JP4471834B2 - イメージング方法およびこの方法を行うための装置 - Google Patents
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Description
本発明は，生物発光，蛍光および放射性マーカーのインビボ分布を決定するためのイメージング方法に関する。本発明はさらに，イメージング方法を実施するための装置に関する。
イメージング方法を用いる形態学的，機能的および生化学的パラメータの定性的および定量的検出は，医学研究および応用の種々の分野の基礎である。腫瘍研究に用いられている既知のイメージング方法の例としては，とりわけ，放射性核種を用いる単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）または蛍光または生物発光を用いる光学的手法がある。
単一光子放出コンピュータトモグラフィーの場合には，調べるべき動物またはヒトに放射性マーカーを注入する。このマーカーは，これを運ぶ生物学的担体に依存して，動物／ヒトの特定のタイプの臓器または組織に集まる。放射性マーカーは放射性照射（γ照射）を放出し，調べるべき被験物の特定の領域におけるその強度は，前記領域中のマーカーの濃度に依存する。放射性照射は，γカメラまたはシンチレーションカメラにより検出する。小実験動物で高解像度の実験を行うためには，γ光子を検出するための装置が，例えば，Ｄ．Ｐ．ＭｃＥｌｒｏｙ ｅｔ ａｌ．：Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ−ＳＰＥＣＴ：ＡＤｅｓｋｔｏｐ Ｐｉｎｈｏｌｅ ＳＰＥＣＴ Ｓｙｓｔｅｍｆ ｏｒ Ｓｍａｌｌ Ａｎｉｍａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．Ｍｅｄ．Ｉｍａｇ．Ｃｏｎｆ．Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ ２００１，Ｍ１０−４またはＡ．Ｇ．Ｗｅｉｓｅｎｂｅｒｇｅｒ ｅｔ ａｌ．：ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＮｏｖｅｌＲａｄｉａｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇＤｅｔｅｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎ ｖｉｖｏ Ｇｅｎｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ Ｓｍａｌｌ Ａｎｉｍａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３（Ｊｕｎｅ１９９８）１７４３−１７４９に開示されている。そのようなトモグラフィーの応用分野の例は，前臨床研究または放射性トレーサー開発である。
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インビボ実験用として従来知られるさらに別のイメージング方法は，蛍光または生物発光マーカーを用いる光学的方法である。後者は，例えばレポーター遺伝子として作用し，付随する蛋白質が測定可能な光学的シグナルを生ずるため，遺伝子発現を観察するために用いられている。蛋白質ルシフェラーゼをコードする遺伝子は，最もよく用いられるレポーター遺伝子である。この場合，特定の蛋白質の遺伝子をルシフェラーゼ遺伝子で置き換える。付随するプロモーターの活性化により，次にルシフェラーゼ遺伝子の転写が推進される。北米の蛍であるＰｈｏｔｉｎｕｓ ｐｙｒａｌｉｓの酵素ルシフェラーゼは，ＡＴＰおよびＭｇ2+の存在下でルシフェリンの酸化的脱炭酸反応を触媒する。これによって，光が放たれ，これは蓄積してこれらの動物からの光放出を形成する。したがって，ルシフェリンおよびＡＴＰの存在下において生ずる発光は，ルシフェラーゼの発現を示す。この光学的シグナルは，例えば，ＣＣＤカメラ等により容易に測定することができる。生物発光レポーター遺伝子と同様の方法で，蛍光レポーター遺伝子，例えば，グリーン蛍光蛋白質（ＧＦＰ）の遺伝子も用いられている。そのような蛋白質は，外部光源からの照射により刺激されて蛍光を生ずる。光学的方法による遺伝子発現のインビボイメージングは，例えば，Ｃ．Ｂｒｅｍｅｒ，Ｒ．Ｗｅｉｓｓｌｅｄｅｒ：ｉｎ ｖｉｖｏ Ｉｍａｇｉｎｇ
ｏｆ Ｇｅｎｅ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ：ＭＲ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１（Ｊａｎｕａｒｙ ２００１）１５−２３に開示されている。これらの方法はまた，とりわけ，
インビボ腫瘍モニタリングに用いられている（Ｒ．Ｗｅｉｓｓｌｅｄｅｒ ｅｔ ａｌ．：ｉｎ ｖｉｖｏ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｔｕｍｏｒｓ ｗｉｔｈ Ｐｒｏｔｅａｓｅ−Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｎｅａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｐｒｏｂｅｓ，Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１７（Ａｐｒｉｌ １９９９）３７５−３７８）。
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光学的（蛍光または発光）光子を放出する分子の利点は，とりわけ，放射性標識した成分にはない医学的に興味深い特定の化学的特性を有することである。例えば，特定の酵素的相互作用によりこれらを活性化することができる。対照的に，放射性物質が放出するγ線は密度の高い組織と相互作用する可能性が光学的光子よりはるかに低いため，放射性物質は大きい体積または厚さの組織を通って浸透することができるという利点を有する。さらに，これらは調べるべき組織の生化学的特性とほとんどまたは全く相互作用しないという利点を有する。従来技術においては，両方のイメージング方法，すなわち，蛍光または発光分子により放出される光学的光子を検出する方法と，一方では放射性同位体により放出されるより高いエネルギーの光子を検出する方法とは，異なる装置で別々に実施されている。２つのイメージング方法により得られる画像は，同時にかつ同じ投影角で得ることができないため，その比較は限定された程度でのみ可能である。２つの方法を順番に実施すると，調べるべき被験物の負担が過剰となること，速度論的実験の再現性がないこと，イメージングの幾何学，動物および組織の動きおよび画像の正しい重ね合わせがが同一ではないことなどの問題が生ずる。
したがって，本発明は，従来技術の欠点を回避し，上述の２つの手法の利点を組み合わせるという目的に基づくものである。
この目的は，生物発光および／または蛍光マーカーおよび放射性マーカーのインビボ分布を同一の投影角で同時に測定するイメージング方法の手段により達成される。この方法では，生物発光および／または蛍光マーカーの分布を，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第１の検出器で独立して検出し，放射性マーカーの分布を，放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第２の検出器で同時に独立して検出することにより測定する。
この点に関して，投影とは，イメージングされるべき対象物に対して，検出器の特定の投影立体角における三次元エネルギー分布の２次元イメージングとして理解すべきである。本発明においては，対象物に対する２つの検出器システムの投影立体角は同一である。すなわち，対象物は，両方の検出器により同一の投影角度から“見られる”。
生物発光および／または蛍光マーカーの光学的光子は１ｅＶ−３ｅＶの範囲の（第１の）平均エネルギーを有する。放射性マーカーの光子は１０ｋｅＶ−６００ｋｅＶの範囲の第２の平均エネルギーを有する。本発明にしたがうイメージング方法は，インビボで行う。これは，例えば生きた実験動物に適用することができる。この場合に有利な点は，生きている生物中の活性物質の移動，代謝および排出を観察すること，およびその自然環境中で生物学的プロセスを測定することが可能であることである。
本発明の好ましい態様においては，第１の平均エネルギーを有する生物発光および／または蛍光マーカーの光子と，第２の平均エネルギーを有する放射性マーカーの光子とは，層の助けにより，独立して検出するために分離される。層は，光子をそのエネルギーに依
存する様式で本質的に反射または透過させる。一例として，γ照射は層との相互作用が全くまたはほとんどなく透過され，一方，より低いエネルギーの光学的照射は層により反射される。このことにより，調べるべき被験物中のマーカーにより同じ投影角度で放出される，異なるエネルギーを有する光子を独立して検出することが可能となる。
存する様式で本質的に反射または透過させる。一例として，γ照射は層との相互作用が全くまたはほとんどなく透過され，一方，より低いエネルギーの光学的照射は層により反射される。このことにより，調べるべき被験物中のマーカーにより同じ投影角度で放出される，異なるエネルギーを有する光子を独立して検出することが可能となる。
本発明の好ましい態様においては，層は，生物発光および／または蛍光マーカーの光子を少なくとも１つの第１の検出器の方向に反射させ，放射性マーカーの光子を少なくとも１つの第２の検出器の方向に透過させるよう作用する。したがって，異なるエネルギーを有する光子は，層により分離されるのみならず，これらを検出する検出器の方向に既に“舵取り”されている。
好ましくは，生物発光および／または蛍光マーカーは，ルシフェラーゼレポーターのマーカー，近赤外線領域に放出波長を有するマーカー分子（ＮＩＲＦ分子）およびＧＦＰ（グリーン蛍光蛋白質）の分子からなる群から選択される少なくとも１つのマーカーを含む。この群からのマーカーは，既にレポーター遺伝子のコンセプト中に首尾良く統合されており，インビボ（生きている）動物で検出されている。ルシフェラーゼは酵素反応の状況において青色または黄緑色の光を生ずる（上述を参照）。光を放出する産物のための出発物質を形成する酵素基質は，ルシフェリンと称されている。ルシフェラーゼ／ルシフェリン系は，例えば，蛍Ｐｈｏｔｉｎｕｓ ｐｙｒａｌｉｓ（最大放出５６２ｎｍ），他の蛍および多くの発光性海洋性細菌（最大放出４８９ｎｍ）において見出される。
最もよく特性決定されているグリーン蛍光蛋白質（ＧＦＰ）は，太平洋のクラゲＡｅｑｕｏｒｅａ ｖｉｃｔｏｒｉａおよびウミシイタケＲｅｎｉｌｌａ ｒｅｎｉｆｏｒｍｉｓに由来するものである。いずれの場合も，ＧＦＰは青色の化学発光を緑色の蛍光（最大放出５０８ｎｍ）に変換する。ＧＦＰは２３８アミノ酸からなる比較的小さい蛋白質である。
近赤外線領域に放出波長を有する分子（ＮＩＲＦマーカー）は，組織中で相互作用する可能性が可視波長スペクトル中に波長を有する光子より低く，したがって，より深く浸透する。
