JP2003500094A - Method and apparatus for multiphoton photoactivation and improved detection of molecular agents - Google Patents
Method and apparatus for multiphoton photoactivation and improved detection of molecular agentsInfo
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Abstract
(57)【要約】 物質の特定体積の診断またはイメージング方法及び装置は、物質の特定体積上またはその内部に含有された、少なくとも1つの光活性エージェントの多光子励起を増進させるに充分な光で物質の特定体積を処理する段階を含み、少なくとも1つの光活性エージェントは、物質の特定体積内で活性化されることによって、光学信号を生成するようになり、そのような光学信号は、物質の特定体積の診断及びイメージングのための電子的形態で捕獲される。 SUMMARY OF THE INVENTION A method and apparatus for diagnosing or imaging a specific volume of a substance comprises providing sufficient light to enhance multiphoton excitation of at least one photoactive agent contained on or within the specific volume of the substance. Processing a specific volume of the substance, wherein at least one photoactive agent is adapted to be activated within the specific volume of the substance to generate an optical signal, wherein such optical signal is Captured in electronic form for diagnostic and imaging of specific volumes.
Description
【0001】
(発明の分野)
本発明は、高度な空間制御で一つ以上の分子エージェントの選択的な光活性化
を達成し、これによって生成された診断信号の検出を改良するための方法及び装
置に関するものである。
選択的な光活性化を達成するために本発明で開示する方法は、高度な空間及び
分子特性をもって一つの分子エネルギー状態から他のエネルギー状態にエージェ
ントの増進のための非線形光学的励起の特別な性質を利用する。本発明の方法の
特別な特徴は、多様な内因性及び外因性の診断、またはイメージングエージェン
ト(imaging agent)の活性化のために適用可能であり、特に人間及び動物の病気
を診断するにあたって独特の長所を提供する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to methods and methods for achieving selective photoactivation of one or more molecular agents with a high degree of spatial control and improving the detection of diagnostic signals generated thereby. It relates to the device. The method disclosed in the present invention for achieving selective photoactivation is characterized by a special non-linear optical excitation for the promotion of agents from one molecular energy state to another with high spatial and molecular properties. Take advantage of nature. The special features of the method of the invention are applicable for the diagnosis of a wide variety of endogenous and exogenous, or activation of imaging agents, which are especially unique in diagnosing human and animal diseases. Provide advantages.
【0002】
特に、本発明の非線形の多光子励起方法は、現在使われる方法で輻射する間に
、より少ない範囲で吸収され散乱される赤外線輻射に近接した赤外線を利用して
、奥深い組織内でまたは他の標本内で診断またはイメージングエージェントの制
御された活性化を容易にする。
改善された信号のインコーディング及び処理方法並びにこれらの非線形励起方
法の結合により、診断信号の検出における感度が非常に増加した。さらに、本発
明のある態様は、検鏡及び他の分野において直接的な適用可能性がある。In particular, the non-linear multiphoton excitation method of the present invention utilizes infrared radiation in proximity to infrared radiation that is absorbed and scattered to a lesser extent during radiation in the currently used method to provide deep tissue Or facilitates the controlled activation of diagnostic or imaging agents within other specimens. The improved signal incoding and processing methods and the combination of these non-linear excitation methods have greatly increased the sensitivity in detecting diagnostic signals. Moreover, certain aspects of the invention have direct applicability in speculum and other fields.
【0003】
(発明の背景)
多くの分野、特に医学診断及びイメージング分野において、いくつかの付随的
な効果を生成しながら多様な分子エージェントの選択的な遠隔の活性化制御が可
能な方法のための差し迫った必要性が存在する。活性化における好ましい改良は
、(1)活性化の位置と深さに対する空間的なまたは一時的な制御の向上、(2)他
の共同配置されるか、隣接する分子エージェントまたは構造の好ましくない活性
化の減少、(3)好ましくない分子エージェントの活性化に対する好ましい分子エ
ージェントの選択的な増加、及び(4)生成された結果診断信号の検出における改
良した感度を含む。多様な線形及び非線形光学的方法は、非常に特別な条件下で
数個のエージェントに対するいくつかの改良を提供するように開発された。しか
し、一般に、これらの方法の遂行及び適用は、好ましくないものだった。その結
果、このような光活性化の応用及び検出の制御において改良した性能を提供する
と共に、多様な分子診断エージェントを選択的に探針するように改良した光活性
化及び検出方法が要求される。BACKGROUND OF THE INVENTION In many fields, especially in the fields of medical diagnostics and imaging, because of the way in which selective remote activation control of diverse molecular agents is possible while producing some ancillary effects. There is an urgent need for. Preferred improvements in activation include (1) enhanced spatial or temporal control over the location and depth of activation, (2) unfavorable activity of other co-located or adjacent molecular agents or structures. Including reduced activation, (3) selective increase of preferred molecular agents over activation of undesired molecular agents, and (4) improved sensitivity in detecting resulting diagnostic signals. A variety of linear and non-linear optical methods have been developed to provide some improvements over several agents under very specific conditions. However, in general, the performance and application of these methods has been objectionable. As a result, there is a need for improved photoactivation and detection methods that provide improved performance in such photoactivation applications and control of detection, as well as selectively probe a variety of molecular diagnostic agents. .
【0004】
分子エージェントを探針または変換する光学的輻射の応用は、長い間知らされ
てきたものである。例えば、線形の単光子の光学的励起は、フォトダイナミック
治療(PDT)において分子治療的なエージェントの活性化、及び診断染料や他の材
料を遠隔で問い合わせするための手段として広範囲に使われる。このような活性
化のために一般化した ヤブウォニスキ (Jablonski)ダイヤグラムを図1aに示
す。The application of optical radiation to probe or convert molecular agents has long been known. For example, linear single-photon optical excitation is widely used in photodynamic therapy (PDT) as a means for activating molecular therapeutic agents and for remotely interrogating diagnostic dyes and other materials. A generalized Jablonski diagram for such activation is shown in Figure 1a.
【0005】
図1において、単光子励起(10)は、光活性エージェントが下部の量子力学的
許容状態Smからエージェントと単光子P1との相互作用によって提供された、よ
り高い量子力学的許容状態Snに励起される時に生じる。反応緩和R1は、フォト
ケミカル変換、または光の放射状の放射や検出のために有用な他のエネルギーあ
るいは活性化した分子エージェントの特性化の形態において、一時的な励起状態
Snから生じることがある。さらに、類似した反応緩和過程R2は、第2の持続的
活性化状態Tmから生じ得るが、後者は続くインターシステム・クロシングIXを発
生する。残念ながら、このような励起方法の遂行は、望むほどには成功的でない
。例えば、典型的に使われた高エネルギーの光学的輻射P1は、たびたび病気を
引き起こすか、または好ましくない他の副作用を引き起こすことがあり、UVの光
学的散乱及び吸収または可視的な活性光学的輻射のため、所望の貫通の深さと比
べて少ないことがある。In FIG. 1, single photon excitation (10) refers to a higher quantum mechanical permissive state provided by the photoactive agent from the lower quantum mechanical permissive state Sm through the interaction of the agent with the single photon P 1. It occurs when excited by Sn. The reaction relaxation R 1 is a transient excited state in the form of photochemical conversion or characterization of other energy or activated molecular agents useful for radial emission or detection of light.
May arise from Sn. Furthermore, a similar reaction relaxation process R 2 can result from the second persistently activated state Tm, the latter giving rise to the subsequent intersystem crossing IX. Unfortunately, the performance of such excitation methods is not as successful as desired. For example, the typically used high-energy optical radiation P 1 can often cause illness or other unwanted side effects such as UV optical scattering and absorption or visible active optical It may be less than the desired penetration depth due to radiation.
【0006】
また、多様な多光子の光学励起方法は、特定の応用のため光活性化の選択性に
おける特別な改良を成し遂げ、単光子励起により内包された多くの制限を処理す
る努力として多数の実験室での応用に使われる。例えば、同時発生の2光子の励
起は、光学的密集媒体内に存在する分子から蛍光性放射を刺激するための手段と
して使われる。このような励起の一般化したメカニズムは図1bに示されていて
、同時発生の2光子の励起(12)は、光活性エージェントが同時発生の2光子P
1′及びP2′の相互作用がそのエージェントと結合しつつ提供された或るエネ
ルギーE1の吸収によって励起する時に発生する。もし2光子P1′及びP2′の
エネルギーが同じならば、励起の過程は、”縮退(degenerate)”と呼ばれる。も
しエネルギーが相違するなら、その過程は”非縮退(non-degenerate)”と呼ばれ
る。同時発生の2光子の相互作用は、たびたび略10femtoseconds(fs)またはそ
れより少ない寿命を有する一時的な仮想状態Vにより調整されると説明できる。[0006]
In addition, various multiphoton optical excitation methods have different photoactivation selectivity for specific applications.
Achieves special improvements in processing many of the limitations contained by single-photon excitation.
Used in numerous laboratory applications as an effort to For example, the excitation of simultaneous two-photons
The origin is a means for stimulating fluorescent emission from molecules present in the optically dense medium.
Used. The generalized mechanism for such excitation is shown in Figure 1b.
, Simultaneous photon excitation (12) is a two photon P
1′ And PTwoSome energy provided by '' interactions coupled with its agent
Lugie E1Occurs when excited by absorption of. If two photon P1′ And PTwo'of
If the energies are the same, the process of excitation is called "degenerate". Also
If the energies differ, the process is called "non-degenerate".
It Coincident two-photon interactions often occur at about 10 femtoseconds (fs) or
It can be explained that it is adjusted by a temporary virtual state V having a shorter life.
【0007】
この寿命の間に2光子とエージェントの相互作用がないと、励起は生じず、エ
ージェントは状態Snに到達しない。エージェントが量子力学的に許容されたより
高い状態Snに増進すると、その光化学及び光物質的性質は、単光子励起(図1aの
10)から出てくるのと同じになるであろう。2光子励起は、検鏡において細胞
膜特性のビトロ探針(vitro probe)として使用するために説明された。If there is no interaction between the two photons and the agent during this lifetime, no excitation occurs and the agent does not reach state Sn. If the agent promotes to the quantum mechanically allowed higher state Sn, its photochemical and photomaterial properties will be the same as those that emerge from single photon excitation (10 in Figure 1a). Two-photon excitation has been described for use in microscopy as a vitro probe of cell membrane properties.
【0008】
ごく稀に、同時発生の3光子励起は、アンモニア、ベンゼン、ブタジエン及び
一酸化窒素を含む各種の分子の分光法を深く調査するために実験室でのセッティ
ングに使用する一方、同時発生の4光子励起は、NO2及びブタジエンのような分
子の研究における一層制限された応用で現れる。このような多光子の分光法(光
子の数≦4)の一般理論は、既に説明された(例えば、Andrews and Ghoul, J. Ch
em. Phys. 75(1981)530-538)を参照)。最近、Lakowicz及び共同研
究者は、密集状態で多様な蛍光性を研究し、レーザースキャニング検鏡のための
可能なイメージング手段として縮退した同時発生の3光子励起の使用を説明した
(Gryczynski et al., Photochem, Photobiol.62(1995)804-808; S
zmacinski et al、Biophys, J. 70(1996)547-555を参照)。Very rarely, coincidental three-photon excitation is used in a laboratory setting to probe the spectroscopy of various molecules including ammonia, benzene, butadiene and nitric oxide, while co-occurring. 4-photon excitation of appears in applications that are more limited in the study of molecules such as NO 2 and butadiene. The general theory of such multiphoton spectroscopy (number of photons ≦ 4) has already been explained (eg Andrews and Ghoul, J. Ch.
em. Phys. 75 (1981) 530-538)). Recently, Lakowicz and coworkers studied diverse fluorescence properties in the dense state and described the use of degenerate simultaneous three-photon excitation as a possible imaging tool for laser scanning microscopy.
(Gryczynski et al., Photochem, Photobiol. 62 (1995) 804-808; S
See zmacinski et al, Biophys, J. 70 (1996) 547-555).
【0009】
多光子の励起を使用する追加的研究は、複雑な多光子の励起方法を使用するエ
ージェントの物理的及び化学的性質を明らかにしたり、一つ以上の一時的または
分光的にテイラードレーザーパルスを使用する励起−状態反応経路上に量子制御
を行うように努力した。しかし、これらの報告された多光子の方法は、一般に分
子内部に再組織の発生を許容するために、10fsをはるかに越える期間に対して
光エネルギーの段階的及び連続的応用を要求する。図1cは、このような多光子
の励起の一般化した表現を示す。Additional studies using multiphoton excitation have revealed physical and chemical properties of agents using complex multiphoton excitation methods, and one or more transient or spectroscopic tailored lasers. Efforts have been made to provide quantum control on the excitation-state reaction path using pulses. However, these reported multiphoton methods generally require stepwise and continuous applications of light energy for periods well above 10 fs to allow reorganization to occur inside the molecule. FIG. 1c shows a generalized representation of such multiphoton excitation.
【0010】
図2において、3+2光子の励起(14)は、光活性エージェントが初期に同時
発生の3光子P1″、P2″及びP3″の相互作用がエージェントと結合して提供
された特定の付加エネルギーE1の吸収によって、最初の高い量子力学的許容状
態Snに励起される(この相互作用は、二つの仮想状態V1″及びV2″により調整
される)。続く励起は、第2の高い状態Spに増進するように、二つの追加的な光
子P4″及びP5″とエージェントが相互作用により提供された、特定の付加エネ
ルギーE2の吸収によって生じる。典型的に、これらの2つの段階E1とE2との
間には、短い一時的なディレイが存在する。In FIG. 2, the 3 + 2 photon excitation (14) is provided by the interaction of the three photons P 1 ″, P 2 ″ and P 3 ″ that the photoactive agent initially co-occurs with the agent. Due to the absorption of the specific additional energy E 1 generated, it is excited to the first high quantum mechanical permissive state Sn (this interaction is tuned by two virtual states V 1 ″ and V 2 ″). Is caused by the absorption of a particular additional energy E 2 provided by the interaction of the agent with two additional photons P 4 ″ and P 5 ″ so as to promote to the second higher state Sp. In fact, there is a short temporary delay between these two stages E 1 and E 2 .
【0011】
驚くことに、多光子の分光器使用及び広く利用している超短波パルスソース(
すなわち、一般的に略10picosecondsよりも少ない、パルス幅を有する光のパ
ルスを生成可能なレーザー資源)を有する、相当な理論的かつ実験的な研究にも
かかわらず、本発明の発明者らは、内因性(自然的に存在する)または外因性(外
部的に供給された)分子エージェントの選択的な活性化を含む人間または動物組
織の実際的な診断イメージングのための多光子の方法である超短波パルスの応用
について、本発明より早い報告書を見たことがない。Surprisingly, multiphoton spectroscopic use and the widely used ultrashort pulse source (
That is, despite considerable theoretical and experimental work, having a laser resource capable of producing pulses of light having a pulse width, generally less than about 10 picoseconds, the inventors of the present invention have Ultrafast, a multiphoton method for the practical diagnostic imaging of human or animal tissue involving selective activation of endogenous (naturally occurring) or exogenous (externally supplied) molecular agents I have not seen any earlier reports than the present invention for pulse applications.
【0012】
Denk等(W.Denk, J.P.Strickler and W.W.Webb,”2光子レーザー・マイクロス
コピ”、米国特許第5,034,613号)には、細胞または細胞以下のスケール
に対して実験室で多様な外因性エージェントは、光活性化において本質的に高い
3次元制御を達成するように、非線形レーザー励起を使用する特別なエピ−イル
ミネイション共焦点レーザースキャニング・マイクロスコープ構造及び使用が開
示されている。放射された蛍光性光は、エピ−イルミネイション構造を使用する
励起対物レンズによって集められる。Denk et al. (W. Denk, JP Strickler and WWWebb, “Two-Photon Laser Microscopy”, US Pat. No. 5,034,613) have shown that in the laboratory various cells or sub-cellular scales are used. Exogenous agents have been disclosed for special epi-illumination confocal laser scanning microscope structures and uses that use non-linear laser excitation to achieve essentially higher three-dimensional control in photoactivation. The emitted fluorescent light is collected by an excitation objective lens that uses an epi-illumination structure.
【0013】
そしてこの光は、スライドまたはサンプル段階の他の形状に配列された標本に
対して、細胞及び亜細胞での発光に基づく映像の発生のために使われる。以後の
研究において、Denk等(W. Denk, D. W. Piston and W. W. Webb, “レーザスキ
ャニング・マイクロスコピで2光子分子励起”、生物学的共焦点マイクロスコピ
のハンドブック、第2版、J. B. Pawley, ed., Plenum Press, New York, 19
95, 445-458頁)は、いわゆる2光子の励起した蛍光タグから生成された
マイクロスコピック・イメージングデータの集合のために有用な外部の全体地域
検出方法を議論する。著者らが”まだ試みられていない”ものだと述べるこの方
法は、いわゆるエピ−イルミネイションを使用する、後方散乱の蛍光性光を集め
るようにする要求を除去する。Denkは、このような接近は、もしマイクロスコー
プ対物レンズが輻射された蛍光波長を転送しないならば有用であるが、それは”
周囲ルームの光からの汚染に脆弱だ”という点を指摘する。これらの2つの研究
において、 周囲の光または散乱した励起光から背景干渉の除去のために使われ
たり、予見した明白な方法はない。This light is then used to generate images based on luminescence in cells and subcells for specimens arranged in slides or other shapes at the sample stage. In subsequent work, Denk et al. (W. Denk, DW Piston and WW Webb, "Two-photon molecular excitation with laser scanning microscopy", Biological Confocal Microscopy Handbook, Second Edition, JB Pawley, ed. , Plenum Press, New York, 19
95, pp. 445-458) discusses external global area detection methods useful for the collection of microscopic imaging data generated from so-called two-photon excited fluorescent tags. This method, which the authors describe as "untested", eliminates the requirement to collect backscattered fluorescent light using so-called epi-illumination. Denk said that such an approach would be useful if the microscope objective did not transfer the emitted fluorescence wavelength, but it was
It is vulnerable to contamination from ambient room light. ”In these two studies, the obvious methods used or foreseen for background interference removal from ambient light or scattered excitation light are Absent.
【0014】
実際に、非線形励起の低い効率性は、診断的に有用な輻射として散乱した励起
光の非常に高い比率で変化され得る。 周囲の光及び他の環境的で、かつ機構的
な背景源からの干渉からだけでなく、散乱した励起光からの干渉の除去のための
多様な変調方法の使用は、多数の調査により試みられた。2光子励起蛍光の分野
において、Lytle及び共同研究者ら(R.G.Freeman, D.L.Gililand and F.E.Lytle,
“正弦波的に変調された2光子励起蛍光の第2の調和検出”、分析化学、62(
1990)2216-2219)及び“空間的にフィルタリングされた2光子励起
蛍光の第2の調和検出”、分析化学、65(1993)631-635)は、第2の
調和検出方法の使用により、散乱したレーザ励起光の排除のための複雑な方法を
議論する:すなわち、励起光の正弦波変調は一つの周波数で行われ、2光子の励
起蛍光の検出は、その周波数(励起の変調周波数の第2の調和である)で2回行わ
れた時、散乱した励起光からの干渉は、いわゆる仮想的に除去された。そして電
子的で、他の雑音周波数を除去するように、変調周波数の適当な選択により、機
構的でかつ環境的な干渉の排除は非常に重要である。Indeed, the low efficiency of non-linear excitation can be varied with a very high proportion of excitation light scattered as diagnostically useful radiation. The use of various modulation methods for the removal of interference from scattered excitation light, as well as from interference from ambient light and other environmental and mechanical background sources, has been attempted by numerous studies. It was In the field of two-photon excited fluorescence, Lytle and coworkers (RG Freeman, DLGililand and FELytle,
"Second harmonic detection of sinusoidally modulated two-photon excited fluorescence", Analytical Chemistry, 62 (
1990) 2216-2219) and "Second harmonic detection of spatially filtered two-photon excited fluorescence", Analytical Chemistry, 65 (1993) 631-635), using the second harmonic detection method to scatter. We discuss a complicated method for the elimination of the laser excitation light that has been generated: the sinusoidal modulation of the excitation light is performed at one frequency and the detection of the excitation fluorescence of two photons is The interference from the scattered excitation light has been so-called virtually eliminated when performed twice (in harmonics of 2). And the elimination of mechanical and environmental interference is very important by proper selection of the modulation frequency so as to eliminate other noise frequencies, electronically.
【0015】
こうして、非線形励起は、より長い波長で光を使用する多様な発光分子エージ
ェントを励起するように、実験室での条件下で使われることができ、これにより
達成された励起は、励起の位置に対して3次元空間制御を改善でき、光学的密集
媒体内で励起光の吸収及び散乱からの干渉を低減することができると共に、分光
学使用の試験を行う生きた細胞サンプルについての励起経路に伴う2次的な損傷
を低減することができる。Thus, nonlinear excitation can be used under laboratory conditions to excite a variety of luminescent molecular agents that use light at longer wavelengths, and the excitation achieved thereby is 3D spatial control over the position of the cell, reducing interference from absorption and scattering of excitation light in an optically dense medium, and excitation for live cell samples to be tested using spectroscopy. Secondary damage associated with the route can be reduced.
【0016】
したがって、本発明者らの研究以前の研究では、実験室でのセッティングにお
いて、光活性化の多様な材料を有効化するための、超短波パルス源の使用及び多
光子の励起の多くの興味ある特徴を説明する一方、この研究が、医学分野の多様
な要求に適合するように高い空間的な制御及び効率性を持って1つ以上のエージ
ェントの選択的な光活性化を達成することには失敗した。例えば、これらの引用
実施例により例示す以前の研究は、分光学使用・イメージング使用に応用が可能
な、多様な非線形励起方法の多くの興味ある特徴を説明しているが、医学的イメ
ージング及び診断産業の多様な要求に適合した高い空間制御度を有するひとつ以
上のエージェントの選択的な光活性化を達成するための一般的な方法は開示して
いない。明示的に、目標エージェントや材料並びに医学的、及びその他のイメー
ジング及び診断応用分野に顕著な物理的スケールに対して、このような制御が有
効になるようにするための実際的使用や方法は現れていない。
従って、本発明の目的は、以前の研究の欠陥を克服することにある。[0016] Thus, prior to our work, many studies of the use of ultrashort pulsed sources and multiphoton excitation to validate a variety of photoactivated materials in a laboratory setting have been made. While explaining interesting features, this study aims to achieve selective photoactivation of one or more agents with high spatial control and efficiency to meet the diverse needs of the medical field. Failed. For example, previous work illustrated by these cited examples illustrates many interesting features of various nonlinear excitation methods applicable to spectroscopy and imaging applications, but medical imaging and diagnostics It does not disclose a general method for achieving selective photoactivation of one or more agents with a high degree of spatial control to meet the diverse needs of the industry. Explicitly, no practical use or method emerges to enable such control to target agents or materials and physical scales that are significant for medical and other imaging and diagnostic applications. Not not. Therefore, it is an object of the present invention to overcome the deficiencies of previous studies.
【0017】
(発明の要約)
本発明は、分子エージェントの光活性化のための方法及び装置に関するもので
、特に多光子の励起に使用する材料の体積及び結果的な診断信号の検出を改良し
て生成するための光活性化のための方法及び装置に関するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to methods and apparatus for photoactivation of molecular agents, particularly for improving the volume of material used for multiphoton excitation and the detection of the resulting diagnostic signal. The invention relates to a method and a device for photoactivation for producing.
【0018】
より詳細には、本発明は、多光子の励起過程を通じてそのようなエージェント
の光活性化に対して改良した空間制御を達成するように、1つ以上の内因性また
は外因性診断、或いはイメージングエージェントの非線形光学の励起の独特な物
理的特徴を使用する。そのような多光子励起は、本質的に同時発生の一つ以上の
光子と一つ以上の内因性または外因性エージェントの相互作用から生じるが、こ
の光子は、大体10psまたはその以下の持続期間を有する単一の超短波レーザー
パルスにより提供される。本発明の望ましい実施例において、二つ以上の光子エ
ネルギー及び波長は同一で、そのような励起過程は縮退と呼ばれる。しかし、本
発明は、二つ以上の光子エネルギー及び波長が同一であるプロセッサに限定され
るものではない。More specifically, the present invention provides one or more intrinsic or extrinsic diagnostics to achieve improved spatial control over photoactivation of such agents through multiphoton excitation processes. Alternatively, use the unique physical features of the nonlinear optics excitation of the imaging agent. Such multiphoton excitation results from the interaction of one or more photons with one or more intrinsic or extrinsic agents, which are essentially co-occurring, but which have a duration of approximately 10 ps or less. Provided by a single ultrashort laser pulse having. In the preferred embodiment of the present invention, two or more photon energies and wavelengths are the same, and such an excitation process is called degeneracy. However, the invention is not limited to processors in which more than one photon energy and wavelength are the same.
【0019】
本発明の多光子励起は、一つ以上の次のようなイベントから生じることを含み
、多数の検出可能なエンドポイントの数を許容する:高い量子力学的許容状態で
一つ以上のエージェントの電子的励起;高い量子力学的許容状態で一つ以上のエ
ージェントの振動励起;高い量子力学的許容状態で一つ以上のエージェントの(振
動及び電子的励起が結合された)電子振動的励起;及び一つ以上のエージェントの
光イオン化。そのような励起された状態のエンドポイントから一つ以上の光活性
化したエージェントは、発光または発光の損失のような、望む診断効果を増進す
るように作られる。The multiphoton excitation of the present invention allows for a large number of detectable endpoints, including those that result from one or more of the following events: one or more at high quantum mechanical permissive states. Electronic excitation of agents; Vibrational excitation of one or more agents at high quantum mechanically permissive state; Electronic vibrational excitation (combined vibrational and electronic excitation) of one or more agents at high quantum mechanically permissive state And photoionization of one or more agents. From such an excited state endpoint one or more photoactivated agents are engineered to enhance the desired diagnostic effect, such as luminescence or loss of luminescence.
