Baseado em agarose tecido imitando Phantoms ópticos por espectroscopia de reflectância difusa

Summary

Aqui, demonstramos como fantasmas ópticas de tecido-imitando baseada em agarose são feitas e como as propriedades ópticas são determinadas usando um sistema óptico convencional com uma esfera de Ulbricht.

Abstract

Este protocolo descreve como fazer fantasmas de tecido-imitando baseada em agarose e demonstra como determinar suas propriedades ópticas, utilizando um sistema óptico convencional com uma esfera de Ulbricht. Sistemas de medição para a aquisição da reflectância difusa e espectros de transmitância total são construídos com uma fonte de luz branca em banda larga, um guia de luz, uma lente acromática, uma esfera de Ulbricht, um porta-amostras, uma sonda de fibra óptica e uma espectrômetro de multi-canal. Um molde de acrílico que consiste de dois pedaços de acrílico retangulares e um pedaço de acrílico em forma de U é construído para criar um fantasma epidérmico e dérmico fantasma com sangue total. A aplicação de uma solução de (ND₂S₂O₄) de ditionito de sódio para o fantasma dérmica permite que o pesquisador de deoxygenate de hemoglobina nos glóbulos vermelhos distribuídos no fantasma dérmico. O inverso de simulação de Monte Carlo com a reflectância difusa e espectros de transmitância total medidos por um espectrômetro com uma esfera de Ulbricht é realizado para determinar a absorção coeficiente espectro µ_a(λ) e a reduzido coeficiente de dispersão a espectro µ_s‘ (λ) de cada camada fantasma. Um fantasma de duas camadas, imitando a reflectância difusa do tecido da pele humana também é demonstrado pelo acumulando o fantasma epidérmico sobre o fantasma dérmico.

Introduction

Espectros ópticos são objetos imitando as propriedades ópticas de tecidos biológicos e tem sido amplamente utilizados no campo da óptica biomédica. Eles são projetados para que as propriedades ópticas, tais como a dispersão da luz e coeficientes de absorção, correspondam com as dos tecidos humanos e animais vivos. Espectros ópticos são geralmente usados para os seguintes fins: simulando o transporte luz em tecidos biológicos, calibrar um design recentemente desenvolvido sistema óptico, avaliando a qualidade e o desempenho dos sistemas existentes, comparando o desempenho entre os sistemas e validando a capacidade dos métodos ópticos para quantificar as propriedades ópticas^1,2,3,4,5. Portanto, fácil de obter substâncias, um processo de fabricação simples, uma grande reprodutibilidade e uma estabilidade óptica são necessários para fazer espectros ópticos.

Gel de vários tipos de espectros ópticos com diferentes materiais de base como suspensão aquosa⁶, gelatina,⁷,¹⁰,^9,8,do gel de agarose, gel de poliacrilamida¹¹, resina^{12, 13,14,15,16}e quarto-temperatura de vulcanização do silicone¹⁷ têm sido relatados na literatura anterior. Tem sido relatado que géis de gelatina e alginato-baseados são úteis para espectros ópticos com estruturas heterogêneas¹⁸. Fantasmas de alginato tem uma estabilidade mecânica e térmica adequada para avaliar originando efeitos tais como estudos de ablação do laser e de estudos baseados em laser hipertermia¹⁸. Géis de agarose têm a capacidade de fabricar estruturas heterogêneas, e suas propriedades físicas e mecânicas são estáveis por um longo tempo¹⁸. Géis de agarose alta pureza tem uma muito baixa turbidez e uma fraca absorção óptica. Portanto, propriedades óticas de fantasmas baseados em agarose facilmente poderiam ser projetadas com a luz adequada, espalhamento e absorção de agentes. Recentemente, estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) de copolímeros de bloco¹⁹ e cloreto de polivinila (PVC) géis²⁰ foram relatados como interessantes materiais fantasmas para óptica e fotoacústico técnicas.

Polímero microesferas^7,12,21,22, de pó de óxido de titânio¹e lipídios emulsões^23,24,25,26 tais como leite e lipídios emulsão são usados como agentes de dispersão da luz, Considerando que a tinta preta^27,28 e^29,de corantes molecular³⁰ são utilizados como absorventes de luz. Reflectância difusa espectros da maioria dos órgãos vivos são dominados pela absorção do oxigenado e desoxigenado hemoglobina nos glóbulos vermelhos. Portanto, a hemoglobina soluções^31,32 e sangue total^8,9,10,33,36 são frequentemente usados como absorventes de luz na fantasmas de espectroscopia de reflectância difusa e imagens multiespectrais.

O método descrito neste artigo é usado para criar um fantasma ótico imitando o transporte luz em tecidos biológicos e caracterizar suas propriedades ópticas. Por exemplo, é demonstrado um duas camadas ótico fantasma imitando propriedades ópticas dos tecidos da pele humana. As vantagens deste método sobre técnicas alternativas são a capacidade de representar os espectros de reflectância difusa de tecidos biológicos vivos na região de comprimento de onda infravermelho próximo, bem como a simplicidade para disponibilizá-lo, usando facilmente visível materiais e instrumentos ópticos convencionais. Portanto, os espectros ópticos feitos por este método será útil para o desenvolvimento de métodos ópticos baseados em espectroscopia de reflectância difusa e imagens multiespectrais.

Protocol

1. construção de um convencional refletância e transmitância Total espectroscópico sistema difuso Nota: Construa os sistemas de medição de reflectância difusa e espectros de transmitância total usando uma fonte de luz branca em banda larga, um guia de luz, uma lente acromática, uma esfera de Ulbricht, um porta-amostras, uma fibra óptica e um espectrômetro de multi-canal. O papel da armadilha luminosa é para remover o componente da reflexão especular do espectro de refletância. Por…

Representative Results

A Figura 3 mostra os espectros estimados representativos do coeficiente de dispersão reduzida e o coeficiente de absorção para o fantasma epidérmica e dérmica fantasma. Os resultados mostrados na Figura 3 são as médias de dez medições dos espectros de reflectância e transmitância. O espalhamento reduzido coeficiente µs’ tem um espectro de ampla dispersão, exibindo uma magnitude maior em c…

Discussion

O passo mais crítico neste protocolo é o controle de temperatura do material base. A temperatura para manter o material de base, variou entre 58 e 60 ° C. Se a temperatura for superior a 70 ° C, ocorrerá uma desnaturação de emulsão lipídica e o sangue todo. Como consequência, as propriedades ópticas do fantasma irão deteriorar-se. Se a temperatura for inferior a 40 ° C, o material de base vai ser ununiformly funcionava e, assim, os agentes de dispersão e absorção de luz vão ser heterogénea no fantasma. …

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