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.
需要策略以微小描述在小动物的中枢神经系统的脑血液动力学功能,以促进神经1-3的领域。所提出的技术演示了如何以考察血管生物学,安排和功能上的小动物的大脑进行无创声学和光声成像。
光学成像技术使相关的神经活动2,4-5事件的本地化,同时获得无论是在含氧和非含氧州6血红蛋白生成的信号。然而,由于光子的吸收和散射,纯光学成像患有空间分辨率差的和有限的组织穿透深度7-8。相反地,声学提供了机会,以更高的空间的空间分辨率进行更深的成像,但它是由散斑和有限的对比度9-11阻碍。通过结合光子无线功能日超声波,光声技术,改善了成像和单一方法12-16诊断潜力。
大脑的光声成像具有澄清多个问题在神经生物学的潜力,然而,自然保护脑,大大限制了二者的光子和超声波组织穿透17-19的黄芩。此外,骨头促进双方光线和声音造成的灵敏度和图像畸变17-18的损失散射。作为结果,脑超声波和光声成像能够容易地对新生儿动物之前骨化20执行的,但成人脑的深解剖学和生理学仅经过开颅21,22清楚地访问。遗憾的是,所需的颅骨切除术在技术上是坚硬和它的作用可能是有害的一些实验目的从而难以以监测神经疾病进展同样的动物随着时间的推移。因此,非侵入性的方法,将图像的深脑生物学中的小动物模型是非常需要的。在文献光子再循环器17的方法被报导,以此来减少电话损耗,并通过完整颅骨增加透射率,提高光声信号噪声比(SNR)和目标的对比度。
所提出的协议的目的是,没有任何侵入性手术提供皮层下脑声学和光声成像研究使用的啮齿动物(特别是对大鼠)的可靠方法。该过程是基于使用便携式传感装置用于高频超声波和光声成像。而相比之下,断层成像技术23,便携式和定向传感器24能够选择特定颅区与自然减小的厚度,称为裂隙或scissures。主要裂(椎间孔)出现在脊椎动物nimal颅骨是必要的,以找到神经束,血管或其它结构连接内部脑回路到身体的其他部位。主要裂被发现在不同尺寸的骨的孔,可利用作为超声波和激光的具体段落。此类靶向成像减少由骨界面波的反射效应和通过增强成像的穿透深度增大的灵敏度。在这个角度来看,成像换能器可以被布置成垂直于位于颞和头骨上( 图1)的后头部侧的裂隙中,为了最大程度地会聚于这些区域的超声和光子束。这种取向既增强了信号质量,并强制进行,通过更薄的骨层相对于其它颅取向的信号。因此,发射和反射波发生散射的程度较低,使采集的强烈信号,从更深的始发组织层。与早期的程序,这个实验设置只需要动物剃光头,是没有必要的其他手术时。
与所提出的协议,成像在相对较高的空间分辨率进行,揭示两者,具体参考解剖结构和血管比现有技术方法的当前状态更深,同时还能在动物的皮肤和颅骨保持不变。独特的冠状和轴向图像可以通过利用各种超声成像采集方式(B,能量多普勒,彩色多普勒,脉冲波模式)并行光声成像被收购。参数扩展的剧目可以从这些图像中提取,从而实质和血管解剖一起描绘影响血液循环动力学特征的整个集合。该协议可以用于图像基本皮层薄壁特征在高频超声波乙模式形态,基底和颈内动脉(BA和ICA分别)组成Willis环,大脑中动脉(MCA)和循环设备的其他细节。另外,血流量化,是指流速度,定向运动的描述和氧饱和度数据可以从皮层到脑深部区域收集。
这个新的战略具有巨大潜力的各种应用和满足迫切需要可靠的程序来描绘脑深部的功能,在各种病症的关键。由于其最小的侵袭。此外,所提出的协议可以使中枢神经系统的无数可能的成像研究,特别是那些需要长期监测或涉及娇嫩病理动物模型。
所提出的协议进行了优化,以提供在小动物的高度有效的脑的成像性能。图像可以在不同的方式通过精确以下关于采集参数和头骨椎间孔传感器定位的迹象被收购。特别是,在颞侧的定位是最关键的,因为美国和激光必须居中尽可能精确,以正确地穿透孔,这是比枕骨1小。然而,由于本实验设置,关于生理或病理甚至竞赛血流动力学特征都可以访问,甚至在深脑区域,这通常是困难的表征可以被评估。
由于成功的图像采集取决于换能器的定位的精确度,这种依赖必须仔细考虑,因为它可能会影响成像性能。例如,一些感兴趣的解剖结构,可以没有完全包含在收购成像平面,并从提供的只是一个片面的眼光可能会导致次优的图像他们的身份。此外,在三维模式(3D模式)进行的美国和PA成像采集将是与先前描述的实验设置不兼容,因为它需要的换能器,以沿着一个预先定义的自动化的路径移动。最后,由于自然解剖变异,颅骨开口的尺寸可以显著动物中发生变化,从而对采集过程不可预知的影响。这一事实使图像质量取决于每个个体的特性。因此,不可能以应用此策略,一些动物具有设计实验方案时,需要考虑。
具体地讲,一个显着的利益被寻址到血流动力学,由于在确定其基本作用全身用药后28-29生物分布的药物或其他外源性分子。在分子成像领域中的应用性的影响是多方面的,包括从血池造影剂的验证,以图像监视的药物递送研究需要超声诱导的血脑屏障开口30。所有这些研究目的必定从协议,考虑到的最小侵袭中获益,而没有任何附加的外科手术,死亡或不希望的副作用的风险大大降低,在相同的动物模型中的长期监测是可行的。
总之,所提出的协议可以使从业者能够高效地图像和正确解释解剖地形和正常或病理脑组织的研究使用的动物模型中的血管图案。虽然目前的方法主要限于断层成像皮质25-27,这个设定会给机会吨Ø表明,影响深部脑生理学,通过合并由美国和PA成像提供了优势的几个过程。
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/ |