Preparation and characterization of polyurethane optical phantoms

Abstract

We describe a method for the preparation of a polyurethane phantom to simulate the optical properties of biologic tissues at two wavelengths in the visible and near-infrared spectral range. We characterize the addition of added molecular absorbers with relatively narrow absorption bands [full width at half maximum (FWHM) 32 and 76 nm for Epolight 6084 and 4148, respectively] for independent absorption at 690 nm for absorption up to 5 cm(-1), and 830 nm for absorptions up to 3 cm(-1). Absorption by both dyes is linear with concentration in these respective regions and is consistent in polyurethane both before and after curing. The dyes are stable over long durations with no more than 4% change. The absorption of visible light by polyurethane decreases with time and is stable by one year with a drop of 0.03+/-0.003 cm(-1) from 500 to 830 nm. The scattering properties are selected by the addition of TiO2 particles to the polyurethane, which we functionally describe for the 690- and 830-nm wavelengths as related to the weight per volume. We demonstrate that the variation in absorption and scattering properties for large batch fabrication (12 samples) is +/-3%. The optical properties of the phantoms have not significantly changed in a period of exceeding one year, which makes them suitable for use as a reference standard.

Doku Fantom Üretimi ve Temel Optik Özelliklerinin Ölçümü / Fabrication of Tissue Phantom and Measurement of The Fundamental Optical Properties

“…TiO2 parçacıklarının soğrulmaya etkisi ihmal edilecek kadar çok küçük olduğundan tam bir saçıcı olarak kabul edilebilmektedir [2].…”

“…Doku fantomlarının kullanımı; fiziksel dokudaki ışık dağılımının benzetimi, optik sistemin kalibrasyonu, optiksel ölçüm sistemlerine referans bir ölçüm olması gibi sebeplerden dolayı fantom tasarım ve kullanımı çalışmalarda büyük kolaylıklar sağlamaktadır [2]. Literatürde, insan dokusunu taklit eden birçok fantom 206 bulunmaktadır.…”

“…Özellikle intralipid tabanlı sıvı fantomlar oldukça sık kullanılmaktadır. Hazırlanması ve temini kolay olmasına rağmen, raf ömrünün kısa olmaları, çabuk bozulmaları ve ayıca farklı optik özelliklerde katman (layer) yapılı fantomlar tasarımlanamaması en büyük dezavantajlarıdır [2,3].…”

“…Katı fantom tasarımında farklı taban malzemeleri kullanan birçok çalışma olsa da genellikle silikon, poliüretan, epoksi reçine, polyester en çok tercih edilen malzemelerdir [2 -4]. Bu malzemelerin genelde bir diğerine çok büyük üstünlüğü olduğu söylenemez [2,5]. Kullanılacak taban malzeme seçiminde dikkat edilmesi gereken etmen, soğrulma ve saçılma benzetimi için eklenecek maddelerin, taban malzeme içerisinde homojen şekilde karışıyor olmasıdır.…”

“…Bunların yanı sıra polistiren (polystyrene) ve mikroküreler (microspheres) da tercih edilmektedir. Ancak çok pahalı olmaları en büyük dezavantajıdır [2]. Bu çalışmada; dayanıklı, optik özellikleri kararlı olan uzun ömürlü katı bir fantom tasarımlamak amaçlanmıştır.…”