Name: 基于琼脂糖组织模拟光学幽灵的漫反射光谱研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 25 s
Description: 学习使用琼脂糖制备组织模拟光学体模，并通过积分球系统测定其光学特性。本方法结合漫反射光谱技术，为生物医学光学研究提供可靠的组织替代模型与表征手段。

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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。

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。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>打开光谱仪的操作软件。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>从一块 2 毫米厚的亚克力板上切割出两块矩形亚克力片，尺寸可选。</li>
	<li>从一块 1 毫米厚的亚克力板上切割出一块亚克力片，尺寸可选。将该 1 毫米厚的亚克力片切割成 U 形，用于制作 1 毫米厚的表皮仿体模具。</li>
	<li>从一块 5 毫米厚的亚克力板上切割出一块亚克力片，尺寸可选。将该 5 毫米厚的亚克力片切割成 U 形，用作制作 5 毫米厚的真皮仿体模具。</li>
	<li>使用金属锉刀去除每块亚克力片上的毛刺。</li>
	<li>将 1 毫米厚的 U 形亚克力片夹在两块 2 毫米厚的矩形亚克力片之间，并用五个回形夹固定，制成表皮仿体模具。</li>
	<li>将 5 毫米厚的 U 形亚克力片夹在两块 2 毫米厚的矩形亚克力片之间，并用五个回形夹固定，制成真皮仿体模具。</li>
</ol>
3. 基底材料的制备
<ol>
	<li>取500 mL含0.9% (w/v) NaCl的标准生理盐水置于容器中。在搅拌的同时缓慢加入5 g琼脂糖粉末，以避免结块。</li>
	<li>使用功率为1,000 W的电热炉加热琼脂糖粉末与生理盐水的混合物，持续5分钟。</li>
	<li>待混合物沸腾后，调至小火继续加热3分钟。</li>
	<li>将混合物冷却至约70 °C，然后倒入容器中，并在制作模型前将其置于60 °C恒温水浴中保温30分钟。</li>
</ol>
4. 仿生皮肤光学模型的制备
注意：使用咖啡溶液来模拟黑色素的吸收光谱。咖啡溶液含有一种称为类黑精的棕色色素。据报道，类黑精的吸收光谱与黑色素相似10。
<ol>
	<li>制备表皮仿体
	<ol>
		<li>将 100 mL 纯水倒入咖啡机水箱中。在咖啡机滤篮中放置一个滤纸。向滤纸中加入 24 g 咖啡粉。打开咖啡机并按下冲泡按钮开始冲泡。</li>
		<li>将 4 mL 冲泡好的咖啡与 16 mL 生理盐水加入玻璃瓶中，配制成咖啡溶液。</li>
		<li>将 5 mL 脂质乳剂（例如，10% Intralipid）和 10 mL 咖啡溶液加入透明塑料杯中。在搅拌的同时缓慢加入 35 mL 基质材料。</li>
		<li>用注射器吸取混合物，并缓慢注入表皮仿体模具中，避免产生气泡。将含有混合物的丙烯酸模具在 5 °C 下冷却 20 分钟。</li>
		<li>从模具上取下回形夹。将其中一块丙烯酸板向外滑动并从模具中取出。将模具中 1 mm 厚的凝固凝胶仿体取出，并使用手术刀切割至所需尺寸。</li>
		<li>将凝胶仿体置于两片载玻片之间并固定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备含氧合血的真皮仿体
	<ol>
		<li>取 5.0 mL 脂质乳剂和 0.4 mL 血细胞比容为 45% 的马全血，加入透明塑料杯中。在搅拌的同时缓慢加入 44.6 mL 基质材料。</li>
		<li>用注射器吸取混合物，并缓慢注入真皮仿体模具中，避免产生气泡。将含有混合物的丙烯酸模具在 5 °C 下冷却 20 分钟。</li>
		<li>从模具上取下回形夹。将其中一块丙烯酸板向外滑动并从模具中取出。将模具中 5 mm 厚的凝固凝胶仿体取出，并使用手术刀切割至所需尺寸。</li>
		<li>将凝胶仿体置于两片载玻片之间并固定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备含脱氧血的真皮仿体
	<ol>
		<li>将含有氧合血的真皮凝胶仿体（来自步骤 4.2.3）放置于玻璃培养皿上。</li>
		<li>在玻璃瓶中将 1 g 连二亚硫酸钠（Na2S2O4）溶解于 20 mL 生理盐水中。</li>
		<li>使用注射器将 0.05 g/mL 的 Na2S2O4 溶液滴加到仿体表面，以使仿体中的血液脱氧。</li>
		<li>将仿体置于两片载玻片之间并固定，以防止其干燥。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备双层仿体
	<ol>
		<li>在真皮仿体上滴加 0.1 mL 生理盐水，以确保表皮层与真皮层之间的光学耦合。将表皮仿体放置在真皮仿体上方。</li>
		<li>若两层之间存在气泡，可用手指轻抚双层仿体表面将其推出。</li>
		<li>将双层仿体置于两片载玻片之间并固定，以防止其干燥。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 漫反射光谱的采集
<ol>
	<li>暗光谱的获取 
	注意：光谱仪中的电荷耦合器件（CCD）传感器可根据入射光产生的电信号来估算光强度。然而，存在与光子产生的信号无关但与设备温度相关的暗噪声37，即使传感器未检测到光时也会存在。为了准确测量光的光谱强度，应测量暗电流信号作为暗光谱，并从样品光谱中减去该暗光谱。暗光谱是指在光路被遮挡时采集的光谱。
	<ol>
		<li>将积分球置于漫反射测量的最佳位置（图1a）。</li>
		<li>关闭卤素灯光源，使用端口塞或遮光板阻断进入光谱仪的光路。</li>
		<li>从文件菜单中选择存储暗光谱命令，以保存一条暗光谱。</li>
		<li>从文件菜单中选择减去暗光谱命令，将暗光谱从测得的样品光谱中扣除（见下文）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>参考光谱的获取 
	注意：本实验中使用的光学元件（如光源、导光管、消色差透镜、光纤和光谱仪）具有各自的波长依赖性。因此，应测量通过这些光学元件的光的光谱强度作为参考光谱。在漫反射光谱测量中，参考光谱是指在光源照射下，使用标准白色漫射体所采集的光谱。
	<ol>
		<li>按下电源按钮开启卤素灯光源。在采集参考光谱前，至少预热光源10分钟。</li>
		<li>将标准白色漫射体（例如，Spectralon）放置在积分球的样品端口处。</li>
		<li>在光谱仪操作软件的下拉列表中选择合适的值，调节光谱仪的积分时间，使峰值信号强度约为光谱仪最大强度的75%。</li>
		<li>从文件菜单中选择存储参考光谱命令，以保存一条参考光谱。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>样品光谱的获取 
	注意：使用相同的采集条件获取并保存样品漫反射光谱至个人计算机的硬盘中。
	<ol>
		<li>将夹在两片载玻片之间的表皮仿体置于样品端口处。从文件菜单中选择保存命令，将漫反射光谱保存为文件。</li>
		<li>对真皮仿体和双层仿体重复步骤5.3.1。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 总透射光谱的获取
<ol>
	<li>暗光谱的获取 
	注意：光谱仪中的传感器可根据入射光产生的电信号来估算光强。然而，即使传感器未检测到光，仍存在与光子信号无关但与设备温度相关的暗噪声。为了准确测量光的光谱强度，应测量暗电流信号作为暗光谱，并从样品光谱中扣除。暗光谱是指在光路被遮挡时采集的光谱。
	<ol>
		<li>将积分球置于总透射率测量的最佳位置（图1b）。</li>
		<li>从积分球的端口移除光阱，并在端口上安装端口堵头。</li>
		<li>关闭卤素灯光源，使用端口堵头或遮光板阻断进入积分球的光路。</li>
		<li>从文件菜单中选择存储暗光谱命令，以保存一条暗光谱。</li>
		<li>从文件菜单中选择扣除暗光谱命令，将暗光谱从测得的样品光谱中扣除（见下文）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>参考光谱的获取 
	注意：本实验所用组件（如光源、导光管、消色差透镜、光纤和光谱仪）的光学特性均具有波长依赖性。因此，应将光通过这些组件后的光谱强度测量为参考光谱。在总透射率光谱的测量中，参考光谱是指光源发出的光直接通过样品端口进入积分球时采集的光谱。
	<ol>
		<li>按下电源按钮开启卤素灯光源。在采集参考光谱前，至少预热光源10分钟。</li>
		<li>通过光谱仪操作软件中的积分时间下拉列表选择合适的值，调节光谱仪的积分时间，使最强光强的信号约为最大值的75%。</li>
		<li>从文件菜单中选择存储参考光谱命令，以保存一条参考光谱。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>样品光谱的获取 
	注意：样品的总透射率光谱在相同的采集条件下获取，并保存至个人计算机的硬盘中。
	<ol>
		<li>将夹在两片载玻片之间的表皮模拟体置于样品端口处，从文件菜单中选择保存命令，将总透射率光谱保存为文件。</li>
		<li>对真皮模拟体和双层模拟体重复步骤6.3.1。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. 估算吸收和光散射特性
注意：将漫反射光谱和总透射光谱数据集保存至个人计算机硬盘，并进行离线分析。随后通过逆向蒙特卡罗模拟8,38,39,40来估算吸收系数光谱µa(λ)和约化散射系数光谱µs’(λ)。在此逆向蒙特卡罗模拟中，在假设各向异性因子g为0的条件下，所估算的散射系数µs被视为约化散射系数µs’。单次模拟运行同时使用反射率和透射率数据。本方案所采用的详细算法已在先前文献中报道8,39。我们根据从表皮层获得的漫反射光谱和总透射光谱数据集，估算了表皮层的吸收系数光谱µa(λ)和约化散射系数光谱µs’(λ)。同样地，我们根据从真皮层获得的漫反射光谱和总透射光谱数据集，估算了真皮层的µa(λ)和µs’(λ)。
<ol>
	<li>打开用于蒙特卡罗模拟的输入文件。</li>
	<li>在输入数据文件中，填写在400至700 nm波长范围内以10 nm为间隔的测量漫反射率和总透射率的数值。在输入数据文件中填写模型厚度的数值。</li>
	<li>在输入数据文件中，将某一层的折射率 n 设置为适当值（例如，在550 nm处n = 1.33）。在输入数据文件中将各向异性因子 g 的值设为0。</li>
	<li>在输入数据文件中，将吸收系数 µa 和散射系数 µs 的初始值设置为适当的数值（例如，µa = 0.01，µs = 0.1）。</li>
	<li>运行逆向蒙特卡罗模拟程序。</li>
	<li>输入输入文件的文件名，然后启动模拟。</li>
	<li>打开输出文件，检查迭代模拟终止后得到的 µa 和 µs 的最终值。</li>
	<li>对其他所需波长重复执行步骤7.1–7.7。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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<s...

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12,13,14,15,16以及室温硫化硅橡胶17。研究表明，基于明胶和海藻酸盐的凝胶适用于构建具有非均质结构的光学 phantom18。海藻酸盐 phantom 具备良好的机械稳定性和热稳定性，适合用于评估光热效应，例如激光消融研究和基于激光的热疗研究18。琼脂糖凝胶能够构建非均质结构，且其机械和物理性质长期稳定18。高纯度琼脂糖凝胶浊度极低，光学吸收微弱，因此基于琼脂糖的 phantom 可通过添加适当的光散射剂和吸收剂，方便地设计其光学特性。最近，苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物19和聚氯乙烯（PVC）凝胶20也被报道为光学和光声技术中具有潜力的 phantom 材料。
聚合物微球7,12,21,22、二氧化钛粉末1以及脂质乳剂23,24,25,26（如牛奶和脂质乳剂）被用作光散射剂，而黑色墨水27,28和分子染料29,30则被用作光吸收剂。大多数活体器官的漫反射光谱主要受红细胞中氧合与脱氧血红蛋白吸收特性的影响。因此，在用于漫反射光谱和多光谱成像的仿体中，常使用血红蛋白溶液31,32和全血8,9,10,33,36作为光吸收剂。
本文所述方法用于创建模拟生物组织中光传输的光学仿体，并表征其光学特性。以模拟人类皮肤组织光学特性的双层光学仿体为例进行了演示。与替代技术相比，该方法的优势在于能够再现活体生物组织在可见光至近红外波长范围内的漫反射光谱，同时利用易得的材料和常规光学仪器即可简便制备。因此，采用此方法制备的光学仿体将有助于基于漫反射光谱和多光谱成像的光学技术的开发。

<table><tbody><tr><td>150 W 卤素灯光源</td><td>Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>LA-150SAE</td><td></td></tr><tr><td>导光管</td><td>Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>LGC1-5L1000</td><td></td></tr><tr><td>积分球</td><td>Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA</td><td>RT-060-SF</td><td></td></tr><tr><td>端口适配器</td><td>Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA</td><td>PA-050-SMA-SF</td><td></td></tr><tr><td>光陷阱</td><td>Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA</td><td>LTRP-100-C</td><td></td></tr><tr><td>具有 99% 漫反射率的 Spectralon 白色标准板</td><td>Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA</td><td>SRS-99-020</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA</td><td>P400-2-VIS-NIR</td><td></td></tr><tr><td>微型光纤光谱仪</td><td>Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA</td><td>USB2000</td><td></td></tr><tr><td>消色差透镜</td><td>Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan</td><td>ACL-50-75M</td><td></td></tr><tr><td>脂肪乳</td><td>Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden</td><td>Intralipid 10%</td><td></td></tr><tr><td>咖啡&lt;br/&gt;（Blendy 摩卡混合普通咖啡）</td><td>Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan</td><td>不可用</td><td></td></tr><tr><td>全血</td><td>Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan</td><td>0103-2</td><td></td></tr><tr><td>琼脂糖</td><td>Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>NE-AG02</td><td></td></tr><tr><td>电热炉</td><td>TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan</td><td>HP-103K</td><td></td></tr></tbody></table>

基于琼脂糖的组织模拟光学仿体用于漫反射光谱分析

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

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。

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： 
<img alt="吸收过程方程，μₐ = A₀ + A·e^(-Bλ)，与光学研究相关的公式。" src="/files/ftp_upload/57578/57578eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程">
<p c...

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。

本方案描述了如何制备基于琼脂糖的组织模拟体模，并演示了如何利用……测定其光学特性。

这种导弹有助于解决生物医学光学领域的一些关键问题，例如基于漫反射光谱的光学导弹的开发。该技术的主要优势在于，漫反射光谱能够利用 readily available 的材料，对近红外光难以穿透的活体生物组织进行表征。单层凝胶仿体的制备需要使用模具。表皮模拟物模具由一块一毫米厚的丙烯酸板切割成U形构成。另有一块两毫米厚的丙烯酸板用于覆盖第一块板，该板形成模具的一侧。另一块两毫米厚的平板构成模具的另一侧。将各组件就位后，使用五个夹子固定。真皮仿体模具的构建方式类似，即在两块两毫米厚的平板之间放置一块五毫米厚的U形丙烯酸板。用夹子固定这些部件。制备基础材料需要生理盐水和琼脂糖粉末。将500毫升生理盐水倒入锅中。然后在缓慢加入五克琼脂糖的同时进行搅拌。插入一支温度计，并将容器置于设定为1000瓦的加热板上加热五分钟。待混合物沸腾后，调至低温继续加热三分钟。将混合物冷却至约 70 摄氏度后，再倒入容器中。将其置于 60 摄氏度的恒温水浴中保持 30 分钟。表皮模型中的表皮黑色素由咖啡溶液模拟。在玻璃瓶中混合 4 毫升冲泡好的咖啡和 16 毫升生理盐水制备该溶液。接着，将 5 毫升脂质乳剂加入透明塑料杯中，再加入 10 毫升上述咖啡溶液。在搅拌过程中加入 35 毫升基础材料。准备好表皮模拟模具，将混合物吸入注射器中。缓慢将混合物注入模具内，避免产生气泡。注满的模具即可进行冷却，以形成凝胶。在5摄氏度下冷却20分钟。冷却结束后，从模具上取下夹具。将其中一块丙烯酸材料向外滑动，将其取出。从模具中取出一毫米厚的凝固凝胶仿体。使用外科手术刀将仿体切割至所需尺寸。然后，将凝胶仿体置于两片玻璃载片之间并固定。从一个透明塑料杯中的 5 毫升脂质乳剂开始。对于氧合血液，加入全马血。然后，在加入基础材料的同时搅拌混合物。准备好皮肤仿体模具，将混合物吸入注射器中。缓慢将混合物注入模具，避免产生气泡。此处所示为模具注满后、准备冷却的状态。将模具置于5 °C条件下冷却20分钟。冷却后取出模具，移除夹子及一侧外部的亚克力板，从模具中取出暴露的、厚度为5 mm的凝固凝胶仿体。使用手术刀将其切割至所需尺寸。将模体置于两片玻璃载片之间并固定。对于脱氧模体，需先从含氧血液模体开始。使用注射器将连二亚硫酸钠溶液滴加到模型上，以使血液脱氧。将模型置于两片玻璃载玻片之间并保持固定，防止其干燥。获取表皮模型和真皮模型各一个。滴加 0.1 毫升生理盐水溶液至真皮模拟层表面，以促进光学耦合。然后将表皮模拟层置于真皮模拟层和生理盐水溶液之上。轻拭表面，排出各层间可能存在的气泡。将双层幻影样本置于两片玻璃载玻片之间以防止其干燥。设置装置以测量反射光谱。测量的关键部件是积分球，其一侧设有样品支架。另一侧设有光陷阱和入射光入口端口。光谱仪通过积分球的检测端口处的光纤收集光线。该示意图提供了整个装置的概览。请注意，未使用的端口应使用堵头封闭，以防止光线进入积分球。光源为150瓦卤素灯，通过使用消色差透镜的导光管将光线聚焦到样品上。打开卤素灯。当温度升高后，将样品移至积分球的样品端口。将标准白色漫射器放置在样品支架上，准备进行测量。调节光谱仪的积分时间，并保存参考光谱。取一个模体送至样品架。将仍夹在两片玻璃载片之间的模体置于样品端口，准备进行下一次测量。测量透射光谱并将数据保存至文件。为测量透射光谱，需调整装置，使其与该示意图保持一致。注意，此时光线通过样品端口中的样品后进入积分球。其余端口均被堵住。这是准备用于测量透射光谱的积分球。进行测量时，将夹在两张玻璃载片之间的仿组织样本放入样品架中，执行测量并保存数据。这些光谱来自一个双层模型，其真皮层含有氧合血红蛋白，浓度为3%。光谱对应于表皮层中咖啡溶液浓度不同的两个样本。随着模拟黑色素的咖啡溶液浓度增加，漫反射率降低，这在较短波长处尤为明显。以下是表皮层中咖啡溶液浓度恒定为7%、真皮层中血红蛋白浓度变化时的光谱。血红蛋白对光的强吸收解释了500至600纳米范围内光谱的差异。漫反射光谱随血液的氧合状态而变化。对于每条光谱，表皮层中咖啡溶液的浓度固定为7%，真皮层中血液的浓度固定为3%。所采集的数据可用于通过逆向蒙特卡罗模拟估算仿组织体的光学特性。这些是计算得到的表皮层和真皮层平均约化散射系数光谱及吸收系数的示例。一旦掌握该技术，若编程得当，可在六小时内完成。制作仿体时，重要的是要记住将基础材料置于60摄氏度的恒温水浴中。通过此操作，可构建三层或四层的仿体，以研究更复杂的生物组织前向反射光谱表征等其他课题。该技术发展后，为生物医学光学领域的研究人员探索新型光学成像方法和系统开辟了道路。观看本视频后，您应能充分理解如何制备模拟生物组织中光传输特性的光学仿体，并掌握表征其光学性质的方法。请注意，连二亚硫酸钠的操作可能存在危险，在制备含有氧合血液的皮肤仿体时，应佩戴适当的防护装备，如护目镜、手套和面罩。

agarose-based-tissue-mimicking-optical-phantoms-for-diffuse

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

基于琼脂糖组织模拟光学幽灵的漫反射光谱研究

近红外荧光（NIRF）成像技术可通过实现术中肿瘤定位及手术切缘状态评估，提高乳腺癌手术的治疗效果。利用含有模拟荧光肿瘤包埋物的组织模拟乳腺...

用于评估近红外荧光成像在乳腺癌手术中潜在应用的组织模拟体模

本文描述了一种多模态显微内窥镜的组装与使用方法，该内窥镜可同时获取组织表层的图像数据以及组织生理参数，包括血红蛋白浓度、黑色素浓度和氧饱和度。该技术可用于评估组织结构与灌注情况，并可根据研究者的具体需求进行优化。...

多模态成像与光谱纤维束微内窥镜平台用于无创、 体内 组织分析

我们描述了一种快速连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的构建方法。该光谱仪采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤光片，能够以比现有CW-SBS光谱仪快达100倍的速度，对浑浊或非浑浊样品进行高光谱分辨率的透射光谱测量。这一改进实现了高速布里渊材料分析。<br...

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

本方案描述了如何利用漫散射偏振光谱技术提高毛细血管再充盈试验的临床实用性。我们建议在健康志愿者中，采用漫反射光谱视频结合新的信息学终点指标，对毛细血管再充盈过程进行更详细的分析。...

漫反射光谱法：将毛细血管再充盈试验掌握于指下

光学组织仿体是光学成像系统校准与表征以及理论模型验证的重要工具。本文详细介绍了一种仿体制备方法，该方法包含组织光学特性的复制以及三维组织结构的构建。...

含宏观结构的光学组织仿体的制备与表征

多模态3D打印模拟生物组织的体模

本方案描述了一种用于光学和声学生物医学成像应用的稳定且具有生物学相关性的仿体材料的制备方法，该材料具有可独立调节的声学和光学特性。...

一种用于光学与声学成像的稳定模体材料

本文介绍了制备用于等离子体光热治疗的肿瘤组织仿体的实验方案，该仿体可复制光学特性。文章详细描述了仿体的制备、光热性能评估，以及基于光热温度测量对所建立的数值模型进行验证，以评估治疗参数，提供了一种伦理且成本效益高的替代方法 体内...

基于等离激元光热效应的癌症治疗：用于可视化光热温度分布的嵌有纳米颗粒的仿肿瘤组织体模

在SiO2表面，利用一种简单的干涉测量技术，可实现对生物分子（如DNA、蛋白质等）的定量、高通量、实时且无需标记的检测。该技术依赖LED照明、极少的光学元件和一台相机。干涉反射成像传感器（IRIS）成本低廉、操作简便，并适用于微阵列格式。...

采用干涉反射成像传感器（IRIS）进行生物分子检测

拉曼光谱是一种适用于活细胞、组织工程构建物及天然组织的非接触、无标记分析技术。可通过多元分析生成并分析具有来源特异性的光谱指纹。...

非接触式、无标记的细胞与细胞外基质拉曼光谱监测

学习使用琼脂糖制备组织模拟光学体模，并通过积分球系统测定其光学特性。本方法结合漫反射光谱技术，为生物医学光学研究提供可靠的组织替代模型与表征手段。

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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