Denne protokollen beskriver fremstilling av et stabilt, biologisk relevant fantommateriale for optiske og akustiske biomedisinske bildebehandlingsapplikasjoner, med uavhengig justerbare akustiske og optiske egenskaper.
Etablering av vevsetterlignende biofotoniske fantommaterialer som gir langsiktig stabilitet er avgjørende for å muliggjøre sammenligning av biomedisinske bildebehandlingsenheter på tvers av leverandører og institusjoner, støtte utviklingen av internasjonalt anerkjente standarder og bistå den kliniske oversettelsen av nye teknologier. Her presenteres en produksjonsprosess som resulterer i et stabilt, billig, vevslignende kopolymer-i-olje-materiale for bruk i fotoakustisk, optisk og ultralydstandardiseringsarbeid.
Basismaterialet består av mineralolje og en kopolymer med definerte CAS-nummer (Chemical Abstract Service). Protokollen som presenteres her gir et representativt materiale med lydens hastighet c(f) = 1,481 ± 0,4 m·s-1 ved 5 MHz (tilsvarer lydens hastighet ved 20 °C), akustisk demping α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 ved 5 MHz, optisk absorpsjon μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 ved 800 nm, og optisk spredning μs‘(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 ved 800 nm. Materialet tillater uavhengig innstilling av de akustiske og optiske egenskapene ved henholdsvis å variere polymerkonsentrasjonen eller lysspredningen (titandioksid) og absorberende midler (oljeløselig fargestoff). Fabrikasjonen av forskjellige fantomdesign vises, og homogeniteten til de resulterende testobjektene bekreftes ved hjelp av fotoakustisk avbildning.
På grunn av sin lette, repeterbare fabrikasjonsprosess og holdbarhet, samt dens biologisk relevante egenskaper, har materialoppskriften høyt løfte i multimodale akustisk-optiske standardiseringsinitiativer.
Etablering av presisjonen og nøyaktigheten til nye optiske bildebiomarkører gjennom teknisk validering 1,2 er avgjørende for å sikre vellykket implementering i klinisk praksis. For å oppnå dette bruker tekniske valideringsstudier ofte holdbare fysiske fantomer, noe som letter ytelsesvurdering mellom instrumenter og rutinemessig kvalitetskontroll. For utstrakt bruk av et fantommateriale i forskning og klinisk oversettelse, er det nødvendig med en enkel, svært reproduserbar fabrikasjonsprotokoll. Et ideelt biofotonisk fantommateriale bør inneholde følgende egenskaper3: (1) uavhengig justerbare egenskaper innenfor biologisk relevante områder; (2) mekanisk robusthet; (3) langsiktig stabilitet; (4) fleksibilitet i geometri og arkitektur; (5) sikker håndtering; (6) allment tilgjengelige ingredienser som kan kjøpes fra standard vitenskapelige leverandører; og (7) lave kostnader. For tiden mangler biofotoniske applikasjoner en standardisert protokoll for et allment akseptert fantommateriale som oppfyller de skisserte kravene, og inkluderer også justerbare akustiske egenskaper for hybridapplikasjoner, for eksempel fotoakustisk avbildning (PAI).
Biologisk relevante fantommaterialer rettet mot kombinerte optiske og akustiske applikasjoner inkluderer hydrogeler4,5, polyvinylalkohol (PVA)6,7,8,9 og polyvinylkloridplastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . Imidlertid er disse materialene preget av visse begrensninger som begrenser deres anvendelse som et stabilt fantommateriale. Hydrogeler, for eksempel, er utsatt for dehydrering, mekanisk skade og bakteriell innvekst, og begrenser holdbarheten17,18,19. Tilsetning av kjemikalier kan øke levetiden, men vanlige konserveringsmidler, som formaldehyd20 eller benzalkoniumklorid21, er farlige og krever forsiktighetstiltak under håndtering. I tillegg kan mål som inneholder vannløselige fargestoffer diffundere i basismaterialet hvis de ikke er innkapslet. PVA-kryogeller kjennetegnes av høyere levetid og strukturell robusthet, men fremstillingsprosessen innebærer lange fryse-tine-sykluser22. Dette kan begrense den uavhengige tunabiliteten til akustiske og optiske parametere23 og, hvis de er litt varierte, kan føre til inhomogeniteter6, og dermed kompromittere reproduserbarheten. Videre er diffusjon av fargestoffer fra inneslutninger observert etter 1 år13. PVCP har en kompleks fabrikasjonsprosess som inkluderer høye temperaturer på opptil 180-220 °C 13,14,24,25. PVCP lider også av mangel på en forsyningskjede med vitenskapelige leverandører26 og kan inneholde myknere basert på ftalater, noe som kan forårsake reproduksjons- og utviklingsskader27, noe som gjør dem til kontrollerte stoffer i noen land.
