CN109645958A - 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法 - Google Patents

用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109645958A
CN109645958A CN201910008395.2A CN201910008395A CN109645958A CN 109645958 A CN109645958 A CN 109645958A CN 201910008395 A CN201910008395 A CN 201910008395A CN 109645958 A CN109645958 A CN 109645958A
Authority
CN
China
Prior art keywords
image
mode optical
optical
light
photosensitizer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910008395.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109645958B (zh
Inventor
李步洪
沈毅
林慧韫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujian Normal University
Original Assignee
Fujian Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujian Normal University filed Critical Fujian Normal University
Priority to CN201910008395.2A priority Critical patent/CN109645958B/zh
Publication of CN109645958A publication Critical patent/CN109645958A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109645958B publication Critical patent/CN109645958B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/0035—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for acquisition of images from more than one imaging mode, e.g. combining MRI and optical tomography
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0062—Arrangements for scanning
    • A61B5/0064—Body surface scanning
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于定量监测V‑PDT剂量的多模光学成像系统和方法。本发明采用1O2发光成像技术和1O2荧光探针技术相结合的多模光学成像方法：利用凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生的物理化学反应，实现1O2生成和1O2剂量的间接荧光测量；利用1O2发光实现1O2剂量的直接测量；最终基于1O2发光和标记分子供体荧光双参量定量评估1O2产量。另外，本发明采用多二向色镜‑多面阵相机相结合的光学系统结构，能够同步实时监测光敏剂受体荧光、标记分子供体荧光以及1O2发光的动态生成过程。本发明不仅可提高1O2产量定量评估的精确度和灵敏度，而且能够建立光敏剂‑1O2‑血管损伤之间的量效关系。

Description

用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统和方法
技术领域
本发明属于多模光学成像领域，具体涉及一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统和方法。
技术背景
血管靶向光动力疗法(Vascular Targeted Photodynamic Therapy,V-PDT)作为PDT一个重要应用领域，其临床治疗病种主要包括恶性肿瘤(包括：膀胱癌、前列腺肿瘤等)，以及良性血管性疾病(包括：老年性眼底黄斑变性(Age-related macular degeneration,AMD)，鲜红斑痣(Port wine stain,PWS)和消化道黏膜血管性疾病等)。
根据治疗时血管是否具有主动摄取光敏剂分子的能力，V-PDT作用机制可分为主动血管靶向与被动血管靶向作用机制。目前，临床V-PDT治疗主要为被动靶向作用机制，并已作为精准治疗血管性疾病的首选方法。其特点是在患者静脉注射给药后，光敏剂在血管内达到合适浓度潴留时对其进行激光辐照，此时血管内的光敏剂在光敏化过程中产生单线态氧(Singlet Oxygen，1O2)等活性氧物质，进而造成血管损伤。V-PDT血管损伤过程中会产生、释放、聚集或激活凝血酶，导致血凝、血栓和血管封闭等，引起病灶供氧和运养不足，最终导致细胞死亡和组织坏死。因此，V-PDT可通过激光辐照和光敏剂进行病灶血管的双重性选择，且当激光辐照剂量确定后，光敏剂在血管中的潴留浓度，将直接决定血管中1O2的产量，进而影响V-PDT疗效。
随着V-PDT临床治疗病种的拓展和基础研究的深入，如何针对不同适应证(皮肤血管疾病、粘膜血管疾病等)的特点，研究增强V-PDT效应(精度、强度和深度)的调控方法是V-PDT面临的核心难题。首先，V-PDT作用精度取决于靶血管与周围正常组织内1O2产量的差异，而光敏剂的空间分布是影响1O2产量空间分布的关键因素之一。照光前，需根据光敏剂的药代规律、调整给药-照光时间间隔，促使光敏剂在靶血管内外形成最大的浓度差。照光过程中，光与光敏剂在靶组织内不同位点的复杂相互作用又会进一步动态影响光敏剂在靶血管内外的浓度差。如，照光强度、波长等光照参数会影响靶血管内光敏剂的动态消耗；光敏剂的光漂白速率、扩散速率等会影响光敏剂在周围正常组织内的消耗与补充。其次，V-PDT作用强度取决于光敏剂的单线态氧量子产率、光敏剂在激发波长处的摩尔消光系数、组织内的光强、光敏剂含量及氧含量水平。最后，V-PDT作用深度主要取决于光照参数和病变组织的光学特性。调整激光波长或在不造成热损伤的光强范围内增加照射强度可以提高光的穿透深度，但同时会影响V-PDT作用强度和光敏剂的光漂白速度。因此，增强V-PDT效应的关键在于：如何精确量化V-PDT剂量(光敏剂浓度、1O2产量等)，实时监测V-PDT效应，准确判定病变靶血管特性，合理调控V-PDT参数等。
传统PDT剂量研究方面，其主要方法有：(1)显式剂量法：该方法通过直接测量潴留在靶组织中的光敏剂浓度，光通量密度和组织氧分压，并借助一定的数学模型推算出治疗所需剂量。在这种剂量法中，虽然测量光通量密度、光敏剂浓度和氧分压的技术比较简单，且技术也日趋成熟，但由于光敏剂、光和氧分子，以及组织光学特性之间的复杂相互影响关系，尚无法通过对其中某个剂量的单独测量来定量评估PDT剂量和预测疗效。(2)隐式剂量法：通过检测光敏剂的光漂白特性来间接评估所产生的1O2量，即PDT对靶组织的光动力作用剂量。但在没有1O2介导的缺氧条件下，光敏剂也会产生光漂白，此时该方法不再有效。(3)生物学剂量法：利用非光学技术和光学技术监测PDT前后组织的光生物学响应，该方法既可以在线实时检测，也能完成愈后疗效评估。但对于实时监测，检测结果往往只能反映PDT过程中的瞬时变化，而难以根据这些变化定量预测PDT的最终疗效。与此同时，还有可能无法检测出组织所发生的许多潜在生物学响应。(4)直接剂量法：直接剂量法通过测量具有细胞毒性的1O2，特别是1O2在1270nm的辐射发光来评估PDT的疗效。这种方法的最大优点在于可以克服其他剂量学方法中光、光敏剂、氧分子，以及组织特性等因素之间的相互复杂影响关系，将PDT的疗效与1O2的产量直接联系起来。然而受限于1O2发光机率极为微弱(～10-8)，生物组织中1O2寿命短(<1μs)，近红外检测器件的量子探测效率低等原因，直接计量法在PDT剂量监测中面临1O2发光信号探测灵敏度低的限制。
因而，鉴于现有各种PDT剂量研究方法的优点和局限性，利用多模光学成像技术建立综合剂量监测、定量评估和调控的技术平台已成为精确量化V-PDT剂量的必然方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统和方法。
一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统，该系统包括多模光学激光辐照模块、第二平面反射镜、待测样品、第三平面反射镜、多模光学成像模块、图像处理系统和信号控制器。从多模光学激光辐照模块出射的混合激光辐照光，经过第二平面反射镜反射后斜入射进待测样品；待测样品血管中的凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，产生的1O2发光、光敏剂受体荧光和标记分子供体荧光经过第三平面反射镜反射后进入多模光学成像模块；多模光学成像模块采集得到的1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像通过图像采集信号线传入图像处理系统进行后续图像算法处理。此外，为了有效控制多模光学激光辐照模块辐照光和多模光学成像模块中相机图像采集之间的辐照-采集间隔，图像处理系统通过控制信号线连接信号控制器、多模光学辐照模块中的第一光快门和第二光快门、多模光学成像模块中的近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机。
所述多模光学激光辐照模块包括:第一激光器、第二激光器、第一光快门、第二光快门、第一可变中性密度滤光片、第二可变中性密度滤光片、第一平面反射镜、第一二向色镜、第一消色差透镜、针孔、第二消色差透镜；第一激光器发射的光敏剂受体激发辐照光经过第一光快门、第一可变中性密度滤光片后，得到的第一光束穿过第一二向色镜；第二激光器发射的标记分子供体激发辐照光经过第二光快门、第二可变中性密度滤光片、第一平面反射镜后，得到的第二光束通过第一二向色镜反射后的光与第一光束穿过第一二向色镜的光重合，并经由第一消色差透镜、针孔以及第二消色差透镜组成的空间滤波扩束系统后，从多模光学激光辐照模块中扩束射出混合激光辐照光。
所述多模光学成像模块包括：第二二向色镜、第三二向色镜、带滤光片的近红外透镜组、近红外面阵相机、第一带滤光片的可见光光学透镜组、第一可见光面阵相机、第二带滤光片的可见光光学透镜组、第二可见光面阵相机；待测样品血管中的1O2发的光经由第二二向色镜反射后，通过带滤光片的近红外透镜组聚焦成像于近红外面阵相机的靶面上；待测样品血管中的光敏剂受体荧光透过第二二向色镜、第三二向色镜后，通过第二带滤光片的可见光光学透镜组聚焦成像于第二可见光面阵相机的靶面上；待测样品血管中的标记分子供体荧光透过第二二向色镜后，由第三二向色镜反射再通过第一带滤光片的可见光光学透镜组聚焦成像于第一可见光面阵相机的靶面上；近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机各自经过最优的曝光时间后把光信号转换为电信号，并经由图像采集信号线传输进入图像处理系统进行后续的图像算法处理。
一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：进行激光辐照-图像采集控制,图像处理系统通过控制信号线连接信号控制器、多模光学辐照模块中的第一光快门和第二光快门、多模光学成像模块中的近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机；并利用具有特定时间间隔的TTL信号触发第一光快门和第二光快门的开光，以及触发近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机的图像采集。从而有效控制多模光学激光辐照模块辐照光和多模光学成像模块中相机图像采集时间的辐照-采集间隔，
步骤二：待测样品血管中的凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，可实现1O2生成和1O2剂量的间接荧光测量。
(1)无1O2存在的条件下，凝血酶可激活信标中标记分子供体经多模光学辐照模块中供体激光的辐照后，通过荧光共振能量转移诱发光敏剂受体产生受体荧光信号，从而能够定量光敏剂的剂量空间分布。
(2)凝血酶可激活信标中光敏剂受体经Ⅱ型PDT反应(多模光学辐照模块中受体激光辐照)产生1O2，且部分1O2能够通过辐射的形式跃迁回到基态并辐射出1270nm的近红外发光，从而能够对1O2剂量实现直接定量。
(3)1O2对血管造成损伤，血液中的凝血素将被转化为凝血酶，并切断凝血酶可激活信标中光敏剂受体和标记分子供体之间的链接，此时标记分子供体受多模光学辐照模块中供体激光的辐照产生供体荧光信号，从而能够对1O2剂量实现间接定量。
步骤三：进行图像算法处理，通过多模光学成像模块将同时获得1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像。整个图像算法主要分为两个部分：
(1)由于荧光成像的信号灵敏度远远高于1O2发光成像，因此基于供体荧光和受体荧光图像进行待测样品中血管位置的分割提取。
(2)由于通常选用的近红外面阵相机和可见光面阵相机的像素以及靶面大小不同，需要实现1O2发光成像图与荧光图像(包括：供体荧光图和受体荧光图)的精确图像配准。从而在待测样品血管位置处能够基于1O2发光和供体荧光双参量定量评估1O2产量，同时也能够基于受体荧光定量光敏剂的浓度。进而评估待测样品的V-PDT剂量。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1.相比于直接剂量法和隐式剂量法，本发明采用了基于1O2发光成像技术和1O2荧光探针技术相结合的多模光学成像方法，因而可基于1O2发光和标记分子供体荧光双参量来定量1O2产量，提高1O2产量定量的精确度和灵敏度。
2.相比于显示剂量法和生物学剂量法，本发明可同时监测光敏剂浓度、1O2产量和标记分子供体荧光的空间定量分布，从而有效建立光敏剂
-1O2-血管损伤之间的量效关系。
3.相比于传统滤光轮-滤光片实现不同波段光谱成像的方式，本发明利用多二向色镜-多面阵相机相结合的光学系统结构，能够同步实时监测光敏剂受体荧光、标记分子供体荧光以及1O2发光的动态生成过程。
附图说明
图1是本发明的定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统示意图；
图2是本发明的控制器信号逻辑示意图；
