הערכה סימולטנית של המודינמיקה מוחית ופיזור תכונות אור של<em> In vivo</em> מוח עכברוש באמצעות הדמית החזרה המפוזרת Multispectral
Summary
ההערכה סימולטני של ההמודינמיקה מוחות תכונות פיזור האור של רקמת מוח in vivo עכברוש מודגמת באמצעות מערכת הדמית החזרת multispectral דיפוזי קונבנציונלית.
Abstract
The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional multispectral diffuse reflectance imaging system. This system is constructed from a broadband white light source, a motorized filter wheel with a set of narrowband interference filters, a light guide, a collecting lens, a video zoom lens, and a monochromatic charged-coupled device (CCD) camera. An ellipsoidal cranial window is made in the skull bone of a rat under isoflurane anesthesia to capture in vivo multispectral diffuse reflectance images of the cortical surface. Regulation of the fraction of inspired oxygen using a gas mixture device enables the induction of different respiratory states such as normoxia, hyperoxia, and anoxia. A Monte Carlo simulation-based multiple regression analysis for the measured multispectral diffuse reflectance images at nine wavelengths (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, and 760 nm) is then performed to visualize the two-dimensional maps of hemodynamics and the light scattering properties of the in vivo rat brain.
Introduction
הדמית החזרת דיפוזי Multispectral היא הטכניקה הנפוצה ביותר עבור השגת מפה מרחבית של אותות אופטיים מהותיים (IOSs) ברקמת קליפת המוח. IOSs שנצפתה המוח in vivo מיוחסות בעיקר שלוש תופעות: וריאציות ספיגת האור ומאפיינים פיזור עקב ופרמטרים המודינמיים קליפת המוח, וריאציה הקליטה תלוי הפחתה או לחמצון cytochromes במיטוכונדריה, ווריאציות תכונות פיזור אור המושרה על ידי שינויים מורפולוגיים 1.
אור בבית הגלוי (VIS) כדי האינפרה-אדום קרוב (NIR) בטווח ספקטרום נספג ביעילות מפוזרת על ידי רקמות ביולוגיות. ספקטרום ההחזרה המפוזר של מוח vivo ב מאופיין קליטת ספקטרה פיזור. מקדמי הפיזור המופחתים מיקרון הים 'של רקמת המוח בתוצאת מגוון VIS-אל-NIR הגל בתוך תערוכת ספקטרום פיזור מונוטוניתing בהירויות קטנות באורכי גל ארוכים יותר. Μ הספקטרום מקדם פיזור המופחת s "(λ) יכול להיות מקורב להיות בצורה של פונקצית החוק החזק 2, 3 כפי μ s" (λ) = a × λ -b. המלון של לינת כוח הפיזור קשורה לגודל של מפזרים ביולוגיים ברקמת חית 2, 3. שינויים מורפולוגיים של הרקמה והקטנת הכדאיות של רקמת חית קליפת המוח יכולים להשפיע על הגודל של המפזרים הביולוגיים 4, 5, 6, 7, 8, 9.
מערכת אופטית עבור הדמית החזרת דיפוזי multispectral ניתן לבנות בקלות מתוך li ליבוןמקור להילחם, רכיבים אופטיים פשוטים, וכן (CCD) מכשיר טעון מצמידי מונוכרומטי. לכן, אלגוריתמים שונים ומערכות אופטיות עבור הדמית החזרת דיפוזי multispectral שמשו להעריך ופרמטרים המודינמיים קליפת מוח ו / או רקמת מורפולוגיה 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.
השיטה המתוארת במאמר זה משמש כדי לחזות הן ופרמטרים המודינמיים ומאפיינים פיזור אור של רקמות חולדה מוחין in vivo באמצעות מערכת הדמיה ההחזרה דיפוזי multispectral קונבנציונאלי. יתרונותיה של שיטה זו על פני שיטות חלופיות הם את היכולת להעריך שינויים בחלל ובזמן בשני ופרמטרים המודינמיים מוחות ורקמות קליפת המוחמורפולוגיה, כמו גם ישימותה במודלים של בעלי חיים תפקוד המוח השונים. לכן, השיטה תתאים חקירות של פגיעה מוחית טראומטית, התקף אפילפטי, שבץ, איסכמיה.
Protocol
Representative Results
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 האפש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Part of this work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research (C) from the Japanese Society for the Promotion of Science (25350520, 22500401, 15K06105) and the US-ARMY ITC-PAC Research and Development Project (FA5209-15-P-0175).
Materials
| 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@500nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65088 | |
| Interference filters l@520nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65093 | |
| Interference filters l@540nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65096 | |
| Interference filters l@560nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67766 | |
| Interference filters l@570nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67767 | |
| Interference filters l@580nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65646 | |
| Interference filters l@600nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65102 | |
| Interference filters l@730nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65115 | |
| Interference filters l@760nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67777 | |
| Motorized filter wheel | Andover Corporation, NH, USA | FW-MOT-12.5 | |
| 16-bit cooled CCD camera | Bitran, Japan | BS-40 | |
| 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., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. Optical Imaging based on intrinsic signals: the methodology. Brain mapping; the methods. , 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).
