Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der<em> In Vivo</em> Rattenhirn Mit Multispektral Diffuse Reflectance Imaging
Summary
Die gleichzeitige Auswertung von zerebralen Hämodynamik und den Lichtstreuungseigenschaften der in vivo Rattenhirngeweben wird ein herkömmliches multispektraler diffuses Reflexions – Bildgebungssystem unter Verwendung demonstriert.
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
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.
Protocol
Representative Results
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.
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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).
