Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Agarose-baserte vev Mimicking optisk Phantoms for diffus refleksjon 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 viser vi hvordan agarose-baserte vev-mimicking optisk fantomer gjøres og hvordan optiske egenskaper fastsettes ved hjelp av en konvensjonell optisk system med en integrert sfære.

Abstract

Denne protokollen beskriver hvordan lage agarose-baserte vev-mimicking fantomer og demonstrerer hvordan å bestemme optiske egenskapene med en konvensjonell optisk system med en integrert sfære. Måle systemer for oppkjøpet av diffus refleksjon og totale transmisjon spectra er bygget med bredbånd hvit lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en integrert sfære, prøve innehaver, en optisk fiber sonde, og flerkanals spectrometer. En akryl mold som består av to rektangulære akryl stykker og en U-formet akryl stykke er konstruert for å opprette en epidermal phantom og en dermal phantom med fullblod. Anvendelsen av en natrium dithionite (Na2S2O4) løsning til dermal phantom gjør forskeren til deoxygenate hemoglobin i røde blod celler distribuert i dermal phantom. Inverse Monte Carlo simulering med diffus refleksjon og totale transmisjon spectra målt ved et spektrometer med en integrert sfæren er utført for å avgjøre den absorpsjon koeffisienten spektrum µen(λ) og redusert spredning koeffisienten spektrum μs' (λ) i hvert lag phantom. En to-lagdelt phantom mimicking diffus refleksjon av menneskelige huden vev er også demonstrert av piling opp epidermal phantom på dermal phantom.

Introduction

Optisk phantoms objekter mimicking den optiske egenskapene av biologisk vev og brukt mye innen Biomedisinsk optikk. De er utformet slik at den optiske egenskapene, for eksempel lysspredning og absorpsjon koeffisienter, samsvarer med de av levende menneske og dyr vev. Optisk fantomer brukes vanligvis til følgende formål: simulere lys transport i biologisk vev, kalibrere en nyutviklet optisk systemdesign, vurdere kvaliteten og ytelsen av eksisterende systemer, sammenligne ytelsen mellom systemer og validere evne av optiske metoder å kvantifisere den optiske egenskaper1,2,3,4,5. Derfor kreves lett å få stoffer, en enkel fabrikasjon prosessen, en høy reproduserbarhet og en optisk stabilitet for å lage optiske fantomer.

Ulike typer optisk fantomer med forskjellige base materialer som vandig suspensjon6, gelatin gel7, agarose gel8,9,10, polyakrylamid gel11, harpiks12, 13,14,15,16, og rom-temperatur-vulcanizing silikon17 har blitt rapportert i forrige litteratur. Det har blitt rapportert at gelatin og alginate-baserte gels er nyttig for optisk fantomer med heterogene strukturer18. Alginate fantomer har en egnet mekanisk og termisk stabilitet for å vurdere photothermal effekter som laser ablasjon studier og laser-basert hypertermi studier18. Agarose gels har muligheten til å dikte heterogene strukturer, og deres mekaniske og fysiske egenskaper er stabil for en lang tid18. Høy renhetsgrad agarose gels har en svært lav turbiditet og en svak optisk absorpsjon. Derfor kan optiske egenskaper av agarose-baserte fantomer lett være utformet med riktig lys spredning og absorberende agenter. Nylig styren-etylen-butylene-styren (SEBS) blokk copolymers19 og polyvinylklorid (PVC) gels20 har blitt rapportert som interessant phantom materialer for optisk og photoacoustic teknikker.

Polymer mikrosfærer7,12,21,22, Titan oksid pulver1og lipid emulsjoner23,24,25,26 som melk og lipid emulsjon brukes som lysspredning agenter, mens svart blekk27,28 og molekylære fargestoffer29,30 brukes som lys dempere. Diffus refleksjon spektra av de fleste levende organer er dominert av absorpsjon av oksygen og deoxygenated hemoglobin i røde blod celler. Derfor hemoglobin løsninger31,32 og fullblod,8,,9,,10,,33,,36 blir ofte brukt som lys dempere i den fantomer for en diffus refleksjon spektroskopi og multispectral bildebehandling.

