[发明专利]多路径、多放大率、非共焦荧光发射内窥镜装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年11月14日提交的美国临时申请S/N60/987,868和于2007年11月12日提交的美国临时申请S/N 60/987,270的优先权，上述申请的主题的全部内容被引用于此作为参考。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明得到政府扶持，在由美国国立卫生研究院的国立生物医学影像学与生物工程学研究所资助的项目No.1R01EB006736-01和No.5-P41EB001976下完成。

技术领域

本发明的实施例最普遍地涉及多光子荧光和/或非线性谐波发射内窥镜装置和方法的领域。尤其是，本发明的实施例涉及用于荧光发射内窥镜系统的多放大率、非共焦、多路径光学系统和光学系统模块，以及相关方法。

背景技术

多光子显微术是差不多二十年前由本发明的共同发明人WattWebb博士共同发明的。现在公知的多光子显微术(MPM)是明显优于标准共焦显微术的特定类型的激光扫描显微术。在共焦显微术中，高能光(例如488nm)的一个光子用于激发分子以产生荧光的一个光子。该光在围绕焦点的较大区域中激发分子。高能光的使用会容易破坏整个暴露区域中的活体组织。此外，成像深度被限制为大约50微米(μ)(大约5个细胞层)。

在MPM中，多个低能光子(例如960nm)同时撞击在荧光分子上，从激发场的聚焦体积产生荧光的一个分子。有利地，由于例如对活体组织的部位光毒性和光损伤有限、高达500-1000μ的撞击深度和较低的散焦荧光背景，MPM比共焦显微术更安全和有效地用于人体。由激发场生成的某些组织结构的内源荧光减少或消除了对染料(荧光团)注射的需要。在本领域中有已知的其他原因。因此，MPM提供了获得高对比度、高分辨率图像的能力，而且不需要使用针孔或其他空间过滤元件，减小了由重复激发产生的组织光漂白和光裂解。

用于生成多光子激发的激光也支持被称为谐波生成的非线性光学现象。在多光子激发下的二次谐波生成(SHG)(和更高阶谐波生成)可以导致胶原和某些组织结构(例如微管束、神经和软骨)发出内源SHG辐射。

本发明人和其他人认识到可以通过将MPM的原理结合到内窥镜中实现各种优点和益处。例如，疾病诊断长期以来并且仍将继续由各种活检程序执行。活检需要从患者身体取出(深层)组织样本，由病理学家进行样本分析，并且出报告，这可能耗费几小时到几天或以上。与多光子(和/或谐波生成)荧光成像的诊断能力组合执行实时、原位内窥镜检查的能力可以显著减小与常规活检程序关联的疼痛、时间和成本并且有助于疾病诊断和由于病情导致的组织损伤的范围。用于亚组织、神经和软骨检查的高分辨率MPM优于当前的外科内窥镜的能力。清楚地观察神经和胶原的能力例如在神经留存前列腺手术、膀胱癌治疗中以及在颌面和口腔手术中尤其重要。

同时需要低放大率、大视野成像和高放大率、高分辨率多光子成像必须具备两个有效的光学成像系统(例如，两个物镜)。尽管多光学系统常规地设在显微镜装置中，但是独立的、可切换的光学系统并未提供适合于紧凑内窥镜的体系结构。

迄今为止改进内窥镜成像程序和装置的努力集中于多光子荧光激发过程而很少涉及用于获得、识别和分析荧光的改进系统和方法，或涉及减小现有程序的严重性和侵袭性的改进系统和方法。

考虑到与荧光发射内窥镜成像装置和方法关联的前述困难和缺陷，本发明人认识到仍然需要可以以可行的、成本合算的和有效的方式解决这些以及其他困难和缺陷的装置和方法。

本发明人也认识到基于共焦的常规内窥镜成像装置和方法例如由于来自扫描装置的图像阻塞和经由同心激发光纤波导的信号收集和/或传输不足而有缺点。

本发明的实施例涉及解决与本领域中的当前技术关联的上述缺陷和缺点的装置和方法。

发明内容

当在本文中使用时，术语“荧光发射”将用于表示多光子(特别是双光子，但不排除更高阶)荧光发射以及在适合于激发这样的荧光发射的条件下来自目标介质的光学二次谐波生成(SHG)(但不排除更高阶谐波生成)。

本发明的示例性实施例包括但不限于布置在荧光发射内窥镜的远端之中或之处的光学系统；用于荧光发射内窥镜中或与其一同使用的光学系统模块；基于光学波导的荧光发射内窥镜系统；以及用于目标的远程控制、多放大率成像或用荧光发射内窥镜装置从目标收集荧光发射的方法。