्क, अस्थि मज्जा, या यहां तक कि दिल31के चार चैंबर्ड संरचना हो । क्योंकि हम ऑप्टिकल इमेजिंग और फेफड़ों की मॉडलिंग में रुचि रखते है३२,३३,३४, हम आंतरिक संरचना के रूप में एक चार पीढ़ी भग्न वृक्ष का उपयोग करने के लिए बहुलक प्रेत के भीतर दोहराने का विकल्प चुना है । यह संरचना अनुमानित airway के शाखाकरण संरचना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था और 3d मुद्रण प्रक्रिया के लिए विराम-अवे समर्थन सामग्री है । यदि विराम-अवे समर्थन सामग्री आवश्यक नहीं है, तो अधिक anatomically सही airway मुद्रित किया जा सकता है । हालांकि इस विशेष मॉडल एक airway का प्रतिनिधित्व करता है, प्रेत की आंतरिक संरचना के लिए एक सामग्री शूंय रहना नहीं है । एक बार आसपास बहुलक ठीक हो जाता है और 3 डी मुद्रित हिस्सा भंग है, आंतरिक संरचना एक प्रवाह मार्ग के रूप में या अपनी अनूठी अवशोषण और बिखरने विशेषताओं के साथ एक सामग्री के लिए एक द्वितीयक मोल्ड के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, यदि इस प्रोटोकॉल से आंतरिक संरचना एक airway के बजाय एक डिजिटल हड्डी के रूप में डिजाइन किया गया था, अस्थि संरचना 3 डी मुद्रित किया जा सकता है, उंगली के ऑप्टिकल गुणों के साथ PDMS के साथ ढाला, और फिर प्रेत से बाहर भंग । शूंय तो अलग ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ एक PDMS मिश्रण से भरा जा सकता है । इसके अतिरिक्त, प्रत्येक मोल्ड एक एकल dissolvable भाग तक ही सीमित नहीं है । उंगली की एक प्रेत हड्डी, नसों, धमनियों, और एक सामांय नरम ऊतक परत, अपनी अनूठी ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ प्रत्येक शामिल करने के लिए बनाया जा सकता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
हम आंतरिक हवा ऊतक इंटरफेस अनुकरण करने के लिए एक आंतरिक शाखाओं में संरचना के साथ एक murine फेफड़ों का प्रतिनिधित्व करने के लिए ऑप्टिकल प्रेतों बनाने के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया है । murine फेफड़ों के ऊतकों क…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को नेशनल साइंस फाउंडेशन कैरियर अवार्ड नंबर से सपोर्ट कर रहा था । CBET-१२५४७६७ और राष्ट्रीय एलर्जी और संक्रामक रोगों के संस्थान अनुदान सं. R01 AI104960. हम कृतज्ञता की विशेषता माप और टेक्सास एक और एम हृदय पैथोलॉजी प्रयोगशाला माइक्रो सीटी इमेजिंग के लिए के साथ उनकी सहायता के लिए पैट्रिक ग्रिफिन और दान ट्रॅन स्वीकार करते हैं ।
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 |
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