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Bioengineering

Fabrication et caractérisation des fantômes de tissu optique contenant la Macrostructure

Published: February 12, 2018 doi: 10.3791/57031
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1, 1
1Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University, 2Deparment of Molecular Pathogenesis and Immunology, Texas A&M College of Medicine

Summary

Fantômes de tissu optique sont des outils essentiels pour le calibrage et la caractérisation des systèmes d’imagerie optiques et validation de modèles théoriques. Cet article décrit une méthode de fabrication fantôme qui inclut la réplication des propriétés optiques de tissu et structure du tissu en trois dimensions.

Abstract

Le développement rapide de nouvelles techniques d’imagerie optiques dépend de la disponibilité des normes peu coûteux, personnalisables et facilement reproductibles. En reproduisant l’environnement d’imagerie coûteuses expérimentations animales pour valider une technique peuvent être contournées. Prévoir et optimiser les performances de in vivo et ex vivo , techniques d’imagerie nécessitent l’analyse des échantillons optiquement semblables aux tissus d’intérêt. Tissus imitant des fantômes optiques fournissent une norme pour l’évaluation, caractérisation ou calibrage d’un système optique. Phantoms de tissu optique polymère homogène sont largement utilisés pour reproduire les propriétés optiques d’un type spécifique de tissu dans une fourchette étroite de spectral. Couches de tissus, tels que l’épiderme et le derme, peuvent être imités par empilage simplement ces fantômes dalle homogène. Cependant, beaucoup en vivo de techniques d’imagerie est appliqués pour les tissus plus complexes dans l’espace où les structures tridimensionnelles, comme les vaisseaux sanguins, voies respiratoires ou les défauts de tissu, peuvent affecter les performances du système d’imagerie.

Ce protocole décrit la fabrication d’un tissu imitant fantôme qui incorpore la complexité de la structure en trois dimensions à l’aide de matériaux avec des propriétés optiques des tissus. Tables de recherche fournissent des recettes de l’encre de Chine et du dioxyde de titane pour l’absorption optique et les objectifs de diffusion. Méthodes pour caractériser et régler les propriétés optiques du matériau sont décrites. La fabrication fantôme détaillée dans cet article a un vide interne de simulacre de voies aériennes ramifiées ; Cependant, la technique peut être largement appliquée à d’autres structures de tissu ou un organe.

Introduction

Fantômes de tissus sont largement utilisés pour la caractérisation du système et l’étalonnage des instruments d’imagerie et la spectroscopie optique, y compris les systèmes de multimodalité incorporant des ultrasons ou des modalités nucléaire1,2,3 ,4. Fantômes fournissent un environnement contrôlé optique pour la caractérisation du système et de contrôle de la qualité de plusieurs techniques d’imagerie biologiques. Tissus imitant les fantômes sont des instruments utiles pour prédire le rendement du système et optimiser la conception du système pour la tâche physiologique à portée de main ; par exemple, pour prévoir la profondeur détection des sondes spectroscopiques pour l’évaluation tumorale marges5. Propriétés optiques et la conception structurale des fantômes peuvent être ajustées pour imiter l’environnement physiologique spécifique dans lequel l’instrument sera utilisé, ce qui permet pour les études de faisabilité et vérification de performance de système3, 6,7. Vérification de la performance du système avec les phantoms optiques réalistes avant d’entrer dans les essais précliniques ou cliniques d’imagerie permet de réduire le risque de dysfonctionnement ou d’acquisition de données inutilisables lors des études in vivo . La reproductibilité et la stabilité des fantômes optiques rendent personnalisable étalons pour des techniques optiques suivre la variabilité intra - et inter - instrument, en particulier dans des essais cliniques multicentriques avec différents instruments, opérateurs et les conditions environnementales8,9.

Tissus imitant fantômes servent aussi accordables et reproductibles des modèles physiques pour la validation des modèles théoriques de l’optiques. Simulations d’aide à la conception et l’optimisation d’in vivo des instruments optiques, tout en réduisant le besoin d’animal experiments10,11. Le développement et la validation des simulations optiques pour représenter avec précision l’environnement in vivo peuvent être grevés par la complexité de la structure du tissu, le contenu biochimique et l’emplacement de la cible ou les tissus dans le corps. La variabilité entre les sujets rend la validation des modèles théoriques difficiles en utilisant des mesures animales ou humaines. Fantômes optiques tissu polymère permettant la validation des modèles théoriques en fournissant un environnement optique connu et reproductible permettant d’étudier les photons migration12,13,14,15.

