Et stabilt fantommateriale til optisk og akustisk billeddannelse

Summary

Denne protokol beskriver fremstillingen af et stabilt, biologisk relevant fantommateriale til optiske og akustiske biomedicinske billeddannelsesapplikationer med uafhængigt justerbare akustiske og optiske egenskaber.

Abstract

Etablering af vævsefterlignende biofotoniske fantommaterialer, der giver langsigtet stabilitet, er afgørende for at muliggøre sammenligning af biomedicinsk billeddannelsesudstyr på tværs af leverandører og institutioner, støtte udviklingen af internationalt anerkendte standarder og hjælpe med klinisk oversættelse af nye teknologier. Her præsenteres en fremstillingsproces, der resulterer i et stabilt, billigt, vævsefterlignende copolymer-i-olie-materiale til brug i fotoakustisk, optisk og ultralydstandardiseringsindsats.

Basismaterialet består af mineralolie og en copolymer med definerede CAS-numre (Chemical Abstract Service). Den protokol, der præsenteres her, giver et repræsentativt materiale med en lydhastighed c(f) = 1,481 ± 0,4 m·s-1 ved 5 MHz (svarer til lydens hastighed ved 20 °C), akustisk dæmpning α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 ved 5 MHz, optisk absorption μ_a(λ) = 0,05 ± 0,005 ^mm-1 ved 800 nm, og optisk spredning μ_s'(λ) = 1 ± 0,1 ^mm-1 ved 800 nm. Materialet tillader uafhængig indstilling af de akustiske og optiske egenskaber ved henholdsvis at variere polymerkoncentrationen eller lysspredningen (titandioxid) og absorberende midler (olieopløseligt farvestof). Fremstillingen af forskellige fantomdesign vises, og homogeniteten af de resulterende testobjekter bekræftes ved hjælp af fotoakustisk billeddannelse.

På grund af sin lette, gentagelige fremstillingsproces og holdbarhed samt dens biologisk relevante egenskaber har materialeopskriften et stort løfte i multimodale akustisk-optiske standardiseringsinitiativer.

Introduction

Fastlæggelse af præcisionen og nøjagtigheden af nye biomarkører for optisk billeddannelse gennem teknisk validering ^1,2 er altafgørende for at sikre deres vellykkede implementering i klinisk praksis. For at opnå dette anvender tekniske valideringsundersøgelser ofte holdbare fysiske fantomer, som letter præstationsvurdering mellem instrumenter og rutinemæssig kvalitetskontrol. For udbredt anvendelse af et fantommateriale i forskning og klinisk oversættelse kræves en enkel, meget reproducerbar fabrikationsprotokol. Et ideelt biofotonisk fantommateriale bør omfatte følgende egenskaber³: (1) uafhængigt justerbare egenskaber inden for biologisk relevante intervaller; (2) mekanisk robusthed; 3) stabilitet på lang sigt 4) fleksibilitet i geometri og arkitektur 5) sikker håndtering 6) bredt tilgængelige ingredienser, der kan købes hos videnskabelige standardleverandører og (7) lave omkostninger. På nuværende tidspunkt mangler biofotoniske applikationer en standardiseret protokol for et bredt accepteret fantommateriale, der opfylder de skitserede krav og også inkluderer justerbare akustiske egenskaber til hybride applikationer, såsom fotoakustisk billeddannelse (PAI).

Biologisk relevante fantommaterialer, der er målrettet mod kombinerede optiske og akustiske applikationer, omfatter hydrogeler ^4,5, polyvinylalkohol (PVA)6,7,8,9 og polyvinylchloridplastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . Disse materialer er imidlertid kendetegnet ved visse begrænsninger, der begrænser deres anvendelse som et stabilt fantommateriale. Hydrogeler er for eksempel tilbøjelige til dehydrering, mekanisk skade og bakteriel indvækst, hvilket begrænser deres holdbarhed^17,18,19. Tilsætningen af kemikalier kan øge levetiden, men almindelige konserveringsmidler, såsom formaldehyd²⁰ eller benzalkoniumchlorid²¹, er farlige og kræver forsigtighedsforanstaltninger under håndtering. Derudover kan mål, der indeholder vandopløselige farvestoffer, diffundere inden i basismaterialet, hvis de ikke er indkapslet. PVA-kryogler er kendetegnet ved en højere levetid og strukturel robusthed, men deres forberedelsesproces involverer lange fryse-optøningscyklusser²². Dette kan begrænse den uafhængige tunbarhed af akustiske og optiske parametre²³ og - hvis det er lidt varieret - kan det føre til inhomogeniteter⁶ og derved kompromittere reproducerbarheden. Desuden er diffusionen af farvestoffer fra indeslutninger blevet observeret efter 1 år¹³. PVCP har en kompleks fremstillingsproces, der omfatter høje temperaturer på op til 180-220 °C ^13,14,24,25. PVCP lider også under mangel på en forsyningskæde med videnskabelige leverandører²⁶ og kan indeholde blødgørere baseret på phthalater, hvilket kan forårsage reproduktions- og udviklingsskader²⁷, hvilket gør dem til kontrollerede stoffer i nogle lande.

Copolymer-i-olie-sammensætninger, såsom gelvoks 28,29,30,31 eller blandinger baseret på termoplastiske styrenelastomerer 32,33,34,35,36, udviser god langsgående stabilitet og har vævslignende akustiske og optiske egenskaber 31,35,36,37 og dermed have et stort potentiale som en holdbar fantomkandidat i multimodale applikationer. Derudover er denne klasse af materiale omkostningseffektiv, ikke-vandabsorberende, ikke-giftig og biologisk inert^35,38. Hastigheden af lyd c(f) og akustisk dæmpningskoefficient α(f) kan indstilles i et biologisk relevant område (tabel 1) ved variation af polymerkoncentrationen 33,35,39^, mens optisk absorption μ_a(λ) og reduceret spredning μ_s'(λ)-koefficienter primært kan varieres ved tilsætning af olieopløselige farvestoffer eller titandioxid (TiO ₂)³⁹. henholdsvis.

Her præsenteres en enkel, let at følge protokol til oprettelse af holdbare copolymer-i-olie-fantomer, der er egnede til brug i optisk, ultralyd eller fotoakustisk enhedskalibrering. Alle ingredienser har definerede CAS-numre (Chemical Abstract Service) og er let tilgængelige fra videnskabelige standardleverandører. Potentielle vanskeligheder i fabrikationsproceduren fremhæves, og måder at overvinde dem præsenteres på. Mens protokollen tillader fremstilling af materialer med en række akustiske og optiske egenskaber, giver den præsenterede protokol et materiale med en lydhastighed på ~ 1.481 m·^s-1, der stemmer overens med lydens hastighed ved stuetemperatur (20 ° C)⁴⁰. Denne værdi blev valgt som en neutral standard til at repræsentere den brede vifte af eksisterende vævsegenskaber (tabel 1), hvilket gør det muligt at etablere et konsistent og pålideligt referencepunkt til sammenligning. Ved at levere denne detaljerede protokol sigter vi mod at udvide optagelsen og produktionsreproducerbarheden af denne lovende fantommaterialetype og derved lette biofotoniske, akustiske og fotoakustiske valideringsundersøgelser og understøtte rutinemæssig kvalitetskontrol i prækliniske og kliniske billeddannelsesapplikationer.

Protocol

Tabel 1: Oversigt over akustiske og optiske egenskaber fundet i blødt væv. Optiske egenskaber dækker et spektrum fra 600 til 900 nm. Det skal bemærkes, at disse kun er repræsentative værdier, der har til formål at give generel vejledning. Præcise værdier kan variere afhængigt af den eksperimentelle tilstand (f.eks. temperatur) og frekvens/bølgelængde. Litteraturen giver mere specifikke værdier. *Ingen specifik reference fundet. Klik her for at downloade denne tabel.

Den givne protokol er udviklet til fremstilling af ~ 120 ml fantommateriale. Masserne af komponenterne kan skaleres til at lave forskellige mængder fantommateriale. Bemærk, at for større mængder (>500 ml) kan det foreslåede udstyr muligvis ikke opvarme fantomblandingen homogent. Til dette formål bør varmeudstyr tilpasses korrekt.

