На основе агарозы ткани, подражая оптических фантомы для диффузного отражения спектроскопии
Summary
Здесь, мы демонстрируем, как делаются на основе агарозы ткани подражая оптических фантомы и как их оптические свойства определяются с использованием обычных оптической системы с интегрирующей сферы.
Abstract
Этот протокол описывает, как сделать на основе агарозы ткани подражая фантомов и демонстрирует, как определить их оптические свойства с помощью обычных оптической системы с интегрирующей сферы. Измерительные системы для приобретения диффузного отражения и общего пропускания спектры построены с широкополосным белого источника света, световод, ахроматические линзы, интегрирующей сферы, держатель образца, оптический зонд и Многоканальная спектрометр. Акриловые плесень, состоящий из двух прямоугольные акриловые блоки и U-образный акриловые кусок построен для создания эпидермального Фантом и кожных Фантом с цельной крови. Применение натрия (Na2S2O4) дитионит решение кожных Фантом позволяет исследователь deoxygenate гемоглобина в красных кровяных клетках распределены в дермальный фантом. Для определения поглощения коэффициент спектра µ(λ) выполняется обратное моделирование Монте Карло с диффузного отражения и спектры общего пропускания измеряется спектрометр с интегрирующей сферы и сокращение рассеяния коэффициент спектра µs‘ (λ) каждого слоя фантома. Двухслойный Фантом, подражая диффузного отражения ткани кожи человека также подтверждается нагромождение эпидермального phantom на кожный фантом.
Introduction
Оптическая фантомы являются объектами, подражая оптические свойства биологических тканей и широко используются в области биомедицинской оптики. Они разработаны таким образом, что оптические свойства, такие как рассеяние света и коэффициенты поглощения, совпадают с теми жизни человека и животных тканей. Оптических фантомы обычно используются в следующих целях: Имитация легкого транспорта в биологических тканях, калибровка недавно разработанной оптической системы проектирования, оценки качества и эффективности существующих систем, сравнение производительности между системами и проверке способность оптических методов количественной оценки оптических свойств1,2,3,4,5. Таким образом вещества легко, чтобы получить, изготовление простой процесс, высокая воспроизводимость и оптический стабильность необходимы для изготовления оптических фантомы.
Различные типы оптических фантомы с различных базовых материалов, таких как водная суспензия6, желатин гель7, агарозы gel8,9,10, геля полиакриламида11, смола12, 13,14,15,16и комната температура Вулканизационный силиконовые17 было сообщено в предыдущих литературе. Сообщается, что на основе желатина и альгинат гели являются полезными для оптических фантомы с гетерогенной структуры18. Альгинат фантомы имеют подходящего механической и термической стабильности для оценки яркостной эффекты, такие как исследования лазерной абляции и лазерных гипертермии исследования18. Гели агарозы имеют возможность изготовить гетерогенной структуры, и их механические и физические свойства являются стабильными за долгое время18. Гели агарозы высокой чистоты имеют очень низкой мутности и слабой оптического поглощения. Таким образом оптические свойства на основе агарозы фантомы легко может быть разработана с соответствующим свет рассеяния и поглощения агентов. Недавно, Стирол этилен бутилен стирольные (SEBS) блок сополимеры19 и поливинилхлорид (ПВХ) гели20 поступало как интересные Фантом материалы для оптических и Фотоакустическая методов.
Полимерных микросфер7,12,21,22, порошок оксида титана1и липидных эмульсий23,24,25,26 как молоко и липидов эмульсии используются в качестве агентов рассеяния света, тогда как черные чернила27,28 и29,молекулярные красители30 используются как легкие амортизаторы. Диффузного отражения спектры жизни большинства, которую органы преобладают поглощение кислородом и венозная гемоглобина в красных кровяных клетках. Таким образом, гемоглобина решения31,32 и цельной крови8,9,10,,3336 часто используются в качестве легких амортизаторы в фантомы для диффузного отражения спектроскопии и многоспектральных изображений.
Метод, описанный в этой статье используется для создания оптических Фантом, подражая легкого транспорта в биологических тканях и характеризуют его оптические свойства. В качестве примера продемонстрировал двухслойный оптических Фантом подражая оптические свойства ткани кожи человека. Преимущества этого метода над альтернативные методы являются способность представлять спектры диффузного отражения живых биологических тканей в видимом для ближней ИК-области спектра волны региона, а также простота, чтобы сделать это, используя легко доступны материалы и обычных оптических приборов. Таким образом оптических фантомы, сделанные этим методом будет полезным для разработки оптических методов, основанных на спектроскопии диффузного отражения и многоспектральных изображений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее важным этапом в этот протокол является контроль температуры базового материала. Температура поддерживать базовый материал варьировались от 58 до 60 ° C. Если температура превышает 70 ° C, произойдет денатурации эмульсии липидов и цельной крови. Как следствие оптические свойства ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Часть этой работы была поддержана субсидий для Scientific Research (C) из японского общества для содействия развитию науки (25350520, 22500401, 15 K 06105) и армии США ЦМТ-PAC исследований и развития проекта (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Cohen, G. Contrast–detail–dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3 (2), 197-203 (1979).
- 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).
- Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44 (11), 2104-2114 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49 (13), 2767-2778 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38 (19), 4247-4251 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21 (3), 227-234 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . Glossary. Dark Noise Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018)
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . Skin Optics Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998)
- 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).
- 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).
