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用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法

阅读：785发布：2021-01-14

专利汇可以提供用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及通过下述方式对包括漫射介质的受试者进行断层摄影学成像的系统和方法：把在受试者外部的自由空间中获得的电磁辐射测量结果(例如荧光 )转换成在受试者由无限且均匀的漫射介质(例如具有与受试者的平均光学特性相等的光学特性的介质)包围的情况下将测得的数据。在应用了变换以把测量结果转换成虚拟匹配的值之后，把光传播仿真为从折射率匹配的表面到一组虚拟检测器，这组虚拟检测器在受试者外部并被布置成在几何形状上有利的方式(例如布置成平面阵列)，从而便于使用快速重构技术。，下面是用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种荧光分子断层摄影成像系统，包括：
激发光源；
光学成像装置，其被配置成把光从所述激发光源引导到受试者中多个位置处；
检测器，其被配置成在多个位置处对从所述受试者内的区域发出的荧光进行检测；以及
处理器，其被配置成对与检测到的从所述受试者的所述区域发出的荧光相对应的数据进行处理，以产生所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式，其中，所述处理器被配置成执行指令，从而：
(a)使用与所检测的荧光相对应的数据来建立从所述激发光源向所述受试者的所述区域的激发光传播的、以及从所述区域向所述检测器的荧光传播的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断，所述正向模型利用一个或多个无限齐次函数而被建立成元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；以及(b)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的，并且其中，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是实际空间中的表现形式。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述正向模型中建立了虚拟检测器，这些虚拟检测器符合与实际检测器的布局不同的外加几何结构，所述正向模型对从所述受试者的所述区域向所述虚拟检测器的光的传播进行仿真。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述外加几何结构是平面阵列。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述检测器还被配置成在多个位置处对从所述受试者发出的激发光进行检测，并且其中，所述处理器被配置成执行指令以使用与所检测的激发光和所检测的荧光相对应的数据来建立所述正向模型。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述正向模型中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的激发光对应的数据。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的激发光是在频率空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是在实际空间中的表现形式。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述正向模型中使用表面通量分布的实验测量结果。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所检测的荧光是从所述受试者的所述区域内的探针发射的，(a)中的所述正向模型对从所述激发光源向所述探针的激发光传播以及从所述探针向所述检测器发射的荧光传播进行建模。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，在所述正向模型中，使用玻恩近似来表示所检测的从所述探针发射的荧光的强度，所述探针在所述区域内具有空间变化的浓度。
11.根据权利要求5所述的系统，其中，所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述正向模型被建立成归一化元素的权重矩阵。
13.根据权利要求5所述的系统，其中，(a)中的所述正向模型表示相对应的虚拟匹配的表达式中所检测的荧光以及所检测的激发光。
14.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源或所述光学成像装置包括扫描仪，所述扫描仪被配置成把光引导到所述受试者中多个位置处，从而限定多个源位置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个源位置以非均匀的方式间隔开。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述检测器包括检测器位置阵列，并且其中，(a)中的所述正向模型是用从所述检测器位置阵列获得的数据来建立的。
17.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学成像装置包括腔。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述腔是动物腔。
19.根据权利要求5所述的系统，其中，所述受试者是人类。
20.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源发出的激发光是近红外光。
21.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源发出的激发光具有从500纳米到
1000纳米范围内的波长。
22.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源发出的激发光具有从635纳米到
850纳米范围内的波长。
23.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源发出的激发光是连续波(CW)的光。
24.根据权利要求5所述的系统，其中，所述激发光源发出的激发光包括从由下列项组成的组中选择的至少一个成员：连续波的光、时间分辨的光、受到强度调制的光。
25.根据权利要求5所述的系统，其中，(a)中的所述正向模型对从所述激发光源向所述受试者的所述区域的激发光传播以及从所述区域向所述检测器的荧光传播进行建模，其中，所述受试者的表面与所述检测器之间存在自由空间。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式显示所述受试者内的荧光团的定量浓度。
27.根据权利要求11所述的系统，其中，所检测的激发光是在经过所述受试者的至少一部分后被检测的。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述受试者受到激发光的透射。
29.一种对受试者的区域内的荧光探针的分布进行成像的方法，该方法包括以下步骤：
(a)把近红外激发光引导到所述受试者中多个位置处，以在包含所述荧光探针的所述受试者的所述区域的至少一部分处透射或反射；
(b)检测从所述受试者的所述区域透射或反射的激发光；
(c)检测从所述受试者内的所述探针发射的荧光；以及
(d)处理与所检测的荧光和所检测的激发光相对应的数据，以提供所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式，其中，所述处理步骤包括：
(i)使用与所检测的荧光和所检测的激发光相对应的数据来建立从激发光源向所述受试者内的所述探针的激发光传播的、以及从所述探针向检测器的发射光传播的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据和与所检测的激发光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断；所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化；所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成归一化元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；以及
(ii)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的激发光是在频率空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的，并且其中，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是实际空间中的表现形式。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述正向模型中建立虚拟检测器，这些虚拟检测器符合与实际检测器的布局不同的外加几何结构，所述正向模型对从所述受试者的所述区域向所述虚拟检测器的光的传播进行仿真。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述外加几何结构是平面阵列。
33.根据权利要求29所述的方法，包括对于所述受试者的所述表面获得表面通量分布的实验测量结果的步骤，其中，所述正向模型中使用表面通量分布的所述实验测量结果。
34.根据权利要求29所述的方法，其中，在所述正向模型中，使用玻恩近似来表示所检测的从所述探针发射的荧光的强度，所述探针在所述区域内具有空间变化的浓度。
35.根据权利要求29所述的方法，其中，步骤(d)中的所述正向模型表示相对应的虚拟匹配的表达式中所检测的荧光和所检测的激发光。
36.根据权利要求29所述的方法，其中，所述断层摄影学表现形式包括所述受试者的所述区域内的探针的浓度的图。
37.根据权利要求29所述的方法，其中，所述探针是内源性探针。
38.根据权利要求29所述的方法，其中，所述探针包括从由下列项组成的组中选择的成员：可活化的荧光探针、靶向荧光探针、近红外荧光分子探针、荧光生物分子、非特异性荧光探针、量子点、受体靶向的近红外荧色物、抗体或类抗体靶向近红外荧色物、波长偏移信标、多色荧光探针和镧金属-配体探针。
39.根据权利要求29所述的方法，其中，所述探针包括从由下列项组成的组中选择的成员：荧光分子探针、酶可活化的荧光探针和荧光蛋白质。
40.根据权利要求29所述的方法，其中，所述探针包括附加到运输载体上的荧色物，所述运输载体包括下列一项或多项：聚合物、树枝形分子、蛋白质、碳水化合物、脂质球、纳米颗粒。
41.根据权利要求29所述的方法，其中，步骤(c)包括：对从每个所述探针发射的荧光进行检测；步骤(d)包括：对与所检测的荧光相对应的数据进行处理以提供一个或多个断层摄影学表现形式。
42.根据权利要求29所述的方法，还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式来确定所述探针对于对象内的所述区域的作用。
43.根据权利要求29所述的方法，其中，至少步骤(a)、(b)、(c)、和(d)被重复，以获得以时间为变量的断层摄影学表现形式。
44.根据权利要求43所述的方法，还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式，对所述区域内所述探针的分布动力学进行监视。
45.根据权利要求43所述的方法，还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式，对所述探针的活化动力学进行监视。
46.根据权利要求29所述的方法，还包括下述步骤：在天然组织发色团的激发波长和发射波长处进行成像。
47.根据权利要求29所述的方法，其中，所述断层摄影学表现形式包括在三个维度中示出所述探针的量的图。
48.根据权利要求29所述的方法，其中，所述断层摄影学表现形式包括一个或多个图像，并且其中，所述方法还包括：储存所述一个或多个图像、显示所述一个或多个图像、或者既储存又显示所述一个或多个图像。
49.根据权利要求29所述的方法，其中，所述断层摄影学表现形式包括三维断层摄影学图像，并且其中，所述方法还包括把所述三维断层摄影学图像与下列方式的成像数据组合：磁共振、x射线计算断层摄影、生物发光断层摄影、光谱学、超声、单光子发射断层摄影、或者正电子发射断层摄影。
50.根据权利要求29所述的方法，还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式来检测或监视细胞异常。
51.根据权利要求29所述的方法，其中，所述受试者是哺乳动物。
52.根据权利要求29所述的方法，其中，所述受试者是人类。
53.根据权利要求29所述的方法，其中，所述探针包括由所述受试者内的基因编码的内源性荧光团。
54.根据权利要求53所述的方法，还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式来确定对所述荧光团进行编码的基因的表达。
55.根据权利要求53所述的方法，其中，所述内源性荧光团是荧光蛋白质。
56.根据权利要求53所述的方法，其中，所述内源性荧光团是生物分子。
57.一种用于对受试者的区域内的探针的断层摄影学表现形式进行重构的装置，该装置包括：
用于使用与所检测的来自所述探针的荧光相对应的数据，并使用与所检测的、在所述受试者的区域透射或反射的激发光相对应的数据，建立从激发光源向所述受试者的所述区域内的探针的激发光传播的、以及从所述探针向检测器的发射光传播的正向模型的装置，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据以及与所检测的激发光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断；所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化；所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成归一化元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；以及
用于对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式的装置。
58.根据权利要求57所述的装置，其中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的荧光和所检测的激发光是在频率空间中表示的，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是在实际空间中的表现形式。
59.一种漫射性光学断层摄影成像系统，包括：
一个或多个照明源；
光学成像装置，其被配置成把光从所述一个或多个照明源引导到受试者中多个位置处；
检测器，其被配置成在多个位置处对从所述受试者发出的光进行检测以获得第一测量结果和第二测量结果，其中，所述第一测量结果是参考测量结果，所述第二测量结果对应于照明光在经过所述受试者内的光吸收区域时所述照明光的至少一部分的吸收，并且其中，所述参考测量结果不反映所有所述吸收；以及
处理器，其被配置成对与检测到的从所述受试者发出的光的第一和第二测量结果相对应的数据进行处理，其中，所述处理器被配置成执行指令，从而：
(a)使用与所述第一测量结果和所述第二测量结果相对应的数据来建立从所述一个或多个照明源中的至少一个向所述受试者内的光吸收区域的光传播的、以及从所述区域向所述检测器的光传播的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断，所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；以及
(b)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。
60.根据权利要求59所述的系统，包括具有不同波长的至少两个照明源。
61.根据权利要求60所述的系统，其中，所述至少两个照明源是近红外光源。
62.根据权利要求60所述的系统，其中，所述不同波长包括含氧血红蛋白HbO和脱氧血红蛋白Hb的等吸收点以下的波长以及所述HbO和Hb的等吸收点以上的波长。

说明书全文

用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求2009年9月22日提交的美国临时专利申请No.61/244,674的优先权，其全部内容通过引用方式结合于此。

技术领域

[0003] 本发明一般地涉及体内成像系统和方法。具体地，在某些实施方式中，本发明涉及采用虚拟折射率匹配(virtual index matching)技术的断层摄影学(tomographic)成像系统。

背景技术

[0004] 断层摄影是基于利用数据集来获得图像或推断被研究介质的光学特性。已经开发了许多不同的数值方法和分析方法来对光子传播进行建模，这些方法有效地提供了对所收集的数据集的断层摄影学求逆(inversion)所需的解决方案。这已经发展到了活跃领域(例如参见Ntziachristos,Ripoll等,(2005)“Looking and listening to light:the evolution of whole-body photonic imaging”,Nat.Biotechnol.23(3):313-320 和Arridge,Dehghani等,(2000)“The finite element model for the propagation of light in scattering media:a direct method for domains with nonscattering regions”,Med.Phys.27(1):252-264的综述)。对于具有任意几何结构的受试者(subject)进行成像的最一般情形，数值技术是最合适的。在所有这些数值方法中，目的2 3
是从较少数目的表面测量结果(在10－10 量级)确定异质的(heterogeneous)或同质的(homogeneous)介质内部的冷光(luminescent)源或荧光源的分布。随着检测器技术和计算平台的发展，更大数目的测量结果已经成为可行，这已经带来了能够对这种大的数据集进行处理的新的数值方法。已经开发了这些技术来减少对于这些大的方程组进行求解所需的存储器和计算时间(例如参见Ripoll,Ntziachristos等,(2001)“The Kirchhoff Approximation for diffusive waves”,Phys.Rev.E.64:051917:1-8；
Ripoll,Nieto-Vesperinas等,(2002)“Fast analytical approximation for arbitrary geometries in diffuse optical tomography”,Opt.Let.27(7):527-529；Markel和Schotland(2004)“Symmetries,inversion formulas,and image reconstruction for optical tomography”,Phys.Rev.E Stat Nonlin Soft Matter Phys.70(5Pt 2):056616)。但是目前，在对任意几何结构进行处理时已经达到了需要进行折中的处境：要么通过显著减少数据集的大小来使用精确的方法(例如参见Hielescher,Alcouffe等,(1998)“Comparison of finite-difference transport and diffusion calculations for photon migration in homogenous and heterogeneous tissues”,Phys.Med.Biol.43:1285-1302 和Arridge,Dehghani等,(2000)“The finite element model for the propagation of light in scattering media:a direct method for domains with nonscattering regions”,Med.Phys.27(1):252-264)，要么采用近似方法来以结果的精度为代价而加速计算(例如参见Ripoll,Ntziachristos等,(2001)“The Kirchhoff Approximation for diffusive waves”,Phys.Rev.E.64:051917:1-8)。

发明内容

[0005] 本发明涉及用于通过下述方式对漫射受试体进行断层摄影学成像的系统和方法：把在受试者外部的自由空间中获得的电磁辐射(例如荧光)的测量结果转换成如果受试者由无限且均匀的漫射性介质(例如具有与受试者的平均光学特性相等的光学特性的介质)包围的情况下将会测得的数据。在应用了把测量结果转换成虚拟匹配的值的变换之后，对从折射率匹配的表面到一组虚拟检测器的光传播仿真，这组虚拟检测器在受试者外部并被布置成在几何结构上有利的方式(例如布置成平面阵列)，从而便于使用快速重构技术。在具体实施方式中，本发明的特色在于漫射性介质(例如哺乳动物受试者)中对信号、指示器(reporter)和/或试剂(例如对比试剂或探针)的体内荧光分子断层摄影学(FMT)重构方法。该方法保留了FMT途径的三维荧光分布和定量特性，同时大大加速了其计算速度并简化了基本方程。

[0006] 在优选实施方式中，本发明的系统和方法把荧光测量结果变换成在周围的非漫射性介质由漫射性介质(该介质具有与对象相同的光学特性)填充的情况下将会获得的那些结果。然后，这种情形被对应到初始漫射性体积是无限且均匀的情形。该技术具有两个重要结果。首先，它允许使用无限齐次函数(例如格林函数)来给逆问题生成解析的正向解，从而避免使用对任意几何结构进行求解的复杂数值方法。这样做的直接影响是大大加速了针对断层摄影学图像的计算。第二，该技术允许把数据传播到位于该体积外部任意位置的虚拟检测器，从而便于使检测器面积符合任何一般形状(尤其是检测器的平面阵列)。这使得能够使用精确求逆方法，例如下述文献中提出的那些：Markel和Schotland(2001)“Inverse scattering for the diffusion equation with general boundary conditions”,Phys.Rev.E.64(3Pt 2):035601 以及 Markel 和 Schotland(2004)“Symmetries,Inversion formulas,and image reconstruction for optical tomography”,Phys.Rev.E Stat Nonlin Soft Matter Phys.70(5Pt 2):056616，并能够应用快速重构方法，例如混合(Hybrid)途径(例如参见Ripoll Lorenzo等人的美国专利申请No.12/870,454,“Systems and Methods for Tomographic Imaging in Diffuse Media using a Hybrid Inversion Technique”)。

[0007] 此外，一旦在漫射性体积外部，数据可以被反向传播到漫射性体积内部，这是在存在任意界面的情况下不可能进行的变换。该技术例如可以用来通过对表面测量结果进行虚拟折射率匹配并使用归一化玻恩近似来找出任意几何结构中荧光特征图的空间分布和浓度(例如参见名称均为“Fluorescence-Mediated Molecular Tomography”的美国专利No.6,615,063和7,383,076，以及名称为“Imaging Systems Featuring Waveguiding Compensation”的国际专利申请No.PCT/US2008/65648)。

[0008] 本发明的实施方式可以与对漫射问题的各种解相结合，包括运输方程(transport equation)的数值解和/或解析解，或者其派生形式和近似形式，例如玻尔兹曼方程或漫射方程。因此，本发明的某些实施方式也可以用于求解与对比试剂和分子探针相结合的吸收、散射或荧光对比。本申请中描述的折射率匹配技术可应用于漫射体制占主导地位的情形。因此，这些技术不仅能应用于光漫射，而且能应用于电子和中子漫射以及任何其他漫射性过程，例如所有波长在高度散射性介质中的电磁传播，例如微波从随机散射体的散射，或者声音在高度散射介质中的漫射。

[0009] 用于在漫射介质中的边界去除的早期技术在以下文献中有描述：Ripoll等(2006)“From finite to infinite volumes:removal of boundaries in diffuse wave imaging”,Phys.Rev.Lett.96:173903；国际(PCT)专利申请公开No.WO2007/072085，名称为“Removal of Boundaries in Diffuse Media”，以及希腊专利No.1005346(申请号No.20050100621)，这些文献中的每一者通过引用方式结合于此。该技术不适于与荧光分子断层摄影学(FMT)或要求进行定量的任何其他技术一起使用。在要求进行定量的情况下，例如FMT途径，就必须在激发源(称为初级源(primary source))的场合下考虑荧光，在此情形下，荧光称为取决于初级源的次级源(secondary source)。这意味着早期技术中所用的除去边界的方程不足以定量地找出荧光团(fluorophore)的浓度，并可能一般地受到由组织的异质性造成的不利影响。为了克服这些显著缺点，本发明的虚拟匹配技术包含了变换并利用激发源测量结果来对荧光测量结果进行归一化。这使得能够在异质介质中进行定量荧光成像。

[0010] 本发明的优选实施方式利用了下述变换：该变换把从由自由空间(例如空气)包围的漫射性对象获得的荧光数据转换成在由光学匹配的漫射性介质包围同一对象的情况下将会获得的那些结果。这是通过把表面积分方程应用到由自由空间包围的任意形状介质并添加在对象被嵌入在由相同光学特性的漫射性介质中的情形下将存在的项来实现的。这种“虚拟折射率匹配”技术考虑了受试者内的介质与受试者外部的介质(例如空气)之间的折射率不匹配。一旦数据受到了虚拟折射率匹配，它就可以在虚拟匹配的介质中传播到一组处于任意位置并符合任意几何结构(包括但不限于平面阵列)的虚拟检测器。

[0011] 例如，在优选实施方式中，检测器数据被变换到其虚拟匹配的等价物。这使得能够将无限齐次函数用于权重矩阵。这还使得能够进行整体成像并对更大的解剖体成像，因为对任意形状进行重构的复杂性现在大大降低了。

[0012] 本发明提供了把数据集变换到其虚拟匹配的等价物的系统和方法，用于对信号的三维定量分布进行重构。与通过传统的断层摄影学重构技术所能实现的结果相比，这些方法产生了对于对象/受试者中的信号的局域化和分布进行更快但仍然精确的描绘，包括这些对象/受试者中的信号、指示器和/或试剂(即对比试剂或探针)的定量和分布。

[0013] 根据本发明的某些实施方式，可以通过如本申请中描述的那样使虚拟匹配的检测器符合平面阵列，来应用快速的断层摄影学重构方法和算法。这些方法和算法已被完全地参数化，以适应针对各种目标对象/受试者和区域以及各种不同的试剂或探针而优化的不同的成像设定。具体地，本发明的一个目的是提供这样的算法以及校准和图像校正分析方法，用于生物学研究以及临床前和/或临床设置。具体地，本发明提供了经校正和校准的成像算法，该算法能够可选地与一种或多种成像试剂或探针一起用于体内的分子成像。

[0014] 在一个方面中，本发明提供了一种荧光分子断层摄影成像系统，包括：激发光源；光学成像装置，其被配置成把光从所述激发光源引导到受试者中多个位置处；检测器，其被配置成在多个位置处对从所述受试者内的区域发出的光进行检测；处理器，其被配置成对与检测到的从所述受试者的所述区域发出的光相对应的数据进行处理，以产生所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式，其中，所述处理器被配置成执行指令，从而：(a)使用与所检测的荧光相对应的数据来建立从所述区域向所述检测器的激发光传播的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断，所述正向模型利用一个或多个无限齐次函数而被建立成元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；(b)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。在某些实施方式中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的(从而例如便于混合重构)，并且，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是实际空间中的表现形式。此外，在所述正向模型中，可以建立虚拟检测器，这些虚拟检测器符合与实际检测器的布局不同的外加(imposed)几何结构(并且所述正向模型对从所述受试者的所述区域进行的光传播进行仿真)。例如，所述外加几何结构可以是平面阵列。

[0015] 在某些实施方式中，所述检测器还被配置成在多个位置处对从所述受试者发出的激发光进行检测，并且其中，所述处理器被配置成执行指令以使用与所检测的激发光和所检测的荧光相对应的数据来建立所述正向模型。此外，在某些实施方式中，在所述正向模型中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的激发光对应的数据。另外，在某些实施方式中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的激发光是在频率空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是在实际空间中的表现形式。

[0016] 在某些实施方式中，所述正向模型中使用表面通量分布(surface flux distribution)的实验测量结果。

[0017] 在某些实施方式中，所检测的荧光是从所述受试者的所述区域内的探针发射的，(a)中的所述正向模型对从所述激发光源向所述探针的激发光传播以及从所述探针向所述检测器发射的荧光传播进行建模。另外，在所述正向模型中，使用玻恩近似(Born approximation)来表示所检测的从所述探针发射的荧光的强度，所述探针在所述区域内具有空间变化的浓度。在其他实施方式中，所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化。在优选实施方式中，这便于通过所述区域的断层摄影学表现形式来显示所述受试者内的荧光团的定量浓度。所检测的激发光优选为在经过所述受试者的至少一部分之后被检测，所述受试者优选由所述激发光透射。另外，所述正向模型优选地被建立成归一化元素的权重矩阵。此外，(a)中的所述正向模型表示相对应的虚拟匹配的表达式中所检测的荧光以及所检测的激发光。

[0018] 在某些实施方式中，所述激发光源或所述光学成像装置包括扫描仪，所述扫描仪被配置成把光引导到所述受试者中多个位置处，从而限定多个源位置。在某些实施方式中，所述多个源位置以非均匀的方式间隔开。在某些实施方式中，所述检测器包括检测器位置阵列，所述正向模型是用从所述检测器位置阵列获得的数据来建立的。在某些实施方式中，检测器位置多于源位置。

[0019] 在某些实施方式中，所述光学成像装置包括腔(chamber)。在其他实施方式中，所述腔是动物腔(animal chamber)。

[0020] 在某些实施方式中，所述受试者是人类。

[0021] 在某些实施方式中，所述激发光是近红外光。另外，所述激发光具有从约500纳米到约1000纳米范围内的波长。在其他实施方式中，所述激发光具有从约635纳米到约850纳米范围内的波长。

[0022] 在某些实施方式中，所述激发光是连续波(CW)的光。所述激发光包括从由下列项组成的组中选择的至少一个成员：连续波的光、时间分辨(time-resolved)的光、受到强度调制的光。

[0023] 在某些实施方式中，所述正向模型对从所述激发光源向所述受试者的所述区域的激发光传播以及从所述区域向所述检测器的荧光传播进行建模，其中，所述受试者的表面与所述检测器之间存在自由空间。

[0024] 在另一个方面中，本发明提供了使用对于测得数据进行虚拟匹配变换来进行成像的方法，以对受试者的区域内的荧光探针的分布进行成像，该方法包括以下步骤：(a)向所述受试者施予探针，该探针包括可见的或近红外的荧光团；(b)把可见的或近红外的激发光引导到所述受试者中多个位置处，以在包含所述荧光探针的所述受试者的所述区域的至少一部分处透射或反射；(c)检测从所述受试者的所述区域透射或反射的激发光；(d)检测从所述受试者内的所述探针发射的荧光；(e)处理与所检测的荧光和所检测的激发光相对应的数据，以提供所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式，其中，所述处理步骤包括：(i)使用与所检测的荧光和所检测的激发光相对应的数据来建立激发光传播(从激发光源向所述受试者内的所述探针)的、以及发射光传播(从所述探针向检测器)的正向模型，其中：一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据和与所检测的激发光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断(例如不匹配)；所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化；所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成归一化元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；(ii)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。在某些实施方式中，在所述正向模型中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的荧光是在频率空间中表示的(从而例如便于混合重构)，并且其中，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是实际空间中的表现形式。此外，在所述正向模型中，有利地可以建立虚拟检测器，这些虚拟检测器符合与实际检测器的布局不同的外加几何结构(所述正向模型对从所述受试者的所述区域向所述虚拟检测器的光传播进行仿真)。例如，所述外加几何结构可以是平面阵列。在某些实施方式中，本发明是一种方法，对于所述受试者的所述表面获得表面通量分布的实验测量结果，其中，所述正向模型中使用表面通量分布的所述实验测量结果。此外，在所述正向模型中，使用玻恩近似来表示所检测的从所述探针发射的荧光的强度，所述探针在所述区域内具有空间变化的浓度。

[0025] 在某些实施方式中，步骤(e)中的所述正向模型表示相对应的虚拟匹配的表达式中所检测的荧光和所检测的激发光。

[0026] 在另一个方面中，本发明提供了使用虚拟匹配变换技术进行成像的方法，以对受试者的区域内的荧光(包括但不限于内源性(endogenous)荧光、生物发光、或荧光蛋白质)的分布进行成像，该方法包括以下步骤：(a)把激发光引导到所述受试者中多个位置处，以在包含所述荧光的所述受试者的所述区域的至少一部分处透射或反射；(b)可选地，检测从所述受试者的所述区域透射或反射的激发光；(c)检测从所述受试者内发射的荧光；(d)处理与所检测的荧光(可选地，还有所检测的激发光)相对应的数据，以提供所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式，其中，所述处理步骤包括：(i)使用与可选地检测的激发光和所检测的荧光相对应的数据来建立激发光传播(从激发光源向所述受试者内的光源)的、以及发射光传播(从所述受试者的光源向检测器)的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据和与所检测的激发光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断(例如不匹配)；可选地，所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化；所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成归一化元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；(ii)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。

[0027] 在某些实施方式中，该方法获得一个或多个断层摄影学图像，这些图像包括异质漫射对象中试剂或探针的浓度图。在某些实施方式中，该浓度图的浓度是使用异质漫射对象的模型(实体仿制品)的校准测量结果来确定的。

[0028] 另外，所述断层摄影学表现形式可以表示所述受试者的区域内的疾病区域。此外，所述断层摄影学表现形式可以表示所述受试者的所述区域内下述项的区域：炎症、关节炎、癌症、病毒转移、斑块、传染病、心血管病、呼吸疾病、代谢病、中枢神经系统疾病、免疫性疾病、神经退化疾病、皮肤病、眼科疾病、影响皮肤的疾病(cutaneous disease)、前述两项或更多项的组合。在某些实施方式中，所述断层摄影学表现形式表示所述受试者的所述区域内的疾病部位(例如肿瘤)的边界。

[0029] 在某些实施方式中，所述探针是内源性探针。在其他实施方式中，所述探针可以是外源性的，并被施予所述受试者。

[0030] 在某些实施方式中，所述探针包括从由下列项组成的组中选择的成员：分子探针、荧光分子探针、基于光疗的荧光探针、可活化的荧光探针、酶可活化的(enzyme-activatable)荧光探针、基于放射性的(activity based)探针、靶向(targeted)荧光探针、近红外荧光分子探针、荧光蛋白质、荧光生物分子、非特异性(non-specific)荧光探针、量子点、受体靶向的(receptor-targeted)近红外荧色物(fluorochrome)、抗体或类抗体靶向近红外荧色物、波长偏移信标(wavelength-shifting beacon)、多色荧光探针、镧金属-配体(lanthanide metal-ligand)探针。另外，所述探针可以包括附加到运输载体上的荧色物，所述运输载体包括下列一项或多项：聚合物、树枝形分子(dendrimer)、蛋白质、碳水化合物、脂质球(lipid sphere)、纳米颗粒。

[0031] 在某些实施方式中，成像的方法包括：向所述受试者施予多个探针，这些探针具有在光学上可区分的荧光发射波长，对从每个所述探针发射的荧光进行检测，对与所检测的光相对应的数据进行处理以提供一个或多个断层摄影学表现形式。另外，还可以使用所述断层摄影学表现形式来确定所述探针对于对象内的所述区域的作用。此外，该方法还可以包括在天然组织发色团(natural tissue chromophore)的激发和发射波长处进行成像。

[0032] 在某些实施方式中，成像步骤(b)、(c)、(d)和(e)可以被重复，以获得以时间为变量的断层摄影学表现形式。另外，可以使用所述断层摄影学表现形式，对所述区域内所述探针的分布动力学(kinetics of distribution)进行监视。可以使用所述断层摄影学表现形式，对所述探针的活化动力学(kinetics of activation)进行监视。

[0033] 在某些实施方式中，该方法可以包括：在天然组织发色团的激发波长和发射波长处进行成像。

[0034] 在某些实施方式中，所述断层摄影学表现形式包括图，该图在三个维度中示出所述探针的量。所述断层摄影学表现形式可以包括一个或多个图像，所述方法还可以包括：储存所述一个或多个图像、显示所述一个或多个图像、或者既储存又显示所述一个或多个图像。另外，所述断层摄影学表现形式可以包括储存所述一个或多个虚拟匹配的图像、显示所述一个或多个虚拟匹配的图像、或者既储存又显示所述一个或多个虚拟匹配的图像。另外，所述断层摄影学表现形式可以包括三维断层摄影学图像，所述方法还可以包括把所述三维断层摄影学图像与下列方式的成像数据和表现形式进行组合的步骤：照相、图片、磁共振、x射线计算断层摄影、超声、单光子发射断层摄影、或者正电子发射断层摄影。

[0035] 在某些实施方式中，所述成像方法还包括下述步骤：使用所述断层摄影学表现形式来检测或监视细胞异常或疾病。所述细胞异常或疾病可以包括从由下列项组成的组中选择的至少一个成员：癌症、肿瘤疾病、传染病、代谢病、呼吸疾病、心血管疾病、AIDS、免疫性疾病(immune disease)、中枢神经系统疾病、神经退化疾病、炎症、皮肤病、眼科疾病、影响皮肤的疾病、遗传病、环境疾病、与骨骼有关的疾病、免疫疾病(immunologic disease)、与外科手术有关的并发症。

[0036] 在某些实施方式中，该成像方法的受试者是哺乳动物。在某些实施方式中，所述受试者是人类。

[0037] 在某些实施方式中，该成像方法的探针包括由所述受试者内的基因编码的内源性荧光团。可以使用所述断层摄影学表现形式来确定对所述荧光团进行编码的基因的表达。所述内源性荧光团可以是荧光蛋白质或生物分子，包括但不限于绿色、红色和红外的荧光蛋白质。

[0038] 在前述每一项中，受试者可以是哺乳动物，例如人类。

[0039] 在另一个方面中，本发明是一种用于对受试者的区域内的探针的断层摄影学表现形式进行重构的装置，该装置包括：存储器，其储存了限定一组指令的代码；处理器，其执行这些指令，从而：(a)使用与所检测的来自所述探针的荧光相对应的数据，并使用与所检测的、从所述受试者的区域透射或反射的激发光相对应的数据，建立激发光传播(从激发光源向所述受试者的所述区域内的探针)的、以及发射光传播(从所述探针向检测器)的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据以及与所检测的激发光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断(例如不匹配)；所检测的荧光的强度利用在空间上对应的所检测的激发光的强度来归一化；所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成归一化元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；(b)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。

[0040] 在某些实施方式中，所述处理器执行所述指令以建立所述正向模型，其中，所述激发光源是在实际空间中表示的，所检测的荧光和所检测的激发光是在频率空间中表示的，所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式是在实际空间中的表现形式。

[0041] 在另一个方面中，本发明还提供了一种漫射性光学断层摄影成像系统，该系统包括：一个或多个照明源；光学成像装置，其被配置成把光从所述至少一个照明源引导到受试者中多个位置处；检测器，其被配置成在多个位置处对从所述受试者发出的光进行检测以获得第一测量结果和第二测量结果，其中，所述第一测量结果是参考测量结果，所述第二测量结果对应于照明光在经过所述受试者内的光吸收区域时所述照明光的至少一部分的吸收，并且其中，所述参考测量结果不反映所有所述吸收；处理器，其被配置成对与检测到的从所述受试者发出的光的第一和第二测量结果相对应的数据进行处理，其中，所述处理器被配置成执行指令，从而：(a)使用与所述第一测量结果和所述第二测量结果相对应的数据来建立从所述一个或多个照明源中的至少一个向所述受试者内的光吸收区域的光传播的、以及从所述区域向所述检测器的光传播的正向模型，其中，一个或多个虚拟匹配变换被应用于与所检测的荧光相对应的数据以考虑所述受试者的表面处的折射率间断，所述正向模型使用一个或多个无限齐次函数而被建立成元素的权重矩阵，使得如同所述受试者的表面处不存在折射率间断那样来对光传播进行建模；(b)对所述权重矩阵求逆，以获得所述受试者的所述区域的断层摄影学表现形式。另外，该系统可以包括具有不同波长的至少两个照明源。在某些实施方式中，所述至少两个照明源是近红外光源。

[0042] 在某些实施方式中，衍射光学断层摄影成像系统可以包括具有不同波长的至少两个照明源，这些波长包括含氧血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(Hb)的等吸收(isosbestic)点以下的波长以及所述等吸收点以上的波长。

