專利名稱：組織生物標志物的定量多光譜光聲斷層攝影(msot)的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于對目標組織標志物進行定量三維感測和成像的方法和裝置，其尤 其用在使用多波長照明的臨床、小動物和小生物成像應用中。
背景技術：
活體內功能和分子標志物的非侵入式成像是生物發現、藥物發現和一些臨床應用 中新興并且重要的能力，其超出解剖成像和遲緩的疾病鑒定。可視化組織生物標志物的另 一個重要前景是能夠通過監測特定主要分子或者下游目標檢查和量化活體內的治療反應。 隨后可以在從小時到天的時標上對療效進行動態探測。這種能力與現今主流的具有傳統的 后期終點藥效的醫療保健形成對照，這種實踐常常損害了及時校正和對具有可能致命結果 的無效治療策略的排除。類似的，雖然顯微鏡給了生物學前所未有的洞察力，但是它僅能夠穿透組織中數 百微米。因此，在活體內的生物觀測受限于顯微鏡穿透限制。顯然，能夠在組織中穿透更深 并且可視化微觀對比度或者利用新的對比機制的方法在生物現象的動態觀測中、在開發研 究中、以及在藥物發現過程中是極其重要的。組織的光學功能以及分子介觀和宏觀成像打開了對于活體內許多病理過程研究 的新途徑。事實上，光學波長提供了能夠用于多種詢問的、從血氧內在功能信息到分子傳感 的多種探測機制。使用外部給予的熒光光學試劑通過允許可視化否則不可見的細胞和亞細 胞過程進一步增進了非侵入式光子成像。例如，使用造影劑和專用于蛋白質和酶的熒光指 示劑顯示出區分諸如炎癥和腫瘤進展的若干不同疾病生物標志物的高可能性。美國專利6，641，798公開了對診斷成像和治療有用的腫瘤目標光學造影劑。所描 述的生物軛合物(bioconjugate)包括具有多種二和四(羧酸)同系物的青藍染料。可以 將該化合物配合到生物活性肽、碳水化合物、荷爾蒙、藥物或者其它生物活性試劑。與更大 分子量的成像試劑相比，該化合物的小尺寸使其更易于遞送到腫瘤細胞。在用于檢測腫瘤 和其它異常情況、用于局部治療、用于光聲腫瘤成像、檢測和治療、以及用于超聲波熒光腫 瘤成像、檢測和治療的內窺鏡應用中，這些造影劑對于診斷成像和治療是有用的。熒光分子 斷層攝影(FMT)還能夠以毫米分辨率在宏觀尺度上、即在整個動物內的深層組織中感測從 皮摩爾到毫微微摩爾數量級的熒光物。該技術與擴散光學斷層攝影共享斷層攝影原理，并 且利用多投影照明，將該多投影照明與描述組織中光子傳播的數學模型相結合，以便重建 熒光染料濃度的三維斷層攝影圖像。美國專利6，615，063描述了一種熒光介導的分子斷層攝影成像系統，其旨在檢測 深層組織中的近紅外熒光激活。該系統能夠使用作為目標的熒光分子探針或者高靈敏度可 活化熒光分子探針。這種探針添加了分子特異性并產生了高熒光對比度，以便允許盡早對 活體內的諸如癌癥的疾病組織進行檢測和分子目標評估。最近，使用光聲(光子聲)的組織斷層攝影也展示了以超聲波分辨率實現從數毫 米直到數厘米范圍穿透深度的能力。光聲成像依賴于在吸收了脈沖光之后的光聲誘導信號的超聲檢測。所生成的寬帶超聲波的振幅反映了組織的局部光吸收屬性。由于與光相比， 超聲波在生物組織中的散射極其微弱，所以生物醫學光聲成像將高光吸收對比度與僅受限 于超聲衍射的良好空間分辨率相結合。經證明，光聲成像進行以下成像是有效的脈管樹、 腫瘤血管新生、血氧監測、以及對組織載色體的敏感度、吸收光的納米粒子和染料、以及顯 色檢驗。例如，美國專利5，840, 023教導了一種激光光聲成像系統，其利用激光誘導瞬態 壓力(聲)波的輪廓的時間分辨測量。通過優選在診斷感興趣的吸收組織中產生的聲源發 射壓力波。該技術允許可視化所吸收的光線在活體內受激光脈沖所照射的混濁、分層和異 質組織中的分布。激光光聲斷層攝影能夠用于表征正常組織結構和性能的特性、以及用于 檢測組織病變。能夠采用激光光聲成像系統進行成像的光學異質體包括諸如腫瘤、受損組 織的異常組織，血管和其它分層組織。此外，能夠獲得器官和器官組成部分的三維圖像。因此，通常應用多光譜檢測作為更好地區別各個感興趣對象的光譜特征圖的方 式。例如，美國專利6，208，749公開了一種用于皮膚組織的多光譜成像的系統，其使得當受 恰當經濾波光線照明時能夠基于感興趣皮膚區域的直接數字成像或者其彩色攝影圖片的 數字化自動表征該感興趣皮膚區域的狀況的特性。對與紋理、不對稱性、斑點和邊界不規則 相關的參數自動進行估計。由數字處理器基于這些參數自動表征感興趣區域的特性。感興 趣區域可以包括皮膚病變，在這種情況下，使病變特性表征為惡性或者良性的。在美國專利6，760，609中，建議了一種用于通過測量具有第一波長和第二波長的 光穿過組織的透光率確定動脈血氧飽和水平的方法。所測量光透射的穩態分量用于選擇適 當的校準曲線。使用具有所選擇的氧-和脫氧-血紅蛋白光譜特征圖的校準曲線，所測量 光透射的脈動分量用于確定動脈血氧飽和水平。還提供了一種血氧定量系統，其中，使用多 個光透射測量結果確定血氧飽和度。在光聲光譜學中，多波長方法之前應用于區別血液載色體(J. Laufer等，“Wiys. Med. Biol. ”，vol. 52，p. 141-168，2007，US 7 298 869)。美國專利6，498，942還公開了一種光聲設備，其包括脈沖輻射的輻射源和探針， 該探針具有將要與動物身體的組織部位放置得很近或者接觸的正面。探針還包括在探針的 正面表面上終止并且在它們的另一端連接到脈沖激光器的多根光纖。在探針的正面中或正 面上還安裝了用于檢測來自組織部位中血液對輻射脈沖的聲響應的換能器，該換能器連接 到將換能器信號轉換成靜脈血氧合測量的處理單元。建議了在美國專利申請2004/0127783 中所公開的用于對染料標志物進行成像的另一種方法，其使用兩個波長(在染料熒光頻帶 內和外)生成具有和不具有染料激勵的圖像，并且為了圖像增強合并那些圖像。上述照明技術的限制是當對在光學上復雜的諸如組織的結構操作時，所得到的圖 像是目標載色體和其它原生組織載色體的組合效果。這種復雜性在分子成像應用中特別重 要，其中，在出現許多其它非特異性組織吸收體時必須對分子標志物進行分解。另外，光聲 學(或光子聲學)觀測至今仍只限于利用單方向同質照明，工作在這樣的假設下，即類似 同質照明將發生于光在組織中傳播時。例如，WO 2007/084771描述了一種遞送照明的方法，其建立了“能量通量在身體內 部任何給定平面或者切片內的均勻分布”。由于組織異質性是未知的并且能夠在組織內部 的任何給定平面上施加明顯的光強度改變，所以這種照明場在實踐中是很難實現的。當考慮諸如老鼠軀干的圓柱形對象時，對單方向照明在極坐標中的轉換導致利用多個照明點， 布置這些照明點使得光指向對象在縱軸意義上的中心。在該情況下，為了簡化照明和檢測 布置，要求研究的組織是由水或者類似流體包圍的。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的、特別用于臨床和臨床前成像或者實驗室研究目 的的成像方法，其能夠避免常規技術的缺點。特別地，本發明的目的是提供一種以增加的精 度使得能夠進行組織中的三維定位和分子探針量化的成像方法。此外，本發明的目的是提 供一種改進的、特別適合用于執行本發明的成像方法的成像裝置。提供該方法和裝置產生 (特別在實際實施中)對活體內組織生物標志物的高精確區分。通過包括獨立權利要求的特征的成像方法和/或成像裝置解決上述目的。在從屬 權利要求中定義本發明的有利實施例。本發明基于組織標志物定量三維感測和成像的一般技術教導，特別是在臨床、小 動物和小有機體成像應用中，其使用多波長照明，同時計入光子在組織中的傳播以實現對 多光譜光子激勵場的精確了解，該多光譜光子激勵場又生成聲壓波。為了實現具有前所未 有的圖像質量、逼真度和整體精確性的三維生物標志物圖像，該方法將壓力波測量與光子 傳播模型和多光譜信息結合在一起。因此，對于本發明的第一方面，通過對包括目標組織生物標志物的目標組織進行 多光譜光聲斷層攝影(MSOT)成像的方法解決了上述目的，該方法包括以下步驟在由目標 組織生物標志物所吸收的若干照明波長上以至少一種脈沖照明模式照明目標組織；檢測來 自目標組織生物標志物的壓力信號(特別是聲信號)，其中，由目標組織中的目標組織生物 標志物響應于所述照明產生壓力信號；以及重建目標組織中的目標組織生物標志物分布的 定量斷層攝影圖像，其中，使用光子傳播模型、光譜處理方案、以及提供斷層攝影圖像的反 演方案對壓力信號進行分析，該光子傳播模型取決于照射目標組織的光模式并且取決于照 明波長。因此，對于本發明的第二方面，通過成像裝置解決上述目的，該成像裝置適于對包 括目標組織生物標志物的目標組織進行多光譜光聲斷層攝影(MSOT)成像。該成像裝置包 括照明裝置，其配置用于以至少一種脈沖照明模式照明目標組織，所述至少一種脈沖照明 模式包括目標組織生物標志物所吸收的若干照明波長；檢測器裝置，其配置用于檢測從目 標組織中的目標組織生物標志物作為對所述照明的響應所產生的壓力信號；以及重建裝 置，其重建目標組織中的目標組織生物標志物分布的定量斷層攝影圖像。該重建裝置包括 計算光子傳播模型的處理器、執行光譜處理方案的處理器、以及執行提供斷層攝影圖像的 反演方案的處理器。根據本發明所構建的圖像表示至少一種生物標志物在目標組織中的空 間分布。優選地，為了構建脈管、特別是像冠狀或頸動脈的血管的圖像，重建裝置適于應用 反演方法和光譜處理，其中，該圖像表示生物標志物在脈管壁處的空間分布。有利地，本發明將組織中的波長調諧數學光子建模與多光譜處理技術結合在一 起，以改進在不同成像尺度上的功能和分子成像。利用本發明，實現具有前所未有的圖像質 量、逼真度和整體精確性的三維生物標志物圖像。
此外，本發明提供了多光譜照明生物標志物指示劑成像裝置，其能夠利用小波形 因數構建以檢測組織生物標志物。有利地，該裝置能夠應用于對生物樣品中的分子標志物 進行成像，并且能夠應用于臨床應用中。特別有利的應用包括在臨床炎癥和心血管應用以 及在其它活體生物樣品中分解熒光蛋白質和/或外在給予的載色或熒光染料。本發明是基于發明人的下列考慮的。為了利用光學方法檢測目標組織中的生物標 志物，在生物標志物(或者生物標志物指示劑)的區域處局部遞送光。然而，隨著光在組織 中傳播，通過引起也是波長相關的、能量在多個組織成分中的異質沉積，內部組織吸收和整 體光傳播特性改變了傳播模式。因此，在所檢測的信號上隔離生物標志物的貢獻成為一種 挑戰。如在上述背景部分所概述的，已經在功能測量中利用了包括光聲方法的多光譜方 法，以分辨所選擇波長中的組織衰減，并且導出氧-和脫氧-血紅蛋白、細胞色素氧化酶以 及其它可能的組織載色體和外部給予的染料的濃度。然而，常規實施方式假定簡單的光子 傳播模式。通用常規假設是平面波照明將導致組織中平面上的均勻光子分布，這是一種非 常粗糙的假設，到目前為止僅得到表面血管圖像。與常規技術相反，發明人開發了執行組織生物標志物指示劑的光聲成像的方法， 其不僅提供了表面的真實三維和定量成像，還提供了位于更深處的造影劑的真實三維和定 量成像。與應用于分辨通用載色體的技術相比較，本發明的一個特別有利的特征是將多光 譜測量與組織中波長相關的光子傳播模型結合在一起，以便提供對光子在組織中傳播的精 確估計。該方法對于提供精確的光聲圖像是必不可少的，并且在臨床成像中特別重要，然而 常規光聲成像的一般假設(均勻照明、浸入匹配流體中)是不切實際的。因此，本發明的一 個特征是提供在目標組織中光子分布的定量信息。根據本發明，對光分布的校正能夠應用于生物標志物分布的重建圖像。備選地，將 對光分布的校正直接應用于所檢測到的原始光聲信號。在該情況下，將使用已經歸一化的 原始光聲記錄重建最后量化的光吸收圖像(例如，通過背投影)。通過光聲方式對真實組織中的分子標志物分布進行成像還可能出現另外的挑戰。 首先，在活體內的光吸收對比度在一些波長可以高達兩個數量級。特別地說，具有高血容 量的一些區域是吸收性非常強的，使得很難從高吸收背景中區分出標志物。從真實組織獲 得的圖像通常將表示不僅由感興趣的分子標志物、還有由許多組織載色體所增加的吸收貢 獻，其中，該組織載色體比如為黑色素、紅細胞等可以隨著波長(尤其在可見光中)相當程 度改變它們的光吸收的組織載色體。這些載色體中的一些可能具有與感興趣的生物標志物 的消光/吸收光譜的明顯串擾，這還可能使其相對于背景的檢測復雜化。因此，本發明的另一個重要特征是應用多波長光譜匹配過程，其并入了之前已知 或測量的標志物光譜以及最重要的內部組織成分。這對于實現在高異質組織中分子標志物 累積的量化是重要的。有利地，在圖像形成的各個階段期間可以施加光譜匹配過程，該圖像 形成的各個階段例如，在光子傳播模型計算期間、以及/或者通過背投影從光聲數據進行 圖像重建期間。 多波長激勵被視為對分子成像應用是特別有利的，因為其不需要“基線”測量，即 不需要在給予分子標志物之前的測量。因此，能夠以高靈敏度對具有較長累積或激勵時間 的分子標志物或者內在組織分子標志物(諸如熒光蛋白質)的調制進行精確檢測。相反地，由于提供了在多個波長的照明，所以該方法甚至可應用于對動態現象的成像中，例如血 液動態或者在小時間周期(諸如ICG)上具有變化濃度的非特異性染料的循環，然而，基于 之前對動力學的知識優選施加校正步驟。由于本發明在光聲模式中的優良空間分辨率、使用非電離輻射、以及增大的能夠 影響檢測靈敏度的(諸如許多目標或者可激活熒光物、熒光蛋白質或者載色體物質)分子 標志物的可用性，所以本發明使得分子成像能夠具有強大的潛在應用。與具有相對寬帶的光學吸收特性的大多數純載色體相比，許多諸如Alexa或者基 于Cy染料的熒光染料、ICG、熒光蛋白質(GFP、RFP)在它們峰值激勵光譜附近呈現出尖銳的 共振，使得它們成為用于高靈敏度多波長成像的方便候選。同時，一些熒光染料(尤其在近 紅外中)擁有與低量子產率相結合的超過IO5M-1CnT1的相對較高的摩爾消光系數(起到有 利于在光聲信號產生的作用)。因此，雖然可以開發更特異性的純載色分子標志物，但是即 使在出現高度吸收組織載色體的情況下，也能夠在有用的生理學濃度上實現可容易利用的 熒光物成像。在甚至更大數目波長上的采集能夠導致以更長采集時間為代價獨立分辨多個 吸收體、標志物、以及熒光物。優選地，采用聲檢測器裝置檢測壓力信號。備選地，能夠利用光學測量感測目標 組織表面的變化來獲得壓力信號。利用光學檢測進行操作，能夠將本發明性方法在自由 空間模式和完整投影模式中用于完整身體小動物成像(G. hcharakis等，PNAS 102(51) PP- 18252-18257,2005)或根據所成像對象的維度以可變分辨率的介觀成像(C.Vinegoni， C. Pitsouli, D. Razansky 等，NATURE METHODS 5(1) ,2008)。以斷層攝影反射或透射照明的實施方式能夠在諸如透射照明模式中或者在km 到5cm深度的反射模式中進一步用于在穿過乳房組織數厘米進行檢測中的臨床成像，例如 在檢測心血管或者神經疾病中。利用聲檢測(類似超聲)進行操作，能夠在類似應用和幾 何移植中以增加的(像超聲波那樣)分辨率應用本方法，然而，典型情況下通過匹配介質， 例如匹配流體或膠體，進行聲檢測。根據本發明的優選實施例，照明模式包括以分時方式的至少兩個光譜上的不同波 長范圍。優選地，照明步驟包括利用至少兩個整形脈沖照明模式照明目標組織，將其依次指 向到目標組織。特別優選地，根據所成像對象的尺寸以及其與對壓力測量進行記錄的點的 距離，給照明模式提供低于Is、優選低于1ms、最低到10μ s的時間間隔。必須選擇最小可 能時間間隔，使得必須在發出下一個照明脈沖之前對源于所成像區域中所有點的壓力信號 進行測量。以這種方式，能夠避免利用不同波長范圍所采集的壓力信號的失真。根據本發明的另一個優選實施例，照明模式的至少兩個光譜上的不同波長范圍包 括至少兩個波長，目標生物標志物對這兩個波長分別具有不同的吸收。所述不同波長范圍 覆蓋了至少兩個光譜吸收區域，目標組織生物標志物在這兩個光譜吸收區域具有不同的吸 收值。優選地，生物標志物分子的吸收光譜在低于100納米特別是優選低于70納米范圍內， 例如在20納米到50納米的范圍內變化。所考慮的光子傳播模型不僅計入了目標組織中的吸收異質性，如果必要，還計入 了擴散異質性。根據本發明的進一步優選特征，優選在下列方法中的至少一種的基礎上計 算光子傳播模型。首先，能夠使用光子傳輸方程的解來計算(構造)適于目標組織中照明幾何和壓力信號檢測的光子傳播模型。第二，能夠使用目標組織中的光子傳輸的經驗模型來計算光 子傳播模型。利用第一和第二種方法，能夠根據目標組織的具體幾何條件計算照明光通量的分 布。光子傳播模型取決于照明光波前由于目標組織中結構引起的改變，其提供了對壓力 信號的改進分析。例如，如本發明人(D. Razansky和V. Ntziachristos，MEDICAL PHYSICS 34(11) :pp. 4293-4301,2007)之前所給出的，能夠通過基于在前一個步驟中由光聲圖像所 導出的吸收圖和邊界條件求解擴散方程來計算通過樣品的光通量。作為另一個例子，對于 光子將在組織中穿透數毫米到數厘米的大多數臨床應用，擴散模型可能是適當的。相應地， 對于小動物并且特別對于介觀成像，介觀意味著Ocm到Icm大小的組織，更精確的光子傳播 模型的解，包括傳輸方程的數值或分析解，一般將是優選的。第三，并入入射光子分布和/或照明模式的模型能夠用于計算光子傳播模型。該 變體是優選的，如果給照明模式提供預定的光子密度幾何分布。作為例子，如果在光纖輸出 處提供照明模式，就在點形入射光子分布和照明光球形傳播的基礎上計算光子傳播模型。 對于具有矩形照明陣列的另一個例子，相應采用引入光子傳播模型的入射光子分布和/或 照明模式。第四種方法，能夠使用所檢測到的壓力信號和/或在任何重建階段所產生的光聲 圖像來計算光子傳播模型。在該有利實例中，不需要對照明場的假設，使得該方法能夠在任 何照明設置中工作，從操作具有多個照明區域的手持型掃描器到血管內成像。這是本發明 特別優選的特征之一。雖然大多數常規系統遵循旨在利用匹配流體和某些允許均勻照明組 織的光學布置的方針，但是該實施例不依賴于源和檢測器幾何設置的細節。另外，使用多光 譜成像方法允許在非特定吸收背景上在功能和分子成像意義上分辨重要的組織生物標志 物。換言之，在優選實施例中，不是間接光子傳播建模，而是能夠直接從光聲數據中提 取組織中的光通量。如下采用更多細節所概述的，光聲信號表示局部光通量和局部吸收系 數的乘積。在大多數實際例子中，能夠假定該通量與更快速的吸收系數變化相比呈現更慢 的空間相關性。為了使用盲源分離方法對這兩種貢獻進行有效分解，可以諸如通過將組合 光聲響應ψ^λ) =Uk(X)Pk(X)擬合到包括具有不同空間特性的兩個或多個基的稀疏 表示庫(sparse representation dictionary)內，來利用以上事實。本方法的特定優勢是 其獨立于特定實驗幾何和測量條件。根據本發明，為了進一步改進本發明的圖像重建，能夠結合上述用于計算光子傳 播模型的方法。提供本發明性方法的反演步驟用于從一系列所測得的壓力信號重建生物標志物 的三維分布(例如)。在每種情況下，基于特定幾何和物理特性以及所使用檢測元件的空間 分布，具體的反演方案將不同。典型地，能夠通過將每個點檢測器所記錄的原始或者光譜處 理信號背投影到虛擬成像的體積中、并且匯總所有檢測器位置(投影)來完成該反演。反演還可以包括由光子傳播模型(光分布模型)對原始光聲信號或圖像的歸一 化。因此，對于本發明的優選實施例，反演方案在斷層攝影重建中結合了光子傳播模型和聲 傳播模型，以產生定量斷層攝影圖像。根據本發明的上述實施例，反演方案優選以迭代形式結合光子傳播模型和/或聲傳播模型。在許多實際實施方式中，特別是在小動物和臨床應用中，能夠將光聲重建的光學 吸收圖以迭代形式饋送到光子傳播模型內，以進一步改進光子傳播的預測和所得到的光聲重建。作為本發明的另一個優勢，能夠在圖像重建的各個階段期間執行光譜處理方案。 特別地，根據本發明的優選實施例，光譜處理方案包括到反演方案中的集成、對所采集的壓 力信號數據的處理步驟、以及/或者對重建圖像數據的處理步驟。由于改進的、特別是基于光子傳播模型和光譜模型的壓力信號數據處理，本發明 提供了設計成像裝置的新的選擇，其適于實現本發明性成像方法。根據本發明的第一有利 變體，能夠將照明裝置和檢測器裝置，具體而言，照明光輸出元件和其傳感器集成到集成部 件(稱為測量頭單元)中。使用測量頭單元在執行成像和檢測步驟方面提供了重要的優 勢。由于能夠簡單地放置測量頭單元與將要研究的目標組織成分接觸，所以易于放置照明 和檢測器裝置。特別是，例如在像血管的中空器官或脈管中能夠將測量頭單元放置在目標 組織的內表面上，或者，能夠將測量頭單元放置在目標組織的外部表面上，例如在表皮上。 因此，對于本發明的特定有利變體，將成像裝置的照明裝置和檢測器裝置的至少一個包括 在內窺鏡、腹腔鏡、或者間質裝置中。作為特定優勢，能夠提供測量頭單元作為用于非侵入式或內窺鏡和腹腔鏡應用的 手持裝置。此外，根據本發明，能夠使用測量頭單元而沒有在測量頭單元和目標組織之間的 匹配流體。有利地，測量頭單元與目標組織的接觸對于引入照明模式以及對于采集壓力信 號是足夠的。有利地，能夠根據應用的特定需求設計測量頭單元。根據本發明的優選實施例，測 量頭單元包括照明元件和傳感器元件的陣列。照明和傳感器元件的陣列包括照明和傳感器 元件以相對于彼此的距離在測量頭單元接觸表面上的布置，其取決于本發明的應用是平面 接觸表面還是曲線接觸表面。照明和傳感器元件的陣列提供了照明模式(將要引入目標組織內的照明光的幾 何模式)和為了斷層攝影圖像重建而采集壓力信號的傳感器元件的幾何模式。對于本發明 的特定優選實施例，照明和傳感器元件陣列包括至少一個照明元件的線形布置和至少一個 傳感器元件的線形布置，以及/或者包括照明和傳感器元件的矩陣形布置，其中二者交替 分布。根據成像裝置的第二變體，能夠將照明裝置和檢測器裝置，特別是其中的照明元 件和傳感器元件，作為分立元件提供。在該情況下，能夠獲得在調整照明和檢測器裝置相對 于目標組織的幾何和位置方面的優勢。作為第一個例子，將照明和檢測器裝置如上所述共 同布置在目標組織的外表面或內表面上。優選地，將照明和檢測器裝置之一布置在目標組 織內，特別地，與其內表面接觸；而將照明和檢測器裝置中的另一個布置在目標組織外，特 別地，與其外表面接觸。如果將照明裝置布置在目標組織中，例如在脈管中或者直接在組織 中的皮下環境中，就能夠改進目標組織的照明，同時采用布置在目標組織外表面上的檢測 器裝置，就能夠促進壓力信號的采集。在相反的情況下，能夠將照明裝置布置在目標組織的外表面上，使得能夠改進照 明元件相對于將要研究的組織的定位。在該情況下，能夠將諸如作為內窺鏡裝置一部分的 檢測器裝置布置在目標組織中，例如類似，中空器官或者目標組織的脈管，或者如果必要甚至將其布置在皮下環境中。如果配置照明元件用于提供具有相對于目標組織的不同投射方向的照明光，就可 以獲得照明元件的陣列的另一個優勢。優選布置照明元件使得獲得至少兩個不同的擴散投 射方向。采用至少兩個不同的投射方向照明目標組織具有提供復雜照明光場的特別優勢， 其有助于將所采集的壓力信號反演成重建的目標組織圖像。根據本發明，能夠通過分辨內部組織載色體和熒光物、或者利用生物標志物指示 劑即諸如熒光蛋白質的至少一種內生指示劑、或者對于某些組織生物標志物具有特異性的 外部給予的探針實現組織生物標志物的檢測。吸收光指示劑是優選的，例如熒光物和熒光 染料或者熒光軛合物、載色試劑和基底或者基于貴金屬(金、銀等)或其它金屬的納米粒子 試劑。有利地，能夠利用本發明性方法分辨現存的分子標志物，包括熒光探針、吸收靶或者 封裝的納米粒子以及熒光蛋白質。因此，利用本發明的另一個優選實施例，目標組織包括以 生物標志物為目標的光吸收指示劑。這允許在基本生物成像中以及在臨床前成像和臨床應 用中的應用。作為優選實施例，吸收光的指示劑包括以下的至少一種諸如AlexaFluor的熒光 或者載色體分子、諸如GFP的熒光蛋白質、諸如金納米粒子的包括貴金屬的粒子、諸如氧化 鐵納米粒子(SPIO)的超順磁性粒子、碳粒子、以及諸如X-gal的可激活基底。因此，本發明性方法采用多個吸收光的基底進行工作。通過選擇在它們的吸收光 譜中具有例如陡峭吸收改變的特性模式的預定生物標志物指示劑，提高了成像性能。術語 “吸收光譜中的陡峭改變”是指吸收性能，該性能使得在這樣的光譜窗內損失至少80%的指 示劑峰值消光(或者吸收)，該光譜窗小于100納米，特別是優選小于50納米、例如，在750 納米到770納米的窗中的20納米(在采用熒光分子AleXaFluor750的情況下)。由于與該區域中的普通組織載色體光譜的平滑吸收變化相比，近紅外熒光標志物 的消光/吸收光譜在630nm之上的光譜窗口中呈現陡峭下降，所以普遍特別感興趣的是對 近紅外熒光標志物進行成像。以這種方式，能夠容易地利用多波長方法抑制內部組織對比 度，產生通過在若干不同鄰近波長處所采集的光聲圖像的光譜匹配所獲得的組織中熒光物 分布的高靈敏度癌癥(cancerve)成像。另外，能夠使用多光譜成像分辨組織中的多個吸收 體/熒光物，并且如上所述，可以通過更加精確地考慮組織在所使用的每個波長的相對背 景吸收衰減進一步改進整個方法。本發明優選用于對小動物的組織、介觀尺寸的組織即具有在100 μ m到5cm范圍內 特別是從0. 5mm到Icm范圍內的典型尺寸的組織、或者人類身體(或者尺寸與人類身體可 比的動物身體)的組織或組織成分進行成像。該成像優選允許獲得隨后診斷可以基于其進 行準備的信息。本發明性目標組織生物標志物成像特別提供了用于診斷癌癥疾病、心血管 疾病(特別地，其包括動脈硬化斑)、炎癥疾病的信息。備選地，該成像允許獲得關于疾病狀 態和/或疾病治療進展的信息。在這里描述了能夠對諸如昆蟲、蠕蟲、魚類和鼠類、兔子、豬的生物樣品中的熒光 蛋白質進行非侵入式成像的特定優選實現。在另一個實施例中，描述了對心血管疾病中的 動脈粥狀硬化生物標志物進行檢測的特定實現。然而，能夠預見癌癥、免疫學、神經變性疾 病等中的不同方法。提供定量斷層攝影圖像作為本發明性方法的結果。另外，能夠通過以下至少一種方式對圖像進行處理通過顯示裝置進行顯示、存儲在計算機存儲裝置中、采用像諸如打印 機或者其它圖像輸出裝置的記錄裝置進行記錄、和作為輸入數據提供給圖像處理方法。
在下面參考附圖對本發明的更多細節和優勢進行了描述，其中圖1 根據本發明的目標組織生物標志物成像的實施例的示意性表示；圖2 對成像方法的優選實施例的特征進行圖示說明的示意性流程圖；圖3至5 根據本發明的成像裝置的測量頭單元的示意性圖示說明；圖6 根據本發明的成像裝置的照明和傳感器元件的陣列的圖示說明；圖7至9 本發明性成像方法和裝置的備選實施例的示意性圖示說明；以及圖10 用于在實驗室實驗中對小動物進行成像的實驗設置。
具體實施例方式現在專門詳細參考附圖，強調通過舉例的方式并且出于僅對本發明的優選實施例 進行說明性討論的目的示出了細節，并且為了提供被認為是最有用并且很容易理解的本發 明原理和概念方面的描述呈現這些細節。就這一點而言，不嘗試進行示出比對本發明的基 本理解所必需更詳細的本發明結構細節，說明書與附圖一起使可以如何在實踐中具體化本 發明的幾種形式對本領域的那些技術人員來說是顯而易見的。如在這里所使用的，除非明 確敘述排除，否則應該將以單數敘述、并且采用單詞“一”或“一個”開始的元件或步驟理解 為不排除多個元件或步驟。在對附圖的描述中，類似的數字代表類似的部分。圖一般不是 按比例繪制的。為清楚起見，從一些圖中省略了非必要元件。可以在虛線中畫出一些可選 元件。1、優選實施例的特征在圖1中圖示說明了本發明的成像方法和成像裝置的必要部分。成像裝置100包 括照明裝置10、檢測器裝置20和重建裝置30。將照明裝置10布置用于以預定照明模式將 照明光引入包括將要成像的生物標志物2的分布的目標組織1內。能夠通過如下所列出的各種光源具體化照明裝置10。根據本發明的應用的需求 選擇所使用的特定光源。典型地，照明裝置10包括像激光源或者發光二極管(LD)的光源， 以及像從光源將照明光傳送到照明裝置10的輸出或者接觸表面的光纖的導光裝置。此外， 照明裝置10優選適于在遠紅或者近紅外波長范圍內的若干照明波長處、即優選采用大于 630nm的波長以至少一種脈沖照明模式進行發射。檢測器裝置20適于感測來自目標組織1的壓力信號，由目標組織1中的生物標志 物2作為對照明的響應產生該壓力信號。典型地，檢測器裝置20是聲檢測器裝置，其包括 至少一個可移動的檢測器元件和/或多個檢測器元件(陣列)。后者從諸如超聲成像技術 中是已知的。備選地，能夠利用浸入匹配液體中的光學檢測器采集壓力信號，或者采用諸如 通過光學干涉儀設施的光學模塊非接觸地感測目標組織的表面變化。重建裝置30 —般適合于重建目標組織1中的生物標志物2的定量斷層攝影圖像。 重建裝置30包括至少一個處理器31，其適合于計算光子傳播模型、執行光譜處理方案并且 執行用于提供斷層攝影圖像的反演方案。另外，能夠提供適于原始數據處理的處理器32。能夠在公共電路系統中實現處理器31和32。備選地，能夠通過包括在重建裝置30中的多 個分立處理器元件實現處理器31的上述功能。可以利用經編程的微處理器實現每個處理 器，以實現其特定功能。將重建裝置30與輸出裝置33相連，其適于為了進一步處理或應用提供經重建的 斷層攝影圖像。特別地，輸出裝置33包括至少一個像諸如計算機顯示器的顯示裝置、像諸 如計算機中存儲介質的存儲裝置、以及像諸如打印機的記錄裝置。利用下面所列出的圖1的成像裝置100實施本發明性成像方法。使用照明裝置10 將照明光照射在組織1中感興趣的成像區域上。在優選實施例中，在可見和/或近紅外光 譜范圍中在一個或多個位置或者角度上將多個波長的脈沖照明發射到組織1內。這種利用 光形成多投影(位置或角度)的能力有助于提供成像裝置作為手持掃描器，或者血管內掃 描器(見下面)。個體脈沖的持續時間優選位于納秒范圍內(即低于100ns，特別是優選低 于IOns)，其間具有至少10到100 μ s的間隔。在由組織1中的上述脈沖吸收造成的瞬時溫度提升之后，在組織1中引起了寬帶 聲輻射。所引起聲波的幅度與對象的局部光通量、光學吸收系數和熱彈性性能成比例。隨后通過檢測器裝置20檢測作為對照明的響應而生成的壓力信號(聲波，特別是 聲音)。通過將聲檢測器元件平移到組織1周圍，或者備選地通過將固定檢測器元件陣列放 置在組織1附近來采集所引起的響應。隨后，能夠通過將所檢測到的壓力信號背投影到虛擬成像體積中或者通過各種 Radon變換重建光學吸收。當假設熱彈性屬性恒定時，通過解決組織1中的光子傳播的復合 問題，能夠基于不同吸收光譜對所選擇的組織生物標志物2進行定量地重建，其是波長相 關的或者基于所考慮的所有波長以相同或者相似光學屬性在介質中傳播的簡化進行操作。利用處理器32對原始數據的預處理可以包括基本濾波和降噪。圖像形成處理器 31應用適于特定照明和檢測配置的反演方案。它還應用負責將生物標志物與組織1中的背 景吸收進行區分的光譜處理步驟，以及旨在對生物標志物圖像進行量化的光子傳播建模步 驟。在圖像形成階段，能夠基于特定實施方式和應用需求改變反演、光子傳播建模和光譜處 理步驟的次序。結果，產生感興趣的組織生物標志物2的圖像3。在每種情況下，基于所使用的檢測元件的特定幾何和物理特性以及空間分布，特 定反演方案將不同。例如，在使用聲檢測元件的相控陣的情況下，能夠通過將簡單的超聲波 束形成算法合并入反演過程實時形成圖像。能夠以表示組織1的局部光學吸收系數的(一個或多個)圖像3的形式呈現反演 的基本結果。2、理論考慮實際上，所檢測到的光聲響應不直接提供局部吸收系數μ (λ)，而是提供吸收能 量密度Wk(X)的重建圖像，其表示吸收系數μ (λ)和樣品中光通量UkU)的組合，即 Ψ^λ) =Uk(A)Uk(A)0由于生物組織的強烈光衰減和異質性，通常不能將通量假設為 在整個感興趣區域是恒定的。但是，僅吸收系數自身能夠提供關于生物標志物分布的相關 定量信息。因此，對樣品內標志物的實際分布進行量化的能力有賴于在將要從光通量分布 中去卷積的每個波長的光吸收圖的初始重建精度。光聲反演
在通過物質中光能量的短脈沖吸收造成的瞬時溫度提升之后，在組織中引起寬帶 聲輻射。所引起的聲波的幅度與對象的局部能量密度、光吸收系數、以及熱彈性性能成比 例。反過來，它們的光譜主要取決于能量沉積變化的空間頻率以及所發射脈沖的持續時間。 對于ns范圍中的脈沖持續時間，生物相關光聲光譜將具有超寬帶性質，根據所成像對象內 光吸收變化的大小和空間分布，其具有包含在數十kHz和數十MHz之間的有用信息。保存所檢測到的響應的正確形狀對于所得到圖像的正確量化是重要的。由于可能 很難有效實現這種寬帶檢測，所以恢復初始組織響應的優選方式是從檢測器的頻率響應中 去卷積所記錄的信號。備選地，基于在諸如Fabry-Perot薄膜、環形諧振器、或者標準具的 光諧振元件中的表面運動或者機械振蕩的檢測，可以使用諸如光干涉方法的超寬帶檢測方 法。提供反演用于通過背投影原始信號或者光譜處理過的信號從所采集的超聲壓力 POr',0重建生物標志物的三維分布(例如)。在每種情況下，取決于所使用的檢測元件的特 定幾何和物理特性和空間分布，反演方案將不同。例如，在使用相控陣檢測器的情況下，能 夠通過使用簡單的超聲波束形成算法實時形成圖像。一般地，在熱密閉(heat confinement)的條件下，即當光能量脈沖足夠短使得在 脈沖期間的熱擴散不明顯時，在光聲引起的壓力POrV)、所吸收的能量密度VF，0 (以J/m3 為單位)、以及局部溫度升高TR,0之間的空間-時間相關性能夠表示為
權利要求
1.一種對包括目標組織生物標志物的目標組織進行多光譜光聲斷層攝影(MSOT)成像 的方法，包括以下步驟-利用以若干照明波長發射至少一種脈沖照明模式的照明裝置照明所述目標組織； -利用檢測器裝置檢測來自所述目標組織生物標志物的壓力信號，其中，作為對所述照 明的響應在所述目標組織中產生所述壓力信號；以及-重建所述目標組織中所述目標組織生物標志物的分布的定量斷層攝影圖像，其中，使用光子傳播模型，該光子傳播模型取決于所述目標組織中的照明光通量并取決于所述照 明波長；至少一種光譜處理方案；以及 提供所述斷層攝影圖像的反演方案， 對所述壓力信號進行分析。
2.如權利要求1所述的成像方法，其中，-所述照明模式包括以分時方式的至少兩個光譜上的不同波長范圍。
3.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，使用下列中的至少一個來計算所述光 子傳播模型-適于所述目標組織的照明的幾何形狀的光子傳輸方程的解； -在所述目標組織中光子傳輸的經驗模型； -并入了入射光子分布和/或所述照明模式的模型；以及/或者 -所檢測到的所述壓力信號和/或在任何重建階段所產生的光聲圖像。
4.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，-所述反演方案在斷層攝影重建中組合所述光子傳播模型和聲傳播模型，以產生所述 定量斷層攝影圖像。
5.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，-所述反演方案以迭代方式組合所述光子傳播模型和/或所述聲傳播模型。
6.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，所述光譜處理方案包括下列中的至少 一個-將所述光譜處理方案集成在所述反演方案中； -對所采集數據的處理步驟；以及 -對所重建數據的處理步驟。
7.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，執行下列中的一個或多個-將所述照明裝置和所述檢測器裝置集成到公共測量頭單元中，并且所述照明和檢測 步驟包括將所述測量頭單元定位成與目標組織部件或者匹配流體相接觸；-將所述照明裝置布置在所述目標組織中，并且將所述檢測器裝置布置成與所述目標 組織或匹配流體的外部表面相接觸；-將所述檢測器裝置布置在所述目標組織中，并且將所述照明裝置布置在所述目標組 織的外部表面之外或者與所述目標組織的外部表面接觸；-將所述照明裝置和所述檢測器裝置布置成緊密接近目標組織的外部表面或者與目標 組織的外部表面接觸；或者-所述檢測裝置通過諸如表面運動的光檢測以非接觸方式測量光聲引起的壓力信號。
8.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，-使用血管內導管將所述照明裝置和所述聲檢測器裝置布置在血管內部；或者 -所述照明和檢測器裝置的所述測量頭單元是手持裝置。
9.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中-所述目標組織包括以所述生物標志物為目標的光吸收指示劑。
10.如權利要求9所述的成像方法，其中，所述光吸收指示劑包括下列中的至少一種 -熒光或者載色體分子；-熒光蛋白質， -包含貴金屬的粒子； -超順磁性粒子； -碳粒子；以及 -可激活基底。
11.如權利要求9或10所述的成像方法，其中-所述光吸收指示劑在其吸收光譜中具有陡峭改變。
12.如權利要求11所述的成像方法，其中-所述照明波長包括被所述目標生物標志物有差別吸收的至少兩種波長。
13.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，所述目標組織生物標志物把以下至少 一種作為目標_癌癥疾病；-心血管疾病，尤其包括動脈粥狀硬化斑； -炎癥疾病；-用于診斷目的的疾病的一個方面； -疾病狀態的一個方面；以及 -疾病治療的一個方面。
14.如前述權利要求之一所述的成像方法，其中，所述目標組織包括以下中的至少一種-小動物的組織；-介觀尺寸的組織，即從亞毫米到厘米范圍的組織； -至少一個人類器官的組織。
15.一種成像裝置，其適于對包括目標組織生物標志物的目標組織進行多光譜光聲斷 層攝影(MSOT)成像，所述成像裝置包括-照明裝置，其適于利用在由所述目標組織生物標志物所吸收的若干照明波長的至少 一種脈沖照明模式照明所述目標組織；-檢測器裝置，其適于對從所述目標組織中的所述目標組織生物標志物作為對所述照 明的響應而產生的壓力信號進行檢測；以及-重建裝置，其適于重建所述目標組織中的所述目標組織生物標志物的分布的定量斷 層攝影圖像，其中，所述重建裝置包括適于根據照明所述目標組織的所述光模式并且根據所述照明波長計算光子傳播模型的處理器，適于實施光譜處理方案的處理器，以及適于實施提供所述斷層攝影圖像的反演方案的處理器。
16.如權利要求15所述的成像裝置，其中-將所述照明裝置和所述檢測器裝置集成在公共測量頭單元中。
17.如權利要求16所述的成像裝置，其中，所述測量頭單元包括照明元件和傳感器元 件的陣列。
18.如權利要求17所述的成像裝置，其中，所述陣列包括以下中的至少一種 -所述照明元件和所述傳感器元件的線形布置；以及-所述照明元件和所述傳感器元件交替分布的矩陣形布置。
19.如權利要求15至18中的一項所述的成像裝置，其中-所述照明裝置適于沿著至少兩個不同的散布投射方向照明所述目標組織。
20.如權利要求15至19中的一項所述的成像裝置，其中，將所述照明裝置和所述聲檢 測器裝置配置用于以下中的至少一種-布置在血管中，特別地，所述照明裝置包括光纖或光波導；以及 -用于提供與所述目標組織的外部表面的接觸。
21.如權利要求15至20中的一項所述的成像裝置，其中-將所述照明裝置和所述檢測器裝置中的至少一個包括在內窺鏡、腹腔鏡或者間質裝置中。
22.如權利要求15至21中的一項所述的成像裝置，其中，所述重建裝置適合于應用反 演方法和光譜處理，以便構建血管的圖像，尤其是冠狀或者頸動脈的圖像，其中，所述圖像 代表在所述目標組織中的所述生物標志物的空間分布。
全文摘要
一種對包括目標組織生物標志物的目標組織進行多光譜光聲斷層攝影(MSOT)成像的方法，包括以下步驟利用在若干照明波長上發射至少一種脈沖照明模式的照明裝置照明目標組織；利用檢測器裝置檢測來自目標組織生物標志物的壓力信號，其中，該壓力信號是作為對所述照明的響應在目標組織中產生的；以及重建目標組織中目標組織生物標志物的分布的定量斷層攝影圖像，其中，使用取決于目標組織中的照明光通量并且取決于照明波長的光子傳播模型、至少一種光譜處理方案、以及提供斷層攝影圖像的反演方案對壓力信號進行分析。此外，描述了一種用于多光譜光聲斷層攝影的成像裝置。
文檔編號A61B5/00GK102137618SQ200880130942
公開日2011年7月27日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者D·拉扎斯基, V·恩齊亞赫里斯托斯 申請人:健康與環境慕尼黑德國研究中心赫姆霍茨中心(有限公司)