RU2515203C1

RU2515203C1 - Tomographic fluorescent imaging device

Info

Publication number: RU2515203C1
Application number: RU2012143507/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Сергеевич Клешнин; Илья Викторович Турчин; Илья Иосифович Фикс; Михаил Юрьевич Кириллин
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-05-10
Also published as: RU2012143507A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, particularly to medical diagnostics, and may be used for two- and three-dimensional (tomographic) fluorescent imaging of a diagnosed object. A device comprises a fluorophore absorption band probing emitter provided with a fibre output, an emission receiver in the form of a CCD camera, an object scanning system with the emitter in a projection configuration, as well as a data processing and visualisation system. The device comprises the fluorophore emission band probing emitter provided with the fibre output, fluorophore absorption and emission band omnidirectional emitters in a reflection configuration, a second emission receiver with the fibre output in the form of a photomultiplier, the object scanning system of the photomultiplier in a projection configuration in relation to the probing emitter, as well as a scanning control unit. The data processing and visualising system is provided with original software for implementing methods for surface imaging, projection visualisation and diffuse fluorescent tomography.

EFFECT: device is characterised by simplicity and low measurement time.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для получения двумерных и трехмерных (томографических) флуоресцентных изображений диагностируемого объекта с высоким пространственным разрешением.The invention relates to medicine, in particular to medical diagnostics, and can be used to obtain two-dimensional and three-dimensional (tomographic) fluorescence images of the diagnosed object with high spatial resolution.

На сегодняшний день флуоресцентный имиджинг является незаменимым инструментом в экспериментальной онкологии. Флуоресцентный имиджинг используется для диагностики онкологических заболеваний, изучения молекулярных процессов, типичных для канцерогенеза, исследования процессов метастазирования и доклинических испытаний терапевтических методов и препаратов. Активное развитие методов флуоресцентной визуализации биотканей обусловлено появлением мощных компактных источников света, излучающих в различных спектральных диапазонах, высокочувствительных охлаждаемых приемников оптического излучения и множества ярких флуорофоров, которые могут быть использованы для маркировки биологических структур.Today, fluorescence imaging is an indispensable tool in experimental oncology. Fluorescence imaging is used for the diagnosis of cancer, the study of molecular processes typical of carcinogenesis, the study of metastasis and preclinical trials of therapeutic methods and drugs. The active development of methods for fluorescence imaging of biological tissues is due to the advent of powerful compact light sources emitting in various spectral ranges, highly sensitive cooled optical radiation detectors, and many bright fluorophores that can be used to mark biological structures.

Все существующие в настоящее время системы флуоресцентной визуализации биотканей можно разделить на три группы. В первую группу входят системы поверхностного имиджинга, которые позволяют быстро оценить поперечные размеры и положение подкожных опухолей. Для оценки поперечных размеров и положения опухолей, расположенных в глубине биотканей, используются методы проекционной визуализации, которые являются второй группой систем флуоресцентной визуализации. К третьей группе относятся методы диффузионной флуоресцентной томографии (ДФТ), которые позволяют восстанавливать пространственное распределение флуорофора в глубине биотканей.All currently existing systems for fluorescence imaging of biological tissues can be divided into three groups. The first group includes surface imaging systems that allow you to quickly assess the transverse dimensions and position of subcutaneous tumors. To assess the transverse dimensions and position of tumors located deep in biological tissues, projection imaging methods are used, which are the second group of fluorescence imaging systems. The third group includes methods of diffusion fluorescence tomography (DFT), which allow you to restore the spatial distribution of the fluorophore in the depths of biological tissues.

