PCO FLIM技术助力生命科学研究二：flim用于神经外科手术技术研创
2026-06-10 来源:本站 点击次数:12Widefield fluorescence lifetime imaging of protoporphyrin IX for fluorescence-guided neurosurgery: an ex vivo feasibility study
荧光导向神经外科手术中原卟啉IX的宽场荧光寿命成像：体外可行性研究
Mikael T. Erkkilä* | Bianca Bauer | Nancy Hecker-Denschlag | Maria J. Madera Medina | Rainer A. Leitgeb | Angelika Unterhuber | Johanna Gesperger | Thomas Roetzer | Christoph Hauger | Wolfgang Drexler | Georg Widhalm | Marco Andreana
DOI: https://doi.org/10.1002/jbio.201800378
J. Biophotonics. 2019;12: e201800378.
First published: 12 January 2019
【摘要翻译】
在脑肿瘤手术中实现最大安全范围的切除是改善患者预后的目标。荧光引导神经外科手术使用5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）诱导的原卟啉IX，因此已成为一种有价值的工具，能够实现高频率的完全切除和延长成胶质细胞瘤患者的无进展生存时间。我们提出了一种基于飞行时间的Two-Tap CMOS相机的宽视场荧光寿命成像装置，工作距离为250毫米，工作条件与手术显微镜相似。与基于强度的荧光成像相比，我们的方法具有对光散射和吸收的不变性，同时对组织的分子组成敏感。我们评估了用我们的系统进行原卟啉IX荧光寿命成像并用来分析脑肿瘤模型和新鲜的5-ALA标记的人类组织样本的可行性。结果表明，我们的寿命检测装置具有超越目前以强度为基础的荧光引导神经手术限制的潜力。
关键词：荧光引导手术，荧光寿命成像，神经肿瘤学，光动力诊断，飞行时间相机
图文节选（1）
图1.调幅激光激发样品，延时荧光由相敏相机检测（左）。
封闭系统（右，顶部）和固体原卟啉IX（PpIX）参考样品（右，底部）的图片
封闭系统（右，顶部）和固体原卟啉IX（PpIX）参考样品（右，底部）的图片
图文节选（2）
在脑肿瘤手术中，区分肿瘤组织和健康组织对于实现最大程度的安全切除和获得更好的患者预后至关重要。基于5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）诱导的原卟啉IX（PpIX）的荧光引导手术，已被证明有助于外科医生在手术中对患者的恶性胶质瘤实现更完整的切除并延长患者无进展生存时间。为了检测外科医生使用商用手术显微镜无法分辨的更低浓度的PpIX，提出了光谱测量或高光谱成像，即使是低级别胶质瘤的可视化也用此法取得了有希望的结果。一般来说，荧光强度的检测受组织的光学性质的影响，因为这些性质需要事先进行表征，所以成为PpIX定量中的一个主要问题。因此，我们建议监测荧光寿命而非强度作为替代方法。因为寿命是分子的固有特性，所以其检测不受光散射或吸收的影响。另一方面，它对组织化学微环境高度敏感，而且内源性荧光团（如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或黄素）的荧光衰减时间已成功用于无标记肿瘤诊断。例如，对于PpIX，所记载的寿命范围从溶剂中的16纳秒到前列腺腺癌细胞中的6纳秒，再到胶质瘤细胞中的3纳秒，清楚地表明其寿命在不同的环境中有很大的变化。体内非5-ALA标记的脑肿瘤（更具体地说是胶质瘤）的寿命已被多人报道，Butte等人使用逐点测量探针的方法探究，Sun等人使用基于纤维束的具有4毫米视野（FOV）的内窥镜来探测，而Kantelhardt等人则在最近使用了具有350微米扫描范围的多光子微内窥镜。有关神经外科寿命成像的概述，感兴趣的读者请参阅Marcu和Hartl的综述…
图文节选（3）
Sun等人和McGinty等人提出了使用时间选通增强相机的宽场荧光寿命成像（FLIM）方法，但由于此方法涉及高电压且高成本而没有得到广泛应用。由于飞行时间（TOF）传感器和相机的快速技术发展以及上述要求，我们开发了一种FLIM系统，通过可调制双电子阱互补金属氧化物半导体（CMOS）相机在脑肿瘤组织中进行PpIX成像，并选择工作距离、成像速率和灵敏度等指标，以满足当前神经外科显微镜的要求。在这篇文章中，我们展示了使用基于TOF相机的方法对脑组织模型以及离体人体肿瘤样本进行PpIX寿命成像的可行性，并讨论了这项技术在外科环境中的应用潜力…商用双电子阱CMOS相机（pco.flim，PCO AG，GER）具有1008 × 1008像素，每秒高达90帧，用作广域TOF探测器。用准直的405 nm半导体激光器（405-300-PhoxX+；Omicron Laserage GmbH，Rodgau，Germany）以50 mw/cm2的辐照强度照射样品；通过相机的内部信号发生器进行数字调制，调制频率固定为10 mHz，对应的最优测量寿命为15.9 ns。微距镜头（Makro-Planar100 mm/f2；Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany）和荧光带通滤波器（FF-665/150；IDEX LLC，Rochester, New York）连接到相机上，在250毫米的自由工作距离上可实现11.0毫米的最小视野。FOV可以通过改变工作距离和使用镜头重新聚焦来调整。在f-stop f / # = 2.0时，物体的侧数值孔径被确定为0.07。整个系统（30× 30× 80 cm3）被联锁安全门完全封闭，确保激光安全运行（见图1）。
【关于pco.flim】
【关于pco.flim】
pco.flim相机系统是第一种采用Two-Tap CMOS成像芯片的荧光寿命成像相机。相机的像素和激发光间的同步使100皮秒至100微秒间的荧光衰减时间的分析成为可能。在1008×1008像素分辨率上，pco.flim最多可以读取45个双帧/秒，且可支持5 kHz – 40 MHz频率范围的调制。
基本参数：
- pco.flim激光器作为落射荧光测量的光源
- 可选择的激光波长和输出功率
- 100 ps到100 µs的寿命测量
- 调制频率从5千赫兹到40兆赫
- 500千赫兹到40兆赫外部调制信号
- 正弦/矩形的调制信号波形
- 像素分辨率1008 x 1008
- 频域FLIM
- USB 3.0接口
- 量子效率39%
- 动态范围1000:1
- 45 双帧/秒 (2 tap读出)
- 可选曝光时间为1 ms到2 s
- 无振动水冷
- 特殊的测量与分析软件
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
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