JP2017504019A - リアルタイムの蛍光源のマルチチャネル撮像のためのシステム、方法、および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、概して、生体内(in vivo)撮像システムおよび方法に関する。より具体的には、ある実施形態では、本発明は、同時に複数の蛍光光源を検出して区別することが可能なマルチチャネル撮像システムに関する。
製薬産業は、正確かつ効果的な情報および治療を提供するために高まる圧力に直面する。新しい撮像技術は、本圧力への応答の中心となり、例えば、検出可能部分およびそれらを撮像するシステムの開発において、有意な進歩が遂げられている。特定の努力は、例えば、外科的縁(margin)のマッピングの向上、転移性リンパ節の識別、ならびに正常な生命組織および神経血管構造の温存を期待して、癌治療を支援することができる、撮像技術に向けられる。努力はまた、所与の治療養生法に特に良好に、または乏しく応答している患者を識別して、患者集団を階層化もしくは監視することに向けられる。新しいシステムおよびプローブを含む、撮像技術の開発により、最も正確かつ決定的な診断のために、多数の信号および入力を同時に検出する必要性が高まっている。
本明細書では、携帯用マルチチャネル蛍光カメラを使用して、対象内の異なる蛍光源をリアルタイムで同時に撮像するためのシステム、装置、および方法が説明される。また、高い信号対雑音比を伴って同時に複数のプローブ種から光を検出することが可能な携帯用撮像システムも説明される。これらのシステムは、リアルタイムで1つより多くの蛍光プローブ種を同時に検出して区別することができない、既存のシステムと比べて利点を提供する。
本開示がより容易に理解されるために、ある用語が最初に以下で定義される。以下の用語および他の用語の付加的定義が、本明細書の全体を通して記載される。
本明細書に説明される方法、システム、およびプロセスが、本明細書に説明される実施形態からの情報を使用して開発される変形例および適応を包含することが企図される。
本明細書では、同時に2つまたはそれを上回るプローブ種を含む対象を選択的に撮像するための生体内撮像方法が説明され、2つまたはそれを上回るプローブ種は、同時または逐次的のいずれかで、対象に投与される。いくつかの実施形態では、これらプローブは、複合プローブ種の注入によって、または別個のプローブ種の注入によってのいずれかで、対象に導入される。いくつかの実施形態では、プローブおよび物質の薬物動態(PK)が異なり得るため、これらの注入は、異なる時間に行われる必要があり得る。いくつかの実施形態では、これらのプローブ種は、蛍光または他の造影剤の任意の組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、プローブ種は、1つまたはそれを上回る蛍光染料を含む、シリカベースのナノ粒子を含む。単一のプローブ種が、光学および他の画像診断剤の両方、例えば、二重造影剤としての機能を果たしてもよい。したがって、本方法は、同時に複数の生物学的プロセス、機能、または標的の記録を可能にする。いくつかの実施形態では、本方法は、経時的に対象内のプローブ種の局在化を追跡すること、もしくは経時的に対象内の撮像プローブの代謝および/または排出の変化もしくは改変を査定することを含む、いくつかの兆候を判定するために使用される。本方法はまた、有効性、最適なタイミング、最適な投与レベル(個々の患者または試験対象のためを含む)、薬力学的パラメータ、および治療の組み合わせの相乗効果の判定を含むが、それらに限定されない、そのような疾患の治療によって変調される分子事象および生物学的経路を撮像することによって、そのような疾患のための治療に従うために使用されることもできる。
本明細書に説明されるシステムおよび方法は、蛍光シリカベースナノ粒子を採用する生体内撮像システムおよび方法に関し、参照することによって組み込まれる、2013年2月14日に米国特許出願公開第2013/0039848号として公開された、米国特許出願第13/381,209号で説明されるシステムおよび方法とともに使用されることができる。いくつかの実施形態では、プローブ種のうちの少なくとも1つは、ナノ粒子を含む。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、シリカアーキテクチャと、染料が豊富なコアとを有する。いくつかの実施形態では、染料が豊富なコアは、蛍光レポータを含む。いくつかの実施形態では、蛍光レポータは、近赤外または遠赤外染料である。いくつかの実施形態では、蛍光レポータは、フルオロフォア、蛍光色素、染料、色素、蛍光遷移金属、および蛍光タンパク質から成る群から選択される。いくつかの実施形態では、蛍光レポータは、Cy5、Cy5.5、Cy2、FITC、TRITC、Cy7、FAM、Cy3、Cy3.5、Texas Red、ROX、HEX、JA133、AlexaFluor 488、AlexaFluor 546、AlexaFluor 633、AlexaFluor 555、AlexaFluor 647、DAPI、TMR、R6G、GFP、高感度GFP、CFP、ECFP、YFP、Citrine、Venus、YPet、CyPet、AMCA、Spectrum Green、Spectrum Orange、Spectrum Aqua、Lissamine、およびユーロピウムから成る群から選択される。
ナノ粒子に付着したリガンドの数は、約1〜約20、約2〜約15、約3〜約10、約1〜約10、または約1〜約6に及んでもよい。ナノ粒子に付着した少数のリガンドは、腎クリアランスカットオフサイズ範囲を満たす、本ナノ粒子の流体力学的直径を維持することに役立つ。Hilderbrand et al.,Near−infrared fluorescence:application to in vivo molecular imaging,Curr.Opin.Chem.Biol.,14:71−9,2010を参照されたい。測定されるリガンドの数は、1つより多くのナノ粒子に付着したリガンドの平均数であってもよい。代替として、1つのナノ粒子が、付着したリガンドの数を判定するように測定されてもよい。ナノ粒子に付着したリガンドの数は、リガンドの性質に関係付けられる場合もあり、そうではない場合もある、任意の好適な方法によって測定されることができる。例えば、粒子に結合したcRGDペプチドの数は、cRGDペプチドのための試薬の絶対粒子濃度および開始濃度のFCSベースの測定を使用して、推定されてもよい。ナノ粒子あたりのRGDペプチドの平均数、および官能化PEG基へのRGDの結合効率は、アルカリ条件およびビウレット分光測光方法の下で比色分析によって査定されることができる。ナノ粒子に付着したリガンドの数はまた、核磁気共鳴(NMR)、光学的撮像、放射能の検定等によって測定されてもよい。本方法は、当業者によって容易に判定されることができる。
造影剤は、医療または生物学的撮像のために本ナノ粒子に付着してもよい。いくつかの実施形態に包含される撮像技法は、ポジトロン放出断層撮影法(PET)、単光子放出コンピュータ断層撮影法(SPECT)、コンピュータ断層撮影法(CT)、磁気共鳴映像法(MRI)、光学的生物発光撮像、光学的蛍光撮像、およびそれらの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、造影剤は、PET、SPECT、CT、MRI、および光学的撮像のための当技術分野で公知である任意の分子、物質、または化合物であり得る。造影剤は、放射性核種、放射性金属、陽電子放射体、ベータ放射体、ガンマ放射体、アルファ放射体、常磁性金属イオン、および超常磁性金属イオンであってもよい。造影剤は、ヨウ素、フッ素、Cu、Zr、Lu、At、Yt、Ga、In、Tc、Gd、Dy、Fe、Mn、Ba、およびBaSO4を含むが、それらに限定されない。本実施形態のナノ粒子に付着した造影剤として使用され得る放射性核種は、89Zr、64Cu、68Ga、86Y、124I、および177Luを含むが、それらに限定されない。
蛍光コアシェルシリカナノ粒子(CornellまたはCドット、C’はより明るいCドットを指す)(Burns,Nano Lett.(2009)、Choi,J.Biomed.Opt.(2007))は、SLNマッピングを含む、ナノ医療用途で使用するために設計された。本粒子技術は、非毒性の強力な高親和性インテグリン標的化プローブ(Benezra,J.Clin.Invest.(2011))を作成するように、短い粒子結合したメトキシ末端ポリエチレングリコール鎖(PEG、約0.5kDa)(Burns,Chem.Soc.Rev.,(2006))に付着した、少数のペプチドリガンド、すなわち、環状アルギニン−グリシン−アスパラギン酸−チロシン(cRGDY)で修飾された。ペプチドリガンドは、図1bに示されるように、二重モダリティ(光学−PET)プラットフォーム、すなわち、124I−cRGDY−PEG−Cドットを作成するように、チロシンリンカの使用を通して、陽電子放出放射性核種、すなわち、ヨウ素124(124I)で標識された。本プラットフォーム技術は、理想的には、以下の設計考慮事項、すなわち、(1)クリアランスプロファイルを最適化し(Burns,Nano Lett.(2009))、リンパ節および他の転移性疾患部位の中へのより一様な送達を助長するための4.0nmまでの調整可能半径を伴う小型サイズ、(2)悪性黒色腫細胞および異種移植片を含む、インテグリン発現腫瘍における腫瘍選択的取込、蓄積、および滞留のための標的化ペプチド(Benezra,J.Clin.Invest.(2011))、(3)水溶液中の親染料に対する輝度(遊離染料に対して>200%)および光安定性等の光物理的特徴を劇的に増進するためのカプセル化された有機染料(すなわち、Cy5.5、発光最大値、nm)、(4)肝臓、脾臓、骨髄による非特異的取込を低減させるためのPEGでコーティングされた表面、および(5)複数の機能が単一の媒介物として組み合わせられることを可能にし、高度官能化粒子プラットフォームを作成するためのシリカシェルの多用途性、に基づいて、SLNマッピングおよび他の画像誘導用途に適している。
粒子サイズは、リンパ取込動態の重要決定因子のうちの1つである。より小さい粒子は、間質腔からリンパ系の中へのより急速な移動につながるはずである。本性質は、より多数のより小さい内径のリンパ管の線引きを可能にするとともに、より高いコントラストの画像を生成し得る。より小さい粒子サイズは、腫瘍を持つリンパ節の中へのプローブの増進した送達のための魅了的な特徴であり、加えて、高感度に検出されることができるリンパ節サイズの下限を拡張し得る。しかしながら、(染料を含む)約3nm未満の粒子サイズは、溢出および非特異的組織分散の傾向があり、背景蛍光を増加させ、潜在的に間質内の滞留を延長させる(Burns,Nano Lett.(2009)、Kobayashi,ACS Nano(2007)、Ohnishi,Mol.Imaging(2005))。さらに、そのような小粒子は、リンパ節滞留を低減させる、腫瘍を持つ組織からの増進した流出率を実証する。ますます大きい粒子サイズに関して、癌浸潤組織内のより低速の生理学的輸送は、間質の全体を通した粒子のより一様な拡散を妨げ得るが、標的選択性が増加され得る(Jain, Nat. Rev. Clin. Oncol. (2010))。
粒子プラットフォームのサイズは、それらの循環または滞留半減時間に影響を及ぼし得る。非毒性プラットフォームを仮定すると、より長い血液半減時間(すなわち、600分未満の時間)(Jain,Nat.Rev.Clin.Oncol.(2010))が、転移性疾患を高感度に標的化し、より固形の腫瘍を持つリンパ節内の腫瘍量を判別する可能性を増加させるために必要とされ得る。診断研究に関して、本考慮事項は、好ましくは腎臓を通した、より急速な全身クリアランスを助長する必要性に対して加重されるべきである。10nmまたはそれを下回る有効腎糸球体濾過サイズカットオフを満たす、超小型粒子ベースのプラットフォームまたは高分子システムが望ましい(Choi,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.(2011))。約10nmより大きい直径の粒子は、肝臓内で次第に蓄積し、その後に肝胆汁排泄が続き得る。最終的に効果的であるが、本クリアランスモードは、投与された粒子負荷への暴露を延長し、悪影響または毒性の可能性を増加させる。
