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
August 22nd, 2018
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。
このミサイルは、拡散反射鏡分光法に基づく光学ミサイルの開発など、生物医学光学分野の重要な問題に対処するのに役立ちます。この技術の主な利点は、拡散反射鏡スペクターが生きているのを助け、近赤外線には見えない生体組織の脳領域を容易に入手できる材料を使用して表現できることです。単層ゲルファントムの作成には、金型を使用する必要があります。
表皮ファントム型は、厚さ1mmのアクリル板をU字型にカットしたものです。最初のプレートを覆うためのミリメートルの厚さのアクリル板サイズもあります。このプレートは金型の片側を形成します。
2枚目の厚さ2mmのプレートが金型の反対側を形成します。コンポーネントを所定の位置に配置した状態で、5つのクリップを使用して固定します。同様に、厚さ5mmのU字型アクリル板を2〜2mmの厚さのプレートの間に挟んで、真皮ファントム型を構築します。
これらのピースをクリップで固定します。基材の製造には、生理食塩水とアガロース粉末が必要です。鍋に500ミリリットルの生理食塩水を入れます。
次に、5グラムのアガロースをゆっくりと加えながらかき混ぜます。温度計を追加し、ポットを1000ワットの設定で5分間ホットプレートに置きます。沸騰したら弱火に3分ほど火を移します。
混合物が摂氏約70度の温度に冷えるのを待ってから、容器に注ぎます。60°Cの恒温槽に30分間入れてください。表皮のメラニンは、表皮ファントムのコーヒー溶液によって模倣されます。
これは、ガラス瓶に4ミリリットルの淹れたてのコーヒーと16ミリリットルの生理食塩水を混ぜて作成します。次に、透明なプラスチックカップに5ミリリットルの脂質エマルジョンを入れ、10ミリリットルのコーヒー溶液を加えます。35ミリリットルの基材を加えながら混合物を攪拌します。
表皮ファントム型を準備し、混合物をシリンジに吸引します。泡の形成を避けながら、混合物をゆっくりと型に注入します。この充填された型は、ゲルを作成するために冷却する準備ができています。
摂氏5度で20分間冷却します。冷却が終わったら、クリップを型から取り外します。アクリル片の1つを外側にスライドさせて取り外します。
厚さ1mmの固化ゲルファントムを型から取り出します。外科用メスを使用して、ファントムを希望のサイズに切断します。次に、ゲルファントムを2つのスライドガラスの間に置き、保持します。
透明なプラスチックカップに5ミリリットルの脂質エマルジョンを入れます。酸素化された血液の場合は、全馬の血液を追加します。その後、基材を加えながら攪拌します。
真皮ファントム型を準備し、混合物を注射器に吸引します。混合物をゆっくりと型に注入し、気泡が形成されないようにします。これが、充填されて冷却の準備ができた後の型です。
型を5°Cで20分間冷却します。冷却後に型を取り出し、クリップと外側のアクリル片を1枚取り外します。露出した厚さ5mmの固化ゲルファントムを型から取り出します。
外科用メスを使用して、希望のサイズにカットします。ファントムを2つのスライドガラスの間に置き、保持します。脱酸素ファントムの場合は、酸素化された血液ファントムから始めます。
注射器を使用してジチオン酸ナトリウム溶液をファントムに滴下し、血液を脱酸素化します。ファントムを2つのスライドガラスの間に置き、保持して乾燥を防ぎます。表皮と真皮ファントムを取得します。
0.1ミリリットルの生理食塩水を真皮ファントムに滴下して、光学結合を助けます。次に、表皮ファントムを真皮ファントムと生理食塩水の上に置きます。表面をなでて、層間の気泡を押し出します。
2つのスライドガラスの間に2層のファントムを構築して、乾燥を防ぎます。反射率スペクトルを測定するように装置をセットアップします。測定の鍵となるのは、片側にサンプルホルダーを備えた積分球です。
反対側にはライトトラップと入射光の入口ポートがあります。分光器は、球体の検出器ポートから光ファイバーで光を収集します。この回路図は、セットアップの概要を示しています。
未使用のポートは、光が球体に入るのを防ぐために差し込まれていることに注意してください。光源は150ワットのハロゲンランプで、アクロマティックレンズを使用したライトガイドでサンプルに光を集中させます。ハロゲンランプを点灯します。
温まったら、積分球のサンプルポートに移動します。そこで、サンプルホルダーに標準の白色ディフューザーを置き、測定の準備をします。分光器の積分時間を調整し、参照スペクトルを保存します。
ファントムの1つをサンプルホルダーに持っていきます。2つのスライドガラスに挟まれたままのファントムをサンプルポートに置き、別の測定の準備をします。送信されたスペクトルを測定し、データをファイルに保存します。
透過率スペクトルを測定するには、この回路図と一致するように設定を変更します。光は、サンプル ポートのサンプルを介して積分球に入ることに注意してください。他のポートは差し込まれています。
これは、透過率スペクトルを測定する準備ができている積分球です。測定には、2枚のスライドガラスの間に挟まれたファントムをサンプルホルダーに置きます。測定を行い、データを保存します。
これらのスペクトルは、真皮層に酸素化された血液を持つ2層構造のファントムからのもので、濃度は3%で、スペクトルは表皮層に2つの異なるコーヒー溶液濃度を持つサンプル用です。拡散反射率は、メラニンを模倣するコーヒー溶液の増加とともに減少します。これは、短波長で特に顕著です。
これは、表皮層のコーヒー溶液濃度が一定で、真皮層の血液濃度が変化するスペクトルです。ヘモグロビンの強い光吸収は、500〜600ナノメートルの範囲のスペクトルの違いを説明しています。拡散反射スペクトルは、血液の酸素化状態によって異なります。
これらのスペクトルのそれぞれについて、表皮層のコーヒー溶液濃度は7%に固定され、真皮層の血液濃度は3%に固定されています収集されたデータは、逆モンテカルロシミュレーションを介してファントムの光学特性を推定するのに役立ちます。これらは、計算された平均減少散乱係数スペクトルと表皮層と真皮層の吸収係数の例です。このテクニックは、一度マスターすれば、適切にプログラムされていれば6時間で習得できます。
ファントムを製作する際には、基材を摂氏60度の恒温槽で維持することを忘れないようにすることが重要です。この手順を行うことで、3層または4層のファントムを構築して、より複雑な回路図を持つ生体組織の以前の反射スペクトルの表現などの他のトピックを探求することができます。その開発後、この技術は、生物医学光学の分野の研究者が光学ミサイルとシステムの新しい方法を委任する道を開きました。
このビデオを見れば、生体組織内の光輸送を模倣する光学ファントムを作成する方法や、その光学特性を特徴づける方法についてよく理解できるはずです。ジチオナイトナトリウムでの作業は危険であり、酸素化された血液を含む皮膚ファントムを作成する際には、ゴーグル、手袋、フェイスマスクなどの適切な機器を着用する必要があることを忘れないでください。
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概要
この研究は、アガロースベースの組織模倣光学ファントムを作成し、統合球体を備えた従来の光学システムを使用してその光学特性を決定することを示しています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- バイオメディカルオプティクス
- 光学ファントム
- 拡散反射分光法
背景
- 拡散反射分光法に基づく光学ミサイルは、バイオメディカルオプティクス分野における重要な問題に対処します。
- 生体生物組織は、容易に入手可能な材料を使用して表現できます。
- モノレイヤーゲルファントムは型を使用して作成されます。
- 表皮ファントムの型は、特定の形状に切られたアクリル板で構成されています。
研究の目的
- 生物組織を模倣する光学ファントムを開発すること。
- これらのファントムの光学特性を評価すること。
- 拡散反射分光法の技術を向上させること。
使用された方法
- アガロースベースの組織模倣ファントムの作成。
- モノレイヤーゲルファントム用の型の使用。
- 統合球体を用いた光学特性の決定。
- 拡散反射分光法技術の適用。
主な結果
- 組織模倣光学ファントムの成功的な製造。
- 従来のシステムを用いた光学特性の正確な決定。
- 拡散反射分光法技術の有効性の実証。
- 生物組織の研究における潜在的な応用。
結論
- アガロースベースのファントムは生物組織を効果的に模倣できます。
- 使用された方法は信頼性の高い光学特性測定を提供します。
