CN1362048A - 可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法,包括下述步骤:卟啉类光敏试剂和延迟发光试剂活性血清白蛋白的预先导入及可见光直接照射生物体或组织,诱导生物体或组织产生较长时间的内源性延迟发光;光接收组件将此发光信号转换为电信号;电信号通过模数转换为数字信号;处理数字信号获得生物体或组织的结构图像;一种可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置,包括有可见光激发组件、光接收组件、模数转换器、计算机。本发明结合了延迟发光的背景干扰低及光学成像具有高分辨、无损伤的优点,且所使用的试剂对生物体无化学损伤,对肿瘤病变部位有选择性聚集的特点,用于生物医学中肿瘤病变的影像诊断得到较高分辨率和清晰的图像。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种肿瘤的医学影像诊断技术，特别涉及一种利用可见光诱导的延迟化学发光进行无损伤肿瘤成像的方法及其装置。
(二)背景技术
目前医学影像诊断普遍使用的成像技术中，X射线透射成像、X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像等均对人体组织有较大程度的损伤，而且X射线断层扫描仪、核磁共振成像仪的造价比较昂贵；B型超声成像对人体基本没有损伤，造价亦较低，但由于B型超声成像的原理是组织界面反射成像，所以无法实现层析，且分辨率较低(对结构简单的体内组织，最好的分辨率为几个毫米)，对比度也较差。光学成像技术(包括时间分辨光学成像、频域光学成像、光学相干层析术等)具有对人体无损伤、分辨率高等特点，但由于这些方法都是利用外部光源，而生物组织对外源光具有强烈的散射和吸收，所以目前的技术水平只能达到对深度为毫米量级的浅层生物组织成像，较难实现对深层组织的精确测量，同时，这些光学成像方法都是利用组织的光学特性来实现的，其成像对比度仅仅单一地来源于组织的光学特性差异，因而成像对比度不高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法。主要是使用两种对生物体无害的试剂，结合对生物体无害的可见光的短时间辐照，诱导生物体或组织产生较长时间的内源性延迟化学发光，并利用此内源性延迟发光无损伤地对生物体肿瘤病变部位实现精确成像。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现，本可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法包括如下步骤：
(1)将对生物体或组织无化学损伤，且对肿瘤病变部位具有代谢特异性的卟啉类光敏试剂1～100μM注射进生物体或组织；
(2)10～24小时后，将具有活性的血清白蛋白1～100μM作为延迟发光试剂注射进生物体或组织；
(3)用功率密度为0.05～2.00W/cm2和波长范围为420～700nm的可见光激发光源均匀辐照生物体或组织10～60s，诱导生物体或组织产生较长时间的内源性延迟化学发光；
(4)利用光接收组件接收此来自生物体或组织的内源性延迟化学发光信号并将其转换为电信号；
(5)将电信号通过模数转换为数字信号；
(6)处理数字信号并进行影像重建，获得生物体或组织的结构图像。
所述的激发光源的波长可选择处于光敏剂的吸收波长范围内，并对生物体或组织具较好穿透性的500～700nm；激发光功率密度可用远低于生物组织损伤阈值的量0.1～0.5W/cm2。
在用激发光源均匀辐照生物体或组织诱导生物体或组织产生较长时间的内源性延迟化学发光后关闭激发光源，暗化1～10s，这样可以避免来自生物组织自体的荧光和磷光的干扰；因延迟发光随时间快速衰减，缩短暗化时间，可提高延迟发光信号强度。
所述激发光源可以是单一波长的激光经扩束后均匀照射待测生物样品，也可以用具有较宽谱带的汞灯或氙灯作为激发光源均匀照射待测生物样品，为防止光源的紫外波段对生物组织的损伤，可以选用合适滤光片滤掉激发光中的紫外光。
所述激发光源为50W的高压汞灯时，选取420nm与495nm长通滤光片获得所需的激发波段，垂直均匀辐照样品10～60s，可以得到清晰的生物体肿瘤部位的延迟发光图像；信噪比可达1.42。
本发明可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置包括可见光激发组件、光接收组件、模数转换器、计算机，光激发组件与计算机电气连接，光接收组件、模数转换器与计算机依次电气连接。
所述可见光激发组件可以采用单一波长的激光，也可以用现有的荧光成像中常使用的激发光源，例如氙灯或汞灯。
所述光接收组件是用于探测光的装置，因延迟发光相对来说较为微弱，可以采用单光子成像系统，例如CCD或增强型CCD照像系统。
所述模数转换器可采用通用的模数转换器，或带有模数转换功能的其他装置。例如National Instruments公司生产的系列图像采集卡，或PrincetonInstruments公司生产的CCD控制器。
所述计算机内装有通用的图像处理软件，例如Nationa1 Instruments公司开发的LabVIEW软件或Princeton Instruments公司开发的WINVIEW软件，用于生物体或组织延迟发光图像的处理及重建。
本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：
(1)本可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法结合了可见光的短时间辐照诱导内源性延迟化学发光及光学成像具有高分辨、无损伤的优点，不会对生物体产生放射性损伤，所以与传统的医学影像诊断方法相比具有无损伤、分辨率高的优点。
(2)本可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法可在激发光辐照射生物组织一段时间后，关闭激发光并暗化一定时间，然后再对辐照过的生物组织进行延迟发光成像，所以此成像方法彻底避免了来自于生物组织自体的荧光和磷光的干扰，与传统的荧光成像方法，例如光动力学荧光诊断相比大大降低了背景干扰，对比度亦有较大程度的提高。
(3)本可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法使用的两种试剂，卟啉类光敏试剂及血清白蛋白，不会对生物体产生各种化学损伤，所以与传统的使用各种荧光对比试剂的方法相比具有无损伤活体成像的优点。
(4)本可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法操作过程简单，容易实现；而且实现本方法的装置结构简单，生产装配较为容易，操作使用方便，整体装置造价相对较低。
(四)附图说明
图1是本发明可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置的结构示意图；
图2为盛于一比色皿中的体外模拟溶液在可见光激发后记录30s的延迟发光图像；
图3是一右肩部荷瘤裸鼠在微弱光照下的外形图；
图4是图3的荷瘤裸鼠被可见光激发后记录1min的延迟发光图像。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1示出了本发明可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置的结构，由图1可见，本装置包括有光激发组件1、光接收组件2、模数转换器3、计算机4，其中光激发组件1由激发光源1-1、调焦透镜1-2和滤光片组1-3构成；光接收组件2由收集光的照像镜头2-1与探测器2-2连接构成；光激发组件1与计算机4电气连接，光接收组件2、模数转换器3与计算机4依次电气连接；5为三维可调样品架，架上放置待测生物体或组织，6为暗室。选用各构件连接组成本装置，其中，激发光源1-1选用BIO-RAD公司制造的普通50W高压汞灯，调焦透镜1-2为汞灯自带的可调焦透镜组，滤光片1-3选用COHERENT公司制造的GG 420和GG 495长通滤光片；照像镜头2-1选用适用于弱光拍摄的Nikon公司制造的大数字孔径镜头(50mm，f/1.2型)；探测器2-2选用美国Princeton Instruments公司制造的ICCD-576-S/1增强型CCD；模数转换器3选用美国Princeton Instruments公司制造的ST-130型控制器；计算机4选用Intel公司的Pentium III型微机。
将上述装置应用于体外模拟溶液的成像：在一个10mm×10mm×42mm的石英比色皿中加入1mL中性生理盐水，其中含有15μM的原卟啉IX和20μM的活性牛血清白蛋白，溶液混均后放置于暗室6内的样品架5上，使液面位于集光照像镜头2-1的焦面处，然后完全关闭暗室6，通过计算机4的控制软件打开激发光源1-1的挡光快门和电源开关，使激发光通过调焦透镜1-2和滤光片1-3垂直而均匀地辐照盛样比色皿的一个石英窗面，由计算机4控制辐照时间20s后关闭激发光源的挡光快门，在光的激发作用下，此体外模拟溶液会产生约5min的内源性延迟化学发光，为避免可能的荧光和磷光干扰(因光敏剂一般都具有较长时间的三重激发态寿命，所以可能产生较长寿命的磷光)，关闭激发光源的挡光快门后，让待测样品于暗室6内暗化2s，然后通过计算机4控制打开集光照像镜头2-1的快门，由探测器2-2开始记录30s来自样品的延迟发光信号，并将发光信号转化为电信号，模数转换器3对电信号进行模数转换为数字信号后将其输入计算机4，在计算机4中利用Princeton Instruments公司开发的WINVIEW软件进行图像重建及数据处理即可得到如图2中所示的体外模拟溶液在可见光激发作用下的延迟发光图像。由图2可见，本发明方法可以对体外模拟的生物组织溶液成像，图像清晰，信噪比为2.76。
