Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Agarosen-baserede væv efterligne optisk Phantoms for Diffuse Reflektionsgraden spektroskopi

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

Her, vi viser hvordan Agarosen-baserede tissue-efterligne optisk phantoms er lavet og hvordan deres optiske egenskaber bestemmes ved hjælp af en konventionel optiske system med en Integrationskuglens.

Abstract

Denne protokol beskriver hvordan man laver Agarosen-baserede tissue-efterligne phantoms og demonstrerer, hvordan at bestemme deres optiske egenskaber ved hjælp af en konventionel optiske system med en Integrationskuglens. Maaleanlaeg for erhvervelse af den diffuse Reflektionsgraden og samlede transmittans spectra er konstrueret med en bredbånd hvid lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en Integrationskuglens, en prøveholderen, en optisk fiber sonde, og en multi-kanal spektrometer. En akryl skimmel består af to rektangulære akryl stykker og en U-formet akryl stykke er konstrueret for at oprette en epidermal phantom og en dermal phantom med fuldblod. Anvendelsen af en natrium dithionite (Na2S2O4) løsning til den dermale phantom gør det muligt for forskeren til deoxygenate hæmoglobin i de røde blodlegemer fordelt i de dermale phantom. Inverse Monte Carlo simulation med diffuse Reflektionsgraden og samlede transmittans spectra målt ved et spektrometer med en Integrationskuglens udføres for at bestemme absorption koefficient spektrum µen(λ) og den reduceret spredning koefficient spektrum μs' (λ) af hvert lag fantom. En to-lags phantom efterligne den diffuse Reflektionsgraden menneskelige hud væv fremgår også af hober sig op den epidermale phantom på dermal phantom.

Introduction

Optisk phantoms objekter efterligne de optiske egenskaber af biologisk væv og har været meget anvendt i feltet biomedicinsk optik. De er designet, så de optiske egenskaber, såsom lysspredning og absorption koefficienter, stemmer overens med de af levende menneskers og dyrs væv. Optisk phantoms er generelt bruges til følgende formål: simulering af det lette transportfly i biologisk væv, kalibrere et nyudviklet optisk systemdesign, evaluering af kvaliteten og effektiviteten af eksisterende systemer, sammenligne resultaterne mellem systemer, og validering af de optiske metoder evne til at kvantificere de optiske egenskaber1,2,3,4,5. Derfor, let at få stoffer, en simpel fabrikationsproces, en høj reproducerbarhed og en optisk stabilitet er nødvendige til fremstilling af optiske spøgelser.

Forskellige typer af optiske phantoms med forskellige base materialer såsom vandig suspension6, gelatine gel7, Agarosen gel8,9,10, polyacrylamid gel11, harpiks12, 13,14,15,16, og rum-temperatur vulcanizing silikone17 er blevet rapporteret i tidligere litteratur. Det er blevet rapporteret, at gelatine - og calciumalginat-baseret geler er nyttige for optisk phantoms med heterogene strukturer18. Calciumalginat phantoms have en passende mekanisk og termisk stabilitet for at vurdere photothermal effekter som laser ablation undersøgelser og laser-baseret hypertermi undersøgelser18. Agarosegelitris har evnen til at fabrikere heterogene strukturer, og deres mekaniske og fysiske egenskaber er stabile for en lang tid18. Høj renhed agarosegelitris har en meget lav Turbiditet og en svag optisk absorption. Derfor, optiske egenskaber af Agarosen-baserede phantoms kunne nemt være designet med den passende lys spredning og absorbere agenter. For nylig, styren-ethylen-butylen-styren (SEBS) blok copolymerer19 og polyvinylchlorid (PVC) geler20 er blevet rapporteret som interessant phantom materialer til optisk og photoacoustic teknikker.

Polymer mikrokugler7,12,21,22, titanium oxid pulver1og lipid emulsioner23,24,25,26 som mælk og lipid emulsion bruges som lysspredning agenter, sort blæk27,28 og molekylær farvestoffer29,30 anvendes som lys absorptionsflaskerne. Diffuse Reflektionsgraden spektre af de fleste levende organer er domineret af absorption af iltet og deoxygenated hæmoglobin i de røde blodlegemer. Derfor, hæmoglobin løsninger31,32 og fuldblod8,9,10,33,36 er ofte brugt som lys ud i den spøgelser for en diffuse Reflektionsgraden spektroskopi og multispektrale billeddannelse.

Metoden beskrevet i denne artikel bruges til at oprette en optisk phantom efterligne det lette transportfly i biologisk væv og til at karakterisere sin optiske egenskaber. Som et eksempel, en to-lags optisk phantom efterligner optiske egenskaber af menneskelige hudvæv er påvist. Fordelene ved denne metode over alternative teknikker er evnen til at repræsentere diffuse Reflektionsgraden spektre af levende biologisk væv i den synlige for nær-infrarødt bølgelængde regionen, samt enkelhed at gøre det, der ved hjælp af let tilgængelige materialer og konventionelle optiske instrumenter. De optiske phantoms foretaget af denne metode vil derfor nyttigt for udviklingen af optiske metoder baseret på diffuse Reflektionsgraden spektroskopi og multispektrale billeddannelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. opbygning af en konventionel Diffuse Reflektionsgraden og samlede transmittans spektroskopiske System

Bemærk: Konstruere maaleanlaeg for den diffuse Reflektionsgraden og samlede transmittans spectra ved hjælp af en bredbånd hvid lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en Integrationskuglens, en prøveholderen, en optisk fiber og en multi-kanal spektrometer. Den lysfælde opgave at fjerne komponenten specular reflektion fra Reflektionsgraden spektrum. Integrationskuglens prøveholderen består af en monteringsplade, svalehale og en fjederbelastet klemme forsamling, der holder prøven mod havnen. Svalehale og fjederbelastet klemme forsamling er fjernet fra prøveholderen og en håndlavet cubic piedestal af polystyren skum er knyttet til monteringspladen i stedet. Layout af optiske komponenter, vist i figur 1a og 1b, kan henvises til byggeri procedure for diffuse Reflektionsgraden målingerne og de samlede transmittans målinger, henholdsvis.

  1. Tilslut spektrometret og en personlig computer ved hjælp af universal serial bus (USB)-kabel medfølger.
  2. Tillægge en detektor havn i Integrationskuglens portadapter. Tilslut spektrometret og portadapter Integrationskuglens ved hjælp af en optisk fiber. Tilslut 150 W halogen lampe lyskilde og den lette guide.
  3. Tillægge en prøven port af Integrationskuglens prøveholderen. Vedhæfte den lysfælde til en passende havn i Integrationskuglens, når du udfører diffuse Reflektionsgraden målingerne. Aktivere halogen lampe lyskilde til at belyse en prøve via guiden lys og achromatic linse.
  4. Åbn den driver software i spektrometeret.

2. forberedelse af en akryl skimmel

Bemærk: En akryl mug, der består af to rektangulære akryl stykker og en U-formet akryl stykke er konstrueret for at skabe en éncellelag gel phantom. Figur 2 kan indbringes for denne konstruktion procedure.

  1. Skåret ud to rektangulære akryl stykker fra en 2 mm tykke akryl plade til en valgfri størrelse.
  2. Skære en akryl stykke fra en 1 mm tykke akryl plade til en valgfri størrelse. Skær 1 mm tykke akryl stykke, således at det bliver en U-formet stykke anvendes til formen for at gøre 1-mm tyk epidermal spøgelser.
  3. Skære en akryl stykke fra en 5 mm tyk akryl plade til en valgfri størrelse. Skære 5 mm tykke akryl stykke, således at det bliver en U-formet stykke skal bruges som en skimmel til at gøre 5-mm tyk dermal spøgelser.
  4. Fjern eventuelle grater fra hver akryl stykke ved hjælp af en metal fil.
  5. Gøre den epidermale phantom skimmel ved at holde 1 mm tyk U-formet stykke med de to 2 mm tykke akryl stykker og rette dem med fem foldback klip.
  6. Gøre dermal phantom formen ved at holde 5 mm tyk U-formet stykke med de to 2 mm tykke akryl stykker og rette dem med fem foldback klip.