[0043] 在某些实施方式中，该方法的步骤(b)包括：使用所述对象的模型(实体仿制品)的校准测量结果，来确定所述对象中探针的浓度(或浓度图)。

[0044] 来自本发明的一个方面的实施方式中的要素可以用在本发明的其他方面(例如，从属于一个独立权利要求的权利要求中的要素可以用来进一步限定其他独立权利要求的实施方式)。根据下面的附图、具体实施方式和权利要求，可以了解本发明的其他特征和优点。

[0045] 参考下述的附图和权利要求，可以更好地了解本发明的目的和特征。在附图中，相同的数字被用来表示不同图中相同的部分。

附图说明

[0046] 图1图示了根据本发明的示例性实施方式，由自由空间包围的漫射性体积V的示意图。

[0047] 图2是根据本发明的示例性实施方式，用于获得对象中的荧光或吸收探针、组织或其他目标对象的定量3D分布的方法的步骤框图。

[0048] 图3是根据本发明的示例性实施方式，在受试者的表面处离开受试者的通量的示意图。

[0049] 图4的示意图图示了根据本发明的示例性实施方式的逆情形，其中，受试者被嵌入否则将是无限且均匀的漫射性介质中，该介质具有与受试者相同的光学特性。

[0050] 图5的示意图示出了根据本发明的示例性实施方式，把测量结果虚拟匹配到具有与受试者相同的平均光学特性的介质的效果。

[0051] 图6的示意图图示了根据本发明的示例性实施方式，在数据已被转换成虚拟匹配的表达式后，能使它经过虚拟匹配漫射性介质从表面位置传播到任意的虚拟检测器。

[0052] 图7图示了小鼠的重构3D图像，把根据本发明示例性实施方式的虚拟折射率匹配途径与传统的重构进行了比较。

[0053] 图8图示了小鼠的重构3D图像，把根据本发明示例性实施方式的虚拟折射率匹配途径与传统的重构进行了比较。

[0054] 图9图示了校准模型的重构3D图像，把根据本发明示例性实施方式的折射率匹配途径与传统的重构进行了比较。

具体实施方式

[0055] 本申请中描述的方法、系统和处理应当认为涵盖了利用来自本申请中描述的实施方式的信息而开发的变更和修改形式。

[0056] 在说明书全文中，在系统和组合物被描述为具有、包含或包括具体成分的情况下，或者在处理和方法被描述为具有、包含或包括具体步骤的情况下，应当认为也记载了本发明的系统和组合物主要由所列的成分组成或者由这些成分组成，也记载了本发明的处理和方法主要由所列的处理步骤组成或者由这些处理步骤组成。

[0057] 本申请中对于任何公开文献的提及(例如在“背景技术”部分中)并非承认该公开文献对于本申请中提出的任何权利要求而言起现有技术的作用。“背景技术”部分是为了清楚起见而提出的，并不意味着是对于任何权利要求作为现有技术而描述的。

[0058] 本申请中的小标题是为了帮助读者，并不意味着限制对所描述的主题进行解释。

[0059] 本申请中所用的术语“图像”应当理解为意味着虚拟显示或者可以被解释来进行视觉显示的任何数据表现形式。例如，三维图像可以包含给定量的值的数据集，该量在三个空间维度中变化。三维图像(例如三维数据表现形式)可以在二维中显示(例如在二维屏幕上，或者在二维打印输出件上)。

[0060] 术语“断层摄影学图像”例如可以指光学断层摄影学图像，x射线断层摄影学图像，由磁共振、正电子发射断层摄影学(PET)、磁共振(MR)、单光子发射计算断层摄影学(SPECT)和/或超声、以及这些项的任意组合所生成的断层摄影学图像。

[0061] 术语“激发图像”应当理解为指在从正被成像的对象发出的曝光光的、在对应于曝光光源的波长下获取的图像。

[0062] 术语“荧光图像”或“发射图像”应当理解为指在与荧光试剂或探针(probe)的发射波长相对应的波长下获取的图像。

[0063] 术语“残余图像”应当理解为指由从初始图像(例如荧光图像)减去校正项(例如图像)的数学操作所得的图像。

[0064] 本申请中所用的术语“图(map)”应当理解为指虚拟显示或者可以被解释来进行视觉显示的任何数据表现形式，包含空间相关的信息。例如，给定体积的三维图可以包含给定量的值的数据集，该量在整个这个体积中在三个空间维度上变化，三维图可以二维显示。

[0065] 本申请中所用的术语“电磁辐射”应当理解为指电分量和磁分量的在空间中自行传播的波，这些分量彼此成直角并且相对于传播方向呈直角而振荡，并且彼此同相。电磁辐射包括：无线电波、微波、红外的和近红外的光、可见光、紫外光、X射线和伽马射线。

[0066] 本申请中所用的术语“图像获取设备”包括任何电磁辐射的检测器，包括但不限于：CCD相机、光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管。

[0067] 本申请中所用的术语“虚拟匹配的”或“虚拟匹配”应当理解为指通过虚拟匹配变换而受到变换的测量结果。

[0068] 本申请中所用的术语“虚拟匹配方法”或“虚拟匹配途径”指把在由自由空间围绕的受试者的表面处取得的测量结果变换成下述测量结果的方法：该测量结果是在如果该受试者由漫射性介质(其光学特性与受试者的平均光学特性等效)围绕的情况下将会存在的测量结果。

[0069] 本申请中所用的术语“虚拟匹配的介质”指围绕受试者的、具有与该受试者的平均光学特性相等的光学特性的介质，其体积与围绕该受试者的介质相同。

[0070] 本申请中所用的术语“测量结果的传播”指虚拟匹配的测量结果向受试者外部的空间中(即在虚拟匹配的介质内)一般点的传播。

[0071] 本申请中所用的术语“虚拟检测器”指这些检测器在受试者外部的空间中(即在虚拟匹配的介质内)的位置，虚拟匹配的测量结果向这些检测器传播。

[0072] 本申请中所用的术语“正向模型”应当理解为指在给定介质中从源向检测器的光传播的物理模型。

[0073] 本申请中描述了用于断层摄影学重构的技术，该技术对于检测到的强度进行变换，把它们转换成关于本申请中所描述的断层摄影学数据集的子集的、虚拟匹配的表达式，从而能够使用无限齐次函数(即不考虑边界是否存在的函数)并使这些测量结果能够传播到虚拟匹配的介质中的任意点，以在图像显示和/或分析之前执行快速断层摄影学重构。为了举例说明目的，对于对象的体内荧光断层摄影学重构的方法提供了示例性的、非限制性的描述，例如漫射性介质(例如哺乳动物受试者)中的指示器和/或试剂(例如对比试剂或探针)。这种技术可以用在本申请中描述的那些断层摄影学系统的任一种中。

[0074] 简称为FMT(有时候也称为荧光介导断层摄影学)的荧光分子断层摄影学，或简称为DOT的漫射性光学断层摄影学(在用来对吸收体的浓度进行成像时)，提供了体内成像的方法，包括下述步骤：向受试者施予光学成像探针；把激发光导向受试者中多个位置处；可选地检测从受试者发出的激发光；检测从受试者内一个或多个探针发射的光；处理与所检测到的(从受试者内的探针发射的)荧光相对应的数据，并可选地处理从受试者发出的激发光，以提供受试者内的区域的断层摄影学表现形式。处理与所检测到的激发光和所检测到的荧光相对应的数据包括：对激发波长下的光子传播进行仿真并对发射波长下的光子传播进行仿真，以获得对探针的一个或多个定量测量结果(例如对象内的某区域中的浓度或总积累)的预测，并且还可以包括如下的额外步骤：应用统计学优化估计和一致性掩蔽(coincidence masking)技术以对波导效应进行预测和补偿(例如参见国际专利申请No.PCT/US2008/65648“Imaging Systems Featuring Waveguiding Compensation”)。这些步骤也可以以预定的间隔来重复，从而允许随着时间对受试者进行评价。受试者可以是脊椎动物，例如哺乳动物(包括人类)。受试者也可以是实验室研究中所用的非脊椎动物(例如秀丽线虫(C.elegans)、果蝇或者其他模型研究有机体等)。

[0075] 在某些实施方式中，本发明可以用在FMT以及DOT成像系统中。DOT是这样的技术：它提供了对高度散射性介质(例如组织)中存在的吸收度改变进行定量的能力。假定光在体积内漫射，源需要在对象上受到扫描而光在检测器处受到检测，在这个意义上，DOT的理论原理类似于FMT。为了在这种模态中对吸收度的微扰进行成像，需要取得参考图像，在参考图像中，光尚未被吸收或者以较少的方式被吸收。在这个测量之后，与FMT中的激发测量相当，获取测量结果(该吸收度存在于该测量结果中)(相当于FMT中的发射测量)。通过选择合适的波长(例如近红外)，该技术可以同时对含氧血红蛋白(HbO)或脱氧血红蛋白(Hb)的浓度进行定量，并从而对氧饱和度和血液体积进行定量。通常，用在含氧/脱氧血红蛋白吸收光谱的等吸收点(800nm附近)两侧选择的两个或更多个近红外源在各个位置处照明该组织。组织表面处的光强度分布因而包含了与表面下的吸收体有关的光谱信息和空间信息。

[0076] 在某些实施方式中，本发明可以用在FMT成像系统中，该系统包括：激发光源；光学成像装置，其被配置成把光从激发光源导向受试者中多个位置处；检测器，其被配置成在多个位置处对从受试者发出的激发光和从受试者内的区域发出的荧光进行检测；处理器，其被配置成处理与所检测到的从受试者发出的激发光相对应的数据和与所检测到的从受试者的区域发出的荧光相对应的数据，以产生受试者的该区域的断层摄影学表现形式。该处理器被配置成执行指令以使用与所检测到的激发光和所检测到的荧光相对应的数据来建立从激发光源向受试者的区域的激发光传播、以及从该区域向检测器的荧光传播的正向模型。激发光源和所检测到的荧光被变换成它们的虚拟匹配的表达式。可选地，虚拟匹配的测量结果随后可以被传播到虚拟检测器组。最后，以归一化元素的离散化权重矩阵的形式建立正向模型，这些元素不需要考虑表面的存在；该权重矩阵被求逆，以获得实际空间中受试者的该区域的断层摄影学表现形式。

[0077] 在正向模型中，识别受试者的表面并针对该表面建立边界条件。然后把边界测量结果变换成与虚拟匹配的无限均匀介质中受试者的表面相对应的、虚拟匹配的表达式，从而简化正向模型。与由自由空间包围的受试者的表面相对应的数据包括表面通量分布的实验测量结果。然后，正向模型对从激发光源向受试者的区域的激发光传播以及从该区域向检测器的荧光传播进行建模，其中，受试者的表面与检测器之间现在已经不存在自由空间，介质已经被虚拟匹配的介质(其光学特性等于该受试者的平均光学特性)代替。

[0078] 在某些实施方式中，所检测的荧光是从受试者的该区域内的探针发射的，于是，正向模型对从激发光源向探针的激发光传播以及从探针向检测器的所发射的荧光的传播进行建模。在正向模型中，使用玻恩近似来表示所检测的从探针发射的荧光的强度，该探针在该区域内具有空间变化的浓度。用在空间上对应的所检测的激发光的强度来对所检测的荧光的强度进行归一化。

[0079] 在其他实施方式中，正向模型表示被变换成其虚拟匹配的表达式的所检测的激发光和所检测的荧光。在该系统中，激发光源或光学成像装置包括扫描仪，扫描仪被配置成把光引导到受试者中多个位置处，从而限定多个源位置。通过虚拟匹配的表达式，可以使用任意数目个源组成的非均匀网格。检测器包括检测器位置阵列，这些检测器位置可以是任意的，也可以符合简单的几何结构(例如平面)，使用从多个检测器位置获得的数据来建立正向模型。

[0080] 在该系统的某些实施方式中，激发光是近红外光。激发光具有从约500纳米到约1000纳米的范围内的波长。在该系统的其他实施方式中，激发光具有从约635纳米到约850纳米的范围内的波长。此外，激发光是连续波(CW)光。激发光包括从由下列项组成的组中选择的至少一个成员：连续波的光、时间分辨光、受到强度调制的光。

[0081] 该方法和算法接受由对任何对象进行荧光分子断层摄影(FMT)系统获取而生成的原始扫描图像，作为输入。如美国专利6,615,063“Fluorescence-Mediated Molecular Tomography”、美国专利申请 No.11/003,936“Imaging Volumes with Arbitrary Geometries in Contact and Non-Contact Tomography”和国际专利申请No.PCT/US2004/003229“Method and System for Free Space Optical Tomography of Diffuse Media”(这些文献的文本通过引用方式全部结合于此)中所描述的，FMT生成的原始扫描图像包含针对多个源位置和/或检测器位置的下述图像：光源的激发波长下的图像，称为“激发图像”；对比试剂的发射波长下的图像，也可以称为“发射图像”或“荧光图像”。可选地，原始扫描图像也可以受到预处理，以对介质中的光学异质性的效果进行检测和补偿，如国际专利申请No.PCT/US2008/65648“Imaging Systems Featuring Waveguiding Compensation”中所描述的。

[0082] 在优选实施方式中，所检测的光优选地包含来自光源的、已经在对象处透射或反射的激发光，以及从对象内的一个或多个荧光团发射的荧光。在DOT的情形下，只检测来自光源的、已经从对象透射的激发光。与在对象处透射或反射的激发光相对应的数据可以用来对所捕获的荧光测量结果进行校正/校准，从而提供更加精确的断层摄影学图像。这一个或多个荧光团由于受到激发光的激发而发射荧光。可以通过获得背景测量结果并相应地处理与所捕获的荧光相对应的数据，来考虑背景荧光。例如，该方法可以包括检测背景信号的步骤，其中，处理步骤包括：使用与所检测的背景信号相对应的数据来生成所检测的荧光的经校正测量结果和/或所检测的激发光的经校正测量结果，并把这一个或多个经校正的测量结果用在光学断层摄影学重构中。在某些实施方式中，处理步骤包括：使用与所检测的背景光相对应的数据来生成所检测的荧光的经校正测量结果以及所检测的激发光的经校正测量结果，由这种经校正的荧光测量结果和经校正的激发光测量结果生成经校准的荧光测量结果，并把经校准的荧光测量结果用在光学断层摄影学重构中。

[0083] 与所检测的光相对应的数据可以在光学断层摄影学重构和/或平面重构中，例如在迭代处理中，用作输入。在某些实施方式中，重复该方法的这些步骤以获得多个断层摄影学图像和/或平面图像。在某些实施方式中，重复该方法的这些步骤以获得以时间为变量的断层摄影学表现形式。在其他实施方式中，使用断层摄影学表现形式来对区域内探针的分布动力学进行监视。在另一个方面中，使用断层摄影学表现形式来对区域内的探针的活化动力学进行监视。

[0084] 在其他实施方式中，本发明是一种对受试者的区域内的荧光探针的分布进行成像的方法，该方法包括：(a)向受试者施予探针，该探针包括可见的或近红外的荧光团；(b)将可见的或近红外的激发光引导到受试者中多个位置处，以在包含荧光探针的受试者的区域的至少一部分处透射或反射；(c)可选地，检测从受试者的该区域透射或反射的激发光；(d)检测从受试者内的探针发射的荧光；以及(e)处理与所检测的荧光相对应的数据并可选地处理与所检测的激发光相对应的数据，以提供受试者的该区域的断层摄影学表现形式，其中，这个处理步骤包括：(i)使用与所检测的荧光(可选地，还有所检测的激发光)相对应的数据来建立从激发光源向受试者内的光源的激发光传播的、以及从该光源向检测器的发射光传播的正向模型，其中：(A)识别受试者的表面并针对该表面建立边界条件；(B)边界测量结果被变换成其虚拟匹配的表达式(这些表达式对无限均匀介质进行仿真)，从而简化正向模型；(C)虚拟匹配的荧光(可选地，还有虚拟匹配的激发光)被传播到平面的(或者可选地，任意的)虚拟检测器配置，这能够使用快速求逆算法；并且(D)把正向模型建立成归一化元素的离散化权重矩阵，这些元素不需要考虑该边界；以及(ii)对权重矩阵求逆，以获得受试者的该区域在实际空间中的断层摄影学表现形式。

[0085] 在某些实施方式中，断层摄影学表现形式包括受试者的区域内探针的浓度的图。在其他实施方式中，断层摄影学表现形式包括在三个维度中示出探针的量的图。另外，断层摄影学表现形式包括一个或多个图像，其中，该方法还包括：储存这一个或多个图像、显示这一个或多个图像、或者既储存又显示这一个或多个图像。在其他实施方式中，断层摄影学表现形式包括三维断层摄影学图像，其中，该方法还包括把三维断层摄影学图像与下述方式的成像数据组合：磁共振、x射线计算断层摄影、超声、单光子发射断层摄影、或者正电子发射断层摄影。

[0086] 在某些实施方式中，用于成像的探针是内源性探针。此外，探针还可以包括由受试者内的基因编码的内源性荧光团。在其他实施方式中，本发明是使用断层摄影学表现形式来确定对荧光团进行编码的基因的表达的方法。在其他实施方式中，内源性荧光团是荧光蛋白质或生物分子。在其他实施方式中，本发明是包括下述步骤的方法：在天然组织发色团的激发波长和发射波长处进行成像。

[0087] 在其他实施方式中，用于成像的探针被施予受试者。在某些实施方式中，本发明包括用于用探针进行成像的方法，其中，步骤(a)包括：向受试者施予多个探针，这些探针具有在光学上可区分的荧光发射波长；步骤(d)包括：对从每个探针发射的荧光进行检测；步骤(e)包括：对与所检测的光相对应的数据进行处理以提供一个或多个断层摄影学表现形式。在其他实施方式中，本发明被用来使用断层摄影学表现形式确定探针对于对象内的区域的作用。探针包括从由下列项组成的组中选择的成员：分子探针、荧光分子探针、可活化的荧光探针、酶可活化的荧光探针、靶向荧光探针、近红外荧光分子探针、荧光蛋白质、荧光生物分子、非特异性荧光探针、量子点、受体靶向的近红外荧色物、抗体靶向的近红外荧色物、波长偏移信标、多色荧光探针、镧金属配体探针。在其他实施方式中，探针包括附加到运输载体上的荧色物，所述运输载体包括下列一项或多项：聚合物、树枝形分子、蛋白质、碳水化合物、脂质球、纳米颗粒。

[0088] 在另一方面，本发明涉及对对象的目标体积进行成像的方法，该方法包括下列步骤：将激发辐射引导到对象中多个位置处；可选地，检测从该对象透射或反射的激发辐射；在对象的表面处检测辐射；检测从对象内的一个或多个对比试剂/探针发射的辐射；以及对与下述内容对应的数据进行处理以提供对象的目标体积的一个或多个图像：所检测的从对象处透射或反射的辐射、可选地检测的从对象处透射或反射的激发辐射、所检测的从对象内的一个或多个对比试剂/探针发射的辐射。该方法还可以包括显示该图像的步骤。对象例如可以是动物，例如哺乳动物，或人类。

[0089] 在另一方面，本发明涉及用于检测疾病的方法。在某些实施方式中，断层摄影学表现形式指示受试者的区域内的疾病的区域。在其他实施方式中，断层摄影学表现形式指示受试者的该区域内下述项的区域：关节炎、癌、病毒转移(metastasis)、斑块(plaque)、前述两项或更多项的组合。在其他实施方式中，断层摄影学表现形式表示受试者的区域内的肿瘤的边界。在其他实施方式中，断层摄影学表现形式可以被用来检测或监视细胞异常或疾病。此外，细胞异常或疾病包括从由下列项组成的组中选择的至少一个成员：心血管疾病、AIDS、神经退化(neurodegenerative)疾病、炎症、皮肤病、眼科疾病、影响皮肤的疾病、免疫性疾病。

[0090] 下面详细说明支持本发明优选实施方式的算法。图1的示意图图示了由自由空间(即否则是无限的、均匀的且非漫射性的介质102)包围的漫射性体积V 101。图1所示的几何结构由漫射性体积V 101组成，该体积以表面S为边界，表面S将其与折射率为nout的外部非漫射性介质102分开。漫射性介质由其吸收系数μa、其约化散射系数μs’(定义为μs’＝μs(1-g)，其中g为各向异性因子)、以及其平均折射率nin来表征。在高度吸收和散射性的介质中，漫射系数可以定义为D＝1/3(μs’+αμa)，因子α以非线性方式取决于光学特性，通常具有α＝0.2至α＝0.6之间的值(见Ripoll,J.,D.Yessayan等,(2004).“Experimental determination of photon propagation in highly absorbing and scattering media”,J.Opt.Soc.Am.A 22(3)及其中的参考文献对于该因子的更深入研究和实验验证)。对于组织中的各向异性的典型值g～0.8，组织的α在可见区(其中组织吸收性较大)的典型值在α＝0.5的量级。在优选实施方式中，本发明直接处理D和μa，而不是μs’和μa(假定它们通过上述表达式而关联)。另外，所有的推导都是在频域进行的，通过傅立叶变换而外推到时域，或者通过直接选择零频率分量而外推到CW体制。

[0091] 假定在图1的体积V 101中，点源位于介质内rs处，其强度以频率ω受到调制。在此情形下，平均强度U可以表示为U(r,t)＝U(r)exp[-iωt]。考虑辐射传递方程(Radiative Transfer Equation)中的能量守恒，在V内的r处检测到的U代表漫射光子密度波(DPDW)并遵循亥姆霍兹(Helmholtz)方程：

[0092]

[0093] 其中，复波数κ0由下式给出：

[0094]

[0095] 其中，c为真空中的光速，S(r)为源分布。在无限均匀3D介质中，计算从源向检测器的光传播的格林(Green)函数由下式给出：

[0096]

[0097] 严格地考虑边界S，在考虑到存在边界的情况下体积V内的平均强度Usrf通过Green定理由下式给出 [J.Ripoll和 M.Nieto-Vesperinas,J.Opt.Soc.Am.A16,1453(1999)]：

[0098]

[0099] 其中，

[0100]

[0101] 是在不存在表面的情况下获得的平均强度。可以使用斐克(Fick)定律：

[0102]

[0103] 以及漫射性介质与非漫射性介质之间的边界条件(R.Aronson,J.Opt.Soc.Am.A12,2532(1995))：

[0104]

[0105] Usrf(r)|S＝Cnd Jn(r)|S，r∈S (7)

[0106] 其中，系数Cnd考虑了两种介质之间的折射率不匹配(R.Aronson,J.Opt.Soc.Am.A12,2532(1995))。在折射率匹配的介质(即nout＝nin)的情形下，Cnd＝2；而对于典型的组织/空气折射率值(nin＝1.333，nout＝1)，Cnd～5。把式(6)和(7)代入式(4)，得到仅取决于总通量Jn的方便的表达式，因而式(4)可以重写为：

