专利名称：用于动物体部分生物组织的时间分辨光学成像方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对混浊介质，例如动物体部分的生物组织，的光学成像领域。更具体地说，本发明涉及用于光学成像的时间分辨光学数据的采集。
背景技术：
现有各种成像技术能够非侵入性地从生物组织内采集信息作为图像重建的基础，例如正电子发射断层扫描(PET)、磁共振成像(MRI)、以及超声成像。最近，另一种叫做光学成像的成像技术已成为热门研究和商业开发的主题。
当光在物体中传播时其与物质相互作用产生信号，光学成像就是基于对该信号进行分析而获得的信息。浑浊介质的光学成像可以采用三种不同的途径实现，即连续波(CW)，时域(TD)以及频域(FD)。CW为三种技术中最简单和最便宜的，但是只能提供有限的关于成像物体内部光衰减的空间分布信息。TD和FD在所需时间内通过光子在物体中传播(FD通过傅里叶变换)来传递信息，因而被认为是“时间分辨”的，并且可用于计算物体光学特性的空间分布，例如吸光度和散射系数，用公知的光子扩散方程计算(关于该主题的回顾性论文参见Hawrysz和Sevick-Muraca的文章，vol.2 No.5，pp388-417，2000)。
光学成像由于其非侵入性而特别受到关注，非侵入性指的是在不损伤生物组织的情况下可以获得机体内部信息。而且，该技术对于药物分布的监测，检测器官内是否存在异常，或者绘制哺乳动物体内的生理活性图都都很有用处。
然而，由于现有系统存在一些不良特性，阻碍了光学成像系统的广泛应用。例如，光学成像装置常常需要对用于传输到达或来自物体的光的光纤进行繁琐的设置。例如在Ntziachristos和Weissleder的专利申请WO 02/41769以及Hillman等人，Phys.Med.Biol，46(2001)1117～1130的文章中描述了这种系统。在这些参考文献中，用于光学元件的类型设置需要将目标区域与用于照明物体和检测光信号的光纤进行耗时的对准过程。这种类型的设置在对哺乳动物的活体组织进行成像时尤其成问题。
容易地获得数据，特别是将物体相对光学元件容易地定位，在需要高通量的应用中尤其重要，例如在临床设置中或者在采用诸如小鼠这样的小型哺乳动物的研究中。在这方面，已经开发出了用于小型哺乳动物成像的商用光学成像系统。例如，由Xenogen公司(Biophotonics，vol.9，No.7 pp48-51，2002)开发的生物发光成像系统被设计成可采集从小型哺乳动物体发出的光。然而，这种成像装置也有一定的缺点。例如，其需要存在生物发光分子，该分子的体内分布形状在空间上受到限制，因而大大降低了对预期目标区域(ROI)的成像过程中的灵活性。此外，该技术还受到现有的发光分子数量的限制。而且，该系统不能够获得时间分辨的数据。
由于上述原因，人们希望提供一种用于成像浑浊介质如生物组织的光学成像系统，其能够获得时间分辨的光学数据并具有较高的灵活性和效率。
发明内容
根据本发明的一大方面，提供了一种用于动物体部分生物组织时间分辨光学成像系统和方法。本系统的光学元件的设计可以使光束直接通过空气传播，也就是通过自由空间光学器件，从而打在组织的目标区域(ROI)中的预期照明位点上。在采集位点处采集从组织再次发出的光，并直接通过空气(即自由空间光学器件)向检测器传播。光通过空气传播取消了对光纤器件进行繁琐设置的需要，使得在扫描不同的ROI时具有更大的灵活性。这样不再需要将动物与光学元件直接接触，从而有足够空间来操控或接近动物体。
该系统的光学设计使得照明光束或者皮肤/空气界面处的反射光与采集光之间干扰最小化，从而通过ROI附近位点的空气进行照明和光采集。
在一个实施例中，提供了一种时间分辨的光学成像方法，包括用脉冲光束以一种或多种波长的光照射在动物体目标区域的多个预定照明位点上。光束通过空气传播并通过利用适当的光学元件而对准照明位点。通过光学元件采集多个预定采集位点的光，其中该光学元件的配置能够选择性地采集来自于ROI中具有清晰轮廓的表面区域的光。然后将采集的光导向检测器以产生光学信号，用于通过重建算法生成光学图像。
在本发明的另一个方面，提供了一种采集时间分辨成像中使用的光学数据的系统，包括一个或多个光源用于提供一种或多种波长的光束，照明光学元件用于通过空气直接传播所述光束，因此照亮动物体内生物组织的目标区域的多个照明位点，从而将光射入了组织中，光学采集元件用于采集在目标区域的预定采集位点处再次发射的光并且通过空气直接传播所述采集光，以及时间关联检测器用于检测所述采集光。
本发明的系统优选设置成采集用于拓扑或断层成像的数据。拓扑成像是通过保持采集位点和照明位点之间恒定的距离而获得的。在照明和采集光学器件中具有同步镜式电流计以达到照明位点和检测位点之间的距离恒定。拓扑数据采集构造可用于获取2维(2D)或3维(3D)的图像。
断层成像需要从动物体再发出的光在几个不同采集位点/检测位点构造处采样。本发明的系统优选地在照明和采集光学器件中提供可以独立地控制的可移动镜子，从而提供了一种手段用以获得多个照明位点/采集位点的构造。
另一方面，提供了一种用于对含有荧光分子的生物组织的光学成像方法和系统。所述组织可以以激发波长照射，而再次发出的光可以在发射波长处收集和检测。该系统还能够检测所述发射波长和激发波长。
通过以下结合附图的详细说明，将会更清楚本发明进一步的特征和优点，其中图1为本发明方法的实施例流程图；图2为本发明系统的实施例透视图；图3为包括多个激光光源的系统实施例图示；图4示意性地表示了在哺乳动物表面的目标区域中照明的光栅扫描模式；
图5为本发明系统的实施例图示，其中光学元件安装在绕哺乳动物旋转的托架上以获得用于断层成像的数据；以及图6为本发明系统的实施例图示，其中光学元件被固定，而哺乳动物旋转以获得用于断层成像的数据。
注意在所有附图中，同样的特征用相同的附图标记表示。
具体实施例方式
本发明涉及混浊介质如动物体部分生物组织的光学成像领域。尽管下列优选实施例说明中提供了有关诸如小鼠这样的小型哺乳动物成像的实例，应当明白该方法也可以用于较大型的动物，特别是实验室动物例如狗、猪以及灵长类。
参见图1，大致描述了本发明方法的实施例，用于采集在时间分辨光学成像中使用的光学数据。步骤2中，从选定强度的光源中发出的脉冲光直接在空气中传播(即通过自由空间光学器件)，从而照亮动物体内生物组织的ROI中的多个预定照明位点。从多个采集位点发出的光通过组织漫反射后在步骤4中由自由空间光学器件选择性地采集，并在步骤6中通过自由空间向检测器直接转播。最后在步骤8中用检测器测量该采集光以产生时间分辨的光学信号。从非取样位点发出的光被有选择性地从检测中排除。
现在将描述用于采集光学数据的系统实施例，其中涉及将小型哺乳动物作为成像目标，但应当明白，很多种类的生物组织都可以采用这里所描述的技术来做光学成像。这些组织可以是，但不限于乳腺组织、脑、肿瘤等等。
图2表示了本发明的系统用于小型哺乳动物成像的一般性图示。该系统包括能够产生一种或多种波长光束12的光源10，通过空气，即通过自由空间光学器件，直接传播该光束至哺乳动物14表面上的预期照明位点的照明光学器件，用于采集从所述哺乳动物再发出的光16并将采集光直接传播到检测器18的采集光学器件，安装在移动平台22上的可移动的哺乳动物支持托盘20，以及用于控制所述光源、光学器件、检测器和托盘的计算机19。
照明光学装置包括可移动的反射镜24，优选为镜式电流计。光束通过该镜式电流计以角度θ被反射并导向一面薄的角镜26，其以基本上垂直于被扫描哺乳动物表面的方向反射所述光束。应该明白的是，镜式电流计的偏转会改变角度θ并将光束导向所述薄角镜上的不同位点，因而导向所述哺乳动物表面上的不同照明位点。因此，镜式电流计24的连续偏转产生了基本上平行于所述薄角镜的行扫描。可选择性地提供透镜28并设置于镜式电流计和薄角镜之间，使得该镜式电流计处于透镜的焦距上以提供远心成像。也可以将滤光片例如中密度滤光片29设置在光源和镜式电流计24之间以调节光束的强度。
在本发明的一方面，光源优选为以特定波长发光的可变强度激光。为了产生多种波长的照明，可以使用一束激光器31，如二极管激光器，各自以不同的波长发光(图3)。可以将合适的滤光片例如滤光片33和35设置在光源和哺乳动物之间，以及再发射光和检测器之间，用于选择波长或者调节光强度。转换器或者分色镜系统可用于连续地或是同时地以不同波长照射该哺乳动物。可选择地，也可使用一个单独的多波长光源。在后一种情况下，利用滤光片、光栅或其类似物可以选择波长范围或者特定的波长，如本领域技术人员所知那样。
光源的优选强度由生物组织的最大容许曝射量(MPE)限度决定，其通过调节情况而确立。简要介绍一下安全曝光的标准，例如，用于激光安全使用的美国国家标准(ANSI Z 136.1-2000)。例如，对于生物组织例如对人或小型哺乳动物的非侵入性成像来说，以近红外线(NIR)发射的激光应优选调节在大约200mW的功率或更小。
托盘20在其成像时承载着该哺乳动物。该哺乳动物在数据采集过程中优选被麻醉，以将移动性降到最少。在可选择的实施例中，部分或整个动物可以被机械地束缚着以减少移动性。可选择地，可将托盘加热以保持该哺乳动物的体温。此外托盘可以纵向设置在移动平台22上以将哺乳动物定位，使之生成彼此平行的多行行扫描。重复该逐步式过程选定的次数，以产生对目标区域(ROI)的光栅扫描。可选择地，可通过纵向放置薄的角镜26来实现该光栅扫描。图3表示了在哺乳动物表面进行的光栅扫描模式实例。限定ROI 40的使用者划定要扫描的区域，其包括预定的照明位点42。这种光学元件的设置也允许进行其它的扫描模式。应当明白ROI可以由整个动物体构成。
从哺乳动物再发出的光由采集光学器件采集，该光学器件包括采集透镜34，反射镜36，优选为镜式电流计，以及透镜38。采集透镜34位于ROI上方并位于薄角镜的上方。镜36相对于入射光和检测器的角位置决定了要被取样的采集位点，因为只有部分打在该镜上的光线(对应于给定的采集位点)以合适的角度反射到达检测器。通过光耦合该镜式电流计与透镜和/或小孔，可以进一步地提高对来自给定采集位点的光的选择性检测。
允许光通过空气传播的这种光学器件的整个设置，使得易于定位和操控动物体。而且，由于该系统不依靠光纤，所以可以扫描多个ROI而不仅仅是通过移动托盘来操控动物使新的ROI进入光学器件的焦距中。托盘的移动可以通过计算机来进行外部的控制。
当光打在动物体表面时，部分光线透过其皮肤，而部分在空气/皮肤边界处被反射。在该哺乳动物体内传播的光子被吸收和散射了，从而形成了许多光子路径。在生物组织中，当形成不均匀折射率的大分子结构如蛋白质、脂类等引起散射时，由于存在天然的(内在的)或外在的生色团，就可以产生光吸收。没有被吸收的部分光最终在离照明位点不同距离处通过皮肤屏障的漫反射离开该哺乳动物。应当明白的是，在较深的组织中传播的光子需要较长的时间离开该哺乳动物的表面。这就提供了时间分辨检测光学信号的基础，通过其可以选取出有关目标区域的有用的光学特征信息，以便加入图象重建运算中。在光学均匀的介质中，照明位点与给定光子离开的位点之间的距离与光子平均路径的有效深度有关。因此位点之间距离越大，深度越深。而当生物组织为非光学均匀时，照明位点与光子离开位点的之间的距离也可以被认为与光子的平均路径深度有关。
在优选实施例中，本发明的系统所使用的时间分辨方法为时域(TD)。在TD测量中，光源受到简短的脉冲作用，检测到的光学信号作为时间的函数以生成时间点扩展函数(TPSF)。该光源优选为能够产生皮秒范围宽度特征脉冲的激光源。可以使用时域检测器，例如定时选通放大CCD(ICCD)、时间关联单个光子计数装置(TCSPC式)、超快半导体检测器(雪崩式和PIN光电二极管)、光电倍增管以及超高速扫描照相机。在优选实施例中，本发明的系统中使用了TCSPC装置。TCSPC式装置能够测量当光子通过照明光学器件、组织以及采集光学器件传播时，其到达检测器所花的时间。时间测量是通过电连接于光源和检测器的“时钟”电路来提供的。该电路是本领域所公知的。TCSPC式装置十分灵敏，并且有利的是，允许使用低功率电源以便使对扫描组织的伤害最小化。
在本发明的实施例中，利用本发明的系统和方法，通过集成TPSF可以产生与使用连续波得到的测量相类似的衰减测量。
通过统计，检测效率，即由光源产生并对准特定照明位点的光子数量与从给定采集位点检测到的光子数量的比率，尤其地作为光源功率和与采集光的照明位点距离的函数。光源的强度可以调整，以使到达检测器的光子通量被优化适于检测器的特性。在优选实施例中，利用了TCSPC检测系统对小型哺乳动物进行TD成像，其通常需要对每个照明光脉冲的光子检测几率大约在1％以避免在瞬时剖面测量中由于电子空载时间的损耗而造成的失真，如本领域技术人员所公知的那样。对准哺乳动物体上给定位点的照明持续时间(由光脉冲的数量决定)可以改变以便提供足够数量的检得光子来产生合适的信号，但使持续时间尽可能的短以减少采集时间。根据对小型动物成像的实例，其中采用的光发射脉冲频率为80MHz，需要调节光束的功率使得每秒大约检测到8×105个光子。应当明白的是，适当频率的选择是根据，除了其它因素以外特别是，光学元件、检测器、被成像组织，以及所需光学数据类型的特征。
TPSF还可以通过采用定时选通放大电荷耦合器件(ICCD)来产生。这种类型的检测器可提供空间分辨率，其能够同时检测从不同采集位点发出的光学信号。此外，当采用产生两种或更多波长的光源时，在任何给定采集位点采集的光可以被划分成组成波长光，从而得到两个或更多的光束来对准ICCD的不同检测部位。然而，由于ICCD的灵敏度小于TCSPC装置，因而应当调节光源的强度，同时要保持不会造成组织损伤。
考虑到该光源的低强度水平，尤其是在使用TCSPC装置的情况下，以及检测器的高灵敏度，系统和哺乳动物可设置在封闭箱中，例如盒50。该盒优选为不透光的以防止任何杂散光干扰测量。通过门56可进入盒的内部。
为了构建哺乳动物体内目标区域(ROI)的图像，从ROI中的多个照明/检测位点获得光学信号。该照明/检测位点的设置可以根据被重建的图像类型而改变。如下将进行说明，利用本发明的系统和方法可生成拓扑和断层图像，并且都需要不同的照明/检测设置。
在采集之前确定相对于照明位点的采集位点的位置，它是目标区域中预期成像深度的函数。对于接近皮肤表面的成像面来说，采集位点位于照明位点附近，因为光子行进得越深，光子在照明位点附近被再发射的几率断低，反之亦然。
因此为了获得拓扑图像，要保持采集位点与照明位点的固定距离，以便从横跨ROI的基本相同的深度采集信息。以该恒定的照明/检测位点距离，包括在照明和采集光学器件中的镜式电流计可以同步完成快速扫描。
当照明和采集位点顺序改变时可获得断层数据，这样产生多个对采集位点距离的照明，从而获得不同深度的信息。通过适当的方式处理数据，可生成断层图像。对于断层光学数据采集来说，两个镜式电流计24和26优选为独立控制的以便获得多重透视数据。因此当照明光学器件中的镜式电流计将光导向预期的照明位点时，采集光学器件中的镜式电流计可以设计成在多个不同的采集位点采光样。
在一个实施例中，照明和采集光学器件安装在绕动物体转动的可移动托架系统52上(图5)。在该特殊实施例中，托盘优选呈“I”形。这种特殊的形状有助于在照明和采集光学器件绕目标区域(例如躯干)旋转时的数据采集，同时使动物体被舒适地支持着。以这种构造，可以使振幅的角位移大致等于360度。在另一个实施例中，哺乳动物体可以代替托架旋转。可以通过将该哺乳动物的腿绑在托盘上来将其保持在托盘上。其可以绕身体的头-尾轴旋转360°。相比较于可移动托架系统，这种构造设计可以减少重量、体积和复杂性。
而在另一个实施例中，哺乳动物以坐姿放置时可以沿其头-尾轴旋转。该动物体被放置在平台上，这样通过轻轻支撑其头部而使目标区域保持直立。这些设计允许动物进行360度的扫描，应当明白，可以改变光学装置以适应不同的的断层构造。例如，“坐姿”构造中的镜54提供了一种方便的直接传播光线的方法。
由于动物体轮廓的不规则性，在动物体周围的多个角度采集光学数据会造成ROI表面和采集光学器件之间的距离有明显变化。因此可采用自动聚焦系统并通过获得被扫描区域的轮廓来改善图像的重建。在这方面，系统还可以包括确定动物体体积轮廓的手段。在一个实施例中，通过用基本垂直于动物体方向的激光束扫描动物体来确定其体积轮廓。通过与激光路径放置成一角度的摄像机来同时采集动物体表面激光束图像，可以确定其体积轮廓。该动物体可以通过移动托盘来扫描。应当明白，因此获得的该体积轮廓可提供对图像重建和显示有用的空间信息。
尽管生物组织的成像依赖于提供光学对比度的内部分子的天然光学特性，也可以引入外部分子以提供附加的对比度。在这方面，可以使用外部生色团以及荧光团。而且，可使用本发明的方法和系统来使这种造影剂接着在体内分解。在一个优选实施例中，体内分解可以随着时间流逝而进行从而得到药代动力学数据。
光学器件以及光源可以设置成以一种或多种波长来照明和检测光，如前面所述。可以利用这种特性来进行两种或更多种荧光团和/或生色团的药代动力学。特别是，光源和相关的光学器件可以设置成以荧光团的激发波长照明，而检测器和相关的光学器件可设置成以该荧光团的发射波长来检测光。
上述本发明的实施例仅仅作为示典型范例。因而本发明的范围完全是通过所附加的权利要求来限定的。
权利要求
1.一种采集用于动物体时间分辨光学成像的光学数据的方法，所述力法包括i)通过自由空间的光学器件将用于数据采集的所述动物体定位；ii)通过自由空间的光学器件将选定强度的脉冲光束直接传播，从而以一种或多种波长照射所述动物体的目标区域中的多个预定照明位点；iii)通过自由空间的光学器件选择性地采集从多个预定采集位点发出的光；iv)通过自由空间的光学器件将所述采集光直接向检测器传播；v)以一种或多种波长测量检测器处的采集光以产生对一个或多个照明位点/检测位点构造的时间分辨光学信号；以及其中从非预定采集位点的位点发出的光被选择性地从检测中排除。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述时间分辨光学成像为时域(TD)成像，并且其中检测光学信号以生成有关时间点扩展函数(TPSF)的信息。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述测量步骤包括利用时间关联单个光子计数方法检测所述采集光。
4.如权利要求3所述的方法，其中每个照明位点由多个脉冲照射。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述照明步骤包括调节光束的强度以避免由于电子空载时间的损耗而造成的失真。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述强度通过改变光源的强度来调节。
7.如权利要求6所述的方法，其中用滤光片来调节所述强度。
8.如权利要求1-7所述任意一项的方法，其中同时检测两种或更多种波长的所述光学信号。
9.如权利要求1-7所述任意一项的方法，其中顺序地检测两种或更多种波长的所述光学信号。
10.如权利要求1-9所述任意一项的方法，其中所述照明位点是以光栅扫描的力式照射。
11.如权利要求1-10所述任意一项的方法，其中所述采集位点位于与所述照明位点固定的距离处以提供用于拓扑成像的光学信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述距离为大约3mm。
13.如权利要求1-10所述任意一项的方法，其中采集两个或更多个采集位点用于每个照明位点，以提供用于断层成像的光学数据。
14.如权利要求13所述的方法，其中同时采集至少两个或更多个采集位点。
15.如权利要求1-14所述任意一项的方法，其中与照明波长不同的波长处的检测有效。
16.如权利要求1-15所述任意一项的方法，其中所述生物组织包括一种或多种荧光团，并且其中所述检测波长相当于所述一种或多种荧光团的发射波长，而所述照明波长相当于所述一种或多种荧光团的激发波长。
17.如权利要求16所述的方法，其中检测所述激发和发射波长。
18.如权利要求2-17所述任意一项的方法，其中集成所述TPSF以提供衰减测量。
19.如权利要求1-18所述任意一项的方法，其中来自于多个目标区域的光学信号在同一段时间中被采集。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述多个目标区域包括动物体的整个躯体。
21.如权利要求1-20所述任意一项的方法，其中所述动物体被可控制地加热。
22.一种采集用于动物体时间分辨光学成像的光学数据的系统，所述系统包括i)选定强度的一个或多个脉冲光源，用于以一种或多种波长提供光束；ii)照明光学元件，用于通过自由空间光学器件直接传播所述光束，因此照射生物组织目标区域的多个照明位点，从而将光射入所述动物体中；ii i)采集光学元件，用于通过自由空间光学器件采集在目标区域的预定采集位点处再次发射的光，使得从非预定采集位点的位点发出的光被选择性地从检测中排除，并且通过自由空间光学器件直接传播所述采集光；以及iv)时域检测器，用于检测所述采集光。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述一个或多个光源为可变强度光源。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述可变强度光源为激光。
25.如权利要求22-24任意一项所述的系统，其中所述照明光学元件包括至少一个可移动镜，用于将所述光束导向所述多个照明位点。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述可移动镜为镜式电流计。
27.如权利要求26所述的系统，进一步包括位于所述镜式电流计光学下游的薄角镜。
28.如权利要求27所述的系统，其中在所述镜式电流计与所述薄角镜之间设置透镜，并与其光学地耦联以提供远心成像构造。
29.如权利要求22-28任意一项所述的系统，其中所述采集光学元件包括位于上述目标区域的透镜，其焦点与所述采集位点相吻合。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述采集光学元件进一步包括镜式电流计，用于检测对所述检测器的采集光。
31.如权利要求30任意一项所述的系统，其中所述照明光学器件和采集光学器件的镜式电流计同步，以便提供照明位点和各采集位点之间的固定距离。
32.如权利要求30所述的系统，其中所述照明光学器件和采集光学器件的镜式电流计独立调节，以便提供照明位点和各采集位点之间可变的距离。
33.如权利要求22-32任意一项所述的系统，其中所述照明光学器件、检测光学器件以及光源为可绕动物体旋转的托架的一部分。
34.如权利要求22-33任意一项所述的系统，进一步包括移动平台，用于将托盘在垂直于照明光束的平面内移动，其中所述托盘用于支持动物体。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述托盘被可控制地加热至预期的适于所述动物体的温度。
36.如权利要求22-35任意一项所述的系统，其中所述检测器为时间关联单个光子计数检测器。
37.如权利要求22-35任意一项所述的系统，其中所述检测器为定时选通ICCD。
38.如权利要求22-37任意一项所述的系统，其中所述动物体、所述光学元件以及所述检测器包含在一个密闭箱中。
39.如权利要求39所述的系统，其中所述密闭箱为不透光的。
全文摘要
本发明涉及一种采集用于时间分辨光学成像中的光学数据的方法和系统，其中脉冲光直接通过自由空间光学器件(24，26，28，29)传播，打在生物组织(14)，例如构成小型哺乳动物的生物组织，表面上的多个照明部位。从该组织上再次发出的光被采集并直接通过自由空间光学器件(34，36，38)向检测器(18)传播，从而产生用于光学图像重建的时间分辨光学信号。
文档编号A61B5/00GK1735802SQ200380108570
公开日2006年2月15日 申请日期2003年11月10日 优先权日2002年11月11日
发明者威廉·F·朗, 伊夫·贝鲁布－洛齐埃, 大卫·J·霍尔, 劳拉·麦金托什 申请人:阿特艾得凡科技研究公司