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Bioengineering

Basado en la agarosa tejido imitando fantasmas ópticos para espectroscopia de reflectancia difusa

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

Aquí, demostramos cómo fantasmas ópticos imitan tejido basado en la agarosa se hacen y cómo sus propiedades ópticas se determinan usando un sistema óptico convencional con una esfera de Ulbricht.

Abstract

Este protocolo describe cómo hacer fantasmas de tejido mímico basado en la agarosa y demuestra cómo determinar sus propiedades ópticas utilizando un sistema óptico convencional con una esfera de Ulbricht. Sistemas de medición para la adquisición de los espectros de transmitancia total y reflectancia difusa se construyen con una banda ancha fuente de luz blanca, una guía de luz, una lente acromática, una esfera de integración, un sostenedor de la muestra, una sonda de fibra óptica y un varios canales espectrómetro. Se construye un molde acrílico compuesto por dos piezas rectangulares de acrílico y una pieza de acrílico en forma de U para crear un fantasma epidérmico y un fantasma cutáneo con sangre entera. La aplicación de una solución de sodio ditionito (Na2S2O4) al fantasma cutánea permite al investigador deoxygenate hemoglobina en glóbulos rojos distribuidos en el fantasma cutáneo. El inverso de simulación Monte Carlo con los espectros de transmitancia total medidos por un espectrómetro con una esfera de Ulbricht y reflectancia difusa se realiza para determinar la absorción coeficiente espectro μa(λ) y la reduce la dispersión coeficiente espectro μs' (λ) de cada capa fantasma. Un fantasma de dos capas mímico la reflectancia difusa de los tejidos de la piel humana también es demostrado por llenar para arriba el fantasma epidérmico en el fantasma cutáneo.

Introduction

Ópticos fantasmas son objetos imitando las propiedades ópticas de los tejidos biológicos y han sido ampliamente utilizados en el campo de la óptica biomédica. Están diseñados para que las propiedades ópticas, tales como dispersión de la luz y coeficientes de absorción, coinciden con los de los tejidos humanos y animales vivos. Fantasmas ópticos se utilizan generalmente para los siguientes propósitos: simulando transporte ligero en tejidos biológicos, un diseño de sistema óptico de reciente desarrollo, evaluación de la calidad y rendimiento de los sistemas existentes, comparando el desempeño de calibración entre los sistemas y validar la capacidad de los métodos ópticos para cuantificar propiedades ópticas1,2,3,4,5. Por lo tanto, sustancias de fácil de conseguir, un proceso de fabricación simple, una alta reproducibilidad y una estabilidad óptica se requieren para hacer fantasmas ópticos.

Varios tipos de fantasmas ópticos con diferentes materiales base como suspensión acuosa6, gelatina gel agarose gel8,9,10,7, gel de poliacrilamida11, resina12, 13,14,15,16y cuarto temperatura de vulcanización silicona17 se han divulgado en la literatura anterior. Se ha divulgado que los geles basados en gelatina y alginato son útiles para ópticos fantasmas con estructuras heterogéneas18. Fantasmas de alginato tienen una conveniente estabilidad mecánica y termal para evaluar efectos de fototérmica como estudios de ablación de láser y basados en láser hipertermia estudios18. Geles de agarosa tienen la capacidad para fabricar estructuras heterogéneas y sus propiedades mecánicas y físicas son estables durante un largo tiempo18. Geles de agarosa de alta pureza con una turbiedad muy baja y una débil absorción óptica. Por lo tanto, las propiedades ópticas de los fantasmas de agarosa fácilmente podrían ser diseñados con la luz adecuada dispersión y absorción de los agentes. Recientemente, se han divulgado como interesantes materiales fantasmas de copolímeros de bloque estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS)19 y cloruro de polivinilo (PVC) geles20 ópticas y técnicas fotoacústica.

Polímero microesferas7,12,21,22, polvo de óxido de titanio1y lípidos emulsiones23,24,25,26 como la leche y lípidos emulsión se utilizan como agentes de dispersión de la luz, mientras que se utilizan como absorbentes de luz tinta negra27,28 y tintes molecular29,30 . Reflectancia difusa de los espectros de la mayoría de los órganos vivos están dominados por la absorción de oxigenada y desoxigenada de la hemoglobina de los glóbulos rojos. Por lo tanto, hemoglobina soluciones31,32 y sangre entera8,9,10,33,36 a menudo se utilizan como absorbentes de luz en el fantasmas de imágenes multiespectrales y espectroscopia de reflectancia difusa.

El método descrito en este artículo se utiliza para crear un fantasma óptico mímico el transporte ligero en tejidos biológicos y caracterizar sus propiedades ópticas. Por ejemplo, se demuestra una dos capas ópticas fantasma mímico propiedades ópticas del tejido de la piel humana. Las ventajas de este método sobre técnicas alternativas son la capacidad para representar los espectros de reflectancia difusa de tejidos biológicos de vida en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano, así como la sencillez a disposición, usar fácilmente visible materiales e instrumentos ópticos convencionales. Por lo tanto, los fantasmas de la ópticos de este método será útiles para el desarrollo de métodos ópticos basados en la espectroscopia de reflectancia difusa y las imágenes multiespectrales.

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Protocol

1. construcción de un sistema convencional de difusa reflectancia y transmitancia Total espectroscópico

Nota: La construcción de los sistemas de medición para los espectros de transmitancia total utilizando una fuente de luz blanca banda ancha, un guía de luz, una lente acromática, una esfera de integración, un sostenedor de la muestra, una fibra óptica y un espectrómetro multicanal y reflectancia difusa. El papel de la trampa de luz es quitar el componente de reflexión especular del espectro de reflectancia. El sostenedor de la muestra de la esfera integradora consiste en una placa de montaje y cola de Milano y conjunto de abrazadera con resorte que sostiene la muestra contra el puerto. La cola de Milano y conjunto de abrazadera con resorte se extraen el portamuestras y un pedestal cúbico hechos a mano de la espuma de poliestireno se une a la placa de montaje en su lugar. Los diseños de los componentes ópticos, que se muestra en la Figura 1a y 1b, se pueden hacer referencia a para el procedimiento de construcción para las mediciones de reflectancia difusa y las mediciones de transmitancia total, respectivamente.

  1. Conecte el espectrómetro y un ordenador con el cable de bus serie universal (USB) incluido.
  2. Conecte el adaptador de puerto a un puerto del detector de la esfera integradora. Conecte el espectrómetro y el adaptador de puerto de la esfera integradora mediante una fibra óptica. Conectar los 150 W halógeno lámpara fuente de luz y la guía de luz.
  3. Instale el soporte de la muestra a un puerto para la muestra de la esfera integradora. Coloque la trampa de luz al puerto correspondiente de la esfera integradora al realizar las mediciones de reflectancia difusa. Encienda la fuente luminosa de la lámpara halógena para iluminar una muestra a través de la guía de luz y la lente acromática.
  4. Abra el software operativo del espectrómetro.

2. preparación de un molde acrílico

Nota: Se construye un molde acrílico que consta de dos piezas de acrílico rectangulares y una pieza de acrílico en forma de U para crear un fantasma de gel de monocapa. Figura 2 se puede hacer referencia a este procedimiento de construcción.

  1. Corte los dos pedazos de acrílico rectangulares de una placa de acrílico de 2 mm de espesor a un tamaño opcional.
  2. Cortar una pieza de acrílico de una placa de acrílico de 1 mm de espesor a un tamaño opcional. Cortar la pieza de acrílico de 1 mm de espesor de modo que se convierte en una pieza en forma de U para ser utilizado para el molde para hacer 1 mm espesor epidérmicos fantasmas.
  3. Cortar una pieza de acrílico de una placa de acrílico de 5 mm de espesor a un tamaño opcional. Cortar la pieza de acrílico de 5 mm de espesor de modo que se convierte en una pieza en forma de U para ser utilizado como molde para hacer 5 mm espesor dérmicos fantasmas.
  4. Elimine las rebabas de cada trozo de acrílico usando una lima de metal.
  5. Hacer el molde fantasma epidérmico sujetando la pieza en forma de U de 1 mm de espesor con las dos piezas de acrílico de 2 mm de espesor y fijándolas con cinco clips de foldback.
  6. Hacer el molde fantasma cutáneo manteniendo la pieza en forma de U de 5 mm de espesor con las dos piezas de acrílico de 2 mm de espesor y fijándolas con cinco clips de foldback.

3. preparación del Material Base

  1. Poner 500 mL de solución salina estándar con 0,9% (p/v) de NaCl en una vaina. Lentamente añadir 5 g de agarosa en polvo agitando la mezcla para evitar la aglutinación.
  2. Calentar la mezcla de agarosa en polvo y solución salina por un calentador eléctrico de cocción con un ajuste de potencia W 1.000 durante 5 minutos.
  3. Una vez que la mezcla hierva, mantener la mezcla a fuego lento durante 3 minutos.
  4. Enfriar la mezcla a una temperatura de 70 ° c aproximadamente. Luego Vierta la mezcla en un recipiente y mantenerlo en un baño de temperatura constante a 60 ° C por 30 min antes de hacer un fantasma.

4. preparación de fantasmas ópticos imitan a la piel

Nota: Se utiliza una solución de café para simular el espectro de absorción de la melanina. La solución del café contiene un pigmento Pardo llamado melanoidina. El espectro de absorción de melanoidina se ha divulgado para ser similar a la de melanina10.

  1. Preparar un fantasma epidérmico
    1. Vierta 100 mL de agua pura en el depósito de la cafetera. Coloque un filtro en la cesta de la cafetera. Añadir 24 g de café molido en el filtro. Encienda la cafetera y presione el botón de brew para comenzar la elaboración de la cerveza.
    2. Colocar 4 mL de café recién hecho y 16 mL de solución salina en un frasco de vidrio para hacer una solución de café.
    3. Poner 5 mL de emulsión de lípidos (p. ej., intralipid 10%) y 10 mL de la solución de café en un vaso de plástico transparente. Lentamente, añadir 35 mL de material de base para esta mezcla removiendo.
    4. Aspirar la mezcla en una jeringa e inyecte lentamente en el molde fantasma epidérmico evitando cualquier formación de burbujas. Enfriar el molde acrílico que contiene la mezcla a 5 ° C por 20 min.
    5. Desmoldar los clips de foldback. Una de las piezas de acrílico exterior Deslice y retire del molde. Tomar el gel solidificado de 1 mm de espesor fantasma fuera del molde y cortar al tamaño deseado usando un bisturí.
    6. Colocar y sujetar el fantasma de gel entre vasos de dos diapositivas.
  2. Preparar un fantasma cutáneo que contiene la sangre oxigenada
    1. Tomar 5,0 mL de emulsión de lípidos y 0,4 mL de sangre entera equina con hematocrito de 45% y poner en un vaso de plástico transparente. Lentamente añadir 44,6 mL del material base agitando la mezcla.
    2. Aspirar cuidadosamente la mezcla en una jeringa e inyecte lentamente en el molde fantasma cutáneo evitando cualquier formación de burbujas. Enfriar el molde acrílico que contiene la mezcla a 5 ° C por 20 min.
    3. Desmoldar los clips de foldback. Una de las piezas de acrílico exterior Deslice y retire del molde. Tomar el gel de 5 mm de espesor solidificado fantasma fuera del molde y cortar al tamaño deseado usando un bisturí.
    4. Colocar y sujetar el fantasma de gel entre vasos de dos diapositivas.
  3. Preparar un fantasma cutáneo que contiene la sangre desoxigenada
    1. Poner un gel cutáneo fantasma que contengan sangre oxigenada (de paso 4.2.3) en un plato de cristal.
    2. Disolver 1 g de Ditionito de sodio (Na2S2O4) en 20 mL de solución salina en un frasco de vidrio.
    3. Añadir 0,05 g/mL de solución Na2S2O4 en el fantasma utilizando una jeringa al deoxygenate la sangre en el fantasma.
    4. Colocar y sujetar el fantasma entre vasos de dos portaobjetos para evitar que se sequen.
  4. Preparar un fantasma de dos capas
    1. Colocar 0,1 mL de solución salina en un fantasma cutánea para acoplamiento óptico entre las capas epidérmicas y dérmicas. Coloque el fantasma epidérmico en el fantasma cutáneo.
    2. Si hay burbujas de aire entre las capas, empujar hacia fuera por acariciando la superficie del fantasma de dos capas con la yema del dedo.
    3. Sostenga el fantasma dos capas entre dos vidrios de corredera para evitar que se sequen.

