Carestream 多 模 式 活 体 成 像 系 统 介 绍 东 胜 创 新 生 物 科 技 有 限 公 司 2011.09.22 1
活 体 成 像 定 义 分 子 影 像 : 活 体 状 态 下 在 细 胞 和 分 子 水 平 上 应 用 影 像 学 方 法 对 生 物 过 程 进 行 空 间 和 时 间 上 的 定 性 定 量 分 析 研 究 的 一 门 科 学 活 体 成 像 : 又 叫 可 见 光 成 像, 指 在 可 见 光 范 围 内 的 成 像 结 构 成 像 :X 光 CT/microCT MRI 超 声 功 能 成 像 : 荧 光 发 光 同 位 素 PET SPECT
最 新 活 体 成 像 技 术 潮 流 - 多 模 式 活 体 成 像 成 像 模 式 成 像 原 理 成 像 对 象 优 点 需 要 考 虑 的 问 题 生 物 发 光 荧 光 成 像 同 位 素 成 像 基 因 表 达 出 荧 光 素 酶 来 发 光 荧 光 探 针 标 记 基 因 表 达 荧 光 蛋 白 同 位 素 探 针 标 记 细 胞 细 菌 蛋 白 小 分 子 材 料 细 胞 细 菌 蛋 白 小 分 子 材 料 X 光 成 像 穿 透 对 比 整 体 或 局 部 成 像 工 艺 成 熟 背 景 噪 音 低 可 长 期 稳 定 表 达 标 记 方 法 多 样 同 时 标 记 多 个 对 象 影 响 小 穿 透 强 唯 一 的 结 构 成 像 精 确 定 位 骨 科 研 究 只 标 记 细 胞 细 菌, 成 本 高 前 期 工 作 繁 杂 背 景 噪 音 较 高 淬 灭 问 题 需 使 用 资 格 认 证 软 组 织 需 辅 助 造 影 剂 成 像 每 种 活 体 成 像 技 术 都 有 各 自 的 应 用 局 限 性 和 优 缺 点 ; 生 物 发 光 荧 光 和 同 位 素 成 像 构 成 完 整 的 功 能 研 究 体 系 ; 功 能 成 像 与 结 构 成 像 相 结 合 构 成 完 整 的 活 体 成 像 体 系
多 模 式 活 体 成 像 应 用 举 例 之 一 --- 生 物 发 光 荧 光 与 X 光 的 组 合 运 用 生 物 发 光 荧 光 成 像 和 X 光 成 像 组 合 运 用 的 成 功 范 例, 已 成 为 肿 瘤 等 研 究 的 经 典 方 法 Backer MV, et al., 2007. Vol13(4), April 2007. p504-9. Nature Medicine
数 码 X 光 成 像 的 精 确 定 位 - 结 构 成 像 与 功 能 成 像 相 结 合 正 面 成 像 借 助 X 光 骨 骼 成 像 研 究 肿 瘤 骨 转 移 侧 面 成 像 Courtesy Dr. B. Bednar, Merck Co. Inc.
不 同 研 究 水 平 的 相 互 组 合 活 体 水 平 整 体 结 构 成 像 :(MRI/CT/X-ray) 高 分 辨 率 低 特 异 性 局 部 结 构 成 像 (X-ray 造 影 剂 造 影 ) 功 能 成 像 ( 荧 光 发 光 或 同 位 素 ) 高 分 辨 率 高 特 异 性 低 分 辨 率 高 特 异 性 器 官 水 平 功 能 成 像 ( 荧 光 发 光 或 同 位 素 ) 低 分 辨 率 高 特 异 性 细 胞 及 分 子 水 平 免 疫 组 化 液 相 色 谱 定 量 PCR 显 微 镜 检 同 位 素 检 测 等 高 分 辨 率 高 特 异 性 活 体 活 体 活 体 非 活 体 非 活 体 三 个 水 平 一 致 的 数 据, 才 是 真 正 有 效 的 数 据
硬 件 组 成 示 意 图 X 光 光 源 电 脑 显 示 器 暗 箱 暖 风 机 荧 光 激 发 光 源 镜 头 及 CCD 相 机 光 路 系 统 7
名 种 成 像 模 式 原 理 介 绍 荧 光 : 把 麻 醉 的 小 动 物 放 到 暗 箱 里, 由 荧 光 激 发 光 源 发 光, 通 过 对 应 的 激 发 滤 光 片 及 光 路, 照 射 到 小 动 物 身 上, 激 发 预 先 注 射 到 小 动 物 体 内 的 荧 光 探 针, 接 着 通 过 镜 头 收 集 光 信 号, 再 由 发 射 滤 光 片 筛 选 得 到 特 异 的 荧 光 信 号, 最 后 由 CCD 检 测 ; 化 学 发 光 : 把 麻 醉 的 小 动 物 放 到 暗 箱 里, 由 于 预 先 注 意 到 小 动 物 体 内 的 化 学 发 光 底 物 会 和 报 告 基 因 在 小 动 物 体 内 表 达 出 来 的 酶 发 生 反 应, 所 以 这 个 实 验 不 用 激 发 光, 自 身 反 应 就 会 发 光, 只 是 信 号 通 常 比 较 弱, 需 要 长 时 间 曝 光, 这 个 时 候, 小 动 物 体 内 发 出 来 的 光 信 号, 直 接 通 过 镜 头 采 集 到 CCD 检 测 ; X 光 : 把 麻 醉 的 小 动 物 放 到 暗 箱 里, 启 动 X 光 检 测 模 式, 会 有 一 块 特 制 的 磷 屏 滑 动 过 来 ( 这 个 磷 屏 是 不 透 光 的, 在 做 其 它 实 验 的 时 候 是 位 于 暗 箱 的 一 侧 的, 不 会 在 小 动 物 和 镜 头 之 间 ), 位 于 小 动 物 和 镜 头 之 间, 接 着 位 于 暗 箱 顶 部 的 X 光 光 源 发 出 X 射 线, 穿 过 小 动 物 的 身 体 以 后,X 射 线 再 打 到 磷 屏 上, 不 透 光 的 磷 屏 就 会 呈 现 出 小 动 物 的 轮 廓, 这 个 轮 廓 是 可 见 的, 可 以 由 镜 头 收 集 光 信 息 到 CCD 检 测 ; 同 位 素 : 把 麻 醉 的 小 动 物 放 到 暗 箱 里, 启 动 同 位 素 检 测 模 式, 会 有 一 块 特 制 的 磷 屏 滑 动 过 来 ( 这 个 磷 屏 是 不 透 光 的, 在 做 其 它 实 验 的 时 候 位 于 暗 箱 的 一 侧, 不 会 在 小 动 物 和 镜 头 之 间 ), 位 于 小 动 物 和 镜 头 之 间, 接 着 预 先 注 射 到 小 动 物 体 内 的 同 位 素 辐 射 的 信 号 会 穿 过 小 动 物 的 身 体, 照 射 到 磷 屏 上, 不 透 光 的 磷 屏 就 会 呈 现 相 对 应 的 信 号, 这 个 信 号 是 可 见 的, 可 以 由 镜 头 收 集 光 信 息 到 CCD 检 测 ; 8
硬 件 组 成 介 绍 光 源 :400W 氙 灯 氙 灯 是 一 种 冷 光 源, 其 发 光 的 原 理 是 电 极 激 发 氙 气 这 一 种 惰 性 气 体 来 发 光, 光 强 稳 定, 无 需 预 热, 寿 命 长 ( 基 本 上 没 有 用 户 换 氙 灯 的 ), 而 早 先 的 技 术 是 采 用 卤 钨 灯, 是 一 种 热 光 源, 其 发 光 原 理 和 我 们 的 白 炽 灯 是 一 样 的, 采 用 烧 灯 丝 的 原 理 来 发 光, 需 要 预 热, 寿 命 有 限 ( 通 常 在 1500-3000 小 时 ) 镜 头 :10 倍 连 续 光 学 变 焦 大 口 径 镜 头 10 倍 连 续 光 学 变 焦 保 证 了 整 体 和 局 部 成 像 的 兼 顾, 而 大 口 径 ( 约 72mm, 通 常 的 活 体 成 像 系 统 的 口 径 约 52mm, 而 最 常 见 的 凝 胶 成 像 口 径 甚 至 更 小 ) 的 镜 头, 则 保 证 了 其 足 够 大 的 通 光 量 9
硬 件 组 成 介 绍 CCD:16bit 420 万 像 素 -29 度 ( 绝 对 制 冷 )CCD 16bit 是 目 前 最 高 的 CCD 硬 件 灰 度 值 (16bit 也 就 是 从 纯 白 到 纯 黑 一 共 有 2 的 16 次 方, 即 65536 种 不 同 的 灰 色 过 渡 ), 通 常 民 用 的 数 码 相 机 大 多 就 只 有 8bit, 即 256 种 灰 度 ;420 万 像 素 在 小 动 物 成 像 系 统 里, 目 前 也 是 最 大 的 像 素 值, 这 个 和 民 用 的 也 不 一 样, 现 在 民 用 的 数 码 相 机 最 高 的 像 素 值 已 经 到 了 4000 多 万 像 素, 但 是 小 动 物 成 像 这 种 系 统 的 CCD 单 个 的 像 素 点 要 大 的 多 ( 以 Canon EOS 450D 为 例,1220 万 像 素,CMOS 尺 寸 为 22.2*14.8mm, 单 个 像 素 点 的 大 小 约 为 5.19um), 这 样 一 来,CCD 芯 片 的 感 光 能 力 也 就 强 的 多, 有 利 于 检 测 一 些 微 弱 信 号 ;-29 度 ( 绝 对 制 冷 ), 这 个 是 因 为 在 做 小 动 物 活 体 成 像 实 验 的 时 候, 经 常 需 要 长 时 间 的 曝 光 ( 有 的 实 验 需 要 拍 一 张 照 片 30 分 钟 的 ), 也 就 是 说,CCD 需 要 长 时 间 不 间 断 的 采 集 信 号, 而 CCD 本 身 的 成 像 原 理 就 是 把 光 子 转 换 为 电 子, 如 果 长 时 间 连 续 工 作 的 话, 就 会 发 热, 产 生 暗 电 流, 进 而 产 生 图 像 上 的 噪 点, 表 现 在 我 们 拍 的 照 片 上 就 是 会 有 不 应 该 有 的 雪 花 点, 而 通 过 制 冷 的 方 式, 可 以 把 CCD 的 温 度 降 下 来, 减 少 这 种 噪 点 的 生 成, 而 制 冷 的 方 式 目 前 主 要 分 为 绝 对 温 度 制 冷 和 相 对 温 度 制 冷, 绝 对 温 度 制 冷 可 以 作 背 景 扣 除, 而 相 对 温 度 制 冷 往 往 能 达 到 更 低 的 温 度 10
硬 件 组 成 介 绍 暗 箱 : 预 留 通 风 口 ( 可 外 接 暖 气 和 麻 醉 气 体 ), 小 动 物 在 做 实 验 的 时 候, 需 要 麻 醉, 因 为 活 体 成 像 的 几 种 不 同 的 成 像 模 式 都 需 要 长 时 间 曝 光, 所 以 这 个 过 程 中 如 果 不 麻 醉 的 话, 小 动 物 一 动, 图 像 就 花 了, 而 在 小 动 物 麻 醉 过 程 中, 体 温 会 下 降, 为 了 保 护 小 动 物, 避 免 小 动 物 在 实 验 过 程 中 死 亡, 需 要 在 实 验 过 程 中 通 入 热 空 气, 保 持 小 动 物 的 体 温 动 物 仓 : 专 利 的 全 封 闭 动 物 仓, 可 以 避 免 挥 发 性 试 剂 及 小 动 物 对 光 路 系 统 的 损 害 磷 屏 : 把 X 光 及 同 位 素 转 化 为 可 见 光 信 号, 这 个 是 Carestream( 原 Kodak) 的 专 利 技 术, 其 它 的 产 品 如 果 要 做 X 光 的 话, 不 能 用 磷 屏, 只 能 用 碘 化 铯 屏, 这 种 的 屏 的 分 辨 率 最 多 只 有 磷 屏 的 1/5 左 右, 另 外, 同 位 素 功 能 是 这 个 系 统 独 有 的, 但 是 做 这 个 实 验 的 话, 实 验 室 得 通 过 相 关 的 认 证 和 许 可 11
Carestream 特 色 技 术 DarkMaster 扣 背 景 技 术 CCD 的 总 噪 音 来 源 : 暗 电 流 引 起 的 热 噪 音 读 出 噪 音 其 它 因 素 引 起 的 噪 音 总 噪 音 =( 读 出 噪 音 2 + 热 噪 音 2 ) 1/2
DarkMaster 扣 背 景 技 术 热 噪 音 与 温 度 的 关 系 表 ( 来 自 www.ccd.com)
暗 电 流 背 景 扣 除 ( Dark Master ) Raw Dark Master Corrected
专 利 设 计 的 广 角 发 射 滤 光 片, 有 效 降 低 荧 光 成 像 的 光 晕 现 象 ( 非 特 异 背 景 荧 光 干 扰 ) Standard Band Pass Emission Filter 15cm Field- Significant Wide Angle Artifacts Kodak Wide Angle Emission Filter 15cm Field - No Wide Angle Artifacts Cy 5.5 on Immobilon Ex 630, Em 697 Zoom 150mm, 1min Cy 5.5 on Immobilon Ex 630, Em 697 Wide Angle Filter Zoom 150mm, 1min
激 发 光 多 光 谱 分 析 更 好 地 区 分 特 异 与 非 特 异 荧 光, 确 保 荧 光 信 号 真 实! More Information Here Than Here Fluorescent Spectra 激 发 光 谱 : 固 定 发 射 波 长, 用 激 发 波 长 进 行 扫 描 而 得 到 的 图 谱 发 射 光 谱 : 固 定 激 发 波 长, 用 发 射 波 长 进 行 扫 描 而 得 到 的 图 谱
激 发 光 多 光 谱 分 析 更 好 地 区 分 特 异 与 非 特 异 荧 光, 确 保 荧 光 信 号 真 实! 激 发 光 谱 的 信 息 量 更 大, 一 般 为 多 个 峰, 而 发 射 光 谱 相 对 简 单, 一 般 为 一 个 峰 信 息 量 越 大, 多 荧 光 拆 分 时 特 异 性 更 好 荧 光 分 子 中 一 般 有 多 吸 收 光 能 的 基 团, 吸 收 的 能 量 可 以 转 移 给 发 光 基 团, 因 此 为 多 峰 荧 光 分 子 中 一 般 只 有 一 个 发 光 基 团, 因 此 为 单 峰
多 光 谱 分 析 的 原 理 System trained for spectral recognition 一 教 : 教 会 系 统 什 么 是 特 异 荧 光 食 物 荧 光 毛 发 荧 光 等 二 比 : 软 件 根 据 荧 光 光 谱 进 行 比 较 三 分 : 软 件 拆 分 并 分 层 给 出 各 种 荧 光 的 图 谱
专 利 的 基 于 激 发 光 的 多 光 谱 分 析 技 术 Skin Gut X761 X691 Mixed Image
专 利 的 基 于 激 发 光 的 多 光 谱 分 析 技 术
专 利 的 基 于 激 发 光 的 多 光 谱 分 析 技 术
专 利 的 基 于 激 发 光 的 多 光 谱 分 析 技 术
使 用 中 的 注 意 事 项 开 机 顺 序 : 在 使 用 之 前, 先 把 活 体 成 像 系 统 的 电 源 打 开, 再 开 电 脑, 在 电 脑 完 全 启 动 ( 进 入 Windows 以 后, 硬 盘 指 示 灯 不 再 闪 烁 ) 以 后, 再 打 开 活 体 成 像 系 统 的 软 件 关 闭 顺 序 : 在 使 用 之 后, 先 退 出 活 体 成 像 的 软 件, 再 关 电 脑, 最 后 关 闭 活 体 成 像 系 统 的 电 源 每 一 天 开 机 以 后, 老 师 做 完 实 验, 系 统 的 主 机 ( 暗 箱 ) 不 要 关 闭, 直 到 最 后 一 位 做 实 验 的 老 师 做 完 以 后, 再 关 闭 时 常 开 机, 如 果 系 统 长 时 间 ( 几 个 月 ) 不 用, 请 第 半 月 开 机 一 次, 这 个 时 候, 只 要 把 主 机 打 开 就 好 了, 开 机 一 个 小 时 左 右, 关 闭 注 意 清 洁, 第 次 使 用 后, 用 酒 精 把 动 物 仓 清 洁 干 净, 日 常 主 机 外 表 的 清 洁 请 用 清 水 和 棉 布 即 可 23
活 体 成 像 的 关 键 因 素 透 光 率 小 鼠 不 同 部 位 的 透 光 率
近 红 外 成 像 - 活 体 成 像 的 另 一 个 重 要 概 念 不 同 波 长 激 光 笔 对 大 拇 指 的 透 光 实 验
近 红 外 成 像 - 活 体 成 像 的 另 一 个 重 要 概 念 650-850nm 是 活 体 成 像 的 核 心 波 段
常 见 活 体 成 像 系 统 的 简 单 介 绍 Xenogen: 最 早 发 展 活 体 成 像 的 厂 家, 其 最 大 的 特 色 是 CCD 制 冷 温 度 非 常 低 (-90 度 ), 做 化 学 发 光 实 验 的 时 候 效 果 好 CRI: 专 注 于 荧 光 方 面 的 活 体 成 像, 其 最 大 的 特 色 是 连 续 波 长 的 荧 光 发 射 光 谱 扫 描, 做 荧 光 实 验 的 时 候 效 果 好 Berthold: 一 直 以 来 专 注 于 化 学 发 光 检 测 的 厂 家, 其 最 大 的 特 点 是 CCD 相 机 可 以 机 械 移 动, 来 靠 近 拍 摄 物 体, 在 做 化 学 发 光 实 验 的 时 候, 效 果 好 27
谢 谢 大 家!