図2および3は、医療診断で使用されるシアニン染料である、ICG(インドシアニングリーン)技術と比較した、本明細書に説明されるCドットおよびC’ドットの増加した感度を描写する。図2は、カメラシステムの検出器面から10cmからの様々な濃度のCドット(102a、b)、より明るいCドット(またはC’ドット)(104a、b)、およびICG(106a、b)の蛍光を描写する。表1は、図2および3で描写される結果の値を記載し、より明るいCドット(またはC’ドット)、Cドット、およびICG技術のダイナミックレンジおよび感度閾値を記載する。
・(1.5×10−9モル/リットル)/(216nm3×(10−9)3メートル3)=7×1015M/メートル3(最も明るいCドット)
・(10〜18モル/リットル)/(106nm3×(10−9)3メートル3=1000M/メートル3(典型的なより大きいサイズの粒子)
C’ドットまたはより明るいCドットは、単一ナノモル濃度で可視蛍光信号を生じる。以前のICG技術は、可視信号を達成するために、はるかに高い濃度を必要とし、閾値信号強度の上記の尺度は、ICGよりもC’ドットについて何桁も大きい。
殆どの癌対象粒子プローブの選択性は、主に、正常組織に対する腫瘍組織における作用物質の優先的取込および浸透をもたらす受動的固形腫瘍標的化プロセスである、増進透過性および滞留(EPR)効果(Jain,Nat.Rev.Clin.Oncol.(2010)、Maeda,J.Controlled Release,(2000))に依拠する。より長い循環半減時間が、浸透を増加させるために望ましい。多くの粒子ベースの作用物質について見出される、本性質は、より高度に浸透性の腫瘍血管系を横断した溢出および腫瘍間質を通した効果的な拡散を助長する。さらに、悪性癌細胞および腫瘍微小環境によって高度に発現されるとともに、癌の主要特質と関連付けられることが公知である(Hanahan,Cell(2000))、いくつかの重要腫瘍標的(例えば、カテプシン、血管内皮成長因子受容体、マトリクスメタロプロテイナーゼ)は、種々の作用物質(すなわち、ペプチド、抗体、およびナノ粒子)を使用して、悪性細胞および組織の標的検出を向上させる役割を果たしてもよい。増進した浸透および滞留時間が、非標的粒子に対して、これらの標的粒子プラットフォームのうちのいくつかについて観察されている(Jain,Nat.Rev.Clin.Oncol.(2010)、Sugahara,Cancer Cell(2009)、Karmali,Nanomedicine(2009))。集合的に、これらの性質は、撮像検出感度および特異性を増進し、正常組織(Ke,Cancer Res.(2003)、Moon,Bioconjugate Chem(2003))またはリンパ節肥大として同様に発現する他の疾患プロセス(炎症、感染症)からの腫瘍浸潤結節組織の判別を可能にし得る。
表面電荷は、血管系を横断する間質内の粒子の輸送性質に影響を及ぼし得る。正味表面電荷を有する粒子は、血清タンパク質によってオプソニン化されてもよく(Burns,Nano Lett.(2009)、Moghimi,Pharmacol.Rev.(2001))、プローブサイズを効果的に増大させ、腎排泄を防止する。化学的中性表面および生体不活性プラットフォームを作成するように、PEG鎖を粒子表面に付着させることによって、他の細胞による取込は、大部分が防止され、粒子は、腎臓によって効果的に排泄されるであろう。さらに、その荷電対応物と比較して、より中立的に荷電した表面は、拡散を増加させ、癌浸潤組織の間質腔内のより均質な分布につながり得る(Jain,Nat.Rev.Clin.Oncol.(2010))。
蛍光プローブ(例えば、有機染料、蛍光タンパク質、染料結合タンパク質/巨大分子、染料含有ナノ粒子)は、術中設定におけるリンパ系の撮像評価を増進し、SLNの局在化を促進し、腫瘍リンパ管を排出し、異なる排液性領域からのリンパ節分布の同時視覚化(Kobayashi,Nano Lett.(2007))を可能にしている。NIR領域(650〜900nm)内で放射する、より新しい世代のプローブは、減少した組織減衰および非標的組織からの自己蛍光を呈し、それによって、標的対背景比を最大限にし、可視光放射体と比較して、向上したが全体的に低い深さ浸透(3〜4ミリメートル)を提供する(Lucarelli,Lymphatic Res.Biol.(2009))。染料浸出を防止するように、我々の粒子プローブのシリカ基質に有機染料(すなわち、Cy5.5)を共有結合的に組み込むことによって(Burns,Nano Lett.(2009)、Burns,Chem.Soc.Rev.,(2006))、遊離染料と比べて顕著な光物理的増進が観察されている。シリカカプセル化染料分子は、遊離染料と比較して、輝度の有意な増加(200〜300%)および拡張した光安定性(2〜3倍の増加)を呈することが見出された(Burns,Nano Lett.(2009))。より高い浸透深さもまた、最大2cmの組織を通して可視的な我々の粒子とともに、最先端の蛍光カメラシステム(以下で説明される)を使用して、生体内SLNマッピング研究で見出された。本開示の蛍光カメラシステムと併せた、これらの独特な光物理的特徴の組み合わせは、癌の向上した病期分類および治療を可能にする。
図5A−Eは、本開示の実施形態による、ハンドヘルド蛍光カメラシステムを利用した低侵襲手術を描写する。図5Aは、切開および腹腔鏡手技のためのArteMISTMハンドヘルドカメラ蛍光撮像システムを描写する。図5Bは、腹腔鏡ツールを使用した低侵襲手術を描写する。図5Cは、システム構成要素(上から下)、すなわち、カメラ、腹腔鏡、およびリングライトを描写する。図5Dは、放射線検出のためのハンドヘルドガンマプローブを描写する。図5Eは、10nmのCy5.5含有cRGDY−PEG−Cドットの連続希釈の光学的撮像を描写する(露出=60ミリ秒、利得=125、レーザ出力=85%、カメラ距離=175mm)。図5aは、本開示の実施形態による、図5bおよび5cで描写されるような低侵襲腹腔鏡と、図5cで描写されるような切開外科的手技との両方のために適合されている、1つの術中撮像デバイス、すなわち、ArteMISTMハンドヘルド蛍光カメラシステム(Quest Medical Imaging,Middenmeer,The Netherlands)を示す。これは、リアルタイムで同時に取得される、高解像度可視(カラー)画像および微調整された近赤外(NIR)蛍光信号を生成する、術中撮像誘導のためのハンドヘルドマルチチャネル蛍光撮像カメラである。本能力は、運動フリーのオーバーレイを可能にする。本ハンドヘルドデバイスは、頭部および頸部等のそうでなければ困難な解剖学的場所を視認するように容易に位置付けられることができるため、SLNマッピング手技のために最適である。重要なこととして、異なる蛍光波長の同時画像を取得する能力(すなわち、マルチスペクトル撮像)は、外科および介入手技のための蛍光撮像誘導の利用を可能にする。デバイス内のセンサは、単軸レンズが特異的に調整された波長の画像を適切なセンサに送達するように、物理的に整合させられる。必要な着目波長を透過(filtering out)するとともに、正確に同時に、かつ同一の視認位置で光子を取得し始めるようにトリガされる、これらのセンサのそれぞれを個別に制御できることが、本明細書で対処される困難である。カメラシステムから制御可能な光エンジンの緊密な統合は、撮像フィードバックに基づく最適化を可能にする。
図6は、本開示の実施形態による、自発的黒色腫ミニブタモデルにおける転移性疾患の撮像を描写する。124I−cRGDY−PEG−Cドットおよび複合PET光学的撮像アプローチは、自発的黒色腫ミニブタモデルにおけるSLNマッピングを評価することができる(Misfeldt,Vet.Immunol.Immunopathol.(1994)、Oxenhandler,Am.J.Pathol.(1979)、Millikan,J.Invest.Dermatol.(1974))(Sinclair miniature swine、Sinclair Research Center)。画像誘導転移性疾患検出、病期分類、およびSLNにおける差分腫瘍量の査定が、相関組織病理学と併せて、4〜10kgのミニブタ(n=5)で評価された。以下で説明される、これらの研究の結果は、124I−cRGDY−PEG−Cドットが、18F−FDGに対して、代謝亢進状態の頸部リンパ節内の転移性腫瘍量の優れた検出感度および判別を可能にしたことを示唆した。全てのミニブタにおいて、124I−cRGDY−PEG−Cドット投与に先立って、転移性疾患を検査するように、5ミリキュリー(mCi)18F−FDGの全身注入に続いて、動的な1時間の高解像度全身18F−FDG PET−CTスキャンが行われた。図6aは、前方の静注後の右(Rt)頸部内で後方に原発腫瘍(黒色矢印)および単一のSLN(白色矢印)を実証する、全身18F−FDGPET−CT矢状および軸方向像を描写する。それぞれの動物において、代謝亢進状態の黒色腫病変およびPET親和性右側SLNが、図6aに示されるように、後頸部で最初に識別された。2日後に、124I−cRGDY−PEG−Cドット(約0.5mCi、>95%純度)が、腫瘍部位の周囲に4象限皮下注入用量として投与された。図6bは、124I−cRGDY−PEG−Cドット(SLM、矢印:左側リンパ節、矢頭)の皮下4象限腫瘍周辺注入後の両側リンパ節を明らかにする、高解像度PET−CTスキャンである。高解像度の全身動的PETスキャンは、図6bに示されるように、1つが左後頸部内にあり、2つ目がSLNの直接前方にある、2つのPET親和性リンパ節の付加的識別を伴って、注入から5分後の以前の18F−FDG撮像所見を確認した。他のPET親和性リンパ節またはトレーサ取込の疑わしい領域は見られなかった。
治療応答査定が、多くの場合、炎症性変化の存在によって混乱させられ、解釈を困難にするため、組織炎症変化から転移性疾患を判別する124I−cRGDY−PEG−Cドットの能力は、外科的ベースまたは介入的駆動型のいずれか一方である、種々の治療設定で潜在的に探索されることができる。治療的腫瘍切除等の画像誘導介入は、(1)応答の早期手技後評価を可能にし、(2)完全切除を検証するか、または治療失敗を表す残存腫瘍を検出し、(3)腫瘍監視方略を向上させるために、新しい粒子プラットフォームおよび撮像デバイス技術の革新的連結から特異的に利益を享受し得る。マイクロ波切除(Lubner,J.Vasc.Interv.Radiol.(2010))、冷凍切除(Erinjeri,J Vasc Interv Radiol(2010))、高周波切除(RFA)(Abitabile,Eur.J.Surg.Oncol.(2007)、Amersi,Arch.Surg.(2006)、Farrell,AJR,Am.J.Roentgenol.(2003)、Hong J Vasc Interv Radiol(2010))、およびレーザ介在治療を含む、局所的切除治療は、腫瘍の中へのエネルギーアプリケータ挿入を介して、局所熱損傷を誘発する。これらの方法は、典型的には、外科的切除のために不適格と見なされる患者で代替オプションとして採用される(Anderson,Clin.Nucl.Med.(2003)、Purandare,Radiographics,(2011))。さらに、切除治療を受ける患者は、多くの場合、共存疾患により、不良な手術候補者である。臨床実践で広く使用されて、それらは、有意に低い罹患率を伴って外来手技として経皮的に行われることができ、選択された患者コホートにおいて生活の質および生存率を向上させ得るため、明確な利点を提供する。(Purandare,Radiographics,(2011)、Barker,AJR Am J Roentgenol,(2005))
いくつかの実施形態では、本明細書に説明される方法およびシステムは、対象内の異なるプローブ種から異なる波長の放射線を同時に検出し、各プローブ種から受信される信号を判別する。いくつかの実施形態では、これは、光の複数の励起波長を送達して複数の蛍光レポータを励起させ、それによって、2つまたはそれを上回る区別可能な波長において蛍光を生成するように構成される、光源と、検出器がリアルタイムで異なる発せられた信号を同時に測定することができるように、レンズを通して受容される光を複数の空間的に分離された検出器上に指向するように構成される、プリズムと、2つまたはそれを上回る区別可能な波長における検出された蛍光に対応する信号を処理して、対象内の蛍光の画像を提供するように構成される、プロセッサとを備える、装置を用いて達成される。いくつかの実施形態では、これは、信号の多重化を伴う。
マルチチャネル撮像システム特徴
同等物等のデバイス上に記憶されたコンピュータ命令)を代用することができる。本明細書で使用されるような機械可読命令という用語は、ソフトウェア、配線論理、ファームウェア、オブジェクトコード、および同等物を包含することを意図している。コンピュータは、好ましくは、汎用コンピュータである。コンピュータは、例えば、組込型コンピュータ、ラップトップまたはデスクトップコンピュータ等のパーソナルコンピュータ、もしくはソフトウェアを実行すること、好適な制御コマンドを発行すること、および/またはリアルタイムで情報を記録することが可能である、別のタイプのコンピュータであり得る。コンピュータは、器具のオペレータに情報を報告する(例えば、断層画像を表示する)ためのディスプレイ、オペレータが情報およびコマンドを入力することを可能にするためのキーボード、および/または、システムによって行われる測定のプリントアウトもしくは恒久的記録を提供するため、ならびに、例えば、患者のチャートに含むために、診断結果を印刷するためのプリンタを含んでもよい。ある実施形態では、キーボードにおいて入力される、いくつかのコマンドは、ユーザがあるデータ処理タスクを行うことを可能にする。ある実施形態では、データ取得およびデータ処理は、自動化され、システムを初期化した後にユーザ入力をほとんどまたは全く必要としない。
図43は、図40a、40b、および41のデバイスで使用され得るような、実施形態による処理デバイスを概略的に示す。2Dセンサユニット111および112は、それぞれ、アナログ/デジタル変換器(ADC)113および114によってデジタル化される、類似信号を出力する。デジタル信号は、ディスプレイ116と、タッチセンサユニット117とを備える、タッチパネルに接続される、処理ユニット115によって分析される。ADCは、例えば、CMOSセンサで行われるように、センサに組み込まれてもよい。
一実施形態では、組織型T1(例えば、正常組織または特定の型)および癌組織Cが、波長W1の光の放射を提供する蛍光種F1を吸収する。波長W2を伴う第2の種F2は、組織型T2および癌組織Cによって容易に吸収される。癌組織Cのみが波長W1およびW2の蛍光を提示するであろうため、W1およびW2のみの蛍光を呈する組織は、後処理分析ユニットによって表示から省略されてもよく、癌組織Cのみの視覚化を提供する。これは、2項演算W1 AND W2にほぼ類似する。別の実施形態では、蛍光種F1およびF2は、それぞれ、標的組織T1およびT2のみによって独立して吸収される。同様に、(所望の組織視覚化に対応する)適切な組織吸収性質を伴う種々の蛍光種、および種々の類似2項演算、またはそれらの組み合わせ(AND、NOT、OR、XOR等)の使用が、蛍光種の対応する組織吸収性質に基づいて、増進した組織視覚化および分析を提供する。いくつかの実施形態では、2つ、3つ、またはそれを上回る蛍光種の組み合わせが、組織吸収性質のより複雑な組み合わせ(例えば、T1 AND T2 NOT T3等)を可能にする。さらなる実施形態では、着目組織型のそれぞれは、一意の蛍光種によって吸収される。一実施形態では、神経組織T1および結節組織T2が、それぞれ、2つの明確に異なる蛍光種F1およびF2を吸収する。本明細書に説明されるマルチチャネル装置の実施形態は、別個のビデオチャネルの中の種F1およびF2のそれぞれの検出を促進する。したがって、第1のチャネルC1は、神経組織T1と関連付けられる蛍光発光を表し、第2のチャネルC2は、結節組織T2と関連付けられる蛍光発光を表す。さらなる実施形態では、後処理分析ユニットは、神経組織T1と関連付けられる特定の色または視覚テクスチャ(例えば、赤色)と、結節組織T2と関連付けられる第2の色または視覚テクスチャ(例えば、青色)とを伴う着目領域の視覚表現を増進し、施術者がリアルタイムで対応する組織型を容易かつ効率的に識別することを可能にする。そのような増進した視覚化は、施術者が、望ましくない組織(例えば、神経組織)の偶発的除去を回避しながら、所望の組織(例えば、結節組織)のみをより精密に除去することを促進する。本開示の種々の実施形態では、種々の蛍光種の組織吸収性質を活用することは、後処理分析ユニットが、例えば、異なる色または視覚テクスチャを使用して、複数の組織型を明確かつ効率的に視覚的に判別する(例えば、神経組織を赤色で、結節組織を青色で表示する)、画像増進動作を行うことを可能にする。
医療画像データレポジトリ4665(例えば、Nanomedデータベース)は、処理の種々の段階でビデオ信号のうちの1つまたはそれを上回るものを使用して(例えば、処理されていないビデオ信号、前処理されたビデオ信号、画像処理されたビデオ信号、および/または多重化されたビデオ信号を使用して)着目領域上でデータベース支援分析を提供するように構成される、コンピュータまたは他の電子デバイスである。データベース支援分析に使用されるビデオ信号は、行われている本開示の用途に応じて変動し得る。ある実施形態では、適切なビデオ信号の分析が、医療画像データレポジトリ4665によって直接行われる。他の実施形態では、分析が、後処理分析ユニット4660によって行われ、医療画像データレポジトリ4665の中の情報が、必要に応じて、読み出され、および/または要求される。医療画像データレポジトリ4665は、いくつかの実施形態ではリアルタイムで、動作または検査を行う施術者に用途の対象についての大量の情報という利益を提供し、例えば、有利な術中実装を可能にする。医療画像データレポジトリ4665は、標的組織型の増進した色区別、外科的ガイドライン、客観的に正常な組織形成からの偏差の規模等の有用な情報を用いて、モニタ4645上に表示されるビデオを増強するように構成される。人工知能方法を使用することによって、医療画像データレポジトリ4665は、ビデオストリームの対象を識別し、表示するためにビデオストリームの対象に関係付けられる情報を読み出し、有用な情報を用いてビデオストリームを増強することを可能にされる。いくつかの実施形態では、医療画像データレポジトリ4665は、ビデオストリームの対象に感知およびバイオメトリック分析を行うように構成される。
