小动物光声成像系统技术文档.doc

目 录一3多模式光声成像系统原理3Endra Nexus 128技术优势41 优异的科研级激光器系统52 探测器系统与真正的3-D成像53 方便快捷科学的动物处理系统64 分辨率和灵敏度65 穿透深度76.操作步骤简单77 光声图像定位88 强大的软件处理功能89卓越的科学顾问团队8Endra Nexus 128系统硬件配置8二 Endra Nexus 128系统科研应用92.1 肿瘤学应用92.1.1 肿瘤形态学92.1.2 肿瘤灌注102.1.3 探针吸收-动态扫描102.1.4肿瘤治疗112.2 纳米材料(新型造影剂)中的应用112.3 解剖学应用132.4 光学造影剂应用13三 同动物活体荧光成像比较16 一多模式光声成像系统原理当一束光照射到生物组织上，生物组织吸收光能量而产生热膨胀，伴随着热膨胀会产生超声波，吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。于是不同的组织就会产生不同强度的超声波，可以用来区分正常组织和病变组织。光声成像技术检测的是超声信号（该技术克服了光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足），反映的是光能量吸收的差异（补充超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷），结合光学和超声这两种成像技术各自的优点，能实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像。Endra Nexus 128多模式小动物光声成像是一种在生物医学基础研究和疾病相关的应用研究中都具有广阔前景的新技术。以动物模型为对象的生物医学研究可以避免在人体进行实验带来的风险，克服某些疾病潜伏期长、病程长的缺点，并且可以严格控制动物实验条件、减少个体差异的影响，是目前动物模型研究中不可或缺的工具之一。Endra Nexus 128多模式光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。该系统的购置充分考虑了科学研究和实际应用的需求，可针对小动物活体进行心血管疾病（血管生成、心肌炎、血栓、心梗等）、 淋巴、肿瘤、神经系统、血液病、新型分子探针、血红蛋白浓度和血氧饱和度测量和功能影像等方面的前沿性研究，将进一步提升科研单位在这些领域的研究水平和地位。光声成像是衡量综合性大学中生命科学、基础医学和化学等领域科研水平和科研工作深度的标志性先进分子成像研究仪器，目前开始在国内发展，正在成为教学、科研和重点学科、重点实验室建设必备的分析测试研究手段。Endra Nexus 128多模式光声成像系统集合了近红外实时荧光成像、超声波成像和光声成像三种成像模式与一体，致力于小动物的分子影像学研究，光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性，同时还具有分辨率高、无副作用等特点，正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。多模式的组合使得我们可以拓展更多的研究领域，在一个集成的系统中实施超声、荧光、和光声三种方式检测，使得我们可以从多模式、多角度、多手段中来解释实验结果，使得研究结果可以在一个集成系统中互相得到印证和确证，提高科学实验的精确性，使实验结果的解释更加合理。 Endra Nexus 128技术优势Endra公司是由辉瑞、默克、强生、雅培、Lilly、诺华诺德、阿斯特拉等七大制药公司组成的Enlight Biosciences实体投资成立的。Endra发展光声的历史可以追溯到2001年，迄今已有九年的历史，目前Endra已经在肿瘤生物学和探针研发方面开展了3年多的应用性研究。Endra Nexus 128小动物光声成像是Endra研发生产，是目前市场上唯一一款完全的3-D光声成像系统，能够精确确定探针在组织中的分布，而其他的光声系统是基于切片式的扫描系统。完全的3-D光声成像系统从而决定了Nexus128在空间分辨率、灵敏度、动物处理速度、扫描速度和通量方面都优于其他同类产品。综合分析3-D光声成像的优势，具体体现在以下几个方面。1 优异的科研级激光器系统Endra Nexus128使用OPO可调谐脉冲近红外激光器（一类激光器，最大功率不操过20mJ/脉冲，对实验动物和操作人员无损伤，符合ANSI关于激光在实验动物上使用的标准)。完全满足小动物近红外激发的需求。激光调谐范围680-950nm，脉冲频率20Hz。该激光器属于科研级激光器，牢固可靠，且应用于多项科学研究应用中。单元部件完全密封不需要维护。其他系统的激光器是为桌面型物理研究设计的，在生物学应用研究领域没有任何可参考的数据。Nexus 128拥有一个有效的光学系统（无光纤无能量损失），激光达到动物身上的能量与其他系统一样。Nexus128激光达到动物的能量是符合ANSI激光标准的，iThera超出这个标准4倍，将直接导致发表国际论文时审查上的麻烦。2 探测器系统与真正的3-D成像在过去的15年中，每一个医疗成像技术都因灵敏度和等向分辨率的原因趋向于3-D成像，Endra可以做成2-D成像但愿意投资做真正的3-D成像系统，ENDRA唯一的一个真正的商业化3D光声成像系统。Nexus128的探测器是由 128个立体式螺旋排列的超声信号接收器组成的半球形阵列。螺旋形立体聚焦设计。拥有128个电子通道，中心频率为5MHz。高精度的旋转马达控制探测器完成360度旋转。探测器负责接收超声波信号，并转换成相应的电学信号，然后发送给计算机处理。Nexus128是真正的3-D成像，非切片式设计，一次扫描呈现完整的体积信息。Nexus换能器设计得恰好能够接收每次激光脉冲成像来自整个体积的超声信息，声学接收器场设计就是针对和匹配动物被扫描区域的。Nexus128具有等向性分辨率(Isotropic resolution)： 完全的3-D系统在各个方向上具有相同的分辨率。而基于切片式的2-D成像在中心具有一种分辨率，而在外侧就会是另外一种分比率，势必造成分辨率不均一，组成3-D图像就会产生模糊、图像不均一的现象。灵敏度Sensitivity： 完全的3D系统在激光脉冲发生时就能从整个体积来检测光声信号。 通量Throughput (扫描速度scan speed): 完全的3-D系统扫描整个体积仅需3秒钟，而切片式的扫描则需要更长的时间来完成。动物定位Animal positioning： 在完全的3-D系统中动物扫描时位置是固定不动的，换能器和动物不发生接触。Endra提供两套动物托盘，因而可以加快动物处理的速度。3 方便快捷科学的动物处理系统动物定位Animal positioning： 在完全的3-D系统中动物扫描时位置是固定不动的，换能器和动物不发生接触。Endra提供两套动物托盘，因而可以加快动物处理的速度。因此两个托盘系统提供了缓冲时间，当前动物扫描时可对下只实验动物进行准备工作。动物放置托盘中心有凹槽，专一为皮下肿瘤扫描用。 动物扫描仓分别有高位卡槽和低位卡槽两种不同高度设计，针对全身和皮下肿瘤两种位置。Endra动物定位十分简单。具有动物准备工作站，内置白光摄像头，可与光声图像融合。动物尾部是自由的，可以进行注射。不需要膜。使用少许偶联剂（或水），动物床非常容易清洗或消毒。可以方便地进行脑部扫描。其他品牌采用特殊薄膜包覆小鼠，小鼠不会接触水。这样会造成小鼠与膜之间的空隙，导致超声波无法传递，或大大影响超声波传递的效率。如果要提高超声波传输效率，就必须在膜与小鼠之间注入水，这样膜的设计就显得多余。且脑部成像无法实施，如果想要小鼠存活，就必须留出口鼻部位呼吸，这样就无法扫描口鼻部。如果想要扫描口鼻部，则必须采用水或偶联剂，则小鼠会窒息而死。膜包裹的设计会大大降低动物处理速度，令实验的安排产生延迟。4 分辨率和灵敏度Endra Nexus 128的空间分辨率是 250um，体像素分辨率是100 um，检测ICG的灵敏度达到100nM。Endra所具有的分辨率是等向性分辨率，在各个方向上是均一的。某些品牌的分辨率已经被发表的文章证实远低于标称参数，实际的空间分辨率只有400um，这已经被发表在Nature Protocol上的文章所证实。5 穿透深度Nexus128的穿透深度可以达到7cm，这也被实验所证实。6.操作步骤简单 第一步就是动物的前处理，在麻醉盒中实施动物麻醉，现在有众多的商业化系统可以实施小动物的麻醉。第二步把麻醉后的动物放在动物托盘上，如有造影剂，可在此时通过眼部或尾静脉注射造影剂。然后摆好位置，在动物处理台上进行白光成像，为与光声定位提供可见光图像。第三步，把动物托盘移至Nexus 128上，按照高位和地位两个位置选择不同的固定位置进行固定，盖上仓门就可进行动物光声扫描了。7 光声图像定位Nexus 128配备的动物处理台，内置光学摄像头，可以记录动物的体位，然后把位置信息记录下来。在接下来的图像重建中，可以与光声位置融合，从而使实验结果的解释更加科学合理。8 强大的软件处理功能应用Nexus 128的软件，可以对动物位置进行定位，实现与光声图像的融合，从而合理解释实验结果。同时应用3-D分析软件可以进行特定区域选取、特定体积选取、3-D视野显示、吸收剂量计算、动态探针摄取过程计算、不同时段图像融合、剂量时间动态分布、不同探针吸收过程比较、肿瘤内外剂量计算等各项任务。Endra致力于真正的3-D成像系统；迄今为止，Nexus 128是装机量最多，使用率最高的3-D成像系统。9卓越的科学顾问团队Nexus128由Robert Kruger教授和Keith Stantz教授研发。著名的光声技术发明人汪立宏教授和斯坦福大学的Sam Gambhir教授是Endra的科学顾问团队成员。目前Nexus 128光声系统是装机量最大用户最多的光声系统。Endra Nexus 128系统硬件配置 系统外观 系统内部构造图 系统剖面示意图 白光摄像头定位 近红外荧光成像模块 超声波发射模块 二 Endra Nexus 128系统科研应用Endra Nexus 128可广泛应用于新型造影剂（探针）的研发、纳米材料临床应用分析、心血管、药物代谢、疾病早期诊断、肿瘤疗效观察、基因表达研究、干细胞及免疫研究等领域。2.1 肿瘤学应用2.1.1 肿瘤形态学光声由于其具有的高分辨率，因此可以在肿瘤形态学研究中发挥自己独特的优势。同时又由于光声检测是一种非侵入性、无损的检测方式，因此对于实验材料来讲是没有任何危害的，因此对于研究结果的解释更加科学合理。可观察肿瘤动态生长的过程可以从不同角度来观察肿瘤的形态2.1.2 肿瘤灌注由于肿瘤外周和内部结构不同，因此会造成这两个不同区域对于造影剂的吸收产生不同的行为。肿瘤外周灌注通常是吸收较快，因为那里有较多的血管新生，代谢旺盛，因而清除速度也快，曲线呈现快升快降模式；相反，肿瘤内部由于代谢较慢，灌注呈现慢升慢降模式，且总体信号峰值大大低于肿瘤外周信号。这可以用于肿瘤状态测定，如果这两个峰值在时间上逐渐靠近，说明肿瘤得到了抑制，向预后良好方向发展，反之表明肿瘤恶化。肿瘤灌注观察。绿色曲线代表外周灌注的动力学曲线，红色线代表肿瘤内部灌注的动力学曲线2.1.3 探针吸收-动态扫描本文4.2已经介绍了纳米探针的吸收分析，对于任何商业化可用的探针和造影剂来讲，Nexus 128都能进行相应的动态扫描。然后在附带的专业软件中进行摄取、吸收、清除过程的分析。下图是以人用ICG为例，在小鼠的肿瘤模型中的吸收和清除动态过程。图1：静脉注射ICG之前和之后光声图像比较。图2：ICG在肿瘤不同区域分布的状况。图3：不同区域ICG摄取动态过程比较，上图为肿瘤外周，可看到对ICG吸收较快，达到峰值后下降，下图为肿瘤内部动力学曲线，显示吸收较慢，直到最后一次扫描信号仍在上升的情形。2.1.4肿瘤治疗既然Nexus 128可观察肿瘤形态学，也可以检测肿瘤灌注和动态扫描，那么它就可以应用于肿瘤治疗的评估。既可以从肿瘤大小上直接半定量判断肿瘤是否被抑制，也可以通过肿瘤内外部结构的变化来评估抗肿瘤药物的药效。 裸鼠分为对照组和治疗组，治疗组使用抗血管生成药物，对照组使用安慰剂。用药之后，发现对照组血管新生现象仍然呈上升趋势（绿色线），而治疗组在用药后血管新生呈明显下降趋势。