Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

النسيج المستندة إلى [اغروس] محاكاة أشباح البصري للتحليل الطيفي الانعكاس منتشر

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

هنا، نحن توضح كيف يتم إجراؤها على أساس [اغروس] محاكاة الأنسجة أشباح البصري وكيف تتحدد خصائصها الضوئية باستخدام نظام ضوئية تقليدية مع مجال إدماج.

Abstract

توضح هذه المقالة كيفية جعل القائم على [اغروس] محاكاة الأنسجة أشباح هذا البروتوكول ويوضح كيفية تحديد خواصها الضوئية باستخدام نظام ضوئية تقليدية مع مجالاً إدماج. نظم قياس لاقتناء الانعكاس منتشر ومنافذه مجموع الأطياف هي التي شيدت مع مصدر ضوء أبيض ذات النطاق العريض، دليل خفيفة، عدسة أتشروماتيك، مجال تكامل، حامل عينة، تحقيقا ألياف الضوئية، مطياف متعدد القنوات. هي التي شيدت العفن اكريليك تتألف من قطعتين اﻷكريليك مستطيلة وقطعة اكريليك على شكل U لإنشاء فانتوم البشرة والوهمية الجلد بالدم كله. تطبيق حل dithionite (نا2ق2س4) الصوديوم على الجلد وشبح تمكن الباحث ديوكسيجيناتي الهيموغلوبين في خلايا الدم الحمراء التي وزعت في الوهمية عن طريق الجلد. معكوس محاكاة مونتي كارلو مع الانعكاس منتشر ومنافذه مجموع الأطياف التي تقاس مطياف مع مجال إدماج تتم لتحديد امتصاص معامل الطيف μ(λ) انخفاض نثر معامل الطيف μs' (λ) لكل طبقة الوهمية. ويتجلى فانتوم الطبقات اثنين محاكاة الانعكاس منتشر في أنسجة جلد الإنسان أيضا تتراكم الوهمية البشرة في الجلد وشبح.

Introduction

الخيالات البصرية هي كائنات محاكاة الخصائص البصرية للأنسجة البيولوجية وقد استخدمت على نطاق واسع في مجال البصريات الطبية الحيوية. وهي مصممة حتى تتوافق الخصائص البصرية، مثل تشتت الضوء ومعاملات الاستيعاب، مع تلك الأنسجة البشرية والحيوانية الحية. الخيالات البصرية تستخدم عادة للأغراض التالية: محاكاة النقل الخفيفة في الأنسجة البيولوجية، ومعايرة تصميم نظام بصري المطورة حديثا، تقييم النوعية والأداء للنظم القائمة، مقارنة الأداء بين الأنظمة، والتحقق من قدرة وسائل بصرية لقياس الخصائص البصرية1،2،3،،من45. ولذلك، سهلة للحصول على المواد وعملية تصنيع بسيطة، إمكانية تكرار نتائج عالية واستقرار بصرية المطلوبة لصنع الخيالات البصرية.

أنواع مختلفة من أشباح البصري مع مختلف المواد الأساسية مثل تعليق مائي6، الجيلاتين جل7, [اغروس] هلام8،،من910, هلام polyacrylamide11،، راتنج12 وأبلغ 13،14،،من1516، ودرجة حرارة الغرفة-الكبرتة سيليكون17 في المؤلفات السابقة. وأفيد أن المواد الهلامية المستندة إلى الجيلاتين والجينات مفيدة لأشباح بصري مع هياكل متغايرة18. وقد أشباح الجينات استقرار الميكانيكية والحرارية مناسبة لتقييم آثار photothermal مثل الدراسات التذرية الليزر والليزر hyperthermia الدراسات18. [اغروس] المواد الهلامية لديها القدرة على اختﻻق هياكل غير المتجانسة، وخواصها الميكانيكية والفيزيائية مستقرة ل وقت طويل18. وقد الجل عالية النقاوة [اغروس] تعكر منخفضة للغاية واستيعاب بصري ضعيف. ولذلك، يمكن بسهولة تصميم الخصائص البصرية لأشباح القائم على [اغروس] مع الضوء المناسبة نثر واستيعاب العوامل. في الآونة الأخيرة، أفيد الستيرين-الإيثيلين-butylene-الستيرين (سيبس) كتلة البوليمرات الإسهامية19 و المواد الهلامية كلوريد البوليفينيل (PVC)20 كمواد الوهمية مثيرة للاهتمام بصرية وتقنيات التنظير.

مستحلبات البوليمر الجزئي المجالات الخرز الصغير7،12،،من2122و مسحوق أكسيد التيتانيوم1، والمادة الدهنية23،24،،من2526 مثل الحليب والدهن مستحلب المستخدمة كعوامل تشتت الضوء، وحين تستخدم الحبر الأسود27،28 و29،الأصباغ الجزيئي30 كامتصاص الضوء. منتشر أطياف الانعكاس لمعيشة معظم أجهزة يهيمن عليها استيعاب اﻷوكسيجين و deoxygenated الهيموغلوبين في خلايا الدم الحمراء. ولذلك، غالباً ما تستخدم كامتصاص الضوء في الهيموغلوبين حلول31،32 والدم كله8،،من910،،من3336 أشباح منتشر الانعكاس الطيفي والتصوير المتعدد الأطياف.

يتم استخدام الطريقة الموضحة في هذه المقالة لإنشاء فانتوم ضوئية محاكاة النقل الخفيفة في الأنسجة البيولوجية وتوصيف الخصائص البصرية الخاصة به. على سبيل مثال، يتضح من الطبقات اثنين بصري وهمية محاكاة خصائص بصرية لانسجة جلد الإنسان. مزايا هذا الأسلوب أكثر تقنيات بديلة هي القدرة على تمثيل أطياف الانعكاس منتشر في الأنسجة البيولوجية الحية في مرئية إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للطول الموجي، فضلا عن البساطة إتاحتها، استخدام بسهولة المواد والأجهزة البصرية التقليدية. ولذلك، ستكون مفيدة لتطوير وسائل بصرية على أساس التحليل الطيفي الانعكاس منتشر والتصوير المتعدد الأطياف أشباح الضوئية المقدمة من هذا الأسلوب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-بناء منتشر التقليدية الانعكاس ومنافذه مجموع نظام الطيفية

ملاحظة: بناء نظم قياس الانعكاس منتشرة وأطياف منافذه إجمالي استخدام مصدر ضوء أبيض ذات النطاق العريض ودليل خفيفة وعدسة achromatic، مجالاً إدماج، حامل عينة، ألياف الضوئية ومن مطياف متعدد القنوات. دور فخ الخفيفة إزالة العنصر منظاري التفكير من الطيف الانعكاس. حامل عينة في مجال إدماج يتكون من صفيحة متصاعدة وتتوافق والمشبك نابض الجمعية التي تحمل العينة ضد المنفذ. تتم إزالة تتوافق والمشبك نابض الجمعية من صاحب العينة وقاعدة التمثال مكعب المصنوعة من رغوة البوليسترين موصولة إلى لوحة التركيب بدلاً من ذلك. تخطيطات المكونات البصرية، هو مبين في الشكل 1a و 1b، يمكن الإشارة إلى الإجراء البناء للقياسات الانعكاس منتشر والقياسات منافذه الإجمالي، على التوالي.

  1. قم بتوصيل والمطياف وكمبيوتر الشخصي باستخدام كابل الناقل التسلسلي العالمي (USB) بتوفيرها.
  2. إرفاق محول المنفذ إلى منفذ كاشف في مجال التكامل. قم بتوصيل والمطياف والمحول المنفذ في مجال إدماج استخدام ألياف الضوئية. قم بتوصيل 150 W الهالوجين مصباح مصدر الضوء وتوجيه الضوء.
  3. إرفاق صاحب العينة إلى منفذ عينة في مجال التكامل. نعلق في فخ الخفيفة إلى منفذ مناسبة في مجال إدماج عند إجراء القياسات الانعكاس منتشر. قم بتشغيل مصباح هالوجين مصدر الضوء لإلقاء الضوء نموذج عن طريق توجيه الضوء والعدسة achromatic.
  4. افتح برنامج التشغيل من والمطياف.

2-إعداد العفن اﻷكريليك

ملاحظة: هي التي شيدت العفن اكريليك الذي يتكون من قطعتين اﻷكريليك مستطيلة وقطعة اكريليك على شكل U لإنشاء الوهمية جل أحادي الطبقة. يمكن الإشارة إلى الرقم 2 لهذا الإجراء البناء.

  1. قطع مستطيلة اﻷكريليك قطعتين من صفيحة اكريليك 2-مم-سميكة لحجم اختياري.
  2. قطع قطعة اكريليك من صفيحة اكريليك 1-مم-سميكة لحجم اختياري. قص قطعة اﻷكريليك 1-مم-سميكة حتى تصبح قطعة على شكل U لاستخدامها للعفن جعل أشباح البشرة سميكة 1 ملم.
  3. قطع قطعة اكريليك من صفيحة اكريليك 5-مم-سميكة لحجم اختياري. قص قطعة اﻷكريليك 5-مم-سميكة حتى تصبح قطعة على شكل U لاستخدامها كقالب لجعل أشباح جلدي سميك 5 مم.
  4. قم بإزالة أي نتوءات من كل قطعة اﻷكريليك باستخدام ملف معدني.
  5. جعل العفن الوهمية البشرة بالضغط بقطعة على شكل U 1-مم-سميكة مع قطعتين اﻷكريليك 2-مم-سميكة وإصلاحها مع خمسة foldback مقاطع.
  6. جعل العفن الوهمية عن طريق الجلد بالضغط بقطعة على شكل U 5-مم-سميكة مع قطعتين اﻷكريليك 2-مم-سميكة وإصلاحها مع خمسة foldback مقاطع.

3-إعداد المواد الأساسية

  1. وضع 500 مل من المحلول الملحي القياسي مع 0.9% (w/v) كلوريد الصوديوم في جراب. إضافة 5 غم مسحوق [اغروس] ببطء بينما إثارة المخلوط لتجنب التثاقل.
  2. حرارة الخليط من المياه المالحة ومسحوق [اغروس] بسخان كهربائي طبخ مع إعداد طاقة W 1,000 لمدة 5 دقائق.
  3. حالما يغلي الخليط، نضع الخليط في درجة حرارة منخفضة لمدة 3 دقائق.
  4. يبرد المخلوط إلى درجة حرارة حوالي 70 درجة مئوية. ثم صب الخليط في وعاء ويبقيه في حمام درجة حرارة ثابتة عند 60 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة قبل القيام الوهمية.

4-التحضير لمحاكاة الجلد أشباح البصري

ملاحظة: يتم استخدام حلاً قهوة لتقليد طيف امتصاص الميلانين. الحل القهوة يحتوي على صبغة بنية تسمى الميلانويدين. وقد أبلغ عن طيف امتصاص الميلانويدين أن تكون مماثلة لتلك التي الميلانين10.

  1. إعداد الوهمية البشرة
    1. صب 100 مل مياه النقية في الخزان القهوة. وضع عامل تصفية في سلة القهوة. إضافة 24 ز البن المطحون في عامل التصفية. تشغيل صانع القهوة واضغط على زر المشروب للبدء في تخمير.
    2. وضع 4 مل من القهوة و 16 مل من المحلول الملحي في زجاجة زجاج جعل حلاً قهوة.
    3. وضع 5 مل من الدهن مستحلب (مثلاً، إينتراليبيد 10%) و 10 مل الحل القهوة في كوب بلاستيك شفاف. ببطء بإضافة 35 مل المواد الأساسية إلى هذا الخليط مع التحريك.
    4. نضح الخليط في محقن وحقن ببطء إلى العفن الوهمية البشرة مع تجنب أي تشكيل فقاعة. بارد العفن اﻷكريليك التي تحتوي على هذا الخليط في 5 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
    5. إزالة مقاطع foldback من العفن. شريحة واحدة من القطع اﻷكريليك إلى الخارج وإزالته من القالب. تأخذ جل طدت 1-مم-سميكة الوهمية من العفن وقطع عليه إلى الحجم المطلوب باستخدام مشرط جراحة.
    6. وعقد الوهمية جل بين الشرائح اثنين النظارات.
  2. إعداد الوهمية عن طريق الجلد الذي يحتوي على الدم المؤكسج
    1. تأخذ مل 5.0 من مستحلب الدهن و 0.4 مل من الدم الخيلي إجمالاً بنسبة 45%-الهيماتوكريت ووضعها في كوب بلاستيك شفاف. ببطء بإضافة 44.6 مل المواد الأساسية أثناء إثارة المخلوط.
    2. نضح الخليط في محقن وحقن ببطء إلى العفن الوهمية عن طريق الجلد مع تجنب أي تشكيل فقاعة. بارد العفن اﻷكريليك التي تحتوي على هذا الخليط في 5 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
    3. إزالة مقاطع foldback من العفن. شريحة واحدة من القطع اﻷكريليك إلى الخارج وإزالته من القالب. تأخذ جل طدت 5-مم-سميكة الوهمية من العفن وقطع عليه إلى الحجم المطلوب باستخدام مشرط جراحة.
    4. وعقد الوهمية جل بين الشرائح اثنين النظارات.
  3. إعداد الوهمية عن طريق الجلد التي تحتوي على الدم deoxygenated
    1. وضع هلام جلدي الوهمية التي تحتوي على الدم المؤكسج (من الخطوة 4.2.3) في صحن زجاج.
    2. يذوب 1 غرام من الصوديوم dithionite (نا2ق2س4) في 20 مل من المحلول الملحي في زجاجة زجاج.
    3. إضافة 0.05 غ/مل نا2ق2س4 الحل على شبح استخدام المحاقن إلى ديوكسيجيناتي الدم في الوهمية.
    4. وعقد الوهمية بين النظارات الشريحة اثنين لمنعها من الجفاف.
  4. إعداد فانتوم الطبقات اثنين
    1. انخفاض 0.1 مل من المحلول الملحي على الوهمية عن طريق الجلد لضمان اقتران الضوئية بين طبقات البشرة والجلد. مكان الوهمية البشرة في الجلد الوهمية.
    2. إذا كان هناك أي فقاعات الهواء بين الطبقات، دفعهم الخروج بالجرة سطح الوهمية الطبقات اثنين بالإصبع.
    3. عقد الوهمية الطبقات اثنين بين اثنين النظارات الشريحة لمنعها من الجفاف.

5-الحصول على الأطياف الانعكاس منتشر

  1. اقتناء أطياف الظلام
    ملاحظة: يمكن للاستشعار جهاز اقتران (اتفاقية مكافحة التصحر) في مطياف تقدير كثافة الضوء استناداً إلى إشارة كهربائية تولد ردا على ضوء الحادث. ومع ذلك، هناك الضوضاء الظلام37 التي هي مستقلة عن الإشارات التي تم إنشاؤها بواسطة الفوتونات ولكن يتوقف على درجة حرارة الجهاز، حتى ولو لم يكشف جهاز استشعار الضوء. لقياس كثافة الضوء الطيفي بدقة، ينبغي أن تقاس طيف الظلام إشارة الحالية الظلام وثم طرح من الطيف عينة. الطيف الظلام طائفة اتخذت مع مسار الضوء حظر.
    1. موقف مجال التكامل في وضع أمثل للقياسات الانعكاس منتشر (الشكل 1a).
    2. إيقاف تشغيل مصباح هالوجين مصدر الضوء. عرقلة مسار الضوء مطياف استخدام سد منفذ أو صفيحة التدريع.
    3. حدد الأمر تخزين الظلام من القائمة ملف لتخزين مجموعة الظلام.
    4. حدد الأمر طرح طيف الظلام من القائمة ملف للطرح الطيف الظلام من عينة قياس الطيف (انظر أدناه).
  2. الحصول على مرجع الأطياف
    ملاحظة: الخصائص البصرية للمكونات المستخدمة في هذه التجربة، مثل مصدر الضوء وتوجيه الضوء، عدسة achromatic، والألياف البصرية، ومطياف، يكون الطول الموجي-الاعتماد الخاصة بهم. ولذلك، ينبغي قياس كثافة الضوء مرت هذه المكونات الضوئية الطيفية كمجموعة مرجعية. لقياس طيف الانعكاس منتشر، الطيف مرجع طائفة اتخذت مع الناشر أبيض قياسية مضيئة مع الضوء من مصدر الضوء.
    1. قم بتشغيل مصباح هالوجين مصدر الضوء عن طريق الضغط على زر الطاقة. الاحماء المصباح لمدة 10 دقيقة على الأقل قبل الحصول على طيف إشارة.
    2. مكان الناشر أبيض قياسية (مثلاً، سبيكترالون) في ميناء عينة في مجال التكامل.
    3. ضبط وقت والمطياف التكامل عن طريق تحديد القيمة المناسبة من القائمة المنسدلة في برنامج التشغيل مطياف حيث يكون كثافة إشارة الذروة حوالي 75% كثافة مطياف الحد الأقصى.
    4. حدد الأمر بتخزين مرجع من القائمة ملف لتخزين مجموعة مرجعية.
  3. الحصول على عينة الأطياف
    ملاحظة: يكتسب طائفة من الانعكاس منتشر للعينة وحفظها على القرص الصلب لجهاز كمبيوتر شخصي باستخدام نفس شروط اقتناء.
    1. ضع الوهمية البشرة تقع بالنظارات الشريحة اثنين في ميناء العينة. حدد الأمر حفظ من القائمة ملف لحفظ طائفة انعكاس منتشر إلى ملف.
    2. كرر الخطوة 5.3.1 للجلد والطبقات اثنين أشباح.

6-الحصول على الطيف منافذه المجموع

  1. اقتناء أطياف الظلام
    ملاحظة: يمكن لأجهزة الاستشعار في والمطياف تقدير شدة الضوء استناداً إلى إشارة كهربائية تولد ردا على ضوء الحادث. ومع ذلك، هناك الضوضاء الظلام التي هي مستقلة عن الإشارات التي تم إنشاؤها بواسطة الفوتونات ولكن يتوقف على درجة حرارة الجهاز، حتى ولو لم يكشف جهاز استشعار الضوء. لقياس كثافة الضوء الطيفي بدقة، ينبغي أن تقاس طيف الظلام إشارة الحالية الظلام وثم طرح من الطيف عينة. الطيف الظلام طائفة اتخذت مع مسار الضوء حظر.
    1. موقف مجال التكامل في وضع أمثل للقياسات منافذه المجموع (الشكل 1b).
    2. إزالة في فخ الخفيفة من ميناء مجال إدماج وإرفاق سد منفذ إلى المنفذ.
    3. إيقاف تشغيل مصباح هالوجين مصدر الضوء. عرقلة مسار الضوء على المجال دمج استخدام سد منفذ أو حجب لوحة.
    4. حدد الأمر تخزين الظلام من القائمة ملف لتخزين مجموعة الظلام.
    5. حدد الأمر طرح طيف الظلام من القائمة ملف للطرح الطيف الظلام من عينة قياس الطيف (انظر أدناه).
  2. الحصول على مرجع الأطياف
    ملاحظة: الخصائص البصرية للمكونات المستخدمة في هذه التجربة، مثل مصدر الضوء وتوجيه الضوء، عدسة achromatic، والألياف البصرية، ومطياف، يكون الطول الموجي-الاعتماد الخاصة بهم. ولذلك، ينبغي قياس كثافة الطيفية للضوء تم تمريرها من خلال هذه المكونات كمجموعة مرجعية. لقياس الطيف منافذه الإجمالي، الطيف مرجع طائفة اتخذت عندما يدخل الضوء من مصدر الضوء مباشرة إلى مجال التكامل من خلال منفذ عينة.
    1. قم بتشغيل مصباح هالوجين مصدر الضوء عن طريق الضغط على زر الطاقة. الاحماء المصباح لمدة 10 دقيقة على الأقل قبل الحصول على طيف إشارة.
    2. تنظيم وقت والمطياف التكامل عن طريق تحديد القيمة المناسبة من القائمة المنسدلة مرات التكامل في برامج التشغيل من والمطياف حيث أن يبين شدة الضوء أكبر إشارة إلى أن حوالي 75% من الحد الأقصى القيم.
    3. حدد الأمر بتخزين مرجع من القائمة ملف لتخزين مجموعة مرجعية.
  3. الحصول على عينة الأطياف
    ملاحظة: يكتسب طيف منافذه مجموع العينة وحفظها على القرص الصلب لجهاز كمبيوتر شخصي باستخدام نفس شروط اقتناء.
    1. ضع الوهمية البشرة تقع بالنظارات الشريحة اثنين في ميناء العينة. حدد الأمر حفظ من القائمة ملف لحفظ طائفة منافذه مجموع إلى ملف.
    2. كرر الخطوة 6.3.1 للجلد والطبقات اثنين أشباح.

7-تقدير امتصاص وخصائص تشتت الضوء

ملاحظة: مجموعة من الطيف المنتشر الانعكاس وطيف منافذه مجموع المحفوظة على القرص الثابت لجهاز كمبيوتر شخصي وتحليلها دون اتصال. ثم يتم تنفيذ عكسية محاكاة مونتي كارلو8،،من3839،40 لتقدير امتصاص معامل الطيف μ(λ) ومعامل انخفاض نثر طيف μs'(λ). في هذا معكوس محاكاة مونتي كارلو، يعتبر تشتت المقدرة معامل μs، على افتراض أن عامل تباين ز هو 0، نثر انخفاض معامل μs' . الانعكاس ومنافذه البيانات تستخدم لمحاكاة واحد تشغيل. سجلت مفصلة الخوارزمية المستخدمة في هذا البروتوكول في8،الأدب السابق39. أننا تقدر استيعاب معامل الطيف μ(λ) ونثر انخفاض معامل الطيف μs'(λ) من طبقة البشرة من مجموعة من الانعكاس منتشر طيف وطيف منافذه الإجمالية التي تم الحصول عليها من طبقة البشرة. بنفس الطريقة، قمنا بتقدير μ(λ) و μs'(λ) من طبقة الجلد من مجموعة من الطيف المنتشر الانعكاس وطيف منافذه الإجمالية التي تم الحصول عليها من الجلد طبقة.