[0107]+

[0108] 为了进一步简化推导，表面积分Σ(Jn)被如下地定义为测得通量Jn的表面贡献：

[0109]

[0110] 对于式(8)，可以如下地写出边界处的平均强度Usrf，该强度考虑了界面和一般表面S：

[0111] Usrf(r)＝U(inc)(r)+∑+(Jn) (10)

[0112] 式(9)表示考虑了表面S的存在的情况下的平均强度。

[0113] 现在考虑这样的情形：体积V 101不由自由空间包围(参见图5)，而是由下述介质包围该体积：所述介质具有与体积V的漫射性对象相同的光学特性(即D、μa和nin)。在此情形下，平均强度将不能反映边界的存在，因为在由相同特性的介质包围体积V时，由光学间断(discontinuity)造成的边界效应将消失。考虑了这种情形的表达式在这份说明书中称为虚拟匹配的表达式。该表达式是由式(10)中取决于表面的表达式来确定的。为此，注意到图5所示虚拟匹配的情形可以被约化成实际测量结果(图1)与其逆情形(图4)的总和。即，如果把所缺失的体积的贡献加到取决于表面的表达式(10)，则会获得在不存在该表面的情况下将会出现的平均强度。产生虚拟匹配的平均强度的、包围受试者V的体积的贡献由下式给出：

[0114]

[0115] 其中，Σ(∞)表示无限半径的球面处的表面积分，只要μa>0，该积分就成为Σ(∞)＝0，因为无限远处的格林函数为零。注意，式(11)中的负号是由于现在Jn和表面法线nVM指向相反的方向。利用式(11)，虚拟匹配的解U (即在不存在界面的情况下将会出现的平均强度)由下式给出：

[0116] UVM(r)＝Usrf+∑-(Jn) (12)

[0117] 利用把测得的通量Jn与取决于表面的平均强度Usrf相关联的边界条件，式(12)可以重写成：

[0118] UVM(r)＝CndJn+∑-(Jn) (13)

[0119] 为了表明该表达式等效于在不存在界面的情况下将会出现的平均强度，把式(12)代入式(10)，得到：

[0120] UVM(r)＝Usrf(r)+∑-(Jn)＝U(inc)(r)+∑-(Jn)+∑+(Jn)

[0121] UVM(r)＝U(inc)(r) (14)

[0122] 这是因为Σ+(Jn)和Σ-(Jn)抵消了。把式(13)显式地写出，则虚拟匹配变换被表示为：

[0123]

[0124] 重要的是注意到：在式(15)所示的虚拟匹配表达式中，一旦考虑了自由空间传播贡献，Jn就是从检测器获得的实际测量结果。因此不需要求解式(8)的积分；在这种求解过程中，人们通常对边界处的平均强度U或者表面通量Jn求解，就像通常利用诸如漫反射边界方法(Ripoll,J.和V.Ntziachristos(2003),“Iterative boundary method for diffuse optical tomography”,J.Opt.Soc.Am.A 20(6):1103-1110)之类的精确算法实现的那样，或者对其进行近似，例如Kirchhoff近似(Ripoll,J.,V.Ntziachristos等 ,(2001),“The Kirchhoff Approximation for diffusive waves”,Phys.Rev.E64:051917:1-8)。注意，式(8)中用到的所有的格林函数g都是无限格林函数。

[0125] 考虑到我们的检测器处的测量结果是由Jnmeas给出的，已知它们与表面处的通量Jn有以下关系：

[0126]

[0127] 其中，fair是考虑了自由空间中的漫射光传播的函数，如Ripoll和Ntziachristos(2006)“From finite to infinite volumes:removal of boundaries in diffuse wave imaging”,Phys.Rev.Lett.96(17):173903和国际专利申请No.PCT/US2004/003229“Method and System for Free Space Optical Tomography of Diffuse Media”中所示。注意，在包含了离焦(out-of-focus)测量结果的更一般的情形下，fair成为与Jn的卷积；这在本申请中没有示出但是也被包含在本发明中。式(16)可以被应用于式(15)。

[0128] 在确定了虚拟匹配变换式(15)之后，考虑这样的具体情况：我们希望检测器(利用式(16)，目前在表面S上)的位置在虚拟匹配的介质内的一般平面上。为此，使用一阶Rayleigh-Sommerfeld积分公式，该公式表明对于在z＝z0处的平坦平面A，在z>z0处的场(在此情形下，指的是平均强度)由下式给出(Born和Wolf,Principles of Optics)：

[0129]

[0130] 其中，在此情形下，A在(xy)平面中以使式(17)成立。在一般意义下，对于表面法线为n的一般表面，可以针对虚拟匹配的表达式UVM把式(17)重写成：

[0131]

[0132] 其中，UVMprop(rd)现在代表传播到位于rd处的虚拟检测器的、虚拟匹配的表达式。注意，式(18)只对于体积V外部的值才成立。另外，该表达式对于平面是精确的，并且在更一般的情形下表示的是近似。精确表达式会使得(参见式(4)作为比较)：

[0133]

[0134] 其中，我们已经利用了斐克定律式(7)。但是，JVM这个量是未知的，因为我们只能VM从我们的测量结果找出U 。在任意情形下，应当注意，如Ishimaru,Ishimaru(1978),Wave propagation and scattering in Random Media,New York,Academic所示，在漫射近似之VM VM
内，J <

[0135] 一旦限定了虚拟匹配变换式(15)并用式(19)确定了使这些虚拟匹配的值能够传播到体积V之外的空间中任意点的表达式，就可以将它们应用到荧光和激发测量结果，以求解逆问题。

[0136] 假定图6的体积V 601内存在一组荧光团，其浓度F(r)是取决于空间位置的。由于具有浓度F(r)的一组荧光团分布在否则将是无限均匀介质中的体积V内而造成的荧光强度可以在玻恩近似之内表示如下：

[0137] Ufl(rs，rd)＝∫VUsrf(rs，r)F(r)G(r，rd)dr (20)

[0138] 其中G为考虑了体积V的表面的格林函数。应用虚拟匹配变换，可以将式(20)重写成：

[0139]VM

[0140] 其中，g现在表示式(3)给出的无限齐次格林函数，U ft(rs,rd)可以包含向虚拟检测器的传播，或对应于受试者的表面处的、虚拟匹配的表达式的值。因此，针对虚拟匹配的表达式的归一化玻恩表达式(例如参见Ntziachristos和Weissleder(2001)“Experimental three-dimensional fluorescence reconstruction of diffuse media using a normalized Born approximation”,Opt.Lett.26(12):893-895)由下式给出：

[0141]

[0142] 其中，我们已经有：

[0143]

[0144] 其中S0是激发源强度。在式(22)中，体积V内的平均强度Usrf由式(4)给出：

[0145] Usrf(rs，r)＝U(inc)(rs，r)+∑V(Usrf) (24)

[0146] 其中，ΣV(Usrf)已经被写成：

[0147]

[0148] 把式(25)引入式(22)，就得到对于归一化玻恩近似的虚拟匹配的表达式：

[0149]

[0150] 式(26)是一般的，并且考虑了表面S所有的可能贡献。但是，对于实际应用，式(26)中的第二项因为对于首项的贡献小于10％而可以忽略，从而对于虚拟匹配的测量结果，对于归一化玻恩近似得到处理起来容易得多的表达式：

[0151]

[0152] 根据式(27)，现在可以使用无限齐次格林函数来求解我们的逆问题：

[0153]

[0154] 其中W为权重矩阵：

[0155]

[0156] 为了获得荧光试剂浓度或吸收体浓度的3D重构，我们需要对下式求解：

[0157]

[0158] 其中m是对于总共M个体元(voxel)的体元索引，s是对于总共Ns个外部源的源索引，i是对于总共Nd个检测器的检测器索引。

[0159] 有多种途径能够用来求解式(30)。能够用来对荧光试剂或吸收体的浓度F进行求解的途径的示例有：迭代途径(例如代数重构技术(Algebraic Reconstruction Technique))、单值途径(单值分解 (Singular Value Decomposition)、Tikhonoff Regularization等)、梯度法等。由于使用了无限齐次函数，权重矩阵具有简化的表达式，能够更快地求逆。

[0160] 图2是根据本发明的示例性实施方式，用于获得对象中的荧光或吸收探针、组织或其他目标对象的定量3D分布的方法的步骤框图。该框图把本发明的优选实施方式中对表面数据203进行了虚拟匹配变换之后所用的步骤(例如使检测器符合平面阵列204，以使用混合求逆途径(Hybrid Inversion approach)205)与使用无限齐次函数来对该问题求逆的传统成像途径中所用的步骤206进行了比较。首先，获得测量结果数据201，然后对表面几何结构进行测量或近似202，并进行虚拟匹配203，如本申请中上文所述那样。然后，在优选实施方式中，使检测器符合平面204，从而或者能够使用混合求逆途径205，或者使用针对平面的无限齐次函数。在没有使检测器符合平面的情况下，可以针对任意形状206求解无限齐次函数，但是计算时间会高得多。

[0161] 图3图示了在受试者的表面处离开受试者的通量301。然后，在通量301行进经过自由空间302之后，由检测器测量该通量。边界处的通量301是由受试者内部传播的平均强度303产生的，该平均强度是由源、或者一组源或者荧光团生成的。

[0162] 图4图示了图2的逆情形，其中，受试者现在被嵌入否则将是无限且均匀的漫射性介质401中，该介质具有与受试者相同的光学特性，其中，由受试者占据的体积现在是非散射性的，即自由空间402，并且现在通量传播到漫射性介质403中。

[0163] 图5的示意图示出了把测量结果502虚拟匹配到具有与受试者501相同的平均光学特性的介质的效果，源503处在相同的初始位置。该问题的解与在没有边界的情况下对源位置503进行求解相同。

[0164] 图6的曲线图图示了在数据已被转换成虚拟匹配的表达式601后，如何能使它经过虚拟匹配漫射性介质从表面位置602传播到任意的虚拟检测器603。通过把所有的值从复杂表面投影到简单几何结构(例如平面)，可以使用其他的快速求逆途径(例如混合求逆途径)来找出例如荧光团的3D分布。

[0165] 图7－9示出了利用虚拟折射率匹配途径而执行的断层摄影学重构的示例。图7示出了对于成年雌性Nu/Nu小鼠执行的重构的示例，这些小鼠在乳腺脂肪垫中被注射了乳癌的4T1模型。在FMT 2500成像系统上用ProSense 750试剂(二者都可通过VisEn Medical,Bedford,Massachusetts买到)对乳腺肿瘤和肝脏进行成像。图面701中小鼠的重构图像是用传统的断层摄影学重构技术以20分钟的计算时间获得的。图面702中小鼠的重构图像是用虚拟折射率匹配途径以2分钟的计算时间获得的。

[0166] 图8示出了对于雌性成年裸小鼠(nude mice)执行的重构的示例。使用FMT 2500成像系统用试剂OsteoSense 680(二者都可通过VisEn Medical,Bedford,Massachusetts买到)对脊柱和臀部进行成像。图面801中小鼠的重构图像是用传统的断层摄影学重构技术以17分钟的计算时间获得的。图面802中小鼠的重构图像是用虚拟折射率匹配途径以1分钟的计算时间获得的。

[0167] 图9 示出了使用自由染料 (free dye)和 FMT2500( 可通过 VisEn Medical,Bedford,Massachusetts买到)对于模型(phantom)在体外执行的重构的示例。图面901中的模型的重构图像是用传统的断层摄影学重构技术以8分钟的计算时间获得的。图面902中模型的重构图像是用虚拟折射率匹配途径以0.5分钟的计算时间获得的。
图7－9的图像表明了与传统的重构技术相比，虚拟折射率匹配途径的改善了的、更短的计算时间。

[0168] 在某些实施方式中，本发明的方法可用于光学成像模态和测量技术，包括但不限于：内窥镜检查；荧光内窥镜检查；冷光成像；生物发光断层摄影学、时间分辨的透射成像；透射成像；非线性显微；共焦成像；声光成像；光声成像；反射光谱学；光谱学；相干干涉；
干涉；光学相干断层摄影学；漫射光学断层摄影学和荧光介导分子断层摄影学(连续波、时域频域系统和早期光子)，以及下述测量：光散射、吸收、偏振、冷光、荧光寿命、量子产额、淬灭(quenching)。

[0169] 一些商业可得的系统能够用来使用本申请中描述的系统和方法，它们包括但TM不限于以下系统：eXplore Optix , 和 (ART-Advanced Research
Technologies,Canada), II LB(Berthold Technologies,Germany),Nano
SPECTTM,NanoPET/CTTM和 (Bioscan,Washington,DC),Photon ImagerTM,Beta
ImagerTM,Micro Imager,Gamma Imager(Biospace Lab,France),
FLEX 和 FLEX(Cambridge Research and Instrumentation-
Woburn,MA),LightSpeedTM,BrightSpeedTM和 MR Series,eXplore
Series,TriumphTM( Healthcare,United Kingdom), In-Vivo
Imaging FX Systems, In-Vivo Multispectral Imaging FX Systems
和 Image Station 4000series( 和
Rochester,NY), (Hamamatsu,Japan), 和 LILA Imaging
Systems(Imaging Diagnostic Systems-IMDS,Plantation,FL),
Infrared Imaging System, Imager(LI-COR,Lincoln,NE), Neuro
System( Canada), (Mauna Kea Technologies,France),
TM TM
和 -TMR Systems,HELIOS ,LUNA , 和 Imaging
Systems(Novadaq,Canada),DYNOT Imaging System(NIRx,Glen Head,New York),OV100和 IV100(Olympus Corporation,Japan), (Photometries,Tucson,AZ)
以及 Systems, 3D, Kinetics, Spectrum和
Lumina( Alamaeda,CA和 Life Sciences,Hopkinton,MA),
TM TM TM
(UVP,Upland,Ca)和VisEn FMT-1,VisEn FMT 1500 以及VisEn FMT 2500 LX(VisEn Medical,Bedford,MA)。

[0170] 本发明的系统可以包括执行软件的计算机，该软件对于一个或多个仪器的操作进行控制，和/或对于系统获得的数据进行处理。该软件可以包括记录在机器可读介质上的一个或多个模块，该介质例如为磁盘、磁带、CD-ROM和半导体存储器。机器可读介质可以驻留在计算机内，也可以由通信链路连接到计算机(例如通过互联网链路来访问)。但是，在替代性实施方式中，可以把计算机指令从软件替换成硬连线逻辑的形式，也可以用固件(即记录在诸如PROM、EPROM、EEPROM之类的设备上的计算机指令)来代替软件。本申请中所用的术语计算机可读指令应当认为涵盖了软件、硬连线逻辑、固件、目标代码等。

[0171] 计算机优选为通用计算机。计算机例如可以是嵌入式计算机、个人计算机(例如膝上型计算机或台式计算机)、或者其他类型的计算机，计算机能够运行软件、发出合适的控制命令、和/或实时记录信息。计算机可以包括用于向仪器操作者报告信息(例如显示断层摄影学图像)的显示器、使操作者能够输入信息和命令的键盘、和/或用于给系统进行的测量提供打印输出(或永久性记录)并用于打印诊断结果(例如用于包含在病历中)的打印机。在某些实施方式中，在键盘处输入的一些命令使得用户能够执行某些数据处理任务。在某些实施方式中，数据获取和数据处理是自动化的，在系统初始化之后不需要用户输入或几乎不需要用户输入。

[0172] 在某些实施方式中，本发明的特色在于对同时包含两种或更多种成像探针的受试者进行选择性成像的体内成像方法，其中，两种或更多种成像探针被同时地或者依次地施予受试者。这些成像探针可以是光学的或其他的成像试剂的任意组合。单一的成像试剂可以既用作光学的又用作其他的成像模态试剂，例如双成像试剂(dual imaging agent)。因此，该方法允许记录多个生物学过程、功能或目标。本发明的这些方法可以用来确定多个标记，包括对受试者中的成像探针的局部化随时间进行跟踪，或者对受试者中的成像探针的代谢和/或排泄中的改变或变动随时间进行评估。通过对由这些治疗进行了调制的生物学路径和分子事件进行成像，这些方法还能用来观察对这些疾病的治疗，包括但不限于确定功效、最佳时机、最佳剂量水平(包括对于个体病人或测试受试者)、药效学参数、以及组合治疗的协同效果。

[0173] 在某些实施方式中，本发明可以与例如使用包括但不限于下列项的设备的其他的成像途径一起使用：各种镜(显微镜、内窥镜)、导管(catheter)和光学成像设备，例如用于断层摄影学表现形式的基于计算机的硬件。

[0174] 本发明可以用来帮助内科医生、外科医生或者其他的医学人士来识别和表征疾病区域，例如关节炎、癌症、病毒转移、或者易损的或不稳定的斑块，以区分有病的和正常的组织，例如对难以检测的肿瘤边缘进行检测。

[0175] 本发明的方法还可以用于对下述项的检测、表征和/或确定：疾病(尤其是早期疾病)的局部化、疾病或与疾病有关的状况的严重性、疾病的分阶段，以及对各种治疗干预方式(例如外科手术过程)的监视和引导、对药物治疗和递送(包括基于细胞的治疗)的监视和/或开发。本发明的方法还可以用于疾病或疾病状况的预后(prognosis)。对于前述各项，能够被检测或监视(在治疗之前、之中或之后)的这些疾病或疾病状况的示例包括：炎症(例如由关节炎导致的炎症，例如风湿性关节炎)、癌症(例如直肠的、卵巢的、肺的、乳的、前列腺的、子宫颈的、睾丸的、皮肤的、脑的、胃肠的、胰腺的、肝的、肾的、膀胱的、胃的、白血病、口的、食道的、骨的，包括转移)、心血管疾病(例如动脉硬化和血管的炎症状况、缺血(ischemia)、中风、血栓、散布的血管内血凝固)、皮肤病(例如卡波西肉瘤、牛皮癣、过敏性皮炎)、眼科疾病(例如黄斑变性、糖尿病视网膜病变)、传染病(例如细菌的、病毒的、真菌的和寄生性的感染，包括获得性免疫缺陷综合症、疟疾、查格斯氏病、血吸虫病)、免疫性疾病(例如自身免疫疾病、淋巴瘤、多发性硬化、风湿性关节炎、糖尿病、红斑狼疮、重症肌无力、格雷夫(Graves)氏病)、中枢神经系统疾病(例如神经退化性疾病，例如帕金森氏症或老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、肌萎缩侧索硬化、朊蛋白(prion)病)、遗传病、代谢病、环境疾病(例如铅、汞和放射性中毒、皮肤癌)、与骨骼有关的疾病(例如骨质疏松、原发的和转移的骨肿瘤、骨关节炎)、神经退化疾病、与外科手术有关的并发症(例如移植排斥、器官排斥、伤口复原中的变化、纤维化或者与外科手术移植有关的其他并发症)。因此，本发明的方法例如可以用来确定肿瘤细胞的存在以及肿瘤细胞的局部化和转移、炎症的存在和局部化(包括活化巨噬细胞的存在，例如在动脉硬化或关节炎中)、血管病的存在和局部化，包括冠状动脉和外周动脉中有急性阻塞(例如易损斑块)风险的区域、扩张性动脉瘤的区域、颈动脉中的不稳定斑块、缺血区域、以及支架内血栓。本发明的方法和组合物也可以用在细胞的死亡、伤害、凋亡、坏疽、缺氧和血管生成(angiogenesis)的识别和评估中。本发明的方法和组合物也可以用来监视某些细胞类型的交易(trafficking)和局部化，包括T细胞、肿瘤细胞、免疫细胞、干细胞和其他细胞类型。具体地，该方法可以用来监视基于细胞的治疗。本发明的方法和组合物还可以用作光动力(photodynamic)治疗的一部分，包括成像、光敏化(photoactivation)和治疗监视。

[0176] 在某些实施方式中，本申请中描述的系统和方法可以用来对受试者中的内源性荧光进行成像。例如，邻近在使用标准基因治疗和转基因技术的动物或人类受试者中所要表达的感兴趣基因，可以包含对荧光蛋白质(例如绿色、红色或红外的荧光蛋白质)进行编码的基因。可以通过对荧光蛋白质进行成像来间接地确定感兴趣的基因的表达。如果该蛋白质被表达，则感兴趣的基因也已被表达。内源性荧光蛋白质的荧光特性在以下文献中有描述：Giepmans等,Science,312:217-224,2006；Shaner等,Nature Methods 2:905-909,2005；以及 Zhang 等 ,Nat.Rev.Mol.Biol.3:906-918,2002；Ai等 ,Biochemistry 46:5904-5910,2007；Shaner 等 ,Nat.Biotech 22:1567-1572,2004；Campbell 等 ,Proc.Nat.Acad.Sci.99:7877-7882,2002；Heikal 等 ,Proc.Nat.Acad.Sci.97:11996-12001,2000；Baird 等 ,Proc.Nat.Acad.Sci.97:11984-11989,2000；
Tsien,Ann.Rev.Biochem.67:509-44,1998；Heim 等 ,Curr.Biol.6:178-182,1996；
Cubitt 等 ,Trends Biochem Sci.11:448-455,1995；Heim 等 ,Proc.Nat.Acad.Sci
91:12501-12504,1994；有关的文本通过引用方式结合于此。

[0177] 成像探针

[0178] 该成像系统和方法可以与多种不同的成像探针一起使用，例如：(1)在标靶接触(例如粘合或相互作用)之后被活化的探针(Weissleder等,NatureBiotech.,17:375-378,1999；Bremer 等 ,Nature Med.,7:743-748,2001；Campo等,Photochem.Photobiol.83:958-965,2007)；(2)波长偏移信标(Tyagi 等 ,Nat.Biotechnol,18:1191-1196,2000)；(3) 多色( 例如荧光的 )探针(Tyagi等 ,Nat.Biotechnol.,16:49-53,1998)；(4)对于标靶具有高结合亲合力(binding affinity)的探针，例如在非特异性的探针被从身体清除时留在目标区域内的探针(Achilefu等,Invest.Radiol.,35:479-485,2000；Becker等,Nature Biotech.19:327-331,2001；Bujai等,J.Biomed.Opt.6:122-133,2001；Ballou等,Biotechnol.Prog.13:649-658,1997；以及Neri等,Nature Biotech.15:1271-1275,1997)；(5)量子点或基于纳米颗粒的成像探针，包括多价(multivalent)成像探针，以及荧光量子点，例如amine T2MP (Evident
Technologies)或者 Nanocrystals(InvitrogenTM)；(6)非特异性的成像探针，例如靛氰绿、 (VisEn Medical)；(7)被标记的细胞(例如用外源性荧光团例如
VivoTagTM 680、纳米颗粒、或量子点标记的细胞，或者通过以基因方式操纵细胞来表达荧光或冷光蛋白质，例如绿色或红色荧光蛋白质)；和/或(8)X射线,MR,超声,PET或SPECT对比试剂，例如钆、金属氧化物纳米颗粒、X射线对比试剂，包括基于碘的成像试剂、或者金属例如铜、镓、铟、锝、钇和镥的放射性同位素形式，包括但不限于99m-Tc、111-In、64-Cu、
67-Ga、186-Re、188-Re、153-Sm、177-Lu和67-Cu。上述文献的有关文本通过引用方式结合于此。另一组合适的成像探针是镧金属-配体探针。荧光镧金属包括铕和铽。镧的荧光特nd
性在下述文献中描述：Lackowicz,1999,Principles of Fluorescence Spectroscopy,2 Ed.,Kluwar Academic,New York，该文献的有关文本通过引用方式结合于此。在本发明的方法中，可以通过注入成像探针或者通过局域的(topical)或其他局部的施予路径(例如“喷雾”)，来系统地或局部地施予成像探针。此外，本发明申请中所用的成像探针可以被共轭到能够诱发光动力治疗的分子。这些包括但不限于：Photofrin、Lutrin、Antrin、氨基乙酰丙酸、金丝桃素、苯并卟啉衍生物、以及选择卟啉。

[0179] 一般地，本发明的实施中所用的荧光量子点是包含几个半导体材料的原子的纳米晶体(包括但不限于包含镉和硒、硫或碲；硫化锌、锑化铟、硒化铅、砷化镓以及二氧化硅或有机改性硅石(ormosil))，这些纳米晶体已经被涂覆了硫化锌来改善荧光试剂的特性。

[0180] 具体地，分子成像探针是成像探针的优选类型。分子成像探针是针对生物标志物(biomarker)、分子结构或生物分子的探针，例如细胞表面受体或抗原、细胞内的酶、或者探针与其杂交的特定的核酸(例如DNA)。成像探针所靶向的生物分子例如包括：抗体、蛋白质、糖蛋白、细胞受体、神经递质、整联蛋白、生长因子、细胞因子、淋巴因子、凝集素、选择素、毒素、碳水化合物、内在化受体(internalizing receptor)、酶、蛋白酶、病毒、微生物和细菌。

[0181] 在某些实施方式中，光学成像探针具有在范围550－1300或400－1300nm、或者约440与约1100nm，约550与约800nm之间、约600与约900nm之间的范围中的红色和近红外光谱中的激发和发射波长。使用这部分电磁波谱使组织的穿透尽可能大，以及生理学上丰富的吸收体(例如血色素(<650nm)和水(>1200nm))造成的吸收尽可能小。具有在其他光谱区(例如可见光谱和紫外光谱)中的激发和发射波长的光学成像探针也可以用在本发明的方法中。具体地，诸如某些羰花青或聚甲炔荧光荧色物或染料的荧光团可以用来构建光学成像试剂，例如美国专利No.6,747,159，授权给Caputo等(2004)；美国专利No.6,448,008，授权给Caputo等(2002)；美国专利No.6,136,612，授权给Delia Ciana等(2000)；美国专利No.4,981,977，授权给Southwick等(1991)；5,268,486，授权给Waggoner等(1993)；美国专利No.5,569,587，授权给Waggoner(1996)；5,569,766，授权给Waggoner等(1996)；美国专利No.5,486,616，授权给Waggoner等(1996)；美国专利No.5,627,027，授权给Waggoner(1997)；美国专利No.5,808,044，授权给Brush等(1998)；美国专利No.5,877,310，授权给Reddington等(1999)；美国专利No.6,002,003，授权给Shen等(1999)；美国专利No.6,004,536，授权给Leung等(1999)；美国专利No.6,008,373，授权给Waggoner等(1999)；美国专利No.6,043,025，授权给Minden等(2000)；美国专利No.6,127,134，授权给Minden等(2000)；美国专利No.6,130,094，授权给Waggoner等(2000)；美国专利No.6,133,445，授权给Waggoner等(2000)；美国专利No.7,445,767，授权给Licha等(2008)；美国专利No.6,534,041，授权给Licha等(2003)；美国专利No.7,547,721，授权给Miwa等(2009)；美国专利No.7,488,468，授权给Miwa等(2009)；
美国专利No.7,473,415，授权给Kawakami等(2003)；以及WO 96/17628,EP 0 796 111 B1,EP 1 181 940 B1,EP 0 988 060 B1,WO 98/47538,WO 00/16810,EP 1 113 822 B1,WO
01/43781,EP 1 237 583 A1,WO 03/074091,EP 1 480 683 B1,WO 06/072580,EP 1 833
513 A1,EP 1 679 082 A1,WO 97/40104,WO 99/51702,WO 01/21624,EP 1 065 250 A1；以及Tetrahedron Letters 41,9185-88(2000)；上述所有文献通过引用方式结合于此。

[0182] 用于光学成像探针的示例性荧色物例如包括下列：Cy5.5,Cy5,Cy7.5和 Cy7( Healthcare)；AlexaFluor660,AlexaFluor680,AlexaFluor790 和
AlexaFluor750(Invitrogen)；VivoTagTM680,VivoTagTM-S680,VivoTagTM-S750(VISEN Medical)；Dy677,Dy682,Dy752 和 Dy780 547, 和 / 或
TM TM TM
647(Pierce)；HiLyte Fluor 647,HiLyte Fluor 680,和HiLyte Fluor
750 800CW, 800RS和 700DX
TM
ADS780WS,ADS830WS和ADS832WS(American Dye Source)；XenoLight CF 680,XenoLight TM TM
CF 750,XenoLight CF 770 和 XenoLight DiR( Life Sciences)；
以及 650, X-SIGHT 691, X-SIGHT
751( Health)。

[0183] 用于浓度绘图的校准

[0184] 本申请中描述的这些系统和方法允许动物受试者中的荧光试剂的体内定量。这些系统能够精确地把荧光试剂的浓度重构成以动物受试者内的位置为变量的函数。对荧光试剂的分布进行的数值计算产生的结果取决于与生物学相关探针共轭时的荧光试剂的光化学特性。具体而言，量子产率与吸收截面的乘积或消光系数被作为数值因子而包含在计算结果中，从而掩蔽实际的荧色物浓度。从基本原理对这些光化学特性进行的演绎评估以及把这些评估应用于体内荧光的断层摄影学重构是不可靠且容易出错的。因此，需要一种方法来以经验且体内的方式考虑这些光化学特性，以得到对于荧光试剂浓度精确的定量和分配。

[0185] 该校准方法能够对荧光试剂的分布的FMT断层摄影学重构进行精确的定量。该方法包括通过FMT测量注入到模型中的溶液中已知量的荧光试剂(例如VivoTag680或VivoTag750,VisEn Medical,Bedford,MA)。该模型可以是合成材料，该材料被设计成与动物组织的光学特性匹配并且包含被设计来保持荧光试剂的腔；或者该模型也可以是保持有荧光试剂的容器，该容器接着被置于动物尸体内。模型材料例如可以由光学透明的聚酯树脂(TAP Plastics,Dublin,CA)组成，该树脂分散有二氧化钛(TiO2,Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)和墨水，以把模型的光学散射和光学吸收特性调节成生物学组织的这些特性。模型可以被模制、机加工或制造成任何所需的几何结构或纵横比(aspect ratio)。在一种实施方式中，模型被模制成代表小动物解剖体(anatomy)的尺度(例如13－25mm范围的厚度)，并机加工出内部的中空腔以容纳荧光试剂，其具有的尺度代表各种动物模型中与疾病有关的损害(lesion)(例如50－500μL范围内的肿瘤尺寸)。这些中空的腔可以位于代表各种疾病表现的深度处，从接近表面(对于皮下疾病模型)到模型内的整个深度。荧光试剂在溶液中的浓度是在把已知体积的溶液散布到模型中之前在体外测量的，例如使用分光光度法仪器，如Varian(Palo Alto,CA)提供的那些设备。然后获取模型的完整FMT数据集，并以断层摄影学方式重构原始数据。对感兴趣的区域(ROI)的分析是对荧光试剂的重构分布进行的。然后对这个ROI中的值进行数值比例的确定，以与已被散布到模型中的荧光试剂的已知量相匹配。最后，这个比例因子被应用于将来的重构，以把断层摄影学重构的原始结果转换成有物理学意义的荧光试剂浓度。可以生成比例因子来考虑不同荧光试剂(例如ProSense680，OsteoSense750等(VisEn Medical,Bedford,MA))的光化学特性。这种校准处理可以对于每一试剂重复若干次，以提高校准的统计学稳固性(robustness)并减小操作者变动、不同批次试剂的变动以及其他误差源的影响。根据需要，还可以生成单一的、标量比例因子，或者被映射到整个浓度范围的比例因子函数。比例因子也可以是以被扫描的受试者内的深度为变量，或者以受试者的其他物理特性为变量的函数。这些函数方式的比例因子也可以被组合以产生具有多个参数的比例因子函数。图9中的图面902图示了使用虚拟折射率匹配途径对模型的校准。

[0186] 下面的参考文献以及本申请中标出的所有其他参考文献通过引用方式全文结合于此：Arridge,S.R.,H.Dehghani等 (2000),"The finite element model for the propagation of light in scattering media:a direct method for domains with nonscattering regions,"Med Phys 27(1):252-64；Hielscher,A.H.,R.E.Alcouffe 等(1998),"Comparison of finite-difference transport and diffusion calculations for photon migration in homogeneous and heterogeneous tissues,"Phys.Med.Biol.43:1285-1302；Markel,V.A. 和 J.C.Schotland(2001),"Inverse scattering for the diffusion equation with general boundary conditions,"Phys Rev E 64(3Pt2):035601；Markel,V.A.和J.C.Schotland(2004),"Symmetries,inversion formulas,and image reconstruction for optical tomography,"Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys 70(5Pt 2):056616；Ntziachristos,V.,J.Ripoll等(2005),"Looking and listening to light:the evolution of whole-body photonic imaging,"Nat Biotechnol
23(3):313-20；

[0187] Ripoll,J.,M.Nieto-Vesperinas 等 (2002),"Fast analytical approximation for arbitrary geometries in diffuse optical tomography,"Optics Letters27(7):527-529；Ripoll,J.,V.Ntziachristos等(2001),"The Kirchhoff Approximation for diffusive waves,"Phys.Rev.E 64:051917:1-8。

[0188] 等同形式

[0189] 尽管已经参考具体的优选实施方式以特定方式图示和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对它们在形式和细节方面进行各种改变。本申请中引用的所有参考文献、专利和专利申请的有关教导通过引用方式全部结合于此。

标题	发布/更新时间	阅读量
光谱仪和光谱学方法	2020-05-12	465
包括多个发射源的光谱学装置	2020-05-14	265
用于表面离子光谱学的采样系统	2020-05-14	479
含有气体供应的等离子体光谱学系统	2020-05-14	491
用于光谱学的改进的机动可变路径长度单元	2020-05-15	309
测定同位素气体的光谱学方法	2020-05-13	644
用于执行光谱学的系统	2020-05-12	966
可重新配置的光谱学系统	2020-05-13	229
红外光谱学系统	2020-05-11	961
时域光谱学中用于增加测量精度的连续参考	2020-05-15	690

用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法

用于漫射性介质虚拟折射率匹配的系统和方法

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