混合和匹配：设计多颜料光学幻影的新平台
发布时间：2023-02-22 00:00:00.000Z
在整个近红外-可见光光谱中，多色素幻影与目标组织的光学特性比传统幻影更准确地匹配。右图。与手的光学反射率相匹配的幻影照片。资料来源：Alec B. Walter（范德比尔特大学）。
当科学家为医疗诊断、手术或基于光的治疗开发新的光学技术和仪器时，这些技术和仪器必须通过广泛的测试进行验证和校准。测试通常是在 "光学模型 "上进行的，这些物体是专门设计来模仿特定类型的组织。假体有助于完成几项任务，包括校准、评估工具的分辨率和后处理算法的验证。
虽然一个理想的模型应该在整个光学光谱范围内与目标组织的反应完全一致，但这在目前的技术中是无法实现的。现代光学模型只能模仿目标组织的一些特性，而且只能在一个狭窄的波长范围内。虽然这对许多成像技术来说已经足够了，但各种新兴的混合模式和新型仪器都依赖于更宽的组织光学特性（如吸收和散射）的波长带。
这种情况要求对光学模型进行新的设计，以更忠实地再现代表性组织。在最近发表在《生物医学光学杂志》（JBO）上的一项研究中，来自美国范德比尔特大学的研究人员想出了一个创新的平台来生产这种自适应光学模型。
他们的想法是围绕着在制造模型时加入多种颜料，这样在环氧树脂凝固后，最终材料的光学特性将准确反映目标组织的特性。这个过程类似于五金店的油漆如何通过结合一些设定的颜料来匹配一个任意的目标颜色。
研究人员首先表征了20种市售颜料在以不同浓度单独添加到环氧树脂样品中时的光学反应。通过这种方式，他们量化了每种颜料对幻影的散射、基线吸收和不同波长的吸收峰的贡献程度。
然而，这提出了一个重要的问题。每种颜料需要多少才能与一组特定的组织特性相匹配？为了回答这个问题，研究人员使用优化技术来计算每种情况下的最佳颜料混合物。
为了展示用他们的平台设计的幻影的性能，他们接下来进行了一系列广泛的验证实验。首先，他们制作了与取自尸体的人类肌肉和神经组织的整体吸收和散射相匹配的幻影。随后，他们制作了具有不同漫反射值的模型，这是某些成像技术中的一个相关参数。
这些模型成功地模仿了苍白和黑色皮肤类型的漫反射率。最后，研究人员用他们的多色素方法创造了模拟特定浓度的发色团的幻影。在这种情况下，这些幻影代表了血红蛋白中不同的氧饱和度水平。
总的来说，验证实验的结果看起来非常有希望，生成的幻影准确地匹配了目标组织的预期属性，而且误差最小。
"JBO副编辑、蒙特利尔理工学院工程物理学教授Frédéric Leblond说："作者提供的方法可能成为开发自适应光学模型的新标准，""生物医学光学技术正在进入需要高度标准化的发展阶段，以符合各种行业和监管标准，最终导致临床转化和采用，所以这项工作是及时和重要的。
简单地说，这一创新平台可以帮助解决目前阻碍新医学成像技术的各种幻影相关问题。随着时间的推移，这将转化为更好的基于光学的诊断和治疗。
更多信息。Alec B. Walter等人，宽带、光谱拟合、组织光学模型平台的开发，《生物医学光学杂志》（2023）。doi: 10.1117/1.jbo.28.2.025001
