Name: 허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT) (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-02T12:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 45 s
Description: 학습하세요 PAUSAT 플랫폼을 활용한 허혈성 뇌졸중 비침습적 영상 기법으로, 광음향 및 초음파 혈관조영을 통해 조직 산소화와 뇌 관류를 정량 평가합니다. 마우스 모델에서 뇌졸중 진행을 실시간 추적하며 동물 사용을 최소화합니다.

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저자는 기술 지원에 대해 SonoVol Inc.의 엔지니어링 팀에 감사드립니다. 이 연구는 미국 심장 협회 협력 과학 상 (18CSA34080277)이 J. Yao와 W. Yang에게 부분적으로 후원했습니다. 미국 국립 보건원 (NIH)은 R21EB027981, R21 EB027304, RF1 NS115581 (BRAIN Initiative), R01 NS111039, R01 EB028143; 미국 국립 과학 재단 (NSF) CAREER 상 2144788; Chan Zuckerberg Initiative Grant (2020-226178), J. Yao에게; NIH는 W. Yang에게 R21NS127163와 R01NS099590 부여합니다.

허혈성 뇌졸중의 비침습적 통합 PAUSAT 전뇌 영상

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</ol>

저자는 이 작업에 대한 이해 상충을 선언하지 않습니다.

이 방법에는 잘못 수행할 경우 이미지 품질과 정량 분석이 크게 저하될 수 있는 몇 가지 중요한 측면이 있습니다. PAUSAT 이미지에서 사용자 오류의 가장 일반적으로 발생하는 결과는 신호 부족 또는 매우 낮은 신호 강도이며, 둘 다 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 그러한 이유 중 하나는 음향 커플 링의 문제입니다. 이미징 중 마우스 머리를 둘러싼 물의 큰 기포는 종종 초음파가 변환기로 이동하거나 변환기에서 이동하는 것을 차단하여 시스템의 세 가지 방식 모두에 대한 결과 이미지에 그림자 영역을 유발할 수 있습니다. 이는 시스템 멤브레인과 이미징할 샘플 사이에 충분한 물이 존재하도록 함으로써 방지할 수 있습니다. 또한 AA 신호가 부족하지만 사용된 파장과 무관하게 놀라울 정도로 높은 PA 신호가 발생할 수도 있습니다. 이것은 빛의 흡수를 방해하는 머리카락, 특히 검은 머리카락의 존재 때문일 수 있습니다. 이를 피하려면 머리카락이 육안으로 식별 할 수있을 때까지 동물의 머리를 미리 면도해야합니다.
<p class="jove...

혈액은 산소(헤모글로빈 단백질을 통해)와 기타 중요한 영양소를 우리 몸의 조직으로 운반합니다. 조직을 통한 혈액의 흐름이 중단되면 (허혈), 조직에 심각한 손상이 발생할 수 있으며, 그 중 가장 즉각적인 영향은 산소 부족 (저산소증)으로 인한 것입니다. 허혈성 뇌졸중은 뇌의 특정 영역으로의 혈류가 중단 된 결과입니다. 허혈성 뇌졸중으로 인한 뇌 손상은 혈관이 막힌 후 몇 분 이내에 발생할 수 있으며 종종 쇠약하고 지속적인 영향을 미칠 수 있습니다 1,2. 허혈성 뇌졸중 후 생리병리를 평가하고 새로운 치료법을 확인 및 테스트하기 위한 매우 가치 있는 전략은 실험실에서 소동물 모델을 사용하는 것입니다. 실험실에서 발견된 치료법은 임상용으로 전환되어 환자의 삶을 개선하는 것을 목표로 합니다. 그러나 생물의학 연구에서 동물의 사용은 Russell과 Burch의 3R 원칙(대체, 감소 및 정제)에 따라 신중하게 평가되어야 합니다.3. 감소 구성 요소의 목적은 데이터 수집을 손상시키지 않으면서 동물 수를 줄이는 것입니다. 이를 염두에 두고, 비침습적 영상을 통해 병변의 진화를 종단적으로 평가할 수 있다는 것은 필요한 동물의 수를 줄이는 데 큰 이점을 제공할 뿐만 아니라 각 동물로부터 얻은 정보를 최대화할 수 있다4.
광음향 단층 촬영(PAT)은 광학 흡수 대비와 초음파 영상공간 해상도를 결합한 하이브리드 영상 방식이다5. PAT의 이미징 메커니즘은 다음과 같습니다. 여기 레이저 펄스가 이미징되는 대상에 조명됩니다. 타겟이 여기 레이저의 파장에서 빛을 흡수한다고 가정하면 온도가 증가합니다. 이러한 급격한 온도 상승은 대상의 열탄성 팽창을 초래합니다. 팽창으로 인해 초음파가 대상에서 전파됩니다. 여러 위치에서 초음파를 감지함으로써 파동이 대상에서 검출기로 전파되는 데 필요한 시간을 재구성 알고리즘을 통해 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 심부 조직 영역에서 광학 흡수를 감지하는 PAT의 능력은 조직의 서로 다른 음향 임피던스의 경계를 감지하는 초음파 영상과 PAT를 구별합니다5. 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에서 유기체에 풍부한 주요 흡수율 생체 분자는 헤모글로빈, 지질, 멜라닌 및 물입니다7. 뇌졸중 연구에서 특히 흥미로운 것은 헤모글로빈입니다. 옥시헤모글로빈과 데옥시헤모글로빈은 광학 흡수 스펙트럼이 다르기 때문에 PAT는 다중 여기 레이저 파장과 함께 사용하여 단백질의 두 상태의 상대적 농도를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 헤모글로빈(sO2)의 산소 포화도 또는 혈액 산소화가 경색 영역 8,9의 내부 및 외부에서 정량화될 수 있습니다. 이것은 허혈 후 손상된 뇌 조직의 산소 수준을 나타낼 수 있기 때문에 허혈성 뇌졸중에서 중요한 척도입니다.
음향 혈관조영술(Acoustic angiography, AA)은 생체 내에서 맥관 구조의 형태를 영상화하는데 특히 유용한 조영증강 초음파 영상법이다 10. 이 방법은 이미징 대상의 순환계에 주입된 미세 기포와 함께 이중 요소 워블러 변환기(저주파 요소 및 고주파 요소)의 사용에 의존합니다. 트랜스듀서의 저주파 소자는 마이크로버블의 공진 주파수(예를 들어, 2MHz)로 전송하기 위해 사용되는 반면, 고주파 소자는 마이크로버블의 초고조파 신호(예를 들어, 26MHz)를 수신하기 위해 사용된다. 공진 주파수에서 여기될 때, 마이크로버블은 강한 비선형 반응을 가지며, 그 결과 주변 신체 조직이 생성하지 않는 초고조파 신호가 생성된다11. 고주파 소자로 수신함으로써 마이크로 버블 신호만 감지할 수 있습니다. 미세 기포가 혈관에 국한되어 있기 때문에 결과는 혈관 형태의 혈관 조영 이미지입니다. AA는 순환계를 통해 흐르는 미세 기포가 막힌 혈관을 통해 흐를 수 없기 때문에 허혈성 뇌졸중을 영상화하는 강력한 방법입니다. 이를 통해 AA는 경색 영역을 나타내는 허혈성 뇌졸중으로 인해 관류되지 않은 뇌 영역을 감지할 수 있습니다.
전임상 허혈성 뇌졸중 연구는 일반적으로 뇌졸중의 위치와 중증도를 평가하기 위해 조직학 및 행동 검사를 사용합니다. 트리페닐테트라졸륨 클로라이드(TTC) 염색은 뇌졸중 경색 부피를 측정하는 데 사용되는 일반적인 조직학적 분석입니다. 그러나, 동물을 안락사시켜야 하기 때문에 종점에서만 사용할 수 있다12. 행동 검사는 여러 시점에서 운동 기능 장애를 판정하는 데 사용될 수 있지만, 정량적인 해부학적 또는 생리학적 값을 제공할 수는 없다13. 생물 의학 영상은 허혈성 뇌졸중의 영향을 비침습적 및 세로적으로 연구하기 위한 보다 정량적인 접근 방식을 제공합니다 9,14,15. 그러나 기존 이미징 기술(예: 소동물 자기 공명 영상[MRI])은 비용이 많이 들거나 구조적 및 기능적 정보를 동시에 제공할 수 없거나 침투 깊이가 제한될 수 있습니다(대부분의 광학 이미징 기술).
여기에서는 광음향, 초음파 및 혈관 조영 단층 촬영(PAUSAT, 그림 1의 시스템 다이어그램 참조)을 결합하여 허혈성 뇌졸중 후 혈액 관류 및 산소 공급에 대한 보완적인 구조적 및 기능적 정보를 제공합니다16. 이는 부상의 심각성을 평가하고 치료에 대한 회복 또는 반응을 모니터링하는 데 있어 두 가지 중요한 측면입니다. 이러한 통합 이미징 방법을 사용하면 각 동물이 얻는 정보의 양을 증가시켜 필요한 동물의 수를 줄이고 허혈성 뇌졸중에 대한 잠재적 치료법 연구에서 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65319/65319fig01.jpg"> 그림 1: PAUSAT 다이어그램. (A) PAT에 사용되는 레이저 및 OPO를 포함한 PAUSAT 시스템의 전체 개략도. (B) 두 개의 초음파 변환기를 포함한 PAUSAT 시스템의 내부 모습. 이중 소자 워블러 트랜스듀서는 B 모드 초음파와 AA 모두에 사용되며 선형 배열 트랜스듀서는 PAT에 사용됩니다. 두 트랜스듀서 모두 동일한 2D 전동 스테이지에 장착되어 스캔을 통해 체적 데이터를 생성할 수 있습니다. 이 수치는16에서 수정되었습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65319/65319fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

<table><tbody><tr><td>20 GA 카테터</td><td>BD Insyte Autoguard 날개 달린</td><td>381534</td><td>마우스 삽관용</td></tr><tr><td>2,3,5-트리페닐테트라졸륨 클로라이드</td><td>Sigma</td><td>T8877</td><td>검증을 위한 TTC 염색 뇌에 필요</td></tr><tr><td>532nm 레이저</td><td>Quantel</td><td>Q-smart 850</td> PAT 자동 인공호흡기 Rovent Jr.<td>용 OPO를 펌핑하는 데 사용되는 레이저</td></tr><tr><td></td><td>Kent Scientific</td><td>RV-JR</td><td>수술 중 생쥐를 마취 상태로 유지하기 위해</td></tr><tr><td>Black braided silk 4-0 USP</td><td>Surgical Specialties</td><td>SP116</td><td>pMCAO 수술을 위한 목 봉합사에 사용</td></tr><tr><td>Bupivacaine</td><td>Hospira</td><td>0409-1159-18</td><td>수술 중 상처를 봉합하기 전에 사용</td></tr><tr><td>C57BL/6 Mice</td><td>Jackson Lab</td><td>#000664</td><td>허혈성 뇌졸중 연구에 사용되는 마우스(생후 2-6개월 남성/여성)</td></tr><tr><td>투명 봉합</td>사 <td>Ethicon</td><td>8606</td><td>상처 봉합(PT, 뇌졸중 및 pMCAO)에 사용됩니다. 투명한 봉합사는 PAT</td></tr><tr><td>Cold Light LED</td><td>Schott</td><td>KL 1600</td><td>PT 스트로크</td></tr><tr><td>일회용 면도날</td><td>Accutec Blade</td><td>74-0002</td><td>생쥐 뇌 절편용</td></tr><tr><td>전기 드릴</td><td>JSDA</td><td>JD-700</td><td>pMCAO 절차 중 MCA를 노출시키는 데 사용</td></tr><tr><td>전기 소작 도구</td><td>Wet-Field</td><td>Wet-Field Bipolar-RG</td><td>pMCAO 시술 중 드릴 후 혈류를 멈춥니다</td></tr><tr><td>제모 젤</td><td>Veet</td><td>8282651</td><td>이미징 전에 마우스에서 머리카락을 제거하는 데 사용됩니다</td></tr><tr><td>고온 소추 루프 팁</td><td>BOVIE Medical Corporation</td><td>REF AA03</td><td>두개골에서 측두근을 분리할 때 출혈을 방지하는 데 사용됩니다</td></tr><tr><td>IR 검출기 카드</td><td>Thorlabs</td><td>VRC5</td><td>빛의 경로가 정렬</td></tr><tr><td>되도록 하는 데 사용됩니다레이저 파워 미터</td><td>Ophir</td><td>StarBright, P/N 7Z01580</td> 이미징 레이저 스페클 이미징 시스템 RWD Life Science Co.<td>를 이미징하기 전에 레이저 에너지를 보정하는 데 사용할 수 있습니다</td></tr><tr><td></td><td>.</td><td>RFLSI-III</td><td>는 뇌졸중 수술 성공을 검증하는 데 사용할 수 있습니다</td></tr><tr><td>. 윤활제 안구 연고</td><td>진정</td><td>AB31336</td><td>눈의 건조를 방지하는 데 사용할 수 있습니다</td></tr><tr><td>. 수동으로 조정 가능한 스테이지</td><td>Thorlabs</td><td>L490</td><td>다중 초점 깊이 AA 이미징을 위한 맞춤형 램프와 함께 사용</td></tr><tr><td>수정된 Vega 이미징 시스템</td><td>Perkin Elmer</td><td>LLA00061</td><td>B-mode/AA 및 PAT 트랜스듀서를</td></tr> <tr><td>모두 포함하는 시스템광학 파라메트릭 발진기</td><td>Quantel</td><td>versaScan-L532</td><td>넓은 범위에서 여기 파장을 조정할 수 있습니다</td></tr><tr><td>프로그래밍 가능한 초음파 시스템</td><td>Verasonics</td><td>Vantage 256</td><td>시스템의 PAT 부분에 사용</td></tr><tr><td>Rose Bengal</td><td>Sigma</td><td>330000</td><td>PT 스트로크 유도에 필요</td></tr><tr><td>봉합사</td><td>LOOK</td><td>SP116</td><td>CCA 온도의 영구 결찰에 사용됩니다</td></tr>.<tr><td> Contoller</td><td>Physitemp</td><td>TCAT-2</td><td>시술 중 마우스의 안정적인 체온을 유지하는 데 사용</td></tr><tr><td>VesselVue Microbubbles</td><td>Perkin Elmer</td><td>P-4007001</td><td>음향 혈관 조영술에 사용 (2.43 &times; 10^9 microbubbles/mL)</td></tr></tbody></table>

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(pausat)

Integrated Photoacoustic, Ultrasound, and Angiographic Tomography (PAUSAT) for NonInvasive Whole-Brain Imaging of Ischemic Stroke

여기에 제시된 것은 광음향, 초음파 및 혈관 조영 단층 촬영(PAUSAT)의 세 가지 음향 기반 영상 기술을 통합하는 새로 개발된 비침습적 영상 시스템을 사용한 실험적 허혈성 뇌졸중 연구입니다. 이 세 가지 양식을 결합하면 뇌의 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(PAT), 혈액 산소화, 뇌 조직의 고주파 초음파 영상 및 대뇌 혈액 관류의 음향 혈관 조영술을 획득하는 데 도움이 됩니다. 다중 모드 이미징 플랫폼을 사용하면 뇌졸중 후 전체 마우스 뇌의 대뇌 관류 및 산소 공급 변화를 연구할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 허혈성 뇌졸중 모델인 영구 중대뇌동맥 폐색(pMCAO) 모델과 광혈전(PT) 모델을 평가했습니다. PAUSAT는 뇌졸중 전후의 동일한 마우스 뇌를 이미지화하고 두 뇌졸중 모델을 정량적으로 분석하는 데 사용되었습니다. 이 이미징 시스템은 손상되지 않은 조직(반대측)에 비해 뇌졸중 경색 영역(동측)에서 현저히 감소된 혈액 관류 및 산소 공급을 포함하여 허혈성 뇌졸중 후 뇌 혈관 변화를 명확하게 보여줄 수 있었습니다. 결과는 레이저 스페클 조영 이미징과 트리페닐테트라졸륨 클로라이드(TTC) 염색으로 확인되었습니다. 또한, 두 뇌졸중 모델 모두에서 뇌졸중 경색 부피를 측정하고 TTC 염색에 의해 실측 자료로 검증했습니다. 이 연구를 통해 우리는 PAUSAT가 허혈성 뇌졸중의 비침습적 및 종단적 전임상 연구에서 강력한 도구가 될 수 있음을 입증했습니다.

뇌의 혈관 형태 영상 AA는 공진 주파수에서 순환계의 미세 기포를 여기시키고 미세 기포의 초고조파 응답을 수신하여 혈관 형태 이미지를 생성합니다. 수동으로 조정 가능한 스테이지에 부착된 맞춤형 램프(그림 2C)를 사용하여 두 가지 다른 초점 깊이에서 AA 모드로 마우스 두뇌를 이미지화할 수 있습니다. 더 깊은 영역을 목표로 삼으면 더 많은 표면 영역(예: 대뇌 피질)이 더 낮은 분해능과 신호 강도를 나타내며(그림 3A), 그 반대의 경우도 마찬가지입니다(그림 3B). 그러나 두 개의 초점 깊이를 획득하고 결합함으로써 AA 이미지는 전체 관상 단면에 대한 정보를 제공할 수 있습니다(그림 3C, D). 또한 PAUSAT는 전동 스테이지를 사용하여 3차원을 ...

이 작업은 허혈성 뇌졸중의 비침습적 이미징을 위한 다중 모드 초음파 기반 이미징 플랫폼의 사용을 보여줍니다. 이 시스템은 광음향 영상을 통한 혈액 산소화의 정량화와 음향 혈관 조영술을 통한 뇌의 관류 장애를 허용합니다.

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)

Presented here is an experimental ischemic stroke study using our newly developed noninvasive imaging system that integrates three acoustic-based imaging ...

몇 가지 실험적 과제가 있습니다. 예를 들어, 두피에 모발이 존재하면 획득된 이미지에서 아티팩트가 발생할 수 있습니다. 동물의 나이는 또한 두개골의 두께가 현재 더 깊은 신호를 감지하는 데 한계가 있기 때문에 중요한 역할을 합니다.많은 순수 광학 이미징 기술은 침습적 절차가 필요하며 약 1mm 깊이만 이미징할 수 있습니다. PAUSAT를 통해 우리는 초음파와 광학 이미징의 장점을 결합합니다. 허혈성 뇌졸중을 둘러싼 구조적 및 기능적 정보를 완전히 안전하고 비침습적인 방식으로 얻을 수 있습니다.다른 시점에서 동일한 동물의 치료 유무에 관계없이 부상의 진화를 평가할 수 있으면 매우 귀중한 정보를 수집 할 수 있습니다. 또한 다른 연구에 필요한 동물의 수를 줄입니다. 우리는 광음향 및 초음파 이미징 모두에 대한 이미징 속도, 깊이, 해상도 및 대비를 개선하는 방법을 지속적으로 연구하고 있습니다.더 나은 이미징 시스템을 통해 우리는 보다 근본적인 생물학적 질문에 답하고 새로운 실험적 치료법을 평가할 수 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

출처: Giustetto, P., et. al., 비침습적 실질, 혈관 및 대사 고주파 초음파 및 광음향 쥐 심부 뇌 영상. J. Vis. Exp. (2015)이 비디오에서는 쥐의 뇌에서 혈관 구조와 헤모글로빈 함량을 연구하기 위해 고주파 초음파 및 광음향 이미징을 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 방법은 뇌 관류 및 혈액 산소화에 대한 자세한 통찰력을 제공하여 뇌 혈관 구조 및 산소 분포에 대한 비침습적 분석을 가능하게 합니다.

비침습적 고주파 초음파 및 쥐 뇌 혈류역학의 도플러 이미징

출처: Upputuri, P. K., et al. In Vivo 소동물 뇌 이미징을 위한 고성능 소형 광음향 단층 촬영 시스템. J. Vis. Exp. (2017)이 비디오는 광음향 단층촬영을 사용한 생체 내 비침습적 쥐 뇌 이미징 프로토콜을 보여주며, 혈관 구조 및 신경 혈관 건강을 시각화하기 위한 2D 뇌 이미지를 재구성하기 위한 준비, 이미징 시스템 설정 및 데이터 수집을 보여줍니다.

광음향 단층촬영(Photoacoustic Tomography)을 이용한 쥐 뇌의 생체 내 이미징(In vivo imaging of a rat brain using photoacoustic tomography)

본 연구는 쥐의 뇌에서 비침습적 고주파 초음파 및 광음향 기반 이미징을 수행하여 동물의 두개골에 자연적으로 존재하는 두개골 구멍에 신호를 전달하여 깊은 피질 하 영역과 혈관 패턴을 효율적으로 시각화하는 새로운 프로토콜을 설명합니다.

비 침습적 실질, 혈관 및 대사 고주파 초음파 및 광 음향 쥐 뇌 심부 이미징

소형 동물에서의 고속 생체 내 뇌 이미징을위한 소형 펄스 레이저 다이오드 기반 광 음향 단층 촬영 (PLD-PAT) 시스템이 시연되었습니다.

다음을위한 고성능 컴팩트 광 음향 단층 촬영 시스템<em&gt; In Vivo</em&gt; 소형 동물 뇌 영상

이 문서에서는, 우리는 기본 네트워크에 뇌 자극의 효과를 조사하기 위해 TMS와 fMRI의 조합과 관련된 방법론과 고려 사항을 검토하십시오.

기본 모드 네트워크를 검사하기 위해 Transcranial 자석 자극과 fMRI를 결합

이 문서에서는, 우리는 연약한 X 증후군과 자폐증 스펙트럼에서 개인의 고통 개인의 대뇌 피질의 소성에 세타 - 버스트 TMS의 자극의 효과를 검사합니다.

TMS : 연약한 X 증후군 및 자폐증과 개인의 소성의 Mechasnism를 탐험하는 세타 - 버스트 프로토콜을 사용하여

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TMS의 국가 종속성 효과 : 동기 Phosphene 동작 좀보세요

이 문서에서는, 우리는 Neuronetics NeuroStar TMS 장치를 사용하여 FDA 승인을 우울증 치료 프로토콜과 관련된 방법론과 고려 사항을 검토하십시오.

NeuroStar TMS 장치 : FDA를 실시는 우울증 치료 프로토콜을 승인

급성 허 혈 성 뇌졸중 환자의 결과 대뇌 혈액 흐름의 신속한 복원에 따라 달라 집니다. 이 프로토콜은 타이밍 맞춰서 절차를 최소화 하 고 병원에서 가능한 한 짧게 reperfusion 시간 렌더링 하 여 이러한 환자의 관리를 최적화 목표로 합니다.

급성 허 혈 성 뇌졸중 혈관 내 수술 치료의 최적화 관리

이 절차의 전반적인 목표는 비보에 허 혈 성 뇌졸중의 쥐 모델에서 뇌혈관 장애의 평가 대 한 높은 재현 기법을 제공 하는입니다.

허 혈 성 뇌졸중의 쥐 모델에서 뇌혈관 장애의 비보에 평가

학습하세요 PAUSAT 플랫폼을 활용한 허혈성 뇌졸중 비침습적 영상 기법으로, 광음향 및 초음파 혈관조영을 통해 조직 산소화와 뇌 관류를 정량 평가합니다. 마우스 모델에서 뇌졸중 진행을 실시간 추적하며 동물 사용을 최소화합니다.

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)

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