Artykuł metodologiczny

Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego

DOI:

10.3791/65475

⸱

16 czerwca 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, University of Cambridge, 2Cancer Research UK Cambridge Institute, University of Cambridge, 3Ultrasound and Underwater Acoustics Group, Department of Medical, Marine and Nuclear Physics, National Physical Laboratory, 4School of Science and Engineering, University of Dundee, 5Centre for Medical Engineering and Technology, University of Dundee

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.

Streszczenie

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

Ustanowienie biofotonowych materiałów fantomowych naśladujących tkanki, które zapewniają długoterminową stabilność, jest niezbędne, aby umożliwić porównywanie urządzeń do obrazowania biomedycznego między dostawcami i instytucjami, wspierać rozwój międzynarodowo uznanych standardów i wspomagać kliniczne tłumaczenie nowych technologii. W tym miejscu przedstawiono proces produkcyjny, w wyniku którego powstaje stabilny, tani, naśladujący tkankę materiał kopolimerowy w oleju do stosowania w standaryzacji fotoakustycznej, optycznej i ultradźwiękowej.

Materiał bazowy składa się z oleju mineralnego i kopolimeru o zdefiniowanych numerach CAS (Chemical Abstract Service). Przedstawiony tutaj protokół daje reprezentatywny materiał o prędkości dźwięku c(f) = 1,481 ± 0,4 m·s-1 przy 5 MHz (odpowiada prędkości dźwięku wody o temperaturze 20 °C), tłumieniu akustycznym α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 przy 5 MHz, absorpcji optycznejμ a(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 przy 800 nm, i rozpraszania optycznego μS'(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 przy 800 nm. Materiał pozwala na niezależne dostrojenie właściwości akustycznych i optycznych poprzez odpowiednią zmianę stężenia polimeru lub rozpraszania światła (dwutlenek tytanu) i środków absorpcyjnych (barwnik rozpuszczalny w oleju). Przedstawiono wykonanie różnych projektów fantomów, a jednorodność powstałych obiektów testowych potwierdzono za pomocą obrazowania fotoakustycznego.

Ze względu na łatwy proces produkcji i trwałość, a także biologicznie istotne właściwości, receptura materiału jest bardzo obiecująca w multimodalnych inicjatywach standaryzacji akustyczno-optycznej.

Wprowadzenie

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

Ustalenie precyzji i dokładności nowatorskich biomarkerów obrazowania optycznego poprzez walidację techniczną1,2 jest niezbędne do zapewnienia ich pomyślnego wdrożenia w praktyce klinicznej. Aby to osiągnąć, w technicznych badaniach walidacyjnych często wykorzystuje się trwałe fantomy fizyczne, które ułatwiają ocenę wydajności między urządzeniami i rutynową kontrolę jakości. Do powszechnego stosowania materiału fantomowego w badaniach i translacji klinicznej wymagany jest prosty, wysoce powtarzalny protokół wytwarzania. Idealny biofotoniczny materiał fantomowy powinien charakteryzować się następującymi właściwościami3: (1) niezależnie regulowane właściwości w biologicznie istotnych zakresach; (2) wytrzymałość mechaniczna; 3) stabilność długoterminowa; (4) elastyczność w geometrii i architekturze; 5) bezpieczne obchodzenie się z produktem; (6) powszechnie dostępne składniki, które można nabyć od standardowych dostawców naukowych; oraz (7) niski koszt. Obecnie w zastosowaniach biofotonicznych brakuje ustandaryzowanego protokołu dla powszechnie akceptowanego materiału fantomowego, który spełniałby określone wymagania, a także obejmowałby regulowane właściwości akustyczne dla zastosowań hybrydowych, takich jak obrazowanie fotoakustyczne (PAI).

Biologicznie istotne materiały fantomowe przeznaczone do łączonych zastosowań optycznych i akustycznych obejmują hydrożele4,5, polialkohol winylowy (PVA)6,7,8,9 oraz plastizol z polichlorku winylu (PVCP)10,11,12,13,14,15,16. Materiały te charakteryzują się jednak pewnymi ograniczeniami, które ograniczają ich zastosowanie jako stabilnego materiału fantomowego. Hydrożele, na przykład, są podatne na odwodnienie, uszkodzenia mechaniczne i wrastanie bakterii, co ogranicza ich trwałość17,18,19. Dodanie chemikaliów może wydłużyć żywotność, ale popularne konserwanty, takie jak formaldehyd20 lub chlorek benzalkoniowy21, są niebezpieczne i wymagają środków ostrożności podczas obchodzenia się z nimi. Ponadto tarcze zawierające barwniki rozpuszczalne w wodzie mogą dyfundować w materiale podstawowym, jeśli nie są zamknięte w kapsułkach. Kriożele PVA charakteryzują się większą trwałością i wytrzymałością strukturalną, ale proces ich przygotowania obejmuje długie cykle zamrażania i rozmrażania22. Może to ograniczać niezależną możliwość dostrajania parametrów akustycznych i optycznych23 i - jeśli są nieznacznie zróżnicowane - może prowadzić do niejednorodności6, pogarszając w ten sposób odtwarzalność. Co więcej, dyfuzję barwników z inkluzji zaobserwowano po 1 roku13. PVCP ma złożony proces produkcyjny, który obejmuje wysokie temperatury do 180-220 °C13,14,24,25. PVCP cierpi również z powodu braku łańcucha dostaw z dostawcami naukowymi26 i może zawierać plastyfikatory na bazie ftalanów, które mogą powodować szkody reprodukcyjne i rozwojowe27, co czyni je substancjami kontrolowanymi w niektórych krajach.

Kompozycje kopolimerowe w oleju, takie jak wosk żelowy28,29,30,31 lub mieszanki na bazie termoplastycznych elastomerów styrenowych32,33,34,35,36, wykazują dobrą stabilność wzdłużną i charakteryzują się podobnymi do tkanek właściwościami akustycznymi i optycznymi31,35,36,37, dzięki czemu mają wysoki potencjał jako trwały kandydat na fantom w zastosowaniach multimodalnych. Ponadto ta klasa materiałów jest opłacalna, nienasiąkliwa wodą, nietoksyczna i biologicznie obojętna35,38. Prędkość dźwięku c(f) i współczynnik tłumienia akustycznego α(f) można dostroić w biologicznie istotnym zakresie (Tabela 1) poprzez zmianę stężenia polimeru33,35,39, podczas gdy współczynniki absorpcji optycznejμ a(λ) i zmniejszonego rozpraszaniaμ s'(λ) mogą być przede wszystkim zmieniane przez dodanie barwników rozpuszczalnych w oleju lub dwutlenku tytanu (TiO2)39, odpowiednio.

