用于散射介質(zhì)中改進(jìn)的擴散發(fā)光成像或者斷層照相的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要地涉及吸收和散射介質(zhì)的光致發(fā)光（photoluminescence)成像或者光 致發(fā)光斷層照相領(lǐng)域，特別地，涉及用于此類成像的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于光致發(fā)光成像(簡稱為發(fā)光成像）或者光致發(fā)光斷層照相（簡稱為發(fā)光斷層照 相）而言令人感興趣的散射介質(zhì)的例子為生物組織。組織光學(xué)是致力于研宄光與此類組織 交互的領(lǐng)域。最近十年，該領(lǐng)域迅速增長。隨著對光-組織交互的了解與日俱增，受益于來 自基礎(chǔ)研宄的成果，也出現(xiàn)了對將應(yīng)用組織光學(xué)作為診斷工具應(yīng)用的興趣。
[0003] 組織光學(xué)中的為本公開部分地涉及的領(lǐng)域是包括光致發(fā)光斷層照相的如下光致 發(fā)光成像，該光致發(fā)光成像是用于人類或者動物活體內(nèi)成像的非入侵方式。這些成像方式 是基于發(fā)光的并且需要用于激勵發(fā)光生物標(biāo)記物的外部光源。
[0004] 光致發(fā)光是物質(zhì)吸收光子并且然后重新輻射光子的過程。具體光致發(fā)光形式是熒 光，其中通常發(fā)射的光子的能量低于用于照射的光子。因此在熒光中，關(guān)于照射光的波長， 焚光波長被Stokes頻移至更長的波長。
[0005] 熒光成像已知并且可以例如用來研宄在一段時間內(nèi)來自小動物中藥物的生物響 應(yīng)而無需犧牲它們。
[0006] Shimomura、Chalfie和Tsien由于發(fā)現(xiàn)和開發(fā)已經(jīng)變成很重要的焚光標(biāo)記物的綠 色熒光蛋白質(zhì)而于2008年榮獲諾貝爾獎。
[0007] 然而迄今為止，用于吸收和散射介質(zhì)中的擴散發(fā)光成像或者斷層照相的熒光分子 成像和斷層照相系統(tǒng)遭受多個缺點。它們例如具有使基于成像結(jié)果的診斷任務(wù)困難的低分 辨率或者對比度。
[0008] 先前技術(shù)的進(jìn)一步的問題是量子產(chǎn)率低、成像深度淺、數(shù)據(jù)采集時間長、以及熱副 作用。
[0009] 因此，存在對一種尤其允許通過改進(jìn)前述缺陷來增加有效性的改進(jìn)型擴散發(fā)光成 像或者發(fā)光斷層照相系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 因而，本發(fā)明的實施例優(yōu)選地尋求通過提供根據(jù)所附專利權(quán)利要求的系統(tǒng)、方法 和用途來個別或者在任何組合中減輕、緩解或者消除本領(lǐng)域中的諸如上述一個或者多個缺 陷、劣勢或者問題。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種通過擴散發(fā)光分子成像對散射介質(zhì)中的區(qū)域成 像的方法。該區(qū)域包括在標(biāo)記物位置處布置于散射介質(zhì)中的至少一個發(fā)光標(biāo)記物，其中發(fā) 光標(biāo)記物為非線性發(fā)光標(biāo)記物。該方法包括：由一個或者多個光源從至少一個光源位置向 激勵體積（excitation volume)中發(fā)射的激勵光來激勵發(fā)光標(biāo)記物；檢測器在發(fā)光光檢測 位置處檢測由于激勵光而來自發(fā)光標(biāo)記物的發(fā)光，其中激勵光包括脈沖的激勵光。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于散射介質(zhì)中感興趣區(qū)域的擴散發(fā)光分子成 像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于在散射介質(zhì)的發(fā)光分子成像中使用的發(fā)光標(biāo)記物，其中發(fā)光標(biāo) 記物是布置于散射介質(zhì)中的非線性發(fā)光標(biāo)記物。該系統(tǒng)包括：一個或者多個光源，由至少 一個光源位置定位用于通過由一個或者多個光源向激勵體積中發(fā)射的激勵光來激勵發(fā)光 標(biāo)記物。該系統(tǒng)包括在發(fā)光光檢測位置處檢測由于激勵光而來自發(fā)光標(biāo)記物的發(fā)光的檢測 器，其中激勵光包括脈沖的激勵光。
[0013] 在實施例中，發(fā)光標(biāo)記物包含于被配置成對照射波長的傳入光上轉(zhuǎn)換 (upconvert)的一組非線性發(fā)光標(biāo)記物中，這當(dāng)用所述傳入光照射所述發(fā)光標(biāo)記物時在比 所述照射波長短的發(fā)光波長處出現(xiàn)發(fā)光。
[0014] 發(fā)光標(biāo)記物在某些實施例中是生物發(fā)光標(biāo)記物。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)的以下用途：用于片劑的發(fā) 光成像或者斷層照相、和/或用于擴散光學(xué)成像、和/或光力學(xué)治療、和/或深部組織中的 生物分子的遠(yuǎn)程激活、和/或單次激發(fā)（single-shot)深部組織成像、和/或用于小動物的 活體內(nèi)或活體外發(fā)光成像或發(fā)光斷層照相、和/或通過所述發(fā)光成像或者發(fā)光斷層照相的 功能診斷(諸如癌癥診斷)、和/或使用所述非線性發(fā)光標(biāo)記物作為探針的包括受激發(fā)射損 耗（STED)或單分子檢測的超高分辨率顯微鏡術(shù)。
[0016] 在一個實施例中，非線性標(biāo)記物附著到用于另一成像模態(tài)（modality)的成像造影 劑（imaging contrast agent)。例如非線性標(biāo)記物附著到用于用諸如磁共振成像（MRI)、X 射線等常規(guī)成像模態(tài)進(jìn)行成像的造影劑。在一個具體實施例中，非線性標(biāo)記物附著到具有 順磁（paramagnetic)性質(zhì)的有機札絡(luò)合物（gadolinium complex)或者札化合物。
[0017] 在從屬權(quán)利要求中限定本發(fā)明的其他實施例，其中用于本發(fā)明第二和后續(xù)方面的 特征在必要的修改下同樣用于第一方面。
[0018] -些實施例提供增加的發(fā)射強度。
[0019] -些實施例在擴散發(fā)光分子成像中和在焚光分子斷層照相中提供增加的分辨率。
[0020] -些實施例提供確定片劑中的成分分布。例如非線性發(fā)光標(biāo)記物或者焚光團可以 附著到片劑中的活性成分。因此可以有利地確定活性成分的空間分布。
[0021] 一些實施例在非線性標(biāo)記物被用作MRI造影劑時提供用于醫(yī)學(xué)磁共振成像中的 增強對比度。同時可以進(jìn)行發(fā)光成像或者斷層照相，這提供用于同一個相同感興趣區(qū)域并 且在活體內(nèi)的與高分辨率MRI組合的功能診斷信息。
[0022] -些實施例在使用上轉(zhuǎn)換納米粒子時提供增加的量子產(chǎn)率。
[0023] 一些實施例提供單次激發(fā)深部組織成像。
[0024] 一些實施例提供深的成像深度和短的數(shù)據(jù)采集時間。
[0025] -些實施例提供抑制激勵光的熱副作用。
[0026] 一些實施例提供擴散光學(xué)成像、光力學(xué)治療和深部組織中的生物分子的遠(yuǎn)程激 活。
[0027] -些實施例提供無背景（background-free)信號。
[0028] 應(yīng)當(dāng)強調(diào)，術(shù)語"包括"在使用于本說明書中時解釋為指定存在所言特征、整體、步 驟或者部件、但是并未排除存在或者添加一個或者多個其他特征、整體、步驟、部件或者其 組。
【附圖說明】
[0029] 根據(jù)參照以下附圖對本發(fā)明實施例的下文描述將清楚并且闡明本發(fā)明實施例能 夠?qū)崿F(xiàn)的這些和其他方面、特征以及優(yōu)勢： 圖 1 是 Jablonski 圖； 圖2a)-c)是a)輻射和無輻射能量轉(zhuǎn)移、b)共振和非共振能量轉(zhuǎn)移以及c)比較ETU (左）和ESA (右）上轉(zhuǎn)換的不意圖； 圖3A是上轉(zhuǎn)換納米晶體（nanocrystal)的Yb3+-Tm3+離子對中的上轉(zhuǎn)換過程的示意圖； 圖3B是示出用于圖3A的上轉(zhuǎn)換納米晶體的發(fā)射譜和上轉(zhuǎn)換發(fā)射的激勵功率密度依賴 性的圖； 圖4a_d是平面成像實施（即（a)-(b)用于焚光團成像(落射焚光（epi-fluorescence)) 的設(shè)置、（d)將用于透照法（transillumination)中的焚光團重構(gòu)的設(shè)置和c)用于焚光擴 散光學(xué)斷層照相的另一設(shè)置）的示意圖； 圖5a_c是在利用線性和非線性熒光團的熒光成像之間的差異的示意圖； 圖6是示出用于單束激勵以及組合的單束激勵和雙束激勵的權(quán)重矩陣的歸一化奇異 值分布的圖。
[0030] 圖7A-B是使用（10A)僅單束圖像以及使用（10B)單束和雙束圖像兩者的上轉(zhuǎn)換納 米粒子（nanoparticle)的三維重構(gòu)。
[0031] 圖8示出在975 nm的激勵之下NaYF4:Yb3+，Tm3+納米粒子的上轉(zhuǎn)換圖； 圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例確定的在975 nm的激勵之下NaYF4:Yb3+，Tm3+納米 粒子的近紅外、紅色和藍(lán)色上轉(zhuǎn)換發(fā)射帶的功率依賴性； 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例確定的在不同的功率密度下近紅外、藍(lán)色、紅色上 轉(zhuǎn)換發(fā)射帶的量子產(chǎn)率； 圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在CW的激勵和脈沖激勵(具有相同的平均功率） 之下NaYF4:Yb3+，Tm3+納米粒子的譜； 圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在具有不同的脈沖寬度（I ms、5 ms、10 ms)的 CW激勵和脈沖激勵之下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射譜(在800 nm歸一化）； 圖13示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在CW和脈沖(具有31. 04 mW的相同的平均功率） 的激勵之下的上轉(zhuǎn)換譜； 圖14示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在不同的平均激勵功率之下在具有5和10 ms 脈沖寬度的脈沖激勵之下在800 nm的信號的增益； 圖15a-f和圖16示出激勵功率對在800 nm的增益的影響； 圖17 a-c和18a-b示出激勵功率對在800 nm的增益的影響； 圖19a-c示出在：具有100 mW的功率的CW激光二極管（a);具有100 mW的平均功率 的脈沖激光(方波，脈沖寬度5 ms，周期250 ms) (b);以及具有100 mW的平均功率的脈沖 激光(方波，脈沖寬度10 ms，周期500 ms) (C)的激勵之下在800 nm得到的發(fā)光圖像； 圖20說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括脈沖的激勵光的激勵光； 圖21說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的發(fā)光以及在脈沖的激勵光之后的延遲檢測的發(fā)光； 圖22-25說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的標(biāo)記物的相對深度坐標(biāo)及其確定； 圖26a-b分別說明信號增益相對于脈沖寬度和平均功率密度； 圖27a-d說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的在脈沖激勵之后的來自標(biāo)記物的發(fā)光（b，d)以 及來自連續(xù)波（CW)激勵的發(fā)光（a，c); 圖28說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法的示意性流程圖； 圖29a-c說明模擬的量子產(chǎn)率（QY)相對于時間和平均功率密度；以及 圖30說明上轉(zhuǎn)換信號增益相對于功率