Introduction
Strategier for å minutt beskrive trekk ved hjerne hemodynamikk i sentralnervesystemet hos små dyr for å fremme feltet av nevro 1-3. Den presenterte teknikken viser hvordan du utfører invasiv akustisk og akustiske bildebehandling på små dyr hjernen for å undersøke vaskulær biologi, arrangement og funksjon.
Optiske avbildningsteknikker tillate lokalisering av hendelser knyttet til nevrale aktiviteten 2,4-5 og samtidig hente inn signaler generert av hemoglobin både i oksygen og ikke-oksygen stater 6. Imidlertid, på grunn av fotoniske absorpsjon og spredning, lider ren optisk avbildning av dårlig romlig oppløsning og begrenset vevspenetrering dybde 7-8. Omvendt, akustikk tilbyr muligheten til å utføre dypere bildebehandling med høyere plass romlig oppløsning, men det er hindret av flekk og begrenset kontrast 9-11. Ved å kombinere funksjonene i fotonikk with ultralyd, forbedrer akustiske teknikk både bildediagnostikk og diagnostiske potensialer enkle metoder 12-16.
Foto-akustisk avbildning av hjernen har potensial til å belyse flere spørsmål i neurobiology imidlertid den kalott som naturlig beskytter encephalon, dramatisk begrenser både fotoniske og ultrasonisk vevspenetrasjon 17-19. Videre bein fremme spredning av både lys og lyd som resulterer i tap av følsomhet og bilde avvik 17-18. Som en konsekvens, kan hjernen ultralyd og foto-akustisk avbildning bli lett utført på nyfødte dyr før ossifikasjon 20, men den dype anatomi og fysiologi av den voksne hjernen er klart tilgjengelig kun etter kraniotomi 21,22. Dessverre er den operasjon som er nødvendig for fjerning av skallen er teknisk vanskelig, og dens virkning kan være skadelig for noen eksperimentelle formål og dermed gjøre det vanskelig å overvåke nevrale sykdomsprogresjon isamme dyr over tid. Derfor er en ikke-invasiv metode til bilde dyp hjernebiologi i små dyremodeller svært ønskelig. I litteraturen metoden for foton Recycler 17 er rapportert som en måte å redusere telefon tap og øker transmittansen gjennom det intakte hodeskallen, forbedre den foto-akustiske signal til støyforhold (SNR) og kontrasten av målet.
Den presenterte protokollen som mål å gi en pålitelig metode for subkortikal hjernen akustisk og akustiske bildebehandling på forskningsbruk gnagere (spesielt på rotter) uten invasiv kirurgi. Fremgangsmåten er basert på bruk av bærbare overførende anordninger for høyfrekvent ultralyd og foto-akustisk avbildning. I motsetning til tomographic bildeteknologi 23, bærbar og retnings transdusere 24 muliggjør valg av bestemte kraniet regioner med naturlig redusert tykkelse, betegnes sprekker eller scissures. De store kløfter (foramina) til stede på virveldyr enNimal skallen er nødvendig for å lokalisere nervebunter, skip eller andre konstruksjoner som forbinder indre encephalon kretser til andre deler av kroppen. De store kløfter finnes i forskjellig størrelse bein åpninger som kan utnyttes som bestemte passasjer for ultralydbølger og laser. Slik målrettet bildebehandling reduserer bølge refleksjon effekter forårsaket av bein grensesnitt og øker følsomheten ved å styrke bildebehandling inntrengningsdybde. I dette perspektiv kan avbildnings transduseren være innrettet til å stå vinkelrett på de spalter som ligger på den temporale og oksipitale på siden av hodeskallen (figur 1), for å maksimalt konvergerer ultralyd og fotoniske bjelker på disse områdene. Denne orientering både forbedrer signalkvaliteten og tvinger signalet for å gå gjennom en tynnere ben sjikt med hensyn til andre kraniale orienteringer. Således, de utsendte og reflekterte bølger gjennomgår en mindre grad av spredning, slik at samlingen av intense signaler som kommer fra dyperevev lag. I motsetning til tidligere fremgangsmåter, denne eksperimentelle omgivelser krever bare dyrehode barbering, mens ingen annen operasjon er nødvendig.
Med den foreslåtte protokollen, er bildebehandling utført ved relativt høy romlig oppløsning, avslører begge, spesifikke referanse anatomiske strukturer og blodkar dypere enn nåværende tilstand av kunstmetoder, alt mens dyret hud og skalle forbli intakt. Unike koronale og aksiale bilder kan bli kjøpt ved å utnytte ulike ultralydavbildning oppkjøps modaliteter (B, Power Doppler, Color Doppler, Pulsed Wave Mode) i parallell til akustisk bildebehandling. En utvidet repertoar av parametere kan hentes ut fra disse bildene, slik skildring av parenkymatøs og vaskulær anatomi sammen med en hel samling av funksjoner som påvirker blodsirkulasjonen dynamikk. Denne protokollen kan brukes til bildegrunnleggende kortikale parenchyma funksjoner i High Frequency Ultralyd B Mode modalitet, basilaris og interne carotis arteriene (BA og ICA henholdsvis) komponere Circle of Willis, Midt Cerebral Artery (MCA) og andre detaljer i sirkulasjonsapparatet. Videre blodstrøm kvantifisering, mener stream hastigheter, retningsbestemt bevegelse beskrivelse og oksygenmetning data kan hentes fra hjernebarken til dype områder av hjernen.
Denne nye strategien har et stort potensiale for en rekke applikasjoner og tilfredsstiller det presserende behovet for pålitelige prosedyrer for å skildre dype hjernefunksjoner som er avgjørende i forskjellige patologier. Videre, på grunn av sin minimal invasivitet, kan det presenteres protokollen aktiver utallige mulige imaging studier på sentralnervesystemet, spesielt de som krever langsiktig overvåking eller involverer delikat patologiske dyremodeller.
Protocol
Nødvendige eksperimenter for å utvikle protokollen ble utført i henhold til nasjonale forskrifter og ble godkjent av den lokale etiske vitenskap komité (Comitato di Bioetica di Ateneo), som opererer innenfor institusjonen Universitetet i Torino, Torino, Italia.
1. Forberedelse
- Anestesi
- Plasser dyret inne i passende isofluran kammer å bedøve den.
- Fylle kammeret med blandede O 2 og isofluran gass for veterinær bruk i en konsentrasjon på 2,5% i en 2 l gasskammeret og vente på omtrent 3 minutter for rotten å sovne. Sjekk for effekten av anestesi ved en tå klype.
- Når anestesi trer i kraft, må du ta rotta og veie det.
- Spre et tynt lag med vannløselig oftalmisk gel på dyrets øyne for å beskytte dem, og for å opprettholde den okulær fysiologiske hydrering.
- Lå rotta ned på en ultralyd og akustisk bildebehandling stasjon benkeplate. Jegn for å opprettholde anestesi effekt, raskt posisjonere nese inne i hensiktsmessig maske tilveiebringe et konstant flyt anestesi (2% isofluran -2,5% i oksygen 1 l / min).
- Barbering av dyr
- Spre et konsistent lag med hår-fjerning krem på hodet overflaten, med oppmerksomhet for å dekke områdene rundt ører og nakke. Tillate kremen å handle i flere minutter og forsiktig ta den ut med en slikkepott. Softly fjerne alle kremrester med en våt svamp til nøyaktig rense huden.
MERK: dyr pels entraps luft som negativt påvirker ultralydbasert avbildnings oppkjøp, og dermed må det nødvendigvis fjernet så mye som mulig.
- Spre et konsistent lag med hår-fjerning krem på hodet overflaten, med oppmerksomhet for å dekke områdene rundt ører og nakke. Tillate kremen å handle i flere minutter og forsiktig ta den ut med en slikkepott. Softly fjerne alle kremrester med en våt svamp til nøyaktig rense huden.
- Posisjonering dyret
- Ordne dyret i en spredt-eagle stilling. Overvåke vitale tegn, ved hjelp av egnede vitale parametersensorer på benkeplaten (hvis de finnes). Lene potene på sensorene etter bruk noen dråper elektrode krem for profesjonell bruk.
MERK: Under anestesi, sikre at vitale parametre har verdier som følger: rotte kroppstemperatur ≈ 37,5 ° C, hjerte slag per minutt (BPM) varierer mellom 250 og 350 og respirasjonsfrekvens består i størrelsesorden 40-80 pust per minutt . - Endelig feste lemmer med hypoallergen kunstig silke patch. Hvis det er nødvendig, spres igjen et tynt lag av vannløselige oftalmologisk gel for å beskytte øynene til dyr.
- Ordne dyret i en spredt-eagle stilling. Overvåke vitale tegn, ved hjelp av egnede vitale parametersensorer på benkeplaten (hvis de finnes). Lene potene på sensorene etter bruk noen dråper elektrode krem for profesjonell bruk.
2. Image Acquisition fra Temporal Point of View
- Posisjonering dyret
- Å holde dyret i en liggende stilling, rotere legemet sin litt på siden, med en helningsvinkel på omtrent 45 ° i forhold til den sagittale kroppsaksen. Bruk små bomull gasbind ruller som står til riktig ordne disposisjon (figur 2a).
- Hev dyrehode og roter det litt på den ene siden (figur 2a). Bruk en bomullsrull som fritt holde snuten godt inserted inn i anestesi maske.
- Helle benkeplaten med en vinkel på ca 30 ° i forhold til horisontalplanet.
- Snu avbildnings transduseren under en vinkel på omtrent 30 ° i forhold til vertikalplanet.
- Ultralyd og akustisk anatomiske og vaskulær image oppkjøpet
- Snu bilde skanne på, gå inn i B-modus bilde oppkjøpet og riktig satt alle image oppkjøpet parametere for å respektere eventuelle gitte kravene i forsøket (figur 3a).
MERK: Innstill sendesenterfrekvens så lav som mulig (16 MHz, figur 3b), for å få den maksimale inntrengningsdybde mulig for transduseren. - Fjernes en konsistent lag (ca. 1 cm tykt) av hypoallergene vannoppløselig ultralydoverførings gel på dyrets hode (figur 2b). Dekk transduseren hodet med et tynt lag av samme gel og sette det i kontakt med laget på rat. Bruk varmt gel for å minimere lokaliserte hypotermi.
- Starte bilde oppkjøpet i B-modus og justere svingeren posisjonering i sanntid, ved å identifisere anatomiske referanser og ved sentre regionen av interesse for skjermen midt punkt. Sørg for å fjerne luftbobler på ethvert nivå innesperret i gellaget, fordi de negativt påvirke oppkjøpet.
- Plasser svingeren for å justere den til den virtuelle aksen forbinder øret til øyet (figur 4a) for å få en optimal bjelke focalization. Tilegne seg forskjellige visninger av den interne hjernevolum, av med eller mot klokken rotasjon (figur 4b og c).
- Til slutt fester du svingeren på en mekanisk stand til stabilt sikre posisjonen og å tune orienteringen i en fin måte.
- Sørg for at cerebral regionen av interesse lokaliserer på 10 mm dybde i forhold til USA-LASER svinger kilde for å få en optimal phOtoakustiske responssignal (Figur 5). Deretter plasserer indikator på amerikanske bølge focalization akkurat i sentrum av det analyserte området.
MERK: Under forskning av områder av interesse, unngå aktivering av respirasjon porten alternativ, for å akselerere posisjoneringsprosedyre. - Tast Color Doppler Mode for å visualisere interne hjerneblodårer i en høy følsom måte.
- Når posisjonering har blitt satt på en hensiktsmessig måte å visualisere ønsket regioner, aktivere åndedrett gate alternativet for å unngå uønskede effekter knyttet til bevegelsen (figur 6a).
- Velg ønsket oppkjøpet parametersettet i Color Doppler-modus (figur 6b) og hente bilder i denne modalitet å skille blod stream hastigheter og retninger, før flere millimeter inntrengningsdybde.
- Tast Pulsed Wave Doppler Mode og hente bilder å oppdage arterie blod pulsering og å skille mellom arterier ennd årer.
- Tast Strøm Doppler-modus og satt innhentingsparametere (figur 7) for å utføre en signal kvantifisering på grunnlag av antall spredningshendelser forårsaket av fluksen bevegelse, og derfor til evaluert forskjeller i strømningshastighetene.
- Enter-akustisk Mode og riktig avgrense oppkjøps parametre (figur 8a) for å samle inn data om blod total hemoglobin innhold eller oksygene grad i et gitt område. Ved å produsere laser eksitasjon på en hel bølgelengde-spektrum (fra 680 nm til 970 nm, figur 8b), absorpsjonen av totalt hemoglobin tilstede i forskjellige kjemiske tilstander inne i et vev kan kvantifiseres. Ved å utføre signal-samlingen på enkelt bestemte bølgelengder (figur 8c), er det mulig å isolere de forskjellige signal- bidragene på grunn av absorpsjon av oksy og de-oxy rene arter.
- Snu bilde skanne på, gå inn i B-modus bilde oppkjøpet og riktig satt alle image oppkjøpet parametere for å respektere eventuelle gitte kravene i forsøket (figur 3a).
3. Imaging fra bakhodet Point of View
- Posisjonering dyret
- Holde dyret i en utsatt posisjon, senk dyrehode og bruke små bomull gasbind ruller som lateral står til riktig ordne avløpene.
- Snu avbildning transduser parallelt med tverrplanet av dyret hodet (figur 9).
MERK: På denne måten vil oppkjøpet bli sentrert gjennom occipital foramen på basis av skallen. Ved å variere skråstillingsvinkelen av sonden retning (figur 9), vil det være mulig å få innvendige skips bilder i forskjellige synspunkter, avhengig av innstillingen helning.
- Ultralyd og akustisk anatomiske og vaskulær image oppkjøpet
- Skriv inn B Mode image oppkjøpet, satt alle image oppkjøpet parametere som tidligere rapportert (figur 3) og spre de nødvendige ultralyd gel lag på sonden og på dyrets nakke.
- Ordne svingeren å bo nesten horisontalt, i order til å være rettet langs den anatomiske posterior-til-anterior aksen av legemet. Peke den mot frontsiden av snuten og vipper den litt fremover.
- Starter image oppkjøpet i B-modus og Color Doppler modus (figur 3 og 6). Nøyaktig justere transduseren posisjon og fjerne luftbobler fra gelcoat som tidligere beskrevet. Hvis det er mulig, feste svingeren på en fast stand til å styre retningen på en fin måte og velge den beste vinkles til å hente bilder av de ønskede anatomiske regioner.
- Visualisere interne hjernen blodkar i energidoppler Mode, ved riktig innstilling oppkjøps parametre (figur 7).
- Lokalisere intenst pulsated arterier av Pulsed Wave Doppler Mode. Skille dem fra årer, som omvendt er preget av lave nivåer av blodstrøm pulsering.
- Samle blodet hastigheter data og retninger i Color Doppler Mode, ved tilstrekkelig tilpasse ACQuisition parametre (figur 6).
- Komplett dyp hjerne hemodynamisk karakterisering datasett, ved å legge til kjemisk blod informasjon innhentet gjennom den akustiske kjøp (Figur 8). Utføre dette ved å vurdere særlig mengden av hematiske parametre som O 2 metningsprosent og det totale hemoglobininnholdet (HBT), som vanligvis måles ved å sette laser eksitasjonsbølgelengde på 750 og 850 nm (figur 8c).
4. Slutt på Oppkjøp og Animal Fjerning
MERK: Riktig vurdere hele tiden dedikert til bildet anskaffelsesprosessen (fra trinn 1 til trinn 3), som er underlagt hoved restriksjonene knyttet til bedøvelse dose brukes på dyr.
- Lagre alle innsamlede data, slår laseren pulserer av ved å gå ut av Foto-akustisk oppkjøpsmodus og distansere svingeren.
- Samtidig opprettholde den animal under anestesi effekt, begynner å rense den ved å forsiktig fjerne den beskyttende gel fra øynene med en våt bomullsdott. Bruk en slikkepott og flere papirhåndklær for å fjerne ultralyd gel fra hodet og snuten, deretter rengjøre dem med en våt svamp. Vær forsiktig så du ikke skader den sarte barbert hud.
- Ta ut limet patch brukes til å feste bena og koble dem fra sensorene som overvåker fysiologiske parametre. Overfører raskt dyret fra oppkjøpet benkeplate til et annet bur.
- Verts dyret i et lite bur etter oppvåkning fra anestesi. Sørg for at dyrene ikke skal dele bur i denne fasen for å hindre aggresjon
- Plasser utvinning bur under et infrarødt lys for å holde dyret varm. Vent til den har gjenvunnet nok bevissthet til å opprettholde sternum recumbency. Sjekk dyrenes generelle helsetilstand, før du flytter den til avl rom.
Representative Results
Denne fremgangsmåte tillater å avbilde både spesifikke anatomiske referansestrukturer og blodkar ved relativt høy romlig oppløsning, dypere enn den nåværende teknikk med dyrets hud og skalle intakt. I våre eksperimentelle betingelser dybden av PA-signalet er 4,5 mm og den aksiale oppløsning er 75 mikrometer med en FOV 23 x 15.5 cm. Forsøk med Foto-akustisk tomografi modalitet 19 viste en verdi av oppløsningen <1 mm. Utvalget av SNR-verdier er fra 21,6 dB til 23,8 dB (innhentet av fem forskjellige punkter tilfeldig utvalgte på hjernevev og bakgrunn). Her står de svinger på skallen temporale siden, kan hjernen bilder erverves som tverrgående eller koronalsnitt på grunnlag av den valgte posisjonering vinkelen på svingeren med en resulterende lateral bilde synspunkt (figur 4). Epidermis, er skallen bein og parenchymal materialet godt representert i ultralyd B-modus, som de i stor grad skiller seg i form av acoustic impendence (Figur 10). Selv om deres konfigurasjon avhenger av den valgte synspunkt, noen anatomiske referansesteder på parenchyma er gjenkjennelige, slik som sprekker skille hjernen indre del fra cortex og det karakteristiske-formet optisk kanal (figur 10). I tillegg er et stort antall fartøyer er synlige både i ultralyd og fotoakustiske bildediagnostikk. Karakteristiske kryss av arteria carotis interna (ICA) med andre hoved store fartøy som går langs den ytre laterale overflaten av dyrets hjernen lett kan gjenkjennes. Store vaskulære ruter, slik som ICA, gir en massiv blodtilførsel for å tilfredsstille konsekvent neuronal behov for energi og oksygen. ICA, stammer fra arteria carotis communis (CCA), løper på den laterale siden av hodet på flere millimeter i dybde, går utover alle bifurkasjon sider og når til slutt den fremre hodeparti. Dette hoved blodet sprer seg blant intermedispiste store fartøy, før de blir kanalisert i alltid mindre arterioles å endelig ernære nevroner. Fra den time synspunkt, er det mulig å spore den interne Cerebral Artery mønster, som deler seg i kar rettet mot front og side hjernen side. Koronale og tverrgående bilder kan erverves med forskjellig skråstilling av svingeren i forhold til retningen av den virtuelle akse sammenføyning øyet og atriet av dyret (figur 4). Ved å vippe svingeren ifølge anslagene som er beskrevet i figur 4, er det mulig å få løst bilder av arteria cerebri media (MCA) som oppstår fra ICA og videre deler seg i to eller flere grener, som endelig surround kortikale lapper (Figurene 11 og 12). De beste visualiseringer ble oppnådd for MCA med sonden tilt som viste i figur 4c og for ICA som viste i figur 4b.
Doppler-baserte akustisk avbildning avslører små greiner, mens retningsinformasjon av blodstrøm er tilgjengelig takket være Color Doppler kjøp (Figur 13). MCA arterie funksjonen er bekreftet av ultralyd teknikk Pulsed Wave (Figurene 14 og 15). Foto-akustisk signal av inneholdt hemoglobin i sirkulerende røde blodceller kan bli detektert og analysert for å samle inn data om dens molekyl oksidativ status og til å beregne blodoksygenmetning (figurene 16 og 17). Hematiske oksygeninnhold kan være korrelert til soniske data for å bekrefte diskriminering av arterielle blod fra veneblod.
Ved å peke svingeren mot occipital foramen, er visjonen projisert på hodet aksialplanet (Figur 9) og denne bildeplanet kan bli avgjort på variable helningsvinkler. I dette tilfelle kan den bakre synspunkt avbildning av hjernen bli connoted av en høy inntrengningsdybde, på grunn av den større occipital oppføring. Circle of Willis, en karakteristisk konfigurasjon fartøy i den dype hjernen, kan lokaliseres og undersøkt ved å bruke alle nevnte teknikker. Basilaris arterie (BA), som kjører på den ventrale siden av lillehjernen, fører til slutt til encephalon og symmetrisk bifurcates i to grener. Disse to grener på ventral hjernen spredt ut og deretter bli sammen igjen, derfor skaper en ringstruktur (Circle of Willis). Dette basal dyp sirkel er det vaskulære kjelleren hvor alle mellomstore blodårer oppstår, slik som bakre, midtre og Anterior cerebrale arterier (PCA, MCA og ACA henholdsvis), som er de viktigste effektorer av en massiv blodtilførsel til hjernen . I Color Doppler Mode, er identifisering av mellomstore grener gjennomførbart og muliggjør den klare visualisering av buede vaskulære segmenter (for eksempel PCA) inn i Circle of Willis (Figur 18).
nt "> The cerebral parenchymalvevet ble også registrert med PA modalitet i occipital projeksjon (Figur 19) for å vise vaskulær karakterisering i spektral plot (Figur 20). Med dette spekteret er mulig skille signalet stammer fra arterielle og venøse fartøy.
Figur 1: Plassering av skallen foramina og respektive synspunkt for bildeopptak Rotta hode i profil (a) og nettstedene hvor bilde transduseranordning kan plasseres for å bli sidestilt på time foramen (lilla pil) og på occipital foramen. (gul pil) i profil (b).
Figur 2: Animal disposisjon for temporal image acquisition. (A) anordning av dyret på benkeplaten for bildeopptak: etter hodet barbering, dyret blir plassert i en liggende stilling med legemet litt på skrå på den ene side for å eksponere den tidsmessige side av hodet. Benkeplaten kan muligens utstyrt med et varmeapparat enhet for å holde dyr kroppen varm under oppkjøpet. Noen bomullsruller kan anvendes for å oppnå denne posisjon, mens klebeplaster feste labbene på sensorene for vitale tegn. (B) En konsekvent lag av ultralyd gel dekker området av hodet på hvilken transduseren vil være plassert under avbildning.
Figur 3: Anskaffelses parametere for B-modus bildebehandling. (A) Et illustrerende skjermbilde som viser panelet rapportering viktige oppkjøp parametere ansatt for avbildning av hjernen i B-Mode. (B) Viktigere, sendefrekvensen ble satt på lave verdier (16 MHz) for å bedre amerikansk vevspenetrasjon.
Figur 4: Tverr image oppkjøpet fra timelig foramen (a) Den virtuelle referanseakse bli med i atriet til øyet og tilt bevegelse (rød pil) for å variere svinger helling og bildet oppkjøpet planet, (b) Mot klokken bevegelse med hensyn til. referanse øre-til-øye aksen og variabel helning svinger posisjon, c) Med klokken bevegelse med hensyn til referanse øre-til-øye aksen og variabel helning svinger posisjon.
Figur 5: Optimal fokus dybde for USAog PA image oppkjøpet. Mens du ser for området av interesse, har bilde fokus dybde (representert ved en gul trekant) å bli satt på rundt 10 mm dybde fra USA / laser kilde, for å få en optimal bildeytelse.
Figur 6: Anskaffelses parametere for Color Doppler Mode bildebehandling. (A) Før du starter bilde oppkjøpet i Color Doppler-modus, kan det åndedrett gate alternativet være slått på, for å unngå gjenstanden generert av fysiologiske respiratoriske bevegelser. (B) En eksemplifiserer skjermbilde som viser viktige oppkjøp parametere ansatt for avbildning av hjernen i Color Doppler modus.
Figur 7: Acquisition parametere for energidoppler Mode bildebehandling. Et illustrerende skjermbilde som viser viktige oppkjøp parametere ansatt for avbildning av hjernen i energidoppler Mode.
Figur 8: Anskaffelses parametere for Foto-akustisk Mode bildebehandling. (A) Et panel rapporterer viktige innhentingsparametre som anvendes for avbildning av hjernen i Foto-akustisk modus. (B) Kjøp av en Foto-akustisk spektrum, basert på en laser eksitasjon som strekker seg fra 680 nm til 970 nm, med et bølgelengdeintervall på 5 nm (betegnet som trinn størrelse). (c) Anskaffelses parametere ansatt for enkelt bølge-akustisk Mode på 750 nm og 850 nm, for diskriminering av de-oksygen og oksygenhemoglobin signaler hhv.
fig9highres.jpg "/>
Figur 9:. Tverr image oppkjøpet fra occipital foramen (a) Svinger posisjonering på dyrets nakke (gul pil) og den resulterende tverrbildeplanet som nesten deler hodet på caudo-rostralt retning, (b) posterior av svingeren som posisjonering og image oppkjøpet flyet.
Figur 10:. B-Mode oppkjøp fra time foramen for individualisering av anatomiske referanser Epidermis (a), kan skalle (b) og parenkym (c) være lett skilles, men også andre anatomiske referanser kan oppdages, slik som den sprekken ( d) som omgir den ventrale dyp hjernedelen og den karakteristiske form av de optisk kanalen (e).
Figur 11: Effekt Doppler Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser MCA heve fra ICA på tinning hjernen side.. For å oppnå dette synet, var tverrgående bilde ervervet ved å peke svingeren på de time foramen og ved å dreie den i retning mot klokka.
Figur 12: Effekt Doppler Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser MCA heve fra ICA på tinning hjernen side.. For å oppnå dette synet, var tverrgående bilde ervervet ved å peke svingeren på de time foramen og ved å rotere det med urviseren.
Figur 13: Color Doppler Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser MCA heve fra ICA på tinning hjernen side.. Retningsinformasjon fra blodstrømmen er uttrykt ved hjelp av en fargeskala bar, å skille mellom fluks bevegelser rettet mot transduktor og bort fra den.
Figur 14: Pulsed Wave Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser Bekreftelse av arterielle egenskapene til blodet sirkulerer inne fartøy som ble hypotetisk identifisert som arterier:. Pulsed Wave Mode gir informasjon om variasjonen av stream hastigheter, noe som kan være korrelert til hjertepulse effekt (mer inteNSE i arteriene enn i vener).
Figur 15: Pulsed Wave Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser Identifikasjon av Pulsed Wave Mode av blodårer som vener, hvor hjertepulse effekt på stream hastigheter er ubetydelig..
Figur 16: Foto-akustisk Mode oppkjøpet gjennom time foramen for individualisering av vaskulære referanser. Parenkymceller interne fartøy i tinning hjernen side visualisert ved B-Mode (venstre) og Single-bølge-akustisk Mode (til høyre). Målestokken farger reflekterer ulike intensitetsverdier av fotoakustisk signal, indusert av en laser eksitasjon utført ved en valgt bølgelengde. I order til individuate vener og arterier, kan eksitasjonsbølgelengdene settes til 750 og 850 nm, som representerer verdiene for å oppnå fotoakustiske utslipps topper for desoksydert og oksygenert hemoglobin hhv.
Figur 17: Foto-akustisk Mode oppkjøpet gjennom time foramen for oksygenrikt og de-oksygenert hemoglobin diskriminering. Interne fartøy i tinning hjernen side visualisert ved B-Mode (venstre) og Oxy-Hemo-akustisk Mode (til høyre). Målestokken farger reflekterer ulike prosent verdier av oksygenmetning i blodet hemoglobin.
Figur 18: Color Doppler Mode oppkjøpet gjennom occipital foramen for individualisering av vaskulære referanser.Buede vaskulære segmenter skaper kjelleren strukturen i Circle of Willis, som ligger i ventral hjernen side.
Figur 19: Foto-akustisk og B-Mode oppkjøpet gjennom occipital foramen for individualisering av vaskulære referanser. 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 skritt di 5 nm).
Figur 20: Foto-akustisk og B-Mode oppkjøpet gjennom occipital foramen for individualisering av vaskulære referanser. I questa forestille viene rappresentato lo Spettro corrispondente Alle Tre ROIs tracciate en livello del parenchima cerebellare; i particolare sono tracciate en livello di tre strutture vascolari, la cui tipologia si differenzia en livello dell'andamento spettrale (ROIs fuxia e celeste corrispondono en strutture vascolari venose; ROI gialla corrisponde annonse una struttura vascolare arteriosa).
Discussion
Den presenterte protokollen ble optimalisert for å gi svært effektiv hjerne bildeytelse i små dyr. Bilder kan bli kjøpt i ulike modaliteter ved nøyaktig etter indikasjoner om oppkjøps parametere og svinger posisjonering på skallen foramina. Spesielt er det posisjonering på temporale siden den mest kritiske, siden USA og laseren må være sentrert så nøyaktig som mulig å fullstendig penetrere foramen, som er mindre enn den occipital en. Likevel, takket være denne eksperimentelle omgivelser, hemodynamiske egenskaper relatert til fysiologiske eller patologiske konkurranser er tilgjengelig og kan bli beregnet, selv i dype områder av hjernen, som vanligvis er vanskelige å karakterisere.
Etter vellykket bildeoverføring er avhengig av nøyaktigheten av transduseren posisjonering, har denne avhengigheten å være nøye tas i betraktning fordi det kan påvirke bildeytelse. For eksempel,noen anatomiske strukturer av interesse kan ikke være helt i anskaffelsesbildeplanet og deres identifikasjon fra bildene som tilbyr bare en delvis syn kan føre suboptimal. Dessuten ville en USA og PA avbildning anskaffelse utføres i en tre-dimensjonal modalitet (3D-modus) vil være ikke er kompatibel med den tidligere beskrevne eksperimentelle omgivelser, siden det krever transduseren til å bevege seg langs en forhåndsbestemt bane automatisert. Til slutt, på grunn av den naturlige anatomiske variasjon, kan dimensjonen av skallen åpninger variere betydelig blant dyr, og dermed har uforutsigbare konsekvenser på anskaffelsesprosessen. Dette faktum gjør at bildekvaliteten avhengig av egenskapene til hvert individ. Følgelig, for å umulig anvende denne strategien til noen dyr må tas i betraktning ved utformingen av den eksperimentelle protokollen.
Nærmere bestemt er en bemerkelsesverdig interesse rettet til hemodynamikk, på grunn av dens grunnleggende rolle i å bestemmebiodistribusjon av narkotika eller andre eksogene molekyler etter systemisk administrasjon 28-29. De nødvendige ferdighetene implikasjoner innen Molecular Imaging er mange, alt fra valideringen av bildekontrastmidler blod basseng til bilde-overvåket stoffet leverings studier som krever ultralyd-indusert BBB åpning 30. Alle disse forskningsformål vil sikkert ha nytte av den minimal invasivitet av protokollen, med tanke på at, uten noen ytterligere kirurgi, er risikoen for død eller uønskede bivirkninger vesentlig redusert og langsiktig overvåking på de samme dyremodeller er gjennomførbart.
Oppsummert vil det presenteres protokollen aktivere utøveren å effektivt bilde og tolke den anatomiske topografi og den vaskulære mønster av normale eller patologiske hjernevev i forskningsbruk dyremodeller. Mens dagens metoder er i hovedsak begrenset til tomographic kortikal bildebehandling 25-27, gir denne innstillingen muligheten to illustrere flere prosesser som påvirker dyp hjernefysiologi, ved å flette fordeler som tilbys av både amerikanske og PA bildebehandling.
Disclosures
Publiserings avgifter for denne artikkelen ble sponset av 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).
