Fremstilling og karakterisering af optiske væv Phantoms indeholdende Macrostructure

Summary

Optisk væv phantoms er uundværlige redskaber til kalibrering og karakterisering af optiske billeddannelse systemer og validering af teoretiske modeller. I denne artikel beskrives en metode til phantom fabrikation, der omfatter replikering af væv optiske egenskaber og tre-dimensionelle væv struktur.

Abstract

Den hurtige udvikling af nye optiske billeddannelse teknikker er afhængig af tilgængeligheden af billige, kan tilpasses og let at reproducere standarder. Ved at gentage den billeddiagnostiske miljø, kan dyre dyreforsøg til at validere en teknik omgås. Forudsige og optimere ydeevnen af in vivo og ex vivo billeddannelse teknikker kræver test på prøver, der er optisk ligner væv af interesse. Væv-efterligne optisk phantoms giver en standard for evaluering, karakterisering, eller kalibrering af et optisk system. Homogen polymer optisk væv phantoms er almindeligt anvendt til at efterligne de optiske egenskaber af en bestemt vævstype inden for et snævert spektrale interval. Lagdelte væv, såsom epidermis og dermis, kan efterlignes af simpelthen stabling disse homogen slab spøgelser. Men mange i vivo billeddannelse teknikker anvendes mere rumligt komplekse væv hvor tre-dimensionelle strukturer, såsom blodkar, airways eller væv defekter, kan påvirke ydeevnen af imaging systemet.

Denne protokol beskriver fabrikation af en væv-efterligne phantom, der inkorporerer tredimensionale strukturel kompleksitet ved hjælp af materiale med optiske egenskaber af væv. Look-up tabeller indeholder tusch og titandioxid opskrifter til optisk absorption og spredning mål. Metoder til at karakterisere og tune de materielle optiske egenskaber er beskrevet. Phantom fabrikation detaljeret i denne artikel har en indre forgrening mock luftvejene tomrum; men teknikken kan anvendes bredt til andre væv eller organ strukturer.

Introduction

Væv phantoms anvendes bredt til system karakterisering og kalibrering af optiske billeddannelse og spektroskopi instrumenter, herunder multimodalitet systemer inkorporere ultralyd eller nukleare modaliteter^{1,2,3 ,4}. Fantomer giver en kontrolleret optisk miljø for system karakterisering og kontrol med kvaliteten af flere biologiske Billeddannende teknikker. Væv-efterligne phantoms er nyttige værktøjer i forudsige systemets ydeevne og optimering systemdesign for fysiologiske opgaven ved hånden; for eksempel, marginer for at forudsige den dybdeborende dybde af spektroskopiske sonder til vurdering af tumor⁵. Optiske egenskaber og strukturelle design af phantoms kan indstilles til at efterligne det specifikke fysiologiske miljø, hvor instrumentet skal bruges, derfor giver mulighed for både feasibility-undersøgelser og verifikation af system ydeevne^{3, 6,7}. Verifikation af imaging systemydeevne med realistiske optisk phantoms før indtastning af prækliniske eller kliniske forsøg reducerer risikoen for fejl eller erhvervelse af ubrugelig data under i vivo studier. Reproducerbarhed og stabilitet af optiske phantoms gør dem tilpasselig Kalibreringsstandarder til optiske teknikker til at overvåge samhandelen og Inter-Diesel instrument variabilitet, især i multicenter kliniske forsøg med forskellige instrumenter, operatører, og miljøforhold^8,9.

Væv-efterligne phantoms også tjene som afstemmelige og reproducerbare fysiske modeller til validering af teoretiske optisk modeller. Simuleringer støtte i design og optimering af i vivo optiske instrumenter, mens at reducere behovet for dyre eksperimenter^10,11. Udvikling og validering af optiske simuleringer til præcist repræsenterer i vivo -miljø kan være belastet af kompleksiteten af væv struktur, den biokemiske indhold og placering af mål eller væv i kroppen. Variation mellem fag gør validering af teoretiske modeller udfordrende ved hjælp af dyrs eller menneskers målinger. Polymer optisk væv phantoms mulighed for validering af teoretiske modeller ved at levere en kendt og reproducerbar optisk miljø til at studere photon migration^12,13,14,15.

Med henblik på systemet kalibrering, kan fast optisk phantoms bestå af en enkelt homogen plade af hærdet polymer med optisk spredning, absorption eller fluorescens tunet til bølgelængder af interesse. Lagdelte polymer phantoms bruges ofte til at efterligne den dybde varians væv optiske egenskaber i epitelvæv modeller^16,17. Disse fantom strukturer er tilstrækkelig for epitelial billedbehandling og modellering, fordi strukturen væv er forholdsvis homogen gennem hvert lag. Dog påvirker større skala og mere komplekse strukturer radiative transport i andre organer. Metoder til at skabe mere komplekse spøgelser er blevet udviklet for at simulere den optiske miljø af subkutane blodkar^18,19 , og endda hele organer såsom blære²⁰. Modellering lys transport i lungerne giver et enestående problem på grund af de forgrening struktur af grænsefladen luft-væv; en solid phantom ville ikke sandsynligt replikerer radiative transport i orglet præcist²¹. For at beskrive en metode for at indarbejde komplekse struktur i en optisk phantom, beskriver vi en metode til at oprette en intern, reproducerbare fraktal træ void, som repræsenterer det tredimensionale (3D) makroskopisk struktur af luftvejene (figur 1).

I de sidste par årtier, 3D-printning er blevet en fremherskende metode til rapid prototyping af medicinsk udstyr og modeller²²og optisk væv phantoms er ingen undtagelse. 3D-printning er blevet brugt som et tilsætningsstof fremstillingsindustrien værktøj for at fabrikere optisk phantoms med kanaler²³, blodkar net²⁴og hele kroppen lille dyremodeller²⁵. Disse metoder bruger en eller to trykning materiale med enestående optiske egenskaber. Metoder er også blevet udviklet til at tune de optiske egenskaber af den trykning materiale til at efterligne generelle, grumset biologiske væv^25,26. Dog vifte af opnåelige optiske egenskaber er begrænset af den trykning materiale, normalt en polymer som acrylonitril butadien styren (ABS)²⁶, så denne metode ikke er egnet til alle biologiske væv. Polydimethylsiloxan (PDMS) er en optisk klare polymer, der let kan mikses med spredning og absorbere partikler med en højere grad af tunability^27,28. PDMS er også blevet brugt til at forme phantoms med aneurisme modeller for implementering af embolisk enheder^29,30. Disse spøgelser også udnytte en opløselige 3D trykte del, men forbliver optisk klar til at visualisere enhedens installation. Her, kombinerer vi denne metode med tunability af de optiske egenskaber af PDMS med spredning og absorbere partikler til at fabrikere en foreløbig model af væv og luftvejene i murine lungen.

Mens phantom præsenteres her er specifikke for lungerne, kan processen anvendes til en lang række andre organer. 3D-printning af den interne struktur af fantomet tillader design til at tilpasses til ethvert formål og printbare skala, hvad enten det være en blod, lymfeknuder fartøj netværk, knoglemarv eller endda fire chambered strukturen i hjertet³¹. Fordi vi er interesseret i optisk billedbehandling og modellering af lunge^32,33,34, har vi valgt for at bruge en fire-generation fraktal træ som den indre struktur til at replikere inden for polymer fantom. Denne struktur var designet til at tilnærme den forgrening struktur af luftvejene og har miniferie støttemateriale til 3D udskrivning. En mere anatomisk korrekt luftveje kunne udskrives, hvis miniferie støttemateriale ikke er nødvendigt. Selv om netop denne model repræsenterer en luftveje, behøver den interne struktur af fantomet ikke at forblive et materiale tomrum. Når den omkringliggende polymer er helbredt og den 3D trykte del er opløst, kan den interne struktur bruges som en flow vej eller som en sekundær form for et materiale med sin egen unikke absorption og spredning karakteristika. For eksempel, hvis den interne struktur fra denne protokol blev udformet som en digital knogle snarere end en luftveje, kunne knoglestruktur være 3D udskrives, støbt med PDMS med optiske egenskaber af fingeren, og derefter opløst af phantom. Void kunne så være fyldt med en PDMS blanding med forskellige optiske egenskaber. Derudover er hver skimmel ikke begrænset til en enkelt opløselige del. En fantom i fingeren kunne oprettes til at omfatte knogler, vener, arterier og en generel blødt væv lag, hver med sin egen unikke optiske egenskaber.

Protocol

1. udvælgelse og kontrol af Matrix materialeegenskaber Før du starter find phantom opdigte oparbejde (figur 1), absorption og reduceret spredning koefficienter for det biologiske væv af interesse på imaging wavelength(s). Foreløbige skøn kan findes i henvisningerne35,36. Validering af de optiske koefficienter kan dog være nødvendigt. Ved hjælp af tabellerne look-up for absorptionskoefficient, µen</s…

Representative Results

For at demonstrere phantom fabrikation teknik, mus lunge væv phantoms blev fabrikeret for at simulere målte optiske egenskaber af skåret sund og betændte murine lungevæv på 535 nm (tabel 5). Denne bølgelængde af interesse er excitation bølgelængde for tdTomato fluorescerende proteiner anvendt i rekombinant reporter stammer af mykobakterier i tidligere undersøgelser33. Optiske målinger af musen lungevæv blev opnået med de samme metoder…

Discussion

Vi har demonstreret en metode til at skabe optiske phantoms for at repræsentere en murine lunge med en indre forgrening struktur til at simulere grænsefladen indre luft-væv. De optiske egenskaber af murine lungevæv er opnået ved at indarbejde unikke koncentrationer af optisk spredning og absorbere partikler distribueret homogen måde inden for bulk matrix polymer. Disse optiske egenskaber kan indstilles til at efterligne de fysiologiske værdier inden for forskellige spektrale intervaller af væv i forskellige tilst…

Materials

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