Name: 非侵入性的脑实质，血管和代谢高频超声和光声大鼠深脑成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-03-02T13:45:00.000+00:00
Duration: 12 min
Description: 学习利用高频超声和光声成像技术对大鼠深部脑实质、血管及代谢进行非侵入性成像的方法。该技术通过自然颅骨孔道实现深部皮层下区域的可视化，为神经疾病研究提供高分辨率解剖与生理数据。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者没有致谢。

根据国家规定开展了本方案开发所必需的实验，并由意大利都灵市都灵大学机构内部的当地伦理科学委员会（Comitato di Bioetica di Ateneo）批准。
1. 准备
<ol>
	<li>麻醉
	<ol>
		<li>将动物放入合适的异氟烷麻醉舱内进行麻醉。</li>
		<li>向麻醉舱中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。</li>
		<li>确认麻醉生效后，取出大鼠并称重。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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中，持续供给麻醉气体（异氟烷2%-2.5%，氧气流速1 L/min）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>剃除动物体毛
	<ol>
		<li>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，再用湿润的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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>动物体位摆放
	<ol>
		<li>将动物呈仰卧伸展体位固定。若操作台配备相应的生命体征监测传感器，应利用其持续监测生命体征。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上。 
		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至350次/分钟，呼吸频率为40–80次/分钟。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 从时间角度进行图像采集
<ol>
	<li>固定动物体位
	<ol>
		<li>保持动物俯卧位，将其身体轻微向一侧旋转，与矢状面轴成约45°倾斜角。使用小块棉纱卷作为支撑物，以正确固定动物体位。图 2a).</li>
		<li>将动物头部抬起并稍向一侧旋转（图2a使用棉卷作为支架，将动物的吻部牢固地插入麻醉面罩中。</li>
		<li>将工作台面相对于水平面倾斜约30°角。</li>
		<li>将成像换能器相对于垂直面旋转约30°角。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>超声与光声解剖及血管成像采集
	<ol>
		<li>打开成像扫描，进入B模式图像采集，并根据实验可能提出的具体要求，正确设置所有图像采集参数（图3a). 
		注意：将发射中心频率设置为尽可能低（16 MHz， 图3b），以使换能器达到尽可能大的穿透深度。</li>
		<li>在动物头部均匀涂抹一层（约1 cm厚）低致敏性水溶性超声耦合凝胶图2b）。在换能器头部覆盖一层相同的凝胶，并使其与大鼠体表的凝胶层接触。使用温热的凝胶以尽量减少局部低温。&#160;</li>
		<li>在B模式下开始图像采集，并通过识别解剖标志及将感兴趣区域对准显示器中心点，实时调整探头位置。务必清除凝胶层中任何层面截留的气泡，因为气泡会对图像采集产生不利影响。</li>
		<li>将换能器对准连接耳部与眼部的虚拟轴线图4a）以获得最佳的光束聚焦。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4b 和 c).</li>
		<li>最终将换能器固定在机械支架上，以稳定其位置，并精细调节其方向。</li>
		<li>确保感兴趣的大脑区域位于超声-激光换能器源下方10 mm深度处，以获得最佳的光声响应信号（图5然后将超声波聚焦指示器精确置于分析区域的中心。 
		注意：在对感兴趣区域进行研究时，应避免激活呼吸门控选项，以加快定位过程。</li>
		<li>进入彩色多普勒模式，以高灵敏度显示脑内血管。</li>
		<li>一旦定位已适当设置以可视化目标区域，即激活呼吸门控选项，以避免与运动相关的不良影响图6a).</li>
		<li>在彩色多普勒模式下选择所需的采集参数设置（图6b）并在此模式下采集图像，以区分血流速度和方向，穿透深度可达数毫米。</li>
		<li>进入脉冲波多普勒模式，采集图像以检测动脉血流搏动，并区分动脉与静脉。</li>
		<li>进入功率多普勒模式并设置采集参数（图7基于通量运动引起的散射事件数量进行信号定量，从而评估流速差异。</li>
		<li>进入光声模式并适当优化采集参数（图8a）以采集特定区域血液总血红蛋白含量或氧合程度的数据。通过在整个波长范围（680 nm 至 970 nm）内进行激光激发， 图8b)，可以量化组织内处于不同化学状态的总血红蛋白的吸收。通过在单一特定波长下进行信号采集（图8c），可以分离出氧合与脱氧纯物质因吸收而产生的 distinct 信号贡献。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 从枕骨视角成像
<ol>
	<li>动物体位固定
	<ol>
		<li>将动物保持俯卧位，降低动物头部，并使用小块棉纱卷作为侧向支撑物，以正确固定体位。</li>
		<li>将成像探头调整至与动物头部的横断面平行（图9）。 
		注意：通过此方式，采集将通过颅底的枕骨大孔中心进行。通过调整探头方向的倾斜角度（图9），可根据设定的倾角在不同视角下获取内部血管图像。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>超声与光声解剖及血管图像采集
	<ol>
		<li>进入B模式图像采集，设置所有图像采集参数，如前所述（图3），并在探头和动物颈背部涂抹必要的超声耦合剂。</li>
		<li>调整探头位置，使其基本保持水平，以便沿动物体解剖学后前轴方向对准。将探头指向吻部前方，并略微向前倾斜。</li>
		<li>在B模式和彩色多普勒模式下开始图像采集（图3和图6）。精确调整探头位置，并如前所述清除凝胶层中的气泡。如有可能，将探头固定在稳固支架上，以精细控制其方向，并选择最佳倾斜角度，以获取目标解剖区域的图像。</li>
		<li>通过适当设置采集参数，在能量多普勒模式下观察脑内血管（图7）。</li>
		<li>使用脉冲波多普勒模式定位搏动强烈的动脉，并将其与静脉区分开；静脉的血流搏动水平通常较低。</li>
		<li>在彩色多普勒模式下，通过适当调整采集参数，获取血流速度和方向数据（图6）。</li>
		<li>通过光声成像获取的血液化学信息，补充深部脑血流动力学特征数据集（图8）。具体可通过评估血红参数，如O2饱和度百分比和总血红蛋白含量（HbT）来实现，通常将激光激发波长设定为750 nm和850 nm进行测量（图8c）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 采集结束与动物移除
注意：应充分考虑从步骤1到步骤3的整个图像采集过程所需的时间，该时间主要受限于施加于动物的麻醉剂量。
<ol>
	<li>保存所有采集的数据，通过退出光声采集模式关闭激光脉冲，并移开换能器。</li>
	<li>在保持动物处于麻醉状态的同时，开始进行清洁：用湿润的棉签轻轻擦除眼睛上的保护凝胶；使用刮刀和若干纸巾彻底清除头部和吻部的超声耦合凝胶，然后用湿海绵擦拭干净。注意避免损伤已剃毛的 delicate 皮肤。</li>
	<li>取下用于固定四肢的粘性贴片，并将其从监测生理参数的传感器上断开；迅速将动物从采集工作台转移到另一个笼子中。</li>
	<li>将动物置于小笼子中以恢复麻醉状态。在此期间应确保动物单独饲养，避免发生攻击行为。</li>
	<li>将恢复用笼子放置在红外灯下以保持动物体温。等待动物恢复足够的意识，能够维持胸卧姿势。在将其转移至动物繁育室之前，检查其整体健康状况。</li>
</ol>

<ol><li>Bestmann, S., Feredoes, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+neurostimulation+and+neuroimaging+in+cognitive+neuroscience%3A+past%2C+present%2C+and+future%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+N+Y+Acad+Sci%22%5BJournal%5D)">Combined neurostimulation and neuroimaging in cognitive neuroscience: past, present, and future.</a> Ann N Y Acad Sci. 1296, 11-30 (1111).</li>
<li>Kim, S. A., Jun, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vivo+Optical+Measurement+of+Neural+Activity+in+the+Brain%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurobio%22%5BJournal%5D)">In-vivo Optical Measurement of Neural Activity in the Brain.</a> Exp Neurobio. 22 (3), 158-166 (2013).</li>
<li>Silva, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanotechnology+approaches+to+crossing+the+blood-brain+barrier+and+drug+delivery+to%5BTitle%5D)+AND+%22the+CNS.BMC+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Nanotechnology approaches to crossing the blood-brain barrier and drug delivery to.</a> the CNS.BMC Neurosci. 9, Suppl 3. S4(2008).</li>
<li>Stemmer, N., Mehnert, J., Steinbrink, J., Wunder, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+fluorescence+imaging+in+animal+models+of+stroke%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Med+Chem%22%5BJournal%5D)">Noninvasive fluorescence imaging in animal models of stroke.</a> Curr Med Chem. 19 (28), 4786-4793 (2012).</li>
<li>Frohman, E. M., Fujimoto, J. G., Frohman, T. C., Calabresi, P. A., Cutter, G., Balcer, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+coherence+tomography%3A+a+window+into+the+mechanisms+of+multiple+sclerosis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Clin+Pract+Neurol%22%5BJournal%5D)">Optical coherence tomography: a window into the mechanisms of multiple sclerosis.</a> Nat Clin Pract Neurol. 4 (12), 664-675 (2008).</li>
<li>Liao, L. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurovascular+coupling%3A+in+vivo+optical+techniques+for+functional+brain+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed+Eng+Online%22%5BJournal%5D)">Neurovascular coupling: in vivo optical techniques for functional brain imaging.</a> Biomed Eng Online. , 12-38 (2013).</li>
<li>Youn, H., Hong, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+Noninvasive+Small+Animal+Molecular+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Osong+Public+Health+Res+Perspect%22%5BJournal%5D)">In vivo Noninvasive Small Animal Molecular Imaging.</a> Osong Public Health Res Perspect. 3 (1), 48-59 (2012).</li>
<li>Miyawaki, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A.Fluorescence+imaging+in+the+last+two+decades%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+%28Oxf%29%22%5BJournal%5D)">A.Fluorescence imaging in the last two decades.</a> Microscopy (Oxf). 62 (1), 63-68 (1093).</li>
<li>Feldman, M. K., Katyal, S., Radiographics Blackwood, M. S. U. S. artifacts 29 (4), 1179-1189 (1148).</li>
<li>Postema, M., Gilja, O. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contrast-enhanced+and+targeted+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22World+J+Gastroenterol%22%5BJournal%5D)">Contrast-enhanced and targeted ultrasound.</a> World J Gastroenterol. 17 (1), 28-41 (2011).</li>
<li>Zacharatos, H., Hassan, A. E., Qureshi, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intravascular+ultrasound%3A+principles+and+cerebrovascular+applications%5BTitle%5D)+AND+%22AJNR+Am+J+Neuroradiol%22%5BJournal%5D)">Intravascular ultrasound: principles and cerebrovascular applications.</a> AJNR Am J Neuroradiol. 31 (4), 586-597 (2010).</li>
<li>Li, C., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography+and+sensing+in+biomedicine%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine.</a> Phys Med Biol. 54 (19), R59-R97 (2009).</li>
<li>Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+photoacoustic+tomography+of+chemicals%3A+high-resolution+functional+and+molecular+optical+imaging+at+new+depths%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Rev%22%5BJournal%5D)">In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths.</a> Chem Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).</li>
<li>Hu, S., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+imaging+and+characterization+of+the+microvasculature%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature.</a> J Biomed Opt. 15 (1), (2010).</li>
<li>Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+imaging+in+cancer+detection%2C+diagnosis%2C+and+treatment+guidance%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance.</a> Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).</li>
<li>Pysz, M. A., Gambhir, S. S., Willmann, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+imaging%3A+current+status+and+emerging+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Radiol%22%5BJournal%5D)">Molecular imaging: current status and emerging strategies.</a> Clin Radiol. 65 (7), 500-517 (2010).</li>
<li>Nie, L., Cai, X., Maslov, K., Garcia-Uribe, A., Anastasio, M. A., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography+through+a+whole+adult+human+skull+with+a+photon+recycler%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography through a whole adult human skull with a photon recycler.</a> J Biomed Opt. 17 (11), (2012).</li>
<li>Huang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aberration+correction+for+transcranial+photoacoustic+tomography+of+primates+employing+adjunct+image+data%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Aberration correction for transcranial photoacoustic tomography of primates employing adjunct image data.</a> J Biomed Opt. 17 (6), (2012).</li>
<li>Nie, L., Guo, Z., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography+of+monkey+brain+using+virtual+point+ultrasonic+transducers%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography of monkey brain using virtual point ultrasonic transducers.</a> J Biomed Opt. 16 (7), (2011).</li>
<li>Guevara, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+of+an+inflammatory+injury+in+the+newborn+rat+brain+with+photoacoustic+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+On%22%5BJournal%5D)">Imaging of an inflammatory injury in the newborn rat brain with photoacoustic tomography.</a> PLoS On. 8 (12), (2013).</li>
<li>Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+Photon+Rev%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic Microscopy.</a> Laser Photon Rev. 7 (5), (2013).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+the+effects+of+norepinephrine+on+single+cerebral+microvessels+using+optical-resolution+photoacoustic+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Assessing the effects of norepinephrine on single cerebral microvessels using optical-resolution photoacoustic microscope.</a> J Biomed Opt. 18 (7), (2013).</li>
<li>Xia, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whole-body+ring-shaped+confocal+photoacoustic+computed+tomography+of+small+animals+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Whole-body ring-shaped confocal photoacoustic computed tomography of small animals in vivo.</a> J Biomed Opt. 17 (5), 050506(2012).</li>
<li>Sun, J., Lindvere, L., Van Raaij, M. E., Dorr, A., Stefanovic, B., Foster, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+of+cerebral+hemodynamics+using+high-frequency+micro-ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Cold+Spring+Harb+Protoc%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging of cerebral hemodynamics using high-frequency micro-ultrasound.</a> Cold Spring Harb Protoc. (9), (2010).</li>
<li>Nasiriavanaki, M., Xia, J., Wan, H., Bauer, A. Q., Culver, J. P., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+photoacoustic+tomography+of+resting-state+functional+connectivity+in+the+mouse+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (1), 21-26 (2014).</li>
<li>Jao, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+photoacoustic+computed+tomography+of+mouse+brain+metabolism+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo.</a> Neuroimage. 64, 257-266 (2013).</li>
<li>Deng, Z., Wang, Z., Yang, X., Luo, Q., Gong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+of+hemodynamics+and+oxygen+metabolism+in+acute+focal+cerebral+ischemic+rats+with+laser+speckle+imaging+and+functional+photoacoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Op%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging of hemodynamics and oxygen metabolism in acute focal cerebral ischemic rats with laser speckle imaging and functional photoacoustic microscopy.</a> J Biomed Op. 17 (8), 081415-081414 (2012).</li>
<li>Huang, R. B., Mocherla, S., Heslinga, M. J., Charoenphol, P., Eniola-Adefeso, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+and+cellular+interactions+of+nanoparticles+in+vascular-targeted+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Membr+Biol%22%5BJournal%5D)">Dynamic and cellular interactions of nanoparticles in vascular-targeted drug delivery.</a> Mol Membr Biol. 27 (7), 312-327 (2010).</li>
<li>Saxer, T., Zumbuehl, A., Müller, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+shear+stress+for+targeted+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiovasc+Res%22%5BJournal%5D)">The use of shear stress for targeted drug delivery.</a> Cardiovasc Res. 99, 328-3233 (2013).</li>
<li>Zhao, Y. Z., Lu, C. T., Li, X. K., Cai, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound-mediated+strategies+in+opening+brain+barriers+for+drug+brain+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Expert+Opin+Drug+Deliv%22%5BJournal%5D)">Ultrasound-mediated strategies in opening brain barriers for drug brain delivery.</a> Expert Opin Drug Deliv. 10, 987-1001 (2013).</li>
</ol>

本文的出版费用由 Visual Sonics 赞助。

本方案经过优化，旨在为小型动物提供高效的脑部成像性能。通过准确定位颅骨孔上的换能器并严格遵循采集参数的指示，可获取多种模式的图像。特别是颞侧定位最为关键，因为超声和激光必须尽可能精确地对准中心，以确保正确穿透该孔，而该孔比枕部孔更小。然而，得益于这种实验设置，与生理甚至病理状态相关的血流动力学特征均可被获取和评估，包括通常难以表征的深部脑区。
由于成功的图像采集依赖于换能器定位的准确性，因此必须仔细考虑这种依赖性，因为它可能影响成像性能。例如，某些感兴趣的解剖结构可能未被完全包含在采集的成像平面内，从仅提供部分视野的图像中识别这些结构可能会导致结果不理想。此外，以三维模式（3D模式）进行的超声（US）和光声（PA）成像采集将与先前描述的实验设置不兼容，因为该模式要求换能器沿预定义的自动化路径移动。最后，由于自然的解剖变异，颅骨开窗的尺寸在不同动物之间可能存在显著差异，从而对采集过程产生不可预测的影响。这一事实使得图像质量依赖于每个个体的具体特征。因此，在设计实验方案时，必须考虑到该策略无法适用于某些动物的可能性。
特别是血流动力学，由于其在系统给药后决定药物或其他外源性分子生物分布方面具有根本性作用，因而受到广泛关注28-29。在分子影像学领域，其应用意义众多，从血液池成像对比剂的验证，到需要超声诱导血脑屏障开放的影像监测药物递送研究，均涵盖其中30。考虑到该方案具有极低的侵入性，且无需额外手术，动物死亡或不良副作用的风险显著降低，并可对同一动物模型进行长期监测，所有这些研究目标都将因此而受益。
综上所述，本方案将使研究人员能够高效地对研究用动物模型中的正常或病变脑组织的解剖结构和血管模式进行成像并准确解读。尽管目前的方法主要局限于皮层断层成像25-27，但该技术结合了超声（US）和光声（PA）成像的优势，为揭示多种影响深部脑生理过程的机制提供了可能。

为了推动神经科学领域的发展，需要采用能够精细描述小型动物中枢神经系统脑血流动力学特征的策略1-3。本文介绍的技术展示了如何对小型动物脑部进行无创的声学和光声成像，以研究血管生物学、血管结构及功能。
光学成像技术能够定位与神经活动相关的事件2,4-5，并同时采集血红蛋白在含氧和非含氧状态下的信号6。然而，由于光子的吸收和散射，纯光学成像存在空间分辨率差和组织穿透深度有限的问题7-8。相反，声学成像能够实现更深的成像深度和更高的空间分辨率，但受限于散斑噪声和对比度不足9-11。通过将光子学特性与超声技术相结合，光声成像技术提升了单一成像方法的成像能力和诊断潜力12-16。
脑部光声成像在阐明神经生物学中的多个问题方面具有巨大潜力。然而，自然保护脑组织的颅骨会显著限制光子和超声波在组织中的穿透深度17-19。此外，骨骼会导致光和声的散射，从而引起灵敏度下降和图像畸变17-18。因此，脑部超声和光声成像可在动物幼崽骨化前轻松实施20，但只有在开颅术后才能清晰获取成年动物脑部的深层解剖与生理信息21,22。遗憾的是，去除颅骨所需的手术技术难度较高，且可能对某些实验目的产生不利影响，因而难以在同一只动物身上长期监测神经疾病的发展进程。因此，开发一种非侵入性的小动物模型深部脑生物学成像方法具有重要意义。文献中报道的光子回收器方法17可减少声子损耗，提高光透过完整颅骨的透射率，从而改善光声信号的信噪比（SNR）和目标对比度。
本方案旨在提供一种无需侵入性手术即可在科研用啮齿类动物（特别是大鼠）上进行脑深部声学和光声成像的可靠方法。该方法基于使用便携式换能装置进行高频超声和光声成像。与断层成像技术23不同，便携式和定向换能器24可选择颅骨天然较薄的特定区域，这些区域称为裂隙或切迹。脊椎动物颅骨上存在的主要裂孔（foramina）对于定位连接脑内部回路与身体其他部分的神经束、血管或其他结构至关重要。这些主要裂孔位于大小不同的骨性开口中，可作为超声波和激光穿透的特定通路。这种靶向成像方式可减少因骨界面引起的波反射效应，并通过提高成像穿透深度来增强灵敏度。从这一角度出发，可将成像换能器设置为垂直于颅骨颞部和枕部的裂隙（图1），以最大程度地使超声束和光子束聚焦于这些区域。此种取向既可提升信号质量，又迫使信号穿过比其他颅骨取向更薄的骨层。因此，透射波和反射波经历的散射程度更低，从而能够采集到来自更深组织层的强信号。与早期方法相比，该实验设置仅需剃除动物头部毛发，无需进行其他任何手术操作。
通过本方案，可在相对较高的空间分辨率下进行成像，不仅能够显示特定的解剖参考结构，还能揭示比当前先进方法更深的血管结构，同时保持动物皮肤和颅骨完整。通过并行利用多种超声成像采集模式（B模式、能量多普勒、彩色多普勒、脉冲波模式）与光声成像，可获得独特的冠状面和轴向图像。从这些图像中可提取一系列参数，从而描绘出实质组织和血管解剖结构，以及影响脑血流动力学的全部特征。该方案可用于在高频超声B模式下成像大脑皮层实质的基本特征，显示构成 Willis 环的基底动脉和颈内动脉（分别简称 BA 和 ICA）、大脑中动脉（MCA）以及其他循环系统细节。此外，还可从皮层至深部脑区获取血流定量数据、平均血流速度、血流方向信息及血氧饱和度数据。
这种新策略在多种应用中具有巨大潜力，并满足了可靠方法描绘多种病理中关键深部脑特征的迫切需求。此外，由于其侵入性极小，本方案可实现大量针对中枢神经系统的成像研究，特别是那些需要长期监测或涉及精细病理动物模型的研究。

<table><tbody><tr><td>高频超声与光声成像系统（VEVO LAZR 2100 系统）&amp;nbsp;</td><td>FUJIFILM VisualSonics Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vevo Compact 双气体麻醉系统（台式版本）&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>FUJIFILM VisualSonics Inc.</td><td></td><td>http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt&lt;br/&gt; Sht.dpuf</td></tr><tr><td>超声传导凝胶（Aquasonic 100）</td><td>Parker Laboratories Inc.</td><td>01-08</td><td>http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp</td></tr><tr><td>SD 大鼠</td><td>Charles River Laboratories</td><td></td><td>从 Charles River Laboratories 购买三只健康的 6 周龄 SD 大鼠，饲养于标准环境（12 小时光照-黑暗循环），自由摄取标准啮齿类动物饲料和水&lt;em&gt;ad libitum&lt;/em&gt;。提供来源：http://www.criver.com/</td></tr></tbody></table>

无创性高频超声与光声大鼠深部脑组织成像：实质、血管与代谢联合检测

Non-invasive Parenchymal, Vascular and Metabolic High-frequency Ultrasound and Photoacoustic Rat Deep Brain Imaging

光声成像与高频超声是神经生物学应用中的强大工具，可实现对小型动物中枢神经系统的高分辨率成像。然而，经皮和经颅神经成像常受到灵敏度低、图像畸变以及空间分辨率下降的影响，通常需要在成像前去除头皮甚至颅骨。为克服这一挑战，本文提出了一种新方案，可在动物皮肤和颅骨完整保留的条件下，利用光声成像与高频超声技术深入研究脑部血流动力学。该方法依赖于超声（US）波和激光直接穿过动物颅骨上天然存在的骨缝。通过将成像换能器设备精确地对准这些颅骨变薄或完全缺失的特定区域，即可获得高质量的深层图像，并探索通常在非侵入性条件下难以进行解剖或功能描述的脑内部区域。采用此实验方案，可在声学和光声双模态下获取大量重要数据，从而实现对脑实质及血管结构在头部表面以下较深部位的成像。诸如脑实质的皱褶以及分隔脑叶的沟裂等深部脑结构清晰可见。此外，可在数毫米深度处对大小血管的分布结构进行成像，并精确获取有关血流、血管流速以及血红蛋白化学状态的信息。这一系列数据在多项研究领域中具有关键意义，涵盖从脑血管疾病研究到涉及系统性给予外源性化学物质或其他具有成像对比增强特性的物质的实验技术。总之，得益于本方案的实施，超声与光声技术成为一种具有吸引力的、性能优越的非侵入性手段，适用于皮层及脑内部成像，在多种神经科学领域中具有重要应用潜力。

该方法能够在动物皮肤和颅骨完整的情况下，以相对较高的空间分辨率对特定的解剖参考结构和血管进行成像，成像深度超过现有技术。在本实验条件下，光声信号的成像深度为4.5 mm，轴向分辨率为75 μm，视场（FOV）为23 × 15.5 cm。采用光声断层成像模式的实验19显示其分辨率可达<1 mm。信噪比（SNR）范围为21.6 dB至23.8 dB（通过在脑组织和背景上随机选取的5个不同点获得）。将换能器紧贴颅骨颞侧放置，可根据换能器选定的定位角度获取脑部的横断面或冠状面图像，从而实现侧向成像视角（图4）。表皮、颅骨和实质组织在超声B模式图像中显示清晰，因其声阻抗存在显著差异（图10）。尽管其形态取决于所选视角，但在实质组织中仍可识别出一些解剖参考位点，例如分隔脑内部结构与皮层的脑裂以及具有特征形态的视束（图10）。此外，在超声和光声成像模式下均可观察到大量血管。动物大脑外侧表面走行的颈内动脉（ICA）与其他主要大血管的典型交汇区域可被清晰识别。诸如颈内动脉（ICA）等主要血管通路可提供充足的血液供应，以满足神经元对能量和氧气的持续需求。ICA起源于颈总动脉（CCA），沿头部侧面走行，深度达数毫米，经过其所有分支区域后最终到达额部区域。该主干血流随后分布至中等大小的血管，再进一步进入越来越细的小动脉，最终为神经元提供营养。从颞侧视角可追踪大脑中动脉的走行模式，该动脉由ICA分出，进一步分为走向脑前部和外侧的分支。通过调整换能器相对于连接动物眼睛与耳廓的虚拟轴线的倾斜角度，可获取冠状面和横断面图像（图4）。根据图4所示的投影方式倾斜换能器，可获得清晰的中脑动脉（MCA）图像，该动脉起自ICA并进一步分为两个或多个分支，最终包绕大脑皮层脑叶（图11和图12）。当中脑动脉（MCA）探头倾斜角度如图4c所示、颈内动脉（ICA）如图4b所示时，成像效果最佳。
基于多普勒的声学成像可显示细小分支，同时通过彩色多普勒采集技术可获得血流方向信息（图13）。采用脉冲波超声技术可确认大脑中动脉（MCA）的特征（图14 和 图15）。循环红细胞中血红蛋白产生的光声信号可被检测和分析，用于获取其分子氧化状态的信息，并计算血液氧饱和度（图16 和 图17）。通过将血液氧含量与声学数据相关联，可进一步确认动脉血与静脉血的区分。
将换能器指向枕骨大孔时，图像将投射在头部的轴向平面上（图9），该成像平面可调整为不同的倾斜角度。在此情况下，由于枕部入路较大，可实现较高的穿透深度，从而获得脑部后方视角的影像。通过应用上述所有技术，可定位并检查深部脑区特有的血管结构——威尔氏环（Circle of Willis）。基底动脉（BA）沿小脑腹侧行走，最终进入脑干，并对称地分为两支。这两支血管在脑腹侧展开后再次汇合，形成环状结构（即威尔氏环）。这一位于脑底部的深部血管环是所有中等大小脑血管的起源处，例如后 cerebral 动脉、中 cerebral 动脉和前 cerebral 动脉（分别简称为 PCA、MCA 和 ACA），它们是向大脑提供大量血液供应的主要血管。在彩色多普勒模式下，可清晰识别这些中等大小的血管分支，并能清楚显示弯曲的血管节段（如 PCA）进入威尔氏环的路径（图18）。
还采用光声模式在枕部投照位置记录了脑实质组织（图19），以在光谱图中显示血管特征（图20）。通过该光谱可区分来自动脉和静脉血管的信号。
<img alt="小鼠基因编辑；带有基因修饰指示的CRISPR-Cas9过程示意图。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig1highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1：颅骨孔的位置及图像采集时的相应观察角度。 大鼠头部侧位图 (a)，以及成像换能器装置可放置的位置，使其紧贴颞骨孔（紫色箭头）和枕骨孔（黄色箭头）的侧位图 (b)。
<img alt="麻醉设置中的啮齿类动物；传感器、凝胶和面罩；生命体征监测实验。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig2highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2：用于时间图像采集的动物安置。（a） 动物在工作台上的成像摆放方式：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。工作台可配备加热装置，以在图像采集期间维持动物体温。可使用一些棉卷帮助固定该体位，同时用粘性贴片将动物的四肢固定在传感器上，用于生命体征监测。（b） 在成像过程中，超声探头将接触的头部区域需覆盖一层充足的超声耦合凝胶。
<img alt="超声设置示意图：频率 16 MHz，功率 100%，采集显示参数。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig3highres.jpg" width="550" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 3"> 
图 3：B 模式成像的采集参数。（a） 一幅示意图，显示了用于报告 B 模式脑成像所用关键采集参数的面板。（b） 重要的是，发射频率设置为较低值（16 MHz），以提高超声波在组织中的穿透能力。
<img alt="小鼠头部在MRI扫描中的方位；示意图显示了脑切片的各种成像角度。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig4highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4：通过颞骨窗获取横断面图像。 (a) 连接耳廓与眼睛的虚拟参考轴，以及用于调节换能器倾斜角度和图像采集平面的倾斜运动（红色箭头）；(b) 相对于参考的耳-眼轴逆时针旋转，同时换能器位置具有可变倾角；c) 相对于参考的耳-眼轴顺时针旋转，同时换能器位置具有可变倾角。
<img alt="超声成像；组织横截面；聚焦深度为10mm；医学诊断过程。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig5highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图5"> 
图5：超声（US）和光声（PA）图像采集的最佳聚焦深度。在寻找感兴趣区域时，为了获得最佳成像效果，需将成像聚焦深度（以黄色三角形表示）设置在距离超声/激光源约10 mm的深度处。
<img alt="超声成像中采用多普勒设置和采集参数的呼吸门控示意图。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig6highres.jpg" width="300" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6：彩色多普勒模式成像的采集参数。（a） 在开始彩色多普勒模式图像采集之前，可启用呼吸门控选项，以避免由生理呼吸运动产生的伪影。（b） 一幅示例性截图，显示在彩色多普勒模式下进行脑部成像所采用的关键采集参数。
<img alt="超声成像参数列表；频率 16 MHz；多普勒增益 28 dB；动态范围 30 dB。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig7highres.jpg" width="300" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图7"> 
图7：功率多普勒模式成像的采集参数。 一张示意图，显示在功率多普勒模式下进行脑部成像所使用的关键采集参数。
<img alt="用于光声成像的超声系统设置及参数；屏幕界面与设置。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig8highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图8"> 
图8：光声模式成像的采集参数。（a） 显示在光声模式下进行脑部成像所使用的关键采集参数的面板。（b） 光声光谱的采集，基于激光激发波长范围从680 nm到970 nm，波长间隔为5 nm（称为步长）。（c） 在750 nm和850 nm单波长光声模式下所采用的采集参数，分别用于区分脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白信号。
<img alt="小鼠矢状面方向示意图；成像倾斜角度实验示意图。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig9highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图9"> 
图9：从枕骨大孔获取的横断面图像。 (a) 探头在动物颈部的位置（黄色箭头）以及由此产生的横断面成像平面，该平面在头部长轴方向上进行尾侧至头侧的虚拟切面；(b) 探头定位及图像采集平面的后视图。
<img alt="光学相干断层扫描，标注的角膜层次，眼部解剖结构，医学影像，横截面。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig10highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图10"> 
图10：从颞骨窗获取的B模式图像以识别解剖参考结构。 表皮(a)、颅骨(b)和实质组织(c)可被清晰区分，同时还能检测到其他解剖参考结构，例如包绕腹侧深部脑区的裂隙(d)，以及视束特有的形态(e)。
<img alt="经颅多普勒超声，大脑中动脉，大脑前动脉，颈内动脉，脑血流，脑血管成像示意图。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig11highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图11"> 
图11：通过颞窗获取功率多普勒模式以识别血管参考标志。 大脑中动脉（MCA）起源于颈内动脉（ICA），位于大脑颞侧。为获得此图像，需将探头对准颞窗并以逆时针方向旋转，采集横向切面图像。
<img alt='显示颈内动脉血流的超声多普勒扫描图像，血管研究中标记为“ICA”。' src="/files/ftp_upload/52162/52162fig12highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图12"> 
图12：通过颞骨窗获取功率多普勒模式以识别血管参考标志。 大脑颞叶侧由颈内动脉发出的中脑动脉（MCA）。为获得此图像，需将探头对准颞骨窗获取横切面图像，并顺时针旋转探头。
<img alt="脑血流分析、彩色多普勒超声、ACA、MCA、ICA、血管检查、血流速度。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig13highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图13"> 
图13：通过颞骨窗采集彩色多普勒模式图像以识别血管参考标志。 大脑中动脉（MCA）起源于颈内动脉（ICA），位于大脑颞侧。血流方向信息通过彩色标尺条表示，用以区分血流方向是朝向探头还是远离探头。
<img alt="多普勒超声示意图；速度与距离关系图；血流分析；诊断成像。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig14highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图14"> 
图14：通过颞骨窗采集脉冲波模式以识别血管参考标志。 对假定为动脉的血管内循环血液的动脉特性的确认：脉冲波模式可提供血流速度变化的信息，该变化可与心脏搏动效应相关联（在动脉中比在静脉中更显著）。
<img alt="超声成像；多普勒效应；血流分析；速度/时间图；医学诊断。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig15highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图15"> 
图15：通过颞骨鳞部进行脉冲波模式采集以识别血管参考标志。 利用脉冲波模式识别静脉血管，其中心搏动对血流速度的影响可忽略不计。
<img alt="B模式和光声模式成像；超声与光声断层扫描；诊断方法比较。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig16highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图16"> 
图16：通过颞骨鳞部进行光声模式成像以识别血管参考结构。通过B模式（左）和单波长光声模式（右）成像所显示的大脑颞叶侧区实质内血管。比例尺颜色反映由特定波长激光激发诱导产生的光声信号的不同强度值。为了区分静脉与动脉，激发波长可分别设置为750 nm和850 nm，这两个波长对应脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白产生光声发射峰值的特征波长。
<img alt="B模式超声与氧合血红蛋白成像，血液氧合水平分析在医学诊断中的应用" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig17highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图17"> 
图17：通过颞骨窗进行光声模式成像以区分氧合与脱氧血红蛋白。B模式（左）和氧合-脱氧血红蛋白光声模式（右）显示大脑颞叶侧内部血管。比例尺颜色反映血红蛋白氧饱和度的不同百分比值。
<img alt="显示颈动脉血流速度的多普勒超声图像，采用彩色编码分析。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig18highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图18"> 
图18：通过枕骨大孔获取彩色多普勒模式图像以识别血管参考结构。位于脑腹侧的基底动脉环（Willis环）由弯曲的血管段构成，形成其底部结构。
<img alt="超声与光声成像对比；组织横截面分析；成像技术。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig19highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图19"> 
图19：通过枕骨孔进行光声成像与B型模式成像以识别血管参考结构。在B型模式图像中，可清晰显示通过枕部投照所识别的解剖结构，以及在670 nm至980 nm波长范围（步长5 nm）内进行光谱检测的相应光声成像结果。
<img alt="吸收和发射光谱与光学成像；图表及光谱分析结果。" src="/files/ftp_upload/52162/52162fig20highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图20"> 
图20：通过枕骨大孔进行光声成像与B模式成像以识别血管参考结构。本图显示了在小脑实质水平绘制的三个感兴趣区域（ROIs）对应的光谱；具体而言，这三个感兴趣区域位于不同类型的血管结构上，其类型可通过光谱走势加以区分（品红色和天蓝色ROIs对应静脉血管结构；黄色ROI对应动脉血管结构）。

本研究介绍了一种在大鼠脑部进行无创高频超声和光声成像的新方案，通过将信号引导至动物颅骨上天然存在的颅骨孔，有效可视化深层皮层下区域及其血管模式。

光声成像与高频超声作为神经生物学应用中的有力工具，能够实现对中枢神经系统高分辨率的成像。

本实验的总体目标是利用无创高频超声和光声成像技术对大鼠脑部进行成像，以可视化深层皮层下区域及其血管模式。首先通过去除毛发并对动物进行准确定位，完成成像前的动物准备。在超声与光声成像仪的工作台上放置换能器，并将其对准从耳部连接至眼部的虚拟轴线，以获得最佳声束方向。将动物定位，以便从颞侧视角采集图像。在获取解剖图像后，进一步采集血管图像，以观察大脑内部的血管结构，并确定血流、流速及血流方向。还可同时测定血液总血红蛋白含量及血氧饱和度。随后将动物置于枕骨视角位置，进行超声和光声脑部解剖及血管图像采集。最终，在发育完成后，利用光声方法展示脑部解剖图像及生理血管参数。该技术为神经影像学研究人员探索生理、血管和解剖结构奠定了基础。该方法可为脑部疾病（如中风和神经退行性疾病）中的关键问题提供解答，因为它能够提供有关神经功能的具体信息。首先，按照文本方案中的描述，将大鼠放入合适的异氟烷麻醉室中进行麻醉。麻醉生效后，取出大鼠并称重。在动物眼睛上涂抹一层薄薄的水溶性眼科凝胶，以保护眼睛并维持眼部生理湿润。然后将大鼠放置在超声和光声成像系统的操作台面上，迅速将其鼻子置于合适的麻醉面罩内，持续供给麻醉气体以维持麻醉状态。在头部表面均匀涂抹脱毛膏，去除耳部及颈部周围区域的毛发。待乳膏作用数分钟后，用刮刀轻轻将其取出。用湿润的海绵轻柔擦去所有乳膏残留物，以准确清洁皮肤。固定大鼠时，将其摆成仰卧伸展体位。在生命体征传感器的工作台表面涂抹少量电极膏以监测生命体征后，将传感器暂停放置于该表面。最后，使用低致敏性人造丝绸贴片固定动物的四肢。随后，在动物头部均匀涂抹一层低致敏性水溶性超声传导凝胶。在换能器头部覆盖一层相同的凝胶，并将其与大鼠身上的凝胶层接触。抬起动物的头部并轻微向一侧旋转。使用棉卷作为支撑物，确保吻部充分插入麻醉面罩中。将工作台相对于水平面倾斜约30度。将成像换能器相对于垂直面旋转约30度。进行超声和光声解剖及血管图像采集时，开启成像扫描。进入B模式图像采集，正确设置所有图像采集参数，以满足实验可能提出的要求。将发射中心频率设置为尽可能低，以获得换能器的最大穿透深度。开始B模式图像采集，并通过识别解剖学参考标志以及将感兴趣区域居中对准显示器中心点，实时调整换能器的位置。将换能器对准虚拟轴线，该轴线连接耳部与眼部，以获得最佳的声束聚焦。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。确保感兴趣脑区位于超声激光换能器源下方10毫米深度处，以获得最佳的光声响应信号。接下来，进入彩色多普勒模式，以高灵敏度显示脑内血管。然后在彩色多普勒模式下选择所需的采集参数设置。以该模式获取图像，以区分血流、流速和血流方向，穿透深度可达数毫米。进入脉冲波多普勒模式，获取图像以检测动脉血流搏动，并区分动脉与静脉。现在进入能量多普勒模式，并设置采集参数，基于流动引起的散射事件数量进行信号定量，以评估血流速率的差异。接下来，进入光声模式，并适当优化采集参数，以获取特定区域血液中总血红蛋白含量或氧合程度的数据。通过在整个波长光谱范围内产生激光激发，可定量分析组织内不同化学状态下总血红蛋白的吸收特性，从而从枕部视角进行成像。将动物保持俯卧位，降低动物头部，并使用小块棉纱卷作为侧向支撑，以正确固定动物体位。调整成像换能器与动物头部的横断面平行，以进行超声和光声解剖结构及血管图像的采集。进入B模式图像采集，设置所有图像采集参数。与之前相同，在探头和动物体表涂抹必要的超声耦合剂层。通过合理设置采集参数，以能量多普勒模式显示脑内血管结构。使用脉冲波多普勒模式定位搏动强烈的动脉。通过适当调整采集参数，在彩色多普勒模式下收集血流速度数据及血流方向。保存所有采集的数据后，退出光声采集模式以关闭激光脉冲，并在维持动物麻醉状态的同时将探头移开。用湿润的棉签轻轻擦去眼睛上的保护凝胶，开始清洁。使用刮刀和几张纸巾彻底清除头部和吻部的超声波凝胶，然后用湿海绵擦拭。注意不要损伤娇嫩的剃毛皮肤。取出用于固定四肢的粘性贴片，并将四肢与监测生理参数的传感器断开。按照文本方案所述，迅速将动物从采集工作台转移到另一个笼子中，以协助其恢复。该方法能够以相对较高的空间分辨率对特定的解剖参考结构和血管进行深层成像。此处显示的是大脑中动脉（MCA）的清晰图像，该动脉起源于颈内动脉（ICA），并进一步分为两个或多个分支，最终环绕大脑皮层叶。基于多普勒的声学成像可显示细小分支，而彩色多普勒采集则可提供血流方向信息。通过脉冲波超声技术可确认 MCA 动脉的特征。此处显示的是通过颞骨窗采集脉冲波模式，以识别血管参考信号。可检测并分析循环红细胞内血红蛋白的光声信号，从而获取其分子氧化状态的数据，并计算血液氧饱和度。可通过将血液含氧量与声学数据相关联，以确认动脉血与静脉血的区分。还采用光声成像模式在枕部投照下记录了脑实质组织，以在光谱图中显示血管特征。通过该光谱，可区分来自动脉和静脉血管的信号。该技术相较于现有方法的主要优势在于，可在无需穿透颅骨损伤的情况下，利用光学成像模式研究脑部解剖结构及相关血管行为。观看本视频后，您应能充分理解如何记录脑实质和脑血管特性，以及如何实时记录脑组织中血红蛋白水平变化对氧含量的影响。

non-invasive-parenchymal-vascular-metabolic-high-frequency-ultrasound

Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

非侵入性的脑实质，血管和代谢高频超声和光声大鼠深脑成像

微泡介导的聚焦超声破坏血脑屏障（BBB）是一种有前景的脑部靶向药物递送无创技术1-3。本方案概述了在大鼠模型中进行磁共振成像引导下经颅BBB破坏的实验操作流程。...

磁共振成像引导下利用经颅聚焦超声在大鼠模型中破坏血脑屏障

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.

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

来源：Kalva, S. K., 等，基于脉冲激光二极管的桌面式光声断层成像用于监测大鼠皮层血管中染料的流入与流出过程。J. Vis. Exp.

光声监测皮层血管中染料的移动

来源： Upputuri, P. K., 等一种高性能紧凑型光声断层成像系统 体内 小动物脑成像 视频实验杂志...

使用光声断层成像技术对大鼠脑部进行活体成像

基于紧凑型脉冲激光二极管的光声断层成像（PLD-PAT）系统用于高速成像 体内...

一种高性能紧凑型光声断层成像系统 体内 小动物脑成像

本研究展示了一种基于紧凑型脉冲激光二极管的桌面式光声断层成像（PLD-PAT）系统，用于小动物大脑皮层血管系统的高速动态活体成像。...

基于脉冲激光二极管的桌面式光声断层成像技术用于监测染料在大鼠皮层血管中的流入与清除过程

血脑屏障（BBB）可通过微泡介导的聚焦超声（FUS）实现暂时性开放。本文介绍了一种使用模块化FUS系统在体内进行高通量BBB开放的逐步操作方案，该系统便于非超声专业人员使用。...

一种用于啮齿类动物血脑屏障开放的高通量图像引导立体定向神经导航与聚焦超声系统

本研究展示了一种基于多模态超声成像平台的无创成像技术，用于缺血性脑卒中的成像。该系统可通过光声成像量化脑组织的血氧水平，并通过声学血管造影评估脑部灌注损伤情况。...

集成光声、超声和血管造影断层成像（PAUSAT）用于缺血性卒中全脑无创成像

本研究描述了一种结合磁共振成像（MRI）与低强度脉冲聚焦超声（FUS）的方案，利用颈静脉插管的活体大鼠来监测血脑屏障（BBB）的开放情况。...

使用临床前聚焦超声系统监测大鼠血脑屏障开放

本文介绍了一种超声定位显微镜（ULM）的实验方案，该方法可实现12.5...

利用超声定位显微镜对大鼠脑微血管系统进行二维超分辨率可视化

超声定位显微镜（Ultrasound Localization Microscopy, ULM）是一种 recently developed 技术，可实现前所未有的分辨率来成像微血管系统 体内本文详细描述了如何利用专为临床前研究设计的标准化功能超声成像平台，获得啮齿类动物脑微血管的超分辨率图像。...

超分辨率超声定位显微成像用于啮齿类动物脑微血管系统的精细定位

学习利用高频超声和光声成像技术对大鼠深部脑实质、血管及代谢进行非侵入性成像的方法。该技术通过自然颅骨孔道实现深部皮层下区域的可视化，为神经疾病研究提供高分辨率解剖与生理数据。

无创性高频超声与光声大鼠深部脑组织成像：实质、血管与代谢联合检测

探索更多视频