In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا البروتوكول تصنيع مادة وهمية مستقرة وذات صلة بيولوجية لتطبيقات التصوير الطبي الحيوي البصري والصوتي ، وتتميز بخصائص صوتية وبصرية قابلة للضبط بشكل مستقل.

Abstract

يعد إنشاء مواد وهمية بيوفوتونية تحاكي الأنسجة وتوفر استقرارا طويل الأجل أمرا ضروريا لتمكين مقارنة أجهزة التصوير الطبي الحيوي عبر البائعين والمؤسسات ، ودعم تطوير المعايير المعترف بها دوليا ، والمساعدة في الترجمة السريرية للتقنيات الجديدة. هنا ، يتم تقديم عملية تصنيع ينتج عنها مادة بوليمر مشترك مستقرة ومنخفضة التكلفة تحاكي الأنسجة لاستخدامها في جهود التقييس الصوتية الضوئية والبصرية والموجات فوق الصوتية.

تتكون المادة الأساسية من زيت معدني وبوليمر مشترك بأرقام محددة لخدمة الملخص الكيميائي (CAS). ينتج البروتوكول المقدم هنا مادة تمثيلية بسرعة صوت c(f) = 1,481 ± 0.4 m·s-1 عند 5 MHz (يتوافق مع سرعة صوت الماء عند 20 درجة مئوية) ، التوهين الصوتي α (f) = 6.1 ± 0.06 ديسيبل · سم -1 عند 5 ميجاهرتز ، الامتصاص البصري μa (λ) = 0.05 ± 0.005 مم -1 عند 800 نانومتر ، والتشتت البصري μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 عند 800 نانومتر. تسمح المادة بالضبط المستقل للخصائص الصوتية والبصرية عن طريق تغيير تركيز البوليمر أو تشتت الضوء (ثاني أكسيد التيتانيوم) وعوامل الامتصاص (صبغة قابلة للذوبان في الزيت). يتم عرض تصنيع تصميمات وهمية مختلفة ويتم تأكيد تجانس كائنات الاختبار الناتجة باستخدام التصوير الصوتي الضوئي.

نظرا لسهولة عملية التصنيع القابلة للتكرار والمتانة ، فضلا عن خصائصها ذات الصلة بيولوجيا ، فإن وصفة المواد واعدة للغاية في مبادرات التقييس الصوتية البصرية متعددة الوسائط.

Introduction

يعد تحديد دقة ودقة المؤشرات الحيوية للتصوير البصري الجديد من خلال التحقق الفني 1,2 أمرا بالغ الأهمية لضمان تنفيذها بنجاح في الممارسة السريرية. ولتحقيق ذلك، كثيرا ما تستخدم دراسات التحقق التقني أشباحا مادية متينة، مما يسهل تقييم الأداء بين الأجهزة ومراقبة الجودة الروتينية. للاستخدام الواسع النطاق للمواد الوهمية في البحث والترجمة السريرية ، يلزم وجود بروتوكول تصنيع بسيط وقابل للتكرار بدرجة كبيرة. يجب أن تشتمل المادة الوهمية البيوفوتونية المثالية على الخصائص التالية3: (1) خصائص قابلة للضبط بشكل مستقل ضمن النطاقات ذات الصلة بيولوجيا. (2) المتانة الميكانيكية. (3) الاستقرار على المدى الطويل؛ (4) المرونة في الهندسة والهندسة المعمارية ؛ (5) التعامل الآمن. (6) المكونات المتاحة على نطاق واسع والتي يمكن شراؤها من الموردين العلميين القياسيين ؛ و (7) منخفضة التكلفة. في الوقت الحاضر ، تفتقر التطبيقات البيوفوتونية إلى بروتوكول موحد لمادة وهمية مقبولة على نطاق واسع تفي بالمتطلبات المحددة وتتضمن أيضا خصائص صوتية قابلة للضبط للتطبيقات الهجينة ، مثل التصوير الصوتي الضوئي (PAI).

تشمل المواد الوهمية ذات الصلة بيولوجيا المستهدفة للتطبيقات البصرية والصوتية مجتمعة الهلاميات المائية4،5 ، وكحول البولي فينيل (PVA) 6،7،8،9 ، وبلاستيسول كلوريد البولي فينيل (PVCP) 10،11،12،13،14،15،16. ومع ذلك ، تتميز هذه المواد ببعض القيود التي تقيد تطبيقها كمادة وهمية مستقرة. الهلاميات المائية ، على سبيل المثال ، عرضة للجفاف والأضرار الميكانيكية ونمو البكتيريا ، مما يحد من مدة صلاحيتها17،18،19. يمكن أن تؤدي إضافة المواد الكيميائية إلى زيادة طول العمر ، لكن المواد الحافظة الشائعة ، مثل الفورمالديهايد20 أو كلوريد البنزالكونيوم21 ، خطرة وتتطلب تدابير تحذيرية أثناء المناولة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تنتشر الأهداف التي تحتوي على أصباغ قابلة للذوبان في الماء داخل المادة الأساسية إذا لم تكن مغلفة. تتميز كبسولات التبريد PVA بطول عمر أعلى ومتانة هيكلية ، لكن عملية تحضيرها تتضمن دورات تجميد ذوبان طويلة22. هذا يمكن أن يحد من قابلية الضبط المستقلة للمعلمات الصوتية والبصرية23 و - إذا كانت متنوعة قليلا - يمكن أن تؤدي إلى عدم التجانس6 ، وبالتالي المساس بالتكاثر. علاوة على ذلك ، لوحظ انتشار الأصباغ من الادراج بعد 1 سنة13. لدى PVCP عملية تصنيع معقدة تتضمن درجات حرارة عالية تصل إلى 180-220 درجة مئوية13،14،24،25. يعاني PVCP أيضا من نقص في سلسلة التوريد مع الموردين العلميين26 ويمكن أن يحتوي على الملدنات القائمة على الفثالات ، والتي قد تسبب ضررا تناسليا ونمائيا27 ، مما يجعلها مواد خاضعة للرقابة في بعض البلدان.

تركيبات البوليمر المشترك في الزيت ، مثل شمع الجل28،29،30،31 أو الخلطات القائمة على اللدائن اللدائن الحرارية 32،33،34،35،36 ، تظهر ثباتا طوليا جيدا وتتميز بخصائص صوتية وبصرية تشبه الأنسجة 31،35،36،37، وبالتالي لديه إمكانات عالية كمرشح وهمي دائم في التطبيقات متعددة الوسائط. بالإضافة إلى ذلك ، هذه الفئة من المواد فعالة من حيث التكلفة ، وغير ممتصة للماء ، وغير سامة ، وخاملة بيولوجيا35,38. يمكن ضبط سرعة الصوت c (f) ومعامل التوهين الصوتي α (f) في نطاق ذي صلة بيولوجيا (الجدول 1) عن طريق اختلاف تركيز البوليمر33،35،39 ، في حين أن معاملات الامتصاص البصري μa (λ) وانخفاض التشتت μs '(λ) يمكن أن تختلف بشكل أساسي عن طريق إضافة أصباغ قابلة للذوبان في الزيت أو ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) 39 ، على التوالي.

هنا ، يتم تقديم بروتوكول بسيط وسهل المتابعة لإنشاء أشباح متينة من البوليمر المشترك في الزيت مناسبة للاستخدام في معايرة الأجهزة البصرية أو الموجات فوق الصوتية أو الصوتية. حددت جميع المكونات أرقام خدمة الملخص الكيميائي (CAS) وهي متاحة بسهولة من الموردين العلميين القياسيين. يتم تسليط الضوء على الصعوبات المحتملة في إجراء التصنيع ويتم عرض طرق التغلب عليها. بينما يسمح البروتوكول بتصنيع مواد ذات مجموعة من الخصائص الصوتية والبصرية ، فإن البروتوكول المقدم ينتج مادة بسرعة صوت ~ 1481 م · ث -1 ، تتماشى مع سرعة صوت الماء في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) 40. تم اختيار هذه القيمة كمعيار محايد لتمثيل مجموعة واسعة من خصائص الأنسجة الموجودة (الجدول 1) ، مما يسمح بإنشاء نقطة مرجعية متسقة وموثوقة للمقارنة. من خلال توفير هذا البروتوكول المفصل ، نهدف إلى توسيع نطاق استيعاب وتصنيع استنساخ هذا النوع الواعد من المواد الوهمية ، وبالتالي تسهيل دراسات التحقق من صحة البيوفوتونية والصوتية والضوئية ودعم مراقبة الجودة الروتينية في تطبيقات التصوير قبل السريرية والسريرية.

Protocol

الجدول 1: نظرة عامة على الخصائص الصوتية والبصرية الموجودة في الأنسجة الرخوة. تغطي الخصائص البصرية طيفا يتراوح من 600 إلى 900 نانومتر. وتجدر الإشارة إلى أن هذه ليست سوى قيم تمثيلية تهدف إلى توفير إرشادات عامة. قد تختلف القيم الدقيقة اعتمادا على الحالة التجريبية (مثل درجة الحرارة) والتردد / الطول الموجي. توفر الأدبيات قيما أكثر تحديدا. * لم يتم العثور على مرجع محدد. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

تم تطوير البروتوكول المحدد لصنع ~ 120 مل من المواد الوهمية. يمكن تحجيم كتل المكونات لعمل أحجام مختلفة من المواد الوهمية. يرجى ملاحظة أنه بالنسبة للأحجام الأكبر (>500 مل) ، قد لا تتمكن المعدات المقترحة من تسخين الخليط الوهمي بشكل متجانس بشكل كاف. لهذا الغرض ، يجب تكييف معدات التدفئة بشكل مناسب.

تنبيه: تأكد دائما من ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) طوال عملية التصنيع بأكملها. قد يشمل ذلك استخدام معاطف المختبر ونظارات السلامة وقفازات السلامة. الرجوع إلى إرشادات السلامة المحلية والالتزام بها. الإجراء مقتبس من Hacker et al.39; يتم عرض ملخص للخطوات في الشكل 1.

figure-protocol-1297
الشكل 1: تصنيع مادة البوليمر المشترك في الزيت. (1) تضاف مواد التشتت البصري والامتصاص إلى الزيوت المعدنية و (2) صوتنة عند 90 درجة مئوية حتى تذوب. (3) يضاف البوليمر (البوليمرات) والمثبت ، و (4) يتم تسخين الخليط في حمام زيت إلى 160 درجة مئوية تحت التحريك المنخفض. (5) عند إذابة جميع المكونات ، يتم سكب العينة في قالب وهمي مناسب و (6) تترك لتتصلب في درجة حرارة الغرفة. هذا الرقم مستنسخ من Hacker et al.39. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

1. تحضير الخليط

  1. تحضير محلول مخزون Nigrosin بإضافة 0.4 غرام من Nigrosin إلى 40 مل من الزيوت المعدنية. ضمان خلط متجانس عن طريق صوتنة ودوامة شاملة للعينة. قم بتخزين محلول المخزون في درجة حرارة الغرفة.
    ملاحظة: يجب دائما خلط محلول المخزون جيدا قبل إعادة الاستخدام. إذا كانت المادة الوهمية بدون مبعثر بصري (TiO 2) أو ممتص (صبغة) مفضلة ، فيمكن تخطي الخطوتين 1 و2. تابع الخطوة 3.
  2. Sonicate 0.15 g من TiO 2 و 1 مل من محلول مخزون الصبغة في 100 مل (83.8 جم) من الزيت المعدني حتى يتم إذابة جميع المكونات تماما (~ 60 دقيقة) (الشكل 1: الخطوتان 1 و2). اضبط جهاز الصوتنة على درجات حرارة مرتفعة (90 درجة مئوية) إذا سمح الجهاز بذلك ، لأن هذا يسهل عملية الخلط. تابع الخطوات 3-5 خلال وقت الصوتنة.
    ملاحظة: إذا كان الشبح مع خصائص امتصاص وتشتت أعلى مفضلة ، قد تحتاج إلى تمديد وقت صوتنة.
  3. قم بوزن كتلة البوليسترين بولي (إيثيلين-ران-بوتيلين)-كتلة-بوليسترين (SEBS) والبولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) بالتركيزات المطلوبة (على سبيل المثال ، SEBS = 25.14 جم ؛ LDPE = 6.70 جم) (الشكل 1: الخطوة 3).
    1. اختياري: يمكن إضافة مضادات الأكسدة لزيادة الثبات ، ولكنها ليست إلزامية إذا كانت درجات حرارة التسخين لا تتجاوز 180 درجة مئوية.
      ملاحظة: في حالة مواجهة مشكلات الذوبان أو اللزوجة في مرحلة لاحقة من عملية التصنيع ، ينصح باستبعاد البولي إثيلين المنخفض الكثافة. تم دمج LDPE لتعزيز سرعة الصوت في المادة (الجدول 3) ؛ ومع ذلك ، فإنه ليس إلزاميا لإنشاء شبح مستقر. من خلال حذف LDPE ، يمكن تبسيط عملية التصنيع والقولبة ، ولكنها ستؤدي إلى انخفاض في سرعة الصوت اللاحقة للمادة النهائية (الجدول 3).
  4. إنشاء حمام زيت باستخدام الأواني الزجاجية المناسبة وزيت السيليكون ؛ قم بتثبيته بعناية على لوح التسخين. تأكد من بقاء المزدوجة الحرارية في حمام زيت السيليكون ولا تلمس حواف الأواني الزجاجية طوال الإجراء (الشكل 2).
    ملاحظة: تأكد من تركيب ملحق التنظيم الحراري بعناية، وفقا لتعليمات الشركة المصنعة للمعدات.
  5. ضع قضيب تقليب مغناطيسي بطول مناسب داخل حمام الزيت لضمان توزيع موحد للحرارة.
  6. قم بتشغيل لوح التسخين ، واضبط درجة حرارة التسخين على 160 درجة مئوية ، واضبط الثورات في الدقيقة (rpm) للمحرك على 50.
  7. انقل LDPE و SEBS إلى دورق زجاجي يحتوي على الزيت المعدني الصوتي (مع TiO2 و Nigrosin). أدخل قضيب تحريك مغناطيسي بطول مناسب في الدورق الزجاجي وانقله إلى وسط حمام الزيت لتسخين المكونات المقاسة. تأكد من بقاء مستوى الزيت في الحمام أعلى من مستوى الزيت المعدني داخل الدورق (الشكل 1: الخطوة 4).

2. تسخين الخليط

  1. إذا ظهر البوليمر المضاف في أي مرحلة يطفو فوق الزيت المعدني ، فقم بتحريك محلول الزيت المعدني يدويا باستخدام ملعقة معدنية ، بحيث يتم توزيع أي بوليمر عائم داخل الزيت المعدني. ارتداء قفازات مقاومة للحرارة.
  2. اترك الخليط على حرارة 160 درجة مئوية حتى يذوب كل البوليمر ويظهر المحلول ممزوجا بشكل موحد ، مع قوام ناعم ومتجانس (~ 1.5 ساعة).

3. التنظيف بالمكنسة الكهربائية

ملاحظة: لإزالة فقاعات الهواء ، اتبع الخطوات التالية ، اعتمادا على المعدات المتاحة.

  1. ضع الدورق الساخن بعناية في حجرة التفريغ وقم بتفريغ العينات لمدة 2-3 دقائق على أعلى إعداد (أدنى فراغ). استخدم ملعقة معدنية لإزالة أي فقاعات هواء تتراكم على السطح بعناية. إذا كانت فقاعات الهواء لا تزال موجودة بعد هذه الخطوة ، فأعد تسخين الخليط وكرر خطوة التنظيف بالمكنسة الكهربائية حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء.
  2. قم بتشغيل فرن التفريغ وتسخينه حتى 160 درجة مئوية. بمجرد وصولها إلى درجة الحرارة المطلوبة ، انقل الدورق مع المحلول إلى فرن التفريغ.
    ملاحظة: تعامل دائما مع الدورق بقفازات واقية من الحرارة.
    1. قم بتشغيل المكنسة الكهربائية إلى أعلى إعداد (أقل فراغ) متاح. إذا أنتجت طبقة رغوية أعلى المحلول ، فقم بإيقاف تشغيل الفراغ وإزالة الفقاعات من السطح باستخدام ملعقة (كرر هذه الخطوة حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء).
    2. اترك الدورق في فرن التفريغ لمدة 1 ساعة في أعلى إعداد للتفريغ.
      ملاحظة: للحفاظ على نظافة فرن التفريغ ، قم بتنظيف السطح الخارجي لدورق زيت السيليكون بمنشفة ورقية.

4. صب العينات في القالب

  1. قبل صب العينات في قوالب العينات ، قم بإزالة أي فقاعات هواء متبقية على سطح الخليط باستخدام ملعقة إذا لزم الأمر.
  2. صب المحلول بعناية في قالب مناسب ، وارتداء قفازات مقاومة للحرارة أو باستخدام معدات واقية كافية. تأكد من التدفق السلس والثابت من ارتفاع منخفض لتقليل فرصة تكوين أي فقاعات هواء (الشكل 1: الخطوة 5). بالنسبة للقوالب ذات الأشكال المعقدة ، قم بتغطية القالب بطبقة رقيقة من الزيت (بخلاف الزيت المعدني [مثل زيت الخروع أو زيت السيليكون]) قبل الصب لتسهيل إزالة العينة المعالجة.
    ملاحظة: يمكن أن يساعد التسخين المسبق للقوالب في الفرن في تحقيق تجانس أعلى للعينة.
  3. قم بإزالة أي فقاعات هواء من أعلى العينات بسرعة باستخدام ملعقة معدنية بمجرد سكبها. إذا تراكمت العديد من فقاعات الهواء داخل الخليط ، كرر خطوة الفراغ ، بشرط أن يسمح نوع وشكل القالب بذلك.
  4. اسمح للمحلول بضبطه في درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن العينات الأصغر قد تعالج في أقل من 2 ساعة ، اترك العينات طوال الليل للتخلص من أي خطر للمعالجة غير الكاملة. قم بتخزين العينات في درجة حرارة الغرفة (الشكل 1: الخطوة 6).

5. الحصول على الصور

  1. للحصول على الصور ، ضع الشبح في مجال رؤية جهاز التصوير.
  2. بالنسبة لأنظمة PAI أو الموجات فوق الصوتية ، قم بإجراء اقتران صوتي للسطح الوهمي بمحول الموجات فوق الصوتية ، على سبيل المثال ، باستخدام هلام الموجات فوق الصوتية أو الماء.
    ملاحظة: إذا تم اتباع البروتوكول بشكل صحيح ، فلا ينبغي أن يؤدي عدم التجانس إلى اضطراب مجال الرؤية. يمكن أن تساعد حوامل الوهمية المخصصة في تحديد موضع العينة القابل للتكرار بين القياسات.
  3. إذا كانت درجة حرارة الاكتساب تختلف عن درجة حرارة تخزين الشبح ، اسمح لدرجة الحرارة الوهمية بالاستقرار مع المناطق المحيطة.
  4. الحصول على صورة.

6. قياسات توصيف المواد

ملاحظة: الغرض من قياسات توصيف المواد هو التحقق من الخصائص البصرية والصوتية للمادة. وتجدر الإشارة إلى أن بروتوكول التصنيع الوهمي قد أظهر قابلية عالية للتكرار39 ، لذلك يتم توفير بروتوكولات القياس العامة التالية فقط كإرشادات إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من دراسات التحقق. تعتمد الخطوات الفردية للقياسات على معدات التوصيف المستخدمة. وهنا استخدم نظام قائم على طريقة استبدال النطاق العريض من خلال الإرسال 41 (المتاحة فيالمختبر الفيزيائي الوطني (NPL)، المملكة المتحدة) للتوصيف الصوتي، واستخدم نظام داخلي مزدوج التكامل الكروي (DIS) (استنادا إلى 42) للتوصيف البصري. يتم عرض إعداد أنظمة التوصيف في الشكل التكميلي 1. يمكن العثور على تفاصيل إضافية حول إعدادات القياس (الصوتية43 ؛ البصرية42،44) وإجراءات القياس39 في مكان آخر. يجب تكييف إجراء القياس وفقا لكل نظام توصيف محدد مستخدم.

  1. التوصيف الصوتي
    ملاحظة: تستند قياسات التوصيف الصوتي إلى نظام يستخدم محول طاقة بالموجات فوق الصوتية بتردد مركزي 10 ميجاهرتز (قطر العنصر النشط 10 مم) لتوليد النبضات وهيدروفون عريض النطاق (هيدروفون غشاء بيلامينار بقطر عنصر نشط 30 مم) للكشف عن النبض (كلاهما يوضع في خزان مياه مملوء بالماء منزوع الأيونات ؛ أبعاد 112 سم × 38 سم × 30 سم3). يتم تشغيل محول الطاقة بواسطة مستقبل نبضي. يتم الحصول على الأشكال الموجية باستخدام راسم الذبذبات. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول إجراء الإعداد والقياس (بما في ذلك تأثيرات النوع B الخاصة بالنظام على القياسات) في 43.
    1. تحضير عينات مناسبة لإعداد القياس (على سبيل المثال ، في هذه الحالة ، عينات دائرية بقطر 7-8 سم وسمك 6-9 مم). تأكد من أن العينات ذات تركيبة متجانسة وخالية من أي شوائب أو فقاعات هواء أو مخالفات سطحية.
    2. قم بقياس سمك عينة الاختبار باستخدام ملاقط الورنية وسجل درجة حرارة خزان المياه باستخدام مقياس حرارة معاير.
    3. ضع العينة في النظام. تأكد من محاذاة العينة بشكل صحيح مع مكونات النظام.
      ملاحظة: قد يساعد حامل العينة الذي يتم التحكم فيه تلقائيا استنادا إلى حامل gimbal43 في التحكم الدقيق في دوران العينة وإمالتها.
    4. الحصول على أربع نبضات صوتية لكل مجموعة قياس: نبضة مرجعية عبر الماء مع عدم وجود عينة في المسار الصوتي ؛ (أ) نقل العينات من خلال؛ والانعكاسات الصوتية المستلمة في جهاز الإرسال من الأسطح الأمامية والخلفية للعينة.
    5. اشتقاق الخصائص الصوتية للعينة من القياسات. احسب سرعة الصوت c( f ) (بالمتر · s−1) باستخدام المعادلة (1)43.
      figure-protocol-10560(1)
      CW يصور السرعة المعتمدة على درجة الحرارة لصوت الماء ، و θ1 (f) و θ2 (f) و θw (f) و θs (f) هي أطياف الطور غير المغلفة المقابلة لنبضات الجهد المنعكسة الأمامية والمنعكسة من الخلف وعبر الماء وعبر العينة ، على التوالي. يمكن اشتقاق معامل التوهين المعتمد على التردد (αi (f)) للمادة باستخدام تقنية استبدال العينتين الموضحة في المعادلة (2) 43.
      figure-protocol-11180(2)
      Uw (f) و Us (f) هما أطياف حجم الجهد لكل من نبضة الماء ومن خلال العينة ، αw (f) هو معامل التوهين للموجات فوق الصوتية (في dB · cm-1) للمياه النقية عند درجة حرارة خزان المياه المحددة45 ، و d 1 و d 2 (d2 > d1) هما سمكان عينة.
      ملاحظة: بالنسبة للبروتوكول الحالي، تم تقييم التوهين الذي يمثل الخسائر السطحية، ووجد أن تأثيره لا يكاد يذكر.
    6. كرر القياس أكثر من ثلاث مرات في مواضع مختلفة على عينة الاختبار. احسب المتوسط والانحراف المعياري للقياسات لاشتقاق قيمة العينة النهائية.
  2. التوصيف البصري
    ملاحظة: للاختبار البصري ، تم استخدام نظام كروي مزدوج التكامل (على أساس 42) ، باستخدام كرتين متكاملتين (قطر داخلي 50 مم) متصلين بمطياف عبر أليافين بصريين. يتم توصيل كرة الانعكاس بمصدر ضوء عبر ألياف بصرية ثالثة.
    1. تحضير عينات مناسبة لإعداد القياس (على سبيل المثال ، في هذه الحالة ، عينات مستطيلة بعرض 5.9 سم ، ارتفاع 1.8 سم ، وسمك يتراوح بين 2 و 3 مم). تأكد من أن العينات ذات تركيبة متجانسة وخالية من أي شوائب أو فقاعات هواء أو مخالفات سطحية.
    2. قم بتشغيل مصدر الضوء واتركه يستقر وفقا لتعليمات الشركة المصنعة (على سبيل المثال ، 15 دقيقة).
    3. حدد سمك العينة باستخدام ملاقط الورنية. إذا كان ذلك ممكنا ، حدد نطاق الطول الموجي وحجم الخطوة للقياس (على سبيل المثال ، 450-900 نانومتر بحجم خطوة 1 نانومتر).
    4. سجل القياسات المرجعية لمجال الإرسال والانعكاس.
      1. بالنسبة لمجال الانعكاس ، قم أولا بإجراء قياس منفذ مفتوح عن طريق تسجيل قيمة الانعكاس R0 مع إزالة مجال النفاذية وتشغيل مصدر الضوء. بعد ذلك ، سجل قيمة الانعكاس R1 بمعيار مرجعي مثبت أمام كرة الانعكاس (مصدر الضوء قيد التشغيل).
      2. بالنسبة لمجال النفاذية ، قم أولا بقياس الحزمة المحظورة عن طريق تسجيل قيمة النفاذية T0 مع إيقاف تشغيل مجالات الانعكاس والنفاذية المحاذاة ومصدر الضوء. بعد ذلك ، قم بقياس شعاع الحادث عن طريق تسجيل قيمة النفاذية T1 مع تشغيل مجالات الانعكاس والنفاذية المحاذاة ومصدر الضوء.
        ملاحظة: يجب ضمان سطح نظيف للكرات والمعيار المرجعي للقياسات ، حيث قد يؤثر التصاق الغبار أو الملوثات الأخرى على أداء المكونات46.
    5. ضع العينة بين الكرتين. قياس قيم الانعكاس Rs والنفاذية Ts. تأكد من عدم ضغط العينة ، لأن ذلك قد يؤثر على دقة القياس. قد يساعد وضع كرة واحدة على مرحلة آلية على التحكم بدقة في المسافة بين المجالات من خلال تكييفها مع سمك العينة المقاس.
    6. احسب قيم الانعكاس الطبيعي M R والنفاذية MT باستخدام المعادلتين (3) و (4) 42.
      figure-protocol-13940(3)
      figure-protocol-14052(4)
      يصور RSTD الكثافة المنعكسة من معيار الانعكاس 99٪.
    7. أدخل القيم المقاسة في برنامج مضاعفة الإضافة العكسية (IAD) (شفرة المصدر: http://omlc.org/software/iad/)44 لتقدير الخصائص البصرية للمادة.
      ملاحظة: استنادا إلى التقارير السابقة، يمكن اعتبار معامل تباين الخواص (g) على أنه g = 0.7، ومعامل الانكسار على أنه n = 1.4 30.
    8. كرر القياس ثلاث مرات على الأقل في مواضع مختلفة على طول عينة الاختبار. احسب المتوسط والانحراف المعياري للقياسات لاشتقاق قيمة العينة النهائية.

النتائج

باتباع هذه الوصفة ، تم إنشاء ثلاثة تصميمات وهمية تمثيلية لغرض التصوير الصوتي الضوئي ، تستهدف تصميمات أنظمة مختلفة مع إضاءة بصرية مختلفة وهندسة للكشف الصوتي (الشكل 3 أ). إذا تم تنفيذ إجراء التحضير الوهمي بنجاح ، فإن المادة الوهمية تبدو ناعمة ومتجانسة دون أي فقاعات هواء أو شوائب محاصرة ، ولا يمكن رؤية أي قطع أثرية في الصورة الناتجة (هنا تصور باستخدام التصوير الصوتي الضوئي ؛ الشكل 3 ب ، ج). ينتج البروتوكول مادة تمثيلية بسرعة صوت c (f) = 1481 ± 0.4 m·s-1 (المقابلة لسرعة صوت الماء عند 20 °C40) ، والتوهين الصوتي α (f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 (كلاهما عند 5 MHz) ، والامتصاص البصري μa (λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1 ، والتشتت البصري μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 (كلاهما عند 800 نانومتر) (يصور عدم اليقين الانحراف المعياري عن n = 3 دفعات منتجة بشكل مستقل من قبل مشغلين مختلفين ؛ تم إجراء جميع القياسات في درجة حرارة الغرفة [20 درجة مئوية]).

يمكن ضبط معامل التشتت البصري من خلال اختلاف TiO 2 ، بينما يمكن ضبط معامل الامتصاص البصري بإضافة أي صبغة قابلة للذوبان في الزيت ، كما هو موضح هنا مع Nigrosin (الجدول 2 والشكل 3D). بينما تركز القيم الواردة في الجدول 2 على الأنسجة الممتصة والمبعثرة المنخفضة ، مثل العضلات أو الثدي (الجدول 1) ، لم نواجه أي صعوبات في إضافة الممتصات والمشتتات بتركيزات أعلى. ومع ذلك ، فإن إضافة المشتتات / الممتصات الضوئية بتركيزات أعلى قد تتطلب أوقات صوتنة أطول لتحقيق خلط متجانس للمحلول.

يمكن ضبط التوهين الصوتي وسرعة الصوت عن طريق اختلاف تركيز البوليمر (الجدول 3). هنا ، يقتصر الضبط حتى الآن على نطاق سرعة الصوت ~ 1,450-1,516 m·s-1. قد يؤدي انخفاض تركيزات البوليمر المعنية إلى انخفاض الاستقرار المادي للعينة ، مما يؤدي إلى تشوه البلاستيك بمرور الوقت34. تؤدي تركيزات البوليمر العالية إلى هشاشة وملمس غير متساو للمادة. قد يساعد نطاق الخصائص الصوتية في محاكاة الأنسجة مثل الثدي أو الدهون (c = 1,450-1,480 m·s−1) ، ولكنه قد يكون غير كاف للأنسجة مثل العضلات أو الكلى (c > 1,520 m·s−1; الجدول 1).

تشمل مصادر الخطأ الشائعة في التحضير الوهمي عدم كفاية إزالة فقاعات الهواء والخلط غير المتجانس للمكونات الأساسية (الشكل 4). يمكن تقليل ذلك عن طريق التنظيف بالمكنسة الكهربائية والصب الدقيق والتحريك / الدوامة ، على التوالي.

figure-results-2573
الشكل 2: الإعداد التجريبي للتصنيع الوهمي. يتم وضع الدورق الزجاجي الذي يحتوي على المكونات الوهمية في حمام زيت السيليكون باستخدام مشبك لتجنب التلامس المباشر بين أسطح حمام الزيت والكأس الزجاجية. تضمن ردود الفعل لدرجة الحرارة على لوح التسخين تحكما دقيقا في درجة الحرارة. تتيح أدوات التقليب المغناطيسية خلط كل من زيت السيليكون والمكونات الوهمية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3255
الشكل 3: النتائج التمثيلية من إجراء التصنيع الوهمي. (أ) تصميمات وهمية مختلفة تظهر تنوعا للتطبيق في أنظمة التصوير الضوئي الصوتية المختلفة. اليسار: شبح مستطيل صغير مع خيوط مدمجة على أعماق مختلفة (0.5 و 1.5 و 2.5 مم ؛ مسافة بين الأهداف 1.25 مم) مصممة لاختبار أنظمة التصوير عالية الدقة ؛ الوسط: شبح أسطواني مع اثنين من الشوائب (مسافة التضمين البيني 12 مم) باستخدام صبغة قابلة للذوبان في الزيت الأخضر والبنفسجي ، مصممة لاختبار أنظمة التصوير المقطعي ؛ على اليمين: شبح مستطيل كبير مع قنوات مدمجة على أعماق مختلفة (6 مم و 10 مم و 14 مم ؛ مسافة تضمين 3.5 مم) ، مصممة لاختبار نظام محمول باليد. (ب) مثال على الصورة الصوتية الضوئية للشبح المستطيل بخيوط مدمجة، تم الحصول عليها عند 532 نانومتر باستخدام نظام تصوير صوتي ضوئي تجاري. (ج) مثال على الصورة الصوتية الضوئية للشبح المقطعي الأسطواني ، الذي تم الحصول عليه عند 800 نانومتر باستخدام نظام تصوير صوتي ضوئي تجاري. (د) الأشباح ذات تركيزات الامتصاص البصري المتزايدة عن طريق زيادة تركيزات النيغروسين (التركيزات المعطاة في نسبة الوزن من الحجم الكلي للزيت المعدني على الصورة). الشكل 3B ، C مستنسخ من Hacker et al.39. قضبان المقياس = 10 مم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-4808
الشكل 4: حالات الفشل الوهمية الشائعة . (أ، ب) صور فوتوغرافية تظهر فقاعات الهواء محاصرة داخل المصفوفة الأساسية. (ج) يؤدي الخلط غير الكافي للمكونات الأساسية إلى عدم التجانس (الأسهم الحمراء) في الصورة الصوتية الضوئية الناتجة. شريط المقياس = 5 مم (A). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 2: نظرة عامة جدولية لضبط قيم الامتصاص البصري (μa) والتشتت (μs'). يتم إعطاء قيم النسبة المئوية كنسبة مئوية للوزن إلى الحجم الكلي للمحلول الأساسي (الزيت المعدني ، العمود 1) والوزن الإجمالي للمادة الوهمية (العمود 2). تصور تركيزات Nigrosin الكمية الإجمالية للنيغروسين المطلق (وليس محلول المخزون). تضمنت جميع العينات 5٪ هيدروكسي تولوين بوتيل كمضاد للأكسدة (اختياري). ن = 3 قياسات لكل عينة. يمكن العثور على تمثيل مرئي للجدول في Hacker et al.39. اختصار: neg = لا يكاد يذكر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 3: نظرة عامة جدولية على ضبط قيم التوهين الصوتي (α) وسرعة الصوت (ج). وصفه قانون الطاقة α 0 f nمع معلمات α0 و n تم الحصول عليها من تركيب المربعات الصغرى غير الخطية (n = 4 قياسات لكل عينة). F يصور التردد بالميجاهرتز. يتم إعطاء قيم النسبة المئوية كنسبة مئوية للوزن الإجمالي للمحلول الأساسي (الزيت المعدني). تضمنت جميع العينات 5٪ هيدروكسي تولوين بوتيل كمضاد للأكسدة (اختياري). يمكن العثور على تمثيل مرئي للجدول في Hacker et al.39. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

الشكل التكميلي S1: إعداد أنظمة التوصيف الصوتي والبصري المستخدمة في عمليات التحقق. يتم عرض صورة (A) وتخطيطية (B) لنظام التوصيف الصوتي لتحديد معامل التوهين الصوتي وسرعة الصوت. يشار إلى مكونات النظام الفردية بالتعليقات التوضيحية HP (HydroPhone) و S (عينة) و T (محول الطاقة) في الصورة والتخطيطي. تظهر صورة فوتوغرافية (C) وتخطيطية (D) لنظام الكرة مزدوج التكامل لتقييم معامل الامتصاص البصري ومعامل التشتت المنخفض. يشار إلى مكونات النظام الفردية بالتعليقات التوضيحية S (عينة) و RS (مجال الانعكاس) و TS (مجال الإرسال) و OF (الألياف الضوئية) و MS (المرحلة الآلية) في الصورة والتخطيطي. هذا الرقم مستنسخ من Hacker et al. 39. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

هنا ، يتم تقديم بروتوكول يهدف إلى توفير وصفة متعددة الاستخدامات لمادة مستقرة وذات صلة بيولوجية يمكن استخدامها لإنشاء أشباح لقياسات المعايرة والتوحيد القياسي عبر تطبيقات التصوير الطبي الحيوي الصوتي والبصري متعدد الوسائط. وقد ثبت سابقا أن المادة مستقرة بمرور الوقت39 ، ولديها قابلية عالية للتكاثر من دفعة إلى أخرى ، وآمنة للاستخدام ، وتتكون من مكونات متاحة بسهولة وفعالة من حيث التكلفة من الموردين العلميين القياسيين. يتم ضبط خصائص المواد بشكل مستقل عبر الأنظمة الصوتية والبصرية ذات الصلة. علاوة على ذلك ، فهي قوية ميكانيكيا وغير قابلة للذوبان في الماء ، وبالتالي تتحمل المعالجة الخشنة ، وهي خاملة لعوامل التوصيل القائمة على الماء المستخدمة في الأبحاث بالموجات فوق الصوتية / الصوتية. تم تسليط الضوء على أنه يمكن إنشاء تصميمات وهمية مختلفة بأنواع مختلفة من الشوائب ، تتكون من نفس أنواع المواد أو من أنواع مختلفة. بالنظر إلى هذه الخصائص ، تفي المادة بالمعايير الرئيسية المذكورة أعلاه للحصول على شبح بيوفوتوني مثالي وتظهر مزايا رئيسية مقارنة بالمواد الأخرى الموجودة التي تحاكي الأنسجة3. من خلال تفصيل عملية التصنيع الدقيقة ، نأمل في تقليل الاختلافات الناشئة عن إجراء التصنيع ، وبالتالي تحسين استخدامه لمعايرة أداء أنظمة التصوير والتحقق من صحته وتتبعه.

تم تحديد خطوتين رئيسيتين باعتبارهما حاسمتين لعملية التصنيع. أولا ، يجب خلط المكونات جيدا وتسخينها بشكل موحد لإنشاء مادة متجانسة. يضمن استخدام جهاز صوتي ومحرك مغناطيسي للخلط وحمام زيت للتدفئة التوزيع المتساوي لمكونات المواد داخل المصفوفة الأساسية. يجب الحرص على ألا يصل حمام الزيت إلى درجات حرارة عالية جدا (>180 درجة مئوية) ، لأن هذا سيؤدي إلى أكسدة مكونات المادة ، مما يؤدي إلى تغير اللون المصفر. يمكن أن يدعم التقليب اليدوي عملية الخلط ويعوض التسخين غير الكافي من واجهة المواد والهواء. قد يلزم تمديد وقت الصوتنة والخلط عند استخدام تركيز أعلى من TiO2 و / أو البوليمرات لضمان تكوين متجانس للمادة. ثانيا ، يجب إزالة فقاعات الهواء لمنع تكوين عدم التجانس داخل المصفوفة الأساسية. بينما يمكن تحقيق ذلك باستخدام مضخة تفريغ أو فرن ، يجب أيضا ممارسة السكب الدقيق من ارتفاع منخفض لتقليل حبس الهواء داخل المادة.

تتمثل إحدى المزايا المهمة للمادة في خصائصها البلاستيكية الحرارية (المشتقة من بوليمر SEBS) ، مما يسمح بإعادة تسخينها وإعادة تشكيلها دون أي تأثير كبير على خصائصها الصوتية والبصرية39. ومع ذلك ، يجب إجراء إعادة التسخين تدريجيا وبعناية ، حيث يمكن للمادة أن تحترق وتتأكسد بسهولة إذا أعيد تسخينها بسرعة كبيرة. تصبح إعادة التسخين أيضا أكثر صعوبة عند استخدام تركيزات أعلى من LDPE ، حيث لا يظهر LDPE نفس سلوك اللدائن الحرارية مثل SEBS.

لا تزال هناك العديد من القيود على البروتوكول. نظرا لارتفاع درجة حرارة انصهار البوليمرات (150 درجة مئوية) ، يجب أن تكون القوالب الوهمية مصنوعة من مادة مقاومة للحرارة ، مثل الزجاج أو الفولاذ المقاوم للصدأ. بالإضافة إلى ذلك ، تكون المادة لزجة إلى حد ما في الحالة السائلة إذا تم استخدام تركيز بوليمر مرتفع لضبط الخصائص الصوتية ، مما يجعل ملء أهداف التصوير الصغيرة أمرا صعبا. أخيرا ، يقتصر ضبط الخصائص الصوتية حتى الآن على سرعة نطاق الصوت ~ 1450-1,516 m·s-1 الذي يدعم محاكاة الأنسجة مثل الثدي أو الدهون (c = 1,450-1,480 m·s−1) ، ولكنه قد يكون غير كاف للأنسجة مثل العضلات أو الكلى (c > 1,520 m·s−1). وينبغي أيضا مراعاة التغيير المصاحب للتوهين الصوتي.

هنا ، قمنا بتسليط الضوء على تطبيق المادة كشبح مستقر لتطبيقات الموجات فوق الصوتية والتصوير البصري. ومع ذلك ، فقد أظهرت مواد البوليمر المشترك في الزيت أيضا أنها ذات قيمة في تطبيقات التصوير الإلستوجرافي35 ، ويمكن أن تسمح بالتوافق مع طرق التصوير الأخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي. يمكن تحقيق زيادة الواقعية التشريحية للأشباح باستخدام قوالب مطبوعة 3D ، كما هو موضح في دراسات مماثلة29،47،48،49. وقد أظهرت الدراسات المبكرة أيضا قابلية الطباعة 3D للمادة نفسها ، مما يزيد من مرونتها من حيث المعالجة والتصنيع. تسلط هذه التطورات الضوء على الإمكانات المستقبلية المثيرة للمادة كوسيط وهمي مستقر ومستخدم على نطاق واسع لتطبيقات التصوير متعدد الوسائط.

Disclosures

تلقت سارة بونديك سابقا دعما بحثيا من CYBERDYNE INC و iThera Medical GmbH ، بائعي أدوات التصوير الصوتي الضوئي. ليس لدى المؤلفين الآخرين أي تضارب في المصالح فيما يتعلق بالمخطوطة الحالية للكشف عنها.

Acknowledgements

تم تمويل LH من قبل برنامج MedAccel التابع ل NPL بتمويل من صندوق تحدي الإستراتيجية الصناعية التابع لوزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية. تلقت JMG تمويلا من Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ، مؤسسة الأبحاث الألمانية) في إطار مشروع GR 5824/1. تعترف JJ بدعم التمويل من جائزة أكاديمية العلوم الطبية Springboard (REF: SBF007 \ 100007). تعترف SEB بالدعم المقدم من أبحاث السرطان في المملكة المتحدة بموجب رقم المنحة C9545 / A29580. تم دعم AMI و BZ و SR من قبل وزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية في المملكة المتحدة من خلال تمويل نظام القياس الوطني. تم إنشاء الشكل 1 والشكل 2 باستخدام BioRender.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Low-density Polyethylene (LDPE)Alfa Aesar 43949.30
CAS: 9002-88-4		6.70 g
5.8% w/w
Mineral oilSigma Aldrich330779-1L
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 bathSigma 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 mouldany suitable supplier
Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of > 200 °CThermo Fisher Scientific, UK*Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer*
Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 gany suitable supplier
Metallic spatulaany suitable supplier
Vaccuum oven or vaccum chamberMemmert, 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*
HydrophoneGEC Marconi30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone
OscilloscopeTektronix UK, Bracknell, UKDPO 7254 
Pulser–receiver Olympus NDT, Waltham, MA, USAOlympus 5073PR
Sample holderNewport Spectra-Physics, Didcot, UKNewport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mountmay require additional adaptor for sample holding
ThermometerG. H. Zeal, London, UKUKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer
Ultrasound transducer Force Technology, Brondby, DenmarkTransducer of active element diameter 10 mm 
Vernier callipersany suitable supplier
Water tank filled with deionized water any suitable supplierrequires sufficent size (e.g., dimensions 112 × 38 × 30 cm3)
2.Optical characterization system*
Integrating sphere (two)Avantes, Apeldoorn, the NetherlandsAvaSphere-50, 50 cm internal diameter
Light source Avantes, Apeldoorn, the NetherlandsAvalight-HAL-s-mini
Motorized stage (optional)Thorlabs,Thorlabs MTS50
Optical fibres (three)any suitable supplier
Reflectance standardLabsphere, North Sutton, USA99%, white, 1.25" diameter, USRS-99-010, AS-01158-060
SpectrometerAvantes, Apeldoorn, the NetherlandsStarline 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.

