活體動物激發熒光斷層成像和生物發光斷層成像儀的詳細介紹

品牌：ART （Advanced Research Technology Inc.)
型號：Optix MX3
功能：活體動物激發熒光斷層成像和生物發光斷層成像
Optix MX3是由加拿大ART公司生的激發熒光成像（fluorescence）和生物發光成像（bioluminescence）功能的活體動物分子成像系統。在激發熒光成像模式下，Optix MX3使用的時域光學技術（Time Domain，TD），該技術創新采用光電倍增管和單光子計數器作為熒光檢測系統，Optix MX3的的優勢是：

• 采用時域光學技術（TD）既可以探測活體動物體內靶目標熒光探針信號強度數據，又可以給出熒光探針所處的位置深度數據，而不是簡單的縱向2個光源信號的簡單疊加。

• 采用時域光學技術（TD）可以*排除生物體內組織背景熒光信號干擾，極大提高激發熒光成像檢測靈敏度。

• 采用時域光學技術（TD）可以提供高質量的活體動物體內靶目標三維影像，分辨率高。

• 單光子計數器可以分離來自具有相同發射波長但不同熒光壽命的發光物質，從而達到組織自發熒光的*分離，排除背景熒光干擾，實現精確的探針濃度計算。

Optix MX3利用特異或非特異性的探針，對活體動物體內的分子和細胞活動進行定性、定量觀察并獲取影像。結合時域技術，Optix MX3 可應用于對疾病機理進行深入研究，監測疾病進展，評估治療效果。

使用TD（Time Domain時域光學技術） 的成像實例

Optix MX3采用時域光學技術(TD)的光學成像策略所具有的優勢在于能夠精確給出標記熒光探針的靶目標的深度和濃度信息，同時通過測量靶目標熒光壽命與周圍組織自發熒光的熒光壽命區別，*排除背景干擾（組織自發熒光干擾），實現功能3D影響重建。

發光基團縱向深度位置和濃度（發光強度）復原

熒光成像的關鍵問題是發光點信號的定位，如果不能得到發光點的縱向精確深度信息，除非加入許多假設條件，否則定量是不可能的。比如，連續波長熒光成像系統就無法區分深度包埋的較強熒信號和較淺部位包埋的微弱熒光信號，除非使用X射線斷層技術。如下圖：



上圖中，如果用連續波長測量方法，包埋體A（1000 nmol）深度包埋的熒光信號和包埋體B（50nmol）的淺位包埋的較弱熒光信號強度相同。
而如果采用了帶有時域光學技術（TD）的系統得到的分子影像，由于使用的是光電倍增器和單光子計數器來測量從組織標記熒光探針發出來的光子，通過測量不同深度標記探針發出光子到達光子計數器時間的不同和強度的不同（TPSF，temporal point-spread function），來精確的給出發光位置的深度和濃度信息，從而得到精確的3D重建影像（見下圖），這是時域光學技術TD的*優勢，也是目前其它同類體內影像技術的優勢。


上圖中說明，從組織深處發出的光子（綠色曲線）到達光子計數器的時間比較淺位置發出的光子（紅色）到達檢測器時間長，而濃度與峰型無關。
得到發光點的信號強度和深度信息后，就可以通過計算得出濃度。

熒光壽命

時域光學技術（TD）的另外一個優勢就是其0.1納秒級時間分辨率，可以給研究人員提供體內熒光壽命測量，該參數可以計算熒光基團的熒光壽命，熒光基團的熒光壽命與生物體內的生化環境相關，可以用來將生物體內標記的細胞與未標記游離物質區分開來。熒光壽命與熒光基團的濃度相關，而與photo-bleaching過程無關。
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.

熒光壽命技術指標的典型應用為：

• 監測聯合藥物治療，采用TD技術可以同時測量2個或多個以上相同波長但不同熒光壽命組分。

• 可以將標記的和未標記的游離介質區分開來。

• 區分 healthy 和 ischemic tissues. < >區分具有相同光譜但不同熒光壽命的2種報告基團。
  
  

  功能3D重建

  光學成像的最終目標是要實現3D影像重建。連續波長測量方式（CW，continue wavelenth）是采用多角度投影數據來給出標本的3D影像，Optix MX3采用時域光學TD技術，通過反射采集模式，只需要使用1個方向上投影采集的數據，即可給出清晰的重建3D影像。重建過程依據多重TPSFs數據和光子在組織中遷移和散射模型，通過復雜的數學運算。
  直到今日，Optix MX3具有只需通過平面掃描，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，精確復原熒光基團的分布，給出活體動物體內標記組織外形、深度和熒光包埋濃度，下圖顯示，3D 重建結果可以同時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。
  熒光團定量－對熒光強度、相對濃度、深度和熒光壽命進行定量測定，提高數據和分析以及三維重建的質量
  集成的多模式平臺－可同時對多個生物學靶目標進行生物分布的監測，與活體microCT 進行影像整合，獲取精確的解剖學信息。并能將數據以DICOM影像格式無縫輸出至臨床圖像工作站，提高分析能力。
  
  應用廣泛的近紅外熒光成像
  
  細胞表面抗原成像
  一些細胞表面受體分子可能在有活化的內皮細胞和腫瘤細胞上過度表達，其相應的高特異性的配體或多肽可經由熒光進行標記，用于腫瘤成像。
  
  其它應用
  細胞內和細胞外環境：使用特定的熒光團壽命衰變的特性，對熒光團所處環境進行辨別。
  報告基因：監測與信號轉導、基因表達以及蛋白和蛋白間相互作用相關的細胞活動。
  
  藥物動力學
  對少量一群實驗動物進行治療干預的縱向監測。
  熒光團深度和濃度定量
  
  Optix MX3 技術
  任何光學成像方法必須克服影響光學信號強度的物理性質，包括周圍組織的散射特性和背景噪音（如自發熒光團）。由于這些綜合因素的影響，對于那些定量化的應用要求僅依靠強度信號是不夠的。
  
  Optix MX3 突破了上述限制，能提供對熒光團強度、濃度和三維定位的精確測量。
  
  基于時域技術，Optix MX3 利用脈沖激光二極管發送窄光譜的激光短脈沖作為激發光，并采用單光子計數光電倍增管記錄被激發熒光光子的到達時間分布（時間點擴展函數或TPSF）。通過這些設計，Optix MX3 可確定熒光團的組織內深度，并將之用于衰減校正計算來獲取熒光團的精確相對濃度。
  
  熒光壽命
  由于Optix MX3 具有納秒級的時間分辨率，研究者可進行活體熒光壽命測量，從而辨別具有類似光譜圖的熒光團。除此之外，研究者可以使用探針確定微環境，如pH、氧水平 （含量）、溫度及其它已知的影響熒光壽命的因素。
  
  集成的多模式平臺獲取定量化的3D數據
  
  三維多模式圖像融合
  Optix MX3 采用小動物CT通用的動物床，支持多模式的圖像融合。它的自動化的重合和視圖軟件工具能加速融合過程，并簡化工作流程。Optix MX3 的高靈敏度和高分辨率，熒光示蹤劑不僅能被檢測、定量和監控，更能和特定的三維位置重合。
  
  斷層成像
  時域光學成像允許高靈敏度的深度探測和結合平面成像幾何信息的斷層成像。
  
  多波長
  多波長激發顯著擴展了可應用的光譜范圍，提高了Optix MX3 的靈活性。Optix MX3 可支持多達4個脈沖激光二極管，14個濾光片。運用附加的激光管和濾光片，具有不同光譜性質的多種熒光靶目標均可被使用，其范圍覆蓋從可見光直至近紅外光譜。
  

• pH值和氧化程度感測，因為熒光壽命與組織pH值和氧化程度相關。