[发明专利]利用近红外光谱学和具有光子混合器设备的断层成像连续监测肿瘤缺氧

说明书

描述了一种利用光子混合器设备(PMD)通过近红外(NIR)光谱学测量肿瘤周围的组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的设备和方法。

技术领域

本公开一般涉及组织氧合的连续监测，特别是肿瘤缺氧，更具体地，涉及用于计算肿瘤周围的组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度的方法和设备。

背景技术

实体肿瘤(solid tumor)周围的微环境通常缺氧。肿瘤周围的组织中脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白浓度的比率高于健康组织中的比率。通过测量组织氧合，可以评估肿瘤的功能行为。组织氧合状态也可用于评估常规或新辅助化疗的有效性以及确定疾病进展和帮助预后。

近红外(Near-infrared，NIR)吸收光谱学是一种已用于测量组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对量的技术。在600-1000nm的NIR光谱窗口中，光子在组织中的传播被散射主导，而不是被吸收主导。为了精确测量目标组织中血红蛋白的浓度，光子被吸收的部分和被散射的部分必须去耦合。然而，利用采用稳态照射的连续波NIR吸收光谱学，通常很难分离光子被吸收的部分和被散射的部分。因此，NIR吸收光谱学的传统方法不允许精确测量肿瘤周围的组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。为了弥补这一点，研究人员开发了各种时域和频域技术来独立地测量光子被散射的部分和被吸收的部分，从而计算绝对血红蛋白浓度的更精确的值。这些允许分别测量吸收和散射的测量技术共同称为漫射光谱学(Diffuse Optical Spectroscopy，DOS)。当光子被散射的部分和被吸收的部分被用于组织的空间重建时，这些技术被称为漫射光学断层成像(Diffuse Optical Tomography，DOT)。

虽然存在商业上可获得的连续波NIR DOS设备(例如，来自Medtronic-Covidien的INVOS^TM血氧定量法系统、来自Hamamatsu的NIR-200NX近红外氧合监测仪等)，由于频域技术的复杂性增加，频域NIR DOS设备还没有从研究过渡到现实世界使用。目前用于研究的频域DOS设备通常体积庞大且昂贵，并且因此，不能容易地被转换成医疗器材，用于现实世界的医院环境(hospital setting)或护理点(point-of-care)。

因此，仍然有开发可以应用于连续组织氧合测量的小型化、低成本的频域光谱学和断层成像设备的需求。

发明内容

本公开针对用于监测肿瘤缺氧的设备和方法。本公开的设备和方法可被用于持续监测经受化疗的患者内的肿瘤的功能状态。该设备可以小型化，从而可以植入患者体内肿瘤附近，或者该设备可以以可穿戴设备的形式安装在靠近肿瘤部位的患者身体上。在一些实施方式中，该设备可以是手持式的，使得它可以在护理点(例如，在患者的医院床边、医生的办公室或患者的家里)用于评估肿瘤的功能状态。

本公开的一方面是一种用于连续监测组织区域中的肿瘤的设备。该设备可以包括PMD相机芯片和至少一个与PMD相机芯片水平地分离的调幅近红外光源，使得PMD相机芯片和近红外光源处于反射几何结构。

本公开的另一方面是一种用于连续监测肿瘤缺氧的方法。该方法包括：a)用紧邻肿瘤提供的调幅近红外光源照射具有肿瘤的组织区域；b)使用紧邻肿瘤提供的多像素PMD相机芯片记录从组织区域反射的光，其中近红外光源与PMD相机芯片水平地分离；c)测量反射光的振幅和相移；d)使用反射光的振幅和相移来计算吸收系数和约化散射系数；e)对至少两种不同波长的光重复步骤a-d；以及f)使用针对至少两种不同波长的光计算的吸收系数和约化散射系数来计算组织区域中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。

本公开的其他实施例被包含在附图、说明书和权利要求中。因此，本概述仅是示例性的，不应被认为是限制性的。

附图说明

结合在本说明书中并构成其一部分的附图说明了所公开的实施例，并与说明书一起用于解释所公开的实施例的各个方面的原理。附图是示意图，并且不必按比例绘制。在附图中：