マクロを含む光の組織ファントムの作製と評価

サマリー

光の組織ファントムは、校正と光学イメージング システムの評価と理論モデルの検証の基本ツールです。この記事は、組織の光学特性と 3次元組織構造のレプリケーションを含むファントムの作製法を詳しく説明します。

要約

新しい光学イメージング技術の急速な発展、低コスト、カスタマイズ可能で、容易に再現できる基準の可用性に依存します。イメージング環境をレプリケートすることによりテクニックを検証する高価な動物実験を回避する可能性があります。予測と体内と体外イメージング技術のパフォーマンスを最適化する光のような興味の組織には、サンプルのテストが必要です。組織模倣光ファントムは、評価、特性評価、または光学系のキャリブレーション標準を提供します。狭いスペクトルの範囲内の特定の組織型の光学特性を模倣する均質なポリマー光の組織ファントム広く使用されます。表皮や真皮などの層状組織は、単にこれらの均質なスラブのファントムを積み重ねることによってまねることができます。しかし、多くの生体内イメージング技術が、組織欠損や気道、血管などの三次元構造がイメージング システムのパフォーマンスに影響を与えることができますより多くの複雑な空間的組織に適用されます。

このプロトコルでは、組織の光学特性を持つ材料を用いた三次元構造の複雑さを組み込んだ組織模倣のファントムの作製について説明します。ルックアップ テーブルは、光の吸収と散乱ターゲットの墨と二酸化チタンのレシピを提供します。特徴し、材料の光学特性を調整する方法を説明します。この資料で詳細なファントムの作製は内部分岐モック気道ボイド;しかし、技術は、他の組織や器官の構造に広く適用できます。

概要

組織ファントム、システム特性と超音波または核モダリティ^{1,2,3 を組み込んだマルチモダリティ システムを含む光学イメージングと分光機器の校正のため広く使用されて ,4}。ファントムは、制御光環境システムの特性評価と複数のバイオ イメージング技術の品質管理を提供します。組織模倣ファントムがシステムのパフォーマンスの予測と生理学の作業手でのシステムの設計の最適化に便利なツールたとえば、腫瘍の評価用分光プローブのプロービングの深さを予測する^{5 を}余白します。光学的性質とファントムの構造設計、楽器使用されます、したがってフィージビリティスタディやシステム パフォーマンス^{3の検証を可能にする特定の生理学的な環境を模倣するように調整できます。 6,7}。イメージングの前臨床試験や臨床試験に入る前にリアルな光学ファントムとシステムのパフォーマンスの検証は、故障のリスクや生体内での研究中に使用不可能なデータの集録を低減します。再現性と光ファントムの安定性は、それらがさまざまな楽器での多施設共同の臨床試験を中心に、内間 instrument の変動を監視するための光学的手法のためのカスタマイズ可能な校正標準器演算子、および環境条件^8,9。

組織模倣ファントムは、光学理論の検証のための可変で再現可能な物理モデルとしても使用。^10,11を実験動物の必要性を低減しながら、シミュレーションは設計および生体内で光学機器の最適化支援します。開発と体内環境を正確に表す光学シミュレーションの妥当性は、組織構造、生化学的な内容、ターゲットや、体内組織の位置の複雑さによって妨げられることができます。被験者間変動動物または人間による挑戦的な理論的モデルの検証になります。高分子光の組織ファントム理論モデルの検証を光子移行^12,13,14,15を研究するための知られており、再現可能な光環境を提供することによって可能にします。

システム校正を目的として光ファントムは光散乱、吸収、または関心の波長チューニング蛍光硬化ポリマーの単一均質なスラブで構成されます。層状高分子ファントムは頻繁、上皮性のティッシュのモデル^16,17組織の光学特性の深さの分散を模倣するために使用されます。これらの幻の構造は、組織構造、各層を通じて極めて均質的なので上皮イメージングと形状モデリング、十分です。しかし、大規模で複雑な構造は、他の臓器における輻射輸送を影響します。複雑なファントムを作成するメソッドは、皮下血管^18,19とも全臓器、膀胱²⁰などの光環境をシミュレートするために開発されています。空気組織インターフェイスの分岐構造のため独特の問題は、肺の軽輸送のモデリング固体ファントムが可能性がレプリケートされない機関における輻射輸送正確に²¹。光学ファントムに複雑な構造を組み込むための方法を記述するには、(図 1) 気道の立体 (3 D) 巨視的構造を表す void 内部、再現可能なフラクタル ツリーを作成する方法をについて説明します。

