CN101312684A - 光学荧光断层摄影 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物目标的光学荧光断层摄影系统。为了增加分辨率和撞击辐射的穿透深度，以便得到更好的深度信号，生物目标被提供了可通过撞击辐射漂白的荧光染料(材料)，其中，生成了荧光染料的逐个组织的可控动态漂泊效应，从而使得通过对最大荧光响应信号的时间相关测量，将其与在深度方向上的实际选择性漂白前端相关联。

Description

光学荧光断层摄影
本发明涉及光学荧光断层摄影以及生物目标的光学荧光断层摄影系统，其中该目标被提供有荧光剂。
光学荧光断层摄影对于组织特异性成像(即所谓的分子成像)来说是一种很好的模态。很多分子成像造影剂研究的目标都在于荧光染料。光学断层摄影的主要缺点是穿透深度有限且分辨率低。这使得当前光学荧光断层摄影的使用限制于动物研究和具有良好可达性的人类组织，如在乳房和关节诊断方面。
美国5949077公开了一种方法，通过这种方法对象或者生物目标被提供有发光染料，激发光被滤除并且混浊介质被提供有用于吸收发光的吸收染料。
一个问题在于生物材料使发光被散射。这一事实限制了深度分辨率。
例如人体对红外光有高的透明度。这种目标的一个缺点是，作为目标的人体使发射的响应信号以及光撞击(light impact)产生非常强的散射。因此，现有技术中的断层摄影系统通过对响应信号场进行数学建模来解决该问题。因此，所得到的显示是目标的虚拟图像(virtual picture)，并且由于散射效应，重建的图像只有较低的分辨率。
然而，荧光断层摄影仅采用对人体无害的辐射，这是一个很重要的方面。
在此背景下，本发明基于改进光学荧光断层摄影方法和改进光学荧光断层摄影系统的目的，通过该方法和该系统，可以得到更好的分辨率，尤其得到更好的深度分辨率。
所述目的由专利权利要求1的特征所表征的该一般类型的方法来实现。
该方法进一步实施例由从属权利要求2-7表征。
所述目的由专利权利要求8的特征所表征的断层摄影系统自身来实现。
该断层摄影系统进一步实施例由从属权利要求9-12表征。
本发明的所述目的由特征在于目标被提供有荧光剂的方法来实现，该荧光剂是可以以限定(definite)方式由撞击辐射光漂白的，从而使得在目标中生成荧光染料的逐个组织的可控动态漂白效应(controllable dynamictissue-wise bleaching effect)，并且通过最大荧光响应信号的时间相关测量，这可以与深度方向上实际选择性漂白前端(bleaching front)相关联。
这意味着低光稳定性的荧光剂被光漂白，因而增强了来自目标较深区域的荧光的信噪比。光致发光剂将作为时间的函数在深度方向上被光漂白。这样，信号强度的前端向深处移动，从而使得随着深度的增加可能逐步或连续地进行动态成像。
在经过延长的光照射后将破坏任何荧光染料。在被最终漂白之前染料发射的光子平均数量在106到1之间，这取决于化学成分。传统意义上，现有技术中只有稳定性染料被视为有价值的示踪剂，因为它们可以产生随着时间累积的更大的信号强度。但是考虑到人体组织光吸收约为10dB/cm，因此可以计算出在更深层的组织中，每个染料分子将只发射少数光子。因此，染料的低光稳定性对医学成像无不利影响。
本发明中染料的低光稳定性通过对组织的选择性漂白而转为一种有利条件。这是本发明的深层物理意义。
假定荧光染料积聚组织为两层。一层临近表面，另一层在组织表面以下4cm深处。现在来自4cm深的层的信号强度将仅为表面层信号强度的10-8。因此，看到组织表面下深层的积聚几乎是不可能的。当施加强光时，上层被漂白而下层实际上不变。为使其量化，假定光累积强度使得下层处的信号强度减少为：
e-0.01＝99％
然后，上层信号强度消耗为
e-0.01*10000＝e-100＝3*10-44
这意味着较深组织的荧光可以被很容易地识别。
该事实稍后会进一步说明。被漂白的分子形成十分尖锐的前端，因此来自深层的具有较好对比度的信息直接根据响应信号而生成。
本发明的第一实施例由方法或过程特征或步骤的逻辑和/或的时间顺序范围给出。
由此通过如下方式实现最终图像重建：
a)执行常规的扩散光学断层摄影(DOT)和常规的光学荧光断层摄影并计算吸收、荧光和散射系数，
b)计算对象中用于上述漂白的预期光水平，
c)由来自附加光源的光撞击引起限定漂白并计算该光的预期漂白，
d)执行常规DOT并且对这些数据执行荧光断层摄影，
e)利用对一些领域内的减少的荧光的预先了解，重建吸收、荧光和散射系数，
f)重复步骤b)直到执行了测量或对数据进行了处理。
在步骤a)和b)中，在实时测量之前和之后进行一些测试步骤是可行的。因此该方法并不是排外地固定于上述顺序，而是有时其中一些步骤顺序会有所改变。上述特征的逻辑组合具有重要意义。
也必须说，在一些步骤中，使用了常规荧光断层摄影DOT，但是其以发明性方式与上述步骤和新特征结合。常规DOT与本发明相结合。例如常规特征是高频光的运行时间分析。例如患者心搏的开发利用可被用于光学对比度的调制。
在A.H.Hielscher等的“Near infrared diffuse optical tomography”DiseaseMarkers 18(2002年)313-337页；和A.B.Milstein等的“Fluorescence OpticalDiffuse Tomography”Applied Optics 42卷，16(1.2003年6月)3081-3094页描述了常规DOT。
本发明另一个实施例为通过沉积撞击辐射能量的变化控制动态漂白效应。附加光源的能量撞击是时间相关的累积能量；它并不是光子能量。通过撞击能量的变化，该系统、靶以及荧光剂的漂白效应参数的复杂系统可被视为共有的。
另一个实施例公开了按一定间隔逐步检测最大响应信号，其中时间间隔是可变的。由此，得到深度信息的逐步显示。
备选实施例是连续检测最大响应信号。通过连续检测，可以在具有高对比度的清晰图像中得到深度信息。
本发明的另一个实施例是使用撞击辐射的最少光能量范围内的低光稳定性的荧光染料或荧光剂。漂白效应被用于操作过程中的传播深度信息的检测。
一个有利实施例是自适应性地操作数据存储装置。由此，参数估计和最优化在断层摄影系统操作过程中将变为自动自学习和/或自优化的。
本发明的所述目的由断层摄影系统的用于测量处理前被提供了荧光剂的活体生物目标的特征来实现，其中辐射源和附加的高强度单色光源撞击该目标，来自目标的主动响应信号被光学检测器检测到，并且检测响应信号并将其作为时间数据的函数电子地存储在自适应数据存储装置中。
在同一时间、相同过程中光被用于成像以及受控漂白。这是本发明的益处之一。
具体来说高强度单色光源意味着所使用的光功率的绝对最小值为5瓦特。进行非常有效的成像需超过15瓦特。因此，优选地，认识到他的个体容许量，该光源所使用的功率为至少15瓦特直至可单独暴露于患者的功率。该波长应当具有≤30纳米的频带内的单色准确性。
本发明的第一实施例描述了该系统包括频率和/或功率可调的附加光源。由此，可由附加光源引起受控深度传播漂白过程。因此，可通过响应信号在频率和/或功率方面的最优化自动调节附加光源。
本发明系统的另一个实施例是，在系统中包括关联装置，通过逐个组织的时间相关漂白效应使时间相关响应信号数据相关联，以便在原位置处重建或生成目标在深度方向上的动态三维图像。
另一个实施例为将三维图像数据显示在屏幕上。包含深度信息的成像可以使在目标(该处通常为组织)深度方向上的对象可见。
另一个实施例为荧光断层摄影系统被提供了电子数据接口，以便在原位置处生成图像或图像序列，并通过数据网络传送到位于远处的专家。这便于将诊断数据直接传送给另一位专家，从而与他讨论诊断结果。
本发明的实施例在附图中显示，其中：
图1是深度传播漂白效应的使用；
图2是断层摄影系统。
在图1中，该方法显示为作为目标深度D的函数的信号强度Is(D)。向生物目标，例如人体，提供荧光剂分子，从而在照射撞击下在响应信号强度Is(D)中形成相当急剧的前端。
撞击照射的光强度恒定，漂白分子前端前进越来越慢。因此光强度不得不增加。最终可达到的深度的极限是患者中可容许的光功率。这可以作为热暴露而感知。但是这没有严格的限制，因为在这个深度处，荧光光子的信号强度也会消失，并且达到光学方法的最终穿透深度。(在反射模式下大约为10cm)
换言之，就像前面已经提到的，漂白效应随时间向深度方向前进。因此首先被漂白的接近表面的上层组织，将不会对响应信号有任何更长的显著贡献。结果，可以说由于辐射暴露而发生的前述漂白将穿透越来越深，从而使得仅仅实际的响应信号是确定性地来自实际定义的漂白深度的信号，这宣称为漂白前端。
该系统与传统光学断层摄影系统的主要差别在于重建算法及附加的高强度单色光源。
理想地，附加光源可以改变频率。因此，开始，光源并调谐为使光可以最佳穿透组织的频率。最初地，这利用了用于漂白的较高功率，但是产生了更清晰的漂白轮廓。
图2显示了本发明的荧光断层摄影系统的一种简化版本，其中只显示了重要部分。
来自目标的响应信号将由光学检测器2接收。这些信号被转送到电子数据存储器3，该存储器组织为多维数据存储区域。引入信号必须以相关联的时间相关性进行存储，因为漂白效应和因此得到的深度信息必须在原位置处相关联。
为了使漂白过程最优化，光学检测器2可以与附加单色光源10的操纵逻辑连接。因此，附加光源10可被操纵为功率和/或频率最优化。
用于从目标中分布的荧光剂生成响应信号的正常光源也可以通过检测器信号的最优化来操纵。
因而存储于数据区域3的信号与它们的时间相关性一起存储，因此对象图像可想象为三维深度信息的实时显示。
为了生成固定的时间相关性，由可调节时钟4向系统提供时间相关性，从而使得最优化的时间间隔被调节为荧光剂的实际漂白参数。
为了使传感器信号相互关联，将数据存储器3预先存储的数据与数据关联装置5互换，所述传感器信号预先存储为时间相关性的例如笛卡尔坐标的函数fi，j，k(t)，从而使得数据可转化为包含目标深度信息的图像。
为了使图像生成最优化，辐射源至少另外受到重建装置5的影响。因此如果对比度被最优化，例如可通过更高的能量输入提供用于信号生成的主要辐射源1。
为了组织和操作为自适应数据存储器，数据存储器3和数据关联5之间的数据连接是双向的，从而在操作过程中在原位置处学习和最优化。
最后，相关联的和最优化的数据可转化为目标深度的实时图像，显示在显示器或屏幕6上，显示器或屏幕6为系统的一部分或定位于另一位置。
为了传输图像数据，重建装置5通过网络接口7连接。图像数据可传输给位于另一个地方的专家。
这便于通过全球数据和/或电话会议在原位置处实现诊断过程。
本发明产生了一些重要的优势。
本发明大大提高了深层组织荧光标志物的检测限制。
根据本发明的目的，提高了所有深度的分辨率。
另一个优势是本方法几乎没有增加硬件的复杂性，硬件指实现本发明所需的电子部件。

Claims (12)

1、一种对生物目标进行的光学荧光断层摄影方法，其中，所述目标被提供了荧光剂，该荧光剂是可以以限定方式由撞击辐射光漂白的，从而使得生成荧光染料的逐个组织的可控动态漂白效应，并且通过最大荧光响应信号的时间相关测量，将其与深度方向上的实际选择性漂白前端相关联。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像重建以如下方式执行：
a)执行常规的扩散光学断层摄影(DOT)和常规的光学荧光断层摄影，并且计算吸收、荧光和散射系数，
b)计算对象中用于上述漂白的预期光水平，
c)由来自附加光源的光撞击引起限定漂白并计算来自所述光的预期漂白，
d)执行常规DOT并且对这些数据执行荧光断层摄影，
e)利用对一些领域内的减少的荧光的预先了解，重建吸收、荧光和散射系数，
f)重复步骤b直到执行了测量或对数据进行了处理。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态漂白效应由所沉积的撞击辐射能量的变化来控制。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，按一定间隔逐步检测所述响应信号，其中，所述时间间隔是可变的。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，连续检测所述响应信号。
6、如权利要求1-5中至少一个权利要求所述的方法，其特征在于，使用了所沉积的撞击辐射的最少光能量范围内的具有低光稳定性的荧光染料或荧光剂。
7、如权利要求1-6中至少一个权利要求所述的方法，其特征在于，数据存储装置将被自适应地操作。
8、一种光学荧光断层摄影系统，特别用于在测量处理前被提供了荧光剂的活体生物目标，其中，所述目标被辐射源(1)和附加高强度单色光源(10)撞击，并且来自所述目标的主动响应信号被光学检测器检测，并且检测所述响应信号并将其作为时间数据的函数电子地存储在自适应数据存储装置(3)中。
9、如权利要求8所述的光学荧光断层摄影系统，其特征在于，所述系统包括至少在频率和/或功率方面可调节的附加光源(10)。
10、如权利要求8或9所述的光学荧光断层摄影系统，其特征在于，在重建装置内部，通过逐个组织的时间相关漂白效应使所述时间相关响应信号数据相关联，以便在原位置处重建或生成目标在深度方向上的动态三维图像。
11、如权利要求10所述的光学荧光断层摄影系统，其特征在于，所述三维图像数据在屏幕上显示。
12、如权利要求8-11中至少一个权利要求所述的光学荧光断层摄影系统，其特征在于，所述断层摄影系统被提供了电子数据接口，以便在原位置处生成图像或图像序列，并通过数据网络传送到另一个或者此外的专家。
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