УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
TOMOGRAPHIC FLUORESCENT IMAGING DEVICE

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для получения двумерных и трехмерных (томографических) флуоресцентных изображений диагностируемого объекта с высоким пространственным разрешением.
На сегодняшний день флуоресцентный имиджинг является незаменимым инструментом в экспериментальной онкологии. Флуоресцентный имиджинг используется для диагностики онкологических заболеваний, изучения молекулярных процессов, типичных для канцерогенеза, исследования процессов метастазирования и доклинических испытаний терапевтических методов и препаратов. Активное развитие методов флуоресцентной визуализации биотканей обусловлено появлением мощных компактных источников света, излучающих в различных спектральных диапазонах, высокочувствительных охлаждаемых приемников оптического излучения и множества ярких флуорофоров, которые могут быть использованы для маркировки биологических структур.
Все существующие в настоящее время системы флуоресцентной визуализации биотканей можно разделить на три группы. В первую группу входят системы поверхностного имиджинга, которые позволяют быстро оценить поперечные размеры и положение подкожных опухолей. Для оценки поперечных размеров и положения опухолей, расположенных в глубине биотканей, используются методы проекционной визуализации, которые являются второй группой систем флуоресцентной визуализации. К третьей группе относятся методы диффузионной флуоресцентной томографии (ДФТ), которые позволяют восстанавливать пространственное распределение флуорофора в глубине биотканей.
По патенту США (US 7692160, МПК G01J 1/58 (2006.01), опубл. 06.04.2010) известно устройство флуоресцентного имиджинга, включающее в себя приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, которая снабжена объективом и оптическим фильтром для выделения флуоресценции, источник зондирующего излучения, расположенный по ту же сторону относительно исследуемого объекта, что и приемник излучения («отражательная» конфигурация сканирования), а также систему обработки и визуализации данных. Данное устройство относится к группе устройств поверхностного имиджинга и позволяет оперативно получать двумерные флуоресцентные изображения с высоким пространственным разрешением. Недостатком данного устройства и других технических реализаций поверхностного имиджинга является высокий уровень шумов, обусловленных автофлуоресценцией поверхности исследуемого объекта, и малая глубина зондирования. При этом, чем глубже внутри исследуемого объекта находится источник флуоресценции, тем больше ошибка при оценке его размеров, что связано с сильным рассеянием света в биологических тканях, которое приводит к размытию флуоресцентных изображений, и поэтому для оценки размеров глубинных источников флуоресценции устройства поверхностного имиджинга не очень подходят. Для оценки размеров глубинных источников флуоресценции больше подходят способы и устройства проекционной визуализации, для которых размытие флуоресцентного изображения слабо зависит от глубины положения источника флуоресценции внутри исследуемого объекта. Так, по заявке на патент США (US 2008/0312540, МПК А61В 6/00 (2006.01), опубл. 18.12.2008) известно устройство флуоресцентного имиджинга, включающее в себя регистратор флуоресценции (приемник излучения), выполненный в виде CCD камеры, которая снабжена объективом и оптическим фильтром для выделения флуоресценции, источник зондирующего излучения, расположенный по одну сторону исследуемого объекта относительно приемника излучения («отражательная» конфигурация сканирования), источник зондирующего излучения, расположенный с противоположной стороны исследуемого объекта относительно приемника излучения («просветная» конфигурация сканирования), а также систему обработки и визуализации данных. В данном устройстве помимо метода поверхностного имиджинга технически реализован метод проекционной визуализации и нормировка флуоресцентных изображений на изображения, полученные CCD камерой без фильтра. Данное устройство позволяет получать двумерные флуоресцентные изображения источников флуоресценции, находящихся на поверхности и в глубине исследуемого объекта. Основным недостатком данного устройства является невозможность получения трехмерных флуоресцентных изображений исследуемого объекта. Кроме того, сильное ослабление света биологическими тканями накладывает существенные ограничения на размеры исследуемого объекта и используемые флуорофоры при проекционной визуализации с использованием нормировки изображений на зондирующее излучение.
По патенту RU 2441582, МПК А61В 5/05 (2006.01), опубл. 10.02.2012 известно устройство диффузионной флуоресцентной томографии, включающее в себя источник зондирующего излучения с волоконным выходом, приемник излучения, выполненный в виде спектрометра с волоконным входом, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения и систему сканирования исследуемого объекта приемником излучения, которые расположены в упомянутой «проекционной» конфигурации, а также систему обработки и визуализации данных. Данное устройство относится к группе устройств для спектрально-разрешенной ДФТ и позволяет получать трехмерные флуоресцентные изображения исследуемого объекта с использованием спектральной мощности излучения, регистрируемого приемником. Однако для решения обратной задачи ДФТ необходимо достаточно большое число измерений и длительное время вычислений в отличие от «быстрых» методов получения двумерных флуоресцентных изображений (поверхностный имиджинг и проекционная визуализация).
Перечисленные методы являются дополняющими друг друга, а не взаимозаменяющими, в силу чего в настоящее время имеется потребность в едином устройстве, обеспечивающем реализацию всех трех методов флуоресцентного имиджинга, что позволяет использовать преимущества каждого метода по отдельности, а совместное использование этих методов устраняет ряд недостатков каждого из них.
Таким известным устройством, обеспечивающим реализацию всех трех методов флуоресцентного имиджинга, является устройство получения томографических флуоресцентных изображений, известное по патенту США US 7804075 (МПК G01N 21/64 (2006.01), опубл. 28.09.2010), которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа) для разработанного устройства. Устройство прототип содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора, снабженный волоконным выходом, широконаправленный источник белого света, приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «проекционной» конфигурации, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, систему вращения исследуемого объекта, а также систему обработки и визуализации данных. В устройстве-прототипе излучение от источника зондирующего излучения (см. фиг.2, 7, 8, 9, 11 в указанном патенте США) через волоконный выход попадает на исследуемый объект и вызывает флуоресценцию маркированных областей объекта. Приемник излучения регистрирует излучение, выходящее из исследуемого объекта, а также отделяет флуоресценцию от зондирующего излучения с использованием установленного оптического фильтра. Системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях, а также система вращения исследуемого объекта перемещают точку падения зондирующего излучения по поверхности объекта для проведения томографических измерений. Система обработки и визуализации данных осуществляет управление сканированием, а также позволяет решать обратную задачу ДФТ по измерениям интегральной мощности флуоресценции для различных точек сканирования и отображать двумерные и трехмерные флуоресцентные изображения исследуемого объекта. Источник белого света используется для получения фотографических изображений исследуемого объекта, которые предназначены для наглядного отображения флуоресцентных изображений.
Основным недостатком устройства прототипа является то, что системы сканирования в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях технически не реализованы на базе одного устройства. Использование предложенной системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации существенно увеличивает время измерений для получения флуоресцентных изображений исследуемого объекта с использованием метода поверхностного имиджинга. Использование CCD камеры в качестве регистратора флуоресценции не является оптимальным для технической реализации проекционной визуализации как независимого метода, поскольку для получения двумерных изображений с помощью метода проекционной визуализации и трехмерных изображений с помощью метода ДФТ используется только различная математическая обработка одних и тех же экспериментальных данных. Кроме того, в устройстве-прототипе отсутствует необходимость в использовании системы вращения исследуемого объекта, потому что каждой из систем сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» и «проекционной» конфигурациях по отдельности достаточно для решения обратной задачи ДФТ и получения двумерных и трехмерных флуоресцентных изображений исследуемого объекта. Также данное устройство не позволяет определять спектральную мощность флуоресценции для реализации метода спектрально-разрешенной ДФТ, который требует существенно меньшего времени измерений в отличие от традиционного метода ДФТ, основанного на измерении интегральной мощности флуоресценции.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства получения томографических флуоресцентных изображений, позволяющего независимо реализовывать методы поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и ДФТ на базе одного устройства, которое отличается простотой конструкции и малым временем измерений по сравнению с ближайшим аналогом.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений также, как и устройство-прототип, содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора, снабженный волоконным выходом, приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «проекционной» конфигурации, а также систему обработки и визуализации данных.
Новым в разработанном устройстве получения томографических флуоресцентных изображений является то, что предложенное устройство содержит источник зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора, снабженный волоконным выходом, дополнительный приемник излучения, выполненный в виде ФЭУ с волоконным входом и фильтром для выделения флуоресценции, систему сканирования исследуемого объекта дополнительным приемником излучения в «проекционной» конфигурации относительно системы сканирования исследуемого объекта источниками зондирующего излучения, и дополнительные широконаправленные источники излучения в полосе поглощения и эмиссии флуорофора, расположенные в «отражательной» конфигурации относительно приемников излучения. При этом управление обеими системами сканирования исследуемого объекта осуществляется блоком управления сканированием, а система обработки и визуализации данных снабжена оригинальным программным обеспечением для реализации методов поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и диффузионной флуоресцентной томографии. Кроме того, в разработанном устройстве не требуется использования таких конструктивных элементов как ненаправленный источник белого света, система сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации и система вращения исследуемого объекта, которые применяются в конструкции ближайшего аналога.
В частном случае реализации разработанного устройства получения томографических флуоресцентных изображений дополнительный приемник излучения выполнен с возможностью регистрации спектральной мощности излучения для реализации метода спектрально-разрешенной ДФТ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема технической реализации устройства получения томографических флуоресцентных изображений.
На фиг.2 представлены примеры двумерных флуоресцентных изображений мыши с маркированной опухолью, полученные с использованием методов поверхностного наблюдения и проекционной визуализации.
На фиг.3 показаны: (А) - фотографическое изображение исследуемого объекта, (Б) - флуоресцентное изображение исследуемого объекта, полученное методом поверхностного наблюдения, (В) - трехмерное изображение пространственного распределения флуорофора внутри исследуемого объекта, полученное методом диффузионной флуоресцентной томографии и представленное в виде набора двумерных изображений.
Разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений в соответствии с п.1 формулы, представленное на фиг.1, содержит источник зондирующего излучения в полосе поглощения флуорофора 1, источник зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора 2, общий волоконный выход 3 источника зондирующего излучения 1 и источника зондирующего излучения 2, электромеханическую двухкоординатную систему сканирования 4 исследуемого объекта 5 волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2, волоконный вход 6 дополнительного приемника излучения 7, электромеханическую двухкоординатную систему сканирования 8 исследуемого объекта 5 волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7, блок управления сканированием 9 электромеханических двухкоординатных систем 4 и 8, приемник излучения 10, выполненный в виде CCD камеры, снабженной объективом 11 и сменным оптическим фильтром 12, широконаправленные источники излучения 13 в полосе поглощения и эмиссии флуорофора и систему обработки и визуализации данных 14.
Для реализации метода поверхностного имиджинга излучение в полосе поглощения флуорофора от широконаправленного источника излучения 13 освещает исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение с поверхности исследуемого объекта 5 собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий флуоресцентному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5, которое предназначено для наглядного отображения флуоресцентных изображений, излучение в полосе эмиссии флуорофора от широконаправленного источника излучения 13 освещает исследуемый объект 5. Излучение с поверхности исследуемого объекта 5 собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12 и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий фотографическому изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображается комбинация флуоресцентного и фотографического изображений исследуемого объекта 5 (см. фиг.2А). Применение широконаправленных источников излучения 13 позволяет реализовать с помощью разработанного устройства метод поверхностного имиджинга с использованием всего двух измерений, тогда как применение системы сканирования исследуемого объекта источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, которая используется в ближайшем аналоге, требует проведения большого числа измерений для сканирования исследуемого объекта целиком. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет существенно сократить время измерений при поверхностном имиджинге. Кроме того, предложенная конструкция является простой и компактной.
Для реализации метода проекционной визуализации зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7, на входе которого установлен оптический фильтр, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора. Сигнал, соответствующий одному пикселу флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для последующей нормировки флуоресцентного сигнала зондирующее излучение от источника 2 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7. Сигнал, соответствующий пикселу нормировочного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения флуоресцентного и нормировочного изображений целиком исследуемый объект 5 синхронно сканируется волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7 и волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханических двухкоординатных систем сканирования 8 и 4 соответственно. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5 используется процедура, которая применяется при поверхностном имиджинге. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображается комбинация флуоресцентного и фотографического изображений исследуемого объекта 5 (см. фиг.2Б). Применение дополнительного приемника излучения 7 с волоконным входом 6 и синхронного сканирования исследуемого объекта 5 позволяет получать двумерные флуоресцентные изображения объекта произвольного пространственного разрешения без проведения томографических измерений и дополнительной обработки экспериментальных данных. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет сократить время измерений и обработки данных при проекционной визуализации.
Для реализации метода диффузионной флуоресцентной томографии зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается объективом 11, проходит сквозь оптический фильтр 12, выделяющий излучение в полосе эмиссии флуорофора, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий флуоресцентному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения нормировочного изображения зондирующее излучение от источника 2 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается объективом 11, проходит сквозь фильтр 12, и регистрируется приемником излучения 10. Сигнал, соответствующий нормировочному изображению исследуемого объекта 5, с приемника излучения 10 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для решения обратной задачи ДФТ и получения трехмерного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5 в систему обработки и визуализации данных 14 поступает несколько двумерных флуоресцентных изображений и соответствующих нормировочных изображений, которые были получены при сканировании исследуемого объекта 5 волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханической двухкоординатной системы сканирования 4. При этом система обработки и визуализации данных 14 снабжена оригинальным программным обеспечением для восстановления пространственного распределения флуорофора внутри исследуемого объекта 5 с использованием стандартных итерационных алгоритмов решения обратной задачи ДФТ. Для получения фотографического изображения исследуемого объекта 5 используется описанная выше процедура, которая применяется при поверхностном имиджинге и проекционной визуализации. На экране системы обработки и визуализации данных 14 отображаются комбинации двумерных флуоресцентных изображений на заданной глубине исследуемого объекта 5 и его фотографического изображения (см. фиг.3В). При решении обратной задачи ДФТ не используются экспериментальные данные, которые могли быть получены при повороте исследуемого объекта или при его сканировании источником зондирующего излучения в «отражательной» конфигурации, как в ближайшем аналоге. Таким образом, предложенная техническая реализация метода ДФТ в разработанном устройстве получения томографических флуоресцентных изображений обладает более простой конструкцией по сравнению с ближайшим аналогом.
Особенностью работы предлагаемого устройства получения томографических флуоресцентных изображений в соответствии с п.2 формулы, также представленного на фиг.1, является то, что дополнительный приемник излучения 7 выполнен с возможностью регистрации спектральной мощности излучения. В данном варианте разработанного устройства для реализации метода ДФТ зондирующее излучение от источника 1 через волоконный выход 3 падает на исследуемый объект 5 и вызывает флуоресценцию маркированных областей. Излучение, выходящее из исследуемого объекта 5, собирается волоконным входом 6 и детектируется дополнительным приемником излучения 7. Сигнал, соответствующий одному пикселу спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5, с приемника излучения 7 поступает в систему обработки и визуализации данных 14. Для получения спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения целиком исследуемый объект 5 синхронно сканируется волоконным входом 6 от дополнительного приемника излучения 7 и волоконным выходом 3 от источников зондирующего излучения 1 и 2 с использованием электромеханических двухкоординатных систем сканирования 8 и 4 соответственно. Единственного спектрально-разрешенного флуоресцентного изображения исследуемого объекта 5 достаточно для решения обратной задачи ДФТ, поскольку оно содержит в себе нормировочное изображение и набор двумерных флуоресцентных изображений, которые могли быть получены при использовании различных полосовых фильтров. Таким образом, разработанное устройство получения томографических флуоресцентных изображений позволяет реализовать метод спектрально-разрешенной ДФТ, который не реализован в ближайшем аналоге. При этом совместное использование спектрально-разрешенного и традиционного методов ДФТ позволяет существенно повысить точность решения обратной задачи томографии за счет взаимной верификации результатов, полученных каждым алгоритмом по отдельности.
В конкретной реализации разработанного устройства получения томографических флуоресцентных изображений были использованы: лазер SDL-593-200T («Shanghai Dream Lasers Technology Co., Ltd.», Китай) в качестве источника зондирующего излучения 1, лазер АТС-53-250 («Полупроводниковые приборы», Россия) в качестве источника зондирующего излучения 2, ФЭУ Н7422-20 («Hamamatsu Co.», Япония) или спектрометр QE65000 («Ocean Optics, Inc.», США) в качестве дополнительного приемника излучения 7, CCD камера Atik314L+(«Artemis CCD ltd.», Англия) в качестве приемника излучения 10, интерференционный фильтр HQ650/60m («Chroma Technology Co.», США) в качестве оптического фильтра 12, а широконаправленные источники излучения 13 были выполнены в виде светодиодов.
Таким образом, использование дополнительного источника зондирующего излучения в полосе эмиссии флуорофора 2, снабженного волоконным выходом 3, дополнительного приемника излучения 7 с волоконным входом 6, снабженным системой сканирования исследуемого объекта 5 в «проекционной» конфигурации, и широконаправленных источников излучения 13 в полосе поглощения и эмиссии флуорофора, расположенных в «отражательной» конфигурации устройства, позволяет технически реализовать методы поверхностного имиджинга, проекционной визуализации и диффузионной флуоресцентной томографии на базе одного устройства получения томографических флуоресцентных изображений, конструкция которого отличается простотой и малым временем измерений по сравнению с аналогами и прототипом.