Agarose 기반 조직 확산 반사율 분광학에 대 한 광학 환영을 흉내 낸

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Bioengineering

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Summary

여기, 우리가 방법을 보여 줍니다 agarose 기반 조직 흉내 낸 광학 환영 만든 방법 그들의 광학 속성 통합 영역을 기존의 광학 시스템을 사용 하 여 결정 됩니다.

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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).

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Abstract

이 프로토콜 agarose 기반 조직 흉내 낸 유령 개체를 확인 하는 방법을 설명 하 고 통합 영역을 기존의 광학 시스템을 사용 하 여 그들의 광학 속성을 확인 하는 방법을 보여 줍니다. 확산 반사율과 총 투과율 스펙트럼의 인수는 광대역 백색 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 통합 영역, 샘플 홀더, 광 조사, 건설에 대 한 측정 시스템 및 멀티 채널 분석기입니다. 두 개의 직사각형 아크릴 조각 및 U 자 모양 아크릴 조각으로 구성 된 아크릴 형 전체 혈액 상피 팬텀과 피부 팬텀을 만들려고 생성 됩니다. 피부 팬텀에 나트륨 dithionite (나2S2O4) 솔루션의 응용 프로그램 deoxygenate 피부 팬텀에 배포 적혈구에서 헤모글로빈에 연구원을 수 있습니다. 흡수 계수 스펙트럼 µa(λ) 결정 하 역 확산 반사율 및 총 투과율 스펙트럼 분석기와 통합 영역에 의해 측정 몬테카를로 시뮬레이션 수행 및 산란 계수 스펙트럼 µs감소 ' (λ) 각 레이어의 팬텀. 인간의 피부 조직의 확산 반사율을 흉내 낸 2 층 팬텀도 늘어나고 피부 팬텀 상피 팬텀으로 시연 했다.

Introduction

광학 환영은 개체 생물 학적 조직의 광학 속성을 흉내 낸 하 고 생물 의학 광학 분야에서 널리 사용 되었습니다. 그들은 살아있는 인간과 동물 조직의 산란 및 흡수 계수 등의 광학 속성을 일치 되도록 설계 되었습니다. 광학 환영은 일반적으로 다음과 같은 목적을 위해 사용 됩니다: 생물학 조직, 새로 개발된 된 광 시스템 디자인, 품질 및 성능 비교 기존 시스템의 성능 평가 보정 빛 전송 시뮬레이션 사이 시스템, 및 광학 속성1,2,3,,45척도를 광학 방법의 능력을 확인 합니다. 따라서, 쉽게--get 물질, 간단한 제조 공정, 높은 재현성 및 광 안정성은 광학 환영을 만드는 필요 합니다.

다양 한 형태의 수성 현 탁 액6, 젤라틴 등 서로 다른 기본 재료로 광학 환영 젤7, agarose 젤8,,910, polyacrylamide 젤11, 수 지12, 13,,1415,16, 그리고 실리콘 방 온도가 무제17 이전 문학에서 보고 되었다. 그것은 젤라틴 및 alginate 기반 젤은 이종 구조18와 광학 환영에 대 한 유용한 보고 되었습니다. Alginate 팬텀 레이저 절제 연구 등 고 열 레이저 기반 연구18photothermal 효과 평가 하기 위한 적합 한 기계적 및 열 안정성이 있다. Agarose 젤 이종 구조를 조작 하는 능력 있고 그들의 기계적 및 물리적 특성은 오랜 시간18에 대 한 안정. 고 순도 agarose 젤 매우 낮은 탁도 있고 약한 광 흡수. 따라서, agarose 기반 환영의 광학 속성 쉽게 적절 한 빛 산란 및 흡수 하는 에이전트 설계 수 있습니다. 최근, 스 티 렌-에틸렌-부 틸 렌-스 티 렌 (SEBS) 블록 공중 합체19 및 폴 리 염화 비닐 (PVC) 젤20 보고 되었습니다에 대 한 흥미로운 가상 자료로 광학 및 photoacoustic 기법.