图3是本发明的定量监测V-PDT剂量的图像采集过程示意图；
图4是本发明的定量监测V-PDT剂量的图像处理算法示意图；
图1中：1、第一激光器，2、第二激光器，3、第一光快门，4、第二光快门，5、第一可变中性密度滤光片，6、第二可变中性密度滤光片，7、第一平面反射镜，8、第一二向色镜，9、第一消色差透镜，10、针孔，11、第二消色差透镜，12、第二平面反射镜，13、待测样品，14、第三平面反射镜，15、第二二向色镜，16、第三二向色镜，17、带滤光片的近红外透镜组，18、近红外面阵相机，19、第一带滤光片的可见光光学透镜组，20、第一可见光面阵相机，21、第二带滤光片的可见光光学透镜组，22、第二可见光面阵相机，23、多模光学激光辐照模块，24、多模光学成像模块，25、图像处理系统，26、信号控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统，该系统包括多模光学激光辐照模块23、第二平面反射镜12、待测样品13、第三平面反射镜14、多模光学成像模块24、图像处理系统25和信号控制器26。从多模光学激光辐照模块23出射的混合激光辐照光，经过第二平面反射镜12反射后斜入射进待测样品13；待测样品血管中的凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，产生的1O2发光、光敏剂受体荧光和标记分子供体荧光经过第三平面反射镜13反射后进入多模光学成像模块24；多模光学成像模块24采集得到的1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像通过图像采集信号线传入图像处理系统25进行后续图像算法处理。此外，为了有效控制多模光学激光辐照模块23辐照光和多模光学成像模块24中相机图像采集之间的辐照-采集间隔，图像处理系统25通过控制信号线连接信号控制器26、多模光学辐照模块23中的第一光快门3和第二光快门4、多模光学成像模块24中的近红外面阵相机18、第一可见光面阵相机20和第二可见光面阵相机22。
所述多模光学激光辐照模块23包括：第一激光器1、第二激光器2、第一光快门3、第二光快门4、第一可变中性密度滤光片5、第二可变中性密度滤光片6、第一平面反射镜7、第一二向色镜8、第一消色差透镜9、针孔10、第二消色差透镜11。第一激光器1发射的光敏剂受体激发辐照光经过第一光快门3、第一可变中性密度滤光片5后，得到的第一光束穿过第一二向色镜后8；第二激光器2发射的标记分子供体激发辐照光经过第二光光快门4、第二可变中性密度滤光片6、第一平面反射镜7后，得到的第二光束通过第一二向色镜8后反射后的光与第一光束穿过第一二向色镜的光重合，并经由第一消色差透镜9、针孔10以及第二消色差透镜11组成的空间滤波扩束系统后从多模光学激光辐照模块23中扩束射出混合激光辐照光。
所述多模光学成像模块24包括：第二二向色镜15、第三二向色镜16、带滤光片的近红外透镜组17、近红外面阵相机18、第一带滤光片的可见光光学透镜组19、第一可见光面阵相机20、第二带滤光片的可见光光学透镜组21、第二可见光面阵相机22。待测样品13血管中的1O2发的光经由第二二向色镜15反射后，通过带滤光片的近红外透镜组17聚焦成像于近红外面阵相机18的靶面上；待测样品13血管中的光敏剂受体荧光透过第二二向色镜15、第三二向色镜16后，通过第二带滤光片的可见光光学透镜组21聚焦成像于第二可见光面阵相机22的靶面上；待测样品13血管中的标记分子供体荧光透过第二二向色镜15后，由第三二向色镜16反射再通过第一带滤光片的可见光光学透镜组19聚焦成像于第一可见光面阵相机
20的靶面上。近红外面阵相机18、第一可见光面阵相机20和第二可见光面阵相机22各自经过最优的曝光时间后把光信号转换为电信号，并经由图像采集信号线传输进入图像处理系统25进行后续的图像算法处理。
一种用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：进行激光辐照-图像采集控制,如图1所示图像处理系统25通过控制信号线连接信号控制器26、多模光学辐照模块23中的第一光快门3和第二光快门4、多模光学成像模块中的近红外面阵相机18、第一可见光面阵相机20和第二可见光面阵相机22；并利用具有特定时间间隔的TTL信号触发第一光快门3和第二光快门4的开光，以及触发近红外面阵相机18、第一可见光面阵相机20和第二可见光面阵相机22的图像采集。从而有效控制多模光学激光辐照模块23辐照光和多模光学成像模块24中相机图像采集时间的辐照-采集间隔。如图2所示，总共有5个通道的TTL触发信号：首先，通道1和通道2分别为第一光快门和第二光快门的TTL触发信号，光快门分别在TTL触发信号高电平时处于开启状态，低电平时处于关闭状态，通过调节TTL高低电平的时间控制待测样品的辐照和闭光时间分别为t1和t2，并且两个光快门的开关时间通过零时延的TTL信号实现同步；其次，通道3、通道4和通道5分别为多模光学成像模块24中近红外面阵相机18、第一可见光面阵相机20和第二可见光面阵相机22的TTL触发信号，相机在TTL信号从高电平切换为低电平的时候响应曝光，记录图像数据后响应下次触发。因此能够通过控制相机曝光时间和TTL信号的触发频率实现光快门开启时间内n次的图像曝光采集。另外，由于光快门的开启需要一定的响应时间，因此相机的TTL触发信号和光快门的TTL触发信号之间将有个t3的时延。
步骤二：待测样品血管中的凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，可实现1O2生成和1O2剂量的间接荧光测量。
(1)如图3A所示，无1O2存在的条件下，凝血酶可激活信标中标记分子供体经多模光学辐照模块23中供体激光λ2(第二激光器2发射的激光)的辐照后，通过荧光共振能量转移诱发光敏剂受体产生受体荧光信号，从而能够定量光敏剂的剂量空间分布。
(2)如图3B所示，凝血酶可激活信标中光敏剂受体经多模光学辐照模块23中受体激光λ1(第一激光器1发射的激光)辐照产生1O2，，且部分1O2能够通过辐射的形式跃迁回到基态并辐射出1270nm的近红外发光，从而能够对1O2剂量实现直接定量。
(3)如图3B和3C所示，1O2对血管造成损伤，血液中的凝血素将被转化为凝血酶，并切断凝血酶可激活信标中光敏剂受体和标记分子供体之间的链接，此时标记分子供体受多模光学辐照模块23中供体激光λ2的辐照产生供体荧光信号，从而能够对1O2剂量实现间接定量。
如图3中受体荧光图、1O2发光成像图、供体荧光图所示，可选用相同靶面大小同型号可见光面阵相机，实现受体荧光和供体荧光的同步成像。因而受体荧光图和供体荧光图能够实现物理意义上的图像配准。相对应地，可见光面阵相机和近红外面阵相机通常靶面大小和像素尺寸等无法完全一致，因此需要通过步骤三进行图像配准。
步骤三：进行图像算法处理，通过多模光学成像模块24将同时获得1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像，并经过图像数据预处理提升信噪比，所获图像分别为I1(i,j)、I2(m,n)以及I3(m,n)。如图4所示；
(1)图像数据预处理后的1O2发光图像I1(i,j)和光敏剂受体荧光图像I2(m,n)再经过特征提取、特征匹配、变换模型估计、坐标变换与插值等算法步骤实现荧光图像和1O2发光图像之间的精确图像配准。进而选取与1O2发光图像相同的感兴趣成像区域，将光敏剂受体荧光图像I2(m,n)和标记分子供体荧光图像I3(m,n)分别转换为I′2(i,j)和I′3(i,j)。
(2)通常荧光成像的信号灵敏度远远高于1O2发光成像，因而基于光敏剂受体荧光图像I′2(i,j)和标记分子供体荧光图像I′3(i,j)进行待测样品中血管位置的分割提取，记录血管位置为(x,y)。
(3)分别提取1O2发光成像和标记分子供体荧光图像血管位置处的强度值I1(x,y)和I′3(x,y)，并基于两个强度值定量评估1O2的产量。基于光敏剂受体荧光图像血管位置处的强度值I′2(x,y)定量光敏剂浓度。最终评估待测样品的V-PDT剂量。

Claims (7)

1.用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统，该系统包括多模光学激光辐照模块、第二平面反射镜、待测样品、第三平面反射镜、多模光学成像模块、图像处理系统和信号控制器；从多模光学激光辐照模块出射的混合激光辐照光，经过第二平面反射镜反射后斜入射进待测样品；待测样品血管中的凝血酶激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，产生的1O2发光、光敏剂受体荧光和标记分子供体荧光经过第三平面反射镜反射后进入多模光学成像模块；多模光学成像模块采集得到的1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像通过图像采集信号线传入图像处理系统进行后续图像算法处理；此外，为了有效控制多模光学激光辐照模块辐照光和多模光学成像模块中相机图像采集之间的辐照-采集间隔，图像处理系统通过控制信号线连接信号控制器、多模光学辐照模块中的第一光快门和第二光快门、多模光学成像模块中的近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机。
2.如权利要求1所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统，其特征在于：所述多模光学激光辐照模块包括:第一激光器、第二激光器、第一光快门、第二光快门、第一可变中性密度滤光片、第二可变中性密度滤光片、第一平面反射镜、第一二向色镜、第一消色差透镜、针孔、第二消色差透镜；第一激光器发射的光敏剂受体激发辐照光经过第一光快门、第一可变中性密度滤光片后，得到的第一光束穿过第一二向色镜；第二激光器发射的标记分子供体激发辐照光经过第二光快门、第二可变中性密度滤光片、第一平面反射镜后，得到的第二光束通过第一二向色镜反射后的光与第一光束穿过第一二向色镜的光重合，并经由第一消色差透镜、针孔以及第二消色差透镜组成的空间滤波扩束系统后，从多模光学激光辐照模块中扩束射出混合激光辐照光。
