CN113349707A

CN113349707A - 用于荧光源实时多通道成像的系统、方法和设备

Info

Publication number: CN113349707A
Application number: CN202110356261.7A
Authority: CN
Inventors: 米歇尔·S·布拉德伯里; 乌尔里克·威斯纳; 理查德·J·C·梅斯特; 斯尼哈尔·G·帕特尔; 纳迪姆·R·阿布-拉斯特姆; 莫汉·保利安
Original assignee: Discovery Medical Imaging Co Ltd; Cornell University; Memorial Sloan Kettering Cancer Center
Current assignee: Explore Imaging Equipment Cos; Cornell University; Memorial Sloan Kettering Cancer Center
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2021-09-07
Also published as: US20150182118A1; CN106455979A; KR20160117440A; US20200214571A1; JP2017504019A; US12082907B2; EP3089653A1; BR112016015198A2; AU2014373656B2; WO2015103420A1; JP2019069267A; AU2014373656A1; JP6681334B2; RU2016127260A; CA2935690A1; US10986997B2

Abstract

本申请涉及用于荧光源实时多通道成像的系统、方法和设备。本文中呈现一种能够同时检测并且区分多种荧光源的多通道成像系统。本文中还描述使用所述系统对疾病或细胞异常进行成像的方法，例如以达到诊断和/或手术中目的。

Description

用于荧光源实时多通道成像的系统、方法和设备

本申请是申请日为2014年12月31日，申请号为201480073897.9，发明名称为“用于荧光源实时多通道成像的系统、方法和设备”的申请的分案申请。

技术领域

本发明大体上涉及活体内成像系统和方法。更明确地说，在某些实施例中，本发明涉及能够同时检测并区分多个荧光源的多通道成像系统。

背景技术

医药行业提供准确且有效的信息和疗法所面临的压力越来越大。新成像技术集中于对这一压力作出响应，且在例如开发可侦测部分以及对其进行成像的系统方面已取得显著进展。针对例如可支持抗癌疗法，以期改善手术边缘的标测、识别转移性淋巴结且避开正常的生命组织和神经血管结构的成像技术已作出特别的努力。还针对分层或监视患者群体、识别对给定治疗疗程的响应特别好或不良的患者进行了努力。随着包含新系统和探针的成像技术的发展，同时检测众多信号和输入以进行最为准确的结论性诊断的需要也不断增长。

恶性黑色素瘤是美国增长最快的癌症之一，且据估计每年增长1％。在过去30年中，黑色素瘤的发病率在美国已增长3成，这与在欧洲报告的发病率类似。澳大利亚和新西兰报告的发病率最高(每100,000居民每年有40到60例)。据美国癌症协会估计，在2012 年将有76250例新增黑色素瘤诊断病例，导致12190人死亡(美国化学学会癌症事实与图表(ACS Cancer Facts&Figs.)，亚特兰大佐治亚州，2012年)；在美国，黑色素瘤现在在男性最常见癌症中排名第五，且在女性最常见癌症中排名第六。预后在很大程度上由原发肿瘤的厚度和溃烂程度确定。然而，淋巴结转移的存在是最重要的预后预测因子(贝尔克(Balch)，临床肿瘤学杂志(J.Clin.Oncol.)，(2001年))，且相当大的努力用在检查区域性淋巴结以确定淋巴转移的存在与否。

早期诊断和治疗对于将致病率和死亡率减到最小是必不可少的。对原发性皮肤黑色素瘤的确定性治疗(definitive treatment)是宽局部切除形式的手术切除。为获得特定指示而添加了辅助性放射，所述指示包含肿瘤侵入本地和/或到多个区域性淋巴结的扩散。当前尚不存在公认的护理标准全身性治疗选项可用。然而，对黑色素瘤的全身性治疗在临床试验设定下可用，且仅基于区域性淋巴结风险层别法(即，SLN标测)提供给患者。因此，通过小心地检查区域性淋巴结以确定转移性疾病扩散来准确对黑色素瘤在其较早阶段中进行分期是必不可少的。使用分子成像工具(韦斯勒德尔(Weissleder)，科学(Science)， (2006))可辅助这一过程，从而改善SLN活检程序期间的疾病可视化和分期，同时通过仅采集带病淋巴结而降低更广泛淋巴结解剖的淋巴水肿风险和其它副作用。淋巴结转移的存在是重要的预后预测因子，且通过成像进行准确识别对于疾病分期、预后和临床结果具有重要含义。前哨淋巴结(SLN)标测程序受到缺乏手术中可视化工具的限制，手术中可视化工具可辅助准确确定疾病扩散以及描绘来自邻近关键神经和血管结构的淋巴结。

除了前哨淋巴结标测之外，其它疾病区域或生物异常也将极大地得益于改善的活体内成像技术。存在对于前列腺癌中的外周神经和结节疾病的更好的手术中可视化的迫切需要。在手术期间评估前列腺癌的残余疾病的能力也是将得益于新活体内成像技术的另一未满足的需要。

本文中呈现通过使用与能够以改善的信噪比进行多通道成像的便携式装置耦合的基于生物兼容性粒子的平台而规避先前成像技术的限制的系统和方法。除了诊断性成像之外，所述技术可配合图像引导式手术和介入程序一起使用。

发明内容

本文中描述用于使用便携式多通道荧光相机对受试者体内的不同荧光源进行实时同时成像的系统、设备和方法。还描述能够以高信噪比同时检测来自多种探测物质的光的便携式成像系统。这些系统提供优于预先存在的系统的优势，预先存在的系统不可实时地同时检测和区分一个以上荧光探测物质。

在一些实施例中，本发明的成像系统用以为疾病或细胞异常成像以用于诊断以及手术目的。示范性手术中成像装置ArteMIS^TM手持式荧光相机系统(药物成像探索，荷兰米登梅尔)(图5a)适于微创腹腔镜(图5b和c)和开刀外科手术(图5c)两者。所述系统是用于手术中成像导引的手持式多信道荧光成像相机，产生高分辨率可见(彩色)图像和精细调谐的近红外(NIR)荧光信号，所述信号是实时地同时获取。这一能力允许无运动重叠。此手持式装置对于SLN标测程序是有利的，例如，因为其可容易地经定位以检视原本难以检视的解剖学位置，例如头部和颈部。

同时获取不同荧光波长的图像(即，多光谱成像)的能力允许使用荧光成像导引用于手术和介入程序。在某些实施例中，装置中的传感器物理上对准，使得单轴透镜将特定调谐波长的图像递送到适当传感器。滤出所关注的所需波长以及能够个别地控制经触发以开始在完全相同的时间和相同的检视位置获取光子的这些传感器中的每一个极为重要。可从相机系统控制的光引擎的严格集成允许基于成像反馈进行优化。

因此，本文中呈现一种活体内(或离体)成像系统，其包括用以将多个激发波长递送到一或多个含染料纳米粒子(例如C点)的光引擎，所述含染料纳米粒子可通过能够实时地在离体和/或活体内(例如，手术期间)同时测量不同放射信号的装置按多个波长激发，且进一步依据其不同放射信号加以区分。

本文中呈现的实施例包含例如使用活体内成像系统来通过在局部注射探测物质之后显现不同肿瘤淋巴引流路径和结节分布而评估转移性黑色素瘤。可使用靶向双模态探测物质来执行前列腺癌和其它癌症中的外周神经和结节疾病的实时手术中可视化。还可针对腮腺肿瘤和喉肿瘤进行神经的手术中可视化的实时可视化以标测喉部神经。在一些实施例中，所述系统用以使用表面以多个癌症导向配位体改制的双模态探测物质来执行前列腺癌中的残余疾病的实时手术中评估。

所述设备和系统在其实时地进行不同波长的光信号的同时检测的能力方面不同于先前成像系统。在一些实施例中，所述成像设备包括多通道荧光相机系统，所述多通道荧光相机系统实时地同时检测来自多种染料的多个波长。在一些实施例中，所述成像设备包括手持式荧光成像系统，所述手持式荧光成像系统使用可以较高信噪比从多个类型的探测物质收集可区分信号的多个检测器和相关联电路。在一些实施例中，所述系统并不像其它先前成像系统那样区分以光学时分复用在单个检测器处接收的多个信号类型。

此外，在某些实施例中，本文中呈现一种用于与PET和光学成像两者一起使用的临床转译整合素靶向平台，所述平台满足数个关键设计准则用于改善SLN组织定位和保持、目标与背景比率以及注射部位与主体的间隙。使用此类试剂用于选择性地探测关键癌症靶点可深入探索对控管转移性疾病扩散的细胞和分子过程。与便携式实时光学相机系统耦合，可展示，用于标测临床相关较大动物模型中的转移性疾病的手术前PET成像发现可容易地转化为用于引导肿瘤淋巴管引流和组织学相关荧光SLN的可视化的手术中设定。本文中还论述此平台对于护理标准放射性示踪剂¹⁸F-FDG的特异性，所述放射性示踪剂用于潜在地区分手术或介入疗法设定中的转移性疾病与发炎过程。

在一个方面中，本发明提供一种用于对受试者体内的区域进行光学成像的方法，所述方法包括：(a)向所述受试者施予各自包括荧光报道体的两种或两种以上不同探测物质；(b)将激发光引导到所述受试者体内，由此激发所述荧光报道体；(c)同时检测不同波长的荧光，所检测荧光已由于所述受试者体内的所述探测物质的所述荧光报道体被所述激发光激发而发射，以便区分从每一探测物质接收的信号；以及(d)处理对应于所述所检测荧光的信号以提供所述受试者体内的所述区域的一或多个图像(例如，实时视频流)。在一些实施例中，在不进行光学时分复用的情况下执行步骤(c)。

在一些实施例中，所述探测物质中的至少一者包括纳米粒子。在一些实施例中，所述纳米粒子的平均直径小于约20nm，且更优选小于15nm，且更优选小于10nm，例如，平均直径是在离体或活体内(例如，在生理盐水溶液中，或在使用中)测量而得。此外，在某些实施例中，纳米粒子的大小有利地不小于3nm，如下文更详细论述。在某些实施例中，纳米粒子大体上为单分散(例如，所有粒子的直径小于约20nm，小于约15nm，或小于约10nm，和/或所有粒子的直径在彼此的+/-5nm、+/-4nm或+/-3nm的范围内。在一些实施例中，纳米粒子具有二氧化硅架构和富染料核心。在一些实施例中，所述富染料核心包括荧光报道体。在一些实施例中，所述荧光报道体是近红外或远红染料。在一些实施例中，所述荧光报道体选自由以下各者组成的群组：荧光团、荧光染料、染料、颜料、荧光过渡金属，和荧光蛋白质。在一些实施例中，所述荧光报道体选自由以下各者组成的群组：Cy5、Cy5.5、Cy2、FITC、TRITC、Cy7、FAM、Cy3、Cy3.5、德克萨斯红、ROX、HEX、JA133、AlexaFluor 488、AlexaFluor546、AlexaFluor 633、AlexaFluor 555、AlexaFluor 647、DAPI、TMR、R6G、GFP、增强型GFP、CFP、ECFP、YFP、西特林(Citrine)、Venus、YPet、CyPet、AMCA、光谱绿(Spectrum Green)、光谱橙(Spectrum Orange)、光谱浅绿(Spectrum Aqua)、丽丝胺(Lissamine)和铕(Europium)。

在一些实施例中，在步骤(c)之后，荧光报道体还在受试者体内存在于不与另一荧光报道体大体上共置的一或多个位置处。

在一些实施例中，所述受试者是人类。

在一些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：使用来自所述受试者的所述一或多个图像检测或监视细胞异常或疾病和/或检测或监视正常组织结构(例如，标记和区分正常组织结构，例如存在于手术床内或邻近于所述手术床(例如，在疾病或肿瘤组织附近或与疾病或肿瘤组织混合)的腺性组织(例如，副甲状腺)、神经组织和/或血管结构))。

在一些实施例中，所述细胞异常或疾病包括选自由以下各者组成的群组的至少一个成员：发炎、癌症、心血管疾病、呼吸道疾病、皮肤病、眼科疾病、传染病、免疫疾病、中枢神经系统疾病、遗传性疾病、代谢疾病、环境疾病、骨相关疾病、神经退化性疾病，和手术相关并发症。在一些实施例中，所述细胞异常或疾病是转移性黑色素瘤中的前哨淋巴结。在一些实施例中，所述细胞异常或疾病是前列腺癌中的外周神经异常或结节疾病。在一些实施例中，所述细胞异常或疾病是前列腺癌中的残余疾病。

在某些实施例中，在步骤(d)中处理信号包括通过计算装置的处理器对所述信号执行一或多个操作，所述一或多个操作选自由以下各者组成的群组：缩放、交错、色度重取样、阿尔法掺合混合、色彩平面定序、帧缓冲、测试模式产生、2D中值滤波、色彩空间转换、控制同步，和帧读取。

在某些实施例中，所述方法进一步包括通过计算装置的处理器基于从医疗成像数据存储库(例如，Nanomed)检索的信息分析经处理信号。

在某些实施例中，所述方法进一步包括：通过计算装置的处理器使用从所述医疗成像数据存储库检索的(额外)数据以图形方式扩增所述一或多个图像(例如，视频流)，其中以图形方式扩增包括用所述额外数据以图形方式渲染所述图像(例如，将来自所述医疗成像数据存储库的文本或其它信息叠加到所述视频流上)；以及在计算装置的显示器上显示所述一或多个以图形方式扩增的图像(例如，以图形方式扩增的视频流)。

在某些实施例中，所述额外数据包括选自由以下各者组成的群组的一或多个数据：文本(即，粒子类型/组成、配位体、动物模型、注射液的剂量/体积)、光学/PET成像参数(即，最大像素强度，％ID/g)、相机性能参数(即，增益、曝光时间)、结节荧光光谱特征(例如，信号分布)，和组织学(例如，肿瘤负荷)。

在某些实施例中，所述方法包括：通过计算装置的处理器在视觉上增强所述一或多个图像(例如，视频流)；以及在计算装置的显示器上显示所述一或多个在视觉上增强的图像。在某些实施例中，在视觉上增强所述一或多个图像包括增强两个或两个以上不同荧光报道体之间的图形对比度。在某些实施例中，在步骤(d)中处理信号进一步包括执行所述图像的光谱反卷积。在某些实施例中，所述方法进一步包括通过所述处理器执行所述图像的基于纹理的分类。

在另一态样中，本发明提供一种便携式成像设备，其包括：光源，其经配置以递送多个激发波长的光以激发在两个或两个以上可区分波长下产生荧光的多个不同荧光报道体；棱镜，其经配置以将经由透镜接收的光引导到多个在空间上分离的检测器上，使得所述检测器可实时地同时测量不同放射信号；以及处理器，其经配置以处理对应于所述两个或两个以上可区分波长的所检测荧光的信号以提供受试者体内的所述两个或两个以上不同荧光报道体的荧光的图像。

在一些实施例中，所述光源包括两个或两个以上激光器和/或光引擎。在一些实施例中，所述透镜是单轴光学透镜。在一些实施例中，所述设备进一步包括定位于所述透镜前方的多频段滤波器，其中所述多频段滤波器经配置以阻挡来自所述光源的任何高功率激发光(且因此，所述滤波器调谐到所述光引擎激光)，但将对于所有其它光(即，可见光和所关注的所有放射波长)为透明的。在一些实施例中，所述设备包括各自定位于所述棱镜与相应检测器之间的若干窄带滤波器。在某些实施例中，所述棱镜是二色性棱镜。在某些实施例中，所述棱镜包括各自具有不同涂层的至少两个表面。

在另一方面中，本发明是针对一种成像设备，其包括：光学器件和多个检测器，其用于同时接收多个信号，每一信号对应于受试者(例如，患者)体内的唯一荧光报道体；第一信号预调节模块，其用于对所述多个信号中的第一信号执行第一组图像处理操作，所述第一信号对应于所述受试者体内的第一唯一报道体(例如，荧光报道体)；第二信号预调节模块，其用于对所述多个信号中的第二信号执行所述第一组图像处理操作，所述第二信号对应于所述受试者体内的第二唯一报道体(例如，荧光报道体)，其中所述第一和第二信号调节模块经配置以同步地(例如，同时)对其相应信号执行图像处理(例如，经配置以同时执行所述操作；例如，其中每一信号包括视频流，且其中所述视频流的每一帧由所述第一和第二信号预调节装置同时处理，随后同时处理相应的后续视频帧)；任选地，第三和/或后续信号预调节模块，其用于对所述多个信号中的第三和/或后续信号执行所述第一组图像处理操作，每一信号对应于唯一报道体；以及监视器，其用于显示所述经处理信号(例如，可在显示之前进一步处理所述信号)。

在某些实施例中，所述第一和第二信号预调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号预调节模块)中的每一者是选自由以下各者组成的群组的成员：现场可编程门阵列、专用集成电路，和中央处理单元。在某些实施例中，所述第一和第二信号预调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号预调节模块)存在于单个物理装置上。在某些实施例中，所述第一组图像处理操作包括选自由以下各者组成的群组的一或多个成员：快速傅立叶变换、离散傅立叶变换、有限脉冲响应滤波，和无限脉冲响应滤波。

在某些实施例中，所述设备进一步包括：第一信号后调节模块，其用于对所述第一信号执行第二组图像处理操作；第二信号后调节模块，其用于对所述第二信号执行所述第二组图像处理操作，其中所述第一和第二信号后调节模块经配置以同步地(例如，同时) 对其相应信号执行图像处理(例如，经配置以同时执行所述操作；例如，其中每一信号包括视频流，且其中所述视频流的每一帧由所述第一和第二信号后调节装置同时处理，随后同时处理相应后续视频帧)；以及，任选地，第三和/或后续信号后调节模块，其用于对所述多个信号中的第三和/或后续信号执行所述第二组图像处理操作，其中所述第二组图像处理操作包括选自由以下各者组成的群组的一或多个成员：缩放、交错色度重取样、阿尔法掺合混合、色彩平面定序、帧缓冲、测试模式产生、2D中值滤波、色彩空间转换、控制同步，和帧读取。

在某些实施例中，所述第一和第二信号后调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号后调节模块)中的每一者是选自由以下各者组成的群组的成员：现场可编程门阵列、专用集成电路，和中央处理单元。在某些实施例中，所述第一和第二信号后调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号后调节模块)存在于单板单元上。在某些实施例中，所述设备进一步包括多路复用模块，所述多路复用模块经配置以多路复用所述第一信号和第二信号(例如，如所接收、如所预调节，或优选地，如所后调节)。在某些实施例中，所述多路复用模块额外经配置以多路复用所述第三和/或后续信号。在某些实施例中，所述设备包括处理器，所述处理器经配置以从医疗成像数据存储库检索(额外)数据且用所述多路复用信号以图形方式渲染所述额外数据(例如，用所述多路复用信号叠加和 /或以图形方式扩增所述额外数据)。

在某些实施例中，可使用布莱德利(Bradbury)等人在特此以引入的方式并入本文中的整合生物学(Integr.Biol.)(2013年，5：74到86)中描述的特征。在某些实施例中，可使用赫兹(Herz)等人在以引入的方式并入本文中的材料化学杂志(J.Mater.Chem.)(2009，19，6341到6347)中描述的特征(例如，探测物质)。

在某些实施例中，可使用布莱伯利等人在国际PCT专利申请PCT/US2010/040994(在2011年1月6日公开为WO2011/003109)和PCT/US2014/030401(在2014年9月18 日公开为WO2014/145606)(两者的全文皆特此以引入的方式并入本文中)中描述的特征 (例如，纳米粒子)。

在一些实施例中，可使用保利亚克(Pauliah)等人在以全文引用的方式并入本文中的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)(2007，25：1292到1299)中描述的特征(例如，用于反卷积的后处理模块)。

来自本发明的一个方面的实施例的元件可用于本发明的其它方面中(例如，附属于一个独立权利要求的权利要求的元件可用以进一步指定其它独立权利要求的实施例)。本发明的其它特征和优势将从以下图式、具体实施方式以及权利要求书显而易见。

参考下文所描述的图式和权利要求书，可以更好地理解本发明的目标和特征。在图式中，相同数值用来指示不同图中的相同部分。

定义

为了使本发明更容易理解，在下文对某些术语进行定义。以下术语和其它术语的其它定义阐述在整个说明书中。

在本申请案中，除非另外说明，否则使用“或”意味着“和/或”。如本申请案中所使用，术语“包括”和所述术语的变体并不意欲排除其它添加物、组件、整数或步骤。如本申请案中所使用，术语“约”和“大约”作为等效物使用。在存在或不存在约/大约的情况下，本申请案中所使用的任何数值皆意味着覆盖相关领域中普通技术人员所理解的任何正常波动。在某些实施例中，除非另行说明或另外从上下文显而易见，否则术语 “大约”或“约”是指落入所述参考值的任一方向(大于或小于)25％、20％、19％、18％、 17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、 2％、1％或1％以下内的一系列值(除了其中所述数目将超过100％的可能值)。

“肽”或“多肽”：术语“肽”或“多肽”是指通过肽键结合在一起的一串至少两个 (例如，至少三个)氨基酸。在一些实施例中，多肽包括天然产生的氨基酸；替代地或另外，在一些实施例中，多肽包括一或多个非天然氨基酸(即，自然界中不存在但可并入到多肽链中的化合物；见，例如http://www.cco.caltech.edu/～dadgrp/Unnatstruct.gif，其显示已成功地并入到功能离子通道中的非天然氨基酸)，和/或可替代地使用此项技术中已知的氨基酸类似物)。在一些实施例中，蛋白质中的氨基酸中的一或多者可例如通过添加例如碳水化合物基团、磷酸基、法呢基、异法呢基、脂肪酸基团、缀合结合基团的化学实体、官能化或其它改性等而加以改性。

“造影剂”：术语“造影剂”是指在医疗或生物成像中用于增强结构或流体的可视性的物质、分子或化合物。术语“造影剂”也是指产生对比度的分子。

“施予”：术语“施予”是指将物质引入受试者中。一般而言，可利用任何施予路线，包含例如不经肠(例如，静脉内)、经口、表面、皮下、腹膜、动脉内、吸入、经阴道、经直肠、鼻、引入到脑脊髓液中，或滴入到身体隔室中。在一些实施例中，施予为经口施予。另外或替代地，在一些实施例中，施予为肠胃外施予。在一些实施例中，施予为静脉内施予。

“生物兼容性”：如本文所使用的术语“生物兼容性”打算描述不会在活体内引发实质上有害反应的材料。在某些实施例中，如果材料对细胞无毒，那么他们是“生物兼容性的”。在某些实施例中，如果材料体外添加到细胞导致低于或等于20％细胞死亡，和/ 或活体内施予材料不诱发发炎或其它此类不良作用，那么所述材料为“生物兼容的”。在某些实施例中，材料为生物可降解的。

“生物可降解”：如本文所使用，“生物可降解”材料为当被引入细胞中时，通过细胞机制(例如酶促降解)或通过水解分解成细胞可以再次使用或处理而对细胞无显著毒性作用的组分的那些材料。在某些实施例中，由生物可降解材料的分解产生的组分不会在活体内诱发发炎和/或其它不良作用。在一些实施例中，生物可降解材料以酶促方式分解。或者或另外，在一些实施例中，生物可降解材料通过水解分解。在一些实施例中，生物可降解聚合材料分解成其组成聚合物。在一些实施例中，，生物可降解材料(包括例如生物可降解聚合材料)的分解包括酯键的水解。在一些实施例中，材料(包括例如生物可降解聚合材料)的分解包括氨基甲酸酯键的断裂。

“检测器”：如本文所使用，术语“检测器”包含电磁辐射的任何检测器，包含但不限于CCD相机、光电倍增管、光电二极管，和崩溃光电二极管。

“传感器”：如本文所使用，术语“传感器”包含电磁辐射的任何传感器，包含但不限于CCD相机、光电倍增管、光电二极管和崩溃光电二极管，除非另外从上下文显而易见。

“图像”：如本文所使用，术语“图像”应理解成意味着视觉显示或可经解译以用于视觉显示的任何数据表示。举例来说，三维图像可包含具有在三个空间维度上变化的给定量的值的数据集。三维图像(例如，三维数据表示)可在两个纬度上显示(例如，在二维屏幕上，或在二维印刷输出上)。术语“图像”可指例如光学图像，X射线图像，由正电子发射断层摄影法(PET)、磁共振(MR)、单光子放射计算机断层扫描(SPECT)和/或超声波产生的图像，和这些图像的任何组合。

