الطباعة المتعددة الوسائط 3D من الأشباح لمحاكاة الانسجه البيولوجية
Summary
يتم دمج الطلاء الدوار والطباعة متعددة الطائرات ونمذجة الترسبات المنصهرة لإنتاج الأشباح غير المتجانسة متعددة الطبقات التي تحاكي الخصائص الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية.
Abstract
يلعب التصوير البصري الطبي الحيوي دورا هاما في تشخيص وعلاج الامراض المختلفة. ومع ذلك ، تتاثر دقه واستنساخ جهاز التصوير البصري بشكل كبير بخصائص أداء مكوناته ، وبيئة الاختبار ، والعمليات. ولذلك ، فمن الضروري معايره هذه الاجهزه عن طريق معايير الوهمية يمكن تتبعها. ومع ذلك ، فان معظم الأشباح المتاحة حاليا هي أشباح متجانسة لا يمكنها محاكاة الخصائص المتعددة الوسائط والديناميكية للانسجه البيولوجية. هنا ، ونحن نظهر تلفيق الانسجه غير المتجانسة محاكاة الأشباح باستخدام خط الإنتاج دمج وحده الطلاء تدور ، وحده متعددة الطائرات ، والنمذجة ترسب تنصهر (FDM) وحده ، واطار التحكم الألى. يتم تعريف المعلومات الهيكلية والمعلمات البصرية ل “فانتوم بصريه رقميه” في ملف النموذج الاولي ، والمستوردة إلى خط الإنتاج ، وملفقه طبقه تلو الأخرى مع التبديل متسلسلة بين طرائق الطباعة المختلفة. وتتمثل القدرة التقنية لخط الإنتاج هذا من خلال الطباعة التلقائية للأشباح التي تحاكي البشرة والتي تشكل البشرة والادمه والانسجه تحت الجلد والورم المدمج.
Introduction
تمثل التصوير البصري الطبي الحيوي عائله من أدوات التصوير الدوائي التي تكتشف الامراض وتشوات الانسجه استنادا إلى التفاعلات الخفيفة مع الانسجه البيولوجية. بالمقارنة مع طرائق التصوير الأخرى ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، تاخذ الصور البصرية الطبية الحيوية ميزه قياس الانسجه الهيكلية والوظيفية والجزيئية باستخدام الاجهزه المحمولة ذات التكلفة المنخفضة1،2،3،4. ومع ذلك ، علي الرغم من تفوقها في التكلفة وقابليه ، والتصوير البصري لم يكن مقبولا علي نطاق واسع للتشخيص السريري والتوجيه العلاجي ، ويرجع ذلك جزئيا إلى استنساخه الفقراء وعدم وجود الخرائط الكمية بين المعلمات البصرية والبيولوجية. والسبب الرئيسي لهذا التقييد هو عدم وجود معايير يمكن تتبعها للمعايرة الكمية والتحقق من صحة أجهزه التصوير البصري الحيوية.
في الماضي ، تم تطوير مجموعه متنوعة من الأشباح محاكاة الانسجه للبحوث التصوير الطبي الحيوي البصرية في أنواع مختلفه من الانسجه ، مثل الدماغ5،6،7، الجلد8،9،10،11،12، المثانة13، وانسجه الثدي14،15،16،17. وتنتج هذه الأشباح في المقام الأول من قبل واحده من عمليات التصنيع التالية: 1) تدور طلاء10،18 (لمحاكاة متجانسة ورقيقه الطبقات الانسجه) ؛ 2) صب19 (لمحاكاة الانسجه الضخمة مع ميزات هندسية) ؛ و 3) الطباعة ثلاثية الابعاد (3d)20،21،22 (لمحاكاة الانسجه متعددة الطبقات غير المتجانسة). الأشباح الجلد التي تنتجها صب هي قادره علي تقليد الخصائص البصرية السائبة من انسجه الجلد ولكن لا يمكن محاكاة تغاير البصرية الجانبية19. تستخدم bentz وآخرون طريقه الطباعة 3D FDM ثنائيه القناة لتقليد الخصائص البصرية المختلفة للانسجه البيولوجية23. ومع ذلك ، باستخدام اثنين من المواد لا يمكن محاكاة بما فيه الكفاية الانسجه البصرية تغاير والمتباين. إنشات لوري وآخرون شبح المثانة لتصوير التصوير المقطعي للاتساق البصري (OCT) وتنظير المثانة من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الابعاد والطلاء الدوار13. ومع ذلك ، كانت ملامح غير متجانسة من الوهمية ، مثل الاوعيه الدموية ، يجب ان تكون مرسومه باليد.
من بين عمليات التصنيع الوهمية المذكورة أعلاه ، توفر الطباعة ثلاثية الابعاد المرونة الأكثر لمحاكاة التغاير الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية. ومع ذلك ، فان العديد من أنواع الانسجه البيولوجية ، مثل انسجه الجلد ، تتكون من مكونات متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم لا يمكن تكرارها بشكل فعال من خلال عمليه طباعه ثلاثية الابعاد واحده. ولذلك ، فان تكامل عمليات التصنيع المتعددة أمر ضروري. نقترح خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد يدمج عمليات التصنيع المتعددة للإنتاج التلقائي للانسجه متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم تحاكي الأشباح كمعيار يمكن تتبعه للتصوير البصري الطبي الحيوي (الشكل 1). علي الرغم من ان الطلاء الدوار ، والطباعة متعددة الطائرات ، و FDM مؤتمتة في خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد ، يحتفظ كل أسلوب بنفس الخصائص الوظيفية للعمليات المعمول بها. ولذلك ، توفر هذه الورقة مبادئ توجيهيه عامه لإنتاج الأشباح متعددة التحجيم ، متعددة الطبقات ، وغير متجانسة محاكاة الانسجه دون الحاجة إلى التكامل المادي لعمليات متعددة في جهاز واحد.
الشكل 1: مخطط CAD لخط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد. (ا) أزاله خط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد مع الغطاء العلوي. (ب) التخطيطي لوحده الطلاء الدوار ووحده اليد الميكانيكية. (ج) المخطط التخطيطي لوحده الطباعة متعددة الطائرات. (د) التخطيطي لوحده الطباعة fdm (مصباح الاشعه فوق البنفسجية ينتمي إلى وحده الطباعة متعددة الطائرات). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
في تلفيق الوهمية متعددة الطبقات ، والمواد المستخدمة لطلاء تدور هو نوع من المواد الخفيفة للشفاء بدلا من PDMS. يتم طباعه الطبقة المتوسطة مع طريقه الطباعة polyjet ، والذي يستخدم الراتنج ضوء قابل للشفاء كماده خام. علي الرغم من ان الأشباح PDMS رقيقه يمكن ان يتم عن طريق الطلاء تدور بعد أضافه الكحول تيبو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وحظي هذا العمل بدعم المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 11002139 و 81327803) وصندوق البحوث الاساسيه للجامعات المركزية. نشكر زاكاري ج. سميث من جامعه العلوم والتكنولوجيا لتوفير الصوت الصوتي.
Materials
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | aladdin | H110280-500g | Light initiator http://www.aladdin-e.com/ |
| 3D printing control system | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/ |
| 3D printing system | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| All-in-one nozzle slicing script | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ |
|
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | LP | melting point: 56 °C |
| Graphite | aladdin | G103922-100g | Change object optical absorption parameters http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Titanium dioxide | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylene glycol dimethacrylate | aladdin | T101642-250ml | Photocured monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
References
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760 (2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , 80911 (2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , 85830 (2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003 (2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , 932507 (2015).
- Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009 (2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012 (2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780 (2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311 (2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
