CN105797278A - 小动物x射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置及方法 - Google Patents

小动物x射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置及方法，可用于动物模型深部肿瘤的显像及治疗。所述X射线激发荧光显像和XE‑PDT联合装置包括：小型X线源、X线束光器、激光定位器、动物床、药剂注射器、计算机、电子倍增电荷耦合器件相机、铅屏蔽窗。基于本发明的联合装置，与新型X线激发纳米药剂相结合，可在对动物模型深部肿瘤组织进行高效光动力治疗的同时，对动物模型体内肿瘤进行荧光显像，实现体内肿瘤XE‑PDT治疗效果的在体评价，为XE‑PDT在体及临床应用的开展奠定基础。

Description

小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置及方法
技术领域
本发明属于小动物医疗器械技术领域，尤其涉及一种小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置。
背景技术
光动力治疗(Photodynamic Therapy,PDT)癌症的原理为：利用特定波长的激发光照射使组织内的光敏剂受到激发，而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧，生成活性氧特别是活性很强的单态氧，单态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡。与手术、放疗、化疗等治疗癌症的基本手段相比，光动力治疗具有安全、无创、高选择性、副作用小、可重复性和相对低成本等优势，尤其适用于老人、儿童、身体虚弱以及对其它手段具有治疗抵抗性的患者。但是，目前光动力治疗中光敏剂多采用紫外、可见或红外光激发，激发光的穿透深度有限，无法直接到达体内深部组织，多用于体表或浅组织区域的恶性肿瘤、食管癌、胃肠道肿瘤、口腔肿瘤等的治疗；另一方面，激发光波长与光敏剂吸收峰波长不完全匹配，极大地影响单态氧的产生率和治疗效果。为解决PDT治疗深度问题，有学者采用X射线作为激发光源，激发新型纳米材料发光，二次激发光敏剂通过能量转换产生单态氧，从而杀死肿瘤细胞，称为X线激发光动力治疗(x-ray excited PDT,XE-PDT)。XE-PDT中X射线穿透性强，通过特定的能量调制可到达生物体任何部位，为深部肿瘤的治疗提供有效解决方案。不仅如此，XE-PDT中X射线的方向和强度较易控制，可用于肿瘤局部治疗，减少周围健康组织伤害。同时，为了提高XE-PDT中单态氧的产生效率，各种新型的X线激发纳米药剂被提出，包括由纳米荧光介质和光敏剂耦合的新型XE-PDT纳米药剂及可被X射线直接激发的XE-PDT纳米药剂。其中前者通过X射线激发纳米荧光介质产生次级荧光，次级荧光再激发光敏剂产生单态氧；后者直接被X射线激发产生单态氧。
但目前，以上新技术还处于初步研究阶段，难以用于在体及临床研究。这是因为，一方面，目前还没有专门用于临床前研究的XE-PDT装置，限制了其进一步发展；另一方面，XE-PDT技术对肿瘤的治疗效果目前主要是通过体外细胞实验或者杀死动物取出肿瘤后直接测量来评价，缺少一种有效的可长期纵向研究的在体评价手段和装置。近年来，随着纳米荧光介质的发展，X线激发荧光成像(x-ray Luminescence Imaging,XLI)和断层成像(x-ray Luminescence ComputedTomography,XLCT)被用于体内肿瘤位置的标记、跟踪和肿瘤大小的判断。其成像原理同样是借助X射线激发体内的纳米荧光介质，产生低能近红外光或可见光，经光学探测器接收后进行荧光显像，用于评价肿瘤位置大小和变化。若能将XLI/XLCT用于XE-PDT疗效的在体观测与评价，将会极大促进XE-PDT纳米药剂和XE-PDT的发展及临床应用。虽然X射线有很好的穿透性，可到达组织内部，但目前的XLI或XLCT成像技术多是利用X射线激发出近红外或可见光，一方面这些光在进行光动力治疗时会被光敏剂大量吸收，难以用于定量荧光显像；另一方面，该波段光的组织吸收和散射严重，难以用于深部肿瘤及组织的在体成像。查到与XLI和XLCT成像相关的专利有CN103110425A，CN 103876770A和CN104939858A，三者均处于公布期，偏重成像装置和成像模态，没有涉及XE-PDT治疗评价以及深部成像方面的内容，亦未见两者联合的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置及方法，旨在为深部肿瘤的PDT治疗及分子影像评价提供有效手段，为XE-PDT在体及临床应用的开展奠定基础。
本发明是这样实现的，一种小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，所述小动物X射线荧光显像和XE-PDT联合装置包括：
荧光显像模块，用于对置入动物模型内的X线激发纳米药剂进行显像，给出纳米药剂在动物模型内的分布、尺寸和浓度信息；
XE-PDT治疗模块，用于对动物模型内的肿瘤细胞进行治疗；
定位模块，用于定位动物模型需要显像和治疗的部位；
控制和显示模块，用于控制荧光显像模块、XE-PDT治疗模块、定位模块的正常工作；
控制和显示模块控制定位模块，将动物模型的需要显像和治疗的部位置于显像装置和XE-PDT装置中心，然后XE-PDT治疗模块的作用下进行肿瘤治疗，同时在荧光显像模块的作用下进行纳米药剂的荧光显像。
进一步，所述荧光显像模块包括：
X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射动物模型的感兴趣区域；
药剂注射器，用于将X线激发纳米药剂注入动物模型内，纳米药剂由紫外波段具有较强吸收的光敏剂和光产生额高的稀土卤化物(如LaBr3：Ce3+)进行生物耦合而成，纳米药剂具有靶向性，纳米药剂的分布反映了动物模型内的肿瘤细胞的分布；
EMCCD相机，位于X线源和动物床中心连线的垂直方向，用于接收X射线激发的包含短波红外谱段的荧光信号；
铅屏蔽窗，位于EMCCD相机接收平面前端；用于保护EMCCD相机避免受到X射线的照射；
X线源发出的X射线经X线束光器限束后，激发动物模型内的纳米药剂，纳米药剂发出包含短波红外波段的荧光信号，荧光信号穿过动物模型深部组织后被EMCCD相机接收，通过显示模块对动物模型进行荧光显像。
进一步，所述XE-PDT治疗模块包括：
X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；
药剂注射器，用于将X线激发纳米药剂注入小动物体内，纳米药剂由紫外波段具有较强吸收的光敏剂和光产生额高的稀土卤化物LaBr3：Ce3+进行生物耦合而成，纳米药剂具有靶向性，纳米药剂的分布反映了动物模型内的肿瘤细胞的分布；
X线源发出的X射线经X线束光器限束后，激发动物模型内的纳米药剂，使得纳米药剂中的稀土卤化物发出紫外谱段荧光，二次激发纳米药剂中的光敏剂高效产生单态氧，杀死肿瘤细胞，进行XE-PDT治疗。
进一步，所述定位模块包括：
激光定位器，位于X线源同侧，用于发出视觉可见的红色十字交叉点用来定位X射线照射视野的中心；
动物床，用于放置动物模型，将动物模型水平置于动物床上；动物床沿x、y、z三个方向平移，将动物模型的肿瘤部位置于照射视野和EMCCD接收视野的中心区域；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；
在荧光显像和XE-PDT治疗前，通过控制模块控制定位模块，将动物模型移置显像装置和XE-PDT装置中心；首先控制激光定位器打出十字交叉点的标记，然后移动动物床使动物模型需要显像和治疗的部位中心置于十字交叉点位置，并使得动物模型需要显像和治疗的部位置于EMCCD接收视野中心；最后调整X线束光器的开口大小，将X线源的二维照射视野正好覆盖住动物模型需要显像和治疗的部位。
进一步，所述控制和显示模块进一步包括：
控制单元，由计算机主机、显示器、X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机和控制软件组成；计算机，为联合装置的控制和显示中心，X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机的控制线均连于计算机，通过计算机控制操作；X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机的控制线，用于控制信号的传输；X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；激光定位器，位于X线源同侧，用于发出视觉可见的红色十字交叉点用来定位X射线照射视野的中心；EMCCD相机，位于X线源和动物床中心连线的垂直方向，用于接收X射线激发的包含短波红外谱段的荧光信号；动物床，用于放置动物模型，将动物模型置于水平床上；动物床沿x、y、z三个方向平移，从而将动物模型的肿瘤部位置于照射视野和EMCCD接收视野的中心区域；
显示单元，由计算机主机、显示器和显示软件组成，用来显示控制软件、显示软件和荧光显像结果；
控制单元通过计算机上的控制软件，经X线源的控制线向X线源发出打开和关闭信号，控制X线源的射线发出和关闭；经X线束光器的控制线向X线束光器传送位移信号，控制照射视野的大小；经动物床的控制线向动物床传送位移信号，控制动物床的移动和定位；经激光定位器的控制线向激光定位器传送打开关闭信号，控制激光定位器的红色十字交叉信号的打开和关闭；经EMCCD相机的控制线向EMCCD相机传送荧光信号采集信号。
本发明还提供一种利用如上述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置的构建动物模型的方法，所述使用方法包括：
利用药剂注射器将X线激发纳米药剂注入动物模型体内，并将动物模型水平置于动物床上，令动物模型腹部或者背部向上，头部向EMCCD方向；
调整动物床使得激光定位器的十字交叉信号置于动物模型中心或感兴趣区中心；调整X线束光器的开口大小将照射视野覆盖整个动物模型或者感兴趣区；
在关闭X线源状态下，打开外界光源，利用EMCCD相机采集一幅动物模型的白光图像；
打开X线源，设定电压、电流、积分时间进行XE-PDT治疗的同时，利用EMCCD进行X射线激发荧光图像的实时动态采集；
关闭X线源，对动物模型的白光图像和X射线激发荧光图像进行图像融合；
对融合图像进行分析，确定肿瘤尺寸、肿瘤位置信息。
进一步，所述小型X线源发出X射线的最高能量不小于150keV；EMCCD相机选择可探测包含短波红外光在内的光谱相机，采集帧频不小于1fps。
进一步，所述荧光纳米药剂由稀土掺杂的纳米发光材料及光敏剂耦合而成，被X射线激发，同时发射与光敏剂吸收光谱相匹配的紫外光谱和短波红外光，分别用于光动力治疗和荧光显像。
本发明提供的小动物X射线激发荧光显像和XE-PDT联合装置及方法，借助该装置和新型的X线激发纳米药剂，可对小动物深部肿瘤组织进行高效的光动力学治疗并对小动物体内肿瘤进行荧光显像，可用于体内深部肿瘤定位和XE-PDT的疗效在体评价。同时，所述小动物X射线激发荧光显像和XE-PDT联合装置及方法也可单独用于X射线激发荧光显像或X线激发光动力治疗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置结构示意图；
图中：1、小型X线源；2、X线束光器；3、激光定位器；4、动物床；5、药剂注射器；6、计算机；7、EMCCD相机；8、铅屏蔽窗。
图2是本发明实施例提供的X射线激发荧光显像和XE-PDT同时治疗流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对现有PDT治疗深度有限和XE-PDT临床应用的不足，借助新型的X线激发纳米药剂，提供了一种新型的可用于小动物深部肿瘤组织高效治疗的XE-PDT和同时显像装置及方法，可满足小动物体内肿瘤的定位、XE-PDT治疗和治疗效果评估需要。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置包括：小型X线源1、X线束光器2、激光定位器3、动物床4、药剂注射器5、计算机6、EMCCD相机7以及铅屏蔽窗8.
小型X线源1可通过立柱固定于整个装置所在的底板上，其X射线出射口朝向负z方向，用于接收X射线激发荧光的EMCCD相机7位于X线源1和动物床4连线的垂直方向(正x方向)，铅屏蔽窗8位于EMCCD相机接收平面前端。小型X线源可发出最高能量为150keV的X射线。EMCCD相机选择可探测包含短波红外光在内的光谱相机，采集帧频不小于1fps。
X线束光器2紧挨X线源的出射口，其可沿x,y两个方向伸缩以调整束光器的出口大小；激光定位器3位于X线源1同侧，发出视觉可见的红色十字交叉点用来定位X射线照射视野的中心；动物床4位于X线源出口方向(负z方向)，其通过滑轨可沿x,y,z三个方向平移，做小动物实验时需将动物平放于动物床上，用药剂注射器5将所需药剂注入小动物体内；小型X线源1、X线束光器2、激光定位器3、动物床4、EMCCD相机7均与计算机6相连，被计算机6所控制。
参考图2，利用XE-PDT治疗系统和X射线激发荧光显像系统，对小动物进行肿瘤XE-PDT治疗和同时显像时，步骤如下：
利用药剂注射器5将可同时进行荧光显像和XE-PDT治疗的X线激发纳米药剂注入麻醉后的小动物体内，并将小动物水平置于动物床4上。令小动物腹部或者背部向上(正y方向)，头部向EMCCD方向(正x方向)，以便于X线束光器控制感兴趣区域。X线激发纳米药剂选择LaBr3:Ce3+-porphyrin；
调整动物床4使得激光定位器3的十字交叉信号置于小动物身体中心；调整X线束光器2的开口大小将射束视野覆盖整个小动物；
在关闭X线源状态下，打开外界光源，利用EMCCD相机7采集一幅小动物白光图像；
打开X线源1，设定电压150kV、电流12mA进行XE-PDT治疗，设定CCD相机积分时间1000ms进行X射线激发荧光图像的实时动态采集；
关闭X线源1，对小动物白光图像和X射线激发荧光图像进行图像融合；
对融合图像进行分析，确定肿瘤尺寸、肿瘤位置、纳米药剂分布和肿瘤的在体变化情况。
以上实例中利用小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，在X射线照射下同时对小动物进行荧光显像和XE-PDT治疗，可充分利用X射线的强度，不仅满足了XE-PDT治疗的需要，最重要的是荧光显像可以在体观察小鼠体内肿瘤位置和大小，为XE-PDT治疗疗效提供了一种有效的在体评价手段。而具备X射线荧光显像和光动力治疗这样双功能的联合装置目前是没有的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，其特征在于，所述小动物X射线荧光显像和XE-PDT联合装置包括：
荧光显像模块，用于对置入动物模型内的X线激发纳米药剂进行显像，给出纳米药剂在动物模型内的分布、尺寸和浓度信息；
XE-PDT治疗模块，用于对动物模型内的肿瘤细胞进行治疗；
定位模块，用于定位动物模型需要显像和治疗的部位；
控制和显示模块，用于控制荧光显像模块、XE-PDT治疗模块、定位模块的正常工作；
控制和显示模块控制定位模块，将动物模型的需要显像和治疗的部位置于显像装置和XE-PDT装置中心，然后XE-PDT治疗模块的作用下进行肿瘤治疗，同时在荧光显像模块的作用下进行纳米药剂的荧光显像。
2.如权利要求1所述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，其特征在于，所述荧光显像模块包括：
X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射动物模型的感兴趣区域；
药剂注射器，用于将X线激发纳米药剂注入动物模型内，纳米药剂由吸收紫外波段的光敏剂和稀土卤化物进行生物耦合而成，纳米药剂具有靶向性，纳米药剂的分布反映了动物模型内的肿瘤细胞的分布；
EMCCD相机，位于X线源和动物床中心连线的垂直方向，用于接收X射线激发的包含短波红外谱段的荧光信号；
铅屏蔽窗，位于EMCCD相机接收平面前端；用于保护EMCCD相机避免受到X射线的照射；
X线源发出的X射线经X线束光器限束后，激发动物模型内的纳米药剂，纳米药剂发出包含短波红外波段的荧光信号，荧光信号穿过动物模型深部组织后被EMCCD相机接收，通过显示模块对动物模型进行荧光显像。
3.如权利要求1所述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，其特征在于，所述XE-PDT治疗模块包括：
X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；
药剂注射器，用于将X线激发纳米药剂注入小动物体内，纳米药剂由吸收紫外波段的光敏剂和光产生额高的稀土卤化物进行生物耦合而成，纳米药剂具有靶向性，纳米药剂的分布反映了动物模型内的肿瘤细胞的分布；
X线源发出的X射线经X线束光器限束后，激发动物模型内的纳米药剂，使得纳米药剂中的稀土卤化物发出紫外谱段荧光，二次激发纳米药剂中的光敏剂高效产生单态氧，杀死肿瘤细胞，进行XE-PDT治疗。
4.如权利要求1所述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，其特征在于，所述定位模块包括：
激光定位器，位于X线源同侧，用于发出视觉可见的红色十字交叉点用来定位X射线照射视野的中心；
动物床，用于放置动物模型，将动物模型水平置于动物床上；动物床沿x、y、z三个方向平移，将动物模型的肿瘤部位置于照射视野和EMCCD接收视野的中心区域；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；
在荧光显像和XE-PDT治疗前，通过控制模块控制定位模块，将动物模型移置显像装置和XE-PDT装置中心；首先控制激光定位器打出十字交叉点的标记，然后移动动物床使动物模型需要显像和治疗的部位中心置于十字交叉点位置，并使得动物模型需要显像和治疗的部位置于EMCCD接收视野中心；最后调整X线束光器的开口大小，将X线源的二维照射视野正好覆盖住动物模型需要显像和治疗的部位。
5.如权利要求1所述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置，其特征在于，所述控制和显示模块进一步包括：
控制单元，由计算机主机、显示器、X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机和控制软件组成；计算机，为联合装置的控制和显示中心，X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机的控制线均连于计算机，通过计算机控制操作；X线源、X线束光器、动物床、激光定位器、EMCCD相机的控制线，用于控制信号的传输；X线源，通过立柱固定于底板上，用于产生荧光显像和光动力治疗用的X射线，最高能量不小于150keV；
X线束光器，用于将X射线限束，通过两个维度的调节控制X射线的方向和角度，形成二维照射视野，照射物体对象的感兴趣区域；激光定位器，位于X线源同侧，用于发出视觉可见的红色十字交叉点用来定位X射线照射视野的中心；EMCCD相机，位于X线源和动物床中心连线的垂直方向，用于接收X射线激发的包含短波红外谱段的荧光信号；动物床，用于放置动物模型，将动物模型置于水平床上；动物床沿x、y、z三个方向平移，从而将动物模型的肿瘤部位置于照射视野和EMCCD接收视野的中心区域；
显示单元，由计算机主机、显示器和显示软件组成，用来显示控制软件、显示软件和荧光显像结果；
控制单元通过计算机上的控制软件，经X线源的控制线向X线源发出打开和关闭信号，控制X线源的射线发出和关闭；经X线束光器的控制线向X线束光器传送位移信号，控制照射视野的大小；经动物床的控制线向动物床传送位移信号，控制动物床的移动和定位；经激光定位器的控制线向激光定位器传送打开关闭信号，控制激光定位器的红色十字交叉信号的打开和关闭；经EMCCD相机的控制线向EMCCD相机传送荧光信号采集信号。
6.一种利用如权利要求1所述的小动物X射线激发荧光显像和光动力治疗联合装置的构建动物模型的方法，其特征在于，所述使用方法包括：
利用药剂注射器将X线激发纳米药剂注入动物模型体内，并将动物模型水平置于动物床上，令动物模型腹部或者背部向上，头部向EMCCD方向；
调整动物床使得激光定位器的十字交叉信号置于动物模型中心或感兴趣区中心；调整X线束光器的开口大小将照射视野覆盖整个动物模型或者感兴趣区；
在关闭X线源状态下，打开外界光源，利用EMCCD相机采集一幅动物模型的白光图像；
打开X线源，设定电压、电流、积分时间进行XE-PDT治疗的同时，利用EMCCD进行X射线激发荧光图像的实时动态采集；
关闭X线源，对动物模型的白光图像和X射线激发荧光图像进行图像融合；
对融合图像进行分析，确定肿瘤尺寸、肿瘤位置信息。
7.如权利要求6所述的构建动物模型的方法，其特征在于，所述小型X线源发出X射线的最高能量不小于150keV；EMCCD相机选择可探测包含短波红外光在内的光谱相机，采集帧频不小于1fps。
8.如权利要求6所述的构建动物模型的方法，其特征在于，所述荧光纳米药剂由稀土掺杂的纳米发光材料及光敏剂耦合而成，被X射线激发，同时发射与光敏剂吸收光谱相匹配的紫外光谱和短波红外光，分别用于光动力治疗和荧光显像。
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