无创高频超声与多普勒成像技术在大鼠脑血流动力学中的应用

摘要

来源：Giustetto, P., et. al., 非侵入性实质、血管与代谢性高频超声及光声大鼠深部脑成像。J. Vis. Exp. (2015)

在本视频中，我们演示了如何利用高频超声和光声成像技术研究大鼠脑部的血管系统及血红蛋白含量。该方法可深入揭示脑部灌注和血液氧合情况，从而实现对脑血管结构和氧分布的无创分析。

方案

所有涉及动物模型的操作均已经过当地机构动物护理委员会和 JoVE 兽医审查委员会审核。

1. 准备

1. 麻醉
   1. 将动物放入合适的异氟烷麻醉舱中进行麻醉。
   2. 向麻醉舱内通入用于兽医的混合氧气（O₂）和异氟烷气体，浓度为2.5%，在2 L的气体舱中持续约3分钟，直至大鼠入睡。通过夹捏脚趾检查麻醉效果。
   3. 确认麻醉生效后，取出大鼠并称重。
   4. 在动物眼睛表面涂抹一层薄薄的水溶性眼科凝胶，以保护角膜并维持眼部生理湿润状态。
   5. 将大鼠仰卧放置于超声与光声成像工作站的操作台面上。为维持麻醉状态，迅速将鼻部置于专用面罩内，持续供给麻醉气体（异氟烷2%-2.5%，氧气流速1 L/min）。
2. 剃除动物体毛
   1. 在头部表面均匀涂抹脱毛膏，注意覆盖耳部及颈部周围区域。静置数分钟后，用刮刀轻轻刮除脱毛膏，再用湿海绵轻柔擦净残留物，确保皮肤彻底清洁。
      注意：动物毛发会截留空气，严重影响基于超声的成像质量，因此必须尽可能彻底清除。
3. 动物体位摆放
   1. 将动物呈仰卧伸展体位固定。若操作台配备相应传感器，应使用专用生命体征监测传感器实时监测生理参数。在传感器上涂抹适量专业导电膏后，将动物四肢掌垫贴附于传感器表面。
      注意：麻醉期间应确保生命体征参数维持在以下范围：大鼠体温≈37.5 °C，心率（BPM）介于250–350次/分钟，呼吸频率为40–80次/分钟。
   2. 最后使用低致敏性人造丝绸胶带固定四肢。如有需要，可再次涂抹一层薄薄的水溶性眼科凝胶以保护动物眼睛。

2. 从时间角度进行图像采集

1. 动物体位摆放
   1. 保持动物俯卧位，将其身体轻微向一侧旋转，相对于矢状轴倾斜约45°。使用小块棉纱卷作为支撑物，以正确固定体位（图1a）。
   2. 抬起动物头部并轻微向一侧旋转（图1a）。使用棉卷作为支撑，使吻部充分插入麻醉面罩中。
   3. 将工作台相对于水平面倾斜约30°。
   4. 将成像换能器相对于垂直面旋转约30°。
2. 超声与光声解剖及血管图像采集
   1. 开启成像扫描，进入B模式图像采集，并根据实验可能的具体要求，正确设置所有图像采集参数（图2a）。
      注意：将发射中心频率设置为尽可能低（16 MHz，图2b），以实现换能器的最大穿透深度。
   2. 在动物头部涂抹一层足够厚度（约1 cm）的低敏性水溶性超声耦合剂（图1b）。在换能器头部覆盖一层薄薄的相同耦合剂，并将其与大鼠体表的耦合剂层接触。使用温热的耦合剂以尽量减少局部低体温。
   3. 开始B模式图像采集，并通过识别解剖标志、将感兴趣区域居中于显示器中心点，实时调整换能器位置。务必清除耦合剂层中任何层面夹带的气泡，因为它们会对采集产生负面影响。
   4. 将换能器放置于对齐耳至眼的虚拟轴线上（图3a），以获得最佳声束聚焦效果。通过顺时针或逆时针旋转，获取脑内部容积的不同视角图像（图3b 和 c）。
   5. 最终将换能器固定于机械支架上，以稳定固定其位置，并进行精细的方向调节。
   6. 确保感兴趣脑区位于超声-激光换能器源下方约10 mm深度处，以获得最佳的光声响应信号（图4）。然后，将超声波聚焦指示器精确置于分析区域的中心。
      注意：在寻找感兴趣区域时，避免激活呼吸门控选项，以加快定位过程。
   7. 进入彩色多普勒模式，以高灵敏度显示脑内血管结构。
   8. 一旦完成适当定位以可视化目标区域，激活呼吸门控选项，以避免由运动引起的不良影响（图5a）。
   9. 在彩色多普勒模式下选择所需的采集参数组合（图5b），并以此模式采集图像，以区分血流速度与方向，穿透深度可达数毫米。

结果

图1：用于颞部图像采集的动物体位。（a）图像采集时动物在操作台上的摆放方式：剃除头部毛发后，将动物置于俯卧位，身体略微向一侧倾斜，以暴露头部的颞侧区域。操作台可配备加热装置，以在采集过程中保持动物体温。可使用一些棉卷来固定该体位，同时用粘性贴片将动物四肢固定在生命体征监测传感器上。（b）在头部用于成像的区域上覆盖一层均匀的超声耦合剂...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高频超声与光声成像系统（VEVO LAZR 2100 系统）	FUJIFILM VisualSonics Inc.
Vevo 紧凑型双通道麻醉系统（台式版本）	FUJIFILM VisualSonics Inc.		http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODtSht.dpuf
超声传导凝胶（Aquasonic 100）	PARKER LABORATORIES INC.	01-08	http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp
斯普拉格-道利大鼠	Charles River Laboratories		从 Charles River Laboratories 购买了三只健康的 6 周龄斯普拉格-道利大鼠，饲养于标准环境（12 小时明暗循环），自由摄取标准啮齿类饲料和饮水。提供方：http://www.criver.com/