Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Fabrikasjon og karakterisering av optisk vev Phantoms som inneholder 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

Optisk vev fantomer er viktige verktøy for skjermkalibrering og karakterisering av optisk imaging-systemer og validering av teoretiske modeller. Denne artikkelen viser en metode for phantom fabrikasjon som inkluderer replikering av vev optiske egenskaper og tredimensjonale vevet struktur.

Abstract

Den raske utviklingen av nye optisk tenkelig teknikker er avhengig av rimelig, tilpasses og å reprodusere standarder. Ved å replikere tenkelig miljøet, kan kostbare dyreforsøk å validere en teknikk omgås. Forutsi og optimalisere ytelsen til i vivo og ex vivo imaging teknikker krever testing på prøver som optisk ligner vev rundt. Vev-mimicking optisk fantomer gir en standard for evaluering og karakterisering kalibrering av en optisk system. Homogen polymer optisk vev fantomer brukes til å etterligne den optiske egenskapene av en bestemt vev type innenfor et smalt spectral. Lagdelte vev, som overhuden og dermis, kan bli etterlignet av bare stabling disse homogen skive phantoms. Men brukes mange i vivo imaging teknikker mer romlig komplekse vev der tre-dimensjonale strukturer, som blodkar, luftveiene eller vev defekter, kan påvirke ytelsen til tenkelig systemet.

Denne protokollen beskriver fabrikasjon av et vev-mimicking fantom som omfatter tredimensjonale strukturelle kompleksitet materiale med optiske egenskaper av vev. Søketabeller gir India blekk og titandioksid oppskrifter for optisk absorpsjon og spredning mål. Metoder for å karakterisere og tune de optiske materialegenskaper er beskrevet. Phantom fabrikasjon beskrevet i denne artikkelen har en intern forgrening narr airway ugyldig; men kan teknikken grovt brukes andre vev eller organ strukturer.

Introduction

Vev fantomer brukes mye til systemet karakterisering og kalibrering av optisk tenkelig og spektroskopi instrumenter, inkludert Multimodalitet systemer omfatter ultralyd eller kjernefysiske modaliteter1,2,3 ,4. Fantomer gir et kontrollert optisk miljø for systemet karakterisering og kvalitetskontroll av flere biologiske Bildeteknikker. Vev-mimicking fantomer er nyttige verktøy i forutsi systemytelse og optimalisere systemdesign for fysiologiske oppgaven; for eksempel marginer å forutsi prøvende dybden på spektroskopiske sonder for å vurdere svulst5. Optiske egenskaper og strukturelle utformingen av fantomer stilles for å etterligne det spesifikke fysiologiske miljøet der instrumentet vil bli brukt, derfor tillater både mulighetsstudie studier og verifisering av system ytelse3, 6,7. Verifisering av imaging system gjennomførelse med realistisk optisk fantomer før inn pre-klinisk eller kliniske forsøk reduserer risikoen for feil eller oppkjøp av ubrukelige data under i vivo studier. Reproduserbarhet og stabilitet av optisk fantomer gjør dem passelig kalibrering standarder for optisk teknikker for å overvåke intra - og inter - instrument variasjon, særlig i multicenter kliniske forsøk med instrumenter, operatorer og miljøforhold8,9.

Vev-mimicking fantomer også tjene som tunable og reproduserbar fysiske modeller for validering av teoretiske optisk modeller. Simuleringer hjelp i design og optimalisering av i vivo optiske instrumenter, mens redusere behovet for dyr eksperimenter10,11. Utvikling og validering av optisk simuleringer for nøyaktig representere i vivo miljøet kan være beheftet med kompleksiteten i vevet struktur, det biokjemiske innholdet og plasseringen av målet eller vev i kroppen. Variasjon mellom fag gjør validering av teoretiske modeller utfordrende bruker dyr eller human målinger. Polymer optisk vev fantomer kan validering av teoretiske modeller ved å levere en kjent og reproduserbar optisk miljø til å studere Foton, migrasjon,12,,13,,14,,15.

For systemet kalibrering, kan solid optisk fantomer bestå av en enkelt homogen skive av herdet polymer med optisk spredning, absorpsjon eller fluorescens innstilt for bølgelengder av interesse. Lagdelt polymer fantomer brukes ofte til å etterligne dybdevariasjonen for vev optiske egenskapene i epitel vev modeller16,17. Disse phantom strukturene er tilstrekkelig for epithelial imaging og modellering, fordi vev er ganske homogen gjennom hvert lag. Imidlertid påvirker større skala og mer komplekse strukturer strålingspådrivet transport i andre organer. Metoder for å skape mer komplekse fantomer er utviklet for å simulere optisk miljøet av subkutan blodkar18,19 og hele organer, som blæren20. Modell lys jernbane i lungene gir en enestående problem på grunn forgrening av luft-vevet grensesnittet; en solid phantom ville ikke sannsynlig replikere strålingspådriv transport i orgelet nøyaktig21. Som beskriver en metode for å innlemme kompleks struktur i en optisk phantom, beskriver vi en metode for å opprette et internt, reproduserbare fraktal tre ugyldige som representerer tredimensjonale (3D) makroskopisk strukturen i luftpassasjen (figur 1).

I de siste tiårene, 3D-utskrift blitt en dominerende metode for rask prototyping medisinsk utstyr og modeller22og optisk vev fantomer er intet unntak. 3D-utskrift er brukt som en additiv produksjon verktøy for fabrikasjon optisk fantomer kanaler23, blodkar nettverk24og hele kroppen liten dyremodeller25. Disse metodene bruke ett eller to utskrift materialer med unike optiske egenskaper. Metoder har også blitt utviklet for å finjustere den optiske egenskapene av utskrift å etterligne generelt, grumset biologisk vev25,26. Imidlertid området oppnåelig optiske egenskaper er begrenset av utskrift materiale, vanligvis en polymer som akrylonitril butadien styren (ABS)26, så denne metoden ikke er egnet for alle biologisk vev. Polydimethylsiloxane (PDMS) er en optisk klart polymer som lett kan blandes med spredning og absorberende partikler med høyere tunability27,28. PDMS er også brukt til å forme fantomer med aneurisme modeller for distribusjon av embolic enheter29,30. Disse phantoms også benytte en dissolvable 3D trykt del, men fortsatt optisk klar for å visualisere enheten distribusjon. Her kombinerer vi denne metoden med tunability av den optiske egenskapene av PDMS med spredning og absorbere partikler til å dikte opp en foreløpig modell av vev og luftveiene murine lungene.

Phantom presenteres her er spesifikke for lungene, kan prosessen brukes til en rekke andre organer. 3D-utskrift av den interne strukturen av phantom lar design kunne tilpasses for ethvert formål og utskrivbar skala, enten det er en blod eller lymfe fartøy nettverk, benmarg eller enda fire kamret strukturen i hjertet31. Fordi vi er interessert i optisk tenkelig og modellering av lunge32,33,34, har vi valgt for å bruke en fire-generasjons fraktal-tree som den interne strukturen for å gjenskape i polymer phantom. Denne strukturen ble designet omtrentlig strukturen forgrening av luftveiene og har utbrytbare støtte materiale for 3D utskriften. En mer anatomisk airway kan skrives ut hvis utbrytbare støtte materiale ikke er nødvendig. Selv om denne modellen representerer en luftveisinfeksjon, har ikke den indre strukturen av phantom forblir et materiale tomrom. Når den omkringliggende polymer er herdet og delen for 3D utskriften er oppløst, kan den interne strukturen brukes som en flyt sti eller en sekundær form for et materiale med sin egen unike absorpsjon og spredning egenskaper. For eksempel hvis den interne strukturen fra denne protokollen ble utformet som en digital bein i stedet for en luftveier, være bein strukturen 3D trykt, støpt med PDMS med optiske egenskaper av fingeren, og deretter oppløst av phantom. Tomrommet kan deretter bli fylt med en PDMS blanding med ulike optiske egenskaper. I tillegg er hver mold ikke begrenset til én dissolvable del. En fantom av fingeren kan opprettes med bein, vener, arterier og en generell bløtvev lag, hver med sin egen unike optiske egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. valg og verifisering av Matrix materialegenskaper

  1. Før phantom fabrikasjon prosessen (figur 1), finne absorpsjon og redusert spredning koeffisientene for biologisk vev av interesse på tenkelig wavelength(s). Foreløpige beregninger kan finnes i referanser35,36. Validering av optisk koeffisientene kan imidlertid være nødvendig.
  2. Bruke oppslagstabeller for absorpsjon koeffisienten µenog redusert spredning koeffisienten, μs' for 488, 535, 632 og 775 nm bølgelengder (tabeller 1-4 og tall 2–3), Velg konsentrasjonen av blekk og titandioksid (TiO2) som omtrentlig de optiske egenskapene. Disse oppskriftene er spesifikke for fantomer fremstille med PDMS. Som disse tabellene inneholder eksperimentelle data på atskilte bølgelengder, kan det hende at optimalisering av oppskriften må for det bestemte programmet.
  3. Dikte en polydimethylsiloxane (PDMS) skive av valgte oppskriften for bekreftelse av optiske egenskaper.
    1. Bruke en 10:1-forhold i vekt PDMS harpiks til herding agent, hell ingredienser i det blande cup i følgende rekkefølge: PDMS harpiks, TiO2, tusj, PDMS herding agent.
      Merk: Her, vi teste to oppskrifter: 1) 2 mg TiO2 + 3,5 µL tusj per g PDMS og 2) 1 mg TiO2 + 10 µL tusj per g PDMS. For hver oppskrift brukes 4.5 g PDMS harpiks og 0,45 g PDMS herding agent med tilsvarende beløp av optisk partikler.
    2. Bland i en fart mikser (se Tabell for materiale) for 60 s. Hvis TiO2 partikler holder deg til miksing kopp (sannsynlig med høye konsentrasjoner av TiO2), bland for hånd for å fjerne partikler fra bunnen av koppen og bland i mikseren for en annen 30 s.
    3. Hell blandingen i brønner eller Petri retter å tynne (0,1-1 mm) plater av blandingen.
    4. Degas plater for 10 min ved å plassere dem i en lufttett negative trykkammer, og sett i en forvarmet ovn ved 80 ° C i 30-60 min. Fjern fra ovnen og la avkjøles.
    5. Fjern avkjølt polymer skive fra beholderen. Klippe av kantene å forlate en flat, jevn skive. Måle tykkelsen av skive med calipers.
  4. Måle lystransmisjon (T) og refleksjon (R) av slab(s) med en integrert sfære. Flere detaljer og instruksjoner finnes i Inverse legge dobling (IAD) manuell37.
    1. Slå på lyskilde og spectrometer av integrere sfære. Kontroller justeringen av system å sikre en liten, collimated strålen er sentrert på inn- og utreise portene integrere sfære.
    2. Kalibrere integrere sfære systemet.
      1. Slå av kilden, cap Avslutt porten integrere sfære, og spille inn tre mørke spectra.
      2. Slå kilden på å få overføring referansen med Avslutt porten avkortet og inngangen porten tom. Registrere tre spectra.
      3. Få refleksjon referanse mål med refleksjon standard(s). Plass hver standard på exit port sfære. Registrere tre spectra for hver refleksjon standard.
    3. Måle Transmisjon av skive. Med cap på exit-porten, plassere hellen på ankomststed integrere sfæren for overføring måling. Registrere tre spectra.
    4. Måle refleksjon av skive. Fjern Avslutt port hetten og plasser hellen på exit-porten for refleksjon måling. Registrere tre spectra.
  5. Fastsette optiske egenskaper med IAD programvare. En full tutorial på programvare finnes i IAD håndboken med programvare nedlasting37,38.
    1. Gjennomsnittet til tre spectra ervervet for hver måling.
    2. Bruker ligningene IAD manuell37, konvertere disse målingene til R og T. Eventuelt komprimere filene ved å redusere samplingsfrekvensen langs spekteret.
    3. Forberede input .rxt filen (supplerende materiale 1) IAD bølgelengder, refleksjon, transmisjon og eksempel tykkelse som beskrevet i IAD manuell37. Bruke ledeteksten (Windows OS) eller terminal (Mac OS), gå til den riktige banen. Skriv inn "iad ' inn filnavn'" å kjøre IAD. Programvaren vil produsere en utgang tekstfil med anslagsvis optiske egenskaper.
  6. Hvis den optiske egenskapene ikke er innenfor et akseptabelt område (~ 15%) av ønskede verdier, endre oppskriften, og gjenta trinn 1.3-1.5.

