Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego
16 czerwca 2023
Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.
Nasze badania koncentrują się na opracowaniu nowych metod obrazowania w celu wczesnego wykrywania raka. W szczególności w tym badaniu skupiliśmy się na opracowaniu stabilnego obiektu testowego, zwanego również fantomem, w celu walidacji modalności obrazowania na podstawie światła i/lub dźwięku. Zaproponowano różne zasoby w celu opracowania materiałów naśladujących tkanki w akustycznym schemacie optycznym.
Na przykład PVA, hydrożele, poliuretan lub PVCP. Badania te koncentrują się na obiecującym nowym typie materiału opartym na rdzeniu oleju Polyman, który pozwala przezwyciężyć wiele wyzwań związanych z przestrajalnością i stabilnością. Dziedzina optyki biomedycznej obejmuje szeroki zakres modalności obrazowania, które można zastosować do niektórych z kluczowych wyzwań, przed którymi stoi dzisiejsza medycyna.
Wiele ze wszystkich modalności obrazowania optycznego ma stosunkowo ograniczoną głębokość, ale możemy również połączyć światło z dźwiękiem za pomocą efektu fotoakustycznego, aby wykorzystać niektóre korzyści płynące z penetracji głębokości ultradźwięków. Obrazowanie fotoakustyczne okazało się obiecujące w szerokim zakresie badań klinicznych, od obrazowania stanów zapalnych po diagnostykę raka. Jednak ilościowa ocena wydajności pozostaje wyzwaniem ze względu na brak dostępnych materiałów fantomowych, które mogą dokładnie naśladować właściwości optyczne i akustyczne tkanki i pozostawać stabilne w czasie.
Opracowywanych jest wiele nowych systemów obrazowania optycznego i fotoakustycznego, ale brakuje nam ustandaryzowanego fantomu referencyjnego, który pozwoliłby zweryfikować te systemy i porównać ich działanie. Nasz materiał jest obiecującym kandydatem, który wypełni tę lukę i wesprze dalszy rozwój i przełożenie tych ekscytujących nowych technik na praktykę kliniczną. W przyszłości chcielibyśmy skupić się na tworzeniu bardziej realistycznych anatomicznie projektów fantomów i architektury, które są odpowiednie do oceny wydajności różnych konfiguracji systemu.
Na przykład układy mikroskopowe, mezoskopowe i makroskopowe, które mają różną geometrię i rozdzielczość przestrzenną. Rozpocznij sonikację 0,15 grama dwutlenku tytanu i jednego mililitra roztworu podstawowego barwnika absorbującego w 100 mililitrach oleju mineralnego w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 60 minut. Pozwól, aby wszystkie składniki całkowicie się rozpuściły.
Użyj odpowiedniego szkła i oleju silikonowego, aby stworzyć kąpiel olejową i ostrożnie zabezpiecz ją na płycie grzejnej. Aby zapewnić równomierne rozprowadzanie ciepła, umieść mieszadło magnetyczne w kąpieli olejowej. Włącz płytę grzejną, ustaw temperaturę grzania na 160 stopni Celsjusza i dostosuj mieszanie do 50 obr./min.
Następnie odważyć 25,14 grama SEBS i 6,70 grama LDPE i przenieść je do szklanej zlewki zawierającej sonikowany olej mineralny. Umieść mieszadło w zlewce i przenieś je na środek kąpieli olejowej, aby podgrzać odmierzone składniki. Gdy dodane polimery unoszą się nad olejem mineralnym, ręcznie wymieszaj roztwór oleju mineralnego za pomocą metalowej szpatułki i rozprowadź pływający polimer wewnątrz oleju mineralnego.
Pozostaw mieszaninę w temperaturze 160 stopni Celsjusza na 1,5 godziny, aż cały polimer się rozpuści, a roztwór będzie wyglądał na równomiernie wymieszany, gładki i jednorodny. Na początek umieść gorącą zlewkę wypełnioną równomiernie wymieszanym, gładkim i jednorodnym roztworem materiału fantomowego w komorze próżniowej. Odkurzać próbki na najniższym ustawieniu próżni przez dwie do trzech minut.
Usuń wszelkie pęcherzyki powietrza nagromadzone na powierzchni za pomocą metalowej szpatułki. Jeśli pęcherzyki powietrza utrzymują się, podgrzej mieszaninę i powtarzaj etap odkurzania, aż do całkowitego usunięcia pęcherzyków powietrza. W przypadku form o skomplikowanych kształtach, przed wylaniem należy pokryć formę cienką warstwą oleju.
Nosić rękawice żaroodporne, używać odpowiedniego sprzętu ochronnego i ostrożnie wlać roztwór do odpowiedniej formy, nie wprowadzając żadnych pęcherzyków powietrza. Po wylaniu szybko usuń wszelkie pęcherzyki powietrza z górnej części próbek za pomocą metalowej szpatułki. Pozostaw roztwór na noc w temperaturze pokojowej.
Stworzono trzy reprezentatywne projekty materiałów fantomowych do obrazowania fotoakustycznego, przeznaczone do różnych konstrukcji systemów o różnym oświetleniu optycznym i geometriach detekcji akustycznej. Udana procedura pozwoliła na płynne i jednorodne przygotowanie materiału fantomowego bez uwięzionych pęcherzyków powietrza, zanieczyszczeń i artefaktów. Niedostateczne usunięcie pęcherzyków powietrza i niejednorodne wymieszanie składników bazowych spowodowało niejednorodności uzyskanego obrazu fotoakustycznego.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół tworzenia stabilnego materiału fantomowego opracowanego na potrzeby optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego. Materiał fantomowy charakteryzuje się regulowanymi właściwościami akustycznymi i optycznymi, co pozwala rozwiązać problemy związane z walidacją modalności obrazowania.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Obrazowanie biomedyczne
- Obrazowanie optyczne
- Obrazowanie akustyczne
Wstęp
- Opracowanie materiałów naśladujących tkanki jest kluczowe dla walidacji technik obrazowania.
- Istniejące materiały często charakteryzują się brakiem stabilności i możliwości regulacji parametrów.
- Obrazowanie fotoakustyczne łączy światło i dźwięk, co pozwala na głębszą penetrację tkanek.
- Standaryzowane fantomy referencyjne są niezbędne do oceny wydajności systemów obrazowania.
Cel badania
- Wytworzenie stabilnego materiału fantomowego do obrazowania optycznego i akustycznego.
- Zapewnienie rozwiązania problemu braku wiarygodnych materiałów fantomowych w optyce biomedycznej.
- Wsparcie rozwoju i wdrażania nowych technik obrazowania do warunków klinicznych.
Zastosowane metody
- Sonikacja dwutlenku tytanu i barwnika w oleju mineralnym.
- Ogrzewanie i mieszanie polimerów (SEBS i LDPE) w sonikowanym roztworze.
- Usunięcie pęcherzyków powietrza z mieszaniny w próżni.
- Wlewanie roztworu do form i pozostawienie do utwardzenia w temperaturze pokojowej.
Główne wyniki
- Pomyślne przygotowanie gładkiego i jednorodnego materiału fantoma.
- Stworzono trzy różne projekty fantomów dla różnych systemów obrazowania.
- Materiał wykazał stabilność oraz możliwość dostrojenia właściwości optycznych i akustycznych.
- Rozwiązano problemy występujące w istniejących materiałach fantomów do obrazowania fotoakustycznego.
Wnioski
- Opracowany materiał fantomowy jest obiecującym kandydatem do walidacji modalności obrazowania.
- Dalsze prace skupią się na tworzeniu projektów realistycznie anatomicznych.
- Niniejsze badanie wspiera rozwój technik obrazowania w zastosowaniach klinicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ustandaryzowane, stabilne materiały fantomowe są kluczowe dla benchmarkingu i walidacji platform obrazowania optycznego i akustycznego w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym. Ten fantom z kopolimeru w oleju umożliwia powtarzalne, ilościowe porównywanie urządzeń i wspiera opracowywanie międzyinstytucjonalnych standardów obrazowania. Jego regulowane właściwości imitujące tkankę mają bezpośredni wpływ na translacyjne przepływy pracy w obrazowaniu oraz na wdrażanie nowych technologii.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia rygorystyczne testowanie hipotez w systemach wykrywania biomarkerów opartych na obrazowaniu.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez zapewnienie biologicznie istotnych, powtarzalnych warunków testowych.
- Ułatwia funkcjonalną walidację celów obrazowania dzięki zastosowaniu zestandaryzowanych materiałów referencyjnych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia walidowane podłoże do kalibracji analiz ilościowych i standaryzacji urządzeń.
- Gwarantuje powtarzalność i porównywalność wyników obrazowania pomiędzy różnymi platformami i ośrodkami.
- Umożliwia skalowalne i powtarzalne przygotowanie próbek dla środowisk wysokoprzepustowego przesiewania.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje wydajność systemu obrazowania do właściwości tkanek istotnych dla przebiegu choroby w celu zapewnienia ciągłości translacyjnej.
- Wspiera walidację modeli przedklinicznych poprzez naśladowanie akustycznych i optycznych charakterystyk tkanek ludzkich.
- Zmniejsza ryzyko związane z wdrażaniem biomarkerów obrazowych do zastosowań klinicznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten materiał fantomowy integruje się z kontinuum walidacji obrazowania, od wczesnego etapu odkryć po rozwój przedkliniczny, wspierając kalibrację urządzeń, opracowywanie testów oraz badania translacyjne.
- Biologia odkrywcza: Zapewnia kontrolowane środowisko do badań obrazowych opartych na hipotezach oraz analizy szlaków sygnałowych.
- Screening: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki do benchmarkingu urządzeń i testów.
- Analityka: Umożliwia precyzyjny pomiar parametrów akustycznych i optycznych w celu porównania międzysystemowego.
- Badania translacyjne: Łączy przedkliniczną walidację obrazowania z translacją kliniczną poprzez naśladowanie właściwości odpowiednich tkanek.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje trwały, skalowalny standard do bieżącej oceny platform obrazowania i rozwoju metod.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność w walidacji celów opartej na obrazowaniu.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy obrazowania i zwiększa powtarzalność w zespołach badawczo-rozwojowych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go w zakresie inwestycji w technologie obrazowania i rozwoju portfolio.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację modalności obrazowania i strategii biomarkerów translacyjnych z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza z zakresu przygotowania materiałów oraz kalibracji systemu obrazowania.
- W celu zapewnienia powtarzalności procesu wytwarzania niezbędny jest dostęp do sprzętu do sonikacji, ogrzewania i pompy próżniowej.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów przygotowania fantomów i obrazowania pomiędzy zespołami.
- Metoda jest możliwa do dostosowania do różnych geometrii obrazowania i konfiguracji systemów, co zostało zaprezentowane w protokole.
- Jednorodność oraz usunięcie pęcherzyków powietrza mają krytyczne znaczenie dla uzyskania wiarygodnych wyników obrazowania.
