Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה

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

כאן, נדגים כיצד מבוססי agarose מחקה רקמות פאנטום אופטי נעשות וכיצד התכונות האופטיות שלהם נקבעים באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב.

Abstract

פרוטוקול זה מתאר כיצד להפוך מבוסס agarose פאנטום מחקה רקמות ומדגים כיצד לקבוע את התכונות האופטיות שלהם באמצעות מערכת אופטית קונבנציונאלי עם כדור שילוב. מדידה עבור הרכישה של השתקפות ' מאטום לשקוף ', הכולל להדמיה ספקטרה נבנות עם מקור אור לבן פס רחב, מדריך אור, של עדשה אכרומטית, כדור של שילוב, בעל מדגם, בדיקה עם סיב אופטי, ו- a ספקטרומטר רב ערוצית. עובש אקריליק בהיקף של שתי חתיכות אקריליק מלבניות, חתיכה אקריליק בצורת U הוא נבנה כדי ליצור פנטום באפידרמיס של רוח רפאים עורי עם דם. היישום של נתרן dithionite (Na2S2O4) פתרון הפאנטום עורי מאפשר deoxygenate המוגלובין בתאי דם אדומים מופץ ב הפאנטום עורי. ההופכי סימולציה מונטה קרלו עם השתקפות ' מאטום לשקוף ', הכולל להדמיה ספקטרה נמדדת ספקטרומטר עם כדור שילוב מתבצע כדי לקבוע הקליטה מקדם ספקטרום ממוצע(λ) ו מופחת פיזור מקדם ספקטרום ממוצעs' (λ) של כל אחת מהשכבות פנטום. פנטום דו שכבתי מחקה את השתקפות ' מאטום לשקוף ' של רקמת העור האנושי מומחש גם לערום את הפאנטום עוריות על הפאנטום עורי.

Introduction

מטוסי פאנטום אופטי אובייקטים מחקה את התכונות האופטיות של רקמות ביולוגיות, היה בשימוש נרחב בתחום אופטיקה ביו. הם מעוצבים כך תואמת התכונות האופטיות, כגון פיזור אור, מקדמי קליטה, עם אלה של רקמות אדם ובבעלי חיים. מטוסי פאנטום אופטי משמשות בדרך כלל למטרות המפורטות להלן: הדמיית התעבורה האור ברקמות ביולוגיות, כיול בעיצוב פיתח מערכת אופטית, להעריך את האיכות והביצועים של המערכות הקיימות, השוואת הביצועים בין מערכות ואימות של היכולת של השיטות אופטי כדי לכמת את התכונות האופטיות1,2,3,4,5. לכן, חומרים קלים להשגה, תהליך ייצור פשוטה, של הפארמצבטית גבוהה ויציבות אופטי של נדרשים לייצור מטוסי פאנטום אופטי.

סוגים שונים של פאנטום אופטי עם חומרי בסיס שונים כגון ההשעיה מימית6, ג'לטין ג'ל7, agarose ג'ל8,9,10, ג'ל לזיהוי11, שרף12, 13,14,15,16, ו- vulcanizing-החדר-הטמפרטורה סיליקון17 דווחו בספרות הקודם. בעבר דווח כי ג'לטין alginate מבוססות ג'לים שימושיים פאנטום אופטי עם מבנים הטרוגנית18. מטוסי פאנטום alginate יש יציבות מכנית וחום מתאימים להערכת photothermal אפקטים כגון מחקרים אבלציה לייזר ו היפרתרמיה מבוססת לייזר מחקרים18. Agarose ג'ל יש היכולת ליצור מבנים הטרוגנית, שלהם המכאניות והפיזיקליות יציבים במשך זמן רב18. טוהר גבוהה agarose ג'לים של עכירות נמוכה מאוד ויש קליטה אופטי חלש. לכן, התכונות האופטיות של פאנטום מבוססי agarose יכול בקלות להיות מתוכנן עם האור המתאימה פיזור וקליטת סוכנים. לאחרונה, styrene-אתילן-butylene-styrene (SEBS) בלוק copolymers19 ו פוליוויניל כלוריד (PVC) ג'לים20 דווחו כחומרי פנטום מעניין עבור אופטי וטכניקות photoacoustic.

