Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome für Diffuse Reflexion Spektroskopie

Summary

Hier zeigen wir wie Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome vorgenommen werden und wie ihre optischen Eigenschaften werden mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel bestimmt.

Abstract

Dieses Protokoll beschreibt die Agarose-basierte Gewebe imitiert Phantome zu machen und zeigt, wie Sie ihre optischen Eigenschaften, die mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel zu bestimmen. Mess-Systeme für der Erwerb der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren sind mit einer Breitband-weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter, eine achromatische Objektiv, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter ein Glasfaser-Sonde gebaut und eine Mehrkanal-Spektrometer. Ein Acryl Schimmel, bestehend aus zwei rechteckige Acryl Stücke und eine u-förmige Acryl Stück ist konstruiert, um eine epidermalen Phantom und ein dermal Phantom mit Vollblut zu schaffen. Die Anwendung einer Natrium Dithionite (Na₂S₂O₄) Lösung der dermalen Phantom ermöglicht den Forscher zu Hämoglobin der roten Blutkörperchen in der dermalen Phantom verteilt ebenso. Die Inverse Monte-Carlo-Simulation mit der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren gemessen durch ein Spektrometer mit einer Ulbricht-Kugel wird durchgeführt, um die Absorption Koeffizient Spektrum µ_ein(λ) bestimmen und die reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µ_s“(λ) der einzelnen Layer phantom. Eine zweischichtige Phantom imitiert die diffuse Reflexion des menschlichen Hautgewebe beweist auch häufen sich die epidermalen Phantom auf die dermale Phantom.

Introduction

Optische Phantome sind Objekte, die imitiert der optischen Eigenschaften der biologischen Gewebe und haben im Bereich Biomedizinische Optik verbreitet. Sie sind entworfen, so dass die optischen Eigenschaften, wie leichte Streuung und Absorption Koeffizienten, mit denen der lebenden menschlichen und tierischen Geweben übereinstimmen. Optische Phantome sind in der Regel für folgende Zwecke verwendet: simuliert den Lichttransport in biologischen Geweben, Kalibrierung von einem neu entwickelten optischen Systemdesign, Bewertung der Qualität und Leistung der bestehenden Systeme, Vergleich der Leistungsfähigkeit zwischen den Systemen und die Möglichkeit der optischen Methoden zur Quantifizierung der optischen Eigenschaften^1,2,3,4,5Validierung. Daher sind Stoffe zu bekommen, eine einfache Fertigung, eine hohe Reproduzierbarkeit und eine optische Stabilität benötigt für die Herstellung von optischen Phantome.

Verschiedene Arten von optischen Phantome mit unterschiedlichen Trägermaterialien wie wässrige Suspension⁶Gelatine gel⁷, Agarose-Gel^8,9,10, Polyacrylamid-Gel¹¹, Harz^{12, 13,14,15,16}und Raum-Temperatur-Vulkanisieren Silikon¹⁷ in der bisherigen Literatur berichtet wurde. Es wurde berichtet, dass Gelatine und Alginat-basierten Gele für optische Phantome mit heterogenen Strukturen¹⁸nützlich sind. Alginat Phantome haben eine geeignete mechanische und thermische Stabilität für die Bewertung der PHOTOTHERMISCHE Effekte wie Laser Ablation Studien und Laser-basierten Hyperthermie Studien¹⁸. Agarose-Gele sind in der Lage, heterogene Strukturen zu fabrizieren, und ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften sind stabil für eine lange Zeit¹⁸. Hochreine Agarose-Gele haben eine sehr geringe Trübung und eine schwache optische Absorption. Optische Eigenschaften der Agarose-basierte Phantome konnte daher leicht mit dem entsprechenden Licht Streuung und Absorption Agenten entworfen werden. Vor kurzem, Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) Block-Copolymere¹⁹ und Polyvinylchlorid (PVC) Gele²⁰ berichtet als interessante phantom Materialien für optische und photoakustische Techniken.

Polymer Mikrosphären^7,12,21,22, Titan-oxid Pulver¹und Lipid-Emulsionen^23,24,25,26 wie Milch und Lipid Emulsion dienen als Lichtstreuung Agenten, während schwarze Tinte^27,28 und molekularen Farbstoffe^29,30 als Licht-Absorber eingesetzt werden. Diffuse Reflexion Spektren von den meisten lebenden Organe durch die Absorption von sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin in den roten Blutkörperchen dominiert sind. Daher, Hämoglobin Lösungen^31,32 und Vollblut^8,9,10,33,36 dienen Sie häufig als Licht-Absorber in der Phantome für eine diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging.

In diesem Artikel beschriebene Methode wird verwendet, um eine optische Phantom imitiert den Lichttransport in biologischen Geweben zu erstellen und seine optischen Eigenschaften zu charakterisieren. Als Beispiel wird eine zweischichtige optische phantom imitiert optischen Eigenschaften der menschlichen Hautgewebe demonstriert. Die Vorteile dieser Methode gegenüber alternativen Techniken sind die Fähigkeit zur Darstellung der diffusen Reflexion Spektren von lebenden biologischen Geweben im sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich sowie die Einfachheit, mit leicht zur Verfügung zu stellen Materialien und konventionelle optische Instrumente. Daher werden die optische Phantome machte von dieser Methode für die Entwicklung von optischen Methoden basierend auf diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging nützlich sein.

Protocol

1. Bau eines konventionellen Diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit spektroskopische Systems Hinweis: Erstellen Sie die Mess-Systeme für die diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren ein Breitband weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter eine Achromatische Linse, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter, einer optischen Faser und ein Mehrkanal-Spektrometer. Die Rolle der Lichtfalle soll die spiegelnde Reflexion-Komponente aus dem Reflexionsvermögen-Spektrum zu entfernen. Der Pro…

Representative Results

Abbildung 3 zeigt die repräsentative geschätzte Spektren von der geringeren Streuung-Koeffizient und der Absorptionskoeffizient für die Phantom epidermalen und dermalen Phantom. Die Ergebnisse in Abbildung 3 dargestellt sind die Mittelwerte von zehn Messungen von Reflexion und Transmission Spektren. Reduzierte Streuung Koeffizient µs’ hat eine breite Streuung Spektrum, zeigen eine höhere Größen…

Discussion

Der wichtigste Schritt in diesem Protokoll wird die Temperaturregelung des Grundmaterials. Die Temperatur weiterhin das Grundmaterial reichte von 58 bis 60 ° C. Wenn die Temperatur über 70 ° C ist, wird eine Denaturierung der Lipid-Emulsion und die Vollblut auftreten. Infolgedessen werden die optischen Eigenschaften des Phantoms verschlechtern. Wenn die Temperatur unter 40 ° C, das Grundmaterial wird ununiformly geliert und somit die Licht Streuung und Absorption Agenten im Phantom heterogen verteilt werden. Obwohl d…

Materials

150-W halogen-lamp light source	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LA-150SAE
Light guide	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LGC1-5L1000
Integrating Sphere	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	RT-060-SF
Port adapter	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	PA-050-SMA-SF
Light trap	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	SRS-99-020
Optical fiber	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	USB2000
Achromatic lens	Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan	ACL-50-75M
Intralipid	Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden	Intralipid 10%
Coffee (Blendy Mocha Blend Regular Coffee)	Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan	Unavailable
Whole blood	Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan	0103-2
Agarose	Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan	NE-AG02
Cooking heater	TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan	HP-103K