- この研究はバイオメディカルオプティクスの進歩に貢献します。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This protocol enables the creation of tissue-mimicking optical phantoms using agarose and acrylic molds, providing a reproducible platform for evaluating light-tissue interactions in early-stage biomedical optics research. By simulating epidermal and dermal layers with tunable melanin and hemoglobin concentrations, the method supports mechanistic de-risking of optical sensor and imaging technologies before costly in vivo studies. The approach enhances predictive confidence in preclinical development by allowing systematic validation of diffuse reflectance spectroscopy systems under controlled, physiologically relevant conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of light absorption and scattering properties in layered tissue mimics to validate optical sensing hypotheses.
- Operational Value: Provides a standardized, tunable phantom system for consistent benchmarking across optical probe designs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports assay readiness by generating quantitative diffuse reflectance and transmittance spectra for optical property calibration.
- Operational Value: Facilitates high-reproducibility measurements using integrating sphere spectrometry, reducing variability in optical screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant optical property modeling through independent control of epidermal (melanin-like) and dermal (hemoglobin-like) layer composition.
- Operational Value: Allows replication of optical measurements across laboratories, supporting cross-functional validation of imaging and sensing prototypes.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by enabling early optical property characterization that informs probe design prior to lead identification and preclinical validation stages.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of light-tissue interaction models through systematic variation of phantom composition.
- Screening: Delivers reproducible optical readouts essential for assay standardization in photonics-based sensing platforms.
- Analytics: Provides absorption and reduced scattering coefficient spectra via inverse Monte Carlo simulation, enabling quantitative comparison of optical conditions.
- Translational Research: Connects discovery-stage optical characterization to preclinical continuity by mimicking key chromophores in human skin.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable phantom platform for iterative testing of multiple optical sensing configurations across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in optical property attribution through controlled, layered tissue mimics.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility in optical measurements via defined phantom preparation and measurement protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in optical technology development by providing preclinical predictive data on light-tissue interactions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of optical sensor candidates based on validated performance in biomimetic environments.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomaterials preparation and optical spectroscopy setup.
- Dependent on access to integrating sphere-equipped spectrometers and temperature-controlled agarose processing equipment.
- Necessitates cross-team standardization of phantom fabrication and measurement protocols for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when extending the approach to multi-layer or complex tissue mimics beyond two-layer skin models.
- Includes practical limitations such as phantom stability over time and potential optical scattering variability due to gel inhomogeneity.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:37
Preparation of an Acrylic Mold
1:22
Preparation of the Base Material
2:04
Preparation of an Epidermal Phantoms
3:18
Preparation of Dermal Phantoms Containing Oxygenated or Deoxygenated Blood
4:30
Preparation of a Two-layered Phantom
5:00
Acquisition of Diffuse Reflectance Spectra and Transmittance Spectra
6:40
Results: Diffuse Reflectance Spectra from Two-layer Skin Tissue Samples and Estimated Absorption and Scattering Properties
7:58
Conclusion