实施例2
将实施例1中所述装置应用于对生物活体的成像：取4个月龄实验用裸鼠一只，于裸鼠右肩部皮下接种肺腺癌细胞，两周后接种部位长出直径约1cm大小的实体瘤。实验的前一天给此裸鼠按1～10mg/Kg体重的剂量静脉注射卟啉类光敏剂二氢卟酚e4，24小时后皮下注射20～200mg/Kg体重的活性血清白蛋白，60min后将裸鼠麻醉，放入暗室6内的样品架5上，首先在微弱光照下记录如图3所示的外形图，定位出鼠体和肿瘤的方位，然后完全关闭暗室6，通过计算机4打开激发光源1-1的挡光快门和电源，使激发光能够垂直均匀地辐照裸鼠表面，由计算机4控制辐照时间10～60s，然后关闭激发光源1-1的挡光快门，在光的激发作用下，病变的肿瘤部位产生约5min的内源性延迟化学发光，为避免可能的荧光和磷光干扰(因光敏剂一般都具有较长时间的三重激发态寿命，所以可能产生较长寿命的磷光)，关闭激发光源1-1的挡光快门后，让待测裸鼠于暗室6内暗化1～10s，然后通过计算机4控制打开集光照像镜头2-1的快门，由探测器2-2开始记录1min来自裸鼠的内源性延迟化学发光信号，并将发光信号转化为电信号，模数转换器3对电信号进行模数转换为数字信号后将其输入计算机4，在计算机4中利用Princeton Instruments公司开发的WINVIEW软件进行图像重建及数据处理即可得到如图4中所示的延迟发光图像。由图4可见，本发明方法可以对生物活体的肿瘤病变部位成像，图像较为清晰，信噪比为1.42。
Claims (9)
1、一种可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将对生物体或组织无化学损伤，且对肿瘤病变部位具有代谢特异性的卟啉类光敏试剂1～100μM注射进生物体或组织；
(2)10～24小时后，将活性血清白蛋白1～100μM作为延迟发光试剂注射进生物体或组织；
(3)用功率密度为0.05～2.00W/cm2和波长范围为420～700nm的可见光激发光源均匀辐照生物体或组织10～60s，诱导生物体或组织产生较长时间的内源性延迟化学发光；
(4)利用光接收组件接收此来自生物体或组织的内源性延迟化学发光信号并将其转换为电信号；
(5)将电信号通过模数转换为数字信号；
(6)处理数字信号并进行影像重建，获得生物体或组织的结构图像。
2、根据权利要求1所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于：所述的对肿瘤部位具有代谢特异性的卟啉类光敏剂为临床许可的浓度范围30～50μM及延迟发光试剂为30～50μM具有活性的血清白蛋白。
3、根据权利要求1所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于：所述激发光源可以是单一波长的激光经扩束后均匀照射待测生物样品，也可以用具有较宽谱带的汞灯或氙灯作为激发光源均匀照射待测生物样品。
4、根据权利要求3所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于：激发光源为50W的高压汞灯时，可选取420～500nm长通滤光片获得所需的激发波段，垂直均匀辐照样品10～60s。
5、根据权利要求1所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于：所述的激发光源的波长为处于光敏剂的吸收范围内，并对生物体或组织具较好穿透性的500～700nm。
6、根据权利要求1所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于：激发光源功率密度可用远低于生物组织损伤阈值的量0.1～0.5W/cm2。
7、根据权利要求1所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像方法，其特征在于所述的激发光源均匀辐照生物体或组织后，关闭激发光源，暗化1～10s，然后开始记录可见光诱导的生物体或组织的延迟发光。
8、一种可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置，其特征在于包括可见光激发组件、光接收组件、模数转换器、计算机，光激发组件与计算机电气连接，光接收组件、模数转换器与计算机依次电气连接。
9、根据权利要求8所述的可见光诱导的延迟发光无损伤肿瘤成像装置，其特征在于：所述光接收组件采用单光子成像系统。
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