【摘要】：腦功能成像技術(shù)是人類解析大腦功能,理解疾病造成的大腦功能失調(diào)現(xiàn)象的重要手段。在基于動物模型的研究中,腦功能成像大多是對麻醉動物進(jìn)行的,但是麻醉劑的使用會影響動物的生理病理參數(shù),造成研究結(jié)果的偏差,同時(shí)也限制了可研究的領(lǐng)域。因此,對清醒自由運(yùn)動狀態(tài)下動物進(jìn)行腦功能成像,成為腦科學(xué)研究的一個(gè)重要需求。光學(xué)成像技術(shù),特別是內(nèi)源性光學(xué)成像技術(shù),結(jié)構(gòu)簡單、成像時(shí)空分辨率高、無損傷、不需要造影劑和示蹤劑,因此在腦功能成像,特別是自由運(yùn)動狀態(tài)下小動物的腦功能成像上具有很大的優(yōu)勢。全域的內(nèi)源性光學(xué)成像技術(shù)主要包括:激光散斑襯比度成像(LSCI),一種可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)腦皮層血管和血流速度成像的技術(shù);光學(xué)內(nèi)源信號成像(OISI),一種通過多波長光源成像,實(shí)時(shí)檢測腦皮層含氧及去氧血紅蛋白變化的技術(shù)。隨著電子和光學(xué)元器件的發(fā)展及不斷微型化,目前已經(jīng)開發(fā)出基于內(nèi)源性光學(xué)成像技術(shù)的頭戴式成像裝置。其中,有的集成了圖像采集設(shè)備,質(zhì)量過大,可能限制動物運(yùn)動,有的基于光纖束傳導(dǎo)圖像,減輕系統(tǒng)重量,但存在成像質(zhì)量較差,外部連接系統(tǒng)較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。本文基于LSCI和OISI兩種技術(shù),開發(fā)了兩款微型小動物頭戴式光學(xué)成像設(shè)備,用于自由運(yùn)動狀態(tài)下小動物的腦功能成像。(1)微型小動物頭戴式LSCI成像裝置,利用3D打印的尼龍支架集合了CMOS傳感器、微型透鏡組、照明光纖等。整個(gè)裝置具有體積小(高度2.2 cm,底面直徑1.5 cm)、質(zhì)量輕(4.5 g)、畸變較小、時(shí)空分辨率較好(300×420個(gè)像素,46 fps)等優(yōu)點(diǎn),并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需求,改變成像區(qū)域大小,成像效果較好,外部光路簡單,易于用戶使用。(2)小動物頭戴式OISI成像裝置,該系統(tǒng)外置部分利用單片機(jī)進(jìn)行光源高速切換控制,利用兩束光纖束分別傳導(dǎo)波長為590 nm和625 nm的光進(jìn)入成像裝置,利用雙線程方式嚴(yán)格控制光源切換時(shí)間,提高幀速率。具有質(zhì)量輕(3 g)、體積小(高1.2 cm)、成像范圍大、系統(tǒng)性能較好(250×250個(gè)像素,25 fps)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),一定程度上解決了現(xiàn)有設(shè)備的不足。作為在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用,我們利用此微型成像裝置,對自由運(yùn)動狀態(tài)下大鼠腦缺血誘導(dǎo)前后腦功能進(jìn)行了監(jiān)測,研究了其腦血氧代謝的變化。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH77
【圖文】：

LSCI ~7 g N/A 3.5×3.3 mm26 Hz N/ALSCI&OISI~1.5 g5 cm3N/A < 20 Hz 5.5 μm2011 年，上海交通大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室苗鵬等人首先實(shí)現(xiàn)了基于 LSCI 微型頭戴式成像頭，該成像頭將互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS）芯片、控制電路和微型透鏡組都集成于系統(tǒng)內(nèi)，通過光纖傳導(dǎo)激光進(jìn)行照明，利用金屬支架連接各組件，簡化了外部成像系統(tǒng)。整個(gè)成像頭質(zhì)量約為 20 g，高度約為 3 cm，如圖 1-1 所示，分辨率為 640×640個(gè)像素點(diǎn)，成像區(qū)域?yàn)?7×7 mm2，幀速率為 40 fps，成像質(zhì)量和傳統(tǒng)光學(xué)平臺用系統(tǒng)基本一致[27]。該成像頭已經(jīng)應(yīng)用在清醒大鼠的腦卒中造模和腦血流成像[28]，以及利用經(jīng)顱磁刺激進(jìn)行顱腦外損傷康復(fù)的神經(jīng)血管成像之中[29]。雖然該系統(tǒng)具有很好的時(shí)空分辨率和成像質(zhì)量，但是其重量和體積對于 300 g 左右的大鼠而言，會造成行動的不便利和限制。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2013 年，華中科技大學(xué)李鵬程課題組發(fā)表了一個(gè)基于 LSCI 和 OISI 的雙模態(tài)微型頭戴式光學(xué)成像設(shè)備，該設(shè)備通過一束緊密排布的光纖束將圖像傳輸?shù)酵獠扛泄怦詈显–harge-Coupled Device，CCD）采集，其中單根光纖外徑為0.8 mm，核為 12 μm，因此整個(gè)成像頭部分只有 1.5 g。外部系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學(xué)成像設(shè)備相一致，如圖 1-2（a），需要利用光學(xué)平臺嚴(yán)格固定，控制光路，CCD2前固定有可調(diào)諧液晶光學(xué)濾波器（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）[30]，控制所采集圖像波長的切換，由于 LCTF 需要 50 ms 時(shí)間切換不同的波長，因此CCD2 的幀速率小于 20 fps，系統(tǒng)性能基本取決于外置系統(tǒng)的性能。該成像頭已經(jīng)應(yīng)用于皮層擴(kuò)散性抑制（Cortical Spreading Depression，CSD）研究中，證明異氟烷麻醉的大鼠 CSD 的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于清醒大鼠，頻率較低[31]，這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了 Kuda 等人的研究結(jié)果[32]。這一微型成像設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了雙模態(tài)成像，并且具有較高的空間分辨率，但是采用光纖傳導(dǎo)圖像會為圖像引入網(wǎng)格狀

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本文編號：2730331