Introduction
Strategier til minutiøst beskriver træk hjernen hæmodynamik i centralnervesystemet af små dyr er nødvendige for at fremme inden for Neuroscience 1-3. De præsenterede teknik viser, hvordan du udfører invasiv akustisk og Photoacoustic billeddannelse på små dyr hjerne for at undersøge vaskulær biologi, indretning og funktion.
Optiske billeddiagnostiske teknikker tillader lokalisering af begivenheder relateret til neurale aktivitet 2,4-5 og samtidig udvikler signaler genereret af hæmoglobin i både oxygenerede og ikke-iltet tilstande 6. Men på grund af fotonisk absorption og spredning, ren optisk billeddannelse lider af dårlig rumlig opløsning og begrænset væv indtrængningsdybde 7-8. Omvendt akustik giver mulighed for at udføre dybere billeddannelse med højere plads rumlig opløsning, men det hæmmes af speckle og begrænset kontrast 9-11. Ved at kombinere funktioner i fotonik with ultralyd, Photoacoustic teknik forbedrer både billedbehandling og diagnostiske muligheder af enkelte metoder 12-16.
Photoacoustic billeddannelse af hjernen har potentiale til at belyse mange spørgsmål inden for neurobiologi, dog kalot, der naturligt beskytter hjerne, dramatisk begrænser både den fotoniske og ultralyd vævspenetration 17-19. Desuden knogler fremmer spredning af både lys og lyd resulterer i tab af følsomhed og billede aberrationer 17-18. Som følge heraf, kan hjernen ultralyd Photoacoustic billeddannelse let udføres på nyfødte dyr før ossifikation 20, men den dybe anatomi og fysiologi af den voksne hjerne er klart kun tilgængelige efter kraniotomi 21,22. Desværre kirurgi nødvendig for kraniet fjernelse er teknisk svært og dens virkninger kan være til skade for nogle eksperimentelle formål og dermed gøre det vanskeligt at overvåge neurale sygdomsprogression isamme dyr over tid. Derfor er en ikke-invasiv metode til at afbilde dyb cerebral biologi i små dyremodeller er meget ønskeligt. I litteraturen fremgangsmåden foton genbruger 17 rapporteres som en måde at reducere telefonen tab og øge transmittansen gennem intakt kraniet, forbedre Photoacoustic signal-støjforholdet (SNR), og kontrasten af målet.
Den præsenterede protokol har til formål at give en pålidelig metode til subcortical akustisk hjerne og Photoacoustic imaging på forskning anvendelse gnavere (specielt på rotter) uden invasiv kirurgi. Proceduren er baseret på anvendelse af bærbare transducerende enheder for højfrekvent ultralyd og Photoacoustic billeddannelse. I modsætning til tomografisk billedteknologi 23, bærbare og retningsbestemte transducere 24 muliggør valg af bestemte cranium regioner med naturligt reduceret tykkelse, betegnes revner eller scissures. De store kløfter (foramina) til stede på hvirveldyr enNimal kranium er nødvendige for at lokalisere nerve bundter, fartøjer eller andre strukturer, der forbinder indre hjerne kredsløb til andre dele af kroppen. De store kløfter findes i forskellige størrelser knogle åbninger, der kan udnyttes som specifikke passager for ultralyd bølger og laser. En sådan målrettet billedbehandling reducerer bølgerefleksion virkninger forårsaget af knogle grænseflader og øger følsomheden ved at styrke den billeddannende indtrængningsdybde. I dette perspektiv kan den billeddannende transducer være indrettet til at være vinkelret på spalterne ligger på den tidsmæssige og occipital side af kraniet (figur 1), med henblik på maksimalt konvergere ultralyd og fotoniske bjælker på disse områder. Denne orientering både forbedrer signalkvaliteten og tvinger signalet for at gå gennem en tyndere knogle lag med hensyn til andre kraniale orienteringer. Således transmitterede og reflekterede bølger gennemgår en mindre grad af spredning, muliggør samling af intense signaler stammer fra dyberevævslag. I modsætning til tidligere procedurer, denne eksperimentelle indstilling kræver blot dyrehoved barbering, mens ingen anden kirurgi er nødvendig.
Med den foreslåede protokol, er billedbehandling udføres ved relativ høj rumlig opløsning, afslører både, referenceintervaller anatomiske strukturer og blodkar dybere end nuværende de bedste metoder, alt imens dyret huden og kraniet forbliver intakt. Unikke koronale og aksiale billeder kan erhverves ved at udnytte forskellige ultralyd Imaging Acquisition modaliteter (B, Power Doppler, Color Doppler, Pulserende bølgetilstand) Sideløbende med Photoacoustic billeddannelse. En udvidet repertoire af parametre kan udvindes fra disse billeder, så skildring af parenchymale og vaskulær anatomi sideløbende en hel samling af funktioner, der påvirker blodcirkulationen dynamik. Denne protokol kan bruges til billedet grundlæggende kortikale parenchymceller funktioner i High Frequency Ultrasonic B-tilstand modalitet, basilar og interne halspulsårer (BA og ICA henholdsvis) komponere Circle of Willis, arteria cerebri media (MCA) og andre oplysninger om kredsløbssygdomme apparat. Endvidere blodgennemstrømning kvantificering, betyder stream hastigheder, retningsbestemt bevægelse beskrivelse og iltmætning data kan indsamles fra kortikale til dybe hjerneområder.
Denne nye strategi rummer et stort potentiale for en lang række applikationer, og opfylder det presserende behov for pålidelige procedurer for at skildre dybe hjerne funktioner, der er afgørende i forskellige patologier. På grund af sin minimale invasiv, kan den præsenterede protokol muliggøre utallige mulige billeddiagnostiske undersøgelser af centralnervesystemet, især dem, der kræver langsigtede overvågning eller inddragelse sarte patologiske dyremodeller.
Protocol
Nødvendige forsøg på at udvikle protokollen blev udført i henhold til nationale regler og er blevet godkendt af den lokale etiske videnskab komité (Comitato di Bioetica di Ateneo), der opererer inden for institutionen af universitetet i Torino, Turin, Italien.
1. Forberedelse
- Anæstesi
- Placer dyriske passende isofluran kammer til at bedøve det.
- Fylde kammeret med blandede O 2 og isofluran gas til veterinær anvendelse i en koncentration på 2,5% i en 2 L gaskammer og vente i ca. 3 minutter til rotte at falde i søvn. Kontroller for effekten af anæstesi ved en tå knivspids.
- Når bedøvelsen får virkning, fjernes rotten og vejes.
- Spred et tyndt lag af vandopløseligt oftalmisk gel på dyrets øjne at beskytte dem og for at opretholde den okulære fysiologiske hydrering.
- Læg rotte ned på en ultralyd og Photoacoustic imaging station bordplade. Jegn for at opretholde anæstesi virkning hurtigt placere næsen inde i passende maske at tilvejebringe en konstant anæstesi flow (isofluran 2% -2.5% i oxygen 1 l / min).
- Barbering dyret
- Spred en konsekvent lag af hår fjernelse creme på hovedet overflade, med vægt på at dække områder omkring ører og hals. Lad cremen virke i flere minutter og forsigtigt tage den ud med en spatel. Softly fjerne alle fløde rester med en våd svamp til præcist at rense huden.
BEMÆRK: dyr pels entraps luft, krænker ultralyd baseret imaging erhvervelse, således skal det nødvendigvis fjernes så meget som muligt.
- Spred en konsekvent lag af hår fjernelse creme på hovedet overflade, med vægt på at dække områder omkring ører og hals. Lad cremen virke i flere minutter og forsigtigt tage den ud med en spatel. Softly fjerne alle fløde rester med en våd svamp til præcist at rense huden.
- Positionering af dyr
- Arrangere dyret i en spread eagle position. Overvåg de vitale tegn, ved hjælp af passende vitale parameter sensorer på bordpladen (hvis de er til stede). Lean poterne på sensorerne efter anvendelse nogle dråber elektrode creme til professionelt brug.
BEMÆRK: Under anæstesi, sikre, at vitale parametre har værdier som følger: rotte kropstemperatur ≈ 37,5 ° C, hjerte-beats per minut (BPM) varierer mellem 250 og 350, og respirationsfrekvens består i intervallet 40-80 vejrtrækninger per minut . - Endelig fastgøres lemmerne med allergivenlige kunstsilke patch. Hvis det er nødvendigt, spredes igen et tyndt lag af vandopløseligt oftalmisk gel til at beskytte dyrets øjne.
- Arrangere dyret i en spread eagle position. Overvåg de vitale tegn, ved hjælp af passende vitale parameter sensorer på bordpladen (hvis de er til stede). Lean poterne på sensorerne efter anvendelse nogle dråber elektrode creme til professionelt brug.
2. Image Acquisition fra tidsmæssigt
- Positionering af dyr
- Holde dyret i en udsat position, dreje sin krop lidt på den side, med en hældningsvinkel på ca. 45 ° i forhold til det sagittale organ akse. Brug små bomuld gaze ruller som står til at rette arrangere bortskaffelse (figur 2a).
- Hæv dyrehoved og dreje den lidt på den ene side (figur 2a). Brug en bomuld rulle som stand holde snuden godt INSERTed i anæstesi masken.
- Skrå bordpladen i en vinkel på ca. 30 ° i forhold til det vandrette plan.
- Drej billeddannende transducer i en vinkel på ca. 30 ° i forhold til det lodrette plan.
- Ultralyd og Photoacoustic billedoptagelse anatomiske og vaskulær
- Drej billeddannelse scanning på, tast billedoptagelse B-tilstand og korrekt indstillet alle billedoptagelse parametre til at respektere eventuelle givne krav i forsøget (figur 3a).
BEMÆRK: Indstil sende- frekvens så lavt som muligt (16 MHz, figur 3b), for at få den maksimale indtrængningsdybde muligt for transduceren. - Anbringe et sammenhængende lag (ca. 1 cm tyk) af hypoallergen vandopløselig ultralyd transmission gel på dyrets hoved (figur 2b). Dæk transduceren hovedet med et tyndt lag af den samme gel og sætte det i kontakt med laget på rat. Brug varmt gel for at minimere lokal hypotermi.
- Start billedoptagelse i B-tilstand og justere transduceren positionering i realtid, ved at identificere anatomiske referencer og ved centrering interesseområdet til monitoren midterste punkt. Sørg for at fjerne luftbobler på ethvert niveau indfanget i gelen lag, fordi de påvirker købet negativt.
- Placer transduceren for at tilpasse den til den virtuelle akse forbinder øre til øjet (figur 4a) for at opnå en optimal stråle fokusering. Erhverve forskellige visninger af hjernen volumen internt, ved med eller mod uret rotation (figur 4b og c).
- Til sidst fastgøres transduceren på en mekanisk stand til stabilt sikre positionen og til at tune den retning en fin måde.
- Sørg for, at cerebral region af interesse lokaliseres ved 10 mm dybde i forhold til USA-LASER transducer kilde for at modtage en optimal photoakustiske svarsignal (figur 5). Placer derefter indikator for amerikanske bølge fokusering præcis i midten af det analyserede område.
BEMÆRK: Under forskning af interesseområder, undgå aktivering af respiration gate mulighed, for at fremskynde positioneringen procedure. - Indtast Color Doppler-tilstand til at visualisere interne fartøjer hjernen blod i en høj følsom måde.
- Når placeringen er indstillet på en hensigtsmæssig måde at visualisere de ønskede områder, aktivere åndedræt gate mulighed for at undgå uønskede virkninger i forbindelse med bevægelse (figur 6a).
- Vælg den ønskede erhvervelse parametersæt i Color Doppler (figur 6b) og erhverve billeder i dette modalitet at skelne blodet hastigheder og retninger, før adskillige millimeter indtrængningsdybde.
- Indtast Pulsed Wave Doppler-tilstand og erhverve billeder til at opdage arterie blod pulsering og at skelne mellem arterier and vener.
- Indtast Power Doppler og indstille erhvervelse parametre (figur 7) til at udføre et signal kvantificering på basis af antallet af spredende begivenheder forårsaget af flux bevægelse og derfor til evaluerede forskelle i strømningshastigheder.
- Indtast Photoacoustic tilstand og ordentligt forfine erhvervelse parametre (figur 8a) til at indsamle data om blod total hæmoglobin indhold eller iltning grad i et givet område. Ved at producere laser excitation på en hel bølgelængde spektrum (fra 680 nm til 970 nm, 8b), kan kvantificeres absorptionen af det samlede hæmoglobin er til stede i forskellige kemiske tilstande inde i en væv. Ved at udføre signal samling af enkelte specifikke bølgelængder (figur 8c), er det muligt at isolere de forskellige signal bidrag på grund af absorption af oxy og de-oxy rene arter.
- Drej billeddannelse scanning på, tast billedoptagelse B-tilstand og korrekt indstillet alle billedoptagelse parametre til at respektere eventuelle givne krav i forsøget (figur 3a).
3. Imaging fra occipital Point of View
- Positionering af dyr
- Holde dyret i en udsat position, sænk dyrehoved og bruge små bomuld gaze ruller som lateral står korrekt arrangere bortskaffelse.
- Drej billeddannende transducer parallelt tværplan af dyrets hoved (figur 9).
BEMÆRK: På denne måde vil købet centreres gennem occipital foramen på basis af kraniet. Ved at variere hældningsvinklen af sonden orientering (figur 9), vil det være muligt at erhverve indre billeder fartøj i forskellige visninger afhængigt af indstillingen hældning.
- Ultralyd og Photoacoustic billedoptagelse anatomiske og vaskulær
- Indtast billedoptagelse B-tilstand, skal du indstille alle billedoptagelse parametre som tidligere rapporteret (Figur 3) og sprede de nødvendige ultralyd gel lag på sonden og på dyret nakken.
- Arranger transduceren for at bo næsten vandret, i ordER rettes langs anatomiske posterior-til-anterior akse af kroppen. Peg den mod frontal side af snuden, og vip den lidt fremad.
- Start billedoptagelse i B-tilstand og Color Doppler-tilstand (figur 3 og 6). Præcist justere transduceren position og fjerne luftbobler fra gelcoat som tidligere beskrevet. Hvis det er muligt, fastgøres transduceren på et fast standpunkt for at styre retningen på en fin måde, og vælge den bedste vippe vinkel til at erhverve billeder af de ønskede anatomiske regioner.
- Visualiser interne hjerne blodkar i Power Doppler Mode ved korrekt indstilling erhvervelse parametre (figur 7).
- Lokaliser intenst pulserende arterier ved Pulsed Wave Doppler Mode. Skelne dem fra vener, som omvendt er karakteriseret ved lave niveauer af blodgennemstrømningen pulsering.
- Saml blodet hastigheder data og retninger i Color Doppler Mode ved tilstrækkeligt at tilpasse ACQuisition parametre (figur 6).
- Komplet dyb hjerne hæmodynamisk karakterisering datasæt, ved at tilføje kemisk blod oplysninger fremskaffet ved Photoacoustic erhvervelse (figur 8). Udfør denne ved at vurdere især mængden af hæmatiske parametre som O 2 mætning procent og det samlede hæmoglobinindhold (HBT), der måles generelt ved at indstille laseren excitationsbølgelængden ved 750 og 850 nm (figur 8c).
4. Slut på Køb og Animal Removal
BEMÆRK: Korrekt overveje hele tiden dedikeret til Image Acquisition processen (fra trin 1 til trin 3), som udsættes for store restriktioner for bedøvelse dosis til dyrets.
- Gem alle indsamlede data, drej laseren pulserende ud ved at afslutte Photoacoustic erhvervelse mode og afstand transduceren.
- Samtidig med at den animal under anæstesi effekt, begynder at rense det ved forsigtigt at fjerne den beskyttende gel fra øjnene med en våd vatpind. Brug en spatel og flere papirservietter til helt at fjerne den ultralyd gel fra hovedet og snude, så rens dem med en våd svamp. Pas på ikke at beskadige sarte barberet hud.
- Tag klæbende plaster bruges til at fastgøre benene og afbryde dem fra sensorerne, der overvåger de fysiologiske parametre. Hurtigt overføre dyret fra erhvervelsen bordplade til et andet bur.
- Host dyret i et lille bur til genvinding fra anæstesi. Sørg for, at dyrene ikke bør dele buret i denne fase for at undgå aggressioner
- Placer genopretning bur under en infrarødt lys til at holde dyret varm. Vent, indtil den har genvundet tilstrækkelig bevidsthed til at opretholde brystleje. Tjek dyrenes generelle sundhedsmæssige betingelser, før du flytter det til dyreavl værelse.
Representative Results
Denne metode giver mulighed for at billedet både specifik anatomiske referencepunkter strukturer og blodkar ved relativt høj rumlig opløsning, dybere end den nuværende teknik med dyreskind og kraniet intakt. I vores eksperimentelle betingelser dybden af PA-signalet er 4,5 mm, og den aksiale opløsning er 75 um med en FOV 23 x 15,5 cm. Forsøg med Photoacoustic Tomography modalitet 19 viste en værdi af beslutning <1 mm. Rækken af SNR værdier er fra 21,6 dB til 23,8 dB (opnået ved 5 forskellige punkter tilfældigt udvalgte på hjernevævet og baggrund). Sidestille transduceren på kraniet tidsmæssige side, kan billeder af hjernen erhverves som tværgående eller endda kronafsnit på grundlag af den valgte placering vinkel transduceren med en resulterende lateral imaging synspunkt (figur 4). Epidermis er kranieknogler og parenkymale materiale godt repræsenteret i ultralyd B-Mode, da de er meget forskellige med hensyn til acoustic impendence (figur 10). Selv om deres konfiguration afhænger af den valgte synsvinkel nogle anatomiske referencesteder med parenkym er genkendelige, såsom revner adskiller hjerne indre del fra cortex og den karakteristiske-formede optik tarmkanalen (figur 10). Derudover et stort antal fartøjer er synlige i både ultralyd og Photoacoustic billeddiagnostiske metoder. Karakteristiske krydsene med Arteria carotis interna (ICA) med andre store store skibe løber langs den ydre sideflade af dyrets cerebrum let kan genkendes. Store vaskulære ruter, såsom ICA give en massiv blodtilførsel at tilfredsstille konsekvent neuronal behov for energi og oxygen. ICA, stammede fra carotis communis (CCA), der kører på den laterale side af hovedet på flere millimeter dybde, går ud over alle sine bifurkationsbetingelser steder og endelig når den forreste hoveddel. Denne vigtigste blodet breder blandt formidlendespiste mellemstore skibe, inden de blev kanaliseret i altid mindre arterioler endelig nærer neuroner. Fra den tidsmæssige synspunkt, er det muligt at spore den interne cerebralarterie mønster, der forgrener i fartøjer, der er rettet til front og lateral hjerne side. Koronale og tværgående billeder kan erhverves med forskellig hældning af transduceren med hensyn til retningen af den virtuelle akse forbinder øjet og øret af dyret (figur 4). Ved at vippe transducer ifølge fremspringene er beskrevet i figur 4, er det muligt at opnå løst billeder af arteria cerebri media (MCA), der hidrører fra ICA og yderligere delt i to eller flere grene, der endelig surround kortikale lapper (figur 11 og 12). De bedste visualiseringer blev opnået for MCA med sonden tilt som viste i figur 4c og ICA som vist i figur 4b.
Doppler-baserede akustisk billeddannelse afslører små grene, mens retningsbestemt information af blod strøm er tilgængelige takket være erhvervelsen Color Doppler (figur 13). MCA arterie funktionen bekræftes af Pulsed Wave ultralyd teknik (figur 14 og 15). Kan påvises og analyseres for at indsamle data om dens molekylære oxidative status og til at beregne blodoxygenmætning Photoacoustic signal om indeholdt hæmoglobin i cirkulerende røde blodlegemer (Figur 16 og 17). Hæmatisk iltindhold kan korreleres til sonic data for at bekræfte diskrimination af arterieblod fra veneblod.
