La valutazione simultanea di Emodinamica cerebrale e Light Scattering proprietà del<em> In Vivo</em> Cervello del cervello usando l'imaging di riflessione diffusa multispettrale
Summary
La valutazione simultanea dell'emodinamica cerebrale e delle proprietà di scattering della luce del tessuto cerebrale in vivo è dimostrata usando un sistema di diffusione multispectrale a riflessione diffusa.
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
La formazione di riflessioni diffusive multispectrali è la tecnica più comune per ottenere una mappa spaziale di segnali ottici intrinseci (IOS) nel tessuto corticale. IOS osservati nel cervello in vivo sono principalmente attribuiti a tre fenomeni: varianti di assorbimento e dispersione della luce dovute all'emodinamica corticale, variazione dell'assorbimento a seconda della riduzione o ossidazione dei citocromi nei mitocondri e variazioni nelle proprietà di dispersione della luce indotte da alterazioni morfologiche 1 .
La luce nel visibile (VIS) ad infrarosso vicino (NIR) gamma spettrale è efficacemente assorbita e dispersa dal tessuto biologico. Lo spettro di riflessione diffusa del cervello in vivo è caratterizzato da spettri di assorbimento e dispersione. I coefficienti di dispersione ridotti μ s ' del tessuto cerebrale nella gamma di lunghezze d'onda VIS-NIR portano ad una mostra monotona di spettro di dispersioneing grandezze più piccole a lunghezze d'onda più lunghe. Il ridotto coefficiente di diffusione spettro μ s '(λ) può essere approssimata essere nella forma della funzione di legge di potenza 2, 3 come μ s' (λ) = a × λ -b. La potenza della dispersione b è correlata alla dimensione del scatterers biologici nel tessuto 2, 3 vivente. Alterazioni morfologiche del tessuto e riduzione della vitalità del vivente tessuto corticale possono influenzare la dimensione dei diffusori biologici 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Un sistema ottico per l'imaging multispettrale riflettanza diffusa può essere facilmente costruito da un li incandescenzafonte combattere, componenti ottici semplici, e un dispositivo monocromatico carica-(CCD). Pertanto, vari algoritmi e sistemi ottici per l'imaging multispettrale riflettanza diffusa sono stati utilizzati per valutare l'emodinamica corticali e / o morfologia tissutale 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.
Il metodo descritto in questo articolo è usato per visualizzare sia la proprietà di diffusione della luce di tessuto cerebrale di ratto in vivo usando un sistema di imaging riflettanza multispettrale diffusa convenzionale emodinamica e. I vantaggi di questo metodo rispetto tecniche alternative sono la capacità di valutare le variazioni spazio-temporali in entrambi emodinamica cerebrale e tessuto corticalemorfologia, così come la sua applicabilità a vari modelli animali disfunzione cerebrale. Pertanto, il metodo sarà opportuno per le indagini di lesione traumatica cerebrale, crisi epilettiche, ictus e ischemia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il passo più critico in questo protocollo è la rimozione della regione sottile di cranio per rendere la finestra cranica; Questo deve essere eseguito attentamente per evitare sanguinamenti imprevisti. Questo passo è importante per ottenere immagini di riflessione diffusa multispettrale di alta qualità con alta precisione. L'uso di uno stereomicroscopio è raccomandato per la procedura chirurgica, se possibile. Piccoli pezzi di spugna di gelatina sono utili per l'emostasi.
Il sist…
Offenlegungen
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 |
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