Gelijktijdige Evaluatie van Cerebrale hemodynamiek en Light Scattering Eigenschappen van de

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

De gelijktijdige evaluatie van cerebrale hemodynamica en de lichtverstrooiende eigenschappen van in vivo rattenhersenweefsel wordt aangetoond met conventionele multispectrale diffuse reflectie-afbeeldingssysteem.

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

Multispectrale diffuse reflectie beeldvorming is de meest gebruikelijke techniek voor het verkrijgen van een ruimtelijke kaart van intrinsieke optische signalen (IOSs) in corticale weefsel. IOSs waargenomen in de in vivo hersenen worden vooral toegeschreven aan drie fenomenen: variaties in lichtabsorptie en verstrooiing eigenschappen als gevolg corticale hemodynamica, variatie van de absorptie afhankelijk van de reductie of oxidatie van cytochromen in mitochondria en variaties in lichtverspreidingeigenschappen geïnduceerd door morfologische veranderingen 1.

Licht in het zichtbare (VIS) tot nabij-infrarood (NIR) spectrum effectief geabsorbeerd en verstrooid door biologisch weefsel. Het diffuse reflectiespectrum van de in vivo hersenen wordt gekenmerkt door absorptie en verstrooiing spectra. De gereduceerde verstrooiing coëfficiënten ps 'hersenweefsel in het golflengtegebied resultaat VIS-NIR naar een monotone verstrooiing spectrum exhibiting lagere magnitude bij langere golflengten. De gereduceerde verstrooiingscoëfficiënt spectrum μ s '(λ) kan worden gebracht met de vorm van de machtswet functie 2, 3 en μ s' (λ) = a x λ -b. De verstrooiing b is gerelateerd aan de omvang van biologische verspreiders in levend weefsel 2, 3. Morfologische veranderingen in het weefsel en afname van de levensvatbaarheid van levend corticale weefsel kan de omvang van de biologische verstrooiers 4, 5, 6, 7, 8, 9 beïnvloeden.

Een optisch systeem voor multispectrale diffuse reflectie beeldvorming kan eenvoudig worden opgebouwd uit een gloeilamp livechten bron, eenvoudige optische componenten en een monochromatische geladen gekoppelde inrichting (CCD). Daarom zijn diverse algoritmen en optische systemen multispectrale diffuse reflectie beeldvorming gebruikt voor corticale hemodynamica en / of weefselmorfologie 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 te evalueren.

De werkwijze beschreven in dit artikel wordt gebruikt om zowel de hemodynamica en lichtverstrooiende eigenschappen van rat cerebrale weefsel in vivo toepassing van een gebruikelijke multispectrale diffuse reflectie-afbeeldingssysteem visualiseren. De voordelen van deze werkwijze boven alternatieve technieken de mogelijkheid tijdruimtelijke veranderingen in zowel cerebrale hemodynamiek en corticaal weefsel evaluerenmorfologie, evenals de toepasselijkheid ervan op verschillende hersendisfunctie diermodellen. Daarom zal de methode die geschikt is voor het onderzoek van traumatisch hersenletsel, epilepsie, beroerte en ischemie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dierverzorging, voorbereiding, en experimentele protocollen werden goedgekeurd door het Comité van Tokyo University of Agriculture and Technology Animal Research. Voor deze methode wordt de rat gehuisvest in een gecontroleerd milieu (24 ° C, 12 uur licht / donkercyclus) met voedsel en water beschikbaar ad libitum.

1. Bouw van een conventionele Multispectral Diffuse reflectie Imaging System

  1. Mount negen smalbandige interferentiefilters met centrale golflengten van 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 en 760 nm om het filter gaten van de gemotoriseerde filterwiel.
  2. Construct een multispectrale beeldvorming onder toepassing van een breedband witte lichtbron, een gemotoriseerd filterwiel met alle hierboven uiteengezette smalbandige interferentiefilters, een lichtgeleider, een collectorlens, een video zoomlens en een monochromatische CCD-camera. De indeling van optische componenten getoond in figuur 2, kan worden aangeduid voois constructie procedure.
    OPMERKING: De belichtingshoek bij benadering 45 ° ten opzichte van het monsteroppervlak.
  3. Schakel de halogeenlamp lichtbron naar het oppervlak van het monster verlicht door een interferentiefilter, de lichtgeleider, en de collectorlens.
  4. Open de besturingssoftware van de CCD-camera.

2. Bereiding van dieren

LET OP: In dit protocol, werd de rat niet gebruikt worden voor de toekomstige experimenten en het werd onmiddellijk opgeofferd na de metingen van multispectrale beelden.

  1. Verbind de inlaatpoort van een inductie kamer naar de uitlaatpoort van een anesthesie machine met een buis. Verbind de uitlaatpoort van de aanzuigkamer de inlaatpoort van de anesthesie machine met een tweede buis.
  2. Plaats de rat in de inductie kamer en induceren anesthesie met 5,0% isofluraan. Handhaaf anesthesie op een diepte zodanig dat de rat niet reageert tot teen knijpt. Lower tot 2,0% isofluraan behulp van een draaiknop op het anesthesieapparatuur.
  3. Bevestig de rat hoofd in een stereotactisch frame. Bevestig een mondstuk voor anesthesie aan de stereotactische frame.
  4. Verbind de inlaatpoort van het mondstuk naar de uitlaatpoort van de anesthesie machine met een buis. Verbind de uitlaatopening van het mondstuk aan de inlaatpoort van de anesthesie machine met een buis.
  5. Scheer het hoofd gebied voorbij de aspirant-incisie site met behulp van tondeuses, totdat het huidoppervlak verschijnt.
  6. Voeg een longitudinale incisie van ongeveer 20 mm langs de middellijn van de kop met een chirurgisch scalpel (figuur 1 (a)) en bloot onderhuids bindweefsel (Figuur 1 (b)).
  7. Verwijder het onderhuids bindweefsel met een scherp curette of een tang en trek aan beide zijden van het hoofd naar het schedelbot (figuur 1 (c)) bloot te leggen.
  8. Graaf een ellipsvormige sloot aan het schedelbot in de craniale SuturEs (coronale hechting, sagittale hechting en lambdoid hechting) met behulp van een high-speed boor ( Figuur 1 (d) ).
  9. Langzaam en homogeen uitgraven het schedelbeen in de sloot met behulp van de high-speed boor.
  10. Druk lichtjes op het oppervlak van de verdunde schedel met de punt van de pincer om de botdikte en kracht te schatten nadat een cerebraal bloedvat verschijnt. Als het verdunde schedelgebied gemakkelijk verdrukt, beëindigt u de vermindering van het schedelbeen met de hogesnelheidsboren.
  11. Snijd de ellipsvormige grenslijn van de verdunde schedel af met behulp van de punt van de pincer of kleine chirurgische schaar.
  12. Verwijder de verdunde schedel vanaf het hersenoppervlak langzaam en zachtjes met behulp van de pincer.
  13. Baden het kranevenster zachtjes met fysiologische zoutoplossing en bedek het met een transparante glazen plaat ongeveer 0,1 mm dik.

3. Regelen van de fractie van geïnspireerde zuurstof

OPMERKING: De ademhalings conditie kan worden veranderd door het regelen van de fractie ingeademde zuurstof (FiO2).

  1. Met behulp van een buis, sluit de eerste poort van een Y-vormige buis connector (connector 1) met de eerste poort van een Y-vormige buis connector (connector 2).
  2. Verbind de inlaatpoort van het mondstuk met de tweede poort van de buisverbinding 1.
  3. Met behulp van een buis, sluit de derde poort van de buis connector 1 een zuurstofconcentratie beeldscherminrichting.
  4. Van een buis, sluit de tweede poort van buisconnector 2 naar de uitlaatpoort van een anesthesiemachine.
  5. Met behulp van een buis, sluit de derde poort van de buis connector 2 aan de uitlaatpoort van een gasmengsel inrichting.
  6. Sluit één inlaatpoort van het gasmengsel inrichting een hogedruk 95% O 2-5% CO2 gascilinder via een buis.
  7. Het andere inlaatpoort van het gasmengsel inrichting een hogedruk 95% N 2-5% CO2 gascilinder via een buis.
  8. Verander de gasstromen oF O 2 en N 2 met behulp van de draaiknoppen op de gasmengselinrichting.
  9. Controleer en regel de FiO 2 met behulp van het zuurstofconcentratiemonitor.

4. Verkrijging van de multispectrale diffuse reflectiebeelden

  1. Verkrijging van referentiebeelden
    OPMERKING: De optische componenten die in dit experiment worden gebruikt, zoals de lichtbron, de optische vezel en detectoren hebben hun eigen spectrale eigenschappen. Daarom moet de intensiteit van het licht dat door deze componenten wordt doorgegeven als een referentiebeeld worden opgenomen. Het referentiebeeld is een afbeelding die is gemaakt met een standaard witte diffuser met het licht van de lichtbron.
    1. Zet de standaard witte diffuser op het podium horizontaal.
    2. Focus de camera lens op het oppervlak van de witte diffuser door de zoomring op het vat te draaien.
    3. Pas de integratietijd van de camera aan door de juiste waarde uit dekeuzelijst van integratietijden in de besturingssoftware van de camera zodat de grootste hoeveelheid licht van een signaal dat ongeveer 75% van de maximale tellingen produceert. Tijdens het bekijken van het histogram van beeldpuntwaarden, stel de integratietijd tot het signaal intensiteit ongeveer 75% van de maximale tellingen.
    4. Selecteer de "save" in het menu bestand naar een afbeelding op te slaan in een bestand.
    5. Vervang het filter plaats door draaien van het filterwiel.
    6. Opslaan van een beeld op andere golflengten volgens de hierboven beschreven werkwijze. De bestandsnaam moet het monster en de gebruikte golflengte (bv, W500, W520, W540 ... W760) te identificeren.
  2. Overname van voorbeeldfoto's
    Opmerking: Beelden van diffuus gereflecteerd licht intensiteit van de blootgestelde hersenen van de rat om negen golflengten worden opgevangen en opgeslagen op de harde schijf van een personal computer met behulp van dezelfde overname omstandigheden.
    1. Plaats voorzichtig de rin op het podium en langzaam passen podiumniveau zodat de camera kan concentreren op het oppervlak van de rattenhersenen.
    2. Selecteer de "save" in het menu bestand naar een afbeelding op te slaan in een bestand.
    3. Vervang het filter plaats door draaien van het filterwiel.
    4. Opslaan van een beeld op andere golflengten volgens de hierboven beschreven werkwijze. De bestandsnaam moet het monster en de golflengte (bijvoorbeeld R500, R520, R540 ... R760) te identificeren.
  3. Overname van donkere beelden
    OPMERKING: De CCD-camera kan een lichtintensiteit in reactie op een elektrisch signaal. Er is echter een aantal kleine productie als gevolg van ruis in de elektrische circuits en detectoren, zelfs als licht gaat niet in op de detector; Dit wordt genoemd: donker huidige lawaai. Voor het nauwkeurig meten van de spectrale intensiteit van het licht, moet de donkerstroom component worden opgenomen als een donkere afbeelding en daarna afgetrokken van het gemeten signaal. Het beeld donker is een afbeelding te nemenn de lichtweg geblokkeerd.
    1. Schakel de halogeenlamp lichtbron.
    2. Blokkeert het lichtpad naar de CCD camera onder toepassing van een afschermplaat.
    3. Selecteer de "save" in het menu bestand naar een afbeelding op te slaan in een bestand. De bestandsnaam moet het monster (bijv Dark) te identificeren.

5. Het visualiseren van het hemoglobinegehalte en de lichtverstrooiing Parameter

LET OP: Een reeks van multispectrale diffuse reflectie beelden wordt opgeslagen op de harde schijf van een personal computer en geanalyseerd offline. Meervoudige regressieanalyse geholpen door een Monte Carlo simulatie 19 van de multispectrale diffuse reflectie afbeeldingen negen golflengten (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 en 760 nm) wordt vervolgens uitgevoerd om de tweedimensionale visualiseren kaarten van zuurstofrijk hemoglobinegehalte, deoxygenated hemoglobinegehalte, totale hemoglobine concentratie, regionale cerebrale zuurstofverzadiging, en scattering macht. De gedetailleerde algoritme is gepubliceerd in de literatuur 17, 18.

  1. Trek dark zowel het monster beeld bij elke golflengte van het referentiebeeld en naar.
  2. Normaliseren voorbeeldopname het referentiebeeld door bij elke golflengte λ. Behandel de genormaliseerde afbeelding als de diffuse beeld reflectie R.
  3. Bereken de absorptie (of optische dichtheid) Een beeld door het nemen van de logaritme van het omgekeerde van de diffuse reflectie R beeld bij elke golflengte λ:
    vergelijking 1 (1)
  4. Genereer een driedimensionale matrix door het stapelen van de absorptie beelden in de volgorde van hun golflengte, waarbij de x - y vlak toont de structurele informatie verkregen voor de hersenen oppervlak en de z-as toont de spectrale gegevens.
  5. Perform een meervoudige regressieanalyse het absorptiespectrum A (λ) bij elke xy coördinaat.
  6. Met het absorptiespectrum A (λ) als afhankelijke variabele en de molaire extinctiecoëfficiënt spectra van geoxygeneerd hemoglobine ε HbO (λ) en gedeoxygeneerd hemoglobine ε HbR (λ) als onafhankelijke variabelen stap 5.5 (gepubliceerde waarden voor ε HbO (λ) en ε HbR (λ) worden gegeven in tabel 1).
  7. Controleer de tweedimensionale kaarten (beelden) van de drie verschillende regressiecoëfficiënten een HBO, een HbR, en een 0.
  8. Genereer een driedimensionale matrix door het stapelen van de beelden van de meervoudige regressie coëfficiënten in de volgorde HBO, een HBr en 0, waarbij de y vliegtuig toont de structurele informatie die voor het hersenoppervlak wordt verkregen en de z- axis toont de meervoudige regressiecoëfficiënten.
  9. Bereken de zuurstofgehechte hemoglobine concentratie C HbO , de gedeoxydeerde hemoglobine concentratie C HbR en de verstrooiingsvermogen b uit de set van meerdere regressie coëfficiënten een HbO , een HbR en een 0 op elke xy coördinaat met behulp van de volgende empirische formules (hij waarden van β HbO , i , P HbR , i , en P 0, i ( i = 0,1,2,3) zijn verschaft in tabel 2 ):
    Vergelijking 2 (2)
    Vergelijking 3 (3)
    vergelijking 4 (4)
  10. Controleer de tweedimensionale kaarten (beelden) van de zuurstof hemoglobinegehalte C HBO, de deoxygenated hemoglobinegehalte C HbR en de verstrooiing b.
  11. Bereken een tweedimensionale kaart van de totale hemoglobineconcentratie C HBT door het optellen C HBO en C HbR bij elke x - y-coördinaat.
  12. Bereken een tweedimensionale kaart van de regionale cerebrale zuurstofsaturatie RSO 2 Door het delen van de geoxygeneerde hemoglobineconcentratie C HbO de totale hemoglobineconcentratie C HBT bij elke x - y-coördinaat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representatieve spectrale beelden van diffuse reflectie verkregen uit in vivo rattenhersenen zijn weergegeven in figuur 3. De beelden 500, 520, 540, 560, 570 en 580 nm duidelijk zichtbaar een dicht netwerk van bloedvaten in de cerebrale cortex. De verslechtering van het contrast tussen de bloedvaten en het omliggende weefsel waargenomen in de beelden 600, 730 en 760 nm weerspiegelt de lagere lichtabsorptie door hemoglobine bij langere en NIR golflengten.

Figuur 4 toont representatieve geschatte beelden van een blootgestelde rattenhersenen voor geoxygeneerd hemoglobine, gedeoxygeneerd hemoglobine, totale hemoglobineconcentratie, regionale cerebrale zuurstofverzadiging en verstrooiing. Zoals verwacht van de diffuse reflectie beelden op kortere golflengten in figuur 3, de totale hemoglobineconcentratie in het bloed vessel gebied hoger is dan in het omringende weefselgebied. Anderzijds, het geoxygeneerde hemoglobine concentraties in arteriolen hoger dan in venulen gevolg van de hemoglobine in arterieel bloed die veel zuurstof dan in veneus bloed. Daarom kan de verdeling van arteriolen en venulen duidelijk te onderscheiden in de geschatte beeld van regionale zuurstofverzadiging.

Representatieve geschatte beelden van een blootgestelde rattenhersenen tijdens veranderingen in de FiO2 Diffuse reflectie bij 500 nm r (500), concentratie geoxygeneerde hemoglobine C HbO, concentratie van gedeoxygeneerd hemoglobine C HBr concentratie van totale hemoglobine C HBT, regionale cerebrale zuurstofverzadiging RSO 2 en verstrooiing b zijn getoond in figuur 5. De waarde van RSO 2 verhoogd onder omstandigheden hyperoxischeEn verminderde opmerkelijk na de inductie van anoxische omstandigheden. De waarde van b werd licht verhoogd gedurende de periode van het ontstaan ​​van anoxia tot ademhalingsarrest, terwijl het tijdens de periode van 5 min tot 30 min afneemt na het ontstaan ​​van anoxie. Deze veranderingen in de waarde van b waren indicatief voor morfologische veranderingen, zoals de zwelling en krimp van cellulaire en subcellulaire structuren, geïnduceerd door het verlies van weefsel levensvatbaarheid in de hersenen.

Figuur 1
Figuur 1: Stappen in de chirurgische blootstelling van de Rat Cerebrale Cortex. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Schematische weergave van de experimentele inrichting voor het toedienen van anesthesie en de fractie van ingeademde zuurstof wijzigen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Representatieve Multispectral Diffuse reflectie afbeeldingen 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 en 760 nm, verkregen uit een in vivo rattenhersenen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: Vertegenwoordiger Geschatte Beelden van een Exposed Rat Brain. <strong> (a) Concentratie van geoxygeneerd hemoglobine C HBO, (b) concentratie van gedeoxygeneerd hemoglobine C HBr (c) de concentratie van totale hemoglobine C HBT, (d) regionale cerebrale zuurstofverzadiging RSO 2, en (e) verstrooiende vermogen b. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: representatieve resultaten van een Exposed Rat Brain tijdens veranderingen in de FiO 2. Beelden van in vivo rat corticale weefsel tijdens veranderingen in FiO 2 Diffuse reflectie bij 500 nm r (500), concentratie geoxygeneerde hemoglobine C HbO, concentratiegedeoxygeneerd hemoglobine C HBr concentratie van totale hemoglobine C HBT, regionale cerebrale zuurstofsaturatie RSO 2 en verstrooiing b. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

<tr>
Golflengte λ nm 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

Tabel 1: De waarden van ε HBO en ε HbO voor de meervoudige regressieanalyse. De molaire extinctiecoëfficiënten van geoxygeneerd hemoglobine ε HBO en gedeoxygeneerd hemoglobine ε HbR bij elke golflengte λ.

ik 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

Tabel 2: De waarden van β HBO, i, β HBr i en p 0, i (i = 0,1,2,3) van de empirische formules voor C HbO, C HBr en b. Merk op dat de eenheden van HbO C en C HbR uit deze empirische formules zijn de volumeconcentratie, waarbij de hemoglobineconcentratie van vol bloed met een hematocrietwaarde aflezing van 44% wordt genomen om de 100% volumeconcentratie van hemoglobine. De empirische formules voor hemoglobine concentraties kunnen worden afgeleid van de diffuse reflectiespectra berekend met de Monte Carlo simulatie van lichttransport 19. De gedetailleerde werkwijze voor het afleiden van de empirische formules is beschreven in de literatuur 17, 18.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De meest kritische stap in dit protocol is de verwijdering van de verdunde schedel regio craniale venster maken; Dit moet zorgvuldig worden uitgevoerd om onverwachte bloeden te voorkomen. Deze stap is belangrijk voor het verkrijgen van hoge kwaliteit multispectrale diffuse reflectie beelden met een hoge nauwkeurigheid. Het gebruik van een stereomicroscoop wordt aanbevolen voor de chirurgische procedure, indien mogelijk. Kleine stukjes van gelatine spons zijn nuttig voor hemostase.

Het optische systeem beschreven in dit artikel geeft een monochromatisch licht door een interferentiefilter gelegen tegenover de lichtbron. Dit kan worden aangepast door het plaatsen van het filter wiel voor de videocameralens of CCD-camera. In dit geval echter, het brandvlak kan variabel zijn als interferentiefilters met verschillende diktes worden gebruikt, en dit zal een verslechtering van de beeldkwaliteit veroorzaken. Er moet de glasplaat van de craniale raam te verwijderen als een registratie-elektrode ingebrachtin het corticale weefsel voor elektrofysiologische metingen, zoals metingen van de elektrische plaatselijke veldpotentiaal. In dit geval kan het beeldvormingssysteem ongewenste spiegelende reflectie vanaf het corticale oppervlak detecteren. Dit probleem kan worden vermeden door een stel polarisatieplaten met gekruiste Nicols uitlijning.

De conventionele multispectrale beeldvormingsapparaat aangetoond in dit artikel is enigszins omslachtig om te gebruiken, aangezien het filter posities in het wiel mechanisch veranderd. Dit betekent dat het beeldvormingssysteem legt elk beeld diffuse reflectie achtereenvolgens bij een andere golflengte-point. Vanwege deze beperking, dit systeem is ontoereikend om snel IOSs, vast te leggen zoals veranderingen in de reflectie spectrum als gevolg van neuronale activiteiten 20. Hoewel geoxygeneerde hemoglobine en gedeoxygeneerd hemoglobine de voornaamste chromoforen in het levende hersenweefsel, de andere chromoforen, zoals cytochroom-c-oxidase, flavineadenine dinucleotide en nicotinamide adenine dinucleotide, ook bijdragen aan de absorptiecoëfficiënt in het zichtbare golflengtegebied. Daarom kan de geschatte waarden van C HBO, C HBr C HBT, RSO 2, en b worden beïnvloed door de kleine chromoforen. Bovendien is deze aanpak integreert alle informatie over de diepte richting omdat het berust op de diffuse reflectie. Daarom is het beeldvormingssysteem geen diepgaande opgelost metingen.

Het is voordelig dat het algoritme voor het onderhavige systeem ook kan worden toegepast op multispectrale diffuse reflectie beelden die door andere snelle spectrale beeldvormingstechnieken, zoals een akoesto-optisch afstembaar filter 21, een multi-apertuur lenzenstelsel met interferentiefilters 22, en de spectrale reconstructie beelden van een RGB-beeld 17, 23. Met behulp van de voorgestelde algoritme en snelle spectrale technieken samen is een veelbelovende aanpak voor het evalueren snel IOS beeldvorming, evenals voor gebruik in klinische situaties.

Meest multispectrale brain imaging technieken tot nu toe vooral gericht op corticale hemodynamica en metabolisme weefsel zoals cerebrale bloedvolume, regionale cerebrale zuurstofverzadiging en cerebrale metabolisme van zuurstof 10, 11, 12, 13, 14. Verschillende bestaande benaderingen evalueren verstrooiingsamplitude in de veronderstelling dat de verstrooiing constant 15, 16. Echter, kunnen morfologische veranderingen van de weefsels als gevolg van pathofysiologische veranderingen en een vermindering van de levensvatbaarheid in levende corticale weefsel van de grootte van de biologische scatterers 4 beïnvloeden, 5, 6, 7, 8, 9. Daarom is het belangrijk om de verstrooiing parameter van b schatten kwantitatief over in het weefsel morfologie van de hersenen te evalueren. Het belang van deze techniek met betrekking tot de bestaande werkwijzen is de mogelijkheid om gelijktijdig de ruimte-tijd veranderingen in cerebrale hemodynamiek en corticale weefselmorfologie meten.

Bij toekomstige toepassingen kan dit algoritme worden gebruikt voor het bewaken hersenfunctie, vitale en levensvatbaarheid in het corticale weefsel van verschillende hersenaandoening diermodellen, zoals traumatisch hersenletsel, epilepsie, beroerte en ischemie.

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