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要約

このプロトコルは、独立して調整可能な音響および光学特性を特徴とする、光学的および音響生物医学イメージングアプリケーション用の安定した生物学的に関連するファントム材料の製造について説明しています。

要約

長期安定性を提供する組織模倣バイオフォトニックファントム材料の確立は、ベンダーや機関間での生物医学イメージングデバイスの比較を可能にし、国際的に認められた標準の開発をサポートし、新しい技術の臨床翻訳を支援するために不可欠です。ここでは、光音響、光学、および超音波の標準化の取り組みで使用するための、安定した低コストの組織模倣油中共重合体材料をもたらす製造プロセスを示します。

基材は、鉱物油と、定義されたケミカルアブストラクトサービス(CAS)番号を持つ共重合体で構成されています。ここで提示されたプロトコルは、5MHzでの音速c(f)= 1,481 ± 0.4 m·s-1(20°Cでの水の音速に相当)、5 MHzでの音響減衰α(f)= 6.1 ± 0.06 dB·cm-1、800 nmでの光吸収μa(λ)= 0.05 ± 0.005 mm-1の代表的な材料を生成します。 800 nmでの光散乱μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1である。この材料は、ポリマー濃度または光散乱(二酸化チタン)および吸収剤(油溶性染料)をそれぞれ変化させることによって、音響特性および光学特性の独立した調整を可能にする。さまざまなファントム設計の製造が表示され、結果として得られるテストオブジェクトの均質性が光音響イメージングを使用して確認されます。

その容易で再現性のある製造プロセスと耐久性、および生物学的に関連する特性により、材料レシピはマルチモーダル音響光学標準化イニシアチブにおいて高い期待を寄せています。

概要

技術的検証1,2を通じて新しい光学イメージングバイオマーカーの精度と精度を確立することは、臨床診療での実装を成功させるために最も重要です。これを達成するために、技術検証研究では、機器間の性能評価と日常的な品質管理を容易にする耐久性のある物理ファントムが頻繁に使用されます。ファントム素材を研究や臨床翻訳で広く使用するには、シンプルで再現性の高い製造プロトコルが必要です。理想的なバイオフォトニックファントム材料は、以下の特性を含むべきである:3:(1)生物学的に関連する範囲内の独立して調整可能な特性;(2)機械的堅牢性。(3)長期安定性;(4)幾何学と建築の柔軟性。(5)安全な取り扱い;(6)標準的な科学的供給業者から購入できる広く入手可能な成分。(7)低コスト。現在、バイオフォトニックアプリケーションは、概説された要件を満たし、光音響イメージング(PAI)などのハイブリッドアプリケーション用の調整可能な音響特性も含む、広く受け入れられているファントム材料の標準化されたプロトコルを欠いています。

光学と音響を組み合わせた用途の対象となる生物学的に関連するファントム材料には、ヒドロゲル4,5、ポリビニルアルコール(PVA)6,7,8,9、およびポリ塩化ビニルプラスチゾール(PVCP)10,11,12,13,14,15,16が含まれます.しかしながら、これらの材料は、安定なファントム材料としてのそれらの用途を制限する特定の制限によって特徴付けられる。例えば、ヒドロゲルは、脱水、機械的損傷、および細菌の内部成長を起こしやすく、それらの貯蔵寿命を制限する17、18、19。化学物質を添加すると寿命が延びる可能性がありますが、ホルムアルデヒド20や塩化ベンザルコニウム21などの一般的な防腐剤は危険であり、取り扱いには注意が必要です。さらに、水溶性色素を含むターゲットは、カプセル化されていない場合、基材内に拡散する可能性があります。PVAクライオゲルは、より高い寿命と構造的堅牢性を特徴としていますが、その調製プロセスには長い凍結融解サイクルが含まれます22。これは、音響パラメータおよび光学パラメータ23の独立した同調性を制限する可能性があり、−わずかに変化する場合−不均一性6をもたらし得、それによって再現性を損なう可能性がある。さらに、介在物からの染料の拡散は1年後13に観察されています。PVCPには、最大180〜220°C 13,14,24,25の高温を含む複雑な製造プロセスがあります。PVCPはまた、科学的サプライヤーとのサプライチェーンの欠如に苦しんでおり26、フタル酸エステルをベースにした可塑剤を含む可能性があり、生殖および発生上の害27を引き起こす可能性があり、一部の国では規制物質になっています。

ゲルワックス28、29、30、31または熱可塑性スチレン系エラストマー32、33、34、35、36をベースとするブレンドなどの油中コポリマー組成物は、良好な縦方向安定性を示し、組織様音響および光学特性を特徴とする31、35、36、37これにより、マルチモーダルアプリケーションにおける耐久性のあるファントム候補として高い可能性を秘めています。さらに、このクラスの材料は、費用効果が高く、非吸水性、非毒性、および生物学的に不活性です35,38。音速c(f)および音響減衰係数α(f)は、ポリマー濃度の変動によって生物学的に関連する範囲(表1)に調整することができる33,35,39が、光吸収μa(λ)および低減散乱μs'(λ)係数は、主に油溶性染料または二酸化チタン(TiO2)39の添加によって変化させることができる。 それぞれ。

ここでは、光学、超音波、または光音響デバイスのキャリブレーションでの使用に適した耐久性のある油中共重合体ファントムを作成するための、シンプルでわかりやすいプロトコルを紹介します。すべての成分には定義されたケミカルアブストラクトサービス(CAS)番号があり、標準的な科学サプライヤーからすぐに入手できます。製造手順における潜在的な困難が強調され、それらを克服する方法が提示されます。このプロトコルでは、さまざまな音響的および光学的特性を持つ材料の製造が可能ですが、提示されたプロトコルでは、室温(20°C)での水の音速と一致する~1,481 m・s-1の音速の材料が得られます40。この値は、既存の組織特性の広い範囲を表すための中立的な標準として選択され(表1)、比較のための一貫性のある信頼性の高い基準点を確立することができました。この詳細なプロトコルを提供することで、この有望なファントム材料タイプの取り込みと製造の再現性を広げ、それによってバイオフォトニック、音響、光音響の検証研究を促進し、前臨床および臨床イメージングアプリケーションにおける日常的な品質管理をサポートすることを目指しています。

プロトコル

表1:軟部組織に見られる音響的および光学的特性の概要。 光学特性は、600〜900nmの範囲のスペクトルをカバーしています。なお、これらはあくまでも一般的なガイダンスを目的とした代表的な値です。正確な値は、実験条件(温度など)や周波数/波長によって異なる場合があります。文献はより具体的な値を提供します。*特定の参照は見つかりませんでした。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

与えられたプロトコルは、~120 mLのファントム材料を作るために開発されました。コンポーネントの質量をスケーリングして、さまざまな体積のファントム材料を作成できます。大容量(>500 mL)の場合、提案された機器ではファントム混合物を均一に十分に加熱できない可能性があることに注意してください。この目的のために、加熱装置は適切に適合させるべきである。

注意: 製造プロセス全体を通して、常に適切な個人用保護具(PPE)が着用されていることを確認してください。これには、白衣、安全ゴーグル、安全手袋の使用が含まれる場合があります。地域の安全ガイドラインを参照し、遵守してください。この手順はHackerら39から適応されています。手順の概要を 図 1 に示します。

figure-protocol-856
図1:油中共重合体材料の作製 。 (1)光散乱および吸収のための材料を鉱物油に添加し、(2)溶解するまで90°Cで超音波処理する。(3)ポリマーと安定剤を添加し、(4)混合物をオイルバス中で低攪拌下で160°Cに加熱する。(5)全ての成分が溶解したら、適当なファントムモールドに試料を流し込み、(6)室温で硬化させる。この図はHacker et al.39から転載しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1.混合物の調製

