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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Qui, dimostriamo come basati su agarosio che imita il tessuto ottici fantasmi sono fatte e come loro proprietà ottiche sono determinate utilizzando un sistema ottico convenzionale con una sfera di integrazione.

Abstract

Questo protocollo viene descritto come rendere basati su agarosio fantasmi che imita il tessuto e viene illustrato come determinare le loro proprietà ottiche utilizzando un sistema ottico convenzionale con una sfera di integrazione. Sistemi di misura per l'acquisizione della riflettanza diffusa e spettri di trasmittanza totale sono costruiti con una sorgente di luce bianca a banda larga, una guida di luce, una lente acromatica, una sfera di integrazione, un portacampioni, una sonda a fibra ottica e un spettrometro multicanale. Uno stampo acrilico composto da due pezzi di acrilico rettangolare e un pezzo di acrilico a forma di U è costruito per creare un fantasma epidermico e un fantasma dermico con sangue intero. L'applicazione di una soluzione di sodio ditionito (Na2S2O4) per il fantasma cutaneo permette al ricercatore di deoxygenate dell'emoglobina nei globuli rossi distribuiti nel fantasma dermico. L'inverso di simulazione Monte Carlo con la riflettanza diffusa e spettri di trasmittanza totale misurati da uno spettrometro con una sfera di integrazione viene eseguita per determinare l'assorbimento coefficiente spettro µun(λ) e la ridotto coefficiente di scattering spettro µs' (λ) di ogni strato fantasma. Un fantasma a due strati che imita la riflettanza diffusa del tessuto della pelle umana è dimostrato anche dai accumulando il fantasma epidermico sul fantasma dermico.

Introduzione

Ottici fantasmi sono oggetti che imita le proprietà ottiche dei tessuti biologici e sono stati ampiamente usati nel campo di ottica biomedica. Essi sono progettati in modo che le proprietà ottiche, come la dispersione della luce e coefficienti di assorbimento, corrispondano con quelli di tessuti umani e animali viventi. Ottici fantasmi sono generalmente utilizzati per le seguenti finalità: simulando il trasporto leggero nei tessuti biologici, calibrazione di una progettazione di sistema ottico di nuova concezione, valutando la qualità e le prestazioni dei sistemi esistenti, confrontando le prestazioni tra i sistemi e convalidare la capacità dei metodi ottici per quantificare le proprietà ottiche1,2,3,4,5. Pertanto, facile da ottenere sostanze, un processo di fabbricazione semplice, un'elevata riproducibilità e una stabilità ottica sono necessari per la fabbricazione di fantasmi ottici.

Vari tipi di fantasmi ottici con diversi materiali di base come sospensione acquosa6, gelatina gel7, gel di agarosio8,9,10, gel di poliacrilammide11, resina12, 13,14,15,16e camera-temperatura di vulcanizzazione del silicone17 sono stati segnalati nella letteratura precedente. È stato segnalato che il gel a base di gelatina e di alginato sono utili per fantasmi ottici con strutture eterogenee18. Fantasmi di alginato hanno una stabilità meccanica e termica adatta per valutare gli effetti di photothermal come studi di ablazione laser e ipertermia laser-ha basato gli studi18. Gel dell'agarosi hanno la capacità di fabbricare strutture eterogenee, e le loro proprietà fisiche e meccaniche sono stabili per un lungo periodo di tempo18. Gel di agarosio ad alta purezza hanno una bassissima torbidità e un debole assorbimento ottico. Pertanto, le proprietà ottiche dei fantasmi basati su agarosio facilmente potrebbero essere progettate con luce appropriata di scattering e assorbimento di agenti. Recentemente, copolimeri di stirene-etilene-butilene-stirene (SEBS) blocco19 e cloruro di polivinile (PVC) gel20 sono stati segnalati come materiali interessanti fantasma per ottiche e tecniche fotoacustico.

23,24,25,26 delle emulsioni polimeriche microsfere7,12,21,22, polvere di ossido di titanio1e lipidi come latte e lipidico emulsione sono usati come agenti di dispersione della luce, mentre inchiostro nero27,28 e coloranti molecolare29,30 sono utilizzati come assorbitori di luce. Riflettanza diffusa spettri della maggior parte dei organi viventi sono dominati dall'assorbimento di ossigenato e deossigenato dell'emoglobina nei globuli rossi. Di conseguenza, emoglobina soluzioni31,32 e sangue intero8,9,10,33,36 sono spesso utilizzati come assorbitori di luce nella fantasmi per una spettroscopia di riflettanza diffusa e l'imaging multispettrale.

Il metodo descritto in questo articolo viene utilizzato per creare un'ottico fantasma che imita il trasporto leggero in tessuti biologici e per caratterizzare le sue proprietà ottiche. Ad esempio, è dimostrato un due strati ottici fantasma che imita proprietà ottiche del tessuto della pelle umana. I vantaggi di questo metodo rispetto tecniche alternative sono la capacità di rappresentare gli spettri di riflettanza diffusa di tessuti biologici viventi nel visibile alla regione di lunghezza d'onda del vicino infrarosso, così come la semplicità di renderlo, utilizzando facilmente disponibile materiali e strumenti ottici convenzionali. Di conseguenza, i fantasmi ottici fatti da questo metodo sarà utili per lo sviluppo di metodi ottici basati sulla spettroscopia di riflettanza diffusa e l'imaging multispettrale.

Protocollo

1. costruzione di un convenzionale sistema diffuso riflettanza e trasmittanza totale spettroscopico

Nota: Costruire i sistemi di misura per la riflettanza diffusa e spettri di trasmittanza totale utilizzando una sorgente di luce bianca a banda larga, una guida di luce, una lente acromatica, una sfera di integrazione, un portacampioni, una fibra ottica e uno spettrometro multicanale. Il ruolo della luce trappola consiste nel rimuovere il componente di riflessione speculare dallo spettro di riflettanza. Il portacampioni della sfera integrata è costituito da una piastra di montaggio e una coda di rondine e Assemblea del morsetto a molla che tiene il campione contro la porta. La coda di rondine e Assemblea del morsetto a molla vengono rimossi dal supporto del campione e un piedistallo cubico fatti a mano di polistirene espanso è fissato alla piastra di montaggio invece. I layout dei componenti ottici, mostrati in Figura 1a e 1b, possono essere indicati per la procedura di costruzione per le misure di riflettanza diffusa e le misure di trasmittanza totale, rispettivamente.

  1. Collegare lo spettrometro e un personal computer utilizzando il cavo di bus seriale universale (USB) in dotazione.
  2. Collegare l'adattatore porta a una porta di rivelatore della sfera integrata. Collegare lo spettrometro e la scheda di porta della sfera integrata utilizzando una fibra ottica. Collegare la 150 W lampada lampada alogena e la Guida di luce.
  3. Collegare il portacampioni a una porta campione della sfera integrata. Allegare la trappola luminosa per una porta appropriata della sfera integrata quando si eseguono le misurazioni di riflettanza diffusa. Accendere la lampada lampada alogena per illuminare un campione tramite la Guida di luce e la lente acromatica.
  4. Aprire il software di gestione dello spettrometro.

2. preparazione di uno stampo acrilico

Nota: Un stampo acrilico che consiste di due pezzi di acrilico rettangolare e un pezzo di acrilico a forma di U è costruito per creare un fantasma di gel monostrato. Figura 2 può essere indicato per questa procedura di costruzione.

  1. Tagliare i due pezzi di acrilico rettangolari da una lastra di acrilico di 2 mm di spessore ad un formato opzionale.
  2. Tagliare un pezzo di acrilico da una lastra di acrilico di 1 mm di spessore per una dimensione opzionale. Tagliare il pezzo di acrilico di 1 mm di spessore in modo che diventa un pezzo a forma di U per essere usato per la muffa per fare 1 mm spessi epidermici fantasmi.
  3. Tagliare un pezzo di acrilico da una lastra acrilica spessore 5 mm ad un formato opzionale. Tagliare il pezzo di acrilico di spessore di 5 mm in modo che diventa un pezzo a forma di U per essere usato come uno stampo per fare 5 mm spessi dermici fantasmi.
  4. Rimuovere eventuali bave da ogni pezzo acrilico utilizzando un file di metallo.
  5. Fare la muffa fantasma epidermica tenendo il pezzo a forma di U di 1 mm di spessore con i due pezzi di acrilico di 2 mm di spessore e fissandoli con cinque foldback clip.
  6. Fare la muffa fantasma cutanea tenendo il pezzo a forma di U di 5 mm di spessore con i due pezzi di acrilico di 2 mm di spessore e fissandoli con cinque foldback clip.

3. preparazione del materiale di Base

  1. Mettere 500 mL di soluzione fisiologica standard con 0,9% (p/v) NaCl in un baccello. Lentamente aggiungere 5 g di agarosio in polvere mentre mescolando per evitare grumi.
  2. Riscaldare la miscela di polvere di agarosio e soluzione fisiologica di una stufa di cottura elettrica con un'impostazione di potenza 1.000 W per 5 min.
  3. Una volta che il composto bolle, è possibile mantenere la miscela a fuoco basso per 3 min.
  4. Raffreddare la miscela ad una temperatura di circa 70 ° C. Quindi versare il composto in un contenitore e conservarlo in un bagno a temperatura costante a 60 ° C per 30 min prima di effettuare un fantasma.

4. preparazione dei fantasmi ottici d'imitazione pelle

Nota: Una soluzione di caffè viene utilizzata per simulare lo spettro di assorbimento di melanina. La soluzione di caffè contiene un pigmento marrone chiamato melanoidin. Lo spettro di assorbimento di melanoidin è stato segnalato per essere simile a quella di melanina10.

  1. Preparare un fantasma epidermico
    1. Versare 100 mL di acqua pura nel serbatoio Bollitore per caffè. Inserire un filtro nel cestino Bollitore per caffè. Aggiungere 24 g di caffè macinato nel filtro. Accendere la macchina del caffè e premere il tasto di erogazione per iniziare la fermentazione.
    2. Mettere 4 mL di caffè macinato e 16 mL di soluzione fisiologica in una bottiglia di vetro per ottenere una soluzione di caffè.
    3. Mettere 5 mL di emulsione lipidica (ad es., intralipid 10%) e 10 mL della soluzione di caffè in una tazza di plastica trasparente. Lentamente aggiungere 35 mL di materiale di base per questo composto continuando a mescolare.
    4. Aspirare la miscela in una siringa e iniettare lentamente nello stampo fantasma epidermico, evitando qualsiasi formazione di bolle. Raffreddare lo stampo acrilico contenente la miscela a 5 ° C per 20 min.
    5. Rimuovere le clip foldback dallo stampo. Far scorrere uno dei pezzi acrilici esteriori e rimuoverlo dallo stampo. Prendere il gel solidificato di 1 mm di spessore fantasma dallo stampo e tagliarlo alla misura desiderata usando un bisturi chirurgico.
    6. Posizionare e tenere il fantasma di gel tra vetri due diapositive.
  2. Preparare un fantasma cutaneo contenenti sangue ossigenato
    1. Prendere 5,0 mL di emulsione lipidica e 0,4 mL di sangue intero equina con 45%-ematocrito e mettere in una tazza di plastica trasparente. Lentamente aggiungere 44,6 mL del materiale base agitando la miscela.
    2. Aspirare la miscela in una siringa e iniettare lentamente nello stampo fantasma dermico, evitando qualsiasi formazione di bolle. Raffreddare lo stampo acrilico contenente la miscela a 5 ° C per 20 min.
    3. Rimuovere le clip foldback dallo stampo. Far scorrere uno dei pezzi acrilici esteriori e rimuoverlo dallo stampo. Prendere il gel solidificato di 5 mm di spessore fantasma dallo stampo e tagliarlo alla misura desiderata usando un bisturi chirurgico.
    4. Posizionare e tenere il fantasma di gel tra vetri due diapositive.
  3. Preparare un fantasma cutaneo contenenti sangue deossigenato
    1. Mettere un gel dermico fantasma contenenti sangue ossigenato (dal punto 4.2.3) su un piatto di vetro.
    2. Sciogliere 1 g di Ditionito di sodio (Na2S2O4) in 20 mL di soluzione salina in una bottiglia di vetro.
    3. Aggiungere 0,05 g/mL della soluzione di Na2S2O4 sul fantasma utilizzando una siringa per deoxygenate il sangue nel fantasma.
    4. Posizionare e tenere il fantasma tra vetri due diapositive per evitare che si asciughi.
  4. Preparare un fantasma a due strati
    1. Goccia di 0,1 mL di soluzione fisiologica in un fantasma dermico per garantire un accoppiamento ottico tra gli strati epidermici e cutanei. Posto il fantasma epidermico sul fantasma dermico.
    2. Se eventuali bolle d'aria sono presenti tra gli strati, li spingono fuori accarezzando la superficie del fantasma a due strati con un dito.
    3. Tenere il fantasma a due strati tra due bicchieri di diapositiva per evitare che si asciughi.

5. acquisizione degli spettri di riflettanza diffusa

  1. Acquisizione di spettri scuri
    Nota: Il sensore charge coupled device (CCD) nello spettrometro può stimare intensità luminosa basato su un segnale elettrico generato in risposta a luce incidente. Tuttavia, c'è rumore scuro37 che è indipendente i segnali generati dai fotoni ma è funzione della temperatura del dispositivo, anche se il sensore non rileva la luce. Per misurare con precisione l'intensità spettrale della luce, il segnale di corrente scuro dovrebbe essere misurato come uno spettro scuro e quindi sottratto dallo spettro del campione. Lo spettro scuro è uno spettro scattato con il percorso della luce bloccato.
    1. Posizionare la sfera di integrazione in una posizione ottimale per le misure di riflettanza diffusa (Figura 1a).
    2. Spegnere la sorgente di luce di lampada alogena. Bloccare il percorso della luce per lo spettrometro usando un tappo di porta o una piastra di schermo.
    3. Selezionare il comando di memorizzare scuro dal menu file per memorizzare uno spettro scuro.
    4. Selezionare il comando Sottrai scuro spettro dal menu file per sottrarre lo spettro scuro dallo spettro del campione misurato (Vedi sotto).
  2. Acquisizione degli spettri di riferimento
    Nota: Le proprietà ottiche dei componenti utilizzati in questo esperimento, come la sorgente luminosa, luce guida, lente acromatica, fibra ottica e spettrometro, avere la propria lunghezza d'onda-dipendenze. Di conseguenza, dovrebbe essere misurata l'intensità spettrale della luce passata attraverso questi componenti ottici come uno spettro di riferimento. Per la misura di uno spettro di riflettanza diffusa, lo spettro di riferimento è uno spettro scattato con un diffusore standard bianco illuminato con la luce della sorgente luminosa.
    1. Accendere la sorgente di luce di lampada alogena premendo il pulsante di alimentazione. Scaldare la lampada per almeno 10 minuti prima di acquisire uno spettro di riferimento.
    2. Collocare un diffusore bianco standard (ad esempio, Spectralon) presso il porto di campione della sfera integrata.
    3. Regolare il tempo d'integrazione dello spettrometro selezionando il valore adatto dall'elenco a discesa nel software operativo spettrometro in modo che l'intensità del segnale di picco è di circa il 75% dell'intensità massima spettrometro.
    4. Selezionare il comando di memorizzare riferimento dal menu file per memorizzare un spettro di riferimento.
  3. Acquisizione degli spettri del campione
    Nota: Uno spettro di riflettanza diffusa del campione viene acquisito e salvato sul disco rigido di un personal computer utilizzando le stesse condizioni di acquisizione.
    1. Posizionare il fantasma epidermico inserito dagli occhiali due diapositive al pozzetto del campione. Selezionare il comando Salva dal menu file per salvare un spettro di riflettanza diffusa in un file.
    2. Ripetere i fantasmi punto 5.3.1 per il cutaneo e a due strati.

6. acquisizione dello spettro di trasmittanza totale

  1. Acquisizione di spettri scuri
    Nota: Il sensore nello spettrometro può stimare intensità luminosa basato su un segnale elettrico generato in risposta a luce incidente. Tuttavia, c'è rumore scuro che è indipendente i segnali generati dai fotoni ma è funzione della temperatura del dispositivo, anche se il sensore non rileva la luce. Per misurare con precisione l'intensità spettrale della luce, il segnale di corrente scuro dovrebbe essere misurato come uno spettro scuro e quindi sottratto dallo spettro del campione. Lo spettro scuro è uno spettro scattato con il percorso della luce bloccato.
    1. Posizionare la sfera di integrazione in una posizione ottimale per le misure di trasmittanza totale (Figura 1b).
    2. Rimuovere la trappola di luce dal porto della sfera integrata e collegare una spina di porta alla porta.
    3. Spegnere la sorgente di luce di lampada alogena. Bloccare il percorso della luce per la sfera di integrazione utilizzando un tappo di porta o piastra di schermatura.
    4. Selezionare il comando di memorizzare scuro dal menu file per memorizzare uno spettro scuro.
    5. Selezionare il comando Sottrai scuro spettro dal menu file per sottrarre lo spettro scuro dallo spettro del campione misurato (Vedi sotto).
  2. Acquisizione degli spettri di riferimento
    Nota: Le proprietà ottiche dei componenti utilizzati in questo esperimento, come la sorgente luminosa, luce guida, lente acromatica, fibra ottica e spettrometro, avere la propria lunghezza d'onda-dipendenze. Di conseguenza, l'intensità spettrale della luce passata attraverso questi componenti dovrebbe essere misurata come uno spettro di riferimento. Per la misura dello spettro di trasmittanza totale, lo spettro di riferimento è uno spettro preso quando la luce della sorgente luminosa è entrare direttamente la sfera di integrazione attraverso l'orificio di campione.
    1. Accendere la sorgente di luce di lampada alogena premendo il pulsante di alimentazione. Scaldare la lampada per almeno 10 minuti prima di acquisire uno spettro di riferimento.
    2. Regolare il tempo di integrazione dello spettrometro selezionando il valore adatto dall'elenco a discesa dei tempi di integrazione nel software operativo dello spettrometro in modo che la massima intensità di luce mostra un segnale che è circa il 75% della massima valori.
    3. Selezionare il comando di memorizzare riferimento dal menu file per memorizzare un spettro di riferimento.
  3. Acquisizione degli spettri del campione
    Nota: Lo spettro della trasmittanza totale del campione viene acquisito e salvato sul disco rigido di un personal computer utilizzando le stesse condizioni di acquisizione.
    1. Posizionare il fantasma epidermico inserito dagli occhiali due diapositive al pozzetto del campione. Selezionare il comando Salva dal menu file per salvare un spettro di trasmittanza totale in un file.
    2. Ripetere i fantasmi punto 6.3.1 per il cutaneo e a due strati.

