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).

Tierpflege, Vorbereitung und experimentelle Protokolle wurden von der Animal Research Committee der Tokyo University of Agriculture and Technology genehmigt. Für diese Methode wird die Ratte in einer kontrollierten Umgebung (24 ° C, 12 h Licht / Dunkel - Zyklus), mit Futter und Wasser ad libitum untergebracht. 1. Aufbau eines herkömmlichen Multispektrale Diffuse Reflectance Imaging System <ol><li> Halterung neun schmalbandigen optische Interferenzfilter mit Mittenwellenlängen von 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm zu den Filterlöchern der motorisierten Filterrad. </li><li> Konstrukt ein multispektrale Bilderzeugungssystemes einer Breitband-Weißlichtquelle verwendet wird, ein motorisiertes Filterrad mit dem obigen Satz von schmalbandigen Interferenzfilter, ein Lichtleiter, eine Sammellinse, ein Video-Zoom-Objektiv und einer monochromatische CCD-Kamera. Das Layout der optischen Komponenten, in Figur 2 gezeigt, kann für th bezeichnet werdenIst Bauverfahren. HINWEIS: Der Beleuchtungswinkel beträgt etwa 45 ° zur Probenoberfläche. </li><li> Schalten Sie die Halogenlampe ein, um die Oberfläche der Probe über einen Interferenzfilter, den Lichtleiter und die Sammellinse zu beleuchten. </li><li> Öffnen Sie die Bediensoftware der CCD-Kamera. </li></ol> 2. Tiervorbereitung HINWEIS: In diesem Protokoll wurde die Ratte nicht für die zukünftigen Experimente verwendet und es wurde unmittelbar nach den Messungen von multispektralen Bildern geopfert. <ol><li> Verbinden Sie die Einlassöffnung einer Induktionskammer mit dem Auslassanschluss einer Anästhesiemaschine mit einem Rohr. Verbinden Sie die Auslassöffnung der Induktionskammer mit dem Einlassanschluss der Anästhesiemaschine mit einem zweiten Rohr. </li><li> Legen Sie die Ratte in die Induktionskammer und induzieren Anästhesie mit 5,0% Isofluran. Bewahren Sie die Anästhesie in einer Tiefe, so dass die Ratte nicht auf Zehenstöpsel reagiert. Lower bis 2,0% Isofluran unter Verwendung eines Drehknopfes auf dem Anästhesiegerät. </li><li> Befestigen Sie die Ratte Kopf in einem stereotaktischen Rahmen. Bringen Sie ein Mundstück für Anästhesie an den Stereotaxierahmen. </li><li> Verbinden der Einlassöffnung des Mundstückes mit dem Auslassanschluss der Anästhesiemaschine mit einem Rohr. Verbinden der Auslassöffnung des Mundstückes an die Einlassöffnung der Anästhesiemaschine mit einem Rohr. </li><li> Shave den Kopfbereich über den prospektiven Inzisionsstelle mit Haarschneidemaschinen, bis die Hautoberfläche erscheint. </li><li> Führe einen Längsschnitt in etwa 20 mm lang entlang der Mittellinie des Kopfes , ein chirurgisches Skalpell (Abbildung 1 (a)) und setzt das subkutane Bindegewebe (Abbildung 1 (b)). </li><li> Entfernen des subkutane Bindegewebes eines scharfen Kürette oder eine Zange verwendet , und ziehe es zu beiden Seiten des Kopfes der Schädelknochen (Abbildung 1 (c)) zu belichten. </li><li> Dig einen ellipsenförmigen Graben auf dem Schädelknochen innerhalb der Schädel SuturES (Kranznaht, Sutura sagittalis und Lambdanaht) eine Hochgeschwindigkeits - Bohrmaschine (Abbildung 1 (d)) verwendet wird . </li><li> Langsam und homogen raben der Schädelknochen in den Graben, die Hochgeschwindigkeitsbohrer. </li><li> Drücken leicht auf der Oberfläche des gedünnten Schädels mit der Spitze der Zange die Knochendicke und Festigkeit nach einer zerebralen Blutgefß erscheint abzuschätzen. Wenn die ausgedünnten Schädel Region leicht herunterdrückt, beendet die Reduktion des Schädelknochens mit dem High-Speed-Bohrer. </li><li> Schneiden Sie die ellipsenförmigen Grenzlinie des ausgedünnten Schädel Stück für Stück die Spitze der Zange oder kleine chirurgische Schere. </li><li> Entfernen Sie den ausgedünnten Schädel von der Hirnoberfläche langsam und vorsichtig die Zange verwenden. </li><li> badet sanft die kranialen Fenster mit physiologischer Kochsalzlösung und ihn mit einer transparenten Glasplatte ungefähr 0,1 mm dick. </li></ol> 3. Die Regulierung der Fraktion des eingeatmeten Sauerstoffs HINWEIS: Die Atmungs condition kann durch Regulierung der Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs (FiO 2) geändert werden. <ol><li> Verwendung eines Rohres, verbinden den ersten Anschluss eines Y-förmigen Rohrverbinder (Stecker 1) mit dem ersten Port eines anderen Y-förmigen Rohrverbinder (Stecker 2). </li><li> Verbinden der Einlassöffnung des Mundstücks mit dem zweiten Anschluss des Rohrverbinders 1. </li><li> Verwendung eines Rohres, verbinden den dritten Anschluss von Rohrverbinder 1 an ein Sauerstoffkonzentrationsüberwachungsvorrichtung. </li><li> Mit einem Rohr, verbinden den zweiten Anschluss der Rohrverbinder 2 an den Auslaßanschluß einer Anästhesiemaschine. </li><li> Verwendung eines Rohres, verbinden den dritten Anschluss von Rohranschluss 2 zu dem Auslassanschluss eines Gasgemisches Vorrichtung. </li><li> Verbinden eine Einlassöffnung des Gasgemisch Geräts mit einem Hochdruck - 95% O 2 bis 5% CO 2 Gasflasche eines Rohr verwendet wird . </li><li> Die andere Einlaßöffnung des Gasgemisch Geräts mit einer Hochdruck - 95% N 2 bis 5% CO 2 Gasflasche eines Rohr verwendet wird . </li><li> Ändern Sie die Gasflussraten oF O 2 und N 2 unter Verwendung der Drehknöpfe auf der Gasgemischvorrichtung. </li><li> Überprüfen und regeln Sie den FiO 2 mit dem Sauerstoffkonzentrationsmonitor. </li></ol> 4. Erfassung der multispektralen Diffuse Reflectance Images <ol><li> Erfassung von Referenzbildern HINWEIS: Die in diesem Experiment verwendeten optischen Komponenten wie die Lichtquelle, die Lichtleitfaser und die Detektoren haben ihre eigenen spektralen Eigenschaften. Daher sollte die Lichtintensität, die durch diese Komponenten hindurchgeht, als Referenzbild aufgezeichnet werden. Das Referenzbild ist ein Bild, das mit einem handelsüblichen weißen Diffusor aufgenommen wurde, der mit dem Licht der Lichtquelle beleuchtet ist. <ol><li> Setzen Sie den Standard-Weißdiffusor waagerecht auf die Bühne. </li><li> Fokussiere das Kameralinse auf die Oberfläche des weißen Diffusors, indem du den Zoomring auf dem Fass drehst. </li><li> Passen Sie die Integrationszeit der Kamera an, indem Sie den entsprechenden Wert aus derDropdown-Liste der Integrationszeiten in der Betriebssoftware der Kamera, so dass die größte Menge an Licht ein Signal erzeugt, das etwa 75% der maximalen Zählungen beträgt. Während Sie das Histogramm der Pixelwerte beobachten, stellen Sie die Integrationszeit ein, bis der Signalintensitätspegel etwa 75% der maximalen Zählungen beträgt. </li><li> Wählen Sie den Befehl &quot;Speichern&quot; aus dem Dateimenü, um ein Bild in einer Datei zu speichern. </li><li> Ändern Sie die Filterposition durch Drehen des Filterrades. </li><li> Speichern Sie ein Bild bei den anderen Wellenlängen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Der Dateiname sollte das Sample und die verwendete Wellenlänge identifizieren ( zB W500, W520, W540 ... W760). </li></ol></li><li> Erfassung von Musterbildern Anmerkung: Bilder von diffus reflektierter Lichtintensität des exponierten Rattenhirns bei neun Wellenlängen werden erfasst und auf der Festplatte eines Personalcomputers unter Verwendung der gleichen Erfassungsbedingungen gespeichert. <ol><li> Legen Sie die rbei auf der Bühne und langsam einstellen Bühnenniveau, so dass die Kamera auf der Oberfläche des Rattenhirns konzentrieren kann. </li><li> Wählen Sie den Befehl „Speichern“ aus dem Dateimenü ein Bild in einer Datei zu speichern. </li><li> Ändern der Filter Lage durch das Filterrad rotieren. </li><li> Speichern eines Bildes mit den anderen Wellenlängen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Der Dateiname soll die Probe und die Wellenlänge (zB R500, R520, R540 ... R760) identifizieren. </li></ol></li><li> Erwerb von dunklen Bildern HINWEIS: Die CCD-Kamera eine Lichtstärke in Reaktion auf ein elektrisches Signal erzeugen kann. Allerdings gibt es einige kleinere Ausgabe aufgrund von Rauschen in den elektrischen Schaltungen und Detektoren, auch wenn kein Licht auf den Detektor gelangt; dies Dunkelstromrauschen bezeichnet. Um genau die spektrale Intensität des Lichts zu messen, sollte die Dunkelstromkomponente als ein dunkles Bild aufgenommen wird und dann aus dem gemessenen Signal subtrahiert wird. Das dunkele Bild ist ein Bild nehmenn mit dem Lichtweg blockiert. <ol><li> Schalten Sie die Halogenlampe als Lichtquelle aus. </li><li> Blockieren den Lichtpfad zur CCD-Kamerasystem unter Verwendung einer Abschirmplatte. </li><li> Wählen Sie den Befehl „Speichern“ aus dem Dateimenü ein Bild in einer Datei zu speichern. Der Dateiname soll die Probe (zB Licht) identifizieren. </li></ol></li></ol> 5. Visualisierung der Hämoglobingehalt und die Light Scattering Parameter HINWEIS: Eine Reihe von multispektralen diffusen Reflexions Bilder auf der Festplatte eines Personalcomputers gespeichert und analysiert offline. Eine multiple Regressionsanalyse durch eine Simulation Carlo Monte Aided 19 der Multispektral diffusen Reflexionsbilder an neun Wellenlängen (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm) wird dann durchgeführt , um die zweidimensionale zu Visualisierung Karten von oxygeniertem Hämoglobin-Konzentration, von Sauerstoff befreitem Hämoglobin-Konzentration, Gesamt-Hämoglobin-Konzentration, regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung und scatTering Macht. Der detaillierte Algorithmus wird in der Literatur 17, 18 veröffentlicht. <ol><li> Subtrahierte das dunkele Bild von sowohl das Referenzbild und das Probenbild bei jeder Wellenlänge. </li><li> Normalisieren der Probenbild von dem Referenzbild bei jeder Wellenlänge λ. Behandle die normalisierte Bild als die diffuse Reflexionsbild R. </li><li> Berechnen die Extinktion (oder optische Dichte) Bild A durch den Logarithmus der reziproken der diffusen Reflexionsbild R bei jeder Wellenlänge λ unter: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55399/55399eq1.jpg" /> (1) </li><li> Generieren eine dreidimensionale Matrix durch die Absorption Bilder in der Reihenfolge ihrer Stapelung Wellenlängen, wobei die x - y - Ebene um die strukturelle Information zeigt , für die Hirnoberfläche erhalten , und die z - Achse zeigt die spektrale Information. </li><li> Perform eine multiple Regressionsanalyse für das Absorptionsspektrum A (λ) an jedem XY - Koordinate. </li><li> Verwenden Sie das Absorptionsspektrum A (λ) als abhängige Variable und der molare Extinktionskoeffizient Spektren von oxygeniertem Hämoglobin ε HbO (λ) und von Sauerstoff befreitem Hämoglobin ε HBr (λ) als unabhängige Variablen für Schritt 5.5 (veröffentlichte Werte für ε HbO (λ) und ε HBr (λ) ist in Tabelle 1) zur Verfügung gestellt. </li><li> Schauen Sie sich die zweidimensionalen Karten (Bilder) der drei multiple Regressionskoeffizienten a HbO, eine HBr und ein 0. </li><li> Generieren einer dreidimensionalen Matrix , die durch die Bilder der mehreren Regressionskoeffizienten in der Reihenfolge A HbO Stapelung eine HBr, und