專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在診斷或治療程序中提供實(shí)時(shí)解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供指導(dǎo)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
許多種形式的人癌癥可通過(guò)手術(shù)切除、化療和/或放射而治療。手術(shù)為廣泛范圍的腫瘤類(lèi)型提供了顯著的存活優(yōu)勢(shì)，并且治愈了患有實(shí)體瘤的所有病人的大約45%[1]。為了用手術(shù)成功地治療病人，外科醫(yī)生必須在手術(shù)時(shí)去除整個(gè)腫瘤，包括原發(fā)腫瘤、可能含有腫瘤細(xì)胞的引流淋巴結(jié)以及小的鄰近衛(wèi)星結(jié)節(jié)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明對(duì)于幾乎所有實(shí)體瘤而言完全切除是病人存活的單個(gè)最重要預(yù)測(cè)指標(biāo)[2]。在肺癌、乳腺癌、前列腺癌、結(jié)腸癌和胰腺癌中，完全切除與部分切除相比使存活期提高了 3-5倍[3-8]。計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(CT)、正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)(PET)和混合技術(shù)(例如CT/PET)的最新進(jìn)展已經(jīng)大大改進(jìn)了腫瘤檢測(cè)和手術(shù)計(jì)劃[9，10]，但這些形式?jīng)]有提供實(shí)時(shí)術(shù)中輔助。術(shù)中磁共振成像(MRI)可以輔助腫瘤的手術(shù)切除，但是它費(fèi)時(shí)并且明顯增加手術(shù)時(shí)長(zhǎng)、麻醉時(shí)間和財(cái)務(wù)成本[11]。術(shù)中超聲檢查也顯示出檢測(cè)乳腺癌的潛力，但是它對(duì)于小于5_的腫塊的檢測(cè)具有有限的敏感度。面臨這些困難，基于細(xì)胞成像、天然熒光和拉曼散射的光學(xué)技術(shù)已經(jīng)因腫瘤檢測(cè)和診斷而受到關(guān)注[13-17]。具體來(lái)說(shuō)，膠原蛋白、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、以及黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的自體熒光水平與頭頸部癌癥相關(guān)[17-19]。已經(jīng)通過(guò)激光拉曼光譜測(cè)量化學(xué)和生物化學(xué)變化用于乳腺癌的邊緣評(píng)估[15，20]和常規(guī)骨盆檢查期間宮頸非典型增生的非侵入性檢測(cè)[21]。在細(xì)胞生物化學(xué)方面小的變化可以轉(zhuǎn)化為可用熒光或拉曼散射測(cè)量的光譜差異。然而，腫瘤在它們的分子和細(xì)胞組成上是高度異質(zhì)的[22]，并且惡性和良性組織的在生物化學(xué)方面的差異易受病人生理和病理的天然變異的影響[23]。因此，自體熒光和本征拉曼測(cè)量常常導(dǎo)致對(duì)于良性組織的不可接受的假陽(yáng)性率、以及對(duì)于惡性組織的不可接受的假陰性率[24，25]。 由于組織散射和血液吸收，光學(xué)方法具有相對(duì)有限的穿透深度[26，27]。然而，對(duì)于術(shù)中應(yīng)用，通過(guò)手術(shù)暴露病變并且可以使它們與成像設(shè)備靠得很近，這樣它們變成光學(xué)照射和檢測(cè)可接近的。使用外源性造影劑的問(wèn)題在于它們經(jīng)常不能深入地穿透到實(shí)體瘤中，尤其當(dāng)使用大分子如單克隆抗體或納米粒子時(shí)更是如此[28-30]。另一方面，對(duì)于手術(shù)期間的腫瘤邊緣檢測(cè)，在腫瘤周邊檢測(cè)造影劑而不需要深入穿透。同樣地，對(duì)于小的和殘余的腫瘤的檢測(cè)而言不需要深入穿透，因?yàn)樾〉哪[瘤不具有高瘤內(nèi)壓或壞死/低氧核(necrotic/hypoxic core),即，限制成像和治療劑的腫瘤穿透的兩個(gè)因素[28-30]。對(duì)于診斷或治療程序期間提供解剖學(xué)指導(dǎo)和迅速的病理存在著需要，以例如通過(guò)驗(yàn)證所切除腫瘤組織的邊緣是否清晰來(lái)確定腫瘤是否已經(jīng)完全切除，而不需要等待病理來(lái)處理所切除組織以驗(yàn)證所述邊緣中是否沒(méi)有殘余的癌癥生長(zhǎng)跡象。因此，本領(lǐng)域中仍然存在尚未解決的需要來(lái)解決前述缺陷和不足。發(fā)明概述在一方面，本發(fā)明涉及用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括被配置為向活受試者的感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束的第一光源以及被配置為向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束的第二光源。所述系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針，該手持式探針包括被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域的光纖。光纖還被配置為收集響應(yīng)于第二光源的照射而從引入到感興趣區(qū)域中的靶組織中的造影劑散射的光或發(fā)射的光。在所述系統(tǒng)中還包括第一成像設(shè)備。第一成像設(shè)備光學(xué)耦合至手持式探針，并且被配置為檢測(cè)所收集的光和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。手持式探針進(jìn)一步配置為通過(guò)光纖向第一成像設(shè)備傳輸所收集的光。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二成像設(shè)備，所述第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光和產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。在所述系統(tǒng)中還包括第三成像設(shè)備，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，并且還被配置為產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。另外，該系統(tǒng)包括第四成像設(shè)備，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，并且還被配置為產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。在所述系統(tǒng)中進(jìn)一步包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示的顯示器。該系統(tǒng)還包括與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信的控制器。該控制器可以包括有效地引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)可編程處理器。在這個(gè)實(shí)施方案中，控制器被編程為用于由所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，以及將實(shí)時(shí)可視化表示顯示在顯示器上用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，造影劑分別包括拉曼探針和/或熒光探針，并且所收集的光數(shù)據(jù)分別包括拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)。在這個(gè)實(shí)施方案中，綜合可視化表示包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像、限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的并且由所產(chǎn)生的第一近紅外光數(shù)據(jù)集和所產(chǎn)生的第二近紅外光數(shù)據(jù)集的至少之一產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像、以及由拉曼數(shù)據(jù)產(chǎn)生的拉曼圖像和/或由熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的熒光圖像。拉曼圖像和/或熒光圖像是被限定在寬場(chǎng)圖像和激光激發(fā)圖像之內(nèi)，正如在激光激發(fā)圖像上的覆蓋圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一成像設(shè)備包括光譜儀，并且第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備各自包括CXD攝像機(jī)。在另一方面，本發(fā)明涉及使用綜合的明場(chǎng)成像、近紅外成像、以及拉曼成像和/或熒光成像用于術(shù)中評(píng)價(jià)活受試者的感興趣區(qū)域中的靶組織的成像系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括向感興趣區(qū)域遞送可見(jiàn)光光束的第一光源以及向感興趣區(qū)域遞送近紅外光光束的第二光源。該系統(tǒng)還包括拉曼和/或熒光成像裝置，所述裝置包括光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針，所述手持式探針用于遞送近紅外光以照射感興趣區(qū)域的靶組織，并且用于收集來(lái)自引入到靶組織中并被第二光源照射的相應(yīng)拉曼探針和/或熒光探針的散射光和/或發(fā)射光。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括與手持式探針通信、用于從所收集的光獲取拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)的第一成像設(shè)備。在這個(gè)實(shí)施方案中，第一成像設(shè)備包括光譜儀。一個(gè)明場(chǎng)成像裝置也包括在根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)中。該明場(chǎng)成像裝置包括光學(xué)端口 ；系統(tǒng)透鏡，包括UV-NIR緊湊型透鏡和第一消色差校正透鏡；銀鏡；第一分色鏡和第二分色鏡；第一短通濾光片和第二短通濾光片；中性密度濾光片；帶通濾光片；長(zhǎng)通濾光片；第二消色差透鏡、第三消色差透鏡和第四消色差透鏡；第二成像設(shè)備，該第二成像設(shè)備用于從響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光獲取可見(jiàn)光數(shù)據(jù)；第三成像設(shè)備，該第三成像設(shè)備用于從響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的光獲取第一近紅外數(shù)據(jù)集；和第四成像設(shè)備，該第四成像設(shè)備用于從具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)并且響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射光獲取第二近紅外數(shù)據(jù)集。第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備各自包括CCD攝像機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該光學(xué)端口和第一成像設(shè)備限定了介于其間的第一光路，該第一光路包括銀鏡、第一分色鏡、第二分色鏡和第二消色差透鏡，其中該光學(xué)端口和第二成像設(shè)備限定了介于其間的第二光路，該第二光路包括銀鏡、第一分色鏡、第二分色鏡、中性密度濾光片和第三消色差透鏡。光學(xué)端口和第三成像設(shè)備限定了介于其間的第三光路，所述第三光路包括銀鏡、第一分色鏡、長(zhǎng)通濾光片、帶通濾光片和第四消色差透鏡。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)還包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示的顯示器，以及與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信的控制器。該控制器可以包括可操作的引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)可編、程處理器。在這個(gè)實(shí)施方案中，該控制器被編程為用于由所收集的光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)產(chǎn)生感興趣區(qū)域的綜合可視化表示，并且將綜合可視化表示顯示在顯示器上從而為執(zhí)行診斷或治療程序提供指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，感興趣區(qū)域的實(shí)時(shí)綜合可視化表示包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像、限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的由第一近紅外數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的預(yù)定區(qū)域的激光激發(fā)圖像、以及限定在激光激發(fā)圖像之內(nèi)的并且由相應(yīng)的拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的拉曼圖像和/或熒光圖像。拉曼圖像和/或熒光圖像是在激光激發(fā)圖像上的覆蓋圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，感興趣區(qū)域的綜合可視化 表示包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像、限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的由第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集的至少之一產(chǎn)生的預(yù)定區(qū)域的激光激發(fā)圖像、以及由相應(yīng)的拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一產(chǎn)生的拉曼圖像和熒光圖像的至少之一。激光激發(fā)圖像是在寬場(chǎng)圖像上的覆蓋圖像并且代表所遞送的近紅外光光束在感興趣區(qū)域之內(nèi)的位置。拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)由當(dāng)超出預(yù)定義閾值水平時(shí)預(yù)示靶組織中的疾病的信號(hào)表示。此外，拉曼圖像和/或熒光圖像是在激光激發(fā)圖像上的彩色覆蓋圖像，該彩色覆蓋圖像具有代表超出預(yù)定義閾值水平的信號(hào)水平的不透明度，并且該彩色覆蓋圖像的不透明度隨著時(shí)間的過(guò)去而衰減，從而相對(duì)于該激光激發(fā)圖像是逐漸更加半透明的。在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括將至少一種造影劑引入到活受試者的感興趣區(qū)域中的靶組織中的步驟，以及使用第一光源向感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束的步驟。該方法還包括使用第二光源向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束的步驟，以及使用光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針的光纖遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域的步驟。另外，該方法包括使用手持式探針的光纖收集響應(yīng)于第二光源的照射而從造影劑散射和/或發(fā)射的光的步驟。該造影劑包括拉曼探針和/或熒光探針。此外，該方法包括使用光學(xué)耦合至光纖的第一成像設(shè)備檢測(cè)所收集的光并且產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)的步驟。光纖進(jìn)一步被配置為遞送所收集的光至第一成像設(shè)備。該方法還包括使用第二成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光并且產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)的步驟，以及使用第三成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光并且產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)的步驟。更進(jìn)一步地，該方法包括使用第四成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光并且產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)的步驟，以及使用與第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備的每一者通信的控制器，從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示的步驟?？刂破骺梢园刹僮鞯囊鹩?jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)該方法的操作步驟的一個(gè)或多個(gè)可編程處理器。在這個(gè)實(shí)施方案中，該方法還包括使用與控制器通信的顯示器顯示由該控制器產(chǎn)生的實(shí)時(shí)綜合可視化表示用于在手術(shù)程序期間的指導(dǎo)的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生感興趣區(qū)域的實(shí)時(shí)綜合可視化表示的步驟包括以下步驟從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像，從第一近紅外光數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外光數(shù)據(jù)集產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的感興趣區(qū)域的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像，以及從所收集的光數(shù)據(jù)產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像和激光激發(fā)圖像之內(nèi)的拉曼圖像和/或熒光圖像。該拉曼圖像和/或熒光圖像是在激光激發(fā)圖像上的覆蓋圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一成像設(shè)備包括光譜儀，并且第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備各自包括CXD攝像機(jī)。在又另一方面，本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，這些指令由控制器執(zhí)行，引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能。在一個(gè)實(shí)施方案中，該控制器被編程為用于引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行用于術(shù)中提供在診斷或治療程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的功能。該控制器可以包括一個(gè)或多個(gè)可編程處理器。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些功能包括引起與控制器通信的第一光源向活受試者的感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束，引起光學(xué)耦合至光纖并且與控制器通信的第二光源通過(guò)光纖向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束，以及引起手持式探針的光纖收集響應(yīng)于第二光源的照射而從拉曼探針散射的光和/或從熒光探針發(fā)射的光。該拉曼探針和/或熒光探針被引入到感興趣區(qū)域中的靶組織中。這些功能還包括引起與控制器和光纖通信的第一成像設(shè)備檢測(cè)所收集的光，以及引起該第一成像設(shè)備從所收集的光產(chǎn)生包括拉曼數(shù) 據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)的信號(hào)。此外，這些功能包括引起與控制器通信的第二成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光，引起第二成像設(shè)備產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)，引起與控制器通信的第三成像設(shè)備檢測(cè)從響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，以及引起第三成像設(shè)備產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相
應(yīng)信號(hào)。另外，這些功能包括使與控制器通信的第四成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，以及使第四成像設(shè)備產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。此外，這些功能包括從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集、第二近紅外數(shù)據(jù)集以及從拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，以及引起與控制器通信的顯示器顯示所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)綜合可視化表示用于在手術(shù)程序期間的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生感興趣區(qū)域的實(shí)時(shí)綜合可視化表示的功能包括以下步驟從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像，從第一近紅外光數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外光數(shù)據(jù)集產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的感興趣區(qū)域的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像，以及從拉曼數(shù)據(jù)產(chǎn)生拉曼圖像和/或從熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生熒光圖像，其限定在寬場(chǎng)圖像和激光激發(fā)圖像之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該拉曼圖像和/或熒光圖像是在激光激發(fā)圖像上的覆蓋圖像。該第一成像設(shè)備包括光譜儀，并且第該二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備各自包括CXD攝像機(jī)。在又另一方面，本發(fā)明涉及術(shù)中鑒定有待在診斷或治療程序中切除的活受試者感興趣區(qū)域中的靶組織中的疾病的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括將拉曼探針和/或熒光探針引入到感興趣區(qū)域中直至所述探針已經(jīng)累積在靶組織中的步驟，為活受試者和手術(shù)程序的感興趣區(qū)域作準(zhǔn)備的步驟，以及針對(duì)綜合的明場(chǎng)成像、近紅外成像、以及拉曼成像和/或熒光成像對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行初始化的步驟。該方法還包括開(kāi)始在感興趣區(qū)域中診斷或治療程序的步驟，使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域和靶組織的第一實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定患病靶組織的邊界的步驟，以及執(zhí)行所鑒定的在該邊界之內(nèi)的患病靶組織的手術(shù)切除的步驟。此外，所述方法包括以下步驟在手術(shù)切除之后使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域和靶組織的第二顯示的實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定邊界之內(nèi)的任何殘余患病靶組織，以及如果鑒定到任何殘余患病靶組織，則對(duì)所鑒定的相應(yīng)于由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)系列實(shí)時(shí)綜合可視化表示的殘余患病靶組織執(zhí)行一系列進(jìn)一步手術(shù)切除，直至感興趣區(qū)域不含患病靶組織。在一個(gè)實(shí)施方案中，該成像系統(tǒng)包括被配置為向活受試者的感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束的第一光源以及被配置為向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束的第二光源。該系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針，所述手持式探針包括光纖，所述光纖被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束從而照射感興趣區(qū)域，并且還被配置為收集響應(yīng)于第二光源的照射而從引入到感興趣區(qū)域中的靶組織中的造影劑散射的光或發(fā)射的光。在所述系統(tǒng)中還包括第一成像設(shè)備。第一成像設(shè)備光學(xué)耦合至手持式探針，并且被配置為檢測(cè)所收集的光和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。該手持式探針進(jìn)一步被配置為通過(guò)光纖向第一成像設(shè) 備傳輸所收集的光。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二成像設(shè)備，所述第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光和產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。在所述系統(tǒng)中還包括第三成像設(shè)備，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，并且還被配置為產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。另外，所述系統(tǒng)包括第四成像設(shè)備，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光。第四成像設(shè)備還被配置為產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。在該系統(tǒng)中進(jìn)一步包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表不的顯不器。該系統(tǒng)還包括與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信的控制器。該控制器可以包括被編程為用于引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)處理器。該控制器被編程為用于從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，以及將所述至少一種實(shí)時(shí)可視化表示顯示在顯示器上用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。在所述方法的一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)顯示的可視化表示鑒定患病靶組織的步驟中的每一步均包括鑒定顯示在可視化表示的選擇區(qū)域中的所發(fā)射的激光激發(fā)光的可視化表示和所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表示。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑒定患病靶組織的邊界的步驟和鑒定邊界之內(nèi)的任何殘余患病靶組織的步驟包括鑒定顯示在綜合可視化表示的選擇區(qū)域中的第一近紅外光數(shù)據(jù)集、第二近紅外光數(shù)據(jù)集和所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表示。第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集的可視化表示是激光激發(fā)圖像，所述激光激發(fā)圖像代表所遞送的近紅外光光束在感興趣區(qū)域內(nèi)的位置，并且被顯示為在寬場(chǎng)圖像上的彩色覆蓋圖像。當(dāng)由第一成像設(shè)備產(chǎn)生的代表所收集的光數(shù)據(jù)的信號(hào)超出預(yù)定閾值水平時(shí)，預(yù)示靶組織中的疾病。所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表示是在激光激發(fā)圖像上的彩色覆蓋圖像，所述彩色覆蓋圖像具有代表超出預(yù)定義閾值水平的信號(hào)水平的不透明度。代表所收集的光數(shù)據(jù)的彩色覆蓋圖像的不透明度隨著時(shí)間的過(guò)去而衰減，從而相對(duì)于該激光激發(fā)圖像是逐漸更加半透明的。根據(jù)以下結(jié)合下列附圖提供的優(yōu)選實(shí)施方案的描述，本發(fā)明的這些和其他方面將變得明顯，雖然在不背離本披露的新穎構(gòu)思的精神和范圍的情況下可以其中作出變化和修改。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明提交的本專(zhuān)利或申請(qǐng)含有至少一張彩色圖片。在請(qǐng)求并支付必要的費(fèi)用后，官方將會(huì)提供帶有彩色附圖的本專(zhuān)利或?qū)＠暾?qǐng)公布的副本。附圖展示了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，并且與書(shū)面描述一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。在任何可能的地方，在貫穿這些附圖中使用的相同的參考號(hào)是指實(shí)施方案的相同或相似元件，并且其中 圖IA示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于術(shù)中提供在診斷或治療程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)；圖IB示意性地顯示了根據(jù)圖IA中所示的實(shí)施方案的系統(tǒng)的另一個(gè)視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的，使用根據(jù)圖IA和IB中所示的實(shí)施方案的系統(tǒng)術(shù)中提供在診斷或治療程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的方法的操作步驟的流程圖；圖3示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的操作中的手持光譜筆設(shè)備的光束路徑；圖4示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于波長(zhǎng)分辨的熒光和拉曼光譜測(cè)量的系統(tǒng)；圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品(聚苯乙烯)獲得的拉曼光譜；圖6A展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的針對(duì)不同濃度的造影劑獲得的熒光光譜；圖6B展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的針對(duì)不同濃度的造影劑獲得的拉曼光譜；圖7A展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的在本底信號(hào)扣除之前(上圖)和在本底信號(hào)扣除之后(下圖)獲得的熒光光譜；圖7B展示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的在本底信號(hào)扣除前(上圖)和在本底信號(hào)扣除后(下圖)獲得的拉曼光譜；圖8示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于執(zhí)行近紅外熒光和SERS造影劑的組織穿透深度研究的系統(tǒng)；圖9A展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的ICG信號(hào)作為造影劑在新鮮脂肪、肝臟和肺組織中的置入深度的函數(shù)；圖9B展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的SERS信號(hào)作為造影劑在新鮮脂肪、肝臟和肺組織中的置入深度的函數(shù)；圖IOA顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的鑒定原發(fā)腫瘤和兩個(gè)衛(wèi)星結(jié)節(jié)(虛線圓圈)的解剖學(xué)位置的明場(chǎng)圖像；圖IOB顯示了小鼠的生物發(fā)光圖像，鑒定了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的原發(fā)和衛(wèi)星腫瘤(紅色信號(hào));

圖11展示了在圖IOA和IOB中所鑒定的不同位置處檢測(cè)到的ICG信號(hào)強(qiáng)度；圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案通過(guò)檢測(cè)陽(yáng)性和陰性腫瘤邊緣獲得的鑒定切除腫瘤(黃色虛線)和手術(shù)腔(藍(lán)綠色線)的明場(chǎng)圖像，其中沿著該腔邊緣存在具有殘余腫瘤的區(qū)域，如通過(guò)其信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)到的；圖12B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案鑒定切除腫瘤(黃色虛線)和手術(shù)腔(藍(lán)綠色虛線)的生物發(fā)光圖像，其中在切除的腫瘤內(nèi)獲得的光譜用紅色表示，在手術(shù)腔中的光譜用藍(lán)綠色表示，而在手術(shù)腔邊緣上的光譜用白色箭頭表示；以及 圖13顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的來(lái)自腫瘤以及陽(yáng)性和陰性邊緣的平均光譜。定義在本發(fā)明的背景下以及在使用每個(gè)術(shù)語(yǔ)的具體上下文中，本說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)通常具有它們?cè)诒绢I(lǐng)域中的普通含義。 下面或在本說(shuō)明書(shū)的其他部分討論了用于描述本發(fā)明的某些術(shù)語(yǔ)，從而在描述本發(fā)明的裝置和方法以及如何制造和使用本發(fā)明的裝置和方法中為從業(yè)者提供另外的指導(dǎo)。為了方便起見(jiàn)，某些術(shù)語(yǔ)可以例如使用斜體和/或引號(hào)來(lái)突出顯示。突出顯示的使用對(duì)于術(shù)語(yǔ)的范圍和含義沒(méi)有影響；在相同的背景下術(shù)語(yǔ)的范圍和含義是相同的，不論它是否被突出顯示。應(yīng)當(dāng)理解的是，同一事物可以用一種以上的方式描述。因此，對(duì)于在此所討論的術(shù)語(yǔ)中的任何一個(gè)或多個(gè)術(shù)語(yǔ)可以使用替代語(yǔ)言和同義詞，不管術(shù)語(yǔ)是否在此詳細(xì)說(shuō)明或討論，都不會(huì)對(duì)術(shù)語(yǔ)加以任何特殊的意義。提供了某些術(shù)語(yǔ)的同義詞。對(duì)于一個(gè)或多個(gè)同義詞的詳述并不排斥其他同義詞的使用。包括在此所討論的任何術(shù)語(yǔ)的實(shí)例在內(nèi)的本說(shuō)明書(shū)的任何部分的實(shí)例的使用僅為說(shuō)明性的，而絕非限制本發(fā)明或任何示例術(shù)語(yǔ)的范圍和含義。同樣地，本發(fā)明不局限于在本說(shuō)明書(shū)中給出的不同實(shí)施方案。此外，小標(biāo)題可以用來(lái)幫助本說(shuō)明書(shū)的讀者通讀本說(shuō)明書(shū)，然而，小標(biāo)題的使用對(duì)本發(fā)明的范圍沒(méi)有影響。發(fā)明概述本發(fā)明更具體地描述在以下實(shí)例中，這些實(shí)例僅用作是說(shuō)明性的，因?yàn)樵S多修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的?，F(xiàn)在詳細(xì)地描述本發(fā)明的不同實(shí)施方案。參照附圖，貫穿這些視圖中的相同的標(biāo)識(shí)符表示相同的部件。如貫穿在在此的說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)中所使用的“一個(gè)(種)”和“該”的含義包括復(fù)數(shù)指代，除非上下文另外明確指明。同樣，如貫穿在在此的說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)中所使用的“在……中”的含義包括“在……中”和“在……上”的含義，除非上下文另外明確指明。將結(jié)合附圖，即圖I至圖13對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作出說(shuō)明?，F(xiàn)參考圖IA和圖1B，在一方面，本發(fā)明涉及用于術(shù)中提供在手術(shù)程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括被配置為向活受試者的感興趣區(qū)域134發(fā)射可見(jiàn)光光束的第一光源100，以及被配置為向感興趣區(qū)域134發(fā)射近紅外光光束的第二光源102a。所述系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合至第二光源102a的手持式探針104，所述手持式探針包括被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束從而照射感興趣區(qū)域134的光纖106。光纖106還被配置為收集響應(yīng)于第二光源102a的照射而從引入到感興趣區(qū)域134中的靶組織中的造影劑132a/132b散射的光140a和/或發(fā)射的光140b。在所述系統(tǒng)中還包括第一成像設(shè)備102b。第一成像設(shè)備102b光學(xué)耦合至手持式探針104，并且被配置為檢測(cè)所收集的光140a/140b和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。手持式探針104進(jìn)一步被配置為通過(guò)光纖106向第一成像設(shè)備102b傳輸所收集的光140a/140b。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二成像設(shè)備126，所述第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源100的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的可見(jiàn)光138和產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。在所述系統(tǒng)中還包括第三成像設(shè)備122a，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142a，并且還被配置為產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。另外，該系統(tǒng)包括第四成像設(shè)備122b，該第四成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142b。第四成像設(shè)備122b還被配置為產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。在所述系統(tǒng)中進(jìn)一步包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示的顯示器144。同樣，該系統(tǒng)包括與第一光源100、第二光源102a、第一成像設(shè)備102b、第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a、第四成像設(shè)備122b和顯示器144中的每一者通信的控制器130?？刂破?30可以包括是可操作的引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)可編程處理器?？刂破?30被編程為用于由所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興 趣區(qū)域134的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表不146,以及將實(shí)時(shí)可視化表不顯不在顯不器144上用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，造影劑132a/132b分別包括拉曼探針132a和/或熒光探針132b，并且所收集的光數(shù)據(jù)分別包括拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)。在這個(gè)實(shí)施方案中，綜合可視化表示146包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域134的寬場(chǎng)圖像146d，以及限定在寬場(chǎng)圖像146d之內(nèi)的感興趣區(qū)域134的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像146a。由所產(chǎn)生的第一近紅外光數(shù)據(jù)集和所產(chǎn)生的第二近紅外光數(shù)據(jù)集的至少之一產(chǎn)生的激光激發(fā)圖像146a，以及由拉曼數(shù)據(jù)產(chǎn)生的拉曼圖像146b和/或由熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的熒光圖像146c。拉曼圖像146b和/或熒光圖像146c被限定在寬場(chǎng)圖像146d和激光激發(fā)圖像146a之內(nèi)，正如在激光激發(fā)圖像146a上的覆蓋圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中,第一成像設(shè)備102b包括光譜儀,并且第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a和第四成像設(shè)備122b各自包括CXD攝像機(jī)。在另一方面，本發(fā)明涉及使用綜合的明場(chǎng)成像、近紅外成像、以及拉曼成像和/或熒光成像用于在術(shù)中評(píng)價(jià)活受試者的感興趣區(qū)域134中的靶組織的成像系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括向感興趣區(qū)域134遞送可見(jiàn)光光束的第一光源100以及向感興趣區(qū)域134遞送近紅外光光束的第二光源102a。該系統(tǒng)還包括拉曼成像裝置和/或熒光成像裝置，該裝置包括光學(xué)耦合至第二光源102a的手持式探針104，該手持式探針用于遞送近紅外光以照射感興趣區(qū)域134的靶組織，并且用于收集從引入到靶組織中并被第二光源102a照射的相應(yīng)拉曼探針132a和/或熒光探針132b散射的光140a和/或發(fā)射的光140b。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括與手持式探針104通信、用于從所收集的光140a/140b獲取拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)的第一成像設(shè)備102b。在這個(gè)實(shí)施方案中,第一成像設(shè)備102b包括光譜儀。一個(gè)明場(chǎng)成像裝置也包括在根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)中。該明場(chǎng)成像裝置包括光學(xué)端口 150 ;系統(tǒng)透鏡108/110a，其包括UV-NIR緊湊型透鏡108和第一消色差校正透鏡IlOa ;銀鏡112 ;第一分色鏡114a和第二分色鏡116a ;第一短通濾光片114b和第二短通濾光片116b ;中性密度濾光片124 ;帶通濾光片120 ;長(zhǎng)通濾光片118 ;第二消色差透鏡110b、第三消色差透鏡IlOc和第四消色差透鏡IlOc ;第二成像設(shè)備126，該第二成像設(shè)備用于從響應(yīng)于第一光源100的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的可見(jiàn)光138獲取可見(jiàn)光數(shù)據(jù)；第三成像設(shè)備122a，該第三成像設(shè)備用于從響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的光142a獲取第一近紅外數(shù)據(jù)集；和第四成像設(shè)備122b，該第四成像設(shè)備用于從響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的光142b獲取第二近紅外數(shù)據(jù)集。第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a和第四成像設(shè)備122b各自包括CXD攝像機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)端口 150和第一成像設(shè)備102b限定了介于其間的第一光路，所述第一光路包括銀鏡112、第一分色鏡114a、第二分色鏡116a和第二消色差透鏡110b。光學(xué)端口 150和第二成像設(shè)備126限定了介于其間的第二光路，所述第二光路包括銀鏡112、第一分色鏡114a、第二分色鏡116a、中性密度濾光片124和第三消色差透鏡110c。光學(xué)端口 150和第三成像設(shè)備122a限定了介于其間的第三光路，所述第三光路包括銀鏡112、第一分色鏡114a、長(zhǎng)通濾光片118、帶通濾光片120和第四消色差透鏡110c。根據(jù)這 個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)還包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示146的顯示器144，以及與第一光源100、第二光源102a、第一成像設(shè)備102b、第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a、第四成像設(shè)備122b和顯示器144中的每一者通信的控制器130?？刂破骺梢园刹僮鞯囊鹩?jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)處理器?？刂破?30被編程為用于由所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的綜合可視化表示146?？刂破?30還被編程為用于將綜合可視化表示146顯示在顯示器144上，從而為執(zhí)行手術(shù)程序提供指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，感興趣區(qū)域134的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域134的寬場(chǎng)圖像146d、限定在寬場(chǎng)圖像146d之內(nèi)的并且由第一近紅外數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的預(yù)定區(qū)域的激光激發(fā)圖像146a，以及限定在激光激發(fā)圖像146a之內(nèi)的并且由相應(yīng)的拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的拉曼圖像146b和/或熒光圖像146c。拉曼圖像146b和/或熒光圖像146c是在激光激發(fā)圖像146a上的覆蓋圖像。在又另一方面，本發(fā)明涉及用于術(shù)中提供在外科程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括將至少一種造影劑132a/132b引入到活受試者的感興趣區(qū)域134中的靶組織中的步驟，以及使用第一光源100向感興趣區(qū)域134發(fā)射可見(jiàn)光光束的步驟。該方法還包括使用第二光源102a向感興趣區(qū)域134發(fā)射近紅外光光束的步驟，以及使用光學(xué)耦合至第二光源102a的手持式探針104的光纖106遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域134的步驟。另外，該方法包括使用手持式探針104的光纖106收集響應(yīng)于第二光源102a的照射而從造影劑132a/132b散射的光140a和/或發(fā)射的光140b的步驟。造影劑132a/132b包括拉曼探針132a和/或熒光探針132b。此外，該方法包括使用光學(xué)耦合至光纖106的第一成像設(shè)備102b檢測(cè)所收集的光140a/140b并且產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)的步驟。光纖106進(jìn)一步被配置為遞送所收集的光140a/140b至第一成像設(shè)備102b。該方法還包括使用第二成像設(shè)備126檢測(cè)響應(yīng)于第一光源100的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的可見(jiàn)光138并且產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)的步驟。此外，該方法包括使用第三成像設(shè)備122a檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142a并且產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)的步驟。更進(jìn)一步地，該方法包括使用第四成像設(shè)備122b檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142b并且產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)的步驟。另外，該方法包括使用與第一成像設(shè)備102b、第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a和第四成像設(shè)備122b中的每一者通信的控制器130，從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示146的步驟。該方法進(jìn)一步包括使用與控制器130通信的顯示器144顯示由控制器130產(chǎn)生的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146用于在手術(shù)程序期間的指導(dǎo)的步驟?？刂破?30可以包括可操作的引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)處理器。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146的步驟包括 以下步驟從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的寬場(chǎng)圖像146d，從第一近紅外光數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外光數(shù)據(jù)集產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像146d之內(nèi)的感興趣區(qū)域134的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像146a，以及從所收集的光數(shù)據(jù)產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像146d和激光激發(fā)圖像146a之內(nèi)的拉曼圖像140a和/或熒光圖像140b。拉曼圖像140a和/或熒光圖像140b是在激光激發(fā)圖像146a上的覆蓋圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一成像設(shè)備102b包括光譜儀,并且第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a和第四成像設(shè)備122b各自包括CXD攝像機(jī)。在又另一方面，本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，當(dāng)被被控制器130執(zhí)行這些指令時(shí)，引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行術(shù)中提供在手術(shù)程序中的解剖學(xué)指導(dǎo)的功能。該控制器可以包括一個(gè)或多個(gè)可編程處理器。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些功能包括引起與控制器130通信的第一光源100向活受試者的感興趣區(qū)域134發(fā)射可見(jiàn)光光束，引起光學(xué)耦合至光纖106并且與控制器130通信的第二光源102a通過(guò)光纖106向感興趣區(qū)域134發(fā)射近紅外光光束，以及引起手持式探針104的光纖106收集響應(yīng)于第二光源102a的照射而從拉曼探針散射的光140a和/或從熒光探針發(fā)射的光140b。拉曼探針132a和/或熒光探針132b被引入到感興趣區(qū)域134中的靶組織中。這些功能還包括引起與控制器130和光纖106通信的第一成像設(shè)備102b檢測(cè)所收集的光140a/140b，以及引起第一成像設(shè)備102b從所收集的光140a/140b產(chǎn)生包括拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)的信號(hào)。此外，這些功能包括引起與控制器130通信的第二成像設(shè)備126檢測(cè)響應(yīng)于第一光源100的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的可見(jiàn)光138，引起第二成像設(shè)備126產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)，引起與控制器130通信的第三成像設(shè)備122a檢測(cè)從響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142a，以及引起第三成像設(shè)備122a產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。另外，這些功能包括引起與控制器130通信的第四成像設(shè)備122b檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142b，以及引起第四成像設(shè)備122b產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。同樣，這些功能包括從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集、第二近紅外數(shù)據(jù)集以及從拉曼數(shù)據(jù)和/或熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示146，以及引起與控制器130通信的顯示器144顯示144所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146用于在手術(shù)程序期間的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146的功能包括以下步驟從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的寬場(chǎng)圖像146d，從第一近紅外光數(shù)據(jù)集和/或第二近紅外光數(shù)據(jù)集產(chǎn)生限定在寬場(chǎng)圖像146d之內(nèi)的感興趣區(qū)域134的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像146a，以及從拉曼數(shù)據(jù)產(chǎn)生拉曼圖像146b和/或從熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生熒光圖像146c，其被限定在寬場(chǎng)圖像146d和激光激發(fā)圖像146a之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，拉曼圖像146b和/或熒光圖像146c是在激光激發(fā)圖像146a上的覆蓋圖像。第一成像設(shè)備102b包括光譜儀，并且第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a和第四成像設(shè)備122b各自包括CXD攝像機(jī)?，F(xiàn)在參考圖2，在又一方面，本發(fā)明涉及術(shù)中鑒定有待在手術(shù)程序中切除的活受試者感興趣區(qū)域134中的靶組織中的疾病的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括將拉曼探針和/或熒光探針引入到感興趣區(qū)域134中直至探針已經(jīng)累積在靶組織中的步驟201和 203，為活受試者和手術(shù)程序的感興趣區(qū)域134作準(zhǔn)備的步驟205，以及針對(duì)綜合明場(chǎng)成像、近紅外成像，以及拉曼成像和/或熒光成像對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行初始化的步驟207。該方法還包括開(kāi)始在感興趣區(qū)域134中的手術(shù)程序的步驟209，使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域134和靶組織的第一實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定患病靶組織的邊界的步驟211，以及執(zhí)行所鑒定的邊界內(nèi)的患病靶組織的手術(shù)切除的步驟213。進(jìn)一步地，該方法包括在手術(shù)切除之后使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域134和靶組織的第二顯示的實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定邊界之內(nèi)的任何殘余患病靶組織的步驟215，以及如果鑒定到任何殘余的患病靶組織，則對(duì)所鑒定的相應(yīng)于由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)系列實(shí)時(shí)綜合可視化表示的殘余患病靶組織執(zhí)行一系列進(jìn)一步手術(shù)切除直至感興趣區(qū)域134不含患病靶組織的步驟219。在一個(gè)實(shí)施方案中，該成像系統(tǒng)包括被配置為向活受試者的感興趣區(qū)域134發(fā)射可見(jiàn)光光束的第一光源100以及被配置為向感興趣區(qū)域134發(fā)射近紅外光光束的第二光源102a。該系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合至第二光源102a的手持式探針104，該手持式探針包括光纖106，該光纖被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域134。光纖106還被配置為收集響應(yīng)于第二光源102a的照射而從引入到感興趣區(qū)域134中的靶組織中的造影劑132a/132b散射的光140a或發(fā)射的光140b。在該系統(tǒng)中還包括第一成像設(shè)備102b。第一成像設(shè)備102b光學(xué)耦合至手持式探針104并且被配置為檢測(cè)所收集的光140a/140b和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。手持式探針104進(jìn)一步被配置為通過(guò)光纖106向第一成像設(shè)備102b傳輸所收集的光140a/140b。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二成像設(shè)備126，該第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源100的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的可見(jiàn)光138并且產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)。在該系統(tǒng)中還包括第三成像設(shè)備122a，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142a，并且還被配置為產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。另外，該系統(tǒng)包括第四成像設(shè)備122b，其被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源102a的照射而從感興趣區(qū)域134發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光142b。第四成像設(shè)備122b還被配置為產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)。在該系統(tǒng)中進(jìn)一步包括用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示146的顯示器144。同樣，該系統(tǒng)包括與第一光源100、第二光源102a、第一成像設(shè)備102b、第二成像設(shè)備126、第三成像設(shè)備122a、第四成像設(shè)備122b和顯示器144中的每一者通信的控制器130。該控制器可以包括可操作的引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行特殊功能的一個(gè)或多個(gè)處理器。控制器130被編程為用于從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興趣區(qū)域134的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示146，以及將所述實(shí)時(shí)可視化表示146顯示在顯示器144上用于在手術(shù)程序期間的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)顯示的實(shí)時(shí)綜合可視化表示146鑒定患病靶組織的步驟中的每一步均包括鑒定顯示在綜合可視化表示146的選擇區(qū)域中的所發(fā)射的激光激發(fā)光142a/142b的可視化表不146a和所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表不146b/146c。本發(fā)明的實(shí)施和實(shí)例不旨在限制本發(fā)明的范圍，下面給出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的示例性系統(tǒng)和方法以及其相關(guān)結(jié)果。應(yīng)注意的是，為了方便讀者，在實(shí)例中可以使用標(biāo)題和小標(biāo)題，但這絕非限制本發(fā)明的范圍。而且，在此提出和披露了某些理論；然而，無(wú)論這些理論正確與否，它們絕不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明的范圍，只要根據(jù)本發(fā)明而不需要遵照任何特定理論或行動(dòng)方案來(lái)實(shí)施本發(fā)明。實(shí)例I本實(shí)例涉及用于體內(nèi)和術(shù)中癌癥檢測(cè)的、利用外源造影劑的手持光譜筆設(shè)備。手持光譜筆設(shè)備和近紅外造影劑是基于波長(zhǎng)分辨的熒光測(cè)量和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)信號(hào)而用于惡性腫瘤的術(shù)中檢測(cè)。手持光譜筆設(shè)備利用耦合至用于光激發(fā)和收集的緊湊型頭部單元的近紅外二極管激光器(在785nm處發(fā)射)。這種筆形設(shè)備從光纖中去除二氧化硅拉曼峰并減弱反射的激發(fā)光，從而允許熒光和拉曼信號(hào)兩者的敏感分析。已經(jīng)通過(guò)使用熒光造影劑(吲哚菁綠或ICG)以及SERS造影劑(聚乙二醇化膠體金)評(píng)價(jià)了這種設(shè)備的整體性能。在體外條件下，檢測(cè)限對(duì)于吲哚菁染料為約2-5X10_nM，而對(duì)于SERS造影劑為0. 5_1X10_13M。當(dāng)造影劑掩埋在新鮮動(dòng)物組織中5-10mm深時(shí)，離體組織穿透數(shù)據(jù)顯示出減弱但可分辨的熒光和拉曼信號(hào)。使用荷有生物發(fā)光4T1乳腺腫瘤的小鼠進(jìn)行的體內(nèi)研究進(jìn)一步證明，腫瘤邊界可以在術(shù)前和術(shù)中精確地檢測(cè)到并且對(duì)比信號(hào)與腫瘤生物發(fā)光具有強(qiáng)相關(guān)性。在手術(shù)之后，該手持光譜筆設(shè)備允許圍繞手術(shù)腔的陽(yáng)性和陰性腫瘤邊緣的進(jìn)一步評(píng)價(jià)，提高了在實(shí)時(shí)腫瘤檢測(cè)和圖像指導(dǎo)手術(shù)方面的新潛能。
用于熒光和拉曼測(cè)量的光纖設(shè)備的先前工作[31-33]沒(méi)有檢查它們對(duì)于在手術(shù)程序期間測(cè)量外源性造影劑的適合性。在根據(jù)這個(gè)實(shí)例的本披露中，綜合光纖光譜系統(tǒng)被穩(wěn)定地調(diào)準(zhǔn)和校準(zhǔn)，并且因此非常適合于穩(wěn)健的手術(shù)使用。這個(gè)設(shè)計(jì)的一方面是剛性筆大小的光纖單元可以被外科醫(yī)生用作手持設(shè)備，從而在手術(shù)期間實(shí)時(shí)檢測(cè)小的腫瘤和其他病變。為了解決腫瘤異質(zhì)性問(wèn)題，已經(jīng)證明這種光譜系統(tǒng)可以與注射的造影劑結(jié)合用于術(shù)中癌癥檢測(cè)和腫瘤邊緣描繪。結(jié)果，獲得比依賴(lài)于天然熒光或正常拉曼散射的先前研究高得多的檢測(cè)敏感度和更一致的腫瘤信號(hào)。試劑貫穿根據(jù)這個(gè)實(shí)例的研究中使用超純水(18. 2M Q )。吲哚菁綠(ICG)、3，3’_ 二乙基硫代三碳菁碘化物(DTTC)、2，2，2-三溴乙醇、叔戊醇、以及牛血清清蛋白(BSA，98%)購(gòu)自Sigma-Aldrich (St. Louis, MO)。濃度為2. 6X 101°個(gè)粒子/mL的朽1檬酸鹽穩(wěn)定的金膠體(60nm直徑)得自Ted Pella, Inc. (Redding, CA)。達(dá)爾伯克氏改良伊格爾培養(yǎng)基(DMEM)(4. 5g/L葡萄糖、4. OOmM L-谷氨酰胺)、胎牛血清(FBS)、抗生素/抗霉菌溶液、以及磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)購(gòu)自 Thermo Scientific HyClone (Logan, UT)。XenoLight RediJect D-螢光素底物購(gòu)自Caliper Life Sciences (Hopkinton, MA)。所有試劑都如所購(gòu)買(mǎi)而使用，而沒(méi)
有進(jìn)一步純化。手持光譜筆設(shè)備拉曼探針取樣頭和連接光纖購(gòu)自InPhotonics (Norwood, MA)。圓柱形不銹鋼取樣頭(直徑I. 3mm,長(zhǎng)度IOcm)與5m雙纖維電纜(two- fiber cable)綜合在一起,其中一個(gè)纖維用于激光激發(fā)而另一個(gè)纖維用于光收集。取樣頭與纖維電纜經(jīng)由FC連接器耦合至由DeltaNu (Laramie, WY)設(shè)計(jì)的光譜儀。結(jié)合的取樣頭和光譜儀系統(tǒng)具有800_930nm的波長(zhǎng)范圍，對(duì)熒光測(cè)量具有0. 6nm光譜分辨率，并且具有200-2000(3!^1的拉曼位移范圍，對(duì)拉曼測(cè)量具有8CHT1分辨率。激光激發(fā)由在785nm處發(fā)射的連續(xù)波200mW 二極管激光器提供。將手持光譜筆設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜儀(檢查器，785nm激發(fā)，120mff激光功率，
0.6nm分辨率)(DeItaNu，Laramie, WY)相比較，以檢查在整個(gè)光譜范圍內(nèi)的波數(shù)準(zhǔn)確度。經(jīng)過(guò)5秒從手持光譜筆設(shè)備和市售拉曼光譜儀兩者獲得來(lái)自聚苯乙烯的拉曼散射光譜，以確定該手持設(shè)備的光譜準(zhǔn)確度。還確定了手持光譜筆設(shè)備檢測(cè)ICG和SERS造影劑的敏感度。將ICG在BSA溶液中稀釋到從25nM至50pM范圍內(nèi)的濃度。將SERS納米粒子在Milli-Q水中稀釋到0. 2-37. 6pM的濃度。將不同濃度的納米粒子溶液轉(zhuǎn)移(200 ii L)到96孔半容積黑色微孔板中。將手持光譜筆設(shè)備固定在微孔板的每個(gè)孔上面的IOmm處，并使其位于微孔板的每個(gè)孔的中心。對(duì)于每個(gè)濃度的信號(hào)采集時(shí)間在0.1至10秒的范圍內(nèi)。利用包括計(jì)算的95%置信區(qū)間的線性回歸模型，對(duì)積分信號(hào)強(qiáng)度與造影劑濃度之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用Origin 6. I軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。納米粒子造影劑首先將ICG儲(chǔ)液溶解在DMSO中，然后將其稀釋在含有白蛋白(40mg/mL,類(lèi)似于血液蛋白質(zhì)濃度)的水溶液中。在這種條件下，ICG分子迅速結(jié)合至白蛋白分子，形成流體動(dòng)力學(xué)大小為4-6nm (直徑)的ICG-白蛋白復(fù)合物。白蛋白的使用還阻止了 ICG聚集和熒光猝滅[34]。光譜編碼和PEG穩(wěn)定的SERS納米粒子根據(jù)QiaruNie及其同事[26]制備。簡(jiǎn)言之，將水性二乙基硫代三碳菁(DTTC)溶液(4 ii M )滴加到金納米粒子溶液中。當(dāng)大約2 X IO4個(gè)DTTC分子結(jié)合至每個(gè)60nm金粒子上時(shí)檢測(cè)到最佳的SERS信號(hào)。通過(guò)加入硫醇-PEG溶液(10 ii M )使粒子穩(wěn)定化,并然后通過(guò)離心純化。組織穿透深度測(cè)量用于離體研究的豬組織獲自Animal and Dairy0喬治亞大學(xué)的科學(xué)系(ScienceDepartment at the University of Georgi a)(雅典，GA)。經(jīng)過(guò)5-10秒收集豬脂肪、肝臟和肺的熒光光譜和拉曼光譜。選擇這些組織是因?yàn)樗鼈兌寂c疾病進(jìn)展的關(guān)聯(lián)和它們的光學(xué)特性。為了確定手持光譜筆設(shè)備可以檢測(cè)不同器官中的熒光染料或SERS納米粒子的深度，在8mm3組織切片上加載20 y L的650nM ICG或300pM SERS納米粒子溶液。接著，將切成薄片的相應(yīng)組織的切片放在造影劑負(fù)載的標(biāo)本上。施加每個(gè)組織切片后，用手持光譜筆設(shè)備經(jīng)過(guò)0. 1-10秒收集熒光光譜或拉曼光譜。維持手持光譜筆設(shè)備尖端與頂部組織層之間的距離為1cm，以便模擬在手術(shù)使用期間的手持光譜筆設(shè)備位置。將塑料包裹層放置在造影劑負(fù)載的組織與隨后的組織層之間，以阻止造影劑擴(kuò)散到未標(biāo)記的組織薄片中。需要時(shí)縮放(scaled)光譜從而對(duì)不同的積分時(shí)間進(jìn)行校正，然后進(jìn)行積分從而獲得報(bào)告的信號(hào)強(qiáng)度。體內(nèi)和術(shù)中測(cè)量所有體內(nèi)鼠科研究都是根據(jù)Emory University IA⑶C的批準(zhǔn)方案進(jìn)行。穩(wěn)定表達(dá)螢火蟲(chóng)螢光素酶基因的小鼠哺乳動(dòng)物癌細(xì)胞系4T1獲自Emory University (Atlanta, GA)的Lily Yang博士。將4T1細(xì)胞培養(yǎng)在含有10%FBS和IX抗生素/抗霉菌劑的DMEM中。在注射到小鼠中之前，將這些細(xì)胞用PBS洗滌兩次，并在無(wú)菌PBS中稀釋至2 X IO7個(gè)細(xì)胞/mL的最終濃度。通過(guò)將2X IO6個(gè)4T1細(xì)胞皮下施用到小鼠側(cè)腹中而將乳腺腫瘤接種到裸鼠中。一旦腫瘤直徑達(dá)到大約4mm,經(jīng)由尾靜脈以357 u g/kg劑量靜脈內(nèi)(i. v.)施用ICG。24h后，通過(guò)腹膜內(nèi)(i. P.)注射2. 5%的三溴乙醇(350mg/kg)溶液麻醉小鼠。給經(jīng)歷生物發(fā)光成像的荷瘤小鼠i. P.施用100 ii L螢光素溶液(30mg/mL)。在獲自Carestream MolecularImaging (Rochester, NY)的 Kodak In-Vivo FX Imaging System 上米集生物發(fā)光圖像。針對(duì)生物發(fā)光信號(hào)的解剖學(xué)參考采取相應(yīng)的明場(chǎng)圖像。使用手持光譜筆設(shè)備在荷瘤小鼠上采 集一系列光譜。首先，將手持光譜筆設(shè)備的位置固定到小鼠上的采集區(qū)域上大約l-2cm位置處。光譜是在I秒中采集的并且是從數(shù)個(gè)位置獲取的，所述數(shù)個(gè)位置包括直接在腫瘤中心和腫瘤周邊區(qū)域上方的位置。采集光譜之后，計(jì)算積分的信號(hào)強(qiáng)度。將信號(hào)強(qiáng)度與明場(chǎng)解剖學(xué)位置和生物發(fā)光信號(hào)相比較。手持光譜筆設(shè)備設(shè)計(jì)和性能手持光譜筆設(shè)備將手持取樣頭經(jīng)由光纖電纜連接至可記錄熒光和拉曼信號(hào)的光譜儀。分辨來(lái)自背景組織的NIR熒光和拉曼信號(hào)的能力源自于發(fā)生在該設(shè)備的手持部分中的光學(xué)過(guò)濾，如圖3和4所示。圖3示意性地顯示了激發(fā)光由785nm激光二極管(200mW輸出)提供的手持光譜筆設(shè)備的光束路徑，所述光束路徑具有激發(fā)纖維(“Ex”)、收集纖維(“Coll. ”)、帶通濾光片(“BP”)、長(zhǎng)通濾光片(“LP”)、雙色濾光片(“D”)和反射鏡(“M”)。如所示的，激光通過(guò)激發(fā)纖維傳輸?shù)焦P中。第一透鏡準(zhǔn)直激發(fā)光。由帶通濾光片提供波長(zhǎng)選擇性。然后激發(fā)光聚焦到感興趣樣品上。通過(guò)同一透鏡收集反向散射光。分色鏡和長(zhǎng)通濾光片使收集纖維中的瑞利散射減弱IO8倍。因而,僅斯托克斯遷移的光(Stokes-shiftedlight)傳輸至光譜儀。在激發(fā)和發(fā)射光路中，由光纖產(chǎn)生的二氧化娃拉曼帶(Silica Ramanband)都被物理過(guò)濾減弱。通過(guò)將用手持光譜筆設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜儀獲得的聚苯乙烯拉曼光譜進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)了該設(shè)備的整體性能(參見(jiàn)圖5)。結(jié)果顯示，這兩個(gè)光譜儀之間具有良好匹配的拉曼信號(hào)，并且拉曼信號(hào)也與聚苯乙烯的文獻(xiàn)光譜(literature spectra)良好匹配[35]。在跨200-2000CHT1的整個(gè)范圍內(nèi)，峰位置(波數(shù))的差異小于0. 5%。檢測(cè)敏感度和動(dòng)態(tài)范圍如在圖4中所示，手持光譜筆設(shè)備允許熒光和SERS造影劑的敏感檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)所記錄的信號(hào)強(qiáng)度與造影劑濃度之間存在線性關(guān)系。圖6A和6B顯示了積分強(qiáng)度與濃度的曲線的線性回歸模型擬合。線性回歸模型被顯示為藍(lán)線，其中95%置信區(qū)間顯示為紅色虛線。R2是線性回歸模型的擬合系數(shù)，并且對(duì)于完全擬合具有為I的值。P值表示線性回歸斜率與0有顯著差異。進(jìn)一步的檢查顯示窄的95%CI帶(紅色虛線)，指示回歸擬合非常接近于ICG和SERS造影劑兩者的“真實(shí)”擬合。最小的光譜可分辨的濃度(即，檢測(cè)限)對(duì)于ICG為2-5 X l(TnM，而對(duì)于SERS劑為0. 5-1 X IO^13M0這里使用的拉曼報(bào)道染料(二乙基硫代三碳菁)與785nm處的激發(fā)波長(zhǎng)共振，因此這種現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)稱(chēng)為表面增強(qiáng)共振拉曼散射(SERRS)。同樣，在上述實(shí)驗(yàn)條件下SERRS納米粒子比ICG敏感40-50倍，這主要是因?yàn)镮CG的光學(xué)特性較差(量子產(chǎn)率和聚集誘導(dǎo)的熒光猝滅小于2%)。最大可檢測(cè)濃度由檢測(cè)器信號(hào)飽和、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(16位，216=65，536)和數(shù)據(jù)集成時(shí)間確定。就是說(shuō)，對(duì)于低對(duì)比信號(hào)，應(yīng)當(dāng)增加集成時(shí)間以提高信噪比，而對(duì)于高對(duì)比信號(hào)，應(yīng)當(dāng)減少集成時(shí)間以避免檢測(cè)器飽和(將允許腫瘤對(duì)比信號(hào)的高速采集)。然后由下限和上限限定動(dòng)態(tài)范圍，其中對(duì)比信號(hào)強(qiáng)度與它的濃度呈線性關(guān)系。對(duì)于熒光和拉曼測(cè)量，手持光譜筆設(shè)備都提供50-60倍的動(dòng)態(tài)范圍。因此，可以同時(shí)測(cè)量比中央腫瘤信號(hào)低50-60倍的弱腫瘤邊緣信號(hào)，而無(wú)需調(diào)整數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如下面進(jìn)一步討論的。光譜判別和組織穿透深度手持光譜筆設(shè)備的術(shù)中使用的目的是檢測(cè)在腫瘤腫塊邊緣處的腫瘤病灶，從而將陽(yáng)性邊緣的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。在實(shí)踐中，根據(jù)在這個(gè)實(shí)例中披露的示例性實(shí)施方案的方面的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)允許外科醫(yī)生去除可能未被檢測(cè)到的腫瘤組織，從而使病人免受重復(fù)的手術(shù) 并可能提高存活期。敏感的腫瘤檢測(cè)是基于作為造影劑的白蛋白結(jié)合的ICG或SERS納米粒子的使用。如后面更詳細(xì)討論的，主要機(jī)制被認(rèn)為是“被動(dòng)腫瘤靶向”，其中納米粒子主要通過(guò)增強(qiáng)的滲透與滯留(EPR)效應(yīng)而累積和保持在腫瘤細(xì)胞間隙中[36，37]。首先檢查手持光譜筆設(shè)備辨別造影劑信號(hào)與主要組織/器官類(lèi)型(即，脂肪、肝臟和肺)的自體熒光和拉曼散射的能力。圖4A顯示了純ICG、動(dòng)物脂肪、以及ICG與動(dòng)物脂肪(ICG在脂肪中)的混合物的代表性光譜。在785nm激發(fā)時(shí)，ICG具有在816nm處的熒光峰，而脂肪具有在805nm處的背景熒光峰加上在862、1070、1297、1439和1652cm—1(分別相應(yīng)于842、857、874、885和902nm波長(zhǎng))處的可分辨拉曼信號(hào)。掩埋在脂肪中的ICG具有可鑒定的ICG和脂肪的供量(例如，在816nm處的ICG熒光以及在874和885nm處的脂肪拉曼峰)。圖7A展示了純ICG、動(dòng)物脂肪、以及ICG與動(dòng)物脂肪的混合物在本底扣除之前(上圖)和在本底扣除之后(下圖)的熒光光譜。圖7B展示了純SERS納米粒子、動(dòng)物脂肪、以及SERS納米粒子與動(dòng)物脂肪的混合物在本底扣除之前(上圖)和在本底扣除之后(下圖)的拉曼光譜。所有光譜都是用設(shè)置在組織頂層上面Icm處的手持光譜筆設(shè)備獲取的。在0. 1-10秒內(nèi)采集光譜。通過(guò)對(duì)從對(duì)照組織獲得的四個(gè)不同光譜進(jìn)行平均來(lái)獲得本底，并將本底從對(duì)比度增強(qiáng)光譜或從單一本底測(cè)量值中扣除。相對(duì)于純ICG或SERS樣品信號(hào)強(qiáng)度的信號(hào)強(qiáng)度由比例因子指示。拉曼報(bào)道染料是二乙基硫代三碳菁(DTTC)；如在圖7A (下圖)中所示，脂肪的本底信號(hào)可以被準(zhǔn)確地扣除，從而允許幾乎純的ICG對(duì)比信號(hào)。同樣地，圖7B (上圖和下圖)中的數(shù)據(jù)顯示，背景拉曼光譜可以被扣除以主要展現(xiàn)SERS對(duì)比信號(hào)。如前面所述的，檢測(cè)與原發(fā)腫瘤鄰近的較深的衛(wèi)星殘留腫瘤的能力對(duì)于完全腫瘤切除和改進(jìn)病人結(jié)果是重要的。為了模擬這種手術(shù)場(chǎng)景，通過(guò)將造影劑負(fù)載的組織標(biāo)本置于未標(biāo)記組織切片下面1_2_處來(lái)檢查手持光譜筆設(shè)備檢測(cè)位于脂肪、肝和肺組織表面之下的光學(xué)造影劑的能力(圖8)。圖8示意性地顯示了用于執(zhí)行近紅外熒光和SERS造影劑的組織穿透深度研究的系統(tǒng)。圖9A和9B顯示了在信號(hào)強(qiáng)度與ICG或SERS劑深入地置于離體組織中的深度之間的關(guān)系。正如根據(jù)光散射預(yù)期的，對(duì)比信號(hào)強(qiáng)度隨組織厚度幾乎呈指數(shù)降低。與其他組織相比，可以在脂肪中更深的位置處檢測(cè)到ICG，因?yàn)橹静蝗绶魏透闻K那樣強(qiáng)地散射激發(fā)光。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在脂肪瘤(富含脂肪)組織如乳房和一些其他軟組織中具有潛在重要的應(yīng)用。另外，肺和肝臟在用NIR激發(fā)時(shí)具有更強(qiáng)的自體熒光(可能是由在這些高度血管化器官中的卟啉和相關(guān)發(fā)色團(tuán)引起)，這損害了區(qū)分ICG發(fā)射與天然自體熒光的能力。比較起來(lái)，SERS納米粒子產(chǎn)生不同于寬背景的尖銳譜峰，允許弱SERS信號(hào)在高度衰減和散射條件下的準(zhǔn)確提取。因此，可以在與ICG熒光相比較深的組織深度處檢測(cè)和分辨較弱的SERS信號(hào)。通過(guò)將光纖頂部設(shè)置成更靠近組織表面(幾乎接觸)可以進(jìn)一步提高穿透深度。體內(nèi)和術(shù)中腫瘤檢測(cè)進(jìn)行體內(nèi)調(diào)查，以測(cè)試手持光譜筆設(shè)備檢測(cè)在靜脈輸注后ICG瘤內(nèi)沉積的能力。這種造影劑已被美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)，并且適于人中的各種應(yīng)用，例如用于確 定心輸出量、肝功能和肝血流，以及用于眼睛血管造影術(shù)[38]。為了使用ICG評(píng)估腫瘤對(duì)比度增強(qiáng)程度，使用在成像前第18天皮下注射了 4T1腫瘤細(xì)胞(4T1腫瘤細(xì)胞數(shù)目為2X IO6個(gè))的小鼠。所述腫瘤細(xì)胞經(jīng)過(guò)基因工程改造從而表達(dá)螢火蟲(chóng)螢光素酶基因；在腫瘤發(fā)育后的螢光素靜脈注射導(dǎo)致這些細(xì)胞發(fā)射生物發(fā)光，并允許使用生物發(fā)光成像確定腫瘤的精確位置。因此，ICG對(duì)比度增強(qiáng)可以與同步生物發(fā)光成像關(guān)聯(lián)，從而確定ICG對(duì)比度增強(qiáng)(如果存在)是否來(lái)源于腫瘤部位。在腫瘤細(xì)胞接種之后的第17天，使用用于人用的等效劑量，即357 y g/kg的劑量將ICG靜脈輸注到小鼠中，然后在24h后使用手持光譜筆設(shè)備對(duì)小鼠進(jìn)行成像。使用生物發(fā)光成像，沿著用于接種腫瘤細(xì)胞的針的軌跡鑒定主要的腫瘤部位、以及兩個(gè)衛(wèi)星腫瘤部位(圖IOA和10B)。使用手持光譜筆設(shè)備從小鼠獲取14個(gè)光譜的集合。具體地，圖IOA顯示了鑒定原發(fā)4T1乳腺腫瘤和兩個(gè)衛(wèi)星結(jié)節(jié)(虛線圓圈)的解剖學(xué)位置的明場(chǎng)圖像。對(duì)于使用手持光譜筆設(shè)備測(cè)量的具體位置，對(duì)于原發(fā)腫瘤用數(shù)字1-12表示，而對(duì)于衛(wèi)星結(jié)節(jié)用13-14表示。圖IOB顯示了鑒定原發(fā)腫瘤和衛(wèi)星腫瘤(紅色信號(hào))的小鼠的生物發(fā)光圖像。圖11突出顯示了與周?chē)M織相比的腫瘤中的高的ICG對(duì)比度增強(qiáng)程度。在位置5-9、13和14處的強(qiáng)ICG信號(hào)確實(shí)與如通過(guò)生物發(fā)光確定的腫瘤的存在相關(guān)聯(lián)。來(lái)自腫瘤區(qū)域的積分信號(hào)強(qiáng)度比從正常區(qū)域獲得的信號(hào)幾乎強(qiáng)10倍。從鄰近邊緣(距離腫瘤小于2mm)收集的光譜仍然比遠(yuǎn)距離區(qū)域的光譜強(qiáng)5-6倍，從而提供了優(yōu)異的腫瘤描繪。在手術(shù)去除腫瘤之后，生物發(fā)光成像顯示切除的腫瘤是明亮的，而手術(shù)腔是暗的(參見(jiàn)圖12A和12B)。具體地，圖12A和12B顯示了鑒定使用手持光譜儀筆設(shè)備檢測(cè)到的陽(yáng)性和陰性腫瘤邊緣的明場(chǎng)圖像(圖12A)和生物發(fā)光圖像，包括切除的腫瘤(黃色虛線)和手術(shù)腔(藍(lán)綠虛線)。在切除的腫瘤內(nèi)獲得的光譜用紅色表示，手術(shù)腔中的光譜用藍(lán)綠色表示，而在手術(shù)腔邊緣上的光譜用白色箭頭表示。如在生物發(fā)光圖像上看到的，沿著手術(shù)腔的邊緣存在具有殘留腫瘤的區(qū)域。參考圖13，由手持光譜筆設(shè)備記錄的光譜指示切除腫瘤的信號(hào)比手術(shù)腔強(qiáng)10倍，這與在活動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的腫瘤與健康組織的對(duì)比率一致(參見(jiàn)圖11)。在手術(shù)腔邊緣殘存有非常小的生物發(fā)光區(qū)域，其相應(yīng)于未被單獨(dú)的視覺(jué)檢查所看到的陽(yáng)性手術(shù)邊緣。用手持光譜筆設(shè)備對(duì)這個(gè)區(qū)域的再檢查揭示ICG信號(hào)比鄰近組織強(qiáng)5倍，這再次與根據(jù)非侵入性成像記錄的對(duì)比率一致。從腫瘤獲取強(qiáng)ICG信號(hào)、按照手持光譜筆設(shè)備的指導(dǎo)去除腫瘤，以及獲得有關(guān)切離組織和殘余瘤腔的邊緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)病理的能力都是圖像指導(dǎo)手術(shù)的重要特征。結(jié)果表明，在腫瘤與正常組織之間觀察到的ICG對(duì)比非常清晰且強(qiáng)烈，盡管在本工作中沒(méi)有使用腫瘤靶向配體。以前的利用ICG的腫瘤學(xué)研究主要是針對(duì)前哨淋巴結(jié)檢測(cè)[39-42]。這些研究依賴(lài)于ICG的直接瘤內(nèi)或瘤周注射，而不是如根據(jù)當(dāng)前實(shí)例的研究中使用的靜脈內(nèi)給藥途徑。已知在靜脈內(nèi)給藥之后，ICG結(jié)合至血清蛋白，尤其白蛋白和脂蛋白的疏水口袋[38]。因此，通過(guò)蛋白結(jié)合，ICG呈現(xiàn)納米級(jí)尺寸，具有6-8nm直徑的流體動(dòng)力學(xué)尺寸。強(qiáng)的腫瘤增強(qiáng)來(lái)自增強(qiáng)的滲透與滯留(EPR)效應(yīng)[43]，其中大分子或納米粒子優(yōu)先累積在腫瘤中，這是由于腫瘤具有大開(kāi)窗(fenestration)的異常新生血管和較差的淋巴引流特性。已經(jīng)報(bào)道了更先進(jìn)的ICG的納米粒子制劑可以促進(jìn)較久的ICG循環(huán)和增加的的腫瘤累積，用于診斷和光熱應(yīng)用[44-47]。同樣，靶向造影劑可以通過(guò)使SERS和其他納米粒子結(jié)合至用于對(duì)腫瘤細(xì)胞表面上的抗原或受體進(jìn)行分子識(shí)別的肽、單克隆抗體和小分子配體而顯影[48]。
總之，根據(jù)當(dāng)前實(shí)例，構(gòu)建了手持光譜設(shè)備，并且已經(jīng)顯示了用于體內(nèi)和術(shù)中腫瘤檢測(cè)的兩種近紅外造影劑的使用。在體外條件下，手持設(shè)備提供了對(duì)于ICG的2-5X 10_nM檢測(cè)限，以及對(duì)于SERS的0. 5-1X 10_13M檢測(cè)限。組織穿透深度為大約5-10mm，這取決于組織的光學(xué)特性和分辨弱對(duì)比信號(hào)的能力。另外，通過(guò)使用荷有生物發(fā)光4T1乳腺腫瘤的小鼠模型進(jìn)行體內(nèi)研究。結(jié)果表明，可以在術(shù)前和術(shù)中精確地檢測(cè)到腫瘤邊界，導(dǎo)致實(shí)時(shí)檢測(cè)在手術(shù)腔周?chē)年?yáng)性和陰性腫瘤邊緣。在比較兩種類(lèi)型的近紅外造影劑時(shí)，SERS納米粒子(60-80nm)提供了豐富的光譜信息(尖銳譜特征)，但是比ICG-白蛋白復(fù)合物(4_6nm)大得多。因此，SERS劑可能更好地適合于繪制血管和腫瘤邊界/周?chē)?對(duì)于描繪腫瘤邊緣是重要的)，而ICG-白蛋白可以更好地適合于腫瘤穿透和迅速清除。實(shí)例2這個(gè)實(shí)例涉及用于圖像指導(dǎo)手術(shù)的集成成像和光譜系統(tǒng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該系統(tǒng)被配置為檢測(cè)來(lái)自引入到病人中并定位至感興趣疾病區(qū)域(例如腫瘤)的熒光或拉曼活性探針的信號(hào)。使用這個(gè)系統(tǒng)的外科醫(yī)生可以完全去除患病區(qū)域并且可以驗(yàn)證患病區(qū)域是否成功地完全去除。根據(jù)當(dāng)前實(shí)例的一個(gè)實(shí)施方案，多模態(tài)成像系統(tǒng)包括被配置為在可見(jiàn)光和近紅外光范圍(400-1000nm)中成像的廣域成像系統(tǒng)(wide-area imaging system)、以及窄束結(jié)合光纖激光激發(fā)源(633nm或785nm)和光譜檢測(cè)器。廣域成像系統(tǒng)具有一個(gè)透鏡和三個(gè)攝像機(jī)一個(gè)用于檢測(cè)和記錄可見(jiàn)光(400-610nm，使用者用肉眼看到的)的彩色攝像機(jī)；一個(gè)用于檢測(cè)來(lái)自激光激發(fā)源(633nm或785nm)的光的黑白攝像機(jī)；以及一個(gè)用于檢測(cè)從探針發(fā)射的光(例如850nm)的黑白攝像機(jī)。使用物理光學(xué)濾光片(用于發(fā)射選擇性的帶通、阻擋在除了“激光攝像機(jī)”上之外的所有激光激發(fā)光的激光線/切口(laser line/notch)、以及用于將所希望的光分離到三個(gè)攝像機(jī)中的分色鏡中)將從單一透鏡收集的光分離到三個(gè)獨(dú)立的攝像機(jī)中并且提供針對(duì)到達(dá)攝像機(jī)的光的所希望的波長(zhǎng)的特異性。將該系統(tǒng)與注射到受試者中并通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)靶向與患病組織相應(yīng)的區(qū)域而累積的熒光(例如吲哚菁綠染料、量子點(diǎn))或表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)探針一起使用。當(dāng)在使用中時(shí)，來(lái)自攝像機(jī)的信息被計(jì)算機(jī)處理并被顯示，使得使用者可以看到視場(chǎng)；在視場(chǎng)圖像上的覆蓋顯示出激光照射和探針(如果存在)的光照射的位置。計(jì)算機(jī)使用圖像處理來(lái)增強(qiáng)視場(chǎng)圖像，使得它較容易相對(duì)于周?chē)M織區(qū)分探針的位置。同時(shí)，光纖激光照射和光譜檢測(cè)器顯示從被激光照射的區(qū)域發(fā)射的光的光譜。該光譜系統(tǒng)是可操作的，以檢測(cè)天然組織和所引入探針的熒光發(fā)射和拉曼光散射。實(shí)例3這個(gè)實(shí)例涉及將被“拉曼筆”光譜儀記錄的光譜信息壓縮到寬場(chǎng)視頻顯示器(還參見(jiàn)根據(jù)以上實(shí)例2的系統(tǒng))上的方法，也稱(chēng)為“虛擬磷光”。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，虛擬磷光顯示模式是一種將由拉曼筆光譜儀連續(xù)記錄的信息覆蓋到寬場(chǎng)圖像上的方式。由光譜儀記錄的數(shù)據(jù)是光譜(在給定波長(zhǎng)處的光的強(qiáng)度)。對(duì)于熒光探針，以簡(jiǎn)單的曲線下面積(AUC)方法(積分熒光與最小/背景熒光的比率)來(lái)分析數(shù)據(jù)；對(duì)于拉曼散射探針(和任選地對(duì)于熒光探針)，使用在計(jì)算上更復(fù)雜的反褶積方法(使已知光譜與經(jīng)由最優(yōu)化記錄的光譜相匹配)。當(dāng)熒光AUC比率超過(guò)預(yù)定閾值或當(dāng)通過(guò)反褶積獲得的光譜的AUC比率超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，假定為陽(yáng)性信號(hào)。在這兩種情況下，預(yù)定閾值都超過(guò)本底信號(hào)水平至少3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，并且相應(yīng) 于在光譜儀的樣品區(qū)域中的熒光或拉曼探針的顯著量。當(dāng)記錄陽(yáng)性信號(hào)時(shí)，在記錄信號(hào)時(shí)將假彩色覆蓋(false color overlay)置于在寬場(chǎng)圖像上在激光激發(fā)源的位置處(該位置由專(zhuān)用于激光跟蹤的攝像機(jī)檢測(cè))。所述覆蓋隨著時(shí)間的過(guò)去而衰減。衰減時(shí)間是使用者可選擇的，因此對(duì)于非常靜態(tài)的條件，例如當(dāng)手術(shù)區(qū)域被拉曼筆掃過(guò)從而探明腫瘤邊界時(shí)，使用了較長(zhǎng)的衰減時(shí)間(例如5秒)來(lái)指示陽(yáng)性信號(hào)記錄在哪里。對(duì)于動(dòng)態(tài)條件，例如當(dāng)外科醫(yī)生在圖像指導(dǎo)下積極切割組織時(shí)，衰減時(shí)間是短的(例如I秒)，從而準(zhǔn)確地指示陽(yáng)性腫瘤記錄在哪里。本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的前述描述僅為了舉例說(shuō)明和描述而提出的，而并非旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制于所披露的精確形式。根據(jù)以上教導(dǎo)，許多修改和變化都是可能的。實(shí)施方案的選擇和描述是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠利用本發(fā)明和各種實(shí)施方案，并且使各種修改適合于所考慮的具體應(yīng)用。不背離本發(fā)明涉及的精神和范圍的替代實(shí)施方案對(duì)于本發(fā)明的領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的。因此，本發(fā)明的范圍由隨附的權(quán)利要求書(shū)限定，而不是由前述的描述及其中所描述的示例性實(shí)施方案來(lái)限定。參考文獻(xiàn)列表[I]De Grand, A. M.等人，Technol. Cancer. Res. Treat. 2003, 2, 553-562.[2]Gebitekin, C.等人，Eur. J. Cardiothorac. Surg. 1994, 8, 334and339_343.[3]Meric, F.等人，Cancer 2003，97，926-933.[4]Karakiewicz, P. I.等人，Urology 2005，66，1245-1250.[5]Kuvshinoff, B.等人，Surg. Oncol. 2001，8，163-169.[6] Sienel, ff.等人，Eur. J. Cardiothorac. Surg. 2007，31，522-528.[7]Kami, T.等人，Am. J. Surg. 2007，194，467-473.[8]Neoptolemos, J.等人，Ann. Surg. 2001，234，758-768.[9]Gambhir, S. S. Nat. Rev. Cancer 2002, 2, 683-693.[10] Townsend, D. ff. J. NucI. Med. 2001，42，533-534.[ll]Ramina, R.等人，Acta Neurochir 2010, 152, 27-33.[12]Ngo, C.等人，Ann. Surg. Oncol. 2007，14，2485-2489.
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權(quán)利要求
1.一種用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)，包括 (a)一個(gè)第一光源，該第一光源被配置為向活受試者的一個(gè)感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束； (b)一個(gè)第二光源，該第二光源被配置為向該感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束； (C) 一種手持式探針，該手持式探針光學(xué)耦合至該第二光源，包括一種光纖，所述光纖被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束從而照射該感興趣區(qū)域，并且被配置為收集響應(yīng)于該第二光源的照射而從引入到該感興趣區(qū)域中的靶組織中的造影劑散射或發(fā)射的光； (d)一個(gè)第一成像設(shè)備，該第一成像設(shè)備光學(xué)耦合至該手持式探針，并且被配置為檢測(cè)所收集的光和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)，并且其中手持式探針進(jìn)一步被配置為通過(guò)該光纖向該第一成像設(shè)備傳輸所收集的光； (e)一個(gè)第二成像設(shè)備，該第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從該感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光和產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)； (f)一個(gè)第三成像設(shè)備，該第三成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于該第二光源的照射而從該感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，以及產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (g)一個(gè)第四成像設(shè)備，該第四成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于該第二光源的照射而從該感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，以及產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (h)一個(gè)顯示器，該顯示器用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示；和 (i)一個(gè)控制器，該控制器與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信，所述控制器被編程為用于由所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，以及將所述至少一種實(shí)時(shí)可視化表示顯示在顯示器上用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中該造影劑分別包括拉曼探針和熒光探針的至少之一，并且所收集的光數(shù)據(jù)分別包括拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種綜合可視化表示包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像、限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的并且由所產(chǎn)生的第一近紅外光數(shù)據(jù)集和所產(chǎn)生的第二近紅外光數(shù)據(jù)集中至少之一產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的選擇區(qū)域的激光激發(fā)圖像，以及由拉曼數(shù)據(jù)產(chǎn)生的拉曼圖像和由熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的熒光圖像的至少之一，其中該拉曼圖像和熒光圖像的至少之一被限定在該寬場(chǎng)圖像和該激光激發(fā)圖像之內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述拉曼圖像和熒光圖像的至少之一是在激光激發(fā)圖像上的覆蓋圖像。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中該第一成像設(shè)備包括光譜儀，并且該第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備各自包括CCD攝像機(jī)。
6.一種使用綜合的明場(chǎng)成像、近紅外成像，以及拉曼成像和熒光成像中的至少之一用于術(shù)中評(píng)價(jià)活受試者的感興趣區(qū)域中的靶組織的成像系統(tǒng)，包括 (a)一個(gè)用于向感興趣區(qū)域遞送可見(jiàn)光光束的第一光源以及一個(gè)用于向感興趣區(qū)域遞送近紅外光光束的第二光源；(b) 一種拉曼和熒光成像裝置，包括 (i)一種手持式探針，該手持式探針光學(xué)耦合至第二光源，用于遞送近紅外光以照射感興趣區(qū)域的靶組織，并且用于收集來(lái)自引入到靶組織中并被第二光源照射的相應(yīng)的拉曼探針和熒光探針的至少之一的散射光和發(fā)射光的至少之一；和 (ii)一個(gè)第一成像設(shè)備，該第一成像設(shè)備與手持式探針通信，用于獲取來(lái)自所收集的散射光的拉曼數(shù)據(jù)和來(lái)自所收集的發(fā)射光的熒光數(shù)據(jù)的至少之一； (C) 一個(gè)明場(chǎng)成像裝置，包括 (i)一個(gè)第二成像設(shè)備，該第二成像設(shè)備用于從響應(yīng)于由該第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光獲取可見(jiàn)光數(shù)據(jù)； (ii)一個(gè)第三成像設(shè)備，該第三成像設(shè)備用于從響應(yīng)于由該第二光源的照射而從感興 趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的光獲取第一近紅外數(shù)據(jù)集；和 (iii)一個(gè)第四成像設(shè)備，該第四成像設(shè)備用于從響應(yīng)于由該第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的光獲取第二近紅外數(shù)據(jù)集； (d)一個(gè)顯示器，該顯示器用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示；和 (e)—個(gè)控制器,該控制器與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信，所述控制器被編程為用于由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集、第二近紅外數(shù)據(jù)集以及拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一實(shí)時(shí)產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種綜合可視化表示，以及將所述綜合可視化表示顯示在顯示器上，從而為執(zhí)行診斷或治療程序提供指導(dǎo)。
7.如權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，其中該明場(chǎng)進(jìn)一步包括 (iv)—個(gè)光學(xué)端口 ； (V) —個(gè)系統(tǒng)透鏡，包括一個(gè)UV-NIR緊湊型透鏡和一個(gè)第一消色差校正透鏡； (vii)—個(gè)銀鏡； (viii)—個(gè)第一分色鏡和一個(gè)第二分色鏡； (ix)—個(gè)第一短通濾光片和一個(gè)第二短通濾光片； (X) —個(gè)中性密度濾光片； (xi)—個(gè)帶通濾光片； (xii)—個(gè)長(zhǎng)通濾光片；和 (xiii)—個(gè)第二消色差透鏡、一個(gè)第三消色差透鏡、和一個(gè)第四消色差透鏡， 其中該光學(xué)端口和該第一成像設(shè)備限定了介于其間的第一光路，該第一光路具有銀鏡、第一分色鏡、第二分色鏡和第二消色差透鏡，其中該光學(xué)端口和該第二成像設(shè)備限定了介于其間的第二光路，該第二光路具有銀鏡、第一分色鏡、第二分色鏡、中性密度濾光片和第三消色差透鏡，并且其中該光學(xué)端口和該第三成像設(shè)備限定了介于其間的第三光路，該第三光路具有銀鏡、第一分色鏡、長(zhǎng)通濾光片、帶通濾光片和第四消色差透鏡。
8.如權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，其中感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示包括由可見(jiàn)光數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域的寬場(chǎng)圖像、限定在寬場(chǎng)圖像之內(nèi)的并且由第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集的至少之一產(chǎn)生的預(yù)定區(qū)域的激光激發(fā)圖像，以及由相應(yīng)的拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一產(chǎn)生的拉曼圖像和熒光圖像的至少之一。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中(a)激光激發(fā)圖像是在寬場(chǎng)圖像上的覆蓋圖像，并且代表所遞送的近紅外光光束在感興趣區(qū)域之內(nèi)的位置； (b)拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一由當(dāng)超出預(yù)定義閾值水平時(shí)預(yù)示靶組織的疾病的信號(hào)表不; (C)該拉曼圖像和熒光圖像的至少之一是在激光激發(fā)圖像上的彩色覆蓋圖像，所述彩色覆蓋圖像具有代表超出預(yù)定義閾值水平的信號(hào)水平的不透明度； (d)該彩色覆蓋圖像的不透明度隨著時(shí)間的過(guò)去衰減從而相對(duì)于該激光激發(fā)圖像是逐漸更加半透明的。
10.一種用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的方法，包括以下步驟 (a)將至少一種造影劑引入到活受試者的感興趣區(qū)域中的靶組織中； (b)使用一個(gè)第一光源向感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束； (C)使用一個(gè)第二光源向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束； (d)使用光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針的光纖遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域； (e)使用手持式探針的光纖收集來(lái)自響應(yīng)于第二光源的照射的造影劑的散射光和發(fā)射光的至少之一，其中造影劑包括拉曼探針和熒光探針的至少之一； (f)使用光學(xué)耦合至光纖的一個(gè)第一成像設(shè)備檢測(cè)所收集的光并且產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)，并且其中光纖進(jìn)一步被配置為遞送所收集的光至該第一成像設(shè)備； (g)使用一個(gè)第二成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光并且產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)； (h)使用一個(gè)第三成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光并且產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (i)使用一個(gè)第四成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光并且產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào); (j)使用與第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備和第四成像設(shè)備中的每一者通信的一個(gè)控制器，從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集和第二近紅外數(shù)據(jù)集產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示；以及 (k)使用與控制器通信的顯示器顯示由控制器產(chǎn)生的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。
11.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，當(dāng)被控制器執(zhí)行這些指令時(shí)，引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行用于在手術(shù)程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的功能，這些功能包括 (a)引起與控制器通信的第一光源向活受試者的感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束； (b)引起光學(xué)耦合至光纖并且與控制器通信的第二光源通過(guò)光纖向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束； (C)引起手持式探針的光纖收集響應(yīng)于第二光源的照射而從引入到靶組織中的拉曼探針散射的光以及響應(yīng)于第二光源的照射而從引入到靶組織中的從熒光探針發(fā)射的光的至少之一； (d)引起與控制器和光纖通信的第一成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從拉曼探針?lè)瓷洳⑼ㄟ^(guò)光纖收集的光以及響應(yīng)于從第二光源的照射而從熒光探針發(fā)射并通過(guò)光纖收集的光的至少之一； (e)引起第一成像設(shè)備分別產(chǎn)生來(lái)自所檢測(cè)的散射光的包括拉曼數(shù)據(jù)的信號(hào)以及來(lái)自所檢測(cè)的發(fā)射光的包括熒光數(shù)據(jù)的信號(hào)的至少之一； (f)引起與控制器通信的第二成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光，并且引起第二 成像設(shè)備產(chǎn)生包括可 見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)； (g)引起與控制器通信的第三成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光并且引起第三成像設(shè)備產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (h)引起與控制器通信的第四成像設(shè)備檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，并且引起第四成像設(shè)備產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (i)從可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外數(shù)據(jù)集、第二近紅外數(shù)據(jù)集、以及拉曼數(shù)據(jù)和熒光數(shù)據(jù)的至少之一產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示；和 (j)引起與控制器通信的顯示器顯示所產(chǎn)生的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。
12.—種術(shù)中鑒定有待在診斷或治療程序中切除的活受試者感興趣區(qū)域中的靶組織中的疾病的方法，包括以下步驟 (a)將拉曼探針和熒光探針的至少之一引入到感興趣區(qū)域中，直至所述至少一種探針已經(jīng)累積在靶組織中； (b)為活受試者和診斷或治療程序的感興趣區(qū)域作準(zhǔn)備； (C)針對(duì)綜合的明場(chǎng)成像、近紅外成像、以及拉曼成像和熒光成像的至少之一對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行初始化； (d)開(kāi)始在感興趣區(qū)域中的診斷或治療程序； (e)使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域和靶組織的第一實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定患病的靶組織的邊界； (f)執(zhí)行所鑒定的邊界之內(nèi)的患病靶組織的手術(shù)切除； (g)在手術(shù)切除之后，使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的感興趣區(qū)域和靶組織的第二顯示的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示來(lái)鑒定在該邊界之內(nèi)的任何殘余患病靶組織；和 (h)如果鑒定到任何殘余患病靶組織，則對(duì)所鑒定的相應(yīng)于由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)系列的實(shí)時(shí)綜合可視化表示的殘余患病靶組織進(jìn)行一系列進(jìn)一步手術(shù)切除，直至感興趣區(qū)域不含患病靶組織。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該成像系統(tǒng)包括 (a)—個(gè)第一光源,該第一光源被配置為向活受試者的感興趣區(qū)域發(fā)射可見(jiàn)光光束； (b)一個(gè)第二光源，該第二光源被配置為向感興趣區(qū)域發(fā)射近紅外光光束； (C) 一種手持式探針，該手持式探針光學(xué)耦合至第二光源，包括一種光纖，所述光纖被配置為遞送所發(fā)射的近紅外光光束以照射感興趣區(qū)域，并且被配置為收集響應(yīng)于第二光源的照射的從引入到感興趣區(qū)域中的靶組織中的造影劑散射或發(fā)射的光； (d)一個(gè)第一成像設(shè)備，其光學(xué)耦合至該手持式探針，并且被配置為檢測(cè)所收集的光和產(chǎn)生包括所收集的光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)，并且其中該手持式探針進(jìn)一步被配置為通過(guò)光纖向第一成像設(shè)備傳輸所收集的光； (e)一個(gè)第二成像設(shè)備，該第二成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第一光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的可見(jiàn)光和產(chǎn)生包括可見(jiàn)光數(shù)據(jù)的相應(yīng)信號(hào)； (f)一個(gè)第三成像設(shè)備，該第三成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光以及產(chǎn)生包括第一近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào); (g)一個(gè)第四成像設(shè)備，該第四成像設(shè)備被配置為檢測(cè)響應(yīng)于第二光源的照射而從感興趣區(qū)域發(fā)射的具有不同于第一預(yù)定波長(zhǎng)的第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光，以及產(chǎn)生包括第二近紅外光數(shù)據(jù)集的相應(yīng)信號(hào)； (h)一個(gè)顯示器，該顯示器用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示；以及 (i)一個(gè)控制器，該控制器與第一光源、第二光源、第一成像設(shè)備、第二成像設(shè)備、第三成像設(shè)備、第四成像設(shè)備和顯示器中的每一者通信，其被編程為用于從所收集的光數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、第一近紅外光數(shù)據(jù)集和第二近紅外光數(shù)據(jù)集中的每一者產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示，以及將該至少一種實(shí)時(shí)可視化表示顯示在顯示器上，用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中鑒定患病靶組織的邊界的步驟和鑒定在該邊界之內(nèi)的任何殘余患病靶組織的步驟包括鑒定顯示在綜合可視化表示的選擇區(qū)域中的第一近紅外光數(shù)據(jù)集、第二近紅外光數(shù)據(jù)集和所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表示。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中 (a)該第一近紅外數(shù)據(jù)集和該第二近紅外數(shù)據(jù)集的可視化表示是激光激發(fā)圖像，該激光激發(fā)圖像代表所遞送的近紅外光光束在感興趣區(qū)域之內(nèi)的位置并且被顯示為寬場(chǎng)圖像上的彩色覆蓋圖像； (b)當(dāng)由該第一成像設(shè)備產(chǎn)生的代表所收集的光數(shù)據(jù)的信號(hào)超出預(yù)定閾值水平時(shí)，預(yù)示靶組織中的疾?。? (C)所收集的光數(shù)據(jù)的可視化表示是在激光激發(fā)圖像上的彩色覆蓋圖像，具有代表超出預(yù)定義閾值水平的信號(hào)水平的不透明度；并且 (d)代表所收集的光數(shù)據(jù)的彩色覆蓋圖像的不透明度隨著時(shí)間的過(guò)去而衰減，從而相對(duì)于激光激發(fā)圖像是逐漸更加半透明的。
全文摘要
根據(jù)一方面，披露了用于在診斷或治療程序中術(shù)中提供解剖學(xué)指導(dǎo)的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括被配置為發(fā)射可見(jiàn)光光束的第一光源；被配置為發(fā)射近紅外光光束的第二光源；光學(xué)耦合至第二光源的手持式探針；被配置為檢測(cè)可見(jiàn)光的第二成像設(shè)備；被配置為檢測(cè)具有第一預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光的第三成像設(shè)備；被配置為檢測(cè)具有第二預(yù)定波長(zhǎng)的近紅外光的第四成像設(shè)備；用于顯示數(shù)據(jù)的至少一種可視化表示的顯示器；以及控制器，被編程為產(chǎn)生感興趣區(qū)域的至少一種實(shí)時(shí)綜合可視化表示以及將所述實(shí)時(shí)可視化表示顯示在顯示器上用于在診斷或治療程序期間的指導(dǎo)。
文檔編號(hào)A61B5/103GK102770071SQ201080063264
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者書(shū)明·聶, 亞倫·莫斯, 邁克爾·曼奇尼 申請(qǐng)人:愛(ài)默蕾大學(xué)