Özel tabanlı doku optik hayaletler diffüz yansıma spektroskopisi için taklit

* These authors contributed equally
Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

Burada, biz optik hayaletler doku taklit eden özel tabanlı yapılır ve nasıl göstermek optik özellikleri geleneksel bir optik sistemi ile entegre bir küre kullanılarak belirlenir.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Bu iletişim kuralı özel tabanlı doku taklit eden hayaletler açıklar ve geleneksel bir optik sistemi ile entegre bir küre kullanarak optik özellikleri nasıl belirleneceğini gösterir. Diffüz yansıma ve toplam geçirgenliği spectra edinme inşa edilir için geniş bant beyaz ışık kaynağı, hafif bir rehber, bir achromatic lens, entegre bir küre, bir örnek sahibi, bir fiber optik sonda ile ölçüm sistemleri ve bir çok kanallı spektrometre. İki dikdörtgen akrilik parça ve U şeklinde akrilik parçası oluşan bir akrilik kalıp bir epidermal phantom ve dermal hayalet tam kan ile oluşturmak için inşa edilmiştir. Sodyum dithionite (Na2S2O4) çözüm uygulamaya dermal hayalet araştırmacı dermal hayalet dağıtılmış kırmızı kan hücrelerinde hemoglobin deoxygenate sağlar. Monte Carlo simülasyon diffüz yansıma ve bir Spektrometre ile entegre bir küre tarafından ölçülen toplam geçirgenliği spectra ile ters emme katsayısı spektrum µbir(λ) belirlemek için gerçekleştirilir ve saçılma katsayısı spektrum µsazaltılmış ' (λ) her katmanın hayalet. İnsan cilt dokusunun diffüz yansıma taklit eden iki katmanlı bir hayalet de dermal hayalet olarak epidermal hayalet yığmaya gösterdi.

Introduction

Optik hayaletler optik özellikleri biyolojik dokuların taklit eden nesnelerdir ve Biyomedikal optik alanında yaygın olarak kullanılmıştır. Onlar ışık saçılma ve emme katsayıları, gibi optik özellikleri bu yaşayan insan ve hayvan dokuları ile eşleşecek şekilde tasarlanmıştır. Optik hayaletler genellikle aşağıdaki amaçlarla kullanılır: biyolojik dokular kalitesini ve performansını karşılaştırarak mevcut sistemlerinin performansını değerlendirmek yeni geliştirilen optik sistem tasarımı, ayarlama, hafif nakliye simüle sistemleri arasında ve optik özellikleri1,2,3,4,5ölçmek için yetenek optik yöntemlerden doğrulanıyor. Bu nedenle, almak kolay maddeler, basit imalat süreci, yüksek bir tekrarlanabilirlik ve optik bir istikrar optik hayaletler yapmak için gerekli olan.

Sulu Süspansiyon6, jelatin gibi farklı temel malzeme ile optik hayaletler türleri7, özel jel8,9,10, polyacrylamide jel11, reçine12jel, 13,14,15,16ve silikon17 Oda sıcaklığı gömlekler önceki literatürde bildirilmiştir. Bu jelatin ve aljinat tabanlı jeller türdeş olmayan yapıları18ile optik hayaletler için yararlıdır bildirilmiştir. Aljinat hayaletler photothermal etkileri lazer ablasyon çalışmaları ve lazer tabanlı hipertermi çalışmaları18gibi değerlendirmek için uygun bir mekanik ve termal kararlılık var. Özel jelleri türdeş olmayan yapılar imal seçeneğine sahipsiniz ve mekanik ve fiziksel özellikleri için uzun süre18stabildir. Yüksek saflıkta özel jelleri çok düşük bir bulanıklık ve zayıf bir optik emme var. Bu nedenle, özel tabanlı hayaletler optik özelliklerini kolayca uygun ışık saçılma ve aracıları emici ile tasarlanabilir. Son zamanlarda, stiren-etilen-butylene-stiren (SEBS) blok kopolimerler19 ve polivinil klorür (PVC) jeller20 için ilginç hayalet malzeme olarak bildirilmiştir optik ve photoacoustic teknikleri.

Polimer mikroküreler7,12,21,22, titanyum oksit toz1ve lipid emülsiyonlar23,24,25,26 süt ve lipid gibi emülsiyon kullanılır ışık saçılma ajan ise siyah mürekkep27,28 ve moleküler boyalar29,30 ışık emici kullanılır. Yansıma spectra çoğu yaşam organları oksijenli ve deoxygenated hemoglobin emilimini kırmızı kan hücrelerinde hakim yaygın. Bu nedenle, hemoglobin çözümleri31,32 ve tam kan8,9,10,33,36 kez ışık emici olarak kullanılır Hayaletler diffüz yansıma spektroskopisi ve spektral görüntüleme için.

Bu makalede açıklanan yöntemi biyolojik dokularda hafif nakliye taklit eden bir optik hayalet oluşturmak için ve optik özelliklerini tanımlamak için kullanılır. Örnek olarak, bir iki katmanlı optik hayalet taklit eden optik özellikleri insan cilt dokusunun gösterdi. Bu yöntemin avantajları alternatif teknikleri yaygın yansıma spectra görünür yakın kızılötesi dalga boyu bölge yanı sıra, kullanarak kolayca kullanabilmesi için sadelik içinde yaşayan biyolojik dokuların temsil yeteneği vardır malzeme ve geleneksel optik aletler. Bu nedenle, bu yöntem tarafından yapılan optik hayaletler optik yöntemleri yaygın yansıma spektroskopisi ve spektral görüntüleme dayalı gelişimi için yararlı olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bir geleneksel diffüz yansıma ve toplam geçirgenliği spektroskopik sisteminin inşası

Not: geniş bant beyaz ışık kaynağı, hafif bir rehber, bir achromatic lens, entegre bir küre, bir örnek sahibi, fiber optik ve bir çok kanallı spektrometre kullanılarak toplam geçirgenliği spectra ve diffüz yansıma için ölçüm sistemlerini oluşturmak. Işık tuzak yansıma spektrum speküler yansıma bileşenini kaldırmak için roldür. Montaj plakası ve kırlangıç ve örnek bağlantı noktası karşı tutan yaylı kelepçe montaj entegre Küre örnek sahibi oluşur. Kırlangıç ve yaylı kelepçe montaj örnek Sahibinden kaldırılır ve polistren köpük el yapımı kübik ayak montaj plakası yerine takılır. Şekil 1a ve 1b, optik bileşenleri düzenleri için inşaat için prosedür diffüz yansıma ölçümleri ve toplam geçirgenliği ölçüm için sırasıyla belirtilebilir.

  1. Spektrometre ve bir kişisel bilgisayar sağlanan evrensel seri veri yolu (USB) kablosuyla bağlayın.
  2. Bağlantı noktası bağdaştırıcısı entegre Küre dedektörü bağlantı noktasına bağlayın. Spektrometre ve bağlantı noktası bağdaştırıcısı entegre kürenin bir fiber optik kullanarak bağlayın. 150 W halojen lamba ışık kaynağı ve ışık kılavuzu bağlayın.
  3. Örnek sahibi entegre Küre örnek bağlantı noktasına bağlayın. Işık tuzak diffüz yansıma ölçümleri gerçekleştirirken entegre Küre bir uygun bağlantı noktasına bağlayın. Bir örnek ile aydınlatmak için halojen lamba ışık kaynağı ışık kılavuzu ve achromatic lens açın.
  4. Spektrometre çalışma yazılımını açın.

2. bir akrilik kalıp hazırlanması

Not: iki dikdörtgen akrilik parça ve U şeklinde akrilik parçası oluşan bir akrilik kalıp monolayer jel hayalet oluşturmak için inşa edilmiştir. Şekil 2 için bu inşaat yordam için sevk edilebilir.

  1. İki dikdörtgen akrilik parça 2 mm kalınlığında akrilik plaka isteğe bağlı bir boyuta kesip.
  2. İsteğe bağlı bir boyutu 1 mm kalınlığında akrilik plaka akrilik bir parça kesip. 1 mm kalınlığında epidermal hayaletler yapmak için kalıp için kullanılacak bir U şeklinde parça olur, böylece 1 mm kalınlığında akrilik parça kesti.
  3. İsteğe bağlı bir boyutu 5 mm kalınlığında akrilik plaka akrilik bir parça kesip. 5 mm kalınlığında dermal hayaletler yapmak için bir kalıp olarak kullanılacak bir U şeklinde parça olur, böylece 5 mm kalınlığında akrilik parça kesti.
  4. Herhangi bir kenar pürüzleri akrilik her parça metal bir dosya kullanarak kaldırın.
  5. 1 mm kalınlığında U şeklinde parça iki 2 mm kalınlığında akrilik adet tutup onları beş foldback klipleriyle tamir epidermal hayalet kalıp olun.
  6. 5 mm kalınlığında U şeklinde parça iki 2 mm kalınlığında akrilik adet tutup onları beş foldback klipleriyle tamir dermal hayalet kalıp olun.

3. temel malzemesi hazırlanması

  1. 500 mL % 0,9 (w/v) bir NaCl ile standart salin ver. Yavaş yavaş 5 g özel tozu topaklanma önlemek karışımı karıştırarak ekleyin.
  2. Özel tozu ve tuz karışımı bir elektrikli pişirme ısıtıcı tarafından 1000 W güç ayarı 5 min için ısı.
  3. Karışım kaynar sonra karışımı kısık ateşte 3 dakika tutun.
  4. Yaklaşık 70 ° c sıcaklık karışıma serin Sonra karışımı bir konteyner içine dökün ve bir sabit sıcaklık banyosunda 30 dakika 60 ° C'de bir hayalet yapmadan önce tutun.

4. cilt taklit eden optik hayaletler hazırlanması

Not: Bir kahve çözüm melanin emme spektrum taklit etmek için kullanılır. Kahve çözüm melanoidin adı verilen bir kahverengi pigment içerir. Melanoidin soğurma spektrumu melanin10benzer şekilde bildirilmiştir.

  1. Epidermal bir hayalet hazırlamak
    1. 100 mL saf su kahve makinesi rezervuar dökün. Bir filtre kahve makinesi sepete koyun. 24 g çekilmiş kahve filtre içine ekleyin. Kahve makinesi açın ve bira başlamak için demlemek düğmesine basın.
    2. 4 mL demlendi kahve ve 16 mL serum fizyolojik bir kahve çözüm yapmak bir cam şişeye koy.
    3. Lipid emülsiyonu (Örneğin, Intralipid % 10) 5 mL koymak ve kahve çözüm şeffaf plastik bir kap içine 10 mL. Yavaş yavaş bu karışımı karıştırma sırasında temel malzemesi 35 mL ekleyin.
    4. Karışımı bir şırınga Aspire edin ve yavaş yavaş herhangi bir kabarcık oluşumu kaçınırken epidermal hayalet kalıp içine enjekte etmek. 20 dk için 5 ° C'de karışımı içeren akrilik kalıp ne yapıyorsun?
    5. Foldback klipleri kalıptan çıkarın. Bir akrilik adet dışa doğru kaydırın ve kalıptan çıkarın. 1 mm kalınlığında katılaşmış jel kalıp dışarı hayalet alın ve Cerrahi neşter kullanarak istenen boyuta kesti.
    6. Koyun ve jel hayalet iki slayt gözlük arasında tutun.
  2. Oksijenli kan içeren dermal hayalet hazırlamak
    1. Lipid emülsiyonu 5.0 mL ve % 45-hematokrit ile bütün at kan 0.4 mL al ve şeffaf plastik bir kap koy. Yavaş yavaş temel malzemesi 44.6 mL karışımı karıştırarak ekleyin.
    2. Karışımı bir şırınga Aspire edin ve yavaş yavaş herhangi bir kabarcık oluşumu kaçınırken dermal hayalet kalıp içine enjekte etmek. 20 dk için 5 ° C'de karışımı içeren akrilik kalıp ne yapıyorsun?
    3. Foldback klipleri kalıptan çıkarın. Bir akrilik adet dışa doğru kaydırın ve kalıptan çıkarın. 5 mm kalınlığında katılaşmış jel kalıp dışarı hayalet alın ve Cerrahi neşter kullanarak istenen boyuta kesti.
    4. Koyun ve jel hayalet iki slayt gözlük arasında tutun.
  3. Deoxygenated kan içeren dermal hayalet hazırlamak
    1. Dermal jel hayalet bir cam tabak (Kimden adım 4.2.3) oksijenli kan içeren koymak.
    2. Sodyum dithionite (Na2S2O4) 1 g 20 mL Cam şişe serum içine geçiyoruz.
    3. 0,05 g/mL Na2S2O4 çözüm Operadaki hayalet kan deoxygenate için kullanarak üzerine ekleyin.
    4. Koyun ve Operadaki hayalet kurumasını önlemek için iki slayt gözlük arasında tutun.
  4. İki katmanlı bir hayalet hazırlamak
    1. 0.1 mL serum epidermal ve dermal katmanlar arasında optik bağlantı sağlamak için dermal bir hayalet üzerine bırakın. Epidermal hayalet dermal Operadaki hayalet yerleştirin.
    2. Katmanlar arasında herhangi bir hava kabarcığı yoksa, onları dışarı bir parmak ucu ile iki katmanlı hayalet yüzeyine okşayarak tarafından itmek.
    3. İki katmanlı hayalet kurumasını önlemek için iki slayt gözlük arasında tutun.

5. diffüz yansıma Spectra edinimi

  1. Karanlık spectra edinimi
    Not: Spektrometre şarj kuplajlı cihaz (CCD) sensör ışık şiddeti yanıt olay ışık olarak üretilen elektrik sinyaline göre hesaplayabilirsiniz. Ancak, karanlık gürültü37 sinyaller fotonlar tarafından üretilen bağımsızdır ancak sensör ışık algılamazsa bile aygıt sıcaklığına bağlıdır vardır. Doğru ışığın spektral şiddetini ölçmek için karanlık geçerli sinyal bir karanlık spektrum ölçülen ve örnek spektrum çıkartılır. Karanlık spektrum bloke ışık yolu ile alınan bir spektrumdur.
    1. Entegre Küre diffüz yansıma ölçümleri (Şekil 1a) için en uygun bir konuma yerleştirin.
    2. Halojen lamba ışık kaynağı dön. Bir bağlantı noktası fiş ya da koruyucu bir tabak kullanarak spektrometre için ışık yolunu engellemek.
    3. Karanlık depolamak komut bir karanlık spektrum depolamak için Dosya menüsünden seçin.
    4. Ölçülen örnek spektrum (aşağıya bakın) dan karanlık spektrum çıkartmak için Dosya menüsünden çıkarma karanlık spektrum komutunu seçin.
  2. Başvuru spectra edinimi
    Not: Işık kaynağı, ışık kılavuzu, achromatic lens, fiber optik ve spektrometre, gibi bu deneyde kullanılan bileşenlerin optik özellikleri kendi dalga boyu bağımlılıklara sahip. Bu nedenle, bu optik bileşenleri geçirilen ışık spektral yoğunluğu bir başvuru spektrum ölçülmelidir. Diffüz yansıma spektrum ölçümü için başvuru spektrum ışık kaynağı gelen ışık ile aydınlatılmış bir standart beyaz difüzör ile çekilen bir spektrumdur.
    1. Halojen lamba ışık kaynağı güç düğmesine basarak kapatın. Lamba için bir başvuru spektrum alınıyor önce en az 10 dk kadar sıcak.
    2. (Örneğin, Spectralon) bir standart beyaz difüzör entegre Küre örnek limanda yerleştirin.
    3. Spektrometre tümleştirme zamanını en yüksek sinyal şiddeti Spektrometre yoğunluğu en fazla yaklaşık % 75'i böylece Spektrometre işletim yazılım aşağı açılan listesinden uygun değer seçerek ayarlayın.
    4. Başvuru saklamak komut başvuru spektrum depolamak için Dosya menüsünden seçin.
  3. Örnek spectra edinimi
    Not: Örnek diffüz yansıma bir spektrum satın aldı ve aynı edinme koşulları kullanarak bir kişisel bilgisayar sabit diskinde kurtardı.
    1. Örnek bağlantı noktasında iki slayt gözlük tarafından gözükeceksin epidermal hayalet yerleştirin. Diffüz yansıma spektrum bir dosyaya kaydetmek için Dosya menüsünden Kaydet komutunu seçin.
    2. Adım 5.3.1 dermal için ve iki katmanlı hayaletler yineleyin.

6. Toplam geçirgenliği spektrum edinimi

  1. Karanlık spectra edinimi
    Not: Spektrometre sensör ışık şiddeti yanıt olay ışık olarak üretilen elektrik sinyaline göre hesaplayabilirsiniz. Ancak, hangi sinyaller fotonlar tarafından üretilen bağımsızdır ama sensör ışık algılamazsa bile aygıt sıcaklığına bağlıdır karanlık ses var. Doğru ışığın spektral şiddetini ölçmek için karanlık geçerli sinyal bir karanlık spektrum ölçülen ve örnek spektrum çıkartılır. Karanlık spektrum bloke ışık yolu ile alınan bir spektrumdur.
    1. Entegre Küre toplam geçirgenliği ölçüm (Şekil 1b) için en iyi bir konuma getirin.
    2. Işık tuzak entegre Küre bağlantı noktasından çıkarın ve bir bağlantı noktası fiş bağlantı noktasına takın.
    3. Halojen lamba ışık kaynağı dön. Bir bağlantı noktası fişi kullanarak veya plaka koruyucu entegre Küre ışık yolunu engellemek.
    4. Karanlık depolamak komut bir karanlık spektrum depolamak için Dosya menüsünden seçin.
    5. Ölçülen örnek spektrum (aşağıya bakın) dan karanlık spektrum çıkartmak için Dosya menüsünden çıkarma karanlık spektrum komutunu seçin.
  2. Başvuru spectra edinimi
    Not: Işık kaynağı, ışık kılavuzu, achromatic lens, fiber optik ve spektrometre, gibi bu deneyde kullanılan bileşenlerin optik özellikleri kendi dalga boyu bağımlılıklara sahip. Bu nedenle, bu bileşenleri arasında geçirilen ışık spektral yoğunluğu bir başvuru spektrum ölçülmelidir. Toplam geçirgenliği spektrum ölçümü için başvuru spektrum ışık ışık kaynağından doğrudan örnek bağlantı noktası üzerinden entegre küre girerken alınan bir spektrumdur.
    1. Halojen lamba ışık kaynağı güç düğmesine basarak kapatın. Lamba için bir başvuru spektrum alınıyor önce en az 10 dk kadar sıcak.
    2. Böylece maksimum yaklaşık % 75 bir sinyal en büyük ışık yoğunluğunu gösterir Spektrometre işletim yazılım tümleştirme zamanlarda aþaðý açýlan listesinden uygun değer seçerek Spektrometre entegrasyon zaman düzenleyen değerleri.
    3. Başvuru saklamak komut başvuru spektrum depolamak için Dosya menüsünden seçin.
  3. Örnek spectra edinimi
    Not: Örnek Toplam geçirgenliği spektrum satın aldı ve aynı edinme koşulları kullanarak bir kişisel bilgisayar sabit diskinde kurtardı.
    1. Örnek bağlantı noktasında iki slayt gözlük tarafından gözükeceksin epidermal hayalet yerleştirin. Toplam geçirgenliği spektrum bir dosyaya kaydetmek için Dosya menüsünden Kaydet komutunu seçin.
    2. Adım 6.3.1 dermal için ve iki katmanlı hayaletler yineleyin.

7. emme ve ışık saçılım özellikleri tahmin etme

Not: Bir dizi yaygın yansıma spektrum ve toplam geçirgenliği spektrum bir kişisel bilgisayar sabit disk sürücüsüne kaydedilen ve çevrimdışı analiz. Ters Monte Carlo simülasyonu8,38,39,40 sonra emme katsayısı spektrum µbir(λ) ve azaltılmış saçılma katsayısı tahmin etmek için yapılan spektrum µs'(λ). Bu ters Monte Carlo simülasyonu, tahmini saçılma katsayısı µs, anizotropi faktör g 0 ' dır varsayımı altında azaltılmış saçılma katsayısı µskabul edilir ' . Yansıma ve geçirgenliği düşük veri tek bir simülasyon çalıştırmak için kullanılır. Bu protokol için kullanılan detaylı algoritması önceki edebiyat8,39yılında bildirilmiştir. Biz emme katsayısı spektrum µbir(λ) ve azaltılmış saçılma katsayısı spektrum µs'(λ) diffüz yansıtma kümesinden bir epidermal tabakasının tahmini spektrum ve epidermal katmanından elde edilen toplam geçirgenliği spektrum. Aynı şekilde, biz tahmini µbir(λ) ve μs'(λ) diffüz yansıma spektrum ve dermal elde edilen toplam geçirgenliği spektrum kümesinden bir dermal tabakanın katman.

  1. Monte Carlo simülasyonu için bir giriş dosyası açın.
  2. Ölçülen diffüz yansıma ve 700 400 belirli dalga boyu mesafeden toplam geçirgenliği değerleri doldurun nm aralıklarla 10 nm-giriş veri dosyasındaki. Giriş veri dosyasındaki hayalet kalınlığı değerini doldurun.
  3. Giriş veri dosyasında uygun bir değer için bir tabakanın kırılma indisi n ayarla (Örneğin, n = 1.33, 550 nm). Giriş veri dosyasında 0 olmak anizotropi faktör g değerini ayarlayın.
  4. Emme katsayısı µbir ve giriş veri dosyasını uygun değerler olması için saçılma katsayısı µs başlangıç değerlerini ayarlayın (Örneğin, µbir 0,01, µs = 0,1 = ).
  5. Ters Monte Carlo simülasyon programı yürütmek.
  6. Belirtilen girdi dosyası adı yazın ve ardından benzetim çalıştırın.
  7. Çıktı dosyasını açın ve yinelemeli simülasyon sona erdi sonra µbir ve μs son değerleri denetleyin.
  8. 7.1-7,7 istenen diğer dalga boylarında için yineleyin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 3 temsilcisi tahmini spectra azaltılmış saçılma katsayısı ve epidermal phantom ve dermal hayalet için emme katsayısı gösterir. Şekil 3 ' te gösterilen yansıma ve geçirgenliği spectra ürününün on ölçüm ortalamalar sonuçlarıdır. Azaltılmış saçılma katsayısı µs' , daha kısa dalga boyları daha yüksek bir büyüklük sergileyen bir geniş saçılma spektrum vardır. Spektral özellikleri yumuşak dokuların normal saçılma spectra karşılık gelir. Melanin emme spektrumu benzeyen emme katsayısı µbir dalga boyu arttıkça katlanarak epidermal hayalet bozuluyor. Epidermal hayalet katman emme katsayısı spektrumu ve bu melanin41 bir Üstel fonksiyon tarafından monte:
Equation

Bunun için melanin 0,009 olarak tahmin edilmiştir, ancak B değeri epidermal katmanı için 0.011, olmak için hesaplanır. Dermal hayalet içeren için emme katsayıları µbir dalga boyu bağımlılığının kan oksijenli ve deoxygenated kan oksijenli hemoglobin ve deoxygenated hemoglobin spektral özellikleri tarafından hakimdir, anılan sıraya göre.

Şekil 4 cilt iki katmanlı hayaletler temsilci dijital renkli fotoğrafları gösterir. Şekil 4a iki katmanlı cilt hayalet kesitsel bir görüntüsünü gösterir. Şekil 4b ve 4 c oksijenli kan ve kan deoxygenated, sırasıyla içeren 3 x 3 hayalet matrisinin üst görünümleri gösterir. Üst satır yukarıdan aşağıya doğru kahve çözüm konsantrasyonları Cc % 5, % 10 ve % 20 var. Sütunları soldan sağa doğru kan konsantrasyonları Cb % 0,2, % 0,4 ve % 0.6 var. Hayalet renk değeri olarak epidermal katman artar, Cc Cb artar değeri olarak pembe döner ise daha koyu olur. Operadaki hayalet oksijenli kan deoxygenated kan ile bundan daha kırmızımsı bir renk vardır. Bu varyasyonların sırasıyla bronzlaşma ve hipoksemi, gibi fizyolojik koşullar nedeniyle cilt renk değişikliği temsil eder.

Şekil 5 kahve çözüm Cc, () konsantrasyonu (Şekil 5a) için farklı koşullar sahip iki katmanlı cilt doku hayaletler elde diffüz yansıma spectra örnek temsilcisi olarak ölçülen gösterir Şekil 5b) Tam kan Cbve (Şekil 5 c) kan oksijenli durumunu konsantrasyon. Şekil 5a', diffüz yansıma daha kısa dalga boyları bölgesinde önemli ölçüde karşılaştırma ile Cdeğeri olarak daha uzun bir dalga boyu bölgesindekic daha büyük olmasını azalır. Bu kahve çözüm tarafından güçlü ışık emilimi daha kısa dalga boyları bölgedeki kaynaklanmaktadır (bkz. Şekil 3b). Şekil 5b gösterir belgili tanımlık dikkate değer değişmek içinde orta dalga boyu bölgede Cbdalga boyu aralığındaki güçlü ışık absorpsiyonu hemoglobin ile 500 600 temsil eder, değeri ile diffüz yansıma nm. Spektral özelliği oksijenli hemoglobin ve deoxygenated hemoglobin ve isosbestic puan hemoglobin arasındaki farkı açıkça Şekil 5 cgösterilen diffüz yansıma spectra içinde gözlenen.

Figure 1
Şekil 1: deneysel cihazları Şematik diyagramı. Bu paneller (bir) diffüz yansıma spectra ve (b) Toplam geçirgenliği spectra ölçmek için set-up göster. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: optik hayaletler özel tabanlı hazırlanmasında adım. Bu paneller (bir) bir epidermal katman hayalet ve (b) bir dermal tabaka hayalet yapma yapma göster. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: temsilcisi hayaletler optik özelliklerini tahmini. (bir) Bu panel gösterir ortalama azaltılmış saçılma katsayısı spektrum µs' (λ) epidermal ve dermal katmanların. (b) Bu panel emme katsayısı spectra µbir(λ) epidermal katman ve dermal katmanları gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: iki katmanlı cilt hayaletler bir temsilci dijital renkli fotoğraf. (bir) Bu panel bir kesit görünümünü iki katmanlı cilt hayalet gösterir. (b) Bu panel oksijenli kan içeren 3 x 3 hayalet matris üst görünümünü gösterir. (c) Bu panel deoxygenated kan içeren 3 x 3 hayalet matris üst görünümünü gösterir. Üst satır yukarıdan aşağıya doğru kahve çözüm konsantrasyonları Cc % 5, % 10 ve % 20 var. Sütunları soldan sağa doğru kan konsantrasyonları Cb % 0,2, % 0,4 ve % 0.6 var. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: temsilcisi iki katmanlı cilt doku hayaletler elde edilen diffüz yansıma spectra ölçülen. Bu paneller hayaletler (bir) kahve çözüm Cc, (b) konsantrasyonu farklı şartlar ile diffüz yansıma spectra bütün oksijenli kan Cbve ( göster. c) kan oksijenli durumunu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu iletişim kuralı en kritik sıcaklık kontrolü temel malzeme adımdır. 58 60 ° c arasında değişiyordu temel malzemesi korumak için sıcaklık Sıcaklık fazla 70 ° C ise, lipid emülsiyonu ve tam kan denatürasyon ortaya çıkar. Sonuç olarak, hayalet optik özelliklerini bozulacaktır. Sıcaklık 40 ° C arasında daha az ise, temel malzemesi ununiformly gelled ve böylece, ışık saçılma ve emilimi ajanlar heterogeneously hayalet içinde dağıtılacak. Her ne kadar temel malzemesi 60 ° C'de tutulur, bir şırınga suctioning ısısını düşürür. Kan çözüm eklendiğinde ana malzeme sıcaklığı 50 ° C ile düşürür.

Bu makalede açıklanan optik Hayaletler genelde bir gün için sınırlı olan kısa kullanışlı ömürleri muzdarip. Kullanışlı yaşam süreleri Operadaki hayalet kapalı kap içinde temel malzeme ile Kapsüllenen veya koruyucu kullanarak genişletilmiş. 1 mm kalınlığında epidermal katman hayalet bir büyüklük insan epidermal kalınlığı büyük olduğunu. Bu protokolle akrilik kalıp, ancak, bir katman kalınlığı oluşturmak zor az 0.5 mm. Diffüz yansıma spektrum benzer spektrum gösterdi böylece hayaletler ölçülen diffüz yansıma spectra beklenen bu kalınlık etkilerini azaltmak için hayalet epidermisin saçılma ve emme katsayıları düzenlenmiş Bu insan derisi için. Bir spin-kaplama yöntemi42 bir katman 0,5 mm daha ince yapmak için umut verici görünüyor. µBir (λ) ve μsdeğerleri ' (λ) insan cilt için edebiyat43yılında raporlanır.

Melanin veya bilirubin agar hayalet katmanındaki tekdüze dağılım bu kromofor tamamen suda çözünür olmadığından burada açıklanan protokolünü kullanarak zor olabilir. Kavrulmuş kahve çekirdekleri ve tartrazine çıkarılan melanoidin karşılaştırılabilir olarak kullanılabilir veya malzemeler için melanin ve bilirubin, sırasıyla yerine. Ters Monte Carlo simülasyonu ölçülen diffüz yansıma ve toplam geçirgenliği optik özelliklerinden tahmin etmek için kullanılan yinelemeli onun moda nedeniyle nispeten zaman alır. Başka bir hafif nakliye hesaplama modeli ekleme-katlama yöntemi44 hesaplama süresini kısaltmak için kullanılan gibi. Azaltılmış saçılma katsayısı µs' , saçılma katsayısı µs ve anizotropi faktör gbirleştirilerek toplu bir optik özelliğidir. µs ve g ayrı olarak tahmin etmek için bir hayalet collimated geçirgenliği toplam geçirgenliği ve diffüz yansıma38,40ek olarak ölçülen gerekir. Bu da çalışmanın, biz her katman için kırılma indisi ölçü değil. Biz esas olarak su özel jel oluştuğu edebiyat45 $ ters Monte Carlo simülasyonu için giriş veri dosyasını yerine yayın gibi suyun kırılma indisi ayarlayın. İki katman arasındaki Kırılma endeksi fark varsayılır. Ayrıca cam kırılma indisi için nominal değeri kullanılır (Örneğin, n 1.524 λ = 546.1 = nm) Monte Carlo simülasyonları için.

Bu iletişim kuralı, iki entegre Küre, yerine bir entegre küre ile düşük maliyetli avantajlıdır. Entegre Küre düzenlenmesi ölçüm toplam geçirgenliği veya yaygın bir yansıma olmasına göre değiştirilmesi gerekir çünkü Öte yandan, tek bir entegre Küre kullanarak zaman alır. Bu makalede açıklanan protokol monolayer veya çok katmanlı optik hayaletler kalıpları tasarımını değiştirerek çeşitli şekil, boyut ve kapanımlar oluşturmak için genişletebilirsiniz avantajlıdır. Hemen onların kalıp dışarı çekildiği sonra hayalet katmanları yüzeylerin ıslak. Bu nedenle, epidermal katman ve dermal tabaka birlikte yakından ilk katman üzerine ikinci katman yığınlama tarafından yapıştırılır. İlki, yerine onları ayrı ayrı imalatı ve onlara daha sonra bağlama üzerinde doğrudan ikinci katman kuvvetlendirmek mümkün olabilir. Bu durumda, ancak, doğru bir şekilde üniforma tabakası kalınlığı ile ince bir epidermal tabaka yapmak zor olabilir. Operadaki hayalet kurutma önlemek için gözlük arasında gözükeceksin. Optik özellikleri ve ters Monte Carlo simülasyonu cam kalınlığı kabul. Bu nedenle, hayaletler tahmini optik özelliklerini üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Mevcut yöntemler açısından mevcut teknik önemini görünür yakın kızılötesi dalga boyu bölgeye Canlı dokularda dağınık yansıma spectra temsil yeteneği öncesidir. Bu iletişim kuralı tarafından yapılan optik hayaletler diffüz yansıma spektroskopisi ve spectrocolorimetry göre yeni geliştirilen optik yöntemlerden doğrulama için kullanılabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

(25350520, 22500401, 15 K 06105) bilim promosyon ve ABD Ordusu ITC-PAC araştırma ve geliştirme projesi (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132) için bu çalışmalarının bir parçası Japon toplumdan Scientific Research (C) için bir Grant-in-Aid tarafından desteklenen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
150-W halogen-lamp light source Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LA-150SAE
Light guide Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan LGC1-5L1000
Integrating Sphere Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA RT-060-SF
Port adapter Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA PA-050-SMA-SF
Light trap Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA SRS-99-020
Optical fiber Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA USB2000
Achromatic lens Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan ACL-50-75M
Intralipid Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden Intralipid 10%
Coffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)
Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan Unavailable
Whole blood Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan 0103-2
Agarose Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan NE-AG02
Cooking heater TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan HP-103K

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11, (4), 041102 (2006).
  2. Cohen, G. Contrast--detail--dose analysis of six different computed tomographic scanners. Journal of Computer Assisted Tomography. 3, (2), 197-203 (1979).
  3. Seltzer, S. E., Swensson, R. G., Judy, P. F., Nawfel, R. D. Size discrimination in computed tomographic images. Effects of feature contrast and display window. Investigative Radiology. 23, (6), 455-462 (1988).
  4. Pifferi, A., et al. Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol. Applied Optics. 44, (11), 2104-2114 (2005).
  5. Prahl, S. A. Project: Optical Phantoms. Available from: http://omlc.org/~prahl/projects/phantoms.html (2014).
  6. Linford, J., Shalev, S., Bews, J., Brown, R., Schipper, H. Development of a tissue-equivalent phantom for diaphanography. Medical Physics. 13, (6), 869-875 (1986).
  7. Durkin, A. J., Jaikumar, S., Richardskortum, R. Optically dilute, absorbing, and turbid phantoms for fluorescence spectroscopy of homogeneous and inhomogeneous samples. Applied Spectroscopy. 47, (12), 2114-2121 (1993).
  8. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics. 9, (4), 700-710 (2004).
  9. Nishidate, I., Maeda, T., Aizu, Y., Niizeki, K. Visualizing depth and thickness of a local blood region in skin tissue using diffuse reflectance images. Journal of Biomedical Optics. 12, (5), 054006 (2007).
  10. Nishidate, I., et al. Noninvasive imaging of human skin hemodynamics using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 16, (8), 086012 (2011).
  11. Bharathiraja, S., et al. Multi-modality tissue-mimicking phantom for thermal therapy. Physics in Medicine & Biology. 49, (13), 2767-2778 (2004).
  12. Firbank, M., Oda, M., Delpy, D. T. An improved design for a stable and reproducible phantom material for use in near-infrared spectroscopy and imaging. Physics in Medicine & Biology. 40, (5), 955-961 (1995).
  13. Hebden, J. C., Hall, D. J., Firbank, M., Delpy, D. T. Timeresolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom. Applied Optics. 34, (34), 8038-8047 (1995).
  14. Firbank, M., Delpy, D. T. A phantom for the testing and calibration of near-infrared spectrometers. Physics in Medicine & Biology. 39, (9), 1509-1513 (1994).
  15. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  16. Beaudry, S., P, Fabrication and characterization of a solid polyurethane phantom for optical imaging through scattering media. Applied Optics. 38, (19), 4247-4251 (1999).
  17. Lualdi, M., Colombo, A., Farina, B., Tomatis, S., Marchesini, R. A phantom with tissue-like optical properties in the visible and near infrared for use in photomedicine. Lasers in Surgery and Medicine. 28, (3), 237-243 (2001).
  18. Dabbagh, A., Abdullah, B. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrasonic Imaging. 36, (4), 291-316 (2014).
  19. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I., Deana, A. M., Carneiro, A. A., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine & Biology. 62, (2), 432-447 (2017).
  20. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Pfefer, T. J. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21, (10), 101405 (2016).
  21. Bays, R., et al. Three-dimensional optical phantom and its application in photodynamic therapy. Lasers in Surgery and Medicine. 21, (3), 227-234 (1997).
  22. Ramella-Roman, J. C., Bargo, P. R., Prahl, S. A., Jacques, S. L. Evaluation of spherical particle sizes with an asymmetric illumination microscope. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 9, (2), 301-306 (2003).
  23. Waterworth, M. D., Tarte, B. J., Joblin, A. J., van Doorn, T., Niesler, H. E. Optical transmission properties of homogenised milk used as a phantom material in visible wavelength imaging. Australasian Physical and Engineering Science in Medicine. 18, (1), 39-44 (1995).
  24. Moes, C. J., van Gemert, M. J., Star, W. M., Marijnissen, J. P., Prahl, S. A. Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633 nm. Applied Optics. 28, (12), 2292-2296 (1989).
  25. van Staveren, H. J., Moes, C. J., van Marie, J., Prahl, S. A., van Gemert, M. J. Light scattering in intralipid-10% in the wavelength range of 400-1100 nm. Applied Optics. 30, (31), 4507-4514 (1991).
  26. Flock, S. T., Jacques, S. L., Wilson, B. C., Star, W. M., Vangemert, M. J. C. Optical-properties of intralipid - a phantom medium for light-propagation studies. Lasers in Surgery and Medicine. 12, (5), 510-519 (1992).
  27. Madsen, S. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. The use of India ink as an optical absorber in tissue-simulating phantoms. Physics in Medicine & Biology. 37, 985-993 (1992).
  28. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Physics in Medicine & Biology. 42, (10), 1971-1979 (1997).
  29. Ebert, B., et al. Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments. Journal of Biomedical Optics. 6, (2), 134-140 (2001).
  30. Sukowski, U., Schubert, F., Grosenick, D., Rinneberg, H. Preparation of solid phantoms with defined scattering and absorption properties for optical tomography. Physics in Medicine & Biology. 41, 1823-1844 (1996).
  31. Yoshida, K., Nishidate, I., Ishizuka, T., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. Journal of Biomedical Optics. 20, (5), 051026 (2015).
  32. Lo, J. Y., et al. A strategy for quantitative spectral imaging of tissue absorption and scattering using light emitting diodes and photodiodes. Optics Express. 17, (3), 1372-1384 (2009).
  33. Bednov, A., Ulyanov, S., Cheung, C., Yodh, A. G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin. Journal of Biomedical Optics. 9, (2), 347-352 (2004).
  34. Hull, E. L., Nichols, M. G., Foster, T. H. Quantitative broadband near-infrared spectroscopy of tissue-simulating phantoms containing erythrocytes. Physics in Medicine & Biology. 43, (11), 3381-3404 (1998).
  35. Kienle, A., Patterson, M. S., Ott, L., Steiner, R. Determination of the scattering coefficient and the anisotropy factor from laser Doppler spectra of liquids including blood. Applied Optics. 35, (19), 3404-3412 (1996).
  36. Srinivasan, S., Pogue, B. W., Jiang, S., Dehghani, H., Paulsen, K. D. Spectrally constrained chromophore and scattering NIR tomography improves quantification and robustness of reconstruction. Applied Optics. 44, (10), 1858-1869 (2004).
  37. Ocean Optics Inc. Glossary. Dark Noise. Available from: https://oceanoptics.com/glossary/#d (2018).
  38. Friebel, M., Roggan, A., Müller, G., Meinke, M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11, (3), 34021 (2006).
  39. Nishidate, I., Aizu, Y., Mishina, H. Estimation of absorbing components in a local layer embedded in the turbid media on the basis of visible to near- infrared (VIS-NIR) reflectance spectra. Optical Review. 10, (5), 427-435 (2003).
  40. Friebel, M., Helfmann, J., Netz, U., Meinke, M. Influence of oxygen saturation on the optical scattering properties of human red blood cells in the spectral range 250 to 2000 nm. Journal of Biomedical Optics. 14, (3), 034001 (2009).
  41. Jacques, S. L., Glickman, R. D., Schwartz, J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium. SPIE Conference Proceedings. 2681, 468-477 (1996).
  42. Park, J., Ha, M., Yu, M., Jung, B. Fabrication of various optical tissue phantoms by the spin-coating method. Journal of Biomedical Optics. 21, (6), 065008 (2016).
  43. Jacques, S. L. Skin Optics. Available from: https://omlc.org/news/jan98/skinoptics.html (1998).
  44. Prahl, S. A., van Gemert, M. J. C., Welch, A. J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding-doubling method. Applied Optics. 32, (4), 559-568 (1993).
  45. Hale, G. M., Querry, M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-um wavelength region. Applied Optics. 12, (3), 555-563 (1973).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics