LH מומנה על ידי תוכנית MedAccel של NPL שמומנה על ידי קרן אתגר האסטרטגיה התעשייתית של המחלקה לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית. JMG קיבלה מימון מקרן המחקר הגרמנית Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) במסגרת פרויקט GR 5824/1. JJ מודה על תמיכת המימון מפרס המקפצה של האקדמיה למדעי הרפואה (REF: SBF007\100007). SEB מכירה בתמיכה של Cancer Research UK תחת מענק מספר C9545/A29580. AMI, BZ ו-SR נתמכו על ידי המחלקה הבריטית לעסקים, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית באמצעות מימון מערכת המדידה הלאומית. איור 1 ואיור 2 נוצרו באמצעות BioRender.

ייצור חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית

שרה בוהנדייק קיבלה בעבר תמיכה מחקרית מ-CYBERDYNE INC ומ-iThera Medical GmbH, ספקיות של מכשירי הדמיה פוטואקוסטית. למחברים האחרים אין ניגוד עניינים הקשור לכתב היד הנוכחי לחשוף.

כאן, מוצג פרוטוקול שמטרתו לספק מתכון רב-תכליתי לחומר יציב ורלוונטי ביולוגית שניתן להשתמש בו ליצירת פנטומים למדידות כיול ותקינה ביישומי הדמיה ביו-רפואית אקוסטית ואופטית רב-מודאלית. החומר הוכח בעבר כיציב לאורך זמן39, בעל יכולת שחזור גבוהה מאצווה לאצווה, בטוח לשימוש ומורכב מרכיבים זמינים וחסכוניים מספקים מדעיים סטנדרטיים. תכונות החומר ניתנות להתאמה עצמאית על פני משטרים אקוסטיים ואופטיים רלוונטיים. יתר על כן, הוא חזק מכנית ובלתי מסיס במים, ובכך עומד בטיפול גס, והוא אינרטי לחומרי צימוד מבוססי מים המשמשים במחקר קולי / פוטואקוסטי. הודגש כי ניתן ליצור עיצובי פנטום שונים עם סוגים שונים של תכלילים, המורכבים מאותם סוגי חומרים או מסוגים שונים. בהינתן תכונות אלה, החומר עומד בקריטריוני המפתח הנ"ל לפאנטום ביופוטוני אידיאלי ומראה יתרונות מרכזיים בהשוואה לחומרים אחרים המחקים רקמות קיימים3. על ידי פירוט תהליך הייצור המדויק, אנו מקווים למזער את הווריאציות הנובעות מהליך הייצור, ובכך לייעל את השימוש בו לכיול, אימות ומעקב אחר הביצועים של מערכות הדמיה.
שני שלבים מרכזיים זוהו כקריטיים לתהליך הייצור. ראשית, מרכיבים צריכים להיות מעורבים היטב מחומם באופן אחיד ליצירת חומר הומוגני. שימוש בסוניקטור ובובחש מגנטי לערבוב ובאמבט שמן לחימום מבטיח פיזור אחיד של רכיבי החומר בתוך מטריצת הבסיס. יש להקפיד שאמבט השמן לא יגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד (>180 מעלות צלזיוס), שכן הדבר יגרום לחמצון של רכיבי החומר, מה שיוביל לשינוי צבע צהבהב. ערבוב ידני יכול לתמוך בתהליך הערבוב ולפצות על חימום לא מספיק מממשק חומר-אוויר. ייתכן שיהיה צורך להאריך את זמן הסוניקציה והערבוב כאשר נעשה שימוש בריכוז גבוה יותר של TiO2 ו/או פולימרים כדי להבטיח הרכב הומוגני של החומר. שנית, יש להסיר בועות אוויר כדי למנוע היווצרות הטרוגניות בתוך מטריצת הבסיס. בעוד שניתן להשיג זאת באמצעות משאבת ואקום או תנור, יש לתרגל גם מזיגה זהירה מגובה נמוך כדי למזער את לכידת האוויר בתוך החומר.
יתרון משמעותי אחד של החומר הוא תכונותיו התרמופלסטיות (הנגזרות מפולימר SEBS), המאפשרות לחמם אותו מחדש ולעצב אותו מחדש ללא השפעה משמעותית על תכונותיו האקוסטיות והאופטיות39. עם זאת, חימום מחדש צריך להתבצע בהדרגה ובזהירות, שכן החומר יכול בקלות להישרף ולחמצן אם מחממים מחדש מהר מדי. חימום מחדש גם הופך קשה יותר כאשר נעשה שימוש בריכוזי LDPE גבוהים יותר, מכיוון ש- LDPE אינו מציג את אותה התנהגות תרמופלסטית כמו SEBS.
נותרו מספר מגבלות של הפרוטוקול. בשל טמפרטורת ההתכה הגבוהה של הפולימרים (150 מעלות צלזיוס), תבניות פנטום צריכות להיות עשויות מחומר עמיד בחום, כגון זכוכית או נירוסטה. בנוסף, החומר צמיג למדי במצב נוזלי אם ריכוז פולימר גבוה משמש לכוונון התכונות האקוסטיות, מה שמקשה על מילוי מטרות הדמיה קטנות. לבסוף, כוונון התכונות האקוסטיות מוגבל עד כה לטווח מהירות קול של ~1450-1,516 m·s-1 התומך בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כמו שריר או כליות (c > 1,520 m·s−1). יש לקחת בחשבון גם את השינוי המקביל של הנחתה אקוסטית.
כאן, הדגשנו את היישום של החומר כפנטום יציב עבור יישומי אולטרסאונד והדמיה אופטית. עם זאת, חומרים קופולימרים בשמן הוכחו גם כבעלי ערך ביישומי אלסטוגרפיה35, ועשויים לאפשר תאימות עם שיטות הדמיה נוספות כגון דימות תהודה מגנטית. ריאליזם אנטומי מוגבר של הפנטומים עשוי להיות מושג באמצעות תבניות מודפסות בתלת-ממד, כפי שמוצג במחקרים דומים 29,47,48,49. מחקרים מוקדמים הוכיחו גם את יכולת ההדפסה התלת-ממדית של החומר עצמו, והרחיבו עוד יותר את גמישותו במונחים של עיבוד וייצור. התפתחויות אלה מדגישות את הפוטנציאל העתידי המלהיב של החומר כמדיום פנטום יציב הנמצא בשימוש נרחב עבור יישומי הדמיה רב-מודאליים.

ביסוס הדיוק והדיוק של סמנים ביולוגיים חדשניים של הדמיה אופטית באמצעות אימות טכני 1,2 הוא בעל חשיבות עליונה להבטחת יישומם המוצלח בפרקטיקה הקלינית. כדי להשיג זאת, מחקרי תיקוף טכניים משתמשים לעתים קרובות בפנטום פיזי עמיד, המאפשר הערכת ביצועים בין מכשירים ובקרת איכות שגרתית. לשימוש נרחב בחומר פנטום במחקר ובתרגום קליני, נדרש פרוטוקול ייצור פשוט וניתן לשחזור. חומר פנטום ביופוטוני אידיאלי צריך לכלול את התכונות הבאות3: (1) תכונות בלתי תלויות בטווחים רלוונטיים ביולוגית; (2) חוסן מכני; (3) יציבות ארוכת טווח; (4) גמישות בגיאומטריה ובאדריכלות; (5) טיפול בטוח; (6) רכיבים זמינים באופן נרחב שניתן לרכוש מספקים מדעיים סטנדרטיים; ו-(7) עלות נמוכה. כיום, יישומים ביופוטוניים חסרים פרוטוקול סטנדרטי לחומר פנטום מקובל הממלא את הדרישות המתוארות וכולל גם תכונות אקוסטיות מתכווננות עבור יישומים היברידיים, כגון הדמיה פוטואקוסטית (PAI).
חומרי פנטום רלוונטיים ביולוגית המיועדים ליישומים אופטיים ואקוסטיים משולבים כוללים הידרוג'לים4,5, אלכוהול פוליוויניל (PVA)6,7,8,9 ופלסטיזול פוליוויניל כלוריד (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . עם זאת, חומרים אלה מאופיינים במגבלות מסוימות המגבילות את יישומם כחומר פנטום יציב. הידרוג'לים, למשל, מועדים להתייבשות, נזק מכני וצמיחת חיידקים, מה שמגביל את חיי המדף שלהם17,18,19. תוספת של כימיקלים יכולה להאריך את תוחלת החיים, אך חומרים משמרים נפוצים, כגון פורמלדהיד20 או בנזלקוניום כלוריד21, מסוכנים ודורשים אמצעי זהירות במהלך הטיפול. נוסף על כך, מטרות המכילות צבעים מסיסים במים יכולות להתפזר בתוך חומר הבסיס אם אינן עטופות. קריוג'לים PVA מאופיינים בתוחלת חיים גבוהה יותר ובחוסן מבני, אך תהליך ההכנה שלהם כרוך במחזורי הקפאה-הפשרה ארוכים22. זה יכול להגביל את הכוונון העצמאי של פרמטרים אקוסטיים ואופטיים23 - ואם מעט מגוונים - יכול להוביל לאי-הומוגניות6, ובכך לפגוע ביכולת השחזור. יתר על כן, דיפוזיה של צבעים מן תכלילים נצפתה לאחר 1 שנה13. PVCP יש תהליך ייצור מורכב הכולל טמפרטורות גבוהות של עד 180-220 ° C 13,14,24,25. PVCP סובל גם מהיעדר שרשרת אספקה עם ספקים מדעיים26 ויכול להכיל פלסטיסייזרים המבוססים על פתלאטים, העלולים לגרום לנזק למערכת הרבייה ולהתפתחות27, מה שהופך אותם לחומרים מבוקרים במדינות מסוימות.
הרכבי קופולימר בשמן, כגון שעוות ג'ל28,29,30,31 או תערובות המבוססות על אלסטומרים סטירניים תרמופלסטיים 32,33,34,35,36, מציגים יציבות אורכית טובה וכוללים תכונות אקוסטיות ואופטיות דמויות רקמה31,35,36,37ובכך להיות בעל פוטנציאל גבוה כמועמד פנטום עמיד ביישומים רב-מודאליים., בנוסף, סוג זה של חומר הוא חסכוני, לא סופג מים, לא רעיל, ואינרטי ביולוגית35,38. מהירות הקול c(f) ומקדם הנחתה אקוסטי α(f) ניתנים לכוונון בטווח רלוונטי ביולוגית (טבלה 1) על ידי שינוי ריכוז הפולימר 33,35,39, בעוד שהבליעה האופטית μa(λ) והפחתת הפיזור μמקדמי s'(λ) יכולה להשתנות בעיקר על ידי תוספת של צבעים מסיסים בשמן או טיטניום דו-חמצני (TiO2)39, בהתאמה.
כאן, פרוטוקול פשוט וקל למעקב מוצג ליצירת פאנטום קופולימר בשמן עמיד המתאים לשימוש בכיול אופטי, אולטרסאונד או מכשירים פוטואקוסטיים. לכל המרכיבים יש מספרי שירות מופשט כימי מוגדרים (CAS) והם זמינים בקלות מספקים מדעיים סטנדרטיים. קשיים פוטנציאליים בהליך הייצור מודגשים ודרכים להתגבר עליהם מוצגים. בעוד שהפרוטוקול מאפשר ייצור חומרים בעלי מגוון תכונות אקוסטיות ואופטיות, הפרוטוקול המוצג מניב חומר במהירות קול של ~1,481 m·s-1, המתיישר עם מהירות הקול של מים בטמפרטורת החדר (20 °C)40. ערך זה נבחר כתקן ניטרלי לייצוג המגוון הרחב של תכונות הרקמה הקיימות (טבלה 1), המאפשר יצירת נקודת ייחוס עקבית ואמינה להשוואה. על ידי מתן פרוטוקול מפורט זה, אנו שואפים להרחיב את יכולת הקליטה והייצור של סוג חומר פנטום מבטיח זה, ובכך להקל על מחקרי אימות ביופוטוניים, אקוסטיים ופוטואקוסטיים ולתמוך בבקרת איכות שגרתית ביישומי הדמיה פרה-קליניים וקליניים.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Low-density Polyethylene (LDPE)</td>
			<td>Alfa Aesar&#160;</td>
			<td>43949.30 
			CAS: 9002-88-4</td>
			<td>6.70 g 
			5.8% w/w</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mineral oil</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>330779-1L 
			CAS: 8042-47-5</td>
			<td>83.80 g 
			72.5% w/w</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nigrosin&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich&#160;</td>
			<td>211680-100G 
			CAS: 11099-03-9</td>
			<td>0.4 g&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (SEBS)</td>
			<td>Sigma Aldrich&#160;</td>
			<td>200557-250G 
			CAS: 66070-58-4</td>
			<td>25.14 g 
			21.7% w/w</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone oil for oil bath</td>
			<td>Sigma Aldrich&#160;</td>
			<td>85409-1L 
			CAS: 63148-62-9 
			~1 L (depending on size of oil bath)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium(IV) oxide, anatase (TiO2)</td>
			<td>Sigma Aldrich&#160;</td>
			<td>232033 
			CAS: 1317-70-0</td>
			<td>0.15 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antioxidant (optional; e.g., butylated hydroxytoluene)</td>
			<td>Sigma Aldrich&#160;</td>
			<td>W218405-1KG-K 
			CAS: 128-37-0</td>
			<td>may be added to prevent discolouration if higher fabrication temperatures are used&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-solule dyes for inclusions (optional)</td>
			<td>e.g., Caligo safe wash relief inks, Cranfield Colours, Cwmbran, UK*</td>
			<td></td>
			<td>may be added depending on preferred absorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bath Sonicator&#160;</td>
			<td>Ultrawave Ltd, UK*</td>
			<td>U500H Ultrasonic Cleaning Bath*</td>
			<td>ideally with temperature control; recommended operating frequencies between 30-50 kHz)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Crystallising dish for silicone oil bath (up to +200 &#176;C)</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td>(ext. diameter ~140 mm for 250 mL glass beaker)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass beaker (~250 mL); glass sample dishes/phantom mould</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of &#62; 200 &#176;C</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, UK*</td>
			<td>Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer*</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 g</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metallic spatula</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaccuum oven or vaccum chamber</td>
			<td>Memmert, Germany (Vacuum oven)* 
			 
			Cole-Parmer Instrument Company, UK (Vaccum chamber)*</td>
			<td>VO29 (Vacuum oven) 
			 
			DWK Life Sciences (Kimble) Glass Vacuum Desiccator with Collar (Vaccum chamber)*</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1. Acoustic characterization system*</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrophone</td>
			<td>GEC Marconi</td>
			<td>30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix UK, Bracknell, UK</td>
			<td>DPO 7254&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulser&#8211;receiver&#160;</td>
			<td>Olympus NDT, Waltham, MA, USA</td>
			<td>Olympus 5073PR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder</td>
			<td>Newport Spectra-Physics, Didcot, UK</td>
			<td>Newport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mount</td>
			<td>may require additional adaptor for sample holding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermometer</td>
			<td>G. H. Zeal, London, UK</td>
			<td>UKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound transducer&#160;</td>
			<td>Force Technology, Brondby, Denmark</td>
			<td>Transducer of active element diameter 10 mm&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vernier callipers</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water tank filled with deionized water&#160;</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td>requires sufficent size (e.g., dimensions 112 &#215; 38 &#215; 30 cm3)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2.Optical characterization system*</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Integrating sphere (two)</td>
			<td>Avantes, Apeldoorn, the Netherlands</td>
			<td>AvaSphere-50, 50 cm internal diameter</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light source&#160;</td>
			<td>Avantes, Apeldoorn, the Netherlands</td>
			<td>Avalight-HAL-s-mini</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized stage (optional)</td>
			<td>Thorlabs,</td>
			<td>Thorlabs MTS50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical fibres (three)</td>
			<td>any suitable supplier</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reflectance standard</td>
			<td>Labsphere, North Sutton, USA</td>
			<td>99%, white, 1.25&#34; diameter, USRS-99-010, AS-01158-060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrometer</td>
			<td>Avantes, Apeldoorn, the Netherlands</td>
			<td>Starline Avaspec-2048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acqusition software (e.g., Labview)</td>
			<td>National Instruments, Austin, TX, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data analysis software (e.g., Matlab)</td>
			<td>Mathworks, Natick, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverse adding doubling (IAD) program&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Source code: http://omlc.org/software/iad/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>*Please note that similar equipment may also be used.</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a stable phantom material for optical and acoustic imaging

הקמת חומרי פנטום ביופוטוניים המחקים רקמות המספקים יציבות לטווח ארוך הם הכרחיים כדי לאפשר השוואה של מכשירי הדמיה ביו-רפואיים בין ספקים ומוסדות, לתמוך בפיתוח תקנים בינלאומיים מוכרים ולסייע בתרגום קליני של טכנולוגיות חדשניות. כאן, מוצג תהליך ייצור שתוצאתו חומר יציב, בעלות נמוכה, מחקה רקמות קופולימר בשמן לשימוש במאמצי סטנדרטיזציה פוטואקוסטית, אופטית ואולטרסאונד.
חומר הבסיס מורכב משמן מינרלי וקופולימר עם מספרים מוגדרים של שירות מופשט כימי (CAS). הפרוטוקול המוצג כאן מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1,481 ± 0.4 m·s-1 ב 5 MHz (מתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 ב 5 MHz, ספיגה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1 ב 800 ננומטר, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 מ"מ-1 ב-800 ננומטר. החומר מאפשר כוונון עצמאי של התכונות האקוסטיות והאופטיות על ידי שינוי בהתאמה של ריכוז הפולימר או פיזור האור (טיטניום דו-חמצני) וחומרים סופגים (צבע מסיס בשמן). הייצור של עיצובי פנטום שונים מוצג וההומוגניות של אובייקטי הבדיקה המתקבלים מאושרת באמצעות הדמיה פוטואקוסטית.
בשל תהליך הייצור הקל והחוזר על עצמו ועמידותו, כמו גם תכונותיו הרלוונטיות ביולוגית, למתכון החומר יש הבטחה גדולה ביוזמות סטנדרטיזציה אקוסטית-אופטית רב-מודאלית.

Establishing the precision and accuracy of novel optical imaging biomarkers through technical validation1,2 is paramount to ensuring their successful implementation in clinical practice. To achieve this, technical validation studies frequently employ durable physical phantoms, which facilitate inter-instrument performance assessment and routine quality control. For widespread use of a phantom material in research and clinical translation, a simple, highly reproducible fabrication protocol is required. An ideal biophotonic phantom material should include the following properties3: (1) independently tunable properties within biologically relevant ranges; (2) mechanical robustness; (3) long-term stability; (4) flexibility in geometry and architecture; (5) safe handling; (6) widely available ingredients that can be purchased from standard scientific suppliers; and (7) low cost. At present, biophotonic applications lack a standardized protocol for a widely accepted phantom material that fulfils the outlined requirements and also includes tunable acoustic properties for hybrid applications, such as photoacoustic imaging (PAI).
Biologically relevant phantom materials targeted for combined optical and acoustic applications include hydrogels4,5, polyvinyl alcohol (PVA)6,7,8,9, and polyvinyl chloride plastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16. However, these materials are characterized by certain limitations that restrict their application as a stable phantom material. Hydrogels, for example, are prone to dehydration, mechanical damage, and bacterial ingrowth, limiting their shelf life17,18,19. The addition of chemicals can increase the longevity, but common preservatives, such as formaldehyde20 or benzalkonium chloride21, are hazardous and require cautionary measures during handling. Additionally, targets containing water-soluble dyes can diffuse within the base material if not encapsulated. PVA cryogels are characterized by a higher longevity and structural robustness, but their preparation process involves long freeze-thaw cycles22. This can limit the independent tunability of acoustic and optical parameters23 and-if slightly varied-can lead to inhomogeneities6, thereby compromising reproducibility. Moreover, the diffusion of dyes from inclusions has been observed after 1 year13. PVCP has a complex fabrication process that includes high temperatures of up to 180-220 &#176;C13,14,24,25. PVCP also suffers from a lack of a supply chain with scientific suppliers26 and can contain plasticizers based on phthalates, which may cause reproductive and developmental harm27, making them controlled substances in some countries.
Copolymer-in-oil compositions, such as gel wax28,29,30,31 or blends based on thermoplastic styrenic elastomers32,33,34,35,36, exhibit good longitudinal stability and feature tissue-like acoustic and optical properties31,35,36,37, thereby having high potential as a durable phantom candidate in multimodal applications. Additionally, this class of material is cost-effective, non-water absorbing, non-toxic, and biologically inert35,38. The speed of sound c(f) and acoustic attenuation coefficient &#945;(f) can be tuned in a biologically relevant range (Table 1) by variation of the polymer concentration33,35,39, whilst optical absorption &#181;a(&#955;) and reduced scattering &#181;s&#39;(&#955;) coefficients can be primarily varied by the addition of oil-soluble dyes or titanium dioxide (TiO2)39, respectively.
Here, a simple, easy-to-follow protocol is presented for the creation of durable copolymer-in-oil phantoms suitable for use in optical, ultrasound, or photoacoustic device calibration. All ingredients have defined Chemical Abstract Service (CAS) numbers and are readily available from standard scientific suppliers. Potential difficulties in the fabrication procedure are highlighted and ways to overcome them are presented. Whilst the protocol allows the fabrication of materials with a range of acoustic and optical properties, the presented protocol yields a material with a speed of sound of ~1,481 m&#183;s-1, aligning with the speed of sound of water at room temperature (20 &#176;C)40. This value was selected as a neutral standard for representing the wide range of existing tissue properties (Table 1), allowing the establishment of a consistent and reliable reference point for comparison. By providing this detailed protocol, we aim to broaden the uptake and manufacturing reproducibility of this promising phantom material type, thereby facilitating biophotonic, acoustic, and photoacoustic validation studies and supporting routine quality control in preclinical and clinical imaging applications.

