空间选择性光刺激与激光散斑血流成像一体化系统研究

论文摘要

光是调控生物组织状态的重要手段之一。例如,利用光遗传技术可以调控大脑中神经元的活动,利用光化学效应则可以形成脑血管的栓塞。这些光学调控手段作为研究神经环路功能及脑缺血损伤机理的重要方法,在神经科学及脑血管疾病研究领域中受到广泛的关注。然而,在传统的光遗传及光化学缺血中,还缺乏对照射光斑位置、形状、大小及光斑数量的灵活控制,以及对光调控引起的脑组织功能状态变化的实时高分辨检测,不利于神经-血管耦合及脑缺血病理过程等基础性科学问题的深入研究。本文发展了基于光波前调制的空间选择性光刺激方法,并通过研究与激光散斑血流成像的整合技术,实现了任意空间选择性的光刺激与血流成像一体化系统。结合光遗传技术,研究了特异性神经元激活引起的脑皮层血流时空响应过程;结合光化学方法,发展了激光散斑血流成像实时反馈的任意空间/血管选择性的光化学缺血方法。主要研究结果如下:（1）通过分析液晶空间光调制器（LC-SLM）光相位调制迭代过程中的误差分布,给出了误差矢量与目标矢量间幅角差的衰减是导致迭代算法停滞的重要原因。据此,提出了一种通过增加目标调制图像背景来减小误差的方法。在目标区域与背景区域强度比为10的条件下,该方法可以将迭代误差从初始的0.012降低至0.002,同时将调制后图像的均一性由0.7提升至0.9。在此基础上,提出了一种基于图像掩模的优化迭代方法。该方法可以在不增加目标图像背景值的基础上,提高衍射图像的对比度。与G-S算法相比,该方法在500次迭代运算后获得的调制图像对比度从10提升到60左右,显著提高了调制图像的质量。（2）研究基于LC-SLM的空间光刺激与激光散斑衬比成像（LSCI）的空间共定位技术,设计并实现了波前调制空间选择性光刺激与激光散斑血流成像一体化系统,包括相关光电系统搭建及软件开发。该系统可对被调控光（光遗传刺激:473 nm,光化学缺血:532 nm）进行波前调制,使其在衍射面上产生指定的光场分布;同时可通过LSCI进行血流成像,实时检测实验动物脑血流的时空变化。（3）应用所研发的系统,对光遗传小鼠（VGAT-Ch R2）进行光刺激诱发相关神经元活动,并同步实时观测脑血流变化,研究特异性神经元激活引起的脑皮层血流响应时空过程。在刺激光功率为0.5 m W,刺激频率为10Hz,持续时间1s下,刺激区域的大脑皮层血流增加了约30%。同时,进行了2个不同位置同时刺激的实验,对小鼠脑血流变化进行了分析,显示了较好的局域性,光刺激范围外的脑皮层血流变化不明显。此外,还对多个刺激点的相对位置进行了实验与分析,实验结果提示神经血管调节对多个刺激的响应可能并不是线性的。（4）应用所研发的系统,实现了血流成像实时反馈的任意空间/血管选择性的光化学缺血。小鼠尾静脉注射光敏剂（Rose Bengal,10mg/ml）,并采用532 nm光源进行空间选择性光照射感兴趣的脑皮层或血管,在照射区域产生血栓,形成相关脑区缺血,并实时观察脑血流改变的动态过程。该方法通过实时血流成像,监测并反馈控制光化学光源的照射时间,实现对缺血程度的控制。实验表明,该方法能精确栓塞单根血管或多根不同的血管。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩写对照表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 激光散斑衬比成像
•   1.3 光学调控技术
•   1.4 本文主要研究内容
• 2 光学相位调制的优化迭代算法
•   2.1 引言
•   2.2 相息图的相位迭代算法
•   2.3 相位迭代算法的误差分析
•   2.4 图像掩模方法降低相位迭代算法误差
•   2.5 本章小结
• 3 空间选择性光照射与激光散斑血流成像耦合技术
•   3.1 系统设计
•   3.2 光刺激系统零级光斑的去除
•   3.3 刺激光场与成像视场的空间匹配
•   3.4 系统控制软件设计
•   3.5 讨论
•   3.6 本章小结
• 4 空间选择性光遗传刺激的脑血流成像
•   4.1 神经血管耦合与光遗传技术
•   4.2 选择性光刺激系统实现
•   4.3 选择性光刺激下的脑皮层血流响应
•   4.4 本章小结
• 5 血流成像反馈的空间选择性光化学脑缺血
•   5.1 引言
•   5.2 脑卒中与脑缺血模型
•   5.3 缺血区域的空间选择
•   5.4 实时血流成像下光化学缺血的闭环调控
•   5.5 缺血状态下脑血流灌溉的动态研究
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文主要内容和结论
•   6.2 本文的主要创新
•   6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闻栋

导师: 陆锦玲

关键词: 激光散斑成像,波前调制,相位迭代,脑血流,光遗传,脑卒中,光化学缺血

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,基础医学,生物医学工程

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金项目(61890951,61775071),国家重点研发计划课题(2017YFB1002503),武汉光电国家实验室创新基金

分类号: R312;O439

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003984

总页数: 117

文件大小: 6261K

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