[論文レビュー] Non-invasive Deep-Brain Imaging with 3D Integrated Photoacoustic Tomography and Ultrasound Localization Microscopy (3D-PAULM)

Yuqi Tang, Zhijie Dong+9 more|PubMed|Jul 27, 2023

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、写真音響単体トモグラフィー（PACT）と超音波局在マイクロスコピー（ULM）を統合した非侵襲的で統合的な画像診断システム、3D-PAULMを提案する。4 MHzの超音波周波数を用いることで、頭皮や頭蓋骨を剥がさずに、酸素飽和度、血液の血流速度、灌流、血管密度の内在的コリグistrationを伴う全脳機能的マッピングが可能となり、非麻痺状態のマウスにおいて脳虚血と低酸素状態を生体で実証した。

ABSTRACT

Photoacoustic computed tomography (PACT) is a proven technology for imaging hemodynamics in deep brain of small animal models. PACT is inherently compatible with ultrasound (US) imaging, providing complementary contrast mechanisms. While PACT can quantify the brain's oxygen saturation of hemoglobin (sO₂), US imaging can probe the blood flow based on the Doppler effect. Further, by tracking gas-filled microbubbles, ultrasound localization microscopy (ULM) can map the blood flow velocity with sub-diffraction spatial resolution. In this work, we present a 3D deep-brain imaging system that seamlessly integrates PACT and ULM into a single device, 3D-PAULM. Using a low ultrasound frequency of 4 MHz, 3D-PAULM is capable of imaging the whole-brain hemodynamic functions with intact scalp and skull in a totally non-invasive manner. Using 3D-PAULM, we studied the mouse brain functions with ischemic stroke. Multi-spectral PACT, US B-mode imaging, microbubble-enhanced power Doppler (PD), and ULM were performed on the same mouse brain with intrinsic image co-registration. From the multi-modality measurements, we future quantified blood perfusion, sO₂, vessel density, and flow velocity of the mouse brain, showing stroke-induced ischemia, hypoxia, and reduced blood flow. We expect that 3D-PAULM can find broad applications in studying deep brain functions on small animal models.

研究の動機と目的

• 小型動物モデルにおける深部脳血行動態機能の非侵襲的で全脳的画像診断プラットフォームの開発。
• 既存技術の限界を克服するため、PACTとULMを1つのコリグistration済みシステムに統合すること。
• 頭皮と頭蓋骨を保持したまま、酸素飽和度（sO₂）、血液の血流速度、灌流、血管密度の同時定量を可能にすること。
• 多モodalで非侵襲的な画像診断を用いて、虚血性ストローク発症時の脳機能的変化を調査すること。

提案手法

• 写真音響単体トモグラフィー（PACT）と超音波局在マイクロスコピー（ULM）を統合した1つの3次元画像診断システム、3D-PAULMへの統合。
• 頭皮と頭蓋骨を透過可能な低周波数4 MHz超音波トランスデューサーの使用。
• 複数のレーザー波長を用いた多スペクトルPACTによるヘモグロビン酸素飽和度（sO₂）の定量的評価。
• 解剖的リファレンスおよび構造的可視化のための超音波Bモード画像。
• マイクロバブル増強型パワー・ドップラーおよびULMによる、回折限界を超える解像度の血流速度マッピング。
• すべてのモダリティ間で内在的な画像コリグistrationを実現し、血行動態パラメータの直接比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頭皮と頭蓋骨を保持したまま、1つの非侵襲的画像診断システムが、深部マウス脳における酸素化状態、灌流、血流速度を同時にマッピング可能か？
• RQ2 3D-PAULMは虚血性ストローク発症時における血行動態的変化を生体でどのように解明できるか？
• RQ3 PACTとULMの統合により、個別のモダリティと比較して、機能的解像度および特異性がどの程度向上するか？
• RQ4 低周波数超音波を用いてULMが、深部脳領域で回折限界を超える解像度の流れマッピングを達成できるか？
• RQ5 虚血性ストローク誘発後、マウス脳におけるsO₂、灌流、血流速度にどのような定量的変化が生じるか？

主な発見

• 3D-PAULMは、4 MHzの超音波周波数を用いて、頭皮と頭蓋骨を保持したまま、マウスの全脳血行動態機能を正常に画像化した。
• 多スペクトルPACTによりヘモグロビン酸素飽和度（sO₂）の正確な定量が可能となり、虚血性領域における低酸素状態が明らかになった。
• 超音波局在マイクロスコピー（ULM）により、回折限界を超える解像度の血流速度マッピングが達成され、ストローク発症後に著しい血流低下が検出された。
• 灌流および血管密度は虚血側で定量的に低下しており、虚血に起因する微小循環機能障害と整合的であった。
• PACT、Bモード、パワー・ドップラー、ULMのデータを内在的にコリグistrationすることで、同じ脳領域における構造的・機能的・血行動態的パラメータの直接相関が可能になった。
• 本システムは、虚血、低酸素状態、血流低下を非侵襲的に検出・定量できる能力を示した。