用于散射介质中改进的扩散发光成像或者断层照相的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要地涉及吸收和散射介质的光致发光（photoluminescence)成像或者光 致发光断层照相领域，特别地，涉及用于此类成像的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 对于光致发光成像(简称为发光成像）或者光致发光断层照相（简称为发光断层照 相）而言令人感兴趣的散射介质的例子为生物组织。组织光学是致力于研宄光与此类组织 交互的领域。最近十年，该领域迅速增长。随着对光-组织交互的了解与日俱增，受益于来 自基础研宄的成果，也出现了对将应用组织光学作为诊断工具应用的兴趣。
[0003] 组织光学中的为本公开部分地涉及的领域是包括光致发光断层照相的如下光致 发光成像，该光致发光成像是用于人类或者动物活体内成像的非入侵方式。这些成像方式 是基于发光的并且需要用于激励发光生物标记物的外部光源。
[0004] 光致发光是物质吸收光子并且然后重新辐射光子的过程。具体光致发光形式是荧 光，其中通常发射的光子的能量低于用于照射的光子。因此在荧光中，关于照射光的波长， 焚光波长被Stokes频移至更长的波长。
[0005] 荧光成像已知并且可以例如用来研宄在一段时间内来自小动物中药物的生物响 应而无需牺牲它们。
[0006] Shimomura、Chalfie和Tsien由于发现和开发已经变成很重要的焚光标记物的绿 色荧光蛋白质而于2008年荣获诺贝尔奖。
[0007] 然而迄今为止，用于吸收和散射介质中的扩散发光成像或者断层照相的荧光分子 成像和断层照相系统遭受多个缺点。它们例如具有使基于成像结果的诊断任务困难的低分 辨率或者对比度。
[0008] 先前技术的进一步的问题是量子产率低、成像深度浅、数据采集时间长、以及热副 作用。
[0009] 因此，存在对一种尤其允许通过改进前述缺陷来增加有效性的改进型扩散发光成 像或者发光断层照相系统和方法。
【发明内容】
[0010] 因而，本发明的实施例优选地寻求通过提供根据所附专利权利要求的系统、方法 和用途来个别或者在任何组合中减轻、缓解或者消除本领域中的诸如上述一个或者多个缺 陷、劣势或者问题。
[0011] 根据本发明的第一方面，提供一种通过扩散发光分子成像对散射介质中的区域成 像的方法。该区域包括在标记物位置处布置于散射介质中的至少一个发光标记物，其中发 光标记物为非线性发光标记物。该方法包括：由一个或者多个光源从至少一个光源位置向 激励体积（excitation volume)中发射的激励光来激励发光标记物；检测器在发光光检测 位置处检测由于激励光而来自发光标记物的发光，其中激励光包括脉冲的激励光。
[0012] 根据本发明的第二方面，提供一种用于散射介质中感兴趣区域的扩散发光分子成 像的系统。该系统包括用于在散射介质的发光分子成像中使用的发光标记物，其中发光标 记物是布置于散射介质中的非线性发光标记物。该系统包括：一个或者多个光源，由至少 一个光源位置定位用于通过由一个或者多个光源向激励体积中发射的激励光来激励发光 标记物。该系统包括在发光光检测位置处检测由于激励光而来自发光标记物的发光的检测 器，其中激励光包括脉冲的激励光。
[0013] 在实施例中，发光标记物包含于被配置成对照射波长的传入光上转换 (upconvert)的一组非线性发光标记物中，这当用所述传入光照射所述发光标记物时在比 所述照射波长短的发光波长处出现发光。
[0014] 发光标记物在某些实施例中是生物发光标记物。
[0015] 根据本发明的另一方面，提供本发明第二方面的系统的以下用途：用于片剂的发 光成像或者断层照相、和/或用于扩散光学成像、和/或光力学治疗、和/或深部组织中的 生物分子的远程激活、和/或单次激发（single-shot)深部组织成像、和/或用于小动物的 活体内或活体外发光成像或发光断层照相、和/或通过所述发光成像或者发光断层照相的 功能诊断(诸如癌症诊断)、和/或使用所述非线性发光标记物作为探针的包括受激发射损 耗（STED)或单分子检测的超高分辨率显微镜术。
[0016] 在一个实施例中，非线性标记物附着到用于另一成像模态（modality)的成像造影 剂（imaging contrast agent)。例如非线性标记物附着到用于用诸如磁共振成像（MRI)、X 射线等常规成像模态进行成像的造影剂。在一个具体实施例中，非线性标记物附着到具有 顺磁（paramagnetic)性质的有机札络合物（gadolinium complex)或者札化合物。
[0017] 在从属权利要求中限定本发明的其他实施例，其中用于本发明第二和后续方面的 特征在必要的修改下同样用于第一方面。
[0018] -些实施例提供增加的发射强度。
[0019] -些实施例在扩散发光分子成像中和在焚光分子断层照相中提供增加的分辨率。
[0020] -些实施例提供确定片剂中的成分分布。例如非线性发光标记物或者焚光团可以 附着到片剂中的活性成分。因此可以有利地确定活性成分的空间分布。
[0021] 一些实施例在非线性标记物被用作MRI造影剂时提供用于医学磁共振成像中的 增强对比度。同时可以进行发光成像或者断层照相，这提供用于同一个相同感兴趣区域并 且在活体内的与高分辨率MRI组合的功能诊断信息。
[0022] -些实施例在使用上转换纳米粒子时提供增加的量子产率。
[0023] 一些实施例提供单次激发深部组织成像。
[0024] 一些实施例提供深的成像深度和短的数据采集时间。
[0025] -些实施例提供抑制激励光的热副作用。
[0026] 一些实施例提供扩散光学成像、光力学治疗和深部组织中的生物分子的远程激 活。
[0027] -些实施例提供无背景（background-free)信号。
[0028] 应当强调，术语"包括"在使用于本说明书中时解释为指定存在所言特征、整体、步 骤或者部件、但是并未排除存在或者添加一个或者多个其他特征、整体、步骤、部件或者其 组。
【附图说明】
[0029] 根据参照以下附图对本发明实施例的下文描述将清楚并且阐明本发明实施例能 够实现的这些和其他方面、特征以及优势： 图 1 是 Jablonski 图； 图2a)-c)是a)辐射和无辐射能量转移、b)共振和非共振能量转移以及c)比较ETU (左）和ESA (右）上转换的不意图； 图3A是上转换纳米晶体（nanocrystal)的Yb3+-Tm3+离子对中的上转换过程的示意图； 图3B是示出用于图3A的上转换纳米晶体的发射谱和上转换发射的激励功率密度依赖 性的图； 图4a_d是平面成像实施（即（a)-(b)用于焚光团成像(落射焚光（epi-fluorescence)) 的设置、（d)将用于透照法（transillumination)中的焚光团重构的设置和c)用于焚光扩 散光学断层照相的另一设置）的示意图； 图5a_c是在利用线性和非线性荧光团的荧光成像之间的差异的示意图； 图6是示出用于单束激励以及组合的单束激励和双束激励的权重矩阵的归一化奇异 值分布的图。
[0030] 图7A-B是使用（10A)仅单束图像以及使用（10B)单束和双束图像两者的上转换纳 米粒子（nanoparticle)的三维重构。
[0031] 图8示出在975 nm的激励之下NaYF4:Yb3+，Tm3+纳米粒子的上转换图； 图9示出根据本发明的一个实施例确定的在975 nm的激励之下NaYF4:Yb3+，Tm3+纳米 粒子的近红外、红色和蓝色上转换发射带的功率依赖性； 图10示出根据本发明的一个实施例确定的在不同的功率密度下近红外、蓝色、红色上 转换发射带的量子产率； 图11示出根据本发明的一个实施例的在CW的激励和脉冲激励(具有相同的平均功率） 之下NaYF4:Yb3+，Tm3+纳米粒子的谱； 图12示出根据本发明的一个实施例的在具有不同的脉冲宽度（I ms、5 ms、10 ms)的 CW激励和脉冲激励之下的上转换发射谱(在800 nm归一化）； 图13示出根据本发明的一个实施例的在CW和脉冲(具有31. 04 mW的相同的平均功率） 的激励之下的上转换谱； 图14示出根据本发明的一个实施例的在不同的平均激励功率之下在具有5和10 ms 脉冲宽度的脉冲激励之下在800 nm的信号的增益； 图15a-f和图16示出激励功率对在800 nm的增益的影响； 图17 a-c和18a-b示出激励功率对在800 nm的增益的影响； 图19a-c示出在：具有100 mW的功率的CW激光二极管（a);具有100 mW的平均功率 的脉冲激光(方波，脉冲宽度5 ms，周期250 ms) (b);以及具有100 mW的平均功率的脉冲 激光(方波，脉冲宽度10 ms，周期500 ms) (C)的激励之下在800 nm得到的发光图像； 图20说明根据本发明的实施例的包括脉冲的激励光的激励光； 图21说明根据本发明的实施例的发光以及在脉冲的激励光之后的延迟检测的发光； 图22-25说明根据本发明的实施例的标记物的相对深度坐标及其确定； 图26a-b分别说明信号增益相对于脉冲宽度和平均功率密度； 图27a-d说明根据本发明的实施例的在脉冲激励之后的来自标记物的发光（b，d)以 及来自连续波（CW)激励的发光（a，c); 图28说明根据本发明的实施例的方法的示意性流程图； 图29a-c说明模拟的量子产率（QY)相对于时间和平均功率密度；以及 图30说明上转换信号增益相对于功率