具有荧光及生物发光源的交叉形态加权特征的漫射介质成像的系统、方法及设备技术方案

在某些实施例中，本发明专利技术涉及用于荧光探针及/或生物发光报道子的活体内断层成像的系统及方法，其中荧光探针及生物发光报道子在空间上共同定位(例如，以等于或小于光的散射平均自由程的距离定位)于漫射介质(例如，生物组织)中。根据本文中所描述的方法组合从生物发光形态与荧光形态获得的测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有荧光及生物发光源的交叉形态加权特征的漫射介质成像的系统、方法及设备相关申请案本申请案主张2012年10月15日申请的第61/714,198号美国临时专利申请案的优先权及权益并将所述临时专利申请案以全文引用方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及活体内成像系统及方法。更特定来说，在某些实施例中，本专利技术涉及采用共同定位的荧光源及生物发光源的断层成像系统。
技术介绍
漫射介质中的成像主要由于其在生物学及医学方面的应用而成为有吸引力的研究领域，其在例如癌症研究、药品开发、炎症及分子生物学方面显示出巨大潜力。随着高度特定可激活荧光探针的发展，在活体内以分子水平获取信息的新方式已成为可能。由于组织中存在的固有散射以光学波长进行，所以光在组织中经多重散射的且其原始传播方向在称作散射平均自由程lsc(一段表示组织的不同成分的散射的密度及效率的距离)的距离之后被随机化。即使可记录来自组织的荧光或生物发光发射的图像，但由于散射的存在，这些图像与荧光探针或生物发光报道子的浓度、大小及位置存在非线性关系，从而导致称作病态问题的问题。近来开发的方法及系统通过引入荧光对激发的空间依赖性且通过漫射近似法对组织中的光传播进行适当建模来利用断层成像途径减轻此病态性，从而能够恢复具有约为散射平均自由程(lsc)或更好的分辨率的荧光浓度的空间分布。在理想状况下，假设在测量荧光时可完全阻断激发光，这些断层成像技术的灵敏度将仅取决于检测器效率及探针亮度以及存在于组织中的吸收。在这种理想情况下，由于发射强度及激发强度彼此成比例(至少对于小动物成像可接受的功率来说如此)，所以可通过增大激光功率来提高灵敏度，这可确保在组织内不会出现明显的加热。然而，活体内测量的实际情况是完全不同的。由于组织中始终存在着周围自发荧光的激发，所以系统的灵敏度在很大程度上取决于区分归因于荧光探针而引起的特定信号与周围自发荧光的非特定信号的能力。这种问题在以反射模式激发时变得更加明显，这是因为更大的自发荧光贡献将来自最靠近相机的组织切片。实际上，断层成像数据或一般来说荧光数据的任何集合的灵敏度由自发荧光在与特定信号相比时的水平确定。这个问题通过使用远红外或近红外(NIR)荧光信号而在一定程度上得到克服，这是因为组织自发荧光在光谱的这一部分中稍微减少，其中额外优点是组织在光谱的这一部分中呈现较低的吸收特性。这是使用在光谱中的远红外或近红外部分中发射的荧光探针时的情况，所述荧光探针在存在特定的分子活动时被激活。这种类型探针的优点是其提供了高信噪比。然而，在大多数实际例子中，可检测到的信号的数量取决于有多少特定信号超出周围组织自发荧光。为了将特定信号的贡献与非特定信号的贡献分离，最常见的途径是在假设发射光谱已知的情况下运用多光谱测量。尽管这种途径稍微提高了灵敏度，但问题依然存在；在所测量的每一发射波长处，存在来自组织自发荧光的未知贡献。特定信号越弱，自发荧光的影响越占主导地位。生物发光报道子提供以下显著优点：不需要外部照明以将其置于激发态使得其将发射光。由于是通过化学反应达到激发态，所以发射的光表示成像问题的无背景解决方案，这类似于先前段落提到的荧光的理想情况。生物发光的此固有益处也存在一些缺陷，特定来说与上文所提到的病态问题相关。由于当前不可能有效地引入对此发射的强度的空间依赖性(然而这在荧光的情况下是可能的)，所以不可能同时恢复生物发光探针浓度的空间分布。因此，因为主要目标是恢复探针浓度的空间分布，所以在生物发光的情况下无法像在荧光的情况下那样实质上减少病态问题。需要一种光学成像系统，在所述光学成像系统中，可将生物发光探针的低背景及不存在自发荧光与由荧光探针展现出的特定性、高量子产率及发射强度调制的外部能力相结合。
技术实现思路
在某些实施例中，本专利技术涉及用于荧光探针及/或生物发光报道子的活体内断层成像的系统及方法，其中荧光探针及生物发光报道子在空间上共同定位(例如，以等于或小于光的散射平均自由程的距离定位)于漫射介质(例如，生物组织)中。根据本文中所描述的方法组合从生物发光形态与荧光形态获得的测量。在一个方面中，本专利技术提供一种用于对漫射物体的靶区域进行成像的方法，所述方法包括：(a)向物体施用生物发光底物(及/或化学发光底物)；(b)通过所述物体的所述靶区域中的生物发光报道子检测从所述物体发射的生物发光光(及/或化学发光光)(例如，使用外部检测器)；(c)向物体施用包括荧光物质(及/或联合的荧光/生物发光物质)的探针；(d)在多个位置处及/或以多个角度将激发光引导到所述物体中，借此激发所述荧光物质；(e)检测荧光光(例如，作为检测器位置、激发光源位置或检测器位置及激发光源位置两者的函数)，所述检测到的荧光光已由于所述激发光的激发而由所述漫射物体的靶区域中的所述荧光物质发射；(f)检测激发光(例如，作为检测器位置、激发光源位置或检测器位置及激发光源位置两者的函数)，所述检测到的激发光已透射穿过所述漫射物体的所述区域(透射式照明)或已从所述漫射物体的所述区域反射(落射式照明)；及(g)处理对应于所述检测到的生物发光光、所述检测到的荧光光及所述检测到的激发光的数据以提供所述漫射物体内的所述靶区域的图像。在某些实施例中，生物发光报道子是内源性的。在某些实施例中，生物发光报道子在物体内部由生物发光细胞系表示。在某些实施例中，生物发光报道子是外源性地施用的。在某些实施例中，生物发光报道子作为串联生物发光-荧光探针的组件向所述物体施用。在某些实施例中，在步骤(c)之后，生物发光报道子中的至少一些与(荧光)探针中的至少一些实质上共同定位于所述物体的靶区域中。在某些实施例中，在步骤(c)之后，所述生物发光报道子也存在于所述物体中不与所述(荧光)探针实质上共同定位的一或多个位置处。在某些实施例中，步骤(c)中的探针包括荧光物质及与荧光物质串联的生物发光报道子两者(例如，生物发光报道子及荧光探针包括单一构造)。在某些实施例中，不要求生物发光报道子及荧光物质在FRET型距离内成对或共同定位。共同定位可意味着定位于宏观层面的距离内。举例来说，在某些实施例中，甚至在生物发光报道子及荧光物质分离达宏观层面的距离(举例来说，长达约1mm或长达约2mm，而非如在FRET及BRET中长达约5到10nm)的情况中也可使用所述方法。在某些实施例中，漫射物体包括活的生物组织(活体内成像)。在某些实施例中，漫射物体是哺乳动物。在某些实施例中，所述靶区域的图像是断层成像图像。在某些实施例中，所述方法进一步包括在步骤(b)、(d)、(e)及(f)之前将所述物体放置在固持器内。举例来说，在某些实施例中，所述靶区域的图像是断层成像图像，且其中所述物体的表面至少部分由所述固持器保形使得所述表面可由连续函数表征(例如，以笛卡尔坐标、极坐标或柱面坐标)，借此促进断层成像重构。在某些实施例中，步骤(b)包括使用定位于所述物体外部的检测器检测生物发光光。在某些实施例中，步骤(b)包括根据检测器位置检测生物发光光。在某些实施例中，步骤(b)包含使用与所述物体光学接触的检测器(例如，检测器的组件与物体本身或与所述物体物理接触的透明表面物理接触，且/或使用光导、光纤引导件、光学匹配流体及/或透镜使得光学接触在检测期间得以维持)检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对漫射物体的靶区域进行成像的方法，所述方法包括：(a)向所述物体施用生物发光及/或化学发光底物；(b)通过所述物体的所述靶区域中的生物发光报道子检测从所述物体发射的生物发光光及/或化学发光光；(c)向所述物体施用包括荧光物质及/或联合的荧光/生物发光物质的探针；(d)在多个位置处及/或以多个角度将激发光引导到所述物体中，借此激发所述荧光物质；(e)检测荧光光，所述检测到的荧光光已由于所述激发光的激发而由所述漫射物体的所述靶区域中的所述荧光物质发射；(f)检测激发光，所述检测到的激发光已透射穿过所述漫射物体的所述区域或已从所述漫射物体的所述区域反射；以及(g)处理对应于所述检测到的生物发光光、所述检测到的荧光光及所述检测到的激发光的数据以提供所述漫射物体内的所述靶区域的图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.15 US 61/714,1981.一种用于对漫射物体的靶区域进行成像的方法，所述方法包括：(a)通过所述物体的所述靶区域中的生物发光报道子检测从所述物体发射的生物发光光及/或化学发光光；(b)在多个位置处及/或以多个角度将激发光引导到所述物体中，借此激发包括所述物体的所述靶区域中的荧光物质及/或联合的荧光/生物发光物质的探针的所述荧光物质；(c)检测荧光光，所述检测到的荧光光已由于所述激发光的激发而由所述漫射物体的所述靶区域中的所述荧光物质发射；(d)检测激发光，所述检测到的激发光已透射穿过所述漫射物体的所述区域或已从所述漫射物体的所述区域反射；以及(e)处理对应于所述检测到的生物发光光、所述检测到的荧光光及所述检测到的激发光的数据以提供所述漫射物体内的所述靶区域的图像，其中步骤(e)包括以下至少一者：(i)利用对应于所述检测到的生物发光光的数据将对应于所述检测到的荧光光的数据进行加权，以及对相关联的权重矩阵进行求逆以获得所述物体的所述靶区域中的所述荧光物质的断层成像图像；(ii)利用对应于所述检测到的生物发光光的数据将对应于所述检测到的荧光光的数据进行加权，以及利用对应于所述检测到的生物发光光的数据将相关联的权重矩阵进行加权，接着对所述权重矩阵进行求逆以获得所述物体的所述靶区域中所述荧光物质的断层成像图像/所述断层成像图像；以及(iii)利用对应于所述检测到的荧光光且以对应于所述检测到的激发光的数据进行正规化的数据将对应于所述检测到的生物发光光的数据进行加权，接着对相关联的权重矩阵进行求逆以获得所述物体的所述靶区域中的所述生物发光报道子的断层成像图像/所述断层成像图像。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物发光报道子是内源性的。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述生物发光报道子在所述物体内由生物发光细胞系表示。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物发光报道子是外源性的。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物发光报道子是串联生物发光-荧光探针的组件。6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述生物发光报道子中的至少一些与所述探针中的至少一些实质上共同定位于所述物体的所述靶区域中。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述生物发光报道子也存在于所述物体中不与所述探针实质上共同定位的一或多个位置处。8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述探针包括所述荧光物质及与荧光物质串联的生物发光报道子两者。9.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述漫射物体包括活的生物组织。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述漫射物体是哺乳动物。11.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述靶区域的所述图像是断层成像图像。12.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在步骤(a)、(b)、(c)及(d)之前将所述物体放置在固持器内。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述靶区域的所述图像是断层成像图像且其中所述物体的表面至少部分由所述固持器保形使得所述表面可由连续函数表征，借此促进断层成像重构。14.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括使用定位于所述物体外部的检测器检测生物发光光。15.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括根据检测器位置检测生物发光光。16.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括使用与所述物体光学接触的检测器检测生物发光光。17.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括使用检测器检测生物发光光，所述检测器经定位使得在所述检测器与所述物体之间存在非漫射介质。18.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括使用发射滤光片检测生物发光光。19.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括在不使用发射滤光片的情况下检测生物发光光。20.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述探针是可见光探针或近红外荧光探针。21.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括将可见光及/或近红外光引导到所述物体中。22.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括将激发光的点源引导到所述物体中。23.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括同时将激发光的多个源引导到所述物体中。24.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括将结构化激发光引导到所述物体中。25.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括在多个离散位置处及/或以多个离散角度将所述激发光引导到所述物体中，将所述激发光引导到所述物体中的每一例子在离散时间处发生。26.根据权利要求25所述的方法，其包括在离散位置处及/或以离散角度将激发光引导到所述物体中的每一例子之后执行步骤(c)及(d)。27.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括同时在多个离散位置处及/或以多个离散角度将所述激发光引导到所述物体中。28.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括使所述激发光在所述物体上方扫描。29.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中在步骤(d)中检测到的所述激发光包括连续波CW光、时间分辨TR光及强度调制IM光中的至少一者。30.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(c)包括使用定位于所述物体外部的检测器检测从所述物体的所述靶区域发射的荧光光。31.根据权利要求30所述的方法，其中步骤(c)包括检测在与步骤(b)中激发光被引导到其中的侧相同的所述物体的侧上的荧光光。32.根据权利要求30所述的方法，其中步骤(c)包括检测在与步骤(b)中激发光被引导到其中的侧相对的所述物体的侧上的荧光光。33.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(c)包括使用与所述物体光学接触的检测器检测所述物体的所述靶区域发射的荧光光。34.根权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(c)包括使用检测器检测从所述物体的所述靶区域发射的荧光光，所述检测器经定位使得在所述检测器与所述物体之间存在非漫射介质。35.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(d)包括使用定位于所述物体外部的检测器检测透射穿过所述物体的所述靶区域或从所述物体的所述靶区域反射的激发光。36.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中步骤(d)包括使用与所述物体...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·亚雷德，J·肯普纳，J·里波尔·洛伦佐，A·阿兰斯，
申请(专利权)人：文森医学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US