Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

Published: June 16, 2023 doi: 10.3791/65475
Automatic Translation
1,2, 3, 4,5, 1,2, 3, 3, 1,2
1Department of Physics, University of Cambridge, 2Cancer Research UK Cambridge Institute, University of Cambridge, 3Ultrasound and Underwater Acoustics Group, Department of Medical, Marine and Nuclear Physics, National Physical Laboratory, 4School of Science and Engineering, University of Dundee, 5Centre for Medical Engineering and Technology, University of Dundee

Summary

פרוטוקול זה מתאר ייצור של חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית עבור יישומי הדמיה ביו-רפואיים אופטיים ואקוסטיים, בעל תכונות אקוסטיות ואופטיות עצמאיות.

Abstract

הקמת חומרי פנטום ביופוטוניים המחקים רקמות המספקים יציבות לטווח ארוך הם הכרחיים כדי לאפשר השוואה של מכשירי הדמיה ביו-רפואיים בין ספקים ומוסדות, לתמוך בפיתוח תקנים בינלאומיים מוכרים ולסייע בתרגום קליני של טכנולוגיות חדשניות. כאן, מוצג תהליך ייצור שתוצאתו חומר יציב, בעלות נמוכה, מחקה רקמות קופולימר בשמן לשימוש במאמצי סטנדרטיזציה פוטואקוסטית, אופטית ואולטרסאונד.

חומר הבסיס מורכב משמן מינרלי וקופולימר עם מספרים מוגדרים של שירות מופשט כימי (CAS). הפרוטוקול המוצג כאן מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1,481 ± 0.4 m·s-1 ב 5 MHz (מתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 ב 5 MHz, ספיגה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1 ב 800 ננומטר, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 מ"מ-1 ב-800 ננומטר. החומר מאפשר כוונון עצמאי של התכונות האקוסטיות והאופטיות על ידי שינוי בהתאמה של ריכוז הפולימר או פיזור האור (טיטניום דו-חמצני) וחומרים סופגים (צבע מסיס בשמן). הייצור של עיצובי פנטום שונים מוצג וההומוגניות של אובייקטי הבדיקה המתקבלים מאושרת באמצעות הדמיה פוטואקוסטית.

בשל תהליך הייצור הקל והחוזר על עצמו ועמידותו, כמו גם תכונותיו הרלוונטיות ביולוגית, למתכון החומר יש הבטחה גדולה ביוזמות סטנדרטיזציה אקוסטית-אופטית רב-מודאלית.

Introduction

ביסוס הדיוק והדיוק של סמנים ביולוגיים חדשניים של הדמיה אופטית באמצעות אימות טכני 1,2 הוא בעל חשיבות עליונה להבטחת יישומם המוצלח בפרקטיקה הקלינית. כדי להשיג זאת, מחקרי תיקוף טכניים משתמשים לעתים קרובות בפנטום פיזי עמיד, המאפשר הערכת ביצועים בין מכשירים ובקרת איכות שגרתית. לשימוש נרחב בחומר פנטום במחקר ובתרגום קליני, נדרש פרוטוקול ייצור פשוט וניתן לשחזור. חומר פנטום ביופוטוני אידיאלי צריך לכלול את התכונות הבאות3: (1) תכונות בלתי תלויות בטווחים רלוונטיים ביולוגית; (2) חוסן מכני; (3) יציבות ארוכת טווח; (4) גמישות בגיאומטריה ובאדריכלות; (5) טיפול בטוח; (6) רכיבים זמינים באופן נרחב שניתן לרכוש מספקים מדעיים סטנדרטיים; ו-(7) עלות נמוכה. כיום, יישומים ביופוטוניים חסרים פרוטוקול סטנדרטי לחומר פנטום מקובל הממלא את הדרישות המתוארות וכולל גם תכונות אקוסטיות מתכווננות עבור יישומים היברידיים, כגון הדמיה פוטואקוסטית (PAI).

חומרי פנטום רלוונטיים ביולוגית המיועדים ליישומים אופטיים ואקוסטיים משולבים כוללים הידרוג'לים4,5, אלכוהול פוליוויניל (PVA)6,7,8,9 ופלסטיזול פוליוויניל כלוריד (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . עם זאת, חומרים אלה מאופיינים במגבלות מסוימות המגבילות את יישומם כחומר פנטום יציב. הידרוג'לים, למשל, מועדים להתייבשות, נזק מכני וצמיחת חיידקים, מה שמגביל את חיי המדף שלהם17,18,19. תוספת של כימיקלים יכולה להאריך את תוחלת החיים, אך חומרים משמרים נפוצים, כגון פורמלדהיד20 או בנזלקוניום כלוריד21, מסוכנים ודורשים אמצעי זהירות במהלך הטיפול. נוסף על כך, מטרות המכילות צבעים מסיסים במים יכולות להתפזר בתוך חומר הבסיס אם אינן עטופות. קריוג'לים PVA מאופיינים בתוחלת חיים גבוהה יותר ובחוסן מבני, אך תהליך ההכנה שלהם כרוך במחזורי הקפאה-הפשרה ארוכים22. זה יכול להגביל את הכוונון העצמאי של פרמטרים אקוסטיים ואופטיים23 - ואם מעט מגוונים - יכול להוביל לאי-הומוגניות6, ובכך לפגוע ביכולת השחזור. יתר על כן, דיפוזיה של צבעים מן תכלילים נצפתה לאחר 1 שנה13. PVCP יש תהליך ייצור מורכב הכולל טמפרטורות גבוהות של עד 180-220 ° C 13,14,24,25. PVCP סובל גם מהיעדר שרשרת אספקה עם ספקים מדעיים26 ויכול להכיל פלסטיסייזרים המבוססים על פתלאטים, העלולים לגרום לנזק למערכת הרבייה ולהתפתחות27, מה שהופך אותם לחומרים מבוקרים במדינות מסוימות.