  1. 0.4 gのニグロシンを40 mLの鉱油に加えて、ニグロシン原液を調製します。超音波処理とサンプルの徹底的なボルテックスによる均質な混合を確保します。原液を室温で保存する。
    注意: ストック溶液は、再利用する前に常に完全に混合する必要があります。光散乱体(TiO2)または吸収体(色素)を含まないファントム材料が好ましい場合は、ステップ1および2をスキップできます。手順 3 に進みます。
  2. すべての成分が完全に溶解するまで(~60分)100mL(83.8g)の鉱油中のTiO 2および1mLの色素原液0.15gを超音波処理する(図1:ステップ1および2)。超音波処理器を高温(90°C)に設定し、装置が許せば、混合プロセスを容易にします。超音波処理時間中にステップ3-5に進みます。
    注:より高い吸収および散乱特性を有するファントムが好ましい場合は、超音波処理時間を延長する必要があるかもしれない。
  3. ポリスチレン-ブロック-ポリ(エチレン-ラン-ブチレン)-ブロック-ポリスチレン(SEBS)と低密度ポリエチレン(LDPE)を所望の濃度(例えば、SEBS = 25.14 g;LDPE = 6.70 g)(図1:ステップ3)。
    1. オプション:安定性を高めるために酸化防止剤を添加することができますが、加熱温度が180°Cを超えない場合は必須ではありません。
      注意: 製造プロセスの後の段階で溶解性または粘度の問題が発生した場合は、LDPEを除外することをお勧めします。LDPEは、材料の音速を向上させるために組み込まれています(表3)。ただし、安定したファントムを作成するために必須ではありません。LDPEを省略することにより、製造および成形プロセスを簡素化できますが、その後の最終材料の音速が低下します(表3)。
  4. 適切なガラス製品とシリコーンオイルを使用してオイルバスを作成します。ホットプレートに慎重に固定します。熱電対がシリコンオイルバスに残り、手順全体を通してガラス製品の端に触れないようにしてください(図2)。
    注意: 体温調節アクセサリが、機器の製造元の指示に従って慎重に取り付けられていることを確認してください。
  5. 均一な熱分布を確保するために、オイルバス内に適切な長さの磁気攪拌棒を配置します。
  6. ホットプレートの電源を入れ、加熱温度を160°Cに設定し、スターラーの毎分回転数(rpm)を50に設定します。
  7. LDPEとSEBSを超音波処理された鉱油(TiO2 とニグロシンを含む)を含むガラスビーカーに移します。適切な長さの磁気攪拌棒をガラスビーカーに入れ、それをオイルバスの中央に移して、測定されたコンポーネントを加熱します。バス内のオイルレベルがビーカー内のミネラルオイルレベルを上回っていることを確認します(図1:手順4)。

2.混合物を加熱する

  1. いずれかの段階で、添加されたポリマーが鉱物油の上に浮いているように見える場合は、金属ヘラを使用して鉱物油溶液を手動で攪拌し、浮遊ポリマーが鉱物油の内部に分布するようにします。耐熱手袋を着用してください。
  2. すべてのポリマーが溶解し、溶液が滑らかで均質なテクスチャー(~1.5時間)で均一に混合されたように見えるまで、混合物を160°Cで放置します。

3.掃除機をかける

注意: 気泡を除去するには、使用可能な機器に応じて、次の手順に従います。

  1. ホットビーカーを真空チャンバーに注意深く置き、最高の設定(最低真空)でサンプルを2〜3分間 真空 にします。金属製のへらを使用して、表面にたまった気泡を慎重に取り除きます。このステップの後も気泡が存在する場合は、混合物を再加熱し、すべての気泡が除去されるまで真空引きステップを繰り返します。
  2. 真空オーブンの電源を入れ、160°Cまで加熱します。 希望の温度に達したら、溶液を入れたビーカーを真空オーブンに移します。
    注意: ビーカーは常に熱保護手袋を着用して取り扱ってください。
    1. 真空を利用可能な最高の設定(最低真空)に切り替えます。溶液の上に泡層が発生した場合は、真空をオフにし、スパチュラを使用して表面から泡を取り除きます(すべての気泡が除去されるまでこの手順を繰り返します)。
    2. ビーカーを最高の真空設定で1時間真空オーブンに入れたままにします。
      注意: 真空オーブンを清潔に保つために、ペーパータオルでシリコンオイルのビーカーの外面をきれいにします。

4.サンプルを金型に流し込みます

  1. サンプルをサンプル型に流し込む前に、必要に応じてスパチュラで混合物の表面に残っている気泡を取り除きます。
  2. 耐熱手袋を着用するか、適切な保護具を使用して、適切な型に溶液を慎重に注ぎます。気泡が発生する可能性を減らすために、低い高さからスムーズかつ安定した注ぎ込みを確保します(図1:ステップ5)。複雑な形状の金型の場合は、硬化したサンプルの除去を容易にするために、注ぐ前に金型に薄い油(鉱物油[ヒマシ油またはシリコーン油]以外)をコーティングします。
    注:オーブンで金型を予熱すると、サンプルの均一性を高めるのに役立ちます。
  3. 注いだら、金属ヘラでサンプルの上部から気泡をすばやく取り除きます。混合物内に多数の気泡が蓄積している場合は、金型のタイプと形状が許せば、真空ステップを繰り返します。
  4. 溶液を室温にセットします。小さいサンプルは2時間以内に硬化する可能性がありますが、不完全な硬化のリスクを排除するためにサンプルを一晩放置してください。サンプルは室温で保管してください(図1:ステップ6)。

5. 画像取得

  1. 画像を取得する場合は、ファントムを撮像装置の視野に配置します。
  2. PAIまたは超音波システムの場合、ファントム表面と超音波トランスデューサの音響結合を、例えば超音波ゲルまたは水で行う。
    注意: プロトコルが正しく守られていれば、不均一性が視野を乱すことはありません。カスタムファントムホルダーは、測定間の再現性のあるサンプル位置決めを支援します。
  3. 取得温度がファントムの保管温度と異なる場合は、ファントム温度が周囲と安定するまで待ちます。
  4. 画像を取得します。

6. 材料特性測定

注:材料特性測定の目的は、材料の光学的および音響的特性の検証です。ファントム製造プロトコルは高い再現性を示していることに留意すべきであり39、したがって、以下の一般的な測定プロトコルは、さらなる検証研究が望まれる場合のガイダンスとしてのみ提供される。測定の個々のステップは、使用する特性評価装置によって異なります。ここでは、広帯域透過置換法41に基づくシステム(英国国立物理学研究所(NPL)で利用可能)が音響特性評価に採用され、社内の二重積分球(DIS)システム(42に基づく)が光学特性評価に使用されました。特性評価システムのセットアップは、補足図1に示されています。測定セットアップ(音響43、光学42,44)および測定手順39の詳細については、他の場所を参照してください。測定手順は、使用する各特性評価システムに応じて調整する必要があります。

