Method Article

Fantomy optyczne na bazie agarozy naśladujące tkanki do spektroskopii odbicia dyfuzyjnego

DOI:

10.3791/57578

⸱

August 22nd, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Bio-application & Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture & Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Kushiro National College of Technology, 3Division of Bioinformation and Therapeutic Systems, National Defense Medical College Research Institute, 4Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University, 5College of Design and Manufacturing Technology, Muroran Institute of Technology, 6Department of Livestock Services, Ministry of Fisheries and Livestock, Government of Bangladesh

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj pokazujemy, jak zbudowane są fantomy optyczne naśladujące tkanki na bazie agarozy i jak określa się ich właściwości optyczne za pomocą konwencjonalnego systemu optycznego z całkującą kulą.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół opisuje, jak tworzyć fantomy naśladujące tkanki na bazie agarozy i pokazuje, jak określić ich właściwości optyczne za pomocą konwencjonalnego systemu optycznego z całkującą kulą. Układy pomiarowe do akwizycji widm odbicia rozproszonego i całkowitej transmitancji są zbudowane z szerokopasmowego źródła światła białego, światłowodu, soczewki achromatycznej, kuli całkującej, uchwytu próbki, sondy światłowodowej i spektrometru wielokanałowego. Forma akrylowa składająca się z dwóch prostokątnych kawałków akrylu i kawałka akrylu w kształcie litery U jest skonstruowana tak, aby stworzyć fantom naskórka i fantom skórny z pełną krwią. Zastosowanie roztworu ditionianu sodu (Na2S2O4) do fantomu skórnego umożliwia badaczowi odtlenienie hemoglobiny w czerwonych krwinkach rozmieszczonych w fantomie skóry. Odwrotną symulację Monte Carlo z widmami rozproszonego współczynnika odbicia i całkowitej transmitancji mierzonymi za pomocą spektrometru ze sferą całkującą przeprowadza się w celu wyznaczenia widma współczynnika absorpcji μa(λ) i widma zredukowanego współczynnika rozpraszania μs'(λ) każdego fantomu warstwy. Dwuwarstwowy fantom naśladujący rozproszony współczynnik odbicia ludzkiej tkanki skórnej jest również demonstrowany przez nawarstwienie fantomu naskórka na fantomie skórnym.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fantomy optyczne to obiekty naśladujące właściwości optyczne tkanek biologicznych i były szeroko stosowane w dziedzinie optyki biomedycznej. Są one zaprojektowane w taki sposób, aby właściwości optyczne, takie jak współczynniki rozpraszania i absorpcji światła, odpowiadały właściwościom żywych tkanek ludzkich i zwierzęcych. Fantomy optyczne są zwykle używane do następujących celów: symulacja transportu światła w tkankach biologicznych, kalibracja nowo opracowanego projektu systemu optycznego, ocena jakości i wydajności istniejących systemów, porównanie wydajności między systemami oraz walidacja zdolności metod optycznych do ilościowego określania właściwości optycznych1,2,3,4,5. Dlatego do tworzenia fantomów optycznych wymagane są łatwe do zdobycia substancje, prosty proces wytwarzania, wysoka powtarzalność i stabilność optyczna.

Różne rodzaje fantomów optycznych z różnymi materiałami bazowymi, takimi jak zawiesina wodna6, żel żelatynowy7, żel agarozowy8,9,10, żel poliakrylamidowy11, żywica12,13,14,15,16, oraz silikon wulkanizujący w temperaturze pokojowej17 zostały opisane w poprzedniej literaturze. Doniesiono, że żele na bazie żelatyny i alginianu są przydatne w fantomach optycznych o niejednorodnej strukturze18. Fantomy alginianowe mają odpowiednią stabilność mechaniczną i termiczną do oceny efektów fototermicznych, takich jak badania ablacji laserowej i badania hipertermii laserowej18. Żele agarozowe mają zdolność wytwarzania niejednorodnych struktur, a ich właściwości mechaniczne i fizyczne są stabilne przez długi czas18. Żele agarozowe o wysokiej czystości mają bardzo niskie zmętnienie i słabą absorpcję optyczną. W związku z tym właściwości optyczne fantomów na bazie agarozy można łatwo zaprojektować za pomocą odpowiednich środków rozpraszających i pochłaniających światło. Ostatnio kopolimer19 i żele z polichlorku winylu (PVC) 20 zostały zgłoszone jako interesujące materiały fantomowe do technik optycznych i fotoakustycznych.

