광학 및 음향 이미징을 위한 안정적인 팬텀 소재
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
이 프로토콜은 독립적으로 조정 가능한 음향 및 광학 특성을 특징으로 하는 광학 및 음향 생물 의학 이미징 응용 분야를 위한 안정적이고 생물학적으로 관련된 팬텀 재료의 제조를 설명합니다.
Abstract
공급업체 및 기관 간에 생체 의학 이미징 장치를 비교하고, 국제적으로 인정된 표준의 개발을 지원하고, 새로운 기술의 임상 번역을 지원하려면 장기적인 안정성을 제공하는 조직 모방 생체 광자 팬텀 재료를 확립하는 것이 필수적입니다. 여기에서는 광음향, 광학 및 초음파 표준화 노력에 사용하기 위한 안정적이고 저렴한 조직 모방 유성 공중합체 재료를 생성하는 제조 공정이 제시됩니다.
기본 재료는 미네랄 오일과 정의된 CAS(Chemical Abstract Service) 번호가 있는 공중합체로 구성됩니다. 여기에 제시된 프로토콜은 5MHz에서 음속 c(f) = 1,481 ± 0.4m·s-1(20°C에서 물의 음속에 해당), 음향 감쇠α(f) = 6.1 ± 5MHz에서 0.06dB·cm-1, 800nm에서광 흡수 μ a(λ) = 0.05 ± 0.005mm-1, 및 광학 산란 μs‘(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 at 800 nm. 이 소재는 폴리머 농도 또는 광 산란(이산화티타늄)과 흡수제(지용성 염료)를 각각 변화시켜 음향 및 광학적 특성을 독립적으로 조정할 수 있습니다. 다양한 팬텀 디자인의 제작이 표시되고 결과 테스트 대상의 균질성이 광음향 이미징을 사용하여 확인됩니다.
쉽고 반복 가능한 제조 공정과 내구성, 생물학적으로 관련된 특성으로 인해 재료 레시피는 다중 모드 음향 광학 표준화 이니셔티브에서 높은 가능성을 가지고 있습니다.
Introduction
기술적 검증 1,2을 통해 새로운 광학 이미징 바이오마커의 정밀도와 정확성을 확립하는 것은 임상 실습에서 성공적인 구현을 보장하는 데 가장 중요합니다. 이를 달성하기 위해 기술 검증 연구에서는 기기 간 성능 평가 및 일상적인 품질 관리를 용이하게 하는 내구성 있는 물리적 팬텀을 자주 사용합니다. 연구 및 임상 번역에서 팬텀 물질을 널리 사용하려면 간단하고 재현성이 높은 제조 프로토콜이 필요합니다. 이상적인 생체 광자 팬텀 물질은 다음과 같은 특성을 포함해야한다3 : (1) 생물학적으로 관련된 범위 내에서 독립적으로 조정 가능한 특성; (2) 기계적 견고성; (3) 장기 안정성; (4) 기하학 및 건축의 유연성; (5) 안전한 취급; (6) 표준 과학 공급자로부터 구입할 수 있는 널리 사용 가능한 성분; (7) 저렴한 비용. 현재 생체 광자 응용 분야에는 요약된 요구 사항을 충족하고 광음향 이미징(PAI)과 같은 하이브리드 응용 분야를 위한 조정 가능한 음향 특성을 포함하는 널리 인정되는 팬텀 재료에 대한 표준화된 프로토콜이 부족합니다.
광학 및 음향 결합 응용 분야를 대상으로 하는 생물학적으로 관련된 팬텀 재료에는 하이드로겔4,5, 폴리비닐 알코올(PVA)6,7,8,9 및 폴리염화비닐 플라스티졸(PVCP)10,11,12,13,14,15,16이 포함됩니다. 그러나, 이들 물질은 안정한 팬텀 물질로서의 적용을 제한하는 특정 한계를 특징으로한다. 예를 들어, 하이드로겔은 탈수, 기계적 손상 및 박테리아 증식이 일어나기 쉬워 유통기한이 제한된다17,18,19. 화학 물질을 첨가하면 수명이 늘어날 수 있지만 포름알데히드20 또는 염화 벤잘코늄21과 같은 일반적인 방부제는 위험하므로 취급 시 주의 조치가 필요합니다. 또한, 수용성 염료를 함유하는 타겟은 캡슐화되지 않은 경우 기재 내에서 확산될 수 있습니다. PVA 극저온 겔은 더 높은 수명과 구조적 견고성을 특징으로 하지만, 그 제조 과정에는 긴 동결-해동 주기가 수반된다22. 이것은 음향 및 광학 파라미터(23)의 독립적인 튜닝 가능성을 제한할 수 있고, 만약 약간 가변적이라면, 불균일성(6)을 야기할 수 있고, 따라서 재현성을 손상시킬 수 있다. 또한, 내포물로부터의 염료의 확산은 1 년13 후에 관찰되었다. PVCP는 최대 180-220°C의 고온 13,14,24,25를 포함하는 복잡한 제조 공정을 가지고 있습니다. PVCP는 또한 과학 공급업체와의 공급망 부족으로 어려움을 겪고 있으며26 프탈레이트를 기반으로 하는 가소제를 함유할 수 있으며, 이는 생식 및 발달에 해를 끼칠 수 있으며27 일부 국가에서는 규제 물질로 만들 수 있습니다.
