Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation Karriere nicht zu vergeben. CBET 1254767 und National Institute of Allergy and Infectious Diseases gewähren keine. R01 AI104960. Wir erkennen dankbar Patrick Griffin und Dan Tran für ihre Unterstützung mit Charakterisierung Messungen und der Texas A & M Herz-Kreislauf-Pathologie-Labor für die Mikro-CT-Bildgebung.

1. Auswahl und Überprüfung der Matrix Materialeigenschaften
<ol><li>Finden Sie bevor Sie beginnen den phantom Fertigungsprozess (Abbildung 1) die Absorption und die reduzierte Streuung Koeffizienten für das biologische Gewebe auf der bildgebenden Wavelength(s) von Interesse. Vorläufige Schätzungen finden Sie in den Referenzen35,36. Validierung der optischen Koeffizienten kann jedoch erforderlich sein.</li>
	<li>Mit der Nachschlagetabellen für Absorptionskoeffizient µeinund reduzierte Streuung Koeffizient µs', 488, 535, 632 und 775 nm Wellenlängen (Tabellen 1 – 4 und Zahlen 2– 3), wählen Sie die Konzentrationen von Tusche und Titandioxid (TiO2), die die gewünschten optischen Eigenschaften anzugleichen. Diese Rezepte sind spezifisch für Phantome mit PDMS hergestellt. Da diese Tabellen Versuchsdaten bei diskreten Wellenlängen bereitstellen, kann Optimierung der Rezeptur für die jeweilige Anwendung erforderlich sein.</li>
	<li>
Eine Polydimethylsiloxan (PDMS) Platte aus dem ausgewählten Rezept für die Bestätigung der optischen Eigenschaften herzustellen.
	<ol>
<li>Mit einem Verhältnis 10:1 im Gewicht von PDMS Harz Härtemittel, Gießen Sie Zutaten in den Mixbecher in folgender Reihenfolge: PDMS Harz, TiO2, Tusche, PDMS Härtemittel. Hinweis: Hier testen wir zwei Rezepte: (1) 2 mg TiO2 + 3,5 µL Tusche pro g PDMS und 2) 1 mg TiO2 + 10 µL Tusche pro g PDMS. Für jedes Rezept werden mit den entsprechenden Beträgen der optischen Partikel 4,5 g PDMS Harz und 0,45 g PDMS Härtemittel verwendet.</li>
		<li>Mischen Sie in einem Geschwindigkeit-Mischer (siehe Tabelle der Materialien) für 60 s. Wenn TiO2 Partikel zum Mischen stick Tasse (vermutlich mit hohen Konzentrationen von TiO2), Mischen von hand, um die Partikel aus dem Boden des Bechers zu entfernen und mischen im Mixer für weitere 30 s.</li>
		<li>Den Teig in Brunnen oder Petrischalen zu dünn (0,1-1 mm) Platten des Gemisches.</li>
		<li>Degas die Platten für 10 min indem man sie in einem luftdichten Unterdruck-Kammer, dann legen Sie im vorgeheizten Backofen bei 80 ° C für 30-60 min. aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen.</li>
		<li>Entfernen Sie die abgekühlte Polymer-Platte aus dem Behälter. Schneiden Sie die Kanten, eine flache, gleichmäßige Platte zu verlassen. Messen Sie die Dicke der Platte mit Bremssättel.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Messen Sie Transmission (T) und Reflexion (R) des Slab(s) mit einer Ulbricht-Kugel. Weitere Informationen und Anweisungen finden Sie in der inversen hinzufügen Verdoppelung (IAD) manuelle37.
	<ol>
<li>Schalten Sie die Lichtquelle und Spektrometer der integrierenden Kugel Setup. Prüfen Sie die Ausrichtung des Systems auf ein kleines sicherzustellen, kollimierten Strahl konzentriert sich auf die ein- und Ausreise Häfen der Ulbricht-Kugel.</li>
		<li>Kalibrieren Sie die Integration von Kugel-System.<ol>
<li>Schalten Sie die Quelle, Kappe die Ausgangsöffnung der Ulbricht-Kugel und drei dunkle Spektren aufnehmen.</li>
			<li>Schalten Sie die Quelle wieder ein, um die Getriebe-Referenz mit der Ausgangsöffnung gekappt und der Eintrittsöffnung leer zu erhalten. Zeichnen Sie drei Spektren.</li>
			<li>Erhalten Sie Reflexionsgrad Referenzmessungen mit Reflexion Standard(s). Platzieren Sie jede Norm an die Ausgangsöffnung der Kugel. Zeichnen Sie drei Spektren für jede Reflexion standard.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Messen Sie die Durchlässigkeit der Platte. Legen Sie mit der Kappe auf die Ausgangsöffnung die Platte auf den Anschluss der Ulbricht-Kugel für die Transmissionsmessung. Zeichnen Sie drei Spektren.</li>
		<li>Messen Sie die Reflexion der Platte. Nehmen Sie die Ausfahrt Hafen Kappe und legen Sie die Platte auf die Ausgangsöffnung für die Messung der Reflexion. Zeichnen Sie drei Spektren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Bestimmen Sie optische Eigenschaften mit IAD Software. Eine vollständige Anleitung zur Software finden Sie im Handbuch IAD mit dem Software-Download-37,-38.
	<ol>
<li>Durchschnitt der drei Spektren für jede Messung erworben.</li>
		<li>Konvertieren Sie mit Hilfe der Gleichungen in der IAD manuelle37, diese Messungen in R und T-Werte. Falls erforderlich, kondensieren Sie die Dateien durch die Reduzierung der Abtastrate des Spektrums.</li>
		<li>IAD bereiten Sie die Eingabe .rxt Datei (Supplemental Material 1 vor) mit Wellenlängen, Reflexion, Transmission und Probendicke wie in der IAD manuelle37beschrieben. Navigieren Sie mithilfe der Eingabeaufforderung (Windows OS) oder Terminal (Mac OS), um den richtigen Pfad. Geben Sie "Iad" input File Name"" zu laufen IAD. Die Software erzeugt eine Ausgabe-Text-Datei mit den geschätzten optischen Eigenschaften.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Die optischen Eigenschaften sind nicht innerhalb eines akzeptablen Bereichs (~ 15 %) der gewünschten Werte, ändern Sie das Rezept entsprechend und wiederholen Sie Schritte 1,3 – 1,5.</li>
</ol>2. Vorbereitung des auflösbare 3D gedruckt interne Struktur
<ol><li>Design Innenstruktur mit Computer aided Design (CAD) Software. Eine Stereolithographie-Datei für die Fertigung auf einem 3D Drucker umwandeln Sie Struktur Volumenmodell. Wenn verfügbar, ein segmentierter CT-Scan auch eine Stereolithographie-Datei umgewandelt werden können anstatt zeichnen ein Volumenmodell der internen Struktur. Hinweis: Die CAD-Datei für die Fraktal-Baum-Struktur verwendet, hier ist in ergänzenden Material 2bereitgestellt. In diesem Dokument verwendete Drucker ist eine Extrudieren Drucker, so dass der Teil entwickelt wurde, um Break-away Trägermaterial haben.</li>
	<li>Wählen Sie eine lösliche Material für den Druck, wie Poly-Vinyl-Alkohol (PVA) oder High-Impact Polystyrol (HIPS) (siehe Tabelle der Materialien). Drucken Sie das Volumenmodell in diesem auflösbaren Material.</li>
	<li>Wenn gedruckte Teile ausreichend abgekühlt sind, brechen, auflösen oder das Trägermaterial aus der gedruckten Teil der Maschine. Datei oder Sand aus große Mängel.</li>
	<li>
Dampf zu polieren den gedruckten Teil zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit.
	<ol>
<li>Bohren Sie mit den bedruckten Teil gesichert in einem Schraubstock eine Durchgangsbohrung mit Freiraum für einen dünnen Stahl oder Nitinol Draht in die Basis des gedruckten Teil.</li>
		<li>Fädeln Sie einen Edelstahl- oder Nitinol Draht durch das Loch. Biegen Sie die Enden des Drahtes und Haken Sie zusammen. Dadurch wird für den Teil in Aceton Dampf in das Becherglas vollständig eingetaucht werden. Draht und Teil beiseite.</li>
		<li>Füllen Sie einen großen Becher etwa 10 % Aceton voller. Becherglas auf einer heißen Platte beim Erwärmen bis 100 ° C. Achtung: Führen Sie diesen Schritt in einer Dampfhaube, Einatmen von Aceton Dampf zu verhindern.</li>
		<li>Beim Aceton Wasserdampf Kondensation erreicht über auf halbem Weg an der Wand des Bechers, hängen die geschlungenen Draht mit der mock Atemwege auf einem zweiten Draht und aussetzen in Aceton Dampf für 15-30 S. Vergewissern Sie sich gedruckt Teile nicht berühren das Becherglas Wände oder jede andere (wenn Dampf Polieren mehrere Teile auf einmal).</li>
		<li>Entfernen Sie gedruckte Teil und hängen Sie über leere Becher oder Container. Lassen Sie Teil mindestens 4 Stunden trocknen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Überprüfen Sie, ob die Dimensionen der internen Struktur innerhalb der Toleranz der CAD-Konstruktion, sind je nach Bedarf. Je nach Anforderungen an die Genauigkeit kann Bremssättel oder ein 3D Laserscanner verwendet werden, um die Struktur zu messen.</li>
</ol>3. Aufbau der hitzebeständige Form
Hinweis: Bereiten Sie eine auslaufsichere, hitzebeständige Form der PDMS-Phantom zu bilden. Wählen Sie eine Form Geometrie das letzte phantom Design am besten passen. Hier wird eine wieder verwendbare rechteckige Form beschrieben.
<ol><li>Entwerfen Sie eine Volumenmodell Basis des Schimmels, 3D Drucken. Diese Form ist für ein Phantom mit einer Grundfläche von 1,17 x 1,79 cm ausgelegt. Die Basis der Form hat eine Dicke von 1 mm und 5 mm Tiefe Aussparung mit Innenmaße passend die Basis des Phantoms. Dies ermöglicht die Form, um Anschlussgleise entfernt werden und die Form demontiert und wiederverwendet werden.</li>