References

  1. Waterhouse, D. Translation of optical imaging biomarkers: opportunities and challenges. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 339-353 (2019).
  2. O'Connor, J. P. B., et al. Imaging biomarker roadmap for cancer studies. Nature Reviews Clinical Oncology. 14 (3), 169-186 (2017).
  3. Hacker, L., et al. Criteria for the design of tissue-mimicking phantoms for the standardization of biophotonic instrumentation. Nature Biomedical Engineering. 6 (5), 541-558 (2022).
  4. Laufer, J., Zhang, E., Beard, P. Evaluation of absorbing chromophores used in tissue phantoms for quantitative photoacoustic spectroscopy and imaging. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (3), 600-607 (2010).
  5. Cook, J. R., Bouchard, R. R., Emelianov, S. Y. Tissue-mimicking phantoms for photoacoustic and ultrasonic imaging. Biomedical Optics Express. 2 (11), 3193-3206 (2011).
  6. Xia, W., et al. Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 075002 (2011).
  7. Manohar, S., et al. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms. J Biomed Opt. 9, 1172 (2004).
  8. Blumenröther, E., Melchert, O., Wollweber, M., Roth, B. Detection, numerical simulation and approximate inversion of optoacoustic signals generated in multi-layered PVA hydrogel based tissue phantoms. Photoacoustics. 4 (4), 125-132 (2016).
  9. Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
  10. Spirou, G. M., Oraevsky, A. A., Vitkin, I. A., Whelan, W. M. Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics. Physics in Medicine and Biology. 50 (14), N141-N153 (2005).
  11. Bohndiek, S. E., Bodapati, S., Van De Sompel, D., Kothapalli, S. -. R., Gambhir, S. S. Development and application of stable phantoms for the evaluation of photoacoustic imaging instruments. PLoS One. 8 (9), e75533 (2013).
  12. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P. C., Cox, B. T. Characterisation of a phantom for multiwavelength quantitative photoacoustic imaging. Physics in Medicine and Biology. 61 (13), 4950-4973 (2016).
  13. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Joshua Pfefer, T. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  14. Dantuma, M., van Dommelen, R., Manohar, S. Semi-anthropomorphic photoacoustic breast phantom. Biomedical Optics Express. 10 (11), 5921-5939 (2019).
  15. Jeong, E., et al. Fabrication and characterization of PVCP human breast tissue-mimicking phantom for photoacoustic imaging. BioChip Journal. 11, 67-75 (2017).
  16. Jia, C., Vogt, W. C., Wear, K. A., Pfefer, T. J., Garra, B. S. Two-layer heterogeneous breast phantom for photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (10), 1-14 (2017).
  17. Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. Stability of heterogeneous elastography phantoms made from oil dispersions in aqueous gels. Ultrasound in Medicine & Biology. 32 (2), 261-270 (2006).
  18. Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (6), 861-873 (2010).
  19. Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), N475-N484 (2007).
  20. Lazebnik, M., Madsen, E. L., Frank, G. R., Hagness, S. C. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications. Physics in Medicine and Biology. 50 (18), 4245-4258 (2005).
  21. Ramnarine, K. V., Anderson, T., Hoskins, P. R. Construction and geometric stability of physiological flow rate wall-less stenosis phantoms. Ultrasound in Medicine & Biology. 27 (2), 245-250 (2001).
  22. 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).
  23. Lamouche, G., et al. Review of tissue simulating phantoms with controllable optical, mechanical and structural properties for use in optical coherence tomography. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1381-1398 (2012).
  24. Bohndiek, S. E., Van de Sompel, D., Bodapati, S., Kothapalli, S. R., Gambhir, S. S. Stable phantoms for characterization of photoacoustic tomography (PAT) systems. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. 858308, 30-35 (2013).
  25. Fenollar, O., Sanchez-Nacher, L., Garcia-Sanoguera, D., López, J., Balart, R. The effect of the curing time and temperature on final properties of flexible PVC with an epoxidized fatty acid ester as natural-based plasticizer. Journal of Materials Science. 44, 3702-3711 (2009).
  26. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P., Cox, B. Characterisation of a PVCP-based tissue-mimicking phantom for quantitative photoacoustic imaging. European Conference on Biomedical Optics. , 953911 (2015).
  27. Heudorf, U., Mersch-Sundermann, V., Angerer, J. Phthalates: toxicology and exposure. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 210 (5), 623-634 (2007).
  28. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomed. Opt. Express. 9 (3), 1151-1163 (2018).
  29. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed molds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), 015033 (2018).
  30. Jones, C. J. M., Munro, P. R. T. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3495-3502 (2018).
  31. Ivory, A. M., Shah, A., Rajagopal, S., Zeqiri, B. Development and investigation of the acoustic properties of tissue-mimicking materials for photoacoustic imaging techniques. IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1489-1492 (2019).
  32. Grillo, F. W., Cabrelli, L. C., Sampaio, D. R. T., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Glycerol in oil-based phantom with improved performance for photoacoustic imaging. 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2017).
  33. Cabrelli, L. C., et al. Oil-based gel phantom for ultrasound and optical imaging. Biophotonics South America. SPIE. 9531, 40-46 (2015).
  34. Cabrelli, L. C., et al. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  35. Oudry, J., Bastard, C., Miette, V., Willinger, R., Sandrin, L. Copolymer-in-oil phantom materials for elastography. Ultrasound in Medicine & Biology. 35 (7), 1185-1197 (2009).
  36. Suzuki, A., et al. Oil gel-based phantom for evaluating quantitative accuracy of speed of sound measured in ultrasound computed tomography. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (9), 2554-2567 (2019).
  37. Cabrelli, L. C., Grillo, F. W., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tunable acoustic properties. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2016).
  38. Cabrelli, L. C., et al. Copolymer-in-oil phantoms for photoacoustic imaging. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2015).
  39. Hacker, L., et al. A copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tuneable acoustic and optical characteristics for photoacoustic imaging phantoms. IEEE Transactions on Medical Imaging. 40 (12), 3593-3603 (2021).
  40. Greenspan, M., Tschiegg, C. E. Speed of sound in water by a direct method. Journal of Research of the National Bureau of Standards. 59 (4), 249-254 (1957).
  41. Zeqiri, B., Scholl, W., Robinson, S. P. Measurement and testing of the acoustic properties of materials: a review. Metrologia. 47 (2), S156-S171 (2010).
  42. Pickering, J. W., et al. Double-integrating-sphere system for measuring the optical properties of tissue. Applied Optics. 32 (4), 399-410 (1993).
  43. Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the IEC agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
  44. Prahl, S. A. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital. 1344, 1-74 (2011).
  45. Pinkerton, J. M. M. The absorption of ultrasonic waves in liquids and its relation to molecular constitution. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62 (2), 129-141 (1949).
  46. Hu, D., Lu, R., Huang, Y., Ying, Y., Fu, X. Effects of optical variables in a single integrating sphere system on estimation of scattering properties of turbid media. Biosystems Engineering. 194, 82-98 (2020).
  47. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 3 (2018).
  48. Nikitichev, D. I., et al. Construction of 3-dimensional printed ultrasound phantoms with wall-less vessels. Journal of Ultrasound in Medicine. 35 (6), 1333-1339 (2016).
  49. West, S. J., et al. Development of an ultrasound phantom for spinal injections with 3-dimensional printing. Regional Anesthesia and Pain Medicine. 39 (5), 429-433 (2014).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

196

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved