يصف هذا البروتوكول تصنيع مادة وهمية مستقرة وذات صلة بيولوجية لتطبيقات التصوير الطبي الحيوي البصري والصوتي ، وتتميز بخصائص صوتية وبصرية قابلة للضبط بشكل مستقل.
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.
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.
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.
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
2. تسخين الخليط
3. التنظيف بالمكنسة الكهربائية
ملاحظة: لإزالة فقاعات الهواء ، اتبع الخطوات التالية ، اعتمادا على المعدات المتاحة.
4. صب العينات في القالب
5. الحصول على الصور
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Low-density Polyethylene (LDPE) | Alfa Aesar | 43949.30 CAS: 9002-88-4 | 6.70 g 5.8% w/w |
Mineral oil | Sigma Aldrich | 330779-1L CAS: 8042-47-5 | 83.80 g 72.5% w/w |
Nigrosin | Sigma Aldrich | 211680-100G CAS: 11099-03-9 | 0.4 g |
Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (SEBS) | Sigma Aldrich | 200557-250G CAS: 66070-58-4 | 25.14 g 21.7% w/w |
Silicone oil for oil bath | Sigma Aldrich | 85409-1L CAS: 63148-62-9 ~1 L (depending on size of oil bath) | |
Titanium(IV) oxide, anatase (TiO2) | Sigma Aldrich | 232033 CAS: 1317-70-0 | 0.15 g |
Antioxidant (optional; e.g., butylated hydroxytoluene) | Sigma Aldrich | W218405-1KG-K CAS: 128-37-0 | may be added to prevent discolouration if higher fabrication temperatures are used |
Oil-solule dyes for inclusions (optional) | e.g., Caligo safe wash relief inks, Cranfield Colours, Cwmbran, UK* | may be added depending on preferred absorption | |
Bath Sonicator | Ultrawave Ltd, UK* | U500H Ultrasonic Cleaning Bath* | ideally with temperature control; recommended operating frequencies between 30-50 kHz) |
Crystallising dish for silicone oil bath (up to +200 °C) | any suitable supplier | (ext. diameter ~140 mm for 250 mL glass beaker) | |
Glass beaker (~250 mL); glass sample dishes/phantom mould | any suitable supplier | ||
Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of > 200 °C | Thermo Fisher Scientific, UK* | Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer* | |
Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 g | any suitable supplier | ||
Metallic spatula | any suitable supplier | ||
Vaccuum oven or vaccum chamber | Memmert, Germany (Vacuum oven)* Cole-Parmer Instrument Company, UK (Vaccum chamber)* | VO29 (Vacuum oven) DWK Life Sciences (Kimble) Glass Vacuum Desiccator with Collar (Vaccum chamber)* | |
1. Acoustic characterization system* | |||
Hydrophone | GEC Marconi | 30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone | |
Oscilloscope | Tektronix UK, Bracknell, UK | DPO 7254 | |
Pulser–receiver | Olympus NDT, Waltham, MA, USA | Olympus 5073PR | |
Sample holder | Newport Spectra-Physics, Didcot, UK | Newport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mount | may require additional adaptor for sample holding |
Thermometer | G. H. Zeal, London, UK | UKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer | |
Ultrasound transducer | Force Technology, Brondby, Denmark | Transducer of active element diameter 10 mm | |
Vernier callipers | any suitable supplier | ||
Water tank filled with deionized water | any suitable supplier | requires sufficent size (e.g., dimensions 112 × 38 × 30 cm3) | |
2.Optical characterization system* | |||
Integrating sphere (two) | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | AvaSphere-50, 50 cm internal diameter | |
Light source | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Avalight-HAL-s-mini | |
Motorized stage (optional) | Thorlabs, | Thorlabs MTS50 | |
Optical fibres (three) | any suitable supplier | ||
Reflectance standard | Labsphere, North Sutton, USA | 99%, white, 1.25" diameter, USRS-99-010, AS-01158-060 | |
Spectrometer | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Starline Avaspec-2048 | |
Software | |||
Data acqusition software (e.g., Labview) | National Instruments, Austin, TX, USA | ||
Data analysis software (e.g., Matlab) | Mathworks, Natick, USA | ||
Inverse adding doubling (IAD) program | Source code: http://omlc.org/software/iad/ | ||
*Please note that similar equipment may also be used. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionExplore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved