利用近红外光谱学和具有光子混合器设备的断层成像连续监测肿瘤缺氧制造技术

描述了一种利用光子混合器设备(PMD)通过近红外(NIR)光谱学测量肿瘤周围的组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的设备和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用近红外光谱学和具有光子混合器设备的断层成像连续监测肿瘤缺氧
本公开一般涉及组织氧合的连续监测，特别是肿瘤缺氧，更具体地，涉及用于计算肿瘤周围的组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度的方法和设备。
技术介绍
实体肿瘤(solidtumor)周围的微环境通常缺氧。肿瘤周围的组织中脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白浓度的比率高于健康组织中的比率。通过测量组织氧合，可以评估肿瘤的功能行为。组织氧合状态也可用于评估常规或新辅助化疗的有效性以及确定疾病进展和帮助预后。近红外(Near-infrared，NIR)吸收光谱学是一种已用于测量组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对量的技术。在600-1000nm的NIR光谱窗口中，光子在组织中的传播被散射主导，而不是被吸收主导。为了精确测量目标组织中血红蛋白的浓度，光子被吸收的部分和被散射的部分必须去耦合。然而，利用采用稳态照射的连续波NIR吸收光谱学，通常很难分离光子被吸收的部分和被散射的部分。因此，NIR吸收光谱学的传统方法不允许精确测量肿瘤周围的组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。为了弥补这一点，研究人员开发了各种时域和频域技术来独立地测量光子被散射的部分和被吸收的部分，从而计算绝对血红蛋白浓度的更精确的值。这些允许分别测量吸收和散射的测量技术共同称为漫射光谱学(DiffuseOpticalSpectroscopy，DOS)。当光子被散射的部分和被吸收的部分被用于组织的空间重建时，这些技术被称为漫射光学断层成像(DiffuseOpticalTomography，DOT)。虽然存在商业上可获得的连续波NIRDOS设备(例如，来自Medtronic-Covidien的INVOSTM血氧定量法系统、来自Hamamatsu的NIR-200NX近红外氧合监测仪等)，由于频域技术的复杂性增加，频域NIRDOS设备还没有从研究过渡到现实世界使用。目前用于研究的频域DOS设备通常体积庞大且昂贵，并且因此，不能容易地被转换成医疗器材，用于现实世界的医院环境(hospitalsetting)或护理点(point-of-care)。因此，仍然有开发可以应用于连续组织氧合测量的小型化、低成本的频域光谱学和断层成像设备的需求。
技术实现思路
本公开针对用于监测肿瘤缺氧的设备和方法。本公开的设备和方法可被用于持续监测经受化疗的患者内的肿瘤的功能状态。该设备可以小型化，从而可以植入患者体内肿瘤附近，或者该设备可以以可穿戴设备的形式安装在靠近肿瘤部位的患者身体上。在一些实施方式中，该设备可以是手持式的，使得它可以在护理点(例如，在患者的医院床边、医生的办公室或患者的家里)用于评估肿瘤的功能状态。本公开的一方面是一种用于连续监测组织区域中的肿瘤的设备。该设备可以包括PMD相机芯片和至少一个与PMD相机芯片水平地分离的调幅近红外光源，使得PMD相机芯片和近红外光源处于反射几何结构。本公开的另一方面是一种用于连续监测肿瘤缺氧的方法。该方法包括：a)用紧邻肿瘤提供的调幅近红外光源照射具有肿瘤的组织区域；b)使用紧邻肿瘤提供的多像素PMD相机芯片记录从组织区域反射的光，其中近红外光源与PMD相机芯片水平地分离；c)测量反射光的振幅和相移；d)使用反射光的振幅和相移来计算吸收系数和约化散射系数；e)对至少两种不同波长的光重复步骤a-d；以及f)使用针对至少两种不同波长的光计算的吸收系数和约化散射系数来计算组织区域中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。本公开的其他实施例被包含在附图、说明书和权利要求中。因此，本概述仅是示例性的，不应被认为是限制性的。附图说明结合在本说明书中并构成其一部分的附图说明了所公开的实施例，并与说明书一起用于解释所公开的实施例的各个方面的原理。附图是示意图，并且不必按比例绘制。在附图中：图1是根据示例性实施例的NIR光谱学设备的示意性侧视图；图2示出了根据示例性实施例的作为组织区域的采样体积(sampledvolume)中的肿瘤的结果的反射光的时间延迟和相移；图3是根据示例性实施例的NIR光谱学设备的示意性俯视图；图4是示出根据示例性实施例的在不同调制频率和不同源-检测器间隔下计算的相移的图表；和图5是根据示例性实施例的NIR光谱学设备的示意图。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，而不是对所要求保护的所公开的实施例的限制。具体实施方式现在将参考与本公开一致的某些实施例，其示例在附图中示出。在可能的情况下，在所有附图中使用相同的参考编号来指代相同或相似的部件。本公开描述了一种使用光子混合器设备(PhotonicMixerDevice，PMD)通过频域NIR光谱学和断层成像测量实体肿瘤周围的组织的氧合状态的技术。PMD是基于CCD技术或CMOS技术的半导体结构，其中每个像素包括两个电荷存储位置(即，子像素)。由射频(Radiofrequency，RF)控制电压确定，PMD中的光电子交替地分配给两个子像素。RF电压信号被锁相到以相同频率调制的场景照射光源。从场景反射的光生成光电子，这导致电荷在两个子像素处积累。在两个子像素处收集的电荷给出反射光信号的同相分量和180°异相分量。使用该信息，使用下面所示的方程(1)计算反射光的相移。其中VI和VQ是反射光信号的同相和异相分量。相移可以用来估计相机和被照射物体之间的距离。当用于距离感测时，PMD设备通常被称为飞行时间(Time-of-flight，ToF)相机。在本公开的示例性实施例中，基于PMD的ToF相机可用于测量反射光信号的振幅和相移，并且振幅和相移值随后可用于测量生物组织的光学特性(而不是距被照射物体的距离)。在示例性实施例中，反射光和入射光之间的振幅和相移可用于测量组织吸收系数和约化散射系数(μa和μs')，然后该吸收系数和约化散射系数可用于测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。这是可能的，因为组织中光的吸收线性地依赖于组织发色团(即，氧化血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、脂质等)的浓度。依赖波长的吸收系数由下面所示的方程(2)给出。μa(λ)＝∑εi(λ)Ci(2)其中εi(λ)是依赖波长的消光系数(通常因典型的组织发色团所知)，并且Ci是第i个发色团的浓度。通过在多个光波长下测量μa，形成了耦合方程组(方程(2))，然后可以求解该方程组以产生未知的发色团浓度。通常，要估计N个发色团的浓度，必须在N个或更多波长下确定μa。因此，在示例性实施例中，为了测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，在两个或更多波长下确定μa。图1示出了可用于确定生物组织30的光学特性的示例性基于PMD的NIR光谱学设备10的侧视图。设备10包括位于紧邻肿瘤部位的NIR光源20。在示例性实施例中，NIR光源20可以是LED、光纤耦合激光器或发射适当波长的光的可调激光器。在示例性实施例中，NIR光源20可以发射波长为约600nm至约1000nm的光。在一些实施例中，两个或更多个NIR光源20可用于发射不同波长的光。如先前讨论的，为了测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度，需要在两种波长下进行相位和振幅测量。因此，在一些实施例中，两个NIR光源20可用于发射两种不同波长的光。在另一实施例中，多个NIR光源20可用于发射不同波长的光。更多波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于连续监测组织区域中的肿瘤的设备，该设备包括：PMD相机芯片；和至少一个调幅近红外光源，其与PMD相机芯片水平地分离，使得PMD相机芯片和近红外光源处于反射几何结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.14 US 15/098,6861.一种用于连续监测组织区域中的肿瘤的设备，该设备包括：PMD相机芯片；和至少一个调幅近红外光源，其与PMD相机芯片水平地分离，使得PMD相机芯片和近红外光源处于反射几何结构。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述PMD相机芯片是多像素PMD相机芯片。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个调制的近红外光源包括排列在所述PMD相机芯片周围的调制的近红外光源阵列。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个调制的近红外光源以不同的频率调制。5.根据权利要求1所述的设备，还包括电机，以在PMD相机芯片周围移动所述至少一个调制的近红外光源。6.根据权利要求1所述的设备，还包括无线通信系统，以向远程处理单元或云服务器传输记录的数据。7.根据权利要求1所述的设备，还包括无线电力系统。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述调制的近红外光源和PMD相机芯片之间的距离是肿瘤距组织区域的表面的深度的大约两倍。9.一种用于连续监测肿瘤缺氧的方法，该方法包括：a.用紧邻肿瘤提供的调幅近红外光源照射具有肿瘤的组织区域；b.使用紧邻肿瘤提供的多像素PMD相机芯片记录从组织区域反射的光，其中所述近红外光源与所述PMD相机芯片水平地分离；c.测量反射光的振幅和相移；d.使用反射光的振幅和相移计算吸收系数和约化散射系数；e.对至少两种不同波长的光重复步骤a-d；...

【专利技术属性】
技术研发人员：C贝尔思安加迪，F卡希夫，SA李，T特罗伊，JD佩罗，S阿拉，
申请(专利权)人：威里利生命科学有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US