5. adquisición de los espectros de reflectancia difusa

  1. Adquisición de espectros oscuros
    Nota: El sensor del dispositivo de carga acoplada (CCD) en el espectrómetro puede estimar la intensidad de la luz basado en una señal eléctrica generada en respuesta a la luz del incidente. Sin embargo, hay ruido oscuro37 que es independiente de las señales generadas por los fotones, pero depende de la temperatura del dispositivo, incluso si el sensor no detecta la luz. Para medir con precisión la intensidad espectral de la luz, la señal actual oscurezca debe ser medida como un espectro oscuro y luego restar el espectro de la muestra. El espectro oscuro es un espectro con la trayectoria de la luz bloqueada.
    1. Coloque la esfera integradora en una posición óptima para las mediciones de reflectancia difusa (Figura 1a).
    2. Apague la fuente de luz de lámpara de halógeno. Bloquear la trayectoria de la luz al espectrómetro con un enchufe de puerto o una placa de blindaje.
    3. Seleccione el comando Guardar oscuro desde el menú Archivo para guardar un espectro oscuro.
    4. Seleccione el comando Subtract espectro oscuro desde el menú Archivo para restar el espectro oscuro del espectro medido de la muestra (véase abajo).
  2. Adquisición de espectros de referencia
    Nota: Las propiedades ópticas de los componentes utilizados en este experimento, como fuente de luz, guía de luz, lente acromática, fibra óptica y espectrómetro, tienen sus propia longitud de onda-dependencias. Por lo tanto, debe medirse la intensidad espectral de la luz pasada a través de estos componentes ópticos como un espectro de referencia. Para la medición de un espectro de reflectancia difusa, el espectro de referencia es un espectro con un estándar difusor blanco iluminado con la luz de la fuente de luz.
    1. Encienda la fuente de luz de lámpara de halógeno, presionando el botón power. Calentamiento de la lámpara durante al menos 10 min antes de adquirir un espectro de referencia.
    2. Colocar un difusor blanco estándar (e.g., Spectralon) en el puerto de muestra de la esfera integradora.
    3. Ajustar el tiempo de integración del espectrómetro seleccionando el valor adecuado de la lista desplegable en el software operativo del espectrómetro para que la intensidad máxima es aproximadamente el 75% de la máxima intensidad de espectrómetro.
    4. Seleccione el comando guardar la referencia en el menú Archivo para guardar un espectro de referencia.
  3. Adquisición de espectros de la muestra
    Nota: Un espectro de reflectancia difusa de la muestra es adquirido y guardado en el disco duro de un ordenador personal con las mismas condiciones de adquisición.
    1. Coloque el fantasma epidérmico intercalado por los vidrios de dos diapositivas en el puerto de la muestra. Seleccione el comando Guardar del menú Archivo para guardar un archivo de un espectro de reflectancia difusa.
    2. Repita los fantasmas paso 5.3.1 el cutáneo y dos capas.

6. adquisición del espectro de transmitancia Total

  1. Adquisición de espectros oscuros
    Nota: El sensor en el espectrómetro puede estimar la intensidad de la luz basado en una señal eléctrica generada en respuesta a la luz del incidente. Sin embargo, hay ruido oscuro que es independiente de las señales generadas por los fotones, pero depende de la temperatura del dispositivo, incluso si el sensor no detecta la luz. Para medir con precisión la intensidad espectral de la luz, la señal actual oscurezca debe ser medida como un espectro oscuro y luego restar el espectro de la muestra. El espectro oscuro es un espectro con la trayectoria de la luz bloqueada.
    1. Coloque la esfera integradora en una posición óptima para las mediciones de transmitancia total (Figura 1b).
    2. Quitar la trampa de luz de la abertura de la esfera integradora y conectar un enchufe de puerto en el puerto.
    3. Apague la fuente de luz de lámpara de halógeno. Bloquear la trayectoria de la luz a la esfera de integración usando un puerto de tapón o placa de protección.
    4. Seleccione el comando Guardar oscuro desde el menú Archivo para guardar un espectro oscuro.
    5. Seleccione el comando Subtract espectro oscuro desde el menú Archivo para restar el espectro oscuro del espectro medido de la muestra (véase abajo).
  2. Adquisición de espectros de referencia
    Nota: Las propiedades ópticas de los componentes utilizados en este experimento, como fuente de luz, guía de luz, lente acromática, fibra óptica y espectrómetro, tienen sus propia longitud de onda-dependencias. Por lo tanto, debe medirse la intensidad espectral de la luz pasada a través de estos componentes como un espectro de referencia. Para la medición del espectro de transmitancia total, el espectro de referencia es un espectro tomado cuando la luz de la fuente de luz está entrando directamente en la esfera de integración a través del puerto de la muestra.
    1. Encienda la fuente de luz de lámpara de halógeno, presionando el botón power. Calentamiento de la lámpara durante al menos 10 min antes de adquirir un espectro de referencia.
    2. Regular el tiempo de integración del espectrómetro seleccionando el valor adecuado de la lista desplegable de los tiempos de integración en el software operativo del espectrómetro para que la mayor intensidad de la luz muestra una señal de que es aproximadamente el 75% del máximo valores.
    3. Seleccione el comando guardar la referencia en el menú Archivo para guardar un espectro de referencia.
  3. Adquisición de espectros de la muestra
    Nota: El espectro de la transmitancia total de la muestra es adquirido y guardado en el disco duro de un ordenador personal con las mismas condiciones de adquisición.
    1. Coloque el fantasma epidérmico intercalado por los vidrios de dos diapositivas en el puerto de la muestra. Seleccione el comando Guardar del menú Archivo para guardar un espectro de transmitancia total en un archivo.
    2. Repita los fantasmas paso 6.3.1 el cutáneo y dos capas.

7. estimación de la absorción y dispersión de luz propiedades

Nota: Un conjunto del espectro de reflectancia difusa y el espectro de transmitancia total es guardado en el disco duro de un ordenador personal y análisis fuera de línea. Una simulación de Monte Carlo8,38,39,40 de inversa se lleva a cabo para estimar la absorción coeficiente espectro μa(λ) y el coeficiente de dispersión reducida espectro de μs'(λ). En este inverso simulación Monte Carlo, la dispersión estimada coeficiente μs, bajo el supuesto de que el factor de anisotropía g es 0, se considera la reducida dispersión coeficiente μs' . Los datos de transmitancia y la reflectancia se utilizan para una sola simulación ejecute. El algoritmo detallado utilizado en este protocolo se ha divulgado anterior literatura8,39. Estima la absorción coeficiente espectro μa(λ) y la reducida dispersión coeficiente espectro μs'(λ) de una capa epidérmica de un conjunto de reflectancia difusa espectro y el espectro de transmitancia total obtenida de la capa epidérmica. De la misma manera, estimamos μa(λ) y μs'(λ) de una capa dérmica de un conjunto del espectro de reflectancia difusa y el espectro de transmitancia total obtenida de la dérmica capa.

  1. Abrir un archivo de entrada para la simulación de Monte Carlo.
  2. Rellene los valores de la reflectancia difusa medida y la transmitancia total en el rango de longitud de onda específica de 400 a 700 nm a 10 nm-intervalos en el archivo de datos de entrada. Introduzca el valor del grueso del fantasma en el archivo de datos de entrada.
  3. Establecer el índice de refracción n de una capa a un valor apropiado en el archivo de datos de entrada (por ejemplo, n = 1.33 a 550 nm). Establezca el valor del factor de anisotropía g a 0 en el archivo de datos de entrada.
  4. Establecer los valores iniciales de la absorción coeficiente μun y la dispersión coeficiente μs para ser los valores apropiados en el archivo de datos de entrada (por ejemplo, μa = 0,01, μs = 0.1 ).
  5. Ejecutar el programa de simulación de Monte Carlo inversa.
  6. Escriba el nombre del archivo de entrada y vuelva a ejecutar la simulación.
  7. Abra el archivo de salida y comprobar los valores finales de μa y μs después se termina la simulación iterativa.
  8. Repita los pasos 7.1 7.7 para otras longitudes de onda deseadas.

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Representative Results

La figura 3 muestra los espectros estimados representante del coeficiente de reducción de la dispersión y el coeficiente de absorción para el fantasma epidérmica y dérmica fantasma. Los resultados que se muestran en la figura 3 son los promedios de diez mediciones de espectros de reflectancia y transmitancia. La reducida dispersión coeficiente μs' tiene un espectro de dispersión amplia, exhibiendo una magnitud mayor a longitudes de onda más cortas. Las características espectrales corresponden a los espectros de dispersión típica de los tejidos blandos. La absorción coeficiente μun de la epidérmica fantasma decae exponencialmente medida que aumenta la longitud de onda, que es similar al espectro de absorción de la melanina. El espectro de coeficiente de absorción de la capa epidérmica del fantasma y de melanina41 estaban equipados por una función exponencial como:
Equation

El valor de B de la capa epidérmica se calculó en 0.011, mientras para la melanina se estimaba 0.009. La dependencia de la longitud de onda de la absorción coeficientes μun para el fantasma cutáneo que contiene la sangre oxigenada y sangre desoxigenada está dominada por las características espectrales de la hemoglobina oxigenada y hemoglobina desoxigenada, respectivamente.

La figura 4 muestra fotografías del representante color digital de los fantasmas de dos capas de la piel. Figura 4a muestra una imagen transversal del fantasma de dos capas de la piel. Figura 4b y 4C Mostrar vista superior de la matriz fantasma 3 de 3 que contienen sangre oxigenada y sangre desoxigenada, respectivamente. Las filas de arriba hacia abajo tienen café solución concentraciones Cc del 5%, 10% y 20%. Las columnas de izquierda a derecha tienen sangre concentraciones Cb de 0.2%, 0.4% y 0.6%. El color del fantasma se vuelve más oscuro como el valor de Cc en los aumentos de la capa epidérmica, mientras que se vuelve color de rosa como el valor de Cb aumenta. El fantasma con la sangre oxigenada tiene un color más rojizo que con sangre desoxigenada. Las variaciones representan el cambio de color de la piel debido a condiciones fisiológicas tales como el bronceado y hypoxemia, respectivamente.

La figura 5 muestra que un ejemplo de representante medir espectros de reflectancia difusa de los fantasmas de tejido de dos capas de la piel teniendo condiciones diferentes (figura 5a) la concentración de la solución de café Cc,) Figura 5b) la concentración de sangre Cbyc Figura 5el estado oxigenado de la sangre. En la figura 5a, la reflectancia difusa en una región de longitud de onda más corta se redujo significativamente en comparación con que en una región de longitud de onda más larga como el valor de Cc se hace más grande. Esto es debido a la fuerte absorción de la luz por la solución de café en la región de longitud de onda más corta (ver figura 3b). La figura 5b muestra el notable cambio en reflectancia difusa en la región de media longitud de onda con el valor de Cb, que representa la fuerte absorción de la luz por la hemoglobina en el rango de longitud de onda de 500 a 600 nm. La diferencia en la función espectral entre hemoglobina oxigenada y desoxigenada de la hemoglobina y isosbestic puntos de hemoglobina se observa claramente en los espectros de reflectancia difusa se muestra en la figura 5 c.

Figure 1
Figura 1: diagrama esquemático de los aparatos experimentales. Estos paneles muestran la configuración para la medición de espectros de transmitancia total (b) y (a) espectros de reflectancia difusa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: pasos en la preparación de fantasmas ópticos basado en la agarosa. Estos paneles muestran (a) la fabricación de una capa epidérmica fantasma y (b) la realización de una capa dérmica fantasma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: el representante estima propiedades ópticas de los fantasmas. (a) este panel muestra la media reducida dispersión coeficiente espectro μs' (λ) de las capas epidérmicas y dérmicas. (b) este panel muestra la absorción coeficiente espectros μa(λ) de la capa epidérmica y capas dérmicas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: las fotografías en color digital representativa de los fantasmas de dos capas de la piel. (a) este panel muestra una vista transversal de la piel de dos capas fantasma. (b) este panel muestra la vista superior de la matriz fantasma 3 de 3 que contienen sangre oxigenada. (c) este panel muestra la vista superior de la matriz fantasma 3 de 3 que contienen sangre desoxigenada. Las filas de arriba hacia abajo tienen café solución concentraciones Cc del 5%, 10% y 20%. Las columnas de izquierda a derecha tienen sangre concentraciones Cb de 0.2%, 0.4% y 0.6%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: el representante medir espectros de reflectancia difusa de los fantasmas de tejido de dos capas de la piel. Estos paneles muestran los espectros de reflectancia difusa de los fantasmas con diferentes condiciones de (a) la concentración de café solución Cc, (b) la concentración de sangre completamente oxigenada Cby ( c) el estado oxigenado de la sangre. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El paso más crítico en este protocolo es el control de la temperatura del material base. La temperatura para mantener la materia prima entre 58 y 60 ° C. Si la temperatura es superior a 70 ° C, se produce una desnaturalización de la emulsión de lípidos y de la sangre. Como consecuencia, las propiedades ópticas del fantasma se deteriorarán. Si la temperatura es inferior a 40 ° C, el material base va ser ununiformly gelificado y, así, los agentes de dispersión y absorción de luz a ser heterogénea en el fantasma. Aunque la materia prima se mantiene a 60 º C, aspiración con una jeringa reduce la temperatura. La temperatura de la materia prima se reduce a 50 ° C cuando se agrega a la solución de sangre.

Los fantasmas ópticos descritos en este artículo sufren de corta vida útil que suelen limitarse a no más de un día. La vida útil podría ser extendida por encapsular el fantasma con el base material en el envase sellado o mediante el uso de un preservativo. La capa epidérmica de 1 mm de espesor fantasma es un orden de magnitud mayor que el espesor epidérmico humano. En el presente Protocolo con el molde de acrílico, sin embargo, es difícil crear un espesor de capa inferior a 0,5 mm. Para reducir los efectos previstos de este grosor en los espectros medidos de reflectancia difusa de los fantasmas, los coeficientes de dispersión y la absorción de la epidermis fantasma fueron regulados para que el espectro de reflectancia difusa demostró el espectro similar a eso de la piel humana. Un método de spin-coating42 parece prometedora para la fabricación de una capa más fina de 0,5 mm. Los valores de μa (λ) y μs' (λ) de la piel humana se divulgan en la literatura43.

La distribución uniforme de la melanina o bilirrubina en una capa de agar fantasma podría ser difícil utilizando el protocolo descrito aquí porque los cromóforos no son totalmente solubles en agua. El uso de melanoidina extraído de granos de café tostados y tartrazina puede utilizarse como comparable o sustituir materiales de melanina y bilirrubina, respectivamente. La inversa utilizado para estimar las propiedades ópticas de la medida difusa reflectancia y la transmitancia total de simulación de Monte Carlo es relativamente lento debido a su manera iterativa. Otro cálculo de transporte ligero modelo tales como el método agregar duplicación44 puede ser utilizado para acortar el tiempo de cálculo. La reducida dispersión coeficiente μs' es una propiedad óptica agrupan incorporando la dispersión coeficiente μs y el factor de anisotropía g. Para estimar μs y g por separado, la colimación transmitancia de un fantasma se medirá además la total transmitancia y la reflectancia difusa38,40. En el presente estudio, no medimos el índice de refracción para cada capa. Hemos creado el índice de refracción del agua publicados en literatura45 en el archivo de datos de entrada para la inversa simulación Monte Carlo en su lugar ya que el gel de agarosa consiste principalmente en agua. Asumimos que no hay diferencias en los índices de refracción entre las dos capas. También utilizamos el valor nominal por el índice de refracción del vidrio (por ejemplo, n = 1.524 a λ = 546,1 nm) para las simulaciones de Monte Carlo.

Es ventajoso que este protocolo, con una esfera de integración en lugar de dos esferas integradoras, es rentable. Por otro lado, usando una sola esfera de integración es desperdiciadora de tiempo debido a que el arreglo de la esfera integradora debe cambiar según si la medida es para una transmitancia total o para una reflectancia difusa. Es conveniente que el protocolo descrito en este artículo se puede ampliar para crear fantasmas ópticos monocapa o multicapa con diferentes formas, tamaños y las inclusiones cambiando el diseño de los moldes. Las superficies de las capas fantasmas fueron mojadas inmediatamente después de que fueron tomadas de su molde. Por lo tanto, la capa epidérmica y la capa dérmica se adhirieron junto apilando la segunda capa estrechamente en la primera capa. Es posible consolidar la segunda capa directamente sobre el primero, en lugar de fabricación de por separado y uniéndolas después. En ese caso, sin embargo, puede ser difícil hacerlo con precisión una fina capa epidérmica con un espesor de capa uniforme. Intercala el fantasma entre los vidrios para evitar un secado del fantasma. Se consideraron las propiedades ópticas y el espesor de vidrio en la inversa simulación Monte Carlo. Por lo tanto, no hay ningún efecto sobre las propiedades ópticas estimadas de los fantasmas. La importancia de la técnica actual con respecto a los métodos existentes es su habilidad para representar los espectros de reflectancia difusa de los tejidos vivos en el espectro visible a la región de longitud de onda del infrarrojo cercano. Los fantasmas de la ópticos de este protocolo estará disponibles para la validación del desarrollado recientemente métodos ópticos basados en la espectroscopia de reflectancia difusa y spectrocolorimetry.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Parte de este trabajo fue apoyado por una subvenciones para Scientific Research (C) de la sociedad japonesa para la promoción de la ciencia (25350520, 22500401, 15 K 06105) y el U.S. ARMY ITC-PAC investigación y desarrollo de proyecto (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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Basado en la agarosa tejido imitando fantasmas ópticos para espectroscopia de reflectancia difusa
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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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