Teoretične osnove in pregled literature
16
V optoakustiki se največkrat uporabljajo sledeči tkivni fantomi:
- voda, - agar, - želatina,
- kombinacije agarja in želatine, - poliakrilamid (PAM),
- karagenan,
- ostali želirni materiali.
Voda
Voda je najenostavnejši in najlažje dostopen tkivni fantom, ki si ga lahko zamislimo.
Preglednica 2.5 prikazuje gostoto in hitrost zvoka za destilirano vodo pri 20 ◦C.
Preglednica 2.5: Gostota in hitrost zvoka za vodo Lastnost Vrednost
ρ [kg m-3] 998 c [m s-1] 1481
Prav zaradi njene enostavnosti in dostopnosti je voda eden izmed najpogostejših fantomov, ki jih lahko uporabimo v začetnih stadijih raziskav. Dodajamo ji lahko različne materiale, s čimer povečamo njihovo kompleksnost in se tako vse bolj približujemo zahtevam mehkih tkiv.
Agar
Agar je zelo razširjeno želirno sredstvo za izdelavo tkivnih fantomov. Široko uporabo agar gelov lahko pripisujemo več dejavnikom, vključno z njihovo enostavnostjo in nizko ceno izdelave ter zadostno mehansko trdnostjo, ki omogoča izdelavo različnih oblik in večplastnih struktur [20]. Dodatna prednost agarja je njegovo visoko tališče, ki znaša blizu 78 ◦C, zaradi česar je idealen za mehanske in termične študije [23]. Preglednica 2.6 prikazuje nekatere mehanske in optične lastnosti agar fantomov pri 2 % masne koncentracije.
Preglednica 2.6: Nekatere mehanske in akustične lastnosti agar fantomov Lastnost pri 2% agarja Vrednost Vir
ρ [kg m-3] 999 [26]
c [m s-1] 1460 [27]
α1 (dB cm−1 MHz−1 ) 0,3 [28]
E [kPa] 175 [29]
Tkivnim fantomom iz agarja lahko s spreminjanjem koncentracije agarja nadziramo vse štiri zgoraj omenjene lastnosti. S povečevanjem koncentracije agarja linearno povečujemo hitrost zvoka, kjer v povprečju povečamo hitrost zvoka za 1 m/s na 0,1 % povečane koncentracije agarja [30]. Prav tako linearno narašča koeficient dušenja, ko je koncentracija agarja med 2 in 6 %.
Teoretične osnove in pregled literature
17 Dodatna dobra lastnost agar fantomov je, da jim lahko dodajamo velike količine različnih materialov, s katerimi še dodatno prilagodimo lastnosti tkivnega fantoma, kot je npr.
koeficient dušenja. Nekateri izmed materialov so silicijev dioksid, magnezij, kalcij, kalij, celuloza, grafin in kondenzirano mleko. Kondenzirano mleko se v literaturi največ uporablja kot absorber akustične energije. V primeru, da koncentracije agarja ne moremo povečevati, ampak potrebujemo višjo zvočno hitrost, se dodaja še glicerol [31].
Čeprav je bilo dokazano, da so fantomi na osnovi agarja funkcionalni v širokem obsegu uporabe, jih spremljajo nekatere omejitve. Prvič, imajo relativno nizko žilavost in so zato zlahka krhki. Druga negativna lastnost je njihova omejena prozornost, ki preprečuje neposredno vizualizacijo nastajanja poškodb v primerih toplotnih izpostavljenosti [23].
Želatina
Želatina je drug izredno enostaven material, iz katerega lahko na enostaven način pripravimo kakovostne fantome. Preglednica 2.7 prikazuje nekatere mehanske in akustične lastnosti želatinastega fantoma, ki je vseboval 6,67 % želatine. Poleg vode je vseboval še konzervirano mleko, ki je bilo razredčeno z vodo v razmerju 50/50.
Preglednica 2.7: Nekatere mehanske in akustične lastnosti želatinastih fantomov [10]
Lastnost želatine Vrednost ρ [kg m-3] 1067
c [m s-1] 1553
α1 (dB cm−1 MHz−1 ) 0,50
E [kPa] 9,5
Prav tako kot pri agarju so pokazali, da povečevanje koncentracije želatine linearno povečuje hitrost zvoka, in sicer v območju med 2 % in 24 % povečuje hitrost zvoka za 3,2 m/s na vsak dodan procent želatine [23].
Običajno imajo želatinasti fantomi relativno nizke mehanske trdnosti in nizke temperature taljenja, zaradi česar so nepraktične za eksperimente, kjer je presežena temperaturo 50 ◦C.
Termične omejitve lahko na dokaj enostaven način zvišamo z dodajanjem vezivnega sredstva, npr. formaldehida ali glutaraldehida. Z vezivnimi sredstvi lahko temperaturo taljenja zvišamo preko 60 ◦C, poleg tega lahko povišamo še togost fantoma. Slaba stran vezivnih sredstev je, da lahko z njihovim dodajanjem poslabšamo nekatere njihove druge pomembne parametre [23].
Kombinacije agarja in želatine
Fantomi, sestavljeni iz mešanic agarja in želatine, so se pojavili kot alternativni kandidati za aplikacije elastografije. Uporaba agarja povzroči trše fantome (tj. Youngov modul) s povečano geometrijsko stabilnostjo. Preglednica 2.8 prikazuje mehanske in akustične lastnosti fantomov mešanice agarja in želatine. Treba je omeniti, da je koncentracija agarja v mešanicah znašala 1,17 % in želatine 3,6 %, vsi testi so bili izvedeni pri 22 ◦C. V fantom je bilo dodano še vezivno sredstvo, saj ostane temperatura tališča za želatino na 32 ◦C.
Teoretične osnove in pregled literature
18
Preglednica 2.8: Nekatere mehanske in akustične lastnosti agarjevih/želatinastih fantomov [32]
Lastnost Vrednost spremembe geometrije. Do tega pojava pri agar fantomih ne more priti.
Poliakrilamid (PAM)
Izredno dober material za pripravo fantomov, ki imajo zelo visoke temperature taljenja, je poliakrilamid. Za te namene se kaže tudi kot najbolj uporaben. Dodatna dobra lastnost PAM je, da je prozoren za vidno svetlobo. Preglednica 2.9 prikazuje mehanske in optične lastnosti PAM fantomov. PAM fantom je za test gostote, hitrosti zvoka in prožnostnega modula vseboval 5 %, pri koeficientu dušenja pa 10 % PAM materiala.
Preglednica 2.9: Nekatere mehanske in akustične lastnosti PAM fantomov [33]
Lastnost Vrednost ravnosti površine potrebno postopek izdelave podaljšati in otežiti. Velika pomanjkljivost, ki jo imajo PAM fantomi, je, da je za njihovo pripravo treba izvesti polimerizacijo monomera akrilamida, ki je rakotvoren in nevrotoksičen. Posebej pazljivi moramo biti tudi pri uporabi fantomov, saj se PAM difundira nazaj v akrilamid, ko je izpostavljen toploti in ultravijolični svetlobi. Zato moramo biti pri izdelavi, uporabi in shranjevanju fantoma dodatno pazljivi [34].
Agar fantomi se izkazujejo kot najboljši in v veliki meri najbolj uporabljeni fantomi za raziskave mehkega tkiva. V primerjavi s PAM fantomi niso toksični in so veliko lažje in ceneje proizvedeni, čeprav imajo PAM fantomi izredno dobro prozornost. Želatinasti fantomi imajo nekoliko nižjo mehansko trdnost. Če jim jo želimo dvigniti, jim lahko spremenimo katere druge pomembne lastnosti. Zato so iz tega vidika nekoliko manj uporabljeni.
19
3 Metodologija raziskave
V tem poglavju so opisani eksperimentalni sistem in njegovi glavni podsistemi. Prav tako je opisana izbira in izdelava tkivnega fantoma ter potek izvedbe eksperimentov in obdelave meritev.
3.1 Eksperimentalni sistem
Eksperimentalni sistem je sestavljen iz številnih podsistemov, ki so podrobneje opisani v naslednjih podpoglavjih. Celotni sistem, razen laserja, je bil postavljen na optični mizi v laboratoriju Lasteh.
Eksperimntalni sistem je shematsko predstavljen na sliki 3.1. Eksperimente smo začenjali s pošiljanem signalov s PC (ang. personal computer) na kamero in laser. Kamera se je ob prejetju signala aktivirala in čakala na dovedno svetlobo iz nanosekundne bliskavice. Drugi signal se je poslal na bliskovni Nd:YAG laser, ki je iz prejetega signala zgeneriral primeren blisk. Blisk se je po prehodu polarizatorja na delilniku žarka razdelil v razmerju 90/10, kjer je 10 % energije bliska sprožilo Si-fotodiodo (Thorlab, DET10A), preostali del energije pa je bil uporabljen za generiranje OA efekta. Signal s fotodiode je zajel osciloskop (LeCroy 6050), ki je signal posredoval na funkcijski generator (Tektronix AFG3102). S funkcijskim generatorjem smo nastavljali poljubno zakasnitev sprožitve nanosekundne bliskavice, ki je osvetlila merilno območje vzorca. Kamera je v tistem trenutku zajela sliko, ki se je v realnem času prikazala na ekranu računalnika. Signale, pridobljene s prožilne in presevnostne fotodiode, smo z osciloskopa s pomočjo programske opreme prikazovali in shranjevali na računalniku. S funkcijskim generatorjem smo nastavljali poljubno zakasnitev, ki je imela minimalni korak 100 ns. Eksperimentalni sistem je imel še dodatno zakasnitev 2,5 μs, ki jo je bilo potrebno prišteti nastavljeni zakasnitvi.
Metodologija raziskave
20