Creation of a stable gel wax phantom for the clinical multi-spectral optoacoustic imaging device MSOT acuity echo

Abstract

Diese Studie beleuchtet die Notwendigkeit eines Kalibrierungsphantoms, das speziell für die Anforderungen der optoakustischen Bildgebung entwickelt wurde, mit besonderem Augenmerk auf das MSOT Acuity Echo-System. Im Rahmen des Projekts wurde ein Herstellungsprozess für ein Gelwachsbasiertes Phantom etabliert und die Reproduzierbarkeit sowie Stabilität eines Zerdine-Phantoms untersucht, um dessen Potenzial als Kalibrierungsinstrument zu bewerten. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Entwicklung und Evaluierung der Phantome, ohne jedoch eine vollständige Systemkalibrierung oder klinische Anwendung einzubeziehen. Zu den zentralen Ergebnissen gehören quantifizierbare Schwankungen in der Laserpulsenergie, der Signalreproduzierbarkeit und verschiedenen Bildgebungsmetriken. Die Stabilität der Laserenergie wies während der Studie eine Schwankung von 1.23% und eine Gesamtschwankung von 11.03% auf. Die Variabilität der Absorbersignale lag zwischen 1.58% und 11.87%. Die Analyse zeigte eine klare Abhängigkeit der Bildsignale von den Absorptionseigenschaften des Absorbers, wobei eine höhere Absorption zu gleichmäßig gesteigerten Bildintensitäten führte. Die Positions- und Richtungsvariabilität der ROI-Positionierung zeigte, dass die Variabilität in x-Richtung (3.25%) größer war als in y-Richtung (0.57%). Das Gelwachs-Phantom wurde mit integrierten Absorbern, anpassbaren optischen Eigenschaften und einem 3D-gedruckten Schutzgehäuse entwickelt, um eine standardisierte Fertigung und einfache Handhabung zu gewährleisten. Die Konsistenz des kommerziell erhältlichen Gelwachses und die Langzeitstabilität seiner Eigenschaften stellen mögliche Unsicherheitsfaktoren dar, die in zukünftigen Untersuchungen näher analysiert werden sollten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das entwickelte Phantom dazu beitragen könnte, die Zuverlässigkeit von Geräten zu steigern und die Genauigkeit der optoakustischen Bildgebung zu verbessern. Zukünftige Studien könnten alternative Materialien, eine größere Vielfalt an Konfigurationen und die Leistungsbewertung des Phantoms in Längsschnittuntersuchungen in den Fokus nehmen.Ziel wäre es, weitere potenzielle Einsatzbereiche und den Einfluss auf klinische Abläufe zu untersuchen und zu optimieren. Diese Untersuchung bildet eine solide Basis für die Weiterentwicklung von Kalibrierungsmethoden und die Verbesserung optoakustischer Bildgebungssysteme.

This study explores the development of a calibration phantom tailored to the requirements of optoacoustic imaging, specifically for the MSOT Acuity Echo system. A manufacturing process for a gel wax-based phantom was established and the reproducibility and stability of a Zerdine phantom were assessed to evaluate its potential as a calibration tool. The investigation primarily concentrated on the design and evaluation of the phantoms, excluding broader considerations of system-wide calibration or clinical implementation. Key findings include quantifiable variations in laser pulse energy, signal reproducibility and imaging metrics. Laser energy stability exhibited in-study and overall variations of 1.23% and 11.03%, respectively, while absorber signal variability ranged from 1.58% to 11.87%. The analysis revealed significant dependencies of image signals on target absorption properties, with higher absorption resulting in uniformly elevated image intensities. Positional and directional variability of the ROI positioning showed that x-direction variability exceeded that of the y-direction, with in-study variations of 3.25% and 0.57%, respectively. The gel wax phantom was developed with integrated absorbers, customizable optical properties and a 3D-printed protective casing, facilitating standardized manufacturing and user-friendly handling. However, potential uncertainties related to the consistency of commercially available gel wax and the long-term stability of its properties highlight areas for future investigation. The findings suggest that the developed phantom has the potential to enhance device reliability and improve the precision of optoacoustic imaging. Future research could investigate alternative materials, explore a broader range of configurations and assess the phantom's performance in longitudinal studies to further refine its applications and evaluate its impact on clinical work-flows. This study provides a foundation for advancing calibration methods and optimizing optoacoustic imaging systems.