Metoden beskrevet i denne artikkelen brukes til å opprette en optisk phantom mimicking lys transport i biologisk vev og karakterisere optiske egenskaper. Som et eksempel, en to-lagdelt optisk phantom mimicking optiske egenskaper av menneskelig hud vev er demonstrert. Fordelene med denne metoden over alternative teknikker er muligheten til å representere diffus refleksjon spektra av levende biologisk vev i den synlige for nær-infrarøde bølgelengdeområdet, samt enkelheten å gjøre det, bruke som er lett tilgjengelig materialer og konvensjonelle optiske instrumenter. Derfor vil de optiske fantomer laget av denne metoden være nyttig for utvikling av optisk metoder basert på diffus refleksjon spektroskopi og multispectral bildebehandling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bygging av en konvensjonell diffus refleksjon og totale transmisjon spektroskopiske System

Merk: Konstruere måling systemer for diffus refleksjon og totale transmisjon spectra bredbånd hvit lyskilde, en lys guide, en achromatic linse, en integrert sfære, prøve innehaver, en optisk fiber og en flerkanals spectrometer. Rollen til lys fellen er å fjerne komponenten specular refleksjon fra refleksjon spekteret. Eksempel innehaver av integrere sfæren består av en monteringsplaten og svalehaleføringen og fjærbelastede klemme samling som holder prøven mot havnen. Svalehaleføringen og fjærbelastede klemme montering fjernes fra prøven abonnenten og en håndlaget kubikk pidestall av polystyren skum er knyttet til monteringsplaten i stedet. Oppsett av komponentene i optisk, som vist i figur 1a og 1b, kan refereres til for bygging prosedyren for diffus refleksjon målene og målingene samlet transmisjon, henholdsvis.

  1. Koble spectrometer og en personlig datamaskin med Universell Seriebuss (USB)-kabelen som følger.
  2. Adapteren porten til en detektor port integrere sfære. Koble spectrometer og portadapter integrere sfære bruker en optisk fiber. Koble 150 W halogen lampe lyskilden og lys guide.
  3. Fest prøven abonnenten til en prøve port integrere sfære. Fest lys fellen til en passende port integrere sfære når diffus refleksjon målinger. Aktivere halogen lampe lyskilden å belyse en prøve via lys guide og achromatic linsen.
  4. Åpne operativsystemet programvare av spectrometer.

2. forberedelse av en akryl Mold

Merk: En akryl mold som består av to rektangulære akryl stykker og en U-formet akryl stykke er konstruert for å opprette en monolayer gel phantom. Figur 2 kan henvises til for denne bygging prosedyren.

  1. Kuttet ut to rektangulære akryl stykker fra en 2 mm tykt akryl plate til en valgfri størrelse.
  2. Klipp ut en akryl stykke fra en 1 mm tykke akryl plate for en valgfri størrelse. Klipp 1 mm tykke akryl slik at det blir en U-formet stykke som skal brukes for mold å 1 mm tykk epidermal fantomer.
  3. Klipp ut en akryl stykke fra en 5 mm tykt akryl plate for en valgfri størrelse. Klipp 5 mm tykt akryl slik at det blir en U-formet stykke som skal brukes som en mold for å gjøre 5 mm tykk dermal fantomer.
  4. Fjern eventuelle grader fra hver akryl brikke med en metall-fil.
  5. Gjøre epidermal phantom mold ved å holde 1 mm tykke U-formet stykke med to 2 mm tykt akryl stykker og fikse dem med fem foldback klipp.
  6. Gjøre dermal phantom mold ved å holde det 5 mm tykt U-formet stykket med to 2 mm tykt akryl stykker og fikse dem med fem foldback klipp.

3. forberedelse av Base materiale

  1. Sett 500 mL standard saltoppløsning 0,9% (w/v) NaCl i en pod. Sakte legger til 5 g av agarose pulver mens du rører i blandingen for å unngå klumper.
  2. Varm blandingen av agarose pulver og saline av en elektrisk matlaging varmeapparatet med en 1000 W strøminnstillingen 5 min.
  3. Når blandingen koker, holde blandingen over lav varme i 3 minutter.
  4. Avkjøle blandingen til en temperatur på ca. 70 ° C. Deretter Hell blandingen i en beholder og holde det i en konstant temperatur bad på 60 ° C i 30 min før du gjør en phantom.

4. forberedelse av hud-mimicking optisk Phantoms

Merk: En kaffeløsning brukes til å etterligne spekteret absorpsjon av melanin. Kaffe løsningen inneholder en brun pigment kalt melanoidin. Absorpsjon spekteret av melanoidin har blitt rapportert å være lik som melanin10.

  1. Forberede en epidermal phantom
    1. Hell 100 mL rent vann i reservoaret kaffetrakter. Sette et filter i kaffe kurven. Legge til 24 g kaffe i filteret. Slå på kaffetrakter og trykk brygge for å starte brewing.
    2. 4 mL av brygget kaffe og 16 mL saltoppløsning innlegge en glassflaske å gjøre en kaffeløsning.
    3. Sette 5 mL av lipid emulsjon (f.eks, intralipid 10%) og 10 mL av kaffe løsningen i en gjennomsiktig plast kopp. Legge til 35 mL grunnmaterialet denne blandingen under omrøring sakte.
    4. Sug opp blandingen i en sprøyte og injisere den sakte i epidermal phantom mold mens unngå noen boble-formasjonen. Cool akryl mold som inneholder blandingen på 5 ° C for 20 min.
    5. Fjerne det foldback hefte fra mold. Skyv en akryl stykker utover og fjerne den fra mold. Ta 1 mm tykke befestet gel phantom ut av formen og kutt til ønsket størrelse med kirurgisk skalpell.
    6. Plasser og hold gel phantom mellom to lysbildet briller.
  2. Forberede en dermal phantom inneholder oksygenrikt blod
    1. Ta 5.0 mL av lipid emulsjon og 0,4 mL av hele hestens blod med 45%-hematokrit og Legg i en gjennomsiktig plast kopp. Langsomt Legg 44.6 mL grunnmaterialet mens du rører i blandingen.
    2. Sug opp blandingen i en sprøyte og injisere den sakte i dermal phantom mold mens unngå noen boble-formasjonen. Cool akryl mold som inneholder blandingen på 5 ° C for 20 min.
    3. Fjerne det foldback hefte fra mold. Skyv en akryl stykker utover og fjerne den fra mold. Ta 5 mm tykt befestet gel phantom ut av formen og kutt til ønsket størrelse med kirurgisk skalpell.
    4. Plasser og hold gel phantom mellom to lysbildet briller.
  3. Forberede en dermal phantom inneholder deoxygenated blod
    1. Sette en dermal gel phantom inneholder oksygenrikt blod (fra trinn 4.2.3) på et glass rett.
    2. Oppløses 1 g av natrium dithionite (Na2S2O4) i 20 mL saltvann i ett glassflaske.
    3. Legge til 0,05 g/mL Na2S2O4 løsning på phantom bruker en sprøyte til deoxygenate blodet i phantom.
    4. Plasser og hold phantom mellom to lysbildet briller å forhindre det tørker ut.
  4. Forberede en to-lagdelt phantom
    1. Slipp 0,1 mL av saltvann på en dermal phantom å sikre optisk kopling mellom epidermal og dermal lag. Plass epidermal phantom på dermal phantom.
    2. Hvis noen luftbobler finnes mellom lagene, skyve dem ut ved å stryke overflaten av to lag phantom med en fingertupp.
    3. Holde to lag phantom mellom to skyve glass å forhindre det tørker ut.

5. kjøp av diffus refleksjon Spectra

  1. Oppkjøpet av mørke spectra
    Merk: Kostnad - sammen enhet (CCD) sensoren i spectrometer kan beregne lysintensiteten basert på et elektrisk signal generert svar til det innfallende lyset. Det er imidlertid mørke støy37 som er uavhengig av signaler generert av fotoner men er avhengig av enheten temperaturen, selv om sensoren ikke oppdager lyset. For å måle spectral intensiteten av lys, bør mørk gjeldende signalet måles som en mørk spekter og deretter trukket fra prøven spekteret. Den mørke spektret er et spektrum tatt med lys banen blokkert.
    1. Plasser integrere sfæren på en optimal posisjon for diffus refleksjon målinger (figur 1a).
    2. Slå av halogen lampe lyskilden. Blokker lyset banen til spectrometer bruker en port plugg eller en skjerming plate.
    3. Velg kommandoen Lagre mørke fra fil-menyen til å lagre en mørke spektrum.
    4. Velg trekk fra mørke spektrum på filmenyen trekke fra den mørke spektret fra målt eksempel spekteret (se nedenfor).
  2. Anskaffelse av referanse spectra
    Merk: Den optiske egenskapene av komponentene i dette eksperimentet, som lyskilde, lyslederen, achromatic linsen, optisk fiber og spektrometer, har sine egne bølgelengde-avhengigheter. Derfor skal spectral intensiteten av lys gjennom disse optisk komponentene måles som en referanse spekter. For måling av en diffus refleksjon spektrum er referanse spekteret et spektrum tatt med en standard hvit diffuser opplyst med lyset fra lyskilden.
    1. Aktivere halogen lampe lyskilden ved å trykke på strømknappen. Varm opp lampen for minst 10 min før anskaffe en referanse spektrum.
    2. Plass en standard hvit diffuser (f.eksSpectralon) ved eksempel port integrere sfære.
    3. Justere integrering da spectrometer ved å velge passende verdien fra rullegardinlisten i spectrometer operativsystemet programvare slik at peak signal intensiteten er ca 75% av spectrometer intensiteten maksimal.
    4. Velg kommandoen Lagre referanse fra fil-menyen til å lagre en referanse spektrum.
  3. Oppkjøpet av prøven spectra
    Merk: Et spekter av diffus refleksjon av utvalget er anskaffet og lagret på harddisken på en PC som bruker de samme oppkjøp betingelsene.
    1. Plass epidermal phantom klemt av to skyve glass på prøven port. Velg Lagre -kommandoen fra filmenyen for å lagre en diffus refleksjon spektrum til en fil.
    2. Gjenta trinn 5.3.1 for den dermal og to lag fantomer.

6. oppkjøpet av totale transmisjon spekteret

  1. Oppkjøpet av mørke spectra
    Merk: Sensoren i spectrometer kan beregne lysintensiteten basert på et elektrisk signal generert svar til det innfallende lyset. Det er imidlertid mørke støy som er uavhengig av signaler generert av fotoner men er avhengig av enheten temperaturen, selv om sensoren ikke oppdager lyset. For å måle spectral intensiteten av lys, bør mørk gjeldende signalet måles som en mørk spekter og deretter trukket fra prøven spekteret. Den mørke spektret er et spektrum tatt med lys banen blokkert.
    1. Plasser integrere sfæren på en optimal posisjon for de totale transmisjon målingene (figur 1b).
    2. Fjern lys fellen fra porten integrere sfære og legge en port plugg til porten.
    3. Slå av halogen lampe lyskilden. Blokker lyset banen til integrere sfæren bruker en port plugg eller skjerming plate.
    4. Velg kommandoen Lagre mørke fra fil-menyen til å lagre en mørke spektrum.
    5. Velg trekk fra mørke spektrum på filmenyen trekke fra den mørke spektret fra målt eksempel spekteret (se nedenfor).
  2. Anskaffelse av referanse spectra
    Merk: Den optiske egenskapene av komponentene i dette eksperimentet, som lyskilde, lyslederen, achromatic linsen, optisk fiber og spektrometer, har sine egne bølgelengde-avhengigheter. Derfor bør de spektrale lysintensiteten gikk gjennom disse komponentene måles som en referanse spekter. For måling av totale transmisjon spekteret er referanse spekteret et spektrum tatt når lyset fra lyskilden direkte inn integrere sfæren gjennom eksempel port.
    1. Aktivere halogen lampe lyskilden ved å trykke på strømknappen. Varm opp lampen for minst 10 min før anskaffe en referanse spektrum.
    2. Regulere integrering da spectrometer ved å velge passende verdien fra rullegardinlisten integrering ganger i operativsystemet programvare av spectrometer slik at største lysintensiteten viser et signal som er ca 75% av maksimal verdier.
    3. Velg kommandoen Lagre referanse fra fil-menyen til å lagre en referanse spektrum.
  3. Oppkjøpet av prøven spectra
    Merk: Spekteret av den totale Transmisjon av utvalget er anskaffet og lagret på harddisken på en PC som bruker de samme oppkjøp betingelsene.
    1. Plass epidermal phantom klemt av to skyve glass på prøven port. Velg Lagre -kommandoen fra filmenyen for å lagre et totalt transmisjon spektrum til en fil.
    2. Gjenta trinn 6.3.1 for den dermal og to lag fantomer.

7. beregne absorpsjon og lys-spredning egenskaper

Merk: Et sett av diffus refleksjon spekteret og totale transmisjon spekteret er lagret på harddisken på en PC og analysert frakoblet. En invers Monte Carlo simulering8,38,39,40 utføres deretter for å anslå den absorpsjon koeffisienten spektrum µen(λ) og redusert spredning koeffisient spekteret μs'(λ). I denne inverse Monte Carlo simulering, anslått spredning koeffisienten μs, under forutsetning av at de anisotropy faktor g er 0, er ansett som redusert spredning koeffisienten μs' . Både refleksjon og transmisjon dataene brukes for en enkelt simulering kjøre. Detaljert algoritmen som brukes i denne protokollen har blitt rapportert i forrige litteratur8,39. Vi beregnet den absorpsjon koeffisienten spektrum µen(λ) og redusert spredning koeffisienten spektrum μs'(λ) av et epidermal lag fra et sett av diffus refleksjon Spectrum og totale transmisjon spekteret innhentet fra epidermal lag. På samme måte estimert vi µen(λ) og μs'(λ) et dermal lag fra et sett av diffus refleksjon spekteret og totale transmisjon spekteret fra den dermal lag.

  1. Åpne en inndatafil Monte Carlo simuleringen.
  2. Fylle ut verdier målt diffus refleksjon og den totale transmisjon på bestemte bølgelengdeområde fra 400 til 700 nm 10 nm-mellomrom i filen inndataene. Fyll ut verdien av phantom tykkelsen i filen inndataene.
  3. Angi brytningsindeks n for et lag å være riktig verdi filen inndata (f.eks, n = 1,33 på 550 nm). Angi verdien av anisotropy faktor g til 0 i filen inndataene.
  4. Angi startverdiene i absorpsjon koeffisienten µen og spredning koeffisienten μs skal de aktuelle verdiene i filen inndata (f.eks, µen = 0,01, μs = 0,1 ).
  5. Utføre omvendt Monte Carlo simulering programmet.
  6. Skriv inn navnet på inndatafilen og deretter kjøre simuleringen.
  7. Åpne utdatafilen og sjekk sluttverdiene µen og μs etter iterativ simuleringen er avsluttet.
  8. Gjenta trinn 7.1-7.7 for andre ønskede bølgelengder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser til representant anslagsvis spectra redusert spredning koeffisient og absorpsjon koeffisient for epidermal phantom og dermal phantom. Resultatene vises i Figur 3 er gjennomsnitt av ti mål til både refleksjon og transmisjon spectra. Redusert spredning koeffisienten μs' har en bred spredning spektrum, viser en høyere styrke på kortere bølgelengder. Spectral funksjonene tilsvarer de typiske spredning spektra av bløtvev. Den absorpsjon koeffisienten µen av av epidermal phantom henfall eksponentielt som bølgelengde øker, som ligner på spekteret absorpsjon av melanin. Absorpsjon koeffisienten spekteret av epidermal phantom laget og at av melanin41 var utstyrt med en eksponentiell funksjon som:
Equation

Verdien av B for epidermal laget var beregnet til 0,011, mens det for melanin ble anslått til 0,009. Bølgelengde avhengigheten av den absorpsjon koeffisienter µen for dermal phantom inneholder oksygenert blod og deoxygenated blod domineres av de spektrale egenskapene til oksygenrikt hemoglobin og deoxygenated hemoglobin, henholdsvis.

