The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.
Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.
Strategien zur minutiös beschreiben Merkmale der Hirn Hämodynamik in das Zentralnervensystem von Kleintieren erforderlich sind, um auf dem Gebiet der Neurowissenschaften 3.1 voraus. Die vorgestellte Technik zeigt, wie nicht-invasive akustische und photoakustische Bildgebung am Kleintier-Gehirn, um Gefäßbiologie, Anordnung und Funktion prüfen, durchzuführen.
Optische Abbildungstechniken ermöglichen die Lokalisierung von Ereignissen die neuronale Aktivität 2,4,5 bezogenen und gleichzeitig Signale durch Hämoglobin erzeugt erwerben sowohl in sauerstoffreichem und nicht-sauerstoffhaltigen Zustände 6. Aufgrund photonischen Absorption und Streuung, leidet reinen optischen Abbildung von schlechten räumlichen Auflösung und begrenzter Gewebe Eindringtiefe 7-8. Umgekehrt bieten Akustik die Möglichkeit, tiefer Bildgebung mit höheren Raum räumlicher Auflösung durchführen, aber es wird von Speckle und geringfügiger Kontrast 9-11 behindert. Durch die Kombination von Eigenschaften von Photonik with Ultraschall verbessert photoakustischen Technik sowohl Bildgebung und diagnostischen Möglichkeiten der einzelnen Verfahren 12-16.
Photoakustische Bildgebung des Gehirns hat das Potenzial, mehrere Fragen in der Neurobiologie zu klären, aber die Schädeldecke, die von Natur schützt das Hirn, drastisch begrenzt sowohl die photonische und Ultraschall Gewebepenetration 17-19. Außerdem Knochen fördern Streuung Licht und Klang zu einem Verlust an Empfindlichkeit und Bildfehler 17-18. Als Konsequenz Gehirn Ultraschall- und photoakustische Bildgebung kann leicht auf Neugeborene Tiere vor der Verknöcherung 20 durchgeführt werden, aber die Tiefe der Anatomie und Physiologie des erwachsenen Gehirns erst nach Kraniotomie 21,22 eindeutig zugänglich sind. Bedauerlicherweise ist die Operation für Schädelentfernung benötigt technisch schwierig und ihre Wirkungen können für einige experimentelle Zwecke wodurch es schwierig neuronalen Fortschreiten der Krankheit in der Monitor schädlich seingleichen Tier über die Zeit. Daher ist eine nicht-invasive Methode zur Bild tiefen Hirnbiologie in Kleintiermodellen sehr wünschenswert. In der Literatur wird die Methode der Photonen-Recycler 17 ist als ein Weg, um die Telefonverlust zu reduzieren und die Durchlässigkeit durch den intakten Schädel, Verbesserung der photoakustisches Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der Kontrast der Ziel gemeldet.
Das vorgestellte Protokoll zielt darauf ab, ein zuverlässiges Verfahren zur subkortikalen Gehirn akustischen und photoakustische Bildgebung auf Forschungszwecke Nagetieren (insbesondere an Ratten) ohne invasive Chirurgie bereitzustellen. Das Verfahren basiert auf der Verwendung von tragbaren Wandlervorrichtungen für hochfrequente Ultraschall und photoakustische Bildgebung. Im Gegensatz zu den Imaging-Technologie 23, tragbar und Richtungsgeber 24 ermöglicht die Auswahl spezifischer Schädel Regionen mit natürlich reduzierte Dicke tomographische, genannt Risse oder scissures. Die großen Spalten (Foramen) auf der Wirbel ein Geschenknimal Schädel sind notwendig, um die Nervenbündel, Schiffe oder andere Strukturen Anschluss von internen encephalon Schaltungen in andere Teile des Körpers zu finden. Die großen Spalten sind in verschieden großen Öffnungen, die als Knochen bestimmte Passagen für Ultraschallwellen und Laser ausgenutzt werden können gefunden. Solche gezielten Bildgebung reduziert Wellenreflexion Auswirkungen von Knochenschnittstellen verursacht und erhöht die Empfindlichkeit durch die Verbesserung der bildgebenden Eindringtiefe. In dieser Hinsicht kann der Bildwandler angeordnet sein, die senkrecht zu den Spalten von der zeitlichen und der Hinterkopfseite des Schädels (Figur 1) angeordnet sein, um maximal die Konvergenz des Ultraschall und Photonenstrahlen auf diese Bereiche. Diese Orientierung sowohl verbessert die Signalqualität und zwingt das Signal durch eine dünnere Knochenschicht in Bezug auf andere Hirn Orientierungen fortzufahren. Somit können die übertragenen und reflektierten Wellen durchlaufen eine geringere Streuung, wodurch Sammlung intensive Signale aus tieferen UrsprungGewebeschichten. Im Gegensatz zu früheren Verfahren, diese experimentellen Einstellung erfordert nur Tierkopf rasieren, während keine weitere Operation notwendig ist.
Mit dem vorgeschlagenen Protokoll wird Bildgebung bei relativ hohen räumlichen Auflösung durchgeführt und enthüllt sowohl spezifische Referenz anatomischen Strukturen und Blutgefäße tiefer als aktuellen Stand der Technik bekannten Verfahren, die alle während der Tierhaut und Schädel intakt bleiben. Einzigartige koronaren und axialen Bilder können unter Berücksichtigung verschiedener Ultraschall-Bildaufnahmemodalitäten (B, Power-Doppler, Farbdoppler, Pulsed-Wave-Modus) parallel zur photoakustischen Bildgebung erworben werden. Eine erweiterte Repertoire Parameter können aus diesen Bildern extrahiert werden, wodurch Darstellung der parenchymalen und Gefäßanatomie neben einer ganzen Sammlung von Eigenschaften beeinflussen die Durchblutung Dynamik. Dieses Protokoll kann zu Bildgrund Rindenparenchym Funktionen in Hochfrequenz-Ultraschall-B-Modus-Modalität, die basilaris und A. carotis interna (verwendet werdenBA und ICA beziehungsweise) Zusammensetzen des Kreis von Willis, der Arteria cerebri media (MCA) und andere Details des Kreislaufgerät. Weiterhin Blutung quantifiziert, bedeuten Strömungsgeschwindigkeiten, Richtungsbewegungsbeschreibung und die Sauerstoffsättigung Daten von kortikalen tiefen Hirnregionen gesammelt werden.
Diese neue Strategie birgt ein großes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen und erfüllt den dringenden Bedarf an zuverlässigen Verfahren zur Hirnfunktionen, die entscheidend in verschiedenen Pathologien sind darzustellen. Darüber hinaus aufgrund seiner minimalen Invasivität, die vorgestellte Protokoll unzähligen möglichen bildgebenden Untersuchungen auf das zentrale Nervensystem, insbesondere solche, die die Langzeitüberwachung oder mit empfindlichen pathologischen Tiermodellen zu ermöglichen.
Das vorgestellte Protokoll wurde entwickelt, um hochwirksame Hirnabbildungsleistung bei Kleintieren bieten optimiert. Bilder können in verschiedenen Modalitäten von genau nach den Anzeigen über die Aufnahmeparameter und dem Wandler Positionierung auf Schädel Foramina erworben werden. Insbesondere ist die Positionierung auf der temporalen Seite der kritischste, da in den USA und der Laser so genau wie möglich zentriert ist, um das Foramen, die kleiner als die Hinterhaupts eines korrekt eindringen kann. Dennoch dank dieser Versuchseinstellung, hämodynamischen Funktionen, physiologische oder pathologische Wettbewerben bezogen sind verfügbar und können sogar in tiefen Hirnregionen, die in der Regel schwer zu charakterisieren sind ausgewertet werden.
Da erfolgreiche Bilderfassung hängt von der Genauigkeit des Wandlers Positionierung weist diese Abhängigkeit, sorgfältig berücksichtigt werden, denn es kann die Bildqualität beeinträchtigen. Beispielsweise,einige anatomische Strukturen von Interesse konnte nicht vollständig in den Erwerb Abbildungsebene und ihre Identifikation von Bildern, die nur einen Teil ihres Sehvermögens anbieten könnte suboptimal Folge aufgenommen werden. Darüber hinaus würde ein US und PA Tomographie-Erfassung in einem dreidimensionalen Modalität (3D-Modus) durchgeführt mit der zuvor beschriebenen experimentellen Umgebung kompatibel sein, da sie die Wandler entlang einer vordefinierten Bahn bewegen automatisierten erfordert. Schließlich, aufgrund der natürlichen anatomischen Variabilität, die Dimension des Schädels Öffnungen signifikant unter Tieren variieren, damit unvorhersehbaren Auswirkungen auf den Erfassungsprozess aufweist. Diese Tatsache macht sich die Bildqualität in Abhängigkeit von den Eigenschaften jedes einzelnen. Folglich ist die Unmöglichkeit, diese Strategie zu einigen Tieren ist zu berücksichtigen bei der Gestaltung der Versuchsprotokoll werden gelten.
Insbesondere wird ein bemerkenswertes Interesse an Hämodynamik durch seine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der adressierte,Bioverteilung von Arzneimitteln oder anderen exogenen Molekülen nach systemischer Applikation 28-29. Die applikative Auswirkungen auf dem Gebiet der molekularen Bildgebung werden, viele, angefangen von der Validierung von Blutpool-Kontrastmittel-Bildgebung zur Bild überwacht Drug-Delivery-Studien Ultraschall-induzierte BBB Öffnung 30 erforderlich ist. All diese Forschungszwecke wird sicherlich von der minimalen Invasivität des Protokolls, wenn man bedenkt, dass zu profitieren, ohne zusätzliche Operation wird die Gefahr des Todes oder unerwünschte Nebenwirkungen erheblich reduziert und die Langzeitüberwachung auf der gleichen Tiermodellen möglich ist.
Zusammenfassend wird die vorgestellte Protokoll dem Arzt ermöglichen, die anatomischen Topographie und das Gefäßmuster der normalen oder pathologischen Hirngewebe in der Forschung bedienTierModellen effizient Bild und richtig zu interpretieren. Während aktuelle Methoden werden hauptsächlich beschränkt auf kortikaler Bild 25-27 tomographische, gibt diese Einstellung die Möglichkeit to zeigen verschiedene Prozesse, die tiefe Gehirnphysiologie beeinflussen, durch die Zusammenführung Vorteile sowohl von US-und PA-Bildgebung zur Verfügung gestellt.
The authors have nothing to disclose.
The authors have no acknowledgements.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
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 |
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Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | PARKER LABORATORIES INC. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | Three helathy 6-weeks old Sprague-Dawley rats were purchased by Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 h light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |