В настоящей работе описывается новый протокол для выполнения неинвазивного высокочастотного ультразвука и фотоакустической визуализации мозга крысы, чтобы эффективно визуализировать глубокие подкорковые области и их сосудистые узоры путем направления сигналов на отверстия черепа, естественно присутствующие на черепе животных.
Методическая статья
Неинвазивная паренхимы, сосудов и метаболических Высокочастотный ультразвук и Фотоакустическая Крыса Deep Brain изображений
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Фотоакустика и высокочастотный ультразвук выделяются как мощные инструменты для нейробиологических приложений, позволяющие получать изображения с высоким разрешением центральной нервной системы мелких животных. Тем не менее, трансдермальная и транскраниальная нейровизуализация часто страдает от низкой чувствительности, аберраций изображения и потери пространственного разрешения, что требует удаления кожи головы или даже черепа перед визуализацией. Чтобы преодолеть эту проблему, был представлен новый протокол, позволяющий получить важную информацию о гемодинамике мозга с помощью фотоакустической и высокочастотной ультразвуковой визуализации с неповрежденной кожей и черепом животного. Процедура основана на прохождении ультразвуковых волн (УЗИ) и лазера непосредственно через трещины, которые естественным образом присутствуют на черепе животного. Сопоставляя устройство с изображением точно в соответствии с выбранными областями, где череп имеет меньшую толщину или полностью отсутствует, можно получить высококачественные глубокие изображения и исследовать внутренние области мозга, которые обычно трудно описать анатомически или функционально без инвазивного подхода. Применяя эту экспериментальную процедуру, можно собрать значительные данные как в звуковой, так и в оптоакустической модальностях, что позволяет визуализировать паренхиматозную и сосудистую анатомию далеко под поверхностью головы. Глубокие особенности мозга, такие как паренхиматозные извилины и трещины, разделяющие доли, были хорошо видны. Кроме того, конфигурация крупных и мелких кровеносных сосудов была визуализирована на глубине нескольких миллиметров, и была собрана точная информация о потоках крови, скоростях сосудистых потоков и химическом состоянии гемоглобина. Этот репертуар данных может иметь решающее значение в нескольких исследовательских конкурсах, начиная от изучения сосудистых заболеваний головного мозга и заканчивая экспериментальными методами, включающими системное введение экзогенных химических веществ или других объектов, наделенных свойствами контрастного изображения. В заключение, благодаря представленному протоколу, методы УЗИ и ФА становятся привлекательным неинвазивным средством для визуализации коры головного мозга и внутренних органов головного мозга, сохраняя значительный потенциал во многих неврологических областях.
Введение
Стратегии подробно описывают особенности гемодинамики головного мозга в центральной нервной системе маленьких животных нужно заранее области неврологии 1-3. Представленная методика показывает, как выполнять неинвазивный акустические и фотоакустической изображений на небольшой головного мозга животных с целью изучения сосудистой биологии, расположение и функции.
Оптических методов визуализации позволяют локализации событий, связанных с нейронной активности 2,4-5 и одновременно приобрести сигналы, генерируемые гемоглобина и в окисленных и неокисленные государств 6. Тем не менее, из-за фотонного поглощения и рассеяния, чистый оптический изображений страдает от плохой пространственной разрешающей способности и ограниченный ткани глубиной проникновения 7-8. С другой стороны, акустика дают возможность выполнять глубокое изображение с высокой космической пространственное разрешение, но это препятствует спекл и ограниченного отличие 9-11. По сочетающее в себе черты фотоники Wiго ультразвука, ФА техника улучшает как образа и диагностические возможности отдельных методов 12-16.
Фотоакустическая томография головного мозга имеет потенциал, чтобы пролить свет на многочисленные вопросы в области нейробиологии, однако, тюбетейка, что, естественно, защищает головной мозг, резко ограничивает как фотонный и ультразвуковой проникновения в ткани 17-19. Кроме того, кости содействовать рассеяние световая и звуковая, приводящее к потере чувствительности и изображения аберраций 17-18. Как следствие, ультразвуковой мозга и ФА изображений может быть легко выполнена на новорожденных животных до 20 оссификации, но глубокий анатомии и физиологии мозга взрослого человека, очевидно, доступен только после краниотомии 21,22. К сожалению, операция необходима для удаления черепа технически трудно и его последствия могут быть пагубными для некоторых экспериментальных целей, таким образом, что делает его трудно контролировать прогрессирование нервной болезни вто же животное в течение долгого времени. Таким образом, неинвазивный метод для изображения глубоких отделов мозга биологии в небольших моделях животных является весьма желательным. В литературе метод фотонного ресайклера 17 сообщается, как способ уменьшить потери телефона и увеличить коэффициент пропускания через неповрежденную черепа, улучшение ФА-сигнала к шуму (SNR) и в отличие от цели.
Представлены протокол призван обеспечить надежный способ для подкорковых головного мозга акустических и ФА изображений на исследование применения грызунов (в частности, на крысах) без каких-либо инвазивной хирургии. Методика основана на использовании портативных преобразующих устройств для высокочастотной ультразвуковой визуализации и ФА. В отличие от томографической технологии обработки изображений 23, портативный и направления преобразователи 24 позволяют выбор конкретных регионов черепа с естественным уменьшенной толщины, называют трещины или scissures. Основные щели (отверстий), находящиеся на позвоночных аНимал черепа необходимо, чтобы найти нервные пучки, сосуды и другие структуры, соединяющие внутренние цепи головном мозге в другие части тела. Основные щели находятся в различных размеров отверстий в кости, которые можно использовать в качестве конкретных отрывков для ультразвуковых волн и лазера. Такие целевые изображений уменьшает волновые эффекты отражения, вызванные интерфейсов кости и увеличивает чувствительность, увеличивая глубину проникновения изображений. С этой точки зрения, датчик изображения может быть выполнен с возможностью быть перпендикулярна к трещинами, расположенных на временной и на затылочной стороне черепа (рисунок 1), с тем, чтобы максимально сходятся ультразвук и фотонных пучков на этих областях. Эта ориентация и повышает качество сигнала и заставляет сигнал, чтобы пройти через более тонким слоем кости по отношению к другим черепных ориентации. Таким образом, прошедшей и отраженной волн пройти более низкую степень рассеяния, позволяя коллекцию интенсивных сигналов, исходящих из глубиныслои тонкой бумаги. В отличие от предыдущих процедур, этот экспериментальный параметр требуется только животных бритвенная головка, в то время как ни одна другая операция не требуется.
С предлагаемого протокола, изображения осуществляется при относительно высоким пространственным разрешением, выявление и конкретная ссылка анатомические структуры и кровеносные сосуды более глубокие, чем текущее состояние методов искусства, все, кожи животных и череп остаются нетронутыми. Уникальная корональные и осевые изображения могут быть получены путем использования различных ультразвуковых условия приобретения томография (B, энергетический Допплер, цветового допплеровского, импульсном режиме Wave) параллельно с ФА изображений. Расширенный репертуар параметров могут быть извлечены из этих изображений, что позволяет изображение паренхиматозных и сосудистой анатомии вместе всей коллекции особенностей, влияющих на динамику кровообращение. Этот протокол может быть использован для изображения основных корковых функций паренхимы в высокочастотном режиме ультразвуковой B модальности, базилярных и внутренних сонных артерий (BA и ICA соответственно), составляющих Круг Уиллис, артерии средней мозговой (СМА) и другие детали аппарата кровообращения. Кроме того, количественное кровотока, значит, поток скорости, направленный описание движения и данные насыщения кислородом могут быть собраны из коры головного мозга с глубокими областях головного мозга.
Эта новая стратегия имеет большой потенциал для различных приложений и удовлетворяет насущную потребность в надежных процедур изображать глубокие черты мозга, которые имеют решающее значение при различных патологиях. Кроме того, из-за его минимальной инвазивности, представлены протокол можно включить мириады возможных исследований изображений на центральную нервную систему, особенно тех, которые требуют долгосрочного мониторинга или с участием тонкие патологические модели животных.
Протокол
Необходимые эксперименты по разработке протокола были выполнены в соответствии с национальными правилами и были одобрены локальными этическими комитета по науке (Comitato ди Bioetica ди Ateneo), работающего в учреждении Университета Турина в Турине, Италия.
1. Подготовка
- Анестезия
- Место животное внутри соответствующего ИФ камеры обезболить его.
- Заполните камеру со смешанным O 2 и изофлуран газа для применения в ветеринарии при концентрации 2,5% в газовой камере 2 L и ждать около 3 мин для крысы, чтобы заснуть. Проверьте эффект обезболивания с помощью пальца щепоткой.
- После того, как анестезия вступает в силу, удалить крысу и взвесить его.
- Нанесите тонкий слой растворимого в воде глазной гель на глаз животного, чтобы защитить их, и для поддержания глазного физиологического гидратации.
- Положите крысу вниз на УЗИ и ФА Imaging Station столешницей. Яп Для поддержания анестезии эффект, быстрое позиционирование нос внутри соответствующей маской, обеспечивающего постоянный поток анестезия (ИФ 2% -2,5% в кислородной 1 л / мин).
- Бритье животное
- Распространение последовательную слой волос удаления крема на поверхности головки, с вниманием, чтобы покрыть районах, прилегающих уши и шею. Разрешить крем действовать в течение нескольких минут и осторожно выньте его с помощью шпателя. Мягко удалить все сливки остатки влажной губкой, чтобы точно очистить кожу.
Примечание: шерсть животных захватывает воздух, что отрицательно влияет на приобретение ультразвукового изображения на основе, таким образом, он должен быть обязательно удалены как можно больше.
- Распространение последовательную слой волос удаления крема на поверхности головки, с вниманием, чтобы покрыть районах, прилегающих уши и шею. Разрешить крем действовать в течение нескольких минут и осторожно выньте его с помощью шпателя. Мягко удалить все сливки остатки влажной губкой, чтобы точно очистить кожу.
- Размещение животных
- Упорядочить животное в орла с распростёртыми крыльями положении. Монитор жизненно важных признаков, с помощью соответствующих жизненных датчиков параметров на рабочей поверхности (если они имеются). Lean лапы на датчиках после применения несколько капель электродного крем для профессионального использования.
Примечание: Во время наркоза, обеспечить жизненные параметры имеют следующие значения: температура тела крысы ≈ 37,5 ° C, сердечных сокращений в минуту (BPM) варьируется от 250 до 350 и частоты дыхания состоит в диапазоне 40-80 вдохов в минуту , - Наконец закрепить конечности с гипоаллергенным искусственного шелка пятна. При необходимости, распространяться снова тонкий слой растворимого в воде глазной гель для защиты глаз животного.
- Упорядочить животное в орла с распростёртыми крыльями положении. Монитор жизненно важных признаков, с помощью соответствующих жизненных датчиков параметров на рабочей поверхности (если они имеются). Lean лапы на датчиках после применения несколько капель электродного крем для профессионального использования.
2. Image Acquisition от временной точки зрения
- Размещение животных
- Поддержание животное в лежачем положении, поворот его тело немного в сторону, с углом наклона около 45 ° по отношению к сагиттальной оси тела. Используйте маленькие булочки хлопка марлевые как стоит правильно организовать утилизацию (рис 2а).
- Поднимите голову животного и поверните его немного на одной стороне (рис 2а). Используйте рулон хлопка в качестве резервных сохраняя inser морда такжеТед в анестезии маски.
- Приклоните рабочую поверхность под углом около 30 ° по отношению к горизонтальной плоскости.
- Включите преобразователь изображения под углом около 30 ° по отношению к вертикальной плоскости.
- Ультразвуковой и ФА анатомо-сосудистой получения изображений
- Поверните отображение процесса сканирования, чтобы войти сканирование изображения в B-режиме и правильно установить все параметры получения изображений уважать возможно, учитывая требования эксперимента (рис 3а).
ПРИМЕЧАНИЕ: Установите частоту передачи центр как можно ниже (16 МГц, рис 3б), для того, чтобы иметь максимальную глубину возможного проникновения для преобразователя. - Утилизация последовательную слой (толщиной около 1 см) гипоаллергенный водорастворимый гель ультразвуковой передачи на голову животного (фиг.2В). Накройте датчика голову тонким слоем тот же гель и поставить ее в контакт со слоем на рат. Используйте теплую гель для сведения к минимуму локализованных гипотермии.
- Начните получения изображений в режиме B и отрегулируйте расположение датчика в режиме реального времени, путем выявления анатомических ссылки и центрирования область интереса к монитору средней точке. Убедитесь, что для устранения воздушных пузырей на любом уровне, захваченного в слой геля, потому что они негативно влияют на приобретение.
- Поместите датчик с целью приведения его в виртуальный оси, соединяющей ухо глаза (рис 4а) для получения оптимального сосредоточения луча. Приобретать различные виды внутреннего объема мозга, от часовой стрелке или против часовой стрелки (рис 4б, в).
- В конце концов закрепить датчик на механическую стенда стабильно обеспечивать положение и, чтобы настроиться на ориентацию в прекрасный способ.
- Убедитесь, что церебральный область интереса локализуется на 10 мм в глубину по отношению к источнику датчика США-лазера для того, чтобы получить оптимальное значение рНотоакустической ответный сигнал (Рисунок 5). Затем поместите индикатор США волн сосредоточения точно в центре исследуемой территории.
Примечание: В ходе исследования в областях, представляющих интерес, во избежание активации опции затвора дыхания, с тем чтобы ускорить процедуру определения местоположения. - Введите Цветовой режим Доплера для визуализации внутренних сосудов головного мозга в высоком чувствительным способом.
- После позиционирования был установлен соответствующим образом визуализировать хотели регионы, активировать опцию дыхание ворота, чтобы избежать нежелательных эффектов, связанных с движением (рис 6а).
- Выберите нужный набор параметров приобретение в цветном режиме Доплера (рис 6б) и не получать изображения в этой модальности различать скорости потока крови и направления, пока несколько миллиметров глубины проникновения.
- Вход в режим импульсно-волновом Доплера и получать изображения для обнаружения пульсации крови артерии и различать артерий аой вен.
- Переход в режим Допплера и установить параметры измерения (рисунок 7) для выполнения сигнала количественную на основе числа актов рассеяния, вызванных движением потока и, следовательно, оцениваемых различий в скорости потока.
- Введите Фотоакустическая режим и правильно уточнить параметры измерения (рис 8а) для сбора данных о крови общего содержания гемоглобина или оксигенации степени в данной области. При производстве лазерное возбуждение на всем спектре длин волн (от 680 нм до 970 нм, 8В), поглощение общего гемоглобина, присутствующего в различных химических состояний внутри ткани может быть определена количественно. По выполнении сбора сигнала на отдельных конкретных длин волн (рис 8в), можно выделить особый вклад сигнала из-за поглощения окси и де-окси чистых видов.
- Поверните отображение процесса сканирования, чтобы войти сканирование изображения в B-режиме и правильно установить все параметры получения изображений уважать возможно, учитывая требования эксперимента (рис 3а).
3. изображений от затылочного точки зрения
- Размещение животных
- Ведение животное в положении лежа, опустите голову животного и использовать небольшие рулоны хлопковой марли в качестве боковых стоит правильно организовать утилизацию.
- Поверните датчика изображения параллельно поперечной плоскости головы животного (рис 9).
Примечание: В этом случае, приобретение будет по центру через затылочного отверстия в основании черепа. Изменяя угол наклона ориентации зонда (рис 9), можно будет приобрести внутренние изображения сосудов в разных взглядов в зависимости от настройки наклона.
- Ультразвуковой и ФА анатомо-сосудистой получения изображений
- Введите захвата изображения в B-режиме, установите все параметры захвата изображений, как сообщалось ранее (рисунок 3) и распространять необходимые слои ультразвуковой гель на зонд и на животных затылке.
- Упорядочить датчик, чтобы остаться почти горизонтально, в Ordэ быть направлены вдоль Анатомические-к-передней оси тела. Направьте его к фронтальной стороне рыла и наклоните его немного вперед.
- Начало получения изображения в режиме B и режиме цветового допплеровского (Рисунки 3 и 6). Точно отрегулируйте положение датчика и удалить пузырьки воздуха из гелевого покрытия, как описано выше. Если возможно, закрепите датчик на прочной подставке, чтобы контролировать ориентацию в прекрасный способ и выбрать оптимальный угол наклона, позволяющих получать изображения желаемых анатомических областей.
- Визуализация внутренних сосудов головного мозга у власти Доплера режиме, путем правильной установки параметров измерения (рисунок 7).
- Локализация интенсивно пульсировал артерии от импульсно-волновом Доплера режиме. Отличить их от вен, которые, наоборот, характеризуются низким уровнем кровотока пульсации.
- Соберите потока скоростями данные и направления в крови в цветном режиме Доплера, путем надлежащего адаптации AcqПараметры uisition (Рисунок 6).
- Полное глубоко мозг гемодинамики набор данных характеристик, путем добавления информации о химических кровь, полученная через ФА приобретения (рисунок 8). Выполнение этого путем оценки, в частности, количество гемических параметров, таких как процент насыщения O 2 и общего содержания гемоглобина (HBT), которые, как правило, измеренного путем установки длины волны лазерного возбуждения при 750 и 850 нм (фиг 8c).
4. Конец Приобретение и удаления животных
ПРИМЕЧАНИЕ: правильно учитывать все время, посвященное процессу захвата изображений (с шагом 1 к шагу 3), который подвергается основных ограничений, связанных с обезболивающий дозы, приложенной к животным.
- Сохраните все полученные данные, включите лазер пульсирующий с при выходе из режима Фотоакустическая приобретения и расстояния датчика.
- При сохранении АниMAL под анестезией эффект, начинают чистить осторожно снимая защитный гель от глаз с мокрым ватным тампоном. Используйте шпатель и несколько бумажные полотенца, чтобы полностью удалить ультразвуковой гель от головы и морды, а затем протрите их влажной губкой. Будьте осторожны, чтобы не повредить нежную бритую кожу.
- Выньте клея патч для крепления конечностей и отсоедините их от датчиков, которые контролируют физиологические параметры. Быстро передавать животное от рабочей поверхности захвата на другой клетке.
- Принимающая животное в маленькой клетке для восстановления после анестезии. Убедитесь, что животные не должны совместно использовать клетку во время этой фазы, чтобы предотвратить агрессию
- Поместите восстановления клетку под инфракрасного света, чтобы держать животное в тепле. Подождите, пока он не пришел в достаточной сознание поддерживать грудины лежачее положение. Проверьте общее состояние здоровья животных, а затем переместиться в племенной помещении для животных.
Результаты
Этот метод позволяет с изображением как специфические, так анатомические ссылки структуры и кровеносные сосуды при относительно высоким пространственным разрешением, более глубокой, чем текущий техники с кожи животных и черепа неповрежденной. В наших экспериментальных условиях глубина сигнала PA 4,5 мм, а осевое разрешение 75 мкм с FOV 23 х 15,5 см. Эксперименты с Фотоакустическая томографии модальности 19 показал значение разрешения <1 мм. Диапазон значений SNR от 21,6 дБ до 23,8 дБ (полученных 5 разных точек случайным образом отобранных на ткани головного мозга и фона). Сопоставляя датчик на черепе височной стороне изображения мозга могут быть приобретены в поперечных или даже корональных секций на основе выбранного угла позиционирования датчика с в результате бокового точки зрения формирования изображения (рис 4). Эпидермис, кости черепа и паренхимы материал широко представлены в ультразвуковой B-режиме, так как они значительно отличаются по переменного токаoustic импеданс (Рисунок 10). Даже если их конфигурация зависит от выбранной точки зрения, некоторые анатомические ссылки сайтов на паренхимы узнаваемы, такие как трещины, разделяющие мозга внутреннюю часть от коры и характерное в форме оптического тракта (Рисунок 10). Кроме того, большое количество сосудов видны как в ультразвуковых и фотоакустических методов визуализации. Характерные пересечения внутренней сонной артерии (ВСА) с другими основными крупных сосудов, проходящих вдоль наружной боковой поверхности головного мозга животного может быть легко узнаваемы. Большие сосудистые маршруты, такие как МКА, обеспечить массовый приток крови, чтобы удовлетворить потребность последовательного нейронов энергии и кислорода. ICA, возникла из общей сонной артерии (ОСА), работает на боковой стороне головы в несколько миллиметров глубины, выходит за рамки всех его бифуркации сайтов и, наконец, достигает фронтальную часть головки. Это основной поток крови распространяется среди intermediели по размерам судов, прежде чем направить в всегда меньше, артериол, наконец, питают нейроны. С временной точки зрения, можно проследить внутреннюю мозговой артерии картину, что раздваивается в сосуды, направленных на передней и боковой стороне мозга. Корональной и поперечной изображения могут быть получены с различным наклоном датчика по отношению к направлению виртуального оси, соединяющей глаз и ушную раковину животного (рис 4). При наклоне датчика в соответствии с прогнозами, описанных на фиг.4, можно получить решены изображений артерии средней мозговой (СМА), которое возникает из ВСА и далее разделяется на два или более боковыми цепями, которые, наконец, окружающего корковые лопасти (11 и 12). Лучшие визуализации были получены для MCA с наклоном зонда, как показано на рисунке 4с и МКА, как показано на рисунке 4b.
Доплера на основе акустических изображений показывает, мелкие ветки, а информация о направлении тока крови возможно благодаря приобретению цветного допплеровского (Рисунок 13). Функция MCA артерии подтверждается в импульсно-волновом ультразвуковым методом (рис 14 и 15). ФА-сигнала от гемоглобина, содержащегося в циркулирующих эритроцитов могут быть обнаружены и проанализированы с целью сбора данных о состоянии его молекулярной окислительного и рассчитать насыщение крови кислородом (фиг.16 и 17). Гематическое содержание кислорода может быть связано с звуковых данных, чтобы подтвердить дискриминацию артериальной крови из венозной крови.
При наведении курсора на датчик к затылочного отверстия, видение проецируется на головы осевой плоскости (рис 9), и это визуализация самолет может быть решен на переменными углами наклона. В этом случае, задняя точка зрения визуализации головного мозга может быть подразумевало путем высокой глубины проникновения, из-за большего затылочной записи. Круг Уиллис, характерной конфигурации судно в глубоком мозга, могут быть локализованы и рассмотрены применения всех вышеупомянутых методов. Основной артерии (BA), работающий на брюшной стороне мозжечка, в конце концов, приводит к головном мозге и симметрично разветвляется на две ветви. Эти две ветви на брюшной мозг распространено, а затем присоединиться снова вместе, создавая тем самым кольцевую структуру (Круг Уиллис). Это базальная глубоко круг сосудистой подвал, из которого все среднего размера кровеносные сосуды возникают, например, автомагистралях Задняя, средние и передней мозговой (PCA, MCA и АСА соответственно), которые являются главными эффекторы массивной кровоснабжения мозга , В цветном режиме Доплера, выявление отраслей среднего размера является реальным и позволяет четкую визуализацию изогнутых сосудистых сегментов (например, СПС), входящих в круг Уиллиса (рисунок 18).
нт "> церебральной ткани паренхимы было также зарегистрировано в ПА модальности в затылочной проекции (рисунок 19), чтобы показать сосудов характеристику в спектральном участке (рисунок 20). При этом спектр можно отличить сигнал, полученный из артериальных и венозных сосудах.
Рисунок 1: Расположение черепа отверстий и соответствующей точки зрения для получения изображения головы крысы в профиль (а) и тех местах, где устройство преобразователя изображения могут быть размещены что он расположен рядом с временных отверстия (фиолетовый стрелками) и затылочного отверстия. (желтая стрелка) в профиль (б).
Рисунок 2: утилизация животных для временного acquisitio изображенияп. (А) расположение животного на рабочей поверхности для получения изображений: после того, как бритвенная головка, животное помещали в положение лежа с телом слегка наклонена на одной стороне, с тем, чтобы выставить временную сторону головы. Столешница может быть, возможно, наделенный нагревателя устройства держать животное в тепло тела во время сбора. Некоторые рулонов хлопка можно использовать для получения этой позиции, в то время как пластырей крепления лапы на датчиков для мониторинга жизненно знак. (Б) соответствует слой ультразвукового геля занимает площадь головки, на которой преобразователь будет расположенного во время съемки.
Рисунок 3: Параметры приобретение для визуализации B-Mode. () Иллюстрируют скриншот, показывающий панель отчетов важные параметры измерения, используемые для визуализации головного мозга в B-Режим. (Б) Важно отметить, что частота передачи был установлен на низких значений (16 МГц) для улучшения США проникновения их в ткани.
Рисунок 4: Поперечная получения изображений с временной отверстия () виртуальная справочная оси, соединяющей ушную раковину для глаз и движения наклона (красная стрелка), чтобы варьировать датчика наклона и самолет получения изображений, (б) против часовой стрелки движения по отношению к. ссылка уха до глаза оси и переменная наклона датчика положения; в) движение по часовой стрелке по отношению к ссылаться уха до глаза оси и переменной наклон датчика положения.
Рисунок 5: оптимальная глубина фокуса для СШАи приобретение PA изображения. В поисках интересующей области, глубина фокусировки изображения (в лице желтом треугольнике) должен быть установлен на отметке 10 мм глубины от источника / лазерный США, для того, чтобы получить оптимальное качество изображения.
Рисунок 6: Параметры приобретение для визуализации цветном режиме Доплера. () Перед началом захвата изображения в цветном режиме Доплера, вариант дыхания ворота могут быть включены, чтобы избежать артефакт, порожденную физиологических дыхательных движений. (Б), представляющая пример скриншот, показывающий важные параметры измерения, используемые для визуализации головного мозга в цветового допплеровского Режим.
Рисунок 7: Приобретение Параметры для работы с изображениями энергетического допплера режим. иллюстративный скриншот, показывающий важные параметры измерения, используемые для визуализации головного мозга в энергетический Допплер режиме.
Рисунок 8: Параметры приобретение для визуализации Фотоакустическая Mode. (А) На панели отчетов важные параметры измерения, используемые для визуализации головного мозга в Фотоакустическая режиме. (Б) Приобретение ФА-спектра на основе лазерного возбуждения в диапазоне от 680 нм до 970 нм, с интервалом длин волн 5 нм (далее, как на стадии размер). (параметры) путем приобретения, используемые для одного волнового режима Фотоакустическая на 750 нм и 850 нм, для дискриминации сигналов обескислороженный и кислородом гемоглобина соответственно.
fig9highres.jpg "/>
Рисунок 9:. Поперечная получения изображений от затылочного отверстия () Преобразователь позиционирование на шее животного (желтая стрелка) и в результате поперечный изображений плоскость, что практически разделы голову на caudo-ростральная направлении; (б) задняя вид позиционирования датчика и Image Acquisition самолет.
Рисунок 10:. Приобретение в В-режиме с временным отверстием для индивидуализации анатомических ссылок Эпидермис (а), череп (б) и паренхимы (в) можно легко отличить, но и другие анатомические ссылки могут быть обнаружены, например, в щели ( d) окружающая брюшной глубокую часть мозга и характерную форму зрительного тракта (е).
Рисунок 11: энергетического допплера приобретение Режим через временные отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок MCA средств из ВСА на временной стороне мозга.. Чтобы получить эту точку зрения, поперечный снимок был получен, указывая датчик на временных отверстия и, вращая ее против часовой стрелки.
Рисунок 12: энергетического допплера приобретение Режим через временные отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок MCA средств из ВСА на временной стороне мозга.. Чтобы получить эту точку зрения, поперечный снимок был получен, указывая датчик на временных отверстия и, вращая ее по часовой стрелке.
Рисунок 13: Цветной Допплер приобретение Режим через временные отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок MCA средств из ВСА на временной стороне мозга.. Путевая информация потока крови выражается с помощью цветовой гаммы бар, различия между потока движений, направленных на устройстве датчика и от него.
Рисунок 14: приобретение импульсном режиме волны через временные отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок Подтверждение артериальных свойств крови, циркулирующей внутри судов, которые были гипотетически, определенных в качестве артерий:. Режим импульсно-волновом предоставляет информацию о вариации скоростей потока, который может быть соотнесена к сердечной пульсации эффекта (более интеNSE в артериях, чем в венах).
Рисунок 15: импульсно-волновом приобретение Режим через временные отверстия для индивидуализации сосудистых идентификационных ссылок на режиме импульсно-волновом кровеносных сосудов, как вен, где пульсация эффект сердечной на скоростях потока можно пренебречь..
Рисунок 16: приобретение Фотоакустическая режим через временные отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок. Паренхиматозные внутренние сосуды в височной части головного мозга визуализировали с помощью B-режиме (слева) и Single-волнового режима Фотоакустическая (справа). Масштабная линейка цвета отражают различные значения интенсивности ФА-сигнала, индуцированные лазерным возбуждением, выполненных в одной выбранной длине волны. В Order индивидуализировать вены и артерии, волны возбуждения может быть установлен на 750 и 850 нм, представляющих значения, чтобы получить фотоакустического пики выбросов для обедненной кислородом и кислородом гемоглобина соответственно.
Рисунок 17: приобретение Фотоакустическая режим через временные отверстия для кислородом и де-кислородом дискриминации гемоглобина. Внутренние сосуды в височной части головного мозга визуализировали с помощью B-режиме (слева) и кислородно-Hemo режиме Фотоакустическая (справа). Масштабная линейка цвета отражают различные процентные значения насыщения кислородом гемоглобина крови.
Рисунок 18: приобретение Цветовой режим доплеровский через затылочного отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок.Изогнутые сосудистые сегменты Создание структуры подвал Круга Уиллиса, расположенный в брюшной стороне мозга.
Рисунок 19: Фотоакустическая и B-Mode приобретение через затылочного отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок. Nell'immagine в B-режиме си possono evidenziare ле Strutture anatomiche individuabili кон ла proiezione occipitale электронной Нелла corrispondente acquisizione против modalità fotoacustica против rilevamento spettrale тра 670 нм 980 нм (кон шаг ди 5 нм).
Рисунок 20: Фотоакустическая и B-Mode приобретение через затылочного отверстия для индивидуализации сосудистых ссылок. В Questa представить Viene rappresentato вот spettro corrispondeNTE Все Tre трансформирования tracciate Livello дель паренхимы cerebellare; в particolare Sono tracciate Livello ди Tre Strutture vascolari, ла Цуй tipologia си differenzia Livello dell'andamento spettrale (трансформирования Fuxia электронной Селеста corrispondono Strutture vascolari venose; ROI Желтый corrisponde объявления Una struttura vascolare arteriosa).
Обсуждение
Представленный протокол был оптимизирован, чтобы обеспечить высокоэффективную производительность визуализации головного мозга у мелких животных. Изображения могут быть приобретены в разных условиях, точно следуя указаниям о параметрах приобретения и позиционирования преобразователя на череп отверстий. В частности, позиционирование на временной стороны является наиболее важным, так как США и лазер должен быть в центре настолько точно, насколько это возможно, чтобы правильно проникнуть в отверстие, которое меньше, чем один затылочной. Тем не менее, благодаря этой экспериментальной установки, гемодинамические особенности, связанные с физиологическими или даже патологических конкурсах доступны и могут оцениваться даже в глубоких областях мозга, которые обычно трудно охарактеризовать.
С удачным приобретением изображения зависит от точности позиционирования датчика, эта зависимость должна быть тщательно учтены, потому что это может повлиять на качество изображения. Например,некоторые анатомические структуры интересов не может быть полностью включены в плоскости изображения приобретение и их идентификации с изображениями, которые предлагают только частичное видение может привести к неоптимальным. Кроме того, получение изображений США и ПА выполняется в трехмерном модальности (3D режиме) будет не совместим с ранее описанной экспериментальной установки, так как требует датчик для перемещения вдоль заранее определенной траектории автоматизированной. Наконец, из-за естественного анатомического изменчивости, измерение отверстий черепа может существенно отличаться в различных животных, тем самым непредсказуемым сказаться на процессе сбора данных. Этот факт делает качество изображения зависит от характеристик каждого индивидуума. Следовательно, невозможность применять эту стратегию некоторых животных следует рассматривать при разработке экспериментального протокола.
В частности, замечательный интерес на имя гемодинамики, из-за его основополагающую роль в определениибиораспределение лекарственных препаратов или других экзогенных молекул после системного введения 28-29. Аппликативного последствия в области молекулярной визуализации много, начиная от проверки кровяного пула изображений контрастных агентов для изображений с контролем исследований доставки лекарств, требующих УЗИ-индуцированной ВВВ открытие 30. Все эти научно-исследовательских целях, безусловно, выиграют от минимальной инвазивности протокола, учитывая, что без какой-либо дополнительной операции, риск смерти или нежелательных побочных эффектов значительно уменьшается и долгосрочный мониторинг на тех же животных моделях это возможно.
Таким образом, представлены протокол позволит эффективно практикующего изображения и правильно интерпретировать анатомическую топографию и сосудистого рисунка из нормальных или патологических тканей мозга в модели исследования применения на животных. Хотя современные методы используются в основном ограничивается томографической корковой изображений 25-27, эта установка дает возможность тО показано несколько процессов, которые влияют на глубокую физиологию мозга, путем слияния преимущества, предоставляемые как в виде образа США и PA.
Раскрытие информации
Публикация сборы для данной статьи авторами путем визуального Звука.
Благодарности
У авторов нет благодарностей.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Станция высокочастотной ультразвуковой и фотоакустической визуализации (система VEVO LAZR 2100) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
| Компактная двойная наркозная система Vevo (настольная версия) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt<чел/> Sht.dpuf | |
| Гель для пропускания ультразвука (Aquasonic 100) | Parker Laboratories Inc. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
| Крысы Sprague-Dawley Charles | River Laboratories | Три здоровые 6-недельные крысы Sprague-Dawley были куплены в Charles River Laboratories и содержались в стандартном содержании (12-часовой цикл свет-темнота) со стандартным кормом для грызунов и доступной водой ad libitum. Предоставлено: http://www.criver.com/ |
Ссылки
- 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).
Перепечатки и разрешения
