專利名稱：用于組合的光學(xué)－超聲成像的化合物和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在用于分析或診斷超聲或光學(xué)成像的方法中使用的化合物，特別是涉及到對照媒體的供應(yīng)、使用超聲或光學(xué)成像例如用于分析生物組織或用于診斷病人的組織的方法、以及用于執(zhí)行分析或診斷超聲或光學(xué)成像的設(shè)備。
存在若干種技術(shù)用于身體部分的診斷成像，包括超聲成像或熒光成像。在混濁媒體(例如，組織)中熒光成像的主要問題是，由于激勵光和發(fā)射的熒光性的光兩者的強(qiáng)烈散射，空間分辨率很差。因此，傳統(tǒng)的光學(xué)熒光層析術(shù)的分辨率限于約1cm3。當(dāng)使用超聲時，不會發(fā)生激勵源的這樣的散射。空間分辨率依賴于超聲聚焦點(diǎn)尺寸，它大約為1mm3。
缺乏調(diào)制是當(dāng)使用光(例如，熒光物的光)作為成像工具時遇到的另一個問題。已知通過由聲波與照射的組合所創(chuàng)建的重建圖像來重現(xiàn)圖像，見A.Korpel的著作“Acousto-optics(聲光學(xué))”，Marcel DekkerInc.1997。在這樣的方法中，由聲波引起的折射率的變化通過折射率改變對入射光的影響而被可視化。然而，由聲波引起的折射率的改變是小的，并且圖像的質(zhì)量差。
允許光的強(qiáng)度改變的另一個方法牽涉到修改在熒光施主-受主對的伙伴之間的距離。施主分子吸收激勵光，但不發(fā)射熒光。如果施主接近于受主，則能量通過熒光諧振能量轉(zhuǎn)移(FRET)或更一般地由于直接的偶極子-偶極子互動而轉(zhuǎn)移到受主，并且受主發(fā)射熒光。因此熒光強(qiáng)度依賴于在施主與受主之間的距離。熒光諧振能量轉(zhuǎn)移FRET是一種強(qiáng)烈依賴于在施主與受主之間的距離(r-6)的現(xiàn)象。從0％到100％的能量轉(zhuǎn)移的過渡是非常陡的，即，可以達(dá)到高的熒光調(diào)制。FRET廣泛地使用于生物應(yīng)用，以用于確定在蛋白質(zhì)之間的結(jié)合，或研究膜結(jié)構(gòu)，或研究在膜之間的互動。為此，形成了泡囊，它包含用于FRET的熒光施主和受主(Wong和Groves(2002)Proc.Natl.Acad.USA 99，14147-14152；John等人(2002)Biophys.J.83，1525-1534；Leidy等人(2001)BiophysJ.80，1819-1828)。
包括熒光物組的超聲微氣泡泡囊是已知的，例如美國專利6,123,923。
本發(fā)明的目的是提供以下的任一項(xiàng)組合超聲和光學(xué)成像的方法、用于這樣的方法的對照媒體、用于這樣方法的包括圖像顯示器的設(shè)備、圖像本身和/或在該方法中使用的軟件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供用于諸如熒光X光層析攝影術(shù)那樣的熒光成像的組分和方法。
本發(fā)明一方面涉及在藉助于改變在熒光施主和熒光受主之間的距離允許用對照媒體調(diào)制發(fā)射的熒光的方法中使用的化合物、組分等等。通過改變距離，熒光可被接通、調(diào)制、或關(guān)斷。這些方法和化合物可用于成像，特別是用于診斷成像，例如在組織樣本、移植用的人體器官、或患病的人或動物上實(shí)踐的。
本發(fā)明描述用于組合的光學(xué)-超聲成像的新穎的化合物、組分和方法。在這個組合的方法中，超聲被用于高的空間分辨率，而熒光檢測則導(dǎo)致高靈敏度。
本發(fā)明的化合物可以是經(jīng)由FRET的能量交換用的粒子，包括施主和/或受主，或施主和/或受主組。
按照本發(fā)明的一個方面，超聲場可被用來通過使用例如柔性粒子，諸如發(fā)泡的柔性粒子(例如具有熒光施主和/或熒光受主的微氣泡)，把化合物或組分從非熒光狀態(tài)切換到熒光狀態(tài)(或反之亦然)。
按照本發(fā)明的另一方面，粒子可以被可聚焦的超聲場強(qiáng)迫變形或振蕩。這導(dǎo)致在熒光施主與熒光受主之間或粒子中的距離改變。在一個特定的實(shí)施例中，對FRET而言，由于FRET對于距離的強(qiáng)烈的相關(guān)性(r-6)，從0％到100％的能量轉(zhuǎn)移的過渡是非常陡的。因此，可以達(dá)到高的熒光調(diào)制。
通過使用本發(fā)明的方法，空間分辨率能夠由超聲聚焦的尺寸所限制，而這大約為1mm3。這比起傳統(tǒng)的光學(xué)熒光X射線層析攝影術(shù)的分辨率(≈1cm3)好三個數(shù)量級。因此，本發(fā)明把粒子作為對照媒體的使用組合了熒光成像的高靈敏度與超聲的空間分辨率。
本發(fā)明提供基于具有高靈敏度(與PET相比較)的光學(xué)成像但無需放射性化合物的用于分子成像的方法。本發(fā)明還提供用于在光學(xué)熒光成像或諸如在組織或混濁媒體中跟蹤時得到高的空間分辨率的方法。
本發(fā)明還涉及在制造用于組合的光學(xué)超聲成像的對照媒體時使用含有熒光施主和/或熒光受主的粒子。施主和/或受主可例如以共價方式附著在粒子上。
本發(fā)明還涉及把包括熒光施主和/或熒光受主的粒子在施加超聲后用于對熒光發(fā)射的調(diào)制。施主和受主可以同時存在于超聲粒子中。替換地，在粒子中不存在施主和受主或僅存在施主或受主的任一項(xiàng)。附加的施主和/或受主被獨(dú)立地投入并與粒子相互作用或合并。熒光可以由FRET生成，但也可以通過能量轉(zhuǎn)移的其它機(jī)制諸如受激的狀態(tài)反應(yīng)而生成。
另外，可以記錄在施加超聲后由粒子發(fā)射的熒光的改變。
本發(fā)明還涉及組合的光-超聲對照媒體，包括具有熒光施主和熒光受主的粒子。按照一個實(shí)施例，施主和/或受主例如以共價方式被附著在粒子上。
本發(fā)明還涉及用于制造用于超聲成像的粒子的方法，其中使得粒子或用于所述粒子的化合物與熒光施主或受主接觸。施主和受主可以分開地、合在一起、或接連地添加。另外，熒光施主和/或受主可以以共價方式與超聲粒子或這樣粒子的化合物結(jié)合。
本發(fā)明還涉及一組用于組合的光學(xué)超聲成像的部件，包括從超聲源、用于記錄熒光的監(jiān)視器和具有熒光受主和/或熒光施主的粒子中選擇的組中的至少兩個。
本發(fā)明還涉及包括具有熒光受主和/或熒光施主的粒子的藥物組分，所述粒子還包括藥物活性化合物。
本發(fā)明還涉及一種用來提供含有包括熒光施主和/或熒光受主的粒子的對照媒體的個人的身體部分或組織的圖像的方法。這是通過使得身體部分或組織經(jīng)受超聲并記錄由對照媒體發(fā)射的熒光中的調(diào)制而執(zhí)行的。
本發(fā)明還涉及用于超聲成像的設(shè)備，其中該設(shè)備包括超聲源，以及用于檢測發(fā)射的熒光的設(shè)備。光發(fā)射可以通過對超聲束聚焦而被局部地調(diào)制。本發(fā)明涉及用于組合的光-超聲成像的設(shè)備，包括超聲源和用于檢測發(fā)射的熒光的檢測器，并且還包括用于根據(jù)檢測的熒光生成圖像的重建單元。另外，設(shè)備可包括使超聲的發(fā)射和/或熒光的檢測和/或圖像的生成進(jìn)行同步的裝置。該設(shè)備還可包括在重建單元與用于檢測發(fā)射的熒光的檢測器之間的連接。另外，該設(shè)備可包括在重建單元與超聲源之間的連接，或還可包括光源或用于記錄超聲的記錄器。該設(shè)備還可包括一個控制單元，用于控制超聲的生成和/或用隨光源的光發(fā)射而記錄超聲和/或檢測記錄的光。這樣的光源可以發(fā)射連續(xù)波、調(diào)制波、或脈沖波的光。超聲源可以具有用于使超聲波束聚焦的裝置，由此局部調(diào)制來自具有熒光受主或熒光施主的粒子的光發(fā)射。超聲源還可以具有生成聲波脈沖或生成具有變化的頻率和/或變化的方向的擴(kuò)展的聲波的裝置。
本發(fā)明還提供一種基于計算機(jī)的設(shè)備，用于根據(jù)從超聲源接收的數(shù)據(jù)和檢測到的從包括熒光施主和/或熒光受主的粒子的對照媒體發(fā)射的熒光來執(zhí)行對象的圖像的重建算法，用于根據(jù)檢測的熒光來生成圖像的重建算法包括與壓力相關(guān)的對照媒體的熒光模型。該設(shè)備可包括用于通過超聲成像測量對照媒體的濃度的裝置。超聲源可發(fā)射脈沖形式的聲波，它被聚焦成一條或多條線或一個或多個點(diǎn)。
本發(fā)明還提供一種基于計算機(jī)的方法，用于根據(jù)超聲源接收的數(shù)據(jù)和檢測到的從包括熒光施主和/或熒光受主的粒子的對照媒體發(fā)射的熒光執(zhí)行對象的圖像的重建算法，該方法包括通過使用與壓力相關(guān)的對照媒體的熒光模型根據(jù)檢測到的熒光來重建圖像。該方法可包括通過超聲成像測量對照媒體的濃度。超聲源優(yōu)選地發(fā)射脈沖形式的聲波，它被聚焦成一條或多條線或一個或多個點(diǎn)。
本發(fā)明還包括軟件產(chǎn)品，包括當(dāng)在處理機(jī)上執(zhí)行時用于執(zhí)行本發(fā)明的任一種方法的代碼。本發(fā)明還包括存儲軟件產(chǎn)品的機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)存儲裝置，例如，磁軟盤、像CD-ROM或DVD-ROM那樣的光存儲驅(qū)動器、計算機(jī)的硬盤、磁帶存儲裝置、計算機(jī)的存儲器，例如RAM或ROM。


圖1A顯示按照本發(fā)明的實(shí)施例的、在壓縮的發(fā)泡粒子上的熒光的原理。左面部分顯示在弛豫狀態(tài)下的粒子(例如，泡囊)施主分子(灰色)吸收來自激勵光的能量(黑色箭頭)，但在施主和受主(灰色)之間的距離太大，不能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。右面部分顯示粒子的受壓縮或變形狀態(tài)；這里能量從施主被轉(zhuǎn)移到受主(彎曲的箭頭)，并且發(fā)射受主熒光(灰色箭頭)。圖1B顯示替換實(shí)施例，其中粒子具有矩形或棒狀形狀。
圖2是按照本發(fā)明的實(shí)施例的、用于組合的超聲和熒光成像的設(shè)備的示意圖。1US換能器；2US發(fā)生器/接收器；3US圖像重建器；4顯示單元；5門信號；6US包絡(luò)信號；7光激勵源；8熒光檢測器；9A/D轉(zhuǎn)換器；10光重建器；12具有FRET施主和受主的粒子；13身體。
圖3是按照本發(fā)明的實(shí)施例的用于組合的超聲和熒光成像的、基于計算機(jī)的設(shè)備的示意性框圖。
本發(fā)明將對于特定的實(shí)施例和參照附圖進(jìn)行描述，但本發(fā)明不限于此，而僅僅由權(quán)利要求限制。所描述的附圖僅僅是說明性而不是限制性的。在圖上，為了說明起見，某些單元的尺寸可被夸大而未按比例畫出。在本說明和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”的場合下，它并不排除其它單元或步驟。在涉及到單數(shù)名詞時使用不定冠詞或定冠詞，例如“一個(a)”或“一個(an)”，“該(the)”的場合下，這包括該名詞的復(fù)數(shù)，除非某些情形被特別指出。
另外，本說明和權(quán)利要求中的術(shù)語第一、第二、第三等等被用來區(qū)分相同的單元，但對于描述順序的和按時間的次序并不是必須的。應(yīng)當(dāng)看到，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下是可交換的，并且這樣描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以不同于這里描述或說明的其它次序操作。
本發(fā)明的一方面涉及包括至少一個結(jié)合的或配對的熒光施主和受主，或分子的至少一個結(jié)合的熒光施主和受主單元，這種結(jié)合被安排成使得粒子的變形會把施主和受主靠得更近。施主和受主結(jié)合或分子可以共價方式附著在粒子上。
施主或受主可以是分子、分子組、或這種類型的復(fù)合物的任一項(xiàng)，以及在本發(fā)明中涉及到施主或受主的例子。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的粒子是可變形的或柔性的。粒子可以是球形粒子，諸如泡囊?！芭菽摇笔侵缚傮w上具有形成一個或多個內(nèi)部空間的一個或多個壁或膜的實(shí)體。泡囊例如可以從穩(wěn)定的材料形成，諸如脂肪、蛋白質(zhì)、聚合物、低表面張力物質(zhì)和/或碳水化合物。形成穩(wěn)定材料的脂肪、蛋白質(zhì)、聚合物、低表面張力物質(zhì)和/或其它泡囊可以是自然的、合成的、或半合成的。壁或膜可以是同圓心或其它形式的。穩(wěn)定的化合物可以具有一個或多個單層或雙層的形式。在一個以上的單層或雙層的情形下，單層或雙層可以是同圓心的。穩(wěn)定化合物可被用來形成單薄片泡囊(由一個單層或雙層組成)、少數(shù)薄片泡囊(由約兩個或約三個單層或雙層組成)、或多薄片泡囊(由約三個以上的單層或雙層組成)。泡囊的壁或膜可以基本上是固體的(均勻)，或它們可以是多孔或半多孔的。泡囊的內(nèi)部空間可以填充各種各樣的液體、氣體、或固體材料(或它們的組合)，例如包括水、油、氟化油、氣體、氣態(tài)先質(zhì)(precursor)、液體和氟化液體，如果需要的話，和/或其它材料。泡囊還可包括光活性試劑、生物活性的或藥物的化合物和/或目標(biāo)配合基，如果需要的話。
特別適用于本發(fā)明的化合物和方法的球形粒子優(yōu)選地是生物兼容的和/或高度可壓縮或可膨脹的。例子是微氣泡。這些可以是3到5μm直徑的充滿氣體的小球，當(dāng)暴露在超聲壓力場時，他們通過與它們的高可壓縮性相聯(lián)系的幾種機(jī)理而提供它們的增強(qiáng)。[de Jong，N.和F.J.T.Cate，in Ultrasonics，1996.34(2-5)p.587-590；Moran，C.M.，等人in.Ultrasound in Medicine&Biology，2002.28(6)p.785-791]。當(dāng)前在美國市場上有三種批準(zhǔn)的超聲對照媒體。由Bristol-Myers-Squibb銷售和由Unger at ImaRX開發(fā)的Definity包含具有脂肪外殼和內(nèi)部為八氟丙烷氣體的1.1到3.3微米直徑的球。由Amersham銷售和原先由Mallinckrodt開發(fā)的Optison包含具有2到4.5微米的范圍的直徑的白朊殼和包含八氟丙烷氣體的球。也由Amersham銷售的Albunex是類似于Optison的但包含室內(nèi)空氣的第一代試劑。在歐洲，有幾種批準(zhǔn)的試劑。由Bracco銷售的Sonovue是涂覆磷脂的六氟化硫微氣泡，具有2.5微米的平均尺寸。由Schering銷售的Echovist和Levovist已經(jīng)使用了一段時間，它們包含糖-穩(wěn)定的室內(nèi)空氣微氣泡，具有不太受控制的尺寸分布(＞5μm)。
用于超聲對照的物理機(jī)理牽涉到在氣泡內(nèi)氣體的高的可壓縮性和氣泡的物理尺寸[de Jong cited supra；Harvey，C.J.，等人，in Advancesin Ultrasound(超聲進(jìn)展)Clinical Radiology，2002.57(3)p.157-177；Calliada，F(xiàn).，等人in Ultrasound contrast agentsBasic principles(超聲對照試劑基本原理)European Journal of Radiology，1998.27(2)p.S157-S160.]。在診斷成像頻率下，微氣泡可以經(jīng)受振蕩，它是靜止直徑的許多倍。這種效應(yīng)在氣體氣泡諧振時受到特別增強(qiáng)。通過仔細(xì)選擇微氣泡內(nèi)的氣體和外殼材料的彈性特性，可以控制氣泡的穩(wěn)定性和它的對照效果。大尺度的振蕩導(dǎo)致許多非線性效應(yīng)。
脂肪體也是用于超聲成像的潛在的有用的對照媒體。脂肪體作為用于藥物傳遞的潛在機(jī)制的使用已超過25年。大多數(shù)脂肪體是非回波基因的(echogenic)，主要包含脂肪。通常脂肪體包含非氣體的多薄片聲音反射的脂肪[Demos，S.，等人，.Journal of the American College ofCardiology，1999.33p.867-875.]。這些脂肪體的特征在于存在許多小的和不規(guī)則的形狀的泡囊，排列成“像覆盆子的”外觀。脂肪體的直徑典型地小于1微米。脂肪體的使用因散射過程而導(dǎo)致超聲成像時增強(qiáng)的外觀。然而，脂肪體具有低的穩(wěn)定性和半壽命，并且沒有主要的機(jī)械諧振與脂肪體相聯(lián)系。
按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，粒子是膠束的。膠束是指由脂肪形成的膠體的實(shí)體。在優(yōu)選實(shí)施例中，膠束包括單層、雙層、或六邊形HII位相結(jié)構(gòu)(在液體媒體中脂肪的總的管狀積累)，參閱例如US6,033,645。
具有與球形形狀不同的其它形狀的粒子可以經(jīng)由超聲變形，以便改變在粒子中存在的熒光施主與受主分子之間的距離。適用于本發(fā)明的化合物和方法的非球形粒子是棒狀或Y形、管狀或矩形。
按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，粒子是氣凝膠。氣凝膠一般是指球形或扁球形實(shí)體，其特征在于多個小的內(nèi)部空隙(例如參閱US6,106,474)。氣凝膠可以由合成材料(例如，由烘烤的間苯二酚和甲醛精制的泡沫)，以及自然材料，諸如碳水化合物(多糖類)或蛋白質(zhì)形成。
按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，粒子是籠形物?；\形物是指可以與泡囊聯(lián)結(jié)的固體、半多孔或多孔粒子。在優(yōu)選形式下，籠形物可以形成包含空腔的籠形的結(jié)構(gòu)，該空腔包括一個或多個粘在籠形物上的泡囊，如果需要的話，穩(wěn)定的材料可以與籠形物相聯(lián)以促進(jìn)泡囊與籠形物的關(guān)聯(lián)。籠形物可以由例如諸如羥磷灰石鈣的多孔的磷灰石，和諸如由鈣鹽沉淀的藻蛋白酸那樣的、聚合物和金屬離子的沉淀物形成，例如參閱US 5,086,620。
按照本發(fā)明的方法，粒子受到超聲場的作用，導(dǎo)致粒子的變形和/或振蕩。超聲波是縱向壓縮波。對于縱向波，粒子在媒體中的位移平行于波運(yùn)動的方向，這與其位移垂直于傳播方向的橫波相反。超聲是指在人耳的可聽見的頻譜(20到20000Hz)的高端或以上的頻率。醫(yī)療成像典型地使用約2.5MHz的頻率。在本發(fā)明中，可以按希望選擇較低的或較高的頻率，這要取決于所檢查的組織的類型和使用的粒子的類型。在超聲成像中通常使用的參數(shù)是機(jī)械指數(shù)(＝峰值折射的或負(fù)的壓力除以超聲頻率的平方根)。機(jī)械指數(shù)涉及到在組織中的峰值負(fù)壓，因此涉及粒子的剛性，這種粒子是可用的和仍舊提供足夠的變形以達(dá)到在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的效應(yīng)。MI的臨床值是在1和2之間。在具體的實(shí)施例中，本發(fā)明的球形粒子在體積上能以至少5到約10，25，50或100之間的倍數(shù)被壓縮，以使得熒光施主和受主分子互相靠近。在另一個具體的實(shí)施例中，本發(fā)明的球形粒子在體積上能以至少5到約10，25，50或100之間的倍數(shù)被擴(kuò)展，以便移動施主和受主分子使互相遠(yuǎn)離。
按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，在本發(fā)明的粒子的熒光施主和受主經(jīng)由FRET(熒光諧振能量轉(zhuǎn)移)交換能量。FRET是激勵狀態(tài)能量從施主(D)到受主(A)的轉(zhuǎn)移，以及可以在施主(D)熒光物的發(fā)射光譜與受主(A)熒光物的吸收光譜重疊時發(fā)生。因此，通過以施主的吸收最大值激勵和監(jiān)視在熒光受主的長波長端的發(fā)射，有可能僅僅監(jiān)視被鍵合和位于某個距離r內(nèi)的D和A分子。
因此，可以監(jiān)視D的猝滅或A的增強(qiáng)的發(fā)射。轉(zhuǎn)移率kT以秒-1(每秒)計，在數(shù)學(xué)上被定義為kT＝(r-6JK2n-4λd)×8.71×1023(公式1)其中r是D-A距離，以埃計，J是D-A重疊積分，K2是取向因子，n是媒體的折射率，以及λd是施主的發(fā)射率。重疊積分J由下式以波長尺度表示J=∫0∞Fd(λ)ϵaλ(λ4)dλ]]>(公式2)
其中它的單位是M-1cm3，F(xiàn)d是施主的經(jīng)校正的熒光強(qiáng)度作為波長的函數(shù)λ，以及εa是受主的消光系數(shù)，以M-1cm-1計。在公式2中的常數(shù)項(xiàng)通常被加以組合以規(guī)定Forster臨界距離R0，后者是發(fā)生50％轉(zhuǎn)移的、以埃計的距離。通過代入，則R0可以根據(jù)重疊積分J，以埃計，被定義為R0＝9,79×103(K-2n-4ΦJ)1/6(公式3)其中Φd是施主的量子產(chǎn)量，R0和r涉及到轉(zhuǎn)移效率，E為E=R06R06+r206]]>(公式4)它確定為了獲得可使用的信號D和A而可被分隔開的實(shí)際距離。
從這些公式可以得出，對于高的靈敏度，施主-受主對被選擇為它們具有高的量子產(chǎn)量、高的J值和高的R0值。例如，對于熒光物/若丹明對的R0是約為55埃。當(dāng)包含D和A的分子互相鍵聯(lián)時，為了得到可測量的信號，希望有大的R0值。實(shí)際上，如果要使用A的發(fā)射作為讀出，通常使用為施主分子兩倍的受主。
雖然施主和受主被稱為一個“對”，但該“對”的兩個成員可以是相同的物質(zhì)，即它們可以是包括相同分子的兩個元素的共軛。通常，兩個成員是不同的(例如，熒光物和若丹明)。但有可能一個分子(例如，熒光物和若丹明)同時用作為施主和受主；在這種情形下，能量轉(zhuǎn)移通過測量熒光物的去極化而被確定。也有可能是兩個以上的部件，例如兩個施主和一個受主，或任何的組合。
對施主或受主分子的參照取決于分子在能量轉(zhuǎn)移復(fù)合物中的功能。復(fù)合物中的分子的特征在于它的物理特性，即是否吸收一定的波長的光，或是否發(fā)射熒光。這把分子分類為非活性的發(fā)熒光的或猝滅的。因此，下列情況是可能的綠色染料可以是對于紅色染料的施主，而同時可以是藍(lán)色染料的受主。
有用的施主-受主對的例子包括NBD(即，N-(7-硝基苯-2-oxa-1，3-重氮鹽-4-yl))對若丹明，NBD對熒光物對四溴熒光素或四碘熒光素，dansyl對若丹明，和丙烯酸橙對若丹明。能夠呈現(xiàn)FRET的市面上可買到的適當(dāng)?shù)臉?biāo)記的例子包括熒光素對四甲基若丹明；例如在來自Molecular Probes(Eugene Oregon)的BODIPY FL的商標(biāo)下可買到的4，4-二氟-5，7-二甲基-4-bora-3a，4a-diaza-s-indacene-3-丙酸，琥珀酰亞胺酯，對例如來自Molecular Probes的BODIPY R6G的商標(biāo)下可買到的4，4-二氟-5-苯基-4-bora-3a，4a-diaza-sindacene-3-丙酸，琥珀酸亞胺酯；Cy3.5單功能NHS酯對Cy5.5單功能NHS酯，Cy3單功能NHS酯對Cy5單功能NHS酯，和Cy5單功能NHS酯對Cy7單功能NHS酯，所有的這些是從Amersham Biosciences(Buckinghamshire，England)可買到；以及ALEXA FLUOR 555羧酸，琥珀酰亞胺酯對ALEXA FLUOR647羧酸，琥珀酰亞胺酯，這些是從Molecular Probes可買到的。
在FRET中使用的分子的其它的例子包括熒光素衍生物，諸如5-羧基熒光素(5-FAM)，6-羧基熒光素(6-FAM)，熒光素-5-異硫氰酸鹽(FITC)，2’7’-二甲氧基-4’5’-二氯-6-羧基熒光素(JOE)；若丹明衍生物，諸如N，N，N’，N’-四甲基-6-羧基若丹明(TAMRA)，6-羧基若丹明(R6G)，四甲基吲哚碳化氰(Cy3)，四甲基-苯并茚碳化氰(Cy3.5)，四甲基吲哚二碳化氰(Cy5)，四甲基-吲哚三碳化氰(Cy7)，6-羧基-X-若丹明(ROX)；六氯熒光素(HEX)，四氯熒光素TET；R-藻紅沅，4-(4’-二甲氨基苯-o)苯甲酸(DABCYL)，和5-(2’-氨基)氨基苯-1-磺酸(EDANS)。
特別適用于本發(fā)明的方法的另外的FRET施主和受主分子是熒光蛋白質(zhì)，例如dsRed，GFP(綠色熒光蛋白質(zhì))或它的變例(增強(qiáng)的黃色熒光蛋白質(zhì))，ECFP(增強(qiáng)的青色熒光蛋白質(zhì))，EBFP(增強(qiáng)的藍(lán)色熒光蛋白質(zhì))。
按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，施主/受主的其它組合也是可能的，諸如熒光施主/猝滅受主或熒光施主/熒光受主，其中其發(fā)射可以由波長或壽命來區(qū)分。
示例性猝滅染料在技術(shù)上熟知的，例如，如Clegg，“Fluorescenceresonance energy transfer and nucleic acids(熒光諧振能量轉(zhuǎn)移和核酸)，”Methods of Enzymology，211353-389(1992)所描述的。經(jīng)濟(jì)的可買到的猝滅劑的例子是dabcyl、QSY7、QSY9、QSY21、QSY35(Molecular Probes，Eugene，Oregon)。
用于FRET的熒光施主和受主對可以被局限在粒子的外面、粒子的里面，或可以嵌入在粒子膜或粒子外殼中。在具體的實(shí)施例中，施主是在粒子的里面，而受主對是在粒子的外面或在壁上等等。用于經(jīng)由FRET進(jìn)行能量交換的熒光施主和受主對可以是以共價方式束縛在粒子上或可以經(jīng)由離子相互作用或經(jīng)由親水結(jié)合而可逆地束縛在粒子上。在特定的實(shí)施例中，施主和受主是在粒子的里面或在粒子的外面。這樣的氣泡的壓縮和膨脹分別使得施主和受主互相靠近或使得它們互相分隔開。
在特定的實(shí)施例中，熒光施主和受主分子以共價方式束縛在超聲粒子或化合物上以用于制造化合物。用有機(jī)染料給生物化合物加標(biāo)記的工具和方法是例如從Molecular Probes(Eugene，Oregon，USA)可得到的。如上所述，超聲粒子可以是類脂物、碳水化合物或蛋白質(zhì)源的(白朊)。把蛋白質(zhì)(例如熒光GPF蛋白質(zhì)和派生物)共價鏈接到其它蛋白質(zhì)脂肪或碳水化合物的產(chǎn)品是例如可從Pierce(Rockford，Illinois，USA)得到。共價結(jié)合允許把明確規(guī)定量的施主或受主結(jié)合到粒子上。替換地，施主和受主在與這樣的粒子組合之前與超聲粒子的化合物分開地加標(biāo)記。加標(biāo)記和未加標(biāo)記的量以需要的量混合，達(dá)到標(biāo)記在超聲粒子中適當(dāng)?shù)目臻g分布。
在另一個實(shí)施例中，熒光施主和受主不處在超聲粒子上。例如，施主或受主分子在氣泡在組織中吸收染料后被注入。也有可能注入猝滅劑等等。所有的這些化學(xué)物質(zhì)可以與組織發(fā)生反應(yīng)使成為活性的或非活性的。
在再一個實(shí)施例中，熒光受主和/或施主與超聲粒子微弱地結(jié)合。
在特定的實(shí)施例中，本發(fā)明的粒子還包括附加化合物或試劑，諸如用于例如經(jīng)由組織或細(xì)胞特定的生物試劑，例如單無性系或多無性系抗體，把整個粒子瞄準(zhǔn)組織或細(xì)胞類型的化合物或試劑。這方面的例子是對細(xì)菌或病毒具有抗體的粒子，允許使用超聲以敏感地和特定地檢測傳染病。
在特定的實(shí)施例中，本發(fā)明的粒子還包括附加化合物，諸如生物活性或治療上活性的化合物，例如藥物化合物。這些生物活性或治療上活性的化合物可以經(jīng)由諸如擴(kuò)散的被動方式從粒子得到釋放，但它也可以以主動方式，例如通過增加超聲頻率和/或增加幅度到這樣的水平，使得粒子部分地或全部破壞而被釋放。
在特定的實(shí)施例中，不同于FRET施主或受主的染料在含有熒光受主分子的超聲成像用的粒子之前、之后或同時注入到身體的一個或多個組織。如果染料與某些生理參數(shù)，諸如pH，發(fā)生反應(yīng)，則這個參數(shù)同樣可以使用投入的染料來確定。修改或破壞染料(像氧或過氧化物)那樣的染料新陳代謝活動或從光質(zhì)(例如，5’ALA對原卟啉)產(chǎn)生染料的其它新陳代謝活動也可以被加到通過本發(fā)明的方法和化合物得到的圖像中。這些染料以前是在光學(xué)(熒光)X射線層析攝影術(shù)和熒光內(nèi)窺鏡中被使用的。
在優(yōu)選實(shí)施例中，如上所述與環(huán)境條件有關(guān)的染料在本發(fā)明的氣泡上是FRET施主或受主本身，這允許減小所需要的染料的量。然而，只有與組織處于平衡狀態(tài)的參數(shù)(諸如pH，氧壓力和溫度)才可被測量。
通過注入染料，組織的光吸收可能改變。這個改變可以在吸收圖像上看到。附加染料的優(yōu)點(diǎn)在于，它在身體中的分布與氣泡相比是很不相同的。氣泡主要限制在血管系統(tǒng)。染料可以是小分子，它可以滲透細(xì)胞膜。染料也可以與組織發(fā)生反應(yīng)而改變吸收。這方面的例子是pH指示劑染料。
這種附加染料也可以是熒光染料。通過熒光染料，可以發(fā)生熒光物引起的熒光。一個可能性是把染料引入組織，它把外部光變換成其波長使得它可以激發(fā)超聲粒子發(fā)熒光。在另一個實(shí)施例中，投入的染料是熒光染料，它可以由在超聲粒子上的施主分子的熒光所激勵。同樣，這種附加熒光素染料可以對外部參數(shù)(如pH，溫度和O2壓力)起反應(yīng)。如果附加染料是化學(xué)發(fā)光的，則不再需要外部光源。
在又一個實(shí)施例中，化學(xué)(例如，溫度，pH)敏感的熒光施主和受主分子停留在超聲粒子上。
在氣泡上的染料可以例如對pH起反應(yīng)，以允許檢測pH環(huán)境的存在，從而報告局部酸度或溫度。適用的pH指示劑在5.5到7.5的pH范圍內(nèi)起作用。這個選項(xiàng)特別適用于快速擴(kuò)散到血液系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)。
另一方面，本發(fā)明涉及諸如用于超聲成像那樣的對照媒體，包括具有經(jīng)由FRET能量交換的熒光施主和受主的粒子。
在對照媒體中使用的添加物是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，它包括例如適用于輸液、注射、口服投藥的配方，諸如液體、噴霧和片劑。
對于血管內(nèi)的使用，粒子優(yōu)選地具有小于30微米的直徑，更優(yōu)選地，小于約12微米。對于包括例如結(jié)合到某個組織(諸如癌組織)的瞄準(zhǔn)的血管內(nèi)的使用，泡囊在直徑上可以大大地小于例如100nm。對于腸內(nèi)或腸胃的使用，泡囊在尺寸上可以大大地大于，例如高達(dá)1毫米。通常，對于醫(yī)療或診斷應(yīng)用，泡囊尺寸定為從約2微米到約10，25，50，75或100微米的直徑。
按照一個實(shí)施例，用于在粒子上經(jīng)由FRET的能量交換的施主和受主分子是在這樣的距離內(nèi)，以使得當(dāng)粒子處在靜止?fàn)顟B(tài)時不發(fā)射熒光。在用超聲激勵粒子后在熒光施主與受主分子之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移后發(fā)射熒光。施主和受主分子在粒子上的密度取決于粒子的柔順性和施加的超聲的類型(當(dāng)粒子不太柔順和施加的超聲頻率是較低時，染料的密度要更高)，并且它可以由經(jīng)驗(yàn)確定。
按照另一個實(shí)施例，在粒子上熒光施主和受主分子是在這樣的距離內(nèi)，使得當(dāng)粒子處在靜止?fàn)顟B(tài)時就發(fā)射熒光。在用超聲激勵粒子后不發(fā)射或發(fā)射很少的熒光，因此在熒光施主與受主分子之間經(jīng)由FRET的能量交換的能量轉(zhuǎn)移被削減或消除。
另一方面，本發(fā)明涉及使用超聲來對包括熒光施主和受主分子的粒子經(jīng)由FRET的能量交換而發(fā)射的熒光進(jìn)行調(diào)制。在本發(fā)明的方法中，超聲能量源被用來迫使粒子變形或振蕩，這導(dǎo)致在粒子上存在的熒光施主與受主分子之間的距離的改變。
任何電磁輻射可被用來激勵熒光施主。在本發(fā)明的方法中，熒光施主的激勵可以由約160nm到2000nm的波長的光來執(zhí)行，取決于熒光染料的特定選擇。
另一方面，本發(fā)明涉及檢測在具有熒光施主和受主分子的粒子受到超聲作用后的熒光的調(diào)制。由于粒子的振蕩，熒光的強(qiáng)度將不斷地接通和關(guān)斷，或被調(diào)制。通過諧波的生成檢測對照試劑的振蕩頻率在聲譜學(xué)中是熟知的例如在“Contrast-enhanced Ultrasound of LiverDiseases(肝病的對照增強(qiáng)的超聲)”，Solbiati等人，Springer 2003中描述的諧波B型成像。本發(fā)明的一個方面，不是通過它的超聲能量的調(diào)制(或不僅僅通過這樣的諧波超聲能量)而是通過熒光的發(fā)射或抑制來檢測這樣的振蕩。
圖2顯示作為本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的示意圖。按照本發(fā)明的具有熒光施主和受主的粒子12被引入到樣本13，諸如身體器官、生病的人或動物的身體，或要被成像的其它目標(biāo)。該設(shè)備提供身體的常規(guī)B型超聲圖像以及具有由所述粒子12的濃度確定其對比度的熒光圖像。對于超聲圖像，直線超聲換能器陣列1以波束形狀對準(zhǔn)z方向發(fā)射如在常規(guī)的B型成像時使用的幾種波長的超聲脈沖。當(dāng)脈沖通過身體時，在內(nèi)部表面上的反射產(chǎn)生回波信號U(t)，由換能器1接收。超聲接收單元2使用關(guān)系式s＝c*t/2(c＝在組織中的傳播速度)，把這轉(zhuǎn)換成一維超聲圖像。脈沖發(fā)射用橫向移位的和/或成角度的波束重復(fù)進(jìn)行。超聲圖像重建單元3收集一維超聲圖像，并由此計算二維圖像，由顯示單元4顯示。
熒光圖像與此并行地形成，如下所述。當(dāng)超聲脈沖通過身體時，它使得所述粒子12沿它的路徑振蕩。一個或多個光激勵源7把與施主的吸收光譜的光譜重疊的激勵光提供到身體的所有的部分。
光源可以是連續(xù)的或脈沖的，例如連續(xù)波、具有規(guī)定的(可變的)波長的調(diào)制波或脈沖波。在受到振蕩的粒子12上的受主產(chǎn)生正比于粒子12沿脈沖的路徑的局部濃度的熒光信號。熒光由光電二極管或由被附著在身體上的光電二極管8的陣列檢測，以便收集盡可能多的熒光。優(yōu)選地，二極管陣列為同一個目的而覆蓋盡可能多的身體表面。光電二極管的光輸入端可以配備有濾色鏡，用于阻擋光的激勵源7的光，優(yōu)選地只能通過熒光，這樣，其它光例如環(huán)境光就不會干擾信號。由光電二極管檢測的信號被相加，相加后的信號S(t)由A/D轉(zhuǎn)換器9進(jìn)行數(shù)字化。因?yàn)橛杏玫男盘栔辉诔暶}沖發(fā)射后第一次穿過身體期間才能被記錄，所以AD轉(zhuǎn)換器9的操作由超聲生成單元1藉助于選通信號5被門控制。優(yōu)選地，選通信號在超聲脈沖發(fā)射時間開始采樣，并在脈沖穿過整個身體后或在脈沖衰減很多以致不再有有用信號可被記錄后停止采樣，這要按哪一個時間更短而定。這些時間可根據(jù)身體的尺寸和超聲波束的衰減深度進(jìn)行計算。光重建單元10使用關(guān)系式z＝c*t把信號S(t)轉(zhuǎn)換成一維熒光圖像。為了提高沿波束路徑的分辨率，信號可以用由超聲生成單元2在數(shù)據(jù)連接6上提供的超聲脈沖的脈沖形狀進(jìn)行去卷積。光圖像重建單元10收集一維光學(xué)圖像，并由此計算二維圖像，由顯示單元4顯示。顯示單元可以分開地顯示超聲圖像和光學(xué)圖像，或顯示二者的組合，例如光學(xué)圖像與超聲圖像的彩色重疊。
在另一個實(shí)施例中，超聲換能器1被設(shè)計成不產(chǎn)生波束，而是產(chǎn)生在規(guī)定的深度和位置處的明顯的超聲聚焦點(diǎn)。藉助于門線5，光信號只在脈沖穿過聚焦點(diǎn)的短的時間間隔內(nèi)被記錄，并且探測在聚焦點(diǎn)處粒子12的局部濃度。聚焦點(diǎn)橫穿過身體，逐點(diǎn)地探測濃度，而不是用逐行的方法。這種逐點(diǎn)的方法比按行的方法慢，但具有如下優(yōu)點(diǎn)排除了通過散射的或反射的超聲波產(chǎn)生的熒光會干擾光信號，而這正是按行的方法的情形。
取決于設(shè)備的設(shè)置，可以設(shè)想不同的操作配置，每種配置都是本發(fā)明的實(shí)施例。
配置1只有光學(xué)成像，沒有組合的控制，包含以下步驟1.超聲控制程序啟動超聲生成。
2.光學(xué)控制程序啟動光激勵和檢測。
3.光學(xué)控制程序把記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)和有關(guān)掃描序列的信息發(fā)送到重建。
4.超聲控制程序把有關(guān)超聲生成的信息發(fā)送到重建。
5.該重建取得光學(xué)和超聲數(shù)據(jù)，并計算參數(shù)。
6.顯示結(jié)果，數(shù)據(jù)存儲等等。
配置2光學(xué)和超聲成像，沒有組合的控制，包含以下步驟1.超聲控制程序啟動超聲生成和檢測。
2.光學(xué)控制程序啟動光激勵和檢測。
3.光學(xué)控制程序發(fā)送記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)和有關(guān)掃描序列的信息到重建。
4.超聲控制程序發(fā)送有關(guān)超聲生成的信息和記錄的超聲數(shù)據(jù)到重建。
5.該重建取得光學(xué)和超聲數(shù)據(jù)，并計算參數(shù)。
6.顯示結(jié)果，數(shù)據(jù)存儲等等。
配置3光學(xué)和超聲成像，組合的控制，包含以下步驟1.控制程序啟動超聲生成和檢測以及光激勵和檢測。
2.控制程序發(fā)送記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)和超聲數(shù)據(jù)以及有關(guān)掃描序列的信息到重建。
3.該重建取得光學(xué)和超聲數(shù)據(jù)，并計算參數(shù)。
4.顯示結(jié)果，數(shù)據(jù)存儲等等。
本發(fā)明的另一個方面是圖像的重建。按照本發(fā)明的實(shí)施例的重建的一個優(yōu)選的方法是迭代重建。它牽涉到一個前向模型，這是對給定的參數(shù)組計算測量的數(shù)據(jù)的方法。對于迭代重建，更新機(jī)制按照在測量數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)之間的差值修改參數(shù)組。這個更新可以是后向投影。
迭代重建以交替方式使用這兩個步驟，正如在以下的步驟中表示的1.首先，對對象的參數(shù)初始化(通過先前的知識，或替換地僅僅通過均勻值)。
2.對參數(shù)應(yīng)用前向模型，即，根據(jù)這些參數(shù)計算數(shù)據(jù)。
3.使用計算出的數(shù)據(jù)與測量的數(shù)據(jù)之間的差值來更新參數(shù)。
4.重復(fù)進(jìn)行步驟2和3，直至滿足預(yù)定的停止準(zhǔn)則為止。
有許多執(zhí)行重建的方式，所有的這些都屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如Arridge and Hebden，Phys Med Biol 1997，841-853；Arridge，InverseProblems(逆向問題)1999，R41-R93。已知的方法的一個可能的缺點(diǎn)在于，提出的重建問題會較為惡劣。這意味著，幾個參數(shù)可同時改變，以使得輸出信號幾乎不改變。所以，在圖像上有許多模糊。所以，重建算法典型地使用許多有關(guān)待檢查的組織的以前的知識。這減小圖像的診斷價值。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的方法提出或者在本地化的光源或者光檢測器在對象之內(nèi)。它們可自由地放置在組織中任何位置，因此把提出的惡劣的重建問題轉(zhuǎn)置成很好地提出的問題。
除了在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法步驟以外，本發(fā)明提供諸如氣泡那樣的粒子體，它們可通過外加壓力而有效地改變它們的熒光和/或光譜。氣泡被引入到待測試的對象，例如組織。然后，施加各種不同的聲壓場。本發(fā)明設(shè)想該壓力場可以具有非常不同的形狀。容易用于重建的一種形狀是聚焦的超聲點(diǎn)，它移動經(jīng)過待檢查的組織。這實(shí)際上是使用聚焦點(diǎn)進(jìn)行掃描，由此壓力波正好是在成像過程中已知的調(diào)制，所以許多不同的方式是可能的。優(yōu)選的波的共同特性在于，如果選擇它們的某些疊加，則在許多位置上(以立體像素數(shù)的量級)生成如超聲能量的聚焦那樣的“點(diǎn)(spot)”。從不同的方向和具有不同的頻率的、類似于平面波的波前也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，它對最后的圖像上的信噪比方面是有利的。
為了利用超聲信息，取得測量的光學(xué)數(shù)據(jù)和重建參數(shù)的處理單元應(yīng)當(dāng)也獲得有關(guān)所生成的超聲波的信息。這意味著，該“組合的光學(xué)超聲成像”技術(shù)通過來自重建單元的連接而工作，從而進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)記錄和超聲生成。這是兩個機(jī)器的最小的聯(lián)系。
但是，優(yōu)選地，這兩個機(jī)器也在系統(tǒng)的控制端處相接口，即，應(yīng)當(dāng)有一個單元來同時控制光激勵和檢測以及超聲生成和檢測。
另一個優(yōu)選的接口在于，重建單元不單取得記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)，而且還使用記錄的超聲數(shù)據(jù)。超聲產(chǎn)生氣泡的振蕩，它將生成FRET效應(yīng)，但超聲同時優(yōu)選地被用來形成目標(biāo)的常規(guī)超聲圖像。這個信息可被用來以有利的方式重建圖像。在被用于重建的模型中，要加上作為參數(shù)的粒子體，例如氣泡的熒光和(已知的)壓力波。該重建提供粒子的濃度和組織的某些光學(xué)特性。對于組織的本身的光學(xué)特性，該方法允許氣泡與組織的某些相互作用。
有用的是在重建時除去一個未知量，例如粒子體濃度，諸如氣泡濃度。氣泡在超聲圖像中是相當(dāng)容易看到的，例如因?yàn)樗鼈兩煽杀粰z測到的諧波，這是由于這些諧波具有不同的頻率。于是這種已知的濃度可被插入到重建算法中。
另一方面，本發(fā)明涉及對于組合的光學(xué)超聲成像的含有施主和受主用于經(jīng)由FRET的能量交換的粒子。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的組合的光學(xué)超聲成像是對于包括人在內(nèi)的哺乳動物對象的身體或部分執(zhí)行的，以便得到有關(guān)對象的信息。
另一方面，本發(fā)明涉及一種從一個包括具有熒光施主和受主的粒子的對象得出圖像信息的方法，所述方法包括使對象受到超聲的作用和記錄由含有熒光施主和受主的粒子所發(fā)射的熒光的改變的步驟。
在特定的實(shí)施例中，本發(fā)明涉及提供身體部分的圖像的方法，包括以下步驟a)把包括具有熒光施主和受主的粒子的對照媒體投放到所述身體部分，b)使對象受到上超聲的作用和記錄由對照媒體發(fā)射的熒光的調(diào)制的步驟。
再一方面，本發(fā)明涉及包括使用經(jīng)由FRET的能量交換的施主和/或受主分子的粒子來制造用于超聲成像的診斷對照媒體。
再一方面，本發(fā)明涉及含有本發(fā)明的粒子的藥物組分和藥物活性化合物。
再一方面，本發(fā)明涉及包括超聲源的設(shè)備和用于檢測熒光的設(shè)備。
現(xiàn)在通過以下的例子說明本發(fā)明。
例1具有熒光施主和受主分子的粒子的制造綠色熒光蛋白質(zhì)及其衍生物通過使用市面上可買到對于Clontech(Palo Alto，California，USA)的媒介物的重組細(xì)胞DNA技術(shù)來表達(dá)。白朊分別與CFP(青色熒光蛋白質(zhì))和YFP(黃色熒光蛋白質(zhì))的交叉鏈接是通過使用雙功能試劑DSS(丁二酸氫基辛二酸，Pierce，Rockford，Illinois，USA)按照制造者指令執(zhí)行的。未加標(biāo)記的白朊、CFP標(biāo)記的白朊、和YFP加標(biāo)記的白朊的混合物用于制造微白朊殼，正如在US5,855,865中描述的。對于外殼要測試它們在經(jīng)超聲處理時發(fā)射熒光的能力。當(dāng)在沒有超聲下出現(xiàn)背景熒光時，加標(biāo)記的白朊對未加標(biāo)記的白朊的比值會減小。當(dāng)在施加超聲后沒有出現(xiàn)熒光或熒光出現(xiàn)不足時，加標(biāo)記的白朊對未加標(biāo)簽的白朊的比值增加。這種迭代過程確定在加標(biāo)記的與未加標(biāo)記的白朊之間的所需比值，以得到在粒子上熒光施主與受主之間的最佳距離。
例2用于組合的光學(xué)-超聲成像的設(shè)備的配置按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于組合的超聲/光學(xué)成像的設(shè)備包括以下的混合物。
A)光學(xué)部分，正如例如在已知的X射線層析攝影術(shù)裝置中使用的，該裝置具有任何適當(dāng)?shù)墓庠?，例如連續(xù)波、具有規(guī)定的波長的調(diào)制波或脈沖波。光源的波長和帶寬優(yōu)選地與所牽涉的染料的吸收特性匹配。優(yōu)選的特性是熒光施主的有效的激勵，而同時受主具有低的直接激勵。光源波長優(yōu)選地與施主的發(fā)射很好地分開，并且處于這樣一個波長范圍中，其中組織的自發(fā)熒光和組織的吸收是低的就像在近紅外光的情形下那樣。由光源產(chǎn)生的光順序地在許多點(diǎn)被耦合到待研究的對象。這可以通過被安排在包含對象的測量腔室(例如，圓柱)的周圍的光管道或光纖實(shí)現(xiàn)。為了得到更好的光學(xué)特性，腔體室可任選地用具有與組織相似的散射特性和具有低吸收的匹配流體來填充。
由對象發(fā)射的熒光同時在幾個點(diǎn)處進(jìn)行檢測，例如通過在測量腔體室周圍的光纖，而檢測器則位于光纖的另一個端。檢測可以在空間上和/或時間上被分辨。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)射的激勵光和熒光的檢測是分開地執(zhí)行的。
對在不同位置照射對象而檢測到的光是對于吸收和散射系數(shù)以及在對象里面的對照媒體濃度的重建所需要的數(shù)據(jù)組。這些是與已被重建的對象的立體像素有關(guān)的參數(shù)。該參數(shù)例如可以代表吸收長度、散射長度、(熒光)染料濃度。
B)超聲部分設(shè)備的超聲部分包括至少一個換能器。在特定的實(shí)施例中，使用了正規(guī)的超聲成像設(shè)備。
為了利用超聲和光學(xué)信息到它的最大程度，取得測量到的光學(xué)數(shù)據(jù)和重建參數(shù)的處理單元優(yōu)選地要獲取有關(guān)生成超聲波的信息。用于執(zhí)行本發(fā)明的組合的光學(xué)超聲方法的設(shè)備，在一個實(shí)施例中，包括從重建單元分別到光學(xué)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和超聲生成設(shè)備的連接。該連接可以是任何適當(dāng)?shù)倪B接，諸如無線或有線電纜，或光纖連接。在優(yōu)選實(shí)施例中，因?yàn)榫邆浜褪褂昧艘粋€用來控制光學(xué)激勵和檢測以及超聲生成和檢測的單元，因此光學(xué)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和超聲生成設(shè)備兩者都在系統(tǒng)的控制端處被接口。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，除了記錄光學(xué)數(shù)據(jù)以外，重建單元還記錄和利用記錄的超聲數(shù)據(jù)。由施加超聲得到的圖像同樣地可以與由光學(xué)成像得到的圖像進(jìn)行比較或被合并到該圖像。
例3圖3是可被用于按照本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的計算系統(tǒng)的示意圖。特別地，圖3顯示例2的實(shí)施方案作為基于計算機(jī)的系統(tǒng)。例2的所有的方面都包括在例3中，下面僅僅討論有關(guān)的差別。
顯示的計算機(jī)系統(tǒng)50可包括視頻顯示終端14、數(shù)據(jù)輸入裝置，諸如鍵盤16、和圖形用戶接口指示裝置，諸如鼠標(biāo)18。計算機(jī)50可以用通用計算機(jī)實(shí)施，例如，UNIX工作站或個人計算機(jī)或在專用的機(jī)器內(nèi)。
計算機(jī)50包括中央處理單元(“CPU”)15，諸如傳統(tǒng)的微處理器，由Intel公司，USA，提供的Pentium IV處理器僅僅是它的一個例子，以及經(jīng)由系統(tǒng)總線22互聯(lián)的多個其它單元。計算機(jī)50包括至少一個存儲器。存儲器可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何的各種各樣的數(shù)據(jù)存儲裝置，諸如隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)、只讀存儲器(“ROM”)、非易失性讀寫存儲器，諸如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的硬盤。例如，計算機(jī)50還可包括隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)24、只讀存儲器(“ROM”)26、以及任選的顯示適配器27，用于把系統(tǒng)總線22連接到任選的視頻顯示終端14，以及任選的輸入輸出(I/O)適配器29，用于把外圍設(shè)備(例如，磁盤和磁帶設(shè)備)連接到系統(tǒng)總線22。視頻顯示終端14可以是計算機(jī)10的視覺的輸出，它可以是任何適當(dāng)?shù)娘@示設(shè)備，諸如在計算機(jī)硬件技術(shù)中熟知的基于CRT的視頻顯示器。然而，例如，對于便攜式或筆記本電腦，視頻顯示終端14可以用基于LCD的或基于氣體等離子體的平板顯示器。計算機(jī)50還包括用戶接口適配器19，用于連接鍵盤16、鼠標(biāo)18、任選的揚(yáng)聲器36，以及允許輸出到超聲生成系統(tǒng)20和任選地從該系統(tǒng)輸入。系統(tǒng)20類似于例2的超聲部分。生成器20可被連接到任選的網(wǎng)絡(luò)40，例如，局域網(wǎng)或無線連接或網(wǎng)絡(luò)。
用于從待測試的身體檢測光強(qiáng)度變化的光學(xué)系統(tǒng)21也可以經(jīng)由通信適配器39連接到總線22。系統(tǒng)21類似于例2的光學(xué)部分。適配器39可以把計算機(jī)50連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)41，諸如局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)(LAN或WAN)或無線連接。從光學(xué)系統(tǒng)21到計算機(jī)系統(tǒng)50的輸入典型地是由光學(xué)系統(tǒng)獲取的圖像。計算機(jī)系統(tǒng)50發(fā)送命令到系統(tǒng)21以便引導(dǎo)來自光學(xué)系統(tǒng)的照射，并協(xié)調(diào)光學(xué)系統(tǒng)21與超聲生成器系統(tǒng)20。
系統(tǒng)20和/或21的參數(shù)控制單元37也可以經(jīng)由通信適配器38連接到計算機(jī)50，例如經(jīng)由諸如無線連接或LAN等等的連接。參數(shù)控制單元37可以接收來自按照本發(fā)明運(yùn)行計算機(jī)程序的計算機(jī)50的輸出值或表示或從這樣的輸出值得出的數(shù)值，并可以適配于響應(yīng)于接收到來自計算機(jī)50的輸出去改變系統(tǒng)20和/或系統(tǒng)21的參數(shù)。
計算機(jī)50還可包括位于機(jī)器可讀出的媒體內(nèi)的圖形用戶接口以引導(dǎo)計算機(jī)50的操作。任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)器可讀出的媒體可以支持圖形用戶接口，諸如隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)24、只讀存儲器(“ROM”)26、磁盤、磁帶、或光盤(后三項(xiàng)位于磁盤和磁帶驅(qū)動器23中)。任何適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)和相關(guān)的圖形用戶接口(例如，微軟視窗)可以指揮CPU15。另外，計算機(jī)50包括存在于計算機(jī)存儲器裝置52內(nèi)的控制程序51。控制程序51包含一些指令，當(dāng)它們在CPU上被執(zhí)行時，實(shí)施關(guān)于本發(fā)明的方法描述的操作。特別地，控制程序可包括用于根據(jù)系統(tǒng)20，21所接收的數(shù)據(jù)重建圖像的程序。本發(fā)明還包括用于重建圖像的軟件。按照本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)軟件在處理機(jī)上被執(zhí)行時，可實(shí)施迭代式的重建。它包括前向模型，這是對于一個給定的參數(shù)組計算測量的數(shù)據(jù)的方法。對于迭代式的重建，一個更新機(jī)制按照測量數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)之間的差值修改參數(shù)組。這種更新可以是一個背投影。
迭代式重建以交替的方式使用這兩個步驟，如在以下步驟中表示的1.首先，對對象的參數(shù)進(jìn)行初始化(通過先前的知識，或替換地僅僅通過均勻值)。
2.把前向模型應(yīng)用于參數(shù)，即，從這些參數(shù)計算數(shù)據(jù)。
3.使用計算數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)之間的差值來更新參數(shù)。
4.重復(fù)進(jìn)行步驟2和3，直至滿足預(yù)定的停止準(zhǔn)則為止。
有許多執(zhí)行重建的方式，所有的這些都屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如Arridge和Hebden，Phys Med Biol 1997，841-853；Arridge，InverseProblems(逆向問題)1999，R41-R93。為了減小圖像的模糊度，重建算法優(yōu)選地使用有關(guān)待檢查的組織的以前的知識。替換地，本發(fā)明使用本地化的光源或在對象內(nèi)例如在要測量的組織內(nèi)的光檢測器。它們是自由地放置在組織中任何位置上的，因此提供一個很好地提出的方法。
本發(fā)明提供諸如氣泡那樣的粒子體，通過外加的壓力有效地改變它們的熒光和/或光譜。氣泡被引入到待測試的對象，例如組織。然后，施加各種不同的聲壓場。本發(fā)明認(rèn)為壓力場可以具有非常不同的形狀。容易用于重建的一個形狀是聚焦的超聲焦點(diǎn)，它移動經(jīng)過待檢查的組織。這實(shí)際上是使用聚焦點(diǎn)進(jìn)行掃描，由此壓力波只是在成像過程中已知的調(diào)制，所以許多不同的方式是可能的。優(yōu)選的波的共同特性在于，如果選擇它們的某些疊加，則在許多位置上(按立體像素的號碼的次序)會生成如把超聲能量聚焦那樣的“焦點(diǎn)”。從不同的方向和具有不同的頻率的、類似于平面波的波前也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，它在最后圖像上的信噪比方面是有利的。
為了利用超聲信息，處理單元具有用于取得測量的光學(xué)數(shù)據(jù)和重建參數(shù)的軟件，并獲取有關(guān)生成的超聲波的信息。這意味著，加到重建算法的輸入是光學(xué)數(shù)據(jù)記錄和超聲生成數(shù)據(jù)這兩者。
優(yōu)選地，提供了控制光激勵和檢測以及超聲生成和檢測的軟件。
另一個優(yōu)選的接口在于，重建單元不單取得記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)，而且還使用記錄的超聲數(shù)據(jù)。超聲產(chǎn)生氣泡的振蕩，它將生成FRET效應(yīng)，但超聲同時優(yōu)選地被用來產(chǎn)生對象的常規(guī)的超聲圖像。這個信息可用來在重建算法中以有利方式重建圖像。在被用于重建算法的模型中，粒子體(例如氣泡)的熒光和(已知的)壓力波作為參數(shù)被添加上。重建算法提供粒子的濃度和組織的某些光學(xué)特性作為輸出。對于組織的本身的光學(xué)特性，該方法允許氣泡與組織的某些相互作用。
軟件算法優(yōu)選地在重建時消除一個未知的量，例如像氣泡濃度那樣的粒子體濃度。氣泡在超聲圖像中是相當(dāng)容易看到的，例如因?yàn)樗鼈兩煽杀粰z測的諧波，而諧波具有不同的頻率。然后這個已知的濃度被插入到重建算法中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會看到，圖3上表示的硬件可以隨特定的應(yīng)用而變化。例如，除了已描述的硬件以外，或?yàn)榱舜孢@些硬件，可以利用諸如光盤媒體、音頻適配器那樣的其它外圍設(shè)備，或在計算機(jī)硬件技術(shù)上熟知的、諸如PAL或EPROM編程設(shè)備那樣的芯片編程設(shè)備等等。
在圖3所示的例子中，計算機(jī)程序產(chǎn)品(即，控制程序51)可以處在計算機(jī)存儲裝置52中。然而，重要的是，雖然已經(jīng)這樣來描述和將繼續(xù)這樣描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會看到，本發(fā)明的機(jī)制能夠作為程序產(chǎn)品以各種不同的方式被分發(fā)，本發(fā)明同樣地適用而不管用來實(shí)際上執(zhí)行分發(fā)的信號承載媒體的具體的類型。計算機(jī)可讀信號承載媒體的例子包括可記錄的類型和機(jī)器可讀出的媒體，諸如軟盤、光學(xué)存儲裝置，諸如CDROM或DVDROM，計算機(jī)的硬盤，磁帶存儲裝置，計算機(jī)的存儲器，例如RAM或ROM，以及傳輸類型媒體，諸如數(shù)字和模擬通信鏈路。
用于完成體現(xiàn)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的目的的其它安排對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)看到，雖然這里對于按照本發(fā)明的設(shè)備討論了優(yōu)選實(shí)施例、特定的結(jié)構(gòu)和配置，但可以在形式和細(xì)節(jié)上作出各種改變或修改方案而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于組合的光學(xué)-超聲成像的設(shè)備，包括超聲源和用于檢測發(fā)射的熒光的檢測器，其特征在于，還包括用于根據(jù)檢測到的熒光生成圖像的重建單元。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括用于使超聲發(fā)射和/或熒光的檢測和/或圖像的生成同步的裝置。
3.按照權(quán)利要求1或2的設(shè)備，還包括在重建單元與用于檢測發(fā)射的熒光的檢測器之間的連接。
4.按照權(quán)利要求1到3的任一項(xiàng)的設(shè)備，還包括在重建單元與超聲源之間的連接。
5.按照權(quán)利要求1到4的任一項(xiàng)的設(shè)備，還包括光源。
6.按照權(quán)利要求1到5的任一項(xiàng)的設(shè)備，還包括用于記錄超聲的記錄器。
7.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，還包括一個控制單元，用于控制a)超聲的生成和/或超聲的記錄與b)光源的光發(fā)射和/或所記錄的光的檢測。
8.按照權(quán)利要求1到7的任一項(xiàng)的設(shè)備，其中光源發(fā)射連續(xù)波、調(diào)制波或脈沖波的光。
9.按照權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)的用于超聲成像的設(shè)備，其中超聲源具有用于聚焦超聲波束由此從具有至少一種熒光受主或一種熒光施主的粒子局部地調(diào)制光發(fā)射的裝置。
10.按照權(quán)利要求1到9的任一項(xiàng)的用于超聲成像的設(shè)備，其中超聲源具有生成聲波的脈沖的裝置。
11.按照權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)的用于超聲成像的設(shè)備，其中超聲源具有用于生成具有可變頻率和/或可變方向的擴(kuò)展的聲波的裝置。
12.在制造用于組合的光學(xué)-超聲成像的對照媒體時的一種包括熒光施主和熒光受主的粒子的使用。
13.按照權(quán)利要求12的使用，其中施主和受主是附著到所述粒子上的。
14.在施加超聲后使用含有熒光施主和熒光受主的粒子以用于熒光發(fā)射的調(diào)制。
15.按照權(quán)利要求14的使用，其中施主和受主兩者都存在于粒子上。
16.按照權(quán)利要求14或15的使用，其中熒光發(fā)射由FRET產(chǎn)生。
17.按照權(quán)利要求14或15的使用，其中能量轉(zhuǎn)移通過受激狀態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)生。
18.按照權(quán)利要求14到17的任一項(xiàng)的使用，還包括記錄在施加超聲后由粒子發(fā)射的熒光的改變。
19.一種組合的光學(xué)-超聲對照媒體，其特征在于，包括熒光施主和/或受主，其中所述施主和/或受主是附著在粒子上的。
20.一種制造用于超聲成像的粒子的方法，包括把所述粒子或用于所述粒子的化合物相繼地或同時地接觸熒光施主和/或受主，以及使熒光施主和/或受主分子與所述粒子或用于所述粒子的化合物起反應(yīng)。
21.一組用于組合的光學(xué)-超聲成像的部件，包括超聲源、用于記錄熒光的監(jiān)視器、和具有熒光受主和/或熒光施主的粒子。
22.一種包括以熒光受主和/或熒光施主的粒子為特征的藥物組分，所述粒子還包括藥物活性的化合物。
23.一種提供具有對照媒體的個人的身體部分的圖像的方法，該對照媒體包括含有熒光施主和/或熒光受主的粒子，-在身體部分上施加超聲，以及-記錄由對照媒體發(fā)射的熒光的調(diào)制。
24.一種基于計算機(jī)的用于執(zhí)行重建算法的設(shè)備，根據(jù)超聲源接收的數(shù)據(jù)和檢測到的從對照媒體發(fā)射的熒光來重建目標(biāo)的圖像，對照媒體包括含有熒光施主和/或熒光受主的粒子，用于根據(jù)檢測到的熒光來生成圖像的重建算法包括對照媒體的與壓力有關(guān)的熒光模型。
25.按照權(quán)利要求24的設(shè)備，還包括用于通過超聲成像來測量對照媒體的濃度的裝置。
26.按照權(quán)利要求24或25的設(shè)備，其中超聲源發(fā)射脈沖的聲波，并被聚焦成一條或多條線或一個或多個點(diǎn)。
27.一種基于計算機(jī)的方法，用于根據(jù)超聲源接收的數(shù)據(jù)和檢測到的從對照媒體發(fā)射的熒光執(zhí)行對象的圖像的重建算法，該對照媒體包括含有熒光施主和/或熒光受主的粒子，該方法包括根據(jù)檢測到的熒光利用對照媒體的與壓力有關(guān)的熒光模型來重建圖像。
28.按照權(quán)利要求27的方法，還包括通過超聲成像來測量對照媒體的濃度。
29.按照權(quán)利要求27或28的方法，其中超聲源發(fā)射聲波，該聲波是脈沖并被聚焦成一條或多條線或一個或多個點(diǎn)。
30.一種軟件產(chǎn)品，包括當(dāng)在處理機(jī)上執(zhí)行時用于執(zhí)行權(quán)利要求27到29中任一項(xiàng)方法的代碼。
31.一種機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)存儲裝置，存儲權(quán)利要求30的軟件產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于組合的光學(xué)超聲成像的新穎方法和化合物。本發(fā)明的化合物涉及包括用于經(jīng)由FRET進(jìn)行能量交換的熒光施主和受主分子的粒子。本發(fā)明的方法使用超聲來修改在粒子上存在的施主和受主分子之間的距離，從而修改由施主和受主發(fā)射的熒光。本發(fā)明的化合物和方法在醫(yī)療或診斷成像中是有用的。
文檔編號G01N33/542GK101019028SQ200580030568
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者T·奈爾森, S·韋斯, T·謝夫特, B·格萊克, P·哈克, U·范斯特芬達(dá)爾, P·梅熱克威茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司