비 침습적 실질, 혈관 및 대사 고주파 초음파 및 광 음향 쥐 뇌 심부 이미징

요약

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.

초록

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.

서문

미세하게 작은 동물의 중추 신경계 뇌 혈류 역학의 기능을 설명하는 전략은 신경 과학 ^1-3의 필드를 사전에 필요합니다. 제시된 기술은 혈관 생물학, 배열과 기능을 검사하기 위해 작은 동물의 뇌에 비 침습적 음향 및 광 음향 이미징을 수행하는 방법을 보여줍니다.

광학 이미징 기술은 신경 활동 ^2,4-5 관련된 이벤트의 현지화를 허용하고 동시에 산소와 비 산화 된 상태 ⁶ 헤모글로빈에 의해 생성 된 신호를 획득. 그러나, 광자 흡수 및 산란, 순수한 광학 이미징은 가난한 공간 해상도와 제한된 조직 침투 깊이 ^7-8에서 겪고있다. 반대로, 음향 높은 공간 공간 해상도와 깊이 이미징을 수행 할 수있는 기회를 제공하지만,이 반점과 제한된 대비 ^9-11에 의해 방해된다. 포토닉스 위스콘신의 기능을 결합하여초음파 번째, 광 음향 기술은 영상과 하나의 방법 ^12-16의 진단 잠재력을 모두 향상시킨다.

뇌의 신경 생물학 광 음향 이미징에서 여러 문제를 해명 할 잠재력을 가지고 있지만, 당연히 극적 encephalon 보호 광자 초음파 조직 침투 ^17-19 모두 제한 skullcap. 또한, 뼈는 감도와 이미지 수차 ^{(17 ~ 18)의} 손실이 발생 빛과 소리 모두의 산란을 촉진한다. 결과적으로, 뇌 광 음향 및 초음파 촬상는 간단히 골화 ²⁰ 신생아 동물에서 수행하지만, 성인 뇌의 깊은 해부학과 생리학은 개두술 ^21,22 후에 명확 접근 할 수있다. 유감스럽게도, 두개골 제거에 필요한 수술은 기술적으로 어렵고, 그 효과는 실험적인 목적에 따라서 신경 질병의 진행을 모니터하기 어렵게 대해 유해 할 수있다시간이 지남에 따라 같은 동물. 따라서, 작은 동물 모델에서 대뇌 깊은 화상 생물학 비 침습적 방법은 매우 바람직하다. 문헌에서 광자 리사이클 ^(17)의 방법은, 휴대 전화의 손실을 줄이고 잡음비 (SNR)와 타겟의 콘트라스트 광 음향 신호를 향상 그대로 두개골을 통해 투과율을 높이기위한 방법으로보고되어있다.

제시된 프로토콜은 어떤 침습 수술없이 (특히 쥐) 연구 사용 설치류에 피질 뇌 음향 및 광 음향 이미징을위한 신뢰할 수있는 방법을 제공하는 것을 목표로하고있다. 절차는 고주파 및 초음파 광 음향 이미징을위한 휴대용 열 변환 장치의 사용에 기초한다. 반면 영상 기술 ^(23), 휴대용 ^(24)는 자연적으로 감소 두께 특정 두개골 지역을 선택할 수 있도록 방향 센서를 단층 촬영하기 위해, 균열 또는 scissures 불린다. 척추 동물에 존재하는 주요 쪼개진 조각 (foramina)nimal 두개골은 신체의 다른 부위로 encephalon 내부 회로를 접속 다발 신경, 혈관 또는 다른 구조물을 찾을 필요가있다. 주요 쪼개진 조각은 초음파 및 레이저에 대한 특정 통로로 악용 될 수있는 다른 크기의 뼈 구멍에서 발견된다. 이러한 촬상 대상 뼈 인터페이스에 의한 파의 반사 효과를 감소시키고, 촬상 침투 깊이를 강화함으로써 감도를 증가시킨다. 이러한 관점에서, 상기 촬상 변환기는 이러한 영역에 초음파 광자 빔을 최대로 수렴시키기 위해, 시간적와 두개골 (도 1)의 후두부 측에 위치 갈라진 틈에 수직하도록 배열 될 수있다. 이 두 방향은 신호 품질을 개선하고, 다른 두개의 방향에 대해보다 얇은 뼈 층을 통해 진행하는 신호를 강제. 따라서, 송신과 반사파 깊은 유래 강한 신호들의 수집을 가능하게 산란의 정도가 낮은 겪는다조직층. 다른 수술이 필요하지하면서 이전 절차와는 달리,이 실험적인 설정은 단지 동물의 머리를 면도가 필요합니다.

제안 된 프로토콜로, 영상은 모두 특정 기준 해부학 적 구조와 기술 방법의 현재 상태보다 더 깊은 혈관, 동물의 피부와 두개골이 그대로 남아 모든 동안 공개, 상대적으로 높은 공간 해상도로 수행됩니다. 고유 관상 축 이미지는 광 음향 이미징 나란한 각종 초음파 화상 취득 양상 (B, 파워 도플러, 컬러 도플러, 펄 스파 모드)를 이용하여 취득 할 수있다. 파라미터의 레퍼토리 확장 혈행 역학 기능에 영향을 미치는 전체 컬렉션 함께 실질 혈관 해부학 묘사를 가능 이러한 이미지로부터 추출 될 수있다. 이 프로토콜은 고주파 초음파 B 모드 양상, 기저 및 내부 경동맥 (에 이미지를 기본 대뇌 피질의 실질 기능을 사용할 수 있습니다윌리스의 원을 구성 BA 및 ICA 각각), 중뇌 동맥 (MCA) 및 순환 장치의 다른 세부 사항. 또한, 혈류 정량은, 스트림의 속도, 방향 움직임 설명 및 산소 포화도 데이터를 의미하는 깊은 뇌 피질 영역들로부터 수집 될 수있다.

이 새로운 전략은 다양한 응용 프로그램을위한 큰 잠재력을 보유하고 있으며 다양한 병리에 매우 중요하다 깊은 뇌 기능을 묘사하기 위해 신뢰할 수있는 절차에 대한 긴급한 필요를 만족시킨다. 또한, 그 때문에 최소 침습적, 제시된 프로토콜은 중추 신경계에 대한 무수한 연구 가능한 촬상 장기 모니터링을 요구하거나 섬세한 병리학 동물 모델을 포함하는 특히을 활성화 할 수있다.

프로토콜

프로토콜 개발에 필요한 실험은 국가 규정에 따라 수행하고, 토리노, 토리노, 이탈리아의 대학의 기관 내에서 운영, 지역 윤리 과학위원회 (Comitato 디 Bioetica 디 아테네 오)에 의해 승인되었다.

1. 준비

1. 마취
   1. 를 마취 적절한 이소 플루 란 챔버 내부의 동물을 놓습니다.
   2. 2 L 가스 챔버에서 2.5 %의 농도로 동물 사용을위한 혼합 O _2, 이소 플루 란 가스 챔버를 입력하고 쥐가 잠들 약 3 분 동안 기다립니다. 발가락 핀치에 의한 마취의 효과를 확인합니다.
   3. 마취가 발효되면, 쥐를 제거하고 무게.
   4. 이들을 보호하고 안구 생리 수화를 유지하기 위해 동물의 눈에 수용성 안과 겔의 얇은 층이 확산.
   5. 초음파 및 광 음향 이미징 역 조리대에 쥐를 놓습니다. 나는빨리, 마취 효과를 유지 일정한 마취 흐름 (이소 플루 란 2 % 산소 1 L / 분에서 -2.5 %)을 제공하는 적절한 마스크 내부의 코를 위치 N 순서.
2. 동물을 면도
   1. 귀와 목 주변 지역을 커버하는 관심, 머리 표면에 헤어 크림의 일관된 층을 확산. 크림 몇 분 동안 행동하고 부드럽게 주걱을 꺼내 허용합니다. 부드럽게 정확하게 피부를 청소 젖은 스폰지로 모든 크림 잔해를 제거합니다.
      주 : 동물 모피 따라서 반드시 최대한 제거 할 수 있고, 음 초음파 기반 이미징 획득에 영향을 공기 entraps.
3. 동물을 위치시키는
   1. 확산 독수리 위치에있는 동물을 정렬합니다. (이들이 존재하는 경우)에 적합한 작업대 중요한 파라미터 센서에 의해 상기 생체 신호를 모니터링. 전문가 용 전극 크림의 몇 방울을 적용한 후 센서에 발 린.
      참고 : 다음과 같이 마취하는 동안, 그 중요한 매개 변수 값을 확인하십시오 쥐의 체온 ≈ 37.5 ° C를, 분 (BPM) 당 심장 박동이 분당 40 ~ 80 호흡의 범위에 포함되는 250 (350) 및 호흡 사이에서 변화 .
   2. 마지막으로 저자 극성 인공 실크 패치 사지를 고정합니다. 필요한 경우, 동물의 눈을 보호하기 위해 다시 안과 수용성 겔의 얇은 층이 확산.

