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  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

Aquí, demostramos cómo fantasmas ópticos imitan tejido basado en la agarosa se hacen y cómo sus propiedades ópticas se determinan usando un sistema óptico convencional con una esfera de Ulbricht.

Resumen

Este protocolo describe cómo hacer fantasmas de tejido mímico basado en la agarosa y demuestra cómo determinar sus propiedades ópticas utilizando un sistema óptico convencional con una esfera de Ulbricht. Sistemas de medición para la adquisición de los espectros de transmitancia total y reflectancia difusa se construyen con una banda ancha fuente de luz blanca, una guía de luz, una lente acromática, una esfera de integración, un sostenedor de la muestra, una sonda de fibra óptica y un varios canales espectrómetro. Se construye un molde acrílico compuesto por dos piezas rectangulares de acrílico y una pieza de acrílico en forma de U para crear un fantasma epidérmico y un fantasma cutáneo con sangre entera. La aplicación de una solución de sodio ditionito (Na2S2O4) al fantasma cutánea permite al investigador deoxygenate hemoglobina en glóbulos rojos distribuidos en el fantasma cutáneo. El inverso de simulación Monte Carlo con los espectros de transmitancia total medidos por un espectrómetro con una esfera de Ulbricht y reflectancia difusa se realiza para determinar la absorción coeficiente espectro μa(λ) y la reduce la dispersión coeficiente espectro μs' (λ) de cada capa fantasma. Un fantasma de dos capas mímico la reflectancia difusa de los tejidos de la piel humana también es demostrado por llenar para arriba el fantasma epidérmico en el fantasma cutáneo.

Introducción

Ópticos fantasmas son objetos imitando las propiedades ópticas de los tejidos biológicos y han sido ampliamente utilizados en el campo de la óptica biomédica. Están diseñados para que las propiedades ópticas, tales como dispersión de la luz y coeficientes de absorción, coinciden con los de los tejidos humanos y animales vivos. Fantasmas ópticos se utilizan generalmente para los siguientes propósitos: simulando transporte ligero en tejidos biológicos, un diseño de sistema óptico de reciente desarrollo, evaluación de la calidad y rendimiento de los sistemas existentes, comparando el desempeño de calibración entre los sistemas y validar la capacidad de los métodos ópticos para cuantificar propiedades ópticas1,2,3,4,5. Por lo tanto, sustancias de fácil de conseguir, un proceso de fabricación simple, una alta reproducibilidad y una estabilidad óptica se requieren para hacer fantasmas ópticos.

Varios tipos de fantasmas ópticos con diferentes materiales base como suspensión acuosa6, gelatina gel agarose gel8,9,10,7, gel de poliacrilamida11, resina12, 13,14,15,16y cuarto temperatura de vulcanización silicona17 se han divulgado en la literatura anterior. Se ha divulgado que los geles basados en gelatina y alginato son útiles para ópticos fantasmas con estructuras heterogéneas18. Fantasmas de alginato tienen una conveniente estabilidad mecánica y termal para evaluar efectos de fototérmica como estudios de ablación de láser y basados en láser hipertermia estudios18. Geles de agarosa tienen la capacidad para fabricar estructuras heterogéneas y sus propiedades mecánicas y físicas son estables durante un largo tiempo18. Geles de agarosa de alta pureza con una turbiedad muy baja y una débil absorción óptica. Por lo tanto, las propiedades ópticas de los fantasmas de agarosa fácilmente podrían ser diseñados con la luz adecuada dispersión y absorción de los agentes. Recientemente, se han divulgado como interesantes materiales fantasmas de copolímeros de bloque estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS)19 y cloruro de polivinilo (PVC) geles20 ópticas y técnicas fotoacústica.

Polímero microesferas7,12,21,22, polvo de óxido de titanio1y lípidos emulsiones23,24,25,26 como la leche y lípidos emulsión se utilizan como agentes de dispersión de la luz, mientras que se utilizan como absorbentes de luz tinta negra27,28 y tintes molecular29,30 . Reflectancia difusa de los espectros de la mayoría de los órganos vivos están dominados por la absorción de oxigenada y desoxigenada de la hemoglobina de los glóbulos rojos. Por lo tanto, hemoglobina soluciones31,32 y sangre entera8,9,10,33,36 a menudo se utilizan como absorbentes de luz en el fantasmas de imágenes multiespectrales y espectroscopia de reflectancia difusa.

El método descrito en este artículo se utiliza para crear un fantasma óptico mímico el transporte ligero en tejidos biológicos y caracterizar sus propiedades ópticas. Por ejemplo, se demuestra una dos capas ópticas fantasma mímico propiedades ópticas del tejido de la piel humana. Las ventajas de este método sobre técnicas alternativas son la capacidad para representar los espectros de reflectancia difusa de tejidos biológicos de vida en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano, así como la sencillez a disposición, usar fácilmente visible materiales e instrumentos ópticos convencionales. Por lo tanto, los fantasmas de la ópticos de este método será útiles para el desarrollo de métodos ópticos basados en la espectroscopia de reflectancia difusa y las imágenes multiespectrales.

Protocolo

1. construcción de un sistema convencional de difusa reflectancia y transmitancia Total espectroscópico

Nota: La construcción de los sistemas de medición para los espectros de transmitancia total utilizando una fuente de luz blanca banda ancha, un guía de luz, una lente acromática, una esfera de integración, un sostenedor de la muestra, una fibra óptica y un espectrómetro multicanal y reflectancia difusa. El papel de la trampa de luz es quitar el componente de reflexión especular del espectro de reflectancia. El sostenedor de la muestra de la esfera integradora consiste en una placa de montaje y cola de Milano y conjunto de abrazadera con resorte que sostiene la muestra contra el puerto. La cola de Milano y conjunto de abrazadera con resorte se extraen el portamuestras y un pedestal cúbico hechos a mano de la espuma de poliestireno se une a la placa de montaje en su lugar. Los diseños de los componentes ópticos, que se muestra en la Figura 1a y 1b, se pueden hacer referencia a para el procedimiento de construcción para las mediciones de reflectancia difusa y las mediciones de transmitancia total, respectivamente.

  1. Conecte el espectrómetro y un ordenador con el cable de bus serie universal (USB) incluido.
  2. Conecte el adaptador de puerto a un puerto del detector de la esfera integradora. Conecte el espectrómetro y el adaptador de puerto de la esfera integradora mediante una fibra óptica. Conectar los 150 W halógeno lámpara fuente de luz y la guía de luz.
  3. Instale el soporte de la muestra a un puerto para la muestra de la esfera integradora. Coloque la trampa de luz al puerto correspondiente de la esfera integradora al realizar las mediciones de reflectancia difusa. Encienda la fuente luminosa de la lámpara halógena para iluminar una muestra a través de la guía de luz y la lente acromática.
  4. Abra el software operativo del espectrómetro.

2. preparación de un molde acrílico

Nota: Se construye un molde acrílico que consta de dos piezas de acrílico rectangulares y una pieza de acrílico en forma de U para crear un fantasma de gel de monocapa. Figura 2 se puede hacer referencia a este procedimiento de construcción.

  1. Corte los dos pedazos de acrílico rectangulares de una placa de acrílico de 2 mm de espesor a un tamaño opcional.
  2. Cortar una pieza de acrílico de una placa de acrílico de 1 mm de espesor a un tamaño opcional. Cortar la pieza de acrílico de 1 mm de espesor de modo que se convierte en una pieza en forma de U para ser utilizado para el molde para hacer 1 mm espesor epidérmicos fantasmas.
  3. Cortar una pieza de acrílico de una placa de acrílico de 5 mm de espesor a un tamaño opcional. Cortar la pieza de acrílico de 5 mm de espesor de modo que se convierte en una pieza en forma de U para ser utilizado como molde para hacer 5 mm espesor dérmicos fantasmas.
  4. Elimine las rebabas de cada trozo de acrílico usando una lima de metal.
  5. Hacer el molde fantasma epidérmico sujetando la pieza en forma de U de 1 mm de espesor con las dos piezas de acrílico de 2 mm de espesor y fijándolas con cinco clips de foldback.
  6. Hacer el molde fantasma cutáneo manteniendo la pieza en forma de U de 5 mm de espesor con las dos piezas de acrílico de 2 mm de espesor y fijándolas con cinco clips de foldback.

3. preparación del Material Base

  1. Poner 500 mL de solución salina estándar con 0,9% (p/v) de NaCl en una vaina. Lentamente añadir 5 g de agarosa en polvo agitando la mezcla para evitar la aglutinación.
  2. Calentar la mezcla de agarosa en polvo y solución salina por un calentador eléctrico de cocción con un ajuste de potencia W 1.000 durante 5 minutos.
  3. Una vez que la mezcla hierva, mantener la mezcla a fuego lento durante 3 minutos.
  4. Enfriar la mezcla a una temperatura de 70 ° c aproximadamente. Luego Vierta la mezcla en un recipiente y mantenerlo en un baño de temperatura constante a 60 ° C por 30 min antes de hacer un fantasma.

4. preparación de fantasmas ópticos imitan a la piel

Nota: Se utiliza una solución de café para simular el espectro de absorción de la melanina. La solución del café contiene un pigmento Pardo llamado melanoidina. El espectro de absorción de melanoidina se ha divulgado para ser similar a la de melanina10.

  1. Preparar un fantasma epidérmico
    1. Vierta 100 mL de agua pura en el depósito de la cafetera. Coloque un filtro en la cesta de la cafetera. Añadir 24 g de café molido en el filtro. Encienda la cafetera y presione el botón de brew para comenzar la elaboración de la cerveza.
    2. Colocar 4 mL de café recién hecho y 16 mL de solución salina en un frasco de vidrio para hacer una solución de café.
    3. Poner 5 mL de emulsión de lípidos (p. ej., intralipid 10%) y 10 mL de la solución de café en un vaso de plástico transparente. Lentamente, añadir 35 mL de material de base para esta mezcla removiendo.
    4. Aspirar la mezcla en una jeringa e inyecte lentamente en el molde fantasma epidérmico evitando cualquier formación de burbujas. Enfriar el molde acrílico que contiene la mezcla a 5 ° C por 20 min.
    5. Desmoldar los clips de foldback. Una de las piezas de acrílico exterior Deslice y retire del molde. Tomar el gel solidificado de 1 mm de espesor fantasma fuera del molde y cortar al tamaño deseado usando un bisturí.
    6. Colocar y sujetar el fantasma de gel entre vasos de dos diapositivas.
  2. Preparar un fantasma cutáneo que contiene la sangre oxigenada
    1. Tomar 5,0 mL de emulsión de lípidos y 0,4 mL de sangre entera equina con hematocrito de 45% y poner en un vaso de plástico transparente. Lentamente añadir 44,6 mL del material base agitando la mezcla.
    2. Aspirar cuidadosamente la mezcla en una jeringa e inyecte lentamente en el molde fantasma cutáneo evitando cualquier formación de burbujas. Enfriar el molde acrílico que contiene la mezcla a 5 ° C por 20 min.
    3. Desmoldar los clips de foldback. Una de las piezas de acrílico exterior Deslice y retire del molde. Tomar el gel de 5 mm de espesor solidificado fantasma fuera del molde y cortar al tamaño deseado usando un bisturí.
    4. Colocar y sujetar el fantasma de gel entre vasos de dos diapositivas.
  3. Preparar un fantasma cutáneo que contiene la sangre desoxigenada
    1. Poner un gel cutáneo fantasma que contengan sangre oxigenada (de paso 4.2.3) en un plato de cristal.
    2. Disolver 1 g de Ditionito de sodio (Na2S2O4) en 20 mL de solución salina en un frasco de vidrio.
    3. Añadir 0,05 g/mL de solución Na2S2O4 en el fantasma utilizando una jeringa al deoxygenate la sangre en el fantasma.
    4. Colocar y sujetar el fantasma entre vasos de dos portaobjetos para evitar que se sequen.
  4. Preparar un fantasma de dos capas
    1. Colocar 0,1 mL de solución salina en un fantasma cutánea para acoplamiento óptico entre las capas epidérmicas y dérmicas. Coloque el fantasma epidérmico en el fantasma cutáneo.
    2. Si hay burbujas de aire entre las capas, empujar hacia fuera por acariciando la superficie del fantasma de dos capas con la yema del dedo.
    3. Sostenga el fantasma dos capas entre dos vidrios de corredera para evitar que se sequen.

5. adquisición de los espectros de reflectancia difusa

  1. Adquisición de espectros oscuros
    Nota: El sensor del dispositivo de carga acoplada (CCD) en el espectrómetro puede estimar la intensidad de la luz basado en una señal eléctrica generada en respuesta a la luz del incidente. Sin embargo, hay ruido oscuro37 que es independiente de las señales generadas por los fotones, pero depende de la temperatura del dispositivo, incluso si el sensor no detecta la luz. Para medir con precisión la intensidad espectral de la luz, la señal actual oscurezca debe ser medida como un espectro oscuro y luego restar el espectro de la muestra. El espectro oscuro es un espectro con la trayectoria de la luz bloqueada.
    1. Coloque la esfera integradora en una posición óptima para las mediciones de reflectancia difusa (Figura 1a).
    2. Apague la fuente de luz de lámpara de halógeno. Bloquear la trayectoria de la luz al espectrómetro con un enchufe de puerto o una placa de blindaje.
    3. Seleccione el comando Guardar oscuro desde el menú Archivo para guardar un espectro oscuro.
    4. Seleccione el comando Subtract espectro oscuro desde el menú Archivo para restar el espectro oscuro del espectro medido de la muestra (véase abajo).
  2. Adquisición de espectros de referencia
    Nota: Las propiedades ópticas de los componentes utilizados en este experimento, como fuente de luz, guía de luz, lente acromática, fibra óptica y espectrómetro, tienen sus propia longitud de onda-dependencias. Por lo tanto, debe medirse la intensidad espectral de la luz pasada a través de estos componentes ópticos como un espectro de referencia. Para la medición de un espectro de reflectancia difusa, el espectro de referencia es un espectro con un estándar difusor blanco iluminado con la luz de la fuente de luz.
    1. Encienda la fuente de luz de lámpara de halógeno, presionando el botón power. Calentamiento de la lámpara durante al menos 10 min antes de adquirir un espectro de referencia.
    2. Colocar un difusor blanco estándar (e.g., Spectralon) en el puerto de muestra de la esfera integradora.
    3. Ajustar el tiempo de integración del espectrómetro seleccionando el valor adecuado de la lista desplegable en el software operativo del espectrómetro para que la intensidad máxima es aproximadamente el 75% de la máxima intensidad de espectrómetro.
    4. Seleccione el comando guardar la referencia en el menú Archivo para guardar un espectro de referencia.
  3. Adquisición de espectros de la muestra
    Nota: Un espectro de reflectancia difusa de la muestra es adquirido y guardado en el disco duro de un ordenador personal con las mismas condiciones de adquisición.
    1. Coloque el fantasma epidérmico intercalado por los vidrios de dos diapositivas en el puerto de la muestra. Seleccione el comando Guardar del menú Archivo para guardar un archivo de un espectro de reflectancia difusa.
    2. Repita los fantasmas paso 5.3.1 el cutáneo y dos capas.

6. adquisición del espectro de transmitancia Total

  1. Adquisición de espectros oscuros
    Nota: El sensor en el espectrómetro puede estimar la intensidad de la luz basado en una señal eléctrica generada en respuesta a la luz del incidente. Sin embargo, hay ruido oscuro que es independiente de las señales generadas por los fotones, pero depende de la temperatura del dispositivo, incluso si el sensor no detecta la luz. Para medir con precisión la intensidad espectral de la luz, la señal actual oscurezca debe ser medida como un espectro oscuro y luego restar el espectro de la muestra. El espectro oscuro es un espectro con la trayectoria de la luz bloqueada.
    1. Coloque la esfera integradora en una posición óptima para las mediciones de transmitancia total (Figura 1b).
    2. Quitar la trampa de luz de la abertura de la esfera integradora y conectar un enchufe de puerto en el puerto.
    3. Apague la fuente de luz de lámpara de halógeno. Bloquear la trayectoria de la luz a la esfera de integración usando un puerto de tapón o placa de protección.
    4. Seleccione el comando Guardar oscuro desde el menú Archivo para guardar un espectro oscuro.
    5. Seleccione el comando Subtract espectro oscuro desde el menú Archivo para restar el espectro oscuro del espectro medido de la muestra (véase abajo).
  2. Adquisición de espectros de referencia
    Nota: Las propiedades ópticas de los componentes utilizados en este experimento, como fuente de luz, guía de luz, lente acromática, fibra óptica y espectrómetro, tienen sus propia longitud de onda-dependencias. Por lo tanto, debe medirse la intensidad espectral de la luz pasada a través de estos componentes como un espectro de referencia. Para la medición del espectro de transmitancia total, el espectro de referencia es un espectro tomado cuando la luz de la fuente de luz está entrando directamente en la esfera de integración a través del puerto de la muestra.
    1. Encienda la fuente de luz de lámpara de halógeno, presionando el botón power. Calentamiento de la lámpara durante al menos 10 min antes de adquirir un espectro de referencia.
    2. Regular el tiempo de integración del espectrómetro seleccionando el valor adecuado de la lista desplegable de los tiempos de integración en el software operativo del espectrómetro para que la mayor intensidad de la luz muestra una señal de que es aproximadamente el 75% del máximo valores.
    3. Seleccione el comando guardar la referencia en el menú Archivo para guardar un espectro de referencia.
  3. Adquisición de espectros de la muestra
    Nota: El espectro de la transmitancia total de la muestra es adquirido y guardado en el disco duro de un ordenador personal con las mismas condiciones de adquisición.
    1. Coloque el fantasma epidérmico intercalado por los vidrios de dos diapositivas en el puerto de la muestra. Seleccione el comando Guardar del menú Archivo para guardar un espectro de transmitancia total en un archivo.
    2. Repita los fantasmas paso 6.3.1 el cutáneo y dos capas.

7. estimación de la absorción y dispersión de luz propiedades

Nota: Un conjunto del espectro de reflectancia difusa y el espectro de transmitancia total es guardado en el disco duro de un ordenador personal y análisis fuera de línea. Una simulación de Monte Carlo8,38,39,40 de inversa se lleva a cabo para estimar la absorción coeficiente espectro μa(λ) y el coeficiente de dispersión reducida espectro de μs'(λ). En este inverso simulación Monte Carlo, la dispersión estimada coeficiente μs, bajo el supuesto de que el factor de anisotropía g es 0, se considera la reducida dispersión coeficiente μs' . Los datos de transmitancia y la reflectancia se utilizan para una sola simulación ejecute. El algoritmo detallado utilizado en este protocolo se ha divulgado anterior literatura8,39. Estima la absorción coeficiente espectro μa(λ) y la reducida dispersión coeficiente espectro μs'(λ) de una capa epidérmica de un conjunto de reflectancia difusa espectro y el espectro de transmitancia total obtenida de la capa epidérmica. De la misma manera, estimamos μa(λ) y μs'(λ) de una capa dérmica de un conjunto del espectro de reflectancia difusa y el espectro de transmitancia total obtenida de la dérmica capa.

  1. Abrir un archivo de entrada para la simulación de Monte Carlo.
  2. Rellene los valores de la reflectancia difusa medida y la transmitancia total en el rango de longitud de onda específica de 400 a 700 nm a 10 nm-intervalos en el archivo de datos de entrada. Introduzca el valor del grueso del fantasma en el archivo de datos de entrada.
  3. Establecer el índice de refracción n de una capa a un valor apropiado en el archivo de datos de entrada (por ejemplo, n = 1.33 a 550 nm). Establezca el valor del factor de anisotropía g a 0 en el archivo de datos de entrada.
  4. Establecer los valores iniciales de la absorción coeficiente μun y la dispersión coeficiente μs para ser los valores apropiados en el archivo de datos de entrada (por ejemplo, μa = 0,01, μs = 0.1 ).
  5. Ejecutar el programa de simulación de Monte Carlo inversa.
  6. Escriba el nombre del archivo de entrada y vuelva a ejecutar la simulación.
  7. Abra el archivo de salida y comprobar los valores finales de μa y μs después se termina la simulación iterativa.
  8. Repita los pasos 7.1 7.7 para otras longitudes de onda deseadas.

Resultados

La figura 3 muestra los espectros estimados representante del coeficiente de reducción de la dispersión y el coeficiente de absorción para el fantasma epidérmica y dérmica fantasma. Los resultados que se muestran en la figura 3 son los promedios de diez mediciones de espectros de reflectancia y transmitancia. La reducida dispersión coeficiente μs' tiene un espectro de dispersión amplia, exhibi...

Discusión

El paso más crítico en este protocolo es el control de la temperatura del material base. La temperatura para mantener la materia prima entre 58 y 60 ° C. Si la temperatura es superior a 70 ° C, se produce una desnaturalización de la emulsión de lípidos y de la sangre. Como consecuencia, las propiedades ópticas del fantasma se deteriorarán. Si la temperatura es inferior a 40 ° C, el material base va ser ununiformly gelificado y, así, los agentes de dispersión y absorción de luz a ser heterogénea en el fantas...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Parte de este trabajo fue apoyado por una subvenciones para Scientific Research (C) de la sociedad japonesa para la promoción de la ciencia (25350520, 22500401, 15 K 06105) y el U.S. ARMY ITC-PAC investigación y desarrollo de proyecto (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
150-W halogen-lamp light sourceHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, JapanLA-150SAE
Light guideHayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, JapanLGC1-5L1000
Integrating SphereLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USART-060-SF
Port adapterLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USAPA-050-SMA-SF
Light trapLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USALTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectanceLabsphere Incorporated, North Sutton, NH, USASRS-99-020
Optical fiberOcean Optics Inc., Dunedin, Florida, USAP400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic SpectrometerOcean Optics Inc., Dunedin, Florida, USAUSB2000
Achromatic lensChuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, JapanACL-50-75M
IntralipidFresenius Kabi AB, Uppsala, SwedenIntralipid 10%
Coffee
(Blendy Mocha Blend Regular Coffee)		Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, JapanUnavailable
Whole bloodNippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan0103-2
AgaroseNippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, JapanNE-AG02
Cooking heaterTOSHIBA CORPORATION Tokyo, JapanHP-103K

Referencias

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