ES2384835B1

ES2384835B1 - PROCEDURE FOR THE REGISTRATION OF IMAGES IN OPTICAL FLUORESCENCE TOMOGRAPHY AND APPLICATION SYSTEM.

Info

Publication number: ES2384835B1
Application number: ES200930002A
Authority: ES
Inventors: José Ignacio Iglesias Casarrubios
Original assignee: Universidad de Murcia
Current assignee: Universidad de Murcia
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2013-06-10
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: ES2384835A1

Abstract

Procedimiento para el registro de imágenes en tomografía óptica de fluorescencia y sistema de aplicación.#Permite determinar la distribución tridimensional de una muestra (M) que contiene moléculas o partículas fluorescentes que se excitan mediante la iluminación con un haz de barrido alargado en la dirección axial (Z) y compacto en la dirección transversal.#Para cada posición de barrido (X, Y), la luz de fluorescencia procedente de la excitación de los emisores se analiza utilizando una matriz de microlentes (MML) situada en un plano transversal, paralelo al plano (X, Y), y acoplada a un sensor de imagen (S). Este último, está conectado a un ordenador en dónde se ejecuta un algoritmo que encuentra la distribución de la concentración de emisores en función de la coordenada (Z) cuya emisión de luz mejor se corresponde con la imagen registrada. Finalmente se dispone de un conjunto de datos sobre la distribución de concentración de emisores tridimensional.#De utilidad especial como técnica de microscopia en biología y biomedicina.Procedure for the registration of images in fluorescence optical tomography and application system. # It allows to determine the three-dimensional distribution of a sample (M) containing fluorescent molecules or particles that are excited by lighting with an elongated scanning beam in the axial direction (Z) and compact in the transverse direction. # For each scanning position (X, Y), the fluorescence light from the excitation of the emitters is analyzed using a microlens matrix (MML) located in a transverse, parallel plane to the plane (X, Y), and coupled to an image sensor (S). The latter is connected to a computer where an algorithm is executed that finds the distribution of the emitter concentration according to the coordinate (Z) whose light emission best corresponds to the registered image. Finally, there is a set of data on the distribution of concentration of three-dimensional emitters. # Of special utility as a microscopy technique in biology and biomedicine.

Description

PROCEDIMIENTO PARA EL REGISTRO DE IMÁGENES EN TOMOGRAFíA ÓPTICA DE FLUORESCENCIA Y SISTEMA DE APLICACiÓN PROCEDURE FOR REGISTRATION OF IMAGES IN OPTICAL FLUORESCENCE TOMOGRAPHY AND APPLICATION SYSTEM

OBJETO DE LA INVENCiÓN OBJECT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un sistema para la obtención de imágenes tomográficas de la distribución de concentración de marcadores ópticos fluorescentes especialmente indicado para el estudio de muestras de interés biológico en la escala milimétrica o micrométrica. The present invention relates to a system for obtaining tomographic images of the concentration distribution of fluorescent optical markers especially indicated for the study of samples of biological interest on the millimeter or micrometric scale.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

La microscopia de fluorescencia pretende determinar la distribución de marcadores ópticos en muestras biológicas. Estos marcadores consisten en moléculas (endógenas o exógenas) o nano-partículas con la propiedad de que, cuando son excitados con luz con una cierta longitud de onda, emiten luz incoherente en otra (fluorescencia) gracias a procesos de absorción-emisión mono o multifotónicos. Los marcadores exógenos son especialmente interesantes debido a que, una vez funcionalizados, sirven para señalar, a nivel molecular, procesos o estados en interior de los tejidos o las células. El conocimiento derivado puede ser fundamental tanto en investigación básica como aplicada en el desarrollo de nuevos fármacos para estudiar el tráfico, localización final y actividad en los tejidos de moléculas o nano-partículas a diferentes escalas, desde la milimetrica a la micrométrica. Fluorescence microscopy aims to determine the distribution of optical markers in biological samples. These markers consist of molecules (endogenous or exogenous) or nano-particles with the property that, when they are excited with light with a certain wavelength, they emit incoherent light in another (fluorescence) thanks to mono or multifotonic absorption-emission processes . Exogenous markers are especially interesting because, once functionalized, they serve to indicate, at the molecular level, processes or states inside tissues or cells. Derived knowledge can be fundamental in both basic and applied research in the development of new drugs to study the traffic, final location and activity in the tissues of molecules or nano-particles at different scales, from the millimeter to the micrometric.