【0020】
本発明の望ましい実施例において、光活性化段階は、光源からの光を特別な形
態の変調で変調する段階と、それにより変調された光を生成する段階及び目標対
象上に、または内部に存在する一つ以上の内因性・外因性診断或いは存在するイ
メージングエージェントの多光子励起を増進するために、目標対象を、結果とし
て得られる変調した光で処理する段階を含む。本発明は、結果として得られる検
出信号を特別な形態の変調で復調する段階と、その特別な目標対象の特性を表す
復調されたエネルギー信号を生成する段階と、を含むことがより望ましい。In a preferred embodiment of the invention, the photoactivating step comprises modulating the light from the light source with a special form of modulation, thereby producing modulated light and on the target object, or Processing the target object with the resulting modulated light to enhance multiphoton excitation of one or more intrinsic and extrinsic diagnostics or imaging agents present therein. More preferably, the invention includes demodulating the resulting detected signal with a special form of modulation and producing a demodulated energy signal that is characteristic of the particular target object.
【0021】
さらに望ましいのは、特別な形態の変調で検出したエネルギー信号を復調する
段階は、特別な形態の変調周波数より2倍以上の周波数で検出したエネルギー信
号を復調し、それにより特別な形態の変調の高調波を検出することを含む。また
、特別な対象の特徴を表す復調されたエネルギー信号は、特別な対象内に存在す
る少なくとも一つの光活性化したエージェントの寿命に変化をもたらすことが望
ましい。しかし、本発明の方法は、このような変調または復調の選択的段階なく
して行うことができる。More preferably, the step of demodulating the energy signal detected by the special form of modulation demodulates the detected energy signal at a frequency that is more than twice the frequency of the special form of modulation, and thereby the special form of modulation. Detecting the harmonics of the modulation of. It is also desirable that the demodulated energy signal, which is characteristic of the special object, causes a change in the lifetime of at least one photoactivated agent present in the special object. However, the method of the present invention can be performed without such selective steps of modulation or demodulation.
【0022】
ここに開示す多光子励起方法は、以前の方法と比べて特別な長所を提供するが
、励起されたエージェントを取り囲む周辺環境に起因する吸収及び散乱過程から
干渉の縮小を含んで活性化の深さが改善され、効率が改善され、かつ励起された
エージェントに対する位置及び特異性の制御が向上する。The multiphoton excitation method presented here offers special advantages over previous methods, but is active including the reduction of interference from absorption and scattering processes due to the surrounding environment surrounding the excited agent. There is improved depth of activation, improved efficiency, and better control of location and specificity for excited agents.
【0023】
(好適な実施例の詳細な説明)
以下、参照図面を添付して望ましい実施例を説明する。
ここに説明した本発明は、多光子励起過程を通じてそのようなエージェントの
光活性化に対する改良した制御を達成するように、1つ以上の内因性または外因
性イメージングまたは診断エージェントの非線形光学励起の独特な物理的特徴を
利用する。“非線形光学励起”は、この特許明細書の目的のために、本質的に同
時発生する一つ以上のエージェントと二つ以上の光子との相互作用を含む励起過
程と定義する。”本質的な同時発生の相互作用”は、この特許明細書の目的のた
めに、一つ以上のエージェントと約10psまたはその以下の存続期間を有する単
一の超短波レーザーパルスにより提供された光子との相互作用の結果として生じ
る励起過程と定義する。(Detailed Description of Preferred Embodiments) Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. The invention described herein is unique to the nonlinear optical excitation of one or more intrinsic or extrinsic imaging or diagnostic agents so as to achieve improved control over photoactivation of such agents through a multiphoton excitation process. Take advantage of different physical features. "Nonlinear optical excitation" is defined for the purposes of this patent specification as an excitation process that involves the interaction of one or more agents and two or more photons that are essentially co-incident. For the purposes of this patent specification, "essentially coincidental interaction" refers to one or more agents and photons provided by a single ultrashort laser pulse having a duration of about 10 ps or less. It is defined as the excitation process that occurs as a result of the interaction of.
【0024】
したがって、“多光子光活性化”は、この特許明細書の目的のために、一つ以
上の光活性化したイメージングまたは診断エージェントを生成するように、本質
的に同時発生の一つ以上のイメージングまたは診断エージェントと単一の超短波
レーザーパルスから発生する二つ以上の光子との相互作用の結果として生じる非
線形光学励起と定義する。この定義によると、多光子光活性化が生ずる物理的過
程は、一つ以上のエージェントの多光子励起となる。最後に、”内因性エージェ
ント”は、この明細書の目的のために、メラニン、ヘモグロビン、カロチン、NA
DH及びNADPH、及びタトゥー(tattoo)染料のような他の光活性化物質等の多様な
自然的なクロモホリックエージェントの例のように、患者または他の目標物にあ
らかじめ存在する光活性化物質と定義する。これとは反対に、”外因性エージェ
ント”は、多様な診断染料、または診断や治療信号で光エネルギーの変換の効率
を増大させる目的で投与された他の光活性化エージェントのように、患者または
他の目標物にあらかじめ存在しない光活性化物質と定義する。Thus, “multi-photon photoactivation” is one of essentially co-occurring for the purposes of this patent specification to produce one or more photoactivated imaging or diagnostic agents. It is defined as the nonlinear optical excitation resulting from the interaction of the imaging or diagnostic agent above with two or more photons generated from a single ultrashort laser pulse. By this definition, the physical process in which multiphoton photoactivation occurs is multiphoton excitation of one or more agents. Finally, an "endogenous agent", for the purposes of this specification, is melanin, hemoglobin, carotene, NA.
With photoactivators pre-existing on the patient or other target, such as examples of various natural chromophoric agents such as DH and NADPH, and other photoactivators such as tattoo dyes. Define. In contrast, an "exogenous agent", like a variety of diagnostic dyes or other photoactivating agents administered to increase the efficiency of conversion of light energy in diagnostic or therapeutic signals, may It is defined as a photoactivator that does not already exist in another target.
【0025】
本発明に係る多光子光活性化のエンドポイントは、一つ以上の検出可能な後述
するイベントを含むことができる:高い量子力学的許容状態で一つ以上のエージ
ェントの電子的励起;高い量子力学的許容状態で一つ以上のエージェントの振動
励起;高い量子力学的許容状態で一つ以上のエージェントの(振動及び電子的励起
が結合された)電子振動励起;及び一つ以上のエージェントの光イオン化。そのよ
うな励起した状態のエンドポイントから、一つ以上の光活性化したエージェント
は、発光またはそのような発光の損失のような所望の診断効果を増進するように
作られる。The endpoints of multiphoton photoactivation according to the present invention may include one or more of the following detectable events: electronic excitation of one or more agents with high quantum mechanical acceptance; Vibrational excitation of one or more agents in high quantum mechanically permissive state; Electronic vibrational excitation (combined vibrational and electronic excitation) of one or more agents in high quantum mechanically permissive state; and one or more agent Photoionization. From such excited state endpoints, one or more photoactivated agents are engineered to enhance the desired diagnostic effect, such as luminescence or loss of such luminescence.
【0026】
本発明に係る多光子励起は、従来の単光子励起用に使用した波長に比べて約2
倍以上の波長で行われる。試験下の標本でまたは標本内にこの光学的励起のビー
ムの集束により、一つ以上の診断エージェントは、光学的経路に従って垂直に新
しい分解能を引き起こしつつ、そのフォーカスされたビームにより提供された焦
点領域の実質的に制限された位置で光活性化することができる。The multiphoton excitation according to the present invention has a wavelength of about 2 compared to the wavelength used for conventional single photon excitation.
More than double the wavelength. By focusing the beam of this optical excitation at or within the sample under test, one or more diagnostic agents can cause a new vertical resolution according to the optical path, while providing a focal area provided by the focused beam. Can be photoactivated in substantially restricted positions.
【0027】
本発明に係る光活性化は、同等な線形励起過程に関連している長波長で行なわ
れるので、励起エネルギーの散乱及び吸収は非常に減少する。人間組織のような
光学的密集サンプルの厚い部分に対して、多光子励起は、従来の線形励起方法を
使用する時より一層大きな深さで可能であるということを意味する。さらに、放
射された光の根源に関連する空間情報は、活性化ビームの焦点によりインコード
され、それと関係するので、散乱なしに直接的に検出されるか、イメージ化でき
るよう診断エージェントまたはエージェントから放射された光に対して不必要で
ある。Since the photoactivation according to the invention takes place at long wavelengths, which are associated with an equivalent linear excitation process, the scattering and absorption of excitation energy is greatly reduced. This means that for thick sections of optically dense samples such as human tissue, multiphoton excitation is possible with greater depth than when using conventional linear excitation methods. Furthermore, the spatial information associated with the source of the emitted light is incoded and related to the focal point of the activating beam so that it can be directly detected or imaged from the diagnostic agent or agents without scatter. Unnecessary for emitted light.
【0028】
したがって、標本に関連するこの焦点の位置移動によって、光源またはその目
標物中の一つまたは二つともの移動によって、そうでなければ光学的経路の変更
によって、結果として生じる放射したエネルギー信号の2または3次元イメージ
を開発できる。また、活性化光を変調及び検出装置に対する適当な復調方法の使
用によって散乱した励起光及び他の干渉の排除を顕著に改善できる。Therefore, the resulting emitted energy signal is caused by the movement of the position of this focal point relative to the specimen, by the movement of one or both of the light source or its target, or otherwise by the alteration of the optical path. Can develop 2 or 3 dimensional images. Also, the elimination of scattered excitation light and other interference can be significantly improved by the use of a suitable demodulation method for the activating light modulating and detecting device.
【0029】
本発明の非線形光学的励起は、励起経路に沿って伴う励起及び損傷の露出減少
、有害な光学的波長に対する露出減少及びエージェントの励起から向上した特異
性を含み、イメージングまたは診断及び他のエージェントの光活性化中の追加的
な長所を有する。本発明で使われた非線形光学的励起の接近は、多くの病気の検
出及びイメージングのための優秀な手段を提供する。The non-linear optical excitation of the present invention includes reduced exposure of excitation and damage associated with the excitation path, reduced exposure to harmful optical wavelengths and enhanced specificity from excitation of the agent for imaging or diagnostic and other applications. The agent has the additional advantage of being light activated. The approach of nonlinear optical excitation used in the present invention provides an excellent tool for the detection and imaging of many diseases.
【0030】
本発明は、人間の胸中の癌のような組織の病気及び他の特徴の生体内で検出及
びイメージングのために主に意図された。しかし、開示す方法及び装置は、多数
の追加的な出願を有し、これらの方法及び装置は、レーザースキャニング・マイ
クロスコピのような他の分野にも適用可能であり、そのような分野で使われた方
法及び装置の特徴を遂行するにあたって実質的な改善を達成するために本発明が
開示されていることが十分に明らかになるだろう。The present invention was primarily intended for in vivo detection and imaging of tissue diseases and other features such as cancer in the human breast. However, the disclosed method and apparatus has numerous additional applications, and these methods and apparatus are applicable to and used in other fields such as laser scanning microscopy. It will be fully apparent that the present invention has been disclosed to achieve substantial improvements in carrying out the features of the disclosed method and apparatus.
【0031】
そのようなイメージングまたは診断結果を達成するための多光子光活性化方法
及び装置の基本的な構成は、本発明の譲渡人に譲渡され、本出願と共同発明者を
有する米国特許出願番号第08/741,370号及び09/096,832号に開
示されている。1996年10月30日に出願された米国特許出願番号第08/
741,370号、及び1998年6月12日に出願された第09/096,83
2号は、参考資料としてその全体をここに引用した。The basic configuration of the multiphoton photoactivation method and apparatus for achieving such imaging or diagnostic results is assigned to the assignee of the present invention and is a US patent application with the present application and co-inventors. Nos. 08 / 741,370 and 09 / 096,832. U.S. Patent Application No. 08 / filed October 30, 1996
741,370, and 09 / 096,83, filed June 12, 1998
Issue 2 is hereby incorporated by reference in its entirety.
【0032】
要約するに、本発明の実施例において、光源及び詳細なことは以下で説明する
が、結果としての光は、組織または基質でイメージするように誘導される。また
、変調装置及び方法も説明に含められる。イメージした領域は、光ビームまたは
資源と関連して移動でき、また両者択一で光ビームは移動できる。検出器が提供
され、もし変調が使われれば適当な復調器を具備することができる。
光活性化のために使用した光の詳細な説明は、本発明で使われた科学的原理の
議論で言及する。In summary, in an embodiment of the invention, the light source and details are described below, but the resulting light is directed to image in a tissue or matrix. The modulator and method are also included in the description. The imaged area can be moved in relation to the light beam or resource, or alternatively the light beam can be moved. A detector is provided and can be equipped with a suitable demodulator if modulation is used. A detailed description of the light used for photoactivation is mentioned in the discussion of the scientific principles used in the present invention.
【0033】多光子光活性化のエネルギーレベルモデル
この明細書で開示す本発明の一様態は、高度の空間的な制御で選択的かつ效率
的に一つ以上のイメージングまたは診断エージェントを光活性化する多光子過程
の使用にある。このような選択的な光活性化は、一つの分子エネルギー状態から
他の状態にエージェントを増進する非線形光学励起の特別な特徴を利用する手段
によって達成される。この過程の著しい特徴を十分に理解するために、多光子励
起の概念的モデルがこの特許明細書に開始した。これは、例示的な場合に対する
エネルギーレベル・ダイヤグラムの使用を通じて容易に達成される。図2(a)-(d)
は、いくつかの線形及び非線形光学励起過程に対する、一般的に変形されたヤブ
ウォニスキ・エネルギーレベル・ダイヤグラムを示している。 Energy Level Model for Multiphoton Photoactivation The embodiment of the invention disclosed herein is to selectively and efficiently photoactivate one or more imaging or diagnostic agents with a high degree of spatial control. It is in the use of multiphoton processes. Such selective photoactivation is accomplished by means of utilizing the special feature of nonlinear optical excitation to enhance the agent from one molecular energy state to another. To fully understand the striking features of this process, a conceptual model of multiphoton excitation was initiated in this patent specification. This is easily accomplished through the use of energy level diagrams for the exemplary case. Figure 2 (a)-(d)
Shows a generally modified Yavwoniski energy level diagram for several linear and nonlinear optical excitation processes.
【0034】
図2(a)は、エージェントが初期の量子力学的許容状態Si(一般的に基底状態)
からエージェントと単光子Pの相互作用により提供された、或るエネルギーE1の
吸収によって最終の量子力学的許容状態Sfに励起する時の単光子励起(20)を示
している。多数の他の許容された最終状態が可能である。それぞれの許容状態は
、特別な電子的状態に対して幾重にも重なる多様な振動状態のような離散サブ状
態のアンサンブルに一層細分化できる。したがって、それぞれの許容状態Si及び
Sfは、エージェントの基本的な特性及びその局部的な環境を反映する許容状態の
複雑なバンドを構成できる。発光イメージングエージェントの場合、SiからSfま
でのエージェントの増大は、例えば光の蛍光性または燐光性の放射を含み、励起
された状態から光の多様な輻射放出を開始できる。一例として、染料分子クマリ
ン-480の400nmで光の単光子の吸収し、465nmで蛍光性再放射(緩和過程
とも説明できる)を通じて光子を放射する。単光子励起(20)において、励起確
率は、入射光の輻射放射度と線形的な関係を有し、従って単光子励起(20)は線
形励起過程として言及される。FIG. 2A shows that the agent has an initial quantum mechanical permissible state Si (generally a ground state).
Shows the single-photon excitation (20) when excited to the final quantum mechanically permissible state Sf by absorption of some energy E 1 provided by the interaction between the agent and the single-photon P. Many other allowed final states are possible. Each permissible state can be further subdivided into an ensemble of discrete substates, such as various oscillatory states that overlap many over a particular electronic state. Therefore, each allowable state S i and
S f can constitute a complex band of permissive states that reflects the basic characteristics of the agent and its local environment. In the case of luminescent imaging agents, the increase in agent from S i to S f can include, for example, fluorescent or phosphorescent emission of light, which can initiate multiple radiative emission of light from the excited state. As an example, the dye molecule Coumarin-480 absorbs a single photon of light at 400 nm and emits a photon at 465 nm through fluorescent re-emission (which can also be described as a relaxation process). In single photon excitation (20), the excitation probability has a linear relationship with the radiant emissivity of the incident light, so single photon excitation (20) is referred to as the linear excitation process.
【0035】
図2(b)において、同時発生の2光子励起(22)は、光活性化エージェントが
初期の量子力学的許容状態Siからエージェントと同時発生の2光子P1及びP2の
相互作用により提供された、或るエネルギーE1の吸収によって最終の量子力学
的許容状態Sfに励起される時発生する。
以後で考慮するすべての例において、励起に含まれた2(以上)光子のエネルギ
ー及び波長は同一であると仮定し、そのような励起過程は“縮退”と呼ばれる。
しかし、本発明は縮退過程に限定されるものではなく、また2(以上)光子のエネ
ルギー及び波長が同一でない時にも適用可能である。
エージェントが最終の量子力学的許容状態Sfに増大すると、その光化学特性は単
光子励起(20)から生じることと同一である。In FIG. 2 (b), co-occurring two-photon excitation (22) is the mutual activation of photo-activated agent from the initial quantum mechanical permissive state S i with co-occurring two-photon P 1 and P 2 . Occurs when excited to the final quantum mechanically permissible state S f by absorption of some energy E 1 provided by the action. In all examples considered below, it is assumed that the energies and wavelengths of the two (or more) photons involved in the excitation are the same, and such an excitation process is called "degeneracy".
However, the present invention is not limited to the degeneration process, and is applicable even when the energy and wavelength of two (or more) photons are not the same. When the agent increases to the final quantum mechanically acceptable state S f , its photochemical properties are identical to those resulting from single photon excitation (20).
【0036】
図2(b)に示す同時発生の2光子の相互作用は、10fs及びそれ以下の単位の
寿命を有し、一時的な仮想状態V1により調整されることと頻繁に説明する。も
し2光子がこの仮想状態の寿命の間にエージェントと相互作用をしないとしたら
、励起は起こらず、エージェントは許容状態Siに戻る。仮想状態V1の非常に短
い寿命のために、瞬間的な照射、または入射励起光のWm-2は、仮想エネルギー
状態V1がSiへの反応緩和を行なう前に、第2の光子P2の吸収において顕著な効
率を算出するために十分高くなければならない。従って、非常に高いピックパワ
ーを有するパルス化した励起資源は、一般的にこの過程を效率的に刺激するのに
使用する;そのような資源は、仮想状態V1の短い寿命の間に励起されたエージェ
ントに多数の光子を提供できるので望ましい。It is often explained that the co-occurring two-photon interaction shown in FIG. 2 (b) has a lifetime of the unit of 10 fs or less and is regulated by the temporary virtual state V 1 . If two photons do not interact with the agent during the lifetime of this virtual state, no excitation occurs and the agent returns to the permissible state Si. Due to the very short lifetime of the virtual state V 1 , the instantaneous irradiation, or W m -2 of the incident excitation light, causes the second photon P 1 to pass before the virtual energy state V 1 undergoes reaction relaxation to S i . It must be high enough to calculate a significant efficiency in absorption of 2 . Therefore, pulsed excitation resources with very high pick power are generally used to efficiently stimulate this process; such resources are excited during the short lifetime of virtual state V 1. It is desirable because it can provide a large number of photons to the agent.
【0037】
同時発生の2光子励起(22)の例として、800nmで同時発生の2光子の吸収
によるクマリン-480から465nmで光の蛍光性放射の増大を挙げることがで
きる。この例で、励起確率は、第1の光子P1と第2の光子P2の瞬間的な照射の
生成物と関係がある。これは、光化学反応の形態で概念化できる。An example of co-occurring two-photon excitation (22) is the increase in fluorescent emission of light from coumarin-480 to 465 nm by absorption of co-occurring two-photons at 800 nm. In this example, the excitation probability is related to the product of the instantaneous irradiation of the first photon P 1 and the second photon P 2 . It can be conceptualized in the form of photochemical reactions.
【0038】
エージェント基底状態+2hν800nm→エージェント励起状態 (1)
ここで、基底状態のエージェントは、各々800nmで同時発生の2光子hν8
00nmの吸収に続く励起状態に増進する。励起状態の生成を記述する比率Rは、R
=k[エージェント基底状態][hν800nm]2により与えられ、kは、吸収断面のよ
うなエージェントの固有常数であり、[エージェント基底状態]及び[hν800nm
”は、各々基底状態のエージェント分子及び励起光子の濃度を象徴化したもので
ある。ここで、瞬間的な照射に対する比率表現に依存する2次方程式によって、
同時発生の2光子励起(22)は、非線形励起過程と呼ばれる。Agent ground state +2 hν 800 nm → agent excited state (1) Here, the agents in the ground state each have two photons hν 8 simultaneously generated at 800 nm.
Promotion to excited state following absorption at 00 nm . The ratio R that describes the generation of excited states is R
= k [agent ground state ] [hν 800nm ] 2 , where k is the intrinsic constant of the agent, such as absorption cross section, and [agent ground state ] and [hν 800nm ”are the ground state agent molecule and It is a symbolic representation of the concentration of excited photons, where the quadratic equation, which depends on the ratio representation for instantaneous illumination,
The simultaneous two-photon excitation (22) is called a nonlinear excitation process.
【0039】
図2(c)で、同時発生の3光子励起(24)は、光活性化エージェントが初期の
量子力学的許容状態Siからエージェントと同時発生の3光子P1'、P2'、P3'の
相互作用により提供された、或るエネルギーE1の吸収によって最終の量子力学
的許容状態Sfに励起する時発生する。同時発生の3光子の相互作用は、各々10
fs及びその以下の単位の寿命を有し、一時的な仮想状態V1'及びV2'により調整
されることと説明する。すべての3光子がこの仮想状態の寿命の間にエージェン
トと相互作用をしないと、励起は起こらず、エージェントはSiに戻る。仮想状態
V1'及びV2'の非常に短い寿命のために、瞬間的な照射、または入射励起光の瞬
間的な照射は、エージェントがSiへの反応緩和を遂行する前に、第2の光子P2'
及び第3の光子P3'の吸収において顕著な効率を算出するために十分高くなけれ
ばならない。In FIG. 2 (c), the simultaneous three-photon excitation (24) indicates that the photoactivating agent has three photons P 1 ′, P 2 ′, P 2 ′, P 2 ′, which are simultaneously generated with the agent from the initial quantum mechanical permissive state Si. It occurs when excited to the final quantum mechanically permissive state S f by absorption of some energy E 1 provided by the interaction of P 3 ′. The number of simultaneous three-photon interactions is 10 each.
It has a lifetime of fs and below and is regulated by the temporary virtual states V 1 'and V 2 '. If all three photons do not interact with the agent during the lifetime of this virtual state, no excitation occurs and the agent returns to S i . Virtual state
Due to the very short lifetimes of V 1 'and V 2 ', the instantaneous irradiation, or the incident excitation light, causes a second photon to reach the second photon before the agent performs reaction relaxation to S i . P 2 '
And must be high enough to calculate a significant efficiency in the absorption of the third photon P 3 '.
【0040】
同時発生の3光子励起(24)の例は、1200nmで同時発生の3光子の吸収
によるクマリン-480から465nmで光の蛍光性放射の増大を挙げることがで
きる。この例で、励起確率は、第1の光子P1'と第2の光子P2'及び第3の光子
P3'の瞬間的な照射の生成物と関係がある。これは、光化学反応の形態で概念化
できる。An example of co-occurring three-photon excitation (24) may include an increase in fluorescent emission of light at coumarin-480 to 465 nm due to absorption of co-occurring three photons at 1200 nm. In this example, the excitation probability is the first photon P 1 ′, the second photon P 2 ′, and the third photon P 2 ′.
Related to the product of P 3 'momentary irradiation. It can be conceptualized in the form of photochemical reactions.
【0041】
エージェント基底状態+3hν800nm→エージェント励起状態 (2)
ここで、基底状態のエージェントは、各々1200nmで同時発生の3光子hν
1200nmの吸収に続く励起状態に増進する。比率Rは、R=k[エージェント基底
状態][hν1200nm]3により与えられ、ここで、[hν1200nm”は、励起光
子の濃度を象徴化したものである。ここで、瞬間的な照射に依存する3次方程式
によって、同時発生の2光子励起(24)は、非線形励起過程と呼ばれる。[0041]
AgentGround state+ 3hν800 nm→ AgentExcited state (2)
Here, the agents in the ground state are three photons hν co-generated at 1200 nm each.
1200 nmTo the excited state following the absorption of. The ratio R is R = k [agentbase
Status] [hν1200 nm]ThreeGiven by, where [hν1200 nm"Is the excitation light
It symbolizes the density of the child. Where the cubic equation that depends on the instantaneous irradiation
Due to this, the simultaneous two-photon excitation (24) is called a non-linear excitation process.
【0042】
図2(d)において、同時発生の多光子励起(26)は、光活性化エージェントが
初期の量子力学的許容状態Siからエージェントと同時発生の二つ以上の光子の相
互作用により提供された、或るエネルギーE1の吸収によって最終の量子力学的
許容状態Sfに励起する時発生する。エージェントが最終の量子力学的許容状態Sf
に増大すると、その光化学的特性は、単光子励起(20)から生じるのと同一であ
る。同時発生の二つ以上の光子の相互作用は、各々10fs及びそれ以下の単位寿
命を有し、同等な一つ以上の多数の仮想状態により調整されるものと説明される
。所望の光子がこれらの寿命の間にエージェントと相互作用をしないと、Sfへの
励起は起こらず、エージェントはSiに戻る。一つ以上の仮想状態の非常に短い寿
命のために、入射励起光の瞬間的な照射は、エージェントがSiへの反応緩和を遂
行する前に、所望の光子の吸収において顕著な効率を算出するために十分高くな
ければならない。In FIG. 2 (d), simultaneous multiphoton excitation (26) is provided by the photoactivated agent from the interaction of two or more simultaneous photons with the agent from the initial quantum mechanical permissive state Si. Occurs when the final quantum mechanically permissive state S f is excited by the absorption of a certain energy E 1 . As the agent increases to the final quantum mechanically acceptable state S f , its photochemical properties are identical to those resulting from single photon excitation (20). The interaction of two or more photons occurring at the same time is described as having unit lifetimes of 10 fs and less, respectively, coordinated by one or more multiple virtual states of equality. If the desired photon does not interact with the agent during these lifetimes, no excitation to S f occurs and the agent returns to S i . Due to the very short lifetime of one or more virtual states, the instantaneous irradiation of incident excitation light yields a significant efficiency in absorbing the desired photons before the agent performs reaction relaxation to S i . Must be high enough to do.