2. forberedelse av Dissolvable 3D trykt intern struktur

  1. Design intern struktur benytter computer aided design (CAD) programvare. Konvertere struktur heldekkende modell i en stereolitografi-fil for fabrikasjon på en 3D-skriver. Hvis tilgjengelig, en segmentert CT avsøke kan også konverteres til en stereolitografi-fil i stedet for å tegne en solid modell av den interne strukturen.
    Merk: CAD-filen for fraktal trestrukturen her er gitt i supplerende materiale 2. Skriveren brukes i dette papiret er en extruding-skriver, så delen var beregnet på har utbrytbare støtte materiale.
  2. Velg en dissolvable materiale for utskrift, som poly-vinyl alkohol (PVA) eller høy effekt polystyren (HIPS) (se Tabell for materiale). Skrive ut den heldekkende modellen i denne dissolvable materiale.
  3. Når trykte deler er tilstrekkelig avkjølt, bryte, løses eller maskinen støtte materialet på den utskrevne delen. Filen eller sand av noen store feil.
  4. Damp polske delen trykte å redusere overflateruhet.
    1. Med den utskrevne delen sikret i en skruestikke, bore gjennom hull med Lagersalg for en tynn stål eller nitinol wire i bunnen av den utskrevne delen.
    2. Tråden en rustfritt stål eller nitinol wire gjennom hullet. Bend endene av wire og koble sammen. Dette vil tillate delen som være fullstendig nedsenket i aceton damp i begeret. Sette wire og en del av.
    3. Fylle et stort beaker omtrent 10% full av aceton. Plasser kanne på en varm plate mens oppvarming til 100 ° C. FORSIKTIG: Utføre dette trinnet i avtrekksvifte å unngå innånding av aceton damp.
    4. Når aceton damp kondens når om halvveis opp veggen av begeret, henge løkker ledningen med uekte luftveiene på en andre wire eller avbryte aceton damp for 15 – 30 s. Kontroller trykt deler ikke røre begeret vegger eller hverandre (hvis damp polering flere deler på en gang).
    5. Fjern utskrevne del og suspendere tom beaker eller beholderen. La del tørke i minst 4 timer.
  5. Kontroller den interne strukturen er innenfor toleransen til CAD design, etter behov. Avhengig av nøyaktighet krav, kan markører eller en 3D laser skanneren brukes til å måle strukturen.

3. bygging av varmebestandig Mold

Merk: Forberede en lekkasjesikker, varmebestandig mold å danne PDMS phantom. Velg en mold geometri slik at den passer den endelige phantom utformingen. Her beskrives en gjenbrukbare rektangulær form.

  1. Utforme en heldekkende modell base av mold å 3D utskrift. Dette mugg er utformet for en fantom en base 1,17 cm x 1,79 cm. Bunnen av mold har 1 mm tykk og 5 mm dyp fordypningen med indre dimensjoner matchende bunnen av phantom. Dette gjør mold å sidings fjernes og mold å demonteres og brukes på nytt.
  2. Skrive ut en base for mold med en innsats av tilstrekkelig bredde å sikre sidings av mold.
  3. Plasser sidings i fordypningene av mold base. 1 mm tykk polykarbonat ark brukes her som mold sidings.
  4. Bruker varmebestandig tape, forsegle kantene av mold. Det er viktig at alle hjørner og kanter er tilstrekkelig forseglet med ingen bobler i båndet til hindre alle lekkasje under forming prosessen.
  5. Plass en polykarbonat bunnplate i mold tilberedt i trinn 3.4. Denne platen er samme 1 mm tykk polykarbonat ark som mold fasader og gir phantom basen en jevn overflate uten råhet av 3D trykte overflaten av mold base. Lim helt tørket damp polert del av platen. Gi tilstrekkelig tid for lim tørke.

4. fabrikasjon av Polymer Phantom

Merk: Bruk bekreftet oppskriften for bulk matrix materialet i trinn 1 for det bestemte programmet. Protokollen her viser hvordan en sunn murine lungevev phantom på 535 nm μs' 40 cm-1 og µen av 2 cm-1. Det kan være nyttig å dikte opp en andre phantom med ingen optisk partikler til bruk som referanse i fabrikasjon prosessen.

  1. Hell 9.1 g PDMS harpiks i en plastkopp miksing. Legge til 20 mg av Rutil TiO2, etterfulgt av 35 µl av blekk. Til slutt Legg 0.91 g herding agent til toppen av blandingen. Følg blanding protokollen i trinn 1.3.2.
  2. Hell siste polymer blandingen i varmebestandig mold.
  3. Hell litt blandingen i en egen beholder med å opprette en polymer skive for bekreftelse av optisk materialegenskaper. Sikre nok polymer helles for å ha en skive av minst 100 µm tykkelse.
  4. Plassere både narr airway mold og egen skive i en bjelle krukke for avgassing. Starte vakuum prosessen. Hvis polymer i uekte airway mold begynner å stige, la luften tilbake i bell jar å sprekke boblene overflate, begynn å trekke luft igjen. Gjenta denne prosessen til polymer ikke stige betydelig. Dette vil ta mellom 5-10 min avhengig av hvor mye luft ble fanget under trinn 4.2. Når PDMS ikke lenger stiger, fortsette å degas for en annen 15 min.
  5. Etter avgassing, sakte la luften tilbake i kammeret. Fjerne både narr luftveiene phantom og polymer skive og plasser i nivå ovnen ved 80 ° C i 2 timer.
  6. Fjerne phantom og skive fra ovnen og la avkjøles i 20 min. Disassemble polymer mold med skalpell uten å kutte den kurert polymer. Fest bunnplate av uekte-airway basen.
  7. Plasser phantom i en oppvarmet (60 ° C) ~0.5 M natriumhydroksid (NaOH) base bad til den indre delen er fullstendig oppløst. En optisk klar referanse phantom kan hjelpe deg for å finne opp tiden for interne komponenten. Når intern struktur er oppløst, ta phantom ut av badet og la fullstendig tørke (~ 24 h) før du tar noen optisk målinger.