מחבר זרקור: חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית  

חומר פנטום יציב להדמיה אופטית ואקוסטית

Our research is focused on developing new imaging modalities for early cancer detection. In this study in particular, we focused on developing a stable test object, or also called phantom, to validate imaging modalities based on light and/or sound. Different resources have been proposed to develop tissue mimicking materials in the acoustic optical regimen.For example, PVA, hydrogels, polyurethane, or PVCP. This study focuses on a promising new material type based on core polyman oil composition, which overcomes many of the tunability and stability challenges. The field of biomedical optics covers a wide range of imaging modalities that can be applied to some of the key challenges facing medicine today.Many of the all optical imaging modalities are relatively depth limited, but we can also couple light with sound through the photoacoustic effect to take advantage of some of the depth penetration benefits of ultrasound. Photoacoustic imaging has shown promise in a wide range of clinical trials, from imaging inflammation to cancer diagnosis. However, quantitative performance assessment remains challenging due to a lack of available phantom materials that can accurately mimic the optical and acoustic properties of tissue and remain stable over time.Many new optical and photoacoustic imaging systems are being developed, but we lack a standardized reference phantom to validate those systems and to compare their performance. Our material is a promising candidate to fill this gap and support further development and translation of these exciting new techniques into the clinic. In the future, we would like to focus on creating more anatomically realistic phantom designs and architectures that are suitable to evaluate the performance of different system configurations.For example, microscopic, mesoscopic and macroscopic systems, which have different geometries and spatial resolutions.

בעקבות המתכון הזה, נוצרו שלושה עיצובי פנטום מייצגים לצורך הדמיה פוטואקוסטית, המיועדים לתכנוני מערכות שונים עם גיאומטריות שונות של תאורה אופטית וזיהוי אקוסטי (איור 3A). אם הליך הכנת הפנטום מבוצע בהצלחה, חומר הפנטום נראה חלק והומוגני ללא בועות אוויר לכודות או זיהומים, ולא ניתן לראות ממצאים בתמונה המתקבלת (כאן מומחש באמצעות הדמיה פוטואקוסטית; איור 3B,C). הפרוטוקול מניב חומר מייצג עם מהירות קול c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1 (המתאים למהירות הקול של מים ב 20 ° C40), הנחתה אקוסטית α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 (שניהם ב 5 MHz), בליעה אופטית μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1, ופיזור אופטי μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 (שניהם ב-800 ננומטר) (אי הוודאות מתארת את סטיית התקן מ-n = 3 אצוות שיוצרו באופן עצמאי על ידי אופרטורים שונים; כל המדידות בוצעו בטמפרטורת החדר [20 מעלות צלזיוס]).
מקדם הפיזור האופטי יכול להיות מכוונן על ידי וריאציה של TiO 2, בעוד שמקדם הספיגה האופטי יכול להיות מכוונן על ידי תוספת של כל צבע מסיס בשמן, כאן מודגם עם Nigrosin (טבלה 2 ואיור 3D). בעוד הערכים בטבלה 2 מתמקדים ברקמות ספיגה ופיזור נמוכות יותר, כגון שריר או שד (טבלה 1), לא נתקלנו בקשיים בהוספת בולמים ומפזרים בריכוזים גבוהים יותר. עם זאת, הוספת מפזרים/בולמים אופטיים בריכוזים גבוהים יותר עשויה לדרוש זמני סוניקציה ארוכים יותר כדי להשיג ערבוב הומוגני של התמיסה.
ניתן לכוונן את ההנחתה האקוסטית ואת מהירות הקול על ידי וריאציה של ריכוז הפולימר (טבלה 3). כאן, הכוונון מוגבל עד כה למהירות של טווח קול של ~ 1,450-1,516 m·s-1. ריכוזי פולימר נמוכים יותר בהתאמה עלולים לגרום ליציבות פיזיקלית נמוכה של הדגימה, מה שיוביל לעיוות פלסטי לאורך זמן34. ריכוזי פולימר גבוהים יותר גורמים לשבירות ולמרקם לא אחיד של החומר. טווח התכונות האקוסטיות עשוי לסייע בחיקוי רקמות כגון שד או שומן (c = 1,450-1,480 m·s−1), אך עשוי להיות לא מספיק עבור רקמות כגון שריר או כליות (c > 1,520 m·s−1; טבלה 1).
מקורות שגיאה נפוצים בהכנת פנטום כוללים הסרה לא מספקת של בועות אוויר וערבוב לא הומוגני של רכיבי הבסיס (איור 4). ניתן למזער זאת על ידי שאיבת אבק ומזיגה זהירה, וערבוב/ערבוב, בהתאמה.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig02.jpg"> איור 2: מערך ניסיוני לייצור פנטום. הזכוכית המכילה את מרכיבי הפנטום מונחת באמבט שמן הסיליקון באמצעות מהדק כדי למנוע מגע ישיר בין משטחי אמבט השמן לבין כד הזכוכית. משוב טמפרטורה על הפלטה החמה מבטיח בקרת טמפרטורה זהירה. בוחשנים מגנטיים מאפשרים ערבוב של שמן הסיליקון ומרכיבי הפנטום. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig03.jpg"> איור 3: תוצאות מייצגות מהליך ייצור הפנטום. (A) תכנוני פנטום שונים המציגים רב-תכליתיות ליישום במערכות הדמיה פוטואקוסטיות שונות. משמאל: פנטום מלבני קטן עם מיתרים משובצים בעומקים שונים (0.5, 1.5 ו-2.5 מ"מ; מרחק בין מטרות של 1.25 מ"מ) המיועד לבדיקת מערכות הדמיה ברזולוציה גבוהה; באמצע: פנטום גלילי עם שני תכלילים (מרחק הכללה של 12 מ"מ) באמצעות צבע מסיס בשמן ירוק וסגול, המיועד לבדיקת מערכות טומוגרפיה; מימין: פנטום מלבני גדול עם תעלות משובצות בעומקים שונים (6 מ"מ, 10 מ"מ ו-14 מ"מ; מרחק משולב של 3.5 מ"מ), המיועד לבדיקת מערכת כף יד. (B) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של פנטום מלבני עם מיתרים משובצים, שנרכשה ב- 532 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (C) תמונה פוטואקוסטית לדוגמה של הפנטום הטומוגרפי הגלילי, שנרכש ב-800 ננומטר באמצעות מערכת הדמיה פוטואקוסטית מסחרית. (D) פאנטום עם ריכוזי ספיגה אופטיים הולכים וגדלים על ידי הגדלת ריכוזי הניגרוסין (ריכוזים המוצגים באחוז משקל מהנפח הכולל של שמן מינרלי בתמונה). איור 3B,C משוכפל מהאקר ואחרים 39. פסי קנה מידה = 10 מ"מ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig03large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65475/65475fig04.jpg"> איור 4: כשלים נפוצים בפנטום . (A,B) תצלומים המראים בועות אוויר הכלואות בתוך מטריצת הבסיס. (C) ערבוב לא מספק של רכיבי הבסיס מוביל לאי-הומוגניות (חיצים אדומים) בתמונה הפוטואקוסטית המתקבלת. סרגל קנה מידה = 5 מ"מ (A). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
טבלה 2: סקירה טבלאית של כוונון ערכי בליעה אופטית (μa) ופיזור (μs'). ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל לנפח הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי, עמודה 1) ולמשקל הכולל של חומר הפנטום (עמודה 2). ריכוזי הניגרוסין מתארים את הכמות הכוללת של ניגרוסין מוחלט (לא תמיסת מלאי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). n = 3 מדידות לדגימה. ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. קיצור: neg = זניח. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Table%202v3.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה 3: סקירה טבלאית של כוונון ערכי הנחתה אקוסטית (α) ומהירות קול (c). מתואר על ידי חוק החזקה α0 f n עם α0 ו- n פרמטרים המתקבלים מהתאמת ריבועים לא ליניאריים לפחות (n = 4 מדידות לדגימה). F מתאר את התדר ב- MHz. ערכי האחוזים ניתנים כאחוז משקל למשקל הכולל של תמיסת הבסיס (שמן מינרלי). כל הדגימות כללו הידרוקסיטולואן 5% בוטילציה כנוגד חמצון (אופציונלי). ייצוג חזותי של הטבלה ניתן למצוא ב- Hacker et al.39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/65475_Table%203_rev.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
תרשים משלים S1: הגדרת מערכות אפיון אקוסטיות ואופטיות המשמשות לאימות. מוצגים תצלום (A) וסכמטי (B) של מערכת האפיון האקוסטי לקביעת מקדם הנחתה אקוסטי ומהירות הקול. רכיבי מערכת בודדים מסומנים בביאורים HP (HydroPhone), S (מדגם) ו- T (מתמר) בתמונה ובסכמה. תצלום (C) וסכמטי (D) של מערכת הכדורים המשולבת הכפולה להערכת מקדם הבליעה האופטי ומקדם הפיזור המופחת מוצגים. רכיבי מערכת בודדים מסומנים על ידי ביאורים S (מדגם), RS (כדור החזרה), TS (כדור שידור), של (סיב אופטי) ו- MS (שלב ממונע) בתמונה ובסכמה. נתון זה משוכפל מתוך Hacker et al. 39. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65475/Suppl.%20Fig%201.pdf" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging at JoVE.com

פרוטוקול זה מתאר ייצור של חומר פנטום יציב ורלוונטי ביולוגית עבור יישומי הדמיה ביו-רפואיים אופטיים ואקוסטיים, בעל תכונות אקוסטיות ואופטיות עצמאיות.

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging ...

המחקר שלנו מתמקד בפיתוח שיטות הדמיה חדשות לגילוי מוקדם של סרטן. במחקר זה התמקדנו במיוחד בפיתוח אובייקט בדיקה יציב, או המכונה גם פנטום, כדי לאמת שיטות הדמיה המבוססות על אור ו / או קול. משאבים שונים הוצעו לפיתוח חומרים המחקים רקמות במשטר האופטי האקוסטי.לדוגמה, PVA, הידרוג'לים, פוליאוריתן או PVCP. מחקר זה מתמקד בסוג חומר חדש ומבטיח המבוסס על הרכב שמן פולימן הליבה, המתגבר על רבים מאתגרי הכוונון והיציבות. תחום האופטיקה הביו-רפואית מכסה מגוון רחב של שיטות הדמיה שניתן ליישם בכמה מהאתגרים המרכזיים העומדים בפני הרפואה כיום.רבים מכל שיטות ההדמיה האופטית מוגבלים יחסית בעומק, אך אנו יכולים גם לשלב אור עם קול באמצעות האפקט הפוטואקוסטי כדי לנצל חלק מיתרונות חדירת העומק של אולטרסאונד. הדמיה פוטואקוסטית הראתה הבטחה במגוון רחב של ניסויים קליניים, החל מהדמיית דלקת ועד אבחון סרטן. עם זאת, הערכת ביצועים כמותית נותרה מאתגרת בשל מחסור בחומרי פנטום זמינים שיכולים לחקות במדויק את התכונות האופטיות והאקוסטיות של הרקמה ולהישאר יציבים לאורך זמן.מערכות הדמיה אופטיות ופוטואקוסטיות חדשות רבות מפותחות, אך חסר לנו פאנטום ייחוס סטנדרטי כדי לאמת מערכות אלה ולהשוות את הביצועים שלהן. החומר שלנו הוא מועמד מבטיח למלא את הפער הזה ולתמוך בהמשך הפיתוח והתרגום של טכניקות חדשות ומלהיבות אלה לקליניקה. בעתיד, ברצוננו להתמקד ביצירת עיצובי פנטום וארכיטקטורות מציאותיים יותר מבחינה אנטומית המתאימים להערכת הביצועים של תצורות מערכת שונות.לדוגמה, מערכות מיקרוסקופיות, מזוסקופיות ומקרוסקופיות, בעלות גיאומטריות שונות ורזולוציות מרחביות שונות.