小动物微型头戴式脑功能光学成像装置设计

发布时间：2020-06-26 12:47

【摘要】：脑功能成像技术是人类解析大脑功能,理解疾病造成的大脑功能失调现象的重要手段。在基于动物模型的研究中,脑功能成像大多是对麻醉动物进行的,但是麻醉剂的使用会影响动物的生理病理参数,造成研究结果的偏差,同时也限制了可研究的领域。因此,对清醒自由运动状态下动物进行脑功能成像,成为脑科学研究的一个重要需求。光学成像技术,特别是内源性光学成像技术,结构简单、成像时空分辨率高、无损伤、不需要造影剂和示踪剂,因此在脑功能成像,特别是自由运动状态下小动物的脑功能成像上具有很大的优势。全域的内源性光学成像技术主要包括:激光散斑衬比度成像(LSCI),一种可以实现实时脑皮层血管和血流速度成像的技术;光学内源信号成像(OISI),一种通过多波长光源成像,实时检测脑皮层含氧及去氧血红蛋白变化的技术。随着电子和光学元器件的发展及不断微型化,目前已经开发出基于内源性光学成像技术的头戴式成像装置。其中,有的集成了图像采集设备,质量过大,可能限制动物运动,有的基于光纤束传导图像,减轻系统重量,但存在成像质量较差,外部连接系统较为复杂等缺点。本文基于LSCI和OISI两种技术,开发了两款微型小动物头戴式光学成像设备,用于自由运动状态下小动物的脑功能成像。(1)微型小动物头戴式LSCI成像装置,利用3D打印的尼龙支架集合了CMOS传感器、微型透镜组、照明光纤等。整个装置具有体积小(高度2.2 cm,底面直径1.5 cm)、质量轻(4.5 g)、畸变较小、时空分辨率较好(300×420个像素,46 fps)等优点,并可根据实验应用需求,改变成像区域大小,成像效果较好,外部光路简单,易于用户使用。(2)小动物头戴式OISI成像装置,该系统外置部分利用单片机进行光源高速切换控制,利用两束光纤束分别传导波长为590 nm和625 nm的光进入成像装置,利用双线程方式严格控制光源切换时间,提高帧速率。具有质量轻(3 g)、体积小(高1.2 cm)、成像范围大、系统性能较好(250×250个像素,25 fps)、结构简单等优点,一定程度上解决了现有设备的不足。作为在生物医学工程领域的应用,我们利用此微型成像装置,对自由运动状态下大鼠脑缺血诱导前后脑功能进行了监测,研究了其脑血氧代谢的变化。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77
【图文】：

激光散斑,衬比度,动物,成像

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，上海交通大学神经工程实验室苗鹏等人首先实现了基于 LSCI 微型头戴式成像头，该成像头将互补金属氧化物半导体（Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS）芯片、控制电路和微型透镜组都集成于系统内，通过光纤传导激光进行照明，利用金属支架连接各组件，简化了外部成像系统。整个成像头质量约为 20 g，高度约为 3 cm，如图 1-1 所示，分辨率为 640×640个像素点，成像区域为 7×7 mm2，帧速率为 40 fps，成像质量和传统光学平台用系统基本一致[27]。该成像头已经应用在清醒大鼠的脑卒中造模和脑血流成像[28]，以及利用经颅磁刺激进行颅脑外损伤康复的神经血管成像之中[29]。虽然该系统具有很好的时空分辨率和成像质量，但是其重量和体积对于 300 g 左右的大鼠而言，会造成行动的不便利和限制。

多模态,动物

上海交通大学硕士学位论文2013 年，华中科技大学李鹏程课题组发表了一个基于 LSCI 和 OISI 的双模态微型头戴式光学成像设备，该设备通过一束紧密排布的光纤束将图像传输到外部感光耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）采集，其中单根光纤外径为0.8 mm，核为 12 μm，因此整个成像头部分只有 1.5 g。外部系统与传统光学成像设备相一致，如图 1-2（a），需要利用光学平台严格固定，控制光路，CCD2前固定有可调谐液晶光学滤波器（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）[30]，控制所采集图像波长的切换，由于 LCTF 需要 50 ms 时间切换不同的波长，因此CCD2 的帧速率小于 20 fps，系统性能基本取决于外置系统的性能。该成像头已经应用于皮层扩散性抑制（Cortical Spreading Depression，CSD）研究中，证明异氟烷麻醉的大鼠 CSD 的持续时间远大于清醒大鼠，频率较低[31]，这一结果进一步验证了 Kuda 等人的研究结果[32]。这一微型成像设备虽然实现了双模态成像，并且具有较高的空间分辨率，但是采用光纤传导图像会为图像引入网格状

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