5. verifisering av Phantom fabrikasjon

  1. Kontroller phantom geometri høyoppløselig magnetisk resonans imaging (MRI) eller mikro-beregnet tomografi (CT) bildebehandling, om ønskelig. Disse metodene gir en 3D verifisering av interne strukturer i grumset materiale med aksial vedtak av < 400 µm39,40. Alternativt kan en optisk klar referanse phantom optisk avbildes for bekreftelse som den trykte delen er fullstendig oppløst og gjenværende void er riktig geometrien.
    Merk: Vi har bekreftet den interne geometrien av en optisk ugjennomsiktig phantom (2 mg TiO2 + 3,5 µl tusj) med mikro-CT på en Nordstjernen Imaging (NSI) X50. Phantom ble fotografert med 20 µm oppløsning i alle dimensjoner (tilleggsresultater materialer 3, 4).
  2. Kontroller optiske egenskaper av phantom polymer skive og integrere sfæren (beskrevet i trinnene 1.5-1.6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å demonstrere phantom fabrikasjon teknikk, musen lunge vev fantomer ble laget for å simulere målt optiske egenskaper av forbrukeravgift sunn og betent murine lungevev på 535 nm (tabell 5). Denne Bølgelengden av interesse er eksitasjon bølgelengde for tdTomato fluorescerende protein brukes i rekombinant reporter stammer av mykobakterier tidligere studier33. Optisk målinger av musen lungevev ble innhentet med samme metodene beskrevet i trinnene 1.4-1.5. Bruk av dyr ble godkjent av institusjonelle Animal Care og bruk Committee (IACUC) ved Texas A & M University. TiO2 tusj egnet forholdet fant både sunn og betent murine lungevev 535 nm wavelength lys (tabell 5).

Oppskrifter for materialer med forskjellige optiske egenskapene vises i tabellene 1-4 og grafisk tallene 2-3. Avhengigheten av absorpsjon og spredning på partikkel konsentrasjon oppsummeres i Figur 4. Trender i absorpsjon koeffisient og redusert spredning koeffisient for fantomer med en konstant konsentrasjon av TiO2 (spredning elementærpartikkel) (Figur 4A, 4B) og en konstant konsentrasjon av blekk (absorbere partikkel ) (Figur 4C, 4 D) viser forholdet mellom optiske egenskapene til begge partikler. For å sikre reproduserbarhet optiske egenskapene, brukes riktig blanding teknikk. Bosetting og ribboning av TiO2 partikler vil forårsake en endring i spredning koeffisient kurert phantom (figur 5). Tusj flekker beholderen blanding vil også redusere absorpsjon koeffisient.

Lunge phantoms var utformet med en fraktal trestruktur for interne tomrommet (figur 1C). 3D trykt strukturen må damp polert for å lage en glatt indre overflate inni phantom (figur 1E). Figur 6 viser en sammenligning av lys spredning fra et fantom som ikke var degassed eller damp polert (figur 6A, C) og et fantom som hadde en damp polert interne del og var degassed (figur 6B, 6 D). The phantoms var avbildet med belysning fra en ekstern hvitt lys kilde (figur 6A, 6B) og med en intern microendoscope på 535 nm (figur 6C, 6 D). Damp polering og avgassing minimere tilstedeværelsen av ved uforklarlige scatterers, inkludert overflateruhet (figur 6C, innfelt 2) og bobler (figur 6C, innfelt 1). Avgassing er spesielt viktig, fordi luft boble plasseringen er tilfeldig og uforutsigbar. Videre gjør luften boblene er skjult når TiO2 partikler er innlemmet (ikke vist i figur 6), phantom optisk ugjennomsiktig. Derfor undergrave usett bobler phantom materialet representasjon av vev optiske egenskaper.

Den damp-polert 3D trykt delen ble målt med calipers på basen og de distale grenene, og dimensjoner er sammenlignet med 3D-solid modellen i tabell 6. Etter fabrikasjon av polymer phantom, phantom ble avbildet med en mikro-CT tenkelig system (supplerende materiale 3). Bruker 3D datasettet, ble dimensjoner av interne tomrommet på base og distale grener målt for sammenligning (tabell 6). Damp polert treet er litt mindre ved fordi Utglatting av overflaten av gassen som aceton fører overflaten av plast å strømme. Den 3D trykt delen suspendert av base, renner overflaten mot de distale grenene, forårsaker en liten endring i dimensjonen av. Det er en avveining mellom overflaten glatt og opprettholde delen størrelse. En lengre damp polsk vil resultere i en glattere overflate, men får mer materiale til flyten, og resulterer i endret dimensjoner.

Fantomer ble avbildet i en i vivo imaging system med en tilgangsport for innsetting av en microendoscope fiber bunt (figur 7). Microendoscope ble satt inn i renons i phantoms som den trykte delen hadde blitt oppløst. Microendoscope ble brukt for interne belysning på 535 nm og IVIS belysning veien ble blokkert. Plasseringen av microendoscope er angitt i figur 7et. IVIS ble brukt for eksterne samling av signalet. Fantomer fotografert hadde samme intern struktur som avbildet i Figur 3. Med identisk indre strukturer og ytre dimensjoner, forskjellen i optiske egenskaper sunn lungevev (figur 7et) og infiserte lungevev (figur 7B) er tydelig i den overflaten Irradians av den fantomer. Disse phantoms vedlikeholde en hensiktsmessig respons til en endring i optiske egenskaper, kan denne metoden phantom fabrikasjon brukes for fantomer brukes i interne belysning studier.

Figure 1
Figur 1: Sekvensdiagram for fabrikasjon av optisk vev phantom. (A) fastslå optimal oppskrift på målet optiske egenskaper av vev rundt. (B) kontroller oppskrift. (C) Design intern struktur. (D) skrive ut interne strukturen med dissolvable materiale. (E) damp polsk trykte del glatt overflate. (F) bland polymer og optisk partikler, og hell i varmebestandig mold. (G) Degas og kur polydimethylsiloxane (PDMS). (H) oppløse trykte del å opprette interne tomrommet. (I) kontroller phantom geometri og optiske egenskaper. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Trender i absorpsjon koeffisient for tusj og TiO2 konsentrasjon. Absorpsjon koeffisienter vises for et utvalg av blekk og titandioksid konsentrasjoner på 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)og 775 nm (D). Absorpsjon er lav for lave konsentrasjoner for begge partikler, og generelt øker med konsentrasjoner av hver partikler. Et platå er nådd mellom 5-7,5 µL tusj per mL PDMS. Veksten er avhengig av konsentrasjonen av andre partikkel og bølgelengde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Trender i redusert spredning koeffisient for tusj og TiO2 konsentrasjon. Redusert spredning koeffisienter vises for et utvalg av blekk og titandioksid konsentrasjoner på 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)og 775 nm (D). Redusert spredning koeffisient er lav for lave konsentrasjoner for begge partikler, og generelt øker med konsentrasjoner av hver. Som absorpsjon avhenger veksten av konsentrasjonen av andre partikkel og bølgelengde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Uavhengighet av optiske egenskaper på India blekk og TiO2 konsentrasjonen. Absorpsjon koeffisienter og redusert spredning koeffisienter vises for oppskrifter med en konstant TiO2 konsentrasjon av 1 mg/mL PDMS (A, B) og konstant India blekk konsentrasjon av 5 µL/mL PDMS (C, D). Panelet (B) viser at spredning koeffisient vil endres med en konstant TiO2 konsentrasjon når tusj konsentrasjon er variert og panel (C) viser at absorpsjon koeffisienten endres for en konstant tusj konsentrasjon Når TiO2 er variert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: blande effekter på optisk spredning. Uriktig blande uherdet polymer og optisk partikler kan medføre en endring i den optiske egenskapene. Dårlig blandet phantom representert i dette tallet viste bosetting av TiO2 partikler før herding. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Representant airway fantomer med lav spredning koeffisienten materiale å illustrere vellykket og suboptimal fabrikasjon. Damp polering og avgassing er integrert skritt i å produsere en fantom som har minimal uncharacterized spredning elementer. (AB) Hvit lys bilder av fantomer uten damp polering og avgassing (A) og damp polering og avgassing (B). (C-D) Fantomer fra A-B er opplyst med 535 nm lys. Senkninger fra (C) vises å skildre spredning effekten av 1) luftbobler og 2) en grov 3D trykte overflaten. (E) gjengivelse av en optisk simulering basert på datamaskinen aided design (CAD) modell brukes for phantom fabrikasjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 : Imaging av fantomer med indre belysning. En datasimulering av phantom (A) viser retningen på interne geometri og kilde plasseringen (gul stjerne) for phantom bildene i panel (C) og (D). A segmentert mikro-CT-skanning av sunn lungevev phantom (B) bekrefter den interne strukturen finnes i optisk ugjennomsiktig phantom. Mock luftveiene er brukt som en sti for endoskop for interne belysning av de optiske fantomer på en bølgelengde på 535 nm. De to fantomer fotografert med indre belysning er identiske i ytre form og intern struktur, med materiale optiske egenskaper optimalisert for sunn (C) og betent (D) lungevev. Alle bilder og gjengivelser er på samme skala. Skala bar = 1 cm (panel C). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Table 1
Tabell 1: Look-up table for 488 nm.

Table 2
Tabell 2: Look-up table for 535 nm.

Table 3
Tabell 3: Look-up table for 632 nm.

Table 4
Tabell 4: Look-up table for 775 nm.

Absorpsjon koeffisient (cm-1) Redusert spredning koeffisient (cm-1)
Sunne mus lungevev 2.05 ± 0.58 52.69 ± 7.83
Sunn phantom
(2 mg TiO2 + 3,5 µL blekk)		 1.96 ± 0.699 49.66 ±.12
Betent musen lungevev 5.49 ± 1,32 38.94 ± 9.68
Betent phantom
(1 mg TiO2 + 10 µL blekk)		 4.34 ± 0.873 39.56 ± 5.02

Tabell 5: Målt optiske egenskaper av phantom oppskrifter tilsvarer den målte optiske egenskapene av sunn og betent musen lungevev på 535 nm.

Base diameter (mm) Distale gren diameter (mm)
Solid modell 2.7 1.38
Damp polert utskrift 2.56 ± 0.026 1,38 ± 0.141
PDMS mugg (målt fra CT) 2,55 ± 0.021 1.39± 0.055

Tabell 6: Verifikasjon av den interne strukturen av phantom.

Supplemental Material 1
Supplerende materiale 1: eksempel IAD inndatafilen. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Material 2
Supplerende materiale 2: fraktal tre airway solid modell. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Material 3
Supplerende materiale 3: Micro-CT fly-thru av phantom modellering sunne mus lungevev. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Material 4
Supplerende materiale 4: Video av roterende segmentert mikro-CT scan. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har vist en metode for opprette optiske fantomer representerer en murine lunge med en intern forgrening struktur å simulere interne luft-vevet grensesnittet. Den optiske egenskapene av murine lungevev er oppnådd ved å innlemme unike konsentrasjoner av optisk spredning og absorbere partikler fordelt homogenously i bulk matrix polymer. Disse optiske egenskaper kan være innstilt for å etterligne fysiologiske verdiene innenfor ulike spectral vev i forskjellige stater (dvs. sunn versus syke vev). Den optiske egenskapene er avhengige av Bølgelengden av interesse, basen materialet og konsentrasjonen av partikler i phantom. Med flere partikler er forholdet mellom spredning og absorpsjon imidlertid ikke alltid intuitivt41. Veksten av absorpsjon er avhengig av konsentrasjonen av spredning partikkel samt absorberende partikkelen, og likeledes for veksten av redusert spredning koeffisient. (Tall 2-4). PDMS fantomer har også blitt vist å opprettholde deres optiske egenskaper for opptil 1 år27,28. Vi har målt en 3 ukers stabiliteten i optiske egenskaper i feil av våre integrere sfære målinger (< 15%). Lagring av disse phantoms og standarder i en lys stramt beholder kan bidra til å bevare deres optiske egenskaper for lengre perioder.

Damp polering den dissolvable trykte delen tillater en reproduserbar glatt overflate på interne luft grensesnittet av phantom (figur 6). Fraktal geometri vist her, gitt polering den interne strukturen en reduksjon i gjennomsnittlig overflateruhet av støpte PDMS fra 37.4 µm til 7,2 µm. Dette er ekstremt viktig hvis phantom brukes til validering av en optisk simulering fordi en ru overflate er mye vanskeligere å simulere nøyaktig enn en glatt, jevn overflate (figur 6E). Avgassing er også svært viktig grunn at bobler i PDMS phantom fungere som optisk scatterers (figur 6C, innfelt 1). Boble plasseringen er ikke forutsigbar å gjenskape i simulering og kan forskyve resultatene hvis phantom brukes som en kalibrering standard.

Etter med mikro-CT fant en liten mengde gjenværende materiale i airway tomrommet (supplerende materiale 3). I tillegg avslører en segmentering av denne samme CT-skanning en liten luftboble ved strukturen forgrening (supplerende materiale 4). Under fabrikasjon gitt optisk klart fantomer en full oppløsning av materialet i den interne strukturen og ingen luftbobler i polymer matrise. Verifikasjon med mikro-CT viste at de optisk ugjennomsiktig fantomer kan inneholde små feil, ikke ellers synlig.

Riktig blanding optisk partikler med den uherdet polymer er viktig å oppnå reproduserbare og forutsigbar optisk absorpsjon og spredning. En endring i redusert spredning koeffisient skyldes dårlig blanding er vist i figur 5. Før pouring polymer i mold, sikre det er ingen bevis av TiO2 partikler settling eller "ribboning" i blandingen og bevis for tusj flekker beholderen blande. Legge til partiklene i den anbefalte rekkefølgen skal minimere problemene.

Utformingen av disse phantoms er begrenset av den 3D trykte delen. Mock luftveiene er utformet slik at støtte materialet kan bli pried, så det ikke er dissolvable. Dette kan løses ved å flytte til en mer avansert skriver som kan enten utskriftsmateriale med varierende løselighet, eller sintring laserskriver, som ikke trenger støtter materiale. Det er også viktig å merke seg at lungene er iboende et svært porøs organ på grunn av distale luftveiene og alveoler. Mens det ikke er representert i deg., er optiske effekten av lignende strukturer observert med en Bragg-Nye boble flåte for optical coherence tomografi21, air bobler i olivenolje42, og barberskum eller oppvaskmiddel for kjernefysiske magnetisk resonans imaging43. Opprette polymer skum med reproduserbar egenskaper kan være stand til å forene forskjell på solid phantoms presenteres her og lunge mikrostruktur44.

Formen på siste phantom kan også tilpasses avhengig av programmet. Rektangulær phantom vises her ble fotografert med indre belysning og brukes til å validere en datamodell av sunn og infiserte lungene (figur 7). Denne utformingen kan oppdateres videre representerer sylindriske torso av musen ved å endre utformingen av eksterne polymer mold.

Mens vi har detaljert her utformingen av en murine lungene og luftveiene phantom, kan disse metodene endres til andre organer eller dyr rundt. Den interne strukturen kan konverteres til en flyt sti for vaskulær fantomer, eller kan brukes som en støpt for en komplisert intern struktur med unike optiske egenskaper. Den generelle formen på phantom kan også stilles til programmet, dyr eller organ av interesse. 3D-utskrift både interne strukturer og polymer muggsopp gir frihet til designprosessen av strukturert polymer optisk fantomer. Dette er integrert verktøy i simulering validering og kalibrering av i vivo optisk Bildeteknikker, fordi de kan mer nøyaktig representere i vivo miljøet enn homogen ett eller flere lag fantomer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation KARRIEREN prisen nei. CBET-1254767 og National Institute of Allergy og smittsomme sykdommer gir ingen. R01 AI104960. Vi erkjenner takknemlig Patrick Griffin og Dan Tran for deres hjelp med karakterisering målinger og Texas A & M hjerte patologi laboratorium for mikro-CT bildebehandling.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
  2. 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).
  3. Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
  22. 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).
  23. Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
  24. Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
  25. 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).
  26. Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
  32. 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).
  33. Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
  34. 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).
  35. Duck, F. A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , Academic Press, Inc. (1990).
  36. Tuchin, V. V., Tuchin, V. Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, SPIE press. Bellingham. (2007).
  37. Prahl, S. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , Oregon Tech. (2011).
  38. Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
  44. Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).

Tags

Bioteknologi problemet 132 vev simulere fantomer optisk tenkelig kalibrering standard kvalitetssikring datamaskin modell validering 3D-utskrift
Fabrikasjon og karakterisering av optisk vev Phantoms som inneholder Macrostructure
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter