NL1006902C2

NL1006902C2 - Optisch fantoom geschikt voor het simuleren van de optische eigenschappen van biologisch materiaal en werkwijze voor het vervaardigen ervan.

Info

Publication number: NL1006902C2
Application number: NL1006902A
Authority: NL
Inventors: Jan Greve; Wiendelt Steenbergen; Frits Frans Maria De Mul
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1999-03-02
Also published as: US6224969B1; EP0906936A1

Description

«

Optisch fantoom geschikt voor het simuleren van de optische eigenschappen van biologisch materiaal en werkwijze voor het vervaardigen ervan

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een optisch fantoom dat geschikt is voor het simuleren van de optische eigenschappen van biologisch materiaal en op een werkwijze voor het vervaardigen ervan.

5 Uit de praktijk zijn materialen bekend met bekende niveaus van lichtverstrooiing en lichtabsorptie. Deze materialen worden ook wel optische fantomen genoemd wanneer ze worden gebruikt om de optische eigenschappen van biologisch materiaal te simuleren. In optische fantomen wordt verstrooiing 10 van licht verkregen door discrete deeltjes te mengen met een transparant materiaal, ook wel matrix genoemd, waarvan de brekingsindex verschilt van de brekingsindex van de deeltjes. Lichtabsorptie wordt gerealiseerd door het toevoegen van kleurstoffen.

15 De tot nu toe in de literatuur beschreven optische fantomen zijn globaal in de volgende hoofdgroepen in te delen: - een mengsel van een polymeermatrix met glasbolletjes of keramische deeltjes; 20 - een mengsel van een matrix op waterbasis en kleine vetbolletjes (bijvoorbeeld Intralipid®) of polymeerbolletjes zoals polystyreen. Door het toevoegen van gelatine kunnen de deeltjes eventueel worden gefixeerd.

Het gebruik van dergelijke bekende optische fantomen 25 brengt echter enkele nadelen met zich mee.

Bij een mengsel van een polymeermatrix met glasbolletjes of keramische deeltjes legt het kleine verschil in brekingsindex tussen glas en de matrix beperkingen op aan het haalbare niveau van lichtverstrooiing, zodat het niet moge-30 lijk is om bijvoorbeeld menselijk weefsel kwantitatief te representeren. De willekeurige vorm van de keramische deeltjes maakt een exacte beschrijving van de verstrooiingseigen-schappen onmogelijk. Het toevoegen van polymeerbolletjes, bijvoorbeeld polystyreen, aan een polymeermatrix is problems- 1006902 2 tisch vanwege de moeilijke hanteerbaarheid van droge poly-meerbolletjes.

Bij een mengsel van een matrix op waterbasis en kleine vetbolletjes of polymeerbolletjes zoals polystyreen, 5 is de houdbaarheid van dergelijke fantomen beperkt door uitdrogen en schimmelvorming.

Bovendien is bij alle bekende fantomen het maken van gelaagde structuren met een grote verticale resolutie zeer bewerkelijk of onmogelijk. Voor het nabootsen van de gelaagd-10 heid van huidweefsel is een resolutie van circa 20-50 μπι nodig.

De onderhavige uitvinding heeft als doel deze nadelen op te heffen. Dit doel wordt volgens de onderhavige uitvinding bereikt doordat het optische weefselfantoom is opge-15 bouwd uit een matrix van poly(vinylalcohol) (PVA) en in hoofdzaak bolvormige deeltjes met een andere brekingsindex dan de PVA.

Een belangrijk aspect van het fantoom volgens de onderhavige uitvinding is dat een grotere lichtverstrooiing 20 mogelijk wordt gemaakt dan de tot nu toe bekende fantomen met een polymeermatrix, zodat biologisch weefsel kwantitatief kan worden nagebootst. De houdbaarheid is ten minste gelijk aan die van de tot nu toe bekende fantomen op polymeerbasis. Een verder voordeel is dat eenvoudig polymeerbolletjes kunnen 25 worden toegevoegd, zodat de verstrooiingseigenschappen beter kwantitatief beschreven kunnen worden, en waarmee gelaagde structuren kunnen worden gemaakt met een verticale resolutie van circa 20 μτη.

Volgens een verder kenmerk van de onderhavige uit-30 vinding heeft de PVA een hydrolysegraad van 75-100%, bij voorkeur > 98%. Uit de grote hoeveelheid literatuur over PVA blijkt, dat de hydrofiliteit van PVA afneemt met toenemende hydrolysegraad. De absorptie van vocht uit de omgeving is dus lager voor PVA van hogere hydrolysegraad. Omdat waterabsorp-35 tie de brekingsindex van de matrix verlaagt, is dit een belangrijk aspect voor een optisch weefselfantoom. PVA met een hoge hydrolysegraad heeft de voorkeur. Bovendien blijkt dat bij het vervaardigen van een PVA-film de film beter van de 1006902 3 glasplaat, waarop de film wordt vervaardigd, loskomt wanneer de PVA een hoge hydrolysegraad heeft.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding hebben de deeltjes een doorsnede in het bereik van 0,45-5 1,5 μπι, bij voorkeur 0,9-1,2 μτη.

Volgens een ander gunstig kenmerk van de onderhavige uitvinding zijn de deeltjes holle deeltjes. Met behulp van holle deeltjes kan een hoog lichtverstrooiingsniveau worden bereikt.

10 Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin ding zijn de holle deeltjes met gas gevuld. Hierdoor wordt een hoog lichtverstrooiingsniveau verkregen.

Volgens een verder kenmerk'van de onderhavige uitvinding zijn de deeltjes polystyreendeeltjes. Alle kleine 15 deeltjes die in water suspendeerbaar zijn komen in principe in aanmerking voor het gebruik als deeltjes met een andere brekingsindex dan de PVA. Dit kunnen bijvoorbeeld keramische deeltjes, glasbolletjes, polymethyleenmelamine, PMMA, poly-carbonaat, etc. zijn. Polystyreen verdient de voorkeur aange-20 zien er in de handel polystyreenbolletjes worden geleverd met bepaalde afmetingen, waarvan de afwijkingen zeer gering zijn. Hierdoor wordt uiteindelijk een homogene film verkregen. Daarnaast verdient polystyreen de voorkeur boven bijvoorbeeld glas aangezien polystyreen een lagere dichtheid heeft dan 25 glas waardoor een betere homogeniteit van de film wordt gewaarborgd .

Volgens een verder kenmerk van de onderhavige uitvinding bevat het optische weefselfantoom tevens een kleurloze vaste stof. Door het toevoegen van een andere vaste stof 30 dan de lichtverstrooiende deeltjes kan het fantoom worden gebruikt bij het ontwikkelen en calibreren van optische apparatuur waarmee de concentratie van deze zelfde stof in bijvoorbeeld weefsel wordt gemeten.

Volgens een verder kenmerk van de onderhavige uit-35 vinding is de kleurloze vaste stof glucose. Door het gebruik van glucose kunnen optische technieken en medische apparatuur waarin dergelijke technieken worden gebruikt voor het bepalen van het glucosegehalte bij diabetes-patiënten worden onderzocht en gecalibreerd.

1 006902 4

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding bevat het optische weefselfantoom tevens ten minste één lichtabsorberende stof. Hiermee kan de lichtabsorptie worden nagebootst. In principe kunnen alle wateroplosbare kleurstof-5 fen worden toegevoegd. Ook kan een mengsel van meer lichtab-sorberende stoffen worden gebruikt. Het absorptiespectrum van het mengsel is een lineaire combinatie van de absorptiespec-tra van de afzonderlijke kleurstoffen. Hoe smaller de absorp-tiepieken zijn van de afzonderlijke kleurstoffen, des te gro-10 ter de vrijheid in de keuze van de absorptieverhoudingen in het mengsel voor specifieke golflengten. Voor huidweefsel is de absorptieverhouding tussen 780 nm, 630 nm en 540 nm ongeveer gelijk aan 1:2:3. Dit kan aldus worden nagebootst door een geschikt mengsel te maken van drie soorten kleurstoffen. 15 Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin ding is de lichtabsorberende stof ecolineverf. Het voordeel van ecolineverf is dat deze geen vast pigment bevat: ecolineverf is dus puur absorberend en niet verstrooiend. Dit geldt bijvoorbeeld niet voor Oostindische inkt: deze is enigszins 20 licht verstrooiend.

De onderhavige uitvinding heeft bovendien betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een optisch weefselfantoom, met het kenmerk, dat PVA in een waterig oplosmiddel wordt opgelost, waarna aan de aldus verkregen op-25 lossing in hoofdzaak bolvormige deeltjes met een andere brekingsindex dan de PVA worden toegevoegd, het aldus verkregen mengsel op een in hoofdzaak vlakke ondergrond wordt uitgegoten en het oplosmiddel wordt afgedampt.

Het is volgens de uitvinding gunstig wanneer de PVA 30 bij een temperatuur van 20°C-100°C, bij voorkeur 95°C-100°C, wordt opgelost. De temperatuur waarboven PVA in water oplost hangt af van de hydrolysegraad. De PVA die de voorkeur verdient, dus met een hoge hydrolysegraad lost op bij een temperatuur van 95°C of hoger.

35 Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin ding wordt PVA met een hydrolysegraad van 75-100%, bij voorkeur > 98% opgelost.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding wordt de PVA met een concentratie van 1-15 gew.%, bij 1 00 69 02 5 voorkeur 8-12 gew.%, aan het oplosmiddel toegevoegd. Hiermee wordt een hanteerbare oplossing verkregen.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding is het oplosmiddel voor PVA water. Andere mogelijke op-5 losmiddelen voor PVA zijn bijvoorbeeld DMSO, aceetamide, glycolen, DMF, glycerol, piperazine, triëthyleendiamine, forma-mide en HMTP. Oplossing in water verdient de voorkeur, omdat hierdoor het mengen met waterige suspensies van de lichtver-strooiende deeltjes zeer eenvoudig wordt.

10 Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin ding hebben de deeltjes een doorsnede in het bereik van 0,45- 1,5 μπι, bij voorkeur 0,9-1,2 μπι.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding zijn de deeltjes holle deeltjes.

15 Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin ding zijn de holle deeltjes met gas gevulde deeltjes.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding is het gas lucht.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin-20 ding zijn de deeltjes polystyreendeeltjes.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding wordt voorafgaande aan het uitgieten aan het mengsel bovendien een kleurloze, vaste stof toegevoegd.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin-25 ding is deze kleurloze, vaste stof glucose.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding wordt voorafgaande aan het uitgieten aan het mengsel bovendien ten minste één lichtabsorberende stof toegevoegd.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvin-30 ding is deze lichtabsorberende stof ecolineverf.

Hierna zal de onderhavige uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden.

Voorbeeld I

35 Optisch weefselfantoom van PVA met een hydrolyse- graad van 99+% met holle polystyreen (PS) -bolletjes met een diameter van 1 μπι en een schildikte van 0,1 μιη.

1 006902 6

Aan één kolf met een inhoud van 1 1, in een waterbad met opwarmplaat/magneetroerder, voorzien van een roermagneet, werd 1000 ml gedemineraliseerd water toegevoegd. Onder roeren werd 110 g droge PVA (hydrolysegraad: 99+%, molecuulgewicht: 5 85.000-146.000, verkrijgbaar bij Aldrich) toegevoegd. Vervol gens werd de kolf afgesloten met folie. De kolf werd au bain marie in het waterbad tot 95°C verwarmd. Men liet de kolf vervolgens een half uur bij 95°C staan, totdat de PVA was opgelost en er een heldere oplossing was ontstaan. Vervolgens 10 werd circa 15 minuten doorgeroerd, totdat de meeste luchtbellen uit de oplossing waren verdwenen. Na afkoelen tot circa 45°C werd de oplossing overgegoten in centrifugeerbuizen van 50 ml. Gedurende 30 minuten werd bij 35°C met gravitatie 2500 g gecentrifugeerd. Het resultaat is een heldere PVA-oplos-15 sing: de bellen zijn via het vloeistofoppervlak ontsnapt of bevinden zich boven in de oplossing en kunnen eenvoudig worden afgeschept. De buizen met PVA-oplossing werden in de koelkast opgeslagen. Voorafgaande aan het vervaardigen van de film werd de oplossing weer au bain marie opgewarmd totdat 20 deze weer vloeibaar was geworden. Daarna werd de oplossing tot kamertemperatuur afgekoeld. In een "laminar flow"-kast met horizontale uitstroming van stofvrije lucht werd een glasplaat met een dikte van 12 mm (vensterglas) op een alumi-niumplaat gelegd, die met vier nauwkeurige stelgroeven op de 25 ondergrond van de "laminar flow"-kast steunt. De glasplaat werd zorgvuldig gereinigd met ethanol en vervolgens met ace-ton. Aan de PVA-oplossing werd een 5% suspensie van PS-bol-letjes met behulp van een pipet toegevoegd. Het mengsel van PVA-oplossing en PS-deeltjes werd gedurende 10 minuten bij 30 kamertemperatuur gecentrifugeerd, gravitatie 2.500 g. Het mengsel werd, na eventueel op het mengsel drijvende luchtbellen te hebben afgeschept, voorzichtig uitgegoten op de glasplaat. Met behulp van een strijkmes die met een constante snelheid (9 mm/s) werd aangedreven, werd het mengsel uitge-35 streken tot een dunne, vlakke laag. Na het strijken bleef de glasplaat in de "laminar flow"-kast, totdat de film stofdroog was. Vervolgens liet men de film in een met stikstof geventileerde kast verder uitdrogen. De film kan nu eenvoudig van de plaat worden weggehaald. De film heeft een dikte van 50 μια.

1 00 6902 7

Voorbeeld II

Optisch weefselfantoom van PVA met een hydrolyse-graad van 99+%, met massieve PS-bolletjes met een diameter van 1,16 μιη.

5 De werkwijze van voorbeeld I werd herhaald met dien verstande dat de suspensie van PS-bolletjes een 2,5% suspensie was en de gewichtsfractie vaste stof 0,025 g per ml suspensie bedroeg. De film was enigszins blauw gekleurd en in vergelijking met voorbeeld I veel transparanter.

10

Voorbeeld III

Optisch weefselfantoom met een hydrolysegraad van 99*% met holle PS-bolletjes met een diameter van 1 μιη en een schildikte van 0,1 μιη, en een kleur- 15 stofconcentraat.

Het gebruikte kleurstofconcentraat had de volgende dosering: 0,818 mg IRA WS1 per 1 g gedemineraliseerd water, 22,2 mg donkergroene Talens-ecolineverf per 1 g water en 40,2 mg karmijne Talens-ecolineverf per 1 g water. IRA WS1 (ver- 20 krijgbaar bij Zenica Specialties, Manchester, Groot-Brittan-nië) heeft een absorptiepiek bij 780 nm en wordt geleverd in de vorm van een donkergroen poeder dat zeer goed in water oplost. De werkwijze volgens voorbeeld I werd gevolgd, waarbij het kleurstofconcentraat tegelijk met de PS-suspensie 25 werd toegevoegd. De verkregen film vertoont een enigszins paarse kleuring. Voor 544 nm, 633 nm en 780 nm vertoont de film een absorptie die vergelijkbaar is met die van huidweef-sel.

30 Voorbeeld IV

Optisch weefselfantoom van PVA met een hydrolysegraad 88% (Aldrich Mowiol® 4088) met holle PS-bolletjes met een diameter van 1 μιη en een schildikte van 0,1 μιη.

35 De film liet niet zonder meer los van de glasplaat.

Daarom werd de volgende werkwijze gebruikt: - 8 uur drogen aan langsgeblazen lucht; - 5 uur laten zwellen in vochtige lucht: een afgesloten doos met enkele bakjes gevuld met water; 1006902 8 - 5 uur drogen aan langsgeblazen stikstof; - de film werd met behulp van een scalpel aan de rand losgesneden en van de plaat getrokken. Het optische voorkomen is gelijk aan die van voorbeeld I. Echter, de in- 5 vloed van vochtige lucht op zowel de optische als de mechanische eigenschappen is veel groter dan voor 99+% PVA. Derhalve verdient 99*% PVA de voorkeur.

Voorbeeld V

10 Optisch weefselfantoom van PVA met een hydrolyse- graad van 99*% met een in het menselijk lichaam voorkomende hoeveelheid glucose en met holle PS-bolletjes met een diameter van 1 firn en een schil-dikte van 0,1 μιη.

15 De werkwijze van voorbeeld I werd gevolgd. De D(+)- glucose (M=180,16 g/mol, verkrijgbaar bij Merck) werd direct na de PS-suspensie toegevoegd. Er werd 1 g van een glucose-oplossing van 0,203 g in 10 g gedemineraliseerd water toegevoegd. De uiteindelijk bereikte glucoseconcentratie is 450 20 mg/dl fantoom. Dit is dezelfde concentratie die maximaal bij diabetes-patiënten wordt aangetroffen. Het fantoom verschilt niet in kwaliteit en uiterlijk van voorbeeld I.

Voorbeeld VI

25 Optisch weefselfantoom volgens voorbeeld III dat negen maanden eerder is vervaardigd.

De film heeft niet aan kwaliteit ingeboet, hetgeen een bewijs is van de lange houdbaarheid van het fantoom.

1006902

Claims

1. Optisch weefselfantoom geschikt voor het simuleren van de optische eigenschappen van biologisch materiaal, met het kenmerk, dat het optische weefselfantoom is opgebouwd uit een matrix van poly(vinylalcohol) (PVA) en in hoofdzaak 5 bolvormige deeltjes met een andere brekingsindex dan de PVA.

2. Optisch weefselfantoom volgens conclusie l, met het kenmerk, dat de PVA een hydrolysegraad heeft van 75-100%.

3. Optisch weefselfantoom volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de PVA een hydrolysegraad heeft van > 98%.

4. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes een doorsnede hebben in het bereik van 0,45-1,5 μτη.

5. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes een doorsnede 15 hebben in het bereik van 0,9 - 1,2 μτη.

6. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes holle deeltjes zijn.

7. Optisch weefselfantoom volgens conclusie 6, met 20 het kenmerk, dat de holle deeltjes met gas gevulde deeltjes zijn.

8. Optisch weefselfantoom volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het gas lucht is.

9. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande 25 conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes polystyreendeel- tjes zijn.

10. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het optische weefselfantoom tevens een kleurloze, vaste stof bevat.

11. Optisch weefselfantoom volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de kleurloze, vaste stof glucose is.

12. Optisch weefselfantoom volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het optische weefselfantoom tevens ten minste één lichtabsorberende stof bevat.

13. Optisch weefselfantoom volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de lichtabsorberende stof ecolineverf is. 1 006902

14. Werkwijze voor het vervaardigen van een optisch weefselfantoom, met het kenmerk, dat PVA in een waterig oplosmiddel wordt opgelost, waarna aan de aldus verkregen oplossing in hoofdzaak bolvormige deeltjes met een andere bre- 5 kingsindex dan de PVA worden toegevoegd, het aldus verkregen mengsel op een in hoofdzaak vlakke ondergrond wordt uitgegoten en het oplosmiddel wordt afgedampt.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de PVA bij een temperatuur van 20°C-100°C wordt opgelost.

16. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de PVA bij een temperatuur van 95°C-100°C wordt opgelost.

17. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 16, met het kenmerk, dat PVA een hydrolysegraad heeft van 75-100%.

18. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 16, met het kenmerk, dat PVA een hydrolysegraad heeft van > 98%.

19. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 18, met het kenmerk, dat de PVA aan het oplosmiddel wordt toegevoegd in een concentratie van 1-15 gew.%.

20. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 18, met het kenmerk, dat de PVA aan het oplosmiddel wordt toegevoegd in een concentratie van 8-12 gew.%.

21. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 20, met het kenmerk, dat het oplosmiddel water is.

22. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 21, met het kenmerk, dat de deeltjes een doorsnede hebben in het bereik van 0,45 - 1,5 μπι.

23. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 21, met het kenmerk, dat de deeltjes een doorsnede hebben in het 30 bereik van 0,9 - 1,2 μιη.

24. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 23, met het kenmerk, dat de deeltjes holle deeltjes zijn.

25. Werkwijze volgens conclusie 24, met het kenmerk, dat de holle deeltjes met gas gevulde deeltjes zijn.

26. Werkwijze volgens conclusie 25, met het kenmerk, dat het gas lucht is.

27. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 26, met het kenmerk, dat de deeltjes polystyreendeeltjes zijn. 1006902

28. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 27, met het kenmerk, dat voorafgaande aan het uitgieten aan het mengsel bovendien een kleurloze, vaste stof wordt toegevoegd.

29. Werkwijze volgens conclusie 28, met het kenmerk, 5 dat de kleurloze, vaste stof glucose is.

30. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 29, met het kenmerk, dat voorafgaande aan het uitgieten aan het mengsel bovendien ten minste één lichtabsorberende stof wordt toegevoegd.

31. Werkwijze volgens conclusies 30, met het ken merk, dat de lichtabsorberende stof ecolineverf is. 1006902