活體動(dòng)物激發(fā)熒光斷層成像和生物發(fā)光斷層成像儀的詳細(xì)介紹

品牌：ART （Advanced Research Technology Inc.)
型號(hào)：Optix MX3
功能：活體動(dòng)物激發(fā)熒光斷層成像和生物發(fā)光斷層成像
Optix MX3是由加拿大ART公司生的激發(fā)熒光成像（fluorescence）和生物發(fā)光成像（bioluminescence）功能的活體動(dòng)物分子成像系統(tǒng)。在激發(fā)熒光成像模式下，Optix MX3使用的時(shí)域光學(xué)技術(shù)（Time Domain，TD），該技術(shù)創(chuàng)新采用光電倍增管和單光子計(jì)數(shù)器作為熒光檢測(cè)系統(tǒng)，Optix MX3的的優(yōu)勢(shì)是：

• 采用時(shí)域光學(xué)技術(shù)（TD）既可以探測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)靶目標(biāo)熒光探針信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，又可以給出熒光探針?biāo)幍奈恢蒙疃葦?shù)據(jù)，而不是簡(jiǎn)單的縱向2個(gè)光源信號(hào)的簡(jiǎn)單疊加。

• 采用時(shí)域光學(xué)技術(shù)（TD）可以*排除生物體內(nèi)組織背景熒光信號(hào)干擾，極大提高激發(fā)熒光成像檢測(cè)靈敏度。

• 采用時(shí)域光學(xué)技術(shù)（TD）可以提供高質(zhì)量的活體動(dòng)物體內(nèi)靶目標(biāo)三維影像，分辨率高。

• 單光子計(jì)數(shù)器可以分離來(lái)自具有相同發(fā)射波長(zhǎng)但不同熒光壽命的發(fā)光物質(zhì)，從而達(dá)到組織自發(fā)熒光的*分離，排除背景熒光干擾，實(shí)現(xiàn)精確的探針濃度計(jì)算。

Optix MX3利用特異或非特異性的探針，對(duì)活體動(dòng)物體內(nèi)的分子和細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行定性、定量觀察并獲取影像。結(jié)合時(shí)域技術(shù)，Optix MX3 可應(yīng)用于對(duì)疾病機(jī)理進(jìn)行深入研究，監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展，評(píng)估治療效果。

使用TD（Time Domain時(shí)域光學(xué)技術(shù)） 的成像實(shí)例

Optix MX3采用時(shí)域光學(xué)技術(shù)(TD)的光學(xué)成像策略所具有的優(yōu)勢(shì)在于能夠精確給出標(biāo)記熒光探針的靶目標(biāo)的深度和濃度信息，同時(shí)通過(guò)測(cè)量靶目標(biāo)熒光壽命與周圍組織自發(fā)熒光的熒光壽命區(qū)別，*排除背景干擾（組織自發(fā)熒光干擾），實(shí)現(xiàn)功能3D影響重建。

發(fā)光基團(tuán)縱向深度位置和濃度（發(fā)光強(qiáng)度）復(fù)原

熒光成像的關(guān)鍵問(wèn)題是發(fā)光點(diǎn)信號(hào)的定位，如果不能得到發(fā)光點(diǎn)的縱向精確深度信息，除非加入許多假設(shè)條件，否則定量是不可能的。比如，連續(xù)波長(zhǎng)熒光成像系統(tǒng)就無(wú)法區(qū)分深度包埋的較強(qiáng)熒信號(hào)和較淺部位包埋的微弱熒光信號(hào)，除非使用X射線斷層技術(shù)。如下圖：



上圖中，如果用連續(xù)波長(zhǎng)測(cè)量方法，包埋體A（1000 nmol）深度包埋的熒光信號(hào)和包埋體B（50nmol）的淺位包埋的較弱熒光信號(hào)強(qiáng)度相同。
而如果采用了帶有時(shí)域光學(xué)技術(shù)（TD）的系統(tǒng)得到的分子影像，由于使用的是光電倍增器和單光子計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量從組織標(biāo)記熒光探針發(fā)出來(lái)的光子，通過(guò)測(cè)量不同深度標(biāo)記探針發(fā)出光子到達(dá)光子計(jì)數(shù)器時(shí)間的不同和強(qiáng)度的不同（TPSF，temporal point-spread function），來(lái)精確的給出發(fā)光位置的深度和濃度信息，從而得到精確的3D重建影像（見(jiàn)下圖），這是時(shí)域光學(xué)技術(shù)TD的*優(yōu)勢(shì)，也是目前其它同類體內(nèi)影像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。


上圖中說(shuō)明，從組織深處發(fā)出的光子（綠色曲線）到達(dá)光子計(jì)數(shù)器的時(shí)間比較淺位置發(fā)出的光子（紅色）到達(dá)檢測(cè)器時(shí)間長(zhǎng)，而濃度與峰型無(wú)關(guān)。
得到發(fā)光點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和深度信息后，就可以通過(guò)計(jì)算得出濃度。

熒光壽命

時(shí)域光學(xué)技術(shù)（TD）的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是其0.1納秒級(jí)時(shí)間分辨率，可以給研究人員提供體內(nèi)熒光壽命測(cè)量，該參數(shù)可以計(jì)算熒光基團(tuán)的熒光壽命，熒光基團(tuán)的熒光壽命與生物體內(nèi)的生化環(huán)境相關(guān)，可以用來(lái)將生物體內(nèi)標(biāo)記的細(xì)胞與未標(biāo)記游離物質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。熒光壽命與熒光基團(tuán)的濃度相關(guān)，而與photo-bleaching過(guò)程無(wú)關(guān)。
Fluorescence lifetimes are calculated based on exponential fits on a given TPSF, using either a single or dual exponential model. A typical output from a dual exponential fit in OptiView is shown below. The original and fitted curves, fitting residual, as well as the fitting parameters and results are shown on the top left, bottom left, and right respectively in the TPSF Fit viewer.

熒光壽命技術(shù)指標(biāo)的典型應(yīng)用為：

• 監(jiān)測(cè)聯(lián)合藥物治療，采用TD技術(shù)可以同時(shí)測(cè)量2個(gè)或多個(gè)以上相同波長(zhǎng)但不同熒光壽命組分。

• 可以將標(biāo)記的和未標(biāo)記的游離介質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

• 區(qū)分 healthy 和 ischemic tissues. < >區(qū)分具有相同光譜但不同熒光壽命的2種報(bào)告基團(tuán)。
  
  

  功能3D重建

  光學(xué)成像的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)3D影像重建。連續(xù)波長(zhǎng)測(cè)量方式（CW，continue wavelenth）是采用多角度投影數(shù)據(jù)來(lái)給出標(biāo)本的3D影像，Optix MX3采用時(shí)域光學(xué)TD技術(shù)，通過(guò)反射采集模式，只需要使用1個(gè)方向上投影采集的數(shù)據(jù)，即可給出清晰的重建3D影像。重建過(guò)程依據(jù)多重TPSFs數(shù)據(jù)和光子在組織中遷移和散射模型，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。
  直到今日，Optix MX3具有只需通過(guò)平面掃描，即使在探針濃度很低的情況下，給出精確的斷層影像的能力。3D體積重建，精確復(fù)原熒光基團(tuán)的分布，給出活體動(dòng)物體內(nèi)標(biāo)記組織外形、深度和熒光包埋濃度，下圖顯示，3D 重建結(jié)果可以同時(shí)顯示為任何方向上的2D切片影像。
  
  3D 重建文件可以輸出為DICOM格式，從而與高分辨CT影像兼容。
  
  Optix MX3 提供：
  近紅外熒光成像（NIR）－近紅外光具有低組織吸收特性，能深層穿透組織。
  熒光團(tuán)定量－對(duì)熒光強(qiáng)度、相對(duì)濃度、深度和熒光壽命進(jìn)行定量測(cè)定，提高數(shù)據(jù)和分析以及三維重建的質(zhì)量
  集成的多模式平臺(tái)－可同時(shí)對(duì)多個(gè)生物學(xué)靶目標(biāo)進(jìn)行生物分布的監(jiān)測(cè)，與活體microCT 進(jìn)行影像整合，獲取精確的解剖學(xué)信息。并能將數(shù)據(jù)以DICOM影像格式無(wú)縫輸出至臨床圖像工作站，提高分析能力。
  
  應(yīng)用廣泛的近紅外熒光成像
  
  細(xì)胞表面抗原成像
  一些細(xì)胞表面受體分子可能在有活化的內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞上過(guò)度表達(dá)，其相應(yīng)的高特異性的配體或多肽可經(jīng)由熒光進(jìn)行標(biāo)記，用于腫瘤成像。
  
  其它應(yīng)用
  細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外環(huán)境：使用特定的熒光團(tuán)壽命衰變的特性，對(duì)熒光團(tuán)所處環(huán)境進(jìn)行辨別。
  報(bào)告基因：監(jiān)測(cè)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)以及蛋白和蛋白間相互作用相關(guān)的細(xì)胞活動(dòng)。
  
  藥物動(dòng)力學(xué)
  對(duì)少量一群實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行治療干預(yù)的縱向監(jiān)測(cè)。
  熒光團(tuán)深度和濃度定量
  
  Optix MX3 技術(shù)
  任何光學(xué)成像方法必須克服影響光學(xué)信號(hào)強(qiáng)度的物理性質(zhì)，包括周圍組織的散射特性和背景噪音（如自發(fā)熒光團(tuán)）。由于這些綜合因素的影響，對(duì)于那些定量化的應(yīng)用要求僅依靠強(qiáng)度信號(hào)是不夠的。
  
  Optix MX3 突破了上述限制，能提供對(duì)熒光團(tuán)強(qiáng)度、濃度和三維定位的精確測(cè)量。
  
  基于時(shí)域技術(shù)，Optix MX3 利用脈沖激光二極管發(fā)送窄光譜的激光短脈沖作為激發(fā)光，并采用單光子計(jì)數(shù)光電倍增管記錄被激發(fā)熒光光子的到達(dá)時(shí)間分布（時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)或TPSF）。通過(guò)這些設(shè)計(jì)，Optix MX3 可確定熒光團(tuán)的組織內(nèi)深度，并將之用于衰減校正計(jì)算來(lái)獲取熒光團(tuán)的精確相對(duì)濃度。
  
  熒光壽命
  由于Optix MX3 具有納秒級(jí)的時(shí)間分辨率，研究者可進(jìn)行活體熒光壽命測(cè)量，從而辨別具有類似光譜圖的熒光團(tuán)。除此之外，研究者可以使用探針確定微環(huán)境，如pH、氧水平 （含量）、溫度及其它已知的影響熒光壽命的因素。
  
  集成的多模式平臺(tái)獲取定量化的3D數(shù)據(jù)
  
  三維多模式圖像融合
  Optix MX3 采用小動(dòng)物CT通用的動(dòng)物床，支持多模式的圖像融合。它的自動(dòng)化的重合和視圖軟件工具能加速融合過(guò)程，并簡(jiǎn)化工作流程。Optix MX3 的高靈敏度和高分辨率，熒光示蹤劑不僅能被檢測(cè)、定量和監(jiān)控，更能和特定的三維位置重合。
  
  斷層成像
  時(shí)域光學(xué)成像允許高靈敏度的深度探測(cè)和結(jié)合平面成像幾何信息的斷層成像。
  
  多波長(zhǎng)
  多波長(zhǎng)激發(fā)顯著擴(kuò)展了可應(yīng)用的光譜范圍，提高了Optix MX3 的靈活性。Optix MX3 可支持多達(dá)4個(gè)脈沖激光二極管，14個(gè)濾光片。運(yùn)用附加的激光管和濾光片，具有不同光譜性質(zhì)的多種熒光靶目標(biāo)均可被使用，其范圍覆蓋從可見(jiàn)光直至近紅外光譜。
  

• pH值和氧化程度感測(cè)，因?yàn)闊晒鈮勖c組織pH值和氧化程度相關(guān)。