Een stabiel fantoommateriaal voor optische en akoestische beeldvorming
16 juni 2023
Dit protocol beschrijft de fabricage van een stabiel, biologisch relevant fantoommateriaal voor optische en akoestische biomedische beeldvormingstoepassingen, met onafhankelijk afstembare akoestische en optische eigenschappen.
Ons onderzoek is gericht op het ontwikkelen van nieuwe beeldvormingsmodaliteiten voor vroege detectie van kanker. In deze studie in het bijzonder richtten we ons op het ontwikkelen van een stabiel testobject, of ook wel fantoom genoemd, om beeldvormingsmodaliteiten te valideren op basis van licht en / of geluid. Er zijn verschillende middelen voorgesteld om weefselnabootsende materialen in het akoestische optische regime te ontwikkelen.
Bijvoorbeeld PVA, hydrogels, polyurethaan of PVCP. Deze studie richt zich op een veelbelovend nieuw materiaaltype op basis van de samenstelling van polymanolie, die veel van de uitdagingen op het gebied van tonijn en stabiliteit overwint. Het gebied van biomedische optica omvat een breed scala aan beeldvormingsmodaliteiten die kunnen worden toegepast op enkele van de belangrijkste uitdagingen waarmee de geneeskunde vandaag wordt geconfronteerd.
Veel van de optische beeldvormingsmodaliteiten zijn relatief beperkt in de diepte, maar we kunnen ook licht koppelen aan geluid via het fotoakoestische effect om te profiteren van enkele van de dieptepenetratievoordelen van echografie. Fotoakoestische beeldvorming is veelbelovend gebleken in een breed scala aan klinische onderzoeken, van beeldvorming van ontsteking tot kankerdiagnose. Kwantitatieve prestatiebeoordeling blijft echter een uitdaging vanwege een gebrek aan beschikbare fantoommaterialen die de optische en akoestische eigenschappen van weefsel nauwkeurig kunnen nabootsen en stabiel blijven in de loop van de tijd.
Er worden veel nieuwe optische en fotoakoestische beeldvormingssystemen ontwikkeld, maar we missen een gestandaardiseerd referentiefantoom om die systemen te valideren en hun prestaties te vergelijken. Ons materiaal is een veelbelovende kandidaat om deze leemte op te vullen en de verdere ontwikkeling en vertaling van deze opwindende nieuwe technieken naar de kliniek te ondersteunen. In de toekomst willen we ons richten op het creëren van meer anatomisch realistische fantoomontwerpen en architecturen die geschikt zijn om de prestaties van verschillende systeemconfiguraties te evalueren.
Bijvoorbeeld microscopische, mesoscopische en macroscopische systemen, die verschillende geometrieën en ruimtelijke resoluties hebben.
Overzicht
Deze studie presenteert een protocol voor het creëren van een stabiel fantommateriaal dat is ontworpen voor optische en akoestische biomedische beeldvorming. Het fantommateriaal beschikt over instelbare akoestische en optische eigenschappen, waarmee uitdagingen bij het valideren van beeldvormingsmodaliteiten worden aangepakt.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Biomedische beeldvorming
- Optische beeldvorming
- Akoestische beeldvorming
Achtergrond
- De ontwikkeling van weefselnabootsende materialen is cruciaal voor de validatie van beeldvormingstechnieken.
- Bestaande materialen missen vaak stabiliteit en instelbaarheid.
- Fotoakoestische beeldvorming combineert licht en geluid voor een diepere weefselpenetratie.
- Gestandaardiseerde referentiefantomen zijn nodig voor de prestatiebeoordeling van beeldvormingssystemen.
Doel van de studie
- Om een stabiel fantommateriaal te vervaardigen voor optische en akoestische beeldvorming.
- Om een oplossing te bieden voor het gebrek aan betrouwbare fantommaterialen in de biomedische optica.
- Om de ontwikkeling en vertaling van nieuwe beeldvormingstechnieken naar klinische omgevingen te ondersteunen.
Gebruikte methoden
- Sonicatie van titaandioxide en kleurstof in minerale olie.
- Verwarmen en mengen van polymeren (SEBS en LDPE) in de gesoniceerde oplossing.
- Vacuümverwijdering van luchtbellen uit het mengsel.
- Gieten van de oplossing in mallen en laten uitharden bij kamertemperatuur.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle bereiding van een glad en homogeen phantommateriaal.
- Er zijn drie verschillende phantomontwerpen gemaakt voor verschillende beeldvormingssystemen.
- Het materiaal vertoonde stabiliteit en instelbaarheid van de optische en akoestische eigenschappen.
- Uitdagingen in bestaande phantommaterialen voor fotoakoestische beeldvorming zijn aangepakt.
Conclusies
- Het ontwikkelde fantommateriaal is een veelbelovende kandidaat voor de validatie van beeldgevingsmodaliteiten.
- Toekomstig werk zal zich richten op het creëren van anatomisch realistische ontwerpen.
- Dit onderzoek ondersteunt de vooruitgang van beeldgevingstechnieken in klinische toepassingen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Leidinggevenden
Gestandaardiseerde, stabiele fantoommaterialen zijn essentieel voor het benchmarken en valideren van optische en akoestische beeldvormingsplatforms binnen biofarmaceutische R&D. Dit copolymeer-in-olie fantoom maakt reproduceerbare, kwantitatieve apparaatvergelijkingen mogelijk en ondersteunt de ontwikkeling van cross-institutionele beeldvormingsstandaarden. De instelbare, weefselnabootsende eigenschappen hebben een directe impact op translationele beeldvormingsworkflows en de adoptie van technologie.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & target-validatie
- Maakt rigoureuze hypothesetoetsing van op beeldvorming gebaseerde biomarkerdetectiesystemen mogelijk.
- Ondersteunt mechanische risicoreductie door biologisch relevante, reproduceerbare testcondities te bieden.
- Faciliteert functionele validatie van beeldvormingsdoelwitten via gestandaardiseerde referentiematerialen.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt een gevalideerd substraat voor de kalibratie van kwantitatieve assays en de standaardisatie van apparatuur.
- Garandeert de reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid van imaging-outputs over verschillende platforms en locaties.
- Maakt schaalbare, reproduceerbare preparatie mogelijk voor high-throughput screening-omgevingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Stemt de prestaties van het beeldvormingssysteem af op ziekterelateerde weefseleigenschappen voor translationele continuïteit.
- Ondersteunt de validatie van preklinische modellen door de akoestische en optische kenmerken van menselijk weefsel na te bootsen.
- Verlaagt het risico bij de voortgang van beeldvormingsbiomarkers naar klinische toepassing.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit fantommateriaal wordt geïntegreerd in het continuüm van beeldvalidatie, van vroege ontdekking tot preklinische ontwikkeling, ter ondersteuning van apparaatkalibratie, assayontwikkeling en translationeel onderzoek.
- Ontdekkingsbiologie: Biedt een gecontroleerde omgeving voor hypothesegedreven beeldvormingsstudies en de analyse van signaalpaden.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor het benchmarken van apparaten en assays.
- Analytica: Maakt nauwkeurige meting van akoestische en optische parameters mogelijk voor vergelijkingen tussen verschillende systemen.
- Translationeel onderzoek: Slaat de brug tussen preklinische validatie van beeldvorming en klinische vertaling door relevante weefseleigenschappen na te bootsen.
- Bedrijfbrede hergebruikbaarheid: Biedt een duurzame, schaalbare standaard voor de voortdurende evaluatie van beeldvormingsplatformen en methodeontwikkeling.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert ambiguïteit bij beeldvormingsgebaseerde targetvalidatie.
- Operationele waarde: Standardiseert beeldvormingsworkflows en verbetert de reproduceerbaarheid binnen R&D-teams.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go-besluitvorming voor investeringen in beeldvormingstechnologie en de verdere ontwikkeling van de portfolio.
- Impact op portfolio: Maakt risicogecorrigeerde prioritering van beeldvormingsmodaliteiten en translationele biomarkerstrategieën mogelijk.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in materiaalvoorbereiding en kalibratie van het beeldvormingssysteem.
- Toegang tot sonicatie-, verhittings- en vacuümapparatuur is nodig voor een reproduceerbare fabricage.
- Standaardisatie van de phantoomvoorbereiding en beeldvormingsprotocollen tussen teams is vereist.
- Aanpasbaar aan diverse beeldvormingsgeometrieën en systeemconfiguraties, zoals aangetoond in het protocol.
- Homogeniteit en het verwijderen van luchtbellen zijn cruciaal voor betrouwbare beeldvormingsresultaten.