ある実施形態では、蛍光種は、非標的組織および流体への蛍光剤の漏出、ならびに信号変化の非線形性によって引き起こされる、観察可能な「光透通」効果を生じる。加えて、種々の組織は、異なる吸収および緩和機構を呈し、結果として、蛍光マーカ濃度と視覚信号との間の関係は、組織型の間で異なる。蛍光マーカ加重視覚信号を使用して、ピクセル毎にコントラスト増進を分析することは、組織不均質性のより良好な理解を与え、得られる信号強度が、組織を通した蛍光剤の用量を追跡するために使用されることができ、各ピクセルの濃度時間曲線が計算されることができる。追跡は、増加した増進の存在が増加した侵攻性の領域を示し得る、腫瘍の一次査定を提供し、腫瘍の病期分類の精度の向上、腫瘍再発の検出の向上、および治療への応答を監視ならびに予測する能力の増進を可能にする。さらなる実施形態では、単位時間あたりの所与の領域を通過する血液の量は、血流速度として定義される。濃度時間曲線と蛍光緩和速度との間の線形関係と、陽子密度が蛍光剤の取込によって変化させられないこととを仮定して、蛍光剤の存在は、各時間に緩和速度を低減させ、緩和速度および蛍光剤濃度の線形関数としてピクセル強度から概算される。さらに、注入後の蛍光剤濃度の時間的変動は、特定の瞬間におけるピクセルの注入後強度および平均注入前基準信号強度を比較することによって推定される。例えば、所与の着目ピクセルCpoi(t)を通した蛍光剤の通過は、以下のように、残余関数R(t)を用いた動脈入力関数(AIF)Ca(t)のコンボリューションとして表されることができる。
図51は、本明細書に説明されるように、サンプルの粒子に対応する分光分析データの分析のための方法およびシステムで使用するための例証的ネットワーク環境5100を示す。概要では、ここで図51を参照して、例示的クラウドコンピューティング環境5100のブロック図が示され、説明される。クラウドコンピューティング環境5100は、1つまたはそれを上回るリソースプロバイダ5102a、5102b、5102c(集合的に、5102)を含んでもよい。各リソースプロバイダ5102は、コンピューティングリソースを含んでもよい。いくつかの実装では、コンピューティングリソースは、データを処理するために使用される任意のハードウェアおよび/またはソフトウェアを含んでもよい。例えば、コンピューティングリソースは、アルゴリズム、コンピュータプログラム、および/またはコンピュータアプリケーションを実行することが可能なハードウェアならびに/もしくはソフトウェアを含んでもよい。いくつかの実装では、例示的コンピューティングリソースは、記憶および読み出し能力を伴うアプリケーションサーバならびに/もしくはデータベースを含んでもよい。各リソースプロバイダ5102は、クラウドコンピューティング環境5100内の任意の他のリソースプロバイダ5102に接続されてもよい。いくつかの実装では、リソースプロバイダ5102は、コンピュータネットワーク5108を経由して接続されてもよい。各リソースプロバイダ5102は、コンピュータネットワーク5108を経由して1つまたはそれを上回るコンピュータデバイス5104a、5104b、5104c(集合的に、5104)に接続されてもよい。
本発明は、具体的な好ましい実施形態を参照して、具体的に示され、説明されているが、添付の請求項によって定義されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変更がその中で行われ得ることが、当業者によって理解されるべきである。
Claims (40)
- 対象内の領域の光学的撮像のための方法であって、
(a)それぞれ蛍光レポータを含む、2つまたはそれを上回る異なるプローブ種を前記対象に投与するステップと、
(b)前記対象の中へ励起光を指向するステップであって、それによって、前記蛍光レポータを励起させるステップと、
(c)異なる波長の蛍光を同時に検出するステップであって、前記検出された蛍光は、各プローブ種から受信される信号間を判別するように、前記励起光による励起の結果として、前記対象において前記プローブ種の前記蛍光レポータによって発せられている、ステップと、
(d)前記対象内の前記領域の1つまたはそれを上回る画像(例えば、リアルタイムビデオストリーム)を提供するように、前記検出された蛍光に対応する信号を処理するステップと、
を含む、方法。 - ステップ(c)は、光学的時分割多重化を伴わずに行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記プローブ種のうちの少なくとも1つは、ナノ粒子を含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記ナノ粒子は、シリカ(および、例えば、他の物質)を含む(例えば、前記ナノ粒子は、シリカアーキテクチャと、染料が豊富なコアとを有する)、請求項3に記載のプローブ。
- 前記染料が豊富なコアは、蛍光レポータを含む、請求項4に記載のプローブ。
- 前記蛍光レポータは、近赤外または遠赤外染料である、請求項5に記載のプローブ。
- 前記蛍光レポータは、フルオロフォア、蛍光色素、染料、色素、蛍光遷移金属、および蛍光タンパク質から成る群から選択される、請求項5に記載のプローブ。
- 前記蛍光レポータは、Cy5、Cy5.5、Cy2、FITC、TRITC、Cy7、FAM、Cy3、Cy3.5、Texas Red、ROX、HEX、JA133、AlexaFluor 488、AlexaFluor 546、AlexaFluor 633、AlexaFluor 555、AlexaFluor 647、DAPI、TMR、R6G、GFP、高感度GFP、CFP、ECFP、YFP、Citrine、Venus、YPet、CyPet、AMCA、Spectrum Green、Spectrum Orange、Spectrum Aqua、Lissamine、ユーロピウム、Dy800染料、およびLiCor 800染料から成る群から選択される、請求項5に記載のプローブ。
- ステップ(c)に続いて、蛍光レポータはまた、別の蛍光レポータと実質的に同一場所に位置しない、1つまたはそれを上回る場所において前記対象内に存在する、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 目的物が、動物(例えば、ヒト、哺乳動物、または他の動物)である、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- (i)前記対象からの前記1つまたはそれを上回る画像を使用して、細胞異常または疾患を検出もしくは監視するステップと、
(ii)正常組織構造を検出または監視するステップ(例えば、手術台内に存在するか、またはそれに隣接して位置する(例えば、疾患または腫瘍組織の近傍の、もしくはそれと混入する)、腺組織(例えば、副甲状腺)、神経組織、および/または血管構造等の正常組織構造をマークして判別するステップ)と、
のいずれか一方または両方をさらに含む、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。 - 前記細胞異常または疾患は、炎症、癌、心臓血管疾患、呼吸器疾患、皮膚疾患、眼疾患、感染性疾患、免疫疾患、中枢神経系疾患、遺伝性疾患、代謝性疾患、環境的疾患、骨関連疾患、神経変性疾患、および手術関連合併症から成る群から選択される、少なくとも1つのメンバーを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記細胞異常または疾患は、転移性黒色腫におけるセンチネルリンパ節である、請求項11に記載の方法。
- 前記細胞異常または疾患は、末梢神経の異常または(例えば、前立腺癌におけるか、もしくは耳下腺、甲状腺、および喉頭癌等の他の癌における)結節性疾患である、請求項11に記載の方法。
- 前記細胞異常または疾患は、前立腺癌における残存疾患である、請求項11に記載の方法。
- 光の複数の励起波長を送達して、2つまたはそれを上回る区別可能な波長における蛍光を生成する複数の異なる蛍光レポータを励起させるように構成される、光源と、
前記検出器がリアルタイムで異なる発せられた信号を同時に測定することができるように、レンズを通して受容される光を複数の空間的に分離された検出器上に指向するように構成される、プリズムと、
前記2つまたはそれを上回る区別可能な波長における前記検出された蛍光に対応する信号を処理して、対象内の前記2つまたはそれを上回る異なる蛍光レポータの蛍光の画像を提供するように構成される、プロセッサと、
を備える、携帯用撮像装置。 - 前記光源は、2つまたはそれを上回るレーザおよび/または光エンジンを備える、請求項16に記載の撮像装置。
- 前記レンズは、単軸光学レンズである、請求項16または17に記載の撮像装置。
- 前記装置はさらに、前記レンズの前に位置付けられるマルチバンドフィルタを備え、前記マルチバンドフィルタは、前記光源に由来する任意の高出力励起光を遮断するように構成される(したがって、前記フィルタは、前記光エンジンレーザ光に同調される)が、全ての他の光(すなわち、可視光および全ての着目発光波長)に対して透過性であり得る、請求項16〜18のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記装置は、プリズムとそれぞれの検出器との間にそれぞれ位置付けられる、狭帯域フィルタを備える、請求項16〜19のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記プリズムは、ダイクロイックプリズムである、請求項16〜20のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記プリズムは、それぞれ異なるコーティングを備える、少なくとも2つの表面を備える、請求項16〜21のいずれか1項に記載の撮像装置。
- ステップ(d)において信号を処理するステップは、コンピュータデバイスのプロセッサによって、前記信号に1つまたはそれを上回る動作を行うステップを含み、前記1つまたはそれを上回る動作は、スケーリング、インターレーシング、彩度再サンプリング、アルファブレンド混合、色平面シークエンシング、フレームバッファリング、試験パターン生成、2Dメディアフィルタリング、色空間変換、制御同期化、およびフレーム読取から成る群から選択される、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
- コンピュータデバイスのプロセッサによって、医療画像データレポジトリ(例えば、Nanomed)から読み出される情報に基づいて、処理された信号を分析するステップをさらに含む、請求項1〜15または23のいずれか1項に記載の方法。
- コンピュータデバイスのプロセッサによって、前記医療画像データレポジトリから読み出される(付加的)データを使用して、前記1つまたはそれを上回る画像(例えば、ビデオストリーム)を図形的に増強するステップであって、図形的に増強するステップは、前記付加的データを用いて前記画像を図形的にレンダリングするステップ(例えば、前記医療画像データレポジトリからのテキストまたは他の情報を前記ビデオストリーム上に重ね合わせるステップ)を含む、ステップと、
コンピュータデバイスのディスプレイ上に、前記1つまたはそれを上回る図形的に増強された画像(例えば、図形的に増強されたビデオストリーム)を表示するステップと、
をさらに含む、請求項1〜15または23〜24のいずれか1項に記載の方法。 - 前記付加的データは、テキスト(すなわち、粒子型/組成、リガンド、動物モデル、注入物の用量/体積)、光学/PET撮像パラメータ(すなわち、最大ピクセル強度、%ID/g)、カメラ性能パラメータ(すなわち、利得、露出時間)、節点蛍光スペクトルシグネチャ(例えば、信号分布)、および組織学(例えば、腫瘍量)から成る群から選択される、1つまたはそれを上回るデータを含む、請求項25に記載の方法。
- コンピュータデバイスのプロセッサによって、前記1つまたはそれを上回る画像(例えば、ビデオストリーム)を視覚的に増進するステップと、
コンピュータデバイスのディスプレイ上に、前記1つまたはそれを上回る視覚的に増進された画像を表示するステップと、
をさらに含む、請求項1〜15または23〜26のいずれか1項に記載の方法。 - 前記1つまたはそれを上回る画像を視覚的に増進するステップは、2つまたはそれを上回る異なる蛍光レポータの間のグラフィカルコントラストを増進するステップを含む、請求項26に記載の方法。
- ステップ(d)において信号を処理するステップはさらに、前記画像のスペクトルデコンボリューションを行うステップを含む、請求項1〜15または23〜27のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プロセッサによって、前記画像のテクスチャベースの分類を行うステップをさらに含む、請求項1〜15または23〜28のいずれか1項に記載の方法。
- 各信号が対象(例えば、患者)内の一意の蛍光レポータに対応する、複数の信号を同時に受信するための光学部および複数の検出器と、
前記複数の信号のうちの第1の信号に画像処理動作の第1のセットを行うための第1の信号事前調整モジュールであって、前記第1の信号は、前記対象内の第1の一意のレポータ(例えば、蛍光レポータ)に対応する、第1の信号事前調整モジュールと、
前記複数の信号のうちの第2の信号に前記画像処理動作の第1のセットを行うための第2の信号事前調整モジュールであって、前記第2の信号は、前記対象内の第2の一意のレポータ(例えば、蛍光レポータ)に対応し、前記第1の信号調節モジュールおよび第2の信号調節モジュールは、それらそれぞれの信号に画像処理を同期的に(例えば、同時に)行うように構成される(例えば、同時に前記動作を行うように構成され、例えば、各信号は、ビデオストリームを含み、前記ビデオストリームの各フレームは、相互と同時に前記第1の信号事前調節デバイスおよび第2の信号事前調節デバイスの両方によって処理され、その後に、それぞれの次のビデオフレームが相互と同時に処理される)、第2の信号事前調整モジュールと、
随意に、各信号が一意のレポータに対応する、前記複数の信号のうちの第3および/または後続の信号に前記画像処理動作の第1のセットを行うための第3の信号事前調整モジュールおよび/または後続の信号事前調整モジュールと、
前記処理された信号を表示(例えば、信号は、表示に先立ってさらに処理されてもよい)するためのモニタと、
を備える、撮像装置。 - 前記第1の信号事前調整モジュールおよび第2の信号事前調整モジュールのそれぞれ(ならびに随意に、前記第3の信号事前調整モジュールおよび/または後続の信号事前調整モジュール)は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、および中央処理装置から成る群から選択されるメンバーである、請求項30に記載の撮像装置。
- 前記第1の信号事前調整モジュールおよび第2の信号事前調整モジュール(ならびに随意に、前記第3の信号事前調整モジュールおよび/または後続の信号事前調整モジュール)は、単一の物理的デバイス上に存在する、請求項30または31に記載の撮像装置。
- 前記画像処理動作の第1のセットは、高速フーリエ変換、離散フーリエ変換、有限インパルス応答フィルタリング、および無有限インパルス応答フィルタリングから成る群から選択される、1つまたはそれを上回るメンバーを含む、請求項30〜32のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1の信号に画像処理動作の第2のセットを行うための第1の信号事後調節モジュールと、
前記第2の信号に前記画像処理動作の第2のセットを行うための第2の信号事後調整モジュールであって、前記第1の信号事後調節モジュールおよび第2の信号事後調節モジュールは、それらそれぞれの信号に画像処理を同期的に(例えば、同時に)行うように構成される(例えば、同時に動作を行うように構成され、例えば、各信号は、ビデオストリームを含み、前記ビデオストリームの各フレームは、相互と同時に前記第1および第2の信号事後調節デバイスの両方によって処理され、その後に、それぞれの次のビデオフレームが相互と同時に処理される)、第2の信号事後調整モジュールと、
随意に、前記複数の信号のうちの第3および/または後続の信号に前記画像処理動作の第2のセットを行うための第3の信号事後調整モジュールおよび/または後続の信号事後調整モジュールであって、前記画像処理動作の第2のセットは、スケーリング、インターレーシング、彩度再サンプリング、アルファブレンド混合、色平面シークエンシング、フレームバッファリング、試験パターン生成、2Dメディアフィルタリング、色空間変換、制御同期化、およびフレーム読取から成る群から選択される、1つまたはそれを上回るメンバーを含む、第3および/または後続の信号事後調整モジュールと、
をさらに備える、請求項30〜33のいずれか1項に記載の装置。 - 前記第1の信号事後調整モジュールおよび第2の信号事後調整モジュールのそれぞれ(ならびに随意に、前記第3の信号事前調整モジュールおよび/または後続の信号事前調整モジュール)は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、および中央処理装置から成る群から選択されるメンバーである、請求項34に記載の装置。
- 前記第1の信号事前事後モジュールおよび第2の信号事前事後モジュール(ならびに随意に、前記第3の信号事前調整モジュールおよび/または後続の信号事前調整モジュール)は、単一の基板ユニット上に存在する、請求項34または35に記載の装置。
- (例えば、受信されるような、事前調節されるような、または好ましくは事後調節されるような)前記第1の信号および前記第2の信号を多重化するように構成される、多重化モジュールをさらに備える、請求項30〜36のいずれか1項に記載の装置。
- 前記多重化モジュールは、加えて、前記第3の信号および/または後続の信号を多重化するように構成される、請求項37に記載の装置。
- 医療画像データレポジトリから(付加的)データを読み出し、前記多重化された信号を用いて前記付加的データを図形的にレンダリングする(例えば、前記多重化された信号を用いて前記付加的データを重ね合わせる、および/または図形的に増強する)ように構成される、プロセッサを備える、請求項37または38に記載の装置。
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