Summary
Фантомы оптических ткани являются необходимыми инструментами для калибровки и проверки теоретических моделей и характеристик оптических систем тепловидения. Эта статья подробно описывает метод для изготовления Фантом, который включает репликацию ткани оптические свойства и структура трехмерные ткани.
Abstract
Быстрое развитие новых методов оптических изображений зависит от наличия недорогих, настраиваемый и легко воспроизводимые стандарты. Реплицируя визуализации окружающей среды, может избежаться дорогостоящих экспериментов на животных для проверки метода. Прогнозирования и оптимизации производительности в естественных условиях и ex vivo методы визуализации требует испытания на образцах, которые оптически похожи на тканях интерес. Ткани подражая оптических фантомы обеспечивают стандарта для оценки, квалификации или калибровка оптической системы. Однородных полимерных оптических ткани фантомы широко используются для имитации оптических свойств конкретных тканей типа в узком спектральном диапазоне. Многослойные ткани, такие как эпидермиса и дермы, можно имитировать, просто складывая эти фантомы однородных плиты. Однако многие методы обработки изображений в естественных условиях применяются к более пространственно сложные ткани, где три размерные структуры, такие как кровеносные сосуды, airways или дефектов тканей, может повлиять на производительность системы.
Этот протокол описывает изготовление ткани подражая Фантом, который включает трехмерной структурной сложности, с использованием материала с оптическими свойствами тканей. Просмотровые таблицы обеспечивают чернил Индии и диоксид титана рецепты для оптического поглощения и рассеяния целей. Описаны методы характеризуют и настраивать оптические свойства материала. Фантомные изготовление, подробно описанные в этой статье имеет внутренний ветвления макет сократимость void; Однако техника может широко применяется для других структур ткани или органа.
Introduction
Фантомы ткани широко используются для определения характеристик системы и калибровки оптических изображений и спектроскопии инструментов, включая мультимодальность систем, включающих УЗИ или ядерных методов1,2,3 ,4. Фантомы обеспечивают контролируемой среде оптических характеристик системы и контроля качества несколько биологических методов обработки изображений. Ткани подражая фантомы являются полезными инструментами в прогнозировании производительности системы и оптимизации системы проектирования для физиологические задачи под рукой; Например чтобы предсказать проницательный глубины спектральные датчики для оценки опухоли поля5. Оптические свойства и конструкции фантомов может быть настроен для имитации конкретных физиологических окружающей среды, в которой будет использоваться документ, таким образом позволяя технико-экономических обоснований и проверки системы производительности3, 6,7. Проверка изображений производительность системы с реалистичные оптических фантомы предшествовавшего доклинические и клинические испытания уменьшает риск возникновения неисправности или приобретение непригодным для использования данных во время учебы в естественных условиях . Воспроизводимость и стабильность оптических фантомы делают их настраиваемые калибровки стандартов для оптических методов для контроля внутри и между instrument изменчивости, особенно в многоцентровых клинических испытаний с различными инструментами, операторы и условия окружающей среды8,9.
Ткани подражая фантомы также служат перестраиваемый и воспроизводимые физические модели для проверки теоретических оптических моделей. Моделирование помощь в разработке и оптимизации в vivo оптических инструментов, уменьшая потребность для животных экспериментов10,11. Разработка и проверка оптического моделирования точно представлять в естественных условиях окружающей среды может быть обременены сложность структуры ткани, биохимические содержание и расположение целевого или ткани в организме. Изменчивость между субъектами делает проверку теоретических моделей, бросая вызов с использованием животных или человеческого измерения. Полимерных оптических ткани фантомы позволяют для проверки теоретических моделей, указав известный и воспроизводимых оптических среды для изучения Фотон миграции12,13,14,15.
Для целей калибровки системы твердые оптических фантомы может состоять из одной однородной плиты вылечить полимера с оптического рассеяния, поглощение или флуоресцирование, настроенной для длин волн интерес. Слоистых полимера, что призраки часто используются для имитации глубины дисперсию оптических свойств ткани в эпителиальной ткани модели16,17. Эти фантомные структуры являются достаточными для эпителиальных визуализации и моделирования, потому что структура ткани является достаточно однородным через каждый уровень. Однако большем масштабе и более сложные структуры влияют на радиационное воздействие транспорта в других органах. Для имитации оптической среды подкожных сосудов18,19 и даже целых органов, таких как мочевого пузыря20были разработаны методы для создания более сложных фантомы. Моделирование легкого транспорта в легких обеспечивает уникальную проблему из-за разветвленную структуру интерфейса воздуха ткани; твердых phantom вероятно не повторить радиационное воздействие транспорта в органе точно21. Для описания метода для включения сложную структуру в оптических Фантом, мы описываем метод для создания внутренней, воспроизводимые фрактально-дерево недействительными, что представляет трехмерные (3D) макроскопических структуру дыхательных путей (рис. 1).
