Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Agarose gebaseerde weefsel nabootsen van optische Phantoms voor Diffuse reflectie spectroscopie

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

Hier, we laten zien hoe optische phantoms agarose gebaseerde nabootsen van weefsel worden gemaakt en hoe hun optische eigenschappen worden bepaald met behulp van een conventionele optische systeem met een bolfotometer.

Abstract

Dit protocol wordt beschreven hoe u agarose gebaseerde weefsel nabootsen fantomen en laat zien hoe om te bepalen hun optische eigenschappen met behulp van een conventionele optische systeem met een bolfotometer. Meetinstallaties voor de overname van de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra worden geconstrueerd met een breedband witte lichtbron, een lichtgeleider, een achromatische lens, een bolfotometer, een monsterhouder, een optische vezel sonde, en een meerkanaals spectrometer. Een acryl schimmel, bestaande uit twee rechthoekige acryl stukken en een U-vormige acryl stuk is gebouwd om te maken een epidermale phantom en een dermale phantom met volbloed. De toepassing van een natrium-dithioniet (Na2S2O4)-oplossing op de dermale phantom in staat stelt de onderzoeker naar deoxygenate hemoglobine in rode bloedcellen in de dermale phantom verspreid. De inverse Monte Carlo simulatie met de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra gemeten door een spectrometer met een bolfotometer is uitgevoerd om te bepalen van de absorptie coëfficiënt spectrum µeen(λ) en de verminderd verstrooiing coëfficiënt spectrum µs' (λ) van elke laag phantom. Een twee-lagen phantom nabootsen van de diffuse reflectie van menselijke huidweefsel wordt ook aangetoond door het opstapelen van de epidermale phantom op de dermale phantom.

Introduction

Optische fantomen zijn objecten nabootsen van de optische eigenschappen van biologische weefsels en hebben op grote schaal gebruikt op het gebied van de biomedische optica. Ze zijn zo ontworpen dat de optische eigenschappen, zoals licht verstrooiing en absorptie coëfficiënten, met die van levende menselijke en dierlijke weefsels overeenkomen. Optische phantoms worden meestal gebruikt voor de volgende doeleinden: het lichte transport in biologische weefsels, kalibreren van een nieuw ontwikkelt optisch systeemontwerp, evaluatie van de kwaliteit en de prestaties van bestaande systemen, vergelijken van de prestaties simuleren tussen systemen, en het vermogen van de optische methodes te kwantificeren van de optische eigenschappen1,2,3,4,5te valideren. Daarom, gemakkelijk-aan-get stoffen, een eenvoudige productie-procédé, een hoge reproduceerbaarheid en een optische stabiliteit zijn vereist voor het maken van optische fantomen.

Verschillende soorten optische phantoms met verschillende basismaterialen zoals waterige suspensie6, gelatine gel7, agarose gel8,9,10, polyacrylamidegel11, hars12, 13,14,15,16, en kamer-temperatuur-vulcanizing siliconen17 zijn gemeld in de vorige literatuur. Er werd gemeld dat gelatine en alginaat-gebaseerde gels nuttig voor optische phantoms met heterogene structuren18 zijn. Alginaat phantoms hebben een geschikte mechanische en thermische stabiliteit voor de evaluatie van de effecten van de photothermal zoals laser ablatie studies en hyperthermie laser gebaseerde studies18. Agarose gel hebben de mogelijkheid om het fabriceren van de heterogene structuren en hun mechanische en fysische eigenschappen zijn stabiel voor een lange tijd18. Hoge zuiverheid agarose gel hebben een zeer lage turbiditeit en een zwakke optische absorptie. Daarom zou de optische eigenschappen van agarose gebaseerde phantoms gemakkelijk worden ontworpen met het juiste licht verstrooiing en het absorberen van agenten. Onlangs, styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) blok copolymeren19 en PVC (polyvinylchloride) gels20 hebben gemeld als interessante phantom materialen voor optische en photoacoustic technieken.

Polymeer microsferen7,12,21,22, titanium-oxide poeder1en lipide emulsies23,24,25,26 zoals melk en lipide emulsie zijn gebruikt als gemachtigden van de verstrooiing van licht, terwijl zwarte inkt27,28 en moleculaire kleurstoffen29,30 als lichte absorptieflessen worden gebruikt. Diffuse reflectie spectra van de meeste levende organen worden gedomineerd door de absorptie van zuurstofrijk en gedeoxygeneerd hemoglobine in rode bloedcellen. Daarom hemoglobine oplossingen31,32 en volbloed8,9,10,33,36 worden vaak gebruikt als lichte absorptieflessen in de Phantoms voor een diffuse reflectie spectroscopie en multispectrale beeldbewerking.

De in dit artikel beschreven methode wordt gebruikt voor het maken van een optische phantom nabootsen het licht vervoer in biologische weefsels en te karakteriseren van de optische eigenschappen. Als voorbeeld, een twee-lagen optische phantom nabootsen optische eigenschappen van menselijke huidweefsel wordt aangetoond. De voordelen van deze methode ten opzichte van alternatieve technieken zijn de capaciteit om te vertegenwoordigen diffuse reflectie spectra van levende biologische weefsels in de zichtbaar voor nabij-infrarood golflengte gebied, evenals de eenvoud te maken, met behulp van gemakkelijk beschikbaar materialen en conventionele optische instrumenten. Daarom zullen de optische phantoms gemaakt volgens deze methode nuttig is voor de ontwikkeling van optische methodes op basis van diffuse reflectie spectroscopie en multispectrale beeldvorming.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bouw van een conventionele Diffuse reflectie en totale doorlatingsfactor spectroscopische systeem

Opmerking: Bouw van de meetsystemen voor de diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectra met behulp van een breedband witte lichtbron, een lichtgeleider, een achromatische lens, een bolfotometer, een monsterhouder, een optische vezel en een meerkanaals-spectrometer. De rol van de lichtvanger is de spiegelende reflectie om onderdeel te verwijderen uit het spectrum van de reflectie. De monsterhouder van de bolfotometer bestaat uit een montageplaat en een Zwaluwstaart en verende klem vergadering die in het bezit van het monster tegen de poort. De Zwaluwstaart en verende klem vergadering zijn verwijderd uit de monsterhouder en een hand-en-klare kubieke voetstuk van piepschuim is aangesloten op de montageplaat in plaats daarvan. De indelingen van de optische onderdelen, wordt weergegeven in Figuur 1a en 1b, kunnen worden verwezen naar voor de bouw-procedure voor de metingen van het diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor metingen, respectievelijk.

  1. Sluit de spectrometer en een personal computer met behulp van de kabel van de universal serial bus (USB) geboden.
  2. De poortadapter hechten aan een poort van de detector van de bolfotometer. Sluit de spectrometer en de poortadapter van de bolfotometer met behulp van een optische vezel. Sluit de 150 W halogeen lamp lichtbron en de lichtgeleider.
  3. Sluit de monsterhouder aan de poort van een steekproef van de bolfotometer. De lichtvanger aan een juiste poort van de bolfotometer koppelen bij het uitvoeren van de metingen van het diffuse reflectie. Inschakelen van de halogeen lamp lichtbron voor het verlichten van een monster via de lichtgeleider en de Achromatische lens.
  4. Open de besturingssysteemsoftware van de spectrometer.

2. voorbereiding van een acryl schimmel

Opmerking: Een acryl schimmel die uit twee rechthoekige acryl stukken en een U-vormige acryl stuk bestaat is gebouwd om te maken een enkelgelaagde gel phantom. Figuur 2 kan worden bedoeld voor deze constructie-procedure.

  1. Knip de twee rechthoekige acryl stukken van een acryl plaat van 2 mm dik-een optioneel formaat.
  2. Knip een acryl stuk uit een 1-mm dik acryl plaat een optioneel formaat. Knip de 1-mm dik acryl stukje zodat het wordt een U-vormige stukje om te worden gebruikt voor de mal te maken 1-mm dikke epidermale spoken.
  3. Knip een acryl stuk van een 5-mm dik acryl plaat aan optioneel een grootte. Snijd het 5-mm dik acryl stuk, zodat het wordt een U-vormige stukje om te worden gebruikt als een mal te maken van 5 mm dik dermale fantomen.
  4. Verwijder eventuele bramen uit elk acryl stuk met behulp van een metalen bestand.
  5. De epidermale phantom mal door de 1-mm dik U-vormig stuk met de twee 2-mm dik acryl stukken en vaststelling van hen met vijf foldback clips maken
  6. De dermale phantom mal door de 5-mm dik U-vormig stuk met de twee 2-mm dik acryl stukken en vaststelling van hen met vijf foldback clips maken

3. bereiding van basismateriaal

  1. Zet 500 mL standaard zoutoplossing met 0,9% (m/v) NaCl in een pod. Langzaam Voeg toe 5 g agarose poeder terwijl het mengsel Voorkom samendoen roeren.
  2. Verwarm het mengsel van agarose poeder en saline door een elektrisch koken kachel met een 1000 W instelling van het vermogen gedurende 5 minuten.
  3. Zodra het mengsel kookt, houd het mengsel op laag vuur gedurende 3 minuten.
  4. Koel het mengsel tot een temperatuur van ongeveer 70 ° C. Vervolgens giet het mengsel in een container en bewaar het op een constante temperatuur-bad op 60 ° C gedurende 30 minuten alvorens een phantom.

4. voorbereiding van de huid-het nabootsen van optische Phantoms

Opmerking: Een koffie-oplossing wordt gebruikt om na te bootsen het absorptiespectrum van melanine. De koffie oplossing bevat een bruin pigment, melanoidin genaamd. Het absorptiespectrum van melanoidin is gelijkaardig aan die van melanine10gemeld.

  1. Bereiden van een epidermale phantom
    1. 100 mL pure water giet in het koffiezetapparaat reservoir. Een filter plaatsen in de koffie-/ theevoorzieningen-mand. Voeg 24 g gemalen koffie in het filter. Het koffiezetapparaat inschakelen en druk op de knop brouwsel te beginnen brouwen.
    2. Zet 4 mL koffie en 16 mL zoutoplossing in een glazen fles om de oplossing van een koffie te maken.
    3. Zet lipide emulsie (b.v., intralipid 10%) 5 mL en 10 mL van de oplossing van de koffie in een transparante plastic beker. Langzaam 35 mL van het basismateriaal aan dit mengsel al roerend toevoegen.
    4. Het mengsel gecombineerd in een spuit en het langzaam injecteren in de epidermale phantom mal terwijl het vermijden van de vorming van een zeepbel. De acryl schimmel met het mengsel bij 5 ° C gedurende 20 minuten afkoelen.
    5. Verwijder de foldback clips uit de mal. De eerste dia van de acryl stukken naar buiten en het verwijderen van de schimmel. Neem de gestolde gel van 1 mm dik-phantom uit de mal en snijd het naar het gewenste formaat met behulp van een chirurgische scalpel.
    6. Plaatst en houdt de gel phantom tussen twee dia bril.
  2. Bereiden van een dermaal phantom met zuurstofrijk bloed
    1. Nemen van 5,0 mL van lipide-emulsie en 0.4 mL hele paarden bloed met 45%-hematocriet en zet in een transparante plastic beker. Voeg langzaam 44,6 mL van het basismateriaal terwijl het mengsel roeren.
    2. Het mengsel gecombineerd in een spuit en het langzaam injecteren in de dermale phantom mal terwijl het vermijden van de vorming van een zeepbel. De acryl schimmel met het mengsel bij 5 ° C gedurende 20 minuten afkoelen.
    3. Verwijder de foldback clips uit de mal. De eerste dia van de acryl stukken naar buiten en het verwijderen van de schimmel. Neem de gestolde gel van 5 mm dik-phantom uit de mal en snijd het naar het gewenste formaat met behulp van een chirurgische scalpel.
    4. Plaatst en houdt de gel phantom tussen twee dia bril.
  3. Bereiden van een dermaal phantom met gedeoxygeneerd bloed
    1. Zet een dermale gel phantom met zuurstofrijk bloed (uit stap 4.2.3) op een glazen schotel.
    2. Los 1 g natrium dithioniet (Na2S2O4) in 20 mL zoutoplossing in een glazen fles.
    3. Voeg Na2S2O4 oplossing op de phantom met behulp van een injectiespuit te deoxygenate het bloed in de phantom 0.05 g/mL.
    4. Plaatst en houdt de phantom tussen twee dia bril om te voorkomen dat het uitdrogen.
  4. Bereiden van een twee-lagen phantom
    1. Drop 0,1 mL zoutoplossing op een dermale phantom om optische koppeling tussen de epidermale en dermale lagen. Plaats de epidermale phantom op de dermale phantom.
    2. Als alle luchtbellen aanwezig tussen de lagen zijn, duw ze uit door het strelen van het oppervlak van de phantom twee lagen met een vingertop.
    3. Houd de twee lagen phantom tussen twee dia glazen om te voorkomen dat het uitdrogen.