Figur 4 viser representant digital fargefotografier av to lag huden fantomer. Figur 4a viser et tverrsnitt bilde av to lag huden phantom. Figur 4b og 4 c viser topp utsikt av 3-av-3 phantom matrisen som inneholder oksygenrikt blod og deoxygenated blod, henholdsvis. Radene fra topp til bunn har kaffe løsning konsentrasjoner Cc 5%, 10% og 20%. Kolonnene fra venstre til høyre har blod konsentrasjoner Cb 0,2%, 0,4% og 0,6%. Fargen på phantom blir mørkere som verdien av Cc i epidermal lag øker, mens det blir rosa som verdien av Cb øker. Phantom med oksygenrikt blod har en mer rødlig farge enn med deoxygenated blod. Disse variantene representerer endring i hudfarge på grunn av fysiologiske forhold som soling og hypoksemi, henholdsvis.

Figur 5 viser et eksempel på representant målt diffus refleksjon spectra fra to lag huden vev fantomer har ulike betingelser for (figur 5a) konsentrasjonen av kaffe løsning Cc) Figur 5b) konsentrasjonen av fullblod Cbog (figur 5 c) staten oksygenrikt blod. I figur 5a, er diffus refleksjon en kortere bølgelengdeområdet betydelig redusert i sammenligning med at en lengre bølgelengdeområdet som verdien av Cc blir større. Dette skyldes sterkt lys absorpsjon av kaffe løsningen i kortere bølgelengdeområdet (se figur 3b). Figur 5b viser bemerkelsesverdig endring i diffus refleksjon i midten bølgelengdeområdet med verdien av Cb, som representerer den sterkt lys absorpsjonen av hemoglobin i bølgelengdeområdet rekkevidde fra 500 til 600 nm. Forskjellen i spektral funksjonen oksygenrikt hemoglobin og deoxygenated hemoglobin og isosbestic poeng av hemoglobin er tydelig observert i til diffus refleksjon spectra vist i figur 5 c.

Figure 1
Figur 1: skjematisk diagram av eksperimentelle apparater. Disse skjermbildene viser oppsettet for måling (et) diffus refleksjon spectra og (b) totalt transmisjon spektra. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: trinn i utarbeidelsen av agarose-basert optisk fantomer. Disse skjermbildene viser (en) å lage en epidermal lag phantom og (b) å lage et dermal lag phantom. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: representant anslått optiske egenskaper av fantomer. (en) dette panelet viser gjennomsnittet redusert spredning koeffisienten spektrum μs' (λ) av epidermal og dermal lag. (b) dette panelet viser den absorpsjon koeffisienten spectra µen(λ) av epidermal lag og dermal lag. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: representant digital fargefotografier av to lag huden fantomer. (en) dette panelet viser en cross-sectional visning av to lag huden phantom. (b) dette panelet viser øverste del av 3-av-3 phantom matrisen med oksygenrikt blod. (c) dette panelet viser øverste del av 3-av-3 phantom matrisen som inneholder deoxygenated blod. Radene fra topp til bunn har kaffe løsning konsentrasjoner Cc 5%, 10% og 20%. Kolonnene fra venstre til høyre har blod konsentrasjoner Cb 0,2%, 0,4% og 0,6%. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: representant målt diffus refleksjon spectra fra to lag huden vev fantomer. Disse skjermbildene viser diffus refleksjon spektra av fantomer med ulike forhold av (en) konsentrasjonen av kaffe løsning Cc, (b) konsentrasjonen av hele oksygenrikt blod Cbog ( c) staten oksygenrikt blod. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det viktigste trinnet i denne protokollen er temperaturkontroll grunnmaterialet. Temperaturen å opprettholde grunnmaterialet varierte fra 58 til 60 ° C. Hvis temperaturen er mer enn 70 ° C, oppstår en denaturering av både den lipid emulsjonen og hele blod. Som en konsekvens, vil den optiske egenskapene av phantom svekkes. Hvis temperaturen er mindre enn 40 ° C, basen materialet vil være ununiformly gelled og dermed lette spredning og absorpsjon agentene vil bli heterogeneously distribuert i phantom. Selv om grunnmaterialet holdes på 60 ° C, senker suctioning det med en sprøyte temperaturen. Temperaturen på basen materialet senker til 50 ° C når det legges til blod løsning.

De optiske fantomer beskrevet i denne artikkelen lider kort brukbar levetid er vanligvis begrenset til ikke mer enn en dag. De brukbar levetid kan utvides ved å innkapsle phantom med base materialet i lukket beholder eller et konserveringsmiddel. 1 mm tykke epidermal laget phantom er en størrelsesorden større enn menneskelig epidermal tykkelsen. I denne protokollen med akryl mold, men det var vanskelig å opprette en lagtykkelse mindre enn 0,5 mm. For å redusere de forventede effektene av denne tykkelsen på målte diffus refleksjon spektra av fantomer, ble spredning og absorpsjon koeffisientene av overhuden phantom regulert slik at diffus refleksjon spekteret viste lignende spekteret som for menneskelig hud. En spinn belegg metoden42 ser lovende for å gjøre et lag tynnere enn 0,5 mm. Verdiene i μen (λ) og μs' (λ) for menneskelig hud er rapportert i litteraturen43.

Til jevn fordeling av melanin eller bilirubin i et agar phantom lag kan være vanskelig å bruke protokollen beskrevet her fordi de chromophores ikke er fullstendig oppløselig i vann. Bruk av melanoidin Hentet fra brente kaffebønner og tartrazine kan brukes som sammenlignbare eller erstatte materialer for melanin og bilirubin, henholdsvis. Inverse Monte Carlo simulering brukes til å estimere den optiske egenskapene fra målt diffus refleksjon og den totale transmisjon er relativt tidkrevende på grunn av sin iterativ mote. En annen lys transport beregning modell som legger-dobling metoden44 kan brukes å forkorte beregningstiden. Redusert spredning koeffisienten μs' er en samlet optisk eiendom omfatter spredning koeffisienten μs og anisotropy faktor g. For å beregne μs og g separat, må det collimated Transmisjon av en phantom måles i tillegg til den totale transmisjon og diffus refleksjon38,40. I studien, hadde vi ikke måle brytningsindeks for hvert lag. Vi setter brytningsindeks vann som publisert i litteratur45 i filen inndataene for inverse Monte Carlo simulering i stedet siden agarose gel består hovedsakelig av vann. Antok vi at det er ingen forskjell i refractive indeksene mellom de to lagene. Vi har også brukt den nominelle verdien for brytningsindeks glass (f.eks, n = 1.524 på λ = 546.1 nm) for Monte Carlo-simuleringer.

Det er en fordel at denne protokollen, med en integrert sfæren i stedet for to integrere sfærer, er kostnadseffektive. Derimot, er bruker en enkelt integrere kule tidkrevende siden ordningen av integrere sfæren må endres om målingen er en total transmisjon eller en diffus refleksjon. Det er en fordel at protokollen beskrevet i denne artikkelen kan utvide for å opprette monolayer eller flerlags optisk fantomer med ulike former, størrelser og Inneslutninger ved å endre utformingen av formene. Overflater av phantom lagene var fuktet umiddelbart etter at de ble tatt ut av deres mold. Derfor ble epidermal lag og dermal lag overholdt sammen ved stabling det andre laget tett på det første laget. Det kan være mulig å forsterke det andre laget direkte på den første, snarere enn fabrikere dem separat og feste dem senere. I så fall, men kan det være vanskelig å nøyaktig gjøre et tynt epidermal lag med et jevnt lagtykkelse. Vi klemt phantom mellom glassene å hindre en tørking av phantom. Vi vurderte optiske egenskaper og tykkelsen på glass i inverse Monte Carlo simulering. Det er derfor ingen effekt på estimerte optiske egenskapene til fantomer. Betydningen av nåværende teknikken med hensyn til eksisterende metoder er evnen til å representere diffus refleksjon spektra av levende vev i den synlige for nær-infrarøde bølgelengdeområdet. De optiske fantomer laget av denne protokollen vil være tilgjengelig for validering av nyutviklet optiske metoder basert på diffus refleksjon spektroskopi og spectrocolorimetry.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Del av dette arbeidet ble støttet av en Grant-in-Aid for Scientific Research (C) fra japansk Society for fremme av vitenskap (25350520, 22500401, 15 K 06105) og US ARMY ITC-PAC forsknings og utviklingsprosjekt (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 problemet 138 optisk phantom agarose gel lipid emulsjon optiske egenskaper hemoglobin lysspredning lys absorpsjon omvendt Monte Carlo simulering diffus refleksjon spektroskopi
Agarose-baserte vev Mimicking optisk Phantoms for diffus refleksjon 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