В последние несколько десятилетий 3D печать стал преобладающим метод для быстрого прототипирования медицинских приборов и модели22, и оптических ткани призраки не являются исключением. 3D печать был использован как средство аддитивного производства для изготовления оптических фантомы с каналов23, кровеносный сосуд сети24и малые животные модели всего тела25. Эти методы используют один или два печатных материалов с уникальными оптическими свойствами. Были также разработаны методы для настройки оптических свойств печати материала для имитации общей, мутная биологической ткани25,26. Однако круг достижимых оптических свойств ограничены запечатываемый материал, обычно полимер, такие как акрилонитрил бутадиен стирола (ABS)26, поэтому этот метод не подходит для всех биологических тканей. Полидиметилсилоксан (PDMS) является оптически ясно полимер, который может быть легко смешивается с рассеяния и поглощения частицы с более высоким уровнем перестройки27,28. PDMS использовалась также для формы фантомы с моделями аневризма для развертывания устройств тромбоэмболические29,30. Эти фантомы также используют растворимый 3D печатной часть, но остаются оптически ясно для визуализации развертывания устройства. Здесь мы сочетаем этот метод с перестройки оптические свойства PDMS рассеяния и поглощения частиц для изготовления Предварительная модель ткани и airways мышиных легких.
В то время как Фантом, представленные здесь для легких, этот процесс может применяться для целого ряда других органов. 3D печать внутренней структуры Фантом позволяет дизайна быть настраиваемые для любой цели и печати масштаба, будь то крови или сети лимфатических судна, костного мозга или даже четырех камерные структура сердца31. Потому что мы заинтересованы в оптических изображений и моделирования легких32,,3334, мы решили использовать четыре поколения фрактально-дерево как внутренней структуры для репликации в пределах Фантом полимера. Эта структура была разработана приблизительное разветвленную структуру дыхательных путей и материал отламывающейся поддержки для процесса 3D печати. Более анатомически правильное дыхательных путей может быть напечатан, если материал отламывающейся поддержки не является необходимым. Хотя эта конкретная модель представляет сократимость, внутренняя структура Фантом не оставаться материала void. После того, как вылечить окружающие полимера и 3D печатной часть растворяется, внутренняя структура может использоваться как путь потока или вторичные формы для материала с собственным уникальным поглощения и рассеяния характеристик. Например если внутренняя структура от этого протокола был разработан как цифровой кости, вместо того, чтобы сократимость, костную структуру может быть 3D печати, формованных с PDMS с оптическими свойствами пальца и затем распущена из призрак. Void может затем быть заполнены PDMS смеси с различными оптическими свойствами. Кроме того каждая форма не ограничивается одной части растворимые. Призрак палец может быть создан для включают кости, Вены, артерии и слой общие мягких тканей, каждый с собственной уникальными оптическими свойствами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. отбор и проверка свойств материала матрицы
- Перед началом процесса Фантом изготовление (рис. 1), найти поглощения и рассеяния снижение коэффициентов для биологической ткани интерес в изображений wavelength(s). Предварительные оценки может быть найдена в ссылки35,36. Однако может потребоваться проверка оптических коэффициентов.
- С помощью просмотровые таблицы для коэффициента поглощения, µи коэффициент снижения рассеяния, µs', 488, 535, 632 и 775 Нм длины волн (таблицы 1 – 4 и цифры 2– 3), выберите концентрации чернил Индии и Диоксид титана (TiO2), аппроксимирующих желаемого оптические свойства. Эти рецепты являются специфическими для фантомы, изготовленных с PDMS. Поскольку эти таблицы обеспечивают экспериментальных данных на дискретных длин волн, оптимизация рецепт может потребоваться для конкретного приложения.
-
Изготовить плиту полидиметилсилоксан (PDMS) выбранного рецепта для подтверждения оптических свойств.
- Использование в соотношении 10:1 в весе PDMS смолы для отвердителя, налить ингредиенты в Кубке смешивания в следующем порядке: PDMS смолы, TiO2, тушь, PDMS Вулканизирующий агент.
Примечание: Здесь, мы тестируем две рецепты: 1) 2 мг TiO2 + 3,5 мкл чернил Индии за g PDMS и 2) 1 мг TiO2 + 10 мкл тушь на g PDMS. Для каждого рецепта с соответствующими суммами оптических частиц используются 4.5 g PDMS смолы и отвердителя PDMS 0,45 г. - Смешайте в миксере скорость (см. Таблицу материалы) для 60 s. Если TiO2 частицы прилипают к смешивания чашку (вероятно, с высокой концентрацией TiO2), перемешайте вручную, чтобы удалить частицы от основания Кубка и смешайте в миксере для еще 30 s.
- Вылейте смесь в колодцы или Петри сделать тонкий (0,1-1 мм) из смеси плит.
- Дега плит для 10 мин, помещая их в герметичный отрицательным давлением камеры, а затем место в предварительно нагретой духовке при температуре 80 ° C на 30-60 мин, извлекайте от печи и пусть прохладно.
- Удаление охлаждением полимерные плиты из его контейнера. Обрежьте края, чтобы оставить плоский, равномерное перекрытие. Измерьте толщину плиты при помощи штангенциркуля.
- Использование в соотношении 10:1 в весе PDMS смолы для отвердителя, налить ингредиенты в Кубке смешивания в следующем порядке: PDMS смолы, TiO2, тушь, PDMS Вулканизирующий агент.
-
Измерить коэффициент пропускания (T) и отражения (R) slab(s) с помощью интегрирующей сферы. Дополнительные сведения и инструкции можно найти в ручной обратное-добавление удвоение (IAD)37.
- Включите источник света и спектрометр интегрирующей сферы установки. Проверьте выравнивание системы обеспечить небольшой, коллимированном пучке центрируется на пунктах въезда и выезда интегрирующей сферы.
- Калибровки интегрирующей сферы системы.
- Выключите источник, крышка выход порта интегрирующей сферы и записать три темно спектров.
- Включите источник для получения ссылки на передачу с выхода ограничен и входной порт пустым. Запись трех спектров.
- Получите ссылку измерения коэффициента отражения с помощью отражения стандартам. Место каждого стандарта на выход порта сферы. Запишите три спектры для каждого стандартного отражения.
- Измерьте коэффициент пропускания плиты. С крышкой на выход порта место плиты на вход порт интегрирующей сферы для измерения передачи. Запись трех спектров.
- Измерения коэффициента отражения плиты. Снять крышку порта выхода и место плиты на выход порта для измерения коэффициента отражения. Запись трех спектров.
-
Определите оптические свойства с помощью программного обеспечения IAD. Полный учебник на программное обеспечение можно найти в справочнике ОВР с программного обеспечения скачать37,38.
- В среднем три спектры, приобретенных для каждого измерения.
- Использование уравнений в ОВР ручной37, преобразуют измеренные значения R и T. При необходимости, сжимать файлы уменьшая частоту выборки по спектру.
- Подготовьте файл ввода .rxt (дополнительный материал 1) для ОВР с длин волн, отражения, пропускания и толщина образца, как описано в ОВР ручной37. С помощью командной строки (ОС Windows) или терминал (Mac OS), перейдите на правильный путь. Тип «ОВР «имя входного файла»» для запуска IAD. Программное обеспечение будет производить выходной текстовый файл с оценкам оптическими свойствами.
- Если оптические свойства не находятся в допустимых пределах (~ 15%) искомых значений, соответственно измените рецепт и повторите шаги 1.3-1.5.
2. Подготовка растворимые 3D печати внутренней структуры
- Дизайн внутренней структуры с помощью компьютера автоматизированного проектирования (САПР) программного обеспечения. Преобразование структуры твердотельной модели в стереолитография файл для изготовления на 3D принтере. Если доступны, сегментированных КТ может также быть преобразован в стереолитография файл вместо рисования в твердотельной модели внутренней структуры.
Примечание: Файл CAD для фрактала древовидная структура, используемая здесь предоставляется дополнительный материал2. Принтер, используемый в настоящем документе является экструзии принтер, поэтому часть была призвана иметь отламывающейся вспомогательных материалов. - Выберите растворимые материал для печати, как поли vinyl спирт (PVA) или высокой отдачей полистирола (бедра) (см. Таблицу материалы). Печать твердотельную модель в этой растворимые материала.
- Когда печатных частей достаточно остынет, перерыв, распустить или материальную поддержку офф части печатного станка. Файл или песок большие неровности.
-
Пара польский печатных часть сокращения шероховатости поверхности.
- С части печатной, обеспеченных в тисках просверлите через отверстие с зазором для тонкой стали или нитиноловой проволоки в базе печатной части.
- Нить из нержавеющей стали или нитиноловой проволоки через отверстие. Согните концы проволоки и подключить вместе. Это позволит на части, чтобы быть полностью погружен в ацетон паров в стакан. Отложите проволоки и часть.
- Заполните большой стакан примерно 10% от полной ацетона. Поместите стакан на горячей плите при нагревании до 100 ° C. Предостережение: Выполняйте этот шаг в вытяжной шкаф для предотвращения вдыхания паров ацетона.
- Когда ацетон пара достигнет конденсации о на полпути вверх по стене стакан, повесить петельные провод с макет дыхательных путей на второй провод и приостановить в ацетоне пара для с. обеспечить 15 – 30 печатных частей не прикасайтесь стакан стен или каждый другой (если пара полировки несколько частей сразу).
- Удалите часть печатных и приостановить над пустой стакан или контейнера. Пусть часть сухой для по крайней мере 4 часа.
- Убедитесь, что размеры внутренней структуры находятся в пределах допуска к САПР, при необходимости. В зависимости от требования к точности Штангенциркули или 3D лазерный сканер может использоваться для определения структуры.
3. Строительство жаропрочные плесень
Примечание: Подготовьте герметичным, термостойкие плесень в форме PDMS фантом. Выберите формы геометрии для наилучшего окончательный дизайн фантома. Здесь описан многоразовые прямоугольной формы.
- Дизайн базе твердотельной модели формы для 3D печати. Эта форма предназначена для Фантом с базой 1,17 х 1.79 см. База плесень имеет толщиной 1 мм и 5 мм глубокие ниши с внутренние размеры, соответствующие основания фантом. Это позволяет плесень подъездные пути должны быть удалены и прессформы быть разобрана и повторно используется.
- Печать является базой для формы с вставкой достаточной ширины для обеспечения сайдинг плесень.
- Место сайдинг в тайниках плесень базы. Здесь листы поликарбоната толщиной 1 мм используются как плесень сайдинг.
- С помощью ленты термостойкие, уплотнение края формы. Важно, что все углы и края достаточно запечатаны без пузырей в ленте для предотвращения любой утечки во время процесса формования.
- Поместите основание поликарбоната внутри плесень, подготовленную на этапе 3.4. Эта пластина является тот же лист поликарбоната толщиной 1 мм как плесень сайдинг и дает Фантом база гладкую поверхность без шероховатости поверхности 3D печатной формы базы. Полностью высушить клей паров полированные части к опорной плите. Иметь достаточно времени для клей для просушки.
4. Изготовление полимерных Фантом
Примечание: Используйте проверенные рецепт для сыпучего материала матрицы, определенный на шаге 1 для конкретных приложений. Протокол здесь шаги для здорового мышиных легочной ткани, Фантом в 535 Нм с μs' из 40 см-1 и µ 2 см-1. Это может быть полезным для изготовления второй Фантом не оптический частицами для использования в качестве ссылки в процессе изготовления.
- Залейте 9.1 g PDMS смолы в стаканчик смешивания. Добавьте 20 мг рутила TiO2, а затем 35 мкл чернил Индии. Наконец добавьте 0,91 g Вулканизирующий агент в верхней части смеси. Следуйте смешивания протокол на шаге 1.3.2.
- Вылейте смесь окончательный полимера в Термостойкое плесень.
- Налейте небольшое количество смеси в отдельный контейнер для создания полимерных плит для подтверждения оптических свойств материала. Убедитесь, что достаточно полимер заливается иметь плиту толщиной минимум 100 мкм.
- Место как макет сократимость плесени, так и отдельные плиты в колпаке для дегазации. Начните процесс очистки. Если полимер в макет сократимость плесень начинает расти, пусть воздух обратно в колпаке лопнуть поверхности пузырьков, затем начинают тянуть воздух снова. Повторите этот процесс до тех пор, пока полимер не поднимется значительно. Это займет от 5-10 мин в зависимости от того, сколько воздуха был пойман в ловушку в шаге 4.2. После PDMS больше не поднимается, продолжать дегазировать еще 15 мин.
- После дегазации, медленно, пусть воздух обратно в камеру. Удалить макет сократимость Фантом и полимерные плиты и место в уровне духовки при 80 ° C на 2 ч.
- Удалить призрак и плиты из духовки и дайте остыть на 20 мин разбирать полимерные формы с помощью скальпеля без резки вылечить полимера. Защелкните фундаментной покинуть базу макет-сократимость миокарда.
- Место Фантом в ванне базовый ~0.5 M гидроокиси натрия (NaOH) с подогревом (60 ° C) до тех пор, пока внутренняя часть полностью растворяется. Оптически ясно ссылка Фантом может помочь определить время растворения для внутреннего компонента. После того, как внутренняя структура растворяется, возьмите Фантом из ванны и пусть полностью сухой (~ 24 h), прежде чем принимать любые оптических измерений.
5. Проверка Фантом изготовление
- Проверьте Фантом геометрии, используя высокое разрешение магнитно-резонансная томография (МРТ) или микро компьютерная томография (КТ) изображений, при желании. Эти методы предоставляют 3D Проверка внутренних структур мутная материал с осевой резолюций < 400 мкм39,40. Кроме того Фантом оптически четкая ссылка может быть оптически imaged для проверки что печатных часть полностью растворяется и оставшиеся пустоты геометрии.
Примечание: Мы проверили внутренней геометрии оптически непрозрачной Фантом (2 мг TiO2 + 3,5 мкл чернил Индии) с микро CT на North Star Imaging (НСИ) X50. Призрак был воспроизведен образ с 20 мкм резолюцией во всех измерениях (Дополнительные материалы 3, 4). - Проверьте оптические свойства phantom с помощью полимерные плиты и интегрирующей сферы (описано в шагах 1.5-1.6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Чтобы продемонстрировать технику Фантом изготовление, фантомы ткани легких мыши были сфабрикованы для имитации измеренных оптические свойства подакцизным здоровым и воспаленные мышиных легочной ткани на 535 Нм (Таблица 5). Эта длина волны интереса является длина волны возбуждения для tdTomato флуоресцентный белок используется в рекомбинантной репортер штаммов микобактерий в предыдущих исследованиях33. Оптические измерения мыши легочной ткани были получены с те же методы, описанные в шагах 1.4-1.5. Использование животных был одобрен институциональный уход животных и использование Комитет (IACUC) в Texas A & M University. Подходящего соотношения TiO2 в чернилах Индии было обнаружено как для здоровых и воспаленные мышиных легочной ткани для 535 Нм длины волны света (Таблица 5).
Рецепты для материалов с различными оптическими свойствами показаны в таблицах 1-4 и графически цифры 2-3. Зависимость поглощения и рассеяния на концентрации частиц приводится на рисунке 4. Тенденции в коэффициент поглощения и коэффициент снижения рассеяния для фантомы с постоянной концентрации TiO2 (рассеяния частиц) (рис. 4A, 4B) и постоянной концентрации чернил Индии (поглощать частицы ) (Рис. 4C, 4 D) демонстрируют отношение оптических свойств для обоих частиц. Для обеспечения воспроизводимости результатов этих оптических свойств, необходимо использовать правильную технику смешивания. Урегулирование и ribboning TiO2 частиц вызовет сдвиг в коэффициент рассеяния вылечить Фантом (рис. 5). Тушь, окрашивание смешивания контейнера позволит также уменьшить коэффициент абсорбциы.
Фантомы легких были разработаны с использованием фрактальной структуры дерева для внутренней пустоты (рис. 1C). 3D печатной структура должна быть пара, полированные для создания гладкой внутренней поверхности внутри Фантом (рис. 1E). Рисунок 6 показывает сравнение рассеяния от Фантом, который не был дегазацию света или паров полированные (Рисунок 6A, C), и призрак, что пара полировка внутренней части и был дегазации (Рисунок 6B, 6 D). Фантомы были образы, используя освещение от внешнего источника белого света (рис. 6A, 6B) и с источником внутреннего microendoscope в 535 Нм (рис. 6C, 6 D). Пара, полировки и дегазация минимизировать присутствие невоспроизводимых рассеиватели, включая шероховатости поверхности (рис. 6C, вставка 2) и пузыри (рис. 6C, вставка 1). Дегазация особенно важна, потому что воздушный пузырь местоположение случайных и непредсказуемой. Кроме того воздушные пузыри, скрываются после TiO2 частиц включены (не показано на рисунке 6), что делает Фантом оптически непрозрачным. Таким образом невидимых пузыри могут подорвать Фантом материал представление оптические свойства ткани.
Пара полированной 3D печатной часть была измерена с суппортами на базе и в дистальных ветвей, и размеры по сравнению с 3D твердых моделей в таблице 6. После изготовления полимера, Фантом Фантом был воспроизведен образ с помощью микро КТ изображений системы (дополнительный материал 3). Используя 3D dataset, размеры внутренней пустоты в филиалах базовые и дистальные были измерены для сравнения (Таблица 6). Пара полированного дерева немного меньше, на базе, потому что сглаживания поверхности парами ацетона приводит на поверхности пластика для потока. С 3D печатной части приостановлена база поверхность притока дистальных ветвей, вызывая небольшое изменение в измерении части. Существует компромисс между поверхности гладкость и поддержание размер части. Больше пара Лак приведет к гладкой поверхности, но приведет к больше материала для потока, что приводит к изменены размеры.
Фантомы были отражаться в в естественных условиях imaging системы с портом доступа для вставки microendoscope локально тривиальное расслоение (рис. 7). Microendoscope был помещен в пустоту внутри фантомы, от которых были распущены печатных часть. Microendoscope был использован для внутреннего освещения в 535 Нм и ИВИС освещения путь был заблокирован. Размещение microendoscope указан в Рисунок 7A. ИВИС был использован для внешней коллекции сигнала. Фантомы образ был же внутренней структуры как те образы на рисунке 3. С идентичными внутренних структур и внешние размеры, разница в оптических свойствах здоровую ткань легкя (рисA) и зараженных легочной ткани (рис. 7Б) проявляется в поверхности излучения от фантомы. Как эти фантомы поддерживать надлежащий ответ на изменения оптических свойств, этот метод для изготовления Фантом может применяться для фантомы, используемых в исследованиях внутренней подсветкой.
Рисунок 1: Схема изготовления оптических ткани фантома. (A) определить оптимальный рецепт для целевой оптические свойства ткани интерес. (B) проверьте рецепт. (C) дизайн внутренней структуры. (D) печать внутренней структуры с использованием растворимые материала. (E) пара польский печатных часть на гладкой поверхности. (F) смесь полимеров и оптические частиц и вылить в термостойкие плесень. (G) Дега и лечения полидиметилсилоксан (PDMS). (H) растворяют печатных часть для создания внутренней пустоты. (I) проверьте Фантом геометрии и оптические свойства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Тенденции в коэффициент поглощения чернил Индии и TiO2 концентрации. Коэффициенты поглощения отображаются для концентрации диапазон тушь и диоксида титана в 488 нм (A), 535 Нм (B), 630 Нм (C)и 775 Нм (D). Поглощение низкой для низких концентрациях для обоих частиц и обычно увеличивается с концентрацией каждой частицы. Плато достигается между чернил Индии мкл 5-7,5 мл PDMS. Темпы роста зависит от концентрации другие частицы и волны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: Тенденции в коэффициент снижения рассеяния для концентрации чернил Индии и TiO2 . Уменьшение рассеяния коэффициенты указаны для концентрации диапазон тушь и диоксида титана в 488 нм (A), 535 Нм (B), 630 Нм (C)и 775 Нм (D). Уменьшение рассеяния коэффициент низкий для низких концентрациях для обоих частиц и обычно увеличивается с концентрацией каждого. Как поглощение темпы роста зависит от концентрации другие частицы и волны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Взаимозависимость оптических свойств на концентрации чернил Индии и TiO2 . Коэффициенты поглощения и уменьшение рассеяния коэффициенты указаны для рецептов с постоянной TiO2 концентрации 1 мг/мл PDMS (A, B) и постоянной Индии чернила концентрации 5 мкл/мл PDMS (C, D). Панель (B) показывает, что коэффициент рассеяния будет меняться с постоянной концентрации TiO2 , когда варьируется концентрация чернил Индии, и группа (C) показывает, что коэффициент поглощения будет меняться для постоянной концентрации чернил Индии когда изменяется TiO2 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: смешивание эффектов на оптического рассеяния. Ненадлежащее смешивания неотвержденных полимера и оптических частиц может привести к сдвиг в оптических свойствах. Плохо смешанные Фантом, представленные на этом рисунке показал, оседание частиц TiO2 до отверждения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6 : Представитель сократимость фантомы с низкой рассеяния коэффициент материалом для иллюстрации успешной и субоптимальные изготовления. Пара, дегазации и полировка являются неотъемлемой шаги в производстве Фантом, имеющий минимальное uncharacterized рассеяние элементов. (A-B) Белый свет изображения призраков без пара полировки и дегазации (A) и с паром, полировки и дегазация (B). (C-D) Фантомы от A-B освещены светом 535 Нм. Показано, что вставками ( c) изображают эффекты рассеяния 1) воздушные пузыри и 2) грубой 3D печатной поверхности. (E) рендеринга оптического моделирования, основанные на компьютере автоматизированного проектирования (CAD) модель используется для изготовления фантома. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7 : Imaging призраков с внутренней подсветкой. Компьютерное моделирование Фантом (A) демонстрирует ориентации внутренней геометрии и исходного размещения (желтая звезда) для фантомных изображений в панели (C) и (D). A сегментированные микро-КТ здоровую ткань легкя Фантом (B) подтверждает в оптически непрозрачных Фантом присутствует внутренняя структура. Макет сократимость используется как путь для эндоскоп для внутреннего освещения оптических призраков на длине волны 535 Нм. Два фантомы, отображаемого с внутренней подсветкой идентичны по форме внешней и внутренней структуры, с материалом, оптические свойства оптимизирован для здорового (C) и воспаленные ткани легкя (D) . Все изображения и визуализации находятся на той же шкале. Шкалы бар = 1 см (Группа C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Таблица 1: Таблица для 488 нм.
Таблица 2: Таблица для 535 Нм.
Таблица 3: Таблица для 632 Нм.
Таблица 4: Таблица 775 Нм.
| Коэффициент поглощения (см-1) | Сокращение рассеяния коэффициент (см-1) | |
| Здоровой мыши легочной ткани | 2.05 ± 0,58 | 52.69 ± 7.83 |
|
Здоровые Фантом (2 мг TiO2 + 3,5 чернил Индии мкл) |
1.96 ± 0,699 | 49,66 ±.12 |
| Воспаленные мыши легочной ткани | 5.49 ± 1,32 | 38.94 ± 9,68 |
|
Воспаленные Фантом (1 мг TiO2 + чернила Индии 10 мкл) |
4.34 ± 0.873 | 39.56 ± 5.02 |
Таблица 5: Измеряемых оптических свойств Фантом рецепты соответствует измеренной оптические свойства здоровых и воспаленные мыши легочной ткани на 535 Нм.
| Базовый диаметр (мм) | Дистальный диаметр (мм) | |
| Твердотельной модели | 2.7 | 1.38 |
| Пара, полированные печати | 2.56 ± 0.026 | 1.38 ± 0.141 |
| PDMS плесень (измеряется от CT) | 2.55 ± 0,021 | 1.39± 0,055 |
Таблица 6: Проверка внутренней структуры фантом.
Дополнительный материал 1: пример IAD входной файл. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный материал 2: Fractal дерево сократимость твердотельной модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный материал 3: микро-CT летать через Фантом моделирования здоровой мыши легочной ткани. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный материал 4: видео вращающихся сегментированные микро-КТ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы продемонстрировали метод для создания оптических фантомы представляют мышиных легких с внутренней структуры ветвления для имитации интерфейса внутреннего воздуха ткани. Оптические свойства мышиных легочной ткани достигается путем включения уникальный концентрации оптически рассеяния и поглощения содержанием однородно распределены внутри полимерной матрицы сыпучих частиц. Эти оптические свойства могут быть настроены для имитации физиологической ценности в различных спектральных диапазонах тканей в разных государствах (т.е. здоровые и больные ткани). Оптические свойства зависят от длины волны интереса, материальная база и концентрации частиц в пределах фантом. Однако с несколькими частицами, отношения между рассеяния и поглощения является не всегда интуитивно41. Темпы увеличения абсорбции зависит от концентрации рассеяния частиц, а также поглощать частицы, а также на увеличение коэффициента уменьшение рассеяния. (Рисунки 2-4). Также было показано PDMS фантомы, поддерживать их оптические свойства для27,до 1 год28. Мы измеряли 3-недельного стабильность оптических свойств в пределах ошибки наших интегрирующей сферы измерений (< 15%). Хранение этих фантомов и стандартов в свет герметичный контейнер может помочь сохранить их оптические свойства для длительных периодов времени.
Пара, полировка растворимые печатные часть позволяет для воспроизводимых гладкой поверхности на интерфейсе внутреннего воздуха Фантом (рис. 6). Для фрактальной геометрии, показанный здесь полировка внутренней структуры принесло сокращение средняя шероховатость поверхности формованных PDMS 37.4 мкм до 7,2 мкм. Это чрезвычайно важно, если фантом используется для проверки оптических моделирования, потому что шероховатую поверхность гораздо более трудно точно моделировать чем равномерное гладкой поверхности (рис. 6E). Дегазация также очень важно тем, что пузырьки в Фантом PDMS выступать в качестве оптических рассеиватели (рис. 6C, вставка 1). Пузырь расположение не предсказуемым для репликации в симуляции и могли бы исказить результаты если призрак служит эталоном.
После проверки с микро CT небольшое количество остаточного материала была найдена в пределах сократимость void (дополнительный материал 3). Кроме того сегментацию этого же КТ показывает небольшой воздушный пузырь рядом с разветвленной структуры (дополнительный материал 4). Во время изготовления оптически ясно фантомы принесли полного растворения материала внутренней структуры и без воздушных пузырей в полимерной матрице. Проверка с микро CT показал, что оптически непрозрачной фантомы могут содержать небольшие недостатки, не иначе видимой.
Правильно смешивания оптических частиц с неотвержденных полимера необходимо добиться воспроизводимости и предсказуемой оптического поглощения и рассеяния. Сдвиг в коэффициент снижения рассеяния, вызванных плохой смешивания показано на рисунке 5. Перед заливкой полимера в форму, убедитесь, что нет никаких доказательств TiO2 частиц урегулирования или «ribboning» в смеси и никаких доказательств чернил Индии, окрашивание смешивания контейнера. Добавление частицы в рекомендуемом порядке следует свести к минимуму эти проблемы.
Дизайн этих фантомов ограничивается 3D печатной части. Макет сократимость разработан таким образом, чтобы можно разжал материальную поддержку, как это не растворимый. Это могут быть преодолены путем перемещения в более продвинутых принтер, который может либо печатных материалов с различной растворимостью, или лазерного спекания принтер, который не нужно поддерживать материал. Важно также отметить, что легких является по своей сути очень пористые органом за дистальной airways и альвеолы. Пока что не представлена в этом Фантом, оптические эффекты аналогичные структуры были отмечены с помощью Брэгг-Нье пузырь плот для оптическая когерентная томография21, пузырьков воздуха в оливковое масло42и крем для бритья или блюдо моющее средство для ядерного магнитного резонанса43. Создание полимерные пены с воспроизводимость характеристик сможет примирить эту разницу между твердой фантомы, представленные здесь и легких микроструктуры44.
Форма окончательного Фантом также могут быть настроены в зависимости от приложения. Прямоугольные Фантом, показанный здесь образы с внутренней подсветкой и используется для проверки вычислительные модели здорового и зараженных легких (рис. 7). Эта конструкция может обновляться далее представлять цилиндрического туловища мыши, просто изменив дизайн плесень внешних полимера.
Хотя мы подробно здесь дизайн мышиных легких и дыхательных путях Фантом, эти методы могут быть изменены с учетом других органов или животных, представляющих интерес. Внутренняя структура может быть преобразован в поток путь для сосудистой фантомы, или может использоваться как приведение для сложной внутренней структуры с уникальными оптическими свойствами. Общая форма Фантом также может быть настроен на приложения, животное или орган интерес. 3D печать внутренних структур и полимерные формы дает свободу в процессе разработки структурированных полимерных оптических фантомы. Это неотъемлемой инструменты моделирования проверки и калибровки в vivo оптические методы обработки изображений, потому что они могут более точно представлять в естественных условиях окружающей среды чем однородной одно- или многослойный фантомы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана национальной карьеры фонд науки награды нет. Без Грант CBET-1254767 и национального института аллергии и инфекционных заболеваний. R01 AI104960. Мы с благодарностью признаем Патрик Гриффин и Dan Tran за их помощь с измерения характеристик и Texas A & M, сердечно-сосудистой патологии лаборатории для микро-КТ.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms |
| White Rutile Titanium Dioxide powder | Atlantic Equipment Engineers | TI-602 | Scattering particles for optical phantoms |
| Higgins Fountain Pen India Ink | Michaels Craft Stores | 10015483 | Absorbing particles for optical phantom |
| Heat Resistant tape | Uline | S-7595 | Heat resistant tape for polymer molds |
| Fortus 360mc 3D printer | Stratasys | N/A | Able to switch build and support material with this model printer |
| ABS Ivory Model Material | Stratasys | SDS-000001 | Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure |
| SR-30 Soluble Support | Stratasys | 400638-0001 | Base soluble support material for printing internal structure |
| Flacktek Speedmixer | Flacktek Inc. | DAC 150.1 FV | For efficient mixing of polymer and particles |
| Integrating sphere | Edmund Optics | 58-585 | For measuring optical properties |
| Polycarbonate build plates (1 mm) | Stratasys | N/A | Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used |
References
- Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
- Miranda, D. A., Cristiano, K. L., Gutiérrez, J. C. Breast phantom for mammary tissue characterization by near infrared spectroscopy. J Phys Conf Ser. 466 (1), 012018 (2013).
- Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
- Wagnières, G., et al. An optical phantom with tissue-like properties in the visible for use in PDT and fluorescence spectroscopy. Phys Med Biol. 42 (7), 1415-1426 (1997).
- Rajaram, N., Reesor, A. F., Mulvey, C. S., Frees, A. E., Ramanujam, N. Non-Invasive, Simultaneous Quantification of Vascular Oxygenation and Glucose Uptake in Tissue. PLoS ONE. 10 (1), 0117132 (2015).
- Niedre, M. J., Turner, G. M., Ntziachristos, V. Time-resolved imaging of optical coefficients through murine chest cavities. J Biomed Opt. 11 (6), 064017 (2006).
- Schmidt, F. E. W., et al. Multiple-slice imaging of a tissue-equivalent phantom by use of time-resolvedoptical tomography. Appl Opt. 39 (19), 3380-3387 (2000).
- Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
- Marín, N. M., et al. Calibration standards for multicenter clinical trials of fluorescence spectroscopy for in vivo diagnosis. J Biomed Opt. 11 (1), 014010 (2006).
- Alexandrakis, G., Rannou, F. R., Chatziioannou, A. F. Tomographic bioluminescence imaging by use of a combined optical-PET (OPET) system: a computer simulation feasibility study. Phys Med Biol. 50 (17), 4225-4241 (2005).
- Wan, Q., Beier, H. T., Ibey, B. L., Good, T., Coté, G. L. Optical Diagnostics and Sensing VII. Coté, G. L., Priezzhev, A. V. , SPIE. (2007).
- Chen, C., et al. Preparation of a skin equivalent phantom with interior micron-scale vessel structures for optical imaging experiments. Biomed Opt Express. 5 (9), 3140-3149 (2014).
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. J Biomed Opt. 20 (8), 085003 (2015).
- Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Phys Med Biol. 42 (10), 1971-1979 (1997).
- Bae, Y., Son, T., Park, J., Jung, B. Fabrication of a thin-layer solid optical tissue phantom by a spin-coating method: pilot study. J Biomed Opt. 18 (2), 025006 (2013).
- Park, J., et al. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. Nordstrom, R. J., et al. , SPIE. (2013).
- Luu, L., Roman, P. A., Mathews, S. A., Ramella-Roman, J. C. Microfluidics based phantoms of superficial vascular network. Biomed Opt Express. 3 (6), 1350-1364 (2012).
- Chen, A. I., et al. Multilayered tissue mimicking skin and vessel phantoms with tunable mechanical, optical, and acoustic properties. Med Phys. 43 (6), Part 1 3117-3131 (2016).
- 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. J Biomed Opt. 19 (3), 036009 (2014).
- Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
- Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol and Surg. 5 (4), 335-341 (2010).
- Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
- Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H. R., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Appl Opt. 55 (2), 280-287 (2016).
- Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
- Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102-041116 (2006).
- de Bruin, D. M., et al. Optical phantoms of varying geometry based on thin building blocks with controlled optical properties. J Biomed Opt. 15 (2), 025001-025010 (2010).
- Boyle, A. J., et al. In vitro performance of a shape memory polymer foam-coated coil embolization device. Med Eng Phys. 49, 56-62 (2017).
- Hwang, W., Singhal, P., Miller, M. W., Maitland, D. J. In Vitro Study of Transcatheter Delivery of a Shape Memory Polymer Foam Embolic Device for Treating Cerebral Aneurysms. J Med Dev. 7 (2), 020932 (2013).
- Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
- Mufti, N., Kong, Y., Cirillo, J. D., Maitland, K. C. Fiber optic microendoscopy for preclinical study of bacterial infection dynamics. Biomed Opt Express. 2 (5), 1121-1134 (2011).
- Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
- Nooshabadi, F., et al. Intravital excitation increases detection sensitivity for pulmonary tuberculosis by whole-body imaging with beta-lactamase reporter enzyme fluorescence. J Biophotonics. , (2016).
- Duck, F. A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , Academic Press, Inc. (1990).
- Tuchin, V. V., Tuchin, V. Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, SPIE press. Bellingham. (2007).
- Prahl, S. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , Oregon Tech. (2011).
- Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
- Link, T. M., et al. A Comparative Study of Trabecular Bone Properties in the Spine and Femur Using High Resolution MRI and CT. J Bone Miner Res. 13 (1), 122-132 (1998).
- Batiste, D. L., et al. High-resolution MRI and micro-CT in an ex vivo rabbit anterior cruciate ligament transection model of osteoarthritis. Osteoarthr cartil. 12 (8), 614-626 (2004).
- Greening, G. J., et al. Characterization of thin poly(dimethylsiloxane)-based tissue-simulating phantoms with tunable reduced scattering and absorption coefficients at visible and near-infrared wavelengths. J Biomed Opt. 19 (11), 115002 (2014).
- Meissner, S., Knels, L., Krueger, A., Koch, T., Koch, E. Simultaneous three-dimensional optical coherence tomography and intravital microscopy for imaging subpleural pulmonary alveoli in isolated rabbit lungs. J Biomed Opt. 14 (5), 054020 (2009).
- Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
- Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).
