تقييم في وقت واحد من الشلل ديناميكا الدم وتشتت الضوء خصائص<em> في فيفو</em> الجرذ الدماغ عن طريق المتعددة الأطياف منتشر الانعكاس التصوير
Summary
ويبين التقييم في وقت واحد ديناميكا الدم الدماغي وخصائص تشتت الضوء في الجسم الحي الفئران أنسجة المخ يستخدم منتشر متعدد الأطياف نظام الانعكاس التصوير التقليدي.
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
التصوير الانعكاسي المنتشر متعدد الأطياف هو الأسلوب الأكثر شيوعا للحصول على خريطة مكانية للإشارات البصرية الذاتية (يوس) في الأنسجة القشرية. يوس يراقب في الدماغ في الجسم الحي وتعزى أساسا إلى ثلاث ظواهر: الاختلافات في امتصاص الضوء وخصائص تشتت بسبب ديناميكا الدم القشرية، والاختلاف في امتصاص اعتمادا على الحد من أو أكسدة السيتوكرومات في الميتوكوندريا، والاختلافات في خصائص تشتت الضوء الناجمة عن التعديلات المورفولوجية 1 –
يتم امتصاص الضوء في المرئية (فيس) إلى المدى الأشعة تحت الحمراء القريبة (نير) بشكل فعال ومنتشرة من قبل الأنسجة البيولوجية. يتميز الطيف الانعكاسي المنتشر للدماغ في الجسم الحي عن طريق امتصاص وتشتت الأطياف. انخفاض معامل الانتثار μ s ' من أنسجة المخ في نطاق الطول الموجي فيس إلى الجرد الوطني ينتج في معرض رتابة نثر رتابةجي مقادير صغيرة في الموجات الأطول. الطيف μ انخفاض معامل تشتت الصورة "(λ) يمكن أن يقترب ليكون في شكل وظيفة قانون الطاقة 2، 3 كما μ S '(λ) = أ × λ -b. ويرتبط نثر السلطة ب لحجم عدسات البيولوجية في الأنسجة 2، 3 الحية. التعديلات الشكلية من الأنسجة والحد من قابلية الأنسجة الحية القشرية يمكن أن تؤثر على حجم عدسات البيولوجية 4، 5، 6، 7، 8، 9.
نظام بصري لمتعدد الأطياف التصوير منتشر الانعكاس يمكن بناؤها بسهولة من لى وهاجمصدر GHT، المكونات البصرية البسيطة، وأحادية اللون جهاز اتهم جانب (CCD). لذلك، وقد استخدمت العديد من الخوارزميات وأنظمة البصرية لمتعدد الأطياف التصوير منتشر الانعكاس لتقييم ديناميكا الدم القشرية و / أو التشكل الأنسجة 10، 11، 12، 13، 14، 15، 16، 17، 18.
يتم استخدام الأسلوب الموصوفة في هذه المقالة لتصور كل من ديناميكا الدم وخصائص تشتت الضوء من الأنسجة الدماغية الفئران في الجسم الحي باستخدام منتشر متعدد الأطياف نظام الانعكاس التصوير التقليدي. مزايا هذه الطريقة على التقنيات البديلة هي القدرة على تقييم التغيرات الزمانية المكانية في كل ديناميكا الدم الدماغي والأنسجة القشريةالتشكل، وكذلك تطبيقها على مختلف النماذج الحيوانية اختلال وظيفي في المخ. ولذلك، فإن الطريقة يكون مناسبا لتحقيقات من الإصابات في الدماغ، نوبة الصرع والسكتة الدماغية ونقص التروية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوة الأكثر أهمية في هذا البروتوكول هو إزالة منطقة الجمجمة ضعيفة لجعل نافذة في الجمجمة. هذا يجب أن يتم تنفيذ بعناية لتجنب نزيف غير متوقع. هذه الخطوة مهمة للحصول على جودة عالية متعددة الأطياف نشر صور الانعكاس بدقة عالية. من المستحسن استخدام مجهر تشريحي لإجراء العمل?…
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).
