生体組織をシミュレートするファントムのマルチモーダル3Dプリンティング

バイオメディカル光学イメージングは、生体組織との光相互作用に基づいて疾患や組織異常を検出する医療画像ツールのファミリーを表します。磁気共鳴画像(MRI)やコンピュータ断層撮影(CT)などの他の画像化モダリティと比較して、生物医学光学イメージングは、低コストおよび携帯機器^{1、2、3、4}を用いた組織構造、機能、および分子特性の非侵襲的測定を利用する。しかし、コストと携帯性において優れているにもかかわらず、光学イメージングは臨床診断や治療指導のために広く受け入れされておらず、その再現性が低く、光学的パラメータと生物学的パラメータ間の定量的マッピングが欠如しているため、一部は認められています。この制限の主な理由は、定量的なキャリブレーションと生物医学光学イメージングデバイスの検証のための追跡可能な基準の欠如です。

過去には、脳^5、6、7、皮膚8、9、10、11、12、膀胱^13、および乳房組織14、15、16、17などの様々な組織タイプの生物医学的光学画像研究のために様々な組織シミュレーションファントムが開発されました。これらのファントムは、主に以下の製造プロセスのいずれかによって生成されます:1)スピンコーティング^10、18(均質および薄層組織をシミュレートするための)。2)成形¹⁹⁽幾何学的特徴を持つかさばる組織をシミュレートするための)。3)3次元(3D)印刷20、21、22(多層異種組織をシミュレートするための)。成形によって生成される皮膚ファントムは、皮膚組織のバルク光学特性を模倣することができるが、横光学不均一性¹⁹をシミュレートすることはできない。Bentzらは、生体組織²³の異なる光学特性を模倣するために2チャンネルFDM 3D印刷法を用いた。しかし、2つの材料を使用すると、組織の光学的不均一性と異方性を十分にシミュレートすることはできません。Lurie et al. は、3D プリンティングとスピンコーティング¹³を組み合わせることにより、光コヘランス断層撮影(OCT)および膀胱鏡検査用の膀胱ファントムを作成した。しかし、血管などの幻影の異種特徴は手描きしなければならなかった。

上記のファントム製造プロセスの中で、3Dプリンティングは、生体組織の構造的および機能的異質性をシミュレートするための最も柔軟性を提供します。しかし、皮膚組織のような多くの生体組織タイプは、単一の3D印刷プロセスでは効果的に複製できない多層および多スケールのコンポーネントで構成されています。したがって、複数の製造プロセスの統合が必要です。バイオメディカル光学イメージングの追跡可能な標準として、ファントムをシミュレートする多層・多スケール組織の自動生産に複数の製造プロセスを統合した3Dプリンティング生産ラインを提案する(図1)。スピンコーティング、ポリジェット印刷、FDMは3Dプリンティング生産ラインで自動化されていますが、各モダリティは確立されたプロセスと同じ機能特性を保持します。したがって、本論文では、単一の装置における複数のプロセスの物理的統合を必要とせずに、多スケール、多層、および異種組織シミュレーションファントムを製造するための一般的なガイドラインを提供する。

図1:3Dプリント生産ラインのCAD図(A) 上部シェルを取り外した 3D プリントの生産ライン。(B) スピンコーティングモジュールとメカニカルハンドモジュールの概略図。(C) ポリジェット印刷モジュールの概略図。(D) FDM印刷モジュールの回路図(UVランプはポリジェット印刷モジュールに属する)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。