Summary
Этот протокол описывает изготовление стабильного, биологически значимого фантомного материала для оптических и акустических биомедицинских изображений, обладающего независимо настраиваемыми акустическими и оптическими свойствами.
Abstract
Создание биофотонных фантомных материалов, имитирующих ткани, которые обеспечивают долгосрочную стабильность, необходимо для сравнения устройств биомедицинской визуализации у разных поставщиков и учреждений, поддержки разработки международно признанных стандартов и содействия клиническому переводу новых технологий. Здесь представлен производственный процесс, в результате которого получается стабильный, недорогой, имитирующий ткань сополимер в масле материал для использования в фотоакустических, оптических и ультразвуковых усилиях по стандартизации.
Основной материал состоит из минерального масла и сополимера с определенными номерами Chemical Abstract Service (CAS). Представленный здесь протокол дает репрезентативный материал со скоростью звука c(f) = 1,481 ± 0.4 м·с-1 на частоте 5 МГц (соответствует скорости звука воды при 20 °C), акустическим затуханием α(f) = 6.1 ± 0.06 дБ·см-1 на частоте 5 МГц, оптическим поглощением μa(λ) = 0.05 ± 0.005 мм-1 при 800 нм, и оптическое рассеяние μs'(λ) = 1 ± 0,1 мм-1 при 800 нм. Материал позволяет самостоятельно настраивать акустические и оптические свойства, соответственно варьируя концентрацию полимера или светорассеяние (диоксид титана) и абсорбирующие агенты (маслорастворимый краситель). Показано изготовление различных фантомных конструкций и подтверждена однородность полученных тестовых объектов с помощью фотоакустической визуализации.
Благодаря простоте, воспроизводимости процесса изготовления и долговечности, а также биологически значимым свойствам, рецептура материала имеет большие перспективы в мультимодальных инициативах по акустико-оптической стандартизации.
Introduction
Установление точности и точности новых биомаркеров оптической визуализации посредством технической валидации 1,2 имеет первостепенное значение для обеспечения их успешного внедрения в клиническую практику. Для достижения этой цели в технических валидационных исследованиях часто используются прочные физические фантомы, которые облегчают межинструментальную оценку характеристик и рутинный контроль качества. Для широкого использования фантомного материала в исследованиях и клиническом переводе требуется простой, легко воспроизводимый протокол изготовления. Идеальный биофотонный фантомный материал должен обладать следующими свойствами3: (1) независимо перестраиваемыми свойствами в биологически значимых диапазонах; (2) механическая прочность; (3) долгосрочная стабильность; (4) гибкость в геометрии и архитектуре; (5) безопасное обращение; (6) широко доступные ингредиенты, которые можно приобрести у стандартных научных поставщиков; и (7) низкая стоимость. В настоящее время в биофотонных приложениях отсутствует стандартизированный протокол для широко распространенного фантомного материала, который удовлетворяет изложенным требованиям, а также включает перестраиваемые акустические свойства для гибридных приложений, таких как фотоакустическая визуализация (PAI).
Биологически значимые фантомные материалы, предназначенные для комбинированного оптического и акустического применения, включают гидрогели 4,5, поливиниловый спирт (ПВА)6,7,8,9 и поливинилхлоридный пластизоль (ПВХП)10,11,12,13,14,15,16 . Однако эти материалы характеризуются определенными ограничениями, которые ограничивают их применение в качестве стабильного фантомного материала. Гидрогели, например, склонны к обезвоживанию, механическим повреждениям и бактериальному врастанию, что ограничивает срок их хранения17,18,19. Добавление химических веществ может увеличить срок службы, но обычные консерванты, такие как формальдегид20 или хлоридбензалкония 21, опасны и требуют мер предосторожности при обращении. Кроме того, мишени, содержащие водорастворимые красители, могут диффундировать внутри основного материала, если они не инкапсулированы. Криогели ПВА характеризуются более высокой долговечностью и структурной прочностью, но процесс их приготовления включает длительные циклы замораживания-оттаивания22. Это может ограничить независимую перестраиваемость акустических и оптических параметров23 и, если они немного варьируются, может привести к неоднородностям6, тем самым ставя под угрозу воспроизводимость. Более того, диффузия красителей из включений наблюдалась через 1 год13. ПВХП имеет сложный процесс изготовления, который включает в себя высокие температуры до 180-220 °C 13,14,24,25. ПВКП также страдает от отсутствия цепочки поставок с научными поставщиками26 и может содержать пластификаторы на основе фталатов, которые могут нанести вред репродуктивной функции и развитию27, что делает их контролируемыми веществами в некоторых странах.