폴리머 스피어7,12,,2122, 티타늄 산화물 파우더1및 지질 유화 액23,,2425,26 우유 등 지질 에멀젼 검정 잉크27,28 및 분자 염료29,30 는 빛 흡수로 사용 하는 반면 산란 요원으로 사용 됩니다. 장기는 적혈구에 산소와 deoxygenated 헤모글로빈의 흡수에 의해 지배 된다 대부분 생활의 반사율 스펙트럼 확산 한다. 따라서 헤모글로빈 솔루션31,32 와 전체 혈액8,9,10,,3336 으로 자주 사용에 빛 흡수는 확산 반사율 분광학 및 multispectral 이미징에 대 한 환영.

이 문서에서 설명 하는 방법은 광 속성의 특성을 흉내 낸 생물 학적 조직의 빛 전송 광학 팬텀을 만드는 데 사용 됩니다. 예를 들어, 한 2 층 광 팬텀 mimicking 광학 속성 인간의 피부 조직의 시연입니다. 대체 기술을 통해이 방법의 장점은 보이는 가까운 적외선 파장 영역으로 그것을 사용 하 여 쉽게 사용할 수 있도록 단순에 생활 생물 학적 조직의 확산 반사율 스펙트럼을 나타낼 수 재료 및 기존의 광학 기기입니다. 따라서,이 방법으로 만든 광학 환영 확산 반사율 분광학 및 multispectral 영상에 따라 광학 방법의 개발을 위해 유용할 것 이다.

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Protocol

1. 기존의 확산 총 투과율 및 반사율 분 광 시스템의 건설

참고: 확산 반사율 및 광대역 백색 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 통합 영역, 샘플 홀더, 광섬유, 그리고 멀티 채널 분석기를 사용 하 여 총 투과율 스펙트럼에 대 한 측정 시스템을 구성 합니다. 라이트 트랩의 역할 반사율 스펙트럼에서 반사 반사 구성 요소를 제거 하는 것입니다. 장착 플레이트와 사 개 포트에 대 한 샘플을 보유 하 고 스프링 클램프 어셈블리 통합 분야의 샘플 홀더에 의하여 이루어져 있다. 사 개 및 스프링 클램프 어셈블리 샘플 홀더에서 제거 되 고 발포 폴리스 티 렌의 손으로 만든 입방 받침대 대신 장착 플레이트에 연결. 그림 1a1b, 광학 부품의 레이아웃 수 참조할 확산 반사율 측정 및 총 투과율 측정에 대 한 건축 절차에 대 한 각각.

  1. 분석기 및 제공 하는 범용 직렬 버스 (USB) 케이블을 사용 하 여 개인용 컴퓨터를 연결 합니다.
  2. 통합 영역의 검출기 포트에 포트 어댑터를 연결 합니다. 분석기 및 광섬유를 사용 하 여 통합 구 포트 어댑터를 연결 합니다. 150 W 할로겐 램프 광원 및 조명 가이드 연결.
  3. 통합 분야의 샘플 포트 샘플 홀더를 연결 합니다. 확산 반사율 측정을 수행할 때 빛 함정 통합 분야의 적절 한 포트에 연결 합니다. 라이트 가이드와 achromatic 렌즈는 샘플 을 통해 조명 하는 할로겐 램프 광원을 켭니다.
  4. 분석기의 운영 소프트웨어를 엽니다.

2입니다. 아크릴 형의 준비

참고: 두 개의 직사각형 아크릴 조각 및 U 자 모양 아크릴 조각으로 구성 된 아크릴 형 단층 젤 팬텀 만들려고 생성 됩니다. 그림 2 는이 건설 절차를 참조할 수 있습니다.

  1. 두 개의 직사각형 아크릴 조각 2 mm 두께 아크릴 판에서 선택적 크기를 잘라.
  2. 옵션 크기가 1 mm 두께 아크릴 판에서 아크릴 조각을 잘라. 1 m m 두꺼운 표 피 환영을 금형에 사용할 U 모양 조각 된다 그래야 1 m m 두께 아크릴 조각을 잘라.
  3. 옵션 크기가 5 mm 두께 아크릴 판에서 아크릴 조각을 잘라. U 자 모양의 조각 5-m m 두꺼운 피부 환영을 몰드로 사용 된다 그래야 5 mm 두께 아크릴 조각을 잘라.
  4. 금속 파일을 사용 하 여 각 아크릴 조각에서 모든 털을 제거 합니다.
  5. 1 m m 두께 U 자 모양의 조각을 두 2 mm 두께 아크릴 조각를 5 폴드 백 클립으로 고정 하 여 상피 유령 형을 확인 합니다.
  6. 5 mm 두께 U 자 모양의 조각을 두 2 mm 두께 아크릴 조각를 5 폴드 백 클립으로 고정 하 여 피부 유령 형을 확인 합니다.

3입니다. 기본 재료의 준비

  1. 0.9% (w/v)는 포드에 NaCl 표준 염 분의 500 mL를 넣어. 천천히 응집 방지를 혼합 교 반 하면서 agarose 분말의 5 g을 추가 합니다.
  2. 5 분에 대 한 1000 W 전원 설정 전기 요리 히터에 의해 agarose 분말과 염 분의 혼합물을 열.
  3. 혼합물의 종 기, 일단 3 분 동안 낮은 열에 혼합물을 유지.
  4. 약 70 ° c.의 온도에 혼합물을 냉각 그런 다음 컨테이너에 혼합물을 부 어 하 고 유령 하기 전에 30 분 동안 60 ° C에서 일정 한 온도 목욕에 계속.

4. 피부를 흉내 낸 광학 환영의 준비

참고: 커피 솔루션은 멜 라 닌의 흡수 스펙트럼을 모방 하는 데 사용 됩니다. 커피 솔루션 melanoidin 라는 갈색 안료를 포함 되어 있습니다. 흡수 스펙트럼 melanoidin의 멜 라 닌10의 수를 보고 되었습니다.

  1. 표 피 팬텀 준비
    1. 커피 메이커 저수지에 순수한 물 100 mL를 붓으십시오. 커피 메이커 바구니에 필터를 배치 합니다. 필터에 원두 커피의 24 g을 추가 합니다. 켜고 커피 메이커 양조 시작 brew 단추를 누릅니다.
    2. 커피 솔루션 유리 병에 양조 커피와 염 분의 16 mL 4 mL를 넣어.
    3. 지질 에멀젼 (예를 들어, intralipid 10%)의 5 mL을 넣어 10 ml는 투명 한 플라스틱 컵에 커피 솔루션의. 천천히 교 반 하면서이 혼합물에 기본 물자의 35 mL를 추가 합니다.
    4. 주사기로 혼합물을 발음 하 고 어떤 거품 형성을 피하고 있는 동안 표 피 유령 형으로 그것을 천천히 주사. 20 분 동안 5 ° C에 혼합물을 포함 하는 아크릴 금형을 냉각 한다.
    5. 금형에서 폴드 백 클립을 제거 합니다. 슬라이드 바깥쪽 아크릴 조각 중 고 금형에서 제거 합니다. 1 m m 두께 응고 젤은 금형 팬텀 고 수술 메스를 사용 하 여 원하는 크기로 잘라.
    6. 장소 두 슬라이드 유리 사이 젤 팬텀을 누르고 있습니다.
  2. 산소를 혈액을 포함 하는 피부 팬텀 준비
    1. 지질 유화 액 5.0 mL 및 45%가 전체 말 혈액의 0.4 mL 고 투명 플라스틱 컵에 넣어. 천천히 혼합 교 반 하면서 기본 물자의 44.6 mL를 추가 합니다.
    2. 주사기로 혼합물을 발음 하 고 주사 천천히 피부 팬텀 금형에 어떤 거품 형성을 피하고 있는 동안. 20 분 동안 5 ° C에 혼합물을 포함 하는 아크릴 금형을 냉각 한다.
    3. 금형에서 폴드 백 클립을 제거 합니다. 슬라이드 바깥쪽 아크릴 조각 중 고 금형에서 제거 합니다. 5 mm 두께 응고 젤은 금형 팬텀 고 수술 메스를 사용 하 여 원하는 크기로 잘라.
    4. 장소 두 슬라이드 유리 사이 젤 팬텀을 누르고 있습니다.
  3. Deoxygenated 혈액을 포함 하는 피부 팬텀 준비
    1. 팬텀 유리 접시 (4.2.3 단계)에서 산소를 혈액을 포함 하는 피부 젤 넣어.
    2. 20 mL 유리병에 식 염 수로 나트륨 dithionite (나2S2O4)의 1 g을 분해.
    3. 팬텀에 혈액 deoxygenate를 주사기를 사용 하 여 팬텀에 나2S2O4 솔루션의 0.05 g/mL를 추가 합니다.
    4. 장소 밖으로 건조 방지 하기 위해 두 개의 슬라이드 유리 사이 팬텀을 누르고 있습니다.
  4. 2 층 팬텀 준비
    1. 표 피 및 진 레이어 간의 광 결합 되도록 피부 팬텀에 염 분의 0.1 mL 드롭. 피부 팬텀에 상피 팬텀을 놓습니다.
    2. 어떤 기포 레이어 간에 존재 하는 경우 밀어 그들 밖으로 손가락 끝을 가진 2 층 팬텀의 표면을 쓰 다듬어에 의해.
    3. 그것은 밖으로 건조를 방지 하기 위해 두 개의 슬라이드 안경 사이 2 층 팬텀을 잡으십시오.

5입니다. 확산 반사율 스펙트럼의 수집

  1. 어두운 스펙트럼의 수집
    참고: 전 하 결합 소자 (CCD) 센서는 분석기에 입사광에 대 한 응답에서을 생성 하는 전기 신호에 따라 빛의 강도 추정할 수 있다. 그러나, 어두운 잡음37 독립적인 광자에 의해 생성 된 신호는 하지만 센서는 빛을 감지 하지 않는 경우에 장치 온도에 따라 달라 집니다 있다. 정확 하 게 측정 하려면 빛의 스펙트럼 강도, 어두운 전류 신호 한다 어두운 스펙트럼으로 측정 되며 다음 샘플 스펙트럼에서 뺍니다. 어두운 스펙트럼은 스펙트럼 빛 경로 차단와 함께 찍은.
    1. 통합 영역 확산 반사율 측정 (그림 1a)에 대 한 최적의 위치에 배치 합니다.
    2. 할로겐 램프 광원을 해제 합니다. 포트 플러그 또는 차폐 플레이트를 사용 하 여 분 광 계에 빛 경로 차단 합니다.
    3. 어두운 스펙트럼을 저장 하려면 파일 메뉴에서 어두운 저장 명령을 선택 합니다.
    4. 측정된 샘플 스펙트럼 (아래 참조)에서 어두운 스펙트럼을 파일 메뉴에서 빼기 어두운 스펙트럼 명령을 선택 합니다.
  2. 참고 스펙트럼의 취득
    참고: 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 광섬유, 분석기, 등이 실험에 사용 되는 부품의 광학 속성 있다 그들의 자신의 파장 의존. 따라서, 이러한 광학 부품을 통과 하는 빛의 스펙트럼 강도 참조 스펙트럼으로 측정 되어야 한다. 확산 반사율 스펙트럼의 측정을 위한 참조 스펙트럼 광원에서 빛으로 조명 표준 흰색 디퓨저와 함께 찍은 스펙트럼이 이다.
    1. 할로겐 램프 광원 전원 버튼을 눌러 켭니다. 워밍업-참조 스펙트럼을 취득 하기 전에 적어도 10 분 동안 램프.
    2. 통합 분야의 샘플 포트에서 표준 흰색 디퓨저 (, Spectralon)를 배치 합니다.
    3. 계의 통합 시간 피크 신호 강도 분석기 강도 최대의 약 75% 분석기 운영 소프트웨어에 드롭-다운 목록에서 적당 한 값을 선택 하 여 조정 합니다.
    4. 참조 스펙트럼을 저장 하 고 파일 메뉴에서 참조를 저장 명령을 선택 합니다.
  3. 샘플 스펙트럼의 취득
    참고: 샘플의 확산 반사율 스펙트럼은 취득 하 고 같은 인수 조건을 사용 하 여 개인 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장.
    1. 표 피 팬텀 샘플 포트에 두 개의 슬라이드 안경으로 샌드위치를 놓습니다. 확산 반사율 스펙트럼 파일에 저장 하려면 파일 메뉴에서 저장 명령을 선택 합니다.
    2. 반복 단계 5.3.1 고 2 층은 피부에 대 한 환영 합니다.

