Fabrikasjon og karakterisering av optisk vev Phantoms som inneholder Macrostructure

Summary

Optisk vev fantomer er viktige verktøy for skjermkalibrering og karakterisering av optisk imaging-systemer og validering av teoretiske modeller. Denne artikkelen viser en metode for phantom fabrikasjon som inkluderer replikering av vev optiske egenskaper og tredimensjonale vevet struktur.

Abstract

Den raske utviklingen av nye optisk tenkelig teknikker er avhengig av rimelig, tilpasses og å reprodusere standarder. Ved å replikere tenkelig miljøet, kan kostbare dyreforsøk å validere en teknikk omgås. Forutsi og optimalisere ytelsen til i vivo og ex vivo imaging teknikker krever testing på prøver som optisk ligner vev rundt. Vev-mimicking optisk fantomer gir en standard for evaluering og karakterisering kalibrering av en optisk system. Homogen polymer optisk vev fantomer brukes til å etterligne den optiske egenskapene av en bestemt vev type innenfor et smalt spectral. Lagdelte vev, som overhuden og dermis, kan bli etterlignet av bare stabling disse homogen skive phantoms. Men brukes mange i vivo imaging teknikker mer romlig komplekse vev der tre-dimensjonale strukturer, som blodkar, luftveiene eller vev defekter, kan påvirke ytelsen til tenkelig systemet.

Denne protokollen beskriver fabrikasjon av et vev-mimicking fantom som omfatter tredimensjonale strukturelle kompleksitet materiale med optiske egenskaper av vev. Søketabeller gir India blekk og titandioksid oppskrifter for optisk absorpsjon og spredning mål. Metoder for å karakterisere og tune de optiske materialegenskaper er beskrevet. Phantom fabrikasjon beskrevet i denne artikkelen har en intern forgrening narr airway ugyldig; men kan teknikken grovt brukes andre vev eller organ strukturer.

Introduction

Vev fantomer brukes mye til systemet karakterisering og kalibrering av optisk tenkelig og spektroskopi instrumenter, inkludert Multimodalitet systemer omfatter ultralyd eller kjernefysiske modaliteter^{1,2,3 ,4}. Fantomer gir et kontrollert optisk miljø for systemet karakterisering og kvalitetskontroll av flere biologiske Bildeteknikker. Vev-mimicking fantomer er nyttige verktøy i forutsi systemytelse og optimalisere systemdesign for fysiologiske oppgaven; for eksempel marginer å forutsi prøvende dybden på spektroskopiske sonder for å vurdere svulst⁵. Optiske egenskaper og strukturelle utformingen av fantomer stilles for å etterligne det spesifikke fysiologiske miljøet der instrumentet vil bli brukt, derfor tillater både mulighetsstudie studier og verifisering av system ytelse^{3, 6,7}. Verifisering av imaging system gjennomførelse med realistisk optisk fantomer før inn pre-klinisk eller kliniske forsøk reduserer risikoen for feil eller oppkjøp av ubrukelige data under i vivo studier. Reproduserbarhet og stabilitet av optisk fantomer gjør dem passelig kalibrering standarder for optisk teknikker for å overvåke intra – og inter – instrument variasjon, særlig i multicenter kliniske forsøk med instrumenter, operatorer og miljøforhold^8,9.

Vev-mimicking fantomer også tjene som tunable og reproduserbar fysiske modeller for validering av teoretiske optisk modeller. Simuleringer hjelp i design og optimalisering av i vivo optiske instrumenter, mens redusere behovet for dyr eksperimenter^10,11. Utvikling og validering av optisk simuleringer for nøyaktig representere i vivo miljøet kan være beheftet med kompleksiteten i vevet struktur, det biokjemiske innholdet og plasseringen av målet eller vev i kroppen. Variasjon mellom fag gjør validering av teoretiske modeller utfordrende bruker dyr eller human målinger. Polymer optisk vev fantomer kan validering av teoretiske modeller ved å levere en kjent og reproduserbar optisk miljø til å studere Foton, migrasjon,^12,,^13,,^14,,¹⁵.

For systemet kalibrering, kan solid optisk fantomer bestå av en enkelt homogen skive av herdet polymer med optisk spredning, absorpsjon eller fluorescens innstilt for bølgelengder av interesse. Lagdelt polymer fantomer brukes ofte til å etterligne dybdevariasjonen for vev optiske egenskapene i epitel vev modeller^16,17. Disse phantom strukturene er tilstrekkelig for epithelial imaging og modellering, fordi vev er ganske homogen gjennom hvert lag. Imidlertid påvirker større skala og mer komplekse strukturer strålingspådrivet transport i andre organer. Metoder for å skape mer komplekse fantomer er utviklet for å simulere optisk miljøet av subkutan blodkar^18,19 og hele organer, som blæren²⁰. Modell lys jernbane i lungene gir en enestående problem på grunn forgrening av luft-vevet grensesnittet; en solid phantom ville ikke sannsynlig replikere strålingspådriv transport i orgelet nøyaktig²¹. Som beskriver en metode for å innlemme kompleks struktur i en optisk phantom, beskriver vi en metode for å opprette et internt, reproduserbare fraktal tre ugyldige som representerer tredimensjonale (3D) makroskopisk strukturen i luftpassasjen (figur 1).

I de siste tiårene, 3D-utskrift blitt en dominerende metode for rask prototyping medisinsk utstyr og modeller²²og optisk vev fantomer er intet unntak. 3D-utskrift er brukt som en additiv produksjon verktøy for fabrikasjon optisk fantomer kanaler²³, blodkar nettverk²⁴og hele kroppen liten dyremodeller²⁵. Disse metodene bruke ett eller to utskrift materialer med unike optiske egenskaper. Metoder har også blitt utviklet for å finjustere den optiske egenskapene av utskrift å etterligne generelt, grumset biologisk vev^25,26. Imidlertid området oppnåelig optiske egenskaper er begrenset av utskrift materiale, vanligvis en polymer som akrylonitril butadien styren (ABS)²⁶, så denne metoden ikke er egnet for alle biologisk vev. Polydimethylsiloxane (PDMS) er en optisk klart polymer som lett kan blandes med spredning og absorberende partikler med høyere tunability^27,28. PDMS er også brukt til å forme fantomer med aneurisme modeller for distribusjon av embolic enheter^29,30. Disse phantoms også benytte en dissolvable 3D trykt del, men fortsatt optisk klar for å visualisere enheten distribusjon. Her kombinerer vi denne metoden med tunability av den optiske egenskapene av PDMS med spredning og absorbere partikler til å dikte opp en foreløpig modell av vev og luftveiene murine lungene.

Phantom presenteres her er spesifikke for lungene, kan prosessen brukes til en rekke andre organer. 3D-utskrift av den interne strukturen av phantom lar design kunne tilpasses for ethvert formål og utskrivbar skala, enten det er en blod eller lymfe fartøy nettverk, benmarg eller enda fire kamret strukturen i hjertet³¹. Fordi vi er interessert i optisk tenkelig og modellering av lunge^32,33,34, har vi valgt for å bruke en fire-generasjons fraktal-tree som den interne strukturen for å gjenskape i polymer phantom. Denne strukturen ble designet omtrentlig strukturen forgrening av luftveiene og har utbrytbare støtte materiale for 3D utskriften. En mer anatomisk airway kan skrives ut hvis utbrytbare støtte materiale ikke er nødvendig. Selv om denne modellen representerer en luftveisinfeksjon, har ikke den indre strukturen av phantom forblir et materiale tomrom. Når den omkringliggende polymer er herdet og delen for 3D utskriften er oppløst, kan den interne strukturen brukes som en flyt sti eller en sekundær form for et materiale med sin egen unike absorpsjon og spredning egenskaper. For eksempel hvis den interne strukturen fra denne protokollen ble utformet som en digital bein i stedet for en luftveier, være bein strukturen 3D trykt, støpt med PDMS med optiske egenskaper av fingeren, og deretter oppløst av phantom. Tomrommet kan deretter bli fylt med en PDMS blanding med ulike optiske egenskaper. I tillegg er hver mold ikke begrenset til én dissolvable del. En fantom av fingeren kan opprettes med bein, vener, arterier og en generell bløtvev lag, hver med sin egen unike optiske egenskaper.

Protocol

1. valg og verifisering av Matrix materialegenskaper Før phantom fabrikasjon prosessen (figur 1), finne absorpsjon og redusert spredning koeffisientene for biologisk vev av interesse på tenkelig wavelength(s). Foreløpige beregninger kan finnes i referanser35,36. Validering av optisk koeffisientene kan imidlertid være nødvendig. Bruke oppslagstabeller for absorpsjon koeffisienten µenog redusert spr…

Representative Results

For å demonstrere phantom fabrikasjon teknikk, musen lunge vev fantomer ble laget for å simulere målt optiske egenskaper av forbrukeravgift sunn og betent murine lungevev på 535 nm (tabell 5). Denne Bølgelengden av interesse er eksitasjon bølgelengde for tdTomato fluorescerende protein brukes i rekombinant reporter stammer av mykobakterier tidligere studier33. Optisk målinger av musen lungevev ble innhentet med samme metodene beskrevet i tri…

Discussion

Vi har vist en metode for opprette optiske fantomer representerer en murine lunge med en intern forgrening struktur å simulere interne luft-vevet grensesnittet. Den optiske egenskapene av murine lungevev er oppnådd ved å innlemme unike konsentrasjoner av optisk spredning og absorbere partikler fordelt homogenously i bulk matrix polymer. Disse optiske egenskaper kan være innstilt for å etterligne fysiologiske verdiene innenfor ulike spectral vev i forskjellige stater (dvs. sunn versus syke vev). Den optiske …

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