“大体上”：如本文所使用，术语“大体上”和语法等效物是指展现全部或几乎全部范围或程度的所关注特征或特性的定性条件。所属领域的一般技术人员将理解生物学和化学现象很少(如果发生过)达到完全和/或进行到完全或者实现或避免绝对结果。

“受试者”：如本文所使用，术语“受试者”包含人类和哺乳动物(例如小鼠、大鼠、猪、猫、狗以及马)。在许多实施例中，受试者为哺乳动物，尤其是灵长类动物，尤其是人类。在一些实施例中，受试者为家畜，例如公牛、绵羊、山羊、母牛、猪等；家禽，例如鸡、鸭、鹅、火鸡等；以及家养动物，尤其是宠物，例如狗和猫。在一些实施例中 (例如尤其在研究背景中)，受试者哺乳动物将为例如啮齿动物(例如小鼠、大鼠、仓鼠)、兔、灵长类动物或猪，如近交猪以及其类似动物。

本文中呈现诸图仅用于说明目的，而不是为了限制。

附图说明

图1描绘根据本发明的实施例的使用¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点在头部和颈部进行SLN标测的示意图。

图2描绘根据本发明的实施例的距聚光度为15μM到1.5nM的相机系统的检测器面10cm处的C点、C'点(或较亮C点)和ICG技术的荧光。

图3描绘根据本发明的实施例的来自15μM到1.5nM的ICG、AC'点(或C点)和C' 点的荧光信号强度与聚光度比较。

图4A描绘根据本发明的实施例的在人类黑色素瘤细胞系(M21)中的cRGDY-PEG-C点的特定结合和内化。

图4B描绘根据本发明的实施例的利用赫斯特对比染色(蓝色)将cRGDY-PEG-C点捕捉到M21细胞(红色色斑)中。

图4C描绘根据本发明的实施例的利用赫斯特对比染色对酸性细胞器(绿色色斑)的 LysoTracker红色标记。

图4D描绘根据本发明的实施例的利用LysoTracker红色染色对cRGDY-PEG-C点(黄色色斑)的共定位。

图4E描绘根据本发明的实施例的利用FITC聚葡萄糖染色对cRGDY-PEG-C点(黄色区域)的共定位。

图5描绘根据本发明的实施例的利用手持型荧光相机系统的微创手术。

图6描绘根据本发明的实施例的对自发黑色素瘤小型猪模型中的转移性疾病的成像。

图7描绘根据本发明的实施例的使用手术前PET成像在自发黑色素瘤小型猪模型中的图像引导式SLN标测。

图8描绘根据本发明的实施例的在自发黑色素瘤小型猪模型中的图像引导式SLN标测，其展示对相关组织学的实时手术中光学成像。

图9描绘根据本发明的实施例的通过比较¹⁸F-FDG与¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点示踪剂而区分发炎与转移性疾病。

图10描绘根据本发明的实施例的3-D集成式¹⁸F-FDG和¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点 PET-CT。

图11描绘根据本发明的实施例的对使用¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点进行射频消融(RFA)之后的治疗响应的评估。

图12描绘根据本发明的实施例的使用PET成像和¹²⁴IcRGDY-PEG-CW800-C'点来筛查小型猪中的手术前SLN标测研究。

图13描绘根据本发明的实施例的使用αMSH-PEG-Cy5.5-C'点对SLN转移的手术中实时光学成像。

图14描绘根据本发明的实施例的结节转移的多路复用成像。

图15a描绘可用于本文所描述的各种实施例中的便携式多通道成像设备的各种特征的示意图。

图15b是根据本发明的实施例的多通道相机设备的说明性示意图。

图16a到d示意性地展示根据本发明的实施例的光纤束以及供用于光引擎和光纤束与光源的各种耦合的缆线。

图17示意性地展示根据本发明的实施例的滤波器模块。

图18a到b示意性地展示根据本发明的实施例的光引擎中的光谱。

图19示意性地展示根据本发明的实施例的连接到光引擎的环形灯。

图20到22表明根据本发明的实施例的滤波器匹配和阻挡光的能力。

图23描绘ArteMIS^TM手持型成像系统。

图24示意性地展示根据本发明的实施例的2D成像系统的配置。

图25示意性地展示根据本发明的实施例的图24的2D成像系统的一部分的透视图。

图26示意性地展示根据本发明的实施例的样本和所测量的图像数据。

图27示意性地展示根据本发明的实施例的另一2D成像系统。

图28示意性地展示根据本发明的实施例的样本和所测量图像数据。

图29示意性地展示根据本发明的实施例的样本与扫描线。

图30a到d示意性地说明分别根据先前技术方法和本发明的实施例确定比率。

图31示意性地展示根据本发明的实施例的穿过二色性棱镜组合件的光路径。

图32示意性地展示根据本发明的实施例的伸长二色性棱镜组合件模块的透视图。

图33示意性地展示根据本发明的实施例的二色性棱镜组合件模块的透视图。

图34和35示意性地展示根据本发明的实施例的包括二色性棱镜组合件的内窥镜管的横截面。

图36根据本发明的实施例示意性地展示根据本发明的实施例的内窥镜管的透视图，其中移除了管壁的部分。

图37示意性地展示根据本发明的实施例的荧光测量探针。

图38描绘根据本发明的实施例的相机头的内部特征(包含透镜、棱镜、滤波器和传感器)的示意图。

图39描绘根据本发明的实施例的棱镜和滤波器在本发明的某些实施例的操作中的角色。

图40a和40b根据本发明的实施例示意性地展示根据本发明的实施例的测量装置。

图41描绘根据本发明的实施例的用于ArteMIS^TM手持型成像系统的相机和腹腔镜附接件。

图42示意性地展示根据本发明的实施例的腹腔镜。

图43示意性地展示根据本发明的实施例的处理装置。

图44展示根据本发明的实施例的用于确定参数的方法。

图45a和45b示意性地展示根据本发明的实施例确定的参数的置信度区域。

图46示意性地展示根据本发明的实施例的系统相机(包含但不限于预处理单元、处理单元、显示单元)的框图以及其与用于系统集成的医疗成像数据存储库的兼容性。

图47描绘根据本发明的实施例的多光谱图像的图形堆叠且说明对应光谱特征分析。

图48是表示根据本发明的实施例的对ITU 656视频信号的至少一个通道执行的一组图像处理操作的框图。

图49描绘表明用于进行根据本发明的实施例的方法的步骤的流程图。

图50描绘表明根据本发明的实施例的便携式成像设备的特征的流程图。

图51是根据说明性实施例的供用在用于分析多通道图像数据的方法和系统中的实例网络环境的框图。

图52是供用于本发明的说明性实施例中的实例计算装置和实例移动计算装置的框图。

具体实施方式

预期本文所描述的方法、系统和过程涵盖使用来自本文中描述的实施例的信息开发的变化和调适。

贯穿其中将设备和组合物描述为具有、包含或包括特定组件，或其中将过程和方法描述为具有、包含或包括特定步骤的整个描述内容，在此另外预期存在基本上由所述组件组成或由所述组件组成的本发明的系统和组合物，并且存在基本上由所述处理步骤组成或由所述处理步骤组成的根据本发明实施例的过程和方法。

关于本文中所呈现的权利要求中任一权利要求，本文中对任何出版物的提及(例如在背景部分中或其它处)不是承认所述出版物充当现有技术。背景部分出于清楚的目的而呈现，并且不意味是关于任一权利要求的现有技术的描述。

标题在本文中用以辅助读者，且并不意欲限制对所描述标的物的解释。

使用前哨淋巴结(SLN)标测和活检(SLNB)对区域性淋巴结中的黑色素瘤微小转移灶进行早期检测可潜在地改善患者最终结果。当前SLNB技术具有若干限制，包含缺乏SLN与邻接关键结构(包含神经和血管)的手术中视觉区分。如本文所描述的较新一代的生物兼容性粒子成像平台可克服这些缺点以供用于多种图像引导式应用中，同时选择性地探测关键癌症靶点。一个此类双模态光学PET平台(临床转化整合素靶向二氧化硅纳米粒子)在与PET和便携式实时光学相机系统耦合时满足数个关键设计准则。其区分转移性疾病与黑色素瘤模型中的组织发炎性改变的能力对于手术或介入疗法提供较准确且可靠的模态。

常规上用于对黑色素瘤分期的SLN标测技术具体识别对原发肿瘤进行引流且处于最高肿瘤转移风险的结节。识别淋巴结转移准许患者分层以便以更及时方式进行适当治疗，且可由此潜在地改善患者最终结果。

已使用例如CT、MRI、正电子发射断层摄影法(PET)或其组合等非侵入性成像方法来通过筛查异常放大和/或代谢活跃的结节而识别癌扩散。在后一种情况下，不同肿瘤类型表明增强的葡萄糖代谢和葡萄糖输送体(GLUT)的过表达；此通常使用葡萄糖模拟剂 2-脱氧-2-[¹⁸F]氟-D-葡萄糖(¹⁸F-FDG)(加诺夫(Kelloff)，临床癌症研究(Clin.CancerRes.)， (2005))来显示。然而，¹⁸F-FDG PET亲合力不特定或可靠，因为结节放大可伴随发炎性、感染性或其它代谢活跃过程而看到，且可能与癌细胞扩散共存。另外，小于所定义大小阈值(即，1.5cm)的结节可能掩藏通过传统¹⁸F-FDG PET不显而易见的微小转移灶。最后，在外科手术期间不能将在这些手术前规划研究上看到的转移性疾病的部位转化为三维(3D)位置对于手术中识别提出严峻挑战，妨碍将局部结节分布的标测引导到暴露的结节盆内。出于这些原因，已开发这些技术连同较新癌症靶向方法的组合以实现手术前发现到手术现场的转化，从而促进SLN定位。

标准护理SLN标测技术依赖于捕捉在原发肿瘤部位周围注射的成像剂来经由一或多个淋巴通道(图la)运送到SLN。一种此类试剂(滤波锝放射性标记硫胶体，即，^99mTc 硫胶体)在手术前注射以进行SLN定位且以共同对齐到CT扫描的伽玛相机显现以进行空间定向。手术期间，使用手持式伽玛探针来测量引流淋巴结构中的放射性，且帮助外科医生定位SLN。以^99mTc硫胶体放射性示踪剂进行SLN标测是用于对早期黑色素瘤中的区域性结节盆进行分期的标准护理程序(在美国，约50,000台手术/年)。用于定位SLN 的另一手术中佐剂是异磺烷兰(Lymphazurin 1％，美国手术，康涅狄格州黑文)或“蓝色染料”，其在SLN蓝注射后将其转向到瘤周区域且允许视觉识别“热蓝色”SLN。

当前SLN标测和活检技术遭受若干缺点。主要是空间分辨率低，不在手术现场提供结节和淋巴通道的实时可视化或详细解剖结构。另外，大小从10到100nm的经滤波^99mTc 硫胶体粒子表明距注射部位的小间隙(即，胞间隙)，其可有效地限制引流淋巴管的适当可视化。尽管SLN可为放射性的且为“热”的以进行手术中伽玛探测，但主刀外科医生需要主要依赖于异常视觉外观和触诊来区分SLN且可靠地区分其与邻接组织。如果使用辅助蓝色染料注射，那么蓝色SLN仅当其位于操作现场表面时才明显，且直到已进行了大量组织解剖后才可能变得不明显。此外，手术中识别大小可为4到5mm的SLN存在损伤例如神经和血管等重要邻近结构的风险。在身体的某些区域(例如头部和颈部)内，损伤神经血管结构可导致严重后果，且可能永久地更改例如说话和吞咽等功能以及患者的外在观感。在头部和颈部内，在高达10％左右的病例中未能识别任何引流模式或定位小结节(厄曼(Erman)，癌症(Cancer)，(2012))。对头部和颈部黑色素瘤的分期已受到转移性疾病扩散的不可预测模式、解剖上接近肿瘤的难以检测的结节和手术中辨别小结节与手术期间的重要结构的困难的妨碍。

与标准护理SLN标测技术相关联的限制连同造影剂开发和成像技术的创新(即，光学、PET-CT、MRI)已促进了开发用于改善淋巴成像策略和识别用于活检的SLN的新工具的努力。传统近红外(NIR)有机染料(例如，Cy7、Cy5.5)频繁用来标测淋巴系统，但具有相关联缺点。染料由于其小的大小而易于外渗到周围组织中，且需要缀合到大分子(即，蛋白质、免疫球蛋白)以保持在淋巴系统内。其减小的亮度和光稳定性减小了有用的成像贯穿深度，且其相对宽的发射光谱可导致破坏性光谱干扰，从而妨碍其在多光谱成像应用中的使用(小林(Kobayashi)，纳米通讯(Nano Lett.)(2007年))。FDA批准的NIR染料吲哚菁绿(ICG，放射峰值830nm)是临床环境中常用来以极低剂量(舍夫契克-穆拉塔 (Sevick-Muraca)，放射学(Radiology)(2008年))对淋巴流动和SLN进行成像的荧光团(舍夫契克-穆拉塔，放射学(2008年)；克雷恩(Crane)，妇科肿瘤学(Gynecol.Oncol.)，(2011))。然而，此试剂的通用性有限，且不存在官能团可使到靶向和/或对比度产生部分的缀合具挑战性(拉斯姆森(Rasmussen)，生物技术新见(Curr.Opin.Biotechnol.)(2009年))。给定此 NIR染料的弱且不稳定性质，渗透深度受限，检测很大程度上被限制于询问表层结节。

已开发较新一代的分子和粒子试剂用于与图像引导式程序一起使用，例如非靶向可活化(科瑞威尔(Keereweer)，耳鼻喉文献(Arch.Otolaryngol.)(2011)；马赫穆德(Mahmood) 分子癌症治疗(Mol.Cancer.Ther.)(2003年)；伍德贝尔廷格(Wunderbaldinger)，欧洲放射学(Eur.Radiol.)(2003年))和靶向有机荧光团(格莱斯廷(Gleysteen)，癌症生物疗法(Cancer Biol.Ther.)(2007年)；李(Lee)，临床癌症研究(2008年)；威思罗(Withrow)，癌症研究与治疗技术(Technol.Cancer Res.Treat.)(2008年))、钆标注树枝状聚合物(小山(Koyama)，磁共振成像杂志(J.Magn.Reson.Imaging)(2007年)；小林，控制释放杂志(J.Controlled Release)(2006年)；卢卡雷利(Lucarelli)，淋巴研究生物学(Lymphatic Res.Biol.)(2009年)) 和其它纳米载体(杰恩(Jain)，控制释放杂志(J.Controlled Release)(2009年))以及大分子试剂(华莱士(Wallace)，外科肿瘤学年鉴(Ann.Surg.Oncol.)(2003年)；哈马(Hama)，皮肤病学(Invest.Dermatol.)(2007年)；保罗斯基(Povoski)，外科创新(Surg.Innov.)(2012年))。这些类别的试剂中的每一者的详细论述在以下各者中论述：拉斯姆森，生物技术新见 (2009年)；卢卡雷利，淋巴研究生物学(2009年)；杰恩，临床肿瘤学自然评论(Nat.Rev.Clin. Oncol.)(2010年)；科瑞威尔，分子成像生物学(Mol.Imaging Biol.)，(2011)；萨姆帕斯 (Sampath)，生物光学(Biomed.Opt.)(2008年)；施罗德(Schroeder)，癌症自然评论(Nat.Rev. Cancer)(2012年)；郁德(Yudd)，放射成像(Radiographics)(1999年)；拉维兹尼(Ravizzini)，威利跨学科评论：纳米医学与纳米生物化学(Wiley Interdiscip.Rev.:Nanomed. Nanobiotechnol.)(2009年)；库拉尔(Khullar)，胸与心血管外科研讨会(Semin.Thorac. Cardiovasc.Surg.)(2009年)。对用于与至少两个成像模态一起使用的多峰纳米粒子的更为新近的介绍(麦德拉(Madru)，核医学杂志(J.Nucl.Med.)(2012年)；奥尔森(Olson)，美国国家科学协会公报(Proc.Natl.Acad.Sci.)(2010年)；本尼泽拉(Benezra),临床研究杂志 (J.Clin.Invest.)(2011年))可通过基于单平台技术辅助手术前规划和手术中导引而潜在地改善淋巴结切除成果。与准许在获取期间实时地调整到良好质量的愈加灵敏且分辨率较高的便携式光学成像装置耦合的此类双模态试剂使得能够在主刀外科医生或介入医师的直接控制下进行实时图像引导式治疗。在这些条件下，手术前成像扫描的疾病部位可在外科手术期间更容易地转化为暴露手术床内的3D位置。可通过用于伽玛和/或贝塔射线检测的手持式PET探针获得组织荧光的确认。此设置将进一步使得外科医生能够经由上覆的组织看到转移性SLN以便准确描绘这些结节与邻接解剖结构，由此将损伤例如血管和神经等重要结构的风险减到最小。

对于淋巴成像，理想成像剂应展现改善SLN组织定位和保持(即，表面受体结合、内化)、增强标靶部位处的成像信号和促进从注射部位和主体的更快速离开以便最大化目标与背景比率(即，试剂应目标明确且明显)的关键性质。最小化正常组织辐射剂量的需要是放射性示踪剂的另一考虑因素。为使用粒子试剂标测淋巴肿瘤扩散，需要满足关键设计约束以实现最大诊断/治疗效益同时将相关联并发症(即，损伤邻近关键结构、淋巴水肿)减到最少。

对于成像异常和疾病的应用

本文中描述用于选择性地对同时含有两种或两种以上探测物质的受试者进行成像的活体内成像方法，其中两种或两种以上探测物质同时或依序施予受试者。在一些实施例中，探针通过注射组合探测物质或通过注射单独探测物质而引入到受试者。在一些实施例中，因为探针与衬底的药代动力学(PK)可能不同，因此可能需要在不同时间执行这些注射。在一些实施例中，探测物质可为荧光或其它成像剂的任何组合。在一些实施例中，探测物质包括含有一或多种荧光染料的基于二氧化硅的纳米粒子。单种探测物质可充当光学和其它成像模态试剂两者，例如双成像剂。所述方法因此允许同时记录多个生物过程、功能或靶点。在一些实施例中，使用所述方法来确定标志的数目，包含随时间推移跟踪探测物质在受试者体内的定位或评估受试者体内的成像探针的代谢和/或分泌随时间推移的改变或更改。所述方法还可用以通过对通过此类疗法调制的分子事件和生物路径进行成像而遵循对此类疾病的疗法，包含但不限于确定功效、最优时序、最优给药程度(包含对于个别患者或测试受试者)、药效动力学参数，和疗法组合的协同效果。

本文中描述的方法和系统可与其它成像方法一起使用，例如使用包含但不限于各种范围(显微镜、内窥镜)的装置、导管和光学成像设备(例如用于层析成像呈现的基于计算机的硬件)。

可使用诸实施例来例如帮助医生、外科医生或其它医务人员或研究人员来识别和表征疾病区域，例如关节炎、癌症、转移灶或易感性或不稳定牙菌斑，以区分患病与正常的组织，例如检测难以检测的肿瘤边缘。

在某些实施例中，所述方法可用于检测、表征和/或确定疾病，尤其是早期疾病的定位、疾病的严重强度或疾病相关联病况、疾病的分期，且监视和引导各种治疗性介入(例如外科手术)，且监视和/或开发药物疗法和投递，包含基于细胞的疗法。在一些实施例中，所述方法还可用于疾病或疾病病况的预后。相对于前述中的每一者，可检测或监视 (在治疗之前、期间或之后)的此类疾病或疾病病况的实例包含：发炎(例如，由例如类风湿性关节炎的关节炎造成的发炎)、癌症(例如，结肠直肠、卵巢、肺、乳房、前列腺、颈、睾丸、皮肤、大脑、胃肠、胰腺、肝脏、肾脏、膀胱、胃、白血病、口部、食道、骨，包含转移灶)、心血管疾病(例如，动脉粥样硬化和血管发炎性病况、局部缺血、中风、血栓形成、播散性血管内凝血)、皮肤病(例如，卡波西氏肉瘤、牛皮癣、过敏性皮炎)、眼科疾病(例如，黄斑变性、糖尿病性视网膜病变)、传染病(例如，细菌、病毒、真菌和寄生感染，包含后天免疫缺乏症候群、疟疾、却格司氏疾病、血吸虫病)、免疫疾病 (例如，自身免疫障碍、淋巴瘤、多发性硬化、类风湿性关节炎、糖尿病、红斑狼疮、重症肌无力、格拉夫疾病)、中枢神经系统疾病(例如，神经退化性疾病，例如帕金森病或阿尔茨海默病、亨廷顿病、肌肉萎缩性侧索硬化、朊病毒疾病)、遗传性疾病、代谢疾病、环境疾病(例如，铅、汞和放射性中毒、皮肤癌)、骨骼相关疾病(例如，骨质疏松、原发性和转移性骨肿瘤、骨关节炎)、神经退化性疾病，和手术相关并发症(例如移植排斥、器官排斥、伤口愈合变异、与手术植入物相关的纤维化或其它并发症)。在一些实施例中，因此可使用所述方法来例如确定肿瘤细胞的存在以及肿瘤细胞的定位和转移、发炎的存在和定位，包含活化巨噬细胞的存在(例如在动脉粥样硬化或关节炎中)、血管疾病的存在和定位(包含在冠状和外周动脉中的有急性堵塞风险的区域(例如，易感性溶菌斑))、扩展动脉瘤区域、颈动脉中的不稳定溶菌斑，和局部缺血区域，以及血管支架血栓形成。实施例的方法和组合物还可用于识别和评估细胞死亡、损伤、细胞凋亡、坏死、低氧和血管生成。所述实施例的方法和组合物还可用于监视某些细胞类型(包含T细胞、肿瘤细胞、免疫细胞、干细胞，和其它细胞类型)的运输和定位。明确地说，此方法可用以监视基于细胞的疗法。所述实施例的方法和组合物还可用作光动力疗法的部分，包含成像、光活化和疗法监视。

在一些实施例中，所述方法和系统用以通过显现局部注射后的不同肿瘤淋巴引流路径和结节分布而评估转移性黑色素瘤中的前哨淋巴结。可使用手持型荧光相机系统实时地显现同时多色平台。可使用使用Artemis^TM手持型荧光相机系统的实时光学成像连同不同含二氧化硅纳米粒子的NIR染料来在临床相关较大动物(小型猪)转移性黑色素瘤模型中同时标测不同结节分布。在一个以上原发性皮肤病灶周围局部注射这些不同含染料粒子批次之后，将同时获取解剖学(即，结节定位/保持)和功能(即，异常淋巴流动，注射后到检测的时间)信息两者。不同含染料粒子可混合在一起且共同注射本文中描述的系统允许图形辨别同时检测到的不同粒子。在临床环境中，此类信息可用以定位结节疾病以及异常淋巴流动的所有部位，以便指导后续治疗规划。举例来说，还有可能使用两个(或两个以上)粒子批次来标测黑色素瘤或其它肿瘤类型上的不同表面受体；每一批次含有的粒子携带不同肽配位体和染料。使用这些可视化工具(即，不同含NIR染料的NP与多通道荧光相机系统)增强SLN定位的能力提供优于光学指导的成像方法的相异优势，且预期会改善疾病分期和患者最终结果测量。

