Het huidige werk beschrijft een nieuw protocol om niet-invasieve hoogfrequente echografie en foto-akoestische beeldvorming uit te voeren op rattenhersenen, om efficiënt diepe subcorticale regio's en hun vasculaire patronen te visualiseren door signalen te richten op schedelopeningen die van nature aanwezig zijn op het schedeldak van het dier.
Methodenartikel
Niet-invasieve Parenchymale, Vasculaire en Metabole Hoogfrequent Ultrasound en Fotoakoestisch Rat Deep Brain Imaging
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Foto-akoestiek en hoogfrequente echografie onderscheiden zich als krachtige hulpmiddelen voor neurobiologische toepassingen die beeldvorming met hoge resolutie mogelijk maken in het centrale zenuwstelsel van kleine dieren. Echter, transdermale en transcraniële neuroimaging wordt vaak beïnvloed door lage gevoeligheid, beeldafwijkingen en verlies van ruimteresolutie, waardoor schedel of zelfs schedelverwijdering vereist is vóór het beeldvormen. Om deze uitdaging te overwinnen, wordt een nieuw protocol gepresenteerd om aanzienlijke inzichten te verkrijgen in de hersenhemodynamiek door foto-akoestische en hoogfrequente ultrasone beeldvorming met intacte dierlijke huid en schedel. De procedure is gebaseerd op het passeren van ultrasone (US) golven en laser rechtstreeks door de spleetjes die van nature aanwezig zijn op de schedel van het dier. Door de beeldvormingssonde exact te plaatsen in overeenstemming met deze geselecteerde gebieden waar de schedel een verminderde dikte heeft of volledig afwezig is, kan men hoge kwaliteit diepe beelden verkrijgen en interne hersengebieden verkennen die meestal moeilijk anatomisch of functioneel te beschrijven zijn zonder een invasieve aanpak. Door deze experimentele procedure toe te passen, kunnen significante gegevens worden verzameld in zowel sonische als opto-akoestische modaliteiten, waardoor de parenchymale en de vasculaire anatomie ver onder het hoofdoppervlak kan worden gevisualiseerd. Diepe hersengebiedkenmerken zoals parenchymale windingen en spleetjes die de lobben scheiden, waren duidelijk zichtbaar. Bovendien werd de configuratie van grote en kleine bloedvaten geïmagineerd op enkele millimeters diepte, en werd precieze informatie verzameld over bloedfluxen, vasculaire stroomsnelheden en de chemische toestand van hemoglobine. Dit repertoire van gegevens zou cruciaal kunnen zijn in verschillende onderzoekswedstrijden, variërend van onderzoek naar vasculaire hersenziekten tot experimentele technieken die de systemische toediening van exogene chemicaliën of andere objecten met beeldverbeterende contrasteigenschappen omvatten. Concluderend, dankzij het gepresenteerde protocol, worden de US- en PA-technieken een aantrekkelijke niet-invasieve prestatie-competitieve methode voor corticale en interne hersenbeeldvorming, met een significant potentieel in vele neurologische gebieden.
Inleiding
Strategieën om minutieus beschrijven functies van de hersenen hemodynamiek in het centrale zenuwstelsel van kleine dieren zijn nodig om het gebied van de neurowetenschappen 1-3 te bevorderen. De gepresenteerde techniek laat zien hoe niet-invasieve akoestische en fotoakoestiek uitvoeren op kleine dieren hersenen om vasculaire biologie, bewerkt en functie te onderzoeken.
Optische beeldvorming mogelijk lokalisatie van gebeurtenissen met betrekking tot neurale activiteit 2,4-5 gelijktijdig signalen van hemoglobine verwerven zowel geoxygeneerde en niet-geoxideerde toestanden 6. Vanwege fotonische absorptie en verstrooiing, zuivere optische beeldvorming lijdt slechte ruimtelijke resolutie en beperkte penetratie diepte 7-8. Omgekeerd akoestiek bieden de mogelijkheid om dieper beeldvorming voeren met hogere ruimte ruimtelijke resolutie, maar wordt gehinderd door speckle en weinig contrast 9-11. Door het combineren van kenmerken van fotonica with echografie, fotoakoestische techniek verbetert zowel beeldvorming en diagnostische mogelijkheden van enkele methoden 12-16.
Fotoakoestische beeldvorming van de hersenen heeft de potentie om meerdere vragen ontrafelen in neurobiologie echter het schedeldak die van nature beschermt de hersenen, drastisch beperkt zowel de fotonische en ultrasone penetratie 17-19. Bovendien botten bevorderen verstrooiing van licht en geluid resulteert in verlies van gevoeligheid en imago aberraties 17-18. Bijgevolg kan hersenen ultrasone en fotoakoestische beeldvorming gemakkelijk worden uitgevoerd op pasgeboren dieren voor de ossificatie 20, maar de diepe anatomie en fysiologie van de volwassen hersenen zijn duidelijk toegankelijk na craniotomie 21,22. Helaas de operatie nodig voor schedel verwijderd is technisch moeilijk en de effecten schadelijk voor sommige experimentele doeleinden waardoor het moeilijk is om neurale progressie op het bewakenhetzelfde dier tijd. Daarom is een niet-invasieve werkwijze voor het diep cerebrale biologie kleine diermodellen zeer gewenst. In de literatuur de methode foton recycler 17 wordt gerapporteerd als een manier om de telefoon verlies verminderen en de transmissie door de intacte schedel, betere fotoakoestische signaal-ruisverhouding (SNR) en contrast van het doel.
De gepresenteerde protocol is gericht op een betrouwbare methode voor subcorticale hersenen akoestische en fotoakoestiek aan onderzoek gebruiken knaagdieren (specifiek op ratten) te verstrekken zonder invasieve chirurgie. De procedure is gebaseerd op het gebruik van draagbare transducentinrichtingen voor hoogfrequente ultrasone en foto-akoestische beeldvorming. In tegenstelling tot de imaging-technologie 23, draagbaar en directionele transducers 24 staat selectie van specifieke schedel gebieden met van nature verminderde dikte tomografische, genoemd scheuren of scissures. De grote kloven (foramen) aanwezig op de gewervelde eennimal schedel zijn nodig om de zenuwbanen, schepen of andere structuren verbinden interne encephalon schakelingen naar andere delen van het lichaam te lokaliseren. De grote spleten zijn in verschillende grootte bot openingen die kunnen worden benut als specifieke passages ultrasone golven en laser. Dergelijke gerichte beeldvorming vermindert golf reflectie-effecten veroorzaakt door bot interfaces en verhoogt de gevoeligheid door het verbeteren van de beeldvorming penetratie diepte. In dit opzicht kan de beeldvormende transducer loodrecht op de spleten op de tijd en de occipitale kant van de schedel (figuur 1) zijn, teneinde maximaal convergeren de echografie en fotonische balken op deze gebieden. Deze oriëntatie bevordert zowel signaalkwaliteit en dwingt het signaal verder door een dunnere bot laag ten opzichte van andere craniale oriëntaties. Aldus de uitgezonden en gereflecteerde golven ondergaan minder sterke verstrooiing, waardoor verzameling intense signalen afkomstig van dieperweefsel lagen. In tegenstelling tot eerdere procedures, deze experimentele instelling vereist slechts dierlijke hoofd scheren, terwijl geen andere operatie noodzakelijk.
Met het voorgestelde protocol, wordt beeldvorming uitgevoerd bij relatief hoge ruimtelijke resolutie, onthullende beide, specifieke verwijzing anatomische structuren en bloedvaten dieper dan de huidige state of the art methoden, dit alles terwijl de dierlijke huid en de schedel intact blijven. Unieke coronale en axiale beelden kunnen worden verkregen door het exploiteren van diverse ultrasone beeldvorming overname modaliteiten (B, Vermogen Doppler, kleur Doppler, Pulsed Wave Mode) parallel aan fotoakoestische beeldvorming. Een uitgebreide repertoire van parameters kunnen worden gewonnen uit deze beelden, waardoor afbeelding van parenchym- en vasculaire anatomie, naast een hele verzameling van functies die de bloedcirculatie dynamiek. Dit protocol kan worden gebruikt om beelden elementaire corticale parenchym functies in High Frequency Ultrasone B Mode modaliteit, het basilair en interne halsslagaders (BA en ICA respectievelijk) het samenstellen van de Cirkel van Willis, de midden cerebrale slagader (MCA) en andere details van de bloedsomloop apparaat. Verder, de doorbloeding kwantificering, bedoel stroomsnelheden, directionele beweging beschrijving en zuurstofverzadiging gegevens kunnen worden verzameld van corticale tot diepe hersengebieden.
Deze nieuwe strategie een groot potentieel voor diverse toepassingen en voldoet aan de dringende behoefte aan betrouwbare procedures deep brain functies die cruciaal diverse pathologieën tonen. Mede vanwege de minimale invasiviteit, de gepresenteerde protocol kan groot mogelijk imaging studies op het centrale zenuwstelsel, met name die langdurige controle of met delicate pathologische diermodellen mogelijk.
Protocol
Noodzakelijk experimenten om het protocol te ontwikkelen werden uitgevoerd volgens de nationale regelgeving en werden goedgekeurd door de lokale ethische wetenschap commissie (Comitato di Bioetica di Ateneo), die binnen het instituut van de Universiteit van Turijn, Turijn, Italië.
1. Voorbereiding
- Anesthesie
- Plaats het dier in de juiste isofluraan kamer te verdoven.
- Vul de kamer met gemengde O 2 en isofluraan gas voor diergeneeskundig gebruik in een concentratie van 2,5% in een 2 L gaskamer en wacht ongeveer 3 min voor de rat in slaap te vallen. Controleer voor het effect van de anesthesie door een teen knijpen.
- Zodra de verdoving van kracht wordt, verwijder dan de rat en wegen.
- Een dun laagje water oplosbare oogheelkundige gel op de ogen van het dier te beschermen en de oculaire fysiologische hydratatie.
- Leg de rat naar beneden op een echografie en fotoakoestiek station werkblad. IkMet het doel de anesthesie effect te behouden, snel plaatst de neus in de juiste masker een constante stroom anesthesie (isofluraan 2% -2.5% zuurstof 1 l / min).
- Scheren van het dier
- Verspreid een consistente laag van haardroger verwijderen crème op het hoofd oppervlak, met aandacht voor de gebieden rond de oren en nek bedekken. Laat de room om op te treden voor enkele minuten en voorzichtig neem het uit met een spatel. Zachtjes verwijder alle crème resten met een natte spons op de huid nauwkeurig te reinigen.
OPMERKING: De vacht dier vangt lucht die een negatieve invloed ultrageluid gebaseerde beeldopname, dus het moet noodzakelijkerwijs zoveel mogelijk verwijderd.
- Verspreid een consistente laag van haardroger verwijderen crème op het hoofd oppervlak, met aandacht voor de gebieden rond de oren en nek bedekken. Laat de room om op te treden voor enkele minuten en voorzichtig neem het uit met een spatel. Zachtjes verwijder alle crème resten met een natte spons op de huid nauwkeurig te reinigen.
- Positionering het dier
- Schik het dier in een spread-eagle positie. Controleer de vitale functies, door passende vitale parameter sensoren op het werkblad (indien aanwezig). Lean de poten op de sensors na toepassen van enkele druppels contact gel voor professioneel gebruik.
: Tijdens anesthesie zorgen dat vitale parameters waarden als volgt: rat lichaamstemperatuur ≈ 37,5 ° C, hart- slagen per minuut (BPM) varieert tussen 250 en 350 en de ademfrequentie wordt in het bereik van 40-80 ademhalingen per minuut . - Tot slot zet de ledematen met hypoallergeen kunstzijde patch. Eventueel verspreid weer een dun laagje water oplosbare oogheelkundige gel ogen dier te beschermen.
- Schik het dier in een spread-eagle positie. Controleer de vitale functies, door passende vitale parameter sensoren op het werkblad (indien aanwezig). Lean de poten op de sensors na toepassen van enkele druppels contact gel voor professioneel gebruik.
2. Image Acquisition uit het oogpunt van tijdsverloop
- Positionering het dier
- Houden het dier een liggende positie, draait het lichaam iets op de zijkant, met een kantelhoek van ongeveer 45 ° ten opzichte van het sagittale lichaamsas. Gebruik kleine gaasje rollen als staat tot de verwijdering (figuur 2a) correct te regelen.
- Hef het dier hoofd en draai het licht aan de ene kant (figuur 2a). Gebruik een katoenen rol als stand houden van de snuit goed inserted in de anesthesie masker.
- Incline het werkblad een hoek van ongeveer 30 ° ten opzichte van het horizontale vlak.
- Draai de beeldvormende transducer onder een hoek van ongeveer 30 ° ten opzichte van het verticale vlak.
- Ultrasone en fotoakoestische anatomische en vasculaire beeldaanwinst
- Draai de beeldvorming te scannen op, voert de B-modus beeldopname en goed ingesteld alle beeldopname parameters om mogelijke gegeven eisen van het experiment (figuur 3a) te respecteren.
OPMERKING: Stel het verzendkanaal middenfrequentie zo laag mogelijk (16 MHz, figuur 3b), teneinde de maximale penetratiediepte kan de transducer hebben. - Gooi een consistente laag (ongeveer 1 cm dik) van hypoallergeen water oplosbare ultrasound transmissie gel op het hoofd van het dier (Figuur 2b). Bedek de transductorkop met een dunne laag van dezelfde gel en het in contact met de laag op de rat. Gebruik warm gel om gelokaliseerde onderkoeling te minimaliseren.
- Start beeldopname in B-modus en stel de transducer positionering in real-time, door het identificeren van anatomische referenties en door het centreren van de regio van belang zijn voor de monitor middelste punt. Zorg ervoor om luchtbellen te verwijderen op elk niveau ingesloten in de gel laag, omdat ze een negatieve invloed hebben op de overname.
- Plaats de transducer aan te passen aan de virtuele as verbindt het oor voor het oog (figuur 4a) om een optimale bundel focalisatie te verkrijgen. Verwerven verschillende weergaven van het interne volume hersenen, door de klok mee of tegen de klok in draaien (figuur 4b en c).
- Uiteindelijk zet de transducer op een mechanische stand stabiel de positie en om af te stemmen de oriëntatie op een fijne manier te beveiligen.
- Zorg ervoor dat de cerebrale interessegebied lokaliseert 10 mm diepte ten opzichte van de US-LASER transducer bron teneinde een optimale pH ontvangtOtoakoestische antwoordsignaal (figuur 5). Vervolgens plaatst u de indicator van de Amerikaanse golf focalisatie precies in het midden van de geanalyseerde gebied.
OPMERKING: Bij onderzoek van interessegebieden, voorkomen de activering van de optie ademhaling poort, om de positionering te versnellen. - Voer Color Doppler Mode om interne hersenen de bloedvaten in een zeer gevoelige manier te visualiseren.
- Zodra de positionering is ingesteld op een passende manier om de wilde gebieden te visualiseren, activeer de optie ademhaling poort tot ongewenste effecten die verband houden met de beweging (figuur 6a) te vermijden.
- Kies de gewenste overname parameterset in Color Doppler-modus (figuur 6b) en het verwerven van beelden in deze modaliteit te bloedstroom snelheden en richtingen te onderscheiden, tot enkele millimeters van de penetratie diepte.
- Voer Pulsed Wave Doppler-modus en het verwerven van afbeeldingen om slagader bloed pulsatie detecteren en te differentiëren tussen slagaders eennd aderen.
- Voer vermogen Doppler modus en stel verwervingsparameters (figuur 7) om een signaal kwantificering uit op basis van het aantal verstrooiingsgebeurtenissen door de flux beweging en dus geëvalueerd verschillen in stroomsnelheden.
- Voer Fotoakoestisch Mode en correct te verfijnen acquisitie parameters (figuur 8a) om gegevens over het bloed totale hemoglobine inhoud of oxygenatie diploma in een bepaald gebied te verzamelen. Door het produceren van laser excitatie op een gehele golflengte spectrum (680 nm tot 970 nm, figuur 8b), de absorptie van totale hemoglobine aanwezig in verschillende chemische toestand in een weefsel kan worden gekwantificeerd. Door het uitvoeren signaal verzamelen van één specifieke golflengten (figuur 8c), is het mogelijk om de afzonderlijke signaalbijdragen vanwege de opname van zuurstof en de-oxy zuivere species te isoleren.
- Draai de beeldvorming te scannen op, voert de B-modus beeldopname en goed ingesteld alle beeldopname parameters om mogelijke gegeven eisen van het experiment (figuur 3a) te respecteren.
3. Beeldvorming van de Occipital Point of View
- Positionering het dier
- Het houden van het dier in een buikligging, verlagen het dier hoofd en gebruik maken van kleine gaasje rollen als laterale staat om de verwijdering correct regelen.
- Draai de beeldvormende transducer evenwijdig aan het dwarsvlak van de dierkop (figuur 9).
Opmerking: Zo wordt de overname gecentreerd door de occipitale foramen aan de basis van de schedel. Door het variëren van de hellingshoek van de sonde oriëntatie (figuur 9), is het mogelijk om interne beelden verblijf in verschillende weergaven afhankelijk van de instelling helling verkrijgen.
- Ultrasone en fotoakoestische anatomische en vasculaire beeldaanwinst
- Voer de B modus beeldopname, stel alle beeldopname parameters zoals eerder beschreven (figuur 3) en spreid het benodigde ultrasone gel lagen op de sonde en het dier nek.
- Schik de transducer tot bijna horizontaal blijven, in order worden gericht langs de anatomische posterior naar anterior as van het lichaam. Richt deze naar de frontale zijde van de snuit en kantel hem iets naar voren.
- Start beeldopname in B-modus en Color Doppler-modus (figuren 3 en 6). Nauwkeurig de transducer positie aan te passen en te verwijderen luchtbellen uit de gel coat zoals eerder beschreven. Indien mogelijk, maak de transducer op een stevige voet aan de oriëntatie op een fijne manier te controleren en kies de beste kantelhoek om beelden van de gewenste anatomische gebieden te verwerven.
- Interne hersenen de bloedvaten in de Macht Doppler Mode, visualiseren door de juiste instelling acquisitie parameters (Figuur 7).
- Lokaliseren intens gepulseerd slagaders door Pulsed Wave Doppler Mode. Onderscheiden van aderen, die omgekeerd worden gekenmerkt door lage niveaus van de bloedstroom pulsatie.
- Verzamel bloedstroom snelheden data en richtingen in het Color Doppler-modus, door een adequate aanpassing van acquisition parameters (figuur 6).
- Compleet deep brain hemodynamische karakterisering dataset, door chemische bloed informatie verkregen via de fotoakoestische overname (figuur 8) toe te voegen. Voer deze door het bepalen van het bedrag van HEMATISCHE parameters zoals de O2 verzadiging percentage en de totale hemoglobine gehalte (HBT), die over het algemeen gemeten door de laser excitatie golflengte bij 750 en 850 nm (figuur 8c).
4. Einde van de Verwerving en Animal Removal
OPMERKING: Goed overwegen de hele tijd gewijd aan het beeld acquisitieproces (van stap 1 tot stap 3), die wordt onderworpen aan de belangrijkste beperkingen in verband met verdoving dosis toegepast op het dier.
- Bewaar alle verkregen data, zet de laser pulsen af door de Fotoakoestisch overname modus verlaten en afstand van de transducer.
- Met behoud van de animal onder de verdoving effect, het gaat schoonmaken door voorzichtig verwijderen van de beschermende gel uit de ogen met een nat wattenstaafje. Gebruik een spatel en een aantal papieren zakdoekjes om de ultrasound gel volledig te verwijderen uit het hoofd en de snuit, dan maak ze schoon met een natte spons. Wees voorzichtig niet om de delicate geschoren huid beschadigen.
- Haal de lijm patch gebruikt om de ledematen vast en trek ze uit de sensoren die de fysiologische parameters te monitoren. Een snelle overdracht van het dier uit de overname werkblad naar een andere kooi.
- Host van het dier in een kleine kooi voor het herstel van de anesthesie. Ervoor te zorgen dat de dieren niet de kooi moeten delen in deze fase om agressie te voorkomen
- Plaats het herstel kooi onder een infrarood licht om de dieren warm te houden. Wacht tot het voldoende weer bij bewustzijn is om borstligging behouden. Controleer algemene gezondheid van de dieren, voordat het naar de fokkerij kamer bewegen.
Resultaten
Deze methode maakt het mogelijk om het beeld zowel specifieke anatomische verwijzing structuren en bloedvaten bij relatief hoge ruimtelijke resolutie, dieper dan de huidige techniek met de dierlijke huid en de schedel intact. In onze experimentele omstandigheden de diepte van de PA signaal is 4,5 mm en de axiale resolutie is 75 urn met een FOV 23 x 15.5 cm. Experimenten met Fotoakoestisch Tomografie modaliteit 19 toonde een waarde van de resolutie van <1 mm. Het bereik van SNR waarden van 21.6 dB 23,8 dB (verkregen door 5 verschillende punten willekeurig geselecteerd op hersenweefsel en achtergrond). Naast elkaar plaatsen van de transducer op de schedel temporale zijde kunnen hersenbeelden worden verkregen als dwars- of zelfs coronale secties op basis van de geselecteerde positioneringshoek van de transducer met een resulterende zijdelingse beeldvorming gezien (figuur 4). Epidermis, zijn schedel botten en parenchymcellen materiaal goed vertegenwoordigd in ultrasone B-modus, omdat ze sterk verschillen in termen van acoustic dreigement (Figuur 10). Zelfs als de configuratie afhankelijk van de gekozen oogpunt bepaalde anatomische referentiesites op parenchym herkenbaar, zoals scheuren scheiden hersenen binnenste deel van cortex en de karakteristieke gevormde optische tractus (figuur 10). Daarnaast is een groot aantal schepen zijn zichtbaar, zowel in ultrasone en fotoakoestische beeldvormende modaliteiten. Karakteristieke snijpunten van interne halsslagader (ICA) met andere belangrijke grote schepen die langs de uitwendige laterale oppervlak van hersenen van het dier kan gemakkelijk worden herkend. Grote vasculaire routes, zoals de ICA, bieden een enorme bloedtoevoer naar de consistente neuronale behoefte aan energie en zuurstof aan. De ICA, afkomstig van carotis communis (CCA), draait op de zijkant van het hoofd op enkele millimeters diepte, gaat verder alle bifurcatie locaties en tenslotte de frontale kopgedeelte bereikt. Deze belangrijkste bloedbaan verspreidt onder intermediaten-sized schepen, alvorens te worden gekanaliseerd in steeds kleinere slagaders om eindelijk te voeden neuronen. Uit de tijd betreft, is het mogelijk om de interne cerebrale slagader patroon, dat splitst in vaten gericht op voor- en zijkant hersenen traceren. Coronale en transversale beelden kunnen opgenomen met verschillende helling van de transducer ten opzichte van de richting van de virtuele as toetreding het oog en de oorschelp van het dier (figuur 4). Door kantelen van de transducent volgens de in figuur 4 beschreven projecties, is het mogelijk opgelost afbeeldingen van de midden cerebrale slagader (MCA) die voortvloeit uit ICA en verder verdeelt in twee of meer takken verkrijgen die uiteindelijk surround corticale kwabben (figuren 11 en 12). De beste visualisaties werden verkregen voor MCA met de sonde tilt als toonden in figuur 4c en voor ICA zoals bleek in figuur 4b.
-Doppler gebaseerde akoestische beeldvorming onthult kleine takken, terwijl de directionele informatie van het bloed stroom is beschikbaar dankzij Color Doppler acquisitie (Figuur 13). MCA slagader functie wordt bevestigd door Pulsed Wave ultrasone techniek (figuren 14 en 15). Fotoakoestische signaal bevatten hemoglobine in circulerende rode bloedcellen worden gedetecteerd en geanalyseerd om gegevens te verzamelen over de moleculaire toestand oxidatieve en bloed zuurstofverzadiging berekenen (Figuren 16 en 17). Hematische zuurstofgehalte kan worden gecorreleerd aan sonische gegevens om discriminatie van arterieel bloed uit veneus bloed bevestigen.
Door te wijzen de transducer in de richting van het achterhoofdsgat, wordt de visie geprojecteerd op het hoofd axiale vlak (Figuur 9) en deze beeldvorming vliegtuig kan worden verrekend op variabele kantelhoeken. In dit geval kan het achterste oogpunt beeldvorming worden geconnoteerd door hoge indringdiepte, vanwege de grotere occipitale invoer. De cirkel van Willis, een karakteristiek schip configuratie in de diepe hersenstimulatie, kunnen worden gelokaliseerd en door het toepassen van alle bovengenoemde technieken onderzocht. Basilaire slagader (BA), die op de ventrale zijde van cerebellum, leidt uiteindelijk tot hersenen en symmetrisch vertakt in twee takken. Deze twee takken aan de ventrale hersenen verspreid en vervolgens weer samen te voegen, dus het creëren van een ringstructuur (Cirkel van Willis). Deze basale diep cirkel is de vasculaire kelder waaruit middelgrote bloedvaten ontstaan, zoals de Posterior, Midden en Anterior cerebrale arteriën (PCA, MCA en ACA respectievelijk), dat de belangrijkste effectoren van een massieve bloedtoevoer moeten de hersenen . In Color Doppler-modus, de identificatie van middelgrote takken haalbaar is en stelt de duidelijke visualisatie van gebogen vasculaire segmenten (zoals de PSO) het invoeren van de Cirkel van Willis (Figuur 18).
nt "> De cerebrale parenchymatische weefsel werd opgenomen met PA modaliteit occipitale uitsteeksel (figuur 19) vasculaire karakterisering spectrale grafiek (figuur 20) vertonen. Met dit spectrum kan onderscheiden signaal afkomstig van arteriële en veneuze vaten.
Figuur 1: Locatie van de schedel foramina en respectieve standpunt voor het verwerven De rat hoofd in profiel (a) en de sites waar de imaging transducer apparaat kan worden geplaatst te worden naast elkaar op temporele foramen (paarse pijl) en op het achterhoofdsgat. (gele pijl) in profiel (b).
Figuur 2: Animal beschikking voor tijdelijke afbeelding acquisition. (A) De opstelling van het dier op het werkblad voor het verkrijgen: na hoofd scheren, het dier in een liggende positie met het lichaam iets aan één zijde om de temporale zijde van de kop bloot. Het werkblad kan eventueel worden voorzien van een verwarming apparaat om het lichaam warm van het dier tijdens de overname te houden. Sommige wattenrollen kan worden gebruikt om deze positie te verkrijgen, terwijl plakstrips bevestigen de poten op de sensoren van de vitale functies. (B) een consistente laag ultrasoongel bestrijkt het gebied van de kop waarop de transducer tijdens de beeldvorming wordt geplaatst.
Figuur 3: Acquisitie parameters voor B-modus beeldvorming. (A) Een illustratief screenshot toont het paneel rapportage belangrijke acquisitie parameters gebruikt voor de beeldvorming van de hersenen in B-mode. (B) Belangrijk is dat de zendfrequentie ingesteld op lage waarden (16 MHz) te verbeteren Amerikaanse weefselpenetratie.
Figuur 4: Transversale beeldopname van temporale foramen (a) De virtuele referentie-as toetreden tot de oorschelp voor het oog en de tilt beweging (rode pijl) naar de transducer neiging en het beeld acquisitie vliegtuig variëren, (b) tegen de klok in beweging ten opzichte van. verwijzing oor-to-eye as en variabele helling van de transducer positie; c) de klok mee beweging ten opzichte van referentie oor-to-eye as en variabele helling van de transducer positie.
Figuur 5: Optimale focus diepte voor de VSen imago PA acquisitie. Terwijl op zoek naar het gebied van belang, de beeldvorming focus diepte (vertegenwoordigd door een gele driehoek) moet worden vastgesteld op ongeveer 10 mm van de diepte van de VS / laserbron, om een optimale beeldkwaliteit te krijgen.
Figuur 6: Acquisitie parameters voor Color Doppler-modus beeldvorming. (A) Voor het begin beeldopname in Color Doppler-modus, kan de optie ademhaling poort worden ingeschakeld, om het artefact gegenereerd door fysiologische respiratoire bewegingen te vermijden. (B) Een tentoonspreiden screenshot toont belangrijke acquisitie parameters gebruikt voor de beeldvorming van de hersenen in kleur Doppler Mode.
Figuur 7: Acquisitie parameters voor Power Doppler-modus beeldvorming. Een illustratief screenshot toont belangrijke acquisitie parameters gebruikt voor de beeldvorming van de hersenen bij Power Doppler Mode.
Figuur 8: Acquisitie parameters Fotoakoestisch beeldvormend. (A) De centrale van belangrijke acquisitie parameters gebruikt voor beeldvorming in Fotoakoestisch modus. (B) Verwerving van een Fotoakoestisch spectrum, gebaseerd op een laser excitatie varieert van 680 nm tot 970 nm, een golflengte-interval van 5 nm (aangeduid als stap grootte). (c) Acquisitie parameters gebruikt voor respectievelijk enkele golf Fotoakoestisch Mode bij 750 nm en 850 nm, voor discriminatie van de zuurstofrijk en zuurstofrijk hemoglobine signalen.
fig9highres.jpg "/>
Figuur 9:. Transversale beeldacquisitie van occipitale foramen (a) Transducer positionering hals dier (gele pijl) en de resulterende transversale beeldvlak dat vrijwel secties het hoofd op de caudo-rostrale richting; (b) achteraanzicht van de transducer positionering en beeldopname vliegtuig.
Figuur 10:. B-modus verkrijgen van tijdelijke foramen voor de individualisering van anatomische referenties epidermis (a), skull (b) en parenchym (c) kan gemakkelijk worden onderscheiden, maar ook andere anatomische gevonden kunnen worden, zoals de spleet ( d) die de ventrale gedeelte diepe hersenen en de karakteristieke vorm van de optische tractus (e).
Figuur 11: Vermogen Doppler Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire referenties MCA het verhogen van de ICA aan de temporale zijde hersenen.. Om dit standpunt te verkrijgen, werd dwars imago verworven door te wijzen de transducer op de temporale foramen en door te draaien tegen de klok in.
Figuur 12: Vermogen Doppler Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire referenties MCA het verhogen van de ICA aan de temporale zijde hersenen.. Om dit standpunt te verkrijgen, werd dwars imago verworven door te wijzen de transducer op de temporale foramen en door te draaien met de klok mee.
Figuur 13: Color Doppler Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire referenties MCA het verhogen van de ICA aan de temporale zijde hersenen.. Richtingsinformatie van bloedstroom wordt uitgedrukt door een kleurenschaal bar, onderscheiden flux bewegingen gericht op de omzetterinrichting en afgelegen.
Figuur 14: Pulsed Wave Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire referenties Bevestiging van de arteriële eigenschappen van het bloed circuleert in vaten, die hypothetisch werden geïdentificeerd als slagaders:. Pulsed Wave-modus geeft informatie over de variatie van stroomsnelheden, die kan worden gecorreleerd cardiale pulsatie effect (meer inteNSE in slagaders dan in aders).
Figuur 15: Pulsed Wave Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire referenties Identificatie door Pulsed Wave-modus van de bloedvaten als aders, waar de cardiale pulseren effect op stroomsnelheden is verwaarloosbaar..
Figuur 16: Fotoakoestisch Mode overname door temporale foramen voor de individualisering van vasculaire gevonden. Parenchymatische interne schepen in de temporale hersenen kant gevisualiseerd door B-Mode (links) en Single-wave Fotoakoestisch Mode (rechts). De schaal bar kleuren reflecteren verschillende intensiteit waarden van foto-akoestische signalen, veroorzaakt door een laser excitatie uitgevoerd op een geselecteerde golflengte. In order te aders en slagaders individualiseren, kan excitatiegolflengten worden ingesteld op 750 en 850 nm, die de waarden van de fotoakoestische emissie pieken voor zuurstofarm en zuurstofrijk hemoglobine respectievelijk verkrijgen.
Figuur 17: Fotoakoestisch Mode overname door temporale foramen voor zuurstofrijk en-de zuurstofrijk discriminatie hemoglobine. Interne schepen in de temporale hersenen kant gevisualiseerd door B-Mode (links) en Oxy-Hemo Fotoakoestisch Mode (rechts). De schaal bar kleuren reflecteren ander percentage waarden van de zuurstofverzadiging van het bloed hemoglobine.
Figuur 18: Color Doppler Mode overname door achterhoofdsgat voor de individualisering van vasculaire gevonden.Gebogen vaatsegmenten creëren van de kelder structuur van de Cirkel van Willis, gelegen in de buikzijde hersenen.
Figuur 19: Fotoakoestisch en B-modus overname door achterhoofdsgat voor de individualisering van vasculaire gevonden. Nell'immagine in de B-mode si possono evidenziare le strutture anatomiche individuabili con la proiezione occipitale e nella corrispondente acquisizione con modalità fotoacustica con rilevamento spettrale tra 670 nm een 980 nm (con stap di 5 nm).
Figuur 20: Fotoakoestisch en B-modus overname door achterhoofdsgat voor de individualisering van vasculaire gevonden. In Questa stel viene rappresentato lo Spettro corrispondente Alle Tre ROI tracciate een livello del parenchym cerebellare; in particolare sono tracciate een livello di tre strutture vascolari, la cui tipologia si differenzia een livello dell'andamento spettrale (ROI fuxia e Celeste corrispondono een strutture vascolari aderlijk; ROI gialla corrisponde ad una struttura vascolare arteriosa).
Discussie
De gepresenteerde protocol werd geoptimaliseerd met het oog op zeer effectieve brain imaging prestaties te bieden in kleine dieren. Beelden kunnen op verschillende wijzen worden verkregen door nauwkeurig volgens de aanwijzingen over de acquisitie parameters en de transducer positionering op de schedel foramina. Met name de positionering op de temporale zijde is het meest kritische omdat de VS en de laser moeten worden gecentreerd zo nauwkeurig mogelijk te kunnen doordringen in de foramen, die kleiner is dan de occipitale één. Maar dankzij deze experimentele instelling, hemodynamische functies met betrekking tot fysiologische of pathologische wedstrijden toegankelijk en kan zelfs in diepe hersengebieden die doorgaans moeilijk te karakteriseren geëvalueerd.
Aangezien succesvolle beeldacquisitie afhankelijk van de nauwkeurigheid van de omzetter positionering afhankelijkheid moet zorgvuldig rekening gehouden omdat de beeldkwaliteit beïnvloeden. Bijvoorbeeld,sommige anatomische structuren van belang kon niet volledig worden opgenomen in de overname beeldvlak en hun identificatie van beelden die slechts een gedeeltelijke visie bieden kan leiden suboptimaal. Bovendien zou een VS en PA beeldopname uitgevoerd in een driedimensionaal modaliteit (3D modus) niet verenigbaar met de eerder beschreven experimentele setting, omdat de transducer langs een vooraf gedefinieerde geautomatiseerde weg bewegen vereist. Tot slot, als gevolg van de natuurlijke anatomische variabiliteit, de afmeting van de schedel openingen kunnen aanzienlijk variëren tussen dieren, dus met onvoorspelbare gevolgen voor het overnameproces. Dit feit maakt de beeldkwaliteit afhankelijk van de karakteristieken van elk individu. Bijgevolg, de onmogelijkheid om deze strategie sommige dieren moet worden beschouwd bij het ontwerpen van experimentele protocol toepassen.
Specifiek wordt een opmerkelijke belangstelling aan hemodynamica, vanwege de fundamentele rol bij het bepalen van debiologische verdeling van drugs of andere exogene moleculen na systemische toediening 28-29. De applicatieve implicaties op het gebied van moleculaire beeldvorming zijn vele, variërend van de validatie van bloed zwembad beeldvormende contrastmiddelen to-image gecontroleerd drug delivery studies vereisen-echografie geïnduceerde BBB opening 30. Al deze onderzoeksdoeleinden zullen zeker profiteren van de minimaal invasieve karakter van het protocol, gezien het feit dat, zonder extra operatie, is het risico van overlijden of de bijwerkingen aanzienlijk verminderd en de monitoring op lange termijn op dezelfde diermodellen is haalbaar.
Samengevat zal de gepresenteerde protocol de vakman efficiënt kan beeld en correct interpreteren anatomische topografie en de vasculaire patroon van normale of pathologische hersenweefsel onderzoek gebruik diermodellen. Terwijl de huidige methoden voornamelijk beperkt tot corticale beeldvorming 25-27 tomografische, deze instelling geeft de mogelijkheid to illustreren verschillende processen die van invloed zijn deep brain fysiologie, door de samenvoeging voordelen van zowel de VS en PA beeldvorming.
Openbaarmakingen
Publicatie vergoedingen voor dit artikel werden gesponsord door Visual Sonics.
Dankbetuigingen
De auteurs hebben geen dankbetuigingen.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| High frequency ultrasound and photoacoustic imaging station (VEVO LAZR 2100 system) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
| Vevo Compact Dual Anesthesia System (Tabletop Version) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt Sht.dpuf | |
| Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | Parker Laboratories Inc. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
| Sprague-Dawley ratten | Charles River Laboratories | Drie gezonde 6 weken oude Sprague-Dawley ratten werden gekocht van Charles River Laboratories en in standaard huisvesting gehouden (12 uur licht-donker cycli) met standaard knaagdiervoer en water beschikbaar ad libitum. Verstrekt door: http://www.criver.com/ |
Referenties
- Bestmann, S., Feredoes, E. Combined neurostimulation and neuroimaging in cognitive neuroscience: past, present, and future. Ann N Y Acad Sci. 1296, 11-30 (1111).
- Kim, S. A., Jun, S. B. In-vivo Optical Measurement of Neural Activity in the Brain. Exp Neurobio. 22 (3), 158-166 (2013).
- Silva, G. A. Nanotechnology approaches to crossing the blood-brain barrier and drug delivery to. the CNS.BMC Neurosci. 9, Suppl 3. S4(2008).
- Stemmer, N., Mehnert, J., Steinbrink, J., Wunder, A. Noninvasive fluorescence imaging in animal models of stroke. Curr Med Chem. 19 (28), 4786-4793 (2012).
- Frohman, E. M., Fujimoto, J. G., Frohman, T. C., Calabresi, P. A., Cutter, G., Balcer, L. J. Optical coherence tomography: a window into the mechanisms of multiple sclerosis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (12), 664-675 (2008).
- Liao, L. D., et al. Neurovascular coupling: in vivo optical techniques for functional brain imaging. Biomed Eng Online. , 12-38 (2013).
- Youn, H., Hong, K. J. In vivo Noninvasive Small Animal Molecular Imaging. Osong Public Health Res Perspect. 3 (1), 48-59 (2012).
- Miyawaki, A.Fluorescence imaging in the last two decades. Microscopy (Oxf). 62 (1), 63-68 (1093).
- Feldman, M. K., Katyal, S., Radiographics Blackwood, M. S. U. S. artifacts 29 (4), 1179-1189 (1148).
- Postema, M., Gilja, O. H. Contrast-enhanced and targeted ultrasound. World J Gastroenterol. 17 (1), 28-41 (2011).
- Zacharatos, H., Hassan, A. E., Qureshi, A. I. Intravascular ultrasound: principles and cerebrovascular applications. AJNR Am J Neuroradiol. 31 (4), 586-597 (2010).
- Li, C., Wang, L. V. Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine. Phys Med Biol. 54 (19), R59-R97 (2009).
- Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths. Chem Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).
- Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J Biomed Opt. 15 (1), (2010).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- Pysz, M. A., Gambhir, S. S., Willmann, J. K. Molecular imaging: current status and emerging strategies. Clin Radiol. 65 (7), 500-517 (2010).
- Nie, L., Cai, X., Maslov, K., Garcia-Uribe, A., Anastasio, M. A., Wang, L. V. Photoacoustic tomography through a whole adult human skull with a photon recycler. J Biomed Opt. 17 (11), (2012).
- Huang, C., et al. Aberration correction for transcranial photoacoustic tomography of primates employing adjunct image data. J Biomed Opt. 17 (6), (2012).
- Nie, L., Guo, Z., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of monkey brain using virtual point ultrasonic transducers. J Biomed Opt. 16 (7), (2011).
- Guevara, E., et al. Imaging of an inflammatory injury in the newborn rat brain with photoacoustic tomography. PLoS On. 8 (12), (2013).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Microscopy. Laser Photon Rev. 7 (5), (2013).
- Liu, Y., et al. Assessing the effects of norepinephrine on single cerebral microvessels using optical-resolution photoacoustic microscope. J Biomed Opt. 18 (7), (2013).
- Xia, J., et al. Whole-body ring-shaped confocal photoacoustic computed tomography of small animals in vivo. J Biomed Opt. 17 (5), 050506(2012).
- Sun, J., Lindvere, L., Van Raaij, M. E., Dorr, A., Stefanovic, B., Foster, F. S. In vivo imaging of cerebral hemodynamics using high-frequency micro-ultrasound. Cold Spring Harb Protoc. (9), (2010).
- Nasiriavanaki, M., Xia, J., Wan, H., Bauer, A. Q., Culver, J. P., Wang, L. V. High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (1), 21-26 (2014).
- Jao, J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
- Deng, Z., Wang, Z., Yang, X., Luo, Q., Gong, H. In vivo imaging of hemodynamics and oxygen metabolism in acute focal cerebral ischemic rats with laser speckle imaging and functional photoacoustic microscopy. J Biomed Op. 17 (8), 081415-081414 (2012).
- Huang, R. B., Mocherla, S., Heslinga, M. J., Charoenphol, P., Eniola-Adefeso, O. Dynamic and cellular interactions of nanoparticles in vascular-targeted drug delivery. Mol Membr Biol. 27 (7), 312-327 (2010).
- Saxer, T., Zumbuehl, A., Müller, B. The use of shear stress for targeted drug delivery. Cardiovasc Res. 99, 328-3233 (2013).
- Zhao, Y. Z., Lu, C. T., Li, X. K., Cai, J. Ultrasound-mediated strategies in opening brain barriers for drug brain delivery. Expert Opin Drug Deliv. 10, 987-1001 (2013).
Herprints en machtigingen