Aux fins du système de calibrage, fantômes optiques solides peuvent consister en une simple dalle homogène de polymère durcie avec la dispersion optique, l’absorption ou la fluorescence à l’écoute pour les longueurs d’onde d’intérêt. Couches de polymère fantômes sont fréquemment utilisés pour imiter la variation de la profondeur des propriétés optiques des tissus dans le tissu épithélial modèles16,17. Ces structures fantômes sont suffisants pour épithéliales d’imagerie et modélisation, parce que la structure du tissu est assez homogène à travers chaque couche. Cependant, la plus grande échelle et des structures plus complexes affectent transport radiatif dans d’autres organes. Méthodes pour créer des fantômes plus complexes ont été développés pour simuler l’environnement optique des vaisseaux sous-cutanés18,19 et organes même entiers, tels que la vessie20. Transport léger dans les poumons de modélisation fournit un problème unique en raison de la structure de ramification de l’interface air-tissu ; un fantôme solid pas probablement reproduirait transport radiatif dans l’organe exactement21. Pour décrire une méthode pour intégrer un fantôme optique de structure complexe, les auteurs décrivent une méthode pour créer une arborescence de l’intérieur, reproductible fractal Sub qui représente la structure macroscopique de tridimensionnelle (3D) des voies aériennes (Figure 1).

Dans les dernières décennies, l’impression 3D est devenue une méthode prédominante pour le prototypage rapide des dispositifs médicaux et les modèles22et fantômes tissu optique ne font pas exception. Impression 3D a servi comme un outil de fabrication additive pour la fabrication de fantômes optiques avec les canaux23vaisseaux sanguins réseaux24et confiné petits modèles animaux25. Ces méthodes utilisent un ou deux matériaux d’impression ayant des propriétés optiques uniques. Méthodes ont également été développées pour ajuster les propriétés optiques du matériau d’impression pour imiter des tissus biologiques générales, trouble25,26. Cependant, la gamme des propriétés optiques réalisables sont limités par le matériel d’impression, habituellement un polymère comme acrylonitrile butadiène styrène (ABS)26, donc cette méthode ne consiste pas pour tous les tissus biologiques. Polydiméthylsiloxane (PDMS) est un polymère transparent qui peut être facilement mélangé à la diffusion et d’absorber les particules avec un niveau plus élevé d’accordabilité27,28. PDMS a également été utilisé pour mouler les fantômes avec des modèles d’anévrisme pour déploiement de dispositifs embolique29,30. Ces fantômes aussi utilisent une partie imprimée 3D soluble, mais restent optiquement clair pour la visualisation de déploiement de périphérique. Ici, nous combinons cette méthode avec accordabilité des propriétés optiques de diffusion et d’absorber les particules le PDMS pour fabriquer un modèle préliminaire du tissu et des bronches du poumon murin.

Alors que le fantôme présenté ici est spécifique aux poumons, le processus peut être appliqué à une variété d’autres organes. Impression 3D de la structure interne du fantôme permet la conception d’être personnalisable à n’importe quel usage et imprimable échelle, que ce soit un sang ou réseau de vaisseau lymphatique, la moelle osseuse ou même la structure chambré quatre du coeur31. Parce que nous sommes intéressés par imagerie optique et la modélisation des poumons32,33,34, nous avons opté pour utiliser un arbre fractal de quatre générations comme la structure interne de répliquer dans le polymère fantôme. Cette structure a été conçue pour approcher la structure de ramification des voies respiratoires et avoir le matériel de support amovible pour le procédé d’impression 3D. Une voies aériennes plus anatomiquement correct pourraient être imprimé si le matériau de support amovible n’est pas nécessaire. Bien que ce modèle particulier représente une voie aérienne, la structure interne du fantôme n’a pas à rester un vide important. Une fois que le polymère environnant est soignée et la partie imprimée 3D est dissoute, la structure interne peut être utilisée comme une voie de circulation ou un moule secondaire pour un matériau avec sa propre absorption unique et des caractéristiques de dispersion. Par exemple, si la structure interne de ce protocole a été conçue comme un OS numérique plutôt qu’une voie aérienne, la structure osseuse pourrait être 3D imprimé moulé avec PDMS avec les propriétés optiques du doigt et dissous puis par le fantôme. Le vide pourrait alors être rempli d’un mélange PDMS avec des propriétés optiques différentes. En outre, chaque moule n’est pas limitée à une seule partie soluble. Un fantôme du doigt pourrait être créé afin d’inclure les os, les veines, artères et une couche de tissu mou générales, chacune avec ses propres propriétés optiques uniques.

