CN116649910A - 一种分子影像系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及癌细胞成像的技术领域，特别是涉及一种分子影像系统，其对组织穿透性强，可定量分析图像，提高检测精度；包括：中央控制模块、单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统；其中，单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统用于对放射性核素生物载体影响信息的采集；中央控制模块用于集中控制处理单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统所采集到的影像信息，中央控制模块通过局域网与计算机终端相连。
Description
技术领域
本发明涉及癌细胞成像的技术领域，特别是涉及一种分子影像系统及检测方法。
背景技术
现有对于生物癌细胞成像检测系统多使用单模态分子影像进行成像，例如电子发射断层扫描，具有高敏感性和可定量分析的优点，但空间分辨率较差，成像效果不理想，另一种光学成像虽然空间分辨率高、敏感性高，但其采用的近红外光组织穿透性较差，仅适用于体型较小动物或浅表器官的显像，难以向临床转化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种对组织穿透性强，可定量分析图像，提高检测精度的分子影像系统。
本发明的一种分子影像系统，包括：中央控制模块、单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统；
其中，所述单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统用于对放射性核素生物载体影响信息的采集；
所述中央控制模块用于集中控制处理单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统所采集到的影像信息，所述中央控制模块通过局域网与计算机终端相连。
进一步地，所述单光子发射计算机断层扫描模块包括图像处理器、准直器和探测器，所述准直器用于使光最大效率的耦合进入图像处理器，所述探测器的探头晶体厚度设置为1mm至9.5mm，所述图像处理器用于接收图像信号并整合为图像。
进一步地，所述近红外荧光小动物活体成像系统包括图像显示器、检测器和光源；
所述检测器还包括红外线图像传感器和荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置，所述红外线图像传感器用于接收小动物体内荧光素的发射信号；其中，荧光纳米探针用于与磁性纳米颗粒的靶标物结合，所述磁性纳米颗粒能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体；
所述光源采用两个近红外固态激光器和一个LED白光光源，用于发出近红外光，激发小动物体内的荧光素发出发射信号的光源；
所述图像显示器用于将检测器采集到的小动物体内荧光素发射信号转换成电信号，再输出到计算机进行信号处理和图像重建，并显示。
进一步地，所述近红外荧光小动物活体成像系统的外部设置有温度控制器，所述温度控制器用于对近红外荧光小动物活体成像系统的温度进行调控，使其温度控制在32-42℃。
进一步地，所述红外线图像传感器的量子转换效率>90％。
另一方面，一种分子影像系统的检测方法，包括以下步骤：
S1：将小动物固定在实验台表面；
S2：在磁性纳米颗粒表面修饰能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体；
S3：将S2得到的磁性纳米颗粒表面通过抗体或核酸适配体富集癌细胞并注入小动物体内；
S4：将能够特异性识别癌细胞的荧光纳米探针与S3中得到的磁性纳米颗粒的靶标物结合；
S5：将磁性纳米颗粒表面的带有抗体或核酸适配体-靶标物-荧光纳米探针的三明治结构分离；
S6：通过近红外荧光小动物活体成像系统检测器的红外线图像传感器采集小动物体内荧光信号，并利用荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置检测荧光纳米探针的形貌和吸收光谱；
S7：根据荧光纳米探针的形貌和吸收光谱，确定小动物体内癌细胞浓度。
进一步地，所述S2中磁性纳米颗粒为超顺磁性氧化铁纳米颗粒。
进一步地，所述S3中的荧光纳米探针为纳米金颗粒。
与现有技术相比本发明的有益效果为：具有空间分辨率高、敏感性高、对活体生物没有电离辐射的优点，能够对生物进行无伤检测，通过与单光子发射计算机断层扫描模块相结合，利用单光子发射计算机断层扫描模块的组织穿透性强和可定量分析图像的特性，提高检测精度。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的检测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本实施例采用递进的方式撰写。
实施例一
如图1至图2所示的，一种分子影像系统包括中央控制模块、单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统；
其中，单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统用于对放射性核素生物载体影响信息的采集；
中央控制模块用于集中控制处理单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统所采集到的影像信息，中央控制模块通过局域网与计算机终端相连。
具体的，单光子发射计算机断层扫描模块包括图像处理器、准直器和探测器；准直器用于使光最大效率的耦合进入图像处理器，探测器的探头晶体厚度设置为1mm至9.5mm，图像处理器用于接收图像信号并整合为图像；通过上述设置，图像处理器、准直器和探测器可以有效地将光最大效率地耦合进入图像处理器，并将接收到的图像信号整合为图像，这样可以提高系统的成像分辨率和信噪比，获得更清晰、更精确的分子影像图像；而将探测器的探头晶体厚度设置为1mm至9.5mm，这样可以通过选用不同厚度的晶体来适应不同实验需求，且探头晶体选择合适的厚度可以提高系统的检测能力和空间分辨率。
具体的，近红外荧光小动物活体成像系统包括图像显示器、检测器和光源；检测器还包括红外线图像传感器和荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置，红外线图像传感器用于接收小动物体内荧光素的发射信号；其中，荧光纳米探针用于与磁性纳米颗粒的靶标物结合，磁性纳米颗粒能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体；光源采用两个近红外固态激光器和一个LED白光光源，用于发出近红外光，激发小动物体内的荧光素发出发射信号的光源；图像显示器用于将检测器采集到的小动物体内荧光素发射信号转换成电信号，再输出到计算机进行信号处理和图像重建，并显示；
在近红外荧光小动物活体成像系统中，检测器采用红外线图像传感器和荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置，能够较为准确地采集小动物体内荧光素的发射信号，并检测荧光纳米探针的表面形貌和吸收光谱，进一步提高了成像质量和精度。同时，光源采用两个近红外固态激光器和一个LED白光光源，能够发出近红外光，激发小动物体内的荧光素发出发射信号的光源，有利于提高系统对荧光素的检测灵敏度。
在本实施例中，近红外荧光小动物活体成像系统具有高灵敏度，能够检测到荧光信号，此灵敏度可以通过纳米颗粒的种类和荧光探针的性能进一步提高；近红外荧光小动物活体成像系统的空间分辨率较高，可以检测到非常小的癌症灶区域；分子影像系统使用近红外荧光小动物活体成像技术，可以直接在小动物体内检测癌细胞，无需进行切除或穿刺，因此是一个非侵入性的技术；与传统检测方法相比，分子影像系统的近红外荧光小动物活体成像技术速度较快，可以在短时间内完成检测，减少了检测时间；分子影像系统的近红外荧光小动物活体成像技术可以提供高分辨率的像素数据。
综上，近红外荧光小动物活体成像系统具有空间分辨率高、敏感性高、对活体生物没有电离辐射等优点，能够对生物进行无伤检测，但由于近红外荧光小动物活体成像系统采用的近红外光组织穿透性差，通过与单光子发射计算机断层扫描模块相结合，利用单光子发射计算机断层扫描模块的组织穿透性强和可定量分析图像的特性，能够实现双模态显像，提高检测精度；而中央控制模块能够集中控制处理单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统所采集到的影像信息，有利于提高系统的整体可靠性和工作效率。
在分子影像系统中，还设置了外部温度控制器，用于对近红外荧光小动物活体成像系统的温度进行调控，使其温度控制在32-42℃。在本实施例中，由于小动物活体组织对于不同温度的敏感程度不同，在控制好温度的前提下，可以保证成像的质量和精度；如果温度过高或过低，会导致组织受损或损伤，此时可能影响到有效的成像。因此，控制好温度可以减小组织损伤，并增强系统成像的稳定性，确保结果的可靠性；该控制器可以广泛应用于不同类型的动物，包括小鼠、大鼠等，并可用于基于小动物体内的分子成像的研究。
实施例二
利用上述分子影像系统对荷U87MG人脑神经胶质瘤裸鼠中癌细胞的检测方法，包括以下步骤：
S1：将荷U87MG人脑神经胶质瘤裸鼠固定在实验台表面，保证其在检测过程中的稳定性；
S2：在磁性纳米颗粒表面修饰能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体，这样可以实现对癌细胞的特异性检测；
S3：将S2得到的磁性纳米颗粒表面通过抗体或核酸适配体富集癌细胞并注入荷U87MG人脑神经胶质瘤裸鼠体内；
S4：将能够特异性识别癌细胞的荧光纳米探针与S3中得到的磁性纳米颗粒的靶标物结合，这样可以标记出癌细胞的位置；
S5：将磁性纳米颗粒表面的带有抗体或核酸适配体-靶标物-荧光纳米探针的三明治结构分离，这样可以消除杂散光对成像结果的影响；
S6：通过近红外荧光小动物活体成像系统检测器的红外线图像传感器采集小动物体内荧光信号，并利用荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置检测荧光纳米探针的形貌和吸收光谱，这样可以获得荷U87MG人脑神经胶质瘤裸鼠体内癌细胞的位置和数量；
S7：根据荧光纳米探针的形貌和吸收光谱，确定荷U87MG人脑神经胶质瘤裸鼠体内癌细胞浓度，并进一步分析检测结果。
具体的，S2中磁性纳米颗粒为超顺磁性氧化铁纳米颗粒，超顺磁性氧化铁纳米颗粒在生物体内主要分布于网状内皮细胞丰富的组织和器官，如肝、脾、淋巴结和骨髓等，有助于提高以上部位肿瘤与正常组织的磁共振成像成像对比度，同时由于其高效、安全等特点，具有较强的临床转化潜力，可用于各种肿瘤及其他疾病的检测。
S4中的荧光纳米探针为纳米金颗粒，纳米金颗粒具有形态及尺寸可控、表面化学性质温和以及生物相容性好等特点，与传统的CT对比剂比较，纳米金颗粒具有以下优点：较高的原子序数、电子密度以及X线吸收系数，理论上能够提供更加优越的CT对比性能；无细胞毒性；表面容易被靶向蛋白、特异性生物标志物等修饰，从而设计一系列能够被不同成像设备显像的分子探针；正常人或动物体内几乎不含远素，朊素容易通过电感耦等离子体质谱这一常用的元素分析法进行定量和表征，从而更好地与影像学结果进行验证。
该检测方法能够实现对小动物体内癌细胞的非侵入式、无创的检测，同时也有很高的准确性和可重复性。该方法的优点包括：通过使用专门的磁性纳米颗粒和荧光纳米探针，能够实现对癌细胞的特异性检测；使用近红外荧光小动物活体成像系统进行成像，不仅能够提高检测的准确性和精度，还不会对小动物造成额外的伤害或不适感；另外，在检测过程中，还能够对小动物的温度进行调节，使其保持在适宜的范围内，从而进一步提高了检测的准确性和可重复性。
本发明的一种分子影像系统及检测方法，其安装方式、连接方式或设置方式均为常见机械方式，只要能够达成其有益效果的均可进行实施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种分子影像系统，其特征在于，包括：中央控制模块、单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统；
其中，所述单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统用于对放射性核素生物载体影响信息的采集；
所述中央控制模块用于集中控制处理单光子发射计算机断层扫描模块和近红外荧光小动物活体成像系统所采集到的影像信息，所述中央控制模块通过局域网与计算机终端相连。
2.如权利要求1所述的一种分子影像系统，其特征在于，所述单光子发射计算机断层扫描模块包括图像处理器、准直器和探测器，所述准直器用于使光最大效率的耦合进入图像处理器，所述探测器的探头晶体厚度设置为1mm至9.5mm，所述图像处理器用于接收图像信号并整合为图像。
3.如权利要求2所述的一种分子影像系统，其特征在于，所述近红外荧光小动物活体成像系统包括图像显示器、检测器和光源；
所述检测器还包括红外线图像传感器和荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置，所述红外线图像传感器用于接收小动物体内荧光素的发射信号；其中，荧光纳米探针用于与磁性纳米颗粒的靶标物结合，所述磁性纳米颗粒能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体；
所述光源采用两个近红外固态激光器和一个LED白光光源，用于发出近红外光，激发小动物体内的荧光素发出发射信号的光源；
所述图像显示器用于将检测器采集到的小动物体内荧光素发射信号转换成电信号，再输出到计算机进行信号处理和图像重建，并显示。
4.如权利要求3所述的一种分子影像系统，其特征在于，所述近红外荧光小动物活体成像系统的外部设置有温度控制器，所述温度控制器用于对近红外荧光小动物活体成像系统的温度进行调控，使其温度控制在32-42℃。
5.如权利要求3所述的一种分子影像系统，其特征在于，所述红外线图像传感器的量子转换效率>90％。
6.如权利要求3所述的一种分子影像系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将小动物固定在实验台表面；
S2：在磁性纳米颗粒表面修饰能够识别癌细胞的靶向小分子、多肽或抗体；
S3：将S2得到的磁性纳米颗粒表面通过抗体或核酸适配体富集癌细胞并注入小动物体内；
S4：将能够特异性识别癌细胞的荧光纳米探针与S3中得到的磁性纳米颗粒的靶标物结合；
S5：将磁性纳米颗粒表面的带有抗体或核酸适配体-靶标物-荧光纳米探针的三明治结构分离；
S6：通过近红外荧光小动物活体成像系统检测器的红外线图像传感器采集小动物体内荧光信号，并利用荧光纳米探针表面形貌及吸收光谱检测装置检测荧光纳米探针的形貌和吸收光谱；
S7：根据荧光纳米探针的形貌和吸收光谱，确定小动物体内癌细胞浓度。
7.如权利要求6所述的一种分子影像系统的检测方法，其特征在于，所述S2中磁性纳米颗粒为超顺磁性氧化铁纳米颗粒。
8.如权利要求6所述的一种分子影像系统的检测方法，其特征在于，所述S3中的荧光纳米探针为纳米金颗粒。
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