[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出3D-PAULM，一种非侵入性、集成式的成像系统，结合光声计算机断层扫描（PACT）与超声定位显微镜（ULM），用于小鼠深部脑血流动力学成像。采用4 MHz超声频率，可在不移除头皮或颅骨的情况下，实现全脑功能成像，固有共注册氧饱和度、血流速度、灌注和血管密度，原位展示中风诱导的缺血与缺氧。

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.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、全脑成像平台，用于小动物模型中深部脑血流动力学功能研究。
• 通过将PACT与ULM整合为单一、共注册系统，克服现有技术的局限性。
• 实现在完整小鼠脑中对氧饱和度（sO₂）、血流速度、灌注和血管密度的同步定量测量。
• 利用多模态、非侵入性成像技术研究中风期间脑功能变化。

提出的方法

• 将光声计算机断层扫描（PACT）与超声定位显微镜（ULM）整合为单一3D成像系统3D-PAULM。
• 使用低频4 MHz超声探头，实现对完整头皮和颅骨的深层穿透。
• 采用多光谱PACT，利用多个激光波长对血红蛋白氧饱和度（sO₂）进行定量分析。
• 利用超声B型模式成像提供解剖参考与结构可视化。
• 通过微泡增强的功率多普勒与ULM技术，实现亚衍射极限分辨率的血流速度映射。
• 所有模态间实现固有图像共注册，以实现血流动力学参数的直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一非侵入性成像系统是否能够同时在完整颅骨与头皮下小鼠深部脑区实现氧合、灌注与血流速度的映射？
• RQ2 3D-PAULM在活体中如何解析中风期间的血流动力学变化？
• RQ3 与单一模态相比，PACT与ULM的集成在功能分辨率与特异性方面提升了多少？
• RQ4 ULM是否能利用低频超声在深层脑区实现亚衍射极限分辨率的血流映射？
• RQ5 在诱导性中风后，小鼠脑中sO₂、灌注与血流速度的定量变化如何？

主要发现

• 3D-PAULM成功利用4 MHz超声频率，在完整头皮与颅骨下实现了小鼠全脑血流动力学功能的成像。
• 多光谱PACT实现了血红蛋白氧饱和度（sO₂）的精确量化，揭示了缺血区域的缺氧状态。
• 超声定位显微镜（ULM）实现了血流速度的亚衍射极限分辨率映射，检测到中风后血流显著减少。
• 缺血半球的灌注与血管密度定量降低，与中风诱导的微血管功能障碍一致。
• PACT、B型模式、功率多普勒与ULM数据的固有共注册，实现了同一脑区结构、功能与血流动力学参数的直接关联。
• 该系统展示了非侵入性检测与量化中风模型中缺血、缺氧与血流减少的能力。