Summary
Optiska vävnad phantoms är viktiga verktyg för kalibrering och karakterisering av optiska bildsystem och validering av teoretiska modeller. Den här artikeln beskriver en metod för phantom tillverkning som omfattar replikering av vävnad optiska egenskaper och tredimensionella vävnadsstrukturen.
Abstract
Den snabba utvecklingen av nya optiska bildteknik är beroende av tillgången till låg kostnad, anpassningsbara och enkelt reproducerbar standarder. Genom att replikera imaging miljön, kan kostsamma djurförsök att validera en teknik kringgås. Förutsäga och optimera prestanda i vivo och ex vivo imaging tekniker kräver tester på prover som är optiskt liknande till vävnader av intresse. Vävnad-härma optiska fantomer ger en standard för utvärdering, karakterisering eller kalibrering av ett optiskt system. Homogen polymer optiska vävnad fantomer används allmänt för att efterlikna de optiska egenskaperna av en specifik vävnadstyp inom ett smalt spektralområde. Skiktad vävnader, såsom epidermis och dermis, kan vara härmade genom att helt enkelt stapla dessa homogen platta fantomer. Många i vivo avbildningstekniker tillämpas dock mer rumsligt komplex vävnad där tre dimensionella strukturer, såsom blodkärl, luftvägar eller vävnad defekter, kan påverka utförandet av de imaging systemet.
Det här protokollet beskriver tillverkning av en vävnad-härma fantom som innehåller tredimensionella strukturella komplexitet med material med optiska egenskaper av vävnad. Look-up tabeller ge Indien färgpulver och titandioxid recept för optisk absorption och spridning mål. Metoder för att karakterisera och finjustera de optiska materialegenskaperna beskrivs. Phantom tillverkning beskrivs i denna artikel har ett inre förgrenade håna luftvägarna tomrum; men kan tekniken tillämpas i huvudsak till andra vävnader eller organ strukturer.
Introduction
Vävnaden fantomer används mycket för systemet karakterisering och kalibrering av optisk imaging och spektroskopi instrument, inklusive multimodalitet systems införliva ultraljud eller nukleära modaliteter1,2,3 ,4. Phantoms ger en kontrollerad optisk miljö för systemet karakterisering och kvalitetskontroll av flera biologiska avbildningstekniker. Vävnad-härma phantoms är användbara verktyg i att förutsäga systemets prestanda och optimera systemdesign för fysiologiska uppgiften; exempelvis marginaler för att förutsäga sondering djupet i spectroscopic sonder för att bedöma tumör5. Optiska egenskaper och konstruktion av phantoms kan stämmas för att efterlikna den specifika fysiologiska miljön där instrumentet kommer att användas, därför möjliggör både genomförbarhetsstudier och kontroll av systemet prestanda3, 6,7. Verifiering av imaging systemprestanda med realistiska optiska fantomer innan prekliniska eller kliniska prövningar minskar risken för funktionsfel eller förvärvet av oanvändbara data under in-vivo studier. De reproducerbarhet och stabilitet av optiska fantomer gör dem anpassningsbara kalibrering standarder för optiska tekniker för att övervaka intra - och inter - instrument variabilitet, särskilt i multicenter kliniska prövningar med olika instrument, operatorer och miljöförhållanden8,9.
Vävnad-härma fantomer också fungera som avstämbara och reproducerbara fysikaliska modeller för validering av teoretiska optiska modeller. Simuleringar stöd till design och optimering av i vivo optiska instrument, samtidigt som den minskar behovet för djur experiment10,11. Utveckling och validering av optiska simuleringar att korrekt representera i vivo miljön kan att belastas av komplexiteten i vävnad struktur, biokemiska innehållet och platsen för målet eller vävnad i kroppen. Variabiliteten mellan försökspersonerna gör validering av teoretiska modeller utmanande med hjälp av djurs eller människors mätningar. Polymer optiska vävnad fantomer möjliggör validering av teoretiska modeller genom att leverera en kända och reproducerbara optisk miljö att studera photon migration12,13,14,15.
I syfte att systemet kalibrering, kan fast optisk fantomer bestå av en enda homogen platta av härdade polymer med optisk scattering, absorption eller fluorescens ögonen öppna för våglängderna av intresse. Layered polymer fantomer används ofta för att efterlikna djupvariationen för vävnad optiska egenskaperna i epitelvävnad modeller16,17. Dessa fiktiva strukturer är tillräckligt för epitelial imaging och modellering, eftersom vävnad struktur är ganska homogen genom varje lager. Större skala och mer komplexa strukturer påverkar dock radiative transport i andra organ. Metoder för att skapa mer komplexa fantomer har utvecklats för att simulera optiska miljön av subkutan blodkärl18,19 och även hela organ, som urinblåsan20. Modellering ljus transport i lungorna ger en unik problem på grund av förgrenade strukturen av gränssnittet luft-vävnad; en solid phantom skulle sannolikt replikeras inte radiative transport i organ exakt21. För att beskriva en metod för att införliva komplex struktur i en optisk phantom, beskriver vi en metod för att skapa en inre, reproducerbara fraktal-träd ogiltiga som representerar tredimensionella (3D) makroskopisk struktur av luftvägarna (figur 1).
3D-utskrift har blivit en dominerande metoden för rapid prototyping av medicintekniska produkter och modeller22i de senaste decennierna, och optisk vävnad phantoms är inget undantag. 3D-utskrift har använts som ett verktyg för additiv tillverkning för fabricera optiska fantomer med kanaler23, blodkärl nätverk24och hela kroppen små djurmodeller25. Dessa metoder använder en eller två tryckmaterial med unika optiska egenskaper. Metoder har också utvecklats för att finjustera de optiska egenskaperna av utskrift material att efterlikna allmänna, grumlig biologisk vävnad25,26. Spänna av uppnåeliga optiska egenskaper är dock begränsad av utskrift material, vanligtvis en polymer såsom akrylnitril butadien styren (ABS)26, så denna metod inte är lämplig för alla biologiska vävnader. Polydimetylsiloxan (PDMS) är ett optiskt klart polymer som lätt kan blandas med spridning och absorberande partiklar med en högre nivå av tunability27,28. PDMS har också använts till mögel fantomer med aneurysm modeller för distribution av emboliska enheter29,30. Dessa fantomer också utnyttja en dissolvable 3D tryckt del, men förbli optiskt klar för att visualisera enhet distribution. Här kombinerar vi denna metod med tunability optiska egenskaper av PDMS med spridning och absorberande partiklar att fabricera en preliminär modell av vävnad och luftvägarna av murina lungan.
Medan den phantom som presenteras här är specifika för lungorna, kan processen tillämpas på en mängd andra organ. 3D-utskrift av den interna strukturen av Fantomen tillåter utformningen att vara anpassningsbar för alla ändamål och utskrivbara skala, oavsett om det är en blod eller lymfa fartyg nätverk, benmärg eller ens fyra kamrar strukturen för hjärtat31. Eftersom vi är intresserade av optisk imaging och modellering av det lung32,33,34, har vi valt för att använda en four generations fraktal-träd som den interna strukturen för att replikera inom polymeren phantom. Denna struktur var avsedd att ungefärliga förgrenade strukturen i luftvägarna och har bryta-bort stödmaterial för 3D utskriftsprocessen. En mer anatomiskt korrekt luftväg kunde skrivas om bryta-bort stödmaterial inte är nödvändigt. Även om just denna modell representerar en luftväg, har inte den interna strukturen av Fantomen att förbli ett materiellt tomrum. När omgivande polymeren är botad och 3D-utskrivna delen upplösas, kan den interna strukturen användas som en flöde väg eller som sekundär gjutform för ett material med egen unik absorption och spridning egenskaper. Till exempel om den interna strukturen från detta protokoll är konstruerad som en digital ben i stället för en luftväg, kunde benstrukturen vara 3D tryckt, gjutna med PDMS med optiska egenskaper av fingret, och sedan upplöst ur Fantomen. Void kan sedan fyllas med en PDMS blandning med olika optiska egenskaper. Dessutom är varje mögel inte begränsad till en enda dissolvable del. En fantom av fingret kunde skapas för att inkludera ben, vener, artärer och en allmän mjuk vävnad skikt, alla med sin egen unika optiska egenskaper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. urval och verifiering av Matrix materialegenskaper
- Innan du börjar hitta phantom tillverkningsprocessen (figur 1), absorption och minskad spridning koefficienter för den biologiska vävnaden av intresse på den imaging wavelength(s). Preliminära uppskattningar kan hittas i de referenser35,36. Validering av optiska koefficienter kan dock vara nödvändigt.
