המחברים רוצים להודות לצוות ההנדסה של SonoVol Inc. על התמיכה הטכנית שלהם. עבודה זו מומנה חלקית על ידי פרס איגוד הלב האמריקאי למדעים שיתופיים (18CSA34080277), לג'יי יאו וו' יאנג; המכונים הלאומיים לבריאות של ארצות הברית (NIH) מעניקים R21EB027981, R21 EB027304, RF1 NS115581 (יוזמת המוח), R01 NS111039, R01 EB028143; פרס CAREER של הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית (NSF) 2144788; מענק יוזמת צוקרברג ע"ש צ'אן (2020-226178), לג'יי יאו; וה-NIH מעניק R21NS127163 ו-R01NS099590 ל-W. Yang.

כל ההליכים בבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה לטיפול ושימוש בבעלי חיים של המרכז הרפואי של אוניברסיטת דיוק ונערכו בהתאם למדיניות שירות בריאות הציבור של ארצות הברית בנושא טיפול אנושי ושימוש בחיות מעבדה. עכברי C57BL/6J זכרים ונקבות (ראו טבלת חומרים) שימשו למחקרים אלה. לפחות שלושה בעלי חיים ...

PAUSAT משולב לא פולשני הדמיה מוחית שלמה של שבץ איסכמי

<ol>
	<li>Durukan, A., Tatlisumak, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acute+ischemic+stroke:+overview+of+major+experimental+rodent+models,+pathophysiology,+and+therapy+of+focal+cerebral+ischemia.">Acute ischemic stroke: overview of major experimental rodent models, pathophysiology, and therapy of focal cerebral ischemia.</a> Pharmacology Biochemistry and Behavior. 87 (1), 179-197 (2007).</li><li>Vander Worp, H. B., van Gijn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+Practice.+Acute+ischemic+stroke.">Clinical Practice. Acute ischemic stroke.</a> The New England Journal of Medicine. 357 (6), 572-579 (2007).</li><li>Tannenbaum, J., Bennett, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Russell+and+Burch's+3Rs+then+and+now:+the+need+for+clarity+in+definition+and+purpose.">Russell and Burch's 3Rs then and now: the need for clarity in definition and purpose.</a> Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (2), 120-132 (2015).</li><li>Hochrainer, K., Yang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stroke+proteomics:+from+discovery+to+diagnostic+and+therapeutic+applications.">Stroke proteomics: from discovery to diagnostic and therapeutic applications.</a> Circulation Research. 130 (8), 1145-1166 (2022).</li><li>Wang, L. V., Yao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+practical+guide+to+photoacoustic+tomography+in+the+life+sciences.">A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences.</a> Nature Methods. 13 (8), 627-638 (2016).</li><li>Aldrich, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Basic+physics+of+ultrasound+imaging.">Basic physics of ultrasound imaging.</a> Critical Care Medicine. 35 (5), S131-S137 (2007).</li><li>Jacques, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+properties+of+biological+tissues:+a+review.">Optical properties of biological tissues: a review.</a> Physics in Medicine and Biology. 58 (11), R37-R61 (2013).</li><li>Li, M., Tang, Y., Yao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+tomography+of+blood+oxygenation:+a+mini+review.">Photoacoustic tomography of blood oxygenation: a mini review.</a> Photoacoustics. 10, 65-73 (2018).</li><li>Menozzi, L., Yang, W., Feng, W., Yao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sound+out+the+impaired+perfusion:+Photoacoustic+imaging+in+preclinical+ischemic+stroke.">Sound out the impaired perfusion: Photoacoustic imaging in preclinical ischemic stroke.</a> Frontiers in Neuroscience. 16, 1055552 (2022).</li><li>Gessner, R. C., Frederick, C. B., Foster, F. S., Dayton, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+angiography:+a+new+imaging+modality+for+assessing+microvasculature+architecture.">Acoustic angiography: a new imaging modality for assessing microvasculature architecture.</a> International Journal of Biomedical Imaging. 2013, 936593 (2013).</li><li>Dayton, P. A., Rychak, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+ultrasound+imaging+using+microbubble+contrast+agents.">Molecular ultrasound imaging using microbubble contrast agents.</a> Frontiers in Bioscience. 12, 5124-5142 (2007).</li><li>Isayama, K., Pitts, L. H., Nishimura, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+2,+3,+5-triphenyitetrazolium+chloride+staining+to+delineate+rat+brain+infarcts.">Evaluation of 2, 3, 5-triphenyitetrazolium chloride staining to delineate rat brain infarcts.</a> Stroke. 22 (11), 1394-1398 (1991).</li><li>Ruan, J., Yao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavioral+tests+in+rodent+models+of+stroke.">Behavioral tests in rodent models of stroke.</a> Brain Hemorrhages. 1 (4), 171-184 (2020).</li><li>Parthasarathy, A. B., Kazmi, S. M. S., Dunn, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+imaging+of+ischemic+stroke+through+thinned+skull+in+mice+with+Multi+Exposure+Speckle+Imaging.">Quantitative imaging of ischemic stroke through thinned skull in mice with Multi Exposure Speckle Imaging.</a> Biomedical Optics Express. 1 (1), 246-259 (2010).