רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה
Summary
כאן, נדגים כיצד מבוססי agarose מחקה רקמות פאנטום אופטי נעשות וכיצד התכונות האופטיות שלהם נקבעים באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר כיצד להפוך מבוסס agarose פאנטום מחקה רקמות ומדגים כיצד לקבוע את התכונות האופטיות שלהם באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב. מדידה עבור הרכישה של השתקפות ‘ מאטום לשקוף ‘, הכולל להדמיה ספקטרה נבנות עם מקור אור לבן פס רחב, מדריך אור, של עדשה אכרומטית, כדור של שילוב, בעל מדגם, בדיקה עם סיב אופטי, ו- a ספקטרומטר רב ערוצית. עובש אקריליק בהיקף של שתי חתיכות אקריליק מלבניות, חתיכה אקריליק בצורת U הוא נבנה כדי ליצור פנטום באפידרמיס של רוח רפאים עורי עם דם. היישום של נתרן dithionite (Na2S2O4) פתרון הפאנטום עורי מאפשר deoxygenate המוגלובין בתאי דם אדומים מופץ ב הפאנטום עורי. ההופכי סימולציה מונטה קרלו עם השתקפות ‘ מאטום לשקוף ‘, הכולל להדמיה ספקטרה נמדדת ספקטרומטר עם כדור שילוב מתבצע כדי לקבוע הקליטה מקדם ספקטרום ממוצע(λ) ו מופחת פיזור מקדם ספקטרום ממוצעs‘ (λ) של כל אחת מהשכבות פנטום. פנטום דו שכבתי מחקה את השתקפות ‘ מאטום לשקוף ‘ של רקמת העור האנושי מומחש גם לערום את הפאנטום עוריות על הפאנטום עורי.
Introduction
מטוסי פאנטום אופטי אובייקטים מחקה את התכונות האופטיות של רקמות ביולוגיות, היה בשימוש נרחב בתחום אופטיקה ביו. הם מעוצבים כך תואמת התכונות האופטיות, כגון פיזור אור, מקדמי קליטה, עם אלה של רקמות אדם ובבעלי חיים. מטוסי פאנטום אופטי משמשות בדרך כלל למטרות המפורטות להלן: הדמיית התעבורה האור ברקמות ביולוגיות, כיול בעיצוב פיתח מערכת אופטית, להעריך את האיכות והביצועים של המערכות הקיימות, השוואת הביצועים בין מערכות ואימות של היכולת של השיטות אופטי כדי לכמת את התכונות האופטיות1,2,3,4,5. לכן, חומרים קלים להשגה, תהליך ייצור פשוטה, של הפארמצבטית גבוהה ויציבות אופטי של נדרשים לייצור מטוסי פאנטום אופטי.
סוגים שונים של פאנטום אופטי עם חומרי בסיס שונים כגון ההשעיה מימית6, ג’לטין ג’ל7, agarose ג’ל8,9,10, ג’ל לזיהוי11, שרף12, 13,14,15,16, ו- vulcanizing-החדר-הטמפרטורה סיליקון17 דווחו בספרות הקודם. בעבר דווח כי ג’לטין alginate מבוססות ג’לים שימושיים פאנטום אופטי עם מבנים הטרוגנית18. מטוסי פאנטום alginate יש יציבות מכנית וחום מתאימים להערכת photothermal אפקטים כגון מחקרים אבלציה לייזר ו היפרתרמיה מבוססת לייזר מחקרים18. Agarose ג’ל יש היכולת ליצור מבנים הטרוגנית, שלהם המכאניות והפיזיקליות יציבים במשך זמן רב18. טוהר גבוהה agarose ג’לים של עכירות נמוכה מאוד ויש קליטה אופטי חלש. לכן, התכונות האופטיות של פאנטום מבוססי agarose יכול בקלות להיות מתוכנן עם האור המתאימה פיזור וקליטת סוכנים. לאחרונה, styrene-אתילן-butylene-styrene (SEBS) בלוק copolymers19 ו פוליוויניל כלוריד (PVC) ג’לים20 דווחו כחומרי פנטום מעניין עבור אופטי וטכניקות photoacoustic.
פולימר microspheres7,12,21,22, טיטניום אוקסיד אבקת1ו ליפיד אמולסיות23,24,25,26 כגון חלב, ליפיד אמולסיה משמשים כסוכנים פיזור אור, ואילו דיו שחור27,28 ו-29,מולקולרית צבעי30 משמשים בולמי אור. ‘ מאטום לשקוף ‘ השתקפות ספקטרום של איברים חיים ביותר נשלטים על ידי קליטת רווית חמצן, המוגלובין בתאי דם אדומים. לכן, המוגלובין פתרונות31,32 ו דם מלא8,9,10,33,36 משמשים לעתים קרובות בתור בולמי אור ב מטוסי פאנטום ספקטרוסקופיה ‘ מאטום לשקוף ‘, מולטי ספקטריאליות הדמיה.
השיטה המתוארת במאמר זה משמש ליצור של פנטום אופטי מחקה התעבורה האור ברקמות ביולוגיות לאפיון התכונות האופטיות שלה. כדוגמה, הוא הפגין דו שכבתי אופטי דמה היה שווה התכונות האופטיות של רקמת העור האנושי. היתרונות של שיטה זו על טכניקות חלופיות הם היכולת לייצג ספקטרום ‘ מאטום לשקוף ‘ השתקפות של רקמות ביולוגיות חי ב גלוי אורך הגל הקרוב אינפרא אדום באזור, כמו גם את הפשטות להגיע, שימוש זמין בקלות חומרים וכלים אופטיים קונבנציונלי. לכן, הפאנטום אופטי שנעשו על ידי שיטה זו יהיה שימושי עבור פיתוח שיטות אופטי מבוסס על ספקטרוסקופיה ‘ מאטום לשקוף ‘ והדמיה מולטי ספקטריאליות.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלב הקריטי ביותר של פרוטוקול זה הוא השליטה בטמפרטורה של חומר הבסיס. הטמפרטורה כדי לשמור על חומר הבסיס נע בין 58 עד 60 מעלות צלזיוס. אם הטמפרטורה היא יותר מ 70 מעלות צלזיוס, תתרחש דנטורציה של האמולסיה השומנים והן את כל הדם. כתוצאה מכך, יחריף התכונות האופטיות של הפאנטום. אם הטמפרטורה הוא פחות מ 40…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חלק מעבודה זו נתמכה על ידי מענק הסיוע על Scientific Research (C) של החברה היפנית עבור קידום של המדע (25350520, 22500401, 15 K 06105) ואת צבא ארה ב המרכז לטניס בישראל-פאק מחקר בפרויקט פיתוח (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).
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 |
References
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102 (2006).
- Cohen, G. Contrast–detail–dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
- Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
- Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
- Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
- Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
- Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
- Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006 (2007).
- Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012 (2011).
- Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
- Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
- Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
- Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
- Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
- Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
- Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
- Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
- Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
- Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
- Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
- Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
- Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
- Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
- van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
- Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid – a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
- Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
- Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
- Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
- Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
- Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026 (2015).
- Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
- Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
- Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
- Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
- Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
- . Glossary. Dark Noise Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018)
- Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021 (2006).
- Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
- Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001 (2009).
- Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
- Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008 (2016).
- . Skin Optics Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998)
- Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
- Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).
