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ऑप्टिकल और ध्वनिक इमेजिंग के लिए एक स्थिर प्रेत सामग्री

Published: June 16, 2023 doi: 10.3791/65475
Automatic Translation
1,2, 3, 4,5, 1,2, 3, 3, 1,2
1Department of Physics, University of Cambridge, 2Cancer Research UK Cambridge Institute, University of Cambridge, 3Ultrasound and Underwater Acoustics Group, Department of Medical, Marine and Nuclear Physics, National Physical Laboratory, 4School of Science and Engineering, University of Dundee, 5Centre for Medical Engineering and Technology, University of Dundee

Summary

यह प्रोटोकॉल ऑप्टिकल और ध्वनिक बायोमेडिकल इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए एक स्थिर, जैविक रूप से प्रासंगिक प्रेत सामग्री के निर्माण का वर्णन करता है, जिसमें स्वतंत्र रूप से असमर्थ ध्वनिक और ऑप्टिकल गुण होते हैं।

Abstract

ऊतक-नकल बायोफोटोनिक प्रेत सामग्री की स्थापना जो दीर्घकालिक स्थिरता प्रदान करती है, विक्रेताओं और संस्थानों में बायोमेडिकल इमेजिंग उपकरणों की तुलना को सक्षम करने, अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मान्यता प्राप्त मानकों के विकास का समर्थन करने और नवीन प्रौद्योगिकियों के नैदानिक अनुवाद की सहायता करने के लिए अनिवार्य है। यहां, एक विनिर्माण प्रक्रिया प्रस्तुत की जाती है जिसके परिणामस्वरूप फोटोएकॉस्टिक, ऑप्टिकल और अल्ट्रासाउंड मानकीकरण प्रयासों में उपयोग के लिए एक स्थिर, कम लागत वाली, ऊतक-नकल कॉपोलीमर-इन-ऑयल सामग्री होती है।

आधार सामग्री में खनिज तेल और परिभाषित रासायनिक सार सेवा (सीएएस) संख्याओं के साथ एक कॉपोलीमर होता है। यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल 5 मेगाहर्ट्ज पर ध्वनि c(f) = 1,481 ± 0.4 m.s-1 (20 डिग्री सेल्सियस पर पानी की ध्वनि की गति से मेल खाती है), ध्वनिक क्षीणन α (f) = 6.1 ± 0.06 dB.cm-1 5 MHz पर, ऑप्टिकल अवशोषण μa(3) = 0.05 ± 0.005 mm-1 800 nm पर एक प्रतिनिधि सामग्री उत्पन्न करता है। और ऑप्टिकल प्रकीर्णन μs'(3) = 1 ± 0.1 मिमी -1 800 एनएम पर। सामग्री क्रमशः बहुलक एकाग्रता या प्रकाश प्रकीर्णन (टाइटेनियम डाइऑक्साइड) और अवशोषित एजेंटों (तेल में घुलनशील डाई) को बदलकर ध्वनिक और ऑप्टिकल गुणों की स्वतंत्र ट्यूनिंग की अनुमति देती है। विभिन्न प्रेत डिजाइनों का निर्माण प्रदर्शित किया जाता है और परिणामस्वरूप परीक्षण वस्तुओं की समरूपता की पुष्टि फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग का उपयोग करके की जाती है।

इसकी सरल, दोहराने योग्य निर्माण प्रक्रिया और स्थायित्व के साथ-साथ इसके जैविक रूप से प्रासंगिक गुणों के कारण, सामग्री नुस्खा में मल्टीमॉडल ध्वनिक-ऑप्टिकल मानकीकरण पहल में उच्च वादा है।

Introduction

तकनीकी सत्यापन 1,2 के माध्यम से नवीन ऑप्टिकल इमेजिंग बायोमाकर्स की सटीकता और सटीकता स्थापित करना नैदानिक अभ्यास में उनके सफल कार्यान्वयन को सुनिश्चित करने के लिए सर्वोपरि है। इसे प्राप्त करने के लिए, तकनीकी सत्यापन अध्ययन अक्सर टिकाऊ भौतिक प्रेतों को नियोजित करते हैं, जो अंतर-साधन प्रदर्शन मूल्यांकन और नियमित गुणवत्ता नियंत्रण की सुविधा प्रदान करते हैं। अनुसंधान और नैदानिक अनुवाद में एक प्रेत सामग्री के व्यापक उपयोग के लिए, एक सरल, अत्यधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य निर्माण प्रोटोकॉल की आवश्यकता होती है। एक आदर्श बायोफोटोनिक प्रेत सामग्री में निम्नलिखित गुण शामिल होने चाहिए3: (1) जैविक रूप से प्रासंगिक श्रेणियों के भीतर स्वतंत्र रूप से असमर्थ गुण; (2) यांत्रिक मजबूती; (3) दीर्घकालिक स्थिरता; (4) ज्यामिति और वास्तुकला में लचीलापन; (5) सुरक्षित हैंडलिंग; (6) व्यापक रूप से उपलब्ध सामग्री जो मानक वैज्ञानिक आपूर्तिकर्ताओं से खरीदी जा सकती है; और (7) कम लागत। वर्तमान में, बायोफोटोनिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से स्वीकृत प्रेत सामग्री के लिए एक मानकीकृत प्रोटोकॉल की कमी होती है जो उल्लिखित आवश्यकताओं को पूरा करती है और इसमें हाइब्रिड अनुप्रयोगों के लिए असमर्थ ध्वनिक गुण भी शामिल हैं, जैसे कि फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग (पीएआई)।

संयुक्त ऑप्टिकल और ध्वनिक अनुप्रयोगों के लिए लक्षित जैविक रूप से प्रासंगिक प्रेत सामग्री में हाइड्रोगेल4,5, पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) 6,7,8,9, और पॉलीविनाइल क्लोराइड प्लास्टिसोल (पीवीसीपी) 10,11,12,13,14,15,16 शामिल हैं।. हालांकि, इन सामग्रियों को कुछ सीमाओं की विशेषता है जो एक स्थिर प्रेत सामग्री के रूप में उनके आवेदन को प्रतिबंधित करती हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजेल निर्जलीकरण, यांत्रिक क्षति और जीवाणु वृद्धि से ग्रस्त हैं, जिससे उनकी शेल्फ लाइफ17,18,19 सीमित हो जाती है। रसायनों के अलावा दीर्घायु में वृद्धि हो सकती है, लेकिन सामान्य संरक्षक, जैसे फॉर्मलाडेहाइड20 या बेंजलकोनियम क्लोराइड21, खतरनाक हैं और हैंडलिंग के दौरान सावधानी बरतने के उपायों की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, पानी में घुलनशील रंजक वाले लक्ष्य आधार सामग्री के भीतर फैल सकते हैं यदि समझाया नहीं जाता है। पीवीए क्रायोगेल्स को उच्च दीर्घायु और संरचनात्मक मजबूती की विशेषता है, लेकिन उनकी तैयारी प्रक्रिया में लंबे फ्रीज-पिघलना चक्र22 शामिल हैं। यह ध्वनिक और ऑप्टिकल मापदंडों23 की स्वतंत्र ट्यूनेबिलिटी को सीमित कर सकता है और -यदि थोड़ा सा विविध है-तो असमानताएं6 का कारण बन सकता है, जिससे प्रजनन क्षमता से समझौता हो सकता है। इसके अलावा, समावेशन से रंगों का प्रसार 1 वर्ष13 के बाद देखा गया है। पीवीसीपी में एक जटिल निर्माण प्रक्रिया है जिसमें 180-220 डिग्री सेल्सियस 13,14,24,25 तक का उच्च तापमान शामिल है। पीवीसीपी वैज्ञानिक आपूर्तिकर्ताओंके साथ आपूर्ति श्रृंखला की कमी से भी ग्रस्त है और इसमें थैलेट्स पर आधारित प्लास्टिसाइज़र हो सकते हैं, जो प्रजनन और विकाससंबंधी नुकसान पहुंचा सकते हैं, जिससे उन्हें कुछ देशों में नियंत्रित पदार्थ बना दिया जाता है।