	<li>Drucken Sie eine Basis für die Form mit einem Einsatz von ausreichender Breite um die Anschlussgleise der Form zu sichern.</li>
	<li>Platzieren Sie Anschlussgleise in den Vertiefungen der Formenaufbau. Hier werden 1 mm dicken Polycarbonat-Platten als Schimmel Abstellgleise verwendet.</li>
	<li>Mit hitzebeständigem Klebeband, seal die Ränder der Form. Es ist unerlässlich, dass alle Ecken und Kanten ohne Blasen in der Band um Undichtigkeiten während der Spritzgießprozess zu verhindern ausreichend dicht sind.</li>
	<li>Statt einer Polycarbonat Grundplatte in der Form, die in Schritt 3.4 vorbereitet. Diese Bodenplatte ist die gleiche 1 mm dicken Polycarbonat als Schimmel Abstellgleis und gibt der phantom Basis eine glatte Oberfläche ohne die Rauheit der 3D gedruckte der Formenaufbau. Kleben Sie den vollständig getrocknet Dampf poliert Teil auf die Grundplatte. Lassen Sie genügend Zeit für Kleber trocknen.</li>
</ol>4. Herstellung von Polymer-Phantom
Hinweis: Verwenden Sie das geprüfte Rezept für das Matrix-Schüttgut, die in Schritt 1 für die jeweilige Anwendung bestimmt. Hier das Protokoll enthält die Schritte für eine gesunde murinen Lungengewebe phantom bei 535 nm mit µs"von 40 cm-1 und µein 2 cm-1. Es möglicherweise sinnvoll, eine zweite Phantom ohne optischen Partikel als Referenz in der Fertigung verwenden zu fabrizieren.
<ol><li>Gießen Sie 9,1 g PDMS Harz in einem Kunststoff Mixbecher. Fügen Sie 20 mg von Rutil TiO2, gefolgt von 35 µl Tusche. Schließlich fügen Sie 0,91 g härter an die Spitze des Gemisches. Folgen Sie die Rührschüssel Protokoll im Schritt 1.3.2.</li>
	<li>Gießen Sie endgültigen Polymer-Mischung in die hitzebeständige Form.</li>
	<li>Gießen Sie eine kleine Menge der Mischung in einem separaten Behälter eine Polymer-Platte für die Bestätigung der optischen Materialeigenschaften zu erstellen. Stellen Sie sicher, dass genügend Polymer gegossen wird, um eine Platte von mindestens 100 µm Dicke haben.</li>
	<li>Eine Glasglocke zur Entgasung setzen Sie mock Atemwege Schimmel und die separate Platte. Vakuum-Prozess zu beginnen. Wenn das Polymer in der Form von mock Atemwege beginnt zu steigen, lassen die Luft wieder in die Glasglocke, die Oberfläche Bläschen platzen, dann beginnen Sie, wieder Luft zu ziehen. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Polymer nicht deutlich ansteigt. Dies dauert zwischen 5-10 min, je nachdem, wie viel Luft während Schritt 4.2 gefangen war. Sobald die PDMS nicht mehr steigt, weiterhin für weitere 15 Minuten entgasen.</li>
	<li>Lassen Sie nach der Entgasung die Luft langsam wieder in die Kammer. Entfernen Sie die mock Atemwege phantom und der Polymer-Platte und in Ebene Ofen bei 80 ° C für 2 h.</li>
	<li>Phantom und Platte aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen für 20 min. Zerlegen der Polymer-Form mit einem Skalpell ohne Schneiden das ausgehärtete Polymer. Fangen Sie die Grundplatte aus der Mock-Atemwege-Basis.</li>
	<li>Legen Sie phantom in einem beheizten (60 ° C) ~0.5 M Natronlauge (NaOH) base Bad, bis der interne Teil vollständig aufgelöst ist. Eine optisch klare Referenz Phantom kann helfen, um die auflösende Zeit für die interne Komponente zu bestimmen. Wenn interne Struktur aufgelöst ist, phantom aus dem Bad und lassen Sie (~ 24 h) vollständig trocknen, bevor Sie irgendwelche optischen Messungen.</li>
</ol>5. Überprüfung der Phantom Fertigung
<ol><li>Phantom Geometrie mit hoher Auflösung Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) oder Mikro-Computertomographie (CT) Bildgebung zu überprüfen, falls gewünscht. Diese Methoden bieten eine 3D Überprüfung der internen Strukturen in trübe Material mit axialer Auflösungen von < 400 µm39,40. Alternativ kann eine optisch klare Referenz Phantom optisch abgebildet werden zur Überprüfung, dass der gedruckte Teil vollständig aufgelöst ist und die verbleibenden leere die richtige Geometrie ist. Hinweis: Wir haben die innere Geometrie einer optisch undurchsichtig Phantom (2 mg TiO2 + 3,5 µl Tusche) mit Mikro-CT auf eine North Star Imaging (NSI) X50 verifiziert. Das Phantom war mit 20 µm Auflösung in allen Dimensionen (ergänzende Materialien 3, 4) abgebildet.</li>
	<li>Überprüfen Sie die optische Eigenschaften des Phantoms mit Polymer-Platte und der Ulbricht-Kugel (beschrieben in Schritten 1,5-1,6).</li>
</ol>

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Wir haben eine Methode zum Erstellen von optischen Phantome zur Darstellung einer murinen Lungenkrebs mit einer internen verzweigte Struktur die internen Luft-Gewebe-Schnittstelle simulieren bewiesen. Die optischen Eigenschaften der murinen Lungengewebe werden erreicht durch den Einbau von einzigartigen Konzentration von optisch Streuung und absorbierende Partikel innerhalb der Masse Matrix Polymer homogen verteilt. Diese optischen Eigenschaften können abgestimmt werden, um die physiologischen Werte in unterschiedliche ...

Gewebe-Phantome sind weit verbreitet für System-Charakterisierung und Kalibrierung von optischen Bildgebung und Spektroskopie Instrumenten, einschließlich der Multimodalität Systeme mit Ultraschall oder nuklearen Modalitäten1,2,3 ,4. Phantome bieten eine kontrollierte optische Umgebung für System-Charakterisierung und Qualitätskontrolle mehrere biologische bildgebender Verfahren. Gewebe-Nachahmung Phantome sind nützliche Werkzeuge in der Vorhersage der System-Performance und Optimierung der System-Design für die physiologische Aufgabe; zum Beispiel Margen zur Vorhersage der Sondierungstiefen spektroskopische Sonden für die Beurteilung der Tumor5. Optische Eigenschaften und Konstruktion der Phantome können abgestimmt werden, um die spezifische physiologische Umgebung zu imitieren, in der das Instrument verwendet werden wird, für Machbarkeitsstudien und Überprüfung der System Leistung3ermöglichen, 6,7. Überprüfung von imaging-System-Performance mit realistischen optische Phantome vor dem Betreten der präklinischen oder klinischer Studien vermindert das Risiko einer Fehlfunktion oder Datenerfassung unbrauchbar bei in Vivo Studien. Die Reproduzierbarkeit und die Stabilität des optischen Phantome machen sie anpassbare Kalibrierstandards für optische Technologien, Intra - und inter - instrument Variabilität, vor allem in multizentrischen klinischen Studien mit verschiedenen Instrumenten zu überwachen, Operatoren und Umweltbedingungen8,9.
Gewebe-Nachahmung Phantome dienen auch als abstimmbaren und reproduzierbare physikalische Modelle zur Überprüfung der theoretischen optischen Modellen. Simulationen-Hilfe bei der Gestaltung und Optimierung von in Vivo optischen Instrumenten, und reduzieren die Notwendigkeit für Tierversuche10,11. Die Entwicklung und Validierung von optische Simulationen um genau darzustellen, die in Vivo -Umgebung können durch die Komplexität der Gewebestruktur, die biochemische Inhalt und die Position des Ziels oder der Gewebe im Körper belastet werden. Variabilität zwischen Subjekten macht Validierung von theoretischen Modellen mit tierischen oder menschlichen Maßen eine Herausforderung. Polymer optische Gewebe Phantome ermöglichen Validierung von theoretischen Modellen durch die Bereitstellung einer bekannt und reproduzierbare optische Umfeld, in dem Photon Migration12,13,14,15zu studieren.
Zum Zweck der Kalibrierung des Systems können solide optische Phantome einer einzigen homogenen Platte des ausgehärteten Polymer optische Streuung, Absorption oder Fluoreszenz abgestimmt für die Wellenlängen von Interesse bestehen. Geschichteten Polymer Phantome häufig verwendet, um die Tiefe Varianz der optischen Gewebeeigenschaften in Epithelgewebe Modelle16,17zu imitieren. Diese phantom Strukturen sind ausreichend für epitheliale imaging und Modellierung, weil die Gewebestruktur durch jede Schicht relativ homogen ist. Größere und komplexere Strukturen beeinflussen jedoch Strahlungs Transport in andere Organe. Methoden zum Erstellen komplexer Phantome wurden entwickelt, um die optische Umgebung des subkutanen Blutgefäße18,19 und sogar ganze Organe wie die Blase20zu simulieren. Leichtes Transportflugzeug in der Lunge Modellierung bietet ein einzigartiges Problem aufgrund der Verzweigungsstruktur der Luft-Gewebe-Schnittstelle; eine solide Phantom würde nicht wahrscheinlich replizieren Strahlungs Transport in der Orgel genau21. Um eine Methode zur Integration von komplexen Struktur in eine optische Phantom beschreiben, beschreiben wir eine Methode zum Erstellen eines internen, reproduzierbare Fraktal-Baums nichtig, die dreidimensionale (3D) makroskopische Struktur der Atemwege (Abbildung 1) darstellt.
In den letzten Jahrzehnten 3D-Druck ist eine vorherrschende Methode für das rapid Prototyping von medizinischen Geräten und Modelle22geworden und optische Gewebe Phantome sind keine Ausnahme. 3D Druck wurde als Instrument der additiven Fertigung verwendet für die Herstellung von optischen Phantome mit Kanäle23, Blutgefäß Netzwerke24und kleiner Tiermodelle Ganzkörper-25. Diese Methoden verwenden ein oder zwei Druckmaterialien mit einzigartigen optischen Eigenschaften. Auch wurden Methoden entwickelt, um die optischen Eigenschaften des Bedruckstoffes, allgemeine, trübe biologisches Gewebe25,26imitieren zu optimieren. Aber die erzielbaren optischen Eigenschaften sind begrenzt durch das Druckmaterial, in der Regel ein Polymer wie Acrylnitril Butadien Styrol (ABS)26, so ist diese Methode nicht geeignet für alle biologischen Gewebe. Polydimethylsiloxan (PDMS) ist ein optisch klares Polymer, das leicht mischbar mit Streuung und Absorption Partikel mit einem höheren Maß an Einstellbarkeit27,28. PDMS wurde auch verwendet, um Phantome mit Aneurysma-Modelle für die Bereitstellung der embolischen Geräte29,30Formen. Diese Phantome auch nutzen einen auflösbaren 3D gedruckte Teil, aber optisch klar zur Visualisierung von Gerätebereitstellung bleiben. Hier kombinieren wir diese Methode mit Einstellbarkeit der optischen Eigenschaften von PDMS mit Streuung und Absorption Teilchen, ein vorläufiges Modell des Gewebes und Fluglinien des murinen Lungenflügels zu fabrizieren.
Während das Phantom hier vorgestellten spezifisch für die Lungen ist, kann der Prozess auf eine Vielzahl von anderen Organen angewendet werden. 3D Druck der inneren Struktur des Phantoms erlaubt das Design individuell für jeden Zweck und druckbare Maßstab sein, sei es ein Blut oder Lymphe Schiff Netzwerk, Knochenmark oder auch die vier Kammern Struktur der Herzen31. Weil wir optische Bildgebung und Modellierung der Lunge32,33,34interessiert sind, haben wir uns entschieden, einen vier-Generationen-Fraktal-Baum als die interne Struktur zu verwenden, um innerhalb des Polymers phantom zu replizieren. Diese Struktur wurde entwickelt, um ungefähre der Verzweigungsstruktur der Atemwege und Break-away Trägermaterial für den 3D Druck haben. Mehr anatomisch korrekte Fluglinie konnte gedruckt werden, wenn Break-away Trägermaterial nicht notwendig ist. Obwohl dieses Modell eine Atemwege darstellt, muss die interne Struktur des Phantoms keine wesentliche Lücke bleiben. Sobald die umliegenden Polymer geheilt ist und der 3D gedruckte Teil aufgelöst, kann die interne Struktur als ein Fluss Weg oder als sekundäre Form für ein Material mit seinen eigenen einzigartigen Absorption und Streueigenschaften verwendet werden. Wenn die interne Struktur aus diesem Protokoll als eine digitale Knochen, anstatt eine Atemwege entwickelt wurde, könnte die Knochenstruktur beispielsweise 3D gedruckt, mit optischen Eigenschaften des Fingers mit PDMS geformt und dann aus der Phantom aufgelöst. Die Lücke könnte dann mit einem PDMS-Mischung mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften gefüllt werden. Darüber hinaus ist jeder Form nicht auf ein einziges auflösbare Teil beschränkt. Ein Phantom des Fingers kann erstellt werden, um Knochen, Venen, Arterien und eine allgemeine Weichgewebe-Schicht, jeder mit seinen eigenen einzigartigen optischen Eigenschaften erweitert.

<table><tbody><tr><td>Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>184 SIL ELAST KIT 0.5KG</td><td>Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms</td></tr><tr><td>White Rutile Titanium Dioxide powder</td><td>Atlantic Equipment Engineers</td><td>TI-602</td><td>Scattering particles for optical phantoms</td></tr><tr><td>Higgins Fountain Pen India Ink</td><td>Michaels Craft Stores</td><td>&amp;nbsp;10015483</td><td>Absorbing particles for optical phantom</td></tr><tr><td>Heat Resistant tape</td><td>Uline</td><td>S-7595</td><td>Heat resistant tape for polymer molds</td></tr><tr><td>Fortus 360mc 3D printer</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>Able to switch build and support material with this model printer</td></tr><tr><td>ABS Ivory Model Material</td><td>Stratasys</td><td>SDS-000001</td><td>Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SR-30 Soluble Support</td><td>Stratasys</td><td>400638-0001</td><td>Base soluble support material for printing internal structure</td></tr><tr><td>Flacktek Speedmixer</td><td>Flacktek Inc.</td><td>DAC 150.1 FV</td><td>For efficient mixing of polymer and particles&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Integrating sphere</td><td>Edmund Optics</td><td>58-585</td><td>For measuring optical properties</td></tr><tr><td>Polycarbonate build plates (1 mm)</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used</td></tr></tbody></table>

fabrication and characterization of optical tissue phantoms containing macrostructure

Die rasante Entwicklung der neuen optischen bildgebenden Verfahren ist abhängig von der Verfügbarkeit von kostengünstigen, anpassbar und leicht reproduzierbare Standards. Durch die Replikation der bildgebenden Umwelt, können kostspielige Tierversuche, eine Technik zu validieren umgangen werden. Vorhersage und Optimierung der Performance von in Vivo und Ex Vivo bildgebende Verfahren erfordert Tests an Proben, die optisch ähnlich zu den Geweben von Interesse sind. Gewebe-Nachahmung optische Phantome bieten einen Standard für die Bewertung, Charakterisierung und Kalibrierung eines optischen Systems. Homogene Polymer optische Gewebe Phantome werden häufig verwendet, um die optischen Eigenschaften eines bestimmten Gewebe-Typs in einem engen Spektralbereich zu imitieren. Mehrschichtige Gewebe wie die Epidermis und Dermis, können nachgeahmt werden, indem einfach stapeln diese homogene Platte Phantome. Jedoch sind viele in-Vivo Bildgebung auf mehr räumlich komplexe Gewebe angewendet wo drei dreidimensionale Strukturen, wie Blutgefäße, Atemwege oder Gewebedefekte, die Leistung des imaging Systems beeinträchtigen können.
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines Gewebes imitiert Phantoms, das dreidimensionale strukturelle Komplexität mit Material mit optischen Eigenschaften des Gewebes umfasst. Nachschlagetabellen bieten Tusche und Titandioxid Rezepte für optische Absorption und Streuung Ziele. Methoden zur Charakterisierung und optimieren die optischen Materialeigenschaften werden beschrieben. Die phantom Herstellung ausführlich in diesem Artikel hat eine interne Verzweigung mock Atemwege leere; die Technik ist jedoch weitgehend auf andere Gewebe oder Organ Strukturen einsetzbar.

Um die phantom Herstellung Technik zu demonstrieren, Maus Lunge Gewebe Phantome wurden hergestellt, um simulieren gemessenen optische Eigenschaften des ausgeschnittenen gesund und entzündeten murinen Lungengewebe auf 535 nm (Tabelle 5). Diese Wellenlänge von Interesse ist die Erregung Wellenlänge für TdTomato fluoreszierendes Protein in rekombinanten Reporter Stämme von Mykobakterien in früheren Studien33verwendet. Optische Messungen der Maus...

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Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

Optische Gewebe Phantome sind unverzichtbare Werkzeuge für Kalibrierung und Charakterisierung von optischen bildgebenden Systemen und Validierung von theoretischen Modellen. Dieser Artikel beschreibt eine Methode für die phantom Fertigung, die Replikation von optischen Gewebeeigenschaften und dreidimensionale Gewebestruktur enthält.

Herstellung und Charakterisierung von optischen Gewebe Phantome, die Makrostruktur enthalten

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...

fabrication-characterization-optical-tissue-phantoms-containing

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.5K Aufrufe.  Texas A&M University. Optische Gewebe Phantome sind unverzichtbare Werkzeuge für Kalibrierung und Charakterisierung von optischen bildgebenden Systemen und Validierung von theoretischen Modellen. Dieser Artikel beschreibt eine Methode für die phantom Fertigung, die Replikation von optischen Gewebeeigenschaften und dreidimensionale Gewebestruktur enthält.

Serie: Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

Fabrication of Biologically Derived Injectable Materials for Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications. Briefly, decellularized tissue is lyophilized, milled, enzymatically digested, and then brought to physiological pH. The lyophilization removes all water content from the tissue, resulting in dry ECM that can be ground into a fine powder with a small mill. After milling, the ECM powder is digested with pepsin to form an injectable matrix. After adjustment to pH 7.4, the liquid matrix material can be injected into the myocardium. Results of previous characterization assays have shown that matrix gels produced from decellularized pericardial and myocardial tissue retain native ECM components, including diverse proteins, peptides and glycosaminoglycans. Given the use of this material for tissue engineering, in vivo characterization is especially useful; here, a method for performing an intramural injection into the left ventricular (LV) free wall is presented as a means of analyzing the host response to the matrix gel in a small animal model. Access to the chest cavity is gained through the diaphragm and the injection is made slightly above the apex in the LV free wall. The biologically derived scaffold can be visualized by biotin-labeling before injection and then staining tissue sections with a horse radish peroxidase-conjugated neutravidin and visualizing via diaminobenzidine (DAB) staining. Analysis of the injection region can also be done with histological and immunohistochemical staining. In this way, the previously examined pericardial and myocardial matrix gels were shown to form fibrous, porous networks and promote vessel formation within the injection region.

Methods for preparing an injectable matrix gel from decellularized tissue and injecting it into rat myocardium in vivo are described.

Herstellung von biologisch abgeleiteten Injizierbare Materialien für Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications.  ...

Forschung

Biotechnik

Fabrication of Micro-tissues using Modules of Collagen Gel Containing Cells

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized tissues.  The modules can be made of collagen as well as other gelable or crosslinkable materials.  They are approximately 2 mm in length and 0.7 mm in diameter upon fabrication but shrink in size with embedded cells or when the modules are coated with endothelial cells.  The modules individually are small enough that the embedded cells are within the diffusion limit of oxygen and other nutrients but modules can be packed together to form larger tissues that are perfusable.  These tissues are modular in construction because different cell types can be embedded in or coated on the modules before they are packed together to form complex tissues.  There are three main steps to making the modules: (1) neutralizing the collagen and embedding cells in it, (2) gelling the collagen in the tube and cutting the modules and (3) coating the modules with endothelial cells.

Creation of micro-tissues using cylindrical collagen gels, called modules, that contain embedded cells and which surface is coated with endothelial cells.

Herstellung von Micro-Gewebe mit Modulen von Collagen Gel enthaltenden Zellen

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized ...

Fabrication and Application of Rose Bengal-chitosan Films in Laser Tissue Repair

Photochemical tissue bonding (PTB) is a sutureless technique for tissue repair, which is achieved by applying a solution of rose bengal (RB) between two tissue edges1,2. These are then irradiated by a laser that is selectively absorbed by the RB. The resulting photochemical reactions supposedly crosslink the collagen fibers in the tissue with minimal heat production3. In this report, RB has been incorporated in thin chitosan films to fabricate a novel tissue adhesive that is laser-activated. Adhesive films, based on chitosan and containing ~0.1 wt% RB, are fabricated and bonded to calf intestine and rat tibial nerves by a solid state laser (&lambda;=532 nm, Fluence~110 J/cm2, spot size~0.5 cm). A single-column tensiometer, interfaced with a personal computer, is used to test the bonding strength. The RB-chitosan adhesive bonds firmly to the intestine with a strength of 15 &plusmn; 6 kPa, (n=30). The adhesion strength drops to 2 &plusmn; 2 kPa (n=30) when the laser is not applied to the adhesive. The anastomosis of tibial nerves can be also completed without the use of sutures. A novel chitosan adhesive has been fabricated that bonds photochemically to tissue and does not require sutures.

Sutures are usually needed to repair tissue during surgical procedures. However, their application can be problematic as they are invasive and may damage tissue. The fabrication and application methods of a novel tissue adhesive are here reported. This adhesive film is laser-activated and does not require the use of sutures.

Herstellung und Anwendung von Rose Bengal-Chitosan-Films in Laser Tissue Repair

Photochemical tissue bonding (PTB) is a sutureless technique for tissue repair, which is achieved by applying a solution of rose bengal (RB) between two ...

Construction of a Preclinical Multimodality Phantom Using Tissue-mimicking Materials for Quality Assurance in Tumor Size Measurement

World Health Organization (WHO) and the Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST) working groups advocated standardized criteria for radiologic assessment of solid tumors in response to anti-tumor drug therapy in the 1980s and 1990s, respectively. WHO criteria measure solid tumors in two-dimensions, whereas RECIST measurements use only one-dimension which is considered to be more reproducible 1, 2, 3,4,5. These criteria have been widely used as the only imaging biomarker approved by the United States Food and Drug Administration (FDA) 6. In order to measure tumor response to anti-tumor drugs on images with accuracy, therefore, a robust quality assurance (QA) procedures and corresponding QA phantom are needed.
To address this need, the authors constructed a preclinical multimodality (for ultrasound (US), computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI)) phantom using tissue-mimicking (TM) materials based on the limited number of target lesions required by RECIST by revising a Gammex US commercial phantom 7. The Appendix in Lee et al. demonstrates the procedures of phantom fabrication 7. In this article, all protocols are introduced in a step-by-step fashion beginning with procedures for preparing the silicone molds for casting tumor-simulating test objects in the phantom, followed by preparation of TM materials for multimodality imaging, and finally construction of the preclinical multimodality QA phantom. The primary purpose of this paper is to provide the protocols to allow anyone interested in independently constructing a phantom for their own projects. QA procedures for tumor size measurement, and RECIST, WHO and volume measurement results of test objects made at multiple institutions using this QA phantom are shown in detail in Lee et al. 8.

This paper describes in-house procedures of constructing a preclinical multimodality phantom made of tissue-mimicking (TM) materials for quality assurance (QA) of tumor size measurement in animal imaging modalities such as ultrasound (US), computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI).

Bau eines Präklinische Multimodalität Phantom Mit Tissue-ähnlichen Materialien für die Qualitätssicherung in der Tumor Größe Maß

World Health Organization (WHO) and the Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST) working groups advocated standardized criteria for ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of cutaneous wound healing on the skin. Existing methods, however, still rely on visual inspections through various microscopic tools and devices that normally include high-cost, sophisticated systems and require well trained personnel for operation and data analysis. Here, we describe methods and protocols to fabricate a conformal, skin-like electronics system that enables conformal lamination to the skin surface near the wound tissues, which provides recording of high fidelity electrical signals such as skin temperature and thermal conductivity. The methods of device fabrication provide details of step-by-step preparation of the microelectronic system that is completely enclosed with elastomeric silicone materials to offer electrical isolation. The experimental study presents multifunctional, biocompatible, waterproof, reusable, and flexible/stretchable characteristics of the device for clinical applications. Protocols of clinical testing provide an overview and sequential process of cleaning, testing setup, system operation, and data acquisition with the skin-like electronics, gently mounted on hypersensitive, cutaneous wound and contralateral tissues on patients.

This article presents methods to fabricate and characterize a conformal, skin-like electronic system and protocols for the use in clinical applications, particularly on cutaneous wound management.

Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of an optical imaging device are greatly affected by the performance characteristics of its components, the test environment, and the operations. Therefore, it is necessary to calibrate these devices by traceable phantom standards. However, most of the currently available phantoms are homogeneous phantoms that cannot simulate multimodal and dynamic characteristics of biological tissue. Here, we show the fabrication of heterogeneous tissue-simulating phantoms using a production line integrating a spin coating module, a polyjet module, a fused deposition modeling (FDM) module, and an automatic control framework. The structural information and the optical parameters of a &#34;digital optical phantom&#34; are defined in a prototype file, imported to the production line, and fabricated layer-by-layer with sequential switch between different printing modalities. Technical capability of such a production line is exemplified by the automatic printing of skin-simulating phantoms that comprise the epidermis, dermis, subcutaneous tissue, and an embedded tumor.

Spin coating, polyjet printing, and fused deposition modeling are integrated to produce multilayered heterogeneous phantoms that simulate structural and functional properties of biological tissue.

Multimodaler 3D-Druck von Phantomen zur Simulation von biologischem Gewebe

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

Ingenieurwesen

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a conventional optical system with an integrating sphere. Measuring systems for the acquisition of the diffuse reflectance and total transmittance spectra are constructed with a broadband white light source, a light guide, an achromatic lens, an integrating sphere, a sample holder, an optical fiber probe, and a multi-channel spectrometer. An acrylic mold consisting of two rectangular acrylic pieces and a U-shaped acrylic piece is constructed to create an epidermal phantom and a dermal phantom with whole blood. The application of a sodium dithionite (Na2S2O4) solution to the dermal phantom enables the researcher to deoxygenate hemoglobin in red blood cells distributed in the dermal phantom. The inverse Monte Carlo simulation with the diffuse reflectance and total transmittance spectra measured by a spectrometer with an integrating sphere is performed to determine the absorption coefficient spectrum &#181;a(&#955;) and the reduced scattering coefficient spectrum &#181;s&#39;(&#955;) of each layer phantom. A two-layered phantom mimicking the diffuse reflectance of human skin tissue is also demonstrated by piling up the epidermal phantom on the dermal phantom.

Here, we demonstrate how agarose-based tissue-mimicking optical phantoms are made and how their optical properties are determined using a conventional optical system with an integrating sphere.

Agarose-basierte Gewebe imitiert optische Phantome für Diffuse Reflexion Spektroskopie

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create anatomically accurate head phantoms with realistic brain imaging properties because standard fabrication methods are not optimized to replicate any patient-specific anatomical detail and 3D printing materials are not optimized for imaging properties. In order to test and validate a novel navigation system for use during brain tumor surgery, an anatomically accurate phantom with realistic imaging and mechanical properties was required. Therefore, a phantom was developed using real patient data as input and 3D printing of molds to fabricate a patient-specific head phantom comprising the skull, brain and tumor with both ultrasound and X-ray contrast. The phantom also had mechanical properties that allowed the phantom tissue to be manipulated in a similar manner to how human brain tissue is handled during surgery. The phantom was successfully tested during a surgical simulation in a virtual operating room.
The phantom fabrication method uses commercially available materials and is easy to reproduce. The 3D printing files can be readily shared, and the technique can be adapted to encompass many different types of tumor.

This protocol describes the fabrication of a patient specific skull, brain and tumor phantom. It uses 3D printing to create molds, and polyvinyl alcohol (PVA-c) is used as the tissue mimicking material.

Patientenspezifische Polyvinylalkohol-Phantomfertigung mit Ultraschall- und Röntgenkontrast für die Planung von Hirntumorchirurgie

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

Herstellung eines stabilen, biologisch relevanten Phantommaterials

A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging devices across vendors and institutions, support the development of internationally recognized standards, and assist the clinical translation of novel technologies. Here, a manufacturing process is presented that results in a stable, low-cost, tissue-mimicking copolymer-in-oil material for use in photoacoustic, optical, and ultrasound standardization efforts.
The base material consists of mineral oil and a copolymer with defined Chemical Abstract Service (CAS) numbers. The protocol presented here yields a representative material with a speed of sound c(f) = 1,481 &#177; 0.4 m&#183;s-1 at 5 MHz (corresponds to the speed of sound of water at 20 &#176;C), acoustic attenuation &#945;(f) = 6.1 &#177; 0.06 dB&#183;cm-1 at 5 MHz, optical absorption &#181;a(&#955;) = 0.05 &#177; 0.005 mm-1 at 800 nm, and optical scattering &#181;s&#39;(&#955;) = 1 &#177; 0.1 mm-1 at 800 nm. The material allows independent tuning of the acoustic and optical properties by respectively varying the polymer concentration or light scattering (titanium dioxide) and absorbing agents (oil-soluble dye). The fabrication of different phantom designs is displayed and the homogeneity of the resulting test objects is confirmed using photoacoustic imaging.
Due to its facile, repeatable fabrication process and durability, as well as its biologically relevant properties, the material recipe has high promise in multimodal acoustic-optical standardization initiatives.

Autor im Rampenlicht: Ein stabiles Phantommaterial für die optische und akustische Bildgebung  

This protocol describes the fabrication of a stable, biologically relevant phantom material for optical and acoustic biomedical imaging applications, featuring independently tunable acoustic and optical properties.

Ein stabiles Phantommaterial für die optische und akustische Bildgebung

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging ...