Method Article

Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome für Diffuse Reflexion Spektroskopie

DOI:

10.3791/57578

⸱

August 22nd, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Bio-application & Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture & Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Kushiro National College of Technology, 3Division of Bioinformation and Therapeutic Systems, National Defense Medical College Research Institute, 4Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University, 5College of Design and Manufacturing Technology, Muroran Institute of Technology, 6Department of Livestock Services, Ministry of Fisheries and Livestock, Government of Bangladesh

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier zeigen wir wie Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome vorgenommen werden und wie ihre optischen Eigenschaften werden mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel bestimmt.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll beschreibt die Agarose-basierte Gewebe imitiert Phantome zu machen und zeigt, wie Sie ihre optischen Eigenschaften, die mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel zu bestimmen. Mess-Systeme für der Erwerb der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren sind mit einer Breitband-weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter, eine achromatische Objektiv, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter ein Glasfaser-Sonde gebaut und eine Mehrkanal-Spektrometer. Ein Acryl Schimmel, bestehend aus zwei rechteckige Acryl Stücke und eine u-förmige Acryl Stück ist konstruiert, um eine epidermalen Phantom und ein dermal Phantom mit Vollblut zu schaffen. Die Anwendung einer Natrium Dithionite (Na2S2O4) Lösung der dermalen Phantom ermöglicht den Forscher zu Hämoglobin der roten Blutkörperchen in der dermalen Phantom verteilt ebenso. Die Inverse Monte-Carlo-Simulation mit der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren gemessen durch ein Spektrometer mit einer Ulbricht-Kugel wird durchgeführt, um die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) bestimmen und die reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µs"(λ) der einzelnen Layer phantom. Eine zweischichtige Phantom imitiert die diffuse Reflexion des menschlichen Hautgewebe beweist auch häufen sich die epidermalen Phantom auf die dermale Phantom.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optische Phantome sind Objekte, die imitiert der optischen Eigenschaften der biologischen Gewebe und haben im Bereich Biomedizinische Optik verbreitet. Sie sind entworfen, so dass die optischen Eigenschaften, wie leichte Streuung und Absorption Koeffizienten, mit denen der lebenden menschlichen und tierischen Geweben übereinstimmen. Optische Phantome sind in der Regel für folgende Zwecke verwendet: simuliert den Lichttransport in biologischen Geweben, Kalibrierung von einem neu entwickelten optischen Systemdesign, Bewertung der Qualität und Leistung der bestehenden Systeme, Vergleich der Leistungsfähigkeit zwischen den Systemen und die Möglichkeit der optischen Methoden zur Quantifizierung der optischen Eigenschaften1,2,3,4,5Validierung. Daher sind Stoffe zu bekommen, eine einfache Fertigung, eine hohe Reproduzierbarkeit und eine optische Stabilität benötigt für die Herstellung von optischen Phantome.

Verschiedene Arten von optischen Phantome mit unterschiedlichen Trägermaterialien wie wässrige Suspension6Gelatine gel7, Agarose-Gel8,9,10, Polyacrylamid-Gel11, Harz12, 13,14,15,16und Raum-Temperatur-Vulkanisieren Silikon17 in der bisherigen Literatur berichtet wurde. Es wurde berichtet, dass Gelatine und Alginat-basierten Gele für optische Phantome mit heterogenen Strukturen18nützlich sind. Alginat Phantome haben eine geeignete mechanische und thermische Stabilität für die Bewertung der PHOTOTHERMISCHE Effekte wie Laser Ablation Studien und Laser-basierten Hyperthermie Studien18. Agarose-Gele sind in der Lage, heterogene Strukturen zu fabrizieren, und ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften sind stabil für eine lange Zeit18. Hochreine Agarose-Gele haben eine sehr geringe Trübung und eine schwache optische Absorption. Optische Eigenschaften der Agarose-basierte Phantome konnte daher leicht mit dem entsprechenden Licht Streuung und Absorption Agenten entworfen werden. Vor kurzem, Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) Block-Copolymere19 und Polyvinylchlorid (PVC) Gele20 berichtet als interessante phantom Materialien für optische und photoakustische Techniken.

Polymer Mikrosphären7,12,21,22, Titan-oxid Pulver1und Lipid-Emulsionen23,24,25,26 wie Milch und Lipid Emulsion dienen als Lichtstreuung Agenten, während schwarze Tinte27,28 und molekularen Farbstoffe29,30 als Licht-Absorber eingesetzt werden. Diffuse Reflexion Spektren von den meisten lebenden Organe durch die Absorption von sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin in den roten Blutkörperchen dominiert sind. Daher, Hämoglobin Lösungen31,32 und Vollblut8,9,10,33,36 dienen Sie häufig als Licht-Absorber in der Phantome für eine diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging.