Композиции сополимера в масле, такие как гелевый воск 28,29,30,31 или смеси на основе термопластичных стирольных эластомеров 32,33,34,35,36, обладают хорошей продольной стабильностью и обладают тканеподобными акустическими и оптическими свойствами31,35,36,37, тем самым обладая высоким потенциалом в качестве прочного фантомного кандидата в мультимодальных приложениях. Кроме того, этот класс материалов является экономичным, не водопоглощающим, нетоксичным и биологически инертным35,38. Скорость звука c(f) и коэффициент акустического затухания α(f) могут быть настроены в биологически значимом диапазоне (таблица 1) путем изменения концентрации полимера 33,35,39, в то время как коэффициенты оптического поглощения μa(λ) и уменьшенного рассеяния μs'(λ) могут быть в основном изменены добавлением маслорастворимых красителей или диоксида титана (TiO2)39, соответственно.
Здесь представлен простой и понятный протокол для создания прочных фантомов сополимера в масле, пригодных для использования в оптической, ультразвуковой или фотоакустической калибровке устройств. Все ингредиенты имеют определенные номера Chemical Abstract Service (CAS) и легко доступны у стандартных научных поставщиков. Выделены потенциальные трудности в процессе изготовления и представлены пути их преодоления. В то время как протокол позволяет изготавливать материалы с различными акустическими и оптическими свойствами, представленный протокол дает материал со скоростью звука ~ 1,481 м·с-1, что соответствует скорости звука воды при комнатной температуре (20 °C)40. Это значение было выбрано в качестве нейтрального стандарта для представления широкого диапазона существующих свойств тканей (табл. 1), что позволило установить последовательную и надежную точку отсчета для сравнения. Предоставляя этот подробный протокол, мы стремимся расширить поглощение и воспроизводимость производства этого многообещающего типа фантомного материала, тем самым облегчая биофотонные, акустические и фотоакустические валидационные исследования и поддерживая рутинный контроль качества в доклинических и клинических приложениях визуализации.
Protocol
Таблица 1: Обзор акустических и оптических свойств, обнаруженных в мягких тканях. Оптические свойства охватывают спектр в диапазоне от 600 до 900 нм. Следует отметить, что это лишь репрезентативные значения, предназначенные для общего руководства. Точные значения могут варьироваться в зависимости от условий эксперимента (например, температуры) и частоты/длины волны. В литературе приводятся более конкретные значения. *Конкретная ссылка не найдена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Данный протокол был разработан для получения ~120 мл фантомного материала. Массы компонентов могут быть масштабированы для получения различных объемов фантомного материала. Обратите внимание, что для больших объемов (>500 мл) предлагаемое оборудование может быть не в состоянии в достаточной степени равномерно нагреть фантомную смесь. Для этого отопительное оборудование должно быть соответствующим образом адаптировано.
ВНИМАНИЕ: Всегда следите за тем, чтобы подходящие средства индивидуальной защиты (СИЗ) носились на протяжении всего процесса изготовления. Это может включать использование лабораторных халатов, защитных очков и защитных перчаток; Соблюдайте местные правила техники безопасности. Процедура адаптирована из Hacker et al.39; краткое описание шагов показано на рисунке 1.
Рисунок 1: Изготовление сополимера в масле. (1) Материалы для оптического рассеяния и абсорбции добавляют к минеральному маслу и (2) обрабатывают ультразвуком при 90 ° C до растворения. (3) Добавляют полимер (полимеры) и стабилизатор и (4) смесь нагревают в масляной бане до 160 °C при слабом перемешивании. (5) После растворения всех компонентов образец заливают в подходящую фантомную форму и (6) оставляют для затвердевания при комнатной температуре. Эта цифра воспроизведена из Hacker et al.39. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
1. Приготовление смеси
- Приготовьте бульонный раствор нигрозина, добавив 0,4 г нигрозина в 40 мл минерального масла. Обеспечьте однородное смешивание с помощью ультразвука и тщательного вихряния образца. Храните исходный раствор при комнатной температуре.
ПРИМЕЧАНИЕ: Стоковый раствор всегда следует тщательно перемешивать перед повторным использованием. Если предпочтительным является фантомный материал без оптического рассеивателя (TiO 2) или поглотителя (красителя), шаги 1 и2 можно пропустить. Перейдите к шагу 3. - Ультразвук 0,15 г TiO 2 и 1 мл раствора красителя в 100 мл (83,8 г) минерального масла до тех пор, пока все компоненты не будут полностью растворены (~ 60 мин) (рис. 1: этапы 1 и2). Установите ультразвуковой аппарат на повышенную температуру (90 °C), если позволяет оборудование, так как это облегчает процесс смешивания. Приступайте к шагам 3-5 во время обработки ультразвуком.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если предпочтительным является фантом с более высокими поглощающими и рассеивающими свойствами, время обработки ультразвуком, возможно, потребуется увеличить. - Взвесьте полистирол-блок-поли(этилен-ран-бутилен)-блок-полистирол (SEBS) и полиэтилен низкой плотности (LDPE) в желаемых концентрациях (например, SEBS = 25,14 г; LDPE = 6,70 г) (рис. 1: шаг 3).
- Дополнительно: Антиоксидант может быть добавлен для повышения стабильности, но это не обязательно, если температура нагрева не превышает 180 ° C.
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае возникновения проблем с растворимостью или вязкостью на более поздней стадии производственного процесса рекомендуется исключить ПЭНП. LDPE включен для увеличения скорости звука в материале (таблица 3); Однако он не является обязательным для создания стабильного фантома. За счет отказа от ПВД можно упростить процесс изготовления и формовки, но это приведет к снижению последующей скорости звучания конечного материала (табл. 3).
- Дополнительно: Антиоксидант может быть добавлен для повышения стабильности, но это не обязательно, если температура нагрева не превышает 180 ° C.
- Создайте масляную ванну, используя подходящую стеклянную посуду и силиконовое масло; Аккуратно закрепите его на конфорке. Убедитесь, что термопара остается в ванне с силиконовым маслом и не касается краев стеклянной посуды на протяжении всей процедуры (рис. 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что терморегулирующий аксессуар тщательно установлен в соответствии с инструкциями производителя оборудования. - Поместите магнитную мешалку достаточной длины внутрь масляной ванны, чтобы обеспечить равномерное распределение тепла.
- Включите конфорку, установите температуру нагрева на 160 °C и установите обороты мешалки в минуту (об/мин) на 50.
- Перенесите LDPE и SEBS в стеклянный стакан, содержащий ультразвуковое минеральное масло (с TiO2 и нигрозином). Введите магнитную мешалку достаточной длины в стеклянный стакан и перенесите ее в центр масляной ванны для нагрева измеряемых компонентов. Убедитесь, что уровень масла в ванне остается выше уровня минерального масла внутри стакана (рис. 1: шаг 4).
2. Нагрев смеси
- Если на каком-либо этапе добавляемый полимер всплывает над минеральным маслом, вручную перемешайте раствор минерального масла с помощью металлического шпателя, чтобы любой плавающий полимер распределился внутри минерального масла. Надевайте термостойкие перчатки.
- Оставьте смесь при температуре 160 ° C до тех пор, пока весь полимер не растворится и раствор не станет однородно перемешанным, с гладкой и однородной текстурой (~ 1,5 ч).
3. Уборка пылесосом
ПРИМЕЧАНИЕ: Для удаления пузырьков воздуха выполните следующие действия, в зависимости от доступного оборудования.
- Осторожно поместите горячий стакан в вакуумную камеру и пылесосьте образцы в течение 2-3 минут на самом высоком уровне (самый низкий вакуум). Используйте металлический шпатель, чтобы осторожно удалить пузырьки воздуха, которые скапливаются на поверхности. Если пузырьки воздуха все еще присутствуют после этого этапа, разогрейте смесь и повторяйте этап уборки пылесосом, пока все пузырьки воздуха не будут удалены.
- Включите вакуумную духовку и разогрейте ее до 160 °C. Как только он достигнет нужной температуры, перенесите стакан с раствором в вакуумную печь.
ПРИМЕЧАНИЕ: Всегда обращайтесь с мензуркой в термозащитных перчатках.- Включите пылесос на самое высокое значение (самый низкий вакуум). Если поверх раствора образовался слой пены, выключите пылесос и удалите пузырьки с поверхности с помощью шпателя (повторяйте этот шаг до тех пор, пока не будут удалены все пузырьки воздуха).
- Оставьте стакан в вакуумной печи на 1 час при максимальном вакууме.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы поддерживать вакуумную духовку в чистоте, очистите внешнюю поверхность стакана от силиконового масла бумажным полотенцем.
4. Заливка образцов в форму
- Перед заливкой образцов в формы для образцов при необходимости удалите все оставшиеся пузырьки воздуха на поверхности смеси с помощью шпателя.
- Осторожно вылейте раствор в подходящую форму, надев термостойкие перчатки или используя соответствующие средства защиты. Обеспечьте плавную и устойчивую заливку с небольшой высоты, чтобы уменьшить вероятность образования пузырьков воздуха (рис. 1: шаг 5). Для форм сложной формы перед заливкой покройте форму тонким слоем масла (кроме минерального масла [например, касторового или силиконового масла]), чтобы облегчить удаление отвержденного образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предварительный нагрев форм в печи может помочь достичь более высокой однородности образца. - После заливки быстро удалите пузырьки воздуха с верхней части образцов металлическим шпателем. Если в смеси скопилось множество пузырьков воздуха, повторите этап вакуумирования при условии, что это позволяет тип и форма формы.
- Дайте раствору застыть при комнатной температуре. Хотя меньшие образцы могут затвердеть менее чем за 2 часа, оставьте образцы на ночь, чтобы исключить риск неполного отверждения. Храните образцы при комнатной температуре (рис. 1: шаг 6).
5. Получение изображения
- Для получения изображения поместите фантом в поле зрения устройства формирования изображения.
- Для PAI или ультразвуковых систем выполните акустическую связь фантомной поверхности с ультразвуковым преобразователем, например, с ультразвуковым гелем или водой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если протокол соблюдается правильно, никакие неоднородности не должны нарушать поле зрения. Пользовательские фантомные держатели могут помочь в воспроизводимом позиционировании образца между измерениями. - Если температура сбора отличается от температуры хранения фантома, дайте фантомной температуре стабилизироваться с окружающей средой.
- Приобретите изображение.
6. Измерения характеристик материала
ПРИМЕЧАНИЕ: Целью измерений характеристик материала является проверка оптических и акустических свойств материала. Следует отметить, что протокол фантомного изготовления показал высокую воспроизводимость39, поэтому приведенные ниже общие протоколы измерений предоставляются только в качестве руководства, если желательны дальнейшие проверочные исследования. Отдельные этапы измерений будут зависеть от используемого оборудования для определения характеристик. В данном случае для определения акустических характеристик была использована система, основанная на методе41 замещения широкополосной сквозной передачи (имеется в Национальной физической лаборатории (NPL), Соединенное Королевство), а для определения оптических характеристик была использована собственная система двойной интегрирующей сферы (DIS) (на основе 42). Настройка систем определения характеристик показана на дополнительном рисунке 1. Дополнительные сведения об измерительных установках (акустические43; оптические42,44) и процедуре39 измерений можно найти в другом месте. Процедура измерения должна быть адаптирована соответствующим образом к каждой конкретной используемой системе определения характеристик.
- Акустическая характеристика
ПРИМЕЧАНИЕ: Измерения акустических характеристик основаны на системе, использующей ультразвуковой преобразователь центральной частоты 10 МГц (диаметр активного элемента 10 мм) для генерации импульсов и широкополосный гидрофон (гидрофон с биламинарной мембраной диаметром 30 мм) для обнаружения импульсов (оба помещены в резервуар для воды, заполненный деионизированной водой; размеры 112 см x 38 см x 30см3). Преобразователь приводится в действие генератором-приемником. Осциллограммы получаются с помощью осциллографа. Более подробную информацию о процедуре настройки и измерения (включая влияние на измерения типа B для конкретной системы) можно найти в разделе 43.- Подготовьте образцы, подходящие для измерительной установки (например, в данном случае круглые образцы диаметром 7-8 см и толщиной 6-9 мм). Убедитесь, что образцы имеют однородный состав и не содержат каких-либо примесей, пузырьков воздуха или неровностей поверхности.
- Измерьте толщину испытуемого образца с помощью штангенциркуля и запишите температуру резервуара для воды с помощью калиброванного термометра.
- Поместите образец в систему. Убедитесь, что образец правильно выровнен с компонентами системы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Держатель образца с автоматическим управлением, основанный на карданном креплении43 , может помочь в точном контроле вращения и наклона образца. - Получение четырех акустических импульсов для каждого измерительного набора: эталонный импульс через воду без образца в акустическом тракте; сквозная передача пробы; и акустические отражения, получаемые на передатчике от передней и задней поверхностей образца.
- Выведите акустические свойства образца из измерений. Рассчитайте скорость звука c(f ) (в м·с−1) с помощью уравнения (1)43.
(1)
CW изображает зависящую от температуры скорость звука воды, а θ1 (f), θ2 (f), θw (f) и θs (f) являются соответствующими развернутыми фазовыми спектрами импульсов напряжения с передним, задним отражением, сквозной водой и сквозным образцом соответственно. Частотно-зависимый коэффициент затухания (αi(f)) материала может быть получен с использованием метода замещения двух выборок, показанного в уравнении (2)43.
(2)
U w(f) и U(f) представляют собой соответствующие спектры величины напряжения сквозной воды и сквозного импульса образца, αw(f) - коэффициент затухания ультразвука (в дБ·см-1) чистой воды при удельной температуре резервуара для воды45, а d 1 и d 2 (d 2 > d 1) представляют собой две толщины образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем протоколе была проведена оценка затухания с учетом межфазных потерь, в результате чего его влияние было признано незначительным. - Повторите измерение более трех раз в разных положениях на испытуемом образце. Рассчитайте среднее значение и стандартное отклонение измерений, чтобы получить окончательное значение выборки.
- Оптические характеристики
ПРИМЕЧАНИЕ: Для оптических испытаний была использована система с двойной интегрирующей сферой (на основе 42), использующая две интегрирующие сферы (внутренний диаметр 50 мм), которые соединены с двумя спектрометрами через два оптических волокна. Сфера отражения соединена с источником света через третье оптическое волокно.- Подготовьте образцы, подходящие для установки измерения (например, в данном случае прямоугольные образцы шириной 5,9 см, высотой 1,8 см и толщиной от 2 до 3 мм). Убедитесь, что образцы имеют однородный состав и не содержат каких-либо примесей, пузырьков воздуха или неровностей поверхности.
- Включите источник света и дайте ему стабилизироваться в соответствии с инструкциями производителя (например, 15 минут).
- Определяют толщину образца с помощью штангенциркуля. Если применимо, укажите диапазон длин волн и размер шага для измерения (например, 450-900 нм с шагом 1 нм).
- Запишите эталонные измерения для сферы пропускания и отражения.
- Для сферы отражения сначала выполните измерение с открытым портом, записав значение отражения R0 со снятой сферой пропускания и включенным источником света. Затем запишите значение коэффициента отражения R1 с эталонным эталоном, который держат перед сферой отражения (источник света включен).
- Для сферы коэффициента пропускания сначала проведите измерение заблокированного луча, записав значение коэффициента пропускания T0 с выровненными сферами отражения и коэффициента пропускания и выключенным источником света. Затем проведите измерение падающего луча, записав значение коэффициента пропускания T1 с включенными выровненными сферами отражения и пропускания и источником света.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для измерений должна быть обеспечена чистая поверхность сфер и эталонного эталона, так как прилипание пыли или других загрязнений может повлиять на производительность компонентов46.
- Поместите образец между сферами. Измерьте значения коэффициента отражения R и коэффициента пропускания T. Убедитесь, что образец не сжат, так как это может повлиять на точность измерения. Размещение одной сферы на моторизованном столике может помочь точно контролировать расстояние между сферами, адаптируя его к измеренной толщине образца.
- Рассчитайте нормированные значения коэффициента отражения M R и коэффициента пропускания MT, используя уравнения (3) и (4)42.
(3)
(4)
R STD отображает интенсивность, отраженную от стандарта отражения 99%. - Введите измеренные значения в программу обратного удвоения (IAD) (исходный код: http://omlc.org/software/iad/)44 для оценки оптических свойств материала.
ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на предыдущих отчетах, коэффициент анизотропии рассеяния (g) можно принять как g = 0,7, а показатель преломления как n = 1,4 30. - Повторите измерение не менее трех раз в разных положениях вдоль испытуемого образца. Рассчитайте среднее значение и стандартное отклонение измерений, чтобы получить окончательное значение выборки.
(1)
(2)
(3)
(4)Representative Results
Следуя этому рецепту, были созданы три репрезентативные фантомные конструкции с целью фотоакустической визуализации, предназначенные для различных конструкций систем с различной геометрией оптического освещения и акустического детектирования (рис. 3A). Если процедура фантомной подготовки выполнена успешно, фантомный материал выглядит гладким и однородным без каких-либо захваченных пузырьков воздуха или примесей, и на полученном изображении не видно никаких артефактов (здесь визуализировано с помощью фотоакустической визуализации; Рисунок 3В,В). Протокол дает репрезентативный материал со скоростью звука c(f) = 1481 ± 0,4 м·с-1 (соответствует скорости звука воды при 20 °C40), акустическим затуханием α(f) = 6,1 ± 0,06 дБ·см-1 (оба на частоте 5 МГц), оптическим поглощением μa(λ) = 0,05 ± 0,005 мм-1 и оптическим рассеянием μs'(λ) = 1 ± 0,1 мм-1 (оба на 800 нм) (неопределенность отражает стандартное отклонение от n = 3 независимо произведенных партий разными операторами; все измерения проводились при комнатной температуре [20 °C]).
Коэффициент оптического рассеяния может быть настроен изменением TiO 2, в то время как коэффициент оптического поглощения может быть настроен добавлением любого маслорастворимого красителя, что здесь продемонстрировано с нигрозином (таблица 2 и рисунок 3D). В то время как значения в таблице 2 сосредоточены на тканях с более низким поглощением и рассеиванием, таких как мышцы или грудь (таблица 1), мы не сталкивались с какими-либо трудностями при добавлении поглотителей и рассеивателей в более высоких концентрациях. Однако добавление оптических рассеивателей / поглотителей в более высоких концентрациях может потребовать более длительного времени обработки ультразвуком для достижения однородного смешивания раствора.
Акустическое затухание и скорость звука могут быть настроены путем изменения концентрации полимера (табл. 3). Здесь настройка пока ограничена диапазоном скорости звука ~1,450-1,516 м·с-1. Более низкие соответствующие концентрации полимера могут привести к низкой физической стабильности образца, что приведет к пластической деформации с течением времени34. Более высокие концентрации полимера приводят к хрупкости и неравномерной текстуре материала. Диапазон акустических свойств может помочь имитировать ткани, такие как грудь или жир (c = 1,450-1,480 м·с-1), но может быть недостаточным для таких тканей, как мышцы или почки (c > 1,520 м·с-1; Таблица 1).
Распространенными источниками ошибок при фантомной подготовке являются недостаточное удаление пузырьков воздуха и неоднородное перемешивание базовых компонентов (рис. 4). Это можно свести к минимуму с помощью пылесоса и осторожной заливки, а также перемешивания / вихряния соответственно.
Рисунок 2: Экспериментальная установка для изготовления фантомов. Стеклянный стакан, содержащий фантомные ингредиенты, помещается в ванну с силиконовым маслом с помощью зажима, чтобы избежать прямого контакта между поверхностями масляной ванны и стеклянным стаканом. Температурная обратная связь на конфорке обеспечивает тщательный контроль температуры. Магнитные мешалки позволяют смешивать как силиконовое масло, так и фантомные ингредиенты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Репрезентативные результаты процедуры изготовления фантомов. (A) Различные фантомные конструкции, демонстрирующие универсальность для применения в различных системах фотоакустической визуализации. Слева: маленький прямоугольный фантом со струнами, встроенными на разной глубине (0,5, 1,5 и 2,5 мм; межцелевое расстояние 1,25 мм), предназначенный для тестирования систем визуализации высокого разрешения; средний: цилиндрический фантом с двумя включениями (расстояние между включениями 12 мм) с использованием зеленого и фиолетового маслорастворимого красителя, предназначенный для тестирования томографических систем; Справа: большой прямоугольный фантом с каналами, встроенными на разной глубине (6 мм, 10 мм и 14 мм; расстояние между включениями 3,5 мм), предназначенный для тестирования портативной системы. (B) Пример фотоакустического изображения прямоугольного фантома со встроенными струнами, полученного на длине волны 532 нм с помощью коммерческой фотоакустической системы визуализации. (C) Пример фотоакустического изображения цилиндрического томографического фантома, полученного на длине волны 800 нм с помощью коммерческой системы фотоакустической визуализации. (D) Фантомы с увеличением концентраций оптического поглощения за счет увеличения концентраций нигрозина (концентрации, указанные в весовых процентах от общего объема минерального масла на изображении). Рисунок 3B,C воспроизведен из Hacker et al.39. Масштабные линейки = 10 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Распространенные фантомные сбои . (А, Б) Фотографии, на которых видны пузырьки воздуха, попавшие внутрь базовой матрицы. (C) Недостаточное смешивание компонентов основания приводит к неоднородностям (красные стрелки) в результирующем фотоакустическом изображении. Масштабная линейка = 5 мм (А). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 2: Табличный обзор настройки значений оптического поглощения (μa) и рассеяния (μs'). Значения процентного содержания приводятся в виде весового процента к общему объему базового раствора (минеральное масло, колонка 1) и к общей массе фантомного материала (колонка 2). Концентрации нигрозина отражают общее количество абсолютного нигрозина (не исходного раствора). Все образцы включали 5% бутилированный гидрокситолуол в качестве антиоксиданта (необязательно). n = 3 измерения на образец. Визуальное представление таблицы можно найти в Hacker et al.39. Аббревиатура: neg = пренебрежимо малый. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 3: Табличный обзор настройки значений акустического затухания (α) и скорости звука (c). Описывается степенным законом α 0 fn с αпараметрами 0 и n, полученными из нелинейной подгонки наименьших квадратов (n = 4 измерения на образец). F обозначает частоту в МГц. Процентные значения приведены в виде весовых процентов к общей массе основного раствора (минерального масла). Все образцы включали 5% бутилированный гидрокситолуол в качестве антиоксиданта (необязательно). Визуальное представление таблицы можно найти в Hacker et al.39. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Дополнительный рисунок S1: Настройка акустических и оптических систем определения характеристик, используемых для проверок. На дисплее представлена фотография (А) и схема (В) системы определения акустических характеристик для определения коэффициента акустического затухания и скорости звука. Отдельные компоненты системы обозначаются аннотациями HP (HydroPhone), S (Sample) и T (Transducer) на фото и схеме. Показана фотография (C) и схема (D) системы двойных интегрирующих сфер для оценки коэффициента оптического поглощения и приведенного коэффициента рассеяния. Отдельные компоненты системы обозначаются аннотациями S (Образец), RS (Сфера отражения), TS (Сфера передачи), OF (Оптическое волокно) и MS (Моторизованная ступень) на фото и схеме. Этот рисунок воспроизведен из Hacker et al. 39. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
Здесь представлен протокол, целью которого является предоставление универсального рецепта стабильного, биологически значимого материала, который может быть использован для создания фантомов для калибровочных измерений и стандартизации в мультимодальных акустических и оптических приложениях биомедицинской визуализации. Ранее было показано, что материал стабилен во времени39, обладает высокой воспроизводимостью от партии к партии, безопасен в использовании и состоит из легкодоступных, экономически эффективных ингредиентов от стандартных научных поставщиков. Свойства материала независимо настраиваются в соответствующих акустических и оптических режимах. Кроме того, он механически прочен и нерастворим в воде, что выдерживает грубое обращение, и инертен к связующим агентам на водной основе, которые используются в ультразвуковых / фотоакустических исследованиях. Было подчеркнуто, что различные фантомные конструкции могут быть созданы с различными типами включений, состоящими из одного и того же или из разных типов материалов. Учитывая эти свойства, материал удовлетворяет вышеупомянутым ключевым критериям идеального биофотонного фантома и демонстрирует ключевые преимущества по сравнению с другими существующими материалами, имитирующими ткани3. Подробно описывая точный производственный процесс, мы надеемся свести к минимуму изменения, возникающие в процессе изготовления, тем самым оптимизируя его использование для калибровки, проверки и отслеживания производительности систем визуализации.
Два ключевых шага были определены как критически важные для процесса изготовления. Во-первых, ингредиенты нужно тщательно перемешать и равномерно нагреть для создания однородного материала. Использование ультразвукового аппарата и магнитной мешалки для смешивания и масляной ванны для нагрева обеспечивает равномерное распределение компонентов материала в базовой матрице. Необходимо следить за тем, чтобы масляная ванна не достигала очень высоких температур (>180 °C), так как это приведет к окислению компонентов материала, что приведет к желтоватому обесцвечиванию. Ручное перемешивание может поддерживать процесс смешивания и компенсировать недостаточный нагрев на границе раздела материал-воздух. Время для обработки ультразвуком и смешивания, возможно, потребуется увеличить, когда более высокая концентрация TiO2 и / или полимеров используется для обеспечения однородного состава материала. Во-вторых, пузырьки воздуха должны быть удалены, чтобы предотвратить образование неоднородностей внутри базовой матрицы. Хотя это может быть достигнуто с помощью вакуумного насоса или печи, следует также практиковать тщательную заливку с небольшой высоты, чтобы свести к минимуму улавливание воздуха внутри материала.
Одним из существенных преимуществ материала являются его термопластичные свойства (полученные из полимера SEBS), позволяющие нагревать и повторно формовать его без какого-либо существенного влияния на его акустические и оптические свойства39. Однако повторный нагрев необходимо выполнять постепенно и осторожно, так как материал может легко сгореть и окислиться при слишком быстром нагревании. Повторный нагрев также становится более трудным при использовании более высоких концентраций ПЭНП, поскольку ПЭНП не проявляет такого же термопластичного поведения, как SEBS.
Остается несколько ограничений протокола. Из-за высокой температуры плавления полимеров (150 °C) фантомные формы должны быть изготовлены из жаропрочного материала, такого как стекло или нержавеющая сталь. Кроме того, материал довольно вязкий в жидком состоянии, если для настройки акустических свойств используется высокая концентрация полимера, что затрудняет заполнение небольших мишеней. Наконец, настройка акустических свойств до сих пор ограничена диапазоном скорости звука ~ 1450-1,516 м·с-1, который поддерживает имитацию тканей, таких как грудь или жир (c = 1,450-1,480 м·с-1), но может быть недостаточным для таких тканей, как мышцы или почки (c > 1,520 м·с-1). Следует также учитывать сопутствующее изменение акустического затухания.
Здесь мы выделили применение материала в качестве стабильного фантома для ультразвуковых и оптических изображений. Тем не менее, сополимерные материалы в масле также показали свою ценность в эластографии35 и потенциально могут обеспечить совместимость с другими методами визуализации, такими как магнитно-резонансная томография. Повышенная анатомическая реалистичность фантомов может быть достигнута с помощью 3D-печатных форм, как показано в аналогичных исследованиях 29,47,48,49. Ранние исследования также продемонстрировали возможность 3D-печати самого материала, что еще больше расширило его гибкость с точки зрения обработки и изготовления. Эти разработки подчеркивают захватывающий будущий потенциал материала в качестве широко используемой, стабильной фантомной среды для мультимодальных приложений визуализации.
Disclosures
Сара Бондиек ранее получала исследовательскую поддержку от CYBERDYNE INC и iThera Medical GmbH, поставщиков инструментов для фотоакустической визуализации. У других авторов нет конфликта интересов, связанного с настоящей рукописью, который необходимо раскрыть.
Acknowledgments
LH финансировался программой NPL MedAccel, финансируемой Фондом Industrial Strategy Challenge Министерства бизнеса, энергетики и промышленной стратегии. JMG получила финансирование от Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкое научно-исследовательское общество) в рамках проекта GR 5824/1. JJ благодарит за финансовую поддержку со стороны Академии медицинских наук Springboard (REF: SBF007\100007). SEB благодарит Cancer Research UK за грант No C9545/A29580. AMI, BZ и SR были поддержаны Министерством бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании через финансирование Национальной системы измерений. Рисунки 1 и 2 были созданы с помощью 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. |
References
- Waterhouse, D. Translation of optical imaging biomarkers: opportunities and challenges. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 339-353 (2019).
- O'Connor, J. P. B., et al. Imaging biomarker roadmap for cancer studies. Nature Reviews Clinical Oncology. 14 (3), 169-186 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xia, W., et al. Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 075002 (2011).
- Manohar, S., et al. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms. J Biomed Opt. 9, 1172 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dantuma, M., van Dommelen, R., Manohar, S.
- Jeong, E., et al. Fabrication and characterization of PVCP human breast tissue-mimicking phantom for photoacoustic imaging. BioChip Journal. 11, 67-75 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Heudorf, U., Mersch-Sundermann, V., Angerer, J.
- Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomed. Opt. Express. 9 (3), 1151-1163 (2018).
- Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed molds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), 015033 (2018).
- Jones, C. J. M., Munro, P. R. T. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3495-3502 (2018).
- 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).
- 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).
- Cabrelli, L. C., et al. Oil-based gel phantom for ultrasound and optical imaging. Biophotonics South America. SPIE. 9531, 40-46 (2015).
- Cabrelli, L. C., et al. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cabrelli, L. C., et al. Copolymer-in-oil phantoms for photoacoustic imaging. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2015).
- 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).
- 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).
- Zeqiri, B., Scholl, W., Robinson, S. P. Measurement and testing of the acoustic properties of materials: a review. Metrologia. 47 (2), S156-S171 (2010).
- Pickering, J. W., et al. Double-integrating-sphere system for measuring the optical properties of tissue. Applied Optics. 32 (4), 399-410 (1993).
- 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).
- Prahl, S. A. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital. 1344, 1-74 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
