JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Een stabiel fantoommateriaal voor optische en akoestische beeldvorming

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

Dit protocol beschrijft de fabricage van een stabiel, biologisch relevant fantoommateriaal voor optische en akoestische biomedische beeldvormingstoepassingen, met onafhankelijk afstembare akoestische en optische eigenschappen.

Abstract

Het vaststellen van weefselnabootsende biofotonische fantoommaterialen die stabiliteit op lange termijn bieden, is noodzakelijk om de vergelijking van biomedische beeldvormingsapparatuur tussen leveranciers en instellingen mogelijk te maken, de ontwikkeling van internationaal erkende normen te ondersteunen en de klinische vertaling van nieuwe technologieën te ondersteunen. Hier wordt een productieproces gepresenteerd dat resulteert in een stabiel, goedkoop, weefselnabootsend copolymeer-in-oliemateriaal voor gebruik in fotoakoestische, optische en ultrasone standaardisatie-inspanningen.

Het basismateriaal bestaat uit minerale olie en een copolymeer met gedefinieerde CAS-nummers (Chemical Abstract Service). Het hier gepresenteerde protocol levert een representatief materiaal op met een geluidssnelheid c(f) = 1,481 ± 0,4 m·s-1 bij 5 MHz (komt overeen met de geluidssnelheid van water bij 20 °C), akoestische demping α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 bij 5 MHz, optische absorptie μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 bij 800 nm, en optische verstrooiing μs‘(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 bij 800 nm. Het materiaal maakt onafhankelijke afstemming van de akoestische en optische eigenschappen mogelijk door respectievelijk de polymeerconcentratie of lichtverstrooiing (titaniumdioxide) en absorberende middelen (olieoplosbare kleurstof) te variëren. De fabricage van verschillende fantoomontwerpen wordt weergegeven en de homogeniteit van de resulterende testobjecten wordt bevestigd met behulp van fotoakoestische beeldvorming.

Vanwege het gemakkelijke, herhaalbare fabricageproces en de duurzaamheid, evenals de biologisch relevante eigenschappen, is het materiaalrecept veelbelovend in multimodale akoestisch-optische standaardisatie-initiatieven.

Introduction

Het vaststellen van de precisie en nauwkeurigheid van nieuwe optische beeldvormingsbiomarkers door middel van technische validatie 1,2 is van het grootste belang voor een succesvolle implementatie ervan in de klinische praktijk. Om dit te bereiken, maken technische validatiestudies vaak gebruik van duurzame fysieke fantomen, die de prestatiebeoordeling tussen instrumenten en routinematige kwaliteitscontrole vergemakkelijken. Voor wijdverbreid gebruik van fantoommateriaal in onderzoek en klinische vertaling is een eenvoudig, zeer reproduceerbaar fabricageprotocol vereist. Een ideaal biofotonisch fantoommateriaal moet de volgende eigenschappen bevatten3: (1) onafhankelijk afstembare eigenschappen binnen biologisch relevante bereiken; (2) mechanische robuustheid; (3) stabiliteit op lange termijn; (4) flexibiliteit in geometrie en architectuur; (5) veilige hantering; (6) algemeen beschikbare ingrediënten die kunnen worden gekocht bij standaard wetenschappelijke leveranciers; en (7) lage kosten. Op dit moment ontbreekt het biofotonische toepassingen aan een gestandaardiseerd protocol voor een algemeen geaccepteerd fantoommateriaal dat voldoet aan de geschetste vereisten en ook afstembare akoestische eigenschappen bevat voor hybride toepassingen, zoals fotoakoestische beeldvorming (PAI).

Biologisch relevante fantoommaterialen gericht op gecombineerde optische en akoestische toepassingen omvatten hydrogels 4,5, polyvinylalcohol (PVA)6,7,8,9 en polyvinylchloride plastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 . Deze materialen worden echter gekenmerkt door bepaalde beperkingen die hun toepassing als stabiel fantoommateriaal beperken. Hydrogels zijn bijvoorbeeld gevoelig voor uitdroging, mechanische schade en bacteriële ingroei, waardoor hun houdbaarheid wordt beperkt17,18,19. De toevoeging van chemicaliën kan de levensduur verlengen, maar veel voorkomende conserveermiddelen, zoals formaldehyde20 of benzalkoniumchloride21, zijn gevaarlijk en vereisen voorzorgsmaatregelen tijdens het hanteren. Bovendien kunnen doelen die in water oplosbare kleurstoffen bevatten, zich in het basismateriaal verspreiden als ze niet zijn ingekapseld. PVA-cryogels worden gekenmerkt door een hogere levensduur en structurele robuustheid, maar hun bereidingsproces omvat lange vries-dooicycli22. Dit kan de onafhankelijke afstembaarheid van akoestische en optische parameters23 beperken en – indien enigszins gevarieerd – leiden tot inhomogeniteiten6, waardoor de reproduceerbaarheid in het gedrang komt. Bovendien is de diffusie van kleurstoffen uit insluitsels waargenomen na 1 jaar13. PVCP heeft een complex fabricageproces dat hoge temperaturen tot 180-220 °C 13,14,24,25 omvat. PVCP lijdt ook onder een gebrek aan een toeleveringsketen met wetenschappelijke leveranciers26 en kan weekmakers op basis van ftalaten bevatten, die reproductieve en ontwikkelingsschade kunnen veroorzaken27, waardoor ze in sommige landen gereguleerde stoffen zijn.

Copolymeer-in-oliesamenstellingen, zoals gelwas 28,29,30,31 of mengsels op basis van thermoplastische styreenelastomeren 32,33,34,35,36, vertonen een goede longitudinale stabiliteit en hebben weefselachtige akoestische en optische eigenschappen 31,35,36,37 , waardoor het een groot potentieel heeft als duurzame fantoomkandidaat in multimodale toepassingen. Bovendien is deze materiaalklasse kosteneffectief, niet-waterabsorberend, niet-toxisch en biologisch inert35,38. De geluidssnelheid c(f) en de akoestische dempingscoëfficiënt α(f) kunnen in een biologisch relevant bereik (tabel 1) worden afgestemd door variatie van de polymeerconcentratie 33,35,39, terwijl de optische absorptie μa(λ) en verminderde verstrooiingscoëfficiënten μs‘(λ) voornamelijk kunnen worden gevarieerd door toevoeging van in olie oplosbare kleurstoffen of titaandioxide (TiO 2)39; respectievelijk.

Hier wordt een eenvoudig, gemakkelijk te volgen protocol gepresenteerd voor het maken van duurzame copolymeer-in-olie-fantomen die geschikt zijn voor gebruik in optische, ultrasone of fotoakoestische apparaatkalibratie. Alle ingrediënten hebben gedefinieerde Chemical Abstract Service (CAS) -nummers en zijn direct verkrijgbaar bij standaard wetenschappelijke leveranciers. Potentiële moeilijkheden in het fabricageproces worden benadrukt en manieren om ze te overwinnen worden gepresenteerd. Terwijl het protocol de fabricage van materialen met een reeks akoestische en optische eigenschappen mogelijk maakt, levert het gepresenteerde protocol een materiaal op met een geluidssnelheid van ~ 1.481 m·s-1, afgestemd op de geluidssnelheid van water bij kamertemperatuur (20 ° C) 40. Deze waarde werd gekozen als een neutrale standaard voor het weergeven van het brede scala van bestaande weefseleigenschappen (tabel 1), waardoor een consistent en betrouwbaar referentiepunt voor vergelijking kon worden vastgesteld. Door dit gedetailleerde protocol te verstrekken, willen we de opname en productiereproduceerbaarheid van dit veelbelovende fantoommateriaaltype verbreden, waardoor biofotonische, akoestische en fotoakoestische validatiestudies worden vergemakkelijkt en routinematige kwaliteitscontrole in preklinische en klinische beeldvormingstoepassingen wordt ondersteund.

Protocol

Tabel 1: Overzicht van akoestische en optische eigenschappen in zachte weefsels. Optische eigenschappen bestrijken een spectrum variërend van 600 tot 900 nm. Opgemerkt moet worden dat dit slechts representatieve waarden zijn die bedoeld zijn om algemene richtsnoeren te geven. Precieze waarden kunnen variëren afhankelijk van de experimentele conditie (bijv. temperatuur) en frequentie/golflengte. De literatuur geeft meer specifieke waarden. *Geen specifieke referentie gevonden. Klik hier om deze tabel te downloaden. Het gegeven protocol is ontwikkeld voor het maken van ~120 ml fantoommateriaal. De massa’s van de componenten kunnen worden geschaald om verschillende volumes fantoommateriaal te maken. Houd er rekening mee dat voor grotere volumes (>500 ml) de voorgestelde apparatuur mogelijk niet in staat is om het fantoommengsel voldoende homogeen te verwarmen. Daartoe moet de verwarmingsapparatuur op passende wijze worden aangepast. LET OP: Zorg er altijd voor dat geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM’ s) gedurende het hele fabricageproces worden gedragen. Dit kan het gebruik van laboratoriumjassen, veiligheidsbrillen en veiligheidshandschoenen omvatten; Raadpleeg en houd u aan de lokale veiligheidsrichtlijnen. De procedure is overgenomen uit Hacker et al.39; een samenvatting van de stappen wordt weergegeven in figuur 1. Figuur 1: Fabricage van het copolymeer-in-oliemateriaal. (1) Materialen voor optische verstrooiing en absorptie worden toegevoegd aan minerale olie en (2) gesoniseerd bij 90 °C totdat ze zijn opgelost. (3) Polymeer(en) en stabilisator worden toegevoegd en (4) het mengsel wordt in een oliebad verhit tot 160 °C onder laag roeren. (5) Na het oplossen van alle componenten wordt het monster in een geschikte fantoomvorm gegoten en (6) bij kamertemperatuur uitgehard. Deze figuur is gereproduceerd uit Hacker et al.39. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 1. Bereiding van het mengsel Bereid de Nigrosin-stamoplossing door 0,4 g Nigrosine toe te voegen aan 40 ml minerale olie. Zorg voor homogene menging door ultrasoonapparaat en grondige vortexing van het monster. Bewaar de voorraadoplossing bij kamertemperatuur.OPMERKING: De stockoplossing moet altijd grondig worden gemengd voordat deze opnieuw wordt gebruikt. Als een fantoommateriaal zonder optische verstrooier (TiO 2) of absorber (kleurstof) de voorkeur heeft, kunnen stap 1 en2 worden overgeslagen. Ga verder met stap 3. Soniceer 0,15 g TiO 2 en 1 ml van de kleurstofvoorraadoplossing in 100 ml (83,8 g) minerale olie totdat alle componenten volledig zijn opgelost (~ 60 min) (figuur 1: stappen 1 en2). Stel de sonicator in op verhoogde temperaturen (90 °C) als de apparatuur dit toelaat, omdat dit het mengproces vergemakkelijkt. Ga verder met stappen 3-5 tijdens de ultrasoonapparaattijd.OPMERKING: Als een fantoom met hogere absorberende en verstrooiende eigenschappen de voorkeur heeft, moet de ultrasoonapparaattijd mogelijk worden verlengd. Weeg de polystyreen-blok-poly(ethyleen-ran-butyleen)-blok-polystyreen (SEBS) en lage-dichtheid polyethyleen (LDPE) af bij de gewenste concentraties (bijv. SEBS = 25,14 g; LDPE = 6,70 g) (Figuur 1: stap 3).Optioneel: Een antioxidant kan worden toegevoegd om de stabiliteit te vergroten, maar het is niet verplicht als de verwarmingstemperaturen niet hoger zijn dan 180 °C.OPMERKING: In het geval dat oplosbaarheids- of viscositeitsproblemen worden ondervonden in een later stadium van het productieproces, is het raadzaam om de LDPE uit te sluiten. LDPE is opgenomen om de geluidssnelheid in het materiaal te verbeteren (tabel 3); Het is echter niet verplicht voor het maken van een stabiel fantoom. Door LDPE weg te laten, kan het productie- en gietproces worden vereenvoudigd, maar het zal resulteren in een afname van de daaropvolgende geluidssnelheid van het uiteindelijke materiaal (tabel 3). Maak een oliebad met geschikt glaswerk en siliconenolie; zet het voorzichtig vast op de kookplaat. Zorg ervoor dat het thermokoppel in het siliconenoliebad blijft en de randen van het glaswerk tijdens de procedure niet raakt (figuur 2).OPMERKING: Zorg ervoor dat het thermoregulerende accessoire zorgvuldig is gemonteerd, volgens de instructies van de fabrikant van de apparatuur. Plaats een magnetische roerstaaf van voldoende lengte in het oliebad om een gelijkmatige warmteverdeling te garanderen. Zet de kookplaat aan, stel de verwarmingstemperatuur in op 160 °C en stel de omwentelingen per minuut (rpm) van de roerder in op 50. Breng de LDPE en SEBS over in het glazen bekerglas met de gesonificeerde minerale olie (met TiO2 en Nigrosine). Breng een magnetische roerstaaf van voldoende lengte in het glazen bekerglas en breng deze over in het midden van het oliebad voor verwarming van de gemeten componenten. Zorg ervoor dat het oliepeil in het bad boven het minerale oliepeil in het bekerglas blijft (figuur 1: stap 4). 2. Verhitting van het mengsel Als op enig moment het toegevoegde polymeer over de minerale olie lijkt te zweven, roert u de minerale olieoplossing handmatig met behulp van een metalen spatel, zodat elk zwevend polymeer in de minerale olie wordt verdeeld. Draag hittebestendige handschoenen. Laat het mengsel op 160 °C totdat al het polymeer is opgelost en de oplossing gelijkmatig gemengd lijkt, met een gladde en homogene textuur (~1,5 uur). 3. Stofzuigen OPMERKING: Voor het verwijderen van luchtbellen volgt u de volgende stappen, afhankelijk van de beschikbare apparatuur. Plaats het hete bekerglas voorzichtig in de vacuümkamer en zuig de monsters gedurende 2-3 minuten op de hoogste stand (laagste vacuüm). Gebruik een metalen spatel om eventuele luchtbellen die zich op het oppervlak ophopen voorzichtig te verwijderen. Als er na deze stap nog steeds luchtbellen aanwezig zijn, verwarm het mengsel dan opnieuw en herhaal de stofzuigstap totdat alle luchtbellen zijn verwijderd. Zet de vacuümoven aan en verwarm deze tot 160 °C. Zodra het de gewenste temperatuur heeft bereikt, brengt u het bekerglas met de oplossing over in de vacuümoven.OPMERKING: Behandel het bekerglas altijd met hittebeschermende handschoenen.Schakel de stofzuiger in op de hoogste stand (laagste vacuüm) die beschikbaar is. Als er een schuimlaag bovenop de oplossing is geproduceerd, schakelt u het vacuüm uit en verwijdert u de bellen van het oppervlak met een spatel (herhaal deze stap totdat alle luchtbellen zijn verwijderd). Laat het bekerglas 1 uur in de vacuümoven staan op de hoogste vacuümstand.OPMERKING: Om de vacuümoven schoon te houden, reinigt u het buitenoppervlak van het bekerglas siliconenolie met een papieren handdoek. 4. De monsters in de mal gieten Voordat u de monsters in monstervormen giet, verwijdert u indien nodig eventuele resterende luchtbellen op het oppervlak van het mengsel met een spatel. Giet de oplossing voorzichtig in een geschikte mal, draag hittebestendige handschoenen of gebruik voldoende beschermingsmiddelen. Zorg voor een soepele en stabiele gietbeurt vanaf een lage hoogte om de kans op luchtbellen te verkleinen (figuur 1: stap 5). Voor mallen met complexe vormen, bedek de mal met een dunne laag olie (anders dan minerale olie [bijv. Castor of siliconenolie]) voorafgaand aan het gieten om het verwijderen van het uitgeharde monster te vergemakkelijken.OPMERKING: Voorverwarmen van de mallen in een oven kan helpen bij het bereiken van een hogere monsterhomogeniteit. Verwijder eventuele luchtbellen van de bovenkant van de monsters snel met een metalen spatel eenmaal gegoten. Als zich in het mengsel talrijke luchtbellen hebben opgehoopt, herhaalt u de vacuümstap, op voorwaarde dat het type en de vorm van de mal dit toelaten. Laat de oplossing op kamertemperatuur instellen. Hoewel kleinere monsters in minder dan 2 uur kunnen uitharden, laat u de monsters een nacht staan om elk risico op onvolledige uitharding te elimineren. Bewaar de monsters bij kamertemperatuur (figuur 1: stap 6). 5. Beeldacquisitie Voor beeldacquisitie plaatst u het fantoom in het gezichtsveld van het beeldapparaat. Voor PAI- of ultrasone systemen, voer akoestische koppeling van het fantoomoppervlak uit met de ultrasone transducer, bijvoorbeeld met ultrasone gel of water.OPMERKING: Als het protocol correct is gevolgd, mogen er geen inhomogeniteiten het gezichtsveld verstoren. Aangepaste fantoomhouders kunnen helpen bij het herhaalbare positioneren van monsters tussen metingen. Als de acquisitietemperatuur afwijkt van de opslagtemperatuur van het fantoom, laat de fantoomtemperatuur dan stabiliseren met de omgeving. Een afbeelding verkrijgen. 6. Materiaalkarakteriseringsmetingen OPMERKING: Het doel van materiaalkarakteriseringsmetingen is verificatie van de optische en akoestische eigenschappen van het materiaal. Opgemerkt moet worden dat het fantoomfabricageprotocol een hoge reproduceerbaarheidheeft aangetoond 39, dus de algemene meetprotocollen die volgen, worden alleen als leidraad verstrekt als verdere verificatiestudies gewenst zijn. De afzonderlijke stappen van de metingen zijn afhankelijk van de gebruikte karakteriseringsapparatuur. Hier werd een systeem op basis van een breedband door-transmissie substitutiemethode41 (beschikbaar bij het National Physical Laboratory (NPL), VK) gebruikt voor akoestische karakterisering en een in-house double-integrating-sphere (DIS) -systeem (gebaseerd op 42) voor optische karakterisering. De opstelling van de karakteriseringssystemen is weergegeven in aanvullende figuur 1. Aanvullende informatie over de meetopstellingen (akoestisch43; optisch42,44) en meetprocedure39 vindt u elders. De meetprocedure moet dienovereenkomstig worden aangepast aan elk specifiek karakteriseringssysteem dat wordt gebruikt. Akoestische karakteriseringOPMERKING: De akoestische karakteriseringsmetingen zijn gebaseerd op een systeem met een 10 MHz middenfrequentie ultrasone transducer (actieve elementdiameter van 10 mm) voor pulsgeneratie en een breedbandhydrofoon (30 mm actieve elementdiameter bilaminaire membraanhydrofoon) voor pulsdetectie (beide geplaatst in een watertank gevuld met gedeïoniseerd water; afmetingen van 112 cm x 38 cm x 30 cm3). De transducer wordt aangedreven door een pulser-ontvanger. Golfvormen worden verkregen met behulp van een oscilloscoop. Meer details over de instellings- en meetprocedure (inclusief systeemspecifieke type B-effecten op de metingen) zijn te vinden in 43.Bereid monsters voor die geschikt zijn voor de meetopstelling (in dit geval bijvoorbeeld cirkelvormige monsters met een diameter van 7-8 cm en een dikte van 6-9 mm). Zorg ervoor dat de monsters een homogene samenstelling hebben en vrij zijn van onzuiverheden, luchtbellen of onregelmatigheden aan het oppervlak. Meet de dikte van het testmonster met behulp van vernier-remklauwen en noteer de temperatuur van het waterreservoir met behulp van een gekalibreerde thermometer. Plaats het monster in het systeem. Zorg ervoor dat het monster correct is uitgelijnd met de componenten van het systeem.OPMERKING: Een automatisch geregelde monsterhouder op basis van een cardanische bevestiging43 kan helpen bij een nauwkeurige regeling van de rotatie en kanteling van het monster. Verkrijg vier akoestische pulsen voor elke meetset: een referentie-door-waterpuls zonder dat er een monster in het akoestische pad aanwezig is; een door-de-steekproef transmissie; en akoestische reflecties die bij de zender worden ontvangen van de voor- en achterkant van het monster. Leid de akoestische eigenschappen van het monster af uit de metingen. Bereken de geluidssnelheid c(f ) (in m·s−1) met behulp van de vergelijking (1)43.(1)CW geeft de temperatuurafhankelijke snelheid van het geluid van water weer, en θ1(f), θ2(f), θw(f) en θs(f) zijn de overeenkomstige onverpakte fasespectra van respectievelijk de voorgereflecteerde, teruggekaatste, doorgaande en door-monster spanningspulsen. De frequentieafhankelijke verzwakkingscoëfficiënt (αi(f)) van het materiaal kan worden afgeleid met behulp van de substitutietechniek met twee monsters die wordt weergegeven in vergelijking (2)43.(2)U w(f) en Us(f) zijn de respectievelijke spanningsmagnitudespectra van de door- en door-monsterpuls, αw(f) de verzwakkingscoëfficiënt van ultrageluid (in dB·cm-1) van zuiver water bij de specifieke watertanktemperatuur45 is, en d 1 en d 2 (d2 > d 1) zijn twee monsterdiktes.OPMERKING: Voor dit protocol werd de verzwakkingsboekhouding voor interfaciale verliezen beoordeeld, waarbij het effect ervan verwaarloosbaar werd geacht. Herhaal de meting meer dan drie keer op verschillende posities op het testmonster. Bereken het gemiddelde en de standaardafwijking van de metingen om een uiteindelijke monsterwaarde af te leiden. Optische karakteriseringOPMERKING: Voor optische tests werd een dubbel integrerend bolsysteem gebruikt (gebaseerd op 42), waarbij twee integrerende bollen (50 mm interne diameter) worden gebruikt die via twee optische vezels met twee spectrometers zijn verbonden. De reflectiebol is via een derde optische vezel verbonden met een lichtbron.Bereid monsters voor die geschikt zijn voor de meetopstelling (in dit geval bijvoorbeeld rechthoekige monsters met een breedte van 5,9 cm, een hoogte van 1,8 cm en een dikte tussen 2 en 3 mm). Zorg ervoor dat de monsters een homogene samenstelling hebben en vrij zijn van onzuiverheden, luchtbellen of onregelmatigheden aan het oppervlak. Schakel de lichtbron in en laat deze stabiliseren volgens de instructies van de fabrikant (bijv. 15 min). Bepaal de dikte van het monster met behulp van vernier remklauwen. Specificeer, indien van toepassing, het golflengtebereik en de stapgrootte voor de meting (bijvoorbeeld 450-900 nm met een stapgrootte van 1 nm). Noteer de referentiemetingen voor de transmissie- en reflectiebol.Voer voor de reflectiebol eerst een open poortmeting uit door de reflectiewaarde R0 te registreren met de doorlaatbaarheidsbol verwijderd en de lichtbron ingeschakeld. Noteer vervolgens de reflectiewaarde R1 met een referentiestandaard die voor de reflectiebol wordt gehouden (lichtbron ingeschakeld). Voer voor de doorlaatbaarheidsbol eerst een geblokkeerde bundelmeting uit door de transmissiewaarde T0 te registreren met de uitgelijnde reflectie- en transmissiebollen en lichtbron uitgeschakeld. Voer vervolgens een meting van de invallende bundel uit door de transmissiewaarde T1 op te nemen met de uitgelijnde reflectie- en transmissiebollen en lichtbron ingeschakeld.OPMERKING: Voor de metingen moet worden gezorgd voor een schoon oppervlak van de bolletjes en een referentienorm, aangezien de aanhechting van stof of andere verontreinigingen van invloed kan zijn op de prestaties van de componenten46. Plaats het monster tussen de bollen. Meet de waarden van reflectantie Rs en transmissie Ts. Zorg ervoor dat het monster niet wordt gecomprimeerd, omdat dit van invloed kan zijn op de meetnauwkeurigheid. Het plaatsen van één bol op een gemotoriseerd podium kan helpen om de afstand tussen de bollen nauwkeurig te regelen door deze aan te passen aan de gemeten monsterdikte. Bereken de genormaliseerde reflectantie M R en transmissie MT waarden met behulp van vergelijkingen (3) en (4)42.(3)(4)RSTD geeft de intensiteit weer die wordt weerspiegeld door de 99% reflectiestandaard. Voer de gemeten waarden in een inverse adding doublebling (IAD) programma (broncode: http://omlc.org/software/iad/)44 in om de optische eigenschappen van het materiaal te schatten.OPMERKING: Op basis van eerdere rapporten kan de verstrooiende anisotropiefactor (g) worden genomen als g = 0,7 en de brekingsindex als n = 1,4 30. Herhaal de meting ten minste driemaal op verschillende plaatsen langs het testmonster. Bereken het gemiddelde en de standaardafwijking van de metingen om een uiteindelijke monsterwaarde af te leiden.

Representative Results

Volgens dit recept zijn drie representatieve fantoomontwerpen gemaakt voor fotoakoestische beeldvorming, gericht op verschillende systeemontwerpen met verschillende optische verlichting en akoestische detectiegeometrieën (figuur 3A). Als de fantoomvoorbereidingsprocedure met succes wordt uitgevoerd, lijkt het fantoommateriaal glad en homogeen zonder ingesloten luchtbellen of onzuiverheden, en zijn er geen artefacten te zien in het resulterende beeld (hier gevisualiseerd met behulp van fotoakoestische beeldvorming; Figuur 3B,C). Het protocol levert een representatief materiaal op met een geluidssnelheid c(f) = 1481 ± 0,4 m·s-1 (overeenkomend met de geluidssnelheid van water bij 20 °C40), akoestische demping α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 (beide bij 5 MHz), optische absorptie μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 en optische verstrooiing μs'(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 (beide bij 800 nm) (onzekerheid geeft de standaardafwijking weer van n = 3 onafhankelijk geproduceerde batches door verschillende operators; alle metingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur [20 °C]). De optische verstrooiingscoëfficiënt kan worden afgestemd door de variatie van TiO 2, terwijl de optische absorptiecoëfficiënt kan worden afgestemd door de toevoeging van een in olie oplosbare kleurstof, hier gedemonstreerd met Nigrosine (tabel 2 en figuur 3D). Hoewel de waarden in tabel 2 gericht zijn op lager absorberende en verstrooiende weefsels, zoals spieren of borsten (tabel 1), hebben we geen problemen ondervonden met het toevoegen van absorbers en verstrooiers bij hogere concentraties. De toevoeging van optische strooiers/absorbers bij hogere concentraties kan echter langere ultrasoonapparaattijden vereisen om een homogene menging van de oplossing te bereiken. De akoestische demping en geluidssnelheid kunnen worden afgestemd door variatie van de polymeerconcentratie (tabel 3). Hier is de stemming tot nu toe beperkt tot een geluidssnelheid van ~1.450-1.516 m·s-1. Lagere respectieve polymeerconcentraties kunnen leiden tot een lage fysieke stabiliteit van het monster, wat leidt tot plastische vervorming in de loop van de tijd34. Hogere polymeerconcentraties resulteren in broosheid en een ongelijke textuur van het materiaal. Het bereik van akoestische eigenschappen kan helpen om weefsels zoals borst of vet na te bootsen (c = 1.450-1.480 m·s−1), maar kan onvoldoende zijn voor weefsels zoals spieren of nieren (c > 1.520 m·s−1; Tabel 1). Veel voorkomende foutbronnen bij fantoombereiding zijn onvoldoende verwijdering van luchtbellen en inhomogene menging van de basiscomponenten (figuur 4). Dit kan worden geminimaliseerd door respectievelijk stofzuigen en voorzichtig gieten en roeren / vortexen. Figuur 2: Experimentele opstelling voor de fantoomfabricage. Het glazen bekerglas met de fantoomingrediënten wordt met behulp van een klem in het siliconenoliebad geplaatst om direct contact tussen de oppervlakken van het oliebad en het glazen bekerglas te voorkomen. Temperatuurfeedback op de kookplaat zorgt voor een zorgvuldige temperatuurregeling. Magnetische roerders maken het mengen van zowel de siliconenolie als de fantoomingrediënten mogelijk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Representatieve resultaten van de fantoomfabricageprocedure. (A) Verschillende fantoomontwerpen die veelzijdigheid vertonen voor toepassing in verschillende fotoakoestische beeldvormingssystemen. Links: klein rechthoekig fantoom met snaren ingebed op verschillende diepten (0,5, 1,5 en 2,5 mm; interdoelafstand van 1,25 mm) ontworpen voor het testen van beeldvormingssystemen met hoge resolutie; midden: cilindrisch fantoom met twee insluitsels (inter-inclusieafstand van 12 mm) met behulp van een in groene en violette olie oplosbare kleurstof, ontworpen voor het testen van tomografiesystemen; rechts: groot rechthoekig fantoom met kanalen ingebed op verschillende diepten (6 mm, 10 mm en 14 mm; inter-inclusieafstand van 3,5 mm), ontworpen voor het testen van een handheld systeem. (B) Voorbeeld van fotoakoestisch beeld van het rechthoekige fantoom met ingebedde snaren, verkregen bij 532 nm met een commercieel fotoakoestisch beeldvormingssysteem. (C) Voorbeeld van fotoakoestisch beeld van het cilindrische tomografische fantoom, verkregen bij 800 nm met een commercieel fotoakoestisch beeldvormingssysteem. (D) Fantomen met toenemende optische absorptieconcentraties door verhoging van de concentraties nigrosine (concentraties gegeven in gewichtspercentage van het totale volume minerale olie op de afbeelding). Figuur 3B,C is gereproduceerd van Hacker et al.39. Schaalstaven = 10 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Veel voorkomende fantoomstoringen . (A,B) Foto’s van luchtbellen die gevangen zitten in de basismatrix. (C) Onvoldoende vermenging van basiscomponenten leidt tot inhomogeniteiten (rode pijlen) in het resulterende fotoakoestische beeld. Schaalbalk = 5 mm (A). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Tabel 2: Tabeloverzicht van de afstemming van optische absorptiewaarden (μa) en verstrooiingswaarden (μs’). De procentuele waarden worden gegeven als gewichtspercentage voor het totale volume van de basisoplossing (minerale olie, kolom 1) en voor het totale gewicht van het fantoommateriaal (kolom 2). De Nigrosineconcentraties geven de totale hoeveelheid absolute Nigrosine weer (geen stockoplossing). Alle monsters bevatten 5% gebutyleerd hydroxytolueen als antioxidant (optioneel). n = 3 metingen per monster. Een visuele weergave van de tabel is te vinden in Hacker et al.39. Afkorting: neg = verwaarloosbaar. Klik hier om deze tabel te downloaden. Tabel 3: Overzicht in tabelvorm van de afstemming van de waarden voor akoestische demping (α) en geluidssnelheid (c). Beschreven door de machtswet α 0 f n met α0en n parameters verkregen uit een niet-lineaire kleinste kwadraten fitting (n = 4 metingen per monster). F geeft de frequentie in MHz weer. Procentuele waarden worden gegeven als gewichtspercentage ten opzichte van het totale gewicht van de basisoplossing (minerale olie). Alle monsters bevatten 5% gebutyleerd hydroxytolueen als antioxidant (optioneel). Een visuele weergave van de tabel is te vinden in Hacker et al.39. Klik hier om deze tabel te downloaden. Aanvullende figuur S1: Opstelling van de akoestische en optische karakteriseringssystemen die voor verificaties worden gebruikt. Een foto (A) en schema (B) van het akoestische karakteriseringssysteem voor de bepaling van de akoestische dempingscoëfficiënt en de geluidssnelheid worden weergegeven. Afzonderlijke systeemcomponenten worden aangeduid met annotaties HP (HydroPhone), S (Sample) en T (Transducer) in de foto en het schema. Een foto (C) en schema (D) van het dubbel integrerende bolsysteem voor de evaluatie van de optische absorptiecoëfficiënt en de verminderde verstrooiingscoëfficiënt worden getoond. Afzonderlijke systeemcomponenten worden aangeduid met annotaties S (Sample), RS (Reflectance Sphere), TS (Transmission Sphere), OF (Optical Fiber) en MS (Motorized Stage) in de foto en het schema. Deze figuur is gereproduceerd uit Hacker et al. 39. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Hier wordt een protocol gepresenteerd dat tot doel heeft een veelzijdig recept te bieden voor een stabiel, biologisch relevant materiaal dat kan worden gebruikt om fantomen te maken voor kalibratiemetingen en standaardisatie in multimodale akoestische en optische biomedische beeldvormingstoepassingen. Eerder is aangetoond dat het materiaal stabiel is in de loop van de tijd39, dat het een hoge reproduceerbaarheid van batch tot batch heeft, dat het veilig is in gebruik en dat het bestaat uit direct beschikbare, kosteneffectieve ingrediënten van standaard wetenschappelijke leveranciers. De materiaaleigenschappen zijn onafhankelijk instelbaar over relevante akoestische en optische regimes. Bovendien is het mechanisch robuust en onoplosbaar in water, waardoor het bestand is tegen ruwe behandeling, en het is inert voor koppelmiddelen op waterbasis die worden gebruikt in ultrasoon / fotoakoestisch onderzoek. Er werd benadrukt dat verschillende fantoomontwerpen kunnen worden gemaakt met verschillende soorten insluitsels, samengesteld uit dezelfde of van verschillende materiaalsoorten. Gezien deze eigenschappen voldoet het materiaal aan de bovengenoemde belangrijke criteria voor een ideaal biofotonisch fantoom en vertoont het belangrijke voordelen in vergelijking met andere bestaande weefselnabootsende materialen3. Door het exacte productieproces te beschrijven, hopen we variaties als gevolg van het fabricageproces te minimaliseren, waardoor het gebruik ervan voor het kalibreren, valideren en volgen van de prestaties van beeldvormingssystemen wordt geoptimaliseerd.

Twee belangrijke stappen zijn geïdentificeerd als zijnde van cruciaal belang voor het fabricageproces. Ten eerste moeten ingrediënten grondig worden gemengd en gelijkmatig worden verwarmd voor het creëren van een homogeen materiaal. Het gebruik van een sonicator en magnetische roerder voor het mengen en een oliebad voor verwarming zorgt voor een gelijkmatige verdeling van materiaalcomponenten binnen de basismatrix. Er moet voor worden gezorgd dat het oliebad geen zeer hoge temperaturen (>180 °C) bereikt, omdat dit zal resulteren in oxidatie van de materiaalcomponenten, wat leidt tot gelige verkleuring. Handmatig roeren kan het mengproces ondersteunen en compenseert onvoldoende verwarming van de materiaal-luchtinterface. De tijd voor ultrasoonapparaat en menging moet mogelijk worden verlengd wanneer een hogere concentratie TiO2 en / of polymeren worden gebruikt om een homogene samenstelling van het materiaal te garanderen. Ten tweede moeten luchtbellen worden verwijderd om de vorming van heterogeniteiten binnen de basismatrix te voorkomen. Hoewel dit kan worden bereikt met een vacuümpomp of oven, moet zorgvuldig gieten vanaf een lage hoogte ook worden geoefend om het vasthouden van lucht in het materiaal te minimaliseren.

Een belangrijk voordeel van het materiaal is de thermoplastische eigenschappen (afgeleid van het SEBS-polymeer), waardoor het opnieuw kan worden opgewarmd en opnieuw kan worden gevormd zonder enige significante impact op de akoestische en optische eigenschappen39. Het opwarmen moet echter geleidelijk en zorgvuldig worden uitgevoerd, omdat het materiaal gemakkelijk kan verbranden en oxideren als het te snel wordt opgewarmd. Opwarmen wordt ook moeilijker wanneer hogere LDPE-concentraties worden gebruikt, omdat LDPE niet hetzelfde thermoplastische gedrag vertoont als SEBS.

Er blijven verschillende beperkingen van het protocol bestaan. Vanwege de hoge smelttemperatuur van de polymeren (150 °C) moeten fantoommallen gemaakt zijn van een hittebestendig materiaal, zoals glas of roestvrij staal. Bovendien is het materiaal vrij stroperig in vloeibare toestand als een hoge polymeerconcentratie wordt gebruikt om de akoestische eigenschappen af te stemmen, waardoor het vullen van kleine beelddoelen moeilijk wordt. Ten slotte is de afstemming van de akoestische eigenschappen tot nu toe beperkt tot een geluidssnelheid van ~1450-1.516 m·s-1 die het nabootsen van weefsels zoals borst of vet ondersteunt (c = 1.450-1.480 m·s−1), maar kan onvoldoende zijn voor weefsels zoals spieren of nieren (c > 1.520 m·s−1). Er moet ook rekening worden gehouden met de gelijktijdige verandering van de akoestische demping.

Hier hebben we de toepassing van het materiaal als een stabiel fantoom voor ultrasone en optische beeldvormingstoepassingen benadrukt. Copolymeer-in-oliematerialen zijn echter ook van waarde gebleken in elastografietoepassingen35 en kunnen mogelijk compatibel zijn met andere beeldvormingsmodaliteiten zoals magnetische resonantiebeeldvorming. Verhoogd anatomisch realisme van de fantomen kan worden bereikt met behulp van 3D-geprinte mallen, zoals aangetoond in vergelijkbare studies 29,47,48,49. Vroege studies hebben ook de 3D-printbaarheid van het materiaal zelf aangetoond, waardoor de flexibiliteit op het gebied van verwerking en fabricage verder wordt uitgebreid. Deze ontwikkelingen benadrukken het opwindende toekomstige potentieel van het materiaal als een veelgebruikt, stabiel fantoommedium voor multimodale beeldvormingstoepassingen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

LH werd gefinancierd door het MedAccel-programma van NPL, gefinancierd door het Industrial Strategy Challenge Fund van het Department for Business, Energy and Industrial Strategy. JMG ontving financiering van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in het kader van project GR 5824/1. JJ erkent de financiële steun van de Academy of Medical Sciences Springboard (REF: SBF007 \ 100007) award. SEB erkent de steun van Cancer Research UK onder subsidienummer C9545/A29580. AMI, BZ en SR werden ondersteund door het Britse Department for Business, Energy &; Industrial Strategy via financiering van het National Measurement System. Figuur 1 en Figuur 2 zijn gemaakt met 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.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Waterhouse, D. Translation of optical imaging biomarkers: opportunities and challenges. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 339-353 (2019).
  2. O’Connor, J. P. B., et al. Imaging biomarker roadmap for cancer studies. Nature Reviews Clinical Oncology. 14 (3), 169-186 (2017).
  3. Hacker, L., et al. Criteria for the design of tissue-mimicking phantoms for the standardization of biophotonic instrumentation. Nature Biomedical Engineering. 6 (5), 541-558 (2022).
  4. Laufer, J., Zhang, E., Beard, P. Evaluation of absorbing chromophores used in tissue phantoms for quantitative photoacoustic spectroscopy and imaging. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (3), 600-607 (2010).
  5. Cook, J. R., Bouchard, R. R., Emelianov, S. Y. Tissue-mimicking phantoms for photoacoustic and ultrasonic imaging. Biomedical Optics Express. 2 (11), 3193-3206 (2011).
  6. Xia, W., et al. Poly(vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 075002 (2011).
  7. Manohar, S., et al. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms. J Biomed Opt. 9, 1172 (2004).
  8. Blumenröther, E., Melchert, O., Wollweber, M., Roth, B. Detection, numerical simulation and approximate inversion of optoacoustic signals generated in multi-layered PVA hydrogel based tissue phantoms. Photoacoustics. 4 (4), 125-132 (2016).
  9. Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
  10. Spirou, G. M., Oraevsky, A. A., Vitkin, I. A., Whelan, W. M. Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics. Physics in Medicine and Biology. 50 (14), N141-N153 (2005).
  11. Bohndiek, S. E., Bodapati, S., Van De Sompel, D., Kothapalli, S. -. R., Gambhir, S. S. Development and application of stable phantoms for the evaluation of photoacoustic imaging instruments. PLoS One. 8 (9), e75533 (2013).
  12. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P. C., Cox, B. T. Characterisation of a phantom for multiwavelength quantitative photoacoustic imaging. Physics in Medicine and Biology. 61 (13), 4950-4973 (2016).
  13. Vogt, W. C., Jia, C., Wear, K. A., Garra, B. S., Joshua Pfefer, T. Biologically relevant photoacoustic imaging phantoms with tunable optical and acoustic properties. Journal of Biomedical Optics. 21 (10), 101405 (2016).
  14. Dantuma, M., van Dommelen, R., Manohar, S. Semi-anthropomorphic photoacoustic breast phantom. Biomedical Optics Express. 10 (11), 5921-5939 (2019).
  15. Jeong, E., et al. Fabrication and characterization of PVCP human breast tissue-mimicking phantom for photoacoustic imaging. BioChip Journal. 11, 67-75 (2017).
  16. Jia, C., Vogt, W. C., Wear, K. A., Pfefer, T. J., Garra, B. S. Two-layer heterogeneous breast phantom for photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (10), 1-14 (2017).
  17. Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. Stability of heterogeneous elastography phantoms made from oil dispersions in aqueous gels. Ultrasound in Medicine & Biology. 32 (2), 261-270 (2006).
  18. Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (6), 861-873 (2010).
  19. Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), N475-N484 (2007).
  20. Lazebnik, M., Madsen, E. L., Frank, G. R., Hagness, S. C. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications. Physics in Medicine and Biology. 50 (18), 4245-4258 (2005).
  21. Ramnarine, K. V., Anderson, T., Hoskins, P. R. Construction and geometric stability of physiological flow rate wall-less stenosis phantoms. Ultrasound in Medicine & Biology. 27 (2), 245-250 (2001).
  22. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102 (2006).
  23. Lamouche, G., et al. Review of tissue simulating phantoms with controllable optical, mechanical and structural properties for use in optical coherence tomography. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1381-1398 (2012).
  24. Bohndiek, S. E., Van de Sompel, D., Bodapati, S., Kothapalli, S. R., Gambhir, S. S. Stable phantoms for characterization of photoacoustic tomography (PAT) systems. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. 858308, 30-35 (2013).
  25. Fenollar, O., Sanchez-Nacher, L., Garcia-Sanoguera, D., López, J., Balart, R. The effect of the curing time and temperature on final properties of flexible PVC with an epoxidized fatty acid ester as natural-based plasticizer. Journal of Materials Science. 44, 3702-3711 (2009).
  26. Fonseca, M., Zeqiri, B., Beard, P., Cox, B. Characterisation of a PVCP-based tissue-mimicking phantom for quantitative photoacoustic imaging. European Conference on Biomedical Optics. , 953911 (2015).
  27. Heudorf, U., Mersch-Sundermann, V., Angerer, J. Phthalates: toxicology and exposure. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 210 (5), 623-634 (2007).
  28. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomed. Opt. Express. 9 (3), 1151-1163 (2018).
  29. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed molds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), 015033 (2018).
  30. Jones, C. J. M., Munro, P. R. T. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3495-3502 (2018).
  31. Ivory, A. M., Shah, A., Rajagopal, S., Zeqiri, B. Development and investigation of the acoustic properties of tissue-mimicking materials for photoacoustic imaging techniques. IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1489-1492 (2019).
  32. Grillo, F. W., Cabrelli, L. C., Sampaio, D. R. T., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Glycerol in oil-based phantom with improved performance for photoacoustic imaging. 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2017).
  33. Cabrelli, L. C., et al. Oil-based gel phantom for ultrasound and optical imaging. Biophotonics South America. SPIE. 9531, 40-46 (2015).
  34. Cabrelli, L. C., et al. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  35. Oudry, J., Bastard, C., Miette, V., Willinger, R., Sandrin, L. Copolymer-in-oil phantom materials for elastography. Ultrasound in Medicine & Biology. 35 (7), 1185-1197 (2009).
  36. Suzuki, A., et al. Oil gel-based phantom for evaluating quantitative accuracy of speed of sound measured in ultrasound computed tomography. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (9), 2554-2567 (2019).
  37. Cabrelli, L. C., Grillo, F. W., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tunable acoustic properties. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2016).
  38. Cabrelli, L. C., et al. Copolymer-in-oil phantoms for photoacoustic imaging. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE. , 1-4 (2015).
  39. Hacker, L., et al. A copolymer-in-oil tissue-mimicking material with tuneable acoustic and optical characteristics for photoacoustic imaging phantoms. IEEE Transactions on Medical Imaging. 40 (12), 3593-3603 (2021).
  40. Greenspan, M., Tschiegg, C. E. Speed of sound in water by a direct method. Journal of Research of the National Bureau of Standards. 59 (4), 249-254 (1957).
  41. Zeqiri, B., Scholl, W., Robinson, S. P. Measurement and testing of the acoustic properties of materials: a review. Metrologia. 47 (2), S156-S171 (2010).
  42. Pickering, J. W., et al. Double-integrating-sphere system for measuring the optical properties of tissue. Applied Optics. 32 (4), 399-410 (1993).
  43. Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the IEC agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
  44. Prahl, S. A. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital. 1344, 1-74 (2011).
  45. Pinkerton, J. M. M. The absorption of ultrasonic waves in liquids and its relation to molecular constitution. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62 (2), 129-141 (1949).
  46. Hu, D., Lu, R., Huang, Y., Ying, Y., Fu, X. Effects of optical variables in a single integrating sphere system on estimation of scattering properties of turbid media. Biosystems Engineering. 194, 82-98 (2020).
  47. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 3 (2018).
  48. Nikitichev, D. I., et al. Construction of 3-dimensional printed ultrasound phantoms with wall-less vessels. Journal of Ultrasound in Medicine. 35 (6), 1333-1339 (2016).
  49. West, S. J., et al. Development of an ultrasound phantom for spinal injections with 3-dimensional printing. Regional Anesthesia and Pain Medicine. 39 (5), 429-433 (2014).

Tags

Stable PhantomOptical ImagingAcoustic ImagingPhotoacoustic ImagingBiomedical OpticsUltrasoundEarly Cancer DetectionQuantitative Performance AssessmentStandardized Reference PhantomCopolymer-in-oil Material

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image