कॉपोलीमर-इन-ऑयल रचनाएं, जैसे कि जेल मोम 28,29,30,31 या थर्मोप्लास्टिक स्टाइलिक इलास्टोमर्स 32,33,34,35,36 पर आधारित मिश्रण, अच्छी अनुदैर्ध्य स्थिरता प्रदर्शित करते हैं और ऊतक जैसे ध्वनिक और ऑप्टिकल गुण31,35,36,37 की सुविधा देते हैं।, जिससे मल्टीमॉडल अनुप्रयोगों में एक टिकाऊ प्रेत उम्मीदवार के रूप में उच्च क्षमता है। इसके अतिरिक्त, सामग्री का यह वर्ग लागत प्रभावी, गैर-पानी अवशोषित, गैर विषैले और जैविक रूप से निष्क्रिय35,38 है। ध्वनि सी (एफ) और ध्वनिक क्षीणन गुणांक α (एफ) की गति को बहुलक सांद्रता33,35,39 की भिन्नता द्वारा जैविक रूप से प्रासंगिक सीमा (तालिका 1) में ट्यून किया जा सकता है, जबकि ऑप्टिकल अवशोषणμ ए (3) और एस '(3) गुणांक μ कम प्रकीर्णन मुख्य रूप से तेल में घुलनशील रंजक या टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीआईओ2)39 के अलावा भिन्न हो सकताहै। क्रमशः।

यहां, ऑप्टिकल, अल्ट्रासाउंड या फोटोएकॉस्टिक डिवाइस अंशांकन में उपयोग के लिए उपयुक्त टिकाऊ कॉपोलीमर-इन-ऑयल फैंटम के निर्माण के लिए एक सरल, आसान-से-पालन प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है। सभी अवयवों ने रासायनिक सार सेवा (सीएएस) संख्याओं को परिभाषित किया है और मानक वैज्ञानिक आपूर्तिकर्ताओं से आसानी से उपलब्ध हैं। निर्माण प्रक्रिया में संभावित कठिनाइयों पर प्रकाश डाला गया है और उन्हें दूर करने के तरीके प्रस्तुत किए गए हैं। जबकि प्रोटोकॉल ध्वनिक और ऑप्टिकल गुणों की एक श्रृंखला के साथ सामग्री के निर्माण की अनुमति देता है, प्रस्तुत प्रोटोकॉल ~ 1,481 मीटर -1 की ध्वनि की गति के साथ एक सामग्री उत्पन्न करता है, जो कमरे के तापमान (20 डिग्री सेल्सियस) 40 पर पानी की ध्वनि की गति के साथ संरेखित होता है। इस मान को मौजूदा ऊतक गुणों (तालिका 1) की विस्तृत श्रृंखला का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक तटस्थ मानक के रूप में चुना गया था, जिससे तुलना के लिए एक सुसंगत और विश्वसनीय संदर्भ बिंदु की स्थापना की अनुमति मिलती है। इस विस्तृत प्रोटोकॉल को प्रदान करके, हम इस आशाजनक प्रेत सामग्री प्रकार के उत्थान और विनिर्माण प्रजनन क्षमता को व्यापक बनाने का लक्ष्य रखते हैं, जिससे बायोफोटोनिक, ध्वनिक और फोटोध्वनिक सत्यापन अध्ययन की सुविधा मिलती है और प्रीक्लिनिकल और नैदानिक इमेजिंग अनुप्रयोगों में नियमित गुणवत्ता नियंत्रण का समर्थन होता है।

Protocol

तालिका 1: नरम ऊतकों में पाए जाने वाले ध्वनिक और ऑप्टिकल गुणों का अवलोकन। ऑप्टिकल गुण 600 से 900 एनएम तक के स्पेक्ट्रम को कवर करते हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ये केवल प्रतिनिधि मूल्य हैं जिनका उद्देश्य सामान्य मार्गदर्शन प्रदान करना है। प्रयोगात्मक स्थिति (जैसे, तापमान) और आवृत्ति / तरंग दैर्ध्य के आधार पर सटीक मान भिन्न हो सकते हैं। साहित्य अधिक विशिष्ट मूल्य प्रदान करता है। * कोई विशिष्ट संदर्भ नहीं मिला. कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

दिए गए प्रोटोकॉल को ~ 120 एमएल फैंटम सामग्री बनाने के लिए विकसित किया गया है। घटकों के द्रव्यमान को फैंटम सामग्री के विभिन्न संस्करणों को बनाने के लिए बढ़ाया जा सकता है। कृपया ध्यान दें कि बड़ी मात्रा (> 500 एमएल) के लिए, प्रस्तावित उपकरण प्रेत मिश्रण को समरूप रूप से पर्याप्त रूप से गर्म करने में सक्षम नहीं हो सकता है। इस उद्देश्य के लिए, हीटिंग उपकरण को उचित रूप से अनुकूलित किया जाना चाहिए।

सावधानी: हमेशा सुनिश्चित करें कि पूरी निर्माण प्रक्रिया के दौरान उपयुक्त व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहने जाएं। इसमें लैब कोट, सुरक्षा चश्मे और सुरक्षा दस्ताने का उपयोग शामिल हो सकता है; स्थानीय सुरक्षा दिशानिर्देशों का संदर्भ लें और उनका पालन करें। प्रक्रिया हैकर एट अल .39 से अनुकूलित है; चरणों का सारांश चित्र 1 में प्रदर्शित किया गया है।

Figure 1
चित्र 1: कॉपोलीमर-इन-ऑयल सामग्री का निर्माण। (1) ऑप्टिकल प्रकीर्णन और अवशोषण के लिए सामग्री खनिज तेल में जोड़ी जाती है और (2) घुलने तक 90 डिग्री सेल्सियस पर सोनिक किया जाता है। (3) पॉलिमर (एस) और स्टेबलाइजर जोड़ा जाता है, और (4) मिश्रण को कम सरगर्मी के तहत 160 डिग्री सेल्सियस तक तेल स्नान में गर्म किया जाता है। (5) सभी घटकों के विघटन पर, नमूना एक उपयुक्त प्रेत मोल्ड में डाला जाता है और (6) कमरे के तापमान पर कठोर होने के लिए छोड़ दिया जाता है। यह आंकड़ा हैकर एट अल .39 से पुन: प्रस्तुत किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