FORSIGTIG: Sørg altid for, at passende personlige værnemidler (PPE) bæres under hele fremstillingsprocessen. Dette kan omfatte brug af laboratoriefrakker, sikkerhedsbriller og sikkerhedshandsker; Henvis og overhold lokale sikkerhedsretningslinjer. Proceduren er tilpasset fra Hacker et ^al.39; En oversigt over trinnene vises i figur 1.

Figur 1: Fremstilling af copolymer-i-olie-materialet. (1) Materialer til optisk spredning og absorption tilsættes til mineralolie og (2) sonikeres ved 90 ° C, indtil de er opløst. (3) Der tilsættes polymer(er) og stabilisator, og (4) blandingen opvarmes i et oliebad til 160 °C under lav omrøring. (5) Efter opløsning af alle komponenterne hældes prøven i en passende fantomform og (6) efterlades for at hærde ved stuetemperatur. Denne figur er gengivet fra Hacker et ^al.39. Klik her for at se en større version af denne figur.

1. Fremstilling af blandingen

1. Forbered Nigrosin-stamopløsningen ved at tilsætte 0,4 g Nigrosin til 40 ml mineralolie. Sørg for homogen blanding ved sonikering og grundig hvirvelstrøm af prøven. Opbevar stamopløsningen ved stuetemperatur.
   BEMÆRK: Stamopløsningen skal altid blandes grundigt, før den genbruges. Hvis et fantommateriale uden optisk spreder (TiO 2) eller absorber (farvestof) foretrækkes, kan trin 1 og₂ springes over. Fortsæt med trin 3.
2. Sonikere 0,15 g_TiO2 og 1 ml farvestofopløsning i 100 ml (83,8 g) mineralolie, indtil alle komponenter er fuldstændigt opløst (~ 60 min) (figur 1: trin 1 og 2). Indstil sonikatoren til forhøjede temperaturer (90 °C), hvis udstyret tillader det, da dette letter blandingsprocessen. Fortsæt med trin 3-5 i sonikeringstiden.
   BEMÆRK: Hvis et fantom, med højere absorberende og spredningsegenskaber foretrækkes, kan sonikeringstiden muligvis forlænges.
3. Polystyrenblokpoly(ethylen-ran-butylen)-blokpolystyren (SEBS) og polyethylen med lav densitet (LDPE) afvejes i de ønskede koncentrationer (f.eks. SEBS = 25,14 g; LDPE = 6,70 g) (figur 1: trin 3).
   1. Valgfrit: En antioxidant kan tilsættes for at øge stabiliteten, men det er ikke obligatorisk, hvis opvarmningstemperaturerne ikke overstiger 180 °C.
      BEMÆRK: Hvis der opstår problemer med opløselighed eller viskositet på et senere tidspunkt i fremstillingsprocessen, anbefales det at udelukke LDPE. LDPE er indbygget for at øge lydens hastighed i materialet (tabel 3); Det er dog ikke obligatorisk at skabe et stabilt fantom. Ved at udelade LDPE kan fremstillings- og støbeprocessen forenkles, men det vil resultere i et fald i den efterfølgende lydhastighed for det endelige materiale (tabel 3).
4. Opret et oliebad ved hjælp af passende glasvarer og silikoneolie; Fastgør det forsigtigt på kogepladen. Sørg for, at termoelementet forbliver i silikoneoliebadet og ikke berører glasvarernes kanter under hele proceduren (figur 2).
   BEMÆRK: Sørg for, at det termoregulerende tilbehør er omhyggeligt monteret som anvist af udstyrsproducenten.
5. Anbring en magnetisk omrøringsstang af tilstrækkelig længde inde i oliebadet for at sikre ensartet varmefordeling.
6. Tænd kogepladen, indstil opvarmningstemperaturen til 160 °C, og indstil omrørerens omdrejningstal pr. minut til 50.
7. LDPE og SEBS overføres til glasbægeret indeholdende sonikeret mineralolie (med_TiO2 og Nigrosin). Der indføres en magnetisk omrøringsstang af passende længde i glasbægeret, og den overføres til midten af oliebadet til opvarmning af de målte komponenter. Sørg for, at olieniveauet i badet forbliver over mineralolieniveauet inde i bægerglasset (figur 1: trin 4).

2. Opvarmning af blandingen

1. Hvis den tilsatte polymer på noget tidspunkt ser ud til at flyde over mineralolien, omrøres mineralolieopløsningen manuelt ved hjælp af en metallisk spatel, således at enhver flydende polymer fordeles inde i mineralolien. Brug varmebestandige handsker.
2. Blandingen henstår ved 160 °C, indtil al polymeren er opløst, og opløsningen fremstår ensartet blandet med en glat og homogen tekstur (~1,5 timer).

3. Støvsugning

BEMÆRK: Følg følgende trin for at fjerne luftbobler, afhængigt af det tilgængelige udstyr.

1. Det varme bægerglas anbringes forsigtigt i vakuumkammeret , og prøverne støvsuges i 2-3 minutter på den højeste indstilling (laveste vakuum). Brug en metallisk spatel til forsigtigt at fjerne eventuelle luftbobler, der akkumuleres på overfladen. Hvis der stadig er luftbobler til stede efter dette trin, opvarmes blandingen igen, og støvsugningstrinnet gentages, indtil alle luftbobler er fjernet.
2. Tænd for vakuumovnen og varm den op til 160 °C. Når bægerglasset med opløsningen har nået den ønskede temperatur, overføres det til vakuumovnen.
   BEMÆRK: Håndter altid bægerglasset med varmebeskyttende handsker.
   1. Tænd vakuumet til den højeste indstilling (laveste vakuum), der er tilgængelig. Hvis der er produceret et skumlag oven på opløsningen, skal du slukke for vakuumet og fjerne boblerne fra overfladen ved hjælp af en spatel (gentag dette trin, indtil alle luftbobler er fjernet).
   2. Bægerglasset står i vakuumovnen i 1 time ved den højeste vakuumindstilling.
      BEMÆRK: For at holde vakuumovnen ren skal du rengøre den udvendige overflade af bægerglasset med silikoneolie med et køkkenrulle.

4. Hæld prøverne i formen

1. Før prøverne hældes i prøveforme, fjernes eventuelle resterende luftbobler på overfladen af blandingen om nødvendigt med en spatel.
2. Hæld forsigtigt opløsningen i en passende form, iført varmebestandige handsker eller brug passende beskyttelsesudstyr. Sørg for jævn og jævn hældning fra en lav højde for at reducere risikoen for, at der dannes luftbobler (figur 1: trin 5). For forme med komplekse former skal du belægge formen med et tyndt lag olie (bortset fra mineralolie [f.eks. Ricinus- eller silikoneolie]) inden hældning for at lette fjernelse af den hærdede prøve.
   BEMÆRK: Forvarmning af formene i en ovn kan hjælpe med at opnå højere prøvehomogenitet.
3. Fjern hurtigt eventuelle luftbobler fra toppen af prøverne med en metallisk spatel, når den er hældt. Hvis der er akkumuleret adskillige luftbobler i blandingen, gentages vakuumtrinnet, forudsat at formens type og form tillader det.
4. Lad opløsningen indstilles ved stuetemperatur. Selvom mindre prøver kan hærde på mindre end 2 timer, skal prøverne stå natten over for at eliminere enhver risiko for ufuldstændig hærdning. Opbevar prøverne ved stuetemperatur (figur 1: trin 6).

5. Optagelse af billeder

1. Til billedoptagelse skal du placere fantomet i billeddannelsesenhedens synsfelt.
2. For PAI- eller ultralydssystemer skal du udføre akustisk kobling af fantomoverfladen til ultralydstransduceren, for eksempel med ultralydgel eller vand.
   BEMÆRK: Hvis protokollen er blevet fulgt korrekt, bør ingen inhomogeniteter forstyrre synsfeltet. Brugerdefinerede fantomholdere kan hjælpe med gentagelig prøvepositionering mellem målinger.
3. Hvis anskaffelsestemperaturen afviger fra fantomets opbevaringstemperatur, skal du lade fantomtemperaturen stabilisere sig med omgivelserne.
4. Få et billede.

6. Målinger af materialekarakterisering

BEMÆRK: Formålet med materialekarakteriseringsmålinger er verifikation af materialets optiske og akustiske egenskaber. Det skal bemærkes, at fantomfabrikationsprotokollen har vist høj reproducerbarhed³⁹, så de generelle måleprotokoller, der følger, gives kun som vejledning, hvis der ønskes yderligere verifikationsundersøgelser. De enkelte trin i målingerne afhænger af det anvendte karakteriseringsudstyr. Her blev et system baseret på en bredbåndsoverførselssubstitutionsmetode⁴¹ (tilgængelig på National Physical Laboratory (NPL), UK) anvendt til akustisk karakterisering, og et internt dobbeltintegrerende sfæresystem (DIS) blev anvendt (baseret på ⁴²) til optisk karakterisering. Opsætningen af karakteriseringssystemerne vises i supplerende figur 1. Yderligere oplysninger om måleopstillingerne (akustisk⁴³; optisk^42,44) og måleprocedure³⁹ kan findes andetsteds. Målemetoden bør tilpasses hvert enkelt karakteriseringssystem, der anvendes.

1. Akustisk karakterisering
   BEMÆRK: De akustiske karakteriseringsmålinger er baseret på et system, der anvender en 10 MHz centerfrekvens ultralydstransducer (aktiv elementdiameter på 10 mm) til pulsgenerering og en bredbåndshydrofon (30 mm bilaminar membranhydrofon med aktiv elementdiameter) til pulsdetektion (begge placeret i en vandtank fyldt med deioniseret vand; dimensioner på 112 cm x 38 cm x 30 cm³). Transduceren drives af en pulser-modtager. Bølgeformer erhverves ved hjælp af et oscilloskop. Flere detaljer om opsætning og måleprocedure (herunder systemspecifikke type B-effekter på målingerne) findes i ⁴³.
   1. Forbered prøver, der er egnede til måleopsætningen (f.eks. i dette tilfælde cirkulære prøver med en diameter på 7-8 cm og tykkelse på 6-9 mm). Sørg for, at prøverne har en homogen sammensætning og er fri for urenheder, luftbobler eller uregelmæssigheder i overfladen.
   2. Mål tykkelsen af testprøven ved hjælp af vernierkalibre, og registrer temperaturen på vandtanken ved hjælp af et kalibreret termometer.
   3. Anbring prøven i systemet. Sørg for, at prøven er korrekt justeret med systemets komponenter.
      BEMÆRK: En automatisk styret prøveholder baseret på en kardanholder⁴³ kan hjælpe med præcis kontrol af prøvens rotation og hældning.
   4. Der anskaffes fire akustiske impulser for hvert målesæt: en referenceimpuls gennem vandet uden nogen prøve i den akustiske bane; overførsel af gennemgående prøver og akustiske refleksioner modtaget ved senderen fra prøveemnets for- og bagside.
   5. Udlede prøvens akustiske egenskaber fra målingerne. Beregn lydens hastighed c(f ) (i m·s⁻¹) ved hjælp af ligningen (1)⁴³.
      (1)
      C W viser den temperaturafhængige hastighed af lyd af vand, og θ₁ (f), θ₂ (f), θ _W (f) og θ _s (f) er de tilsvarende uindpakkede fasespektre af henholdsvis de frontreflekterede, tilbagereflekterede, gennemgående vand og gennemgående prøvespændingsimpulser. Materialets frekvensafhængige dæmpningskoefficient (α_i(f)) kan udledes ved hjælp af substitutionsteknikken med to prøver i ligning (2)⁴³.
      (2)
      U w (f) og U_s (f) er de respektive spændingsstørrelsesspektre for gennemgående vand og gennemgående prøvepuls, α_w (f) er dæmpningskoefficienten for ultralyd (i dB · ^cm-1) af rent vand ved den specifikke vandtanktemperatur⁴⁵, og d 1 og d 2 (d₂ >_{d 1}) er to prøvetykkelser.
      BEMÆRK: For nærværende protokol blev dæmpningen, der tager højde for grænsefladetab, vurderet, idet virkningen var ubetydelig.
   6. Målingen gentages mere end tre gange på forskellige steder på prøveemnet. Målingernes middelværdi og standardafvigelse beregnes for at udlede en slutprøveværdi.
2. Optisk karakterisering
   BEMÆRK: Til optisk test blev der anvendt et dobbeltintegrerende kuglesystem (baseret på ⁴²), der anvender to integrerende kugler (50 mm indvendig diameter), der er forbundet til to spektrometre via to optiske fibre. Reflektionskuglen er forbundet til en lyskilde via en tredje optisk fiber.
   1. Forbered prøver, der er egnede til måleopsætningen (f.eks. i dette tilfælde rektangulære prøver med en bredde på 5,9 cm, højde på 1,8 cm og tykkelse på mellem 2 og 3 mm). Sørg for, at prøverne har en homogen sammensætning og er fri for urenheder, luftbobler eller uregelmæssigheder i overfladen.
   2. Tænd for lyskilden, og lad den stabilisere sig i henhold til producentens anvisninger (f.eks. 15 min).
   3. Bestem tykkelsen af prøven ved hjælp af vernier kalibre. Angiv eventuelt bølgelængdeområdet og trinstørrelsen for målingen (f.eks. 450-900 nm med en trinstørrelse på 1 nm).
   4. Referencemålingerne for transmissions- og reflektanssfæren registreres.
      1. For reflektanssfæren skal du først foretage en måling med åben port ved at registrere reflektansværdien R0 med transmissionskuglen fjernet og lyskilden tændt. Derefter registreres reflektansværdien R1 med en referencestandard foran reflektanskuglen (lyskilde tændt).
      2. For transmissionskuglen skal du først foretage en blokeret strålemåling ved at registrere transmittansværdien T0 med de justerede reflektans- og transmissionssfærer og lyskilden slukket. Foretag derefter en måling af indfaldende stråle ved at registrere transmissionsværdien T1 med de justerede reflektans- og transmissionssfærer og lyskilden tændt.
         BEMÆRK: Der skal sikres en ren overflade af kuglerne og referencestandard for målingerne, da vedhæftning af støv eller andre forurenende stoffer kan påvirke komponenternes ydeevne⁴⁶.
   5. Anbring prøven mellem kuglerne. Mål reflektansværdierne Rs og transmittans T-værdierne. Sørg for, at prøven ikke komprimeres, da dette kan påvirke målenøjagtigheden. Placering af en kugle på et motoriseret trin kan hjælpe med nøjagtigt at kontrollere afstanden mellem kuglerne ved at tilpasse den til den målte prøvetykkelse.
   6. Beregn de normaliserede reflektansværdier M _R og transmittans M_T ved hjælp af ligningerne (3) og (4)⁴².
      (3)
      (4)
      R_STD viser intensiteten reflekteret fra 99% reflektionsstandarden.
   7. Indtast de målte værdier i et invers adderende fordoblingsprogram (IAD) (kildekode: http://omlc.org/software/iad/)⁴⁴ for at estimere materialets optiske egenskaber.
      BEMÆRK: Baseret på tidligere rapporter kan spredningsanisotropifaktoren (g) tages som g = 0,7 og brydningsindekset som n = 1,4 ³⁰.
   8. Målingen gentages mindst tre gange på forskellige steder langs prøveemnet. Målingernes middelværdi og standardafvigelse beregnes for at udlede en slutprøveværdi.

Discussion

Her præsenteres en protokol, der har til formål at give en alsidig opskrift på et stabilt, biologisk relevant materiale, der kan bruges til at skabe fantomer til kalibreringsmålinger og standardisering på tværs af multimodale akustiske og optiske biomedicinske billeddannelsesapplikationer. Materialet har tidligere vist sig at være stabilt over tid³⁹, at have høj batch-til-batch reproducerbarhed, at være sikkert at bruge og at bestå af let tilgængelige, omkostningseffektive ingredienser fra standard videnskabelige leverandører. Materialeegenskaberne kan uafhængigt justeres på tværs af relevante akustiske og optiske regimer. Desuden er det mekanisk robust og uopløseligt i vand og modstår derved grov håndtering, og det er inert over for vandbaserede koblingsmidler, der anvendes i ultralyd / fotoakustisk forskning. Det blev fremhævet, at forskellige fantomdesign kan oprettes med forskellige typer indeslutninger, sammensat af samme eller forskellige materialetyper. I betragtning af disse egenskaber opfylder materialet de førnævnte nøglekriterier for et ideelt biofotonisk fantom, og viser vigtige fordele sammenlignet med andre eksisterende vævsefterlignende materialer³. Ved at specificere den nøjagtige fremstillingsproces håber vi at minimere variationer, der opstår som følge af fremstillingsproceduren, og derved optimere dens anvendelse til kalibrering, validering og sporing af billeddannelsessystemers ydeevne.

To vigtige trin er blevet identificeret som værende kritiske for fremstillingsprocessen. For det første skal ingredienserne blandes grundigt og opvarmes ensartet for at skabe et homogent materiale. Brug af en sonikator og magnetisk omrører til blanding og et oliebad til opvarmning sikrer en jævn fordeling af materialekomponenter inden for basismatrixen. Der skal udvises forsigtighed med, at oliebadet ikke når meget høje temperaturer (>180 °C), da dette vil resultere i oxidation af materialekomponenterne, hvilket vil føre til gullig misfarvning. Manuel omrøring kan understøtte blandingsprocessen og kompensere for utilstrækkelig opvarmning fra materiale-luft-grænsefladen. Tiden til sonikering og blanding skal muligvis forlænges, når en højere koncentration af_TiO2 og / eller polymerer anvendes til at sikre en homogen sammensætning af materialet. For det andet skal luftbobler fjernes for at forhindre dannelsen af heterogeniteter inden for basismatrixen. Selvom dette kan opnås med en vakuumpumpe eller ovn, bør omhyggelig hældning fra en lav højde også praktiseres for at minimere fangst af luft i materialet.

En væsentlig fordel ved materialet er dets termoplastiske egenskaber (afledt af SEBS-polymeren), hvilket gør det muligt at genopvarme og omforme det uden nogen væsentlig indvirkning på dets akustiske og optiske egenskaber³⁹. Genopvarmning skal dog udføres gradvist og omhyggeligt, da materialet let kan brænde og oxidere, hvis det genopvarmes for hurtigt. Genopvarmning bliver også vanskeligere, når der anvendes højere LDPE-koncentrationer, da LDPE ikke udviser den samme termoplastiske adfærd som SEBS.

Der er stadig flere begrænsninger i protokollen. På grund af polymerernes høje smeltetemperatur (150 °C) skal fantomforme fremstilles af et varmebestandigt materiale, såsom glas eller rustfrit stål. Derudover er materialet ret tyktflydende i flydende tilstand, hvis der anvendes en høj polymerkoncentration til at indstille de akustiske egenskaber, hvilket gør påfyldning af små billeddannelsesmål vanskelig. Endelig er tuning af de akustiske egenskaber indtil videre begrænset til en lydhastighed på ~1450-1.516 m·s-1, som understøtter efterligning af væv som bryst eller fedt (c = 1.450-1.480 m·s−1), men kan være utilstrækkelig til væv som muskler eller nyrer (c > 1.520 m·s⁻¹). Den samtidige ændring af akustisk dæmpning bør også tages i betragtning.

Her har vi fremhævet anvendelsen af materialet som et stabilt fantom, til ultralyd og optisk billeddannelse. Imidlertid har copolymer-i-olie-materialer også vist sig at være af værdi i elastografiapplikationer³⁵ og kan potentielt muliggøre kompatibilitet med yderligere billeddannelsesmetoder såsom magnetisk resonansbilleddannelse. Øget anatomisk realisme af fantomerne kan opnås ved hjælp af 3D-printede forme, som vist i lignende undersøgelser 29,47,48,49. Tidlige undersøgelser har også vist, at selve materialet kan 3D-printes, hvilket yderligere udvider dets fleksibilitet med hensyn til forarbejdning og fremstilling. Denne udvikling fremhæver materialets spændende fremtidige potentiale som et udbredt, stabilt fantommedium til multimodale billeddannelsesapplikationer.

Materials

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.