הרכבי קופולימר בשמן, כגון שעוות ג'ל28,29,30,31 או תערובות המבוססות על אלסטומרים סטירניים תרמופלסטיים 32,33,34,35,36, מציגים יציבות אורכית טובה וכוללים תכונות אקוסטיות ואופטיות דמויות רקמה31,35,36,37ובכך להיות בעל פוטנציאל גבוה כמועמד פנטום עמיד ביישומים רב-מודאליים., בנוסף, סוג זה של חומר הוא חסכוני, לא סופג מים, לא רעיל, ואינרטי ביולוגית35,38. מהירות הקול c(f) ומקדם הנחתה אקוסטי α(f) ניתנים לכוונון בטווח רלוונטי ביולוגית (טבלה 1) על ידי שינוי ריכוז הפולימר 33,35,39, בעוד שהבליעה האופטית μa(λ) והפחתת הפיזור μמקדמי s'(λ) יכולה להשתנות בעיקר על ידי תוספת של צבעים מסיסים בשמן או טיטניום דו-חמצני (TiO2)39, בהתאמה.

כאן, פרוטוקול פשוט וקל למעקב מוצג ליצירת פאנטום קופולימר בשמן עמיד המתאים לשימוש בכיול אופטי, אולטרסאונד או מכשירים פוטואקוסטיים. לכל המרכיבים יש מספרי שירות מופשט כימי מוגדרים (CAS) והם זמינים בקלות מספקים מדעיים סטנדרטיים. קשיים פוטנציאליים בהליך הייצור מודגשים ודרכים להתגבר עליהם מוצגים. בעוד שהפרוטוקול מאפשר ייצור חומרים בעלי מגוון תכונות אקוסטיות ואופטיות, הפרוטוקול המוצג מניב חומר במהירות קול של ~1,481 m·s-1, המתיישר עם מהירות הקול של מים בטמפרטורת החדר (20 °C)40. ערך זה נבחר כתקן ניטרלי לייצוג המגוון הרחב של תכונות הרקמה הקיימות (טבלה 1), המאפשר יצירת נקודת ייחוס עקבית ואמינה להשוואה. על ידי מתן פרוטוקול מפורט זה, אנו שואפים להרחיב את יכולת הקליטה והייצור של סוג חומר פנטום מבטיח זה, ובכך להקל על מחקרי אימות ביופוטוניים, אקוסטיים ופוטואקוסטיים ולתמוך בבקרת איכות שגרתית ביישומי הדמיה פרה-קליניים וקליניים.

Protocol

טבלה 1: סקירה כללית של תכונות אקוסטיות ואופטיות המצויות ברקמות רכות. תכונות אופטיות מכסות ספקטרום הנע בין 600 ל -900 ננומטר. יש לציין כי מדובר בערכים מייצגים בלבד שנועדו לספק הנחיות כלליות. הערכים המדויקים עשויים להשתנות בהתאם למצב הניסוי (למשל, טמפרטורה) ולתדירות/אורך הגל. הספרות מספקת ערכים ספציפיים יותר. *לא נמצאה התייחסות ספציפית. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

הפרוטוקול הנתון פותח לייצור ~ 120 מ"ל של חומר פנטום. ניתן להגדיל את המסות של הרכיבים כדי ליצור נפחים שונים של חומר פנטום. שים לב כי עבור נפחים גדולים יותר (>500 מ"ל), ייתכן שהציוד המוצע לא יוכל לחמם מספיק את תערובת הפנטום בצורה הומוגנית. לשם כך יש להתאים את ציוד החימום בהתאם.

התראה: יש לוודא תמיד שציוד מגן אישי (PPE) מתאים נלבש לאורך כל תהליך הייצור. זה עשוי לכלול שימוש במעילי מעבדה, משקפי מגן וכפפות בטיחות; יש להפנות את הנחיות הבטיחות המקומיות ולפעול לפיהן. הנוהל מעובד מתוך Hacker et al.39; סיכום השלבים מוצג באיור 1.

Figure 1
איור 1: ייצור חומר קופולימר בשמן. (1) חומרים לפיזור אופטי ולספיגה מתווספים לשמן מינרלי ו-(2) עוברים סוניקציה ב-90°C עד להמסה. (3) מוסיפים פולימר ומייצב, ו-(4) התערובת מחוממת באמבט שמן ל-160 מעלות צלזיוס תוך ערבוב נמוך. (5) עם המסת כל הרכיבים, יוצקים את הדגימה לתבנית פנטום מתאימה ו-(6) משאירים אותה להתקשות בטמפרטורת החדר. נתון זה משוכפל מתוך Hacker et al.39. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

1. הכנת התערובת

  1. הכן את תמיסת מלאי Nigrosin על ידי הוספת 0.4 גרם של Nigrosin ל 40 מ"ל של שמן מינרלי. להבטיח ערבוב הומוגני על ידי סוניקציה ומערבולות יסודית של הדגימה. אחסנו את תמיסת המלאי בטמפרטורת החדר.
    הערה: תמיד יש לערבב היטב את תמיסת המלאי לפני שימוש חוזר. אם מעדיפים חומר פנטום ללא מפזר אופטי (TiO 2) או בולם (צבע), ניתן לדלג על שלבים 1ו-2. המשך לשלב 3.
  2. סוניק 0.15 גרם של TiO 2 ו-1 מ"ל של תמיסת מלאי הצבע ב-100 מ"ל (83.8 גרם) של שמן מינרלי עד שכל הרכיבים מומסים לחלוטין (~60 דקות) (איור 1: שלבים 1 ו-2). הגדר את הסוניקטור לטמפרטורות גבוהות (90 ° C) אם הציוד מאפשר, מכיוון שהדבר מקל על תהליך הערבוב. המשך בשלבים 3-5 במהלך זמן הסוניקציה.
    הערה: אם עדיף פנטום בעל תכונות ספיגה ופיזור גבוהות יותר, ייתכן שיהיה צורך להאריך את זמן הסוניקציה.
  3. לשקול את פוליסטירן-בלוק-פולי(אתילן-רן-בוטילן)-בלוק פוליסטירן (SEBS) ופוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE) בריכוזים הרצויים (למשל, SEBS = 25.14 גרם; LDPE = 6.70 גרם) (איור 1: שלב 3).
    1. אופציונלי: ניתן להוסיף נוגד חמצון כדי להגביר את היציבות, אך הוא אינו חובה אם טמפרטורות החימום אינן עולות על 180°C.
      הערה: במקרה שנתקלים בבעיות מסיסות או צמיגות בשלב מאוחר יותר של תהליך הייצור, מומלץ להוציא את LDPE. LDPE משולב כדי לשפר את מהירות הקול בחומר (טבלה 3); עם זאת, אין חובה ליצירת פנטום יציב. על ידי השמטת LDPE, ניתן לפשט את תהליך הייצור והיציקה, אך הדבר יביא לירידה במהירות הקול של החומר הסופי (טבלה 3).
  4. יצירת אמבט שמן באמצעות כלי זכוכית מתאימים ושמן סיליקון; אבטחו אותו בזהירות על הפלטה החשמלית. ודאו שהזוג התרמי נשאר באמבט שמן הסיליקון ולא נוגע בשולי כלי הזכוכית לאורך כל התהליך (איור 2).
    הערה: ודא שהאביזר התרמו-רגולטורי מותקן בקפידה, בהתאם להוראות יצרן הציוד.
  5. הניחו מוט ערבוב מגנטי באורך מתאים בתוך אמבט השמן כדי להבטיח פיזור חום אחיד.
  6. הפעל את הפלטה החשמלית, הגדר את טמפרטורת החימום ל -160 מעלות צלזיוס והגדר את הסיבובים לדקה (סל"ד) של המערבל ל -50.
  7. העבירו את ה-LDPE וה-SEBS לתוך הזכוכית המכילה את השמן המינרלי הסוניק (עם TiO2 ו-Nigrosin). הכניסו לכוס הזכוכית מוט ערבוב מגנטי באורך מתאים והעבירו אותו למרכז אמבט השמן לחימום הרכיבים הנמדדים. ודאו שרמת השמן באמבטיה נשארת מעל רמת השמן המינרלי בתוך הכד (איור 1: שלב 4).

2. חימום התערובת

  1. אם בשלב כלשהו נראה שהפולימר הנוסף צף מעל השמן המינרלי, ערבבו ידנית את תמיסת השמן המינרלי באמצעות מרית מתכתית, כך שכל פולימר צף מופץ בתוך השמן המינרלי. יש ללבוש כפפות עמידות בחום.
  2. השאירו את התערובת בטמפרטורה של 160°C עד שכל הפולימר התמוסס והתמיסה נראית מעורבבת באופן אחיד, עם מרקם חלק והומוגני (~1.5 שעות).

3. שאיבת אבק

הערה: להסרת בועות אוויר, בצע את השלבים הבאים, בהתאם לציוד הזמין.

  1. הכניסו את הכוס החמה בזהירות לתא הוואקום ושאבו את הדגימות למשך 2-3 דקות במצב הגבוה ביותר (הוואקום הנמוך ביותר). השתמשו במרית מתכתית כדי להסיר בזהירות בועות אוויר שמצטברות על פני השטח. אם עדיין קיימות בועות אוויר לאחר שלב זה, חממו מחדש את התערובת וחזרו על שלב השאיבה עד שכל בועות האוויר יוסרו.
  2. הפעל את תנור הוואקום וחמם אותו עד 160 מעלות צלזיוס. ברגע שהוא הגיע לטמפרטורה הרצויה, להעביר את הכד עם הפתרון לתוך תנור ואקום.
    הערה: טפל תמיד בכד עם כפפות מגינות חום.
    1. הפעל את השואב להגדרה הגבוהה ביותר (השואב הנמוך ביותר) הזמינה. אם נוצרה שכבת קצף על גבי התמיסה, כבו את השואב והוציאו את הבועות מהמשטח באמצעות מרית (חזרו על שלב זה עד שכל בועות האוויר הוסרו).
    2. השאירו את הכד בתנור הוואקום למשך שעה אחת בהגדרת הוואקום הגבוהה ביותר.
      הערה: כדי לשמור על תנור הוואקום נקי, נקו את המשטח החיצוני של כוס שמן סיליקון עם מגבת נייר.

4. יוצקים את הדגימות לתוך התבנית

  1. לפני יציקת הדגימות לתבניות דגימה, הסירו את בועות האוויר שנותרו על פני התערובת בעזרת מרית במידת הצורך.
  2. בזהירות לשפוך את הפתרון לתוך תבנית מתאימה, לובש כפפות עמידות בחום או באמצעות ציוד מגן הולם. הקפידו על מזיגה חלקה ויציבה מגובה נמוך כדי להפחית את הסיכוי להיווצרות בועות אוויר (איור 1: שלב 5). עבור תבניות בעלות צורות מורכבות, יש לצפות את התבנית בשכבה דקה של שמן (מלבד שמן מינרלי [למשל, שמן קיק או סיליקון]) לפני המזיגה כדי להקל על הסרת הדגימה שנרפאה.
    הערה: חימום מוקדם של התבניות בתנור יכול לסייע בהשגת הומוגניות מדגם גבוהה יותר.
  3. הסר את כל בועות האוויר מהחלק העליון של הדגימות במהירות עם מרית מתכתית לאחר המזיגה. אם הצטברו בועות אוויר רבות בתוך התערובת, חזרו על שלב הוואקום, בתנאי שסוג התבנית וצורתה מאפשרים זאת.
  4. הניחו לתמיסה להתייצב בטמפרטורת החדר. למרות שדגימות קטנות יותר עשויות לרפא תוך פחות משעתיים, השאירו את הדגימות למשך הלילה כדי למנוע כל סיכון לריפוי חלקי. אחסנו את הדגימות בטמפרטורת החדר (איור 1: שלב 6).

5. רכישת תמונות

  1. לרכישת תמונה, מקם את הפנטום בשדה הראייה של התקן ההדמיה.
  2. עבור מערכות PAI או אולטרסאונד, בצע צימוד אקוסטי של משטח הפנטום למתמר האולטרסאונד, למשל, עם ג'ל אולטרסאונד או מים.
    הערה: אם הפרוטוקול בוצע כראוי, שום אי-הומוגניות לא אמורה להפריע לשדה הראייה. מחזיקי פנטום מותאמים אישית יכולים לסייע במיקום דגימה הניתן לחזרה בין מדידות.
  3. אם טמפרטורת הרכישה שונה מטמפרטורת האחסון של הפאנטום, אפשרו לטמפרטורת הפנטום להתייצב עם הסביבה.
  4. רכוש תמונה.

6. מדידות אפיון חומרים

הערה: מטרת מדידות אפיון החומר היא אימות התכונות האופטיות והאקוסטיות של החומר. יש לציין כי פרוטוקול ייצור הפנטום הראה יכולת שחזור גבוהה39, ולכן פרוטוקולי המדידה הכלליים הבאים ניתנים רק כהנחיות אם יש צורך במחקרי אימות נוספים. השלבים האישיים של המדידות יהיו תלויים בציוד האפיון בו נעשה שימוש. כאן, מערכת המבוססת על שיטת החלפת שידור בפס רחב41 (זמינה במעבדה הלאומית לפיזיקה (NPL), בריטניה) שימשה לאפיון אקוסטי ומערכת פנימית של כדור משולב כפול (DIS) שימשה (מבוססת על 42) לאפיון אופטי. מערך מערכות האפיון מוצג באיור משלים 1. פרטים נוספים על מערכי המדידה (אקוסטי43; אופטי42,44) ונוהל מדידה39 ניתן למצוא במקום אחר. יש להתאים את הליך המדידה בהתאם לכל מערכת אפיון ספציפית בה נעשה שימוש.

  1. אפיון אקוסטי
    הערה: מדידות האפיון האקוסטי מבוססות על מערכת המשתמשת במתמר אולטרסאונד בתדר מרכזי של 10 MHz (קוטר אלמנט פעיל של 10 מ"מ) ליצירת פולסים והידרופון רחב פס (הידרופון קרום Bilaminar בקוטר אלמנט פעיל 30 מ"מ) לזיהוי פולסים (שניהם ממוקמים במיכל מים מלא במים שעברו דה-יוניזציה; מידות של 112 ס"מ x 38 ס"מ x 30 ס"מ3). המתמר מונע על ידי פעימה-מקלט. צורות גל נרכשות באמצעות אוסצילוסקופ. פרטים נוספים על תהליך ההגדרה והמדידה (כולל השפעות ספציפיות למערכת מסוג B על המדידות) ניתן למצוא ב-43.
    1. הכינו דוגמאות המתאימות למערך המדידה (למשל, במקרה זה, דגימות עגולות בקוטר של 7-8 ס"מ ובעובי של 6-9 מ"מ). ודא שהדגימות הן בעלות הרכב הומוגני וללא זיהומים, בועות אוויר או אי סדרים בפני השטח.
    2. מדוד את עובי דגימת הבדיקה באמצעות קליפרים ורנייר ורשום את הטמפרטורה של מיכל המים באמצעות מדחום מכויל.
    3. הכנס את הדגימה למערכת. ודא שהדגימה מיושרת כראוי עם רכיבי המערכת.
      הערה: מחזיק דגימה מבוקר אוטומטית המבוסס על תושבת גימבל43 עשוי לסייע בשליטה מדויקת על הסיבוב וההטיה של הדגימה.
    4. לרכוש ארבעה פולסים אקוסטיים עבור כל ערכת מדידה: פולס ייחוס דרך מים ללא דגימה נוכחת בנתיב האקוסטי; שידור דרך דגימה; והשתקפויות אקוסטיות המתקבלות במשדר מהמשטחים הקדמיים והאחוריים של הדגימה.
    5. לגזור את התכונות האקוסטיות של הדגימה מהמדידות. חשב את מהירות הקול c(f ) (ב- m·s−1) באמצעות המשוואה (1)43.
      Equation 1(1)
      CW מתאר את מהירות הקול של מים התלויה בטמפרטורה, ו-θ1(f), θ2(f), θw(f) ו-θs(f) הם ספקטרום הפאזה הלא עטוף המתאים של פעימות המתח המוחזרות מלפנים, המוחזרות לאחור, דרך המים ודרך הדגימה, בהתאמה. ניתן לגזור את מקדם ההנחתה תלוי התדר (αi(f)) של החומר באמצעות טכניקת ההחלפה בת שתי הדגימות המוצגת במשוואה (2)43.
      Equation 2(2)
      U w(f) ו- Us(f) הם ספקטרום גודל המתח המתאים של פולס דרך המים והפולס דרך הדגימה, αw(f) הוא מקדם הנחתה של אולטרסאונד (ב- dB·cm-1) של מים טהורים בטמפרטורת מיכל המים הספציפי45, ו- d 1 ו- d 2 (d2 > d 1) הם שני עובי דגימה.
      הערה: עבור הפרוטוקול הנוכחי, חשבונאות ההנחתה עבור הפסדים בין-פנים הוערכה ומצאה כי השפעתה זניחה.
    6. חזור על המדידה יותר משלוש פעמים במיקומים שונים במדגם הבדיקה. חישוב הממוצע וסטיית התקן של המדידות כדי לגזור ערך מדגם סופי.
  2. אפיון אופטי
    הערה: לצורך בדיקה אופטית נעשה שימוש במערכת כדוריות משולבת כפולה (מבוססת על 42), המשתמשת בשני כדורים משולבים (קוטר פנימי של 50 מ"מ) המחוברים לשני ספקטרומטרים באמצעות שני סיבים אופטיים. כדור ההחזרה מחובר למקור אור באמצעות סיב אופטי שלישי.
    1. הכינו דוגמאות המתאימות למערך המדידה (למשל, במקרה זה, דגימות מלבניות ברוחב של 5.9 ס"מ, גובה של 1.8 ס"מ ועובי הנע בין 2 ל-3 מ"מ). ודא שהדגימות הן בעלות הרכב הומוגני וללא זיהומים, בועות אוויר או אי סדרים בפני השטח.
    2. הפעל את מקור האור ואפשר לו להתייצב בהתאם להוראות היצרן (למשל, 15 דקות).
    3. לקבוע את עובי הדגימה באמצעות קליפרים vernier. אם רלוונטי, ציין את טווח אורכי הגל ואת גודל הצעד למדידה (לדוגמה, 450-900 ננומטר עם גודל צעד של 1 ננומטר).
    4. רשום את מדידות הייחוס עבור תחום השידור וההחזרה.
      1. עבור כדור ההחזרה, תחילה בצע מדידת יציאה פתוחה על ידי הקלטת ערך ההחזרה R0 כאשר כדור ההעברה הוסר ומקור האור הופעל. לאחר מכן, רשום את ערך ההחזרה R1 עם תקן ייחוס המוחזק לפני כדור ההחזרה (מקור האור מופעל).
      2. עבור כדור השידור, תחילה בצע מדידת קרן חסומה על ידי רישום ערך ההעברה T0 כאשר כדורי ההחזרה וההעברה מיושרים ומקור האור כבויים. לאחר מכן, בצע מדידת קרן אירוע על ידי הקלטת ערך ההעברה T1 כאשר כדורי ההחזרה וההעברה מיושרים ומקור האור מופעלים.
        הערה: יש להבטיח משטח נקי של הכדורים ותקן ייחוס למדידות מכיוון שהיצמדות אבק או מזהמים אחרים עלולה להשפיע על ביצועי הרכיבים46.
    5. מקם את הדגימה בין הספירות. מדוד את ערכי ההשתקפות Rs וההעברה Ts. ודא שהדגימה אינה דחוסה, מכיוון שהדבר עלול להשפיע על דיוק המדידה. הצבת כדור אחד על במה ממונעת עשויה לסייע בשליטה מדויקת על המרחק בין הכדורים על ידי התאמתו לעובי הדגימה הנמדד.
    6. חשב את ערכי ההשתקפות המנורמלים M R וההעברה MT באמצעות משוואות (3) ו- (4)42.
      Equation 3(3)
      Equation 4(4)
      RSTD מתאר את העוצמה המשתקפת מתקן ההשתקפות של 99%.
    7. הזן את הערכים הנמדדים בתוכנית הכפלה הופכית (IAD) (קוד מקור: http://omlc.org/software/iad/)44 כדי להעריך את התכונות האופטיות של החומר.
      הערה: בהתבסס על דיווחים קודמים, ניתן לקחת את גורם האנאיזוטרופיה הפיזור (g) כ- g = 0.7, ואת מדד השבירה כ- n = 1.4 30.
    8. חזור על המדידה לפחות שלוש פעמים במיקומים שונים לאורך דגימת הבדיקה. חישוב הממוצע וסטיית התקן של המדידות כדי לגזור ערך מדגם סופי.

Representative Results

בעקבות המתכון הזה, נוצרו שלושה עיצובי פנטום מייצגים לצורך הדמיה פוטואקוסטית, המיועדים לתכנוני מערכות שונים עם גיאומטריות שונות של תאורה אופטית וזיהוי אקוסטי (איור 3A). אם הליך הכנת הפנטום מבוצע בהצלחה, חומר הפנטום נראה חלק והומוגני ללא בועות אוויר לכודות או זיהומים, ולא ניתן לראות ממצאים בתמונה המתקבלת (כאן מומחש באמצעות הדמיה פוטואקוסטית; איור 3B,C). הפרוטוקול מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1 (המתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C40), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 (שניהם ב 5 MHz), בליעה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 (שניהם ב-800 ננומטר) (אי הוודאות מתארת את סטיית התקן מ-n = 3 אצוות שיוצרו באופן עצמאי על ידי אופרטורים שונים; כל המדידות בוצעו בטמפרטורת החדר [20 מעלות צלזיוס]).

מקדם הפיזור האופטי יכול להיות מכוונן על ידי וריאציה של TiO 2, בעוד שמקדם הספיגה האופטי יכול להיות מכוונן על ידי תוספת של כל צבע מסיס בשמן, כאן מודגם עם Nigrosin (טבלה 2 ואיור 3D). בעוד הערכים בטבלה 2 מתמקדים ברקמות ספיגה ופיזור נמוכות יותר, כגון שריר או שד (טבלה 1), לא נתקלנו בקשיים בהוספת בולמים ומפזרים בריכוזים גבוהים יותר. עם זאת, הוספת מפזרים/בולמים אופטיים בריכוזים גבוהים יותר עשויה לדרוש זמני סוניקציה ארוכים יותר כדי להשיג ערבוב הומוגני של התמיסה.

ניתן לכוונן את ההנחתה האקוסטית ואת מהירות הקול על ידי וריאציה של ריכוז הפולימר (טבלה 3). כאן, הכוונון מוגבל עד כה למהירות של טווח קול של ~ 1,450-1,516 m·s-1. ריכוזי פולימר נמוכים יותר בהתאמה עלולים לגרום ליציבות פיזיקלית נמוכה של הדגימה, מה שיוביל לעיוות פלסטי לאורך זמן34. ריכוזי פולימר גבוהים יותר גורמים לשבירות ולמרקם לא אחיד של החומר. טווח התכונות האקוסטיות עשוי לסייע בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כגון שריר או כליות (c > 1,520 m·s−1; טבלה 1).

מקורות שגיאה נפוצים בהכנת פנטום כוללים הסרה לא מספקת של בועות אוויר וערבוב לא הומוגני של רכיבי הבסיס (איור 4). ניתן למזער זאת על ידי שאיבת אבק ומזיגה זהירה, וערבוב/ערבוב, בהתאמה.

Figure 2
איור 2: מערך ניסיוני לייצור פנטום. הזכוכית המכילה את מרכיבי הפנטום מונחת באמבט שמן הסיליקון באמצעות מהדק כדי למנוע מגע ישיר בין משטחי אמבט השמן לבין כד הזכוכית. משוב טמפרטורה על הפלטה החמה מבטיח בקרת טמפרטורה זהירה. בוחשנים מגנטיים מאפשרים ערבוב של שמן הסיליקון ומרכיבי הפנטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תוצאות מייצגות מהליך ייצור הפנטום. (A) תכנוני פנטום שונים המציגים רב-תכליתיות ליישום במערכות הדמיה פוטואקוסטיות שונות. משמאל: פנטום מלבני קטן עם מיתרים משובצים בעומקים שונים (0.5, 1.5 ו-2.5 מ"מ; מרחק בין מטרות של 1.25 מ"מ) המיועד לבדיקת מערכות הדמיה ברזולוציה גבוהה; באמצע: פנטום גלילי עם שני תכלילים (מרחק הכללה של 12 מ"מ) באמצעות צבע מסיס בשמן ירוק וסגול, המיועד לבדיקת מערכות טומוגרפיה; מימין: פנטום מלבני גדול עם תעלות משובצות בעומקים שונים (6 מ"מ, 10 מ"מ ו-14 מ"מ; מרחק משולב של 3.5 מ"מ), המיועד לבדיקת מערכת כף יד. (B) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של פנטום מלבני עם מיתרים משובצים, שנרכשה ב- 532 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (C) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של הפנטום הטומוגרפי הגלילי, שנרכש ב-800 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (D) פאנטום עם ריכוזי ספיגה אופטיים הולכים וגדלים על ידי הגדלת ריכוזי הניגרוסין (ריכוזים המוצגים באחוז משקל מהנפח הכולל של שמן מינרלי בתמונה). איור 3B,C משוכפל מהאקר ואחרים 39. פסי קנה מידה = 10 מ"מ. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: כשלים נפוצים בפנטום . (A,B) תצלומים המראים בועות אוויר הכלואות בתוך מטריצת הבסיס. (C) ערבוב לא מספק של רכיבי הבסיס מוביל לאי-הומוגניות (חיצים אדומים) בתמונה הפוטואקוסטית המתקבלת. סרגל קנה מידה = 5 מ"מ (A). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

טבלה 2: סקירה טבלאית של כוונון ערכי בליעה אופטית (μa) ופיזור (μs'). ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל לנפח הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי, עמודה 1) ולמשקל הכולל של חומר הפנטום (עמודה 2). ריכוזי הניגרוסין מתארים את הכמות הכוללת של ניגרוסין מוחלט (לא תמיסת מלאי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). n = 3 מדידות לדגימה. ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. קיצור: neg = זניח. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

טבלה 3: סקירה טבלאית של כוונון ערכי הנחתה אקוסטית (α) ומהירות קול (c). מתואר על ידי חוק החזקה α0 f n עם α0 ו- n פרמטרים המתקבלים מהתאמת ריבועים לא ליניאריים לפחות (n = 4 מדידות לדגימה). F מתאר את התדר ב- MHz. ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל למשקל הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

תרשים משלים S1: הגדרת מערכות אפיון אקוסטיות ואופטיות המשמשות לאימות. מוצגים תצלום (A) וסכמטי (B) של מערכת האפיון האקוסטי לקביעת מקדם הנחתה אקוסטי ומהירות הקול. רכיבי מערכת בודדים מסומנים בביאורים HP (HydroPhone), S (מדגם) ו- T (מתמר) בתמונה ובסכמה. תצלום (C) וסכמטי (D) של מערכת הכדורים המשולבת הכפולה להערכת מקדם הבליעה האופטי ומקדם הפיזור המופחת מוצגים. רכיבי מערכת בודדים מסומנים על ידי ביאורים S (מדגם), RS (כדור החזרה), TS (כדור שידור), של (סיב אופטי) ו- MS (שלב ממונע) בתמונה ובסכמה. נתון זה משוכפל מתוך Hacker et al. 39. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

כאן, מוצג פרוטוקול שמטרתו לספק מתכון רב-תכליתי לחומר יציב ורלוונטי ביולוגית שניתן להשתמש בו ליצירת פנטומים למדידות כיול ותקינה ביישומי הדמיה ביו-רפואית אקוסטית ואופטית רב-מודאלית. החומר הוכח בעבר כיציב לאורך זמן39, בעל יכולת שחזור גבוהה מאצווה לאצווה, בטוח לשימוש ומורכב מרכיבים זמינים וחסכוניים מספקים מדעיים סטנדרטיים. תכונות החומר ניתנות להתאמה עצמאית על פני משטרים אקוסטיים ואופטיים רלוונטיים. יתר על כן, הוא חזק מכנית ובלתי מסיס במים, ובכך עומד בטיפול גס, והוא אינרטי לחומרי צימוד מבוססי מים המשמשים במחקר קולי / פוטואקוסטי. הודגש כי ניתן ליצור עיצובי פנטום שונים עם סוגים שונים של תכלילים, המורכבים מאותם סוגי חומרים או מסוגים שונים. בהינתן תכונות אלה, החומר עומד בקריטריוני המפתח הנ"ל לפאנטום ביופוטוני אידיאלי ומראה יתרונות מרכזיים בהשוואה לחומרים אחרים המחקים רקמות קיימים3. על ידי פירוט תהליך הייצור המדויק, אנו מקווים למזער את הווריאציות הנובעות מהליך הייצור, ובכך לייעל את השימוש בו לכיול, אימות ומעקב אחר הביצועים של מערכות הדמיה.

שני שלבים מרכזיים זוהו כקריטיים לתהליך הייצור. ראשית, מרכיבים צריכים להיות מעורבים היטב מחומם באופן אחיד ליצירת חומר הומוגני. שימוש בסוניקטור ובובחש מגנטי לערבוב ובאמבט שמן לחימום מבטיח פיזור אחיד של רכיבי החומר בתוך מטריצת הבסיס. יש להקפיד שאמבט השמן לא יגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד (>180 מעלות צלזיוס), שכן הדבר יגרום לחמצון של רכיבי החומר, מה שיוביל לשינוי צבע צהבהב. ערבוב ידני יכול לתמוך בתהליך הערבוב ולפצות על חימום לא מספיק מממשק חומר-אוויר. ייתכן שיהיה צורך להאריך את זמן הסוניקציה והערבוב כאשר נעשה שימוש בריכוז גבוה יותר של TiO2 ו/או פולימרים כדי להבטיח הרכב הומוגני של החומר. שנית, יש להסיר בועות אוויר כדי למנוע היווצרות הטרוגניות בתוך מטריצת הבסיס. בעוד שניתן להשיג זאת באמצעות משאבת ואקום או תנור, יש לתרגל גם מזיגה זהירה מגובה נמוך כדי למזער את לכידת האוויר בתוך החומר.

יתרון משמעותי אחד של החומר הוא תכונותיו התרמופלסטיות (הנגזרות מפולימר SEBS), המאפשרות לחמם אותו מחדש ולעצב אותו מחדש ללא השפעה משמעותית על תכונותיו האקוסטיות והאופטיות39. עם זאת, חימום מחדש צריך להתבצע בהדרגה ובזהירות, שכן החומר יכול בקלות להישרף ולחמצן אם מחממים מחדש מהר מדי. חימום מחדש גם הופך קשה יותר כאשר נעשה שימוש בריכוזי LDPE גבוהים יותר, מכיוון ש- LDPE אינו מציג את אותה התנהגות תרמופלסטית כמו SEBS.

נותרו מספר מגבלות של הפרוטוקול. בשל טמפרטורת ההתכה הגבוהה של הפולימרים (150 מעלות צלזיוס), תבניות פנטום צריכות להיות עשויות מחומר עמיד בחום, כגון זכוכית או נירוסטה. בנוסף, החומר צמיג למדי במצב נוזלי אם ריכוז פולימר גבוה משמש לכוונון התכונות האקוסטיות, מה שמקשה על מילוי מטרות הדמיה קטנות. לבסוף, כוונון התכונות האקוסטיות מוגבל עד כה לטווח מהירות קול של ~1450-1,516 m·s-1 התומך בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כמו שריר או כליות (c > 1,520 m·s−1). יש לקחת בחשבון גם את השינוי המקביל של הנחתה אקוסטית.

כאן, הדגשנו את היישום של החומר כפנטום יציב עבור יישומי אולטרסאונד והדמיה אופטית. עם זאת, חומרים קופולימרים בשמן הוכחו גם כבעלי ערך ביישומי אלסטוגרפיה35, ועשויים לאפשר תאימות עם שיטות הדמיה נוספות כגון דימות תהודה מגנטית. ריאליזם אנטומי מוגבר של הפנטומים עשוי להיות מושג באמצעות תבניות מודפסות בתלת-ממד, כפי שמוצג במחקרים דומים 29,47,48,49. מחקרים מוקדמים הוכיחו גם את יכולת ההדפסה התלת-ממדית של החומר עצמו, והרחיבו עוד יותר את גמישותו במונחים של עיבוד וייצור. התפתחויות אלה מדגישות את הפוטנציאל העתידי המלהיב של החומר כמדיום פנטום יציב הנמצא בשימוש נרחב עבור יישומי הדמיה רב-מודאליים.

Disclosures

שרה בוהנדייק קיבלה בעבר תמיכה מחקרית מ-CYBERDYNE INC ומ-iThera Medical GmbH, ספקיות של מכשירי הדמיה פוטואקוסטית. למחברים האחרים אין ניגוד עניינים הקשור לכתב היד הנוכחי לחשוף.

Acknowledgments

LH מומנה על ידי תוכנית MedAccel של NPL שמומנה על ידי קרן אתגר האסטרטגיה התעשייתית של המחלקה לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית. JMG קיבלה מימון מקרן המחקר הגרמנית Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) במסגרת פרויקט GR 5824/1. JJ מודה על תמיכת המימון מפרס המקפצה של האקדמיה למדעי הרפואה (REF: SBF007\100007). SEB מכירה בתמיכה של Cancer Research UK תחת מענק מספר C9545/A29580. AMI, BZ ו-SR נתמכו על ידי המחלקה הבריטית לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית באמצעות מימון מערכת המדידה הלאומית. איור 1 ואיור 2 נוצרו באמצעות BioRender.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Waterhouse, D. Translation of optical imaging biomarkers: opportunities and challenges. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 339-353 (2019).
  2. O'Connor, J. P. B., et al. Imaging biomarker roadmap for cancer studies. Nature Reviews Clinical Oncology. 14 (3), 169-186 (2017).
  3. Hacker, L., et al. Criteria for the design of tissue-mimicking phantoms for the standardization of biophotonic instrumentation. Nature Biomedical Engineering. 6 (5), 541-558 (2022).
  4. Laufer, J., Zhang, E., Beard, P. Evaluation of absorbing chromophores used in tissue phantoms for quantitative photoacoustic spectroscopy and imaging. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (3), 600-607 (2010).
  5. Cook, J. R., Bouchard, R. R., Emelianov, S. Y. Tissue-mimicking phantoms for photoacoustic and ultrasonic imaging. Biomedical Optics Express. 2 (11), 3193-3206 (2011).
  6. Xia, W., et al. Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 075002 (2011).
  7. Manohar, S., et al. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms. J Biomed Opt. 9, 1172 (2004).
  8. Blumenröther, E., Melchert, O., Wollweber, M., Roth, B. Detection, numerical simulation and approximate inversion of optoacoustic signals generated in multi-layered PVA hydrogel based tissue phantoms. Photoacoustics. 4 (4), 125-132 (2016).
  9. Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
  10. Spirou, G. M., Oraevsky, A. A., Vitkin, I. A., Whelan, W. M. Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics. Physics in Medicine and Biology. 50 (14), N141-N153 (2005).
  11. Bohndiek, S. E., Bodapati, S., Van De Sompel, D., Kothapalli, S. -R., Gambhir, S. S. Development and application of stable phantoms for the evaluation of photoacoustic imaging instruments. PLoS One. 8 (9), e75533 (2013).
  12. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P. C., Cox, B. T. Characterisation of a phantom for multiwavelength quantitative photoacoustic imaging. Physics in Medicine and Biology. 61 (13), 4950-4973 (2016).
  13. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Joshua Pfefer, T. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  14. Dantuma, M., van Dommelen, R., Manohar, S. Semi-anthropomorphic photoacoustic breast phantom. Biomedical Optics Express. 10 (11), 5921-5939 (2019).
  15. Jeong, E., et al. Fabrication and characterization of PVCP human breast tissue-mimicking phantom for photoacoustic imaging. BioChip Journal. 11, 67-75 (2017).
  16. Jia, C., Vogt, W. C., Wear, K. A., Pfefer, T. J., Garra, B. S. Two-layer heterogeneous breast phantom for photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (10), 1-14 (2017).
  17. Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. Stability of heterogeneous elastography phantoms made from oil dispersions in aqueous gels. Ultrasound in Medicine & Biology. 32 (2), 261-270 (2006).
  18. Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (6), 861-873 (2010).
  19. Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), N475-N484 (2007).
  20. Lazebnik, M., Madsen, E. L., Frank, G. R., Hagness, S. C. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications. Physics in Medicine and Biology. 50 (18), 4245-4258 (2005).
  21. Ramnarine, K. V., Anderson, T., Hoskins, P. R. Construction and geometric stability of physiological flow rate wall-less stenosis phantoms. Ultrasound in Medicine & Biology. 27 (2), 245-250 (2001).
  22. 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).
  23. Lamouche, G., et al. Review of tissue simulating phantoms with controllable optical, mechanical and structural properties for use in optical coherence tomography. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1381-1398 (2012).
  24. Bohndiek, S. E., Van de Sompel, D., Bodapati, S., Kothapalli, S. R., Gambhir, S. S. Stable phantoms for characterization of photoacoustic tomography (PAT) systems. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. 858308, 30-35 (2013).
  25. Fenollar, O., Sanchez-Nacher, L., Garcia-Sanoguera, D., López, J., Balart, R. The effect of the curing time and temperature on final properties of flexible PVC with an epoxidized fatty acid ester as natural-based plasticizer. Journal of Materials Science. 44, 3702-3711 (2009).
  26. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P., Cox, B. Characterisation of a PVCP-based tissue-mimicking phantom for quantitative photoacoustic imaging. European Conference on Biomedical Optics. , Optica Publishing Group. 953911 (2015).
  27. Heudorf, U., Mersch-Sundermann, V., Angerer, J. Phthalates: toxicology and exposure. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 210 (5), 623-634 (2007).
  28. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomed. Opt. Express. 9 (3), 1151-1163 (2018).
  29. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed molds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), 015033 (2018).
  30. Jones, C. J. M., Munro, P. R. T. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3495-3502 (2018).
  31. Ivory, A. M., Shah, A., Rajagopal, S., Zeqiri, B. Development and investigation of the acoustic properties of tissue-mimicking materials for photoacoustic imaging techniques. IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1489-1492 (2019).
  32. Grillo, F. W., Cabrelli, L. C., Sampaio, D. R. T., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Glycerol in oil-based phantom with improved performance for photoacoustic imaging. 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2017).
  33. Cabrelli, L. C., et al. Oil-based gel phantom for ultrasound and optical imaging. Biophotonics South America. SPIE. 9531, 40-46 (2015).
  34. Cabrelli, L. C., et al. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  35. Oudry, J., Bastard, C., Miette, V., Willinger, R., Sandrin, L. Copolymer-in-oil phantom materials for elastography. Ultrasound in Medicine & Biology. 35 (7), 1185-1197 (2009).
  36. Suzuki, A., et al. Oil gel-based phantom for evaluating quantitative accuracy of speed of sound measured in ultrasound computed tomography. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (9), 2554-2567 (2019).
  37. Cabrelli, L. C., Grillo, F. W., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tunable acoustic properties. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2016).
  38. Cabrelli, L. C., et al. Copolymer-in-oil phantoms for photoacoustic imaging. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2015).
  39. Hacker, L., et al. A copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tuneable acoustic and optical characteristics for photoacoustic imaging phantoms. IEEE Transactions on Medical Imaging. 40 (12), 3593-3603 (2021).
  40. Greenspan, M., Tschiegg, C. E. Speed of sound in water by a direct method. Journal of Research of the National Bureau of Standards. 59 (4), 249-254 (1957).
  41. Zeqiri, B., Scholl, W., Robinson, S. P. Measurement and testing of the acoustic properties of materials: a review. Metrologia. 47 (2), S156-S171 (2010).
  42. Pickering, J. W., et al. Double-integrating-sphere system for measuring the optical properties of tissue. Applied Optics. 32 (4), 399-410 (1993).
  43. Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the IEC agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
  44. Prahl, S. A. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital. 1344, 1-74 (2011).
  45. Pinkerton, J. M. M. The absorption of ultrasonic waves in liquids and its relation to molecular constitution. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62 (2), 129-141 (1949).
  46. Hu, D., Lu, R., Huang, Y., Ying, Y., Fu, X. Effects of optical variables in a single integrating sphere system on estimation of scattering properties of turbid media. Biosystems Engineering. 194, 82-98 (2020).
  47. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 3 (2018).
  48. Nikitichev, D. I., et al. Construction of 3-dimensional printed ultrasound phantoms with wall-less vessels. Journal of Ultrasound in Medicine. 35 (6), 1333-1339 (2016).
  49. West, S. J., et al. Development of an ultrasound phantom for spinal injections with 3-dimensional printing. Regional Anesthesia and Pain Medicine. 39 (5), 429-433 (2014).

Tags

רפואה גיליון 196
חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hacker, L., Ivory, A. M., Joseph,… More

Hacker, L., Ivory, A. M., Joseph, J., Gröhl, J., Zeqiri, B., Rajagopal, S., Bohndiek, S. E. A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging. J. Vis. Exp. (196), e65475, doi:10.3791/65475 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter