Name: 用于光学和声学成像的稳定幻影材料 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-16T12:20:00.000+00:00
Duration: 4 min 54 s
Description: 了解用于光学和声学成像的稳定幻影材料制备方法。本研究通过矿物油聚合物复合材料解决了现有幻影材料稳定性和可调性不足的问题，为光声成像系统验证提供了可靠的组织模拟解决方案。

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LH 获得了由商业、能源和工业战略部工业战略挑战基金资助的国家物理实验室（NPL）MedAccel 项目的资金支持。JMG 在德国研究基金会（DFG，德国研究基金会）项目 GR 5824/1 下获得资助。JJ 感谢医学科学院 Springboard 项目（资助编号：SBF007\100007）提供的资金支持。SEB 感谢英国癌症研究基金会（Cancer Research UK）资助号 C9545/A29580 项目的支持。AMI、BZ 和 SR 获得了英国商业、能源和工业战略部 &amp;#38; 通过国家测量系统的资助实现工业战略 图1 和 图2 使用 BioRender 制作。

表1：软组织中声学和光学特性的概述。 光学特性涵盖600至900 nm的光谱范围。需要注意的是，这些仅为代表性数值，仅用于提供一般性指导。精确数值可能因实验条件（如温度）以及频率/波长的不同而有所变化。相关文献中提供了更具体的数据。*未找到具体参考文献。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475_Table%201_rev.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
本方案适用于制备约 120 mL 的模拟材料。各组分的质量可根据需要按比例调整，以制备不同体积的模拟材料。请注意，当体积较大（>500 mL）时，所建议的设备可能无法对模拟混合物进行充分且均匀的加热。在此情况下，应适当调整加热设备。
警告：在整个制备过程中，务必始终穿戴适当的个人防护装备（PPE），可能包括实验服、护目镜和防护手套；请参考并遵守当地安全规范。本实验步骤改编自 Hacker 等人39；步骤概要见图 1。
<img alt="聚合物合成过程示意图：添加、超声处理、聚合物整合、加热、成型、固化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：油基共聚物材料的制备。 （1）将用于光学散射和吸收的材料加入矿物油中，并（2）在90 °C下进行超声处理直至溶解。（3）加入聚合物和稳定剂，然后（4）在油浴中低速搅拌下加热至160 °C。（5）待所有组分完全溶解后，将样品倒入合适的模体模具中，并（6）在室温下静置固化。该图改编自Hacker等人的研究39。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
1. 混合物的制备
<ol>
	<li>通过将 0.4 g 的尼格罗辛（Nigrosin）加入 40 mL 矿物油中来制备尼格罗辛储备液。通过超声处理和充分涡旋混合样品，确保均匀混合。将储备液在室温下储存。 
	注意：每次重新使用前，必须彻底混匀储备液。如果希望制备不含光学散射剂（TiO2）或吸收剂（染料）的模体材料，可跳过步骤 1 和 2，直接进行步骤 3。</li>
	<li>将 0.15 g TiO2 和 1 mL 染料储备液加入 100 mL（83.8 g）矿物油中，超声处理至所有组分完全溶解（约 60 分钟）（图 1：步骤 1 和 2）。如果设备允许，可将超声仪设定为较高温度（90 °C），以促进混合过程。在超声过程中可同时进行步骤 3–5。 
	注意：如果需要制备具有更高吸收和散射特性的模体，可能需要延长超声时间。</li>
	<li>称取所需浓度的聚苯乙烯-嵌段-聚（乙烯-共-丁烯）-嵌段-聚苯乙烯（SEBS）和低密度聚乙烯（LDPE）（例如，SEBS = 25.14 g；LDPE = 6.70 g）（图 1：步骤 3）。
	<ol>
		<li>可选：可添加抗氧化剂以提高稳定性，但如果加热温度不超过 180 °C，则非必需。 
		注意：如果在后续制造过程中遇到溶解性或黏度问题，建议省略 LDPE。LDPE 的作用是提高材料中的声速（表 3）；然而，它并非制备稳定模体的必需成分。省略 LDPE 可简化制造和成型过程，但会导致最终材料的声速降低（表 3）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用合适的玻璃器皿和硅油建立油浴，并小心地将其固定在加热板上。确保在整个实验过程中，热电偶始终浸没在硅油浴中，且不接触玻璃器皿的边缘（图 2）。 
	注意：请按照设备制造商的说明，仔细安装温控附件。</li>
	<li>在油浴中放入一根长度合适的磁力搅拌子，以确保热量均匀分布。</li>
