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医学

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

Published: June 16, 2023
doi:
10.3791/65475
, , , , , ,
1Department of Physics,University of Cambridge, 2Cancer Research UK Cambridge Institute,University of Cambridge, 3Ultrasound and Underwater Acoustics Group, Department of Medical, Marine and Nuclear Physics,National Physical Laboratory, 4School of Science and Engineering,University of Dundee, 5Centre for Medical Engineering and Technology,University of Dundee

Summary

Questo protocollo descrive la fabbricazione di un materiale fantasma stabile e biologicamente rilevante per applicazioni di imaging biomedico ottico e acustico, caratterizzato da proprietà acustiche e ottiche sintonizzabili in modo indipendente.

Abstract

La creazione di materiali fantasma biofotonici che imitano i tessuti che forniscono stabilità a lungo termine è fondamentale per consentire il confronto dei dispositivi di imaging biomedico tra fornitori e istituzioni, supportare lo sviluppo di standard riconosciuti a livello internazionale e assistere la traduzione clinica di nuove tecnologie. Qui viene presentato un processo di produzione che si traduce in un materiale copolimero in olio stabile, a basso costo, che imita i tessuti da utilizzare negli sforzi di standardizzazione fotoacustica, ottica e ad ultrasuoni.

Il materiale di base è costituito da olio minerale e un copolimero con numeri CAS (Chemical Abstract Service) definiti. Il protocollo qui presentato produce un materiale rappresentativo con una velocità del suono c(f) = 1.481 ± 0,4 m·s-1 a 5 MHz (corrisponde alla velocità del suono dell’acqua a 20 °C), attenuazione acustica α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 a 5 MHz, assorbimento ottico μ a(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 a 800 nm, e diffusione ottica μs‘(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 a 800 nm. Il materiale consente la regolazione indipendente delle proprietà acustiche e ottiche variando rispettivamente la concentrazione del polimero o la diffusione della luce (biossido di titanio) e gli agenti assorbenti (colorante solubile in olio). Viene visualizzata la fabbricazione di diversi disegni fantasma e l’omogeneità degli oggetti di prova risultanti viene confermata utilizzando l’imaging fotoacustico.

Grazie al suo processo di fabbricazione facile e ripetibile e alla sua durata, nonché alle sue proprietà biologicamente rilevanti, la ricetta del materiale è molto promettente nelle iniziative di standardizzazione acustica-ottica multimodale.

Introduction

Stabilire la precisione e l’accuratezza di nuovi biomarcatori di imaging ottico attraverso la convalida tecnica 1,2 è fondamentale per garantire la loro implementazione di successo nella pratica clinica. Per raggiungere questo obiettivo, gli studi di convalida tecnica utilizzano spesso fantocci fisici durevoli, che facilitano la valutazione delle prestazioni interstrumentali e il controllo di qualità di routine. Per un uso diffuso di un materiale fantasma nella ricerca e nella traduzione clinica, è necessario un protocollo di fabbricazione semplice e altamente riproducibile. Un materiale fantasma biofotonico ideale dovrebbe includere le seguenti proprietà3: (1) proprietà sintonizzabili in modo indipendente all’interno di intervalli biologicamente rilevanti; (2) robustezza meccanica; 3) stabilità a lungo termine; (4) flessibilità nella geometria e nell’architettura; (5) manipolazione sicura; (6) ingredienti ampiamente disponibili che possono essere acquistati da fornitori scientifici standard; e (7) basso costo. Allo stato attuale, le applicazioni biofotoniche mancano di un protocollo standardizzato per un materiale fantasma ampiamente accettato che soddisfi i requisiti delineati e includa anche proprietà acustiche sintonizzabili per applicazioni ibride, come l’imaging fotoacustico (PAI).

I materiali fantasma biologicamente rilevanti destinati ad applicazioni ottiche e acustiche combinate includono idrogel 4,5, alcool polivinilico (PVA)6,7,8,9 e cloruro di polivinile plastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . Tuttavia, questi materiali sono caratterizzati da alcune limitazioni che limitano la loro applicazione come materiale fantasma stabile. Gli idrogel, ad esempio, sono soggetti a disidratazione, danni meccanici e crescita batterica, limitando la loro durata di conservazione17,18,19. L’aggiunta di sostanze chimiche può aumentare la longevità, ma i conservanti comuni, come la formaldeide20 o il benzalconio cloruro21, sono pericolosi e richiedono misure cautelative durante la manipolazione. Inoltre, i bersagli contenenti coloranti idrosolubili possono diffondersi all’interno del materiale di base se non incapsulati. I criogel PVA sono caratterizzati da una maggiore longevità e robustezza strutturale, ma il loro processo di preparazione comporta lunghi cicli di congelamento-disgelo22. Ciò può limitare la sintonizzazione indipendente dei parametri acustici e ottici23 e, se leggermente variato, può portare a disomogeneità6, compromettendo così la riproducibilità. Inoltre, la diffusione di coloranti da inclusioni è stata osservata dopo 1 anno13. Il PVCP ha un complesso processo di fabbricazione che include alte temperature fino a 180-220 °C 13,14,24,25. Il PVCP soffre anche della mancanza di una catena di approvvigionamento con fornitori scientifici26 e può contenere plastificanti a base di ftalati, che possono causare danni alla riproduzione e allo sviluppo27, rendendoli sostanze controllate in alcuni paesi.

Le composizioni di copolimero in olio, come la cera gel 28,29,30,31 o miscele a base di elastomeri stirenici termoplastici 32,33,34,35,36, presentano una buona stabilità longitudinale e presentano proprietà acustiche e ottiche simili a quelle dei tessuti 31,35,36,37 , avendo quindi un elevato potenziale come candidato fantasma durevole nelle applicazioni multimodali. Inoltre, questa classe di materiale è economica, non assorbe l’acqua, non tossica e biologicamente inerte35,38. La velocità del suono c(f) e il coefficiente di attenuazione acustica α(f) possono essere regolati in un intervallo biologicamente rilevante (tabella 1) mediante variazione della concentrazione del polimero 33,35,39, mentre l’assorbimento ottico μa(λ) e i coefficienti di diffusione ridotti μs‘(λ) possono essere variati principalmente mediante l’aggiunta di coloranti solubili in olio o di biossido di titanio (TiO2)39, rispettivamente.

Qui viene presentato un protocollo semplice e facile da seguire per la creazione di fantocci copolimerici in olio durevoli adatti all’uso nella calibrazione di dispositivi ottici, ultrasonici o fotoacustici. Tutti gli ingredienti hanno numeri definiti Chemical Abstract Service (CAS) e sono prontamente disponibili presso i fornitori scientifici standard. Vengono evidenziate le potenziali difficoltà nella procedura di fabbricazione e vengono presentati i modi per superarle. Mentre il protocollo consente la fabbricazione di materiali con una gamma di proprietà acustiche e ottiche, il protocollo presentato produce un materiale con una velocità del suono di ~ 1.481 m·s-1, allineandosi con la velocità del suono dell’acqua a temperatura ambiente (20 ° C) 40. Questo valore è stato scelto come standard neutro per rappresentare l’ampia gamma di proprietà tissutali esistenti (Tabella 1), consentendo la creazione di un punto di riferimento coerente e affidabile per il confronto. Fornendo questo protocollo dettagliato, miriamo ad ampliare l’assorbimento e la riproducibilità della produzione di questo promettente tipo di materiale fantasma, facilitando così gli studi di convalida biofotonica, acustica e fotoacustica e supportando il controllo di qualità di routine nelle applicazioni di imaging preclinico e clinico.

Protocol

Tabella 1: Panoramica delle proprietà acustiche e ottiche presenti nei tessuti molli. Le proprietà ottiche coprono uno spettro che va da 600 a 900 nm. Va notato che questi sono solo valori rappresentativi destinati a fornire indicazioni generali. I valori precisi possono variare a seconda delle condizioni sperimentali (ad esempio, temperatura) e della frequenza/lunghezza d’onda. La letteratura fornisce valori più specifici. *Nessun riferimento specifico trovato. Clicca qui per scaricare questa tabella. Il protocollo dato è stato sviluppato per fare ~ 120 ml di materiale fantasma. Le masse dei componenti possono essere scalate per creare diversi volumi di materiale fantasma. Si noti che per volumi maggiori (>500 ml), l’apparecchiatura proposta potrebbe non essere in grado di riscaldare in modo omogeneo la miscela fantasma. A tal fine, le apparecchiature di riscaldamento dovrebbero essere adattate in modo appropriato. ATTENZIONE: Assicurarsi sempre di indossare dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati durante l’intero processo di fabbricazione. Ciò può includere l’uso di camici da laboratorio, occhiali di sicurezza e guanti di sicurezza; Fare riferimento e rispettare le linee guida di sicurezza locali. La procedura è adattata da Hacker et al.39; un riepilogo dei passaggi è visualizzato nella Figura 1. Figura 1: Fabbricazione del materiale copolimero in olio. (1) I materiali per la diffusione ottica e l’assorbimento vengono aggiunti all’olio minerale e (2) sonicati a 90 °C fino alla dissoluzione. (3) Vengono aggiunti polimeri e stabilizzanti e (4) la miscela viene riscaldata in bagno d’olio a 160 °C a bassa agitazione. (5) Dopo la dissoluzione di tutti i componenti, il campione viene versato in uno stampo fantasma adatto e (6) lasciato indurire a temperatura ambiente. Questa figura è riprodotta da Hacker et al.39. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 1. Preparazione della miscela Preparare la soluzione madre di Nigrosin aggiungendo 0,4 g di Nigrosin a 40 ml di olio minerale. Garantire una miscelazione omogenea mediante sonicazione e vortice completo del campione. Conservare la soluzione madre a temperatura ambiente.NOTA: la soluzione madre deve essere sempre accuratamente miscelata prima di essere riutilizzata. Se si preferisce un materiale fantasma senza scatterer ottico (TiO 2) o assorbitore (colorante), è possibile saltare i passaggi 1 e2. Procedere con il passaggio 3. Sonicare 0,15 g di TiO 2 e 1 mL della soluzione madre colorante in 100 mL (83,8 g) di olio minerale fino a completa dissoluzione di tutti i componenti (~60 min) (Figura 1: fasi 1 e2). Impostare il sonicatore a temperature elevate (90 °C) se l’apparecchiatura lo consente, in quanto ciò facilita il processo di miscelazione. Procedere con i passaggi 3-5 durante il tempo di sonicazione.NOTA: se si preferisce un fantasma con proprietà di assorbimento e diffusione più elevate, potrebbe essere necessario estendere il tempo di sonicazione. Pesare il polistirene-blocco-poli(etilene-ran-butilene)-blocco-polistirene (SEBS) e il polietilene a bassa densità (LDPE) alle concentrazioni desiderate (ad esempio, SEBS = 25,14 g; LDPE = 6,70 g) (Figura 1: fase 3).Opzionale: Un antiossidante può essere aggiunto per aumentare la stabilità, ma non è obbligatorio se le temperature di riscaldamento non superano i 180°C.NOTA: Nel caso in cui si verifichino problemi di solubilità o viscosità in una fase successiva del processo di produzione, è consigliabile escludere l’LDPE. L’LDPE è incorporato per migliorare la velocità del suono nel materiale (Tabella 3); Tuttavia, non è obbligatorio per la creazione di un fantasma stabile. Omettendo l’LDPE, il processo di produzione e stampaggio può essere semplificato, ma comporterà una diminuzione della successiva velocità di suono del materiale finale (Tabella 3). Creare un bagno d’olio utilizzando vetreria e olio siliconico adatti; Fissarlo con cura sulla piastra elettrica. Assicurarsi che la termocoppia rimanga nel bagno d’olio di silicone e non tocchi i bordi della vetreria durante la procedura (Figura 2).NOTA: Assicurarsi che l’accessorio di termoregolazione sia montato con cura, come indicato dal produttore dell’apparecchiatura. Posizionare una barra di agitazione magnetica di lunghezza adeguata all’interno del bagno d’olio per garantire una distribuzione uniforme del calore. Accendere la piastra riscaldante, impostare la temperatura di riscaldamento su 160 °C e impostare i giri al minuto (rpm) dell’agitatore su 50. Trasferire l’LDPE e il SEBS nel becher di vetro contenente l’olio minerale sonicato (con TiO2 e Nigrosina). Introdurre una barra di agitazione magnetica di lunghezza adeguata nel becher di vetro e trasferirla al centro del bagno d’olio per il riscaldamento dei componenti misurati. Assicurarsi che il livello dell’olio nel bagno rimanga al di sopra del livello dell’olio minerale all’interno del becher (Figura 1: fase 4). 2. Riscaldamento della miscela Se in qualsiasi momento il polimero aggiunto sembra galleggiare sull’olio minerale, mescolare manualmente la soluzione di olio minerale usando una spatola metallica, in modo che qualsiasi polimero galleggiante sia distribuito all’interno dell’olio minerale. Indossare guanti resistenti al calore. Lasciare la miscela a 160 °C fino a quando tutto il polimero si è sciolto e la soluzione appare uniformemente miscelata, con una consistenza liscia e omogenea (~1,5 h). 3. Aspirazione NOTA: per rimuovere le bolle d’aria, attenersi alla seguente procedura, a seconda dell’apparecchiatura disponibile. Posizionare con cautela il becher caldo nella camera a vuoto e aspirare i campioni per 2-3 minuti con l’impostazione più alta (vuoto più basso). Utilizzare una spatola metallica per rimuovere con cura eventuali bolle d’aria che si accumulano sulla superficie. Se le bolle d’aria sono ancora presenti dopo questo passaggio, riscaldare nuovamente la miscela e ripetere la fase di aspirazione fino a quando tutte le bolle d’aria sono state rimosse. Accendere il forno sottovuoto e riscaldarlo fino a 160 °C. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, trasferire il becher con la soluzione nel forno sottovuoto.NOTA: Maneggiare sempre il becher con guanti protettivi dal calore.Accendere l’aspirapolvere all’impostazione più alta (vuoto più basso) disponibile. Se uno strato di schiuma è stato prodotto sopra la soluzione, spegnere il vuoto e rimuovere le bolle dalla superficie usando una spatola (ripetere questo passaggio fino a quando tutte le bolle d’aria sono state rimosse). Lasciare il becher nel forno sottovuoto per 1 ora alla massima impostazione del vuoto.NOTA: Per mantenere pulito il forno sottovuoto, pulire la superficie esterna del becher di olio siliconico con un tovagliolo di carta. 4. Versare i campioni nello stampo Prima di versare i campioni in stampi per campioni, rimuovere eventuali bolle d’aria residue sulla superficie della miscela con una spatola, se necessario. Versare con cura la soluzione in uno stampo adatto, indossando guanti resistenti al calore o utilizzando adeguati dispositivi di protezione. Garantire un versamento regolare e costante da un’altezza bassa per ridurre la possibilità che si formino bolle d’aria (Figura 1: fase 5). Per stampi con forme complesse, rivestire lo stampo con un sottile strato di olio (diverso dall’olio minerale [ad esempio, olio di ricino o silicone]) prima di versare per facilitare la rimozione del campione polimerizzato.NOTA: Il preriscaldamento degli stampi in un forno può aiutare a ottenere una maggiore omogeneità del campione. Rimuovere rapidamente eventuali bolle d’aria dalla parte superiore dei campioni con una spatola metallica una volta versata. Se all’interno della miscela si sono accumulate numerose bolle d’aria, ripetere la fase di vuoto, purché il tipo e la forma dello stampo lo permettano. Lasciare impostare la soluzione a temperatura ambiente. Sebbene i campioni più piccoli possano polimerizzare in meno di 2 ore, lasciare i campioni durante la notte per eliminare qualsiasi rischio di polimerizzazione incompleta. Conservare i campioni a temperatura ambiente (Figura 1: fase 6). 5. Acquisizione di immagini Per l’acquisizione delle immagini, posizionare il fantasma nel campo visivo del dispositivo di imaging. Per i sistemi PAI o ad ultrasuoni, eseguire l’accoppiamento acustico della superficie fantasma al trasduttore di ultrasuoni, ad esempio con gel ad ultrasuoni o acqua.NOTA: Se il protocollo è stato seguito correttamente, nessuna disomogeneità dovrebbe perturbare il campo visivo. I portaphantom personalizzati possono aiutare nel posizionamento ripetibile del campione tra le misurazioni. Se la temperatura di acquisizione differisce dalla temperatura di conservazione del fantasma, lasciare che la temperatura del fantasma si stabilizzi con l’ambiente circostante. Acquisire un’immagine. 6. Misure di caratterizzazione dei materiali NOTA: Lo scopo delle misure di caratterizzazione del materiale è la verifica delle proprietà ottiche e acustiche del materiale. Va notato che il protocollo di fabbricazione fantasma ha mostrato un’elevata riproducibilità39, quindi i protocolli di misurazione generali che seguono sono forniti come guida solo se sono necessari ulteriori studi di verifica. Le singole fasi delle misurazioni dipenderanno dall’apparecchiatura di caratterizzazione utilizzata. Qui, un sistema basato su un metodo di sostituzione a banda larga attraverso la trasmissione41 (disponibile presso il National Physical Laboratory (NPL), Regno Unito) è stato impiegato per la caratterizzazione acustica ed è stato utilizzato un sistema interno a doppia sfera integrante (DIS) (basato su 42) per la caratterizzazione ottica. La configurazione dei sistemi di caratterizzazione è illustrata nella figura supplementare 1. Ulteriori dettagli sulle impostazioni di misura (acustica43; ottica42,44) e sulla procedura di misurazione39 sono disponibili altrove. La procedura di misurazione deve essere adattata di conseguenza a ciascun sistema di caratterizzazione specifico utilizzato. Caratterizzazione acusticaNOTA: Le misure di caratterizzazione acustica si basano su un sistema che impiega un trasduttore a ultrasuoni a frequenza centrale 10 MHz (diametro elemento attivo di 10 mm) per la generazione di impulsi e un idrofono a banda larga (idrofono a membrana bilaminare diametro elemento attivo 30 mm) per il rilevamento di impulsi (entrambi posti in un serbatoio d’acqua riempito con acqua deionizzata; dimensioni di 112 cm x 38 cm x 30 cm3). Il trasduttore è azionato da un pulser-ricevitore. Le forme d’onda vengono acquisite utilizzando un oscilloscopio. Maggiori dettagli sulla procedura di configurazione e misurazione (compresi gli effetti di tipo B specifici del sistema sulle misurazioni) sono disponibili in 43.Preparare campioni adatti alla configurazione della misura (ad esempio, in questo caso, campioni circolari con un diametro di 7-8 cm e uno spessore di 6-9 mm). Assicurarsi che i campioni siano di composizione omogenea e privi di impurità, bolle d’aria o irregolarità superficiali. Misurare lo spessore del campione di prova utilizzando calibri vernier e registrare la temperatura del serbatoio dell’acqua utilizzando un termometro calibrato. Inserire il campione nel sistema. Assicurarsi che il campione sia allineato correttamente con i componenti del sistema.NOTA: Un portacampioni controllato automaticamente basato su un supporto cardanico43 può aiutare a controllare con precisione la rotazione e l’inclinazione del campione. Acquisire quattro impulsi acustici per ogni set di misura: un impulso di riferimento attraverso l’acqua senza campione presente nel percorso acustico; una trasmissione a campione continuo; e riflessioni acustiche ricevute al trasmettitore dalle superfici anteriore e posteriore del campione. Ricavare le proprietà acustiche del campione dalle misurazioni. Calcolare la velocità del suono c(f ) (in m·s−1) usando l’equazione (1)43.(1)CW rappresenta la velocità dipendente dalla temperatura del suono dell’acqua, e θ1 (f), θ2 (f), θw (f) e θs (f) sono i corrispondenti spettri di fase non avvolti degli impulsi di tensione riflessi frontalmente, retroriflessi, attraversanti dell’acqua e del campione passante, rispettivamente. Il coefficiente di attenuazione dipendente dalla frequenza (αi(f)) del materiale può essere derivato utilizzando la tecnica di sostituzione a due campioni mostrata nell’equazione (2)43.(2)U w(f) e Us(f) sono i rispettivi spettri di grandezza di tensione dell’impulso passante e del campione, αw(f) è il coefficiente di attenuazione degli ultrasuoni (in dB·cm-1) di acqua pura alla temperatura specifica del serbatoio dell’acqua45, e d 1 e d 2 (d2 > d1) sono due spessori del campione.NOTA: Per il presente protocollo, è stata valutata l’attenuazione che tiene conto delle perdite interfacciali, trovando il suo impatto trascurabile. Ripetere la misurazione più di tre volte in posizioni diverse sul campione di prova. Calcolare la media e la deviazione standard delle misurazioni per ricavare un valore finale del campione. Caratterizzazione otticaNOTA: Per i test ottici, è stato utilizzato un sistema di sfere a doppia integrazione (basato su 42), impiegando due sfere integranti (diametro interno 50 mm) che sono collegate a due spettrometri tramite due fibre ottiche. La sfera di riflettanza è collegata a una sorgente luminosa tramite una terza fibra ottica.Preparare campioni adatti alla configurazione della misura (ad esempio, in questo caso, campioni rettangolari con larghezza di 5,9 cm, altezza di 1,8 cm e spessore compreso tra 2 e 3 mm). Assicurarsi che i campioni siano di composizione omogenea e privi di impurità, bolle d’aria o irregolarità superficiali. Accendere la sorgente luminosa e lasciarla stabilizzare secondo le istruzioni del produttore (ad esempio, 15 min). Determinare lo spessore del campione utilizzando calibri vernier. Se applicabile, specificare l’intervallo di lunghezze d’onda e la dimensione del passo per la misurazione (ad esempio, 450-900 nm con una dimensione del passo di 1 nm). Registrare le misure di riferimento per la sfera di trasmissione e riflettanza.Per la sfera di riflettanza, effettuare innanzitutto una misurazione della porta aperta registrando il valore di riflettanza R0 con la sfera di trasmittanza rimossa e la sorgente luminosa accesa. Quindi, registrare il valore di riflettanza R1 con uno standard di riferimento tenuto davanti alla sfera di riflettanza (sorgente luminosa accesa). Per la sfera di trasmittanza, effettuare prima una misurazione del fascio bloccato registrando il valore di trasmittanza T0 con le sfere di riflettanza e trasmittanza allineate e la sorgente luminosa spente. Quindi, effettuare una misurazione del fascio incidente registrando il valore di trasmittanza T1 con le sfere di riflettanza e trasmittanza allineate e la sorgente luminosa accese.NOTA: Per le misurazioni deve essere garantita una superficie pulita delle sfere e uno standard di riferimento, poiché l’aderenza di polvere o altri contaminanti può influire sulle prestazioni dei componenti46. Posizionare il campione tra le sfere. Misurare i valori Rs di riflettanza e Ts di trasmittanza. Assicurarsi che il campione non sia compresso, poiché ciò potrebbe influire sull’accuratezza della misurazione. Il posizionamento di una sfera su un palco motorizzato può aiutare a controllare con precisione la distanza tra le sfere adattandola allo spessore del campione misurato. Calcolare i valori normalizzati di riflettanza MR e trasmittanza M T usando le equazioni (3) e (4)42.(3)(4)RSTD rappresenta l’intensità riflessa dallo standard di riflettanza del 99%. Inserire i valori misurati in un programma di raddoppio di aggiunta inversa (codice sorgente: http://omlc.org/software/iad/)44 per stimare le proprietà ottiche del materiale.NOTA: Sulla base di rapporti precedenti, il fattore di anisotropia di scattering (g) può essere preso come g = 0,7 e l’indice di rifrazione come n = 1,4 30. Ripetere la misurazione almeno tre volte in posizioni diverse lungo il campione di prova. Calcolare la media e la deviazione standard delle misurazioni per ricavare un valore finale del campione.

Representative Results

Seguendo questa ricetta, sono stati creati tre progetti fantasma rappresentativi ai fini dell’imaging fotoacustico, destinati a diversi progetti di sistemi con diverse geometrie di illuminazione ottica e rilevamento acustico (Figura 3A). Se la procedura di preparazione del fantasma viene eseguita correttamente, il materiale fantasma appare liscio e omogeneo senza bolle d’aria intrappolate o impurità e nessun artefatto può essere visto nell’immagine risultante (qui visualizzato utilizzando l’imaging fotoacustico; Figura 3B,C). Il protocollo produce un materiale rappresentativo con una velocità del suono c(f) = 1481 ± 0,4 m·s-1 (corrispondente alla velocità del suono dell’acqua a 20 °C40), attenuazione acustica α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 (entrambi a 5 MHz), assorbimento ottico μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 e diffusione ottica μs'(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 (entrambi a 800 nm) (l’incertezza rappresenta la deviazione standard da n = 3 lotti prodotti indipendentemente da diversi operatori; tutte le misurazioni sono state effettuate a temperatura ambiente [20 °C]). Il coefficiente di diffusione ottica può essere regolato dalla variazione di TiO 2, mentre il coefficiente di assorbimento ottico può essere regolato con l’aggiunta di qualsiasi colorante solubile in olio, qui dimostrato con Nigrosin (Tabella 2 e Figura 3D). Mentre i valori nella Tabella 2 sono focalizzati su tessuti assorbenti e disperdenti inferiori, come il muscolo o il seno (Tabella 1), non abbiamo riscontrato alcuna difficoltà con l’aggiunta di assorbitori e scatterer a concentrazioni più elevate. Tuttavia, l’aggiunta di scatterer/assorbitori ottici a concentrazioni più elevate può richiedere tempi di sonicazione più lunghi per ottenere una miscelazione omogenea della soluzione. L’attenuazione acustica e la velocità del suono possono essere regolate dalla variazione della concentrazione del polimero (Tabella 3). Qui, l’accordatura è finora limitata a una velocità di gamma sonora di ~ 1.450-1.516 m·s-1. Concentrazioni inferiori di polimero possono comportare una bassa stabilità fisica del campione, con conseguente deformazione plastica nel tempo34. Concentrazioni di polimeri più elevate si traducono in fragilità e una consistenza irregolare del materiale. La gamma di proprietà acustiche può aiutare a imitare tessuti come il seno o il grasso (c = 1.450-1.480 m·s−1), ma può essere insufficiente per tessuti come muscoli o reni (c > 1.520 m·s−1; Tabella 1). Le fonti di errore comuni nella preparazione fantasma includono la rimozione insufficiente delle bolle d’aria e la miscelazione disomogenea dei componenti di base (Figura 4). Questo può essere ridotto al minimo aspirando e versando con attenzione, e agitando / vortice, rispettivamente. Figura 2: Configurazione sperimentale per la fabbricazione del fantasma. Il bicchiere di vetro contenente gli ingredienti fantasma viene posto nel bagno d’olio di silicone utilizzando un morsetto per evitare il contatto diretto tra le superfici del bagno d’olio e il becher di vetro. Il feedback della temperatura sulla piastra riscaldante garantisce un attento controllo della temperatura. Gli agitatori magnetici consentono di miscelare sia l’olio di silicone che gli ingredienti fantasma. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 3: Risultati rappresentativi della procedura di fabbricazione del fantasma. (A) Vari progetti di fantocci che mostrano versatilità per l’applicazione in diversi sistemi di imaging fotoacustico. A sinistra: piccolo fantasma rettangolare con stringhe incorporate a diverse profondità (0,5, 1,5 e 2,5 mm; distanza tra bersagli di 1,25 mm) progettato per testare sistemi di imaging ad alta risoluzione; al centro: fantasma cilindrico con due inclusioni (distanza di inter-inclusione di 12 mm) utilizzando un colorante idrosolubile in olio verde e viola, progettato per testare i sistemi di tomografia; A destra: grande fantasma rettangolare con canali incorporati a diverse profondità (6 mm, 10 mm e 14 mm; distanza di inclusione di 3,5 mm), progettato per testare un sistema portatile. (B) Esempio di immagine fotoacustica del fantasma rettangolare con stringhe incorporate, acquisita a 532 nm con un sistema di imaging fotoacustico commerciale. (C) Esempio di immagine fotoacustica del fantoccio tomografico cilindrico, acquisita a 800 nm con un sistema di imaging fotoacustico commerciale. (D) Fantocci con concentrazioni di assorbimento ottico crescenti aumentando le concentrazioni di nigrosina (concentrazioni espresse in percentuale in peso del volume totale di olio minerale nell’immagine). La figura 3B,C è riprodotta da Hacker et al.39. Barre della scala = 10 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 4: Guasti fantasma comuni . (A,B) Fotografie che mostrano bolle d’aria intrappolate all’interno della matrice di base. (C) Una miscelazione insufficiente dei componenti di base porta a disomogeneità (frecce rosse) nell’immagine fotoacustica risultante. Barra della scala = 5 mm (A). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Tabella 2: Panoramica tabellare della regolazione dei valori di assorbimento ottico (μa) e scattering (μs’). I valori percentuali sono indicati come percentuale in peso al volume totale della soluzione di base (olio minerale, colonna 1) e al peso totale del materiale fantasma (colonna 2). Le concentrazioni di nigrosina rappresentano la quantità totale di nigrosina assoluta (non la soluzione madre). Tutti i campioni includevano idrossitoluene butilato al 5% come antiossidante (facoltativo). n = 3 misurazioni per campione. Una rappresentazione visiva della tabella può essere trovata in Hacker et al.39. Abbreviazione: neg = trascurabile. Clicca qui per scaricare questa tabella. Tabella 3: Panoramica tabulare della sintonizzazione dei valori di attenuazione acustica (α) e velocità del suono (c). Descritto dalla legge di potenza α 0 fn con parametri α0 e n ottenuti da un raccordo non lineare dei minimi quadrati (n = 4 misurazioni per campione). F rappresenta la frequenza in MHz. I valori percentuali sono indicati come percentuale di peso rispetto al peso totale della soluzione base (olio minerale). Tutti i campioni includevano idrossitoluene butilato al 5% come antiossidante (facoltativo). Una rappresentazione visiva della tabella può essere trovata in Hacker et al.39. Clicca qui per scaricare questa tabella. Figura supplementare S1: Messa a punto dei sistemi di caratterizzazione acustica e ottica utilizzati per le verifiche. Vengono visualizzate una fotografia (A) e uno schema (B) del sistema di caratterizzazione acustica per la determinazione del coefficiente di attenuazione acustica e della velocità del suono. I singoli componenti del sistema sono indicati dalle annotazioni HP (HydroPhone), S (Sample) e T (Transducer) nella foto e nello schema. Vengono mostrati una fotografia (C) e uno schema (D) del sistema di sfere a doppia integrazione per la valutazione del coefficiente di assorbimento ottico e del coefficiente di scattering ridotto. I singoli componenti del sistema sono indicati dalle annotazioni S (campione), RS (sfera di riflettanza), TS (sfera di trasmissione), OF (fibra ottica) e MS (stadio motorizzato) nella foto e nello schema. Questa figura è riprodotta da Hacker et al. 39. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

Qui viene presentato un protocollo che mira a fornire una ricetta versatile per un materiale stabile e biologicamente rilevante che può essere utilizzato per creare fantocci per le misurazioni di calibrazione e la standardizzazione attraverso applicazioni di imaging biomedico acustico e ottico multimodale. Il materiale ha precedentemente dimostrato di essere stabile nel tempo39, di avere un’elevata riproducibilità da lotto a lotto, di essere sicuro da usare e di essere costituito da ingredienti prontamente disponibili ed economici provenienti da fornitori scientifici standard. Le proprietà del materiale sono regolabili in modo indipendente attraverso i relativi regimi acustici e ottici. Inoltre, è meccanicamente robusto e insolubile in acqua, resistendo così a manipolazioni approssimative, ed è inerte agli agenti di accoppiamento a base d’acqua utilizzati nella ricerca ultrasonica / fotoacustica. È stato evidenziato che diversi disegni fantasma possono essere creati con diversi tipi di inclusioni, composti dallo stesso o da diversi tipi di materiale. Date queste proprietà, il materiale soddisfa i criteri chiave di cui sopra per un fantasma biofotonico ideale e mostra vantaggi chiave rispetto ad altri materiali esistenti che imitano i tessuti3. Dettagliando l’esatto processo di produzione, speriamo di ridurre al minimo le variazioni derivanti dalla procedura di fabbricazione, ottimizzando così il suo utilizzo per calibrare, convalidare e monitorare le prestazioni dei sistemi di imaging.

Due passaggi chiave sono stati identificati come critici per il processo di fabbricazione. In primo luogo, gli ingredienti devono essere accuratamente miscelati e riscaldati uniformemente per la creazione di un materiale omogeneo. L’utilizzo di un sonicatore e di un agitatore magnetico per la miscelazione e di un bagno d’olio per il riscaldamento garantisce la distribuzione uniforme dei componenti del materiale all’interno della matrice di base. Bisogna fare attenzione che il bagno d’olio non raggiunga temperature molto elevate (>180 °C), in quanto ciò comporterà l’ossidazione dei componenti del materiale, con conseguente scolorimento giallastro. L’agitazione manuale può supportare il processo di miscelazione e compensare il riscaldamento insufficiente dall’interfaccia materiale-aria. Potrebbe essere necessario prolungare il tempo per la sonicazione e la miscelazione quando viene utilizzata una maggiore concentrazione di TiO2 e/o polimeri per garantire una composizione omogenea del materiale. In secondo luogo, le bolle d’aria devono essere rimosse per prevenire la formazione di eterogeneità all’interno della matrice di base. Mentre questo può essere ottenuto con una pompa per vuoto o un forno, è necessario praticare anche un attento versamento da un’altezza bassa per ridurre al minimo l’intrappolamento dell’aria all’interno del materiale.

Un vantaggio significativo del materiale sono le sue proprietà termoplastiche (derivate dal polimero SEBS), che consentono di riscaldarlo e rimodellarlo senza alcun impatto significativo sulle sue proprietà acustiche e ottiche39. Tuttavia, il riscaldamento deve essere eseguito gradualmente e con attenzione, poiché il materiale può facilmente bruciare e ossidarsi se riscaldato troppo rapidamente. Il riscaldamento diventa anche più difficile quando vengono utilizzate concentrazioni di LDPE più elevate, poiché l’LDPE non presenta lo stesso comportamento termoplastico del SEBS.

Rimangono diverse limitazioni del protocollo. A causa dell’elevata temperatura di fusione dei polimeri (150 °C), gli stampi fantasma devono essere realizzati con un materiale resistente al calore, come vetro o acciaio inossidabile. Inoltre, il materiale è abbastanza viscoso allo stato liquido se viene utilizzata un’alta concentrazione di polimero per regolare le proprietà acustiche, rendendo difficile il riempimento di piccoli bersagli di imaging. Infine, la sintonizzazione delle proprietà acustiche è finora limitata a una velocità di gamma sonora di ~1450-1.516 m·s-1 che supporta tessuti imitati come il seno o il grasso (c = 1.450-1.480 m·s−1), ma può essere insufficiente per tessuti come muscoli o reni (c > 1.520 m·s−1). Anche il concomitante cambiamento dell’attenuazione acustica dovrebbe essere preso in considerazione.

Qui, abbiamo evidenziato l’applicazione del materiale come un fantasma stabile per applicazioni di ultrasuoni e imaging ottico. Tuttavia, i materiali copolimeri in olio hanno dimostrato di essere utili anche nelle applicazioni di elastografia35 e potrebbero potenzialmente consentire la compatibilità con ulteriori modalità di imaging come la risonanza magnetica. Un maggiore realismo anatomico dei fantasmi può essere ottenuto utilizzando stampi stampati in 3D, come mostrato in studi simili 29,47,48,49. I primi studi hanno anche dimostrato la stampabilità 3D del materiale stesso, estendendo ulteriormente la sua flessibilità in termini di lavorazione e fabbricazione. Questi sviluppi evidenziano l’entusiasmante potenziale futuro del materiale come mezzo fantasma stabile ampiamente utilizzato per applicazioni di imaging multimodale.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

LH è stato finanziato dal programma MedAccel di NPL finanziato dal Department for Business, Energy and Industrial Strategy’s Industrial Strategy Challenge Fund. JMG ha ricevuto finanziamenti dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fondazione tedesca per la ricerca) nell’ambito del progetto GR 5824/1. JJ riconosce il sostegno finanziario del premio Academy of Medical Sciences Springboard (REF: SBF007\100007). SEB riconosce il sostegno di Cancer Research UK con il numero di sovvenzione C9545 / A29580. AMI, BZ e SR sono stati supportati dal Dipartimento britannico per le imprese, l’energia e la strategia industriale attraverso il finanziamento del National Measurement System. La Figura 1 e la Figura 2 sono state create con BioRender.

Materials

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.
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Hacker, L., Ivory, A. M., Joseph, J., Gröhl, J., Zeqiri, B., Rajagopal, S., Bohndiek, S. E. A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging. J. Vis. Exp. (196), e65475, doi:10.3791/65475 (2023).
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