この作品は、IT知の統合クリエイティブプログラム、バッファロー臨床およびトランスレーショナルリサーチセンターの大学のパイロット研究プログラムからの助成金とバッファロートランスレーコンソーシアム、ロズウェルパークアライアンス財団からの助成金、大学バッファロー校からスタートアップ資金によって部分的にサポートされていましたMKE、とNIPA（C1515-1121から0003）とMESTのNRF助成（2012から0009249）の。

1。深い反射モード光音響膀胱造影（PAC）システム<ol><li>システムコンフィギュレーション17,18 <ol><li> Q-スイッチNd：YAGレーザー（SLII-10;連続、532 nm）をポンプ波長可変レーザー（Surelite OPO PLUS;連続、波長チューニング範囲：680〜2,500 nm）を。 </li><li>各レーザショットのパルス持続時間は、約5ナノ秒であり、レーザの繰返しレートは10Hzである。 </li><li>波長が使用される造影剤の光吸収ピークに依存する。メチレンブルーは、造影剤として作用する場合に吸収ピークがあり、667 nmでの光波長が使用される。プラズモン金ナノ構造は、それらの物理的および化学的特性に基づいて、NIRスペクトル領域における可変局在表面プラズモン共鳴を有することができる。また、単層カーボンナノチューブの広い吸収スペクトルは、波長選択のための広い選択肢を提供することができる。 </li><li>波長可変レーザから出てくる光は、球面円錐レンズトンに配信されますhrough直角プリズム（PS908、ソーラボ）。 </li><li>光は球面円錐レンズを通過した後にドーナツ状の光ビームパターンが生成される。ホームメイドの円錐レンズがBK7レンズから作られ、円錐角は152°です。レンズの直径は、2.5 cmである。 </li><li>発散ドーナツ状の光ビームは透明なアクリル系シートからなる光学コンデンサを介して 、リダイレクトされる。上面および底面の直径は、それぞれ6.1〜4.8センチメートルである。凝縮器の厚さは、2.5 cmである。リダイレクトされたリング状の光ビームは、組織表面に暗い中心とドーナツ状を形成する。 </li><li>音響結合を高めるために小さな水容器を利用する。水容器は、光学的および音響的に透明で明確な薄いポリエチレンフィルムで包まれた下部開口部を有する。小動物は、水容器の下に位置している。 </li><li>生成されたPA波は球面集束超音波トランスデューサ（V308によって検出される。オリンパスNDT、5 MHzの中​​心周波数）、光凝縮器の中央に取り付けられている。素子直径とトランスデューサの焦点距離はそれぞれ1.9と2.5センチメートルである。従って、トランスデューサのFナンバーは1.3〜ある。 </li><li>横方向と軸方向の解像度はそれぞれ590と144μmである。 </li><li>検出されたPA波は最初のブロードバンド超音波パルサー/レシーバー（;オリンパスNDT; 5072PR 35 MHzの帯域幅と59デシベルのRFゲイン）で増幅された後、オシロスコープ（TDS5054;テクトロニクス）で取得しました。 </li><li> PA波の到達時間を測定することにより、一次元時間分解画像（Aラインと呼ばれる）を取得します。現在、PA波の速度は、全体の画像取得上で1480メートル/秒であると仮定される。二（B-スキャンと呼ばれる）と、三次元PA像が機械的に直線状のラスター走査ステージ（;ダナハードーバーXY6060）を移動させることにより得ることができる。 </li><li>撮像時間はと1体積単一波長のPAイメージのため約25分でxyzの面で2.5のx 2.4倍1.5センチメートル3のビュー（FOV）の分野。我々は、0.4mmでステップサイズとy方向に沿った60のサンプル、0.2mmのステップサイズをx方向に125のサンプルを取得した。 50MHzのサンプリングレートで500データポイントは、z方向に沿って得られた。メカニカルスキャンは自家製NI LabVIEWソフトウェアシステムによって制御される。 </li><li>ボリュメトリックデータは、MathWorksのMATLABソフトウェアシステムを使用して、最大振幅突起（MAP）で表される。 </li></ol></li><li>システムアラインメント<ol><li>球状​​円錐レンズ後、ビームパターンは完璧なリング状であることを確認してください。ドーナツ型ビームパターンが正しく生成されない場合、皮膚表面に由来するPA信号が支配的である。これにより、深部組織イメージングを達成することは困難である。 </li><li>水中でライン状の光の焦点が同軸音波焦点ゾーンに合わせなければならない。それらが同軸に整列されていない場合、システムは低い信号対苦しん雑音比。 </li><li> 2波長が680〜1000nmでのチューニングされているMJ / cm 2で、それぞれ-皮膚表面に照射されたレーザパルスエネルギーは、約1まで変化させた。これらのレーザーパルスエネルギーは、それぞれスペクトル領域にわたって20〜80 MJ / cm 2とから様々な、米国規格協会の安全限界よりもはるかに低くなっています。 </li></ol></li></ol> 2 生体内と生体外イメージングの手順で <ol><li>動物の準備<ol><li>すべてのPAイメージング実験で250グラム - 200の重量の女性Spraque-Dawleyラットを使用します。 </li><li>まず、ケタミン（85 mg / kg体重）およびキシラジン（15 mg / kg体重）の混合物の腹腔内注射によってラットを麻酔。 </li><li>腹部に毛を脱毛。 </li><li>カスタムメイドの動物のホルダーの上にネズミを置きます。 </li><li>コー​​トのカテーテル挿入を向上させるために潤滑剤を22ゲージのカテーテル。 </li><li>カテーテルVerticaはホールドLLY尿道開口部に。カテーテルのハブがようやく口に達するまで、次に、尿道に、水平に、カテーテルの先端を挿入します。 </li><li>膀胱に尿がカテーテルを介して無効になります。 </li></ol></li><li> 生体 PAC イメージング <ol><li> PACシステム内の水容器下の動物のホルダーの上に位置ラットを、置きます。 </li><li>音響結合を改善するために、動物の皮膚表面とプラスチック膜との間の超音波ゲル（Sonotech）を適用する。 </li><li>完全に生体 PAイメージング実験で中イソフルラン気化を（1L /分の酸素と0.75％イソフルラン）を使用してラットを麻酔。 </li><li>前の造影剤の注入制御PA像を得る。 </li><li>メチレンブルー（30mMの濃度の0.8グラム/μlの体重）、金ナノケージ（2 nMの濃度の1.2グラム/μlの体重）、または単層カーボンナノチューブ（0.8μlの/ gの体の水溶液を導入する重量カテーテルを介して膀胱〜0.3μMの濃度）。 22ゲージのカテーテルを1 mlのシリンジを使用してください。 </li><li> PA一連の画像を取得する。 </li></ol></li><li> ex vivoで PACイメージング<ol><li>ペントバルビタールの過剰摂取を注入することにより、 生体内 PAC イメージング後にラットを生け贄に捧げる。 </li><li> 2つの主要な器官、膀胱、腎臓を除去体内分布を調査し、ガラス板上に。 </li><li> PACシステム内の水容器下にガラス板を置きます。 </li><li>摘出臓器や音響結合を改善するためのプラスチック製の膜の間に超音波ゲル（Sonotech）を適用します。 </li><li> PAの画像を取得する。 </li><li> Photoacoustically画像制御などの健康ラットから取り出し臓器。 </li></ol></li></ol>

<ol>
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C., Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+molecular+photoacoustic+tomography+of+melanomas+targeted+by+bioconjugated+gold+nanocages.">In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages.</a> Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).</li><li>Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+photoacoustic+mapping+of+lymphatic+systems+with+plasmon-resonant+nanostars.">In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars.</a> J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).</li><li>Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+laser-induced+photoacoustic+tomography+for+structural+and+functional+in+vivo+imaging+of+the+brain.">Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain.</a> Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).</li><li>Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+bladder+microvasculature+with+high-resolution+photoacoustic+imaging.">Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging.</a> Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).</li><li>Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+photoacoustic+microscopy+for+high-resolution+and+noninvasive+in+vivo+imaging.">Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging.</a> Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).</li><li>Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonionizing+photoacoustic+cystography+in+vivo.">Nonionizing photoacoustic cystography in vivo.</a> Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).</li><li>Homan, K., Kim, S., Chen, Y. S., Wang, B., Mallidi, S., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prospects+of+molecular+photoacoustic+imaging+at+1064+nm+wavelength.">Prospects of molecular photoacoustic imaging at 1064 nm wavelength.</a> Opt. Lett. 35 (15), 2663-2665 (2010).</li><li>Chang, S. L., Shortliffe, L. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pediatric+urinary+tract+infections.">Pediatric urinary tract infections.</a> Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379 (2006).</li><li>Stratton, K. L., Pope, J. C., Adams, M. C., Brock, J. W., Thomas, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Implications of Ionizing Radiation in the Pediatric Urology. 183 (6), 2137-2142 (2010).</li><li>Ermilov, S. A., Khamapirad, T., Conjusteau, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+optoacoustic+imaging+system+for+detection+of+breast+cancer.">Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer.</a> J. Biomed. Opt. 14 (2), 024007 (2009).</li><li>Erpelding, T. N., Kim, C., Pramanik, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sentinel+lymph+nodes+in+the+rat:+noninvasive+photoacoustic+and+US+imaging+with+a+clinical+US+system.">Sentinel lymph nodes in the rat: noninvasive photoacoustic and US imaging with a clinical US system.</a> Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).</li><li>Kim, C., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+benchmarks+of+an+array-based+hand-held+photoacoustic+probe+adapted+from+a+clinical+ultrasound+system+for+non-invasive+sentinel+lymph+node+imaging.">Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging.</a> Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).</li><li>Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sentinel+lymph+nodes+and+lymphatic+vessels:+noninvasive+dual-modality+in+vivo+mapping+by+using+indocyanine+green+in+rats--volumetric+spectroscopic+photoacoustic+imaging+and+planar+fluorescence+imaging.">Sentinel lymph nodes and lymphatic vessels: noninvasive dual-modality in vivo mapping by using indocyanine green in rats--volumetric spectroscopic photoacoustic imaging and planar fluorescence imaging.</a> Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).</li><li>Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermoacoustic+computed+tomography+using+a+conventional+linear+transducer+array.">Thermoacoustic computed tomography using a conventional linear transducer array.</a> Medical Physics. 30 (5), 856-860 (2003).</li><li>Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+angiography+of+the+breast.">Photoacoustic angiography of the breast.</a> Med. Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).</li><li>Manohar, S., Kharine, A., Van Hespen, J. C., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Twente+Photoacoustic+Mammoscope:+system+overview+and+performance.">The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance.</a> Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).</li></ol>

全ての動物実験では、バッファローインスティテューア​​ニマルケアのニューヨーク州立大学および使用委員会を遵守していました。 著者らは、開示することは何もありません。

結論として、我々は、in vivoでラットモデルにおいて無毒光吸収剤を使用してPACを電離する可能性を示している。我々は正常に我々の非電離及び非侵襲PACシステムを用いた光吸収剤を充填したラット膀胱をイメージしました。 2つの重要な安全性の問題は、我々のアプローチで解決されました：（1）cystographicアプリケーションや体内の造影剤の（2）のない蓄積非電離放射線の使用。 ...

X線膀胱造影1は、膀胱癌、膀胱尿管逆流、尿管の閉塞、神経因性膀胱などのような膀胱関連疾患を識別するためのイメージングプロセスです。2-5は一般的には、尿が排泄され、放射線不透過剤がを通して注入されカテーテル。その後、X線透視画像は、膀胱を記述するために取得される。しかし、キー安全性の問題は、有害な電離放射線は、この手順で使用されることである。さらに0.6〜1.8％へ診断用X線の範囲に75歳の年齢により、図6の累積癌のリスクの割合は、発がん性の脅威は、小児患者で有意である。英国の研究では、9つの主要臓器の中で、X線診断からの平均年間放射線量が4未満女児における膀胱で最高だったと4未満の男性の子供で2番目に高いことが明らかになった。7これはその膀胱癌のリスクを示している小児患者の中で最も重要である。 Altキーハフ小児放射線科医は、合理的に達成可能な、電離放射線を完全に排除することはできないという低い放射線被ばく量を低減するために努めています。したがって、制限は膀胱造影における非放射性造影剤と完全に放射線フリー、敏感な、費用対効果の高い、高分解能イメージングモダリティの必要性を作成する。 PATは強い光吸収コントラストと生体組織において高い音波空間分解能を提供することができるので、最近では、光音響トモグラフィー（PAT）は、最初の生物医学イメージング·モダリティとなっています。PATの8原則は、超音波を対象物の熱弾性膨張により誘発されるということです光吸収が続く。媒体検出することにより、2次元または3次元音響（PA）の画像を介して進行する音波を時間分解が形成されている。超音波（US）は、はるかに少ない散乱光（典型​​的には2桁又は3桁）に比べて組織中であるため、。空間分解能イメージング深さの1/200に維持しつつ、PATの撮像深さは、組織中〜8センチメートルまで達することができるcystographicアプリケーションのPATの9主な利点は、（1）PAT、電離から完全に自由である放射線。 （2）ClinicalUSimagingシステムは容易にデュアルモーダルPA、米国イメージング機能を供給するように適合させることができる。したがって、デュアルモーダルPA /米国イメージングシステムは、高速臨床翻訳のための重要な基準である、費用対効果の高い、高速、相対的に移植できることができます。内因性および外因性のコントラストの両方を使用して、PATは、腫瘍生理病理学、脳の血行動態、内臓、眼科、血管造影、および等を研究するために組織の高解像度、形態的、機能、分子イメージングを提供してきました。10-16 本稿では、近赤外（NIR）光学吸収（ すなわちメチレンブルー、行く使用非電離光音響膀胱造影の実験プロトコル（PAC）を実証無毒光濁っトレーサーとしてのldナノケージ、または単層カーボンナノチューブ）。造影剤で満たされたラットの膀胱はphotoacousticallyと分光in vivoで線引きされた。いいえエージェントは、永続的にラットの膀胱や腎臓に蓄積されていません。したがって、エージェントの蓄積によって引き起こされるかもしれない。長期毒性を排除することができる。この結果は、光吸収体の組み合わせでPACが潜在的に小児患者のために本当に無害cystographicモダリティであることを意味します。システム構成、システムの配置、およびin vivo / ex vivoでの撮像法では、この資料に記載されている。

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of Reagent/Material</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q-switched Nd:YAG laser</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>SLII-10</td>
			<td>pump laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OPO laser</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>Surelite OPO PLUS</td>
			<td>tunable laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prisms</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PS908</td>
			<td>light deliver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound transducer</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>V308</td>
			<td>5 MHz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraoundpulser/receiver</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>5072PR</td>
			<td>amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TDS5054</td>
			<td>data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning stage</td>
			<td>Danaher Dover</td>
			<td>XY6060</td>
			<td>raster scanning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methylene blue</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M9140-25G</td>
			<td>contrast agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rats</td>
			<td>Harlan</td>
			<td>Spague-Dawley</td>
			<td>animal subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflourane vaporizer</td>
			<td>Euthanex</td>
			<td>EZ-155</td>
			<td>anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Sonotech</td>
			<td>Clear Image singles</td>
			<td>acoustic coupling</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

photoacoustic cystography

放射線不透過性の染料を用いて診断用X線に基づいている従来の小児膀胱造影は、有害な電離放射線の使用に苦しんでいる。放射線被ばくに起因する小児の膀胱がんのリスクは、他の多くの癌よりも重要である。ここでは、近赤外（NIR）の光吸収（ すなわちメチレンブルー、プラズモニック金ナノ構造体、または単層カーボンナノチューブ使って、光音響膀胱造影（PAC）と呼ばれる膀胱の非電離及び非侵襲的光音響（PA）イメージングの実現可能性を実証）光濁っトレーサーとして。我々は正常暗視野共焦点PAC方式を用いた光吸収剤を充填したラットの膀胱をイメージしている。造影剤の経尿道投与後、ラットの膀胱は重要PA信号増強を達成することにより、photoacoustically可視化した。蓄積は分光PAイメージングによって検証された。さらに、唯一のレーザパルスエネルギーを用いて未満1 MJ / cm 2と （安全限度の1/20）で、私たちの現在のイメージングシステムは、in vivoでの生体組織における越え1cmの深さでメチレン青塗りつぶさラット膀胱をマッピングすることができます。双方は、in vivoおよびex vivoで PAイメージング結果に造影剤が自然排尿を介して排泄されたことを検証します。したがって、臨床翻訳を容易にする、長期毒性剤の蓄積に関する心配がない。

図1は、光学的に濁ったメチレンブルー（MB）を用いたin vivo非電離及び非侵襲PAC で示しています。制御PA像がMB（ 図1A）のピーク光吸収で、667 nmで得た。 FOV内の血管がはっきりと可視化されるが、それはこの波長で光学的に透明であるので、ブラダーは見えない。 図1Bに示すように、ブラダーは明らかにMBの0.2時間後、注射PAで取得された画?...

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Photoacoustic Cystography

光音響膀胱造影（PAC）は、任意の電離放射線や有毒な造影剤を使用せずに膀胱、小児患者における放射線感受性の臓器を、マップする大きな可能性を秘めている。ここでは、ラットの光不透明なトレーサーの注射で膀胱をマッピングするためにPACを使用する方法を示す<em生体内で&gt;</em&gt;。

光音響膀胱造影

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.2K ビュー.  University at Buffalo, The State University of New York. 光音響膀胱造影（PAC）は、任意の電離放射線や有毒な造影剤を使用せずに膀胱、小児患者における放射線感受性の臓器を、マップする大きな可能性を秘めている。ここでは、ラットの光不透明なトレーサーの注射で膀胱をマッピングするためにPACを使用する方法を示す。

ビデオ: Photoacoustic Cystography

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

三次元光学分解能光音響顕微鏡

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

生物工学

Detection and Isolation of Circulating Melanoma Cells using Photoacoustic Flowmetry

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed secondary tumors1,2,3. CTCs are indicators of metastatic disease and their detection in blood samples may be used to diagnose cancer and monitor a patient&prime;s response to therapy. Since CTCs are rare, comprising about one tumor cell among billions of normal blood cells in advanced cancer patients, their detection and enumeration is a difficult task. We exploit the presence of pigment in most melanoma cells to generate photoacoustic, or laser induced ultrasonic waves in a custom flow cytometer for detection of circulating melanoma cells (CMCs)4,5. This process entails separating a whole blood sample using centrifugation and obtaining the white blood cell layer. If present in whole blood, CMCs will separate with the white blood cells due to similar density. These cells are resuspended in phosphate buffered saline (PBS) and introduced into the flowmeter. Rather than a continuous flow of the blood cell suspension, we induced two phase flow in order to capture these cells for further study. In two phase flow, two immiscible liquids in a microfluidic system meet at a junction and form alternating slugs of liquid6,7. PBS suspended white blood cells and air form microliter slugs that are sequentially irradiated with laser light. The addition of a surfactant to the liquid phase allows uniform slug formation and the user can create different sized slugs by altering the flow rates of the two phases. Slugs of air and slugs of PBS with white blood cells contain no light absorbers and hence, do not produce photoacoustic waves. However, slugs of white blood cells that contain even single CMCs absorb laser light and produce high frequency acoustic waves. These slugs that generate photoacoustic waves are sequestered and collected for cytochemical staining for verification of CMCs.

We have developed a flow cytometer using laser induced ultrasound to detect circulating melanoma cells as an early indicator of metastatic disease.

光音響流量測定法を用いて循環メラノーマ細胞の検出と分離

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging technologies. Existing retinal imaging modalities, such as fundus photography1, confocal scanning laser ophthalmoscopy (cSLO)2, and optical coherence tomography (OCT)3, have significant contributions in monitoring disease onsets and progressions, and developing new therapeutic strategies. However, they predominantly rely on the back-reflected photons from the retina. As a consequence, the optical absorption properties of the retina, which are usually strongly associated with retinal pathophysiology status, are inaccessible by the traditional imaging technologies.
Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM) is an emerging retinal imaging modality that permits the detection of the optical absorption contrasts in the eye with a high sensitivity4-7 . In PAOM nanosecond laser pulses are delivered through the pupil and scanned across the posterior eye to induce photoacoustic (PA) signals, which are detected by an unfocused ultrasonic transducer attached to the eyelid. Because of the strong optical absorption of hemoglobin and melanin, PAOM is capable of non-invasively imaging the retinal and choroidal vasculatures, and the retinal pigment epithelium (RPE) melanin at high contrasts 6,7. More importantly, based on the well-developed spectroscopic photoacoustic imaging5,8 , PAOM has the potential to map the hemoglobin oxygen saturation in retinal vessels, which can be critical in studying the physiology and pathology of several blinding diseases 9 such as diabetic retinopathy and neovascular age-related macular degeneration.
Moreover, being the only existing optical-absorption-based ophthalmic imaging modality, PAOM can be integrated with well-established clinical ophthalmic imaging techniques to achieve more comprehensive anatomic and functional evaluations of the eye based on multiple optical contrasts6,10 . In this work, we integrate PAOM and spectral-domain OCT (SD-OCT) for simultaneously in vivo retinal imaging of rat, where both optical absorption and scattering properties of the retina are revealed. The system configuration, system alignment and imaging acquisition are presented.

Photoacoustic ophthalmology (PAOM), an optical-absorption-based imaging modality, provides the complementary evaluation of the retina to the currently available ophthalmic imaging technologies. We report the using of PAOM integrated with spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) for simultaneous multimodal retinal imaging in rats.

統合された光音響眼底検査とスペクトラルドメイン光コヒーレンストモグラフィー

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

Preparation and Photoacoustic Analysis of Cellular Vehicles Containing Gold Nanorods

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to their intense optical absorbance in the near-infrared window, low cytotoxicity and potential to home into tumors. However, their delivery to tumors still remains an issue. An innovative approach consists of the exploitation of the tropism of tumor-associated macrophages that may be loaded with gold nanorods in vitro. Here, we describe the preparation and the photoacoustic inspection of cellular vehicles containing gold nanorods. PEGylated gold nanorods are modified with quaternary ammonium compounds, in order to achieve a cationic profile. On contact with murine macrophages in ordinary Petri dishes, these particles are found to undergo massive uptake into endocytic vesicles. Then these cells are embedded in biopolymeric hydrogels, which are used to verify that the stability of photoacoustic conversion of the particles is retained in their inclusion into cellular vehicles. We are confident that these results may provide new inspiration for the development of novel strategies to deliver plasmonic particles to tumors.

We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.

ゴールドナノロッドを含む細胞車の作製と光音響分析

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to ...

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the optical mean free path (~1 mm in skin) with high resolution. By combining optical absorption contrast with the high spatial resolution of ultrasound in a single modality, this technique can penetrate deep tissues. Photoacoustic microscopy systems can have either a low acoustic resolution and probe deeply or a high optical resolution and probe shallowly. It is challenging to achieve high spatial resolution and large depth penetration with a single system. This work presents an AR-OR-PAM system capable of both high-resolution imaging at shallow depths and low-resolution deep-tissue imaging of the same sample in vivo. A lateral resolution of 4 &#181;m with 1.4 mm imaging depth using optical focusing and a lateral resolution of 45 &#181;m with 7.8 mm imaging depth using acoustic focusing were successfully demonstrated using the combined system. Here,&#160;in vivo&#160;small-animal blood vasculature imaging is performed to demonstrate its biological imaging capability.

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Here a switchable acoustic resolution (AR) and optical resolution (OR) photoacoustic microscopy (AR-OR-PAM) system capable of both high resolution imaging at shallow depth and low resolution deep tissue imaging on the same sample in vivo is demonstrated.

切り替え可能な音響光学分解能光音響顕微鏡<em&gt;インビボ</em&gt;小動物の血管系イメージング

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the ...

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality that shows great potential for both preclinical and clinical applications. Conventional optical parametric oscillator-based PAT (OPO-PAT) systems are bulky and expensive and cannot provide high-speed imaging. Recently, pulsed-laser diodes (PLDs) have been successfully demonstrated as an alternative excitation source for PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) has been successfully demonstrated for high-speed imaging on photoacoustic phantoms and biological tissues. This work provides a visualized experimental protocol for in vivo brain imaging using PLD-PAT. The protocol includes the compact PLD-PAT system configuration and its description, animal preparation for brain imaging, and a typical experimental procedure for 2D cross-sectional rat brain imaging. The PLD-PAT system is compact and cost-effective and can provide high-speed, high-quality imaging. Brain images collected in vivo at various scan speeds are presented.

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

A compact pulsed-laser diode-based photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for high-speed in vivo brain imaging in small animals is demonstrated.

高性能小型光音響トモグラフィーシステム<em&gt;インビボ</em&gt;小動物脳イメージング

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, we report a combined photoacoustic and clinical ultrasound imaging system by integrating an ultrasound probe with light delivery for small animal imaging. We demonstrate this by showing sentinel lymph node imaging in small animals along with minimally invasive real-time needle guidance. A clinical ultrasound platform with access to raw channel data allows the integration of photoacoustic imaging leading to a handheld real-time clinical photoacoustic imaging system. Methylene blue was used for sentinel lymph node imaging at 675 nm wavelength. Additionally, needle guidance with dual modal ultrasound and photoacoustic imaging was shown using the imaging system. Depth imaging of up to 1.5 cm was demonstrated with a 10 Hz laser at a photoacoustic imaging frame rate of 5 frames per second.

A clinical handheld photoacoustic imaging system will be demonstrated for real-time non-invasive small animal imaging.

手持ちの臨床音響小動物の非侵襲的な実時間イメージングによる画像計測

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. Custom-made circular ring array-based transducers and conventional bulky Nd:YAG/OPO lasers inhibit translation of the PAT system to clinics. Ultra-compact pulsed laser diodes (PLDs) are currently being used as an alternative source of near-infrared excitation for PA imaging. High-speed dynamic in vivo imaging has been demonstrated using a compact PLD-based desktop PAT system (PLD-PAT). A visualized experimental protocol using the desktop PLD-PAT system is provided in this work for dynamic in vivo brain imaging. The protocol describes the desktop PLD-PAT system configuration, preparation of animal for brain vascular imaging, and procedure for dynamic visualization of indocyanine green (ICG) dye uptake and clearance process in rat cortical vasculature.&#160;

A compact pulsed laser diode-based desktop photoacoustic tomography (PLD-PAT) system is demonstrated for high-speed dynamic in vivo imaging of small animal cortical vasculature.

ラット皮質脈管構造での洗浄・インおよび染料の洗浄を監視するためのパルスレーザーダイオードベースのデスクトップ光音響断層撮影

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. ...

Ovarian Cancer Detection Using Photoacoustic Flow Cytometry

Many studies suggest that the enumeration of circulating tumor cells (CTCs) may show promise as a prognostic tool for ovarian cancer. Current strategies for the detection of CTCs include flow cytometry, microfluidic devices, and real-time polymerase chain reaction (RT-PCR). Despite recent advances, methods for the detection of early ovarian cancer metastasis still lack the sensitivity and specificity required for clinical translation. Here, a novel method is presented for the detection of ovarian circulating tumor cells by photoacoustic flow cytometry (PAFC) utilizing a custom three dimensional (3D) printed system, including a flow chamber and syringe pump. This method utilizes folic acid-capped copper sulfide nanoparticles (FA-CuS NPs) to target SKOV-3 ovarian cancer cells by PAFC. This work demonstrates the affinity of these contrast agents for ovarian cancer cells. The results show NP characterization, PAFC detection, and NP uptake by fluorescence microscopy, thus demonstrating the potential of this novel system to detect ovarian CTCs at physiologically relevant concentrations.

A protocol is presented to detect circulating ovarian tumor cells utilizing a custom-made photoacoustic flow system and targeted folic acid-capped copper sulfide nanoparticles.

光音響フローサイトメトリーを用いた卵巣癌検出

Many studies suggest that the enumeration of circulating tumor cells (CTCs) may show promise as a prognostic tool for ovarian cancer. Current strategies ...

Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization

Imaging of vascular networks on small animals has played an important role in basic biomedical research. Photoacoustic imaging technology has great potential for application in the imageology of small animals. The wide-field photoacoustic imaging of small animals can provide images with high spatiotemporal resolution, deep penetration, and multiple contrasts. Also, the real-time photoacoustic imaging system is desirable to observe the hemodynamic activities of small-animal vasculature, which can be used to research the dynamic monitoring of small-animal physiological features. Here, a dual-raster-scanning photoacoustic imager is presented, featuring a switchable double-mode imaging function. The wide-field imaging is driven by a two-dimensional motorized translation stage, while the real-time imaging is realized with galvanometers. By setting different parameters and imaging modes, in vivo visualization of small-animal vascular network can be performed. The real-time imaging can be used to observe pulse change and blood flow change of drug-induced, etc. The wide-field imaging can be used to track the growth change of tumor vasculature. These are easy to be adopted in various areas of basic biomedicine research.

A dual raster-scanning photoacoustic imager was designed, which integrated wide-field imaging and real-time imaging.

血管可視化のための二重ラスター走査光音響小動物イメージャー

Imaging of vascular networks on small animals has played an important role in basic biomedical research. Photoacoustic imaging technology has great ...