本文要點(diǎn)：當(dāng)帶電粒子(β+/-)在介電介質(zhì)中的傳播速度快于光時(shí)，醫(yī)用放射性同位素會(huì)產(chǎn)生切倫科夫發(fā)光(CL)。CLs的發(fā)光是連續(xù)的，波長(zhǎng)成比例地減小。CL成像(CLI)是一種經(jīng)濟(jì)的PET替代品，但受到光學(xué)特性（散射、吸收和特殊設(shè)置要求）的嚴(yán)重限制。短波紅外（SWIR，900–1700nm）CL已從在MeV范圍內(nèi)運(yùn)行的直線(xiàn)加速器中檢測(cè)到，但從醫(yī)用放射性同位素中未檢測(cè)到。

方法：砷化銦鎵 (InGaAs) 焦平面陣列和 SWIR 透鏡安裝在不包括臨床前外殼的環(huán)境燈上。使用SWIR CLI開(kāi)發(fā)了合適的曝光和處理流程，然后在體外和體內(nèi)條件下對(duì)各種醫(yī)用放射性同位素進(jìn)行了測(cè)試。

結(jié)果：從臨床放射性同位素中檢測(cè)到SWIR CL：90Y、68Ga、18F、89Zr、131I和32P，用于生物醫(yī)學(xué)研究。與傳統(tǒng)CLI相比，SWIR CLI的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在增加的光穿透性和減少的深度散射，與熒光SWIR成像一致。通過(guò)體內(nèi)體外和臨床前示例顯示，報(bào)告了放射性同位素 SWIR 光譜，靈敏度極限和 SWIR CLI 的臨床前可行性。這項(xiàng)工作首ci表明放射性同位素SWIR CLI可以與商業(yè)組件一起執(zhí)行。SWIR CL與 VIS CL 相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，并且表現(xiàn)類(lèi)似。需要進(jìn)一步改進(jìn)SWIR光學(xué)和技術(shù)可以大量的投入使用。

結(jié)論：本研究表明，放射性同位素SWIR CLI可以用未經(jīng)改性的市售組分進(jìn)行。與VIS CLI相比，SWIR CLI具有顯著的優(yōu)勢(shì)，保留了VIS CLI特征。SWIR光學(xué)和技術(shù)還需要進(jìn)一步改進(jìn)才能被廣泛采用。近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS

研究?jī)?nèi)容：

亞原子相對(duì)論粒子在介電介質(zhì)中產(chǎn)生CL。粒子使周?chē)姆肿訕O化，這些分子在松弛時(shí)產(chǎn)生CL，CL為UV加權(quán)。CL的產(chǎn)生隨波長(zhǎng)的增加呈指數(shù)下降。CL的強(qiáng)度與發(fā)射粒子的能量相關(guān)，并已在天文學(xué)、核物理和最近的生物醫(yī)學(xué)成像中得到應(yīng)用。CL成像(CLI)是PET替代方案。例如，將患者分為不需要PET的患者和需要PET的患者。CLI專(zhuān)注于從臨床發(fā)射放射性同位素和線(xiàn)性加速器(LINAC)進(jìn)行CL檢測(cè)。CLI輔助臨床前發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)新型靶向放射示蹤劑，劑量測(cè)定和基于放射治療的治療。臨床CLI還發(fā)現(xiàn)了在圖像引導(dǎo)手術(shù)中邊緣檢測(cè)的應(yīng)用。確定放射示蹤劑的臨床攝取和實(shí)時(shí)劑量學(xué)讀數(shù)。

對(duì)CL光譜有響應(yīng)的單光子敏感器件很容易獲得，可提供低暗和讀噪聲（排除干擾信號(hào)）光學(xué)器件。然而，可見(jiàn)光波長(zhǎng)(VIS, 400-900nm)在臨床設(shè)置中存在顯著缺陷。內(nèi)源性發(fā)色團(tuán)限制了可達(dá)到的VIS CL穿透深度，散射進(jìn)一步降低了分辨率，光學(xué)成像已經(jīng)轉(zhuǎn)移到較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，光吸收和散射減少。近紅外成像(>650nm)減少吸收約2個(gè)數(shù)量級(jí)。研究使用染料和納米顆粒對(duì)CL的紅位移轉(zhuǎn)換。SWIR成像顯示組織吸收，SWIR在分辨率和對(duì)比度方面的優(yōu)勢(shì)已通過(guò)臨床批準(zhǔn)的吲哚氰綠得到證明?；?span style="box-sizing: border-box">F?rster共振能量轉(zhuǎn)移的SWIR CL已通過(guò)x射線(xiàn)激發(fā)的納米探針和量子點(diǎn)的線(xiàn)性加速器激發(fā)發(fā)射實(shí)現(xiàn)。LINAC SWIR CLI已在沒(méi)有二次發(fā)射器的情況下執(zhí)行，顯示出比VIS-NIR CLI的進(jìn)步。放射性同位素產(chǎn)生的量級(jí)小與CL，因此對(duì)成像的要求更高。放射性同位素CLI需要完quan排除環(huán)境光，高效的光學(xué)成像系統(tǒng)，并不能像LINAC CLI一樣在其采集中脈沖同步。放射性同位素的CL亮度已經(jīng)很低，在SWIR波長(zhǎng)下甚至進(jìn)一步降低，放大了SWIR CL檢測(cè)的難度。來(lái)自放射性同位素的SWIR CLI是通過(guò)未經(jīng)修改的商用成像組件實(shí)現(xiàn)的，顯示出與VIS CLI相比的明顯優(yōu)勢(shì)。

材料和方法：

放射性同位素SWIR切倫科夫發(fā)光

測(cè)定放射性同位素SWIR CLI時(shí)間分辨率和發(fā)射光譜

圖像處理與統(tǒng)計(jì)分析

納米二氧化硅顆粒放射標(biāo)記與注射（SiNPs）

臨床前短波紅外成像CLI

結(jié)果：

放射性同位素SWIR CL檢測(cè)的確認(rèn)

SWIR CLI放射性同位素的設(shè)置(如圖1A所示)。檢測(cè)懸浮在0.1M HCl中的68Ga。圖1B右上角顯示了處理后的SWIR CL圖像疊加到WL圖像上。這表明SWIR信號(hào)來(lái)自68Ga，處理步驟在保留CL信號(hào)的同時(shí)，充分消除了干擾。當(dāng)紙板被放置在樣品上時(shí)(圖1B)，信號(hào)的缺乏進(jìn)一步證實(shí)了CL檢測(cè)，它阻擋了光，但沒(méi)有阻擋68Ga衰變的高輻射源SWIR CLI高能光子。68Ga源進(jìn)一步移動(dòng)，并在視場(chǎng)角（FOV）周?chē)鷻z測(cè)到，在這個(gè)過(guò)程中衰減，通過(guò)減少的SWIR信號(hào)可見(jiàn)，在同位素衰變半衰期之后。人工感興趣區(qū)域(ROI)測(cè)量到，確定傳感器在每個(gè)位置和時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度(灰度值)。在比較條件下，作者成功檢測(cè)了4種額外的放射性同位素:32P,18F, 89Zr和131I，(如圖1所示)。根據(jù)濃度(kbq/µL)和空間視場(chǎng)(cm2)校正，計(jì)算出每種樣品的SWIR輻射亮度(如圖1所示)。SWIR CLI很容易與VIS CLI的放射性同位素區(qū)分出來(lái)。從理論上講，68Ga比32P有更高的輻射亮度，然而，68Ga增加的傳感器從511和1077 keV光子沖擊阻止了SWIR CLI確認(rèn)這一點(diǎn)，因?yàn)樵O(shè)置沒(méi)有包含鉛屏蔽。

SWIR CLI放射性同位素時(shí)間探測(cè)極限和發(fā)射光譜

使用32P進(jìn)行系統(tǒng)表征，其濃度用于促進(jìn)SWIR CLI，時(shí)間分辨率為0.25s，見(jiàn)圖1。32P的亮度和半衰期使放射性同位素SWIR CL發(fā)射光譜的測(cè)定成為可能。沒(méi)有過(guò)濾器(>920nm)和LP濾光 (1000-1500nm)。該傳感器具有非稀釋的磷化銦(InP)襯底帶隙(1.35 eV)，防止檢測(cè)<920 nm的光，而InGaAs的帶隙(0.75eV)導(dǎo)致1700nm處的短通截止。放射性同位素SWIR CL譜如圖1E所示，強(qiáng)度呈指數(shù)下降，如預(yù)期所示，并報(bào)道為VIS CLI和LINAC SWIR CLI。由于系統(tǒng)噪聲，檢測(cè)超過(guò)1400nm是具有挑戰(zhàn)性的。透鏡效率和吸水率，見(jiàn)圖1E和F。

圖1

減少通過(guò)SWIR CLI對(duì)VIS CLI的散射

55.5Mbq的90Y，在Eppendorf（公司名）成像系統(tǒng)上進(jìn)行SWIR和IVIS成像，以評(píng)估SWIR CLI的優(yōu)勢(shì)。Y的臨床劑量為0.500~5.291Gbq，用于治療原發(fā)性肝癌(HCC)和肝內(nèi)轉(zhuǎn)移。在CLI操作前，將散射介質(zhì)(生雞胸肉，0、10和15mm)放置在病灶上。在所有深度分別保持無(wú)散射介質(zhì)的曝光(VIS CLI: 10s, SWIR CLI: 900s)。與VIS CLI相比，SWIR CLI通過(guò)散射組織成像的分辨率有所提高(圖2)。在SWIR CLI中，組織的Eppendorf形狀在15mm以?xún)?nèi)是一致的，而在VIS CLI中，散射組織的Eppendorf形狀被扭曲和放大了5倍以上。SWIR CLI提供比VIS CLI更高的深度分辨率，可以用于放射性同位素定位。通過(guò)VIS CLI的全寬度半最da值(FWHM)測(cè)量值分別為6.38、13.05和33.64 mm，SWIR CLI在0、10和15 mm的組織上分別為6.24、6.40和7.04 mm證明了這一準(zhǔn)確性(圖2)。

圖2

SWIR CLI放射性同位素的體外和體外靈敏度極限

商用SWIR傳感器對(duì)<920nm的光不敏感。在InP變薄的系統(tǒng)中，傳感器的范圍大大增加，但與EMCCDs相比相當(dāng)不靈敏。一個(gè)SWIR傳感器使用，顯著降低了可見(jiàn)范圍內(nèi)的量化。該傳感器能夠?qū)Ψ派湫酝凰豓IS-SWIR (400-700 nm)、NIR-SWIR (650-1700 nm)和SWIR (900-1700 nm) CLI的空間定位進(jìn)行比較。Ga共軛的SiNP與非放射性同位素標(biāo)記的SiNP對(duì)照在VIS-SWIR、NIR-SWIR和SWIR下通過(guò)適當(dāng)?shù)腖P濾波器對(duì)放射同位素SWIR的切倫可夫發(fā)光進(jìn)行成像。檢測(cè)到的CL信號(hào)在整個(gè)光譜中定位放射性標(biāo)記的SiNPs。對(duì)于68Ga標(biāo)記的SiNPs,放射性同位素SWIR CLI的檢出限為259 kbq (圖3 A-B)。接下來(lái)，評(píng)估組織SWIR CLI的檢出限。一個(gè)安樂(lè)si的小鼠分別接受30 μ l的不同的68Ga-SiNPs的足部注射。如圖3C-D所示，通過(guò)SWIR CLI檢測(cè)到的68Ga-SiNPs為403.3 kbq，在臨床管理水平內(nèi)。

圖3

放射性同位素SWIR CLI的體內(nèi)檢測(cè)

與SiNPs結(jié)合的90Y被用于在體內(nèi)SWIR CLI放射性同位素檢測(cè)。90Y被證明比18F或68Ga提高了CL檢測(cè)的信噪比。SWIR CLI的長(zhǎng)曝光時(shí)間污染了SWIR CL圖像熱特征(通過(guò)滾動(dòng)球背景減法在后處理中去除)，使SWIR CLI比VIS CLI復(fù)雜化。將約7.4 Mbq的90Y標(biāo)記SiNPs注射到單足墊中，3小時(shí)后成像。Y用于臨床放射栓塞的活性，范圍從500到5291 Mbq。在體內(nèi)存在的背景熱信號(hào)中，很容易檢測(cè)到SWIR CLI信號(hào)(n = 4只小鼠;從每只小鼠中提取的背景減去后剩下的各自的殘余熱特征，用于根據(jù)信號(hào)與熱背景的比值(SBR)。注射小鼠的SBR范圍為1.68 ~ 4.63，平均值為3.07，見(jiàn)圖4B。

圖4

討論：

這項(xiàng)工作旨在通過(guò)市售組件檢測(cè)臨床放射性同位素的理論SWIR CL發(fā)射。到目前為止，從LINAC源中只檢測(cè)到SWIR CL，它產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)量級(jí)的亮度。設(shè)計(jì)的裝置和外殼提供了環(huán)境無(wú)光成像。作者研究中使用的zuii*的TEC SWIR傳感器，比EMCCD的多2到3個(gè)數(shù)量級(jí)的黑噪聲相機(jī)。SWIR設(shè)置中的這種固有噪聲不僅是SWIR CLI的障礙，也是整個(gè)工作的主要限制因素。此外，在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)下，進(jìn)一步減少的光輸出需要更長(zhǎng)的曝光時(shí)間(單位為分鐘而VIS CLI單位為秒)。盡管如此，作者所探索的6種放射性同位素產(chǎn)生了可檢測(cè)到的SWIR CLI，其相對(duì)輻射與VIS CLI一致。SWIR CLI與放射性同位素水平呈線(xiàn)性關(guān)系。SWIR CLI放射性同位素靈敏度在體外為259kbq，在68Ga組織中為403.3 kbq。VIS CLI的靈敏度是4個(gè)數(shù)量級(jí)，據(jù)報(bào)道，在0.00333 kbq/µl時(shí)，可以檢測(cè)到68Ga。SWIR CLI的不靈敏度限制了當(dāng)前一代SWIR相機(jī)的應(yīng)用。然而，它的優(yōu)勢(shì)減少散射，結(jié)合CL在SWIR區(qū)域的傳輸增加和硅(400 - 900 nm)傳感器的優(yōu)勢(shì)將可以提高CLI的使用，因此值得研究。

檢測(cè)到的放射性同位素SWIR CL譜與SWIR LINAC譜一致。與SWIR LINAC CL相似，在1400 nm以上檢測(cè)到理論上發(fā)射的CL。由于傳感器噪聲和水分的吸收，無(wú)法可靠地檢測(cè)到SWIR LINAC CL，因?yàn)?span style="box-sizing: border-box">1300nm以上的水吸收率增加了。作者對(duì)SWIR CL的臨床前適用性進(jìn)行了研究，最初關(guān)注的是瘤內(nèi)注射18F-FDG的體外SWIR CLI。18F的弱CL需要1小時(shí)的采集時(shí)間才能進(jìn)行精確的信號(hào)檢測(cè)。90Y用于克服68Ga和18F的局限性(亮CL，比68Ga的半衰期更長(zhǎng)，90Y標(biāo)記的SiNPs注射到活小鼠的足墊中，用于體內(nèi)SWIR CLI檢測(cè)。小鼠在注射(約7.4 Mbq 90Y-SiNPs) ，3小時(shí)后與未注射的對(duì)照小鼠一起成像。15分鐘的曝光時(shí)間提供了可靠的SWIR CL信號(hào)，在內(nèi)生熱特征和固有噪聲之上檢測(cè)到，見(jiàn)圖4。

結(jié)論：

作者的研究是體內(nèi)放射性同位素SWIR CLI 檢測(cè)的di一個(gè)實(shí)例和原理證明。考慮到組織的光學(xué)特性，已經(jīng)證明從組織發(fā)射的CL的大部分深度在600nm以上。因此，理想的放射性同位素CL相機(jī)應(yīng)該是一個(gè)結(jié)合了稀釋SWIR傳感器的光譜范圍(600-1700nm)和基于EMCCD的傳感器的光子靈敏度的相機(jī)。SWIR CLI的更新迭代應(yīng)該旨在通過(guò)更快的鏡頭和降低暗噪聲的相機(jī)傳感器來(lái)解決其主要局限性，以提高的整體靈敏度，并通過(guò)鉛屏蔽進(jìn)一步通過(guò)減少γ沖擊提高靈敏度。這樣的組件將是高度定制的，并且超出了這個(gè)原理工作證明的范圍。人眼對(duì)400~700nm的光有反應(yīng)，通過(guò)將環(huán)境照明改變?yōu)榉?span style="box-sizing: border-box">SWIR發(fā)射LED，放射性同位素SWIR CLI可以在光線(xiàn)充足的房間中進(jìn)行，而不需要黑暗的外殼，正如LINAC CLI所實(shí)現(xiàn)的那樣。這將直接影響臨床前CLI，這是一種常見(jiàn)的、快速和經(jīng)濟(jì)的PET替代新型放射示蹤劑和治療跟蹤。在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)之前，SWIR光學(xué)和技術(shù)需要進(jìn)行重大改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

Mc Larney, B. E.; Zhang, Q.; Pratt, E. C.; Skubal, M.; Isaac, E.; Hsu, H. T.; Ogirala, A.; Grimm, J., Detection of Shortwave-Infrared Cerenkov Luminescence from Medical Isotopes. J Nucl Med 2023, 64 (1), 177-182.

?? ?? ??

近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線(xiàn)輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

?? ?? ??

 恒光智影

          上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。

          恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供*的、一體化的成像解決方案。

          與基于可見(jiàn)光/近紅外一區(qū)的傳統(tǒng)熒光成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于近紅外二區(qū)范圍并整合CT, X-ray，超聲，光聲成像技術(shù)。

          可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶(hù)提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。