Мультимодальная 3D печать фантомов для имитации биологических тканей
Summary
Спиновое покрытие, полиджетная печать и сросшиеся модели ясные материалы интегрированы для производства многослойных разнородных фантомов, имитирующих структурные и функциональные свойства биологической ткани.
Abstract
Биомедицинская оптическая визуализация играет важную роль в диагностике и лечении различных заболеваний. Однако на точность и воспроизводимость оптического устройства визуализации сильно влияют эксплуатационные характеристики его компонентов, тестовая среда и операции. Поэтому необходимо откалибровать эти устройства по прослеживаемым фантомным стандартам. Однако большинство имеющихся в настоящее время фантомов являются однородными фантомами, которые не могут имитировать мультимодальные и динамические характеристики биологической ткани. Здесь мы показываем изготовление неоднородных тканей, имитирующих фантомы с помощью производственной линии, объединяющей модуль спинного покрытия, полиджетный модуль, модуль моделирования сросого осаждения (FDM) и автоматический каркас управления. Структурная информация и оптические параметры “цифрового оптического фантома” определяются в файле прототипа, импортируемом на производственную линию, и изготовленном слое за слоем с последовательным переключением между различными методами печати. Технические возможности такой производственной линии иллюстрируется автоматической печатью кожи, имитирующей фантомы, которые включают эпидермис, дерму, подкожную ткань и встроенную опухоль.
Introduction
Биомедицинская оптическая визуализация представляет собой семейство медицинских инструментов визуализации, которые обнаруживают заболевания и аномалии тканей на основе световых взаимодействий с биологическими тканями. По сравнению с другими методами визуализации, такими как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ), биомедицинская оптическая визуализация использует преимущества неинвазивного измерения структурных, функциональных и молекулярных характеристик тканей с использованием недорогихи портативных устройств1,2,3,4. Однако, несмотря на свое превосходство в стоимости и портативности, оптическая визуализация не получила широкого признания для клинической диагностики и терапевтического руководства, отчасти из-за его плохой воспроизводимости и отсутствия количественного картирования между оптическими и биологическими параметрами. Основной причиной такого ограничения является отсутствие прослеживаемых стандартов количественной калибровки и проверки биомедицинских оптических приборов визуализации.
В прошлом, различные ткани имитирующих фантомы были разработаны для биомедицинских оптических исследований изображений в различных типах тканей, таких как мозг5,6,7, кожа8,9,10,11,12, мочевого пузыря13, и ткани молочной железы14,15,16,17. Эти фантомы в основном производятся одним из следующих процессов изготовления: 1) спиновое покрытие10,18 (для моделирования однородной и тонкослойной ткани); 2) литье19 (для имитации громоздких тканей с геометрическими особенностями); и 3) трехмерная (3D) печать20,21,22 (для моделирования многослойной неоднородной ткани). Призраки кожи, производимые литьем, способны имитировать оптико-оптические свойства тканей кожи, но не могут имитировать боковые оптические неоднородности19. Bentz et al. использовали двухканальный метод 3D-печати FDM для имитации различных оптических свойств биологической ткани23. Однако использование двух материалов не может достаточно имитировать оптическую неоднородность тканей и анизотропию. Lurie et al. создали призрачный мочевой пузырь для оптической когеренционной томографии (OCT) и цистоскопии, объединив 3D-печать и спиновое покрытие13. Однако, неоднородные черты фантома, такие как кровеносные сосуды, должны были быть окрашены вручную.
Среди вышеперечисленных процессов фантомного изготовления 3D-печать обеспечивает максимальную гибкость для имитации структурной и функциональной неоднородности биологических тканей. Однако многие биологические типы тканей, такие как ткани кожи, состоят из многослойных и многоразмерных компонентов, которые не могут быть эффективно дублированы одним процессом 3D-печати. Поэтому необходима интеграция нескольких производственных процессов. Мы предлагаем производственную линию 3D-печати, которая интегрирует несколько производственных процессов для автоматического производства многослойной и многомасштабной ткани, имитирующей фантомы в качестве прослеживаемого стандарта для биомедицинской оптической визуализации(рисунок 1). Хотя спиновое покрытие, полиджетная печать и FDM автоматизированы в нашей производственной линии 3D-печати, каждая модальность сохраняет те же функциональные характеристики, что и установленные процессы. Таким образом, в настоящем документе содержится общее руководство для создания многомасштабных, многослойных и неоднородных фантомов для моделирования тканей без необходимости физической интеграции нескольких процессов в один аппарат.
Рисунок 1: Диаграмма CAD производственной линии 3D-печати. (A) Производственная линия 3D-печати с верхней оболочкой удалены. (B) Схема модуля спин-покрытия и механического ручного модуля. (C) Схема полиджетного модуля печати. (D) Схема модуля печати FDM (УФ-лампа относится к полиджетной печати модуль). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Protocol
Representative Results
Discussion
При изготовлении многослойного фантома материал, используемый для спинового покрытия, является своего рода светоизлечимым материалом вместо PDMS. Промежуточный слой печатается методом полиджетной печати, который использует светоизлечиваемую произлечение в качестве сырья. Хотя тонки?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (Грант No 11002139 и 81327803) и Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов. Мы благодарим Закари Смита из Университета науки и техники за аудиозапись.
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).