3.如权利要求1所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统，其特征在于，所述多模光学成像模块包括：第二二向色镜、第三二向色镜、带滤光片的近红外透镜组、近红外面阵相机、第一带滤光片的可见光光学透镜组、第一可见光面阵相机、第二带滤光片的可见光光学透镜组、第二可见光面阵相机；待测样品血管中的1O2发的光经由第二二向色镜反射后，通过带滤光片的近红外透镜组聚焦成像于近红外面阵相机的靶面上；待测样品血管中的光敏剂受体荧光透过第二二向色镜、第三二向色镜后，通过第二带滤光片的可见光光学透镜组聚焦成像于第二可见光面阵相机的靶面上；待测样品血管中的标记分子供体荧光透过第二二向色镜后，由第三二向色镜反射再通过第一带滤光片的可见光光学透镜组聚焦成像于第一可见光面阵相机的靶面上；近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机各自经过最优的曝光时间后把光信号转换为电信号，并经由图像采集信号线传输进入图像处理系统进行后续的图像算法处理。
4.根据权利要求1所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：进行激光辐照-图像采集控制,有效控制多模光学激光辐照模块辐照光和多模光学成像模块中相机图像采集时间的辐照-采集间隔；
步骤二：待测样品血管中的凝血酶可激活信标经过辐照光辐照后发生一系列的物理化学反应，实现1O2生成和1O2剂量的间接荧光测量；
步骤三：进行图像算法处理，通过多模光学成像模块将同时获得1O2发光图像、光敏剂受体荧光图像和标记分子供体荧光图像，并通过多步图像算法定量评估待测样品血管中的1O2产量，同时基于受体荧光定量光敏剂浓度；进而评估待测样品的V-PDT剂量。
5.如权利要求4所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤一包括：图像处理系统通过控制信号线连接信号控制器、多模光学辐照模块中的第一光快门和第二光快门、多模光学成像模块中的近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机；并利用具有特定时间间隔的TTL信号触发第一光快门和第二光快门的开光，以及触发近红外面阵相机、第一可见光面阵相机和第二可见光面阵相机的图像采集；从而有效控制多模光学激光辐照模块辐照光和多模光学成像模块中相机图像采集时间的辐照-采集间隔。
6.如权利要求4所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像方法，其特征在于，所述步骤二包括：
(1)无1O2存在的条件下，凝血酶可激活信标中标记分子供体经多模光学辐照模块中供体激光的辐照后，通过荧光共振能量转移诱发光敏剂受体产生受体荧光信号，从而能够定量光敏剂的剂量空间分布；
(2)凝血酶可激活信标中光敏剂受体经Ⅱ型PDT反应产生1O2，且部分1O2能够通过辐射的形式跃迁回到基态并辐射出1270nm的近红外发光，从而能够对1O2剂量实现直接定量；
(3)1O2对血管造成损伤，血液中的凝血素将被转化为凝血酶，并切断凝血酶可激活信标中光敏剂受体和标记分子供体之间的链接，此时标记分子供体受多模光学辐照模块中供体激光的辐照产生供体荧光信号，从而能够对1O2剂量实现间接定量。
7.如权利要求4所述的用于定量监测V-PDT剂量的多模光学成像方法，其特征在于，所述步骤三包括：整个图像算法包括两个部分：
(1)由于荧光成像的信号灵敏度远远高于1O2发光成像，因此基于供体荧光和受体荧光图像进行待测样品中血管位置的分割提取；
(2)由于通常选用的近红外面阵相机和可见光面阵相机的像素以及靶面大小不同，需要实现1O2发光成像图与荧光图像的精确图像配准，其中荧光图像包括供体荧光图和受体荧光图；从而在待测样品血管位置处能够基于1O2发光和供体荧光双参量定量评估1O2产量，同时也能够基于受体荧光定量光敏剂的浓度；进而评估待测样品的V-PDT剂量。
CN201910008395.2A 2019-01-04 2019-01-04 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法 Active CN109645958B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910008395.2A CN109645958B (zh) 2019-01-04 2019-01-04 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910008395.2A CN109645958B (zh) 2019-01-04 2019-01-04 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109645958A true CN109645958A (zh) 2019-04-19
CN109645958B CN109645958B (zh) 2021-10-22

Family

ID=66117408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910008395.2A Active CN109645958B (zh) 2019-01-04 2019-01-04 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109645958B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111887810A (zh) * 2020-07-24 2020-11-06 西北大学 一种近红外二区共径离轴光学-ct双模态成像系统及方法
CN115868927A (zh) * 2022-11-15 2023-03-31 哈尔滨工业大学 一种高精度组织内光敏剂浓度测量装置及其使用方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5533508A (en) * 1991-10-31 1996-07-09 Pdt Systems, Inc. Vivo dosimeter for photodynamic therapy
CN201058021Y (zh) * 2007-03-20 2008-05-14 深圳市微创医学科技有限公司 光动力治疗装置
CN101744611A (zh) * 2008-12-10 2010-06-23 韩国电气研究院 用于光动力治疗和摄影检测的装置
US20120040392A1 (en) * 2010-08-16 2012-02-16 Empire Technology Development Llc Dosimetry using sigma singlet oxygen spectroscopy
US8175687B2 (en) * 2006-03-29 2012-05-08 Korea Electro Technology Research Institute Light source for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5533508A (en) * 1991-10-31 1996-07-09 Pdt Systems, Inc. Vivo dosimeter for photodynamic therapy
US8175687B2 (en) * 2006-03-29 2012-05-08 Korea Electro Technology Research Institute Light source for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy
CN201058021Y (zh) * 2007-03-20 2008-05-14 深圳市微创医学科技有限公司 光动力治疗装置
CN101744611A (zh) * 2008-12-10 2010-06-23 韩国电气研究院 用于光动力治疗和摄影检测的装置
US20120040392A1 (en) * 2010-08-16 2012-02-16 Empire Technology Development Llc Dosimetry using sigma singlet oxygen spectroscopy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SEONKYUNG LEE ET AL: "《Dual-channel imaging system for singlet oxygen and photosensitizer for PDT》", 《BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS》 *
沈毅: "《单细胞中光敏化单态氧的间接成像》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111887810A (zh) * 2020-07-24 2020-11-06 西北大学 一种近红外二区共径离轴光学-ct双模态成像系统及方法
CN115868927A (zh) * 2022-11-15 2023-03-31 哈尔滨工业大学 一种高精度组织内光敏剂浓度测量装置及其使用方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109645958B (zh) 2021-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Del Rosal et al. Strategies to overcome autofluorescence in nanoprobe‐driven in vivo fluorescence imaging
JP4700001B2 (ja) 蛍光偏極撮像方法
US6748259B1 (en) Optical imaging of induced signals in vivo under ambient light conditions
Wagnieres et al. In vivo fluorescence spectroscopy and imaging for oncological applications
JP2019517006A (ja) 時間分解蛍光分光法のためのシステム、デバイス、および方法
US20080119832A1 (en) Multi-Modal Scanning Confocal Adaptive-Optic Macroscope System and Associated Methods
US20070243521A1 (en) Method and apparatus for the non-invasive measurement of tissue function and metabolism by determination of steady-state fluorescence anisotropy
JP2022517422A (ja) 創傷および組織標本の３次元画像化、測定、および表示のためのシステム、方法、および装置
EP3430380B1 (en) Device and method for imaging shortwave infrared fluorescence
US20190079010A1 (en) Device and method for imaging shortwave infrared fluorescence
CN108371756A (zh) 一种诊疗一体宫颈病变光动力治疗系统
CN104853669B (zh) 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
CN109645958A (zh) 用于定量监测v-pdt剂量的多模光学成像系统和方法
CN109497959A (zh) 一种定量检测光敏剂空间分布的荧光成像系统及方法
CN109620163A (zh) 一种示踪装置和示踪方法
Vo-Dinh Fluorescence spectroscopy for biomedical diagnostics
Olivo et al. Advances in fluorescence diagnosis to track footprints of cancer progression in vivo
Miller et al. Perfusion‐based fluorescence imaging method delineates diverse organs and identifies multifocal tumors using generic near‐infrared molecular probes
Straight et al. Application of charge‐coupled device technology for measurement of laser light and fluorescence distribution in tumors for photodynamic therapy
RU2392846C1 (ru) Способ дифференциальной диагностики злокачественных и доброкачественных беспигментных опухолей кожи
CN208756797U (zh) 一种诊疗一体宫颈病变光动力治疗系统
Schwarz et al. Fluorescence and reflectance spectroscopy for detection of oral dysplasia and cancer
Model et al. System for determining the concentration and visualization of the spatial distribution of photosensitizers based on tetrapyrrole compounds in the tissues of the human ocular fundus
CN110710953A (zh) 一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用方法
Kang et al. System for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy of cervical disease

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant