本文展示了如何制备基于琼脂糖的仿组织光学模型，并介绍了如何利用配备积分球的传统光学系统测定其光学特性。
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方法文章
基于琼脂糖的组织模拟光学仿体用于漫反射光谱分析
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本文内容
摘要
摘要
本方案描述了如何制备基于琼脂糖的仿组织体模，并演示了如何使用配备积分球的传统光学系统测定其光学特性。测量系统用于获取漫反射和总透射光谱，该系统由宽带白光光源、导光管、消色差透镜、积分球、样品 holder、光纤探头和多通道光谱仪组成。通过两个矩形丙烯酸片和一个U形丙烯酸片构成的丙烯酸模具，可制备含有全血的表皮层体模和真皮层体模。将连二亚硫酸钠（Na2S2O4）溶液作用于真皮层体模，可使分布于其中的红细胞内血红蛋白脱氧。利用光谱仪结合积分球测得的漫反射和总透射光谱，进行逆向蒙特卡罗模拟，以确定各层体模的吸收系数光谱 µa(λ) 和约化散射系数光谱 µs'(λ)。此外，通过将表皮层体模叠加在真皮层体模之上，构建了模拟人体皮肤组织漫反射特性的双层体模。
引言
光学仿体是模拟生物组织光学特性的物体，在生物医学光学领域得到了广泛应用。其设计目标是使光学特性（如光散射系数和吸收系数）与活体人或动物组织的特性相匹配。光学仿体通常用于以下目的：模拟光在生物组织中的传输过程、校准新开发的光学系统设计、评估现有系统的质量与性能、比较不同系统之间的性能差异，以及验证光学方法量化组织光学特性的能力1,2,3,4,5。因此，制备光学仿体需要具备易于获取的材料、简单的制备工艺、高重复性以及良好的光学稳定性。
已有文献报道了多种以不同基础材料制成的光学 phantom，包括水性悬浮液6、明胶凝胶7、琼脂糖凝胶8,9,10、聚丙烯酰胺凝胶11、树脂12....
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方案
1. 常规漫反射和总透射光谱系统的构建
注意：使用宽带白光源、导光管、消色差透镜、积分球、样品架、光纤和多通道光谱仪构建漫反射和总透射光谱的测量系统。光陷阱的作用是从反射光谱中去除镜面反射成分。积分球的样品架由安装板以及带有燕尾槽和弹簧加载夹具的组件构成，后者用于将样品固定在端口处。将燕尾槽和弹簧加载夹具组件从样品架上移除，改用聚苯乙烯泡沫制成的自制立方基座固定在安装板上。构建漫反射测量和总透射测量系统时，可分别参考图1a和1b所示的光学元件布局。
- 使用提供的通用串行总线（USB）电缆将光谱仪与个人计算机连接。
- 将端口适配器连接至积分球的探测器端口。使用光纤将光谱仪与积分球的端口适配器连接。连接150 W卤素灯光源与导光管。
- 将样品支架连接至积分球的样品端口。进行漫反射测量时，将光陷阱连接至积分球的适当端口。打开卤素灯光源以照射样品。 通过 导光管和消色差透镜。
- 打开光谱仪的操作软件。
2. 丙烯酸模具的制备
注意：使用由两块矩形丙烯酸板和一块U形丙烯酸板组成的丙烯酸模具来制备单层凝胶仿体。该构建过程可参考图2
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结果
图3 显示了表皮仿体和真皮仿体的约化散射系数与吸收系数的代表性估计光谱。图中所示结果 图3 是反射光谱和透射光谱各十次测量的平均值。约化散射系数 µs' 具有宽广的散射光谱，在较短波长处表现出更高的强度。其光谱特征与软组织典型的散射光谱相对应。吸收系数 µa 表皮仿体的吸收系数随波长增加呈指数衰减，这与黑色素的吸收光谱相似。表皮仿体层的吸收系数光谱与黑色素的吸收系数光谱41 通过指数函数进行拟合，形式如下：
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讨论
本方案中最关键的步骤是基质材料的温度控制。基质材料应维持在 58 至 60 °C 的温度范围内。若温度超过 70 °C，脂质乳剂和全血均会发生变性，从而导致模型的光学特性恶化。若温度低于 40 °C，基质材料将发生不均匀凝胶化，导致光散射剂和吸收剂在模型中分布不均。尽管基质材料保持在 60 °C，但使用注射器抽吸时会导致其温度下降。当基质材料加入血液溶液时，其温度会降至 50 °C。
本文所述的光学仿体使用寿命较短，通常不超过一天。可通过将仿体与基底材料封装于密闭容器中，或使用防腐剂来延长其可用寿命。表皮层仿体的厚度为1 mm，比人体表皮厚度大一个数量级。然而，在本实验方案中使用丙烯酸模具时，难以制备出厚度小于0.5 mm的层。为了降低该厚度对仿体测得的漫反射光谱可能产生的影响，调节了表皮仿体的散射系数和吸收系数，使其漫反射光谱与人体皮肤的光谱相似。旋涂法42在制备厚度小于0.5 mm的层方面具有良好的应用前景。文献中已报道了人体皮肤的µa (λ) 和 µ
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分得到了日本促进科学基金（Grant-in-Aid for Scientific Research (C)）（25350520、22500401、15K06105）以及美国陆军ITC-PAC研发项目（FA5209-15-P-0175、FA5209-16-P-0132）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 150 W 卤素灯光源 | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LA-150SAE | |
| 导光管 | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LGC1-5L1000 | |
| 积分球 | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | RT-060-SF | |
| 端口适配器 | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | PA-050-SMA-SF | |
| 光陷阱 | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | LTRP-100-C | |
| 具有 99% 漫反射率的 Spectralon 白色标准板 | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | SRS-99-020 | |
| 光纤 | Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA | P400-2-VIS-NIR | |
| 微型光纤光谱仪 | Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA | USB2000 | |
| 消色差透镜 | Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan | ACL-50-75M | |
| 脂肪乳 | Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden | Intralipid 10% | |
| 咖啡 （Blendy 摩卡混合普通咖啡） | Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan | 不可用 | |
| 全血 | Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan | 0103-2 | |
| 琼脂糖 | Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan | NE-AG02 | |
| 电热炉 | TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan | HP-103K |
参考文献
- 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).
- Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis....
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