Introduction
Strategier för att noggrant beskriva funktioner i hjärnan hemodynamik i centrala nervsystemet hos små djur behövs för att avancera inom neurovetenskap 1-3. Den presenterade tekniken visar hur du utför icke-invasiv akustisk och fotoakustisk avbildning på små djur hjärna för att undersöka kärlbiologi, arrangemang och funktion.
Optiska avbildningstekniker tillåter lokalisering av händelser relaterade till neural aktivitet 2,4-5 och samtidigt skaffa signaler som genereras av hemoglobin i både syresatta och icke-syresatt stater 6. Emellertid, på grund av fotonisk absorption och spridning, lider ren optisk avbildning av dålig rumslig upplösning och begränsad vävnadspenetrationsdjup 7-8. Omvänt, akustik erbjuder möjligheten att utföra djupare avbildning med högre utrymme rumslig upplösning, men det hindras av speckle och begränsad kontrast 9-11. Genom att kombinera funktioner i fotonik with ultraljud, förbättrar fotoakustisk teknik både bildbehandling och diagnostiska möjligheter för enskilda metoder 12-16.
Fotoakustisk avbildning av hjärnan har potential att belysa flera frågor i neurobiologi, dock kalott som naturligt skyddar hjärna, dramatiskt begränsar både fotoniska och ultraljudsvävnadspenetration 17-19. Dessutom ben främjar spridning av både ljus och ljud som resulterar i förlust av känslighet och bild aberrationer 17-18. Som en följd, kan hjärnan ultraljud och fotoakustisk avbildning lätt utföras på nyfödda djur före ossifikation 20, men den djupa anatomi och fysiologi av den vuxna hjärnan är klart tillgängliga endast efter kraniotomi 21,22. Tyvärr är tekniskt svårt operationen behövs för skallen borttagning och dess effekter kan vara skadligt för vissa experimentsyfte vilket gör det svårt att övervaka neurala sjukdomsprogression isamma djur över tid. Därför är det mycket önskvärt en icke-invasiv metod för att avbilda djup cerebral biologi i små djurmodeller. I litteraturen metoden av foton återvinnare 17 rapporteras som ett sätt att minska förlusten telefonen och öka transmittansen genom den intakta skallen, förbättra den fotoakustiska signalbrusförhållande (SNR) och kontrasten hos målet.
Den presenterade protokollet syftar till att ge en tillförlitlig metod för subkortikala hjärn akustiska och fotoakustisk avbildning på forskning användningsområden gnagare (speciellt på råttor) utan invasiv kirurgi. Förfarandet bygger på användningen av bärbara transducerande enheter för högfrekvent ultraljud och fotoakustisk avbildning. I motsats till tomografisk bildteknik 23, portabel och riktningsgivare 24 möjliggör val av specifika kranium regioner med naturligt reducerad tjocklek, kallas sprickor eller scissures. De stora klyftor (foramina) finns på ryggradsdjur aNimal skalle är nödvändiga för att lokalisera nervknippen, fartyg eller andra strukturer som förbinder de inre encephalon kretsar till andra delar av kroppen. De stora klyftor finns i olika storlekar ben öppningar som kan utnyttjas som specifika passager för ultraljudsvågor och laser. Sådan riktad avbildning minskar våg reflektion som orsakas av gränssnitt ben och ökar känsligheten genom att förbättra bild inträngningsdjup. I detta perspektiv kan bildomvandlaren arrangeras vara vinkelrät mot klyftor som finns på den tidsmässiga och på nack sidan av skallen (Figur 1), i syfte att maximalt konvergera ultraljudet och fotoniska strålar på dessa områden. Denna inriktning både förbättrar signalkvaliteten och tvingar signalen att fortsätta genom ett tunnare ben lager med avseende på andra kraniala oriente. Sålunda är de överförda och reflekterade vågorna genomgå en lägre grad av spridning, vilket möjliggör insamling av intensiva signaler som härrör från djuparetissueskikt. I motsats till tidigare förfaranden, kräver detta experimentella inställning bara djurhuvud rakning, medan ingen annan kirurgi är nödvändigt.
Med det föreslagna protokollet, är bild utförs vid relativt hög rumslig upplösning, avslöjar både specifika referens anatomiska strukturer och blodkärl djupare än nuvarande toppmoderna metoder, allt medan djurhud och skalle förbli intakt. Unika koronala och axiella bilder kan förvärvas genom att utnyttja olika ultraljudsbildförvärvs modaliteter (B, Ström Doppler, färgdoppler, Pulsed Wave Mode) parallellt med fotoakustisk avbildning. En utökad repertoar av parametrar kan utvinnas ur dessa bilder, vilket möjliggör avbildning av parenkymal och kärlanatomi tillsammans en hel samling av funktioner som påverkar blodcirkulationen dynamik. Protokollet kan användas för att bild grundläggande kortikala parenkymet funktioner i High Frequency Ultraljud B Läge modalitet, de basilar och interna halspulsåder (BA och ICA respektive) komponera Circle of Willis, Mellanöstern cerebral artär (MCA) och andra detaljer i cirkulationsapparaten. Vidare blodflödet kvantifiering, menar stream hastigheter, riktad rörelse beskrivning och syremättnad uppgifter kan samlas in från kortikal till djupa hjärnregioner.
Den nya strategin innebär stora möjligheter för en mängd olika tillämpningar och uppfyller det brådskande behovet av tillförlitliga rutiner för att skildra djupa hjärnfunktioner som är avgörande i olika patologier. Dessutom, på grund av sin minimala invasivitet kan den presenterade protokollet möjliggör otaliga möjliga imaging studier på det centrala nervsystemet, särskilt sådana som kräver långtidsövervakning eller involverar känsliga patologiska djurmodeller.
Protocol
Nödvändiga experiment för att utveckla protokollet utfördes enligt nationella bestämmelser och har godkänts av den lokala etiska vetenskapen kommitté (Comitato di Bioetica di Ateneo), som arbetar inom institutionen för universitetet i Turin, Turin, Italien.
1. Förberedelse
- Anestesi
- Placera djuret inuti lämplig isofluran kammaren att söva den.
- Fyll kammaren med blandade O2 och isofluran gas för veterinärmedicinska läkemedel vid en koncentration av 2,5% i en 2 L gaskammare och vänta i ca 3 min för råttan att somna. Kontrollera om effekten av anestesi med en tå nypa.
- När bedövningen börjar gälla, ta bort råttan och väger den.
- Bred ett tunt lager av vattenlöslig ögon gel på djurets ögon att skydda dem och att upprätthålla den okulära fysiologiska hydrering.
- Lägg råttan ner på en ultraljud och fotoakustisk bildbehandling bänkskiva. Jagn för att upprätthålla anestesi effekten, snabbt placera näsan inne i lämplig mask ger ett konstant flöde anestesi (isofluran 2% -2,5% i syre 1 L / min).
- Rakning djuret
- Sprid en konsekvent lager av hårborttagningskräm på huvudet ytan, med hänsyn till att omfatta områden som omger öron och hals. Låt krämen verka i flera minuter och försiktigt ta ut med en spatel. Softly bort alla grädde rester med en våt svamp att noggrant rengöra huden.
OBS: djur päls fångar luft som negativt påverkar ultraljudsbaserad avbildning förvärv, vilket måste det nödvändigtvis bort så mycket som möjligt.
- Sprid en konsekvent lager av hårborttagningskräm på huvudet ytan, med hänsyn till att omfatta områden som omger öron och hals. Låt krämen verka i flera minuter och försiktigt ta ut med en spatel. Softly bort alla grädde rester med en våt svamp att noggrant rengöra huden.
- Placering av djuret
- Ordna djuret i en spread-eagle position. Övervaka de vitala tecken, med hjälp av lämpliga vitala parametrar sensorer på bänkskivan (om de finns). Lean tassarna på sensorerna efter applicering några droppar elektrod kräm för professionell användning.
OBS! Under anestesi, säkerställa att vitala parametrar har värden enligt följande: råtta kroppstemperatur ≈ 37,5 ° C, hjärt slag per min (BPM) varierar mellan 250 och 350 och andningsfrekvensen innefattas inom området från 40 till 80 andetag per minut . - Slutligen fast armar och ben med allergitestad konstsilke patch. Om det behövs, spred åter ett tunt lager av vattenlösligt ögon gel för att skydda djurets ögon.
- Ordna djuret i en spread-eagle position. Övervaka de vitala tecken, med hjälp av lämpliga vitala parametrar sensorer på bänkskivan (om de finns). Lean tassarna på sensorerna efter applicering några droppar elektrod kräm för professionell användning.
2. Image Acquisition från Oral Point of View
- Placering av djuret
- Att hålla djuret i en liggande position, rotera sin kropp något på sidan, med en lutningsvinkel av ca 45 ° med avseende på den sagittala kroppsaxeln. Använd små bomulls gasväv rullar som står att korrekt ordna omhändertagande (Figur 2a).
- Höj djurhuvud och vrid den något på ena sidan (Figur 2a). Använd en bomullsrulle som stand hålla nosen väl INSERted i anestesi masken.
- Incline bänkskivan med en vinkel på ungefär 30 ° med avseende på horisontalplanet.
- Vrid bildgivare i en vinkel på ca 30 ° i förhållande till vertikalplanet.
- Ultraljud och fotoakustisk anatomisk och vaskulär bild förvärv
- Vrid bild skanna på, ange bildtagning B-läge och rätt inställda alla bild ackvisitionsparametrar att respektera eventuella givna krav i experimentet (figur 3a).
OBS: Ställ in sändningsmittfrekvensen så låg som möjligt (16 MHz, figur 3b), i syfte att få den maximala inträngningsdjup möjligt för givaren. - Kassera en konsekvent skikt (ca 1 cm tjock) av hypoallergent vattenlöslig ultraljudsöverföring gel på djurets huvud (figur 2b). Täck givarhuvudet med ett tunt skikt av samma gel och sätta den i kontakt med skiktet på rat. Använd varmt gel för att minimera lokaliserad hypotermi.
- Starta bild förvärv i B-läge och justera givaren positionering i realtid, genom att identifiera anatomiska referenser och genom att centrera regionen av intresse till monitorn mittpunkten. Se till att eliminera luftbubblor på någon nivå infångad i gelskiktet, eftersom de påverkar förvärvet negativt.
- Placera givaren för att anpassa den till den virtuella axeln som förbinder örat för ögat (Figur 4a) för att få en optimal ljus Fokalisering. Förvärva olika vyer av interna hjärnvolymen, genom medurs eller moturs rotation (Figur 4b och c).
- Så småningom fast givaren på en mekanisk stativ att stabilt säkra positionen och för att ställa in orienteringen på ett bra sätt.
- Se till att den cerebrala regionen av intresse lokaliserar på 10 mm djup i förhållande till USA-LASER givarkälla för att få en optimal photoakustiska svarssignal (Figur 5). Placera sedan indikator på amerikanska vågen Fokalisering exakt i mitten av det analyserade området.
OBS: Vid forskning på områden av intresse, undvika aktivering av andnings gate alternativet, för att påskynda positionerförfarandet. - Ange Färgdopplerläge för att visualisera inre hjärnans blodkärl i en hög känsligt sätt.
- När placeringen är inställd på ett lämpligt sätt att visualisera önskade regionerna, aktivera andnings gate alternativet för att undvika oönskade effekter relaterade till rörelsen (figur 6a).
- Välj önskad förvärvsparameteruppsättning i Color Doppler-läge (figur 6b) och få bilder i denna modalitet att skilja blodet hastigheter och riktningar, förrän flera millimeter penetrationsdjup.
- Ange Pulsed Wave Doppler-läge och få bilder att upptäcka artärblodpulse och att skilja mellan artärer and vener.
- Ange Ström Doppler-läge och som förvärvsparametrar (Figur 7) för att utföra en signal kvantifiering utifrån antalet spridnings händelser som orsakas av flödet rörelsen, och därmed till utvärderade skillnader i flöden.
- Ange Photoacoustic läge och riktigt förfina ackvisitionsparametrar (figur 8a) för att samla in data om blod total hemoglobinhalt eller syresättning examen i ett visst område. Genom att producera laserexcitering på en hel våglängdsspektrum (från 680 nm till 970 nm, fig 8b), absorptionen av totalt hemoglobin är närvarande i olika kemiska tillstånd inuti en vävnad kan kvantifieras. Genom att utföra signalsamling på enstaka specifika våglängder (figur 8c), är det möjligt att isolera de olika signalkostnader på grund av absorptionen av oxi och de-oxi rena arter.
- Vrid bild skanna på, ange bildtagning B-läge och rätt inställda alla bild ackvisitionsparametrar att respektera eventuella givna krav i experimentet (figur 3a).
3. Imaging från Occipital Point of View
- Placering av djuret
- Att hålla djuret i liggande ställning, sänk djurhuvud och använda små bomulls gasväv rullar som sido står att korrekt ordna förfogande.
- Vrid bildgivaren parallellt med tvärplan djurhuvud (Figur 9).
OBS: På detta sätt kommer förvärvet att centreras genom occipital foramen på grundval av skallen. Genom att variera lutningsvinkeln för sondorienteringen (figur 9), kommer det att vara möjligt att förvärva interna kärl bilder i olika vyer beroende på inställningen lutning.
- Ultraljud och fotoakustisk anatomisk och vaskulär bild förvärv
- Ange bildförvärvs B-läge, ställ alla bild ackvisitionsparametrar som tidigare rapporterats (Figur 3) och sprida de nödvändiga ultraljud gel lager på sonden och på djuret nacken.
- Ordna givaren att stanna nästan horisontell, i order att riktas längs de anatomiska bakre-till-främre axeln av kroppen. Rikta den mot den främre sidan av nosen och luta den något framåt.
- Start bild förvärv i B-läge och Color Doppler Läge (figur 3 och 6). Justera vätske givarens position och ta bort luftbubblor från gelbeläggningen såsom tidigare beskrivits. Om möjligt, fästa givaren på en fast ståndpunkt för att styra orienteringen på ett bra sätt och välja den bästa tiltvinkel för att få bilder av de önskade anatomiska regioner.
- Visualisera interna hjärnans blodkärl i Ström Doppler läge genom korrekt inställning ackvisitionsparametrar (Figur 7).
- Lokalisera intensivt pulse artärer av Pulsed Wave Doppler-läge. Skilja dem från vener, vilket omvänt kännetecknas av låga nivåer av blodflödet pulse.
- Samla blodet hastigheter uppgifter och anvisningar i Color Doppler läge, genom att på lämpligt sätt anpassa ACQuisition parametrar (Figur 6).
- Komplett djup hjärn hemodynamisk karakterisering datauppsättning, genom att lägga till kemisk blod information som erhålls genom den fotoakustiska förvärvet (Figur 8). Utför detta genom att särskilt utvärdera mängden hematiska parametrar såsom O2 mättnad procentsats och den totala hemoglobinhalt (HBT), som vanligtvis mäts genom att ställa in laser excitationsvåglängden vid 750 och 850 nm (Figur 8c).
4. Slut på Förvärv och djur Removal
OBS: Korrekt betrakta hela tiden ägnar sig bilden förvärvsprocessen (från steg 1 till steg 3), som är utsatt för huvud restriktioner i samband med narkos dos appliceras på djuret.
- Spara alla förvärvade data genom att stänga av lasern pulserar ut genom att gå ur Photoacoustic förvärvsläge och avstånd givaren.
- Under upprätthållande av animal under anestesi effekten, börjar rengöra den genom att försiktigt ta bort den skyddande gelen från ögonen med en våt bomullspinne. Använd en stekspade och flera pappershanddukar för att helt ta bort ultraljudsgel från huvudet och nosen och rengör dem med en våt svamp. Var noga med att inte skada den känsliga rakade huden.
- Ta ut den självhäftande lapp används för att fästa benen och koppla bort dem från de sensorer som övervakar de fysiologiska parametrar. Snabbt överföra djuret från förvärvet bänkskiva till en annan bur.
- Värd djuret i en liten bur för återhämtning från anestesi. Se till att djuren inte bör dela buren under denna fas för att förhindra angrepp
- Placera återhämtningen bur under ett infrarött ljus för att hålla djuret varmt. Vänta tills den har återfått tillräckligt medvetandet för att upprätthålla sternala VILA. Kontrollera djurens allmänna hälsotillstånd, innan du flyttar det till djuravel rummet.
Representative Results
Denna metod medger att bilden både specifika anatomiska referensstrukturer och blodkärl vid relativt hög rumslig upplösning, djupare än den nuvarande tekniken med djurhud och skalle intakt. I våra experimentella förhållanden djupet av PA-signalen är 4,5 mm och den axiella upplösningen är 75 | im med en FOV 23 x 15,5 cm. Experiment med Photoacoustic Tomography modalitet 19 visade ett värde på upplösningen <1 mm. Utbudet av SNR värden är från 21,6 dB till 23,8 dB (erhålls genom fem olika punkter slumpmässigt utvalda på hjärnvävnaden och bakgrund). Juxtaposing givaren på skallen tids sidan, kan hjärnan bilder förvärvas som tvärgående eller ens koronala sektioner utifrån den valda positionervinkel givaren med en resulterande lateral synvinkel imaging (Figur 4). Epidermis är skallben och parenkymal material väl representerade i ultraljuds B-läge, eftersom de i hög grad skiljer sig åt när det gäller acoustic ANNALKANDE (Figur 10). Även om deras konfiguration beror på vald synvinkel, vissa anatomiska referenspunkter på parenkymet är igenkännlig, såsom sprickor separerar hjärnan inre del från cortex och den karaktäristiska formade optisk kanalen (Figur 10). Dessutom ett stort antal fartyg är synliga både i ultraljud och fotoakustiska avbildningsmetoder. Karakteristiska korsningar av carotis interna (ICA) med andra viktiga stora fartyg som går längs den yttre sidoytan av djurets hjärnan kan lätt igen. Stora kärlvägar, såsom ICA, ger en massiv blodtillförsel för att tillfredsställa den konsekventa neuronala behov av energi och syre. ICA, härstammar från gemensamma halsartären (CCA), körs på den laterala sidan av huvudet på flera millimeter djup, går utöver alla dess bifurkation platser och slutligen når fronthuvudpartiet. Denna huvud blodet sprider bland intermeåt stora fartyg, innan de kanaliseras i alltid mindre arterioler att äntligen näring nervceller. Från den tidsmässiga synvinkel, är det möjligt att spåra den inre cerebral artär mönster, som förgrenar i kärl riktade till front och laterala sidan hjärnan. Koronala och tvärgående bilder kan förvärvas med annan lutning av omvandlaren med avseende på riktningen av den virtuella axeln som förbinder ögat och öronmusslan av djuret (figur 4). Genom att luta givaren enligt de prognoser som beskrivs i figur 4, är det möjligt att få lösas bilder av arteria cerebri media (MCA) som uppstår från ICA och ytterligare delar sig i två eller flera grenar, som slutligen surround kortikala lober (figur 11 och 12). De bästa visualiseringar erhölls för MCA med sonden lutning såsom visade i figur 4c och för ICA som visade i figur 4b.
