Summary
Denna video visar hur man bygger en laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) system som lätt kan användas för att övervaka blodflödet.
Abstract
Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) är en enkel men kraftfull teknik som används för full-field avbildning av blodflödet. Tekniken analyserar förändringar i en dynamisk speckle mönster för att upptäcka rörelse av partiklar som liknar hur laser Doppler analyser frekvens skift för att avgöra partikel hastighet. Eftersom det kan användas för att övervaka förflyttningar av röda blodkroppar, har LSCI blivit ett populärt verktyg för att mäta blodflödet i vävnader såsom näthinnan, hud och hjärna. Det har blivit speciellt användbart inom neurovetenskap, där blodflödet förändringar under fysiologiska händelser som funktionell aktivering, stroke och sprida depolarisation kan kvantifieras. LSCI är också intressant eftersom det ger utmärkt tidsmässiga och geografiska när du använder billiga instrument som lätt kan kombineras med andra avbildningsmetoder. Här visar vi hur man bygger en LSCI setup och visa sin förmåga att övervaka förändringar blodflödet i hjärnan under ett djurförsök.
Protocol
1. Imaging Setup
- En kamera med ett makro zoomobjektiv bör monteras på en vertikal stadium eller kirurgisk mikroskop (I stället för ett makro zoomobjektiv, ett mikroskop objektiv och lins eller en enkel två objektiv kan användas beroende på önskad förstoring).
- Ladda ner rätt programvara från vår webbplats för att styra kameran ( http://bach.bme.utexas.edu/mediawiki/index.php/Software ).
- Kameran programvara bör användas för att bekräfta ett objekt är i fokus på önskad höjd
- En laserdiod med en kollimering kit ska sedan sättas upp så att olika laserljus lyser upp objektet.
- Skruva ner / på alla omgivande ljus för att bekräfta att laserljus är jämnt lysa upp hela synfältet på kameran.
- I detta exempel var rött laserljus används eftersom det var lättare att visa hur man bygger systemet, men infrarött laserljus kan lika gärna användas och skulle ha den ytterligare nytta av tränga djupare i vävnaden. Dessutom, med lämpliga filter framför kameran för att blockera synligt ljus, kan infrarött ljus användas med rummet lamporna på.
2. Kirurgiska Förberedelser
- Detta är en icke-överlevnad kirurgi även om försöket kunde göras kroniskt i en överlevnad studie med hjälp av en kammare fönster.
- Bedöva djuret och placera den i en stereotaktisk ram.
- Ta bort hud och vävnad runt skallen.
- Med hjälp av en Tandläkarborrmaskiner, tunna skallen över önskat hjärnan regionen att öppenheten var noga med att spola ytan med koksaltlösning ofta för att undvika skador på hjärnan.
- Använd dentala cement för att skapa en väl runt det önskade området och sedan placera en droppe mineralolja eller silikon gel i brunnen för att förbättra sikten.
- Alternativt kan skallen tas bort och en kammare fönster skulle kunna skapas här.
3. Samlar in data
- Använd kameran programvara för att få bilder och även beräkna speckle kontrast värden.
- Placera djuret in i synfältet på kameran och justera kamerans höjd eller linsfokus fram tydliga bilder av kärlsystemet ses.
- Se till att tillräckligt laserljus når kameran utan mättar den. Med hjälp av histogram av bilden, justera lasern makt för att se de flesta av kamerans pixlar är glada att över hälften av sin kapacitet.
- Välj antal bilder som du vill köpa och hur mycket i genomsnitt att göra innan experimentet.
- När experimentet börjar kan blodflödet förändringar lätt följas genom att välja regioner av intresse eller genom att generera en bild av relativ blodflödet.
4. Representativa resultat
Figur 1 visar ett exempel på en typisk rå speckle bild och en ombyggd speckle kontrast bild som ska genereras när man använder programvara för att undersöka blodflödet i hjärnan. För att visualisera förändringar i blodflödet, är det lättare att få programmet att generera relativa kartor över blodflödet. Figur 2 visar en typisk serie relativ bilder blodflödet under en övergående ökning av blodflödet som reser över hela synfältet. Den röda färgen representerar en ökning av blodflödet medan den blå färgen visar en minskning. Den gröna färgen indikerar att det inte finns någon förändring i blodflödet i förhållande till en given baslinje.
Figur 1. Exempel på en rå speckle bild (vänster) och speckle kontrast bild (höger).
Figur 2. Exempel på flera relativa bilder blodflöde vid olika tidpunkter under en övergående ökning av blodflödet följdes av en minskning av blodflödet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna video har vi visat hur lätt det är att bygga och använda en laser speckle kontrast bildbehandling (LSCI) för att titta på förändringar i blodflödet. LSCI utvecklades på 1980-talet som ett sätt att skapa kartor av blodflödet i näthinnan 1. Samtidigt som fortfarande används för att bilden på näthinnan och huden perfusion, det har blivit mycket populär som en teknik för att bilden blodflödet i hjärnan 2. Detta beror till stor del den utmärkta geografiska och tidsmässiga tillhandahålls upplösning och enkelheten i instrumenteringen. LSCI har använts för att undersöka förändringar i blodflödet på grund av funktionell aktivering 3,4, kortikala sprider depression 5 och stroke 6,7. Det har också fördelen av att lätt kombinera med andra tekniker som reflektans avbildning 8, spänningskänsliga dyes9, eller sonder syre 10,11 så att flera fysiologiska parametrar kan avbildas samtidigt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Författarna erkänner stöd från American Heart Association (0735136N), Dana Foundation, National Science Foundation (CBET/0737731) och Coulter stiftelsen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Firewire camera | Basler | scA640-74f | |
| Macro zoom lens | Edmund Scientific | NT58-240 | |
| Laser diode | Thorlabs Inc. | HL6501MG | |
| Laser diode controller | Thorlabs Inc. | LDC201CU | |
The technique is versatile enough to be used with a wide range of equipment. The only things necessary to perform the experiment are a compatible camera with a lens, a laser diode of any type with a controller, and the provided software. A table of the specific equipment used in the video is included above. A complete list of additional parts that can be used in this experiment is found on our website, http://bach.bme.utexas.edu/mediawiki/index.php/Hardware |
|||
References
- Briers, J. D., Fercher, A. F. Retinal blood-flow visualization by means of laser speckle photography. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 22, 255-259 (1982).
- Boas, D. A., Dunn, A. K. Laser speckle contrast imaging in biomedical optics. J. Biomed. Opt. 15, 011109-011109 (2010).
- Dunn, A. K. Simultaneous imaging of total cerebral hemoglobin concentration, oxygenation, and blood flow during functional activation. Opt Lett. 28, 28-30 (2003).
- Devor, A. Coupling of the cortical hemodynamic response to cortical and thalamic neuronal activity. Proc Natl Acad Sci U S A. 102, 3822-3827 (2005).
- Ayata, C. Pronounced hypoperfusion during spreading depression in mouse cortex. J Cereb Blood Flow Metab. 24, 1172-1182 (2004).
- Jones, P. Simultaneous multispectral reflectance imaging and laser speckle flowmetry of cerebral blood flow and oxygen metabolism in focal cerebral ischemia. J. Biomed. Opt. 13, (2008).
- Dunn, A. K., Bolay, H., Moskowitz, M. A., Boas, D. A. Dynamic imaging of cerebral blood flow using laser speckle. J Cereb Blood Flow Metab. 21, 195-201 (2001).
- Dunn, A. K., Devor, A., Dale, A. M., Boas, D. A. Spatial extent of oxygen metabolism and hemodynamic changes during functional activation of the rat somatosensory cortex. Neuroimage. 27, 279-290 (2005).
- Farkas, E., Bari, F., Obrenovitch, T. P. Multi-modal imaging of anoxic depolarization and hemodynamic changes induced by cardiac arrest in the rat cerebral cortex. Neuroimage. 51, 734-742 (2010).
- Sakadzic, S. Simultaneous imaging of cerebral partial pressure of oxygen and blood flow during functional activation and cortical spreading depression. Appl. Opt. 48, (2009).
- Ponticorvo, A., Dunn, A. K. Simultaneous imaging of oxygen tension and blood flow in animals using a digital micromirror device. Opt Express. 18, 8160-8170 (2010).