3. forberedelse af grundmaterialet

  1. Sætte 500 mL af standard saltvand med 0,9% (w/v) NaCl i en pod. Langsomt tilføje 5 g Agarosen pulver mens omrøring blandingen for at undgå sammenklumpning.
  2. Varme blanding af Agarosen pulver og saltvand ved en elektrisk madlavning varmeapparat med en 1.000 W strømstyringsindstillingen til 5 min.
  3. Når blandingen koger, holde blandingen på svag varme i 3 min.
  4. Cool blandingen til en temperatur på ca. 70 ° C. Så hæld blandingen i en container og holde det i et bad med konstant temperatur på 60 ° C i 30 min før du gør en phantom.

4. forberedelse af hud-efterligne optisk spøgelser

Bemærk: En kaffe løsning bruges til at efterligne absorptionsspektrum af melanin. Kaffe-løsning indeholder en brun pigment kaldet melanoidin. Absorptionsspektrum af melanoidin er blevet rapporteret til at være lig melanin10.

  1. Forberede en epidermal phantom
    1. Hæld 100 mL rent vand i kaffemaskine reservoir. Indsætte et filter i kaffemaskine kurv. Tilføje 24 g af malet kaffe i filteret. Tænde kaffemaskinen og tryk på knappen bryg at starte brygning.
    2. Sætte 4 mL af brygget kaffe og 16 mL saltvand i en glasflaske at gøre en kaffe løsning.
    3. Sætte 5 mL af lipid emulsion (fx, intralipid 10%) og 10 mL af kaffe i en gennemsigtig plastik kop. Langsomt tilføje 35 mL af grundmaterialet til denne blanding under omrøring.
    4. Opsug blandingen ind i en sprøjte og injicere det langsomt ind i den epidermale phantom skimmel samtidig undgå enhver boble-dannelse. Cool formen acryl blanding ved 5 ° C i 20 min.
    5. Fjern foldback klip fra formen. Skub en af akryl stykker udad og fjerne den fra formen. Tag 1 mm tyk størknet gel phantom ud af formen og skær det til den ønskede størrelse ved hjælp af en kirurgisk skalpel.
    6. Placer og hold gel phantom mellem to dias briller.
  2. Forberede en dermal phantom indeholdende iltet blod
    1. 5,0 mL af lipid emulsion og 0,4 mL af hele equine blod med 45%-hæmatokrit og lagt i en gennemsigtig plastik kop. Langsomt tilføje 44.6 mL af grundmaterialet mens omrøring blandingen.
    2. Opsug blandingen ind i en sprøjte og injicere det langsomt ind i de dermale phantom skimmel samtidig undgå enhver boble-dannelse. Cool formen acryl blanding ved 5 ° C i 20 min.
    3. Fjern foldback klip fra formen. Skub en af akryl stykker udad og fjerne den fra formen. Tag 5 mm tyk størknet gel phantom ud af formen og skær det til den ønskede størrelse ved hjælp af en kirurgisk skalpel.
    4. Placer og hold gel phantom mellem to dias briller.
  3. Forberede en dermal phantom indeholdende deoxygenated blod
    1. Sætte en dermal gel phantom indeholdende iltet blod (fra trin 4.2.3) på en glasskål.
    2. 1 g natrium dithionite (Na2S2O4) opløses i 20 mL saltvand i en glasflaske.
    3. Der tilsættes 0,05 g/mL Na2S2O4 løsning på fantomet ved hjælp af en sprøjte til deoxygenate blod i phantom.
    4. Placer og hold phantom mellem to dias briller at forhindre udtørring.
  4. Forberede en to-lags phantom
    1. Drop 0,1 mL saltvand ind på en dermal phantom at sikre optisk kobling mellem de epidermale og dermale lag. Placer den epidermale phantom på dermal phantom.
    2. Hvis eventuelle luftbobler mellem lagene, skubbe dem ud af strøg overfladen af to-lags phantom med en fingerspids.
    3. Hold de to-lags phantom mellem to dias briller at forhindre udtørring.

5. tilegnelse af Diffuse Reflektionsgraden spektre

  1. Erhvervelse af mørke spektre
    Bemærk: Charge - sammen enhed (CCD) sensor i spektrometeret kan estimere lysintensitet baseret på et elektrisk signal genereret svar på indfaldende lys. Men der er mørke støj37 , som er uafhængige af de signaler, der er genereret af fotoner, men er afhængig af temperaturen enhed, selv hvis sensoren ikke registrerer lyset. Til nøjagtigt for at måle den spektrale intensiteten af det lys, de mørke nuværende signal måles som en mørk spektrum og derefter trækkes fra prøven spektrum. Den mørke spektrum er et spektrum, taget med stien lys blokeret.
    1. Placer Integrationskuglens i en optimal position for diffuse Reflektionsgraden målingerne (figur 1a).
    2. Slukke halogen lampe lyskilde. Blokere den lette vej til spektrometeret ved hjælp af en port stik eller en afskærmning plade.
    3. Vælg kommandoen Gem mørke fra menuen filer til at gemme en mørk spektrum.
    4. Vælg kommandoen Subtraher mørke spektrum fra menuen filer til at fratrække den mørke spektrum fra det målte prøve spektrum (se nedenfor).
  2. Erhvervelse af reference spektre
    Bemærk: De optiske egenskaber af de komponenter, der anvendes i dette eksperiment, som lyskilde, lys guide, achromatic objektiv, optisk fiber og spektrometer, har deres egen bølgelængde-dependences. Derfor bør den spektrale intensitet er passeret gennem disse optiske komponenter måles som referencespektrum. Til måling af en diffuse Reflektionsgraden spektrum er referencespektret et spektrum, taget med en standard hvid diffuser belyst med lys fra lyskilden.
    1. Tænde halogen lampe lyskilde ved at trykke på power-knappen. Varm op lampe i mindst 10 min før erhverve referencespektrum.
    2. Placere en standard hvid diffuser (f.eks.Spectralon) på prøven port af Integrationskuglens.
    3. Juster tid, integration af spektrometret ved at vælge den passende værdi fra drop-down listen i spektrometeret driver software, således at peak signal intensitet er ca 75% af spektrometer intensitet maksimale.
    4. Vælg kommandoen Gem reference fra menuen filer til at gemme referencespektrum.
  3. Erhvervelse af prøven spektre
    Bemærk: Et spektrum af den diffuse Reflektionsgraden af prøven er erhvervet og gemt på harddisken på en personlig computer bruger de samme erhvervelse betingelser.
    1. Placer den epidermale phantom klemt inde af to dias briller på prøven port. Vælg kommandoen Gem i menuen filer til at gemme en diffuse Reflektionsgraden spektrum i en fil.
    2. Gentag trin 5.3.1 for den dermal og to-lags spøgelser.

6. erhvervelse af den samlede transmittans spektrum

  1. Erhvervelse af mørke spektre
    Bemærk: Sensoren i spektrometeret kan estimere lysintensitet baseret på et elektrisk signal genereret svar på indfaldende lys. Men der er mørke støj, som er uafhængige af de signaler, der er genereret af fotoner, men er afhængig af temperaturen enhed, selv hvis sensoren ikke registrerer lyset. Til nøjagtigt for at måle den spektrale intensiteten af det lys, de mørke nuværende signal måles som en mørk spektrum og derefter trækkes fra prøven spektrum. Den mørke spektrum er et spektrum, taget med stien lys blokeret.
    1. Placer Integrationskuglens i en optimal position for de samlede transmittans målinger (figur 1b).
    2. Fjerne den lysfælde fra havnen i Integrationskuglens og vedhæfte en port stik til porten.
    3. Slukke halogen lampe lyskilde. Blokere den lette vej til Integrationskuglens bruger en port-stikket eller afskærmning plade.
    4. Vælg kommandoen Gem mørke fra menuen filer til at gemme en mørk spektrum.
    5. Vælg kommandoen Subtraher mørke spektrum fra menuen filer til at fratrække den mørke spektrum fra det målte prøve spektrum (se nedenfor).
  2. Erhvervelse af reference spektre
    Bemærk: De optiske egenskaber af de komponenter, der anvendes i dette eksperiment, som lyskilde, lys guide, achromatic objektiv, optisk fiber og spektrometer, har deres egen bølgelængde-dependences. Derfor bør den spektrale intensiteten af det lys, der er passeret gennem disse komponenter måles som referencespektrum. Til måling af det samlede transmittans spektrum er referencespektret et spektrum taget når lys fra lyskilden direkte indtaster Integrationskuglens gennem prøven port.
    1. Tænde halogen lampe lyskilde ved at trykke på power-knappen. Varm op lampe i mindst 10 min før erhverve referencespektrum.
    2. Regulere integration tidspunktet for spektrometeret ved at vælge den passende værdi fra rullelisten integration gange i spektrometeret driver software, således at den største lysintensitet viser et signal, der er ca. 75% af maksimalt værdier.
    3. Vælg kommandoen Gem reference fra menuen filer til at gemme referencespektrum.
  3. Erhvervelse af prøven spektre
    Bemærk: Den samlede transmittans prøvens spektrum er erhvervet og gemt på harddisken på en personlig computer bruger de samme erhvervelse betingelser.
    1. Placer den epidermale phantom klemt inde af to dias briller på prøven port. Vælg kommandoen Gem i menuen filer til at gemme en samlede transmittans spektrum i en fil.
    2. Gentag trin 6.3.1 for den dermal og to-lags spøgelser.

7. vurdering af Absorption og lys-spredning egenskaber

Bemærk: Et sæt af diffuse Reflektionsgraden spektret og den samlede transmittans spektrum er gemt på harddisken på en personlig computer og analyseres offline. En invers Monte Carlo simulation8,38,39,40 er derefter udført for at vurdere absorption koefficient spektrum µen(λ) og reduceret spredning koefficient spektrum μs'(λ). I denne inverse Monte Carlo simulation, anses den anslåede spredning koefficient μs, under forudsætning af, at anisotropy faktor g er 0, reduceret spredning koefficient μs' . Både reflektans og transmittans data anvendes til en enkelt simulering kører. Den detaljerede algoritme, der bruges i denne protokol er blevet rapporteret i tidligere litteratur8,39. Vi anslog absorption koefficient spektrum µen(λ) og reduceret spredning koefficient spektrum μs'(λ) af en epidermale lag fra et sæt af den diffuse Reflektionsgraden spektrum og den samlede transmittans spektrum fremstillet af den epidermale lag. På samme måde skønnet vi µen(λ) og µs'(λ) af en dermal lag fra et sæt af diffuse Reflektionsgraden spektret og den samlede transmittans spektret opnået fra den dermale lag.

  1. Åbne en input fil til Monte Carlo simulering.
  2. Udfylde værdier af de målte diffuse Reflektionsgraden og den samlede transmittans på specifikke bølgelængdeområdet fra 400 til 700 nm med 10 nm-mellemrum i filen inputdata. Udfyld værdien af de fantom tykkelse i input-datafilen.
  3. Indstille brydningsindeks Nielsen af et lag for at være en passende værdi i datafilen input (f.eks., n = 1,33 på 550 nm). Angiv værdien af anisotropy faktor g 0 i input-datafilen.
  4. Angive startværdierne for absorption koefficient µen og spredning koefficient µs skal de relevante værdier i input-datafilen (fx, µen = 0,01, μs = 0,1 ).
  5. Kør programmet inverse Monte Carlo simulation.
  6. Skriv navnet på input-filen og derefter køre simuleringen.
  7. Åbne output-fil og kontrollere endelige værdierne for µen og µs efter den iterative simulering er afsluttet.
  8. Gentag trin 7.1-7.7 for andre ønskede bølgelængder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser de repræsentative anslåede spektre af reduceret spredning koefficient og absorptionskoefficient for epidermal phantom og dermal phantom. Resultaterne vist i figur 3 er et gennemsnit af ti målinger af både reflektans og transmittans spektre. Reduceret spredning koefficient μs' har en bred spredning spektrum, udviser en højere størrelsesorden ved kortere bølgelængder. Den spektrale egenskaber svarer til de typiske spredning spektre af blødt væv. En absorption koefficient µ,en af de epidermale phantom henfalder eksponentielt som bølgelængde stigninger, der svarer til absorptionsspektrum af melanin. Koefficient absorptionsspektrum af den epidermale phantom lag og af melanin41 blev monteret af en eksponentiel funktion som:
Equation

Værdien af B for den epidermale lag blev beregnet til 0.011, boer der for melanin blev anslået til at være 0,009. Bølgelængde afhængighed af en absorption koefficienter µ,en for den dermale phantom indeholdende iltet blod og deoxygenated blod er domineret af spectral Karakteristik af iltet hæmoglobin og deoxygenated hæmoglobin, henholdsvis.

Figur 4 viser repræsentative digital farvefotografier af to-lags hud spøgelser. Figur 4a viser en tværsnits billede af to-lags hud phantom. Figur 4b og 4 c Vis top udsigt over 3 af 3 phantom matrixen indeholder iltet blod og deoxygenated blod, henholdsvis. Rækker fra top til bund har kaffe løsning koncentrationer Cc på 5%, 10% og 20%. Kolonner fra venstre til højre har blod koncentrationer Cb på 0,2%, 0,4% og 0,6%. Farven af fantomet bliver mørkere som værdien af Cc i de epidermale lag stiger, mens det viser pink som værdien af Cb stigninger. Phantom med iltet blod har en mere rødlig farve end det med deoxygenated blod. Disse variationer repræsenterer forandring i hudfarven på grund af fysiologiske forhold såsom garvning og hypoxæmi, henholdsvis.

Figur 5 viser et eksempel på repræsentant målt diffuse Reflektionsgraden spectra fremstillet af to-lags hud væv fantomer have forskellige betingelser for (figur 5a) koncentrationen af kaffe løsning Cc,) Figur 5b) koncentration af fuldblod Cbog (figur 5 c) tilstanden iltet blod. I figur 5a, er den diffuse Reflektionsgraden på en kortere bølgelængde regionen faldt betydeligt i sammenligning med, i en længere bølgelængde regionen som værdien af Cc bliver større. Dette er på grund af den stærke lys absorption af kaffe løsning i den kortere bølgelængde regionen (Se figur 3b). Figur 5b viser en bemærkelsesværdig ændring i diffuse Reflektionsgraden i midterste bølgelængde regionen med værdien af C,b, som repræsenterer stærke lys absorption af hæmoglobin i bølgelængdeområdet fra 500 til 600 nm. Forskellen i spektrale funktion iltet hæmoglobin og deoxygenated hæmoglobin og isosbestic punkter af hæmoglobin er tydeligt observeret i de diffuse Reflektionsgraden spectra vist i figur 5 c.

Figure 1
Figur 1: skematisk diagram over den eksperimentelle apparater. Disse paneler viser set-up for måling (en) diffuse Reflektionsgraden spectra og (b) samlede transmittans spektre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: trin i forberedelsen af Agarosen-baserede optiske phantoms. Disse paneler viser (en) foretagelse af en epidermale lag phantom og (b) foretagelse af en dermal lag fantom. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: repræsentant anslået optiske egenskaber af phantoms. (en) dette panel viser gennemsnitlige reduceret spredning koefficient spektrum μs' (λ) de epidermale og dermale lag. (b) dette panel viser absorption koefficient spectra µen(λ) af den epidermale lag og dermal lag. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: de repræsentative digital farvefotografier af to-lags hud phantoms. (en) dette panel viser en tværsnits visning af to-lags huden fantom. (b) dette panel viser den øverste visning af 3-af-3 phantom matrixen indeholder iltet blod. (c) dette panel viser den øverste visning af 3-af-3 phantom matrixen indeholder deoxygenated blod. Rækker fra top til bund har kaffe løsning koncentrationer Cc på 5%, 10% og 20%. Kolonner fra venstre til højre har blod koncentrationer Cb på 0,2%, 0,4% og 0,6%. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: repræsentant målt diffuse Reflektionsgraden spectra fremstillet af to-lags hud væv phantoms. Disse paneler viser diffuse Reflektionsgraden spektrene af spøgelser med forskellige betingelser for (en) koncentrationen af kaffe løsning Cc, (b) koncentrationen af hele iltet blod Cbog ( c) tilstanden iltet blod. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det mest afgørende skridt i denne protokol er temperatur kontrollen af grundmaterialet. Temperaturen til at opretholde grundmaterialet varierede fra 58 til 60 ° C. Hvis temperaturen er mere end 70 ° C, vil der opstå en denaturering af både lipid emulsion og fuldblod. Som en konsekvens vil af phantom optiske egenskaber forværres. Hvis temperaturen er mindre end 40 ° C, grundmaterialet vil være ununiformly geléagtig, og således at lette spredning og absorption agenter vil være uensartet fordelt i phantom. Selv om grundmaterialet er holdt på 60 ° C, sænker sugning det med en sprøjte temperaturen. Temperaturen i grundmaterialet sænker til 50 ° C, når det føjes til blod løsningen.

De optiske phantoms beskrevet i denne artikel lider af korte brugbar levetid, som er normalt begrænset til højst en dag. De brugbar levetid kan forlænges ved encapsulating phantom med grundmaterialet i lukket beholder eller konserveringsmiddel. 1 mm tyk epidermale lag phantom er en størrelsesorden større end den human epidermal tykkelse. I denne protokol med akryl formen, men det var svært at skabe et lagtykkelse mindre end 0,5 mm. For at reducere de forventede virkninger af denne tykkelse på de målte diffuse reflektionsgrad spektre af spøgelser, blev spredning og absorption koefficienter af epidermis phantom reguleret således at diffuse Reflektionsgraden spektret viste den tilsvarende spektrum at der af menneskelige hud. En spin-coating metode42 ser lovende ud for at gøre et lag tyndere end 0,5 mm. Værdierne for µen (λ) og µs' (λ) for menneskers hud er rapporteret i litteraturen43.

Ensartet fordeling af melanin eller bilirubin i en agar phantom lag kan være vanskeligt ved hjælp af den protokol, der er beskrevet her, fordi disse lysopfangende ikke helt opløseligt i vand. Brugen af melanoidin udvundet af Ristede kaffebønner og tartrazine kan bruges som sammenlignelige eller erstatte materialer til melanin og bilirubin, henholdsvis. Inverse Monte Carlo simulation bruges til estimering af de optiske egenskaber fra den målte diffuse Reflektionsgraden og den samlede transmittans er relativt tidskrævende på grund af sin iterative mode. En anden lys transport beregning model som tilføjer-fordobling metode44 kan bruges til at forkorte tid, beregning. Reduceret spredning koefficient μs' er en klumpet optisk ejendom indarbejde spredning koefficient μs og anisotropy faktor g. For at anslå μs og g separat, skal den kollimeres transmittans af en fantomstykliste måles ud over den samlede transmittans og diffuse Reflektionsgraden38,40. I den foreliggende undersøgelse, vi ikke måle brydningsindeks for hvert lag. Vi satte brydningsindekset for vand som offentliggjort i litteratur45 i datafilen input for inverse Monte Carlo simulering i stedet da agarosegel består hovedsageligt af vand. Vi antog, at der er ingen forskel i de refraktive indeks mellem de to lag. Vi har også brugt den nominelle værdi for brydningsindekset af glas (f.eks., n = 1.524 ved λ = 546.1 nm) til Monte Carlo simuleringer.

Det er en fordel, at denne protokol, med et Integrationskuglens i stedet for to integrere områder, er omkostningseffektiv. På den anden side er ved hjælp af en enkelt Integrationskuglens tidskrævende, da arrangement af Integrationskuglens skal ændres efter om målingen er en samlede transmittans eller en diffuse Reflektionsgraden. Det er en fordel, at den protokol, der er beskrevet i denne artikel kan udvide til at oprette éncellelag eller flerlags optisk phantoms med forskellige former, størrelser og optagelser ved at ændre udformningen af formene. Overflader af de fantom lag blev fugtet, umiddelbart efter at de blev taget ud af deres mug. Derfor, den epidermale lag og dermale lag blev overholdt sammen ved at stable det andet lag tæt på det første lag. Det kan være muligt at størkne det andet lag direkte på den første sig, snarere end opdigte dem separat og vedhæfter dem bagefter. I så fald kan det imidlertid være vanskeligt at præcist foretage en tynd epidermale lag med en ensartet lagtykkelse. Vi klemt phantom mellem briller til at forhindre en udtørring af fantomet. Vi fandt den optiske egenskaber og tykkelse af glas i inverse Monte Carlo simulation. Der er derfor ingen effekt på de anslåede optiske egenskaber af spøgelser. Betydningen af den nuværende teknik med hensyn til eksisterende metoder er dens evne til at repræsentere diffuse Reflektionsgraden spektrene af levende væv i den synlige for nær-infrarødt bølgelængde regionen. De optiske phantoms foretaget af denne protokol vil være tilgængelig for validering af nyudviklet optisk metoder baseret på diffuse Reflektionsgraden spektroskopi og spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

En del af dette arbejde blev støttet af en licensbetaling for Scientific Research (C) fra den japanske samfund til fremme af videnskab (25350520, 22500401, 15 K 06105) og US-ARMY ITC-PAC forsknings- og udviklingsprojekt (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
150-W halogen-lamp light source Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LA-150SAE
Light guide Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LGC1-5L1000
Integrating Sphere Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA RT-060-SF
Port adapter Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA PA-050-SMA-SF
Light trap Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA SRS-99-020
Optical fiber Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA USB2000
Achromatic lens Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan ACL-50-75M
Intralipid Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden Intralipid 10%
Coffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		 Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan Unavailable
Whole blood Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan 0103-2
Agarose Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan NE-AG02
Cooking heater TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan HP-103K

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102 (2006).
  2. Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23 (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
  5. Prahl, S. A. Project: Optical Phantoms. , Available from: http://omlc.org/~prahl/projects/phantoms.html (2014).
  6. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13 (6), 869-875 (1986).
  7. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47 (12), 2114-2121 (1993).
  8. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9 (4), 700-710 (2004).
  9. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 054006 (2007).
  10. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16 (8), 086012 (2011).
  11. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
  12. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40 (5), 955-961 (1995).
  13. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34 (34), 8038-8047 (1995).
  14. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39 (9), 1509-1513 (1994).
  15. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  16. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
  17. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (3), 237-243 (2001).
  18. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  19. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  20. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  21. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
  22. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9 (2), 301-306 (2003).
  23. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18 (1), 39-44 (1995).
  24. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28 (12), 2292-2296 (1989).
  25. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30 (31), 4507-4514 (1991).
  26. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid - a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12 (5), 510-519 (1992).
  27. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  28. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  29. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6 (2), 134-140 (2001).
  30. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  31. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20 (5), 051026 (2015).
  32. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17 (3), 1372-1384 (2009).
  33. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9 (2), 347-352 (2004).
  34. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43 (11), 3381-3404 (1998).
  35. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35 (19), 3404-3412 (1996).
  36. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44 (10), 1858-1869 (2004).
  37. Ocean Optics Inc. Glossary. Dark Noise. , Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018).
  38. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11 (3), 34021 (2006).
  39. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10 (5), 427-435 (2003).
  40. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034001 (2009).
  41. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  42. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21 (6), 065008 (2016).
  43. Jacques, S. L. Skin Optics. , Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998).
  44. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32 (4), 559-568 (1993).
  45. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12 (3), 555-563 (1973).

Tags

Bioteknologi spørgsmålet 138 optisk fantom agarosegel lipid emulsion optiske egenskaber hæmoglobin lysspredning lysabsorption inverse Monte Carlo simulation diffuse Reflektionsgraden spektroskopi
Agarosen-baserede væv efterligne optisk Phantoms for Diffuse Reflektionsgraden spektroskopi
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