6입니다. 총 투과율 스펙트럼의 인수

  1. 어두운 스펙트럼의 수집
    참고: 센서는 분석기에 입사광에 대 한 응답에서을 생성 하는 전기 신호에 따라 빛의 강도 추정할 수 있다. 그러나, 어두운 잡음을 광자에 의해 생성 된 신호는 독립적 이지만 센서는 빛을 감지 하지 않는 경우에 장치 온도에 따라 달라 집니다 있다. 정확 하 게 측정 하려면 빛의 스펙트럼 강도, 어두운 전류 신호 한다 어두운 스펙트럼으로 측정 되며 다음 샘플 스펙트럼에서 뺍니다. 어두운 스펙트럼은 스펙트럼 빛 경로 차단와 함께 찍은.
    1. 통합 영역 총 투과율 측정 (그림 1b)에 대 한 최적의 위치에 배치 합니다.
    2. 통합 영역의 포트에서 라이트 트랩을 제거 하 고 포트에 포트 플러그 부착.
    3. 할로겐 램프 광원을 해제 합니다. 통합 영역 포트 플러그를 사용 하 여 또는 차폐 판에 빛 경로 차단 합니다.
    4. 어두운 스펙트럼을 저장 하려면 파일 메뉴에서 어두운 저장 명령을 선택 합니다.
    5. 측정된 샘플 스펙트럼 (아래 참조)에서 어두운 스펙트럼을 파일 메뉴에서 빼기 어두운 스펙트럼 명령을 선택 합니다.
  2. 참고 스펙트럼의 취득
    참고: 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 광섬유, 분석기, 등이 실험에 사용 되는 부품의 광학 속성 있다 그들의 자신의 파장 의존. 따라서, 이러한 구성 요소를 통해 전달 하는 빛의 스펙트럼 강도 참조 스펙트럼으로 측정 되어야 한다. 총 투과율 스펙트럼의 측정을 위한 참조 스펙트럼 광원에서 빛은 직접 샘플 포트를 통해 통합 영역을 입력할 때 찍은 스펙트럼이 이다.
    1. 할로겐 램프 광원 전원 버튼을 눌러 켭니다. 워밍업-참조 스펙트럼을 취득 하기 전에 적어도 10 분 동안 램프.
    2. 계의 통합에 가장 큰 빛의 강도 표시는 최대의 약 75%는 신호는 분석기의 운영 소프트웨어에 통합의 드롭-다운 목록에서 적당 한 값을 선택 하 여 조절 값입니다.
    3. 참조 스펙트럼을 저장 하 고 파일 메뉴에서 참조를 저장 명령을 선택 합니다.
  3. 샘플 스펙트럼의 취득
    참고: 샘플의 총 투과율 스펙트럼 인수 이며 동일한 인수 조건을 사용 하 여 개인 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장 합니다.
    1. 표 피 팬텀 샘플 포트에 두 개의 슬라이드 안경으로 샌드위치를 놓습니다. 총 투과율 스펙트럼 파일에 저장 하려면 파일 메뉴에서 저장 명령을 선택 합니다.
    2. 반복 단계 6.3.1 고 2 층은 피부에 대 한 환영 합니다.

7. 흡수 및 빛 산란 특성 예측

참고: 확산 반사율 스펙트럼 및 총 투과율 스펙트럼의 집합은 개인용 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장 하 고 오프 라인 분석. 반대 몬테카를로 시뮬레이션8,38,,3940 다음는 흡수 계수 스펙트럼 µa(λ)와 감소 된 산란 계수 추정을 수행합니다 스펙트럼 µs'(λ). 이 역 몬테카를로 시뮬레이션에서에서 예상된 산란 계수 μs, 이방성 계수 g 0, 가정에서 감소 된 산란 계수 μs로 간주 됩니다 ' . 모두는 반사율과 투과율 데이터 단일 시뮬레이션 실행에 사용 됩니다. 이 프로토콜에 사용 되는 자세한 알고리즘은 이전 문학8,39에 알려졌다. 우리는 흡수 계수 스펙트럼 µa(λ)와 감소 된 산란 계수 스펙트럼 µs'(λ) 확산 반사율의 집합에서 표 피 층의 추정 스펙트럼 그리고 표 피 층에서 얻은 총 투과율 스펙트럼. 같은 방식으로, 우리가 예상 µa(λ)와 μs'(λ)는 피부에서 얻은 총 투과율 스펙트럼 확산 반사율 스펙트럼의 집합에서 피부 층의 레이어입니다.

  1. 몬테카를로 시뮬레이션에 대 한 입력된 파일을 엽니다.
  2. 측정된 확산 반사율과 특정 파장 범위 400에서 700에서 총 투과율의 값 입력 nm 간격 10 nm-입력된 데이터 파일에. 입력된 데이터 파일에서 팬텀 두께 값을 입력 합니다.
  3. 입력된 데이터 파일에 적절 한 값에 레이어의 굴절률 n 을 설정 (예를 들어, n = 1.33 550 nm). 입력된 데이터 파일에는 0을 이방성 계수 g 의 값을 설정 합니다.
  4. 흡수 계수 μ 입력된 데이터 파일에 적절 한 값을 산란 계수 μs 의 초기 값을 설정 (예를 들어, μ 0.01 µs = = 0.1 ).
  5. 역 몬테카를로 시뮬레이션 프로그램을 실행 합니다.
  6. 입력된 파일 이름을 입력 하 고 시뮬레이션을 실행 합니다.
  7. 출력 파일을 열고 반복 시뮬레이션 종료 후 µaµs 의 최종 값을 확인 합니다.
  8. 다른 원하는 파장 7.1-7.7 단계를 반복 합니다.

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Representative Results

그림 3 감소 산란 계수와 상피 팬텀과 팬텀은 피부에 대 한 흡수 계수의 대표 예상된 스펙트럼을 보여준다. 그림 3 에 표시 된 결과 반사율과 투과율 스펙트럼의 10 측정의 평균입니다. 감소 된 산란 계수 μs' 는 광범위 한 분산 스펙트럼, 짧은 파장에서 더 높은 크기를 전시. 스펙트럼 기능 부드러운 조직의 일반적인 분산 스펙트럼에 해당합니다. 흡수 계수 μ 상피 팬텀 자연 붕괴의 파장으로 기 하 급수적으로 증가, 비슷한 멜 라 닌의 흡수 스펙트럼. 표 피 유령 계층의 흡수 계수 스펙트럼과 멜 라 닌41 의 지 수 함수로 의해 적합 했다:
Equation

표 피 계층에 대 한 B 의 값은 계산 0.011, 반면 그 멜 라 닌 0.009 이기 위하여 견적 되었다. 흡수 계수 μ 피부 팬텀 포함 하의 파장 의존 혈액 산소 하 고 deoxygenated 혈액 산소 헤모글로빈 고 deoxygenated 헤모글로빈의 스펙트럼 특성에 의해 지배 된다 각각.

그림 4 는 2 층 피부 환영의 대표 디지털 컬러 사진. 그림 4a 2 층 피부 팬텀의 단면 이미지를 보여줍니다. 그림 4b4c 각각 산소를 혈액을 deoxygenated 혈액을 포함 하는 3 x 3 팬텀 매트릭스의 상위 뷰를 표시 합니다. 아래로 위에서 행 커피 솔루션의 농도 Cc 5%, 10% 및 20% 있다. 오른쪽 왼쪽에서 열 0.2%, 0.4%, 0.6%의 혈액 농도 Cb 있다. 팬텀의 색이 된다 표 피 계층 증가에 Cc 의 값으로 어두운 반면 핑크 Cb 의 값으로 바뀝니다. 산소를 혈액으로 팬텀 deoxygenated 혈액 보다 더 붉은 색깔이 있다. 그 유사 선탠 등 hypoxemia, 생리 적 조건에 따라 피부 색깔의 변화를 각각 나타냅니다.

그림 5 는 담당자의 예 2 층 피부 조직 유령 데 다른 조건 (그림 5a)에 대 한 커피 솔루션 Cc, (의 농도에서 얻은 확산 반사율 스펙트럼 측정 그림 5b) 전 혈 Cb및 (그림 5c) 혈액의 산소 상태의 농도. 그림 5a에 짧은 파장 영역에 확산 반사율은 크게 감소와 비교 C의 값으로 더 긴 파장 영역에서c 더 큰가 된다. 이것은 짧은 파장 영역에서 커피 솔루션에 의해 강한 빛 흡수 예정 이다 ( 그림 3b참조). 그림 5b Cb600 500에서 파장 범위에 있는 헤모글로빈에 의해 강한 빛 흡수를 나타내는의 가치와 중간 파장 영역에 확산 반사율에 놀라운 변화를 보여주는 nm. 산소 헤모글로빈 고 deoxygenated 헤모글로빈과 헤모글로빈의 isosbestic 점 사이의 스펙트럼 기능에 차이 명확 하 게 그림 5 c에서처럼 확산 반사율 스펙트럼에서 관찰 됩니다.

Figure 1
그림 1: 실험 장치 회로도. 이러한 패널 표시 확산 반사율 스펙트럼 (a) 및 (b) 총 투과율 스펙트럼 측정을 위한 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: agarose 기반 광학 환영의 준비에서 단계. 이러한 패널 표시 (a) 표 피 계층 팬텀 및 (b) 피부 층 팬텀의 만들기의 만들기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 대표 환영의 광학 속성 추정. ()이이 패널 표시 평균 감소 산란 계수 스펙트럼 µs' (λ)는 표 피 및 피부 계층의. (b)이이 창에 표시는 흡수 계수 스펙트럼 µa(λ) 표 피 층과 피부 층. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 2 층 피부 환영의 대표 디지털 컬러 사진. ()이이 창에 표시 2 층 피부의 횡단면 뷰 팬텀. (b)이이 패널 산소를 혈액을 포함 하는 3 x 3 팬텀 매트릭스의 상위 뷰를 보여줍니다. (c)이이 패널 deoxygenated 혈액을 포함 하는 3 x 3 팬텀 매트릭스의 상위 뷰를 보여 줍니다. 아래로 위에서 행 커피 솔루션의 농도 Cc 5%, 10% 및 20% 있다. 오른쪽 왼쪽에서 열 0.2%, 0.4%, 0.6%의 혈액 농도 Cb 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: 2 층 피부 조직 환영에서 얻은 확산 반사율 스펙트럼을 측정 하는 대표. 이러한 패널 표시 (a) 커피 솔루션 Cc, (b)의 농도의 다른 조건으로 팬텀의 확산 반사율 스펙트럼 전체 산소 혈액 Cb및 ( 의 농도 c) 혈액의 산소 상태. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

이 프로토콜의 가장 중요 한 단계는 기본 재료의 온도 조절입니다. 58에서 60 ° c.에 배열 했다 기본 자료를 유지 하기 위해 온도 온도 70 ° C 이상, 지질 에멀젼과 전체 혈액의 변성 발생 합니다. 결과적으로, 팬텀의 광학 특성 저하 됩니다. 온도가 40 ° C 보다는 더 적은 인 경우에, 기본 재료 ununiformly gelled 것입니다 그리고, 따라서, 빛 산란 및 흡수 에이전트 배포 될 것입니다 heterogeneously 팬텀에. 기본 재료는 60 ° C에서 보관, 주사기와 suctioning 온도 낮춘 다. 혈액 솔루션에 추가 될 때 기본 물자의 온도 50 ° C에 낮춘 다.

이 문서에서 설명 하는 광학 환영입니다 일반적으로 더 이상 하루에 제한 된 짧은 유용한 수명에서 고통. 밀봉된 한 콘테이너에서 기본 물자와 팬텀을 캡슐화 하거나 방부 제를 사용 하 여 유용한 수명은 확장할 수 있습니다. 팬텀 1 m m 두께 표 피 레이어 인간의 표 피 두께 보다 큰 크기 순서 이다. 그러나 아크릴 형이 프로토콜에서, 그것은 어려운 만들 레이어 두께 0.5 m m 미만. 환영의 측정된 확산 반사율 스펙트럼에이 두께의 예상된 효과 줄이기 위해, 표 피 팬텀의 산란 및 흡수 계수는 확산 반사율 스펙트럼 보여 유사한 스펙트럼을 규제 했다 하는 인간의 피부. 스핀 코팅 방법42 0.5 m m 보다 얇은 레이어를 만들기 위한 약속 같은 데. µA (λ)와 µs의 값 ' (λ) 인간의 피부에 대 한 문학43에 보고 됩니다.

멜 라 닌 또는 agar 팬텀 레이어 빌리 루빈의 균일 한 분포는 어려운 그 chromophores 물에 완전히 용 해 되지 않기 때문에 여기에 설명 된 프로토콜을 사용 하 여 수 있습니다. 볶은 커피 원두와 tartrazine에서 추출 된 melanoidin의 사용 비교으로 사용할 수 있습니다 또는 각각 멜 라 닌 및 빌리 루빈에 대 한 자료를 대체. 역에서 측정 된 확산 반사율과 총 투과율 광학 속성을 계산 사용 하는 몬테카를로 시뮬레이션은 상대적으로 시간이 걸리는 그것의 반복 패션 때문. 또 다른 빛 전송 계산 모델 추가 배로 방법44 계산 시간을 단축 하 사용 될 수 있습니다. 감소 된 산란 계수 μs' 산란 계수 µs 와 이방성 계수 g하 고 집중된 광 속성입니다. µSg 를 별도로 추정, 총 투과율 및 확산 반사율38,40는 팬텀의 조명을된 투과율을 측정 해야 합니다. 현재 연구에서 우리는 각 계층에 대 한 굴절률 측정 하지 않았다. 우리는 agarose 젤 물 주로 이루어져 이후 문학45 역 몬테카를로 시뮬레이션에 대 한 입력된 데이터 파일 대신 출판 물의 굴절률을 설정 합니다. 우리는 두 레이어 사이의 굴절 인덱스에 차이가 있다는 것을 가정 합니다. 우리는 또한 유리의 굴절률에 대 한 공칭 값 사용 (예를 들어, n = λ 에서 1.524 = 546.1 nm) 몬테카를로 시뮬레이션에 대 한.

두 개의 통합 분야, 대신 하나의 통합 영역으로이 프로토콜은 경제적인 유리 하다. 이후 통합 구의 배치 총 투과율 또는 확산 반사율 측정 인지에 따라 변경 해야 합니다 다른 한편으로, 단일 통합 영역을 사용 하 여 시간이 걸리는 이다. 그것은 유리 금형의 디자인을 변경 하 여 다양 한 모양, 크기 및 포함 된 단층 또는 다층 광학 환영을 만드는 데이 문서에서 설명 하는 프로토콜을 확장할 수 있습니다. 그들은 그들의 금형 찍은 후에 즉시 팬텀 레이어의 표면 유체 했다. 따라서, 표 피 층과 피부 층 첫 번째 계층에 밀접 하 게 두 번째 레이어를 스태킹 하 여 함께 준수 했다 됩니다. 첫 번째 보다는 별도로 그들을 조작 하 고 나중에 첨부에 직접 두 번째 레이어를 강화 수 있습니다. 그러나 그 경우에,, 그것은 어려울 수 있습니다 정확 하 게 유니폼 레이어 두께 가진 얇은 표 피 층을 만들기 위해. 우리 팬텀 팬텀의 건조를 방지 하기 위해 유리 사이 끼워 넣으면. 우리 고려 광학 속성 및 역 몬테카를로 시뮬레이션에에서 유리의 두께. 따라서,는 팬텀의 예상된 광학 특성에 아무런 영향을 미치지가 있다. 기존의 방법에 관하여 현재 기술의 중요성 가까운 적외선 파장 영역을 볼 수 있는 살아있는 조직의 확산 반사율 스펙트럼을 대표 하는 기능입니다. 이 프로토콜에 의해 광학 환영 확산 반사율 분광학 및 spectrocolorimetry에 따라 새롭게 개발된 된 광학 방법의 유효성 검사에 사용할 수 있는 것입니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품의 일부는 선진적인 일본 사회에서 Scientific Research (C)에 대 한 과학의 승진 (25350520, 22500401, 15 K 06105) 및 미국 육군 ITC-PAC 연구와 개발 프로젝트 (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132)에 대 한 지원 했다.

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

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