在一些实施例中，执行/使用所述方法和系统来使用靶向双模态二氧化硅纳米粒子在手术期间实时地显现前列腺癌和其它癌症(例如，黑色素瘤，和子宫颈/子宫/卵巢癌)中的外周神经和结节疾病。手术中可视化和检测工具将改善前列腺癌患者的术后最终结果，使得能够完整切除肿瘤而不在功能上损坏邻近神经肌肉结构(即，神经)。为实现此目的，可平移的双模态二氧化硅纳米粒子(NP)可改善手术前的靶向疾病定位并且使用手持型 NIR荧光相机系统增强前列腺神经、结节疾病和残余前列腺肿瘤病灶或手术边缘的实时可视化。可合成和表征不同含染料粒子批次；每一批次含有用于确定肿瘤靶点或用于结合肉眼不可见的周围神经结构的不同NIR染料和肽承载表面。举例来说，可用以确定黑色素瘤靶点的配位体包含cRGDY和α-MSH(黑色素细胞刺激激素)，其各自附接到不同含染料粒子。另外，例如，例如cRGDY-PEG-C点的整合素靶向纳米粒子特定地结合到整合素表达人类癌细胞系，且α-MSH在离体和活体内结合人类黑色素瘤细胞上明显不同的受体，黑皮质素-1(M1CR)。

图1描绘根据本发明的实施例的使用¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点在头部和颈部进行SLN标测的示意图。图1A描绘在引流到耳前和颌下结节的口腔病灶周围注射 ¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点。图1B描绘¹²⁴I-cRGDY-PEG化的核-壳二氧化硅纳米粒子(105， 115)，其具有承载放射性标记和肽的表面以及含反应性染料分子的核心(110)。可在离体评估肿瘤靶向粒子以与原生配位体对照物相比确定若干不同癌细胞系的细胞捕捉动力学。为在手术期间同时对肿瘤和周围神经进行成像，可使用Artemis系统和随后对相应靶向NP的静脉内共同注射来在鼠异种移植或小型猪模型中进行系列肿瘤靶向和神经结合亲和力研究。结果可与对照物(即，单独的肽或非靶向NP)进行比较。还可进行药物代谢动力学评估。基于此类光学研究，可评估肿瘤与背景和神经与肌肉比率。

在一些实施例中，所述方法和系统可用以在手术期间使用以多个癌症导向配位体改性的双模态二氧化硅纳米粒子表面来实时地评估前列腺癌中的残余疾病。选择性地以前列腺癌细胞上的不同表面生物标记为靶点的粒子探针可导致对疾病的增强的检测和/或较准确的分期，同时解决标记变异性的问题。举例来说，可如下采用C点平台：(1)将两个靶向配位体(J591F(ab')2或GRPr拮抗剂)中的每一者附接到个别批次的不同含NIR染料粒子(即，每粒子批次一个靶向配位体)，以及(2)静脉内共同注射以使用高灵敏度 Artemis相机系统评定前列腺异种移植模型中的受体共表达，以改善疾病标测和完整肿瘤切除。由所有前列腺癌表达的可增强肿瘤检测和残余疾病定位的公认细胞表面抗原是 PSMA，其表达含量在区分较不良的转移性和激素难治性癌症中逐渐增大。J591 mAb对 PSMA的相异胞外抗原决定基有反应，且已在临床上验证可用于肿瘤靶向癌症检测和治疗。用于对前列腺癌进行成像的另一有吸引力的且临床上经过验证的表面靶点为胃泌素释放肽受体(GRPr)。已在若干恶性肿瘤类型中观测到GRPr过表达，但在前列腺癌中大多数情况一贯如此。相比之下，正常和增生的前列腺组织表明无或非常低的GRP结合。放射性标记GRPr拮抗剂已用于前列腺癌的成像和放射线疗法。使用前述放射性标记配位体和PET成像的先前临床研究已展示，可以高对比度在患者中对前列腺癌进行成像。此外，PSMA和GRPr的靶点可能互补，因为PSMA由雄激素信号不利地调节，而GRPr 表达通过雄激素信号而增大。

利用探测物质(荧光物质)成像

本文中描述的系统和方法可与2013年2月14日公开为US 2013/0039848的第13/381,209号美国专利申请案中描述的系统和方法一起使用，所述美国专利申请案涉及使用基于荧光二氧化硅的纳米粒子的活体内成像系统和方法且以引用的方式并入。在一些实施例中，探测物质中的至少一者包括纳米粒子。在一些实施例中，所述纳米粒子具有二氧化硅架构和富染料核心。在一些实施例中，富染料核心包括荧光报道体。在一些实施例中，荧光报道体是近红外或远红染料。在一些实施例中，荧光报道体选自由以下各者组成的群组：Cy5、Cy5.5、Cy2、FITC、TRITC、Cy7、FAM、Cy3、Cy3.5、德克萨斯红、ROX、HEX、JA133、AlexaFluor 488、AlexaFluor 546、AlexaFluor 633、AlexaFluor 555、AlexaFluor 647、DAPI、TMR、R6G、GFP、增强型GFP、CFP、ECFP、YFP、西特林(Citrine)、Venus、YPet、CyPet、AMCA、光谱绿、光谱橙、光谱浅绿、丽丝胺和铕。

所述成像系统和方法可与数种不同荧光探测物质一起使用(或，如在使用串接生物发光报道体/荧光探测的实施例中，其荧光物质)，所述探测物质例如：(1)在靶点接触(例如，结合或交互)之后变得活化的探针(韦斯勒德尔等人，自然生物技术(NatureBiotech.)，17： 375到378，1999年；布雷默(Bremer)等人，自然医学(Nature Med.)，7：743到748，2001 年；坎普(Campo)等人，光化学与光生物学(Photochem.Photobiol.)83：958到965，2007 年)；(2)波长移位信标(泰基(Tyagi)等人，自然生物技术，18：1191到1196，2000年)； (3)多色(例如，荧光)探针(泰基等人，自然生物技术，16：49到53，1998)；(4)具有与靶点的高结合亲和力的探针，例如在非特异性探针已从身体清除时保留在靶点区域内(阿克勒夫(Achilefu)等人，放射学研究(Invest.Radiol.)，35：479到485，2000年；贝克尔(Becker) 等人，自然生物技术19：327到331，2001年；布杰(Bujai)等人，生物医学光学期刊(J.Biomed.Opt.)6：122到133，2001年；巴卢(Ballou)等人生物化学进展(Biotechnol.Prog.)13：649到658，1997年；；以及奈瑞(Neri)等人，自然生物技术15： 1271到1275，1997年)；(5)基于量子点或纳米粒子的成像探针，包含多价成像探针，和荧光量子点，例如胺T2 MP

(Evident Technologies)或

Nanocrystals(Invitrogen^TM)；(6)非特异性成像探针，例如吲哚菁绿，

(VisEn Medical)；(7)标注细胞(例如，例如使用例如VivoTag^TM 680、纳米粒子或量子点等非原生荧光团标注的例如，或通过在基因上操纵细胞以表达荧光或发光蛋白质，例如绿色或红色荧光蛋白质；和/或(8)X射线、MR、超声波、PET或SPECT造影剂，例如钆、金属氧化物纳米粒子、X射线造影剂，包含基于碘的成像剂，或放射性同位素形式的金属，例如铜、镓、铟、锝、钇和镥，包含但不限于99m-Tc、111-In、64-Cu、67-Ga、 186-Re、188-Re、153-Sm、177-Lu和67-Cu。上述文档的相关文本以引用的方式并入本文中。另一群组合适的成像探针为镧系金属配位体探针。荧光镧系金属包含铕和铽。镧系元素的荧光性质描述于Lackowicz在1999年所著的Principles of Fluorescence Spectroscopy，第2版(Kluwar Academic，纽约，相关文本以引用的方式并入本文中)中。在此实施例的方法中，可通过注射成像探针或通过表面或其它局部施予途径(例如“喷射”)来全身性地或局部地施予成像探针。此外，用于本发明的实施例中的成像探针可缀合到能够引发光动力疗法的分子。这些分子包含但不限于光敏素(Photofrin)、卢特林 (Lutrin)、安特林(Antrin)、胺基乙酰丙酸、金丝桃毒(hypericin)、苯并卟啉衍生物，且选择卟啉。

一般而言，用于实践本发明的元件的荧光量子点为含有若干半导体材料(包含但不限于含有镉和硒、硫醚或碲、硫化锌、铟-锑、铅硒化物、砷化镓和二氧化硅或有机改性硅酸盐的半导体材料)的原子的纳米晶体，其已涂布有硫化锌以改善荧光剂的性质。

明确地说，荧光探测物质为优选类型的成像探测物。荧光探测物质是以探测物与之杂交的生物标记、分子结构或生物分子(例如细胞表面受体或抗原、细胞内的酶或特定核酸，例如DNA)为靶点的荧光探测物。荧光成像探测物可以之为靶点的生物分子包含例如抗体、蛋白质、糖蛋白、细胞受体、神经传递素、整合素、生长因子、细胞激素、淋巴因子、凝集素、选择素、毒素、碳水化合物、内化受体、酶、蛋白酶、病毒、微生物，和细菌。

在某些实施例中，探测物质具有在红色和近红外光谱中的激发和放射波长，例如在范围550到1300或400到1300nm或从约440到约1100nm，从约550到约800nm或从约600到约900nm。使用电磁光谱的此部分最大化组织渗透且最小化生理上充足的吸收器(例如血红蛋白(<650nm)和水(>1200nm))的吸收。具有在例如可见和紫外光光谱等的其它光谱中的激发和放射波长的探测物质也可用于本发明的实施例的方法中。明确地说，例如某些羰花青(carbocyanine)或聚甲炔荧光荧光染料或染料等荧光团可用以建构光学成像剂，例如：颁予卡普托(Caputo)等人(2004)的第6,747,159号美国专利；颁予卡普托等人(2002)的第6,448,008号美国专利；颁予德拉·希纳(Della Ciana)等人(2000)的第 6,136,612号美国专利；颁予索思威克(Southwick)等人(1991)的第4,981,977号美国专利；颁予瓦格纳(Waggoner)等人(1993)的5,268,486；颁予瓦格纳(1996)的第5,569,587号美国专利；颁予瓦格纳等人(1996)的5,569,766；颁予瓦格纳等人(1996)的第5,486,616号美国专利；颁予瓦格纳(1997)的第5,627,027号美国专利；颁予布鲁斯(Brush)等人(1998)的第 5,808,044号美国专利；颁予雷丁顿(Reddington)等人(1999)的第5,877,310号美国专利；颁予沈(Shen)等人(1999)的第6,002,003号美国专利；颁予梁(Leung)等人(1999)的第 6,004,536号美国专利；颁予瓦格纳等人(1999)的第6,008,373号美国专利；颁予明登(Minden)等人(2000)的第6,043,025号美国专利；颁予明登等人(2000)的第6,127,134号美国专利；颁予瓦格纳等人(2000)的第6,130,094号美国专利；颁予瓦格纳等人(2000)的第 6,133,445号美国专利；颁予理查(Licha)等人(2008)的第7,445,767号美国专利；颁予理查等人(2003)的第6,534,041号美国专利；颁予米哇(Miwa)等人(2009)的第7,547,721号美国专利；颁予米哇等人(2009)的第7,488,468号美国专利；颁予川上(Kawakami)等人 (2003)的第7,473,415号美国专利；以及WO 96/17628、EP 0 796 111 B1、EP 1 181 940 B1、 EP 0 988 060B1、WO 98/47538、WO 00/16810、EP 1 113 822 B1、WO 01/43781、EP 1 237 583 A1、WO 03/074091、EP 1 480 683 B1、WO 06/072580、EP 1 833 513 A1、EP 1 679 082 A1、WO 97/40104、WO 99/51702、WO 01/21624和EP 1 065 250 A1；以及四面体通讯 (TetrahedronLetters)41,9185-88(2000)。

举例来说，用于探测物质的示范性荧光染料包含以下：Cy5.5、Cy5、Cy7.5和Cy7

AlexaFluor660、AlexaFluor680、AlexaFluor790和AlexaFluor750(Invitrogen)；VivoTag^TM680、VivoTag^TM-S680、VivoTag^TM-S750(VisEn Medical)；Dy677、Dy682、Dy752和Dy780

和/或

647(Pierce)；HiLyte647、HiLyteFluor^TM 680和HiLyteFluor^TM 750

800CW、

800RS和

700DX

ADS780WS、ADS830WS和ADS832WS(American Dye Source)；XenoLight CF^TM 680、XenoLight CF^TM 750、XenoLight 770和XenoLight DiR

以及

X-SIGHT 751

附接到纳米粒子上的配位体

附接到纳米粒子上的配位体的数目可在约1到约20、约2到约15、约3到约10、约1到约10或约1到约6的范围内。附接到纳米粒子上的配位体的小数目帮助维持本发明纳米粒子的流体动力学直径，所述直径满足肾脏清除率截止大小范围。Hilderbrand 等人,近红外荧光：在活体内分子成像中的应用(Near-infrared fluorescence:application to invivo molecular imaging),化学生物学新见，14:71-9,2010年。所测量的配位体的数目可以是附接到一种以上纳米粒子上的配位体的平均数。或者，可以测量一个纳米粒子以确定所附接的配位体的数目。附接到纳米粒子上的配位体的数目可通过任何合适方法加以测量，所述方法可或可不与配位体的性质相关。举例来说，结合到粒子的cRGD肽的数目可使用绝对粒子浓度和用于cRGD肽的试剂的开始浓度的基于FCS的测量来进行估计。每一纳米粒子的RGD肽平均数和RGD与官能化PEG基团的偶合效率可以在碱性条件和缩二脲(Biuret)分光光度法下以色度方式评估。附接到纳米粒子上的配位体的数目还可通过核磁共振(NMR)、光学成像、测定放射性等来加以测量。所属领域的技术人员可容易地确定所述方法。

在一些实施例中，治疗剂可附接到纳米粒子上。治疗剂包含抗生素、抗微生物剂、抗增殖剂、抗肿瘤药、抗氧化剂、内皮细胞生长因子、凝血酶、抑试剂、免疫抑试剂、抗血小板凝集剂、胶原蛋白合成抑试剂、治疗性抗体、一氧化氮供体、反义寡核苷酸、创伤愈合剂、治疗性基因转移构建体、细胞外基质组分、血管扩张剂、溶解血栓剂、抗代谢物、生长因子激动剂、抗有丝分裂剂、他汀(statin)、类固醇和非类固醇消炎剂、血管收缩素转化酶(ACE)抑试剂、自由基清除剂、PPAR-γ激动剂、小干扰RNA(siRNA)、微RNA以及抗癌化学治疗剂。本发明的实施例所涵盖的治疗剂还包含放射性核素，例如⁹⁰Y、¹³¹I以及¹⁷⁷Lu。治疗剂可以经放射性标记，如通过结合到放射氟¹⁸F经标记。

造影剂可以直接与纳米粒子结合。或者，造影剂可以通过附接到连接子或螯合物上来间接地与纳米粒子结合。螯合物可以经调适以结合放射性核素。可附接到本发明纳米粒子的螯合剂可包含但不限于1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)、二伸乙三胺五乙酸(DTPA)、去铁敏(DFO)和三亚乙基四胺(TETA)。

附接到纳米粒子上的配位体(即，检测剂、造影剂，等)的表征

可以将造影剂附接到本发明纳米粒子上以用于医学或生物成像。在一些实施例中所涵盖的成像技术可包含正电子发射断层扫描(PET)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、光学生物发光成像、光学荧光成像及其组合。在一些实施例中，造影剂可为此项技术中已知的用于PET、SPECT、CT、 MRI和光学成像的任何分子、物质或化合物。造影剂可以是放射性核素、放射性金属、正电子发射器、β发射器、γ发射器、α发射器、顺磁金属离子以及超顺磁金属离子。造影剂包含但不限于碘、氟、Cu、Zr、Lu、At、Yt、Ga、In、Tc、Gd、Dy、Fe、Mn、Ba 和BaSO₄。可以用作附接到本发明的实施例的纳米粒子上的造影剂的放射性核素包含但不限于⁸⁹Zr、⁶⁴Cu、⁶⁸Ga、⁸⁶Y、¹²⁴I以及¹⁷⁷Lu。

用于成像、检测、记录或测量本发明纳米粒子的合适的装置还可包含例如流式细胞仪、激光扫描细胞仪、荧光微量培养板读取器、荧光显微镜、共焦显微镜、亮场显微镜、高内容扫描系统以及类似装置。可以同时或连续使用一种以上成像技术来检测本发明的纳米粒子。在一个实施例中，光学成像用作灵敏、高通量的筛选工具以在相同受试者中获得多个时间点，从而准许对肿瘤标记水平的半定量评估。这补偿了用PET所获得的相对降低的时间分辨率，但需要PET以实现用于获取体数据的足够深度穿透，以及检测、定量并且监视受体和/或其它细胞标记水平的变化(作为评估疾病进展或改进的手段)，以及将患者分层到合适的治疗方案。

癌症靶向、双模态核壳二氧化硅纳米粒子

荧光核-壳二氧化硅纳米粒子(科内尔(Cornell)或C点，其中C'是指较亮的C点)(伯内斯(Burns)，纳米通讯(2009)；崔(Choi)，生物医学光学期刊(2007))经设计供用于纳米医学应用，包含SLN标测。此粒子技术以附接到短的与粒子结合的甲氧基封端聚乙二醇链(PEG约0.5kDa)(伯内斯，化学学会评论(Chem.Soc.Rev.)，(2006年))的少数肽配位体环精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-酪氨酸(cRGDY)改性，以产生无毒、强效的高亲和力整合素靶向探测物(本尼泽拉，临床研究杂志(2011年))。肽配位体经由使用酪氨酸键联基团而以发射正电子的放射性核素碘124(¹²⁴I)标记，以产生双模态(光学-PET)平台 ¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点，如图1b中所示。此平台技术基于以下设计考虑因素而理想地适合于SLN标测和其它图像引导式应用：(1)小的大小，可调谐半径低至4.0nm，用于优化清除概况(伯内斯，纳米通讯(2009年))且促进更均一地递送到结节和其它转移性疾病部位；(2)针对肿瘤选择性捕捉、积聚及保持在整合素表达肿瘤中来靶向肽，包含恶性黑色素瘤细胞和异种移植(本尼泽拉，临床研究杂志(2011年))；(3)囊封的有机染料(即， Cy5.5；发射极大值，nm)，用于相对于水溶液中的亲代染料大大增强光物理特征，例如亮度(相对于游离染料>200％)和光稳定性；(4)PEG涂布的表面，用于降低肝脏、脾、骨髓的非特异性捕捉；以及(5)二氧化硅外壳的通用性，用于准许多个功能组合为单个媒剂，从而建立高度功能化的粒子平台。

可使用PET和光学成像方法两者来演示利用此第一FDA研究性新药物批准的双模态二氧化硅粒子(约6到7nm直径直径)来改善SLN转移灶的检测和定位、区分结节肿瘤负荷且监视对公认自发黑色素瘤小型猪模型(米斯费尔特(Misfeldt)，兽医免疫学和免疫病理学(Vet.Immunol.Immunopathol.)(1994年))中的图像引导式消融程序的治疗响应的结果。最近已初次在人类临床试验中发现界定用于纳米医学的相异类别的治疗诊断平台 (杰克斯特(Jokerst)化学研究述评(Acc.Chem.Res.)(2011年))的此无机平台在转移性黑色素瘤患者中是安全的(菲利普斯(Phillips)，科学转化医学(Sci Transl Med)，2014年10月29日：第6卷，260期，260及149页)。对于这些SLN标测研究，使手术前和手术中成像发现与组织学和免疫化学测定相关以确认黑色素瘤存在或不存在。可演示此平台相对于标准护理放射性示踪剂¹⁸F-FDG(用于癌症分期和区分转移性疾病与发炎性过程)的特异性。在这些小型猪模型中的原发肿瘤部位周围局部注射此PET-光学粒子探测物之后，可观测到用于标测转移性疾病的手术前PET成像发现可成功地使用目前先进技术的高分辨率手持式荧光相机系统ArteMIS^TM系统(用于引导引流肿瘤淋巴管和荧光SLN的实时可视化)而转化到手术中环境。在淋巴结切除之前使用用于检测伽玛发射的临床上批准的手持型PET探针(IntraMedical Imaging LLC，洛杉矶，加利福尼亚州)来确认粒子的光学定位。这些研究的结果突出了实现此粒子平台在转移性结节内的最优肿瘤定位性质、准确成像淋巴系统和促进局部和全身清除所需要的关键设计准则。

用于可平移粒子平台技术粒径的设计考虑因素

粒径是淋巴捕捉动力学的关键决定因素之一。较小粒子应导致更快速地从胞间隙迁移到淋巴系统中。此特性可实现较大数目个较小口径淋巴通道的定界并且产生较高对比度图像。较小粒径是用于增强探测物到荷瘤结节中的递送的吸引人的特征，且可另外延伸可灵敏地检测的结节大小下限。然而，小于约3nm的粒子大小(包含染料)易于外渗且非特异性组织分散，从而增大背景荧光且潜在地延长保持在间质内的时间(伯内斯，纳米通讯(2009)；小林，美国化学学会·纳米(ACS Nano)(2007年)；大西(Ohnishi)，分子成像(Mol.Imaging)(2005年))。此外，此类小粒子表明从荷瘤组织流出的增强的速率，从而降低结节保持。对于愈加较大的颗粒大小，在癌症浸润组织内的较慢生理输送可妨碍粒子在整个间质中的更均一扩散，但可增大靶点选择性(杰恩，临床肿瘤学自然评论(Nat.Rev.Clin.Oncol.)(2010年))。

循环寿命和清除

粒子平台的大小将影响其循环或滞留半衰期。假定无毒平台，可能需要较长血液半衰期(即，小于600分钟的时间)(杰恩，临床肿瘤学自然评论(2010年))以增大灵敏地确定转移性疾病的靶点且区分更坚固的荷瘤结节内的肿瘤负荷的可能性。对于诊断研究，此考虑应对照促进更快速全身清除(优选地经由肾脏)的需要进行权衡。满足10nm或更小的有效肾小球过滤大小截止值的基于超小粒子的平台或大分子系统是合乎需要的(崔，美国国家科学协会公报(2011年))。大于约10nm直径的粒子将逐渐地积聚在肝脏中，随后最终由肝胆分泌。尽管最终有效，但此清除模式延长暴露于所施予粒子负载的时间，从而增大不良效果或毒性的可能性。

在一些实施例中，在将纳米粒子施予受试者之后，纳米粒子的血液滞留半衰期可在约2小时到约25小时、约3小时到约15小时或约4小时到约10小时的范围内。在将纳米粒子施予受试者之后，所述纳米粒子的肿瘤滞留半衰期可以在约5小时到约5天、约10小时到约4天或约15小时到约3.5天范围内。在将纳米粒子施予受试者之后，所述纳米粒子的肿瘤滞留半衰期与血液滞留半衰期的比率可以在约2到约30、约3到约 20或约4到约15的范围内。在将纳米粒子施予受试者之后，所述纳米粒子的肾脏清除率可以在以下范围内：在约24小时内约10％ID(初始剂量)到约100％ID、在约24小时内约30％ID到约80％ID或在约24小时内约40％ID到约70％ID。在一个实施例中，在将纳米粒子施予受试者之后，纳米粒子的血液滞留半衰期在约2小时到约25小时的范围内，纳米粒子的肿瘤滞留半衰期在约5小时到约5天范围内，并且纳米粒子的肾脏清除率在约24小时内在约30％ID到约80％ID范围内。

在优选实施例中，在纳米粒子处于施予受试者的人类剂量当量的100倍的量时，在约10天到14天内大体上无贫血、体重减轻、躁动、呼吸加快、GI干扰、异常行为、神经功能不全、血液异常、临床化学反应异常、器官病变中的药物相关病变、死亡或其组合在受试者中观测到。

C'点(较亮的C点)的增大的灵敏度

图2和3描绘本文中描述的C点和C'点与ICG(吲哚菁绿)技术(用于医疗诊断中的花青染料)相比的增大的灵敏度。图2描绘距相机系统的检测器面10cm的具有改变浓度的C点(102a，b)、较亮C点(或C'点)(104a，b)和ICG(106a，b)的荧光。表1列出图2 和3中所描绘的结果的值，且列出较亮C点(或C'点)、C点和ICG技术的动态范围和灵敏度阈值。

可通过以下计算描述两个不同大小的粒子(6nm(C'点)和100nm(ICG))在距相机系统的检测器面10cm处的最大检测灵敏度：

·(1.5x10^-9摩尔/升)/(216nm³x(10^-9)³立方米)＝7x10¹⁵摩尔/立方米(最亮C点)

·(10-18摩尔/升)/(10⁶nm³x(10^-9)³立方米＝1000摩尔/立方米(典型较大大小粒子)

C'点或较亮C点在单个纳摩尔浓度中产生可见荧光信号。先前ICG技术需要高得多的浓度来实现可见信号，且以上阈值信号强度测量对于C'点比ICG大许多个数量级。

表1-C点、C'点与ICG的检测灵敏度的比较

NIR环境

距离

稀释比

浓度

C'点

C点

ICG

100W_14dB_80ms

10cm

1:10000

1.5nm

42

0

100W_14dB_80ms

10cm

1:1000

15nM

119

40

0

100W_14dB_80ms

10cm

1:500

0.03uM

>

190

21

100W_14dB_80ms

10cm

1:210

0.071uM

>

35

80W_14dB_46ms

10cm

1:210

0.071uM

206

154

0

80W_14dB_46ms

10cm

1:100

0.15uM

>

34

80W_14dB_46ms

10cm

1:10

1.5uM

>

80W_14dB_46ms

10cm

1:2

7.5uM

>

80W_14dB_46ms

10cm

Non-diluted

15uM

>

细胞/组织靶点确定和捕捉

大部分癌症导向粒子探针的选择主要依赖于增强的穿透性和保持(EPR)效果(杰恩，临床肿瘤学自然评论(2010年)；前田(Maeda)，控制释放杂志，(2000年))，无源实体肿瘤靶点确定过程相对于正常组织在肿瘤组织中导致优选的试剂捕捉和渗透。较长循环半衰期对于增大渗透是合乎需要的。许多基于粒子的试剂中所见的此特性促进跨越渗透性更强的肿瘤脉管的外渗以及经由肿瘤间质的有效扩散。另外，已知通过恶性癌细胞和肿瘤微环境高度表达且与关键癌症标志相关联(哈纳汉(Hanahan)，细胞(2000年))的数个关键肿瘤靶点(例如，组织蛋白酶、血管内皮生长因子受体、基质金属蛋白酶)可用来改善使用多种试剂(即，肽、抗体和纳米粒子)对恶性细胞和组织的靶向检测。已对于这些靶向粒子平台中的一些相对于非靶向粒子观测到增强的渗透和保持时间(杰恩，临床肿瘤学自然评论(2010年)；菅原(Sugahara)，癌细胞(2009年)；卡玛利(Karmali)，纳米医学(Nanomedicine)(2009年))。共同地，这些性质增强成像检测灵敏度和特异性，且可准许区分肿瘤浸润结节组织与类似地显现为结节放大的正常组织(克(Ke)，癌症研究(2003 年)；穆恩(Moon)，生物共轭化学(Bioconjugate Chem)(2003年))或其它疾病过程(发炎、感染)。

其过表达促进持久血管生成的前述靶点以及α_vβ₃整合素(用于本文中呈现的研究中的靶点)可使用特异性地辨识且结合到肿瘤新生血管和癌细胞的小表面结合配位体来加以识别。图4A描绘根据本发明的实施例的人类黑色素瘤细胞系(M21)中的 cRGDY-PEG-C点的特定结合和内化。图4A描绘根据本发明的实施例的在粒子探测物培育之前使用抗α_vβ₃抗体通过流式细胞测量术阻断cRGDY-PEG-C点到M21细胞和α_vβ₃整合素受体的特定结合。展示单独使用媒质和加扰肽结合建构cRADY-PEG点(对照)的非特异性结合。(从临床研究，(2011年)121，2768到2780页改编)图4b到d)描绘使用共聚焦显微镜的cRGDY-PEG-C点共定位与内体和巨胞饮标记。图4B描绘根据本发明的实施例的利用赫斯特对比染色(蓝色)将cRGDY-PEG-C点捕捉到M21细胞(红色色斑) 中。

cRGDY-PEG-C点通过流式细胞测量术高度结合到M21人类黑色素瘤细胞的整合素表面受体，如图4A所示。因此，保持M21异种移植中的粒子和持久成像信号。(本尼泽拉，临床研究杂志(2011年))。离体测定完全阻挡使用抗α_vβ₃整合素抗体的受体介导结合，如图4A中所描绘。图4A还展示连同表面结合，已在M21和其它α_vβ₃整合素阳性肿瘤细胞中观测到整合素靶向试剂经由受体介导内饮作用或其它内化关口的内化(考赛多(Kossodo)，分子成像(2010年))，从而导致较慢探测物清除和相对于周围组织的净肿瘤积聚。

通过在具有cRGDY-PEG-C点和不同内吞囊泡的生物标记的M21细胞中的共定位测定识别cRGDY-PEG-C点内化所涉及的生物隔室。图4B展示通过配备有HCX PL APO 物镜(63x1.2NA Water DIC D)的反向共焦显微镜(Leica TCS SP2 AOBS)灵敏地检测靶向粒子(约1微摩尔，红色，4小时培育)的内化。图4C描绘根据本发明的实施例的利用赫斯特对比染色对酸性细胞器(绿色色斑)的LysoTracker红标记。使用内吞标记LysoTracker 红(100nm，绿色)和图4C中展示的传递蛋白Alexa488确认捕捉到酸性细胞内吞结构中，后一情况表明网格蛋白相依性路径活性(波托茨基(Potocky)，生物化学杂志(J.Biol. Chem.)(2003年))和囊泡的逐渐酸化。图4D描绘根据本发明的实施例的利用LysoTracker 红染色(黄色色斑)的cRGDY-PEG-C点的共定位，且图4E描绘根据本发明的实施例的利用FITC-聚葡萄糖染色(黄色区域)的cRGDY-PEG-C点的共定位。图像放大率为63x。图 4D展示粒子与酸性细胞内吞囊泡(黄色色斑)之间的共定位数据。图4E还展示使用70 kDa聚葡萄糖-FITC观测到了到大型饮胞中的捕捉(波托茨基，生物化学杂志(2003年)；瓦迪亚(Wadia)，自然医学(2004年))(1mg mL-1)，其与cRGDY-PEG-C点共定位；为黄色色斑的此发现指示第二内化路径。利用赫斯特33258(0.01mg mL^-1)进行核对比染色(蓝色)没有粒子进入核。表面结合粒子另外指出且在图4E中描绘(红色)。

表面电荷

表面电荷可影响粒子跨越脉管和在间质内的输送性质。具有净表面电荷的粒子可通过血清蛋白加以调理(伯内斯，纳米通讯(2009年)；莫希米(Moghimi)，药理学评论(Pharmacol.Rev.)(2001年))，从而有效地增大探测物大小且防止肾脏分泌。通过将PEG 链附接到粒子表面以产生化学中性表面和生物惰性平台，其它细胞的捕捉很大程度上被阻止，且粒子将有效地通过肾脏排泄。此外，与其带电对应部分相比，更电中性的表面将增大扩散且导致在癌症浸润组织的胞间隙内更均质的分布(杰恩，临床肿瘤学自然评论 (2010年))。

亮度和光稳定性

荧光探测物(例如，有机染料、荧光蛋白、染料结合蛋白质/大分子、含染料纳米粒子)在手术中环境中具有增强的对淋巴系统的成像评估，从而促进SLN、引流肿瘤淋巴通道的定位，且使得能够同时可视化来自不同引流区域的结节分布(小林，纳米通讯(2007 年)。在NIR区域(650到900nm)中放射的较新一代探测物展现从非目标组织的减小的组织衰减和自身荧光，由此最大化靶点与背景比率且提供改善的但总体低的相对于可见发射器的渗透深度(3到4毫米)(卢卡雷利，淋巴研究生物学(2009年))。通过将有机染料(即， Cy5.5)共价地并入我们的粒子探测物的二氧化硅基质中以防止染料浸滤(伯内斯，纳米通讯(2009)；伯内斯，化学学会评论，(2006年))，已观测到较之游离染料的显著光物理增强。与游离染料相比，发现二氧化硅囊封的染料分子展现显著的亮度增大(200到300％) 和延长的光稳定性(2到3倍增大)(伯内斯，纳米(2009年))。使用目前先进技术荧光相机系统(下文描述)在活体内SLN标测研究中也已发现较高渗透深度，我们的粒子在最大2 cm的组织中可见。这些独特光物理特征的组合结合本发明的荧光相机系统实现改善的癌症分期和治疗。

图像引导式手术：ArteMIS^TM荧光成像系统

图5A到E描绘根据本发明的实施例的利用手持型荧光相机系统的微创手术。图5A描绘用于开刀和腹腔镜程序的ArteMIS^TM手持型相机荧光成像系统。图5B描绘使用腹腔镜工具的微创手术。图5C描绘系统部件(从上到下)：相机、腹腔镜和环形灯。图5D 描绘用于放射性检测的手持型伽玛探针。图5E描绘含10nm Cy5.5的cRGDY-PEG-C点的连续稀释的光学成像(曝光＝60ms；增益＝125；激光功率＝85％；相机距离＝175mm)。图5a展示根据本发明的实施例的一个手术中成像装置ArteMIS^TM手持式荧光相机系统 (Quest MedicalImaging，米登梅尔，荷兰)，其已适于图5b和5c中所描绘的微创腹腔镜和图5c中所描绘的开刀外科手术。其为用于手术中成像指导的手持式多通道荧光成像相机，产生高分辨率可见(彩色)图像和精细调谐的近红外(NIR)荧光信号，所述信号实时地同时获取。此能力实现无运动重叠。此手持式装置对于SLN标测最优，因为其可经定位以检视原本难以检视的解剖学位置，例如头部和颈部。重要的是，同时获取不同荧光波长的图像(即，多光谱成像)的能力使得能够利用荧光成像指导用于手术和介入程序。装置中的传感器物理上对准，使得单轴透镜将特定调谐波长的图像递送到适当传感器。滤出所关注的所需波长以及能够个别地控制经触发以开始在完全相同时间和相同检视位置获取光子的这些传感器中的每一者是本文中解决的难题。可从相机系统控制的光引擎的严格集成允许基于成像反馈进行优化。

CE认证免FDA系统的组件已经用于下文描述的较大动物研究中且可连同本文中描述的双模态粒子集成到例如SLN标测临床试验协议中。活体内粒子定位部位处所检测的光学信号并不仅为自身荧光，反射通过合适波长的光活化的组织结构的内部荧光，其可通过用以在淋巴结切除之前测量所检测伽玛发射的便携式伽玛探针来确认，如图5d所示。在起始活体内研究之前，使用含10nm Cy5.5的cRGDY-PEG-C点连同便携式相机系统执行连续稀释研究，以测量光学信号随粒子浓度而变的改变(图5e)。

纳米医学应用：用于图像引导式手术中SLN标测的双模态二氧化硅纳米粒子

图6描绘根据本发明的实施例的对自发黑色素瘤小型猪模型中的转移性疾病的成像。¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点和组合PET-光学成像方法可评估自发黑色素瘤小型猪模型中的SLN标测(米斯费尔特，兽医免疫学和免疫病理学.(1994年)；奥克汉德勒(Oxenhandler)，美国病理学杂志(Am.J.Pathol.)(1979年)；米利肯(Millikan)，皮肤病学杂志(J.Invest.Dermatol.)(1974年))(辛克莱小型猪，辛克莱研究中心)。SLN中不同肿瘤负荷的图像引导式转移性疾病检测、分期和评估在4到10kg小型猪(n＝5)中结合相关的组织病理学进行评估。下文描述的这些研究的结果表明，¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点相对于 ¹⁸F-FDG实现优良的检测灵敏度和区分代谢亢进颈部结节内的转移性肿瘤负荷。在所有小型猪中，在全身性注射5毫居里(mCi)¹⁸F-FDG之后执行动态1h高分辨率和全身 ¹⁸F-FDG PET-CT扫描以筛检转移性疾病，随后进行¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点施予。图6a 描绘全身¹⁸F-FDG PET-CT纵向和轴向视图，表明在静脉内注射(前部)之后在右侧颈部内的原发肿瘤(暗箭头)和单个SLN(白色箭头)(后部)。在代表性动物中，最初在后部颈部中识别出代谢亢进黑色素瘤病灶和PET亲合右侧SLN，如图6a中所示。两天后，作为四分之一份施予¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点(约0.5mCi，>95％纯度)，皮下注射剂量在肿瘤部位周围。图6b是高分辨率PET-CT扫描，其展现皮下四分之一份瘤周注射 ¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点之后1小时的双侧结节(SLN，箭头；左侧结节，箭头)。高分辨率和全身动态PET扫描在注射之后5分钟确认了先前¹⁸F-FDG成像发现，其中额外识别出 2个PET亲合结节，如图6b中所示，一个在左侧后颈部，第二个紧接在SLN前部。没有看到其它PET亲合结节或可疑示踪剂捕捉区域。

图6c和6d为左后颈部中的黑色遮光SLN(星号，c)和对侧转移性结节(箭头，d)的切割表面的总体图像。在手术期间通过视觉检查且在切除之前使用手持式PET装置的y 计数确认暴露手术床内的成像结节。图6c展示切下的总体结节试样，与图6d中展示的较小(1.0x0.6x1.0cm³)后部左侧PET亲合结节相比，其展示测量为1.3x1.0x1.5cm³的黑色遮光(含黑色素)SLN。此外，图6e是H&E染色SLN的低放大倍率视图，其表明散开的黑色素瘤丛集(白色箭头)，且图6f是H&E染色SLN的对应高放大倍率视图，其展现黑色素瘤细胞(黄色箭头)和噬黑色素细胞(白色箭头)。H&E染色SLN组织切片在低放大倍率视图(图6e)上展现暗黑色素瘤群集，包括在如图6f中所示的高放大倍率视图上的黑色素瘤细胞和含黑色素巨噬细胞(即，噬黑色素细胞)两者。这些发现类似于切下的原发性病灶的发现(数据未展示)。图6g是在代表性SLN组织中的黑色素瘤特定标记 HMB-45(白色箭头)的低放大倍率图像。图6h是HMB-45染色SLN组织的高放大倍率图像。图6i是H&E染色对侧淋巴结的低放大倍率视图，其展示散开的黑色素瘤群集(箭头)。图6j是对侧结节的高放大倍率图像，其展示黑色素瘤细胞的浸润(箭头)。图6k是代表性正常猪结节组织的低放大倍率图像。图6l是代表性正常猪结节组织的高放大倍率图像。比例尺：1mm(e、g、i、k)；20j.tm(f、h、j、I)。(改编自临床研究杂志，2011 年，121，2768到2780)。具有已知人类黑色素瘤标记HMB-45的SLN的免疫组织化学染色表明此标记在低放大倍率(图6g)和高放大倍率视图(图6h)上的阳性表达。相比之下，来自左侧PETavid结节的H&E染色部分的低放大倍率(图6i)和高放大倍率(图6j)视图展示少量较小大小的黑色素瘤群集含有黑色素瘤细胞和噬黑色素细胞。此较小结节中的肿瘤负荷(通过病理分析，估计比SLN中小10到20倍)通过靶向粒子探测物灵敏地辨认。从颈部搜集的代表性正常外观猪结节组织在低放大倍率(图6k))高放大倍率(图61)视图中不展现转移性浸润。

图7描绘根据本发明的实施例的使用手术前PET成像在自发黑色素瘤小型猪模型中的图像引导式SLN标测。这些研究扩展到包含使用便携式荧光相机系统的光学成像连同使用伽玛探针的放射性检测，用于执行引流肿瘤淋巴管和结节转移灶的实时评估。在图 7中所描绘的代表性小型猪中，使用以下程序使用¹⁸F-FDG和¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点执行初始手术前PET-CT扫描。图7a和b为轴向CT图像，展现左侧骨盆软组织胞块(a，箭头)和左侧肋部SLN(b，箭头)。图7c和d为轴向¹⁸F-FDG PET图像，展示静脉内示踪剂注射之后的肿瘤内局部活性(c，黑色箭头)和左侧肋部SLN(d，黑色箭头)。轴向CT 图像展现原发性骨盆肿瘤(图7a)和引流SLN(图7b)，其视为在对应¹⁸F-FDG PET扫描(图 7c和d)上的活性增大区域。图7e是轴向¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点共记录PET-CT图像，展示在骨盆病灶周围的局部注射部位(e，白色箭头)。图7f是冠状面¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点共记录PET-CT图像，展示在骨盆病灶周围的局部注射部位(e，白色箭头)。图7g是对 SLN的轴向冠状面共记录PET-CT图像定位活动(g，白色箭头)且包含对应于图7e的大膀胱捕捉证据。图7h是对SLN的冠状面共记录PET-CT图像定位活动(g，白色箭头)且包含对应于图7f的大膀胱捕捉证据。图7i描绘使用手持型伽玛探针的原发肿瘤、SLN(活体内，离体)和远离原发肿瘤的部位(即，背景)的放射性程度。这些发现在2日后通过在皮下在肿瘤部位周围注射四分之一份的¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点之后动态PET-CT成像约5 分钟而确认；共记录轴向(图7e和7g)和冠状面(箭头，7f，7h)视图表明这些发现。在手术前扫描之后，标示覆盖SLN部位的皮肤以用于手术中定位，且将小型猪运送到手术室。使用便携式伽玛探针在原发肿瘤和SLN部位上作出的基线活性测量(图7i)展示相对于背景信号，SLN内的活性增加20倍。

图8描绘根据本发明的实施例的在自发黑色素瘤小型猪模型中的图像引导式SLN标测，其展示对相关组织学的实时手术中光学成像。对图7中展示的动物执行手术中SLN 标测。图8a到i描绘暴露结节盆的双通道NIR光学成像。图8a描绘在双通道模型中显示的并入Cy5.5的粒子的局部注射的RGB色彩(绿色)。图8b描绘双通道模型中显示的并入Cy5.5的粒子的与注射的NIR荧光通道(白色)。图8c到f描绘在注射部位远端的引流淋巴管。图8f描绘在朝向SLN('N')延伸的主要引流远端(图8f)淋巴通道(箭头)内的荧光信号。还展示较小口径通道(箭头)。(图8g)色彩和(图8h)NIR通道中显示SLN的图像。图8i描绘暴露SLN的彩色图像。图8j到m分别展示在切除期间(图8j，k)和之后(图8I， m)的在色彩和NIR通道中的SLN图像。图8n描绘H&E染色SLN的低放大倍率视图，且展示被遮光细胞(黑框)(比例尺＝1mm)的群集。图8o展示图8n的较高放大率，其展现圆化被遮光黑色素瘤细胞和噬黑色素细胞(比例尺＝501.tm)。图8p展示HMB-45染色(暗区域)SLN的低放大倍率视图确认转移灶的存在(黑框，比例尺＝5001.tm)。图8q描绘图 8p中的较高放大率展现表达黑色素瘤细胞的HMB-45+的群集(比例尺＝100 1.tm)。

对于淋巴系统的实时光学成像，在皮肤完好的肿瘤部位周围施予¹²⁴I-cRGDY-PEG-C 点的第二皮下注射，且在色彩和Cy5.5荧光通道中检视信号，其分别描绘于图8a和8b 中。暴露邻近结节盆，且在从注射部位(图8c中所描绘)流动到主要近端(图8c和d)、中间(图8e)和远端(图8f)淋巴分支(其朝向图8f描绘的SLN引流)中的NIR通道中看到荧光信号。较小口径淋巴通道也显现且在图8d和e中描绘。在图8j到8m中所描绘连续结节切除之前，如图8i所示进一步暴露在双通道模式中检视的黑色遮光SLN(图8g和8h 中描绘)。通过使用伽玛探针(图7i)的伽玛发射确认现场(图8k)和离体(图8m)结节试样内的荧光信号，且看到所述信号对应于来自H&E染色组织切片的低放大倍率(框，图8n) 和高放大倍率(图8o)视图上的散开的肿瘤细胞群集。与转移性黑色素瘤一致，在低放大倍率(图8p)和高放大倍率(图8q)视图上识别出HMB-45的阳性表达。

图9描绘根据本发明的实施例的通过比较¹⁸F-FDG与¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点示踪剂而区分发炎与转移性疾病。图9a到d描绘使用¹⁸F-FDG-PET与组织相关的发炎性成像改变。图9a描绘¹⁸F-FDG PET研究的轴向CT扫描展示左侧后部颈部(黄色箭头)内的钙化。图9b展示融合轴向¹⁸F-FDG PET-CT展现此相同部位(箭头)处的代谢亢进活性。还在代谢活跃骨结构(星号)中看到增加的PET信号。图9c和9d描绘H&E染色钙化组织的低和高放大倍率视图表明发炎性细胞的广泛浸润。图9e到k描绘在肿瘤部位周围注射¹²⁴I-cRGDY-PEG C点之后的转移性疾病检测。图9e展示¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点注射前的轴向CT扫描展示后颈部(箭头)内的钙化软组织。图9f描绘共记录PET-CT未展示对应于钙化区域(箭头)的明显活性，但表明右侧(箭头)上的PET亲合结节。图9g描绘更优良层位处的轴向CT展示双侧结节(箭头)和钙化焦点(箭头)。图9h描绘融合PET-CT 表明PET亲合结节(N)和淋巴引流(弯曲箭头)。钙化显示无活性(箭头)。图9i和8j描绘低和高(图9j)放大倍率视图确认结节转移灶的存在。图9k描绘来自三维(3-D)PET图像重建的单个帧展示多个双侧转移性结节(箭头)和淋巴通道(实线箭头)引流注射部位(白色星号)。看到膀胱活性(虚线箭头)，但未看到在肝脏中的显著示踪剂积聚(黑色星号)。看到膀胱活性，但未看到在肝脏中的显著示踪剂积聚。图9c和9d中的比例尺表示500gm，且图9i和9j中的比例尺表示100gm。意外地，且与观测到的¹⁸F-FDG发现相比，发现 ¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点在这些小型猪中特定地区分转移性肿瘤浸润与发炎性过程。在细胞和亚细胞水平下这些试剂的行为的机制差异以及粒子表面上整合素靶向部分的存在可以解释所观测到的成像发现。在含有因肉芽肿性疾病(n＝3)引起的病理学上证明的发炎变化的多个小型猪中，¹⁸F-FDG无法检测转移性疾病，虽然鉴别到发炎性和其它代谢活跃部位。这些差异发现突出显示了¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点选择性地确定靶点、定位转移性疾病和分期的能力，而在多数情况下¹⁸F FDG无法准确地将癌症扩散分期，实际上仅仅鉴别发炎部位。

在说明这些发现的代表性小型猪研究中，初始轴向¹⁸F-FDG PET-CT扫描展示CT 上左后颈内的钙化(图9a)，对应于¹⁸F-FDG PET上强活性的区域(图9b)。图9c和9d分别描绘H&E染色组织切片的低放大倍率和高放大倍率视图展现扩散发炎性改变，与肉芽肿性疾病一致。图9a和9b描绘另外在这些幼小小型猪的代谢活跃骨髓隔室内看到强烈的¹⁸F-FDG PET活性。相比之下，¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点成像研究鉴别双侧转移性颈淋巴结。在共记录的PET-CT上看到轴向CT成像上的右颈部结节(图9e)是PET过度代谢(图 9f)；更优良的CT图像(图9g)上的额外双侧淋巴结还在融合PET-CT上是PET过度代谢的(图9h)。此外，如图7e和9g中所描绘的左侧颈部钙化展示在共记录扫描上无PET活性，如图9f和9h中所描绘。对应的H&E染色的SLN组织切片展现了低放大倍率(框，图9i)和高放大倍率视图(图9j)上暗色的黑素瘤簇，看到由黑色素瘤细胞和噬黑色素细胞构成。选自3D PET重构图像的单框(图9k)再次说明多个双侧PET亲合的颈淋巴结和相关引流淋巴通道。重要的是，在注射后1小时，在膀胱中看到大部分活性，在肝区域上没有显著示踪剂累积。

图10描绘根据本发明的实施例的3-D集成式¹⁸F-FDG和¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点 PET-CT。图10a到c描绘从图9中展示的CT和PET成像数据产生3-D立体显现图像。图10a描绘PET-CT融合图像(冠状面视图)不展示明显的结节转移灶(星号)。鉴别了在骨结构内的增加的活性。图10b、c描绘高分辨率PET-CT融合图像，其展示在局部注射 ¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点之后在颈部内的双侧转移性结节(开放箭头)和淋巴通道(弯曲箭头) 的冠状面(图10b)和上部视图(图10c)。

看到以上发现在从在¹⁸F-FDG(图10a)或局部施予¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点(图10b和c)后1小时时期期间获得的动态成像数据集产生的PET-CT融合物MIP图像上具有更佳的优点。对于¹⁸F-FDG，指出结节转移灶完全不存在，其中在代谢活跃骨结构内看到广泛增加的活性。与这些发现相对比，124I-cRGDY-PEG-C点检测到双侧转移性颈淋巴结，以及引流淋巴通道。

在所评估的若干小型猪中，发现粒子示踪剂特定地区分转移性肿瘤浸润与代谢亢进过程，后一过程通常通过非特异性成像示踪剂¹⁸F-FDG(图10)检测。对应H&E染色SLN 组织切片确认了成像发现，展现暗黑色素瘤群集包括黑色素瘤细胞和噬黑色素细胞(即，含黑色素的组织细胞)。在第二代表性小型猪研究中，最初在轴向CT成像上识别出原发性骨盆肿瘤和引流SLN，且接着在对应¹⁸F-FDG和2天后续¹²⁴I-cRGDYPEG-C’点PET-CT 扫描上视为活性增大区域，后者是在肿瘤部位周围进行皮下注射之后获得。

用于图像引导式介入的双模态二氧化硅纳米粒子：治疗响应

¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点区分转移性疾病与组织发炎性变化的能力可以潜在地用于多种治疗装置中(以外科手术方式或干预驱动)-因为治疗反应评估常常被发炎性变化的存在搞混，使得解释困难。图像引导式介入，例如治疗性肿瘤消融，可能特别得益于新粒子平台与成像装置技术的创新联接，从而(1)能够更早地对反应进行手术后评估；(2)检验完全去除或检测代表治疗失败的残余肿瘤；和(3)提高肿瘤监视策略。局部消融疗法，包含微波消融(卢布纳(Lubner)，血管介入放射学杂志(J.Vasc.Interv.Radiol.)(2010年))、冷冻消融(厄因杰理(Erinjeri)，血管介入放射学杂志(2010年))、射频消融(RFA)(艾伯特比尔(Abitabile)，欧洲外科肿瘤学杂志(Eur.J.Surg.Oncol.)(2007年)；爱默斯(Amersi)，外科学文献(Arch.Surg.)(2006年)；法拉尔(Farrell)，美国放射学杂志(AJR,Am.J.Roentgenol.)(2003 年)；洪(Hong)，血管与介入放射学杂志(J Vasc IntervRadiol)(2010年))和激光填隙疗法，经由插入到肿瘤中的能量施加器而诱发局部热损伤。这些方法通常在认为不适合进行外科切除术的患者中用作替代选项(安德森(Anderson)，临床核医学(Clin.Nucl.Med.)(2003 年)；普兰德尔(Purandare)，放射成像，(2011年))。此外，进行消融疗法的患者常常因并存病而为不良手术候选者。在临床实践中广泛使用，其提供独特优势，因为其可作为门诊程序经皮执行，致病率显著较低，且可改善所选患者群体的生命和生存质量(普兰德尔，放射成像，(2011年)；巴克尔(Barker)，美国放射学杂志，(2005年))。

通常在消融程序之后1至3个月获取的准确治疗后成像传统上利用对比度增强的立体成像，例如CT或MRI(安德森，临床核医学(2003年)；普兰德尔，放射成像，(2011 年)；巴克尔，美国放射学杂志，(2005年))。这些技术有着许多缺点。第一，其限于识别肿瘤区域的大小的异常增强或生长的存在(普兰德尔，放射成像，(2011年))，这认为是残余肿瘤或复发性疾病的主要指示物。在术后评估时在消融区周围的扩散边沿增强可能与消融区中的发炎和皮肤充血相关，且通常未必表示残余肿瘤(巴克尔，美国放射学杂志，(2005年))。日益增强，特别是不规律或结节状，考虑怀疑是肿瘤。然而，这些解释有争议的，因为消融区在术后数月可能看起来大于预期，且增强还可能反映颗粒或疤痕组织形成(巴克尔，美国放射学杂志，(2005年)；福格特(Vogt)，核医学杂志(J.Nucl.Med.)， (2007年))。例如¹⁸F-FDG PET等功能性方法也已用于评估局部消融手术的功效和作用，但可能无法准确区分肿瘤与发炎性变化。因此，使用当前形态或功能性评估，尤其在早期时间间隔，在组织水平下回应于消融手术的成像变化(即发炎、肿瘤)的解释是显著的挑战。所需的是对于消融成功的可靠终点以及消融后时期的残余疾病的明确检测。

图11描绘SLN的单剂量¹²⁴I-cRGDY-PEG-C点定位。图11a描绘基线冠状面CT(白色箭头)，图11b和11c分别描绘在瘤周注射之后的PET(黑色箭头)和融合PET-CT图像 (白色箭头)。图11b到d描绘肿瘤¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点活性。图11描绘PET亲合外生性左侧骨盆胞块(黑色箭头)。图11c和11d展示组合PET-CT图像展示在引流淋巴通道(星号)内朝向SLN(弯曲箭头)流动的PET亲合病灶(白色箭头)和¹²⁴I-cRGDYPEG-C点。图 11e和11f描绘在RFA电极放置(f，箭头)到结节(低于十字标线)中之前消融前轴向CT图像定位SLN(e，白色箭头)。图11g展示消融前融合PET-CT展现增大的SLN活性(十字标线后部)。图11h描绘消融后PET-CT扫描展示在针尖前部的SLN部位处适度减小的活性。图11i描绘来自SLN的核心活检组织的对应消融前H&E染色确认被遮光的肿瘤浸润(比例尺＝200gm)。图11j描绘图11i中的加框区域的高倍放大展现大的圆化黑色素瘤细胞遮光群集(比例尺＝50gm)。图11k描绘消融后H&E染色展示部分肿瘤浸润结节 (框)内的坏死改变和多焦出血(比例尺＝500gm)。图9l展示图9k的高倍放大，其除了淋巴组织(比例尺＝50gm)之外还展现转移性结节内的显著组织坏死(箭头)。图11m描绘消融之前的转移性SLN的TUNEL染色(比例尺＝20gm)。图11n描绘消融后TUNEL染色表明邻近散开的肿瘤病灶和正常结节组织(NT)的焦点坏死区域(暗区域)(比例尺＝500 gm)。图11o描绘图11n中加框区域的高倍放大，展示阳性TUNEL染色(暗区域)，与坏死一致(比例尺＝20gm)。

作为执行转移性肝脏病灶的未来消融的先驱者，较大(即，1至2cm)SLN的概念验证射频消融(RFA)研究在具有转移性黑色素瘤的小型猪中执行以评估在 ¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点存在下的早期治疗响应。使RFA之前与之后的PET-CT成像发现在组织学上相关。在原发性左侧骨盆肿瘤周围皮下注射¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点(约0.6 mCi)之后，初始基线冠状面CT展示在肿瘤部位上部的2.2x 1.6cm SLN(图11a)，其为PET亲合的(图11b和c)。还展示PET亲合左侧骨盆肿瘤(图11b)，从而在融合PET-CT 图像(图11c和11d)上指出¹²⁴1-cRGDY-PEG-C点在引流淋巴通道内的额外流动。获取额外系列CT扫描以在消融程序之前定位结节(图11e)且引导将RFA探测物插入(图11f)到结节(低于十字标线层位)中。在对应消融前共记录PET-CT扫描上，仅在十字标线后部看到PET亲合SLN(图11g)。使用2个活跃尖端RFA探针(冷尖端消融系统，Covidien plc，都柏林，爱尔兰)执行部分结节消融12分钟。消融后PET-CT展示在电极尖端前部的消融区中的示踪剂活性适度地减小(图11h)。

在组织学上确认消融前和消融后成像发现。来自SLN的消融前核心活检组织的H&E染色在低放大倍率(图11i)和高放大倍率(图11j)视图上确认了扩散转移性肿瘤浸润。消融后，转移性浸润的范围在H&E染色结节组织上减小，在对应低放大倍率(图11k)和高放大倍率视图(图11l)上可以看到。还识别凝血坏死和淋巴组织连同多焦出血(分别，图11k 和l)。消融之前的TUNEL染色高放大倍率视图展现散开的赘生性细胞(图11m)。在消融后TUNEL染色上，在低放大倍率(图11n)和高放大倍率(图11o)视图两者上皆看到焦点坏死区域(红色)。在概念验证SLN标测研究中，可通过使用两个含有光谱相异NIR染料的C'点(各自以不同黑色素瘤导向肽(cRGDY-PEG-CW800-C'点；αMSHPEG-Cy5.5-C'点) 功能化)来使用自发黑色素瘤小型猪模型中检测多个癌症靶点的此类策略。

图12描绘根据本发明的实施例的使用PET成像和¹²⁴IcRGDY-PEG-CW800-C'点来筛查小型猪中的手术前SLN标测研究。图12a描绘轴向颈部CT图像展现左侧皮肤软组织胞块(箭头)。图12b描绘共记录轴向PETCT图像展示活性增大的病灶位于粒子示踪剂的局部注射部位处。图12c描绘更靠近肿瘤层位的CT图像展现深左侧颈部软组织内的 SLN(箭头)。图12d描绘共记录轴向PET-CT图像定位结节的活性。在代表性小型猪研究中，最初在左侧肩膀区域上的原发性皮肤病灶周围皮下瘤周注射这些放射性标记粒子探测物(¹²⁴I-cRGDY-PEG-CW800-C'点)中的一个之后执行对转移性结节疾病的手术前 PET-CT筛查(图12a，b)。在手术前轴向CT成像(图12c)上看到接近原发性病灶的和在左侧颈部的深组织内的定义明确的淋巴结。在对应共记录轴向PET-CT扫描上在此结节部位处看到增大的活性(图12d)。

图13描绘根据本发明的实施例的使用αMSH-PEG-Cy5.5-C'点对SLN转移的手术中实时光学成像。执行两通道荧光成像。图13a、b描绘在黑色素瘤小型猪模型中在原发肿瘤部位周围局部注射αMSH-PEGCy5.5-C'点之后，从注射部位延伸到主要淋巴通道内的SLN的荧光信号(光区域)的双通道模式(图13a)和Cy5.5通道(图13b)图像。SLN的双通道模式(图13c，e)和Cy5.5通道图像(图13d，f)。还在肿瘤周围局部注射cRGDY-PEG-CW800-C'点之后看到第二NIR荧光(“蓝色”)信号(CW800通道)(c；箭头)。切下的平分结节的双(图13g)和Cy5.5通道(图13h)图像。图13i和13j分别描绘H&E染色SLN的低和(图13j)高放大倍率视图。图13k和13l分别描绘HMB45+染色SLN的低和高放大倍率视图。在手术室中，首次，在此小型猪模型中评估用于标测转移性结节疾病的第二黑色素瘤靶向粒子探测物αMSH-PEG-Cy5.5-C'点(图13)。值得注意的是， cRGDY-PEG-Cy5.5-C'点在临床上已转化用于成像结节转移灶。为此研究，“接通”Cy5.5 和CW800激光器两者，因此如下所述，检测两种粒子探测物。αMSH-PEGCy5.5-C'点(约 7纳摩尔；0.5ml)在局部注射在原发性病灶周围，且在手术暴露结节盆之后，使用 Artemis^TM荧光相机系统执行双通道(RGB色彩/Cy5.5)实时光学成像。在双通道模式(图 13a)和Cy5.5通道(图13b)中观测到荧光信号(白点)，在从注射部位延伸到SLN的引流淋巴通道内流动。双通道模式(图13c，e)和Cy5.5通道(图13d，f)图像展示在注射后约10 分钟内，暴露结节内的荧光信号(绿色)渐进式增大。在此时间期间，在原发肿瘤周围注射第二粒子探测物cRGDY-PEG-CW800-C'点(箭头；图13c)，且观测到荧光(“蓝色”) 信号(CW800通道)。在切除SLN之后，将其平分以展现荧光信号，如双通道(图13g)和Cy5.5通道(图13h)图像两者中所见。H&E染色SLN的低放大倍率视图(图13l)展示大肿瘤替换结节(箭头；比例尺＝1mm)。较高放大率展现圆化被遮光黑色素瘤细胞(箭头)(比例尺＝50μm)。HMB45+染色(红色)SLN的低确认转移性疾病(箭头；比例尺＝1mm)，而较高放大率展现表达黑色素瘤细胞的HMB45+的群集(箭头；比例尺＝50μm)。

图14描绘根据本发明的实施例的结节转移的多路复用成像。(图14A。)下游结节的复合图像和对应(图14B)Cy5.5和(图14C)CW800通道图像，通过HMB45+染色对黑色素瘤进行组织学确认(图14D)。获取在SLN下游的较小经切除淋巴结的两个荧光通道成像 (图14A)，注意Cy5.5(白色，图14B)和CW800(白色，图14C)通道两者的信号。在 HMB-45+染色SLN上发现黑色素瘤的组织学确认(图14D)。

淋巴结癌转移是黑色素瘤结果的强大预测因子。使用SLN标测对区域性淋巴结中的微小转移灶进行早期检测可准许及时将患者分层到适当治疗方案，且改善患者最终结果。虽然当前标准护理SLN定位和生检技术依赖于SLN的基于放射性的鉴别的使用，但是此技术存在许多限制。这些包括低空间分辨率、分期准确性减少、不存在标靶特异性、可能混淆手术区域的缓慢示踪剂清除以及缺乏防止对非常接近于SLN的至关重要结构的损伤的准确的手术中观测。

放射性标记(¹²⁵I)αMSH肽作为黑色素瘤选择性成像探测物到临床的转化到目前为止尚未成功，在肾脏中的非特异性积聚的后果已导致增大肾脏与肿瘤比率。克服此限制需要在每一产品开发层级上的创新，包含其到肾脏排泄C'点的附接以及对肽设计、粒子表面化学反应和肽缀合策略作出的调适。由于两个靶向并有NIR染料的二氧化硅粒子产品 (第三代IND实现技术)先前已获FDA-IND批准，因此可产生已针对标测转移性结节疾病优化的并有CW800染料的αMSH-PEG-CW800-C'点。

另外，此产品与FDA-IND批准的cRGDY-PEG-Cy5.5-C'点组合使用以实现较大动物黑色素瘤模型中的多个癌症靶点的实时多路复用光学检测，结合能够同时检测多个光谱相异光学信号的新型手持型高灵敏度多光谱荧光相机系统(ArteMIS^TM，Quest MedicalImaging，QMI)可产生可在后续临床试验中验证的新型分期生物标记。ArteMIS^TM相机克服与现有“黑框”小动物成像技术相关联的限制，同时实现高得多的空间和波长分辨率。ArteMIS^TM系统的多路复用策略可扩展以向新颖染料功能化神经结合肽探针(和对应粒子缀合物)的开发提供信息，所述探针通过以化学方式调适(即，环化)现有鼠神经结合肽(NBP)以增强结合亲和力和亲合性而检测正常神经组织标记。

较新一代生物兼容性粒子平台可主动地定制以根据本文中描述的实施例实现关键癌症靶点的选择性探测，且可提供关于控管转移性疾病扩散的细胞和分子过程的重要信息。用于多峰成像的此类平台的额外调适可用以通过主刀外科医生或介入医师在多种图像引导式程序设定中探索这些过程。一个此类双模态平台，经开发用于光学和PET成像两者的临床转化的整合素靶向二氧化硅纳米粒子，满足数个关键设计准则：小的大小、优良亮度、增强的肿瘤组织保持，和低背景信号，这使得其在与便携式实时光学相机系统(即，ArteMIS)耦合时为用于SLN活检程序期间的SLN定位和分期的理想试剂。除了周围神经组织之外，区分转移性疾病与黑色素瘤模型中的组织发炎性改变(其通常为共存的过程)的能力可提供用于在未来评估治疗响应的较准确且可靠的标记。

实时同时成像

在一些实施例中，本文中描述的方法和系统同时从受试者体内的不同探测物质检测不同波长的放射且区分从每一探测物质接收的信号。在一些实施例中，这是利用包括以下各者的设备实现：光源，其经配置以递送多个激发波长的光以激发多个荧光报道体，由此产生两个或两个以上可区分波长下的荧光；棱镜，其经配置以将经由透镜接收的光引导到多个在空间上分离的检测器上，使得所述检测器可实时地同时接收不同放射信号；以及处理器，其经配置以处理对应于所述两个或两个以上可区分波长的所检测荧光的信号以提供所述受试者体内的荧光的图像。在一些实施例中，此涉及信号的多路复用。

在一些实施例中，为了提供多路复用能力，需要相机对完全相同的物体在多个波长下采集图片或影片(图像序列)。在一些实施例中，这需要相机包括在棱镜样结构上的多个检测器，其中所有传感器(2个或2个以上)经由单个透镜“看到”物体且因此具有相同视图。在此实施例中，检测器上的像素检测物体的完全相同放射信号的不同波长。在一些实施例中，此知识允许执行比率成像和/或其它类型的图像处理以进行光谱离析。

在一些实施例中，知晓放射信号且接着从所测量信号总结出其将直接键联到光引擎是有用的，所述光引擎能够输出不同激发波长以便激发化学物质且引起所要观测的荧光效果。在一些实施例中，相机与光引擎之间存在直接链路以便执行此任务。

在一些实施例中，为了产生足够的信号与背景比率，专门设计的滤波器放置在透镜的前方。此多带滤波器经设计使得其将阻挡来自光源的任何高功率激发光(且因此，滤波器调谐到光引擎激光)，但将对于所有其它光透明(因此，可见光和所有所关注的放射波长)。在一些实施例中，在光通过透镜时，其传递到棱镜，所述棱镜基于完全匹配所关注的放射信号的波长的波长来使光分离。在一些实施例中，在棱镜与传感器之间，放置最终小带通滤波器以使检测器选择完全匹配需要测量的放射信号的灵敏度收窄。在一些实施例中，除了区分多路复用信号的灵敏度之外，还能够例如经由单独检测器检测可见光颜色信号，且进一步实现所检测信号到彩色图像上的上覆(例如，叠加)。

当前系统通常是基于单个检测器用于色彩。其不能够同时检测多个通道，而替代地以时间多路复用方式检测，其中在某一时间周期切换任一检测(在彩色图像与荧光图像之间)或使用高交替频率(50Hz或以上)实时地进行切换。此技术不可与光谱离析一起使用，因为引入了时间因数，且不能保证信号来自与先前检测信号所来自的完全相同的位置。并且，光源在功率上的稳定性具有较大波动，这影响信号稳定性且因此影响未混合信号的最终结果。

存在检测具有不同结构的单独染料的其它成像系统。然而，这些系统并不执行多路复用或多路分用。因为染料之间不存在关系，因此必须作为单独荧光图像检测所述染料。在这些其它系统的情况下，来自一种染料的信号信息都不可与其它染料的信号相关地检测。

然而，使用本文中描述的系统和方法，例如通过耦合光引擎且进一步匹配光引擎与相机，可观测到多路复用染料有助于两种信号。此外，借助于比率成像且使用来自两个图像的信息，这些信号可得以多路分用且识别。在一些实施例中，本文中描述的染料、系统和方法可进行利用其它技术不能观测到的信号的同时实时成像。可例如利用光学成像模态和测量技术执行本文中所描述的方法，包含但不限于：内窥镜检查；荧光内窥镜检查；发光成像；生物发光断层摄影术、时间解析透射率成像；透射率成像；非线性显微法；共焦成像；声光成像；光声成像；反射率光谱分析；光谱分析；相干干扰测量法；干扰测量法；光学相干断层摄影术；扩散光学断层摄影术和荧光介导分子断层摄影术(持续波、时域频域系统和早期光子)，以及测量光散射、吸收、偏振、发光、荧光寿命、量子产率和淬灭。

多通道成像系统特征

本文中描述的系统和设备在其在不同波长下实时地进行光信号的同时检测的能力方面不同于先前成像系统。成像设备包括多通道荧光相机系统，所述多通道荧光相机系统实时地同时检测来自多个染料的多个波长。成像设备包括手持式荧光成像系统，所述手持式荧光成像系统使用多个检测器和相关联电路，所述检测器和电路可以较高信噪比从多个类型的探测物质收集可区分信号。在一些实施例中，所述系统不像其它先前成像系统那样区分以光学时分复用在单个检测器处接收的多个信号类型。举例来说，其不执行光学时分复用。

为了实现具有清楚地区分的放射信号的含有染料的粒子的反应，应为每一染料提供特定激发波长。组合多个激发源的能力对于如本文所描述的多路复用方法是重要的。激发源还应具有显著功率，同时添加白光。

在一些实施例中，所述成像系统包括能够提供所需波长和所需功率量的光引擎。然而，所述系统还能够区分所得可区分放射波长，例如，相机中的通道将感测每一染料粒子的不同放射波长。来自染料的放射信号经由单个透镜(或在一些实施例中，腹腔镜)进入系统，且根据其波长而分裂且导向适当传感器。每一传感器能够检测放射信号。由此可测量染料之间的串扰或重叠，例如，通过使用比率扫描技术。在检视信号的同时，所述系统使得能够确定信号是“纯”信号(一个或其它)的堆积还是不同信号的组合。

在某些实施例中，相机系统包括棱镜技术，所述棱镜技术用来解译传入信号且执行波长分裂。连同光学滤波器，控制光输出以从光引擎移除可能存在于相机的感测窗中的任何光，以确保所得信号仅为探测物质而不是从光引擎产生的光。

在一些实施例中，所述设备包括集中于多通道和多光谱图像的图像获取和图像操纵程序。在一些实施例中，所述程序支持通过多通道手持型相机俘获的图像，所述多通道手持型相机可与用于开刀程序的透镜或用于微创程序的腹腔镜一起使用。在一些实施例中，此类程序将使得操作者能够同时显现所有相机通道。在一些实施例中，多通道手持型相机具有一个RGB色彩通道和两个或两个以上用于荧光团的专用通道。在一些实施例中，荧光通道可俘获在可见或红外波长范围中的信号。

具有可用以使用本文中描述的系统和方法的元件的系统包含但不限于以下各者：ArteMIS^TM系统(Quest Medical Imaging，荷兰)和高能无线PET探针(IntramedicalImaging LLC，霍索恩，加拿大)。

图15a展示可用于本文所描述的各种实施例中的便携式成像设备的示意图。所述便携式成像设备1500表示本发明的简化描绘，用于说明性目的。光引擎1502在靶点波长下产生激发光且用以激发受试者1526体内的所关注区域1508中的目标组织中吸收的荧光剂中的每一者。在一些实施例中，光引擎1502经配置以产生适于观测中所使用的纳米粒子需要的激发波长的特定光谱的光(例如，激光器提供给定波长的近红外激发光，例如在650nm到900nm范围中)。在其它实施例中，光引擎进一步经配置以使用本文中描述的各种方法产生激发光、可见光、激发光，或其任何组合。在另外的实施例中，光引擎1502产生用于照明的广谱光和用于激发的窄谱光。在各种实施例中，受试者1526 是罹患需要内部视觉研究或侵入性手术(活体内)的医学病况的人类或动物。在一些实施例中，通过非侵入性方法执行激发和检测。在某些实施例中，受试者1526是样本或活检(离体)。光引擎1502沿着光纤束104引导光以照亮和激发观测窗1510。已经经由例如局部注射施予的纳米粒子回应于激发光且在已知光谱内发光(例如，例如红色、绿色或蓝色的波长范围)。宽谱光和放射荧光光由一个或多个视频传感器(例如，CCD相机传感器、CMOS相机传感器，等)收集在相机1512中。相机1512沿着视频信号流1514投影来自一或多个传感器中的每一者的视觉数据。视频信号馈送到图像处理引擎1516，在所述图像处理引擎处，执行视频信号的各种等级的处理。在某些实施例中，图像处理引擎 1516包括一或多个视频处理装置(例如，经配置以处理和/或调适视频数据用于实时显示的FPGA和/或CPU)。在一些实施例中，图像处理引擎1516包括视频处理装置的多个模块(例如，预处理模块、后处理模块，等)，和/或视频处理装置的多个通道(例如，每一通道经配置以处理从一或多个传感器中的每一者获得的视频)。在一些实施例中，预处理模块中的视频处理装置经配置以实时地执行以下操作：使用FFT将时域视频数据变换为频域数据、将频域数据变换为空域数据、将时域数据变换为空域数据，和/或执行空间锐化或去模糊。在某些实施例中，视频处理装置中的后处理模块经配置以执行例如每一光谱的自动反卷积、流动跟踪等操作，且基于空间纹理的分类器用以解密与所关注区域中的图像像素1508中的每一者相关联的组织类型和/或非均质性。

图像处理引擎进一步经配置以经由例如因特网等网路1522与医疗成像数据存储库 (例如，Nanomed数据库)介接。医疗成像数据存储库1524经配置以基于对经处理视频信号流1528的视频分析而提供关于所关注区域1508的信息。医疗成像数据存储库1524 包括可对应于受试者1526体内的特定所关注区域、组织类型或其它有用分类的视觉数据、相关联元数据和/或其它医疗数据的集合。在某些实施例中，经由图像处理引擎1516 或医疗成像数据存储库1524或两者分析视频。通过医疗成像数据存储库产生和/或检索的医疗信息接着转送回到图像处理引擎1516，且用以扩增经处理视频流1528。输入和显示装置(例如，触摸屏监视器1518)显示经处理视频流1528，且可由执行操作或分析的医疗从业者进一步配置。触摸屏监视器1518使得医疗从业者能够与图像处理引擎1516 和/或医疗成像数据存储库1524中的各种模块交互以便呈现适合于所需操作、分析、组织类型和/或所关注区域的经处理视频流1528。存储装置1520(例如，数据库、物理存储卷、网络存储装置、云存储装置，等)经配置以俘获和/或收集未处理视频流1514和/ 或经处理视频流1528。在某些实施例中，存储装置1520进一步存储显示在触摸屏监视器1518上的视频输出。在另外的实施例中，存储装置1520经配置以上载数据流连同有用元数据和/或医疗信息到医疗成像数据存储库，以便建立和改善医疗成像数据存储库的准确度和有用性。

在一些实施例中，相机106和光投影仪1506(例如，环形灯)组合到单个单元中。在另外的实施例中，相机1512和光投影仪1512用以在离体检查受试者1526。在一些实施例中，相机1512和光投影仪1506用以在开刀手术中在活体内检查受试者。在其它实施例中，相机1512和光投影仪1506收集于用于微创手术和/或研究的腹腔镜中和/或通过所述腹腔镜调适。

转到图15b，相机1512经配置以产生对应于特定光谱范围的视觉信息的多个视频信号。所关注区域被光投影仪1536照亮和激发，且包括由光引擎1502产生的组合光谱的所得宽谱光1534收集在相机光圈1560处。宽谱光通过单轴透镜1538收集且导向宽谱滤波器1542，所述宽谱滤波器经配置以大体上消除除了激发光外的任何光。在某些实施例中，宽谱光首先偏转且导向到额外视频传感器以便保留通过相机1512收集的未滤波的视觉信息。在光的宽谱光已被滤除之后，由探测物质产生的荧光被引导到棱镜1540。棱镜1540是根据本发明的实施例的棱镜的简化描绘，其可在几何学上、纹理上和/或化学上配置以将经滤波光1536a、1536b、1536c(统称经滤波光1536)引导到适当视频传感器。稍后进一步详细论述根据本发明的某些实施例的棱镜的各种实例。棱镜1530经配置以将光分裂到三个离散路径中，可通过所述路径个别地观测荧光光谱中的每一者。在一个实施例中，经滤波光1536a、1536b、1536c分别表示红色、绿色和蓝光。经滤波光 1536经由窄谱红色滤波器1534a导向，所述窄谱红色滤波器1534a大体上去除经滤波光 1536的绿色和蓝色分量。在某些实施例中，不需要滤波器，且各种棱镜表面的性质经配置以仅反射所需波长的光(例如，几何学上、纹理上、化学上、使用气隙，或通过其它方式)，且不需要离散窄波长滤波器。所得窄滤波红光1532a接着通过视频传感器1534a收集。其余的荧光光谱类似地通过窄谱滤波器1534b和1534c滤波且通过视频传感器1534b 和1534c收集，以分别产生大体上绿色和大体上蓝色的视频流。这些视频流接着通过图像处理引擎组合且进一步扩增以增强在通道中的每一者中照亮的各种组织类型之间的区别，例如使用通过传感器中的每一者检测的组织类型之间的增强的色彩区别。

在某些实施例中，可使用在以下专利申请案中描述的系统和方法的特征：“基于宽谱激发光和激光的光引擎(Broad spectrum excitation light laser based lightengine)”，第 WO2014/081298号国际(PCT)公开案，2014年5月30日公开；“用于检测荧光放射的方法和装置(Method and device for detecting fluorescence radiation)”，第2009124号荷兰专利申请案，2014年1月7日公开；以及“二维成像系统、包括成像系统的装置，以及用于计算用于二维范围的参数的方法(Two-dimensional imaging system,device comprising an imaging system,and method for calculating a parameterfor a two-dimensional range)”，第2010883号荷兰专利申请案，2014年12月8日公开。

图16a展示在环形设定中的具有内部光纤束1610和外部纤维束1605的光纤缆线1600，内部光纤束1610具有的直径比外部光纤束1605小。光纤束是由较小纤维积累而成，从而建立“逻辑”束，其中每一较小光纤通常接收相同波长的光。较大和较小光纤束的多个配置可用以建构最终光纤缆线，且可使用不同堆叠形式，如六角形、随机分布或其它以提供最佳效率。

图16b展示图16a的组合光纤缆线1600，其中光模块附接到其，所述光模块在当前实例中为激发光(例如，激光器或LED)模块11615。附接光纤缆线1600的光模块1615 可称为形成光引擎1620，从而经由光纤缆线输出所产生的光。激发光模块1615包括数个激发光裸片或具有透镜的激发光，其中每一激发光或透镜对接耦合到组合光纤1600 的纤维束1605、1610中的一者。来自激发光裸片或具有透镜的激发光的光因此有效地耦合到组合光纤缆线1600的光纤束1605、1610中。

如图16d中所说明，替代(或附加)耦合到光纤束的LED，固态激光器模块1630可经由对接耦合或透镜构造而有效地耦合到光纤束。因为激光器为相干光源，因此激光器可经由对接耦合(小光纤束)或经由透镜系统耦合到光纤束。取决于应用，可使用任一个或其它。为将来自光源的光有效地耦合到光纤束的纤维，在光源输出光时调整光的角度使得照亮较大范围是有利的。因此，平行激光束就在耦合到光纤束1640之前进入透镜1635，使得光是发散的且因此以相同角度离开光纤束的纤维。

光引擎因此还可组合LED与激光源。

此外，从多个激发光引擎1620中的每一者输出的一或多个光纤束可捆绑在一起成一个较大光纤缆线1625。这示意性地说明于图16c中。三个光引擎1620的组合件和缆线1625的起点因此形成组合光引擎1605。

光纤缆线1625从相应光引擎1620接收光纤束1645a、1645b、1645c。在一实施例中，传出光纤束1645d、1645e、1645f各自包括来自所有传入光纤束1645a、1645b、1645c 的纤维。以此方式，入射光在传出光纤束1645d、1645e、1645f中均匀地混合。

在一实施例中，多个裸片或透镜对接耦合到相同光导纤维束1605、1610。一般而言：全部以相同波长发光的多个裸片(或激光器)可视为形成单个光源。在替代实施例中，一个晶粒或透镜对接耦合到仅一个光导纤维束1605、1610。

不同激发光裸片可提供于激发光模块1615中。举例来说，可提供绿色和蓝色激发光以使得一些光纤束接收绿色光，而其它接收蓝色光。

在例如组合激光源与LED的实施例中，使用激发源将光提供到在外部的大光纤束1605且使用激光器将光提供到光纤束1610，从而形成中心环形灯。

所有LED和激光器可个别地控制或成对地控制，只要适合更好地控制温度(此取决于所使用的源)。

因为根据本文中的描述的光引擎使得有可能容易地组合多个LED和/或激光器，因此LED和/或激光器本身可在较低功率下运行，从而导致产生较少热及较少因增多的热而造成的输出光波长移位，产生波长更稳定的光源。具有用于控制温度且保持光源处于稳定温度的电子器件的反馈回路提供于此光引擎中。

在所有光纤束1605、1610集成到较大的光纤缆线1730中时，可添加示意性地展示于图17中的额外滤波模块1705以从所述束移除处于不合需要的波长或频率的光。滤波模块1705连接到至少一个输入光纤束1730用于从其接收光并且连接到至少一个输出光纤束1735用于输出光。入射光通过透镜1710聚焦成导向双色镜1720的平行束。双色镜选择性地部分透射光(取决于波长)且反射光谱的其它部分。所透射光通过第二透镜 1715收集且聚焦到输出光纤束1735的入口上。舍弃反射光，例如通过将其引导到吸收储集器1725。根据双色镜1720的透射和反射性质，一部分光谱的光将被移除。所述移除一部分光谱可用以从宽谱(白光)输入光移除例如荧光发射波长。

返回到图16c，使用包括数个光引擎且将光引擎的输出组合到随机分布式光纤束1645d、1645e、1645f中的配置具有额外益处：连接到此光引擎的环形灯能够将所有输入波长的光以均匀且均匀分布的方式分布到物体上。均匀分布可任选地通过使用混合模块加以改善。

使用均匀分布的“平坦”光源允许以平坦均匀分布的光照亮受试者，从而允许更精确计算和没有不均匀的光分布效果。在与例如环形灯等光分布装置组合时，有可能还防止例如在光来自一个点时引起的遮光效应。具有不均匀光分布场(例如来自先前技术光引擎)的光源和装置在计算中引入复杂度和错误，可能出现为色彩环形和明亮斑点，并且可提供遮光和反射，这在典型照明应用中是不合需要的效果。

转到图18，在一些实施例中，光引擎允许相同波长的光组合以及组合来自相同色彩但不同色彩频段(色彩频段为制造控制峰值激发源波长，其非常紧密(通常每频段+-5nm) 的激发源。此使得有可能组合来自不同频段以及相同和不同波长的激发源，以制得高功率宽谱控制光引擎(图15a)。

因此，通过使用如图19中所说明的此光纤技术，可提供环形灯1915。返回参考图16中所描绘的示意图，数个光引擎1920a、1920b、1920c经由相应光纤或光纤束1945a、1945b、1945c将光提供到中心光纤缆线1625。形成束1945a、1945b和1945c的纤维随机组合以形成混合输出光纤束1945d、1945e、1945f。如果光引擎1920a、1920b、1920c 提供相同光谱，那么可省略纤维的随机组合。

图20表明多频段滤波器可匹配光引擎且阻挡来自光源的较高激发光，但仍对于所有其它光是透明的。图21描绘从具有处于不同波长的激光器的光源激发之后的输出光谱。图22描绘使用光引擎处的滤波器阻挡特定探测物质(即，C或C'点)的化学放射波长的特征。

图23显示的光学回路包括：3通道手持型相机(2305)，其利用缆线(2310)数字连接到通信中心(2315)(其含有处理器)。环形灯(2320)利用缆线(2325)连接到光引擎(2330)，所述光引擎利用TTL和RS232缆线连接到通信中心(2315)，从而封闭光学回路。还描绘台车，包括：医疗显示器(2335)，其由连接到通讯中心(2315)的医疗键盘和鼠标(2340)控制。所有电子器件连接到电源隔离变压器(2345)。还描绘臂(2350)，相机(2305)可安装在上面，或在不使用时放在托架(2335)中。

在一些实施例中，检测器可包含CCD、CMOS、SCMOS或将提供物理2D空间图像的其它检测器。图像由系统接收且定时，使得一个传感器定义最长曝光时间，且所有其它传感器经定时而使得其相对较短曝光同步到最长曝光时间的结束以减少移动假影。

图24示意性地展示根据本文中描述的实施例的2D成像系统2410的元件。光源(LS)或光引擎2425利用成像系统2410入口上的透镜2425所聚焦的反射光照亮样本2420。所述成像系统包括两通道棱镜组合件2430，所述两通道棱镜组合件2430包括经配置以将来自透镜2425的入射光分裂到第一通道(2475，从棱镜2435出现)和第二通道(2480，从棱镜2440出现)中的两个棱镜2435和2440。第一通道2475中的光由滤波器2445滤波且在二维(2D)传感器2450中检测。第二通道2480中的光经由狭缝2455、分散棱镜 2460、滤波器2465发送，且最终在2D传感器2470中检测。

2D传感器2450、2470具有2D传感器阵列，且可检测和输出2D图像。所述滤波器可经组态以选择波长或波长范围。在某些实施例中，2475中的滤波器2445经配置以选择窄的波长范围(例如，在正检测的波长的放射周围)，而第二通道2480中的滤波器2465 选择宽范围，例如400到1000nm。实际上，第二通道2480中可能不需要滤波器。第一通道2475中的2D传感器2450经配置以在所选波长下产生2D(空间，具有坐标x,y)图像。

在第二路径中，狭缝2455阻挡所有光，沿着扫描线的光除外。一维光模式提供到分散棱镜2460，其在空间上分离光的各种波长。所得光分布通过滤波器2465且成像在 2D传感器2470上。第二通道2480中的传感器因此在一个方向上测量光频率/波长，且在其它方向上测量空间坐标(x，如果扫描线处于坐标x的方向上)。

成像系统2410经校准以使得已知由2D传感器2450所感测的图像中哪一行对应于狭缝2455所选择的扫描行。换句话说，检测器2470测量的光谱/空间数据可映射到检测器2450所测量的2D空间数据。如果由第二通道检测器2470取样的波长包括第一通道检测器2450取样的所有波长，那么所述校准可检查通过整合如由第二通道检测器2470 在由第一通道检测器2465使用的波长范围内测量的光谱响应而获得的1D(空间)响应应至少在形状上匹配第一通道检测器2465的2D图像中的对应行。

传感器2450和/或2470(可能与滤波器2445、2465组合)可胶合到光束分光器2430与分散棱镜2460的输出通道中的每一者。此布置提供机械稳定性。

在本实例中为棱镜组合件2430的光束分光器基于能量分裂光束分光器或二色性涂层而将光分裂成至少但不限于两个通道(2475、2480)。如上文所提及，第二通道2480以预定义方式对准到第一通道2475，使得其导致经过校准的共记录图像系统具有在第一通道2475和第二通道2480中的像素之间的已知对齐。由于此对齐(经过校准的)像素行，对于2D图像中的每一对应像素，可给出完整光谱响应曲线图。

在一实施例中，狭缝2455电动化以使得狭缝相对于样本的位置且因此2D图像数据中的扫描行的位置可在某些空间范围内移动。

图25示意性地展示可用于2525中的狭缝2505、分散棱镜2510、滤波器2515和2D 传感器2520的组合件的透视图。宽度可为50到200μm的宽度可为狭缝产生水平线。沿着所述线的光经由分散棱镜20引导，所述分散棱镜分离波长分量且竖直地投影这些分量，蓝色在顶部，红色在底部。传感器2520(可能前面是滤波器2515)接着在分散棱镜2510后面放置且对准，使得2D传感器的所有线“感测”不同波长。传感器的每一线的分辨率表示约2nm，在蓝色侧略小，且在红色/红外侧略高(每线4nm)

图26示意性地展示图24的配置的所得图像。第一通道传感器2450产生所选波长下的2D图像2415。第二通道传感器2470产生一组光谱(强度I与波长X)2420，每一光谱对应于沿着扫描线的点(坐标x)。描述数据和2420的另一方式是数据2415是空间-空间强度(x,y,I)数据，而数据2420是2D光谱-空间强度(X,x,I)数据。此处，(x,y,I)指示所测量强度值与对应x及y坐标的表格。

所述表格可视为函数I(x,y)的样本点，指示随坐标x和y而变的强度。同样，表格数据(X,x,I)可视为函数I(X,x)的样本点，指示随波长和坐标x而变的强度。类似地，I(X,y)是波长和坐标y的函数。样本的波长范围可例如为400到1000nm。强度可为绝对值、经过校准的值，或可以相对(任意)单位来表达。

在图24中对样本2420的概述中，虚线2410表示扫描线。集合2420中的光谱数据对应于沿着此线的空间点。

图27展示根据本发明的实施例的可用以在成像系统中产生四个通道(C1 2730、C22735、C3 2740、C4 2745)的四路光束分光器2700的实例。光束分光器2700包括五个棱镜2705、2710、2715、2720、2725。

图28展示使用图27的四路分光器2700的成像系统中的所得图像的实例。通道2730和C2 2735连接到光谱成像单元，以分别测量沿着扫描线2805的(X,y,I)数据和沿着扫描线2810的(X,x,I)数据。通道C3 2740和C4 2745连接到2D成像单元，以分别测量 (x,y,_IIR)2D红外线数据和(x,y,_Ivis)2D可见光数据。在图28的实例中，扫描线2805、2810 垂直以使得形成十字标线。

图29展示使用具有不同波长的一或多个2D图像的两个水平线2905、2910取样接近于彼此的多个分散线的不同配置。与图28的主要差异因此是现在扫描线2705与2710 平行而不垂直。

图30a到30d说明确定比率R1/R2。在图30a中，如果仅使用例如在670nm波长范围3005中的平均强度和在920纳米波长范围3010中的平均强度，那么荧光放射在范围 3010周围的存在将在确定R1/R2时引起错误。如在图30b中可看出，具有平均强度3015 的670nm处的放射基本正确，但具有平均强度3020的处于920奈米的放射过高估计，导致R1/R2比率过低。相比之下，实施例允许至少沿着扫描线，移除额外光谱(例如，ICG 激发和荧光)的影响。分别对应于R1和R2的强度3025和3030不受ICG的干扰影响，从而允许准确确定R1/R2。

因为沿着扫描线，确定“原始”R2值84和经滤波R2值3030两者，因此属于可检测信号的在920纳米的放射的分数是已知的(即，3020的峰值除以3030的峰值)。使用此校准值，可校正在整个2D范围内测量的处于920纳米的平均(“原始”)强度以移除或至少降低ICG光谱的影响。

图31示意性地展示穿过二色性棱镜组合件的光路径。现将论述经配置以将光分离成红色3150、绿色3155和蓝色3160分量的示范性二色性棱镜组合件以说明此类组合件的功能。然而，实施例不限于分离为红色、绿色和蓝色光。预期可根据本文所描述的各种实施例使用各种波长或波长范围。所属领域的技术人员将显而易见，二色性棱镜组合件是光分离装置，其可经配置以根据本发明的各种实施例的所需应用的需要而将光分离成任意波长或波长范围。

包括红色3150、绿色3155和蓝色3160分量的光经由入射表面3145进入组合件，所述入射表面此处展示为组合件的底表面。第一棱镜3105与第二棱镜3110之间的第一转变表面3135包括经配置以反射蓝光且透射红色和绿色光的涂层。蓝色分量B 3160几乎被全部反射，且归因于第一棱镜3105的形状而经由传感器3120附接侧退出第一棱镜。所施加涂层可为格栅式折射涂层。

绿色G 3155和红色R 3150分量通过第一转变表面3135。第二棱镜3110与第三棱镜3115之间的第二转变表面3140配备有涂层，例如另一格栅式折射涂层，其反射红光但允许绿光通过。红光因此在表面3140处被反射且经由附接第二传感器3125的面退出第二棱镜。绿光通过第二转变表面3140和第三棱镜3115，经由附接第三传感器3130的面退出。穿过棱镜组合件的这些路径中的每一者称为通道。

应再次注意，本发明的实施例不限于示范性红色3150、绿色3155和蓝色3160分离。可使用任何分量配置，如由所使用的涂层的反射/透射波长确定。举例来说，可使用合适涂层，以使得一个通道包含在波长范围400到650nm中的光(蓝色、绿色和红色)，另一通道包含在范围650到750nm中的光(红色、近红外)，且第三通道具有在范围750到 1000nm中的光(红外线)。另外，滤波器可放置在棱镜的退出处与传感器之间。

返回到图31的实例，红色、3150、绿色3155和蓝色3160分量因此由第一、第二和第三检测器3120、3125和3130取样。如之前所提及，这些原理适用于任何光分量，而未必是红色、绿色和蓝色，只要使用的3135和3140的合适涂层和用于棱镜3105、3110、 3115的材料即可。

常规上，气隙通常用以提供适合于反射红光的第二暂态表面3135。在一些实施例中，格栅式折射涂层也可使用在任何暂态表面3135上。此类涂层在原理上可适用于任何波长。此类涂层移除对气隙的需要，这是有利的，因为在切割模块时，气隙可能被灰尘填充。

图32示意性地展示包括三个延长棱镜3210、3215、3220的二色性棱镜组合件模块3205的透视图。真空接合通过将小毛边片按压在一起而执行。为进一步强化所述接合，玻璃薄片3210附接到模块的每一侧(前和后)。在形成供用于内窥镜中的所形成的二色性棱镜组合件时，可稍后移除此薄片。所述薄片也可保持于所形成的二色性棱镜组合件中。

根据本发明的实施例，沿着切割线3240切割至少一个维度不适合用于内窥镜尖端中的二色性棱镜组合件模块3205。

图33是根据参考图32描述的切割过程的示范性二色性棱镜组合件。二色性棱镜组合件3315具有指示为高度H、宽度W和长度L2的维度。在切割之后，获得至少一个适合使用于内窥镜尖端中的二色性棱镜组合件3315。重复切割将产生多个二色性棱镜组合件3315。

图34展示通过所描述的切割过程获得的二色性棱镜组合件3315的实例。组合件3315具有宽度W、高度H和长度L2。长度L2比组合件3315为其一部分的模块3205 的长度L小得多。L2的典型值在0.5mm与2mm之间。H的典型值在0.5mm与2mm 之间，且W也在0.5mm与2mm之间。

在图35中，展示根据本发明的实施例的内窥镜尖端的纵向横截面。根据本发明的实施例，沿着入射路径3405进入内窥镜尖端的入射光经由盖板3420透射，通过透镜3425 聚焦到二色性棱镜组合件3430上。可通过上述切割模块3205的方法获得组合件3430。组合件3430经设定尺寸以适合用于内窥镜尖端中。组合件3430的尺寸在每一方向上可 0.5与5mm之间，优选地在0.5与2mm之间或1与1.5mm之间。

二色性棱镜组合件3430配备有传感器3435。这些传感器可包括电荷耦合装置(CCD)。传感器还可包括芯片，所述芯片包括用于确定内窥镜尖端的相对或绝对定向或所述定向的变化率的构件。一实例是所谓的陀螺仪芯片。内窥镜尖端还可包括处理构件，例如用于处理来自CCD的像素数据。信号线3440连接到传感器，用于将信号从传感器和/或远离内窥镜尖端的传感器中的芯片通常携载到例如PC或监视装置等外部信号处理装置。

在图35中，展示管壁3510的横截面。内部3415包括光纤3505或纤维束3505。这些纤维可用以输送来自外部光源的光穿过透明前表面3415以照亮内窥镜尖端周围的区域。反射光接着经由第一和第二入射路径3405接收。因为提供两个入射光路径，因此内窥镜可用于立体成像。

图36示意性地展示根据本发明的内窥镜管的透视图，其中移除管壁3410的部分，而不移除纤维3505、透镜3425和覆盖表面3415和3420。

然而，根据本发明的实施例的内窥镜不限于内窥镜尖端具有一个入射路径3405，如图34、35和36中所示。还可设想具有两个(例如，用于立体应用)或三个或三个以上入射路径的内窥镜。并非所有路径都需要配备根据本发明的实施例的二色性棱镜组合件，仅在光需要分离成若干分量处配备即可。

图37展示根据实施例的替代探针3705。探针3705具有细长圆柱形主体，包括主要部分3710和远端或尖端3715。尖端3715配备有用于收集入射放射的表面3720。待测量的包括荧光放射的入射放射将通过尖端中的透镜(未展示)，且收集于多个光纤中。所述纤维将经由探针的主要部分3710将光朝向所连接的分析单元3725输送。分析单元可包括波长分离单元，例如二色性棱镜组合件以及可借以实践实施例的传感器。外部光源 (未展示)用以激发荧光剂。

在一些实施例中，使用内窥镜或其它类型的探针，例如开放系统。可经由系统(例如，产生于内窥镜中的纤维中或至少经由其输送)或在外部(例如，在开放系统探针外部)提供用于荧光试剂激发的光。内窥镜或探针可包括在入射放射收集部位(即，在尖端中)处或附近或在入射放射输送(例如，使用光纤)到的所连接分析单元中的波长分离构件(例如二色性棱镜组合件)。

数据处理器可为光学数据收集系统102的部分以预处理或处理图像数据，和/或单独图像处理器可用以处理图像数据。背景光可执行校正和校准以实现成像结果的可重复性和准确性。根据本文中描述的方法，所检测荧光可经处理以提供所得图像。所得图像可显示在标准显示器上。在一些实施例中，可使用多频段滤波器104。

在一些实施例中，系统可包含计算机，其执行控制一或多个仪器的操作和/或处理系统所获得的数据的软件。软件可包括机器可读媒体上记录的一或多个模块，所述媒体例如磁盘、磁带、CD-ROM和半导体存储器。机器可读媒体可驻留在计算机内或可通过通信链路连接到计算机(例如通过互联网链路获取)。然而，在替代实施例中，可以用硬接线逻辑形式的计算机指令代替软件，或可以用固件(即，记录在例如PROM、EPROMS、 EEPROM等装置上的计算机指令)代替软件。如本文所用的术语机器可读指令打算涵盖软件、硬接线逻辑、固件、目标代码等。计算机优选地为通用计算机。计算机可为例如嵌入式计算机、个人计算机(例如膝上型电脑或台式计算机)、移动装置，或另一种类型的计算机，其能够运行软件、发布适合控制命令和/或实时记录信息。计算机可包含用于向仪器的操作者报告信息(例如，显示层析成像图像)的显示器、用于使得操作者能够键入信息和命令的键盘和/或用于提供对系统所作出的测量的印刷输出或永久性记录且用于印刷诊断结果(例如，以包含在患者的图表中)的打印机。在某些实施例中，键盘键入的一些命令使使用者能够执行某些数据处理任务。在某些实施例中，数据获取和数据处理是自动的并且在系统初始化之后几乎不需要或不需要用户输入。

图38展示可用于本文所描述的各种实施例中的相机头3840的示意图。在一些实施例中，可使用多频段滤波器3805、其它滤波器3825、检测器/传感器3820、二色性棱镜 3815和透镜3810。棱镜3815按照波长分离所需光以通过经涂布表面组合到达n个传感器(此处，三个传感器)中的每一者。多频带滤波器3805用以阻挡所有激光器激发光，从而允许可见光和荧光通过。在一些实施例中，其它滤波器3825相对于其相应图像传感器3820而定位以移除不同于所关注的荧光和/或可见光的任何光信号。在一些实施例中，入口滤波器(例如，多频段滤波器3805)用以阻挡高功率激光器和/或其它光源。

图39描绘棱镜和滤波器在本文中描述的某些实施例的操作中的角色。图39a描绘二色性棱镜的布置和涂层在棱镜表面上的位置。图39b描绘每一涂层对反射波长的影响。图39c描绘入口滤波器阻挡高功率激光源的能力。图39a示意性描绘二色性棱镜的元件的布置和两个涂层在棱镜表面上的位置。依据图39b，在此实例中，第一涂层在约650nm 影响到反射的转变，第二涂层在约750nm影响到反射的转变。图39c表明使用入口滤波器来阻挡来自高功率激光源的光。

图40a和40b示意性地展示根据某些实施例的测量装置4005。装置4005包括用于从样本接收光的透镜4015。透镜4015由形成用于照明样本的环形灯的激发源4010围绕。滤波器可放置在激发源或输出纤维之前以控制发送到所研究样本的光。在替代实施例中，光由激光器提供或经由光纤提供，所述光纤将光从远处的光源输送到装置4005。激发源或替代光源将在用于装置应用的合适波长下发光。有可能针对各种应用在环形灯中提供多组光源。还有可能使环形灯模块可更换，以使得对于装置4005的应用可安装合适的环形灯模块。装置4005进一步具有附接到环形灯的外壳4020和用于固持装置4005 的手柄4040。在外壳4020内部，装置包括成像系统4025和处理单元4030。在与透镜 4015表面相对的背表面处，装置可具有连接到处理单元4030的LCD显示器4030(图 40b)。显示器4030可为触控面板，以使得装置的用户可经由触控面板与处理单元4030 交互。

在操作中，来自样本的光经通过透镜4015收集且发送到成像系统4025。处理单元4030分析通过成像系统的取样单元收集的数据，且提供输出图片。在图40b的实例中，系统4025包括一个2D取样单元和两个光谱取样单元。显示器展示对应于两个光谱取样单元的2D图像和扫描线。另外，2D图像可展示通过处理单元计算的外插参数值上覆在 2D图像的顶部上(更多计算细节见图44)。

在一些实施例中，相机系统可类似于图41中展示的相机装置的示意图。在一些实施例中，相机可紧固到持有者，如4105中所描绘。在一些实施例中，相机系统可由多个组件4110构成(即，光引擎、相机传感器和处理单元，和腹腔镜工具)。

图42示意性地展示根据实施例的腹腔镜4205。所述腹腔镜具有包括透镜的末端4205a。或者，可提供具有透镜的对角线端面4205b。腹腔镜4200具有细长主体4210，其具有用于耦合来自光引擎4245的光的连接器4215。腹腔镜4205具有连接到细长主体 4210的主外壳4220和用于固持腹腔镜的手柄4240。外壳4220包括成像系统4225和处理单元4230。所述外壳进一步包括用于连接到外部显示器的连接器4235和用于连接电源的连接器4250。

在经由连接器3035连接到外部显示器时，腹腔镜3005的功能类似于图40a和40b的测量装置，其中外部显示器起到显示器4045(图40a，b)的作用，光引擎4245起到环形灯的作用，且末端4210a或4210b中的透镜起到透镜4015的作用。

信号处理

图43示意性地展示根据实施例的处理装置，例如可用于图40a、40b和41的装置中的处理装置。2D传感器单元111和112输出模拟信号，所述模拟信号分别通过模/数转换器(ADC)113和114数字化。数字信号通过处理单元115分析，所述处理单元连接到包括显示器116和触摸传感器单元117的触控面板。ADC可集成在传感器中，如例如在CMOS传感器中那样。

图44示意性地展示根据实施例的用于确定随样本中的位置(x,y)而变的参数P(x,y) 的方法120。参数P可为可从光谱测量确定的任何可测量的量。应注意，方法4400中的步骤的特定次序通常不重要。许多步骤可按任意次序执行，当然前提条件是在处理所需数据之前测量所需数据。图44中未展示的任选步骤是对环境照明执行相对或绝对测量，以使得可在另一处理步骤中分离环境照明对所确定的(光谱)强度的影响。

图44的实例集中在具有提供(x,y,I)的一个2D取样单元和提供(x,x,I)和(x,y,I)的两个光谱取样单元的示范性成像系统。取样数据可表示为取样数学函数I(x,y)(如通过2D取样单元取样)以及I_x(x,y0)和I_x(x0,y)(如通过所述两个光谱取样单元取样)。此处，I_x中的下标x指示所提供的强度随波长x而变。值x0表示垂直扫描线(见例如图28中的线51)的x值，且y0表示水平扫描线(见例如图28中的线52)的y值。在步骤3205、3210和 3215中，分别收集用于函数I(x,y)、I_x(x,y0)和I_x(x0,y)的取样数据。

在步骤4420中，从I_x(x,y0)计算表示函数I(x,y0)和P(x,y0)的数据。可通过整合通过用以获得I(x,y)的2D图像取样器取样的波长范围内的函数Ix(x,y0)来计算I(x,y0)。实际上，对于数个频率样本使用I_x(x,y0)的加权和将评估整数。根据用于确定参数P的方法计算P(x,y0)。P的计算可包括光谱分离(经由例如曲线拟合)，如参考图30a到d所揭示。一般来说，计算可包括曲线拟合以及计算相对和绝对峰值强度。举例来说，通常，两个峰值强度之间的比率是待确定的参数。步骤4425类似于步骤，只是现在从I_x(x0,y)计算 I(x0,y)和P(x0,y)。

在步骤4430中，进行第一一致性检查。在计算时应考虑到在处理期间可能已从光谱测量移除的任何背景放射的I(x,y0)值对应于沿着线y^＝y0测量的I(x,y)值。对于I(x0,y)也是如此：这些计算值应对应于沿着线x^＝x0测量的I(x,y)值。步骤4430是任选的，但可有利地用来检测测量或校准中的错误。

在步骤4435中，进行第二一致性检查。检查所计算的I(x,y0)与P(x,y0)值之间和所计算的I(x0,y)与P(x0,y)值之间的相关。类似的强度I应给出类似的参数值P，否则，基于P(x,y)外插的假设就不有效。所述相关还可充当用于对外插P(x,y)值的置信度区间进行统计分析的输入。

在步骤4440中确定外插值P(x,y)或数据集(x,y,P)。使用I(x,y)作为输入，使用I(x,y0) 与P之间的相关和/或I(x0,y)与P之间的相关来估计P(x,y)。各种方法可用以基于I(x,y) 以及P(x,y0)和P(x0,y)来确定P(x,y)。明确地说，在接近于(x,y)的点处所计算的P值可给出比对于更远的点计算的P值更大的权重。

在任选步骤4445中，计算置信度值或间隔，其指示P(x,y)中的预期错误。取决于所使用的统计方法，所属领域的技术人员可应用标准统计技术来计算此类置信度值或间隔。

在方法4400的以上描述中，已使用两个扫描线的十字标线配置。所属领域的技术人员将显而易见，还可修改所述方法以应用于在任何配置中针对任何数目个扫描线计算 P(x,y)。

有可能可从光谱数据I_％计算一个以上参数P。举例来说，假设强度I1指示参数P1，且强度I2指示参数P2。经配置以测量两个2D图像(x,y,I1)和(x,y,I2)以及任何数目个扫描线I_％的成像单元可接着用以计算用于P1(x,y)和P2(x,y)的外插值。

图44的方法和其变体的一个优势在于，其允许在可见光图像数据的的顶部上(作为覆层)实时地显示所计算和测量的参数P。覆层与可见光图像数据同步，以使得甚至可测量在内部移动的样本。另外，外插是基于全光谱的分析，以使得不贡献于所关注峰值的任何背景放射在计算P时被有效地忽略。

为进一步说明参考步骤4440和4445作出的评述，图45a和45b示意性地说明2D 参数确定的估计准确性(置信度值)程度。所绘制的线表示扫描线，其中图45a具有图29 的扫描线配置，且图45b具有图28的替代扫描线配置。位置最接近于扫描线的点线表示其中外插参数存在相对较高置信度的2D范围中的线。短划线表示其中外插参数置信度减小的2D范围中的线。所属领域的技术人员将显而易见，这是可用以确定置信区间的唯一量度。其它数学方法可用以基于一或多个扫描线的相对位置而使2D范围中的位置(x,y)与置信度值相联系。另外，光谱测量的内部一致性可为确定置信度值时的一个因素。举例来说，如果所有光谱测量接近相同，那么这指示2D范围具有相当均质的组成且外插值的置信度将为高的。相比之下，如果光谱测量沿着扫描线具有强空间相依性，那么这可指示样本组成在空间上不均质，且外插值可能具有低置信度。举例来说，如从光谱测量确定的参数的标准偏差可为确定外插参数值的置信度值时的一个因素：置信度值可取为与标准偏差成反比。

图46是根据本发明的实施例的对通过相机收集的一或多个视频流中的每一者执行的视频处理操作的示范性示意图。在某些实施例中，本发明提供用于同时检测来自受试者体内的不同探测物质的不同波长放射且区分从每一探测物质接收的信号的方法和系统。在一些实施例中，这利用包括以下各者的设备实现：光源，其经配置以递送多个激发波长的光以激发多个荧光报道体，由此产生两个或两个以上可区分波长下的荧光；棱镜，其经配置以将经由透镜接收的光引导到多个在空间上分离的检测器上，使得所述检测器可实时地同时接收不同放射信号；以及处理器，其经配置以处理对应于所述两个或两个以上可区分波长的所检测荧光的信号以提供所述受试者体内的荧光的图像。在一些实施例中，此涉及信号的多路复用。

现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或预处理器4625的CPU的固有可编程性质实现改善的决策制定、执行能力和计算处理速度，其可基于经由传感器4615 和数据转换器4620获取的数字信号实现。预处理器单元4625经设计以含有可重配置的 FPGA，其将灵活性引入到用于处理数据的计算方法中，且以信号处理工具的形式实现高级优化能力的插入。这些工具包含使用数字滤波器和数学算法来将所获取光学信号转换到频域。到处理单元4635的其余部分的集成通过组合额外FPGA与多核心CPU而实现；此硬件组合实现图像处理能力的扩展，例如图像增强和修复、图像和数据压缩、小波变换和色彩空间转换。另外，经由频域的FFT功能对2D图像产生实施高级建模算法，其实时地使所获取图像清晰且在空间上不模糊同时降低噪声。在单板单元4635内包含FPGA处理器消除处理和显示延迟，且促进将通信协议添加到系统、从有线转换到无线接入以及扩展一定范围的媒质插件装置的存储能力。重要的是，这些组件在内部集成到相机系统管线中(相比离线处理/显示)，这进一步增大处理速度、帧率和动态范围。管线集成进一步实现用户友好GUI控制，包含对光引擎功率控制的预定义和手动设定以及其它相机控制，例如增益和曝光时间、显示控制、图像定向功能和根据用户偏好选择多个视频显示。

模拟前端4620处理通过一或多个传感器4615收集的视频信号。模拟前端4620放大所收集模拟视频信号且将其转换为数字视频流。在各种实施例中，FPGA的高速度实现同步操作，以使得经由视频数据的各种通道俘获的像素对应于相同俘获时间。在数字转换之后，视频流被引导到预处理器单元4625。预处理器单元4625包括经配置以使用例如有限脉冲响应(FIR)和/或无限脉冲响应(IIR)数字滤波器、快速傅立叶变换(FFT)和/ 或离散傅立叶变换(DFT)以及其它预处理元件修改信号的一或多个FPGA、ASIC和/或 CPU。在预处理之后，数字视频信号进一步通过FPGA、ASIC和/或CPU(单板单元4635) 修改以作为经配置以执行视频图像处理的视频图像处理套组4640的部分。在某些实施例中，视频信号在预处理和/或图像处理操作之前或之后经多路复用和/或多路分用。由单板单元4635执行的视频图像处理操作的实例包含缩放、交错、色度重取样、阿尔法掺合混合、色彩平面定序、帧缓冲、伽玛校正、测试模式产生、2D中值FIR滤波、色彩空间转换、控制同步、帧读取、图像增强和修复、图像和数据压缩、小波变换和色彩空间转换。在某些实施例中，经处理视频信号直接显示在监视器4645上和/或存储于例如数据库中4655中的存储媒体4650(例如，网络存储装置、物理或逻辑存储卷、云计算装置，等)中。在一些实施例中，经处理视频信号中的两者或两者以上经多路复用以用于显示。在某些实施例中，宽谱视频信号(即，未经滤波视频或经滤波视频包括激发光除外的所有光)与经滤波荧光视频信号中的一或多者多路复用。在另外的实施例中，多路复用或个别地，视频信号经受后处理分析单元4660(例如FPGA、ASIC和/或CPU)的进一步后处理分析。后处理分析单元经配置以对视频流执行各种分析操作，包含但不限于边缘检测、自动反卷积、荧光报道体流动跟踪，且基于空间纹理的分类器解密与多个图像像素中的每一者相关联的组织类型和非均质性以用于可视化。在各种实施例中，预处理、图像处理和后处理操作中的一或多者在个别FPGA、ASIC和/或CPU上执行。在一些实施例中，处理单元之间的区别仅是符号上的，且在相同装置上执行操作。在某些实施例中，此示范性描述中执行的各种操作被认为是在与本文中描述者不同的处理阶段中或实际上在与本文中描述者不同的处理阶段执行。在一些实施例中，视频信号中的每一者在离散硬件元件(直到且包含用于处理操作的个别FPGA、ASIC和/或CPU)上处理(例如，滤波、傅立叶变换、交错、伽玛校正和压缩各自在离散装置上处置)。在其它实施例中，多个处理操作由单个装置执行，且可或可不限于对单个视频通道的分析。

所收集的多通道视频数据呈现提取所述应用的受试者的高精确可视化的唯一且有用的方法。通过组合来自每一荧光光谱的视觉信息，有可能大大降低背景光和其它不合需要数据的影响。在一个实施例中，两个或两个以上视频信号表示为S1和S2。假设P1 和P2为波长相依性荧光放射，且B为背景放射。因为背景放射大体上独立于波长，因此所收集信号S1大致等于P1+B，且信号S2大致为P2+B。通过对信号执行线性运算，可消除背景发射B以使得可显示大体上不包括背景放射的信号S3。在另外的实施例中，处于各种波长的更多信号改善背景放射移除。在其它实施例中，各种荧光物质施予受试者，其中所述物质更容易由受试者体内的某些组织类型吸收(例如，癌症组织、神经组织，等)。基于此信息，后处理分析单元得以能够在视觉上区分所述组织类型，且提供强调正显示的组织类型的可视化。

图形增强

在一个实施例中，组织类型T1(例如，正常组织或特定类型)和癌症组织C吸收的荧光物质F1提供波长W1的光发射。具有波长W2的第二物质F2容易由组织类型T2 和癌症组织C吸收。因为仅癌症组织C将存在波长W1和W2的荧光，因此可由后处理分析单元不显示仅展现W1和W2的荧光的组织，从而仅提供癌症组织C的可视化。这大致类似于二元运算W1与“(AND)”W2。在另一实施例中，荧光物质F1和F2独立地分别仅由目标组织T1和T2吸收。类似地，使用具有适当组织吸收性质(对应于所需组织可视化)的各种荧光物质和各种类似二元运算或其组合(例如与、非(NOT)、或(OR)、异或(XOR))基于荧光物质的对应组织吸收性质而提供增强的组织可视化和分析。在一些实施例中，两个、三个或三个以上荧光物质的组合实现组织吸收性质的更复杂组合(例如， T1“与”T2“非”T3，等)。在另一实施例中，所关注的组织类型中的每一者由唯一荧光物质吸收。在一个实施例中，神经组织T1与结节组织T2分别吸收两个相异荧光物质 F1与F2。本文中描述的多通道设备的实施例促进在视频输出通道中对物质F1和F2中的每一者的检测。因此，第一通道C1表示与神经组织T1相关联的荧光发射，且第二通道C2表示与结节组织T2相关联的荧光发射。在另一实施例中，后处理分析单元以与神经组织T1相关联的特定色彩或视觉纹理(例如，红色)以及与结节组织T2相关联的第二色彩或视觉纹理(例如，蓝色)增强所关注区域的视觉表示，从而使得从业者能够容易地且有效地实时地识别对应组织类型。此类增强的可视化促进从业者更精确地仅移除所需组织(例如，结节组织)，而避免偶然移除非所需组织(例如，神经组织)。在本发明的各种实施例中，利用各种荧光物质的组织吸收性质使得后处理分析单元能够执行使用例如不同色彩或视觉纹理(例如，以红色显示神经组织且以蓝色显示结节组织)而清楚地且有效地在视觉上区分多个组织类型的图像增强操作。

医疗成像数据存储库

医疗成像数据存储库4665(例如，Nanomed数据库)是经配置以在各个处理阶段使用视频信号中的一或多者(例如，使用未处理视频信号、经预处理的视频信号、图像处理视频信号，和/或多路复用视频信号)提供对所关注区域的数据库辅助分析的计算机或其它电子装置。用于数据库辅助分析的视频信号可取决于正执行的本发明的应用而变化。在某些实施例中，由医疗成像数据存储库4665直接执行适当视频信号的分析。在其它实施例中，通过后处理分析单元4660执行分析，且按需要检索和/或请求医疗成像数据存储库4665中的信息。医疗成像数据存储库4665向执行操作或调查的从业者提供关于应用的受试者的大量信息的益处(在一些实施例中，实时地)，从而例如准许有利的手术中实施。医疗成像数据存储库4665经配置而以例如靶向组织类型之间的增强的色彩区别、手术指南、从客观上正常的组织层的偏差量值等有用信息扩增在监视器4645上显示的视频。通过使用人工智能方法，医疗成像数据存储库4665经启用以识别视频流的受试者、检索与视频流的受试者相关的信息以用于显示器，且以有用信息扩增视频流。在一些实施例中，医疗成像数据存储库4665经配置以对视频流的受试者执行感测和生物计量分析。

在另一实施例中，作为特定研究、操作、调查或分析的部分而收集的数据中的每一者以唯一识别符加标记且标注。这些数据用于构造和扩展用于光学驱动或光学-PET驱动癌症纳米医学研究的数据库中。数据库内容可包含文本(即，粒子类型/组成、配位体、动物模型、注射液的剂量/体积)、光学/PET成像参数(即，最大像素强度，％ID/g)、相机性能参数(即，增益、曝光时间)、结节荧光光谱特征(例如，信号分布)，和组织学(例如，肿瘤负荷)或其它基于特征的字符串或二进制数。随着开发更庞大的数据库，使用ODBC (开放数据库连接性)应用编程接口(API)来执行数据查询(即，特定类型的数据检索)的优化。通过在共处理器板上包含FPGA而加速对医疗成像数据存储库4665的查询处理。扩增实境工具接口与数据库集成以提供基于计算机产生的人工智能的感测和生物计量数据(以用于实时比较)或关于所关注区域或所关注受试者的信息。

另外，提供用于改善动物和人类研究两者中的后处理以及光谱和图像可视化的若干工具。利用后处理成像单元4660用于计算密集型任务：每一所获取光谱的自动反卷积、荧光粒子报道体流动跟踪和基于空间纹理的分类器解密组织类型和与多个图像像素中的每一者相关联的非均质性以用于可视化。利用后处理运动跟踪算法来执行使用一或多个粒子探测物(即，多路复用)对组织内的粒子流动的跟踪，以标测给定所关注区域中的所获取光学信号的时空分布。使用基于空间纹理的分类器进一步分析此信息以用于疾病分期且评定粒子分布的非均质性。

在一些实施例中，以图形方式扩增包括叠加在一或多个视频流或其任何多路复用组合、额外数据上(例如，以图形方式渲染包括从Nanomed数据库检索的与特定视频流的受试者和一或多个视频流相关的医疗文本的组合视频流)。在某些实施例中，一个以上额外数据叠加到视频流上且显示在监视器上。监视器可包含传统屏幕以及可佩戴式显示器、柔性显示器和/或其它便携式显示器。在一些实施例中，额外数据辅助由从业者执行的操作(例如，手术中的切割引导、突出显示重要组织或组织屏障，等)。在各种实施例中，额外数据可包括以下各者中的任一者：文本(即，粒子类型/组成、配位体、动物模型、注射液的剂量/体积，等)、光学/PET成像参数(即，最大像素强度，％ID/g，等)、相机性能参数(即，增益、曝光时间，等)、结节荧光光谱特征(例如，信号分布，等)，和组织学(例如，肿瘤负荷，等)。

图47是多通道视频流的基于像素的波长分析的实例。逐像素地检查经滤波以仅显示对应于所施予荧光物质的波长的视频信号。归因于视频俘获装置的同步性，像素4706 表示图像4702a、4702b、4702c、4702d、4702e(统称4702)中表示的荧光波长中的每一者处的确切2D空间位置。光谱特征曲线图4704近似得出每一波长下的光谱强度。在一些实施例中，一或多个图像4702中的每一者以“堆叠”显示在显示装置上，且使得从业者能够按需要在其间切换。

多光谱反卷积

在某些实施例中，荧光物质产生可观测的“照透”效果，这一效果是由荧光剂到非靶向组织的泄漏以及流体和信号非线性的改变造成。此外，各种组织展现不同的吸收和松弛机制，且因此，荧光标记聚光度与视觉信号之间的关系在组织类型之间不同。使用荧光标记经加权视觉信号逐像素地分析对比度增强给出对组织非均质性的更好了解，且所获得的信号强度可用以跟踪荧光剂穿过组织的剂量，且可计算每一像素的聚光度时间曲线。跟踪提供肿瘤的原发性评估，其中存在增大的增强可指示区域侵袭性增大，从而使得能够改善肿瘤分期准确度、改善肿瘤复发检测，且增强监视和预测对治疗的响应的能力。在另一实施例中，每单位时间通过给定区域的血液量定义为血流比率。假定密度时间曲线与荧光松弛比率之间为线性关系且质子密度不因试剂的捕捉而改变，那么荧光剂的存在减小每一时间处的松弛比率且作为松弛比率和荧光剂密度的线性函数而从像素强度近似得出。另外，通过比较像素在特定时刻的注射后强度与平均注射前基线信号强度来估计注射之后的荧光剂密度的时间变化。举例来说，荧光剂穿过给定所关注像素的通过率C_poi(t)可如下表达为动脉输入函数(AIF)C_a(t)与残差函数R(t)的卷积：

其中C_poi(t)是组织中所测量的随时间而变的浓度，C_a(t)是动脉中随时间而变的荧光剂聚光度，R(t)是在时间t处仍存在于脉管中的荧光剂的量，且a是荧光弛豫率。

对于每一成像像素，使用例如非参数单值分解(SVD)方法对组织浓度时间曲线进行去卷积，AIF用以计算残差函数。反卷积是通过血流比率的代数公式重改的SVD而实现，且通过计算和整合所关注区域中的组织密度而与所分析组织区域中的血容量进行比较。此类分析使得能够逐像素地建立参数映射，且通过本发明的各种实施例所实现的增大的信噪比而辅助。对于多路复用荧光成像检测研究，进一步修改算法以对不同波长下的光谱输出进行反卷积。

图48是视频图像处理序列的框图。ITU 656视频使用各种图像处理操作进行处理，包含例如缩放器、色彩平面定序器、2D FIR/中值滤波器、去交错器、帧缓冲器、色彩空间转换器、色度重取样器、伽玛校正、控制同步器、阿尔法掺合混合器、测试模式产生器和帧读取器。经处理ITU 656接着引导到显示装置、存储装置和/或额外处理元件。

在一些实施例中，所述方法可如图49中所描绘而以步骤4905、4910、4915和4920进行操作。

在一些实施例中，所述系统如图50中所描绘。5005中的光源经配置以递送多个激发波长的光以激发多个荧光报道体，由此产生两个或两个以上可区分波长下的荧光。棱镜(5010)经配置以将经由透镜接收的光引导到多个在空间上分离的检测器上，使得所述检测器可实时地同时接收不同放射信号。处理器(5015)经配置以处理对应于所述两个或两个以上可区分波长的所检测荧光的信号以提供所述受试者体内的荧光的图像。

计算环境

图51展示供用于用于分析对应于样本的粒子的光谱测定数据的方法和系统的说明性网络环境5100，如本文所描述。简洁概括地说，现参考图51，展示且描述示范性云计算环境5100的框图。云计算环境5100可包含一或多个资源提供者5102a、5102b、5102c (统称5102)。每一资源提供者5102可包含计算资源。在一些实施方案中，计算资源可包含用以处理数据的任何硬件和/或软件。举例来说，计算资源可包含能够执行算法、计算机程序和/或计算机应用程序的硬件和/或软件。在一些实施方案中，示范性计算资源可包含具有存储和检索能力的应用程序服务器和/或数据库。每一资源提供者5102可连接到云计算环境5100中的任何其它资源提供者5102。在一些实施方案中，资源提供者 5102可经由计算机网络5108连接。每一资源提供者5102可经由计算机网络5108连接到一或多个计算装置5104a、5104b、5104c(统称5104)。

云计算环境5100可包含资源管理者5106。资源管理者5106可经由计算机网络5108连接到资源提供者5102和计算装置5104。在一些实施方案中，资源管理者5106可促进一或多个资源提供者5102将计算资源提供到一或多个计算装置5104。资源管理者5106 可从特定计算装置5104接收对计算资源的请求。资源管理者5106可识别能够提供由计算装置5104请求的计算资源的一或多个资源提供者5102。资源管理者5106可选择资源提供者5102来提供计算资源。资源管理者5106可促进资源提供者5102与特定计算装置5104之间的连接。在一些实施方案中，资源管理者5106可建立特定资源提供者5102 与特定计算装置5104之间的连接。在一些实施方案中，资源管理者5106可将特定计算装置5104重定向到具有所请求计算资源的特定资源提供者5102。

图52展示可用于本发明中所描述的方法和系统中的计算装置5200和移动计算装置 5250的实例。计算装置5200既定表示各种形式的数字计算机，例如膝上型计算机、桌上型计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片服务器、大型计算机和其它适当计算机。移动计算装置5250既定表示各种形式的移动装置，例如个人数字助理、蜂窝式电话、智能电话和其它类似计算装置。此处展示的组件、其连接和关系以及其功能有意仅作为实例，且并不有意作为限制。

计算装置5200包含处理器5202、存储器5204、存储装置5206、连接到存储器5204和多个高速扩展端口5210的高速接口5208，以及连接到低速扩展端口5214和存储装置5206的低速接口5212。处理器5202、存储器5204、存储装置5206、高速接口5208、高速扩展端口5210和低速接口5212中的每一者是使用各种总线互连，且可安装在共同母板上或适当时用其它方式安装。处理器5202可处理用于在计算装置5200内执行的指令，包含存储于所述存储器5204中或存储装置5206上的用以在外部输入/输出装置(例如耦合到高速接口5208的显示器5216)上显示用于GUI的图形信息的指令。在其它实施方案中，适当时可连同多个存储器和多个类型的存储器一起使用多个处理器和/或多个总线。并且，可以连接多个计算装置，其中每一装置提供必要操作的部分(例如作为服务器组、刀片服务器群组或多处理器系统)。

存储器5204在计算装置5200内存储信息。在一些实施方案中，存储器5204是一或多个易失性存储器单元。在一些实施方案中，存储器5204是一或多个非易失性存储器单元。存储器5204也可以是另一形式的计算机可读媒体，例如磁盘或光盘。

存储装置5206能够为计算装置5200提供大容量存储。在一些实施方案中，存储装置5206可为或含有计算机可读媒体，例如软磁盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置、快闪存储器或其它相似固态存储器装置，或装置阵列，包含存储区域网络中的装置或其它配置。指令可以存储于信息载体中。所述指令在由一或多个处理装置(例如处理器 5202)执行时进行例如上文所描述的那些方法的一或多种方法。指令也可由一或多个存储装置存储，所述存储装置例如计算机或机器可读媒体(例如，存储器5204、存储装置5206 或处理器5202上的存储器)。

高速接口5208管理用于计算装置5200的带宽密集操作，而低速接口5212管理较低带宽密集操作。此类功能分配仅是实例。在一些实施方案中，高速接口5208耦合到存储器5204、显示器5216(例如，经由图形处理器或加速器)和可接受各种扩展卡(未展示)的高速扩展端口5210。在实施方案中，低速接口5212耦合到存储装置5206和低速扩展端口5214。可包含各种通信端口(例如，USB、

以太网、无线以太网) 的低速扩展端口5214可耦合到一或多个输入/输出装置，例如键盘、指向装置、扫描仪或例如交换机或路由器等联网装置(例如，通过网络适配器)。

如图中所示，计算装置5200可以按许多不同形式实施。举例来说，其可以按标准服务器5220的形式实施，或在此类服务器的群组中多次实施。另外，其可在例如膝上型计算机5222等个人计算机中实施。其也可以实施为机架服务器系统5224的部分。或者，来自计算装置5200的组件可与例如移动计算装置5250的移动装置(未图示)中的其它组件组合。此些装置中的每一者可含有计算装置5200和移动计算装置5250中的一或多者，且整个系统可由彼此通信的多个计算装置组成。

移动计算装置5250包含处理器5252、存储器5264、例如显示器5254等输入/输出装置、通信接口5266和收发器5268，以及其它组件。移动计算装置5250还可以具备例如微型驱动器或其它装置的存储装置以提供额外存储。处理器5252、存储器5264、显示器5254、通信接口5266和收发器5268中的每一者是使用各种总线互连，且所述组件中的若干者可安装在共同母板上或适当时用其它方式安装。

处理器5252可在移动计算装置5250内执行指令，包含存储于所述存储器5264中的指令。处理器5252可实施为包含单独和多个模拟和数字处理器的芯片的芯片组。处理器5252提供(例如)移动计算装置5250的其它组件(例如用户接口的控件)、由移动计算装置5250运行的应用程序和移动计算装置5250的无线通信的协调。

处理器5252可通过控制接口5258和耦合到显示器5254的显示接口5256与用户通信。显示器5254可为(例如)TFT(薄膜晶体管液晶显示器)显示器或有机激发光(有机发光二极管)显示器，或其它适当显示器技术。显示接口5256可包括用于驱动显示器5254 以呈现图形和其它信息给用户的适当电路。控制接口5258可从用户接收命令且将其转换以用于提交到处理器5252。另外，外部接口5262可提供与处理器5252的通信，以便实现移动计算装置5250与其它装置的近区域通信。外部接口5262可以例如在一些实施方案中用于有线通信或在其它实施方案中用于无线通信，并且还可使用多个接口。

存储器5264在移动计算装置5250内存储信息。存储器5264可实施为一或多个计算机可读媒体、一或多个易失性存储器单元或一或多个非易失性存储器单元中的一或多者。扩展存储器5274还可经提供且通过扩展接口5272连接到移动计算装置5250，所述扩展接口可包含(例如)SIMM(单列直插存储器模块)卡接口。扩展存储器5274可为移动计算装置5250提供额外存储空间，或还可存储用于移动计算装置5250的应用程序或其它信息。具体来说，扩展存储器5274可包含用以进行或补充上述过程的指令，且也可包含安全信息。因此，举例来说，扩展存储器5274可提供作为用于移动计算装置5250 的安全性模块，且可以准许移动计算装置5250的安全使用的指令编程。另外，可连同额外信息一起经由SIMM卡提供安全应用程序，例如以不可侵入方式在SIMM卡上安置识别信息。

存储器可以包括例如快闪存储器和/或NVRAM存储器(非易失性随机存取存储器)，如下文所论述。在一些实施方案中，指令存储于信息载体中，且在由一个或多个处理装置(例如，处理器5252)执行时执行一或多个方法，例如上文所描述的那些方法。指令也可由一或多个存储装置存储，例如一或多个计算机或机器可读媒体(例如，存储器5264、扩展存储器5274或处理器5252上的存储器)。在一些实施方案中，指令可例如经由收发器5268或外部接口5262在传播信号中接收。

移动计算装置5250可以通过通信接口5266无线通信，所述通信接口必要时可以包括数字信号处理电路。通信接口5266可提供在各种模式或协议下的通信，例如GSM话音呼叫(全球移动通信系统)、SMS(短消息服务)、EMS(增强型消息接发服务)、或MMS 消息接发(多媒体消息接发服务)、CDMA(码分多址)、TDMA(时分多址)、PDC(个人数字蜂窝式)、WCDMA(宽带码分多址)、CDMA2000或GPRS(通用包无线电服务)及其它。此类通信可例如使用射频通过收发器5268发生。另外，短程通信可以例如使用

Wi-Fi^TM或其它此类收发器(未图示)而发生。另外，GPS(全球定位系统)接收器模块5270可将额外的导航和位置相关无线数据提供到移动计算装置5250，其可在适当时由移动计算装置5250上运行的应用程序使用。

移动计算装置5250还可以使用音频编解码器5260以音频方式通信，所述音频编解码器可以接收来自用户的口头信息并且将其转换为可用的数字信息。音频编解码器5260可同样例如通过例如在移动计算装置5250的手持机中的扬声器产生用于用户的可听声音。此声音可包含来自话音电话呼叫的声音，可包含记录的声音(例如，话音消息、音乐文件等)且还可包含由在移动计算装置5250上操作的应用程序产生的声音。

如图中所示，移动计算装置5250可以按许多不同形式实施。举例来说，其可以按蜂窝式电话5280的形式实施。其也可以按智能电话5282、个人数字助理或其它相似移动装置的部分的形式实施。

此处所描述的系统和技术的各种实施方案可以在数字电子电路、集成电路、专门设计的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现。这些各种实施方案可包含一或多个计算机程序中的实施方案，所述计算机程序可在可编程系统上执行和/或解译，所述可编程系统包含至少一个可编程处理器，它可以是专用的或通用的，经耦合以从存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置接收数据和指令，并且向存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置发射数据和指令。

这些计算机程序(也被称作程序、软件、软件应用程序或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以用高级程序和/或目标定向的编程语言和/或用汇编/机器语言实施。如本文所使用，术语机器可读媒体和计算机可读媒体指代用以将机器指令和/或数据提供到可编程处理器的任何计算机程序产品、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包含接收机器指令作为机器可读信号的机器可读媒体。术语机器可读信号指代用以将机器指令和/或数据提供到可编程处理器的任何信号。

为了提供与用户的交互，此处描述的系统和技术可在计算机上实施，所述计算机具有用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器) 以及用户可用来向计算机提供输入的键盘和指向装置(例如，鼠标或轨迹球)。其它种类的装置同样可以用于提供与用户的交互；举例来说，向用户提供的反馈可以是任何形式的感觉反馈(例如视觉反馈、听觉反馈或触感反馈)；并且来自用户的输入可以按任何形式接收，包括声学、语音或触感输入。

此处所描述的系统和技术可以在计算系统中实施，所述计算系统包含后端组件(例如呈数据服务器形式)或包含中间件组件(例如应用程序服务器)或包含前端组件(例如具有图形用户接口或网络浏览器的客户端计算机，用户可以通过所述图形用户接口或网络浏览器与此处所描述的系统和技术的实施方案交互)，或所述后端、中间件或前端组件的任何组合。所述系统的组件可以通过任何形式或媒体的数字数据通信(例如通信网络)互连。通信网络的实例包含局域网(LAN)、广域网(WAN)和因特网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此且通常通过通信网络交互。客户端与服务器的关系是借助于在各别计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序产生。

这些计算机程序(也被称作程序、软件、软件应用程序或代码)包含用于可编程处理器的机器指令，并且可以用高级程序和/或目标定向的编程语言和/或用汇编/机器语言实施。如本文所使用，术语机器可读媒体和计算机可读媒体指代用以将机器指令和/或数据提供到可编程处理器的任何计算机程序产品、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包含接收机器指令作为机器可读信号的机器可读媒体。术语机器可读信号指代用以将机器指令和/或数据提供到可编程处理器的任何信号。

等效物

虽然已参考特定的优选实施例特定地示出并且描述本发明，但所属领域的技术人员应理解，可以在其中进行各种形式和细节的变化而不脱离由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于对受试者体内的区域进行光学成像的系统，所述系统包括：

(a)可向所述受试者施予的各自包括荧光报道体的两种或两种以上不同探测物质；

(b)用于将激发光引导到所述受试者体内由此激发所述荧光报道体的装置；

(c)用于通过棱镜将已由在所述受试者体内的所述探测物质的所述荧光报道体被所述激发光激发而发射的不同波长的荧光同时引导到多个在空间上分离的检测器上的装置，其中所有发射的所述不同波长的荧光经由单轴光学透镜透射，并且其中所述棱镜通过至少三个离散的光学路径将经由所述单轴光学透镜接收的所述不同波长的荧光引导到所述多个在空间上分离的检测器上；

(d)用于同时检测所述不同波长的荧光以便区分从每一探测物质接收的对应于所检测荧光的信号的装置；和

(e)用于处理对应于所述所检测荧光的所述信号以提供所述受试者体内的所述区域的至少一个图像的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中同于同时检测不同波长的荧光的所述装置不进行光学时分复用。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述探测物质中的至少一者包括纳米粒子。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述纳米粒子包括二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述富染料核心包括荧光报道体。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述荧光报道体为近红外或远红染料。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述荧光报道体选自由以下各者组成的群组：荧光团、荧光染料、染料、颜料、荧光过渡金属和荧光蛋白。

8.根据权利要求5所述的系统，其中所述荧光报道体选自由以下各者组成的群组：Cy5、Cy5.5、Cy2、FITC、TRITC、Cy7、FAM、Cy3、Cy3.5、德克萨斯红、ROX、HEX、JA133、AlexaFluor488、AlexaFluor 546、AlexaFluor 633、AlexaFluor 555、AlexaFluor 647、DAPI、TMR、R6G、GFP、增强型GFP、CFP、ECFP、YFP、西特林、Venus、YPet、CyPet、AMCA、光谱绿、光谱橙、光谱浅绿、丽丝胺、铕、Dy800染料以及LiCor 800染料。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中在所述荧光被检测后，荧光报道体还在所述受试者体内存在于不与另一荧光报道体大体上共置的至少一个位置处。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其中所述对象是动物。

11.根据前述权利要求1-10中任一项所述的系统，其进一步包括以下中的至少一者：

(i)用于使用来自所述受试者的所述至少一个图像检测或监视细胞异常或疾病的装置；和

(ii)用于检测或监视正常组织结构的装置。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述细胞异常或疾病包括选自由以下各者组成的群组的至少一个成员：发炎、癌症、心血管疾病、呼吸道疾病、皮肤病、眼科疾病、传染病、免疫疾病、中枢神经系统疾病、遗传性疾病、代谢疾病、环境性疾病、骨骼相关疾病、神经退化性疾病和手术相关并发症。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述细胞异常或疾病是转移性黑色素瘤中的前哨淋巴结。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述细胞异常或疾病是外周神经异常或结节疾病。

15.根据权利要求11所述的系统，其中所述细胞异常或疾病是前列腺癌中的残余疾病。

16.一种便携式成像设备，其包括：

光源，其经配置以递送多个激发波长的光以激发在两个或两个以上可区分波长下产生荧光的多个不同荧光报道体，其中所有在所述两个或两个以上可区分波长下产生的所述荧光经由单轴光学透镜透射；

棱镜，其经配置以通过至少三个离散的光学路径将经由所述单轴光学透镜接收的在所述两个或两个以上可区分波长下的所述荧光引导到多个在空间上分离的检测器上，使得所述多个在空间上分离的检测器可实时地同时测量在所述两个或两个以上可区分波长下的不同发射信号；以及

处理器，其经配置以处理对应于在所述两个或两个以上可区分波长下的所检测荧光的信号以提供受试者体内的所述多个不同荧光报道体的荧光的图像。

17.根据权利要求16所述的成像设备，其中所述光源包括两个或两个以上激光器和/或一光引擎。

18.根据权利要求16或17所述的成像设备，其中所述透镜是单轴光学透镜。

19.根据权利要求16-18中任一项所述的成像设备，其中所述设备进一步包括定位于所述透镜前方的多频段滤波器，其中所述多频段滤波器经配置以阻挡来自所述光源的任何高功率激发光，但将对于所有其它光透明。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的成像设备，其中所述设备包括各自定位于所述棱镜与相应检测器之间的若干窄带滤波器。

21.根据权利要求16-20中任一项所述的成像设备，其中所述棱镜是二色性棱镜。

22.根据权利要求16-21中任一项所述的成像设备，其中所述棱镜包括各自包括不同涂层的至少两个表面。

23.根据权利要求1-15中任一项所述的系统，其中用于处理信号的所述装置包括用于对所述信号执行至少一个操作的计算装置的处理器，所述至少一个操作选自由以下各者组成的群组：缩放、交错、色度重取样、阿尔法掺合混合、色彩平面定序、帧缓冲、测试模式产生、2D中值滤波、色彩空间转换、控制同步，和帧读取。

24.根据权利要求1-15或23中任一项所述的系统，其进一步包括：

用于基于从医疗成像数据存储库检索的信息分析经处理信号的计算装置的处理器。

25.根据权利要求1-15或23-24中任一项所述的系统，其进一步包括：

用于使用从所述医疗成像数据存储库检索的额外数据以图形方式扩增所述至少一个图像的计算装置的处理器，其中以图形方式扩增包括用所述额外数据以图形方式渲染所述至少一个图像；以及

用于显示所述至少一个以图形方式扩增的图像的计算装置的显示器。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述额外数据包括选自由以下各者组成的群组的至少一个数据：文本、光学/PET成像参数、相机性能参数、结节荧光光谱特征，和组织学。

27.根据权利要求1-15或23-26中任一项所述的系统，其进一步包括：

用于在视觉上增强所述至少一个图像的计算装置的处理器；以及

用于显示所述至少一个在视觉上增强的图像的计算装置的显示器。

28.根据权利要求27所述的系统，其中用于在视觉上增强所述至少一个图像的所述处理器经配置以增强两个或两个以上不同荧光报道体之间的图形对比度。

29.根据权利要求1-15或23-28中任一项所述的系统，其中用于处理信号的所述装置经配置以执行所述图像的光谱反卷积。

30.根据权利要求1-15或23-29中任一项所述的系统，其进一步包括用于执行所述图像的基于纹理的分类的处理器。

31.一种成像设备，其包括：

光学器件和多个在空间上分离的检测器，其中所述光学器件经配置以通过至少三个离散的光学路径将经由单轴光学透镜透射的多个荧光信号同时引导到所述多个在空间上分离的检测器上，所述多个荧光信号中的每一信号对应于受试者体内的唯一荧光报道体；

第一信号预调节模块，其用于对所述多个荧光信号中的第一信号执行第一组图像处理操作，所述第一信号对应于所述受试者体内的第一唯一报道体；

第二信号预调节模块，其用于对所述多个荧光信号中的第二信号执行所述第一组图像处理操作，所述第二信号对应于所述受试者体内的第二唯一报道体，其中所述第一和第二信号调节模块经配置以同步地对其相应信号执行图像处理；

任选地，第三和/或后续信号预调节模块，其用于对所述多个荧光信号中的第三和/或后续信号执行所述第一组图像处理操作；以及

监视器，其用于显示经处理的所述信号。

32.根据权利要求31所述的设备，其中所述第一和第二信号预调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号预调节模块)中的每一者是选自由以下各者组成的群组的成员：现场可编程门阵列、专用集成电路，和中央处理单元。

33.根据权利要求31或32所述的设备，其中所述第一和第二信号预调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号预调节模块)存在于单个物理装置上。

34.根据权利要求31-33中任一项所述的设备，其中所述第一组图像处理操作包括选自由以下各者组成的群组的至少一个成员：快速傅立叶变换、离散傅立叶变换、有限脉冲响应滤波和无限脉冲响应滤波。

35.根据权利要求31-34中任一项所述的设备，其进一步包括：

第一信号后调节模块，其用于对所述第一信号执行第二组图像处理操作；

第二信号后调节模块，其用于对所述第二信号执行所述第二组图像处理操作，其中所述第一和第二信号后调节模块经配置以同步地对其相应信号执行图像处理；以及，

任选地，第三和/或后续信号后调节模块，其用于对所述多个荧光信号中的第三和/或后续信号执行所述第二组图像处理操作，其中所述第二组图像处理操作包括选自由以下各者组成的群组的至少一个成员：缩放、交错色度重取样、阿尔法掺合混合、色彩平面定序、帧缓冲、测试模式产生、2D媒体滤波、色彩空间转换、控制同步和帧读取。

36.根据权利要求35所述的设备，其中所述第一和第二信号后调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号后调节模块)中的每一者是选自由以下各者组成的群组的成员：现场可编程门阵列、专用集成电路和中央处理单元。

37.根据权利要求35或36所述的设备，其中所述第一和第二信号后调节模块(和，任选地，所述第三和/或后续信号后调节模块)存在于单板单元上。

38.根据权利要求31-37中任一项所述的设备，其进一步包括多路复用模块，所述多路复用模块经配置以多路复用所述第一信号和第二信号。

39.根据权利要求38所述的设备，其中所述多路复用模块额外经配置以多路复用所述第三和/或后续信号。

40.根据权利要求38或39所述的设备，其包括处理器，所述处理器经配置以从医疗成像数据存储库检索额外数据且用所述多路复用信号以图形方式渲染所述额外数据。