專利名稱：多光譜光子成像的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別用于醫(yī)學(xué)成像的成像裝置，像多光譜光子系統(tǒng)，對(duì)于包括至少一種標(biāo)記物質(zhì)(marker substance)的樣品的表面和次表面成像來說,與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，其提供了大大提高的成像精度。另外，本發(fā)明涉及一種成像方法，特別用于包括至少一種標(biāo)記物質(zhì)的樣品，例如人體或動(dòng)物體或者其一部分，的醫(yī)學(xué)成像。本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用在于醫(yī)學(xué)成像并且特別在于生成診斷圖像或用于引導(dǎo)介入治療過程的圖像。
背景技術(shù)：
光子成像是用于生物醫(yī)學(xué)診斷的理想模式，因?yàn)樗苯由婕搬t(yī)生的視覺并且提供具有高度吸引力的特征，包括使用不傷害激發(fā)的非電離輻射，比較機(jī)制的高度柔性，便攜性，小型因素和實(shí)時(shí)圖像采集。健康和患病的組織呈現(xiàn)出不同多個(gè)特性諸如結(jié)構(gòu)、組成新陳代謝、分子或結(jié)構(gòu)方面。在細(xì)胞和亞細(xì)胞組織和疾病生物標(biāo)志方面具有特殊性的試劑的局 部的或系統(tǒng)的管理可能以不同的方式改變健康和患病的組織的光學(xué)特性，導(dǎo)致?lián)p傷顯像與背景健康組織的高對(duì)比度。近來的研究表明外部管理的熒光探針是高度有前景的手段，因?yàn)闊晒庑盘?hào)可以提供高對(duì)比度。例如，設(shè)計(jì)的探針在癌探測(cè)領(lǐng)域可能非常敏感和特效，通過以致癌作用的特殊的分子特征和腫瘤損傷為目標(biāo)。對(duì)有效地檢測(cè)來自分子探針的信號(hào)的需要導(dǎo)致過去的幾十年中研制出多種成像方法和技術(shù)。然而，實(shí)際中使用的成像方法具有很多與使用中特別是在臨床環(huán)境中使用的a)性能和b)方便性相關(guān)的限制。解析表面熒光活性的成像性能可能受到三個(gè)主要的參數(shù)不利地影響組織光學(xué)特性的空間變化，熒光活性和組織自體熒光的深度。信號(hào)強(qiáng)度，例如熒光，對(duì)參數(shù)的依附關(guān)系可能對(duì)無修正的簡(jiǎn)單〃攝影〃或〃視頻〃方法的對(duì)比度和整體精度造成限制?？紤]到例如暗的帶血區(qū)相對(duì)于吸收性較低的區(qū)域而言會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)度的顯著衰減，就能更好地理解這一點(diǎn)；這種顯著衰減效應(yīng)可能導(dǎo)致偽負(fù)像。類似地，非吸收區(qū)相對(duì)于暗區(qū)而言可能展現(xiàn)為富含探針，即使是在僅含有中等量的分子探針時(shí)。這可能導(dǎo)致偽正像。類似的偽正像或偽負(fù)像還可能因熒光損傷深度而導(dǎo)致，因?yàn)榛诠庠诮M織中傳播的距離，即深度，光強(qiáng)度非線性且強(qiáng)烈地衰減。因此，除非對(duì)光學(xué)性能變化、深度變化或自體熒光導(dǎo)致的熒光信號(hào)強(qiáng)度改變做出修正，否則組織原像就可能不精確或包含偽像。這些效應(yīng)以前曾被指出過(例如，參看Ntziachristos 等人的 Nature Biotechnology 2005;23:313-320)。采用波長(zhǎng)成像的系統(tǒng)被研制出來，以將自體熒光與感興趣的熒光染料區(qū)別開。類似地，由于組織光學(xué)特性和深度導(dǎo)致的強(qiáng)度變化在層析成像系統(tǒng)中通常被修正。另一方面，具有克服上述性能限制的潛力的其它系統(tǒng)由于功能特性較差而不適合于臨床應(yīng)用。例如，掃描多光譜系統(tǒng)能夠提供高頻譜解析度，但需要有一定的掃描時(shí)間，因而不適合于移動(dòng)的物體，即不適合于實(shí)時(shí)成像操作。因此，它們不適合于因呼吸或心跳而引起移動(dòng)的組織。另外，圖像產(chǎn)生的信息并非實(shí)時(shí)提供的，因此這些方法實(shí)際中不適用于掃描大組織區(qū)的損傷部位，不適用于在檢驗(yàn)過程中縮放并聚焦于可疑區(qū)域，最后，但不是最次要的，不能夠被用于介入過程，例如對(duì)損傷部位的切除進(jìn)行實(shí)時(shí)手術(shù)引導(dǎo)?？偟膩碚f，目前沒有任何醫(yī)用光子成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對(duì)光傳播和與組織相互作用的效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)精確的臨床成像系統(tǒng)，例如手術(shù)中成像系統(tǒng)。組織損傷，例如癌癥，呈現(xiàn)為組織分子、結(jié)構(gòu)、功能和成分上的特性的變化。利用靶向探針，例如分子探針，具有提供健康與病變組織之間顯著區(qū)分能力的潛力。特別是，利用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和納米技術(shù)方面的最新進(jìn)展，組合有適宜的光學(xué)標(biāo)記例如熒光分子或光吸收納米顆粒的新式探針，能夠更容易地且更精確地檢測(cè)組織結(jié)構(gòu)、功能和成分上的特性，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)活體診斷。理想地，能夠在光學(xué)信號(hào)中捕捉那些差異并且因此而實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別組織損傷的成像模式可顯著提高我們的診斷、實(shí)時(shí)引導(dǎo)和介入成像能力。盡管一些實(shí)驗(yàn)方法已被證明有這方面應(yīng)用的潛力，但它們都沒有展現(xiàn)出適于臨床應(yīng)用的足夠性能。主要限制有由于生物學(xué)組織的高度復(fù)雜性和不同質(zhì)性，光子會(huì)經(jīng)受與組織之間的多重復(fù)雜反應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的變化。對(duì)測(cè)量信號(hào)的修正要求采用包含有組織光學(xué)性能和/或幾何特性等方面的復(fù)雜模型?？煽康販y(cè)量組織光學(xué)特性要求快速采集·和處理大量信息。現(xiàn)有的成像方法和技術(shù)受限于它們能夠捕獲的信息和它們能夠提供的修正。臨床應(yīng)用諸如手術(shù)引導(dǎo)要求實(shí)時(shí)診斷或病理反饋。換言之，信號(hào)捕獲、處理和認(rèn)定診斷結(jié)果應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)有的方法受限于分析能力與速度之間的折中。US 2008/0312540 Al公開了一種提供醫(yī)學(xué)成像用正則化熒光落射照明圖像和正則化熒光透視圖像的系統(tǒng)和方法。通過將本征圖像例如反射圖像等與在樣品上收集的發(fā)射光圖像例如熒光圖像等相組合實(shí)現(xiàn)正則化。這種傳統(tǒng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用受到限制，特別是因?yàn)槔米兓臑V光器或過濾盤在多個(gè)光譜范圍內(nèi)收集圖像時(shí)所需的時(shí)間、圖像數(shù)據(jù)處理的時(shí)間段和有限的圖像質(zhì)量。此外，這種技術(shù)在提供診斷圖像方面存在限制，因?yàn)樗荒懿糠值貞?yīng)對(duì)光學(xué)性能變化，即它只能將變化吸納，但不能將變化擴(kuò)散。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的成像裝置，特別適用于多參數(shù)實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)成像，能夠避免傳統(tǒng)技術(shù)中存在的缺陷。此外，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的成像方法，特別適用于以提高的精度收集和提供用于生物醫(yī)學(xué)成像的光子圖像，能夠避免傳統(tǒng)技術(shù)中存在的缺陷。上述目的可通過包含獨(dú)立權(quán)利要求中的特征的方法或裝置來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的各種有益實(shí)施方式和應(yīng)用在從屬權(quán)利要求中限定。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一綜合方面，通過成像裝置解決了上述目的，成像裝置包括光源裝置，其被設(shè)置成用照明光照亮研究的樣品，和多個(gè)探測(cè)器，其被設(shè)置用于收集樣品的多個(gè)不同圖像。根據(jù)本發(fā)明，探測(cè)器包括至少一個(gè)多光譜樣品光相機(jī)，其能夠感測(cè)來自樣品，例如被反向散射(反射和/或背面發(fā)射)，和由樣品產(chǎn)生的不同光譜范圍內(nèi)的樣品光，并且收集不同光譜范圍內(nèi)的樣品的至少兩個(gè)樣品光圖像，和至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)，其能夠同時(shí)感測(cè)被樣品內(nèi)的至少一種標(biāo)記物質(zhì)產(chǎn)生的標(biāo)記光并且收集樣品的標(biāo)記光圖像。至少兩個(gè)樣品光圖像被用于計(jì)算至少一個(gè)修正部分。標(biāo)記光圖像被利用所述至少一個(gè)修正部分進(jìn)行修正，所述至少一個(gè)修正部分是包括與標(biāo)記光圖像的修正有關(guān)的信息的修正圖像或另一信號(hào)。優(yōu)選地，具有光檢測(cè)的不同光譜范圍的樣品光圖像和標(biāo)記光圖像被同時(shí)也就是在同一時(shí)間收集。避免了用傳統(tǒng)技術(shù)例如用改變?yōu)V光器可能發(fā)生的時(shí)間延時(shí)。使用的相機(jī)可以是包括包括感光芯片的光學(xué)相機(jī)，例如電荷耦合裝置(CCD)傳感器或CMOS傳感器。為了同時(shí)收集樣品光圖像和標(biāo)記光圖像，本發(fā)明的成像裝置包括被配置用于將來自樣品的光成像到探測(cè)器上的分光成像器件。樣品光被中轉(zhuǎn)到至少一個(gè)樣品光相機(jī)上，而標(biāo)記光被中轉(zhuǎn)到至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)上。樣品光和標(biāo)記光同時(shí)被收集，從而允許實(shí)時(shí)處理樣品的多個(gè)不同圖像。此外，本發(fā)明的成像裝置包括處理器裝置，其被構(gòu)造成并行處理樣品光圖像和標(biāo)記光圖像，并且基于所述至少一個(gè)標(biāo)記光圖像和樣品光圖像呈現(xiàn)至少一個(gè)修正的圖像。優(yōu)選地，所述至少一個(gè)修正的圖像被計(jì)算并且以實(shí)時(shí)的模式呈現(xiàn)。以實(shí)時(shí)的模式提供至少一個(gè)修正的圖像包括與圖像收集或圖像收集之后的中轉(zhuǎn)同一時(shí)間在顯示器上呈現(xiàn)所述至少一個(gè)修正的圖像，這樣，在考慮了樣品改變或處理步驟的時(shí)間比例后的中轉(zhuǎn)是可以忽略的。以實(shí)時(shí)的模式提供至少一個(gè)修正的圖像還可包括提供修正的圖像的圖像序列(視·頻序列)。作為示例，處理器裝置可以被配置用于產(chǎn)生至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，樣品光圖像中的至少一個(gè)，所述至少一個(gè)修正的圖像，或光聲圖像或它們的組合的視頻序列。根據(jù)本發(fā)明的第二綜合方面，通過一種成像方法實(shí)現(xiàn)了上述目的，該方法優(yōu)選地使用根據(jù)上述第一方面的本發(fā)明的成像裝置進(jìn)行。成像方法包括用光源裝置發(fā)出的照明光照亮被研究的樣品，收集通過被樣品反向散射特別是反射的不同光譜范圍內(nèi)的樣品光產(chǎn)生的樣品光圖像，并且收集通過樣品內(nèi)的至少一種標(biāo)記物質(zhì)產(chǎn)生的標(biāo)記光建立的至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，其中樣品光圖像和標(biāo)記光圖像被利用分光成像器件、至少一個(gè)多光譜樣品光相機(jī)和至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)收集，以及處理樣品光圖像和標(biāo)記光圖像并且基于樣品光圖像和至少一個(gè)標(biāo)記光圖像以實(shí)時(shí)的模式呈現(xiàn)至少一個(gè)修正的圖像。優(yōu)選地，樣品是生物學(xué)物體，特別是人體或動(dòng)物體或其一部分。具體地，樣品包括生物學(xué)組織或其一部分。因此，本發(fā)明優(yōu)選地用于醫(yī)學(xué)成像。通常，用樣品光相機(jī)收集的樣品光是被樣品的表面和次表面層反射(散射)的照明光的那部分。因此，樣品光的組成部分包括樣品的環(huán)境本體，以及可能有的分布在樣品中的至少一種標(biāo)記物質(zhì)。術(shù)語“樣品光圖像”是指樣品的入射光圖像，例如漫反射圖像，或通過將樣品的表面上的光成像到樣品光相機(jī)上獲得的彩色圖像。另一方面，標(biāo)記光是指特別由至少一種標(biāo)記物質(zhì)發(fā)射或反射的光。專門感測(cè)標(biāo)記光允許樣品環(huán)境光和標(biāo)記光之間的嚴(yán)格鑒別以及標(biāo)記光到樣品的某些地形特性的分配，例如用于識(shí)別可疑組織區(qū)域。由于樣品環(huán)境和標(biāo)記物質(zhì)的寬帶特征，此識(shí)別比較困難。利用本發(fā)明的收集不同光譜范圍內(nèi)的多個(gè)樣品和標(biāo)記光圖像，此識(shí)別被大大方便。因?yàn)闃悠泛蜆?biāo)記光圖像收集被同時(shí)進(jìn)行并且修正圖像被實(shí)時(shí)計(jì)算，與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像方法相比獲得了本質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。有利地，本發(fā)明提供了一種用于標(biāo)記物質(zhì)的光子醫(yī)學(xué)成像的方法和裝置，其能夠提供表面和次表面組織和組織標(biāo)記的精確、定量的成像。此性能與當(dāng)前技術(shù)對(duì)照完全不同，在當(dāng)前技術(shù)中由于不能提供精確的性能而能夠?qū)е聜呜?fù)像和偽正像。另外，本發(fā)明教導(dǎo)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)收集和處理多光譜數(shù)據(jù)的精確性能的方法。本發(fā)明的實(shí)時(shí)系統(tǒng)和方法能夠分子成像，因?yàn)槠渑c相對(duì)于某些健康和患病的組織標(biāo)記物質(zhì)具有特異性的被管理的標(biāo)記物質(zhì)的特殊且精確的顯像相關(guān)聯(lián)。對(duì)于在醫(yī)學(xué)成像中的首選應(yīng)用，本發(fā)明可以提供三個(gè)步驟，管理一種或多種對(duì)比劑或探針(標(biāo)記物質(zhì))，例如分子探針，多光譜光學(xué)成像，可選地用光聲成像，以及處理被捕捉的圖像用于實(shí)時(shí)顯示被修正的信息。管理步驟被提供為本發(fā)明的方法的可選特征。如果出于自然原因或由于先期的處理，樣品已經(jīng)包括所述至少一種標(biāo)記物質(zhì)則它可以省略。用本發(fā)明的成像方法獲得的所述至少一個(gè)修正的圖像被稱為診斷圖像。術(shù)語“診斷圖像”是指該圖像可以被用于發(fā)現(xiàn)診斷，例如，通過醫(yī)生和/或通過隨后的圖像評(píng)估或用高特異性識(shí)別有問題或可疑損失，以導(dǎo)致高效的引導(dǎo)和介入，例如具有治療意圖的介入。作為示例，診斷圖像可包括加亮不同樣品環(huán)境的樣品的貼圖。類似地，診斷圖像可被用于引導(dǎo)手術(shù)介入或通過內(nèi)窺鏡執(zhí)行的活組織檢查或手術(shù)過程。術(shù)語“標(biāo)記物質(zhì)”是指特別粘合(bind)到樣品中的特定目標(biāo)的任何分子，所述特定目標(biāo)例如目標(biāo)組織、目標(biāo)細(xì)胞或某些細(xì)胞成分，像蛋白質(zhì)，所述分子呈現(xiàn)出與光(UV，VIS和/或紅外波長(zhǎng)范圍)的相互作用，導(dǎo)致特殊的吸收和/或熒光。使用標(biāo)記物質(zhì)的概念是在存在疾病時(shí)加亮被改變的一個(gè)或多個(gè)組織特征。標(biāo)記物質(zhì)也被稱為生物標(biāo)記，探針或?qū)Ρ葎?它是技術(shù)人員根據(jù)結(jié)合特性和光譜特征選擇的。具體地，標(biāo)記物質(zhì)被選擇成其目標(biāo)為在疾病發(fā)展過程中以漸變的形式特別變化的組織的分子、結(jié)構(gòu)、功能或組成特征并揭示它們。標(biāo)記物質(zhì)的存在優(yōu)選改變組織的光學(xué)特性，例如熒光或吸收，使得被檢測(cè)的光學(xué)信號(hào)甚至可以揭示疾病的存在或發(fā)展情況。樣品包括一種或多種標(biāo)記物質(zhì)。如果多種不同的標(biāo)記物質(zhì)被提供，那么它們優(yōu)選具有不同的分光鏡特性。類似癌的疾病已知會(huì)導(dǎo)致多個(gè)組織改變，用作標(biāo)記物質(zhì)的探針通常被設(shè)計(jì)用于加亮這些變化中的一個(gè)，例如新陳代謝活性。但是，類似癌的疾病不總是表現(xiàn)為相同的特征變化，因此探針本質(zhì)上呈現(xiàn)出低靈敏度。相反，在其它下情況下，一些沒有患病的組織可能也呈現(xiàn)其中的一個(gè)疾病特征，因此降低了探針的特異性檢測(cè)能力。除癌外，與血管、血管內(nèi)、神經(jīng)元前體細(xì)胞、心臟、再造以及其它疾病相關(guān)的介入和指示也被考慮。利用可獲得的特殊且敏感的(sensitive)標(biāo)記物質(zhì)諸如分子探針，使用本方法可以提供極好的總體性能和臨床結(jié)果。而且，組合使用多個(gè)探針在進(jìn)一步增加所獲得的用于在引導(dǎo)和介入過程中做決定的信息或診斷能力方面可能是首選的，因?yàn)榧膊〉臋z測(cè)可能是基于除單一特征之外的表征疾病的多個(gè)特征。另外，組合使用多個(gè)探針和其它染色試劑諸如非特殊熒光染料可另外被用于修正局部血液輸注中的潛在的不均勻性，否則這種不均勻性可能會(huì)影響探針的局部傳輸并且因此而要求采用應(yīng)對(duì)措施。有利地，本發(fā)明可以用不同類型的圖像進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，探測(cè)器被構(gòu)造成用于收集至少兩種圖像類型的彩色圖像，熒光圖像，反射圖像和/或激發(fā)圖像。優(yōu)選地，每個(gè)探測(cè)器被提供有至少一個(gè)相機(jī)濾波器，其被適應(yīng)于將被收集的圖像類型。標(biāo)記光是響應(yīng)于被至少一種標(biāo)記物質(zhì)照亮而產(chǎn)生的光。標(biāo)記光的強(qiáng)度、光譜組成和幾何分布通過照明光與所述至少一種標(biāo)記物質(zhì)的特殊相互作用以及其在樣品中的分布確定。存在多個(gè)變量用于使所述至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)適應(yīng)于有效地感測(cè)不同光譜范圍內(nèi)的標(biāo)記光。優(yōu)選地，所述至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)包括在不同光譜范圍內(nèi)感光的兩個(gè)或更多個(gè)相機(jī)場(chǎng)。分光相機(jī)器件被設(shè)置用于將樣品產(chǎn)生的部分光成像到所述至少兩個(gè)相機(jī)場(chǎng)上。特別優(yōu)選的是變異，其中，至少一個(gè)標(biāo)記光相機(jī)被提供用于同時(shí)感測(cè)至少兩個(gè)不同光譜范圍內(nèi)的標(biāo)記光。在這種情況下，可以獲得標(biāo)記物質(zhì)的分布的大大改進(jìn)的特殊檢測(cè)以及其從背景樣品光的鑒別。根據(jù)本發(fā)明的另一有利實(shí)施例，所述至少兩個(gè)相機(jī)場(chǎng)包括至少兩個(gè)獨(dú)立的感光芯片例如CCD芯片和/或在一個(gè)公共感光芯片例如CCD芯片內(nèi)的至少兩個(gè)獨(dú)立的感光區(qū)域。這允許成像裝置靈活地適應(yīng)于實(shí)際應(yīng)用的需求，其中，被收集的不同信號(hào)使用不同的信號(hào)強(qiáng)度和不同的動(dòng)態(tài)范圍。在優(yōu)選實(shí)施例中，獨(dú)立的感光場(chǎng)中的一個(gè)或多個(gè)的靈敏度被自動(dòng)適應(yīng)，通過被收集的樣品信號(hào)或產(chǎn)生的相應(yīng)電信號(hào)的可變衰減或放大。優(yōu)選地，所述至少兩個(gè)相機(jī)場(chǎng)的每一個(gè)被提供有調(diào)整相應(yīng)相機(jī)場(chǎng)的光譜敏感范圍的場(chǎng)濾波器。如果提供可變的場(chǎng)濾波器，則可以提高靈活性。有利地，照明光可以在幾何形狀、瞬時(shí)特性和/或光譜特性方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于使照明光適應(yīng)于樣品特性(包括標(biāo)記物質(zhì)特性)和將被收集的圖像類型。為此，光源裝置優(yōu)選地包括至少一個(gè)照明光調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)整照明光的光譜特征，瞬時(shí)特征，偏振，方向和光場(chǎng)形狀中的至少一個(gè)。如果照明裝置包括多個(gè)光源，對(duì)于每個(gè)光源可以提供特別的照明光調(diào)節(jié)裝置。優(yōu)選地，照明光調(diào)節(jié)裝置包括光譜濾波器，偏振濾波器，照明光學(xué)器件和光纖束 中的至少一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的另一特別優(yōu)選的實(shí)施例，光學(xué)成像可以與光聲感測(cè)相結(jié)合。光聲是將光學(xué)成像即高光學(xué)對(duì)比機(jī)制與層析成像方法即大穿刺深度各自優(yōu)勢(shì)相組合的有前途的模式。光學(xué)感測(cè)和光聲感測(cè)的結(jié)合是理想的，因?yàn)檫@些模式可以利用相同的標(biāo)記物質(zhì)。因此，利用此優(yōu)選實(shí)施例，光聲成像裝置被設(shè)置用于收集樣品的多光譜光聲圖像。光聲成像裝置至少能夠收集光聲數(shù)據(jù)，但優(yōu)選地收集樣品的光聲圖像。因此，本發(fā)明的裝置可以被提供為光聲裝置，提供實(shí)時(shí)收集和修正能夠，也就是，提供為光學(xué)器件、基于CCD的裝置和光聲裝置的組合；在這種情況下，基于CCD的裝置用于視覺檢測(cè)的引導(dǎo)和大視場(chǎng)(large field)，并且光聲裝置用于以高分辨對(duì)比度從在基于CXD的裝置上發(fā)現(xiàn)的可疑區(qū)域分辨出來。類似的實(shí)踐也可以利用便攜式共焦或多光子顯微成像系統(tǒng)。本發(fā)明的成像裝置的處理器裝置是提供實(shí)時(shí)成像樣品能力的重要特征，其中，實(shí)時(shí)產(chǎn)生的圖像特別是考慮了可能導(dǎo)致可存在于原始圖像中的假象(也就是假陽(yáng)性或假陰性讀數(shù))的特征后修正的圖像。優(yōu)選地，處理器裝置包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和圖形處理單元中的至少一個(gè)。作為優(yōu)勢(shì)，那些類型的處理器可以相對(duì)較低的價(jià)格從市場(chǎng)上得到并且提供專用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的理想分辨率?？蛇x地，控制裝置可以被另外提供給處理器裝置?？刂蒲b置能夠被配置用于下述功能中的至少一個(gè)。首先，它能夠控制光源裝置，探測(cè)器和/或處理器裝置。其次，控制裝置可以被提供有顯示裝置，所述顯示裝置顯示至少一個(gè)樣品光圖像，標(biāo)記光圖像中的至少一個(gè)，至少一個(gè)修正的圖像和/或光聲圖像。最后，控制裝置可被與管理裝置連接，所述管理裝置被配置用于引入至少一種預(yù)定的標(biāo)記物質(zhì)到樣品內(nèi)。處理器裝置和控制裝置可以在公用的計(jì)算機(jī)單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的成像裝置的靈活性可以被進(jìn)一步提高，如果探測(cè)器被設(shè)置有具有多個(gè)連接部的模塊結(jié)構(gòu)，每個(gè)連接部被設(shè)置用于容納探測(cè)器中的一個(gè)。有利地，這允許成像裝置簡(jiǎn)單地適應(yīng)于特殊應(yīng)用的需求。
根據(jù)本發(fā)明的方法的另一優(yōu)選實(shí)施例，呈現(xiàn)至少一個(gè)修正的圖像的步驟包括圖像數(shù)據(jù)修正程序?！皥D像數(shù)據(jù)修正”是指對(duì)“最終圖像”的每個(gè)像素優(yōu)先且獨(dú)立地修改所包含的信息也被呈現(xiàn)給系統(tǒng)操作者，以便圖像的預(yù)定特征被改進(jìn)并且傳遞至操作者更精確的信
肩、O應(yīng)用的圖像數(shù)據(jù)修正是基于以在實(shí)時(shí)測(cè)量之前存儲(chǔ)在圖像處理裝置中的信息的形式的實(shí)時(shí)收集的多參數(shù)數(shù)據(jù)，可能還包含現(xiàn)有知識(shí)。因此“圖像數(shù)據(jù)修正”還指改變被修正的并且隨后投影的圖像的像素的灰度，從而生成的圖像更精確地反映圖像的視域中的實(shí)際的標(biāo)記生物學(xué)分布。因此，圖像數(shù)據(jù)修正可包含提高每個(gè)圖像中的強(qiáng)度的任何步驟I)從標(biāo)記信號(hào)與內(nèi)生組織信號(hào)污染的影響，諸如自體熒光信號(hào)，2)從標(biāo)記位置深度對(duì)被收集的標(biāo)記信號(hào)的影響，和/或3)組織的光學(xué)特性對(duì)被收集的標(biāo)記信號(hào)的影響。例如與標(biāo)記熒光物共同定位的強(qiáng)吸收劑對(duì)來自標(biāo)記熒光物的記錄的強(qiáng)度的影響。下面描述圖像數(shù)據(jù)修正的特殊實(shí)施例。


本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和優(yōu)勢(shì)在下面參考附圖進(jìn)行了描述，其中圖I :本發(fā)明的成像裝置的優(yōu)選實(shí)施例的示例型示意；圖2和3 :在成像裝置中使用的探測(cè)器的實(shí)施例的示例型示意；圖4 :本發(fā)明的成像裝置的優(yōu)選應(yīng)用的示例型示意；圖5 :示意本發(fā)明的成像方法的步驟的流程圖；圖6 :本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用的示例型示意；圖7和8 :示意用本發(fā)明獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的照片；以及圖9 :根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的本發(fā)明的成像裝置的功能的示例型示意。
具體實(shí)施例方式下面特別關(guān)于被提供用于實(shí)時(shí)地獲得多光譜光子圖像的光學(xué)和光聲設(shè)置及數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)記物質(zhì)，準(zhǔn)備樣品，像引入至少一種標(biāo)記物質(zhì)類型到樣品內(nèi)，設(shè)計(jì)成像的光學(xué)器件，特別是關(guān)于聚焦和放大性能，操作至少一個(gè)光源、探測(cè)器和可選的另外的傳感器，像光聲傳感器，以及圖像處理技術(shù)的細(xì)節(jié)，因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)中特別是從傳統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)成像的光子系統(tǒng)中已知了，所以不再在這里描述。另外，附圖中呈現(xiàn)的成像裝置根據(jù)應(yīng)用的特殊需要可以不同方式實(shí)施。圖I示意了本發(fā)明的成像裝置100的優(yōu)選實(shí)施例的特征，成像裝置100包括光源裝置10，帶有探測(cè)器21，22的探測(cè)器裝置20，分光成像光學(xué)器件30和處理器裝置40。可選地，另外可以提供控制裝置50，光聲傳感器裝置60和/或管理裝置70。成像裝置100被配置用于用本發(fā)明的成像方法成像樣品I。樣品I例如是生物學(xué)樣品，像人體或動(dòng)物體或其一部分。為了進(jìn)行體外研究，樣品I被置于載體上，而對(duì)于體內(nèi)研究(參考圖4)，樣品I是包括在淵源者(患者)體內(nèi)的一研究區(qū)域。光源裝置10包括兩個(gè)光源11. 1，11. 2，濾光器12以及光聚焦和均質(zhì)單元13. 1，13. 2，它們被設(shè)置用于利用照明光照亮樣品I。經(jīng)由光纖14連接的部件12和13. I以及部件13. 2提供照明光調(diào)節(jié)裝置，所述照明光調(diào)節(jié)裝置被適應(yīng)于調(diào)節(jié)照明光的光譜特征(尤其是利用濾光器12)和偏振(polarisation),方向和/或光場(chǎng)的形狀(尤其是利用光聚焦和均質(zhì)單元13. 1，13. 2)。另外地或可選地，照明光調(diào)節(jié)裝置可被提供有瞬時(shí)照明控制器(temporalillumination control),像光閥(shutter),切換裝置或光源控制器(未示出)。雖然本發(fā)明可以用單一光源例如激光源實(shí)施，但光源裝置10優(yōu)選地包括多個(gè)光源，它們?cè)谔峁┚哂蓄A(yù)定光譜和瞬時(shí)特征的照明光方面提供有優(yōu)勢(shì)。作為示例，光源裝置可包括至少一個(gè)寬帶光源11. 1，例如白光鎢絲燈泡，鹵素?zé)艋驅(qū)拵ED，或至少一個(gè)窄帶光源11. 2，例如窄帶激光器或LED。當(dāng)使用多個(gè)窄帶光源時(shí)，不同的頻帶可以被使用以激發(fā)(excite)激發(fā)中的至少一種標(biāo)記物質(zhì)，它們能夠被使用用于同時(shí)觀察多種標(biāo)記或者修正深度的影響，因?yàn)椴煌墓庾V帶可以探查不同的深度。通過準(zhǔn)備多個(gè)光源，照明光調(diào)節(jié)裝置包括多個(gè)過濾器，聚集和均質(zhì)部件。在瞬時(shí)特征方面，光源可以是連續(xù)的(CW)，脈沖的或強(qiáng)度被調(diào)制的。來自每個(gè)光源11. 1，11. 2的光可以被從每個(gè)源直接傳遞到樣品，或者所有光源的輸出可以通過單一光學(xué)設(shè)備例如光纖束或透鏡組合并傳遞。來自源的光，每一種光可以單獨(dú)或者所有這些光可以一起被過濾以獲得所需的光譜特征。作為示例，IR光可被從用于彩色成像的白光中濾掉，從而與紅外熒光信號(hào)檢測(cè)不發(fā) 生干擾。而且，在照明和成像光徑中使用偏光器(polarizer)可以最小化鏡面反射的效應(yīng)。探測(cè)器裝置20包括三個(gè)相機(jī)21，22，它們被設(shè)置為分別用于收集樣品光和標(biāo)記光(marker light)。利用分光成像光學(xué)器件30,樣品光和標(biāo)記光被從樣品I傳播到相機(jī)21,22，分光成像光學(xué)器件30包括收集來自樣品I的光的成像光學(xué)器件31，被設(shè)置用于調(diào)節(jié)樣品光和標(biāo)記光的光譜特征的多個(gè)濾光器32,34,35,以及將光徑從成像光學(xué)器件31朝向相機(jī)21，22分離的圖像分離器33。濾光器32，34，35 (相機(jī)濾光器)可包括裝有適當(dāng)?shù)膸V波器的濾光器輪，能夠單獨(dú)為每個(gè)相機(jī)選擇成像光譜帶。圖像分離器33包括兩個(gè)半透明的平面鏡33. 1,33. 2，其中，作為示例，第一平面鏡33. I是二向鏡，其朝向樣品光相機(jī)21反射可見光并且具有10%反射率和90%透光率，而第二平面鏡33. 2具有5%反射率和95%透光率。樣品光相機(jī)21被設(shè)置用于收集樣品I的樣品光圖像。樣品光的光譜特征用濾光器34調(diào)整,例如其抑制標(biāo)記物質(zhì)突光的光譜范圍或使可見光通過。樣品光相機(jī)21包括相機(jī)傳感器，例如CXD傳感器，其是慣用的照相機(jī)。樣品光相機(jī)21被與處理器裝置40連接，其中樣品光圖像被在處理器裝置40內(nèi)處理(參考下述)。相機(jī)22具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它們被設(shè)置用于實(shí)時(shí)地同時(shí)檢測(cè)不同光譜范圍中的標(biāo)記光。為此，標(biāo)記光相機(jī)22具有如圖2和3進(jìn)一步示意的結(jié)構(gòu)。標(biāo)記光相機(jī)22被與處理器裝置40連接，在處理器裝置40中，標(biāo)記光圖像被與樣品光圖像并行處理，以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)至少一個(gè)修正的圖像。下面參考5和6討論圖像處理的細(xì)節(jié)?？蛇x地，相機(jī)22中的一個(gè)可被設(shè)置用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)光譜帶的第三光，例如自體熒光，或樣品光，如圖I和圖3中描述的，如果靈活使用所建議的實(shí)施方式。分光成像光學(xué)器件30設(shè)置在屏蔽從樣品I到相機(jī)21,22的光徑的殼體(未不出)內(nèi)。作為示例，殼體可以被構(gòu)造成如從顯微鏡中已知的管狀。探測(cè)器21，22被與殼體連接，殼體具有帶多個(gè)連接部的模塊式結(jié)構(gòu)，每個(gè)連接部被設(shè)置成容納一個(gè)探測(cè)器。圖2示意性示出了標(biāo)記光相機(jī)22的剖視圖，標(biāo)記光相機(jī)22包括至少兩個(gè)相機(jī)場(chǎng)(camera field) 23, 24,每個(gè)相機(jī)場(chǎng)具有場(chǎng)濾波器27。此外,標(biāo)記光相機(jī)22包括分光相機(jī)器件25,其被構(gòu)造成朝向相機(jī)場(chǎng)23, 24分割從分光成像光學(xué)器件30傳播來的標(biāo)記光(參考圖I)。在每個(gè)相機(jī)場(chǎng)23，24上，產(chǎn)生出完整的樣品圖像(或感興趣的區(qū)域)。分光相機(jī)器件25包括反射鏡和/或棱鏡的組合，如從傳統(tǒng)的圖像分割器已知的。相機(jī)場(chǎng)可包括如圖3A示意性示出的分離的CXD芯片23和/或如圖3B中示出的一個(gè)公共⑶芯片26的感光區(qū)域24。在第一種情況下，每個(gè)CXD芯片23被與處理器裝置40連接用于傳遞標(biāo)記光圖像數(shù)據(jù)。在第二種情況下，公共CXD芯片26被與處理器裝置40連接，其中屬于不同感光區(qū)域24的圖像數(shù)據(jù)在理器裝置40被分開進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理器裝置40 (圖I)被配置用于并行處理樣品和標(biāo)記光圖像，并且在實(shí)時(shí)模式中基于至少一個(gè)標(biāo)記光圖像和樣品光圖像產(chǎn)生至少一個(gè)修正的圖像。實(shí)時(shí)處理和產(chǎn)生成像數(shù)據(jù)對(duì)于診斷系統(tǒng)的臨床應(yīng)用來說是特別重要的。然而，實(shí)時(shí)處理要求較高，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)(PU可能性能不足。因此，優(yōu)選地，處理器裝置40具有專門用于圖像數(shù)據(jù)處理的單獨(dú)的處理器。這些處理器可以是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和圖形處理單元(GPU)。
根據(jù)圖1，控制裝置50被與處理器裝置40并且與相機(jī)21，22連接。與相機(jī)21，22的連接可直接或經(jīng)由處理器裝置40提供。此外，控制裝置50被與光源裝置10，光聲傳感器裝置60和管理裝置70連接。因此，控制裝置50能夠控制成像裝置100的部件的全部操作?？刂蒲b置50被提供有顯示器51，用于顯示成像裝置100的操作情況和/或相機(jī)裝置20收集到的和/或處理器裝置40計(jì)算出的圖像。光聲傳感器裝置60，例如包括超聲陣列，被設(shè)置用于同時(shí)收集樣品I的光聲圖像或被樣品和標(biāo)記光圖像的收集引導(dǎo)。光聲形式(modality)可提供補(bǔ)充信息，例如關(guān)于激發(fā)更深層內(nèi)的損傷形態(tài)，或分辨出具有深度分辨率并且作為深度的函數(shù)的同一標(biāo)記，特別是當(dāng)使用多光譜光聲層析成像(MSOT)時(shí)。為此，光聲傳感器裝置60被配置用于將樣品I置于一種或多種激發(fā)光脈沖中和用于收集在樣品I中產(chǎn)生的機(jī)械波響應(yīng)，如從傳統(tǒng)的光聲學(xué)已知的。激發(fā)光脈沖可以用其中一個(gè)光源11. 2產(chǎn)生，或者換句話說，光源裝置10的一個(gè)光源11. 2可被集成在光聲傳感器裝置60中。圖I的成像系統(tǒng)有助于構(gòu)成將從成像光學(xué)器件31收集的光分割到多個(gè)成像通道內(nèi)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。分光被以使每個(gè)成像通道測(cè)量一個(gè)或多個(gè)熒光和/或反射光的光譜帶的方式進(jìn)行。此分光實(shí)施例被設(shè)計(jì)用于最小化成像通道之間的干擾并且最大化光輸出量。每個(gè)成像通道使用額外的濾光構(gòu)件(濾光器34，35)以保證多個(gè)測(cè)量信號(hào)。每個(gè)相機(jī)21，22可以是傳統(tǒng)的單色或彩色相機(jī)，多光譜相機(jī)，時(shí)間分辨相機(jī)或亮度調(diào)制相機(jī)?？蛇x地，分光實(shí)施例可使用一個(gè)或多個(gè)中轉(zhuǎn)透鏡(relay lense)以在每個(gè)相機(jī)傳感器上形成正確尺寸和放大倍數(shù)的圖像。分光可以通過下述的任意組合實(shí)現(xiàn)部分反射鏡或棱鏡，二色鏡或多色(polichroic)鏡以及偏振分光器。對(duì)于成像器件31，可使用能夠收集光并形成圖像的任何成像實(shí)施方式，諸如折射和/或反射(反射光學(xué))元件。在實(shí)際的例子中，圖I的成像裝置100被配置用于術(shù)中熒光成像。它能夠同時(shí)捕捉彩色，熒光圖像和對(duì)由紅外熒光探針構(gòu)成的標(biāo)記物質(zhì)，例如Cy5. 5和AlexaFluOr750，進(jìn)行固有(intrinsic)(激發(fā)光譜帶)成像。對(duì)于此應(yīng)用，樣品光相機(jī)21是與用于可見波長(zhǎng)范圍的濾光片連接的彩色相機(jī)以保證只有可見光子被探測(cè)。紅外光被濾出的鹵素?zé)艄庠?1. I被用于樣品I的白光照明以達(dá)到彩色成像的目的。第二光源11. 2是用于激發(fā)熒光團(tuán)的激光器。激光器可以是波長(zhǎng)為673nm的二極管激光器用于激發(fā)標(biāo)號(hào)為Cy5. 5的探針或者可以是波長(zhǎng)為750nm的二極管激光器用于激發(fā)標(biāo)號(hào)為AlexaFluor750的探針。對(duì)于白光源11. I和激光器11. 2，光被傳播到樣品I (例如激發(fā))分別通過光纖束和多模光纖傳播到準(zhǔn)直儀和散光器(13. 1，13. 2)用于光束展寬和均勻照明。在可選的配置中，相機(jī)22中的一個(gè)收集除第一熒光相機(jī)操作的光譜帶之外的另一光譜帶的固有激發(fā)熒光或來自激發(fā)的熒光，以使其能夠?qū)С龊托拚泽w熒光或測(cè)量第二目標(biāo)標(biāo)記熒光物或固有激發(fā)熒光物或發(fā)色團(tuán)，例如至少一種形式的血紅蛋白。來自被檢查的樣品I的光被使用成像器件31的變焦透鏡收集。作為變焦透鏡的可選方案可以使用任何光學(xué)成像系統(tǒng)，諸如內(nèi)窺鏡或顯微鏡。具有垂直偏置軸的兩個(gè)線偏振器也可以被使用在照明和成像光徑中以消除鏡面反射。由變焦透鏡形成的樣品I的原始圖像(primary image)落在三個(gè)成像通道的每個(gè)中轉(zhuǎn)透鏡組的焦平面上。圖I是本發(fā)明的成像平臺(tái)的示意性表示。圖I的成像裝置100能夠捕捉下述的任意組合
-彩色圖像，以便外科醫(yī)生能夠識(shí)別檢查的區(qū)域，-多光譜熒光圖像，-多光譜反射圖像，和-光聲信號(hào)。所有這些被捕捉的光學(xué)信息被用于計(jì)算如下面闡述的有診斷價(jià)值的圖像。在本實(shí)施例中，成像裝置100配置有三個(gè)成像通道，但以實(shí)際上相同的方式，可以用更少(兩個(gè))或更多個(gè)成像通道實(shí)現(xiàn)，如圖6中所述。具有兩個(gè)相機(jī)的配置中的本征圖像(intrinsic image)可以通過下述提供,基于已經(jīng)存儲(chǔ)在處理裝置中的與可見和近紅外光譜有關(guān)的光譜信息，處理彩色圖像以將其轉(zhuǎn)換成近紅外衰減貼圖。此外，雖然本發(fā)明的特征已經(jīng)參考示例型的具有類似于光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)的光學(xué)裝置進(jìn)行了描述，但需強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的實(shí)施不限制于這些被示意的結(jié)構(gòu)，而是可以具有更緊湊的設(shè)備。特別地，成像器件，圖像分割器件和相機(jī)可以被集成到一個(gè)單一的緊湊殼體內(nèi)或集成到兩個(gè)殼體內(nèi)，如圖4中示意的。甚至可以使成像裝置更小型化，以使其能夠被用于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，例如內(nèi)窺鏡檢查。圖4示出了本發(fā)明的技術(shù)用于醫(yī)學(xué)成像的應(yīng)用，其中樣品I是人體2的一部分。樣品I (研究區(qū)域)例如是表面區(qū)域或次表面激發(fā)區(qū)域，例如在外殼手術(shù)過程中和/或使用內(nèi)窺鏡儀器被成像的皮下激發(fā)區(qū)域。成像裝置100包括照明裝置10，分光成像器件30，探測(cè)器裝置20以及處理器和控制裝置40，50。參考標(biāo)記71表示管理裝置70的部分，管理裝置70被構(gòu)造成引入至少一種標(biāo)記物質(zhì)到樣品I并且包括標(biāo)記物質(zhì)貯存器，供應(yīng)導(dǎo)管(例如注射器針頭)和驅(qū)動(dòng)單元。管理裝置70可以被適應(yīng)于由控制裝置50控制的自動(dòng)操作(參考圖I)。圖4示意出本發(fā)明基本上由三個(gè)部分構(gòu)成，它們是I.診斷探針(包括至少一種標(biāo)記物質(zhì)，特別是至少一種熒光試劑)的管理，或者系統(tǒng)地(3，4)或部分地(5)，2.操作成像系統(tǒng)，和3.實(shí)時(shí)處理和顯示。因此，在本發(fā)明中，呈現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)的多光譜圖像捕捉、處理和繪制(render)與使用突光試劑相結(jié)合的下一代術(shù)中成像。關(guān)于此的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在下面參考圖5和6描述了。圖5示意了本發(fā)明的成像方法從數(shù)據(jù)采集到診斷圖像計(jì)算的步驟，包括制備帶有至少一種標(biāo)記物質(zhì)(so)的樣品，數(shù)據(jù)采集(包括多光譜光學(xué)成像和多光譜光聲成像)生成原始圖像數(shù)據(jù)(Si)，數(shù)據(jù)修正(包括用于重疊熒光光譜的修正，用于重疊吸收光譜的修正，或諸如吸收、散射的激發(fā)光學(xué)特性的修正，和標(biāo)記物質(zhì)的深度分布的修正)生成修正的標(biāo)記物質(zhì)分布圖像，例如熒光團(tuán)和/或發(fā)色團(tuán)分布(S2)，圖像處理，特別是圖像計(jì)算(包括多種標(biāo)記物質(zhì)的組合評(píng)價(jià)，圖像信號(hào)的瞬時(shí)特征和/或加亮彩色圖像中的特殊區(qū)域或圖案的評(píng)價(jià))生成診斷圖像(S3)，以及診斷圖像的進(jìn)一步處理，例如圖像處理、存儲(chǔ)、打印、顯示、記錄或類似操作(S4)。步驟SI至S3表示成像方法的必要的實(shí)時(shí)步驟，步驟SO和/或S4表示可選特征，它們可被省略或在與成像時(shí)間不同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。作為示例，本發(fā)明的成像方法可以與出于自然原因或出于過去的制備因素已經(jīng)包括至少一種標(biāo)記物質(zhì)的樣品一起應(yīng)用。更詳細(xì)地，具有診斷價(jià)值的圖像的計(jì)算，例如基于彩色圖像，多光譜熒光圖像，多光譜反射圖像和光聲信號(hào)，可以在兩個(gè)階段中概念性地進(jìn)行(參考圖5)(A)計(jì)算表示突光團(tuán)和發(fā)色團(tuán)的空間分布的自然生成的(artifact-free)突光和反射圖像(步驟S2)。
(B)利用所述熒光和反射圖像計(jì)算診斷激發(fā)貼圖，例如識(shí)別健康和患病的激發(fā)(步驟 S3)。(A)數(shù)據(jù)修正實(shí)時(shí)應(yīng)用的修正程序是本發(fā)明的優(yōu)選特征，因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致真正表示熒光團(tuán)和發(fā)色團(tuán)的空間分布的自然生成的標(biāo)記圖像(也就是熒光圖像)。多個(gè)修正方案可以用于在實(shí)時(shí)測(cè)量中可能受到的所有影響的綜合修正，但對(duì)于特殊應(yīng)用可以應(yīng)用可選數(shù)目的步驟。這里考慮的類屬模型(generic model)是原始圖像中的像素亮度P (x, y)與多個(gè)基值(contribution)有關(guān)，也就是，P (x, y) =f (Pr (x, y) , m (x, y, d (x, y)) , q (x, y) , d (x，y)),方程 I,其中，d (x，y)表示標(biāo)記堆積的深度，q (x, y)是由于激發(fā)固有熒光物和發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生的內(nèi)源信號(hào)的貢獻(xiàn)，m (x，y)是激發(fā)中的光學(xué)特性信號(hào)的貢獻(xiàn)，特別是由于吸收和散射而造成的衰減，它也是深度的函數(shù)，而Pr (x，y)是“實(shí)時(shí)”信號(hào)，也就是感興趣的自然生成的標(biāo)記圖像。在典型的形式中，方程I不是線性的并且可以發(fā)現(xiàn)具有最小值，但在某些假設(shè)條件下，方程I變成線性的，每一項(xiàng)對(duì)原始圖像具有線性弓形。在線性依附關(guān)系條件下，“原始”圖像的Pr (X, y)的解可以簡(jiǎn)單地寫成Pr (x, y) =P (x, y) -m (x, y, d (x, y)) -q (x, y) -F (d (x，y))，方程 2其中，這里F (d (x，y))是也可以修正深度對(duì)圖像的影響的類函數(shù)。整體修正也是基于回歸算法進(jìn)行，所述回歸算法識(shí)別該組成或信號(hào)與其它組成成分交替變化上的“標(biāo)記”的獨(dú)特光譜成分。下面，討論作為實(shí)施例的優(yōu)選的處理方案I.光學(xué)特性的修正激發(fā)內(nèi)光衰減的變化可以有助于修改從標(biāo)記上記錄的信號(hào)。為了修正這種影響，本發(fā)明教導(dǎo)了改善這些人為現(xiàn)象的方法。修正的本質(zhì)是獨(dú)立地捕捉光學(xué)特性的變化和基于此變化修正標(biāo)記信號(hào)。一個(gè)示例是改變血紅蛋白的吸收優(yōu)先在高吸收區(qū)域衰減熒光信號(hào)，如果不修正這可能導(dǎo)致人為現(xiàn)象(artifact)。a)在優(yōu)選實(shí)施例中，多光譜測(cè)量被應(yīng)用于捕捉照明的光學(xué)衰減的光譜變化，因?yàn)槠滹@示在固有(樣品光)圖像上。通過同時(shí)滿足激發(fā)散射的函數(shù)關(guān)系(cbpendence) I/λ 3，這些圖像可被實(shí)時(shí)分離用于揭示血紅蛋白濃度(通過分離氫氧基和脫氧基光譜)并且用于同時(shí)揭示散射，其中λ是測(cè)量的波長(zhǎng)并a是通過試驗(yàn)確定的因子?？蛇x地，時(shí)間分辨相機(jī)或頻率分辨相機(jī)可以被用于“內(nèi)(intrinsic)測(cè)量”，以獨(dú)立表征激發(fā)吸收或散射。b)在可選示例中，修正基于利用或調(diào)整先前已知的光學(xué)測(cè)量結(jié)果而進(jìn)行，通過分類如在本征圖像上識(shí)別的激發(fā)類型并且利用此光學(xué)特性的分類以類似地修正圖像。在任一情況下，圖像修正基于方程I進(jìn)行，在這種情況下只用于光學(xué)特性的修正而應(yīng)用的最簡(jiǎn)單的形式采用如下形式Pr (x, y) =P (x，y)*F ( μ s' (x, y) , μ a (x, y)) /Pi (x, y)方程 3 或更簡(jiǎn)單地,Pr (x, y) =P (x，y)/g*ys，(x，y)*Pi (x，y)方程 4,其中，μ/ (x,y), μ3 (X，y)分別是在每個(gè)圖像像素處激發(fā)的被減小的散射系數(shù)·和吸收系數(shù)，并且Pi (x，y)在與被熒光測(cè)量使用的光譜區(qū)域相同或靠近的光譜區(qū)域測(cè)量的衰減圖像(本征圖像)。在這種情況下，方程4利用了下述事實(shí)，即熒光與內(nèi)源之比對(duì)于吸收相對(duì)不敏感，但與被減小的散射系數(shù)之間以比例系數(shù)3/4 π相關(guān)。最后，光學(xué)特性的修正可以與深度的修正同時(shí)進(jìn)行，如下面章節(jié)所述。2.光學(xué)特性和深度的修正。當(dāng)熒光團(tuán)被組織薄層覆蓋時(shí)，熒光信號(hào)以兩種方式取決于覆蓋的組織的光學(xué)特性(a)激發(fā)光，典型地單色光，通過吸收和散射進(jìn)行衰減，從而只有一部分光到達(dá)熒光標(biāo)記并且誘發(fā)熒光，以及( b )被發(fā)射的熒光在傳播穿過組織的同時(shí)也被衰減。根據(jù)組織的吸收和散射特性，熒光，典型地為寬帶熒光，對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)經(jīng)受不同程度的衰減。但是，組織內(nèi)的吸收主要是由于具有特殊的已廣泛已知的吸收光譜的血紅蛋白(氫氧基和脫氧基)的存在。類似地，組織散射光譜的形狀具有相對(duì)較小的變化。因此，當(dāng)熒光擴(kuò)散穿過組織薄層時(shí)，根據(jù)覆蓋的組織層內(nèi)的吸收體和散射體的厚度和濃度，其光譜以特有的方式變化。熒光信號(hào)的多光譜測(cè)量結(jié)果可以揭示這些光譜變化并修正它們。被測(cè)量的熒光信號(hào)，即S，與下述參數(shù)有關(guān)S (X，y, λ )=F (Cm (x, y, d), OPm ( λ )，Ck (χ, y, d), OPk ( λ )，Iex (χ, y, d))方程5，其中，Cm (χ，y，d)和OPm ( λ )分別是熒光標(biāo)記的濃度和光學(xué)特性。Ck(X，y, d)和OPi ( λ )是構(gòu)成組織層的組織發(fā)色團(tuán)、熒光團(tuán)和散射體的濃度和光學(xué)特性，例如k=3的氫氧基、脫氧基血紅蛋白和全部的組織散射體，d是熒光標(biāo)記的深度或等效于覆蓋的組織的厚度，并且因此，1 (x，y，d)是到達(dá)深度d的熒光標(biāo)記的激發(fā)光的強(qiáng)度并且取決于組織的光學(xué)特性Iex (x，y，d)=I0*G (Ck (x, y, d) , OPk (λ))方程 6其中，I0是照亮被檢查的組織的激發(fā)光的強(qiáng)度。組織成分和熒光標(biāo)記的光學(xué)特性，也就是吸收、散射和熒光光譜，OPi ( λ )和OPm(λ )是已知的并且可以用作先驗(yàn)(used as priors)。多個(gè)波長(zhǎng)(λ ^ i=l，2,…η)的突光信號(hào)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生η個(gè)方程(方程5)的方程組，其中η > k+Ι。解此方程組得到熒光標(biāo)記的實(shí)際濃度C(x, y, d)和組織層的光學(xué)特性，即Ck(x, y, d)。因此,從次淺層(sub-superficiallayer)發(fā)出的熒光信號(hào)被對(duì)于組織的光學(xué)特性和標(biāo)記的深度進(jìn)行了修正。3.熒光光譜的重疊/自體熒光修正。為了能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)探針，也就是，表明多個(gè)標(biāo)的物的標(biāo)記分子，還為了獲得來自環(huán)境固有分子(也就是，固有發(fā)色團(tuán)，熒光物等)的潛在希望或不希望的信號(hào)組成，常用的手段是對(duì)已知或潛在地未知的組成成分進(jìn)行光譜分離。由于組織和外部熒光物的寬泛的光譜組成成分，可能存在很大的光譜重疊，否則將不能分辨出來，除非利用光譜分離技術(shù)(盲目性的或確定性的)或類似地線性回歸，以使所測(cè)量的光譜測(cè)量結(jié)果與假定的環(huán)境影響相匹配。 (B)圖像計(jì)算雖然，自然生成的熒光和反射圖像可以精確地提供熒光探針和組織發(fā)色團(tuán)的空間分布，但不總是能直接得到組織區(qū)域患病與否的結(jié)論。每個(gè)診斷探針的診斷能力是基于將疾病的特征不同與健康組織相比較為目標(biāo)的。然而，疾病比如癌的特征呈現(xiàn)顯著的變化性，因此，以單一的癌特征為目標(biāo)的單一探針通常不是特別特效的。通過借助于多個(gè)探針組合評(píng)估多個(gè)癌特征，可以提供大大提高的獨(dú)特性(specificity)和靈敏度。另外，診斷信息與被檢查的組織的彩色圖像的自動(dòng)融合提供方便且容易的使用模式，適于臨床應(yīng)用。圖6示意出用于術(shù)中熒光成像的兩通道成像裝置100的另一實(shí)施例。成像裝置100具體包括光源11，例如鹵素?zé)?，和用于照亮樣品I的陷波濾波器12 ;分光成像器件30，其具有成像器件31. 1，例如變焦透鏡，中轉(zhuǎn)透鏡31. 2，以及圖像分割器33，例如10%反射率和90%透光率的平板分束器；具有可見光濾光器34的樣品光相機(jī)21 ;以及具有窄帶通濾波器35的標(biāo)記光相機(jī)。圖6的系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量在近紅外區(qū)域中發(fā)射的標(biāo)記物質(zhì)(熒光探針)的彩色、熒光和固有(激發(fā)波長(zhǎng))圖像。但是，如果熒光探針的發(fā)射光譜正好落在可見范圍內(nèi)，例如FITC，那么用同一裝置不可能同時(shí)進(jìn)行熒光和反射的同時(shí)測(cè)量。圖6進(jìn)一步示意了允許同時(shí)捕捉彩色反射圖像和可見熒光的方法。此方法基于陷波濾波器12和標(biāo)記光相機(jī)22的互補(bǔ)的窄帶通濾波器35的組合。陷波濾波器12阻擋窄光譜帶并且傳輸剩余的光譜帶。在此步驟中，來自白光源11的光被使用532nm的陷波濾波器濾光。因此，同一光源可以被用于白光照明和熒光激發(fā)。通過成像器件31收集的光被分割到兩個(gè)成像通道中，用于可見光和熒光測(cè)量。熒光通道采用陷波濾波器的互補(bǔ)裝置，即窄帶通濾波器35。因此，只有熒光到達(dá)標(biāo)記光相機(jī)22，因?yàn)樗蟹瓷涔獗粠V波器拒絕了。與前面的段落相比，光學(xué)特性修正的此實(shí)施方式來自于處理由相機(jī)21 (優(yōu)選實(shí)施例中的彩色相機(jī))提供的至少兩個(gè)光譜帶。圖7示出了利用圖6的成像裝置捕捉的圖像(相片)。圖7a示出了用樣品光相機(jī)21收集的彩色圖像，圖7b示出了用標(biāo)記光相機(jī)22收集的532nm的熒光圖像，并且圖7c示出了由圖像7a和7b的融合得到的偽彩色圖像。即便是出于技術(shù)原因在這里呈現(xiàn)為用黑白圖像，被融合的圖像7c較彩色圖像7a的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)被清楚地顯示出來。圖8示出了帶有腹腔內(nèi)腫瘤的老鼠的圖像。圖8a是示意出動(dòng)物體解剖學(xué)特征的反射彩色圖像。圖8b示出了揭示腫瘤斑點(diǎn)的生物發(fā)光圖像。這里，生物發(fā)光圖像被用作精確顯示腫瘤位置和大小的參考圖像。圖8c示出了從在成像前注射的診斷熒光標(biāo)記發(fā)出的716nm的熒光圖像。原始的熒光信號(hào)沒有顯示圖像右上部分的用虛線箭頭表示的一個(gè)腫瘤斑點(diǎn)，而且沒有正確揭示圖像右下部分的用箭頭表示的第二斑點(diǎn)的大小。圖8d示出了修正的熒光圖像，其中所有腫瘤斑點(diǎn)都被正確示出。熒光圖像(標(biāo)記光信號(hào))的修正利用圖8中未示出的反射光譜圖像(樣品光信號(hào))進(jìn)行。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的本發(fā)明的成像裝置的功能。根據(jù)圖9，探測(cè)器可包括光學(xué)和光聲傳感器的組合并且探測(cè)從被檢查的樣品發(fā)出的信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，探測(cè)器的輸出是至少3個(gè)圖像，它們是-在不同的光譜帶捕捉的至少兩個(gè)樣品光圖像，和-至少一個(gè)標(biāo)記光(例如熒光)圖像。被探測(cè)器捕捉的圖像被處理器處理。處理可以在兩個(gè)階段中進(jìn)行·
a.所述至少兩個(gè)樣品光圖像被處理以產(chǎn)生至少兩個(gè)修正部分，例如修正圖像。這些修正部分可能與樣品的光學(xué)特性例如吸收和散射有關(guān)。b.利用在步驟(a)中計(jì)算的所述至少兩個(gè)修正部分處理所述至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，例如熒光圖像。此過程計(jì)算出至少一個(gè)修正的標(biāo)記光圖像。處理器也可以執(zhí)行其它步驟，比如將兩個(gè)修正部分組合成一個(gè)，然后利用這一個(gè)修正標(biāo)記光圖像或利用光聲數(shù)據(jù)產(chǎn)生有關(guān)吸收的進(jìn)一步信息，用于更精確的修正。處理器的輸出是至少一個(gè)修正的標(biāo)記光圖像。在上面描述、附圖和權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的特征單獨(dú)或者組合對(duì)于在不同實(shí)施例中實(shí)施本發(fā)明都是很重要的。
權(quán)利要求
1.一種成像裝置，尤其用于醫(yī)學(xué)成像，包括 (a)光源裝置，其被設(shè)置成用照明光照亮所研究的樣品， (b)探測(cè)器裝置，其被設(shè)置用于收集多個(gè)圖像，所示多個(gè)圖像包括 -被樣品反向散射的不同光譜范圍內(nèi)的至少兩個(gè)樣品光圖像，和 -從樣品中的至少一種標(biāo)記物質(zhì)發(fā)出的至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，以及(C)處理器裝置，其被配置用于處理所述至少兩個(gè)樣品光圖像并且構(gòu)造至少一個(gè)修正部分，所述處理器裝置還被配置成用所述至少一個(gè)修正部分對(duì)所述標(biāo)記光圖像修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被構(gòu)造成用于處理樣品光圖像和標(biāo)記光圖像并且用于實(shí)時(shí)呈現(xiàn)被處理圖像中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -所述探測(cè)器裝置被設(shè)置用于收集不同光譜帶中的至少兩個(gè)標(biāo)記光圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被配置成利用至少兩個(gè)標(biāo)記光圖像為從樣品發(fā)射的自體熒光修正標(biāo)記光圖像。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被配置用于由捕捉在紅色、綠色和藍(lán)色光譜區(qū)域中的樣品光圖像計(jì)算所述至少一個(gè)修正部分。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被配置用于處理所述至少兩個(gè)樣品光圖像以產(chǎn)生至少兩個(gè)修正部分，所述至少兩個(gè)修正部分被用于修正所述標(biāo)記光圖像并且以實(shí)時(shí)的模式產(chǎn)生至少一個(gè)修正的標(biāo)記光圖像。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被配置用于處理所述至少兩個(gè)樣品光圖像以產(chǎn)生主要與樣品的吸收特性相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)修正部分和主要與樣品的散射特性相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)修正部分。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -處理器裝置被構(gòu)造成利用下述修正部分的任意組合進(jìn)行標(biāo)記光圖像的修正 -主要與樣品的吸收特性相關(guān)聯(lián)的修正部分， -主要與樣品的散射特性相關(guān)聯(lián)的修正部分， -主要與樣品的自體熒光相關(guān)聯(lián)的修正部分， -主要與照明的空間特征相關(guān)聯(lián)的修正部分， -主要與標(biāo)記的深度分布相關(guān)聯(lián)的修正部分。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -處理器裝置被配置用于將所述至少兩個(gè)修正部分重裝成一個(gè)修正部分，然后所述一個(gè)修正部分被用于修正標(biāo)記光圖像。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -樣品和標(biāo)記光圖像被利用至少兩個(gè)成像通道收集，其中 -每個(gè)成像通道包括至少一個(gè)濾光器和至少一個(gè)成像探測(cè)器。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中-光源裝置包括至少一個(gè)照明光調(diào)節(jié)裝置，所述至少一個(gè)照明光調(diào)節(jié)裝置被配置用于調(diào)節(jié)照明光的光譜特征，瞬時(shí)特征，偏振性，方向和光場(chǎng)形狀中的至少一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像裝置，其中 -所述至少一個(gè)照明光調(diào)節(jié)裝置包括光譜濾波器，偏振濾波器，照明光學(xué)器件和光纖束中的至少一個(gè)。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，還包括 -光聲成像裝置，其被設(shè)置用于收集樣品的光聲圖像。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置被構(gòu)造成利用所述光聲圖像進(jìn)行下述程序中的至少一個(gè) -處理所述光聲圖像以產(chǎn)生用于標(biāo)記光圖像修正的至少一個(gè)另外的修正圖像， -顯示樣品的所述光聲圖像， -將所述光聲圖像與修正的光學(xué)圖像重裝成一個(gè)圖像并且以實(shí)時(shí)的模式呈現(xiàn)所述一個(gè)圖像。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，還包括 -控制裝置，其包括至少一個(gè)下述特征 -所述控制裝置被配置用于實(shí)時(shí)控制光源裝置，探測(cè)器和處理器裝置中的至少一個(gè)，-所述控制裝置被與顯示裝置連接，所述顯示裝置實(shí)時(shí)顯示下述中的至少一個(gè)樣品光圖像，標(biāo)記光圖像，修正圖像，修正的標(biāo)記光圖像，光聲圖像或它們的組合， -所述控制裝置被與管理裝置連接，所述管理裝置被配置用于引入至少一種預(yù)定的標(biāo)記物質(zhì)到樣品內(nèi)。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -所述處理器裝置包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和圖形處理單元中的至少一個(gè)。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的成像裝置，其中 -探測(cè)器裝置的探測(cè)器被設(shè)置有具有多個(gè)連接部的模塊結(jié)構(gòu)，每個(gè)連接部被設(shè)置用于容納探測(cè)器中的一個(gè)。
18.—種成像方法，尤其用于醫(yī)學(xué)成像，包括下述步驟 -用光源裝置發(fā)出的照明光照亮被研究的樣品， -從被樣品反向散射的樣品光中收集至少兩個(gè)樣品光圖像， -從樣品內(nèi)的至少一種標(biāo)記物質(zhì)產(chǎn)生的不同光譜范圍內(nèi)的標(biāo)記光中收集至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，以及 -處理樣品光圖像和標(biāo)記光圖像并且基于所述至少兩個(gè)樣品光圖像和所述至少一個(gè)標(biāo)記光圖像呈現(xiàn)至少一個(gè)修正的標(biāo)記光圖像。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的成像方法，還包括下述步驟中的至少一個(gè) -以實(shí)時(shí)的模式呈現(xiàn)所述至少一個(gè)修正的標(biāo)記光圖像， -調(diào)整照明光的光譜特征，瞬時(shí)特征，偏振，方向和光場(chǎng)形狀中的至少一個(gè)， -調(diào)整樣品光相機(jī)和標(biāo)記光相機(jī)中每一個(gè)的光譜或瞬時(shí)靈敏度，以及 -用光聲成像裝置收集樣品的光聲圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的成像方法，其中，所述樣品包括至少一個(gè)下述特征 -樣品包括生物學(xué)組織，和-樣品包括具有不同分光鏡特性的多種標(biāo)記物質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求I至17中任一所述的成像裝置在外科手術(shù)，腹腔鏡手術(shù)或內(nèi)窺鏡應(yīng)用中的使用方法。
全文摘要
一種尤其用于醫(yī)學(xué)成像的成像裝置包括(a)光源裝置(10)，其被設(shè)置成用照明光照亮研究的樣品(1)，(b)探測(cè)器(20)裝置，其被設(shè)置用于收集多個(gè)圖像，所示多個(gè)圖像包括被樣品反向散射的不同光譜范圍內(nèi)的至少兩個(gè)樣品光圖像和從樣品中的至少一種標(biāo)記物質(zhì)發(fā)出的至少一個(gè)標(biāo)記光圖像，以及(c)處理器裝置(40)，其被配置用于處理所述至少兩個(gè)樣品光圖像并且構(gòu)造至少一個(gè)修正部分，所述處理器裝置還被配置成用所述至少一個(gè)修正部分對(duì)所述標(biāo)記光圖像修正。優(yōu)選地，所述處理器裝置被構(gòu)造成用于處理樣品光圖像和標(biāo)記光圖像并且用于實(shí)時(shí)呈現(xiàn)被處理圖像中的至少一個(gè)。此外，描述了一種尤其用于醫(yī)學(xué)成像的成像方法。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102892348SQ201080066133
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者V·恩齊亞赫里斯托斯, G·塞梅利斯 申請(qǐng)人:健康與環(huán)境慕尼黑德國(guó)研究中心赫姆霍茨中心(有限責(zé)任公司)