  1. فتح ملف إدخال لمحاكاة مونتي كارلو.
  2. تعبئة قيم الانعكاس منتشر المقاسة ومنافذه المجموع في نطاق طول موجي محدد من 400 إلى 700 نانومتر في شمال البحر الأبيض المتوسط فترات زمنية 10 في ملف بيانات الإدخال. قم بتعبئة قيمة سمك الوهمية في ملف بيانات الإدخال.
  3. تعيين معامل الانكسار n من طبقة لتكون مناسبة قيمة في ملف بيانات الإدخال (مثل، n = 1.33 في 550 نيوتن متر). تعيين قيمة عامل تباين ز 0 في ملف بيانات الإدخال.
  4. تعيين القيم الأولية لامتصاص معامل μ ومعامل التشتت μs لتكون القيم المناسبة في ملف بيانات الإدخال (مثل، μ = 0.01 μs = 0.1 ).
  5. تنفيذ البرنامج محاكاة مونتي كارلو معكوس.
  6. اكتب اسم ملف الإدخال، ثم قم بتشغيل المحاكاة.
  7. فتح ملف الإخراج والتحقق من القيم النهائية μ و μs بعد إنهاء المحاكاة تكرارية.
  8. كرر الخطوات من 7.1-7.7 للأطوال الموجية المطلوبة الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 3 الأطياف يقدر الممثل لمعامل انخفاض نثر ومعامل امتصاص البشرة الوهمية والوهمية عن طريق الجلد. أن النتائج تظهر في الشكل 3 هي متوسطات القياسات عشر من أطياف الانعكاس ومنافذه. وقد تناثر انخفاض معامل μs' طائفة عريضة ونثر، نستعرض قوته أعلى عند أطوال موجية أقصر. الخصائص الطيفية تناظر الأطياف نثر نموذجية من الأنسجة الرخوة. امتصاص معامل μ من اضمحلال الوهمية البشرة أضعافاً مضاعفة كما يزيد الطول الموجي، الذي يشبه طيف امتصاص الميلانين. تم تركيب الطيف معامل امتصاص طبقة البشرة الوهمية ومن الميلانين41 من دالة آسيه ك:
Equation

تم حساب قيمة ب لطبقة البشرة لتكون 0.011، بينما قدرت أن الميلانين 0.009. الاعتماد على الطول الموجي للامتصاص معاملات μ للجلد الوهمية التي تحتوي على اﻷوكسيجين في الدم والدم deoxygenated تهيمن على الخصائص الطيفية الهيموغلوبين اﻷوكسيجين والهيموغلوبين deoxygenated، على التوالي.

ويبين الشكل 4 صور فوتوغرافية ملونة رقمية الممثل من أشباح الطبقات اثنين الجلد. ويبين الشكل 4a صورة مقطعية لشبح الجلد الطبقات اثنين. الشكل 4 باء و جيم 4 إظهار طرق العرض العلوي من المصفوفة الوهمية 3 من 3 الذي يحتوي على الدم المؤكسج و deoxygenated، على التوالي. الصفوف من أعلى إلى أسفل بالقهوة الحل تركيزات جج 5%، 10% ونسبة 20 في المائة. وقد الأعمدة من اليسار إلى اليمين الدم تركيزات جب 0.2% 0.4 في المائة و 0.6 في المائة. لون الوهمية يصبح أكثر قتامة كقيمة جج زيادة طبقة البشرة، في حين يتحول الوردي كقيمة الزياداتب ج. وقد الوهمية بالدم المؤكسج لون ضارب إلى الحمرة أكثر من ذلك مع الدم deoxygenated. وتمثل تلك الاختلافات التغيير في لون الجلد بسبب الظروف الفسيولوجية مثل الدباغة ونقص تاكسج الدم، على التوالي.

يبين الشكل 5 مثال للممثل قياس أطياف الانعكاس المتفرقة التي تم الحصول عليها من أشباح الأنسجة الجلد الطبقات اثنين لها شروط مختلفة (الشكل 5a) تركيز الحل البن جج، ( الشكل 5 (ب)) تركيز كل الدم جب، و (الشكل 5 ج) الدولة اﻷوكسيجين في الدم. في الشكل 5a، انخفض الانعكاس منتشر في منطقة الطول موجي أقصر إلى حد كبير مقارنة بأن في منطقة الطول موجي أطول كقيمة جج يصبح أكبر. هذا سبب امتصاص الضوء القوى بحل القهوة في منطقة الطول الموجي أقصر (انظر الشكل 3). يظهر الشكل 5b التغيير الملحوظ في الانعكاس منتشر في منطقة متوسطة الطول الموجي مع قيمة جب، التي تمثل قوي امتصاص الضوء بواسطة الهيموغلوبين في نطاق الطول الموجي من 500 إلى 600 نانومتر. الفرق في ميزة الطيفية بين الهيموغلوبين اﻷوكسيجين والهيموغلوبين deoxygenated ونقاط إيسوسبيستيك الهيموغلوبين وضوح لوحظت في أطياف الانعكاس منتشر هو موضح في الشكل 5 ج.

Figure 1
رقم 1: رسم تخطيطي للجهاز التجريبي. هذه اللوحات إظهار الهيكل لقياس () أطياف الانعكاس منتشر وأطياف منافذه المجموع (ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: خطوات تحضيرا لأشباح البصري القائم على [اغروس]- هذه اللوحات إظهار () صنع طبقة البشرة الوهمية و (ب) جعل من طبقة الجلد الوهمية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: الممثل يقدر الخصائص البصرية لأشباح. () يظهر هذا الفريق المتوسط انخفاض نثر معامل الطيف μs' (λ) من طبقات البشرة والجلد. (ب) هذا الفريق يظهر امتصاص معامل الأطياف μ(λ) طبقة البشرة والطبقات الجلدية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: صور الممثل الرقمية الملونة لأشباح الطبقات اثنين الجلد. () هذا الفريق يوضح طريقة عرض المقطع العرضي للجلد الطبقات اثنين الوهمية. (ب) يظهر هذا الفريق عرض أعلى من المصفوفة الوهمية 3 من 3 الذي يحتوي على الدم المؤكسج. (ج) يظهر هذا الفريق عرض أعلى من المصفوفة الوهمية 3 من 3 التي تحتوي على الدم deoxygenated. الصفوف من أعلى إلى أسفل بالقهوة الحل تركيزات جج 5%، 10% ونسبة 20 في المائة. وقد الأعمدة من اليسار إلى اليمين الدم تركيزات جب 0.2% 0.4 في المائة و 0.6 في المائة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5: الممثل قياس الانعكاس منتشر الأطياف التي تم الحصول عليها من أشباح الأنسجة الجلد الطبقات اثنين. هذه اللوحات تظهر أطياف الانعكاس منتشر من الأشباح مع ظروف مختلفة () تركيز القهوة الحل جج، (ب) تركيز اﻷوكسيجين كله الدم جب، و ( ج) الدولة اﻷوكسيجين في الدم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

أن الخطوة الأكثر أهمية في هذا البروتوكول هو التحكم في درجة الحرارة من المواد الأساسية. درجة الحرارة للحفاظ على المواد الأساسية تتراوح من 58 إلى 60 درجة مئوية. إذا كانت درجة حرارة أكثر من 70 درجة مئوية، سيحدث تمسخ مستحلب الدهن والدم كله. نتيجة لذلك، سوف تتدهور الخصائص البصرية للوهمية. إذا كانت درجة الحرارة أقل من 40 درجة مئوية، تبلور المواد الأساسية التي سوف تكون أونونيفورملي، وهكذا، سيتم توزيع عوامل التشتت وامتصاص الضوء تقوم في الوهمية. على الرغم من أن يتم الاحتفاظ بالمواد الأساسية عند 60 درجة مئوية، المص أنه مع حقنه يخفض درجة الحرارة. يخفض درجة حرارة المواد الأساسية إلى 50 درجة مئوية عند إضافته إلى حل الدم.

أشباح الضوئية الموضحة في هذه المقالة تعاني من إعمار قصيرة صالحة للاستعمال التي تقتصر عادة على أي أكثر من يوم واحد. قد تمدد مدة حياتها صالحة للاستعمال بتغليف الوهمية بالمواد الأساسية في حاوية محكمة الإغلاق أو باستخدام كمادة حافظة. 1-مم-سميكة طبقة البشرة الوهمية أمر من حجم أكبر من سمك البشرة البشرية. في هذا البروتوكول مع العفن اﻷكريليك، بيد أنه يصعب على إنشاء سماكة طبقة أقل من 0.5 مم. لتقليل الآثار المتوقعة من هذا السمك على الأطياف قياس الانعكاس منتشر الأشباح، ينظم معاملات التشتت والامتصاص من البشرة الوهمية حيث أن الطيف المنتشر الانعكاس أظهر الطيف مشابهة لأن لجلد الإنسان. أسلوب طلاء تدور42 تبدو واعدة لصنع طبقة أرق من 0.5 مم. قيم μ (λ) و μs' (λ) لجلد الإنسان هي ذكرت في الأدبيات43.

توزيع الميلانين أو البيليروبين في طبقة وهمية أجار موحدة قد يكون من الصعب استخدام بروتوكول وصف هنا لأن لا تكون تلك صباغات تماما للذوبان في الماء. استخدام الميلانويدين المستخرجة من حبوب البن المحمص والتارتازين يمكن استخدامها كقابلة للمقارنة أو استبدال مواد الميلانين والبيليروبين، على التوالي. معكوس مونتي كارلو المحاكاة المستخدمة لتقدير الخصائص البصرية من الانعكاس منتشر المقاسة ومنافذه الإجمالي وقتاً طويلاً نسبيا بسبب طريقة متكررة. نموذج حساب النقل الخفيفة آخر مثل كما يمكن استخدام أسلوب إضافة-مضاعفة44 تقصير وقت الحساب. انخفاض نثر معامل μs' خاصية ضوئية جمعها إدراج μمعامل التشتتs وعامل تباين ز. لتقدير μs و g بشكل منفصل، يجب أن تقاس نفاذية وتحديدالمنطقه من الوهمية بالإضافة إلى منافذه مجموع و38،الانعكاس منتشر40. في هذه الدراسة، ونحن لا يقيس الانكسار لكل طبقة. علينا أن نضع الانكسار من المياه كما نشرت في الأدب45 في ملف بيانات الإدخال لعكس محاكاة مونتي كارلو بدلاً من ذلك منذ [اغروس] هلام يتكون أساسا من الماء. افترضنا أنه لا يوجد فرق في الانكسار بين الطبقتين. نحن أيضا استخدام القيمة الاسمية للانكسار للزجاج (مثلاً، n = 1.524 في λ = 546.1 نانومتر) لمحاكاة مونتي كارلو.

فمن المفيد أن هذا البروتوكول، مع مجال دمج واحد بدلاً من دمج مجالين، من حيث التكلفة. من ناحية أخرى، استخدام مجال دمج واحد مضيعة للوقت حيث يجب تغيير هذا ترتيب مجال إدماج تبعاً لما إذا كان القياس منافذه مجموع أو لانعكاس منتشر. فمن المفيد أن البروتوكول الموضحة في هذه المقالة يمكن أن تمتد إلى خلق أشباح بصري أحادي الطبقة أو متعدد الطبقات بمختلف الأشكال والأحجام، وتضمينات بتغيير تصميم القوالب. وكانت أسطح الطبقات الوهمية ترطب فورا بعد أن تم نقلهم خارج عن العفن. ولذلك، انضم في طبقة البشرة وطبقة الجلد معا بالتراص الطبقة الثانية على الطبقة الأولى عن كثب. قد يكون من الممكن ترسيخ الطبقة الثانية مباشرة على أول واحد، بدلاً من اختﻻق منهم على حدة وإرفاقها بعد ذلك. وفي هذه الحالة، ومع ذلك، قد يكون صعوبة جعل طبقة البشرة رقيقة بدقة مع سماكة طبقة موحدة. ونحن تقع الوهمية بين النظارات لمنع تجفيف الوهمية. نحن نظر في الخصائص البصرية وسمك الزجاج في معكوس محاكاة مونتي كارلو. ولذلك، هناك أي تأثير على الخصائص البصرية المقدرة الأشباح. أهمية هذه التقنية الحالية فيما يتعلق بالأساليب القائمة هو قدرته على تمثل أطياف الانعكاس منتشر للأنسجة الحية في مرئية إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للطول الموجي. ستكون متاحة للتحقق وسائل بصرية وضعت حديثا على أساس التحليل الطيفي الانعكاس منتشر وسبيكتروكولوريميتري أشباح الضوئية المقدمة بموجب هذا البروتوكول.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

وأيد جزءا من هذا العمل معونات ل Scientific Research (C) من "الجمعية اليابانية" لتعزيز العلوم (25350520، 22500401، 15 ك 06105) ومركز التجارة الدولية-باك الجيش الأمريكي للبحث وتطوير المشروع (FA5209-15-ف-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

الهندسة الحيوية، 138 قضية، الضوئية الوهمية، [اغروس] هلام، مستحلب الدهن، الخصائص البصرية، الهيموغلوبين، تشتت الضوء، وامتصاص الضوء، ومحاكاة مونتي كارلو معكوس، منتشر الانعكاس الطيفي
النسيج المستندة إلى [اغروس] محاكاة أشباح البصري للتحليل الطيفي الانعكاس منتشر
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