Стабильный фантомный материал для оптической и акустической визуализации
16 июня 2023 г.
Этот протокол описывает изготовление стабильного, биологически значимого фантомного материала для оптических и акустических биомедицинских изображений, обладающего независимо настраиваемыми акустическими и оптическими свойствами.
Наши исследования сосредоточены на разработке новых методов визуализации для раннего выявления рака. В этом исследовании, в частности, мы сосредоточились на разработке стабильного тестового объекта, также называемого фантомом, для проверки методов визуализации на основе света и / или звука. Были предложены различные ресурсы для разработки материалов, имитирующих ткани, в акустическом оптическом режиме.
Например, ПВА, гидрогели, полиуретан или ПВХ. Это исследование посвящено новому многообещающему типу материала на основе основного состава полимановой нефти, который преодолевает многие проблемы перестраиваемости и стабильности. Область биомедицинской оптики охватывает широкий спектр методов визуализации, которые могут быть применены к некоторым ключевым проблемам, стоящим сегодня перед медициной.
Многие из всех методов оптической визуализации относительно ограничены по глубине, но мы также можем соединить свет со звуком с помощью фотоакустического эффекта, чтобы воспользоваться некоторыми преимуществами проникновения на глубину ультразвука. Фотоакустическая визуализация показала многообещающие результаты в широком спектре клинических испытаний, от визуализации воспаления до диагностики рака. Тем не менее, количественная оценка производительности остается сложной задачей из-за отсутствия доступных фантомных материалов, которые могут точно имитировать оптические и акустические свойства ткани и оставаться стабильными с течением времени.
В настоящее время разрабатывается много новых систем оптической и фотоакустической визуализации, но нам не хватает стандартизированного эталонного фантома для проверки этих систем и сравнения их характеристик. Наш материал является многообещающим кандидатом на восполнение этого пробела и поддержку дальнейшего развития и внедрения этих захватывающих новых методов в клинику. В будущем мы хотели бы сосредоточиться на создании более анатомически реалистичных фантомных конструкций и архитектур, которые подходят для оценки производительности различных конфигураций систем.
Например, микроскопические, мезоскопические и макроскопические системы, которые имеют разную геометрию и пространственное разрешение.
Обзор
В данном исследовании представлен протокол создания стабильного фантомного материала, предназначенного для оптической и акустической биомедицинской визуализации. Фантомный материал обладает регулируемыми акустическими и оптическими свойствами, что позволяет решить проблемы валидации методов визуализации.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская визуализация
- Оптическая визуализация
- Акустическая визуализация
Теоретические сведения
- Разработка материалов, имитирующих ткани, имеет решающее значение для валидации методов визуализации.
- Существующим материалам часто не хватает стабильности и возможности настройки свойств.
- Фотоакустическая визуализация сочетает в себе свет и звук для более глубокого проникновения в ткани.
- Для оценки эффективности систем визуализации необходимы стандартизированные референсные фантомы.
Цель исследования
- Изготовление стабильного фантомного материала для оптической и акустической визуализации.
- Решение проблемы отсутствия надежных фантомных материалов в биомедицинской оптике.
- Поддержка разработки и внедрения новых методов визуализации в клиническую практику.
Используемые методы
- Ольтразвуковая обработка диоксида титана и красителя в минеральном масле.
- Нагрев и смешивание полимеров (SEBS и ПВДЭ) в полученном растворе.
- Удаление пузырьков воздуха из смеси с помощью вакуумирования.
- Заливка раствора в формы и отверждение при комнатной температуре.
Основные результаты
- Успешное приготовление гладкого и однородного материала фантома.
- Созданы три различных варианта конструкции фантома для разных систем визуализации.
- Материал продемонстрировал стабильность и возможность настройки оптических и акустических свойств.
- Решены проблемы, характерные для существующих материалов фантомов для фотоакустической визуализации.
Выводы
- Разработанный материал фантома является перспективным кандидатом для валидации методов визуализации.
- Будущая работа будет сосредоточена на создании анатомически реалистичных моделей.
- Данное исследование способствует совершенствованию методов визуализации для клинического применения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Стандартизированные стабильные материалы фантомов имеют решающее значение для сравнительного анализа и валидации платформ оптической и акустической визуализации в биофармацевтических исследованиях и разработках. Данный фантом на основе сополимера в масле позволяет проводить воспроизводимое количественное сравнение устройств и способствует разработке межведомственных стандартов визуализации. Его настраиваемые свойства, имитирующие ткани, напрямую влияют на процессы трансляционной визуализации и внедрение технологий.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Обеспечивает строгую проверку гипотез для систем обнаружения биомаркеров на основе методов визуализации.
- Способствует снижению механистических рисков за счет создания биологически релевантных и воспроизводимых условий тестирования.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней визуализации с помощью стандартизированных референсных материалов.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированный субстрат для калибровки количественного анализа и стандартизации устройств.
- Гарантирует воспроизводимость и сопоставимость результатов визуализации на разных платформах и площадках.
- Позволяет осуществлять масштабируемую и повторяемаяя подготовку для условий высокопроизводительного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает соответствие характеристик системы визуализации свойствам тканей, имеющим значение для заболевания, для обеспечения трансляционной непрерывности.
- Поддерживает валидацию доклинических моделей путем имитации акустических и оптических характеристик тканей человека.
- Снижает риски при внедрении биомаркеров визуализации в клиническую практику.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот фантомный материал интегрируется в непрерывный процесс валидации визуализации — от ранних этапов поиска до доклинических разработок, обеспечивая калибровку устройств, разработку анализов и трансляционные исследования.
- Фундаментальная биология: обеспечивает контролируемую среду для исследований с применением методов визуализации на основе гипотез и изучения сигнальных путей.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели для сравнительного анализа устройств и методов анализа.
- Аналитика: позволяет проводить точные измерения акустических и оптических параметров для межсистемного сравнения.
- Трансляционные исследования: связывает преклиническую валидацию визуализации с клиническим внедрением за счет имитации соответствующих свойств тканей.
- Корпоративное повторное использование: предлагает долговечный масштабируемый стандарт для постоянной оценки платформ визуализации и разработки методов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает неоднозначность при валидации мишеней на основе методов визуализации.
- Операционная ценность: Стандартизирует рабочие процессы визуализации и повышает воспроизводимость результатов в различных группах НИОКР.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует процесс принятия решений «go/no-go» при инвестировании в технологии визуализации и развитии портфеля проектов.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритезацию методов визуализации и стратегий трансляционных биомаркеров с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в подготовке материалов и калибровке систем визуализации.
- Необходим доступ к оборудованию для соникации, нагрева и создания вакуума для обеспечения воспроизводимости изготовления.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов подготовки фантомов и визуализации.
- Метод может быть адаптирован к различным геометриям визуализации и конфигурациям систем, как показано в протоколе.
- Однородность и удаление пузырьков воздуха имеют решающее значение для получения надежных результатов визуализации.
