Multimodal 3D-trykning af fantomer til simulering af biologisk væv
Summary
Spin belægning, polyjet print og smeltet deposition modellering er integreret for at producere flerlags heterogene fantomer, der simulerer strukturelle og funktionelle egenskaber af biologisk væv.
Abstract
Biomedicinsk optisk billeddannelse spiller en vigtig rolle i diagnosticering og behandling af forskellige sygdomme. En optisk Billed enheds nøjagtighed og reproducerbarhed påvirkes imidlertid i høj grad af dets komponenters, prøvnings miljøets og operationens ydeevne egenskaber. Derfor er det nødvendigt at kalibrere disse enheder ved sporbare fantom standarder. Men de fleste af de aktuelt tilgængelige fantomer er homogene fantomer, der ikke kan simulere multimodale og dynamiske egenskaber af biologisk væv. Her viser vi fremstillingen af heterogene vævs simulerende fantomer ved hjælp af en produktionslinje, der integrerer et spin coating-modul, et polyjet-modul, et FDM-modul (sammensmeltet deposition Modeling) og en automatisk kontrolstruktur. De strukturelle oplysninger og de optiske parametre for en “digital optisk fantom” er defineret i en prototype fil, importeret til produktionslinjen, og fabrikeret lag-for-lag med sekventiel Skift mellem forskellige udskrivningsmetoder. Teknisk kapacitet af en sådan produktionslinje er eksemplificeret ved den automatiske trykning af hud-simulerer fantomer, der omfatter epidermis, dermis, subkutane væv, og en indlejret tumor.
Introduction
Biomedical Optical Imaging repræsenterer en familie af medicinske billedbehandlingsværktøjer, der registrerer sygdomme og vævs anomalier baseret på lette interaktioner med biologisk væv. I sammenligning med andre billedbehandlings metoder, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og computertomografi (CT), tager biomedicinsk optisk billeddannelse fordelen ved ikke-invasiv måling af vævs strukturelle, funktionelle og molekylære egenskaber ved hjælp af billige og bærbare enheder1,2,3,4. Men på trods af sin overlegenhed i omkostninger og bærbarhed, optisk billeddannelse er ikke blevet bredt accepteret til klinisk diagnose og terapeutisk vejledning, delvist på grund af sin ringe reproducerbarhed og manglende kvantitativ kortlægning mellem optiske og biologiske parametre. Den væsentligste årsag til denne begrænsning er manglen på sporbare standarder for kvantitativ kalibrering og validering af biomedicinske optiske billedbehandlings anordninger.
Tidligere blev en række vævs simulerende fantomer udviklet til biomedicinsk optisk billedbehandlings forskning i forskellige vævstyper, såsom hjernen5,6,7, Skin8,9,10,11,12, blære13og brystvæv14,15,16,17. Disse fantomer produceres primært af en af følgende fabrikationsprocesser: 1) spin belægning10,18 (til simulering af homogen og tyndt lagdelt væv); 2) støbning19 (til simulering af voluminøse væv med geometriske egenskaber); og 3) tredimensionel (3D) udskrivning20,21,22 (til simulering af flerlags heterogene væv). Hudfantomer produceret af støbning er i stand til at efterligne bulk optiske egenskaber af hudvæv, men kan ikke simulere den laterale optiske forskelligartethed19. Bentz et al. brugte en to-kanals FDM 3D print metode til at efterligne forskellige optiske egenskaber af biologisk væv23. Men ved hjælp af to materialer kan ikke i tilstrækkelig grad simulere væv optisk heterogenitet og Anisotropy. Lurie et al. skabte en blære fantom for optisk kohærens tomografi (OCT) og Cystoskopi ved at kombinere 3D-udskrivning og spin coating13. Men heterogene funktioner i Fantomet, såsom blodkar, skulle være håndmalet.
Blandt de ovennævnte fantom fabrikation processer, 3D-udskrivning giver den mest fleksibilitet til simulering af strukturelle og funktionelle forskelligartethed af biologisk væv. Men mange biologiske vævstyper, såsom hudvæv, består af flerlags-og fler skalerede komponenter, der ikke effektivt kan duplikeres af en enkelt 3D-udskrivningsproces. Derfor er det nødvendigt at integrere flere fremstillingsprocesser. Vi foreslår en 3D-print produktionslinje, der integrerer flere fremstillingsprocesser til automatisk produktion af flerlags-og fler skaleret væv, som simulerer fantomer som en sporbar standard for biomedicinsk optisk billeddannelse (figur 1). Selvom spin belægning, polyjet Printing, og FDM er automatiseret i vores 3D-print produktionslinje, bevarer hver modalitet de samme funktionelle egenskaber som de etablerede processer. Derfor indeholder dette papir en generel retningslinje for produktion af fler skalerede, flerlags og heterogene vævs simulerings fantomer uden behov for fysisk integration af flere processer i et enkelt apparat.
Figur 1: CAD-diagrammet i produktionslinjen for 3D-udskrivning. (A) den 3D-udskrivning produktionslinje med den øverste Shell fjernet. (B) skematisk af spin coating-modulet og det mekaniske hånd modul. C) skematisk af polyjet-udskrivnings modulet. D) skematisk af FDM-udskrivnings MODULET (UV-lampen hører til polyjet-udskrivnings modulet). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
I fremstillingen af det flerlagede Phantom er det materiale, der anvendes til spin belægning, en slags let-curable materiale i stedet for PDMS. Det mellemste lag trykkes med polyjet-udskrivningsmetoden, som anvender den letkurerbare harpiks som råmateriale. Selvom tynde PDMS Phantoms kan laves ved spin belægning efter tilsætning af tert-butylalkohol, kan et PDMS lag ikke effektivt binde sig til det letkurerbare materiale under polyjet udskrivning. Derfor valgte vi den let-helbredelig harpiks til spin belægning.
…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbejdet blev støttet af Kinas National Natural Science Foundation (Grant nr. 11002139 og 81327803) og de grundlæggende forskningsfonde for de centrale universiteter. Vi takker Zachary J. Smith fra University of Science and Technology for at levere audio VoiceOver.
Materials
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | aladdin | H110280-500g | Light initiator http://www.aladdin-e.com/ |
| 3D printing control system | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/ |
| 3D printing system | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| All-in-one nozzle slicing script | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ |
|
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | LP | melting point: 56 °C |
| Graphite | aladdin | G103922-100g | Change object optical absorption parameters http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Titanium dioxide | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylene glycol dimethacrylate | aladdin | T101642-250ml | Photocured monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
References
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760 (2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , 80911 (2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , 85830 (2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003 (2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , 932507 (2015).
- 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. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009 (2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012 (2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780 (2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311 (2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
