Agarose-baserte vev Mimicking optisk Phantoms for diffus refleksjon spektroskopi

Summary

Her viser vi hvordan agarose-baserte vev-mimicking optisk fantomer gjøres og hvordan optiske egenskaper fastsettes ved hjelp av en konvensjonell optisk system med en integrert sfære.

Abstract

Denne protokollen beskriver hvordan lage agarose-baserte vev-mimicking fantomer og demonstrerer hvordan å bestemme optiske egenskapene med en konvensjonell optisk system med en integrert sfære. Måle systemer for oppkjøpet av diffus refleksjon og totale transmisjon spectra er bygget med bredbånd hvit lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en integrert sfære, prøve innehaver, en optisk fiber sonde, og flerkanals spectrometer. En akryl mold som består av to rektangulære akryl stykker og en U-formet akryl stykke er konstruert for å opprette en epidermal phantom og en dermal phantom med fullblod. Anvendelsen av en natrium dithionite (Na₂S₂O₄) løsning til dermal phantom gjør forskeren til deoxygenate hemoglobin i røde blod celler distribuert i dermal phantom. Inverse Monte Carlo simulering med diffus refleksjon og totale transmisjon spectra målt ved et spektrometer med en integrert sfæren er utført for å avgjøre den absorpsjon koeffisienten spektrum µ_en(λ) og redusert spredning koeffisienten spektrum μ_s‘ (λ) i hvert lag phantom. En to-lagdelt phantom mimicking diffus refleksjon av menneskelige huden vev er også demonstrert av piling opp epidermal phantom på dermal phantom.

Introduction

Optisk phantoms objekter mimicking den optiske egenskapene av biologisk vev og brukt mye innen Biomedisinsk optikk. De er utformet slik at den optiske egenskapene, for eksempel lysspredning og absorpsjon koeffisienter, samsvarer med de av levende menneske og dyr vev. Optisk fantomer brukes vanligvis til følgende formål: simulere lys transport i biologisk vev, kalibrere en nyutviklet optisk systemdesign, vurdere kvaliteten og ytelsen av eksisterende systemer, sammenligne ytelsen mellom systemer og validere evne av optiske metoder å kvantifisere den optiske egenskaper^1,2,3,4,5. Derfor kreves lett å få stoffer, en enkel fabrikasjon prosessen, en høy reproduserbarhet og en optisk stabilitet for å lage optiske fantomer.

Ulike typer optisk fantomer med forskjellige base materialer som vandig suspensjon⁶, gelatin gel⁷, agarose gel^8,9,10, polyakrylamid gel¹¹, harpiks^{12, 13,14,15,16}, og rom-temperatur-vulcanizing silikon¹⁷ har blitt rapportert i forrige litteratur. Det har blitt rapportert at gelatin og alginate-baserte gels er nyttig for optisk fantomer med heterogene strukturer¹⁸. Alginate fantomer har en egnet mekanisk og termisk stabilitet for å vurdere photothermal effekter som laser ablasjon studier og laser-basert hypertermi studier¹⁸. Agarose gels har muligheten til å dikte heterogene strukturer, og deres mekaniske og fysiske egenskaper er stabil for en lang tid¹⁸. Høy renhetsgrad agarose gels har en svært lav turbiditet og en svak optisk absorpsjon. Derfor kan optiske egenskaper av agarose-baserte fantomer lett være utformet med riktig lys spredning og absorberende agenter. Nylig styren-etylen-butylene-styren (SEBS) blokk copolymers¹⁹ og polyvinylklorid (PVC) gels²⁰ har blitt rapportert som interessant phantom materialer for optisk og photoacoustic teknikker.

Polymer mikrosfærer^7,12,21,22, Titan oksid pulver¹og lipid emulsjoner^23,24,25,26 som melk og lipid emulsjon brukes som lysspredning agenter, mens svart blekk^27,28 og molekylære fargestoffer^29,30 brukes som lys dempere. Diffus refleksjon spektra av de fleste levende organer er dominert av absorpsjon av oksygen og deoxygenated hemoglobin i røde blod celler. Derfor hemoglobin løsninger^31,32 og fullblod,^8,,^9,,^10,,^33,,³⁶ blir ofte brukt som lys dempere i den fantomer for en diffus refleksjon spektroskopi og multispectral bildebehandling.

Metoden beskrevet i denne artikkelen brukes til å opprette en optisk phantom mimicking lys transport i biologisk vev og karakterisere optiske egenskaper. Som et eksempel, en to-lagdelt optisk phantom mimicking optiske egenskaper av menneskelig hud vev er demonstrert. Fordelene med denne metoden over alternative teknikker er muligheten til å representere diffus refleksjon spektra av levende biologisk vev i den synlige for nær-infrarøde bølgelengdeområdet, samt enkelheten å gjøre det, bruke som er lett tilgjengelig materialer og konvensjonelle optiske instrumenter. Derfor vil de optiske fantomer laget av denne metoden være nyttig for utvikling av optisk metoder basert på diffus refleksjon spektroskopi og multispectral bildebehandling.

Protocol

1. bygging av en konvensjonell diffus refleksjon og totale transmisjon spektroskopiske System Merk: Konstruere måling systemer for diffus refleksjon og totale transmisjon spectra bredbånd hvit lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en integrert sfære, prøve innehaver, en optisk fiber og en flerkanals spectrometer. Rollen til lys fellen er å fjerne komponenten specular refleksjon fra refleksjon spekteret. Eksempel innehaver av integrere sfæren består av en monteringsplaten og svaleha…

Representative Results

Figur 3 viser til representant anslagsvis spectra redusert spredning koeffisient og absorpsjon koeffisient for epidermal phantom og dermal phantom. Resultatene vises i Figur 3 er gjennomsnitt av ti mål til både refleksjon og transmisjon spectra. Redusert spredning koeffisienten μs’ har en bred spredning spektrum, viser en høyere styrke på kortere bølgelengder. Spectral funksjonene tilsvarer de t…

Discussion

Det viktigste trinnet i denne protokollen er temperaturkontroll grunnmaterialet. Temperaturen å opprettholde grunnmaterialet varierte fra 58 til 60 ° C. Hvis temperaturen er mer enn 70 ° C, oppstår en denaturering av både den lipid emulsjonen og hele blod. Som en konsekvens, vil den optiske egenskapene av phantom svekkes. Hvis temperaturen er mindre enn 40 ° C, basen materialet vil være ununiformly gelled og dermed lette spredning og absorpsjon agentene vil bli heterogeneously distribuert i phantom. Selv om grunnm…

Materials

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