5. verwerving van de Diffuse reflectie Spectra

  1. Verwerving van donkere spectra
    Opmerking: De charge - coupled apparaat (CCD) sensor in de spectrometer kunt schatten lichtintensiteit op basis van een elektrisch signaal gegenereerd naar aanleiding van invallende licht. Er is echter donker geluid37 , die onafhankelijk is van de signalen gegenereerd door fotonen, maar is afhankelijk van de temperatuur van het apparaat, zelfs als de sensor niet het licht detecteert. Voor het nauwkeurig meten van de spectrale intensiteit van licht, moet het donker stroomsignaal worden gemeten als een donkere spectrum en vervolgens afgetrokken van het spectrum van het monster. Het duistere spectrum is een spectrum genomen met het licht weg geblokkeerd.
    1. Plaats de bolfotometer op een optimale positie voor de metingen van het diffuse reflectie (Figuur 1a).
    2. Uitschakelen van de halogeen lamp lichtbron. Blokkeren het licht pad naar de spectrometer met behulp van een poort plug of een beschermend plaat.
    3. Selecteer de opdracht donkere opslaan in het bestandsmenu op te slaan van een donkere spectrum.
    4. Selecteer de Subtract donkere spectrum -opdracht in het bestandsmenu wilt aftrekken van het duistere spectrum van het te meten monster spectrum (zie hieronder).
  2. Verwerving van referentie spectra
    Opmerking: De optische eigenschappen van de onderdelen die worden gebruikt in dit experiment, zoals de lichtbron, lichtgeleider, Achromatische lens, optische vezel en spectrometer, hebben hun eigen golflengte-verslaafdheden. Daarom moet de spectrale lichtintensiteit doorgegeven via deze optische onderdelen als een referentiespectrum worden gemeten. Voor de meting van een diffuse reflectie spectrum is het referentiespectrum een spectrum genomen met een standaard witte diffuser verlicht met het licht uit de lichtbron.
    1. De halogeen lamp lichtbron inschakelen door op de power-knop te drukken. De lamp voor ten minste 10 minuten vóór het verwerven van een referentiespectrum opwarmen.
    2. Plaats een standaard witte diffuser (bijvoorbeeldSpectralon) in de haven van de steekproef van de bolfotometer.
    3. De tijd van de integratie van de spectrometer aanpassen door de geschikte waarde te selecteren in de drop-down lijst in de spectrometer operationele software zodat de piek signaal intensiteit ongeveer 75% van de maximale spectrometer-intensiteit is.
    4. Selecteer de opdracht verwijzing opslaan in het bestandsmenu op te slaan van een referentiespectrum.
  3. Verwerving van de spectra van het monster
    Opmerking: Een spectrum van de diffuse reflectie van het monster is verkregen en opgeslagen op de vaste schijf van een personal computer met behulp van de algemene inkoopvoorwaarden dezelfde.
    1. Plaats de epidermale phantom ingeklemd door de bril van de twee dia in de haven van monster. Selecteer de opdracht Opslaan in het Bestandsmenu om het spectrum van een diffuse reflectie in een bestand opslaan.
    2. Herhaal stap 5.3.1 voor de dermale en twee-gelaagde spoken.

6. verwerving van de totale doorlatingsfactor Spectrum

  1. Verwerving van donkere spectra
    Opmerking: De sensor in de spectrometer kunt schatten lichtintensiteit op basis van een elektrisch signaal gegenereerd naar aanleiding van invallende licht. Er is echter een donkere ruis die onafhankelijk is van de signalen gegenereerd door fotonen, maar is afhankelijk van de temperatuur van het apparaat, zelfs als de sensor niet het licht detecteert. Voor het nauwkeurig meten van de spectrale intensiteit van licht, moet het donker stroomsignaal worden gemeten als een donkere spectrum en vervolgens afgetrokken van het spectrum van het monster. Het duistere spectrum is een spectrum genomen met het licht weg geblokkeerd.
    1. Plaats de bolfotometer op een optimale positie voor de totale doorlatingsfactor metingen (Figuur 1b).
    2. Verwijder de lichtvanger vanuit de haven van de bolfotometer en een poort-stekker sluit aan op de poort.
    3. Uitschakelen van de halogeen lamp lichtbron. Blokkeren het licht pad naar de bolfotometer met behulp van een poort plug of afscherming van de plaat.
    4. Selecteer de opdracht donkere opslaan in het bestandsmenu op te slaan van een donkere spectrum.
    5. Selecteer de Subtract donkere spectrum -opdracht in het bestandsmenu wilt aftrekken van het duistere spectrum van het te meten monster spectrum (zie hieronder).
  2. Verwerving van referentie spectra
    Opmerking: De optische eigenschappen van de onderdelen die worden gebruikt in dit experiment, zoals de lichtbron, lichtgeleider, Achromatische lens, optische vezel en spectrometer, hebben hun eigen golflengte-verslaafdheden. Daarom moet de spectrale intensiteit van het licht doorheen deze onderdelen als een referentiespectrum worden gemeten. Voor de meting van de totale doorlatingsfactor spectrum is het referentiespectrum een spectrum genomen wanneer het licht uit de lichtbron is direct het invoeren van de bolfotometer via de poort van de steekproef.
    1. De halogeen lamp lichtbron inschakelen door op de power-knop te drukken. De lamp voor ten minste 10 minuten vóór het verwerven van een referentiespectrum opwarmen.
    2. Reguleren van de tijd van de integratie van de spectrometer liggen door de geschikte waarde te selecteren in de drop-down lijst van integratie keren in de operationele software van de spectrometer liggen zodat de grootste lichtintensiteit geeft een signaal dat ongeveer 75% van het maximum waarden.
    3. Selecteer de opdracht verwijzing opslaan in het bestandsmenu op te slaan van een referentiespectrum.
  3. Verwerving van de spectra van het monster
    Opmerking: Het spectrum van de totale doorlatingsfactor van het monster is verkregen en opgeslagen op de vaste schijf van een personal computer met behulp van de algemene inkoopvoorwaarden dezelfde.
    1. Plaats de epidermale phantom ingeklemd door de bril van de twee dia in de haven van monster. Selecteer de opdracht Opslaan in het bestandsmenu op te slaan van een totale doorlatingsfactor spectrum naar een bestand.
    2. Herhaal stap 6.3.1 voor de dermale en twee-gelaagde spoken.

7. de schatting van de absorptie en licht-verstrooiing eigenschappen

Opmerking: Een set van het spectrum van diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor spectrum is opgeslagen op de harde schijf van een personal computer en off line geanalyseerd. Een inverse Monte Carlo simulatie8,38,39,40 wordt vervolgens uitgevoerd voor het inschatten van de absorptie coëfficiënt spectrum µeen(λ) en de verlaagde verstrooiing coëfficiënt spectrum µs'(λ). In deze inverse Monte Carlo simulatie, de geschatte verstrooiing coëfficiënt µs, in de veronderstelling dat de anisotropie factor g is ingesteld op 0, wordt beschouwd als de verminderde verstrooiing coëfficiënt µs' . Zowel de reflectie en de lichtdoorlatendheid gegevens worden gebruikt voor een enkele simulatie uitvoeren. De gedetailleerde algoritme gebruikt in dit protocol is gemeld in de vorige literatuur8,39. Wij geschat de absorptie coëfficiënt spectrum µeen(λ) en de verlaagde verstrooiing coëfficiënt spectrum µs'(λ) van een epidermale laag uit een set van de diffuse reflectie spectrum en de totale doorlatingsfactor spectrum verkregen van de epidermale laag. Op dezelfde manier, we geschat µeen(λ) en µs'(λ) van een dermaal laag uit een set van het spectrum van diffuse reflectie en het spectrum van de totale doorlatingsfactor verkregen de dermale laag.

  1. Open een invoerbestand voor de Monte Carlo simulatie.
  2. Vul de waarden van de gemeten diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor op de specifieke golflengte variëren van 400 tot 700 nm bij 10 nm-intervallen in het bestand van de invoergegevens. Vul de waarde van de phantom dikte in het bestand van de invoergegevens.
  3. De brekingsindex n van een laag om een juiste waarde in de invoergegevens-bestand instellen (bijvoorbeeld, n = 1.33 bij 550 nm). Stel de waarde van de anisotropie factor g 0 in het bestand van de invoergegevens.
  4. Instellen van de beginwaarden van de absorptie coëfficiënt µeen en de verstrooiing coëfficiënt µs worden de desbetreffende waarden in het bestand van de ingevoerde gegevens (bijvoorbeeld, µeen = 0,01, µs = 0,1 ).
  5. Het omgekeerde Monte Carlo simulatie programma niet uitvoeren.
  6. Typ de naam van het invoerbestand en voer vervolgens de simulatie.
  7. Open het uitvoerbestand en controleren van de uiteindelijke waarden van µeen en µs nadat de iteratieve simulatie wordt beëindigd.
  8. Herhaal stap 7.1-7.7 voor andere gewenste golflengten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 3 toont de representatieve geschatte spectra van de coëfficiënt verlaagd verstrooiing en de d'absorption acoustique voor de epidermale phantom en de dermale phantom. De resultaten afgebeeld in Figuur 3 worden de gemiddelden van tien metingen van de reflectiecoëfficiënt zowel doorlating spectra. De verminderde verstrooiing coëfficiënt µs' heeft een spectrum van brede verstrooiing, vertonen een hogere magnitude bij kortere golflengten. De spectrale eigenschappen komen overeen met de typische verstrooiing spectra van zachte weefsels. De absorptie coëfficiënt µeen van de epidermale phantom vervalt exponentieel als de verhogingen van de golflengte, die vergelijkbaar met het absorptiespectrum van melanine is. Het absorptiespectrum van de coëfficiënt van de epidermale phantom laag en dat van melanine41 werden gemonteerd door een exponentiële functie als:
Equation

De waarde van B voor de epidermale laag werd berekend als 0.011, terwijl dat voor melanine werd geschat op 0.009. De golflengteafhankelijkheid van de absorptie coëfficiënten µeen voor de dermale phantom bevat zuurstof bloed en gedeoxygeneerd bloed wordt gedomineerd door de spectrumkenmerken van zuurstofrijk hemoglobine en gedeoxygeneerd hemoglobine, respectievelijk.

Figuur 4 toont representatieve digitale kleurenfoto's van de twee lagen huid spoken. Figuur 4a toont een transversale beeld van de twee lagen huid phantom. Figuur 4b en 4 c weergeven van de 3-door-3 phantom matrix met zuurstofrijk bloed en gedeoxygeneerd, respectievelijk bovenste kanten. De rijen van boven naar beneden hebben koffie oplossing concentraties Cc van 5%, 10% en 20%. De kolommen van links naar rechts hebben bloed concentraties Cb van 0,4%, 0,2% en 0,6%. De kleur van de phantom wordt donkerder als de waarde van C,c in de epidermale laag toeneemt, overwegende dat roze als de waarde van Cb verhogingen blijkt. De phantom met zuurstofrijk bloed heeft een meer roodachtige kleur dan die met gedeoxygeneerd bloed. Deze variaties vertegenwoordigen de verandering in de huidskleur als gevolg van fysiologische toestanden looien en hypoxemia, respectievelijk.

Figuur 5 toont dat een voorbeeld van vertegenwoordiger gemeten diffuse reflectie spectra verkregen uit de twee lagen huid weefsel phantoms hebben verschillende voorwaarden (figuur 5a) de concentratie van koffie oplossing Cc,) Figuur 5b) de concentratie van volbloed Cben (Figuur 5 c) het zuurstofrijk staat van bloed. In figuur 5a, is de diffuse reflectie in een kortere golflengte gebied sterk gedaald in vergelijking met dat in een langere golflengte gebied als de waarde van Cc groter wordt. Dit is te wijten aan de sterke licht absorptie door de koffie oplossing in de kortere golflengte regio (Zie Figuur 3b). Figuur 5b toont het opmerkelijke verandering in de diffuse reflectie in de regio Midden golflengte met de waarde van Cb, die de sterke licht absorptie door de hemoglobine in het golflengtegebied van 500 tot 600 vertegenwoordigt nm. Het verschil in functie van spectrale zuurstofrijk hemoglobine en gedeoxygeneerd hemoglobine en isosbestic punten van hemoglobine worden duidelijk waargenomen in de spectra van de diffuse reflectie weergegeven in Figuur 5 c.

Figure 1
Figuur 1: Schematisch diagram van de experimentele apparatuur. Deze panelen tonen de set-up voor het meten van de spectra van (een) diffuse reflectie en (b) totale doorlatingsfactor spectra. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: stappen in de voorbereiding van agarose gebaseerde optische fantomen. Deze panelen tonen (een) het maken van een epidermale laag phantom en (b) het maken van een phantom dermale laag. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: de vertegenwoordiger geschat optische eigenschappen van fantomen. (een) dit paneel toont de gemiddelde verminderd verstrooiing coëfficiënt spectrum µs' (λ) van de epidermale en dermale lagen. (b) dit paneel toont de absorptie coëfficiënt spectra µeen(λ) van de epidermale laag en huidlagen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: de representatieve digitale kleurenfoto's van de twee lagen huid fantomen. (een) dit paneel toont een transversale weergave van de huid van twee lagen phantom. (b) dit paneel toont het bovenaanzicht van de 3-door-3 phantom matrix met zuurstofrijk bloed. (c) dit paneel toont het bovenaanzicht van de phantom matrix van 3-door-3 met gedeoxygeneerd bloed. De rijen van boven naar beneden hebben koffie oplossing concentraties Cc van 5%, 10% en 20%. De kolommen van links naar rechts hebben bloed concentraties Cb van 0,4%, 0,2% en 0,6%. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: de vertegenwoordiger gemeten diffuse reflectie spectra verkregen uit de twee lagen huid weefsel fantomen. Deze panelen tonen de diffuse reflectie spectra van de spoken met verschillende voorwaarden van (een) de concentratie van koffie oplossing Cc, (b) de concentratie van het hele zuurstofrijk bloed Cben ( c) de zuurstofrijk staat van bloed. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De meest kritische stap in dit protocol is de temperatuurregeling van het basismateriaal. De temperatuur te handhaven het basismateriaal varieerden van 58 tot 60 ° C. Als de temperatuur meer dan 70 ° C is, treedt er een denaturatie van zowel de lipide-emulsie en de volbloed. Dientengevolge, zal de optische eigenschappen van de phantom verslechteren. Als de temperatuur lager dan 40 ° C, het basismateriaal ununiformly gegeleerde zal worden en dus de licht verstrooiing en absorptie-agenten in de phantom ongelijkmatig zullen worden uitgekeerd. Hoewel het basismateriaal wordt gehouden bij 60 ° C, verlaagt het suctioning met een spuit de temperatuur. De temperatuur van het basismateriaal verlaagt tot 50 ° C wanneer het wordt toegevoegd aan de oplossing van het bloed.

De optische fantomen die in dit artikel beschreven lijden aan korte bruikbare levensduur die meestal beperkt tot niet meer dan één dag zijn. De bruikbare levensduur kunnen worden uitgebreid door encapsulating het spook met het basismateriaal in de verzegelde container of met behulp van conserveermiddel. De 1-mm dik epidermale laag phantom is een orde van grootte groter is dan de menselijke epidermale dikte. In dit protocol met de acryl schimmel, het was echter moeilijk te maken van een laagdikte minder dan 0,5 mm. Ter vermindering van de verwachte effecten van deze dikte op de gemeten diffuse reflectie spectra van de spoken, werden de verstrooiing en absorptie coëfficiënten van de epidermis phantom geregeld, zodat de diffuse reflectie spectrum de vergelijkbaar spectrum toonde met die van menselijke huid. Een spin-coating methode42 belooft voor het maken van een laag dunner zijn dan 0,5 mm. De waarden van µeen (λ) en µs' (λ) voor menselijke huid worden gemeld in de literatuur43.

De gelijkmatige verdeling van melanine of bilirubine in een agar phantom laag misschien wel moeilijk met het protocol hier beschreven omdat die chromophores niet volledig oplosbaar zijn in water zijn. Het gebruik van melanoidin geëxtraheerd uit gebrande koffiebonen en tartrazine kan gebruikt worden als vergelijkbaar of vervangende materialen voor melanine en bilirubine, respectievelijk. De inverse Monte Carlo simulatie gebruikt voor het schatten van de optische eigenschappen van de gemeten diffuse reflectie en de totale doorlatingsfactor is relatief tijdrovend zijn als gevolg van de iteratieve mode. Een andere lichte vervoer berekening model, zoals de toe te voegen-verdubbeling methode44 kan worden gebruikt voor het verkorten van de tijd van de berekening. De verminderde verstrooiing coëfficiënt µs' is een lumped optische eigenschap waarin de verstrooiing coëfficiënt µs en de anisotropie factor g. Als u wilt schatten µs en g afzonderlijk, moet de collimated doorlating van een phantom gemeten worden naast de totale doorlatingsfactor en de diffuse reflectie38,40. In de huidige studie, deden we de brekingsindex voor elke laag niet meten. We stellen de brekingsindex van water zoals gepubliceerd in de literatuur45 in het bestand van de invoergegevens voor de inverse van de Monte Carlo simulatie in plaats daarvan, aangezien de agarose gel voornamelijk uit water bestaat. We ervan uitgegaan dat er geen verschil in de brekingsindices tussen de twee lagen is. We gebruikten ook de nominale waarde van de brekingsindex van glas (bv, n = 1.524 op λ = 546.1 nm) voor de Monte Carlo simulaties.

Het is gunstig dat dit protocol, met een bolfotometer in plaats van twee integrerende bollen, kosteneffectief is. Aan de andere kant, neemt met behulp van een enkele bolfotometer tijd in beslag aangezien de rangschikking van de bolfotometer moet worden gewijzigd naargelang de meting voor een totale doorlatingsfactor of voor een diffuse reflectie. Het is gunstig dat het protocol beschreven in dit artikel als u wilt enkelgelaagde of multilayer optische phantoms met verschillende vormen, maten en insluitsels maken door het veranderen van het ontwerp van de mallen kunt uitbreiden. De oppervlakken van de phantom lagen waren wordt bevochtigd onmiddellijk nadat zij werden genomen uit hun schimmel. Daarom werden de epidermale laag en dermale nageleefd samen door het stapelen van de tweede laag nauw op de eerste laag. Het wellicht mogelijk om te stollen de tweede laag direct op de eerste, in plaats van hen afzonderlijk te fabriceren en koppelen ze daarna. In dat geval echter, kan het moeilijk zijn om nauwkeurig een dunne laag van de epidermis met een uniforme laagdikte. Wij ingeklemd de phantom tussen de glazen om te voorkomen dat een drogen van de phantom. Wij vonden de optische eigenschappen en de dikte van het glas in de inverse Monte Carlo simulatie. Daarom is er geen effect op de geschatte optische eigenschappen van de spoken. De betekenis van de huidige techniek ten opzichte van bestaande methoden is de mogelijkheid om de diffuse reflectie spectra van levende weefsels in de zichtbaar voor nabij-infrarood golflengte regio vertegenwoordigen. De optische phantoms gemaakt door dit protocol zal beschikbaar zijn voor validatie van nieuw ontwikkelde optische methodes op basis van diffuse reflectie spectroscopie en spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Onderdeel van dit werk werd ondersteund door een Grant-in-Aid voor Scientific Research (C) van de Japanse maatschappij voor de promotie van wetenschap (25350520, 22500401, 15 K 06105) en het US-ARMY ITC-PAC Project voor onderzoek en ontwikkeling (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

Bioengineering kwestie 138 optische phantom agarose gel lipide emulsie optische eigenschappen hemoglobine verstrooiing van licht licht absorptie inverse Monte Carlo simulatie diffuse reflectie spectroscopie
Agarose gebaseerde weefsel nabootsen van optische Phantoms voor Diffuse reflectie spectroscopie
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