CN109799216A - 一种基于吲哚箐绿纳米的荧光oct双模成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于吲哚箐绿纳米的荧光‑OCT双模成像方法和装置，该方法包括：将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿‑磷脂化的聚乙二醇纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，得到ICG‑PL‑PEG‑FA溶液；对成像目标注射所述ICG‑PL‑PEG‑FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG‑PL‑PEG‑FA分子以产生荧光；开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。上述方法和装置通过成像目标内的ICG‑PL‑PEG‑FA分子产生荧光，运用OCT成像系统对荧光信号进行采集，可以还原出荧光物质在实验活体里的位置信息，从而可清晰分辨出造影剂识别的病变区域位置，呈现出一定深度范围的结构图像。

Description

一种基于吲哚箐绿纳米的荧光OCT双模成像方法和装置

技术领域

本发明属于生物成像领域，具体是一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法和装置。

背景技术

光学相干层析成像技术(OCT)和荧光成像技术被广泛应用于医学诊断方面，OCT技术利用弱相干光干涉的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织深度信号，重建二维或三维结构图像，从而得到生物的深度信息。荧光成像技术借助荧光探针，通过将激发光源激发探针产生荧光信号并进行采集。单一的程序模式不能获得全面的功能和结构成像信息，了解生物生理变化过程。

各种内源性生色团(例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质)可以作为光学成像造影剂，这使我们可以进行脑功能、肿瘤微循环的研究。然而，在大多数情况下，反映疾病生理变化的特异性生物分子无法在激光激发后产生有效的信号；若使用外源性光学探针增强信号，使和疾病相关但“看不见”的特异生物分子被检测到，将有助于对这些疾病的检测和治疗。分子影像技术的出现，为早期发现恶性肿瘤提供了条件，对恶性肿瘤的治疗具有重要的指导意义。

目前，吲哚菁绿(ICG)被广泛应用于血管造影方面，其对于疾病的诊断和治疗具有极大的帮助。相对于其他造影方法(X射线、CT、MRI和PET等)，ICG可以方便地、减少经济成本地广泛应用于手术的成像影学中。但是，目前对于ICG的造影一般是利用荧光成像技术实现，而荧光成像得到的只有检测区域的表面信息，探究不了深度方向信号的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法和装置，旨在获得成像目标的具有在深度范围的成像信息。

为此，本发明提供了一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，包括以下步骤：

将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的 ICG-PL-PEG-FA溶液；

对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光；

开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。

优选地，将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子包括：

将磷脂化的聚乙二醇在蒸馏水中溶解，获得聚乙二醇溶液；

稀释吲哚菁绿溶液以获得预定浓度的吲哚菁绿溶液，然后将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合，使得吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得包含吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子的所述ICG-PL-PEG-FA溶液。

优选地，在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子包括：

使用叶酸作为所述靶向分子，将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应使得叶酸分子集合到磷脂化的聚乙二醇上。

优选地，在将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应使得叶酸分子集合到磷脂化的聚乙二醇上之后，还包括：

对反应后的溶液进行过滤，把游离未反应的叶酸和活化剂过滤掉，获得所述 ICG-PL-PEG-FA溶液。

优选地，将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应包括：

在所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比是1:1进行酰胺反应；

在所述酰胺反应经过预设时间后，将所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比调整为1:2混合反应。

优选地，在所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比调整为1:2混合反应之后，还包括：

在PH值为7.4的条件下再反应一段时间后。

优选地，将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合包括：

将所述聚乙二醇溶液和吲哚菁绿溶液按预设的比例进行混合；

在室温下震荡若干次，直至所述吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得包含吲哚菁绿- 磷脂化的聚乙二醇纳米粒子的所述ICG-PL-PEG-FA溶液。

优选地，所述成像目标为生物组织。

一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置，包括：

溶液配制模块，用于将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，最后得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的ICG-PL-PEG-FA溶液；

光源模块，用于对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光；

成像模块，用于开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。

优选地，所述溶液配制模将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子具体包括：

将磷脂化的聚乙二醇在蒸馏水中溶解，获得聚乙二醇溶液；

稀释吲哚菁绿溶液以获得预定浓度的吲哚菁绿溶液，然后将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合，使得吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得包含吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子的所述ICG-PL-PEG-FA溶液。

上述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法和装置通过成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子产生荧光，运用成像系统对荧光信号进行采集，可以还原出荧光物质在实验活体里的位置信息，从而可清晰分辨出造影剂识别的病变区域位置，呈现出一定深度范围的结构图像，且能进行实时成像，检测反应迅速。

附图说明

图1是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置的结构示意图。

图2是OCT成像系统的光路结构示意图。

图3是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法的流程图。

图4是通过基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法实现的荧光成像图。

图5是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像实现的OCT成像图。

图中：

1--低相干宽带光源；2--宽带耦合器；3--反射壁的准直器；4--反射壁的透镜；5--反射壁的平面镜；6--成像目标壁的准直器；7--成像目标壁的准直器；8--二维振镜组；9--成像目标壁的凸透镜；10--处理后的生物猪皮组织成像目标；11--承载台；12--准直器；13--透镜；14-- 光栅；15--透镜；16--线阵相机；17--数据处理设备端。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。为了同时能获取更多的生物信息，本发明利用吲哚菁绿纳米材料作为造影剂将荧光成像和OCT成像这两种成像方法结合成一种新的成像系统——荧光-OCT双模成像系统。通过该双模成像系统对生物具体病变区位置和深度的进行成像，提供准确的样品信息，提高对某些疾病的特异性的诊断,在医学方面具有潜在的运用价值。在一些实施方式中，针对不同成像目标的光吸收或者散射特性，选择不同波长的光源便可同时获得物体在一定深度范围内的功能和结构成像信息，最终达到可清晰分辨出病变区域位置具体位置和病变区域一定深度范围内的深度信息，还可以进行实时监测，了解生物病变区域的生理变化过程。

图1是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置的结构示意图。如图1所示，该基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置包括溶液配制模块100、光源模块200和成像模块 300。在一些实施方式中，下述的成像目标优选为生物组织，例如动物肝脏等器官组织。

溶液配制模块100用于将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，最后得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的ICG-PL-PEG-FA溶液。

光源模块200用于对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的 ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光。

成像模块300用于开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。在一些实施方式中，成像模块300包括OCT成像系统。图2是OCT成像系统的光路结构示意图。如图2所示，由宽带光源1产生近红外的低相干激光进入光纤中，然后通过光纤输出到分光比80:20的2×2宽带耦合器2后，然后由光纤耦合器的两个输出端分布输出到参考臂和样本臂，其中输出到参考壁的分光比为20％，成像目标壁的分光比为80％。参考臂输出的光纤接头连接到光纤准直器3上，参考光由光纤准直器准直成平行光后，输出到聚焦透镜4，由聚焦透镜聚焦到平面反射镜5，然后参考光再原路返回到宽带耦合器2里。而样本臂输出的光纤接头也同样先连接到光纤准直器6，由光纤准直器准直成平行光后经透镜7后再经过二维扫描振镜系统8，通过二维扫描振镜系统可以实现光束的二维扫描，再由聚焦透镜9聚焦到成像目标10中，从成像目标10返回的后向散射光经原路返回到宽带耦合器2里。从参考臂和样本臂返回的光一起将会在宽带耦合器2里进行干涉，然后干涉后的光将从宽带耦合器的另一端出来，经过准直器13传输到透镜14准直成平行光，再经过体相位全息透射光栅15进行按波长的分光，最后再由透镜16聚焦到线阵CCD相机的感光单元17 上，并将采集到的干涉信号传输到电脑18中。

在获得线阵CCD相机的感光单元17感光后，可以获得该成像图像。在一些实施方式中，可以通过由NI(National Instruments)公司的LabVIEW软件所编写的控制和采集的程序显示图像。即当OCT系统启动后，在没有成像目标的情况下先采集一次背景光，然后控制二维扫描振镜系统工作的模拟信号和线阵CCD相机触发的信号同时输出。

采集开始后，线阵CCD相机接受到触发脉冲就开始采集数据，同时二维扫描振镜同步偏转，线阵CCD相机采集到的数据需要减去背景光，然后进入队列，相当于进入一个缓存区。然后出队列后再存入文档。如果采集没有开始，那么线阵CCD相机接受到触发脉冲后也会采集数据，同时二维扫描振镜同步偏转，采集到的数据再减去背景光后，通过原理部分提到的原理计算后，可以通过labview软件显示出来。

图3是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法的流程图。下面结合图3详细描述利用上述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置进行成像的方法。如图3所示，该基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法包括以下步骤S301～S303。

步骤S301：将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，最后得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的ICG-PL-PEG-FA溶液。本实施方式中，将磷脂化的聚乙二醇(PL-PEG)粉末倒在蒸馏水中溶解，获得了PL-PEG溶液。吲哚菁绿溶液也使用与磷脂化的聚乙二醇(PL-PEG)溶液相同比例的蒸馏水进行稀释，获得一定浓度的吲哚菁绿溶液。然后将这两种溶液按一定的比例进行混合，并在室温下震荡，确保ICG和PL-PEG分子充分结合，最终获得大小均匀的 ICG-PL-PEG溶液。

步骤S302：对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光。本实施方式中，使用叶酸作为靶向分子，将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应。在反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比是1:1的，反应经过一段时间后，活化剂和叶酸分子的摩尔比调整为1:2混合反应，这样可以保证叶酸分子最大限度集合到磷脂化的聚乙二醇上。然后在PH值为7.4的条件下再反应一段时间后，使用分子量为2000的滤膜进行过滤，把游离未反应的叶酸和活化剂过滤掉，获得ICG-PL-PEG-FA溶液。

在一些实施方式中，还可以对该ICG-PL-PEG-FA溶液进行荧光成像实验。例如，将实验小鼠进行麻醉后在其背部注射合适的ICG-PL-PEG-FA溶液，然后将之固定在成像暗箱中，使用OCT系统的近红外光的光源1照射小鼠背部，在780nm的波长的波段中可激发小鼠体内的ICG-PL-PEG-FA纳米荧光探针产生荧光。并运用合适的线阵CCD相机对荧光信号进行采集，通过计算机对采集的数据进行重建，还原出荧光物质在实验活体里的位置信息，即可以得到图4示出的实验活体功能结构图像。

步骤S303：开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。本步骤中，首先，进行基于ICG-PL-PEG-FA纳米材料的OCT成像准备工作实验：运用搭好的频域OCT系统，如图3所示，作为示例性的，使用新鲜的猪皮组织作为成像目标。首先，对猪皮注射适量的ICG-PL-PEG-FA溶液。然后将实验样品放入样品台12，选用近红外光的低相干光作为光源1照射成像目标的待扫描大概范围区域，并检测所搭建的OCT成像系统是否可正常照射、等步骤。若检测到OCT系统可正常运行，即可启动OCT成像系统对实验样品进行实时的激光扫描和显示，根据观察实时显示的扫描结果进行细调实验样品的空间位置，使OCT成像系统所扫描的范围是准确的照射在实验样品的待扫描区域上。

然后，按照上述的OCT系统的工作方法获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。

图5是基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像实现的OCT成像图。如图5所示，箭头指向的部位注有吲哚菁绿纳米材料，图5示出的猪皮组织中表现有较明亮(方框外的区域)和黑暗的部位(方框内的区域)。

一些实施方式中，基于吲哚菁绿纳米材料的荧光-OCT双模成像方法和装置，实现了利用吲哚菁绿纳米材料对靶向进行识别病变区域的目的，并能够运用到手术中对肿瘤组织的靶向识别；ICG对近红外光普范围吸收光性能较强，而人体组织在近红外光波段的吸收很微弱，由此可以区分具体出病变区域和非病变区域，提高了近红外光成像系统的检测灵敏度；OCT 技术使得深度方向上信息同时能够观察得到，实现观察病变区域深度方向上信号的目的；在术中ICG荧光血管造影可用于定性评价血流的通畅性，也可以实现局部灌注及血流动力学的定量分析，这对医学检测具有重要的潜在作用。

而且，利用基于吲哚菁绿纳米材料的荧光-OCT双模成像系统可清晰分辨出造影剂识别的病变区域位置的同时，还可以呈现出一定深度范围的结构图像，且能进行实时成像，检测反应迅速。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的ICG-PL-PEG-FA溶液；

对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光；

开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。

2.如权利要求1所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子包括：

将磷脂化的聚乙二醇在蒸馏水中溶解，获得聚乙二醇溶液；

稀释吲哚菁绿溶液以获得预定浓度的吲哚菁绿溶液，然后将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合，使得吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得包含吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子的所述ICG-PL-PEG-FA溶液。

3.如权利要求2所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子包括：

使用叶酸作为所述靶向分子，将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应使得叶酸分子集合到磷脂化的聚乙二醇上。

4.如权利要求3所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，在将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应使得叶酸分子集合到磷脂化的聚乙二醇上之后，还包括：

对反应后的溶液进行过滤，把游离未反应的叶酸和活化剂过滤掉，获得所述ICG-PL-PEG-FA溶液。

5.如权利要求4所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，将所述吲哚菁绿-聚乙二醇溶液与所述叶酸进行酰胺反应包括：

在所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比是1:1进行酰胺反应；

在所述酰胺反应经过预设时间后，将所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比调整为1:2混合反应。

6.如权利要求5所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，在所述酰胺反应中的活化剂和叶酸分子的摩尔比调整为1:2混合反应之后，还包括：

在PH值为7.4的条件下再反应一段时间后。

7.如权利要求6所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合包括：

将所述聚乙二醇溶液和吲哚菁绿溶液按预设的比例进行混合；

在室温下震荡若干次，直至所述吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得所述吲哚菁绿纳米粒子溶液。

8.如权利要求7所述的基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像方法，其特征在于，所述成像目标为生物组织。

9.一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置，其特征在于，包括：

溶液配制模块，用于将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿纳米粒子，并在聚乙二醇分子的末端修饰生物靶向分子，最后得到作为荧光-OCT双模成像系统的造影剂的ICG-PL-PEG-FA溶液；

光源模块，用于对成像目标注射所述ICG-PL-PEG-FA溶液，利用近红外光的低相干光源照射所述成像目标的待扫描区域并且使用780nm的波长的光源激发所述成像目标内的ICG-PL-PEG-FA分子以产生荧光；

成像模块，用于开启OCT成像光路以获取所述成像目标的OCT成像出具有深度范围的结构图像。

10.如权利要求9所述的一种基于吲哚箐绿纳米的荧光-OCT双模成像装置，其特征在于，所述溶液配制模将吲哚菁绿与磷脂化的聚乙二醇化合形成吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子具体包括：

将磷脂化的聚乙二醇在蒸馏水中溶解，获得聚乙二醇溶液；

稀释吲哚菁绿溶液以获得预定浓度的吲哚菁绿溶液，然后将所述聚乙二醇和吲哚菁绿溶液混合，使得吲哚菁绿和聚乙二醇的分子结合以获得包含吲哚菁绿-磷脂化的聚乙二醇纳米粒子的所述ICG-PL-PEG-FA溶液。