Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

На основе агарозы ткани, подражая оптических фантомы для диффузного отражения спектроскопии

Published: August 22, 2018 doi: 10.3791/57578
Automatic Translation
*1, *1, 1,6, 2, 3, 3, 4, 5
1Graduate School of Bio-application & Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture & Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Kushiro National College of Technology, 3Division of Bioinformation and Therapeutic Systems, National Defense Medical College Research Institute, 4Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University, 5College of Design and Manufacturing Technology, Muroran Institute of Technology, 6Department of Livestock Services, Ministry of Fisheries and Livestock, Government of Bangladesh
* These authors contributed equally

Summary

Здесь, мы демонстрируем, как делаются на основе агарозы ткани подражая оптических фантомы и как их оптические свойства определяются с использованием обычных оптической системы с интегрирующей сферы.

Abstract

Этот протокол описывает, как сделать на основе агарозы ткани подражая фантомов и демонстрирует, как определить их оптические свойства с помощью обычных оптической системы с интегрирующей сферы. Измерительные системы для приобретения диффузного отражения и общего пропускания спектры построены с широкополосным белого источника света, световод, ахроматические линзы, интегрирующей сферы, держатель образца, оптический зонд и Многоканальная спектрометр. Акриловые плесень, состоящий из двух прямоугольные акриловые блоки и U-образный акриловые кусок построен для создания эпидермального Фантом и кожных Фантом с цельной крови. Применение натрия (Na2S2O4) дитионит решение кожных Фантом позволяет исследователь deoxygenate гемоглобина в красных кровяных клетках распределены в дермальный фантом. Для определения поглощения коэффициент спектра µ(λ) выполняется обратное моделирование Монте Карло с диффузного отражения и спектры общего пропускания измеряется спектрометр с интегрирующей сферы и сокращение рассеяния коэффициент спектра µs' (λ) каждого слоя фантома. Двухслойный Фантом, подражая диффузного отражения ткани кожи человека также подтверждается нагромождение эпидермального phantom на кожный фантом.

Introduction

Оптическая фантомы являются объектами, подражая оптические свойства биологических тканей и широко используются в области биомедицинской оптики. Они разработаны таким образом, что оптические свойства, такие как рассеяние света и коэффициенты поглощения, совпадают с теми жизни человека и животных тканей. Оптических фантомы обычно используются в следующих целях: Имитация легкого транспорта в биологических тканях, калибровка недавно разработанной оптической системы проектирования, оценки качества и эффективности существующих систем, сравнение производительности между системами и проверке способность оптических методов количественной оценки оптических свойств1,2,3,4,5. Таким образом вещества легко, чтобы получить, изготовление простой процесс, высокая воспроизводимость и оптический стабильность необходимы для изготовления оптических фантомы.

Различные типы оптических фантомы с различных базовых материалов, таких как водная суспензия6, желатин гель7, агарозы gel8,9,10, геля полиакриламида11, смола12, 13,14,15,16и комната температура Вулканизационный силиконовые17 было сообщено в предыдущих литературе. Сообщается, что на основе желатина и альгинат гели являются полезными для оптических фантомы с гетерогенной структуры18. Альгинат фантомы имеют подходящего механической и термической стабильности для оценки яркостной эффекты, такие как исследования лазерной абляции и лазерных гипертермии исследования18. Гели агарозы имеют возможность изготовить гетерогенной структуры, и их механические и физические свойства являются стабильными за долгое время18. Гели агарозы высокой чистоты имеют очень низкой мутности и слабой оптического поглощения. Таким образом оптические свойства на основе агарозы фантомы легко может быть разработана с соответствующим свет рассеяния и поглощения агентов. Недавно, Стирол этилен бутилен стирольные (SEBS) блок сополимеры19 и поливинилхлорид (ПВХ) гели20 поступало как интересные Фантом материалы для оптических и Фотоакустическая методов.

Полимерных микросфер7,12,21,22, порошок оксида титана1и липидных эмульсий23,24,25,26 как молоко и липидов эмульсии используются в качестве агентов рассеяния света, тогда как черные чернила27,28 и29,молекулярные красители30 используются как легкие амортизаторы. Диффузного отражения спектры жизни большинства, которую органы преобладают поглощение кислородом и венозная гемоглобина в красных кровяных клетках. Таким образом, гемоглобина решения31,32 и цельной крови8,9,10,,3336 часто используются в качестве легких амортизаторы в фантомы для диффузного отражения спектроскопии и многоспектральных изображений.

