Summary

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

Published: May 07, 2017
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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

La cura degli animali, la preparazione e i protocolli sperimentali sono stati approvati dal Comitato di Ricerca sugli Animali dell'Ateneo di Tecnologia e Tecnologia di Tokyo. Per questa metodologia, il ratto è alloggiato in un ambiente controllato (24 ° C, 12 h ciclo luce / scuro), con alimenti e acqua disponibile ad libitum. 1. Costruzione di un sistema di immagini riflessione diffusa multispettrale convenzionale Montare nove filtri di interferenza ottica a banda s…

Representative Results

Immagini spettrali rappresentative di riflettanza diffusa acquisito da cervelli di ratto in vivo sono mostrati in Figura 3. Le immagini a 500, 520, 540, 560, 570, e 580 nm visualizzare chiaramente una fitta rete di vasi sanguigni nella corteccia cerebrale. Il deterioramento del contrasto tra vasi sanguigni e il tessuto circostante osservata nelle immagini a 600, 730 e 760 nm riflette il minor assorbimento della luce da parte dell'emoglobina a lunghezze d&#39…

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…

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

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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).

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