脑血流动力学和的光散射特性的同步评估体内大鼠脑使用多光谱漫反射成像

Summary

脑血流和体内大鼠脑组织的光散射特性的同时评估用常规多光谱漫反射成像系统证明。

Abstract

使用常规多光谱漫反射成像系统证明了脑血流动力学和体内大鼠脑组织的光散射特性的同时评估。该系统由宽带白光源、带有一组窄带干涉滤光片的电动滤光片轮、光导、收集透镜、视频变焦镜头和单色电荷耦合器件 （CCD） 相机构成。在异氟醚麻醉下，在大鼠的颅骨中制作一个椭圆形颅窗，以捕获皮质表面的体内多光谱漫反射图像。使用气体混合装置调节吸入氧的分数，可以诱导不同的呼吸状态，例如常氧、高氧和缺氧。然后对九个波长（500、520、540、560、570、580、600、730 和 760 nm）的测量多光谱漫反射图像进行基于蒙特卡洛模拟的多元回归分析，以可视化血流动力学的二维图和体内大鼠大脑的光散射特性。

Introduction

多光谱漫反射成像是用于获得在皮质组织固有的光学信号（IOSS）的空间图的最常用的技术。 IOSS在体内脑电波中所见的主要归因于三个现象:在光吸收的变化和由于皮质血流动力学散射特性，这取决于降低或线粒体细胞色素氧化在吸收变化和变型中通过形态学改变诱导的光散射特性^1。

在可见光（VIS）到近红外（NIR）的光谱范围内的光被有效地吸收，并通过生物组织散射。 体内脑的扩散反射光谱的特征在于，吸收和散射光谱。减小的散射系数μ在VIS到NIR波长范围内的结果的脑组织的_S'以单调散射光谱表现出在较长波长荷兰国际集团较小幅度。减小的散射系数μ频谱_S"（λ）可以近似为在幂律函数^2，3的形式为^{_{μS"（λ）=α×λ-b。}}散射能力b为在活组织^2,3与生物散射体的大小。组织和减少活皮层组织的生存能力的形态改变可影响生物散射体^....

Protocol

动物保健，准备和实验方案是由东京农工大学的动物研究委员会的批准。对于这种方法，将大鼠圈养在受控环境中（24℃，12小时光照/黑暗周期），与食物和水可随意获得。

1.传统多光谱漫反射成像系统的构建

1. 摩9个的窄带光学干涉滤光器具有的中心波长500,520，540，560，570，580，600，730，和760纳米至机动滤光轮的过滤孔。
2. 构建使用宽带白色光源，机动滤光轮与上述组窄带干涉滤光片，光导，聚光透镜，视频变焦透镜，和一个单色CCD照相机的多光谱成像系统。光学元件，在图 2中所示的布局，可以被称为用于第是施工程序。
   注:照明的角度是大约45°相对于样品表面。
3. 转动卤素灯光源经由一个干涉滤光器，光导，和聚光透镜来照射样品的表面。
4. 打开CCD相机的操作软件。

2.动物的制备

注:在这个协议中，并没有用于未来的实验大鼠和它多光谱图像的测量后，立即处死。

1. 感应腔室的入口端口连接到麻醉机的与管出口端口。感应腔室的出口端口连接到麻醉机的进气口与第二管。
2. 放置老鼠进入吸气室和诱导具有5.0％异氟烷麻醉。在深度，使得老鼠并没有脚趾捏回应维持麻醉。大号奥尔〜2.0％异....

Results

从体内大鼠脑获取的漫反射的代表性光谱图像示于图3中的图像，在500，520，540，560，570和580nm处清楚地看到血管的密集网络在大脑皮层。的血管，在600，730中的图像中观察到的周围组织，和760纳米之间的对比度恶化反射光中的时间更长，NIR波长下吸收血红蛋白。

图4示出了暴露的大鼠脑的用于氧化血红蛋白浓度，脱氧血红蛋白浓度，总血红蛋白浓度，局部脑氧饱和度，和散射功率代表估计的图像。如从漫反射图像预期在较短波长在图3中，在血液中的VES的总血红蛋白浓度SEL区域比在周围组织区域更高。在另一方面，在小动脉氧合血红蛋白浓度比在静脉由于动脉血液中的血红蛋白比静脉血更多含氧较高。因此，小动脉和小静脉的分布可以清楚地区域的氧饱和度的所估计的图像中区别开来。

Discussion

在这个协议中最关键的步骤是去除减薄头骨区域，使颅窗口的;这应该小心进行，以避免意外出血。这个步骤是为了获得高品质的多光谱扩散高精度反射图像重要。建议手术过程如果可能的话，使用立体显微镜。明胶海绵小块止血有用。

这篇文章中描述的光学系统穿过位于所述光源的前面的干涉滤光器的单色的光。这可以通过将所述滤光轮在摄像机镜头或CCD摄像机的前面进行修改。在这种情况下，然而，焦平面可以是可变的，如果使用具有不同厚度的干涉滤光器，而这将造成图像质量的恶化。有必要从颅窗口取出玻璃板如果记录电极插入到皮质组织为电生理学测量，如电局部场电位的测量。在这种情况下，成像系统可以检测到来自皮质表面不期望的镜面反射。可以通过使用一组偏振板用正交尼科耳排列，可以避免此问题。

在这篇文章中展示了传统的多光谱成像设备是有点费时使用，由于在轮上的滤波器的位置被机械地改变。这意味着，所述成像系统捕获的每个漫反射图像依次以不同的波长点。由于此限制，该系统是不充分捕捉快速IOSS，如在反射光谱由于神经元的活动²⁰的变化。虽.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
150 W 卤素灯光源	Hayashi Watch Works Co.， Ltd，日本东京	LA-150SAE
光导	Hayashi Watch Works Co.， Ltd，日本东京	LGC1-5L1000
收集镜头	Hayashi Watch Works Co.， Ltd，日本东京	SH-F16
涉滤光片 l@ 500 nm	Edmund Optics Japan Ltd，日本东京#	65088
干涉滤光片 l@ 520 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#65093
干涉滤光片 l@ 540 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#65096
涉滤光片 l@ 560 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#67766
干涉滤光片 l@ 570 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#67767
干涉滤光片 l@ 580 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#65646
干涉滤光片 l@ 600 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#65102
干涉滤光片 l@ 730 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#65115
干涉滤光片 l@ 760 nm	Edmund Optics Japan Ltd， Tokyo， Japan	#67777
电动滤光片轮	美国新罕布	FW-MOT-12.5
8 位单色 CCD 相机	THE IMAGINGSOURCE，德国	DMK21BU618。H
视频变焦镜头	Edmund Optics Japan Ltd，日本东京	VZMTM300i
Spectralon 白色标准，具有 99% 漫反射率	Labsphere Incorporated，北萨顿，新罕	SRS-99-020