Kopolymer-i-olje-sammensetninger, slik som gelvoks 28,29,30,31 eller blandinger basert på termoplastiske styrenelastomerer 32,33,34,35,36, utviser god langsgående stabilitet og har vevslignende akustiske og optiske egenskaper31,35,36,37, og har dermed et høyt potensial som en holdbar fantomkandidat i multimodale applikasjoner. I tillegg er denne klassen av materiale kostnadseffektiv, ikke-vannabsorberende, giftfri og biologisk inert35,38. Lydhastigheten c(f) og den akustiske dempingskoeffisienten α(f) kan justeres i et biologisk relevant område (tabell 1) ved variasjon av polymerkonsentrasjonen 33,35,39, mens optisk absorpsjon μa(λ) og redusert spredning μs‘(λ)-koeffisienter primært kan varieres ved tilsetning av oljeløselige fargestoffer eller titandioksid (TiO2)39, henholdsvis.
Her presenteres en enkel, lett å følge protokoll for opprettelse av holdbare kopolymer-i-olje-fantomer egnet for bruk i optisk, ultralyd eller fotoakustisk enhetskalibrering. Alle ingrediensene har definerte CAS-numre (Chemical Abstract Service) og er lett tilgjengelige fra standard vitenskapelige leverandører. Potensielle vanskeligheter i fabrikasjonsprosedyren er uthevet og måter å overvinne dem presenteres på. Mens protokollen tillater fremstilling av materialer med en rekke akustiske og optiske egenskaper, gir den presenterte protokollen et materiale med en lydhastighet på ~ 1,481 m · s-1, på linje med lydens hastighet ved romtemperatur (20 ° C) 40. Denne verdien ble valgt som en nøytral standard for å representere det brede spekteret av eksisterende vevsegenskaper (tabell 1), noe som gjorde det mulig å etablere et konsistent og pålitelig referansepunkt for sammenligning. Ved å tilby denne detaljerte protokollen tar vi sikte på å utvide opptaket og produksjonsreproduserbarheten til denne lovende fantommaterialtypen, og dermed legge til rette for biofotoniske, akustiske og fotoakustiske valideringsstudier og støtte rutinemessig kvalitetskontroll i prekliniske og kliniske bildebehandlingsapplikasjoner.
Her presenteres en protokoll som tar sikte på å gi en allsidig oppskrift på et stabilt, biologisk relevant materiale som kan brukes til å lage fantomer for kalibreringsmålinger og standardisering på tvers av multimodale akustiske og optiske biomedisinske bildebehandlingsapplikasjoner. Materialet har tidligere vist seg å være stabilt over tid39, å ha høy batch-til-batch reproduserbarhet, å være trygt å bruke, og å bestå av lett tilgjengelige, kostnadseffektive ingredienser fra standard vitenskapelige leverandører. Materialegenskapene er uavhengig justerbare på tvers av relevante akustiske og optiske regimer. Videre er det mekanisk robust og uløselig i vann, og tåler dermed røff håndtering, og det er inert mot vannbaserte koblingsmidler som brukes i ultralyd / fotoakustisk forskning. Det ble fremhevet at forskjellige fantomdesign kan opprettes med forskjellige typer inneslutninger, sammensatt av samme eller forskjellige materialtyper. Gitt disse egenskapene, oppfyller materialet de nevnte nøkkelkriteriene for et ideelt biofotonisk fantom, og viser viktige fordeler sammenlignet med andre eksisterende vevslignende materialer3. Ved å detaljere den nøyaktige produksjonsprosessen håper vi å minimere variasjoner som oppstår fra fabrikasjonsprosedyren, og dermed optimalisere bruken til kalibrering, validering og sporing av ytelsen til bildesystemer.
To viktige trinn har blitt identifisert som kritiske for fabrikasjonsprosessen. Først må ingrediensene blandes grundig og oppvarmes jevnt for å skape et homogent materiale. Ved hjelp av en sonikator og magnetisk omrører for blanding og et oljebad for oppvarming sikrer jevn fordeling av materialkomponenter i basismatrisen. Det må tas hensyn til at oljebadet ikke når svært høye temperaturer (>180 °C), da dette vil resultere i oksidasjon av materialkomponentene, noe som fører til gulaktig misfarging. Manuell omrøring kan støtte blandeprosessen og kompenserer for utilstrekkelig oppvarming fra material-luft-grensesnittet. Tiden for sonikering og blanding må kanskje forlenges når en høyere konsentrasjon avTiO2 og / eller polymerer brukes for å sikre en homogen sammensetning av materialet. For det andre må luftbobler fjernes for å forhindre dannelse av heterogeniteter i basematrisen. Selv om dette kan oppnås med en vakuumpumpe eller stekeovn, bør man også øve forsiktig helling fra lav høyde for å minimere fangstluft i materialet.
En betydelig fordel ved materialet er dets termoplastiske egenskaper (avledet fra SEBS-polymeren), slik at det kan varmes opp og omformes uten noen betydelig innvirkning på dets akustiske og optiskeegenskaper39. Oppvarming må imidlertid utføres gradvis og nøye, da materialet lett kan brenne og oksidere hvis det varmes opp for raskt. Oppvarming blir også vanskeligere når høyere LDPE-konsentrasjoner brukes, da LDPE ikke viser samme termoplastiske oppførsel som SEBS.
Flere begrensninger i protokollen gjenstår. På grunn av polymerenes høye smeltetemperatur (150 °C) må fantomformer lages av et varmebestandig materiale, som glass eller rustfritt stål. I tillegg er materialet ganske tyktflytende i flytende tilstand hvis en høy polymerkonsentrasjon brukes til å justere de akustiske egenskapene, noe som gjør fylling av små bildemål vanskelig. Endelig er tuning av de akustiske egenskapene så langt begrenset til en hastighet på lydområdet på ~ 1450-1,516 m · s-1 som støtter etterligning av vev som bryst eller fett (c = 1,450-1,480 m · s-1), men kan være utilstrekkelig for vev som muskel eller nyre (c > 1,520 m · s-1). Samtidig endring av akustisk demping bør også tas i betraktning.
Her har vi fremhevet anvendelsen av materialet som et stabilt fantom for ultralyd og optiske bildeapplikasjoner. Imidlertid har kopolymer-i-olje-materialer også vist seg å være av verdi i elastografiapplikasjoner35, og kan potensielt tillate kompatibilitet med ytterligere bildebehandlingsmodaliteter som magnetisk resonansavbildning. Økt anatomisk realisme hos fantomene kan oppnås ved hjelp av 3D-printede former, som vist i lignende studier 29,47,48,49. Tidlige studier har også demonstrert 3D-utskriftsevnen til selve materialet, noe som ytterligere utvider fleksibiliteten når det gjelder prosessering og fabrikasjon. Disse utviklingene fremhever det spennende fremtidige potensialet til materialet som et mye brukt, stabilt fantommedium for multimodale bildeapplikasjoner.
The authors have nothing to disclose.
LH ble finansiert av NPLs MedAcel-program finansiert av Department for Business, Energy and Industrial Strategy’s Industrial Strategy Challenge Fund. JMG mottok finansiering fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, tysk forskningsstiftelse) under prosjekt GR 5824/1. JJ anerkjenner finansieringsstøtten fra Academy of Medical Sciences Springboard (REF: SBF007 \ 100007) -prisen. SEB anerkjenner støtte fra Cancer Research UK under stipendnummer C9545/A29580. AMI, BZ og SR ble støttet av UK Department for Business, Energy &; Industrial Strategy via finansiering av National Measurement System. Figur 1 og figur 2 ble laget med BioRender.
Low-density Polyethylene (LDPE) | Alfa Aesar | 43949.30 CAS: 9002-88-4 |
6.70 g 5.8% w/w |
Mineral oil | Sigma Aldrich | 330779-1L CAS: 8042-47-5 |
83.80 g 72.5% w/w |
Nigrosin | Sigma Aldrich | 211680-100G CAS: 11099-03-9 |
0.4 g |
Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (SEBS) | Sigma Aldrich | 200557-250G CAS: 66070-58-4 |
25.14 g 21.7% w/w |
Silicone oil for oil bath | Sigma Aldrich | 85409-1L CAS: 63148-62-9 ~1 L (depending on size of oil bath) |
|
Titanium(IV) oxide, anatase (TiO2) | Sigma Aldrich | 232033 CAS: 1317-70-0 |
0.15 g |
Antioxidant (optional; e.g., butylated hydroxytoluene) | Sigma Aldrich | W218405-1KG-K CAS: 128-37-0 |
may be added to prevent discolouration if higher fabrication temperatures are used |
Oil-solule dyes for inclusions (optional) | e.g., Caligo safe wash relief inks, Cranfield Colours, Cwmbran, UK* | may be added depending on preferred absorption | |
Bath Sonicator | Ultrawave Ltd, UK* | U500H Ultrasonic Cleaning Bath* | ideally with temperature control; recommended operating frequencies between 30-50 kHz) |
Crystallising dish for silicone oil bath (up to +200 °C) | any suitable supplier | (ext. diameter ~140 mm for 250 mL glass beaker) | |
Glass beaker (~250 mL); glass sample dishes/phantom mould | any suitable supplier | ||
Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of > 200 °C | Thermo Fisher Scientific, UK* | Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer* | |
Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 g | any suitable supplier | ||
Metallic spatula | any suitable supplier | ||
Vaccuum oven or vaccum chamber | Memmert, Germany (Vacuum oven)* Cole-Parmer Instrument Company, UK (Vaccum chamber)* |
VO29 (Vacuum oven) DWK Life Sciences (Kimble) Glass Vacuum Desiccator with Collar (Vaccum chamber)* |
|
1. Acoustic characterization system* | |||
Hydrophone | GEC Marconi | 30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone | |
Oscilloscope | Tektronix UK, Bracknell, UK | DPO 7254 | |
Pulser–receiver | Olympus NDT, Waltham, MA, USA | Olympus 5073PR | |
Sample holder | Newport Spectra-Physics, Didcot, UK | Newport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mount | may require additional adaptor for sample holding |
Thermometer | G. H. Zeal, London, UK | UKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer | |
Ultrasound transducer | Force Technology, Brondby, Denmark | Transducer of active element diameter 10 mm | |
Vernier callipers | any suitable supplier | ||
Water tank filled with deionized water | any suitable supplier | requires sufficent size (e.g., dimensions 112 × 38 × 30 cm3) | |
2.Optical characterization system* | |||
Integrating sphere (two) | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | AvaSphere-50, 50 cm internal diameter | |
Light source | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Avalight-HAL-s-mini | |
Motorized stage (optional) | Thorlabs, | Thorlabs MTS50 | |
Optical fibres (three) | any suitable supplier | ||
Reflectance standard | Labsphere, North Sutton, USA | 99%, white, 1.25" diameter, USRS-99-010, AS-01158-060 | |
Spectrometer | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Starline Avaspec-2048 | |
Software | |||
Data acqusition software (e.g., Labview) | National Instruments, Austin, TX, USA | ||
Data analysis software (e.g., Matlab) | Mathworks, Natick, USA | ||
Inverse adding doubling (IAD) program | Source code: http://omlc.org/software/iad/ | ||
*Please note that similar equipment may also be used. |