2. 이미지보기의 시간적 포인트에서 취득

1. 동물을 위치시키는
   1. 복와에서 동물 유지 시상 몸 축에 대하여 약 45 °의 경사각, 측면에 몸을 약간 회전한다. 제대로 처리 (그림 2a)를 배열하는 의미로 작은 거즈 롤을 사용합니다.
   2. 동물의 머리를 올리고는 한쪽 (그림 2a)에 약간 회전합니다. 주둥이 잘 inser을 유지 스탠드와 같은면 롤을 사용하여마취 마스크에 테드.
   3. 수평면에 대하여 약 30 °의 각도를 기울여 조리대.
   4. 수직 평면에 대하여 약 30 °의 각도로 촬상 변환기를 돌려.
2. 초음파 및 광 음향 해부학 및 혈관 영상 획득
   1. 에 스캔 이미지를 켜 B 모드 영상 획득을 입력하고 제대로 실험 (그림 3a)의 가능 주어진 요구 사항을 존중하는 모든 이미지 수집 매개 변수를 설정합니다.
      주 : 트랜스 듀서의 가능한 최대 침투 깊이를 부여하기 위해, 가능한 한 낮은 송신 중심 주파수 (16MHz의,도 3b)를 설정한다.
   2. 동물의 머리 (그림 2b)에 알레르기 수용성 초음파 전송 젤 (약 1cm 두께) 일관된 층을 폐기하십시오. 동일한 겔의 얇은 층으로 변환기 헤드 커버와 RA에 층과 접촉에 넣어t. 지역화 된 저체온증을 최소화하기 위해 따뜻한 젤을 사용합니다.
   3. B 모드에서 화상 취득을 시작하고 해부학 적 참조를 식별함으로써 모니터 중간 지점에 관심 영역을 중심으로하여, 실시간 트랜스 듀서의 위치를​​ 조정한다. 에 부정적인 인수 영향을 미치므로, 겔 층에 갇힌 모든 수준에서 기포를 제거해야합니다.
   4. 최적의 빔 초점화를 얻기 위해 눈 (그림 4a)에 귀를 연결하는 가상 축에 정렬 변환기를 놓습니다. 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전 (그림 (b) 및 c)에 의해 내부 뇌 용적의 다른보기를 획득.
   5. 결국 안정적으로 좋은 방법으로 위치 조정하는 방향을 확보하기 위해 기계 스탠드에 변환기를 고정합니다.
   6. 관심 영역 대뇌 최적 pH가 수신하기 위하여 US-LAS​​ER 변환기 소스에 대해 깊이 10mm로 편재되어 있는지 확인otoacoustic 응답 신호 (그림 5). 그리고 정확히 분석 영역의 중심에 미국 파 초점화의 표시를 배치합니다.
      주 : 관심 영역의 연구 동안, 위치 결정 과정을 가속화하기 위해, 호흡 게이트 옵션의 활성화를 피한다.
   7. 높은 민감한 방법으로 내부 뇌 혈관을 시각화하는 컬러 도플러 모드를 입력합니다.
   8. 위치가 원하는 영역들을 시각화하는 적절한 방식으로 설정되면, 이동 (도 6a)에 관한 악영향을 피하기 호흡 게이트 옵션을 활성화.
   9. 컬러 도플러 모드 (도 6b)에서 원하는 취득 파라미터 세트를 선택하여 침투 깊이 수 ㎜까지, 혈류 속도와 방향을 구별하기 위해이 양상의 화상을 취득.
   10. 펄스 웨이브 도플러 모드를 입력하고 동맥 혈액 맥동을 감지하는 이미지를 획득하고 동맥을 구별하기차 정맥.
   11. 유속 차이에 따라서 평가 플럭스 이동에 따른 산란 이벤트의 수에 기초하여 신호를 정량화 수행 파워 도플러 모드 및 설정 파라미터 획득 (도 7)을 입력.
   12. 주어진 영역에서 혈액 총 헤모글로빈 내용이나 산소 정도에 대한 데이터를 수집하기 위해 인수 매개 변수 (그림 8a)을 수정 제대로 광 음향 모드를 입력합니다. 전체 파장 스펙트럼에 레이저 여기를 생산하여 (680 나노 미터에서 970 나노 미터, 그림 8b에), 조직 내부의 다른 화학 주에서 총 헤모글로빈 존재의 흡수를 정량화 할 수있다. 하나의 특정 파장 (도 8C)에 신호 수집을 수행함으로써, 인한 옥시 및 디 옥시 순수 종의 흡수에 별개의 신호 기여를 분리하는 것이 가능하다.