Tutaj przedstawiono prosty, łatwy do naśladowania protokół tworzenia trwałych fantomów kopolimeru w oleju, odpowiednich do użycia w kalibracji urządzeń optycznych, ultradźwiękowych lub fotoakustycznych. Wszystkie składniki mają określone numery CAS (Chemical Abstract Service) i są łatwo dostępne u standardowych dostawców naukowych. Zwrócono uwagę na potencjalne trudności w procedurze wytwarzania i przedstawiono sposoby ich przezwyciężenia. Podczas gdy protokół pozwala na wytwarzanie materiałów o różnych właściwościach akustycznych i optycznych, prezentowany protokół daje materiał o prędkości dźwięku ~1,481 m·s-1, dostosowując się do prędkości dźwięku wody w temperaturze pokojowej (20 °C)40. Wartość ta została wybrana jako neutralny wzorzec reprezentujący szeroki zakres istniejących właściwości tkanek (tabela 1), co pozwoliło na ustanowienie spójnego i wiarygodnego punktu odniesienia do porównania. Dostarczając ten szczegółowy protokół, dążymy do poszerzenia zakresu wykorzystania i odtwarzalności produkcji tego obiecującego typu materiału fantomowego, ułatwiając w ten sposób biofotoniczne, akustyczne i fotoakustyczne badania walidacyjne oraz wspierając rutynową kontrolę jakości w zastosowaniach obrazowania przedklinicznego i klinicznego.

Protokół

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

Tabela 1: Przegląd właściwości akustycznych i optycznych tkanek miękkich. Właściwości optyczne obejmują spektrum w zakresie od 600 do 900 nm. Należy zauważyć, że są to jedynie wartości reprezentatywne, które mają na celu zapewnienie ogólnych wskazówek. Dokładne wartości mogą się różnić w zależności od warunków eksperymentu (np. temperatury) i częstotliwości/długości fali. W literaturze można znaleźć bardziej szczegółowe wartości. *Nie znaleziono konkretnych referencji. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Podany protokół został opracowany do produkcji ~120 ml materiału fantomowego. Masy komponentów można skalować, aby uzyskać różne objętości materiału fantomowego. Należy pamiętać, że w przypadku większych objętości (>500 ml) proponowane urządzenia mogą nie być w stanie wystarczająco jednorodnie podgrzać mieszaniny fantomowej. W tym celu należy odpowiednio dostosować urządzenia grzewcze.

UWAGA: Zawsze upewnij się, że odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE) są noszone przez cały proces produkcji. Może to obejmować stosowanie fartuchów laboratoryjnych, okularów ochronnych i rękawic ochronnych; Zapoznaj się z lokalnymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa i przestrzegaj ich. Procedura została zaadaptowana z Hacker et al.39; podsumowanie kroków jest wyświetlane w Rysunek 1.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Wytwarzanie materiału kopolimerowego w oleju. (1) Materiały do rozpraszania i absorpcji optycznej są dodawane do oleju mineralnego i (2) sonikowane w temperaturze 90 °C aż do rozpuszczenia. (3) Dodaje się polimer(-y) i stabilizator, a następnie (4) mieszaninę podgrzewa się w kąpieli olejowej do 160 °C przy małym mieszaniu. (5) Po rozpuszczeniu wszystkich składników, próbkę wlewa się do odpowiedniej formy fantomowej i (6) pozostawia do stwardnienia w temperaturze pokojowej. Ten rysunek jest odtworzony z Hacker et al.39. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Przygotowanie mieszanki

  1. Przygotuj roztwór podstawowy Nigrosin, dodając 0,4 g Nigrosin do 40 ml oleju mineralnego. Zapewnić jednorodne mieszanie poprzez sonikację i dokładne wirowanie próbki. Przechowywać roztwór podstawowy w temperaturze pokojowej.
    UWAGA: Roztwór podstawowy należy zawsze dokładnie wymieszać przed ponownym użyciem. Jeśli preferowany jest materiał fantomowy bez rozpraszacza optycznego (TiO2) lub absorbera (barwnika), kroki 1 i 2 można pominąć. Przejdź do kroku 3.
  2. Sonikować 0,15 g TiO2 i 1 ml podstawowego roztworu barwnika w 100 ml (83,8 g) oleju mineralnego, aż wszystkie składniki zostaną całkowicie rozpuszczone (~60 min) (Rysunek 1: kroki 1 i 2). Ustaw sonikator na podwyższoną temperaturę (90 °C), jeśli sprzęt na to pozwala, ponieważ ułatwia to proces mieszania. Postępuj zgodnie z krokami 3-5 w czasie sonikacji.
    UWAGA: Jeśli preferowany jest fantom o wyższych właściwościach absorpcyjnych i rozpraszających, może być konieczne wydłużenie czasu sonikacji.
  3. Odważyć blok polistyrenu z poli(etylenu-ran-butylenu)-bloku polistyrenu (SEBS) i polietylenu o niskiej gęstości (LDPE) w żądanych stężeniach (np. SEBS = 25,14 g; LDPE = 6,70 g) (Rysunek 1: krok 3).
    1. Opcjonalnie: Można dodać przeciwutleniacz w celu zwiększenia stabilności, ale nie jest to obowiązkowe, jeśli temperatura ogrzewania nie przekracza 180°C.
      UWAGA: W przypadku wystąpienia problemów z rozpuszczalnością lub lepkością na późniejszym etapie procesu produkcyjnego zaleca się wykluczenie LDPE. LDPE jest stosowany w celu zwiększenia prędkości dźwięku w materiale (tabela 3); Nie jest to jednak obowiązkowe do stworzenia stabilnego fantomu. Pomijając LDPE, można uprościć proces wytwarzania i formowania, ale spowoduje to spadek późniejszej prędkości dźwięku materiału końcowego (tab. 3).
  4. Stwórz kąpiel olejową przy użyciu odpowiedniego szkła i oleju silikonowego; ostrożnie zabezpiecz ją na płycie grzejnej. Upewnij się, że termopara pozostaje w kąpieli oleju silikonowego i nie dotyka krawędzi szkła przez cały czas trwania procedury (Rysunek 2).
    UWAGA: Upewnij się, że akcesorium termoregulacyjne jest starannie zamontowane, zgodnie z instrukcjami producenta sprzętu.
  5. Umieść mieszadło magnetyczne o odpowiedniej długości w kąpieli olejowej, aby zapewnić równomierne rozprowadzanie ciepła.
  6. Włącz płytę grzejną, ustaw temperaturę grzania na 160 °C i ustaw obroty na minutę (rpm) mieszadła na 50.
  7. Przenieść LDPE i SEBS do szklanej zlewki zawierającej sonikowany olej mineralny (z TiO2 i Nigrosin). Wprowadzić mieszadło magnetyczne o odpowiedniej długości do szklanej zlewki i przenieść je do środka kąpieli olejowej w celu podgrzania mierzonych składników. Upewnij się, że poziom oleju w kąpieli pozostaje powyżej poziomu oleju mineralnego wewnątrz zlewki (Rysunek 1: krok 4).

2. Podgrzewanie mieszaniny

  1. Jeśli na którymkolwiek etapie dodany polimer wydaje się unosić nad olejem mineralnym, ręcznie wymieszaj roztwór oleju mineralnego za pomocą metalowej szpatułki, tak aby pływający polimer został rozprowadzony wewnątrz oleju mineralnego. Nosić rękawice żaroodporne.
  2. Pozostawić mieszaninę w temperaturze 160 °C, aż cały polimer się rozpuści, a roztwór będzie wyglądał na równomiernie wymieszany, o gładkiej i jednorodnej konsystencji (~1,5 h).

3. Odkurzanie

UWAGA: Aby usunąć pęcherzyki powietrza, wykonaj następujące kroki, w zależności od dostępnego sprzętu.

  1. Ostrożnie umieścić gorącą zlewkę w komorze próżniowej i odkurzać próbki przez 2-3 minuty na najwyższym ustawieniu (najniższej próżni). Użyj metalowej szpatułki, aby ostrożnie usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza, które gromadzą się na powierzchni. Jeśli po tym kroku pęcherzyki powietrza są nadal obecne, podgrzej mieszaninę i powtarzaj etap odkurzania, aż wszystkie pęcherzyki powietrza zostaną usunięte.
  2. Włącz piekarnik próżniowy i podgrzej go do 160 °C. Gdy osiągnie żądaną temperaturę, przenieś zlewkę z roztworem do pieca próżniowego.
    UWAGA: Ze zlewką należy zawsze obchodzić się w rękawicach chroniących przed wysoką temperaturą.
    1. Włącz próżnię na najwyższe dostępne ustawienie (najniższe podciśnienie). Jeśli na wierzchu roztworu wytworzyła się warstwa piany, wyłącz próżnię i usuń pęcherzyki z powierzchni za pomocą szpatułki (powtarzaj ten krok, aż wszystkie pęcherzyki powietrza zostaną usunięte).
    2. Pozostaw zlewkę w piekarniku próżniowym na 1 godzinę przy najwyższym ustawieniu próżni.
      UWAGA: Aby utrzymać piekarnik próżniowy w czystości, wyczyść zewnętrzną powierzchnię zlewki z oleju silikonowego ręcznikiem papierowym.

4. Wlewanie próbek do formy

  1. Przed wlaniem próbek do form na próbki, w razie potrzeby należy usunąć wszelkie pozostałe pęcherzyki powietrza na powierzchni mieszaniny za pomocą szpatułki.
  2. Ostrożnie wlej roztwór do odpowiedniej formy, zakładając żaroodporne rękawice lub używając odpowiedniego sprzętu ochronnego. Zapewnij płynne i równomierne nalewanie z niewielkiej wysokości, aby zmniejszyć ryzyko tworzenia się pęcherzyków powietrza (Rysunek 1: krok 5). W przypadku form o skomplikowanych kształtach, przed wylaniem należy pokryć formę cienką warstwą oleju (innego niż olej mineralny [np. olej rycynowy lub silikonowy]), aby ułatwić usunięcie utwardzonej próbki.
    UWAGA: Wstępne podgrzanie form w piekarniku może pomóc w osiągnięciu wyższej jednorodności próbki.
  3. Po wylaniu należy szybko usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza z górnej części próbek za pomocą metalowej szpatułki. Jeśli w mieszaninie nagromadziły się liczne pęcherzyki powietrza, powtórz krok próżni, pod warunkiem, że pozwala na to rodzaj i kształt formy.
  4. Poczekaj, aż roztwór stężeje w temperaturze pokojowej. Chociaż mniejsze próbki mogą utwardzić się w czasie krótszym niż 2 godziny, należy je pozostawić na noc, aby wyeliminować ryzyko niepełnego utwardzenia. Przechowuj próbki w temperaturze pokojowej (Rysunek 1: krok 6).

5. Akwizycja obrazu

  1. W celu uzyskania obrazu należy umieścić fantom w polu view urządzenia do przetwarzania obrazu.
  2. W przypadku PAI lub systemów ultradźwiękowych należy wykonać akustyczne sprzężenie powierzchni fantomowej z przetwornikiem ultradźwiękowym, na przykład za pomocą żelu ultradźwiękowego lub wody.
    UWAGA: Jeśli protokół został wykonany prawidłowo, żadne niejednorodności nie powinny zakłócać pola widzenia. Niestandardowe uchwyty fantomowe mogą pomóc w powtarzalnym pozycjonowaniu próbki między pomiarami.
  3. Jeśli temperatura akwizycji różni się od temperatury przechowywania fantomu, pozwól, aby temperatura fantomu ustabilizowała się wraz z otoczeniem.
  4. Zdobądź obraz.

6. Pomiary charakterystyki materiału

UWAGA: Celem pomiarów charakterystyki materiału jest weryfikacja właściwości optycznych i akustycznych materiału. Należy zauważyć, że protokół produkcji fantomów wykazał wysoką odtwarzalność39, więc ogólne protokoły pomiarowe, które następują, są podane tylko jako wskazówki, jeśli pożądane są dalsze badania weryfikacyjne. Poszczególne etapy pomiarów będą zależały od zastosowanego sprzętu do charakteryzacji. W tym przypadku do charakterystyki akustycznej zastosowano system oparty na metodzie substytucji szerokopasmowej transmisji przelotowej41 (dostępny w National Physical Laboratory (NPL), Wielka Brytania), a do charakterystyki optycznej użyto wewnętrznego systemu podwójnej sfery całkującej (DIS) (w oparciu o 42). Konfiguracja systemów charakterystyki jest przedstawiona na rysunku uzupełniającym 1. Dodatkowe informacje na temat ustawień pomiarów (acoustic43; optical42,44) i procedury pomiarowej39 można znaleźć w innym miejscu. Procedura pomiarowa powinna być dostosowana odpowiednio do każdego zastosowanego specyficznego systemu charakterystyki.

  1. Charakterystyka akustyczna
    UWAGA: Pomiary charakterystyki akustycznej opierają się na systemie wykorzystującym przetwornik ultradźwiękowy o częstotliwości środkowej 10 MHz (średnica elementu aktywnego 10 mm) do generowania impulsów oraz hydrofon szerokopasmowy (hydrofon z membraną biamienną o średnicy elementu aktywnego 30 mm) do detekcji impulsów (oba umieszczone w zbiorniku na wodę wypełnioną wodą dejonizowaną; wymiary 112 cm x 38 cm x 30cm3). Przetwornik jest napędzany przez odbiornik impulsowy. Przebiegi są rejestrowane za pomocą oscyloskopu. Więcej szczegółów na temat konfiguracji i procedury pomiaru (w tym specyficzny dla systemu wpływ typu B na pomiary) można znaleźć w 43.
    1. Przygotować próbki odpowiednie do konfiguracji pomiarowej (np. w tym przypadku okrągłe próbki o średnicy 7-8 cm i grubości 6-9 mm). Upewnij się, że próbki mają jednorodny skład i są wolne od wszelkich zanieczyszczeń, pęcherzyków powietrza lub nierówności powierzchni.
    2. Zmierzyć grubość badanej próbki za pomocą suwmiarki z noniuszem i zapisać temperaturę zbiornika na wodę za pomocą skalibrowanego termometru.
    3. Umieścić próbkę w systemie. Upewnij się, że próbka jest prawidłowo wyrównana z elementami systemu.
      UWAGA: Automatycznie sterowany uchwyt na próbkę oparty na mocowaniu gimbala 43 może pomóc w precyzyjnej kontroli obrotu i nachylenia próbki.
    4. Dla każdego zestawu pomiarowego należy uzyskać cztery impulsy akustyczne: referencyjny impuls przez wodę bez próbki obecnej na ścieżce akustycznej; transmisję przez próbkę oraz odbicia akustyczne odbierane w nadajniku od przedniej i tylnej powierzchni próbki.
    5. Określ właściwości akustyczne próbki na podstawie pomiarów. Oblicz prędkość dźwięku c(f) (w m·s−1) za pomocą równania (1)43.
      figure-protocol-2 (1)
      Cw przedstawia zależną od temperatury prędkość dźwięku wody, a θ1 (f), θ2 (f), θW (f) i θS (f) są odpowiednimi nieowiniętymi widmami fazowymi odpowiednio odbitych od przodu, odbitych wstecznie, przez wodę i przez próbkę. Zależny od częstotliwości współczynnik tłumienia (αi(f)) materiału można wyznaczyć za pomocą techniki podstawiania dwóch próbek pokazanej w równaniu (2)43.
      figure-protocol-3 (2)
      Uw(f) i Us(f) są odpowiednimi widmami wielkości napięcia impulsu przechodzącego przez wodę i przez próbkę, αw(f) jest współczynnikiem tłumienia ultradźwięków (w dB·cm-1) czystej wody o określonej temperaturze zbiornika wody45, a d1 i d2 (d2 > d1) to dwie grubości próbki.
      UWAGA: W przypadku niniejszego protokołu oceniono tłumienie uwzględniające straty międzyfazowe, stwierdzając, że jego wpływ jest nieistotny.
    6. Powtórzyć pomiar więcej niż trzy razy w różnych miejscach badanej próbki. Obliczyć średnią i odchylenie standardowe pomiarów, aby uzyskać końcową wartość próbki.
  2. Charakterystyka optyczna
    UWAGA: Do testów optycznych użyto systemu sfery z podwójną integracją (opartego na 42), wykorzystującego dwie całkujące kule (średnica wewnętrzna 50 mm), które są połączone z dwoma spektrometrami za pomocą dwóch światłowodów. Sfera odbicia jest połączona ze źródłem światła za pomocą trzeciego światłowodu.
    1. Przygotuj próbki odpowiednie do konfiguracji pomiarowej (np. w tym przypadku próbki prostokątne o szerokości 5,9 cm, wysokości 1,8 cm i grubości od 2 do 3 mm). Upewnij się, że próbki mają jednorodny skład i są wolne od wszelkich zanieczyszczeń, pęcherzyków powietrza lub nierówności powierzchni.
    2. Włącz źródło światła i pozwól mu ustabilizować się zgodnie z instrukcjami producenta (np. 15 min).
    3. Określić grubość próbki za pomocą suwmiarki z noniuszem. W stosownych przypadkach należy określić zakres długości fali i wielkość kroku dla pomiaru (np. 450–900 nm przy wielkości kroku 1 nm).
    4. Zapisać pomiary referencyjne dla sfery transmisyjnej i odbicia.
      1. W przypadku sfery odbicia należy najpierw wykonać pomiar w otwartym porcie, rejestrując wartość odbicia R0 przy usuniętej sferze transmitancji i włączonym źródle światła. Następnie należy zapisać wartość współczynnika odbicia R1 za pomocą wzorca odniesienia umieszczonego przed kulą odbiciową (źródło światła włączone).
      2. W przypadku sfery transmitancji należy najpierw wykonać pomiar wiązki zablokowanej, rejestrując wartość transmitancji T0 przy wyrównanych sferach odbicia i przepuszczalności oraz wyłączonym źródle światła. Następnie wykonaj pomiar wiązki padającej, rejestrując wartość transmitancji T1 przy wyrównanych sferach odbicia i przepuszczalności oraz włączonym źródle światła.
        UWAGA: Podczas pomiarów należy zapewnić czystą powierzchnię kulek i wzorca odniesienia, ponieważ przyleganie kurzu lub innych zanieczyszczeń może mieć wpływ na wydajność komponentów46.
    5. Umieść próbkę między kulkami. Zmierz wartości współczynnika odbicia Rs i przepuszczalności Ts. Upewnij się, że próbka nie jest ściśnięta, ponieważ może to wpłynąć na dokładność pomiaru. Umieszczenie jednej kuli na zmotoryzowanym stoliku może pomóc w dokładnym kontrolowaniu odległości między kulkami poprzez dostosowanie jej do mierzonej grubości próbki.
    6. Oblicz znormalizowane wartości współczynnika odbicia MR i przepuszczalności MT za pomocą równań (3) i (4)42.
      figure-protocol-4 (3)
      figure-protocol-5 (4)
      RSTD przedstawia intensywność odbitą od normy współczynnika odbicia 99%.
    7. Wprowadź zmierzone wartości do programu do podwajania odwrotnego dodawania (IAD) (kod źródłowy: http://omlc.org/software/iad/)44, aby oszacować właściwości optyczne materiału.
      UWAGA: Na podstawie poprzednich raportów, współczynnik anizotropii rozpraszania (g) można przyjąć jako g = 0,7, a współczynnik załamania światła jako n = 1,4 30.
    8. Powtórzyć pomiar co najmniej trzy razy w różnych miejscach wzdłuż badanej próbki. Obliczyć średnią i odchylenie standardowe pomiarów, aby uzyskać końcową wartość próbki.

Wyniki

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

Zgodnie z tym przepisem, stworzono trzy reprezentatywne projekty fantomów na potrzeby obrazowania fotoakustycznego, przeznaczone dla różnych projektów systemów o różnym oświetleniu optycznym i geometriach wykrywania akustycznego (Rysunek 3A). Jeśli procedura przygotowania fantomu zakończy się pomyślnie, materiał fantomowy wydaje się gładki i jednorodny, bez uwięzionych pęcherzyków powietrza lub zanieczyszczeń, a na powstałym obrazie nie widać żadnych artefaktów (tutaj wizualizowanych za pomocą obrazowania fotoakustycznego; Rysunek 3B,C). Protokół daje reprezentatywny materiał o prędkości dźwięku c(f) = 1481 ± 0,4 m·s-1 (odpowiadającej prędkości dźwięku wody o temperaturze 20 °C40), tłumieniu akustycznym α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 (oba przy 5 MHz), absorpcji optycznejμ a(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1, i rozpraszania optycznegoμ s'(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 (oba przy 800 nm) (niepewność przedstawia odchylenie standardowe od n = 3 niezależnie wyprodukowanych partii przez różnych operatorów; wszystkie pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej [20 °C]).

Współczynnik rozpraszania optycznego można dostroić za pomocą wariantu TiO2, podczas gdy współczynnik absorpcji optycznej można dostroić przez dodanie dowolnego barwnika rozpuszczalnego w oleju, tutaj pokazanego za pomocą Nigrosin (Tabela 2 i Rysunek 3D). Podczas gdy wartości w tabeli 2 koncentrują się na tkankach o niższym stopniu wchłaniania i rozpraszania, takich jak mięśnie lub piersi (tabela 1), nie napotkaliśmy żadnych trudności z dodawaniem absorberów i rozpraszaczy w wyższych stężeniach. Jednak dodanie rozpraszaczy/absorberów optycznych w wyższych stężeniach może wymagać dłuższych czasów sonikacji w celu uzyskania jednorodnego wymieszania roztworu.

Tłumienie akustyczne i prędkość dźwięku mogą być dostrojone przez zmiany stężenia polimeru (Tabela 3). W tym przypadku strojenie jest do tej pory ograniczone do prędkości dźwięku w zakresie ~1.450-1.516 m·s-1. Niższe stężenia polimerów mogą skutkować niską stabilnością fizyczną próbki, co z czasem prowadzi do deformacji plastycznej34. Wyższe stężenia polimerów skutkują kruchością i nierówną fakturą materiału. Zakres właściwości akustycznych może pomóc w naśladowaniu tkanek, takich jak piersi lub tłuszcz (c = 1 450-1 480 m·s−1), ale może być niewystarczający dla tkanek takich jak mięśnie lub nerki (c > 1 520 m·s−1; Tabela 1).

Częste źródła błędów w przygotowaniu fantomów to niewystarczające usuwanie pęcherzyków powietrza i niejednorodne mieszanie podstawowych składników (Rysunek 4). Można to zminimalizować poprzez odkurzanie i ostrożne nalewanie oraz mieszanie/wirowanie.

figure-results-1
Rysunek 2: Eksperymentalna konfiguracja do produkcji fantomów. Szklaną zlewkę zawierającą składniki fantomowe umieszcza się w kąpieli oleju silikonowego za pomocą zacisku, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu między powierzchniami kąpieli olejowej a szklaną zlewką. Sprzężenie zwrotne temperatury na płycie grzejnej zapewnia staranną kontrolę temperatury. Mieszadła magnetyczne umożliwiają mieszanie zarówno oleju silikonowego, jak i składników fantomowych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 3: Reprezentatywne wyniki procesu produkcji fantomów. (A) Różne projekty fantomów wykazujące wszechstronność zastosowania w różnych systemach obrazowania fotoakustycznego. Po lewej: mały prostokątny fantom ze sznurkami osadzonymi na różnych głębokościach (0,5, 1,5 i 2,5 mm; odległość między tarczami 1,25 mm) przeznaczony do testowania systemów obrazowania o wysokiej rozdzielczości; środek: cylindryczny fantom z dwoma inkluzjami (odległość między inkluzjami 12 mm) przy użyciu zielonego i fioletowego barwnika rozpuszczalnego w oleju, przeznaczony do testowania systemów tomografii; Po prawej: duży prostokątny fantom z kanałami osadzonymi na różnych głębokościach (6 mm, 10 mm i 14 mm; odległość między kanałami 3,5 mm), przeznaczony do testowania systemu przenośnego. (B) Przykładowy obraz fotoakustyczny prostokątnego fantomu z osadzonymi strunami, uzyskany przy długości fali 532 nm za pomocą komercyjnego systemu obrazowania fotoakustycznego. (C) Przykładowy obraz fotoakustyczny cylindrycznego fantomu tomograficznego, uzyskany przy długości fali 800 nm za pomocą komercyjnego systemu obrazowania fotoakustycznego. (D) Fantomy o rosnących stężeniach absorpcji optycznej poprzez zwiększanie stężeń Nigrosyny (stężenia podane w procentach wagowych całkowitej objętości oleju mineralnego na obrazie). Rysunek 3B,C jest odtworzony z Hacker et al.39. Podziałka = 10 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 4: Częste awarie fantomów. (A,B) Fotografie przedstawiające pęcherzyki powietrza uwięzione wewnątrz matrycy podstawowej. (C) Niewystarczające wymieszanie składników bazowych prowadzi do niejednorodności (czerwone strzałki) w wynikowym obrazie fotoakustycznym. Podziałka = 5 mm (A). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 2: Tabelaryczne zestawienie wartości absorpcji optycznej (μa) i rozpraszania (μs'). Wartości procentowe podane są jako procenty wagowe w stosunku do całkowitej objętości roztworu bazowego (olej mineralny, kolumna 1) oraz w stosunku do całkowitej masy materiału fantomowego (kolumna 2). Stężenia nigrozyny przedstawiają całkowitą ilość bezwzględnej nigrozyny (nie roztworu podstawowego). Wszystkie próbki zawierały 5% butylowany hydroksytoluen jako przeciwutleniacz (opcjonalnie). n = 3 pomiary na próbkę. Wizualną reprezentację tabeli można znaleźć w Hacker et al.39. Skrót: neg = znikomy. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Tabela 3: Tabelaryczne zestawienie wartości tłumienia akustycznego (α) i prędkości dźwięku (c). Opisana prawem potęgowym α0fn z parametrami α0 i n uzyskanymi z nieliniowego dopasowania metodą najmniejszych kwadratów (n = 4 pomiary na próbkę). F oznacza częstotliwość w MHz. Wartości procentowe są podane jako procent wagowy w stosunku do całkowitej masy roztworu podstawowego (oleju mineralnego). Wszystkie próbki zawierały 5% butylowany hydroksytoluen jako przeciwutleniacz (opcjonalnie). Wizualną reprezentację tabeli można znaleźć w Hacker et al.39. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Rysunek uzupełniający S1: Konfiguracja systemów charakterystyki akustycznej i optycznej używanych do weryfikacji. Wyświetlane jest zdjęcie (A) i schemat (B) systemu charakterystyki akustycznej w celu wyznaczenia współczynnika tłumienia akustycznego i prędkości dźwięku. Poszczególne elementy systemu oznaczone są adnotacjami HP (HydroPhone), S (Sample) i T (Transducer) na zdjęciu i schemacie. Pokazano zdjęcie (C) i schemat (D) układu sfery podwójnie całkującej do oceny współczynnika absorpcji optycznej i współczynnika zmniejszonego rozpraszania. Poszczególne elementy systemu są oznaczone adnotacjami S (Sample), RS (Reflectance Sphere), TS (Transmission Sphere), OF (Optical Fiber) i MS (Motorized Stage) na zdjęciu i schemacie. Ten rysunek jest odtworzony z Hacker et al. 39. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

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

W tym miejscu przedstawiono protokół, który ma na celu zapewnienie wszechstronnej receptury stabilnego, biologicznie istotnego materiału, który można wykorzystać do tworzenia fantomów do pomiarów kalibracyjnych i standaryzacji w multimodalnych zastosowaniach akustycznego i optycznego obrazowania biomedycznego. Wcześniej wykazano, że materiał jest stabilny w czasie39 , ma wysoką powtarzalność między partiami, jest bezpieczny w użyciu i składa się z łatwo dostępnych, opłacalnych składników pochodzących od standardowych dostawców naukowych. Właściwości materiału są niezależnie regulowane w odpowiednich reżimach akustycznych i optycznych. Ponadto jest wytrzymały mechanicznie i nierozpuszczalny w wodzie, dzięki czemu wytrzymuje nieostrożne obchodzenie się z nim, a także jest obojętny na środki sprzęgające na bazie wody, które są stosowane w badaniach ultradźwiękowych/fotoakustycznych. Podkreślono, że można tworzyć różne projekty fantomowe z różnymi rodzajami inkluzji, złożonymi z tego samego lub z różnych rodzajów materiałów. Biorąc pod uwagę te właściwości, materiał spełnia wyżej wymienione kluczowe kryteria idealnego fantomu biofotonicznego i wykazuje kluczowe zalety w porównaniu z innymi istniejącymi materiałami naśladującymi tkanki3. Szczegółowo opisując dokładny proces produkcyjny, mamy nadzieję zminimalizować różnice wynikające z procedury wytwarzania, optymalizując w ten sposób jej wykorzystanie do kalibracji, walidacji i śledzenia wydajności systemów obrazowania.

Dwa kluczowe etapy zostały zidentyfikowane jako kluczowe dla procesu produkcyjnego. Po pierwsze, składniki muszą być dokładnie wymieszane i równomiernie podgrzane, aby uzyskać jednorodny materiał. Użycie sonikatora i mieszadła magnetycznego do mieszania oraz kąpieli olejowej do ogrzewania zapewnia równomierne rozprowadzenie składników materiału w matrycy bazowej. Należy uważać, aby kąpiel olejowa nie osiągnęła bardzo wysokich temperatur (>180 °C), ponieważ spowoduje to utlenienie składników materiału, co doprowadzi do żółtawych przebarwień. Ręczne mieszanie może wspomagać proces mieszania i kompensować niewystarczające nagrzewanie z interfejsu materiał-powietrze. Czas sonikacji i mieszania może wymagać wydłużenia, gdy stosuje się wyższe stężenie TiO2 i/lub polimerów w celu zapewnienia jednorodnego składu materiału. Po drugie, pęcherzyki powietrza muszą zostać usunięte, aby zapobiec tworzeniu się niejednorodności w macierzy podstawowej. Chociaż można to osiągnąć za pomocą pompy próżniowej lub pieca, należy również praktykować ostrożne nalewanie z małej wysokości, aby zminimalizować zatrzymywanie powietrza w materiale.

Istotną zaletą materiału są jego właściwości termoplastyczne (pochodzące z polimeru SEBS), które pozwalają na jego ponowne podgrzewanie i formowanie bez znaczącego wpływu na jego właściwości akustyczne i optyczne39. Jednak ponowne podgrzewanie należy wykonywać stopniowo i ostrożnie, ponieważ materiał może łatwo się spalić i utlenić, jeśli zostanie zbyt szybko podgrzany. Ponowne podgrzewanie staje się również trudniejsze, gdy stosuje się wyższe stężenia LDPE, ponieważ LDPE nie wykazuje takiego samego zachowania termoplastycznego jak SEBS.

Pozostaje kilka ograniczeń protokołu. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia polimerów (150 °C), formy fantomowe muszą być wykonane z materiału żaroodpornego, takiego jak szkło lub stal nierdzewna. Ponadto materiał jest dość lepki w stanie ciekłym, jeśli do dostrojenia właściwości akustycznych stosuje się wysokie stężenie polimeru, co utrudnia wypełnianie małych obiektów obrazowych. Wreszcie, dostrojenie właściwości akustycznych jest do tej pory ograniczone do prędkości dźwięku w zakresie ~1450-1,516 m·s-1 , który obsługuje tkanki naśladujące, takie jak piersi lub tłuszcz (c = 1,450-1,480 m·s−1), ale może być niewystarczający dla tkanek takich jak mięśnie lub nerki (c > 1,520 m·s−1). Należy również wziąć pod uwagę towarzyszącą temu zmianę tłumienia akustycznego.

W tym miejscu podkreśliliśmy zastosowanie materiału jako stabilnego fantomu do zastosowań ultrasonograficznych i obrazowania optycznego. Jednak materiały kopolimerowe w oleju okazały się również przydatne w zastosowaniach elastografii35 i mogą potencjalnie pozwolić na kompatybilność z innymi metodami obrazowania, takimi jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego. Zwiększony realizm anatomiczny fantomów można osiągnąć za pomocą form drukowanych w 3D, jak wykazano w podobnych badaniach 29,47,48,49. Wczesne badania wykazały również drukowalność 3D samego materiału, co jeszcze bardziej zwiększa jego elastyczność w zakresie przetwarzania i wytwarzania. Odkrycia te podkreślają ekscytujący potencjał materiału jako szeroko stosowanego, stabilnego medium fantomowego do zastosowań w obrazowaniu multimodalnym.

Oświadczenia

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

Sarah Bohndiek otrzymała wcześniej wsparcie badawcze od CYBERDYNE INC i iThera Medical GmbH, dostawców instrumentów do obrazowania fotoakustycznego. Pozostali autorzy nie mają do ujawnienia konfliktu interesów związanego z niniejszym manuskryptem.

Podziękowania

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

LH został sfinansowany przez program MedAccel NPL, finansowany przez Departament Biznesu, Energii i Strategii Przemysłowej (Department for Business, Energy and Industrial Strategy's Industrial Strategy Challenge Fund). JMG otrzymało dofinansowanie od Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Niemiecka Fundacja Badawcza) w ramach projektu GR 5824/1. JJ dziękuje za wsparcie finansowe z Academy of Medical Sciences Springboard (REF: SBF007\100007). SEB dziękuje za wsparcie ze strony Cancer Research UK w ramach grantu o numerze C9545/A29580. AMI, BZ i SR były wspierane przez brytyjski Departament ds. Biznesu, Energii i Strategii Przemysłowej poprzez finansowanie Krajowego Systemu Pomiarów. Rysunek 1 i rysunek 2 zostały stworzone za pomocą BioRender.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Polietylen o niskiej gęstości (LDPE)Alfa Aesar 43949.30
CAS: 9002-88-4		6.70 g
5.8% w/w
Olej mineralnySigma Aldrich330779-1L
CAS: 8042-47-5		83.80 g
72.5% w/w
Nigrosin Sigma Aldrich 211680-100G
CAS: 11099-03-9		0.4 g 
Polistyren-blok-poli(etylen-ran-butylen)-blok-polistyren (SEBS)Sigma Aldrich 200557-250G
CAS: 66070-58-4		25,14 g
21,7% w/w
Olej silikonowy do kąpieli olejowejSigma Aldrich 85409-1L
CAS: 63148-62-9
~1 L (w zależności od wielkości kąpieli olejowej)
Tlenek tytanu(IV), anataz (TiO2)Sigma Aldrich 232033
CAS: 1317-70-0		0,15 g
Przeciwutleniacz (opcjonalnie; np. butylowany hydroksytoluen)Sigma Aldrich W218405-1KG-K
CAS: 128-37-0		można dodać, aby zapobiec przebarwieniom, jeśli stosowane są wyższe temperatury produkcji 
Barwniki rozpuszczalne w oleju do inkluzji (opcjonalnie),np. tusze uwalniające Caligo safe wash, Cranfield Colours, Cwmbran, UK*mogą być dodawane w zależności od preferowanej absorpcji
Sonicator do kąpieli Ultrawave Ltd, Wielka Brytania*Ultradźwiękowa kąpiel czyszcząca U500H*najlepiej z regulacją temperatury; zalecane częstotliwości robocze między 30-50 kHz)
Naczynie krystalizujące do kąpieli w oleju silikonowym (do +200 ° C)dowolny odpowiedni dostawca(średnica zewnętrzna ~140 mm dla zlewki szklanej 250 ml)
Zlewka szklana (~250 ml); szklane naczynia na próbki/forma fantomowadowolny odpowiedni dostawca
Płyta grzejna z mieszadłem magnetycznym i termoregulatorem (termopara z sondą zewnętrzną) o maksymalnej temperaturze > 200 & stopni; CThermo Fisher Scientific, Wielka Brytania*Velp Scientifica AREC. X Cyfrowe mieszadło z ceramiczną płytą grzejną*
Wagi laboratoryjne / wagi naukowe z dokładnością do 0,01 gdowolny odpowiedni dostawca
Metalowa szpatułkadowolna odpowiednia dostawca
Piec próżniowy lub komora próżniowaMemmert, Niemcy (piec próżniowy)*

Cole-Parmer Instrument Company, Wielka Brytania (komora próżniowa)*		VO29 (Piec próżniowy)

DWK Life Sciences (Kimble) Szklany eksykator próżniowy z kołnierzem (komora próżniowa)*
1. System charakterystyki akustycznej*
HydrofonGEC Marconi30 mm średnica elementu aktywnego hydrofon
OscyloskopTektronix UK, Bracknell, Wielka BrytaniaDPO 7254 
Pulser– odbiornik Olympus NDT, Waltham, MA, Stany ZjednoczoneOlympus 5073PR
Uchwyt na próbkiNewport Spectra-Physics, Didcot, Wielka BrytaniaSeria Newport 605-4 Osiowe mocowanie zaciskowe o niskim poziomie zniekształceń Uchwyt optyczny gimbalamoże wymagać dodatkowego adaptera do przechowywania próbki
TermometrG. H. Zeal, Londyn, Wielka BrytaniaTermometr spirytusowy w szkle kalibrowany przez UKAS IP 39C
Force Technology, Brondby, DaniaPrzetwornik elementu aktywnego o średnicy 10 mm 
Suwmiarki z noniuszemdowolny odpowiedni dostawca
Zbiornik na wodę wypełniony wodą dejonizowaną każdy odpowiedni dostawcawymaga odpowiedniego rozmiaru (np. wymiary 112 & razy; 38 & razy; 30 cm3)
2. System charakteryzacji optycznej*
Kula całkująca (dwa)Avantes, Apeldoorn, HolandiaAvaSphere-50, średnica
Źródło światła Avantes, Apeldoorn, HolandiaAvalight-HAL-s-mini
Zmotoryzowany stopień (opcjonalnie)Thorlabs,ThorlabsMTS50
Światłowody (trzy)dowolny odpowiedni dostawca
Norma odbiciaLabsphere, North Sutton, USA99%, biały, średnica 1,25", USRS-99-010, AS-01158-060
SpektrometrAvantes, Apeldoorn, HolandiaStarline Avaspec-2048
Oprogramowanie
pozyskiwania danych (np. Labview)National Instruments, Austin, TX, USA
Oprogramowanie do analizy danych (np. Matlab)Mathworks, Natick, USA
Program do odwrotnego dodawania (IAD) Kod źródłowy: http://omlc.org/software/iad/
*Należy pamiętać, że podobny sprzęt może być również używany.
z membraną bialaminarną Przetwornik ultradźwiękowy wewnętrzna 50 cm do

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Waterhouse, D. Translation of optical imaging biomarkers: opportunities and challenges. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 339-353 (2019).
  2. O'Connor, J. P. B., et al. Imaging biomarker roadmap for cancer studies. Nature Reviews Clinical Oncology. 14 (3), 169-186 (2017).
  3. Hacker, L., et al. Criteria for the design of tissue-mimicking phantoms for the standardization of biophotonic instrumentation. Nature Biomedical Engineering. 6 (5), 541-558 (2022).
  4. Laufer, J., Zhang, E., Beard, P. Evaluation of absorbing chromophores used in tissue phantoms for quantitative photoacoustic spectroscopy and imaging. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (3), 600-607 (2010).
  5. Cook, J. R., Bouchard, R. R., Emelianov, S. Y. Tissue-mimicking phantoms for photoacoustic and ultrasonic imaging. Biomedical Optics Express. 2 (11), 3193-3206 (2011).
  6. Xia, W., et al. Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 075002(2011).
  7. Manohar, S., et al. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms. J Biomed Opt. 9, 1172(2004).
  8. Blumenröther, E., Melchert, O., Wollweber, M., Roth, B. Detection, numerical simulation and approximate inversion of optoacoustic signals generated in multi-layered PVA hydrogel based tissue phantoms. Photoacoustics. 4 (4), 125-132 (2016).
  9. Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
  10. Spirou, G. M., Oraevsky, A. A., Vitkin, I. A., Whelan, W. M. Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics. Physics in Medicine and Biology. 50 (14), N141-N153 (2005).
  11. Bohndiek, S. E., Bodapati, S., Van De Sompel, D., Kothapalli, S. -R., Gambhir, S. S. Development and application of stable phantoms for the evaluation of photoacoustic imaging instruments. PLoS One. 8 (9), e75533(2013).
  12. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P. C., Cox, B. T. Characterisation of a phantom for multiwavelength quantitative photoacoustic imaging. Physics in Medicine and Biology. 61 (13), 4950-4973 (2016).
  13. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Joshua Pfefer, T. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405(2016).
  14. Dantuma, M., van Dommelen, R., Manohar, S. Semi-anthropomorphic photoacoustic breast phantom. Biomedical Optics Express. 10 (11), 5921-5939 (2019).
  15. Jeong, E., et al. Fabrication and characterization of PVCP human breast tissue-mimicking phantom for photoacoustic imaging. BioChip Journal. 11, 67-75 (2017).
  16. Jia, C., Vogt, W. C., Wear, K. A., Pfefer, T. J., Garra, B. S. Two-layer heterogeneous breast phantom for photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (10), 1-14 (2017).
  17. Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. Stability of heterogeneous elastography phantoms made from oil dispersions in aqueous gels. Ultrasound in Medicine & Biology. 32 (2), 261-270 (2006).
  18. Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (6), 861-873 (2010).
  19. Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), N475-N484 (2007).
  20. Lazebnik, M., Madsen, E. L., Frank, G. R., Hagness, S. C. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications. Physics in Medicine and Biology. 50 (18), 4245-4258 (2005).
  21. Ramnarine, K. V., Anderson, T., Hoskins, P. R. Construction and geometric stability of physiological flow rate wall-less stenosis phantoms. Ultrasound in Medicine & Biology. 27 (2), 245-250 (2001).
  22. 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).
  23. Lamouche, G., et al. Review of tissue simulating phantoms with controllable optical, mechanical and structural properties for use in optical coherence tomography. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1381-1398 (2012).
  24. Bohndiek, S. E., Van de Sompel, D., Bodapati, S., Kothapalli, S. R., Gambhir, S. S. Stable phantoms for characterization of photoacoustic tomography (PAT) systems. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. 858308, 30-35 (2013).
  25. Fenollar, O., Sanchez-Nacher, L., Garcia-Sanoguera, D., López, J., Balart, R. The effect of the curing time and temperature on final properties of flexible PVC with an epoxidized fatty acid ester as natural-based plasticizer. Journal of Materials Science. 44, 3702-3711 (2009).
  26. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P., Cox, B. Characterisation of a PVCP-based tissue-mimicking phantom for quantitative photoacoustic imaging. European Conference on Biomedical Optics. , Optica Publishing Group. 953911(2015).
  27. Heudorf, U., Mersch-Sundermann, V., Angerer, J. Phthalates: toxicology and exposure. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 210 (5), 623-634 (2007).
  28. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomed. Opt. Express. 9 (3), 1151-1163 (2018).
  29. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed molds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), 015033(2018).
  30. Jones, C. J. M., Munro, P. R. T. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3495-3502 (2018).
  31. Ivory, A. M., Shah, A., Rajagopal, S., Zeqiri, B. Development and investigation of the acoustic properties of tissue-mimicking materials for photoacoustic imaging techniques. IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1489-1492 (2019).
  32. Grillo, F. W., Cabrelli, L. C., Sampaio, D. R. T., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Glycerol in oil-based phantom with improved performance for photoacoustic imaging. 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2017).
  33. Cabrelli, L. C., et al. Oil-based gel phantom for ultrasound and optical imaging. Biophotonics South America. SPIE. 9531, 40-46 (2015).
  34. Cabrelli, L. C., et al. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  35. Oudry, J., Bastard, C., Miette, V., Willinger, R., Sandrin, L. Copolymer-in-oil phantom materials for elastography. Ultrasound in Medicine & Biology. 35 (7), 1185-1197 (2009).
  36. Suzuki, A., et al. Oil gel-based phantom for evaluating quantitative accuracy of speed of sound measured in ultrasound computed tomography. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (9), 2554-2567 (2019).
  37. Cabrelli, L. C., Grillo, F. W., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tunable acoustic properties. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2016).
  38. Cabrelli, L. C., et al. Copolymer-in-oil phantoms for photoacoustic imaging. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2015).
  39. Hacker, L., et al. A copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tuneable acoustic and optical characteristics for photoacoustic imaging phantoms. IEEE Transactions on Medical Imaging. 40 (12), 3593-3603 (2021).
  40. Greenspan, M., Tschiegg, C. E. Speed of sound in water by a direct method. Journal of Research of the National Bureau of Standards. 59 (4), 249-254 (1957).
  41. Zeqiri, B., Scholl, W., Robinson, S. P. Measurement and testing of the acoustic properties of materials: a review. Metrologia. 47 (2), S156-S171 (2010).
  42. Pickering, J. W., et al. Double-integrating-sphere system for measuring the optical properties of tissue. Applied Optics. 32 (4), 399-410 (1993).
  43. Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the IEC agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
  44. Prahl, S. A. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital. 1344, 1-74 (2011).
  45. Pinkerton, J. M. M. The absorption of ultrasonic waves in liquids and its relation to molecular constitution. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62 (2), 129-141 (1949).
  46. Hu, D., Lu, R., Huang, Y., Ying, Y., Fu, X. Effects of optical variables in a single integrating sphere system on estimation of scattering properties of turbid media. Biosystems Engineering. 194, 82-98 (2020).
  47. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 3(2018).
  48. Nikitichev, D. I., et al. Construction of 3-dimensional printed ultrasound phantoms with wall-less vessels. Journal of Ultrasound in Medicine. 35 (6), 1333-1339 (2016).
  49. West, S. J., et al. Development of an ultrasound phantom for spinal injections with 3-dimensional printing. Regional Anesthesia and Pain Medicine. 39 (5), 429-433 (2014).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Na ladowanie tkanekobrazowanie fotoakustyczneobrazowanie optycznestandaryzacja ultrad wi k wkopolimer w olejudwutlenek tytanufantom z oleju mineralnegowytwarzanie fantom w

Powiązane artykuły