Los tejidos y las células son estructuras tridimensionales donde la localización espacial de determinados agentes es fundamental en numerosos procesos. Es interesante por lo tanto, contar con instrumentos que proporcionen información tomográfica de la concentración de marcadores fluorescentes. Sin embargo, este tipo de instrumentación conlleva una mayor complejidad en comparación con los sistemas básicos de microscopía que proporcionan solamente imágenes planas de proyecciones o secciones. Tissues and cells are three-dimensional structures where the spatial location of certain agents is essential in numerous processes. It is therefore interesting to have instruments that provide tomographic information on the concentration of fluorescent markers. However, this type of instrumentation entails greater complexity compared to basic microscopy systems that provide only flat images of projections or sections.

El microscopio confocal (véase por ejemplo el documento US 3013467), ha sido la herramienta tradicionalmente utilizada para resolver microestructuras tridimensionales. En este sistema, la información tomográfica se obtiene registrando diferentes imágenes de barrido correspondientes a diferentes posiciones axiales de un detector puntual en correspondencia con el foco del haz de excitación en el interior de The confocal microscope (see for example US 3013467) has been the tool traditionally used to solve three-dimensional microstructures. In this system, the tomographic information is obtained by recording different scanning images corresponding to different axial positions of a point detector in correspondence with the focus of the excitation beam inside

la muestra, cuando el proceso de fluorescencia es lineal, o solo desplazando la posición del foco cuando se trata de procesos multifotónicos. En cualquier caso, la adquisición completa de un volumen de tejido es lenta comprometiendo el estudio de procesos de corta duración. the sample, when the fluorescence process is linear, or only displacing the focus position when it comes to multifotonic processes. In any case, the complete acquisition of a tissue volume is slow compromising the study of short duration processes.

5 Alternativamente, se han propuesto técnicas basadas en la tomografía computerizada de rayos-x (empleada en imagen médica) tras ser adaptada al uso de luz en muestras en la escala micro y milimétrica (véase Kikuchi, S., K. Sonobe, et al. (1996), "Three-dimensional microscopic computed tomography based on generalized Radon transform for optical imaging systems", Opt. Comm. 123: 725-733; así como, Sharpe, J., U. Ahlgren, et al. (2002), "Optical projection tomography as a tool for 3D microscopy and gene expression studies", Science 296: 541-545 y también Fauver, M., E. J. Seibel, et al. (2005), "Three-dimensional imaging of single isolated cell nuclei using optical projection tomography", Opt. Express 13(11): 4210-4223). 5 Alternatively, techniques based on computerized x-ray tomography (used in medical imaging) have been proposed after being adapted to the use of light in samples on the micro and millimeter scale (see Kikuchi, S., K. Sonobe, et al . (1996), "Three-dimensional microscopic computed tomography based on generalized Radon transform for optical imaging systems", Opt. Comm. 123: 725-733; as well as, Sharpe, J., U. Ahlgren, et al. (2002 ), "Optical projection tomography as a tool for 3D microscopy and gene expression studies", Science 296: 541-545 and also Fauver, M., EJ Seibel, et al. (2005), "Three-dimensional imaging of single isolated cell nuclei using optical projection tomography ", Opt. Express 13 (11): 4210-4223).

En dichos sistemas, la reconstrucción se realiza mediante algoritmos In these systems, the reconstruction is performed using algorithms

15 matemáticos que procesan la información obtenida midiendo la intensidad de la luz que emana de la muestra para diferentes proyecciones rotando la muestra o el sistema de registro. Sin embargo, de la misma forma que en microscopía confocal, el instrumento debe realizar operaciones adicionales a las requeridas para el registro de imágenes bi-dimensiones que pueden llegar a ser muy complejas (especialmente en 15 mathematicians who process the information obtained by measuring the intensity of the light emanating from the sample for different projections by rotating the sample or the recording system. However, in the same way as in confocal microscopy, the instrument must perform additional operations to those required for the registration of bi-dimensional images that can become very complex (especially in

20 microscopía) e involucran un aumento del tiempo total de registro. 20 microscopy) and involve an increase in the total registration time.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

El sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica que la The lighting and data acquisition system for optical tomography that the

invención propone, resuelve, de forma plenamente satisfactoria, la problemática invention proposes, solves, in a fully satisfactory way, the problem

anteriormente expuesta en los distintos aspectos comentados. En particular: simplifica previously exposed in the different aspects commented. In particular: simplify

25 el procedimiento de adquisición limitándolo al barrido de la muestra y, por tanto, el tiempo total de registro. 25 the acquisition procedure limiting it to the scanning of the sample and, therefore, the total recording time.

Para ello, la invención se basa en la utilización de un sistema convencional de barrido de un haz de luz especialmente construido para excitar la emisión de fluorescencia de marcadores a través de procesos mono o multifotónicos generando For this, the invention is based on the use of a conventional scanning system of a light beam specially constructed to excite the fluorescence emission of markers through mono or multifotonic processes generating

30 en el interior de la muestra, para cada posición transversal, una fuente de luz incoherente aproximadamente unidimensional con un patrón de emisión dependiente de la distribución axial de concentración de moléculas o partículas emisoras en cada punto. 30 inside the sample, for each transverse position, an approximately one-dimensional incoherent light source with an emission pattern dependent on the axial concentration distribution of emitting molecules or particles at each point.

Para conseguirlo, el haz de excitación se concentra en el interior de la muestra To achieve this, the excitation beam is concentrated inside the sample

mediante componentes ópticos de manera tal que se transporte energía suficiente para la excitación sólo a un volumen en la muestra estructurado, de forma que quede restringido transversalmente y extendido axialmente, utilizando, entre otras by means of optical components in such a way that sufficient energy for excitation is transported only to a volume in the structured sample, so that it is restricted transversely and axially extended, using, among others

5 posibilidades, un objetivo con una apertura anular, una lente cilíndrica o mediante la incorporación de un axicón para generar un haz de Bessel. 5 possibilities, an objective with an annular aperture, a cylindrical lens or by incorporating an axon to generate a Bessel beam.

La luz que emana de la muestra, excitada de la forma anteriormente indicada, se filtra espectralmente para seleccionar la componente de fluorescencia que es analizada con el fin de obtener la información necesaria para encontrar la distribución que genera la emisión. The light emanating from the sample, excited in the manner indicated above, is spectrally filtered to select the fluorescence component that is analyzed in order to obtain the information necessary to find the distribution that generates the emission.

En particular, el procedimiento de análisis propuesto se basa en el modelado de la luz de fluorescencia como una superposición incoherente de ondas esféricas divergentes con una distribución de orígenes dependiente de la distribución tridimensional de emisores. In particular, the proposed analysis procedure is based on the modeling of fluorescence light as an incoherent overlap of divergent spherical waves with a distribution of origins dependent on the three-dimensional distribution of emitters.

15 Tomando como base este modelo, se sigue el siguiente procedimiento: una vez filtrada, la luz de fluorescencia se hace pasar por un objetivo --cuya focal se sitúa en el espacio donde se emplaza la muestra-y posteriormente por una matriz de microlentes orientada perpendicular al eje axial. Este componente proporciona, gracias al uso de un sensor opto-electrónico acoplado, una imagen relacionada con la 15 Based on this model, the following procedure is followed: once filtered, the fluorescence light is passed through a target - whose focal position is located in the space where the sample is located - and subsequently by a oriented microlens matrix perpendicular to the axial axis. This component provides, thanks to the use of a coupled opto-electronic sensor, an image related to the

20 concentración de emisores en el volumen de excitación que, en virtud su particular estructura, está unívocamente relacionada con la concentración axial. 20 concentration of emitters in the excitation volume which, by virtue of its particular structure, is uniquely related to the axial concentration.

El proceso anterior se repite para diferentes coordenadas transversales procesándose cada imagen obtenida mediante un ordenador para obtener la distribución axial en cada punto. Una vez finalizado el barrido, se dispone de la The above process is repeated for different transverse coordinates, each image obtained by a computer being processed to obtain the axial distribution at each point. Once the scan is finished, the

25 información necesaria para componer una imagen tomográfica de la concentración de emisores en todo el volumen de la muestra. 25 information necessary to compose a tomographic image of the concentration of emitters in the entire volume of the sample.

De forma más concreta, la invención describe un procedimiento de iluminación y adquisición de datos en tomografía óptica de moléculas o partículas fluorescentes embebidas en muestras, que emiten luz de fluorescencia debido a procesos de More specifically, the invention describes a method of lighting and data acquisition in optical tomography of fluorescent molecules or particles embedded in samples, which emit fluorescence light due to processes of

30 excitación-emisión incoherente mono o multifotónicos. Las características principales del procedimiento son que: 30 excitation-incoherent mono or multifotonic emission. The main features of the procedure are that:

se ilumina una muestra mediante el uso de una óptica que genera un volumen de excitación, alargado en la dirección axial y compacto en direcciones a sample is illuminated by using an optics that generates an excitation volume, elongated in the axial direction and compact in directions

transversales; transversal;

se selecciona la luz de fluorescencia mediante un filtro y se conduce utilizando un sistema óptico para hacerla pasar finalmente a través de una matriz de microlentes acoplada a un sensor que sirve para registrar imágenes que son procesadas por un ordenador. The fluorescence light is selected by a filter and conducted using an optical system to finally pass it through a matrix of microlenses coupled to a sensor used to record images that are processed by a computer.

Así, el volumen de excitación se desplaza en el interior de la muestra barriendo diferentes coordenadas transversales (X, Y) mientras que permanece orientado paralelo al eje perpendicular (Z). La incorporación de esa capacidad en el haz de luz que genera el volumen de excitación y en la óptica de adquisición se consigue solo en el haz que genera el volumen de excitación, o bien a través del desplazamiento controlado transversal de la muestra. Thus, the excitation volume moves inside the sample by sweeping different transverse coordinates (X, Y) while remaining oriented parallel to the perpendicular axis (Z). The incorporation of this capacity in the beam of light that generates the volume of excitation and in the acquisition optics is achieved only in the beam that generates the volume of excitation, or through the transverse controlled displacement of the sample.

La invención también describe un sistema de iluminación y adquisición de datos para tomografía óptica según dicho procedimiento, en el que se utiliza un volumen de excitación alargado. The invention also describes a lighting and data acquisition system for optical tomography according to said method, in which an elongated excitation volume is used.

En una configuración alternativa, se utiliza como sistema de excitación un haz alargado utilizando una apertura anular. In an alternative configuration, an elongated beam using an annular opening is used as an excitation system.

En otra configuración alternativa, se utiliza como sistema de excitación un haz alargado utilizando un prisma con simetría de rotación o axicón para generar un haz de Bessel. In another alternative configuration, an elongated beam is used as an excitation system using a prism with rotation or axicon symmetry to generate a Bessel beam.

En otra configuración alternativa, se utiliza un volumen de excitación alargado utilizando una lente cilíndrica. In another alternative configuration, an elongated excitation volume is used using a cylindrical lens.

En otra configuración alternativa, se utiliza una matriz de microlentes para analizar la estructura de la luz de fluorescencia con el fin de encontrar la distribución tridimensional de emisores que la genera. In another alternative configuration, a microlens matrix is used to analyze the structure of the fluorescence light in order to find the three-dimensional distribution of emitters that generates it.

En otra configuración alternativa, se utiliza un sensor de frente de onda para obtener información de la distribución tridimensional de emisores. In another alternative configuration, a wavefront sensor is used to obtain information on the three-dimensional distribution of emitters.

DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se realiza y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña, como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, To complement the description that is made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, by way of illustration and not limitation,

se ha representado lo siguiente:
The following has been represented:

La figura 1 muestra de forma esquemática el principio general del instrumento Figure 1 schematically shows the general principle of the instrument

que se propone. What is proposed.

La figura 2 representa el tipo de imágenes que pueden obtenerse para cada posición de barrido de la muestra y, de forma esquemática, el proceso de 5 reconstrucción de la distribución de marcadores a partir de dichas imágenes. Figure 2 represents the type of images that can be obtained for each scan position of the sample and, schematically, the process of reconstruction of the distribution of markers from said images.

REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

A la vista de las figuras reseñadas puede observarse cómo el procedimiento de la invención se basa en la utilización de un sistema óptico para generar un volumen de excitación de forma aproximadamente cilíndrica y de un sistema optoelectrónico de análisis que incluye una matriz de micro lentes acoplada a un detector que genera una imagen que es finalmente procesada por un ordenador. In view of the aforementioned figures, it can be seen how the process of the invention is based on the use of an optical system to generate an excitation volume of approximately cylindrical shape and an optoelectronic analysis system that includes a matrix of micro lenses coupled to a detector that generates an image that is finally processed by a computer.

Primeramente, un sistema óptico de iluminación genera un volumen alargado en la dirección axial donde se genera suficiente energía como para excitar la muestra. La luz, producto de la excitación, se emite desde diferentes puntos del volumen. First, an optical lighting system generates an elongated volume in the axial direction where enough energy is generated to excite the sample. The light, product of the excitation, is emitted from different points of the volume.

15 Aquella procedente de emisores emplazados en el plano focal de un sistema óptico de registro, presentará un frente de onda plano o de referencia una vez lo haya atravesado. La luz emitida desde otras posiciones presentará, después del sistema óptico de registro, cierta curvatura en correspondencia con su posición en el volumen iluminado. Además, un filtro elimina la componente de excitación dejando que solo la 15 That coming from emitters located in the focal plane of an optical recording system, will have a flat or reference wavefront once it has passed through it. The light emitted from other positions will present, after the optical recording system, a certain curvature corresponding to its position in the illuminated volume. In addition, a filter removes the excitation component leaving only the

20 luz generada en la muestra mediante excitación llegue a una matriz de microlentes. Este componente, produce una imagen sobre un detector que dependerá de la distribución de curvaturas e intensidades de la luz. 20 light generated in the sample by excitation reaches a matrix of microlenses. This component produces an image on a detector that will depend on the distribution of curvatures and intensities of light.

Tal como se representa en la figura 1, se ilumina una muestra (M) situada en un soporte que permita su desplazamiento según los ejes X e y, con un haz 25 estructurado de tal forma que solo exista intensidad significativa en un volumen (V) aproximadamente cilíndrico estrecho con eje mayor en la dirección Z. Como ejemplo, se muestran dos emisores puntuales (81) Y (82) situados en diferentes puntos respecto al plano focal (PF) de un sistema óptico (O). Por la forma de generación, la luz emitida por cada uno es mutuamente incoherente. La luz compuesta por las 30 contribuciones de todos los emisores, se recoge con un objetivo o sistema óptico (O). Un filtro (F), selecciona solo la componente espectral correspondiente a la luz excitada. En un plano posterior, se sitúa una matriz de microlentes (MML) que produce una imagen sobre un sensor (8). Como ejemplo del funcionamiento, la fuente (81), situada en el plano (PF) genera sub-imágenes puntuales, entre otras, en las As shown in Figure 1, a sample (M) located on a support that allows its displacement along the X and Y axes is illuminated, with a beam 25 structured in such a way that there is only significant intensity in a volume (V) approximately narrow cylindrical with major axis in the Z direction. As an example, two point emitters (81) Y (82) are shown located at different points relative to the focal plane (PF) of an optical system (O). By the form of generation, the light emitted by each one is mutually incoherent. The light composed of the 30 contributions of all emitters is collected with an objective or optical system (O). A filter (F) selects only the spectral component corresponding to the excited light. On a backplane, a microlens matrix (MML) is placed that produces an image on a sensor (8). As an example of the operation, the source (81), located in the plane (PF) generates specific sub-images, among others, in the

posiciones indicadas como (11) e (12). De forma diferente, la fuente (82) produce positions indicated as (11) and (12). Differently, the source (82) produces

imágenes puntuales, entre otras, en las posiciones (13) e (12), pero no en (11). Dado que (81) Y (82) son emisores independientes en virtud del proceso físico de absorción-emisión de fotones, las imágenes formadas por la luz procedente de cada spot images, among others, in positions (13) and (12), but not in (11). Since (81) Y (82) are independent emitters by virtue of the physical process of photon absorption-emission, the images formed by the light coming from each

5 uno se superpondrán linealmente sobre el sensor (8) para formar una única imagen que se envía a un ordenador. 5 one will be superimposed linearly on the sensor (8) to form a single image that is sent to a computer.

La imagen registrada depende de la distribución axial de emisores. Para ilustrar el proceso de formación de imágenes en el sensor y de la reconstrucción tomográfica, en la figura 2, se ha representado una muestra (M) que contiene una The registered image depends on the axial distribution of emitters. To illustrate the process of imaging in the sensor and tomographic reconstruction, in figure 2, a sample (M) containing a

10 distribución simple embebida de marcadores. La imagen (IM1) se corresponde con el registro efectuado cuando se excita la muestra en un punto de coordenadas (X1 ,Y1) y la imagen (1M2) cuando se excita en el punto (X2,Y2). El ordenador utiliza un procedimiento minimización del error para ajustar la mejor distribución discreta de emisión en función del eje Z a la imagen, obteniendo, en el ejemplo, la distribución 10 simple embedded distribution of markers. The image (IM1) corresponds to the recording made when the sample is excited at a coordinate point (X1, Y1) and the image (1M2) when it is excited at the point (X2, Y2). The computer uses an error minimization procedure to adjust the best discrete emission distribution based on the Z axis to the image, obtaining, in the example, the distribution

15 (01) en un caso y (02) en el otro. Estas distribuciones sirven para asociar un valor de concentración de marcadores a cada voxel (elemento de volumen) de una distribución tridimensional (R) que ocupa el volumen de la muestra. 15 (01) in one case and (02) in the other. These distributions serve to associate a concentration value of markers with each voxel (volume element) of a three-dimensional distribution (R) that occupies the volume of the sample.

Claims

1st.- Illumination procedure and data acquisition in optical tomography of fluorescent molecules or particles embedded in samples, which emit fluorescence light due to incoherent mono-multifotonic excitation-emission processes, characterized in that,

Illuminates a sample (M) by using an optics that generates a volume

(V) excitation, elongated in the axial direction (Z) and compact in transverse directions on the plane (X, Y);

The fluorescence light is selected by a filter (F) and conducted using an optical system (O) to finally pass it through a microlens matrix (MML) coupled to a sensor (S) used to record images that are processed by a computer;

where the excitation volume moves inside the sample sweeping different transverse coordinates (X, Y) while remaining oriented parallel to the axis (Z), so that the incorporation of that capacity in the beam of light that generates the volume of excitation and in the acquisition optics is achieved only in the beam that generates the volume of excitation, or through the transverse controlled displacement of the sample.

2nd.- Lighting and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that an elongated excitation volume is used.

3.- Illumination and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that an elongated beam is used as an excitation system using an annular opening.

4th.- Illumination and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that an elongated beam is used as an excitation system using a prism with rotation or axicon symmetry to generate a Bessel beam .

5th.- Illumination and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that an elongated excitation volume (V) is used using a cylindrical lens.

6th.-Illumination and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that a microlens matrix is used to analyze the structure of the fluorescence light in order to find the three-dimensional distribution of emitters that generates it.

5 - Lighting and data acquisition system for optical tomography using the method of claim 1, characterized in that a wavefront sensor is used to obtain information on the three-dimensional distribution of emitters.