По патенту США (US 7692160, МПК G01J 1/58 (2006.01), опубл. 06.04.2010) известно устройство флуоресцентного имиджинга, включающее в себя приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, которая снабжена объективом и оптическим фильтром для выделения флуоресценции, источник зондирующего излучения, расположенный по ту же сторону относительно исследуемого объекта, что и приемник излучения («отражательная» конфигурация сканирования), а также систему обработки и визуализации данных. Данное устройство относится к группе устройств поверхностного имиджинга и позволяет оперативно получать двумерные флуоресцентные изображения с высоким пространственным разрешением. Недостатком данного устройства и других технических реализаций поверхностного имиджинга является высокий уровень шумов, обусловленных автофлуоресценцией поверхности исследуемого объекта, и малая глубина зондирования. При этом, чем глубже внутри исследуемого объекта находится источник флуоресценции, тем больше ошибка при оценке его размеров, что связано с сильным рассеянием света в биологических тканях, которое приводит к размытию флуоресцентных изображений, и поэтому для оценки размеров глубинных источников флуоресценции устройства поверхностного имиджинга не очень подходят. Для оценки размеров глубинных источников флуоресценции больше подходят способы и устройства проекционной визуализации, для которых размытие флуоресцентного изображения слабо зависит от глубины положения источника флуоресценции внутри исследуемого объекта. Так, по заявке на патент США (US 2008/0312540, МПК А61В 6/00 (2006.01), опубл. 18.12.2008) известно устройство флуоресцентного имиджинга, включающее в себя регистратор флуоресценции (приемник излучения), выполненный в виде CCD камеры, которая снабжена объективом и оптическим фильтром для выделения флуоресценции, источник зондирующего излучения, расположенный по одну сторону исследуемого объекта относительно приемника излучения («отражательная» конфигурация сканирования), источник зондирующего излучения, расположенный с противоположной стороны исследуемого объекта относительно приемника излучения («просветная» конфигурация сканирования), а также систему обработки и визуализации данных. В данном устройстве помимо метода поверхностного имиджинга технически реализован метод проекционной визуализации и нормировка флуоресцентных изображений на изображения, полученные CCD камерой без фильтра. Данное устройство позволяет получать двумерные флуоресцентные изображения источников флуоресценции, находящихся на поверхности и в глубине исследуемого объекта. Основным недостатком данного устройства является невозможность получения трехмерных флуоресцентных изображений исследуемого объекта. Кроме того, сильное ослабление света биологическими тканями накладывает существенные ограничения на размеры исследуемого объекта и используемые флуорофоры при проекционной визуализации с использованием нормировки изображений на зондирующее излучение.According to US patent (US 7692160, IPC G01J 1/58 (2006.01), published on April 6, 2010), a fluorescence imaging device is known that includes a radiation detector made in the form of a CCD camera, which is equipped with a lens and an optical filter for detecting fluorescence, source probe radiation located on the same side relative to the object under study as the radiation receiver (“reflective” scanning configuration), as well as a data processing and visualization system. This device belongs to the group of surface imaging devices and allows you to quickly obtain two-dimensional fluorescence images with high spatial resolution. The disadvantage of this device and other technical implementations of surface imaging is a high level of noise due to autofluorescence of the surface of the object under study, and a small depth of sounding. In this case, the deeper the source of fluorescence is located inside the studied object, the greater the error in estimating its size is due to the strong scattering of light in biological tissues, which leads to blurring of fluorescence images, and therefore, surface imaging devices are not very useful for assessing the size of deep fluorescence sources. fit. To estimate the size of deep fluorescence sources, projection imaging methods and devices are more suitable for which the blur of the fluorescence image weakly depends on the depth of the position of the fluorescence source inside the studied object. So, according to the application for US patent (US 2008/0312540, IPC AB 6/00 (2006.01), published on December 18, 2008), a fluorescence imaging device is known that includes a fluorescence recorder (radiation detector) made in the form of a CCD camera, which equipped with a lens and an optical filter to isolate fluorescence, a probe radiation source located on one side of the test object relative to the radiation receiver (“reflective” scanning configuration), a probe radiation source located on the opposite side of the probe about the object relative to the radiation receiver (“translucent” scanning configuration), as well as the data processing and visualization system. In addition to the surface imaging method, this device technically implements the projection visualization method and normalizes fluorescence images to images obtained by a CCD camera without a filter. This device allows you to obtain two-dimensional fluorescence images of fluorescence sources located on the surface and in the depth of the investigated object. The main disadvantage of this device is the inability to obtain three-dimensional fluorescence images of the investigated object. In addition, the strong attenuation of light by biological tissues imposes significant restrictions on the size of the object under study and the fluorophores used in projection imaging using normalization of images to probe radiation.

По патенту RU 2441582, МПК А61В 5/05 (2006.01), опубл. 10.02.2012 известно устройство диффузионной флуоресцентной томографии, включающее в себя источник зондирующего излучения с волоконным выходом, приемник излучения, выполненный в виде спектрометра с волоконным входом, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения и систему сканирования исследуемого объекта приемником излучения, которые расположены в упомянутой «проекционной» конфигурации, а также систему обработки и визуализации данных. Данное устройство относится к группе устройств для спектрально-разрешенной ДФТ и позволяет получать трехмерные флуоресцентные изображения исследуемого объекта с использованием спектральной мощности излучения, регистрируемого приемником. Однако для решения обратной задачи ДФТ необходимо достаточно большое число измерений и длительное время вычислений в отличие от «быстрых» методов получения двумерных флуоресцентных изображений (поверхностный имиджинг и проекционная визуализация).According to the patent RU 2441582, IPC АВВ 5/05 (2006.01), publ. 02/10/2012 a diffusion fluorescence tomography device is known, which includes a probe radiation source with a fiber output, a radiation detector made in the form of a spectrometer with a fiber input, a scanning system for the object under investigation, a probe radiation source, and a scanning system for the object under investigation, the radiation receiver located in the said " projection "configuration, as well as a data processing and visualization system. This device belongs to the group of devices for spectrally resolved DFT and allows to obtain three-dimensional fluorescence images of the studied object using the spectral power of radiation detected by the receiver. However, to solve the inverse problem of DFT, a sufficiently large number of measurements and a long calculation time are required, in contrast to the “fast” methods for obtaining two-dimensional fluorescence images (surface imaging and projection imaging).

Перечисленные методы являются дополняющими друг друга, а не взаимозаменяющими, в силу чего в настоящее время имеется потребность в едином устройстве, обеспечивающем реализацию всех трех методов флуоресцентного имиджинга, что позволяет использовать преимущества каждого метода по отдельности, а совместное использование этих методов устраняет ряд недостатков каждого из них.The listed methods are complementary, but not interchangeable, which is why there is currently a need for a single device that implements all three methods of fluorescence imaging, which allows you to take advantage of each method individually, and the joint use of these methods eliminates a number of disadvantages of each of them.

Таким известным устройством, обеспечивающим реализацию всех трех методов флуоресцентного имиджинга, является устройство получения томографических флуоресцентных изображений, известное по патенту США US 7804075 (МПК G01N 21/64 (2006.01), опубл. 28.09.2010), которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа) для разработанного устройства. Устройство прототип содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора, снабженный волоконным выходом, широконаправленный источник белого света, приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «проекционной» конфигурации, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, систему вращения исследуемого объекта, а также систему обработки и визуализации данных. В устройстве-прототипе излучение от источника зондирующего излучения (см. фиг.2, 7, 8, 9, 11 в указанном патенте США) через волоконный выход попадает на исследуемый объект и вызывает флуоресценцию маркированных областей объекта. Приемник излучения регистрирует излучение, выходящее из исследуемого объекта, а также отделяет флуоресценцию от зондирующего излучения с использованием установленного оптического фильтра. Системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях, а также система вращения исследуемого объекта перемещают точку падения зондирующего излучения по поверхности объекта для проведения томографических измерений. Система обработки и визуализации данных осуществляет управление сканированием, а также позволяет решать обратную задачу ДФТ по измерениям интегральной мощности флуоресценции для различных точек сканирования и отображать двумерные и трехмерные флуоресцентные изображения исследуемого объекта. Источник белого света используется для получения фотографических изображений исследуемого объекта, которые предназначены для наглядного отображения флуоресцентных изображений.Such a well-known device that implements all three methods of fluorescence imaging is a device for obtaining tomographic fluorescence images, known according to US patent US 7804075 (IPC G01N 21/64 (2006.01), publ. 09/28/2010), which is selected as the closest analogue (prototype ) for the developed device. The prototype device contains a probe radiation source in the absorption band of the fluorophore, equipped with a fiber output, a broadly directed white light source, a radiation receiver made in the form of a CCD camera, equipped with a lens and a filter for fluorescence extraction, a scanning system for the studied object with a probe radiation source in a "projection" configuration, a system for scanning an object under investigation with a probe radiation source in a “reflective” configuration, a rotation system for an object under investigation and a processing system and data visualization. In the prototype device, the radiation from the source of the probe radiation (see FIGS. 2, 7, 8, 9, 11 in the aforementioned US patent) passes through the fiber output to the object under study and causes fluorescence of the marked areas of the object. A radiation receiver detects radiation emerging from the object under study, and also separates the fluorescence from the probe radiation using an installed optical filter. Scanning systems of the studied object by the source of the probe radiation in the "reflective" and "projection" configurations, as well as the rotation system of the studied object move the point of incidence of the probe radiation over the surface of the object for tomographic measurements. The data processing and visualization system controls the scanning, and also allows you to solve the inverse problem of DFT by measuring the integrated fluorescence power for various scan points and display two-dimensional and three-dimensional fluorescence images of the object under study. A white light source is used to obtain photographic images of the studied object, which are intended for visual display of fluorescence images.

Основным недостатком устройства прототипа является то, что системы сканирования в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях технически не реализованы на базе одного устройства. Использование предложенной системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации существенно увеличивает время измерений для получения флуоресцентных изображений исследуемого объекта с использованием метода поверхностного имиджинга. Использование CCD камеры в качестве регистратора флуоресценции не является оптимальным для технической реализации проекционной визуализации как независимого метода, поскольку для получения двумерных изображений с помощью метода проекционной визуализации и трехмерных изображений с помощью метода ДФТ используется только различная математическая обработка одних и тех же экспериментальных данных. Кроме того, в устройстве-прототипе отсутствует необходимость в использовании системы вращения исследуемого объекта, потому что каждой из систем сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях по отдельности достаточно для решения обратной задачи ДФТ и получения двумерных и трехмерных флуоресцентных изображений исследуемого объекта. Также данное устройство не позволяет определять спектральную мощность флуоресценции для реализации метода спектрально-разрешенной ДФТ, который требует существенно меньшего времени измерений в отличие от традиционного метода ДФТ, основанного на измерении интегральной мощности флуоресценции.The main disadvantage of the prototype device is that the scanning systems in the "reflective" and "projection" configurations are not technically implemented on the basis of a single device. Using the proposed scanning system of the investigated object by the probe radiation source in the “reflective” configuration significantly increases the measurement time to obtain fluorescence images of the studied object using the surface imaging method. Using a CCD camera as a fluorescence recorder is not optimal for the technical implementation of projection imaging as an independent method, since only two different mathematical processing of the same experimental data is used to obtain two-dimensional images using the projection visualization method and three-dimensional images using the DFT method. In addition, in the prototype device, there is no need to use the rotation system of the test object, because each of the scanning systems of the test object by the probe radiation source in the "reflective" and "projection" configurations individually is sufficient to solve the inverse DFT problem and obtain two-dimensional and three-dimensional fluorescent images of the investigated object. Also, this device does not allow determining the spectral fluorescence power for the implementation of the spectrally resolved DFT method, which requires significantly shorter measurement time, in contrast to the traditional DFT method based on measuring the integrated fluorescence power.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства получения томографических флуоресцентных изображений, позволяющего независимо реализовывать методы поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и ДФТ на базе одного устройства, которое отличается простотой конструкции и малым временем измерений по сравнению с ближайшим аналогом.The problem to which the present invention is directed is the development of a device for obtaining tomographic fluorescence images that allows you to independently implement methods of surface imaging, projection imaging and DFT on the basis of one device, which is simple in design and has a short measurement time compared to the closest analogue.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений также, как и устройство-прототип, содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора, снабженный волоконным выходом, приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «проекционной» конфигурации, а также систему обработки и визуализации данных.The specified technical result is achieved due to the fact that the developed device for obtaining tomographic fluorescence images, as well as the prototype device, contains a probe radiation source in the absorption band of the fluorophore, equipped with a fiber output, a radiation receiver made in the form of a CCD camera, equipped with a lens and a filter for highlighting fluorescence, the scanning system of the studied object by the probe radiation source in the "projection" configuration, as well as the processing and visual system nationalization of data.

Новым в разработанном устройстве получения томографических флуоресцентных изображений является то, что предложенное устройство содержит источник зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора, снабженный волоконным выходом, дополнительный приемник излучения, выполненный в виде ФЭУ с волоконным входом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта дополнительным приемником излучения в «проекционной» конфигурации относительно системы сканирования исследуемого объекта источниками зондирующего излучения, и дополнительные широконаправленные источники излучения в полосе поглощения и эмиссии флуорофора, расположенные в «отражательной» конфигурации относительно приемников излучения. При этом управление обеими системами сканирования исследуемого объекта осуществляется блоком управления сканированием, а система обработки и визуализации данных снабжена оригинальным программным обеспечением для реализации методов поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и диффузионной флуоресцентной томографии. Кроме того, в разработанном устройстве не требуется использования таких конструктивных элементов как ненаправленный источник белого света, система сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации и система вращения исследуемого объекта, которые применяются в конструкции ближайшего аналога.New in the developed device for obtaining tomographic fluorescence images is that the proposed device contains a probe radiation source in the emission band of the fluorophore, equipped with a fiber output, an additional radiation receiver, made in the form of a PMT with a fiber input and a filter to isolate fluorescence, a scanning system for the object under study with an additional receiver radiation in the "projection" configuration relative to the scanning system of the investigated object by probing sources its radiation, and additional broadly directed radiation sources in the absorption and emission band of the fluorophore, located in the "reflective" configuration relative to the radiation receivers. At the same time, both scanning systems of the studied object are controlled by the scanning control unit, and the data processing and visualization system is equipped with original software for implementing surface imaging, projection visualization, and diffusion fluorescence tomography methods. In addition, the developed device does not require the use of such structural elements as an omnidirectional white light source, a system for scanning the object under investigation with a probe radiation source in a "reflective" configuration, and a rotation system for the object under investigation that are used in the construction of the closest analogue.

В частном случае реализации разработанного устройства получения томографических флуоресцентных изображений дополнительный приемник излучения выполнен с возможностью регистрации спектральной мощности излучения для реализации метода спектрально-разрешенной ДФТ.In the particular case of the implementation of the developed device for obtaining tomographic fluorescence images, an additional radiation receiver is configured to record the spectral power of radiation to implement the spectrally resolved DFT method.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена схема технической реализации устройства получения томографических флуоресцентных изображений.Figure 1 presents a diagram of the technical implementation of the device for obtaining tomographic fluorescence images.

На фиг.2 представлены примеры двумерных флуоресцентных изображений мыши с маркированной опухолью, полученные с использованием методов поверхностного наблюдения и проекционной визуализации.Figure 2 presents examples of two-dimensional fluorescence images of a mouse with a marked tumor, obtained using methods of surface observation and projection imaging.

На фиг.3 показаны: (А) - фотографическое изображение исследуемого объекта, (Б) - флуоресцентное изображение исследуемого объекта, полученное методом поверхностного наблюдения, (В) - трехмерное изображение пространственного распределения флуорофора внутри исследуемого объекта, полученное методом диффузионной флуоресцентной томографии и представленное в виде набора двумерных изображений.Figure 3 shows: (A) is a photographic image of the test object, (B) is a fluorescence image of the test object obtained by surface observation, (C) is a three-dimensional image of the spatial distribution of the fluorophore inside the test object, obtained by diffusion fluorescence tomography and presented in as a set of two-dimensional images.

Разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений в соответствии с п.1 формулы, представленное на фиг.1, содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора 1, источник зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора 2, общий волоконный выход 3 источника зондирующего излучения 1 и источника зондирующего излучения 2, электромеханическую двухкоординатную систему сканирования 4 исследуемого объекта 5 волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2, волоконный вход 6 дополнительного приемника излучения 7, электромеханическую двухкоординатную систему сканирования 8 исследуемого объекта 5 волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7, блок управления сканированием 9 электромеханических двухкоординатных систем 4 и 8, приемник излучения 10, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом 11 и сменным оптическим фильтром 12, широконаправленные источники излучения 13 в полосе поглощения и эмиссии флуорофора и систему обработки и визуализации данных 14.The developed device for obtaining tomographic fluorescence images in accordance with claim 1 of the formula shown in Fig. 1 contains a probe radiation source in the absorption band of fluorophore 1, a probe radiation source in the emission band of fluorophore 2, a common fiber output 3 of the probe radiation source 1 and the probe source radiation 2, an electromechanical two-coordinate scanning system 4 of the test object 5 fiber output 3 from the sources of probing radiation 1 and 2, the fiber input 6 will complement a real radiation receiver 7, an electromechanical two-coordinate scanning system 8 of the test object 5 with a fiber input 6 from an additional radiation receiver 7, a scan control unit 9 of an electromechanical two-coordinate systems 4 and 8, a radiation receiver 10 made in the form of a CCD camera equipped with a lens 11 and a replaceable optical filter 12, broadly directed radiation sources 13 in the absorption and emission band of the fluorophore and a data processing and visualization system 14.

Для реализации метода поверхностного имиджинга излучение в полосе поглощения флуорофора от широконаправленного источника излучения 13 освещает исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение с поверхности исследуемого объекта 5 собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий флуоресцентному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5, которое предназначено для наглядного отображения флуоресцентных изображений, излучение в полосе эмиссии флуорофора от широконаправленного источника излучения 13 освещает исследуемый объект 5. Излучение с поверхности исследуемого объекта 5 собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12 и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий фотографическому изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображается комбинация флуоресцентного и фотографического изображений исследуемого объекта 5 (см. фиг.2А). Применение широконаправленных источников излучения 13 позволяет реализовать с помощью разработанного устройства метод поверхностного имиджинга с использованием всего двух измерений, тогда как применение системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, которая используется в ближайшем аналоге, требует проведения большого числа измерений для сканирования исследуемого объекта целиком. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет существенно сократить время измерений при поверхностном имиджинге. Кроме того, предложенная конструкция является простой и компактной.To implement the method of surface imaging, the radiation in the absorption band of the fluorophore from the wide-directed radiation source 13 illuminates the studied object 5 and causes fluorescence of the marked regions. The radiation from the surface of the studied object 5 is collected by the lens 11, passes through the optical filter 12, which emits radiation in the emission band of the fluorophore, and is recorded by the radiation receiver 10. The signal corresponding to the fluorescence image of the studied object 5, from the radiation receiver 10 enters the data processing and visualization system 14 To obtain a photographic image of the studied object 5, which is intended for visual display of fluorescence images, the radiation in the emission band of the fluorophore t of a broadly directed radiation source 13 illuminates the test object 5. Radiation from the surface of the test object 5 is collected by the lens 11, passes through the optical filter 12 and is recorded by the radiation receiver 10. The signal corresponding to the photographic image of the test object 5, from the radiation receiver 10 enters the processing and visualization system 14. The combination of fluorescence and photographic images of the studied object 5 is displayed on the screen of the data processing and visualization system 14 (see figa). The use of broadly directed radiation sources 13 makes it possible to implement the surface imaging method using only two measurements using the developed device, while the use of a scanning system for the studied object by the probe radiation source in the “reflective” configuration, which is used in the closest analogue, requires a large number of measurements to scan the studied the entire object. Thus, the developed device for obtaining tomographic fluorescence images can significantly reduce the measurement time for surface imaging. In addition, the proposed design is simple and compact.

Для реализации метода проекционной визуализации зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7, на входе которого установлен оптический фильтр, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора. Сигнал, соответствующий одному пикселу флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для последующей нормировки флуоресцентного сигнала зондирующее излучение от источника 2 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7. Сигнал, соответствующий пикселу нормировочного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения флуоресцентного и нормировочного изображений целиком исследуемый объект 5 синхронно сканируется волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7 и волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханических двухкоординатных систем сканирования 8 и 4 соответственно. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5 используется процедура, которая применяется при поверхностном имиджинге. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображается комбинация флуоресцентного и фотографического изображений исследуемого объекта 5 (см. фиг.2Б). Применение дополнительного приемника излучения 7 с волоконным входом 6 и синхронного сканирования исследуемого объекта 5 позволяет получать двумерные флуоресцентные изображения объекта произвольного пространственного разрешения без проведения томографических измерений и дополнительной обработки экспериментальных данных. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет сократить время измерений и обработки данных при проекционной визуализации.To implement the projection visualization method, the probe radiation from the source 1 through the fiber output 3 falls on the studied object 5 and causes fluorescence of the marked areas. The radiation emerging from the test object 5 is collected by a fiber input 6 and detected by an additional radiation receiver 7, at the input of which an optical filter is installed that emits radiation in the emission band of the fluorophore. The signal corresponding to one pixel of the fluorescent image of the test object 5, from the radiation receiver 7 enters the data processing and visualization system 14. For the subsequent normalization of the fluorescent signal, the probe radiation from the source 2 through the fiber output 3 is incident on the test object 5. The radiation coming out of the test object 5 is collected by the fiber input 6 and detected by an additional radiation receiver 7. The signal corresponding to the pixel of the normalization image of the test object 5, with the receiver and radiation 7 enters the data processing and visualization system 14. To obtain fluorescence and normalization images, the whole object 5 is synchronously scanned with a fiber input 6 from an additional radiation receiver 7 and a fiber output 3 from probing radiation sources 1 and 2 using electromechanical two-coordinate scanning systems 8 and 4, respectively. To obtain a photographic image of the investigated object 5, a procedure is used that is used for surface imaging. On the screen of the data processing and visualization system 14, a combination of fluorescence and photographic images of the studied object 5 is displayed (see Fig. 2B). The use of an additional radiation receiver 7 with a fiber input 6 and synchronous scanning of the studied object 5 allows one to obtain two-dimensional fluorescence images of an object of arbitrary spatial resolution without performing tomographic measurements and additional processing of experimental data. Thus, the developed device for obtaining tomographic fluorescence images can reduce the time of measurement and data processing during projection imaging.

Для реализации метода диффузионной флуоресцентной томографии зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий флуоресцентному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения нормировочного изображения зондирующее излучение от источника 2 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается объективом 11, проходит сквозь фильтр 12, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий нормировочному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для решения обратной задачи ДФТ и получения трехмерного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5 в систему обработки и визуализации данных 14 поступает несколько двумерных флуоресцентных изображений и соответствующих нормировочных изображений, которые были получены при сканировании исследуемого объекта 5 волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханической двухкоординатной системы сканирования 4. При этом система обработки и визуализации данных 14 снабжена оригинальным программным обеспечением для восстановления пространственного распределения флуорофора внутри исследуемого объекта 5 с использованием стандартных итерационных алгоритмов решения обратной задачи ДФТ. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5 используется описанная выше процедура, которая применяется при поверхностном имиджинге и проекционной визуализации. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображаются комбинации двумерных флуоресцентных изображений на заданной глубине исследуемого объекта 5 и его фотографического изображения (см. фиг.3В). При решении обратной задачи ДФТ не используются экспериментальные данные, которые могли быть получены при повороте исследуемого объекта или при его сканировании источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, как в ближайшем аналоге. Таким образом, предложенная техническая реализация метода ДФТ в разработанном устройстве получения томографических флуоресцентных изображений обладает более простой конструкцией по сравнению с ближайшим аналогом.To implement the method of diffusion fluorescence tomography, the probe radiation from the source 1 through the fiber output 3 falls on the studied object 5 and causes fluorescence of the marked areas. The radiation coming out of the studied object 5 is collected by the lens 11, passes through the optical filter 12, which emits radiation in the emission band of the fluorophore, and is recorded by the radiation receiver 10. The signal corresponding to the fluorescence image of the studied object 5 is transmitted from the radiation receiver 10 to the processing and visualization system data 14. To obtain a normalized image, the probe radiation from the source 2 through the fiber output 3 is incident on the test object 5. The radiation coming out of the test object 5 is is acquired by the lens 11, passes through the filter 12, and is recorded by the radiation receiver 10. The signal corresponding to the normalization image of the studied object 5, from the radiation receiver 10 enters the data processing and visualization system 14. To solve the inverse problem of DFT and obtain a three-dimensional fluorescence image of the studied object 5 the data processing and visualization system 14 receives several two-dimensional fluorescence images and the corresponding normalization images that were obtained by scanning investigated object 5 with fiber output 3 from probing radiation sources 1 and 2 using an electromechanical two-coordinate scanning system 4. In this case, the data processing and visualization system 14 is equipped with original software for restoring the spatial distribution of the fluorophore inside the studied object 5 using standard iterative algorithms for solving the inverse problem DFT. To obtain a photographic image of the studied object 5, the procedure described above is used, which is used for surface imaging and projection visualization. On the screen of the data processing and visualization system 14, combinations of two-dimensional fluorescence images at a given depth of the investigated object 5 and its photographic image are displayed (see FIG. 3B). When solving the inverse problem of DFT, experimental data are not used that could be obtained by rotating the object under investigation or by scanning it with a probe radiation source in a “reflective” configuration, as in the closest analogue. Thus, the proposed technical implementation of the DFT method in the developed device for obtaining tomographic fluorescence images has a simpler design in comparison with the closest analogue.

Особенностью работы предлагаемого устройства получения томографических флуоресцентных изображений в соответствии с п.2 формулы, также представленного на фиг.1, является то, что дополнительный приемник излучения 7 выполнен с возможностью регистрации спектральной мощности излучения. В данном варианте разработанного устройства для реализации метода ДФТ зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7. Сигнал, соответствующий одному пикселу спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения целиком исследуемый объект 5 синхронно сканируется волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7 и волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханических двухкоординатных систем сканирования 8 и 4 соответственно. Единственного спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5 достаточно для решения обратной задачи ДФТ, поскольку оно содержит в себе нормировочное изображение и набор двумерных флуоресцентных изображений, которые могли быть получены при использовании различных полосовых фильтров. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет реализовать метод спектрально-разрешенной ДФТ, который не реализован в ближайшем аналоге. При этом совместное использование спектрально-разрешенного и традиционного методов ДФТ позволяет существенно повысить точность решения обратной задачи томографии за счет взаимной верификации результатов, полученных каждым алгоритмом по отдельности.A feature of the proposed device for obtaining tomographic fluorescence images in accordance with claim 2 of the formula, also presented in figure 1, is that the additional radiation receiver 7 is configured to register the spectral power of the radiation. In this embodiment of the developed device for implementing the DFT method, the probe radiation from the source 1 through the fiber output 3 falls on the studied object 5 and causes fluorescence of the marked areas. The radiation coming out of the studied object 5 is collected by the fiber input 6 and detected by an additional radiation receiver 7. The signal corresponding to one pixel of the spectrally resolved fluorescence image of the studied object 5 is transmitted from the radiation receiver 7 to the data processing and visualization system 14. To obtain the spectral of the allowed fluorescence image, the entire object 5 under investigation is synchronously scanned with a fiber input 6 from an additional radiation receiver 7 and a fiber output 3 from a source Ikov probe radiation 1 and 2 using electromechanical XY scanning systems 8 and 4, respectively. The only spectrally resolved fluorescence image of the studied object 5 is enough to solve the inverse problem of DFT, since it contains a normalization image and a set of two-dimensional fluorescence images that could be obtained using various band-pass filters. Thus, the developed device for obtaining tomographic fluorescence images allows us to implement the spectrally resolved DFT method, which is not implemented in the closest analogue. Moreover, the combined use of spectrally resolved and traditional DFT methods can significantly improve the accuracy of solving the inverse tomography problem due to the mutual verification of the results obtained by each algorithm separately.

В конкретной реализации разработанного устройства получения томографических флуоресцентных изображений были использованы: лазер SDL-593-200T («Shanghai Dream Lasers Technology Co., Ltd.», Китай) в качестве источника зондирующего излучения 1, лазер АТС-53-250 («Полупроводниковые приборы», Россия) в качестве источника зондирующего излучения 2, ФЭУ Н7422-20 («Hamamatsu Co.», Япония) или спектрометр QE65000 («Ocean Optics, Inc.», США) в качестве дополнительного приемника излучения 7, CCD камера Atik314L+(«Artemis CCD ltd.», Англия) в качестве приемника излучения 10, интерференционный фильтр HQ650/60m («Chroma Technology Co.», США) в качестве оптического фильтра 12, а широконаправленные источники излучения 13 были выполнены в виде светодиодов.In a specific implementation of the developed tomographic fluorescence imaging device, we used: SDL-593-200T laser (Shanghai Dream Lasers Technology Co., Ltd., China) as a probe radiation source 1, ATS-53-250 laser (Semiconductor devices ", Russia) as a probe radiation source 2, PMTs H7422-20 (Hamamatsu Co., Japan) or a QE65000 spectrometer (Ocean Optics, Inc., USA) as an additional radiation receiver 7, Atik314L + CCD camera (" Artemis CCD ltd. ", England) as a radiation receiver 10, interference filter HQ650 / 60m (" Chroma Technolog y Co. ”, USA) as an optical filter 12, and wide-directional radiation sources 13 were made in the form of LEDs.

Таким образом, использование дополнительного источника зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора 2, снабженного волоконным выходом 3, дополнительного приемника излучения 7 с волоконным входом 6, снабженным системой сканирования исследуемого объекта 5 в «проекционной» конфигурации, и широконаправленных источников излучения 13 в полосе поглощения и эмиссии флуорофора, расположенных в «отражательной» конфигурации устройства, позволяет технически реализовать методы поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и диффузионной флуоресцентной томографии на базе одного устройства получения томографических флуоресцентных изображений, конструкция которого отличается простотой и малым временем измерений по сравнению с аналогами и прототипом.Thus, the use of an additional probe radiation source in the emission band of fluorophore 2, equipped with a fiber output 3, an additional radiation receiver 7 with a fiber input 6, equipped with a scanning system of the object 5 under study in a “projection” configuration, and wide-directional radiation sources 13 in the absorption and emission band fluorophore, located in the "reflective" configuration of the device, allows you to technically implement methods of surface imaging, projection visualization and diffusion constant fluorescence imaging devices based on one tomographic obtaining fluorescent images, the design of which is simple and short-time measurements as compared with the analogues and the prototype.

Claims

1. A device for obtaining tomographic fluorescence images, containing a probe radiation source in the absorption band of the fluorophore, equipped with a fiber output, a radiation receiver made in the form of a CCD camera, equipped with a lens and an optical filter to isolate fluorescence, a system for scanning an object with a probe radiation source in a "projection" configuration relative to the radiation receiver, a data processing and visualization system, characterized in that the design of the device contains a probe source radiation in the emission band of the fluorophore, equipped with a fiber output that is connected to the fiber output of the probe radiation source in the absorption band of the fluorophore, wide-directional radiation sources in the absorption and emission band of the fluorophore, located in the "reflective" configuration relative to the radiation receiver, an additional radiation receiver with a fiber input , which is made in the form of a PMT, equipped with a filter for fluorescence extraction, and is electrically connected to the processing and visualization system data, a system for scanning an object with an additional radiation receiver in a "projection" configuration relative to a system for scanning an object with a source of probing radiation, a scanning control unit that is electrically connected to an object scanning system with a probing radiation source, an object scanning system with an additional radiation receiver and a data processing and visualization system, this data processing and visualization system is equipped with original software for implementing m todov surface imaging, projection imaging and fluorescence imaging diffusion.

2. The device according to claim 1, characterized in that the additional radiation receiver is configured to record the spectral power of the radiation.