[发明专利]用于确定表面下荧光物体的深度和浓度的装置和方法

说明书

描述了一种用于确定在光学吸收和散射介质的表面下方的一浓度的荧光团的深度和荧光团浓度的方法和装置，该方法和装置适合于在基于荧光的手术引导中使用。长波长刺激光用来获得深组织穿透。通过将针对每个空间频率的测量到的调制幅度拟合到以光学参数和深度为索引的调制幅度表中的预先计算的调制幅度来执行深度的恢复。

优先权声明

本申请要求2018年4月26日提交的美国临时专利申请号62/663,158的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文中。

政府权利

本发明是在国立卫生研究院授予的批准号R01 NS052274的政府支持下完成的。政府享有本发明的某些权利。

技术领域

描述了一种用于确定位于光学吸收和散射介质的表面下方的荧光物体的深度和荧光团浓度的方法和装置。该方法和装置适合于用在基于荧光的手术指导中，诸如用在肿瘤切除术中。

背景技术

手术通常用作对患有肿瘤的患者的治疗的一部分。在很多情况下，目标是最大化肿瘤切除术的程度，而同时最小化对周围健康组织的损伤，以提高存活率和生活质量。通常使用术前放射成像诸如磁共振成像(MRI)或X射线计算机断层摄影(CT)来引导程序，例如，以关于其他解剖结构来显示出肿瘤的位置。然而，在手术期间，肿瘤的位置可能会改变，从而导致失去与术前图像的配准。另外，可能难以识别实际肿瘤边界。在手术快结束时，外科医生也不可能看到如果不去除就可能再生的残余肿瘤。

因此，手术期间的荧光成像(荧光引导切除术FGR)正在形成有价值的辅助技术来解决这些限制。

FGR可以基于组织的自然荧光，通常被称为组织自体荧光。替代地，可以向患者施用外源荧光材料(“荧光团”)来突出肿瘤。在这种情况下，在用适当激发波长的光照明组织后来源于组织的荧光的光谱就是组织自体荧光加上来自在特定组织中达到的浓度下的外源荧光团的荧光的组合。

已经在临床前模型以及不同肿瘤位置和分期的临床试验中研究了不同的外源荧光团。例如，发出在光谱的近红外区域中的荧光的吲哚菁绿(ICG)通常用来对组织内血液的灌注进行成像。对于肿瘤成像，并且特别是对于引导手术，常用的荧光团是在施加氨基乙酰丙酸(ALA)后就在细胞内合成的原卟啉IX(PpIX)。一般来说，这显示出肿瘤与正常宿主组织之间的高对比度。PpIX在约400nm至约630nm的波长范围内进行吸收，从而激发约700nm的荧光发射的光谱。PpIX的吸收在这个吸收范围的短波长端比在长端强得多，如图1B所示。由于吸收效率更大并且更容易过滤来自分离较宽的激发光的发射，因此对ALA诱导的PpIX荧光团浓度进行成像的系统典型地使用短波长或“蓝”光进行激发，而吸收深红色发射光。

通过将用于激发的蓝光源和红色至近红外荧光检测合并到神经外科显微镜中，ALA-PpIX荧光图像引导典型地用在例如脑肿瘤手术中。至于其他部位，荧光成像技术被集成到内窥镜中，或者是“独立的”，独立于其他医学成像装置。ALA-PpIX荧光图像引导已经通过在手术快结束时实现更完整地切除肿瘤证明了临床益处。例如，使用蓝光激发的高分级胶质瘤的基于ALA-PpIX的FGR已经表明为至少将完整切除的速率翻倍并且改善无进展生存期。

当在组织表面处获取荧光图像时，荧光信号的强度因组织对光的光学吸收和散射而受激发和发射光的衰减影响。这个衰减可以是显著的并且显示出复杂的波长依赖性。因此，测量到的相对弱的荧光信号或在组织表面处获取的低亮度图像可以是低浓度的荧光团或在激发和/或发射波长下的高吸收和/或散射的结果。相反，明亮的荧光强度区域可能是因为高荧光团浓度以及低吸收和散射。对于荧光团(或其前体，如在ALA-PpIX的情况下)的给定的施用剂量而言，荧光团的绝对浓度是存在恶性细胞或组织的重要标志，使得解决这种模糊性是有价值的。