Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Agaros-baserade vävnad härma optiska fantomer för diffus reflektans spektroskopi

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

Här visar vi hur agaros-baserade vävnad-härma optiska fantomer görs och hur deras optiska egenskaper bestäms med en konventionell optiska system med en integrerande sfär.

Abstract

Detta protokoll beskriver hur man gör agaros-baserade vävnad-härma fantomer och visar hur man bestämma deras optiska egenskaper med ett konventionellt optiskt system med en integrerande sfär. Mätsystem för förvärvet av diffus reflektans och totala transmittans spectra är konstruerade med en bredband ljus källa, en ljus guide, en akromatisk lins, en integrerande sfär, en provhållare, en optisk fiber sond, och en Multi-Channel spektrometer. En akryl mögel bestående av två rektangulära akryl bitar och en U-formad akryl bit är konstruerad för att skapa en epidermal phantom och en dermal fantom med helblod. Tillämpningen av en natrium Ditionit (Na2S2O4) lösning till dermal Fantomen gör det möjligt för forskaren att deoxygenate hemoglobin i röda blodkroppar distribueras i dermal Fantomen. Inversen Monte Carlo-simulering med diffus reflektans och totala transmittans spectra mäts av en spektrometer med en integrerande sfär utförs för att bestämma den absorption koefficient spektrum µen(λ) och den minskad spridning koefficient spektrum µs' (λ) i varje lager phantom. En två-lager fantom härma diffusa reflektansen av mänsklig hudvävnad framgår också av hopar sig epidermal Fantomen på dermal Fantomen.

Introduction

Optiska phantoms är objekt som imiterar de optiska egenskaperna av biologisk vävnad och har använts i fältet biomedicinsk optik. De är utformade så att de optiska egenskaperna, såsom ljusspridning och absorption koefficienter, matcha med de av levande människors och djurs vävnader. Optiska phantoms är vanligen används för följande ändamål: simulera ljus transport i biologiska vävnader, kalibrera ett nyligen utvecklat optiskt systemdesign, utvärdering av kvaliteten och prestandan hos befintliga system, jämföra prestanda mellan systemen, och validera de optiska metoderna förmåga att kvantifiera den optiska egenskaper1,2,3,4,5. Därför krävs lätt att få ämnen, en enkel tillverkningsprocessen, en hög reproducerbarhet och en optisk stabilitet för att göra optiska fantomer.

Olika typer av optiska fantomer med olika basmaterial såsom vattensuspension6, gelatin gel7, agaros gel8,9,10, Polyakrylamidgelen11, harts12, 13,14,15,16, och rummet-temperatur-vulkanisering silikon17 har rapporterats i tidigare litteratur. Det har rapporterats att gelatin - och alginat-baserade geler är användbara för optisk fantomer med heterogena strukturer18. Alginat fantomer har en lämplig mekanisk och termisk stabilitet för att utvärdera photothermal effekter såsom laser ablation studier och laser-baserad hypertermi studier18. Agaros gel har förmågan att fabricera heterogena strukturer och deras mekaniska och fysikaliska egenskaper är stabila för en lång tid18. Hög renhet agaros gel har en mycket låg grumlighet och en svag optisk absorption. Optiska egenskaper av agaros-baserade fantomer kunde därför lätt utformas med lämplig ljus spridning och absorbera agenter. Nyligen, styrenbutadienstyren-eten-buten-typ (SEBS) block sampolymerer19 och polyvinylklorid (PVC) geler20 har rapporterats som intressant phantom material för optiska och photoacoustic tekniker.

Polymer mikrosfärer7,12,21,22, Titan oxid pulver1och lipid emulsioner23,24,25,26 till exempel mjölk och lipid används emulsion som ljusspridning ombud, svart bläck27,28 och molekylär färgämnen29,30 används som ljus absorbenter. Diffus reflektans spektra av mest levande organ domineras av absorptionen av syresatt och syrefattigt hemoglobin i röda blodkroppar. Därför hemoglobin lösningar31,32 och helblod8,9,10,33,36 används ofta som ljus absorbenter i den fantomer för en diffus reflektans spektroskopi och Multispektral avbildning.

Den metod som beskrivs i denna artikel används för att skapa en optisk phantom härma ljus transport i biologiska vävnader och att karakterisera dess optiska egenskaper. Som ett exempel, en två-lager optiska phantom symtom liknande optiska egenskaper av mänsklig hudvävnad demonstreras. Fördelarna med denna metod jämfört med alternativa tekniker är förmågan att representera diffus reflektans spektra av levande biologiska vävnader i den synliga nära infraröda våglängdsområdet, samt enkelheten att göra det, använder lätt tillgängliga material och konventionella optiska instrument. De optiska fantomer som gjorts av denna metod kommer därför användbar för utveckling av optiska metoder baserade på diffus reflektans spektroskopi och Multispektral avbildning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. byggande av en konventionell diffus reflektans och totala transmittans spektroskopiska System

Obs: Konstruera mätsystemen för diffus reflektans och totala transmittans spectra använder bredband vit ljuskälla, en ljus guide, en akromatisk lins, en integrerande sfär, en provhållare, en optisk fiber och en flerkanalig spektrometer. Ljusfällan roll är att ta bort komponenten speglande reflexion från reflektans spektrumet. Provhållaren av den integrerande sfären består av en monteringsplattan och en dovetail och fjäderbelastad klämma montering som håller provet mot hamnen. Av dovetail och fjäderbelastad klämma montering tas bort från provhållaren och en handgjord cubic piedestal av styrencellplast är fäst monteringsplattan istället. Layouterna av optiska komponenter, visas i figur 1a och 1b, kan hänskjutas till den konstruktion proceduren för diffus reflektans mätningarna och totala transmittans mätningar, respektive.

  1. Anslut spektrometern och en dator med den medföljande kabeln för universal serial bus (USB).
  2. Anslut den port-adaptern till en detektor port av den integrerande sfären. Anslut spektrometern och port adapter av den integrerande sfär med en optisk fiber. Anslut 150 W halogen lampa ljuskällan och ljusledare.
  3. Fäst provhållaren en prov port av den integrerande sfären. Bifoga en lämplig port av den integrerande sfären Ljusfällan när utför diffus reflektans mätningarna. Slå på ljuskällan halogen lampa att lysa upp ett prov via guiden ljus och akromatisk lins.
  4. Öppna programvaran drift av spektrometern.

2. beredning av en akryl mögel

Obs: En akryl mögel som består av två rektangulära akryl bitar och en U-formad akryl bit är konstruerad för att skapa en enskiktslager gel fantom. Figur 2 kan hänskjutas för proceduren konstruktion.

  1. Klipp ut två rektangulära akryl bitar från en 2 mm tjock akryl tavla till valfri storlek.
  2. Klipp ut en akryl bit från en 1 mm tjock akryl tavla till valfri storlek. Skär i 1 mm tjock akryl bit så att det blir en U-formad bit som ska användas för mögel för att göra 1 mm tjock epidermal fantomer.
  3. Klipp ut en akryl bit från en 5 mm tjock akryl tavla till valfri storlek. Skär i 5 mm tjock akryl bit så att det blir en U-formad bit för att användas som gjutform för att göra 5-mm tjock dermal fantomer.
  4. Ta bort eventuella grader från varje akryl bit med en metal fil.
  5. Göra den epidermala phantom mögel genom att hålla den 1 mm tjock U-formad bit med två 2 mm tjock akryl bitar och fastställande av dem med fem foldback klipp.
  6. Göra dermal phantom mögel genom att hålla den 5 mm tjock U-formad bit med två 2 mm tjock akryl bitar och fastställande av dem med fem foldback klipp.

3. beredning av grundmaterialet

  1. Sätta 500 mL standard koksaltlösning med 0,9% (w/v) NaCl i en pod. Tillsätt 5 g agaros pulver under omrörning blandningen för att undvika klumpar.
  2. Värm blandningen av agaros och koksaltlösning av en elektrisk matlagning värmare med en 1000 W power-inställning för 5 min.
  3. När blandningen kokar, hålla blandningen på svag värme i 3 minuter.
  4. Cool blandningen till en temperatur på ca 70 ° C. Sedan Häll blandningen i en behållare och hålla den i badkar konstant temperatur på 60 ° C under 30 minuter innan du gör en fantom.

4. beredning av huden-härma optiska Phantoms

Obs: En kaffe lösning används för att efterlikna absorptionsspektrum av melanin. Kaffe lösningen innehåller ett brunt pigment kallat melanoidin. Absorptionsspektrum av melanoidin har rapporterats vara liknar melanin10.

  1. Förbereda en epidermal phantom
    1. Häll 100 mL rent vatten i reservoaren kaffebryggare. Placera ett filter i kaffebryggare korgen. Tillsätt 24 g malet kaffe i filtret. Slå på kaffebryggaren och tryck på knappen brew att börja brygga.
    2. Lägg 4 mL bryggkaffe och 16 mL koksaltlösning i en glasflaska att göra ett kaffe-lösning.
    3. Sätter 5 mL lipid emulsion (t.ex., intralipid 10%) och 10 mL lösning i en genomskinlig plast kopp kaffe. Tillsätt 35 mL i grundmaterialet till denna blandningen under omrörning.
    4. Sug upp blandningen i en spruta och injicera det långsamt i epidermal phantom mögel samtidigt undvika någon bubbla bildandet. Cool akryl mögel som innehåller blandningen vid 5 ° C i 20 min.
    5. Ta bort foldback klippen från mögel. Skjut en av akryl bitar utåt och bort från mögel. Ta 1 mm tjock stelnat gelen phantom ur formen och skär den till önskad storlek med en kirurgisk skalpell.
    6. Placera och håll gel fantomen mellan två bild glasögon.
  2. Förbereda en dermal fantom som innehåller syresatt blod
    1. Ta 5,0 mL av lipid emulsion och 0,4 mL av hela equine blod med 45%-hematokrit och sätta i en genomskinlig plast kopp. Tillsätt långsamt 44,6 mL i grundmaterialet under omrörning blandningen.
    2. Sug upp blandningen i en spruta och injicera det långsamt dermal phantom mögel samtidigt undvika någon bubbla bildandet. Cool akryl mögel som innehåller blandningen vid 5 ° C i 20 min.
    3. Ta bort foldback klippen från mögel. Skjut en av akryl bitar utåt och bort från mögel. Ta 5 mm tjock stelnat gelen phantom ur formen och skär den till önskad storlek med en kirurgisk skalpell.
    4. Placera och håll gel fantomen mellan två bild glasögon.
  3. Förbereda en dermal fantom som innehåller syrefattigt blod
    1. Sätta en dermal gel fantom som innehåller syresatt blod (från steg 4.2.3) på en glasskål.
    2. Lös 1 g natrium Ditionit (Na2S2O4) till 20 mL koksaltlösning i en glasflaska.
    3. Lägg till 0.05 g/mL Na2S2O4 lösning på phantom med en spruta till deoxygenate blodet i Fantomen.
    4. Placera och håll Fantomen mellan två bild glasögon att förhindra att den torkar ut.
  4. Förbereda en två-lager fantom
    1. Droppe 0.1 mL koksaltlösning på en dermal fantom att säkerställa optisk koppling mellan epidermal och dermal lager. Placera epidermal Fantomen på dermal Fantomen.
    2. Om det finns några luftbubblor mellan skikten driva dem ut genom att rama in ytan av två lager phantom med en fingertopp.
    3. Håll två lager Fantomen mellan två bild glasögon att förhindra att den torkar ut.

5. förvärv av diffus reflektans spektra

  1. Förvärv av mörka spectra
    Obs: Kostnad – tillsammans enhet (CCD) sensorn i spektrometern kan uppskatta ljusintensiteten baserat på en elektrisk signal som genereras som svar på infallande ljus. Det finns dock mörka buller37 som är oberoende av de signaler som genereras av fotoner men är beroende av den enhe temperaturen, även om sensorn inte identifierar ljuset. För att mäta den spektrala intensiteten av ljuset, bör den mörka aktuella signalen mätt som en dark spektrum och sedan subtraheras från provet spektrumet. Mörka spectrumen är ett spektrum som tagna med ljusstrålen blockeras.
    1. Placera den integrerande sfären vid en optimal position för diffus reflektans mätningar (figur 1a).
    2. Stäng av halogen lampa ljuskällan. Blockera ljusbanan till spektrometern använder en port-kontakten eller en avskärmning tallrik.
    3. Välj kommandot lagra mörkt från Arkivmenyn att lagra en dark spektrum.
    4. Välj kommandot subtraktion dark spektrum från Arkivmenyn att subtrahera det dark spektrat från uppmätta prov spectrumen (se nedan).
  2. Förvärv av referens spectra
    Obs: De optiska egenskaperna av de komponenter som används i detta experiment, som ljuskälla, ljusledare, akromatisk lins, optisk fiber och spektrometern, har sin egen våglängd-dependences. Spektrala intensiteten hos ljuset som passerar genom dessa optiska komponenter bör därför mätas som en referens spektrum. För mätning av en diffus reflektans spektrum är referens spectrumen ett spektrum som tagits med en vanlig vit diffusor belyses med ljus från ljuskällan.
    1. Slå på halogen lampa ljuskällan genom att trycka på strömbrytaren. Värm upp lampan för minst 10 min innan förvärva ett referens-spektrum.
    2. Placera en standard vit diffusor (t.ex., Spectralon) i provet hamnen av den integrerande sfären.
    3. Justera integration av spektrometern genom att välja lämplig värdet från den nedrullningsbara listan i spektrometern operativa programvaran så att den topp signalintensitet är cirka 75% av spektrometer intensitet maximal.
    4. Välj kommandot Spara referens från Arkivmenyn att lagra en referens spektrum.
  3. Förvärv av provet spectra
    Obs: Ett spektrum av diffusa reflektansen av provet är förvärvat och sparas på hårddisken på en dator som använder samma förvärv villkor.
    1. Placera den epidermala phantom inklämt av de två bild-glasögonen på uttaget prov. Välj kommandot Spara i Arkivmenyn för att spara en diffus reflektans spektrum till en fil.
    2. Upprepa steg 5.3.1 för den dermal och två lager fantomer.

6. förvärv av totala transmittans spektrumet

  1. Förvärv av mörka spectra
    Obs: Sensorn i spektrometern kan uppskatta ljusintensiteten baserat på en elektrisk signal som genereras som svar på infallande ljus. Det finns dock mörka buller som är oberoende av de signaler som genereras av fotoner men är beroende av den enhe temperaturen, även om sensorn inte identifierar ljuset. För att mäta den spektrala intensiteten av ljuset, bör den mörka aktuella signalen mätt som en dark spektrum och sedan subtraheras från provet spektrumet. Mörka spectrumen är ett spektrum som tagna med ljusstrålen blockeras.
    1. Placera den integrerande sfären vid en optimal position för totala transmittans mätningar (figur 1b).
    2. Ta bort Ljusfällan från hamnen den integrerande sfären och bifoga en port-kontakten till porten.
    3. Stäng av halogen lampa ljuskällan. Blockera ljusbanan till den integrerande sfären med en port-kontakten eller avskärmning plattan.
    4. Välj kommandot lagra mörkt från Arkivmenyn att lagra en dark spektrum.
    5. Välj kommandot subtraktion dark spektrum från Arkivmenyn att subtrahera det dark spektrat från uppmätta prov spectrumen (se nedan).
  2. Förvärv av referens spectra
    Obs: De optiska egenskaperna av de komponenter som används i detta experiment, som ljuskälla, ljusledare, akromatisk lins, optisk fiber och spektrometern, har sin egen våglängd-dependences. Därför, den spektrala intensiteten av ljuset passerat genom dessa komponenter bör mätas som en referens spektrum. För mätning av totala transmittans spektrumet är referens spectrumen ett spektrum som vidtas när ljuset från ljuskällan går direkt in i den integrerande sfären genom uttaget prov.
    1. Slå på halogen lampa ljuskällan genom att trycka på strömbrytaren. Värm upp lampan för minst 10 min innan förvärva ett referens-spektrum.
    2. Reglera spektrometern integration tid genom att välja lämplig värdet från den nedrullningsbara listan integration gånger i spektrometern operativa programvara så att de största ljusintensiteten visar en signal som är cirka 75% av maximalt värden.
    3. Välj kommandot Spara referens från Arkivmenyn att lagra en referens spektrum.
  3. Förvärv av provet spectra
    Obs: Spectrumen av den totala överföringen av provet är förvärvat och sparas på hårddisken på en dator som använder samma förvärv villkor.
    1. Placera den epidermala phantom inklämt av de två bild-glasögonen på uttaget prov. Välj kommandot Spara i Arkivmenyn för att spara ett totalt transmittans spektrum till en fil.
    2. Upprepa steg 6.3.1 för den dermal och två lager fantomer.

7. uppskattningen av Absorption och ljus-scattering boenden

Obs: En uppsättning diffus reflektans spektrumet och totala transmittans spektrumet sparas till hårddisken på en dator och analyseras offline. En invers Monte Carlo-simulering8,38,39,40 utförs sedan för att uppskatta den absorption koefficient spektrum µen(λ) och minskad spridning koefficienten Spectrum µs'(λ). I denna inversen Monte Carlo-simulering, den uppskatta scattering koefficienten µs, under antagandet att den anisotropi faktor g är 0, betraktas som minskad spridning koefficienten µs' . Både reflektansen och transmittans data används för en enkel simulering kör. Den detaljerade algoritm som används i detta protokoll har rapporterats i tidigare litteratur8,39. Vi uppskattade den absorption koefficient spektrum µen(λ) och minskad spridning koefficient spektrum µs'(λ) från en epidermala lagret från en uppsättning av diffusa reflektansen spektrum och totala transmittans spektrum erhållits från epidermala skikt. På samma sätt uppskattade vi µen(λ) och µs'(λ) av en dermal lager från en uppsättning av diffus reflektans spektrumet och totala transmittans spektrumet erhållits från den dermal skikt.

  1. Öppna en indatafil för Monte Carlo simulering.
  2. Fylla i värdena uppmätta diffusa reflektansen och den totala överföringen på specifika våglängdsområdet från 400 till 700 nm vid 10 nm-intervall i filen indata. Fyll i värdet av phantom tjockleken i filen indata.
  3. Ange den brytningsindex n av ett lager vara ett lämpligt värde i filen indata (t.ex., n = 1,33 vid 550 nm). Värdet på anisotropi faktor g vara 0 i filen indata.
  4. Ange startvärdena i de absorbering koefficienten µen och spridning koefficienten µs vara lämpliga värden i filen indata (t.ex., µen = 0,01, µs = 0,1 ).
  5. Kör programmet inverse Monte Carlo-simulering.
  6. Skriv namnet på indatafilen och sedan köra simuleringen.
  7. Öppna utdatafilen och kontrollera slutvärdena µen och µs efter iterativ simuleringen är avslutat.
  8. Upprepa steg 7,1-7,7 för andra önskade våglängder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 visar representativa uppskattade spektra av minskad spridning koefficienten och absorptionskoefficienten för epidermal phantom och dermal phantom. Resultaten visas i figur 3 är genomsnitten av tio mätningar av både reflektans och transmittans spektra. Den reducera scattering koefficienten µs' har en bred spridning spektrum uppvisar en högre magnitud på kortare våglängder. Spektral funktioner motsvarar typiska scattering spektra av mjuka vävnader. De absorbering koefficienten µen av de epidermala phantom sönderfaller exponentiellt när våglängden ökar, som liknar absorptionsspektrum av melanin. Koefficienten absorptionsspektrum av epidermal phantom lagret och det av melanin41 utrustades med en exponentiell funktion som:
Equation

Värdet av B för epidermala lagret beräknades till 0,011, medan det för melanin uppskattades till 0,009. Våglängdens avhängighet av absorption koefficienter μen för den dermal fantom som innehåller syresatt blod och syrefattigt blod domineras av spektrala egenskaper syresatt hemoglobin och syrefattigt hemoglobin, respektive.

Figur 4 visar representativa digital färgfotografier av två lager hud phantoms. Figur 4a visar en tvärsnitts bild av två lager hud Fantomen. Figur 4b och 4 c Visa top vyer av 3-av-3 phantom matrisen som innehåller syresatt blod och syrefattigt blod, respektive. Raderna från topp till botten har kaffe lösning koncentrationer Cc 5%, 10% och 20%. Kolumnerna från vänster till höger har blod koncentrationer Cb 0,2% 0,4% och 0,6%. Färgen på Fantomen blir mörkare som värdet av Cc i epidermala lagret ökar, medan det blir rosa som värdet av Cb ökar. Phantom med syresatt blod har en mer rödaktig färg än med syrefattigt blod. Dessa variationer representerar förändringar i hudens färg på grund av fysiologiska förhållanden såsom garvning och hypoxemi, respektive.

Figur 5 visar ett exempel på representant mätt diffus reflektans spectra erhållits från två lager hud vävnad phantoms ha olika förutsättningar för (figur 5a) koncentrationen av kaffe lösning Cc,) Figur 5b) koncentrationen av helblod Cboch (bild 5 c) tillståndet syresatt blod. I figur 5a, är diffusa reflektansen i en kortare våglängd minskat betydligt i jämförelse med att i en längre våglängd som värdet av Cc blir större. Detta beror på den starka ljus absorberingen av kaffe lösningen i en kortare våglängd (se figur 3b). Figur 5b visar anmärkningsvärda förändringen i diffus reflektans i regionen mellersta våglängd med värdet av Cb, vilket motsvarar den starka ljus absorberingen av hemoglobin i våglängdsområdet från 500 till 600 nm. Skillnaden i spektrala funktionen mellan syresatt hemoglobin och syrefattigt hemoglobin och isosbestic poäng av hemoglobin är tydligt hos diffus reflektans spektra visas i figur 5 c.

Figure 1
Figur 1: Schematisk bild av den experimentella apparaturen. Dessa paneler visar set-up för mätning (en) diffus reflektans spectra och (b) total transmittans spektra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: steg i utarbetandet av agaros-baserade optisk fantomer. Dessa paneler visar (en) en epidermala skikt phantom och (b) att göra en dermal lager phantom. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: representant Beräknad optiska egenskaper av fantomer. (en) denna panel som visar Genomsnittligt minskat scattering koefficient spektrum µs' (λ) av den epidermala och dermal lagren. (b) i denna panel visas de absorbering koefficient spectra µen(λ) av epidermala skikt och dermal lager. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: de representativa digital färgfotografier av två lager hud phantoms. (en) i denna panel visas en tvärsnittsvyn två lager hud phantom. (b) i denna panel visas vyn topp av 3-av-3 phantom matrisen som innehåller syresatt blod. (c) i denna panel visas vyn topp av 3-av-3 phantom matrisen som innehåller syrefattigt blod. Raderna från topp till botten har kaffe lösning koncentrationer Cc 5%, 10% och 20%. Kolumnerna från vänster till höger har blod koncentrationer Cb 0,2% 0,4% och 0,6%. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: representant mätt diffus reflektans spectra erhållits från två lager hud vävnad phantoms. Dessa paneler visar diffus reflektans spektra av phantoms med olika villkor för (en) koncentrationen av kaffe lösning Cc, (b) koncentrationen av hela syresatt blod Cboch ( c) tillståndet syresatt blod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det mest kritiska steget i detta protokoll är temperaturkontroll av grundmaterialet. Temperaturen till upprätthålla grundmaterialet varierade från 58 till 60 ° C. Om temperaturen är högre än 70 ° C, sker en denaturering av både lipid emulsionen och i helblod. Som en följd kommer att de optiska egenskaperna av Fantomen försämras. Om temperaturen är mindre än 40 ° C, grundmaterialet kommer vara ununiformly geléartad och, således, ljus spridning och absorption agenterna fördelas heterogeneously i Fantomen. Även om grundmaterialet hålls vid 60 ° C, sänker sugning det med en spruta temperaturen. Temperaturen i grundmaterialet sänker till 50 ° C när den läggs till blod lösningen.

De optiska fantomer som beskrivs i denna artikel lider kort användbar livstid som är vanligtvis begränsad till högst en dag. De användbara livslängd kan förlängas genom encapsulating phantom med grundmaterialet i förseglade behållare eller använda konserveringsmedel. 1 mm tjock epidermala lagret phantom är en storleksordning större än human epidermal tjockleken. I detta protokoll med akryl mögel, men det var svårt att skapa en skiktets tjocklek mindre än 0,5 mm. För att minska de förväntade effekterna av denna tjocklek på uppmätta diffusa reflektansen spektra av phantoms, reglerades spridning och absorption koefficienter av epidermis phantom så att diffus reflektans spektrum visade liknande spektrumet som mänsklig hud. En spin-beläggning metod42 ser lovande ut för att göra ett lager tunnare än 0,5 mm. Värdena för µen (λ) och µs' (λ) för mänsklig hud rapporteras i litteraturen43.

De jämn fördelning av melanin eller bilirubin i ett agar phantom lager kan vara svårt med hjälp av protokollet som beskrivs här eftersom dessa chromophores inte är helt lösliga i vatten. Användning av melanoidin extraheras från rostade kaffebönor och tartrazin kan användas som jämförbara eller ersätta material för melanin och bilirubin, respektive. Inversen Monte Carlo-simulering används för uppskattning av de optiska egenskaperna från uppmätta diffusa reflektansen och den totala överföringen är relativt tidskrävande på grund av dess iterativ mode. En annan lätt transport beräkningsmodell som de lägga-fördubbling metod44 kan användas till att förkorta tid som beräkning. Den reducera scattering koefficienten µs' är ett klumpa optiska införliva den scattering koefficient µs och anisotropi faktor g. För att uppskatta µs och g separat, måste den kollimerad överföringen av en fantom mätas utöver den totala överföringen och diffus reflektans38,40. I den aktuella studien, vi inte mäta brytningsindex för varje skikt. Vi satt brytningsindex för vatten som publicerats i litteraturen45 i filen indata för inversen Monte Carlo-simulering istället eftersom agarosgel består huvudsakligen av vatten. Vi utgått från att det finns ingen skillnad i de refractive indexen mellan de två lagrarna. Vi använde också det nominella värdet för brytningsindex för glas (t.ex., n = 1.524 vid λ = 546,1 nm) för de Monte Carlo-simuleringarna.

Det är fördelaktigt att detta protokoll, med en integrerande sfär i stället för två integrera sfärer, är kostnadseffektivt. Däremot, är använder en enda integrerande sfär tidskrävande eftersom arrangemanget av den integrerande sfären måste ändras beroende på om mätningen är för en total transmittans eller en diffus reflektans. Det är fördelaktigt att det protokoll som beskrivs i denna artikel kan utöka för att skapa enskiktslager eller flerskiktade optiska fantomer med olika former, storlekar och inneslutningar genom att ändra utformningen av formarna. Ytorna på phantom lagren var fuktade omedelbart efter det att de togs ur deras mögel. Därför var den epidermala skikt och dermal lager klibbat tillsammans genom att stapla det andra lagret noggrant på det första lagret. Det kan vara möjligt att konsolidera det andra lagret direkt på den första, snarare än att tillverka dem separat och fästa dem efteråt. I så fall men kan det vara svårt att exakt göra epidermal tunt med en enhetlig tjocklek. Vi inklämt Fantomen mellan glasen att förhindra en torkning av Fantomen. Vi betraktade optiska egenskaper och tjocklek av glas i inversen Monte Carlo-simulering. Det finns därför ingen effekt på de uppskattade optiska egenskaperna av phantoms. Betydelsen av den nuvarande tekniken med avseende på befintliga metoder är dess förmåga att representera diffus reflektans spektra av levande vävnader i den synliga till nära infraröda våglängdsområdet. De optiska fantomer som gjorts av detta protokoll kommer att finnas för validering av nyutvecklade optiska metoder baserade på diffus reflektans spektroskopi och spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

En del av detta arbete stöddes av ett bidrag för Scientific Research (C) från japanska samhälle för befordran av vetenskapen (25350520, 22500401, 15 K 06105) och US-armén ITC-PAC forskning och utvecklingsprojekt (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

Bioteknik fråga 138 optisk phantom agarosgel lipid emulsion optiska egenskaper hemoglobin ljusspridning ljus absorbering omvänd Monte Carlo-simulering diffus reflektans spektroskopi
Agaros-baserade vävnad härma optiska fantomer för diffus reflektans spektroskopi
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