- Med tabellerna look-up för absorptionskoefficienten µenoch minskad spridning koefficienten µs', på 488, 535, 632 och 775 nm våglängder (tabellerna 1 – 4 och figurerna 2– 3), Välj koncentrationerna av tusch och titandioxid (TiO2) som ungefärlig önskade optiska egenskaper. Dessa recept är specifika för fantomer fabricerade med PDMS. Eftersom dessa tabeller ger experimentella data på diskreta våglängder, kanske optimering av receptet krävs för ansökan.
-
Tillverka en Polydimetylsiloxan (PDMS) platta av valda receptet för bekräftelse av optiska egenskaper.
- Med förhållandet 10:1 i vikt av PDMS harts till härdare, häll ingredienser i blandande koppen i följande ordning: PDMS harts, TiO2, tusch, PDMS härdare.
Obs: Här testar vi två recept: 1) 2 mg TiO2 + 3,5 µL India färgpulver per g PDMS och 2) 1 mg TiO2 + 10 µL India färgpulver per g PDMS. För varje recept används 4,5 g PDMS harts och härdare 0,45 g PDMS med motsvarande belopp av optiska partiklar. - Blanda i en hastighet mixer (se Tabell för material) för 60 s. Om TiO2 partiklar fastnar blandning cup (sannolikt med höga koncentrationer av TiO2), blanda för hand för att ta bort partiklar från basen av koppen och blanda i mixer för ytterligare 30 s.
- Häll blandningen i brunnar eller petriskålar att göra tunna (0,1-1 mm) plattor av blandningen.
- Degas plattor för 10 min genom att placera dem i en lufttät undertryck kammare, sedan plats i en förvärmd ugn på 80 ° C i 30-60 min. ta bort från ugnen och låt svalna.
- Ta bort kyls polymer plattan från dess behållare. Trimma bort kanterna för att lämna en platt, enhetlig platta. Mät tjockleken på plattan med hjälp av bromsok.
- Med förhållandet 10:1 i vikt av PDMS harts till härdare, häll ingredienser i blandande koppen i följande ordning: PDMS harts, TiO2, tusch, PDMS härdare.
-
Mäta transmittans (T) och reflektans (R) av slab(s) med hjälp av en integrerande sfär. Ytterligare detaljer och instruktioner kan hittas i de inverterade-lägga fördubbling (IAD) manuell37.
- Slå på ljuskälla och spektrometern av integrerande sfär installationen. Kontrollera anpassningen av systemet för att säkerställa en liten, kollimerad stråle är centrerad på in- och utresa portar av den integrerande sfären.
- Kalibrera integrerande sfär systemet.
- Stänga av källan, cap klotets integrerande klotet och registrera tre mörka spektra.
- Aktivera källan tillbaka för att få överföringsreferens med den Utförselplats utjämnade och ingångsöppningen tom. Spela in tre spektra.
- Erhålla reflektans referensmätningar med reflektans standard(er). Placera varje standard på klotets sfären. Spela in tre spektra för varje standard reflektans.
- Mäta överföringen av stålämnen. Med locket på Utförselplats, placera plattan på posten porten av den integrerande sfären för överföring mätning. Spela in tre spektra.
- Mäta reflektansen av stålämnen. Ta av avfart port locket och placera plattan på Utförselplats för reflektans mätning. Spela in tre spektra.
-
Bestämma optiska egenskaper använder IAD programvara. En fullständig handledning på programvara kan hittas i IAD manualen med programvara nedladdning37,38.
- Genomsnitt tre spektra förvärvades för varje mätning.
- Med hjälp av ekvationer i IAD manuell37, konvertera dessa mätningar till R och T-värden. Om nödvändigt, kondensera filerna genom att minska samplingsfrekvensen längs spektrumet.
- Förbereda filen ingående .rxt (kompletterande Material 1) för IAD med våglängder, reflektans, transmittans och provets tjocklek som beskrivs i de IAD manuella37. Med hjälp av Kommandotolken (Windows OS) eller terminal (Mac OS), navigera till rätt sökväg. Skriv ”iad ' indatafilnamn'” att köra IAD. Programvaran kommer att producera en text utdatafilen med de uppskattade optiska egenskaperna.
- Om de optiska egenskaperna inte är inom ett godtagbart intervall (~ 15%) av önskade värden, ändra receptet därefter och upprepa steg 1,3-1,5.
2. beredning av Dissolvable 3D tryckta inre struktur
- Design inre struktur med hjälp av dator datorstödd konstruktion (CAD) programvara. Konvertera struktur fast modell till en Stereolitografi fil för tillverkning på en 3D-skrivare. Om tillgängligt, en segmenterad datortomografi kan också omvandlas till en Stereolitografi fil i stället för att rita en solid modell av den interna strukturen.
Observera: CAD-filen för fractal trädstrukturen används här finns kompletterande Material2. Att skrivaren som används i denna uppsats är en extruding, så delen var avsedd att ha bryta-bort stödmaterial. - Välj en dissolvable material för utskrift, såsom poly-vinyl alkohol (PVA) eller slagtålig polystyren (HIPS) (se Tabell för material). Skriva ut fast modellen i detta dissolvable material.
- När tryckta delar kyls tillräckligt, bryta, lös eller maskin stöd materialet bort av den tryckta delen. Fil eller sand bort eventuella stora brister.
-
Vapor polska den tryckta delen att minska glidytans ojämnheter.
- Med den tryckta delen säkrade i ett skruvstäd, borra ett genomgående hål med clearance för en tunn stål eller nitinol tråd i botten av den tryckta delen.
- Trä en rostfritt stål eller nitinol tråd genom hålet. Böja ändarna av wire och krok tillsammans. Detta gör att för delen att vara helt nedsänkta i aceton vapor inom bägaren. Ställ undan tråd och en del.
- Fyll en stor bägare ungefär 10% full av aceton. Placera bägaren på en värmeplatta medan uppvärmning till 100 ° C. FÖRSIKTIGHET: Utföra det här steget i dragskåp att förhindra inandning av aceton ånga.
- När aceton vapor kondens når om halvvägs upp väggen i bägaren, hänga loopas tråd med mock luftvägarna på en andra tråd och avbryta i aceton vapor för 15 – 30 s. säkerställa tryckt delar rör inte bägaren väggar eller varje annan (om ånga polering flera delar på en gång).
- Ta bort tryckt del och stänga över tomma bägare eller behållare. Låt en del torka i minst 4 tim.
- Kontrollera måtten på den interna strukturen är inom toleransen till CAD design, som behövs. Beroende på noggrannhetskrav på, kan bromsok eller en 3D laserscanner användas att mäta strukturen.
3. konstruktion av värmetålig mögel
Obs: Förbereda en läckagesäker, värmebeständigt mögel att bilda PDMS Fantomen. Välj en geometri för mögel att bäst passa slutliga phantom designen. Här beskrivs en återanvändbar rektangulära mögel.
- Designa en solid modell bas av mögel till 3D utskrift. Detta mögel är utformad för en fantom med en bas av 1,17 x 1,79 cm. Basen av mögel har en 1 mm tjock och 5 mm djup försänkning med inre mått på basen av Fantomen. Detta gör att mögel till sidospår avlägsnas och mögel att demonteras och återanvändas.
- Skriva ut en bas för mögel med en infälld med tillräcklig bredd att säkra sidospår av mögel.
- Placera sidospår i fördjupningarna av mögel bas. Här, används 1 mm tjock polykarbonatskivor som mögel sidospår.
- Med värmetålig tejp, försegla kanterna av mögel. Det är absolut nödvändigt att alla hörn och kanter är tillräckligt förseglade med inga bubblor i bandet för att förhindra läckage under gjutprocessen.
- Placera en polykarbonat bottenplatta inuti den mögel som bereddes i steg 3,4. Denna bottenplatta är samma 1 mm tjock polykarbonat ark som mögel rangerbangård och ger phantom basen en slät yta utan ojämnheter på 3D tryckta ytan av mögel bas. Limma den fullt ut-torkad vapor polerat en del på bottenplattan. Tillåt tillräckligt med tid för limmet torka.
4. tillverkning av Polymer Phantom
Obs: Använd verifierade receptet för bulk matrismaterial bestäms i steg 1 för ansökan. Protokollet här innehåller instruktioner för en hälsosam murina lungvävnad phantom på 535 nm med µs' av 40 cm-1 och µen 2 cm-1. Det kan vara användbart att fabricera en andra fantom med ingen optisk partiklar för att använda som referens i tillverkningsprocessen.
- Häll en blandning plastmugg 9,1 g av PDMS harts. Lägg till 20 mg rutil TiO2, följt av 35 µl av India färgpulver. Slutligen tillsätt 0,91 g härdare till toppen av blandningen. Följ steg 1.3.2 blandande protokoll.
- Häll blandningen slutliga polymeren i värmetålig mögel.
- Häll en liten mängd av blandningen i en separat behållare att skapa en polymer platta för bekräftelse av optiska materialegenskaper. Säkerställa tillräckligt polymer hälls för att ha en platta av minst 100 µm tjocklek.
- Placera både håna luftvägarna mögel och separat plattan i en glaskupa för avgasning. Påbörja vakuum. Om polymeren i håna luftvägarna mögel börjar stiga, Låt luften tillbaka in i det sätta en klocka påkruset spricker ytan bubblor, börja sedan att dra luft igen. Upprepa denna process tills polymeren inte stiga betydligt. Detta tar mellan 5-10 min beroende på hur mycket luft var instängd under steg 4,2. När PDMS inte längre stiger, fortsätta att degas för en annan 15 min.
- Efter avgasning, sakta låt luften tillbaka in i kammaren. Ta bort både håna luftvägarna phantom och polymer plattan och placera i nivå ugn på 80 ° C för 2 h.
- Bort phantom och platta från ugnen och låt svalna i 20 min. Demontera polymer mögel med en skalpell utan att klippa den härdade polymeren. Fäst bottenplattan bort av mock-luftvägarna basen.
- Placera phantom i en uppvärmd (60 ° C) ~0.5 M natriumhydroxid (NaOH) bas bad tills den inre delen är helt upplöst. Ett optiskt tydlig hänvisning phantom kan hjälpa till att bestämma upplösning tid för komponenten inre. När inre struktur är upplöst, tar fiktiv ur badkaret och låt helt torr (~ 24 h) innan du tar några optiska mätningar.
5. kontroll av Phantom Fabrication
- Verifiera phantom geometri med hög upplösning magnetisk resonanstomografi (MRT) eller mikro-datortomografi (CT) imaging, om så önskas. Dessa metoder ger en 3D kontroll av interna strukturer inom grumligt material med axiella resolutioner av < 400 µm39,40. Alternativt kan en optiskt tydlig hänvisning phantom avbildas optiskt för kontroll av att den tryckta delen är helt upplöst och återstående tomrummet är rätt geometri.
Obs: Vi har verifierat en optiskt ogenomskinlig phantom (2 mg TiO2 + 3,5 µl tusch) med micro-CT på en North Star Imaging (NSI) X50 inre geometri. Phantom fotograferades med 20 µm upplösning i alla dimensioner (kompletterande material 3, 4). - Verifiera optiska egenskaper av phantom använder polymer plattan och den integrerande sfären (som beskrivs i steg 1,5 – 1,6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att demonstrera den phantom tillverkningstekniken, mus lunga vävnad vålnader var fabricerade för att simulera uppmätta optiska egenskaper av exciderad friska och inflammerade murina lungvävnad på 535 nm (tabell 5). Denna våglängd av intresse är excitation våglängden för tdTomato fluorescerande protein används i rekombinant reporter stammar av mykobakterier i tidigare studier33. Optiska mätningar av mus lungvävnad erhölls med de samma metoderna som beskrivs i steg 1.4-1,5. Användning av djur godkändes av den institutionella djur vård och användning kommittén (IACUC) vid Texas A & M University. En lämplig förhållandet TiO2 till India färgpulver hittades för både friska och inflammerade murina lungvävnad för 535 nm våglängd ljuset (tabell 5).
Recept för material med olika optiska egenskaper visas i tabellerna 1-4 och grafiskt i figur 2–3. Beroendet av absorption och spridning på partikel koncentration sammanfattas i figur 4. Trender i absorptionskoefficient och minskad spridning koefficienten för fantomer med en konstant koncentration av TiO2 (spridning partikel) (figur 4A, 4B) och en konstant koncentration av India färgpulver (absorberande partikel ) (Figur 4C, 4 D) visar förhållandet mellan optiska egenskaper till båda partiklar. För att säkerställa reproducerbarhet av dessa optiska egenskaper, måste rätt blandning teknik användas. Lösa och ribboning av TiO2 partiklar kommer att orsaka en förskjutning i scattering koefficienten för härdade Fantomen (figur 5). India färgpulver färgning Skakningsbehållare kommer också att minska absorptionskoefficienten.
Lungan phantoms utformades med en fraktal trädstruktur för inre tomrummet (figur 1C). 3D-utskrivna strukturen måste vara vapor polerade för att skapa en inre yta inuti Fantomen (figur 1E). Figur 6 visar en jämförelse av ljus spridning från en fantom som inte var avgasade eller ånga polerad (figur 6A, C) och en fantom som hade en ånga polerad inre del och var avgasas (figur 6B, 6 D). Phantoms var avbildas med belysning från en extern vit ljuskälla (figur 6A, 6B) och med en inre microendoscope källa på 535 nm (figur 6C, 6 D). Vapor polering och avgasning minimera förekomsten av oreproducerbara scatterers, inklusive ytjämnhet (figur 6C, infälld 2) och bubblor (figur 6C, infälld 1). Avgasning är särskilt viktigt, eftersom luft bubbla läge är slumpmässiga och oförutsägbara. Dessutom gör luft bubblorna döljs när TiO2 partiklar ingår (visas inte i figur 6), phantom optiskt ogenomskinlig. Därför kan osynliga bubblor undergräva phantom materialets representation av vävnad optiska egenskaper.
Den vapor-polerad 3D tryckta delen mättes med oken vid basen och de distala grenarna och dimensioner är jämfört med 3D solid modell i tabell 6. Efter tillverkning av polymeren phantom, Fantomen fotograferades med en mikro-CT imaging system (kompletterande Material 3). Använda 3D datamängden, mättes dimensioner av det inre tomrummet på bas och distala grenarna för jämförelse (tabell 6). Vapor polerad trädet är något mindre vid basen eftersom utjämning av ytan av aceton dunsten orsakar ytan av plast för att flöda. Med 3D tryckta delen upphängd i basen, ytan flyter mot den distala grenar, orsakar en liten förändring i dimension av delen. Det finns en avvägning mellan ytjämnhet och underhålla del storlek. En längre vapor polska kommer att resultera i en jämnare yta, men kommer att orsaka mer material att flöda, vilket resulterar i förändrade dimensioner.
Phantoms var avbildade i en in-vivo imaging system med en tillgång port för införande av ett microendoscope fiber paket (figur 7). Microendoscope placerades i ett tomrum inom phantoms som den tryckta delen hade upplösts. Microendoscope användes för inre belysning på 535 nm och IVIS belysning vägen var blockerad. Placeringen av microendoscope indikeras i figur 7A. IVIS användes för externa samling av signal. Phantoms avbildas hade samma inre struktur som avbildas i figur 3. Med identiska interna strukturer och yttermått, skillnaden i optiska egenskaper mellan frisk lungvävnad(figur 7)och infekterad lungvävnad (figur 7B) framgår i den ytan irradiansen av den fantomer. Dessa fantomer upprätthålla ett lämpligt svar på en förändring i optiska egenskaper, kan denna metod för phantom fabrication tillämpas för fantomer används i inre belysning studier.
Figur 1: Flödesdiagram för tillverkning av optiska vävnad phantom. (A) bestämma optimala recept för målet optiska egenskaper av vävnad av intresse. (B) verifiera recept. (C) Design inre struktur. (D) skriva ut inre struktur med dissolvable material. (E) Vapor polska tryckt del till slät yta. (F) blanda polymeren och optiska partiklar, och häll i värmetålig form. (G) Degas och bota Polydimetylsiloxan (PDMS). (H) lös tryckt del för att skapa inre tomrum. (I) kontrollera phantom geometri och optiska egenskaper. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Trender i absorptionskoefficient för India färgpulver och TiO2 koncentration. Absorptionskoefficient visas för ett utbud av tusch och titandioxid koncentrationer vid 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)och 775 nm (D). Absorption är låg för låga koncentrationer för båda partiklar, och generellt ökar med koncentrationer av varje partiklar. En platå nås mellan 5 – 7,5 µL India färgpulver per mL PDMS. Ökningen beror på koncentrationen av andra partikeln och våglängden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Trender i minskad spridning koefficienten för India färgpulver och TiO2 koncentration. Minskad spridning koefficienter visas för ett utbud av tusch och titandioxid koncentrationer vid 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)och 775 nm (D). Minskad spridning koefficienten är låg för låga koncentrationer för båda partiklar, och generellt ökar med koncentrationer av varje. Som absorption beror ökningstakten på koncentrationen av andra partikeln och våglängden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Beroendet av optiska egenskaper på India färgpulver och TiO2 koncentration. Absorptionskoefficient och minskad spridning koefficienter visas för recept med en konstant TiO2 koncentration av 1 mg/mL PDMS (A, B) och konstant Indien bläck koncentrationen 5 µL/mL PDMS (C, D). Panelen (B) visar att spridningen koefficient ändras med en konstant TiO2 koncentration när India färgpulver koncentration är varierad, och panelen (C) visar att absorptionskoefficient ändras för en konstant India färgpulver koncentration När TiO2 är varierad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: mixning effekter på optiska scattering. Felaktig blandning av ohärdat polymer och optiska partiklar kan resultera i ett skift i optiska egenskaper. Dåligt blandad Fantomen representerade i denna figur visade reglerandet av TiO2 partiklar före härdning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Representativa luftvägarna fantomer med låg spridning koefficient material att illustrera framgångsrika och suboptimala fabrication. Vapor polering och avgasning är integrerad stegen i producerar en fantom som har minimal uncharacterized scattering element. (A-B) Vita ljus bilder av fantomer utan ånga polering och avgasning (A) och med ånga polering och avgasning (B). (C-D) Fantomer från A-B belyses med 535 nm ljus. Inläggningar från (C) visas att skildra scattering effekterna av (1) luftbubblor och 2) en grov 3D tryckt yta. (E) Rendering av en optisk simulering baserad på datorn aided design (CAD) modellen används för phantom tillverkning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 : Imaging av fantomer med inre belysning. En datorsimulering av fantom (A) visar Orienteringen av inre geometri och källa placering (gul stjärna) för phantom bilder i paneler (C) och (D). A segmenterad mikro-datortomografi av friska lungvävnaden phantom (B) bekräftar den interna strukturen är närvarande i optiskt ogenomskinlig Fantomen. Håna luftvägarna används som en väg för endoskop för inre belysning av optiska phantoms vid en våglängd på 535 nm. Två phantoms avbildas med inre belysning är identiska i yttre form och inre struktur, med material optiska egenskaper optimerad för friska (C) och inflammerad lungvävnad (D) . Alla bilder och renderingar är på samma skala. Skalstapeln = 1 cm (panel C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tabell 1: Look-up table för 488 nm.
Tabell 2: Look-up table för 535 nm.
Tabell 3: Look-up table för 632 nm.
Tabell 4: Look-up table för 775 nm.
| Absorptionskoefficient (cm-1) | Minskad spridning koefficient (cm-1) | |
| Friska mus lungvävnad | 2,05 ± 0,58 | 52.69 ± 7,83 |
|
Friska phantom (2 mg TiO2 + 3,5 µL India färgpulver) |
1,96 ± 0.699 | 49.66 ±.12 |
| Inflammerade mus lungvävnad | 5.49 ± 1,32 | 38.94 ± 9,68 |
|
Inflammerade phantom (1 mg TiO2 + 10 µL India färgpulver) |
4,34 ± 0.873 | 39.56 ± 5,02 |
Tabell 5: Uppmätta optiska egenskaper av phantom recept motsvarar de uppmätta optiska egenskaperna av friska och inflammerade mus lungvävnad på 535 nm.
| Bas diameter (mm) | Distala gren diameter (mm) | |
| Gedigen modell | 2.7 | 1,38 |
| Vapor polerad print | 2.56 ± 0,026 | 1,38 ± 0.141 |
| PDMS mögel (mätt från CT) | 2,55 ± 0,021 | 1.39± 0,055 |
Tabell 6: Verifiering av den interna strukturen av phantom.
Kompletterande Material 1: exempel IAD indatafilen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande Material 2: Fractal träd luftvägarna solid modell. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande Material 3: Micro-CT fluga-thru phantom modellering friska mus lungvävnad. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande Material 4: Video av roterande segmenterad mikro-datortomografi. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har visat en metod för att skapa optiska fantomer för att representera en murin lunga med en intern förgrenade struktur att simulera gränssnittet inre luft-vävnad. De optiska egenskaperna av murina lungvävnad uppnås genom att införliva unik koncentrationer av optiskt spridning och absorberande partiklar som distribueras likartad inom bulk matrix polymeren. Dessa optiska egenskaper kan stämmas för att efterlikna de fysiologiska värdena inom olika spektrala spänner av vävnader i olika stater (dvs friska kontra sjuk vävnad). De optiska egenskaperna är beroende av våglängden av intresse, grundmaterialet och koncentrationerna av partiklarna inom Fantomen. Med flera partiklar är förhållandet mellan spridning och absorption dock inte alltid intuitivt41. Ökningstakten av absorption beror på koncentrationen av scattering partikeln samt absorberande partikeln, och likaså för ökningen av koefficienten som minskad spridning. (Figurerna 2-4). PDMS fantomer har också visat att upprätthålla de optiska egenskaperna för upp till 1 år27,28. Vi har mätt en 3-veckors stabilitet av optiska egenskaper inom felet av våra integrerande sfär-mätningar (< 15%). Lagring av dessa fantomer och normer i en ljus-tight behållare kan hjälpa till att bevara de optiska egenskaperna för längre tidsperioder.
Vapor polering de dissolvable tryckt del möjliggör en reproducerbar slät yta inre luft-gränssnitt för phantom (figur 6). För den fraktala geometrin visas här, gav polering den interna strukturen en minskning av genomsnittlig ytjämnhet av formpressad PDMS från 37,4 µm till 7,2 µm. Detta är extremt viktigt om Fantomen används för validering av en optisk simulering eftersom en grov yta är mycket svårare att noggrant simulera än en slät, enhetlig yta (figur 6E). Avgasning är också mycket viktigt på grund av att bubblor i PDMS Fantomen fungera som optisk scatterers (figur 6C, infälld 1). Bubbla läge är inte förutsägbara att replikera i en simulering och kunde skeva resultat om Fantomen används som en kalibrering som standard.
Efter kontroll med mikro-CT hittades en liten mängd av restmaterial inom luftvägarna void (kompletterande Material 3). Dessutom avslöjar en segmentering av denna samma datortomografi en liten luftbubbla bredvid förgrenade struktur (kompletterande Material 4). Under tillverkning gav optiskt klart fantomer en fullständig upplösning av materialet i den interna strukturen och inga luftbubblor inom polymermatrisen. Kontrollen med mikro-CT visade att optiskt ogenomskinlig phantoms kan innehålla små skavanker, annars syns inte.
Blanda ordentligt optiska partiklarna med ohärdat polymeren är absolut nödvändigt att uppnå reproducerbara och förutsägbar optisk absorption och spridning. En förskjutning i minskad spridning koefficienten orsakas av dålig blandning visas i figur 5. Innan du häller polymeren i mögel, se till att det finns inga bevis för TiO2 partiklar bosätta sig eller ”ribboning” i blandningen och inga bevis för India färgpulver färgning Skakningsbehållare. Lägga till partiklarna i den rekommenderade ordningen bör minimera dessa problem.
Utformningen av dessa fantomer begränsas av den 3D tryckta delen. Håna luftvägarna är utformad så att stöd materialet kan pried av, eftersom det inte är självupplösande. Detta kan lösas genom att flytta till en mer avancerade skrivare som kan antingen skriva ut material med varierande löslighet eller laser sintring skrivare, som inte behöver stöder material. Det är också viktigt att notera att lungan är till sin natur ett mycket porös organ på grund av de distala luftvägarna och alveolerna. Medan som inte är representerad i denna phantom, har de optiska effekterna av liknande strukturer observerats med en Bragg-Nye bubbla flotte för optisk koherens tomografi21, luftbubblor i olivolja42, och rakkräm eller diskmedel för kärnmagnetisk resonans imaging43. Skapa polymera skum med reproducerbara särdrag kan kunna förena denna skillnad mellan solid phantoms presenteras här och de lung mikrostruktur44.
Formen av den slutliga phantom kan också anpassas beroende på applikation. Rektangulära phantom visas här var avbildas med inre belysning och används för validering av en beräkningsmodell för friska och infekterad lungorna (figur 7). Denna design kan uppdateras ytterligare för att representera cylindriska torsoen av musen genom att helt enkelt ändra utformningen av externa polymer mögel.
Medan vi har detaljerade här utformningen av en murin lungorna och luftvägarna phantom, kan dessa metoder ändras för att passa andra organ eller djur av intresse. Den inre strukturen kan omvandlas till en flöde väg för vaskulär fantomer, eller kan användas som en gjuten för en komplex inre struktur med unika optiska egenskaper. Den övergripande formen av Fantomen kan också ställas in på programmet, djur eller orgel av intresse. 3D-utskrift av både interna strukturer och polymer formar ger frihet till designprocessen av strukturerade polymer optiska fantomer. Dessa är integrerad verktyg i simulering validering och kalibrering av i vivo optisk imaging tekniker, eftersom de kan mer exakt representera i vivo miljön än homogen enstaka eller flera lager fantomer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av National Science Foundation karriären award nr. CBET-1254767 och nationella institutet för allergi och infektionssjukdomar bevilja nr. R01 AI104960. Vi erkänner tacksamt Patrick Griffin och Dan Tran för deras hjälp med karakterisering mätningar och Texas A & M kardiovaskulär patologi laboratorium för mikro-CT bilddiagnostik.
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).