Mikrosfery polimerowe7,12,21,22, sproszkowany tlenek tytanu1, oraz emulsje lipidowe23,24,25,26 takie jak mleko i emulsja lipidowa są używane jako środki rozpraszające światło, podczas gdy tusz27,28 i barwniki molekularne29,30 są używane jako absorbery światła. Rozproszone widma odbicia większości żywych narządów są zdominowane przez absorpcję natlenionej i odtlenionej hemoglobiny w czerwonych krwinkach. Dlatego roztwory hemoglobiny31,32 i krew pełna8,9,10,33,36 są często używane jako absorbery światła w fantomach do spektroskopii odbicia dyfuzyjnego i obrazowania wielospektralnego.

Metoda opisana w tym artykule służy do stworzenia optycznego fantomu naśladującego transport światła w tkankach biologicznych i do scharakteryzowania jego właściwości optycznych. Jako przykład przedstawiono dwuwarstwowy fantom optyczny naśladujący właściwości optyczne ludzkiej tkanki skórnej. Przewagą tej metody nad technikami alternatywnymi jest możliwość odwzorowania rozproszonych widm odbicia żywych tkanek biologicznych w zakresie długości fal od widzialnego do bliskiej podczerwieni, a także prostota wykonania przy użyciu łatwo dostępnych materiałów i konwencjonalnych instrumentów optycznych. W związku z tym fantomy optyczne wykonane tą metodą będą przydatne do opracowania metod optycznych opartych na spektroskopii odbicia dyfuzyjnego i obrazowaniu wielospektralnym

.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Budowa konwencjonalnego systemu spektroskopowego o rozproszonym współczynniku odbicia i całkowitej transmitancji

Uwaga: Zbuduj systemy pomiarowe dla widm odbicia dyfuzyjnego i całkowitej transmitancji, używając szerokopasmowego źródła światła białego, światłowodu, soczewki achromatycznej, kuli całkującej, uchwytu na próbkę, światłowodu i spektrometru wielokanałowego. Rolą pułapki świetlnej jest usunięcie składowej odbicia zwierciadlanego ze spektrum odbicia. Uchwyt próbki kuli integrującej składa się z płyty montażowej oraz zespołu zacisku na jaskółczy ogon i sprężynę, który przytrzymuje próbkę przy porcie. Zespół zacisku na jaskółczy ogon i sprężynę jest wyjmowany z uchwytu próbki, a zamiast tego do płyty montażowej mocowany jest ręcznie wykonany sześcienny cokół z pianki polistyrenowej. Układy komponentów optycznych, pokazane na Rysunek 1a i 1b, mogą być wykorzystane w procedurze konstrukcyjnej dla pomiarów odbicia rozproszonego i pomiarów całkowitej transmitancji.

  1. Podłącz spektrometr do komputera osobistego za pomocą dostarczonego uniwersalnej magistrali szeregowej (USB).
  2. Podłącz adapter portu do portu detektora kuli integrującej. Podłącz spektrometr i adapter portu kuli integrującej za pomocą światłowodu. Podłącz halogen lamp o mocy 150 W i światłowód.
  3. Przymocuj uchwyt próbki do portu próbki kuli całkującej. Przymocuj pułapkę świetlną do odpowiedniego portu kuli całkującej podczas wykonywania pomiarów odbicia rozproszonego. Włącz źródło światła lampy halogenowej, aby oświetlić próbkę za pomocą światłowodu i soczewki achromatycznej.
  4. Otwórz oprogramowanie operacyjne spektrometru.

2. Przygotowanie formy akrylowej

Uwaga: Akrylowa forma, która składa się z dwóch prostokątnych kawałków akrylu i akrylowego elementu w kształcie litery U, jest skonstruowana w celu stworzenia monowarstwowego fantomu żelowego. Rysunek 2 może być wykorzystany do tej procedury konstrukcyjnej.

  1. Wytnij dwa prostokątne kawałki akrylu z płyty akrylowej o grubości 2 mm do opcjonalnego rozmiaru.
  2. Wytnij kawałek akrylu z płyty akrylowej o grubości 1 mm do opcjonalnego rozmiaru. Wytnij kawałek akrylu o grubości 1 mm tak, aby stał się kawałkiem w kształcie litery U, który zostanie użyty do formy do wykonania fantomów naskórka o grubości 1 mm.
  3. Wytnij kawałek akrylu z płyty akrylowej o grubości 5 mm do opcjonalnego rozmiaru. Wytnij kawałek akrylu o grubości 5 mm tak, aby stał się kawałkiem w kształcie litery U, który można wykorzystać jako formę do wykonania fantomów skórnych o grubości 5 mm.
  4. Usuń wszelkie zadziory z każdego elementu akrylowego za pomocą metalowego pilnika.
  5. Wykonaj naskórkową formę fantomową, przytrzymując kawałek w kształcie litery U o grubości 1 mm z dwoma elementami akrylowymi o grubości 2 mm i mocując je za pomocą pięciu składanych klipsów.
  6. Wykonaj formę fantomową skóry, przytrzymując kawałek w kształcie litery U o grubości 5 mm z dwoma elementami akrylowymi o grubości 2 mm i mocując je za pomocą pięciu składanych klipsów.

3. Przygotowanie materiału bazowego

  1. Umieść 500 ml standardowej soli fizjologicznej z 0,9% (w/v) NaCl w saszetce. Powoli dodawaj 5 g proszku agarozy, mieszając mieszaninę, aby uniknąć zbrylania.
  2. Podgrzej mieszaninę agarozy w proszku i soli fizjologicznej za pomocą elektrycznego podgrzewacza o mocy 1 000 W przez 5 minut.
  3. Gdy mieszanina się zagotuje, trzymaj ją na małym ogniu przez 3 minuty.
  4. Schłodzić mieszaninę do temperatury około 70 °C. Następnie przelej mieszaninę do pojemnika i przechowuj ją w łaźni o stałej temperaturze 60 °C przez 30 minut przed zrobieniem fantomu.

4. Przygotowanie fantomów optycznych naśladujących skórę

Uwaga: Roztwór kawy jest używany do naśladowania widma absorpcji melaniny. Roztwór kawy zawiera brązowy pigment zwany melanoidyną. Doniesiono, że spektrum absorpcji melanoidyny jest podobne do melaniny10.

  1. Przygotuj fantom naskórka
    1. Wlej 100 ml czystej wody do zbiornika ekspresu do kawy. Umieść filtr w koszyku ekspresu do kawy. Do filtra wlej 24 g zmielonej kawy. Włącz ekspres do kawy i naciśnij przycisk parzenia, aby rozpocząć parzenie.
    2. Umieść 4 ml parzonej kawy i 16 ml soli fizjologicznej w szklanej butelce, aby przygotować roztwór kawy.
    3. Umieść 5 ml emulsji lipidowej (np. intralipidowej 10%) i 10 ml roztworu kawy do przezroczystego plastikowego kubka. Powoli dodawaj 35 ml materiału bazowego do tej mieszaniny, mieszając.
    4. Zassać mieszaninę do strzykawki i powoli wstrzykiwać ją do naskórkowej formy fantomowej, unikając tworzenia się pęcherzyków. Schłodzić akrylową formę zawierającą mieszaninę w temperaturze 5 °C przez 20 minut.
    5. Wyjmij składane klipsy z formy. Wysuń jeden z kawałków akrylu na zewnątrz i wyjmij go z formy. Wyjmij zestalony fantom żelowy o grubości 1 mm z formy i przytnij go do pożądanego rozmiaru za pomocą skalpela chirurgicznego.
    6. Umieść i przytrzymaj fantom żelowy między dwoma szkiełkami.
  2. Przygotuj fantom skórny zawierający natlenioną krew
    1. Weź 5,0 ml emulsji lipidowej i 0,4 ml pełnej krwi koni z 45% hematokrytem i umieść w przezroczystym plastikowym kubku. Powoli dodawać 44,6 ml materiału bazowego, mieszając mieszaninę.
    2. Zassać mieszaninę do strzykawki i powoli wstrzykiwać ją do fantomowej formy skórnej, unikając tworzenia się pęcherzyków. Schłodzić akrylową formę zawierającą mieszaninę w temperaturze 5 °C przez 20 minut.
    3. Wyjmij składane klipsy z formy. Wysuń jeden z kawałków akrylu na zewnątrz i wyjmij go z formy. Wyjmij zestalony fantom żelowy o grubości 5 mm z formy i przytnij go do pożądanego rozmiaru za pomocą skalpela chirurgicznego.
    4. Umieść i przytrzymaj fantom żelowy między dwoma szkiełkami.
  3. Przygotuj fantom skórny zawierający odtlenioną krew
    1. Umieścić fantom żelu skórnego zawierającego natlenioną krew (z kroku 4.2.3) na szklanym naczyniu.
    2. Rozpuścić 1 g ditionianu sodu (Na2S2O4) w 20 ml soli fizjologicznej w szklanej butelce.
    3. Dodać 0,05 g/ml roztworu Na2S2O4 na fantom za pomocą strzykawki w celu odtlenienia krwi w fantomie.
    4. Umieść i przytrzymaj fantom między dwoma szkiełkami, aby zapobiec jego wyschnięciu.
  4. Przygotuj dwuwarstwowy fantom
    1. Upuść 0,1 ml soli fizjologicznej na fantom skórny, aby zapewnić optyczne sprzężenie między warstwą naskórka i skóry właściwej. Umieść fantom naskórka na fantomie skórnym.
    2. Jeśli pomiędzy warstwami znajdują się pęcherzyki powietrza, wypchnij je, głaszcząc powierzchnię dwuwarstwowego fantomu opuszkiem palca.
    3. Trzymaj dwuwarstwowy fantom między dwoma szkiełkami, aby zapobiec jego wyschnięciu.

5. Akwizycja widm odbicia dyfuzyjnego

  1. Akwizycja ciemnych widm
    Uwaga: Czujnik urządzenia sprzężonego z ładunkiem (CCD) w spektrometrze może oszacować natężenie światła na podstawie sygnału elektrycznego generowanego w odpowiedzi na padające światło. Istnieje jednak ciemny szum37, który jest niezależny od sygnałów generowanych przez fotony, ale zależy od temperatury urządzenia, nawet jeśli czujnik nie wykrywa światła. Aby dokładnie zmierzyć intensywność widmową światła, sygnał ciemnego prądu należy zmierzyć jako ciemne widmo, a następnie odjąć od widma próbki. Ciemne widmo to widmo wykonane z zablokowaną ścieżką światła.
    1. Ustaw kulę całkującą w optymalnej pozycji do pomiarów odbicia rozproszonego (Rysunek 1a).
    2. Wyłącz halogen lamp źródło światła. Zablokuj drogę światła do spektrometru za pomocą wtyczki portu lub płytki ekranującej.
    3. Wybierz polecenie Zapisz ciemne z menu plików, aby zapisać ciemne spektrum.
    4. Wybierz polecenie Odejmij ciemne widmo z menu pliku, aby odjąć ciemne widmo od zmierzonego widma próbki (patrz poniżej).
  2. Akwizycja widm referencyjnych
    Uwaga: Właściwości optyczne komponentów użytych w tym eksperymencie, takich jak źródło światła, światłowód, soczewka achromatyczna, światłowód i spektrometr, mają swoje własne zależności długości fali. Dlatego natężenie widmowe światła przechodzącego przez te elementy optyczne powinno być mierzone jako widmo odniesienia. Do pomiaru rozproszonego widma odbicia widmo odniesienia jest widmem pobranym za pomocą standardowego białego dyfuzora oświetlonego światłem ze źródła światła.
    1. Włącz halogen lamp źródło światła, naciskając przycisk zasilania. Rozgrzej lampę przez co najmniej 10 minut przed uzyskaniem widma referencyjnego.
    2. Umieścić standardowy biały dyfuzor (np. Spectralon) w porcie próbki kuli integrującej.
    3. Dostosuj czas całkowania spektrometru, wybierając odpowiednią wartość z listy rozwijanej w oprogramowaniu operacyjnym spektrometru tak, aby szczytowe natężenie sygnału wynosiło około 75% maksimum intensywności spektrometru.
    4. Wybierz polecenie Zapisz odniesienie z menu pliku, aby zapisać widmo odniesienia.
  3. Akwizycja widm próbek
    Uwaga: Widmo odbicia rozproszonego próbki jest rejestrowane i zapisywane na dysku twardym komputera osobistego przy użyciu tych samych warunków akwizycji.
    1. Umieścić fantom naskórka umieszczony na dwóch szkiełkach w porcie próbki. Wybierz polecenie Zapisz z menu pliku, aby zapisać widmo odbicia rozproszonego do pliku.
    2. Powtórzyć krok 5.3.1 dla fantomów skórnych i dwuwarstwowych.

6. Przejęcie całkowitego widma transmitancji

  1. Akwizycja ciemnych widm
    Uwaga: Czujnik w spektrometrze może oszacować natężenie światła na podstawie sygnału elektrycznego wygenerowanego w odpowiedzi na padające światło. Istnieje jednak ciemny szum, który jest niezależny od sygnałów generowanych przez fotony, ale jest zależny od temperatury urządzenia, nawet jeśli czujnik nie wykrywa światła. Aby dokładnie zmierzyć intensywność widmową światła, sygnał ciemnego prądu należy zmierzyć jako ciemne widmo, a następnie odjąć od widma próbki. Ciemne widmo to widmo wykonane z zablokowaną ścieżką światła.
    1. Ustaw kulę całkującą w optymalnej pozycji dla całkowitych pomiarów transmitancji (Rysunek 1b).
    2. Wyjmij pułapkę świetlną z portu kuli integrującej i podłącz wtyczkę portu do portu.
    3. Wyłącz halogen lamp źródło światła. Zablokuj ścieżkę światła do kuli integrującej za pomocą wtyczki portu lub płytki ekranującej.
    4. Wybierz polecenie Zapisz ciemne z menu plików, aby zapisać ciemne spektrum.
    5. Wybierz polecenie Odejmij ciemne widmo z menu pliku, aby odjąć ciemne widmo od zmierzonego widma próbki (patrz poniżej).
  2. Akwizycja widm referencyjnych
    Uwaga: Właściwości optyczne komponentów użytych w tym eksperymencie, takich jak źródło światła, światłowód, soczewka achromatyczna, światłowód i spektrometr, mają swoje własne zależności długości fali. W związku z tym natężenie widmowe światła przechodzącego przez te składowe powinno być mierzone jako widmo odniesienia. Do pomiaru całkowitego widma transmitancji widmo odniesienia jest widmem mierzonym, gdy światło ze źródła światła bezpośrednio wpada do kuli całkującej przez port próbki.
    1. Włącz halogen lamp źródło światła, naciskając przycisk zasilania. Rozgrzej lampę przez co najmniej 10 minut przed uzyskaniem widma referencyjnego.
    2. Reguluj czas całkowania spektrometru, wybierając odpowiednią wartość z rozwijanej listy czasów integracji w oprogramowaniu operacyjnym spektrometru tak, aby największe natężenie światła dawało sygnał stanowiący około 75% wartości maksymalnych.
    3. Wybierz polecenie Zapisz odniesienie z menu pliku, aby zapisać widmo odniesienia.
  3. Akwizycja widm próbek
    Uwaga: Widmo całkowitej transmitancji próbki jest rejestrowane i zapisywane na dysku twardym komputera osobistego przy użyciu tych samych warunków akwizycji.
    1. Umieścić fantom naskórka umieszczony na dwóch szkiełkach w porcie próbki. Wybierz polecenie Zapisz z menu pliku, aby zapisać całkowite widmo transmitancji do pliku.
    2. Powtórzyć krok 6.3.1 dla fantomów skórnych i dwuwarstwowych.

7. Szacowanie właściwości absorpcji i rozpraszania światła

Uwaga: Zestaw widma rozproszonego odbicia i całkowitego widma transmitancji jest zapisywany na dysku twardym komputera osobistego i analizowany w trybie offline. Następnie przeprowadzana jest odwrotna symulacja Monte Carlo8,38,39,40 jest następnie wykonywana w celu oszacowania widma współczynnika absorpcji μa(λ) oraz widma zredukowanego współczynnika rozpraszania μs'(λ). W tej odwrotnej symulacji Monte Carlo szacowany współczynnik rozpraszania μs, przy założeniu, że współczynnik anizotropii g wynosi 0, jest traktowany jako zredukowany współczynnik rozpraszania μs'. Zarówno dane dotyczące współczynnika odbicia, jak i transmitancji są wykorzystywane w jednym przebiegu symulacji. Szczegółowy algorytm zastosowany w tym protokole został opisany w poprzedniej literaturze8,39. Oszacowaliśmy widmo współczynnika absorpcji μa(λ) oraz widmo zmniejszonego współczynnika rozpraszania μs'(λ) warstwy naskórka ze zbioru widma odbicia rozproszonego i całkowitego widma przepuszczalności uzyskanego z warstwy naskórka. W ten sam sposób oszacowaliśmy μa(λ) i μs'(λ) warstwy skórnej z zestawu widma odbicia rozproszonego i całkowitego widma przepuszczalności uzyskanego z warstwy skórnej.

  1. Otwórz plik wejściowy dla symulacji Monte Carlo.
  2. Do pliku danych wejściowych należy wprowadzić wartości zmierzonego współczynnika odbicia rozproszonego i całkowitej transmitancji w określonym zakresie długości fal od 400 do 700 nm w odstępach 10 nm. Wprowadź wartość grubości fantomu w pliku danych wejściowych.
  3. Ustaw współczynnik załamania światła n warstwy jako odpowiednią wartość w pliku danych wejściowych (np. n = 1,33 przy 550 nm). Ustaw wartość współczynnika anizotropii g na 0 w pliku danych wejściowych.
  4. Ustawić początkowe wartości współczynnika absorpcji μ a i współczynnika rozpraszania μs jako odpowiednie wartości w pliku danych wejściowych (np. μa = 0,01, μs = 0,1).
  5. Wykonaj odwrócony program symulacyjny Monte Carlo.
  6. Wpisz nazwę pliku wejściowego, a następnie uruchom symulację.
  7. Otwórz plik wyjściowy i sprawdź końcowe wartości μa i μs po zakończeniu symulacji iteracyjnej.
  8. Powtórz kroki 7.1 - 7.7 dla innych żądanych długości fal.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 pokazuje reprezentatywne szacowane widma zredukowanego współczynnika rozpraszania i współczynnika absorpcji dla fantomu naskórka i fantomu skórnego. Wyniki pokazane w Rysunek 3 to średnie z dziesięciu pomiarów zarówno widm odbicia, jak i transmitancji. Zredukowany współczynnik rozpraszania μs' ma szerokie spektrum rozpraszania, wykazując większą wielkość przy krótszych długościach fal. Cechy...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Najważniejszym krokiem w tym protokole jest kontrola temperatury materiału bazowego. Temperatura potrzebna do utrzymania materiału bazowego wahała się od 58 do 60 °C. Jeśli temperatura jest wyższa niż 70 °C, nastąpi denaturacja zarówno emulsji lipidowej, jak i krwi pełnej. W konsekwencji właściwości optyczne fantomu ulegną pogorszeniu. Jeśli temperatura jest niższa niż 40 °C, materiał bazowy zostanie nierównomiernie zżelowany, a zatem czynniki rozpraszające i absorpcyjne światła będą niejednorodnie rozmieszczone w fantom...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Część tej pracy była wspierana przez Grant-in-Aid na badania naukowe (C) od Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki (25350520, 22500401, 15K06105) oraz projektu badawczo-rozwojowego US-ARMY ITC-PAC (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Źródło światła lampy halogenowej 150 WHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokio, JaponiaLA-150SAE
ŚwiatłowódHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokio, JaponiaLGC1-5L1000
Integracja SphereLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USART-060-SF
Adapter portuLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USAPA-050-SMA-SF
Pułapka świetlnaLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USALTRP-100-C
Spektron biały standard z 99% odbiciem rozproszonymLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USASRS-99-020
ŚwiatłowódOcean Optics Inc., Dunedin, Floryda, USAP400-2-VIS-NIR
Miniaturowy spektrometr światłowodowyOcean Optics Inc., Dunedin, Floryda, USA
Soczewki achromatyczneChuo Precision Industrial Co., Ltd, Tokio, JaponiaACL-50-75M
IntralipidFresenius Kabi AB, Uppsala, SzwecjaIntralipid 10%
Kawa
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		Ajinomoto AGF, Inc. Tokio, JaponiaNiedostępne
Pełna krewNippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japonia0103-2
AgaroseNippon Genetics Co., Ltd, Tokio, JaponiaNE-AG02
Grzejnik kuchennyTOSHIBA CORPORATION Tokio, JaponiaHP-103K
USB2000

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102(2006).
  2. Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
  5. Prahl, S. A. Project: Optical Phantoms. , Available from: http://omlc.org/~prahl/projects/phantoms.html (2014).
  6. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
  7. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
  8. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
  9. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006(2007).
  10. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012(2011).
  11. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
  12. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
  13. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
  14. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
  15. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  16. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
  17. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
  18. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  19. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  20. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405(2016).
  21. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
  22. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
  23. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
  24. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
  25. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
  26. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid - a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
  27. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  28. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  29. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
  30. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  31. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026(2015).
  32. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
  33. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
  34. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
  35. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
  36. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
  37. Ocean Optics Inc. Glossary. Dark Noise. , Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018).
  38. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021(2006).
  39. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
  40. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001(2009).
  41. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  42. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008(2016).
  43. Jacques, S. L. Skin Optics. , Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998).
  44. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
  45. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Agarose PhantomsTissue MimickingDiffuse ReflectanceIntegrating SphereOptical PropertiesMonte Carlo SimulationEpidermal PhantomDermal PhantomSodium DithioniteBlood Oxygenation

Related Articles