Article de méthode

Fabrication et caractérisation des fantômes de tissu optique contenant la Macrostructure

DOI :

10.3791/57031

⸱

12 février 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University, 2Deparment of Molecular Pathogenesis and Immunology, Texas A&M College of Medicine

Dans cet article

Résumé

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Fantômes de tissu optique sont des outils essentiels pour le calibrage et la caractérisation des systèmes d’imagerie optiques et validation de modèles théoriques. Cet article décrit une méthode de fabrication fantôme qui inclut la réplication des propriétés optiques de tissu et structure du tissu en trois dimensions.

Résumé

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

Le développement rapide de nouvelles techniques d’imagerie optiques dépend de la disponibilité des normes peu coûteux, personnalisables et facilement reproductibles. En reproduisant l’environnement d’imagerie coûteuses expérimentations animales pour valider une technique peuvent être contournées. Prévoir et optimiser les performances de in vivo et ex vivo , techniques d’imagerie nécessitent l’analyse des échantillons optiquement semblables aux tissus d’intérêt. Tissus imitant des fantômes optiques fournissent une norme pour l’évaluation, caractérisation ou calibrage d’un système optique. Phantoms de tissu optique polymère homogène sont largement utilisés pour reproduire les propriétés optiques d’un type spécifique de tissu dans une fourchette étroite de spectral. Couches de tissus, tels que l’épiderme et le derme, peuvent être imités par empilage simplement ces fantômes dalle homogène. Cependant, beaucoup en vivo de techniques d’imagerie est appliqués pour les tissus plus complexes dans l’espace où les structures tridimensionnelles, comme les vaisseaux sanguins, voies respiratoires ou les défauts de tissu, peuvent affecter les performances du système d’imagerie.

Ce protocole décrit la fabrication d’un tissu imitant fantôme qui incorpore la complexité de la structure en trois dimensions à l’aide de matériaux avec des propriétés optiques des tissus. Tables de recherche fournissent des recettes de l’encre de Chine et du dioxyde de titane pour l’absorption optique et les objectifs de diffusion. Méthodes pour caractériser et régler les propriétés optiques du matériau sont décrites. La fabrication fantôme détaillée dans cet article a un vide interne de simulacre de voies aériennes ramifiées ; Cependant, la technique peut être largement appliquée à d’autres structures de tissu ou un organe.

Introduction

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Fantômes de tissus sont largement utilisés pour la caractérisation du système et l’étalonnage des instruments d’imagerie et la spectroscopie optique, y compris les systèmes de multimodalité incorporant des ultrasons ou des modalités nucléaire1,2,3 ,4. Fantômes fournissent un environnement contrôlé optique pour la caractérisation du système et de contrôle de la qualité de plusieurs techniques d’imagerie biologiques. Tissus imitant les fantômes sont des instruments utiles pour prédire le rendement du système et optimiser la conception du système pour la tâche physiologique à portée de main ; par exemple, pour prévoir la profondeur détection des sondes spectroscopiques pour l’évaluation tumorale marges5. Propriétés optiques et la conception structurale des fantômes peuvent être ajustées pour imiter l’environnement physiologique spécifique dans lequel l’instrument sera utilisé, ce qui permet pour les études de faisabilité et vérification de performance de système3, 6,7. Vérification de la performance du système avec les phantoms optiques réalistes avant d’entrer dans les essais précliniques ou cliniques d’imagerie permet de réduire le risque de dysfonctionnement ou d’acquisition de données inutilisables lors des études in vivo . La reproductibilité et la stabilité des fantômes optiques rendent personnalisable étalons pour des techniques optiques suivre la variabilité intra - et inter - instrument, en particulier dans des essais cliniques multicentriques avec différents instruments, opérateurs et les conditions environnementales8,9.

Tissus imitant fantômes servent aussi accordables et reproductibles des modèles physiques pour la validation des modèles théoriques de l’optiques. Simulations d’aide à la conception et l’optimisation d’in vivo des instruments optiques, tout en réduisant le besoin d’animal experiments10,11. Le développement et la validation des simulations optiques pour représenter avec précision l’environnement in vivo peuvent être grevés par la complexité de la structure du tissu, le contenu biochimique et l’emplacement de la cible ou les tissus dans le corps. La variabilité entre les sujets rend la validation des modèles théoriques difficiles en utilisant des mesures animales ou humaines. Fantômes optiques tissu polymère permettant la validation des modèles théoriques en fournissant un environnement optique connu et reproductible permettant d’étudier les photons migration12,13,14,15.

Aux fins du système de calibrage, fantômes optiques solides peuvent consister en une simple dalle homogène de polymère durcie avec la dispersion optique, l’absorption ou la fluorescence à l’écoute pour les longueurs d’onde d’intérêt. Couches de polymère fantômes sont fréquemment utilisés pour imiter la variation de la profondeur des propriétés optiques des tissus dans le tissu épithélial modèles16,17. Ces structures fantômes sont suffisants pour épithéliales d’imagerie et modélisation, parce que la structure du tissu est assez homogène à travers chaque couche. Cependant, la plus grande échelle et des structures plus complexes affectent transport radiatif dans d’autres organes. Méthodes pour créer des fantômes plus complexes ont été développés pour simuler l’environnement optique des vaisseaux sous-cutanés18,19 et organes même entiers, tels que la vessie20. Transport léger dans les poumons de modélisation fournit un problème unique en raison de la structure de ramification de l’interface air-tissu ; un fantôme solid pas probablement reproduirait transport radiatif dans l’organe exactement21. Pour décrire une méthode pour intégrer un fantôme optique de structure complexe, les auteurs décrivent une méthode pour créer une arborescence de l’intérieur, reproductible fractal Sub qui représente la structure macroscopique de tridimensionnelle (3D) des voies aériennes (Figure 1).

Dans les dernières décennies, l’impression 3D est devenue une méthode prédominante pour le prototypage rapide des dispositifs médicaux et les modèles22et fantômes tissu optique ne font pas exception. Impression 3D a servi comme un outil de fabrication additive pour la fabrication de fantômes optiques avec les canaux23vaisseaux sanguins réseaux24et confiné petits modèles animaux25. Ces méthodes utilisent un ou deux matériaux d’impression ayant des propriétés optiques uniques. Méthodes ont également été développées pour ajuster les propriétés optiques du matériau d’impression pour imiter des tissus biologiques générales, trouble25,26. Cependant, la gamme des propriétés optiques réalisables sont limités par le matériel d’impression, habituellement un polymère comme acrylonitrile butadiène styrène (ABS)26, donc cette méthode ne consiste pas pour tous les tissus biologiques. Polydiméthylsiloxane (PDMS) est un polymère transparent qui peut être facilement mélangé à la diffusion et d’absorber les particules avec un niveau plus élevé d’accordabilité27,28. PDMS a également été utilisé pour mouler les fantômes avec des modèles d’anévrisme pour déploiement de dispositifs embolique29,30. Ces fantômes aussi utilisent une partie imprimée 3D soluble, mais restent optiquement clair pour la visualisation de déploiement de périphérique. Ici, nous combinons cette méthode avec accordabilité des propriétés optiques de diffusion et d’absorber les particules le PDMS pour fabriquer un modèle préliminaire du tissu et des bronches du poumon murin.

Alors que le fantôme présenté ici est spécifique aux poumons, le processus peut être appliqué à une variété d’autres organes. Impression 3D de la structure interne du fantôme permet la conception d’être personnalisable à n’importe quel usage et imprimable échelle, que ce soit un sang ou réseau de vaisseau lymphatique, la moelle osseuse ou même la structure chambré quatre du coeur31. Parce que nous sommes intéressés par imagerie optique et la modélisation des poumons32,33,34, nous avons opté pour utiliser un arbre fractal de quatre générations comme la structure interne de répliquer dans le polymère fantôme. Cette structure a été conçue pour approcher la structure de ramification des voies respiratoires et avoir le matériel de support amovible pour le procédé d’impression 3D. Une voies aériennes plus anatomiquement correct pourraient être imprimé si le matériau de support amovible n’est pas nécessaire. Bien que ce modèle particulier représente une voie aérienne, la structure interne du fantôme n’a pas à rester un vide important. Une fois que le polymère environnant est soignée et la partie imprimée 3D est dissoute, la structure interne peut être utilisée comme une voie de circulation ou un moule secondaire pour un matériau avec sa propre absorption unique et des caractéristiques de dispersion. Par exemple, si la structure interne de ce protocole a été conçue comme un OS numérique plutôt qu’une voie aérienne, la structure osseuse pourrait être 3D imprimé moulé avec PDMS avec les propriétés optiques du doigt et dissous puis par le fantôme. Le vide pourrait alors être rempli d’un mélange PDMS avec des propriétés optiques différentes. En outre, chaque moule n’est pas limitée à une seule partie soluble. Un fantôme du doigt pourrait être créé afin d’inclure les os, les veines, artères et une couche de tissu mou générales, chacune avec ses propres propriétés optiques uniques.

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Protocole

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1. sélection et vérification des propriétés matérielles de la matrice

  1. Avant de commencer le processus de fabrication fantôme (Figure 1), recherchez l’absorption et les coefficients de diffusion réduite pour les tissus biologiques d’intérêt à l’imagerie wavelength(s). Estimations préliminaires se trouvent dans les références35,,36. Toutefois, la validation des coefficients optiques peut être nécessaire.
  2. En utilisant les tables de recherche pour le coefficient d’absorption, µunet coefficient de dispersion réduite, µs', 488, 535, 632 et longueurs d’onde de 775 nm (tableaux 1 à 4 et les Figures 2-3), sélectionnez les concentrations d’encre et dioxyde de titane (TiO2) qui se rapprochent des propriétés optiques désirées. Ces recettes sont spécifiques aux fantômes fabriqués avec PDMS. Comme ces tableaux présentent les données expérimentales à des longueurs d’onde discrètes, optimisation de la recette peut-être être nécessaire pour l’application spécifique.
  3. Fabriquer une dalle de polydiméthylsiloxane (PDMS) de la recette choisie pour la confirmation des propriétés optiques.
    1. En utilisant le ratio 10:1 en poids de résine PDMS à salaison, versez les ingrédients dans la Coupe du mélange dans l’ordre suivant : résine de PDMS, TiO2, encre de Chine, PDMS agent de polymérisation.
      NOTE : Ici, nous avons testé deux recettes : 1) 2 mg TiO2 + encre 3,5 µL / g PDMS et 2) 1 mg TiO2 + encre de Chine 10 µL / g PDMS. Pour chaque recette, 4,5 g PDMS résine et 0,45 g PDMS de salaison sont utilisés avec les montants correspondants de particules optiques.
    2. Mélanger dans un mélangeur de vitesse (voir Table des matières) pour 60 s. Si TiO2 particules collent au mélange tasse (probables avec des concentrations élevées de TiO2), mélanger à la main pour enlever les particules de la base de la coupelle et mélanger dans la table de mixage pour un autre 30 s.
    3. Versez le mélange dans des puits ou des boîtes de Pétri pour rendre mince (0,1-1 mm) dalles du mélange.
    4. Degas les dalles pendant 10 min en les plaçant dans une chambre de pression négative de l’air ne s’échappe, puis placer dans un four préchauffé à 80 ° C pendant 30-60 min. retirer du four et laisser refroidir.
    5. Retirer la plaque de polymère refroidi de son conteneur. Couper les bords pour laisser une dalle plane et uniforme. Mesurer l’épaisseur de la dalle à l’aide d’étriers.
  4. Mesurer la transmission (T) et réflexion (R) de slab(s) à l’aide d’une sphère d’Ulbricht. Vous trouverez des instructions et des détails supplémentaires dans le manuel de doublement ajoutée Inverse (SAI)37.
    1. Allumez la source lumineuse et le spectromètre de la configuration de sphère intégratrice. Vérifier l’alignement du système pour s’assurer un petit faisceau collimaté est centrée sur les ports d’entrée et de sortie de la sphère d’intégration.
    2. Calibrer le système intégrant de la sphère.
      1. Eteignez la source, bouchon de l’orifice de sortie de la sphère d’intégration et d’enregistrer trois spectres sombres.
      2. Rallumez la source afin d’obtenir le renvoi de transmission avec le port de sortie plafonné et le port d’entrée vide. Enregistrer trois spectres.
      3. Obtenir des mesures de référence de réflectance à l’aide de la réflexion ou les normes. Placez chaque norme à l’ouverture de sortie de la sphère. Enregistrer trois spectres pour chaque étalon de réflexion.
    3. Mesurer le coefficient de transmission de la dalle. Avec le cap sur le port de sortie, placer la dalle sur le port d’entrée de la sphère d’intégration pour la mesure de la transmission. Enregistrer trois spectres.
    4. Mesurer la réflectance de la dalle. Retirez le capuchon de port de sortie et placer la dalle sur le port de sortie pour le mesurage de la réflectance. Enregistrer trois spectres.
  5. Déterminer les propriétés optiques à l’aide de logiciels de SAI. Un tutoriel complet sur le logiciel se trouvent dans le manuel de Sai avec le logiciel Télécharger37,38.
    1. Moyenne des trois spectres acquis pour chaque mesure.
    2. En utilisant les équations dans le manuel de Sai37, convertir ces mesures des valeurs R et T. Si nécessaire, se condensent les fichiers en réduisant le taux d’échantillonnage le long du spectre.
    3. Préparer le fichier d’entrée .rxt (Supplemental matériel 1) SAI avec les longueurs d’onde, réflectance, transmittance et épaisseur de l’échantillon tel que décrit dans le manuel de Sai37. À l’invite de commande (Windows OS) ou de la borne (Mac OS), naviguer vers le chemin d’accès correct. Tapez « SAI « entrée file name » » à exécuter SAI. Le logiciel va produire un fichier texte de sortie avec les propriétés optiques estimées.
  6. Si les propriétés optiques ne sont pas dans des limites acceptables (~ 15 %) des valeurs désirées, modifier la recette en conséquence et répétez les étapes 1,3 – 1,5.

2. préparation de la 3D Dissolvable imprimé Structure interne

  1. Conception de structure interne à l’aide d’ordinateur assistée par logiciel de conception (CAO). Convertir un fichier de stéréolithographie pour fabrication sur une imprimante 3D modèle solide structure. Si disponible, une tomodensitométrie segmentée peut aussi être convertie en un fichier de stéréolithographie plutôt qu’un modèle solide de la structure interne de dessin.
    Remarque : Le fichier CAO pour la structure fractale utilisée ici est fourni en 2 de matériel supplémentaire. L’imprimante utilisée dans le présent document est une imprimante expulsion, alors que la partie était conçue pour produire des supports amovible.
  2. Sélectionnez un matériau soluble pour l’impression, tels que l’alcool poly-polyvinylique (PVA) ou polystyrène choc (HIPS) (voir la Table des matières). Imprimer le modèle solide dans ce matériau soluble.
  3. Lorsque les parties imprimées sont suffisamment refroidis, briser, dissoudre ou le matériel de soutien hors de la partie imprimée de la machine. Fichier ou sable au large de toutes les grandes imperfections.
  4. Vapor polir la partie imprimée à réduire la rugosité de surface.
    1. La partie imprimée fixée dans un étau, percer un trou avec un jeu pour un fil mince en acier ou en nitinol dans la base de la partie imprimée.
    2. Enfilez un acier inoxydable ou le nitinol fil dans l’orifice. Plier les extrémités du fil et crochet ensemble. Cela permettra à la partie s’immerger complètement dans les vapeurs d’acétone dans le bécher. A fil et partie annulé.
    3. Remplir un grand bécher environ 10 % d’acétone. Placer le bécher sur une plaque chauffante en chauffage à 100 ° C. ATTENTION : Pour effectuer cette étape sous une hotte pour éviter l’inhalation de vapeurs d’acétone.
    4. Lorsque l’acétone vapeur de condensation atteint tout à mi-chemin vers le haut de la paroi du bécher, accrocher le fil en boucle avec l’airway simulé sur un deuxième fil et suspendre les vapeurs d’acétone pour 15 à 30 s. Assurez-vous imprimé pièces ne touchent pas le bécher murs ou chaque autre (si vapeur polissage plusieurs pièces en même temps).
    5. Enlever la partie imprimée et suspendre au-dessus du récipient vide ou un conteneur. Laisser partie sécher pendant au moins 4 h.
  5. Vérifiez que les dimensions de la structure interne relèvent de la tolérance à la conception CAD, selon les besoins. Selon les exigences de précision, les étriers ou un scanner laser 3D peut servir à mesurer la structure.

3. construction de moule résistant à la chaleur

NOTE : Préparez un moule étanche, résistant à la chaleur pour former le fantôme PDMS. Sélectionnez une géométrie de moule pour mieux s’adapter à la conception finale du fantôme. Ici, nous décrivons un moule rectangulaire réutilisable.

  1. Concevoir une base de modèle solide du moule à l’impression 3D. Ce moule est conçu pour un fantôme avec une base de 1,17 x 1,79 cm. La base du moule a une épaisseur de 1 mm et cavité profonde de 5 mm avec des dimensions intérieures correspondant à la base du fantôme. Cela permet le moule de voies d’évitement à supprimer et le moule pour être démonté et réutilisé.
  2. Imprimer une base pour le moule avec un carton de largeur suffisante pour garantir les voies d’évitement du moule.
  3. Placez voies d’évitement dans les profondeurs de la base de moule. Ici, les feuilles de polycarbonate épaisseur 1 mm sont utilisés comme voies de garage de moule.
  4. À l’aide de ruban adhésif résistant à la chaleur, sceller les bords du moule. Il est impératif que tous les bords et les coins sont suffisamment étanches avec pas de bulles dans le ruban pour éviter toute fuite pendant le processus de moulage.
  5. Placez une plaque de base en polycarbonate à l’intérieur du moule préparé à l’étape 3.4. Cette plaque de base est la même feuille de polycarbonate épaisseur 1 mm sous le revêtement du moule et donne la base fantôme une surface lisse sans la rugosité de la surface imprimée 3D de la base de moule. Coller la vapeur entièrement séché poli partie au socle. Laisser suffisamment de temps pour sécher la colle.

4. fabrication de polymère Phantom

Remarque : Utilisez la recette vérifiée pour le matériel de matrice en vrac à l’étape 1 pour l’application spécifique. Ici, le protocole fournit les étapes pour un tissu de poumon sain de murin fantôme à 535 nm avec µs' de 40 cm-1 et µun de 2 cm-1. Il peut être utile fabriquer un fantôme deuxième pas de particules optiques à utiliser comme une référence dans le processus de fabrication.

  1. Verser 9,1 g de résine PDMS dans une tasse de mélange en plastique. Ajouter 20 mg de rutile TiO2, suivi par 35 µl d’encre. Enfin ajouter 0,91 g d’agent pour le dessus du mélange de polymérisation. Suivre le protocole de mélange à l’étape 1.3.2.
  2. Verser le mélange de polymère final dans le moule résistant à la chaleur.
  3. Versez une petite quantité du mélange dans un récipient séparé pour créer une dalle de polymère pour la confirmation des propriétés optiques des matériaux. S’assurer que suffisamment polymère est répandu pour avoir une dalle d’au moins 100 µm d’épaisseur.
  4. Placer le moule de la simulation de voies respiratoires et la dalle séparée dans une cloche à vide pour le dégazage. Commencer le procédé sous vide. Si le polymère dans le moule de la simulation de voies respiratoires commence à augmenter, de laisser de l’air dans la cloche à éclater les bulles de surface, puis commencent à expulser l’air à nouveau. Répétez ce processus jusqu'à ce que le polymère n’augmente pas significativement. Cela va prendre entre 5-10 min en fonction de la quantité d’air a été piégé au cours de l’étape 4.2. Une fois le PDMS s’élève n’est plus, continuer à dégazer pendant 15 min.
  5. Après le dégazage, lentement laisser l’air dans la chambre. Retirer le faux fantôme des voies respiratoires et la dalle de polymère et niveau enfourner à 80 ° C pendant 2 h.
  6. Retirer le fantôme et la plaque du four et laisser refroidir pendant 20 min. Démonter le moule de polymère avec un scalpel sans couper le polymère durci. Fixez la plaque de fond au large de la base de la maquette-des voies respiratoires.
  7. Placer fantôme dans un bain base d’hydroxyde de sodium (NaOH) ~0.5 M chauffée (60 ° C) jusqu'à ce que la partie intérieure est entièrement dissous. Un fantôme de référence transparent peut aider à déterminer le temps de dissolution pour la composante interne. Une fois la structure interne est dissous, prendre fantôme sortant du bain et laissez sécher complètement (~ 24 h) avant de procéder à toute mesure optique.

5. vérification de Fabrication fantôme

  1. Vérifier la géométrie fantôme à l’aide de haute résolution imagerie de résonance magnétique (IRM) ou l’imagerie micro-la tomodensitométrie (CT), si vous le souhaitez. Ces méthodes fournissent une vérification 3D des structures internes au sein du matériau trouble avec des résolutions axiales du < 400 µm39,40. Par ailleurs, un fantôme de référence transparent peut être optiquement photographié pour vérification que la partie imprimée est entièrement dissous et le vide restant est la géométrie appropriée.
    NOTE : Nous avons vérifié la géométrie interne d’un fantôme optiquement opaque (2 mg TiO2 + 3,5 µl de l’encre de Chine) avec micro-CT sur une étoile polaire Imaging (NSI) X50. Le fantôme a été photographié avec une résolution 20 µm dans toutes les dimensions (Supplemental matériaux 3, 4).
  2. Vérifiez les propriétés optiques du fantôme à l’aide de la plaque de polymère et de la sphère d’intégration (décrit dans les étapes 1,5 à 1,6).

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Résultats

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Pour illustrer la technique de fabrication fantôme, fantômes de tissus pulmonaires souris ont été fabriqués sur mesure afin de simuler les propriétés optiques mesurées du tissu d’excisés pulmonaire murine sain et enflammée à 535 nm (tableau 5). Cette longueur d’onde d’intérêt est la longueur d’onde d’excitation pour tdTomato protéine fluorescente utilisée dans les souches recombinantes journaliste de mycobactéries dans les précédentes études33. Des...

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Discussion

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Nous avons démontré une méthode pour créer des fantômes optiques afin de représenter un poumon murin avec une structure de ramification interne pour simuler l’interface air-tissu interne. Les propriétés optiques du tissu pulmonaire murin sont obtenues en incorporant des concentrations uniques de diffusion optiquement et d’absorber les particules distribuées homogène au sein du polymère de matrice en vrac. Ces propriétés optiques peuvent être ajustées pour imiter les valeurs physiologiques au sein des différentes gammes s...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation carrière prix no. EFAC-1254767 et Institut National des allergies et maladies infectieuses grant no. R01 AI104960. Nous remercions Patrick Griffin et Dan Tran pour leur aide avec les mensurations de la caractérisation et la Texas A & M laboratoire de pathologie cardiovasculaire d’imagerie micro-CT.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg KitEllsworth Adhesives184 SIL ELAST KIT 0.5KGPolydimethylsiloxane : base polymère pour fantômes optiques
Blanc Rutile Dioxyde de titane PoudreAtlantic Equipment EngineersTI-602Particules diffusantes pour fantômes optiques
Higgins Stylo plume India InkMichaels Craft Stores  ; 10015483Particules absorbantes pour fantôme optique
Ruban résistant à la chaleurUlineS-7595Ruban résistant à la chaleur pour moules en polymère
Imprimante 3D Fortus 360mcStratasysN/ACapable de changer de matériau de construction et de support avec cette imprimante de modèle
ABS Ivory Matériau du modèleStratasysSDS-000001Matériau pour l’impression de pièces de moule et/ou l’utilisation comme support pour l’impression de la structure interne  ;
SR-30 Support solubleStratasys400638-0001Matériau de support soluble de base pour l’impression de structure interne
Flacktek SpeedmixerFlacktek Inc.DAC 150.1 FVPour un mélange efficace des polymères et des particules  ;
Sphère d’intégrationEdmund Optics58-585Pour la mesure des propriétés optiques
Plaques de construction en polycarbonate (1 mm)StratasysN/ALes plaques de construction en polycarbonate d’occasion de l’imprimante Stratasys peuvent également être utilisées

Références

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