Agarose 기반 조직 확산 반사율 분광학에 대 한 광학 환영을 흉내 낸

요약

여기, 우리가 방법을 보여 줍니다 agarose 기반 조직 흉내 낸 광학 환영 만든 방법 그들의 광학 속성 통합 영역을 기존의 광학 시스템을 사용 하 여 결정 됩니다.

초록

이 프로토콜 agarose 기반 조직 흉내 낸 유령 개체를 확인 하는 방법을 설명 하 고 통합 영역을 기존의 광학 시스템을 사용 하 여 그들의 광학 속성을 확인 하는 방법을 보여 줍니다. 확산 반사율과 총 투과율 스펙트럼의 인수는 광대역 백색 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 통합 영역, 샘플 홀더, 광 조사, 건설에 대 한 측정 시스템 및 멀티 채널 분석기입니다. 두 개의 직사각형 아크릴 조각 및 U 자 모양 아크릴 조각으로 구성 된 아크릴 형 전체 혈액 상피 팬텀과 피부 팬텀을 만들려고 생성 됩니다. 피부 팬텀에 나트륨 dithionite (나₂S₂O₄) 솔루션의 응용 프로그램 deoxygenate 피부 팬텀에 배포 적혈구에서 헤모글로빈에 연구원을 수 있습니다. 흡수 계수 스펙트럼 µ_a(λ) 결정 하 역 확산 반사율 및 총 투과율 스펙트럼 분석기와 통합 영역에 의해 측정 몬테카를로 시뮬레이션 수행 및 산란 계수 스펙트럼 µ_s감소 ' (λ) 각 레이어의 팬텀. 인간의 피부 조직의 확산 반사율을 흉내 낸 2 층 팬텀도 늘어나고 피부 팬텀 상피 팬텀으로 시연 했다.

서문

광학 환영은 개체 생물 학적 조직의 광학 속성을 흉내 낸 하 고 생물 의학 광학 분야에서 널리 사용 되었습니다. 그들은 살아있는 인간과 동물 조직의 산란 및 흡수 계수 등의 광학 속성을 일치 되도록 설계 되었습니다. 광학 환영은 일반적으로 다음과 같은 목적을 위해 사용 됩니다: 생물학 조직, 새로 개발된 된 광 시스템 디자인, 품질 및 성능 비교 기존 시스템의 성능 평가 보정 빛 전송 시뮬레이션 사이 시스템, 및 광학 속성^1,2,3,,45척도를 광학 방법의 능력을 확인 합니다. 따라서, 쉽게--get 물질, 간단한 제조 공정, 높은 재현성 및 광 안정성은 광학 환영을 만드는 필요 합니다.

다양 한 형태의 수성 현 탁 액⁶, 젤라틴 등 서로 다른 기본 재료로 광학 환영 젤⁷, agarose 젤^8,,910, polyacrylamide 젤¹¹, 수 지¹², ^13,,1415,16, 그리고 실리콘 방 온도가 무제¹⁷ 이전 문학에서 보고 되었다. 그것은 젤라틴 및 alginate 기반 젤은 이종 구조¹⁸와 광학 환영에 대 한 유용한 보고 되었습니다. Alginate 팬텀 레이저 절제 연구 등 고 열 레이저 기반 연구¹⁸photothermal 효과 평가 하기 위한 적합 한 기계적 및 열 안정성이 있다. Agarose 젤 이종 구조를 조작 하는 능력 있고 그들의 기계적 및 물리적 특성은 오랜 시간¹⁸에 대 한 안정. 고 순도 agarose 젤 매우 낮은 탁도 있고 약한 광 흡수. 따라서, agarose 기반 환영의 광학 속성 쉽게 적절 한 빛 산란 및 흡수 하는 에이전트 설계 수 있습니다. 최근, 스 티 렌-에틸렌-부 틸 렌-스 티 렌 (SEBS) 블록 공중 합체¹⁹ 및 폴 리 염화 비닐 (PVC) 젤²⁰ 보고 되었습니다에 대 한 흥미로운 가상 자료로 광학 및 photoacoustic 기법.

폴리머 스피어^7,12,,2122, 티타늄 산화물 파우더¹및 지질 유화 액^23,,2425,26 우유 등 지질 에멀젼 검정 잉크^27,28 및 분자 염료^29,30 는 빛 흡수로 사용 하는 반면 산란 요원으로 사용 됩니다. 장기는 적혈구에 산소와 deoxygenated 헤모글로빈의 흡수에 의해 지배 된다 대부분 생활의 반사율 스펙트럼 확산 한다. 따라서 헤모글로빈 솔루션^31,32 와 전체 혈액^8,9,10,,3336 으로 자주 사용에 빛 흡수는 확산 반사율 분광학 및 multispectral 이미징에 대 한 환영.

이 문서에서 설명 하는 방법은 광 속성의 특성을 흉내 낸 생물 학적 조직의 빛 전송 광학 팬텀을 만드는 데 사용 됩니다. 예를 들어, 한 2 층 광 팬텀 mimicking 광학 속성 인간의 피부 조직의 시연입니다. 대체 기술을 통해이 방법의 장점은 보이는 가까운 적외선 파장 영역으로 그것을 사용 하 여 쉽게 사용할 수 있도록 단순에 생활 생물 학적 조직의 확산 반사율 스펙트럼을 나타낼 수 재료 및 기존의 광학 기기입니다. 따라서,이 방법으로 만든 광학 환영 확산 반사율 분광학 및 multispectral 영상에 따라 광학 방법의 개발을 위해 유용할 것 이다.

프로토콜

1. 기존의 확산 총 투과율 및 반사율 분 광 시스템의 건설

참고: 확산 반사율 및 광대역 백색 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 통합 영역, 샘플 홀더, 광섬유, 그리고 멀티 채널 분석기를 사용 하 여 총 투과율 스펙트럼에 대 한 측정 시스템을 구성 합니다. 라이트 트랩의 역할 반사율 스펙트럼에서 반사 반사 구성 요소를 제거 하는 것입니다. 장착 플레이트와 사 개 포트에 대 한 샘플을 보유 하 고 스프링 클램프 어셈블리 통합 분야의 샘플 홀더에 의하여 이루어져 있다. 사 개 및 스프링 클램프 어셈블리 샘플 홀더에서 제거 되 고 발포 폴리스 티 렌의 손으로 만든 입방 받침대 대신 장착 플레이트에 연결. 그림 1a 와 1b, 광학 부품의 레이아웃 수 참조할 확산 반사율 측정 및 총 투과율 측정에 대 한 건축 절차에 대 한 각각.

1. 분석기 및 제공 하는 범용 직렬 버스 (USB) 케이블을 사용 하 여 개인용 컴퓨터를 연결 합니다.
2. 통합 영역의 검출기 포트에 포트 어댑터를 연결 합니다. 분석기 및 광섬유를 사용 하 여 통합 구 포트 어댑터를 연결 합니다. 150 W 할로겐 램프 광원 및 조명 가이드 연결.
3. 통합 분야의 샘플 포트 샘플 홀더를 연결 합니다. 확산 반사율 측정을 수행할 때 빛 함정 통합 분야의 적절 한 포트에 연결 합니다. 라이트 가이드와 achromatic 렌즈는 샘플 을 통해 조명 하는 할로겐 램프 광원을 켭니다.
4. 분석기의 운영 소프트웨어를 엽니다.

2입니다. 아크릴 형의 준비

참고: 두 개의 직사각형 아크릴 조각 및 U 자 모양 아크릴 조각으로 구성 된 아크릴 형 단층 젤 팬텀 만들려고 생성 됩니다. 그림 2 는이 건설 절차를 참조할 수 있습니다.

