專利名稱：用于進行正交偏振光譜成像(opsi)的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用如獨立權利要求1前序部分所描述的正交偏振光譜成像(OPSI)，進行目標物探測的方法和系統(tǒng)，該目標物處于漫散射血管中層表面以下，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管。
眾所周知，在醫(yī)療保健的所有領域，其趨勢在于提供能夠?qū)颊哌M行最小的或者非侵入的治療，尤其是減小患者的風險和壓力的方法和系統(tǒng)。根據(jù)這種趨勢，已經(jīng)制定了用于提供非侵入式血液分析方法的方案。在非侵入式的血液分析中，一種可能性是通過共焦的喇曼光譜學測量活體中血液里各種分析物的濃度。
為了獲得來自血液而不是皮膚的喇曼信號，皮膚表面附近的毛細血管必須被顯象，并且該喇曼探測容積必須被瞄準到這些毛細管中的一個。靠近皮膚表面的毛細血管具有5至15μm的直徑。共焦探測很好地保持所采集的喇曼信號源，將其全部三個維度限定在小于5×5×10μm3的光點場里。如果該焦點定位在毛細血管中，這樣就有可能從血液中采集喇曼信號而沒有來自表皮組織的背景信號。
在這方面，顯象器官表面附近血管的一種簡單、廉價、和增強方法就是所述的正交偏振光譜成像(OPSI)。正交偏振光譜成像的醫(yī)學申請，例如WO 01/22741，在此引用作為參考。最近的測試表明使用OPSI也可能對人皮膚內(nèi)的毛細血管進行顯象。在OPSI中，偏振光通過偏振光束分離器入射到皮膚上。該光的一部分直接由表面反射(鏡面反射)。另一部分穿透進入皮膚，其中在光被吸收或從皮膚表面被再發(fā)射之前，會進行一次或多次散射(漫反射)。在任意一次這些散射事件中，入射光的偏振都有可能被改變。被直接反射或者僅僅輕微穿透進入皮膚的光，在被再發(fā)射之前將僅僅進行一次或幾次散射，而且大多數(shù)將保持其初始偏振。另一方面，更深穿透進入皮膚的光，經(jīng)過多次散射，并在朝皮膚方向被再發(fā)射返回之前被去偏振。當通過與第一偏振器垂直精確取向的第二偏振器查看目標物時，從皮膚表面或皮膚上部反射的光在很大程度上被抑制，然而已經(jīng)更深穿透進入皮膚的光大多數(shù)被探測到。結果該圖像看起來猶如背照式。由于低于590nm的波長被血液強烈吸收，然而OPSI圖像中的血管看上去將還是較暗。
被血液中分析物測量的濃度的可靠性直接取決于在血管內(nèi)引導喇曼探測容積的能力。然而，雖然正交偏振光譜成像(OPSI)是一種探測人皮膚中毛細血管的方法，但是其本質(zhì)上是2-維技術，然而理想的是能夠準確瞄準喇曼探測容積的3-維圖像。當OPSI的橫向分辨率達到與喇曼技術相同量值級時，OPSI幾乎無法提供任何深度信息。能夠獲得的僅有的深度區(qū)別是由圖像目標物的焦點深度所產(chǎn)生的。隨著毛細管從焦平面移出，其變得模糊。利用成像血管的銳度確定該血管深度有一些不利之處不十分精確；當該毛細管看上去模糊時，其并不能先驗地清楚表示該毛細管在焦平面之上還是焦平面之下；當該毛細管看上去模糊時，其并不能先驗地清楚毛細血管和焦平面距離之間的距離。另一個復雜因素在于，由于毛細血管以上的表皮組織的光線散射，即使是焦點對準的毛細血管圖像也會被模糊。缺乏可靠的深度信息使得難以將喇曼激光向血管瞄準。
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種方法和系統(tǒng)，用于利用提供更為精確的目標定位特別是人皮膚中的毛細管的正交偏振光譜成像(OPSI)，探測漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管。
這個目的是通過依據(jù)獨立權利要求的特征而實現(xiàn)，而從屬權利要求中包含的特征描述優(yōu)選的和有用的實施方案。
提供一種利用正交偏振光譜成像(OPSI)，探測漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管的方法，根據(jù)本發(fā)明，其包括的步驟有以至少兩個不同角度對所討論的目標物進行成像，以便獲得成像平面中的一個位置的移動；隨后比較兩幅圖像中目標物的相關位移，以便獲得所成像的目標物關于焦平面的坐標。
從而提出了使用OPSI立體視覺的多種變化，以得到深度信息，其中對毛細血管以不同角度進行成像，得到在成像平面中位置的位移。從該位移的方向可以確定毛細血管在焦平面之上還是焦平面之下，而毛細血管和該焦平面之間的距離可由該位移的尺寸計算得到。立體觀測是常規(guī)顯微術中的公知技術。目標物以不同角度成像，且深度信息通過比較兩幅圖像中目標物的相關位移獲得。當人眼分開觀察這兩幅圖像時，人大腦會自動完成這些過程。圖像分析算法也可以提取這些信息并進行量化。
現(xiàn)代的體視顯微鏡基于兩個不同的原則。在所謂的格里諾(Greenough)設計中，兩個同樣的物鏡被用于不同角度。在所謂的套筒(telescopic)設計或者共用物鏡設計中，兩個局部顯微鏡系統(tǒng)被彼此并排放置，且使用同一個主物鏡。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，該至少兩幅圖像的光路之間的角度取自10到30度。
進一步地，通過共焦喇曼光譜學進行的非侵入式血液分析，使用具有短工作間距、相對高的放大因子和高數(shù)值孔徑(NA)的物鏡，對喇曼激光聚焦并采集喇曼信號。為了易于構造和對準，以及由于空間和成本的限制，有利地是對OPSI使用同一物鏡。使用單個的物鏡獲得體視像有兩種基本方式使用平行光束僅照亮物鏡的一部分，或者以一定角度照亮整個物鏡。
OPSI使用波長在540到580nm的光，用于探測人皮膚中的毛細血管。對于OPSI成像優(yōu)選的是1μm的橫向分辨率，其通過使用0.35的NA可以達到。深度分辨率Δz和體視角α之間的關系式被給出Tanα＝0.5Δx/Δz.
其中Δx為該系統(tǒng)的橫向分辨率。因子0.5由從左方(-α)和從右方(+α)的成像比較而得。一些典型值在下表中給出
對于NA＝0.9的物鏡，光能夠在目標物空間傳播的最大角度是64°。對于1μm的橫向分辨率，需要有效的0.35的NA，和21°的角度。因此，最大體視角(忽略其它限制，如圖像空間的幾何約束)為43°。在該角度下獲得最高的深度分辨率為0.54μm。
進一步地，提供一種體視正交偏振散射成像(OPSI)的裝置，用于成像漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管，其至少包括提供偏振光的光源；成像設備，諸如CCD-相機；光束分離器，其優(yōu)選為偏振光束分離器；聚焦設備，諸如物鏡、或反射鏡；和以兩個不同成像角度連續(xù)地、或者同時地對目標物進行成像的裝置。該光源優(yōu)選布置于照明漫散射血管中層，其根據(jù)此照明使用偏振光照明該目標物。用于對目標物成像的裝置由兩個具有不同成像角度的物鏡或者單獨的主物鏡和用于在從偏振光束分離器到成像設備的路徑上對成像光束進行位移的掃描反射鏡形成。這兩個不同的成像角度優(yōu)選地相差10至30度。
進一步地，可以為每一幅圖像提供分離的成像設備，或者作為一種替換實施方案，提供快門用于交替?zhèn)魉蛢蓤D像中的一幅圖像，其優(yōu)選定位在偏振光束分離器和成像設備之間，且可以體現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)孔徑快門、液晶盒快門、或者任一其它合適的器件。成像設備可以是，例如CCD、或CMOS相機。
該裝置可以進一步的包括用于確定目標物位置的數(shù)據(jù)處理器，該位置至少包括關于平行于光軸的z軸的信息。
該裝置可以進一步的包括光譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有光譜光源，該光譜光源可以是用于提供光譜光束的激光；光譜光束定位設備，該光譜光束定位設備用于根據(jù)該數(shù)據(jù)處理器所確定的目標物位置將該光譜光束引導到目標物上。光譜分析系統(tǒng)同樣可以是如WO 02/057759中所描述的。
本發(fā)明的進一步特點和優(yōu)勢，在本領域技術人員結合附圖閱讀了以下優(yōu)選實施方案的說明書的基礎上，將會更為顯而易見，其中

圖1為OPSI的設置的示意圖示；圖2a為在俯視圖中具有使用平行光束的OPSI光路的成像物鏡的出示意圖示；圖2b為圖2a的側(cè)面圖；圖3所示為使用平行成像光束的OPSI設置的實施方案；圖4所示為使用同一物鏡和傾斜成像光束的實施方案；圖5所示為一幅圖像中血管的示意性位置，該位置作為觀察角和與焦平面相關的位置的函數(shù)。
圖1示意性地示出了OPSI的典型設置，包括光源1，例如燈、激光、LED等，聚光鏡2，光闌3，濾色鏡4，偏振器5，偏振光束分離器6，以及物鏡7。進一步地，圖1示出了包括(a)表皮、(b)真皮的皮膚8，和毛細血管9。最后示出了分析器10，其中垂直于偏振器4進行偏振作用，透鏡11，以及CCD相機12。
圖2a為具有使用平行光束14、15的OPSI光路的成像物鏡出的俯視圖。非侵入式血液分析器使用NA為0.9的物鏡。OPSI成像要求橫向分辨率為1或2μm，其可以通過使用NA為0.35的物鏡達到。由于OPSI所要求的NA(0.35)遠遠小于可獲得的NA(0.9)，有可能僅使用部分的光瞳區(qū)域13進行成像。通過照亮光瞳13的不同區(qū)域可以實現(xiàn)不同的體視角。使用平行光束14、15，如果以兩個不同的體視角觀察，焦平面中的血管9被成像在同一位置。平展在焦平面前或焦平面后的血管9在這兩幅圖像中處于不同位置。圖3示出一個可能的實施方案。
物鏡光瞳13中成像光束的位置可以通過掃描(旋轉(zhuǎn))反射鏡16和中繼透鏡17位移。如果在該透鏡17和掃描反射鏡16之間的距離等于該中繼透鏡17的焦距，傾斜反射鏡16導致物鏡光瞳13中成像光束的平行移位。物鏡光瞳13和血管9之間的距離等于物鏡光瞳13的焦距(相對人皮膚的折射率進行過校正)。
如圖4所示的一種替換實施方案，其中與上圖中相同的元件提供以相應的參考標記。偏振光束分離器6分離照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的光路。該成像系統(tǒng)包括掃描反射鏡16和中繼透鏡17，以便于掃描反射鏡16上的支點成像在物鏡13的中心。成像透鏡用于將物鏡13的焦平面上成像到CCD相機上。
該OPSI成像隨著掃描反射鏡16的擺動而進行移動。焦平面前或焦平面上的目標物，將相比在焦平面后或焦平面下的目標物移動更小。焦平面中的目標物將移動距離Mf tanβ，其中M為OPSI系統(tǒng)的放大因子，f為物鏡的焦距，β為通過顯微鏡的物鏡的觀察角。β與掃描反射鏡16的掃描角σ的關系如下tanβ＝(A/B)tan2σ，其中A為從掃描反射鏡16到中繼透鏡17的距離，B為從中繼透鏡17到物鏡13的距離。
在焦平面以上距離德爾塔(delta)處的目標物將移動一個稍小的距離M(f-δ)tanβ，然而，在焦平面以下距離δ的目標物將移動一個稍大的距離M(f+δ)tanβ，對比圖5。
圖5示出血管18的示意性位置，圖5中所示的三條血管18a、18b、18c在β＝0的情況時都重疊在一起，但β≠0時，它們在焦平面上的投影則都具有不同的位移。
除上面所述的實施方案之外，也可以有其它的實施方案，例如，單個成像設備，其包括用一個旋轉(zhuǎn)楔形物或兩個移動契形物替代掃描反射鏡。也可能使用兩個成像設備通過物鏡從不同角度進行觀察。這樣所具有的優(yōu)勢之處在于，沒有移動的部件且可以同時從兩側(cè)探測圖像。通過相關函數(shù)方法或者減去兩幅圖像，可以從所獲得的圖像來確定散焦量。
提供一種利用正交偏振光譜成像(OPSI)，探測漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人體皮膚的器官中的毛細血管的方法和裝置，根據(jù)本發(fā)明，包括的步驟有以至少兩個不同角度對被討論的目標物成像，以便獲得成像平面中的一個位置的位移；隨后比較兩幅圖像中目標物的相對位移，以便獲得所成像的目標物關于器官表面的坐標。
應當注意的是，上面所提到的實施方案并沒有限制本發(fā)明，并且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的精神范圍內(nèi)，將能夠想到許多替換的實施方案。權利要求中，任一置于括號間的參考符號不應被解釋為對該權利要求的限制。權利要求中用詞“包括”并不排除存在有所列舉的元件或步驟之外的其它元件或步驟。元件之前的用詞“一”或“一個”不排除多種此類元件的存在。
權利要求
1.一種進行正交偏振光譜成像(OPSI)的裝置，用于對漫散射血管中層表面以下的目標物特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管進行成像，其中至少包括用于提供偏振光的光源(1)；成像設備(12)；光束分離器(6)；聚焦設備(7)；和用于以兩個不同成像角度對目標物進行成像的器件。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于用于對目標物成像的器件由兩個具有不同成像角度的物鏡組成。
3.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于用于對目標物成像的器件由單個主物鏡(7)、掃描反射鏡(16)、和用于將路徑上的成像光束從偏振光束分離器(6)位移到成像設備(12)的一個旋轉(zhuǎn)楔形物或兩個移位楔形物組成。
4.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于為每一幅圖像提供分離的成像設備(12)。
5.根據(jù)權利要求4的裝置，特征在于為交替地傳送兩幅圖像提供快門。
6.根據(jù)權利要求5的裝置，特征在于該快門被定位在偏振光束分離器(6)和成像設備(12)之間。
7.根據(jù)權利要求5的裝置，特征在于該快門為旋轉(zhuǎn)孔徑快門。
8.根據(jù)權利要求5的裝置，特征在于該快門為液晶盒快門。
9.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于兩個成像角度相差10至30度。
10.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于該成像設備為CCD相機。
11.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于該成像設備為CMOS傳感器。
12.根據(jù)權利要求1的裝置，特征在于進一步包括用于確定目標物位置的數(shù)據(jù)處理器，該位置至少包括關于平行于光軸的z軸的信息。
13.根據(jù)權利要求12的裝置，特征在于進一步包括光譜分析系統(tǒng)，具有光譜光源以及光譜光束定位設備，該設備用于根據(jù)該數(shù)據(jù)處理器所確定的目標物位置將光譜光束引導到目標物上。
14.一種利用正交偏振光譜成像(OPSI)，探測漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管的方法，包括的步驟有以至少兩個不同角度對所討論的目標物成像，以便獲得成像平面中的位置的位移；比較兩幅圖像中目標物的相對位移，以便獲得所成像的目標物關于器官表面的坐標。
15.根據(jù)權利要求14的方法，特征在于基于位移的方向確定被成像目標在焦平面之上還是焦平面之下。
16.根據(jù)權利要求14的方法，特征在于目標物和焦平面之間的距離由位移的長度計算得到。
17.根據(jù)權利要求1的方法，特征在于成像角度選取在10到30度之間。
18.根據(jù)權利要求14的方法，特征在于使用單個物鏡(7)對目標物進行成像。
19.根據(jù)權利要求18的方法，特征在于使用平行光束照亮物鏡(7)的一部分，以便獲得至少兩幅圖像。
20.根據(jù)權利要求18的方法，特征在于以限定的角度照亮整個物鏡(7)，以便獲得至少兩幅圖像。
全文摘要
提供一種利用正交偏振光譜成像(OPSI)，探測漫散射血管中層表面以下的目標物，特別是諸如人皮膚的器官中的毛細血管的方法和裝置，根據(jù)本發(fā)明包括的步驟有以至少兩個不同角度對被討論的目標物成像，以便獲得成像平面中的位置的位移；隨后比較兩幅圖像中目標物的相對位移，以便獲得所成像的目標物關于器官表面的坐標。
文檔編號A61B5/00GK1897870SQ200480038312
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權日2003年12月22日
發(fā)明者M·C·范畢克, E·蘭德林克, R·F·M·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司