Doppler-baserade akustisk avbildning avslöjar små grenar, medan riktningsinformation blodström är tillgängliga tack vare Color Doppler förvärvet (Figur 13). MCA artär ande bekräftas av pulsad ultraljudsteknik (figurerna 14 och 15). Fotoakustisk signal om innehöll hemoglobin i cirkulerande röda blodkroppar kan detekteras och analyseras för att samla in data om dess molekylära oxidativ status och för att beräkna blodets syremättnad (figurerna 16 och 17). Hematisk syrehalt kan korreleras till ljud data för att bekräfta diskrimineringen av arteriellt blod från venöst blod.
Genom att peka givaren mot occipital foramen, är visionen projiceras på huvudet axialplanet (Figur 9) och denna bildplanet kan lösas på variabla lutningsvinklar. I detta fall kan den bakre synvinkel hjärnröntgen vara connoted av en hög penetrationsdjup, på grund av den större occipital posten. Den Circle of Willis, en konfiguration karakteristisk kärl i den djupa hjärnan, kan lokaliseras och undersökas genom att tillämpa alla ovannämnda tekniker. Basilar artär (BA), som körs på den ventrala sidan av lillhjärnan, så småningom leder till hjärna och symmetriskt förgrenar sig i två grenar. Dessa två grenar på den ventrala hjärnan sprida ut och sedan gå tillsammans igen, därför att skapa en ringstruktur (Circle of Willis). Denna basala djup cirkeln är kärl källaren där alla fartyg medelstora blod uppstår, såsom posterior, medel och Anterior hjärnans kärl (PCA, MCA och ACA respektive), som är de främsta effektorerna av en massiv blodtillförsel till hjärnan . I Färgdopplerläge, är identifieringen av medelstora grenar genomförbart och möjliggör tydlig visualisering av böjda vaskulära segment (t.ex. PCA) kommer in i Circle of Willis (Figur 18).
nt "> Den cerebrala parenkymvävnaden registrerades också med PA modalitet i occipital projektion (Figur 19) för att visa kärl karakterisering spektraldiagram (Figur 20). Med detta spektrum är möjligt särskilja signalen kommer från arteriella och venösa kärl.
Figur 1: Placering av skallen fora och respektive perspektiv för bildtagning Råttan huvudet i profil (a) och de platser där avbildningsgivaren anordningen kan placeras vara intill varandra på tids foramen (lila pil) och på nack foramen. (gul pil) i profil (b).
Figur 2: Animal förfogande för tidsbild FÖRVÄRVn. (A) Arrangemanget av djuret på bänkskivan för bildtagning: efter huvudet rakning, djuret placeras i liggande ställning med kroppen något lutande på ena sidan för att exponera den temporala sidan av huvudet. Bänkskivan kan eventuellt förses med en värmeapparaten för att hålla djurets kropp varm under förvärv. Vissa bomullsrullar kan användas för att erhålla denna position, medan självhäftande lappar fästa tassarna på sensorerna för vitala övervakning. (B) En konsekvent lager av ultraljud gel täcker området av huvudet på vilken givaren kommer att placeras under avbildning.
Figur 3: Förvärvs parametrar för B-läge avbildning. (A) En illustrativ skärmdump som visar panelen rapporterar viktiga ackvisitionsparametrar används för hjärnavbildning i B-läge. (B) Viktigt var sändningsfrekvensen ligger på låga värden (16 MHz) för att förbättra USA: s vävnadspenetration.
Figur 4: Transversell bild förvärv från temporal foramen (a) Det virtuella referensaxel sammanfogning öronmusslan till ögat och lutningsrörelse (röd pil) för att variera omvandla lutning och bildinhämtningsplanet; (b) Moturs rörelse i förhållande till. referens ear-to-eye axeln och rörliga lutning givarens position, c) Medurs rörelse i förhållande till referens ear-to-eye axeln och rörliga lutning givarens position.
Figur 5: Optimal fokus djup för USAoch PA bild förvärv. Samtidigt söker intresseområdet, har bildfokus djupet (representerad av en gul triangel) som ska ställas in på ca 10 mm djup från USA / laserkälla, för att få en optimal bildprestanda.