1. मिश्रण की तैयारी

  1. 40 एमएल खनिज तेल में 0.4 ग्राम निग्रोसिन जोड़कर निग्रोसिन स्टॉक समाधान तैयार करें। नमूने के सोनिकेशन और पूरी तरह से भंवर द्वारा सजातीय मिश्रण सुनिश्चित करें। कमरे के तापमान पर स्टॉक समाधान स्टोर करें।
    नोट: पुन: उपयोग से पहले स्टॉक समाधान को हमेशा अच्छी तरह से मिश्रित किया जाना चाहिए। यदि ऑप्टिकल प्रोसेसर (TiO 2) या अवशोषक (डाई) के बिना एक प्रेत सामग्री को प्राथमिकता दी जाती है, तो चरण 1 और2 को छोड़ा जा सकता है। चरण 3 के साथ आगे बढ़ें।
  2. 100 एमएल (83.8 ग्राम) खनिज तेल में टीआईओ 2 के 0.15 ग्राम और डाई स्टॉक समाधान के 1 एमएल को तब तक रखें जब तक कि सभी घटक पूरी तरह से भंग न हो जाएं (~ 60 मिनट) (चित्रा 1: चरण 1 और2)। यदि उपकरण अनुमति देता है, तो सोनिकेटर को ऊंचे तापमान (90 डिग्री सेल्सियस) पर सेट करें, क्योंकि यह मिश्रण प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाता है। सोनिकेशन समय के दौरान चरण 3-5 के साथ आगे बढ़ें।
    नोट: यदि उच्च अवशोषित और प्रकीर्णन गुणों वाले प्रेत को प्राथमिकता दी जाती है, तो सोनिकेशन समय को बढ़ाने की आवश्यकता हो सकती है।
  3. वांछित सांद्रता (जैसे, एसईबीएस = 25.14 ग्राम) पर पॉलीस्टाइनिन-ब्लॉक-पॉली (एथिलीन-रन-ब्यूटिलीन)-ब्लॉक-पॉलीस्टाइनिन (एसईबीएस) और कम घनत्व पॉलीथीन (एलडीपीई) का वजन करें; LDPE = 6.70 g) (चित्रा 1: चरण 3)।
    1. वैकल्पिक: स्थिरता बढ़ाने के लिए एक एंटीऑक्सिडेंट जोड़ा जा सकता है, लेकिन यह अनिवार्य नहीं है यदि हीटिंग तापमान 180 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं है।
      नोट: यदि विनिर्माण प्रक्रिया के बाद के चरण में घुलनशीलता या चिपचिपाहट के मुद्दों का सामना करना पड़ता है, तो एलडीपीई को बाहर करने की सलाह दी जाती है। एलडीपीई को सामग्री में ध्वनि की गति बढ़ाने के लिए शामिल किया गया है (तालिका 3); हालांकि, यह एक स्थिर प्रेत बनाने के लिए अनिवार्य नहीं है। एलडीपीई को छोड़कर, विनिर्माण और मोल्डिंग प्रक्रिया को सरल बनाया जा सकता है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप अंतिम सामग्री की ध्वनि की बाद की गति में कमी आएगी (तालिका 3)।
  4. उपयुक्त ग्लासवेयर और सिलिकॉन तेल का उपयोग करके एक तेल स्नान बनाएं; इसे हॉटप्लेट पर सावधानी पूर्वक सुरक्षित करें। सुनिश्चित करें कि थर्मोकपल सिलिकॉन तेल स्नान में रहता है और पूरी प्रक्रिया के दौरान ग्लासवेयर के किनारों को नहीं छूता है (चित्रा 2)।
    नोट: सुनिश्चित करें कि उपकरण निर्माता द्वारा दिए गए निर्देश के अनुसार थर्मोरेगुलेटरी एक्सेसरी को सावधानीपूर्वक लगाया गया है।
  5. समान गर्मी वितरण सुनिश्चित करने के लिए तेल स्नान के अंदर पर्याप्त लंबाई का एक चुंबकीय हलचल बार रखें।
  6. हॉटप्लेट चालू करें, हीटिंग तापमान को 160 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें, और स्टिरर के प्रति मिनट (आरपीएम) चक्कर 50 पर सेट करें।
  7. एलडीपीई और एसईबीएस को ग्लास बीकर में स्थानांतरित करें जिसमें सोनिकेटेड खनिज तेल (टीआईओ2 और निग्रोसिन के साथ) होता है। ग्लास बीकर में पर्याप्त लंबाई की एक चुंबकीय हलचल बार पेश करें और इसे मापा घटकों के हीटिंग के लिए तेल स्नान के केंद्र में स्थानांतरित करें। सुनिश्चित करें कि स्नान में तेल का स्तर बीकर के अंदर खनिज तेल के स्तर से ऊपर रहता है (चित्रा 1: चरण 4)।

2. मिश्रण को गर्म करें

  1. यदि किसी भी स्तर पर जोड़ा गया बहुलक खनिज तेल पर तैरता हुआ दिखाई देता है, तो धातु स्पैटुला का उपयोग करके खनिज तेल के घोल को मैन्युअल रूप से हिलाएं, ताकि किसी भी फ्लोटिंग बहुलक को खनिज तेल के अंदर वितरित किया जा सके। गर्मी प्रतिरोधी दस्ताने पहनें।
  2. मिश्रण को 160 डिग्री सेल्सियस पर छोड़ दें जब तक कि सभी बहुलक घुल न जाएं और घोल एक चिकनी और सजातीय बनावट (~ 1.5 घंटे) के साथ समान रूप से मिश्रित दिखाई दे।

3. वैक्यूमिंग

नोट: हवा के बुलबुले को हटाने के लिए, उपलब्ध उपकरणों के आधार पर निम्नलिखित चरणों का पालन करें।

  1. गर्म बीकर को वैक्यूम कक्ष में सावधानी से रखें और उच्चतम सेटिंग (सबसे कम वैक्यूम) पर 2-3 मिनट के लिए नमूने वैक्यूम करें। सतह पर जमा होने वाले किसी भी हवा के बुलबुले को ध्यान से हटाने के लिए एक धातु स्पैटुला का उपयोग करें। यदि इस चरण के बाद भी हवा के बुलबुले मौजूद हैं, तो मिश्रण को फिर से गर्म करें और वैक्यूमिंग चरण को तब तक दोहराएं जब तक कि सभी हवा के बुलबुले हटा न दिए जाएं।
  2. वैक्यूम ओवन चालू करें और इसे 160 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें। एक बार जब यह वांछित तापमान तक पहुंच गया है, तो बीकर को समाधान के साथ वैक्यूम ओवन में स्थानांतरित करें।
    नोट: हमेशा गर्मी सुरक्षात्मक दस्ताने के साथ बीकर को संभालें।
    1. वैक्यूम को उपलब्ध उच्चतम सेटिंग (सबसे कम वैक्यूम) पर स्विच करें। यदि घोल के शीर्ष पर एक फोम परत उत्पन्न हुई है, तो वैक्यूम को बंद करें और स्पैटुला का उपयोग करके सतह से बुलबुले हटा दें (इस चरण को तब तक दोहराएं जब तक कि सभी हवा के बुलबुले हटा न दिए जाएं)।
    2. उच्चतम वैक्यूम सेटिंग पर 1 घंटे के लिए बीकर को वैक्यूम ओवन में छोड़ दें।
      नोट: वैक्यूम ओवन को साफ रखने के लिए, सिलिकॉन तेल के बीकर की बाहरी सतह को पेपर टॉवल से साफ करें।

4. मोल्ड में नमूने डालना

  1. नमूने को नमूना मोल्डों में डालने से पहले, यदि आवश्यक हो तो स्पैटुला के साथ मिश्रण की सतह पर किसी भी शेष हवा के बुलबुले को हटा दें।
  2. सावधानी से घोल को एक उपयुक्त मोल्ड में डालें, गर्मी प्रतिरोधी दस्ताने पहनें या पर्याप्त सुरक्षात्मक उपकरणों का उपयोग करें। किसी भी हवा के बुलबुले के बनने की संभावना को कम करने के लिए कम ऊंचाई से चिकनी और स्थिर डालना सुनिश्चित करें (चित्रा 1: चरण 5)। जटिल आकार वाले सांचे के लिए, ठीक किए गए नमूने को हटाने की सुविधा के लिए डालने से पहले मोल्ड को तेल की एक पतली परत (खनिज तेल [जैसे, अरंडी या सिलिकॉन तेल] के अलावा) के साथ कोट करें।
    नोट: एक ओवन में मोल्डों को पहले से गर्म करने से उच्च नमूना समरूपता प्राप्त करने में मदद मिल सकती है।
  3. एक बार डाले जाने के बाद धातु के स्पैटुला के साथ नमूने के शीर्ष से किसी भी हवा के बुलबुले को जल्दी से हटा दें। यदि मिश्रण के भीतर कई हवा के बुलबुले जमा हो गए हैं, तो वैक्यूम चरण को दोहराएं, बशर्ते कि मोल्ड का प्रकार और आकार इसकी अनुमति देता है।
  4. समाधान को कमरे के तापमान पर सेट करने की अनुमति दें। हालांकि छोटे नमूने 2 घंटे से कम समय में ठीक हो सकते हैं, अधूरे इलाज के किसी भी जोखिम को खत्म करने के लिए नमूने को रात भर छोड़ दें। कमरे के तापमान पर नमूने स्टोर करें (चित्रा 1: चरण 6)।

5. छवि अधिग्रहण

  1. छवि अधिग्रहण के लिए, प्रेत को इमेजिंग डिवाइस के दृश्य के क्षेत्र में रखें।
  2. पीएआई या अल्ट्रासाउंड सिस्टम के लिए, अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर के लिए प्रेत सतह का ध्वनिक युग्मन करें, उदाहरण के लिए, अल्ट्रासाउंड जेल या पानी के साथ।
    नोट: यदि प्रोटोकॉल का सही ढंग से पालन किया गया है, तो किसी भी असमानता को दृश्य के क्षेत्र को परेशान नहीं करना चाहिए। कस्टम फैंटम धारक माप के बीच दोहराने योग्य नमूना स्थिति में सहायता कर सकते हैं।
  3. यदि अधिग्रहण तापमान प्रेत के भंडारण तापमान से भिन्न होता है, तो प्रेत तापमान को परिवेश के साथ स्थिर करने की अनुमति दें।
  4. एक छवि प्राप्त करें।

6. सामग्री लक्षण वर्णन माप

नोट: सामग्री लक्षण वर्णन माप का उद्देश्य सामग्री ऑप्टिकल और ध्वनिक गुणों का सत्यापन है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि फैंटम फैब्रिकेशन प्रोटोकॉल ने उच्च प्रजनन क्षमता39 दिखाई है, इसलिए सामान्य माप प्रोटोकॉल केवल मार्गदर्शन के रूप में प्रदान किए जाते हैं यदि आगे के सत्यापन अध्ययन वांछित हैं। माप के व्यक्तिगत चरण उपयोग किए गए लक्षण वर्णन उपकरण पर निर्भर करेंगे। यहां, ब्रॉडबैंड थ्रू-ट्रांसमिशन प्रतिस्थापन विधि 41 (राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला (एनपीएल), यूके में उपलब्ध) पर आधारित एक प्रणाली को ध्वनिक लक्षण वर्णन के लिए नियोजित किया गया था और ऑप्टिकल लक्षण वर्णन के लिए एक इन-हाउस डबल-एकीकृत-क्षेत्र (डीआईएस) प्रणाली (42 पर आधारित) का उपयोग किया गया था। लक्षण वर्णन प्रणालियों का सेटअप पूरक चित्र 1 में प्रदर्शित किया गया है। माप सेटअप (ध्वनिक43; ऑप्टिकल42,44) और माप प्रक्रिया39 पर अतिरिक्त विवरण कहीं और पाया जा सकता है। माप प्रक्रिया को उपयोग की जाने वाली प्रत्येक विशिष्ट लक्षण वर्णन प्रणाली के अनुसार अनुकूलित किया जाना चाहिए।

  1. ध्वनिक लक्षण वर्णन
    नोट: ध्वनिक लक्षण वर्णन माप पल्स उत्पादन के लिए 10 मेगाहर्ट्ज सेंटर फ्रीक्वेंसी अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (10 मिमी का सक्रिय तत्व व्यास) और पल्स डिटेक्शन के लिए एक ब्रॉडबैंड हाइड्रोफोन (30 मिमी सक्रिय तत्व व्यास बिलामिनार झिल्ली हाइड्रोफोन) को नियोजित करने वाली प्रणाली पर आधारित हैं (दोनों को विआयनीकृत पानी से भरे पानी के टैंक में रखा गया है; 112 सेमी x 38 सेमी x 30 सेमी3 के आयाम;). ट्रांसड्यूसर एक पल्सर-रिसीवर द्वारा संचालित होता है। तरंगों को एक ऑसिलोस्कोप का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। सेटअप और माप प्रक्रिया (माप पर सिस्टम-विशिष्ट प्रकार बी प्रभाव सहित) पर अधिक विवरण 43 में पाया जा सकता है।
    1. माप सेटअप के लिए उपयुक्त नमूने तैयार करें (उदाहरण के लिए, इस मामले में, 7-8 सेमी के व्यास और 6-9 मिमी की मोटाई के साथ गोलाकार नमूने)। सुनिश्चित करें कि नमूने सजातीय संरचना के हैं और किसी भी अशुद्धियों, हवा के बुलबुले या सतह अनियमितताओं से मुक्त हैं।
    2. वर्नियर कैलिपर ्स का उपयोग करके परीक्षण नमूने की मोटाई को मापें और कैलिब्रेटेड थर्मामीटर का उपयोग करके पानी की टंकी का तापमान रिकॉर्ड करें।
    3. नमूने को सिस्टम में रखें। सुनिश्चित करें कि नमूना सिस्टम के घटकों के साथ सही ढंग से संरेखित है।
      नोट: गिंबल माउंट43 पर आधारित एक स्वचालित रूप से नियंत्रित नमूना धारक नमूने के रोटेशन और झुकाव के सटीक नियंत्रण में सहायता कर सकता है।
    4. प्रत्येक माप सेट के लिए चार ध्वनिक दालें प्राप्त करें: ध्वनिक पथ में मौजूद कोई नमूना नहीं होने के साथ पानी की नाड़ी के माध्यम से एक संदर्भ; एक नमूना संचरण के माध्यम से; और नमूने के सामने और पीछे की सतहों से ट्रांसमीटर पर प्राप्त ध्वनिक प्रतिबिंब।
    5. माप से नमूने के ध्वनिक गुणों को प्राप्त करें। समीकरण (1)43 का उपयोग करके ध्वनि c(f) (m.s-1 में) की गति की गणना कीजिए।
      Equation 1(1)
      CW पानी की ध्वनि की तापमान-निर्भर गति को दर्शाता है, और क्रमशः1 (f), ø2 (f), øW (f), और øs (f) क्रमशः फ्रंट-रिफ्लेक्टेड, बैक-रिफ्लेक्टेड, थ्रू-वाटर, और थ्रू-सैंपल वोल्टेज पल्स के संबंधित अनरैप्ड फेज स्पेक्ट्रा हैं। सामग्री की आवृत्ति-निर्भर क्षीणन गुणांक (αआई (एफ)) समीकरण (2)43 में दिखाए गए दो-नमूना प्रतिस्थापन तकनीक का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।
      Equation 2(2)
      यू डब्ल्यू (एफ) और यूएस (एफ) पानी के माध्यम से और नमूना पल्स के माध्यम से संबंधित वोल्टेज परिमाण स्पेक्ट्रा हैं, αडब्ल्यू (एफ) विशिष्ट पानी के टैंक तापमान45 पर शुद्ध पानी के अल्ट्रासाउंड (डीबी -सेमी -1 में) का क्षीणन गुणांक है, और डी 1 और डी 2 (डी2 > डी1) दो नमूना मोटाई हैं।
      नोट: वर्तमान प्रोटोकॉल के लिए, इंटरफेशियल नुकसान के लिए क्षीणन लेखांकन का आकलन किया गया था, इसके प्रभाव को नगण्य पाया गया था।
    6. परीक्षण नमूने पर विभिन्न स्थितियों में माप को तीन से अधिक बार दोहराएं। अंतिम नमूना मान प्राप्त करने के लिए माप के औसत और मानक विचलन की गणना करें।
  2. ऑप्टिकल लक्षण वर्णन।
    नोट: ऑप्टिकल परीक्षण के लिए, एक डबल-एकीकृत क्षेत्र प्रणाली का उपयोग किया गया था ( 42 पर आधारित), दो एकीकृत गोले (50 मिमी आंतरिक व्यास) को नियोजित करते हुए जो दो ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से दो स्पेक्ट्रोमीटर से जुड़े होते हैं। परावर्तनीयता क्षेत्र एक तीसरे ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से एक प्रकाश स्रोत से जुड़ा हुआ है।
    1. माप सेटअप के लिए उपयुक्त नमूने तैयार करें (उदाहरण के लिए, इस मामले में, 5.9 सेमी की चौड़ाई, 1.8 सेमी की ऊंचाई और 2 और 3 मिमी के बीच मोटाई के साथ आयताकार नमूने)। सुनिश्चित करें कि नमूने सजातीय संरचना के हैं और किसी भी अशुद्धियों, हवा के बुलबुले या सतह अनियमितताओं से मुक्त हैं।
    2. प्रकाश स्रोत चालू करें और इसे निर्माता के निर्देशों के अनुसार स्थिर करने की अनुमति दें (उदाहरण के लिए, 15 मिनट)।
    3. वर्नियर कैलिपर का उपयोग करके नमूने की मोटाई निर्धारित करें। यदि लागू हो, तो माप के लिए तरंग दैर्ध्य सीमा और चरण आकार निर्दिष्ट करें (उदाहरण के लिए, 1 एनएम चरण आकार के साथ 450-900 एनएम)।
    4. संचरण और परावर्तनीयता क्षेत्र के लिए संदर्भ माप रिकॉर्ड करें।
      1. परावर्तनीयता क्षेत्र के लिए, सबसे पहले संप्रेषण क्षेत्र को हटाने और प्रकाश स्रोत चालू करने के साथ परावर्तन मान आर0 को रिकॉर्ड करके एक खुला पोर्ट माप लें। फिर, परावर्तन क्षेत्र (प्रकाश स्रोत चालू) के सामने आयोजित एक संदर्भ मानक के साथ परावर्तनीयता मान आर1 रिकॉर्ड करें।
      2. संप्रेषण क्षेत्र के लिए, पहले संरेखित परावर्तनीयता और संप्रेषण क्षेत्रों और प्रकाश स्रोत बंद होने के साथ संप्रेषण मान टी0 को रिकॉर्ड करके एक अवरुद्ध बीम माप लें। फिर, संरेखित परावर्तनीयता और संप्रेषण क्षेत्रों और प्रकाश स्रोत को चालू करने के साथ संप्रेषण मान टी1 को रिकॉर्ड करके एक घटना बीम माप लें।
        नोट: माप के लिए गोले और संदर्भ मानक की एक साफ सतह सुनिश्चित की जानी चाहिए, क्योंकि धूल या अन्य दूषित पदार्थों कापालन घटकों के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।
    5. नमूने को गोले के बीच रखें। परावर्तनीयता आरएस और ट्रांसमिशन टीएस मूल्यों को मापें। सुनिश्चित करें कि नमूना संपीड़ित नहीं है, क्योंकि यह माप सटीकता को प्रभावित कर सकता है। एक गोले को मोटरचालित मंच पर रखने से इसे मापा नमूना मोटाई के अनुकूल बनाकर गोले के बीच की दूरी को सही ढंग से नियंत्रित करने में मदद मिल सकती है।
    6. समीकरणों (3) और (4)42 का उपयोग करके सामान्यीकृत परावर्तनीयता MR और संप्रेषण MT मानों की गणना करें।
      Equation 3(3)
      Equation 4(4)
      आरएसटीडी 99% परावर्तनीयता मानक से परिलक्षित तीव्रता को दर्शाता है।
    7. सामग्री के ऑप्टिकल गुणों का अनुमान लगाने के लिए मापा मानों को व्युत्क्रम जोड़ना दोहरीकरण (आईएडी) प्रोग्राम (स्रोत कोड: http://omlc.org/software/iad/)44 में दर्ज करें।
      नोट: पिछली रिपोर्टों के आधार पर, प्रकीर्णन अनिसोट्रॉपी कारक (जी) को जी = 0.7 के रूप में लिया जा सकता है, और अपवर्तक सूचकांक को एन = 1.4 30 के रूप में लिया जा सकता है।
    8. परीक्षण नमूने के साथ विभिन्न स्थितियों में कम से कम तीन बार माप दोहराएं। अंतिम नमूना मान प्राप्त करने के लिए माप के औसत और मानक विचलन की गणना करें।

Representative Results

इस नुस्खा के बाद, फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग के उद्देश्य से तीन प्रतिनिधि प्रेत डिजाइन बनाए गए हैं, जो विभिन्न ऑप्टिकल रोशनी और ध्वनिक पहचान ज्यामिति (चित्रा 3 ए) के साथ विभिन्न सिस्टम डिजाइनों के लिए लक्षित हैं। यदि प्रेत तैयारी प्रक्रिया सफलतापूर्वक की जाती है, तो प्रेत सामग्री किसी भी फंसे हुए हवा के बुलबुले या अशुद्धियों के बिना चिकनी और सजातीय दिखाई देती है, और परिणामी छवि में कोई कलाकृतियां नहीं देखी जा सकती हैं (यहां फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग का उपयोग करके कल्पना की गई है; चित्रा 3 बी, सी)। प्रोटोकॉल ध्वनि c(f) = 1481 ± 0.4 m.s-1 (20 °C40 पर पानी की ध्वनि की गति के अनुरूप), ध्वनिक क्षीणन α(f) = 6.1 ± 0.06 dB.cm-1 (दोनों 5 MHz पर), ऑप्टिकल अवशोषण μa(o) = 0.05 ± 0.005 मिमी -1, और ऑप्टिकल प्रकीर्णन μs'(o) = 0.005 मिमी -1 ± 1 मिमी (दोनों 800 एनएम पर) (अनिश्चितता विभिन्न ऑपरेटरों द्वारा एन = 3 स्वतंत्र रूप से उत्पादित बैचों से मानक विचलन को दर्शाती है; सभी माप कमरे के तापमान [20 डिग्री सेल्सियस] पर किए गए थे)।

ऑप्टिकल प्रकीर्णन गुणांक को टीआईओ 2 की भिन्नता से ट्यून किया जा सकता है, जबकि ऑप्टिकल अवशोषण गुणांक को किसी भी तेल-घुलनशील डाई के अतिरिक्त ट्यून किया जा सकता है, यहां निग्रोसिन (तालिका 2 और चित्रा 3 डी) के साथ प्रदर्शित किया गया है। जबकि तालिका 2 में मान कम अवशोषित और प्रकीर्णन ऊतकों, जैसे मांसपेशियों या स्तन (तालिका 1) पर केंद्रित हैं, हमें उच्च सांद्रता पर अवशोषक और अवशोषक को जोड़ने में किसी भी कठिनाई का सामना नहीं करना पड़ा है। हालांकि, उच्च सांद्रता पर ऑप्टिकल प्रोटॉन / अवशोषक को जोड़ने के लिए समाधान के समरूप मिश्रण को प्राप्त करने के लिए लंबे समय तक सोनिकेशन समय की आवश्यकता हो सकती है।

ध्वनिक क्षीणन और ध्वनि की गति को बहुलक एकाग्रता की भिन्नता से ट्यून किया जा सकता है (तालिका 3)। यहां, ट्यूनिंग अब तक ~ 1,450-1,516 मीटर -1 की ध्वनि सीमा की गति तक सीमित है। कम संबंधित बहुलक सांद्रता के परिणामस्वरूप नमूने की कम भौतिक स्थिरता हो सकती है, जिससे समय के साथ प्लास्टिक विरूपण हो सकताहै। उच्च बहुलक सांद्रता के परिणामस्वरूप भंगुरता और सामग्री की असमान बनावट होती है। ध्वनिक गुणों की सीमा स्तन या वसा जैसे ऊतकों की नकल करने में मदद कर सकती है (सी = 1,450-1,480 एम -1), लेकिन मांसपेशियों या गुर्दे जैसे ऊतकों के लिए अपर्याप्त हो सकती है (सी > 1,520 एम -1; तालिका 1)।

प्रेत तैयारी में सामान्य त्रुटि स्रोतों में हवा के बुलबुले को अपर्याप्त रूप से हटाना और आधार घटकों का असंगत मिश्रण शामिल है (चित्रा 4)। इसे क्रमशः वैक्यूम िंग और सावधानीपूर्वक डालने, और हिलाने / भंवर द्वारा कम किया जा सकता है।

Figure 2
चित्रा 2: प्रेत निर्माण के लिए प्रयोगात्मक सेटअप। प्रेत सामग्री युक्त ग्लास बीकर को तेल स्नान और ग्लास बीकर की सतहों के बीच सीधे संपर्क से बचने के लिए क्लैंप का उपयोग करके सिलिकॉन तेल स्नान में रखा जाता है। गर्म प्लेट पर तापमान प्रतिक्रिया सावधानीपूर्वक तापमान नियंत्रण सुनिश्चित करती है। चुंबकीय हलचल सिलिकॉन तेल और प्रेत सामग्री दोनों के मिश्रण को सक्षम करती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: प्रेत निर्माण प्रक्रिया से प्रतिनिधि परिणाम। (ए) विभिन्न फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग सिस्टम में आवेदन के लिए बहुमुखी प्रतिभा दिखाने वाले विभिन्न प्रेत डिजाइन। बाएं: विभिन्न गहराई (0.5, 1.5, और 2.5 मिमी; 1.25 मिमी की अंतर-लक्ष्य दूरी) पर एम्बेडेड तारों के साथ छोटे आयताकार प्रेत उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग सिस्टम के परीक्षण के लिए डिज़ाइन किए गए; मध्य: हरे और बैंगनी तेल-घुलनशील डाई का उपयोग करके दो समावेशन (12 मिमी की अंतर-समावेशदूरी के साथ बेलनाकार प्रेत), जिसे टोमोग्राफी सिस्टम के परीक्षण के लिए डिज़ाइन किया गया है; दाएं: अलग-अलग गहराई (6 मिमी, 10 मिमी और 14 मिमी; 3.5 मिमी की अंतर-समावेशदूरी पर एम्बेडेड चैनलों के साथ बड़े आयताकार प्रेत), जिसे हैंडहेल्ड सिस्टम के परीक्षण के लिए डिज़ाइन किया गया है। (बी) एम्बेडेड स्ट्रिंग्स के साथ आयताकार प्रेत की उदाहरण फोटोएकॉस्टिक छवि, एक वाणिज्यिक फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग सिस्टम के साथ 532 एनएम पर अधिग्रहित। (सी) बेलनाकार टोमोग्राफिक फैंटम की उदाहरण फोटोएकॉस्टिक छवि, एक वाणिज्यिक फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग सिस्टम के साथ 800 एनएम पर प्राप्त की गई। (डी) निग्रोसिन की सांद्रता में वृद्धि करके ऑप्टिकल अवशोषण सांद्रता में वृद्धि के साथ प्रेत (छवि पर खनिज तेल की कुल मात्रा के वजन प्रतिशत में दी गई सांद्रता)। चित्रा 3 बी, सी हैकर एट अल .39 से पुन: प्रस्तुत किया गया है। स्केल बार = 10 मिमी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्र 4: आम प्रेत विफलताएं । (ए, बी) बेस मैट्रिक्स के अंदर फंसे हवा के बुलबुले दिखाने वाली तस्वीरें। (सी) आधार घटकों के अपर्याप्त मिश्रण से परिणामी फोटोएकॉस्टिक छवि में असमानता (लाल तीर) होती है। स्केल बार = 5 मिमी (ए)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

तालिका 2: ऑप्टिकल अवशोषण (μए) और प्रकीर्णन (μएस') मूल्यों की ट्यूनिंग का सारणीबद्ध अवलोकन। प्रतिशत मान आधार समाधान (खनिज तेल, कॉलम 1) की कुल मात्रा और प्रेत सामग्री (कॉलम 2) के कुल वजन के वजन प्रतिशत के रूप में दिए जाते हैं। निग्रोसिन सांद्रता पूर्ण निग्रोसिन (स्टॉक समाधान नहीं) की कुल मात्रा को दर्शाती है। सभी नमूनों में एंटीऑक्सिडेंट (वैकल्पिक) के रूप में 5% ब्यूटाइलेटेड हाइड्रॉक्सीटोल्यूनि शामिल था। एन = प्रति नमूना 3 माप। तालिका का एक दृश्य प्रतिनिधित्व हैकर एट अल .39 में पाया जा सकता है। संक्षिप्त नाम: नेग = नगण्य। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

तालिका 3: ध्वनिक क्षीणन (α) और ध्वनि की गति (सी) मूल्यों की ट्यूनिंग का सारणीबद्ध अवलोकन। गैर-रेखीय कम से कम वर्ग फिटिंग (एन = 4 माप प्रति नमूना) से प्राप्त α 0 और एन मापदंडों के साथ0 एफएन α शक्ति कानून द्वारा वर्णित। F MHz में आवृत्ति को दर्शाता है। प्रतिशत मान आधार समाधान (खनिज तेल) के कुल वजन के वजन प्रतिशत के रूप में दिए जाते हैं। सभी नमूनों में एंटीऑक्सिडेंट (वैकल्पिक) के रूप में 5% ब्यूटाइलेटेड हाइड्रॉक्सीटोल्यूनि शामिल था। तालिका का एक दृश्य प्रतिनिधित्व हैकर एट अल .39 में पाया जा सकता है। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

पूरक चित्रा एस 1: सत्यापन के लिए उपयोग किए जाने वाले ध्वनिक और ऑप्टिकल लक्षण वर्णन प्रणालियों का सेटअप। ध्वनिक क्षीणन गुणांक और ध्वनि की गति के निर्धारण के लिए ध्वनिक लक्षण वर्णन प्रणाली की एक तस्वीर (ए) और योजनाबद्ध (बी) प्रदर्शित की जाती है। व्यक्तिगत सिस्टम घटकों को फोटो और योजनाबद्ध में एनोटेशन एचपी (हाइड्रोफोन), एस (नमूना), और टी (ट्रांसड्यूसर) द्वारा निरूपित किया जाता है। ऑप्टिकल अवशोषण गुणांक और कम प्रकीर्णन गुणांक के मूल्यांकन के लिए डबल-एकीकृत क्षेत्र प्रणाली की एक तस्वीर (सी) और योजनाबद्ध (डी) दिखाई गई है। व्यक्तिगत सिस्टम घटकों को फोटो और योजनाबद्ध में एनोटेशन एस (नमूना), आरएस (परावर्तनीयता क्षेत्र), टीएस (ट्रांसमिशन क्षेत्र), ओएफ (ऑप्टिकल फाइबर), और एमएस (मोटराइज्ड स्टेज) द्वारा निरूपित किया जाता है। यह आंकड़ा हैकर एट अल 39 से पुन: प्रस्तुत किया गया है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

यहां, एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है जिसका उद्देश्य एक स्थिर, जैविक रूप से प्रासंगिक सामग्री के लिए एक बहुमुखी नुस्खा प्रदान करना है जिसका उपयोग मल्टीमॉडल ध्वनिक और ऑप्टिकल बायोमेडिकल इमेजिंग अनुप्रयोगों में अंशांकन माप और मानकीकरण के लिए प्रेत बनाने के लिए किया जा सकता है। सामग्री को पहले समय39 के साथ स्थिर दिखाया गया है, उच्च बैच-टू-बैच प्रजनन क्षमता, उपयोग करने के लिए सुरक्षित होने और मानक वैज्ञानिक आपूर्तिकर्ताओं से आसानी से उपलब्ध, लागत प्रभावी सामग्री शामिल करने के लिए। सामग्री गुण स्वतंत्र रूप से प्रासंगिक ध्वनिक और ऑप्टिकल शासन में असमर्थ हैं। इसके अलावा, यह यांत्रिक रूप से मजबूत और पानी में अघुलनशील है, जिससे मोटे तौर पर हैंडलिंग होती है, और यह पानी-आधारित युग्मन एजेंटों के लिए निष्क्रिय है जो अल्ट्रासोनिक / फोटोएकॉस्टिक अनुसंधान में उपयोग किए जाते हैं। इस बात पर प्रकाश डाला गया कि विभिन्न प्रेत डिजाइनों को विभिन्न प्रकार के समावेशन के साथ बनाया जा सकता है, जो एक ही या विभिन्न सामग्री प्रकारों से बने होते हैं। इन गुणों को देखते हुए, सामग्री एक आदर्श बायोफोटोनिक प्रेत के लिए उपरोक्त प्रमुख मानदंडों को पूरा करती है और अन्य मौजूदा ऊतक-नकलसामग्री की तुलना में महत्वपूर्ण लाभ दिखाती है। सटीक विनिर्माण प्रक्रिया का विवरण देकर, हम निर्माण प्रक्रिया से उत्पन्न होने वाली विविधताओं को कम करने की उम्मीद करते हैं, जिससे इमेजिंग सिस्टम के प्रदर्शन को कैलिब्रेट करने, मान्य करने और ट्रैक करने के लिए इसके उपयोग को अनुकूलित किया जा सके।

निर्माण प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण होने के रूप में दो प्रमुख चरणों की पहचान की गई है। सबसे पहले, एक समरूप सामग्री के निर्माण के लिए सामग्री को अच्छी तरह से मिश्रित और समान रूप से गर्म करने की आवश्यकता होती है। मिश्रण के लिए एक सोनिकेटर और चुंबकीय हलचल और हीटिंग के लिए एक तेल स्नान का उपयोग करना आधार मैट्रिक्स के भीतर सामग्री घटकों का समान वितरण सुनिश्चित करता है। ध्यान रखने की आवश्यकता है कि तेल स्नान बहुत उच्च तापमान (>180 डिग्री सेल्सियस) तक न पहुंचे, क्योंकि इसके परिणामस्वरूप सामग्री घटकों का ऑक्सीकरण होगा, जिससे पीला मलिनकिरण होगा। मैनुअल सरगर्मी मिश्रण प्रक्रिया का समर्थन कर सकती है और सामग्री-वायु इंटरफ़ेस से अपर्याप्त हीटिंग की भरपाई करती है। सोनिकेशन और मिश्रण के लिए समय को बढ़ाने की आवश्यकता हो सकती है जब सामग्री की समरूप संरचना सुनिश्चित करने के लिए टीआईओ2 और / या पॉलिमर की उच्च सांद्रता का उपयोग किया जाता है। दूसरा, बेस मैट्रिक्स के भीतर हेटरोजेनेसिस के गठन को रोकने के लिए हवा के बुलबुले को हटाने की आवश्यकता है। जबकि यह वैक्यूम पंप या ओवन के साथ प्राप्त किया जा सकता है, सामग्री के भीतर फंसने वाली हवा को कम करने के लिए कम ऊंचाई से सावधानीपूर्वक डालने का भी अभ्यास किया जाना चाहिए।

सामग्री का एक महत्वपूर्ण लाभ इसके थर्मोप्लास्टिक गुण (एसईबीएस बहुलक से प्राप्त) है, जिससे इसे इसके ध्वनिक औरऑप्टिकल गुणों पर किसी भी महत्वपूर्ण प्रभाव के बिना फिर से गर्म और पुनर्निर्मित किया जा सकता है। हालांकि, पुन: गर्म करने को धीरे-धीरे और सावधानी से किया जाना चाहिए, क्योंकि सामग्री बहुत जल्दी गर्म होने पर आसानी से जल सकती है और ऑक्सीकरण कर सकती है। उच्च एलडीपीई सांद्रता का उपयोग किए जाने पर पुन: गर्म करना भी अधिक कठिन हो जाता है, क्योंकि एलडीपीई एसईबीएस के समान थर्मोप्लास्टिक व्यवहार का प्रदर्शन नहीं करता है।

प्रोटोकॉल की कई सीमाएं बनी हुई हैं। पॉलिमर (150 डिग्री सेल्सियस) के उच्च पिघलने के तापमान के कारण, प्रेत मोल्डों को गर्मी प्रतिरोधी सामग्री, जैसे ग्लास या स्टेनलेस स्टील से बनाने की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, सामग्री तरल अवस्था में काफी चिपचिपी होती है यदि ध्वनिक गुणों को ट्यून करने के लिए एक उच्च बहुलक एकाग्रता का उपयोग किया जाता है, जिससे छोटे इमेजिंग लक्ष्यों को भरना मुश्किल हो जाता है। अंत में, ध्वनिक गुणों की ट्यूनिंग अब ~ 1450-1,516 मीटर -1 की ध्वनि सीमा की गति तक सीमित है जो स्तन या वसा (सी = 1,450-1,480 मीटर -1) जैसे ऊतकों की नकल करने का समर्थन करती है, लेकिन मांसपेशियों या गुर्दे जैसे ऊतकों के लिए अपर्याप्त हो सकती है (सी > 1,520 मीटर -1)। ध्वनिक क्षीणन के सहवर्ती परिवर्तन को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

यहां, हमने अल्ट्रासाउंड और ऑप्टिकल इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए एक स्थिर प्रेत के रूप में सामग्री के आवेदन पर प्रकाश डाला है। हालांकि, कॉपोलीमर-इन-ऑयल सामग्री को इलास्टोग्राफी अनुप्रयोगों35 में भी मूल्य दिखाया गया है, और संभावित रूप से चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग जैसे आगे इमेजिंग तौर-तरीकों के साथ संगतता की अनुमति दे सकता है। प्रेतों के बढ़े हुए शारीरिक यथार्थवाद को 3 डी-मुद्रित मोल्डों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जैसा कि इसी तरह के अध्ययनों 29,47,48,49 में दिखाया गया है। प्रारंभिक अध्ययनों ने सामग्री की 3 डी प्रिंटेबिलिटी का भी प्रदर्शन किया है, प्रसंस्करण और निर्माण के मामले में इसके लचीलेपन को और बढ़ाया है। ये विकास मल्टीमॉडल इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले, स्थिर प्रेत माध्यम के रूप में सामग्री की रोमांचक भविष्य की क्षमता को उजागर करते हैं।

Disclosures

सारा बोहंडिक को पहले साइबरडाइन आईएनसी और आईथेरा मेडिकल जीएमबीएच से अनुसंधान समर्थन प्राप्त हुआ है, जो फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग उपकरणों के विक्रेता हैं। अन्य लेखकों के पास खुलासा करने के लिए वर्तमान पांडुलिपि से संबंधित हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

एलएच को एनपीएल के मेडएक्सेल कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित किया गया था, जिसे व्यापार, ऊर्जा और औद्योगिक रणनीति विभाग के औद्योगिक रणनीति चुनौती कोष द्वारा वित्त पोषित किया गया था। जेएमजी को प्रोजेक्ट जीआर 5824/1 के तहत ड्यूश फोर्सचुंगस्जेमिनशाफ्ट (डीएफजी, जर्मन रिसर्च फाउंडेशन) से धन प्राप्त हुआ। जेजे एकेडमी ऑफ मेडिकल साइंसेज स्प्रिंगबोर्ड (आरईएफ: एसबीएफ007\100007) पुरस्कार से धन सहायता स्वीकार करता है। एसईबी अनुदान संख्या सी 9545 / ए 29580 के तहत कैंसर रिसर्च यूके से समर्थन स्वीकार करता है। एएमआई, बीजेड और एसआर को यूके डिपार्टमेंट फॉर बिजनेस, एनर्जी एंड इंडस्ट्रियल स्ट्रैटेजी द्वारा नेशनल मेजरमेंट सिस्टम के वित्त पोषण के माध्यम से समर्थित किया गया था। चित्रा 1 और चित्रा 2 बायोरेंडर के साथ बनाए गए थे।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Low-density Polyethylene (LDPE) Alfa Aesar  43949.30
CAS: 9002-88-4		 6.70 g
5.8% w/w
Mineral oil Sigma Aldrich 330779-1L
CAS: 8042-47-5		 83.80 g
72.5% w/w
Nigrosin  Sigma Aldrich  211680-100G
CAS: 11099-03-9		 0.4 g 
Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (SEBS) Sigma Aldrich  200557-250G
CAS: 66070-58-4		 25.14 g
21.7% w/w
Silicone oil for oil bath Sigma Aldrich  85409-1L
CAS: 63148-62-9
~1 L (depending on size of oil bath)
Titanium(IV) oxide, anatase (TiO2) Sigma Aldrich  232033
CAS: 1317-70-0		 0.15 g
Antioxidant (optional; e.g., butylated hydroxytoluene) Sigma Aldrich  W218405-1KG-K
CAS: 128-37-0		 may be added to prevent discolouration if higher fabrication temperatures are used 
Oil-solule dyes for inclusions (optional) e.g., Caligo safe wash relief inks, Cranfield Colours, Cwmbran, UK* may be added depending on preferred absorption
Bath Sonicator  Ultrawave Ltd, UK* U500H Ultrasonic Cleaning Bath* ideally with temperature control; recommended operating frequencies between 30-50 kHz)
Crystallising dish for silicone oil bath (up to +200 °C) any suitable supplier (ext. diameter ~140 mm for 250 mL glass beaker)
Glass beaker (~250 mL); glass sample dishes/phantom mould any suitable supplier
Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of > 200 °C Thermo Fisher Scientific, UK* Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer*
Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 g any suitable supplier
Metallic spatula any suitable supplier
Vaccuum oven or vaccum chamber Memmert, Germany (Vacuum oven)*

Cole-Parmer Instrument Company, UK (Vaccum chamber)*		 VO29 (Vacuum oven)

DWK Life Sciences (Kimble) Glass Vacuum Desiccator with Collar (Vaccum chamber)*
1. Acoustic characterization system*
Hydrophone GEC Marconi 30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone
Oscilloscope Tektronix UK, Bracknell, UK DPO 7254 
Pulser–receiver  Olympus NDT, Waltham, MA, USA Olympus 5073PR
Sample holder Newport Spectra-Physics, Didcot, UK Newport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mount may require additional adaptor for sample holding
Thermometer G. H. Zeal, London, UK UKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer
Ultrasound transducer  Force Technology, Brondby, Denmark Transducer of active element diameter 10 mm 
Vernier callipers any suitable supplier
Water tank filled with deionized water  any suitable supplier requires sufficent size (e.g., dimensions 112 × 38 × 30 cm3)
2.Optical characterization system*
Integrating sphere (two) Avantes, Apeldoorn, the Netherlands AvaSphere-50, 50 cm internal diameter
Light source  Avantes, Apeldoorn, the Netherlands Avalight-HAL-s-mini
Motorized stage (optional) Thorlabs, Thorlabs MTS50
Optical fibres (three) any suitable supplier
Reflectance standard Labsphere, North Sutton, USA 99%, white, 1.25" diameter, USRS-99-010, AS-01158-060
Spectrometer Avantes, Apeldoorn, the Netherlands Starline Avaspec-2048
Software
Data acqusition software (e.g., Labview) National Instruments, Austin, TX, USA
Data analysis software (e.g., Matlab) Mathworks, Natick, USA
Inverse adding doubling (IAD) program  Source code: http://omlc.org/software/iad/
*Please note that similar equipment may also be used.

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References

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चिकित्सा अंक 196
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Hacker, L., Ivory, A. M., Joseph, J., Gröhl, J., Zeqiri, B., Rajagopal, S., Bohndiek, S. E. A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging. J. Vis. Exp. (196), e65475, doi:10.3791/65475 (2023).

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