eine 0, wo die <em&gt; x - y - Ebene zeigt die Strukturinformationen für die Hirnoberfläche erhalten , und die z - Achse zeigt die multiple Regressionskoeffizienten. </li><li> Berechnen Sie die oxygenierten Hämoglobins Konzentration C HbO, desoxygenierten Hämoglobinkonzentration C HBr und das Streuvermögen b aus dem Satz von multiplen Regressionskoeffizienten a HbO, eine HBr, und eine 0 an jedem xy unter Verwendung der folgenden empirischen Formeln Koordinate (er Werte von β HbO, i, β HBr, i und β 0, i (i = 0,1,2,3) sind in Tabelle 2): <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/55399/55399eq2.jpg" /> (2) <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55399/55399eq3.jpg" /> (3) <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/55399/55399eq4.jpg" /> (4) </li><li> Überprüfen Sie die zweidimensionalen Abbildungen (Bilder) des oxygenierten Hämoglobins HbO Konzentration C, der Sauerstoff befreitem Hämoglobin - Konzentration C HBr und das Streuvermögen b. </li><li> Berechnen eine zweidimensionale Karte der Gesamthämoglobinkonzentration C HbT durch Summieren C HbO und C HBr bei jedem x - y - Koordinate. </li><li> Berechnen eine zweidimensionale Karte der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 durch die oxygenierten Hämoglobins HbO Konzentration C durch die Gesamthämoglobinkonzentration C HbT an jedem x Dividieren - y - Koordinate. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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. Das optische System in diesem Artikel beschrieben passiert ein monochromatischen Licht durch ein vor der Lichtquelle angeordnet Interferenzfilter. Dies kann durch Platzieren des Filterrades vor der Videokamera-Objektiv oder CCD-Kamera verändert werden. In diesem Fall kann jedoch die Brennebene variabel sein, wenn Interferenzfilter mit unterschiedlichen Dicken verwendet werden, und dies wird eine Verschlechterung der Bildqualität führen. Es ist erforderlich, um die Glasplatte aus dem Schädel Fenstern zu entfernen, wenn eine Aufzeichnungselektrode eingesetzt istIn das kortikale Gewebe für elektrophysiologische Messungen, wie Messungen des elektrischen lokalen Feldpotentials. In diesem Fall kann das Abbildungssystem eine unerwünschte spiegelnde Reflexion von der kortikalen Oberfläche erfassen. Dieses Problem kann vermieden werden, indem ein Satz von Polarisationsplatten mit einer gekreuzten Nicols-Ausrichtung verwendet wird. Die herkömmliche multispektrale Abbildungsvorrichtung, die in diesem Artikel gezeigt wird, ist etwas zeitaufwendig zu verwenden, da die Filterpositionen im Rad mechanisch verändert werden. Dies bedeutet, dass das Abbildungssystem jedes diffuse Reflexionsbild sequentiell bei einem anderen Wellenlängenpunkt erfasst. Wegen dieser Einschränkung ist dieses System unzureichend, um schnelle IOSs zu erfassen, wie etwa Änderungen des Reflexionsspektrums aufgrund neuronaler Aktivitäten 20 . Obwohl sauerstoffhaltiges Hämoglobin und desoxygeniertes Hämoglobin die Hauptchromophoren im lebenden Hirngewebe sind, sind die anderen Chromophore wie Cytochrom c Oxidase, FlavinAdenin-Dinucleotid und Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid, auch dazu beitragen, die Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Wellenlängenbereich. Daher werden die geschätzten Werte von C HbO, C HBr, C HBT rSO 2 und B kann durch die kleinere Chromophore beeinflusst werden. Zudem integriert dieser Ansatz alle Informationen entlang der Tiefenrichtung, weil es auf diffuse Reflexion beruht. Daher wird das Abbildungssystem nicht tiefenaufgelöste Messungen durchzuführen. Es ist von Vorteil , dass der Algorithmus für das vorliegende System verwendet auch multispektraler diffuse Reflektanz Bilder angewendet werden kann durch andere schnelle spektralen Bildgebungsverfahren erfasst, wie beispielsweise ein akusto-optischen abstimmbaren Filter 21, eine Multi-Apertur - Matrix kleiner Linsen mit Interferenzfiltern 22 und die spektralen Rekonstruktionsbilder von einem RGB - Bild 17, 23. Unter Verwendung des vorgeschlagenen Algorithmus und eine schnelle Spektraltechniken zusammen ist ein vielversprechender Ansatz für die Bewertung schnell IOS-Bildgebung sowie für den Einsatz in klinischen Situationen. Die meisten multispektralen brain imaging Techniken werden bisher in erster Linie auf dem kortikale Hämodynamik und Gewebemetabolismus fokussiert, wie zerebrale Blutvolumen, regionale zerebrale Sauerstoffsättigung, und cerebrale Stoffwechselrate von Sauerstoff 10, 11, 12, 13, 14. Mehrere bestehende Ansätze die Streuamplitude unter der Annahme , daß die Streu auszuwerten Leistung konstant ist 15, 16. Allerdings morphologische Veränderungen von Geweben aufgrund pathophysiologischen Veränderungen und eine Verminderung der Lebensfähigkeit in Rindengewebe leben können die Größe der biologischen Streuer beeinflussen 4, 5, 6, 7, 8, 9. Daher ist es wichtig , die Streuparameter von b zu schätzen , quantitativ die Gewebemorphologien des Gehirns zu untersuchen. Die Bedeutung der vorliegenden Technik in Bezug auf dem bestehenden Methoden ist die Fähigkeit, die räumlich-zeitlichen Veränderungen bei zerebralen Hämodynamik und kortikale Gewebemorphologie gleichzeitig zu messen. Im Hinblick auf den zukünftigen Anwendungen kann dieser Algorithmus zur Überwachung der Gehirnfunktion, Vitals verwendet werden, und die Lebensfähigkeit im Rindengewebe verschiedenen Hirnerkrankung Tiermodelle, wie traumatische Hirnverletzung, epileptischer Anfall, Schlaganfall und Ischämie.

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 &#39;von Hirngewebe im VIS-to-NIR - Wellenlängenbereich in Folge einer monotonen Streuspektrum Exhibiting kleinere Größen bei längeren Wellenlängen. Der reduzierte Streukoeffizient μ Spektrum S &#39;(λ) angenähert werden kann in der Form der Potenzfunktion 2, 3 zu sein , wie μ s&#39; (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.

<table><tbody><tr><td>150-W halogen-lamp light source</td><td>Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>LA-150SAE</td><td></td></tr><tr><td>Light guide</td><td>Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>LGC1-5L1000</td><td></td></tr><tr><td>Collecting lens</td><td>Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan</td><td>SH-F16</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 500 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65088</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 520 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65093</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 540 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65096</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 560 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#67766</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 570 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#67767</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 580 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65646</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 600 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65102</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 730 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#65115</td><td></td></tr><tr><td>Interference filters l@ 760 nm</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>#67777</td><td></td></tr><tr><td>Motorized filter wheel&amp;nbsp;</td><td>Andover Corporation, NH, USA</td><td>FW-MOT-12.5</td><td></td></tr><tr><td>8-bit monochromatic CCD camera</td><td>THE IMAGINGSOURCE, Germany</td><td>DMK21BU618.H</td><td></td></tr><tr><td>Video zoom lens</td><td>Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan</td><td>VZM&lt;sup&gt;TM&lt;/sup&gt;300i</td><td></td></tr><tr><td>Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance</td><td>Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA</td><td>SRS-99-020</td><td></td></tr></tbody></table>

simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and light scattering properties of the in vivo rat brain using multispectral diffuse reflectance imaging

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.

Repräsentative Spektralbilder von diffusen Reflexionsvermögen von in - vivo - Rattenhirnen gewonnen sind in Abbildung 3 Die Abbildungen gezeigt bei 500, 520, 540, 560, 570 und 580 nm deutlich , ein dichtes Netz von Blutgefäßen in der Hirnrinde visualisieren. Die Verschlechterung des Kontrastes zwischen Blutgefßen und den umgebenden in den Bildern beobachteten Gewebe bei 600, 730 und 760 nm reflektiert die geringere Absorption von Licht durch Hämoglobin bei längeren und NIR-Wellenlängen. Abbildung 4 zeigt repräsentative geschätzte Bilder eines exponierten Rattenhirns für oxygeniertes Hämoglobin - Konzentration, von Sauerstoff befreiter Hämoglobin - Konzentration, Gesamt - Hämoglobin - Konzentration, regionale zerebrale Sauerstoffsättigung, und Streukraft. Wie aus den diffusen Reflexionsbildern zu erwarten bei kürzeren Wellenlängen in Abbildung 3, die Gesamt - Hämoglobin - Konzentration im Blut vessel Bereich höher ist als in dem umgebenden Gewebebereich. Auf der anderen Seite sind die oxidiertes Hämoglobin-Konzentrationen in Arteriolen höher als die in kleinen Venen aufgrund der Hämoglobin im arteriellen Blut als im venösen Blut viel mehr Sauerstoff angereicherten zu sein. Daher kann die Verteilung von Arteriolen und Venolen eindeutig in dem geschätzten Bild der Regionalsauerstoffsättigung zu unterscheiden. Repräsentative geschätzten Bilder eines exponierten Ratten - Gehirn während Veränderungen in FiO 2 für diffuse Reflexion bei 500 nm R (500), der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins C HbO, Konzentration von Sauerstoff befreitem Hämoglobin C HBr, Konzentration von Gesamthämoglobin C HBT regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 und b Streuvermögen sind in 5 gezeigt. Der Wert RSO 2 erhöht unter hyperoxic Bedingungenund verringert bemerkenswert nach der Induktion der anoxischen Bedingungen. Der Wert von b wurde während der Zeit vom Beginn der Anoxie bis Atemstillstand leicht erhöht, während sie kontinuierlich während des Zeitraums von 5 min bis 30 min nach dem Einsetzen der Anoxie verringert. Diese Änderungen in dem Wert von b deuteten auf morphologische Veränderungen, wie die Schwellung und Schrumpfung von zellulären und subzellulären Strukturen, die durch den Verlust der Lebensfähigkeit des Gewebes im Gehirn induziert. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55399/55399fig1.jpg" /> Abbildung 1: Die Schritte in der chirurgischen Freilegung des Rattenhirnrinde. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55399/55399fig2.jpg" /> Abbildung 2: Schematische Darstellung der Versuchsapparatur zur Verabreichung von Anästhesie und den Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs zu verändern. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/55399/55399fig3.jpg" /> Abbildung 3: Representative Multispektral Diffuse Reflectance Bilder bei 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 und 760 nm, erhielt von einem in vivo Rattenhirn. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/55399/55399fig4.jpg" /> Abbildung 4: Repräsentative Estimated Bilder eines exponierten Rattenhirn. &lt;strong&gt; (a) Konzentration der oxygenierten Hämoglobins C HbO, (b) Konzentration von Sauerstoff befreiten Hämoglobin C HBr, (c) Konzentration des gesamten Hämoglobins C HbT, (d) regionale zerebrale Sauerstoffsättigung rSO 2 ist , und (e) Streuvermögen b. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/55399/55399fig5.jpg" /> Abbildung 5: Repräsentative Ergebnisse eines exponierten Rattengehirn Während Änderungen in FiO 2. Bilder von in vivo - Ratten - kortikalen Gewebe während Veränderungen in FiO 2 für diffuse Reflexion bei 500 nm R (500), der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins HbO C, Konzentrationvon Sauerstoff befreitem Hämoglobin C HBr, Konzentration von Gesamthämoglobin C HBT regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung rSO 2 und Streuvermögen b. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55399/55399fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Wellenlänge λ nm </td><td> HbO ε (λ) </td><td> ε HBr (λ) </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 113,03712 </td><td> 112.6548 </td></tr><tr><td> 520 </td><td> 130,69296 </td><td> 170,58384 </td></tr><tr><td> 540 </td><td> 287.4744 </td><td> 251.5968 </td></tr><tr><td> 560 </td><td> 176,11128 </td><td> 290.4552 </td></tr><tr><td> 570 </td><td> 240.2784 </td><td> 243.3888 </td></tr><tr><td> 580 </td><td> 270.5616 </td><td> 199,908 </td></tr> &lt;tr&gt; <td> 600 </td><td> 17,28 </td><td> 79,25688 </td></tr><tr><td> 730 </td><td> 2,106 </td><td> 5,95188 </td></tr><tr><td> 760 </td><td> 3,1644 </td><td> 8,36201 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1: Die Werte von ε HbO und ε HbO verwendet für die multiple Regressionsanalyse. Die molaren Extinktionskoeffizienten von oxygeniertem Hämoglobin HbO ε und desoxygeniertem Hämoglobin ε HBr bei jeder Wellenlänge λ. <table fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> ich </td><td> β HbO, i </td><td> β HBr, i </td><td> β b, i </td></tr><tr><td> 0 </td><td> -8,3302 </td><td> -5,85271 </td><td> -,76587 </td></tr><tr><td> 1 </td><td> 4405.877</td><td> -143,23 </td><td> 53,34134 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 2740.622 </td><td> 3798.067 </td><td> 124.4656 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> -4,40454 </td><td> -2,81699 </td><td> -1,36919 </td></tr></tbody></table> Tabelle 2: Die Werte von β HbO, i, β HBr, i, und &amp; bgr; 0, i (i = 0,1,2,3) , die in den empirischen Formeln für C HbO, C HBr und b. Beachten Sie, dass die Einheiten von C und C HbO HBr aus diesen empirischen Formeln abgeleitet sind , die Volumenkonzentration, in dem die Hämoglobin - Konzentration des Vollbluts mit einem Hämatokrit von 44% Lese genommen ist die 100% Volumenkonzentration von Hämoglobin zu sein. Die empirischen Formeln für Hämoglobin Konzentrationen kann 19 durch die Monte - Carlo - Simulation von Lichttransport berechnet aus den diffusen Reflexionsspektren abgeleitet werden. Das detaillierte Verfahren zur Ableitung der empirischen Formeln wird in der Literatur 17, 18 beschrieben worden.

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Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

Die gleichzeitige Auswertung von zerebralen Hämodynamik und den Lichtstreuungseigenschaften der in vivo Rattenhirngeweben wird ein herkömmliches multispektraler diffuses Reflexions - Bildgebungssystem unter Verwendung demonstriert.

Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der<em&gt; In Vivo</em&gt; Rattenhirn Mit Multispektral Diffuse Reflectance Imaging

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

7.6K Aufrufe.  Tokyo University of Agriculture & Technology.  Die gleichzeitige Auswertung von zerebralen Hämodynamik und den Lichtstreuungseigenschaften der in vivo Rattenhirngeweben wird ein herkömmliches multispektraler diffuses Reflexions - Bildgebungssystem unter Verwendung demonstriert. 

Serie: Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

How to Build a Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) System to Monitor Blood Flow

Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) is a simple yet powerful technique that is used for full-field imaging of blood flow. The technique analyzes fluctuations in a dynamic speckle pattern to detect the movement of particles similar to how laser Doppler analyzes frequency shifts to determine particle speed. Because it can be used to monitor the movement of red blood cells, LSCI has become a popular tool for measuring blood flow in tissues such as the retina, skin, and brain. It has become especially useful in neuroscience where blood flow changes during physiological events like functional activation, stroke, and spreading depolarization can be quantified. LSCI is also attractive because it provides excellent spatial and temporal resolution while using inexpensive instrumentation that can easily be combined with other imaging modalities. Here we show how to build a LSCI setup and demonstrate its ability to monitor blood flow changes in the brain during an animal experiment.

How to Build a Laser Speckle Contrast Imaging LSCI System to Monitor Blood Flow

This video demonstrates how to build a Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) system that can easily be used to monitor blood flow.

Wie man einen Laser bauen Speckle Contrast Imaging (LSCI) System, um den Blutfluss überwachen

Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) is a simple yet powerful technique that is used for full-field imaging of blood flow.  The technique analyzes ...

Forschung

Neurowissenschaften

Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can accurately screen for brain injury, monitor injury evolution, or assess response to therapy. The energy used by neurons is derived largely from tissue oxidative metabolism, and neural hyperactivity and cell death are reflected by corresponding changes in cerebral oxygen metabolism (CMRO2). Thus, measures of CMRO2 are reflective of neuronal viability and provide critical diagnostic information, making CMRO2 an ideal target for bedside measurement of brain health.
Brain-imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) yield measures of cerebral glucose and oxygen metabolism, but these techniques require the administration of radionucleotides, so they are used in only the most acute cases.
Continuous-wave near-infrared spectroscopy (CWNIRS) provides non-invasive and non-ionizing radiation measures of hemoglobin oxygen saturation (SO2) as a surrogate for cerebral oxygen consumption. However, SO2 is less than ideal as a surrogate for cerebral oxygen metabolism as it is influenced by both oxygen delivery and consumption. Furthermore, measurements of SO2 are not sensitive enough to detect brain injury hours after the insult 1,2, because oxygen consumption and delivery reach equilibrium after acute transients 3. We investigated the possibility of using more sophisticated NIRS optical methods to quantify cerebral oxygen metabolism at the bedside in healthy and brain-injured newborns. More specifically, we combined the frequency-domain NIRS (FDNIRS) measure of SO2 with the diffuse correlation spectroscopy (DCS) measure of blood flow index (CBFi) to yield an index of CMRO2 (CMRO2i) 4,5.
With the combined FDNIRS/DCS system we are able to quantify cerebral metabolism and hemodynamics. This represents an improvement over CWNIRS for detecting brain health, brain development, and response to therapy in neonates. Moreover, this method adheres to all neonatal intensive care unit (NICU) policies on infection control and institutional policies on laser safety. Future work will seek to integrate the two instruments to reduce acquisition time at the bedside and to implement real-time feedback on data quality to reduce the rate of data rejection.

We combined frequency-domain near-infrared spectroscopy measures of cerebral hemoglobin oxygenation with diffuse correlation spectroscopy measures of cerebral blood flow index to estimate an index of oxygen metabolism. We tested the utility of this measure as a bedside screening tool to evaluate the health and development of the newborn brain.

Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality  and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can  accurately ...

Medizin

Simultaneous PET/MRI Imaging During Mouse Cerebral Hypoxia-ischemia

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics disturbance in affected cells. Diffusion weighted magnetic resonance imaging (MRI) identifies regions that are damaged, potentially irreversibly, by hypoxia-ischemia. Alterations in glucose utilization in the affected tissue may be detectable by positron emission tomography (PET) imaging of 2-deoxy-2-(18F)fluoro-&#7429;-glucose ([18F]FDG) uptake. Due to the rapid and variable nature of injury in this animal model, acquisition of both modes of data must be performed simultaneously in order to meaningfully correlate PET and MRI data. In addition, inter-animal variability in the hypoxic-ischemic injury due to vascular differences limits the ability to analyze multi-modal data and observe changes to a group-wise approach if data is not acquired simultaneously in individual subjects. The method presented here allows one to acquire both diffusion-weighted MRI and [18F]FDG uptake data in the same animal before, during, and after the hypoxic challenge in order to interrogate immediate physiological changes.

The method presented here uses simultaneous positron emission tomography and magnetic resonance imaging. In the cerebral hypoxia-ischemia model, dynamic changes in diffusion and glucose metabolism occur during and after injury. The evolving and irreproducible damage in this model necessitates simultaneous acquisition if meaningful multi-modal imaging data are to be acquired.

Gleichzeitige PET / MRT-Bildgebung während Maus zerebrale Hypoxie-Ischämie

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics ...

Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy

To obtain a comprehensive understanding of the human brain, utilization of cerebral blood flow (CBF) as a source of contrast is desired because it is a key hemodynamic parameter related to cerebral oxygen supply. Resting state low frequency fluctuations based on oxygenation contrast have been shown to provide correlations between functionally connected regions. The presented protocol uses optical diffuse correlation spectroscopy (DCS) to assess blood flow-based resting state functional connectivity (RSFC) in the human brain. Results of CBF-based RSFC in human frontal cortex indicate that intra-regional RSFC is significantly higher in the left and right cortices compared to inter-regional RSFC in both cortices. This protocol should be of interest to researchers who employ multi-modal imaging techniques to study human brain function, especially in the pediatric population.

This protocol demonstrates how to measure resting state functional connectivity in the human prefrontal cortex using a custom-made diffuse correlation spectroscopy instrument. The report also discuss practical aspects of the experiment as well as detailed steps for analyzing the data.

To obtain a comprehensive understanding of the human brain, utilization of cerebral blood flow (CBF) as a source of contrast is desired because it is a ...

Biotechnik

Real-Time, Two-Color Stimulated Raman Scattering Imaging of Mouse Brain for Tissue Diagnosis

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy has emerged as a powerful optical imaging technique for tissue diagnosis. In recent years, two-color SRS has been shown to be able to provide hematoxylin and eosin (H&amp;E)-equivalent images that allow fast and reliable diagnosis of brain cancer. Such capability has enabled exciting intraoperative cancer diagnosis applications. Two-color SRS imaging of tissue can be done with either a picosecond or femtosecond laser source. Femtosecond lasers have the advantage of enabling flexible imaging modes, including fast hyperspectral imaging and real-time, two-color SRS imaging. A spectral-focusing approach with chirped laser pulses is typically used with femtosecond lasers to achieve high spectral resolution. 
Two-color SRS acquisition can be realized with orthogonal modulation and lock-in detection. The complexity of pulse chirping, modulation, and characterization is a bottleneck for the widespread adoption of this method. This article provides a detailed protocol to demonstrate the implementation and optimization of spectral-focusing SRS and real-time, two-color imaging of mouse brain tissue in the epi-mode. This protocol can be used for a broad range of SRS imaging applications that leverage the high speed and spectroscopic imaging capability of SRS.

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy is a powerful, nondestructive, and label-free imaging technique. One emerging application is stimulated Raman histology, where two-color SRS imaging at the protein and lipid Raman transitions are used to generate pseudo-hematoxylin and eosin images. Here, we demonstrate a protocol for real-time, two-color SRS imaging for tissue diagnosis.

Echtzeit-, zweifarbige stimulierte Raman-Streubildgebung des Mausgehirns für die Gewebediagnose

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy has emerged as a powerful optical imaging technique for tissue diagnosis. In recent years, two-color SRS has ...

Advanced Diffusion Imaging in The Hippocampus of Rats with Mild Traumatic Brain Injury

Mild traumatic brain injury (mTBI) is the most common type of acquired brain injury. Since patients with traumatic brain injury show a tremendous variability and heterogeneity (age, gender, type of trauma, other possible pathologies, etc.), animal models play a key role in unraveling factors that are limitations in clinical research. They provide a standardized and controlled setting to investigate the biological mechanisms of injury and repair following TBI. However, not all animal models mimic the diffuse and subtle nature of mTBI effectively. For example, the commonly used controlled cortical impact (CCI) and lateral fluid percussion injury (LFPI) models make use of a craniotomy to expose the brain and induce widespread focal trauma, which are not commonly seen in mTBI. Therefore, these experimental models are not valid to mimic mTBI. Thus, an appropriate model should be used to investigate mTBI. The Marmarou weight drop model for rats induces similar microstructural alterations and cognitive impairments as seen in patients who sustain mild trauma; therefore, this model was selected for this protocol. Conventional computed tomography and magnetic resonance imaging (MRI) scans commonly show no damage following a mild injury, because mTBI induces often only subtle and diffuse injuries. With diffusion weighted MRI, it is possible to investigate microstructural properties of brain tissue, which can provide more insight into the microscopic alterations following mild trauma. Therefore, the goal of this study is to obtain quantitative information of a selected region-of-interest (i.e., hippocampus) to follow up disease progression after obtaining a mild and diffuse brain injury.

The overall goal of this procedure is to obtain quantitative microstructural information of the hippocampus in a rat with mild traumatic brain injury. This is done using an advanced diffusion-weighted magnetic resonance imaging protocol and region-of-interest based analysis of parametric diffusion maps.

Advanced Diffusion Imaging im Hippocampus von Ratten mit leichter traumatischer Hirnverletzung

Mild traumatic brain injury (mTBI) is the most common type of acquired brain injury. Since patients with traumatic brain injury show a tremendous ...

Cerebrovascular Reactivity Measurement with Functional Near Infrared Spectroscopy

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in response to chemical or physical stimuli. The amount of reactivity in the cerebral microvasculature depends on the integrity of the capacitance vasculature and is the primary function of endothelial cells. CVR is, therefore, an indicator of the microvasculature&#8217;s physiology and overall health. Imaging methods that can measure CVR are available but can be costly, and require magnetic resonance imaging centers and technical expertise. In this study, we used fNIRS technology to monitor changes of oxyhemoglobin (HbO) and deoxyhemoglobin (HbR) in the cerebral microvasculature to assess the CVR of 15 healthy controls (HC) in response to a vasoactive stimulus (inhaled 5% carbon dioxide or CO2). Our results suggest that this is a promising imaging technology that offers a non-invasive, accurate, portable, and cost-effective method of mapping cortical CVR and associated microvasculature function, resulting from a traumatic brain injury or other conditions associated with cerebral microvasculopathy.

Presented here is a protocol for imaging and measurement of cerebrovascular reactivity in humans with functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a novel imaging modality that captures the concentration changes of hemoglobin species in the brain&#8217;s outermost cortex under specific stimuli.

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in ...

Systems Analysis of the Neuroinflammatory and Hemodynamic Response to Traumatic Brain Injury

Mild traumatic brain injuries (mTBIs) are a significant public health problem. Repeated exposure to mTBI can lead to cumulative, long-lasting functional deficits. Numerous studies by our group and others have shown that mTBI stimulates cytokine expression and activates microglia, decreases cerebral blood flow and metabolism, and impairs cerebrovascular reactivity. Moreover, several works have reported an association between derangements in these neuroinflammatory and hemodynamic markers and cognitive impairments. Herein we detail methods to characterize the neuroinflammatory and hemodynamic tissue response to mTBI in mice. Specifically, we describe how to perform a weight-drop model of mTBI, how to longitudinally measure cerebral blood flow using a non-invasive optical technique called diffuse correlation spectroscopy, and how to perform a Luminex multiplexed immunoassay on brain tissue samples to quantify cytokines and immunomodulatory phospho-proteins (e.g., within the MAPK and NF&#954;B pathways) that respond to and regulate activity of microglia and other neural immune cells. Finally, we detail how to integrate these data using a multivariate systems analysis approach to understand the relationships between all of these variables. Understanding the relationships between these physiologic and molecular variables will ultimately enable us to identify mechanisms responsible for mTBI.

This protocol presents methods to characterize the neuroinflammatory and hemodynamic response to mild traumatic brain injury and to integrate these data as part of a multivariate systems analysis using partial least squares regression.

Systemanalyse der neuroinflammatorischen und hämodynamischen Reaktion auf traumatische Hirnverletzungen

Mild traumatic brain injuries (mTBIs) are a significant public health problem. Repeated exposure to mTBI can lead to cumulative, long-lasting functional ...

Quantification of Cerebral Perfusion using Laser Speckle Imaging and Infarct Volume using MRI in a Pre-clinical Model of Posterior Circulation Stroke

Background: Basilar artery occlusion (BAO) is a subset of posterior circulation stroke that carries a mortality as high as 90%.&#160; The current clinical standard to diagnose ischemic stroke include computerized tomography (CT), CT angiography and perfusion and magnetic resonance imaging (MRI). Large animal pre-clinical models to accurately reflect the clinical disease as well as methods to assess stroke burden and evaluate treatments are lacking.
Methods: We describe a canine model of large vessel occlusion (LVO) stroke in the posterior circulation, and developed a laser speckle imaging (LSI) protocol to monitor perfusion changes in real time.&#160; We then utilized high b-value DWI (b=1800s/mm2) MRI to increase detection sensitivity. We also evaluated the ability of magnetic resonance angiography (MRA) to assess arterial occlusion and correlate with DSA. Finally, we verified infarct size from apparent diffusion coefficient (ADC) mapping with histology.&#160;
Results:&#160; Administration of thromboembolism occluded the basilar artery as tracked by DSA (n=7).&#160; &#160;LSI correlated with DSA, demonstrating a reduction in perfusion after stroke onset that persisted throughout the experiment, allowing us to monitor perfusion in real time.&#160; DWI with an optimized b-value for dogs illustrated the stroke volume and allowed us to derive ADC and magnetic resonance angiography (MRA) images. The MRA performed at the end of the experiment correlated with DSA performed after occlusion. Finally, stroke burden on MRI correlated with histology.
Conclusions: Our studies demonstrate real time perfusion imaging using LSI of a canine thromboembolic LVO model of posterior circulation stroke, which utilizes multimodal imaging important in the diagnosis and treatment of ischemic stroke.

A canine model of LVO stroke was utilized to develop laser speckle imaging to monitor cerebral perfusion in real-time.&#160; Diffusion-weighted MRI was optimized to image infarct volume utilizing a high b-value, enabling ADC and MRA, correlated with DSA at the time of stroke.&#160; Finally, ADC reconstructions correlated with histological findings.

Background: Basilar artery occlusion (BAO) is a subset of posterior circulation stroke that carries a mortality as high as 90%.&#160; The current clinical ...

Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

Neurophysiological monitoring is an important goal in the treatment of neurocritical patients, as it may prevent secondary damage and directly impact morbidity and mortality rates. However, there is currently a lack of suitable non-invasive, real-time technologies for continuous monitoring of cerebral physiology at the bedside. Diffuse optical techniques have been proposed as a potential tool for bedside measurements of cerebral blood flow and cerebral oxygenation in case of neurocritical patients. Diffuse optical spectroscopies have been previously explored to monitor patients in several clinical scenarios ranging from neonatal monitoring to cerebrovascular interventions in adults. However, the feasibility of the technique to aid clinicians by providing real-time information at the bedside remains largely unaddressed. Here, we report the translation of a diffuse optical system for continuous real-time monitoring of cerebral blood flow, cerebral oxygenation, and cerebral oxygen metabolism during intensive care. The real-time feature of the instrument could enable treatment strategies based on patient-specific cerebral physiology rather than relying on surrogate metrics, such as arterial blood pressure. By providing real-time information on the cerebral circulation at different time scales with relatively cheap and portable instrumentation, this approach may be especially useful in low-budget hospitals, in remote areas and for&#160;monitoring in open fields (e.g., defense and sports).

Presented here is a protocol for non-invasively monitoring cerebral hemodynamics of neurocritical patients in real-time and at the bedside using diffuse optics. Specifically, the proposed protocol uses a hybrid diffuse optical systems to detect and display real-time information on cerebral oxygenation, cerebral blood flow and cerebral metabolism.

Echtzeit-Monitoring neurokritischer Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie

Neurophysiological monitoring is an important goal in the treatment of neurocritical patients, as it may prevent secondary damage and directly impact ...

Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der

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