同时多光谱和激光散斑成像

背景

血流动力学和代谢反应之间的时空关系是澳门威尼斯人注册网站研究脑内神经血管耦合的重要考虑因素。多光谱成像和激光散斑对比成像同时进行是澳门威尼斯人注册网站研究脑代谢率的有力工具。内在光信号是来自大脑的漫反射光，反射光的原始图像显示了表面血管系统，对比度很好。从大脑表面反射的光的数量是由组织吸收系数的变化来调节的。由于氧和脱氧血红蛋白（HbO和HbR）是脑组织中可见光吸收的主要贡献者，因此反射光的调制与HbO和HbR浓度的变化有关。两种或两种以上波长的光依次照射皮质表面，并量化各个组成部分HbO、HbR以及它们的总HbT的变化。（Mayhew et al., 1999, Mayhew et al., 2000, Dunn et al., 2003, Dunn et al., 2005）。激光散斑对比成像允许实时检测脑血流（CBF）的变化。澳门威尼斯人注册激光散斑对比度成像的更多信息可以在这里找到。

原则

利用修正的Beer - Lambert关系，可以将反射光强度的变化转化为HbO和HbR浓度的变化。

其中为每个波长的衰减，为基线和某时刻t的反射强度，为摩尔消光系数，L为光在组织中的波长相关平均路径长度，和为HbO和HbR浓度的变化，可以使用最小二乘法计算。

HbT和HbR结合CBF可以计算脑氧代谢率（cro2），表达为：

其中下标‘ o ’表示基线值，和是两个独立变化的未知常数。这给出了HbT和HbR基线值的cmor2值范围，并获得了和的测量值。澳门威尼斯人注册这个推导的更多细节可以在Jones et al.， 2001中找到。

同时进行多光谱和激光散斑成像可以更好地了解血流动力学和cmr2的时空特征，对于进一步了解正常大脑中存在的复杂神经血管耦合以及这种耦合如何在疾病中受到影响至关重要。

设计

我们设计的同时多光谱和激光散斑成像需要两组照明光源，一个物镜，一个二向色滤光片，两个聚焦镜头和两个相机。对于多光谱成像，我们用三个中心波长分别为470nm、530nm和625nm的led依次照亮大脑皮层。led在中心波长周围进行准直和过滤，然后利用二色性来传输或反射整个大脑皮层。led通过微控制器通过多光谱相机的曝光输出信号进行控制。使用785nm激光二极管和准直套件照射皮质进行激光散斑成像。led和激光二极管从物镜两侧以~ 300度角照射皮层。一个2X 0.1NA的物镜与56毫米的工作距离被用来捕获光和一个640nm的二色分束器被用来传输（780nm激光）或反射（可见光）捕获的光。沿着激光散斑臂放置一个785nm的带通滤波器和一个虹膜，沿着多光谱臂放置一个650nm的近通滤波器以防止漏光。为了将光线聚焦到相机传感器上，在双臂上使用了一个用于宽视场成像的200mm无限远校正管透镜。（设计改编自Jones et al., 2008, White et al., 2011, Ma et al., 2016）

图：多光谱和散斑成像系统示意图

应用程序

多光谱和激光散斑联合成像被广泛用于澳门威尼斯人注册网站研究正常啮齿动物大脑功能激活过程中引起的时空神经血管和代谢模式（Dunn et al., 2005）以及脑缺血等疾病（Jones et al., 2008）。相对血流变化可用于缺血性脑卒中实验的实时监测，多光谱成像可用于监测脑卒中激活图的慢性变化。该组合系统可用于慢性跟踪损伤后代谢功能的变化。

图：激光散斑对比成像（左图）和多光谱成像（右图）对对侧须（中排）和对侧前爪（下排）的气泡刺激响应图。激光散斑成像显示相对血流图，多光谱成像显示血红蛋白浓度的变化。上图为原始的530nm反射图像，以显示血管系统。

设备

零件清单可在此下载。

Github代码：多光谱和激光散斑代码的链接可以在Github上找到。

如果您需要进一步的帮助，请联系Smrithi Sunil。