集成光声、超声和血管造影断层扫描 （PAUSAT） 用于缺血性卒中的无创全脑成像

血液将氧气（通过血红蛋白）和其他重要营养素输送到我们体内的组织。当血液流经组织中断（缺血）时，可能会对组织造成严重损害，其最直接的影响是由于缺氧（缺氧）。缺血性中风是流向大脑某个区域的血流中断的结果。缺血性中风引起的脑损伤可在血管阻塞后几分钟内发生，并且通常具有使人衰弱和持久的影响^1,2。评估缺血性中风后生理病理学以及识别和测试新疗法的一种非常有价值的策略是在实验室中使用小动物模型。实验室中发现的治疗方法旨在转化为临床应用并改善患者的生活。然而，动物在生物医学研究中的使用需要根据Russell和Burch的3R原则进行仔细评估：替换，减少和改进³。减少部分的目标是在不影响数据收集的情况下减少动物数量。考虑到这一点，能够通过无创成像纵向评估病变演变，在减少所需动物数量以及最大化从^每只动物获得的信息方面具有很大的优势4。

光声断层扫描 （PAT） 是一种混合成像方式，将光学吸收对比与超声成像空间分辨率相结合⁵。PAT的成像机制如下。激发激光脉冲照射在被成像的目标上。假设目标吸收激发激光波长的光，它将温度升高。温度的快速升高导致目标的热弹性膨胀。膨胀导致超声波从目标传播出去。通过检测多个位置的超声波，可以使用波从目标传播到探测器所需的时间，通过重建算法创建图像。PAT检测深层组织区域的光吸收的能力将PAT与超声成像区分开来，超声成像可检测组织不同声阻抗的^边界5。在可见光和近红外光谱中，生物体中丰富的主要高吸收生物分子是血红蛋白、脂质、黑色素和水⁷。中风研究中特别感兴趣的是血红蛋白。由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的光吸收光谱，PAT可以与多个激发激光波长一起使用，以确定蛋白质两种状态的相对浓度。这允许在梗死区域内外量化血红蛋白 （sO₂） 的氧饱和度或血液氧合 ^8,9。这是缺血性卒中的重要指标，因为它可以指示缺血后受损脑组织中的氧气水平。

声波血管造影（AA）是一种对比增强超声成像方法，特别适用于体内脉管系统的形态成像¹⁰。该方法依赖于使用双晶摆动换能器（低频元件和高频元件）与注入成像对象循环系统的微气泡结合使用。换能器的低频元件用于以微气泡的谐振频率（例如2 MHz）传输，而高频元件用于接收微气泡的超谐波信号（例如，26 MHz）。当以共振频率激发时，微气泡具有很强的非线性响应，导致产生周围身体组织不产生的超谐波信号¹¹。通过使用高频元件接收，这确保了仅检测到微气泡信号。由于微气泡仅限于血管，因此结果是血管形态的血管造影图像。AA是缺血性中风成像的有力方法，因为流经循环系统的微气泡不能流过阻塞的血管。这允许AA检测由于缺血性中风而未灌注的大脑区域，这表明梗死区域。

临床前缺血性卒中研究通常依赖于使用组织学和行为学测试来评估卒中的位置和严重程度。三苯基氯化四唑 （TTC） 染色是用于确定卒中梗死体积的常见组织学分析。但是，它只能在终点使用，因为它需要对动物实施安乐死¹²。行为测试可用于确定多个时间点的运动功能障碍，但它们不能提供定量的解剖学或生理学值¹³。生物医学成像提供了一种更定量的方法来研究缺血性中风的无创和纵向影响9,14,15。然而，现有的成像技术（如小动物磁共振成像[MRI]）的成本可能很高，无法同时提供结构和功能信息，或者穿透深度有限（如大多数光学成像技术）。

在这里，我们结合了光声，超声和血管造影断层扫描（PAUSAT;参见图1中的系统 图），这允许缺血性中风¹⁶后血液灌注和氧合的互补结构和功能信息。这是评估损伤严重程度和监测恢复或对治疗反应的两个重要方面。使用这些综合成像方法可以增加每只动物获得的信息量，减少所需的动物数量，并在研究缺血性中风的潜在治疗方法方面提供更多信息。

图1：PAUSAT图。 （A）PAUSAT系统的完整原理图，包括用于PAT的激光器和OPO。 （B）PAUSAT系统的内部视图，包括两个超声换能器。双晶摆动探头用于B型超声和AA，线性阵列探头用于PAT。两个传感器都安装在同一个2D电动载物台上，允许扫描以生成体积数据。这一数字已从¹⁶修改而来。请点击此处查看此图的大图。