הערכה סימולטנית של המודינמיקה מוחית ופיזור תכונות אור של

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

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

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Nishidate, I., Mustari, A., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging. J. Vis. Exp. (123), e55399, doi:10.3791/55399 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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:
    משוואה 1 (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):
    משוואה 2 (2)
    משוואה 3 (3)
    משוואה 4 (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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative 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.

איור 4 מראה תמונות נציג משוערות של מוח חולדה חשוף עבור ריכוז המוגלובין מחומצן, ריכוז המוגלובין deoxygenated, ריכוז המוגלובין הכולל, ריווי חמצן מוח אזורי, וכוח פיזור. כצפוי מתמונות ההחזרה דיפוזי באורכי גל קצרים יותר באיור 3, ריכוז המוגלובין סך Ves הדםאזור סל הוא גבוה יותר מזה באזור הרקמה הסובבת. מצד שני, הריכוז המוגלובין מחומצן ב arterioles גבוהים יותר מאשר אלה של ורידים עקב ההמוגלובין בדם עורקי להיות הרבה יותר חמצן מאשר דם ורידי. לכן, את ההבחנה של arterioles ו venules ניתן להבחין בבירור את התמונה המשוערת של רווי החמצן האזורי.

נציג תמונות מוערך של מוח חולף חשוף במהלך שינויים ב- FiO 2 עבור השתקפות מפוזר ב 500 ננומטר r (500), ריכוז של המוגלובין C המוגלובין C , ריכוז של hemoglobin deoxygenated C HbR, ריכוז של המוגלובין C C HBT , רווי חמצן מוחי האזורי rSO 2 , ואת כוח פיזור b מוצגים בתרשים 5 . הערך של rSO 2 גדל בתנאים היפוקסייםוירידה להפליא לאחר האינדוקציה של תנאים אנוקסיים. הערך של b הוגדל מעט בתקופה שמיום תחילת אנוקסיה עד דום נשימה, בעוד שזה ירד ברציפות בתקופה שמיום 5 דקות עד 30 דקות לאחר תחילת אנוקסיה. שינויים אלה בשווי של B היו מעיד על שינויים מורפולוגיים, כמו נפיחות הצטמקות של מבנים הסלולר subcellular, הנגרמת על ידי אובדן של הכדאיות רקמות המוח.

איור 1
איור 1: שלבי החשיפה כירורגית של קליפת מוח העכברוש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: תרשים סכמטי של המנגנון הניסיוני עבור הרדמת ניהולו שינוי השבר של חמצן נשאף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: נציג Multispectral המפוזר החזרת תמונות ב 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, ו 760 ננומטר, המתקבל in vivo מוח חולדה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: תמונות נציג מוערכות של מוח עכברוש חשוף. <ריכוז strong> (א) של המוגלובין מחומצן C HBO, (ב) ריכוז המוגלובין deoxygenated C HBR, (ג) ריכוז המוגלובין הכולל C HBT, (ד) רוויון חמצן המוח האזורי RSO 2, ו (ה) פיזור b כוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: תוצאות נציג של חשופי מוח חולדה במהלך שינויי FiO 2. תמונות של in vivo עכברוש רקמת קליפת המוח במהלך שינויי FiO 2 עבור החזרת דיפוזי ב 500 ננומטר r (500), ריכוז של HBO C המוגלובין מחומצן, ריכוזשל המוגלובין deoxygenated C HBR, ריכוז HBT C המוגלובין הכולל, RSO 2 רוויון חמצן המוחין האזורי, ו b כוח הפיזור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

<TR>
ננומטר λ אורך הגל ε HBO (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

טבלה 1: ערכי של ε HBO ו- ε HBO המשמש ניתוח רגרסיה מרובה. מקדמי ההכחדה הטוחנים של המוגלובין מחומצן ε HBO ו HBR ε המוגלובין deoxygenated בכל λ אורך גל.

אני β HBO, אני β HBR, i ב β, i
0 -8.3302 -5.85271 -0.76587
1 4405.877 -4.7.23 53.34134
2 2740.622 3798.067 124.4656
3 -4.40454 -2.81699 -1.36919

טבלה 2: ערכי β HbO , i , β HbR , i ו- β 0, i ( i = 0,1,2,3) המשמשים בנוסחאות האמפיריות עבור C HbO , C HbR ו- b . שים לב כי היחידות של C HbO ו C HbR נגזר נוסחאות אמפיריות אלה הם ריכוז נפח, שבו ריכוז המוגלובין של דם שלם עם קריאה hematocrit של 44% נלקח להיות ריכוז 100% נפח של המוגלובין. הנוסחאות האמפיריות עבור ריכוז המוגלוביןהוא שינויים ניתן לגזור את ספקטרום החזרת דיפוזי מחושב על ידי סימולצית מונטה קרלו תחבורת אור 19. התהליך המפורט עבור הגזירה של הנוסחות האמפיריות תואר בספרות 17, 18.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 אור. זה יכול להיות שונה על ידי הצבת גלגל המסנן מול עדשת מצלמת וידאו או מצלמת CCD. במקרה זה, לעומת זאת, במישור המוקד יכול להיות משתנה אם מסנני הפרעה בעוביים שונים המשמשים, וזה יגרום להידרדרות של איכות התמונה. יש צורך להסיר את צלחת הזכוכית מהחלון גולגולתי אם אלקטרודה הקלטה מוכנסתלתוך רקמת קליפת המוח עבור מדידות electrophysiology, כגון מדידות של הפוטנציאל בתחום החשמל המקומי. במקרה זה, מערכת הדמיה יכולה לזהות השתקפות ספקטרלית בלתי רצויה מפני משטח קליפת המוח. בעיה זו ניתן להימנע באמצעות קבוצה של לוחות קיטוב עם יישור Nicols חצה.

מכשיר הדמיה multispectral קונבנציונאלי הפגינו במאמר זה הוא זמן רב כדי להשתמש, מאז עמדות מסנן הגלגל משתנים מכנית. משמעות הדבר היא כי מערכת הדמיה לוכדת כל תמונה דיפוזיה מפוזרת ברצף בנקודת גל אחרת. בגלל הגבלה זו, מערכת זו אינה מספקת כדי ללכוד IOS מהירות, כגון שינויים בספקטרום ההחזרה עקב פעילות העצבית 20 . למרות המוגלובין מחומצן ו hemoglobin deoxygenated הם chromophores הראשי ברקמת המוח החיים, chromophores אחרים, כגון ציטוכרום c אוקסידאז, flavindinucleotide אדנין ו dinucleotide אדנין nicotinamide, גם לתרום מקדם הקליטה באזור גל גלוי. לכן, הערכים המוערכים של C HBO, C HBR, C HBT, 2 RSO, ו- B יכולים להיות מושפע chromophores הקטין. יתר על כן, גישה זו משלבת את כל המידע לאורך כיוון העומק מכיוון שהוא מסתמך על השתקפות מפוזרת. לכן, מערכת ההדמיה אינה מבצעת מדידות עומק נפתר.

זהו יתרון כי האלגוריתם המשמש את המערכת הנוכחית יכול להיות מיושם גם תמונות החזרת דיפוזי multispectral שנתפסו על ידי שיטות הדמיה ספקטרלית מהירות אחרות, כגון מסנן מתכונן acousto-אופטי 21, מערך lenslet רב צמצם עם הפרעה מסנן 22, ו תמונות שחזור ספקטרלי מתמונת RGB 17, 23. שימוש באלגוריתם המוצע וטכניקות ספקטרליות מהירות יחד הוא גישה מבטיחה להערכת הדמיה מהירה IOS, כמו גם לשימוש במצבים קליניים.

רוב טכניקות ההדמיה המולטי-ספקטרליות עד כה התמקדו בעיקר בהמודינמיקה בקליפת המוח ובמטבוליזם של רקמות, כגון נפח דם מוחי, רוויית חמצן מוחית אזורית, ושיעור חילוף החומרים במוח של 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . מספר גישות קיימות מעריכות את המשרעת המפוזרת בהנחה כי כוח הפיזור הוא קבוע 15 , 16 . עם זאת, שינויים מורפולוגיים של רקמות עקב שינויים פתופיזיולוגיים והפחתת הכדאיות ברקמות קליפת המוח החיים יכול להשפיע על גודל של מפזרים ביולוגיים 45,, 6, 7, 8, 9. לכן, חשוב לאמוד את פרמטר הפיזור ב כמותית להעריך את מורפולוגיה רקמת המוח. המשמעות של הטכניקה הנוכחית ביחס לשיטות קיימות היא יכולתו למדוד את השינויים בחלל ובזמן בו זמנית ופרמטרים המודינמיים מוחות ומורפולוגיה רקמת קליפת המוח.

מבחינת יישומים עתידיים, אלגוריתם זה יכול לשמש לניטור תפקוד מוח, איברים חיוניים, ואת הכדאיות של רקמת קליפת המוח של מודלים בבעלי חי הפרעה מוחית שונים, כגון פגיעה מוחית טראומטית, התקף אפילפטי, שבץ, איסכמיה.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Lipton, P. Ischemic cell death in brain neuron. Physiol. Rev. 79, (4), 1432-1568 (1999).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Nishidate, I., et al. Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Tissue Morphology of In Vivo Rat Brain Using Spectral Diffuse Reflectance Imaging. Appl. Spectrosc. (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Basiri, A., et al. Use of a multi-spectral camera in the characterization of skin wounds. Opt. Express. 18, (4), 3244-3257 (2010).
  23. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics