Xenics液氮制冷相机在第二近红外小动物活体荧光成像方面的应用
1、应用背景介绍
癌症作为四大不治症之一，一直以来都是全球各国希望攻克的难题。
World Cancer2014报告指出：全球范围内每年癌症新增病例高达1400万，死亡病例高达820万，而2010年全球在癌症上投入的资金为1.16万亿美金，为全球生产总值的2%。
影像方法一直以来都是癌症研究、药物开发，以及一般医疗行业重要的辅助研究手段；传统的获取影像的方法主要包括X-Ray成像、可见光成像以及核磁成像。
X-Ray 成像主要是通过X光探测器来探测穿透人体组织后的X光影像，主要包括DR、CT、PET 等设备，但是X光成像由于有辐射，对人体有伤害，且这些成像技术的空间分辨率有限，很难实现微小病灶的早期检测，进而影响早期治疗。
同样，由于这些设备的时间分辨率有限，不适合外科医生长期手术使用；可见光成像主要通过探测400nm—700nm范围内的可见光来获取影像信息，但是可见光无法获得被探测人和物内部的信息；MRI也是医疗行业一个有力的手段，但是MRI设备拍摄时间长、费用昂贵，无法在术中使用。
图1：CT、PET探测设备
基于上述背景，越来越多的生命科学工作者开始了其他影像方法对癌症检测价值的研究。
近红外成像由于能够获得更高的空间分辨率和更高的时间分辨率，获得了越来越多研究者的喜爱。
同时，由于更深的探测深度，以斯坦福大学为首的众多科研院所和高
校开始了第二近红外成像的研究。
图2：红外成像探测深度VS 可见光成像探测深度
2、第二近红外荧光成像研究原理
近红外成像，由于时空分辨率都比Micro-CT和PET高，又没有辐射，同时可以在手术中使用等，被广泛研究。
近红外成像主要分为第1近红外（0.75um—0.9um）成像和第2近红外（1.1um--1.4um）成像，而第2近红外成像由于可以获得更深的探测深度（1 - 3毫米），更高的空间分辨率（~ 30毫米），更高的时间分辨率（< 200 ms 每帧），更受期待。
图3：可见光成像、红外成像，以及可见光和红外成像融合图
小动物体内的荧光基团，在激光的照射下，会辐射出比激发光波长更长的光子信号，辐射出来的光子穿透组织到达体表，被能够探测到900nm-1700nm近红外谱段的InGaAs材料的液氮制冷相机获取并成像，通过对荧光信息成像的分析，进而获取小动物体内血管、肿瘤等信息；
图4：利用荧光成像原理，对小白鼠的头部进行成像
图5：几种荧光剂的激发、发射图谱
3、成像方案
方案1：采用非晶硅材料的可见光相机和InGaAs材料的红外相机，同时、同视场获取两幅图像，通过软件完成两幅图像的融合。
方案2：采用可见光可扩展短波红外相机，1台相机完成可见光和红外的成像，同时省去了分光装置，避免了由于光路引起的视场不相同问题；由于荧光基团发出的光信号非
常微弱，同时需要穿透小动物的组织，透出皮肤表层的光信号非常微弱，所以在相机的选择上一般为灵敏度较高、暗电流较低的相机产品。
图6：成像方案图
4、结果分析（通过数据分析，证明了方法的有效性）
通过上述方案在第2近红外小动物活体成像，可以获得非常清晰的图像；相比较传统的X-ray、CT、PET、MRI等成像技术，第2近红外相机可以获得更高的时空分辨率；
而相比较第1近红外成像，第2近红外可以获取更深的探测深度。
第2近红外成像同Micro-CT成像对比
第2近红外成像可以看清楚更多的毛细血管，并且可以区分的最细的毛细血管的直径为
35.4um；第2金红外成像所需要的时间为300ms；Micro-CT成像无法看清楚100um
以下的毛细血管，成像时间需要2h；
图7：第2近红外成像同Micro-CT成像对比
第2近红外同第1近红外对比分析：
第2近红外可以探测到更深的深度，同时可以看清楚更细小的毛细血管。
图8：第2近红外成像同第1近红外成像对比
5、关键成像器件
Xenics 公司Cougar 液氮制冷相机Cougar-640，以其77K 的深度制冷温度，优越的低暗噪声，超高的灵敏度，在第二近红外小动物活体成像方面有非常好的发挥；
Cougar-640 综述特性： 相机参数：
关于XenICs：XenICs公司是全球领先的红外相机和探测器的提供商。
创建于2000年，从国际知名的IMEC(比利时的微电子研究中心，半导体业界的指标性研究机构)孵化而来，是ISO：9001认证公司，总部位于比利时鲁汶，并在全球各大洲皆有分公司。
XenICs公司技术实力雄厚，专注于InGaAs 材料芯片的设计，能根据客户需求进行产品定制。
其产品线丰富，具有短、中、长波红外相机，线阵和面阵红外相机。
其中的杰出产品有：中波红外相机Onca系列，深度液氮制冷短波红外相机Cougar 系列，市面上唯一的高速红外相机Cheetah系列，新型T2SL材料、唯一
0.85~2.35μm波段范围的Xeva-2.35相机。