In diesem Artikel beschriebene Methode wird verwendet, um eine optische Phantom imitiert den Lichttransport in biologischen Geweben zu erstellen und seine optischen Eigenschaften zu charakterisieren. Als Beispiel wird eine zweischichtige optische phantom imitiert optischen Eigenschaften der menschlichen Hautgewebe demonstriert. Die Vorteile dieser Methode gegenüber alternativen Techniken sind die Fähigkeit zur Darstellung der diffusen Reflexion Spektren von lebenden biologischen Geweben im sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich sowie die Einfachheit, mit leicht zur Verfügung zu stellen Materialien und konventionelle optische Instrumente. Daher werden die optische Phantome machte von dieser Methode für die Entwicklung von optischen Methoden basierend auf diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging nützlich sein.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Bau eines konventionellen Diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit spektroskopische Systems

Hinweis: Erstellen Sie die Mess-Systeme für die diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren ein Breitband weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter eine Achromatische Linse, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter, einer optischen Faser und ein Mehrkanal-Spektrometer. Die Rolle der Lichtfalle soll die spiegelnde Reflexion-Komponente aus dem Reflexionsvermögen-Spektrum zu entfernen. Der Probenhalter der Ulbricht-Kugel besteht aus einer Montageplatte und ein Schwalbenschwanz und federbelastete Klemme-Assembly, die die Probe gegen den Hafen hält. Der Schwalbenschwanz und federbelastete Klemme Montage werden aus dem Probenhalter entfernt und ein handgefertigten kubische Sockel aus Polystyrol-Hartschaum wird stattdessen mit der Montageplatte befestigt. Die Layouts der optischen Komponenten, dargestellt in Abbildung 1a und 1 b, können für den Bauablauf für die diffuse Reflexion-Messungen und der totale Durchlässigkeit Messungen bzw. bezeichnet werden.

  1. Schließen Sie das Spektrometer und einem Personal-Computer mit dem universellen seriellen Bus (USB) Kabel zur Verfügung gestellt.
  2. Legen Sie den Port Adapter zu einem Detektor der Ulbricht-Kugel. Schließen Sie das Spektrometer und der Port Adapter von der Ulbricht-Kugel mit einer optischen Faser. 150 W Halogen Lampe Lichtquelle und den Lichtleiter zu verbinden.
  3. Legen Sie der Probenhalter mit einem Probe-Anschluss von der Ulbricht-Kugel. Legen Sie die Lichtfalle auf einen entsprechenden Anschluss der Ulbricht-Kugel, wenn die diffuse Reflexion Messungen durchführen. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe beleuchtet ein Beispiel über Lichtleiter und das achromatische Objektiv.
  4. Öffnen Sie die Betriebssoftware des Spektrometers.

2. Vorbereitung von einem Acryl Schimmel

Hinweis: Eine Acryl Form, die aus zwei rechteckige Acryl Stücke und eine u-förmige Acryl Stück ist konstruiert, um einen monomolekularen Film Gel Phantom zu erstellen. Abbildung 2 kann für dieses Bau-Verfahren bezeichnet werden.

  1. Die zwei rechteckige Acryl Teile aus eine 2 mm Dicke Acrylplatte auf eine optionale Größe zuschneiden.
  2. Schneiden Sie ein Acryl Stück aus einer 1 mm dicken Acryl Platte auf eine optionale Größe. Schneiden Sie das 1 mm Dicke Acryl-Stück, so dass es ein u-förmiges Stück für die Form verwendet werden, um 1 mm dicken epidermalen Phantome zu machen wird.
  3. Schneiden Sie ein Acryl Stück aus einer 5 mm dicken Acryl Platte auf eine optionale Größe. Schneiden Sie die 5 mm Dicke Acryl Stück, so dass es ein u-förmiges Stück als Form verwendet werden, um 5 mm dicken dermalen Phantome zu machen wird.
  4. Entfernen Sie Grate aus Acryl mit einer Metallfeile.
  5. Machen Sie die epidermale phantom Form indem das 1 mm Dicke u-förmigen Stück mit 2 mm starkem Acryl zweiteilig und befestigen Sie diese mit fünf Foldback-Clips.
  6. Machen Sie die dermale phantom Form durch halten der 5 mm dicken u-förmigen Stück mit 2 mm starkem Acryl zweiteilig und befestigen Sie diese mit fünf Foldback-Clips.

3. Vorbereitung des Grundwerkstoffes

  1. Setzen Sie 500 mL standard Kochsalzlösung 0,9 % (w/V) NaCl in einer Schote. Fügen Sie langsam 5 g Agarose-Pulver unter Rühren die Mischung um Klumpenbildung zu vermeiden hinzu.
  2. Erhitzen Sie die Mischung aus Agarose-Pulver und Kochsalzlösung durch eine Elektroheizung Kochen mit einer 1.000 W Leistungseinstellung für 5 Minuten.
  3. Sobald die Mischung kocht, halten Sie die Mischung bei schwacher Hitze 3 Minuten lang.
  4. Abkühlen der Mischung auf eine Temperatur von ca. 70 ° C. Dann Gießen Sie die Mischung in einen Behälter und bewahren Sie es an eine Konstante Temperatur Bad bei 60 ° C für 30 min vor ein Phantom.

4. Vorbereitung der Haut imitiert optische Phantome

Hinweis: Eine Kaffee-Lösung wird verwendet, um das Absorptionsspektrum von Melanin zu imitieren. Die Kaffee-Lösung enthält ein braunes Pigment Melanoidin genannt. Das Absorptionsspektrum des Melanoidin wurde berichtet, ähnlich dem von Melanin10sein.

  1. Vorbereiten einer epidermalen phantom
    1. Gießen Sie 100 mL reines Wasser in der Kaffeemaschine Behälter. Legen Sie einen Filter in der Kaffeemaschine-Korb. 24 g gemahlenen Kaffee in den Filter hinzufügen. Schalten Sie die Kaffeemaschine, und drücken Sie die Taste Gebräu brauen beginnen.
    2. Setzen Sie 4 mL Kaffeetemperatur und 16 mL Kochsalzlösung in einer Glasflasche, eine Kaffee-Lösung zu machen.
    3. Setzen Sie 5 mL Lipid-Emulsion (z.B. Intralipid 10 %) und 10 mL der Lösung in einem transparenten Kunststoff-Tasse Kaffee. Fügen Sie 35 mL des Grundmaterials langsam diese Mischung unter Rühren hinzu.
    4. Aspirieren Sie das Gemisch in eine Spritze und injizieren sie langsam in die epidermalen phantom Form Blasenbildung zu vermeiden. Kühlen Sie die Acryl Form enthält die Mischung bei 5 ° C für 20 Minuten.
    5. Entfernen Sie die Foldback-Clips aus der Form. Schieben Sie eines der Acryl Stücke nach außen und entfernen Sie es aus der Form. Das 1 mm Dicke erstarrte Gel phantom aus der Form nehmen und auf die gewünschte Größe mit einem chirurgischen Skalpell schneiden.
    6. Legen und das Gel Phantom zwischen zwei Folie Gläser halten.
  2. Bereiten Sie eine dermale Phantom mit sauerstoffreichem Blut
    1. Nehmen Sie 5,0 mL Lipid-Emulsion und 0,4 mL ganz equine Blut mit 45 % Hämatokrit und in einen durchsichtigen Plastikbecher. Fügen Sie langsam 44,6 mL des Grundmaterials beim rühren der Mischung hinzu.
    2. Aspirieren Sie das Gemisch in eine Spritze und injizieren sie langsam in die dermale phantom Form Blasenbildung zu vermeiden. Kühlen Sie die Acryl Form enthält die Mischung bei 5 ° C für 20 Minuten.
    3. Entfernen Sie die Foldback-Clips aus der Form. Schieben Sie eines der Acryl Stücke nach außen und entfernen Sie es aus der Form. Die 5 mm dicken erstarrte Gel phantom aus der Form nehmen und auf die gewünschte Größe mit einem chirurgischen Skalpell schneiden.
    4. Legen und das Gel Phantom zwischen zwei Folie Gläser halten.
  3. Bereiten Sie eine dermale Phantom enthalten sauerstoffarmes Blut
    1. Legen Sie eine dermale Gel phantom mit sauerstoffreichem Blut (aus Schritt 4.2.3) auf einer Glasschale.
    2. 1 g Natrium Dithionite (Na2S2O4) in 20 mL Kochsalzlösung in einer Glasflasche auflösen.
    3. Hinzugeben Sie 0,05 g/mL Na2S2O4 Lösung auf das Phantom mit einer Spritze, ebenso das Blut in das Phantom.
    4. Legen Sie und halten Sie das Phantom zwischen zwei Folie Gläser um Austrocknen zu vermeiden.
  4. Bereiten Sie eine zweischichtige phantom
    1. Legen Sie 0,1 mL Kochsalzlösung auf eine dermale Phantom um optische Kopplung zwischen der dermalen und epidermalen Schichten zu gewährleisten. Die dermale Phantom der epidermale Phantom aufsetzen.
    2. Wenn keine Luftblasen zwischen den Schichten vorhanden sind, schieben Sie sie heraus durch die Oberfläche des zweischichtigen Phantom mit der Fingerspitze zu streicheln.
    3. Halten Sie das zweischichtige Phantom zwischen zwei Folie Gläser um Austrocknen zu vermeiden.

5. Erwerb der diffusen Reflexion Spektren

  1. Erfassung von dunklen Spektren
    Hinweis: Der Sensor – Coupled Ladegerät (CCD) in das Spektrometer kann Lichtintensität basierend auf ein elektrisches Signal als Reaktion auf einfallendes Licht generiert abschätzen. Es gibt jedoch Dunkelrauschen37 die ist unabhängig von der Signale von Photonen erzeugt, sondern ist abhängig von der Gerätetemperatur, selbst wenn der Sensor das Licht nicht erkennt. Um die spektrale Intensität des Lichts genau zu messen, sollte das dunkle Stromsignal als dunkle Spektrum gemessen und dann von dem Probenspektrum abgezogen. Das dunkle Spektrum ist ein Spektrum mit den Lichtweg blockiert genommen.
    1. Positionieren Sie die Ulbricht-Kugel in eine optimale Position für die diffuse Reflexion Messungen (Abb. 1a).
    2. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe. Blockieren Sie den Lichtweg an das Spektrometer mit einem Port-Stecker oder eine Abschirmung Platte.
    3. Wählen Sie den Befehl Speichern dunkel , ein dunkel Spektrum zu speichern im Dateimenü.
    4. Wählen Sie aus dem Dateimenü, das dunkle Spektrum aus der gemessenen Probenspektrum (siehe unten) zu subtrahieren subtrahieren dunklen Spektrum .
  2. Erfassung von Referenz-Spektren
    Hinweis: Die optischen Eigenschaften der Bauteile in diesem Experiment, wie die Lichtquelle, Lichtleiter, Achromatische Linse, Glasfaser und Spektrometer, haben ihre eigene Wellenlänge-Abhängigkeiten. Daher sollte die spektrale Intensität des Lichts ging durch diese optische Komponenten als ein Referenzspektrum gemessen werden. Für die Messung des Spektrums eine diffuse Reflexion ist das Referenzspektrum Spektrum aufgenommen mit einem standard weißen Diffusor mit dem Licht von der Lichtquelle beleuchtet.
    1. Die Halogen Lampe Lichtquelle durch Drücken des Netzschalters einschalten. Die Lampe für mindestens 10 Minuten vor dem Erwerb ein Referenzspektrum Aufwärmen.
    2. Legen Sie einen standard weißen Diffusor (z.B.Spectralon) am Beispiel Hafen der Ulbricht-Kugel.
    3. Einstellen Sie die Integrationszeit des Spektrometers durch Auswahl geeigneten Wert aus der Dropdown-Liste in der Betriebssoftware Spektrometer so dass die Spitze Signalintensität ca. 75 % der maximalen Intensität Spektrometer ist.
    4. Wählen Sie den Verweis speichern Befehl aus dem Dateimenü um ein Referenzspektrum zu speichern.
  3. Erfassung von Probe-Spektren
    Hinweis: Ein Spektrum an die diffuse Reflexion der Probe ist erworben und gespeichert auf der Festplatte eines PCs mit den gleichen Bedingungen der Übernahme.
    1. Legen Sie die epidermale Phantom durch die zwei Folie Gläser in den probenport eingeklemmt. Wählen Sie den Befehl Speichern im Dateimenü auf eine diffuse Reflexion Spektrum in einer Datei speichern.
    2. Wiederholen Sie Schritt 5.3.1 für die dermale und zweischichtige Phantome.

6. Übernahme des gesamten Transmission Spektrums

  1. Erfassung von dunklen Spektren
    Hinweis: Der Sensor in das Spektrometer kann abschätzen, Lichtintensität basierend auf ein elektrisches Signal als Reaktion auf einfallendes Licht generiert. Es gibt jedoch Dunkelrauschen, die unabhängig von der Signale von Photonen erzeugt, sondern ist abhängig von der Gerätetemperatur, selbst wenn der Sensor das Licht nicht erkennt. Um die spektrale Intensität des Lichts genau zu messen, sollte das dunkle Stromsignal als dunkle Spektrum gemessen und dann von dem Probenspektrum abgezogen. Das dunkle Spektrum ist ein Spektrum mit den Lichtweg blockiert genommen.
    1. Positionieren Sie die Ulbricht-Kugel in eine optimale Position für die gesamte Transmission-Messungen (Abbildung 1 b).
    2. Entfernen Sie die Lichtfalle vom Hafen der Ulbricht-Kugel und legen Sie einen Port-Stecker an den Anschluss.
    3. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe. Blockieren Sie den Lichtweg, der Ulbricht-Kugel mit einem Port-Stecker oder Abschirmplatte.
    4. Wählen Sie den Befehl Speichern dunkel , ein dunkel Spektrum zu speichern im Dateimenü.
    5. Wählen Sie aus dem Dateimenü, das dunkle Spektrum aus der gemessenen Probenspektrum (siehe unten) zu subtrahieren subtrahieren dunklen Spektrum .
  2. Erfassung von Referenz-Spektren
    Hinweis: Die optischen Eigenschaften der Bauteile in diesem Experiment, wie die Lichtquelle, Lichtleiter, Achromatische Linse, Glasfaser und Spektrometer, haben ihre eigene Wellenlänge-Abhängigkeiten. Daher sollte die spektrale Intensität des Lichts durchlaufen diese Komponenten als ein Referenzspektrum gemessen werden. Für die Messung des Spektrums totale Durchlässigkeit ist das Referenzspektrum ein Spektrum aufgenommen, wenn das Licht von der Lichtquelle direkt die Ulbricht-Kugel durch den probenport eingibt.
    1. Die Halogen Lampe Lichtquelle durch Drücken des Netzschalters einschalten. Die Lampe für mindestens 10 Minuten vor dem Erwerb ein Referenzspektrum Aufwärmen.
    2. Die Integrationszeit des Spektrometers zu regulieren, indem die passenden Wert aus der Dropdown-Liste der Integrationszeiten in der Betriebssoftware des Spektrometers auswählen, so dass die größte Lichtstärke zeigt ein Signal, das etwa 75 % der maximalen Werte.
    3. Wählen Sie den Verweis speichern Befehl aus dem Dateimenü um ein Referenzspektrum zu speichern.
  3. Erfassung von Probe-Spektren
    Hinweis: Das Spektrum der gesamten Transmission der Probe ist erworben und gespeichert auf der Festplatte eines PCs mit den gleichen Bedingungen der Übernahme.
    1. Legen Sie die epidermale Phantom durch die zwei Folie Gläser in den probenport eingeklemmt. Wählen Sie den Befehl Speichern im Dateimenü auf eine totale Durchlässigkeit Spektrum in einer Datei speichern.
    2. Wiederholen Sie Schritt 6.3.1 für die dermale und zweischichtige Phantome.

7. die Absorption und lichtstreuenden Eigenschaften zu schätzen

Hinweis: Eine Reihe von der diffusen Reflexion Spektrum und das totale Durchlässigkeit Spektrum ist auf der Festplatte eines PCs gespeichert und offline analysiert. Eine Inverse Monte-Carlo-Simulation8,38,39,40 wird dann durchgeführt, um die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) und der reduzierte Streuung Koeffizient zu schätzen Spektrum µs'(λ). In diesem inversen Monte-Carlo-Simulation, die geschätzten Streuung Koeffizient µs, unter der Annahme, dass die Anisotropie Faktor g 0, gilt als die reduzierte Streuung Koeffizient µs" . Die Reflexion und Transmission-Daten werden für eine einzelne Simulation verwendet. Der genaue Algorithmus verwendet in diesem Protokoll wurde in der bisherigen Literatur8,39berichtet. Wir schätzten die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) und die reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µs'(λ) der epidermalen Schicht aus einem Satz von der diffusen Reflexion Spektrum und die totale Durchlässigkeit Spektrum der epidermalen Schicht entnommen. Auf die gleiche Weise schätzten wir µein(λ) und µs'(λ) der dermalen Schicht aus einem Satz von der diffusen Reflexion Spektrum und das totale Durchlässigkeit Spektrum aus der dermalen gewonnen Schicht.

  1. Öffnen Sie eine Eingabedatei für die Monte-Carlo-Simulation.
  2. Geben Sie die Werte der gemessenen diffuse Reflexion und die totale Durchlässigkeit bei bestimmten Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm in Intervallen von 10 nm in der input-Daten-Datei. Geben Sie den Wert der phantom Dicke in der input-Daten-Datei.
  3. Festlegen der Brechungsindex n eines Layers auf einen geeigneten Wert in der input-Daten-Datei sein (z.B., n = 1,33 bei 550 nm). Legen Sie den Wert der Anisotropie Faktor g 0 in der input-Daten-Datei verwendet.
  4. Legen Sie die Anfangswerte der Absorption Koeffizient µein und Streuung Koeffizient µs werden die entsprechenden Werte in der input-Daten-Datei (z.B., µein = 0,01 µs = 0,1 ).
  5. Führen Sie das Programm der inversen Monte-Carlo-Simulation.
  6. Geben Sie den Namen der Eingabedatei, und führen Sie dann die Simulation.
  7. Öffnen Sie die Ausgabe-Datei zu und überprüfen Sie die endgültigen Werte µein und µs nachdem die iterative Simulation beendet wird.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 7,1-7,7 für andere gewünschte Wellenlängen.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Abbildung 3 zeigt die repräsentative geschätzte Spektren von der geringeren Streuung-Koeffizient und der Absorptionskoeffizient für die Phantom epidermalen und dermalen Phantom. Die Ergebnisse in Abbildung 3 dargestellt sind die Mittelwerte von zehn Messungen von Reflexion und Transmission Spektren. Reduzierte Streuung Koeffizient µs' hat eine breite Streuung Spektrum, zeigen eine höhere Größenordnung...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Der wichtigste Schritt in diesem Protokoll wird die Temperaturregelung des Grundmaterials. Die Temperatur weiterhin das Grundmaterial reichte von 58 bis 60 ° C. Wenn die Temperatur über 70 ° C ist, wird eine Denaturierung der Lipid-Emulsion und die Vollblut auftreten. Infolgedessen werden die optischen Eigenschaften des Phantoms verschlechtern. Wenn die Temperatur unter 40 ° C, das Grundmaterial wird ununiformly geliert und somit die Licht Streuung und Absorption Agenten im Phantom heterogen verteilt werden. Obwohl das G...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Teil dieser Arbeit wurde durch eine Beihilfe für Scientific Research (C) aus der japanischen Gesellschaft für Promotion of Science (25350520, 22500401, 15 K 06105) und der US-ARMY ITC-PAC Forschungs- und Entwicklungsprojekt (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132) unterstützt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
150-W-Halogenlampen-LichtquelleHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokio, JapanLA-150SAE
LichtleiterHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokio, JapanLGC1-5L1000
Integrating Sphere LabsphereIncorporated, North Sutton, NH, USART-060-SF
Port-AdapterLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USAPA-050-SMA-SF
LichtfalleLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USALTRP-100-C
Spectralon weißer Standard mit 99% diffusem ReflexionsgradLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USASRS-99-020
Optische FaserOcean Optics Inc., Dunedin, Florida, USAP400-2-VIS-NIR
Miniatur-faseroptisches SpektrometerOcean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA
Achromatische LinseChuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokio, JapanACL-50-75M
IntralipidFresenius Kabi AB, Uppsala, SchwedenIntralipid 10%
Kaffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		Ajinomoto AGF, Inc. Tokio, JapanNicht verfügbar
VollblutNippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan0103-2
AgaroseNippon Genetics Co., Ltd, Tokio, JapanNE-AG02
KocherhitzerTOSHIBA CORPORATION Tokio, JapanHP-103K
USB2000

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
  5. Prahl, S. A. Project: Optical Phantoms. , Available from: http://omlc.org/~prahl/projects/phantoms.html (2014).
  6. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
  7. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
  8. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
  9. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006(2007).
  10. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012(2011).
  11. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
  12. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
  13. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
  14. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
  15. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  16. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
  17. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
  18. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  19. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  20. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405(2016).
  21. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
  22. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
  23. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
  24. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
  25. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
  26. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid - a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
  27. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  28. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  29. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
  30. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  31. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026(2015).
  32. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
  33. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
  34. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
  35. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
  36. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
  37. Ocean Optics Inc. Glossary. Dark Noise. , Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018).
  38. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021(2006).
  39. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
  40. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001(2009).
  41. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  42. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008(2016).
  43. Jacques, S. L. Skin Optics. , Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998).
  44. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
  45. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).

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