L'évaluation simultanée de l'hémodynamique cérébrale et Light Scattering Propriétés du<em> In Vivo</em> Cerveau de rat en utilisant multispectral Imaging Diffuse Réflectance
Summary
L'évaluation simultanée de l'hémodynamique cérébrale et des propriétés de diffusion de la lumière du tissu cérébral de rat in vivo est démontrée à l'aide d'un système d'imagerie de réflectance diffus multispectral conventionnel.
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
Multispectrale imagerie par réflectance diffuse est la technique la plus usuelle pour obtenir une carte spatiale des signaux optiques intrinsèques (IOS) dans le tissu cortical. IOS observée dans le principalement cerveau in vivo sont attribués à trois phénomènes: variations dans l' absorption de lumière et des propriétés de diffusion en raison de l' hémodynamique corticales, la variation de l' absorption en fonction de la réduction ou l' oxydation des cytochromes dans les mitochondries et les variations dans les propriétés de diffusion de la lumière induite par des altérations morphologiques 1.
La lumière dans le visible (VIS) à la plage spectrale de l'infrarouge proche (NIR) est efficacement absorbée et diffusée par les tissus biologiques. Le spectre de réflectance diffuse du cerveau in vivo est caractérisé par spectres d' absorption et de diffusion. Les coefficients de diffusion réduit u 's du tissu cérébral dans la gamme de longueurs d'onde VIS-NIR à la suite d'une exposition de spectre de diffusion monotoneing amplitudes plus petites longueurs d'onde plus longues. Le coefficient de diffusion réduit μ spectre S '(λ) peut être approchée à être sous la forme de la fonction de loi de puissance 2, 3 comme μ S' (λ) = a × λ -b. La puissance de diffusion b est liée à la taille de diffuseurs biologiques dans un tissu vivant 2, 3. Altérations morphologiques du tissu et de la réduction de la viabilité des tissus vivants cortical peuvent affecter la taille des diffuseurs biologiques 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Système optique pour l'imagerie multispectrale de réflectance diffuse peut être facilement construit à partir d'un li incandescentcombattre la source, des composants optiques simples, et un dispositif à couplage de charge monochromatique (CCD). Par conséquent, divers algorithmes et des systèmes optiques pour l' imagerie multispectrale de réflectance diffuse ont été utilisées pour évaluer l' hémodynamique corticales et / ou la morphologie des tissus 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.
La méthode décrite dans cet article permet de visualiser à la fois l'hémodynamique et les propriétés de diffusion de la lumière du tissu cérébral de rat in vivo en utilisant un système d'imagerie par réflectance diffuse multispectral classique. Les avantages de cette méthode par rapport aux techniques alternatives sont la capacité d'évaluer les changements spatio-temporels dans les deux hémodynamique cérébrales et tissus corticauxLa morphologie, ainsi que son applicabilité à différents modèles animaux de dysfonctionnement cérébral. Par conséquent, la méthode sera appropriée pour les enquêtes sur les lésions cérébrales traumatiques, les crises épileptiques, les accidents vasculaires cérébraux et l'ischémie.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'étape la plus critique de ce protocole est l'élimination de la région du crâne amincie pour que la fenêtre crânienne; cela devrait être réalisé avec soin pour éviter des saignements inattendus. Cette étape est importante pour l'obtention de haute qualité diffuse des images multispectrales réflectance avec une grande précision. L'utilisation d'un stéréomicroscope est recommandé pour la procédure chirurgicale si possible. De petits morceaux d'éponge de gélatine sont utiles pou…
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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