【0043】
同時発生の多光子励起(26)の例は、(400・n)nmの波長(λ)で同時発生のn
光子の吸収によるクマリン-480から465nmで光の蛍光性放射の増大を挙げ
ることができる(例えば、n=2の場合λ=800nm;n=3の場合λ=1200nm;n≧
2)。この例で、励起確率は、n光子の瞬間的な照射の生成物と関係する。これは
、一般的な光化学反応の形態で概念化できる。An example of simultaneous multiphoton excitation (26) is a simultaneous n photon excitation at a wavelength (λ) of (400 · n) nm.
The increase in fluorescent emission of light from coumarin-480 to 465 nm due to absorption of photons can be mentioned (for example, λ = 800 nm when n = 2; λ = 1200 nm when n = 3; n ≧
2). In this example, the excitation probability is related to the product of the instantaneous irradiation of n photons. This can be conceptualized in the form of general photochemical reactions.
【0044】
エージェント基底状態+nhν→エージェント励起状態 (3)
ここで、基底状態のエージェントは、同時発生のn光子の吸収に続く励起状態
に増進する。比率Rは、R=k[エージェント基底状態][hν]nにより与えられ、ここ
で、[hν”は、n励起光子の濃度を象徴化したものである。ここで、瞬間的な照
射に依存する非線形によって、同時発生の多光子励起(26)は、非線形励起過程
と呼ばれる。Agent ground state + nhν → agent excited state (3) Here, the agent in the ground state is promoted to the excited state following the simultaneous absorption of n photons. The ratio R is given by R = k [agent ground state ] [hν] n, where [hν ”symbolizes the concentration of n excited photons, where it depends on the instantaneous irradiation. Due to this non-linearity, the simultaneous multi-photon excitation (26) is called a non-linear excitation process.
【0045】
前述のように多光子励起のより一層一般的な定義は、例えば、約10ps以上の
存続期間を有する単一の超短波レーザーパルスの間に生じる任意の相互作用のよ
うに、実質的に同時発生の二つ以上の光子が一つ以上のエージェントと相互作用
することだけを要求する。そのような制限下で、一つ以上のエージェントと光の
相互作用は、実質的にエージェントの電子的励起または光イオン化のような分子
内部過程で直接的な光活性化効果を制限しながら(及び局部化しながら)速い状況
で起きなければならない。実質的な分子の再組織化や活動又は莫大な時間の経過
は、そのような励起中に起こらないはずであり、通常に観察可能で一つ以上のエ
ージェントに影響を与える或る転移のフレームは、本質的に単一、共同段階で発
生するはずである。このようなより一層一般的な定義は、多光子励起及びイメー
ジングまたは診断エージェントの結果として生じる多光子光活性化に対する次の
説明で利用する。As mentioned above, a more general definition of multiphoton excitation is substantially the same as, for example, any interaction that occurs during a single ultrashort laser pulse having a duration of about 10 ps or more. It only requires that two or more photons that occur simultaneously interact with one or more agents. Under such restrictions, the interaction of light with one or more agents substantially limits the direct photoactivation effect on internal molecular processes such as electronic excitation or photoionization of the agent (and You have to get up fast (while localizing). Substantial molecular reorganization or activity or a vast time course should not occur during such excitations, and some transitional frames that are normally observable and affect one or more agents are: , Essentially single, should occur at the joint stage. Such a more general definition is utilized in the following discussion of multiphoton excitation and resulting multiphoton photoactivation of imaging or diagnostic agents.
【0046】
図2と関連して示した光化学的過程及びエネルギー・ダイヤグラムの特殊な実
施例に加えて、多くの可能な他の遷移及びエネルギーレベルの条件は、それらの
一時的及び空間的相関関係によって分子システム、それらの環境及び、吸収及び
排出形態の特定のエネルギーを含む特性を含む多数の要因によって可能である。In addition to the specific examples of photochemical processes and energy diagrams shown in connection with FIG. 2, many other possible transition and energy level conditions are related to their temporal and spatial correlations. This is possible due to a number of factors, including molecular systems, their environment and properties including specific energies of absorbed and excreted forms.
【0047】多光子光活性化における非線形関係
以前の実施例に対して、エージェントが特別な量のエネルギーE1の吸収に続
く最終の量子力学的許容状態Sfに進展し、診断的に有用な光の発光放射を含むそ
の光化学的特性は、そのような増進に対して使用した方式に関係なく同一になる
はずである。この特性は、励起したエージェント及びその局部的環境の固有特性
により決定されるものである。得られた特別な最終エネルギー状態Sfは、分子に
伝達された総エネルギーE1の大きさによって主に決定され、したがってSfでの
到着によってエージェントの特性を窮極的に決定するのは、E1の大きさである
。超短波パルス励起方法が使われる時、エージェントの励起状態への進展を誘発
するメカニズムは、励起過程自体が励起したエージェントまたはその環境の結果
的な特性に直接的に衝撃を加えないので、このような結末に対して相当な影響力
を持っていないことは明白である。 Nonlinear Relationships in Multiphoton Photoactivation For the previous example, the agent evolved into a final quantum mechanically permissive state S f following absorption of a special amount of energy E 1 , which is diagnostically useful. Its photochemical properties, including the luminescent emission of light, should be the same regardless of the scheme used for such enhancement. This property is determined by the intrinsic properties of the excited agent and its local environment. The special final energy state S f obtained is determined mainly by the magnitude of the total energy E 1 transferred to the molecule, and therefore the arrival at S f will ultimately determine the properties of the agent. It is one size. When the ultrashort pulsed excitation method is used, the mechanism that induces the agent to progress to the excited state is such that the excitation process itself does not directly impact the resulting properties of the excited agent or its environment. It is clear that it has no significant influence on the outcome.
【0048】
所定のエージェントに対する多光子励起可能性は、励起パワーの関数として(
瞬間的な照射と直接的に相関関係がある)エージェント応答(発光のような)の試
験を通じて容易に評価できる。いくつかの励起パワーでそのようなエージェント
応答の測定によって、成功的な多光子励起は、ログ10(パワー)に対するログ1 0
(応答)を図示することで確認できる。これは、傾きnを有する直線を生成しな
ければならず、ここでnは、特別な試験条件下でエージェントにより吸収された
励起光子の数を表す。これは、蛍光性探針エージェントIndo-1に対して容易に
証明されるが、300と400nm間の光を有する照度によって強い単光子励起(
500nmで蛍光性を放射)を表す。このエージェントは、810nmでの集束光を
使用して照射され、ログ10(蛍光性信号)をログ10(平均パワー)に対して図示
する時、2光子励起応答(30)は、図3に示されたように表される(傾きm=1.9
6、相関係数R2=0.99994)。例えば、集束光は、モードロッキングされた
チタニウム:サファイアレーザーにより生成された約200fsパルスの76MHz反
復率トレインで構成されたビームである。類似した試験が910nmで行なわれる
時、Indo-1は、レーザーパワーの関数として(m=2.97、R2=0.991)3光
子励起応答(32)を表す。The multiphoton excitability for a given agent is a function of the pump power (
It can be easily evaluated through examination of agent response (such as luminescence), which correlates directly with momentary exposure. By measurement of such agents respond in some excitation power, successful multiphoton excitation, it can be confirmed by illustrating the log 1 0 (response) against log 10 (Power). This must produce a straight line with slope n, where n represents the number of excited photons absorbed by the agent under special test conditions. This is easily demonstrated for the fluorescent probe agent Indo-1, but with strong irradiance with light between 300 and 400 nm, strong single photon excitation (
It emits fluorescence at 500 nm). This agent was illuminated using focused light at 810 nm and when the log 10 (fluorescent signal) is plotted against log 10 (average power), the two-photon excitation response (30) is shown in FIG. Is expressed as follows (slope m = 1.9
6, correlation coefficient R 2 = 0.99994). For example, the focused light is a beam composed of a 76 MHz repetition rate train of approximately 200 fs pulses generated by a mode-locked titanium: sapphire laser. When similar tests are performed at 910 nm, Indo-1 is expressed as a function of the laser power of (m = 2.97, R 2 = 0.991) 3 -photon excitation response (32).
【0049】
比較してみれば、この波長で2光子応答のみを表す蛍光性エージェント・クマ
リン-540Aは、810nmと910nmで各々2.01及び2.00の傾きを表す。
これらの波長で、もしレーザーがパルス化しないと、多光子励起が観察された応
答を招くことが確認され(非パルス化したレーザービームは、この波長でエージ
ェントと共に多光子過程を持続するに充分な瞬間的な照射を提供しないので)、
多光子信号は、完全に消える。By comparison, the fluorescent agent Coumarin-540A, which exhibits only a two-photon response at this wavelength, exhibits slopes of 2.01 and 2.00 at 810 nm and 910 nm, respectively.
At these wavelengths, it was confirmed that if the laser is not pulsed, multiphoton excitation leads to the observed response (an unpulsed laser beam is sufficient to sustain the multiphoton process with the agent at this wavelength. (Because it does not provide instantaneous irradiation),
The multiphoton signal disappears completely.
【0050】
また、多光子過程に対する励起断面は、一般的に与えられた遷移に対する必須
光子の数が増加するに従って減少する。例えば、所定のエージェントにおける特
別な遷移に対する3光子断面は、同一遷移に対して一般的に各々2光子断面より
小さいだろう。これは、少なくとも部分的には特別な多光子過程のために必要な
すべての光子は、実質的に同時発生式でエージェントと相互作用するだろうとい
う減少された確率に起因する。これは、所定の平均励起パワーでIndo-1(図3)
に対して2光子与党KI応答(30)及び3光子励起応答(32)の大きさを比較する
と明白になる。しかし、3光子過程の傾きは、2光子過程より急であるから、相
対的な断面内でのこのような差異は、実質的には励起光の瞬間的な照射、例えば
、所定の平均パワーのビームに対するパルス幅の減少、またはパルスエネルギー
の増加(例えば、再生増幅したチタニウム:サファイアレーザーまたはチャープ(c
hirp)-パルス増幅Nd:YAGレーザーのような増幅光源の使用により)により改善で
きる。Also, the excitation cross section for a multiphoton process generally decreases as the number of essential photons for a given transition increases. For example, the three-photon cross section for a particular transition in a given agent will typically be smaller than each two-photon cross section for the same transition. This is due, at least in part, to the reduced probability that all photons required for a particular multiphoton process will interact with the agent in a substantially simultaneous fashion. This is Indo-1 (Fig. 3) at a given average pump power.
It becomes clear by comparing the magnitudes of the two-photon ruling KI response (30) and the three-photon excitation response (32). However, since the slope of the three-photon process is steeper than that of the two-photon process, such a difference in the relative cross-sections is substantially due to the instantaneous irradiation of the excitation light, for example, for a given average power. Reduced pulse width or increased pulse energy for the beam (e.g., regenerated and amplified titanium: sapphire laser or chirp (c
hirp) -by using an amplified light source such as a pulse-amplified Nd: YAG laser).
【0051】多光子光活性化の空間的特性
多光子励起は、瞬間的な照射で非線形であるため、そのような過程は、線形励
起過程と関係ある空間励起特性において重要でかつ劇的な差を表す。例えば、図
4に示したように、レーザービームが材料に集中されると、ビーム強度プロファ
イル(40)は、古典的なガウシアン(Gaussian)光学理論によって予測した通り、
焦点の中央で最大レベルに到達するサンプルを通じて距離の関数として変わるよ
うに生成されるはずである。単光子過程に対して、ビーム強度(または瞬間的な
照射)と励起効率間の線形関係は、ビーム強度プロファイル(40)に後続する単
光子励起効率プロファイル(42)を招く。反面、多光子過程に対して、ビーム強
度(または瞬間的な照射)と励起効率(2または3光子過程各々に対してI2または
I3に比例等)間の非線形関係は、ビーム強度プロファイル(40)より非常に敏感
な励起効率プロファイル(44)を招く。 Spatial Properties of Multiphoton Photoactivation Since multiphoton excitation is non-linear with instantaneous illumination, such processes are important and dramatic differences in spatial excitation properties associated with linear excitation processes. Represents For example, as shown in FIG. 4, when the laser beam is focused on the material, the beam intensity profile (40), as predicted by classical Gaussian optical theory,
It should be produced to vary as a function of distance through the sample reaching the maximum level in the center of the focus. For single photon processes, the linear relationship between beam intensity (or instantaneous irradiation) and excitation efficiency results in a single photon excitation efficiency profile (42) that follows the beam intensity profile (40). On the other hand, for multiphoton processes, beam intensity (or instantaneous irradiation) and excitation efficiency (for each two or three photon process I 2 or
A non-linear relationship between (such as proportional to I 3 ) results in a much more sensitive excitation efficiency profile (44) than the beam intensity profile (40).
【0052】
従ってこのような励起の空間的局所化は、多光子励起の利用時に、励起の範囲
が実質的に小さな焦点領域に限定されることもある。反面、線形励起の利用時に
、励起は実質的に非常に小さく提供された局所空間を作りながら全体の光学経路
に沿って発生する。そのような空間的局所化は、例えば目のような透明な媒体と
皮膚組織のような光学的密集媒体のいずれにも観察できる。こうして空間的に局
所化した多光子励起は、例えば図5(a)及び図5(b)に各々示したように、組織の
表面(50)または組織(52)の表面下に存在するエージェントを局部的に活性
化するに利用できる。Therefore, such spatial localization of the excitation may be limited to a focal region where the extent of the excitation is substantially small when using multiphoton excitation. On the other hand, when using a linear excitation, the excitation occurs along the entire optical path, creating a local space that is substantially very small. Such spatial localization can be observed both in transparent media such as the eye and in optically dense media such as skin tissue. In this way, the spatially localized multiphoton excitation can be performed by using an agent existing under the surface of the tissue (50) or the tissue (52) as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. Can be used to activate locally.
【0053】
光学的密集媒体内に局所化され、遠隔光活性化された応答シミュレーションが
図6(a)及び6(b)に示されている。図6(a)は、染料分子クマリン-480が均一
に分布したアガロスゼラチン(60)の固体ブロックの写真を示す。図6(b)は、
図6(a)の写真を示す図である。アガロスゼラチン(60)は、可視光線を強く散
乱させるために光学的密集媒体を作る。クマリン-480は、350-4450nm
で単光子方法により励起するか、700-900nmで2光子方法により励起する
時、青色の蛍光性光を放射する。Localized and remotely photoactivated response simulations in an optically dense medium are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). FIG. 6 (a) shows a photograph of a solid block of agarose gelatin (60) in which the dye molecule coumarin-480 is evenly distributed. Figure 6 (b) shows
It is a figure which shows the photograph of Fig.6 (a). Agarose gelatin (60) creates an optically dense medium to strongly scatter visible light. Coumarin-480 is 350-4450nm
It emits blue fluorescent light when excited by the single photon method at 1, or when excited by the two photon method at 700-900 nm.
【0054】
この実施例において、光束(62)は、ゼラチン内に約2cmの焦点(64)が形成
されるように、一側面からアガロスゼラチン(60)に集中する。特に、可視光線
(400nmで)または(モードロッキングされたチタニウム:サファイアレーザーか
ら730nmで)NIR光のビーム(62)は、膨脹し、ビーム拡大望遠鏡を使用して約
直径50mmの平行ビームELを生成する。レーザーは、76MHzパルス反復周波数
で200fs以下の光の連続的なトレインを生成する。次に、膨脹ビームは、25
0mm焦点の長さ(f.l.)、50mm直径の両面凸状単一体ガラスレンズを使用するア
ガロスゼラチン(60)に集中する。次に、アガロスゼラチン(60)は、この25
0-mm f.l.レンズの焦点(64)がアガロスゼラチン(60)内の位置2cmに存在す
るように位置される。これから、光束(62)により提供された前記の光軸から前
記アガロスゼラチン(60)上に直接的に見下ろした透視観望から、図6(a)及び
6(b)は、明白にクマリン-480からの蛍光はNIRビーム(66)の焦点だけで刺
激されることを表し、一方蛍光性は、ビーム(68)に対する全体飛行ラインに沿
って放射される。さらに、NIRビーム(70)の大部分は、ただ若干の減衰を持っ
てアガロスゼラチン(60)の全体の厚さを通じて続き、可視ビーム(72)はアガ
ロスゼラチン(60)の厚さの1/3を通る前に完全に消滅する。In this example, the luminous flux (62) is focused on the agarose gelatin (60) from one side so that a focal point (64) of about 2 cm is formed in the gelatin. Especially visible light
A beam (62) of NIR light (at 400 nm) or (at 730 nm from a mode-locked titanium: sapphire laser) expands and produces a collimated beam EL of about 50 mm diameter using a beam expansion telescope. The laser produces a continuous train of light below 200 fs at a pulse repetition frequency of 76 MHz. Then the expansion beam
Focus on agaros gelatin (60) using a 0 mm focal length (fl), 50 mm diameter double-sided convex single body glass lens. Next, agaros gelatin (60)
The focus (64) of the 0-mm fl lens is positioned so that it is at a position 2 cm within the agarose gelatin (60). From this, from a perspective view looking down directly on the agaros gelatin (60) from the optical axis provided by the luminous flux (62), FIGS. 6 (a) and 6 (b) clearly show Coumarin-480. Represents that the fluorescence from E. coli is stimulated only at the focus of the NIR beam (66), while the fluorescence is emitted along the entire flight line for the beam (68). Furthermore, the majority of the NIR beam (70) continues through the entire thickness of the agaros gelatin (60) with only some attenuation, while the visible beam (72) is one of the thickness of the agaros gelatin (60). It completely disappears before passing / 3.
【0055】
図6(a)及び図6(b)で観察された特徴は、光学的密集媒体で(アガロスゼラチ
ン(60)または人間や動物組織のような)より短い波長光に関連する、一般的に
改善されたNIR光の透過によって多光子励起で達成可能な独特の空間的局所化を
劇的に表す。多光子励起と瞬間照射の効率性間の非線形関係によって、焦点前後
のビームの経路に沿う位置でエージェント・シミュレーションは無視してもよい
。The features observed in FIGS. 6 (a) and 6 (b) are associated with shorter wavelength light (such as agarose gelatin (60) or human or animal tissue) in an optically dense medium, Dramatically represents the unique spatial localization achievable with multiphoton excitation by generally improved NIR light transmission. Due to the non-linear relationship between multiphoton excitation and instantaneous irradiation efficiency, agent simulations may be neglected at locations along the beam path before and after focus.
【0056】
したがって焦点領域外では、光活性化はきわめて微々であるか、生じない。ま
た、NIR励起光は、ただゼラチンにより弱く吸収されるか散乱されるため、鋭利
な焦点は、ブロック内に深い貫通深さで維持される(実際に、光学軸に沿ってゼ
ラチンの移動によって、鋭利な焦点はゼラチンの全体8-cm厚さを通じて達成可
能なものである)。図6(a)及び図6(b)で観察された焦点の鋭利さは、ガウシア
ン光学特性により決定されるので、焦点領域の長さ及び面積は、例えばビーム膨
脹及び後続する再集中(それによって生じる集束ビームの数字範囲の調節)のよう
なビーム調整に使われた光学的変数を変更することによって容易に調整される。Therefore, outside the focal region, photoactivation is very slight or absent. Also, the NIR excitation light is only weakly absorbed or scattered by the gelatin, so that a sharp focus is maintained at a deep penetration depth within the block (actually, by the movement of the gelatin along the optical axis, A sharp focus is achievable through the entire 8-cm thickness of gelatin). Since the sharpness of the focus observed in FIGS. 6 (a) and 6 (b) is determined by the Gaussian optical properties, the length and area of the focus area can be determined by, for example, beam expansion and subsequent refocusing (and thereby refocusing). It is easily adjusted by changing the optical variables used to adjust the beam (such as adjusting the numerical range of the resulting focused beam).
【0057】
励起のために使われた光子の数が増加するに従って、図4に示されかつ図6(a
)及び6(b)に明示された多光子励起効率プロファイル(44)は、一層密に(tight
ly)なるはずである。したがって3光子励起は、2光子励起等で可能なことより
密な空間局所化を提供する。これは、多光子次数(order)(特別な励起のために使
われた光子の数)は、結果として生じる焦点領域の空間的特性が目標物の特性と
調和するように最適化できることを意味する。例えば、焦点領域の厚さは、図5
(a)に示されたように、組織(50)の表面でエージェントの選択的励起を最適化
するために、3光子励起の使用により密になることがある。As the number of photons used for excitation increases, it is shown in FIG. 4 and FIG.
) And 6 (b), the multiphoton excitation efficiency profile (44) is more dense (tight
ly) should be. Therefore, three-photon excitation provides a tighter spatial localization than is possible with two-photon excitation and the like. This means that the multi-photon order (the number of photons used for a particular excitation) can be optimized so that the spatial properties of the resulting focal region match those of the target. . For example, the thickness of the focal region is shown in FIG.
As shown in (a), the use of three-photon excitation may be denser in order to optimize the selective excitation of agents at the surface of the tissue (50).
【0058】多光子光活性化のスペクトラム応答特性
空間的な励起特性での劇的な差異とともに、波長の関数として励起効率を支配
する選択規則は、単光子及び多光子励起において大きく異なることがある。しか
し、アクセスした特定の励起状態の特性は、エージェントをその特別な励起状態
に増進すのるに使った励起メカニズムに関係なく同一になるだろう。 Spectral Response Characteristics of Multiphoton Photoactivation Along with dramatic differences in spatial excitation characteristics, the selection rules governing excitation efficiency as a function of wavelength can differ significantly for single photon and multiphoton excitation. .. However, the properties of the particular excited state accessed will be the same regardless of the excitation mechanism used to promote the agent to that particular excited state.
【0059】
図7には、従来の単光子励起(74)及び同時発生の2光子励起(76)を使用す
る時、エタノールから弱い発光分子Hp-IXに対する励起波長の関数として吸収断
面の相対的な比較を表す例が提供される。FIG. 7 shows the relative absorption cross section as a function of excitation wavelength from ethanol to the weakly luminescent molecule Hp-IX when using conventional single photon excitation (74) and simultaneous two-photon excitation (76). Examples are provided to represent different comparisons.
【0060】
更に、同時発生の2光子励起(76)のデータは、同時発生の2光子励起が2光
子それぞれのエネルギー(または波長の1/2)の二倍で単光子の吸収に対するエ
ネルギーと同一であるということを反映するように二つに(78)分けられた波長
スケールを使用して示す。単光子励起(74)及び1/2波長スケール(78)で示
された同時発生の2光子励起に対する相対的な端面図の比較は、波長の関数とし
て顕著な差異を表す。特に、単光子励起(74)で明白に有力なソレット(Sorrett
)バンド(80)は、同時発生の2光子励起(76)または(78)に対しては不在で
あるが、これは、量子力学的に許容されないからである。Furthermore, the data for simultaneous two-photon excitation (76) shows that simultaneous two-photon excitation is twice the energy (or 1/2 of the wavelength) of each two-photon and equal to the energy for absorption of a single photon. It is shown using a wavelength scale divided into two (78) so as to reflect that A comparison of the relative end views for the single photon excitation (74) and the simultaneous two-photon excitation shown on the 1/2 wavelength scale (78) shows a significant difference as a function of wavelength. In particular, the sorret (Sorrett), which is clearly influential in single photon excitation (74)
The) band (80) is absent for simultaneous two-photon excitation (76) or (78) because it is quantum mechanically unacceptable.
【0061】
そのような差異は、励起で使われたメカニズムに依存する特別な分子遷移に対
する選択規則での差に起因するもので、それらは、多光子選択規則及び特別な多
光子特性を有する特定のエージェントを設計するにあたって、差異基盤の励起効
率または選択性を最適化するに有用である。一般に、中心対称のエージェントに
対して(対称中央を含む)、偶数の光子を利用する励起(例えば2光子励起など)は
、初期状態から同じパリティーを有する励起電子状態にエージェントを増進させ
なければならない。これは、奇数光子(単光子励起など)を使用する励起過程に対
して正確に正反対の選択規則であり、図7で観察したHp-IXに対する応答のソレ
ットバンド(80)内での差異を説明する。Such differences are due to differences in the selection rules for particular molecular transitions that depend on the mechanism used for excitation, which are multi-photon selection rules and specific multi-photon properties. It is useful to optimize the excitation efficiency or selectivity on the basis of difference in designing the agent. In general, for centrosymmetric agents (including symmetric centers), even-photon-based excitations (eg, two-photon excitations) must promote the agent from an initial state to an excited electronic state with the same parity. . This is exactly the opposite selection rule for the excitation process using odd photons (single photon excitation, etc.), and the difference in the response to Hp-IX observed in FIG. explain.
【0062】
反面、対称が少ないか、存在しないエージェントは、一般的にその励起で使わ
れた光子の数と関係なく同一の選択規則を有する。こうして、中心対称のエージ
ェントに対して、最適の励起波長を決定するために、一般的に波長の関数として
多光子スペクトラム応答を注意深く決定することが利益であり、一方、非中心対
称のエージェントに対しては、単光子励起スペクトラムは、一般的に波長の関数
として多光子スペクトラムの応答を推定するのに使用することができる。On the other hand, agents with little or no symmetry generally have the same selection rule regardless of the number of photons used in their excitation. Thus, for centrosymmetric agents, it is generally beneficial to carefully determine the multiphoton spectral response as a function of wavelength to determine the optimal excitation wavelength, while for non-centrosymmetric agents, In general, single photon excitation spectra can be used to estimate the response of multiphoton spectra, generally as a function of wavelength.
【0063】多光子光活性化において組織の吸収及び散乱特性の意味
多光子励起に対する断面図が単光子励起で観察されたものより非常に低いこと
があるが、その反面より長い波長光学的輻射のより低いマトリックス吸収及び光
学的散乱ため、多くの条件下で多光子方法の使用は、従来の励起方法に適合する
こともある。例えば図8は、UV及びIRスペクトラム領域をカバーする組織に対す
る一般的な吸収及び散乱の特性を表す。いくつかの結論が図8から明白になる。 Meaning of absorption and scattering properties of tissue in multiphoton photoactivation Although the cross-section for multiphoton excitation can be much lower than that observed for single photon excitation, the longer wavelength optical emission Due to the lower matrix absorption and optical scattering, the use of the multiphoton method under many conditions may also be compatible with conventional excitation methods. For example, FIG. 8 represents typical absorption and scattering characteristics for tissues covering the UV and IR spectral regions. Some conclusions become clear from FIG.
【0064】
第一に、一般的により長い波長光の使用は、散乱の相対的の効果を減少させ、
これにより光学的貫通の深さが改善される。したがって、従来、単光子方法を本
発明の実施例に係る多光子方法に代替することは、組織内に存在するエージェン
トに対して活性化光の伝達に対する散乱効果を減少させるはずである。例えば、
Indo-1と同じ(350nm光を使用して正常に活性化された)UV-活性化フロオルフ
ォルを活性化するように、700nmで2光子または1050nmで3光子を使用す
る励起を調節することは、700nm及び1050nm光の各々に対して約100倍
ないし2000倍の散乱減少を招くはずである。First, the use of longer wavelength light generally reduces the relative effects of scattering,
This improves the depth of optical penetration. Therefore, replacing the single photon method with the multiphoton method according to the embodiment of the present invention should reduce the scattering effect on the transmission of the activating light to the agent existing in the tissue. For example,
Adjusting the excitation using 2 photons at 700 nm or 3 photons at 1050 nm to activate the same UV-activated fluorophores as Indo-1 (normally activated using 350 nm light) It should result in a scattering reduction of about 100 to 2000 times for each of the 700 nm and 1050 nm light.
【0065】
第二に、活性化光の貫通を減少させて、光誘導された組織の損傷をもたらすこ
とができる組織吸収からの干渉は、一般的により長い波長の光、例えば、約70
0nmから1300nmに拡張する、いわゆる組織伝達ウィンドウ NIR光の使用によ
り減少される。一般的に無視できる効果は、NIR光の光学パワーがUVまたは可視
輻射の光学パワーより数倍大きい時も、低いエネルギーのNIR光で照射された組
織内で観察される。したがって、本発明に係る多光子方法を一般的に従来の単光
子方法に代替することは、組織内に存在するエージェントへの活性化光の伝達に
対する組織吸収の効果を減少させるだろう。Second, interference from tissue absorption, which can reduce penetration of activating light, resulting in light-induced tissue damage, is generally associated with longer wavelength light, eg, about 70%.
It is reduced by the use of so-called tissue transmission window NIR light, which extends from 0 nm to 1300 nm. A generally negligible effect is observed in tissues irradiated with low energy NIR light even when the optical power of NIR light is several times greater than the optical power of UV or visible radiation. Therefore, replacing the multiphoton method of the present invention with a conventional single photon method will generally reduce the effect of tissue absorption on the transmission of activating light to agents residing in the tissue.
【0066】
例えば、350nm光を使用して正常に活性化したIndo-1のようなUV-活性化PD
Tフルオルフォルを活性化するために、700nmにおいて2光子励起または10
50nmにおいて3光子励起で使用することは、正常人間組織内で700nm及び1
050nm光の各々に対して約260倍ないし3500倍の吸収の減少をもたらす
だろう。したがって、高い組織吸収の空間的領域と幾重にも重なる単光子励起波
長として特徴化されたエージェントの使用は、多光子励起方法の使用により深い
組織の応用のために適合するようになるが、これは、そのような方法が組織吸収
から干渉無しに深い組織位置に活性化光の運搬を可能にするからである。For example, a UV-activated PD such as Indo-1 which was normally activated using 350 nm light.
Two-photon excitation or 10 at 700 nm to activate T-fluor
Use with three-photon excitation at 50 nm is equivalent to 700 nm and 1 in normal human tissue.
It would result in an approximately 260 to 3500 fold reduction in absorption for each of the 050 nm lights. Therefore, the use of agents characterized as single photon excitation wavelengths that overlap with the spatial region of high tissue absorption overlap multiple times, although the use of multiphoton excitation methods makes them suitable for deep tissue applications. Since such a method allows delivery of activating light to deep tissue sites without interference from tissue absorption.
【0067】
組織により減少した散乱及び吸収は、マトリクス干渉が実質的に減少したため
、空間的な局部励起が図5及び図6に示すように、多光子方法で效率的に実現す
るように許容する。さらに、組織により減少した散乱及び吸収は、多光子励起に
対する追加的な安全性において長所をもたらす。例えば、UV光が人間組織に届く
時、光学エネルギーの大部分は、表皮及び皮膚のような最外層で直ちに吸収され
、散乱される。このような吸収は、細胞核内に遺伝学的材料を構成することと同
様に、この組織の細胞内で特定の分子の励起に起因して生じ得る。細胞構成要素
による高エネルギー光の吸収は、それにより変更できない遺伝学的損傷及び癌の
誘発を含めて、これらの細胞内で多様な付加的な光化学的変化を招くことがある
。反面、2光子または3光子方法に使われたNIR光は、組織により感知できる程
度に吸収及び散乱されず、細胞に対する付加的損傷の可能性などは、実質的によ
り少ないはずである。The tissue-reduced scattering and absorption allows the spatial local excitation to be efficiently realized by the multiphoton method, as shown in FIGS. 5 and 6, because the matrix interference is substantially reduced. . Furthermore, the reduced scattering and absorption by the tissue offers the advantage of additional safety against multiphoton excitation. For example, when UV light reaches human tissue, most of the optical energy is immediately absorbed and scattered in the outermost layers, such as the epidermis and skin. Such absorption can occur due to the excitation of certain molecules within the cells of this tissue, as well as the organization of genetic material within the cell nucleus. Absorption of high-energy light by cellular components can lead to a variety of additional photochemical changes within these cells, including the induction of genetic damage and cancer thereby unaltered. On the other hand, the NIR light used in the two-photon or three-photon method is not appreciably absorbed and scattered by the tissue, and the possibility of additional damage to cells should be substantially less.
【0068】
吸収及び散乱の追加的な効果は、図9で考慮する。組織により高エネルギーUV
または可視光子90の固有の高吸収及び散乱は、非常に低い組織貫通の深さで生
じるはずであり、一方一般的により低いエネルギーNIR光子92は、より大きい
貫通の深さを有する。さらに、散乱されたより高いエネルギー光子94は、散乱
経路に従って診断エージェントから放射を誘導することができるので、組織を貫
通するようにする、より高いエネルギー光子は、励起経路から放射状に拡張する
拡散放射領域を生成しやすくなる。The additional effects of absorption and scattering are considered in FIG. High energy UV depending on organization
Alternatively, the inherent high absorption and scattering of visible photons 90 should occur at a very low tissue penetration depth, while generally lower energy NIR photons 92 have a greater penetration depth. In addition, the scattered higher energy photons 94 can guide radiation from the diagnostic agent along the scattering path, causing the higher energy photons to penetrate the tissue so that the higher energy photons spread out radially from the excitation path. Is easier to generate.
【0069】
しかし、多光子励起に依存する非線形のため、より低いエネルギー光子を有す
る照射は、散乱されたより低いエネルギー光子の(一般的にそのような散乱され
た光子は、空間的で且つ一時的な干渉性の損失のため、放射を誘導出来ないから
)存在により顕著に不鮮明(blur)になることなく、より一層鋭く提供された励起
パターンを生成するはずである。したがって、表面下の特徴の照射及び続く検出
は、UVまたは可視スペクトラム領域内でのような高いエネルギー光子90を使用
する時に難しいか、不可能である反面、表面下特徴の照射及び続く検出は、NIR
またはIRスペクトラム領域内でのようなより低いエネルギー光子92を使用する
時、一層容易である。However, because of the non-linearity that depends on multiphoton excitation, irradiation with lower energy photons can cause scattering of lower energy photons (generally such scattered photons are spatial and transient). The radiation cannot be guided due to the loss of significant coherence
) Should produce a more sharply provided excitation pattern without being significantly blurred by its presence. Therefore, irradiation and subsequent detection of subsurface features is difficult or impossible when using high energy photons 90 such as in the UV or visible spectral range, while irradiation and subsequent detection of subsurface features is NIR
Or it is easier when using lower energy photons 92, such as in the IR spectrum region.
【0070】
また、診断的なエージェントから放出した光は、試験下で組織または他の光学
的密集媒体により一層高く吸収及び散乱され得ることを留意すべきである。しか
し、放射した光を満足のいくほど検出するために、このような光の小さな部分は
、検出器にその経路を作ることだけが必要である。この放射した光が散乱され得
る大きい領域は、精巧な方法が散乱された光及び他の光学的または機構的雑音源
から励起されたエージェントにより生成された放射光を差別化するに必要である
ことを意味する。より高いエネルギー及びより低いエネルギー光に対する吸収及
び貫通の深さの特性においてこのような重要な差異は、図9に図式的に表した。
UVまたは例えば400nmでの光のような可視光90が人間組織96に影響を及ぼ
す時、大部分の光学的エネルギーは、表皮及び皮膚のような最外層100で直ち
に吸収され(98)散乱される(94)。It should also be noted that the light emitted from the diagnostic agent may be more highly absorbed and scattered by the tissue or other optically dense medium under test. However, in order to satisfactorily detect the emitted light, such a small portion of the light need only make its path to the detector. This large area in which the emitted light can be scattered requires that elaborate methods are required to differentiate the scattered light and the emitted light produced by agents excited from other optical or mechanical noise sources. Means Such important differences in absorption and penetration depth characteristics for higher and lower energy light are graphically represented in FIG.
When visible light 90, such as UV or light at 400 nm, for example, affects human tissue 96, most of the optical energy is immediately absorbed (98) and scattered (98) in the outermost layers 100, such as the epidermis and skin. (94).
【0071】
したがって、光学的貫通の深さは低く、付随的な光誘導された損傷の誘導に対
する電位は、従来の診断エージェントの線形励起用に使用したものと同様に、UV
または可視光90を有する励起に比べて高い。反面、例えば800nmでNIR光9
2は、組織96により経験的により低い吸収及び散乱をもたらすだろう。全体的
な貫通の深さは、より一層大きくなるはずであり、細胞に対する付随的な損傷の
範囲は、実質的により低くなるだろう。したがって、もし長い波長励起光がより
高いエネルギーの単光子励起を代替するように多光子励起過程で使用されるなら
、それは、大きな貫通の深さを有する、相対的に非−損傷波長を使用する深い組
織に存在する特定の診断的なエージェントを光活性化することが可能になるだろ
う。Therefore, the depth of optical penetration is low and the potential for the induction of collateral light-induced damage is similar to that used for linear excitation of conventional diagnostic agents, UV.
Or higher than excitation with visible light 90. On the other hand, for example, NIR light at 800 nm 9
2 will result in empirically lower absorption and scattering by tissue 96. The overall penetration depth should be even greater and the extent of collateral damage to the cells will be substantially lower. Therefore, if long wavelength excitation light is used in a multiphoton excitation process to replace higher energy single photon excitation, it uses a relatively non-damaged wavelength with a large penetration depth. It will be possible to photoactivate specific diagnostic agents present in deep tissues.
【0072】多光子光活性化のための励起波長の選択
多光子励起の全体的な効率面で役に立つ組織特性の機能に対する以前の議論は
、同様に重要な点を示唆する:多光子過程の次数(すなわち励起のために使われた
光子の数)は、ひとつ以上の所望の光活性化エージェントの励起波長及び組織の
伝送特性を同時に最適化するように選択できる。特に、一つ以上の外因性光活性
化エージェントを活性化するために、マトリクス(組織など)に対する伝送領域内
で光を使用する励起を許容し、所望の外因性エージェントまたはエージェントの
光活性化において効率的な、特別な多光子過程を選択することが一般的に望まし
い。 Selection of Excitation Wavelengths for Multiphoton Photoactivation Previous discussions on the function of tissue properties that are useful in terms of the overall efficiency of multiphoton excitation suggests an equally important point: the order of multiphoton processes. (Ie the number of photons used for excitation) can be selected to simultaneously optimize the excitation wavelength of one or more desired photoactivating agents and the transmission properties of the tissue. In particular, in the photoactivation of the desired exogenous agent or agents, allowing excitation using light within the transmission region to the matrix (such as tissue) to activate one or more exogenous photoactivating agents. It is generally desirable to choose an efficient, special multiphoton process.
【0073】
同様に、一つ以上の内因性光活性化エージェントを活性化するために、所望の
内因性エージェントまたはエージェントの光活性化において効率的な特別な多光
子過程を選択することが一般的に望ましい。ひとつ以上の内因性エージェントが
、試験すべき組織の多数の構成要素からなる場合、多光子過程の適当な選択は、
一般的に表面下位置(光活性化の直接的でかつ線形的な吸収からの干渉は最小化
できるから)でさえ、そのようなエージェントの空間的局部光活性化を許容する
はずである。これは、図6(a)及び図6(b)に明確に図示する。同図で、エージェ
ント(66)の選択的でかつ効率的な活性化は、エージェントが均一に分布した標
本内の深さに説明される。反面、従来の活性化方法は、空間的非局部光学経路に
従ってエージェントにより活性化光を吸収することによって、そのような深さで
不充分な効率を表すエージェントの活性化(68)を生成する。Similarly, in order to activate one or more endogenous photoactivating agents, it is common to select a particular multiphoton process that is efficient in photoactivating the desired endogenous agent or agents. Desirable for. When one or more endogenous agents consist of multiple components of the tissue to be tested, a suitable choice for multiphoton processes is
In general even sub-surface locations (since interference from direct and linear absorption of photoactivation can be minimized) should allow spatial local photoactivation of such agents. This is clearly illustrated in Figures 6 (a) and 6 (b). In this figure, the selective and efficient activation of the agent 66 is illustrated by the depth within the sample where the agent is evenly distributed. On the other hand, conventional activation methods produce activation of the agent (68) that exhibits insufficient efficiency at such depths by absorbing the activation light by the agent according to a spatial non-local optical path.
【0074】
したがって、同時発生の光活性化効率及び組織伝送特性の最適化のための多光
子過程順序の選択の例は、正常的な人間組織でIndo-1の活性化を挙げることが
できる。この例で、対応する3光子断面図と(図3に示す)関係があるIndo-1の
大きい2光子断面図は、350nmで(図8に示す)単光子励起に対する組織吸収に
おいて約260倍の減少をもたらし、700nmで2光子励起を使用するIndo-1
の効率的な光活性化を可能にする。他の実施例のように、黒色症にかかった人間
組織内でのIndo-1の活性化を追加に図示できる。この実施例で、メラニンによ
って700nmでの大きい光の吸収は、より長い波長の使用がマトリクス干渉を避
けるのにより一層望ましいということと、1000nmでIndo-1の3光子のその
ような励起が、1000nmで組織内光の吸収において700nmに対しては約15
倍、及び(1000nmで組織内光の吸収において)350nmに対しては約3500
倍の結果で最適になることを表す。Thus, an example of selection of multiphoton process sequences for optimizing concomitant photoactivation efficiency and tissue transmission properties can include activation of Indo-1 in normal human tissue. In this example, the large two-photon cross-section of Indo-1 (shown in FIG. 3), which is related to the corresponding three-photon cross-section, shows a 260-fold increase in tissue absorption at 350 nm for single-photon excitation (shown in FIG. 8). Indo-1, which produces a reduction and uses two-photon excitation at 700 nm
Enables efficient photoactivation of. As in other examples, activation of Indo-1 in human tissues with melanosis can be additionally illustrated. In this example, the large absorption of light at 700 nm by melanin indicates that the use of longer wavelengths is more desirable to avoid matrix interference, and that such excitation of the Indo-1 three-photon at 1000 nm is 1000 nm. The absorption of light in tissue is about 15 for 700 nm.
And about 3500 for 350 nm (in absorption of tissue light at 1000 nm)
It means that the result is doubled to be optimal.
【0075】
多光子励起のための一般的に最も望ましい波長は、このバンド内で適合した組
織伝送特性の結果として500nm及び4000nmの間にあることを注目しなけれ
ばならない。さらに、分光器使用組織に付加して(組織及びエージェント吸収特
性など)、特別な多光子過程の次数は、試験すべき特別な標本または目標物に最
適な空間局部化の遂行に適合するように選択できる。例えば、一般的により高い
次数の多光子過程(≧3光子)は、2光子励起で観察されたものより一層大きい空
間局部化を提供する。したがって、或る標本に対して、たとえそれが減少された
検出感度をもたらすことがあっても、エージェントの光活性化のためのそのよう
な高い次数の励起過程を使用することが望ましいかも知れない。It should be noted that the generally most desirable wavelengths for multiphoton excitation are between 500 nm and 4000 nm as a result of matched tissue transmission properties within this band. In addition, in addition to spectroscopic tissue (such as tissue and agent absorption properties), the order of the particular multiphoton process is tailored to suit optimal spatial localization performance for the particular specimen or target to be tested. You can choose. For example, generally higher order multiphoton processes (≧ 3 photons) provide greater spatial localization than that observed with two-photon excitation. Therefore, for some specimens it may be desirable to use such a higher order excitation process for photoactivation of the agent, even though it may result in reduced detection sensitivity. .
【0076】多光子光活性化のための励起源
特定の多光子励起過程用の断面は、一般的に多光子過程のような同一の活性化
状態を生成する同等な単光子励起過程に対したものより数倍小さい。これは、2
または3光子が実質的に同時発生式でエージェントと相互作用するという相対的
に低い確率に起因する。しかし、本発明は、瞬間的な高い照射を提供できる光学
励起源を利用するように使われる時、より一層望ましいが、例えばモードロッキ
ングレーザー(チタニウム:サファイアレーザーおよびNd:YAGレーザーを含む)及
び増幅型モードロッキングレーザー(再生的に増幅されたチタニウム:サファイア
レーザー及びchirp-パルス増幅型Nd:YAGレーザーを含む)は、入射瞬間照射を増
加させて、このような低効率の衝撃を実質的に改良でき、これにより、多光子効
率の効果的な効率をきわめて増加させることができる。 Excitation Sources for Multiphoton Photoactivation A cross section for a particular multiphoton excitation process is generally for an equivalent single photon excitation process that produces the same activation state, such as a multiphoton process. Several times smaller than the ones. This is 2
Or due to the relatively low probability that three photons interact with the agent in a substantially simultaneous fashion. However, the present invention is even more desirable when used to utilize optical excitation sources capable of providing high instantaneous illumination, such as mode-locking lasers (including titanium: sapphire lasers and Nd: YAG lasers) and amplifications. -Type mode-locking lasers (including regeneratively amplified titanium: sapphire lasers and chirp-pulse-amplified Nd: YAG lasers) increase the incident instantaneous illumination and substantially improve such low-efficiency shocks. Yes, this can greatly increase the effective efficiency of multiphoton efficiency.
【0077】
そのような一般的なレーザーは、適当な平均パワー(1mWから10Wまでの範囲
)で高いパルス反復率(1KHzから100MHzまでの範囲)で超短波のパルス状出力(
10fsから10psまでの範囲パルス幅を有する)を提供する。獲得可能な瞬間的
な高い照射は、短いパルス(short pulse)幅及び適当な平均パワーが媒体を取り
囲む、望ましくない光活性化を最小化しつつ、多光子過程を刺激できるので、そ
のような出力特性は、選択的でかつ効率的な多光子励起を容易にする。例えば、
持続的な波長励起の使用時に、特定されたエージェント用の3光子励起の効率は
、単光子励起で達成可能なことに比べて107より小さい因子であり得る。しか
し、同一の平均光学パワーが超短波パルストレイン形態で放射されると、瞬間的
な生成及び平均照射において移動は単一体(unity)に近いような割合で変化でき
る。超短波パルス状励起の特別な特性は、付加的な損傷により増加する副産物な
く、このような劇的な改善を可能にする。Such a typical laser has a suitable average power (ranging from 1 mW to 10 W).
) With high pulse repetition rate (range from 1KHz to 100MHz) pulsed output of ultra-short wave (
With a pulse width range from 10 fs to 10 ps). The attainable high instantaneous irradiation can stimulate multi-photon processes while short pulse widths and appropriate average powers surround the medium to minimize undesired photoactivation, so such output characteristics Facilitates selective and efficient multiphoton excitation. For example,
When using continuous wavelength excitation, the efficiency of three-photon excitation for a specified agent can be a factor less than 10 7 compared to what can be achieved with single-photon excitation. However, if the same average optical power is emitted in the form of an ultrashort pulse train, the movement can change at a rate that is close to unity in instantaneous generation and average irradiation. The special properties of ultrashort pulsed excitation enable such a dramatic improvement without increasing by-products due to additional damage.
【0078】
相対的に低いエネルギーパルス(例えば1-10nJの範囲で一般的なパルスエネ
ルギーを有し、かつモードロッキング・チタニウム:サファイアレーザーなど)を
放射できる励起源は、集束された照度条件下で2または3光子を使用する診断的
な光活性化またはイメージングエージェントに最も適合することになり、一方、
相対的に高いエネルギーパルス(例えば1-10nJの範囲で一般的なパルスエネル
ギーを有し、かつ再生的に増幅されたチタニウム:サファイアレーザーなど)を放
射できる資源は、例えば組織の大きい面積または大きい体積内にエージェントを
活性化するように非集束された照度条件下で、2または3光子を使用するそのよ
うなエージェントの光活性化に最も適合することになる。2種類のいずれも、本
発明の範囲内に含まれるように意図されたものである。この説明は、可能な光学
励起源を説明し、他の光学励起源が本発明の範囲内でも使われることができるよ
うに、前述した光学励起源のみを使用することに本発明を限定するものではない
。Excitation sources capable of emitting relatively low energy pulses (eg, having typical pulse energies in the range of 1-10 nJ, and mode-locking titanium: sapphire lasers, etc.) under focused illumination conditions It would be most suitable for diagnostic photoactivation or imaging agents using two or three photons, while
Resources capable of emitting relatively high energy pulses (eg, regeneratively amplified titanium: sapphire lasers with typical pulse energies in the 1-10 nJ range) are, for example, large areas of tissue or large volumes. It would be best suited for photoactivation of such agents using 2 or 3 photons under non-focused illumination conditions to activate the agent therein. Both of the two are intended to be included within the scope of the present invention. This description describes possible optical excitation sources and limits the present invention to using only the optical excitation sources described above so that other optical excitation sources may be used within the scope of the present invention. is not.
【0079】診断及びイメージングエージェントから多光子励起された放射の検出
多光子励起された診断イメージングエージェントからの放射光の起源に関する
空間的な情報は、励起焦点によりインコードされ、励起焦点と関連され得る。こ
れは、光子の移動に基づくものを含み、単光子励起イメージング方法と完全に対
比するが、ここで、診断イメージング信号は、散乱された励起光により発生した
放射から、そして全体励起経路に沿って発生した放射光から注意深くデコンバル
ブされる。したがって、多光子励起された診断エージェントからの放射光に対し
て散乱なしに直接的に検出するかイメージングすることにおいては不必要である
。事実上、収集及び検出過程は、検出された信号及び起源の放射ポイント間の相
関関係を歪曲しないように収集され、検出された放射光の一部だけを必要とする
。 Detection of Multiphoton Excited Radiation from Diagnostic and Imaging Agents Spatial information about the origin of emitted light from multiphoton excited diagnostic imaging agents can be incoded by the excitation focus and associated with the excitation focus. .. This includes those based on the movement of photons and is in complete contrast to the single photon excitation imaging method, where the diagnostic imaging signal is from radiation generated by scattered excitation light and along the entire excitation path. Carefully deconvolved from the emitted synchrotron radiation. Therefore, it is unnecessary to directly detect or image the emitted light from a multi-photon excited diagnostic agent without scattering. Effectively, the collection and detection process is collected so as not to distort the correlation between the detected signal and the originating emission point, and requires only a portion of the detected emitted light.
【0080】
より詳細には、多光子イメージングは、励起のために必要なものより、検出の
ために一層少ない光を必要とする。したがって放射中の散乱から光の損失は容認
できる。さらに、放射光だけが選択的に一層容易に検出されるようにしつつ、正
確に提供された位置で放射する(励起地域)。好ましくは、本発明は相対的に長い
波長を放出するエージェントを使用する。しかし本発明は、そのようなエージェ
ントに限定されるものではない。More specifically, multiphoton imaging requires less light for detection than that required for excitation. Therefore, the loss of light from scattering in the radiation is acceptable. Moreover, only the emitted light selectively emits more easily, while emitting at precisely the location provided (excitation area). Preferably, the present invention uses agents that emit relatively long wavelengths. However, the invention is not limited to such agents.
【0081】
信号検出と多光子励起放出の起源点間の関係の重要性を理解するために、励起
された光が放射瞬間に直ちに伴って生じることを考慮するのが有用である。生物
学的組織のような光学的密集標本でのイメージング時に、多光子励起診断イメー
ジングエージェントからの光は、本質的に等方性方式で放射される。この放射光
の或る部分は、放射点から遠隔に設置された検出装置で直接的に移動し、一方他
の部分は、放射と検出間に起きる一つ以上の散乱イベントの結果として検出装置
で間接的なルートを介して移動する。或る生物学上の標本上で10cmの深さでイ
メージングするように、試みが行なわれれば、非散乱又は弾道の放射された光子
(すなわち、標本の表面から放射する放射瞬間からの総遷移時間)に対する遷移時
間は、約0.3nsである。To understand the importance of the relationship between signal detection and the origin of multiphoton stimulated emission, it is useful to consider that the excited light occurs immediately with the emission instant. During imaging on an optically dense specimen such as biological tissue, light from a multiphoton excited diagnostic imaging agent emits in an essentially isotropic manner. Some of this emitted light travels directly to the detector, which is located remotely from the point of emission, while other parts of the detector are at the detector as a result of one or more scattering events occurring between emission and detection. Travel through indirect routes. Unscattered or ballistic emitted photons if attempts are made to image at a depth of 10 cm on a biological specimen.
The transition time for (ie, the total transition time from the emission instant emanating from the surface of the specimen) is about 0.3 ns.
【0082】
したがって、このサンプルでの最大効率を得るために、弾道及び大きく散乱さ
れた光子を捕獲するために、充分の時間周期の間、すべての放射光を統合するこ
とが望ましい。これは、10cm以下の深さでイメージングするために、約10ns
の統合周期が適当であることを意味する。Therefore, in order to obtain maximum efficiency with this sample, it is desirable to integrate all emitted light for a sufficient period of time to capture the ballistic and heavily scattered photons. This is about 10 ns for imaging at a depth of 10 cm or less.
It means that the integration cycle of is appropriate.
【0083】
イメージが標本に相対的な励起焦点の位置の移動またはスキャニングにより発
生すると、以前の分析は、励起ポイントが10ns毎に一度以上頻繁に移動しなく
てはならないことを意味する。事実上、最小限の一時停止(dwell)回数及び追加
的に可能な変調方法の使用に関する信号対雑音の議論と結合されたスキャニング
過程及びメカニズムに対する実際的な制限は、一般的に1μmを超過する一時停
止の回数を使用して行なわれたスキャニングを要求する。When the image is generated by moving or scanning the position of the excitation focus relative to the specimen, previous analysis means that the excitation point must move more than once every 10 ns. In practice, practical limits for scanning processes and mechanisms combined with signal-to-noise discussions regarding the use of minimal dwell times and additional possible modulation methods are generally above 1 μm. Request scanning done using the number of pauses.
【0084】
したがって、例えば1μm及び100MHz以下の可能な変調周波数を超過する
一時停止回数を有するイメージング基盤の強度に対して、検出器が弾道及び放射
散光の重要な部分を集束できるように置かれたものほど長く位置している場合、
あまり差異がないようにする。放射点の起源に相対的な検出器の位置選択は、時
間の長さが光学的ディレイによって招かれる反面、他の測定変数に対する短い遷
移時間のため、起源として検出された信号と関連する能力に対してほとんど、ま
たは何の効果も有しない。したがって検出器は、励起光を有するエピ-イルミネ
イション(epi-illumination)の配置になるか、または励起ビームの外部に位置で
きる、そうした風に位置できることが明らかである。Therefore, for intensity of the imaging substrate with pause times exceeding the possible modulation frequencies of, for example, 1 μm and 100 MHz or less, the detector was placed so that it could focus a significant part of the ballistic and radiant scattering. If you are located as long as anything,
Try not to make much difference. The position of the detector relative to the origin of the point of emission depends on the ability to correlate with the signal detected as the origin, while the length of time is introduced by the optical delay, while the short transition times for other measurement variables. On the other hand, it has little or no effect. It is therefore clear that the detector can be located in such a manner that it can be in an epi-illumination arrangement with the excitation light or it can be located outside the excitation beam.
【0085】
エピ−イルミネイション配置(または他の可能な同一線形の励起及び検出配置)
は、表面または近くの表面物体の検出のための潜在的な時差損失を最小化するが
、そのような配置は、弾性的に散乱・反射された励起光からの干渉に一層敏感な
ものであることを注目すべきである。時差損失は、標本内での他領域からの放射
光の集束のために、個別的に最適化された多重検出アセンブリを使用することで
、または時差損失が最小化することのように、標本から十分に遠く離れた検出シ
ステムを位置させることによって、励起ポイントと共に一致するレジストリ(reg
istry)を維持する様に、活動的に位置する検出システムにより外部検出配置のた
めに最小化できる。したがって、蛍光性エージェントが図12に示すように、そ
れが進行するところに対する制御が不可能であると、イメージングは、照明地域
がどこなのかを知っていることに依存しなければならない。Epi-illumination configuration (or other possible co-linear excitation and detection configuration)
Minimizes potential jet lag for detection of surfaces or nearby surface objects, but such an arrangement is more sensitive to interference from elastically scattered and reflected excitation light. It should be noted that Staggered loss can be measured from the sample by using individually optimized multiplex detection assemblies for focusing radiation from other regions within the sample, or by minimizing staggered loss. By positioning the detection system far enough away, the matching registry (reg
It can be minimized for external detection arrangements by actively located detection systems, such as maintaining the istry). Therefore, if the fluorescent agent has no control over where it travels, as shown in FIG. 12, imaging must rely on knowing where the illuminated area is.
【0086】
多光子励起診断イメージングエージェントから放射された光の検出に対する議
論は、強度基盤の方法に関する点に集中されるが、ここでイメージは、標本によ
る多重励起点に対する励起の位置で検出した放射強度との相関関係によって構成
できる。しかし強度基盤方法は、多数の複雑な因子に敏感であるので、常に最適
化されるものでなく、その因子は:The discussion on the detection of light emitted from a multi-photon excitation diagnostic imaging agent focuses on points relating to intensity-based methods, where the image is the emission detected at the location of the excitation relative to the multiple excitation points by the sample. It can be configured by a correlation with intensity. However, strength-based methods are not always optimized because they are sensitive to many complex factors, which are:
【0087】
・励起源及び意図された励起点間に位置した非正常光学密度領域が、意図され
た励起点での効果的な励起レベル内で予想しない差異で変わることがあるように
、標本−異質性での異質性による励起光の散乱及び吸収での偏差。このような現
象により引き起こされた所産物(artifact)は、結果として生じる多重データセッ
トの次に起きるデコンバルション(deconvolution)に後続する異質性により他の
領域に悪影響をおよぼすいくつかの励起経路に沿ってデータを得ることによって
改善できるが、これは或る標本に対しは難しいか、不可能である。Sample-as the abnormal optical density region located between the excitation source and the intended excitation point may change with unexpected differences within the effective excitation level at the intended excitation point Deviations in excitation light scattering and absorption due to heterogeneity. The artifacts caused by such a phenomenon can result in several excitation pathways that adversely affect other regions due to the heterogeneity following the subsequent deconvolution of the resulting multiple dataset. It can be improved by obtaining data along, but this is difficult or impossible for some samples.
【0088】
・放射点及び検出システム間に位置した非正常光学密度領域が励起ポイントか
らの放射光に対する集束効率における予想しない差異で変わることがあるように
、標本−異質性での異質性による放射散光及び吸収での偏差。このような現象に
より引き起こされた所産物は、結果としての多重データセットに隨伴されるデコ
ンバルションにより後続する異質性により他の領域に悪影響をおよぼすいくつか
の集束経路に沿ってデータを得ることによって改善できるが、これは、或る標本
に対しは難しいか、不可能である。Emission due to heterogeneity in the specimen-heterogeneity, such that the region of abnormal optical density located between the emission point and the detection system can be changed by an unexpected difference in the focusing efficiency for the emitted light from the excitation point Deviations in diffuse and absorption. The products caused by such phenomena acquire data along several focusing pathways that adversely affect other regions due to subsequent heterogeneity due to deconvolution associated with the resulting multiple datasets. Can be improved, but this is difficult or impossible for some specimens.
【0089】
・形状または機能と直接的に関係のない診断イメージングエージェントの集中
または局部環境での変化−標本による放射レベルでの変化は、標本の構造的また
は生理的な組織と関連し得る強度基盤イメージングと仮定する。しかし、イメー
ジングエージェントが適当に標本にわたり分布しなければ、または標本内の局部
環境での異質性のような他の因子が形態または機能と関連し得るようにイメージ
ングエージェントの放射に悪影響を及ぼすと、標本から有意義なデータを得るこ
とが、より一層難しくなる。このような現象による所産物は、そのような因子に
敏感でないイメージングエージェントを使用したり、設計することによって改善
できるが、これは或る標本に対しは難しいか、不可能である。• Changes in the concentration or local environment of diagnostic imaging agents that are not directly related to shape or function-changes in the radiation level due to the specimen are intensity-based that may be associated with the structural or physiological tissue of the specimen. Assume imaging. However, if the imaging agent is not properly distributed over the sample, or if it adversely affects the radiation of the imaging agent such that other factors such as heterogeneity in the local environment within the sample may be associated with morphology or function, Obtaining meaningful data from a sample becomes even more difficult. The consequences of such phenomena can be improved by using or designing imaging agents that are not sensitive to such factors, which is difficult or impossible for some specimens.
【0090】
標本の光学的異質性にそれほど敏感でない検出接近は、放射強度に対したもの
よりむしろ励起状態寿命における変化の測定基盤のことができる。励起状態の寿
命は、分子エージェント及びその即刻的な環境(及び特に光活性化のために使用
したメカニズムまたは方法と無関係)の励起状態の固有特性である。偶然に、寿
命の正確な測定は、ほとんど励起レベル及び集束効率での最も大きい変化に影響
を受けない。励起状態の寿命を測定するための便利な方法は、変調された励起源
及び結果としての寿命に対する放射信号間の位相変移を関連させる位相光度測定
方法を使用することがある。特に、光子遷移時間に対する前述した議論は、位相
光度測定方法が光学的密集媒体での、特に1-10nsを超過する寿命を有するエ
ージェントに対するイメージングのために適用可能であることを意味する。The detection approach, which is less sensitive to the optical heterogeneity of the specimen, can serve as a basis for measuring changes in the excited state lifetime rather than to the radiant intensity. Excited state lifetime is an intrinsic property of the excited state of the molecular agent and its immediate environment (and, in particular, the mechanism or method used for photoactivation). Coincidentally, accurate measurements of lifetime are almost unaffected by the largest changes in excitation level and focusing efficiency. A convenient way to measure the excited state lifetime may be to use a phase excitation photometric method that correlates the phase shift between the emission signal with the modulated excitation source and the resulting lifetime. In particular, the above discussion on photon transition times means that the phase photometric method is applicable for imaging in optically dense media, especially for agents with lifetimes in excess of 1-10 ns.
【0091】
したがって、診断イメージングエージェントを標本内での形態または関数と関
連させる放射寿命を有するものとして使用すると、寿命における放射強度に対し
たものより変化基盤イメージングの実用化が可能である。そのような寿命基盤方
法は、レーザースキャニング分光学及び人間患者内での腫瘍のような拡大された
対象の遠隔イメージングに同等に適用できる。Therefore, using a diagnostic imaging agent as having a radiative lifetime associated with a morphology or function within the sample allows for the implementation of change-based imaging rather than radiant intensity over lifetime. Such lifetime-based methods are equally applicable to laser scanning spectroscopy and remote imaging of magnified objects such as tumors in human patients.
【0092】
強度の変換または位相基盤放射データのための適合した集束装置は、光電子倍
増管、マイクロ・チャンネルプレート装置、フォトダイオード、アバランシェー
フォトダイオード)、電荷結合素子及び電荷結合素子アレイ、電荷注入素子及び
電荷注入素子アレイ及びフォトグラフィック・フィルムを含むが、これらに限定
されるものではない。Suitable focusing devices for intensity conversion or phase-based emission data include photomultiplier tubes, micro-channel plate devices, photodiodes, avalanche photodiodes), charge-coupled devices and arrays of charge-coupled devices, charge injection. Including but not limited to devices and charge injection device arrays and photographic films.
【0093】診断イメージングエージェントから多光子励起放射の回復のためのノイズ低減-
変調及び調和検出:
多光子励起過程の固有の低効率は、多光子励起放射に非常に高い割合で散乱さ
れ、非吸収励起光は、多光子励起放射に変わることがある。さらに、高い励起パ
ワーレベルの使用に起因する他の可能な線形干渉の重要性は、周辺光及び他の光
学的または電子的ノイズ源からの干渉を除去しようという要求と共に、試験、ラ
マン散乱、及び他の現象下で標本内に存在するエージェントまたは他の種類の単
光子励起蛍光性を含み、全ての検出器信号の適当な復調と連結された変調励起方
法は、分析的信号の干渉と向上した回復に対して最適の判別を提供しなければな
らないことを表している。 Noise Reduction for Recovery of Multiphoton Excited Radiation from Diagnostic Imaging Agents-
Modulation and Harmonic Detection: The inherent low efficiency of the multiphoton excitation process is scattered at a very high rate in multiphoton excitation radiation, and non-absorbing excitation light can be converted to multiphoton excitation radiation. In addition, the importance of other possible linear interferences due to the use of high pump power levels, along with the requirement to eliminate interference from ambient light and other optical or electronic noise sources, test, Raman scattering, and Modulation excitation methods involving agents or other types of single-photon excitation fluorescence present in the sample under other phenomena, coupled with appropriate demodulation of all detector signals, have improved interference with analytical signals. It represents that the best decision for recovery must be provided.
【0094】
事実上、Denkなどの米国特許番号第5,034,613号で短所として報告され
た背景干渉は、もしレーザーのパルス反復周波数で復調を含む適当な変調及び復
調方法が使われるとしたら、大部分は回避去れ得る。実質的に、そのような方法
の使用は、例えば、Denkに開示された顕微鏡のような顕微鏡で信号対ノイズ比(S
NR)の性能を劇的に改善できる。一般的に変調は、1つ以上の次のような方法で
仮想的な或る測定のための検出性能を改善できる:In effect, background interference reported as a disadvantage in US Pat. No. 5,034,613 to Denk et al. , Most can be evaded. Substantially, the use of such a method is useful in signal-to-noise ratio (S
(NR) performance can be dramatically improved. In general, modulation can improve detection performance for some hypothetical measurement in one or more of the following ways:
【0095】
(1) 持続的な背景またはノイズ源の除去。例えば、Denkの2光子レーザース
キャニング顕微鏡のような顕微鏡の使用時に、ロックイン増幅器(LIA)またはヘ
テロダイン復調器のような装置を使用しながら検出器信号に伴う復調による励起
資源の変調は、変調周波数と密接に関連した周波数の帯域で検出システムの応答
を制限することになる。このような復調の位相感度の調節により、変調パターン
にリンクされないか、または変調パターンに密接に調和した信号に対する追加的
な判別を達成できる。したがって、変調周波数及び復調位相の適当な選択により
、室内光、または例えば電気モーターの近くからの特定の周波数での電子的ノイ
ズのようなノイズ源からの干渉を強力に除去できる。このような接近は、人間患
者の腫瘍のような拡大された対象の遠隔イメージングのために均等に有効である
。(1) Persistent background or noise source removal. For example, when using a microscope such as Denk's two-photon laser scanning microscope, the modulation of the excitation resource by demodulation with the detector signal while using a device such as a lock-in amplifier (LIA) or heterodyne demodulator It will limit the response of the detection system in a band of frequencies closely related to. By adjusting the phase sensitivity of the demodulation in this way, additional discrimination can be achieved for signals that are not linked to the modulation pattern or are closely matched to the modulation pattern. Therefore, by proper selection of the modulation frequency and demodulation phase, interference from room light or noise sources such as electronic noise at a particular frequency, for example near the electric motor, can be strongly eliminated. Such access is equally effective for remote imaging of magnified objects such as tumors in human patients.
【0096】
(2) 広帯域または″ピンクノイズ″源の除去。或る測定のために使用した電
子及び他の装置等と共に、この測定環境は、時にピンクノイズと呼ぶ広帯域ノイ
ズを或る測定に提供することがある。このような固有ノイズの衝撃は、広帯域制
限検出方法の使用により大きく減少されることができる。特に、所定の光学測定
のために、光活性化分析の検出された光学放射から出てくる観測信号電圧、VSI GNAL
は、検出器と相互作用する光子により生成された検出器の入力電流iINPUT
に関連し、次の式によって入力インピーダンスZINPUTと検出システムの利得Gが
乗算される:
VSIGNAL=iINPUT・ZINPUT・G (4)(2) Removal of broadband or "pink noise" sources. This measurement environment, along with the electronics and other equipment used for a given measurement, may provide a wide band noise, sometimes referred to as pink noise, to a given measurement. The impact of such intrinsic noise can be greatly reduced by using a wide band limited detection method. In particular, for a given optical measurement, the observed signal voltage, V SI GNAL , emanating from the detected optical emission of the photoactivation assay is the detector input current i generated by photons interacting with the detector. INPUT
The input impedance Z INPUT is multiplied by the gain G of the detection system by the following equation: V SIGNAL = i INPUT · Z INPUT · G (4)
【0097】
一方、観測ノイズ電圧VNOISEは、次の式によってノイズ電流iNOISE、入力イ
ンピーダンス、検出システムの電子及び光学帯域幅Bの平方根及び利得の自乗に
より近似値を求めることができる:
VNOISE=iNOISE・ZINPUT・B1/2・G (5)On the other hand, the observed noise voltage V NOISE can be approximated by the noise current i NOISE , the input impedance, the square root of the electronic and optical bandwidth B of the detection system and the square of the gain by the following equation: V NOISE = I NOISE , Z INPUT , B 1/2 , G (5)
【0098】
したがって、信号対ノイズ比(SNR)は、この2つの電圧の比率(VSIGNAL/VNOIS E
)から推定できる。光電子増倍管(PMT)のような一般的な光学検出器を非変調蛍
光性信号の検出のために使用する時、この検出器は、ノイズ電流と共に或る信号
レベルを生成するはずである。例えば、10pWのレベルで光学的入力を有する
Hamamatsu R928(7.4x105A/W輻射陽極感度)のような標準PMTは、7.4
μAiSIGNALを生成する。もしこの信号電流が100の利得、50Ωの入力インピ
ーダンス、5nV/√Hzの入力ノイズレベル及び1MHzの帯域幅を有する低ノイズ
増幅器により電圧に変換されると、次の信号が生成される:
VSIGNAL=7.4μA・50Ω・100=37mV; (5a)
VNOISE=5nV/√Hz・(106Hz)1/2・100=0.5mV (5b)[0098] Thus, the signal-to-noise ratio (SNR) can be estimated from the ratio of the two voltages (V SIGNAL / V NOIS E) . When a conventional optical detector such as a photomultiplier tube (PMT) is used for the detection of unmodulated fluorescent signal, this detector should produce a certain signal level with noise current. For example, it has an optical input at the level of 10 pW
A standard PMT such as the Hamamatsu R928 (7.4x105A / W radiation anode sensitivity) is 7.4.
Generate μAi SIGNAL . If this signal current is converted to a voltage by a low noise amplifier with a gain of 100, an input impedance of 50Ω, an input noise level of 5nV / √Hz and a bandwidth of 1MHz, the following signal is generated: V SIGNAL = 7.4μA ・ 50Ω ・ 100 = 37mV; (5a) V NOISE = 5nV / √Hz ・ (10 6 Hz) 1/2・ 100 = 0.5mV (5b)
【0099】
オームの法則、またはV=I・Rは、方程式5に示されたノイズ電流及びインピ
ーダンスに代替されることを注目すべきである。こうして、この広帯域実施例に
対して、SNR=74である。もしこの励起エネルギーが、例えば、100%の深
さの変調で1MHzで正弦波に変調されと、値VSIGNAL=約18.5mV(この変調がサ
イクリック減衰またはピック励起パワーの変化無しに平均パワーの約55%の損
失をもたらす他の損失基盤の変調方法により導入されたと仮定)に減少するはず
である。しかし、もし検出システムが1kHzの帯域幅を有する1MHzでの制限さ
れた復調帯域幅を使用すると、ピンクノイズは信号ずっと早く減少する;
VNOISE=5nV/√Hz・(103Hz)1/2・100=16μV (5c)It should be noted that Ohm's law, or V = I · R, is replaced by the noise current and impedance shown in equation 5. Thus, for this wideband embodiment, SNR = 74. If this excitation energy is modulated to a sine wave at 1 MHz, for example with 100% depth modulation, the value V SIGNAL = approx. Of about 55% loss (assumed to be introduced by other loss-based modulation methods). However, if the detection system uses a limited demodulation bandwidth at 1 MHz with a bandwidth of 1 kHz, the pink noise will decrease much faster than the signal; V NOISE = 5 nV / √Hz · (10 3 Hz) 1/2・ 100 = 16μV (5c)
【0100】
そして、全体的なSNRは、約1200と増加する。したがって、たとえ多くの
形態の変調の使用時にいくつかの絶対信号レベルの損失をもたらしたとはいえ、
総合的に見れば、この損失を補償することよりSNRが増加する。さらに、例えば
、周辺光の漏洩から検出器への検出器応答における任意の線形干渉があれば、広
帯域検出スキームは、追加的なノイズ源でこれを検出することになる一方、図示
したように制限された変調帯域幅は、このような干渉を除去することになる。周
辺漏洩(leakage)は、PMTに対して1μAの背景信号を生成すると仮定する。非変
調の場合に対して、この背景Bから光学撮影ノイズは検出された総光子の平方根
と同一で、SNR=S/(S+B)1/2;これは、約5.7の推定されたSNRを産出する
。このような分析は、レーザースキャニング検鏡及び人間患者の腫瘍のような、
拡大された対象の遠隔イメージングに対しても同様に適用できる。Then, the overall SNR increases to about 1200. Therefore, even though it resulted in some absolute signal level loss when using many forms of modulation,
Overall, compensating for this loss increases SNR. Furthermore, if there is any linear interference in the detector response from the ambient light leakage to the detector, for example, the wideband detection scheme will detect this with an additional noise source, while limiting as shown. The resulting modulation bandwidth will eliminate such interference. Assume that the peripheral leakage produces a 1 μA background signal for the PMT. For this non-modulated case, the optical imaging noise from this background B is identical to the square root of the total photons detected, SNR = S / (S + B) 1/2 ; this is an estimated SNR of about 5.7. Produce. Such analyzes include laser scanning speculums and tumors in human patients,
The same applies to remote imaging of magnified objects.
【0101】
(3)変調周波数での線形干渉の除去。多光子励起、散乱比率、多光子励起放射
に対する非吸収励起の固有の低効率の結果は、一般的に非常に高い。これは単光
子励起放射からだけでなく、弾性及び非弾性の散乱から出てくる変調周波数での
線形干渉を含む。光学フィルタリングは、光学背景現象から多光子励起をスペク
トラム的に区別するための努力で頻繁に使用する。不幸にも、このような干渉は
、スペクトラム手段だけを使用して除去することが非常に困難であるか、不可能
である。このような残余干渉源を無視する代案として、純粋な多光子信号の回復
のための1つの接近は、励起パワーレベルに対していくつかの励起パワーレベル
で検出された信号の復帰を利用し、その結果、非線形多光子励起成分は線形干渉
から数学的に抽出できる。これは次のような所定の総蛍光性応答Ifモデルを使
用する:
If=αIL+βIN L (6)
ここで、ILは瞬間励起強度、αは多様な線形効果に対する比例常数、βは多
光子励起放射に対する比例常数、nは光活性化のために使われた光子の数である
。(3) Removal of linear interference at the modulation frequency. The inherent low efficiency results of multiphoton excitation, scattering ratio, and nonabsorption excitation for multiphoton excitation radiation are generally very high. This includes linear interference at the modulation frequency that comes from elastic and inelastic scattering as well as from single photon excited radiation. Optical filtering is often used in an effort to spectrally distinguish multiphoton excitation from optical background phenomena. Unfortunately, such interference is very difficult or impossible to eliminate using spectral means alone. As an alternative to ignoring such residual interference sources, one approach for the recovery of pure multiphoton signals utilizes the recovery of the signal detected at several pump power levels relative to the pump power level, As a result, the nonlinear multiphoton excitation component can be mathematically extracted from the linear interference. It uses a predetermined total fluorescent response If the following model: I f = αI L + βI N L (6) where, IL moment excitation intensity, alpha is proportional constants for various linear effects, beta is Proportional constant for multiphoton excited radiation, n is the number of photons used for photoactivation.
【0102】
一方、このような復帰基盤の方法は、単位時間当り必要な測定の数が少ない実
験のために適当であるが、癌または腫瘍検出のために使用可能な多重ポイントス
キャン光学イメージングの場合のように、総データの獲得時間が最小化する度に
非常に多くの時間がかかり、複雑で且つ非実用的である。いくつかのパワーレベ
ルで多重測定を行うための必要性を除去する第2の高調波検出のような一時的な
除去方法の使用により、ずっと速い結果を得ることができる。Freeman等(R.G.Fr
eeman, D.L.Gilliland及びF.E.Lytle, “正弦波に変調された2光子励起蛍光性
の第2の高調波の検出”、分析化学、62(1990)2216−2219)は、
試験チューブでの化学サンプルの分析及び特性化に有用な第2の高調波検出方法
を議論し、励起資源の正弦波変調は、もっぱら2光子励起蛍光性に係る二倍の変
調周波数で信号を生成するのに使用する。On the other hand, such a reversion-based method is suitable for experiments in which a small number of measurements are required per unit time, but in the case of multipoint scan optical imaging that can be used for cancer or tumor detection. As described above, it takes a lot of time each time the acquisition time of the total data is minimized, which is complicated and impractical. Much faster results can be obtained by using a temporary removal method such as second harmonic detection, which eliminates the need to make multiple measurements at some power levels. Freeman et al. (RGFr
eeman, DL Gilliland and FELytle, “Detection of a sinusoidally modulated, two-photon excited fluorescent second harmonic,” Analytical Chemistry, 62 (1990) 2216-2219).
A second harmonic detection method useful for the analysis and characterization of chemical samples in test tubes is discussed, where the sinusoidal modulation of the excitation resource produces a signal at twice the modulation frequency solely related to the two-photon excitation fluorescence. Used to do.
【0103】
しかし、Freemanがイメージングを使用したという点は現れない。変調周波数
に対して言及したロックイン増幅器は、変調周波数の第2の高調波で純粋な2光
子信号を回復するのに使われる。一方、第2の高調波蛍光信号は、生成された総
2光子蛍光性の約12%の間だけで、全体SNRでの増加をもたらしながら改善
された線形干渉の除去は、絶対信号レベルで損失を補償すること以上になる。し
たがって、第2の高調波検出方法は、散乱の除去及び高いデータ帯域幅電位での
固有の効率の結果として、レーザースキャニング分光学及び人間患者の腫瘍のよ
うな拡大された対象の遠隔イメージングに理想的に適用可能である。このように
長所は、第2の高調波検出を使用するイメージング・システムにおいて、各ポイ
ントで最小の一時停止(dewll)時間、及び各ポイントでの各測定のための最大励
起パワーの使用により、純粋2光子励起放射信号を容易に得ることができるとい
う点を意味する。However, the point that Freeman used imaging does not appear. The lock-in amplifier mentioned for the modulation frequency is used to recover a pure two-photon signal at the second harmonic of the modulation frequency. On the other hand, the second harmonic fluorescence signal is only about 12% of the total two-photon fluorescence generated, and the improved rejection of linear interference results in an increase in overall SNR, resulting in a loss in absolute signal level. Will be more than compensated. Therefore, the second harmonic detection method is ideal for laser scanning spectroscopy and remote imaging of magnified objects such as tumors in human patients as a result of the elimination of scatter and the inherent efficiency at high data bandwidth potentials. Is applicable. Thus, the advantage is that in an imaging system using second harmonic detection, the minimum dewll time at each point and the use of maximum pump power for each measurement at each point This means that a two-photon excitation radiation signal can be easily obtained.
【0104】
多光子励起のより一般的な場合に対しは、n次の高調波で類似の高調波分析を
使用することができ、ここでnは式6に定義する。n光子の励起応答だけを含む
信号は、n次高調波で現れるはずである。復調のためのこのような接近は、多様
な非線形励起過程のための線形干渉を避けるために、一般的で強力な手段を提供
する。For the more general case of multiphoton excitation, a similar harmonic analysis can be used with the nth harmonic, where n is defined in Equation 6. A signal containing only the excitation response of n photons should appear at the nth harmonic. Such an approach for demodulation provides a general and powerful means to avoid linear interference for a variety of nonlinear excitation processes.
【0105】
多光子励起診断イメージングでの変調方法の使用に対して前述した長所は、デ
ータが放射強度または励起状態寿命の測定に基づいて得られるかどうかに対して
も同様に適用される。事実上、寿命の測定は変調波形と検出信号間の位相移動の
決定を基盤とする位相光度測定方法を使用して大部分容易で且つ敏感に測定され
る。したがって、変調方法は多光子励起現象の効率的検出で重要な有用性を持つ
ことが明白で、その方法は、試験を行う標本内で生ずる散乱及び他の現象からだ
けでなく、周辺及び器具的ノイズ源からの干渉の除去を提供する。人間組織のよ
うな光学的密集媒体に対して、多光子励起放射に対する非吸収励起散光の極度に
高い比率は、そのような方法の使用を重要にする。したがってここに説明したよ
うな変調方法の利用は、臨床イメージングの応用のために、または多光子レーザ
ースキャニング分光学のために、有益である。The advantages mentioned above for the use of the modulation method in multiphoton excitation diagnostic imaging apply equally as to whether the data are obtained based on the measurement of the emission intensity or the excited state lifetime. In fact, lifetime measurements are mostly easy and sensitive to measurements using phase photometric methods based on the determination of the phase shift between the modulating waveform and the detected signal. Therefore, it is clear that the modulation method has important utility in the efficient detection of multiphoton excitation phenomena, as it is not only from the scattering and other phenomena that occur in the specimen under test, but also from surrounding and instrumental. Provides removal of interference from noise sources. For optically dense media such as human tissue, the extremely high ratio of non-absorbed pump diffuse to multiphoton pump radiation makes the use of such methods important. Therefore, the use of modulation methods as described herein is beneficial for clinical imaging applications or for multiphoton laser scanning spectroscopy.
【0106】多光子励起イメージングでの造影剤-内因性及び外因性エージェント:
先行する議論で、多光子励起は、特異性及び光学的密集媒体に存在する光学的
反応性分子エージェント用の貫通深さにおいて重要な改良を成すのに使用するこ
とができ、検出性能は、それぞれの励起及び検出過程に対するインコーディング
及びデコーディング方法の使用を通して改善できることを示す。多光子方法の使
用時に可能な励起の例外的な空間局所化は、励起点でのコントラストを顕著に改
善するに利用できる。このような局所励起が行われると、それによる放射分析光
は、多様な検出手段を使用して検出できる。このような励起点が、例えば標本に
相対的な焦点位置をスキャニングすることで、または焦点に相対的な標本の位置
をスキャニングすることで、試験下で標本に対して相対的に移動することになる
と、標本の2または3次元のイメージが励起点の位置とそれにより生成された放
射光間の相関関係の形成により生成できる。 Contrast Agents-Intrinsic and Extrinsic Agents in Multiphoton Excitation Imaging: In the preceding discussion, multiphoton excitation was specific and penetration depth for optically reactive molecular agents present in optically dense media. , And shows that detection performance can be improved through the use of incoding and decoding methods for each excitation and detection process. The exceptional spatial localization of the excitation possible when using the multiphoton method can be used to significantly improve the contrast at the excitation point. When such local excitation is performed, the radiometric analysis light caused thereby can be detected using various detection means. Such an excitation point may move relative to the sample under test, for example by scanning the focal position relative to the sample or by scanning the sample position relative to the focus. Then, a two- or three-dimensional image of the sample can be produced by forming a correlation between the position of the excitation point and the emitted light produced thereby.
【0107】
しかし、このようなイメージでの有用なコントラストは、放射を引き起こす分
子エージェントまたはエージェントの集中または局所環境での差異の存在にも依
存する。このエージェントは、標本に対して内因性または外因性であり、イメー
ジングは、窮極的に標本内で構造または機能の異質性とお互い関連され得る局所
放射特性でのコントラストを基盤とする。したがって、非線形診断またはイメー
ジングでのこのような造影剤の役割もまた重要である。However, the useful contrast in such images also depends on the presence of differences in the molecular agent or concentration of agents or local environment causing the radiation. This agent is either intrinsic or extrinsic to the specimen, and imaging is ultimately based on contrast in local emission properties that can be correlated with structural or functional heterogeneity within the specimen. Therefore, the role of such contrast agents in non-linear diagnosis or imaging is also important.
【0108】
多様な内因性色素体エージェントは、特に病めた組織の診断またはイメージン
グに対して有用である。病めた組織と健康な組織の間での、あるいは、健康また
はやや健康な組織の他の範囲間での構造的・生理的差異のために、芳香アミノ酸
、蛋白質、核酸、細胞エネルギー変換の貯蔵(アデノシン3リン酸のような)、酵
素、ホルモン、または他のエージェントのような自然的な色素体エージェントの
集中または局所環境は、構造的・機能的異質性を調べるために有用な方式に変わ
り得る。したがって、このような異質性の内因性インジケイターは、多光子励起
を使用して非侵害的に調べることができる。A wide variety of endogenous plastid agents are particularly useful for the diagnosis or imaging of diseased tissue. Storage of aromatic amino acids, proteins, nucleic acids, cellular energy conversion due to structural and physiological differences between diseased and healthy tissue, or other areas of healthy or moderately healthy tissue. The concentration or local environment of natural plastid agents (such as adenosine triphosphate), enzymes, hormones, or other agents turns into a useful method for examining structural and functional heterogeneity. obtain. Therefore, such heterogeneous endogenous indicators can be interrogated non-intrusively using multiphoton excitation.
【0109】
残念ながら、多くの場合において、そのようなエージェントにあり得る特異性
は、意味ある結果を達成するには不適切であり、また外因性エージェントが標本
に追加されなければならない。伝統的な外因性エージェントは、半選択的に特定
の組織、機関または投与に続く標本の他の構造的単位に分割される。このエージ
ェントの投与経路は、一般的に局所適用または対称投与によるものである。理想
的な条件下で、このようなエージェントは、関心組織内で分割され、そうでなけ
れば集中され、あるいは組織から優先的に除去するかも知れない。このような集
中は、おそらく皮相的な構造上に、またはその構造にエージェントの分割を導く
構造の物理的または化学的特性での固有な差異によって直接的に孤立した局所適
用の結果である。高濃度と低濃度の地域間でのコントラストは、構造的または生
理学的異質性を調べるための基礎として使用することができる。代案として、外
因性エージェントは、標本に均一に染み込むことができる;色素体シフト、消光
、または寿命のような放射特性が生理学的特異性に敏感ならば、造影剤のこのよ
うな変数は、イメージングにおいてコントラストのための基礎に利用できる。Unfortunately, in many cases the possible specificity of such agents is inadequate to achieve meaningful results and exogenous agents must be added to the sample. Traditional exogenous agents are semi-selectively divided into specific tissues, institutions or other structural units of the specimen following administration. The route of administration of this agent is generally by topical application or symmetrical administration. Under ideal conditions, such agents may be split, otherwise focused, or preferentially removed from the tissue of interest. Such concentration is probably the result of local isolation directly on top of the superficial structure or by direct differences in the physical or chemical properties of the structure leading to the partitioning of the agent into that structure. The contrast between high and low density areas can be used as a basis for investigating structural or physiological heterogeneity. Alternatively, the exogenous agent can penetrate into the specimen uniformly; if radiation properties such as plastid shift, quenching, or lifetime are sensitive to physiological specificity, such variables in contrast agents can Available as a basis for contrast in.
【0110】
分子エージェントの放射特性が励起状態及びその環境の基本的特性により決定
されるので、エージェント励起状態への増進を招くメカニズムは、励起状態の放
射特性に対して大きい衝撃はない。したがって、単光子励起の条件下でよく動作
する分子診断または造影剤は、多光子励起条件下で類似した挙動を表すものと期
待することができる。一般に、単光子励起に有用な或る造影剤は、多光子励起に
使用することができ、イメージの解像度の改善のために励起場所にわたって増加
された制御を提供する。適当な造影剤は、光線力学療法(PDT)のために使用する
だけでなく、生物学的染料または染色液として使われた多くの分子エージェント
を含む。標準PDTエージェントは、一般的に癌性の病気のようなエージェント及
び組織の結合された化学的・物理的特性基盤の組織の特異性を有する。このよう
なエージェントは、光学的エネルギーの効果的な吸収器であり、また多くの他の
場合に発光性を有する。このようなエージェントの例として、次のようなものを
含むが、これらに限定されるものではない:Since the radiative properties of the molecular agent are determined by the fundamental properties of the excited state and its environment, the mechanism leading to the promotion to the excited state of the agent has no significant impact on the radiated properties of the excited state. Therefore, molecular diagnostics or contrast agents that perform well under single photon excitation conditions can be expected to exhibit similar behavior under multiphoton excitation conditions. In general, certain contrast agents useful for single photon excitation can be used for multiphoton excitation and provide increased control over the excitation site for improved image resolution. Suitable contrast agents include many molecular agents used not only for photodynamic therapy (PDT) but also as biological dyes or stains. Standard PDT agents generally have tissue specificity based on the combined chemical-physical properties of agents and tissues such as cancerous diseases. Such agents are efficient absorbers of optical energy and are often luminescent. Examples of such agents include, but are not limited to:
【0111】
多様なソラレン誘導体;
多様なポルフィリン及びヘマトポルフィリン誘導体;
多様な塩素誘導体;
多様なフタロシアニン誘導体;
多様なローダミン誘導体;
多様なクマリン誘導体;
多様なベンゾフェノキサジン誘導体;
クロルプロマジン及びその誘導体;
多様なクロロフィル及びバクテリオクロロフィル誘導体;
フェオホルバイド[フェオa];メロシアニン540[MC540];ビタミン
D;5−アミノレバルリニック酸[ALA];フォトサン;フェオホルバイド−
a[Ph−a];フェノキサジンナイルブル−誘導体(多様なフェノキサジン染
料を含む);
多様な電荷伝送及び輻射伝送エージェント;及び
多数の他の光活性化または感光エージェント。Diverse Psoralen Derivatives; Diverse Porphyrin and Hematoporphyrin Derivatives; Diverse Chlorine Derivatives; Diverse Phthalocyanine Derivatives; Diverse Rhodamine Derivatives; Diverse Coumarin Derivatives; Diverse Benzophenoxazine Derivatives; Chlorpromazine and Its Derivatives; Chlorophyll and bacteriochlorophyll derivatives; Pheophorbide [pheo a]; Merocyanine 540 [MC540]; Vitamin D; 5-Aminolevallinic acid [ALA]; Photosan; Pheophorbide-
a [Ph-a]; Phenoxazine Nile blue-derivatives (including a wide variety of phenoxazine dyes); A wide variety of charge transfer and radiation transfer agents;
【0112】
このようなエージェントは、組織をPDTエージェントで区切るように導く組
織の物理的または化学的特性における差異のため、一般的に応用ポイントまたは
近くや特定の組織内に半選択的に蓄積される。そのような蓄積エージェントは、
多光子励起に敏感で、その発光性または他の放射特性は、診断またはイメージデ
ータの獲得のために使用することができる。光を吸収し、1つ以上の他のエージ
ェントへの連続的なエネルギー伝送が可能な他の光活性化エージェントが単独で
、またはこのように伝送されたエネルギーを受け入れて輻射放射に変形できる一
つ以上の応答エージェントと関連して使用することができる。Such agents are generally semi-selectively accumulated at or near the point of application or within a particular tissue, due to differences in the tissue's physical or chemical properties that lead the tissue to compartmentalize with the PDT agent. It Such a storage agent is
Sensitive to multiphoton excitation, its emissive or other emissive properties can be used for diagnostic or image data acquisition. One that can absorb light and transmit energy continuously to one or more other agents, either alone or by accepting the energy thus transmitted and transformed into radiant radiation. It can be used in connection with the above response agents.
【0113】多光子励起イメージングでの生体造影剤
理想的な条件下で、標準造影剤は、特定の組織に対する化学的または物理的親
和力に基づく目標物の特異性を得る。こうして、造影剤は、分割するか、あるい
は該当組織上または組織内に集中するはずである。残念ながら、このような目標
物特異性は大慨完全ではない。結果的に、エージェント用途に目標を定めるにあ
たって、特異性を増加させる改善された方法が望ましい。特定において、そのよ
うな改善を達成する本発明の一実施例は、構造、機能、または病気の特定の生物
学上記号の使用に基づく。例えば、FITCのような、一つ以上の光活性化部分に対
するアンチセンス・オリゴヌクレオチド・エージェントの結合により、新しい生体
造影剤が相補的な遺伝学的インコーディングを含む癌細胞のような特定の細胞を
、選択的に表示可能なものに創出される。 Biological Contrast Agents for Multiphoton Excitation Imaging Under ideal conditions, standard contrast agents gain target specificity based on their chemical or physical affinity for specific tissues. Thus, the contrast agent should be split or concentrated on or in the tissue of interest. Unfortunately, such target specificity is not complete. Consequently, improved methods of increasing specificity are desirable in targeting agent applications. In particular, one embodiment of the invention that achieves such improvement is based on the use of a particular biological symbol of structure, function, or disease. Binding of antisense oligonucleotide agents to one or more light-activating moieties, such as FITC, allows new bioimaging agents to contain specific genetic cells such as cancer cells containing complementary genetic incoding. Are created to be selectively displayable.
【0114】
さらに、基本的接近は、生体探針に使われたオリゴマーコードの変更によって
多数の遺伝学的基盤の病気、及び他の病気に容易に拡大される。多光子励起の利
用は、このような強力な接近が結合された生体調査の生物−特異性と多光子光活
性化過程に対して固有な高い空間的局所化に使用することによって応用できる。
したがって、非常に高いコントラスト、非常に高い解像度イメージングは、特別
な器官、組織または損傷に対する特定目標のエージェントを使用する遺伝学的レ
ベルで可能となる。Furthermore, the basic approach is easily extended to a number of genetically-based diseases, as well as other diseases, by altering the oligomeric code used for bioprobes. The use of multiphoton excitation can be applied by using such strong access to the bio-specificity of bioprobing coupled with high spatial localization inherent to the multiphoton photoactivation process.
Thus, very high contrast, very high resolution imaging is possible at the genetic level using a specific targeted agent for a particular organ, tissue or injury.
【0115】
生体調査に対する最適の設計は、生体エージェントと目標物の場所の間の錯化
によって変わる、放射特性を有する一つ以上の光活性化部分を使用する。特に、
錯化による放射波長または寿命における変化は、そのような変化が複合されたエ
ージェントを含む地域及び非複合エージェントを含む地域間のコントラストを増
加させるのに役に立つので、一般的な方法の感度を増加させるのに使用すること
ができる。一例として、放射発生が抑制出来ないようにすることによって、錯化
が生ずるまで抑制された光活性化部分に基づく生体エージェントである。別の実
施例は、アンチセンス遺伝学的シークエンスに束縛されたソラレンのように、間
に介在された光活性化部分に基づくエージェントである;アンチセンス・シーク
エンス及びその目標物シークエンス間の錯化によって、光活性化部分の層間光活
性化部分の放射特性において、染色性のシフトを導き出すことが可能となる。The optimal design for biopsy uses one or more photoactive moieties with radiative properties that vary with the complexation between the bioagent and the location of the target. In particular,
Changes in emission wavelength or lifetime due to complexation increase the sensitivity of general methods because such changes help to increase the contrast between regions containing complex agents and regions containing non-complex agents. Can be used for An example is a bioagent based on a photoactivatable moiety that is suppressed until complexation occurs by making the radiation generation uncontrollable. Another example is an agent that is based on an intervening photoactivating moiety, such as psoralen bound to an antisense genetic sequence; by complexing between the antisense sequence and its target sequence. , It becomes possible to derive a shift of dyeability in the radiation characteristics of the interlayer photoactivated portion of the photoactivated portion.
【0116】
例えば、遺伝学的のみよりは、むしろ免疫学的なもののように、他の生物−特
定モード目標方法は、本発明の範囲内に属するという以前の議論から明白である
。より詳細には、抗体調査が光活性化グループと連結されつつ、抗原−抗体方法
基盤のエージェントの特異性は、病気と感染の診断のための強力な新しい方式を
提供する。エージェント目標物で生物特異性を達成するための追加的な方法は、
アルデヒド類、ケトン、アルコール、エステル、アミド、アミン、ニトリル、ア
ジド、または他の親水性または疏水性部分を含有するものを含み、DNA、RNA、ア
ミノ酸、蛋白質、抗体、リガンド、ハプテン、炭水化物受容体または 錯化合物
、蛋白質受容体または錯化合物、脂質受容体または錯化合物、キレート、カプセ
ル化した溶液、ナノ粒子、短−または長−連鎖脂肪性または芳香性炭化水素を含
むが、これらに制限されるものではない。Other organism-specific modal targeting methods, such as those immunological rather than genetic only, are apparent from previous discussions that are within the scope of the present invention. More specifically, the specificity of antigen-antibody method-based agents offers powerful new modalities for the diagnosis of diseases and infections, while antibody studies are linked to photoactivation groups. Additional ways to achieve biospecificity with agent targets are:
Including aldehydes, ketones, alcohols, esters, amides, amines, nitriles, azides, or those containing other hydrophilic or hydrophobic moieties, including DNA, RNA, amino acids, proteins, antibodies, ligands, haptens, carbohydrate receptors Or including, but not limited to, complex compounds, protein receptors or complex compounds, lipid receptors or complex compounds, chelates, encapsulated solutions, nanoparticles, short- or long-chain fatty or aromatic hydrocarbons. Not a thing.
【0117】
(好適な実施例の詳細な説明)
本発明の望ましい実施例中の1つは、1つ以上の内因性または外因性の光活性
化エージェントの多光子光活性化を誘導するように、モードロッキング・チタニ
ウム−サファイアレーザーまたは再生的に増幅されたチタニウム−サファイアレ
ーザーのような超短波パルス源である高い瞬間照射出力を利用することである。
これを含めて他の望ましい実施例が図10-12に示されている。Detailed Description of the Preferred Embodiments One of the preferred embodiments of the present invention is intended to induce multiphoton photoactivation of one or more endogenous or exogenous photoactivating agents. , A mode-locking titanium-sapphire laser or a regeneratively amplified titanium-sapphire laser, utilizing a high instantaneous illumination power that is an ultrashort pulse source.
Including this, another preferred embodiment is shown in FIGS. 10-12.
【0118】本発明の第1実施例:
本願発明の1つの特定的な望ましい実施例は、従来の単光子光活性化のために
必要なものより約2倍以上の波長で、光を使用して標本内に存在する内因性また
は外因性診断、あるいはイメージングエージェントの多光子光活性化を誘導する
ために、NIR源の出力を利用するものである。このような望ましい実施例は、図
10に示される。NIR源の108は、NIR輻射の急速な一連の高いピックパワー・
パルスで構成されるNIR輻射ビーム110を生成し、例えば、存続期間が<20
0fsのモードロッキング・パルス及び約10MHzを超過するパルス反復周波数で約
20nJまでパルスエネルギーを出力できる、商業的に入手可能な標準モードロッ
キング・チタニウム:サファイアレーザーで構成できる。そのようなソースは相
対的に低いが、約690−1080nmからNIR波長バンドにわたって、連続的に
調整可能な高いピックパワー(100kWの次数に対して)を有する平均パワーの光
の疑似−連続ビーム(数Wattsまで)を生成する。NIR源108により放射されたパ
ルストレインは、反射または屈折光学112のような標準光学手段を用いて容易
に集束されたNIR輻射110のビームで構成される。 First Embodiment of the Invention: One particular preferred embodiment of the present invention uses light at a wavelength about twice or more than that required for conventional single photon photoactivation. The output of the NIR source is used to induce intrinsic or extrinsic diagnostics present in the specimen, or to induce multiphoton photoactivation of the imaging agent. Such a preferred embodiment is shown in FIG. The NIR source 108 is a rapid series of high pick powers of NIR radiation.
Produces a NIR radiation beam 110 composed of pulses, for example with a duration <20
It can consist of a commercially available standard mode-locking titanium: sapphire laser capable of outputting pulse energies up to about 20 nJ at 0 fs mode-locking pulses and pulse repetition frequencies in excess of about 10 MHz. Such sources are relatively low, but quasi-continuous beams of light of average power with a continuously tunable high pick power (for orders of 100 kW) over the 690-1080 nm to NIR wavelength band. (Up to a few Watts). The pulse train emitted by the NIR source 108 consists of a beam of NIR radiation 110 that is easily focused using standard optical means such as reflective or refractive optics 112.
【0119】
集束されたNIRビーム114は、標本116上にイメージ化するように送られ
ることができる。診断またはイメージングエージェントの多光子光活性化(例え
ば、2光子、3光子)は、焦点のみに存在する高い瞬間レベルのため、実質的に
集束されたビーム114の焦点地域118に制限されるであろう。標本116に
より散乱された励起光120は、焦点地域118の外郭地域内に存在できる、或
る診断またはイメージングエージェントの顕著な光活性化のために充分な瞬間照
度レベルを有し得ない。焦点地域118に存在する診断またはイメージングエー
ジェント分子により放射された光122は、実質的に等方性方式で焦点地域11
8(光は、蛍光または燐光間に等方的に放射される)を外れる。The focused NIR beam 114 can be sent for imaging onto the specimen 116. Multi-photon photoactivation (eg, two-photon, three-photon) of a diagnostic or imaging agent will be substantially confined to the focal area 118 of the focused beam 114 due to the high instantaneous levels present only at the focal point. Let's do it. The excitation light 120 scattered by the specimen 116 may not have an instantaneous illumination level sufficient for significant photoactivation of certain diagnostic or imaging agents that may be within the outer region of the focal region 118. The light 122 emitted by the diagnostic or imaging agent molecules present in the focal area 118 is in a substantially isotropic manner.
8 (light isotropically emitted during fluorescence or phosphorescence).
【0120】
放射された光124の一部は、標本116の内部または外部位置に装着された
、光電子倍増管のような検出装置126により捕獲される。変調された放射光1
46の一部は、標本116の内部または外部に装着される光電子増倍管のような
検出装置126により捕獲される。この検出装置126は、放射光124の捕獲
部分を処理するために提供する、光学帯域通過フィルターのような波長選択装置
128に装着されるが、その選択装置128は、診断エージェントから主に放射
としての特徴を有することに対応する一つまたは複数の波長で光の主要部分が通
過する間、弾性的に散乱された光の主要部分を除去する。A portion of the emitted light 124 is captured by a detection device 126, such as a photomultiplier tube, mounted inside or outside the specimen 116. Modulated radiation 1
A portion of 46 is captured by a detection device 126, such as a photomultiplier tube mounted inside or outside the specimen 116. This detection device 126 is mounted on a wavelength selection device 128, such as an optical bandpass filter, which provides for processing the trapped portion of the emitted light 124, which selection device 128 is primarily emitted as radiation from the diagnostic agent. Removes a major portion of the elastically scattered light while passing a major portion of the light at one or more wavelengths corresponding to having the characteristics of
【0121】
したがって、前述の検出装置126から生じた信号130は、プロセッサー1
32により捕獲されるが、第1の目的は、焦点地域118の位置の関数として診
断またはイメージングエージェントからの放射応答を記録することである。焦点
地域118の位置が標本116の体積の全体にわたってスキャンされるので、標
本116の完全なイメージは、焦点地域118の位置の関数としてプロセッサー
132の内容を調べることで得ることができる。このイメージは、皮下腫瘍また
は他の病んだ領域のような関心領域134を確認するに使用することができる。Therefore, the signal 130 generated by the above-mentioned detection device 126 is transmitted to the processor 1
Captured by 32, the first purpose is to record the radiation response from the diagnostic or imaging agent as a function of the location of the focal area 118. Since the location of the focal area 118 is scanned over the volume of the specimen 116, a complete image of the specimen 116 can be obtained by examining the contents of the processor 132 as a function of the location of the focal area 118. This image can be used to identify regions of interest 134, such as subcutaneous tumors or other diseased regions.
【0122】本発明の第2実施例:
前述の望ましい実施例の代案として、変調装置が図10に示された一般的な実
施例に結合できる。そのような変調装置は、環境的または器具的ノイズ源の除去
を改善し、純粋多光子励起放射の回復を可能にし、または位相光度測定接近を使
用する放射された光の測定を容易にするように、イメージシステムの全体性能を
改善するのに使用することができる。 Second Embodiment of the Invention: As an alternative to the preferred embodiment described above, a modulator can be combined with the general embodiment shown in FIG. Such modulators improve the removal of environmental or instrumental noise sources, allow the recovery of pure multiphoton excitation radiation, or facilitate the measurement of emitted light using phase photometric proximity. In addition, it can be used to improve the overall performance of the image system.
【0123】
特に図11は、変調器136に駆動信号140を提供する変調器ドライバー1
38の出力に登録された変調パターンを持ってインコードするのに使用できるNI
R源108により放射されたNIRビーム110が相互作用するよう位置された、電
子−光学または音響−光学変調器、チョッパ−、または他の装置のような変調器
126を示す。それにより生成されたNIR輻射の変調されたビーム142は、図
10と関連して前述したように、標本116上に送られる。それにより生成され
た多光子励起放射光144は、本質的に等方的に焦点地域118を出る。In particular, FIG. 11 shows modulator driver 1 providing drive signal 140 to modulator 136.
NI that can be used to incode with modulation patterns registered at 38 outputs
Shown is a modulator 126, such as an electro-optical or acousto-optical modulator, chopper, or other device, positioned to interact with the NIR beam 110 emitted by the R source 108. The modulated beam 142 of NIR radiation produced thereby is directed onto the sample 116, as described above in connection with FIG. The multiphoton excitation radiation 144 produced thereby exits the focal region 118 in an essentially isotropic manner.
【0124】
しかし、図10と関連して前述した類似放射光122と対照的に、この放射光
144は、変調器ドライバー138により発生したドライブ信号140に順に同
期しつつ、NIR放射の変調ビーム142の変調と本質的に同期する変調を示す。
検出装置126は、変調された放射光146の捕獲部分を処理するように提供す
る光学的帯域通過フィルターのような波長選択装置128に設置されるが、選択
装置128は、診断エージェントから主に放射としての特徴を有することに対応
する一つまたは複数の波長で光が主要部分が通過する間、弾性的に散乱された光
の主要部分を除去する。However, in contrast to the similar emitted light 122 described above in connection with FIG. 10, this emitted light 144 is sequentially synchronized with the drive signal 140 generated by the modulator driver 138 while modulating beam 142 of NIR radiation. Shows modulation that is essentially synchronous with the modulation of.
The detection device 126 is installed in a wavelength selection device 128, such as an optical bandpass filter that provides for processing the trapped portion of the modulated emission light 146, which selection device 128 emits primarily from diagnostic agents. Removes a major portion of the elastically scattered light while the major portion of the light passes through at one or more wavelengths corresponding to having
【0125】
したがって、前述の検出装置126から生じた、変調された信号148は、プ
ロセッサー装置150により捕獲される。プロセッサー150は、2つの主要目
的を提供するが、第一は、変調器ドライバー138により発生した復調基準出力
152を使用する検出装置126から発生した変調信号148を復調することで
、第二は、焦点地域118の位置の関数として診断またはイメージングエージェ
ントから復調された放射応答を記録することである。したがって、焦点地域11
8の位置が標本116の体積の全体にわたってスキャンされるため、標本116
の完全なイメージは、焦点地域118の位置の関数としてプロセッサー150の
内容を調べることで得ることができる。このイメージは、皮下腫瘍または他の病
んだ領域のような関心領域134を確認するに使用することができる。Therefore, the modulated signal 148 resulting from the detection device 126 described above is captured by the processor device 150. The processor 150 serves two main purposes, the first is to demodulate the modulated signal 148 generated by the detector 126 using the demodulation reference output 152 generated by the modulator driver 138, and the second is Recording the radiated response demodulated from the diagnostic or imaging agent as a function of the location of the focal area 118. Therefore, focal area 11
8 positions are scanned over the volume of the specimen 116, so that the specimen 116
A complete image of can be obtained by examining the contents of processor 150 as a function of the location of focal area 118. This image can be used to identify regions of interest 134, such as subcutaneous tumors or other diseased regions.
【0126】
また、NIR源108のパルス周波数は、そのようなパルス周波数でNIR輻射14
2の変調ビームを生成しながら、変調源自体として使用することができる。この
他の実施例で、ソース108は、変調器136及び変調器ドライバー138の役
割を提供し、プロセッサー150のための変調基準出力152のソースを生成す
る。結果的に、別途の変調器またはドライバーを必要としない。Also, the pulse frequency of the NIR source 108 is such that the NIR radiation 14
It can be used as the modulation source itself while producing two modulated beams. In this alternative embodiment, source 108 provides the roles of modulator 136 and modulator driver 138 to generate the source of modulation reference output 152 for processor 150. As a result, no separate modulator or driver is needed.
【0127】本発明の第3の実施例
望ましい実施例の2番目の代案として、非集束NIR輻射ビームが直接イメージ
検出モードを提供するように、皮相的な標本の特徴を照明するのに使用すること
ができる。これは、図12に示されている。特に、例えばモードロッキング・チ
タニウム:サファイアレーザーのようなNIR源の出力は、従来の単光子光活性化
に必要な波長より約2倍以上の波長で光を使用して、標本の表面上または近くに
存在する内因性または外因性の診断、またはイメージングエージェントの多光子
光活性化を誘導するのに使用することができる。 Third Embodiment of the Invention As a second alternative to the preferred embodiment, a non-focused NIR radiation beam is used to illuminate the apparent specimen features so as to provide a direct image detection mode. be able to. This is shown in FIG. In particular, the output of an NIR source, such as a mode-locking titanium: sapphire laser, uses light at about twice or more the wavelength required for conventional single-photon photoactivation, on or near the surface of the specimen. It can be used to induce multi-photon photoactivation of an endogenous or extrinsic diagnostic or imaging agent.
【0128】
NIR源108は、一連の速いNIR輻射の高いピックパワー・パルスからなるNIR輻
射ビーム110を生成する。このビームは、NIR源108により放射されたNIR輻
射ビーム110と相互作用するように位置する変調器136を使用して変調され
る。変調器136は、この変調器136にドライブ信号140を提供する変調器
ドライバー138の出力オ−レ(ole)に登録された変調パターンで、NIR輻射ビー
ム110をインコードする。それにより生成されたNIR輻射の変調されたビーム
142は、標本116上にイメージの形成のために発散される発散励起ビーム1
56を生成するように、反射または屈折光学154のような標準科学装置を使用
して集束される。標本116上または近くに存在する診断またはイメージエージ
ェント多光子光活性化は、変調器ドライバー138により発生したドライバー信
号140に順に同期しつつ、NIR輻射の変調されたビーム142の変調と実質的
に同期する変調を有する、変調された多光子励起放射光144を生成する。The NIR source 108 produces a beam of NIR radiation 110 consisting of a series of high pick power pulses of fast NIR radiation. This beam is modulated using a modulator 136 positioned to interact with the NIR radiation beam 110 emitted by the NIR source 108. Modulator 136 incodes NIR radiation beam 110 with a modulation pattern registered at the output ole of modulator driver 138 which provides drive signal 140 to modulator 136. The modulated beam 142 of NIR radiation produced thereby is divergent to the divergent excitation beam 1 to form an image on the specimen 116.
Focused using standard scientific equipment, such as reflective or refractive optics 154, to produce 56. The diagnostic or image agent multiphoton photoactivation present on or near the specimen 116 is substantially synchronized with the modulation of the modulated beam 142 of NIR radiation, in turn synchronized with the driver signal 140 generated by the modulator driver 138. A modulated multiphoton excitation radiation 144 having a modulation that
【0129】
変調された放射ビーム146の一部は、標本116の外側に設置された電荷結
合素子アレイのようなイメージ検出装置158により捕獲される。イメージ検出
装置158は、変調された放射光146の捕獲部分を処理するように提供する光
学的帯域通過フィルターのような波長選択装置128に設置されるが、選択装置
128は、診断エージェントから主に放射としての特徴を有することに対応する
、一つまたは複数の波長で光の主要部分が通過する間、弾性的に散乱された光の
主要部分を除去する。したがって、前述のイメージ検出装置158から発生した
変調信号160は、プロセッサー162により捕獲される。プロセッサー162
は、2つの主要目的を提供するが、第一は、変調器ドライバー138により発生
した復調基準出力152を使用するイメージ検出装置158から発生した変調信
号160を復調することであり、第二は、放射の位置の関数として診断またはイ
メージングエージェントから復調された放射応答を記録することである。したが
って、この代案実施例は、皮膚癌損傷のような表面特徴164の直接的なビデオ
グラフィック・イメージングが標本116の照射された表面を横切る多光子励起
放射での空間的差異に基づいて行うことができるようにする。A portion of the modulated radiation beam 146 is captured by an image detection device 158, such as a charge coupled device array located outside the specimen 116. The image detection device 158 is installed on a wavelength selection device 128, such as an optical bandpass filter that provides to process the captured portion of the modulated radiation 146, which selection device 128 is primarily used by diagnostic agents. Eliminates a major portion of the elastically scattered light while passing a major portion of the light at one or more wavelengths, which corresponds to having a characteristic as radiation. Therefore, the modulated signal 160 generated by the image detection device 158 described above is captured by the processor 162. Processor 162
Provides two primary purposes, the first is to demodulate the modulated signal 160 generated by the image detector 158 using the demodulation reference output 152 generated by the modulator driver 138, and the second is Recording the radiation response demodulated from a diagnostic or imaging agent as a function of the location of the radiation. Thus, this alternative embodiment allows direct videographic imaging of surface features 164, such as skin cancer lesions, to be based on spatial differences in multiphoton excited radiation across the illuminated surface of specimen 116. It can be so.
【0130】
また、NIR源108のパルス周波数は、そのようなパルス周波数でNIR輻射14
2の変調ビームを生成しつつ、変調源自体として使用することができる。他の実
施例で、ソース108は変調器136及び変調器ドライバー138の役割を提供
し、プロセッサー150のための変調基準出力152のソースを生成する。結果
的に、別途の変調器またはドライバーを必要としない。
先行の開示は、主にモードロッキング・チタニウム:サファイアレーザーにより
生成された、超短波パルスNIR光学輻射を有するエージェントの多光子励起を使
用する実施例の応用に集中されるのに対して、本発明は、そのように狭く定義さ
れた光学源及びそのような励起に限定されないことが明白である。事実上、本発
明の態様は、光学励起が線形または他の非線形の方法を使用して達成される時、
適用可能である。例えば、連続波及びパルスランプ、ダイオード光源、半導体レ
ーザー;アルゴンイオンレーザー;クリプトンイオンレーザー;ヘリウム−ネオ
ンレーザー;ヘリウム−カドミウムレーザー;ルビーレーザー;Nd:YAG、Nd:Y
LF、Nd:YAP、Nd:YV04、Nd:ガラス、及びNd:CrGsGGレーザー;Cr:LiSFレ
ーザー;Er:YAGレーザー:F−センターレーザー;Ho:YAF及びHo:YLFレーザー
;カッパーベーパーレーザー;窒素レーザー;光学変数オシレーター、増幅器及
びジェネレーター;再生的増幅レーザー;チャープ−パルス幅レーザー;及び太
陽光を含む、他の形態の気体、染料及び固体状態に連続的で、パルス化した、ま
たはモードロッキング・レーザーのようなものが単独でまたは結合して多様な他
の光学源を適用できる。Also, the pulse frequency of the NIR source 108 is such that the NIR radiation 14
It can be used as the modulation source itself while producing two modulated beams. In another embodiment, source 108 provides the role of modulator 136 and modulator driver 138 to generate the source of modulation reference output 152 for processor 150. As a result, no separate modulator or driver is needed. Whereas the previous disclosure is focused primarily on the application of an embodiment using multi-photon excitation of an agent with ultrashort pulsed NIR optical radiation produced by a mode-locking titanium: sapphire laser, the present invention is It is clear, that it is not limited to such a narrowly defined optical source and such excitation. In effect, an aspect of the invention is that when optical excitation is achieved using linear or other non-linear methods,
Applicable. For example, continuous wave and pulse lamps, diode light sources, semiconductor lasers; argon ion lasers; krypton ion lasers; helium-neon lasers; helium-cadmium lasers; ruby lasers; Nd: YAG, Nd: Y
LF, Nd: YAP, Nd: YV04, Nd: glass, and Nd: CrGsGG laser; Cr: LiSF laser; Er: YAG laser: F-center laser; Ho: YAF and Ho: YLF laser; Copper vapor laser; Nitrogen laser Optical variable oscillators, amplifiers and generators; regeneratively amplified lasers; chirp-pulse width lasers; and other forms of gas, dye and solid state continuous, pulsed, or mode-locking lasers including; A variety of other optical sources can be applied, either alone or in combination.
【0131】
そのようなソースは、例えば約1kz以下から10GHz以上までの範囲のパル
ス反復周波数、及び約10ピコジュール以下から約50ミリジュールまでの範囲
のエネルギーで、連続的であるか、またはパルス化した光ビームを形成でき、よ
って本発明での使用に特に適当である。Such a source may be continuous or pulsed, for example with a pulse repetition frequency in the range of about 1 kz or less to 10 GHz or more, and energy in the range of about 10 picojoules or less to about 50 millijoules. A focused light beam can be formed and is thus particularly suitable for use in the present invention.
【0132】
また、先行の開示は、植物または動物組織で生体内での検出または病気の特徴
化のための診断及びイメージング応用に集中されたのに対して、本発明は、応答
目標物エージェントの選択的活性化が望ましい時ごとに、追加的な有用性を持つ
ことが明白である。特に、生物学的検鏡及び他の分析方法及び装置のような他の
領域で、本発明の或る側面の応用は、本発明の範囲内に含まれるものである。一
例として、ここで説明したような変調及び復調方法の使用は、単光子レーザース
キャニング検鏡、2光子レーザースキャニング検鏡及び多光子レーザースキャニ
ング検鏡のような多様な形態の検鏡において直接的な応用可能性を有する。
前述した要素の各々、または2つ以上が共に、上記に言及した形態と異なる構
造、または有用な応用をも見つけることができるということは理解されるはずで
ある。Also, while the previous disclosures have focused on diagnostic and imaging applications for in vivo detection or disease characterization in plant or animal tissues, the present invention provides response target agent agents. It is clear that it has additional utility whenever selective activation is desired. Applications of certain aspects of the invention, especially in other areas such as biological microscopy and other analytical methods and devices, are within the scope of the invention. As an example, the use of modulation and demodulation methods as described herein has direct application in various forms of speculum such as single photon laser scanning speculum, two photon laser scanning speculum and multiphoton laser scanning speculum. Has applicability. It should be understood that each, or more than one, of the aforementioned elements may also find structures or useful applications that differ from the forms referred to above.
【0133】
一方、本発明は、分子診断またはイメージングエージェントの光活性化におい
て、改善された選択性に対する一般的な方法において変形されたように図示され
説明されたが、本発明は、図示された方法の形態及び詳細な説明において多様な
省略、変形、代替及び変化及びその動作が、本発明の思想から逸脱することなく
当業者ならば当然製造可能なので、詳細な説明の表したもののみに限定して意図
したものではない。例えば、第3の実施例において、変調及び復調の詳細な内容
は、この実施例の変調がイメージングの遂行において全体的な減少をもたらすが
、より簡単なイメージング装置を生成するように省略することもできる。While the present invention has been illustrated and described as being modified in a general way for improved selectivity in photoactivation of molecular diagnostic or imaging agents, the present invention has been illustrated. Various omissions, modifications, substitutions and changes in the method forms and detailed descriptions and operations thereof can be naturally manufactured by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention, and thus are limited to only those described in the detailed description. And that was not what I intended. For example, in the third embodiment, the details of the modulation and demodulation may be omitted to produce a simpler imaging device, although the modulation of this embodiment results in an overall reduction in the performance of the imaging. it can.
【0134】
この詳細な説明は、ただ例示の目的で提供されたもので、以下の請求範囲に定
義された応用発明を限定するように意図したものではない。
さらなる分析がなくても、前述の例は、完全に本発明の要点を示し、その他は
、現在の知識を応用して従来技術の観点から、本発明の特有でかつ特定の本質的
な特徴を適切に構成する特徴を省略することがなく、容易にそれを多様な応用に
適用することができるものである。
特許により保護されるべき新規でかつ所望の事項は、請求範囲で説明される。This detailed description is provided for purposes of illustration only and is not intended to limit the invention of application as defined in the following claims. Without further analysis, the above examples fully illustrate the point of the invention, others apply the current knowledge, and in view of the prior art, reveal the unique and specific essential features of the invention. It is possible to easily apply it to various applications without omitting properly configured features. What is new and desired to be protected by a patent is set forth in the following claims.
【図1】
通常の線形及び非線形光学励起過程に対するエネルギーレベルのダイヤグラム
の例示図である。1 is an exemplary diagram of energy levels for conventional linear and nonlinear optical excitation processes.
【図2】
いくつかの線形及び非線形光学励起過程に対する一般的に変形された ヤブウ
ォニスキ・エネルギーレベルのダイヤグラム図である。FIG. 2 is a diagram of generally modified Yavwoniski energy levels for several linear and nonlinear optical excitation processes.
【図3】
励起パワーの関数としてIndo-1に対する2光子励起応答と3光子励起応答と
の比較図である。FIG. 3 is a comparison of the two-photon and three-photon excitation responses for Indo-1 as a function of pump power.
【図4】 線形及び非線形励起過程に対する空間的な励起性質の比較図である。[Figure 4] FIG. 5 is a comparison diagram of spatial excitation properties for linear and nonlinear excitation processes.
【図5】
組織の表面または組織の表面下に存在するエージェントの局部的な活性化に利
用された空間的に局部的多光子励起の例示図である。FIG. 5 is an illustration of spatially localized multiphoton excitation utilized for localized activation of an agent residing at or below the surface of a tissue.
【図6】
アガロスゼラチンのブロックに均一に分布された染料分子クマリン-480の
単光子と2光子励起蛍光性との比較図である。FIG. 6 is a comparison diagram of single-photon and two-photon excitation fluorescence of dye molecule coumarin-480 uniformly distributed in blocks of agarose gelatin.
【図7】
単光子励起及び同時発生の2光子励起を使用する時、Hp-IXに対する励起波長
の関数として吸収断面を比較した図である。FIG. 7 compares absorption cross sections as a function of excitation wavelength for Hp-IX when using single photon excitation and simultaneous two-photon excitation.
【図8】
赤外線スペクトラム領域に対して紫外線をカバする人間組織に対する吸収及び
散乱スペクトラムの例示図である。FIG. 8 is an exemplary diagram of absorption and scattering spectra for human tissue that covers ultraviolet rays in the infrared spectrum region.
【図9】
入射短波長及び長波長光に対する組織の光学吸収及び散乱特性における一般的
な傾向を示す図である。FIG. 9 shows general trends in the optical absorption and scattering properties of tissue for incident short and long wavelength light.
【図10】
内因性または外因性診断用イメージングエージェントをイメージングするため
の本発明の望ましい実施例のダイヤグラム図である。FIG. 10 is a diagrammatic view of a preferred embodiment of the present invention for imaging an intrinsic or extrinsic diagnostic imaging agent.
【図11】
内因性または外因性診断イメージングエージェントをイメージングするための
本発明の他の望ましい実施例のダイヤグラム図であり、変調はイメージング実行
を改善するために使われる。FIG. 11 is a diagrammatic view of another preferred embodiment of the present invention for imaging intrinsic or extrinsic diagnostic imaging agents, where modulation is used to improve imaging performance.
【図12】
表面的な特徴のビデオグラフィックイメージング用の本発明の第2の望ましい
実施例のダイヤグラム図である。FIG. 12 is a diagrammatic view of a second preferred embodiment of the present invention for superficial feature videographic imaging.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU, AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C N,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES ,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU, ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,K R,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 エイチ クライグ ディース アメリカ合衆国 テネシー州 37923 ノ ックスビレ ウィンドハムウェイ 1006 アパートメント 1517 (72)発明者 エリック ワクター アメリカ合衆国 テネシー州 37830 オ ークリッジ ベイパスドライブ 138 Fターム(参考) 2G043 AA03 BA16 CA05 EA01 FA01 FA06 GA02 GA08 GB01 GB21 HA01 JA03 KA01 KA02 KA03 NA04 NA06 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, C N, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE, ES , FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, K R, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV , MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, S K, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG , UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor H Craig Dees 37923, Tennessee, United States Cusbile Windham Way 1006 Apartment 1517 (72) Inventor Eric Wakuta 37830 Oh, United States Cleridge Bay Pass Drive 138 F-term (reference) 2G043 AA03 BA16 CA05 EA01 FA01 FA06 GA02 GA08 GB01 GB21 HA01 JA03 KA01 KA02 KA03 NA04 NA06
Claims (78)
体積を診断またはイメージングするための方法において、 (a)前記物質の特定体積に含有された光活性分子エージェントの多光子励起を
増進させるに充分な光で前記物質の特定体積を処理する段階と、 (b)前記物質の特定体積内で前記少なくとも1つの光活性分子エージェントを
光活性化することによって、少なくとも1つの光活性化分子エージェントを生成
し、この少なくとも1つの光活性化分子エージェントはエネルギーを放射する段
階と、 (c)前記少なくとも1つの光活性化分子エージェントにより放射されたエネル
ギーを検出する段階と、 (d)前記物質の特定体積を特徴づける検出エネルギー信号を生成する段階とを
含む方法。1. A method for diagnosing or imaging a specific volume of a substance comprising at least one photoactive molecular agent, comprising: (a) enhancing multiphoton excitation of a photoactive molecular agent contained in the specific volume of said substance. Treating the specific volume of the substance with sufficient light to cause (b) at least one photoactive molecule by photoactivating the at least one photoactive molecule agent within the specific volume of the substance. Generating an agent, the at least one photoactivated molecular agent emitting energy, (c) detecting the energy emitted by the at least one photoactivated molecular agent, and (d) the substance. Generating a sensed energy signal characterizing a particular volume of the.
進させるに充分な光はレーザー光である請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the light sufficient to enhance multiphoton excitation of the at least one photoactive agent is laser light.
請求項2に記載の方法。3. The method of claim 2, wherein the laser light comprises one or more ultrashort pulse trains.
間を有する請求項3に記載の方法。4. The method of claim 3, wherein each of the one or more pulses has a duration of at most about 10 ps.
充分な光は集束光束である請求項1に記載の方法。5. The method of claim 1, wherein the light sufficient to enhance multiphoton excitation of the photoactivated molecular agent is a focused beam.
法。6. The method according to claim 5, wherein the focused light flux is a focused laser light.
ージェントである請求項1に記載の方法。7. The method of claim 1, wherein the at least one photoactive molecular agent is an endogenous agent.
する物質を処理する第1の段階をさらに含み、前記物質の特定体積は、前記少な
くとも1つの光活性分子エージェントの少なくとも一部をリトレインする請求項
1に記載の方法。8. The method further comprises a first step of treating a substance having at least one photoactive molecular agent, wherein the particular volume of the substance comprises at least a portion of the at least one photoactive molecular agent. The method of claim 1, wherein the method is retraining.
、5−メトキシソラレン(5−MOP)、8−メトキシソラレン(8−MOP)、4、5′
、8−トリメチルソラレン(TMP)、4′−アミノメチル−4、5′、8−トリメ
チルソラレン(AMT)、5−クロロメチル−8−メトキシソラレン(HMT)、アンゼル
リシン(イソソラレン)、5−メチルアンゼルリシン(5−MIP)、3−カルボキシ
ソラレン、ポルフィリン、ヘマトポルフィリン誘導体(HPD)、ポトフリンII、ベ
ンゾポルフィリン誘導体(BPD)、プロトポルフィリンIX(PIX)、染料ヘマトポルフ
ィリン・エーテル(DHE)、ポリヘマトポルフィリン・エステル(PHE)、プロトポルフ
ィリン(PH1008)の13、17−N、N、N−ジメチルエチルエタノールアミン・
エステル、テトラ(3−ヒドロキシフェニル)−ポルフィリン(3−THPP)、テトラ
フェニルポルフィリン・モノスルホネート(TPPSI)、テトラフェニルポルフィリン
・ジスルホネート(TPPS2a)、ジヘマトポルフィリン・エーテル、メソテトラフェ
ニルポルフィリン、メソテトラ(4N-メチルピリジル)ポルフィリン(T4MpyP)、
オクタ−(4−tert−ブチルフェニル)テトラピラジノポルフィラジン(OPTP)、フ
タロシアニン、テトラ−(4−tert−ブチル)フタロシアニン(t4−PcH2)、テト
ラ−(4−tert−ブチル)フタルロシアナトマグネシウム(t4−PcMg)、クロロア
ルミニウム・スルホン化フタルロシアニン(CASPc)、クロロアルミニウム・フタロ
シアニン・テトラスルフェート(AIPcTS)、モノ−スルホン化アルミニウム・フタロ
シアニン(AISPc)、ジスルホン化アルミニウム・フタロシアニン(AIS2Pc)、トリ
−スルホン化アルミニウム・フタロシアニン(AIS3Pc)、テトラ−スルホン化アル
ミニウム・フタロシアニン(AIS4Pc)、シリコン・フタロシアニン(SiPcIV)、亜鉛(
II)フタロシアニン(ZnPc)、ビス(ジ−イソブチル・オクタデシルシロキシ)シリコ
ン2、3−ナフタロシアニン(イソBOSINC)、ゲルマニウム(IV)オクタブトキシ・
フタロシアニン(GePc)、ローダミン101(Rh−101)、ローダミン110(Rh
−110)、ローダミン123(Rh−123)、ローダミン19(Rh−19)、ロー
ダミン560(Rh−560)、ローダミン575(Rh−575)、ローダミン590
(Rh−590)、ローダミン610(Rh−610)、ローダミン640(Rh−640)
、ローダミン6G(Rh−6G)、ローダミン700(Rh−700)、ローダミン800
(Rh−800)、ローダミンB(Rh−B)、スルホローダミン101、スルホローダミ
ン640、スルホローダミンB、クマリン1、クマリン2、クマリン4、クマリ
ン6、クマリン6H、クマリン7、クマリン30、クマリン47、クマリン10
2、クマリン106、クマリン120、クマリン151、クマリン152、クマ
リン152A、クマリン153、クマリン311、クマリン307、クマリン3
14、クマリン334、クマリン337、クマリン343、クマリン440、ク
マリン450、クマリン456、クマリン460、クマリン461、クマリン4
66、クマリン478、クマリン480、クマリン481、クマリン485、ク
マリン490、クマリン500、クマリン503、クマリン504、クマリン5
10、クマリン515、クマリン519、クマリン521、クマリン522、ク
マリン523、クマリン535、クマリン540、クマリン540A、クマリン
548、5−エチルアミノ−9−ジエチルアミノベンゾ[a]フェノキサジニウ
ム(EtNBA)、5−エチルアミノ−9−ジエチルアミノベンゾ[a]フェノチアジニ
ウム(EtNBS)、5−エチルアミノ−9−ジエチルアミノベンゾ[a]フェノセレナ
ジニウム(EtNBSe)、クロルプロマジン、クロルプロマジン誘導体、クロロフィル
誘導体、バクテリオクロロフィル(緑色バクテリア)誘導体、金属リガンド錯塩、
トリス(2、2′−ビピリジン)ルテニウム(II)ジクロライド(RuBPY)、トリス(2
、2′−ビピリジン)ロジウム(II)ジクロライド(RhBPY)、トリス(2、2′−ビ
ピリジン) プラチューム(II)ジクロライド(PtBPY)、フェオホルバイドa、メロ
シアニン540、ビタミンD、5−アミノ−ラエブリン酸、フォトサン(photosa
n)、クロリンe6、クロリンe6エチレンジアミン、モノ−L−アスパルチル・ク
ロリンe6、フェノキサジン・ナイルブルー誘導体、スチルベン、スチルベン誘導
体、4−(N−(2−ヒドロキシルエチル)−N−メチル−アミノフェニル)−4′−
(6−ヒドロキシルヘキシルスルホニル)スチルベン(APSS)、及び標準生物学的染
料及び顔料よりなる群から選ばれる請求項8に記載の方法。9. The at least one photoactive molecular agent comprises psoralen, 5-methoxypsoralen (5-MOP), 8-methoxypsoralen (8-MOP), 4, 5 '.
, 8-trimethylpsoralen (TMP), 4'-aminomethyl-4,5 ', 8-trimethylpsoralen (AMT), 5-chloromethyl-8-methoxypsoralen (HMT), anzellysin (isopsoralen), 5-methylan Zerricin (5-MIP), 3-carboxypsoralen, porphyrin, hematoporphyrin derivative (HPD), potophrin II, benzoporphyrin derivative (BPD), protoporphyrin IX (PIX), dye hematoporphyrin ether (DHE), polyhemato Porphyrin ester (PHE), Protoporphyrin (PH1008) 13,17-N, N, N-dimethylethylethanolamine
Ester, tetra (3-hydroxyphenyl) -porphyrin (3-THPP), tetraphenylporphyrin monosulfonate (TPPSI), tetraphenylporphyrin disulfonate (TPPS2a), dihematoporphyrin ether, mesotetraphenylporphyrin, mesotetra ( 4N-methylpyridyl) porphyrin (T4MpyP),
Octa - (4-tert-butylphenyl) tetra pyrazinoporphyrazine (OPTP), phthalocyanine, tetra - (4-tert-butyl) phthalocyanine (t 4 -PcH 2), tetra - (4-tert-butyl) phthalate Russia Natomagnesium (t 4 -PcMg), Chloroaluminum sulfonated phthalocyanine (CASPc), Chloroaluminum phthalocyanine tetrasulfate (AIPcTS), Mono-sulfonated aluminum phthalocyanine (AISPc), Disulfonated aluminum phthalocyanine ( AIS2Pc), tri-sulfonated aluminum phthalocyanine (AIS3Pc), tetra-sulfonated aluminum phthalocyanine (AIS4Pc), silicon phthalocyanine (SiPcIV), zinc (
II) Phthalocyanine (ZnPc), bis (di-isobutyl octadecylsiloxy) silicon 2,3-naphthalocyanine (isoBOSINC), germanium (IV) octabutoxy
Phthalocyanine (GePc), Rhodamine 101 (Rh-101), Rhodamine 110 (Rh
-110), Rhodamine 123 (Rh-123), Rhodamine 19 (Rh-19), Rhodamine 560 (Rh-560), Rhodamine 575 (Rh-575), Rhodamine 590
(Rh-590), Rhodamine 610 (Rh-610), Rhodamine 640 (Rh-640)
, Rhodamine 6G (Rh-6G), Rhodamine 700 (Rh-700), Rhodamine 800
(Rh-800), Rhodamine B (Rh-B), sulforhodamine 101, sulforhodamine 640, sulforhodamine B, coumarin 1, coumarin 2, coumarin 4, coumarin 6, coumarin 6H, coumarin 7, coumarin 30, coumarin 47, Coumarin 10
2, coumarin 106, coumarin 120, coumarin 151, coumarin 152, coumarin 152A, coumarin 153, coumarin 311, coumarin 307, coumarin 3
14, coumarin 334, coumarin 337, coumarin 343, coumarin 440, coumarin 450, coumarin 456, coumarin 460, coumarin 461, coumarin 4
66, coumarin 478, coumarin 480, coumarin 481, coumarin 485, coumarin 490, coumarin 500, coumarin 503, coumarin 504, coumarin 5
10, Coumarin 515, Coumarin 519, Coumarin 521, Coumarin 522, Coumarin 523, Coumarin 535, Coumarin 540, Coumarin 540A, Coumarin 548, 5-Ethylamino-9-diethylaminobenzo [a] phenoxazinium (EtNBA), 5- Ethylamino-9-diethylaminobenzo [a] phenothiazinium (EtNBS), 5-ethylamino-9-diethylaminobenzo [a] phenoselenazinium (EtNBSe), chlorpromazine, chlorpromazine derivatives, chlorophyll derivatives, bacteriochlorophyll (green) Bacteria) derivative, metal ligand complex salt,
Tris (2,2'-bipyridine) ruthenium (II) dichloride (RuBPY), Tris (2
2'-bipyridine) rhodium (II) dichloride (RhBPY), tris (2, 2'-bipyridine) prattum (II) dichloride (PtBPY), pheophorbide a, merocyanine 540, vitamin D, 5-amino-laevulinic acid, photo Sun (photosa
n), chlorin e6, chlorin e6 ethylenediamine, mono-L-aspartyl chlorin e6, phenoxazine nile blue derivative, stilbene, stilbene derivative, 4- (N- (2-hydroxylethyl) -N-methyl-aminophenyl) -4'-
9. The method of claim 8 selected from the group consisting of (6-hydroxylhexylsulfonyl) stilbene (APSS), and standard biological dyes and pigments.
以上の光子であり、前記エージェントが光活性化された組織の体積を最適化する
ように変化し得る請求項1に記載の方法。10. The multiphoton excitation photoactivation comprises n photons, where n is 2
The method of claim 1, wherein the photons are above and the agent can be varied to optimize the volume of photoactivated tissue.
光活性分子エージェントの多光子励起を増進させるに充分な光で前記物質の特定
体積を処理する段階は、 (a1)光源からの光を変調し、変調光を生成する段階と、 (a2)前記物質の特定体積に含有された、前記少なくとも1つの光活性化分子
エージェントの多光子励起を増進させるに充分な変調光で前記物質の特定体積を
処理する段階とを含み、さらに (e)特定形態の変調を有する、検出されたエネルギー信号を復調する段階と、 (f)前記物質の特定体積を特徴づける、復調エネルギー信号を生成する段階と
を含む請求項1に記載の方法。11. Treating the specified volume of said substance with sufficient light to enhance multiphoton excitation of said at least one photoactive molecular agent contained in said specified volume of said substance, comprising: (a1) a light source. Modulating the light from and producing modulated light; (a2) with sufficient modulated light to enhance multiphoton excitation of the at least one photoactivated molecular agent contained in a specific volume of the substance. Demodulating a detected energy signal having a specific form of modulation, and (f) characterizing the specific volume of the material, the demodulated energy signal comprising: Generating the method of claim 1.
されたエネルギー信号は、前記特定形態の変調を含む請求項11に記載の方法。12. The method of claim 11, wherein the modulated light is modulated as a specific form of modulation and the detected energy signal comprises the specific form of modulation.
使われる請求項11に記載の方法。13. The method of claim 11, wherein a microscope is used in the step of treating the specific volume of tissue with modulated light.
る段階は、特定形態の変調でより2倍以上の周波数で前記の検出エネルギー信号
を復調することによって、特定形態の変調高調波を検出することを含む請求項1
2に記載の方法。14. The method of demodulating a detected energy signal having a specific form of modulation comprises demodulating the detected energy signal at a frequency more than twice that of the specific form of modulation to obtain a specific form of modulation harmonics. Claim 1 including detecting
The method described in 2.
前記物質の特定体積に存在する、少なくとも1つの光活性化分子エージェントの
寿命の間に変化を表す請求項11に記載の方法。15. A demodulated energy signal characterizing a specific volume of the material is
12. The method of claim 11, which represents a change during the lifetime of at least one photoactivatable molecular agent present in a particular volume of the substance.
びサブ−ナノ秒パルス・ドウネイションを有する、パルス化した出力を生成する
レーザーの動作により生成される請求項11に記載の方法。16. The method of claim 11, wherein the modulated light is generated by the operation of a laser that produces a pulsed output having a pulse repetition frequency of 10 megahertz or greater and a sub-nanosecond pulsed downnation. .
表面を実質的に越える点との間の位置に延長するように、焦点長さの範囲にわた
って光束を集束することを含むことで、前記処理段階は、物質内に深く貫通する
ように延長できる請求項1に記載の方法。17. The processing step focuses the light beam over a range of focal lengths such that the focal plane of the light beam extends to a position between the surface of the material and a point substantially beyond the surface of the material. The method of claim 1, wherein the processing step can be extended to penetrate deep into the material.
ジを形成するのに使われる請求項1に記載の方法。18. The method of claim 1, wherein the detected energy signal is used to form an image of a specific volume of the material.
延長するように、焦点長さの範囲にわたって光束を集束することを含み、それに
より前記処理段階は、物質内に深く貫通するように延長でき、 さらに前記光活性化、検出、及び検出エネルギー信号を生成する段階は、物質
の表面と、物質の表面を実質的に越えて位置する部位との間の位置変化によって
起こるように、物質内に光束の焦点長さの位置を変化させることを含み、前記イ
メージは3次元である請求項18に記載の方法。19. The step of treating with light is performed over a range of focal lengths such that the focal plane of the light flux extends to a position between the surface of the material and a point substantially beyond the surface of the material. Focusing, so that the processing step can be extended to penetrate deeply into the material, and further the steps of photoactivating, detecting, and generating a detected energy signal include: 19. The image is three-dimensional, including changing the position of the focal length of the light bundle within the material, as caused by a change in position between a site located substantially beyond the surface. the method of.
数及びサブ−ナノ秒パルスの持続時間を有するパルス化した出力を生成するレー
ザーの動作により生成される請求項2に記載の方法。20. The method of claim 2, wherein the laser light is produced by the operation of a laser that produces a pulsed output having a pulse repetition frequency of 10 megahertz or greater and a duration of sub-nanosecond pulses.
記載の方法。21. The method of claim 20, comprising actuating a laser that produces near infrared light.
ギーを生成する請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the laser produces pulse energy of up to about 20 nanojoules.
辿らない放射光を検出することを含む請求項1に記載の方法。23. The method of claim 1, wherein the detecting step comprises detecting emitted light that does not follow the optical path of incident light from the laser.
含み、かつ、前記検出段階で、波長選択装置は、前記光活性化エージェントによ
り放射されたエネルギーをフィルタリングするのに使われる請求項1に記載の方
法。24. The processing step further comprises using modulated laser light, and in the detecting step, a wavelength selective device is used to filter energy emitted by the photoactivating agent. The method of claim 1.
から出る放射光を生成し、前記放射光の生成は、実質的にレーザー光の変調と同
期する請求項20に記載の方法。25. The method of claim 20, wherein the processing and photoactivating step produces synchrotron radiation emitted from a molecular agent within the substance, the synchrotron radiation generation being substantially synchronized with the modulation of the laser light. Method.
方法。26. The method according to claim 1, wherein the substance is a plant or animal tissue.
性アミノ酸、核酸、蛋白質、アデノシン3リン酸塩のような細胞エネルギー交換
貯蔵所、酵素及びホルモンでなる群から選ばれる内因性エージェントを含む請求
項1に記載の方法。27. The at least one photoactivated molecular agent is an endogenous agent selected from the group consisting of aromatic amino acids, nucleic acids, proteins, cellular energy exchange stores such as adenosine triphosphate, enzymes and hormones. The method of claim 1, comprising:
少なくとも1つの光活性化分子エージェントで前記物質を処理する段階前に、目
標物エージェントに結合され、前記目標物の物質は、核酸、アミノ酸、蛋白質、
蛋白質受容体、蛋白質錯化合物、炭水化物、炭水化物受容体、炭水化物錯化合物
、 脂質、脂質受容体、脂質錯化合物抗体、リガンド、ハプテン、錯化合物、キ
レート、カプセル化した溶液、リポソーム、フラーレンス、クラウン・エーテル
及びシクロデキストリンよりなる群から選ばれる請求項8に記載の方法。28. The at least one photoactivated molecular agent is bound to a target agent before the step of treating the substance with the at least one photoactivated molecular agent, wherein the target substance is a nucleic acid. , Amino acids, proteins,
Protein receptor, protein complex compound, carbohydrate, carbohydrate receptor, carbohydrate complex compound, lipid, lipid receptor, lipid complex compound antibody, ligand, hapten, complex compound, chelate, encapsulated solution, liposome, fullerene, crown 9. The method of claim 8 selected from the group consisting of ethers and cyclodextrins.
質の特定体積を診断またはイメージングする装置において、 実質的に物質内に貫通するように有効な周波数を有し、物質に含有された分子
エージェントの多光子励起を増進するように適用される光源と、 前記物質の表面から、前記の表面を実質的に越える深さに延長する焦点長さの
範囲にわたって光を集束するための集束装置で、前記光源と共に作用して分子エ
ージェントの多光子励起を増進させる集束装置とを含み、 焦点または焦平面は、前記物質に対して調整可能であり、かつ 検出器は、分子エージェントにより放射された前記光を検出するように位置し
、前記検出器は、光源が集束された特定体積を特徴づける検出信号を生成するよ
うに配列される装置。29. A device for diagnosing or imaging a specific volume of a substance containing at least one photoactivated molecular agent, wherein the substance has a frequency effective to penetrate substantially into the substance and is contained in the substance. A light source adapted to enhance multi-photon excitation of a molecular agent, and a focusing device for focusing light from a surface of the material over a range of focal lengths extending to a depth substantially beyond said surface. A focusing device for working with the light source to enhance multi-photon excitation of the molecular agent, the focus or focal plane being adjustable with respect to the substance, and the detector being emitted by the molecular agent. A device positioned to detect the light, the detector being arranged to generate a detection signal characterizing a particular volume of focus of the light source.
囲のパルス反復周波数を有する、パルス化した出力を生成する請求項29に記載
の装置。30. The apparatus of claim 29, wherein the light source produces a pulsed output having a pulse repetition frequency ranging from about 1 kilohertz to about 10 gigahertz.
求項30に記載の装置。31. The apparatus of claim 30, wherein the pulse repetition frequency is about 10 megahertz or higher.
30に記載の装置。32. The apparatus of claim 30, wherein the light source has a sub-nanosecond pulse duration.
置。33. The apparatus of claim 29, wherein the light source produces near infrared light.
までのパルスエネルギー範囲内で動作する請求項30に記載の装置。34. The apparatus of claim 30, wherein the light source operates within a pulse energy range of about 10 picojoules to about 50 millijoules.
を生成する請求項34に記載の装置。35. The apparatus of claim 34, wherein the light source produces pulse energy of about 20 nanojoules or less.
ンを含む請求項36に記載の装置。37. The apparatus of claim 36, wherein the light from the laser comprises one or more microwave pulse trains.
続時間を有する請求項37に記載の方法。38. The method of claim 37, wherein each of the one or more pulses has a duration of at most about 10 ps.
29に記載の装置。39. The apparatus of claim 29, further comprising a processor coupled to the detector.
セッサーは、前記変調システムに連結され、前記検出信号を復調するように配列
される請求項39に記載の装置。40. The apparatus of claim 39, further comprising a modulation system associated with the light source, the processor being coupled to the modulation system and arranged to demodulate the detection signal.
上の光子であり、前記エージェントが光活性化された物質の体積を最適化するよ
うに変化可能なものである請求項29に記載の装置。41. The multiphoton photoactivation comprises n photons, where n is two or more photons, which the agent can vary to optimize the volume of photoactivated material. 30. The device of claim 29, which is
性エージェントである請求項29に記載の装置。42. The device of claim 29, wherein the at least one photoactivated molecular agent is an endogenous agent.
性エージェントである請求項29に記載の装置。43. The device of claim 29, wherein the at least one photoactivated molecular agent is an exogenous agent.
。44. The device of claim 40, wherein the light focusing device is a microscope.
の装置。45. The device of claim 29, wherein the substance is plant or animal tissue.
は関心組織の特異性のために選択され、多光子励起に敏感であり、 特定の関心組織に前記エージェントが蓄積されることを許容する段階と、 実質的に組織表面下の領域を含む前記の組織内に特定関心領域に光を送る段階
と、ここで、前記光は、組織を貫通し、焦点領域だけで実質的に多光子励起を増
進させるように周波数及びエネルギーが選択され、 前記組織内の深さの範囲にわたって焦点領域の位置を制御する段階と、 多光子励起を使用して前記組織内に前記の深さの範囲にわたって前記エージェ
ントを光活性化することによって、焦点領域に光活性化エージェントを生成する
段階と、 ここで、前記光活性化分子エージェントは、エネルギーを放射する段階と、 放射エネルギーを検出する段階と、 焦点領域で組織を特徴づける、検出エネルギー信号を生成する段階とを含む医
学診断イメージング方法。46. In a medical diagnostic imaging method, the step of introducing a photoactive molecular agent into a tissue, wherein the agent is selected for specificity of the tissue of interest and is sensitive to multiphoton excitation. Allowing the agent to accumulate in the tissue of interest, and directing light to a region of interest within the tissue, including substantially below the surface of the tissue, wherein the light directs the tissue Frequency and energy are selected to penetrate and substantially enhance multiphoton excitation in the focal region alone, controlling the position of the focal region over a range of depths in the tissue, and using multiphoton excitation. Generating a photoactivated agent in a focal region by photoactivating the agent within the tissue over a range of depths, wherein the photoactivation The sexual molecular agent is a medical diagnostic imaging method comprising the steps of emitting energy, detecting radiant energy, and generating a detected energy signal that characterizes tissue in the focal region.
で動作する、パルス化したレーザーを使用する近赤外光を発生させ、前記光を前
記組織に集束することを含む請求項46に記載の方法。47. The step of delivering light generates near-infrared light using a pulsed laser operating at short pulse width and long pulse repetition rate to focus the light on the tissue. 47. The method of claim 46, including.
の位置を変化させるか、固定された焦点領域に関する試験下で組織の位置を変化
させることを含む請求項46に記載の方法。48. The position control step of claim 46, comprising changing the position of the focal region for a particular tissue under test or changing the position of the tissue under test for a fixed focal region. Method.
ネルギー信号を復調することをさらに含む請求項46に記載の方法。49. The method of claim 46, wherein the method further comprises modulating the light and demodulating the detected energy signal prior to being incident on the tissue.
使われる請求項46に記載の方法。50. The method of claim 46, wherein the detected energy signal is used to image the focal area.
生成し、組織の表面内または表面下に貫通するように周波数及びエネルギーが選
択され、実質的にイメージ化した領域のみに多光子励起を増進させる光源と、 イメージ化するように組織の領域における深さの範囲内で光の位置を変化させ
ることができる集束装置と、 前記エージェントが多光子励起を使用して励起された後、物質内の光活性化分
子エージェントにより放射された輻射を受け入れ、検出するように配置された検
出器とを含む医学的診断イメージング装置。51. A substantially imaged region in which the frequency and energy are selected to produce light directed onto or into the tissue for imaging and to penetrate into or under the surface of the tissue. A light source that enhances multiphoton excitation only, and a focusing device that can change the position of light within the depth of the region of tissue to image, and the agent is excited using multiphoton excitation And a detector arranged to receive and detect the radiation emitted by the photoactivated molecular agent within the substance.
。52. The apparatus of claim 51, wherein the light source produces near infrared light.
変調器をさらに含み、前記光は、変調光を生成するための変調の形態で変調され
る請求項51に記載の装置。54. The apparatus of claim 51, wherein the apparatus further comprises a modulator cooperating with the light source to modulate the light, the light being modulated in the form of a modulation to produce modulated light. Equipment.
ージェントを特徴づける復調エネルギー信号を生成する復調器をさらに含む請求
項54に記載の装置。55. The device of claim 54, wherein the device further comprises a demodulator coupled to the detector to generate a demodulated energy signal characterizing a particular photoactivated molecular agent.
サブ−ナノ秒パルス存続期間を有するパルス化した出力を生成する請求項51に
記載の装置。56. The apparatus of claim 51, wherein the light source produces a pulsed output having a pulse repetition frequency of 10 megahertz or greater and a sub-nanosecond pulse duration.
を生成する請求項51に記載の装置。57. The apparatus of claim 51, wherein the light source produces pulse energy of about 20 nanojoules or less.
以上の光子であり、前記エージェントが光活性化される組織の体積を最適化する
ように変化可能なものである請求項51に記載の装置。58. The multiphoton photoactivation comprises n photons, where n is 2
52. The device of claim 51, wherein the photons are those that are variable such that the agent optimizes tissue volume to be photoactivated.
特性化する方法において、 変調光を生成するように、変調パターンで光源からの光をインコーディングす
る段階と、 前記少なくとも1つの励起分子エージェントが前記の物質内で光活性化され、
かつ変調エネルギーを放射するように、前記少なくとも1つの光活性化分子エー
ジェントの多光子励起を増進させるために、前記変調光で物質を処理する段階と
、 前記変調された放射エネルギーの一部を検出する段階と、 物質を特徴づける前記検出変調エネルギー信号を生成する段階とを含む方法。59. A method of characterizing a substance comprising at least one photoactivating molecular agent, the method comprising incoding light from a light source with a modulation pattern to produce modulated light, and said at least one excitation. The molecular agent is photoactivated in the substance,
And treating the substance with the modulated light to enhance multiphoton excitation of the at least one photoactivated molecular agent to emit modulated energy, and detecting a portion of the modulated radiant energy. And producing the detected modulated energy signal characterizing a substance.
をさらに含む請求項59に記載の方法。60. The method of claim 59, wherein the method further comprises demodulating the detected modulated energy signal.
る請求項59に記載の方法。61. The method of claim 59, wherein the characterization method is used for imaging the material.
段階と、前記少なくとも1つの光活性化分子エージェントの位置の関数として、
前記復調エネルギー信号を記録する段階とをさらに含む請求項59に記載の方法
。62. The method comprises demodulating the detected modulated energy signal and as a function of position of the at least one photoactivated molecular agent.
60. The method of claim 59, further comprising recording the demodulated energy signal.
る請求項59に記載の方法。63. The method of claim 59, wherein the substance is selected from the group consisting of plant tissue and animal tissue.
の方法。64. The method of claim 63, wherein the animal tissue is located within the body of an animal.
つの光活性化分子エージェントで物質を処理する段階をさらに含む請求項59に
記載の方法。66. The method comprises at least one step prior to treating the material with light.
60. The method of claim 59, further comprising treating the substance with one photoactivated molecular agent.
する請求項59に記載の方法。67. The method of claim 59, wherein a microscope is used in the step of treating the substance with modulated light.
上の光子であり、前記エージェントが光活性化される物質の体積を最適化するよ
うに変化可能なものである請求項59に記載の装置。68. The multiphoton photoactivation comprises n photons, where n is two or more photons, which the agent can vary to optimize the volume of photoactivated material. 60. The device of claim 59, which is
定体積を特徴化する方法において、 変調光を生成するように変調パターンで光源からの光をインコーディングする
段階と、 実質的に組織表面下の領域を含む組織内の特定の関心領域に光を送る段階と、
前記光は組織を貫通して、実質的に焦点領域内の位置だけで多光子励起を増進さ
せるように選択され、 前記組織内の深さの範囲にわたって焦点領域の位置を制御する段階と、 多光子励起を使用して前記組織内の前記深さの範囲にわたって前記のエージェ
ントを光活性化することによって、少なくとも1つの励起分子エージェントが実
質的に焦点領域だけで光活性化される段階と、光活性化分子エージェントは変調
エネルギーを放射し、 前記放射変調エネルギーの一部を検出する段階と、 組織を特徴づける検出変調エネルギー信号を生成する段階とを含む方法。69. A method of characterizing a specific volume of tissue comprising at least one photoactive molecular agent, the steps of: incoding light from a light source with a modulation pattern to produce modulated light; Directing light to specific regions of interest in the tissue, including subsurface regions;
Controlling the position of the focal region over a range of depths in the tissue, the light being selected to enhance multiphoton excitation substantially only at a position within the focal region, the light penetrating the tissue; Photoactivating the agent over a range of depths in the tissue using photon excitation to photoactivate the at least one excited molecular agent substantially only in the focal region; The activated molecular agent emits modulated energy, the method comprising detecting a portion of said radiated modulated energy and producing a detected modulated energy signal characterizing tissue.
をさらに含む請求項69に記載の方法。70. The method of claim 69, wherein the method further comprises demodulating the detected modulated energy signal.
れる請求項69に記載の方法。71. The method of claim 69, wherein the characterization method is used to image the substance.
エネルギー信号を記録する段階をさらに含む請求項70に記載の方法。72. The method of claim 70, wherein the method further comprises recording the demodulated energy signal as a function of the position of the focal area.
法。73. The method of claim 69, wherein the tissue is located within the body of an animal.
つの光活性分子エージェントで組織を処理する段階をさらに含む請求項69に記
載の方法。75. The method comprises at least one step prior to treating the tissue with light.
70. The method of claim 69, further comprising treating the tissue with one photoactive molecular agent.
透明な組織の特性を診断する方法において、 光活性分子エージェントを組織に導入する段階と、ここで、前記エージェント
は、多光子励起に敏感であり、 前記組織内に存在するならば、特定の特徴に前記のエージェントを蓄積するよ
うに許容する段階と、 前記所定の特徴を有する光束を得るために、レーザーを動作する段階と、 実質的に組織表面下の領域を含む、前記組織内の特定の関心領域に前記レーザ
ービームを送り、前記ビームで組織を貫通させて、前記焦点領域内での位置だけ
で実質的に前記エージェントの多光子励起を増進させる段階と、 前記の組織内の深さの範囲に位置された断面領域にわたって前記焦点領域の位
置を移動して、診断体積を規定する段階と、 多光子励起を用いて、前記焦点領域を通過する前記診断体積内の或る前記関心
特徴を蓄積した或る前記エージェントを光活性化することによって、前記の焦点
領域が前記関心特徴を交差する時、前記関心特徴の各々で光活性化エージェント
を生成する段階と、ここで、前記光活性化エージェントはエネルギーを放射し、 放射エネルギーを検出する段階と、 前記焦点領域で組織の特性である検出エネルギー信号を生成する段階とを含む
方法。76. A method of diagnosing a property of a tissue having a surface and having a predetermined property and being relatively transparent to light, comprising introducing a photoactive molecular agent into the tissue, wherein: The agent is sensitive to multiphoton excitation, allowing the agent to accumulate at a particular feature, if present in the tissue, and a laser to obtain a light flux having the predetermined feature. And directing the laser beam to a particular region of interest within the tissue, including a region substantially below the surface of the tissue, causing the beam to penetrate the tissue and only at a position within the focal region. Substantially enhancing multi-photon excitation of the agent and moving the position of the focal region over a cross-sectional region located at a depth range within the tissue to define a diagnostic volume. And a multi-photon excitation is used to photoactivate the agent that has accumulated the feature of interest in the diagnostic volume that passes through the focus region, thereby causing the focus region to detect the feature of interest. Generating a photoactivating agent at each of the features of interest when intersecting, wherein the photoactivating agent emits energy and detects radiant energy; and Generating a detected energy signal.
用される請求項76に記載の方法。77. The method of claim 76, wherein the characterization method is used to image the tissue.
光活性化エージェントは変調エネルギーにより生じ、前記検出段階は変調エネル
ギーを検出する段階を含み、前記生成段階は検出された変調エネルギー信号を生
成し;前記組織内の任意の前記関心特徴のイメージを形成するように、前記検出
された変調エネルギー信号を使用する段階とをさらに含む請求項76に記載の方
法。78. The method comprises: modulating the laser beam; the photoactivating agent being caused by modulation energy, the detecting step comprising detecting modulation energy, and the generating step the detected modulation. 77. Generating an energy signal; using the detected modulated energy signal to form an image of any of the features of interest in the tissue.
Applications Claiming Priority (5)
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