Ein stabiles Phantommaterial für die optische und akustische Bildgebung
16. Juni 2023
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines stabilen, biologisch relevanten Phantommaterials für optische und akustische biomedizinische Bildgebungsanwendungen, das unabhängig voneinander einstellbare akustische und optische Eigenschaften aufweist.
Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Bildgebungsmodalitäten zur Krebsfrüherkennung. In dieser Studie konzentrierten wir uns insbesondere auf die Entwicklung eines stabilen Testobjekts, auch Phantom genannt, zur Validierung von Bildgebungsmodalitäten auf Basis von Licht und/oder Ton. Es wurden verschiedene Ressourcen vorgeschlagen, um gewebenachahmende Materialien im akustischen optischen Bereich zu entwickeln.
Zum Beispiel PVA, Hydrogele, Polyurethan oder PVCP. Diese Studie konzentriert sich auf einen vielversprechenden neuen Materialtyp, der auf der Zusammensetzung des Polyman-Kernöls basiert und viele der Herausforderungen bei der Abstimmbarkeit und Stabilität überwindet. Das Gebiet der biomedizinischen Optik deckt ein breites Spektrum an Bildgebungsmodalitäten ab, die auf einige der wichtigsten Herausforderungen der heutigen Medizin angewendet werden können.
Viele der optischen Bildgebungsmodalitäten sind relativ tiefenbegrenzt, aber wir können durch den photoakustischen Effekt auch Licht mit Schall koppeln, um einige der Vorteile des Ultraschalls bei der Tiefendurchdringung zu nutzen. Die photoakustische Bildgebung hat sich in einer Vielzahl klinischer Studien als vielversprechend erwiesen, von der Bildgebung von Entzündungen bis hin zur Krebsdiagnose. Die quantitative Leistungsbewertung ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, da es an verfügbaren Phantommaterialien mangelt, die die optischen und akustischen Eigenschaften von Gewebe genau nachahmen und über die Zeit stabil bleiben können.
Viele neue optische und photoakustische Bildgebungssysteme werden entwickelt, aber uns fehlt ein standardisiertes Referenzphantom, um diese Systeme zu validieren und ihre Leistung zu vergleichen. Unser Material ist ein vielversprechender Kandidat, um diese Lücke zu schließen und die Weiterentwicklung und Translation dieser aufregenden neuen Techniken in die Klinik zu unterstützen. In Zukunft möchten wir uns darauf konzentrieren, anatomisch realistischere Phantomdesigns und -architekturen zu erstellen, die geeignet sind, die Leistung verschiedener Systemkonfigurationen zu bewerten.
Zum Beispiel mikroskopische, mesoskopische und makroskopische Systeme, die unterschiedliche Geometrien und räumliche Auflösungen haben.
Übersicht
Diese Studie stellt ein Protokoll zur Herstellung eines stabilen Phantommaterials für die optische und akustische biomedizinische Bildgebung vor. Das Phantommaterial weist einstellbare akustische und optische Eigenschaften auf und trägt damit zur Lösung von Herausforderungen bei der Validierung von Bildgebungsmodalitäten bei.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Biomedizinische Bildgebung
- Optische Bildgebung
- Akustische Bildgebung
Hintergrund
- Die Entwicklung von materialien, die Gewebe nachahmen, ist entscheidend zur Validierung von Bildgebungsverfahren.
- Bestehende Materialien weisen häufig Mangel an Stabilität und Einstellbarkeit auf.
- Die photoakustische Bildgebung kombiniert Licht und Schall, um eine tiefere Gewebedurchdringung zu ermöglichen.
- Standardisierte Referenzphantome sind erforderlich, um die Leistung von Bildgebungssystemen zu bewerten.
Zweck der Studie
- Herstellung eines stabilen Phantommaterials für die optische und akustische Bildgebung.
- Bereitstellung einer Lösung für den Mangel an zuverlässigen Phantommaterialien in der biomedizinischen Optik.
- Unterstützung der Entwicklung und Übertragung neuer Bildgebungstechniken in den klinischen Einsatz.
Verwendete Methoden
- Schallbehandlung von Titandioxid und Farbstoff in Mineralöl.
- Erhitzen und Mischen von Polymeren (SEBS und LDPE) in der beschallten Lösung.
- Entfernung von Luftblasen aus der Mischung unter Vakuum.
- Gießen der Lösung in Formen und Aushärten bei Raumtemperatur.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung eines glatten und homogenen Phantommaterials.
- Es wurden drei unterschiedliche Phantomdesigns für verschiedene Bildgebungssysteme erstellt.
- Das Material zeigte Stabilität und Einstellbarkeit der optischen und akustischen Eigenschaften.
- Bewältigung von Herausforderungen bestehender Phantommaterialien für die photoakustische Bildgebung.
Schlussfolgerungen
- Das entwickelte Phantommaterial ist ein aussichtsreicher Kandidat zur Validierung von Bildgebungsmodalitäten.
- Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Erstellung anatomisch realistischer Designs konzentrieren.
- Diese Forschung unterstützt die Weiterentwicklung von Bildgebungstechniken für klinische Anwendungen.
Häufig gestellte Fragen
Exemplarische Branchenrelevanz
Standardisierte, stabile Phantommaterialien sind entscheidend für die Bewertung und Validierung optischer und akustischer Bildgebungssysteme in der biopharmazeutischen Forschung und Entwicklung. Dieses Copolymer-in-Öl-Phantom ermöglicht reproduzierbare, quantitative Gerätevergleiche und unterstützt die Entwicklung bildgebender Standards über Institutionen hinweg. Seine einstellbaren, gewebenachahmenden Eigenschaften wirken sich direkt auf translationsorientierte Bildgebungsworkflows und die Einführung neuer Technologien aus.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht eine stringente Hypothesenprüfung von bildbasierten Biomarker-Detektionssystemen.
- Unterstützt die mechanistische Risikominderung, indem biologisch relevante und reproduzierbare Testbedingungen bereitgestellt werden.
- Erleichtert die funktionelle Validierung von bildgebenden Zielstrukturen durch standardisierte Referenzmaterialien.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet ein validiertes Substrat für die quantitative Asselkalibrierung und die Gerätenormung.
- Gewährleistet die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von bildgebenden Ergebnissen über verschiedene Plattformen und Standorte hinweg.
- Ermöglicht eine skalierbare, wiederholbare Herstellung für Umgebungen mit Hochdurchsatz-Screening.
Translationale und präklinische Forschung
- Stellt die Leistung des Bildgebungssystems im Einklang mit krankheitsrelevanten Gewebeeigenschaften für eine translationale Kontinuität.
- Ermöglicht die Validierung präklinischer Modelle durch Nachbildung menschlicher akustischer und optischer Gewebeeigenschaften.
- Verringert das Risiko beim Übergang bildgebender Biomarker in die klinische Anwendung.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Phantommaterial integriert sich in die bildgebende Validierungskontinuum von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Entwicklung und unterstützt die Gerätekalibrierung, Assay-Entwicklung sowie translationsmedizinische Forschung.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Bietet eine kontrollierte Umgebung für hypothesengetriebene Bildgebungsstudien und die Untersuchung von Signalwegen.
- Screening: Ermöglicht reproduzierbare, quantitative Messungen zur Bewertung von Geräten und Assays.
- Analytik: Ermöglicht präzise Messung akustischer und optischer Parameter für den Vergleich zwischen Systemen.
- Translationale Forschung: Verbindet die präklinische Validierung der Bildgebung mit der klinischen Anwendung, indem relevante Gewebeeigenschaften nachgebildet werden.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet einen langlebigen, skalierbaren Standard für die fortlaufende Bewertung von Bildgebungssystemen und die Entwicklung neuer Methoden.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert Mehrdeutigkeiten bei der bildbasierten Zielvalidierung.
- Operativer Wert: Standardisiert Bildgebungsabläufe und verbessert die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen F&E-Teams.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung hinsichtlich Investitionen in Bildgebungstechnologien und die Weiterentwicklung von Portfoliovorhaben.
- Portfolio-Implikation: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Bildgebungsmethoden und translationalen Biomarkerstrategien.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Materialpräparation und Kalibrierung des Abbildungssystems.
- Benötigt Zugang zu Beschallungs-, Heiz- und Vakuumgeräten für eine reproduzierbare Herstellung.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg bei der Phantompräparation und den Bildgebungsprotokollen voraus.
- Anpassbar an verschiedene Bildgebungskonfigurationen und Systemanordnungen, wie im Protokoll gezeigt.
- Homogenität und Entfernung von Luftblasen sind entscheidend für zuverlässige Bildgebungsergebnisse.