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Protocol

1. sélection et vérification des propriétés matérielles de la matrice

  1. Avant de commencer le processus de fabrication fantôme (Figure 1), recherchez l’absorption et les coefficients de diffusion réduite pour les tissus biologiques d’intérêt à l’imagerie wavelength(s). Estimations préliminaires se trouvent dans les références35,,36. Toutefois, la validation des coefficients optiques peut être nécessaire.
  2. En utilisant les tables de recherche pour le coefficient d’absorption, µunet coefficient de dispersion réduite, µs', 488, 535, 632 et longueurs d’onde de 775 nm (tableaux 1 à 4 et les Figures 2-3), sélectionnez les concentrations d’encre et dioxyde de titane (TiO2) qui se rapprochent des propriétés optiques désirées. Ces recettes sont spécifiques aux fantômes fabriqués avec PDMS. Comme ces tableaux présentent les données expérimentales à des longueurs d’onde discrètes, optimisation de la recette peut-être être nécessaire pour l’application spécifique.
  3. Fabriquer une dalle de polydiméthylsiloxane (PDMS) de la recette choisie pour la confirmation des propriétés optiques.
    1. En utilisant le ratio 10:1 en poids de résine PDMS à salaison, versez les ingrédients dans la Coupe du mélange dans l’ordre suivant : résine de PDMS, TiO2, encre de Chine, PDMS agent de polymérisation.
      NOTE : Ici, nous avons testé deux recettes : 1) 2 mg TiO2 + encre 3,5 µL / g PDMS et 2) 1 mg TiO2 + encre de Chine 10 µL / g PDMS. Pour chaque recette, 4,5 g PDMS résine et 0,45 g PDMS de salaison sont utilisés avec les montants correspondants de particules optiques.
    2. Mélanger dans un mélangeur de vitesse (voir Table des matières) pour 60 s. Si TiO2 particules collent au mélange tasse (probables avec des concentrations élevées de TiO2), mélanger à la main pour enlever les particules de la base de la coupelle et mélanger dans la table de mixage pour un autre 30 s.
    3. Versez le mélange dans des puits ou des boîtes de Pétri pour rendre mince (0,1-1 mm) dalles du mélange.
    4. Degas les dalles pendant 10 min en les plaçant dans une chambre de pression négative de l’air ne s’échappe, puis placer dans un four préchauffé à 80 ° C pendant 30-60 min. retirer du four et laisser refroidir.
    5. Retirer la plaque de polymère refroidi de son conteneur. Couper les bords pour laisser une dalle plane et uniforme. Mesurer l’épaisseur de la dalle à l’aide d’étriers.
  4. Mesurer la transmission (T) et réflexion (R) de slab(s) à l’aide d’une sphère d’Ulbricht. Vous trouverez des instructions et des détails supplémentaires dans le manuel de doublement ajoutée Inverse (SAI)37.
    1. Allumez la source lumineuse et le spectromètre de la configuration de sphère intégratrice. Vérifier l’alignement du système pour s’assurer un petit faisceau collimaté est centrée sur les ports d’entrée et de sortie de la sphère d’intégration.
    2. Calibrer le système intégrant de la sphère.
      1. Eteignez la source, bouchon de l’orifice de sortie de la sphère d’intégration et d’enregistrer trois spectres sombres.
      2. Rallumez la source afin d’obtenir le renvoi de transmission avec le port de sortie plafonné et le port d’entrée vide. Enregistrer trois spectres.
      3. Obtenir des mesures de référence de réflectance à l’aide de la réflexion ou les normes. Placez chaque norme à l’ouverture de sortie de la sphère. Enregistrer trois spectres pour chaque étalon de réflexion.
    3. Mesurer le coefficient de transmission de la dalle. Avec le cap sur le port de sortie, placer la dalle sur le port d’entrée de la sphère d’intégration pour la mesure de la transmission. Enregistrer trois spectres.
    4. Mesurer la réflectance de la dalle. Retirez le capuchon de port de sortie et placer la dalle sur le port de sortie pour le mesurage de la réflectance. Enregistrer trois spectres.
  5. Déterminer les propriétés optiques à l’aide de logiciels de SAI. Un tutoriel complet sur le logiciel se trouvent dans le manuel de Sai avec le logiciel Télécharger37,38.
    1. Moyenne des trois spectres acquis pour chaque mesure.
    2. En utilisant les équations dans le manuel de Sai37, convertir ces mesures des valeurs R et T. Si nécessaire, se condensent les fichiers en réduisant le taux d’échantillonnage le long du spectre.
    3. Préparer le fichier d’entrée .rxt (Supplemental matériel 1) SAI avec les longueurs d’onde, réflectance, transmittance et épaisseur de l’échantillon tel que décrit dans le manuel de Sai37. À l’invite de commande (Windows OS) ou de la borne (Mac OS), naviguer vers le chemin d’accès correct. Tapez « SAI « entrée file name » » à exécuter SAI. Le logiciel va produire un fichier texte de sortie avec les propriétés optiques estimées.
  6. Si les propriétés optiques ne sont pas dans des limites acceptables (~ 15 %) des valeurs désirées, modifier la recette en conséquence et répétez les étapes 1,3 – 1,5.

2. préparation de la 3D Dissolvable imprimé Structure interne

  1. Conception de structure interne à l’aide d’ordinateur assistée par logiciel de conception (CAO). Convertir un fichier de stéréolithographie pour fabrication sur une imprimante 3D modèle solide structure. Si disponible, une tomodensitométrie segmentée peut aussi être convertie en un fichier de stéréolithographie plutôt qu’un modèle solide de la structure interne de dessin.
    Remarque : Le fichier CAO pour la structure fractale utilisée ici est fourni en 2 de matériel supplémentaire. L’imprimante utilisée dans le présent document est une imprimante expulsion, alors que la partie était conçue pour produire des supports amovible.
  2. Sélectionnez un matériau soluble pour l’impression, tels que l’alcool poly-polyvinylique (PVA) ou polystyrène choc (HIPS) (voir la Table des matières). Imprimer le modèle solide dans ce matériau soluble.
  3. Lorsque les parties imprimées sont suffisamment refroidis, briser, dissoudre ou le matériel de soutien hors de la partie imprimée de la machine. Fichier ou sable au large de toutes les grandes imperfections.
  4. Vapor polir la partie imprimée à réduire la rugosité de surface.
    1. La partie imprimée fixée dans un étau, percer un trou avec un jeu pour un fil mince en acier ou en nitinol dans la base de la partie imprimée.
    2. Enfilez un acier inoxydable ou le nitinol fil dans l’orifice. Plier les extrémités du fil et crochet ensemble. Cela permettra à la partie s’immerger complètement dans les vapeurs d’acétone dans le bécher. A fil et partie annulé.
    3. Remplir un grand bécher environ 10 % d’acétone. Placer le bécher sur une plaque chauffante en chauffage à 100 ° C. ATTENTION : Pour effectuer cette étape sous une hotte pour éviter l’inhalation de vapeurs d’acétone.
    4. Lorsque l’acétone vapeur de condensation atteint tout à mi-chemin vers le haut de la paroi du bécher, accrocher le fil en boucle avec l’airway simulé sur un deuxième fil et suspendre les vapeurs d’acétone pour 15 à 30 s. Assurez-vous imprimé pièces ne touchent pas le bécher murs ou chaque autre (si vapeur polissage plusieurs pièces en même temps).
    5. Enlever la partie imprimée et suspendre au-dessus du récipient vide ou un conteneur. Laisser partie sécher pendant au moins 4 h.
  5. Vérifiez que les dimensions de la structure interne relèvent de la tolérance à la conception CAD, selon les besoins. Selon les exigences de précision, les étriers ou un scanner laser 3D peut servir à mesurer la structure.

3. construction de moule résistant à la chaleur

NOTE : Préparez un moule étanche, résistant à la chaleur pour former le fantôme PDMS. Sélectionnez une géométrie de moule pour mieux s’adapter à la conception finale du fantôme. Ici, nous décrivons un moule rectangulaire réutilisable.

  1. Concevoir une base de modèle solide du moule à l’impression 3D. Ce moule est conçu pour un fantôme avec une base de 1,17 x 1,79 cm. La base du moule a une épaisseur de 1 mm et cavité profonde de 5 mm avec des dimensions intérieures correspondant à la base du fantôme. Cela permet le moule de voies d’évitement à supprimer et le moule pour être démonté et réutilisé.
  2. Imprimer une base pour le moule avec un carton de largeur suffisante pour garantir les voies d’évitement du moule.
  3. Placez voies d’évitement dans les profondeurs de la base de moule. Ici, les feuilles de polycarbonate épaisseur 1 mm sont utilisés comme voies de garage de moule.
  4. À l’aide de ruban adhésif résistant à la chaleur, sceller les bords du moule. Il est impératif que tous les bords et les coins sont suffisamment étanches avec pas de bulles dans le ruban pour éviter toute fuite pendant le processus de moulage.
  5. Placez une plaque de base en polycarbonate à l’intérieur du moule préparé à l’étape 3.4. Cette plaque de base est la même feuille de polycarbonate épaisseur 1 mm sous le revêtement du moule et donne la base fantôme une surface lisse sans la rugosité de la surface imprimée 3D de la base de moule. Coller la vapeur entièrement séché poli partie au socle. Laisser suffisamment de temps pour sécher la colle.

4. fabrication de polymère Phantom

Remarque : Utilisez la recette vérifiée pour le matériel de matrice en vrac à l’étape 1 pour l’application spécifique. Ici, le protocole fournit les étapes pour un tissu de poumon sain de murin fantôme à 535 nm avec µs' de 40 cm-1 et µun de 2 cm-1. Il peut être utile fabriquer un fantôme deuxième pas de particules optiques à utiliser comme une référence dans le processus de fabrication.

  1. Verser 9,1 g de résine PDMS dans une tasse de mélange en plastique. Ajouter 20 mg de rutile TiO2, suivi par 35 µl d’encre. Enfin ajouter 0,91 g d’agent pour le dessus du mélange de polymérisation. Suivre le protocole de mélange à l’étape 1.3.2.
  2. Verser le mélange de polymère final dans le moule résistant à la chaleur.
  3. Versez une petite quantité du mélange dans un récipient séparé pour créer une dalle de polymère pour la confirmation des propriétés optiques des matériaux. S’assurer que suffisamment polymère est répandu pour avoir une dalle d’au moins 100 µm d’épaisseur.
  4. Placer le moule de la simulation de voies respiratoires et la dalle séparée dans une cloche à vide pour le dégazage. Commencer le procédé sous vide. Si le polymère dans le moule de la simulation de voies respiratoires commence à augmenter, de laisser de l’air dans la cloche à éclater les bulles de surface, puis commencent à expulser l’air à nouveau. Répétez ce processus jusqu'à ce que le polymère n’augmente pas significativement. Cela va prendre entre 5-10 min en fonction de la quantité d’air a été piégé au cours de l’étape 4.2. Une fois le PDMS s’élève n’est plus, continuer à dégazer pendant 15 min.
  5. Après le dégazage, lentement laisser l’air dans la chambre. Retirer le faux fantôme des voies respiratoires et la dalle de polymère et niveau enfourner à 80 ° C pendant 2 h.
  6. Retirer le fantôme et la plaque du four et laisser refroidir pendant 20 min. Démonter le moule de polymère avec un scalpel sans couper le polymère durci. Fixez la plaque de fond au large de la base de la maquette-des voies respiratoires.
  7. Placer fantôme dans un bain base d’hydroxyde de sodium (NaOH) ~0.5 M chauffée (60 ° C) jusqu'à ce que la partie intérieure est entièrement dissous. Un fantôme de référence transparent peut aider à déterminer le temps de dissolution pour la composante interne. Une fois la structure interne est dissous, prendre fantôme sortant du bain et laissez sécher complètement (~ 24 h) avant de procéder à toute mesure optique.

5. vérification de Fabrication fantôme

  1. Vérifier la géométrie fantôme à l’aide de haute résolution imagerie de résonance magnétique (IRM) ou l’imagerie micro-la tomodensitométrie (CT), si vous le souhaitez. Ces méthodes fournissent une vérification 3D des structures internes au sein du matériau trouble avec des résolutions axiales du < 400 µm39,40. Par ailleurs, un fantôme de référence transparent peut être optiquement photographié pour vérification que la partie imprimée est entièrement dissous et le vide restant est la géométrie appropriée.
    NOTE : Nous avons vérifié la géométrie interne d’un fantôme optiquement opaque (2 mg TiO2 + 3,5 µl de l’encre de Chine) avec micro-CT sur une étoile polaire Imaging (NSI) X50. Le fantôme a été photographié avec une résolution 20 µm dans toutes les dimensions (Supplemental matériaux 3, 4).
  2. Vérifiez les propriétés optiques du fantôme à l’aide de la plaque de polymère et de la sphère d’intégration (décrit dans les étapes 1,5 à 1,6).

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Representative Results

Pour illustrer la technique de fabrication fantôme, fantômes de tissus pulmonaires souris ont été fabriqués sur mesure afin de simuler les propriétés optiques mesurées du tissu d’excisés pulmonaire murine sain et enflammée à 535 nm (tableau 5). Cette longueur d’onde d’intérêt est la longueur d’onde d’excitation pour tdTomato protéine fluorescente utilisée dans les souches recombinantes journaliste de mycobactéries dans les précédentes études33. Des mesures optiques de tissus pulmonaires de souris ont été obtenus avec les mêmes méthodes décrits dans les étapes de 1,4 à 1,5. Utilisation des animaux a été approuvée par l’animalier institutionnel et utilisation Comité (IACUC) à Texas A & M University. Un rapport approprié de TiO2 à l’encre de Chine a été trouvé pour les deux en bonne santé et une inflammation du tissu pulmonaire murin pour lumière de longueur d’onde 535 nm (tableau 5).

Recettes pour matériaux avec différentes propriétés optiques sont indiqués dans les tableaux 1-4 et graphiquement dans les Figures 2-3. La dépendance de l’absorption et de diffusion sur la concentration de particules sont résumées dans la Figure 4. Tendances du coefficient d’absorption et le coefficient de dispersion réduite pour les fantômes avec une concentration constante de TiO2 (particule de diffusion) (Figure 4A, 4 b) et une concentration constante d’encre (absorption de particules ) (Figure 4C, 4D) montrent la relation entre les propriétés optiques de deux particules. Afin de garantir la reproductibilité de ces propriétés optiques, technique de mélange appropriée doit être utilisée. Décantation et ribboning de TiO2 particules provoque un changement dans le coefficient de diffusion du fantôme durci (Figure 5). L’encre de Chine le récipient à mélanger la coloration permettra également de réduire le coefficient d’absorption.

Les fantômes pulmonaires ont été conçus en utilisant une structure fractale de l’arborescence pour le vide interne (Figure 1C). La structure 3D imprimée doit être vapeur poli pour créer une surface interne lisse à l’intérieur de la phantom (Figure 1E). La figure 6 montre une comparaison de la diffusion d’un fantôme qui n’était pas dégazé sous la lumière ou vapeur poli (Figure 6A, C), et un fantôme qui avait une vapeur poli partie interne et a dégazé (Figure 6B, 6D). Les fantômes ont été photographiés en utilisant l’illumination d’une source de lumière blanche externe (Figure 6A, 6 b) et avec une source interne microendoscope 535 nm (Figure 6C, 6D). Vapeur de polissage et de dégazage minimiser la présence des diffuseurs non-reproductibles, y compris la rugosité de surface (Figure 6C, encadré 2) et de bulles (Figure 6C, encadré 1). Dégazage est particulièrement important, car l’air bulle emplacement est aléatoire et imprévisible. En outre, air bulles sont activées une fois TiO2 particules sont incorporés (non illustré dans la Figure 6), rendant le fantôme optiquement opaque. Par conséquent, bulles invisibles peuvent nuire à représentation du matériau fantôme des propriétés optiques des tissus.

La partie imprimée 3D vapeur-poli a été mesurée avec étriers à la base et les branches distales et dimensions sont comparées au modèle solid 3D au tableau 6. Après fabrication du polymère fantôme, le fantôme a été photographié à l’aide d’un système d’imagerie micro-CT (3 de matériel supplémentaire). À l’aide de l’ensemble de données 3D, dimensions du vide dans les branches des base et distales interne ont été mesurées pour comparaison (tableau 6). L’arbre poli de vapeur est légèrement plus petit à la base car le lissage de la surface par les vapeurs d’acétone provoque la surface du plastique à couler. Avec la partie imprimée 3D suspendue par la base, la surface s’écoule vers les branches distales, provoquant un petit changement dans la dimension de la partie. Il y a un compromis entre la surface lisse et de maintenir la taille de la partie. Un polonais de vapeur plus long se traduira par une surface plus lisse, mais provoquera plus de matière à s’écouler, résultant en des dimensions altérées.

Fantômes ont été projetés dans in vivo d’imagerie système doté d’un port d’accès pour l’insertion d’un faisceau de fibres microendoscope (Figure 7). Le microendoscope a été placé dans le vide dans les fantômes dont la partie imprimée avait été dissoute. Le microendoscope a été utilisée pour l’éclairage intérieur à 535 nm et la voie d’illumination IVIS a été bloqué. Le placement de la microendoscope est indiqué dans la Figure 7A. L’IVIS a été utilisé pour la collection externe du signal. Fantômes imagés avaient la même structure interne que ceux imagé à la Figure 3. Avec des structures internes identiques et dimensions extérieures, la différence de propriétés optiques entre le poumon sain (Figure 7A) et le tissu de poumon infecté (Figure 7B) est apparente dans l’irradiance de surface de la fantômes. Comme ces fantômes soutiennent une réponse appropriée à un changement dans les propriétés optiques, ce procédé de fabrication fantôme peut être appliqué pour les fantômes utilisés dans les études d’éclairage intérieur.

Figure 1
Figure 1 : Schéma du procédé de fabrication du tissu optique fantôme. (A) déterminer recette optimale pour cibler des propriétés optiques des tissus d’intérêt. (B) vérifier la recette. (C) conception de structure interne. (D) imprimer la structure interne à l’aide de matériaux soluble. (E) vapeur polonaise partie imprimée à surface lisse. (F) mélange de polymère et particules optiques et versez dans le moule résistant à la chaleur. (G) Degas et cure polydiméthylsiloxane (PDMS). (H) dissoudre la partie imprimée pour créer le vide intérieur. (I) vérifier la géométrie fantôme et les propriétés optiques. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Tendances de coefficient d’absorption de l’encre de Chine et TiO2 concentration. Les coefficients d’absorption sont indiqués pour une plage de l’encre de Chine et dioxyde de titane des concentrations à 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)et 775 nm (D). L’absorption est faible pour les faibles concentrations pour les deux particules et augmente en général avec des concentrations de chaque particules. Un plateau est atteint entre 5 – 7,5 µL encre / mL PDMS. Le taux d’augmentation dépend de la concentration de l’autre particule et la longueur d’onde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Tendances en coefficient de dispersion réduite pour l’encre de Chine et TiO2 concentration. Coefficients de diffusion réduite sont indiquées pour une concentration de gamme de l’encre de Chine et dioxyde de titane à 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)et 775 nm (D). Le coefficient de diffusion réduite est faible pour les faibles concentrations pour les deux particules et augmente en général avec les concentrations de chacun. Comme l’absorption, le taux d’augmentation dépend de la concentration de l’autre particule et la longueur d’onde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Interdépendance des propriétés optiques sur l’encre de Chine et TiO2 concentration. Les coefficients d’absorption et diffusion réduite coefficients sont indiqués pour les recettes avec une concentration constante de2 TiO de 1 mg/mL PDMS (A, B) et l’Inde constante d’encre concentration de 5 µL/mL PDMS (C, D). Panneau (B) montre que le coefficient de diffusion va changer avec une concentration de2 TiO constante lorsque la concentration de l’encre de Chine est variée et panneau (C) montre que ce coefficient d’absorption va changer pour une constante de la concentration de l’encre de Chine Quand TiO2 est modifiée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5: effets sur la dispersion des optiques de mélange. Mauvais mélange du polymère non polymérisée et particules optiques peut entraîner un changement dans les propriétés optiques. Le fantôme mal mixte représenté sur cette figure montre décantation des particules de2 TiO avant durcissement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Fantômes des voies aériennes représentant avec matériel de coefficient de diffusion faible pour illustrer la fabrication réussie et sous-optimaux. Vapeur de polissage et de dégazage est des étapes intégrale en produisant un fantôme qui a des éléments de diffusion non caractérisé un minimum. (A-B) Blanc légers images fantômes sans vapeur de polissage et de dégazage (A) et à vapeur de polissage et de dégazage b. (C-D) Fantômes de A-B sont allumées à 535 nm. Encarts de (C) sont présentés pour illustrer les effets de la diffusion de bulles d’air) 1 et 2) une surface rugueuse d’impression 3D. Rendu (E) d’une simulation optique basée sur l’ordinateur aided design (CAD) modèle utilisé pour la fabrication de fantôme. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : Imaging de fantômes avec éclairage intérieur. Une simulation par ordinateur du fantôme (A) montre l’orientation du placement interne de géométrie et la source (étoile jaune) pour les images fantômes en panneaux (C) et (D). A segmenté micro-tomodensitométrie du tissu pulmonaire sain fantôme (B) confirme la structure interne est présente dans le fantôme optiquement opaque. La voie aérienne simulée est utilisée comme une voie pour l’endoscope pour l’éclairage intérieur des fantômes optiques à une longueur d’onde de 535 nm. Les deux fantômes imagés avec éclairage intérieur sont identiques dans la forme externe et structure interne, avec matériel propriétés optiques optimisées pour sain (C) et inflammation du tissu pulmonaire (D) . Toutes les images et les rendus sont sur la même échelle. Echelle = 1 cm (groupe C). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Table 1
Tableau 1 : Table de correspondance pour 488 nm.

Table 2
Tableau 2 : Table de correspondance pour 535 nm.

Table 3
Tableau 3 : Table de correspondance pour 632 nm.

Table 4
Tableau 4 : Table de correspondance pour 775 nm.

Coefficient d’absorption (cm-1) Réduit la diffusion Coefficient (cm-1)
Tissus pulmonaires sains souris 2,05 ± 0,58 52.69 ± 7.83
Fantôme en bonne santé
(mg 2 TiO2 + 3,5 µL d’encre)		 ± 1,96 0,699 49.66 ±.12
Tissu de souris inflammation pulmonaire 5.49 ± 1,32 38.94 ± 9,68
Phantom enflammée
(mg 1 TiO2 + 10 µL d’encre)		 ± 4,34 0,873 39.56 ± 5.02

Tableau 5 : Mesuré les propriétés optiques des recettes fantômes correspondent aux propriétés optiques mesurées du tissu pulmonaire des souris saines et enflammée à 535 nm.

Diamètre de la base (mm) Diamètre des branches distales (mm)
Modèle solide 2.7 1.38
Vapor poli impression 2,56 ± 0,026 1.38 ± 0,141
Moule PDMS (mesurée du CT) 2.55 ± 0,021 1.39± 0,055

Tableau 6 : Vérification de la structure interne de la phantom.

Supplemental Material 1
Supplémentaire 1 matériel : fichier d’entrée exemple SAI. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

Supplemental Material 2
2 de matériel supplémentaire : modèle solide des voies aériennes de l’arbre Fractal. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

Supplemental Material 3
Supplémentaire 3 Matériel : Micro-CT mouche-à travers des tissus pulmonaires de modélisation fantôme des souris en bonne santé. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

Supplemental Material 4
4 de matériel supplémentaire : vidéo de tournantes segmenté micro-dentascanner. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Nous avons démontré une méthode pour créer des fantômes optiques afin de représenter un poumon murin avec une structure de ramification interne pour simuler l’interface air-tissu interne. Les propriétés optiques du tissu pulmonaire murin sont obtenues en incorporant des concentrations uniques de diffusion optiquement et d’absorber les particules distribuées homogène au sein du polymère de matrice en vrac. Ces propriétés optiques peuvent être ajustées pour imiter les valeurs physiologiques au sein des différentes gammes spectrales des tissus dans différents États (c'est-à-dire en bonne santé par rapport aux tissus malades). Les propriétés optiques dépendent de la longueur d’onde d’intérêt, le matériau de base et les concentrations des particules dans le fantôme. Cependant, avec plusieurs particules, la relation entre l’absorption et de diffusion n’est pas toujours intuitive41. Le taux d’augmentation de l’absorption dépend de la concentration de la particule de diffusion ainsi que les particules absorbantes et de même pour le taux d’augmentation du coefficient de diffusion réduite. (Figures 2-4). Fantômes PDMS montrent également à maintenir leurs propriétés optiques pour jusqu'à 1 année27,28. Nous avons mesuré une 3 semaines stabilité des propriétés optiques dans l’erreur de nos mesures de sphère intégratrice (< 15 %). Stockage de ces fantômes et les normes dans un conteneur étanche à la lumière peut aider à préserver leurs propriétés optiques pour des périodes plus longues.

Vapor polir la partie soluble imprimée permet une surface lisse reproductible sur l’interface air interne du fantôme (Figure 6). Pour la géométrie fractale ci-contre, la structure interne de polissage cédé une diminution de la rugosité de surface moyenne de PDMS moulé de 37,4 µm à 7.2 µm. Ceci est extrêmement important si le fantôme est utilisé pour la validation d’une simulation optique parce qu’une surface rugueuse est beaucoup plus difficile de simuler avec précision qu’une surface lisse et uniforme (Figure 6E). Dégazage est également très important dû au fait que bulles dans le fantôme PDMS agissent comme des diffuseurs optiques (Figure 6C, encadré 1). Emplacement de la bulle n’est pas prévisible à reproduire dans une simulation et pourrait fausser les résultats si le fantôme est utilisé comme un étalon.

Après vérification auprès de micro-CT, une petite quantité de matières résiduelles a été trouvée dans le vide des voies aériennes (3 de matériel supplémentaire). En outre, une segmentation de ce même scanner révèle une bulle d’air petit à côté de la structure de ramification (4 de matériel supplémentaire). Au cours de la fabrication, fantômes transparents a donné une dissolution complète du matériau de la structure interne et aucune bulle d’air dans la matrice polymère. Vérification avec micro-CT a montré que les fantômes optiquement opaques peuvent contenir des petits défauts, autrement invisibles.

Mélanger correctement les particules optiques avec le polymère non polymérisé est impératif pour assurer la diffusion et l’absorption optique reproductible et prévisible. Un changement dans le coefficient de diffusion réduite causé par un mélange pauvre est illustré dans la Figure 5. Avant de verser le polymère dans le moule, assurez-vous il n’y a aucune preuve de TiO2 particules décantation ou « ribboning » dans le mélange et aucune trace de coloration le récipient à mélanger l’encre de Chine. Ajouter les particules dans l’ordre recommandé doit minimiser ces problèmes.

La conception de ces fantômes est limitée par la partie imprimée en 3D. La voie aérienne simulée est conçue pour que le matériau de support peut être fouillait off, car il n’est pas soluble. Cela peut être surmonté en déplaçant vers une imprimante plus avancée qui peuvent soit imprimés avec une solubilité variable, ou une imprimante de frittage laser, qui ne supporte pas besoin de matériel. Il est également important de noter que le poumon est intrinsèquement un organe très poreux à cause des voies aériennes distales et les alvéoles. Alors que qui n’est pas représentée dans ce fantôme, les effets optiques des structures similaires ont été observés à l’aide d’un radeau de bulle de Bragg-Nye pour tomographie par cohérence optique21bulles d’air dans l’huile d’olive42et de crème à raser ou de détergent à vaisselle pour résonance magnétique nucléaire imagerie43. Création des mousses polymères présentant des caractéristiques reproductibles peut être en mesure de concilier cette différence entre les fantômes solides présentées ici et la microstructure de poumon44.

La forme du fantôme final peut également être personnalisée en fonction de l’application. Le fantôme rectangulaire illustré ici a été photographié avec éclairage intérieur et utilisé pour la validation d’un modèle de calcul des poumons sains et infectés (Figure 7). Cette conception peut être mis à jour plus loin pour représenter le tronc cylindrique de la souris en changeant simplement la conception du moule externe polymère.

Alors que nous avons ici la conception détaillée d’un poumon murin et le fantôme des voies aériennes, ces méthodes peuvent être modifiés pour s’adapter à des organes ou des animaux d’intérêt. La structure interne peut être convertie en une voie de circulation pour fantômes vasculaires, ou peut être utilisée comme un casting pour une structure interne complexe aux propriétés optiques uniques. La forme globale du fantôme peut aussi être Assemblée à la demande, animal ou organe d’intérêt. Impression 3D des structures internes et de moules polymère donne la liberté pour le processus de conception de fantômes optiques polymères structurés. Ce sont des outils intégrale dans la validation de la simulation et l’étalonnage des techniques d’imagerie optique in vivo , parce qu’ils peuvent représenter plus fidèlement l’environnement in vivo que homogènes fantômes simples ou multicouches.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation carrière prix no. EFAC-1254767 et Institut National des allergies et maladies infectieuses grant no. R01 AI104960. Nous remercions Patrick Griffin et Dan Tran pour leur aide avec les mensurations de la caractérisation et la Texas A & M laboratoire de pathologie cardiovasculaire d’imagerie micro-CT.

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

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Bio-ingénierie numéro 132 tissu simulant des fantômes imagerie optique étalon assurance qualité validation des modèles informatiques impression 3D
Fabrication et caractérisation des fantômes de tissu optique contenant la Macrostructure
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Durkee, M. S., Nash, L. D.,… More

Durkee, M. S., Nash, L. D., Nooshabadi, F., Cirillo, J. D., Maitland, D. J., Maitland, K. C. Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure. J. Vis. Exp. (132), e57031, doi:10.3791/57031 (2018).

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