Implementation of Polyvynil–Alcohol Mixed With Nano–Particles as a Near Representation of Biological Tissue: Ultrasonic and PhotoThermal Study

R. M. Quispe–Siccha*¹, B. Reyes–Ramírez¹, C. García–Segundo¹, N. Hevia–Montiel⁴, F. Arámbula–Cosío¹, R. Sato–Berrú¹, J. O. Flores–Flores¹

¹ Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior Universitario. Apdo. Postal (P.O. Box) 70–186. Coyoacán 04510. México, D.F. * rosa.quispe@gmail.com

⁴ Departamento de Ciencias de la Computación, Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) Apartado Postal 20–726, Ciudad Universitaria, C.P. 04510. México, D.F.

ABSTRACT

We present experimental results related to the manufacturing of phantoms based on polyvinyl–alcohol (PVA) mixed with SiO₂, graphite and Ag nanoparticles. These phantoms are dummy representations of the human tissue of the breast gland. We focus our attention on the representation of the optical and the mechanical properties of the actual biological healthy tissue and of that representing a hidden cancer tumor (lesion). The quality of the samples is tested by ultrasonic imaging and laser induced photothermal (PT) detection technique. From the former test, the mechanical contrast that one can achieve is apparent. Instead, the laser detection technique makes it possible to determine that the optical contrast is achievable. For the laser induced PT method we register the so–called photothermal amplitudes, rather known as photoacoustic (PA) signals. These are the ultimate expression of laser–induced bursts of photothermal processes, whose engine is the fraction of the optically absorbed energy that decays through non–radiative channels. In our case we look for the conditions at which the PT phenomena are produced by a hidden dummy–tumor alone; meaning that the output signals are nearly free from substantial contributions from the bulk of the phantom. This is so as to mimic the actual mechanical and optical absorption performance of breast tissue with an inner cancer tumor. From the ultrasound images one can see how apparent the resemblance with the actual human tissue is.

Keywords: Polyvinyl–alcohol, nanoparticles, photothermal, ultrasound, phantom.

RESUMEN

Presentamos resultados experimentales sobre la fabricación de fantasmas a base de alcohol polivinílico (PVA) mezclado con nano–partículas de SiO₂, grafito y Ag. Estos fantasmas son una representación artificial del tejido humano de la glándula mamaria. Nos enfocamos en la representación de las propiedades ópticas y mecánicas de tejidos sanos y de tejidos de lesiones o anomalías internas. Esto en clara representación de un tumor cancerígeno. La calidad de las muestras se analizan mediante imágenes de ultrasonido y mediante detección de procesos foto–térmicos (FT) inducidos por láser. El primer método de análisis nos permite verificar de manera inmediata el contraste mecánico que se obtiene de las muestras. La detección FT permite mostrar el contraste óptico que se logra. Esto se hace mediante el registro de la amplitud de las perturbaciones foto–térmicas inducidas por pulsos láser, también conocidas como señales fotoacústicas. Estas son las expresiones más representativas de los fenómenos fototérmicos, inducidos por la fracción de la energía óptica absorbida que decae a través de procesos no–radiativos. En nuestro caso buscamos las condiciones en las cuales los fenómenos fototérmicos son generados únicamente por la lesión oculta en el maniquí, sin contribución sustancial de la masa del fantasma. De esta manera, logramos representar el desempeño óptico y mecánico del tejido de seno con un tumor en su interior. De las imágenes de ultrasonido, es evidente la semejanza con el tejido humano real.

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

References

[1] Hisaka M., Sugiura T. and Kawata S., "Optical cross–sectional imaging with pulse ultrasound wave assistance", J. Opt. Soc. Am. A., Vol. 18, 2001, pp. 1531–4.         [ Links ]

[2] Quing Zhu and NanGuang Chen, "Imaging tumor angiogenesis by use of combined near–infrared diffusive light and ultrasound", Opt. Lett. Vol. 24, 2003, pp.1050–2.         [ Links ]

[3] Arámbula–Cosío F., Lira Berra E., Hevia–Montiel N., García–Segundo C., Garduño E., Alvarado–Gonzáles M., Quispe–Siccha R. M., Reyes–Ramírez B., Hazan–Lasri E., "Computer assisted biopsy of breast tumors", EMBC'10 Review 703, 2010, pp. 5995–5998        [ Links ]

[4] Minghua Xu and Lihong V. Wang, "Photoacoustic imaging in biomedicine", Review of scientific instruments, Vol. 77, 2006, pp.1–22.         [ Links ]

[5] Manohar S., Vaatjes S. E., Van Hespen Y.C.G., Klaase J. M., den Engh F. M. V., Steenbergen W., and Van Leeuwen Ton G., "Initial results of in vivo noninvasive cancer imaging in the human breast using near–infrared photoacoustic", J. Op. Soc. Am. A., Vol. 15, 2007, pp. 12277–12285.         [ Links ]

[6] Alexander A. Oraevsky, Steven L. Jacques, and Frank K. Tittel, "Measurement of tissue optical properties by time–resolved detection of laser–induced transient stress", Applied Optic, Vol. 36, 1997, pp. 402–415.         [ Links ]

[7] Egerev S., Ermilov S., Ovchinnikov O., Fokin A., Guzatov Dmitry, Klimov V., Kanavin A. and Oraevsky A., "Acoustic signals generated by laser–irradiated metal nanoparticles", Applied Optics, Vol. 48, 2009, pp. 38–45.         [ Links ]

[8] Lal S, Clare S. E. and Halas N. J., "Nanoshell–enabled photothermal cáncer therapy: impending clinical impact", Accounts of Chemical Research, Vol. 41(12), 2008, pp.1842–51.         [ Links ]

[9] Vilca–Quispe L., Alvarado–Gil J. J., Quintana P., Ordonez–Miranda J., "Diffusion of Methylene Blue in Phantoms of Agar Using a Photoacoustic Technique", Int. J, Thernofisic, Vol. 31, 2010, pp.987–97        [ Links ]

[10] Kharine A., Manohar S., Seeton R., Kolkman R. G M, Bolt R. A, Steenbergen W. and de Mu F.F.M., "Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography", Phys. Med. Biol. Vol. 48, 2003, pp.1–14.         [ Links ]

[11] Fromageau J., Gennisson J.L., Schmitt C., Maurice R.L., Mongrain R., and Cloutier G. "Estimation of Implementation of Polyvinyl Alcohol Cryogel Mechanical Properties with Four Ultrasound Elastography Methods and Comparison with Gold Standard Testings", IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 54, 2007, pp. 498–509.         [ Links ]

[12] Sato–Berrú Robert, Saniger José M., Flores–Flores José, Sanchez–Espíndola María, "Simple method for the controlled growth of SiO2 spheres" (private communication in preparation for submission).         [ Links ]

[13] http://www.ultrasound–images.com/breast.htm#Carcinoma_of_breast.         [ Links ]