Ved at pege transduceren mod de occipital foramen, er visionen projiceres på hovedet aksiale plan (figur 9), og denne imaging fly kan blive afgjort på variable hældningsvinkler. I dette tilfælde kan den bageste synspunkt brain imaging blive konnoteret af en høj indtrængningsdybde på grund af den større occipital post. Cirkel Willis, en karakteristisk fartøj konfiguration i den dybe hjernen, kan lokaliseres og undersøges ved at anvende alle førnævnte teknikker. Basilararterien (BA), der kører på den ventrale side af cerebellum, fører i sidste ende til hjerne og symmetrisk forgrener sig i to grene. Disse to grene på den ventrale hjerne spredt ud og derefter slutte sig sammen igen, derfor skaber en ringstruktur (Circle of Willis). Denne basal dyb cirkel er den vaskulære kælderen hvorfra alle mellemstore blodkar opstår, såsom den bageste, midterste og Anterior cerebralarterierne (PCA, MCA og ACA henholdsvis), som er de vigtigste effektorer af en massiv blodforsyning til hjernen . I Color Doppler-tilstand, identifikation af middelstor grene er muligt og gør det muligt at klare visualisering af buede vaskulære segmenter (såsom PSA) ind i Circle of Willis (figur 18).
nt "> The cerebral parenchymvæv blev også registreret med PA modalitet i occipital fremspring (figur 19) for at vise vaskulær karakterisering i spektral plot (figur 20). Med dette spektrum er muligt at skelne signalet afledt fra arterielle og venøse kar.
Figur 1: Placering af kraniet foramina og respektive synspunkt for billedoptagelse Rotten hoved i profil (a), og de steder, hvor den billeddannende transducer-enheden kan placeres til at blive sammenstillet på tidsmæssige foramen (lilla pil) og på occipital foramen. (gul pil) i profil (b).
Figur 2: Animal bortskaffelse for tidsmæssig billede acquisition. (A) indretning af dyret på bordpladen for billedet erhvervelse: efter hoved barbering, dyret er anbragt i en liggende stilling med kroppen lidt på skrå på den ene side med henblik på at blotlægge den tidsmæssige side af hovedet. Bordpladen kan muligvis udstyret med et varmelegeme enhed til at holde dyrets krop varm under erhvervelse. Nogle bomuld ruller kan anvendes til at opnå denne position, mens klæbemiddellapper fastgøre poterne på sensorer til overvågning af vitale parametre. (B) En konsekvent lag af ultralyd gel dækker området af hovedet på hvilken transduceren vil blive placeret under billedbehandling.
Figur 3: Køb parametre for B-type-billedbehandling. (A) Et illustrativt screenshot viser panelet rapportering vigtige erhvervelse parametre ansat til hjernescanning i B-mode. (B) Det er vigtigt, blev sender frekvens indstillet på lave værdier (16 MHz) for at forbedre USA vævspenetration.
Figur 4: Tværgående billedoptagelse fra tidsmæssig foramen (a) Det virtuelle Referenceaksen sammenføjning øremuslingen for øjet og tilt bevægelse (rød pil) for at variere transduceren hældning og billedet erhvervelse flyet (b) mod uret bevægelse i forhold til. henvisning øre til øje akse og variable hældning transducerposition c) uret bevægelse i forhold til at henvise øre-til-øje-akse og variable hældning transducerposition.
Figur 5: Optimal fokus dybde for USAog PA billedoptagelse. Mens søger interesseområdet, det billeddannende fokus dybde (ved en gul trekant) skal sættes til omkring 10 mm i dybden fra USA / laser kilde, for at få en optimal billeddannelse ydeevne.
Figur 6: Køb parametre for Color Doppler-billedbehandling. (A) Før start billedoptagelse i Color Doppler-tilstand, kan respiration gate indstillingen være tændt, for at undgå den artefakt genereret af fysiologiske respiratoriske bevægelser. (B) et eksempel på screenshot viser vigtige erhvervelse parametre ansat til hjernescanning i Color Doppler Mode.
Figur 7: Køb parametre for Power Doppler-billedbehandling. Et illustrativt screenshot viser vigtige erhvervelse parametre ansat til hjernescanning i Power Doppler-tilstand.
Figur 8: Køb parametre for Photoacoustic-billedbehandling. (A) Panelet rapportering vigtige erhvervelse parametre ansat til hjernescanning i Photoacoustic Mode. (B) Køb af en fotoakustisk spektrum, på grundlag af en laser excitation i området fra 680 nm til 970 nm, med en bølgelængde interval på 5 nm (benævnt trin størrelse). (c) erhvervelse parametre anvendes til enkelt bølge Photoacoustic tilstand ved 750 nm og 850 nm, for diskrimination af deoxygeneret og iltet hæmoglobin signaler hhv.
fig9highres.jpg "/>
Figur 9:. Tværgående billedoptagelse fra occipital foramen (a) Transducer positionering på dyrets hals (gul pil), og den resulterende tværgående imaging fly, der næsten sektioner hovedet på caudo-rostrale retning (b) posterior baggrund af transduceren positionering og billedoptagelse fly.
Figur 10:. B-Mode køb fra tidsmæssige foramen for individuation af anatomiske referencer Epidermis (a), kan kraniet (b) og parenkym (c) være let at skelne, men også andre anatomiske referencer kan påvises, såsom revne ( d), der omgiver den ventrale deep brain del og den karakteristiske form af den optiske tarmkanalen (e).
Figur 11: Power Doppler erhvervelse tilstand gennem tidsmæssige foramen for individuation af vaskulære referencer MCA hæve fra ICA om den tidsmæssige hjerne side.. For at opnå dette synspunkt blev tværgående billede erhvervet ved at pege transduceren på de tidsmæssige foramen og ved at dreje den i urets retning.
Figur 12: Power Doppler erhvervelse tilstand gennem tidsmæssige foramen for individuation af vaskulære referencer MCA hæve fra ICA om den tidsmæssige hjerne side.. For at opnå dette synspunkt blev tværgående billede erhvervet ved at pege transduceren på de tidsmæssige foramen og ved at dreje den med uret.
Figur 13: Color Doppler erhvervelse tilstand gennem tidsmæssige foramen for individuation af vaskulære referencer MCA hæve fra ICA om den tidsmæssige hjerne side.. Vejledende information om blodet udtrykkes ved hjælp af en farveskala bar, hvor der skelnes mellem flux bevægelser rettet mod transduceren enheden og væk fra det.
Figur 14: køb Pulsed Wave tilstand gennem timelige foramen for individuation af vaskulære referencer Bekræftelse af de arterielle egenskaber af blod cirkulerer inde fartøjer, der var hypotetisk identificeret som arterier:. Pulsed Wave-tilstand giver oplysninger om variationen af stream hastigheder, som kan korreleres til hjerte-pulsering effekt (mere inteNSE i arterier end i vener).
Figur 15: Pulsed Wave erhvervelse tilstand gennem timelige foramen for individuation af vaskulære referencer Identifikation af Pulsed Wave tilstand af blodkar som vener, hvor hjertets pulsering effekt på stream hastigheder er ubetydelig..
Figur 16: køb Photoacoustic tilstand gennem tidsmæssige foramen for individuation af vaskulære referencer. Parenkymale interne fartøjer i den tidsmæssige hjernen side visualiseret ved B-Mode (venstre) og Single-bølge Photoacoustic tilstand (til højre). Skalalinjen farver afspejler forskellige intensitetsværdier af Photoacoustic signal, fremkaldt af en laser excitation udføres ved en valgt bølgelængde. I order at individualisere vener og arterier, kan excitationsbølgelængder indstilles ved 750 og 850 nm, svarende til værdierne for at opnå de Photoacoustic emission toppe for deoxygeneret og iltet hæmoglobin henholdsvis.
Figur 17: køb Photoacoustic tilstand gennem tidsmæssige foramen for iltet og de-iltet hæmoglobin diskrimination. Interne fartøjer i den tidsmæssige hjernen side visualiseret ved B-Mode (venstre) og Oxy-Hemo Photoacoustic tilstand (til højre). Skalalinjen farver afspejler forskellige procentvise værdier af iltmætning af blod hæmoglobin.
Figur 18: erhvervelse Color Doppler-tilstand via occipital foramen for individuation af vaskulære referencer.Buede vaskulære segmenter skaber kælderen struktur Circle of Willis, som ligger i den ventrale hjernens side.
Figur 19: Photoacoustic og B-Mode erhvervelse gennem occipital foramen for individuation af vaskulære referencer. Nell'immagine i 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 en 980 nm (con trin di 5 nm).
Figur 20: Photoacoustic og B-Mode erhvervelse gennem occipital foramen for individuation af vaskulære referencer. I questa forestille viene rappresentato lo Spettro corrispondeNTE Alle Tre ROIs tracciate en livello del parenchima cerebellare; i particolare Sono tracciate en livello di three strutture vascolari, la cui tipologia si differenzia en livello dell'andamento spettrale (ROIs Fuxia e celeste corrispondono en strutture vascolari venose; ROI gialla corrisponde ad una struttura vascolare arteriosa).
Discussion
Den præsenterede protokol blev optimeret for at give yderst effektiv brain imaging resultater i små dyr. Billeder kan erhverves i forskellige modaliteter ved præcist efter anvisningerne om købet parametre og transduceren placering på kraniet foramina. Navnlig positionering på den tidsmæssige side er den mest kritiske, idet USA og laseren skal være centreret så præcist som muligt korrekt at trænge ind foramen, der er mindre end occipital én. Alligevel, takket være denne eksperimentelle omgivelser, hæmodynamiske funktioner relateret til fysiologiske eller patologiske konkurrencer er tilgængelige og kan evalueres selv i dybe områder af hjernen, som normalt er vanskelige at karakterisere.
Da vellykket billedoptagelse afhænger af nøjagtigheden af transduceren positionering, denne afhængighed skal tages nøje hensyn til, da det kan påvirke imaging ydeevne. For eksempel,nogle anatomiske strukturer af interesse kan ikke helt med i købet imaging fly og deres identifikation fra billeder, der tilbyder blot en delvis vision kan medføre suboptimal. Desuden ville et billeddannende erhvervelse USA og PA udføres i et tredimensionalt modalitet (3D-tilstand) være forenelig med den tidligere beskrevne eksperimentelle omgivelser, da det kræver transduceren at bevæge sig langs en foruddefineret automatiseret sti. Endelig, på grund af den naturlige anatomiske variation dimensionen af kraniet åbninger kan variere betydeligt blandt dyr, og derved få uforudsigelige konsekvenser for erhvervelse proces. Dette gør billedkvaliteten afhængig af de særlige kendetegn ved hver enkelt. Derfor at det er umuligt at anvende denne strategi til nogle dyr skal tages i betragtning ved udformningen af forsøgsprotokol.
Specifikt er en bemærkelsesværdig interesse rettet til hæmodynamik på grund af sin grundlæggende rolle i fastsættelsen afbiofordelingen af lægemidler eller andre eksogene molekyler efter systemisk administration 28-29. De applikativ konsekvenser inden for molekylær billeddannelse er mange, lige fra valideringen af blod pool imaging kontraststoffer til billedbaserede overvåget drug delivery undersøgelser, der kræver ultralyd-induceret BBB åbning 30. Alle disse forskningsformål vil helt sikkert drage fordel af minimal invasiv af protokollen, i betragtning af at uden yderligere kirurgi, er risikoen for død eller uønskede bivirkninger reduceres væsentligt og langsigtet overvågning på de samme dyremodeller er muligt.
Sammenfattende vil præsenterede protokol sætte den praktiserende læge til effektivt billede og korrekt fortolke anatomiske topografi og den vaskulære mønster af normale eller patologiske hjernevæv i forskning anvendelse dyremodeller. Mens de nuværende metoder hovedsageligt er begrænset til tomografisk kortikale billeddannelse 25-27, denne indstilling giver mulighed to illustrere flere processer, der påvirker dyb hjerne fysiologi, ved at sammenlægge fordele, som både USA og PA billeddannelse.
Disclosures
Offentliggørelse gebyrer for denne artikel er sponsoreret af Visual Sonics.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 rats | Charles River Laboratories | Three healthy 6-week old Sprague-Dawley rats were purchased from Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 hr light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |
References
- 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).
