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原文传递用于获取组织的共配准正交荧光光声体积投影的仪器及其使用的方法

专利名称：	用于获取组织的共配准正交荧光光声体积投影的仪器及其使用的方法
摘要：	本发明公开了用于获取研究对象的共配准正交荧光光声体积投影的仪器和方法。在一个实施例中，仪器包括填充有液体耦合介质的成像箱。对象定位机构被配置为将研究对象定位在耦合介质内并旋转研究对象。固定在成像箱中的光学激发单元被配置为在研究对象的表面处使用相同的光学激发光谱和相同的照射图案从而在研究对象内引起荧光和光声响应。未聚焦的光声换能器阵列安装在成像箱上。固定在成像箱上的光学检测器被配置对在对象内部产生的荧光源的平面投影进行配准。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	光声技术股份有限公司
发明人：	S·艾尔米洛夫;H-P·布莱赫特;V·伊凡诺夫
专利状态：	有效
申请日期：	2017-07-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201780057506.8
公开号：	CN109716104A
代理机构：	上海专利商标事务所有限公司
代理人：	周全;钱慰民
分类号：	G01N21/17(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	美国得克萨斯州
主权项：	1.一种用于获取共配准正交荧光光声体积投影的仪器，包括：充满液体的成像箱，该液体包括选自由单一化学物质、混合物、溶液、悬浮液、乳液或凝胶构成的组中的耦合介质；对象定位机构，其被配置为将研究对象或其一部分定位在所述成像箱中的所述耦合介质内，并使所述研究对象相对于所述成像箱绕转轴旋转；光学激发单元，该光学激发单元固定在所述成像箱上，并且被配置为在所述研究对象的表面处使用相同的光学激发光谱和相同的照射模式在所述研究对象内引发荧光和光声响应，其中发光输出被布置成在所述研究对象的多个旋转位置中的每一个处都能照明所述研究对象的两个相对侧；固定在所述成像箱上的未聚焦的光声换能器阵列，该阵列的每个元件配置成检测在所述研究对象内部产生的光声信号，所述阵列被布置成使得连接所述转轴和所述阵列的中央部分的平面穿过所述研究对象而将所述研究对象被所述光学激发单元照射的两侧分开；固定在所述成像箱上的至少一个光学检测器，该光学检测器被配置成对所述对象内部产生的荧光源的平面投影进行配准，并且设置为相对于所述研究对象位于所述光声换能器阵列的相反侧；以及数据获取单元，其被配置为将光声数据的获取、荧光数据的获取、光学激发和所述研究对象的旋转位置同步，所述仪器还被配置为对所获取的数据进行放大、过滤、数字化并传输到外围系统，以用于后续的存储、处理或可视化。 2.如权利要求1所述的仪器，其中，所述耦合介质对于所述光学激发单元所用的每个波长具有： (a)1.1×106至1.8×106kg/(m2·s)的特定声阻抗，以及 (b)0至0.2cm-1的光学吸收系数和有效光学衰减系数。 3.如权利要求1所述的仪器，其中，所述对象定位机构包括旋转所述研究对象的旋转台，所述旋转台以连续模式或步进模式操作，并具有编码器，其在多次光声荧光数据采集事件中的每一次测量所述研究对象的角度位置。 4.如权利要求1所述的仪器，其中，所述对象定位机构包括动物限制器和带有呼吸单元、气体麻醉单元或静脉输送单元的生命支持单元。 5.如权利要求4所述的仪器，其中，在所述耦合介质内，通过潜水式正压呼吸罩机构向所述研究对象输送呼吸或气体麻醉。 6.如权利要求3或5所述的仪器，其中，还包括管道，其被固定在所述旋转台中并配置成输送呼吸和麻醉气体混合物，当所述旋转台旋转所述动物限制器时，所述管道保持静止。 7.如权利要求1所述的仪器，其中，所述发光输出包括光纤端子，所述光纤端子浸没在所述耦合介质中或通过光学透明的折射率匹配流体、凝胶或粘合剂从外部安装到所述成像箱的光学透明部分。 8.如权利要求1所述的仪器，其中，所述光学激发单元被配置成在532nm至1400nm范围内的一个或多个波长下操作，以产生具有任意时间脉冲轮廓的脉冲且在半高全宽值处估计的脉冲持续时间小于100ns的脉冲，并以脉冲重复率超过0.5Hz产生脉冲。 9.如权利要求8所述的仪器，其中，所述光学激发单元包括一个或多个以下的辐射源同步地发射同时脉冲：调Q开关Nd：YAG激光器、Ti：蓝宝石激光器、翠绿宝石激光器、光学参量振荡器或脉冲二极管激光器。 10.如权利要求8所述的仪器，其中，还具有第二光学激发单元，其在所述研究对象的表面以与所述脉冲光学激发单元相同的光谱内容和照射模式进行连续波照射。 11.如权利要求1所述的仪器，其中，还具有连续波光学照射单元，其在400-700nm的可见光谱范围内操作，并且与所述光学检测器一起提供对所述研究对象的视觉观察。 12.如权利要求1所述的仪器，其中，还具有固定在所述成像箱上的脉冲光学激发单元，所述脉冲光学激发单元在400-700nm的可见光谱范围内操作，且进一步配置成在面对所述光声换能器阵列的所述研究对象的表面层内引起光声响应。 13.如权利要求1所述的仪器，其中，所述光声换能器阵列包括具有相同元件的第一子阵列和第二子阵列，除了所述第一阵列的元件对低于2MHz的超声频率最敏感且所述第二阵列的元件对0.5MHz以上的超声频率最敏感，所述第一子阵列和所述第二子阵列都具有各自的数据采集单元，其被设计成匹配子阵列的换能器元件的光谱带宽，并提供适当的增益以完全利用数字转换器的动态范围。 14.如权利要求13所述的仪器，其中，所述第一子阵列和所述第二子阵列彼此平行布置或顺序堆叠，或者包括具有每个特定子阵列的交替元件的单个阵列。 15.如权利要求1所述的仪器，其中，所述光学检测器包括滤光器，所述滤光器在感兴趣的荧光团发射的一个或多个波长通过时抑制所述光学激发单元所采用的一个或多个波长。 16.如权利要求1所述的仪器，其中，所述研究对象是活体，并且所述数据获取单元还被配置为执行对所述研究对象的生命参数的监视。 17.如权利要求1所述的仪器，其中，所述数据采集单元还被配置为执行对所述光学激发单元的输出光能的监视。 18.如权利要求17所述的仪器，其中，所述数据获取单元还被配置为执行所测量的光声数据的动态范围的自动调整以匹配数字转换器的动态范围，所述调整通过调节输出光能和/或放大检测到的光声信号来执行。 19.如权利要求1所述的仪器，其中，所述数据采集单元还被配置为控制所述光学激发单元的发射光谱。 20.如权利要求1所述的仪器，其中，所述数据采集单元还被配置为控制所述光学检测器的曝光、光谱灵敏度、聚焦和动态范围。 21.如权利要求1所述的仪器，其中，所述成像箱外部的所有暴露于来自所述光学激发单元的辐射的仪器部件是透明的或漆黑的，以使背景荧光和杂散光最小化。 22.如权利要求1所述的仪器，其中，所述对象定位机构配备有升降系统，所述升降系统在上部锁定位置将所述研究对象固定在所述耦合介质外部，以便允许快速重新装载。 23.如权利要求1所述的仪器，其中，所述数据采集单元与处理荧光数据和光声数据的处理单元通信，并使用所述荧光数据和所述光声数据重建所述研究对象的图像。 24.如权利要求23所述的仪器，其中，所述处理单元是通过TCP/IP或其他远程通信协议与所述数据获取单元通信的远程计算机服务器。 25.如权利要求23所述的仪器，其中，所述处理单元与显示单元通信以使用重建图像提供所述研究对象的可视化，所述显示单元包括2D或3D监视器、移动设备或虚拟现实系统。 26.如权利要求25所述的仪器，其中，所述处理单元是远程计算机服务器，所述显示单元是通过TCP/IP或其他远程通信协议与所述处理单元通信的远程终端。 27.如权利要求1所述的仪器，其中，每个光声放大器通道的输入阻抗根据特定光声检测通道的频率带宽，与所述光声换能器阵列的相应感测元件的阻抗匹配。 28.一种使用仪器收集研究对象的共配准光声荧光正交投影的方法，包括：配置光学激发单元以发射能够激发研究对象内的多个荧光团中的至少一个荧光团的辐射光谱；将光学检测器配置为仅对至少一个荧光团的发射光谱敏感；使用所述光学激发单元照射所述研究对象，同时收集多个荧光和光声帧；通过预设的角度步长旋转所述研究对象，并重复使用所述光学激发单元照射所述研究对象的步骤同时收集第二次多个荧光和光声帧；重复上述步骤，直到所述研究对象旋转了预定的角度；以及利用为多个荧光团中的每一个荧光团配置的所述光学激发和检测单元重复上述步骤。 29.如权利要求28所述的方法，其中，旋转所述研究对象并连续获取数据，每次获取的数据包还包括所述研究对象的当前角度位置。 30.如权利要求28或29所述的方法，其中，所述仪器用于通过以任何顺序执行两次连续扫描来从所述研究对象收集共配准正交光声荧光投影以及光声皮肤数据：打开所述光学激发单元，关闭光声皮肤激发单元，获取荧光和光声数据；在所述光学激发单元关闭且所述光声皮肤激发单元打开的情况下，仅获取光声数据。 31.如权利要求28或29所述的方法，其中，所述仪器用于通过执行多次连续扫描来收集所述研究对象的共配准荧光多波长光声正交投影，同时在每次扫描时，在不同光谱下操作所述光学激发单元，至少一个光谱与所研究的荧光团的激发光谱重叠50％或更多。 32.如权利要求31所述的方法，其中，由所述光学激发单元发射的至少一个光谱与所研究的荧光团的所述发射光谱至少重叠50％。 33.如权利要求28所述的方法，其中，所述仪器用于通过执行单次扫描来收集所述研究对象的共配准多波长荧光光声正交投影，同时在所述研究对象的每个角度位置扫描所述光学激发单元的光谱，扫描范围包括所研究的荧光团的激发光谱的一部分。 34.如权利要求31或33所述的方法，其中，图像重建利用光声光谱解混算法，该算法在空间上受限于使用荧光数据重建的荧光体积。 35.如权利要求33所述的方法，其中，所述扫描范围包括激发光谱的一部分和所研究的荧光团的发射光谱的一部分。 36.如权利要求28或29所述的方法，其中，通过基于仅发射的光子传输模型的荧光分子层析成像进行图像重建，并且使用所述荧光团的激发光谱处的光通量的输入体积分布，该通量通过光声层析成像从获得的光声正交投影中得到。 37.如权利要求36所述的方法，其中，通过所述研究对象内的光学吸收系数的体积分布进一步得到所述仅发射的光子传输模型，当所述光学激发单元被配置为用于所研究的荧光团的发射光谱时，从光声正交投影估计所述体积分布。 38.如权利要求36所述的方法，其中，所述仪器被配置为利用所述低频子阵列收集所述光声正交投影，并使用所述投影来重建所述研究对象内的光通量的所述体积分布。 39.如权利要求30所述的方法，其中，所述仪器被配置为使用建立在仅发射的光子传输模型上的荧光分子层析成像来重建图像，并且在所述荧光团的激发光谱中使用光通量的输入体积分布，该通量通过光声层析成像从获得的光声正交投影中得到，并且在所述光子传输模型中进一步利用多域光学分割，通过所获取的光声正交和皮肤投影的光声层析成像提供多域光学分割。
所属类别：	发明专利