Изготовление и характеристика фантомы оптических ткани, содержащие макроструктуры
Summary
Фантомы оптических ткани являются необходимыми инструментами для калибровки и проверки теоретических моделей и характеристик оптических систем тепловидения. Эта статья подробно описывает метод для изготовления Фантом, который включает репликацию ткани оптические свойства и структура трехмерные ткани.
Abstract
Быстрое развитие новых методов оптических изображений зависит от наличия недорогих, настраиваемый и легко воспроизводимые стандарты. Реплицируя визуализации окружающей среды, может избежаться дорогостоящих экспериментов на животных для проверки метода. Прогнозирования и оптимизации производительности в естественных условиях и ex vivo методы визуализации требует испытания на образцах, которые оптически похожи на тканях интерес. Ткани подражая оптических фантомы обеспечивают стандарта для оценки, квалификации или калибровка оптической системы. Однородных полимерных оптических ткани фантомы широко используются для имитации оптических свойств конкретных тканей типа в узком спектральном диапазоне. Многослойные ткани, такие как эпидермиса и дермы, можно имитировать, просто складывая эти фантомы однородных плиты. Однако многие методы обработки изображений в естественных условиях применяются к более пространственно сложные ткани, где три размерные структуры, такие как кровеносные сосуды, airways или дефектов тканей, может повлиять на производительность системы.
Этот протокол описывает изготовление ткани подражая Фантом, который включает трехмерной структурной сложности, с использованием материала с оптическими свойствами тканей. Просмотровые таблицы обеспечивают чернил Индии и диоксид титана рецепты для оптического поглощения и рассеяния целей. Описаны методы характеризуют и настраивать оптические свойства материала. Фантомные изготовление, подробно описанные в этой статье имеет внутренний ветвления макет сократимость void; Однако техника может широко применяется для других структур ткани или органа.
Introduction
Фантомы ткани широко используются для определения характеристик системы и калибровки оптических изображений и спектроскопии инструментов, включая мультимодальность систем, включающих УЗИ или ядерных методов1,2,3 ,4. Фантомы обеспечивают контролируемой среде оптических характеристик системы и контроля качества несколько биологических методов обработки изображений. Ткани подражая фантомы являются полезными инструментами в прогнозировании производительности системы и оптимизации системы проектирования для физиологические задачи под рукой; Например чтобы предсказать проницательный глубины спектральные датчики для оценки опухоли поля5. Оптические свойства и конструкции фантомов может быть настроен для имитации конкретных физиологических окружающей среды, в которой будет использоваться документ, таким образом позволяя технико-экономических обоснований и проверки системы производительности3, 6,7. Проверка изображений производительность системы с реалистичные оптических фантомы предшествовавшего доклинические и клинические испытания уменьшает риск возникновения неисправности или приобретение непригодным для использования данных во время учебы в естественных условиях . Воспроизводимость и стабильность оптических фантомы делают их настраиваемые калибровки стандартов для оптических методов для контроля внутри и между instrument изменчивости, особенно в многоцентровых клинических испытаний с различными инструментами, операторы и условия окружающей среды8,9.
Ткани подражая фантомы также служат перестраиваемый и воспроизводимые физические модели для проверки теоретических оптических моделей. Моделирование помощь в разработке и оптимизации в vivo оптических инструментов, уменьшая потребность для животных экспериментов10,11. Разработка и проверка оптического моделирования точно представлять в естественных условиях окружающей среды может быть обременены сложность структуры ткани, биохимические содержание и расположение целевого или ткани в организме. Изменчивость между субъектами делает проверку теоретических моделей, бросая вызов с использованием животных или человеческого измерения. Полимерных оптических ткани фантомы позволяют для проверки теоретических моделей, указав известный и воспроизводимых оптических среды для изучения Фотон миграции12,13,14,15.
Для целей калибровки системы твердые оптических фантомы может состоять из одной однородной плиты вылечить полимера с оптического рассеяния, поглощение или флуоресцирование, настроенной для длин волн интерес. Слоистых полимера, что призраки часто используются для имитации глубины дисперсию оптических свойств ткани в эпителиальной ткани модели16,17. Эти фантомные структуры являются достаточными для эпителиальных визуализации и моделирования, потому что структура ткани является достаточно однородным через каждый уровень. Однако большем масштабе и более сложные структуры влияют на радиационное воздействие транспорта в других органах. Для имитации оптической среды подкожных сосудов18,19 и даже целых органов, таких как мочевого пузыря20были разработаны методы для создания более сложных фантомы. Моделирование легкого транспорта в легких обеспечивает уникальную проблему из-за разветвленную структуру интерфейса воздуха ткани; твердых phantom вероятно не повторить радиационное воздействие транспорта в органе точно21. Для описания метода для включения сложную структуру в оптических Фантом, мы описываем метод для создания внутренней, воспроизводимые фрактально-дерево недействительными, что представляет трехмерные (3D) макроскопических структуру дыхательных путей (рис. 1).
В последние несколько десятилетий 3D печать стал преобладающим метод для быстрого прототипирования медицинских приборов и модели22, и оптических ткани призраки не являются исключением. 3D печать был использован как средство аддитивного производства для изготовления оптических фантомы с каналов23, кровеносный сосуд сети24и малые животные модели всего тела25. Эти методы используют один или два печатных материалов с уникальными оптическими свойствами. Были также разработаны методы для настройки оптических свойств печати материала для имитации общей, мутная биологической ткани25,26. Однако круг достижимых оптических свойств ограничены запечатываемый материал, обычно полимер, такие как акрилонитрил бутадиен стирола (ABS)26, поэтому этот метод не подходит для всех биологических тканей. Полидиметилсилоксан (PDMS) является оптически ясно полимер, который может быть легко смешивается с рассеяния и поглощения частицы с более высоким уровнем перестройки27,28. PDMS использовалась также для формы фантомы с моделями аневризма для развертывания устройств тромбоэмболические29,30. Эти фантомы также используют растворимый 3D печатной часть, но остаются оптически ясно для визуализации развертывания устройства. Здесь мы сочетаем этот метод с перестройки оптические свойства PDMS рассеяния и поглощения частиц для изготовления Предварительная модель ткани и airways мышиных легких.
В то время как Фантом, представленные здесь для легких, этот процесс может применяться для целого ряда других органов. 3D печать внутренней структуры Фантом позволяет дизайна быть настраиваемые для любой цели и печати масштаба, будь то крови или сети лимфатических судна, костного мозга или даже четырех камерные структура сердца31. Потому что мы заинтересованы в оптических изображений и моделирования легких32,,3334, мы решили использовать четыре поколения фрактально-дерево как внутренней структуры для репликации в пределах Фантом полимера. Эта структура была разработана приблизительное разветвленную структуру дыхательных путей и материал отламывающейся поддержки для процесса 3D печати. Более анатомически правильное дыхательных путей может быть напечатан, если материал отламывающейся поддержки не является необходимым. Хотя эта конкретная модель представляет сократимость, внутренняя структура Фантом не оставаться материала void. После того, как вылечить окружающие полимера и 3D печатной часть растворяется, внутренняя структура может использоваться как путь потока или вторичные формы для материала с собственным уникальным поглощения и рассеяния характеристик. Например если внутренняя структура от этого протокола был разработан как цифровой кости, вместо того, чтобы сократимость, костную структуру может быть 3D печати, формованных с PDMS с оптическими свойствами пальца и затем распущена из призрак. Void может затем быть заполнены PDMS смеси с различными оптическими свойствами. Кроме того каждая форма не ограничивается одной части растворимые. Призрак палец может быть создан для включают кости, Вены, артерии и слой общие мягких тканей, каждый с собственной уникальными оптическими свойствами.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали метод для создания оптических фантомы представляют мышиных легких с внутренней структуры ветвления для имитации интерфейса внутреннего воздуха ткани. Оптические свойства мышиных легочной ткани достигается путем включения уникальный концентрации оптически ра…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана национальной карьеры фонд науки награды нет. Без Грант CBET-1254767 и национального института аллергии и инфекционных заболеваний. R01 AI104960. Мы с благодарностью признаем Патрик Гриффин и Dan Tran за их помощь с измерения характеристик и Texas A & M, сердечно-сосудистой патологии лаборатории для микро-КТ.
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).
