Fantasmi di tessuto ottico sono strumenti essenziali per la calibrazione e la caratterizzazione di sistemi di imaging ottici e validazione di modelli teorici. Questo articolo descrive in dettaglio un metodo per la fabbricazione di fantasma che include la replica delle proprietà ottiche del tessuto e la struttura tridimensionale del tessuto.
Il rapido sviluppo di nuove tecniche di imaging ottici dipende dalla disponibilità di standard di basso costo, personalizzabile e facilmente riproducibili. Replicando l’ambiente di imaging, costosi esperimenti sugli animali per convalidare una tecnica possono essere elusa. Previsione e ottimizzazione delle prestazioni di in vivo ed ex vivo , tecniche di imaging richiede test su campioni che sono otticamente simili ai tessuti di interesse. Che imita il tessuto ottici fantasmi forniscono uno standard per la valutazione, la caratterizzazione o la taratura di un sistema ottico. Fantasmi di tessuto ottico omogeneo polimero sono ampiamente utilizzati per simulare le proprietà ottiche di un tipo di tessuto specifico all’interno di una gamma spettrale stretta. Tessuti a più livelli, come l’epidermide e il derma, possono essere imitati impilando semplicemente questi fantasmi lastra omogenea. Tuttavia, molte tecniche in vivo imaging vengono applicate al tessuto più spazialmente complesso, dove tre strutture dimensionali, come vasi sanguigni, vie respiratorie o i difetti del tessuto, possono influire sulle prestazioni del sistema di imaging.
Questo protocollo descrive la realizzazione di un fantasma che imita il tessuto che incorpora la complessità strutturale tridimensionale utilizzando materiale con proprietà ottiche del tessuto. Tabelle di ricerca forniscono ricette inchiostro di India e biossido di titanio per assorbimento ottico e obiettivi di scattering. Vengono descritti metodi per caratterizzare e sintonizzare le proprietà ottiche dei materiali. Il fantasma fabbricazione dettagliata in questo articolo ha un interno vuoto ramificazione di finto delle vie respiratorie; Tuttavia, la tecnica può essere applicata in linea di massima ad altre strutture di tessuto o organo.
Fantasmi di tessuto sono ampiamente utilizzati per la caratterizzazione del sistema e calibrazione di strumenti ottici di imaging e spettroscopia, compresi i sistemi di multimodalità incorporando ultrasuono o modalità nucleare1,2,3 ,4. Fantasmi forniscono un ambiente controllato ottico per la caratterizzazione del sistema e controllo di qualità di più tecniche di imaging biologiche. Fantasmi che imita il tessuto sono strumenti utili per prevedere le prestazioni del sistema e ottimizzare la progettazione di sistema per l’attività fisiologica a portata di mano; ad esempio, per stimare la profondità di sondaggio di sonde spettroscopiche per la valutazione del tumore margini5. Proprietà ottiche e progettazione strutturale dei fantasmi può essere sintonizzati per simulare l’ambiente fisiologico specifico in cui l’apparecchio viene utilizzato, consentendo quindi per studi di fattibilità e la verifica del sistema prestazioni3, 6,7. Verifica delle prestazioni del sistema con ottici realistici fantasmi prima di entrare in studi preclinici o clinici di imaging riduce il rischio di malfunzionamento o l’acquisizione di dati inutilizzabili durante gli studi in vivo . La riproducibilità e la stabilità dei fantasmi ottici li rendono gli standard di calibrazione personalizzabile per tecniche ottiche monitorare la variabilità da intra – e inter – strumentale, in particolare nei trials clinici multicentrici con diversi strumenti, operatori e condizioni ambientali8,9.
Fantasmi che imita il tessuto anche servono come modelli fisici sintonizzabile e riproducibile per la validazione dei modelli teorici di ottici. Simulazioni di aiuto nella progettazione e ottimizzazione di in vivo strumenti ottici, riducendo la necessità per esperimenti sugli animali10,11. Lo sviluppo e la validazione delle simulazioni ottiche per rappresentare accuratamente l’ambiente in vivo può essere ostacolati dalla complessità della struttura del tessuto, il contenuto biochimico e la posizione della destinazione o del tessuto all’interno del corpo. Variabilità tra i soggetti rende la validazione di modelli teorici impegnativo utilizzando misurazioni animale o umane. Fantasmi di polimero tessuto ottico consentono per la validazione dei modelli teorici fornendo un ambiente ottico noto e riproducibile in cui studiare fotone migrazione12,13,14,15.
Ai fini della calibrazione del sistema, solidi ottici fantasmi possono consistere di una singola lastra omogenea di polimero polimerizzato con la dispersione ottica, assorbimento o fluorescenza sintonizzato per le lunghezze d’onda di interesse. A strati di polimero fantasmi sono usati frequentemente per imitare la varianza di profondità delle proprietà ottiche del tessuto in tessuto epiteliale modelli16,17. Queste strutture fantasma sono sufficienti per imaging epiteliale e modellazione, perché la struttura del tessuto è abbastanza omogenea attraverso ogni livello. Tuttavia, più grande scala e strutture più complesse influenzano trasporto radiativo in altri organi. Metodi per creare fantasmi più complessi sono stati sviluppati per simulare l’ambiente ottico di vasi sanguigni sottocutanei18,19 e anche di interi organi, quali la vescica20. Trasporto leggero nei polmoni di modellazione fornisce un unico problema dovuto la struttura ad albero dell’interfaccia aria-tessuto; un fantasma solido non sarebbe probabilmente replicare accuratamente trasporto radiativo nell’organo21. Per descrivere un metodo per incorporare la struttura complessa in un’ottico fantasma, descriviamo un metodo per creare un albero di frattalo interna, riproducibile Sub che rappresenta la struttura macroscopica di tridimensionale (3D) delle vie respiratorie (Figura 1).
Negli ultimi decenni, la stampa 3D è diventata un metodo predominante per la prototipazione rapida di dispositivi medici e modelli22, e fantasmi di tessuto ottico non fanno eccezione. Stampa 3D è stata utilizzata come strumento di produzione di additivi per la realizzazione di ottici fantasmi con canali23, vaso sanguigno reti24e modelli animali piccolo corpo intero25. Questi metodi utilizzano uno o due stampa materiali con proprietà ottiche uniche. Inoltre sono stati sviluppati metodi per ottimizzare le proprietà ottiche del materiale stampa per imitare tessuti biologici generali, torbido25,26. Tuttavia, la gamma di proprietà ottiche ottenibili sono limitate dal materiale stampa, solitamente un polimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)26, quindi questo metodo non è adatto a tutti i tessuti biologici. Polidimetilsilossano (PDMS) è un polimero otticamente chiaro che può essere facilmente miscelato con scattering e assorbimento di particelle con un livello superiore di accordabilità27,28. PDMS è stato utilizzato anche per modellare fantasmi con modelli di aneurisma per la distribuzione di dispositivi embolic29,30. Questi fantasmi anche utilizzano una parte stampata 3D dissolvable, ma rimangono otticamente trasparente per visualizzare la distribuzione di dispositivi. Qui, uniamo questo metodo accordabilità delle proprietà ottiche di PDMS con scattering e assorbimento di particelle per fabbricare un modello preliminare del tessuto e vie aeree del polmone murino.
Mentre il fantasma qui presentato è specifico per i polmoni, il processo può essere applicato ad una varietà di altri organi. Stampa 3D della struttura interna del phantom permette la progettazione essere personalizzabile per qualsiasi scopo e stampabile scala, si tratti di un sangue o linfa vaso rete, midollo osseo o anche la struttura chambered quattro del cuore31. Perché siamo interessati a imaging ottico e modellazione del polmone32,33,34, abbiamo optato per utilizzare un albero di quattro-generazione frattale come la struttura interna di replicare all’interno del polimero fantasma. Questa struttura è stata progettata per approssimare la struttura ad albero delle vie respiratorie e hanno materiale di supporto break-away per il processo di stampa 3D. Lle vie respiratorie più anatomicamente corretta potrebbe essere stampato se fuga supporto materiale non è necessario. Anche se questo particolare modello rappresenta una via aerea, la struttura interna del fantasma non deve rimanere un materiale vuoto. Una volta che il polimero circostante è guarito e la parte stampata in 3D è sciolto, la struttura interna può essere utilizzata come un percorso di flusso o come uno stampo secondario per un materiale con le proprie unica assorbimento e scattering caratteristiche. Ad esempio, se la struttura interna da questo protocollo è stata progettata come un osso digitale anziché lle vie respiratorie, la struttura dell’osso potrebbe essere 3D stampato, modellato con PDMS con proprietà ottiche del dito e poi sciolto fuori il fantasma. Il vuoto potrebbe quindi essere riempito con una miscela PDMS con differenti proprietà ottiche. Inoltre, ogni stampo non è limitato a una singola parte solubile. Un fantasma del dito può essere creato per includere ossa, vene, arterie e uno strato di tessuto molle generale, ognuno con le sue proprietà ottiche uniche.
Abbiamo dimostrato un metodo per la creazione di fantasmi ottici per rappresentare un polmone murino con una struttura interna di ramificazione per simulare l’interfaccia aria-tessuto interno. Le proprietà ottiche del tessuto polmonare murina sono ottenute integrando uniche concentrazioni di otticamente dispersione e assorbire particelle distribuite omogeneamente all’interno del polimero di matrice di massa. Queste proprietà ottiche può essere sintonizzata per simulare i valori fisiologici all’interno di diversi campi…
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation carriera premio no. CBET-1254767 e Istituto nazionale di allergie e malattie infettive concedere no. AI104960 R01. Noi riconosciamo con gratitudine Patrick Griffin e Dan Tran per la loro assistenza con misure di caratterizzazione e la Texas A & M laboratorio di patologia cardiovascolare per micro-CT imaging.
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