제조 및 Macrostructure를 포함 하는 광학 조직 팬텀의 특성화

Summary

광학 조직 환영 교정 및 광학 이미징 시스템의 특성 및 이론적 모델의 유효성 검사에 대 한 필수적인 도구입니다. 이 기사 팬텀 제조 조직 광학 속성 및 3 차원 조직 구조의 복제를 포함 하는 방법을 자세히 설명 합니다.

Abstract

새로운 광학 이미징 기술의 급속 한 발전 낮은-비용, 사용자 정의 및 쉽게 재현할 수 기준의 가용성에 따라 달라 집니다. 이미징 환경 복제, 비용이 많이 드는 동물 실험 기법을 확인 하기 위해 피할 수 있습니다. 예측 하 고 vivo 및 전 비보 이미징 기술을의 성능 최적화에 관심의 조직에 광학과 유사한 샘플 테스트 필요 합니다. 광학 환영 조직 흉내 낸 평가, 특성, 또는 광학 시스템의 교정에 대 한 표준을 제공합니다. 동종 고분자 광학 조직 환영 널리 좁은 스펙트럼 범위 내에서 특정 조직 형식의 광학 속성을 모방 하는 데 사용 됩니다. 계층화 된 조직, 표 피와 진 피, 단순히 이러한 동종 석판 유령 스태킹 하 여 유사 수 있습니다. 그러나, 이미징 기술은 vivo에서 많은 혈관, 기도, 또는 조직 결함, 같은 3 차원 구조, 이미징 시스템의 성능에 영향을 미칠 어디 더 공간 복잡 한 조직에 적용 됩니다.

이 프로토콜 통합 조직의 광학 특성을 가진 재료를 사용 하 여 3 차원 구조 복잡 하 조직 흉내 낸 팬텀의 제작을 설명 합니다. 룩 업 테이블 인도 잉크 및 이산화 티타늄 광 흡수 및 산란 대상에 대 한 조리법을 제공합니다. 특성화 및 광학 물성을 조정 하는 방법은 설명 합니다. 이 문서에 대 한 자세한 팬텀 제조는 내부 분기 모의 기도 무효; 그러나, 기술은 다른 조직 또는 장기 구조에 광범위 하 게 적용할 수 있습니다.

Introduction

조직 유령 시스템 특성화 및 광학 이미징 및 분광학 기기, 초음파 또는 핵 modalities^{1,2,3 multimodality 시스템 등의 교정에 널리 사용 됩니다. ,4}. 유령은 시스템 특성화 및 여러 생물 학적 이미징 기술의 품질 관리에 대 한 제어 광 환경을 제공합니다. 조직 흉내 낸 유령은 시스템 성능을 예측 하 고 생리 적인 작업;에 대 한 시스템 설계 최적화에 유용한 도구 예를 들어 종양을 평가 하기 위한 광 프로브 프로브 깊이 예측^5를여백입니다. 광학 속성과 팬텀의 구조 설계는 악기 사용 됩니다, 따라서 타당성 연구 및 시스템 성능^{3의 확인에 대 한 허용 특정 생리 적인 환경을 모방 하기 위해 조정 될 수 있다 6,7}. 이미징 시스템 성능을 입력 전 임상 또는 임상 시험 전에 현실적인 광학 환영의 오작동의 위험 또는 vivo에서 공부 하는 동안 사용할 수 없는 데이터의 수집을 줄일 수 있습니다. 재현성 및 안정성 광학 환영의 그들에 게 내 고 남북 instrument 다양성, 특히 다른 악기와 함께 되 임상 시험 모니터 광학 기술에 대 한 사용자 정의 교정 표준 연산자, 그리고 환경 조건^8,9.

또한 조직 흉내 낸 유령 이론적인 광학 모델의 유효성 검사에 대 한 가변 및 재현성 물리적 모델 역할을 합니다. ^10,11을 실험 동물에 대 한 필요성을 절감 하는 동안 시뮬레이션 설계 및 광학 기기 vivo에서 의 최적화에 도움이. 개발 및 정확 하 게 나타내는 환경 vivo에서 광학 시뮬레이션의 유효성 검사의 조직 구조, 생화학, 내용과 대상의 신체 내에서 조직 위치 복잡 하 여 지 장 수 있습니다. 주제 사이 가변성은 동물이 나 인간의 측정을 사용 하 여 도전 하는 이론적 모델의 유효성 검사. 폴리머 광 조직 유령 광자 마이그레이션^12,13,,1415공부 하는 알려진 하 고 재현할 수 광 환경을 제공 하 여 이론적 모델의 유효성 검사에 대 한 수 있습니다.

시스템 보정을 위해 고체 광학 환영 경화 폴리머 광 산란, 흡수, 또는 형광의 파장에 대 한 조정의 단일 균질 슬 래 브의 구성 됩니다. 유령 상피 조직 모델^16,17조직 광학 속성의 깊이 변화를 모방 하기 위해 자주 사용 되는 폴리머 층. 이러한 팬텀 구조는 상피 이미징 및 모델링에 대 한 충분 한 조직 구조는 각 계층을 통해 상당히 균질 하기 때문에. 그러나, 큰 규모와 더 복잡 한 구조에 영향을 다른 기관에서 복사 전송. 더 복잡 한 환영을 만드는 방법은 피하 혈관^18,19 와²⁰방광 등 전체 장기의 광 환경 시뮬레이션 하기 위해 개발 되었습니다. 공기-조직 인터페이스;의 분기 구조 때문 독특한 문제 제공 폐에 빛 전송 모델링 단단한 팬텀 것 이다 가능성이 복제 하지 기관에 복사 전송 정확 하 게²¹. 광학 팬텀으로 복잡 한 구조를 통합 하는 방법을 설명 하기 위해 void 기도 (그림 1)의 3 차원 (3D) 거시적인 구조를 나타내는 내부, 재현 프랙탈 트리를 만드는 방법을 설명 합니다.

지난 몇 십년에서 3D 인쇄 의료 기기 및 모델²², 신속한 프로토 타입에 대 한 주된 방법 되 고 광학 조직 팬텀도 예외는 아니다. 3D 인쇄 채널²³, 혈관 네트워크²⁴, 및 전신 작은 동물 모델²⁵광학 환영 날조를 위한 첨가제 제조 도구로 사용 되었습니다. 이러한 방법은 독특한 광학 특성을 가진 하나 또는 두 개의 인쇄 재료를 사용합니다. 방법은 또한 일반, 혼 탁 한 생물 조직^25,26모방을 인쇄 재료의 광학 특성을 조정 하 개발 되었습니다. 그러나, 그래서이 방법은 모든 생물 학적 조직에 적합 하지 않습니다 달성 광 속성의 범위 인쇄 소재, 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS)²⁶, 등 일반적으로 폴리머에 의해 제한 됩니다. 입니다 (PDMS) 비 산 tunability^27,28의 더 높은 수준으로 입자를 흡수와 쉽게 혼합 일 수 있다 광학 투명 폴리머입니다. PDMS는 또한 동맥 모델 embolic 장치^29,30의 배포에 대 한 유령 형에 사용 되었습니다. 이 유령 또한 분해할 3D 인쇄 부분을 활용 하지만 광학 장치 배포를 시각화에 대 한 명확한 유지. 여기, 우리 조직의 예비 모델과 murine 폐의 기도 조작 하는 산란 및 흡수 하는 입자 PDMS의 광학 속성의 tunability이이 방법을 결합.

여기에 제시 된 팬텀은 폐에, 다른 장기의 다양 한 프로세스를 적용할 수 있습니다. 팬텀의 내부 구조의 3D 인쇄 디자인을 혈액 또는 림프 혈관 네트워크, 골 수, 또는 심지어 심장³¹의 4 연 발된 구조 어떤 목적 인쇄 규모에 대 한 사용자 정의 될 수 있습니다. 우리 광학 이미징 및 폐^32,,3334의 모델링에 관심이 있기 때문에, 우리는 내부 구조로 4 세대 프랙탈 트리를 사용 하 여 팬텀 폴리머 내 복제를 하셨습니다. 이 구조는 대략적인 기도의 분기 구조 및 3D 인쇄 과정에 대 한 이탈 지원 자료를가지고 하도록 설계 되었습니다. 더 해부학 적인 몸의 올바른 기도 이탈 지원 물자를 필요 하지 않은 경우 인쇄 될 수 있습니다. 이 특정 모델은 기도 나타내지만, 팬텀의 내부 구조는 소재 무효를 유지 필요가 없습니다. 일단 주변 폴리머 치료 하 고 3D 인쇄 부분 해산, 내부 구조 사용할 수 있습니다 흐름 통로 또는 보조 형으로 그것의 자신의 독특한 흡수와 산란 특성 자료에 대 한. 예를 들어 경우이 프로토콜에서 내부 구조는 기도 보다는 디지털 뼈로 만들어진, 뼈 구조 3D 인쇄, PDMS는 손가락의 광학 특성을 가진 성형 및 다음 팬텀에서 해산 수 있습니다. 다음 다른 광 특성을 가진 PDMS 혼합물 무효 가득 수 있습니다. 또한, 각 형 단일 분해할 수 있는 부분에 국한 되지 않습니다. 손가락의 팬텀 뼈, 혈관, 동맥, 및 일반 부드러운 조직 층 각각 그것의 자신의 독특한 광학 속성을 포함 하도록 만들 수 수 있습니다.

Protocol

1. 선택과 매트릭스 재료 특성의 확인 시작 하기 전에 팬텀 제조 공정 (그림 1), 이미징 wavelength(s)에 대 한 관심의 생체 조직에 대 한 흡수 및 감소 된 산란 계수를 찾아. 예비 견적 참조35,36에서 찾을 수 있습니다. 그러나, 광학 계수의 유효성 검사는 필요할 수 있습니다. 흡수 계수, μ는는및 감소 된 산란 계수,…

Representative Results

팬텀 제조 기법을 보여, 마우스 폐 조직 유령 삭제 건강 하 고 염증이 murine 폐 조직 535에서의 측정된 광학 특성을 시뮬레이션 하기 위해 조작 했다 nm (표 5). 이 파장의 이전 연구33mycobacteria의 재조합 기자 긴장에서 사용 하는 tdTomato 형광 단백질의 여기 파장이입니다. 마우스 폐 조직의 광학 측정 1.4-1.5 단계에서 설명한 동일한 방법으로 획득 ?…

Discussion

우리는 만드는 방법에 대해 내부 공기-조직 인터페이스를 시뮬레이션 하기 위해 내부 분기 구조 murine 폐를 표현 하기 위해 광학 환영을 증명 하고있다. Murine 폐 조직의 광학 속성 광학 산란 및 흡수 homogenously 대량 매트릭스 고분자 내 분산 입자의 독특한 농도 통합 하 여 달성 된다. 이러한 광학 속성 (즉, 병에 걸리는 조직 대 건강 한) 다른 국가에서 조직의 다른 스펙트럼 범위 내에서 생리 ?…

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