The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.
Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.
Стратегии подробно описывают особенности гемодинамики головного мозга в центральной нервной системе маленьких животных нужно заранее области неврологии 1-3. Представленная методика показывает, как выполнять неинвазивный акустические и фотоакустической изображений на небольшой головного мозга животных с целью изучения сосудистой биологии, расположение и функции.
Оптических методов визуализации позволяют локализации событий, связанных с нейронной активности 2,4-5 и одновременно приобрести сигналы, генерируемые гемоглобина и в окисленных и неокисленные государств 6. Тем не менее, из-за фотонного поглощения и рассеяния, чистый оптический изображений страдает от плохой пространственной разрешающей способности и ограниченный ткани глубиной проникновения 7-8. С другой стороны, акустика дают возможность выполнять глубокое изображение с высокой космической пространственное разрешение, но это препятствует спекл и ограниченного отличие 9-11. По сочетающее в себе черты фотоники Wiго ультразвука, ФА техника улучшает как образа и диагностические возможности отдельных методов 12-16.
Фотоакустическая томография головного мозга имеет потенциал, чтобы пролить свет на многочисленные вопросы в области нейробиологии, однако, тюбетейка, что, естественно, защищает головной мозг, резко ограничивает как фотонный и ультразвуковой проникновения в ткани 17-19. Кроме того, кости содействовать рассеяние световая и звуковая, приводящее к потере чувствительности и изображения аберраций 17-18. Как следствие, ультразвуковой мозга и ФА изображений может быть легко выполнена на новорожденных животных до 20 оссификации, но глубокий анатомии и физиологии мозга взрослого человека, очевидно, доступен только после краниотомии 21,22. К сожалению, операция необходима для удаления черепа технически трудно и его последствия могут быть пагубными для некоторых экспериментальных целей, таким образом, что делает его трудно контролировать прогрессирование нервной болезни вто же животное в течение долгого времени. Таким образом, неинвазивный метод для изображения глубоких отделов мозга биологии в небольших моделях животных является весьма желательным. В литературе метод фотонного ресайклера 17 сообщается, как способ уменьшить потери телефона и увеличить коэффициент пропускания через неповрежденную черепа, улучшение ФА-сигнала к шуму (SNR) и в отличие от цели.
Представлены протокол призван обеспечить надежный способ для подкорковых головного мозга акустических и ФА изображений на исследование применения грызунов (в частности, на крысах) без каких-либо инвазивной хирургии. Методика основана на использовании портативных преобразующих устройств для высокочастотной ультразвуковой визуализации и ФА. В отличие от томографической технологии обработки изображений 23, портативный и направления преобразователи 24 позволяют выбор конкретных регионов черепа с естественным уменьшенной толщины, называют трещины или scissures. Основные щели (отверстий), находящиеся на позвоночных аНимал черепа необходимо, чтобы найти нервные пучки, сосуды и другие структуры, соединяющие внутренние цепи головном мозге в другие части тела. Основные щели находятся в различных размеров отверстий в кости, которые можно использовать в качестве конкретных отрывков для ультразвуковых волн и лазера. Такие целевые изображений уменьшает волновые эффекты отражения, вызванные интерфейсов кости и увеличивает чувствительность, увеличивая глубину проникновения изображений. С этой точки зрения, датчик изображения может быть выполнен с возможностью быть перпендикулярна к трещинами, расположенных на временной и на затылочной стороне черепа (рисунок 1), с тем, чтобы максимально сходятся ультразвук и фотонных пучков на этих областях. Эта ориентация и повышает качество сигнала и заставляет сигнал, чтобы пройти через более тонким слоем кости по отношению к другим черепных ориентации. Таким образом, прошедшей и отраженной волн пройти более низкую степень рассеяния, позволяя коллекцию интенсивных сигналов, исходящих из глубиныслои тонкой бумаги. В отличие от предыдущих процедур, этот экспериментальный параметр требуется только животных бритвенная головка, в то время как ни одна другая операция не требуется.
С предлагаемого протокола, изображения осуществляется при относительно высоким пространственным разрешением, выявление и конкретная ссылка анатомические структуры и кровеносные сосуды более глубокие, чем текущее состояние методов искусства, все, кожи животных и череп остаются нетронутыми. Уникальная корональные и осевые изображения могут быть получены путем использования различных ультразвуковых условия приобретения томография (B, энергетический Допплер, цветового допплеровского, импульсном режиме Wave) параллельно с ФА изображений. Расширенный репертуар параметров могут быть извлечены из этих изображений, что позволяет изображение паренхиматозных и сосудистой анатомии вместе всей коллекции особенностей, влияющих на динамику кровообращение. Этот протокол может быть использован для изображения основных корковых функций паренхимы в высокочастотном режиме ультразвуковой B модальности, базилярных и внутренних сонных артерий (BA и ICA соответственно), составляющих Круг Уиллис, артерии средней мозговой (СМА) и другие детали аппарата кровообращения. Кроме того, количественное кровотока, значит, поток скорости, направленный описание движения и данные насыщения кислородом могут быть собраны из коры головного мозга с глубокими областях головного мозга.
Эта новая стратегия имеет большой потенциал для различных приложений и удовлетворяет насущную потребность в надежных процедур изображать глубокие черты мозга, которые имеют решающее значение при различных патологиях. Кроме того, из-за его минимальной инвазивности, представлены протокол можно включить мириады возможных исследований изображений на центральную нервную систему, особенно тех, которые требуют долгосрочного мониторинга или с участием тонкие патологические модели животных.
Представленный протокол был оптимизирован, чтобы обеспечить высокоэффективную производительность визуализации головного мозга у мелких животных. Изображения могут быть приобретены в разных условиях, точно следуя указаниям о параметрах приобретения и позиционирования преобразователя на череп отверстий. В частности, позиционирование на временной стороны является наиболее важным, так как США и лазер должен быть в центре настолько точно, насколько это возможно, чтобы правильно проникнуть в отверстие, которое меньше, чем один затылочной. Тем не менее, благодаря этой экспериментальной установки, гемодинамические особенности, связанные с физиологическими или даже патологических конкурсах доступны и могут оцениваться даже в глубоких областях мозга, которые обычно трудно охарактеризовать.
С удачным приобретением изображения зависит от точности позиционирования датчика, эта зависимость должна быть тщательно учтены, потому что это может повлиять на качество изображения. Например,некоторые анатомические структуры интересов не может быть полностью включены в плоскости изображения приобретение и их идентификации с изображениями, которые предлагают только частичное видение может привести к неоптимальным. Кроме того, получение изображений США и ПА выполняется в трехмерном модальности (3D режиме) будет не совместим с ранее описанной экспериментальной установки, так как требует датчик для перемещения вдоль заранее определенной траектории автоматизированной. Наконец, из-за естественного анатомического изменчивости, измерение отверстий черепа может существенно отличаться в различных животных, тем самым непредсказуемым сказаться на процессе сбора данных. Этот факт делает качество изображения зависит от характеристик каждого индивидуума. Следовательно, невозможность применять эту стратегию некоторых животных следует рассматривать при разработке экспериментального протокола.
В частности, замечательный интерес на имя гемодинамики, из-за его основополагающую роль в определениибиораспределение лекарственных препаратов или других экзогенных молекул после системного введения 28-29. Аппликативного последствия в области молекулярной визуализации много, начиная от проверки кровяного пула изображений контрастных агентов для изображений с контролем исследований доставки лекарств, требующих УЗИ-индуцированной ВВВ открытие 30. Все эти научно-исследовательских целях, безусловно, выиграют от минимальной инвазивности протокола, учитывая, что без какой-либо дополнительной операции, риск смерти или нежелательных побочных эффектов значительно уменьшается и долгосрочный мониторинг на тех же животных моделях это возможно.
Таким образом, представлены протокол позволит эффективно практикующего изображения и правильно интерпретировать анатомическую топографию и сосудистого рисунка из нормальных или патологических тканей мозга в модели исследования применения на животных. Хотя современные методы используются в основном ограничивается томографической корковой изображений 25-27, эта установка дает возможность тО показано несколько процессов, которые влияют на глубокую физиологию мозга, путем слияния преимущества, предоставляемые как в виде образа США и PA.
The authors have nothing to disclose.
The authors have no acknowledgements.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
High frequency ultrasound and photoacoustic imaging station (VEVO LAZR 2100 system) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
Vevo Compact Dual Anesthesia System (Tabletop Version) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt Sht.dpuf |
|
Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | PARKER LABORATORIES INC. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | Three helathy 6-weeks old Sprague-Dawley rats were purchased by Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 h light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |