Summary
Die gleichzeitige Auswertung von zerebralen Hämodynamik und den Lichtstreuungseigenschaften der in vivo Rattenhirngeweben wird ein herkömmliches multispektraler diffuses Reflexions - Bildgebungssystem unter Verwendung demonstriert.
Introduction
Multispektraler diffuse Reflektanz-Bildgebung ist die am weitesten verbreitete Technik für eine räumliche Karte der intrinsischen optischen Signale (ioss) in kortikale Gewebe zu erhalten. Ioss beobachtete in dem in - vivo - Gehirn wird hauptsächlich in drei Phänomene zurückzuführen: Variationen in der Lichtabsorption und Streueigenschaften aufgrund kortikaler Hämodynamik, Variation in der Absorption auf der Reduktion oder Oxidation von Cytochromen in Mitochondrien abhängig, und Änderungen in den Lichtstreuungseigenschaften durch morphologische Veränderungen induzierten 1.
Licht im sichtbaren (VIS) bis zum nahen Infrarot (NIR) Spektralbereich absorbiert und wird wirksam durch biologisches Gewebe verstreut. Das diffuse Reflexionsspektrum des in - vivo - Gehirns wird durch Absorption und Streuung Spektren charakterisiert. Die reduzierten Streukoeffizienten us 'von Hirngewebe im VIS-to-NIR - Wellenlängenbereich in Folge einer monotonen Streuspektrum Exhibiting kleinere Größen bei längeren Wellenlängen. Der reduzierte Streukoeffizient μ Spektrum S '(λ) angenähert werden kann in der Form der Potenzfunktion 2, 3 zu sein , wie μ s' (λ) = a × λ -B. Die Streukraft b wird in lebendem Gewebe 2, 3 auf die Größe des biologischen Streuers verwendet. Morphologische Veränderungen des Gewebes und die Verringerung der Lebensfähigkeit von lebendem Gewebe kortikalen können die Größe der biologischen Streuer beeinflussen 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Ein optisches System zur multispektralen Abbildungs diffusen Reflektanz kann leicht von einer Glühlampe Li konstruiert werdenght Quelle, einfache optische Komponenten und eine monochromatische ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD). Daher wurden verschiedene Algorithmen und optische Systeme für multispektraler diffuse Reflektanz Bildgebung verwendet , um kortikalen Hämodynamik und / oder Gewebemorphologie 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 auszuwerten.
Das Verfahren in diesem Artikel beschrieben wird , verwendet , um sowohl die Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften von Rattenhirngeweben in vivo sichtbar zu machen ein herkömmliches multispektraler diffusen Reflexions - Bildgebungssystem verwendet wird . Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber alternativen Techniken sind die Fähigkeit, Raum-Zeit-Änderungen sowohl zerebrale Hämodynamik und Rindengewebe zu bewertenMorphologie sowie ihre Anwendbarkeit auf verschiedene Funktionsstörungen des Gehirns Tiermodellen. Daher wird das Verfahren zur Untersuchung von traumatischen Hirnverletzungen, epileptischen Anfall, Schlaganfall und Ischämie geeignet sein.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tierpflege, Vorbereitung und experimentelle Protokolle wurden von der Animal Research Committee der Tokyo University of Agriculture and Technology genehmigt. Für diese Methode wird die Ratte in einer kontrollierten Umgebung (24 ° C, 12 h Licht / Dunkel - Zyklus), mit Futter und Wasser ad libitum untergebracht.
1. Aufbau eines herkömmlichen Multispektrale Diffuse Reflectance Imaging System
- Halterung neun schmalbandigen optische Interferenzfilter mit Mittenwellenlängen von 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm zu den Filterlöchern der motorisierten Filterrad.
- Konstrukt ein multispektrale Bilderzeugungssystemes einer Breitband-Weißlichtquelle verwendet wird, ein motorisiertes Filterrad mit dem obigen Satz von schmalbandigen Interferenzfilter, ein Lichtleiter, eine Sammellinse, ein Video-Zoom-Objektiv und einer monochromatische CCD-Kamera. Das Layout der optischen Komponenten, in Figur 2 gezeigt, kann für th bezeichnet werdenIst Bauverfahren.
HINWEIS: Der Beleuchtungswinkel beträgt etwa 45 ° zur Probenoberfläche. - Schalten Sie die Halogenlampe ein, um die Oberfläche der Probe über einen Interferenzfilter, den Lichtleiter und die Sammellinse zu beleuchten.
- Öffnen Sie die Bediensoftware der CCD-Kamera.
2. Tiervorbereitung
HINWEIS: In diesem Protokoll wurde die Ratte nicht für die zukünftigen Experimente verwendet und es wurde unmittelbar nach den Messungen von multispektralen Bildern geopfert.
- Verbinden Sie die Einlassöffnung einer Induktionskammer mit dem Auslassanschluss einer Anästhesiemaschine mit einem Rohr. Verbinden Sie die Auslassöffnung der Induktionskammer mit dem Einlassanschluss der Anästhesiemaschine mit einem zweiten Rohr.
- Legen Sie die Ratte in die Induktionskammer und induzieren Anästhesie mit 5,0% Isofluran. Bewahren Sie die Anästhesie in einer Tiefe, so dass die Ratte nicht auf Zehenstöpsel reagiert. Lower bis 2,0% Isofluran unter Verwendung eines Drehknopfes auf dem Anästhesiegerät.
- Befestigen Sie die Ratte Kopf in einem stereotaktischen Rahmen. Bringen Sie ein Mundstück für Anästhesie an den Stereotaxierahmen.
- Verbinden der Einlassöffnung des Mundstückes mit dem Auslassanschluss der Anästhesiemaschine mit einem Rohr. Verbinden der Auslassöffnung des Mundstückes an die Einlassöffnung der Anästhesiemaschine mit einem Rohr.
- Shave den Kopfbereich über den prospektiven Inzisionsstelle mit Haarschneidemaschinen, bis die Hautoberfläche erscheint.
- Führe einen Längsschnitt in etwa 20 mm lang entlang der Mittellinie des Kopfes , ein chirurgisches Skalpell (Abbildung 1 (a)) und setzt das subkutane Bindegewebe (Abbildung 1 (b)).
- Entfernen des subkutane Bindegewebes eines scharfen Kürette oder eine Zange verwendet , und ziehe es zu beiden Seiten des Kopfes der Schädelknochen (Abbildung 1 (c)) zu belichten.
- Dig einen ellipsenförmigen Graben auf dem Schädelknochen innerhalb der Schädel SuturES (Kranznaht, Sutura sagittalis und Lambdanaht) eine Hochgeschwindigkeits - Bohrmaschine (Abbildung 1 (d)) verwendet wird .
- Langsam und homogen raben der Schädelknochen in den Graben, die Hochgeschwindigkeitsbohrer.
- Drücken leicht auf der Oberfläche des gedünnten Schädels mit der Spitze der Zange die Knochendicke und Festigkeit nach einer zerebralen Blutgefß erscheint abzuschätzen. Wenn die ausgedünnten Schädel Region leicht herunterdrückt, beendet die Reduktion des Schädelknochens mit dem High-Speed-Bohrer.
- Schneiden Sie die ellipsenförmigen Grenzlinie des ausgedünnten Schädel Stück für Stück die Spitze der Zange oder kleine chirurgische Schere.
- Entfernen Sie den ausgedünnten Schädel von der Hirnoberfläche langsam und vorsichtig die Zange verwenden.
- badet sanft die kranialen Fenster mit physiologischer Kochsalzlösung und ihn mit einer transparenten Glasplatte ungefähr 0,1 mm dick.
3. Die Regulierung der Fraktion des eingeatmeten Sauerstoffs
HINWEIS: Die Atmungs condition kann durch Regulierung der Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs (FiO 2) geändert werden.
- Verwendung eines Rohres, verbinden den ersten Anschluss eines Y-förmigen Rohrverbinder (Stecker 1) mit dem ersten Port eines anderen Y-förmigen Rohrverbinder (Stecker 2).
- Verbinden der Einlassöffnung des Mundstücks mit dem zweiten Anschluss des Rohrverbinders 1.
- Verwendung eines Rohres, verbinden den dritten Anschluss von Rohrverbinder 1 an ein Sauerstoffkonzentrationsüberwachungsvorrichtung.
- Mit einem Rohr, verbinden den zweiten Anschluss der Rohrverbinder 2 an den Auslaßanschluß einer Anästhesiemaschine.
- Verwendung eines Rohres, verbinden den dritten Anschluss von Rohranschluss 2 zu dem Auslassanschluss eines Gasgemisches Vorrichtung.
- Verbinden eine Einlassöffnung des Gasgemisch Geräts mit einem Hochdruck - 95% O 2 bis 5% CO 2 Gasflasche eines Rohr verwendet wird .
- Die andere Einlaßöffnung des Gasgemisch Geräts mit einer Hochdruck - 95% N 2 bis 5% CO 2 Gasflasche eines Rohr verwendet wird .
- Ändern Sie die Gasflussraten oF O 2 und N 2 unter Verwendung der Drehknöpfe auf der Gasgemischvorrichtung.
- Überprüfen und regeln Sie den FiO 2 mit dem Sauerstoffkonzentrationsmonitor.
4. Erfassung der multispektralen Diffuse Reflectance Images
- Erfassung von Referenzbildern
HINWEIS: Die in diesem Experiment verwendeten optischen Komponenten wie die Lichtquelle, die Lichtleitfaser und die Detektoren haben ihre eigenen spektralen Eigenschaften. Daher sollte die Lichtintensität, die durch diese Komponenten hindurchgeht, als Referenzbild aufgezeichnet werden. Das Referenzbild ist ein Bild, das mit einem handelsüblichen weißen Diffusor aufgenommen wurde, der mit dem Licht der Lichtquelle beleuchtet ist.- Setzen Sie den Standard-Weißdiffusor waagerecht auf die Bühne.
- Fokussiere das Kameralinse auf die Oberfläche des weißen Diffusors, indem du den Zoomring auf dem Fass drehst.
- Passen Sie die Integrationszeit der Kamera an, indem Sie den entsprechenden Wert aus derDropdown-Liste der Integrationszeiten in der Betriebssoftware der Kamera, so dass die größte Menge an Licht ein Signal erzeugt, das etwa 75% der maximalen Zählungen beträgt. Während Sie das Histogramm der Pixelwerte beobachten, stellen Sie die Integrationszeit ein, bis der Signalintensitätspegel etwa 75% der maximalen Zählungen beträgt.
- Wählen Sie den Befehl "Speichern" aus dem Dateimenü, um ein Bild in einer Datei zu speichern.
- Ändern Sie die Filterposition durch Drehen des Filterrades.
- Speichern Sie ein Bild bei den anderen Wellenlängen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Der Dateiname sollte das Sample und die verwendete Wellenlänge identifizieren ( zB W500, W520, W540 ... W760).
- Erfassung von Musterbildern
Anmerkung: Bilder von diffus reflektierter Lichtintensität des exponierten Rattenhirns bei neun Wellenlängen werden erfasst und auf der Festplatte eines Personalcomputers unter Verwendung der gleichen Erfassungsbedingungen gespeichert.- Legen Sie die rbei auf der Bühne und langsam einstellen Bühnenniveau, so dass die Kamera auf der Oberfläche des Rattenhirns konzentrieren kann.
- Wählen Sie den Befehl „Speichern“ aus dem Dateimenü ein Bild in einer Datei zu speichern.
- Ändern der Filter Lage durch das Filterrad rotieren.
- Speichern eines Bildes mit den anderen Wellenlängen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Der Dateiname soll die Probe und die Wellenlänge (zB R500, R520, R540 ... R760) identifizieren.
- Erwerb von dunklen Bildern
HINWEIS: Die CCD-Kamera eine Lichtstärke in Reaktion auf ein elektrisches Signal erzeugen kann. Allerdings gibt es einige kleinere Ausgabe aufgrund von Rauschen in den elektrischen Schaltungen und Detektoren, auch wenn kein Licht auf den Detektor gelangt; dies Dunkelstromrauschen bezeichnet. Um genau die spektrale Intensität des Lichts zu messen, sollte die Dunkelstromkomponente als ein dunkles Bild aufgenommen wird und dann aus dem gemessenen Signal subtrahiert wird. Das dunkele Bild ist ein Bild nehmenn mit dem Lichtweg blockiert.- Schalten Sie die Halogenlampe als Lichtquelle aus.
- Blockieren den Lichtpfad zur CCD-Kamerasystem unter Verwendung einer Abschirmplatte.
- Wählen Sie den Befehl „Speichern“ aus dem Dateimenü ein Bild in einer Datei zu speichern. Der Dateiname soll die Probe (zB Licht) identifizieren.
5. Visualisierung der Hämoglobingehalt und die Light Scattering Parameter
HINWEIS: Eine Reihe von multispektralen diffusen Reflexions Bilder auf der Festplatte eines Personalcomputers gespeichert und analysiert offline. Eine multiple Regressionsanalyse durch eine Simulation Carlo Monte Aided 19 der Multispektral diffusen Reflexionsbilder an neun Wellenlängen (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm) wird dann durchgeführt , um die zweidimensionale zu Visualisierung Karten von oxygeniertem Hämoglobin-Konzentration, von Sauerstoff befreitem Hämoglobin-Konzentration, Gesamt-Hämoglobin-Konzentration, regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung und scatTering Macht. Der detaillierte Algorithmus wird in der Literatur 17, 18 veröffentlicht.
- Subtrahierte das dunkele Bild von sowohl das Referenzbild und das Probenbild bei jeder Wellenlänge.
- Normalisieren der Probenbild von dem Referenzbild bei jeder Wellenlänge λ. Behandle die normalisierte Bild als die diffuse Reflexionsbild R.
- Berechnen die Extinktion (oder optische Dichte) Bild A durch den Logarithmus der reziproken der diffusen Reflexionsbild R bei jeder Wellenlänge λ unter:
(1) - Generieren eine dreidimensionale Matrix durch die Absorption Bilder in der Reihenfolge ihrer Stapelung Wellenlängen, wobei die x - y - Ebene um die strukturelle Information zeigt , für die Hirnoberfläche erhalten , und die z - Achse zeigt die spektrale Information.
- Perform eine multiple Regressionsanalyse für das Absorptionsspektrum A (λ) an jedem XY - Koordinate.
- Verwenden Sie das Absorptionsspektrum A (λ) als abhängige Variable und der molare Extinktionskoeffizient Spektren von oxygeniertem Hämoglobin ε HbO (λ) und von Sauerstoff befreitem Hämoglobin ε HBr (λ) als unabhängige Variablen für Schritt 5.5 (veröffentlichte Werte für ε HbO (λ) und ε HBr (λ) ist in Tabelle 1) zur Verfügung gestellt.
- Schauen Sie sich die zweidimensionalen Karten (Bilder) der drei multiple Regressionskoeffizienten a HbO, eine HBr und ein 0.
- Generieren einer dreidimensionalen Matrix , die durch die Bilder der mehreren Regressionskoeffizienten in der Reihenfolge A HbO Stapelung eine HBr, und eine 0, wo die
- Berechnen Sie die oxygenierten Hämoglobins Konzentration C HbO, desoxygenierten Hämoglobinkonzentration C HBr und das Streuvermögen b aus dem Satz von multiplen Regressionskoeffizienten a HbO, eine HBr, und eine 0 an jedem xy unter Verwendung der folgenden empirischen Formeln Koordinate (er Werte von β HbO, i, β HBr, i und β 0, i (i = 0,1,2,3) sind in Tabelle 2):
(2) 
(3)
(4) - Überprüfen Sie die zweidimensionalen Abbildungen (Bilder) des oxygenierten Hämoglobins HbO Konzentration C, der Sauerstoff befreitem Hämoglobin - Konzentration C HBr und das Streuvermögen b.
- Berechnen eine zweidimensionale Karte der Gesamthämoglobinkonzentration C HbT durch Summieren C HbO und C HBr bei jedem x - y - Koordinate.
- Berechnen eine zweidimensionale Karte der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 durch die oxygenierten Hämoglobins HbO Konzentration C durch die Gesamthämoglobinkonzentration C HbT an jedem x Dividieren - y - Koordinate.
(1) 
(2) 
(3)
(4) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repräsentative Spektralbilder von diffusen Reflexionsvermögen von in - vivo - Rattenhirnen gewonnen sind in Abbildung 3 Die Abbildungen gezeigt bei 500, 520, 540, 560, 570 und 580 nm deutlich , ein dichtes Netz von Blutgefäßen in der Hirnrinde visualisieren. Die Verschlechterung des Kontrastes zwischen Blutgefßen und den umgebenden in den Bildern beobachteten Gewebe bei 600, 730 und 760 nm reflektiert die geringere Absorption von Licht durch Hämoglobin bei längeren und NIR-Wellenlängen.
Abbildung 4 zeigt repräsentative geschätzte Bilder eines exponierten Rattenhirns für oxygeniertes Hämoglobin - Konzentration, von Sauerstoff befreiter Hämoglobin - Konzentration, Gesamt - Hämoglobin - Konzentration, regionale zerebrale Sauerstoffsättigung, und Streukraft. Wie aus den diffusen Reflexionsbildern zu erwarten bei kürzeren Wellenlängen in Abbildung 3, die Gesamt - Hämoglobin - Konzentration im Blut vessel Bereich höher ist als in dem umgebenden Gewebebereich. Auf der anderen Seite sind die oxidiertes Hämoglobin-Konzentrationen in Arteriolen höher als die in kleinen Venen aufgrund der Hämoglobin im arteriellen Blut als im venösen Blut viel mehr Sauerstoff angereicherten zu sein. Daher kann die Verteilung von Arteriolen und Venolen eindeutig in dem geschätzten Bild der Regionalsauerstoffsättigung zu unterscheiden.
Repräsentative geschätzten Bilder eines exponierten Ratten - Gehirn während Veränderungen in FiO 2 für diffuse Reflexion bei 500 nm R (500), der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins C HbO, Konzentration von Sauerstoff befreitem Hämoglobin C HBr, Konzentration von Gesamthämoglobin C HBT regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 und b Streuvermögen sind in 5 gezeigt. Der Wert RSO 2 erhöht unter hyperoxic Bedingungenund verringert bemerkenswert nach der Induktion der anoxischen Bedingungen. Der Wert von b wurde während der Zeit vom Beginn der Anoxie bis Atemstillstand leicht erhöht, während sie kontinuierlich während des Zeitraums von 5 min bis 30 min nach dem Einsetzen der Anoxie verringert. Diese Änderungen in dem Wert von b deuteten auf morphologische Veränderungen, wie die Schwellung und Schrumpfung von zellulären und subzellulären Strukturen, die durch den Verlust der Lebensfähigkeit des Gewebes im Gehirn induziert.
Abbildung 1: Die Schritte in der chirurgischen Freilegung des Rattenhirnrinde. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Versuchsapparatur zur Verabreichung von Anästhesie und den Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs zu verändern. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Representative Multispektral Diffuse Reflectance Bilder bei 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm, erhielt von einem in vivo Rattenhirn. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Repräsentative Estimated Bilder eines exponierten Rattenhirn. <strong> (a) Konzentration der oxygenierten Hämoglobins C HbO, (b) Konzentration von Sauerstoff befreiten Hämoglobin C HBr, (c) Konzentration des gesamten Hämoglobins C HbT, (d) regionale zerebrale Sauerstoffsättigung rSO 2 ist , und (e) Streuvermögen b. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Repräsentative Ergebnisse eines exponierten Rattengehirn Während Änderungen in FiO 2. Bilder von in vivo - Ratten - kortikalen Gewebe während Veränderungen in FiO 2 für diffuse Reflexion bei 500 nm R (500), der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins HbO C, Konzentrationvon Sauerstoff befreitem Hämoglobin C HBr, Konzentration von Gesamthämoglobin C HBT regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 und Streuvermögen b. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Wellenlänge λ nm | HbO ε (λ) | ε HBr (λ) |
| 500 | 113,03712 | 112.6548 |
| 520 | 130,69296 | 170,58384 |
| 540 | 287.4744 | 251.5968 |
| 560 | 176,11128 | 290.4552 |
| 570 | 240.2784 | 243.3888 |
| 580 | 270.5616 | 199,908 | 600 | 17,28 | 79,25688 |
| 730 | 2,106 | 5,95188 |
| 760 | 3,1644 | 8,36201 |
Tabelle 1: Die Werte von ε HbO und ε HbO verwendet für die multiple Regressionsanalyse. Die molaren Extinktionskoeffizienten von oxygeniertem Hämoglobin HbO ε und desoxygeniertem Hämoglobin ε HBr bei jeder Wellenlänge λ.
| ich | β HbO, i | β HBr, i | β b, i |
| 0 | -8,3302 | -5,85271 | -,76587 |
| 1 | 4405.877 | -143,23 | 53,34134 |
| 2 | 2740.622 | 3798.067 | 124.4656 |
| 3 | -4,40454 | -2,81699 | -1,36919 |
Tabelle 2: Die Werte von β HbO, i, β HBr, i, und & bgr; 0, i (i = 0,1,2,3) , die in den empirischen Formeln für C HbO, C HBr und b. Beachten Sie, dass die Einheiten von C und C HbO HBr aus diesen empirischen Formeln abgeleitet sind , die Volumenkonzentration, in dem die Hämoglobin - Konzentration des Vollbluts mit einem Hämatokrit von 44% Lese genommen ist die 100% Volumenkonzentration von Hämoglobin zu sein. Die empirischen Formeln für Hämoglobin Konzentrationen kann 19 durch die Monte - Carlo - Simulation von Lichttransport berechnet aus den diffusen Reflexionsspektren abgeleitet werden. Das detaillierte Verfahren zur Ableitung der empirischen Formeln wird in der Literatur 17, 18 beschrieben worden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Der wichtigste Schritt in diesem Protokoll ist die Entfernung der ausgedünnten Schädel Region, um den Schädel Fenster zu machen; dies sollte sorgfältig durchgeführt werden, um unerwartete Blutungen zu vermeiden. Dieser Schritt ist wichtig für den Erhalt hochwertige multispektraler Reflexionsbilder mit hohen Genauigkeit diffundieren. Die Verwendung eines Stereomikroskops ist für den chirurgischen Eingriff, wenn möglich empfohlen. Kleine Stücke von Gelatineschwamm sind nützlich für die Hämostase.
Das optische System in diesem Artikel beschrieben passiert ein monochromatischen Licht durch ein vor der Lichtquelle angeordnet Interferenzfilter. Dies kann durch Platzieren des Filterrades vor der Videokamera-Objektiv oder CCD-Kamera verändert werden. In diesem Fall kann jedoch die Brennebene variabel sein, wenn Interferenzfilter mit unterschiedlichen Dicken verwendet werden, und dies wird eine Verschlechterung der Bildqualität führen. Es ist erforderlich, um die Glasplatte aus dem Schädel Fenstern zu entfernen, wenn eine Aufzeichnungselektrode eingesetzt istIn das kortikale Gewebe für elektrophysiologische Messungen, wie Messungen des elektrischen lokalen Feldpotentials. In diesem Fall kann das Abbildungssystem eine unerwünschte spiegelnde Reflexion von der kortikalen Oberfläche erfassen. Dieses Problem kann vermieden werden, indem ein Satz von Polarisationsplatten mit einer gekreuzten Nicols-Ausrichtung verwendet wird.
Die herkömmliche multispektrale Abbildungsvorrichtung, die in diesem Artikel gezeigt wird, ist etwas zeitaufwendig zu verwenden, da die Filterpositionen im Rad mechanisch verändert werden. Dies bedeutet, dass das Abbildungssystem jedes diffuse Reflexionsbild sequentiell bei einem anderen Wellenlängenpunkt erfasst. Wegen dieser Einschränkung ist dieses System unzureichend, um schnelle IOSs zu erfassen, wie etwa Änderungen des Reflexionsspektrums aufgrund neuronaler Aktivitäten 20 . Obwohl sauerstoffhaltiges Hämoglobin und desoxygeniertes Hämoglobin die Hauptchromophoren im lebenden Hirngewebe sind, sind die anderen Chromophore wie Cytochrom c Oxidase, FlavinAdenin-Dinucleotid und Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid, auch dazu beitragen, die Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Wellenlängenbereich. Daher werden die geschätzten Werte von C HbO, C HBr, C HBT rSO 2 und B kann durch die kleinere Chromophore beeinflusst werden. Zudem integriert dieser Ansatz alle Informationen entlang der Tiefenrichtung, weil es auf diffuse Reflexion beruht. Daher wird das Abbildungssystem nicht tiefenaufgelöste Messungen durchzuführen.
Es ist von Vorteil , dass der Algorithmus für das vorliegende System verwendet auch multispektraler diffuse Reflektanz Bilder angewendet werden kann durch andere schnelle spektralen Bildgebungsverfahren erfasst, wie beispielsweise ein akusto-optischen abstimmbaren Filter 21, eine Multi-Apertur - Matrix kleiner Linsen mit Interferenzfiltern 22 und die spektralen Rekonstruktionsbilder von einem RGB - Bild 17, 23. Unter Verwendung des vorgeschlagenen Algorithmus und eine schnelle Spektraltechniken zusammen ist ein vielversprechender Ansatz für die Bewertung schnell IOS-Bildgebung sowie für den Einsatz in klinischen Situationen.
Die meisten multispektralen brain imaging Techniken werden bisher in erster Linie auf dem kortikale Hämodynamik und Gewebemetabolismus fokussiert, wie zerebrale Blutvolumen, regionale zerebrale Sauerstoffsättigung, und cerebrale Stoffwechselrate von Sauerstoff 10, 11, 12, 13, 14. Mehrere bestehende Ansätze die Streuamplitude unter der Annahme , daß die Streu auszuwerten Leistung konstant ist 15, 16. Allerdings morphologische Veränderungen von Geweben aufgrund pathophysiologischen Veränderungen und eine Verminderung der Lebensfähigkeit in Rindengewebe leben können die Größe der biologischen Streuer beeinflussen 4, 5, 6, 7, 8, 9. Daher ist es wichtig , die Streuparameter von b zu schätzen , quantitativ die Gewebemorphologien des Gehirns zu untersuchen. Die Bedeutung der vorliegenden Technik in Bezug auf dem bestehenden Methoden ist die Fähigkeit, die räumlich-zeitlichen Veränderungen bei zerebralen Hämodynamik und kortikale Gewebemorphologie gleichzeitig zu messen.
Im Hinblick auf den zukünftigen Anwendungen kann dieser Algorithmus zur Überwachung der Gehirnfunktion, Vitals verwendet werden, und die Lebensfähigkeit im Rindengewebe verschiedenen Hirnerkrankung Tiermodelle, wie traumatische Hirnverletzung, epileptischer Anfall, Schlaganfall und Ischämie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 150-W halogen-lamp light source | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LA-150SAE | |
| Light guide | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LGC1-5L1000 | |
| Collecting lens | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | SH-F16 | |
| Interference filters l@ 500 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65088 | |
| Interference filters l@ 520 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65093 | |
| Interference filters l@ 540 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65096 | |
| Interference filters l@ 560 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67766 | |
| Interference filters l@ 570 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67767 | |
| Interference filters l@ 580 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65646 | |
| Interference filters l@ 600 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65102 | |
| Interference filters l@ 730 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65115 | |
| Interference filters l@ 760 nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67777 | |
| Motorized filter wheel | Andover Corporation, NH, USA | FW-MOT-12.5 | |
| 8-bit monochromatic CCD camera | THE IMAGINGSOURCE, Germany | DMK21BU618.H | |
| Video zoom lens | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | VZMTM300i | |
| Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | SRS-99-020 |
References
- Bonhoeffer, T., Grinvald, A. Optical Imaging based on intrinsic signals: the methodology. Brain mapping; the methods. Toga, A. W., Mazziotta, J. C. , Academic Press. San Diego. 55-97 (1996).
- Mourant, J. R., et al. Mechanisms of light scattering from biological cells relevant to noninvasive optical-tissue diagnostics. Appl. Opt. 37 (16), 3586-3593 (1998).
- Abookasis, D., et al. Imaging cortical absorption, scattering, and hemodynamic response during ischemic stroke using spatially modulated near-infrared illumination. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024033 (2009).
- Lipton, P. Ischemic cell death in brain neuron. Physiol. Rev. 79 (4), 1432-1568 (1999).
- Jarvis, C. R., Anderson, T. R., Andrew, R. D. Anoxic depolarization mediates acute damage independent of glutamate in neocortical brain slices. Cereb. Cortex. 11 (3), 249-259 (2001).
- Joshi, I., Andrew, R. D. Imaging anoxic depolarization during ischemia-like conditions in the mouse hemi-brain slice. J. Neurophysiol. 85 (1), 414-424 (2001).
- Polischuk, T. M., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Intrinsic optical signaling denoting neuronal damage in response to acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. Neurobiol. Dis. 4 (6), 423-437 (1998).
- Jarvis, C. R., Lilge, L., Vipond, G. J., Andrew, R. D. Interpretation of intrinsic optical signals and calcein fluorescence during acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. NeuroImage. 10 (4), 357-372 (1999).
- Obeidat, A. S., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Glutamate does not mediate acute neuronal damage after spreading depression induced by O2/glucose deprivation in the hippocampal slice. J. Cereb. Blood Flow Metab. 20 (2), 412-422 (2000).
- 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 (2), 279-290 (2005).
- Jones, M., Berwick, J., Johnston, D., Mayhew, J. Concurrent optical imaging spectroscopy and laser-Doppler flowmetry: the relationship between blood flow, oxygenation, and volume in rodent barrel cortex. Neuroimage. 13 (6), 1002-1015 (2001).
- Jones, M., Berwick, J., Mayhew, J. Changes in blood flow, oxygenation, and volume following extended stimulation of rodent barrel cortex. Neuroimage. 15 (3), 474-487 (2002).
- Zhou, C., et al. Diffuse optical correlation tomography of cerebral blood flow during cortical spreading depression in rat brain. Opt. Express. 14 (3), 1125-1144 (2006).
- Bouchard, M. B., Chen, B. R., Burgess, S. A., Hillman, E. M. C. Ultra-fast multispectral optical imaging of cortical oxygenation, blood flow, and intracellular calcium dynamics. Opt. Express. 17 (18), 15670-15678 (2009).
- Jones, P. B., et al. Simultaneous multispectral reflectance imaging and laser speckle flowmetry of cerebral blood flow and oxygen metabolism in focal cerebral ischemia. J. Biomed. Opt. 13 (4), 044007 (2008).
- Kawauchi, S., et al. Diffuse light reflectance signals as potential indicators of loss of viability in brain tissue due to hypoxia: charge-coupled-device-based imaging and fiber-based measurement. J. Biomed. Opt. 18 (1), 015003 (2013).
- Yoshida, K., et al. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. J. Biomed. Opt. 20 (5), 051026 (2015).
- Nishidate, I., et al. Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Tissue Morphology of In Vivo Rat Brain Using Spectral Diffuse Reflectance Imaging. Appl. Spectrosc. , (2016).
- Wang, L. -H., Jacques, S. L., Zheng, L. -Q. MCML-Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues. Comput. Methods Programs Biomed. 47 (2), 131-146 (1995).
- Tsytsarev, V., Premachandra, K., Takeshita, D., Bahar, S. Imaging cortical electrical stimulation in vivo: Fast intrinsic optical signal versus voltage-sensitive dyes. Opt. Lett. 33 (9), 1032-1034 (2008).
- Arnold, T., Biasio, M. D., Leitner, R. Hyper-spectral video endoscope for intra-surgery tissue classification using auto-fluorescence and reflectance spectroscopy. Proc. SPIE. 8087, 808711 (2011).
- Basiri, A., et al. Use of a multi-spectral camera in the characterization of skin wounds. Opt. Express. 18 (4), 3244-3257 (2010).
- Nishidate, I., Maeda, T., Niizeki, K., Aizu, Y. Estimation of melanin and hemoglobin using spectral reflectance images reconstructed from a digital RGB image by the Wiener estimation method. Sensors. 13 (6), 7902-7915 (2013).