過去数十年の医療機器のモデル²²ラピッドプロトタイピングの優勢な方法となっている 3 D プリントと光の組織ファントムも例外ではありません。3 D プリントは、チャネル²³、血管ネットワーク²⁴全身小動物モデル²⁵と光のファントムを製造するため、添加剤の製造ツールとして使用されています。これらのメソッドは、ユニークな光学特性を持つ 1 つまたは 2 つの印刷材料を使用します。メソッドは、一般的な濁った生体^25,26を模倣する印刷材料の光学特性を調整する開発されています。ただし、このメソッドはすべての生体組織に適していないので、達成可能な光学特性の範囲は印刷物、アクリロニ トリルのブタジエンのスチレン (ABS)²⁶など通常のポリマーによって制限されます。ポリジメチルシロキサン (PDMS) は、容易に散乱・吸収で高い可変性^27,28粒子と混合することができる光学的に透明ポリマーです。PDMS はまた動脈瘤塞栓デバイス^29,30の展開モデルのファントムを金型に使用されています。これらのファントムも溶ける 3 D プリント パーツを利用が、光学デバイスの展開を可視化するための明確なまま。ここでは、組織の予備的モデルとマウス肺の気道を作製する散乱粒子を吸収と PDMS の光学特性の可変性このメソッドと組み合わせています。

紹介ファントムは肺に固有ですが、プロセスは様々 な他の臓器に適用できます。幻の内部構造の 3 D プリントは、かどうかは、血液またはリンパ血管網、骨髄、または心³¹の 4 のチェンバード構造も目的と印刷可能なスケール、カスタマイズできるようにデザインできます。光学イメージングおよび肺^32,33,34のモデリングに興味がある、ので、ファントムの高分子内のレプリケートを内部構造として 4 世代フラクタル ツリーを使用しました。この構造体は、3 D 印刷プロセスのブレーク離れてサポート材料をして気道の分岐構造を近似設計されました。休憩離れてサポート素材が必要ない場合、もっと解剖学的に正しい気道を印刷できます。この特定のモデルは、気道を表しているが、幻の内部構造は材料のボイドを維持するはありません。周囲のポリマーを硬化させるし、3 D プリント パーツを解散、一度内部の構造使用できますフロー経路、またはセカンダリ金型として独自のユニークな吸収と散乱特性を持つ材料の。たとえば、この議定書から内部の構造をデジタル骨には、気道ではなく設計した、骨の構造は 3 D 印刷、PDMS、指の光学的性質と成形し、怪人のうち、溶解にかもしれない。ボイドは異なる光学特性と PDMS の混合物と、満たされることが。また、各金型は単一の溶ける部品に限定ではありません。指のファントムを作成して、骨、静脈、動脈、それぞれ独自のユニークな光学特性を持つ一般的な軟部組織層などでした。

プロトコル

1. 選択とマトリックス材料特性の検証

1. ファントムの作製プロセス (図 1) を開始、する前に生体組織イメージング wavelength(s) で興味の吸収および散乱係数を見つけます。参照^35,36の暫定的な見積もりがあります。ただし、光学定数の検証が必要かもしれません。
2. 吸収係数、μと散乱係数、μ_sのルックアップ テーブルを使用して '、488、535, 632, 775 nm 波長 (表 1-4および図 2– 3) でインドのインクの濃度を選択し、二酸化チタン (TiO₂) 任意の光学特性を近似します。これらのレシピは、PDMS で作製したファントムに固有です。これらのテーブルは、離散的な波長で実験データを提供する、レシピの最適化は特定のアプリケーションに必要ななるかもしれない。
3. 光学特性の確認のため選択したレシピのポリジメチルシロキサン (PDMS) スラブを作製します。
   1. 食材の次の順序でミキシング カップを注ぎ PDMS レジンの硬化剤の重量比 10:1 を使用して: PDMS 樹脂、TiO₂インドのインク、PDMS の硬化剤。
      メモ: ここでは、我々 は 2 つのレシピをテスト: 1) 2 mg TiO₂ + g PDMS あたり 3.5 μ L 墨と 2) 1 mg TiO₂ + g PDMS あたり 10 μ L 墨。各レシピでは、光の粒子の対応する量と 4.5 g PDMS 樹脂と 0.45 g PDMS 硬化剤が使用されます。
   2. スピード ミキサーでミックス (材料表参照) 60 s。TiO₂粒子混合に固執する場合カップ (TiO₂の高濃度と考えられる)、カップのベースからの粒子を除去する手で混合、別の 30 のミキサーでミックス s。
   3. 井戸や薄膜を確認するシャーレに混合物を注ぐ (0.1-1 mm) の混合物のスラブ。
   4. ドガ気密負圧室、30-60 分で 80 ° C で事前に加熱されたオーブンの場所にそれらを置くことによって 10 分間スラブは、オーブンから除去し、涼しい許可しなさい。
   5. 冷却ポリマー スラブをコンテナーから削除します。フラット、制服のスラブを残してエッジを切り落とします。キャリパーを使用してスラブの厚さを測定します。
4. 透過率 (T) と積分球を用いた slab(s) (R) 反射率を測定します。詳細および手順については、逆追加倍増 (IAD) マニュアル³⁷で見つけることが。
   1. 光源・積分球セットアップの分光器をオンにします。小さな、平行ビームを確保するためのシステムの配置、積分球の入り口と出口ポートを中心にチェックしてください。
   2. 積分球システムを調整します。
      1. ソースをオフに、積分球の出口ポートのキャップおよび 3 つの暗いスペクトルを記録します。
      2. 頂いた出口ポートと空の入り口ポート伝送参照を取得するソースをオンに戻します。三つのスペクトルを記録します。
      3. 反射率基準測定反射率の規格を使用してを取得します。球の出口ポートに各標準を置きなさい。各反射率標準の 3 つのスペクトルを記録します。
   3. スラブの透過率を測定します。出口ポートのキャップ、透過測定用積分球の入力ポートにスラブを配置します。三つのスペクトルを記録します。
   4. スラブの反射率を測定します。出口ポート キャップをはずし、反射率測定の出口ポートにスラブを配置します。三つのスペクトルを記録します。
5. IAD ソフトウェアを使用して光学的性質を決定します。ソフトウェア ダウンロード^37,38で IAD 手動でソフトウェアの完全なチュートリアルを見つけることが。
   1. 三つのスペクトルを測定ごとに取得平均。
   2. IAD マニュアル³⁷の方程式を使用して、これらの測定値を R および T の値に変換します。必要な場合は、スペクトルに沿ってサンプリング レートを減らすことによってファイルを凝縮します。
   3. 波長、反射率、透過率、およびサンプル厚さ IAD マニュアル³⁷で説明したように、IAD の入力 .rxt ファイル (補足資料 1) を準備します。コマンド プロンプト (Windows OS) またはターミナル (Mac OS) を使用して、正しいパスに移動します。「Iad ' 入力ファイル名'」に IAD を実行を入力します。ソフトウェア推定の光学特性と出力テキスト ファイルが生成されます。
6. 光学特性は、目的の値の許容範囲 (~ 15%) 以内には場合、に応じてレシピを変更し、手順 1.3-1.5 を繰り返します。

2. 溶ける 3 D の準備が内部構造を印刷

1. コンピューターを使用して内部構造を設計支援設計 (CAD) ソフトウェアです。構造ソリッド モデルを 3 D プリンターで製作する光造形ファイルに変換します。かどうか、分割 CT スキャンすることができますもファイルに変換する、光造形内部構造のソリッド モデルを描画するのではなく。
   注: ここで使用されるフラクタル ツリー構造の CAD ファイルは、補足資料 2に提供されます。本稿で使用するプリンターは、部分の脱却支援材料があるに押し出してプリンターです。
2. ポリビニル アルコール (PVA) や耐衝撃性ポリスチレン (HIPS) などの印刷用の溶ける材料を選択 (材料の表を参照してください)。この溶ける素材のソリッド モデルを印刷します。
3. 印刷部分が十分に冷却、破る、溶解、またはマシン、印刷部分を支援材料。ファイルまたは任意の大規模な欠陥から砂を。
4. 蒸気は、表面粗さを抑える印刷部分を磨きます。
   1. 逆にセキュリティで保護された印刷の部品と印刷部分のベースに薄い鋼またはニチノール ワイヤーのクリアランスで貫通穴をドリルします。
   2. ステンレス鋼または穴を通してニチノール ワイヤを通します。ワイヤーの両端を曲げるし、一緒にフックします。これはビーカー内のアセトンの蒸気で完全に浸漬するための部分となります。ワイヤーで脇部分を設定します。
   3. 埋める大ビーカーに約 10% アセトンのフル。100 ° C に加熱しながらホット プレート上のビーカーを配置します。注意: は、アセトン蒸気の吸入を防ぐために発煙のフードでこの手順を実行します。
   4. 部品はビーカーを触れないでアセトン蒸気の凝縮に達するについて途中でビーカーの壁を第 2 のワイヤのモックの気道をループワイヤーをハングおよび 15-30 s. 確認印刷アセトン蒸気で中断するとき壁または各他 (蒸気の研磨複数部分を一度に)。
   5. 印刷部分を削除し、空のビーカーまたはコンテナー上中断します。少なくとも 4 時間のための乾燥部分ましょう。
5. 必要に応じて内部構造の寸法は CAD 設計に許容範囲内でを確認します。精度の要件に応じてノギスや 3 D レーザースキャナーは、構造を測定する使用できます。

3. 耐熱金型の構造

注: は、PDMS ファントムを形成する漏れ防止、耐熱金型を準備します。最後のファントムのデザインに合わせて金型の形状を選択します。ここでは、再利用可能な長方形の型を説明しています。

1. 3 D プリントに金型のソリッド モデルのベースをデザインします。この金型は、1.17 x 1.79 cm のベースとファントムの設計されています。金型のベースには、幻のベースに一致する内側の寸法の厚さ 1 mm と 5 mm の深い凹部があります。これにより、削除するサイディングにカビやカビを分解し再利用します。
2. 金型のサイディングをセキュリティで保護するための十分な幅のはめ込みと金型のベースを印刷します。
3. モールド ベースの凹部にサイディングを配置します。ここでは、1 mm 厚さのポリカーボネート シートは、金型の下見張りとして使用されます。
4. 耐熱テープを使用すると、金型のエッジをシールします。すべてのコーナーとエッジが十分にない泡成形プロセス中に任意の漏れを防ぐためにテープで密封されるが不可欠です。
5. 手順 3.4 で金型内部ポリカーボネート ベース プレートを配置します。このベース プレート金型サイディングと同じ 1 mm 厚さのポリカーボネート シートは、モールド ベースの 3 D 印刷面の粗さのない滑らかな表面のファントムの基盤を与える.接着剤が完全に乾燥蒸気がベース プレートの部分を研磨します。接着剤を乾燥させるのに十分な時間を許可します。

4. 高分子ファントムの作製

注: は、特定のアプリケーションの手順 1 で決定された一括マトリックス材料の検証済みのレシピを使用します。ここのプロトコルでは、手順を説明します健康なマウス肺組織の 535 でファントム μ_sで nm ' 40 cm^-1 μ_、 2 cm^-1の。ない光粒子作製プロセスの基準として使用する 2 番目のファントムを作製することができます。

1. PDMS 樹脂の 9.1 g を混合プラスチックのカップに注ぐ。ルチル TiO₂インドのインクの 35 μ l に続いての 20 mg を追加します。最後に 0.91 g 硬化剤混合物の上を追加します。1.3.2 の手順で混合のプロトコルに従ってください。
2. 耐熱性カビに最終的なポリマーの混合物を注ぐ。
3. 材料の光学特性の確認のためポリマー スラブを作成する別の容器に少量の混合物を注ぐ。十分なポリマーが少なくとも 100 μ m の厚みのスラブに注がれるを確認します。
4. 脱気用ベルジャーにモック気道型と別のスラブを配置します。真空プロセスを開始します。モック気道型のポリマーに上昇、空気表面の泡を破裂するベルジャーに戻って起動する場合もう一度空気をプルし始めます。ポリマーが大幅上昇しないするまでこの手順を繰り返します。これは 4.2 の手順中にどのくらいの空気が閉じ込められたによって 5-10 分間かかります。一度、PDMS はもはや上昇、別の 15 分のガスを抜き続けます。
5. 脱泡後部屋に戻って空気をゆっくり入れます。模擬ファントムの気道と高分子スラブの両方を削除し、レベル 80 ° C 2 時間オーブンで配置します。
6. ファントムとスラブをオーブンから取り出し、硬化ポリマーを切断することがなく 20 分分解高分子鋳型メスに冷ます。モック気道基地ベース プレートをスナップします。
7. 内部の部品が完全に溶解するまで温水 (60 ° C) ~0.5 M 水酸化ナトリウム (NaOH) の基本お風呂でファントムを配置します。光学的に明確な基準ファントム内部のコンポーネントの溶解時間を判断に役立ちます。内部構造を溶解すると、風呂からファントムを取る、任意の光学測定を行う前に (~ 24 h) を完全に乾燥させます。

5. ファントム作製の検証

1. 必要な場合は、高分解能磁気共鳴イメージング (MRI) またはマイクロ コンピューター断層撮影 (CT) 画像を使用して幻のジオメトリを確認します。これらのメソッドは、軸方向の解像度と汚濁物質の内部構造の 3 D 検証を提供する < 400 μ m^39,40。また、光学的に明確な基準ファントムは残りのボイドは正しいジオメトリと印刷部分が完全に解散した検証のため光学的にイメージ化します。
   注: マイクロ CT 上、北斗イメージング (NSI) X50 で光を通さないファントム (2 mg TiO₂ + 3.5 μ l 墨) の内部形状を検証しました。怪人は、すべての次元 (補足資料 3, 4) で 20 μ m の分解能でイメージしました。
2. 高分子スラブと (1.5-1.6 の手順で説明) 積分球を用いたファントムの光学特性を確認します。

結果

535 で摘出した健康と炎症を起こしたマウス肺組織の測定の光学特性をシミュレートするために作製したマウス肺組織ファントム ファントムの作製技術を示すためには、nm (表 5)。この波長は、以前の研究³³で抗酸菌の遺伝子組換え記者系統で使用される tdTomato 蛍光タンパク質の励起波長です。マウス肺組織の光学的測定は、1.4-1.5 の手順の説明と同じ方法で得られました。動物の使用は、機関動物ケアおよび使用委員会 (IACUC)、テキサス A & M 大学によって承認されました。インドのインクに TiO₂の適切な比率健康両方に見つかり、535 nm の波長の光 (表 5) のマウス肺組織の炎症します。

テーブル 1-4 図 2-

ディスカッション

内部空気組織インターフェイスをシミュレートするために内部の分岐構造を持つマウス肺を表す光のファントムを作成する方法を説明してきました。マウス肺組織の光学特性は、光散乱・吸収ゆく一括マトリックス高分子内分散粒子のユニークな濃度を組み込むことによって達成されます。これらの光学特性は、さまざまな状態 (すなわち病気の組織と健康な) 組織の異なったスペクトル範囲内生理値を模倣するように調整できます。光学特性が波長興味、基材とファントム内粒子の濃度に依存しています。ただし、複数の粒子で散乱と吸収との関係は常に直感的な^{41 です}。吸収の増加の率は散乱係数の増加の率を同様に散乱粒子として吸収粒子の濃度に依存しています。(図 2-4)。PDMS のファントムは、最大 1 年^27,28の光学的性質を維持するために示されています。積分球測定値の誤差範囲内で光学特性の 3 週間の安定性...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ダウコーニングシルガード184シリコーン封止剤クリア0.5 kgキット	エルスワース接着剤	184 SIL ELASTキット0.5KG	ポリジメチルシロキサン:光学ファントム用ポリマーベースホワイト
ルチル二酸化チタン粉末	大西洋機器エンジニア	TI-602	光学ファントム用散乱粒子ヒ
ギンズ万年筆インドインクマイケル	ズクラフトストア	10015483	光学ファントム用吸着粒子
耐熱テープ	Uline	S-7595	ポリマーモールド用耐熱テープ
Fortus 360mc 3Dプリンター	Stratasys	N/A	このモデルプリンターで材料を切り替えて製作・支持できる
ABS アイボリー モデル素材	Stratasys	SDS-000001	金型部品の印刷用材料や、内部構造の印刷サポートとして使用
SR-30 可溶性サポート	Stratasys	400638-0001	内部構造を印刷するためのベース可溶性サポート材料
Flacktek Speedmixer	Flacktek Inc.	DAC 150.1 FV	ポリマーと粒子の効率的な混合
積分球	Edmund Optics	58-585	光学特性の測定用
ポリカーボネート製ビルドプレート (1 mm)	Stratasys	N/A	Stratasysプリンターの中古ポリカーボネート製ビルドプレートも使用可能