Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome für Diffuse Reflexion Spektroskopie

Diese Rakete kann dazu beitragen, Schlüsselprobleme auf dem Gebiet der biomedizinischen Optik anzugehen, wie z. B. die Entwicklung optischer Raketen auf der Grundlage der diffusen Reflektorspektroskopie. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass diffuse Reflektorspektren dazu beitragen, dass lebende, biologische Gewebe, die für die Gehirnregion des Nahinfrarotstrahls unsichtbar sind, mit leicht verfügbaren Materialien dargestellt werden können. Die Herstellung von Monolayer-Gelphantomen erfordert die Verwendung von Formen.

Die epidermale Phantomform besteht aus einer ein Millimeter dicken Acrylplatte, die in eine U-Form geschnitten ist. Es gibt auch eine bis zu Millimeter dicke Acrylplatte, um die erste Platte abzudecken. Diese Platte bildet eine Seite der Form.

Eine zweite, zwei Millimeter dicke Platte bildet die andere Seite der Form. Wenn die Komponenten an Ort und Stelle sind, befestigen Sie sie mit fünf Klammern. Konstruieren Sie die dermale Phantomform auf ähnliche Weise mit einer fünf Millimeter dicken U-förmigen Acrylplatte zwischen zwei bis zwei Millimeter dicken Platten.

Befestigen Sie diese Teile mit Klammern. Für die Herstellung des Grundmaterials werden Kochsalzlösung und Agarosepulver benötigt. Geben Sie 500 Milliliter Kochsalzlösung in einen Topf.

Dann umrühren und dabei langsam fünf Gramm Agarose hinzufügen. Fügen Sie ein Thermometer hinzu und stellen Sie den Topf fünf Minuten lang auf eine Herdplatte mit 1000 Watt. Sobald die Mischung kocht, die Hitze drei Minuten lang auf niedrige Hitze stellen.

Warte, bis die Mischung auf eine Temperatur von etwa 70 Grad Celsius abgekühlt ist, bevor du sie in einen Behälter gießt. Bewahren Sie es 30 Minuten lang in einem Bad mit konstanter Temperatur bei 60 Grad Celsius auf. Das Melanin in der Epidermis wird durch eine Kaffeelösung im epidermalen Phantom nachgeahmt.

Mischen Sie dazu vier Milliliter gebrühten Kaffee und 16 Milliliter Kochsalzlösung in einer Glasflasche. Geben Sie anschließend fünf Milliliter Lipidemulsion in einen durchsichtigen Plastikbecher und fügen Sie 10 Milliliter der Kaffeelösung hinzu. Rühren Sie die Mischung um und fügen Sie 35 Milliliter des Grundmaterials hinzu.

Halten Sie die epidermale Phantomform bereit und saugen Sie die Mischung in eine Spritze ab. Injizieren Sie die Mischung langsam in die Form und vermeiden Sie dabei Blasenbildung. Diese gefüllte Form kann abgekühlt werden, um das Gel herzustellen.

Lassen Sie es 20 Minuten lang bei fünf Grad Celsius abkühlen. Wenn das Abkühlen beendet ist, entfernen Sie die Clips aus der Form. Schiebe eines der Acrylstücke nach außen, um es zu entfernen.

Nehmen Sie das ein Millimeter dicke erstarrte Gelphantom aus der Form. Schneiden Sie das Phantom mit einem chirurgischen Skalpell auf die gewünschte Größe zu. Platzieren und halten Sie dann das Gelphantom zwischen zwei Objektträgern.

Beginnen Sie mit fünf Millilitern Lipidemulsion in einem transparenten Plastikbecher. Für sauerstoffreiches Blut fügen Sie Vollblut von Pferden hinzu. Rühren Sie dann die Mischung unter Zugabe von Grundmaterial um.

Halten Sie die dermale Phantomform bereit und saugen Sie die Mischung in eine Spritze ab. Spritzen Sie die Mischung langsam in die Form und vermeiden Sie die Bildung von Blasen. Hier ist die Form, nachdem sie gefüllt wurde und zum Abkühlen bereit ist.

Nehmen Sie die Form, um sie 20 Minuten lang bei fünf Grad Celsius abzukühlen. Nehmen Sie die Form nach dem Abkühlen heraus und entfernen Sie die Clips und ein äußeres Acrylstück. Nehmen Sie das freigelegte, fünf Millimeter dicke, erstarrte Gelphantom aus der Form.

Schneiden Sie es mit einem chirurgischen Skalpell auf die gewünschte Größe zu. Platzieren und halten Sie das Phantom zwischen zwei Glasobjektträgern. Beginnen Sie bei sauerstoffarmem Phantom mit einem sauerstoffhaltigen Blutphantom.

Verwende eine Spritze, um Natriumdithionitlösung auf das Phantom zu tropfen, um das Blut sauerstoffarm zu machen. Platzieren und halten Sie das Phantom zwischen zwei Objektträgern, um ein Austrocknen zu verhindern. Erhalten Sie ein epidermales und ein dermales Phantom.

Tropfen Sie 0,1 Milliliter Kochsalzlösung auf das Hautphantom, um die optische Kopplung zu unterstützen. Legen Sie dann das epidermale Phantom auf das dermale Phantom und die Kochsalzlösung. Streichen Sie über die Oberfläche, um eventuelle Luftblasen zwischen den Schichten herauszudrücken.

Bauen Sie das zweischichtige Phantom zwischen zwei Glasobjektträgern auf, um ein Austrocknen zu verhindern. Richten Sie das Gerät ein, um die Reflexionsspektren zu messen. Herzstück der Messungen ist eine Ulbrichtkugel, die auf einer Seite einen Probenhalter hat.

Auf der anderen Seite befinden sich eine Lichtfalle und eine Eintrittsöffnung für das einfallende Licht. Ein Spektrometer sammelt Licht mit einer optischen Faser aus dem Detektoranschluss der Kugel. Dieser Schaltplan gibt einen Überblick über den Aufbau.

Beachten Sie, dass die nicht verwendeten Anschlüsse verstopft sind, um zu verhindern, dass Licht in die Kugel eindringt. Die Lichtquelle ist eine 150-Watt-Halogenlampe mit einem Lichtleiter, der eine achromatische Linse verwendet, um das Licht auf die Probe zu fokussieren. Schalten Sie die Halogenlampe ein.

Wenn sie sich erwärmt, begeben Sie sich zum Probenanschluss der Ulbrichtkugel. Setzen Sie dort einen weißen Standarddiffusor auf den Probenhalter und bereiten Sie eine Messung vor. Passen Sie die Integrationszeit des Spektrometers an und speichern Sie ein Referenzspektrum.

Bringen Sie eines der Phantome zum Probenhalter. Platzieren Sie das Phantom, das immer noch zwischen zwei Objektträgern eingeklemmt ist, an der Probenöffnung und bereiten Sie sich auf eine weitere Messung vor. Messen Sie ein übertragenes Spektrum und speichern Sie die Daten in einer Datei.

Um Transmissionsspektren zu messen, ändern Sie die Konfiguration so, dass sie mit diesem Schema konsistent ist. Beachten Sie, dass das Licht nun durch die Probe in der Probenöffnung in die Ulbrichtsche Kugel eintritt. Die anderen Ports sind verstopft.

Dies ist die Ulbrichtsche Kugel, die für die Messung von Transmissionsspektren bereit ist. Für eine Messung platzieren Sie ein Phantom, das zwischen zwei Objektträgern eingeklemmt ist, in den Probenhalter. Führen Sie die Messung durch und speichern Sie die Daten.

Diese Spektren stammen von einem zweischichtigen Phantom mit sauerstoffreichem Blut in der Hautschicht, das eine Konzentration von 3% aufweist. Die Spektren beziehen sich auf Proben mit zwei verschiedenen Konzentrationen von Kaffeelösungen in der Epidermisschicht. Der diffuse Reflexionsgrad nimmt mit zunehmender Kaffeelösung ab, die Melanin nachahmt. Dies macht sich vor allem bei kurzen Wellenlängen bemerkbar.

Hier sind Spektren für eine konstante Kaffeelösungskonzentration in der Epidermisschicht von 7% und eine variierende Blutkonzentration in der Hautschicht. Die starke Lichtabsorption des Hämoglobins erklärt die Unterschiede in den Spektren im Bereich von 500 bis 600 Nanometern. Die diffusen Reflexionsspektren unterscheiden sich mit dem Sauerstoffversorgungszustand des Blutes.

Für jedes dieser Spektren wird die Konzentration der Kaffeelösung in der Epidermisschicht auf 7 % und die Blutkonzentration in der Hautschicht auf 3 % festgelegt. Die gesammelten Daten sind nützlich für die Abschätzung der optischen Eigenschaften der Phantome mittels inverser Monte-Carlo-Simulation. Dies sind die Beispiele für das berechnete durchschnittliche reduzierte Streukoeffizientenspektrum und den Absorptionskoeffizienten der epidermalen und dermalen Schichten. Einmal gemeistert, kann diese Technik in sechs Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig programmiert ist.

Bei der Herstellung der Phantome ist es wichtig, daran zu denken, das Grundmaterial in einem konstant temperierten Bad bei 60 Grad Celsius zu halten. Auf diese Weise können drei- oder vierschichtige Phantome konstruiert werden, um andere Themen wie Darstellungen der bisherigen Reflexionsspektren für biologische Gewebe mit komplizierteren Schemata zu untersuchen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der biomedizinischen Optik, neue Wege für optische Raketen und Systeme zu delegieren.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein optisches Phantom erstellt, das den Lichttransport in biologischen Geweben nachahmt, und wie man seine optischen Eigenschaften charakterisiert. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Natriumdithionit gefährlich sein kann und geeignete Ausrüstung wie Brille, Handschuhe und eine Gesichtsmaske getragen werden sollte, während Sie ein dermales Phantom herstellen, das das sauerstoffreiche Blut enthält.