基于多光譜光學(xué)內(nèi)源信號成像的皮層擴散性抑制過程多參數(shù)監(jiān)測.pdf

1、皮層擴散性抑制(Corticalspreadingdepression,CSD)作為偏頭痛、腦缺血以及腦外傷等多種神經(jīng)性疾病的病理學(xué)模型,對其在體發(fā)展特性的研究和了解,特別是對其引起的血液動力學(xué)響應(yīng)和能量代謝變化的研究可以幫助人們更好的研究和治療這些神經(jīng)性疾病。多光譜光學(xué)內(nèi)源信號(Opticalintrinsicsignal,OIS)成像技術(shù)不僅具有較高的時間和空間分辨率,并且通過一定的數(shù)據(jù)分析處理后還可以提供多參數(shù)信息(血液動力學(xué)、線

2、粒體代謝以及光散射)。因此,我們利用多光譜光學(xué)內(nèi)源信號成像技術(shù)來實現(xiàn)對活體動物(大鼠和小鼠)CSD發(fā)展過程的多參數(shù)監(jiān)測。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)首先介紹了多光譜OIS成像系統(tǒng),并推導(dǎo)了多光譜OIS的基本數(shù)據(jù)分析模型——修正的朗伯比爾定律,針對以前多光譜OIS數(shù)據(jù)分析過程中相關(guān)因素考慮不全面的問題,分析了一系列與腦組織光吸收有關(guān)的生色團(血紅蛋白,水,細(xì)胞色素c,細(xì)胞色素氧化酶,NADH和FAD),給出了這些生色團可見光范圍內(nèi)

3、的吸收光譜,并確定其是否參與多光譜OIS的數(shù)據(jù)分析,從而最終推導(dǎo)出多光譜OIS的數(shù)據(jù)分析公式,為準(zhǔn)確分析CSD相關(guān)的多光譜OIS提供方法學(xué)基礎(chǔ)。我們還模擬和分析了數(shù)據(jù)分析模型中的重要參數(shù)——差分路徑因子,定性的給出了差分路徑因子隨組織吸收、散射特性改變所產(chǎn)生的變化特征,并估計了腦組織的吸收和散射等光學(xué)特性,最后給出了可見光范圍內(nèi)(450-650nm)差分路徑因子隨波長的變化曲線。
　　(2)采用多光譜OIS成像同時監(jiān)測了大鼠CSD

4、過程中多生理參數(shù)的變化,包括氧合血紅蛋白(Oxygen-hemoglobin,HbO)、脫氧血紅蛋白(Deoxygen-hemoglobin,HbR)、細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素氧化酶、FAD以及光散射。發(fā)現(xiàn)CSD過程中450,470,500,530,550,570nmOIS顯示出四相變化,而600,630和650nmOIS表現(xiàn)出復(fù)雜的兩相變化。而在CSD過程中,HbO顯示出顯著的上升;HbR則出現(xiàn)下降、上升、下降的三相變化;光散射顯示了先增

5、強后減弱的變化特征;細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素氧化酶先是被還原接著又被氧化;而FAD下降然后恢復(fù)至基線值。其中HbR的上升,細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素氧化酶的還原說明了大鼠CSD過程中氧的供應(yīng)曾一度存在不足。發(fā)現(xiàn)在多光譜數(shù)據(jù)擬合過程中如果不考慮其它生色團(FAD,細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素氧化酶)和散射的變化,得到的血紅蛋白濃度變化(HbO和HbR)很可能不準(zhǔn)確。并且CSD過程中細(xì)胞色素c的變化和550nmOIS緊密相關(guān);細(xì)胞色素氧化酶的變化和450,6

6、00,650nmOIS緊密相關(guān);而FAD的變化和450,470nmOIS緊密相關(guān)。所以在使用這些波長的OIS計算血紅蛋白變化時,應(yīng)當(dāng)考慮這些生色團的影響,從而避免HbO和HbR計算的不準(zhǔn)確。
　　(3)采用多光譜光學(xué)內(nèi)源信號成像系統(tǒng)研究了小鼠CSD的時變特性。30分鐘內(nèi)在小鼠腦皮層分別誘發(fā)兩次CSD,發(fā)現(xiàn)這兩次CSD顯示出不同特性:450,470,500,530,550和570nmOIS在第一次CSD中顯示出三相變化,最后幅值高于

7、基線水平,而在第二次CSD中為四相變化;600,630和650nmOIS在第一次CSD中具有四相變化,并且最后幅值保持在低于基線值水平,600nmOIS在第二次CSD中仍具有四相變化,而630和650nmOIS在第二次CSD中只有三相變化,并且最后都能恢復(fù)到本次CSD發(fā)生之前的基線水平;HbO和總血紅蛋白(Totalhemoglobin,HbT)在第一次CSD中是下降的,但在第二次CSD中是上升的;光散射在第一次CSD中先上升然后下降最

8、后長時間緩慢下降,但在第二次CSD中只有上升和恢復(fù)的變化;腦皮層大動脈管徑在第一次CSD中有三相變化:劇烈收縮,恢復(fù)以及緩慢收縮,在第二次CSD中有四相變化:小舒張,收縮,大舒張以及恢復(fù)。而兩次CSD中還原態(tài)細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素氧化酶的上升以及FAD的下降都說明線粒體是處于還原狀態(tài),腦組織是處于缺氧的狀態(tài),只是第一次CSD的缺氧狀況相較于第二次CSD更為嚴(yán)重。另外,第一次CSD會引起腦皮層很長時間的嚴(yán)重缺血,表現(xiàn)為HbT一直緩慢地下降,

9、動脈血管也緩慢而長時間地收縮。
　　(4)研究了小鼠單側(cè)頸總動脈結(jié)扎缺血后誘發(fā)的連續(xù)兩次CSD的發(fā)展特性,以及雙側(cè)頸總動脈結(jié)扎缺血后小鼠自發(fā)CSD的發(fā)展特性。發(fā)現(xiàn)單側(cè)缺血小鼠第一次CSD各生理參數(shù)的變化大體上和未缺血情況類似,只是持續(xù)時間明顯變長,而還原態(tài)細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素氧化酶響應(yīng)幅度變大;單側(cè)缺血小鼠第二次CSD多數(shù)生理參數(shù)的變化大體上也和未缺血情況類似,只有HbO顯示出不一致,未缺血情況下HbO是急劇上升的,而缺血狀態(tài)下H