פולימר microspheres7,12,21,22, טיטניום אוקסיד אבקת1ו ליפיד אמולסיות23,24,25,26 כגון חלב, ליפיד אמולסיה משמשים כסוכנים פיזור אור, ואילו דיו שחור27,28 ו-29,מולקולרית צבעי30 משמשים בולמי אור. ' מאטום לשקוף ' השתקפות ספקטרום של איברים חיים ביותר נשלטים על ידי קליטת רווית חמצן, המוגלובין בתאי דם אדומים. לכן, המוגלובין פתרונות31,32 ו דם מלא8,9,10,33,36 משמשים לעתים קרובות בתור בולמי אור ב מטוסי פאנטום ספקטרוסקופיה ' מאטום לשקוף ', מולטי ספקטריאליות הדמיה.

השיטה המתוארת במאמר זה משמש ליצור של פנטום אופטי מחקה התעבורה האור ברקמות ביולוגיות לאפיון התכונות האופטיות שלה. כדוגמה, הוא הפגין דו שכבתי אופטי דמה היה שווה התכונות האופטיות של רקמת העור האנושי. היתרונות של שיטה זו על טכניקות חלופיות הם היכולת לייצג ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות של רקמות ביולוגיות חי ב גלוי אורך הגל הקרוב אינפרא אדום באזור, כמו גם את הפשטות להגיע, שימוש זמין בקלות חומרים וכלים אופטיים קונבנציונלי. לכן, הפאנטום אופטי שנעשו על ידי שיטה זו יהיה שימושי עבור פיתוח שיטות אופטי מבוסס על ספקטרוסקופיה ' מאטום לשקוף ' והדמיה מולטי ספקטריאליות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בניית קונבנציונלי ' מאטום לשקוף ' השתקפות להדמיה הכולל ספקטרוסקופיות מערכת

הערה: לבנות את מערכות מדידה עבור השתקפות ' מאטום לשקוף ' וספקטרה להדמיה הכולל באמצעות מקור אור לבן פס רחב, מדריך אור, של עדשה אכרומטית, בתחום שילוב של, בעל מדגם, של סיב אופטי ספקטרומטר רב ערוצית. התפקיד של המלכודת אור הוא להסיר את הרכיב סימונים השתקפות השתקפות הספקטרום. בעל מדגם לספרה שילוב מורכב צלחת הרכבה ו dovetail הרכבה מלקחיים קפיץ שמכיל המדגם נגד היציאה. Dovetail והרכבה מלקחיים קפיץ יוסרו מן המחזיק לדוגמה, הדום מעוקב בעבודת יד של פוליסטירן מוקצף מחובר לצלחת הרכבה במקום. הפריסות של רכיבים אופטיים, המוצגת באיור 1a ו- 1b, ניתן להפנות עבור הליך הבנייה המדידות ' מאטום לשקוף ' השתקפות ומידות להדמיה הכולל, בהתאמה.

  1. לחבר את ספקטרומטר ומחשב אישי באמצעות כבל מסוג אפיק טורי אוניברסלי (USB) מסופק.
  2. לצרף את מתאם היציאה נמל גלאי של הספרה שילוב. מחברים את ספקטרומטר מתאם היציאה של הספרה שילוב באמצעות סיב אופטי. להתחבר 150 W הלוגן המנורה מקור האור לבין קו אור.
  3. לצרף את בעל מדגם נמל מדגם של הספרה שילוב. לצרף את המלכודת אור יציאת המתאים של הספרה שילוב בעת ביצוע המדידות השתקפות ' מאטום לשקוף '. הפעל את מנורת הלוגן ממקור אור כדי להאיר לדוגמה באמצעות המדריך אור, את עדשה אכרומטית.
  4. פתח את תוכנת ההפעלה של ספקטרומטר.

2. הכנה עובש אקריליק

הערה: עובש אקרילי מורכב שתי חתיכות אקריליק מלבניות, חתיכה אקריליק בצורת U הוא נבנה כדי ליצור טפט ג'ל פנטום. איור 2 ניתן להפנות להליך זה בנייה.

  1. לגזור שני מלבני אקריליק החלקים של צלחת אקריליק 2-מ מעבה לגודל אופציונלי.
  2. גוזרים חתיכה אקריליק מצלחת אקרילי 1-מ מעבה לגודל אופציונלי. לחתוך את פיסת אקרילי 1-מ מעבה כך שהוא הופך כלי בצורת U כדי לשמש את התבנית כדי להפוך פאנטום עוריות בעובי 1 מ מ.
  3. גוזרים חתיכה אקריליק מצלחת אקריליק 5-מ מעבה לגודל אופציונלי. לחתוך את פיסת אקריליק 5-מ מעבה כך שהוא הופך כלי בצורת U כדי לשמש כתבנית כדי להפוך פאנטום עורי בעובי 5 מ מ.
  4. הסר כל הזיזים כל חתיכה אקריליק באמצעות קובץ מתכת.
  5. הפוך כייר פנטום עוריות על ידי 1-מ מעבה בצורת U חלק 2-מ מעבה שתי חתיכות אקריליק ותיקונן עם חמישה סרטונים foldback.
  6. הפוך כייר פנטום עורי על ידי 5-מ מעבה בצורת U חלק 2-מ מעבה שתי חתיכות אקריליק ותיקונן עם חמישה סרטונים foldback.

3. הכנת חומר הבסיס

  1. לשים 500 מ"ל של תמיסת מלח רגיל עם 0.9% (w/v) NaCl בתרמיל. לאט לאט מוסיפים 5 גר' אבקת agarose תוך כדי ערבוב את התערובת להימנע clumping.
  2. מחממים את התערובת של אבקת agarose, תמיסת מלח על ידי הבישול והחימום החשמלי עם סביבה כוח W 1000 עבור 5 דקות.
  3. ברגע לתערובת לרתוח, לשמור את התערובת על אש נמוכה למשך 3 דקות.
  4. מגניב את התערובת לטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס. ואז שופכים את התערובת לתוך מיכל ולשמור אותו באמבט טמפרטורה קבועה ב 60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לפני ביצוע פנטום.

4. הכנת העור-מחקה פאנטום אופטי

הערה: פתרון קפה משמש כדי לחקות את ספקטרום הבליעה של מלנין. הפתרון קפה מכיל חום בפיגמנט שנקרא melanoidin. ספקטרום הבליעה של melanoidin דווח להיות דומה לזה של מלנין10.

  1. הכן של פנטום עוריות
    1. שופכים 100 מ של מים טהורים לתוך המאגר להכנת קפה. המקום מסנן בסל להכנת קפה. להוסיף 24 גרם קפה טחון לתוך המסנן. להפעיל את מכונת הקפה ולחץ על לחצן המבשלה להתחיל בישול.
    2. לשים 4 מ"ל של קפה טרי, 16 מ"ל של תמיסת מלח בבקבוק זכוכית כדי להפוך פתרון קפה.
    3. לשים 5 מ של השומנים אמולסיה (למשל, intralipid 10%) ו- 10 מ"ל של הפתרון קפה לתוך כוס פלסטיק שקופה. לאט לאט להוסיף 35 מ ל חומר בסיס תערובת זו תוך כדי ערבוב.
    4. וארוקן את התערובת לתוך מזרק ולהזריק אותו לאט כייר פנטום עוריות תוך הימנעות כל היווצרות בועה. מגניב כייר אקרילי המכיל התערובת ב 5 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות.
    5. הסר את הקליפים foldback העובש. שקופית אחד מהחלקים אקרילי חיצוני ומסירים אותו העובש. בג'ל 1-מ מעבה הקרושה פנטום העובש וחותכים אותו לגודל הרצוי באמצעות אזמל כירורגי.
    6. מקום והחזק הפאנטום ג'ל בין שקופיות שתי כוסות.
  2. להכין פנטום עורי המכילים דם מחומצן
    1. קח mL 5.0 של השומנים אמולסיה ו- 0.4 מ של דם הרכיבה כל עם 45%-המטוקריט והכניסו לתוך כוס פלסטיק שקופה. לאט לאט להוסיף 44.6 מ ל חומר הבסיס תוך ערבוב את התערובת.
    2. וארוקן את התערובת לתוך מזרק ולהזריק אותו לאט כייר פנטום עורי תוך הימנעות כל היווצרות בועה. מגניב כייר אקרילי המכיל התערובת ב 5 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות.
    3. הסר את הקליפים foldback העובש. שקופית אחד מהחלקים אקרילי חיצוני ומסירים אותו העובש. בג'ל 5-מ מעבה הקרושה פנטום העובש וחותכים אותו לגודל הרצוי באמצעות אזמל כירורגי.
    4. מקום והחזק הפאנטום ג'ל בין שקופיות שתי כוסות.
  3. להכין פנטום עורי המכילים דם דם לא מחומצן
    1. לשים ג'ל עורי פנטום המכילים דם מחומצן (מתוך שלב 4.2.3) על צלחת זכוכית.
    2. להמיס 1 גר' נתרן dithionite (Na2S2O4) לתוך 20 מ"ל של תמיסת מלח בבקבוק זכוכית.
    3. הוסף 0.05 גרם/מ ל נה2S2O4 פתרון על הפאנטום באמצעות מזרק כדי deoxygenate את הדם הפאנטום.
    4. מקום והחזק הפאנטום בין שתי שקופיות משקפיים כדי למנוע את זה מתייבש.
  4. להכין פנטום דו שכבתי
    1. ירידה 0.1 מ"ל של תמיסת מלח על גבי פנטום כדי להבטיח צימוד אופטי בין השכבות באפידרמיס, עורי עורי. במקום הפאנטום עוריות על הפאנטום עורי.
    2. אם יש בועות אוויר קיימים בין השכבות, לדחוף אותם החוצה על ידי ללטף את פני השטח של הפאנטום דו שכבתי עם קצה האצבע.
    3. החזק את הפאנטום דו שכבתי בין שתי כוסות שקופית כדי למנוע את זה מתייבש.

5. רכישת ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות

  1. רכישת ספקטרה כהה
    הערה: החיישן תשלום מצמידים מכשיר (CCD) בספקטרומטר יכולים להעריך את עוצמת האור בהתבסס על אות חשמלי שנוצר בתגובה התקרית אור. עם זאת, יש רעש כהה37 עצמאי של האותות שנוצר על ידי פוטונים, אך היא תלויה הטמפרטורה המכשיר, אפילו אם החיישן אינו מזהה את האור. כדי למדוד במדויק את עוצמת ספקטרלי האור, האות האפל הנוכחי עליו להיות הנמדדת קשת כהה, ואז המופחת הספקטרום מדגם. הקשת האפל הוא קשת נלקח בנתיב האור נחסם.
    1. הצב לספרה שילוב במיקום האופטימלי עבור המדידות ' מאטום לשקוף ' השתקפות (איור 1 א').
    2. בטל את מקור האור של מנורת הלוגן. לחסום את הנתיב אור ספקטרומטר באמצעות שקע הנמל או צלחת מיגון.
    3. בחירת הפקודה לאחסן כהה ' מתפריט ' קובץ ' כדי לאחסן מגוון כהה.
    4. בחירת הפקודה ספקטרום כהה הפחת ' מתפריט ' קובץ ' כדי לחסר את הספקטרום כהה מהספקטרום מדגם נמדד (ראו להלן).
  2. רכישת הפניה ספקטרה
    הערה: מאפייני הרכיבים המשמשים בניסוי זה, כגון מקור האור, מדריך קל, עדשה אכרומטית, סיבים אופטיים, ספקטרומטר אופטי יש אורך גל-dependences שלהם. לכן, יש למדוד את עוצמת ספקטרלי האור עברו אלה רכיבים אופטיים כמו קשת הפניה. לשקילת קשת השתקפות ' מאטום לשקוף ', הספקטרום הפניה הוא ספקטרום שצולמו עם מפזר לבן סטנדרטיים מואר עם אור מקור האור.
    1. הפעל את מקור האור של מנורת הלוגן על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה. חממו המנורה לפחות 10 דקות לפני רכישת את קשת הפניה.
    2. הצב מפזר לבן רגיל (לדוגמה, Spectralon) בנמל הדגימה של הספרה שילוב.
    3. שינוי משך הזמן אינטגרציה של ספקטרומטר על-ידי בחירת הערך המתאים מהרשימה הנפתחת בתוכנת ההפעלה ספקטרומטר כך עוצמת אות שיא היא כ- 75% של עוצמת ספקטרומטר המרבי.
    4. בחירת הפקודה לאחסן הפניה מתוך תפריט קובץ לאחסון קשת הפניה.
  3. רכישת המדגם ספקטרה
    הערה: קשת של השקיפות ' מאטום לשקוף ' של המדגם רכשה, לשמור על הכונן הקשיח של מחשב אישי באמצעות רכישה באותם התנאים.
    1. מקם את הפאנטום עוריות דחוקה מאת המשקפיים שתי שקופיות בנמל הדגימה. בחר בפקודה שמור בתפריט קובץ כדי לשמור את קשת ' מאטום לשקוף ' השתקפות לקובץ.
    2. חזור על שלב 5.3.1 עבור עורי, דו שכבתי פאנטום.

6. רכישת הספקטרום להדמיה סה

  1. רכישת ספקטרה כהה
    הערה: החיישן בספקטרומטר יכולים להעריך את עוצמת האור בהתבסס על אות חשמלי שנוצר בתגובה התקרית אור. עם זאת, יש רעש כהה אשר עצמאי של האותות שנוצר על ידי פוטונים אבל היא תלויה הטמפרטורה המכשיר, אפילו אם החיישן אינו מזהה את האור. כדי למדוד במדויק את עוצמת ספקטרלי האור, האות האפל הנוכחי עליו להיות הנמדדת קשת כהה, ואז המופחת הספקטרום מדגם. הקשת האפל הוא קשת נלקח בנתיב האור נחסם.
    1. הצב לספרה שילוב במיקום האופטימלי עבור המדידות להדמיה הכולל (איור 1b).
    2. הסר את המלכודת אור מהנמל של הספרה שילוב וחבר פקק נמל ליציאה.
    3. בטל את מקור האור של מנורת הלוגן. לחסום את נתיב האור אל הספירה שילוב באמצעות שקע הנמל או הגנה על צלחת.
    4. בחירת הפקודה לאחסן כהה ' מתפריט ' קובץ ' כדי לאחסן מגוון כהה.
    5. בחירת הפקודה ספקטרום כהה הפחת ' מתפריט ' קובץ ' כדי לחסר את הספקטרום כהה מהספקטרום מדגם נמדד (ראו להלן).
  2. רכישת הפניה ספקטרה
    הערה: מאפייני הרכיבים המשמשים בניסוי זה, כגון מקור האור, מדריך קל, עדשה אכרומטית, סיבים אופטיים, ספקטרומטר אופטי יש אורך גל-dependences שלהם. לכן, יש למדוד את עוצמת האור עברו דרך רכיבים אלה ספקטרלי כמו קשת הפניה. המדידה של הספקטרום להדמיה הכולל, הספקטרום הפניה היא קשת כאשר אור מקור האור ישירות נכנס לספרה שילוב דרך היציאה מדגם.
    1. הפעל את מקור האור של מנורת הלוגן על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה. חממו המנורה לפחות 10 דקות לפני רכישת את קשת הפניה.
    2. לווסת את הזמן אינטגרציה של ספקטרומטר על-ידי בחירת הערך המתאים מהרשימה הנפתחת של אינטגרציה פעמים ב תוכנות הפעלה של ספקטרומטר כך עוצמת האור הגדול מראה אות זה כ- 75% מהערך המרבי ערכים.
    3. בחירת הפקודה לאחסן הפניה מתוך תפריט קובץ לאחסון קשת הפניה.
  3. רכישת המדגם ספקטרה
    הערה: הספקטרום של להדמיה הכולל המדגם רכשה, לשמור על הכונן הקשיח של מחשב אישי באמצעות רכישה באותם התנאים.
    1. מקם את הפאנטום עוריות דחוקה מאת המשקפיים שתי שקופיות בנמל הדגימה. בחר בפקודה שמור בתפריט קובץ כדי לשמור את קשת להדמיה הכולל לקובץ.
    2. חזור על שלב 6.3.1 עבור עורי, דו שכבתי פאנטום.

7. הערכת את הקליטה והמאפיינים אור-פיזור

הערה: ערכה של הקשת ' מאטום לשקוף ' השתקפות הספקטרום להדמיה הכולל נשמרת על הכונן הקשיח של מחשב אישי ואם ניתח באופן לא מקוון. הפוך מונטה קרלו סימולציה8,38,39,40 ואז מתבצעת לקבלת הערכה הקליטה מקדם ספקטרום ממוצע(λ), המקדם פיזור מופחת ספקטרום ממוצעs'(λ). בבית הזה הפוך סימולציה מונטה קרלו, פיזור מוערך מקדם ממוצעs, תחת ההנחה כי חיזקו גורם g הוא 0, נחשב את פיזור מופחתת מקדם ממוצעs' . השקיפות והן את הנתונים אנו משמשים עבור הדמיה יחיד להפעיל. האלגוריתם מפורטת בשימוש פרוטוקול זה דווח בשנים קודמות ספרות8,39. אנחנו מעריכים הקליטה מקדם ספקטרום ממוצע(λ) ו את פיזור מופחתת מקדם ספקטרום ממוצעs'(λ) של שכבת אפידרמיס מתוך קבוצת השקיפות ' מאטום לשקוף ' ספקטרום, הכולל להדמיה הספקטרום המתקבל על השכבה האפידרמלית. באותו אופן, אנחנו מעריכים ממוצע(λ) וממוצעs'(λ) של שכבת הדרמיס מתוך קבוצה של הספקטרום השתקפות ' מאטום לשקוף ', הכולל להדמיה הספקטרום המתקבל את עורי שכבה.

  1. פתח את קובץ הקלט עבור הסימולציה מונטה קרלו.
  2. למלא את הערכים של השקיפות ' מאטום לשקוף ' נמדד, את להדמיה הכולל-טווח אורך הגל הספציפי מ 400 ל- 700 nm ב nm 10-מרווחי בקובץ נתוני הקלט. מלאו את הערך של עובי פנטום בקובץ נתוני הקלט.
  3. הגדר את השבירה n של שכבה כדי להיות ערך מתאים בקובץ נתוני הקלט (למשל, n = 1.33 ב 550 ננומטר). להגדיר את הערך של מקדם חיזקו g 0 בקובץ נתוני הקלט.
  4. הגדרת הערכים ההתחלתיים של הקליטה מקדם ממוצע , של פיזור מקדם ממוצעs להיות הערכים המתאימים בקובץ נתוני הקלט (למשל, ממוצע = 0.01, ממוצעs = 0.1 ).
  5. ביצוע התוכנית הופכי סימולציה מונטה קרלו.
  6. הקלד את שם קובץ הקלט ולאחר מכן הפעל את הסימולציה.
  7. פתח את הקובץ פלט וסמנו הערכים הסופיים של ממוצע ו ממוצעs לאחר איטרטיבי הסימולציה הסתיים.
  8. חזור על הצעדים 7.1-7.7 אחרים אורכי הגל הרצוי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 3 מראה ספקטרום מוערך נציג של המקדם פיזור מופחתת, המקדם הקליטה עבור פנטום עוריות ו פנטום עורי. התוצאות המוצגות באיור 3 הן הממוצעים של עשרה המידות של השתקפות והן להדמיה ספקטרה. פיזור מופחתת מקדם ממוצעs' יש קשת פיזור רחב, מפגין בעוצמה גבוהה יותר באורכי גל קצרים יותר. תכונות ספקטרליות תואמות ספקטרום אופייני פיזור של רקמות רכות. הקליטה מקדם ממוצע של נרקב פנטום עוריות אקספוננציאלית כמו הגל גדל, בדומה ספקטרום הבליעה של מלנין... הספקטרום מקדם הספיגה של השכבה האפידרמלית פנטום וזו של מלנין41 היה מצויד ידי פונקציה מעריכית כמו:
Equation

הערך של B עבור השכבה האפידרמלית מחושב להיות 0.011, בעוד שעבור מלנין נאמדת 0.009. התלות באורך גל של ספיגת המקדמים ממוצע להכללת פנטום עורי חמצן בדם, רווית דם נשלטת על ידי המאפיינים ספקטרלי של המוגלובין מחומצן רווית המוגלובין, בהתאמה.

איור 4 מציג תצלומי צבע דיגיטלי נציג של הפאנטום עור דו שכבתי. איור 4a מציג תמונת חתך של הפאנטום עור דו שכבתי. איור 4b ו- 4 c הצג תצוגות העליון של המטריקס 3-מאת-3 הפנטום המכילים דם מחומצן, רווית דם, בהתאמה. השורות מלמעלה למטה יש קפה פתרון ריכוזים Cc של 5%, 10%-20%. העמודות משמאל לימין יש דם ריכוזים Cb של 0.2%, 0.4% ו- 0.6%. הצבע של הפאנטום הופך כהה יותר ככל שהערך של Cc מגביר שיכבת העור, ואילו זה הופך ורוד כמו הערך של Cb גדל. הפאנטום עם דם מחומצן יש צבע אדמדם יותר מזה עם רווית דם. וריאציות אלה מייצגים שינוי צבע העור עקב מצבים פיזיולוגיים כמו שיזוף ו- hypoxemia, בהתאמה.

איור 5 מראה שדוגמה של נציג נמדד ' מאטום לשקוף ' השתקפות הספקטרום המתקבל הפאנטום טישו דו שכבתי העור יש תנאים שונים (איור 5a) את הריכוז של פתרון קפה Cc( איור 5b) הריכוז של דם מלא Cbו- (איור 5 c) מדינת דם מחומצן. ב- איור 5a, השקיפות ' מאטום לשקוף ' באזור אורך גל קצר יותר יופחתו במידה משמעותית בהשוואה כי באזור אורך גל ארוך יותר ככל שהערך של Cc הופך גדול יותר. זאת בשל בליעת אור חזק לפי הפתרון קפה באזור אורך גל קצר יותר (ראה איור 3b). איור 5b מציגה את השינוי יוצא מן הכלל ' מאטום לשקוף ' השתקפות באזור הגל האמצעי עם הערך של Cb, אשר מייצג את קליטת האור חזק על ידי ההמוגלובין בתוך טווח אורך הגל בין 500 ל- 600 ננומטר. ההבדל בין המוגלובין מחומצן, רווית המוגלובין ל- isosbestic נקודות של המוגלובין תכונה ספקטרלי הם נצפו בבירור ספקטרום השתקפות ' מאטום לשקוף ' שמוצג באיור 5 c.

Figure 1
איור 1: תרשים סכמטי של המנגנון ניסיוני. לוחות אלה מראים את הסידור למדידת ספקטרה השתקפות ' מאטום לשקוף ' () ו- (b) להדמיה הכולל ספקטרה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: שלבים בהכנת פאנטום אופטי מבוסס agarose. אלה מראות () עשיית, השכבה האפידרמלית פנטום ו (b) ביצוע של שכבת הדרמיס פנטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: הנציג מוערך התכונות האופטיות של פאנטום. () לוח זה מציג את הממוצע מופחתת פיזור מקדם ספקטרום ממוצעs' (λ) של השכבות באפידרמיס, עורי. (b) לוח זה מציג הקליטה מקדם ספקטרה ממוצע(λ) של השכבה האפידרמלית ושכבות עורי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: תצלומי צבע דיגיטלי נציג הפאנטום עור דו שכבתי. () לוח זה מראה חתך הרוחב תצוגה של העור דו שכבתי פנטום. (b) לוח זה מציג את התצוגה העליונים של המטריקס 3-מאת-3 הפנטום המכילים דם מחומצן. (ג) לוח זה מציג את התצוגה העליונים של המטריקס 3-מאת-3 הפנטום המכילים דם דם לא מחומצן. השורות מלמעלה למטה יש קפה פתרון ריכוזים Cc של 5%, 10%-20%. העמודות משמאל לימין יש דם ריכוזים Cb של 0.2%, 0.4% ו- 0.6%. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: הנציג נמדד ' מאטום לשקוף ' השתקפות הספקטרום המתקבל הפאנטום רקמת העור דו שכבתי. אלה מראות ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות של הפאנטום עם מצבים שונים של () הריכוז של פתרון Cקפהc, (b) את הריכוז של דם מחומצן כל Cbו- ( c) מדינת דם מחומצן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השלב הקריטי ביותר של פרוטוקול זה הוא השליטה בטמפרטורה של חומר הבסיס. הטמפרטורה כדי לשמור על חומר הבסיס נע בין 58 עד 60 מעלות צלזיוס. אם הטמפרטורה היא יותר מ 70 מעלות צלזיוס, תתרחש דנטורציה של האמולסיה השומנים והן את כל הדם. כתוצאה מכך, יחריף התכונות האופטיות של הפאנטום. אם הטמפרטורה הוא פחות מ 40 ° צלזיוס, חומר הבסיס להיות הג'לי ununiformly ו, לכן, הסוכנים פיזור וקליטה קלה heterogeneously יחולקו הפאנטום. למרות חומר הבסיס נשמרת ב 60 מעלות צלזיוס, suctioning אותו עם מזרק מורידה את הטמפרטורה. הטמפרטורה של חומר בסיס מוריד עד 50 מעלות צלזיוס כאשר היא מתווספת לפתרון של דם.

הפאנטום אופטי המתוארות במאמר זה סובלים מגלגולים שמיש קצר אשר מוגבלים בדרך כלל לא יותר מיום אחד. אולי ניתן להאריך את משך החיים שמיש על ידי לבצע הפאנטום עם חומר הבסיס במכל אטום או באמצעות כחומר משמר. השכבה האפידרמלית 1-מ מעבה פנטום הוא בסדר גודל גדול יותר העובי עוריות אנושי. פרוטוקול זה עם העובש אקרילי, עם זאת, זה היה קשה ליצור עובי השכבה פחות מ 0.5 מ מ. כדי לצמצם את ההשפעות הצפויות של עובי זה על ספקטרום נמדד השתקפות ' מאטום לשקוף ' של הפאנטום, מקדמי פיזור וקליטה של האפידרמיס הפנטום היו מוסדרים כך הקשת ' מאטום לשקוף ' השתקפות הראה את הספקטרום דומים לזו של העור האנושי. שיטת ספין-ציפוי42 נראה מבטיח להכנת שכבת דק יותר 0.5 מ מ. הערכים של ממוצע (λ) ו ממוצעs' (λ) לעור האנושי הם דיווחו על ספרות43.

התפלגות אחידה של מלנין או בילירובין שכבת רפאים אגר יכול להיות קשה באמצעות פרוטוקול המתוארים כאן כי הן אלה אינם לגמרי מסיסים במים. השימוש melanoidin מופק פולי קפה קלויים, טרטרזין יכול לשמש דומות או להחליף חומרים של מלנין, בילירובין, בהתאמה. ההופכי סימולציה מונטה קרלו המשמש להערכת המאפיינים אופטי מן השקיפות ' מאטום לשקוף ' נמדד להדמיה הכולל את הוא יחסית זמן רב עקב האופנה איטרטיבי שלה. חישוב הובלה אור אחר מודל כגון שיטת הוספת-הכפלת44 יכול לשמש כדי לקצר את זמן חישוב. פיזור מופחתת מקדם ממוצעs' הוא מאפיין אופטי lumped הופכים את פיזור ממוצעשל מקדםs חיזקו גורם g. כדי להעריך ממוצעs ו- g בנפרד, להדמיה מקבילות של פנטום ניתן למדוד בנוסף להדמיה הכולל את השתקפות ' מאטום לשקוף '38,40. במחקר הנוכחי, אנחנו לא מודדים את השבירה עבור כל שכבה. קובעים את מקדם שבירה של מים כפי שפורסמה ב ספרות45 בקובץ נתוני הקלט עבור ההופכי סימולציה מונטה קרלו במקום מאז הג'ל agarose מורכבת בעיקר ממים. הנחנו כי אין שום הבדל ב מדדי השבירה בין שתי השכבות. השתמשנו גם נירות ערך עבור אינדקס השבירה של זכוכית (למשל, n = 1.524- λ = 546.1 ננומטר) עבור הסימולציות מונטה קרלו.

. זה יתרון כי פרוטוקול זה, עם הספרה שילוב אחד במקום שילוב שתי הספירות, היא חסכונית. מצד שני, באמצעות כדור שילוב יחיד הוא זמן רב מאז הסידור של הספרה שילוב לשנות על פי המדידה עבור להדמיה הכולל או של השתקפות ' מאטום לשקוף '. . זה יתרון כי הפרוטוקול המתואר במאמר זה יכולים להרחיב כדי ליצור טפט או multilayer פאנטום אופטי עם צורות שונות, גדלים של הכללות על-ידי שינוי העיצוב של התבניות. המשטחים של הרבדים הפנטום היו wetted מיד לאחר שהם נלקחו מתוך עובש שלהם. לכן, שיכבת העור ואת שכבת הדרמיס היו דבקו יחד על-ידי סידור בערימה השכבה השנייה מקרוב על גבי השכבה הראשונה. זה אפשרי לגבש את השכבה השנייה ישירות על הראשון, ולא בודה אותם בנפרד, מצרף אותם לאחר מכן. במקרה זה, עם זאת, יתכן שיקשה לבצע במדויק עוריות שכבה דקה עם עובי שכבה אחידה. אנחנו דחוקה הפאנטום בין המשקפיים כדי למנוע את התייבשות של הפאנטום. שקלנו את התכונות האופטיות ואת עובי זכוכית ההופכי סימולציה מונטה קרלו. לכן אין כל השפעה על מאפיינים אופטיים המשוערת של הפאנטום. המשמעות של הטכניקה הנוכחית לגבי שיטות קיימות היא היכולת לייצג את ספקטרום השתקפות ' מאטום לשקוף ' של רקמות החי הנראה לאזור-סגול באורך גל. הפאנטום אופטי שנעשו על ידי פרוטוקול זה יהיה זמין עבור אימות של פיתח שיטות אופטי מבוסס על ספקטרוסקופיה ' מאטום לשקוף ' spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

חלק מעבודה זו נתמכה על ידי מענק הסיוע על Scientific Research (C) של החברה היפנית עבור קידום של המדע (25350520, 22500401, 15 K 06105) ואת צבא ארה ב המרכז לטניס בישראל-פאק מחקר בפרויקט פיתוח (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

בביו-הנדסה גיליון 138 תעתוע אופטי agarose ג'ל השומנים אמולסיה התכונות האופטיות המוגלובין פיזור אור קליטת האור סימולציה מונטה קרלו ההופכי ספקטרוסקופיה ' מאטום לשקוף '
רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה
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