  1. 音響特性評価
    注:音響特性測定は、パルス生成用の10 MHz中心周波数超音波トランスデューサ(アクティブエレメント直径10 mm)とパルス検出用のブロードバンドハイドロフォン(アクティブエレメント直径30 mmビラミナー膜ハイドロホン)を使用したシステムに基づいています(どちらも脱イオン水で満たされた水タンクに入れられ、寸法は112 cm x 38 cmx 30 cm 3です).トランスデューサはパルサーレシーバによって駆動されます。波形はオシロスコープを使用して集録します。セットアップと測定手順(測定に対するシステム固有のタイプBの影響を含む)の詳細については、 43を参照してください。
    1. 測定セットアップに適したサンプルを準備します(この場合、直径7〜8 cm、厚さ6〜9 mmの円形サンプル)。サンプルの組成が均一で、不純物、気泡、表面の凹凸がないことを確認してください。
    2. ノギスを使用してテストサンプルの厚さを測定し、校正された温度計を使用して水タンクの温度を記録します。
    3. サンプルをシステムに入れます。サンプルがシステムのコンポーネントと正しく位置合わせされていることを確認します。
      注意: ジンバルマウント43 に基づく自動制御サンプルホルダーは、サンプルの回転と傾きの正確な制御に役立つ場合があります。
    4. 測定セットごとに4つの音響パルスを取得します:音響経路にサンプルが存在しない基準水中パルス。スルーサンプル伝送;サンプルの前面と背面から送信機で受信した音響反射。
    5. 測定値からサンプルの音響特性を導き出します。音速 c(f ) (単位 m·s−1) を式 (1)43 で計算します。
      figure-protocol-6254(1)
      CWは水の温度依存の音速を表し、θ1(f)、θ2(f)、θw(f)、およびθs(f)は、それぞれ前面反射、背面反射、水中、およびサンプル貫通電圧パルスの対応するラップされていない位相スペクトルです。材料の周波数依存減衰係数(αi(f))は、式(2)43に示す2サンプル置換技術を使用して導き出すことができます。
      figure-protocol-6695(2)
      Uw(f)とUs(f)は、透過水パルスと透過サンプルパルスのそれぞれの電圧振幅スペクトルα、w(f)は特定の水槽温度45での純水の超音波の減衰係数(dB・cm-1)であり、d1とd2(d 2 > d1)は2つのサンプルの厚さです。
      注:現在のプロトコルでは、界面損失を考慮した減衰が評価され、その影響はごくわずかであることがわかりました。
    6. テストサンプルの異なる位置で測定を3回以上繰り返します。測定値の平均と標準偏差を計算して、最終的なサンプル値を導き出します。
  2. 光学特性評価
    注:光学試験には、2本の光ファイバーを介して2台の分光計に接続された2つの積分球(内径50 mm)を採用した二重積分球システム(42に基づく)が使用されました。反射率球は、第3の光ファイバを介して光源に接続されている。
    1. 測定セットアップに適したサンプルを準備します(この場合、幅5.9 cm、高さ1.8 cm、厚さ2〜3 mmの長方形のサンプル)。サンプルの組成が均一で、不純物、気泡、表面の凹凸がないことを確認してください。
    2. 光源をオンにし、製造元の指示に従って安定させます(例:15分)。
    3. ノギスを使用してサンプルの厚さを決定します。該当する場合は、測定の波長範囲とステップサイズを指定します(たとえば、1 nmステップサイズで450-900 nm)。
    4. 透過球と反射球の基準測定値を記録します。
      1. 反射率球については、まず透過率球を取り外して光源をオンにした状態で反射率値R0を記録して開口測定を行う。そして、反射率球の手前に保持した基準標準(光源点灯)で反射率値 R1を記録する。
      2. 透過率球については、まず反射率と透過率を揃えた球と光源をオフにして透過率値 T0を記録して遮断線測定を行う。そして、球体と光源とを合わせた反射率と透過率をオンにした状態で透過率値 T1を記録して入射ビーム測定を行う。
        注意: ほこりやその他の汚染物質の付着がコンポーネント46の性能に影響を与える可能性があるため、測定には球体と参照標準の表面がきれいである必要があります。
    5. 球の間にサンプルを置きます。反射率 Rs 及び透過率 Ts値を測定する。測定精度に影響を与える可能性があるため、サンプルが圧縮されていないことを確認してください。1つの球を電動ステージに配置すると、測定されたサンプルの厚さに適合させることにより、球間の距離を正確に制御するのに役立つ場合があります。
    6. 式(3)と式(4)42を用いて正規化反射率MR と透過率MT 値を算出する。
      figure-protocol-8373(3)
      figure-protocol-8485(4)
      RStd は、99%反射率標準から反射された強度を表します。
    7. 測定値を逆加算倍加(IAD)プログラム(ソースコード:http://omlc.org/software/iad/)44 に入力して、材料の光学特性を推定します。
      注:以前の報告に基づくと、散乱異方性係数(g)はg = 0.7、屈折率はn = 1.4 30と見なすことができます。
    8. テストサンプルに沿った異なる位置で少なくとも3回測定を繰り返します。測定値の平均と標準偏差を計算して、最終的なサンプル値を導き出します。

代表的な結果

このレシピに従って、光音響イメージングを目的として、異なる光学照明と音響検出形状を持つさまざまなシステム設計を対象とした3つの代表的なファントム設計が作成されました(図3A)。ファントムの準備手順が正常に実行されると、ファントム材料は気泡や不純物が閉じ込められることなく滑らかで均質に見え、結果の画像にアーチファクトは見られません(ここでは光音響イメージングを使用して視覚化されています。図3B、C)。このプロトコルは、音速c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1(20 °C40での水の音速に相当)、音響減衰α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1(両方とも5 MHzで)、光吸収μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1、光散乱μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 の代表的な材料である(いずれも800nmで)(不確かさは、異なるオペレータによって独立して製造されたn = 3バッチからの標準偏差を表し、すべての測定は室温[20°C]で行った)。

光散乱係数はTiO 2の変動によって調整することができ、一方、光吸収係数は任意の油溶性染料の添加によって調整することができ、ここではニグロシンで実証されている(表2および図3D)。表2の値は、筋肉や乳房などの吸収および散乱の低い組織に焦点を当てていますが(表1)、吸収体と散乱体を高濃度で添加することに問題は発生していません。しかし、より高い濃度で光散乱体/吸収剤を添加すると、溶液の均質な混合を達成するために、より長い超音波処理時間を必要とすることがある。

音響減衰と音速は、ポリマー濃度の変化によって調整できます(表3)。ここでは、チューニングはこれまでのところ、~1,450-1,516 m·s-1の音速範囲に制限されています。より低いそれぞれのポリマー濃度は、試料の低い物理的安定性をもたらし、経時的な塑性変形をもたらす可能性がある34。ポリマー濃度が高いと、材料の脆性や不均一なテクスチャーが生じます。音響特性の範囲は、乳房や脂肪などの組織を模倣するのに役立つかもしれませんが(c = 1,450-1,480 m·s-1)、筋肉や腎臓などの組織には不十分な場合があります(c > 1,520 m·s-1; 表1)。

ファントム調製における一般的なエラーの原因には、気泡の除去が不十分であることや、ベース成分の不均一な混合などがあります(図4)。これは、それぞれ真空引きと慎重な注ぎ込み、攪拌/ボルテックスによって最小限に抑えることができます。

figure-representative results-1628
図2:ファントム製造の実験セットアップ。 ファントム成分を含むガラスビーカーは、オイルバスの表面とガラスビーカーとの直接接触を避けるためにクランプを使用してシリコーンオイルバスに配置されます。ホットプレートの温度フィードバックにより、慎重な温度制御が保証されます。マグネチックスターラーは、シリコーンオイルとファントム成分の両方の混合を可能にします。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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図3:ファントム製造手順の代表的な結果。 (A)さまざまな光音響イメージングシステムへの応用に汎用性を示すさまざまなファントム設計。左:高解像度イメージングシステムのテスト用に設計された、さまざまな深さ(0.5、1.5、および2.5 mm、ターゲット間距離1.25 mm)にストリングが埋め込まれた小さな長方形のファントム。中央:断層撮影システムのテスト用に設計された、緑と紫の油溶性染料を使用した2つの介在物(介在物間距離12 mm)を備えた円筒形のファントム。右:ハンドヘルドシステムのテスト用に設計された、さまざまな深さ(6 mm、10 mm、および14 mm、介在物間距離3.5 mm)にチャネルが埋め込まれた大きな長方形のファントム。(B)市販の光音響イメージングシステムで532nmで取得した、ストリングが埋め込まれた長方形ファントムの光音響画像の例。(C)市販の光音響イメージングシステムで800nmで取得した円筒断層撮影ファントムの光音響画像の例。(D)ニグロシンの濃度を増加させることにより光吸収濃度を増加させるファントム(画像上の鉱物油の総体積に対する重量百分率で与えられる濃度)。図3B,CはHackerら39から再現されている。スケールバー = 10 mm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-representative results-3139
図4:一般的なファントム障害 。 (A,B)ベースマトリックス内部に閉じ込められた気泡を示す写真。(C)塩基成分の混合が不十分な場合、得られる光音響画像に不均一性(赤い矢印)が生じます。スケールバー = 5 mm (A)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表2:光吸収(μa)および散乱(μs')値のチューニングの表形式の概要。 パーセント値は、ベース溶液の総体積(鉱物油、列1)およびファントム材料の総重量(列2)に対する重量パーセントとして示されます。ニグロシン濃度は、絶対ニグロシン(原液ではない)の総量を表す。すべてのサンプルには、酸化防止剤として5%ブチル化ヒドロキシトルエンが含まれていました(オプション)。n = サンプルあたり3回の測定。この表の視覚的表現は、Hacker et al.39 に見出すことができる。略語:否定=ごくわずか。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

表3:音響減衰(α)と音速(c)値のチューニングの概要を表形式で示します。非線形最小二乗フィッティングから得られたα0およびnパラメータを持つべき乗則α0fnによって記述されます(n = サンプルあたり4回の測定)。FはMHz単位の周波数を表し、パーセント値は、ベース溶液(鉱油)の総重量に対する重量百分率として与えられる。すべてのサンプルには、酸化防止剤として5%ブチル化ヒドロキシトルエンが含まれていました(オプション)。この表の視覚的表現は、Hacker et al.39 に見出すことができる。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図S1:検証に使用される音響および光学特性評価システムのセットアップ。 音響減衰係数と音速を決定するための音響特性評価システムの写真(A)と概略図(B)が表示されます。個々のシステムコンポーネントは、写真と回路図にHP(ハイドロフォン)、S(サンプル)、およびT(トランスデューサー)の注釈で示されています。光吸収係数および低減散乱係数を評価するための二重積分球系の写真(C)および模式図(D)を示す。個々のシステムコンポーネントは、写真と回路図にS(サンプル)、RS(反射球)、TS(透過球)、OF(光ファイバー)、およびMS(電動ステージ)の注釈で示されています。この図は、ハッカーら 39から複製されています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

ここでは、マルチモーダル音響および光学生物医学イメージングアプリケーション全体でキャリブレーション測定と標準化のためのファントムを作成するために使用できる、安定した生物学的に関連する材料の用途の広いレシピを提供することを目的としたプロトコルが提示されます。この材料は、時間の経過とともに安定しており39、バッチ間の再現性が高く、安全に使用でき、標準的な科学サプライヤーから容易に入手できる費用効果の高い成分で構成されていることが以前に示されています。材料特性は、関連する音響および光学レジーム間で独立して調整可能です。さらに、機械的に堅牢で水に不溶であるため、乱暴な取り扱いに耐え、超音波/光音響研究で使用される水ベースのカップリング剤に対して不活性です。同じまたは異なる材料タイプで構成される異なるタイプの介在物を使用して、異なるファントムデザインを作成できることが強調されました。これらの特性を考えると、この材料は理想的なバイオフォトニックファントムの前述の重要な基準を満たし、他の既存の組織模倣材料と比較して重要な利点を示します3。正確な製造プロセスを詳細に説明することで、製造手順から生じる変動を最小限に抑え、イメージングシステムのキャリブレーション、検証、および追跡に使用することを最適化したいと考えています。

2つの重要なステップが製造プロセスにとって重要であると特定されています。まず、均質な材料を作成するために、成分を完全に混合し、均一に加熱する必要があります。混合のための超音波破砕装置および磁気攪拌機および加熱のためのオイルバスを使用することは、ベースマトリックス内の材料成分の均一な分布を保証する。オイルバスが非常に高い温度(>180°C)に達しないように注意する必要があります, これは、材料成分の酸化を引き起こし、黄色がかった変色につながるからです.手動攪拌は、混合プロセスをサポートし、材料と空気の界面からの不十分な加熱を補うことができます。超音波処理および混合のための時間は、材料の均質な組成を確保するために、より高い濃度のTiO2 および/またはポリマーが使用されるときに延長する必要があるかもしれない。第二に、ベースマトリックス内の不均一性の形成を防ぐために気泡を除去する必要があります。これは真空ポンプまたはオーブンで達成できますが、材料内の空気の閉じ込めを最小限に抑えるために、低い高さからの注意深い注ぎも実践する必要があります。

この材料の重要な利点の1つは、その熱可塑性(SEBSポリマーに由来)であり、音響および光学特性に大きな影響を与えることなく再加熱および再成形することができます39。ただし、再加熱が速すぎると材料が簡単に燃焼して酸化する可能性があるため、再加熱は徐々に慎重に行う必要があります。LDPEはSEBSと同じ熱可塑性挙動を示さないため、より高いLDPE濃度を使用すると再加熱も困難になります。

プロトコルにはいくつかの制限が残っています。ポリマーの溶融温度が高い(150°C)ため、ファントムモールドはガラスやステンレス鋼などの耐熱材料で作る必要があります。さらに、高濃度のポリマーを使用して音響特性を調整すると、材料は液体状態でかなり粘性があり、小さなイメージングターゲットの充填が困難になります。最後に、音響特性のチューニングは、これまでのところ、乳房や脂肪などの模倣組織(c = 1,450-1,480 m·s-1)をサポートする~1450-1,516 m·s-1の音速範囲に制限されていますが、筋肉や腎臓などの組織(c > 1,520 m·s-1)には不十分な場合があります。音響減衰の付随する変化も考慮に入れる必要があります。

ここでは、超音波および光学イメージングアプリケーション用の安定したファントムとしての材料の用途を強調しました。しかしながら、油中共重合体材料はまた、エラストグラフィ用途において価値があることが示されており35、磁気共鳴画像法などのさらなる画像化モダリティとの互換性を潜在的に可能にする可能性がある。ファントムの解剖学的リアリズムの向上は、同様の研究29、47、48、49に示されているように、3Dプリントされた金型を使用して達成され得る。初期の研究では、材料自体の3D印刷可能性も実証されており、加工と製造の面で柔軟性がさらに向上しています。これらの開発は、マルチモーダルイメージングアプリケーション向けに広く使用されている安定したファントム媒体としての材料のエキサイティングな将来の可能性を浮き彫りにしています。

開示事項

Sarah Bohndiekは以前、光音響イメージング機器のベンダーであるCYBERDYNE INCとiThera Medical GmbHから研究支援を受けています。他の著者は、開示する本原稿に関連する利益相反はありません。

謝辞

LHは、ビジネス・エネルギー・産業戦略省の産業戦略チャレンジ基金が資金提供するNPLのMedAccelプログラムによって資金提供されました。JMGは、プロジェクトGR 5824/1の下でドイツ研究財団(DFG、ドイツ研究財団)から資金提供を受けました。JJは、医学アカデミースプリングボード(参照:SBF007 \ 100007)賞からの資金援助を認めています。SEBは、助成金番号C9545 / A29580の下で英国がん研究からの支援を認めています。AMI、BZ、SRは、National Measurement Systemの資金提供を通じて、英国ビジネス・エネルギー・産業戦略省の支援を受けました。図 1 と 図 2 は BioRender で作成されたものです。

資料

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.

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