宽视场拉曼成像设备及相关方法
【专利说明】宽视场拉曼成像设备及相关方法
[0001] 相关申请案的夺叉引用
[0002] 本申请案主张2013年2月20日提交的美国临时申请案第61/767,241号及2013 年6月13日提交的美国临时申请案第61/834,854号的权益，两案的内容都以全文引用的 方式并入本文中。
【背景技术】
[0003] 已经开发出多种手术技术用于物理移除癌组织或其它患病组织。这些方法的目标 是在最少损害附近健康组织的情况下，移除癌组织/患病组织。外科医生将切除通过目视 检查看来呈现异常的组织。
[0004] 手术切除是大部分癌症类型的护理标准。然而，完全切除因外科医生准确地鉴别 肿瘤边缘和较小的浸润性肿瘤种植的能力而受到阻碍。手术后残余肿瘤的量与肿瘤复发的 可能性以及转移性疾病的发生相关。为了确定所有肿瘤都被移除，外科医生通常实行"广泛 切除术"来获得无肿瘤边缘。由于需要牺牲相邻的重要结构或器官，这可能带来问题或是不 可能实现的。举例来说，肢体切除术或摘除术，即，移除相邻器官，可能是必要的。或者，外 科医生可以留下相邻结构，不过可能会因体内残留的肿瘤组织而增加复发的风险。
[0005] 尽管在医学成像系统（例如MRI)方面取得的进步可帮助外科医生在手术之前定 位异常组织，但外科医生在手术期间经由目视检查在浸润性生长的癌症边缘处或在转移扩 散情况下鉴别异常组织的能力有限。可以在手术期间分析组织以帮助确定异常组织的边 界，但在手术期间由病理学家进行组织活检和分析相当耗时，并且在单次手术期间可能仅 限于一个或两个区域。
[0006] 仍需要在实时手术程序期间准确地检测并目测鉴别残余肿瘤的成像设备和方法。 这将允许从重要器官或组织（其中重要的伤害可能源自于健康组织的损害或移除）内、周 围和/或邻近的位置更精确地移除癌组织和/或患病组织。这也将减少被移除的健康组织 的量，并且降低复发的风险。
【发明内容】
[0007] 在一些方面，本文中呈现了允许在手术室中实时、准确地检测残余肿瘤的设备和 方法。本文中所描述的基于拉曼（Raman)的宽视场成像设备和方法允许对手术床中（例 如，在30X30cm的视场内）靶向肿瘤的纳米粒子进行实时成像。所述宽视场成像设备特 别适用于使例如R-MR纳米粒子等纳米粒子所发出的拉曼信号成像，如自然?医学（Nature Medicine)，第18卷，第829、834页，2012年（以全文引用的方式并入本文中）中所描述。 [0008] 现有的拉曼扫描仪是无法采集图像的笔式点扫描仪，或是构建用于体外样品或小 动物的成像显微镜。相比之下，本文中描述了一种能够使整个手术床近实时地成像的宽视 场拉曼扫描仪。
[0009] 在一个方面，本发明涉及一种宽视场拉曼成像设备，其包含：至少一个用于产生激 发光的光源；用于将所述激发光导引到靶组织上和/或其中的光学器件；用于检测在通过 所述激发光照射之后从所述靶组织发出的拉曼散射光子的检测器，所述拉曼散射光子指示 在所述靶组织中和/或其上存在拉曼报告子；及被配置用于处理对应于从所述靶组织检测 到的拉曼散射光子的数据并产生描绘对应于所述靶组织的宽视场的图像的处理器，所述图 像在视觉上指示在所述宽视场内所述拉曼报告子的位置和/或强度。
[0010] 在一些实施例中，所述至少一个光源、所述检测器和所述处理器被配置用于产生 在视觉上指示在所述宽视场内所述拉曼报告子的位置和/或强度的一系列实质上实时的 图像。在一些实施例中，所述处理器被配置成通过在给定的较短时间间隔（例如500毫秒 或低于500毫秒，例如50毫秒或低于50毫秒）内获得一或多个单色图像来产生所述实时 系列图像的每个图像，每个单色图像是在对应于所述拉曼报告子的特征光谱峰的波长下获 得；并且被配置成使用所述一或多个单色图像在所述给定的较短时间间隔期间产生指示在 所述宽视场内所述拉曼报告子的位置和/或强度的所述实时系列中的图像。
[0011] 在一些实施例中，所述宽视场的面积是至少100cm2(例如至少300、500、1000或 1200cm2)。在一些实施例中，所述至少一个光源包含可调谐激光源。在一些实施例中，所述 光学器件包含可调谐激光线滤波器（LLF)和/或可调谐陷波滤波器（NF)(例如，所述滤波 器包含串联式厚体积布拉格光栅（tandemthickvolumeBragggrating))。在一些实施例 中，所述检测器是空间分辨率不超过约10mm2(例如0. 1mm2到3mm2,例如约1mm2)的高光谱 成像仪。在一些实施例中，所述检测器包含经配置以允许在宽视场内对所述拉曼报告子进 行x-y成像的光学路径，不管所述拉曼报告子相对于所述检测器的深度（z)如何。
[0012] 在一些实施例中，所述设备另外包括用于观测图像的视觉显示器。在一些实施例 中，所述处理器被配置用于产生一系列实质上实时的图像并将所述图像传输到个人图像显 示器（例如由外科医生所佩戴）上进行显示，由此使所述系列图像可以在透明显示器上、透 明显示器中或通过透明显示器显示，所述透明显示器将所显示的系列图像在所述宽视场的 相应视野内叠加。在一些实施例中，所述处理器被配置用于追踪所述个人图像显示器的位 置，并且相应地（例如，当患者上或附近附着的标记物出现在所述个人图像显示器的视场 内时，通过追踪其位置）针对所述显示器的移动（例如，所述显示器的佩戴者的移动）补偿 所述系列图像。
[0013] 在一些实施例中，所述设备另外包含视觉显示器，其中所述视觉显示器是可相对 于手术床中患者的靶组织安置的可调节的平板式屏幕，其中用于将激发光导引到靶组织上 和/或其中的光学器件是安置在所述平板式屏幕面向手术床的一侧上，并且所述图像是显 示在所述平板式屏幕背对所述手术床的一侧上，由此可由外科医生观测。
[0014] 在一些实施例中，所述用于产生激发光的光源包含一或多个激光器，并且其中用 于将激发光导引到靶组织上和/或其中的光学器件被配置用于在对应于所述靶组织的宽 视场内均匀地分散所述激发光。
[0015] 在一些实施例中，所述设备另外包括本文中所描述的切除/消融机构，例如仅在 检测到一或多个拉曼报告子的位置处启动的切除/消融机构。
[0016] 在另一方面，本发明涉及一种用于在手术程序期间对患者的靶组织进行宽视场拉 曼成像的方法，所述方法包含：向所述患者投与第一拉曼报告子（例如经静脉内、表面、动 脉内、瘤内、结节内、经由淋巴管等）；用激发光照射所述靶组织；检测在通过所述激发光照 射之后从所述靶组织发出的拉曼散射光子，所述拉曼散射光子指示在所述靶组织中和/或 其上存在第一拉曼报告子；通过计算装置的处理器获得描绘对应于所述靶组织的宽视场的 图像，所述图像在视觉上指示在所述宽视场内第一拉曼报告子的位置和/或强度；及显示 所述图像。
[0017] 在一些实施例中，在所述照射和检测步骤之前，第一拉曼报告子积聚在所述靶组 织的癌肿部分、患病部分和/或在其它方面异常的部分内和/或其上。在一些实施例中， 所述方法包含通过所述计算装置的处理器获得在视觉上指示所述宽视场内第一拉曼报告 子的位置和/或强度的一系列实质上实时的图像，并实时显示所述系列图像。在一些实施 例中，所述方法包含对于所述实时系列图像中的每个图像，通过所述计算装置的处理器在 给定的较短时间间隔（例如500毫秒或低于500毫秒，例如50毫秒或低于50毫秒）内获 得一或多个单色图像，每个单色图像是在对应于所述拉曼报告子的特征光谱峰的波长下获 得；以及使用所述一或多个单色图像在所述给定的较短时间间隔期间产生指示在所述宽视 场内的拉曼报告子的位置和/或强度的所述实时系列中的图像。在一些实施例中，所述方 法包含以每秒至少10帧（例如每秒20到25帧）的帧率显不所述实时系列图像。
[0018] 在一些实施例中，所述第一拉曼报告子包含拉曼-MRI(R-MR)纳米粒子。在一些实 施例中，所述第一拉曼报告子包含SERRS纳米粒子。
[0019] 在一些实施例中，所述方法包含向所述患者投与拉曼特征标志不同于第一拉曼报 告子的第二拉曼报告子，其中所检测的拉曼散射光子指示在所述靶组织中和/或其上存在 第一拉曼报告子和第二拉曼报告子，并且其中所述图像以一定方式在视觉上指示在所述宽 视场内第一拉曼报告子和第二拉曼报告子的位置和/或强度，所述方式使得所述第一拉曼 报告子可与所述第二拉曼报告子相区别。
[0020] 在一些实施例中，所述宽视场的面积是至少100cm2(例如至少300、500、1000或 1200cm2)。在一些实施例中，所述方法包含将所述图像显示在视觉显示器上，其中视觉显示 器是可相对于手术床中患者的靶组织安置的可调节的平板式屏幕，其中所述图像是显示在 所述平板式屏幕背对手术床的一侧上，由此外科医生可在手术程序期间对其进行观测。
[0021] 在一些实施例中，所述方法包含通过所述计算装置的处理器产生一系列实质上实 时的图像，并将所述图像显示于个人图像显示器（例如由对患者实行手术的外科医生所佩 戴）上，由此所述系列图像显示在透明显示器上、透明显示器中或通过透明显示器，所述透 明显示器使所显示的系列图像在所述宽视场的相应视野内叠加。在一些实施例中，所述 方法包含通过所述计算装置的处理器追踪所述个人图像显示器的位置，并相应地（例如， 在患者上或附近附着的标记物出现在所述个人图像显示器的视野内时，通过追踪其位置） 针对所述显示器的移动（例如所述显示器的佩戴者的移动）补偿所述系列图像。关于示 例性个人图像显示器的详情描述于2013年2月21日公开的美国专利申请公开案第US 2013/0044042 号中。
[0022] 在一些实施例中，所述方法另外包括使用本文中所描述的切除/消融设备、系统 和/或方法切除、消融和/或破坏患病组织。
[0023] 在一些方面，本文中呈现的系统和方法提供通过检测一或多个拉曼报告子，例如 拉曼纳米粒子（例如表面增强拉曼光谱（SERS)和/或表面增强（共振）拉曼光谱（SERRS) 纳米粒子）和/或产生可鉴别的特征性拉曼信号（例如拉曼光谱）的固有物质所触发的自 动激光消融和/或组织切除。这些系统和方法可以在最少损害相邻健康组织的情况下，精 确地移除癌组织或其它患病组织。
[0024] 在一些实施例中，本文提供了一种具有切除/消融机构的系统，所述切除/消融机 构仅在检测到一或多个拉曼报告子的位置处启动。举例来说，消融激光器或切除机构仅在 拉曼光谱仪识别出指示在一定位置处存在拉曼报告子的拉曼信号时在所述位置处启动，其 中所述拉曼报告子与待切除/消融的组织（例如癌组织、患病组织、感染的组织或其它方面 异常的组织）相关。如果未检测到与一或多个拉曼报告子相关的特定拉曼信号，那么消融 /切除机构不被启动。以此方式，可以实现患病组织的极其精确的破坏和/或移除，同时限 制对附近健康组织的损害。举例来说，可以实现500、400、300、200、100或50微米或更佳的 精确度。
[0025] 在某些实施例中，拉曼报告子是拉曼纳米粒子（例如SERS和/或SERRS纳米粒 子），或拉曼纳米粒子的一种组分。在一些实施例中，将拉曼纳米粒子投与（例如通过注射 或表面投与）患者/个体并且使其积聚在癌组织、癌前组织或其它患病组织（例如坏死组 织、感染的组织、发炎的组织等）中和/或其周围。可以用于所揭示的系统和方法中的拉曼 纳米粒子包括例如基歇尔（Kircher)等人于《自然?医学》，2012年4月15日；18 (5) :829-34 中所描述的那些，所述文献的内容以全文引用的方式并入本文中。这些是基于表面增强拉 曼散射（SERS)。可以使用其它纳米粒子，只要其产生足够检测并且可区别的拉曼信号（例 如拉曼光谱）即可。
[0026] 在一些实施例中，拉曼报告子是存在于患病组织自身内、其上或附近的分子或物 质（"固有物质"），所述分子或物质是使用固有拉曼光谱（例如在照射组织之后检测到的 拉曼光谱）鉴别或靶向的。在一些实施例中，如果检测到的拉曼信号与已知指示拉曼报告 子的预定拉曼信号令人满意地匹配，那么选择组织和/或将其切除/消融。
[0027] 在某些实施例中，所述系统包括大小和形状可以根据应用定制的手持式仪器。举 例来说，所述系统可以包括适合于切除/破坏组织的激光器（例如，〇) 2或Nd:YAG激光器）。 或者或另外，所述系统可以包括位于手持式仪器顶端处的经电动机驱动、控制的切除机构， 例如小的旋转刀片。或者或另外，所述系统可以包括电烙机构、冷冻消融机构和/或射频消 融机构。在一些实施例中，消融机构是经机器人/远端控制的消融机构（例如位于手持式 仪器的顶端处）。所述系统还可以包括连接到收集袋用于移除破坏/消融/切除的组织以 及位于靶组织内的纳米粒子的真空抽吸机构。所述系统还可以包括激发激光器以及用于测 定与检测到的从组织发出的光子相关的拉曼光谱的相关光学器件。可以包括冲洗机构以在 所述程序期间保持光学器件清洁。手持式仪器可以经由例如光纤电缆和抽吸管连接到所述 系统的其它部件。手持式仪器可以连接到容纳机械装置、光学器件、电子装置、激发激光器、 消融激光器、切除仪器电动机、射频或冷冻消融发生器、抽吸电动机、冲洗机构、拉曼光谱分 析光学器件和/或C⑶芯片的箱子的部件。
[0028] 使用所揭示的系统的外科医生可以通过半自动化方式快速并且高精确度地破坏 或移除癌组织（或其它方面异常的组织）。举例来说，手持式仪器可以在组织中"盲目地" 或"半盲目地"靠近疾病/癌症部位的区域内安置并移动，因为所述系统仅破坏癌组织，而 对相邻健康组织没有损害或具有极小损害。所述系统可以例如在开放性手术程序、办公室 (非手术）程序、创伤性程序、无创或微创程序、内窥镜检查程序、机器人辅助的程序或外部 应用（例如皮肤癌症移除）期间使用。
[0029] 可以通过所述仪器进行组织的自动或半自动X-Y(二维）或X-Y-Z(三维）扫描。 举例来说，检测+消融/切除仪器可以安置成使得来自所述仪器的激发光被导向组织的一 系列X-Y或X-Y-Z位置。在每个位置处，检测光，并且所述系统的处理器确定是否在所述位 置处检测到拉曼报告子。如果检测到，那么就在所述位置处启动切除/消融机构，由此仅移 除或破坏所述位置处的组织。接着关闭切除/消融机构，随后将所述仪器移动到第二位置， 此时将激发光导引到第二位置并检测来自第二位置的光，并且只有当在第二位置处检测到 拉曼报告子时才启动切除/消融机构，诸如此类。
[0030] 对于涉及皮肤癌症移除或其它异常局部组织移除的应用，拉曼报告子是SERS纳 米粒子（或其组分），其可以在操作手持式仪器之前表面施加或注射。局部施加可以包括穿 透肽，用以促进SERS纳米粒子吸收到皮肤中。在一些实施例中，拉曼报告子是在皮肤癌症 或其它异常组织内、其上或其附近的固有物质。
[0031] 在一个方面，本发明涵盖一种系统，其包含：用于将激发光导引到靶组织上或其中 的激发光源；可操作地连接到所述激发光源的仪器（例如手持式仪器），所述仪器包含：用 于将所述激发光导引到靶组织上或其中的光学器件；用于检测从所述靶组织发出的拉曼散 射光子的检测器，所述拉曼散射光子是由所述激发光照射产生；切除器/消融器机构；经配 置用于处理对应于从所述靶组织检测到的拉曼散射光子的数据的处理器（例如拉曼光谱 仪和相关计算机处理器和/或软件）；及可操作地连接到所述处理器并可操作地连接到所 述切除器/消融器机构的切除器/消融器控制器。
[0032] 在某些实施例中，激发光源是激光器。在某些实施例中，激发光的波长是约500nm 到约10μm。在一些实施例中，激发光的波长是约785nm。在某些实施例中，激发光是近红 外光（例如，需要更深穿透，例如多达约lcm穿透的情形）。在某些实施例中，激发是紫外 光（例如，需要较浅穿透，例如仅达1mm、达2mm或达3mm穿透的情形）。在某些实施例中， 所述仪器是内窥镜检查仪器。
[0033] 在某些实施例中，切除器/消融器机构包含激光器。在某些实施例中，切除器/消 融器机构的激光器是C02激光器。在某些实施例中，切除器/消融器机构是机械切除器（例 如旋转刀片、振动刀或敲击刀（percussingknife))。在一些实施例中，切除器/消融器机 构是电烙机构、冷冻消融机构和/或射频消融机构。在某些实施例中，切除器/消融器控制 器被配置成仅在从给定位置检测到的拉曼散射光子（例如检测到的拉曼信号或光谱）指示 存在拉曼报告子（例如SERS纳米粒子、SERRS纳米粒子或固有物质）时启动切除器/消融 器机构以切除、消融和/或破坏所述给定位置处的组织。在某些实施例中，所述系统另外包 含可操作地连接到所述仪器的抽吸真空。
[0034] 在另一方面，本发明涵盖一种切除、消融和/或破坏患病组织的方法，所述方法包 含以下步骤：相对于个体（例如人类或动物）的靶组织的第一位置（例如（X，y，Z)或（X，y) 位置）安置仪器，所述仪器包含：用于将激发光导引到所述靶组织上或其中给定位置处的 光学器件，用于检测从所述靶组织的给定位置处发出的拉曼散射光子的检测器，及切除器/ 消融器机构；检测从所述靶组织的第一位置发出的拉曼散射光子；分析所检测到的从第一 位置发出的拉曼散射光子以确定所检测到的光子是否指示在所述第一位置处存在拉曼报 告子（例如SERS纳米粒子、SERRS纳米粒子或固有物质）；及仅在确定所分析的来自第一位 置的光子指示在所述第一位置处存在拉曼报告子时，启动切除器/消融器机构（例如经由 切除器/消融器控制器）以在所述第一位置切除靶组织。
[0035] 在某些实施例中，所述方法另外包含：关闭切除器/消融器机构，随后相对于所述 靶组织的第二位置安置所述仪器（例如，其中所述靶组织的第二位置邻近于第一位置）；检 测从所述靶组织的第二位置发出的拉曼散射光子；分析所检测到的从所述第二位置发出的 拉曼散射光子以确定所检测到的光子是否指示在所述第二位置处存在拉曼报告子（例如 SERS纳米粒子、SERRS纳米粒子和/或固有物质）；及仅在确定所分析的来自所述第二位置 的光子指示在所述第二位置处存在拉曼报告子时，启动切除器/消融器机构以在所述第二 位置处切除、消融和/或破坏靶组织。
[0036] 在某些实施例中，所述方法另外包含在实施所述仪器之前，向个体投与纳米粒子 (例如SERS纳米粒子或SERRS纳米粒子）（例如使纳米粒子积聚在疾病相关区域中）。在 某些实施例中，所述方法另外包含在实施所述仪器之前，对所述个体进行扫描以确定不存 在来自健康组织（例如正常组织，例如非癌性组织）的纳米粒子。
[0037] 在某些实施例中，所述仪器可操作地连接到激发光源。在某些实施例中，激发光源 是激光器。在某些实施例中，激发光的波长是约500nm到约10μm。在一些实施例中，激发 光的波长是约785nm。在某些实施例中，激发光是近红外光（例如，需要更深穿透，例如多 达约lcm穿透的情形）。在某些实施例中，激发是紫外光（例如，需要较浅穿透，例如仅达 1_、达2mm或达3mm穿透的情形）。在某些实施例中，所述仪器是内窥镜检查装置。在某些 实施例中，切除器/消融器机构包含激光器。在某些实施例中，切除器/消融器机构的激光 器是C02激光器。在某些实施例中，切除器/消融器机构是机械切除器（例如旋转刀片、振 动刀或敲击刀）。在一些实施例中，切除器/消融器机构是电烙机构、冷冻消融机构和/或 射频消融机构。
[0038] 在某些实施例中，分析步骤包含使用计算机处理器（例如拉曼光谱仪和相关计算 机处理器和/或软件）处理对应于所检测到的拉曼散射光子的数据。在某些实施例中，所 述方法另外包含移除切除的组织。在某些实施例中，所述方法是一种体内方法。
[0039] 在本文中所描述的任一方面中，所述仪器可以是手持式仪器、固定仪器和/或机 器人辅助的仪器。在一些实施例中，所述装置是内窥镜检查仪器。
[0040] 在本文中所描述的任一方面中，所述系统可以进一步包括用于使靶细胞或组织成 像的其它光学器件、硬件、电子装置和/或软件。
【附图说明】
[0041] 以下各图仅出于说明的目的呈现，并不打算作为限制。
[0042] 图la显示了根据说明性实施例，结合本文中所描述的宽视场拉曼扫描仪/成像设 备使用的拉曼-MRI(R-MR)纳米粒子。
[0043] 图lb是R-MR纳米粒子的计算机呈现的图像和电子显微镜检图像。
[0044] 图lc是R-MR纳米粒子对比等摩尔量的第一代纳米粒子的示例性拉曼光谱和强度 比较。
[0045] 图Id显不了用雷尼绍（Renishaw)InVia拉曼显微镜成像的悬浮于384孔盘体模 中的R-MR纳米粒子。
[0046] 图2显示R-MR纳米粒子与先前的第一代纳米粒子的拉曼信号强度的比较。
[0047]图3显示R-MR纳米粒子的拉曼信号与其