Спиновое покрытие, полиджетная печать и сросшиеся модели ясные материалы интегрированы для производства многослойных разнородных фантомов, имитирующих структурные и функциональные свойства биологической ткани.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Мультимодальная 3D печать фантомов для имитации биологических тканей
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Биомедицинская оптическая визуализация играет важную роль в диагностике и лечении различных заболеваний. Однако на точность и воспроизводимость оптического устройства визуализации сильно влияют эксплуатационные характеристики его компонентов, тестовая среда и операции. Поэтому необходимо откалибровать эти устройства по прослеживаемым фантомным стандартам. Однако большинство имеющихся в настоящее время фантомов являются однородными фантомами, которые не могут имитировать мультимодальные и динамические характеристики биологической ткани. Здесь мы показываем изготовление неоднородных тканей, имитирующих фантомы с помощью производственной линии, объединяющей модуль спинного покрытия, полиджетный модуль, модуль моделирования сросого осаждения (FDM) и автоматический каркас управления. Структурная информация и оптические параметры "цифрового оптического фантома" определяются в файле прототипа, импортируемом на производственную линию, и изготовленном слое за слоем с последовательным переключением между различными методами печати. Технические возможности такой производственной линии иллюстрируется автоматической печатью кожи, имитирующей фантомы, которые включают эпидермис, дерму, подкожную ткань и встроенную опухоль.
Введение
Биомедицинская оптическая визуализация представляет собой семейство медицинских инструментов визуализации, которые обнаруживают заболевания и аномалии тканей на основе световых взаимодействий с биологическими тканями. По сравнению с другими методами визуализации, такими как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ), биомедицинская оптическая визуализация использует преимущества неинвазивного измерения структурных, функциональных и молекулярных характеристик тканей с использованием недорогихи портативных устройств1,2,3,4. Однако, несмотря на свое превосходство в стоимости и портативности, оптическая визуализация не получила широкого признания для клинической диагностики и терапевтического руководства, отчасти из-за его плохой воспроизводимости и отсутствия количественного картирования между оптическими и биологическими параметрами. Основной причиной такого ограничения является отсутствие прослеживаемых стандартов количественной калибровки и проверки биомедицинских оптических приборов визуализации.
В прошлом, различные ткани имитирующих фантомы были разработаны для биомедицинских оптических исследований изображений в различных типах тканей, таких как мозг5,6,7, кожа8,9,10,11,12, мочевого пузыря13, и ткани молочной железы14,15,16,17. Эти фантомы в основном производятся одним из следующих процессов изготовления: 1) спиновое покрытие10,18 (для моделирования однородной и тонкослойной ткани); 2) литье19 (для имитации громоздких тканей с геометрическими особенностями); и 3) трехмерная (3D) печать20,21,22 (для моделирования многослойной неоднородной ткани). Призраки кожи, производимые литьем, способны имитировать оптико-оптические свойства тканей кожи, но не могут имитировать боковые оптические неоднородности19. Bentz et al. использовали двухканальный метод 3D-печати FDM для имитации различных оптических свойств биологической ткани23. Однако использование двух материалов не может достаточно имитировать оптическую неоднородность тканей и анизотропию. Lurie et al. создали призрачный мочевой пузырь для оптической когеренционной томографии (OCT) и цистоскопии, объединив 3D-печать и спиновое покрытие13. Однако, неоднородные черты фантома, такие как кровеносные сосуды, должны были быть окрашены вручную.
Среди вышеперечисленных процессов фантомного изготовления 3D-печать обеспечивает максимальную гибкость для имитации структурной и функциональной неоднородности биологических тканей. Однако многие биологические типы тканей, такие как ткани кожи, состоят из многослойных и многоразмерных компонентов, которые не могут быть эффективно дублированы одним процессом 3D-печати. Поэтому необходима интеграция нескольких производственных процессов. Мы предлагаем производственную линию 3D-печати, которая интегрирует несколько производственных процессов для автоматического производства многослойной и многомасштабной ткани, имитирующей фантомы в качестве прослеживаемого стандарта для биомедицинской оптической визуализации(рисунок 1). Хотя спиновое покрытие, полиджетная печать и FDM автоматизированы в нашей производственной линии 3D-печати, каждая модальность сохраняет те же функциональные характеристики, что и установленные процессы. Таким образом, в настоящем документе содержится общее руководство для создания многомасштабных, многослойных и неоднородных фантомов для моделирования тканей без необходимости физической интеграции нескольких процессов в один аппарат.
Рисунок 1: Диаграмма CAD производственной линии 3D-печати. (A) Производственная линия 3D-печати с верхней оболочкой удалены. (B) Схема модуля спин-покрытия и механического ручного модуля. (C) Схема полиджетного модуля печати. (D) Схема модуля печати FDM (УФ-лампа относится к полиджетной печати модуль). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Подготовка материалов для 3D-печати
ПРИМЕЧАНИЕ: Наша оптическая фантомная производственная линия использует различные печатные материалы для имитации структурной и функциональной неоднородности биологических тканей. Выбор печатных материалов также зависит от производственных процессов.
- Подготовка материала для печати спин-покрытий
- Добавьте 100 мг диоксида титана (TiO2) порошка в стакан, содержащий 100 мл фотолитографии (SLA) фотополимерной мины.
- Перемешать смесь в стакане в течение 30 минут на магнитном мешалке.
- Запечатать стакан фольгой и снести его в ультразвуковой машине в течение 15 минут.
- Вакуумный материал в течение 10 минут и загрузите его в шприц для хранения устройства.
- Подготовка материала для полиджетной печати
- Добавьте 17,56 г 2-гидрокси-2-метилпропиофенона (1-гидроксициклексил фенил кетон) в стакан, содержащий 80 г триэтилена гликолдиколдиола, чтобы получить 18% (w/w) материала.
- Запечатать стакан фольгой и снести его в ультразвуковой машине в течение 15 минут.
- Вынуть 20 мл смеси и добавить 5 мг растворимых китайских красных красителя в него. Повторите шаг 1.2.2.
- Вакуумные все материалы, загрузить раствор с красителем в картриджи для Y (желтый) канал, и загрузить чистый раствор в картриджи для K (Черный) канал.
- Подготовка материала для печати FDM
- Загрузите 200 г гель-воска в каждый из трех клювов, а затем нагрейте их до 60 градусов по Цельсию на магнитном мешалке.
- Добавьте 600 мг порошка TiO2 в первый стакан. Добавьте 80 мг графитового порошка во второй.
- Перемешать гель воск смешивается с TiO2 и гель воск смешивается с графитовым порошком в различных клювах в течение 30 минут на магнитном мешалке.
- Вакуум три различных материалов в течение 2 мин и загрузить их в экструдер гибридного три сопла модуль до затвердевания.
2. Подготовка компьютерных моделей для мультимодальной 3D-печати
ПРИМЕЧАНИЕ: Неоднородная ткань кожи упрощается на три слоя: эпидермис, дерму и подкожную ткань. Слой эпидермиса производится путем спинного покрытия с использованием материала, представленного в шаге 1.1. Слой дермы производится с помощью полиджетной печати с использованием фоточувствительного полимера, введенного в шаге 1.2. Слой подкожной ткани производится FDM с использованием материала, введенного в шаге 1.3. Прототип компьютерного дизайна (CAD) файл различных параметров печати генерируется для руководства вышеупомянутых процессов изготовления.
- Дизайн цифрового оптического фантома для кожи
- Дизайн кожи фантом с следующих трех слоев: слой эпидермиса 100 мкм толщиной, слой дермы 400 мкм толщиной, и подкожной ткани 1 см толщиной.
- Нарисуйте модель опухоли с помощью пакета программного обеспечения для 3D-моделирования (например, Solidworks)(рисунок 5A).
- Настройка параметра для спинового покрытия
- Установите параметры вращающейся скорости и продолжительности в программном обеспечении управления печатающим устройством. Скорость покрытия спинов первой ступени, используемая в этой демонстрации, составляет 200 оборотов в минуту (об / 1, время спинового покрытия составляет 20 с, скорость в спиновом покрытии второй ступени составляет 1000 об/мин, а время спинного покрытия - 40 с.
- Установите количество материала спинного покрытия в 3 мл, а время светоотражая как 180 с в программном обеспечении управления.
- Подготовка исходного файла для полиджетной печати
- Импортируйте изображение кровеносных сосудов, которое будет напечатано в пакете программного обеспечения AcroRIP Color, и установите параметры (положение печати и количество струй) в зависимости от взаимосвязи между оптическими параметрами печатных фантомов и свойствами изображения. На этом печатном изображении кровеносных сосудов канал K загружается прозрачным фотоизлечимым материалом, а канал Y загружается с фотоизлечимым материалом, смешанным с китайским красным красителем.
- Создайте файл ".prn" с параметрами, определенными для 3D-печати.
- Подготовка G-кода для печати FDM
- Нарисуйте модель frustum с пакетом программного обеспечения для 3D-карт (например, Solidworks) для имитации опухоли.
- Импортируйте файл опухолевой модели «.stl» в пакет программного обеспечения Cura, установленный с нарезкой наслей «все-в-одном».
- Нарежьте модель для создания кода G, необходимого для печати.
- Загрузка документов в программное обеспечение для управления печатью
- Нажмите пункт меню"Файл"в панели меню, выберите"Импорт УФ-печать файла"submenu пункта, и загрузить УФ-печати ".prn" файлы, введенные в шаге 2.3.
- Загрузите код G, созданный в шаге 2.4, в программное обеспечение управления печатью, как в шаге 2.5.1.
- Нажмите кнопку «Старт печать», чтобы начать процедуру автоматической 3D-печати.
3. Печать кожи эпидермис слой фантомный компонент спинпокрытие
ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль спинного покрытия в основном состоит из трех частей: 1) спин пальто; 2) дозатор клея; и 3) УФ-лампа.
- Переместите субстрат на погрузочной станции к этапу образца спин-шуфа механической рукой. Запустите вакуумный насос, чтобы исправить субстрат путем адсорбции.
- Дозатор клея управляет шприцем для капельного материала, введенного в шаге 2.2.2 в центре субстрата.
- Спин-шуф начинает работать по установленным параметрам скорости и времени.
- Положите уф-лампу (длина волны: 395 нм) и включите ее на 180 с.
- Поднимите уф-лампу, выключите спин-шероха и распечатайте слой эпидермис кожи.
4. Печать кремниевого компонента слоя дермы кожи путем полиджетинга
ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль полиджетной печати состоит из пьезоэлектрического струйного сопла, трехмерной мобильной платформы, панели управления и ультрафиолетовой лампы (ртутной лампы). В качестве матрицы используются фотоизлечимый материал на основе растворителя, абсорбционный материал и рассеяние. Различные оптические параметры приобретаются путем распыления материалов в разных пропорциях в разных регионах. Наконец, фантомный слой дермы печатается и вылечивается слой за слоем.
- Переместите субстрат на 3D мобильную платформу и откройте всасывающий клапан для адсорба субстрата на платформе.
- 3D мобильная платформа удерживает субстрат до начального положения УФ-принтера.
- Нажмите струйный принтер к рабочему положению цилиндром, а струйный принтер работает время, указанное в файле ".prn", отправленном компьютером-хозяином. Здесь, бумажный сигнал корма струйного принтера используется для привода движения Y-оси мобильной платформы.
- Струйный принтер печатает слой, разработанный в шаге 2.5.1, и цилиндр толкает струйный принтер обратно в исходное положение. Оси Y-платформы 3D, размещенной с субстратом, инициируется путем перехода в исходное положение.
- Субстрат движется на 50 мм в положительном направлении Y-оси. УФ-лампа сдувается цилиндром (на 10 мм над субстратом).
- Включите ультрафиолетовую лампу на 180 с в зависимости от времени лечения.
- Нажмите УФ-лампы в исходное положение с цилиндром. Оси Y-мобильной платформы, размещенной с субстратом, инициализируется и возвращается в исходное положение.
- Переместите 3D мобильную платформу, размещенную с субстратом вниз на 0,1 мм вдоль оси.
- Повторите шаги 4.1-4.8 для печати следующего слоя до завершения многослойной печати.
5. Печать подкожной ткани фантомный компонент FDM
ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль FDM состоит из гибридного трехголового модуля, одноголового модуля и 3D-мобильной платформы. Гель воск, поглощающий материал, и рассеяние материала используются в качестве сырья для подготовки фантомных моделирования подкожной ткани / опухоли. Гель воск нагревается и плавится в кормушки. Равномерно перемешивая экструзионной головкой, она выдавливается для печати финальных фантомов с желаемыми оптическими параметрами.
- Включите тепловую мощность модуля сопла и установите температуру до 60 градусов по Цельсию.
- Переместите смешивающийся сопло в рабочее положение, нажав на цилиндр.
- Модуль FDM получает команды G кода, посылаемые компьютером-хозяином, а микширующая сопло нагревается до 68 градусов по Цельсию.
- Включите двигатель агитации и хорошо перемешайте материалы.
- Инициализация 3D-мобильной платформы и осей XY' переходят в исходное положение.
- Процесс печати выполняется в соответствии с командами кода G. В процедуре печати слоя за слоем материалы выдавливаются пропорционально соотношению смешивания, определяющего оптические параметры фантома в каждом слое. Печать продолжается до тех пор, пока подкожная часть ткани или часть опухоли не будет полностью напечатана.
- Переместите модуль смешивания сопла в исходное положение, нажав на цилиндр.
ВНИМАНИЕ: Поскольку графитовый порошок имеет сильную поглощение света, его необходимо смешивать как можно лучше, чтобы избежать изменений в оптических параметрах, индуцированных агрегацией. Порошок TiO2 большого размера частицлегко осаждает и влияет на точность размещения материала, поэтому необходимо полностью перемешать его. TiO2 следует заменить при длительном хранении.
6. Перемещение субстрата обратно на погрузочную станцию
- Инициализируем 3D мобильную платформу и переместите ось XY' в исходное положение. Переместите 3D мобильную платформу в место передачи.
- Переместите механическую руку в положение над подставкой, нажав на цилиндр.
- Возьмите подтекст и переместите его по погрузочной станции механической рукой. Поместите субстрат на погрузочную станцию и завершите автоматизированную печать.
7. Кастинг подкожного слоя ткани фантомный компонент путем литья
ПРИМЕЧАНИЕ: Если модель опухоли для фантома разработана, необходимо будет бросить весь фантом, выливая полидиметилсилоксан (PDMS) за пределами опухоли. Шаги 7.1-7.3 не требуются для модуля FDM для печати подкожного слоя ткани без опухоли.
- Нажмите на субстрат с 3D печатной прямоугольной плежей.
- Налейте жидкость PDMS в форму.
- Поместите субстрат в инкубатор и храните при 60 градусах по Цельсию 2 ч.
- Удалите фантом из подстрата.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Фантом, изготовленный по спиновому покрытию
Спиновое покрытие равномерно распределяет капли на подложке, вращая поворотный круг, а один слой оригинального кузова изготавливается после лечения. Скорость вращения субстрата и время вращения не только влияют на качество поверхности фантома, но и определяют толщину каждого слоя фантома. Фантомы различной толщины могут быть изготовлены с помощью повторяющихся спиновых покрытий слой за слоем. Оптические параметры фантомов можно определить путем изменения дол...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
При изготовлении многослойного фантома материал, используемый для спинового покрытия, является своего рода светоизлечимым материалом вместо PDMS. Промежуточный слой печатается методом полиджетной печати, который использует светоизлечиваемую произлечение в качестве сырья. Хотя тонкие фантомы PDMS могут быть сделаны путем спинного покрытия после добавления терт-бутилалкогола, слой PDMS не может эффективно связываться с светоизлечимым материалом во время полиджетной печати. Поэтому мы выбрали светоизлеченную шалухину для сп...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Благодарности
Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (Грант No 11002139 и 81327803) и Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов. Мы благодарим Закари Смита из Университета науки и техники за аудиозапись.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 2-Гидрокси-2-метилпропиофенон | аладдин | H110280-500г | Инициатор света http://www.aladdin-e.com/3D |
| Система управления печатью | USTC USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/Система | |
| 3D-печати | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | на заказ |
| цвет AcroRip | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| Универсальный сценарий нарезки сопла | Шэньчжэнь CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ | |
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | Температура | плавления LP: 56 градусов; C |
| Графитовый | аладдин | G103922-100г | Изменить параметры оптического поглощения объекта http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Диоксид титана | ALDRICH | 24858-100G | 347 нм |
| Диметакрилат триэтиленгликоля | аладдин | T101642-250мл | Фотоотвержденный мономер http://www.aladdin-e.com/ |
| UV чернила SLA Фотополимерная смола | время80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
Ссылки
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901(2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760(2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , Optical Society of America. 80911(2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , International Society for Optics and Photonics. 85830(2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003(2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , International Society for Optics and Photonics. 932507(2015).
- Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009(2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6(2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012(2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , International Society for Optics and Photonics. 93250(2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578(2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780(2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311(2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427(2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