Figur 6: Förvärvs parametrar för Färg Doppler-mode. (A) Innan bild förvärv i Color Doppler läge, kan andnings gate alternativet vara påslagen, för att undvika artefakten som genereras av fysiologiska andningsrörelser. (B) En exemplifierande skärmdump som visar viktiga ackvisitionsparametrar används för hjärnavbildning i Color Doppler Mode.
Figur 7: Förvärv parametrar för ström Doppler-mode. En illustrativ skärmdump som visar viktiga ackvisitionsparametrar används för hjärnavbildning i Ström Doppler-läge.
Figur 8: Förvärvs parametrar för Photoacoustic Läge avbildning. (A) Panelen rapporterar viktiga ackvisitionsparametrar används för hjärnavbildning i Photoacoustic läget. (B) Förvärv av ett Photoacoustic spektrum, baserad på en laserexcitation sträcker sig från 680 nm till 970 nm, med en våglängd intervall på 5 nm (kallat steg storlek). (c) Förvärv parametrar som används för enda våg Photoacoustic Läge vid 750 nm och 850 nm, för diskriminering av de syresatta och syresatt hemoglobin signaler respektive.
fig9highres.jpg "/>
Figur 9:. Tvärgående bild förvärv från occipital foramen (a) Givare placering på djurets hals (gul pil) och den resulterande tväravbildningsplanet som nästan sektioner huvudet på caudo-rostralt riktning, (b) posterior vy av givar positionering och bilden förvärvet planet.
Figur 10:. B-läge förvärv från tids foramen för individuation av anatomiska referenser Epidermis (a), kan skallen (b) och parenkymet (c) lätt att se skillnad, men även andra anatomiska referenser kan detekteras, såsom spricka ( d) som omger den ventrala djup hjärndelen och den karakteristiska formen av synnerven vägarna (e).
Figur 11: Ström Doppler Läge förvärv genom tids foramen för individuation av vaskulära referenser MCA höja från ICA om tidshjärnsidan.. För att få denna uppfattning, var tvär bild förvärvats av peka givaren på den temporala foramen och genom att rotera den moturs.
Figur 12: Ström Doppler Läge förvärv genom tids foramen för individuation av vaskulära referenser MCA höja från ICA om tidshjärnsidan.. För att få denna uppfattning, var tvär bild förvärvats av peka givaren på den temporala foramen och genom att rotera den medsols.
Figur 13: Färgdopplerläge förvärv genom tids foramen för individuation av vaskulära referenser MCA höja från ICA om tidshjärnsidan.. Riktad information av blodet uttrycks med hjälp av en färgskala bar, skilja mellan flödes rörelser riktade mot givaranordningen och bort från den.
Figur 14: Pulsed Wave Mode förvärv genom tids foramen för individuation av vaskulära referenser Bekräftelse av de arteriella egenskaper blod cirkulerar inne fartyg som hypotetiskt identifierats som artärer:. Pulsed Wave Mode ger information om variationen av ström hastigheter, vilket kan korreleras till hjärtpulsaeffekt (mer integreNSE i artärer än i vener).
Figur 15: Pulsed Wave Mode förvärv genom tids foramen för individuation av kärl referenser Identifiering av Pulsed Wave Mode av blodkärl som vener, där hjärtpulsa effekten på stream hastigheter är försumbar..
Figur 16: Photoacoustic Läge förvärv genom tids foramen för individuation av vaskulära referenser. Parenkyma interna fartyg i den temporala hjärnsidan visualiseras genom B-läge (vänster) och Single-wave Photoacoustic Läge (höger). Skalstaplar speglar olika intensitetsvärden för fotoakustisk signal, som induceras av en laser excitation utförs vid en vald våglängd. I order för att individualisera vener och artärer, kan excitationsvåglängder ställas in på 750 och 850 nm, som representerar de värden för att erhålla de fotoakustiska emissionstoppar för deoxygenerat och syresatt hemoglobin respektive.
Figur 17: Photoacoustic Läge förvärv genom tids foramen för syresatt och de-syresatt hemoglobin diskriminering. Interna fartyg i den temporala hjärnsidan visualiseras genom B-läge (vänster) och Oxy-Hemo Photoacoustic Läge (höger). Skalstaplar återspeglar olika procentvärden av syremättnad i blodet hemoglobin.
Figur 18: Färgdopplerläge förvärv genom occipital foramen för individuation av vaskulära referenser.Krökta kärlsegment skapar källaren struktur Circle of Willis, som ligger i den ventrala hjärnsidan.
Figur 19: Photoacoustic och B-läge förvärv genom occipital foramen för individuation av vaskulära referenser. Nell'immagine i B-läge 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 steg di 5 nm).
Figur 20: Photoacoustic och B-läge förvärv genom occipital foramen för individuation av vaskulära referenser. I questa föreställa viene rappresentato lo spettro corrispondeNTE Alle Tre ROI 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 (ROI fuxia e celeste corrispondono en strutture vascolari venose; ROI gialla corrisponde ad una struttura vascolare arteriosa).
Discussion
Den presenterade protokollet optimeras för att åstadkomma mycket effektiv hjärnavbildningsprestanda i små djur. Bilder kan förvärvas i olika former genom att exakt följa indikationer om förvärvsparametrar och givaren positionering på skallen fora. I synnerhet, är placeringen på den temporala sidan det mest kritiska, eftersom USA och lasern måste vara centrerad så precist som möjligt för att korrekt penetrera foramen, vilket är mindre än den occipitala en. Ändå, tack vare detta experimentella inställning, hemodynamiska funktioner relaterade till fysiologiska eller ens patologiska tävlingar är tillgängliga och kan utvärderas även i djupa hjärnregioner, som vanligtvis är svåra att karakterisera.
Eftersom lyckad bild förvärv beror på noggrannheten hos givaren positionering, har detta beroende noga beaktas eftersom det kan påverka bildprestanda. Till exempel,vissa anatomiska strukturer av intresse kunde inte helt ingå i förvärvsbildplanet och deras identifiering från bilder som erbjuder bara en partiell syn kan leda suboptimal. Dessutom skulle ett USA och PA avbildning förvärv utförs i en tredimensionell modalitet (3D-läge) är inte kompatibel med den tidigare beskrivna experimentella inställning, eftersom det kräver givaren att röra sig längs en fördefinierad automatiserad väg. Slutligen, på grund av den naturliga anatomiska variationen, dimension skallen öppningar kan avsevärt variera mellan djur och därmed få oförutsägbara konsekvenser för förvärvsprocessen. Detta faktum gör att bildkvaliteten beroende på egenskaperna hos varje individ. Följaktligen till omöjlig tillämpa denna strategi till vissa djur måste beaktas när man utformar den experimentella protokollet.
Specifikt är en anmärkningsvärd intresse riktat till hemodynamik, på grund av dess grundläggande roll för att bestämmabiodistribution av läkemedel eller andra exogena molekyler efter systemisk administrering 28-29. De applikativa konsekvenser inom Molecular Imaging är många, allt från validering av blodpoolavbildning kontrastmedel till bild övervakade drug delivery studier kräver ultraljud-inducerad BBB öppningen 30. Alla dessa forskningsändamål kommer säkert dra nytta av den minimala invasivitet av protokollet, med tanke på att, utan ytterligare kirurgi, är risken för dödsfall eller oönskade biverkningar minskas väsentligt och långsiktig övervakning på samma djurmodeller är genomförbart.
Sammanfattningsvis kommer det presenterade protokollet gör det möjligt för utövaren att effektivt bilden och korrekt tolka den anatomiska topografi och den vaskulära mönstret av normala eller patologiska hjärnvävnader i forskningsanvändning djurmodeller. Medan dagens metoder är i huvudsak begränsat till tomografisk kortikal imaging 25-27, ger denna inställning möjlighet to illustrerar flera processer som påverkar djup hjärnfysiologi, genom att slå samman fördelar som både USA och PA avbildning.
Disclosures
Publiceringsersättning för den här artikeln var sponsrad 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).