例として，蛋白質，脂質，ＲＮＡまたはＤＮＡを，生物発光および／または蛍光マーカーによりまたは放射性マーカーによりマーキングすることができる。
好ましくは，放射性マーカーは，Ａｓ−７２，Ｂｒ−７５，Ｃｏ−５５，Ｃｕ−６１，Ｃｕ−６７，Ｇａ−６７，Ｇｄ−１５３，Ｉ−１２３，Ｉ−１２５，Ｉ−１３１，Ｉｎ−１１１，Ｒｕ−９７，Ｔｌ−２０１，Ｔｃ−９９ｍおよびＸｅ−１３３の群から選択される少なくとも１つのマーカーを含む。それぞれ用いられる放射性同位体は，測定すべき生物学的プロセスに応じて，その半減期およびそれが放出する放射エネルギーに関してマーカーとして選択される。
本発明の好ましい態様においては，第１の平均エネルギーを有する光子の検出は，少なくとも１つのＣＣＤカメラにより行い，第２の平均エネルギーを有する光子の検出は，少なくとも１つの窓を有するコリメータを含む少なくとも１つの単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器により行う。
ＣＣＤ（電荷結合素子）は，光子を高感度で検出するための電荷結合イメージングセンサーである。ＣＣＤカメラは，画像の個々の点を生成する多数の小さい光感受性ゾーン（ピクセル）に分けることができる。ピクセルのグリッドは，半導体結晶（通常はシリコン）上に回路構造により形成される。ＣＣＤカメラの動作方法は，半導体材料中で衝突する
光による電子の解放に基づく。ピクセル上に落ちた光子は少なくとも１つの電子を解放し，これは電位によりピクセルの位置で固定して保持される。ピクセルの位置から解放される電子の数は，この位置に入射する光の強度と比例する。各ピクセル中で電子の数を測定し，その結果として画像を再構築することができる。ＣＣＤは冷却すべきである。さもなくば，光の入射の結果としてではなく熱の結果として解放されたより多くの電子が読み出されるからである。本発明の場合，生物発光および／または蛍光マーカーの光学的光子は，好ましくは少なくとも１つのＣＣＤカメラを用いて検出する。
光による電子の解放に基づく。ピクセル上に落ちた光子は少なくとも１つの電子を解放し，これは電位によりピクセルの位置で固定して保持される。ピクセルの位置から解放される電子の数は，この位置に入射する光の強度と比例する。各ピクセル中で電子の数を測定し，その結果として画像を再構築することができる。ＣＣＤは冷却すべきである。さもなくば，光の入射の結果としてではなく熱の結果として解放されたより多くの電子が読み出されるからである。本発明の場合，生物発光および／または蛍光マーカーの光学的光子は，好ましくは少なくとも１つのＣＣＤカメラを用いて検出する。
ＳＰＥＣＴ検出器は通常γカメラまたはシンチレーションカメラを含む。シンチレータは放射性同位体から放出されるγ線を吸収する。これに対する応答として，シンチレータは可視光を含む光シンチレーションを放出し，これはＳＰＥＣＴ検出器の一群の光電子増倍管により検出され，測定可能な電気的シグナルに変換される。身体中の光子の放射性放出の位置は，コリメータが身体とシンチレータとの間に配置されている場合にのみ決定することができる。このコリメータは，シンチレータ光子からの遮蔽として働き，シンチレータ光子はコリメータ幾何学により規定される受容領域中に配置されない。さらに，コリメータは，検出器システムの視野を規定する。
本発明はさらに，本発明にしたがうイメージング方法を実施するための装置に関する。この装置は，第１の検出器として少なくとも１つの冷却したＣＣＤカメラ，第２の検出器として少なくとも１つの単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器，および生物発光および／または蛍光マーカーの光子を本質的に反射し，放射性マーカーの光子を本質的に透過させる層を含む。層は（先に述べたように）異なるエネルギーを有する光子を分離するよう働き，これらは異なる検出器（ＣＣＤカメラおよびＳＰＥＣＴ検出器）で検出される。ＳＰＥＣＴ検出器は，好ましくはコリメータ，シンチレータ，多数の光電子増倍管，および付随する電子的要素を含む。
本発明の場合，検出器および層は，好ましくは共通のハウジング中に予め決定された空間的配置で固定的に取り付けられる。ＣＣＤは放射性核種により放出される光子のエネルギースペクトルには感受性ではないため，遮蔽は必要ではなく，ＣＣＤは全体として遮蔽された断層撮影機中に完全に統合させることができる。
本発明の場合には，検出器の配置によって，高度反射層または乱反射層を用いる。高度反射層としては，例えば，低い減衰係数を有する適当な基板材料上にアルミニウムを蒸着させる。そのような層は従来技術から入手可能である。乱反射薄層も同様に従来技術において，例えば適当な基板材料に塗布したプラスチックの微細粒子の形で，入手可能である。本発明の場合には，放射性同位体光子の減衰およびスキャッタリングを最小とすることを確実にして，原理的にこれらの効果を無視しうるようにするため，層は可能な限り薄くするよう意図される。層によるスキャッタリングおよび吸収が存在する場合には，検出後の画像の再構築においてこれらを補正することができる。最小の厚さは，要求される静電特性，例えば平面スティフネスによって決まる。
本発明の好ましい態様においては，少なくとも１つのＳＰＥＣＴ検出器は，多数のシンチレーション結晶を有する（例えば平面の）シンチレーション結晶アレイおよび空間的に分解する光電子増倍管アレイを含む。シンチレーション結晶は，高エネルギーγ線を可視光に変換するよう働く密度の高い透明な結晶材料（例えば，ＮａＩ（Ｔｌ））である。可視光は，光電子増倍管アレイにより空間的に分解する様式で電気的シグナルの形で検出される。
本発明はさらに，生物発光および／または蛍光マーカーのインビボ分布と放射性マーカーのインビボ分布とを共通の測定装備により同一の投影角で交互に測定するイメージング
方法に関する。この方法においては，生物発光および／または蛍光マーカーの分布を，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第１の検出器を用いて独立して検出することにより測定し，これと交互に，放射性マーカーの分布を，放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第２の検出器を用いて独立して検出することにより測定する。
方法に関する。この方法においては，生物発光および／または蛍光マーカーの分布を，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第１の検出器を用いて独立して検出することにより測定し，これと交互に，放射性マーカーの分布を，放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第２の検出器を用いて独立して検出することにより測定する。
本発明にしたがうこの方法を実施するために，好ましくは，ＳＰＥＣＴ検出器用のコリメータとして働くマスクが，測定の間にＣＣＤカメラの視野の外に動くことができ，再び視野内に動くことができる装置を用いる。
この場合，マスクをＣＣＤカメラの視野の外側に設置すると，これらの光学的イメージングシステムの感度が著しく増加する。しかし，この状態では（コリメータなしで）放射性同位体光子を検出することは不可能である。したがって，ＳＰＥＣＴ検出器は，好ましくはマスクがビーム経路から除かれている場合には作動しない。マスクがビーム経路中に設置されている場合には，好ましくはＣＣＤカメラは作動しない。マスクを２つの位置（ＣＣＤカメラの視野の中／外）に時間的に交互に導入することにより，本発明にしたがう装置の好ましい適用モードが得られる。
本発明は，好ましくは，小動物（例えば，マウスまたはラット）のインビボ研究のために，遺伝子発現のインビボ観察のために，および乳，前立腺，皮膚癌および甲状腺のイメージングのために用いられる。
以下に図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図１は，２つのＣＣＤカメラおよび１つのＳＰＥＣＴ検出器を有する，本発明にしたがう装置の好ましい態様を示す。
本発明のこの好ましい態様の場合，本発明にしたがう装置は，互いに向かい合った２つのＣＣＤカメラ１，２，ＣＣＤカメラ１，２に垂直に配置されたＳＰＥＣＴ検出器３，ＳＰＥＣＴ検出器３の前面に配置され９０°の角度で曲がっている遮蔽４，および遮蔽４上に固定され，同様に９０°の角度で曲がっている層５を含み，前記層の曲り端６は遮蔽４の曲り端上に位置しており，層５は遮蔽４中の窓７を覆っている。層５は，光学的光子，例えば，生物発光および／または蛍光マーカーからの光子を反射し，γ光子，例えば，放射性マーカーからの光子を透過させる。窓７を有する遮蔽４は，ＳＰＥＣＴ検出器３のコリメータとして働く。調べるべき被験物（この場合はマウス８）は，好ましくはプレキシグラス（Plexiglas）からなる薄壁の透明なチューブ９中に配置され，前記コリメータの
前面にできるだけ近く配置される。マウス８が放射性および生物発光および／または蛍光マーカーを含み，かつ前記マーカーが遮蔽４の方向に光子を放出すると，光子は，そのエネルギーに依存して，層５において主として反射されるか，または層５により主として透過される。図１には，低エネルギーの光学的照射について３つのビーム進路１０，１１，１２が示される。３つのビーム１０，１１，１２は，層５において９０°の角度で反射され，その結果，直接ＣＣＤカメラ１，２に向かい，ここで検出される。中または高エネルギーのγ光子は相互作用することなくまたはわずかな相互作用で層５を通過することができる。次にこれらは遮蔽（例えば，鉛またはタングステン製）により吸収されるか，または窓７を通って通過してＳＰＥＣＴ検出器３に入り，ここで検出される。ＳＰＥＣＴ検出器は，シンチレーション結晶アレイ１３および光電子増倍管アレイ１４を含み，これらは入射したγ光子を光学的光子に変換し，次に電流に変換する。ＳＰＥＣＴ検出器３および遮蔽４および層５，ならびにＣＣＤカメラ１，２は，互いに特定の空間的配置を維持する
ようにハウジング１５中で固定して配置される。固定して配置された要素を有するハウジング１５は，異なる角度で測定データを得るために，マウス８を含むチューブ９のまわりに，好ましくは３６０°回転することができる。一方，固定して配置されたハウジング１５中で，チューブ９をマウス８と一緒に回転させることも考えられる。
前面にできるだけ近く配置される。マウス８が放射性および生物発光および／または蛍光マーカーを含み，かつ前記マーカーが遮蔽４の方向に光子を放出すると，光子は，そのエネルギーに依存して，層５において主として反射されるか，または層５により主として透過される。図１には，低エネルギーの光学的照射について３つのビーム進路１０，１１，１２が示される。３つのビーム１０，１１，１２は，層５において９０°の角度で反射され，その結果，直接ＣＣＤカメラ１，２に向かい，ここで検出される。中または高エネルギーのγ光子は相互作用することなくまたはわずかな相互作用で層５を通過することができる。次にこれらは遮蔽（例えば，鉛またはタングステン製）により吸収されるか，または窓７を通って通過してＳＰＥＣＴ検出器３に入り，ここで検出される。ＳＰＥＣＴ検出器は，シンチレーション結晶アレイ１３および光電子増倍管アレイ１４を含み，これらは入射したγ光子を光学的光子に変換し，次に電流に変換する。ＳＰＥＣＴ検出器３および遮蔽４および層５，ならびにＣＣＤカメラ１，２は，互いに特定の空間的配置を維持する
ようにハウジング１５中で固定して配置される。固定して配置された要素を有するハウジング１５は，異なる角度で測定データを得るために，マウス８を含むチューブ９のまわりに，好ましくは３６０°回転することができる。一方，固定して配置されたハウジング１５中で，チューブ９をマウス８と一緒に回転させることも考えられる。
図１における投影立体角は，定義により０°である。検出器のイメージング平面は互いに平行であるが（すなわち，同じ０°の投影角度を有する），ＣＣＤカメラ１，２のイメージング平面は，ＳＰＥＣＴシステムのイメージング平面に対してそれぞれプラス／マイナス９０°回転する。両方のＣＣＤ１，２の視野（光子投影軌跡）が９０°回転するため（反射層５により），同一の投影角が与えられる。
図２は，本発明のさらに別の可能な態様の検出器の空間的配置の概略図を示す。
この場合，図１からの設計が適用され，さらに，予めチューブ９中に置かれた被験物１６の中心を通りＣＣＤカメラの縦軸に平行に伸びている軸方向回転軸に対して鏡像様式で構築される。すなわち，一方の方向に放出された光子は，第１および第２のＣＣＤカメラ１，２および第１のＳＰＥＣＴ検出器２０により検出することができ，反対方向に放出された光子は，第３および第４のＣＣＤカメラ１７，１８および第２のＳＰＥＣＴ検出器１９により検出することができる。
図３は，２つのＣＣＤカメラおよび２つのＳＰＥＣＴ検出器を有する，本発明にしたがう装置のさらに別の好ましい態様を示す。
本発明のこの好ましい態様の場合，本発明にしたがう装置は，同じ方向に向けられ互いに間隔をあけて置かれた２つのＣＣＤカメラ１，２，ＣＣＤカメラ１，２と垂直に配置された２つのＳＰＥＣＴ検出器１９，２０，２つのＳＰＥＣＴ検出器１９，２０の間にそれぞれ少なくとも２つの窓７を有する２つのマスク２３，２４，および２つのレンズ２５，２６を含む。さらに，この装置はそれぞれ本質的に層５を含む２つの反射器２７，２８を含み，これらは，生物発光および／または蛍光マーカーから放出され，マスク中の窓を通ってＳＰＥＣＴ検出器の方向に進み，レンズにより集束された光子を主としてＣＣＤカメラの方向に反射するような方向に向けられている。マウス８に含まれる生物発光および／または蛍光マーカーおよび放射性マーカーにより放出される異なるエネルギーを有する光子は，まず窓７を有するマスク２３，２４を通過しなければならず，前記マスクはＳＰＥＣＴコリメータとして働く。次に，光学的光子はレンズ２５，２６により各々の反射器２７，２８の層５上に集束され，高度に反射性の層５で各々のＣＣＤカメラ１，２の方向に反射され，ここで検出される。２つの光学的ビーム２９，３０のビーム進路が図３に示される。γ光子は，レンズ２５，２６および反射器２７，２８とほとんどまたは全く相互作用せず，このため各々のＳＰＥＣＴ検出器１９，２０のシンチレーション結晶アレイ１３の方向に妨げのない窓７の受容コーン３１中を伝わり，ここで検出される。レンズ２５，２６および層５により引き起こされるスキャッタリングおよび吸収が存在する場合には，取得後の数学的な画像再構築においてこれらを補正することができる。レンズ２５，２６は，好ましくは，放射性同位体光子に対して低い減衰係数を有する材料，例えばプレキシグラスからなる。
ハウジング１５中で組み合わせられた全体の固定された配置（ＣＣＤカメラ１，２，反射器２７，２８，レンズ２５，２６，マスク２３，２４およびＳＰＥＣＴ検出器１９，２０）は，調べるべき被験物のまわりすべてで同一の角距離で一連の測定データを得ることを可能とするために，チューブ９のまわりに，好ましくは３６０°回転することができる。
原理的には，マウス８を調べるためには，図３に図示される装置の半分のみ，すなわち，ＣＣＤカメラ１，マスク２３，ＳＰＥＣＴ検出器１９，レンズ２５，および層５を有する反射器２７で十分である。しかし，図３に示される二重の構成は，この設計をトモグラフィーに応用する場合には，同じ取得についてカメラシステムの感度が２倍になるという利点を有する。
図３に示される本発明にしたがう装置は，測定の間にチューブ９中で動く可能性のあるマウスの現在の位置を判定するための位置センサー３５を任意に含む。この場合には，外部からマウスに取り付けられたマーカーの位置を連続的に記録する光学的（標準的）位置合わせシステムが含まれる。この追加の位置合わせシステムは，マウスがチューブ９中で動くことが許容されている場合にのみ必要である。この場合には，インビボで取得される分布から動物の動きを正確に得ること（およびこれを補正すること）は不可能であるためである。
図４は，本発明にしたがう装置のさらに別の態様を示す。
本発明のこの好ましい態様の場合，本発明にしたがう装置は，互いに向かい合っている２つのＳＰＥＣＴ検出器１９，２０の間に，互いに反対方向に平行に向けられた２つのＣＣＤカメラ１，２，それぞれ少なくとも２つの窓７を有する２つのマスク２３，２４，およびＳＰＥＣＴ検出器１９，２０の前面に設置された各々の層５を含み，この層は，生物発光および／または蛍光マーカーから放出される光子を主として反射し，放射性マーカーにより放出される光子を主として透過させる。この場合，ハウジング１５は２つの対称に構築されたチャンバ３２，３３に分けられ，その中心に調べるべき被験物（マウス８）がチューブ９中で置かれる。ハウジング１５中で組み合わされた全体の構成は，前記被験物のまわりに好ましくは３６０°回転可能なように装着されている。マスク２３，２４は，マウス８から互いに反対側に設置され，蛍光，発光および放射性マーカーから放出された光子の一部は前記マスクの窓７を通って進み，ＳＰＥＣＴ検出器の受容コーン３１に入る。放射性マーカーの光子は主として層５と相互作用することなく通過し，次にＳＰＥＣＴ検出器１９，２０により検出される。蛍光または生物発光マーカーからのより低いエネルギーを有する光子は，主として層５で反射される。層５は，好ましくは，生物発光および／または蛍光マーカーから放出される光子を乱反射するため，反射される照射の一部がＣＣＤカメラ１，２の方向に反射され，ここで検出される。図４にＣＣＤカメラの視野３４が示される。
原理的には，マウス８を調べるためには，図４に図示される装置の半分のみ，すなわち，ＣＣＤカメラ１，マスク２３および乱反射層５を有するＳＰＥＣＴ検出器２０でも十分である。しかし，図４に示される二重の構成は，両方の方向に放出された光子が検出されるため，全体として高い測定シグナルが得られるという利点を有し，したがって，これからより高い解像度の画像を計算することができる。
図５は，可動マスクを有する，図３に示される本発明にしたがう装置の態様の変形を示す。
原理的には，本発明にしたがう装置のこの態様の構造は，図３に示される態様と対応する。さらに，この変形の場合，第１および第２のマスク２３，２４は，取得の間にはＣＣＤカメラ１，２の視野の外に導かれ（位置Ａから位置Ｂに），再び元の位置（Ａ）に戻ることができるように取り付けられている。マスク２３，２４がＣＣＤカメラ１，２の視野の外側（位置Ｂ）に置かれていると，これらの光学的イメージングシステムの感度は顕著に増加する。しかし，この状態では（コリメータなしで），放射性同位体光子を検出することは不可能である。したがって，ビームの経路からマスク２３，２４が除かれている場
合には，ＳＰＥＣＴ検出器１９，２０は作動しない。本発明のこの態様においてはレンズは必要ではない。ＣＣＤカメラ１，２は，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出されるビームの焦点が合う光学的配置で提供される。本発明にしたがう装置の図５に示される態様において，マスク２３，２４が位置Ａにある場合，ＣＣＤカメラ１，２は，好ましくは作動しない。マスク２３，２４を位置ＡおよびＢに時間的に交互に導入することにより，図３の設計のさらに好ましい適用のモードが得られる。
合には，ＳＰＥＣＴ検出器１９，２０は作動しない。本発明のこの態様においてはレンズは必要ではない。ＣＣＤカメラ１，２は，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出されるビームの焦点が合う光学的配置で提供される。本発明にしたがう装置の図５に示される態様において，マスク２３，２４が位置Ａにある場合，ＣＣＤカメラ１，２は，好ましくは作動しない。マスク２３，２４を位置ＡおよびＢに時間的に交互に導入することにより，図３の設計のさらに好ましい適用のモードが得られる。
図６は，１つのみのＣＣＤカメラを有する，図１に示される本発明にしたがう装置の態様の好ましい変形を示す。
本発明のこの好ましい態様の場合には，図１に示されるイメージング原理が適用される。遮蔽４，窓７を含むＳＰＥＣＴカメラ３の構造および運転方法，および反射層５の配置および運転方法は，図１に記載される装置と同一である。ただし，この変形態様において異なる点では，反射層５の別々の視野は，鏡３９，４０，４５の配置により，ＣＣＤカメラ３８の対物レンズ中で，したがって光感受性マトリクス上に，互いに隣接するようにイメージングされるように規定されている。鏡３９および４５は，好ましくは平面的であるよう形成され，一方鏡４０は凹面カーブであるように形成することができる。鏡４５は一方の側で透過性であり，したがってＮＩＲＦマーカーを刺激するために任意にレーザービームを導入することができる。
ＣＣＤカメラ３８の空間的解像度は，対象物８中の光子スキャッタリングプロセスのために制限される対象物（ここではマウス８）における物理学的に可能な幾何学的解像度より少なくとも１桁高いため，このタイプの投影アセンブリを選択することができる。この変形の利点は，空間的によりコンパクトな構造およびより安価である，本発明の主題の１つの態様である。
異なる大きさの動物を最適にイメージングすることができるようにするため，図６に図示される変形態様においては，遮蔽４，窓７および反射表面５を含むＳＰＥＣＴカメラ３，ならびに鏡４５，および対構成レーザービーム（coupling-in arrangements）４３を，ステッパーモーター４４によりとりはずすことができるプラットホーム４１上に装着する。ＣＣＤカメラ３８のイメージングの視野は，対象物８からＣＣＤカメラ３８の対物レンズへの２つの半視野の平均イメージング長さが同一の倍率であるように規定される。この条件は，対象物８に対して移動可能プラットホーム４１の半径方向の位置が変化した場合にも確保される。その上に装着されたすべての部分装置，および，例えば，推進に必要なステッパーモーター４４，鏡３９および４０，遮蔽４，およびＣＣＤカメラ３８を含むプラットホーム４１は，回転可能な支持台４２に固定されている。支持台４２はステッパーモーター４６により３６０°回転することができ，したがって，画像データを得る目的で，両方のカメラシステムの投影同一の（projection-identical）視野を，対象物８に対して任意の所望の共通の投影角度で配置することができる。支持台４２は回転可能な様式でハウジング１５に取り付けられているが，ステッパーモーター４６はハウジング１５に固定的に接続されている。
本発明の記載されるすべての態様において，窓は皿型を有する長い（counter-sunk elongate）開口部である。これらの長皿型開口部は，例えば，図４の詳細拡大図Ａに示され
る外観を有する。この場合，窓は外側３６から特定の直径３７に狭まり，次に中心からなるべく遠く保持される。このことにより，円錐形に先細となった窓端の領域への同位体光子の浸透を低下させることができる。
る外観を有する。この場合，窓は外側３６から特定の直径３７に狭まり，次に中心からなるべく遠く保持される。このことにより，円錐形に先細となった窓端の領域への同位体光子の浸透を低下させることができる。
１．第１のＣＣＤカメラ
２．第２のＣＣＤカメラ
３．ＳＰＥＣＴ検出器
４．遮蔽
５．層
６．層の曲り端
７．窓
８．マウス
９．チューブ
１０．第１のビーム進路
１１．第２のビーム進路
１２．第３のビーム進路
１３．シンチレーション結晶アレイ
１４．光電子増倍管アレイ
１５．ハウジング
１６．被験物
１７．第３のＣＣＤカメラ
１８．第４のＣＣＤカメラ
１９．第２のＳＰＥＣＴ検出器
２０．第１のＳＰＥＣＴ検出器
２３．第１のマスク
２４．第２のマスク
２５．第１のレンズ
２６．第２のレンズ
２７．第１の反射器
２８．第２の反射器
２９．第１の光ビーム
３０．第２の光ビーム
３１．ＳＰＥＣＴ検出器の受容コーン
３２．第１のチャンバ
３３．第２のチャンバ
３４．ＣＣＤカメラの視野
３５．位置センサー
３６．窓の狭小化
３７．開口部の中心における一定の直径
３８．さらに別のＣＣＤカメラ
３９．鏡，平面
４０．鏡，凹面カーブ
４１．プラットホーム，半径方向に移動可能
４２．支持台，回転可能
４３．対構成レーザービーム
４４．第１のステッパーモーター
４５．鏡，一方の側が透過性
４６．第２のステッパーモーター
２．第２のＣＣＤカメラ
３．ＳＰＥＣＴ検出器
４．遮蔽
５．層
６．層の曲り端
７．窓
８．マウス
９．チューブ
１０．第１のビーム進路
１１．第２のビーム進路
１２．第３のビーム進路
１３．シンチレーション結晶アレイ
１４．光電子増倍管アレイ
１５．ハウジング
１６．被験物
１７．第３のＣＣＤカメラ
１８．第４のＣＣＤカメラ
１９．第２のＳＰＥＣＴ検出器
２０．第１のＳＰＥＣＴ検出器
２３．第１のマスク
２４．第２のマスク
２５．第１のレンズ
２６．第２のレンズ
２７．第１の反射器
２８．第２の反射器
２９．第１の光ビーム
３０．第２の光ビーム
３１．ＳＰＥＣＴ検出器の受容コーン
３２．第１のチャンバ
３３．第２のチャンバ
３４．ＣＣＤカメラの視野
３５．位置センサー
３６．窓の狭小化
３７．開口部の中心における一定の直径
３８．さらに別のＣＣＤカメラ
３９．鏡，平面
４０．鏡，凹面カーブ
４１．プラットホーム，半径方向に移動可能
４２．支持台，回転可能
４３．対構成レーザービーム
４４．第１のステッパーモーター
４５．鏡，一方の側が透過性
４６．第２のステッパーモーター
Claims (21)
- 生物発光および／または蛍光マーカーおよび放射性マーカーのインビボ分布を同一の投影角で同時に決定するためのイメージングシステムであって，生物発光および／または蛍光マーカーの分布を決定するために生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を検出する少なくとも１つの第１の検出器と、放射性マーカーの分布を決定するために放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を検出する少なくとも１つの第２の検出器とを含み、第２の検出器は単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器であることを特徴とするイメージングシステム。
- 第１の平均エネルギーを有する生物発光および／または蛍光マーカーの光子と第２の平均エネルギーを有する放射性マーカーの光子とを独立して検出するために分離するために、光子をそのエネルギーに依存する様式で反射または透過する層をさらに含む、請求項１記載のイメージングシステム。
- 層が，生物発光および／または蛍光マーカーの光子を少なくとも１つの第１の検出器の方向に反射し，かつ，放射性マーカーの光子を少なくとも１つの第２の検出器の方向に透過させるよう作用する，請求項２記載のイメージングシステム。
- 生物発光および／または蛍光マーカーが，ルシフェラーゼレポーターのマーカー，近赤外線領域に放出波長を有するマーカー分子（ＮＩＲＦ分子）およびＧＦＰ（グリーン蛍光蛋白質）の分子からなる群から選択される少なくとも１つのマーカーを含む，請求項１−３のいずれかに記載のイメージングシステム。
- 放射性マーカーが，Ａｓ−７２，Ｂｒ−７５，Ｃｏ−５５，Ｃｕ−６１，Ｃｕ−６７，Ｇａ−６７，Ｇｄ−１５３，Ｉ−１２３，Ｉ−１２５，Ｉ−１３１，Ｉｎ−１１１，Ｒｕ−９７，Ｔｌ−２０１，Ｔｃ−９９ｍおよびＸｅ−１３３から選択される少なくとも１つのマーカーを含む，請求項１−４のいずれかに記載のイメージングシステム。
- 第１の検出器が少なくとも１つのＣＣＤカメラであり，第２の検出器が少なくとも１つの窓を含みコリメータを含む少なくとも１つの単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器である、請求項１−５のいずれかに記載のイメージングシステム。
- 共通の測定装備により，生物発光および／または蛍光マーカーのインビボ分布および放射性マーカーのインビボ分布を同一の投影角で交互に決定するためのイメージングシステムであって，生物発光および／または蛍光マーカーの分布を決定するために生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を検出する少なくとも１つの第１の検出器と、これと交互に、放射性マーカーの分布を決定するために放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を検出する少なくとも１つの第２の検出器を含み、第２の検出器は単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器であることを特徴とするイメージングシステム。
- 生物発光および／または蛍光マーカーおよび放射性マーカーのインビボ分布を同一の投影角で同時に決定するためのイメージング方法を実施するための装置であって，該イメージング方法は、生物発光および／または蛍光マーカーの分布は，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される第１の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第１の検出器により独立して検出することにより決定され，放射性マーカーの分布は，放射性マーカーにより放出される第２の平均エネルギーを有する光子を少なくとも１つの第２の検出器により同時に独立して検出することにより決定されることを特徴とし、該装置は、
第１の検出器に少なくとも１つのＣＣＤカメラ，第２の検出器として少なくとも１つの単一光子放出コンピュータトモグラフィー（ＳＰＥＣＴ）検出器，および生物発光および／または蛍光マーカーの光子を反射し，かつ放射性マーカーの光子を透過させる層を含む装置。 - 少なくとも１つのＳＰＥＣＴ検出器が，多数のシンチレーション結晶を含むシンチレーション結晶アレイおよび空間的に分解する光電子増倍管アレイを含む，請求項８記載の装置。
- 互いに向かい合う２つの冷却ＣＣＤカメラ，ＣＣＤカメラと垂直に配置されているＳＰＥＣＴ検出器，ＳＰＥＣＴ検出器の前面に配置され，９０°の角度で曲がっている遮蔽，および遮蔽上に固定され，同様に９０°の角度で曲がっている層を含み，前記層の曲り端は遮蔽の曲り端上に位置しており，層は，遮蔽中の窓を覆っており，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される光子を反射し，かつ放射性マーカーにより放出される光子を透過させる，請求項８および９のいずれかに記載の装置。
- 互いに向かい合っている２つのＳＰＥＣＴ検出器の間で，互いに平行に向けられており反対側に位置する２つの冷却ＣＣＤカメラ，およびそれぞれ少なくとも２つの窓を有する２つのマスクを含み，各々の層はＳＰＥＣＴ検出器の前面に設置されており，前記層は，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される光子を反射させ，かつ放射性マーカーにより放出される光子を透過させる，請求項８および９のいずれかに記載の装置。
- 層が生物発光および／または蛍光マーカーにより放出される光子を乱反射する，請求項１１記載の装置。
- 同じ方向に向けられ互いに間隔をあけて置かれた２つの冷却ＣＣＤカメラ，ＣＣＤカメラに垂直に配置されている２つのＳＰＥＣＴ検出器，２つのＳＰＥＣＴ検出器の間に置かれたそれぞれ少なくとも２つの窓を有する２つのマスクおよび２つのレンズ，層を含む２つの反射器を含み，層は，生物発光および／または蛍光マーカーにより放出され，マスク中の窓を通してＳＰＥＣＴ検出器の方向に進み，レンズにより焦束された光子を，ＣＣＤカメラの方向に反射させる方向に向けられている，請求項８および９のいずれかに記載の装置。
- 調べるべき被験物の現在の位置を決定するための位置センサーを含む，請求項１３記載の装置。
- マスクが，測定の間にＣＣＤカメラの視野の外（位置Ｂ）に動くことができ，視野の中（位置Ａ）に動くことができる，請求項１３および１４のいずれかに記載の装置。
- 窓が皿型の長い開口部である，請求項１０−１５のいずれかに記載の装置。
- 冷却ＣＣＤカメラ，ＣＣＤカメラに垂直に配置されたＳＰＥＣＴ検出器，ＳＰＥＣＴ検出器の前面に配置され９０°の角度で外側に曲がっている遮蔽，および遮蔽上に固定され同様に９０°の角度で曲がっている反射層を含み，前記層の曲り端は遮蔽の曲り端上に位置しており，反射層は遮蔽中の窓を覆っており，ＳＰＥＣＴ検出器，遮蔽，ならびに反射層および窓，および鏡および対構成レーザーが移動可能な様式で形成されているプラットホーム上に取り付けられている，請求項８および９のいずれかに記載の装置。
- 移動可能プラットホームが，回転可能な様式で形成されている支持台上に配置されている，請求項１７記載の装置。
- 反射層の別々の視野が，鏡の配置によりＣＣＤカメラの対物レンズ中で互いに近接する様式でイメージングされる，請求項１７記載の装置。
- レーザービームにより対象物中のＮＩＲＦマーカーを励起するために，対構成レーザービームおよび一方の側が透過性の鏡が移動可能プラットホーム上に互いに反対側に取り付けられている，請求項１７記載の装置。
- 小動物のインビボ研究または遺伝子発現のインビボ観察を行うか，または乳，前立腺，皮膚腫瘍または甲状腺をイメージングするための，請求項１記載のイメージングシステム。
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