Метод, описанный в этой статье используется для создания оптических Фантом, подражая легкого транспорта в биологических тканях и характеризуют его оптические свойства. В качестве примера продемонстрировал двухслойный оптических Фантом подражая оптические свойства ткани кожи человека. Преимущества этого метода над альтернативные методы являются способность представлять спектры диффузного отражения живых биологических тканей в видимом для ближней ИК-области спектра волны региона, а также простота, чтобы сделать это, используя легко доступны материалы и обычных оптических приборов. Таким образом оптических фантомы, сделанные этим методом будет полезным для разработки оптических методов, основанных на спектроскопии диффузного отражения и многоспектральных изображений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. строительство обычных диффузного отражения и пропускания всего спектроскопические системы

Примечание: Постройте измерительных систем для диффузного отражения и общего пропускания спектры с использованием широкополосного белого источника света, световод, ахроматические линзы, интегрирующей сферы, держатель образца, оптическое волокно и многоканальный спектрометр. Роль света ловушки заключается в том, чтобы удалить компонент зеркального отражения от спектра отражения. Держатель образца интегрирующей сферы состоит из монтажной и призмы и Ассамблеи пружинный зажим, который содержит образец против порта. Ласточкин хвост и пружинный зажим сборки удаляются из держателя образца и ручной кубических пьедестал пенополистирола прилагается к кронштейну вместо. Макеты оптических компонентов, показано на рисунке 1a и 1b, могут быть переданы для строительства процедуры для диффузного отражения измерений и измерений общего пропускания, соответственно.

  1. Соедините спектрометр и персональный компьютер с помощью прилагаемого кабеля универсальной последовательной шины (USB).
  2. Подключите адаптер порта к порту детектор интегрирующей сферы. Соедините спектрометр и порт адаптер интегрирующей сферы с помощью оптического волокна. Соедините 150 W галогенная лампа источник света и света руководство.
  3. Прикрепите держатель образца к порту образец интегрирующей сферы. Свет ловушки можно приложите соответствующий порт интегрирующей сферы при выполнении измерений диффузного отражения. Включите источник света галогенная лампа для освещения образца через световод и ахроматические линзы.
  4. Откройте программное обеспечение спектрометра.

2. Подготовка акриловые плесень

Примечание: Акриловые плесень, которая состоит из двух прямоугольные акриловые блоки и U-образный акриловые кусок построен создать монослоя гель фантом. Рисунок 2 могут быть переданы для этой процедуры строительства.

  1. Вырежьте две прямоугольные акриловые куски от акриловые пластины толщиной 2 мм на требуемый размер.
  2. Вырежьте акриловые кусок от акриловые пластины толщиной 1 мм на требуемый размер. Вырежьте акриловые кусок толщиной 1 мм, так что он становится U-образный кусок использоваться для прессформы сделать 1 мм толщиной эпидермиса фантомы.
  3. Вырежьте акриловые кусок от акриловые пластины толщиной 5 мм на требуемый размер. Вырежьте 5-мм толщиной акриловые кусок, так что он становится U-образный кусок для использования в качестве формы сделать 5-мм толщиной фантомы дермального.
  4. Удалите любые заусенцы от каждого акриловые кусок, с использованием файла металла.
  5. Сделайте эпидермального Фантом плесень, удерживая U-образный кусок толщиной 1 мм с двумя блоками акрил толщиной 2 мм и их устранение с пятью foldback клипов.
  6. Сделайте дермального Фантом плесень, удерживая U-образный кусок толщиной 5 мм с двумя блоками акрил толщиной 2 мм и их устранение с пятью foldback клипов.

3. Подготовка базового материала

  1. Положите 500 мл стандартного раствора с 0,9% NaCl в стручка (w/v). Медленно добавьте 5 g агарозы порошка во время перемешивания смеси во избежание слипания.
  2. Тепло смесь порошка агарозы и физиологического раствора путем приготовления Электронагреватель с 1000 Вт мощности на 5 мин.
  3. Как только смесь закипит, держите смесь на слабом огне в течение 3 мин.
  4. Охлаждать смесь до температуры около 70 ° C. Затем залить смесь в контейнер и держать его в ванну постоянной температуры при 60 ° C за 30 мин до принятия фантом.

4. Подготовка кожи подражая оптических фантомы

Примечание: Решение кофе используется для имитации спектра поглощения меланина. Раствор кофе содержит коричневый пигмент под названием меланоидиновые. Спектр поглощения меланоидиновые поступили похож на что из меланина10.

  1. Подготовить эпидермальный Фантом
    1. Залейте 100 мл чистой воды в водохранилище, Электрический чайник. Установите фильтр в корзину кофе. Добавление 24 g молотого кофе в фильтр. Включите кофеварку и нажмите кнопку заваривания, чтобы начать пивоварения.
    2. Положите 4 мл свежесваренный кофе и 16 мл физиологического раствора в стеклянной бутылке чтобы сделать раствор кофе.
    3. 5 мл эмульсии липидов (например, intralipid 10%) и 10 мл раствора кофе в прозрачный пластиковый стаканчик. Медленно добавьте 35 мл базового материала в эту смесь, помешивая.
    4. Аспирационная смесь в шприц и вставляют его медленно эпидермального Фантом плесень избегая любых формирования пузыря. Прохладный акриловые плесень, содержащие смеси на 5 ° C в течение 20 мин.
    5. Удаление foldback клипы из формы. Слайд один из акрилового частей наружу и удалить его из формы. Возьмите затвердевший гель толщиной 1 мм Фантом из формы и сократить его до нужного размера, с помощью хирургического скальпеля.
    6. Место и удерживайте гель Фантом между двумя слайд очки.
  2. Подготовка кожной Фантом, содержащие кислородом крови
    1. Возьмите 5,0 мл эмульсии липидов и 0,4 мл всего Коневодство крови с 45%-гематокрит и положить в прозрачный пластиковый стаканчик. Медленно добавьте 44.6 мл базового материала во время перемешивания смеси.
    2. Аспирационная смесь в шприц и вставляют его медленно дермального Фантом плесень избегая любых формирования пузыря. Прохладный акриловые плесень, содержащие смеси на 5 ° C в течение 20 мин.
    3. Удаление foldback клипы из формы. Слайд один из акрилового частей наружу и удалить его из формы. Возьмите затвердевший геля 5-мм толщиной Фантом из формы и сократить его до нужного размера, с помощью хирургического скальпеля.
    4. Место и удерживайте гель Фантом между двумя слайд очки.
  3. Подготовка кожной Фантом, содержащие венозная кровь
    1. Положите дермального гель Фантом, содержащие кислородом крови на стеклянную посуду (из шага 4.2.3).
    2. 1 g Дитионит натрия (Na2S2O4) растворяют в 20 мл физиологического раствора в стеклянной бутылке.
    3. Добавление 0,05 г/мл раствора Na2S2O4 на phantom с помощью шприца для deoxygenate кровь в фантом.
    4. Место и удерживайте Фантом между двумя слайд очки, чтобы предотвратить его высыхания.
  4. Подготовить двухслойный Фантом
    1. Капли 0,1 мл физиологического раствора на кожный Фантом для обеспечения Оптические муфты между слоями эпидермиса и дермы. Место эпидермального phantom на кожный фантом.
    2. Если воздушные пузыри присутствуют между слоями, подтолкнуть их вне путем поглаживания поверхности двухслойный phantom с пальца.
    3. Держите двухслойный Фантом между двумя стаканами слайд, чтобы предотвратить его высыхания.

5. приобретение спектры диффузного отражения

  1. Приобретение темные спектров
    Примечание: Датчик зарядовой (связью ПЗС) в спектрометре можно оценить интенсивность света, основанный на электрический сигнал в ответ на падающий свет. Однако есть темные шума37 , которая независима от сигналы, генерируемые фотонов, но зависит от температуры устройства, даже если датчик не может обнаружить свет. Для точного измерения спектральной интенсивности света, темный текущий сигнал должен измеряется как темный спектр и затем вычитается из образца спектра. Темный спектр представляет собой спектр, принять легкий путь заблокирован.
    1. Расположите интегрирующей сферы в оптимальной позиции для диффузного отражения измерений (рис. 1a).
    2. Выключите источник света Галогеновая лампа. Блокировать свет путь к спектрометр, используя порт вилкой или защитные пластины.
    3. Выберите команду хранить темный из меню файл, чтобы сохранить темный спектр.
    4. Выберите команду Subtract темно спектр из меню файл, чтобы вычесть темно спектр от спектра измеряемых образца (см. ниже).
  2. Приобретение справочных спектров
    Примечание: Оптические свойства компонентов, используемых в этом эксперименте, как источник света, световод, ахроматические линзы, оптическое волокно и спектрометр, имеют свои собственные волны зависимостей. Таким образом спектральная интенсивность света, прошли через эти оптические компоненты должны быть измерена как ссылка спектра. Для измерения спектра диффузного отражения спектр ссылка представляет собой спектр, сделанные с Стандартный белый диффузор, освещается светом от источника света.
    1. Включите источник света Галогеновая лампа, нажав кнопку питания. Разминка лампа для по крайней мере 10 минут до приобретения спектра ссылки.
    2. Место стандартный белый диффузор (например, Spectralon) в порту образец интегрирующей сферы.
    3. Отрегулируйте время интеграции спектрометра, выбрав подходящее значение из раскрывающегося списка в спектрометр программное обеспечение так, что интенсивность сигнала пик примерно 75% максимальной интенсивности спектрометр.
    4. Выберите команду сохранить ссылку из меню файл, чтобы сохранить ссылку спектра.
  3. Приобретение образца спектров
    Примечание: Спектр диффузного отражения образца приобретается и сохраняются на жестком диске персонального компьютера, используя те же условия приобретения.
    1. Место эпидермального Фантом, зажатая двумя слайд очки в порту образец. Из меню файл, чтобы сохранить спектр диффузного отражения в файл выберите команду сохранить .
    2. Повторите шаг 5.3.1 для кожной и двухслойной фантомы.

6. приобретение общего пропускания спектра

  1. Приобретение темные спектров
    Примечание: Датчик в спектрометре можно оценить интенсивность света, основанный на электрический сигнал в ответ на падающий свет. Однако есть темные шум, который является независимым от сигналы, генерируемые фотонов, но зависит от температуры устройства, даже если датчик не может обнаружить свет. Для точного измерения спектральной интенсивности света, темный текущий сигнал должен измеряется как темный спектр и затем вычитается из образца спектра. Темный спектр представляет собой спектр, принять легкий путь заблокирован.
    1. Расположите интегрирующей сферы в оптимальной позиции для общего пропускания измерений (рис. 1b).
    2. Удалите из порта интегрирующей сферы света ловушки и подключите разъем порта к порту.
    3. Выключите источник света Галогеновая лампа. Блокировать свет путь к интегрирующей сферы с использованием порта вилкой или защитные пластины.
    4. Выберите команду хранить темный из меню файл, чтобы сохранить темный спектр.
    5. Выберите команду Subtract темно спектр из меню файл, чтобы вычесть темно спектр от спектра измеряемых образца (см. ниже).
  2. Приобретение справочных спектров
    Примечание: Оптические свойства компонентов, используемых в этом эксперименте, как источник света, световод, ахроматические линзы, оптическое волокно и спектрометр, имеют свои собственные волны зависимостей. Таким образом спектральной интенсивности света, прошли через эти компоненты должны быть измерена как ссылка спектра. Для измерения спектра общего пропускания спектр ссылка представляет собой спектр, когда свет от источника света непосредственно вступает интегрирующей сферы через порт образца.
    1. Включите источник света Галогеновая лампа, нажав кнопку питания. Разминка лампа для по крайней мере 10 минут до приобретения спектра ссылки.
    2. Регулировать время интеграции спектрометра, выбрав подходящее значение из раскрывающегося списка интеграции раз в программное обеспечение спектрометра, таким образом, что наибольшей интенсивности света показывает сигнал, что около 75% от максимального значения.
    3. Выберите команду сохранить ссылку из меню файл, чтобы сохранить ссылку спектра.
  3. Приобретение образца спектров
    Примечание: Спектр общего пропускания образца приобретается и сохраняются на жестком диске персонального компьютера, используя те же условия приобретения.
    1. Место эпидермального Фантом, зажатая двумя слайд очки в порту образец. Выберите команду сохранить в меню файл для сохранения общего пропускания спектра в файл.
    2. Повторите шаг 6.3.1 для кожной и двухслойной фантомы.

7. оценки поглощения и рассеяния света свойства

Примечание: Набор спектра диффузного отражения и пропускания всего спектра сохраняется на жестком диске персонального компьютера и проанализированы в автономном режиме. Для оценки абсорбции коэффициент спектра µ(λ) и коэффициент снижения рассеяния затем выполняется обратное моделирование Монте Карло8,,3839,40 спектра µs'(λ). В этом обратное моделирование Монте Карло, оценкам рассеяния коэффициента µs, в предположении, что анизотропия фактор g равен 0, рассматривается как уменьшение рассеяния коэффициент μs' . Отражения и пропускания данных используются для выполнения одной моделирования. Подробный алгоритм, используемый в настоящем протоколе было сообщено в предыдущих литература8,39. Мы оценили поглощения коэффициент спектра µ(λ) и уменьшение рассеяния коэффициент спектра µs'(λ) эпидермального слоя из набора диффузного отражения спектра и спектра общего пропускания, полученные из слоя эпидермиса. В то же время мы оценили µ(λ) и µs'(λ) дермального слоя из набора спектра диффузного отражения и спектра общего пропускания, полученные из дермы слой.

  1. Откройте входной файл для моделирования Монте-Карло.
  2. Заполните значения измеренных диффузного отражения и общего пропускания в диапазоне конкретных длин волн от 400 до 700 Нм интервалом в 10 Нм-в файле исходных данных. Введите значение толщины Фантом в файл входных данных.
  3. Задайте индекс преломления n слоя необходимо соответствующее значение в файле исходных данных (например, n = 1,33 550 Нм). Значение фактора анизотропии g 0 в файле исходных данных.
  4. Задайте начальные значения поглощения коэффициент μ и µкоэффициент рассеянияs , чтобы быть соответствующие значения в файле исходных данных (например, µ = 0,01, µs = 0.1 ).
  5. Выполните программу обратную моделирования Монте-Карло.
  6. Введите имя входного файла, а затем запустить моделирование.
  7. Открыть выходной файл и проверить окончательные значения мкг и µs после прекращения итеративный моделирования.
  8. Повторите шаги 7.1-7.7 для других желаемых длин волн.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Рисунок 3 показывает представителем оценкам спектры коэффициент снижения рассеяния и коэффициент поглощения для эпидермального Фантом и кожных фантом. Результаты, показанные на рисунке 3 являются средними десяти измерения спектров отражения и пропускания. Уменьшение рассеяния коэффициент μs' имеет широкий рассеяния спектр, экспонируется более высокие величины на коротких волнах. Спектральные характеристики соответствуют типичным рассеяния спектры мягких тканей. Поглощение коэффициента µ эпидермального Фантом убывает экспоненциально с увеличением длины волны, который похож на спектр поглощения меланина. Спектр поглощения коэффициент эпидермального слоя Фантом и что меланин41 были установлены по экспоненциальной функции, как:
Equation

Значение B для эпидермального слоя был рассчитан быть 0,011, тогда как для меланина составил 0,009. Волны зависимость поглощения коэффициенты µ для кожных Фантом содержащие кислородом кровь, и венозная кровь доминируют спектральные характеристики кислородом гемоглобина и венозная гемоглобина, соответственно.

Рисунок 4 показывает представитель цифровые цветные фотографии призраков двухслойный кожи. На рисунке 4a показывает поперечного сечения образ призрак двухслойный кожи. Рисунок 4b и 4 c Показать Топ просмотров 3-в-3 Фантом матрицы, содержащие кислородом кровь и венозная кровь, соответственно. Строки сверху донизу имеют кофе решение концентрации Cc 5%, 10% и 20%. Столбцы слева направо у крови концентрации Cb % 0,2, 0,4% и 0,6%. Цвет Фантом становится темнее, как значение Cc в эпидермальный слой увеличивается, в то время как он поворачивает розовый как значение Cb увеличивается. Призрак с кислородом крови имеет более красноватый цвет чем с венозная кровь. Эти изменения представляют собой изменения в цвете кожи из-за физиологических условиях как загар и гипоксемии, соответственно.

Рисунок 5 показывает пример представителя измерены спектры диффузного отражения, полученные из двухслойной кожу ткани фантомы, имеющих различные условия для (Рисунок 5a) концентрация кофейное решение Cc( Рисунок 5b) концентрация цельной крови Cbи (рис. 5 c) состояние кислородом крови. В Рисунок 5aдиффузные отражения в короткие волны региона значительно сократилось по сравнению с что больше длины волны региона как значение Cc становится больше. Это из-за сильного поглощения света решением кофе в регионе короче длины волны (см. Рисунок 3b). Рисунок 5b показывает поразительное изменение в диффузного отражения в регионе средней длины волны с значение Cb, которая представляет сильного поглощения света, гемоглобина в диапазоне длин волн от 500 до 600 Нм. Разница в спектральной функции между кислородом гемоглобина и венозная гемоглобина и isosbestic точки гемоглобина четко прослеживается в спектры диффузного отражения, показано на рис. 5 c.

Figure 1
Рисунок 1: Схема аппарата экспериментальной. Эти панели показывают установка для измерения спектров общего пропускания (b) и () спектры диффузного отражения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: шаги в подготовке на основе агарозы оптических фантомы. Эти панели показывают () изготовления эпидермальный слой Фантом и (b) создание дермального слоя фантом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: представитель оценкам оптические свойства фантомы. () Эта группа показывает среднее сокращение рассеяния коэффициент спектра µs' (λ) слоев эпидермиса и дермы. (b) Эта группа показывает поглощения коэффициент спектры µ(λ) слоя эпидермиса и дермы слои. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: представитель цифровые цветные фотографии двухслойный кожи фантомов. () Эта группа показывает вид поперечного сечения двухслойный кожи фантома. (b) этой панели отображается вид сверху Фантом матрицы 3-с-3, содержащие кислородом крови. (c) Эта группа показывает вид сверху Фантом матрицы 3-с-3, содержащие венозная кровь. Строки сверху донизу имеют кофе решение концентрации Cc 5%, 10% и 20%. Столбцы слева направо у крови концентрации Cb % 0,2, 0,4% и 0,6%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5: представитель измерены спектры диффузного отражения, полученные из двухслойной кожу ткани фантомы. Эти панели показывают спектры диффузного отражения призраков с разными условиями () концентрация кофе решение Cc, (b) концентрация всего кислородом крови Cbи ( c) состояние кислородом крови. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Наиболее важным этапом в этот протокол является контроль температуры базового материала. Температура поддерживать базовый материал варьировались от 58 до 60 ° C. Если температура превышает 70 ° C, произойдет денатурации эмульсии липидов и цельной крови. Как следствие оптические свойства призрак будет ухудшаться. Если температура ниже 40 ° C, базовый материал будет ununiformly загущенное и, таким образом, гетерогенно света рассеяния и поглощения агенты будут распределяться, в фантом. Хотя базовый материал хранится при температуре 60 ° C, аспирации с помощью шприца понижает температуру. Температура основного материала снижает до 50 ° C, когда он добавляется в решение крови.

Оптических фантомы, описанные в этой статье страдают от коротких полезной жизни, которые обычно ограничивается не более чем на один день. Полезной жизни может быть продлен путем инкапсуляции phantom с базовым материалом в запечатанном контейнере или с помощью консерванта. Эпидермальный слой толщиной 1 мм фантома является на порядок больше, чем человека толщины эпидермиса. В этом протоколе с акриловой плесень, однако, было трудно создать слой толщиной менее 0,5 мм. Чтобы уменьшить ожидаемые последствия этого толщина на измеренных диффузного отражения спектры фантомов, рассеяния и поглощения коэффициенты эпидермиса Фантом регулируются так, что спектр диффузного отражения показал аналогичный спектр что из человеческой кожи. Спин покрытие метод42 выглядит многообещающим для изготовления слой тоньше, чем 0,5 мм. Значения µ (λ) и µs' (λ) для кожи человека сообщается в литературе-43.

Равномерное распределение меланина или билирубина в агар Фантом слое может быть трудно с использованием протокола, описанные здесь, потому что эти хромофоры не полностью растворимые в воде. Использование меланоидиновые, извлеченные из жареных кофейных зерен и тартразин может использоваться как сопоставимых или заменить материалы для меланина и билирубина, соответственно. Обратное моделирование Монте Карло, используемых для оценки оптических свойств от измеренной диффузного отражения и общего пропускания относительно много времени из-за ее итеративного моды. Еще один легкий транспортный расчет модели такие, как метод добавления удвоение44 может использоваться для сокращения времени вычисления. Уменьшение рассеяния коэффициент μs' является сосредоточенными оптических свойств, включения в коэффициент рассеяния µs и анизотропии фактор g. Чтобы оценить µs и g отдельно, коллимированных пропускания Фантом должна быть измерена помимо общего пропускания и диффузного отражения38,40. В настоящем исследовании мы не мера преломления для каждого слоя. Мы устанавливаем преломления воды, опубликованных в литературе45 в файл входных данных для обратное моделирование Монте Карло вместо поскольку геля агарозы в основном состоит из воды. Мы предполагали, что нет никакой разницы в преломления между двумя слоями. Мы также использовали номинального значения для преломления стекла (например, n = 1.524 на λ = 546.1 Нм) для моделирования Монте-Карло.

Это выгодно, что этот протокол, с одной интегрирующей сферы вместо двух интегрирующей сферы, является экономически эффективным. С другой стороны используя один шар Ульбрихта занимает много времени, так как расположение интегрирующей сферы необходимо меняться в зависимости от того, является ли измерение для общего пропускания или для диффузного отражения. Это выгодно, что протокол, описанные в этой статье можно расширить для создания однослойные или многослойные оптических фантомы с различных форм, размеров и включений, изменив дизайн формы. Поверхности фантома слои были пропитанные сразу же после того, как они были вырваны из их формы. Таким образом путем укладки второго слоя тесно на первый слой вместе придерживались эпидермальный слой и слой дермы. Это может быть возможным закрепить второй слой непосредственно на первый, вместо изготовления их отдельно и подключая их потом. В этом случае однако, это может быть трудно точно сделать тонкий слой эпидермиса с равномерным слоем толщиной. Мы зажатой между стеклами для предотвращения высыхания Фантом фантом. Мы рассмотрели, оптические свойства и толщина стекла в обратное моделирование Монте Карло. Таким образом нет никакого эффекта на предполагаемое оптические свойства фантомов. Значимость нынешней методики в отношении существующих методов является его способность представлять спектры диффузного отражения живых тканей в видимом для ближней ИК-области спектра волны региона. Оптических фантомы, сделанные этот протокол будет доступна для проверки недавно разработанные оптические методы, основанные на спектроскопии диффузного отражения и spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Часть этой работы была поддержана субсидий для Scientific Research (C) из японского общества для содействия развитию науки (25350520, 22500401, 15 K 06105) и армии США ЦМТ-PAC исследований и развития проекта (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
150-W halogen-lamp light source Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LA-150SAE
Light guide Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LGC1-5L1000
Integrating Sphere Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA RT-060-SF
Port adapter Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA PA-050-SMA-SF
Light trap Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA SRS-99-020
Optical fiber Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA USB2000
Achromatic lens Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan ACL-50-75M
Intralipid Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden Intralipid 10%
Coffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		 Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan Unavailable
Whole blood Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan 0103-2
Agarose Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan NE-AG02
Cooking heater TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan HP-103K

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102 (2006).
  2. Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
  5. Prahl, S. A. Project: Optical Phantoms. , Available from: http://omlc.org/~prahl/projects/phantoms.html (2014).
  6. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
  7. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
  8. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
  9. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006 (2007).
  10. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012 (2011).
  11. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
  12. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
  13. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
  14. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
  15. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  16. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
  17. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
  18. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  19. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  20. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  21. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
  22. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
  23. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
  24. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
  25. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
  26. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid - a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
  27. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  28. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  29. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
  30. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  31. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026 (2015).
  32. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
  33. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
  34. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
  35. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
  36. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
  37. Ocean Optics Inc. Glossary. Dark Noise. , Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018).
  38. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021 (2006).
  39. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
  40. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001 (2009).
  41. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  42. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008 (2016).
  43. Jacques, S. L. Skin Optics. , Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998).
  44. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
  45. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).

Tags

Биоинженерия выпуск 138 оптических Фантом геля агарозы липидов эмульсии оптические свойства гемоглобина рассеяние света поглощения света обратное моделирование Монте Карло диффузного отражения спектроскопия
На основе агарозы ткани, подражая оптических фантомы для диффузного отражения спектроскопии
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mustari, A., Nishidate, I., Wares,… More

Mustari, A., Nishidate, I., Wares, M. A., Maeda, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M., Aizu, Y. Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy. J. Vis. Exp. (138), e57578, doi:10.3791/57578 (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