使用荧光介导的光容积描记术定量组织中的绝对血流量的制作方法
【专利说明】使用荧光介导的光容积描记术定量组织中的绝对血流量
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2013年6月14日提交的美国临时申请号61/835,408的优先权的权益，其公开内容通过引用结合到本文中。
技术领域
[0002]本发明总的来说涉及组织中血液灌注的光学评价领域，特别涉及组织中绝对血液灌注的定量评价。
[0003]发明背景
临床医生对组织(例如皮肤)血液灌注评价的量化仍具有快速增长的兴趣，其应用遍及许多外科和非外科专业。虽然简单的二元评价(流动与非流动)对于某些临床应用可以是足够的，但是许多其它临床应用常常需要相对于某些标准的量化。呈绝对项的量化(例如作为流量量度的容积/时间)越来越令人关注。然而，组织中绝对血液灌注的定量评价作为临床评价工具是难以找到的(elusive)。
[0004]光容积描记术(PPG)是一种用于检测微血管系统中的血液容积变化的光学技术。PPG中观察到的波形与心跳相关，基于PPG的技术已被配制于市购可获得的医学装置用于测量诸如氧饱和度、血压和心输出量等参数。
[0005]尽管基于PPG检测的医学装置的相对广泛的配制，但是PPG未被利用于促进组织血液灌注绝对测量的常规测定。具有所述能力的方法对临床医生将具有重大价值，因为它可使常规获取具有容积/时间/面积维度的组织血液灌注测量成为可能。只有具有所述维度的测量才允许有根据的，直接部位间和受试者间比较。因此，需要用于组织中绝对血液灌注的定量评价的方法和系统。
[0006]发明概述
按照本发明的一个方面，提供用于测定血液通过目标组织(例如皮肤组织)的血管系统的合计流量的方法。所述方法包括测量组织容积末端的横截面积、测量血液容积层的厚度增加、测定脉冲占空因数(pulse duty cycIe)、测定单次血压脉冲的持续时间，并根据不等式F = (A) (AL) (Pdc)/At推导合计血流量F。在不等式F中，AV =(组织容积末端的横截面积，A) X (血液容积层L的厚度增加，AL)，PDC为脉冲占空因数，At =单次压力脉冲的持续时间。
[0007]在其它方面，所述方法包括荧光成像方案，所述方案包括将适当容积的荧光染料给予供应目标组织区域的血管系统中，并获得目标组织面积的血管造影图像的序列。在其它方面，荧光染料是ICG，其以约25-50 mg/mL的浓度给予。在再其它方面，以20-30帧/秒的帧率获得血管造影图像，并通过近红外荧光成像系统获得所述图像。在不同的方面，成像系统包括用于激发ICG的激光和用于拍摄由ICG发射的荧光的图像的摄像机。
[0008]按照本发明的另一个方面，提供用于定量通过组织容积的绝对血流量的方法。所述方法包括将适当容积的荧光染料给与供应组织容积的血管系统，获得组织容积的血管造影图像的序列，计算组织容积的血管造影图像的序列的平均荧光强度，并生成随时间变化的平均荧光强度的曲线图。在不同的方面，荧光染料是吲哚菁绿(ICG)，ICG以约25-50 mg/mL的浓度给予，且所述组织容积包括皮肤组织。在不同的其它方面，以约20-30帧/秒的帧率获取血管造影图像，而在其它方面，血管造影图像通过近红外荧光成像系统获取。在不同的方面，成像系统包括用于激发ICG的激光和用于拍摄由ICG发射的荧光的图像的摄像机。
[0009]附图简述
在说明本发明的实施方案的附图中，
图1说明采用常规光容积描记术(PPG)测量单次血压脉冲期间的合计指尖血液容积；
图2A-2C说明按照一个实施方案采用荧光介导的光容积描记术(FM-PPG)，通过检测荧光强度的变化测量具有表面积A的组织容积(切片)中的血液容积随时间的变化；
图3A-3B以示意图的方式表示在ICG通过血管转运期间吲哚菁绿(ICG)浓度与荧光强度之间随时间变化的关系；
图4A-4B显示含有0.03 mg/ml浓度ICG溶液的渐细毛细管的荧光图像和毛细管直径与荧光强度之间的所得线性关系的曲线图；
图5是在将ICG溶液注射到肘脉后从人前臂皮肤区域发射的随时间变化的平均荧光强度的曲线图；
图6显示与从含有0.03 mg/ml浓度ICG溶液的渐细毛细管发射的荧光强度随毛细管厚度而变的曲线有关的一串PPG振荡；
图7说明由血液中的ICG发射的中心大约位于850 nm和900 nm的波长带的强度之比随摩尔浓度而变的关系；
图8显示示例性成像系统，其包括依据用于实施本发明的FM-PPG方法的实施方案的光学组件的排列；
图9显示来自本文所含的本发明的某些工作实施例的随时间变化的平均强度曲线的片段；
图1O说明样品厚度对针对含ICG的乙醇绘制的2-波长比率校准曲线(2-wave I engthrat1metric calibrat1n curve)的作用；
图11说明样品厚度对针对含ICG的人血绘制的2-波长比率校准曲线的作用；
图12说明从5个数据点内推的校准曲线；
图13说明含ICG的人血的Berezin实验室数据；
图14显示对于含ICG的人血液采用本发明的FM-PPG示例性方法和系统(来自图12)生成的数据与Berez in实验室数据(来自图13)的比较；
图15显示来自猕猴眼，具体地讲用于分析各序列的图像亮度(总强度)与图像编号的时距曲线的验证数据；
图16显示来自猕猴眼，具体地讲针对图像490-565生成的曲线图的验证数据，其中选择两个连续血流脉冲之间的谷值(正方形)；表格表示每次脉冲的计算血流量以及平均流量；
图17显示与来自猕猴眼的验证数据有关的第二血管造影片序列；
图18显示针对图像300-381生成的曲线图，其中选择5个连续血流脉冲之间的谷值(正方形)；表格表示每次脉冲的计算血流量以及平均流量；
图19显示与来自猕猴眼的验证数据有关的第三血管造影片序列；
图20显示针对图像260-290生成的曲线，其中选择两个连续血流脉冲之间的谷值(正方形);表格表示每次脉冲的计算血流量以及平均流量;和
图21A-21B显示人眼血管造影片的图像(21A)和如说明书所述，以在Alm和Bill所用的一只猴的左眼的平铺脉络膜的放射自显影图上叠合的方框表示的视网膜区域(21B)。
[0010]发明详述
现将更详细地提及本发明的各个方面和变化的实施和实施方案，在附图中说明了其实例。
[0011]常规光容积描记术(PPG)通过检测通过组织发射的近红外光的量的变化测量组织(通常为指尖)容积中血液的量随时间变化的相对变化;光程中血液的量越大，所吸收的光的量越大。在血管内压力脉冲舒张期内，指尖血管的合计容积最小，而在收缩期，容积最大，如图1所示，该图显示单次血压脉冲期间合计指尖血液容积的常规PPG测量。
[0012]相比之下，按照本发明的不同方面，荧光介导的光容积描记术(FM-PPG)通过检测从组织容积(切片)中发射的近红外荧光的量的变化，测量组织(例如皮肤)容积中血液的量随时间变化的相对改变。按照不同的实施方案，在FM-PPG中，荧光强度与存在于血液中的荧光染料(例如吲哚菁绿(ICG)染料)的总量成正比，因此成为血液容积的度量。在不同的实施方案中，实施FM-PPG以量化绝对组织灌注允许在获取血管造影片序列中的一副图像(或多幅图像)时测定受试者循环血中荧光染料的摩尔浓度。
[0013]按照不同的实施方案，FM-PPG和所给予的荧光染料的某些特性，例如浓度荧光猝灭和浓度与双波长比率的荧光测量之间的线性关系，使得以容积/时间/面积的绝对项测定组织(例如皮肤)血流量成为可能。在不同的实施方案中，本发明的方法和系统可应用在大小范围为例如小于约I cm2-约1/4 m2的宽泛的大小范围的组织(例如皮肤和眼底)区域中。
[0014]在不同的实施方案中，合适的荧光染料包括任何无毒染料，所述染料当暴露于足以引起荧光染料发出荧光的量的光能时发荧光从而允许受试者组织区域成像。在不同的实施方案中，可以合适的浓度给予染料，使得当施加适当波长的辐射能时，可检测到荧光。在某些实施方案中，染料是发射红外光谱内的光的荧光染料。在某些实施方案中，染料是三碳菁染料，例如吲哚菁绿(ICG)。在其它实施方案中，染料选自异硫氰酸荧光素、罗丹明、藻红蛋白、藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白、邻苯二甲醛、荧光胺、玫瑰红、锥虫蓝、荧光金或其组合。在某些实施方案中，前述染料可混合或组合。在一些实施方案中，可以使用染料类似物。染料类似物包括被化学修饰、但仍保留其在暴露于适当波长的辐射能时发荧光的能力的染料。
[0015]在一些实施方案中，可将染料以适于成像的浓度静脉内(例如作为推注团注射剂)给予受试者(例如哺乳动物)。在不同的实施方案中，将染料注射至静脉或动脉内。在使用多种染料的实施方案中，可同时(例如以单次推注团)或序贯(例如以分开的推注团)给予染料。在一些实施方案中，可通过导管给予染料。在不同的实施方案中，染料可作为冻干粉或固体提供。在某些实施方案中，可在小瓶(例如无菌小瓶)中提供，所述小瓶可允许用无菌注射器复溶成合适的浓度。可使用任何合适的载体或稀释液将它复溶。下文提供载体和稀释液的实例。染料可在临给予前复溶，例如用水。
[0016]在某些实施方案中，可在获取图像前少于I小时内将染料给予受试者。在一些实施方案中，可在获取图像前少于30分钟内将染料给予受试者。在再其它实施方案中，可在获取图像