2.2 纳米材料(新型造影剂)中的应用纳米材料由于其均一的分散性和纳米级粒度而导致其在近红外有较好的光吸收，这也是光声成像的基础。Endra Nexus 128由于其激发波长是处于680-950纳米，因此所有纳米材料包括碳纳米管(carbon nanotubes)、金纳米棒(gold nanorods)、金纳米笼(gold nanocages)和金纳米球(gold nanospheres)都可以在这个波长内有相应的光吸收，这对于新型纳米探针研究十分有益。Gold Nanocages在黑色素瘤摄取中的应用， 可以看出在0,3,6小时的时间过程中，金纳 米笼逐渐被黑色素瘤摄取并积聚的过程。 碳纳米管通过PEG和蛋白A与肿瘤靶向特 异抗体后注射小鼠，并被导向至肿瘤部位， 从而引起特异性光声信号由于Endra Nexus 128光声系统具有非侵入性探测的特点，同时也因为它是真正的3-D成像，因此非常适合于对实验动物的连续观察。在探针被注入实验动物体内后，可以间断性地来扫描实验动物，从而得到探针在体内被摄入、吸收、清除的动态信息。例如为研究金纳米棒在小鼠移植肿瘤中的动态分布过程，在注射纳米探针后每隔15分钟扫描一次动物，共扫描5次，总时间达到75分钟。扫描后的光声图像可以在软件内融合、并生成相应的动态曲线，方便我们的分析。探针摄取实验的软件分析界面不同时间段探针摄取动态分析从软件分析的界面可以看出，应用Nexus 128可以实现探针实验研究的各个方面，这包括比较不同探针的吸收时间、比较肿瘤不同区域吸收时间、检验不同吸收时间探针浓度效果和检验靶向探针在肿瘤内部的3-D分布状况等。这些应用对于探针研发、临床前评估都是至关重要的。2.3 解剖学应用由于生物机体的肌肉、骨骼、蛋白质等在近红外区域都有一定程度的吸收，作为内源性造影剂，在光声扫描下可以呈现不同的光声信号，因而可以作为解剖学成像的一个手段。在下图的光声成像中，我们可以清楚看到鼠的各个解剖学结构。新生小鼠的全身光声成像小鼠背部和腹部的光声成像2.4 光学造影剂应用光学造影剂应用我们人体内有许多的成分都是内源性造影剂，例如血红蛋白就是一个很好的内源性造影剂，而携带了氧的血红蛋白在另外的波长会有较大的吸收，所以根据这个原理光声就可以测量血红蛋白浓度和血氧饱和度。体内的软组织、肿瘤内的新生血管也是良好的造影剂，肿瘤的血管新生其原理也是基于血管活动十分活跃，因此含有的血红蛋白浓度高于肿瘤内部结构，基于血红蛋白检测的光声波长就可以实施肿瘤血管新生的分析。肿瘤内外部结和相应血红蛋白浓度分析外源性的造影剂，只要其吸收波长在680nm950nm之间，都可以用Nexus128来实施检测，例如常用的ICG、几乎所有的纳米材料等，都能在光声系统中产生较好的检测信号。利用系统软件，还可以做到背景信号的扣除。例如在上图中，用805nm扫描总体光声信号(左图)，然后用835nm扫描作为脏器背景信号(中图)，使用805nm减去835nm的背景，就得到了ICG造影剂特异性的信号(右图)。总之，Nexus 128还可在其他研究领域，如心血管、药物代谢、疾病早期诊断、基因表达研究、干细胞及免疫研究等领域有广泛的应用，在此不一一赘述。Endra Nexus 128与其它产品相比具有以下优势：v 真正的全角度3D成像，提供精确定位，可提供较高的图片对比度和分辨率。v 可以连接气体麻醉，动物准备时间短（1分钟左右），节省时间，提高使用率，每小时可完成20只小鼠，同时成像后动物可以马上恢复。实验动物放在专门的托盘上面，不必浸在特殊的液体里。所以可以对任何部分（如脑部）做活体成像。v 已经成功应用于检测血红蛋白，氧合血红蛋白，ICG，IR800，量子点，纳米金等多种荧光染料和光声造影剂。v 全球唯一一款可将光学图像、光声图像及超声图像进行融合。v 全球用户最多，已被欧美日韩等多个著名科研单位选用，性能得到了充分认可。v 全球光声领域最权威的科学家RobertKruger、汪立宏及Sam Gambhir参与开发研究，并为Endra Nexus 128的科学顾问团队。三 同动物活体荧光成像