تصنيع وتوصيف أشباح الأنسجة البصرية التي تتضمن حداتها

Summary

أشباح الأنسجة البصرية أدوات أساسية للمعايرة وتوصيف نظم التصوير الضوئي والتحقق من النماذج النظرية. تفاصيل هذه المقالة طريقة لتصنيع الوهمية تتضمن النسخ المتماثل الأنسجة الخصائص البصرية وبنية أنسجة ثلاثية الأبعاد.

Abstract

التطور السريع في تقنيات التصوير الضوئي الجديد مرهون بتوافر معايير منخفضة التكلفة وقابلة للتخصيص واستنساخه بسهولة. بتكرار تصوير البيئة، يجوز التحايل على التجارب على الحيوانات مكلفة التحقق من صحة أسلوب. التنبؤ وتحسين الأداء في فيفو و السابقين فيفو تقنيات التصوير يتطلب اختبار عينات متشابهة بصريا للأنسجة للفائدة. محاكاة الأنسجة أشباح الضوئية تقدم معياراً للتقييم، والوصف، أو معايرة نظام بصري. بوليمر متجانس أشباح الأنسجة البصرية تستخدم على نطاق واسع لمحاكاة الخصائص البصرية لنوع الأنسجة محددة داخل نطاق طيفي ضيق. يمكن أن تحاكي الأنسجة الطبقات، مثل البشرة وباطن الجلد، قبل التراص ببساطة هذه أشباح لوح متجانسة. ومع ذلك، يتم تطبيق كثيرة في فيفو تقنيات التصوير الأنسجة مكانياً معقدة أكثر حيث هياكل الأبعاد الثلاثة، مثل الأوعية الدموية أو الخطوط الجوية أو عيوب الأنسجة، يمكن أن تؤثر على أداء نظام التصوير.

ويصف هذا البروتوكول تلفيق فانتوم محاكاة الأنسجة الذي يشتمل على التعقيد الهيكلي ثلاثي الأبعاد باستخدام المواد مع الخصائص البصرية للأنسجة. جداول البحث تقديم وصفات الحبر الهند وثاني أكسيد التيتانيوم للاستيعاب البصري وتشتت الأهداف. ويرد وصف أساليب تميز وضبط خصائص المواد البصرية. تصنيع الوهمية بالتفصيل في هذه المقالة قد فراغاً مجرى الهواء صورية تفريع داخلية؛ ومع ذلك، يمكن تطبيقها التقنية على نطاق واسع إلى هياكل الأنسجة أو هيئة أخرى.

Introduction

الأنسجة أشباح وتستخدم على نطاق واسع لوصف النظام ومعايرة أجهزة التصوير والتحليل الطيفي الضوئي، بما في ذلك نظم موقفية إدماج الموجات فوق الصوتية أو طرائق نووية^{1،2،3 ،4}. أشباح توفير بيئة بصرية الخاضعة لتوصيف النظام ومراقبة الجودة لتقنيات التصوير بيولوجية متعددة. محاكاة الأنسجة أشباح أدوات مفيدة في التنبؤ بأداء النظام وتحسين تصميم نظام للمهمة الفسيولوجية في متناول اليد؛ على سبيل المثال، التنبؤ بعمق السبر المسابير الطيفية لتقييم الورم الهوامش⁵. الخصائص البصرية والتصميم الهيكلي الأشباح يمكن ضبطها لمحاكاة البيئة الفسيولوجية المحددة التي ستستخدم في الصك، وبالتالي السماح لدراسات الجدوى والتحقق من نظام الأداء^{3، 6،7}. التحقق من أداء النظام مع أشباح البصري واقعية قبل دخول التجارب قبل الإكلينيكية أو السريرية التصوير يقلل من خطر حدوث الأعطال أو الحصول على بيانات غير صالحة للاستعمال خلال في فيفو الدراسات. إمكانية تكرار نتائج والاستقرار الأشباح الضوئية جعلها معايير المعايرة قابلة للتخصيص للتقنيات البصرية لرصد تقلب instrument داخلها، وبينها، لا سيما في تجارب سريرية متعددة المراكز بأدوات مختلفة، عوامل التشغيل، والظروف البيئية^8،9.

بمثابة محاكاة الأنسجة أشباح أيضا النماذج الفيزيائية الانضباطي واستنساخه للتحقق نماذج النظرية البصرية. المعونة المحاكاة في التصميم والتحسين في فيفو الأدوات البصرية، في حين أن الحد من الحاجة للحيوانات والتجارب^10،11. يمكن أن يشغلها بالتنمية والتحقق من صحة المحاكاة البصرية تمثيل دقيق للبيئة في فيفو تعقيد هيكل الأنسجة ومحتوى الكيمياء الحيوية، وموقع الهدف أو الأنسجة داخل الجسم. تقلب بين المواضيع يجعل التحقق نماذج النظرية التي تطعن باستخدام قياسات الحيوان أو الإنسان. بوليمر الأنسجة الضوئية أشباح تسمح بالتحقق نماذج النظرية بتوفير بيئة بصرية المعروفة واستنساخه لدراسة فوتون الهجرة^12،13،،من¹⁴¹⁵.

غرض نظام المعايرة، أشباح الضوئية الصلبة قد تتكون من لوح متجانسة واحدة من البوليمر شُفي مع التشتت البصري، والاستيعاب، أو الأسفار ضبطها للأطوال الموجية للفائدة. الطبقات البوليمر أشباح تستخدم بشكل متكرر لتقليد الفرق عمق الخصائص البصرية الأنسجة في نسيج طلائي نماذج^16،17. هذه الهياكل الوهمية تكفي للتصوير الظهارية والنمذجة، لأن بنية أنسجة متجانسة إلى حد ما من خلال كل طبقة. ومع ذلك، أوسع نطاقا وأكثر تعقيداً من هياكل تؤثر على النقل الإشعاعي في الأجهزة الأخرى. وقد وضعت أساليب لإنشاء أشباح أكثر تعقيداً لمحاكاة البيئة البصرية من الأوعية الدموية تحت الجلد^18،19 وحتى كل الأجهزة، مثل المثانة²⁰. نماذج النقل الخفيفة في الرئتين ويوفر مشكلة فريدة من نوعها بسبب هيكل المتفرعة من واجهة الهواء-النسيج؛ الوهمية صلبة سوف لا يحتمل النسخ المتماثل النقل الإشعاعي في الجهاز بدقة²¹. لوصف طريقة لإدماج بنية معقدة شبح ضوئية، يصف لنا طريقة لإنشاء شجرة كسورية الداخلية، واستنساخه بالفراغ الذي يمثل الهيكل العيانية ثلاثي الأبعاد (3D) لمجرى الهواء (الشكل 1).

في العقود القليلة الماضية، 3D الطباعة أصبح أسلوب الغالبة للنماذج الأولية السريعة للأجهزة الطبية والنماذج²²، وأشباح الأنسجة البصرية ليست استثناء. 3D الطباعة قد استخدمت كأداة تصنيع المواد مضافة لاختلاق أشباح بصري مع²³من قنوات و شبكات الأوعية الدموية²⁴نماذج حيوانية صغيرة الجسم كله²⁵. هذه الأساليب تستخدم مواد الطباعة واحد أو اثنين مع خصائص بصرية فريدة من نوعها. كما وضعت أساليب لضبط الخصائص البصرية لمواد الطباعة لتقليد الأنسجة البيولوجية العامة، عكر^25،26. ومع ذلك، محدودة مجموعة الخصائص البصرية يمكن تحقيقه بمواد الطباعة، عادة ما تكون بوليمر مثل أكريلونيتريل بيوتادايين ستايرين (ABS)²⁶، حتى هذه الطريقة ليست مناسبة لجميع الأنسجة البيولوجية. بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) هو بوليمر بصريا واضحة التي يمكن أن تكون مختلطة سهولة التشتت وامتصاص الجزيئات مع مستوى أعلى من ألواح^27،28. وقد استخدمت أيضا PDMS العفن وأشباح مع نماذج تمدد الأوعية الدموية لنشر أجهزة embolic^29،30. هذه الأشباح أيضا الاستفادة من جزء مطبوعة 3D ديسولفابل ولكن تبقى بصريا واضحة لتصور نشر الجهاز. هنا، نجمع بين هذا الأسلوب مع ألواح الخصائص البصرية ل PDMS مع تناثر وامتصاص الجزيئات اختﻻق نموذجا أولياً للأنسجة والخطوط الجوية في الرئة مورين.

بينما الوهمية المقدمة هنا محددة إلى الرئتين، العملية يمكن تطبيقها على مجموعة متنوعة من الأجهزة الأخرى. الطباعة ثلاثية الأبعاد للهيكل الداخلي للوهمية يسمح التصميم لتكون قابلة للتخصيص لأي غرض ونطاق الطباعة، سواء كان ذلك دم أو الليمفاوية شبكة السفينة أو نخاع العظام حتى هيكل أربع غرف القلب³¹. لأننا مهتمون بالتصوير الضوئي والنمذجة من الرئة^32،،من³³³⁴، اخترنا لاستخدام شجرة الجيل أربعة النمطي هندسي متكرر كالهيكل الداخلي للنسخ المتماثل داخل البوليمر الوهمية. صمم هذا الهيكل التقريبي هيكل المتفرعة من مجرى الهواء ومواد الدعم كسر بعيداً عن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن طباعة مجرى الهواء أكثر تشريحيا صحيح إذا لم يكن دعم كسر بعيداً المواد اللازمة. على الرغم من أن هذا نموذج معين يمثل مجرى الهواء، ليس لديه البنية الداخلية للوهمية يظل فراغ مادي. متى يشفي البوليمر المحيطة به وهو حل الجزء المطبوع 3D، يمكن استخدام الهيكل الداخلي كمسار تدفق أو العفن ثانوية لمادة مع الاستيعاب فريدة من نوعها ونثر الخصائص الخاصة به. على سبيل المثال، إذا تم تصميم الهيكل الداخلي من هذا البروتوكول كالعظام رقمية بدلاً من مجرى الهواء، يمكن أن تكون بنية العظام 3D مطبوعة ومصبوب مع PDMS مع الخصائص البصرية للاصبع وحلت ثم الخروج من شبح. ثم تكون مليئة الفراغ خليط PDMS مع خصائص بصرية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، كل العفن لا يقتصر على جزء واحد في ديسولفابل. يمكن إنشاء فانتوم الإصبع لتشمل العظام والاوردة والشرايين وطبقة أنسجة لينة عامة، كل منها مع الخصائص البصرية الفريدة الخاصة به.

Protocol

1-التحديد والتحقق من خصائص المواد المصفوفة

1. قبل البدء في عملية تصنيع الوهمية (الشكل 1)، العثور على الاستيعاب وانخفاض نثر معاملات للأنسجة البيولوجية للفائدة في wavelength(s) التصوير. يمكن الاطلاع على تقديرات أولية في ال^35،مراجع³⁶. ومع ذلك، قد يكون من الضروري التحقق المعاملات الضوئية.
2. باستخدام جداول البحث لمعامل الاستيعاب، μ، ومعامل انخفاض نثر، μ_s'، 488، 535، 632 وأطوال موجية nm 775 (الجداول 1-4 و 2 أرقام–3)، قم بتحديد تركيزات الحبر الهند و ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) التي تقارب الخصائص البصرية المطلوبة. هذه الوصفات محددة لأشباح ملفقة مع PDMS. كما توفر هذه الجداول البيانات التجريبية عند أطوال موجية منفصلة، قد يكون الأمثل للوصفة المطلوبة لتطبيق معين.
3. اختﻻق لوح بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) الوصفة المحددة لتأكيد الخصائص البصرية.
   1. استخدام نسبة 10:1 في وزن راتنج PDMS عامل التجفيف، صب المكونات في كأس خلط بالترتيب التالي: PDMS الراتنج، TiO₂، الحبر الهند، PDMS علاج عامل.
      ملاحظة: هنا، نقوم باختبار وصفات هما: 1) 2 مغ TiO₂ + 3.5 ميليلتر الهند الحبر الواحدة ز PDMS و 2) 1 ملغ TiO₂ + 10 ميليلتر الهند الحبر الواحدة ز PDMS. لكل وصفه، يستخدم الراتنج PDMS ز 4.5 و PDMS ز 0.45 عامل علاج مع المبالغ المقابلة للجسيمات الضوئية.
   2. المزيج في خلاط سرعة (انظر الجدول للمواد) 60 ثانية. إذا TiO₂ جزيئات التمسك خلط كوب (المحتمل مع تركيزات عالية من TiO₂) وتخلط باليد لإزالة الجسيمات من قاعدة كأس وتخلط في الخلاط لآخر 30 ثانية.
   3. صب الخليط في الآبار أو أطباق بيتري جعل رقيقة (0.1-1 مم) ألواح الخليط.
   4. ديغا ألواح لمدة 10 دقيقة عن طريق وضعها في غرفة الضغط السلبي الغلق، ثم مكان في فرن ساخن مسبقاً عند 80 درجة مئوية للحد الأدنى 30-60 إزالة من الفرن والسماح لتبرد.
   5. إزالة لوح تبريد البوليمر من الحاوية الخاصة به. تقليم قبالة الحواف لمغادرة لوح مسطح، موحدة. قياس سمك البلاطة استخدام الفرجار.
4. قياس نفاذية (T) والانعكاس (R) من slab(s) استخدام مجال إدماج. ويمكن الاطلاع على تفاصيل إضافية والتعليمات في دليل مضاعفة إضافة معكوس (الشعبة)³⁷.
   1. قم بتشغيل مصدر الضوء ومطياف إدماج مجال الإعداد. تحقق من يتم توسيط المحاذاة للنظام لضمان شعاع صغير، وتحديدالمنطقه على منافذ الدخول والخروج من مجال التكامل.
   2. معايرة نظام مجال التكامل.
      1. إيقاف المصدر وكاب ميناء الخروج من مجال التكامل، وتسجيل ثلاثة أطياف الظلام.
      2. تشغيل المصدر مرة أخرى على الحصول على إشارة الإرسال مع ميناء الخروج توج ومنفذ المدخل فارغ. تسجيل الأطياف الثلاثة.
      3. الحصول على قياسات مرجعية الانعكاس باستخدام الانعكاس standard(s). ضع كل معيار في ميناء الخروج على المجال. تسجيل الأطياف الثلاثة لكل الانعكاس القياسية.
   3. قياس نفاذية البلاطة. مع الغطاء على ميناء الخروج، وضع لوح على ميناء دخول مجال التكامل لقياس انتقال. تسجيل الأطياف الثلاثة.
   4. قياس انعكاس البلاطة. إزالة غطاء منفذ الخروج ووضع لوح على منفذ خروج لقياس الانعكاس. تسجيل الأطياف الثلاثة.
5. تحديد الخصائص البصرية باستخدام برامج الشعبة. يمكن الاطلاع على البرنامج تعليمي كامل على البرامج في دليل الشعبة مع^37،تحميل البرنامج³⁸.
   1. متوسط الأطياف الثلاثة المكتسبة لكل قياس.
   2. استخدام المعادلات في دليل الشعبة³⁷، تحويل هذه القياسات إلى قيم R و T. إذا لزم الأمر، تتكثف الملفات بتقليل معدل أخذ العينات على امتداد الطيف.
   3. إعداد ملف الإدخال.rxt (1 مواد تكميلية) للشعبة مع الأطوال الموجية والانعكاس، ومنافذه، وسمك العينة كما هو موضح في دليل الشعبة³⁷. استخدام موجه الأوامر (نظام التشغيل Windows) أو المحطة الطرفية (في Mac OS)، انتقل إلى المسار الصحيح. اكتب "الشعبة' إدخال اسم الملف '" لتشغيل معهد التنمية الإدارية. البرنامج سوف ينتج ملف إخراج نص مع الخصائص البصرية المقدرة.
6. إذا كانت الخصائص البصرية ليست ضمن نطاق مقبول (~ 15 ٪) من القيم المطلوبة، تعديل الوصفة تبعاً لذلك وكرر الخطوات 1.3 – 1.5.

2-إعداد Dissolvable 3D طبع البنية الداخلية

1. تصميم الهيكل الداخلي باستخدام الكمبيوتر بمساعدة برامج التصميم (CAD). تحويل نموذج صلب هيكل ملف المجسمة لتلفيق على طابعة 3D. إذا كانت متوفرة، مقطعية مجزأة يمكن أيضا تحويلها إلى ملف المجسمة بدلاً من الرسم نموذجا صلبا للهيكل الداخلي.
   ملاحظة: يتم توفير ملف CAD لهيكل الشجرة النمطي هندسي متكرر المستخدمة هنا في 2 مواد تكميلية. الطابعة المستخدمة في هذه الورقة طابعة اكسترودينج، ذلك الجزء قد صمم ليكون مواد الدعم كسر بعيداً.
2. حدد مادة ديسولفابل للطباعة، مثل، بولي فينيل الكحول (PVA) أو عالية التأثير البوليسترين (الوركين) (انظر الجدول للمواد). طباعة نموذج الصلبة في هذه المواد ديسولفابل.
3. عندما يتم تبريد الأجزاء المطبوعة بما فيه الكفاية، كسر أو حل أو آلة مواد الدعم الخروج من الجزء المطبوع. ملف أو الرمال قبالة أي عيوب كبيرة.
4. بخار البولندية الجزء المطبوع لتقليل خشونة السطح.
   1. مع الجزء المطبوع المضمونة في منصب نائب، حفر حفرة من خلال التخليص لسلك الفولاذ أو نيتينول رقيقة في قاعدة الجزء المطبوع.
   2. خيط من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الأسلاك نيتينول من خلال الثقب. ثني نهايات الأسلاك وربط معا. هذا سوف يسمح للجزء تكون مغمورة تماما في بخار الأسيتون داخل الكأس. وضع الأسلاك وجزء جانبا.
   3. ملء كوب كبير تقريبا 10% كاملة من الأسيتون. ضع الكأس على طبق ساخن أثناء التدفئة إلى 100 درجة مئوية. تنبيه: تنفيذ هذه الخطوة في غطاء دخان لمنع استنشاق بخار الأسيتون.
   4. عندما الأسيتون بخار الروافد التكثيف حول في منتصف الطريق حتى الجدار للكأس وشُنق السلك يحلق مع مجرى الهواء صورية في سلك ثانية وتعليق في بخار الأسيتون لضمان س. 15 – 30 مطبوعة أجزاء لا تلمس الكأس الجدران أو كل أخرى (إذا كان بخار التلميع أجزاء متعددة في وقت واحد).
   5. إزالة الجزء المطبوع وتعليق على الكأس الفارغ أو الحاوية. واسمحوا الجزء الجاف لمالا يقل عن 4 ح.
5. التحقق من أبعاد الهيكل الداخلي حدود التسامح في تصميم CAD، حسب الحاجة. تبعاً لمتطلبات الدقة، يمكن استخدام الفرجار أو ماسح ليزر ثلاثية الأبعاد لقياس الهيكل.

3-بناء مقاومة للحرارة العفن

ملاحظة: تعد العفن مانعة للتسرب، ومقاومة للحرارة لتشكيل فانتوم PDMS. حدد هندسة قالب ليناسب التصميم النهائي الوهمية. ويرد هنا، العفن مستطيلة قابلة لإعادة الاستخدام.

1. تصميم نموذج صلب قاعدة القالب إلى 3D الطباعة. هذا القالب صمم للوهمية مع قاعدة من 1.17 x 1.79 سم. قاعدة القالب يحتوي على 1 مم والعطلة البالغ 5 مم مع الأبعاد الداخلية مطابقة قاعدة الوهمية. يسمح هذا القالب الرصف يجب إزالتها والعفن وتفكيكها وإعادة استخدامها.
2. طباعة قاعدة للقالب مع اقحم عرض كاف لتأمين الرصف العفن.
3. ضع الرصف في تجاويف قاعدة العفن. هنا، يتم استخدام 1 مم البولي سميكة الأوراق الرصف العفن.
4. باستخدام الشريط المقاوم للحرارة، ختم حواف القالب. من المحتم أن جميع الزوايا والحواف هي مختومة بما فيه الكفاية مع لا فقاعات في الشريط لمنع أي تسرب أثناء عملية صب.
5. ضع لوحة البولي قاعدة داخل القالب إعدادها في الخطوة 3.4. هذه الصفيحة القاعدية هو نفس الورقة البولي سميكة 1 مم انحياز العفن ويعطي قاعدة الوهمية سطح أملس دون خشونة السطح المطبوع 3D من قاعدة العفن. بخار الغراء المجفف الكامل مصقول جزء للصفيحة القاعدية. السماح بوقت كاف للغراء لتجف.

4-تصنيع البوليمر الوهمية

ملاحظة: استخدم الوصفة المتحقق منها للمواد السائبة مصفوفة تحديد في الخطوة 1 لتطبيق معين. ويوفر البروتوكول هنا الخطوات لنسيج رئة مورين صحية وهمية في 535 نانومتر مع μ_s' 40 سم^-1 وμ لسم 2^-1. قد يكون من المفيد اختﻻق فانتوم ثانية مع لا جزيئات ضوئية استخدامها كمرجع في عملية التصنيع.

1. صب غ 9.1 راتنج PDMS في فنجان خلط بلاستيك. إضافة 20 ملغ روتيل TiO₂، تليها 35 ميليلتر من الحبر الهند. وأخيراً إضافة 0.91 ز علاج عامل إلى الجزء العلوي من الخليط. يتبع البروتوكول خلط في خطوة 1-3-2.
2. صب خليط البوليمر النهائي في العفن المقاوم للحرارة.
3. صب كمية صغيرة من الخليط في وعاء منفصل لإنشاء لوح بوليمر لتأكيد الخصائص البصرية المادية. ضمان سكب البوليمر ما يكفي أن يكون لوح على الأقل 100 ميكرون سمك.
4. ضع العفن مجرى الهواء صورية ولوح منفصل في جرة بيل جليحه. تبدأ عملية التفريغ. إذا البوليمر في مجرى الهواء صورية العفن يبدأ في الارتفاع، واسمحوا الهواء مرة أخرى في جرة بيل لتنفجر الفقاعات السطحية، ثم تبدأ بسحب الهواء مرة أخرى. كرر هذه العملية حتى البوليمر لا يرقى إلى حد كبير. هذا سوف يستغرق ما بين 5-10 دقيقة تبعاً للهواء كم كان محاصراً أثناء الخطوة 4.2. بمجرد PDMS لم يعد يرتفع، تواصل ديغا لمدة 15 دقيقة أخرى.
5. بعد جليحه، اسمحوا ببطء في الهواء مرة أخرى إلى الدائرة. إزالة مجرى الهواء الصورية الوهمية ولوح البوليمر ووضعه في الفرن المستوى عند 80 درجة مئوية ح 2.
6. إزالة الوهمية ولوح من الفرن والسماح لتبرد لتفكيك العفن البوليمر مع مشرط 20 دقيقة دون قطع البوليمر علاجه. انجذاب الصفيحة القاعدية قبالة قاعدة صورية-مجرى الهواء.
7. ضع الوهمية في حمام قاعدة هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) ~0.5 م ساخنة (60 درجة مئوية) حتى يذوب الجزء الداخلي تماما. الوهمية إشارة واضحة بصريا قد تساعد على تحديد وقت حل للمكونات الداخلية. حالما يتم حل الهيكل الداخلي، أخذ الوهمية خارج الحمام والسماح الكامل الجاف (~ 24 ح) قبل اتخاذ أي القياسات الضوئية.

5-تحقق تلفيق الوهمية

1. تحقق من الهندسة الوهمية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي عالية الدقة (MRI) أو التصوير الدقيقة المحسوبة التصوير المقطعي (CT)، إذا رغبت في ذلك. هذه الأساليب توفير تحقق 3D للهياكل الداخلية ضمن المواد عكر مع قرارات محورية < 400 ميكرون^39،40. بدلاً من ذلك، يمكن تصويرها الوهمية إشارة واضحة بصريا بصريا للتحقق أن يذوب الجزء المطبوع كاملا والفراغ المتبقي هو هندسة الصحيح.
   ملاحظة: يمكننا التحقق من الهندسة الداخلية من فانتوم بصريا كامد (2 ملغ TiO₂ + 3.5 ميليلتر الحبر الهند) مع مايكرو-CT على نجم الشمال التصوير (NSI) X50. وكان تصويرها الوهمية مع 20 ميكرومتر القرار في جميع الأبعاد (تكميلية المواد 3، 4).
2. تحقق من الخصائص البصرية للوهمية باستخدام لوح البوليمر، ومجال التكامل (كما هو موضح في الخطوات 1.5 – 1.6).

Representative Results

وللتدليل على تقنية تصنيع الوهمية، كانت ملفقة أشباح أنسجة الرئة الماوس لمحاكاة قياس الخصائص البصرية لانسجة الرئة موريني قصت صحية والملتهبة في 535 نانومتر (الجدول 5). هذا الطول الموجي للاهتمام هو الطول الموجي الإثارة للبروتينات الفلورية تدتوماتو المستخدمة في مراسل المؤتلف سلالات من البكتيريا في الدراسات السابقة³³. وتم الحصول على القياسات البصرية لانسجة الرئة الماوس مع نفس الأساليب الموضحة في الخطوات 1.4-1.5. وأقر استخدام الحيوانات "رعاية الحيوان المؤسسية" واستخدام اللجنة (إياكوك) في جامعة تكساس أية آند أم. عثر على حد سواء صحية نسبة مناسبة من TiO₂ للحبر الهند والتهاب أنسجة الرئة مورين لضوء الطول الموجي نانومتر 535 (الجدول 5).

وصفات للمواد مع مختلف الخصائص البصرية وترد في الجداول 1-4 وبيانيا في أرقام 2-3. ويرد الاعتماد على امتصاص وتشتت في تركيز الجسيمات في الشكل 4. الاتجاهات في معامل الامتصاص ومعامل انخفاض نثر لأشباح بتركيز ثابت من TiO₂ (تشتت الجسيمات) (الشكل 4أ، 4) وتركيز مستمر للحبر الهند (امتصاص الجسيمات ) (الشكل 4ج، 4 د) تثبت العلاقة بين الخصائص البصرية لكل الجسيمات. للتأكد من إمكانية تكرار نتائج هذه الخصائص البصرية، يجب أن تستخدم تقنية خلط السليم. تسوية وريبونينج TiO₂ الجسيمات سوف يسبب تحولاً في معامل التشتت الوهمية شُفي (الشكل 5). الحبر الهند تلطيخ الحاوية خلط سيقلل أيضا أن معامل الاستيعاب.

وقد صممت أشباح الرئة باستخدام بنية شجرة النمطي هندسي متكرر للفراغ الداخلي (الشكل 1ج). يجب أن يكون هيكل المطبوع 3D بخار مصقول لإنشاء سطح داخلي أملس داخل الوهمية (الشكل 1ﻫ). ويبين الشكل 6 مقارنة بين الضوء تناثر من الوهمية التي لم يكن ديجاسيد أو بخار مصقول (الشكل 6أ، ج)، والوهمية التي كان بخار مصقول الجزء الداخلي ويطرد (الشكل 6ب، 6 د). الأشباح تم تصويرها باستخدام الإضاءة من مصدر ضوء أبيض خارجي (الشكل 6، 6B) ومع مصدر ميكروندوسكوبي داخلية في 535 نانومتر (الشكل 6ج، د 6). تقليل بخار التلميع ووللالات وجود عدسات صفاتها، بما في ذلك خشونة السطح (الشكل 6ج، اقحم 2) وفقاعات (الشكل 6ج، اقحم 1). ولﻵﻻت أهمية خاصة، لأن موقع فقاعة هواء عشوائية ولا يمكن التنبؤ بها. وعلاوة على ذلك، جعل الهواء فقاعات يتم حجب بمجرد إدراج TiO₂ الجسيمات (لا يظهر في الشكل 6)، الوهمية بصريا معتمة. ولذلك، قد يقوض فقاعات الغيب تمثيل المواد الوهمية للخصائص البصرية الأنسجة.

وتم قياس الجزء المطبوع 3D مصقول بخار مع الفرجار في القاعدة وفي الفروع البعيدة، والأبعاد مقارنة بالنموذج الثلاثي الأبعاد الصلبة في الجدول 6. وعقب تلفيق البوليمر الوهمية، كان تصويرها الوهمية نظام تصوير بالأشعة المقطعية الصغرى (3 مواد تكميلية) باستخدام. استخدام مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد، تم قياس أبعاد الفراغ الداخلي في فروع القاصي وقاعدة للمقارنة (الجدول 6). شجرة مصقول بخار أصغر قليلاً في القاعدة لتنعيم السطح ببخار الأسيتون يسبب سطح البلاستيك للتدفق. مع الجزء المطبوع 3D، يوقف العمل بالقاعدة، تدفقات السطح نحو الفروع البعيدة، يسبب تغيير صغير في البعد للجزء. هناك مفاضلة بين نعومة السطح والحفاظ على حجم الجزء. البولندية بخار أطول سيؤدي إلى سطح أكثر سلاسة، ولكن سوف يسبب المزيد من المواد التدفق، أدى إلى تغيير أبعاد.

أشباح تم تصويرها في في فيفو التصوير النظام مع منفذ وصول لإدراج حزمة الألياف ميكروندوسكوبي (الشكل 7). وضعت في ميكروندوسكوبي في الفراغ ضمن الخيالات التي كانت قد حلت الجزء المطبوع. ميكروندوسكوبي كان يستخدم للإضاءة الداخلية في 535 نانومتر والمسار الإضاءة إيفيس تم حظره. وضع ميكروندوسكوبي مبين في الشكل 7أ. إيفيس استخدمت لجمع الخارجية إشارة. وكان أشباح مصورة نفس بنية داخلية كتلك التي تم التقاط صور لها في الشكل 3. مع مطابقة الهياكل الداخلية والأبعاد الخارجية، والفرق في الخصائص البصرية بين أنسجة الرئة صحية (الشكل 7أ) وأنسجة الرئة المصابة (الشكل 7ب) يتضح في الإشعاع السطحي أشباح. هذه الأشباح الحفاظ على استجابة مناسبة لإجراء تغيير في الخصائص البصرية، يمكن تطبيق هذا الأسلوب لتلفيق الوهمية لأشباح المستخدمة في دراسات الإضاءة الداخلية.

رقم 1: تدفق الرسم التخطيطي لتصنيع الأنسجة الضوئية الوهمية. (أ) تحديد الوصفة المثلى للهدف الخصائص البصرية للأنسجة للفائدة. (ب) التحقق من الوصفة. (ج) تصميم الهيكل الداخلي. (د) طباعة الهيكل الداخلي باستخدام مادة ديسولفابل. (ﻫ) البولندية بخار الجزء المطبوع على سطح أملس. (و) مزيج البوليمر والجسيمات الضوئية، وتصب في القالب المقاوم للحرارة. (ز) ديغا وعلاج بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS). (ح) حل جزء المطبوعة لخلق الفراغ الداخلي. (ط) التأكد من الهندسة الوهمية والخصائص البصرية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 2: الاتجاهات في معامل امتصاص لتركيز₂ الحبر الهند و TiO- تظهر معاملات الاستيعاب لتركيزات تتراوح من الحبر الهند وثاني أكسيد التيتانيوم عند 488 نانومتر (A)، 535 نانومتر (ب)، 630 نيوتن متر (ج)، و 775 نانومتر (د). امتصاص منخفضة لتركيزات منخفضة لكل الجسيمات، ويزيد عموما مع تركيزات الجسيمات كل. يتم التوصل إلى هضبة بين 5 – 7.5 ميليلتر الهند الحبر كل مل PDMS. يعتمد معدل الزيادة في تركيز الجسيمات الأخرى والطول الموجي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 3: الاتجاهات في معامل انخفاض نثر لتركيز₂ الحبر الهند و TiO- تظهر معاملات انخفاض نثر لتركيزات تتراوح من الحبر الهند وثاني أكسيد التيتانيوم عند 488 نانومتر (A)، 535 نانومتر (ب)، 630 نيوتن متر (ج)، و 775 نانومتر (د). معامل انخفاض نثر منخفض لتركيزات منخفضة لكل الجسيمات، ويزيد عموما مع تركيزات من كل. مثل الاستيعاب، يعتمد معدل الزيادة في تركيز الجسيمات الأخرى والطول الموجي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 4 : الترابط بين الخصائص البصرية على تركيز₂ الحبر الهند و TiO- معاملات الاستيعاب وانخفاض نثر تظهر معاملات وصفات بتركيز₂ TiO مستمر من 1 ملغ/مل PDMS (أ، ب) والهند المستمر لحبر تركيز 5 ميليلتر/مل PDMS (ج، د). لوحة (ب) يظهر أن تناثر معامل ستتغير مع تركيز₂ TiO ثابتة عند تركيز الحبر الهند هي متنوعة، وتظهر لوحة (ج) سيتغير أن معامل الاستيعاب لتركيز الهند حبر ثابت عندما تختلف TiO₂ . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 5: خلط آثار على التشتت البصري- يمكن أن ينتج عن خلط غير لائق من البوليمر أونكوريد والجزيئات الضوئية تحولاً في الخصائص البصرية. وأظهرت الوهمية سيئة المختلطة تمثل في هذا الشكل تسوية TiO₂ الجسيمات قبل علاج. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الرقم 6 : أشباح مجرى الهواء الممثل مع انخفاض نثر معامل المواد لتوضيح التصنيع الناجح والأمثل- بخار التلميع ووللالات خطوات لا يتجزأ في إنتاج فانتوم يحتوي على عناصر نثر أونتشاراكتيريزيد الحد الأدنى. (أ-ب) أبيض الصور الخفيفة من أشباح دون بخار التلميع ووللالات (A) ومع بخار التلميع ووللالات (ب)- (ج-د) أشباح من A-B هي مضيئة مع 535 نانومتر الضوء. يتم إظهار insets من (ج) لتصوير آثار نثر فقاعات الهواء 1) و 2) أداة خشنة مطبوعة 3D. التصميم النموذجي (CAD) تستخدم لتصنيع الوهمية باستخدام (ه) التقديم لمحاكاة بصرية تعتمد على الكمبيوتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 7 : التصوير من أشباح مع الإضاءة الداخلية- محاكاة كمبيوتر الظاهرية (أ) يوضح اتجاه الداخلية الهندسة ومصدر الموضع (نجمة صفراء) للصور الوهمية في لوحات (ج) و (د). A مجزأة الصغرى-المقطعية من أنسجة الرئة صحية تؤكد الوهمية (ب) الهيكل الداخلي موجود في الوهمية غير شفاف بصريا. مجرى الهواء صورية كمسار للمنظار للإضاءة الداخلية الأشباح الضوئية على طول موجي 535 نانومتر. أشباح اثنين تصويرها مع الإضاءة الداخلية متطابقة في الشكل الخارجي والهيكل الداخلي، مع المواد الأمثل لصحية (ج) الخصائص البصرية والتهاب أنسجة الرئة (د) . جميع الصور والأداءات على نفس النطاق. مقياس بار = 1 سم (لوحة ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الجدول 1: جدول البحث ل 488 نانومتر.

الجدول 2: جدول البحث عن 535 نانومتر.

الجدول 3: البحث عن الجدول ل 632 نانومتر.

الجدول 4: جدول البحث عن ل 775 شمال البحر الأبيض المتوسط.

	معامل امتصاص (سم-1)	انخفاض نثر معامل (سم-1)
أنسجة الرئة الماوس صحية	2.05 ± 0.58	52.69 ± 7.83
فانتوم صحية (2 ملغ TiO2 + 3.5 الحبر الهند ميليلتر)	1.96 ± 0.699	49.66 ±.12
أنسجة الرئة الملتهبة الماوس	5.49 ± 1.32	38.94 ± 9.68
فانتوم الملتهبة (1 ملغ TiO2 + 10 ميليلتر الهند الحبر)	4.34 ± 0.873	39.56 ± 5.02

الجدول 5: تتوافق مع الخصائص الضوئية المقاسة من الوصفات الوهمية لقياس الخصائص البصرية للماوس صحية والتهاب أنسجة الرئة في 535 نانومتر.

	قاعدة قطرها (ملم)	قطر الفرع القاصي (مم)
نموذج صلب	2.7	1.38
بخار مصقول الطباعة	2.56 ± 0.026	1.38 ± 0، 141
PDMS العفن (يتم قياسها من الأشعة المقطعية)	2.55 ± 0.021	1.39± 0.055

الجدول 6: تحقق الهيكل الداخلي للوهمية.

تكميلية مادة 1: ملف الإدخال "المثال الشعبتين". اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

تكميلية مادة 2: نموذج الصلبة النمطي هندسي متكرر شجرة مجرى الهواء. اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

3 مواد تكميلية: الصغرى-CT يطير الظهور أنسجة الرئة الماوس صحية النمذجة الوهمية. اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

4 مواد تكميلية: مجزأة الفيديو بالتناوب الجزئي-المقطعية. اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

لقد أظهرنا أسلوب لخلق أشباح بصرية تمثل الرئة موريني مع بنية تفريع داخلية لمحاكاة واجهة الأنسجة الجوية الداخلية. الخصائص البصرية لانسجة الرئة موريني تتحقق من خلال دمج تركيزات فريدة من نوعها لنثر بصريا وامتصاص الجسيمات الموزعة المتجانسة داخل المجمع مصفوفة البوليمر. يمكن ضبطها هذه الخصائص البصرية لمحاكاة القيم الفسيولوجية داخل نطاقات طيفية مختلفة من الأنسجة في الدول المختلفة (أي صحية مقابل الأنسجة المريضة). الخصائص البصرية التي تعتمد على الطول الموجي للفائدة والمواد الأساسية، وتركيزات الجسيمات داخل الوهمية. ومع ذلك، مع جزيئات متعددة، العلاقة بين التشتت والاستيعاب ليس دائماً بديهية⁴¹. معدل الزيادة للاستيعاب يعتمد على تركيز الجسيمات نثر فضلا عن الجسيمات استيعاب، وبالمثل لمعدل زيادة معامل انخفاض نثر. (الأرقام 2-4). أشباح PDMS أظهرت أيضا الحفاظ على خصائصها الضوئية لتصل إلى 1 في العام^27،28. وقد قمنا بقياس استقرار 3 أسابيع من الخصائص البصرية ضمن الخطأ لدينا قياسات المجال دمج (< 15%). تخزين هذه أشباح والمعايير في ضوء محكم حاوية يمكن أن تساعد في الحفاظ على الخصائص البصرية لفترات أطول من الوقت.

يسمح بخار التلميع الجزء المطبوع ديسولفابل لسطح أملس استنساخه على الواجهة الداخلية الجوية الوهمية (الشكل 6). لهندسة كسورية هو موضح هنا، تلميع الهيكل الداخلي أسفرت عن انخفاض في متوسط خشونة السطح من PDMS مصبوب من 37.4 ميكرومتر ميكرومتر 7.2. هذا أمر بالغ الأهمية إذا كان يستخدم الوهمية للتحقق من الصحة للمحاكاة البصرية لسطح خشن من أكثر بكثير من الصعب محاكاة بدقة من سطح ناعمة وموحدة (الشكل 6ه). ولﻵﻻت أيضا مهم جداً يرجع ذلك إلى حقيقة أن فقاعات داخل الوهمية PDMS تعمل كعدسات بصرية (الشكل 6ج، اقحم 1). موقع فقاعة لا يمكن التنبؤ بها للنسخ المتماثل في محاكاة، ويمكن أن تحرف النتائج إذا استخدمت الوهمية معايرة قياسية.

بعد التحقق مع الأشعة المقطعية الصغرى، تم العثور على كمية صغيرة من المواد المتبقية داخل الفراغ مجرى الهواء (3 مواد تكميلية). بالإضافة إلى ذلك، يكشف تجزئة لهذه الأشعة المقطعية نفس فقاعة هواء صغيرة بجوار هيكل التفريع (4 مواد تكميلية). أثناء التصنيع، أشباح واضح بصريا تسفر عن حل كامل لمادة الهيكل الداخلي ولا فقاعات الهواء داخل مصفوفة البوليمر. التحقق مع مايكرو-الأشعة المقطعية أظهرت أن أشباح مبهمة بصريا قد تحتوي على العيوب الصغيرة، غير مرئية بخلاف ذلك.

خلط الجسيمات الضوئية بشكل صحيح مع البوليمر أونكوريد لا بد من تحقيق الاستيعاب البصري استنساخه ويمكن التنبؤ به ونثر. ويرد في الشكل 5تحولاً في معامل انخفاض نثر الناجمة عن خلط الفقراء. قبل سكب البوليمر العفن، ضمان وجود أي دليل على وجود TiO₂ جزيئات تسوية أو "ريبونينج" في الخليط وأي دليل على الحبر الهند تلطيخ الحاوية خلط. إضافة الجزيئات في النظام الموصى به وينبغي تقليل هذه المشاكل.

تصميم هذه الأشباح يقتصر الجزء المطبوع 3D. مجرى الهواء صورية مصمم بحيث يمكن نزعها مواد الدعم، كما أنها ليست ديسولفابل. ويمكن التغلب على هذا بالانتقال إلى طابعة الأكثر تقدما يمكن أما المواد المطبوعة مع الذوبان متفاوتة، أو طابعة ليزر تلبد، التي لا تحتاج إلى دعم المواد. من المهم أيضا أن نلاحظ أن الرئة أصلاً جهاز مسامية جداً بسبب الخطوط الجوية القاصي والحويصلات الهوائية. في حين أن غير ممثلة في هذا الوهمية، التأثيرات البصرية لهياكل مماثلة قد لوحظت استخدام طوف فقاعة ناي براج ل التصوير المقطعي التماسك البصري²¹، فقاعات الهواء في⁴²من زيت الزيتون، وكريم الحلاقة أو المنظفات طبق الرنين المغناطيسي النووي التصوير⁴³. إنشاء المتبلمره ذات الخصائص القابلة لإعادة الإنشاء قد تكون قادرة على التوفيق بين هذه الفرق بين أشباح الصلبة المعروضة هنا و المجهرية الرئة⁴⁴.

ويمكن أيضا تخصيص شكل الوهمية النهائي استناداً إلى التطبيق. تم تصويرها مع الإضاءة الداخلية الوهمية مستطيلة الشكل الموضح هنا والمستخدمة للتحقق من صحة نموذج حسابي للرئتين صحية والمصابة (الشكل 7). يمكن تحديث هذا التصميم كذلك تمثل الجذع أسطواني الماوس بمجرد تغيير تصميم القالب البوليمر الخارجية.

في حين أننا مفصلة هنا تصميم الرئة موريني والوهمية مجرى الهواء، يمكن تعديل هذه الأساليب لتناسب الأجهزة أو الحيوانات من الفوائد الأخرى. الهيكل الداخلي يمكن تحويلها إلى مسار تدفق لأشباح الأوعية الدموية، أو يمكن استخدامها المدلى بها لهيكل داخلية معقدة مع خصائص بصرية فريدة من نوعها. الشكل العام للوهمية يمكن ضبطها أيضا للتطبيق أو الحيوان، أو الجهاز للفائدة. الطباعة ثلاثية الأبعاد للهياكل الداخلية وقوالب البوليمر يعطي الحرية لعملية تصميم الأشباح الضوئية البوليمر منظم. هذه أدوات لا يتجزأ في التحقق من صحة المحاكاة ومعايرة فيفو في تقنيات التصوير الضوئي، لأنها يمكن أن تمثل البيئة في فيفو أكثر دقة من أشباح مفرد أو متعدد الطبقات متجانسة.

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