La complessità delle misure in mezzi altamente diffondenti cioè la dipendenza dell’attenuazione del segnale ottico da assorbimento e diffusione, richiede la realizzazione di sistemi modello solidi e stabili nel tempo che possano costituire un sistema di test per la strumentazione e i modelli teorici. I sistemi modello vengono realizzati con materiali, forme e proprietà ottiche variabili in un ampio intervallo utile per simulare i tessuti umani. I modelli possono essere assemblati in strati otticamente differenti, possono contenere inclusioni fisse o in movimento per simulare rispettivamente tessuti a strati, patologie localizzate (es. tumori) o variazioni metaboliche (es volume di sangue).

Sistemi Modello

I materiali utilizzati nel laboratorio per la realizzazione dei modelli sono resine epossidiche e gomme siliconiche. Questi materiali sono bi-componenti liquide (Parte A e Parte B) che una volta miscelate nelle opportune proporzioni formano un materiale solido. I materiali sono originariamente trasparenti e le proprietà ottiche desiderate si ottengono aggiungendo in fase di preparazione Ossido di Titanio (TiO2) in polvere per il coefficiente di diffusione ridotto e toner nero in polvere per il coefficiente di assorbimento
(fig.1 - Modello in resina epossidica)

Resine epossidiche

La resina epossidica una volta miscelata diventa un materiale solido rigido lavorabile a macchina. Questo consente di modificarne la forma, creare cavità e assemblare pezzi mobili. Con questo materiale (NM ME 500, Nils Malgren, Sweden) sono stati realizzati due kit di test costituiti da 40 campioni cilindrici (10 cm diametro, 4,5 cm altezza) con matrice di valori di proprietà ottiche nell’intervallo 5-20 cm-1 di diffusione e assorbimento tra 0-0,5 cm-1.
Questi set sono stati utilizzati in diversi laboratori europei per validare il protocollo di standardizzazione europeo Medphot.
Per simulare nel tempo le variazioni emodinamiche del tessuto (es, cervello), è stato realizzato un sistema modello dinamico che consiste in un cilindro di resina al cui interno è inserita una piccola inclusione cilindrica nera di PVC e in una struttura cilindrica di maggiori dimensioni, con un foro longitudinale dove scorre il cilindro. Il cilindro e la struttura hanno le stesse proprietà ottiche. Fissata la posizione dei punti di misura sulla superficie piana della struttura, il movimento della piccola inclusione viene vista come una variazione temporale locale di assorbimento nel volume sottostante
(fig.2 - Sistema modello dinamico).

Gomme Siliconiche

Le gomme siliconiche presentano, una volta indurite, caratteristiche di materiale elastico la cui consistenza dipende dal tipo di gomma. Il materiale usato prevalentemente è il Sylgard 184 (Corning, USA) che possiede ottime proprietà di robustezza e elasticità. Il vantaggio di questo materiale è che non aderisce allo stampo e pertanto si può modellare in modo semplice. È possibile, ad esempio, creare sulla superficie di un parallelepipedo cavità cilindriche superficiali. Nelle cavità si inseriscono cilindri delle stesse dimensioni con proprietà ottiche differenti in modo da simulare inclusioni nel materiale (modello di tumore localizzato). Realizzando inoltre parallelepipedi di uguale superficie, altezze differenti e proprietà ottiche diverse è possibile sovrapporli realizzando sistemi a multistrato, data la buona adesione tra le superfici. Il recente interesse di combinare misure in ottica diffusa con ultrasuoni, ha reso necessario realizzare modelli validi per entrambe le modalità di misura. A tal fine è stata utilizzata la gomma siliconica Ecoflex 00-30 (Smooth-on, USA) che possiede una consistenza gelatinosa e pertanto consente la propagazione di ultrasuoni a bassa frequenza (4-5 MHz). Modulandone le proprietà ottiche si ottengono modelli validi per test combinati di ultrasuoni e ottica diffusa. In particolare realizzando sistemi multistrato con inclusioni si sono ottenute immagini a ultrasuoni simili a quelle di un tumore all’interno della mammella. Questo sistema modello è utilizzato come test di una nuova apparecchiatura per la diagnostica del tumore della mammella, sviluppata nel progetto europeo SOLUS, che combina in una unica sonda il trasduttore ecografico e 8 optodi, ciascuno con diverse sorgenti laser e rivelatore.
(fig.3 - Immagine ecografica ottenuta con la sonda SOLUS in un modello con inclusione)

Apparecchiature

• Cappa chimica (Novaria Tecnologie, Italy)
• Bilancia di precisione (E42S - 0,1 mg, Gibertini, Italy)
• Omogeneizzatore (OV5, Velp Scientifica, Germany)
• Centrifuga planetaria (Kakhunter Sk-300 SII, Shashin Kagaku, Japan)
• Camera a vuoto (pompa a vuoto XDS 5, Edwards, Sweden)
• Forno (UT 20P Heraeus, Germany)