拡散反射率分光用光学ファントムを模倣したアガロース ベース組織

Summary

アガロース ベース組織模倣光ファントムが作られて 方法を示すここでは、その光学特性は、積分球を用いた従来の光学系を使用して決定されます。

Abstract

このプロトコルは、組織模倣ファントムの agarose ベースの作り方を説明し、積分球を用いた従来の光学系を用いた光学的性質を決定する方法を示します。拡散反射率および全透過率スペクトルの取得がブロード バンド白色光源、光ガイド、アクロマティック レンズ、積分球、試料ホルダー、光ファイバープローブで構築されているために、計測システムとマルチ チャンネル分光器です。2 つの長方形のアクリル部分と U 形のアクリル作品から成るアクリル金型は、全血を表皮のファントムと真皮のファントムを作成する構築されます。ナトリウム (Na₂S₂O₄) ハイドロサルファイト溶液の皮膚ファントムへの応用により皮膚ファントム分散赤血球中のヘモグロビンを deoxygenate に研究員。吸収係数スペクトルμ_、(λ) を決定する逆拡散反射と全透過率スペクトル積分球を用いた分光計によって測定されるモンテカルロ ・ シミュレーションを実行し、散乱係数スペクトルμ_sを削減 ' (λ) 各層のファントムの。人間の皮膚組織の拡散反射を模倣した二層ファントムも皮膚ファントムに表皮のファントムを積むことによって示します。

Introduction

生体組織の光学特性を模倣したオブジェクトは、光と生体医用光学分野で広く使用されています。彼らは、生きている人間や動物組織の光散乱と吸収係数などの光学特性が一致するように設計されています。光のファントムは一般的に次の目的に使用される: 品質とパフォーマンスを比較する、既存のシステムのパフォーマンスを評価、新開発の光学系の設計を調整、生体組織の光トランスポートをシミュレートします。システムと光学特性^1,2,3,4,5を定量化するための光学的手法の能力の検証します。したがって、光安定性、再現性の高いシンプルな作製プロセス取得簡単な物質、光ファントムを作るために必要。

各種水性懸濁液⁶、ゼラチンなどの異なる基本材料と光のファントムのゲル⁷agarose のゲル^8,9,10, ポリアクリルアミドゲル¹¹, 樹脂^{12、 13,14,15,16}部屋温度加硫シリコーン¹⁷以前文献で報告されています。それは、ゼラチンやアルギン酸ベースのゲルが不均質構造¹⁸光ファントムの有用であることが報告されています。アルギン酸ファントム レーザー アブレーション研究などレーザーを用いた温熱療法研究¹⁸光熱効果を評価するための適切な機械的および熱的安定性があります。異種構造を作製することは Agarose のゲルとの機械的及び物理的性質が安定して長い時間¹⁸。高純度 agarose のゲルがある非常に低い濁り度および弱い光吸収。したがって、ファントムの agarose ベースの光学特性は適切な光散乱及び吸収剤で簡単に設計できます。面白いファントム材料として最近では、報告されているスチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS) ブロック共重合体¹⁹ポリ塩化ビニル (PVC) ゲル²⁰光と音響技術。

高分子微小球^7,12,21,22、チタン酸化物粉末¹、および脂質エマルジョン^23,24,25,26牛乳など脂質エマルジョンは黒インク^27,28と分子色素^29,30光吸収材として使用するのに対し、光散乱剤として使用されます。拡散反射スペクトルの臓器が赤血球で酸素と脱酸素化ヘモグロビンの吸収によって支配されるほとんどの生活。したがって、ヘモグロビン ソリューション^31,32および全血^8,9,10,33,36における光の吸収体として使用される、拡散反射率分光法とマルチ スペクトル イメージング用ファントム。

この資料に記載メソッドを使用するは、生体組織の光トランスポートを模倣した光学ファントムを作成し、その光学特性を評価します。例として、2 層ファントム模倣した光の光学特性人間の皮膚組織が示されています。このメソッドの代替技術優位が可視近赤外波長域として、それを使用して簡単に利用できるようにシンプルに生きている生体組織の拡散反射スペクトルを表現する能力材料は、従来の光学機器。したがって、この方法によって作られた光のファントムは拡散反射分光法とマルチ スペクトル イメージングに基づく光学的手法の開発に有用になります。

Protocol

1 従来型拡散反射率および全透過率分光システムの構築

注: は、拡散反射率および全透過率スペクトル広帯域白色光源、光ガイド、色消しレンズ、積分球、試料ホルダー、光ファイバー、およびマルチ チャンネル分光器を使用して測定システムを構築します。ライト トラップの役割は、反射スペクトルから鏡面反射成分を削除することです。積分球のサンプル ホルダーは取り付け用プレートと蟻とポートに対してサンプルを保持するスプリング式クランプ アセンブリから成っています。蟻とバネ クランプアセンブリ サンプル ホルダーから削除され、発泡スチロールの手作り立方台座代わりに取り付けプレートに取り付け。図 1 aと1 bに示すように、光学部品のレイアウトにそれぞれ拡散反射測定と全透過率測定の施工手順を参照できます。

1. 分光計と付属のユニバーサル シリアル バス (USB) ケーブルを使用してパソコンに接続します。
2. ポート アダプターを積分球検出器ポートに接続します。分光計と光ファイバーを用いた積分球のポート アダプターに接続します。150 W ハロゲン ランプ光源と光のガイドに接続します。
3. 試料ホルダーを積分球のサンプル ポートに接続します。拡散反射測定を実行するとき、積分球の適切なポートにライト トラップを添付します。導べ光板・色消しレンズ、サンプルを介して点灯するハロゲン ランプ光源を入れます。
4. 分光器のオペレーティング ソフトウェアを開きます。

2. アクリル金型の準備

注: 2 つの長方形のアクリル部分と U 形のアクリル作品で構成されるアクリル金型は、単分子膜のファントムを作成する構築されます。図 2は、この施工手順を参照するをことができます。

1. オプションのサイズを 2 mm 厚のアクリル板から長方形 2 つのアクリル部分をカットします。
2. オプションのサイズに 1 mm 厚のアクリル板からアクリル部分をカットします。1 mm 厚い表皮ファントムを作るために金型を使用する U 字型の部分になる、1 mm 厚のアクリル部分をカットします。
3. 省略可能なサイズに 5 mm 厚のアクリル板からアクリル部分をカットします。5 mm 厚のアクリル部分をカット 5 mm 厚い皮膚ファントムに金型として使用する U 字型の部分になります。
4. 金属ファイルを使って各アクリル部分からすべてバリを削除します。
5. 2 つの 2 mm 厚アクリル部分 1 mm 厚 U 字部分を押しながら 5 つのフォールド バック クリップを固定して表皮のファントムの金型を作る。
6. 2 つの 2 mm 厚アクリル部分 5 mm 厚 U 字部分を押し、5 つのフォールド バック クリップを固定皮膚のファントムの金型を作る。

3. 母材の準備

1. 0.9% (w/v) ポッドで NaCl と標準的な生理食塩水 500 mL を入れてください。ゆっくりと凝集を避けるために混合物を攪拌しながら agarose 粉末 5 g を追加します。
2. 5 分の 1,000 W 電源設定と電気クッキング ヒーターによる agarose 粉末と生理食塩水の混合物を加熱します。
3. 混合物の沸騰、一度 3 分間弱火で混合物を維持します。
4. 約 70 ° C の温度に混合物を冷却します。容器に混合物を注ぐし、ファントムを行う前に 30 分の 60 ° C で恒温槽で保管してください。

4. 皮膚模倣光ファントムの作製

メモ: コーヒー液は、メラニンの吸収スペクトルを模倣する使用されます。コーヒー液には、メラノイジンと呼ばれる褐色の色素が含まれています。メラノイジンの吸収スペクトルは、メラニン¹⁰のそれに似ていると報告されています。

1. 表皮のファントムを準備します。
   1. コーヒー メーカーの貯水池に純粋な水を 100 mL を注ぐ。コーヒー メーカーのバスケット フィルターを配置します。フィルターに挽いたコーヒーの 24 g を追加します。コーヒー メーカーをオンにし、醸造を開始する brew ボタンを押します。
   2. コーヒー液をガラス瓶の中の醸造されたコーヒーと 16 mL の生理食塩水 4 mL を置きます。
   3. 脂質エマルジョン (例えば、イントラリピッド 10%) 5 mL を入れ、透明なプラスチックのカップにコーヒー溶液 10 mL。ゆっくりと攪拌しながらこの混合物に基材の 35 mL を追加します。
   4. 注射器に混合物を吸引し、任意の気泡を回避しながら表皮ファントム金型にゆっくりと挿入します。20 分間 5 ° C の混合物を含むアクリル金型を冷却します。
   5. 金型からフォールド クリップを削除します。外側アクリル作品の一つ、型から外します。金型からファントム 1 mm 厚固化したゲルを取るし、手術用のメスを使用して希望のサイズにカットします。
   6. 置き、ファントムの 2 つのスライド ガラスの間を保持します。
2. 酸素を含んだ血液を含む皮膚ファントムを準備します。
   1. 脂質エマルジョン 5.0 mL と 45% ヘマトクリットで全馬の血の 0.4 mL を取るし、透明なプラスチックのカップに置きます。ゆっくりと混合物を攪拌しながら基材の 44.6 mL を追加します。
   2. 注射器に混合物を吸引し、任意の気泡を回避しながら皮膚ファントム型にゆっくりと挿入します。20 分間 5 ° C の混合物を含むアクリル金型を冷却します。
   3. 金型からフォールド クリップを削除します。外側アクリル作品の一つ、型から外します。金型からファントム 5 mm 厚固化したゲルを取るし、手術用のメスを使用して希望のサイズにカットします。
   4. 置き、ファントムの 2 つのスライド ガラスの間を保持します。
3. 脱酸素化血を含む皮膚ファントムを準備します。
   1. 幻のガラス皿の上 (ステップ 4.2.3) から酸素を含む血液を含む皮膚ゲルを置きます。
   2. 亜ジチオン酸ナトリウム (Na₂S₂O₄) の 1 g をガラス瓶の中には、生理食塩水 20 mL に溶解します。
   3. Na₂S₂O₄怪人の血を deoxygenate に注射器を用いたファントムに液の 0.05 g/ミリリットルを追加します。
   4. 置き、乾燥を防ぐために 2 つのスライド ガラスの間ファントムを保持します。
4. 2 層ファントムを準備します。
   1. 表皮と真皮層の間の光結合を確保するため皮膚ファントムに生理食塩水を 0.1 mL をドロップします。皮膚のファントムに表皮のファントムを配置します。
   2. 空気の泡が層の間に存在する場合を押してそれらを指先で 2 層ファントムの表面をなでます。
   3. 乾燥を防ぐために 2 つのスライド グラスの間 2 層ファントムを保持します。

5. 拡散反射スペクトルの取得

1. 暗いスペクトルの取得
   注: 分光計の電荷結合素子 (CCD) センサーは、光の強度が入射光に対する応答として生成される電気信号に基づいてを見積もることができます。しかし、光子によって生成された信号とは無関係ですが、センサーが光を検出しない場合でもデバイスの温度に依存して、暗³⁷があります。光のスペクトル強度を正確に計測するには、暗電流信号でダーク スペクトルとして測定、サンプル スペクトルから引かれます。暗いスペクトルはブロック光路で撮影したスペクトルであります。
   1. 積分球を拡散反射測定 (図 1 a) の最適な位置に配置します。
   2. ハロゲン ランプ光源をオフにします。ポート プラグまたはシールド プレートを使用して分光器と光のパスをブロックします。
   3. ダーク スペクトルを保存するには、[ファイル] メニューから暗い保存コマンドを選択します。
   4. 測定サンプル スペクトル (下記参照) からダーク スペクトルを減算するには、[ファイル] メニューから減算ダーク スペクトルコマンドを選択します。
2. 参照スペクトルの取得
   メモ: 光源、導べ光、色消しレンズ、光ファイバー、分光光度計など、この実験で使用されるコンポーネントの光学特性独自の波長依存性があります。したがって、参照スペクトルとしてこれらの光学部品を通過する光のスペクトルの強度を測定する必要があります。拡散反射スペクトルの測定、参照スペクトルはスペクトルの光源からの光で照らされた標準的な白いディフューザーで撮影しました。
   1. 電源ボタンを押すことによってハロゲン ランプ光源をオンにします。参照スペクトルを取得する前に、少なくとも 10 分間ランプを暖かい。
   2. 積分球のサンプル ポートで標準的な白いディフューザー (例えばスペクトラロン) を配置します。
   3. 分光器の積分時間をピーク信号強度が最大の分光強度の約 75% ように装置のオペレーティング ・ ソフトウェアのドロップ ダウン リストから適切な値を選択して調整します。
   4. 参照スペクトルを保存するには、[ファイル] メニューから参照を格納するコマンドを選択します。
3. サンプル スペクトルの取得
   メモ: サンプルの拡散反射スペクトルは取得、同じ取得条件を使用してパーソナル コンピューターのハード ドライブに保存されています。
   1. サンプル ポートで 2 つのスライド ガラスに挟まれた表皮のファントムを配置します。拡散反射スペクトルをファイルに保存するには、[ファイル] メニューから[上書き保存] を選択します。
   2. ステップ 5.3.1、皮膚のためと 2 層ファントムを繰り返します。

6 総透過スペクトルの取得

1. 暗いスペクトルの取得
   注: 分光計のセンサーは、光の強度が入射光に対する応答として生成される電気信号に基づいてを見積もることができます。しかし、光子によって生成された信号とは無関係ですが、センサーが光を検出しない場合でもデバイスの温度に依存して、暗騒音があります。光のスペクトル強度を正確に計測するには、暗電流信号でダーク スペクトルとして測定、サンプル スペクトルから引かれます。暗いスペクトルはブロック光路で撮影したスペクトルであります。
   1. 積分球を総透過率測定 (図 1 b) の最適な位置に配置します。
   2. 積分球のポートから光トラップを外し、ポートにポートのプラグを取り付けます。
   3. ハロゲン ランプ光源をオフにします。ポートのプラグを使用してまたは遮蔽板の積分球に光路をブロックします。
   4. ダーク スペクトルを保存するには、[ファイル] メニューから暗い保存コマンドを選択します。
   5. 測定サンプル スペクトル (下記参照) からダーク スペクトルを減算するには、[ファイル] メニューから減算ダーク スペクトルコマンドを選択します。
2. 参照スペクトルの取得
   メモ: 光源、導べ光、色消しレンズ、光ファイバー、分光光度計など、この実験で使用されるコンポーネントの光学特性独自の波長依存性があります。したがって、これらのコンポーネントを通過した光のスペクトルの強度は参照スペクトルとして測定する必要があります。合計透過スペクトルの測定、参照スペクトルはスペクトルの光源からの光は直接サンプル ポートを介して積分球に入るときです。
   1. 電源ボタンを押すことによってハロゲン ランプ光源をオンにします。参照スペクトルを取得する前に、少なくとも 10 分間ランプを暖かい。
   2. 最大の光強度が最大値の約 75% は、信号を示すように装置のオペレーティング ソフトウェアの統合時のドロップ ダウン リストから適切な値を選択することで分光器の積分時間を調節します。値。
   3. 参照スペクトルを保存するには、[ファイル] メニューから参照を格納するコマンドを選択します。
3. サンプル スペクトルの取得
   メモ: サンプルの合計透過率スペクトルは取得、同じ取得条件を使用してパーソナル コンピューターのハード ドライブに保存されています。
   1. サンプル ポートで 2 つのスライド ガラスに挟まれた表皮のファントムを配置します。合計透過スペクトルをファイルに保存するには、[ファイル] メニューから[上書き保存] を選択します。
   2. ステップ 6.3.1、皮膚のためと 2 層ファントムを繰り返します。

7. 吸収と光散乱特性の推定

注: 一連の拡散反射スペクトルと全透過率スペクトルはパーソナル コンピューターのハード ドライブに保存、オフライン分析します。吸収係数スペクトルμ_、(λ) と散乱係数を推定する逆モンテカルロ シミュレーション^8,38,39,40が実行されスペクトルμ_s'(λ)。この逆モンテカルロ シミュレーション、散乱の推定係数μ_s、異方性因子gが 0 であるという仮定の下で減らされた散乱係数μ_sとみなされる」.反射率と透過率のデータは、1 つのシミュレーションを実行に使用されます。このプロトコルで使われるアルゴリズムの詳細は、以前の文学^8,39で報告されています。吸収係数スペクトルμ_、(λ) と散乱係数スペクトルμ_s'(λ) 拡散反射のセットから表皮層の推定スペクトルと表皮層から得られた総透過率スペクトル。同じ方法で我々 はμ_、(λ) とμ_s'(λ) 拡散反射スペクトルと、皮膚から得られる全透過率スペクトルのセットから真皮層の推定レイヤー。

1. モンテカルロ ・ シミュレーションのための入力ファイルを開きます。
2. 測定された反射と 400 から 700 の特定の波長範囲で全透過率の値を入力入力データ ファイルの 10 nm 間隔で nm。入力データ ファイルのファントムの厚みの値を入力します。
3. 入力データ ファイルの適切な値に層の屈折率nを設定 (例えば、 n = 550 で 1.33 nm)。入力データ ファイルの 0 にする異方性係数gの値を設定します。
4. 吸収係数μ_は入力データ ファイル内の適切な値に散乱係数μ_sの初期値を設定 (例えば、 μ_、 0.01 μ_s = = 0.1).
5. 逆モンテカルロ シミュレーション プログラムを実行します。
6. 入力ファイル名を入力し、シミュレーションを実行します。
7. 出力ファイルを開き、繰り返しシミュレーションを終了した後、 μとμ_sの最終的な値を確認します。
8. その他ご希望の波長に対して、手順 7.1 7.7.

Results

代表的な推定スペクトル散乱係数とファントムの表皮と真皮ファントムの吸収係数を図 3に示します。図 3に示す結果の反射率と透過率スペクトル 10 測定の平均であります。散乱係数μ_s'は、短い波長でより高い大きさを示す広い散乱スペクトル。スペクトルの特徴は、軟部組織の典型的な散乱スペクトルに対応しています。吸収係数μ_、波長につれて指数関数的に表皮のファントム崩壊のメラニンの吸収スペクトルに類似しています。ファントム表皮の光吸収係数スペクトルとメラニン⁴¹として指数関数に適合しました。

Discussion

このプロトコルの最も重要なステップは、基材の温度コントロールです。58 から 60 ° C 〜 基本の材料を維持する温度温度は 70 ° C 以上、脂質エマルジョンと全血の変性が発生します。結果として、幻の光学特性が悪くなります。温度が 40 ° C 未満の場合基材が不均一ゼリー状になるし、したがって、光散乱及び吸収剤が不均一幻に配布されます。基材は 60 ° C に保ったが、温度を下げる注射器で吸引します。血のソリューションに追加するとき基材の温度を 50 ° C に下げます。

この資料に記載されている光のファントムは通常 1 日以内に限定されている使用可能な有効期間の短いに苦しみます。密封された容器で基材にファントムをカプセル化や防腐剤を使用して、使用可能な有効期間を延長があります。1 mm 厚の表皮層ファントムは、人間の表皮の厚さより大きい大きさの順序です。プロトコルではこのアクリルの金型で、しかし、困難であった膜厚を作成する 0.5 mm 未満のもの。拡散反射スペクトルと同様のスペクトルを示したので、ファントムの表皮の散乱及び吸収係数が規制されたファントムの測定の拡散反射ス...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
150W ハロゲンランプ光源	林時計製作所 (東京)	LA-150SAE
ライトガイド	林時計製作所 (東京)	LGC1-5L1000
積分球	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	RT-060-SF
Port adapter	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	PA-050-SMA-SF
ライトトラップ	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	SRS-99-020
Optical fiber	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	P400-2-VIS-NIR
ミニチュア光ファイバー分光計	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA
アクロマティックレンズ	中央精密工業(株)	ACL-50-75M
Intralipid	Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden	Intralipid 10%
Coffee (Blendy Mocha Blend Regular Coffee)	味の素AGF, Inc. 東京 販売	不可
全血	日本バイオテストラボラトリーズ 埼玉県	0103-2
アガロー	日本ジェネティクス(株)	NE-AG02
クッキングヒーター	東芝 東京	HP-103K