CN113993450A - 用于生物组织荧光成像的系统和方法 - Google Patents

用于生物组织荧光成像的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113993450A
CN113993450A CN202080045307.7A CN202080045307A CN113993450A CN 113993450 A CN113993450 A CN 113993450A CN 202080045307 A CN202080045307 A CN 202080045307A CN 113993450 A CN113993450 A CN 113993450A
Authority
CN
China
Prior art keywords
imaging
wavelengths
biological tissue
data
autofluorescence
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.)
Pending
Application number
CN202080045307.7A
Other languages
English (en)
Inventor
阿维胡·梅尔·加姆利尔
诺姆·阿隆
迈克尔·阿罗诺夫
埃亚勒·马格利特
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.)
Spring Vision Ltd
Original Assignee
Spring Vision Ltd
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 Spring Vision Ltd filed Critical Spring Vision Ltd
Publication of CN113993450A publication Critical patent/CN113993450A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/12—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/12—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes
    • A61B3/1241—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes specially adapted for observation of ocular blood flow, e.g. by fluorescein angiography
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Eye Examination Apparatus (AREA)

Abstract

提出了用于检查生物组织的系统和方法。根据该技术，用照射模式照射生物组织内的预定位置，该照射模式包括预定的激发波长范围，该激发波长范围被选择为基本上同时诱发生物组织中天然存在的两种或更多种预定不同类型的生物物质的两种或更多种自体荧光响应，以使得能够检测生物组织对所述照射模式的组合光谱响应。当在所述检测到的组合光谱响应中识别出所述两种或更多种物质的发射波长时，生成指示所述两种或更多种预定不同生物物质的组合同时存在于所述位置上的输出数据，这提供了关于所述病理状况的直接指示。

Description

用于生物组织荧光成像的系统和方法
技术领域
本发明涉及生物组织的成像，并且特别涉及使用组织中生物物质的自体荧光响应(auto-fluorescence response)的成像。
背景
已知各种技术用于对生物样本成像。虽然典型的成像技术依赖于生物材料的反射或透射特性，但是一些应用利用来自组织的荧光响应的成像。荧光响应的使用使得能够改进对选定材料的检测，并提供与被检查组织的生物学和/或医学状况相关的附加信息。这些技术可用于确定一种或更多种选择的生物材料，以提供与待检查的选定参数相关的数据。
在医学和生物学成像领域中已知有各种荧光成像技术。这些技术包括，例如，荧光素血管造影术(FA)、眼底自体荧光(FAF)等。
荧光素血管造影术(FA)是目前视网膜微循环成像的优选方法。这项技术用于检测视网膜中的许多病理过程，包括血管渗漏、水肿的发展和视网膜血管阻塞。一般来说，FA需要使用配备有激发滤光器和阻挡滤光器的专用眼底相机和选择的荧光剂。为了提供荧光响应，通常通过肘前静脉以足够的速度静脉注射荧光素染料，以产生血管造影早期阶段的高对比度图像。来自闪光灯的白光穿过蓝色激发滤光器。然后，蓝光(波长465-490nm)被未结合的荧光素分子吸收，并且这些分子发出波长在可见光谱的黄绿色范围内(520-530nm)的荧光。520-530nm的阻挡滤光器只允许捕获从被激发荧光素发出的光。在注射后立即采集图像，并根据病理和测试要求持续长达十分钟。
使用FA可能会出现范围广泛的并发症。最常见的反应是3％-15％的患者会出现的短暂恶心、呕吐(7％)和瘙痒。更严重的反应如荨麻疹、发烧、血栓性静脉炎和晕厥较为罕见。染料外渗可导致局部组织坏死；然而，轻度疼痛和发红更为典型。严重的危及生命的反应如过敏反应、心脏骤停和支气管痉挛确实会出现，但极其罕见。估计死亡发生率为1:221,781。没有报告在怀孕期间出现严重的不良事件，但是它被认为是禁忌症。
眼底自体荧光(FAF)是一种非侵入性成像技术，检测各种天然存在的荧光团。经典地，FAF利用蓝光激发，并收集在预设光谱内的发射，以形成反映脂褐素分布的亮度图，脂褐素是位于视网膜色素上皮(RPE)中的主要荧光团(dominant fluorophore)。FAF可以使用其他激发波长来检测额外的荧光团，例如用于检测黑色素自体荧光的近红外。Delori在20世纪80年代首次描述了FAF，此后FAF在范围和实践方面都有所扩展。鉴于眼底检查、眼底摄影或荧光素血管造影术没有发现的独特发现，FAF在评估涉及视网膜和RPE的多种疾病谱方面非常有用，包括退行性、营养不良、炎症、感染、肿瘤和毒性病因。本综述总结了FAF的已知的眼部荧光团、各种成像方式以及广泛的临床应用。
概述
本领域需要一种新颖的成像技术，该技术能够检测生物系统中的一种或更多种生物自体荧光光谱剂(BASA)。
当所选择的特定物质(荧光团)被紫外(UV)、深蓝或近红外(NIR)光谱范围的电磁辐射照射和激发时，人体内的自体荧光基于使不同组织的各种成分可视化。一般来说，自体荧光可以在广泛的物质中实现，包括白蛋白、弹性蛋白、胶原蛋白、脂褐素、脂肪酸、LDL、NADH、黄素、卟啉和潜在的其他物质。在不同生物组织中检测到这样的物质可能与异常的物质浓度相关联，例如由于各种物质从毛细血管和在细胞代谢扰乱的条件下经历裂解的受损细胞中渗漏。这种泄漏可以是细胞内的，也可以是细胞外的，来源于组织本身并在组织中形成沉积物，这使得能够将它们可视化。出于本申请的目的，所有这样的物质被称为生物自体荧光光谱剂(BASA)。
因此，本发明利用选择的生物系统中天然存在的BASA的自体荧光特性，以辅助各种病理的诊断。基于发明人的理解，本发明检测(基本上同时检测)生物组织内的区域/位置中预定的多种(两种或更多种)BASA相关材料/物质的同时存在，在该区域/位置，这样的BASA不会天然地全部聚集在一起，和/或(基本上同时)检测到以高于正常的量聚集的这样的BASA，使得能够诊断生物组织的各种病理。
更特别地，由于眼睛组织的光学透明性使得能够对血管进行成像，所以旨在对眼睛组织(诸如视网膜、巩膜、角膜和眼睛晶状体)执行检查技术。因此，本发明的技术还利用眼睛组织的光学特性来检测某些组织(如血管壁)中以其生理量和构造(configuration)存在的BASA，同时提供这些特定组织与其周围相比的增强对比度。
各种BASA的自体荧光特性是众所周知的。例如，已知人血浆含有几种荧光团，包括白蛋白、烟酰胺、腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、脂肪酸和内源性卟啉及其衍生物。已知白蛋白是人类血浆中最丰富的物质，约占血浆体积的50％。人血浆白蛋白在约280nm处具有激发峰值，并且在330-350nm处具有发射最大值。牛血清在340-400nm范围内的激发导致在450-550nm处的发射。人血浆在400-420nm处具有激发最大值，并且在460-520nm处具有发射最大值。脂质、脂蛋白、NADH和FAD是潜在的视网膜荧光团，可用于诸如糖尿病性视网膜病变等病理状况下的自体荧光成像。低密度脂蛋白(LDL)在282nm处具有吸收最大值，并且在331nm处具有发射最大值。脂肪酸是脂质的组成部分，在330-350nm处具有吸收最大值，并且在470-480nm处具有发射最大值。NADH在340-380nm处具有吸收最大值，并且在450-480nm处具有发射最大值。黄素蛋白在430-500nm处具有吸收最大值，并且在520-590nm处具有发射最大值。当弹性蛋白(一种存在于血管壁(和其他结缔组织)中的结构蛋白)被最高350nm的紫外光激发时，显示出最高500nm的发射。
本申请的发明人发现，通过适当选择激发波长范围，可以在感兴趣的组织中同时检测(和可视化)多种物质的组合，并且在所述区域中同时存在两种或更多种选择的BASA的这种组合检测(可视化)提供了组织病理状况的准确诊断，例如从视网膜的这种组合成像识别的糖尿病性视网膜病变(DR)。
更特别地，根据本发明，可以通过用包括激发波长范围的照射模式(illuminationpattern)对生物组织内的预定区域/位置进行照射来对所述区域/位置进行成像，从而检测或预测生物组织中特定的病理状况，所述激发波长范围包括能够激发两种或更多种不同BASA的数量N(N≥1)个激发波长，从而诱发和检测所述BASA的组合发射响应。
优选地，激发波长范围相对较窄，即不超过100nm。
还应当注意，照射模式可以包括多于一个激发波长范围，其中至少一个激发波长范围旨在激发两种或更多种不同的BASA。
例如，当用约350-380nm(30nm范围宽度)范围内的激发光照射视网膜时，NADH和黄素(软渗出物)以及脂肪酸(硬渗出物)的组合可以通过它们各自的发射波长在被检测的组合响应中同时可视化，同时响应于(例如应用于眼睛组织的视网膜区域的)激发波长范围而基本上同时发射。视网膜区域中这些物质的组合的同时/并发存在提供了关于糖尿病性视网膜病变(DR)的存在/预测的直接指示。
本发明的技术的有利用途的另一实例是血管的高对比度可视化。更特别地，通过使用适当选择的照射模式波长，血管内的弹性蛋白和胶原蛋白的组合可以被可视化以增强血管的对比度。在这种情况下，这些物质的自体荧光可以通过用包括350nm波长的激发波长范围照射血管来诱发，弹性蛋白和胶原蛋白两者都具有350nm处的激发和500nm处的发射。当将用于弹性蛋白和胶原蛋白(在血管壁内)可视化的激发波长与专用于血管可视化的波长(436nm、517nm和660nm)组合时，来自血管的组合反射和来自血管壁的发射可以被同时检测，以形成具有增强的成像脉管系统对比度的组合图像。
应当理解，上述激发波长的示例涉及血管的可视化，并且除了被选择来引起两种或更多种物质(这两种或更多种物质一起指示特定的病理状况)的响应的一个或更多个激发波长之外，这些“可视化”波长中的任何一个也可以用于照射模式。
因此，根据本发明的一个广泛方面，本发明提供了一种在生物组织中检查一种或更多种病理状况的方法，该方法包括：以包括预定激发波长范围的照射模式照射生物组织内的预定位置，该预定激发波长范围包括预定数量N(N≥1)个预定激发波长，所述预定激发波长被选择为引起生物组织中天然存在的两种或更多种预定不同类型的生物物质的两种或更多种自体荧光响应；以及检测生物组织对所述照射模式的组合光谱响应。检测到的组合光谱响应包括所述两种或更多种预定的不同生物物质(如果存在于照射区域中)的自体荧光响应的预定(预期)发射波长，并且还可以包括从被照射生物组织内的结构/表面返回(反射)的激发波长。如果看起来检测到的组合光谱响应确实包括所述区域中相应物质的发射，这指示特定的病理状况。
可以使用彩色相机设备来执行被照射组织区域的组合光谱响应的同时检测，该组合光谱响应包括两种或更多种不同生物物质响应于预定激发波长范围的发射波长，该彩色相机设备被配置为同时检测不同波长的多个自体荧光响应，并且还可能检测激发波长的反射。彩色相机具有像素矩阵，该像素矩阵被配置为并可操作来定义不同颜色的多个检测通道。这种多通道像素矩阵可以由合适的光谱滤波器定义。彩色相机的使用使得能够获得指示组合响应的不同检测波长的图像数据和生物组织中这些不同检测波长起源之处的对应的位置数据。还应该理解，这提供了检测到的荧光响应相对于环境光照和来自周围生物组织的反射的更高信噪比。
因此，本发明的技术基于提供和利用分配数据，其中每个病理状况被分配有将在生物组织内的相应位置/区域中检测的两种或更多种不同BASA的相应组以及对应的成像模式数据，该对应的成像模式数据定义将在生物组织内的相应位置上执行的一个或更多个成像模式。成像模式的特征在于由包括预定波长范围(例如，包括一个或更多个特定激发波长)的相应照射模式，该预定波长范围被选择为能够激发两种或更多种不同的BASA，使得它们的自体荧光响应将被检测到。
如上所述，波长范围优选是光谱窄的，使得其光谱宽度基本不超过100nm。应当理解，“激发波长”可以由光谱分布(例如，高斯分布)的中心波长构成。
通常，激发波长可以在近UV光谱内，引起各种BASA在蓝绿色或红色波长范围内的自体荧光发射，深蓝色激发与绿红色的发射，绿色激发与红色或NIR发射，但不限于此。
照射模式可以是脉冲的形式，例如包括多个激发波长。
激发波长范围可以包括与两种或更多种不同生物物质的激发波长对应的两个或更多个离散波长(优选在光谱上彼此接近)，这两种或更多种不同生物物质一起限定了与待检查的某种生物组织状况对应的生物物质的选定组合。在另一个示例中，激发波长范围包括能够激发两种或更多种不同生物物质的单一激发波长。在又一示例中，照射模式包括两个或更多个激发波长范围，其中这些激发波长范围中的至少一个激发波长范围包括用于激发多种不同生物物质的激发波长。具有至少一个激发波长范围的照射模式的所有实施例的共同之处在于，它引起多种(两种或更多种)不同生物物质的同时激发，并且使得能够同时检测组合的发射响应，以识别特定组织区域中同时存在的生物物质的组合，其指示相应的选择的病理状况。
所选择的照射模式可以包括近紫外(UVA)范围(即深蓝色和UV范围)内的激发波长。这可以包括一个或更多个激发波长(例如，在340nm到420nm的范围内)，以引起多种BASA(多个不同的荧光团)的激发；或者可以包括一组离散的激发波长或波长范围，该组激发波长或波长范围的中心波长为360nm、385nm、405nm和420nm。
大多数生物物质的预期自体荧光响应(感兴趣的各种组合，即待检测的各种组合)通常在可见光谱的蓝色到绿色范围内。这包括以下生物物质中的两种或更多种的各种组合：人血清白蛋白、脂肪酸(构成脂质部分)、NADH、黄素蛋白(FAD)、胶原蛋白、弹性蛋白、淀粉样蛋白和AGE(晚期糖基化终产物)。对组织(通常是眼组织)中存在任何两种或更多种这些物质的各种组合的检测提供了对几种病理的指示。
如上所述，本技术利用天然存在的生物自体荧光光谱剂(BASA)的自体荧光检测。该技术基于根据BASA的吸收光谱照射感兴趣的组织，并根据发射光谱过滤收集的光。此外，如下文更详细描述的，该技术可以利用对收集的发射数据的处理来进一步提高区分荧光发射和来自周围组织的环境光的反射的能力。
因此，本技术省去了向患者注射造影剂或其他荧光剂的需要。这缩短了任何医学测试所需的时间，并减少了对测试可能产生的负面反应(例如过敏反应)。从技术上讲，这使得本技术完全无创，因为它不需要在检查前进行任何注射。
在选择的身体位置识别自然出现的BASA的能力可以为各种病理提供指示。更具体地说，本技术使得能够检测BASA的存在、这样的材料在通常不会出现它们的身体区域中的积累以及这样的材料在其自然环境中的病理性积累。例如，检测到两种或更多种特定BASA的组合在患者的视网膜中的积累可以指示视网膜或其中血管的各种损伤。
此外，在某些情况下，本技术可以允许在BASA的自然环境中可视化BASA。例如，如上所述，血管壁内侧的弹性蛋白和胶原蛋白的自体荧光可以增强血管的对比度，从而提高可以进行血管造影术的分辨率。因此，本技术可以提供眼睛组织的视网膜、脉络膜和前房中的组织损伤过程的可视化手段，以及提高血管可视化的质量。例如，与监测血管的缺血、氧化应激和/或增生相关联的过程。因此，根据本技术的测试的简单性提供了一种筛查和诊断工具，该工具可用于对正在发生的疾病进行简单监测并提供早期检测。
根据本发明的另一个广泛方面，它提供了一种用于检查生物组织的系统。该系统包括：
成像设备，其被配置并可操作以执行两种或更多种预定成像模式并生成对应于每种相应成像模式的图像数据，每个成像模式包括至少一个成像会话(imaging session)，该成像会话包括：以照射模式照射生物组织中感兴趣区域内的选定位置，该照射模式包括被选择以引起生物组织中天然存在的两种或更多种不同类型的生物物质的同时激发和自体荧光响应的激发波长范围；检测所述位置对照射模式的组合光谱响应，并生成指示检测到的组合光谱响应的对应的图像数据；和
控制单元，其包括成像模式控制器和数据处理器，该成像模式控制器操作成像设备以执行成像模式中选定的一种成像模式，该数据处理器分析图像数据并生成指示生物组织状况的输出数据，其中，所述成像模式控制器根据指示每个所述成像模式和待检查的至少一种对应的生物组织状况之间的分配的预定分配数据来配置和可操作，所述成像模式控制器响应于关于用户感兴趣的至少一种生物组织状况的用户输入，基于分配数据选择相应的成像模式数据并生成对应的操作数据，以操作成像设备执行相应成像模式中的至少一个成像会话。
如上所述，在一些实施例中，激发波长范围具有100nm或更小的光谱宽度。
每个成像模式的照射模式包括激发波长范围，该激发波长范围包含至少一个激发波长，该至少一个激发波长被选择来激发和引起不同生物物质的自体荧光响应，所述不同生物物质包括两种或更多种生物自体荧光光谱剂(BASA)，这些生物自体荧光光谱剂同时存在于生物组织中的选定位置呈现了生物组织的某种病理状况的直接指示。
成像设备包括光源单元，该光源单元由成像模式控制器生成的操作数据配置和可操作，以产生对应于所选成像模式的所述照射模式。成像设备优选地还包括聚焦和成像装置，该聚焦和成像装置被配置为和可操作来从所选位置收集组合光谱响应。
成像设备还包括图像检测器，该图像检测器优选地包括彩色相机设备,该彩色相机设备被配置用于同时检测不同波长的多个自体荧光响应。彩色相机可以包括像素矩阵，该像素矩阵被配置和可操作来定义不同颜色的多个检测通道，使得图像数据指示所述组合响应的不同检测波长和生物组织中所述不同检测波长起源之处的对应的位置数据。彩色相机可以配置有原色的收集通道。
数据处理器被配置为并且可操作来接收和处理图像数据，并且在所述图像数据中识别与包含在所述检测到的组合响应中的不同发射波长对应的图像数据片段，并且确定所述图像数据片段之间的关系，以识别生物组织中所述不同发射波长起源之处的对应的位置数据。
照射模式可以包括一个或更多个照射光脉冲，该照射光脉冲包括所选择的激发波长范围。
照射模式数据可包括关于分配给病理状况的照射模式的数据，该病理状况可通过在预定位置存在两种或更多种BASA来识别，所述BASA包括以下中的两种或更多种：白蛋白、弹性蛋白、胶原、脂褐素、脂肪酸、LDL、NADH、黄素、卟啉、淀粉样蛋白和AGE。
检测到的组合光谱响应可以包括由激发波长范围激发的不同生物物质的自体荧光响应，以及照射模式的一个或更多个激发波长从被照射的生物组织中的结构的反射。
根据本发明的又一广泛方面，提供了一种用于检查生物组织的方法。该方法包括：
提供包括多种k种病理状况PC1…PCK的预定分配数据，所述k种病理状况中的每种第i种病理状况PCi被分配有相应的至少一个第i个成像模式数据，所述第i个成像模式数据定义了要在生物组织内的至少一个相应位置上执行并且由至少一个相应的第i个照射模式表征的成像，每个照射模式包括对应的第i个激发波长范围，所述第i个激发波长范围被选择来激发预定组的两种或更多种不同的生物自体荧光光谱剂(BASA)的自体荧光响应，这些生物自体荧光光谱剂同时存在于生物组织中的所选位置呈现了生物组织的所述第i种病理状况PCi的直接指示；
响应于关于要在生物组织中检查的第i种病理状况的用户输入，在所述分配数据中选择相应的第i个成像模式数据，并且生成对应的操作数据给成像设备，以在所述预定位置上在至少一个成像会话中实现所述成像模式，并且检测所述位置对照射模式的组合光谱响应，并且生成指示检测到的组合光谱响应的对应的图像数据；和
处理图像数据并提供关于所述第i种病理状况的输出数据。
附图简述
为了更好地理解本文公开的主题并且为了例示其可以如何在实践中被实施，现在将仅仅通过非限制性示例的方式参考附图来描述实施例，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于生物组织的荧光成像的系统；
图2示出了牛血清白蛋白的激发和发射光谱；
图3示出了根据本发明的一些实施例的用于检查生物组织的方法；
图4例示了根据本技术的一些实施例的用于检测生物自体荧光剂(BASA)的技术的操作；
图5A和5B示出了使用预设技术从血浆滴收集的测量的自体荧光发射，图5A示出了彩色图像数据的原始表示，以及图5B示出了图5A的彩色图像的绿色通道和蓝色通道的总和；
图6是生物组织上的血清滴的图片，由于使用本技术的一些实施例检测自体荧光发射而导致该滴是明亮的；以及
图7A至7C示出了置于培养皿上的血清滴的图像，图7A示出了彩色图像的原始转换；图7B示出了在通过确定蓝色通道和绿色通道之间的关系来进行处理之后的图像，以及图7C是图7B所示图像的横截面。
实施例的详细描述
参考图1，图1以框图的方式示意性地示出了本发明的系统100，该系统100被配置和可操作来通过诱发和检测生物组织R中的物质的自体荧光响应来检查生物组织，以检测生物组织中各种病理状况的存在或预测其发展。更具体地，系统100被配置用于检查眼睛组织，然而本发明的原理通常不限于这种特定的实施方式。
系统100包括成像设备120和控制单元130。成像设备120被配置和可操作来执行多个M个(两个或更多个)预定成像模式IM1…IMm(由要检测/预测的多种K种病理状况PC1…PCk定义)，并且为每个成像模式生成对应的图像数据。成像模式包括至少一个成像会话，包括：以照射模式IP照射组织R中的所选位置/区域，该照射模式IP包括至少一个预定的(例如，光谱窄的)激发波长范围，该激发波长范围被选择为在所选位置/区域中引起多个(两个或更多个)预定的不同BASA的同时激发；检测被照射/被激发位置的组合光谱响应CSR，该组合光谱响应CSR包括所述位置中预定BASA的被激发诱发的发射；以及生成指示检测到的组合光谱响应的图像数据ID。
通常，激发波长范围包括数量N(N≥1)个激发波长。在图1的当前非限制性示例中，这种照射模式IP以包括多个激发波长W1…Wn的激发波长范围为例。然而，应该理解，本发明不限于这样的多激发波长配置。如上所述，情况可以是这样的，激发波长范围实际上包括单个相关的激发波长，然而，该相关的激发波长被选择为能够激发多种不同的预定生物物质，这些物质的存在可以经由在检测到的组合光谱响应中检测它们的发射响应来识别。
应当理解，因此，本发明的原理不限于激发模式的任何特定配置，即任何特定数量的激发波长或激发波长范围，只要激发模式被选择为能够基本上同时激发两种或更多种不同的自体荧光生物物质。可选地，但是在一些实施例中，优选地，被选择来激发多种物质的激发波长范围是光谱窄的(不大于100nm)。
因此，所选择的激发波长范围包括一个或更多个预定的激发波长，其被选择来同时诱发预定的两种或更多种天然存在的生物物质的自体荧光响应，在生物组织中这些物质同时存在于激发位置指示所述组织的预定病理状况。
控制单元130通常是计算机系统，包括诸如数据输入实用程序131A和数据输出实用程序131B、存储器136和数据处理器134的主要功能实用程序。根据本发明，控制单元130包括成像模式控制器132，该成像模式控制器132被配置为并可操作来控制成像设备120的操作，以根据经由用户接口138输入的用户输入来执行成像模式中的所选择的一个成像模式，该用户输入指示用户对要检测/预测的特定第i种病理状况PCi的选择。因此，成像模式控制器132响应于所选择的病理状况相关数据来利用分配数据，并生成操作数据OD给成像设备(到其照射单元)。
成像模式控制器132根据预定的分配数据进行配置和可操作，该预定的分配数据指示每个所述成像模式IM1…IMm和至少一个对应的生物组织状况(病理状况)之间的分配，其中每个成像模式的特征在于待包括在施加到预定位置的照射模式中的特定激发波长范围(包括一个或更多个选择的激发波长)。换句话说，根据分配数据，第i种病理状况PCi的检测被分配有第j种成像模式数据IMi，其特征在于第g种激发波长范围WRg和组织中待激发的位置，其中激发波长范围WRg包括与两种或更多种自体荧光物质的预定集合/组合的激发对应的激发波长，所述两种或更多种自体荧光物质的预定集合/组合同时存在于特定位置提供了所述病理状况PCi的直接指示。
分配数据通常可以预先存储在存储器136中，并且由成像模式控制器132响应于用户输入来访问。因此，成像模式控制器132被配置用于与成像设备120通信，以根据由用户输入限定的所选分配数据向成像设备120提供操作数据OD。
如图1中为简单起见所例示的，病理状况PC1与分配的图像模式数据IM1相关联，该图像模式数据IM1包括由激发波长范围WR1(例如，包含来自为其配置照射单元的波长/光源的波长W1和W3)表征的照射模式数据IP1和位置数据L1(被成像的焦点位置)，…，以及病理状况PCk与分配的图像模式数据IMm相关联，该图像模式数据IMm包括定义激发波长范围WRk(例如，包含激发波长W2和W3以及W4)的照射模式数据IPk和位置数据L1以及可能还有附加的位置数据L2。
因此，用户(经由用户界面138)提供关于感兴趣的病理状况的输入，成像模式控制器132操作以利用分配数据(例如，被存储在存储器136中，视情况而定)来选择对应的成像模式(分配给所述病理状况的检测)，并且生成操作数据OD给成像设备120。由成像模式的执行产生的图像数据ID在数据处理器134处被接收，数据处理器134被配置和可操作来分析图像数据ID并生成指示生物组织状况的输出数据。
成像装置120包括光源单元110和检测单元128。光源单元120被配置为产生多个波长W1…Wn，并且可控制地可操作来选择性地产生所需的激发波长范围，以创建所选对应的照射模式来照射组织中的所选位置。检测单元128被配置和可操作用于收集组织对所述照射模式的组合光谱响应并生成相应的图像数据ID。成像设备中还提供了聚焦装置112，使得能够对所需的焦点位置进行成像并检测来自所述位置的组合光谱响应。
在本非限制性示例中，为了简单起见，光源单元110被示为包括N个光源(例如，LED)，光源1、光源2、…光源n，它们能够分别发射N个不同波长范围的波长。由成像模式控制器132提供的操作数据OD包括用于选择的一个或更多个光源的激活数据，以产生至少一个所需的激发波长范围(例如，光谱窄的)，从而形成与某个组织位置中两种或更多种物质的相应组合的激发对应的照射模式。
照射模式可以包括选择的一个或更多个波长，并且可以是一个或更多个照射脉冲的形式，或者是包括不同波长的照射序列的脉冲串(pulse train)。典型地，相对于检测单元128使用的曝光时间，照射模式的时间长度可以在曝光时间内或更短。
检测单元128包括相机设备129，相机设备129包括检测器阵列126，并且包括成像透镜装置122或与成像透镜装置122相关联，成像透镜装置122被配置用于对检测器阵列126上的感兴趣区域R(或其上的特定位置)进行成像。检测器阵列128与用于过滤收集的光的光谱滤波器124相关联，以根据成像模式检测两个或更多个发射波长的预定集合。光谱滤波器可以是仅允许选择的波长范围透射的均匀滤光器，或者它可以是镶嵌滤光器，例如拜耳滤波器。
为了本发明的目的，相机设备129被配置并可操作为彩色相机或彩色检测器阵列。考虑传统相机中通常使用的彩色检测器阵列，它们包括三种不同类型的检测器单元(detector cell)，这些检测器单元被配置用于收集不同颜色的光，通常是红、绿和蓝(RGB)光谱的原色。本发明中使用的彩色相机设备129(检测器阵列和滤波器)提供了定义不同颜色的多个检测通道(光谱通道)的像素矩阵。结果，图像数据指示正在被检测的组合响应的不同检测波长和所述不同检测波长起源于的对应的位置数据。应当注意，如果以及当任何响应物质存在于所述位置时，则将由相机同时收集的波长包括响应于激发波长而起源于激发位置的发射波长，并且将由相机同时收集的波长还可以包括从照射区域内及其周围的各种元件/界面反射的一个或更多个激发波长。
例如，相机设备129可以如被转让给本申请的受让人的PCT/IL2020/050282中描述的那样配置，并且关于彩色相机配置的特定示例通过引用结合于此。在这种相机设备中，检测器阵列包括多个检测器单元，包括以预定阵列(二维阵列)布置的两种或更多种不同类型的检测器单元，并且它们的光谱响应函数(即检测器单元对不同波长的光的灵敏度)彼此不同。因此，由一种类型的检测器单元收集的输出图像数据提供了使用某个波长范围(对应于检测器单元的光谱响应)的视场的图像。不同类型的检测器单元被适当地(例如，以交错的顺序)布置在检测器阵列的公共平面内，使得图像由与公共视场相关联的不同类型的检测器单元中的每一个同时收集，从而不需要额外的配准处理。
在一些实施例中，检测单元128可以进一步包括附加的光谱滤波器，例如被配置为防止短波长(例如近UV或低于450nm的波长)的收集。
通常，本发明的系统100可以被配置为提供包括选择的激发波长的照射模式，以激发预定的两种或更多种不同的生物自体荧光光谱剂(BASA)的自体荧光响应。这样的BASA包括生物材料/物质，诸如白蛋白、弹性蛋白、胶原、脂褐素、脂肪酸、LDL、NADH、黄素、卟啉、淀粉样蛋白和晚期糖基化终产物(AGE)。可以被分类为BASA的其它物质是已知的，并且为了本技术的目的，根据要在各种待检查的生物组织中检测的病理状况，也可以考虑以各种组合检测。
通常，每种生物自荧光物质的特征在于其激发光谱范围和相应的荧光光谱响应。根据本发明，为了识别生物组织的特定病理状况的存在/预测，一组两种或更多种BASA在特定位置同时出现(可能以特定异常量出现)被定义为不寻常/异常。此外，对于选择的组合/组的所有BASA，选择至少一个激发波长范围(在一些实施方案中是光谱窄的，即具有基本上不超过100nm的光谱带宽)，该范围包括适于同时激发预定组BASA的一个或更多个激发波长。这使得能够快速(单次成像会话/单次曝光)和准确地检测选择的位置中BASA的整个组合的存在或不存在，从而提供组织的相应病理状况的直接指示，有助于选择的病理的诊断。这可以使医生能够确定患者的健康状况并识别各种状况的早期阶段。可选地，这使得能够在处于发展这样的疾病风险的患者中筛查尚未发展的状况。
例如，白蛋白或人血清白蛋白是人血浆中最丰富的蛋白质。白蛋白约占血清蛋白的一半。白蛋白产生于肝脏；白蛋白溶于水，并且是单体。白蛋白的生物学功能包括运输激素、脂肪酸和其他化合物。白蛋白还有助于pH缓冲和维持血管内的胶体渗透压(oncoticpressure)。人血浆白蛋白在约280nm处具有激发峰值，并且在330-350nm处具有发射最大值。牛血清在340-400nm范围内的激发导致在450-550nm处的发射。人血浆在400-420nm处具有激发最大值，并且在460-520nm处具有发射最大值。典型地，检测到血流外的高白蛋白沉积可以指示血管渗漏，这可能与各种已知的病理有关。在这方面，参考图2，其举例说明了与人血清白蛋白具有非常接近的特性的牛血清白蛋白的测量的吸收和荧光发射光谱。如示出的，白蛋白吸收350nm至400nm之间的激发范围的光，并通过发射峰值在450-550nm的光进行响应。450nm肩峰和550nm峰标记在图2中。
脂褐素是一种主要的黄斑荧光团，吸收蓝光，峰值激发波长为488nm，并且发射红光，峰值波长为630nm。脂褐素存在于视网膜色素上皮(RPE)中，并且是一种异质性混合物，其自体荧光特性来源于维生素A和视觉周期的代谢副产物双视黄醇类化合物。双视黄醇类最初在感光细胞外节段(photoreceptor outer segment)形成，并且然后以脂褐素形式沉积在RPE中，随着年龄的增长在RPE溶酶体中积累。脂褐素在退行性疾病(包括年龄相关性黄斑变性(AMD)和黄斑营养不良，诸如Best病和Stargardt病)中也会增加。脂褐素的分布及其自体荧光的分布在后极中最大，但局限于中央凹，并朝向外周减少。
晚期糖基化终产物(AGE)是糖与蛋白质、脂质等非酶促结合的产物。这样的终产物可能是由于血糖水平高而产生的。AGE参与糖尿病性视网膜病变(DR)的发病机制，导致对血管形成、增殖和构建的损害。此外，AGE通过激活炎症过程、诱导凋亡(程序性细胞死亡)等引起组织损伤。AGE的积累可以导致血管代谢和细胞代谢两者的干扰，来自血管和细胞两者的渗漏。AGE可以在整个视网膜上形成沉积物，在具有血浆渗漏的受损血管附近(在那里也可以发现AGE)形成交联和/或积聚。
本发明的技术通过直接检测(和可视化)眼睛组织的视网膜区域/位置中的AGE和血浆两者的组合，提供了对诸如DR的病理状况的存在的同时检测。为此，使用包括350-400nm的激发波长范围(包括385nm的AGE激发波长和400nm的血浆激发波长)的照射模式对视网膜执行成像模式。如果视网膜区域中确实同时存在AGE和血浆两者，则照射区域的组合光谱响应包括发射光谱，该发射光谱包括440nm的AGE发射波长和490nm的血浆发射波长(例如，430–450nm的组合发射光谱)。视网膜区域中同时存在AGE和血浆两者的这样的检测提供了对患者中DR状况的直接检测/预测(早期诊断)。在这方面，应该注意的是，由于血浆可以在不同的病理中渗漏的事实，因此仅血浆的检测/可视化无助于DR诊断，而血浆与主要在糖尿病中沉积的AGE一起同时存在的检测直接指示了DR。
本发明的技术对早期检测DR相关状况的有利效果的另一实例可以是同时检测软渗出物中NADH和黄素蛋白两者的存在(DR的视网膜病征之一)。当用包括360-420nm的激发光谱范围(包括365nm的NADH激发波长和430nm的黄素蛋白激发波长)的照射模式照射视网膜区域时，可以检测NADH和黄素蛋白的组合。指示包括NADH和黄素蛋白发射的组合光谱响应的检测的图像数据对应于预测的DR状况。两种物质的区别基于发射波长：NADH通过约465nm的发射波长(通常在450–480nm(蓝色)范围内发射)响应上述激发，而黄素蛋白通过550nm的发射来响应(通常在520–590nm(绿色)范围内发射)。
此前已经发现，视网膜中黄素蛋白的检测可以用作尚未发生DR的糖尿病患者中DR发展的预测因子。通过应用相同的窄范围激发，将同时检测NADH和黄素蛋白两者的存在组合，允许以更高的准确性(由于具有增强对比度的可视化)早期检测DR状况的存在，并且因此可以提供对DR的改进的筛查。此外，本文指出，在检测装置中使用彩色相机提供了不同波长范围(颜色)的检测通道，这使得能够分别检测来自NADH(蓝色通道)和黄素蛋白(绿色通道)的发射。
根据另一非限制性实例，本发明根据预定的分配数据，通过在眼睛组织的视网膜区域中执行的预定成像模式，提供对诸如年龄相关性黄斑变性(AMD)的病理状况的检测。分配数据定义了生物自体荧光物质的组合，当所述生物自体荧光物质的组合一起存在于同一区域时，提供所述状况的指示。例如，这样的物质包括：例如淀粉样蛋白，其可被350nm波长激发为以450nm发射进行响应；和脂肪酸，其可被350nm波长激发并以475nm发射进行响应。
淀粉样蛋白通常被认为是一种缺陷蛋白，在大脑中形成沉积物，并参与阿尔茨海默病的发病机制。然而，已知淀粉样蛋白也参与其他疾病的发展，诸如淀粉样变性。此外，已知淀粉样蛋白会在整个视网膜上形成沉积物，并可用作AMD的指标。Drusen渗出物是一种特殊类型的渗出物，可以在AMD中发现，并且含有多种物质，包括许多不同的蛋白质、脂质和其他物质。使用本发明的技术，通过用包括包含350nm的共同激发波长的激发波长范围的照射模式激发视网膜区域，并且在检测到的组合发射响应中识别450nm和475nm的发射波长(430-480nm的可见光谱的蓝色范围)，可以使Drusen渗出物中淀粉样蛋白和脂肪酸两者的组合可视化。检测视网膜Drusen渗出物中淀粉样蛋白和脂肪酸的同时存在可以提供早期和更准确的AMD诊断。
此外，或者作为在眼睛组织的视网膜区域中检测各种BASA组合的同时存在指示各种类型的病理状况的替代，一种或更多种病理状况可以通过在其他区域/位置(例如，眼睛的前房，包括角膜和晶状体)中检测各种物质(BASA)的同时存在来识别。例如，检测角膜区域中AGE和黄素蛋白的同时存在可以提供DR(尤其是增生性DR)严重程度的指示。使用包括360–420nm激发波长范围(包括385nm的AGE激发波长和430nm的黄素蛋白激发波长)的照射模式，以及包括430–450nm范围(用于检测440nm的AGE发射)和520–590nm范围(用于检测550nm的黄素蛋白发射)的检测光谱，提供了角膜中存在这些物质的直接指示。如上文指出的，彩色相机的使用可以在蓝色通道和绿色通道之间的图像数据片段中提供分离，从而在单个成像会话中提供AGE和黄素蛋白的配准。
因此，检测眼睛的视网膜和前房(角膜和眼晶状体)中的BASA可以提供与各种医学病理相关的指示，包括但不限于糖尿病性视网膜病变(DR)、年龄相关性黄斑变性(AMD)、青光眼以及其他视网膜和脉络膜疾病。典型地，这样的病理可在视网膜、脉络膜和前房中产生缺血性以及代谢性变化。由于这样的病理过程引起的正常组织代谢的破坏将导致BASA从血管和/或组织细胞渗漏，从而在相关的感兴趣区域形成沉积物。应该注意的是，一般来说，血管内或组织内存在的BASA由于来自其附近的其他自体荧光物质(例如血管内的血红蛋白)的干扰而表现出无法检测的荧光响应。因此，来自血管或组织细胞的渗漏可以根据在其天然环境之外的BASA的存在来检测。
此外，在一些实施方案中，本技术可以利用对诸如弹性蛋白和胶原蛋白的BASA组合(当以正常量存在于正常功能性组织中时)的检测。该技术可以提供血管的高对比度成像，其中这样的蛋白质存在于血管壁中，并且通过附加的自体荧光响应来增加成像对比度。
回到图1，系统100通常可以携带预先存储的分配数据，该分配数据指示待识别的病理状况和合适的成像模式之间的关系，其中每个成像模式由相应的至少一个激发波长范围和相应的预期组合辐射响应来定义，该预期组合辐射响应对应于生物组织中待识别的预定物质和待成像的生物组织中的最佳位置/区域。如上所述的，这使得能够确定在选择的生物组织中所选BASA的存在并且可能还可以指示所选BASA的量。
因此，本发明的新颖方法提供了对各种病理状况的快速有效的检测/预测。该方法基于发明人对各种生物自体荧光剂(BASA)的自体荧光特性以及BASA的各种组合与病理状况之间的关系的理解。这样的关系使得能够根据待监测的病理状况定义一种或更多种选择的成像模式。与同一病理状况的检测相关联的不同成像模式在激发波长范围和/或待成像的位置/区域方面可能不同。根据所选择的成像模式，照射模式包括激发波长范围，每个激发波长范围由激发两种或更多种不同物质的一个或更多个离散波长形成。
在一些配置中，检测到的组织的响应还包括激发波长的反射，或者视情况而定，照射模式还可以包括非激发波长，该非激发波长被选择为提供来自组织的反射响应。组织反射的检测使得周围组织的某种可视化成为可能。这可以用于例如使用弹性蛋白和胶原蛋白的自体荧光结合基于反射照射的血管的高对比度成像来进行血管可视化。
数据处理器134被配置为从成像设备120接收指示感兴趣的组织区域的检测到的组合光谱响应的图像数据ID，并且处理图像数据以确定指示与使用的成像模式成对应关系的被检查组织中的特定BASA的数据。通常，如上所述，图像数据可以包括两个或更多个图像数据片段(通常为三个)或通道，每个都与在组织的所检测到的组合响应中包含的不同波长范围内的被收集光相关。因此，数据处理器134用于处理图像数据的光谱通道，并确定与响应物质在组织内的相对位置相对应的所选光谱通道之间的关系。更具体地，数据处理器134可以确定逐像素(pixel-by-pixel)关系，例如通过确定例如绿色通道和蓝色通道之间的比率、通道之和、通道之差等。因此，数据处理器134可以被配置为接收图像数据、提取不同的光谱通道、并在一个或更多个(通常是两个或更多个)选择的通道中处理图像数据片段。
通常，如上所述，所选择的照射模式提供了对激发波长的选择，用于同时检测和可视化BASA物质的各种组合。例如，使用350nm至380nm范围内的特定激发波长使得能够同时检测(和可视化)NADH、黄素和脂肪酸的组合。典型地，NADH和黄素可以在软渗出物中可视化，并且脂肪酸在硬渗出物中可视化。
此外，例如，选择约360nm的特定波长使得能够同时可视化血管壁内的弹性蛋白和胶原蛋白两者的组合。这可以用于提供血管的增强的对比度成像。在这种情况下，除了使用来自选择的波长范围的光的反射和对收集的图像数据的相应处理来进行成像以外，还可以使用由照射模式产生的自体荧光。例如，在这种配置中，照射模式可以进一步包括436nm、517nm和/或660nm的照射，以提供由于来自血管的光的反射和吸收关系而改善的对比度。
应当注意的是，一般来说，BASA的自体荧光相对较弱。然而，本技术的发明人已经认识到，使用具有一个或更多个但通常是几个波长的照射，提供了多个不同BASA的同时激发和对应的同时的多次发射，这些发射可以由彩色相机的检测器阵列检测，使得能够对检测器阵列的彩色通道的输出进行后处理。这使得能够增强从组织发射的荧光的对比度，并检测BASA组合的存在，提供它们在组织中的分布的图像。这种成像在相对浅表的组织中，或者在容易看见的组织中，例如视网膜、角膜和眼睛晶状体中，是非常有益的。
现在参考图3，图3以流程图的方式示出了用于检查生物组织的本发明的方法。如图所示，该方法包括提供预定分配数据(步骤3010)，该预定分配数据指示选择的k个数量的病理状况PC1…PCK，其中每种第i种病理状况PCi被分配有相应的成像模式数据，该成像模式数据定义了根据待检测的相应病理状况，通过使用包括光谱窄的激发波长范围的相应照射模式，将在生物组织内的相应位置上执行的成像。响应于用户对病理状况的选择(步骤3012)，访问和分析分配数据以选择相应的成像模式数据(步骤3020)，并生成对应的操作数据OD给成像设备(步骤3030)。成像设备由图像模式数据激活，以执行至少一个对应的成像会话(步骤3040)。成像会话包括根据分配数据产生朝向预定位置的预定照射模式(步骤3050)、收集/检测组合响应(步骤3060)以及产生图像数据ID(步骤3070)。
如此产生的图像数据可以被引导用于实时处理，即所谓的在线模式(步骤3080)，或者可以被存储以供以后访问和处理(离线模式)，用于提供关于与所述第i个感兴趣的病理状况相关的组织状态的输出数据、所选择的BASA的预定组合是否存在于所选择的位置、和/或这种组合中的BASA的量是否对应于病理状况。该处理可以包括分析图像数据以获得与所收集的图像的颜色通道相关联的一个或更多个图像数据片段，以及确定图像数据的两个或更多个颜色通道之间的关系(步骤3090)，以确定关于在所选择的位置中存在所选择的BASA组合的数据。
如上所述，本技术可以利用提供RGB类型图像数据的彩色相机。参考图4，其例示了根据本发明的一些实施例的成像和数据处理阶段。如图所示，该技术利用提供照射模式(步骤4010)。照射模式通常可以包括一个或更多个脉冲，该脉冲包括例如由一个或更多个LED或激光单元产生的选择的激发波长范围(例如，两个或更多个激发波长的集合)。
照射模式可以包括波长范围的一个或更多个脉冲，例如在340nm和420nm之间选择的脉冲，以提供对选择的两个或更多个BASA的激发。在一些配置中，照射模式还可以包括至少一个附加的选择的激发波长范围，该范围包括第二一个或更多个波长，例如在460nm和540nm之间选择的波长。可以选择这样的第二波长范围来提供对额外的BASA(例如脂褐素)的激发。在这样的配置中，该技术可以利用对应于第二激发波长范围的自体荧光发射的收集的滤波。
通常，本技术利用在与照射具有一定同步性的情况下从被检查组织收集图像数据4020。在一些配置中，使用彩色相机来收集图像数据，该彩色相机提供具有不同颜色通道(例如，诸如RGB的原色)的图像数据。彩色相机利用区分光谱通道的光谱滤波器来提供组织的彩色图像表示，并且使得能够对收集的图像进行某些光谱处理，同时避免了对在使用用于收集单色图像数据且与对应的不同光谱滤波器相关联的不同检测器阵列的情况下可能需要的任何图像配准处理的需要。检测到的图像数据被传输用于处理(步骤4030)，以识别预定BASA的自体荧光发射，并增加检测到的荧光的信噪比。该处理通常包括分离与红色、绿色和蓝色通道相关联的不同光谱通道(步骤4040)，并确定选择的通道之间的关系(步骤4050)，通常是绿色通道和蓝色通道之间的关系。该关系提供了选择的通道的逐像素映射，从而使得能够确定在选择的通道中收集的光之间的变化。在利用第二波长范围(例如，第二组激发波长)的配置中，该处理可以操作来确定与红色通道中收集的光相关的荧光图(fluorescence map)(步骤4060)，该荧光图通常指示脂褐素的荧光发射，具有约630nm的峰值发射。因此，在这个示例中，发射数据是从B通道和R通道同时收集的。
使用在步骤4050和/或步骤4060中基于不同颜色通道确定的荧光图，所提供的输出数据(步骤4070)指示在由检测器阵列检测到的图像内选择的BASA的自体荧光分布，使得能够识别组织中存在选择的BASA的沉积。在一些配置中，图像数据可以呈现给操作者用于分析。在一些附加配置中，图像数据可以被进一步处理(步骤4080)以确定BASA沉积以及与被检查区域的正常典型材料成分相比的典型地异常BASA沉积。如上所述，各种病理导致在血管外部形成沉积。由于本技术检测到的BASA自体荧光，这种沉积在图像数据中可以作为亮点可见。
参考图5A和5B，其例示了使用本发明的上述技术从血浆滴检测到的自体荧光发射。图5A示出了使用利用带通滤波器450-550(允许波长在450-550nm范围内的光透射)的彩色相机收集的、从血浆滴检测到的自体荧光，表示为原始图像。图5B示出了在图5A中收集的彩色图像的绿色通道和蓝色通道的总和。该血浆滴被放置在玻璃板上，并被置于365nm的激发照射下。自体荧光发射以500nm为中心被检测到，并在图5A和5B中的圆圈亮点中示出。较低的点是不希望的反射的结果。
参考图6，其显示了从生物组织上的血清滴检测到的自体荧光的实验结果。该区域由包括360nm的激发波长的激发波长范围的脉冲照射，使用具有透射450nm-550nm范围内的光的带通滤波器的彩色相机检测组合光谱响应。由于BASA(例如血浆中的白蛋白)的水平较高，高于正常生物组织中的一般浓度，所以该滴显示出比组织背景更亮。
如上所述，本技术可以利用选择的滤波器来在背景反射上提供对自体荧光发射的收集。此外，如所指示的，在本发明的一些实施例中，彩色(例如，RGB)相机可以与标准拜耳滤波器装置一起使用，并且可以处理所收集的图像数据中的彩色通道，以改善自体荧光发射的检测。
图7A至7C显示了置于培养皿上的血清滴的图像。图7A示出了彩色图像的原始表示；图7B示出了在用于确定蓝色和绿色通道之间的关系的处理之后的图像；以及图7C示出了沿着图7B所示图像的横截面的曲线图。血浆滴由包括波长为360nm的激发波长的照射脉冲式模式照射，并且彩色相机与透射450nm-550nm范围内的光的附加带通滤波器一起使用。如图7A所示，自体荧光发射沿着液滴的圆周是可见的。然而，图像数据的附加处理(对应于检测到的组合光谱响应)和确定绿色通道与蓝色通道之间的逐像素关系提供了自体荧光发射的改进的指示，如图7B所示。图7C进一步示出了背景噪声上来自血浆滴的自体荧光发射，示出了在与来自背景和环境光的反射相关联的背景平均值2.5(A.U.)上的平均发射3(A.U.)。
因此，如上所述，本发明的技术提供了生物试剂(BASA)的各种组合的自体荧光发射的检测，生物试剂包括脂肪酸、白蛋白、弹性蛋白、胶原、脂褐素、LDL、NADH、黄素、卟啉、淀粉样蛋白和晚期糖基化终产物(AGE)。本技术实现简单和稳健的检测技术，提供可能与这样的BASA的组合例如由于其他病理过程的血液泄漏而在生物组织中的沉积相关联的各种病理的指示。
因此，本技术使得能够检测各种BASA的存在，包括白蛋白和其他天然出现的荧光物质；这使得能够检测可能与血管渗漏相关联的病理或与组织中血浆、蛋白质、脂质、糖、核酸或其他细胞或细胞外材料的聚集相关联的其他病理。本技术可以服从用于近UV光谱照射的常规标准，同时为通常非常短的脉冲(例如低于1/60秒)提供这种照射。应当注意，脉冲持续时间通常根据成像要求和脉冲强度来确定。这项技术不需要侵入性的操作，也不需要向患者的静脉注射任何荧光素或其他荧光染料。因此，本技术可以提供不需要任何准备的立即可用的测试，如在天然出现的材料的物理效应中的BASA自体荧光。本技术对于眼部成像可以非常有利，提供高质量的成像，包括对眼睛的视网膜、脉络膜和前房(角膜和眼睛晶状体)内的物质沉积的敏感性。

Claims (32)

1.一种用于检查生物组织的系统，所述系统包括：
成像设备，其被配置为并能够操作来执行两种或更多种预定成像模式，并生成对应于每种相应成像模式的图像数据，每种成像模式包括至少一个成像会话，所述成像会话包括：用照射模式对所述生物组织中感兴趣区域内的选定位置进行照射，所述照射模式包括被选择来引起生物组织中天然存在的两种或更多种不同类型的生物物质的同时激发的激发波长范围，从而同时诱发所述两种或更多种不同生物物质的自体荧光响应；检测所述位置对所述照射模式的组合光谱响应，并生成指示检测到的组合光谱响应的对应的图像数据；和
控制单元，其包括成像模式控制器和数据处理器，所述成像模式控制器操作所述成像设备以执行所述成像模式中选择的一个成像模式，所述数据处理器分析所述图像数据并生成指示生物组织状况的输出数据，其中，所述成像模式控制器根据指示每个所述成像模式和待检查的至少一种对应的生物组织状况之间的分配的预定分配数据来配置和操作，所述成像模式控制器响应于关于用户感兴趣的至少一种生物组织状况的用户输入，基于所述分配数据来选择相应的成像模式数据并生成对应的操作数据，以操作所述成像设备来执行所述相应的成像模式的至少一个成像会话。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激发波长范围具有基本上不超过100nm的光谱宽度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述成像模式中的每一个成像模式的照射模式包括包含至少一个激发波长的激发波长范围，所述至少一个激发波长被选择来激发和引起包括两种或更多种生物自体荧光光谱剂(BASA)的不同生物物质的自体荧光响应，所述两种或更多种生物自体荧光光谱剂同时存在于所述生物组织中的所述选定位置呈现了所述生物组织的某种病理状况的直接指示。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述成像设备包括：光源单元，所述光源单元通过由所述成像模式控制器生成的操作数据来配置和操作，以产生对应于所选择的成像模式的所述照射模式。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述成像设备包括聚焦和成像装置，所述聚焦和成像装置被配置为并且能够操作来从所述选定位置收集所述组合光谱响应。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述成像设备包括图像检测器，所述图像检测器包括彩色相机设备，所述彩色相机设备被配置为同时检测不同波长的多个自体荧光响应。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述彩色相机设备包括像素矩阵，所述像素矩阵被配置为并且能够操作来定义不同颜色的多个检测通道，使得所述图像数据指示所述组合响应的不同检测波长和所述生物组织中所述不同检测波长起源之处的对应的位置数据。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述彩色相机配置有原色的收集通道。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中，所述数据处理器被配置为并且能够操作来接收和处理所述图像数据，并且在所述图像数据中识别与包含在所述检测到的组合响应中的不同发射波长对应的图像数据片段，并且确定所述图像数据片段之间的关系，以识别所述生物组织中所述不同发射波长起源之处的对应的位置数据。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述照射模式包括一个或更多个照射光脉冲，所述照射光脉冲包括所选择的激发波长范围。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的系统，其中，所述照射模式包括分配给所述病理状况的照射模式，所述病理状况能够通过在所述预定位置存在所述两种或更多种BASA来识别，所述两种或更多种BASA包括以下中的两种或更多种：白蛋白、弹性蛋白、胶原、脂褐素、脂肪酸、LDL、NADH、黄素、卟啉、淀粉样蛋白和AGE。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述照射模式包括至少一个附加激发波长范围，所述至少一个附加激发波长范围被选择为激发至少一种附加生物物质，以使所述至少一种附加生物物质的至少一个附加荧光响应被包括在所述检测到的组合光谱响应中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述组合光谱响应包括由所述激发波长范围激发的所述不同生物物质的自体荧光响应，以及所述照射模式的一个或更多个波长从被照射的所述生物组织中的结构的反射。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述照射模式包括一个或更多个可视化波长，所述一个或更多个可视化波长被选择为增强在被成像位置附近的血管的成像，使得所述图像数据包括所述两种或更多种受激发物质和所述血管的组合图像。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或更多个可视化波长包括一个或更多个激发波长，所述一个或更多个激发波长被选择为激发与血管结构相关联的物质。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述一个或更多个可视化波长包括436nm、517nm和660nm波长中的至少一个。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述照射模式包括用于激发弹性蛋白和胶原物质的350nm波长。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分配数据包括指示与糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况的数据，所述与糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况被分配有一种或更多种成像模式，将利用包括以下项中的至少一项在视网膜区域中的位置上执行所述一种或更多种成像模式：
(a)包括被选择来诱发AGE和血浆物质的同时自体荧光响应的包括385nm和400nm波长的激发波长范围的照射模式，
(b)包括被选择来诱发NADH和黄素蛋白物质的同时自体荧光响应的包括365nm和430nm波长的激发波长范围的照射模式。
19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分配数据包括指示与黄斑变性(AMD)相关的病理状况的数据，所述与黄斑变性(AMD)相关的病理状况被分配有将在视网膜区域中的位置上执行的包括被选择来诱发淀粉样蛋白和脂肪酸物质的同时自体荧光响应的包括350nm波长的激发波长范围的一种或更多种成像模式。
20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分配数据包括指示与增生性糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况的数据，所述与增生性糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况被分配有将在角膜区域中的位置上执行的包括被选择来诱发AGE和黄素蛋白物质的同时自体荧光响应的包括385nm和430nm波长的激发波长范围的一种或更多种成像模式。
21.一种用于检查生物组织的方法，所述方法包括：
提供包括多种k种病理状况PC1…PCK的预定分配数据，所述k种病理状况中的每种第i种病理状况PCi被分配有相应的至少一个第i个成像模式数据，所述第i个成像模式数据定义了要在所述生物组织内的至少一个相应位置上执行的成像，并且由至少一个相应的第i个照射模式表征，每个照射模式包括对应的第i个激发波长范围，所述第i个激发波长范围被选择来诱发预定组的两种或更多种不同的生物自体荧光光谱剂(BASA)的基本上同时的自体荧光响应，所述预定组的两种或更多种不同的生物自体荧光光谱剂(BASA)同时存在于所述生物组织中的选定位置呈现了所述生物组织的所述第i种病理状况PCi的直接指示；
响应于关于要在所述生物组织中检查的第i种病理状况的用户输入，在所述分配数据中选择相应的第i个成像模式数据，并且生成对应的操作数据给成像设备，以在所述预定位置上在至少一个成像会话中实现所述成像模式，并且检测所述位置对所述照射模式的组合光谱响应，并且生成指示检测到的组合光谱响应的对应的图像数据；和
处理所述图像数据并提供关于所述第i种病理状况的输出数据。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述组合光谱响应的检测由彩色相机设备来执行，所述彩色相机设备被配置为同时检测不同发射波长的多个自体荧光响应。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述检测包括通过定义不同颜色的多个检测通道的像素矩阵来收集所述组合光谱响应，使得所述图像数据指示所述组合光谱响应的不同检测波长和所述生物组织中所述不同检测波长起源之处的对应的位置数据。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其中，图像数据的所述处理包括在所述图像数据中识别与包含在所述检测到的组合光谱响应中的不同波长对应的图像数据片段，并确定所述图像数据片段之间的关系以识别所述生物组织中所述不同检测波长起源之处的对应的位置数据。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述照射模式包括一个或更多个可视化波长，所述一个或更多个可视化波长被选择来增强在被成像位置附近的血管的成像，使得所述图像数据包括所述两种或更多种受激发物质和所述血管的组合图像。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述一个或更多个可视化波长包括一个或更多个激发波长，所述一个或更多个激发波长被选择来激发与血管结构相关联的物质。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述一个或更多个可视化波长包括436nm、517nm和660nm波长中的至少一个。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述照射模式包括用于激发弹性蛋白和胶原物质的350nm波长。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的方法，其中，所述分配数据包括指示与糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况的数据，所述与糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况被分配有一种或更多种成像模式，将利用包括以下项中的至少一项在视网膜区域中的位置上执行所述一种或更多种成像模式：
(a)包括被选择来诱发AGE和血浆物质的同时自体荧光响应的包括385nm和400nm波长的激发波长范围的照射模式，
(b)包括被选择来诱发NADH和黄素蛋白物质的同时自体荧光响应的包括365nm和430nm波长的激发波长范围的照射模式。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的方法，其中，所述分配数据包括指示与黄斑变性(AMD)相关的病理状况的数据，所述与黄斑变性(AMD)相关的病理状况被分配有将在视网膜区域中的位置上执行的包括被选择来诱发淀粉样蛋白和脂肪酸物质的同时自体荧光响应的包括350nm波长的激发波长范围的一种或更多种成像模式。
31.根据权利要求21至30中任一项所述的系统，其中，所述分配数据包括指示与增生性糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况的数据，所述与增生性糖尿病性视网膜病变(DR)相关的病理状况被分配有将在角膜区域中的位置上执行的包括被选择来诱发AGE和黄素蛋白物质的同时自体荧光响应的包括385nm和430nm波长的激发波长范围的一种或更多种成像模式。
32.一种用于在生物组织中检查一种或更多种病理状况的方法，所述方法包括：
用包括预定激发波长范围的照射模式照射所述生物组织内的预定位置，所述预定激发波长范围包括预定数量N(N≥1)个预定激发波长，所述预定激发波长被选择来基本上同时诱发生物组织中天然存在的两种或更多种预定不同类型的生物物质的两种或更多种自体荧光响应；和
检测所述生物组织对所述照射模式的组合光谱响应；以及在所检测到的组合光谱响应中识别出所述两种或更多种物质的发射波长时，生成指示所述病理状况的数据。
CN202080045307.7A 2019-06-20 2020-06-21 用于生物组织荧光成像的系统和方法 Pending CN113993450A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962864191P 2019-06-20 2019-06-20
US62/864,191 2019-06-20
PCT/IL2020/050691 WO2020255147A1 (en) 2019-06-20 2020-06-21 System and method for fluorescence imaging of biological tissues

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113993450A true CN113993450A (zh) 2022-01-28

Family

ID=74040727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080045307.7A Pending CN113993450A (zh) 2019-06-20 2020-06-21 用于生物组织荧光成像的系统和方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20220110526A1 (zh)
EP (1) EP3986254A4 (zh)
JP (1) JP2022536977A (zh)
CN (1) CN113993450A (zh)
AU (1) AU2020295824A1 (zh)
CA (1) CA3140265A1 (zh)
IL (1) IL288586A (zh)
WO (1) WO2020255147A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103188993A (zh) * 2010-11-05 2013-07-03 自由医疗科技公司 非侵入性检测影响生物组织结构性质的疾病的设备和方法
US20150185151A1 (en) * 2012-07-17 2015-07-02 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Formulaic imaging for tissue diagnosis
CN107003242A (zh) * 2014-09-16 2017-08-01 劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司 使用荧光剂进行染色之后在紫外激发的情况下使用荧光显微镜控制组织中的成像深度的系统和方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003506016A (ja) * 1999-02-19 2003-02-18 ザ ユニヴァーシティー オブ アイオワ リサーチ ファンデーション 動脈壁破裂障害のための診断剤および治療剤

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103188993A (zh) * 2010-11-05 2013-07-03 自由医疗科技公司 非侵入性检测影响生物组织结构性质的疾病的设备和方法
US20150185151A1 (en) * 2012-07-17 2015-07-02 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Formulaic imaging for tissue diagnosis
CN107003242A (zh) * 2014-09-16 2017-08-01 劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司 使用荧光剂进行染色之后在紫外激发的情况下使用荧光显微镜控制组织中的成像深度的系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
AU2020295824A1 (en) 2022-01-20
EP3986254A1 (en) 2022-04-27
IL288586A (en) 2022-02-01
EP3986254A4 (en) 2023-07-19
JP2022536977A (ja) 2022-08-22
US20220110526A1 (en) 2022-04-14
CA3140265A1 (en) 2020-12-24
WO2020255147A1 (en) 2020-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10481095B2 (en) Methods and means for multispectral imaging
US9232889B2 (en) Method and apparatus for ocular surface imaging
Sauer et al. Impact of macular pigment on fundus autofluorescence lifetimes
US8326405B2 (en) Imaging of macular pigment distributions
Schweitzer et al. Time-resolved autofluorescence imaging of human donor retina tissue from donors with significant extramacular drusen
US20060134004A1 (en) Methods and apparatus for detection of carotenoids in macular tissue
US20030004418A1 (en) Apparatus and method for ratiometric quantitation of elicited autofluorescence of the eye
US9241622B2 (en) Method for ocular surface imaging
JP2001161647A (ja) 眼底撮影装置
US9854963B2 (en) Apparatus and method for identifying one or more amyloid beta plaques in a plurality of discrete OCT retinal layers
Schweitzer Metabolic mapping
US20220110526A1 (en) System and method for fluorescence imaging of biological tissues
Calvo-Maroto et al. Confocal scanning laser ophthalmoscopy versus modified conventional fundus camera for fundus autofluorescence
Schweitzer Autofluorescence diagnostics of ophthalmic diseases
RU2651126C1 (ru) Способ раннего выявления возрастной макулярной дистрофии сетчатки
EP3755994B1 (en) Image-processing apparatus and image-processing method for detection of irregularities in tissue
Theelen Scanning laser imaging of the retina. Basic concepts and clinical applications

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