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Bioengineering

Axée sur l’agarose tissus imitant les fantômes optiques pour la spectroscopie de réflectance Diffuse

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

Ici, nous démontrons comment axée sur l’agarose imitant le tissu optiques fantômes sont faits et comment leurs propriétés optiques sont déterminées à l’aide d’un système optique conventionnel avec une sphère d’Ulbricht.

Abstract

Ce protocole décrit comment faire basé sur agarose tissus imitant fantômes et explique comment déterminer leurs propriétés optiques en utilisant un système optique conventionnel avec une sphère d’Ulbricht. Systèmes de mesure pour l’acquisition de la réflectance diffuse et les spectres de transmittance total sont construits avec une source de lumière blanche à large bande, un guide de lumière, une lentille achromatique, une sphère d’Ulbricht, un porte-échantillon, une sonde de fibre optique et un spectromètre à canaux multiples. Un moule acrylique composé de deux pièces acryliques rectangulaires et une pièce acrylique en forme de U est construit pour créer un fantôme épidermique et un fantôme cutané avec sang. L’application d’une solution de (Na2S2O4) le dithionite de sodium à la phantom cutanée permet au chercheur de désoxygéner hémoglobine dans les globules rouges distribués dans le fantôme par voie cutanée. L’inverse de simulation Monte Carlo avec les spectres de transmittance total mesurés par un spectromètre avec une sphère d’Ulbricht et réflexion diffuse est effectué afin de déterminer l’absorption coefficient spectre µun(λ) et le réduit le coefficient de diffusion du spectre µs' (λ) de chaque couche fantôme. Un fantôme à deux couches imitant la réflectance diffuse du tissu de la peau humaine est également démontré en entassant le fantôme épidermique sur le fantôme par voie cutanée.

Introduction

Optiques fantômes sont des objets imitant les propriétés optiques des tissus biologiques et ont été largement utilisées dans le domaine de l’optique biomédicale. Ils sont conçus afin que les propriétés optiques, tels que la diffusion de la lumière et des coefficients d’absorption, correspondent à celles des tissus humains et animaux vivants. Les fantômes optiques sont généralement utilisés pour les fins suivantes : simulant le transport léger dans les tissus biologiques, calibrer un design nouveau système optique, évaluer la qualité et la performance des systèmes existants, en comparant la performance entre les systèmes et en validant la capacité des méthodes optiques de quantifier les propriétés optiques1,2,3,4,5. Par conséquent, les substances facile à obtenir, un procédé de fabrication simple, une grande reproductibilité et une stabilité optique sont requis pour la fabrication des fantômes optiques.

Différents types de fantômes optiques avec différents matériaux de base comme la suspension aqueuse6, gélatine gel7, agarose gel8,9,10, gel de polyacrylamide11, résine12, 13,14,15,16et chambre-température-vulcanisation silicone17 ont été rapportés dans la littérature antérieure. Il a été rapporté que les gels à base de gélatine et de l’alginate sont utiles pour des fantômes optiques avec des structures hétérogènes18. Phantoms de l’alginate ont une stabilité mécanique et thermique approprié d’évaluation des effets tels que les études d’ablation au laser et par laser hyperthermie études18photothermique. Des gels d’agarose ont la capacité de fabriquer des structures hétérogènes, et leurs propriétés mécaniques et physiques sont stables pendant une longue période18. Des gels d’agarose de haute pureté ont une très faible turbidité et une faible absorption optique. Donc, les propriétés optiques des fantômes basé sur gel d’agarose pourraient facilement être conçues avec la lumière appropriée de diffusion et d’absorber des agents. Récemment, styrène-éthylène-butylène (SEBS), copolymères bloc19 et polychlorure de vinyle (PVC) gels20 ont été signalés comme matériaux fantômes intéressants pour les optiques et techniques photoacoustiques.

Polymère microsphères7,12,21,22, oxyde de titane en poudre1et lipides émulsions23,24,25,26 comme le lait et les lipides émulsion sont utilisés comme agents de dispersion de la lumière, tandis que d’encre noire27,28 et colorants moléculaire29,30 sont utilisés comme amortisseurs de la lumière. Diffuser les spectres de réflectance de vivre la plupart organes sont dominées par l’absorption de l’hémoglobine oxygénée et désoxygéné dans les globules rouges. Donc, l’hémoglobine solutions31,32 et sang total8,9,10,33,36 sont souvent utilisés comme absorbeurs de lumière dans la fantômes de spectroscopie de réflectance diffuse et imagerie multispectrale.

La méthode décrite dans cet article est utilisée pour créer un fantôme optique imitant le transport léger dans les tissus biologiques et de caractériser ses propriétés optiques. À titre d’exemple, un deux couches optiques fantôme imitant propriétés optiques des tissus de la peau humaine est démontrée. Les avantages de cette méthode par des techniques alternatives sont la capacité de représenter les spectres de réflectance diffuse dans des tissus biologiques vivants dans le visible à la longueur d’onde du proche infrarouge, ainsi que la simplicité de le rendre, à l’aide de facilement disponible matériaux et instruments d’optique conventionnelles. Par conséquent, les fantômes optiques effectués par cette méthode sera utiles pour le développement de méthodes optiques basée sur la spectroscopie de réflectance diffuse et imagerie multispectrale.

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Protocol

1. construction d’un système de réflectance et facteur de transmission totale spectroscopique classique diffus

Remarque : Construire les ensembles de mesurage de la réflectance diffuse et spectres de transmittance total à l’aide d’une source de lumière blanche à large bande, un guide de lumière, une lentille achromatique, une sphère d’Ulbricht, un porte-échantillon, une fibre optique et un spectromètre à canaux multiples. Le rôle du piège à lumière doit supprimer le composant de réflexion spéculaire du spectre de réflectance. Le porte-échantillon de la sphère d’intégration se compose d’une plaque de montage et une queue d’aronde et le bloc d’attache à ressort qui maintient l’échantillon contre le port. La queue d’aronde et l’assemblage de la pince à ressort sont retirés le porte-échantillon et un piédestal cubique fabriqués à la main en mousse de polystyrène est fixé à la plaque de montage au lieu de cela. Les schémas des composants optiques, illustrés à la Figure 1bis et 1 b, peuvent être désignés pour la procédure de construction pour les mesures de réflectance diffuse et les mesures de facteur de transmission totale, respectivement.

  1. Connectez le spectromètre et un ordinateur personnel en utilisant le câble de bus série universel (USB) fourni.
  2. Fixer l’adaptateur à un port de détecteur de la sphère d’intégration. Connectez le spectromètre et l’adaptateur de port de la sphère d’intégration à l’aide d’une fibre optique. Connectez la source lumineuse 150 W halogène lampe et le guide de lumière.
  3. Visser le support de l’échantillon sur un port de l’échantillon de la sphère d’intégration. Fixer le piège lumineux à un port approprié de la sphère d’intégration lors de l’exécution des mesures de réflectance diffuse. Allumez la source de lumière de lampe halogène pour éclairer un échantillon via le guide de lumière et de la lentille achromatique.
  4. Ouvrez le logiciel d’exploitation du spectromètre.

2. Elaboration d’un moule acrylique

Remarque : Un moule acrylique qui se compose de deux pièces acryliques rectangulaires et une pièce acrylique en forme de U est construit pour créer un fantôme de gel monocouche. Figure 2 peuvent être désignés pour cette procédure de construction.

  1. Découpez les deux pièces rectangulaires acryliques d’une plaque acrylique de 2 mm d’épaisseur à une taille facultative.
  2. Découper une pièce acrylique d’une plaque acrylique épaisseur de 1 mm à une taille facultative. Couper la pièce acrylique épaisseur de 1 mm pour qu’il devienne une pièce en forme de U à être utilisé pour le moule pour faire 1 mm épaisseur épidermiques fantômes.
  3. Découper une pièce acrylique d’une épaisseur de 5 mm plaque d’acrylique à une taille facultative. Couper la pièce acrylique épaisseur de 5 mm pour qu’il devienne une pièce en forme de U à être utilisé comme un moule pour faire 5 mm épaisseur cutanées fantômes.
  4. Enlever toutes les bavures sur chaque morceau acrylique à l’aide d’une lime en métal.
  5. Faire le moule fantôme épidermique en tenant la pièce en U de 1 mm d’épaisseur avec les deux pièces acryliques de 2 mm d’épaisseur et en fixant à cinq foldback clips.
  6. Faire le moule fantôme par voie cutanée en tenant la pièce en forme de U épaisseur de 5 mm avec les deux pièces acryliques de 2 mm d’épaisseur et en fixant à cinq foldback clips.

3. préparation du matériau de Base

  1. Mettre 500 mL d’une solution saline standard avec 0,9 % (p/v) NaCl dans une gousse. Lentement, ajouter 5 g de poudre d’agarose en remuant le mélange pour éviter les grumeaux.
  2. Faire chauffer le mélange de poudre d’agarose et une solution saline par un radiateur électrique de cuisson avec un réglage de puissance 1 000 W pendant 5 min.
  3. Une fois que le mélange bout, maintenir le mélange à feu doux pendant 3 min.
  4. Laisser refroidir le mélange à une température d’environ 70 ° C. Puis versez le mélange dans un récipient et gardez-le dans un Bain thermostaté à 60 ° C pendant 30 min avant de faire un fantôme.

4. préparation de la peau-imitant les fantômes optiques

Remarque : Une solution café est utilisée pour imiter le spectre d’absorption de la mélanine. La solution de café contient un pigment brun appelé mélanoidine. Le spectre d’absorption de mélanoidine a été signalé à être similaire à celle de la mélanine10.

  1. Préparer un fantôme épidermique
    1. Versez 100 mL d’eau pure dans le réservoir de la cafetière. Placez un filtre dans le panier de la cafetière. Ajouter 24 g de café moulu dans le filtre. Mettre en marche la machine à café, puis appuyez sur le bouton d’infusion infusion.
    2. Mettre 4 mL de café infusé et 16 mL de solution saline dans un flacon de verre pour faire une solution de café.
    3. Mettre 5 mL d’émulsion lipidique (p. ex., Intralipide 10 %) et 10 mL de la solution de café dans un gobelet en plastique transparent. Lentement, ajouter 35 mL de matériau de base à ce mélange tout en remuant.
    4. Aspirer le mélange dans une seringue et injecter lentement dans le moule épidermique fantôme tout en évitant toute formation de bulles. Laisser refroidir le moule acrylique contenant le mélange à 5 ° C pendant 20 min.
    5. Retirer les clips foldback du moule. Glisser une des pièces acryliques vers l’extérieur et le retirer du moule. Prendre le gel solidifié de 1 mm d’épaisseur fantôme hors du moule et coupez à la taille désirée à l’aide d’un bistouri.
    6. Placez et maintenez le fantôme de gel entre les verres de deux diapositives.
  2. Préparer un fantôme cutané contenant du sang oxygéné
    1. Prenez 5,0 mL d’émulsion lipidique et 0,4 mL de sang entier équine avec 45 %-hématocrite et mettre dans un gobelet en plastique transparent. Ajouter lentement 44,6 mL du matériau de base en remuant le mélange.
    2. Aspirer le mélange dans une seringue et injecter lentement dans le moule fantôme cutané tout en évitant toute formation de bulles. Laisser refroidir le moule acrylique contenant le mélange à 5 ° C pendant 20 min.
    3. Retirer les clips foldback du moule. Glisser une des pièces acryliques vers l’extérieur et le retirer du moule. Prenez le gel solidifié épaisseur de 5 mm fantôme hors du moule et coupez à la taille désirée à l’aide d’un bistouri.
    4. Placez et maintenez le fantôme de gel entre les verres de deux diapositives.
  3. Préparer un fantôme cutané contenant le sang désoxygéné
    1. Mettre un gel dermique fantôme contenant du sang oxygéné (de l’étape 4.2.3) sur un plat en verre.
    2. Dissoudre 1 g de dithionite de sodium (Na2S2O4) dans 20 mL d’une solution saline dans un flacon de verre.
    3. Ajouter 0,05 g/mL de la solution Na2S2O4 sur le fantôme à l’aide d’une seringue à désoxygéner le sang dans le fantôme.
    4. Placez et maintenez le fantôme entre les verres de deux diapositives pour éviter qu’il sèche.
  4. Préparer un fantôme de deux couches
    1. Baisse de 0,1 mL de sérum physiologique sur un fantôme dermique pour assurer un couplage optique entre les couches épidermiques et dermiques. Placez le fantôme épidermique sur le fantôme par voie cutanée.
    2. Si les bulles d’air sont présentes entre les couches, les pousser dehors en caressant la surface de la phantom deux couches avec un doigt.
    3. Tenez le fantôme de deux couches entre deux verres de diapositive pour éviter qu’il sèche.

5. acquisition des spectres de réflectance Diffuse

  1. Acquisition de spectres sombres
    Remarque : Le capteur de dispositif à couplage de charge (CCD) dans le spectromètre peut estimer l’intensité lumineuse basée sur un signal électrique généré en réponse à la lumière incidente. Cependant, il y a bruit sombre37 qui est indépendante des signaux générés par des photons mais est dépendante de la température de l’appareil, même si le détecteur ne détecte pas la lumière. Pour mesurer avec précision l’intensité spectrale de la lumière, le signal de courant sombre devrait être mesuré en un spectre foncé et ensuite soustraites du spectre de l’échantillon. Le spectre foncé est un spectre pris avec le trajet optique bloqué.
    1. Positionnez la sphère d’intégration à une position optimale pour les mesures de réflectance diffuse (Figure 1 a).
    2. Éteindre la source lumineuse de la lampe halogène. Bloquer le parcours lumineux vers le spectromètre à l’aide d’un bouchon de l’orifice ou une plaque de blindage.
    3. Sélectionnez la commande stocker sombre dans le menu fichier pour enregistrer un spectre noir.
    4. Sélectionnez la commande soustraction spectre foncé dans le menu fichier pour soustraire le sombre spectre du spectre de l’échantillon mesuré (voir ci-dessous).
  2. Acquisition des spectres de référence
    Remarque : Les propriétés optiques des composants utilisés dans cette expérience, comme la source de lumière, guide de lumière, lentille achromatique, fibre optique et spectromètre, ont leurs propre longueur d’onde-dépendances. Par conséquent, l’intensité spectrale de la lumière transmise par le biais de ces composants optiques devrait être mesurée comme un spectre de référence. Pour la mesure d’un spectre de réflectance diffuse, le spectre de référence est un spectre avec un diffuseur blanc standard, éclairé par la lumière de la source lumineuse.
    1. Allumez la source lumineuse de la lampe halogène en appuyant sur le bouton d’alimentation. Échauffement de la lampe pendant au moins 10 min avant d’acquérir un spectre de référence.
    2. Placez un diffuseur blanc standard (p. ex., Spectralon) à l’emplacement de l’échantillon de la sphère d’intégration.
    3. Régler le temps d’intégration du spectromètre en sélectionnant la valeur appropriée dans la liste déroulante dans le logiciel d’exploitation de spectromètre afin que l’intensité de signal de crête est d’environ 75 % de l’intensité du spectromètre maximale.
    4. Sélectionnez la commande enregistrer la référence dans le menu fichier pour enregistrer un spectre de référence.
  3. Acquisition de spectres de l’échantillon
    Remarque : Un spectre du facteur de réflexion diffuse de l’échantillon est acquis et sauvegardé sur le disque dur d’un ordinateur personnel en utilisant les mêmes conditions d’acquisition.
    1. Placez le fantôme épidermique en sandwich par les verres de deux diapositives dans le port de l’échantillon. Sélectionnez la commande Enregistrer dans le menu fichier pour enregistrer un spectre de réflectance diffuse dans un fichier.
    2. Répétez les fantômes étape 5.3.1 pour la voie cutanée et deux couches.

6. l’acquisition du spectre Total Transmittance

  1. Acquisition de spectres sombres
    Remarque : Le capteur dans le spectromètre peut estimer l’intensité lumineuse basée sur un signal électrique généré en réponse à la lumière incidente. Cependant, il y a bruit sombre qui est indépendante des signaux générés par des photons mais est dépendante de la température de l’appareil, même si le détecteur ne détecte pas la lumière. Pour mesurer avec précision l’intensité spectrale de la lumière, le signal de courant sombre devrait être mesuré en un spectre foncé et ensuite soustraites du spectre de l’échantillon. Le spectre foncé est un spectre pris avec le trajet optique bloqué.
    1. Positionnez la sphère d’intégration à une position optimale pour les mesures de facteur de transmission totale (Figure 1 b).
    2. Retirer le piège à lumière du port de la sphère d’intégration et fixer un bouchon de l’orifice au port.
    3. Éteindre la source lumineuse de la lampe halogène. Bloquer le parcours lumineux vers la sphère d’intégration à l’aide d’un bouchon de l’orifice ou plaque de blindage.
    4. Sélectionnez la commande stocker sombre dans le menu fichier pour enregistrer un spectre noir.
    5. Sélectionnez la commande soustraction spectre foncé dans le menu fichier pour soustraire le sombre spectre du spectre de l’échantillon mesuré (voir ci-dessous).
  2. Acquisition des spectres de référence
    Remarque : Les propriétés optiques des composants utilisés dans cette expérience, comme la source de lumière, guide de lumière, lentille achromatique, fibre optique et spectromètre, ont leurs propre longueur d’onde-dépendances. Par conséquent, l’intensité spectrale de la lumière transmise par le biais de ces composants doit être mesurée comme un spectre de référence. Pour la mesure du spectre total transmittance, le spectre de référence est un spectre franchie avec la lumière de la source lumineuse est entrant directement dans la sphère d’intégration via le port de l’échantillon.
    1. Allumez la source lumineuse de la lampe halogène en appuyant sur le bouton d’alimentation. Échauffement de la lampe pendant au moins 10 min avant d’acquérir un spectre de référence.
    2. Régler le temps d’intégration du spectromètre en sélectionnant la valeur appropriée dans la liste déroulante des temps d’intégration dans le logiciel de fonctionnement du spectromètre jusqu'à ce que la plus grande intensité lumineuse indique un signal qui est d’environ 75 % du maximum valeurs.
    3. Sélectionnez la commande enregistrer la référence dans le menu fichier pour enregistrer un spectre de référence.
  3. Acquisition de spectres de l’échantillon
    Remarque : Le spectre du facteur total de transmission de l’échantillon est acquis et sauvegardé sur le disque dur d’un ordinateur personnel en utilisant les mêmes conditions d’acquisition.
    1. Placez le fantôme épidermique en sandwich par les verres de deux diapositives dans le port de l’échantillon. Sélectionnez la commande Enregistrer dans le menu fichier pour enregistrer un spectre de transmission totale dans un fichier.
    2. Répétez les fantômes étape 6.3.1 pour la voie cutanée et deux couches.

7. estimation de l’Absorption et les propriétés de dispersion de la lumière

Remarque : Un ensemble du spectre de réflectance diffuse et le spectre de transmission total est sauvegardé sur le disque dur d’un ordinateur personnel et analysé en mode hors connexion. Un inverse de simulation Monte-Carlo8,38,39,40 est ensuite effectué afin d’estimer l’absorption coefficient spectre µun(λ) et le coefficient de diffusion réduite spectre µs'(λ). Dans cet inverse simulation Monte Carlo, la diffusion estimée coefficient µs, sous l’hypothèse que l’anisotropie facteur g est 0, est considéré comme la dispersion réduit coefficient µs' . La réflectance tant les données de transmission sont utilisées pour une simulation unique exécutée. L’algorithme détaillé utilisé dans le présent protocole a été signalé dans le précédent littérature8,39. Nous avons estimé l’absorption coefficient spectre µun(λ) et la dispersion réduit coefficient spectre µs'(λ) d’une couche épidermique d’une série de la réflectance diffuse spectre et le spectre de transmission total provenant de la couche épidermique. De la même manière, nous avons estimé µun(λ) et µs'(λ) d’une couche cutanée d’un ensemble de l’éventail de réflectance diffuse et le spectre de transmission total obtenu par l’exposition cutanée couche.

  1. Ouvrir un fichier d’entrée pour la simulation de Monte Carlo.
  2. Renseignez les valeurs de la réflectance diffuse mesurée et le facteur de transmission totale à la gamme de longueur d’onde spécifique de 400 à 700 nm à 10 nm-intervalles dans le fichier de données d’entrée. Renseignez la valeur de l’épaisseur de fantôme dans le fichier de données d’entrée.
  3. La valeur de l’indice de réfraction n d’un calque pour être une valeur appropriée dans le fichier de données d’entrée (par exemple, n = 1,33 à 550 nm). La valeur de l’anisotropie facteur g à 0 dans le fichier de données d’entrée.
  4. Définissez les valeurs initiales de l’absorption coefficient µun et la diffusion coefficient µs comme les valeurs appropriées dans le fichier de données d’entrée (p. ex., µa = 0,01, µs = 0,1 ).
  5. Exécutez le programme de simulation de Monte Carlo inverse.
  6. Tapez le nom du fichier d’entrée, puis exécuter la simulation.
  7. Ouvrir le fichier de sortie et les valeurs finales de µa et µs après que la simulation itérative est terminée.
  8. Répétez les étapes 7.1 à 7.7 pour autres longueurs d’onde désirées.

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Representative Results

La figure 3 montre les spectres représentatifs estimations du coefficient de diffusion réduite et le coefficient d’absorption pour le fantôme épidermique et dermique fantôme. Les résultats présentés à la Figure 3 sont les moyennes des dix mesures de spectres de réflectance et de transmission. La dispersion réduit coefficient µs' a un spectre de diffusion large, présentant une magnitude plus élevée à courtes longueurs d’onde. Les caractéristiques spectrales correspondent à des spectres de diffusion typique des tissus mous. L’absorption coefficient µun des désintégrations fantômes épidermiques exponentiellement comme la longueur d’onde augmente, qui est semblable au spectre d’absorption de la mélanine. Le spectre du coefficient d’absorption de la couche épidermique de fantôme et celle de la mélanine,41 ont été ajustés par une fonction exponentielle comme :
Equation

La valeur de B pour la couche épidermique a été calculée pour être 0,011, tandis que celle de la mélanine a été estimée à 0,009. La dépendance de la longueur d’onde de l’absorption coefficients µune pour la voie cutanée contenant fantôme oxygéné sang et le sang désoxygéné est dominé par les caractéristiques spectrales de l’hémoglobine oxygénée et de l’hémoglobine désoxygénée respectivement.

La figure 4 montre des photographies numériques en couleurs représentant les fantômes de deux couches de peau. Figure 4 a montre une image transversale de la phantom de deux couches de peau. Figure 4 b et 4C montrent des vues de haut de la matrice fantôme 3-en-3 contenant du sang oxygéné et le sang désoxygéné, respectivement. Les lignes de haut en bas ont café solution concentrations Cc de 5 %, 10 % et 20 %. Les colonnes de gauche à droite ont sang concentrations Cb de 0,2 %, 0,4 % et 0,6 %. La couleur du fantôme devient plus sombre que la valeur de Cc dans la couche épidermique augmente, alors qu’il devient rose comme la valeur de Cb augmente. Le fantôme de sang oxygéné a une couleur plus rouge que celle avec le sang désoxygéné. Ces variations représentent le changement de couleur de peau en raison des conditions physiologiques tels que le bronzage et une hypoxémie, respectivement.

La figure 5 illustre qu'un exemple de représentant mesuré les spectres de réflectance diffuse obtenus à partir les fantômes de tissu de deux couches de peau ayant différentes modalités (Figure 5 a), la concentration de la solution café Cc,) Figure 5 b) la concentration du sang Cbetc de la Figure 5l’État oxygéné du sang. Dans la Figure 5 a, la réflectance diffuse dans une région de longueur d’onde plus courte est significativement diminuée en comparaison avec que dans une région de longueur d’onde plus longue que la valeur de Cc devient plus grande. C’est en raison de la forte absorption de lumière par la solution de café dans la région de longueurs d’onde plus courte (voir la Figure 3 b). Figure 5 b illustre la variation remarquable dans la réflectance diffuse dans la région de longueur d’onde moyenne avec la valeur de C,b, qui représente la forte absorption de lumière par l’hémoglobine dans la gamme de longueur d’onde de 500 à 600 nm. La différence de caractéristique spectrale entre l’hémoglobine oxygénée et l’hémoglobine désoxygénée et points isobestiques d’hémoglobine sont clairement observées dans les spectres de réflectance diffuse illustrés à la Figure 5 c.

Figure 1
Figure 1 : schéma de l’appareil expérimental. Ces panneaux montrent la mise en place pour mesurer les spectres de réflectance diffuse (un) et les spectres de transmission total (b). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : les étapes de la préparation des fantômes optiques basé sur agarose. Ces panneaux montrent (un) la réalisation d’une couche épidermique fantôme et (b) la réalisation d’une couche dermique fantôme. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : propriétés optiques des fantômes a estimé le représentant. (a) ce panneau montre la moyenne réduit le coefficient de diffusion du spectre µs' (λ) des couches épidermiques et dermiques. (b) ce panneau montre l’absorption coefficient spectres µun(λ) de la couche épidermique et les couches dermiques. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : les photographies numériques en couleurs représentant les fantômes de deux couches de peau. (a) ce panneau montre une vue en coupe de la peau de deux couches fantôme. (b) ce panneau montre la vue de dessus de la matrice fantôme 3-en-3 contenant du sang oxygéné. (c) ce panneau montre la vue de dessus de la matrice fantôme 3-en-3 contenant le sang désoxygéné. Les lignes de haut en bas ont café solution concentrations Cc de 5 %, 10 % et 20 %. Les colonnes de gauche à droite ont sang concentrations Cb de 0,2 %, 0,4 % et 0,6 %. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : le représentant mesuré les spectres de réflectance diffuse obtenus à partir les fantômes de tissu de deux couches de peau. Ces panneaux montrent les spectres de réflectance diffuse les fantômes avec des conditions différentes de la (a) la concentration de café solution Cc, (b) la concentration de sang oxygéné ensemble Cbet ( c) l’État oxygéné du sang. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

L’étape la plus critique dans le présent protocole est le contrôle de la température du matériau de base. La température à maintenir le matériau de base varie entre 58 et 60 ° C. Si la température est supérieure à 70 ° C, une dénaturation de l’émulsion lipidique et le sang se produit. Par conséquent, les propriétés optiques du fantôme seront détériorera. Si la température est inférieure à 40 ° C, le matériau de base va être ununiformly gélifié et, ainsi, les agents de diffusion et d’absorption lumineuses vont être hétérogène dans le fantôme. Bien que le matériau de base est maintenu à 60 ° C, il à aspirer avec une seringue abaisse la température. La température du matériau de base est réduit à 50 ° C lorsqu’il est ajouté à la solution de sang.

Les fantômes optiques décrits dans cet article souffrent de durées de vie courtes utilisables qui sont habituellement limitées à pas plus d’une journée. Les durées de vie utiles susceptible d’être étendues en encapsulant le fantôme avec le matériau de base dans le conteneur scellé ou en utilisant un préservatif. La couche épidermique de 1 mm d’épaisseur fantôme est un ordre de grandeur supérieur à l’épaisseur de l’épiderme humain. Dans ce protocole avec le moule acrylique, cependant, il était difficile de créer une épaisseur inférieure à 0,5 mm. Pour réduire les effets attendus de cette épaisseur sur les spectres de réflectance diffuse mesurée des fantômes, les coefficients de diffusion et d’absorption de l’épiderme fantôme étaient réglementées afin que le spectre de réflectance diffuse a montré le spectre similaire à celle de la peau humaine. Une enduction centrifuge méthode42 semble prometteuse pour faire une couche plus mince que 0,5 mm. Les valeurs de µun (λ) et µs' (λ) pour la peau humaine sont rapportés dans la littérature43.

La répartition uniforme de la mélanine ou bilirubine dans une couche de gélose fantôme peut être difficile en utilisant le protocole décrit ici car ces chromophores ne sont pas complètement solubles dans l’eau. L’utilisation de la mélanoidine extraite des grains de café torréfiés et tartrazine peut être utilisé comme comparables ou substituer des matériaux pour la mélanine et de la bilirubine, respectivement. L’inverse de simulation Monte Carlo, utilisée pour estimer les propriétés optiques de la réflectance diffuse mesurée et le facteur de transmission totale est relativement long à cause de sa façon itérative. Un autre calcul de transport léger modèle tels que la méthode de dédoublement ajoutant44 peut être utilisé pour raccourcir le temps de calcul. La dispersion réduit coefficient µs' est une propriété optique des intégrant la diffusion coefficient µs et l’anisotropie facteur g. Afin d’estimer séparément les µs et g , la transmission collimatée d’un fantôme doit être mesurée en plus le facteur total de transmission et la réflexion diffuse38,40. Dans la présente étude, nous n’avons pas mesuré l’indice de réfraction pour chaque couche. Nous avons mis l’indice de réfraction de l’eau, tel que publié dans littérature45 dans le fichier de données d’entrée pour l’inverse de simulation de Monte Carlo à la place comme le gel d’agarose est composée principalement d’eau. Nous avons supposé qu’il n’y a aucune différence dans les indices de réfraction entre les deux couches. Nous avons également utilisé la valeur nominale de l’indice de réfraction du verre (par exemple, n = 1.524 à λ = 546,1 nm) pour les simulations de Monte Carlo.

Il est avantageux que ce protocole, avec une sphère d’Ulbricht au lieu de deux sphères intégrateur, est rentable. En revanche, à l’aide d’une seule sphère d’intégration est chronophage l’arrangement de la sphère d’intégration doit être changée selon que la mesure est un facteur de transmission totale ou pour une réflexion diffuse. Il est avantageux que le protocole décrit dans cet article peut s’étendre pour créer des fantômes optiques monocouche ou multicouches avec différentes formes, tailles et inclusions en changeant la conception des moules. Les surfaces des couches fantômes ont été mouillés, immédiatement après que qu’ils ont été retirés de leur moule. Donc, la couche épidermique et la couche dermique ont été respectées ensemble par la deuxième couche étroitement sur la première couche d’empilage. Il serait possible de consolider la deuxième couche directement sur le premier, plutôt que de les fabriquer séparément et les attacher par la suite. Dans ce cas, toutefois, il peut être difficile d’établir avec précision une mince couche épidermique avec une épaisseur uniforme. Nous avons pris en sandwich le fantôme entre les verres pour éviter un séchage du fantôme. Nous avons examiné les propriétés optiques et l’épaisseur du verre à l’inverse de simulation Monte Carlo. Il n’y a donc aucun effet sur les propriétés optiques estimées des fantômes. L’importance de la technique actuelle en ce qui concerne les méthodes existantes est sa capacité à représenter les spectres de réflectance diffuse dans des tissus vivants dans le visible à la longueur d’onde du proche infrarouge. Les fantômes optiques faites par le présent protocole sera disponibles pour la validation des méthodes optiques nouvellement développées, basée sur la spectroscopie de réflectance diffuse et spectrocolorimétrie.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Partie de ce travail a été soutenu par une subvention pour Scientific Research (C) de la société japonaise pour la Promotion de la Science (25350520, 22500401, 15 K 06105) et l’US-ARMY ITC-PAC projet de recherche et développement (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

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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).

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Bioingénierie numéro 138 optique fantôme gel d’agarose émulsion lipidique propriétés optiques hémoglobine diffusion de la lumière absorption de la lumière simulation Monte Carlo inverse spectroscopie de réflectance diffuse
Axée sur l’agarose tissus imitant les fantômes optiques pour la spectroscopie de réflectance Diffuse
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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).

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