Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome für Diffuse Reflexion Spektroskopie

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Bioengineering

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Summary

Hier zeigen wir wie Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome vorgenommen werden und wie ihre optischen Eigenschaften werden mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel bestimmt.

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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

Dieses Protokoll beschreibt die Agarose-basierte Gewebe imitiert Phantome zu machen und zeigt, wie Sie ihre optischen Eigenschaften, die mit einem herkömmlichen optischen System mit einer Ulbricht-Kugel zu bestimmen. Mess-Systeme für der Erwerb der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren sind mit einer Breitband-weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter, eine achromatische Objektiv, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter ein Glasfaser-Sonde gebaut und eine Mehrkanal-Spektrometer. Ein Acryl Schimmel, bestehend aus zwei rechteckige Acryl Stücke und eine u-förmige Acryl Stück ist konstruiert, um eine epidermalen Phantom und ein dermal Phantom mit Vollblut zu schaffen. Die Anwendung einer Natrium Dithionite (Na2S2O4) Lösung der dermalen Phantom ermöglicht den Forscher zu Hämoglobin der roten Blutkörperchen in der dermalen Phantom verteilt ebenso. Die Inverse Monte-Carlo-Simulation mit der diffusen Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren gemessen durch ein Spektrometer mit einer Ulbricht-Kugel wird durchgeführt, um die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) bestimmen und die reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µs"(λ) der einzelnen Layer phantom. Eine zweischichtige Phantom imitiert die diffuse Reflexion des menschlichen Hautgewebe beweist auch häufen sich die epidermalen Phantom auf die dermale Phantom.

Introduction

Optische Phantome sind Objekte, die imitiert der optischen Eigenschaften der biologischen Gewebe und haben im Bereich Biomedizinische Optik verbreitet. Sie sind entworfen, so dass die optischen Eigenschaften, wie leichte Streuung und Absorption Koeffizienten, mit denen der lebenden menschlichen und tierischen Geweben übereinstimmen. Optische Phantome sind in der Regel für folgende Zwecke verwendet: simuliert den Lichttransport in biologischen Geweben, Kalibrierung von einem neu entwickelten optischen Systemdesign, Bewertung der Qualität und Leistung der bestehenden Systeme, Vergleich der Leistungsfähigkeit zwischen den Systemen und die Möglichkeit der optischen Methoden zur Quantifizierung der optischen Eigenschaften1,2,3,4,5Validierung. Daher sind Stoffe zu bekommen, eine einfache Fertigung, eine hohe Reproduzierbarkeit und eine optische Stabilität benötigt für die Herstellung von optischen Phantome.

Verschiedene Arten von optischen Phantome mit unterschiedlichen Trägermaterialien wie wässrige Suspension6Gelatine gel7, Agarose-Gel8,9,10, Polyacrylamid-Gel11, Harz12, 13,14,15,16und Raum-Temperatur-Vulkanisieren Silikon17 in der bisherigen Literatur berichtet wurde. Es wurde berichtet, dass Gelatine und Alginat-basierten Gele für optische Phantome mit heterogenen Strukturen18nützlich sind. Alginat Phantome haben eine geeignete mechanische und thermische Stabilität für die Bewertung der PHOTOTHERMISCHE Effekte wie Laser Ablation Studien und Laser-basierten Hyperthermie Studien18. Agarose-Gele sind in der Lage, heterogene Strukturen zu fabrizieren, und ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften sind stabil für eine lange Zeit18. Hochreine Agarose-Gele haben eine sehr geringe Trübung und eine schwache optische Absorption. Optische Eigenschaften der Agarose-basierte Phantome konnte daher leicht mit dem entsprechenden Licht Streuung und Absorption Agenten entworfen werden. Vor kurzem, Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) Block-Copolymere19 und Polyvinylchlorid (PVC) Gele20 berichtet als interessante phantom Materialien für optische und photoakustische Techniken.

Polymer Mikrosphären7,12,21,22, Titan-oxid Pulver1und Lipid-Emulsionen23,24,25,26 wie Milch und Lipid Emulsion dienen als Lichtstreuung Agenten, während schwarze Tinte27,28 und molekularen Farbstoffe29,30 als Licht-Absorber eingesetzt werden. Diffuse Reflexion Spektren von den meisten lebenden Organe durch die Absorption von sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin in den roten Blutkörperchen dominiert sind. Daher, Hämoglobin Lösungen31,32 und Vollblut8,9,10,33,36 dienen Sie häufig als Licht-Absorber in der Phantome für eine diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging.

In diesem Artikel beschriebene Methode wird verwendet, um eine optische Phantom imitiert den Lichttransport in biologischen Geweben zu erstellen und seine optischen Eigenschaften zu charakterisieren. Als Beispiel wird eine zweischichtige optische phantom imitiert optischen Eigenschaften der menschlichen Hautgewebe demonstriert. Die Vorteile dieser Methode gegenüber alternativen Techniken sind die Fähigkeit zur Darstellung der diffusen Reflexion Spektren von lebenden biologischen Geweben im sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich sowie die Einfachheit, mit leicht zur Verfügung zu stellen Materialien und konventionelle optische Instrumente. Daher werden die optische Phantome machte von dieser Methode für die Entwicklung von optischen Methoden basierend auf diffuse Reflexion Spektroskopie und multispektralen Imaging nützlich sein.

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Protocol

1. Bau eines konventionellen Diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit spektroskopische Systems

Hinweis: Erstellen Sie die Mess-Systeme für die diffuse Reflexion und totale Durchlässigkeit Spektren ein Breitband weiße Lichtquelle, ein Lichtleiter eine Achromatische Linse, einer Ulbricht-Kugel, einen Probenhalter, einer optischen Faser und ein Mehrkanal-Spektrometer. Die Rolle der Lichtfalle soll die spiegelnde Reflexion-Komponente aus dem Reflexionsvermögen-Spektrum zu entfernen. Der Probenhalter der Ulbricht-Kugel besteht aus einer Montageplatte und ein Schwalbenschwanz und federbelastete Klemme-Assembly, die die Probe gegen den Hafen hält. Der Schwalbenschwanz und federbelastete Klemme Montage werden aus dem Probenhalter entfernt und ein handgefertigten kubische Sockel aus Polystyrol-Hartschaum wird stattdessen mit der Montageplatte befestigt. Die Layouts der optischen Komponenten, dargestellt in Abbildung 1a und 1 b, können für den Bauablauf für die diffuse Reflexion-Messungen und der totale Durchlässigkeit Messungen bzw. bezeichnet werden.

  1. Schließen Sie das Spektrometer und einem Personal-Computer mit dem universellen seriellen Bus (USB) Kabel zur Verfügung gestellt.
  2. Legen Sie den Port Adapter zu einem Detektor der Ulbricht-Kugel. Schließen Sie das Spektrometer und der Port Adapter von der Ulbricht-Kugel mit einer optischen Faser. 150 W Halogen Lampe Lichtquelle und den Lichtleiter zu verbinden.
  3. Legen Sie der Probenhalter mit einem Probe-Anschluss von der Ulbricht-Kugel. Legen Sie die Lichtfalle auf einen entsprechenden Anschluss der Ulbricht-Kugel, wenn die diffuse Reflexion Messungen durchführen. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe beleuchtet ein Beispiel über Lichtleiter und das achromatische Objektiv.
  4. Öffnen Sie die Betriebssoftware des Spektrometers.

2. Vorbereitung von einem Acryl Schimmel

Hinweis: Eine Acryl Form, die aus zwei rechteckige Acryl Stücke und eine u-förmige Acryl Stück ist konstruiert, um einen monomolekularen Film Gel Phantom zu erstellen. Abbildung 2 kann für dieses Bau-Verfahren bezeichnet werden.

  1. Die zwei rechteckige Acryl Teile aus eine 2 mm Dicke Acrylplatte auf eine optionale Größe zuschneiden.
  2. Schneiden Sie ein Acryl Stück aus einer 1 mm dicken Acryl Platte auf eine optionale Größe. Schneiden Sie das 1 mm Dicke Acryl-Stück, so dass es ein u-förmiges Stück für die Form verwendet werden, um 1 mm dicken epidermalen Phantome zu machen wird.
  3. Schneiden Sie ein Acryl Stück aus einer 5 mm dicken Acryl Platte auf eine optionale Größe. Schneiden Sie die 5 mm Dicke Acryl Stück, so dass es ein u-förmiges Stück als Form verwendet werden, um 5 mm dicken dermalen Phantome zu machen wird.
  4. Entfernen Sie Grate aus Acryl mit einer Metallfeile.
  5. Machen Sie die epidermale phantom Form indem das 1 mm Dicke u-förmigen Stück mit 2 mm starkem Acryl zweiteilig und befestigen Sie diese mit fünf Foldback-Clips.
  6. Machen Sie die dermale phantom Form durch halten der 5 mm dicken u-förmigen Stück mit 2 mm starkem Acryl zweiteilig und befestigen Sie diese mit fünf Foldback-Clips.

3. Vorbereitung des Grundwerkstoffes

  1. Setzen Sie 500 mL standard Kochsalzlösung 0,9 % (w/V) NaCl in einer Schote. Fügen Sie langsam 5 g Agarose-Pulver unter Rühren die Mischung um Klumpenbildung zu vermeiden hinzu.
  2. Erhitzen Sie die Mischung aus Agarose-Pulver und Kochsalzlösung durch eine Elektroheizung Kochen mit einer 1.000 W Leistungseinstellung für 5 Minuten.
  3. Sobald die Mischung kocht, halten Sie die Mischung bei schwacher Hitze 3 Minuten lang.
  4. Abkühlen der Mischung auf eine Temperatur von ca. 70 ° C. Dann Gießen Sie die Mischung in einen Behälter und bewahren Sie es an eine Konstante Temperatur Bad bei 60 ° C für 30 min vor ein Phantom.

4. Vorbereitung der Haut imitiert optische Phantome

Hinweis: Eine Kaffee-Lösung wird verwendet, um das Absorptionsspektrum von Melanin zu imitieren. Die Kaffee-Lösung enthält ein braunes Pigment Melanoidin genannt. Das Absorptionsspektrum des Melanoidin wurde berichtet, ähnlich dem von Melanin10sein.

  1. Vorbereiten einer epidermalen phantom
    1. Gießen Sie 100 mL reines Wasser in der Kaffeemaschine Behälter. Legen Sie einen Filter in der Kaffeemaschine-Korb. 24 g gemahlenen Kaffee in den Filter hinzufügen. Schalten Sie die Kaffeemaschine, und drücken Sie die Taste Gebräu brauen beginnen.
    2. Setzen Sie 4 mL Kaffeetemperatur und 16 mL Kochsalzlösung in einer Glasflasche, eine Kaffee-Lösung zu machen.
    3. Setzen Sie 5 mL Lipid-Emulsion (z.B. Intralipid 10 %) und 10 mL der Lösung in einem transparenten Kunststoff-Tasse Kaffee. Fügen Sie 35 mL des Grundmaterials langsam diese Mischung unter Rühren hinzu.
    4. Aspirieren Sie das Gemisch in eine Spritze und injizieren sie langsam in die epidermalen phantom Form Blasenbildung zu vermeiden. Kühlen Sie die Acryl Form enthält die Mischung bei 5 ° C für 20 Minuten.
    5. Entfernen Sie die Foldback-Clips aus der Form. Schieben Sie eines der Acryl Stücke nach außen und entfernen Sie es aus der Form. Das 1 mm Dicke erstarrte Gel phantom aus der Form nehmen und auf die gewünschte Größe mit einem chirurgischen Skalpell schneiden.
    6. Legen und das Gel Phantom zwischen zwei Folie Gläser halten.
  2. Bereiten Sie eine dermale Phantom mit sauerstoffreichem Blut
    1. Nehmen Sie 5,0 mL Lipid-Emulsion und 0,4 mL ganz equine Blut mit 45 % Hämatokrit und in einen durchsichtigen Plastikbecher. Fügen Sie langsam 44,6 mL des Grundmaterials beim rühren der Mischung hinzu.
    2. Aspirieren Sie das Gemisch in eine Spritze und injizieren sie langsam in die dermale phantom Form Blasenbildung zu vermeiden. Kühlen Sie die Acryl Form enthält die Mischung bei 5 ° C für 20 Minuten.
    3. Entfernen Sie die Foldback-Clips aus der Form. Schieben Sie eines der Acryl Stücke nach außen und entfernen Sie es aus der Form. Die 5 mm dicken erstarrte Gel phantom aus der Form nehmen und auf die gewünschte Größe mit einem chirurgischen Skalpell schneiden.
    4. Legen und das Gel Phantom zwischen zwei Folie Gläser halten.
  3. Bereiten Sie eine dermale Phantom enthalten sauerstoffarmes Blut
    1. Legen Sie eine dermale Gel phantom mit sauerstoffreichem Blut (aus Schritt 4.2.3) auf einer Glasschale.
    2. 1 g Natrium Dithionite (Na2S2O4) in 20 mL Kochsalzlösung in einer Glasflasche auflösen.
    3. Hinzugeben Sie 0,05 g/mL Na2S2O4 Lösung auf das Phantom mit einer Spritze, ebenso das Blut in das Phantom.
    4. Legen Sie und halten Sie das Phantom zwischen zwei Folie Gläser um Austrocknen zu vermeiden.
  4. Bereiten Sie eine zweischichtige phantom
    1. Legen Sie 0,1 mL Kochsalzlösung auf eine dermale Phantom um optische Kopplung zwischen der dermalen und epidermalen Schichten zu gewährleisten. Die dermale Phantom der epidermale Phantom aufsetzen.
    2. Wenn keine Luftblasen zwischen den Schichten vorhanden sind, schieben Sie sie heraus durch die Oberfläche des zweischichtigen Phantom mit der Fingerspitze zu streicheln.
    3. Halten Sie das zweischichtige Phantom zwischen zwei Folie Gläser um Austrocknen zu vermeiden.

5. Erwerb der diffusen Reflexion Spektren

  1. Erfassung von dunklen Spektren
    Hinweis: Der Sensor – Coupled Ladegerät (CCD) in das Spektrometer kann Lichtintensität basierend auf ein elektrisches Signal als Reaktion auf einfallendes Licht generiert abschätzen. Es gibt jedoch Dunkelrauschen37 die ist unabhängig von der Signale von Photonen erzeugt, sondern ist abhängig von der Gerätetemperatur, selbst wenn der Sensor das Licht nicht erkennt. Um die spektrale Intensität des Lichts genau zu messen, sollte das dunkle Stromsignal als dunkle Spektrum gemessen und dann von dem Probenspektrum abgezogen. Das dunkle Spektrum ist ein Spektrum mit den Lichtweg blockiert genommen.
    1. Positionieren Sie die Ulbricht-Kugel in eine optimale Position für die diffuse Reflexion Messungen (Abb. 1a).
    2. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe. Blockieren Sie den Lichtweg an das Spektrometer mit einem Port-Stecker oder eine Abschirmung Platte.
    3. Wählen Sie den Befehl Speichern dunkel , ein dunkel Spektrum zu speichern im Dateimenü.
    4. Wählen Sie aus dem Dateimenü, das dunkle Spektrum aus der gemessenen Probenspektrum (siehe unten) zu subtrahieren subtrahieren dunklen Spektrum .
  2. Erfassung von Referenz-Spektren
    Hinweis: Die optischen Eigenschaften der Bauteile in diesem Experiment, wie die Lichtquelle, Lichtleiter, Achromatische Linse, Glasfaser und Spektrometer, haben ihre eigene Wellenlänge-Abhängigkeiten. Daher sollte die spektrale Intensität des Lichts ging durch diese optische Komponenten als ein Referenzspektrum gemessen werden. Für die Messung des Spektrums eine diffuse Reflexion ist das Referenzspektrum Spektrum aufgenommen mit einem standard weißen Diffusor mit dem Licht von der Lichtquelle beleuchtet.
    1. Die Halogen Lampe Lichtquelle durch Drücken des Netzschalters einschalten. Die Lampe für mindestens 10 Minuten vor dem Erwerb ein Referenzspektrum Aufwärmen.
    2. Legen Sie einen standard weißen Diffusor (z.B.Spectralon) am Beispiel Hafen der Ulbricht-Kugel.
    3. Einstellen Sie die Integrationszeit des Spektrometers durch Auswahl geeigneten Wert aus der Dropdown-Liste in der Betriebssoftware Spektrometer so dass die Spitze Signalintensität ca. 75 % der maximalen Intensität Spektrometer ist.
    4. Wählen Sie den Verweis speichern Befehl aus dem Dateimenü um ein Referenzspektrum zu speichern.
  3. Erfassung von Probe-Spektren
    Hinweis: Ein Spektrum an die diffuse Reflexion der Probe ist erworben und gespeichert auf der Festplatte eines PCs mit den gleichen Bedingungen der Übernahme.
    1. Legen Sie die epidermale Phantom durch die zwei Folie Gläser in den probenport eingeklemmt. Wählen Sie den Befehl Speichern im Dateimenü auf eine diffuse Reflexion Spektrum in einer Datei speichern.
    2. Wiederholen Sie Schritt 5.3.1 für die dermale und zweischichtige Phantome.

6. Übernahme des gesamten Transmission Spektrums

  1. Erfassung von dunklen Spektren
    Hinweis: Der Sensor in das Spektrometer kann abschätzen, Lichtintensität basierend auf ein elektrisches Signal als Reaktion auf einfallendes Licht generiert. Es gibt jedoch Dunkelrauschen, die unabhängig von der Signale von Photonen erzeugt, sondern ist abhängig von der Gerätetemperatur, selbst wenn der Sensor das Licht nicht erkennt. Um die spektrale Intensität des Lichts genau zu messen, sollte das dunkle Stromsignal als dunkle Spektrum gemessen und dann von dem Probenspektrum abgezogen. Das dunkle Spektrum ist ein Spektrum mit den Lichtweg blockiert genommen.
    1. Positionieren Sie die Ulbricht-Kugel in eine optimale Position für die gesamte Transmission-Messungen (Abbildung 1 b).
    2. Entfernen Sie die Lichtfalle vom Hafen der Ulbricht-Kugel und legen Sie einen Port-Stecker an den Anschluss.
    3. Schalten Sie die Lampe Halogenlampe. Blockieren Sie den Lichtweg, der Ulbricht-Kugel mit einem Port-Stecker oder Abschirmplatte.
    4. Wählen Sie den Befehl Speichern dunkel , ein dunkel Spektrum zu speichern im Dateimenü.
    5. Wählen Sie aus dem Dateimenü, das dunkle Spektrum aus der gemessenen Probenspektrum (siehe unten) zu subtrahieren subtrahieren dunklen Spektrum .
  2. Erfassung von Referenz-Spektren
    Hinweis: Die optischen Eigenschaften der Bauteile in diesem Experiment, wie die Lichtquelle, Lichtleiter, Achromatische Linse, Glasfaser und Spektrometer, haben ihre eigene Wellenlänge-Abhängigkeiten. Daher sollte die spektrale Intensität des Lichts durchlaufen diese Komponenten als ein Referenzspektrum gemessen werden. Für die Messung des Spektrums totale Durchlässigkeit ist das Referenzspektrum ein Spektrum aufgenommen, wenn das Licht von der Lichtquelle direkt die Ulbricht-Kugel durch den probenport eingibt.
    1. Die Halogen Lampe Lichtquelle durch Drücken des Netzschalters einschalten. Die Lampe für mindestens 10 Minuten vor dem Erwerb ein Referenzspektrum Aufwärmen.
    2. Die Integrationszeit des Spektrometers zu regulieren, indem die passenden Wert aus der Dropdown-Liste der Integrationszeiten in der Betriebssoftware des Spektrometers auswählen, so dass die größte Lichtstärke zeigt ein Signal, das etwa 75 % der maximalen Werte.
    3. Wählen Sie den Verweis speichern Befehl aus dem Dateimenü um ein Referenzspektrum zu speichern.
  3. Erfassung von Probe-Spektren
    Hinweis: Das Spektrum der gesamten Transmission der Probe ist erworben und gespeichert auf der Festplatte eines PCs mit den gleichen Bedingungen der Übernahme.
    1. Legen Sie die epidermale Phantom durch die zwei Folie Gläser in den probenport eingeklemmt. Wählen Sie den Befehl Speichern im Dateimenü auf eine totale Durchlässigkeit Spektrum in einer Datei speichern.
    2. Wiederholen Sie Schritt 6.3.1 für die dermale und zweischichtige Phantome.

7. die Absorption und lichtstreuenden Eigenschaften zu schätzen

Hinweis: Eine Reihe von der diffusen Reflexion Spektrum und das totale Durchlässigkeit Spektrum ist auf der Festplatte eines PCs gespeichert und offline analysiert. Eine Inverse Monte-Carlo-Simulation8,38,39,40 wird dann durchgeführt, um die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) und der reduzierte Streuung Koeffizient zu schätzen Spektrum µs'(λ). In diesem inversen Monte-Carlo-Simulation, die geschätzten Streuung Koeffizient µs, unter der Annahme, dass die Anisotropie Faktor g 0, gilt als die reduzierte Streuung Koeffizient µs" . Die Reflexion und Transmission-Daten werden für eine einzelne Simulation verwendet. Der genaue Algorithmus verwendet in diesem Protokoll wurde in der bisherigen Literatur8,39berichtet. Wir schätzten die Absorption Koeffizient Spektrum µein(λ) und die reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µs'(λ) der epidermalen Schicht aus einem Satz von der diffusen Reflexion Spektrum und die totale Durchlässigkeit Spektrum der epidermalen Schicht entnommen. Auf die gleiche Weise schätzten wir µein(λ) und µs'(λ) der dermalen Schicht aus einem Satz von der diffusen Reflexion Spektrum und das totale Durchlässigkeit Spektrum aus der dermalen gewonnen Schicht.

  1. Öffnen Sie eine Eingabedatei für die Monte-Carlo-Simulation.
  2. Geben Sie die Werte der gemessenen diffuse Reflexion und die totale Durchlässigkeit bei bestimmten Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm in Intervallen von 10 nm in der input-Daten-Datei. Geben Sie den Wert der phantom Dicke in der input-Daten-Datei.
  3. Festlegen der Brechungsindex n eines Layers auf einen geeigneten Wert in der input-Daten-Datei sein (z.B., n = 1,33 bei 550 nm). Legen Sie den Wert der Anisotropie Faktor g 0 in der input-Daten-Datei verwendet.
  4. Legen Sie die Anfangswerte der Absorption Koeffizient µein und Streuung Koeffizient µs werden die entsprechenden Werte in der input-Daten-Datei (z.B., µein = 0,01 µs = 0,1 ).
  5. Führen Sie das Programm der inversen Monte-Carlo-Simulation.
  6. Geben Sie den Namen der Eingabedatei, und führen Sie dann die Simulation.
  7. Öffnen Sie die Ausgabe-Datei zu und überprüfen Sie die endgültigen Werte µein und µs nachdem die iterative Simulation beendet wird.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 7,1-7,7 für andere gewünschte Wellenlängen.

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Representative Results

Abbildung 3 zeigt die repräsentative geschätzte Spektren von der geringeren Streuung-Koeffizient und der Absorptionskoeffizient für die Phantom epidermalen und dermalen Phantom. Die Ergebnisse in Abbildung 3 dargestellt sind die Mittelwerte von zehn Messungen von Reflexion und Transmission Spektren. Reduzierte Streuung Koeffizient µs' hat eine breite Streuung Spektrum, zeigen eine höhere Größenordnung bei kürzeren Wellenlängen. Die spektralen Eigenschaften entsprechen den typischen Streuung Spektren der Weichteile. Die Absorption Koeffizient µeine der epidermalen phantom Zerfälle exponentiell mit zunehmender Wellenlänge, das Absorptionsspektrum von Melanin ähnelt. Koeffizient Absorptionsspektrum der phantom epidermalen Schicht und das Melanin41 wurden durch eine Exponentialfunktion als ausgestattet:
Equation

Der Wert von B für die epidermalen Schicht wurde berechnet 0,011, während für Melanin geschätzt wurde, 0,009. Die Wellenlänge der Absorption Koeffizienten µein für die dermale phantom mit Abhängigkeit oxydierten Blut und sauerstoffarmes Blut ist geprägt durch die spektralen Eigenschaften des oxygenierten Hämoglobin und sauerstoffarmes Hämoglobin, bzw..

Abbildung 4 zeigt repräsentative digitale Farbfotos der zweischichtigen Haut Phantome. Abbildung 4a zeigt ein Querschnitt Bild des zweischichtigen Haut Phantom. Abbildung 4 b und 4 c anzeigen Top Ansichten der phantom 3 x 3-Matrix mit sauerstoffreichem Blut und sauerstoffarmes Blut, bzw.. Die Zeilen von oben nach unten haben Kaffee Lösung Konzentrationen Cc von 5 %, 10 % und 20 %. Die Spalten von links nach rechts haben Blut Konzentrationen Cb 0,2 %, 0,4 % und 0,6 %. Die Farbe des Phantoms dunkler als der Wert von Cc in den epidermalen Schicht erhöht, während es Rosa als der Wert von Cb erhöht wird. Das Phantom mit sauerstoffreichem Blut hat eine rötlichere Farbe als bei sauerstoffarmes Blut. Diese Variationen repräsentieren die Veränderung der Hautfarbe aufgrund der physiologischen Bedingungen wie Bräunung und Hypoxämie.

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für Vertreter diffuse Reflexion Spektren erfragt die zweischichtigen Haut Gewebe Phantome mit unterschiedlichen Bedingungen für (Abb. 5a) die Konzentration von Kaffee Lösung Cc(gemessen Abbildung 5 b) die Konzentration von Vollblut Cbund (Abbildung 5 c) oxydierten Zustand des Blutes. In Abbildung 5asinkt die diffuse Reflexion in einer kürzeren Wellenlänge Region deutlich im Vergleich mit, dass in einer längeren Wellenlänge Region als der Wert von Cc größer wird. Dies ist aufgrund der starken Lichtabsorption durch die Kaffee-Lösung in der kürzeren Wellenlänge-Region (siehe Abb. 3 b). Abbildung 5 b zeigt die bemerkenswerte Veränderung diffuse Reflexion im Großraum Mittlerer Wellenlänge mit dem Wert von Cb, das steht für die starke Lichtabsorption durch Hämoglobin im Wellenlängenbereich von 500 bis 600 nm. Die Differenz in spektrale Funktion sauerstoffreiches Hämoglobin und sauerstoffarmes Hämoglobin und Isosbestic Punkte des Hämoglobins sind deutlich zu sehen in der diffusen Reflexion Spektren dargestellt in Abbildung 5 c.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des experimentellen Apparates. Diese Tafeln zeigen den Aufbau zur Messung von (einem) diffuse Reflexion Spektren und (b) total Transmission Spektren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Schritte bei der Vorbereitung der Agarose-basierten optischen Phantome. Diese Tafeln zeigen (ein) die Herstellung einer epidermalen Schicht phantom und (b) die Herstellung einer dermalen Schicht phantom. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Vertreter der geschätzten optischer Eigenschaften der Phantome. (ein) dieses Panel zeigt die durchschnittliche reduzierte Streuung Koeffizient Spektrum µs"(λ) der epidermalen und dermalen Schichten. (b) dieses Panel zeigt die Absorption Koeffizient Spektren µein(λ) der epidermalen Schicht und Hautschichten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: die repräsentative digitale Farbfotos der zweischichtigen Haut Phantome. (ein) zeigt dieses Fenster eine Querschnittsansicht der zweischichtigen Haut phantom. (b) dieses Panel zeigt die Draufsicht auf die phantom 3 x 3-Matrix mit sauerstoffreichem Blut. (c) dieses Panel zeigt die Draufsicht auf die phantom 3 x 3-Matrix enthalten sauerstoffarmes Blut. Die Zeilen von oben nach unten haben Kaffee Lösung Konzentrationen Cc von 5 %, 10 % und 20 %. Die Spalten von links nach rechts haben Blut Konzentrationen Cb 0,2 %, 0,4 % und 0,6 %. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: der Vertreter gemessen diffuse Reflexion Spektren von zweischichtigen Haut Gewebe Phantome erhalten. Diese Tafeln zeigen den diffuse Reflexion Spektren der Phantome mit unterschiedlichen Bedingungen für (eine) die Konzentration von Kaffee Lösung Cc, (b) die Konzentration der gesamten sauerstoffreiches Blut Cbund ( c) oxydierten Zustand des Blutes. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Der wichtigste Schritt in diesem Protokoll wird die Temperaturregelung des Grundmaterials. Die Temperatur weiterhin das Grundmaterial reichte von 58 bis 60 ° C. Wenn die Temperatur über 70 ° C ist, wird eine Denaturierung der Lipid-Emulsion und die Vollblut auftreten. Infolgedessen werden die optischen Eigenschaften des Phantoms verschlechtern. Wenn die Temperatur unter 40 ° C, das Grundmaterial wird ununiformly geliert und somit die Licht Streuung und Absorption Agenten im Phantom heterogen verteilt werden. Obwohl das Grundmaterial bei 60 ° C gehalten wird, senkt mit einer Spritze Absaugen die Temperatur. Die Temperatur des Grundwerkstoffes senkt auf 50 ° C, wenn es die Blut-Lösung hinzugefügt wird.

Die optische Phantome, die in diesem Artikel beschriebenen leiden an kurzen nutzbare Lebenszeiten, die sich in der Regel auf nicht mehr als einen Tag beschränken. Die nutzbare Lebensdauer können durch Kapselung von das Phantom mit dem Grundwerkstoff in den verschlossenen Behälter oder mithilfe von Konservierungsmittel verlängert werden. Die 1 mm dicken epidermale Schicht phantom ist eine Größenordnung größer als die menschlichen epidermalen Dicke. In diesem Protokoll mit Acryl Schimmel, aber es war schwierig, erstellen eine Schichtdicke kleiner als 0,5 mm. Um die erwarteten Auswirkungen der diese Dicke auf die gemessenen diffuse Reflexion Spektren der Phantome zu reduzieren, wurden die Streuung und Absorption Koeffizienten der Epidermis phantom so geregelt, dass die diffuse Reflexion Spektrum ähnliche Spektrum zeigte mit der menschlichen Haut. Ein Spin-Coating-Verfahren-42 sieht vielversprechend aus für die Herstellung einer Schicht dünner als 0, 5 mm. Die Werte µein (λ) und µs"(λ) für die menschliche Haut sind in der Literatur43gemeldet.

Die gleichmäßige Verteilung von Melanin oder Bilirubin in einer Agar-phantom-Schicht möglicherweise schwierig über das Protokoll hier beschrieben, weil diese Chromophore nicht vollständig in Wasser löslich sind. Die Verwendung von Melanoidin extrahiert aus gerösteten Kaffeebohnen und Tartrazin kann verwendet werden, als vergleichbare oder Ersatzmaterialien für Melanin und Bilirubin, beziehungsweise. Die Inverse Monte Carlo-Simulation für die Schätzung der optischen Eigenschaften von den gemessenen diffuse Reflexion und die totale Durchlässigkeit ist relativ zeitaufwändig aufgrund seiner iterativen Mode. Ein weiteres leichtes Transportflugzeug Rechenmodell wie die hinzufügen-Verdoppelung Methode44 verwendet werden können, um die Rechenzeit zu verkürzen. Die reduzierte Streuung Koeffizient µs' ist eine konzentrierte optische Eigenschaft unter Einbeziehung der Streuung Koeffizient µs und der Anisotropie Faktor g. Um µs und g separat abschätzen zu können, muss die kollimierten Durchlässigkeit eines Phantoms neben die totale Durchlässigkeit und die diffuse Reflexion38,40gemessen werden. In der vorliegenden Studie haben wir nicht den Brechungsindex für jede Schicht messen. Wir setzen der Brechungsindex des Wassers wie stattdessen in Literatur45 in der input-Daten-Datei für die Inverse Monte-Carlo-Simulation veröffentlicht, da das Agarosegel hauptsächlich aus Wasser besteht. Wir angenommen, dass es keinen Unterschied zwischen den beiden Schichten in der Brechungsindizes. Wir auch der Nennwert für den Brechungsindex des Glases verwendet (z.B., n = 1.524 bei λ = 546.1 nm) für die Monte-Carlo-Simulationen.

Es ist vorteilhaft, dass dieses Protokoll mit einer Ulbricht-Kugel statt zwei Ulbrichtkugeln kosteneffizient ist. Auf der anderen Seite ist mit einem einzigen Ulbricht-Kugel zeitaufwändig, da die Anordnung der Ulbricht-Kugel geändert werden muss, je nachdem, ob die Messung für eine totale Durchlässigkeit oder eine diffuse Reflexion. Es ist vorteilhaft, dass das Protokoll in diesem Artikel beschriebenen erweitern kann, um Monolage oder Multilayer optische Phantome mit verschiedenen Formen, Größen und Einschlüsse zu erstellen, indem Sie sich mit der Gestaltung der Formen. Die Oberflächen der phantom Schichten waren benetzt, sofort, nachdem sie aus ihrer Form aufgenommen wurden. Daher wurden die epidermalen Schicht und dermalen Schicht zusammen eingehalten durch Stapeln der zweiten Schicht eng auf die erste Schicht. Es wäre möglich, die zweite Schicht direkt auf die erste Datei, anstatt fabrizieren sie separat und befestigen sie danach zu festigen. In diesem Fall kann es jedoch schwierig, genau eine dünne epidermale Schicht mit einer einheitlichen Schichtdicke sein. Wir eingeklemmt das Phantom zwischen den Gläsern zu verhindern, dass eine Trocknung des Phantoms. Wir haben überlegt der optischen Eigenschaften und der Dicke des Glases in der inversen Monte-Carlo-Simulation. Daher gibt es keine Auswirkung auf die geschätzten optischen Eigenschaften der Phantome. Die Bedeutung der heutigen Technik in Bezug auf bestehende Methoden besteht darin, die diffuse Reflexion Spektren der lebende Gewebe im sichtbaren, Nah-Infrarot-Wellenlängenbereich zu vertreten. Die optische Phantome gemacht durch dieses Protokoll werden für die Validierung von neu entwickelten optischen Methoden basierend auf diffuse Reflexion Spektroskopie und Spectrocolorimetry zur Verfügung.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Teil dieser Arbeit wurde durch eine Beihilfe für Scientific Research (C) aus der japanischen Gesellschaft für Promotion of Science (25350520, 22500401, 15 K 06105) und der US-ARMY ITC-PAC Forschungs- und Entwicklungsprojekt (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132) unterstützt.

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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References

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