[发明专利]具有荧光及生物发光源的交叉形态加权特征的漫射介质成像的系统、方法及设备

说明书

相关申请案

本申请案主张2012年10月15日申请的第61/714,198号美国临时专利申请案的优先权及权益并将所述临时专利申请案以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及活体内成像系统及方法。更特定来说，在某些实施例中，本发明涉及采用共同定位的荧光源及生物发光源的断层成像系统。

背景技术

漫射介质中的成像主要由于其在生物学及医学方面的应用而成为有吸引力的研究领域，其在例如癌症研究、药品开发、炎症及分子生物学方面显示出巨大潜力。随着高度特定可激活荧光探针的发展，在活体内以分子水平获取信息的新方式已成为可能。由于组织中存在的固有散射以光学波长进行，所以光在组织中经多重散射的且其原始传播方向在称作散射平均自由程lsc(一段表示组织的不同成分的散射的密度及效率的距离)的距离之后被随机化。即使可记录来自组织的荧光或生物发光发射的图像，但由于散射的存在，这些图像与荧光探针或生物发光报道子的浓度、大小及位置存在非线性关系，从而导致称作病态问题的问题。近来开发的方法及系统通过引入荧光对激发的空间依赖性且通过漫射近似法对组织中的光传播进行适当建模来利用断层成像途径减轻此病态性，从而能够恢复具有约为散射平均自由程(lsc)或更好的分辨率的荧光浓度的空间分布。在理想状况下，假设在测量荧光时可完全阻断激发光，这些断层成像技术的灵敏度将仅取决于检测器效率及探针亮度以及存在于组织中的吸收。在这种理想情况下，由于发射强度及激发强度彼此成比例(至少对于小动物成像可接受的功率来说如此)，所以可通过增大激光功率来提高灵敏度，这可确保在组织内不会出现明显的加热。

然而，活体内测量的实际情况是完全不同的。由于组织中始终存在着周围自发荧光的激发，所以系统的灵敏度在很大程度上取决于区分归因于荧光探针而引起的特定信号与周围自发荧光的非特定信号的能力。这种问题在以反射模式激发时变得更加明显，这是因为更大的自发荧光贡献将来自最靠近相机的组织切片。实际上，断层成像数据或一般来说荧光数据的任何集合的灵敏度由自发荧光在与特定信号相比时的水平确定。这个问题通过使用远红外或近红外(NIR)荧光信号而在一定程度上得到克服，这是因为组织自发荧光在光谱的这一部分中稍微减少，其中额外优点是组织在光谱的这一部分中呈现较低的吸收特性。这是使用在光谱中的远红外或近红外部分中发射的荧光探针时的情况，所述荧光探针在存在特定的分子活动时被激活。这种类型探针的优点是其提供了高信噪比。然而，在大多数实际例子中，可检测到的信号的数量取决于有多少特定信号超出周围组织自发荧光。

为了将特定信号的贡献与非特定信号的贡献分离，最常见的途径是在假设发射光谱已知的情况下运用多光谱测量。尽管这种途径稍微提高了灵敏度，但问题依然存在；在所测量的每一发射波长处，存在来自组织自发荧光的未知贡献。特定信号越弱，自发荧光的影响越占主导地位。

生物发光报道子提供以下显著优点：不需要外部照明以将其置于激发态使得其将发射光。由于是通过化学反应达到激发态，所以发射的光表示成像问题的无背景解决方案，这类似于先前段落提到的荧光的理想情况。生物发光的此固有益处也存在一些缺陷，特定来说与上文所提到的病态问题相关。由于当前不可能有效地引入对此发射的强度的空间依赖性(然而这在荧光的情况下是可能的)，所以不可能同时恢复生物发光探针浓度的空间分布。因此，因为主要目标是恢复探针浓度的空间分布，所以在生物发光的情况下无法像在荧光的情况下那样实质上减少病态问题。

需要一种光学成像系统，在所述光学成像系统中，可将生物发光探针的低背景及不存在自发荧光与由荧光探针展现出的特定性、高量子产率及发射强度调制的外部能力相结合。

发明内容

在某些实施例中，本发明涉及用于荧光探针及/或生物发光报道子的活体内断层成像的系统及方法，其中荧光探针及生物发光报道子在空间上共同定位(例如，以等于或小于光的散射平均自由程的距离定位)于漫射介质(例如，生物组织)中。根据本文中所描述的方法组合从生物发光形态与荧光形态获得的测量。