Name: חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-16T12:20:00.000+00:00
Duration: 4 min 54 s
Description: למדו ליצור חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית ביורפואית. השיטה מבוססת על תערובת שמן מינרלי עם פולימרים וטיטניום דו-חמצני, ומספקת פתרון לאימות מערכות הדמיה קליניות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

LH מומנה על ידי תוכנית MedAccel של NPL שמומנה על ידי קרן אתגר האסטרטגיה התעשייתית של המחלקה לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית. JMG קיבלה מימון מקרן המחקר הגרמנית Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) במסגרת פרויקט GR 5824/1. JJ מודה על תמיכת המימון מפרס המקפצה של האקדמיה למדעי הרפואה (REF: SBF007\100007). SEB מכירה בתמיכה של Cancer Research UK תחת מענק מספר C9545/A29580. AMI, BZ ו-SR נתמכו על ידי המחלקה הבריטית לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית באמצעות מימון מערכת המדידה הלאומית. איור 1 ואיור 2 נוצרו באמצעות BioRender.

ייצור חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית

שרה בוהנדייק קיבלה בעבר תמיכה מחקרית מ-CYBERDYNE INC ומ-iThera Medical GmbH, ספקיות של מכשירי הדמיה פוטואקוסטית. למחברים האחרים אין ניגוד עניינים הקשור לכתב היד הנוכחי לחשוף.

כאן, מוצג פרוטוקול שמטרתו לספק מתכון רב-תכליתי לחומר יציב ורלוונטי ביולוגית שניתן להשתמש בו ליצירת פנטומים למדידות כיול ותקינה ביישומי הדמיה ביו-רפואית אקוסטית ואופטית רב-מודאלית. החומר הוכח בעבר כיציב לאורך זמן39, בעל יכולת שחזור גבוהה מאצווה לאצווה, בטוח לשימוש ומורכב מרכיבים זמינים וחסכוניים מספקים מדעיים סטנדרטיים. תכונות החומר ניתנות להתאמה עצמאית על פני משטרים אקוסטיים ואופטיים רלוונטיים. יתר על כן, הוא חזק מכנית ובלתי מסיס במים, ובכך עומד בטיפול גס, והוא אינרטי לחומרי צימוד מבוססי מים המשמשים במחקר קולי / פוטואקוסטי. הודגש כי ניתן ליצור עיצובי פנטום שונים עם סוגים שונים של תכלילים, המורכבים מאותם סוגי חומרים או מסוגים שונים. בהינתן תכונות אלה, החומר עומד בקריטריוני המפתח הנ"ל לפאנטום ביופוטוני אידיאלי ומראה יתרונות מרכזיים בהשוואה לחומרים אחרים המחקים רקמות קיימים3. על ידי פירוט תהליך הייצור המדויק, אנו מקווים למזער את הווריאציות הנובעות מהליך הייצור, ובכך לייעל את השימוש בו לכיול, אימות ומעקב אחר הביצועים של מערכות הדמיה.
שני שלבים מרכזיים זוהו כקריטיים לתהליך הייצור. ראשית, מרכיבים צריכים להיות מעורבים היטב מחומם באופן אחיד ליצירת חומר הומוגני. שימוש בסוניקטור ובובחש מגנטי לערבוב ובאמבט שמן לחימום מבטיח פיזור אחיד של רכיבי החומר בתוך מטריצת הבסיס. יש להקפיד שאמבט השמן לא יגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד (>180 מעלות צלזיוס), שכן הדבר יגרום לחמצון של רכיבי החומר, מה שיוביל לשינוי צבע צהבהב. ערבוב ידני יכול לתמוך בתהליך הערבוב ולפצות על חימום לא מספיק מממשק חומר-אוויר. ייתכן שיהיה צורך להאריך את זמן הסוניקציה והערבוב כאשר נעשה שימוש בריכוז גבוה יותר של TiO2 ו/או פולימרים כדי להבטיח הרכב הומוגני של החומר. שנית, יש להסיר בועות אוויר כדי למנוע היווצרות הטרוגניות בתוך מטריצת הבסיס. בעוד שניתן להשיג זאת באמצעות משאבת ואקום או תנור, יש לתרגל גם מזיגה זהירה מגובה נמוך כדי למזער את לכידת האוויר בתוך החומר.
יתרון משמעותי אחד של החומר הוא תכונותיו התרמופלסטיות (הנגזרות מפולימר SEBS), המאפשרות לחמם אותו מחדש ולעצב אותו מחדש ללא השפעה משמעותית על תכונותיו האקוסטיות והאופטיות39. עם זאת, חימום מחדש צריך להתבצע בהדרגה ובזהירות, שכן החומר יכול בקלות להישרף ולחמצן אם מחממים מחדש מהר מדי. חימום מחדש גם הופך קשה יותר כאשר נעשה שימוש בריכוזי LDPE גבוהים יותר, מכיוון ש- LDPE אינו מציג את אותה התנהגות תרמופלסטית כמו SEBS.
נותרו מספר מגבלות של הפרוטוקול. בשל טמפרטורת ההתכה הגבוהה של הפולימרים (150 מעלות צלזיוס), תבניות פנטום צריכות להיות עשויות מחומר עמיד בחום, כגון זכוכית או נירוסטה. בנוסף, החומר צמיג למדי במצב נוזלי אם ריכוז פולימר גבוה משמש לכוונון התכונות האקוסטיות, מה שמקשה על מילוי מטרות הדמיה קטנות. לבסוף, כוונון התכונות האקוסטיות מוגבל עד כה לטווח מהירות קול של ~1450-1,516 m·s-1 התומך בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כמו שריר או כליות (c > 1,520 m·s−1). יש לקחת בחשבון גם את השינוי המקביל של הנחתה אקוסטית.
כאן, הדגשנו את היישום של החומר כפנטום יציב עבור יישומי אולטרסאונד והדמיה אופטית. עם זאת, חומרים קופולימרים בשמן הוכחו גם כבעלי ערך ביישומי אלסטוגרפיה35, ועשויים לאפשר תאימות עם שיטות הדמיה נוספות כגון דימות תהודה מגנטית. ריאליזם אנטומי מוגבר של הפנטומים עשוי להיות מושג באמצעות תבניות מודפסות בתלת-ממד, כפי שמוצג במחקרים דומים 29,47,48,49. מחקרים מוקדמים הוכיחו גם את יכולת ההדפסה התלת-ממדית של החומר עצמו, והרחיבו עוד יותר את גמישותו במונחים של עיבוד וייצור. התפתחויות אלה מדגישות את הפוטנציאל העתידי המלהיב של החומר כמדיום פנטום יציב הנמצא בשימוש נרחב עבור יישומי הדמיה רב-מודאליים.

ביסוס הדיוק והדיוק של סמנים ביולוגיים חדשניים של הדמיה אופטית באמצעות אימות טכני 1,2 הוא בעל חשיבות עליונה להבטחת יישומם המוצלח בפרקטיקה הקלינית. כדי להשיג זאת, מחקרי תיקוף טכניים משתמשים לעתים קרובות בפנטום פיזי עמיד, המאפשר הערכת ביצועים בין מכשירים ובקרת איכות שגרתית. לשימוש נרחב בחומר פנטום במחקר ובתרגום קליני, נדרש פרוטוקול ייצור פשוט וניתן לשחזור. חומר פנטום ביופוטוני אידיאלי צריך לכלול את התכונות הבאות3: (1) תכונות בלתי תלויות בטווחים רלוונטיים ביולוגית; (2) חוסן מכני; (3) יציבות ארוכת טווח; (4) גמישות בגיאומטריה ובאדריכלות; (5) טיפול בטוח; (6) רכיבים זמינים באופן נרחב שניתן לרכוש מספקים מדעיים סטנדרטיים; ו-(7) עלות נמוכה. כיום, יישומים ביופוטוניים חסרים פרוטוקול סטנדרטי לחומר פנטום מקובל הממלא את הדרישות המתוארות וכולל גם תכונות אקוסטיות מתכווננות עבור יישומים היברידיים, כגון הדמיה פוטואקוסטית (PAI).
חומרי פנטום רלוונטיים ביולוגית המיועדים ליישומים אופטיים ואקוסטיים משולבים כוללים הידרוג'לים4,5, אלכוהול פוליוויניל (PVA)6,7,8,9 ופלסטיזול פוליוויניל כלוריד (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . עם זאת, חומרים אלה מאופיינים במגבלות מסוימות המגבילות את יישומם כחומר פנטום יציב. הידרוג'לים, למשל, מועדים להתייבשות, נזק מכני וצמיחת חיידקים, מה שמגביל את חיי המדף שלהם17,18,19. תוספת של כימיקלים יכולה להאריך את תוחלת החיים, אך חומרים משמרים נפוצים, כגון פורמלדהיד20 או בנזלקוניום כלוריד21, מסוכנים ודורשים אמצעי זהירות במהלך הטיפול. נוסף על כך, מטרות המכילות צבעים מסיסים במים יכולות להתפזר בתוך חומר הבסיס אם אינן עטופות. קריוג'לים PVA מאופיינים בתוחלת חיים גבוהה יותר ובחוסן מבני, אך תהליך ההכנה שלהם כרוך במחזורי הקפאה-הפשרה ארוכים22. זה יכול להגביל את הכוונון העצמאי של פרמטרים אקוסטיים ואופטיים23 - ואם מעט מגוונים - יכול להוביל לאי-הומוגניות6, ובכך לפגוע ביכולת השחזור. יתר על כן, דיפוזיה של צבעים מן תכלילים נצפתה לאחר 1 שנה13. PVCP יש תהליך ייצור מורכב הכולל טמפרטורות גבוהות של עד 180-220 ° C 13,14,24,25. PVCP סובל גם מהיעדר שרשרת אספקה עם ספקים מדעיים26 ויכול להכיל פלסטיסייזרים המבוססים על פתלאטים, העלולים לגרום לנזק למערכת הרבייה ולהתפתחות27, מה שהופך אותם לחומרים מבוקרים במדינות מסוימות.
הרכבי קופולימר בשמן, כגון שעוות ג'ל28,29,30,31 או תערובות המבוססות על אלסטומרים סטירניים תרמופלסטיים 32,33,34,35,36, מציגים יציבות אורכית טובה וכוללים תכונות אקוסטיות ואופטיות דמויות רקמה31,35,36,37ובכך להיות בעל פוטנציאל גבוה כמועמד פנטום עמיד ביישומים רב-מודאליים., בנוסף, סוג זה של חומר הוא חסכוני, לא סופג מים, לא רעיל, ואינרטי ביולוגית35,38. מהירות הקול c(f) ומקדם הנחתה אקוסטי α(f) ניתנים לכוונון בטווח רלוונטי ביולוגית (טבלה 1) על ידי שינוי ריכוז הפולימר 33,35,39, בעוד שהבליעה האופטית μa(λ) והפחתת הפיזור μמקדמי s'(λ) יכולה להשתנות בעיקר על ידי תוספת של צבעים מסיסים בשמן או טיטניום דו-חמצני (TiO2)39, בהתאמה.
כאן, פרוטוקול פשוט וקל למעקב מוצג ליצירת פאנטום קופולימר בשמן עמיד המתאים לשימוש בכיול אופטי, אולטרסאונד או מכשירים פוטואקוסטיים. לכל המרכיבים יש מספרי שירות מופשט כימי מוגדרים (CAS) והם זמינים בקלות מספקים מדעיים סטנדרטיים. קשיים פוטנציאליים בהליך הייצור מודגשים ודרכים להתגבר עליהם מוצגים. בעוד שהפרוטוקול מאפשר ייצור חומרים בעלי מגוון תכונות אקוסטיות ואופטיות, הפרוטוקול המוצג מניב חומר במהירות קול של ~1,481 m·s-1, המתיישר עם מהירות הקול של מים בטמפרטורת החדר (20 °C)40. ערך זה נבחר כתקן ניטרלי לייצוג המגוון הרחב של תכונות הרקמה הקיימות (טבלה 1), המאפשר יצירת נקודת ייחוס עקבית ואמינה להשוואה. על ידי מתן פרוטוקול מפורט זה, אנו שואפים להרחיב את יכולת הקליטה והייצור של סוג חומר פנטום מבטיח זה, ובכך להקל על מחקרי אימות ביופוטוניים, אקוסטיים ופוטואקוסטיים ולתמוך בבקרת איכות שגרתית ביישומי הדמיה פרה-קליניים וקליניים.

<table><tbody><tr><td>פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE)</td><td>אלפא אזר&nbsp;</td><td>43949.30 CAS: 9002-88-4</td><td>6.70 גרם 5.8% w/w</td></tr><tr><td>שמן מינרלי</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>330779-1L CAS: 8042-47-5</td><td>83.80 גרם 72.5% w/</td></tr><tr><td>w ניגרוזין&nbsp;</td><td>סיגמא אולדריץ'&nbsp;</td><td>211680-100G CAS: 11099-03-9</td><td>0.4 גרם&nbsp;</td></tr><tr><td>פוליסטירן-בלוק-פולי(אתילן-רן-בוטילן)-בלוק-פוליסטירן (SEBS)</td><td>סיגמא אולדריץ'&nbsp;</td><td>200557-250G CAS: 66070-58-4</td><td>25.14 g 21.7% w/w</td></tr><tr><td>שמן סיליקון לאמבט שמן</td><td>סיגמא אולדריץ'&nbsp;</td><td>85409-1L CAS: 63148-62-9 ~ 1 ליטר (תלוי בגודל אמבט השמן)</td><td></td></tr> <tr><td>תחמוצת טיטניום (IV), אנטאז (TiO2)</td> <td>סיגמא אולדריץ'&nbsp;</td><td>232033 CAS: 1317-70-0</td><td>0.15 גרם</td></tr><tr><td>נוגד חמצון (אופציונלי; למשל, בוטילאט הידרוקסיטולואן)</td><td>סיגמא אולדריץ'&nbsp;</td><td>W218405-1KG-K CAS: ניתן להוסיף 128-37-0</td><td>כדי למנוע שינוי צבע אם נעשה שימוש בטמפרטורות ייצור גבוהות יותר&nbsp;</td></tr><tr><td>ניתן להוסיף צבעי סולול שמן לתכלילים (אופציונלי)</td> <td>למשל, דיו להקלה בכביסה בטוחה של Caligo, צבעי Cranfield, Cwmbran, UK*</td><td></td><td>בהתאם לספיגה המועדפת</td></tr><tr><td>Bath Sonicator&nbsp;</td><td>Ultrawave Ltd, בריטניה *</td> <td>אמבט ניקוי אולטרסאונד U500H *</td> <td>באופן אידיאלי עם בקרת טמפרטורה; תדרי הפעלה מומלצים בין 30-50 קילו-הרץ)</td></tr> <tr><td>צלחת התגבשות לאמבט שמן סיליקון (עד +200 ו-deg; ג)</td> <td>כל ספק</td><td></td> מתאים <td>(קוטר חיצוני ~ 140 מ"מ עבור זכוכית 250 מ"ל)</td></tr> <tr><td>זכוכית (~ 250 מ"ל); כלי זכוכית לדוגמא / עובש פנטום</td><td>כל ספק</td><td></td><td></td>מתאים</tr><tr><td>פלטה חמה עם מערבל מגנטי ווסת תרמי (צמד תרמי בדיקה חיצוני) עם טמפרטורה מקסימלית של > 200 & deg; C</td><td>Thermo Fisher Scientific, בריטניה*</td><td>Velp Scientifica AREC. X בוחש פלטה חמה קרמית דיגיטלית*</td><td></td></tr><tr><td>מאזני מעבדה / איזונים מדעיים מדויקים עד 0.01 גרם</td><td>כל ספק</td><td></td><td></td>מתאים</tr><tr><td>מרית מתכתית</td><td>כל ספק</td><td></td><td></td>מתאים</tr><tr><td>תנור ואקום או תא ואקום</td><td>Memmert, גרמניה (תנור ואקום)* Cole-Parmer Instrument Company, בריטניה (תא ואקום)*</td><td>VO29 (תנור ואקום) DWK Life Sciences (Kimble) מייבש ואקום מזכוכית עם צווארון (תא ואקום)*</td><td></td></tr><tr><td>1. מערכת אפיון אקוסטית*</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>הידרופון</td><td>GEC Marconi</td><td>30 מ"מ קוטר אלמנט פעיל הידרופון</td><td></td>ממברנה בילמינרית</tr><tr><td>אוסילוסקופ</td><td>Tektronix UK, בראקנל, בריטניה</td><td>DPO 7254&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>פולסר&ndash; מקלט&nbsp;</td><td>אולימפוס NDT, וולת'אם, MA, ארה"ב</td><td>אולימפוס 5073PR</td><td></td></tr><tr><td>מחזיק מדגם</td><td>ניופורט ספקטרה-פיזיקה, דידקוט, בריטניה</td><td>ניופורט 605-4 סדרת ניופורט 605-4 הידוק צירי עם עיוות נמוך תושבת אופטית גימבל</td><td>עשויה לדרוש מתאם נוסף להחזקת מדגם</td></tr><tr><td>מדחום</td><td>G. H. Zeal, לונדון, בריטניה</td><td>מכויל על ידי UKAS IP 39C מדחום</td><td></td>רוח בזכוכית</tr><tr><td>מתמר אולטרסאונד&nbsp;</td><td>Force Technology, Brondby, דנמרק</td><td>מתמר בקוטר אלמנט פעיל 10 מ"מ&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>קליפרים ורנייה</td><td>כל ספק</td><td></td><td></td>מתאים</tr><tr><td>מיכל מים מלא במים נטולי יונים&nbsp;</td><td>כל ספק</td><td></td> מתאים <td>דורש גודל מספיק (למשל, מידות 112 ופעמים; 38 & פעמים; 30 ס"מ3)</td></tr><tr><td>2.מערכת אפיון אופטית*</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>שילוב כדור (שתיים)</td> <td>Avantes, Apeldoorn, הולנד</td><td>AvaSphere-50, 50 ס"מ קוטר</td><td></td>פנימי</tr><tr><td>מקור אור&nbsp;</td><td>אוונטס, אפלדורן, הולנד</td><td>Avalight-HAL-s-mini</td><td></td></tr><tr><td>שלב ממונע (אופציונלי)</td> <td>Thorlabs,</td> <td>Thorlabs MTS50</td><td></td></tr><tr><td>סיבים אופטיים (שלושה)</td> <td>כל ספק</td><td></td><td></td>מתאים</tr><tr>תקן<td>השתקפות</td><td>Labsphere, צפון סאטון, ארה"ב</td><td>99%, לבן, קוטר 1.25 אינץ', USRS-99-010, AS-01158-060</td><td></td></tr><tr><td>ספקטרומטר</td><td>אוונטס, אפלדורן, ה תוכנת</td><td>Starline Avaspec-2048</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr> ההולנדית <tr><td>תוכנת רכישת נתונים (למשל, Labview)</td><td>National Instruments, אוסטין, טקסס, ארה"ב</td><td></td><td></td></tr><tr><td>תוכנה לניתוח נתונים (למשל, Matlab)</td><td>Mathworks, Natick, ארה"ב</td><td></td><td></td></tr><tr><td>תוכנית הכפלה הפוכה (IAD)&nbsp;</td><td></td><td></td><td>קוד מקור: http://omlc.org/software/iad/</td></tr><tr><td>*שימו לב כי ניתן להשתמש גם בציוד דומה.</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging

הקמת חומרי פנטום ביופוטוניים המחקים רקמות המספקים יציבות לטווח ארוך הם הכרחיים כדי לאפשר השוואה של מכשירי הדמיה ביו-רפואיים בין ספקים ומוסדות, לתמוך בפיתוח תקנים בינלאומיים מוכרים ולסייע בתרגום קליני של טכנולוגיות חדשניות. כאן, מוצג תהליך ייצור שתוצאתו חומר יציב, בעלות נמוכה, מחקה רקמות קופולימר בשמן לשימוש במאמצי סטנדרטיזציה פוטואקוסטית, אופטית ואולטרסאונד.
חומר הבסיס מורכב משמן מינרלי וקופולימר עם מספרים מוגדרים של שירות מופשט כימי (CAS). הפרוטוקול המוצג כאן מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1,481 ± 0.4 m·s-1 ב 5 MHz (מתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 ב 5 MHz, ספיגה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1 ב 800 ננומטר, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 מ"מ-1 ב-800 ננומטר. החומר מאפשר כוונון עצמאי של התכונות האקוסטיות והאופטיות על ידי שינוי בהתאמה של ריכוז הפולימר או פיזור האור (טיטניום דו-חמצני) וחומרים סופגים (צבע מסיס בשמן). הייצור של עיצובי פנטום שונים מוצג וההומוגניות של אובייקטי הבדיקה המתקבלים מאושרת באמצעות הדמיה פוטואקוסטית.
בשל תהליך הייצור הקל והחוזר על עצמו ועמידותו, כמו גם תכונותיו הרלוונטיות ביולוגית, למתכון החומר יש הבטחה גדולה ביוזמות סטנדרטיזציה אקוסטית-אופטית רב-מודאלית.

בעקבות המתכון הזה, נוצרו שלושה עיצובי פנטום מייצגים לצורך הדמיה פוטואקוסטית, המיועדים לתכנוני מערכות שונים עם גיאומטריות שונות של תאורה אופטית וזיהוי אקוסטי (איור 3A). אם הליך הכנת הפנטום מבוצע בהצלחה, חומר הפנטום נראה חלק והומוגני ללא בועות אוויר לכודות או זיהומים, ולא ניתן לראות ממצאים בתמונה המתקבלת (כאן מומחש באמצעות הדמיה פוטואקוסטית; איור 3B,C). הפרוטוקול מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1 (המתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C40), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 (שניהם ב 5 MHz), בליעה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 (שניהם ב-800 ננומטר) (אי הוודאות מתארת את סטיית התקן מ-n = 3 אצוות שיוצרו באופן עצמאי על ידי אופרטורים שונים; כל המדידות בוצעו בטמפרטורת החדר [20 מעלות צלזיוס]).
מקדם הפיזור האופטי יכול להיות מכוונן על ידי וריאציה של TiO 2, בעוד שמקדם הספיגה האופטי יכול להיות מכוונן על ידי תוספת של כל צבע מסיס בשמן, כאן מודגם עם Nigrosin (טבלה 2 ואיור 3D). בעוד הערכים בטבלה 2 מתמקדים ברקמות ספיגה ופיזור נמוכות יותר, כגון שריר או שד (טבלה 1), לא נתקלנו בקשיים בהוספת בולמים ומפזרים בריכוזים גבוהים יותר. עם זאת, הוספת מפזרים/בולמים אופטיים בריכוזים גבוהים יותר עשויה לדרוש זמני סוניקציה ארוכים יותר כדי להשיג ערבוב הומוגני של התמיסה.
ניתן לכוונן את ההנחתה האקוסטית ואת מהירות הקול על ידי וריאציה של ריכוז הפולימר (טבלה 3). כאן, הכוונון מוגבל עד כה למהירות של טווח קול של ~ 1,450-1,516 m·s-1. ריכוזי פולימר נמוכים יותר בהתאמה עלולים לגרום ליציבות פיזיקלית נמוכה של הדגימה, מה שיוביל לעיוות פלסטי לאורך זמן34. ריכוזי פולימר גבוהים יותר גורמים לשבירות ולמרקם לא אחיד של החומר. טווח התכונות האקוסטיות עשוי לסייע בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כגון שריר או כליות (c &gt; 1,520 m·s−1; טבלה 1).
מקורות שגיאה נפוצים בהכנת פנטום כוללים הסרה לא מספקת של בועות אוויר וערבוב לא הומוגני של רכיבי הבסיס (איור 4). ניתן למזער זאת על ידי שאיבת אבק ומזיגה זהירה, וערבוב/ערבוב, בהתאמה.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig02.jpg"> איור 2: מערך ניסיוני לייצור פנטום. הזכוכית המכילה את מרכיבי הפנטום מונחת באמבט שמן הסיליקון באמצעות מהדק כדי למנוע מגע ישיר בין משטחי אמבט השמן לבין כד הזכוכית. משוב טמפרטורה על הפלטה החמה מבטיח בקרת טמפרטורה זהירה. בוחשנים מגנטיים מאפשרים ערבוב של שמן הסיליקון ומרכיבי הפנטום. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig03.jpg"> איור 3: תוצאות מייצגות מהליך ייצור הפנטום. (A) תכנוני פנטום שונים המציגים רב-תכליתיות ליישום במערכות הדמיה פוטואקוסטיות שונות. משמאל: פנטום מלבני קטן עם מיתרים משובצים בעומקים שונים (0.5, 1.5 ו-2.5 מ"מ; מרחק בין מטרות של 1.25 מ"מ) המיועד לבדיקת מערכות הדמיה ברזולוציה גבוהה; באמצע: פנטום גלילי עם שני תכלילים (מרחק הכללה של 12 מ"מ) באמצעות צבע מסיס בשמן ירוק וסגול, המיועד לבדיקת מערכות טומוגרפיה; מימין: פנטום מלבני גדול עם תעלות משובצות בעומקים שונים (6 מ"מ, 10 מ"מ ו-14 מ"מ; מרחק משולב של 3.5 מ"מ), המיועד לבדיקת מערכת כף יד. (B) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של פנטום מלבני עם מיתרים משובצים, שנרכשה ב- 532 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (C) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של הפנטום הטומוגרפי הגלילי, שנרכש ב-800 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (D) פאנטום עם ריכוזי ספיגה אופטיים הולכים וגדלים על ידי הגדלת ריכוזי הניגרוסין (ריכוזים המוצגים באחוז משקל מהנפח הכולל של שמן מינרלי בתמונה). איור 3B,C משוכפל מהאקר ואחרים 39. פסי קנה מידה = 10 מ"מ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig03large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig04.jpg"> איור 4: כשלים נפוצים בפנטום . (A,B) תצלומים המראים בועות אוויר הכלואות בתוך מטריצת הבסיס. (C) ערבוב לא מספק של רכיבי הבסיס מוביל לאי-הומוגניות (חיצים אדומים) בתמונה הפוטואקוסטית המתקבלת. סרגל קנה מידה = 5 מ"מ (A). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
טבלה 2: סקירה טבלאית של כוונון ערכי בליעה אופטית (μa) ופיזור (μs'). ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל לנפח הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי, עמודה 1) ולמשקל הכולל של חומר הפנטום (עמודה 2). ריכוזי הניגרוסין מתארים את הכמות הכוללת של ניגרוסין מוחלט (לא תמיסת מלאי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). n = 3 מדידות לדגימה. ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. קיצור: neg = זניח. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Table%202v3.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה 3: סקירה טבלאית של כוונון ערכי הנחתה אקוסטית (α) ומהירות קול (c). מתואר על ידי חוק החזקה α0 f n עם α0 ו- n פרמטרים המתקבלים מהתאמת ריבועים לא ליניאריים לפחות (n = 4 מדידות לדגימה). F מתאר את התדר ב- MHz. ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל למשקל הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475_Table%203_rev.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
תרשים משלים S1: הגדרת מערכות אפיון אקוסטיות ואופטיות המשמשות לאימות. מוצגים תצלום (A) וסכמטי (B) של מערכת האפיון האקוסטי לקביעת מקדם הנחתה אקוסטי ומהירות הקול. רכיבי מערכת בודדים מסומנים בביאורים HP (HydroPhone), S (מדגם) ו- T (מתמר) בתמונה ובסכמה. תצלום (C) וסכמטי (D) של מערכת הכדורים המשולבת הכפולה להערכת מקדם הבליעה האופטי ומקדם הפיזור המופחת מוצגים. רכיבי מערכת בודדים מסומנים על ידי ביאורים S (מדגם), RS (כדור החזרה), TS (כדור שידור), של (סיב אופטי) ו- MS (שלב ממונע) בתמונה ובסכמה. נתון זה משוכפל מתוך Hacker et al. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Suppl.%20Fig%201.pdf" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

פרוטוקול זה מתאר ייצור של חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית עבור יישומי הדמיה ביו-רפואיים אופטיים ואקוסטיים, בעל תכונות אקוסטיות ואופטיות עצמאיות.

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging ...

המחקר שלנו מתמקד בפיתוח שיטות הדמיה חדשות לגילוי מוקדם של סרטן. במחקר זה התמקדנו במיוחד בפיתוח אובייקט בדיקה יציב, או המכונה גם פנטום, כדי לאמת שיטות הדמיה המבוססות על אור ו / או קול. משאבים שונים הוצעו לפיתוח חומרים המחקים רקמות במשטר האופטי האקוסטי.לדוגמה, PVA, הידרוג'לים, פוליאוריתן או PVCP. מחקר זה מתמקד בסוג חומר חדש ומבטיח המבוסס על הרכב שמן פולימן הליבה, המתגבר על רבים מאתגרי הכוונון והיציבות. תחום האופטיקה הביו-רפואית מכסה מגוון רחב של שיטות הדמיה שניתן ליישם בכמה מהאתגרים המרכזיים העומדים בפני הרפואה כיום.רבים מכל שיטות ההדמיה האופטית מוגבלים יחסית בעומק, אך אנו יכולים גם לשלב אור עם קול באמצעות האפקט הפוטואקוסטי כדי לנצל חלק מיתרונות חדירת העומק של אולטרסאונד. הדמיה פוטואקוסטית הראתה הבטחה במגוון רחב של ניסויים קליניים, החל מהדמיית דלקת ועד אבחון סרטן. עם זאת, הערכת ביצועים כמותית נותרה מאתגרת בשל מחסור בחומרי פנטום זמינים שיכולים לחקות במדויק את התכונות האופטיות והאקוסטיות של הרקמה ולהישאר יציבים לאורך זמן.מערכות הדמיה אופטיות ופוטואקוסטיות חדשות רבות מפותחות, אך חסר לנו פאנטום ייחוס סטנדרטי כדי לאמת מערכות אלה ולהשוות את הביצועים שלהן. החומר שלנו הוא מועמד מבטיח למלא את הפער הזה ולתמוך בהמשך הפיתוח והתרגום של טכניקות חדשות ומלהיבות אלה לקליניקה. בעתיד, ברצוננו להתמקד ביצירת עיצובי פנטום וארכיטקטורות מציאותיים יותר מבחינה אנטומית המתאימים להערכת הביצועים של תצורות מערכת שונות.לדוגמה, מערכות מיקרוסקופיות, מזוסקופיות ומקרוסקופיות, בעלות גיאומטריות שונות ורזולוציות מרחביות שונות.

a-stable-phantom-material-for-optical-and-acoustic-imaging

Research

JoVE Journal

Medicine

רפואה

מטוסי פאנטום רקמות אופטי הם כלים חיוניים כיול של אפיון של מערכות הדמיה אופטית ואימות של מודלים תיאורטיים. מאמר זה מפרט את שיטת ייצור דמה הכולל שכפול של רקמות התכונות האופטיות ואת מבנה רקמות תלת מימדי.

ייצור ואפיון רקמות אופטי הפאנטומים המכיל למפלגות

כאן, נדגים כיצד מבוססי agarose מחקה רקמות פאנטום אופטי נעשות וכיצד התכונות האופטיות שלהם נקבעים באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב.

רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה

ציפוי ספין, הדפסה polyjet, מידול הנתיך התמזגו משולבים לייצר פאנטומים הטרוגנית רב שכבתית המדמים תכונות מבניות ופונקציונליות של רקמות ביולוגיות.

הדפסת תלת-ממד תלת ממדית של פאנטומים להדמיית רקמה ביולוגית

פרוטוקול זה מתאר את ייצור הגולגולת, המוח ופנטום הגידול הספציפיים למטופל. הוא משתמש בהדפסה תלת-ממדית כדי ליצור תבניות, ואלכוהול פוליוויניל (PVA-c) משמש כחומר חיקוי הרקמה.

ייצור פנטום פוליוויניל אלכוהול ספציפי למטופל עם אולטרסאונד וניגוד רנטגן לתכנון ניתוח גידול במוח

ננו-טיפות פרפלואורוקרבון המופעלות אופטית מראות הבטחה ביישומי הדמיה מחוץ למערכת כלי הדם. מאמר זה ידגים כיצד לסנתז חלקיקים אלה, להצליב פנטום פוליאקרילאמיד ולווסת את הטיפות באופן אקוסטי כדי לשפר את האות שלהם.

נוסחה ואפנון אקוסטי של ננו-טיפות פרפלואורוקרבון שעברו אידוי אופטי

אנחנו בשילוב אמצעי ספקטרוסקופיה תדר תחום קרוב אינפרא האדום של חמצון המוגלובין מוחות עם אמצעים מפוזרים מתאם ספקטרוסקופיה של מדד זרימת דם במוח כדי להעריך מדד חילוף חומרים של חמצן. בדקנו את התועלת של אמצעי זה ככלי מיון מיטה כדי להעריך את הבריאות והתפתחות המוח של התינוק.

מדידה אופטית לא פולשנית של מטבוליזם ופרמטרים המודינמיים במוח אצל תינוקות

אנו מתארים הדמיה אופטית סיבוב זווית רב במערכת (MAROI) כדי לכמת את vivo של סמן פלואורסצנטי מועבר על ידי C saposin (SapC)-dioleoylphosphatidylserine nanovesicles (DOPS). העסקת מודלים עכבר של סרטן ודלקת פרקים, אנו מדגימים כיצד הניתוח עקום אות MAROI יכול לשמש למיפוי המדויק ואפיון ביולוגי של תהליכי מחלה.

בדימות אופטי Vivo של גידולים במוח ודלקת פרקים באמצעות פלורסנט SapC-DOPS nanovesicles

בשילוב הדמיה אופטית וμCT במודל של עכברים של זיהום שתל אורתופדים, ניצול זן מהונדס bioluminescent של Staphylococcus aureus, סיפק את היכולת noninvasively ואורכים כדי לפקח על הדינמיקה של זיהום החיידקים, כמו גם את התגובה הדלקתית המקבילה ושינויים אנטומיים ב עצם.

בשילוב<em&gt; בvivo</em&gt; אופטי וμCT הדמיה למעקב אחר זיהום, דלקת, ועצם אנטומיה בזיהום אורטופדיים שתל בעכברים

בדוח וידאו זה, אנו מראים את היישום של הדמיית זוהר של צ'רנקוב (CLI) עבור רקמת שומן חומה בין-שכמה בעכברים בתנאים פעילים ומדוכאים.

Cerenkov הארת ההדמיה של רקמות Interscapular בראון שומן

אנו מתארים פרוטוקול לפיו התניה של בוסולפן מאפשרת להחליף את מח העצם של עכבר נמען בתאי מח עצם מעכברים תורמים המבטאים בכל מקום חלבון פלואורסצנטי ירוק, בהיעדר הקרנה. טכניקה זו שימושית לחקר הצטברות תאי מח עצם במערכת העצבים המרכזית.

Busulfan כסוכן Myelosuppressive ליצירת ברמה גבוהה יציבה מח עצם chimerism בעכברים

למדו ליצור חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית ביורפואית. השיטה מבוססת על תערובת שמן מינרלי עם פולימרים וטיטניום דו-חמצני, ומספקת פתרון לאימות מערכות הדמיה קליניות.

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

גלה סרטונים נוספים