Summary
광학 조직 환영 교정 및 광학 이미징 시스템의 특성 및 이론적 모델의 유효성 검사에 대 한 필수적인 도구입니다. 이 기사 팬텀 제조 조직 광학 속성 및 3 차원 조직 구조의 복제를 포함 하는 방법을 자세히 설명 합니다.
Abstract
새로운 광학 이미징 기술의 급속 한 발전 낮은-비용, 사용자 정의 및 쉽게 재현할 수 기준의 가용성에 따라 달라 집니다. 이미징 환경 복제, 비용이 많이 드는 동물 실험 기법을 확인 하기 위해 피할 수 있습니다. 예측 하 고 vivo 및 전 비보 이미징 기술을의 성능 최적화에 관심의 조직에 광학과 유사한 샘플 테스트 필요 합니다. 광학 환영 조직 흉내 낸 평가, 특성, 또는 광학 시스템의 교정에 대 한 표준을 제공합니다. 동종 고분자 광학 조직 환영 널리 좁은 스펙트럼 범위 내에서 특정 조직 형식의 광학 속성을 모방 하는 데 사용 됩니다. 계층화 된 조직, 표 피와 진 피, 단순히 이러한 동종 석판 유령 스태킹 하 여 유사 수 있습니다. 그러나, 이미징 기술은 vivo에서 많은 혈관, 기도, 또는 조직 결함, 같은 3 차원 구조, 이미징 시스템의 성능에 영향을 미칠 어디 더 공간 복잡 한 조직에 적용 됩니다.
이 프로토콜 통합 조직의 광학 특성을 가진 재료를 사용 하 여 3 차원 구조 복잡 하 조직 흉내 낸 팬텀의 제작을 설명 합니다. 룩 업 테이블 인도 잉크 및 이산화 티타늄 광 흡수 및 산란 대상에 대 한 조리법을 제공합니다. 특성화 및 광학 물성을 조정 하는 방법은 설명 합니다. 이 문서에 대 한 자세한 팬텀 제조는 내부 분기 모의 기도 무효; 그러나, 기술은 다른 조직 또는 장기 구조에 광범위 하 게 적용할 수 있습니다.
Introduction
조직 유령 시스템 특성화 및 광학 이미징 및 분광학 기기, 초음파 또는 핵 modalities1,2,3 multimodality 시스템 등의 교정에 널리 사용 됩니다. ,4. 유령은 시스템 특성화 및 여러 생물 학적 이미징 기술의 품질 관리에 대 한 제어 광 환경을 제공합니다. 조직 흉내 낸 유령은 시스템 성능을 예측 하 고 생리 적인 작업;에 대 한 시스템 설계 최적화에 유용한 도구 예를 들어 종양을 평가 하기 위한 광 프로브 프로브 깊이 예측5를여백입니다. 광학 속성과 팬텀의 구조 설계는 악기 사용 됩니다, 따라서 타당성 연구 및 시스템 성능3의 확인에 대 한 허용 특정 생리 적인 환경을 모방 하기 위해 조정 될 수 있다 6,7. 이미징 시스템 성능을 입력 전 임상 또는 임상 시험 전에 현실적인 광학 환영의 오작동의 위험 또는 vivo에서 공부 하는 동안 사용할 수 없는 데이터의 수집을 줄일 수 있습니다. 재현성 및 안정성 광학 환영의 그들에 게 내 고 남북 instrument 다양성, 특히 다른 악기와 함께 되 임상 시험 모니터 광학 기술에 대 한 사용자 정의 교정 표준 연산자, 그리고 환경 조건8,9.
또한 조직 흉내 낸 유령 이론적인 광학 모델의 유효성 검사에 대 한 가변 및 재현성 물리적 모델 역할을 합니다. 10,11을 실험 동물에 대 한 필요성을 절감 하는 동안 시뮬레이션 설계 및 광학 기기 vivo에서 의 최적화에 도움이. 개발 및 정확 하 게 나타내는 환경 vivo에서 광학 시뮬레이션의 유효성 검사의 조직 구조, 생화학, 내용과 대상의 신체 내에서 조직 위치 복잡 하 여 지 장 수 있습니다. 주제 사이 가변성은 동물이 나 인간의 측정을 사용 하 여 도전 하는 이론적 모델의 유효성 검사. 폴리머 광 조직 유령 광자 마이그레이션12,13,,1415공부 하는 알려진 하 고 재현할 수 광 환경을 제공 하 여 이론적 모델의 유효성 검사에 대 한 수 있습니다.
시스템 보정을 위해 고체 광학 환영 경화 폴리머 광 산란, 흡수, 또는 형광의 파장에 대 한 조정의 단일 균질 슬 래 브의 구성 됩니다. 유령 상피 조직 모델16,17조직 광학 속성의 깊이 변화를 모방 하기 위해 자주 사용 되는 폴리머 층. 이러한 팬텀 구조는 상피 이미징 및 모델링에 대 한 충분 한 조직 구조는 각 계층을 통해 상당히 균질 하기 때문에. 그러나, 큰 규모와 더 복잡 한 구조에 영향을 다른 기관에서 복사 전송. 더 복잡 한 환영을 만드는 방법은 피하 혈관18,19 와20방광 등 전체 장기의 광 환경 시뮬레이션 하기 위해 개발 되었습니다. 공기-조직 인터페이스;의 분기 구조 때문 독특한 문제 제공 폐에 빛 전송 모델링 단단한 팬텀 것 이다 가능성이 복제 하지 기관에 복사 전송 정확 하 게21. 광학 팬텀으로 복잡 한 구조를 통합 하는 방법을 설명 하기 위해 void 기도 (그림 1)의 3 차원 (3D) 거시적인 구조를 나타내는 내부, 재현 프랙탈 트리를 만드는 방법을 설명 합니다.
지난 몇 십년에서 3D 인쇄 의료 기기 및 모델22, 신속한 프로토 타입에 대 한 주된 방법 되 고 광학 조직 팬텀도 예외는 아니다. 3D 인쇄 채널23, 혈관 네트워크24, 및 전신 작은 동물 모델25광학 환영 날조를 위한 첨가제 제조 도구로 사용 되었습니다. 이러한 방법은 독특한 광학 특성을 가진 하나 또는 두 개의 인쇄 재료를 사용합니다. 방법은 또한 일반, 혼 탁 한 생물 조직25,26모방을 인쇄 재료의 광학 특성을 조정 하 개발 되었습니다. 그러나, 그래서이 방법은 모든 생물 학적 조직에 적합 하지 않습니다 달성 광 속성의 범위 인쇄 소재, 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS)26, 등 일반적으로 폴리머에 의해 제한 됩니다. 입니다 (PDMS) 비 산 tunability27,28의 더 높은 수준으로 입자를 흡수와 쉽게 혼합 일 수 있다 광학 투명 폴리머입니다. PDMS는 또한 동맥 모델 embolic 장치29,30의 배포에 대 한 유령 형에 사용 되었습니다. 이 유령 또한 분해할 3D 인쇄 부분을 활용 하지만 광학 장치 배포를 시각화에 대 한 명확한 유지. 여기, 우리 조직의 예비 모델과 murine 폐의 기도 조작 하는 산란 및 흡수 하는 입자 PDMS의 광학 속성의 tunability이이 방법을 결합.
여기에 제시 된 팬텀은 폐에, 다른 장기의 다양 한 프로세스를 적용할 수 있습니다. 팬텀의 내부 구조의 3D 인쇄 디자인을 혈액 또는 림프 혈관 네트워크, 골 수, 또는 심지어 심장31의 4 연 발된 구조 어떤 목적 인쇄 규모에 대 한 사용자 정의 될 수 있습니다. 우리 광학 이미징 및 폐32,,3334의 모델링에 관심이 있기 때문에, 우리는 내부 구조로 4 세대 프랙탈 트리를 사용 하 여 팬텀 폴리머 내 복제를 하셨습니다. 이 구조는 대략적인 기도의 분기 구조 및 3D 인쇄 과정에 대 한 이탈 지원 자료를가지고 하도록 설계 되었습니다. 더 해부학 적인 몸의 올바른 기도 이탈 지원 물자를 필요 하지 않은 경우 인쇄 될 수 있습니다. 이 특정 모델은 기도 나타내지만, 팬텀의 내부 구조는 소재 무효를 유지 필요가 없습니다. 일단 주변 폴리머 치료 하 고 3D 인쇄 부분 해산, 내부 구조 사용할 수 있습니다 흐름 통로 또는 보조 형으로 그것의 자신의 독특한 흡수와 산란 특성 자료에 대 한. 예를 들어 경우이 프로토콜에서 내부 구조는 기도 보다는 디지털 뼈로 만들어진, 뼈 구조 3D 인쇄, PDMS는 손가락의 광학 특성을 가진 성형 및 다음 팬텀에서 해산 수 있습니다. 다음 다른 광 특성을 가진 PDMS 혼합물 무효 가득 수 있습니다. 또한, 각 형 단일 분해할 수 있는 부분에 국한 되지 않습니다. 손가락의 팬텀 뼈, 혈관, 동맥, 및 일반 부드러운 조직 층 각각 그것의 자신의 독특한 광학 속성을 포함 하도록 만들 수 수 있습니다.
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Protocol
1. 선택과 매트릭스 재료 특성의 확인
- 시작 하기 전에 팬텀 제조 공정 (그림 1), 이미징 wavelength(s)에 대 한 관심의 생체 조직에 대 한 흡수 및 감소 된 산란 계수를 찾아. 예비 견적 참조35,36에서 찾을 수 있습니다. 그러나, 광학 계수의 유효성 검사는 필요할 수 있습니다.
- 흡수 계수, μ는는및 감소 된 산란 계수, μs에 대 한 룩 업 테이블을 사용 하 여 ', 488, 535, 632, 및 775 nm 파장 (표 1-4 및 그림 2-3), 인도 잉크의 농도 선택 하 고 이산화 티타늄 (티 오2) 원하는 광 특성을 추정 하는. 이 조리법은 유령 PDMS와 조작에 사용 됩니다. 이러한 테이블은 개별 파장에서 실험 데이터를 제공, 최적화 제조 법의 특정 응용 프로그램에 필요한 있을 수 있습니다.
-
광 속성의 확인을 위해 선택 된 레시피의입니다 (PDMS) 슬 래 브를 조작.
- PDMS 수 지에 경화제의 무게에 10:1 비율을 사용 하 여 다음과 같은 순서로 혼합 컵에 재료를 부 어: PDMS 고무, 티 오2, 인도 잉크, PDMS 경화제.
참고: 여기, 우리가 테스트 두 요리법: 1) 2 mg 티 오2 + g PDMS 당 3.5 µ L 인도 잉크와 2) 1 mg 티 오2 + g PDMS 당 10 µ L 인도 잉크. 각각의 제조 법에 대 한 4.5 g PDMS 수 지와 0.45 g PDMS 경화제 광학 입자의 해당 금액으로 사용 됩니다. - 속도 믹서에서 혼합 ( 재료의 표참조) 60에 대 한 s. 티 오2 입자 혼합에 붙어 있으면 (티 오2의 높은 농도와 예상) 컵, 컵의 기지에서 입자를 제거 하 손으로 혼합 그리고 또 다른 30 대 한 믹서에 혼합 s.
- 우물 또는 얇은 수 있도록 접시에 혼합물을 부 어 (0.1-1 m m)는 혼합물의 석판.
- 드가 석판에는 공기-꽉 부정적인 압력 챔버, 다음 30-60 분에 대 한 80 ° C에서 미리가 열된 오븐에서 그들을 배치 하 여 10 분 동안 오븐에서 제거 하 고 식
- 해당 컨테이너에서 냉각된 폴리머 슬 래 브를 제거 합니다. 평평 하 고 균일 한 슬 래 브를 두고 가장자리에서 트림. 캘리퍼스를 사용 하 여 슬 래 브의 두께 측정 합니다.
- PDMS 수 지에 경화제의 무게에 10:1 비율을 사용 하 여 다음과 같은 순서로 혼합 컵에 재료를 부 어: PDMS 고무, 티 오2, 인도 잉크, PDMS 경화제.
-
투과율 (T) 및 통합 영역을 사용 하 여 slab(s)의 반사율 (R) 측정 합니다. 추가 세부 사항 및 지시 역 추가 배로 (IAD) 수동37에서 찾을 수 있습니다.
- 광원 및 분석기 통합 영역 설정의 설정. 작은, 조명을 빔 되도록 시스템의 맞춤 중심 통합 구의 입구와 출구 포트에 확인 하십시오.
- 통합 영역 시스템 보정.
- 소스, 통합 구의 출구 포트 뚜껑 끄고 3 어두운 스펙트럼 기록.
- 설정 소스 다시 빈 입구 포트와 출구 포트 출장 전송 참조를. 3 스펙트럼을 기록 합니다.
- 반사율 참조 측정 반사율 부문을 사용 하 여 얻을. 각 표준 구 출구 포트에 놓습니다. 각 반사율 표준에 대 한 3 개의 스펙트럼을 기록 합니다.
- 슬 래 브의 투과율을 측정 합니다. 출구 포트에 모자와 함께 전송 측정에 대 한 통합 구의 엔트리 포트에 슬 래 브를 놓습니다. 3 스펙트럼을 기록 합니다.
- 슬 래 브의 반사율을 측정 합니다. 출구 포트 뚜껑을 제거 하 고 반사율 측정에 대 한 출구 포트에 슬라브를 놓습니다. 3 스펙트럼을 기록 합니다.
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IAD 소프트웨어를 사용 하 여 광학 속성을 확인 합니다. 소프트웨어 다운로드37,38와 IAD 설명서에는 소프트웨어에 대 한 전체 자습서를 찾을 수 있습니다.
- 평균 각 측정에 대 한 3 개의 스펙트럼 획득입니다.
- IAD 수동37에 방정식을 사용 하 여, R 및 T 값이이 측정 변환. 필요한 경우 스펙트럼을 따라 샘플링 속도 줄여 파일을 응축.
- 파장, 반사율, 투과율, 그리고 IAD 수동37에 설명 된 대로 샘플 두께 IAD에 대 한 입력된.rxt 파일 (보충 자료 1)를 준비 합니다. 명령 프롬프트 (윈도우 OS) 하거나 터미널 (Mac OS) using, 올바른 경로를 탐색 합니다. "Iad ' 입력된 파일 이름'"을 실행 하는 IAD를 입력 합니다. 소프트웨어 추정된 광 속성으로 출력 텍스트 파일을 생산할 예정 이다.
- 광학 속성 원하는 값의 허용 범위 (~ 15%) 내에서 없는 경우, 적절 하 게 제조 법을 수정 하 고 반복 단계 1.3-1.5.
2. 준비 분해할 3D의 내부 구조를 인쇄
- 컴퓨터를 사용 하 여 디자인 내부 구조 설계 (CAD) 소프트웨어를도 왔. 3D 프린터 제작에 대 한 스테레오 리소 그래피 파일 구조 솔리드 모델을 변환 합니다. 경우, 세그먼트 CT 검사 또한 변환할 수 있습니다 스테레오 리소 그래피 파일 내부 구조의 솔리드 모델을 그리기 보다는.
참고: 여기에 사용 되는 프랙탈 트리 구조에 대 한 CAD 파일 보충 자료 2에 제공 됩니다. 이 문서에 사용 된 프린터 압출 프린터 이므로 부품 이탈 지원 자료를가지고 하도록 설계 되었습니다. - 인쇄, 폴 리 비닐 알코올 (PVA) 등 고 영향도 폴리스 티 렌 (HIPS) 분해할 수 재료 선택 ( 재료의 표참조). 솔리드 모델이 분해할 수 있는 자료에서를 인쇄 합니다.
- 인쇄 된 부분이 충분히 냉각 하 고, 휴식, 분해, 또는 기계 인쇄 부분에서 지원 물자. 파일 또는 어떤 큰 결점에서 모래입니다.
-
증기를 줄이기 위해 표면 거칠기 인쇄 부분 폴란드어.
- 악에서 보안 인쇄 부분, 얇은 강철 또는 nitinol 와이어의 인쇄 된 부분에에서 대 한 허가 통해 구멍을 드릴.
- 스테인리스 또는 nitinol 와이어 구멍을 통해 스레드. 와이어의 끝을 구 부하 고 함께 연결. 이것은 비 커 내의 아세톤 증기에 완전히 몰입 될 부분에 대 한 허용. 와이어 및 부분을 옆으로 설정 합니다.
- 큰 비 커를 약 10% 아세톤의 전체 입력. 100 ° c가 열 하면서 뜨거운 접시에 비 커 장소 주의: 아세톤 증기의 흡입을 방지 하기 위해 증기 두건에서이 단계를 수행 합니다.
- 아세톤 중간 비 커의 벽면을 응축에 도달에 대 한 증기, 두 번째 와이어에 모의 기도와 반복된 와이어를 걸어 고 15-30 미 확인 인쇄 위한 아세톤 증기에 중단 부분 비 커 만지지 마십시오 벽 또는 각 다른 (연마 증기 여러 부분 한 번에)입니다.
- 인쇄 된 부분을 제거 하 고 빈 비 커 또는 컨테이너 일시 중단. 부분 적어도 4 h 동안 건조 하자.
- 필요에 따라 내부 구조 치수는 CAD 디자인 허용 오차 내에서 확인 합니다. 정확도 요구에 따라 구조를 측정 하 캘리퍼스 또는 3D 레이저 스캐너를 사용할 수 있습니다.
3입니다. 내 열 형의 건설
참고: 누출 방지, 내 열 형 PDMS 팬텀 형성을 준비 합니다. 가장 마지막 유령 디자인에 맞게 금형 형상을 선택 합니다. 여기, 재사용 가능한 직사각형 형 설명 되어 있습니다.
- 3d 인쇄 형의 고체 모델 기반 디자인. 곰이 팡이는 1.17 cm x 1.79 cm의 기지와 팬텀에 대 한 설계 되었습니다. 금형의 기본은 일치 하는 팬텀의 내부 크기와 두께 1 m m와 5mm 깊이 쉬는 시간. 제거할 sidings 형과 금형 분해 하 여 다시 사용할 수 있습니다.
- 금형의 판자 벽을 확보 하 여 충분 한 폭의 삽입을 가진 형에 대 한 자료를 인쇄 합니다.
- 몰드 베이스의 휴식에 sidings을 배치 합니다. 여기, 1 m m 두께 폴 리 카보 네이트 시트는 금형 판자 벽으로 사용 됩니다.
- 내 열 테이프를 사용 하 여 금형의 가장자리 물개. 그것은 모든 구석 및 가장자리 충분히 성형 과정에서 어떤 누설을 방지 하기 위해 테이프에 없는 거품으로 봉인 된.
- 3.4 단계에서 준비 하는 금형 내부 폴 리 카보 네이트 받침판을 놓습니다. 이 베이스 플레이트 형 사이 딩으로 동일한 1 m m 두께 폴 리 카보 네이트 시트 이며 몰드 베이스의 3D 인쇄 표면 거칠기 없이 매끄러운 표면 유령 자료를 제공 합니다. 기본 격판덮개에 부분을 광택이 완전히 건조 증기를 붙입니다. 접착제 건조에 대 한 충분 한 시간을 허용 합니다.
4입니다. 폴리머 팬텀의 제조
참고: 특정 응용 프로그램에 대 한 1 단계에서 결정 된 대량 매트릭스 자료에 대 한 검증 된 요리법을 사용 합니다. 535에서 팬텀 건강 murine 폐 조직에 대 한 단계를 제공 하는 프로토콜 여기 nm µs' 40 c m-1 와 μ는는 2 c m-1의. 제조 공정에 대 한 참조로 사용 하 여 아무 광학 입자와 두 번째 팬텀을 날조 하는 것이 유용할 수 있습니다.
- 9.1 g PDMS 수 지의 혼합 플라스틱 컵에 붓으십시오. Rutile 티 오2, 뒤에 인도 잉크의 35 µ l의 20 밀리 그램을 추가 합니다. 마지막으로 혼합물의 상단에 경화제의 0.91 g 추가. 1.3.2 단계에서 혼합 프로토콜을 따릅니다.
- 내 열 형으로 최종 폴리머 혼합물을 붓는 다.
- 광 물성의 확인에 대 한 폴리머 슬 래 브를 만드는 별도 용기에 적은 양의 혼합물을 붓는 다. 충분 한 폴리머는 적어도 100 µ m 두께의 슬 래 브를 부 어 있는지 확인 합니다.
- 기체 제거를 위한 벨 항아리에 모의 기도 형과 별도 슬 래 브를 놓습니다. 진공 프로세스를 시작 합니다. 모의 기도 몰드 폴리머 표면 거품 파열 벨 항아리에 다시 상승, 공기 시작, 다음 다시 공기를 시작 합니다. 폴리머는 크게 상승 하지 않는 때까지이 과정을 반복 합니다. 이것은 얼마나 많은 공기는 4.2 단계 갇혀 따라 5-10 분 사이 걸릴 것입니다. PDMS 이상 상승, 또 다른 15 분 동안 드를 계속.
- 기체 제거, 후 천천히 다시 챔버에 공기를 하자. 팬텀 모의 기도 폴리머 슬 래 브를 제거 하 고 2 시간에 80 ° C에서 레벨 오븐에.
- 오븐에서 팬텀과 슬 래 브를 제거 하 고 경화 폴리머를 절단 하지 않고 20 분 분해 메스와 폴리머 형에 대 한 식. 모의 기도 자료의 베이스 플레이트 스냅.
- 내부에 완전히 용 해 될 때까지 온수 (60 ° C) ~0.5 M 수산화 나트륨 (NaOH) 기본 목욕에 유령 장소. 광학 투명 참조 팬텀은 내부 구성 요소에 대 한 용 해 시간을 결정 하는 데 도움이 있습니다. 일단 내부 구조를 해산 목욕에서 팬텀 고 어떤 광학 측정을 복용 하기 전에 (~ 24 h)를 완전히 건조 보자.
5입니다. 팬텀 제조의 확인
- 원하는 경우 고해상도 자기 공명 영상 (MRI) 또는 마이크로 계산 된 단층 촬영 (CT) 영상를 사용 하 여 팬텀 기를 확인 합니다. 이 메서드는 축 해상도로 3D 확인 탁 재료 내에서 내부 구조를 제공 < 400 µ m39,40. 또한, 광학 투명 참조 팬텀 수 수 광학 몇 군데 확인 인쇄 된 부분이 완전히 해산 하 고 나머지 무효는 정확한 기하학에 대 한.
참고: 우리는 광학 불투명 팬텀 (2 mg 티 오2 + 3.5 µ l 인도 잉크)에 노스 스타 이미징 (NSI) X50 마이크로-CT와의 내부 형상 확인. 팬텀은 모든 차원 (보충 자료 3, 4)에서 20 µ m 해상도와 몇 군데. - 폴리머 슬 래 브와 통합 영역 (1.5-1.6 단계에서 설명)을 사용 하 여 팬텀의 광학 속성을 확인 합니다.
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Representative Results
팬텀 제조 기법을 보여, 마우스 폐 조직 유령 삭제 건강 하 고 염증이 murine 폐 조직 535에서의 측정된 광학 특성을 시뮬레이션 하기 위해 조작 했다 nm (표 5). 이 파장의 이전 연구33mycobacteria의 재조합 기자 긴장에서 사용 하는 tdTomato 형광 단백질의 여기 파장이입니다. 마우스 폐 조직의 광학 측정 1.4-1.5 단계에서 설명한 동일한 방법으로 획득 했다. 동물의 사용 기관 동물 관리 및 사용 위원회 (IACUC) 텍사스 A & M 대학에 의해 승인 되었다. 티 오2 인도 잉크의 적당 한 비율 건강 둘 다를 위해 발견 되었다 고 535 nm 파장의 빛 (표 5)에 대 한 murine 폐 조직 염증.
다른 광학 속성 자료에 대 한 조리법과 그래픽으로 그림 2-3 표 1-4 에서 표시 됩니다. 흡수 및 산란 입자 농도에 의존 그림 4에 요약 되어 있습니다. 티 오2 (산란 입자)의 일정 농도와 유령에 대 한 감소 된 산란 계수 및 흡수 계수에 동향 (그림 4A, 4B)와 인도 잉크 (흡수 하는 입자의 일정 한 농도 ) (그림 4C, 4 D) 두 입자에 광 속성의 관계를 보여 줍니다. 이러한 광 속성의 재현성을 보장 하기 위해, 적절 한 혼합 기법을 사용 해야 합니다. 정착 하 고 티 오2 입자의 ribboning 치료 팬텀 (그림 5)의 산란 계수에 변화가 발생 합니다. 인도 잉크 얼룩 혼합 컨테이너도 흡수 계수를 줄일 것입니다.
폐 유령 내부 무효 (그림 1C)에 대 한 프랙탈 트리 구조를 사용 하 여 설계 되었습니다. 3D 인쇄 구조 증기 팬텀 (그림 1E) 안에 부드러운 내부 표면을 작성 하려면 광택 되어야 합니다. 그림 6 은 degassed 아니었다 팬텀에서 산란 하는 빛의 비교 또는 증기 광택 (그림 6A, C), 그리고 내부 부분을 연마 하는 증기를 했다 고 했다 팬텀 degassed (그림 6B, 6 D). 유령 개체를 사용 하 여 조명 외부 흰색 빛 소스 (그림 66B)에서 535에 내부 microendoscope 소스 몇 군데 했다 (그림 6C, 6 D) nm. 증기 연마 및 degassing 명료화 scatterers, 표면 거칠기 (그림 6C, 2 인세트) 등 거품의 존재를 최소화 (그림 6C, 1 인세트). 공기 거품 위치는 무작위와 예측할 수 없는 때문에 기체 제거 하는 것이 특히 중요 합니다. 또한, 공기 거품 가려진 일단 티 오2 입자는 ( 그림 6에 표시 되지 않음), 통합 하는 팬텀 광학 불투명. 따라서, 보이지 않는 거품 조직 광 속성의 유령 자료의 표현을 훼손 수 있습니다.
증기 광택 3D 인쇄 부분 기지와 원심 지점에서 캘리퍼스로 측정 되었다 하 고 치수는 표 6에서 3D 솔리드 모델에 비해. 팬텀 폴리머의 제조, 다음 팬텀은 마이크로 CT 이미징 시스템 (보충 자료 3)를 사용 하 여 몇 군데 있었다. 3D 데이터 집합을 사용 하 여 기본 및 원심 지점에서 내부 공 허의 크기 비교 (표 6) 측정 되었다. 증기 광택된 나무 때문에 아세톤 증기로 표면 부드럽게 흐름을 플라스틱의 표면에 약간 작은입니다. 3D 인쇄 부분에 기지에 의해 중단, 표면 부품의 치수에서 작은 변화를 일으키는 말 초 분 지 쪽으로 흐르고 있다. 지상 매 끈 함 및 부분 크기를 유지 사이의 트레이드 오프가입니다. 더 이상 증기 폴란드어 매끄러운 표면 귀 착될 것 이다 하지만 변경 된 크기의 결과 흐름, 더 많은 자료를 일으킬 것입니다.
환영 했다 vivo에서 이미징 시스템 microendoscope 섬유 번들 (그림 7)의 삽입에 대 한 액세스 포트 몇 군데. microendoscope 인쇄 부분에서 해산 했다 유령 개체 내에서 무효에 배치 했다. microendoscope 535에서 내부 조명에 사용 된 및 IVIS 조명 통로 차단 되었습니다. microendoscope의 배치는 그림 7A에 표시 됩니다. IVIS 신호의 외부 수집을 위해 사용 되었다. 몇 군데 유령 그림3에서 군데 그 같은 내부 구조를 했다. 동일한 내부 구조와 외부 치수, 건강 한 폐 조직 (그림 7A) 및 감염 된 폐 조직 (그림 7B) 광학 속성에 차이점은의 표면 방사에서는 유령입니다. 이러한 유령 광학 속성에서 변경에 대 한 적절 한 응답을 유지, 내부 조명 연구에 사용 하는 유령에 대 한 팬텀 제작을 위해이 메서드를 적용할 수 있습니다.
그림 1: 광학 조직 팬텀의 제작의 흐름 다이어그램. (A) 결정 조직 관심의 대상 광학 속성에 대 한 최적의 제조 법. (B) 제조 법을 확인 합니다. (C) 내부 구조 디자인. (D) 내부 구조를 분해할 수 있는 소재를 사용 하 여 인쇄 합니다. (E) 증기 폴란드어 매끄러운 표면에 인쇄 된 부분. (F) 폴리머 및 광학 입자를 혼합 하 고 내 열 몰드에 부 어. (G) 드가 고 치료 (PDMS). (H) 내부 공 허를 만드는 인쇄 된 부분을 분해. (I)는 팬텀 형상 및 광학 속성을 확인 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 인도 잉크 및 티 오2 농도 대 한 흡수 계수에 동향. 흡수 계수 488 nm (A), 535에 인도 잉크의 범위와 이산화 티타늄 농도 대 한 표시는 nm (B), 630 nm (C), 및 775 nm (D). 흡수 두 입자에 대 한 낮은 농도 대 한 낮은 이며 일반적으로 각 입자의 농도 함께 증가 합니다. 대 지 5-7.5 µ L 인도 잉크 mL PDMS 당 사이 도달 했습니다. 증가 속도 다른 입자와 파장의 농도에 따라 달라 집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 인도 잉크 및 티 오2 농도 감소 산란 계수에 동향. 감소 된 산란 계수 488 nm (A), 535에 인도 잉크의 범위와 이산화 티타늄 농도 대 한 표시는 nm (B), 630 nm (C), 및 775 nm (D). 감소 된 산란 계수 두 입자에 대 한 낮은 농도 대 한 낮은 이며 일반적으로 각각의 농도 함께 증가 합니다. 흡수, 같은 증가 속도 다른 입자와 파장의 농도에 따라 다릅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 상호 의존의 인도 잉크 및 티 오2 농도 광학 속성. 흡수 계수와 감소 된 산란 계수 1 mg/ml PDMS (A, B) 와 지속적인 인도 일정 티 오2 농도와 조리법에 대 한 표시 됩니다 잉크 5 µ L/mL PDMS의 농도 (C, D). 패널 (B)는 산란 계수 변경 됩니다 일정 티 오2 농도와 인도 잉크 농도, 다양 하 고 패널 (C) 흡수 계수를 상수 인도 잉크 농도 대 한 변경 됩니다 보여줍니다. 보여줍니다. 때 티 오2 다양 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 광 산란 효과 혼합. Uncured 폴리머 및 광학 입자의 부적 절 한 혼합 하는 것은 광학 속성에 변화 귀 착될 수 있다. 이 그림에 표현 제대로 혼합된 팬텀 치료 전에 티 오2 입자의 침전 보였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 : 성공적이 고 차선 제조를 설명 하기 위해 낮은 산란 계수 자료와 대표 기도 환영. 증기 연마 및 degassing 최소한의 새롭거나 산란 요소가 유령 생산에 중요 한 단계가 있습니다. (A-B) 연마 및 degassing 증기와 증기 연마 하 고 (A)을 degassing 없이 환영의 가벼운 이미지를 화이트 (B). (C-D) A-B에서 유령 535 nm 빛으로 조명 됩니다. (C) 에서 인세트 1) 기포의 2)를 거친 3D 인쇄 표면 산란 효과 묘사 하기 위해 표시 됩니다. (E) 렌더링 컴퓨터에 따라 광학 시뮬레이션의 주 설계 (CAD) 모델 팬텀 제조에 사용 되 었. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7 : 내부 조명으로 환영의 이미징. 팬텀 (A) 의 컴퓨터 시뮬레이션 내부 형상 및 소스 위치 (노란색 별표) 유령 이미지 (C) 와 (D)패널의 방향을 보여 줍니다. A 세그먼트 마이크로-CT 검사는 건강 한 폐 조직의 유령 (B) 내부 구조는 광학 불투명 팬텀에 확인. 535의 파장에서 광 팬텀의 내부 조명에 대 한 내 시경에 대 한 모의 기도 통로 사용 됩니다 nm. 내부 조명으로 몇 군데 두 유령은 소재와 광학 속성 건강 (C) 에 대 한 최적화 및 (D) 폐 조직 염증이 외부 형태와 내부 구조에서 동일 합니다. 모든 이미지와 렌더링 같은 규모에 있습니다. 눈금 막대 = 1 cm (패널 C). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
표 1: 조회 테이블 488 nm.
표 2: 조회 테이블 535 nm.
표 3: 632 대 한 룩 업 테이블 nm.
표 4: 775 대 한 룩 업 테이블 nm.
| 흡수 계수 (cm-1) | 뿌리는 계수 (cm-1) 감소 | |
| 건강 한 마우스 폐 조직 | 2.05 ± 0.58 | 52.69 ± 7.83 |
|
건강 한 팬텀 (2 mg 티 오2 + 3.5 µ L 인도 잉크) |
1.96 ± 0.699 | 49.66 ±.12 |
| 염증이 마우스 폐 조직 | 5.49 ± 1.32 | 38.94 ± 9.68 |
|
염증이 팬텀 (1 mg 티 오2 + 10 µ L 인도 잉크) |
4.34 ± 0.873 | 39.56 ± 5.02 |
표 5: 팬텀 조리법의 측정된 광학 속성 속성에 해당 하는 측정 광학 535에서 건강 하 고 염증이 마우스 폐 조직의 nm.
| 기본 직경 (mm) | 원심 분기 직경 (mm) | |
| 솔리드 모델 | 2.7 | 1.38 |
| 증기 광택 인쇄 | 2.56 ± 0.026 | 1.38 ± 0.141 |
| PDMS 몰드 (CT에서 측정) | 2.55 ± 0.021 | 1.39± 0.055 |
표 6: 는 팬텀의 내부 구조 확인.
보충 자료 1: 예제 IAD 입력된 파일. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 자료 2: 프랙탈 트리 기도 솔리드 모델. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 자료 3: 마이크로 CT 플라이-통해 팬텀 모델링 건강 한 마우스 폐 조직의. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 자료 4: 회전의 비디오 세그먼트 마이크로-ct. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
우리는 만드는 방법에 대해 내부 공기-조직 인터페이스를 시뮬레이션 하기 위해 내부 분기 구조 murine 폐를 표현 하기 위해 광학 환영을 증명 하고있다. Murine 폐 조직의 광학 속성 광학 산란 및 흡수 homogenously 대량 매트릭스 고분자 내 분산 입자의 독특한 농도 통합 하 여 달성 된다. 이러한 광학 속성 (즉, 병에 걸리는 조직 대 건강 한) 다른 국가에서 조직의 다른 스펙트럼 범위 내에서 생리 적 가치를 모방 하 조정 될 수 있습니다. 광 속성 관심, 기본 소재, 그리고 팬텀 내 입자의 농도의 파장에 따라 달라 집니다. 그러나, 여러 입자와 산란과 흡수의 관계가 아니다 항상 직관적인41. 흡수의 증가 속도 마찬가지로 감소 산란 계수의 증가의 비율에 대 한 흡수 입자 분산 입자의 농도에 따라 달라 집니다. (그림 2-4). PDMS 유령 또한 최대 1 년27,28에 대 한 그들의 광학 속성을 유지 하기 위해 표시 되었습니다. 우리는 우리의 통합 영역 측정의 오차 내에서 광 속성의 3 주 안정성 측정 (< 15%). 이러한 유령과 빛 용기에 표준 저장 오랜 시간에 대 한 그들의 광학 속성을 유지 수 있습니다.
분해할 수 있는 인쇄 된 부분을 연마 하는 증기는 팬텀 (그림 6)의 내부 공기 인터페이스에 재현할 수 있는 매끄러운 표면에 대 한 수 있습니다. 여기에 표시 된 프랙탈 형상에 대 한 내부 구조를 연마 나왔고 성형된 PDMS의 평균 표면 거칠기 감소 37.4 µ m에서 7.2 μ m. 이 거친 표면이 매끄러운, 균일 한 표면 (그림 6E) 보다 정확 하 게 시뮬레이션 하기 위해 훨씬 더 어렵습니다 때문에 팬텀 광학 시뮬레이션의 유효성 검사에 사용 하는 경우 매우 중요 하다. PDMS 팬텀 내의 거품 역할 광학 scatterers (그림 6C, 1 인세트)는 사실 때문에 degassing도 매우 중요 하다. 거품 위치 예측 시뮬레이션, 복제 하 고 팬텀 교정 표준으로 사용 하는 경우 결과 왜곡 수 있습니다.
확인 후 마이크로 CT와, 잔여 재료의 작은 양의 기도 무효 (보충 자료 3) 내에서 발견 되었다. 또한,이 같은 CT 검사의 세분화 분기 구조 (보충 자료 4) 옆에 작은 기포를 보여준다. 제조, 동안 광학 투명 유령 나왔고 내부 구조와 고분자 매트릭스 내에서 아무 공기 방울의 물자의 전체 해산. 마이크로-CT로 확인이 보여주었다 광학 불투명 유령 작은 결함, 그렇지 않으면 표시 되지 않습니다 포함 될 수 있습니다.
제대로 uncured 폴리머 광학 입자를 혼합 하는 것은 재현 하 고 예측 가능한 광 흡수 및 산란 필수적입니다. 불 쌍 한 혼합으로 인 한 감소 된 산란 계수 변화는 그림 5에 표시 됩니다. 금형에 폴리머를 따르고, 하기 전에 티 오2 입자 정착 또는 "ribboning"는 혼합물에서의 증거와 인도 잉크 얼룩 혼합 컨테이너의 증거가 확인. 입자는 권장 순서에 따라 추가이 문제를 최소화 해야 합니다.
이러한 팬텀의 디자인 3D 인쇄 된 부분에 의해 제한 됩니다. 모의 기도 설계 지원 물자, 제거 될 수 있도록 그것은 분해할 수 없습니다. 이 다양 한 가용성을 가진 인쇄 재료 중 하나를 할 수 있는 고급 프린터 또는 레이저 소 결 프린터 지원 하지 않는 필요 자료를 이동 하 여 극복할 수 있습니다. 또한 폐는 본질적으로 매우 다공성 기관 원심 항공과 폐 포 때문에 중요 하다. 그이 팬텀에 표시 되지 않습니다, 하는 동안 비슷한 구조의 광학 효과 관찰 되었습니다 광학 일관성 단층 촬영21, 브래그-나 거품 뗏목을 사용 하 여 공기에서 올리브 오일42그리고 면도 크림 또는 접시 세제에 대 한 거품 핵 자기 공 진 이미징43 단단한 환영 여기에 제시와 폐 미세44이 차이 조정 하 재현 특성을 가진 폴리머 폼을 만들 수 있습니다.
최종 팬텀의 모양 수 있습니다 또한 응용 프로그램에는 사용자 지정할 수 있습니다. 여기에 표시 된 사각형 팬텀 내부 조명으로 촬영 되었고 건강 하 고 감염 된 폐 (그림 7)의 계산 모델의 유효성 검사에 사용. 이 디자인은 단순히 외부 폴리머 형의 디자인을 변경 하 여 마우스의 원통형 몸통을 나타내는 추가 업데이트할 수 있습니다.
우리는 상세한 여기 murine 폐 및 기도 팬텀의 디자인 하는 동안 이러한 방법은 다른 기관 또는 관심의 동물에 맞게 수정할 수 있습니다. 내부 구조 혈관 유령에 대 한 흐름 통로를 변환할 수 또는 고유 광 특성을 가진 복잡 한 내부 구조에 대 한 캐스팅으로 사용할 수 있습니다. 팬텀의 전반적인 모양은 또한 응용 프로그램, 동물, 또는 관심의 기관 조정 될 수 있습니다. 내부 구조와 폴리머 형의 3D 인쇄는 구조화 된 폴리머 광학 환영의 디자인 프로세스에 자유를 제공합니다. 이들은 시뮬레이션 유효성 검사 및 교정에 비보 광학 이미징 기술의 통합 도구 환경 vivo에서 균질 단일 또는 다중 층 유령 보다 더 정확 하 게 나타낼 수 있습니다 때문에.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 작품은 국립 과학 재단 경력에 의해 지원 되었다 아니 수상. CBET 1254767 및 알레르기 국립 연구소와 전염병 no를 부여합니다. R01 AI104960입니다. 우리가 기꺼이 특성 측정 및 텍사스 A & M 심장 혈관 병 리 실험실 마이크로 CT 영상에 대 한 그들의 지원에 대 한 패트릭 그리핀과 댄 트 란 인정합니다.
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
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