	<li>打开加热板，将加热温度设定为 160 °C，并将搅拌器的转速设定为 50 转/分钟（rpm）。</li>
	<li>将 LDPE 和 SEBS 转移至含有已超声处理的矿物油（含 TiO2 和尼格罗辛）的玻璃烧杯中。在烧杯中放入一根长度合适的磁力搅拌子，并将其置于油浴中心，以加热已称量的组分。确保油浴中的液面始终高于烧杯内矿物油的液面（图 1：步骤 4）。</li>
</ol>
2. 加热混合物
<ol>
	<li>若在任何步骤中发现添加的聚合物漂浮在矿物油表面，需使用金属刮刀手动搅拌矿物油溶液，使漂浮的聚合物均匀分散于矿物油中。操作时应佩戴耐热手套。</li>
	<li>将混合物在160 °C下静置，直至所有聚合物完全溶解，溶液呈现均匀混合状态，质地平滑且均一（约1.5 h）。</li>
</ol>
3. 抽真空
注意：根据所用设备的不同，遵循以下步骤去除气泡。
<ol>
	<li>将热的烧杯小心放入真空室中，在最高档位（最低真空度）下对样品抽真空 2–3 分钟。使用金属刮刀小心去除积聚在表面的气泡。如果此步骤后仍有气泡存在，请重新加热混合物并重复抽真空步骤，直至所有气泡完全去除。</li>
	<li>打开真空烘箱，将其加热至 160 °C。达到设定温度后，将装有溶液的烧杯转移至真空烘箱中。 
	注意：操作烧杯时务必佩戴耐热手套。
	<ol>
		<li>将真空泵调至最高档位（可达到的最低真空度）。若溶液表面产生泡沫层，则关闭真空泵，用刮刀去除表面气泡（重复此步骤直至所有气泡完全去除）。</li>
		<li>在最高真空度下，将烧杯留在真空烘箱中保持 1 小时。 
		​注意：为保持真空烘箱清洁，请用纸巾擦拭烧杯外表面的硅油。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 将样品倒入模具中
<ol>
	<li>在将样品倒入模具之前，如有必要，可用刮刀去除混合物表面残留的气泡。</li>
	<li>佩戴耐热手套或使用适当的防护设备，小心地将溶液倒入合适的模具中。应从较低高度平稳、缓慢地倾倒，以减少气泡产生的可能性（图1：步骤5）。对于形状复杂的模具，可在浇注前在模具内壁涂覆一层薄油（非矿物油，例如蓖麻油或硅油），以利于固化后样品脱模。 
	注意：将模具预先在烘箱中加热有助于提高样品的均匀性。</li>
	<li>浇注完成后，应立即用金属刮刀快速去除样品表面的气泡。若混合物内部已积聚大量气泡，且模具类型和形状允许，可重复进行真空处理步骤。</li>
	<li>让溶液在室温下固化。尽管较小的样品可能在2小时内即完成固化，但仍建议将样品放置过夜，以彻底避免固化不完全的风险。将样品储存于室温条件下（图1：步骤6）。</li>
</ol>
5. 图像采集
<ol>
	<li>进行图像采集时，将模体置于成像设备的视野范围内。</li>
	<li>对于光声成像（PAI）或超声系统，需将模体表面与超声换能器进行声学耦合，例如使用超声耦合凝胶或水。 
	注意：若严格按照本方案操作，视野内不应出现任何不均匀性。定制的模体支架有助于在多次测量之间实现可重复的样品定位。</li>
	<li>若采集温度与模体的储存温度不同，应使模体温度与周围环境达到平衡。</li>
	<li>采集图像。</li>
</ol>
6. 材料表征测量
注意：材料表征测量的目的是验证材料的光学和声学特性。需要注意的是，仿体制备方案已表现出高度的可重复性39，因此以下提供的通用测量方案仅作为进一步验证研究时的参考。具体测量步骤将取决于所使用的表征设备。本研究中，声学表征采用基于宽带透射替代法的系统41（英国国家物理实验室（NPL）提供），光学表征则使用自制的双积分球（DIS）系统（基于42）。表征系统的装置示意图见补充图1。有关测量装置（声学43；光学42,44）和测量流程39的更多细节可参见其他文献。应根据所使用的具体表征系统相应调整测量流程。
<ol>
	<li>声学表征 
	注意：声学表征测量基于一个系统，该系统采用中心频率为10 MHz的超声换能器（有效元件直径为10 mm）用于脉冲发射，以及一个宽带水听器（有效元件直径为30 mm的双层膜水听器）用于脉冲检测（两者均置于装有去离子水的水箱中；水箱尺寸为112 cm × 38 cm × 30 cm）3）。换能器由脉冲接收器驱动，波形通过示波器采集。有关实验装置和测量步骤的更多细节（包括系统特异性类型B效应对测量的影响），可参见 43.
	<ol>
		<li>制备适合测量装置的样品（例如，本实验中为直径7-8 cm、厚度6-9 mm的圆形样品）。确保样品成分均匀，且无任何杂质、气泡或表面缺陷。</li>
		<li>使用游标卡尺测量测试样品的厚度，并使用经校准的温度计记录水箱的温度。</li>
		<li>将样品放入系统中。确保样品与系统的各组件正确对齐。 
		注意：一种基于万向支架的自动控制样品台43 可能有助于精确控制样品的旋转和倾斜。</li>
		<li>每次测量需采集四个声学脉冲：无样品位于声路时的水中参考脉冲；穿过样品的透射脉冲；以及由样品前表面和后表面反射并被发射端接收的声学反射信号。</li>
