Recently laser speckle contrast (LSC) imaging has become a widely used optical method for in vivo assessment of blood flow in the animal brain. LSC imaging is useful for monitoring brain hemodynamics with relatively high spatio-temporal resolution. A speckle contrast imaging system has been implemented with electrical sensory stimulation apparatus. LSC imaging is combined with optical intrinsic signal imaging in order to measure changes in cerebral blood flow as well as neural activity in response to electrical sensory stimulation applied to the hindlimb region of the mouse brain. We found that blood flow and oxygen consumption are correlated and both sides of hindlimb activation regions are symmetrically located. This apparatus could be used to monitor spatial or temporal responses of cerebral blood flow in animal disease models such as ischemic stroke or cortical spreading depression.
Qureshi, Muhammad Mohsin;Mac, Khuong Duy;Kim, Andrew Hyunjin;Kim, Young Ro;Chung, Euiheon
Current Optics and Photonics
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제5권4호
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pp.351-361
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2021
Speckle imaging is capable of dynamic data acquisition at high spatiotemporal resolution, and has played a vital role in the functional study of biological specimens. The presence of various optical scatterers within the tissue causes alteration of speckle contrast. Thus structures like blood vessels can be delineated and quantified. Although laser speckle imaging is frequently used, an optimization process to ensure the maximum speckle contrast has not been available. In this respect, we here report an experimental procedure to optimize speckle contrast via applying different combinations of varying polarization of the illuminating laser light and multiple analyzer angles. Specifically, samples were illuminated by the p-polarization, 45°-polarization, and s-polarization of the incident laser, and speckle images were recorded without and with the analyzer rotated from 0° to 180° (Δ = 30°). Following the baseline imaging of a solid diffuser and a fixed brain sample, laser speckle contrast imaging (LSCI) was successfully performed to visualize in vivo mouse-brain blood flow. For oblique laser illumination, the maximum contrast achieved with p-polarized and s-polarized light was perpendicular to the analyzer's axis. This study demonstrates the optimization process for maximizing the speckle contrast, which can improve blood-flow estimation in vivo.
유(流)세포분석기(flow cytometer)는 일정한 체적 내에 존재하는 세포의 종류 및 개체 수 등을 계측하는 장비로써 생체에서 추출한 유액상태(혈액 또는 림프액)의 세포를 모세관(micro-channel)을 통과시킬 때 발생하는 산란 및 형광 빛을 이용하여 계측한다. 유세포 분석기는 신약의 투석 후 세포수의 증감, 암세포의 전이 및 세포주기의 분석 등을 연구하는 데 사용되며 현재 Becton-Dickinson's 등에서 상용화된 제품을 생산 판매하고 있으며, 계측을 위해서는 생체에서 세포를 추출해야 한다는 단점을 가지고 있다. Harvard 의과대학에서 최근에 개발한 생체 유세포분석기(In vivo Flow Cytometer)는 생체에서 세포를 추출하지 않고 세포의 수를 계측할 수 있다[1]. 레이저가 혈관의 특정한 부위에 조사되고 있고, 이곳을 세포가 통과하면서 발생하는 형광을 계측함으로써 주어진 시간 동안 특정세포군이 얼마나 지나가는 지를 계측할 수 있는 장비이다. 본 특별기사에서는 혈류 가시화 분야의 독자를 위해 최근에 "Optics Express"에 "In vivo imaging flow cytometer"라는 제목으로 최근에 개제된 논문의 내용을 하여 소개한다[2].
The two-photon process of microscopy provides good spatial resolution and optical sectioning ability when observing quasi-static endogenous fluorescent tissue within an in vivo animal model skin. In order to extend the use of such systems, we developed a two-photon laser scanning microscopy system capable of also capturing $512{\times}512$ pixel images at 90 frames per second. This was made possible by incorporating a 72 facet polygon mirror which was mounted on a 55 kRPM motor to enhance the fast-scan axis speed in the horizontal direction. Using the enhanced temporal resolution of our high-speed two-photon laser scanning microscope, we show that rapid processes, such as fluorescently labeled erythrocytes moving in mouse blood flow at up to 1.2 mm/s, can be achieved.
Positron emission tomography (PET) serves as a gold standard for noninvasive in vivo measurement of myocardial blood flow (MBF) and coronary flow reserve (CFR). CFR can be defined as the ratio of maximally vasodilated MBF over its basal flow. It is an important parameter for the evaluation of functional severity of coronary stenosis and prognositification in various diseases such as dilated cardiomyopathy. $^{13}NH_3,\;H_2^{15}O,\;^{82}Rb$ are widely used radiopharmaceuticals for measuring MBF and CFR, This review introduces imaging techniques and its clinical utility. Cardiac application or PET and PET/CT is expected to be increased in near future.
Various methods have been proposed for enhancing the contrast of laser speckle contrast image (LSCI) in subcutaneous blood flow measurements. However, the LSCI still suffers from low image contrast due to tissue turbidity. Herein, a physicochemical tissue optical clearing (PCTOC) method was employed to enhance the contrast of LSCI. Ex vivo and in vivo experiments were performed with porcine skin samples and male ICR mice, respectively. The ex vivo LSCIs were obtained before and 90 min after the application of the PCTOC and in vivo LSCIs were obtained for 60 min after the application of the PCTOC. In order to obtain the skin recovery images, saline was applied for 30 min after the application of the PCTOC was completed. The visible appearance of the tubing under ex vivo samples and the in vivo vasculature gradually enhanced over time. The LSCI increased as a function of time after the application of the PCTOC in both ex vivo and in vivo experiments, and properly recovered to initial conditions after the application of saline in the in vivo experiment. The LSCI combined with the PCTOC was greatly enhanced even in deep vasculature. It is expected that similar results will be obtained in in vivo human studies.
본 연구는 도플러 광 단층촬영법이 미세유동 및 미세구조를 동시에 측정하는 첨단 장비임을 보일뿐 아니라 기존의 도플러 광 단층촬영법의 한계를 극복한 새로운 방법을 제시하였다. 기존의 도플러 광단층촬영법은 샘플로 입사되는 광과 같은 방향의 속도성분만을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 임의의 속도벡터의 세 성분을 동시에 측정할 수 있는 다관점 도플러 광 단층촬영법을 개발하였고 심전도 게이트를 사용하여 맥동혈류유동의 3 차원 공간 내에서 위상속도 벡터장을 측정하는 심전도 게이트 다관점 도플러 광 단층촬영법의 타당성 조사를 햄스터 모래주머니 모델을 사용하여 수행하였다. 이를 통해 측정 가능한 속도성분의 수를 증가할 뿐 아니라 프레임 레이트가 심박에 비해 상대적으로 느리기 때문에 발생하는 엘리아싱 문제를 해결하였다.
Optical imaging offers excellent spatio-temporal sensitivity that is unparalleled by any other perfusion based imaging techniques. We used in vivo optical recording of intrinsic signals (ORIS) to map neurovascular hemodynamics of perfusion, oximetry and membrane potential during epileptic events in rat and mouse neocortex. Studies of hemodynamic changes with ORIS alone were also performed in human. Laboratory studies in rodent epilepsy models have demonstrated a persistent increase in deoxygenated hemoglobin (Hbr) and a decrease in tissue oxygenation during interictal spikes and ictal events. This "epileptic dip", like the "initial dip" recorded during normal sensory processing, implies that the enormous rise in cerebral blood flow (CBF) is inadequate to meet the increased metabolic demands associated with synchronized epileptic activity. These findings are critically important to the interpretation of the perfusion-based imaging studies, such as fMRI. In addition, we visualized the effect of direct cortical electrical stimulation, an alterative epilepsy treatment. The optical data following direct cortical electrical stimulation showed that hemodynamic signals are sensitive to different electrical stimulation parameters. Furthermore, our recent data demonstrated that the application of unilateral electrical stimulation is able to elicit bilateral hemodynamic responses in rat neocortex.
뇌혈관 질환의 발생 및 진행 기작을 이해하고 그 질환의 조기진단과 진행예측을 위해서는 경동맥 분지에서의 혈류역학 정보가 매우 중요하다. 본 논문에서는 정상인 경동맥 분지 탄성 모형 혈관과 생체 외 돼지혈액을 이용하여 모의박동 혈액 순환 시스템을 구축하여 혈류를 조절하면서 혈관과 혈액의 초음파 영상을 내부 압력과 시간 동기화하여 측정하였다. 박동 펌프의 박동률이 분당 20회, 40회, 60회(r/min)일 때의 초음파 영상의 에코 값, 혈류속도, 혈관 벽의 움직임, 혈압을 펌프의 5주기 동안 평균하여 한 주기의 데이터를 추출하였다. 결과로 박동률이 20 r/min, 40 r/min, 60 r/min일때 수축기 최고 혈류 속도는 각각 20 cm/s, 25 cm/s, 40 cm/s, 혈압 차는 각각 30 mmHg, 70 mmHg, 85 mmHg, 동맥벽은 각각 0.05 mm, 0.15 mm, 0.25 mm로 확장 하였다. 에코의 주기적 변화는 혈류속도와 압력과는 시간 지연이 있었으며 20 r/min에서는 변화량이 최소였다. 이러한 시간 동기화된 인자들의 주기적 변화는 전산혈류역학 실험의 정확한 입력정보와 검증을 위한 중요한 정보이며 경동맥 협착 질환의 발생 및 진행 기작을 밝히는데도 유용한 정보를 제공할 것이다.
Positron emission tomogrpahy (PET) represents the most advanced scintigraphic imaging technology. With the increase in availability of PET, the clinical use of PET has grown in medical fields. This can be employed for cardiovascular research as well as for clinical applications in patients with various cardiovascular disease. PET allows non-invasive functional assessment of myocardial perfusion, substrate metabolism and cardiac innervation and receptors as well as gene expression in vivo. PET is regarded as the gold standard for the detection of myocardial viability, and it is the only method available for the quantitative assessment of myocardial blood flow. This review focuses on the clinical applications of myocardial perfusion PET in coronary artery disease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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