[논문 리뷰] Non-invasive Deep-Brain Imaging with 3D Integrated Photoacoustic Tomography and Ultrasound Localization Microscopy (3D-PAULM)

Yuqi Tang, Zhijie Dong외 9명|PubMed|2023. 07. 27.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 쥐의 심장혈관 기능 영상에 대해 두꺼운 두피와 두개골을 그대로 유지한 채 깊은 뇌부를 영상화할 수 있는 비침습적이고 통합된 영상 시스템인 3D-PAULM을 제시한다. 4 MHz 초음파 주파수를 사용하여 전체 뇌 기능 영상이 가능하며, 산소 포화도, 혈류 속도, 혈류량, 혈관 밀도를 내재적으로 공통 등록하여 제공한다. 이 시스템은 두피나 두개골을 제거하지 않고도 뇌경색 유도 시 발생하는 뇌부 허혈과 저산소 상태를 실시간으로 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 작은 동물 모델에서 깊은 뇌부 혈관 기능을 비침습적으로 전체 뇌 영역에서 영상화할 수 있는 플랫폼을 개발하기 위해.
• 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 PACT와 ULM을 하나의 공통 등록된 시스템으로 통합하기 위해.
• intact 쥐 뇌에서 산소 포화도(sO₂), 혈류 속도, 혈류량, 혈관 밀도를 동시에 정량화할 수 있도록 하기 위해.
• 다중 모odal 비침습 영상 기법을 통해 뇌경색 발생 시 기능적 변화를 연구하기 위해.

제안 방법

• 3D-PAULM이라는 하나의 3D 영상 시스템으로 사진음파 단층촬영(PACT)과 초음파 국소화 마이크로스코피(ULM)를 통합하기 위해.
• intact 두피와 두개골을 관통할 수 있도록 저주파수 4 MHz 초음파 트랜스듀서를 사용하기 위해.
• 다중 파장 레이저를 사용한 다스펙트럼 PACT를 통해 헤모글로빈 산소 포화도(sO₂)를 정량화하기 위해.
• 解剖학적 기준 및 구조 시각화를 위해 초음파 B모드 영상 사용하기 위해.
• 마이크로버블을 이용한 파wer 도플러 및 ULM을 통해 혈류 속도의 초분해능 영상 확보하기 위해.
• 모든 영상 모odal 간에 내재된 이미지 공통 등록을 통해 동일 뇌 부위에서 혈관 기능 매개변수를 직접 비교 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두개골과 두피를 그대로 유지한 상태에서, 한 개의 비침습적 영상 시스템이 깊은 쥐 뇌에서 산소 포화도, 혈류량, 혈류 속도를 동시에 영상화할 수 있는가?
• RQ2 3D-PAULM은 뇌경색 발생 시 실제로 어떤 방식으로 혈관 기능 변화를 해석하는가?
• RQ3 PACT와 ULM을 통합함으로써 개별 모달리티에 비해 기능적 해상도와 특이도가 얼마나 향상되는가?
• RQ4 저주파수 초음파를 사용할 때 ULM이 깊은 뇌 부위에서 초분해능 해상도의 혈류 영상 분석을 달성할 수 있는가?
• RQ5 뇌경색을 유도한 후 쥐 뇌에서 sO₂, 혈류량, 혈류 속도의 정량적 변화는 어떠한가?

주요 결과

• 3D-PAULM은 4 MHz 초음파 주파수를 사용하여 두피와 두개골을 그대로 유지한 쥐의 전체 뇌 혈관 기능 영상에 성공적으로 적용하였다.
• 다스펙트럼 PACT를 통해 헤모글로빈 산소 포화도(sO₂)를 정확하게 정량화하였으며, 이는 허혈 부위에서 저산소 상태를 드러내었다.
• 초음파 국소화 마이크로스코피(ULM)는 혈류 속도의 초분해능 영상 분석을 달성하였으며, 뇌경색 이후 혈류 감소를 명확히 확인하였다.
• 허혈성 반구에서 혈류량과 혈관 밀도가 정량적으로 감소하였으며, 이는 뇌경색에 의한 미세혈관 기능 장애와 일치하였다.
• PACT, B모드, 파워 도플러, ULM 데이터 간의 내재적 공통 등록을 통해 동일한 뇌 부위에서 해부학적, 기능적, 혈관 기능적 매개변수 간 직접 상관관계를 확보하였다.
• 이 시스템은 비침습적으로 뇌경색 모델에서 허혈, 저산소 상태, 혈류 감소를 탐지하고 정량화할 수 있는 능력을 입증하였다.