用于光学相干断层扫描和双光子荧光成像的设备和方法
【专利说明】用于光学相干断层扫描和双光子荧光成像的设备和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月14日提交的美国临时专利申请序列号61/785, 030的优 先权，其内容通过引用合并至本文。
【背景技术】
[0003] 导致心肌梗塞的动脉粥样硬化和斑块破裂仍然是全世界造成死亡的首要原因 [1]。炎症以及潜在的细胞和分子机制[2-4]使动脉粥样硬化从开始发展到斑块破裂以及 最终的血栓形成。最近由Virmani[5]定义为"薄帽纤维粥样斑块"的易损斑块是由炎症引 起的并且被表征为：与稳定斑块相比，通常具有厚度小于65ym的薄纤维帽，增大的巨噬细 胞的浸润和减少的平滑肌细胞以及增大的脂质核心尺寸[6-8]。
[0004] 现在理解了导致薄帽纤维粥样斑块破裂的若干细胞和分子事件并且利用若干细 胞和分子事件来开发新型成像方法。在薄帽纤维粥样斑块中的巨噬细胞的积累过表达基质 金属蛋白酶（MMP) [9-12]，该基质金属蛋白酶被认为是促成薄帽纤维粥样斑块的易损性并 且增大促凝性[13-15]。巨噬细胞是指示在冠状动脉、脑、和末梢循环中的斑块破裂的风险 的重要的早期细胞标志物。由于斑块易损性与细胞成分和解剖结构相关，因此理想的是开 发一种可以同时揭示成分和结构两者的诊断方法以在响应于心血管介入的纵向研究中识 别易损斑块并且使得在体内能够监测巨噬细胞密度。
[0005] 血管内的OCT(IVOCT)是最近开发的用于高分辨率血管内成像的基于导管的方 法。在心血管成像方式中，IVOCT是为对薄帽纤维粥样斑块进行成像提供足够的空间分辨 率的唯一方法。
[0006] 然而，不能仅通过IVOCT图像容易地评估斑块破裂的风险。双光子荧光（TPL)显 微镜使用组织的非线性光学性质并且已用于基于斑块成分内生的自发荧光对斑块成分例 如内皮细胞、平滑肌细胞[16]、弹性纤维[17,18]、氧化LDL[19]和脂滴[20]进行成像。最 近，已经报道了装载有纳米粒子的巨噬细胞可以由TPL显微镜来检测[21，22]。已经报道了 基于光纤的OCT[23, 24]和TPL显微镜[25-28]分别使用光子晶体光纤来传输用于实现更 高的空间分辨率的宽带光或者传输用于使系统尺寸最小化的超短脉冲。然而，先前尚未实 现组合的基于光纤的OCT-TPL系统。
【发明内容】
[0007] 本公开的示例性实施例包括组合的基于导管的光学相干断层扫描-双光子荧光 (OCT-TPL)成像系统，该组合的基于导管的光学相干断层扫描-双光子荧光（OCT-TPL)成 像系统用于以高空间分辨率检测并且进一步表征体内的薄帽纤维粥样斑块中的细胞成分 (例如，巨噬细胞、胶原纤维/弹性蛋白纤维、脂滴）的分布。基于导管的OCT-TPL系统的 部件可以包括用于OCT的光源（例如，1310nm)和用于TPL的光源（例如，800nm)、用于OCT 的检测器（例如，平衡式检测器）和用于TPL的检测器（例如，光电倍增管）、补偿TPL激发 脉冲的群延迟色散的传输光栅压缩器、传递来自OCT光源和TPL光源两者的光以及传输TPL 发射信号的光纤（例如，光子晶体光纤）以及成像导管。本公开的实施例描述了用于以需 要同时传递短脉冲激光和宽带OCT光的基于导管的模式来成像以及进行相关诊断和治疗 的方法和设备。
[0008] 某些实施例包括一种设备，该设备包括：光学相干断层扫描光源，该光学相干断层 扫描光源被配置成发射第一波长；分束器，该分束器被配置成将从光学相干断层扫描光源 发射的第一波长引导至参考路径和样品路径；短脉冲光源，该短脉冲光源被配置成发射第 二波长；第一二向色元件；以及第二二向色元件。在特定实施例中，光学相干断层扫描光源 可以被配置成扫频源光学相干断层扫描光源。在某些实施例中，光学相干断层扫描光源可 以被配置成宽带光学相干断层扫描光源。在一些实施例中，短脉冲光源可以是脉冲能量在 IOpJ至ImJ之间并且脉冲持续时间在5fs至IOOps之间的短脉冲激光。在特定实施例中， 样品路径可以通过光子晶体光纤来引导。某些实施例可以包括平衡式检测器，以及在特定 实施例中，平衡式检测器被配置成使非干涉的OCT分量最小化。
[0009] 特定实施例可以包括光子计数检测器，以及在某些实施例中，光子计数检测器可 以是光电倍增管。在特定实施例中，光子计数检测器可以是雪崩光电二极管。在一些实施 例中，光子计数检测器可以被配置成检测双光子荧光。在某些实施例中，第二二向色元件可 以被配置成将双光子荧光朝向光子计数检测器引导。在特定实施例中，第一二向色元件可 以被配置成将第一波长和第二波长引导至样品路径。在某些实施例中，样品路径可以被引 导至包括纳米粒子的样品位置。
[0010] 特定实施例还可以包括被配置成对样品位置的图像进行显示的可视显示器。在某 些实施例中，可视显示器可以被配置成基于设备与样品位置之间的距离来增强对样品位置 的显示的一部分。在一些实施例中，可视显示器可以被配置成提高样品位置的其中所检测 的值超出归一化值的地点的亮度。在特定实施例中，纳米粒子可以被配置成纳米棒。在某 些实施例中，纳米棒包括金并且纳米棒的表面等离子体共振为约756nm。特定实施例还可以 包括色散补偿元件，以及在一些实施例中，色散补偿元件被配置成补偿参考路径与样品路 径之间的色散差异。在某些实施例中，色散补偿元件被配置成预补偿双光子荧光激发光。
[0011] 特定实施例还可以包括对样品位置进行成像的方法，其中，该方法包括：朝向样品 位置发射来自光学相干断层扫描光源的第一波长；朝向样品位置发射来自短脉冲光源的第 二波长；检测来自样品位置的光学相干断层扫描信号，其中，光学相干断层扫描信号根据第 一波长而生成；以及检测来自样品位置的双光子荧光发射信号，其中，双光子荧光发射信号 由第二波长引起。在某些实施例中，短脉冲光源可以是脉冲能量在IOpJ至ImJ之间并且脉 冲持续时间在5fs至IOOps之间的短脉冲激光。
[0012] 在一些实施例中，检测来自多个样品位置的光学相干断层扫描信号和双光子荧光 信号。在特定实施例中，样品包括组织，以及在特定实施例中，组织可以是上皮组织或动脉 组织。在某些实施例中，动脉组织可以位于冠状动脉中。在特定实施例中，组织可以是血管 腔表面。在特定实施例中，组织可以是口腔黏膜。在一些实施例中，光学相干断层扫描信号 可以用于生成光学相干断层扫描断层照片。在特定实施例中，双光子荧光信号可以与光学 相干断层扫描断层照片相互配准。某些实施例还可以包括将二维双光子荧光数据显示在三 维光学相干断层扫描断层照片上。在一些实施例中，第一处理元件可以使用光学相干断层 扫描信号并且构建光学相干断层扫描断层照片。
[0013] 在一些实施例中，第一处理元件可以是中央处理单元或图形处理单元。在特定实 施例中，第二处理元件渲染以在光学相干断层扫描断层照片上查看相互配准的双光子荧光 图像。在某些实施例中，样品位置可以包括纳米粒子。在特定实施例中，双光子荧光信号可 以从纳米粒子发射。在特定实施例中，双光子荧光发射信号可以从样品位置的组织发射。
[0014] 某些实施例包括一种用于对成像数据进行显示的方法，其中，该方法包括：使用成 像系统获得光学相干断层扫描数据；使用成像系统从多个发荧光的粒子获得双光子荧光数 据；在组合图像中同时显示光学相干断层扫描数据和双光子荧光数据。在一些实施例中，发 荧光的粒子可以是纳米粒子。在特定实施例中，成像系统可以是基于导管的成像系统。
[0015] 在某些实施例中，光学相干断层扫描数据可以包括径向维度数据和方位维度数 据；以及双光子荧光数据可以包括方位信号。特定实施例还可以包括将径向维度添加至双 光子荧光数据。在某些实施例中，将径向维度添加至双光子荧光数据可以包括：使用被双光 子焚光方位信号归一化的径向概率分布函数。在特定实施例中，径向概率分布函数可以使 用下述来确定：成像系统的光学性质；基于导管的成像系统与其中插入有基于导管的成像 系统的管腔壁之间的距离；以及管腔壁的组织的光学性质。
[0016] 在特定实施例中，径向概率分布函数可以使用假设纳米粒子为均匀分布来确定。 某些实施例还可以包括：当基于导管的成像系统沿着管腔轴向地移动时，基于从基于导管 的成像系统获得的数据来生成三维图像。
[0017] 在下文中，术语"親合（coupled) "被定义为连接，然而不一定直接地连接，以及不 一定机械地连接。
[0018] 在权利要求和/或说明书中，当结合用语"包括"使用时量词"一（a) "或"一（an) " 的使用可以表示"一个"，但是其还与"一个或更多个"或"至少一个"的意思一致。一般地， 用语"约"是指所陈述的值加上或减去5%。虽然本公开支持仅指可替选的以及"和/或" 的限定，但是除非明确地指出仅指可替选地或者可替选的是相互排斥的，否则在权利要求 中的用语"或"的使用用于表示"和/或"。
[0019] 用语"包括（comprise) "（以及任何形式的包括，例如"包括（comprises) "和"包括 (comprising) 具有"（以及任何形式的具有，例如"具有（has) "和"具有（having) "）、 "包括（include) "（以及任何形式的包括，例如"包括（includes)"和"包括（including)"） 以及"包含"（以及任何形式的包含，例如"包含（contains)"和"包含（containing)"是 开放式连系动词。因此，"包括（comprises) "、"具有（has)"、"包括（includes)"或"包含 (contains) " 一个或更多个步骤或元素的方法和设备拥有这些一个或更多个步骤和元素， 但是不限于仅拥有这些一个或更多个元素。同样的，"包括（comprises)"，具有（has)"、 "包括（includes) "或"包含（contains) "一个或更多个特征的方法的步骤或设备的元素拥 有这些一个或更多个特征，但是不限于仅拥有这些一个或更多个特征。此外，以某种方式配 置的设备或结构以至少所述方式被配置，但是还可以以未列出的方式被配置。
[0020] 根据下文的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得明显。然而，应当理 解的是，当指示本发明的特定实施例时仅以说明的方式给出详细描述和特定示例，因此根 据下文的详细描述，对本领域的普通技术人员来说，在本发明的精神和范围内的各种变化 和修改是明显的。
【附图说明】
[0021] 本专利文件或申请文件包含至少一个用彩色绘制的附图。在请求并且支付必要费 用的情况下将由官方提供本专利或专利申请公开的具有一个或多个彩色附图的副本。
[0022] 下述附图形成本说明书的一部分并且被包括以进一步说明本公开的某些方面。可 以通过参照这些附图中的一个附图，结合对本文所呈现的特定实施例的详细描述来更好地 理解本发明。
[0023] 图1示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0024] 图2示出了从IV-OCT系统中获得的图像。
[0025] 图3示出了从IV-OCT系统中获得的图像。
[0026] 图4示出了从根据示例性实施例的设备中获得的图像。
[0027] 图5A和图5B示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0028] 图6示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0029] 图7示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0030] 图8示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0031] 图9示出了从根据示例性实施例的设备中获得的图像。
[0032] 图10示出了根据示例性实施例的设备的示意图。
[0033] 图11示出了从根据示例性实施例的设备中获得的数据。
[0034] 图12示出了从根据示例性实施例的设备中获得的数据。
[0035] 图13示出了从根据示例性实施例的设备中获得的数据。
[0036] 图14示出了从根据示例性实施例的设备中获得的数据。
[0037] 图15示出了根据示例性实施例的由计算机可读介质执行的修改对数据结果的显 示的步骤的流程图。
[0038] 图16示出了从根据示例性实施例的设备中获得的图像和数据。
[0039] 图17至图20从根据示例性实施例的设备中获得的图像。
【具体实施方式】
[0040] 现在参照图1，设备50的一个示例性实施例包括：光学相干断层扫描光源100、分 束器200、双光子荧光激发光源300、第一二向色元件400以及第二二向色元件450。在该实 施例中，光学相干断层扫描光源100被配置成发射第一波长110以及分束器200被配置成 将第一波长110引导至参考路径210和样品路径220。在某些实施例中，光学相干断层扫描 光源100可以被配置成扫频源光学相干断层扫描光源或宽带光学相干断层扫描光源。在特 定实施例中，样品路径220可以通过光子晶体光纤来引导。在示出的实施例中，双光子荧光 激发光源300被配置成发射第二波长320。
[0041] 在操作期间，设备50可以被定位成使得样品路径220和第二波长320被引导至样 品位置280 (例如，在图1中经由第一二向色元件400以及其他部件）。
[0042] 在某些示例性实施例中，样品位置280可以包括纳米粒子260以及在特定实施例 中，纳米粒子260可以被配置成纳米棒。在特定实施例中，纳米粒子260可以被配置成纳米 棒，该纳米棒包括表面等离子体共振为约756nm的金。在某些实施例中，纳米棒的结构可以 根据在下文提供的示例章节4中建立的过程来选择。
[0043] 设备50还包括被配置成检测双光子荧光（TPL)的光子计数检测器350以及被配 置成使非干涉的OCT分量最小化的平衡式检测器250。在特定实施例中，光子计数检测器 350可以被配置成一个或更多个光电倍增管（PMT)。在其他实施例中，光子计数检测器350 可以被配置成雪崩光电二极管。
[0044] 在特定实施例中，图1中示出的系统的部件可以被并入基于导管的系统中，该基 于导管的系统利用光子晶体光纤（PCF)以使样品路径220中的光能够传播到样品位置280 并且使第二波长320能够从TPL激发光源300传播到样品位置280。PCF使得OCT和TPL 激发光两者能够单模传输。在OCT成像中，需要单模传输以确保不会发生模式干涉。对于 TPL成像而言，需要单模传输以确保TPL激发光的脉冲持续时间不会由于模态色散而变宽。 在特定实施例中，可以将导管插入血管中以利用系统50获得血管内的图像。
[0045] 在操作期间，系统50在单个系统中提供了OCT成像技术和TPL成像技术两者的益 处。在示例性实施例中，系统50的部件根据在OCT和TPL领域中的既定原则来起作用。因 此，虽然将提供单个OCT和TPL的概述，但是要理解，示例性实施例可以根据环境条件或其 他因素来利用参数的各种组合。例如，OCT光源100可以产生近红外光，并且使用相对较长 波长的光使得能够更深地穿透进入散射介质例如动脉壁。在特定实施例中，OCT光源100可 以被配置成提供波长为约1310nm的光。
[0046] 当样品路径220中的光被引导至样品位置280处时，采集所述光的从样品位置280 的子表面特征反射的一小部分。在操作期间，在样品路径220中的相当大的一部分光未被 反射，而是从样品反向散射。虽然反向散射光提供用于模糊常规成像中的图像的背景，但是 所述光可以经由干涉法在OCT系统中被有益地使用。例如，平衡式检测器250可以用于记 录所接收到的光子的光程，使得能够舍弃在检测之前在组织中多次散射的大多数光子。这 可以使得能够通过舍弃背景信号来记录要被构建的厚的样品的三维图像同时采集从样品 位置280中的关注区域直接反射的光。在示例性实施例中，OCT成像一般限于在样品位置 280中的生物组织中的表面以下一到两毫米。在较深的深度处，光的逃逸而不是散射的比例 对于检测而言通常太小了。
[0047] 在系统50的操作期间，还可以符合双光子荧光显微镜中的既定原则来使用TPL 光源300和光子计数检测器350。在某些实施例中，TPL光源300可以被配置成可调谐飞 秒激光器，该可调谐飞秒激光器产生第二波长320的在760nm-1040nm处的具有6nJ-5yJ 的最大脉冲能量、IOOfs-Ips的脉冲宽度以及500kHz-80MHz的重复频率的激发能量。在 特定实施例中，TPL光源300还可以被配置成产生以下光斑：光斑尺寸为IOym-30iim，光 斑面积为约78ym2-706. 8ym2以及像素驻留时间为20ys。此外，TPL光源300还可以被 配置成产生10-1600个脉冲每像素，以及样品上的平均功率为500mW-2500mW，瞬时功率为 0? 0625MW-5MW和瞬时功率密度为 2E-4MW/ym2-16E-3Mff/ym2。
[0048] 在图1中所示的实施例中，第一二向色元件400可以被定位成经由光子晶体光纤 (PCF)将第二波长320引导至样品位置280。在特定实施例中，PCF可以具有大尺寸模场直 径（20ym) (LMA-20)，其可购自NKTPhotonics。在某些实施例中，PCF可以被配置成双包 层光纤，以及在特定实施例中，PCF可以是双包层高NA光纤例如购自CrystalFibre的型 号DC-165-16-PassiveFiber。示例性双包层光子晶体光纤可以包括嵌入在高NA多模光纤 结构中的大模场面积、单模纤芯。这