유중공중합체 조성물, 예를 들어 겔 왁스 28,29,30,31 또는 열가소성 스티렌계 엘라스토머 32,33,34,35,36에 기초한 블렌드는 양호한 종방향 안정성을 나타내고 조직-유사 음향 및 광학 특성을 특징으로 한다 31,35,36,37따라서 다중 모드 응용 분야에서 내구성 있는 팬텀 후보로서 높은 잠재력을 가지고 있습니다. 또한, 이 등급의 물질은 비용 효율적이고, 수분을 흡수하지 않으며, 무독성이며, 생물학적으로 불활성이다35,38. 음속 c(f) 및 음향 감쇠 계수 α(f)는 폴리머 농도 33,35,39의 변화에 의해 생물학적으로 관련된 범위(표 1)에서 조정될 수 있는 반면, a(λ) 및 감소된 산란 μs‘(λ) 계수μ 대한 광학 흡수는 주로 지용성 염료 또는 이산화티타늄(TiO 2)39의 첨가에 의해 변경될 수 있습니다. 각각.
여기에서는 광학, 초음파 또는 광음향 장치 교정에 사용하기에 적합한 내구성 있는 유중공중합체 팬텀을 만들기 위한 간단하고 따르기 쉬운 프로토콜이 제시됩니다. 모든 성분은 CAS (Chemical Abstract Service) 번호를 정의했으며 표준 과학 공급 업체에서 쉽게 구할 수 있습니다. 제조 절차의 잠재적인 어려움을 강조하고 이를 극복하는 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 다양한 음향 및 광학 특성을 가진 재료의 제조를 허용하지만, 제시된 프로토콜은 실온(20°C)40에서 물의 음속과 일치하는 ~1,481m·s-1의 음속을 가진 재료를 생성합니다. 이 값은 광범위한 기존 조직 특성을 나타내기 위한 중립 표준으로 선택되었으며(표 1), 비교를 위한 일관되고 신뢰할 수 있는 기준점을 설정할 수 있습니다. 이 상세한 프로토콜을 제공함으로써 우리는 이 유망한 팬텀 재료 유형의 활용 및 제조 재현성을 확대하여 생체광자, 음향 및 광음향 검증 연구를 촉진하고 전임상 및 임상 이미징 응용 분야에서 일상적인 품질 관리를 지원하는 것을 목표로 합니다.
Protocol
표 1: 연조직에서 발견되는 음향 및 광학적 특성의 개요. 광학적 특성은 600 내지 900 nm 범위의 스펙트럼을 포함한다. 이는 일반적인 지침을 제공하기 위한 대표적인 값일 뿐입니다. 정확한 값은 실험 조건(예: 온도) 및 주파수/파장에 따라 달라질 수 있습니다. 문헌은 보다 구체적인 값을 제공합니다. *특정 참조를 찾을 수 없습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 주어진 프로토콜은 ~120mL의 팬텀 물질을 만들기 위해 개발되었습니다. 구성 요소의 질량을 조정하여 다양한 양의 팬텀 재료를 만들 수 있습니다. 더 큰 용량(>500mL)의 경우 제안된 장비가 팬텀 혼합물을 균질하게 충분히 가열하지 못할 수 있습니다. 이를 위해 난방 장비를 적절하게 조정해야 합니다. 주의 : 전체 제조 과정에서 항상 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용했는지 확인하십시오. 여기에는 실험실 가운, 보안경 및 안전 장갑의 사용이 포함될 수 있습니다. 현지 안전 지침을 참조하고 준수하십시오. 절차는 Hacker et al.39; 단계에 대한 요약은 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1: 유중공중합체 재료의 제조. (1) 광산란 및 흡수를 위한 물질을 미네랄 오일에 첨가하고 (2) 용해될 때까지 90°C에서 초음파 처리한다. (3) 중합체(들) 및 안정화제가 첨가되고, (4) 혼합물을 저교반 하에 오일 배스에서 160°C로 가열한다. (5) 모든 성분이 용해되면, 샘플을 적절한 팬텀 몰드에 붓고 (6) 실온에서 경화시킨다. 이 그림은 Hacker et al.39에서 재현되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 1. 혼합물의 제조 미네랄 오일 40mL에 니그로신 0.4g을 첨가하여 니그로신 원액을 준비합니다. 초음파 처리와 샘플의 철저한 와동에 의한 균일 한 혼합을 보장합니다. 원액을 실온에서 보관하십시오.알림: 원액은 재사용하기 전에 항상 완전히 혼합해야 합니다. 광학 산란기(TiO2) 또는 흡수체(염료)가 없는 팬텀 재료가 선호되는 경우 1단계와 2단계를 건너뛸 수 있습니다. 3단계를 진행합니다. 모든 성분이 완전히 용해 될 때까지 (~ 60 분) 미네랄 오일 100mL (83.8g)에 0.15g의 TiO 2와 1mL의 염료 원액을 초음파 처리합니다 (그림 1 : 1 단계 및2 단계). 장비가 허용하는 경우 초음파 처리기를 고온 (90 °C)으로 설정하면 혼합 과정이 용이 해집니다. 초음파 처리 시간 동안 3-5 단계를 진행하십시오.참고: 더 높은 흡수 및 산란 특성을 가진 팬텀이 선호되는 경우 초음파 처리 시간을 연장해야 할 수도 있습니다. 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-란-부틸렌)-블록-폴리스티렌(SEBS) 및 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 원하는 농도(예: SEBS = 25.14g; LDPE = 6.70g)(그림 1: 3단계).선택 사항: 안정성을 높이기 위해 항산화제를 첨가할 수 있지만 가열 온도가 180°C를 초과하지 않는 경우 필수는 아닙니다.알림: 제조 공정의 후반부에 용해도 또는 점도 문제가 발생하는 경우 LDPE를 제외하는 것이 좋습니다. LDPE는 재료의 음속을 향상시키기 위해 통합됩니다(표 3). 그러나 안정적인 팬텀을 만드는 데 필수는 아닙니다. LDPE를 생략하면 제조 및 성형 공정을 단순화할 수 있지만 최종 재료의 후속 음속이 감소합니다(표 3). 적절한 유리 제품과 실리콘 오일을 사용하여 오일 배스를 만듭니다. 핫플레이트에 조심스럽게 고정합니다. 열전대가 실리콘 오일 수조에 남아 있고 절차 내내 유리 제품의 가장자리에 닿지 않도록 합니다(그림 2).알림: 온도 조절 액세서리가 장비 제조업체의 지시에 따라 조심스럽게 장착되었는지 확인하십시오. 균일한 열 분배를 보장하기 위해 오일 배스 내부에 적절한 길이의 마그네틱 교반 막대를 놓습니다. 핫플레이트를 켜고 가열 온도를 160°C로 설정하고 교반기의 분당 회전수(rpm)를 50으로 설정합니다. LDPE와 SEBS를 초음파 처리 된 미네랄 오일 (TiO2 및 니그로신 포함)이 들어있는 유리 비커로 옮깁니다. 적절한 길이의 마그네틱 교반 막대를 유리 비커에 넣고 측정된 구성 요소를 가열하기 위해 오일 배스 중앙으로 옮깁니다. 수조의 오일 레벨이 비커 내부의 미네랄 오일 레벨보다 높게 유지되는지 확인하십시오(그림 1: 4단계). 2. 혼합물 가열 어떤 단계에서든 첨가된 폴리머가 미네랄 오일 위에 떠 있는 것처럼 보이면 금속 주걱을 사용하여 미네랄 오일 용액을 수동으로 저어 플로팅 폴리머가 미네랄 오일 내부에 분포되도록 합니다. 내열 장갑을 착용하십시오. 모든 폴리머가 용해되고 용액이 매끄럽고 균일한 질감(~1.5시간)으로 균일하게 혼합된 것처럼 보일 때까지 혼합물을 160°C에서 그대로 둡니다. 3. 진공 청소기 알림: 기포를 제거하려면 사용 가능한 장비에 따라 다음 단계를 따르십시오. 뜨거운 비커를 진공 챔버에 조심스럽게 넣고 s를 진공 청소기로 청소합니다.amp가장 높은 설정(최저 진공)에서 2-3분 동안. 금속 주걱을 사용하여 표면에 쌓인 기포를 조심스럽게 제거합니다. 이 단계 후에도 기포가 여전히 존재하면 혼합물을 재가열하고 모든 기포가 제거될 때까지 진공 청소기 단계를 반복합니다. 진공 오븐을 켜고 최대 160°C까지 가열합니다. 원하는 온도에 도달하면 용액이 담긴 비커를 진공 오븐으로 옮깁니다.알림: 항상 열 보호 장갑을 끼고 비커를 다루십시오.사용 가능한 가장 높은 설정(가장 낮은 진공)으로 진공 청소기를 켭니다. 용액 위에 거품 층이 생성된 경우 진공을 끄고 주걱을 사용하여 표면에서 거품을 제거합니다(모든 기포가 제거될 때까지 이 단계를 반복). 비커를 진공 오븐에 최고 진공 설정에서 1시간 동안 그대로 두십시오.알림: 진공 오븐을 깨끗하게 유지하려면 비커의 외부 표면에 실리콘 오일을 종이 타월로 닦으십시오. 4. 샘플을 금형에 붓기 샘플을 샘플 몰드에 붓기 전에 필요한 경우 주걱으로 혼합물 표면에 남아 있는 기포를 제거합니다. 내열 장갑을 착용하거나 적절한 보호 장비를 사용하여 용액을 적절한 금형에 조심스럽게 붓습니다. 기포가 형성될 가능성을 줄이기 위해 낮은 높이에서 부드럽고 안정적으로 붓도록 합니다(그림 1: 5단계). 복잡한 모양의 주형의 경우, 경화된 시료를 쉽게 제거할 수 있도록 붓기 전에 얇은 오일 층(광유[예: 피마자 또는 실리콘 오일] 제외)으로 몰드를 코팅합니다.알림: 오븐에서 금형을 예열하면 더 높은 샘플 균질성을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 샘플 상단의 기포를 한 번 부은 금속 주걱으로 빠르게 제거합니다. 혼합물 내에 수많은 기포가 축적된 경우 금형의 유형과 모양이 허용하는 경우 진공 단계를 반복합니다. 용액을 실온에서 설정하도록 합니다. 더 작은 샘플은 2시간 이내에 경화될 수 있지만 불완전한 경화의 위험을 제거하기 위해 샘플을 밤새 그대로 두십시오. 샘플을 실온에서 보관하십시오(그림 1: 6단계). 5. 이미지 획득 이미지 획득을 위해 팬텀을 이미징 장치의 시야에 배치합니다. PAI 또는 초음파 시스템의 경우ample, 초음파 젤 또는 물을 사용하여 팬텀 표면을 초음파 변환기에 음향 결합합니다.참고: 프로토콜을 올바르게 따랐다면 비균질성이 시야를 교란해서는 안 됩니다. 맞춤형 팬텀 홀더는 측정 사이에 반복 가능한 샘플 위치 지정을 지원할 수 있습니다. 획득 온도가 팬텀의 저장 온도와 다른 경우 팬텀 온도가 주변 환경과 함께 안정화되도록 합니다. 이미지를 획득합니다. 6. 재료 특성화 측정 참고: 재료 특성화 측정의 목적은 재료의 광학적 및 음향적 특성을 검증하는 것입니다. 팬텀 제조 프로토콜은 높은 재현성(39)을 나타내었으므로, 뒤따르는 일반적인 측정 프로토콜은 추가적인 검증 연구가 필요한 경우에만 지침으로 제공된다는 점에 유의해야 한다. 측정의 개별 단계는 사용되는 특성화 장비에 따라 다릅니다. 여기서, 광대역을 통한 전송 대체 방법(41)(영국 국립 물리 연구소(NPL)에서 사용 가능)을 기반으로 하는 시스템이 음향 특성화를 위해 사용되었고, 사내 이중 적분구(DIS) 시스템(42 기반)이 광학 특성화를 위해 사용되었습니다. 특성화 시스템의 설정은 보충 그림 1에 나와 있습니다. 측정 셋업(음향 43; 광학42,44) 및 측정 절차(39)에 대한 부가적인 세부사항은 다른 곳에서 찾을 수 있다. 측정 절차는 사용되는 각 특정 특성화 시스템에 따라 조정되어야 합니다. 음향 특성화참고: 음향 특성화 측정은 펄스 생성을 위한 10MHz 중심 주파수 초음파 변환기(활성 요소 직경 10mm)와 펄스 감지를 위한 광대역 수중 청음기(활성 요소 직경 30mm 이층막 수중 청음기)를 사용하는 시스템을 기반으로 합니다(둘 다 탈이온수로 채워진 물 탱크에 배치됨, 치수 112cm x 38cm x 30cm3). 변환기는 펄서 수신기에 의해 구동됩니다. 파형은 오실로스코프를 사용하여 획득됩니다. 설정 및 측정 절차(측정에 대한 시스템별 유형 B 효과 포함)에 대한 자세한 내용은 43에서 확인할 수 있습니다.측정 설정에 적합한 시료(예: 이 경우 직경 7-8cm, 두께 6-9mm의 원형 시료)를 준비합니다. 샘플의 구성이 균일하고 불순물, 기포 또는 표면 불규칙성이 없는지 확인하십시오. 버니어 캘리퍼스를 사용하여 테스트 샘플의 두께를 측정하고 보정된 온도계를 사용하여 물 탱크의 온도를 기록합니다. 샘플을 시스템에 넣습니다. 샘플이 시스템 구성 요소와 올바르게 정렬되었는지 확인하십시오.참고: 짐벌 마운트(43 )를 기반으로 하는 자동으로 제어되는 샘플 홀더는 샘플의 회전 및 기울기를 정밀하게 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다. 각 측정 세트에 대해 4개의 음향 펄스 획득: 음향 경로에 샘플이 없는 기준 수중 펄스; 관통 샘플 전송; 그리고 샘플의 전면과 후면 표면에서 송신기에서 수신된 음향 반사. 측정값에서 샘플의 음향 특성을 도출합니다. 식 (1)43을 사용하여 소리 속도 c(f)(단위: m·s−1)를 계산합니다.(1개)CW는 온도에 따른 물의 음속을 나타내며, θ1(f), θ2(f), θw(f) 및 θs(f)는 각각 전면 반사, 후면 반사, 투과수 및 투시 샘플 전압 펄스의 대응하는 래핑되지 않은 위상 스펙트럼입니다. 재료의 주파수 의존 감쇠 계수(αi(f))는 방정식 (2)43에 표시된 2-샘플 대체 기술을 사용하여 도출할 수 있습니다.(2개)U w (f) 및 Us (f)는 각각 통과 물 및 통과 샘플 펄스의 전압 크기 스펙트럼이고, αw (f)는 특정 물 탱크 온도45에서 순수한 물의 초음파 감쇠 계수 (dB · cm-1)이며, d 1 및 d 2 (d2 > d1)는 두 개의 샘플 두께입니다.참고: 현재 프로토콜의 경우 계면 손실에 대한 감쇠를 평가하여 그 영향이 무시할 수 있는 것으로 나타났습니다. 테스트 샘플의 다른 위치에서 측정을 세 번 이상 반복합니다. 측정값의 평균과 표준 편차를 계산하여 최종 샘플 값을 도출합니다. 광학적 특성화참고: 광학 테스트를 위해 두 개의 광섬유를 통해 두 개의 분광계에 연결된 두 개의 적분구(내경 50mm)를 사용하는 이중 적분구 시스템(42 기반)이 사용되었습니다. 반사구는 제3 광섬유를 통해 광원에 연결된다.측정 설정에 적합한 샘플(예: 이 경우 너비 5.9cm, 높이 1.8cm, 두께 2-3mm의 직사각형 샘플)을 준비합니다. 샘플의 구성이 균일하고 불순물, 기포 또는 표면 불규칙성이 없는지 확인하십시오. 광원을 켜고 제조업체의 지침에 따라 안정화되도록 합니다(예: 15분). 버니어 캘리퍼스를 사용하여 샘플의 두께를 결정합니다. 해당하는 경우 측정을 위한 파장 범위와 스텝 크기를 지정합니다(예: 1nm 스텝 크기의 경우 450-900nm). 투과율 및 반사율 구에 대한 기준 측정값을 기록합니다.반사율 구의 경우, 먼저 투과율 구를 제거하고 광원을 켠 상태에서 반사율 값 R0를 기록하여 개방 포트 측정을 수행합니다. 그런 다음 반사율 값 R1을 반사율 구 앞에 두고 기준 표준으로 기록합니다(광원 켜짐). 투과율 구에 대해서는, 먼저 정렬된 반사율 및 투과율 구와 광원을 꺼진 상태에서 투과율 값 T0를 기록하여 차단된 빔 측정을 취한다. 그 후, 구와 광원을 온온(on)하여 정렬된 반사율 및 투과율 구와 함께 투과율 값 T1을 기록하여 입사빔 측정을 취한다.알림: 먼지나 기타 오염 물질의 부착이 구성 요소(46)의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 측정을 위해 구체의 깨끗한 표면과 참조 표준이 보장되어야 합니다. 구 사이에 샘플을 놓습니다. 반사율 Rs 및 투과율 Ts 값을 측정합니다. 샘플이 압축되지 않았는지 확인하면 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 하나의 구를 전동 스테이지에 배치하면 측정된 샘플 두께에 맞게 구체 사이의 거리를 정확하게 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다. 수학식 (3) 및 (4)42를 사용하여 정규화된 반사율 MR 및 투과율 MT 값을 계산한다.(3)(4개)rstd 는 99% 반사율 표준에서 반사된 강도를 나타냅니다. 측정된 값을 IAD(Inverse Adding Doubleling) 프로그램(소스 코드: http://omlc.org/software/iad/)44 에 입력하여 재료의 광학적 특성을 추정합니다.참고: 이전 보고서에 따르면 산란 이방성 계수(g)는 g = 0.7로, 굴절률은 n = 1.4 30으로 취할 수 있습니다. 테스트 샘플을 따라 다른 위치에서 측정을 세 번 이상 반복합니다. 측정값의 평균과 표준 편차를 계산하여 최종 샘플 값을 도출합니다.
Representative Results
이 레시피에 따라 광학 조명 및 음향 감지 형상이 다른 다양한 시스템 설계를 대상으로 하는 광음향 이미징을 목적으로 하는 세 가지 대표적인 팬텀 디자인이 만들어졌습니다(그림 3A). 팬텀 준비 절차가 성공적으로 수행되면 팬텀 재료는 갇힌 기포나 불순물 없이 매끄럽고 균질하게 나타나며 결과 이미지에서 인공물을 볼 수 없습니다(여기서는 광음향 이미징을 사용하여 시각화됨; 그림 3B, C). 이 프로토콜은 음속 c(f) = 1481 ± 0.4 m·s-1 (20 °C40에서 물의 음속에 해당), 음향 감쇠 α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1 (둘 다 5 MHz에서), 광 흡수μ a(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1, 광학 산란 μs'(λ) = 1 ± 0.1 mm-1 (둘 다 800nm에서) (불확도는 상이한 작업자에 의해 독립적으로 생산된 배치의 n=3으로부터의 표준 편차를 나타낸다; 모든 측정은 실온[20°C]에서 수행되었다). 광학 산란 계수는TiO2의 변화에 의해 조정될 수 있는 반면, 광학 흡수 계수는 여기에서 니그로신으로 입증된 임의의 지용성 염료의 첨가에 의해 조정될 수 있다(표 2 및 그림 3D). 표 2 의 값은 근육이나 유방과 같은 하부 흡수 및 산란 조직에 초점을 맞추고 있지만(표 1), 더 높은 농도에서 흡수제 및 산란제를 추가하는 데 어려움이 없었습니다. 그러나 더 높은 농도의 광학 산란체/흡수체를 추가하면 용액의 균일한 혼합을 달성하기 위해 더 긴 초음파 처리 시간이 필요할 수 있습니다. 음향 감쇠 및 음속은 폴리머 농도의 변화에 의해 조정될 수 있습니다(표 3). 여기서 튜닝은 지금까지 ~1,450-1,516m·s-1의 음속으로 제한됩니다. 각각의 폴리머 농도가 낮을수록 샘플의 물리적 안정성이 낮아져 시간이 지남에 따라 소성 변형이 발생할 수 있습니다34. 폴리머 농도가 높을수록 재료의 취성과 고르지 않은 질감이 발생합니다. 음향 특성의 범위는 유방이나 지방과 같은 조직을 모방하는 데 도움이 될 수 있지만(c = 1,450-1,480m·s-1), 근육이나 신장과 같은 조직에는 불충분할 수 있습니다(c > 1,520m·s-1; 표 1). 팬텀 준비의 일반적인 오류 원인에는 기포의 불충분한 제거와 기본 구성 요소의 불균일한 혼합이 포함됩니다(그림 4). 이것은 진공 청소기로 청소하고 조심스럽게 붓고 교반/와동을 통해 최소화할 수 있습니다. 그림 2: 팬텀 제작을 위한 실험 설정. 팬텀 성분을 함유하는 유리 비커는 오일 배스의 표면과 유리 비커의 직접적인 접촉을 피하기 위해 클램프를 사용하여 실리콘 오일 배스에 배치됩니다. 핫 플레이트의 온도 피드백은 세심한 온도 제어를 보장합니다. 마그네틱 교반기는 실리콘 오일과 팬텀 성분을 혼합할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: 팬텀 제작 절차의 대표적인 결과. (A) 다양한 광음향 이미징 시스템에 적용할 수 있는 다양성을 보여주는 다양한 팬텀 디자인. 왼쪽: 고해상도 이미징 시스템을 테스트하기 위해 설계된 다양한 깊이(0.5, 1.5 및 2.5mm, 대상 간 거리 1.25mm)에 스트링이 내장된 작은 직사각형 팬텀. 중간: 단층 촬영 시스템 테스트를 위해 설계된 녹색 및 보라색 지용성 염료를 사용하는 두 개의 개재물(개재물 간 거리 12mm)이 있는 원통형 팬텀; 오른쪽: 다양한 깊이(6mm, 10mm, 14mm, 3.5mm)에 내장된 채널이 있는 대형 직사각형 팬텀으로, 핸드헬드 시스템 테스트용으로 설계되었습니다. (B) 상업용 광음향 이미징 시스템으로 532nm에서 획득한 스트링이 내장된 직사각형 팬텀의 광음향 이미지 예. (C) 상업용 광음향 이미징 시스템으로 800nm에서 획득한 원통형 단층 촬영 팬텀의 광음향 이미지 예. (D) Nigrosin의 농도를 증가시킴으로써 광학 흡수 농도를 증가시키는 팬텀 (이미지에서 미네랄 오일의 총 부피에 대한 중량 백분율로 주어진 농도). 그림 3B,C는 Hacker et al.39에서 재현한 것입니다. 스케일 바 = 10mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 일반적인 팬텀 오류 (A,B) 베이스 매트릭스 내부에 갇힌 기포를 보여주는 사진. (C) 기본 성분의 불충분한 혼합은 결과 광음향 이미지에서 불균일성(빨간색 화살표)을 초래합니다. 스케일 바 = 5mm(A). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 표 2: 광학 흡수(μa) 및 산란(μs’) 값의 조정에 대한 표 형식 개요. 백분율 값은 기본 용액의 총 부피(미네랄 오일, 컬럼 1)와 팬텀 물질의 총 중량(컬럼 2)에 대한 중량 백분율로 제공됩니다. 니그로신 농도는 절대 니그로신(원액이 아님)의 총량을 나타냅니다. 모든 샘플에는 항산화제(선택 사항)로 5% 부틸화 하이드록시톨루엔이 포함되어 있습니다. n = 샘플당 3회 측정. 테이블의 시각적 표현은 Hacker et al.39에서 찾을 수 있습니다. 약어: neg = negligible. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 표 3: 음향 감쇠(α) 및 음속(c) 값 조정에 대한 표 형식 개요. 비선형 최소 제곱 피팅으로부터 얻어진 0 및 n 파라미터 α 0 및 n을 갖는0 f n의 거듭제곱 법칙 α 의해 설명된다(샘플당n = 4회 측정). F는 MHz 단위의 주파수를 나타냅니다. 백분율 값은 기본 용액(광유)의 총 중량에 대한 중량 백분율로 제공됩니다. 모든 샘플에는 항산화제(선택 사항)로 5% 부틸화 하이드록시톨루엔이 포함되어 있습니다. 테이블의 시각적 표현은 Hacker et al.39에서 찾을 수 있습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 보충 그림 S1: 검증에 사용되는 음향 및 광학 특성화 시스템 설정. 음향 감쇠 계수 및 음속을 결정하기 위한 음향 특성화 시스템의 사진(A)과 개략도(B)가 표시됩니다. 개별 시스템 구성 요소는 사진 및 회로도에서 주석 HP (HydroPhone), S (Sample) 및 T (Transducer)로 표시됩니다. 광 흡수 계수 및 감소 산란 계수의 평가를 위한 이중 적분구 시스템의 사진(C) 및 개략도(D)가 도시되어 있다. 개별 시스템 구성 요소는 사진 및 회로도에서 주석 S(샘플), RS(반사 구), TS(투과구), OF(광섬유) 및 MS(전동 스테이지)로 표시됩니다. 이 그림은 Hacker et al. 39. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
여기에서는 다중 모드 음향 및 광학 생물 의학 이미징 응용 분야에서 교정 측정 및 표준화를 위한 팬텀을 만드는 데 사용할 수 있는 안정적이고 생물학적으로 관련된 재료에 대한 다양한 레시피를 제공하는 것을 목표로 하는 프로토콜이 제시됩니다. 이 물질은 이전에 시간이 지남에 따라 안정적이고(39), 높은 배치 간 재현성을 가지며, 사용하기에 안전하고, 표준 과학 공급업체로부터 쉽게 구할 수 있는 비용 효율적인 성분으로 구성되는 것으로 나타났다. 재료 특성은 관련 음향 및 광학 영역에서 독립적으로 조정할 수 있습니다. 또한 기계적으로 견고하고 물에 녹지 않아 거친 취급에도 견딜 수 있으며 초음파/광음향 연구에 사용되는 수성 커플링제에 대해 불활성입니다. 동일하거나 다른 재료 유형으로 구성된 다양한 유형의 내포물로 다양한 팬텀 디자인을 만들 수 있다는 점이 강조되었습니다. 이러한 특성을 감안할 때, 이 물질은 이상적인 생체 광자 팬텀에 대한 전술한 주요 기준을 충족하며, 기존의 다른 조직 모방 물질에 비해 주요 이점을 보여준다3. 정확한 제조 공정을 자세히 설명함으로써 제조 절차에서 발생하는 변동을 최소화하여 이미징 시스템의 성능을 보정, 검증 및 추적하는 데 사용하는 것을 최적화할 수 있기를 바랍니다.
제조 공정에서 중요한 두 가지 주요 단계가 확인되었습니다. 첫째, 균질한 재료를 만들기 위해 성분을 완전히 혼합하고 균일하게 가열해야 합니다. 혼합을 위해 초음파 처리기와 자기 교반기를 사용하고 가열을 위해 오일 배스를 사용하면 기본 매트릭스 내에서 재료 성분이 고르게 분포됩니다. 오일 배스가 매우 높은 온도(>180°C)에 도달하지 않도록 주의해야 하며, 이는 재료 성분의 산화를 초래하여 황색을 띠는 변색을 유발하기 때문입니다. 수동 교반은 혼합 공정을 지원할 수 있으며 재료-공기 계면에서 불충분한 가열을 보상할 수 있습니다. 초음파 처리 및 혼합 시간은 재료의 균질한 조성을 보장하기 위해 더 높은 농도의 TiO2 및/또는 폴리머를 사용할 때 연장되어야 할 수 있습니다. 둘째, 기본 매트릭스 내에서 이질성이 형성되는 것을 방지하기 위해 기포를 제거해야 합니다. 이것은 진공 펌프나 오븐으로 달성할 수 있지만 재료 내부에 공기가 갇히는 것을 최소화하기 위해 낮은 높이에서 조심스럽게 붓는 것도 연습해야 합니다.
이 재료의 한 가지 중요한 이점은 열가소성 특성(SEBS 폴리머에서 파생됨)으로, 음향 및 광학적 특성에 큰 영향을 미치지 않고 재가열 및 재성형할 수 있습니다(39). 그러나 재가열은 너무 빨리 재가열하면 재료가 쉽게 타거나 산화될 수 있으므로 점진적이고 신중하게 수행해야 합니다. LDPE는 SEBS와 동일한 열가소성 거동을 나타내지 않기 때문에 더 높은 LDPE 농도를 사용할 때도 재가열이 더 어려워집니다.
프로토콜의 몇 가지 제한 사항이 남아 있습니다. 폴리머의 높은 용융 온도(150°C)로 인해 팬텀 몰드는 유리 또는 스테인리스 스틸과 같은 내열성 재료로 만들어져야 합니다. 또한, 높은 폴리머 농도가 음향 특성을 조정하는 데 사용되는 경우 재료는 액체 상태에서 상당히 점성이 있어 작은 이미징 대상을 채우기가 어렵습니다. 마지막으로, 음향 특성의 조정은 지금까지 유방이나 지방과 같은 조직 모방을 지원하는 ~ 1,516 m · s-1의 음역 속도로 제한되어 있습니다 (c = 1,450-1,480 m · s-1), 그러나 근육이나 신장과 같은 조직에는 불충분 할 수 있습니다 (c > 1,520 m · s-1). 음향 감쇠의 수반되는 변화도 고려해야 합니다.
여기에서 우리는 초음파 및 광학 이미징 응용 분야를 위한 안정적인 팬텀으로 재료의 적용을 강조했습니다. 그러나, 유중공중합체 재료는 또한 탄성 공학 응용(35)에서 가치가 있는 것으로 나타났으며, 잠재적으로 자기 공명 영상과 같은 추가 영상 양식과의 호환성을 허용할 수 있다. 팬텀의 해부학적 사실성 증가는 유사한 연구 29,47,48,49에서 볼 수 있듯이 3D 프린팅 금형을 사용하여 달성할 수 있습니다. 초기 연구에서는 재료 자체의 3D 프린팅 가능성을 입증하여 가공 및 제작 측면에서 유연성을 더욱 확장했습니다. 이러한 발전은 다중 모드 이미징 응용 분야에서 널리 사용되는 안정적인 팬텀 매체로서 재료의 흥미로운 미래 잠재력을 강조합니다.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LH는 NPL의 MedAccel 프로그램에 의해 자금을 지원받았고, 비즈니스, 에너지 및 산업 전략부의 산업 전략 챌린지 펀드(Industrial Strategy Challenge Fund)가 자금을 지원했습니다. JMG는 GR 5824/1 프로젝트에 따라 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, 독일 연구 재단)로부터 자금을 지원 받았습니다. JJ는 Academy of Medical Sciences Springboard(REF: SBF007\100007) 상의 자금 지원을 인정합니다. SEB는 보조금 번호 C9545/A29580에 따라 영국 암 연구소(Cancer Research UK)의 지원을 인정합니다. AMI, BZ 및 SR은 국가 측정 시스템 (National Measurement System)의 자금 지원을 통해 영국 비즈니스, 에너지 및 산업 전략부의 지원을 받았습니다. 그림 1 과 그림 2 는 BioRender로 만든 것입니다.
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. |
Referencias
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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).