		<li>根据测量结果推导样品的声学特性，计算声速 c(f) （单位：m·s⁻¹）−1）使用公式（1)43. 
		<img alt="浓度计算的数学公式；比例与差分方程；教学示意图" src="/files/ftp_upload/65475/65475eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 1">    (1) 
		cw 显示水的声速随温度的变化，以及θ1(f），θ2(f），θw(f）和 θs(f）分别是前向反射、后向反射、透过水和透过样品的电压脉冲对应的解包裹相位谱。频率相关的衰减系数（αi(f)) 的材料特性可通过公式（中所示的双样品置换技术推导得出2)43. 
		<img alt="静力平衡公式，向心加速度公式，声学分析中的对数计算" src="/files/ftp_upload/65475/65475eq02v2.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 2">    (2) 
		Uw(f）和 Us(f）分别是通过水和通过样品脉冲的电压幅度谱，αw(f) 是超声的衰减系数（单位：dB·cm-1) 特定水箱温度下的纯水体积45，以及 d1 和 d2 (d2 &gt; d1是两种样品厚度。 
		注意：在本实验方案中，评估了考虑界面损耗的衰减，发现其影响可忽略不计。</li>
		<li>在测试样品的不同位置重复测量三次以上。计算测量值的平均值和标准差，以获得最终的样品数值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光学表征 
	注意：对于光学测试，采用双积分球系统（基于 42），采用两个积分球（内径50 mm），分别连接至两台光谱仪 通过 两根光纤。反射球与光源相连 通过 第三根光纤
	<ol>
		<li>制备适合测量装置的样品（例如，本实验中为宽度 5.9 cm、高度 1.8 cm、厚度在 2 至 3 mm 之间的矩形样品）。确保样品成分均匀，且无任何杂质、气泡或表面缺陷。</li>
		<li>打开光源，并根据制造商的说明让其稳定（例如，15 分钟）。</li>
		<li>使用游标卡尺测定样品的厚度。如适用，指定测量的波长范围和步长（例如，450–900 nm，步长为1 nm）。</li>
		<li>记录透射和反射球的参考测量值。
		<ol>
			<li>对于反射球，首先通过记录反射值进行开孔测量 R0，取下透射球并打开光源。然后，记录反射率值 R1 将参考标准品置于反射球（光源开启）前方进行测量。</li>
			<li>对于透射球，首先通过记录透射值进行遮挡光束测量 T0，关闭对齐的反射和透射积分球及光源。然后，通过记录透射值来测量入射光束 T1 在反射率和透射率球体对齐且光源开启的情况下。 
			注意：测量前必须确保球体和参考标准表面清洁，因为灰尘或其他污染物的附着可能会影响部件的性能46.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将样品置于两个球体之间，测量其反射率 Rs 和透射率 Ts 数值。确保样品未被压缩，因为这可能影响测量准确性。将一个球体放置在电动平台上，可根据测得的样品厚度调节球体间的距离，从而实现精确控制。</li>
		<li>计算归一化反射率 MR 和透射率 MT 使用方程计算数值（3）和（4)42. 
		<img alt="静态平衡公式，MR=Rstd•(Rs-R0)/(R1-R0)；物理学或工程学分析中的方程。" src="/files/ftp_upload/65475/65475eq03.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 3">    (3) 
		<img alt="静态温度梯度方程，\(M_T = \frac{T_s - T_0}{T_1 - T_0}\)，热分析" src="/files/ftp_upload/65475/65475eq04.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 4">    (4) 
		r标准 显示来自99%反射率标准板的反射强度。</li>
		<li>将测得的数值输入反向逐次累加-倍增（inverse adding doubling, IAD）程序（源代码：http://omlc.org/software/iad/）44 以估算材料的光学特性。 
		注意：根据以往研究报告，散射各向异性因子（g）可取为 g = 0.7，折射率取为 n = 1.4 30.</li>
		<li>在测试样品的不同位置至少重复测量三次。计算测量值的平均值和标准差，以获得最终的样品值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Fabrication of a Stable, Biologically Relevant Phantom Material

Sarah Bohndiek 之前曾获得光声成像设备供应商 CYBERDYNE INC 和 iThera Medical GmbH 提供的研究资助。其他作者均无与本文稿相关的利益冲突需要披露。

本文介绍了一种旨在提供通用配方的方案，用于制备一种稳定且具有生物学相关性的材料，该材料可用于创建仿体，以实现多模态声学与光学生物医学成像应用中的校准测量和标准化。此前研究表明，该材料具有良好的时间稳定性39，批次间重复性高，使用安全，并且由标准科研供应商提供的易得、经济的成分组成。其材料特性可在相关的声学和光学范围内独立调节。此外，该材料机械强度高，不溶于水，能够耐受粗略操作，且对超声/光声研究中常用的水基耦合剂呈惰性。研究指出，可通过不同类型（相同或不同材料）的内含物设计出多种不同的仿体结构。鉴于上述特性，该材料满足理想生物光子学仿体的前述关键标准，并相较于其他现有的组织模拟材料展现出显著优势3。通过详细描述精确的制备流程，我们希望尽可能减少因制造过程带来的差异，从而优化其在成像系统性能校准、验证与追踪中的应用。
已确定有两个关键步骤对制备过程至关重要。首先，需要将原料充分混合并均匀加热，以形成均一的材料。使用超声波破碎仪和磁力搅拌器进行混合，同时采用油浴加热，可确保材料组分在基体中均匀分布。需注意油浴温度不宜过高（&#62;180 °C），否则会导致材料组分氧化，引起泛黄变色。手动搅拌可辅助混合过程，并弥补材料-空气界面处加热不足的问题。当使用较高浓度的TiO2和/或聚合物时，可能需要延长超声和搅拌时间，以确保材料成分的均匀性。其次，必须去除气泡，以防止基体内部产生非均质结构。虽然可通过真空泵或烘箱实现去泡，但还应谨慎地从较低高度倾倒材料，以尽量减少空气混入。
该材料的一个显著优势是其热塑性（源于SEBS聚合物），使其能够在不显著影响其声学和光学性能的情况下重新加热并重塑39。然而，重新加热必须逐步且谨慎进行，因为如果加热过快，材料容易燃烧和氧化。当使用较高浓度的LDPE时，重新加热变得更加困难，因为LDPE不具备SEBS相同的热塑性行为。
该方案仍存在若干局限性。由于聚合物的熔点较高（150 °C），模体模具必须由耐热材料（如玻璃或不锈钢）制成。此外，若使用高浓度聚合物以调节声学特性，材料在液态时黏度较高，使得填充小型成像目标变得困难。最后，目前声学特性的调节范围仅限于声速约1450–1,516 m·s−1，可模拟乳腺或脂肪等组织（c = 1,450–1,480 m·s−1），但可能不足以模拟肌肉或肾脏等组织（c &#62; 1,520 m·s−1）。同时，还应考虑声衰减的相应变化。
本文重点介绍了该材料作为超声和光学成像应用中稳定模体的用途。然而，油中嵌段共聚物材料在弹性成像应用中也显示出其价值35，并有望与磁共振成像等其他成像模式兼容。通过使用3D打印模具，可进一步提高模体的解剖真实性，类似研究已对此进行了展示29,47,48,49。早期研究还证明了该材料本身具备3D可打印性，进一步拓展了其在加工与制造方面的灵活性。这些进展凸显了该材料作为一种广泛应用、稳定的多模态成像模体介质所具有的广阔前景。

通过技术验证来确立新型光学成像生物标志物的精确性和准确性1,2，对于确保其在临床实践中的成功应用至关重要。为实现这一目标，技术验证研究通常采用耐用的物理模体，以促进不同仪器间的性能评估和常规质量控制。为了使模体材料能够在研究和临床转化中广泛使用，必须具备一种简单且高度可重复的制备方案。理想的生物光子学模体材料应具备以下特性3：（1）在生物学相关范围内可独立调节的特性；（2）良好的机械强度；（3）长期稳定性；（4）几何形状和结构的灵活性；（5）安全的操作性；（6）成分广泛易得，可从常规科学供应商处购买；（7）低成本。目前，生物光子学应用领域尚缺乏一种被广泛接受、满足上述要求且具备可调声学特性的标准化模体材料制备方案，而后者对于光声成像（PAI）等混合成像应用尤为重要。
适用于光学与声学联合应用的生物相关仿体材料包括水凝胶4,5、聚乙烯醇（PVA）6,7,8,9以及聚氯乙烯塑溶胶（PVCP）10,11,12,13,14,15,16。然而，这些材料存在某些局限性，限制了其作为稳定仿体材料的应用。例如，水凝胶容易发生脱水、机械损伤和细菌侵入，从而缩短其保存期限17,18,19。添加化学物质可延长其使用寿命，但常用的防腐剂如甲醛20或苯扎氯铵21具有危害性，在操作时需采取谨慎措施。此外，若未进行封装，含有水溶性染料的目标物可能在基质材料中发生扩散。PVA冷冻凝胶具有更长的使用寿命和更高的结构稳定性，但其制备过程需要经历长时间的冻融循环22。这可能限制声学和光学参数的独立调节能力23，且即使条件发生轻微变化，也可能导致材料不均匀6，从而影响可重复性。此外，已有研究观察到染料从包埋结构中在1年后发生扩散13。PVCP的制备工艺复杂，需在高达180–220 °C的高温下进行13,14,24,25。此外，PVCP缺乏科学供应商提供的稳定供应链26，且可能含有基于邻苯二甲酸酯的增塑剂，这类物质可能对生殖和发育造成损害27，因此在一些国家被列为管控物质。
油基共聚物体系，例如凝胶蜡28,29,30,31，或基于热塑性苯乙烯类弹性体的混合物32,33,34,35,36，表现出良好的纵向稳定性，并具有类似组织的声学和光学特性31,35,36,37，因此在多模态应用中具有成为耐用型仿组织体模的高潜力。此外，这类材料成本较低、不吸水、无毒且生物惰性35,38。通过调节聚合物浓度，可将声速 c(f) 和声学衰减系数 α(f) 调整至生物学相关范围内（表1）33,35,39；而光学吸收系数 µa(λ) 和约化散射系数 µs'(λ) 则主要通过添加油溶性染料或二氧化钛（TiO2）进行调节39。
本文介绍了一种简单且易于操作的方案，用于制备适用于光学、超声或光声设备校准的耐用型共聚物油基仿组织体模。所有原料均具有明确的化学文摘服务登记号（CAS号），并可从常规科学试剂供应商处轻松获取。文中指出了制备过程中可能遇到的潜在困难，并提供了相应的解决方案。尽管该方案可制备出具有多种声学和光学特性的材料，但本方案所得材料的声速约为 1,481 m·s-1，与室温（20 °C）下水的声速一致40。该数值被选作代表现有多种组织特性的中性标准（表1），以建立一致且可靠的比较基准。通过提供这一详细方案，我们旨在促进此类有前景的仿组织体模材料的广泛应用和可重复制造，从而推动生物光子学、声学及光声成像的验证研究，并支持临床前和临床成像应用中的常规质量控制。

<table><tbody><tr><td>低密度聚乙烯（LDPE）</td><td>Alfa Aesar&amp;nbsp;</td><td>43949.30&lt;br/&gt; CAS: 9002-88-4</td><td>6.70 g&lt;br/&gt; 5.8% w/w</td></tr><tr><td>矿物油</td><td>Sigma Aldrich</td><td>330779-1L&lt;br/&gt; CAS: 8042-47-5</td><td>83.80 g&lt;br/&gt; 72.5% w/w</td></tr><tr><td>尼格罗辛&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich&amp;nbsp;</td><td>211680-100G&lt;br/&gt; CAS: 11099-03-9</td><td>0.4 g&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚苯乙烯-嵌段-聚（乙烯-共-丁烯）-嵌段-聚苯乙烯（SEBS）</td><td>Sigma Aldrich&amp;nbsp;</td><td>200557-250G&lt;br/&gt; CAS: 66070-58-4</td><td>25.14 g&lt;br/&gt; 21.7% w/w</td></tr><tr><td>油浴用硅油</td><td>Sigma Aldrich&amp;nbsp;</td><td>85409-1L&lt;br/&gt; CAS: 63148-62-9&lt;br/&gt; ~1 L（取决于油浴尺寸）</td><td></td></tr><tr><td>二氧化钛(IV)，锐钛矿型（TiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;）</td><td>Sigma Aldrich&amp;nbsp;</td><td>232033&lt;br/&gt; CAS: 1317-70-0</td><td>0.15 g</td></tr><tr><td>抗氧化剂（可选；例如，丁基化羟基甲苯）</td><td>Sigma Aldrich&amp;nbsp;</td><td>W218405-1KG-K&lt;br/&gt; CAS: 128-37-0</td><td>若使用较高制备温度以防止变色，可添加&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>用于包埋的油溶性染料（可选）</td><td>例如，Caligo Safe Wash Relief 油墨，Cranfield Colours，英国克温布兰*</td><td></td><td>可根据所需吸收特性添加</td></tr><tr><td>超声波清洗机&amp;nbsp;</td><td>Ultrawave Ltd，英国*</td><td>U500H 超声波清洗浴*</td><td>理想情况下应具备温度控制功能；推荐工作频率在 30–50 kHz 之间</td></tr><tr><td>硅油浴用结晶皿（最高至 +200 &amp;deg;C）</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td>（外径约 140 mm，适用于 250 mL 玻璃烧杯）</td></tr><tr><td>玻璃烧杯（约 250 mL）；玻璃样品皿/仿体模具</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>带磁力搅拌器和温控装置（外接探头热电偶）的加热板，最高温度 &gt; 200 &amp;deg;C</td><td>Thermo Fisher Scientific，英国*</td><td>Velp Scientifica AREC.X 数字陶瓷加热搅拌器*</td><td></td></tr><tr><td>精度为 0.01 g 的实验室天平/分析天平</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>金属刮刀</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空烘箱或真空腔室</td><td>Memmert，德国（真空烘箱）*&lt;br/&gt; &lt;br/&gt; Cole-Parmer Instrument Company，英国（真空腔室）*</td><td>VO29（真空烘箱）&lt;br/&gt; &lt;br/&gt; DWK Life Sciences（Kimble）带法兰玻璃真空干燥器（真空腔室）*</td><td></td></tr><tr><td>1. 声学表征系统*</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>水听器</td><td>GEC Marconi</td><td>活性元件直径为 30 mm 的双层膜水听器</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Tektronix UK，英国布拉克内尔</td><td>DPO 7254&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>脉冲发生器-接收器&amp;ndash;接收器&amp;nbsp;</td><td>Olympus NDT，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆</td><td>Olympus 5073PR</td><td></td></tr><tr><td>样品支架</td><td>Newport Spectra-Physics，英国迪德科特</td><td>Newport 605-4 系列低畸变轴向夹紧万向光学支架</td><td>可能需要额外适配器以固定样品</td></tr><tr><td>温度计</td><td>G. H. Zeal，英国伦敦</td><td>经 UKAS 校准的 IP 39C 玻璃酒精温度计</td><td></td></tr><tr><td>超声换能器&amp;nbsp;</td><td>Force Technology，丹麦布隆德比</td><td>活性元件直径为 10 mm 的换能器&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>游标卡尺</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>装有去离子水的水箱&amp;nbsp;</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td>需足够尺寸（例如，112 &amp;times; 38 &amp;times; 30 cm&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;）</td></tr><tr><td>2. 光学表征系统*</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>积分球（两个）</td><td>Avantes，荷兰阿珀尔多伦</td><td>AvaSphere-50，内径 50 cm</td><td></td></tr><tr><td>光源&amp;nbsp;</td><td>Avantes，荷兰阿珀尔多伦</td><td>Avalight-HAL-s-mini</td><td></td></tr><tr><td>电动平台（可选）</td><td>Thorlabs</td><td>Thorlabs MTS50</td><td></td></tr><tr><td>光纤（三根）</td><td>任何合适的供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>反射率标准板</td><td>Labsphere，美国北萨顿</td><td>99% 反射率，白色，直径 1.25&quot;，型号 USRS-99-010，AS-01158-060</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>Avantes，荷兰阿珀尔多伦</td><td>Starline Avaspec-2048</td><td></td></tr><tr><td>软件</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>数据采集软件（例如，Labview）</td><td>National Instruments，美国德克萨斯州奥斯汀</td><td></td><td></td></tr><tr><td>数据分析软件（例如，Matlab）</td><td>Mathworks，美国纳蒂克</td><td></td><td></td></tr><tr><td>反向加和倍增（IAD）程序&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>源代码：http://omlc.org/software/iad/</td></tr><tr><td>*请注意，类似设备也可使用。</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

一种用于光学与声学成像的稳定模体材料

A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging

建立具有长期稳定性的仿组织生物光子学模体材料，对于实现不同厂商和机构间 biomedical imaging 设备的比较、推动国际公认标准的制定，以及促进新型技术的临床转化至关重要。本文介绍了一种制造工艺，可制备出稳定、低成本、仿组织的共聚物-油基材料，可用于光声、光学和超声标准化研究。
基础材料由矿物油和一种具有明确化学文摘服务（CAS）编号的共聚物组成。本文所述的制备方案可得到一种代表性材料，在5 MHz条件下的声速c(f) = 1,481 ± 0.4 m·s-1（相当于20 °C时水的声速），声学衰减α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1（5 MHz时），光学吸收系数µa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1（800 nm时），以及光学散射系数µs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1（800 nm时）。通过分别调节聚合物浓度或光散射剂（二氧化钛）和光吸收剂（油溶性染料）的含量，可独立调控该材料的声学和光学特性。文中展示了不同类型仿体的设计制备过程，并利用光声成像验证了所得测试样品的均匀性。
由于其制备工艺简便、可重复且材料耐用，同时具备与生物学相关的特性，该材料配方在多模态声学-光学标准化工作中具有广阔的应用前景。

根据此配方，已制备出三种具有代表性的仿体设计，用于光声成像，适用于不同光学照明和声学检测几何结构的系统设计（图3A）。若仿体制备过程成功执行，仿体材料应呈现光滑均匀的外观，无任何夹带的气泡或杂质，在所得图像中（此处通过光声成像可视化）不应观察到伪影（图3B、C）。该方案所获得的代表性材料在5 MHz条件下的声速为c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1（相当于20 °C时水的声速40），声学衰减为α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1；在800 nm波长下的光学吸收系数为µa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1，光学散射系数为µs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1（不确定度表示由不同操作者独立制备的n = 3批样品的标准偏差；所有测量均在室温[20 °C]下进行）。
通过调节TiO2的含量可调节光学散射系数，而通过添加任意油溶性染料可调节光学吸收系数，本文以尼格罗辛（表2 和 图3D）为例进行演示。尽管 表2 中的数值主要针对肌肉或乳腺等低吸收和低散射组织（表1），但在添加更高浓度的吸收剂和散射剂时，我们并未遇到任何困难。然而，当光学散射剂或吸收剂浓度较高时，可能需要更长的超声处理时间以实现溶液的均匀混合。
通过改变聚合物浓度，可调节材料的声学衰减和声速（表3）。目前，声速的调节范围仅限于约1,450–1,516 m·s-1。聚合物浓度过低可能导致样品物理稳定性差，随时间推移发生塑性变形34；而浓度过高则会导致材料脆性增加，质地不均匀。该声学性能范围可用于模拟乳腺或脂肪等组织（c = 1,450–1,480 m·s−1），但对于肌肉或肾脏等组织（c > 1,520 m·s−1；表1）可能尚不足够。
模体制备中的常见误差来源包括气泡去除不充分以及基础组分混合不均（图4）。可通过抽真空并小心倾倒，以及充分搅拌或涡旋振荡，分别减少上述问题。
<img alt="静态平衡实验装置；玻璃烧杯置于磁力搅拌器的硅油浴中，带有温度控制。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：模体制备的实验装置。 装有模体成分的玻璃烧杯通过夹具固定在硅油浴中，以避免油浴表面与玻璃烧杯直接接触。加热板的温度反馈确保精确的温度控制。磁力搅拌器可同时搅拌硅油和模体成分。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="成像包含物和目标尺寸的模体研究；光学测量分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：模体制造流程的代表性结果。（A）多种模体设计，展示了在不同光声成像系统中应用的灵活性。左图：小型矩形模体，内部嵌入不同深度（0.5、1.5 和 2.5 mm；目标间距为 1.25 mm）的细线，用于高分辨率成像系统的测试；中图：圆柱形模体，包含两个包含物（包含物间距为 12 mm），使用绿色和紫色油溶性染料制成，用于断层扫描系统的测试；右图：大型矩形模体，内部嵌入不同深度（6 mm、10 mm 和 14 mm；包含物间距为 3.5 mm）的通道，用于手持式系统的测试。（B）使用商用光声成像系统在 532 nm 波长下获取的含嵌入细线的矩形模体的光声图像示例。（C）使用商用光声成像系统在 800 nm 波长下获取的圆柱形断层扫描模体的光声图像示例。（D）通过增加苯胺黑（Nigrosin）浓度而实现光学吸收逐渐增强的模体（图像中标注的浓度为苯胺黑占矿物油总体积的重量百分比）。图3B、C 重印自 Hacker 等人39。比例尺 = 10 mm。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="水凝胶成像：A) 5mm 水凝胶圆盘，B) 微观结构，C) 显示热区的热图（箭头所示）。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：常见模体失效情况。（A,B）照片显示基质内部困住的气泡。（C）基础组分混合不充分导致光声图像中出现不均匀性（红色箭头）。比例尺 = 5 mm（A）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
表2：光学吸收（µa）和散射（µs'）值调节的汇总表。 百分比值表示相对于基础溶液总体积（矿物油，第1列）和相对于幻影材料总重量（第2列）的重量百分比。尼格罗辛浓度表示绝对尼格罗辛的总量（非储备液）。所有样品均包含5%的丁基化羟基甲苯作为抗氧化剂（可选）。每份样品进行n = 3次测量。该表格的可视化表示见Hacker等39。缩写：neg = 可忽略。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Table%202v3.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
表3：声衰减系数（α）和声速（c）值调节的表格概览。 采用幂律公式 α0fn 描述，其中参数 α0 和 n 通过非线性最小二乘法拟合获得（每种样品 n = 4 次测量）。F 表示频率，单位为 MHz。百分比值以基础溶液（矿物油）总重量的重量百分比表示。所有样品均包含5%的丁基化羟基甲苯作为抗氧化剂（可选）。该表格的可视化表示见 Hacker 等人39。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475_Table%203_rev.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
补充图 S1：用于验证的声学与光学表征系统的装置示意图。 图中展示了用于测定声学衰减系数和声速的声学表征系统的照片（A）和示意图（B）。照片和示意图中的各个系统组件用标注 HP（水听器）、S（样品）、T（换能器）表示。图中还展示了用于评估光学吸收系数和约化散射系数的双积分球系统的照片（C）和示意图（D）。照片和示意图中的各个系统组件用标注 S（样品）、RS（反射球）、TS（透射球）、OF（光纤）和 MS（电动平台）表示。本图改编自 Hacker 等人39。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Suppl.%20Fig%201.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

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。

建立具有长期稳定性的仿组织生物光子学仿体材料，对于实现生物医学成像的比较至关重要……

我们的研究致力于开发用于早期癌症检测的新型成像方法。在本研究中，我们特别专注于开发一种稳定的测试物体（也称为模体），以验证基于光和/或声的成像技术。已有多种资源被提出用于在声学-光学条件下开发模拟组织的材料。例如，聚乙烯醇（PVA）、水凝胶、聚氨酯或聚氯乙烯（PVCP）。本研究聚焦于一种基于核聚多元油成分的新型有前景材料，该材料克服了诸多可调性和稳定性方面的挑战。生物医学光学领域涵盖了多种成像方式，可用于应对当今医学面临的一些关键挑战。许多全光学成像方式的成像深度相对有限，但我们可以利用光声效应将光与声耦合，从而结合超声在组织中穿透深度较深的优势。光声成像已在多种临床试验中展现出潜力，从炎症成像到癌症诊断均有应用。然而，由于目前缺乏能够准确模拟组织光学和声学特性且长期稳定的模体材料，其定量性能评估仍然具有挑战性。目前有许多新型光学和光声成像系统正在开发中，但我们缺乏标准化的参考体模来验证这些系统并比较其性能。我们的材料是一种极具前景的候选材料，可填补这一空白，并推动这些令人振奋的新技术进一步发展并转化为临床应用。未来，我们希望专注于开发更符合解剖结构真实性的体模设计和架构，以适用于评估不同系统配置的性能。例如，具有不同几何形状和空间分辨率的微观、介观和宏观系统。将0.15克二氧化钛和1毫升吸收染料储备溶液加入100毫升矿物油中，在90摄氏度下超声处理60分钟。让所有组分完全溶解。使用合适的玻璃器皿和硅油配制油浴，并小心地将其固定在加热板上。为实现均匀加热，在油浴中放入磁力搅拌子。打开加热板，将加热温度设定为 160 摄氏度，并将搅拌速度调节至 50 转/分钟。接下来，称取25.14克SEBS和6.70克LDPE，转移至含有超声处理过的矿物油的玻璃烧杯中。将搅拌子放入烧杯中，并将其置于油浴中心，加热所称量的组分。当加入的聚合物漂浮在矿物油表面时，使用金属刮刀手动搅拌矿物油溶液，并将漂浮的聚合物在矿物油中分散均匀。将混合物在160摄氏度下保持1.5小时，直至所有聚合物完全溶解，溶液呈现均匀混合、光滑且均一的状态。首先，将装有均匀混合、光滑且均一的模拟材料溶液的热烧杯放入真空腔中。在最低真空设置下对样品抽真空处理两到三分钟。使用金属刮刀去除表面聚集的气泡。如果仍有气泡存在，重新加热混合物并重复抽真空步骤，直至完全去除气泡。对于形状复杂的模具，在倒入混合物前，应先在模具内壁涂覆一层薄油。佩戴耐热手套，使用适当的防护设备，并小心地将溶液倒入合适的模具中，避免引入气泡。倒入后，立即用金属刮刀迅速去除样品表面的气泡。让溶液在室温下静置过夜固化。为光声成像设计了三种具有代表性的仿组织材料，针对不同光学照明和声学检测几何结构的系统设计。成功的操作可制备出光滑且均匀的仿组织材料，无截留气泡、杂质或伪影。若未能充分去除气泡或基底组分混合不均，则会导致所得光声图像出现不均匀性。

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科研

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医学

用于光学和声学成像的稳定幻影材料

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一种用于光学与声学成像的稳定模体材料

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