1. 두 개의 직사각형 아크릴 조각 2 mm 두께 아크릴 판에서 선택적 크기를 잘라.
2. 옵션 크기가 1 mm 두께 아크릴 판에서 아크릴 조각을 잘라. 1 m m 두꺼운 표 피 환영을 금형에 사용할 U 모양 조각 된다 그래야 1 m m 두께 아크릴 조각을 잘라.
3. 옵션 크기가 5 mm 두께 아크릴 판에서 아크릴 조각을 잘라. U 자 모양의 조각 5-m m 두꺼운 피부 환영을 몰드로 사용 된다 그래야 5 mm 두께 아크릴 조각을 잘라.
4. 금속 파일을 사용 하 여 각 아크릴 조각에서 모든 털을 제거 합니다.
5. 1 m m 두께 U 자 모양의 조각을 두 2 mm 두께 아크릴 조각를 5 폴드 백 클립으로 고정 하 여 상피 유령 형을 확인 합니다.
6. 5 mm 두께 U 자 모양의 조각을 두 2 mm 두께 아크릴 조각를 5 폴드 백 클립으로 고정 하 여 피부 유령 형을 확인 합니다.

3입니다. 기본 재료의 준비

1. 0.9% (w/v)는 포드에 NaCl 표준 염 분의 500 mL를 넣어. 천천히 응집 방지를 혼합 교 반 하면서 agarose 분말의 5 g을 추가 합니다.
2. 5 분에 대 한 1000 W 전원 설정 전기 요리 히터에 의해 agarose 분말과 염 분의 혼합물을 열.
3. 혼합물의 종 기, 일단 3 분 동안 낮은 열에 혼합물을 유지.
4. 약 70 ° c.의 온도에 혼합물을 냉각 그런 다음 컨테이너에 혼합물을 부 어 하 고 유령 하기 전에 30 분 동안 60 ° C에서 일정 한 온도 목욕에 계속.

4. 피부를 흉내 낸 광학 환영의 준비

참고: 커피 솔루션은 멜 라 닌의 흡수 스펙트럼을 모방 하는 데 사용 됩니다. 커피 솔루션 melanoidin 라는 갈색 안료를 포함 되어 있습니다. 흡수 스펙트럼 melanoidin의 멜 라 닌¹⁰의 수를 보고 되었습니다.

1. 표 피 팬텀 준비
   1. 커피 메이커 저수지에 순수한 물 100 mL를 붓으십시오. 커피 메이커 바구니에 필터를 배치 합니다. 필터에 원두 커피의 24 g을 추가 합니다. 켜고 커피 메이커 양조 시작 brew 단추를 누릅니다.
   2. 커피 솔루션 유리 병에 양조 커피와 염 분의 16 mL 4 mL를 넣어.
   3. 지질 에멀젼 (예를 들어, intralipid 10%)의 5 mL을 넣어 10 ml는 투명 한 플라스틱 컵에 커피 솔루션의. 천천히 교 반 하면서이 혼합물에 기본 물자의 35 mL를 추가 합니다.
   4. 주사기로 혼합물을 발음 하 고 어떤 거품 형성을 피하고 있는 동안 표 피 유령 형으로 그것을 천천히 주사. 20 분 동안 5 ° C에 혼합물을 포함 하는 아크릴 금형을 냉각 한다.
   5. 금형에서 폴드 백 클립을 제거 합니다. 슬라이드 바깥쪽 아크릴 조각 중 고 금형에서 제거 합니다. 1 m m 두께 응고 젤은 금형 팬텀 고 수술 메스를 사용 하 여 원하는 크기로 잘라.
   6. 장소 두 슬라이드 유리 사이 젤 팬텀을 누르고 있습니다.
2. 산소를 혈액을 포함 하는 피부 팬텀 준비
   1. 지질 유화 액 5.0 mL 및 45%가 전체 말 혈액의 0.4 mL 고 투명 플라스틱 컵에 넣어. 천천히 혼합 교 반 하면서 기본 물자의 44.6 mL를 추가 합니다.
   2. 주사기로 혼합물을 발음 하 고 주사 천천히 피부 팬텀 금형에 어떤 거품 형성을 피하고 있는 동안. 20 분 동안 5 ° C에 혼합물을 포함 하는 아크릴 금형을 냉각 한다.
   3. 금형에서 폴드 백 클립을 제거 합니다. 슬라이드 바깥쪽 아크릴 조각 중 고 금형에서 제거 합니다. 5 mm 두께 응고 젤은 금형 팬텀 고 수술 메스를 사용 하 여 원하는 크기로 잘라.
   4. 장소 두 슬라이드 유리 사이 젤 팬텀을 누르고 있습니다.
3. Deoxygenated 혈액을 포함 하는 피부 팬텀 준비
   1. 팬텀 유리 접시 (4.2.3 단계)에서 산소를 혈액을 포함 하는 피부 젤 넣어.
   2. 20 mL 유리병에 식 염 수로 나트륨 dithionite (나₂S₂O₄)의 1 g을 분해.
   3. 팬텀에 혈액 deoxygenate를 주사기를 사용 하 여 팬텀에 나₂S₂O₄ 솔루션의 0.05 g/mL를 추가 합니다.
   4. 장소 밖으로 건조 방지 하기 위해 두 개의 슬라이드 유리 사이 팬텀을 누르고 있습니다.
4. 2 층 팬텀 준비
   1. 표 피 및 진 레이어 간의 광 결합 되도록 피부 팬텀에 염 분의 0.1 mL 드롭. 피부 팬텀에 상피 팬텀을 놓습니다.
   2. 어떤 기포 레이어 간에 존재 하는 경우 밀어 그들 밖으로 손가락 끝을 가진 2 층 팬텀의 표면을 쓰 다듬어에 의해.
   3. 그것은 밖으로 건조를 방지 하기 위해 두 개의 슬라이드 안경 사이 2 층 팬텀을 잡으십시오.

5입니다. 확산 반사율 스펙트럼의 수집

1. 어두운 스펙트럼의 수집
   참고: 전 하 결합 소자 (CCD) 센서는 분석기에 입사광에 대 한 응답에서을 생성 하는 전기 신호에 따라 빛의 강도 추정할 수 있다. 그러나, 어두운 잡음³⁷ 독립적인 광자에 의해 생성 된 신호는 하지만 센서는 빛을 감지 하지 않는 경우에 장치 온도에 따라 달라 집니다 있다. 정확 하 게 측정 하려면 빛의 스펙트럼 강도, 어두운 전류 신호 한다 어두운 스펙트럼으로 측정 되며 다음 샘플 스펙트럼에서 뺍니다. 어두운 스펙트럼은 스펙트럼 빛 경로 차단와 함께 찍은.
   1. 통합 영역 확산 반사율 측정 (그림 1a)에 대 한 최적의 위치에 배치 합니다.
   2. 할로겐 램프 광원을 해제 합니다. 포트 플러그 또는 차폐 플레이트를 사용 하 여 분 광 계에 빛 경로 차단 합니다.
   3. 어두운 스펙트럼을 저장 하려면 파일 메뉴에서 어두운 저장 명령을 선택 합니다.
   4. 측정된 샘플 스펙트럼 (아래 참조)에서 어두운 스펙트럼을 파일 메뉴에서 빼기 어두운 스펙트럼 명령을 선택 합니다.
2. 참고 스펙트럼의 취득
   참고: 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 광섬유, 분석기, 등이 실험에 사용 되는 부품의 광학 속성 있다 그들의 자신의 파장 의존. 따라서, 이러한 광학 부품을 통과 하는 빛의 스펙트럼 강도 참조 스펙트럼으로 측정 되어야 한다. 확산 반사율 스펙트럼의 측정을 위한 참조 스펙트럼 광원에서 빛으로 조명 표준 흰색 디퓨저와 함께 찍은 스펙트럼이 이다.
   1. 할로겐 램프 광원 전원 버튼을 눌러 켭니다. 워밍업-참조 스펙트럼을 취득 하기 전에 적어도 10 분 동안 램프.
   2. 통합 분야의 샘플 포트에서 표준 흰색 디퓨저 (예, Spectralon)를 배치 합니다.
   3. 계의 통합 시간 피크 신호 강도 분석기 강도 최대의 약 75% 분석기 운영 소프트웨어에 드롭-다운 목록에서 적당 한 값을 선택 하 여 조정 합니다.
   4. 참조 스펙트럼을 저장 하 고 파일 메뉴에서 참조를 저장 명령을 선택 합니다.
3. 샘플 스펙트럼의 취득
   참고: 샘플의 확산 반사율 스펙트럼은 취득 하 고 같은 인수 조건을 사용 하 여 개인 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장.
   1. 표 피 팬텀 샘플 포트에 두 개의 슬라이드 안경으로 샌드위치를 놓습니다. 확산 반사율 스펙트럼 파일에 저장 하려면 파일 메뉴에서 저장 명령을 선택 합니다.
   2. 반복 단계 5.3.1 고 2 층은 피부에 대 한 환영 합니다.

6입니다. 총 투과율 스펙트럼의 인수

1. 어두운 스펙트럼의 수집
   참고: 센서는 분석기에 입사광에 대 한 응답에서을 생성 하는 전기 신호에 따라 빛의 강도 추정할 수 있다. 그러나, 어두운 잡음을 광자에 의해 생성 된 신호는 독립적 이지만 센서는 빛을 감지 하지 않는 경우에 장치 온도에 따라 달라 집니다 있다. 정확 하 게 측정 하려면 빛의 스펙트럼 강도, 어두운 전류 신호 한다 어두운 스펙트럼으로 측정 되며 다음 샘플 스펙트럼에서 뺍니다. 어두운 스펙트럼은 스펙트럼 빛 경로 차단와 함께 찍은.
   1. 통합 영역 총 투과율 측정 (그림 1b)에 대 한 최적의 위치에 배치 합니다.
   2. 통합 영역의 포트에서 라이트 트랩을 제거 하 고 포트에 포트 플러그 부착.
   3. 할로겐 램프 광원을 해제 합니다. 통합 영역 포트 플러그를 사용 하 여 또는 차폐 판에 빛 경로 차단 합니다.
   4. 어두운 스펙트럼을 저장 하려면 파일 메뉴에서 어두운 저장 명령을 선택 합니다.
   5. 측정된 샘플 스펙트럼 (아래 참조)에서 어두운 스펙트럼을 파일 메뉴에서 빼기 어두운 스펙트럼 명령을 선택 합니다.
2. 참고 스펙트럼의 취득
   참고: 광원, 라이트 가이드, achromatic 렌즈, 광섬유, 분석기, 등이 실험에 사용 되는 부품의 광학 속성 있다 그들의 자신의 파장 의존. 따라서, 이러한 구성 요소를 통해 전달 하는 빛의 스펙트럼 강도 참조 스펙트럼으로 측정 되어야 한다. 총 투과율 스펙트럼의 측정을 위한 참조 스펙트럼 광원에서 빛은 직접 샘플 포트를 통해 통합 영역을 입력할 때 찍은 스펙트럼이 이다.
   1. 할로겐 램프 광원 전원 버튼을 눌러 켭니다. 워밍업-참조 스펙트럼을 취득 하기 전에 적어도 10 분 동안 램프.
   2. 계의 통합에 가장 큰 빛의 강도 표시는 최대의 약 75%는 신호는 분석기의 운영 소프트웨어에 통합의 드롭-다운 목록에서 적당 한 값을 선택 하 여 조절 값입니다.
   3. 참조 스펙트럼을 저장 하 고 파일 메뉴에서 참조를 저장 명령을 선택 합니다.
3. 샘플 스펙트럼의 취득
   참고: 샘플의 총 투과율 스펙트럼 인수 이며 동일한 인수 조건을 사용 하 여 개인 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장 합니다.
   1. 표 피 팬텀 샘플 포트에 두 개의 슬라이드 안경으로 샌드위치를 놓습니다. 총 투과율 스펙트럼 파일에 저장 하려면 파일 메뉴에서 저장 명령을 선택 합니다.
   2. 반복 단계 6.3.1 고 2 층은 피부에 대 한 환영 합니다.

7. 흡수 및 빛 산란 특성 예측

참고: 확산 반사율 스펙트럼 및 총 투과율 스펙트럼의 집합은 개인용 컴퓨터의 하드 드라이브에 저장 하 고 오프 라인 분석. 반대 몬테카를로 시뮬레이션^8,38,,3940 다음는 흡수 계수 스펙트럼 µ_a(λ)와 감소 된 산란 계수 추정을 수행합니다 스펙트럼 µ_s'(λ). 이 역 몬테카를로 시뮬레이션에서에서 예상된 산란 계수 μ_s, 이방성 계수 g 0, 가정에서 감소 된 산란 계수 μ_s로 간주 됩니다 ' . 모두는 반사율과 투과율 데이터 단일 시뮬레이션 실행에 사용 됩니다. 이 프로토콜에 사용 되는 자세한 알고리즘은 이전 문학^8,39에 알려졌다. 우리는 흡수 계수 스펙트럼 µ_a(λ)와 감소 된 산란 계수 스펙트럼 µ_s'(λ) 확산 반사율의 집합에서 표 피 층의 추정 스펙트럼 그리고 표 피 층에서 얻은 총 투과율 스펙트럼. 같은 방식으로, 우리가 예상 µ_a(λ)와 μ_s'(λ)는 피부에서 얻은 총 투과율 스펙트럼 확산 반사율 스펙트럼의 집합에서 피부 층의 레이어입니다.

1. 몬테카를로 시뮬레이션에 대 한 입력된 파일을 엽니다.
2. 측정된 확산 반사율과 특정 파장 범위 400에서 700에서 총 투과율의 값 입력 nm 간격 10 nm-입력된 데이터 파일에. 입력된 데이터 파일에서 팬텀 두께 값을 입력 합니다.
3. 입력된 데이터 파일에 적절 한 값에 레이어의 굴절률 n 을 설정 (예를 들어, n = 1.33 550 nm). 입력된 데이터 파일에는 0을 이방성 계수 g 의 값을 설정 합니다.
4. 흡수 계수 μ_를 입력된 데이터 파일에 적절 한 값을 산란 계수 μ_s 의 초기 값을 설정 (예를 들어, μ_는 0.01 µ_s = = 0.1 ).
5. 역 몬테카를로 시뮬레이션 프로그램을 실행 합니다.
6. 입력된 파일 이름을 입력 하 고 시뮬레이션을 실행 합니다.
7. 출력 파일을 열고 반복 시뮬레이션 종료 후 µ_a 와 µ_s 의 최종 값을 확인 합니다.
8. 다른 원하는 파장 7.1-7.7 단계를 반복 합니다.

결과

그림 3 감소 산란 계수와 상피 팬텀과 팬텀은 피부에 대 한 흡수 계수의 대표 예상된 스펙트럼을 보여준다. 그림 3 에 표시 된 결과 반사율과 투과율 스펙트럼의 10 측정의 평균입니다. 감소 된 산란 계수 μ_s' 는 광범위 한 분산 스펙트럼, 짧은 파장에서 더 높은 크기를 전시. 스펙트럼 기능 부드러운 조직의 ?...

토론

이 프로토콜의 가장 중요 한 단계는 기본 재료의 온도 조절입니다. 58에서 60 ° c.에 배열 했다 기본 자료를 유지 하기 위해 온도 온도 70 ° C 이상, 지질 에멀젼과 전체 혈액의 변성 발생 합니다. 결과적으로, 팬텀의 광학 특성 저하 됩니다. 온도가 40 ° C 보다는 더 적은 인 경우에, 기본 재료 ununiformly gelled 것입니다 그리고, 따라서, 빛 산란 및 흡수 에이전트 배포 될 것입니다 heterogeneously 팬텀에. 기?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
150-W halogen-lamp light source	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LA-150SAE
Light guide	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan	LGC1-5L1000
Integrating Sphere	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	RT-060-SF
Port adapter	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	PA-050-SMA-SF
Light trap	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	LTRP-100-C
Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA	SRS-99-020
Optical fiber	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	P400-2-VIS-NIR
Miniature Fiber Optic Spectrometer	Ocean Optics Inc., Dunedin, Florida, USA	USB2000
Achromatic lens	Chuo Precision Industrial Co.,Ltd, Tokyo, Japan	ACL-50-75M
Intralipid	Fresenius Kabi AB, Uppsala, Sweden	Intralipid 10%
Coffee (Blendy Mocha Blend Regular Coffee)	Ajinomoto AGF, Inc. Tokyo, Japan	Unavailable
Whole blood	Nippon Bio-Test Laboratories Inc. Saitama, Japan	0103-2
Agarose	Nippon Genetics Co., Ltd, Tokyo, Japan	NE-AG02
Cooking heater	TOSHIBA CORPORATION Tokyo, Japan	HP-103K