7. stima dell'assorbimento e proprietà di luce-dispersione

Nota: Un set dello spettro di riflettanza diffusa e lo spettro di trasmittanza totale è salvato sul disco rigido di un personal computer e analizzato non in linea. Un inverso di simulazione Monte Carlo8,38,39,40 viene quindi eseguito per stimare l'assorbimento coefficiente spettro µun(λ) e il coefficiente di dispersione ridotta spettro µs'(λ). In questa simulazione Monte Carlo inversa, la dispersione stimato coefficiente µs, sotto l'ipotesi che l'anisotropia fattore g è 0, è considerato come la ridotta dispersione coefficiente µs' . Sia la riflettanza e i dati di trasmittanza sono utilizzati per una singola esecuzione della simulazione. L'algoritmo dettagliata utilizzata in questo protocollo è stato segnalato nella precedente letteratura8,39. Abbiamo stimato l'assorbimento coefficiente spettro µun(λ) e la ridotta dispersione coefficiente spettro µs'(λ) di uno strato epidermico da un insieme di riflettanza diffusa spettro e lo spettro di trasmittanza totale ottenuto dallo strato epidermico. Allo stesso modo, abbiamo stimato µun(λ) e µs'(λ) di uno strato cutaneo da un set dello spettro di riflettanza diffusa e lo spettro di trasmittanza totale ottenuto dal cutaneo strato.

  1. Aprire un file di input per la simulazione Monte Carlo.
  2. Inserire i valori della riflettanza diffusa e la trasmittanza totale nell'intervallo di lunghezza d'onda specifica da 400 a 700 nm a intervalli di 10 nm nel file di dati di input. Inserire il valore dello spessore del fantasma nel file di dati di input.
  3. Impostare l'indice di rifrazione n di un livello per essere un valore appropriato nel file di dati di input (ad esempio, n = 1.33 a 550 nm). Impostare il valore di anisotropia fattore g a 0 nel file di dati di input.
  4. Impostare i valori iniziali dell'assorbimento coefficiente µun e il coefficiente di scattering µs essere i valori appropriati nel file di dati di input (ad esempio, µun = 0,01, µs = 0,1 ).
  5. Eseguire il programma di simulazione Monte Carlo inversa.
  6. Digitare il nome del file di input e quindi eseguire la simulazione.
  7. Aprire il file di output e controllare i valori finali di µun e µs dopo la simulazione iterativa è terminata.
  8. Ripetere i passaggi da 7.1-7.7 altre lunghezze d'onda desiderata.

Risultati

La figura 3 Mostra gli spettri stimati rappresentante il coefficiente di dispersione ridotta e il coefficiente di assorbimento per phantom epidermico e dermico fantasma. I risultati mostrati nella Figura 3 sono le medie di dieci misurazioni degli spettri sia in riflettanza e trasmittanza. La ridotta dispersione coefficiente µs' ha uno spettro di ampia diffusione, che esibiscono una magnitudo superior...

Discussione

La fase più critica in questo protocollo è il controllo della temperatura del materiale base. La temperatura per mantenere il materiale di base hanno variato da 58 a 60 ° C. Se la temperatura è superiore a 70 ° C, si verificherà una denaturazione di sia l'emulsione del lipido e il sangue intero. Di conseguenza, le proprietà ottiche del fantasma si deteriorano. Se la temperatura è inferiore a 40 ° C, il materiale di base sarà essere ununiformly gelificato e, così, gli agenti di assorbimento e scattering di luce...

Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Riconoscimenti

Parte di questo lavoro è stato supportato da una sovvenzione per Scientific Research (C) dalla società giapponese per la promozione della scienza (25350520, 22500401, 15 K 06105) e l'US-ARMY ITC-PAC Research and Development Project (FA5209-15-P-0175, FA5209-16-P-0132).

Materiali

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

Riferimenti

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