激光散斑血流成像系統(tǒng)
簡介:
激光散斑血流成像系統(tǒng)采用激光散斑技術(shù),可以對(duì)組織血流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,具有非接觸、無創(chuàng)傷、快速成像等優(yōu)點(diǎn),可用于記錄由于皮膚營養(yǎng)和體溫調(diào)節(jié)等因素引起的毛細(xì)血管、微靜脈和微動(dòng)脈中的血流變化,如腦皮質(zhì)血流、海馬血流、腸系膜血流、肝血流、腎血流、脾臟血流等各組織血流量、流速、組織血氧測定。
技術(shù)亮點(diǎn):
1.數(shù)據(jù)穩(wěn)定:可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)監(jiān)測,在幾分鐘、幾小時(shí)和幾天內(nèi)展現(xiàn)可靠的一致性結(jié)果,精度0.001PU。
2.高分辨率:采用主流的Full-Filed全場成像技術(shù),能滿足局部微小血管大面積血流監(jiān)測的多場景。10X光學(xué)變焦鏡頭配合科研及感光相機(jī),圖像分辨率最大支持2064*1544 pixel,空間分辨率3.9μm/pixel。
3.動(dòng)態(tài)采集:高速攝像頭(高達(dá) 100 FPS)可讓您實(shí)時(shí)捕捉動(dòng)態(tài)變化的血流,并記錄治療后血管變化的更多細(xì)節(jié)。
4.使用便捷:研究者可以在實(shí)驗(yàn)室中利用設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后講數(shù)據(jù)拷貝至個(gè)人PC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析工作不受場地的限制。此外,軟件并不限制安裝設(shè)備的數(shù)量,可以多人協(xié)同工作。
接下來解讀該系統(tǒng)在微循環(huán)領(lǐng)域不同應(yīng)用場景的具體情況。
腦血流監(jiān)測
腦血流量 (CBF) 的變化是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的特征,因此是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域眾多研究的焦點(diǎn)。如腦損傷、腦血管病、血管性癡呆等。激光散斑對(duì)比成像 (LSCI) 現(xiàn)已成為一種強(qiáng)大而簡單的實(shí)時(shí)微循環(huán)成像方法,通過非侵入性的方式以出色的空間和時(shí)間分辨率量化血流變化,更好地了解這些事件背后的神經(jīng)生理機(jī)制
。
圖:(a) 假手術(shù)組、(b) 良好結(jié)果組和 (c) 不良結(jié)果組中不同時(shí)間點(diǎn)大腦皮層血流監(jiān)測的代表性 LSCI 成像。再灌注后24 h,預(yù)后良好組左側(cè)MCA供血區(qū)血流量大于預(yù)后不良組。LSCI激光散斑對(duì)比成像,MCA大腦中動(dòng)脈。
圖:腦隆起側(cè)腦動(dòng)、靜脈血流激光散斑成像。(A-E)Sham組大鼠腦表血流在血腫清除后40 min內(nèi)基本保持不變。(F-J) 0.1 ml組大鼠腦表面血流量在球囊充盈后明顯下降,腦組織腫脹,球囊取出后逐漸恢復(fù)。
圖:血腫對(duì)側(cè)動(dòng)脈和靜脈血流的激光散斑成像。(A–F)假手術(shù)組的腦表面血流在 120 分鐘的觀察期內(nèi)基本沒有變化。(G–L)腦表面血流0.4 ml組血腫注射后血流減少,術(shù)后90 min靜脈和動(dòng)脈逐漸恢復(fù),而上矢狀竇未恢復(fù)術(shù)前血流。
大腦中動(dòng)脈閉塞 (MCAO) 模型
大腦中動(dòng)脈閉塞 (MCAO) 模型是創(chuàng)建中風(fēng)模型的常用技術(shù),激光散斑血流成像系統(tǒng)可用于確認(rèn)已發(fā)生MCA閉塞并發(fā)生缺血。數(shù)據(jù)表明,在成功閉塞后,可以觀察到監(jiān)測的血流量減少 70%-90%。通過成功的手術(shù),可以評(píng)估各種療法來評(píng)估對(duì)卒中恢復(fù)的影響。完整記錄從缺血到再灌注到實(shí)驗(yàn)處理因素后血流生理信號(hào)變化的全過程,有效控制個(gè)體間差異帶來的影響。
圖:使用激光散斑成像在 SD 大鼠 MCAO 后的 CBF 再分布。在 MCAO 后 3、12 和 30 天拍攝的代表性彩色編碼激光散斑圖像。較亮的顏色與較大的血流量有關(guān) (A)。
圖:大鼠 MCAO/R 后半暗帶神經(jīng)元的線粒體損傷和 Sam50 蛋白水平增加。
圖:相機(jī)拍攝(A-E)。激光散斑對(duì)比成像(LSCI)用于捕獲(a-e)。(A,a)抽吸前的頸動(dòng)脈及其血流。(B,b)A型血管變形。(C,c)類型B型血管變形。(D,d)C型血管變形。(E,e)抽吸后的頸動(dòng)脈及其血流。藍(lán)色箭頭表示血管壁上不規(guī)則的水泡狀褶皺。
腦皮層擴(kuò)散性抑制
腦皮層擴(kuò)散性抑制 (CSD),缺血周邊組織發(fā)生擴(kuò)散性抑制樣去極化(spreading depression)是組織損害擴(kuò)大的另一個(gè)原因。皮質(zhì)擴(kuò)散性抑制會(huì)在血管收縮階段引起微血管張力的變化,并伴有相關(guān)的過程性損傷風(fēng)險(xiǎn)。
圖:皮層擴(kuò)散抑制 (CSD) 起源于灌注不足的皮層病灶。在膽固醇微栓塞后約 35 分鐘拍攝的相對(duì)腦血流量變化的代表性延時(shí)激光散斑圖像顯示 CSD 從低灌注的額葉皮質(zhì)焦點(diǎn)(紅色圓圈)開始。CSD 在大約 30 秒 (36'00?) 后從該缺血灶開始,并在整個(gè)同側(cè)皮層傳播(離心傳播藍(lán)色低灌注波),通過使用玻璃微量移液器(插圖)的同時(shí)電生理記錄確認(rèn)。圖像以 0.1Hz 采集。左上圖顯示了激光散斑成像場和電極位置。
下肢缺血模型(HLI)
下肢缺血模型:是一種成熟的血管再生研究動(dòng)物模型,可用于測試和量化新療法對(duì)新血管形成和發(fā)育的影響,例如傷口愈合(加速血管再生),減緩或抑制腫瘤形成的治療(減緩血管再生)。
圖:通過激光散斑成像對(duì) GM 進(jìn)行灌注監(jiān)測。a 兩條后腿的代表性基線、缺血和再灌注激光散斑圖像。白色橢圓表示 GM 的位置。灌注水平從藍(lán)色(低灌注)到黃色(中等灌注),最后到紅色(高灌注)。
腫瘤微血管
腫瘤在生長過程中依賴于血管的生成,微血管血管在腫瘤生長、進(jìn)展、侵襲和轉(zhuǎn)移中起到十分重要的作用,對(duì)微血管進(jìn)行抑制成為一些癌癥的潛在治療方式。
圖:膠質(zhì)母細(xì)胞瘤外泌體通過 FGF-2 增強(qiáng)后肢缺血的治療性血管生成。(A) 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤外泌體被包裹在藻酸鹽珠中。(B) 通過股動(dòng)脈結(jié)扎在小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)缺血,并在手術(shù)時(shí)植入藻酸鹽珠。(C) 小鼠足部血液灌注隨時(shí)間變化的激光散斑對(duì)比成像。小鼠被給予含有 FGF-2 或含有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤外泌體的 FGF-2 的藻酸鹽珠。(D) 后肢缺血誘導(dǎo)后足部灌注分析。相對(duì)血流量定義為缺血肢體與對(duì)照肢體之間的比率。
腸系膜微循環(huán)
腸系膜是研究臟器微循環(huán)的良好部位,膿毒癥和急性腹腔內(nèi)炎癥狀況影響內(nèi)臟循環(huán)目前已獲得普遍共識(shí)。低灌注是麻醉和危重病的常見特征。譬如低心輸出量狀態(tài)、血管舒張性或低血容量性休克和腹腔室綜合征 (ACS)。在這種情況下,其他重要器官的灌注通常以犧牲內(nèi)臟循環(huán)為代價(jià)來維持??赏ㄟ^腸系膜微循環(huán)變化來揭示多種疾病的發(fā)病機(jī)理、篩選有效藥物、判斷疾病變化及預(yù)后等。利用激光散斑技術(shù),能清晰的觀察到腸系膜第五級(jí)分支,并進(jìn)行精確定量。
圖:在激光/ROS 誘導(dǎo)的損傷后,通過體內(nèi)成像可視化由盤狀血小板形成的血栓。(A) 體內(nèi)成像能夠選擇性地可視化多種細(xì)胞類型。在 12 周齡雄性對(duì)照小鼠的腸系膜毛細(xì)血管中,血小板、紅細(xì)胞和白細(xì)胞/EC 細(xì)胞核分別用抗 GPIbβ 抗體(綠色)、熒光葡聚糖(紅色)和 Hoechst 33 342(藍(lán)色)可視化。相應(yīng)顏色的箭頭指向每種細(xì)胞類型,白色箭頭表示血流方向。(B) 盤狀血小板在激光/ROS 誘導(dǎo)的損傷后促進(jìn)血栓形成。在激光/ROS 誘導(dǎo)的血栓形成開始后,可以觀察到活體動(dòng)物腸系膜的微循環(huán)。(C) ROS 產(chǎn)生觸發(fā)血栓形成。通過施用 APF(紅色)和葡聚糖(綠色)可以觀察到激光/ROS 引起的損傷后受影響血管中 ROS 的產(chǎn)生。紅色箭頭表示發(fā)展中的血栓。面板 A 和 B 的原始電影可作為補(bǔ)充視頻 1 和 2 獲得。(DE) 短期(D,0-20 秒)和長期(E,10 分鐘)激光后纖維蛋白原在發(fā)展中的血栓中的分布-誘發(fā)傷害。
脊髓血流
脊髓損傷仍然被認(rèn)為是一種無特殊治療方法的傷病。人們對(duì)脊髓損傷的病因及機(jī)制進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和臨床觀察,認(rèn)識(shí)到原發(fā)性脊髓損傷后的繼發(fā)性損害,如缺血再灌注損傷是造成神經(jīng)損傷的一個(gè)重要因素,視頻記錄了大鼠脊髓通過打擊器損傷后從缺血到再灌注的完成過程。
圖:灌注 ULM 成像比血管流更適合更短的采集時(shí)間。ULM 圖像描繪了隨著輸入數(shù)據(jù)量的增加(5-20 秒)而增加的圖像保真度,顯示了組織灌注(a-c)和血管流量成分(d-f)。描繪了頸脊髓的代表性軸向圖像,由于中度單側(cè)挫傷損傷導(dǎo)致低灌注區(qū)域。圖像從 0 縮放到 30 個(gè)檢測到的氣泡。(g) 中的代表性示例繪制了飽和率。飽和度百分比定義為脊髓內(nèi)充滿給定量輸入數(shù)據(jù)的像素?cái)?shù)與脊髓中灌注像素總數(shù)的比值(h-j) 顯示了與挫傷和較小分支血管 (k-m) 的挫傷和恢復(fù)相鄰的半影組織中微循環(huán)漸進(jìn)填充的放大示例,并顯示了額外的輸入數(shù)據(jù)。
腎臟血流
腎臟是機(jī)體最重要的供血器官,腎臟血供占心搏出量的20%,傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀察腎臟微循環(huán)的方式為在活體或者灌流腎中建立腎盂給水動(dòng)物模型進(jìn)行研究,這種方式難以符合腎臟的生理狀態(tài)。目前利用激光散斑血流成像系統(tǒng)來評(píng)價(jià)腎臟微循環(huán)灌注,對(duì)腎臟損傷小,結(jié)果可靠。
圖:假 (a)、對(duì)照 (b)、0.9% 鹽水 (c)、高滲鹽水 (d)、明膠 (e) 和羥乙基淀粉 (f) 組中微循環(huán)血流強(qiáng)度的激光散斑對(duì)比成像示例時(shí)間(T)2。區(qū)域是肝臟 (1)、腎臟 (2)、腸粘膜 (3)、漿膜肌層 (4)、淋巴集結(jié) (5) 和股薄肌 (6)
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