Abstract Radiofrequency (RF) ablation is a minimally invasive therapy for heart arrhythmia, including atrial fibrillation (A-fib), which creates lesions using an electric current to isolate the heart from abnormal electrical signals. However, conventional RF procedures do not involve intraoperative monitoring of the area and extent of ablation-induced necrosis, making the assessment of the procedure completeness challenging. Previous studies have suggested that spectroscopic photoacoustic (sPA) imaging is capable of differentiating ablated tissue from its non-ablated counterpart based on PA spectrum variation. Here, we aim to demonstrate the applicability of sPA imaging in an in vivo environment, where the cardiac motion presents, and introduce a framework for mapping the necrotic lesion using cardiac-gated sPA imaging. We computed the degree of necrosis, or necrotic extent (NE), by dividing the quantified ablated tissue contrast by the total contrast from both ablated and non-ablated tissues, visualizing it as continuous colormap to highlight the necrotic area and extent. To compensate for tissue motion during the cardiac cycle, we applied the cardiac-gating on sPA data, based on the image similarity. The in vivo validation of the concept was conducted in a swine model. As a result, the ablation-induced necrotic lesion at the surface of the beating heart was successfully depicted throughout the cardiac cycle through cardiac-gated sPA (CG-sPA) imaging. The results suggest that the introduced CG-sPA imaging system has great potential to be incorporated into clinical workflow to guide ablation procedures intraoperatively.

Abstract Transcranial functional photoacoustic (fPA) voltage-sensitive dye (VSD) imaging promises to overcome current temporal and spatial limitations of current neuroimaging modalities. The technique previously distinguished global seizure activity from control neural activity in groups of rats. To validate the focal specificity of transcranial fPA neuroimaging in vivo , we now present proofs-of-concept that the results differentiate between low- and high-dose N-methyl-D-aspartate (NMDA) evoked neural activity in rat hippocampus. Concurrent quantitative EEG (qEEG) and microdialysis recorded real-time circuit dynamics and glutamate concentration change, respectively. We hypothesized that location-specific fPA VSD contrast would identify the neural dynamics in hippocampus with the correlation to NMDA evoked focal glutamate release and time-specific EEG signals. To test the hypothesis, we infused 0.3 to 3.0 mM NMDA at 2 μl/min over 60 min via an implanted microdialysis probe. The dialysate samples collected every 20 min during the infusion were analyzed for focal changes in extracellular glutamate release. Transcranial fPA VSD imaging provided NMDA-evoked VSD responses with positive correlation to extracellular glutamate concentration change at the contralateral side of the microdialysis probe. The graded response represents the all-or-none gating system of the dentate gyrus (DG) in hippocampus. Quantitative EEG (qEEG) successfully confirmed induction of focal seizure activity during NMDA infusion. We conclude that transcranial fPA VSD imaging distinguished graded DG gatekeeping functions, based on the VSD redistribution mechanism sensitive to electrophysiologic membrane potential. The results suggest the potential future use of this emerging technology in clinics and science as an innovative and significant functional neuroimaging modality.

Abstract Despite current progress achieved in the surgical technique of radical prostatectomy, post-operative complications such as erectile dysfunction and urinary incontinence persist at high incidence rates. In this paper, we present a methodology for functional intra-operative localization of the cavernous nerve (CN) network for nerve-sparing radical prostatectomy using near-infrared cyanine voltage-sensitive dye (VSD) imaging, which visualizes membrane potential variations in the CN and its branches (CNB) in real time. As a proof-of-concept experiment, we demonstrate a functioning complex nerve network in response to electrical stimulation of the CN, which was clearly differentiated from surrounding tissues in an in vivo rat prostate model. Stimulation of an erection was confirmed by correlative intracavernosal pressure (ICP) monitoring. Within 10 minutes, we performed trans-fascial staining of the CN by direct VSD administration. Our findings suggest the applicability of VSD imaging for real-time, functional imaging guidance during nerve-sparing radical prostatectomy.

Abstract Perinatal ischemic stroke is estimated to occur in 1/2300–1/5000 live births, but early differential diagnosis from global hypoxia-ischemia is often difficult. In this study, we tested the ability of a hand-held transcranial photoacoustic (PA) imaging to non-invasively detect a focal photothrombotic stroke (PTS) within 2 hours of stroke onset in a gyrencephalic piglet brain. 17 stroke lesions of approximately 1-cm 2 area were introduced randomly in anterior or posterior cortex via the light/dye PTS technique in anesthetized neonatal piglets ( n = 11). The contralateral non-ischemic region served as control tissue for discrimination contrast for the PA hemoglobin metrics: HbO 2 saturation, total hemoglobin (tHb), and individual quantities of oxygenated and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 and HbR). The PA-derived tissue HbO 2 saturation at 2 hours yielded a significant separation between control and affected regions-of-interest ( p < 0.0001), which were well matched with 24-hr post-stroke cerebral infarction confirmed in the triphenyltetrazolium chloride (TTC)-stained image. The quantity of HbO 2 also displayed a significant contrast ( p = 0.021), whereas tHb and HbR did not. The analysis on receiver operating characteristic curves and multivariate data analysis also agreed with the results above. This study shows that a hand-held transcranial PA neuroimaging can detect a regional thrombotic stroke in cerebral cortex of a neonatal piglet. In particular, we conclude that the HbO2 saturation metric can be used alone to identify regional stroke lesions. The lack of change in tHb may be related to arbitrary hand-held imaging configuration and/or entrapment of red blood cells within the thrombotic stroke.

Abstract Radiofrequency (RF) ablation is a minimally invasive therapy for atrial fibrillation. Conventional RF procedures lack intraoperative monitoring of ablation‐induced necrosis, complicating assessment of completeness. While spectroscopic photoacoustic (sPA) imaging shows promise in distinguishing ablated tissue, multi‐spectral imaging is challenging in vivo due to low imaging quality caused by motion. Here, we introduce a cardiac‐gated sPA imaging (CG‐sPA) framework to enhance image quality using a motion‐gated averaging filter, relying on image similarity. Necrotic extent was calculated based on the ratio between spectral unmixed ablated tissue contrast and total tissue contrast, visualizing as a continuous color map to highlight necrotic area. The validation of the concept was conducted in both ex vivo and in vivo swine models. The ablation‐induced necrotic lesion was successfully detected throughout the cardiac cycle through CG‐sPA imaging. The results suggest the CG‐sPA imaging framework has great potential to be incorporated into clinical workflow to guide ablation procedures intraoperatively.

Abstract We present a light-emitting diode (LED)-based transcranial photoacoustic measurement (LED-trPA) of oxyhemoglobin (HbO 2 ) saturation at superior sagittal sinus (SSS) in hypoxic neonatal piglets. The optimal LED imaging wavelengths and frame averaging scheme were determined based on in vivo characterization of transcranial sensitivity. Based on the framework (690/850 nm with >20 frame averaging), graded hypoxia was successfully identified in neonatal piglets in vivo with less than 10.0 % of root mean squared error (RMSE). This preclinical study suggests the feasibility of a rapid, cost-effective, and safe LED-trPA monitoring of perinatal hypoxia-ischemia and prompt interventions for clinical use.

Minimally-invasive monitoring of electrophysiological neural activities in real-time —that enables quantification of neural functions without a need for invasive craniotomy and the longer time constants of fMRI and PET— presents a very challenging yet significant task for neuroimaging. In this paper, we present proof-of-concept in vivo functional PA (fPA) imaging of chemoconvulsant rat seizure model with intact scalp using a fluorescence quenching-based cyanine voltage-sensitive dye (VSD) characterized by a lipid vesicle model mimicking different levels of membrane potential variation. The framework also involves use of a near-infrared VSD delivered through the blood-brain barrier (BBB), opened by pharmacological modulation of adenosine receptor signaling. Using normalized time-frequency analysis on temporal PA sequences, the neural activity in the seizure group was distinguished from those of the control groups. Electroencephalogram (EEG) recording confirmed the changes of severity and frequency of brain activities, induced by chemoconvulsant seizures of the rat brain. The findings demonstrate that fPA imaging of fluorescence quenching-based VSD is a promising tool for in vivo recording of deep brain activities in the rat brain, thus excluding the need of invasive craniotomy.

Optical imaging of brain activity has mostly employed genetically manipulated mice, which cannot be translated to clinical human usage. Observation of brain activity directly is challenging due to difficulty in delivering dyes and other agents through the blood brain barrier (BBB). Using fluorescence imaging, we have demonstrated the feasibility of delivering the near-infrared voltage-sensitive dye (VSD) IR-780 perchlorate to the brain tissue through pharmacological techniques, via an adenosine agonist (Regadenoson). Comparison of VSD fluorescence of mouse brains without and with Regadenoson showed significantly increased residence time of the fluorescence signal in the latter case, indicative of VSD diffusion into the brain tissue. Dose and timing of Regadenoson were varied to optimize BBB permeability for VSD delivery.