הערכה סימולטנית של המודינמיקה מוחית ופיזור תכונות אור של In vivo מוח עכברוש באמצעות הדמית החזרה המפוזרת Multispectral

Summary

ההערכה סימולטני של ההמודינמיקה מוחות תכונות פיזור האור של רקמת מוח in vivo עכברוש מודגמת באמצעות מערכת הדמית החזרת multispectral דיפוזי קונבנציונלית.

Abstract

ההערכה בו-זמנית של המודינמיקה המוחית ותכונות פיזור האור של רקמת מוח של חולדות in vivo מודגמת באמצעות מערכת הדמיית רפלקציה מפוזרת מולטי-ספקטרלית קונבנציונלית. מערכת זו בנויה ממקור אור לבן בפס רחב, גלגל מסנן ממונע עם סט מסנני הפרעות בפס צר, מוביל אור, עדשת איסוף, עדשת זום וידאו ומצלמת מכשיר מצמד טעון מונוכרומטי (CCD). חלון גולגולת אליפסואידלי מיוצר בעצם הגולגולת של חולדה בהרדמה איזופלורן כדי ללכוד תמונות רפלקטיביות מפוזרות מולטי-ספקטרליות של פני השטח בקליפת המוח. ויסות חלק החמצן המעורר באמצעות מכשיר תערובת גז מאפשר אינדוקציה של מצבי נשימה שונים כגון נורמוקסיה, היפראוקסיה ואנוקסיה. לאחר מכן מבוצע ניתוח רגרסיה מרובה מבוסס סימולציה של מונטה קרלו עבור תמונות החזר מפוזרות מולטי-ספקטרליות שנמדדו בתשעה אורכי גל (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 ו-760 ננומטר) כדי להמחיש את המפות הדו-ממדיות של ההמודינמיקה ואת תכונות פיזור האור של מוח החולדה in vivo.

Introduction

הדמית החזרת דיפוזי Multispectral היא הטכניקה הנפוצה ביותר עבור השגת מפה מרחבית של אותות אופטיים מהותיים (IOSs) ברקמת קליפת המוח. IOSs שנצפתה המוח in vivo מיוחסות בעיקר שלוש תופעות: וריאציות ספיגת האור ומאפיינים פיזור עקב ופרמטרים המודינמיים קליפת המוח, וריאציה הקליטה תלוי הפחתה או לחמצון cytochromes במיטוכונדריה, ווריאציות תכונות פיזור אור המושרה על ידי שינויים מורפולוגיים ^1.

אור בבית הגלוי (VIS) כדי האינפרה-אדום קרוב (NIR) בטווח ספקטרום נספג ביעילות מפוזרת על ידי רקמות ביולוגיות. ספקטרום ההחזרה המפוזר של מוח vivo ב מאופיין קליטת ספקטרה פיזור. מקדמי הפיזור המופחתים מיקרון _הים 'של רקמת המוח בתוצאת מגוון VIS-אל-NIR הגל בתוך תערוכת ספקטרום פיזור מונוטוניתing בהירויות קטנות באורכי גל ארוכים יותר. Μ הספקטרום מקדם פיזור המופחת _s "(λ) יכול להיות מקורב להיות בצורה של פונקצית החוק החזק ^{2, 3} כפי μ _s" (λ) = a × λ ^-b. המלון של לינת כוח הפיזור קשורה לגודל של מפזרים ביולוגיים ברקמת חית ^{2, 3.} שינויים מורפולוגיים של הרקמה והקטנת הכדאיות של רקמת חית קליפת המוח יכולים להשפיע על הגודל של המפזרים הביולוגיים ^{4, 5, 6, 7, 8, 9.}

מערכת אופטית עבור הדמית החזרת דיפוזי multispectral ניתן לבנות בקלות מתוך li ליבוןמקור להילחם, רכיבים אופטיים פשוטים, וכן (CCD) מכשיר טעון מצמידי מונוכרומטי. לכן, אלגוריתמים שונים ומערכות אופטיות עבור הדמית החזרת דיפוזי multispectral שמשו להעריך ופרמטרים המודינמיים קליפת מוח ו / או רקמת מורפולוגיה ^{10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.}

השיטה המתוארת במאמר זה משמש כדי לחזות הן ופרמטרים המודינמיים ומאפיינים פיזור אור של רקמות חולדה מוחין in vivo באמצעות מערכת הדמיה ההחזרה דיפוזי multispectral קונבנציונאלי. יתרונותיה של שיטה זו על פני שיטות חלופיות הם את היכולת להעריך שינויים בחלל ובזמן בשני ופרמטרים המודינמיים מוחות ורקמות קליפת המוחמורפולוגיה, כמו גם ישימותה במודלים של בעלי חיים תפקוד המוח השונים. לכן, השיטה תתאים חקירות של פגיעה מוחית טראומטית, התקף אפילפטי, שבץ, איסכמיה.

Protocol

טיפול בבעלי חיים, הכנה, ואת פרוטוקולי הניסוי אושרו על ידי ועדת המחקר בבעלי חיים של אוניברסיטת טוקיו החקלאות והטכנולוגיה. מתודולוגיה זו, החולדה שוכנת בסביבה מבוקרת (24 מעלות צלזיוס, 12 אור H / מחזור כהה), עם אוכל כרצונך מים זמין.

1. בניית מערכת הדמית ההחזרה המפוזרת Multispectral הקונבנציונלי

1. הר תשעה מסנני הפרעה אופטיים צרים עם אורכי גל במרכז 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, ו 760 ננומטר ל החורים המסננים של גלגל המסנן הממונע.
2. לבנות מערכת הדמיה multispectral באמצעות מקור אור בפס רחב לבן, גלגל מסנן ממונע עם הסט מעל מסנני הפרעות ערוץ צרים, מדריך אור, עדשת איסוף, עדשת זום וידאו, מצלמת CCD מונוכרומטי. הפריסה של רכיבים אופטיים, שמוצג באיור 2, יכול להיקרא עבור ההבנייה היא הליך.
   הערה: הזווית של תאורה היא כ 45 מעלות ביחס לפני השטח המדגם.
3. הפעל את מקור אור מנורת ההלוגן להאיר את פני השטח של המדגם באמצעות מסנן הפרעות, מדריך האור, ואת עדשת האיסוף.
4. פתח את תוכנת ההפעלה של מצלמת CCD.

2. הכנת בעלי חיים

הערה: בפרוטוקול זה, החולדה לא היה בשימוש עבור ניסויים בעתיד הוא הוקרב מיד לאחר מדידות של דימויים multispectral.

1. חבור את יציאת הכניסה של בתא אינדוקציה פתח היציאה של מכונת הרדמה עם צינור. חבור את היציאה של תא האינדוקציה לנמל המפרצון של מכונת ההרדמה עם צינור שני.
2. מניח את החולדה לתוך תא האינדוקציה לגרום הרדמה עם isoflurane 5.0%. לשמור על הרדמה בעומק כזה כי החולדה אינה מגיבה צובט בוהן. Lower כדי isoflurane 2.0% באמצעות ידית סיבובית על מכונת הרדמה.
3. תקן את ראש החולדה במסגרת stereotaxic. צרף שופר עבור הרדמה למסגרת stereotaxic.
4. חבור את יציאת הכניסה של הביטאון פתח היציאה של מכונת ההרדמה עם צינור. חבור את היציאה של הביטאון לנמל המפרצון של מכונת ההרדמה עם צינור.
5. לגלח את אזור הראש מעבר במקום החתך הפוטנציאלי באמצעות קוצץ שיער עד פני העור נראות.
6. ביצוע חתך אורכי כ 20 מ"מ ארוך לאורך קו האמצע של הראש באמצעות אזמל כירורגי (איור 1 (א)) ולחשוף את רקמות החיבור התת עורית (איור 1 (ב)).
7. הסר את רקמות החיבור התת עורית באמצעות המגרדת חדה או צבת ולמשוך אותו משני צידי הראש כדי לחשוף את עצם הגולגולת (איור 1 (ג)).
8. לחפור תעלת אליפסואידי על עצם הגולגולת בתוך sutur גולגולתיes (תפר העטרה, תפר sagittal, ו תפר lambdoid) באמצעות מקדח במהירות גבוהה (איור 1 (ד)).
9. לאט homogenously לחפור את עצם הגולגולת בתוך התעלה באמצעות מקדח במהירות גבוהה.
10. לחץ קל על פני הגולגולת הדלילה עם קצה המלקחיים כדי לאמוד את העובי ולחוזק אחרי כלי דם במוח מופיעים. אם באזור הגולגולת הדליל מדכא בקלות, להפסיק את הפחתת עצם הגולגולת עם המקדחה במהירות הגבוהה.
11. חותך את קו הגבול אליפסואידי של הגולגולת הדלילה טיפות טיפות באמצעות קצה המלקחיים או מספרי כירורגיות קטנים.
12. הסר את הגולגולת הדלילה מפני שטח המוח לאט ובעדינות בעזרת המלקחיים.
13. בעדינות לרחוץ את החלון גולגולתי עם תמיסת מלח פיזיולוגית ולכסות אותו עם צלחת זכוכית שקופה כ 0.1 מ"מ עובי.

3. הסדרת השבר של חמצן נשאף

הערה: קונדי הנשימהtion ניתן לשנות על ידי ויסות שבריר של חמצן השראה (FiO _2).

1. באמצעות צינור, לחבר את היציאה הראשונה של מחבר צינור בצורת Y (מחבר 1) לנמל הראשון של אחר מחבר צינור בצורת אות V (מחבר 2).
2. חבור את יציאת הכניסה של הביטאון לנמל השני של צינור מחבר 1.
3. באמצעות צינור, לחבר את היציאה השלישית של צינור מחבר 1 להתקן צג ריכוז חמצן.
4. עם צינור, לחבר את יציאת השני של מחבר צינור 2 פתח היציאה של מכונת הרדמה.
5. באמצעות צינור, לחבר את היציאה השלישית של צינור מחבר 2 פתח יציאת מכשיר תערובת גז.
6. חבריו יציאה אחד יניקה של מכשיר תערובת גז לבית בלחץ גבוה 95% O ₂ - בלון גז 5% CO ₂ באמצעות צינור.
7. חבור את יציאת כניסה האחרת של מכשיר תערובת גז לבית בלחץ גבוה 95% N ₂ - בלון גז 5% CO ₂ באמצעות צינור.
8. שנה את שיעורי זרימת גז oF ₂ ו- N ₂ באמצעות הכפתורים הסיבוביים על התקן תערובת הגז.
9. בדוק ו להסדיר את FiO ₂ באמצעות מכשיר ריכוז חמצן לפקח.

4. רכישה של תמונות מרובות

1. רכישת תמונות הפניה
   הערה: לרכיבים האופטיים המשמשים בניסוי זה, כגון מקור האור, סיבים אופטיים וגלאים יש מאפיינים ספקטרליים משלהם. לכן, את עוצמת האור עבר מרכיבים אלה צריך להיות נרשם כתמונת התייחסות. תמונת ההתייחסות היא תמונה שצולמה עם מפזר לבן סטנדרטי המואר באור ממקור האור.
   1. שים את מפזר לבן סטנדרטי על הבמה אופקית.
   2. פוקוס עדשת המצלמה על פני השטח של מפזר לבן על ידי סיבוב טבעת הזום על הקנה.
   3. כוונן את זמן האינטגרציה של המצלמה על-ידי בחירת הערך המתאים מתוךברשימה הנפתחת של פעמים אינטגרציה של תוכנות ההפעלה של המצלמה כך את כמות האור הגדולה מייצרת אות כי הוא כ 75% של ספירת מקסימלית. בעת שצפה היסטוגרמה של ערכי פיקסל, להתאים את זמן האינטגרציה עד לרמת עוצמת האות היא כ 75% של ספירת מקסימלית.
   4. בחר את הפקודה "לחסוך" מתפריט הקובץ ששמר תמונה לקובץ.
   5. שנה את המיקום מסנן ידי סיבוב הגלגל המסנן.
   6. שמירת תמונה על אורכי הגל האחרים על פי התהליך שתואר לעיל. שם הקובץ צריך לזהות את המדגם ואת אורך הגל המשמש (למשל, W500, W520, W540 ... W760).
2. רכישת תמונות לדוגמא
   הערה: תמונות של עוצמת אור המשתקפת המתפזרת של מוח עכברוש חשוף בתשעה אורכי גל נלכדות ונשמרו על הכונן הקשיח של מחשב אישי באמצעות אותם תנאי הרכישה.
   1. בעדינות במקום rעל הבמה לאט להתאים את רמת הבמה, כך המצלמה יכולה להתמקד על פני השטח של המוח חולדה.
   2. בחר בפקודה "שמור" מתפריט הקובץ לשמירת תמונה לקובץ.
   3. שנה את מיקום המסנן על-ידי סיבוב גלגל המסנן.
   4. שמור תמונה באורכי גל אחרים על פי התהליך המתואר לעיל. שם הקובץ צריך לזהות את המדגם ואת אורך הגל ( למשל, R500, R520, R540 ... R760).
3. רכישת תמונות כהות
   הערה: מצלמת CCD יכולה ליצור עוצמת אור בתגובה לאות חשמל. עם זאת, יש פלט קטן עקב רעש במעגלים חשמליים וגלאים, גם אם האור אינו נכנס לגלאי; זה נקרא רעש כהה הנוכחי. כדי למדוד במדויק את עוצמת הספקטרום של האור, הרכיב הנוכחי כהה צריך להיות נרשם כתמונה כהה ולאחר מכן מופחת מן האות נמדד. התמונה האפל היא תמונה לקחתn עם נתיב האור נחסם.
   1. כבה את מקור אור מנורת הלוגן.
   2. חסום את נתיב האור למערכת מצלמת CCD באמצעות צלחת מיגון.
   3. בחר את הפקודה "לחסוך" מתפריט הקובץ ששמר תמונה לקובץ. שם הקובץ צריך לזהות המדגם (למשל, כהה).

5. לדמיין את תוכן המוגלובין ואת פרמטר פיזור האור

הערה: סט של תמונות החזרת דיפוזי multispectral נשמרה על הכונן הקשיח של מחשב אישי ונתחה מחובר. ניתוח רגרסיה מרובה בעזרת סימולצית מונטה קרלו ¹⁹ של תמונות החזרת דיפוזי multispectral בתשעה אורכי גל (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, ו 760 ננומטר) מבוצע אז לדמיין את דו-ממדי מפות של ריכוז המוגלובין מחומצן, ריכוז המוגלובין deoxygenated, ריכוז המוגלובין הכולל, ריווי חמצן מוחות אזורי, ו סקאטtering כוח. האלגוריתם המפורט פורסם בספרויות ^{17, 18.}

1. הפחת את התמונה הכהה משתי תמונת ההתייחסות ואת התמונה מדגם בכל אורך גל.
2. לנרמל את התמונה מדגם ידי כתמונה להתייחסות בכל λ אורך הגל. פנק את התמונה המנורמלת כמו R תמונת החזרה המפוזר.
3. חשב את הספיגה (או צפיפות אופטית) התמונה A על ידי לקיחת הלוגריתם של הגומלין של R תמונת החזרה המפוזר בכל λ אורך גל:
   (1)
4. צור מטריצה תלת ממדי על ידי ערמת התמונות הספיגות לפי סדר אורכי הגל שלהם, שבו x - y המטוס מציג את המידע המבני שהתקבל עבור משטח המוח ואת z הציר מראה את המידע ספקטרלי.
5. פrform ניתוח רגרסיה מרובה עבור ספקטרום ספיגת (λ) בכל XY לתאם.
6. השתמש ספקטרום ספיגת (λ) כמשתנה תלוי ואת ספקטרום מקדם הכחדה טוחנת של המוגלובין מחומצן ε _HBO (λ) ו _HBR ε המוגלובין deoxygenated (λ) כמשתנים בלתי תלויים עבור צעד 5.5 (שפורסם ערכים עבור ε _HBO (λ) ו ε _HBR (λ) ניתנים בטבלה 1).
7. בדוק את מפות דו-ממדיות (תמונות) של שלושת רגרסיה מרובה מקדמי _{HBO, HBR,} וגם _0.
8. צור מטריצה תלת ממדי על ידי ערמת התמונות של מקדמי רגרסיה המרובים להזמין _{HBO, HBR,} וכן _0, שבו y מטוס מציג את המידע המבני שהתקבל עבור משטח המוח ואת z הציר מציג את מקדמי הרגרסיה המרובים.
9. חשב את ריכוז המוגלובין מחומצן C _HBO, את _HBR C ריכוז deoxygenated המוגלובין, ואת b כוח פיזור מהסט של רגרסיה מרובה מקדמי _{HBO, HBR,} וכן ₀ בכל XY לתאם באמצעות נוסחאות אמפיריות הבאים (שהוא מעריך של β _{HBO, אני,} β _{HBR, i,} ו β _{0, i} (i = 0,1,2,3) ניתנות בטבלה 2):
   (2)
   (3)
   (4)
10. בדוק את מפות דו-ממדיות (תמונות) של ריכוז המוגלובין מחומצן C _HBO, ריכוז המוגלובין deoxygenated C _HBR, ואת b כוח פיזור.
11. חישוב מפה דו-ממדית של _HBT C ריכוז המוגלובין הכולל מסיכום C _HBO ו- C _HBR בכל x - y לתאם.
12. חישוב מפה דו-ממדית של רוויון חמצן המוח האזורי ₂ RSO ידי חלוקת ריכוז המוגלובין מחומצן C _HBO ידי _HBT C ריכוז המוגלובין הכולל בכל x - y לתאם.

Results

תמונות רפאי נציג של החזרת דיפוזי רכשה מן מוח חולדת vivo ב מוצגות באיור 3. התמונות ב 500, 520, 540, 560, 570, ו 580 ננומטר לדמיין רשת צפופה בבירור של כלי דם בקליפת המוח. ההידרדרות של ניגוד בין כלי דם והרקמות הסמוכות נצפו בתמונות ב 600, 730, ו 760 ננומטר משקפת את הספיגה הנמוכה של אור על ידי המוגלובין ב ארוך באורכי גל ניר.

Discussion

השלב הקריטי ביותר בפרוטוקול זה הוא ההסרה באזור הגולגולת הדלילה על מנת להפוך את החלון גולגולתי; זו צריכה להתבצע בזהירות כדי למנוע דימום בלתי צפוי. שלב זה חשוב להשגה באיכות גבוהה multispectral מפוזר תמונות החזרה עם דיוק גבוה. השימוש סטראו מומלץ עבור ההליך הכירורגי במידת האפשר. חתיכות קטנות של ספוג ג'לטין שימושיות המוסטאסיס.

המערכת האופטית המתוארות במאמר זה עובר אור מונוכרומטי באמצעות מסנן הפרעות הממוקם מול מקור...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
150-W הלוגן-מנורת אור מקור	Hayashi Watch Works Co., Ltd, טוקיו, יפן	LA-150SAE
מדריך אור	Hayashi Watch Works Co., Ltd, טוקיו, יפן	LGC1-5L1000
איסוף עדשה	Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, יפן	SH-F16
מסנני הפרעות l@ 500 ננומטר	אדמונד אופטיקה יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65088
מסנני הפרעות l@ 520 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65093
מסנני הפרעות l@ 540 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65096
מסנני הפרעות l@ 560 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#67766
מסנני הפרעות l@ 570 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#67767
מסנני הפרעות l@ 580 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65646
מסנני הפרעות l@ 600 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65102
מסנני הפרעות l@ 730 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#65115
מסנני הפרעות l@ 760 ננומטר	אופטיקה אדמונד יפן בע"מ, טוקיו, יפן	#67777
גלגל סינון ממונע	תאגיד אנדובר, ניו המפשייר ארה"ב	FW-MOT-12.5
מצלמת CCD מונוכרומטית 8 סיביות	THE IMAGINGSOURCE, גרמניה	DMK21BU618.
עדשת זום וידאו	Edmund Optics Japan Ltd, טוקיו, יפן	VZMTM300i
תקן לבן ספקטרלון עם החזר מפוזר של 99%	Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, ארה"ב	SRS-99-020