</li><li>Hingot, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+ultrafast+ultrasound+imaging+of+cerebral+perfusion+correlates+with+ischemic+stroke+outcomes+and+responses+to+treatment+in+mice.">Early ultrafast ultrasound imaging of cerebral perfusion correlates with ischemic stroke outcomes and responses to treatment in mice.</a> Theranostics. 10 (17), 7480-7491 (2020).</li><li>Menozzi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+non-invasive+brain+imaging+of+ischemic+stroke+by+integrated+photoacoustic,+ultrasound+and+angiographic+tomography+(PAUSAT).">Three-dimensional non-invasive brain imaging of ischemic stroke by integrated photoacoustic, ultrasound and angiographic tomography (PAUSAT).</a> Photoacoustics. 29, 100444 (2022).</li><li>Llovera, G., Roth, S., Plesnila, N., Veltkamp, R., Liesz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+stroke+in+mice:+permanent+coagulation+of+the+distal+middle+cerebral+artery.">Modeling stroke in mice: permanent coagulation of the distal middle cerebral artery.</a> Journal of Visualized Experiments. (89), e51729 (2014).</li><li>Trotman-Lucas, M., Kelly, M. E., Janus, J., Fern, R., Gibson, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+alternative+surgical+approach+reduces+variability+following+filament+induction+of+experimental+stroke+in+mice.">An alternative surgical approach reduces variability following filament induction of experimental stroke in mice.</a> Disease Models &amp; Mechanisms. 10 (7), 931-938 (2017).</li><li>Labat-Gest, V., Tomasi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photothrombotic+ischemia:+a+minimally+invasive+and+reproducible+photochemical+cortical+lesion+model+for+mouse+stroke+studies.">Photothrombotic ischemia: a minimally invasive and reproducible photochemical cortical lesion model for mouse stroke studies.</a> Journal of Visualized Experiments. (76), e50370 (2013).</li><li>Matsumoto, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualising+peripheral+arterioles+and+venules+through+high-resolution+and+large-area+photoacoustic+imaging.">Visualising peripheral arterioles and venules through high-resolution and large-area photoacoustic imaging.</a> Scientific Reports. 8 (1), 14930 (2018).</li><li>Xu, Y., Wang, L. V., Ambartsoumian, G., Kuchment, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstructions+in+limited-view+thermoacoustic+tomography.">Reconstructions in limited-view thermoacoustic tomography.</a> Medical Physics. 31 (4), 724-733 (2004).</li><li>Yal Tang, ., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-fidelity+deep+functional+photoacoustic+tomography+enhanced+by+virtual+point+sources.">High-fidelity deep functional photoacoustic tomography enhanced by virtual point sources.</a> Photoacoustics. 29, 100450 (2023).</li><li>Zheng, W., Huang, C., Zhang, H., Xia, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slit-based+photoacoustic+tomography+with+co-planar+light+illumination+and+acoustic+detection+for+high-resolution+vascular+imaging+in+human+using+a+linear+transducer+array.">Slit-based photoacoustic tomography with co-planar light illumination and acoustic detection for high-resolution vascular imaging in human using a linear transducer array.</a> Biomedical Engineering Letters. 12 (2), 125-133 (2022).</li><li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slit-enabled+linear-array+photoacoustic+tomography+with+near+isotropic+spatial+resolution+in+three+dimensions.">Slit-enabled linear-array photoacoustic tomography with near isotropic spatial resolution in three dimensions.</a> Optics Letters. 41 (1), 127-130 (2016).</li><li>Vu, T., Li, M., Humayun, H., Zhou, Y., Yao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+generative+adversarial+network+for+artifact+removal+in+photoacoustic+computed+tomography+with+a+linear-array+transducer.">A generative adversarial network for artifact removal in photoacoustic computed tomography with a linear-array transducer.</a> Experimental Biology and Medicine. 245 (7), 597-605 (2020).</li><li>Zhang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep-E:+A+fully-dense+neural+network+for+improving+the+elevation+resolution+in+linear-array-based+photoacoustic+tomography.">Deep-E: A fully-dense neural network for improving the elevation resolution in linear-array-based photoacoustic tomography.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (5), 1279-1288 (2022).</li><li>Hauptmann, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Model-based+learning+for+accelerated,+limited-view+3-D+photoacoustic+tomography.">Model-based learning for accelerated, limited-view 3-D photoacoustic tomography.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (6), 1382-1393 (2018).</li><li>Li, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+deep-tissue+functional+and+molecular+imaging+by+integrated+photoacoustic,+ultrasound,+and+angiographic+tomography+(PAUSAT).">Three-dimensional deep-tissue functional and molecular imaging by integrated photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT).</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (10), 2704-2714 (2022).</li></ol>

ישנם כמה היבטים חיוניים של שיטה זו, שאם נעשה בצורה לא נכונה, יכול להוביל לירידה משמעותית באיכות התמונה וניתוח כמותי. התוצאה הנפוצה ביותר של שגיאת משתמש בתמונות PAUSAT היא חוסר אות או עוצמת אות נמוכה מאוד, שתיהן יכולות להתרחש ממגוון סיבות. סיבה אחת כזו היא בעיה בצימוד האקוסטי. בועות אוויר גדולו...

הדם מוביל חמצן (דרך חלבון המוגלובין) וחומרים מזינים חשובים אחרים לרקמות בגופנו. כאשר זרימת הדם דרך רקמות מופרעת (איסכמיה), נזק חמור לרקמות יכול להתרחש, ההשפעות המיידיות ביותר של אשר נובעים מחוסר חמצן (היפוקסיה). שבץ איסכמי הוא תוצאה של זרימת דם מופרעת לאזור מסוים במוח. הנזק המוחי הנובע משבץ איסכמי יכול להתרחש בתוך דקות מחסימת כלי הדם, ולעתים קרובות יכול להיות בעל השפעות מתישות ומתמשכות 1,2. אסטרטגיה בעלת ערך רב להעריך את הפיזיופתולוגיה לאחר שבץ איסכמי ולזהות ולבדוק טיפולים חדשים היא השימוש במודלים של בעלי חיים קטנים במעבדה. הטיפולים המתגלים במעבדה שואפים להיות מתורגמים לשימוש קליני ולשפר את חיי המטופלים. עם זאת, השימוש בבעלי חיים במחקר ביו-רפואי צריך להיבחן בקפידה על פי עקרונות 3Rs של ראסל וברץ': החלפה, הפחתה ועידון3. מטרת רכיב ההפחתה היא לצמצם את מספר בעלי החיים מבלי לפגוע באיסוף הנתונים. בהתחשב בכך, היכולת להעריך לאורך את התפתחות הנגע באמצעות הדמיה לא פולשנית מאפשרת יתרון גדול בהפחתת מספר בעלי החיים הנדרשים, כמו גם למקסם את המידע המתקבל מכל חיה4.
טומוגרפיה פוטואקוסטית (PAT) היא שיטת הדמיה היברידית המשלבת ניגודיות ספיגה אופטית עם דימות אולטרסאונד ברזולוציה מרחבית5. מנגנון ההדמיה של PAT הוא כדלקמן. פולס לייזר עירור מואר על המטרה המצולמת. בהנחה שהמטרה בולעת אור באורך הגל של לייזר העירור, הטמפרטורה שלו תעלה. עלייה מהירה זו בטמפרטורה גורמת להתרחבות תרמו-אלסטית של המטרה. ההתפשטות גורמת לגל אולטרסאונד להתפשט החוצה מהמטרה. על ידי גילוי גל האולטרסאונד במיקומים רבים, הזמן הדרוש לגל להתפשט מהמטרה לגלאים יכול לשמש ליצירת תמונה באמצעות אלגוריתם שחזור. היכולת של PAT לזהות ספיגה אופטית באזורי רקמות עמוקים מבדילה PAT מהדמיית אולטרסאונד, המזהה גבולות של עכבות אקוסטיות שונות של רקמות5. בספקטרום הנראה והתת-אדום הקרוב, הביומולקולות העיקריות בעלות ספיגה גבוהה הנמצאות בשפע באורגניזמים הן המוגלובין, שומנים, מלנין ומים7. עניין מיוחד בחקר שבץ מוחי הוא המוגלובין. מכיוון שלאוקסיהמוגלובין ולדאוקסיהמוגלובין יש ספקטרום ספיגה אופטי שונה, ניתן להשתמש ב- PAT עם אורכי גל לייזר עירור מרובים כדי לקבוע את הריכוז היחסי של שני מצבי החלבון. זה מאפשר את ריווי החמצן של המוגלובין (sO2), או חמצון הדם, להיות מכומת בתוך ומחוץ לאזור אוטם 8,9. זהו מדד חשוב בשבץ איסכמי, שכן הוא יכול להצביע על רמת החמצן ברקמת המוח הפגועה לאחר איסכמיה.
אנגיוגרפיה אקוסטית (AA) היא שיטת דימות אולטרסאונד משופרת בניגודיות השימושית במיוחד להדמיית המורפולוגיה של כלי הדם in vivo10. השיטה מסתמכת על שימוש במתמר מתנודד דו-אלמנטי (אלמנט בתדר נמוך ואלמנט בתדר גבוה) בשילוב עם מיקרו-בועות המוזרקות למערכת הדם של נושא ההדמיה. אלמנט התדר הנמוך של המתמר משמש לשידור בתדר התהודה של המיקרו-בועות (למשל, 2 מגה-הרץ), ואילו אלמנט התדר הגבוה משמש לקליטת האותות הסופר-הרמוניים של המיקרו-בועות (למשל, 26 מגה-הרץ). כאשר הן מעוררות בתדר תהודה, למיקרו-בועות יש תגובה לא ליניארית חזקה, וכתוצאה מכך נוצרות אותות סופר-הרמוניים שרקמות הגוף הסובבות אותן אינן מייצרות11. על ידי קבלה עם אלמנט בתדר גבוה, זה מבטיח כי רק אותות microbubble מזוהים. מכיוון שהמיקרו-בועות מוגבלות לכלי הדם, התוצאה היא תמונה אנגיוגרפית של מורפולוגיה של כלי הדם. AA היא שיטה רבת עוצמה להדמיית שבץ איסכמי, מכיוון שהמיקרו-בועות הזורמות דרך מערכת הדם אינן מסוגלות לזרום דרך כלי דם חסומים. זה מאפשר AA לזהות אזורים במוח שאינם מחוררים עקב שבץ איסכמי, אשר מציין את אזור האוטם.
מחקר שבץ איסכמי פרה-קליני מסתמך בדרך כלל על שימוש בהיסטולוגיה ובבדיקות התנהגותיות כדי להעריך את המיקום והחומרה של השבץ. צביעת Triphenyltetrazolium chloride (TTC) היא ניתוח היסטולוגי נפוץ המשמש לקביעת נפח אוטם שבץ. עם זאת, ניתן להשתמש בו רק בנקודת קצה, שכן הוא דורש המתת חסד של בעל החיים12 . ניתן להשתמש במבחנים התנהגותיים כדי לקבוע פגיעה בתפקוד המוטורי במספר נקודות זמן, אך הם אינם יכולים לספק ערכים אנטומיים או פיזיולוגיים כמותיים13. הדמיה ביו-רפואית מספקת גישה כמותית יותר לחקר ההשפעות של שבץ איסכמי באופן לא פולשני ואורכי 9,14,15. עם זאת, טכנולוגיות הדמיה קיימות (כגון דימות תהודה מגנטית של בעלי חיים קטנים [MRI]) יכולות לבוא בעלות גבוהה, לא להיות מסוגלות לספק מידע מבני ותפקודי בו-זמני, או שיש להן עומק חדירה מוגבל (כמו רוב טכניקות הדימות האופטי).
כאן אנו משלבים טומוגרפיה פוטואקוסטית, אולטרסאונד ואנגיוגרפיה (PAUSAT; ראו תרשים מערכת באיור 1), המאפשרת מידע מבני ותפקודי משלים של זילוח דם וחמצון לאחר שבץ איסכמי16. אלה שני היבטים חשובים בהערכת חומרת הפציעה ובמעקב אחר ההחלמה או התגובה לטיפולים. שימוש בשיטות הדמיה משולבות אלה יכול להגדיל את כמות המידע המתקבל על ידי כל בעל חיים, להפחית את מספר בעלי החיים הדרושים ולספק מידע נוסף במחקר של טיפולים פוטנציאליים לשבץ איסכמי.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65319/65319fig01.jpg"> איור 1: דיאגרמת PAUSAT. (A) סכמה מלאה של מערכת PAUSAT, כולל הלייזר וה-OPO המשמשים ל-PAT. (B) מבט מבפנים על מערכת PAUSAT, כולל שני מתמרי אולטרסאונד. מתמר המתנדנד הדו-אלמנטי משמש הן לאולטרסאונד במצב B והן ל-AA, ומתמר המערך הליניארי משמש ל-PAT. שני המתמרים מותקנים על אותה במה ממונעת דו-ממדית, המאפשרת סריקה להפקת נתונים נפחיים. נתון זה שונהמ-16. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65319/65319fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>20 GA catheter</td>
			<td>BD Insyte Autoguard Winged</td>
			<td>381534</td>
			<td>For mouse intubation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T8877</td>
			<td>Necessary for TTC-staining brain for validation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>532nm Laser</td>
			<td>Quantel</td>
			<td>Q-smart 850</td>
			<td>Laser used to pump the OPO for PAT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automatic Ventilator Rovent Jr.</td>
			<td>Kent Scientific</td>
			<td>RV-JR</td>
			<td>To keep mice under anesthesia during surgical procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black braided silk 4-0 USP</td>
			<td>Surgical Specialties</td>
			<td>SP116</td>
			<td>Used for sutures on the neck for pMCAO surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bupivacaine</td>
			<td>Hospira</td>
			<td>0409-1159-18</td>
			<td>Used prior to closing wounds during surgical procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C57BL/6 Mice</td>
			<td>Jackson Lab</td>
			<td>#000664</td>
			<td>Mice used for studying ischemic stroke (2-6 month old male/female)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>8606</td>
			<td>Used for closing wound (PT stroke and pMCAO). A clear suture won&#39;t interfere with PAT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cold Light LED</td>
			<td>Schott</td>
			<td>KL 1600</td>
			<td>Needed to create PT stroke</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Razor Blade</td>
			<td>Accutec Blades</td>
			<td>74-0002</td>
			<td>For sectioning mouse brain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric drill</td>
			<td>JSDA</td>
			<td>JD-700</td>
			<td>Used to expose MCA during pMCAO procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrocauterization tool</td>
			<td>Wet-Field</td>
			<td>Wet-Field Bipolar-RG</td>
			<td>Stops blood flow after drilling during pMCAO procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hair removal gel</td>
			<td>Veet</td>
			<td>8282651</td>
			<td>Used to remove hair from mouse prior to imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Temperature Cautery Loop Tip</td>
			<td>BOVIE Medical Corporation</td>
			<td>REF AA03</td>
			<td>Used to avoid bleeding when separating the temporal muscle from the skull</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IR Detector Card</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>VRC5</td>
			<td>Used to ensure light path is aligned</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Power Meter</td>
			<td>Ophir</td>
			<td>StarBright, P/N 7Z01580</td>
			<td>Can be used to calibrate the laser energy prior to imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Speckle Imaging System</td>
			<td>RWD Life Science Co.</td>
			<td>RFLSI-III</td>
			<td>Can be used to validate stroke surgery success</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lubricant Eye Ointment</td>
			<td>Soothe</td>
			<td>AB31336</td>
			<td>Can be used to avoid drying of the eyes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manually adjustable stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>L490</td>
			<td>Used with custom ramp for multiple focal depth AA imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modified Vega Imaging System</td>
			<td>Perkin Elmer</td>
			<td>LLA00061</td>
			<td>System containing both B-mode/AA and PAT transducers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Parametric Oscillator</td>
			<td>Quantel</td>
			<td>versaScan-L532</td>
			<td>Allows for tuning of excitation wavelength in a large range</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Programmable Ultrasound System</td>
			<td>Verasonics</td>
			<td>Vantage 256</td>
			<td>Used for PAT part of system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rose Bengal</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>330000</td>
			<td>Necessary to induce PT stroke</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Suture</td>
			<td>LOOK</td>
			<td>SP116</td>
			<td>Used for permanent ligation of CCA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature Contoller</td>
			<td>Physitemp</td>
			<td>TCAT-2</td>
			<td>Used to maintain stable body temperature of mice during procedures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VesselVue Microbubbles</td>
			<td>Perkin Elmer</td>
			<td>P-4007001</td>
			<td>Used for acoustic angiography (2.43 &#215; 10^9 microbubbles/mL)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

integrated photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (pausat) for noninvasive whole-brain imaging of ischemic stroke

מוצג כאן מחקר שבץ איסכמי ניסיוני באמצעות מערכת הדמיה לא פולשנית שפיתחנו לאחרונה המשלבת שלוש טכנולוגיות הדמיה מבוססות אקוסטיקה: פוטואקוסטית, אולטרסאונד וטומוגרפיה אנגיוגרפית (PAUSAT). שילוב שלושת השיטות הללו מסייע ברכישת טומוגרפיה פוטואקוסטית מולטי-ספקטרלית (PAT) של חמצון הדם במוח, הדמיית אולטרסאונד בתדר גבוה של רקמת המוח ואנגיוגרפיה אקוסטית של זילוח הדם המוחי. פלטפורמת ההדמיה הרב-מודאלית מאפשרת לחקור את שינויי הזלוף והחמצון המוחיים במוח העכבר כולו לאחר שבץ. שני מודלים נפוצים של שבץ איסכמי הוערכו: מודל חסימת עורק המוח האמצעי הקבוע (pMCAO) והמודל הפוטוטרומבוטי (PT). PAUSAT שימש כדי לדמיין את אותם מוחות עכבר לפני ואחרי שבץ ולנתח כמותית את שני המודלים של שבץ. מערכת הדמיה זו הצליחה להראות בבירור את השינויים בכלי הדם במוח לאחר שבץ איסכמי, כולל הפחתה משמעותית בזילוח הדם וחמצון באזור אוטם השבץ (ipsilateral) בהשוואה לרקמה שלא נפגעה (contralateral). התוצאות אושרו הן על ידי הדמיית ניגודיות כתמי לייזר והן על ידי צביעת טריפנילטטרזוליום כלוריד (TTC). יתר על כן, נפח אוטם שבץ בשני המודלים שבץ נמדד ואומת על ידי צביעת TTC כאמת הקרקע. באמצעות מחקר זה, הוכחנו כי PAUSAT יכול להיות כלי רב עוצמה במחקרים פרה-קליניים לא פולשניים ואורכיים של שבץ איסכמי.

Blood transports oxygen (via the hemoglobin protein) and other important nutrients to tissues in our bodies. When the flow of blood through tissues is interrupted (ischemia), severe damage to the tissues can occur, the most immediate effects of which are due to a lack of oxygen (hypoxia). Ischemic stroke is the result of interrupted blood flow to a certain region of the brain. The brain damage resulting from an ischemic stroke can occur within minutes of a vessel blockage, and can often have debilitating and lasting effects1,2. A highly valuable strategy to evaluate the physiopathology after ischemic stroke and identify and test new treatments is the use of small-animal models in the lab. Treatments discovered in the lab aim to be translated to clinical use and improve patients&#39; lives. However, the use of animals in biomedical research needs to be carefully evaluated according to Russell and Burch&#8217;s 3Rs principles: replacement, reduction, and refinement3. The objective of the reduction component is to reduce the number of animals without compromising data collection. With this in mind, being able to longitudinally evaluate the lesion evolution via noninvasive imaging allows a great advantage in reducing the number of animals required, as well as maximizing the information obtained from each animal4.
Photoacoustic tomography (PAT) is a hybrid imaging modality that combines optical absorption contrast with ultrasound imaging spatial resolution5. The imaging mechanism of PAT is as follows. An excitation laser pulse is illuminated on the target being imaged. Assuming the target absorbs light at the wavelength of the excitation laser, it will increase in temperature. This quick increase in temperature results in a thermoelastic expansion of the target. The expansion causes an ultrasound wave to propagate out from the target. By detecting the ultrasound wave at many positions, the time required for the wave to propagate from the target to the detectors can be used to create an image through a reconstruction algorithm. The ability of PAT to detect optical absorption in deep tissue regions differentiates PAT from ultrasound imaging, which detects boundaries of differing acoustic impedances of tissues5. In the visible and near-infrared spectra, the primary highly absorbing biomolecules that are abundant in organisms are hemoglobin, lipids, melanin, and water7. Of particular interest in the study of stroke is hemoglobin. Since oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin have different optical absorption spectra, PAT can be used with multiple excitation laser wavelengths to determine the relative concentration of the two states of the protein. This allows the oxygen saturation of hemoglobin (sO2), or blood oxygenation, to be quantified in and outside of the infarct region8,9. This is an important measure in ischemic stroke, as it can indicate the level of oxygen in the damaged brain tissue following ischemia.
Acoustic angiography (AA) is a contrast-enhanced ultrasound imaging method that is particularly useful for imaging the morphology of vasculature in vivo10. The method relies on the use of a dual-element wobbler transducer (a low frequency element and a high frequency element) in conjunction with microbubbles injected into the circulatory system of the imaging subject. The low-frequency element of the transducer is used for transmitting at the resonant frequency of the microbubbles (e.g., 2 MHz), while the high-frequency element is used to receive the super harmonic signals of the microbubbles (e.g., 26&#160;MHz). When excited at a resonant frequency, the microbubbles have a strong nonlinear response, resulting in the production of super harmonic signals that surrounding body tissues do not produce11. By receiving with a high-frequency element, this ensures that only the microbubble signals are detected. Since the microbubbles are confined to the blood vessels, the result is an angiographic image of blood vessel morphology. AA is a powerful method for imaging ischemic stroke, as the microbubbles that flow through the circulatory system are not be able to flow through blocked vessels. This allows AA to detect regions of the brain that are not perfused due to ischemic stroke, which indicates the infarct region.
Preclinical ischemic stroke research generally relies on the use of histology and behavioral testing to assess the location and severity of the stroke. Triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining is a common histological analysis used to determine the stroke infarct volume. However, it can only be used at an endpoint, since it requires the animal to be euthanized12. Behavioral tests can be used to determine motor function impairment at multiple time points, but they cannot provide quantitative anatomical or physiological values13. Biomedical imaging provides a more quantitative approach to studying the effects of ischemic stroke noninvasively and longitudinally9,14,15. However, existing imaging technologies (such as small-animal magnetic resonance imaging [MRI]) can come at a high cost, be unable to provide concurrent structural and functional information, or have limited penetration depth (as most optical imaging techniques).
Here, we combine photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT; see system diagram in Figure 1), which allows for complementary structural and functional information of blood perfusion and oxygenation following ischemic stroke16. These are two important aspects in assessing the severity of injury and monitoring the recovery or response to treatments. Using these integrated imaging methods can increase the amount of information obtained by each animal, reducing the number of animals required and providing more information in the study of potential treatments for ischemic stroke.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65319/65319fig01.jpg" /> 
Figure 1: PAUSAT diagram. (A) Complete schematic of the PAUSAT system, including the laser and OPO used for PAT. (B) Inside view of the PAUSAT system, including two ultrasound transducers. The dual-element wobbler transducer is used for both B-mode ultrasound and AA, and the linear-array transducer is used for PAT. Both transducers are mounted on the same 2D motorized stage, allowing for scanning to generate volumetric data. This figure has been modified from16. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65319/65319fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>

מחבר זרקור: פוטואקוסטיקה, אולטרסאונד וטומוגרפיה אנגיוגרפית משולבת (PAUSAT) להדמיית מוח שלם לא פולשנית של שבץ איסכמי  

טומוגרפיה פוטואקוסטית, אולטרסאונד ואנגיוגרפיה משולבת (PAUSAT) להדמיית מוח שלם לא פולשנית של שבץ איסכמי

There are a few experimental challenges. For example, the presence of hair in the scalp can cause artifact in the acquired images. The age of the animal also plays a key role since the thickness of the skull is currently a limitation for the detection of deeper signals.Many purely optical imaging techniques require an invasive procedure and can only image about one millimeter deep. With PAUSAT, we combine the advantages of both ultrasound and optical imaging. We can get both structural and functional information surrounding ischemic stroke in a completely safe and non-invasive way.Being able to evaluate the evolution of an injury with or without treatment from the same animal at different time points allows us to collect very valuable information. And also to reduce the number of animals required for different studies. We are constantly working on ways to improve the imaging speed, depth, resolution and contrast for both photoacoustic and ultrasound imaging.With better imaging systems, we can answer more fundamental biological questions and evaluate new experimental treatments.

הדמיה של מורפולוגיה של כלי דם במוח AA מייצר תמונות מורפולוגיות של כלי דם על ידי מיקרו-בועות מלהיבות במערכת הדם בתדירות התהודה שלהן וקבלת התגובה הסופר-הרמונית של המיקרו-בועות. על-ידי שימוש ברמפה המותאמת אישית (איור 2C) המחוברת לשלב שניתן לכוונן ידנית, אנו יכולים לדמ...

Watch this Scientific Journal Video about Integrated Photoacoustic, Ultrasound, and Angiographic Tomography PAUSAT for NonInvasive Whole-Brain Imaging of Ischemic Stroke at JoVE.com

עבודה זו מדגימה את השימוש בפלטפורמת הדמיה מבוססת אולטרסאונד מולטימודאלי להדמיה לא פולשנית של שבץ איסכמי. מערכת זו מאפשרת לכמת חמצון דם באמצעות הדמיה פוטואקוסטית וזילוח לקוי במוח באמצעות אנגיוגרפיה אקוסטית.

Presented here is an experimental ischemic stroke study using our newly developed noninvasive imaging system that integrates three acoustic-based imaging ...

יש כמה אתגרים ניסיוניים. לדוגמה, נוכחות של שיער בקרקפת יכול לגרום חפץ בתמונות שנרכשו. גם גיל החיה משחק תפקיד מפתח, שכן עובי הגולגולת מהווה כיום מגבלה לזיהוי אותות עמוקים יותר.טכניקות הדמיה אופטיות טהורות רבות דורשות הליך פולשני ויכולות לצלם רק בעומק של מילימטר אחד. עם PAUSAT אנו משלבים את היתרונות של אולטרסאונד והדמיה אופטית. אנו יכולים לקבל מידע מבני ותפקודי סביב שבץ איסכמי בצורה בטוחה לחלוטין ולא פולשנית.היכולת להעריך את האבולוציה של פציעה עם או בלי טיפול מאותה חיה בנקודות זמן שונות מאפשרת לנו לאסוף מידע בעל ערך רב. וגם כדי להפחית את מספר בעלי החיים הדרושים למחקרים שונים. אנו עובדים כל הזמן על דרכים לשפר את מהירות ההדמיה, העומק, הרזולוציה והניגודיות הן עבור הדמיה פוטואקוסטית והן עבור הדמיית אולטרסאונד.עם מערכות הדמיה טובות יותר, אנו יכולים לענות על שאלות ביולוגיות בסיסיות יותר ולהעריך טיפולים ניסיוניים חדשים.

טומוגרפיה פוטואקוסטית, אולטרסאונד ואנגיוגרפיה משולבת (PAUSAT) להדמיית מוח שלם לא פולשנית של שבץ איסכמי

Abstract