本期為科研黨推薦一款I(lǐng)nGaAs芯片材料的C-Red 2相機(jī)，該相機(jī)具有高靈敏度、高量子效率、低噪聲等優(yōu)勢，且芯片的制冷溫度可達(dá)-40℃，有效降低了暗電流，成為紅外Ⅱ區(qū)熒光成像的理想選擇。
紅外Ⅱ區(qū)活體成像
體內(nèi)分子成像在臨床前動物模型中是深入理解生理機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)。在過去幾十年中，第一個生物窗口（紅外Ⅰ區(qū)，700-900nm）的熒光成像已廣泛應(yīng)用于此領(lǐng)域。由于紅外Ⅰ區(qū)較低的吸收和散射特性，其穿透力優(yōu)于可見光（見圖1（A））。然而，對于超過幾毫米深度的信號，圖像的分辨率和靈敏度較差，主要是因為熒光激發(fā)波長（通常為700nm）在該范圍內(nèi)的穿透性較差。
?
-
發(fā)射光譜在紅外II區(qū)的熒光染劑可以用具有最佳穿透力的紅外Ⅰ區(qū)的波長激發(fā)（見圖1（B））
-
散射和吸收在第二個生物窗口相對更弱（見圖1（A））
-
生物組織自發(fā)熒光較弱，這使得信號相對于背景信號的信噪比大幅提升
因此，紅外Ⅱ區(qū)成像（1000-1700nm）相較于可見光或紅外Ⅰ區(qū)熒光，具有更出色的空間分辨率、穿透深度和對比度。隨著這些優(yōu)勢的逐步顯現(xiàn)，紅外Ⅱ區(qū)成像正成為臨床前[1,4]和臨床[5]研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
圖1-（A）生物組織中的光學(xué)窗口。在第一和第二紅外窗口中，血液和組織的吸收和散射被最小化，從而使光更容易穿透。（B）在第一和第二窗口中成像的穿透光譜
研究表明，紅外Ⅰ區(qū)成像中使用的部分造影劑在紅外Ⅱ區(qū)的光譜范圍內(nèi)也具有可用的發(fā)射光譜尾端（見圖2（B））。吲哚菁綠（ICG）是一種生物兼容且經(jīng)過FDA批準(zhǔn)的造影劑，廣泛應(yīng)用于紅外Ⅰ區(qū)和紅外Ⅱ區(qū)的熒光成像中[6,7]。
然而，傳統(tǒng)的硅基相機(jī)在可見光和紅外Ⅰ區(qū)成像時表現(xiàn)良好，但在紅外Ⅱ區(qū)的光譜范圍內(nèi)并不敏感（見圖2（A））。因此，進(jìn)行紅外Ⅱ區(qū)成像通常需要采用基于InGaAs傳感器的相機(jī)，這類相機(jī)在短波紅外區(qū)域（900-1700nm）具有較高的靈敏度。C-Red 2便是由First Light Imaging開發(fā)的一款640x512像素的InGaAs陣列相機(jī)，它將紅外Ⅱ區(qū)的高靈敏度與高幀率相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的動態(tài)成像。
圖2-（A）基于硅（Si）和銦鎵砷（InGaAs）傳感器的典型相機(jī)的靈敏度曲線。基于InGaAs的傳感器最適合在第二生物窗口中成像。（B） 吲哚菁綠的熒光激發(fā)發(fā)射譜
利用C-Red2進(jìn)行紅外Ⅱ區(qū)成像
紅外臨床前成像儀
小動物成像實驗裝置，主要元件是用于樣本（小鼠）的載物臺、用于熒光激發(fā)的激光源和成像設(shè)備，成像設(shè)備包括物鏡、一組發(fā)射濾光片和用于檢測熒光的相機(jī)。對于下文所述的結(jié)果，C-Red 2相機(jī)安裝在現(xiàn)有的短波紅外成像裝置中。808nm激光器，提供120mW/cm2的照明，高通短波紅外濾光片。臨床前成像設(shè)備由OPTIMAL Grenoble建立。
圖3-實驗中使用的成像系統(tǒng)
動物模型和方法
將一只六周大的雌性裸鼠（Janvier Labs）麻醉，并在尾部靜脈注射500µmol/L的ICG。注射后t0至t+40s拍攝視頻。然后，采集了耳朵注射后15分鐘的放大圖像以及ICG在耳朵中的生物分布的延時圖。
實驗結(jié)果
靜脈注射ICG后，對小鼠全身進(jìn)行體內(nèi)紅外II區(qū)成像提供了ICG在所有器官中的生物分布圖。后肢脈管系統(tǒng)、器官、血管系統(tǒng)和股血管清晰可見。請注意，圖像的低自發(fā)熒光和高對比度。下圖突出顯示了一些關(guān)鍵器官。采集參數(shù)為：10ms積分時間、100FPS、高增益、CDS模式。為提高對比度，進(jìn)行灰值反轉(zhuǎn)，未做其他圖像處理。
圖4-紅外Ⅱ區(qū)小鼠全身的熒光體內(nèi)成像。血管網(wǎng)絡(luò)以高對比度看到。灰值反轉(zhuǎn)和自動縮放對比度
下圖集中拍攝小鼠腹部，突出了系統(tǒng)在對比度和分辨率方面的性能。輪廓上圖片的窄度說明了血管的高空間分辨率，而圖片的信噪比說明了信號與背景的比率。
圖5小鼠全身的紅外Ⅱ區(qū)熒光圖像（左）和沿紫色虛線的橫截面熒光強(qiáng)度分布（右）
使用更高放大倍數(shù)的鏡頭可以獲取特定感興趣區(qū)域的更詳細(xì)視圖。以下展示的是耳朵脈管系統(tǒng)的示例。采集參數(shù)包括：500ms的積分時間、2FPS的幀率、高增益以及CDS模式。為了提高對比度，進(jìn)行了灰值反轉(zhuǎn)，未進(jìn)行其他圖像處理。值得注意的是，高信噪比和信號背景比可以使皮膚和皮下血管顯現(xiàn)出來。
例如，在制藥應(yīng)用中，這種技術(shù)可以實現(xiàn)非侵入性的研究由敏感材料誘導(dǎo)的血管反應(yīng)，提供更加精準(zhǔn)和清晰成像結(jié)果。
圖6-紅外Ⅱ區(qū)外耳脈管系統(tǒng)的熒光體內(nèi)成像
C-Red 2相機(jī)的增益和偏差實時校正功能，使高質(zhì)量圖像能夠?qū)崟r可視化。可以精確地研究熒光標(biāo)記的生物分布。
為什么選擇C-Red 2
易于集成。相機(jī)底部、側(cè)面或正面有安裝螺孔，相機(jī)可以很容易地集成到系統(tǒng)中，標(biāo)配C口適配器，可接各種標(biāo)準(zhǔn)C口鏡頭。First Light Vision GUI使C-Red 2成為一款即插即用型相機(jī)，多功能SDK，可以與MatLab、LabView等接口連接。
特殊視頻模式。大容量的圖像緩沖區(qū)支持長時間的視頻錄制，其特殊功能“直接錄制”允許動態(tài)保存圖像并獲取無限長的視頻。
高靈敏度。由于其低讀出噪聲<30e-和優(yōu)化的暗電流600e-/pix/s（-40°C），C-Red 2非常靈敏，能夠檢測到非常微弱的信號。
針對長曝光時間優(yōu)化設(shè)計。熱電冷卻與空氣（風(fēng)扇）和水冷卻相結(jié)合，相機(jī)可冷卻至-40°C。此外，對于長曝光時間，可以優(yōu)化采集設(shè)置。
即時修正。實時執(zhí)行偏差和增益校正。
簡化實驗。支持最多保存十個預(yù)設(shè)配置，以便配置之間快速切換。
實時可視化體內(nèi)微血管系統(tǒng)顯著提高了我們對循環(huán)系統(tǒng)（如血管結(jié)構(gòu)、血流等）及相關(guān)病理的理解。同時，利用這種技術(shù)，還能非侵入性地高精度監(jiān)測心率、呼吸率等生理參數(shù)。這些功能是生物醫(yī)學(xué)紅外Ⅱ區(qū)成像的多種應(yīng)用之一，其他應(yīng)用還包括腫瘤可視化和藥物研發(fā)等領(lǐng)域。
C-Red 2相機(jī)在小動物成像領(lǐng)域表現(xiàn)出色，尤其在高對比度成像方面。能精準(zhǔn)捕捉小鼠血管系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，并通過高時間分辨率的視頻繪制生物動力學(xué)圖。同時相機(jī)具備長曝光、高達(dá)600FPS的高幀率和短積分時間，始終輸出高質(zhì)量圖像，是小動物成像的理想選擇。
參考文獻(xiàn)
1. Zhu, S.; Yung, B. C.; Chandra, S.; Niu, G.; Antaris, A. L.; Chen, X. Near-Infrared-II (NIR-II) Bioimaging via Off-Peak NIR-I Fluorescence Emission. Theranostics 2018, 8 (15), 4141–4151.
2. Bhavane, R.; Starosolski, Z.; Stupin, I.; Ghaghada, K. B.; Annapragada, A. NIR-II Fluorescence Imaging Using Indocyanine Green Nanoparticles. Sci. Rep. 2018, 8 (1), 14455.
3. Smith, A. M.; Mancini, M. C.; Nie, S. Second Window for in Vivo Imaging. Nat. Nanotechnol. 2009, 4 (11), 710–711.
4. Byrd, B. K.; Marois, M.; Tichauer, K. M.; Wirth, D. J.; Hong, J.; Leonor, J. P.; Elliott, J. T.; Paulsen, K. D.; Davis, S. C.First Experience Imaging Short-Wave Infrared Fluorescence in a Large Animal: Indocyanine Green Angiography of a Pig Brain. J. Biomed. Opt. 2019, 24 (08), 1.
5. Hu, Z.; Fang, C.; Li, B.; Zhang, Z.; Cao, C.; Cai, M.; Su, S.; Sun, X.; Shi, X.; Li, C.; Zhou, T.; Zhang, Y.; Chi, C.; He, P.; Xia, X.; Chen, Y.; Gambhir, S. S.; Cheng, Z.; Tian, J. First-in-Human Liver-Tumour Surgery Guided by Multispectral Fluorescence Imaging in the Visible and near-Infrared-I/II Windows. Nat. Biomed. Eng. 2020, 4 (3), 259–271.
6. Starosolski, Z.; Bhavane, R.; Ghaghada, K. B.; Vasudevan, S. A.; Kaay, A.; Annapragada, A. Indocyanine Green Fluorescence in Second Near Infrared (NIR-II)Window.PLOSONE2017,12(11),e0187563.
7. Carr, J. A.; Franke, D.; Caram, J. R.; Perkinson, C. F.; Saif, M.; Askoxylakis, V.; Datta, M.; Fukumura, D.; Jain, R. K.; Bawendi, M. G.; Bruns, O. T. Shortwave Infrared Fluorescence Imaging with the Clinically Approved Near-Infrared Dye IndocyanineGreen.Proc.Natl.Acad.Sci.2018,115(17),4465–4470.
