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

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

Optik ve Akustik Görüntüleme için Kararlı Bir Fantom Malzeme

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

Bu protokol, optik ve akustik biyomedikal görüntüleme uygulamaları için bağımsız olarak ayarlanabilir akustik ve optik özelliklere sahip, kararlı, biyolojik olarak ilgili bir hayalet malzemenin üretimini açıklamaktadır.

Abstract

Uzun vadeli stabilite sağlayan doku taklit biyofotonik fantom materyallerin oluşturulması, biyomedikal görüntüleme cihazlarının satıcılar ve kurumlar arasında karşılaştırılmasını sağlamak, uluslararası kabul görmüş standartların geliştirilmesini desteklemek ve yeni teknolojilerin klinik çevirisine yardımcı olmak için zorunludur. Burada, fotoakustik, optik ve ultrason standardizasyon çabalarında kullanılmak üzere kararlı, düşük maliyetli, dokuyu taklit eden yağda kopolimer malzeme ile sonuçlanan bir üretim süreci sunulmaktadır.

Baz malzeme, mineral yağ ve tanımlanmış Kimyasal Soyut Hizmet (CAS) numaralarına sahip bir kopolimerden oluşur. Burada sunulan protokol, 5 MHz’de c(f) = 1.481 ± 0,4 m·s-1 (20 °C’de suyun ses hızına karşılık gelir), akustik zayıflama α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 5 MHz’de, optik absorpsiyon μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 800 nm’de 0,005 mm-1 ile temsili bir malzeme verir, ve optik saçılma μs‘(λ) = 800 nm’de 1 ± 0,1 mm-1. Malzeme, sırasıyla polimer konsantrasyonunu veya ışık saçılımını (titanyum dioksit) ve emici ajanları (yağda çözünür boya) değiştirerek akustik ve optik özelliklerin bağımsız olarak ayarlanmasını sağlar. Farklı fantom tasarımlarının imalatı görüntülenir ve elde edilen test nesnelerinin homojenliği fotoakustik görüntüleme kullanılarak doğrulanır.

Kolay, tekrarlanabilir imalat süreci ve dayanıklılığının yanı sıra biyolojik olarak ilgili özellikleri nedeniyle, malzeme tarifi multimodal akustik-optik standardizasyon girişimlerinde yüksek umut vaat etmektedir.

Introduction

Yeni optik görüntüleme biyobelirteçlerinin hassasiyetini ve doğruluğunuteknik doğrulama 1,2 yoluyla belirlemek, klinik pratikte başarılı bir şekilde uygulanmalarını sağlamak için çok önemlidir. Bunu başarmak için, teknik doğrulama çalışmaları sıklıkla cihazlar arası performans değerlendirmesini ve rutin kalite kontrolünü kolaylaştıran dayanıklı fiziksel hayaletleri kullanır. Bir hayalet malzemenin araştırma ve klinik çeviride yaygın kullanımı için, basit, yüksek oranda tekrarlanabilir bir üretim protokolü gereklidir. İdeal bir biyofotonik fantom materyal aşağıdaki özellikleri içermelidir3: (1) biyolojik olarak ilgili aralıklarda bağımsız olarak ayarlanabilir özellikler; (2) mekanik sağlamlık; (3) uzun vadeli istikrar; (4) geometri ve mimaride esneklik; (5) güvenli elleçleme; (6) Standart bilimsel tedarikçilerden satın alınabilecek yaygın olarak bulunan içerikler; ve (7) düşük maliyetli. Şu anda, biyofotonik uygulamalar, belirtilen gereksinimleri karşılayan ve ayrıca fotoakustik görüntüleme (PAI) gibi hibrit uygulamalar için ayarlanabilir akustik özellikler içeren, yaygın olarak kabul gören bir hayalet malzeme için standartlaştırılmış bir protokolden yoksundur.

Kombine optik ve akustik uygulamalar için hedeflenen biyolojik olarak ilgili hayalet malzemeler arasında hidrojeller4,5, polivinil alkol (PVA)6,7,8,9 ve polivinil klorür plastisol (PVCP)10,11,12,13,14,15,16 bulunmaktadır . Bununla birlikte, bu malzemeler, kararlı bir hayalet malzeme olarak uygulamalarını kısıtlayan belirli sınırlamalarla karakterize edilir. Örneğin hidrojeller, dehidrasyona, mekanik hasara ve bakteri üremesine eğilimlidir ve raf ömrünü 17,18,19 sınırlar. Kimyasalların eklenmesi uzun ömürlülüğü artırabilir, ancak formaldehit20 veya benzalkonyum klorür21 gibi yaygın koruyucular tehlikelidir ve kullanım sırasında ihtiyati tedbirler gerektirir. Ek olarak, suda çözünür boyalar içeren hedefler, kapsüllenmediği takdirde baz malzeme içinde yayılabilir. PVA kriyogelleri daha yüksek bir uzun ömür ve yapısal sağlamlık ile karakterize edilir, ancak hazırlama süreçleri uzun donma-çözülme döngülerini içerir22. Bu, akustik ve optik parametrelerin bağımsız ayarlanabilirliğinisınırlayabilir 23 ve biraz değişirse homojen olmayanlara yol açabilir6, böylece tekrarlanabilirlikten ödün verebilir. Ayrıca, boyaların inklüzyonlardan difüzyonu 1 yıl sonra gözlenmiştir13. PVCP, 180-220 ° C 13,14,24,25’e kadar yüksek sıcaklıklar içeren karmaşık bir üretim sürecine sahiptir. PVCP ayrıca bilimsel tedarikçilerle26 tedarik zinciri eksikliğinden muzdariptir ve ftalatlara dayalı plastikleştiriciler içerebilir, bu da üreme ve gelişimsel zarara neden olabilir27 ve bazı ülkelerde onları kontrollü maddeler haline getirebilir.

Jel balmumu 28,29,30,31 veya termoplastik stirenik elastomerlere dayalı karışımlar 32,33,34,35,36 gibi yağ içinde polimer bileşimleri, iyi uzunlamasına stabilite sergiler ve doku benzeri akustik ve optik özelliklere sahiptir31,35,36,37, böylece multimodal uygulamalarda dayanıklı bir hayalet aday olarak yüksek potansiyele sahiptir. Ek olarak, bu malzeme sınıfı uygun maliyetli, su emici olmayan, toksik olmayan ve biyolojik olarak inert35,38’dir. Ses hızı c(f) ve akustik zayıflama katsayısı α(f), polimer konsantrasyonu33,35,39’un değişimi ile biyolojik olarak ilgili bir aralıkta (Tablo 1) ayarlanabilirken, optik absorpsiyon μa(λ) ve azaltılmış saçılma μs'(λ) katsayıları öncelikle yağda çözünür boyalar veya titanyum dioksit (TiO2) ilavesiyle değiştirilebilir39, sırasıyla.

Burada, optik, ultrason veya fotoakustik cihaz kalibrasyonunda kullanıma uygun dayanıklı yağ içinde kopolimer hayaletlerinin oluşturulması için basit, takip edilmesi kolay bir protokol sunulmaktadır. Tüm bileşenler Kimyasal Soyut Servis (CAS) numaralarını tanımlamıştır ve standart bilimsel tedarikçilerden kolayca temin edilebilir. İmalat prosedüründeki potansiyel zorluklar vurgulanır ve bunların üstesinden gelmenin yolları sunulur. Protokol, çeşitli akustik ve optik özelliklere sahip malzemelerin üretilmesine izin verirken, sunulan protokol, oda sıcaklığında (20 ° C) 40 suyun ses hızıyla hizalanan, ~ 1.481 m · s-1 ses hızına sahip bir malzeme verir. Bu değer, mevcut doku özelliklerinin geniş bir yelpazesini temsil etmek için nötr bir standart olarak seçilmiştir (Tablo 1), karşılaştırma için tutarlı ve güvenilir bir referans noktasının oluşturulmasına izin vermiştir. Bu ayrıntılı protokolü sağlayarak, bu umut verici hayalet malzeme türünün alımını ve üretim tekrarlanabilirliğini genişletmeyi, böylece biyofotonik, akustik ve fotoakustik doğrulama çalışmalarını kolaylaştırmayı ve klinik öncesi ve klinik görüntüleme uygulamalarında rutin kalite kontrolünü desteklemeyi amaçlıyoruz.

Protocol

Tablo 1: Yumuşak dokularda bulunan akustik ve optik özelliklere genel bakış. Optik özellikler 600 ila 900 nm arasında değişen bir spektrumu kapsar. Bunların yalnızca genel rehberlik sağlamayı amaçlayan temsili değerler olduğu unutulmamalıdır. Kesin değerler, deneysel duruma (örneğin, sıcaklık) ve frekansa/dalga boyuna bağlı olarak değişebilir. Literatür daha spesifik değerler sunmaktadır. *Belirli bir referans bulunamadı. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız. Verilen protokol ~ 120 mL hayalet malzeme yapmak için geliştirilmiştir. Bileşenlerin kütleleri, farklı hacimlerde hayalet malzeme yapmak için ölçeklendirilebilir. Daha büyük hacimler için (>500 mL), önerilen ekipmanın fantom karışımını homojen bir şekilde yeterince ısıtamayabileceğini lütfen unutmayın. Bu amaçla, ısıtma ekipmanı uygun şekilde uyarlanmalıdır. DİKKAT: Tüm üretim süreci boyunca daima uygun kişisel koruyucu ekipmanın (KKD) giyildiğinden emin olun. Bu, laboratuvar önlüklerinin, güvenlik gözlüklerinin ve güvenlik eldivenlerinin kullanımını içerebilir; Yerel güvenlik yönergelerine atıfta bulunun ve bunlara uyun. Prosedür Hacker ve ark.39’dan uyarlanmıştır; adımların bir özeti Şekil 1’de görüntülenir. Resim 1: Yağ içinde kopolimer malzemesinin imalatı. (1) Optik saçılma ve absorpsiyon için malzemeler mineral yağa eklenir ve (2) çözünene kadar 90 ° C’de sonikleştirilir. (3) Polimer (ler) ve stabilizatör eklenir ve (4) karışım bir yağ banyosunda düşük karıştırma altında 160 ° C’ye ısıtılır. (5) Tüm bileşenlerin çözünmesi üzerine, numune uygun bir hayalet kalıba dökülür ve (6) oda sıcaklığında sertleşmeye bırakılır. Bu rakam Hacker et al.39’dan çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. 1. Karışımın hazırlanması 40 mL mineral yağa 0.4 g Nigrosin ekleyerek Nigrosin stok çözeltisini hazırlayın. Sonikasyon ve numunenin tam vorteks ile homojen karıştırma sağlayın. Stok çözeltisini oda sıcaklığında saklayın.NOT: Yeniden kullanmadan önce stok çözeltisi daima iyice karıştırılmalıdır. Optik saçıcı (TiO 2) veya emici (boya) içermeyen bir hayalet malzeme tercih edilirse, adım 1 ve2 atlanabilir. 3. adımla devam edin. Tüm bileşenler tamamen çözülene kadar (~ 60 dakika) 100 mL (83.8 g) mineral yağda 0.15 g TiO 2 ve 1 mL boya stok çözeltisini sonikleştirin (Şekil 1: adım 1 ve2). Ekipman izin veriyorsa, sonikatörünü yüksek sıcaklıklara (90 ° C) ayarlayın, çünkü bu karıştırma işlemini kolaylaştırır. Sonikasyon süresi boyunca 3-5 adımlarıyla devam edin.NOT: Daha yüksek emici ve saçılma özelliklerine sahip bir hayalet tercih edilirse, sonikasyon süresinin uzatılması gerekebilir. Polistiren-blok-poli(etilen-ran-bütilen)-blok-polistiren (SEBS) ve alçak yoğunluklu polietilenleri (LDPE) istenen konsantrasyonlarda tartın (örneğin, SEBS = 25.14 g; LDPE = 6.70 g) (Şekil 1: adım 3).İsteğe bağlı: Stabiliteyi artırmak için bir antioksidan eklenebilir, ancak ısıtma sıcaklıkları 180 ° C’yi geçmezse zorunlu değildir.NOT: Üretim sürecinin sonraki bir aşamasında çözünürlük veya viskozite sorunlarıyla karşılaşılması durumunda, LDPE’nin hariç tutulması önerilir. LDPE, malzemedeki ses hızını artırmak için dahil edilmiştir (Tablo 3); Ancak, istikrarlı bir hayalet oluşturmak için zorunlu değildir. LDPE’yi atlayarak, üretim ve kalıplama süreci basitleştirilebilir, ancak nihai malzemenin sonraki ses hızında bir azalmaya neden olacaktır (Tablo 3). Uygun cam eşya ve silikon yağı kullanarak bir yağ banyosu oluşturun; ocak plakasına dikkatlice sabitleyin. Termokuplın silikon yağ banyosunda kaldığından ve prosedür boyunca cam eşyaların kenarlarına temas etmediğinden emin olun (Şekil 2).NOT: Termoregülasyon aksesuarının, ekipman üreticisi tarafından talimat verildiği şekilde dikkatlice monte edildiğinden emin olun. Eşit ısı dağılımını sağlamak için yağ banyosunun içine yeterli uzunlukta manyetik bir karıştırma çubuğu yerleştirin. Ocakta kapağı açın, ısıtma sıcaklığını 160 ° C’ye ayarlayın ve karıştırıcının dakikadaki devir sayısını (rpm) 50’ye ayarlayın. LDPE ve SEBS’yi sonikasyonlu mineral yağı içeren cam beher içine aktarın (TiO2 ve Nigrosin ile). Cam kabın içine yeterli uzunlukta manyetik bir karıştırma çubuğu yerleştirin ve ölçülen bileşenlerin ısıtılması için yağ banyosunun ortasına aktarın. Banyodaki yağ seviyesinin, beherin içindeki mineral yağ seviyesinin üzerinde kaldığından emin olun (Şekil 1: adım 4). 2. Karışımın ısıtılması Herhangi bir aşamada, eklenen polimer mineral yağ üzerinde yüzüyor gibi görünüyorsa, mineral yağ çözeltisini metalik bir spatula kullanarak manuel olarak karıştırın, böylece yüzen herhangi bir polimer mineral yağın içine dağıtılır. Isıya dayanıklı eldivenler giyin. Tüm polimer çözünene ve çözelti pürüzsüz ve homojen bir dokuya (~ 1,5 saat) eşit şekilde karıştırılmış görünene kadar karışımı 160 ° C’de bırakın. 3. Vakumlama NOT: Hava kabarcıklarının giderilmesi için, mevcut ekipmana bağlı olarak aşağıdaki adımları izleyin. Sıcak kabı dikkatlice vakum odasına yerleştirin ve numuneleri en yüksek ayarda (en düşük vakum ) 2-3 dakika vakumlayın. Yüzeyde biriken hava kabarcıklarını dikkatlice çıkarmak için metalik bir spatula kullanın. Bu adımdan sonra hala hava kabarcıkları varsa, karışımı tekrar ısıtın ve tüm hava kabarcıkları çıkarılana kadar vakumlama adımını tekrarlayın. Vakumlu fırını açın ve 160 ° C’ye kadar ısıtın. İstenilen sıcaklığa ulaştığında, beheri çözelti ile vakum fırınına aktarın.NOT: Beheri daima ısı koruyucu eldivenlerle tutun.Vakumu mevcut en yüksek ayara (en düşük vakum) getirin. Çözeltinin üstünde bir köpük tabakası oluşmuşsa, vakumu kapatın ve kabarcıkları bir spatula kullanarak yüzeyden çıkarın (tüm hava kabarcıkları çıkarılana kadar bu adımı tekrarlayın). Beheri vakumlu fırında en yüksek vakum ayarında 1 saat bekletin.NOT: Vakumlu fırını temiz tutmak için, silikon yağı kabının dış yüzeyini bir kağıt havlu ile temizleyin. 4. Numunelerin kalıba dökülmesi Numuneleri numune kalıplarına dökmeden önce, gerekirse karışımın yüzeyinde kalan hava kabarcıklarını bir spatula ile çıkarın. Çözeltiyi, ısıya dayanıklı eldivenler giyerek veya yeterli koruyucu ekipman kullanarak uygun bir kalıba dikkatlice dökün. Herhangi bir hava kabarcığının oluşma olasılığını azaltmak için düşük bir yükseklikten düzgün ve sabit bir şekilde döküldüğünden emin olun (Şekil 1: adım 5). Karmaşık şekillere sahip kalıplar için, kürlenmiş numunenin çıkarılmasını kolaylaştırmak için dökmeden önce kalıbı ince bir yağ tabakasıyla (mineral yağ [örneğin, hint veya silikon yağı] hariç) kaplayın.NOT: Kalıpların fırında ön ısıtılması, daha yüksek numune homojenliği elde edilmesine yardımcı olabilir. Döküldükten sonra metalik bir spatula ile numunelerin üstündeki hava kabarcıklarını hızlı bir şekilde çıkarın. Karışım içinde çok sayıda hava kabarcığı birikmişse, kalıbın tipinin ve şeklinin izin vermesi koşuluyla vakum adımını tekrarlayın. Çözeltinin oda sıcaklığında ayarlanmasına izin verin. Daha küçük numuneler 2 saatten daha kısa sürede kürlenebilse de, eksik kürlenme riskini ortadan kaldırmak için numuneleri gece boyunca bırakın. Numuneleri oda sıcaklığında saklayın (Şekil 1: adım 6). 5. Görüntü alma Görüntü yakalama için, hayaleti görüntüleme cihazının görüş alanına yerleştirin. PAI veya ultrason sistemleri için, hayalet yüzeyin ultrason dönüştürücüsüne akustik bağlantısını, örneğin ultrason jeli veya su ile gerçekleştirin.NOT: Protokol doğru bir şekilde izlenmişse, hiçbir homojensizlik görüş alanını bozmamalıdır. Özel fantom tutucular, ölçümler arasında tekrarlanabilir numune konumlandırmasına yardımcı olabilir. Edinme sıcaklığı hayaletin depolama sıcaklığından farklıysa, hayalet sıcaklığın çevreyle dengelenmesine izin verin. Bir görüntü edinin. 6. Malzeme karakterizasyon ölçümleri NOT: Malzeme karakterizasyon ölçümlerinin amacı, malzemenin optik ve akustik özelliklerinin doğrulanmasıdır. Fantom fabrikasyon protokolünün yüksek tekrarlanabilirlik39 gösterdiği unutulmamalıdır, bu nedenle takip eden genel ölçüm protokolleri yalnızca daha fazla doğrulama çalışması istendiğinde rehberlik olarak sağlanmaktadır. Ölçümlerin bireysel adımları, kullanılan karakterizasyon ekipmanına bağlı olacaktır. Burada, akustik karakterizasyon için geniş bant üzerinden iletim ikame yöntemi41’e (İngiltere Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda (NPL) mevcut) dayanan bir sistem ve optik karakterizasyon için şirket içi bir çift entegre küre (DIS) sistemi (42’ye dayanarak) kullanılmıştır. Karakterizasyon sistemlerinin kurulumu Ek Şekil 1’de gösterilmiştir. Ölçüm kurulumları (akustik43; optik 42,44) ve ölçüm prosedürü39 hakkında ek ayrıntılar başka yerlerde bulunabilir. Ölçüm prosedürü, kullanılan her bir spesifik karakterizasyon sistemine göre uyarlanmalıdır. Akustik karakterizasyonNOT: Akustik karakterizasyon ölçümleri, darbe üretimi için 10 MHz merkez frekanslı ultrason transdüseri (aktif eleman çapı 10 mm) ve darbe tespiti için geniş bant hidrofon (30 mm aktif eleman çapı bilaminar membran hidrofonu) kullanan bir sisteme dayanmaktadır (her ikisi de deiyonize su ile dolu bir su tankına yerleştirilir; 112 cm x 38 cm x 30cm3 boyutlarındadır)). Dönüştürücü bir darbeci alıcı tarafından tahrik edilir. Dalga formları bir osiloskop kullanılarak elde edilir. Kurulum ve ölçüm prosedürü hakkında daha fazla ayrıntı (ölçümler üzerinde sisteme özgü B tipi etkiler dahil) 43’te bulunabilir.Ölçüm kurulumuna uygun numuneler hazırlayın (örneğin, bu durumda, 7-8 cm çapında ve 6-9 mm kalınlığında dairesel numuneler). Numunelerin homojen bileşimde olduğundan ve safsızlık, hava kabarcığı veya yüzey düzensizliği içermediğinden emin olun. Vernier kaliperleri kullanarak test numunesinin kalınlığını ölçün ve kalibre edilmiş bir termometre kullanarak su tankının sıcaklığını kaydedin. Numuneyi sisteme yerleştirin. Numunenin sistemin bileşenleriyle doğru şekilde hizalandığından emin olun.NOT: Gimbal montajı43’e dayanan otomatik olarak kontrol edilen bir numune tutucu, numunenin dönüşünün ve eğiminin hassas kontrolüne yardımcı olabilir. Her ölçüm seti için dört akustik darbe elde edin: akustik yolda numune bulunmayan bir referans su darbesi; numune yoluyla iletim; ve vericide numunenin ön ve arka yüzeylerinden alınan akustik yansımalar. Numunenin akustik özelliklerini ölçümlerden elde edin. (1)43 denklemini kullanarak c(f) sesinin hızını (m·s−1 cinsinden) hesaplayın.(1)C W, su sesinin sıcaklığa bağlı hızını gösterir ve θ1 (F), Θ2 (F), θ W (F) ve θS (F), sırasıyla önden yansıyan, geri yansıtılan, su içinden ve numune içinden voltaj darbelerinin karşılık gelen sarılmamış faz spektrumlarıdır. Malzemenin frekansa bağlı zayıflama katsayısı (αi(f)), denklem (2)43’te gösterilen iki örneklemli ikame tekniği kullanılarak elde edilebilir.(2)U w (f) ve Us (f), su ve numune yoluyla darbenin ilgili voltaj büyüklüğü spektrumlarıdır αw (f), spesifik su tankı sıcaklığı45’te saf suyun ultrasonunun (dB · cm-1 cinsinden) zayıflama katsayısıdır ve d 1 ve d 2 (d2 >d 1) iki numune kalınlığıdır.NOT: Mevcut protokol için, ara yüz kayıplarını hesaba katan zayıflama değerlendirilmiş ve etkisinin ihmal edilebilir olduğu bulunmuştur. Ölçümü, test numunesi üzerinde farklı konumlarda üç defadan fazla tekrarlayın. Nihai numune değerini elde etmek için ölçümlerin ortalama ve standart sapmasını hesaplayın. Optik karakterizasyonNOT: Optik test için, iki optik fiber aracılığıyla iki spektrometreye bağlanan iki entegre küre (50 mm iç çap) kullanan çift entegre bir küre sistemi (42’ye dayanarak) kullanılmıştır. Yansıtma küresi, üçüncü bir optik fiber aracılığıyla bir ışık kaynağına bağlanır.Ölçüm kurulumuna uygun numuneler hazırlayın (örneğin, bu durumda, genişliği 5,9 cm, yüksekliği 1,8 cm ve kalınlığı 2 ila 3 mm arasında değişen dikdörtgen numuneler). Numunelerin homojen bileşimde olduğundan ve safsızlık, hava kabarcığı veya yüzey düzensizliği içermediğinden emin olun. Işık kaynağını açın ve üreticinin talimatlarına göre dengelenmesini bekleyin (örneğin, 15 dakika). Vernier kumpaslarını kullanarak numunenin kalınlığını belirleyin. Varsa, ölçüm için dalga boyu aralığını ve adım boyutunu belirtin (örneğin, 1 nm adım boyutuyla 450-900 nm). İletim ve yansıtma küresi için referans ölçümlerini kaydedin.Yansıtma küresi için, önce geçirgenlik küresi çıkarılmış ve ışık kaynağı açıkken yansıma değeri R0’ı kaydederek açık bağlantı noktası ölçümü yapın. Ardından, yansıtma küresinin önünde tutulan bir referans standardıyla yansıma değeri R1’i kaydedin (ışık kaynağı açık). Geçirgenlik küresi için, önce hizalanmış yansıma ve geçirgenlik küreleri ve ışık kaynağı kapalıyken geçirgenlik değeri T0’ı kaydederek bloke edilmiş bir ışın ölçümü yapın. Ardından, hizalanmış yansıma ve geçirgenlik küreleri ve ışık kaynağı açıkken geçirgenlik değeri T1’i kaydederek bir olay ışını ölçümü yapın.NOT: Toz veya diğer kirleticilerin yapışması bileşenlerin performansını etkileyebileceğinden, ölçümler için kürelerin temiz bir yüzeyi ve referans standardı sağlanmalıdır46. Örneği kürelerin arasına yerleştirin. Yansıma Rs ve geçirgenlik Ts değerlerini ölçün. Numunenin sıkıştırılmadığından emin olun, çünkü bu ölçüm doğruluğunu etkileyebilir. Bir kürenin motorlu bir aşamaya yerleştirilmesi, ölçülen numune kalınlığına uyarlayarak küreler arasındaki mesafeyi doğru bir şekilde kontrol etmeye yardımcı olabilir. Normalleştirilmiş yansıma M R ve geçirgenlik MT değerlerini (3) ve (4)42 denklemlerini kullanarak hesaplayın.(3)(4)RSTD , yansıtma standardından yansıyan yoğunluğu gösterir. Ölçülen değerleri, malzemenin optik özelliklerini tahmin etmek için ters iki katına çıkarma (IAD) programına (kaynak kodu: http://omlc.org/software/iad/)44 girin.NOT: Önceki raporlara dayanarak, saçılma anizotropi faktörü (g) g = 0.7 ve kırılma indisi n = 1.4 30 olarak alınabilir. Ölçümü, test numunesi boyunca farklı pozisyonlarda en az üç kez tekrarlayın. Nihai numune değerini elde etmek için ölçümlerin ortalama ve standart sapmasını hesaplayın.

Representative Results

Bu tarifi takiben, fotoakustik görüntüleme amacıyla, farklı optik aydınlatma ve akustik algılama geometrilerine sahip farklı sistem tasarımları için hedeflenen üç temsili fantom tasarımı oluşturulmuştur (Şekil 3A). Fantom hazırlama prosedürü başarılı bir şekilde gerçekleştirilirse, hayalet malzeme sıkışmış hava kabarcıkları veya safsızlıklar olmadan pürüzsüz ve homojen görünür ve elde edilen görüntüde hiçbir artefakt görülemez (burada fotoakustik görüntüleme kullanılarak görselleştirilmiştir; Şekil 3B,C). Protokol, ses hızı c(f) = 1481 ± 0,4 m·s-1 (20 °C40’ta suyun ses hızına karşılık gelir), akustik zayıflama α(f) = 6,1 ± 0,06 dB·cm-1 (her ikisi de 5 MHz’de), optik absorpsiyon μa(λ) = 0,05 ± 0,005 mm-1 ve optik saçılma μs'(λ) = 1 ± 0,1 mm-1 ile temsili bir malzeme verir (her ikisi de 800 nm’de) (belirsizlik, farklı operatörler tarafından bağımsız olarak üretilen n = 3 partiden standart sapmayı gösterir; tüm ölçümler oda sıcaklığında [20 ° C] gerçekleştirilmiştir). Optik saçılma katsayısı, TiO 2’nin varyasyonu ile ayarlanabilirken, optik absorpsiyon katsayısı, burada Nigrosin ile gösterilen yağda çözünür herhangi bir boyanın eklenmesiyle ayarlanabilir (Tablo 2 ve Şekil 3D). Tablo 2’deki değerler kas veya meme gibi daha düşük emici ve saçılan dokulara odaklanmış olsa da (Tablo 1), daha yüksek konsantrasyonlarda emici ve saçılımcılar eklemede herhangi bir zorlukla karşılaşmadık. Bununla birlikte, daha yüksek konsantrasyonlarda optik saçılımcıların / emicilerin eklenmesi, çözeltinin homojen bir şekilde karıştırılmasını sağlamak için daha uzun sonikasyon süreleri gerektirebilir. Akustik zayıflama ve ses hızı, polimer konsantrasyonunun değişimi ile ayarlanabilir (Tablo 3). Burada, ayar şu ana kadar ~ 1.450-1.516 m · s-1 ses aralığı hızıyla sınırlıdır. İlgili polimer konsantrasyonlarının düşük olması, numunenin düşük fiziksel stabilitesine neden olabilir ve bu da zamanla plastik deformasyona neden olabilir34. Daha yüksek polimer konsantrasyonları kırılganlığa ve malzemenin düzensiz bir dokusuna neden olur. Akustik özelliklerin aralığı, meme veya yağ gibi dokuları taklit etmeye yardımcı olabilir (c = 1.450-1.480 m · s − 1), ancak kas veya böbrek gibi dokular için yetersiz olabilir (c > 1.520 m · s − 1; Tablo 1). Fantom preparatındaki yaygın hata kaynakları, hava kabarcıklarının yetersiz çıkarılmasını ve baz bileşenlerin homojen olmayan şekilde karıştırılmasını içerir (Şekil 4). Bu, sırasıyla vakumlama ve dikkatli dökme ve karıştırma / vorteks ile en aza indirilebilir. Şekil 2: Fantom üretimi için deneysel kurulum. Fantom bileşenleri içeren cam beher, yağ banyosunun yüzeyleri ile cam beher arasında doğrudan teması önlemek için bir kelepçe kullanılarak silikon yağ banyosuna yerleştirilir. Sıcak plakadaki sıcaklık geri bildirimi, dikkatli sıcaklık kontrolü sağlar. Manyetik karıştırıcılar hem silikon yağının hem de hayalet bileşenlerin karıştırılmasını sağlar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: Fantom fabrikasyon prosedürünün temsili sonuçları . (A) Farklı fotoakustik görüntüleme sistemlerinde uygulama için çok yönlülük gösteren çeşitli fantom tasarımları. Solda: yüksek çözünürlüklü görüntüleme sistemlerini test etmek için tasarlanmış farklı derinliklerde (0,5, 1,5 ve 2,5 mm; hedefler arası mesafe 1,25 mm) gömülü dizelere sahip küçük dikdörtgen hayalet; orta: tomografi sistemlerini test etmek için tasarlanmış, yeşil ve mor yağda çözünür bir boya kullanan iki inklüzyona sahip silindirik fantom (12 mm’lik inter-inklüzyon mesafesi); sağda: El tipi bir sistemi test etmek için tasarlanmış, farklı derinliklerde (6 mm, 10 mm ve 14 mm; 3,5 mm’lik dahil etme mesafesi) gömülü kanallara sahip büyük dikdörtgen fantom. (B) Ticari bir fotoakustik görüntüleme sistemi ile 532 nm’de elde edilen, gömülü dizelere sahip dikdörtgen hayaletin örnek fotoakustik görüntüsü. (C) Ticari bir fotoakustik görüntüleme sistemi ile 800 nm’de elde edilen silindirik tomografik hayaletin örnek fotoakustik görüntüsü. (D) Nigrosin konsantrasyonlarını artırarak optik absorpsiyon konsantrasyonlarını artıran hayaletler (görüntüdeki toplam mineral yağ hacminin ağırlık yüzdesi olarak verilen konsantrasyonlar). Şekil 3B,C, Hacker ve ark.39’dan çoğaltılmıştır. Ölçek çubukları = 10 mm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: Yaygın hayalet başarısızlıklar . (A,B) Baz matrisinin içinde sıkışmış hava kabarcıklarını gösteren fotoğraflar. (C) Temel bileşenlerin yetersiz karıştırılması, ortaya çıkan fotoakustik görüntüde homojensizliklere (kırmızı oklar) yol açar. Ölçek çubuğu = 5 mm (A). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. Tablo 2: Optik absorpsiyon (μa) ve saçılma (μs’) değerlerinin ayarlanmasına tablosal bakış. Yüzde değerleri, baz çözeltinin toplam hacmine (mineral yağ, sütun 1) ve hayalet malzemenin toplam ağırlığına (sütun 2) ağırlık yüzdesi olarak verilir. Nigrosin konsantrasyonları, mutlak Nigrosin’in toplam miktarını gösterir (stok çözeltisi değil). Tüm numuneler antioksidan olarak% 5 bütillenmiş hidroksitoluen içeriyordu (isteğe bağlı). n = Numune başına 3 ölçüm. Tablonun görsel bir temsili Hacker et al.39’da bulunabilir. Kısaltma: neg = ihmal edilebilir. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız. Tablo 3: Akustik zayıflama (α) ve ses hızı (c) değerlerinin ayarlanmasına tablosal bakış. Doğrusal olmayan en küçük kareler bağlantısından elde edilen α 0 ve n parametreleri ile α0 fn güç yasası ile tanımlanmıştır (n = numune başına 4 ölçüm). F, frekansı MHz cinsinden gösterir. Yüzde değerleri, baz çözeltinin (mineral yağ) toplam ağırlığına ağırlık yüzdesi olarak verilir. Tüm numuneler antioksidan olarak% 5 bütillenmiş hidroksitoluen içeriyordu (isteğe bağlı). Tablonun görsel bir temsili Hacker et al.39’da bulunabilir. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız. Ek Şekil S1: Doğrulamalar için kullanılan akustik ve optik karakterizasyon sistemlerinin kurulumu. Akustik zayıflama katsayısının ve ses hızının belirlenmesi için akustik karakterizasyon sisteminin bir fotoğrafı (A) ve şeması (B) görüntülenir. Tek tek sistem bileşenleri, fotoğrafta ve şemada HP (HydroPhone), S (Örnek) ve T (Dönüştürücü) ek açıklamalarıyla gösterilir. Optik absorpsiyon katsayısının ve azaltılmış saçılma katsayısının değerlendirilmesi için çift bütünleşen küre sisteminin bir fotoğrafı (C) ve şeması (D) gösterilmiştir. Tek tek sistem bileşenleri, fotoğraf ve şemada S (Örnek), RS (Yansıtma Küresi), TS (İletim Küresi), OF (Optik Fiber) ve MS (Motorlu Aşama) ek açıklamalarıyla gösterilir. Bu rakam Hacker et al. 39’dan çoğaltılmıştır. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Burada, multimodal akustik ve optik biyomedikal görüntüleme uygulamalarında kalibrasyon ölçümleri ve standardizasyon için hayaletler oluşturmak üzere kullanılabilecek kararlı, biyolojik olarak ilgili bir malzeme için çok yönlü bir reçete sağlamayı amaçlayan bir protokol sunulmaktadır. Malzemenin daha önce zaman içinde kararlı olduğugösterilmiştir 39, partiden partiye tekrarlanabilirliği yüksek, kullanımı güvenli ve standart bilimsel tedarikçilerden kolayca temin edilebilen, uygun maliyetli bileşenlerden oluştuğu. Malzeme özellikleri, ilgili akustik ve optik rejimler arasında bağımsız olarak ayarlanabilir. Ayrıca, mekanik olarak sağlam ve suda çözünmez, böylece kaba kullanıma dayanır ve ultrasonik / fotoakustik araştırmalarda kullanılan su bazlı bağlantı maddelerine karşı etkisizdir. Aynı veya farklı malzeme türlerinden oluşan farklı inklüzyon türleriyle farklı hayalet tasarımların oluşturulabileceği vurgulandı. Bu özellikler göz önüne alındığında, malzeme ideal bir biyofotonik hayalet için yukarıda belirtilen temel kriterleri yerine getirir ve mevcut diğer doku taklit eden malzemelere kıyasla önemli avantajlar gösterir3. Tam üretim sürecini detaylandırarak, imalat prosedüründen kaynaklanan varyasyonları en aza indirmeyi ve böylece görüntüleme sistemlerinin performansını kalibre etmek, doğrulamak ve izlemek için kullanımını optimize etmeyi umuyoruz.

Üretim süreci için kritik olan iki önemli adım belirlenmiştir. İlk olarak, homojen bir malzemenin oluşturulması için bileşenlerin iyice karıştırılması ve eşit şekilde ısıtılması gerekir. Karıştırma için bir sonikatör ve manyetik karıştırıcı ve ısıtma için bir yağ banyosu kullanmak, malzeme bileşenlerinin taban matrisi içinde eşit dağılımını sağlar. Yağ banyosunun çok yüksek sıcaklıklara (>180 ° C) ulaşmamasına dikkat edilmelidir, çünkü bu, malzeme bileşenlerinin oksidasyonuna neden olacak ve sarımsı renk bozulmasına neden olacaktır. Manuel karıştırma, karıştırma işlemini destekleyebilir ve malzeme-hava arayüzünden gelen yetersiz ısıtmayı telafi edebilir. Malzemenin homojen bir bileşimini sağlamak için daha yüksek bir TiO2 ve / veya polimer konsantrasyonu kullanıldığında sonikasyon ve karıştırma süresinin uzatılması gerekebilir. İkincisi, baz matrisi içinde heterojenliklerin oluşumunu önlemek için hava kabarcıklarının çıkarılması gerekir. Bu bir vakum pompası veya fırın ile sağlanabilirken, malzeme içindeki sıkışma havasını en aza indirmek için düşük bir yükseklikten dikkatli bir şekilde dökme de yapılmalıdır.

Malzemenin önemli bir avantajı, termoplastik özellikleridir (SEBS polimerinden türetilmiştir), akustik ve optik özellikleri üzerinde önemli bir etki yaratmadan yeniden ısıtılmasına ve yeniden kalıplanmasına izin verir39. Bununla birlikte, yeniden ısıtmanın kademeli ve dikkatli bir şekilde yapılması gerekir, çünkü malzeme çok hızlı bir şekilde yeniden ısıtılırsa kolayca yanabilir ve oksitlenebilir. LDPE, SEBS ile aynı termoplastik davranışı sergilemediğinden, daha yüksek LDPE konsantrasyonları kullanıldığında yeniden ısıtma da daha zor hale gelir.

Protokolün çeşitli sınırlamaları devam etmektedir. Polimerlerin yüksek erime sıcaklığı (150 ° C) nedeniyle, hayalet kalıpların cam veya paslanmaz çelik gibi ısıya dayanıklı bir malzemeden yapılması gerekir. Ek olarak, akustik özellikleri ayarlamak için yüksek bir polimer konsantrasyonu kullanılırsa, malzeme sıvı halde oldukça viskozdur ve bu da küçük görüntüleme hedeflerinin doldurulmasını zorlaştırır. Son olarak, akustik özelliklerin ayarlanması şimdiye kadar meme veya yağ gibi taklit dokuları destekleyen ~ 1450-1.516 m · s-1 ses aralığı hızıyla sınırlıdır (c = 1.450-1.480 m · s − 1), ancak kas veya böbrek gibi dokular için yetersiz olabilir (c > 1.520 m · s − 1). Akustik zayıflamanın eşlik eden değişimi de dikkate alınmalıdır.

Burada, malzemenin ultrason ve optik görüntüleme uygulamaları için kararlı bir hayalet olarak uygulanmasını vurguladık. Bununla birlikte, yağ içinde kopolimer materyallerin elastografi uygulamalarında da değerli olduğu gösterilmiştir35 ve potansiyel olarak manyetik rezonans görüntüleme gibi daha ileri görüntüleme modaliteleriyle uyumluluğa izin verebilir. Fantomların artan anatomik gerçekçiliği, benzer çalışmalardagösterildiği gibi 3D baskılı kalıplar kullanılarak elde edilebilir 29,47,48,49. İlk çalışmalar, malzemenin kendisinin 3D yazdırılabilirliğini de göstermiş ve işleme ve imalat açısından esnekliğini daha da genişletmiştir. Bu gelişmeler, malzemenin multimodal görüntüleme uygulamaları için yaygın olarak kullanılan, kararlı bir hayalet ortam olarak heyecan verici gelecekteki potansiyelini vurgulamaktadır.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

LH, NPL’nin İş, Enerji ve Endüstriyel Strateji Bakanlığı’nın Endüstriyel Strateji Mücadelesi Fonu tarafından finanse edilen MedAccel programı tarafından finanse edildi. JMG, Deutsche Forschungsgemeinschaft’tan (DFG, Alman Araştırma Vakfı) GR 5824/1 projesi kapsamında fon aldı. JJ, Tıp Bilimleri Akademisi Springboard (REF: SBF007\100007) ödülünün finansman desteğini kabul eder. SEB, İngiltere Kanser Araştırmaları’nın C9545/A29580 hibe numarası altındaki desteğini kabul eder. , BZ ve SR, Ulusal Ölçüm Sistemi’nin finansmanı yoluyla İngiltere İş, Enerji ve Endüstriyel Strateji Bakanlığı tarafından desteklenmiştir. Şekil 1 ve Şekil 2 BioRender ile oluşturulmuştur.

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