보기의 후두부 포인트 3. 영상

1. 동물을 위치시키는
   1. 발생하기 쉬운 위치에있는 동물을 유지, 동물 머리를 낮추고 측면 올바르게 처분을 배열하는 의미로 작은 거즈 롤을 사용합니다.
   2. 동물 머리의 횡단면 (그림 9)에 영상 변환기 평행을 돌립니다.
      주 : 이러한 방식으로, 취득 두개골의 기초에서 후두부 난원 통해 중심한다. 프로브 방향 (도 9)의 경사각을 변화함으로써, 설정의 기울기에 따라 상이한 뷰에서 용기 내부 이미지를 획득하는 것이 가능할 것이다.
2. 초음파 및 광 음향 해부학 및 혈관 영상 획득
   1. 이전에 (도 3)에보고하고 프로브 및 동물 목덜미에 필요한 초음파 겔 층으로 확산 B 모드 화상 취득을 입력 모든 화상 획득 매개 변수를 설정.
   2. ORD에서 거의 수평 유지하기 위해 변환기를 정렬ER은 신체의 해부학 후방 - 대 - 전방 축 방향으로 지향한다. 주둥이의 정면 측면 방향으로 향하게하여 약간 앞으로 기울입니다.
   3. B 모드 및 컬러 도플러 모드에서 이미지 수집을 시작합니다 (그림 3, 6). 정확하게 변환기 위치를 조정하고 상기 한 바와 같이 겔 코트로부터 기포를 제거한다. 가능하면 좋은 방법으로 방향을 제어하고 원하는 해부학 적 영역의 영상을 획득 할 수있는 최선의 틸팅 각도를 선택하는 기업 스탠드에 변환기를 고정합니다.
   4. 적절하게 파라미터를 취득 (도 7)를 설정하여 파워 도플러 모드에서는 내부 뇌 혈관을 시각화.
   5. 펄스 웨이브 도플러 모드로 강렬하게 맥동 동맥을 로컬 라이즈. 반대로 혈류 맥동 낮은 레벨 특징 정맥 구별.
   6. 적절하게 ACQ을 적용하여 컬러 도플러 모드에서 혈류 속도 데이터와 방향을 수집uisition 매개 변수 (그림 6).
   7. 광 음향 인수를 통해 얻은 화학 혈액 정보 (그림 8)을 추가하여 전체 깊은 뇌 혈류 역학 특성 데이터 세트. 예컨대, 일반적으로 750 및 850 나노 미터 (도 8C)에 레이저 여기 파장을 설정하여 측정한다 _O이 포화 율 및 총 헤모글로빈 함량 (HBT)로서 특히 혈액의 매개 변수의 양을 평가함으로써이 작업을 수행한다.

수집 및 동물 제거 4. 끝

참고 : 제대로 동물에 적용 마취제 투여와 관련된 주요 제한을받은 영상의 획득 과정 (1 단계에서 3 단계로), 전용 전체 시간을 고려.

1. 모든 수집 된 데이터를 저장 광 음향 획득 모드를 종료하여 레이저 펄스 전원을 켜고 변환기를 거리.
2. ANI를 유지하면서마취 효과에 따라 말, 부드럽게 젖은 면봉으로 눈에서 보호 젤을 제거하여 청소를 시작합니다. 다음 젖은 스펀지로 청소, 완전히 머리와 주둥이에서 초음파 젤을 제거하기 위해 주걱 여러 종이 타월을 사용합니다. 섬세한 면도 피부가 손상되지 않도록주의하십시오.
3. 사지를 고정 및 생리 학적 파라미터를 모니터 센서에서 분리하는 데 사용되는 접착 패치를 꺼냅니다. 신속하게 다른 케이지에 취득 작업대에서 동물을 전송합니다.
4. 마취에서 회복을위한 작은 새장에 동물을 호스트. 동물의 자극을 방지하기 위해이 단계에서 케이지를 공유하지 않도록 확인
5. 동물을 따뜻하게 유지하기 위해 적외선 조명 아래 복구 케이지를 놓습니다. 이 흉골 드러 누움을 유지하기 위해 충분한 의식을 회복 할 때까지 기다립니다. 동물 사육 방으로 이동하기 전에, 동물의 건강 상태를 확인합니다.

결과

이 방법은 이미지 모두 동물 피부, 두개골 손상과 현재 기술보다 깊은 비교적 높은 공간 해상도에서 해부학 적 구조와 기준 혈관 특정하도록 허용. 우리의 실험 조건에서 PA 신호의 깊이는 4.5 mm이고 축 해상도는 FOV 23 X 15.5 cm와 75 μm의입니다. 광 음향 단층 양상 ¹⁹ 실험 해상도 <1mm의 값을 보였다. SNR 값의 범위는 21.6 dB에서 (임의로 뇌 조직 및 배경에 선택된 다섯 가지 점에 의해 수득) 23.8 dB이다. 두개골 시간적 측 변환기 병치, 뇌 영상이보기의 횡 얻어진 촬상 점 (도 4)와 트랜스 듀서의 선택된 위치의 각도에 기초하여 횡 또는 관상 섹션으로 취득 할 수있다. 그들은 크게 교류의 측면에서 다르기 때문에 표피는 두개골 뼈와 실질 재료는 물론, 초음파 B 모드로 표시됩니다oustic 닥침 (그림 10). 그들의 구성이보기의 선택 지점에 따라 달라하더라도 실질에 대한 몇 가지 해부학 적 참조 사이트는 뇌 피질에서 내부 부분과 특성 모양의 광학 기관 (그림 10) 분리 균열로, 인식 할 수 있습니다. 또한, 혈관의 다수의 광 음향 및 초음파 영상 방식에 모두 표시. 동물의 뇌의 외 측면을 따라 실행되는 다른 주요 대형 선박과 내 경동맥 (ICA) 특성의 교점을 쉽게 인식 할 수있다. 이러한 ICA 큰 혈관 노선, 에너지 및 산소의 일관된 신경 필요성을 만족시키기 위해 다량의 혈액 공급을 제공한다. ICA는 총 경동맥 (CCA), 깊이 수 ㎜에서 헤드의 측면에서 실행 유래, 모든 분기 사이트 넘어 결국 정면 헤드 부에 도달한다. 이 주 혈류는 intermedi 사이에 확산식사 크기의 혈관을, 마지막으로 신경 세포에 영양을 공급하기 위해 항상 작은 동맥에 표출되기 전에. 보기의 템포 럴 지점으로부터, 정면 및 측면 뇌 혈관 측으로 향하는 두 갈래로 내부 뇌동맥 패턴을 추적 할 수있다. 관상 횡 이미지는 가상 축과 동물 눈의 귓바퀴에 가입 (도 4)의 방향에 대해 트랜스 듀서의 다른 경사를 취득 할 수있다. 도 4에 설명 된 돌기에 따른 트랜스 듀서를 틸팅함으로써, ICA 둘 이상의 지점에 상기 분할에서 발생 중뇌 동맥 (MCA)의 분해 된 이미지를 획득하는 것이 가능하다는 것을 마침내 서라운드 피질 돌출부 (11 및도 12). 가장 시각화도 4b에 켰을 ICA도 4c에서와 같이 나타났다위한 프로브 틸트 MCA 얻어졌다.

혈액 전류의 방향 정보는 컬러 도플러 수집 (그림 13)에 사용할 수 덕분에있는 동안 도플러 기반 음향 영상은, 작은 가지를 알 수있다. MCA 동맥 기능은 펄 스파 초음파 기술 (도 14 및도 15)에 의해 확인된다. 적혈구 순환에 포함 된 헤모글로빈의 광 음향 신호를 검출하고, 분자의 산화 상태에 대한 데이터를 수집하고, 혈액 산소 포화도를 계산하기 위해 분석 (16, 17도) 될 수있다. 혈액의 산소 함유량은 정맥혈로부터 동맥혈의 식별을 확인하기 위하여 음향 데이터에 상관 될 수있다.

후두 난원쪽으로 변환기를 가리키는으로 비전은 머리 축 평면 (그림 9)에 투영되고,이 영상 ​​평면은 변수 경사각에 정착 될 수있다. 이 경우, 뷰 뇌 영상의 후방 점에서 내포 될 수도 때문에 더 큰 후두 항목의 높은 침투 깊이. 윌리스의 원, 깊은 뇌의 특성 선박 구성, 지역화 된 모든 상기 기술을 적용하여 조사 할 수있다. 기저 동맥 (BA)는 소뇌의 복부 측면에서 실행, 결국 encephalon에 이르게 대칭으로 두 가지로 분기합니다. 복부 뇌에이 두 가지를 밖으로 확산하고 따라서 고리 구조 (윌리스의 원)을 작성, 다시 함께 가입 할 수 있습니다. 이 기초 깊은 원은 모든 중간 크기의 혈관은 뇌에 대규모 혈액 공급의 주요 이펙터입니다 후방, 중앙과 전방 대뇌 동맥 (PCA, MCA 및 ACA 각각)으로, 발생하는 혈관 지하실입니다 . 컬러 도플러 모드에서, 중간 크기의 가지의 식별이 가능하다 윌리스 (그림 18)의 원을 입력 (예 : PCA 등) 곡선 혈관 세그먼트의 명확한 시각화 할 수 있습니다.

이 스펙트럼은 동맥과 정맥 혈관에서 파생 된 신호를 구별 할 수있다으로 NT "> 뇌 실질 조직은. 스펙트럼 플롯 (그림 20)에서 혈관 특성을 보여 후두 투영 PA 양상 (그림 19)를 기록했다.

도 1 : 두개골 foramina 및 이미지 획득을위한보기의 각 점의 위치 프로파일 (A) 및 이미징 센서 장치는 시간적 난원 (보라색 화살표)에 병치되도록 배치 할 수있는 부위에서 래트 머리와 후두부 난원에. 프로필 (B)에 (노란색 화살표).

그림 2 : 시간 이미지 acquisitio에 대한 동물 처리N. (a) 화상 획득 용 작업대에 동물의 배열은 : 헤드 면도 후, 동물은 헤드의 시간적 측면을 노출하기 위해 약간 한쪽으로 기울어 신체에 발생하기 쉬운 위치에 배치된다. 조리대가 가능 획득시 동물의 몸을 따뜻하게 유지하는 히터 장치를 부여 할 수있다. 접착제 패치 활력 징후 모니터링을위한 센서에 발을 고정하는 동안 일부 튼 롤은,이 위치를 얻기 위해 사용될 수있다. (b) 초음파 겔 일관된 계층은 트랜스 듀서가 촬상 중에 위치 할 것이다되는 헤드의 면적.

그림 3 : B 모드 이미징 획득 매개 변수를 설정합니다. (a)는 예시적인 스크린 B에서 뇌 영상 획득에 이용 중요한 파라미터를보고하는 패널을 도시-mode. (나) 중요한 것은, 송신 주파수가 낮은 값 (16 메가 헤르츠)에 설정된는 미국의 조직 침투를 향상시킬 수 있습니다.

도 4 : 시간적 난원에서 횡 화상 취득 (a) 눈 변환기 경사 및 이미지 획득 평면을 변화시키는 틸트 동작 (적색 화살표)에 귓바퀴에 입사 축 가상 참조]에 대하여 이동 반 시계 방향 (B). 기준 귀에서 눈 축과 트랜스 듀서의 위치를 가변 경사; 대하여 c) 시계 방향 운동은 귀에서 눈 축과 트랜스 듀서의 위치를 가변 경사를 참조.

그림 5 : 미국을위한 최적의 초점 심도관심 영역을 찾는 동안 PA 화상 획득. (노란색 삼각형으로 표시) 촬상 초점 깊이는 최적의 결상 성능을 얻기 위해, US / 레이저 광원으로부터 깊이 약 10mm로 설정되어야한다.

그림 6 : 컬러 도플러 모드 이미징을위한 취득 매개 변수를 설정합니다. (a) 컬러 도플러 모드에서 화상 취득을 시작하기 전에, 호흡 게이트 옵션 생리적 호흡 운동에 의해 생성 된 아티팩트를 회피하기 위해 턴온 될 수있다. (b) 컬러 도플러에서 뇌 영상에 이용 중요한 획득 파라미터를 나타낸 예시 스크린 모드.

그림 7 : 취득 파워 도플러 모드 이미징을위한 매개 변수를 설정합니다. 파워 도플러 모드에서 뇌 영상에 이용 중요한 인수 매개 변수를 보여주는 예시 스크린 샷.

그림 8 : 광 음향 모드 이미징을위한 취득 매개 변수를 설정합니다. (a) 패널은 광 음향 모드의 뇌 영상에 이용 중요한 획득 파라미터를보고. 광 음향 스펙트럼의 (b) 취득, 5 nm의 파장 간격으로 680 nm 내지 970 nm의 범위의 레이저 여기에 기초하여 (단계라고도 크기). 각각 드 산소 및 산소 헤모글로빈 신호의 차별, 750 nm에서 850 nm에서 단일 파장 광 음향 모드에 이용 (C) 취득 매개 변수를 설정합니다.

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그림 9 :. 후두 난원에서 가로 이미지 수집 동물의 목 (노란색 화살표)에 () 트랜스 듀서의 위치 및 결과 가로 영상 평면이 사실상 섹션 caudo - 주동이의 방향에 머리, 트랜스 듀서 위치의 (b)는 후방보기 이미지 수집 비행기입니다.

도 10 :. 해부학 참조 개성화에 대한 시간 난원에서 B 모드 취득 표피 (a), 두개골 (b)와 실질 (c)는 (예 열구 같이 쉽게 구별뿐만 아니라, 다른 해부학 참조가 검출 할 수있을 수있다 d) 뇌 심부 복부 부분 및 옵틱 기관 (E)의 특징적인 형상을 둘러싼.

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그림 11 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 시간 난원을 통해 파워 도플러 모드 획득 MCA는 시간적 뇌 측의 ICA에서 제기.. 이보기를 얻으려면, 가로 이미지는 시간 난원 위에 트랜스 듀서를 지정하여 반 시계 방향으로 회전에 의해 인수되었다.

그림 12 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 시간 난원을 통해 파워 도플러 모드 획득 MCA는 시간적 뇌 측의 ICA에서 제기.. 이보기를 얻으려면, 가로 이미지는 시간 난원 위에 트랜스 듀서를 지정하여 시계 방향으로 방향으로 회전에 의해 인수되었다.

그림 13 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 시간 난원을 통해 컬러 도플러 모드 획득 MCA는 시간적 뇌 측의 ICA에서 제기.. 혈류의 방향 정보는 음향 변환 장치에 관한 것이며, 그리고 멀리에서 플럭스 움직임을 구분 색상 눈금 막대를 이용하여 표현된다.

그림 14 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 시간 난원을 통해 펄스 웨이브 모드 취득 가설 동맥 것으로 확인 된 선박 내부 순환 혈액의 동맥 특성의 확인 :. 펄스 웨이브 모드는 상관 관계가 될 수있다 스트림 속도의 변화에 대한 정보를 제공합니다 심장 박동 효과 (더 INTE동맥 NSE 정맥에 비해).

그림 15 :. 스트림 속도에 심장 맥동 효과는 무시할 정맥 등 혈관의 펄스 웨이브 모드에 의한 혈관의 참조의 식별 개성화에 대한 시간 난원을 통해 펄스 웨이브 모드 취득.

그림 16 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 시간 난원을 통해 광 음향 모드 취득. B 모드 (왼쪽)와 단일 파장 광 음향 모드를 (오른쪽)에 의해 가시화 시간적 뇌의 측의 실질 내부 혈관. 스케일 바 색이 하나의 선택된 파장에서 수행 레이저 광 음향 자극에 의​​해 유도 된 신호의 상이한 강도 값을 반영한다. O를동맥과 정맥을 개별화하기 RDER는 여기 파장은 각각 산소화 헤모글로빈과 탈산 소화를위한 광 음향 발광 피크를 획득하기 위해 상기 값을 나타내는, 750 및 850 nm에서 설정 될 수있다.

그림 17 : 산소 및 탈 산소 헤모글로빈 차별에 대한 시간 난원을 통해 광 음향 모드 취득. B 모드 (왼쪽)와 순 산소 과다 광 음향 모드를 (오른쪽)에 의해 가시화 시간적 뇌 측의 내부 용기. 스케일 바의 색상은 혈액의 헤모글로빈의 산소 포화도와는 다른 값을 반영합니다.

그림 18 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 후두 난원 공을 통해 컬러 도플러 모드 취득.복부 두뇌 측면에 위치한 윌리스의 원, 지하 구조를 만드는 곡선 혈관 세그먼트.

도표 19 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 후두 난원 공을 통해 광 음향 및 B-모드 취득. B-모드에서 Nell'immagine시 possono evidenziare 르 strutture anatomiche individuabili 죄수 라 proiezione occipitale 전자 넬라 corrispondente acquisizione 콘 modalità fotoacustica 콘 rilevamento spettrale TRA 670 내지 980 나노 미터 (사기 단계 디 5 ㎚).

도표 20 : 혈관의 참조의 개성화에 대한 후두 난원 공을 통해 광 음향 및 B-모드 취득. 퀘 스타에서 상상 viene rappresentato 보라 spettro corrispondeNTE alle 그 레 로아 tracciate livello 델 parenchima cerebellare; 에 particolare 노 tracciate livello 디 레 strutture vascolari, 라 CUI tipologia시 differenzia livello dell'andamento spettrale (ROI를 FUXIA 전자 셀레스트 corrispondono strutture vascolari 정맥의; ROI gialla corrisponde 광고 우나 struttura vascolare arteriosa).

토론

제시된 프로토콜은 작은 동물에서 매우 효과적인 뇌 이미징 성능을 제공하기 위해 최적화되었다. 이미지는 정밀하게 획득 파라미터 및 두개골 foramina 변환기에 대한 위치 표시를 따라 다른 양상에서 취득 할 수있다. US 레이저 올바르게 후두부 하나보다 작은 난원을 관통하도록 가능한 한 정확하게되도록 중심이 있기 때문에 특히, 시간적 측면에 위치 결정이 가장 중요하다. 그럼에도 불구하고,이 실험 환경 덕분에, 생리적 또는 병리 대회와 관련된 혈역학 적 기능에 액세스 할 수 있습니다, 심지어 보통의 특성을하기 어려운 깊은 뇌 영역에서 평가 될 수있다.

성공적인 화상 획득이 트랜스 듀서의 위치 정확성에 의존하기 때문에, 이러한 의존도는 촬상 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 신중하게 고려되어야한다. 예를 들어,관심의 일부 해부학 적 구조는 완전히 인수 영상 평면과 최적 될 수 있습니다 단지 부분적인 비전을 제공하는 이미지에서 자신의 식별에 포함되지 수 있습니다. 이 미리 정의 된 경로를 따라 이동이 자동화하는 변환기를 필요로하기 때문에 또한, 입체 양상 (3D 모드)에서 수행 US 및 PA 촬상 취득은 전술 한 실험 환경과 호환되지 않을 것이다. 마지막으로 인해 자연의 해부학 적 변화로, 두개골 구멍의 크기는 크게, 동물에 따라 다를 수있다 이렇게 획득 프로세스에 예상치 못한 영향을 데​​. 이 사실은 각 개인의 특성에 화질 의존한다. 결과적으로, 불가능은 실험 프로토콜을 설계 할 때 고려되어야 일부 동물에이 전략을 적용합니다.

특히, 주목할만한 관심 인해를 결정하는 근본적인 역할, 혈역학 적으로 발송전신 투여 후 ^{28 ~ 29} 약물이나 다른 외생 분자의 생체 분포. 분자 영상 분야에서의 의미는 실용적 초음파 유도 BBB 개구 ^(30)를 요구하는 화상 감시 약물 전달 연구 혈액 풀 영상 조영제의 유효성에 이르기까지 많다. 이러한 연구 목적 모두 확실히 추가 수술없이 사망 또는 부작용의 위험이 실질적으로 감소되고, 동일한 동물 모델에서 장기간 모니터링 가능하다, 즉 고려 프로토콜의 최소 침습 혜택 것이다.

요약하면, 제시된 프로토콜은 효율적으로 이미지와 정확하게 해부학 지형 및 연구 용 동물 모델에서 정상 또는 병리 적 뇌 조직의 혈관 패턴을 해석 개업있게된다. 현재의 방법은 주로 대뇌 피질의 영상 ^25-27 단층으로 제한되어 있지만,이 설정은 기회 t을 제공합니다O 모두 미국과 PA 이미징에서 제공하는 장점을 병합하여, 깊은 뇌의 생리에 영향을 미치는 여러 프로세스를 보여줍니다.

자료

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/