專利名稱：集成疾病診斷和治療系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及多種物質(zhì)的非侵入光學(xué)探測(cè)的設(shè)備和技術(shù)，以及使用所述非侵入光學(xué)探測(cè)來檢測(cè)、診斷和治療肺部疾病的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
通過非侵入光學(xué)手段來勘測(cè)物質(zhì)是許多研究的目標(biāo)，因?yàn)槲镔|(zhì)中的光-物質(zhì)相互作用的不均勻性可以揭示其結(jié)構(gòu)、組成、生理和生物信息。多種基于光學(xué)相干區(qū)域反射法(OCDR)的設(shè)備和技術(shù)可以用于多種物質(zhì)的非入侵光學(xué)探測(cè)，包括但不限于人類和動(dòng)物的皮膚、身體組織和器官，以提供這些物質(zhì)的層析成像測(cè)量。
在許多OCDR系統(tǒng)中，將來自光源的光分為采樣光束和基準(zhǔn)光束，分別沿兩個(gè)分離的光路傳播。光源可以是部分相干光源。采樣光束沿著其自身的光路傳播，照射在待研究的物質(zhì)(或樣品)上，而基準(zhǔn)光束沿分離的路徑朝向基準(zhǔn)表面?zhèn)鞑?。然后，使樣品反射的光束與基準(zhǔn)表面反射的光束彼此疊加，以進(jìn)行光學(xué)干涉。因?yàn)榛诓ㄩL(zhǎng)的相位延遲的緣故，干涉不會(huì)導(dǎo)致可觀察的干涉條紋，除非采樣和基準(zhǔn)光束的兩個(gè)光路長(zhǎng)度非常近似。這提供了測(cè)距的物理機(jī)制。分束器可以用于分路來自光源的光，并組合反射采樣光束和反射基準(zhǔn)光束，以便在光檢測(cè)器處進(jìn)行檢測(cè)。使用相同的器件來分路和重組輻射主要是根據(jù)公知的邁克爾遜(Michelson)干涉儀。在Born和Wolf的“光學(xué)原理(Principles ofOptics)”，Pergamon Press(1980)中總結(jié)了針對(duì)部分相干光的干涉的發(fā)現(xiàn)和理論。
自由空間Michelson干涉儀中的低相干光用于測(cè)量目的?；诠饫w元件的光學(xué)干涉儀用在以低相干光作為表現(xiàn)物質(zhì)的特性的手段的多種儀器中。光纖OCDR的多種實(shí)施例可以在以下文件中所公開的器件中找到Sorin等，美國(guó)專利5,202,745；Marcus等，美國(guó)專利5,659,392；Mandella等，美國(guó)專利6,252,666；以及Tearney等，美國(guó)專利6,421,164。將OCDR以特定光學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)診斷中已經(jīng)公知為“光學(xué)相干層析成像”(OCT)。
圖1示出了用在如美國(guó)專利No.6,421,164和其他公開中所公開的多種光纖OCDR系統(tǒng)中的典型光學(xué)布局。光纖分束器附到兩根光纖上，這兩根光纖分別用于傳導(dǎo)Michelson結(jié)構(gòu)中的采樣和基準(zhǔn)光束。對(duì)于這些和其他實(shí)施方式中的大多數(shù)共同的是，首先，將來自低相干光源的光輻射物理地分為兩個(gè)分離的光束，其中采樣光束在樣品波導(dǎo)中傳播，與樣品相互作用，而基準(zhǔn)光束在基準(zhǔn)波導(dǎo)中傳播。然后，光纖分束器組合來自樣品的反射輻射和來自基準(zhǔn)波導(dǎo)的基準(zhǔn)光，以引起干涉。


發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)描述了使用非侵入光學(xué)探測(cè)的設(shè)備、系統(tǒng)和技術(shù)以及基于所述非侵入光學(xué)探測(cè)的集成醫(yī)療診斷和治療系統(tǒng)和技術(shù)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，描述了集成診斷和治療系統(tǒng)包括CT掃描單元，用于定位身體部分上的病區(qū)；以及激光、RF或微波輻射治療單元，用于治療選定的病區(qū)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，本申請(qǐng)描述了用于肺癌治療的集成診斷/治療系統(tǒng)，包括CT掃描單元，用于定位肺部節(jié)結(jié)位置；基準(zhǔn)剖面成像單元，用于分析每一個(gè)肺部節(jié)結(jié)位置；以及激光輻射治療單元，用于光學(xué)治療選定的肺部節(jié)結(jié)位置。在另一個(gè)實(shí)施方式中，描述了集成診斷和治療系統(tǒng)，包括CT掃描單元，用于定位肺部節(jié)結(jié)位置；基準(zhǔn)剖面成像單元，用于分析每一個(gè)肺部節(jié)結(jié)位置；以及微波輻射治療單元，用于治療選定的肺部節(jié)結(jié)位置。
還描述了以上系統(tǒng)和設(shè)備的具體實(shí)施方式
。在一個(gè)示例中，醫(yī)療設(shè)備包括氣管鏡，包括工作管道，配置用于插入到身體的通道中以到達(dá)身體內(nèi)部的目標(biāo)區(qū)域；光纖探測(cè)模塊，包括(1)具有插入到氣管鏡的工作管道中的部分的探測(cè)光纖，(2)光學(xué)探頭，與探測(cè)光纖的一端相連，并且位于所述工作管道的內(nèi)部，所述光纖探測(cè)設(shè)備可操作用于通過探測(cè)光纖和光學(xué)探頭將探測(cè)光定向到身體中的目標(biāo)區(qū)域、并且收集來自所述目標(biāo)區(qū)域中的反射光，并且用于進(jìn)一步地獲得來自所收集的反射光的目標(biāo)區(qū)域的信息；以及激光治療模塊，包括功率傳遞光纖，具有插入到氣管鏡的工作管道中的部分，以向目標(biāo)區(qū)域傳遞治療激光束。
還描述了一種用于診斷和治療患者的惡性疾病的方法，包括在患者的選定身體部分中執(zhí)行計(jì)算斷層(CT)掃描，以標(biāo)識(shí)選定身體部分中潛在惡性的位置；使用光探測(cè)束來光學(xué)地探測(cè)所標(biāo)識(shí)的位置，以進(jìn)一步地將惡性位置與良性位置相標(biāo)識(shí)；以及向每一個(gè)所標(biāo)識(shí)的惡性位置傳遞輻射能量，以治療惡性疾病。
該申請(qǐng)還描述了一種方法和設(shè)備，用于使用發(fā)射以不同波長(zhǎng)為中心的光的多光源來獲得組織和其它樣品的橫截面中的光譜吸收特征及其分布。在一個(gè)示例中，描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法，其中將發(fā)射不同波長(zhǎng)光的不同光源用于測(cè)量樣品。將來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)的光通過單獨(dú)的公共波導(dǎo)、按照第一傳播模式定向到樣品的一個(gè)采樣位置中。在第一部分到達(dá)樣品之前，將樣品附近位置處的按照第一傳播模式引導(dǎo)的光的第一部分定向?yàn)檫h(yuǎn)離樣品，而允許按照第二傳播模式的第二部分到達(dá)樣品。將第二部分從樣品的反射定向?yàn)樘幱谂c第一傳播模式不同的第二傳播模式，以產(chǎn)生反射的第二部分。然后將按照第一傳播模式所反射的第一部分和按照第二傳播模式所反射的第二部分定向通過單獨(dú)的波導(dǎo)。產(chǎn)生了從所述單獨(dú)波導(dǎo)接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之間的相對(duì)延遲。調(diào)節(jié)從所述單獨(dú)波導(dǎo)接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之間的相對(duì)延遲處于兩個(gè)不同供電偏置值，以選擇樣品內(nèi)部的材料層，以在來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)處測(cè)量選定層的光吸收。將來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)的光定向通過單獨(dú)的波導(dǎo)到達(dá)樣品的其它采樣位置，以測(cè)量每一個(gè)采樣位置處來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)處的選定層的光吸收。
在另一個(gè)示例中，描述了一種設(shè)備，包括輻射源，用于分別產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的輻射束。將多路復(fù)用器用于接收來自輻射源的輻射束，并且用于組合所述輻射束以沿公共路徑傳播。將傳遞模塊用于將一部分所組合的輻射定向到樣品，并且用于收集從樣品反射的輻射，而反射沒有到達(dá)樣品附近的輻射。該設(shè)備還可以包括可控差分延遲設(shè)備，用于接收從樣品反射的輻射和沒有到達(dá)樣品的所反射的輻射。在該設(shè)備中包括多路解復(fù)用器，用于將接收到的輻射分為不同波長(zhǎng)的多個(gè)光束。所述設(shè)備還包括輻射檢測(cè)器，定位以分別接收來自多路復(fù)用器的光束。
在另一個(gè)示例中，在本申請(qǐng)中描述的設(shè)備包括用于將來自多個(gè)光源的光輻射通過公共的光波導(dǎo)組合和定向到樣品的裝置，每一個(gè)光源均在光譜帶之內(nèi)彼此不同的波長(zhǎng)處發(fā)射；用于將所組合輻射的第一部分反射遠(yuǎn)離其附近的樣品、而將組合輻射的第二部分定向到達(dá)樣品的裝置；用于將來自樣品的所反射第一部分的至少一部分和所反射的第二部分的至少一部分通過公共光波導(dǎo)收集并引導(dǎo)到檢測(cè)模塊的裝置；用于將光分為與光源的發(fā)射光譜相對(duì)應(yīng)的多個(gè)光譜帶的裝置；以及用于將分離的光譜帶的光輻射分別定向到多個(gè)光檢測(cè)器的裝置。
本申請(qǐng)還描述了用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備的示例，包括光源，在以不同波長(zhǎng)為中心的不同波段處發(fā)光；單波導(dǎo)，用于接收和引導(dǎo)處于第一傳播模式的不同波段處的光；以及探頭，與波導(dǎo)相連，以接收來自波導(dǎo)的光將在第一傳播模式下將第一部分的光反射回波導(dǎo)，并且將第二部分的光定向到樣品。探頭從樣品收集第二部分的反射，并且向波導(dǎo)輸出反射作為處于與第一傳播模式不同的第二傳播模式的所反射第二部分。該設(shè)備還可以包括光學(xué)差分延遲單元，用于響應(yīng)于控制信號(hào)，產(chǎn)生和控制第一傳播模式和第二傳播模式之間的相對(duì)延遲；檢測(cè)模塊，用于接收處于第一和第二傳播模式的所反射的光輻射，以提取由處于第二傳播模式的所反射光所攜帶的樣品信息；以及控制單元。控制單元向光學(xué)差分延遲單元產(chǎn)生控制信號(hào)，并且設(shè)定相對(duì)延遲為兩個(gè)不同的偏置值，以選擇樣品內(nèi)部的材料層以測(cè)量來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)處所選定層的光吸收。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將檢測(cè)模塊配置為包括光學(xué)設(shè)備，用于將按照第一傳播模式所接收到的光的一部分和按照第二傳播模式所接收到的光的一部分轉(zhuǎn)換為按照沿第一光路傳播的第三傳播模式的光。該光學(xué)設(shè)備還可以將按照第一和第二傳播模式所接收到的光的剩余部分轉(zhuǎn)換為處于沿第二不同光路傳播的第四傳播模式的光。檢測(cè)模塊還包括第一光學(xué)元件，處于第一光路中以將不同波段處的光分離為第一組不同的光束；第一光檢測(cè)器，用于分別接收和檢測(cè)來自第一光學(xué)元件的第一組不同的光束；第二光學(xué)元件，處于第二光路中以將不同波段處的光分離為第二組不同的光束；以及第二光檢測(cè)器，用于分別接收和檢測(cè)來自第二光學(xué)元件的第二組不同的光束。
在另一個(gè)示例中，描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備，包括可調(diào)激光源，發(fā)射以不同波長(zhǎng)為中心的不同波段的光。包括單波導(dǎo)，用于接收和引導(dǎo)處于第一傳播模式中的不同波段處的光。探頭與波導(dǎo)相連，以接收來自波導(dǎo)的光，在第一傳播模式下將所述光的第一部分反射回波導(dǎo)，以及將所述光的第二部分定向到樣品。探頭收集來自樣品的第二部分的反射，并且向波導(dǎo)輸出反射，作為處于與第一傳播模式不同的第二傳播模式的所反射的第二部分。包括檢測(cè)模塊，用于接收波導(dǎo)中處于第一和第二傳播模式的所反射的光，并且用于提取由處于第二傳播模式中的所反射光攜帶的樣品信息。還包括控制單元，用于調(diào)節(jié)每一個(gè)可調(diào)諧激光器通過相應(yīng)的波段，以獲得每一個(gè)相應(yīng)波段之內(nèi)的不同波段處的樣品的吸收測(cè)量。
在本申請(qǐng)中描述的、用于非侵入光學(xué)探測(cè)的設(shè)計(jì)、技術(shù)和典型實(shí)施方式使用了沿一個(gè)或多個(gè)公共光波導(dǎo)內(nèi)部實(shí)質(zhì)上相同的光路傳播的不同光模式的疊加和相互作用。當(dāng)光波模式之一與待研究物質(zhì)相互作用時(shí)，其與另一光模式的疊加可以用于獲取與物質(zhì)的光學(xué)屬性有關(guān)的信息的目的。
在本申請(qǐng)中描述的方法和設(shè)備至少部分基于對(duì)多種技術(shù)問題的重視和在商用和用戶友好設(shè)備中實(shí)現(xiàn)OCDR的實(shí)際考慮，以及由上述參考專利和其他公開所公開的OCDR系統(tǒng)中的各種技術(shù)限制。作為示例，與圖1所示或前述專利中所描述的OCDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)缺點(diǎn)是將基準(zhǔn)光束與采樣光束分離。由于光路的分離，兩個(gè)光束之間的相對(duì)光學(xué)相位或差分延遲可能會(huì)經(jīng)歷不受控制的波動(dòng)和變化，如不同的物理長(zhǎng)度、振動(dòng)、溫度、波導(dǎo)彎曲等。例如，當(dāng)樣品臂是與基準(zhǔn)臂分離的基于光纖的導(dǎo)管的形式時(shí)，對(duì)光纖的操作可能會(huì)引起采樣和基準(zhǔn)光束之間的差分相位的顯著波動(dòng)和漂移。這種波動(dòng)和漂移可能會(huì)對(duì)測(cè)量造成不利的影響。例如，兩個(gè)光束之間的差分相位的波動(dòng)和漂移可能會(huì)引起相位敏感測(cè)量中的技術(shù)難題，如絕對(duì)折射率和雙折射測(cè)量。
在本申請(qǐng)中描述的多種示例中，并未物理地分隔光輻射，使其沿不同的光路傳播。代替地，沿通過一個(gè)或多個(gè)公共光波導(dǎo)的實(shí)質(zhì)上相同的光路，傳導(dǎo)所有傳播波和模式。這種具有公共光路的設(shè)計(jì)可以有利地用于在系統(tǒng)中出現(xiàn)環(huán)境波動(dòng)時(shí)、穩(wěn)定不同輻射波和模式之間的相對(duì)相位，如溫度變化、系統(tǒng)尤其是波導(dǎo)的物理移動(dòng)、對(duì)波導(dǎo)和系統(tǒng)的振動(dòng)和聲學(xué)沖擊。在這個(gè)和其他方案中，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以廢除多種基于干涉儀的系統(tǒng)中的雙光束路徑結(jié)構(gòu)，其中樣品光和基準(zhǔn)光沿不同的光路中傳播，本系統(tǒng)的實(shí)施方式可以配置用于極大地減小差分相位延遲的波動(dòng)和漂移，并且對(duì)于一些相位敏感測(cè)量是有益的，如確定絕對(duì)反射相位和雙折射等。此外，本申請(qǐng)中所描述的技術(shù)和器件通過使用公共光路來傳導(dǎo)光，簡(jiǎn)化了用于光學(xué)探測(cè)的器件的結(jié)構(gòu)和光學(xué)配置。
在多種應(yīng)用中，獲得樣品內(nèi)部、隔離體內(nèi)的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情況下，可能希望通過其特征譜吸收率，標(biāo)識(shí)出一些物質(zhì)的分布。在一些OCDR系統(tǒng)中，如前述專利中的系統(tǒng)，困難的是，針對(duì)這些和其他譜特性，直接進(jìn)行光學(xué)不均勻性的測(cè)量?？梢耘渲帽旧暾?qǐng)中所描述的系統(tǒng)和技術(shù)，允許樣品的這些和其他譜特性的直接測(cè)量。
下面，描述典型實(shí)施方式，以示出本系統(tǒng)和技術(shù)的多種特征和優(yōu)點(diǎn)。這種特征之一是通過利用低相干輻射的非侵入手段獲取與物質(zhì)中的光學(xué)不均勻性有關(guān)的信息的方法和設(shè)備。另一特征是通過消除將光輻射分為樣品路徑和基準(zhǔn)路徑的必要，實(shí)現(xiàn)高信號(hào)穩(wěn)定性和高信噪比。例如，額外的特征包括可以進(jìn)行如雙折射和絕對(duì)折射率等相位解析測(cè)量的平臺(tái)、獲得與譜吸收率有關(guān)的光學(xué)不均勻性的能力、解決各種基于干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)中由于偏振變化而引起的信號(hào)漂移和衰落的問題、以及以簡(jiǎn)單的光學(xué)排列有效地使用源輻射。這里所描述的系統(tǒng)和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)尤其包括提高性能和設(shè)備可靠性、簡(jiǎn)化操作和維護(hù)、簡(jiǎn)化光學(xué)布局、降低設(shè)備復(fù)雜性、降低制造復(fù)雜性和成本。
將描述用于光學(xué)傳感樣品的多種典型方法和技術(shù)。在一些實(shí)施方式中，兩個(gè)不同光學(xué)傳播模式(例如，第一和第二模式)的輸入光通過公共輸入光路通往光學(xué)探頭，所述光學(xué)探頭將第二模式的部分輸入光發(fā)送到樣品上。探頭將第一模式的光和來自樣品的、第二模式的返回光通過公共光路送往檢測(cè)模塊。
例如，這里所描述的一種方法包括以下步驟。通過光波導(dǎo)，向樣品傳導(dǎo)第一傳播模式和第二、不同傳播模式的光輻射。使第一傳播模式的輻射遠(yuǎn)離樣品，不到達(dá)樣品。傳導(dǎo)第二傳播模式的輻射，與樣品相互作用，以根據(jù)相互作用，產(chǎn)生返回輻射。將第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射耦合到遠(yuǎn)離樣品的光波導(dǎo)中。接下來，使用來自光波導(dǎo)的第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射，以提取出樣品的信息。
作為另一示例，描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件，包括波導(dǎo)、探頭和檢測(cè)模塊。波導(dǎo)支持第一傳播模式和第二、不同傳播模式，并用于接收和傳導(dǎo)第一和第二傳播模式的輸入光束。探頭與波導(dǎo)相耦合，以接收輸入光束，并將第一傳播模式的第一部分輸入光束以第一傳播模式反射回波導(dǎo)，并將第二傳播模式的第二部分輸入光束送往樣品。探頭收集來自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并將反射輸出到波導(dǎo)，作為第二傳播模式的反射第二部分。檢測(cè)模塊用于接收波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。
本申請(qǐng)還描述了使用一個(gè)輸入波導(dǎo)向光學(xué)探頭傳導(dǎo)輸入光以及使用另一輸出波導(dǎo)傳導(dǎo)來自光學(xué)探頭的輸出的器件。例如，一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件可以包括輸入波導(dǎo)，支持第一傳播模式和第二、不同傳播模式，接收并傳導(dǎo)第一和第二傳播模式的輸入光束。所述器件還可以包括輸出波導(dǎo)，支持第一和第二傳播模式。在此器件中，探頭可以與輸入波導(dǎo)相耦合以接收輸入光束，并與輸出波導(dǎo)相耦合，探頭可用于將第一傳播模式的第一部分輸入光束以第一傳播模式傳導(dǎo)到輸出波導(dǎo)中，并將第二傳播模式的第二部分輸入光束傳導(dǎo)到樣品上。探頭收集來自樣品的、對(duì)第二波分的反射，并將發(fā)射輸出到輸出波導(dǎo)，作為第二傳播模式的反射第二部分。此外，此器件中可以包括檢測(cè)模塊，用于接收輸出波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。
在一些其他實(shí)施方式中，將單一光傳播模式(例如，第一預(yù)定模式)的光送往待測(cè)樣品附近的光學(xué)探頭。光學(xué)探頭使輸入光的第一部分以第一模式遠(yuǎn)離樣品，將輸入光的第二部分送往樣品。然后，光學(xué)探頭以第二、不同模式傳導(dǎo)來自樣品的返回光，在公共光路中與第一模式的第一部分共同傳播。
例如，一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法包括以下步驟。將第一傳播模式的傳導(dǎo)光束送往樣品。在第一傳播模式的第一部分傳導(dǎo)光到達(dá)樣品之前，在樣品附近的位置處，使第一部分遠(yuǎn)離樣品。傳導(dǎo)第一傳播模式的第二部分到達(dá)樣品?？刂苼碜詷悠返摹?duì)第二部分的反射，使其處于不同于第一傳播模式的第二傳播模式，以產(chǎn)生反射第二部分。然后，通過公共波導(dǎo)，將第一傳播模式的反射第一部分和第二傳播模式的反射第二部分傳導(dǎo)到檢測(cè)模塊中，以從反射第二部分中提取出與樣品有關(guān)的信息。
還描述了另一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法。在此方法中，將第一傳播模式的光送往待測(cè)樣品附近。然后，在樣品附近，不到達(dá)樣品，使第一傳播模式的第一部分光遠(yuǎn)離樣品傳播。將第一傳播模式的第二部分光送往樣品，引起在樣品處的反射?？刂苼碜詷悠返姆瓷涔猓蛊涮幱谂c第一傳播模式獨(dú)立的第二傳播模式，以便沿公共光路與第一部分共同傳播。利用第一傳播模式的第一部分和第二傳播模式的反射光來獲得樣品的信息。
本申請(qǐng)還描述了用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件和系統(tǒng)的典型實(shí)施方式，其中光學(xué)探頭接收一個(gè)模式的輸入光并輸出兩個(gè)模式的光。這種器件的一個(gè)示例包括波導(dǎo)，用于接收和傳導(dǎo)第一傳播模式的輸入光束；和探頭，與波導(dǎo)相耦合以接收輸入光束，并將輸入光束的第一部分以第一傳播模式反射回波導(dǎo)，以及將輸入光束的第二部分送往樣品。此探頭收集來自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并將反射以不同于第一傳播模式的第二傳播模式輸出到波導(dǎo)，作為反射第二部分。此器件還包括檢測(cè)模塊，用于接收波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。
在另一示例中，公開了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備，包括光源；波導(dǎo)，至少支持第一和第二獨(dú)立傳播模式，并將來自光源的、第一傳播模式的光輻射傳導(dǎo)到待測(cè)樣品的附近；探頭，在樣品的附近，端接波導(dǎo)，并反轉(zhuǎn)波導(dǎo)中、一部分第一傳播模式的傳播方向，同時(shí)將剩余的光輻射傳向樣品，所述探頭可用于將來自樣品的反射光轉(zhuǎn)換為第二傳播模式；以及差分延遲調(diào)制器，傳輸來自探頭和波導(dǎo)的、第一和第二傳播模式的光，并改變第一和第二傳播模式之間的相對(duì)光路長(zhǎng)度。在此設(shè)備中，包括模式組合器，用于接收來自差分延遲調(diào)制器的光，并用于通過將每個(gè)模式的一部分轉(zhuǎn)換為一對(duì)新模式，疊加第一和第二傳播模式。在此設(shè)備中，使用至少一個(gè)光電檢測(cè)器，用于接收兩個(gè)新模式中的至少一個(gè)的光。此外，使用電子控制器與光電檢測(cè)器進(jìn)行通信，并用于從光電檢測(cè)器的輸出中提取出樣品的信息。
在另一示例中，描述了一種器件，包括光波導(dǎo)、光學(xué)探頭和光學(xué)檢測(cè)模塊。光波導(dǎo)用于傳導(dǎo)第一光學(xué)模式的光輻射。光學(xué)探頭與光波導(dǎo)相耦合，用于接收光輻射。所述光學(xué)探頭可用于(1)將光輻射的一部分重定向回光波導(dǎo)，同時(shí)向樣品傳播剩余的輻射；(2)接收來自樣品的反射或后向散射輻射，并將其送入波導(dǎo)；以及(3)控制來自樣品的反射或后向散射光，使其處于不同于第一光學(xué)模式的第二光學(xué)模式。光學(xué)檢測(cè)模塊用于通過波導(dǎo)接收由探頭重定向的輻射，并將第一和第二光學(xué)模式的光輻射，至少一部分，轉(zhuǎn)換為公共光學(xué)模式。
用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件的另一示例包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和探頭。輸入波導(dǎo)支持第一和第二不同傳播模式，并用于接收和傳導(dǎo)第一傳播模式的輸入光束。輸出波導(dǎo)支持第一和第二不同傳播模式。探頭與輸入波導(dǎo)相耦合以接收輸入光束，并與輸出波導(dǎo)相耦合以輸出光。探頭可用于將第一傳播模式的第一部分輸入光束送入輸出波導(dǎo)，以及將第二部分輸入光束送往樣品。此外，探頭收集來自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并以第二傳播模式將反射輸出到輸出波導(dǎo)，作為反射第二部分。此外，此器件包括檢測(cè)模塊，用于接收輸出波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。
本申請(qǐng)還描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備的示例。在此示例中，使用能夠保持至少一個(gè)傳播模式的第一波導(dǎo)。發(fā)射輻射的光源用于激勵(lì)第一波導(dǎo)中的傳播模式。光檢測(cè)器用于以其第一端口端接第一波導(dǎo)，使進(jìn)入第一端口的光模式，至少一部分，通過第二端口，并使進(jìn)入第二端口的光模式，至少一部分，通過第三端口。所述設(shè)備還包括第二波導(dǎo)，支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，并具有與第二端口耦合的第一端、和第二端。具體地，探頭與第二波導(dǎo)的第二端相耦合，并用于將部分光的傳播方向反轉(zhuǎn)回第二波導(dǎo)，并將剩余的光傳向樣品。此探頭可用于將來自樣品反射的收集光變換為由第二波導(dǎo)支持的正交模式，并將正交模式的光送入第二波導(dǎo)。還包括支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式的第三波導(dǎo)，與光檢測(cè)器的第三端口相連，用于從中接收光。利用差分延遲調(diào)制器與第三波導(dǎo)相連，以接收來自第二波導(dǎo)的光，并參照一個(gè)模式，向另一模式施加可變相位延遲和可變路徑長(zhǎng)度。支持至少兩個(gè)獨(dú)立模式的第四波導(dǎo)與差分延遲調(diào)制器相耦合，用于從中接收光。定位檢測(cè)子系統(tǒng)以接收來自第四波導(dǎo)的光，并疊加來自第四波導(dǎo)的兩個(gè)傳播模式以形成兩個(gè)相互正交的新模式。此檢測(cè)子系統(tǒng)包括兩個(gè)光電檢測(cè)器，分別接收新模式的光。
此外，本申請(qǐng)描述了光學(xué)傳感器件和系統(tǒng)，將單一傳播模式的輸入光送往光學(xué)探頭，并使用光學(xué)探頭以相同的模式、沿可以由一個(gè)或多個(gè)連接波導(dǎo)形成的公共傳播路徑、向檢測(cè)模塊傳導(dǎo)未到達(dá)樣品的光和從樣品返回的光。例如，基于此方案的器件可以包括至少支持光的輸入傳播模式的波導(dǎo)、與波導(dǎo)耦合的探頭、和檢測(cè)模塊。波導(dǎo)用于接收和傳導(dǎo)輸入傳播模式的輸入光束。探頭用于接收輸入光束，并將第一部分輸入光束以輸入傳播模式反射回波導(dǎo)，以及將輸入傳播模式的第二部分輸入光束送往樣品。探頭收集來自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并以輸入傳播模式向波導(dǎo)輸出該反射，作為反射第二部分。檢測(cè)模塊用于接收來自波導(dǎo)的、輸入傳播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。
在附圖、文字描述和權(quán)利要求書中，詳細(xì)描述了這些和其他特征、系統(tǒng)配置、相關(guān)優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方式的變體。



圖1示出了具有位于兩個(gè)分離光路中的基準(zhǔn)和樣品光束的、基于公知的Michelson干涉儀的傳統(tǒng)光學(xué)傳感器件的示例。
圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的傳感器件的一個(gè)示例。
圖3示出了圖2所示的系統(tǒng)的典型實(shí)施方式。
圖4示出了用在圖3中的探頭的一個(gè)典型實(shí)施方式和偏振選擇反射器(PSR)的一個(gè)典型實(shí)施方式。
圖5A和5B示出了另一典型光學(xué)傳感系統(tǒng)，使用三個(gè)波導(dǎo)和光定向器，在測(cè)量樣品時(shí)，向和從探頭傳導(dǎo)兩個(gè)模式的光。
圖6作為相位的函數(shù)示出了在圖5A和5B的系統(tǒng)中的檢測(cè)器處接收到的強(qiáng)度波形，其中檢測(cè)光強(qiáng)度表現(xiàn)出擁有基頻及其諧波的振蕩波形。
圖7示出了圖5B所示系統(tǒng)或圖3所示系統(tǒng)用于獲取光學(xué)不均勻性圖像的一個(gè)典型操作。
圖8A和8B示出了光學(xué)傳感系統(tǒng)的光學(xué)布局的一個(gè)典型設(shè)計(jì)及其利用電子控制器的系統(tǒng)實(shí)施方式，其中將單一模式用作輸入光。
圖9示出了系統(tǒng)實(shí)施方式的另一示例，其中光學(xué)探頭接收單一輸入模式的光，并將部分光轉(zhuǎn)換為不同的模式。
圖10A和10B示出了用在傳感系統(tǒng)中的探頭的可能設(shè)計(jì)的兩個(gè)示例，其中輸入光是單一模式的。
圖11示出了光檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)施方式，包括保偏光環(huán)行器和兩個(gè)偏振分束器。
圖12示出了用在此光學(xué)傳感系統(tǒng)中的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的示例，其中施加外部控制信號(hào)，以控制差分延遲元件來改變和調(diào)制輸出中的相對(duì)延遲。
圖12A和12B示出了用于實(shí)現(xiàn)圖12中的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的兩個(gè)典型器件。
圖13A和13B示出了適合于實(shí)現(xiàn)圖12所示的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的機(jī)械可變延遲元件的兩個(gè)示例。
圖14A示出了作為整個(gè)差分延遲調(diào)制器的一部分的、圖12B中的延遲器件的典型實(shí)施方式。
圖14B示出了基于圖14A所示的設(shè)計(jì)的延遲器件，其中反射鏡和可變光學(xué)延遲線由圖13A所示的機(jī)械延遲器件實(shí)現(xiàn)。
圖15示出了可代替如圖5B所示的器件的光學(xué)傳感系統(tǒng)。
圖16示出了基于圖2所示的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器插入在輸入波導(dǎo)中，對(duì)兩個(gè)不同模式的輸入光進(jìn)行濾波。
圖17示出了基于圖8A所示的設(shè)計(jì)的另一典型系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器插入在輸入波導(dǎo)中，對(duì)單一模式的輸入光進(jìn)行濾波。
圖18示出了圖16和17所示的器件中的可調(diào)諧帶通濾波器的操作。
圖19A示出了人類皮膚組織的示例，其中可利用這里所描述的光學(xué)傳感技術(shù)來測(cè)量表皮和皮下層之間的真皮層中的葡萄糖濃度。
圖19B示出了在1到2.5微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。
圖20示出了圖3所示的檢測(cè)子系統(tǒng)的一個(gè)典型實(shí)施方式，其中使用兩個(gè)衍射光柵來分離來自偏振分束器的輸出光束中的不同譜分量。
圖21和22示出了向光學(xué)探頭傳導(dǎo)單一模式的光并以相同的單一模式傳導(dǎo)來自探頭的輸出光的光學(xué)傳感器件的示例。
圖23示出了針對(duì)圖21和22所示的器件的光學(xué)探頭的設(shè)計(jì)的示例，其中光學(xué)探頭并不改變光的模式。
圖24示出了部分地處于光譜吸收映射圖(spectral absorbancemapping)測(cè)量中的身體部分表面以下的兩個(gè)選定表面。
圖25、圖26和圖27示出了使用用于光譜吸收映射圖測(cè)量的固定中心發(fā)射波長(zhǎng)處的多光源的設(shè)備示例。
圖28示出了光學(xué)多路復(fù)用器的一個(gè)示例，用于將來自不同光源的光組合到公共波導(dǎo)或光路中。
圖29A和圖29B示出了具有分光學(xué)濾波器的光學(xué)多路復(fù)用器的另一個(gè)示例用于將來自不同光源的光束組合到公共波導(dǎo)或光路中、以及所述分光濾波器的光譜特征。
圖30示出了使用處于針對(duì)光譜吸收映射圖測(cè)量的固定中心發(fā)射波長(zhǎng)處的多路光源的示范性設(shè)備，其中將光開關(guān)用于隨后將來自不同光源的不同光束定向到公共波導(dǎo)或光路中。
圖31示出了針對(duì)使用不同波長(zhǎng)的不同光束以檢測(cè)光譜吸收映射圖測(cè)量中樣品中的吸收特征。
圖32示出了使用用于光譜吸收映射圖測(cè)量的多路可調(diào)光源的示范性設(shè)備。
圖33示出了集成系統(tǒng)的示例，所述集成系統(tǒng)將X射線CT掃描模塊、基準(zhǔn)剖面組織成像模塊和激光治療模塊相組合以提供用于治療肺癌的完整診斷和治療平臺(tái)。
圖34示出了示范性使用圖33所示系統(tǒng)用于檢測(cè)和治療肺癌。
圖35示出了用于將探測(cè)光纖和波導(dǎo)一個(gè)作為單獨(dú)的單元保持插入到如圖33所示的工作通道中的管狀單元或鍇裝(sheath)。

具體實(shí)施例方式 在美國(guó)，肺癌是最致命的癌癥之一。肺癌患者在診斷之后只有10-15％的相對(duì)較低的5年存活率。許多患者的肺癌已經(jīng)處于第二或第三階段，并且在患者開始表現(xiàn)出癥狀并且尋求醫(yī)學(xué)治療之前已經(jīng)轉(zhuǎn)移到其它位置或組織。極少數(shù)患者在存活率更高的早期階段(對(duì)于第一階段肺癌接近85％)被診斷出。傳統(tǒng)的年度胸部X射線檢查沒有表現(xiàn)出足夠的敏感性，以揭示典型地在第一階段肺癌中發(fā)現(xiàn)的孤立的、較小的(例如，直徑小于1厘米)的腫瘤。
近來，在主要的歐洲和日本研究中，重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到早期檢測(cè)。在美國(guó)，主要的新試驗(yàn)(國(guó)家肺篩選試驗(yàn)NLST)已經(jīng)開始，并且目的在于評(píng)估檢測(cè)早期肺癌時(shí)胸計(jì)算斷層(CT)的功效。NLST將接收年度CT掃描的高風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象(前吸煙者)的隨機(jī)選定組與接收胸X射線的對(duì)象的控制組進(jìn)行比較。
早期研究結(jié)果已經(jīng)顯示出胸部CT掃描常常揭示實(shí)質(zhì)數(shù)量的單生肺節(jié)結(jié)(SPN)?；罱M織檢查已經(jīng)顯示出大約80％或更多(例如98％)的這些SPN將被鈣化并且是良性的。然而，CT掃描不能在鈣化SPN和活性SPN之間進(jìn)行區(qū)分。CT無能力區(qū)分惡性腫瘤與良性SPN已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)于肺癌早期篩選的CT掃描功效的激烈爭(zhēng)論。
該CT掃描缺陷的補(bǔ)救措施是執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)肺部活組織檢查，以便進(jìn)一步地檢查由CT掃描所標(biāo)識(shí)的SPN的本性。然而，肺部活組織檢查可能是危險(xiǎn)的。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯示四分之一的肺部活組織檢查導(dǎo)致氣胸、肺穿透。同樣，老年人和貧血患者在肺部活組織檢查期間實(shí)質(zhì)要冒出血的風(fēng)險(xiǎn)。此外，肺部活組織檢查是相對(duì)昂貴的。這些和其它因素已經(jīng)導(dǎo)致尋求替代方法用于代替肺部活組織檢查。
可以將在本申請(qǐng)中描述的非侵入光探測(cè)技術(shù)和設(shè)備用于檢測(cè)和診斷人類和動(dòng)物的肺部疾病，包括肺癌?？梢詫⒃诟鞣N實(shí)現(xiàn)中描述的光學(xué)探頭插入到肺中，以光學(xué)地測(cè)量肺的各部分，而無需從肺部獲取物理樣品。以下描述首先描述基于組織或部分的光譜相應(yīng)以及探測(cè)光中的不同光模式的相互作用的非侵入光探測(cè)具體實(shí)現(xiàn)。接下來，描述了將CT掃描與光探測(cè)和激光治療結(jié)合的集成肺病診斷和治療系統(tǒng)的示例。
在許多應(yīng)用中材料和物質(zhì)的光譜響應(yīng)是重要的。例如，將一些明顯的材料性質(zhì)反映到它們的光譜響應(yīng)上，并且可以經(jīng)由光譜響應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量。例如，可以將檢測(cè)到的或測(cè)量到的明顯性質(zhì)用于標(biāo)識(shí)和定位諸如人或動(dòng)物的身體部分之類的區(qū)域或范圍。接下來，可以進(jìn)一步地分析所標(biāo)識(shí)的身體部分。作為更具體的示例，可以使用所測(cè)量的光譜響應(yīng)來檢測(cè)和定位癌癥腫瘤或其它疾病。可以將在本申請(qǐng)中描述的各種非侵入光學(xué)技術(shù)用于測(cè)量人或動(dòng)物的目標(biāo)身體部分的光譜響應(yīng)。將光學(xué)探頭用于掃描通過身體部分的探測(cè)光束，以光學(xué)地測(cè)量目標(biāo)身體部分的光學(xué)響應(yīng)以獲得映射圖。在目標(biāo)身體部分的每一個(gè)位置處，將不同光波長(zhǎng)的光用于獲得這些不同波長(zhǎng)處的光吸收響應(yīng)。特別地，可以通過拒絕對(duì)于由目標(biāo)層邊界外部的組織反射的探測(cè)光的貢獻(xiàn)，光學(xué)地選擇和測(cè)量表面以下的目標(biāo)層的光譜吸收特征。
在一些實(shí)現(xiàn)中，可以將單寬帶光源用于獲得光源的發(fā)射光譜范圍之內(nèi)的光譜信息?？梢詫⒖烧{(diào)光學(xué)濾波器用于挑選光源的發(fā)射光譜之內(nèi)的較窄波段的光譜響應(yīng)。當(dāng)待測(cè)量的吸收特征和測(cè)量下的身體部分的各種目標(biāo)吸收特征占據(jù)了超出單光源的發(fā)射光譜帶寬移的較寬光譜范圍時(shí)，所述光源可以通過將兩個(gè)或更多單元組合來實(shí)現(xiàn)，用于獲取組合和其它樣品中的光譜吸收映射圖(SAM)。
以下部分首先描述使用單光源用于非侵入光學(xué)探測(cè)的各種技術(shù)和設(shè)備，然后描述將不同光譜范圍的兩個(gè)或更多不同光源進(jìn)行組合用于SAM測(cè)量的設(shè)備和技術(shù)。
在諸如光波導(dǎo)等光路中傳播的光的能量可以位于不同的傳播模式中。不同的傳播模式可以具有多種形式。光的光學(xué)偏振態(tài)是這種傳播模式的示例。在缺乏耦合機(jī)制時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立的傳播模式不會(huì)彼此混合。作為示例，兩個(gè)正交的偏振模式不會(huì)彼此相互作用，即使這兩個(gè)模式沿相同的光路或波導(dǎo)傳播，并且空間上彼此疊加。本申請(qǐng)中所描述的典型技術(shù)和器件利用相同光路或波導(dǎo)中的光中的兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，來測(cè)量樣品的光學(xué)屬性?？梢允褂锰筋^將光送往樣品，可以是兩個(gè)傳播模式的，也可以是單一傳播模式的，并接收來自樣品的反射或后向散射光。
例如，可以將一束第一傳播模式的傳導(dǎo)光送往樣品?？梢园才诺谝粋鞑ツＪ降牡谝徊糠衷诘竭_(dá)樣品之間被反射，而允許第一傳播模式的第二部分到達(dá)樣品?？刂苼碜詷悠返摹?duì)第二部分的反射，使其處于不同于第一傳播模式的第二傳播模式，以產(chǎn)生發(fā)射第二部分。通過公共波導(dǎo)，將第一傳播模式的反射第一部分和第二傳播模式的反射第二部分送入檢測(cè)模塊中，以便從反射第二部分中提取出與樣品有關(guān)的信息。
在另一示例中，可以通過光波導(dǎo)，向樣品傳導(dǎo)第一傳播模式和第二、不同傳播模式的光輻射。傳導(dǎo)第一傳播模式的輻射，使其遠(yuǎn)離樣品，不到達(dá)樣品。傳導(dǎo)第二傳播模式的輻射，使其與樣品相互作用，以產(chǎn)生來自相互作用的返回輻射。將第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射耦合到遠(yuǎn)離樣品的光波導(dǎo)中。然后，利用來自光波導(dǎo)的第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射，來提取出樣品的信息。
在基于本申請(qǐng)公開的這些和其他實(shí)施方式中，限定兩個(gè)獨(dú)立模式在自由空間中的相同波導(dǎo)或相同光路中進(jìn)行傳播，除了探測(cè)光在探頭和樣品之間傳播了額外的距離。此特征穩(wěn)定了光的兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位或差分光路徑，即使是發(fā)生波導(dǎo)的機(jī)械移動(dòng)。這與其中樣品光和基準(zhǔn)光在不同光路中傳播的干涉儀傳感器件相反。這些具有分離光路的干涉儀傳感器件易于受到由于差分光路中的變化而引起的噪聲的影響，通常在光學(xué)結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，難于操作和實(shí)施。下述基于波導(dǎo)的示例部分設(shè)計(jì)用于克服這些和其他限制。
圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的傳感器件的一個(gè)示例。此器件沿相同的波導(dǎo)將兩個(gè)傳播模式的光送往樣品205附近的光學(xué)探頭，用于獲取樣品中的光學(xué)不均勻性信息。在一些應(yīng)用中，可以使用樣品夾具來支撐樣品205。將來自寬帶光源201的光輻射耦合到第一雙模波導(dǎo)271中，以激勵(lì)兩個(gè)正交傳播模式001和002。光定向器210用于將兩個(gè)模式傳向第二雙模波導(dǎo)272，第二雙模波導(dǎo)272端接探頭220。探頭220可以配置為至少執(zhí)行以下功能。探頭220的第一個(gè)功能是反轉(zhuǎn)波導(dǎo)272中、模式001的部分光的傳播方向；探頭220的第二個(gè)功能是重新整形模式002的剩余部分光，并將其傳遞到樣品205；以及探頭220的第三個(gè)功能是將從樣品205反射的光收集到第二雙模波導(dǎo)272中。然后，光定向器210將模式001和002的后向傳播光送往第三波導(dǎo)273，并進(jìn)一步傳向差分延遲調(diào)制器250。差分延遲調(diào)制器250能夠改變兩個(gè)模式001和002之間的相對(duì)光路長(zhǎng)度和光學(xué)相位。檢測(cè)子系統(tǒng)260用于疊加兩個(gè)傳播模式001和002，以形成兩個(gè)彼此正交的新模式，以便由光電檢測(cè)器接收。每個(gè)新模式均為模式001和模式002的混合模式。
在檢測(cè)子系統(tǒng)260中、兩個(gè)模式001和002的疊加允許進(jìn)行距離檢測(cè)。以模式002進(jìn)入檢測(cè)子系統(tǒng)260的光被樣品反射，承載有與樣品的光學(xué)不均勻性有關(guān)的信息，而另一模式001在探頭220的內(nèi)部旁路了樣品205。只要這兩個(gè)模式001和002保持獨(dú)立地通過波導(dǎo)，其在檢測(cè)子系統(tǒng)260中的疊加就可以用于獲得與樣品205有關(guān)的信息，而無需用在一些傳統(tǒng)Michelson干涉儀系統(tǒng)中的分離光路。
為了簡(jiǎn)化分析，通過在第一波導(dǎo)271中，假設(shè)模式001的振幅是第一線偏振E001，模式002的振幅是第二、正交線偏振E002，考慮源光譜的薄切片。樣品205的特征在于本質(zhì)上較為復(fù)雜的有效反射系數(shù)r；差分延遲調(diào)制器250的特征在于作用于模式001的純相移Г?，F(xiàn)在，通過將其投影到在矢量空間中相對(duì)旋轉(zhuǎn)45度的一對(duì)新模式EA和EB上，疊加兩個(gè)模式001和002?？梢匀缦卤硎拘履Ｊ紼A和EB 假設(shè)系統(tǒng)中除了樣品205以外的所有組件都是無損的。所得到的兩個(gè)疊加模式的強(qiáng)度為
其中

是與來自樣品的反射相關(guān)聯(lián)的相位延遲。反映反射系數(shù)r的特征的較為方便的方式是測(cè)量上述兩個(gè)強(qiáng)度的差，即
如果通過差分延遲調(diào)制器250調(diào)制Г，則相應(yīng)地調(diào)制測(cè)量信號(hào)，等式(3)。對(duì)于Г的周期或時(shí)間線性變化，測(cè)量到的信號(hào)以周期振蕩作為響應(yīng)，并且其峰峰值與r的絕對(duì)值成正比。
對(duì)于圖2中的寬帶光源201，考慮兩個(gè)相位Г和

與波長(zhǎng)相關(guān)。如果兩個(gè)模式001和002在其到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)260時(shí)經(jīng)歷了有較大不同的路徑，整體相位角

也應(yīng)當(dāng)是極為波長(zhǎng)相關(guān)的。因此，測(cè)量到的信號(hào)(應(yīng)該是等式(3)在源光譜上的積分)產(chǎn)生了平滑的函數(shù)，即使Г是變化的。在測(cè)量到的信號(hào)中發(fā)生顯著振蕩的條件是在其疊加位置處，兩個(gè)模式001和002經(jīng)歷類似的路徑長(zhǎng)度。在這種情況下，整體相位角

變得波長(zhǎng)無關(guān)或幾乎波長(zhǎng)無關(guān)。換句話說，對(duì)于有調(diào)制器250設(shè)置的給定相對(duì)路徑長(zhǎng)度，測(cè)量信號(hào)中的振蕩表示來自等于兩個(gè)模式001和002所傳播的光路長(zhǎng)度的距離的、另一模式的反射。因此，可以利用圖2所示的系統(tǒng)來測(cè)定反射源的距離。
由于兩個(gè)模式001和002之間的相對(duì)相位的穩(wěn)定性，可以利用圖2所示的系統(tǒng)相對(duì)容易地進(jìn)行相位敏感測(cè)量。以下將描述基于圖2所示的系統(tǒng)的典型方法，用于確定與從樣品205反射的輻射相關(guān)聯(lián)的絕對(duì)相位。
在此方法中，差分相位調(diào)制器250將正弦調(diào)制應(yīng)用于差分相位，調(diào)制大小為M，調(diào)制頻率為Ω。測(cè)量?jī)蓚€(gè)新模式的強(qiáng)度差，并可以如下表示
由等式(4)可知，測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出基頻Ω的振蕩和基頻Ω的諧波頻率的振蕩。基頻和每個(gè)諧波的振幅與

和|r|有關(guān)?？梢缘贸鰎與諧波之間的關(guān)系。例如，基頻振蕩和第二諧波的振幅可以從等式(4)中得到，為

其中J1和J2分別是一階和二階貝賽爾函數(shù)。等式(5a)和(5b)可以用于求解|r|和

即r的完整特征。因此，可以通過分析測(cè)量信號(hào)中的多次諧波內(nèi)容，完整地反映出復(fù)雜的反射系數(shù)r。具體地，測(cè)量結(jié)果中基頻分量的出現(xiàn)是由于

的出現(xiàn)。
圖3示出了圖2所示的系統(tǒng)的典型實(shí)施方式。可以選擇源201的光譜，使其滿足所需的測(cè)距分辨率。光譜越寬，測(cè)距分辨率越好。多種光源可以用作源201。例如，一些半導(dǎo)體超亮發(fā)光二極管(SLED)和自發(fā)輻射放大(ASE)光源可以擁有用于此目的的適當(dāng)光譜屬性。在此具體示例中，可以使用偏振控制器302來控制偏振態(tài)，以便使輸入波導(dǎo)371中、兩個(gè)模式001和002的大小成比例。波導(dǎo)371和其他波導(dǎo)372和373可以是雙模波導(dǎo)，并能夠支持相互正交的兩個(gè)獨(dú)立偏振模式。一類實(shí)用且商用的波導(dǎo)是保偏(PM)光纖。保偏光纖可以攜帶兩個(gè)獨(dú)立的偏振模式，即沿其慢軸偏振的s波和沿其快軸偏振的p波。在高質(zhì)量的保偏光纖中，這兩個(gè)模式可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離上、基本上不發(fā)生能量交換或耦合。保偏環(huán)行器310根據(jù)以下方案?jìng)鲗?dǎo)光波流將來自光纖371的兩個(gè)輸入偏振模式送入光纖372；將來自光纖372的兩個(gè)輸入偏振模式送入光纖373。保偏環(huán)行器370可以用于保持兩個(gè)獨(dú)立偏振模式的分離。例如，應(yīng)當(dāng)將光纖371中的s波只作為s波或p波送入光纖372。一些商用保偏環(huán)行器適用于此目的。
圖3所示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與波導(dǎo)372耦合的光學(xué)探頭320，用于對(duì)樣品205進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。探頭320將從波導(dǎo)372接收到的一部分光(兩個(gè)模式001和002中的一個(gè)模式(如002)的光)傳遞到樣品205，并收集來自樣品205的、相同模式002的反射和后向散射光。從樣品205收集到模式002的返回光攜帶了樣品205的信息，并對(duì)其進(jìn)行治療，以提取出樣品205的信息。探頭320將在波導(dǎo)372中傳向探頭320的另一模式001的光反射回去。探頭320將模式002的返回光和模式001的反射光送回到波導(dǎo)372中，并通過環(huán)行器310和波導(dǎo)373，送往差分延遲調(diào)制器250和檢測(cè)系統(tǒng)260。
在所示實(shí)施方式中，探頭320包括透鏡系統(tǒng)321和偏振選擇反射器(PSR)322。透鏡系統(tǒng)321用于將光能量會(huì)聚到較小的面積上，以利于在橫向上對(duì)樣品進(jìn)行空間解析研究。偏振選擇反射器322將模式001反射回去，并透射模式002。因此，模式002的光透過探頭320，照射在樣品205上。透鏡系統(tǒng)321收集來自樣品205的后向反射或散射光，并在波導(dǎo)372中，與由PSR 322反射的模式001的光一起傳向環(huán)行器310。
圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的探頭320和偏振選擇反射器(PSR)322的一個(gè)示例的細(xì)節(jié)。PSR 322包括其配置如圖所示的偏振分束器(PBS)423和反射器或反射鏡424，其中PBS 423將所選的模式(例如模式002)傳向樣品205，并反射和偏轉(zhuǎn)另一模式(例如模式001)，遠(yuǎn)離樣品205，并到達(dá)反射器424。通過反射器424的后向反射，將反射模式001送回PBS 423和透鏡系統(tǒng)321。反射器424可以是分束器423一側(cè)的反射涂層。應(yīng)當(dāng)對(duì)準(zhǔn)反射器424，以允許反射輻射重新進(jìn)入保偏光纖372。模式002的透射光照射到樣品205上，并且模式002的、由樣品205反射和后向三歲的光通過PBS 423，傳向透鏡系統(tǒng)321。透鏡系統(tǒng)321將模式001和002的光耦合到光纖372中。
在圖3所示的實(shí)施方式中，檢測(cè)系統(tǒng)260包括偏振分束器361和兩個(gè)光電檢測(cè)器362和363。偏振分束器361用于接收來自調(diào)制器250的兩個(gè)獨(dú)立偏振模式001和002，并疊加這兩個(gè)獨(dú)立偏振模式001和002?？梢园凑杖缦路绞蕉ㄏ蚍质?61，將每個(gè)獨(dú)立偏振分割為兩部分，并且對(duì)于每個(gè)獨(dú)立偏振模式，兩個(gè)分割部分擁有相同的幅度。按照這種方式，在分束器361的兩個(gè)輸出端口中的每一個(gè)中，組合并混合了模式001的一部分和模式002的一部分，以形成疊加的新模式，每個(gè)光電檢測(cè)器接收以等式(1)為特征的疊加模式。可以定向偏振分束器361，從而使其反射表面的入射平面與兩個(gè)獨(dú)立偏振模式之一(001或002)成45度角。
圖3中的系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了電子控制器或控制電子器件370，用于接收和處理來自光電檢測(cè)器362和363的檢測(cè)器輸出，并控制系統(tǒng)的操作。例如，電子控制器370可以用于控制探頭320和差分延遲調(diào)制器250。差分延遲控制器250在電子器件和程序的控制下，產(chǎn)生作為通過與樣品205內(nèi)部的深度范圍相配的整個(gè)范圍的差分路徑長(zhǎng)度掃描的差分相位調(diào)整形式。也可以對(duì)電子控制器370進(jìn)行編程，從而在由調(diào)制器250產(chǎn)生的多個(gè)差分路徑長(zhǎng)度處、記錄和提取以等式(3)為特征的測(cè)量信號(hào)中的振蕩幅度。因此，可以獲得作為深度的函數(shù)的反射輪廓，作為樣品205上選定位置處的樣品不均勻性的一維表示。
為了獲取樣品205中光學(xué)不均勻性的二維圖像，可以通過如譯碼級(jí)或壓電定位器的位置掃描儀，控制探頭320，從而使探測(cè)光沿垂直于光傳播方向的橫向進(jìn)行掃描。對(duì)于每個(gè)橫向掃描增量，可以利用上述方法記錄作為深度的函數(shù)的反射輪廓。然后，可以在顯示和接口模塊372上顯示所收集的信息，以形成揭示了樣品205的不均勻性的截面圖像。
通常，可以在本申請(qǐng)中所描述的每個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)橫向掃描機(jī)構(gòu)，以改變光學(xué)探頭與樣品的相對(duì)橫向位置，以獲得樣品的2維映像。例如，xy掃描儀可以與光學(xué)頭或支撐樣品的樣品夾具嚙合，以響應(yīng)由電子控制器370產(chǎn)生的位置控制信號(hào)，完成這種掃描。
圖5A和5B示出了另一典型系統(tǒng)，在測(cè)量樣品205時(shí)，使用了波導(dǎo)271、272和273以及光定向器210向和從探頭320傳導(dǎo)兩個(gè)模式的光。相對(duì)于PM波導(dǎo)271的偏振軸，定向第一光學(xué)偏振器510，將來自寬帶光源201的輻射以作為獨(dú)立傳播模式的兩個(gè)正交線偏振模式耦合到波導(dǎo)271中。光學(xué)相位調(diào)制器520耦合在波導(dǎo)271中，以相對(duì)于一個(gè)傳導(dǎo)模式調(diào)整另一個(gè)傳導(dǎo)模式的光的光學(xué)相位。將可變差分群延遲(VDGD)器件530插入波導(dǎo)273中，或與波導(dǎo)273相連，以便在兩個(gè)波之間引入可控光路差。這里，利用第二光學(xué)偏振器540和光檢測(cè)器550來形成檢測(cè)系統(tǒng)。定向第二偏振器540，將兩個(gè)傳導(dǎo)波投影到相同的偏振方向，從而兩個(gè)傳播模式之間的光路差和光相位差的變化引起可由檢測(cè)器550檢測(cè)的強(qiáng)度變化。
來自源201的光通常是部分偏振的?？梢詫?duì)準(zhǔn)偏振器510，從而透射來自源201的最大光量，并將透射光以實(shí)質(zhì)上相等的幅度與波導(dǎo)271中的兩個(gè)傳導(dǎo)模式相耦合。波導(dǎo)271中的兩個(gè)正交偏振模式S和P的電場(chǎng)可以表示為 其中將透射過偏振器的電場(chǎng)表示為E。應(yīng)當(dāng)清楚的是，光具有有限光譜寬度(寬帶或部分相干)?？梢酝ㄟ^以下傅立葉積分來表示場(chǎng) E＝∫Eωejωtdω.(7) 為了簡(jiǎn)化分析，以下考慮光譜的波切片，即特定波長(zhǎng)的光波。不失一般性，假設(shè)所有組件(包括偏振器、波導(dǎo)、路由器、PSR和VDGD)都是無損的。指定本質(zhì)上較為復(fù)雜的樣品反射系數(shù)r。在其到達(dá)第二偏振器540時(shí)，p波相對(duì)于s波具有光學(xué)相位Г 通過偏振器540的光可以表示為 照射在光電檢測(cè)器550上的光的強(qiáng)度由等式(10)給出 其中相位角δ反映了樣品205的反射系數(shù)的復(fù)雜本質(zhì)，并由等式(11)定義 r＝|r|ejδ. (11) 假設(shè)調(diào)制器520相對(duì)于s波，在p波中施加正弦相位調(diào)制，幅度為M，頻率為Ω，由檢測(cè)器550接收的光強(qiáng)可以表示如下
其中相位角

是兩個(gè)模式之間的累計(jì)相位滑動(dòng)，不包括由于調(diào)制器520而引起的周期調(diào)制。VDGD 530或調(diào)制器520中的靜態(tài)相移可以用于調(diào)整兩個(gè)模式之間的相位差，以消除
圖6示出了作為相位的函數(shù)的、在檢測(cè)器550處接收到的強(qiáng)度I的波形。檢測(cè)到的光強(qiáng)表現(xiàn)出擁有基頻Ω及其諧波的振蕩波形?；l和每個(gè)諧波的振幅與δ和|r|有關(guān)?？梢缘贸鰎與諧波之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。例如，可以得到基頻振蕩和第二諧波的振幅 AΩ＝0.5|E|2J1(M)|r|sinδ；(13a) A2Ω＝0.5|E|2J2(M)|r|cosδ； (13b) 其中J1和J2分別是一階和二階貝賽爾函數(shù)。等式(13a)和(13b)可以用于求解|r|和δ，即r的完整特征。
下面分析在圖5A和5B的系統(tǒng)中具有寬帶光源201的效果。當(dāng)在兩個(gè)傳播模式之間存在顯著的差分群延遲時(shí)，必須存在較大的相關(guān)相位滑動(dòng)

(波長(zhǎng)相關(guān))。光源中的實(shí)質(zhì)波長(zhǎng)擴(kuò)展意味著相位滑動(dòng)也擁有實(shí)質(zhì)擴(kuò)展。這種相位擴(kuò)展不能通過相位控制器件來消除，相位控制器件也不能消除差分群延遲。在這種情況下，檢測(cè)到的光強(qiáng)由以下積分給出
容易看出，如果

的范圍與π可比，則對(duì)于光源的帶寬，不能觀察到I中的振蕩，由于不同波長(zhǎng)的振蕩因?yàn)槠湎辔徊疃窒?。這種現(xiàn)象非常類似于白光干涉，只有在路徑差較小(膜較薄)時(shí)，才能看到彩色條紋。上述分析證明了使用寬帶光源能夠利用所提出的設(shè)備實(shí)現(xiàn)距離檢測(cè)。為此，與p波相比(不包括其在探頭和樣品之間的折返)，使s波在系統(tǒng)中具有較長(zhǎng)的光路。對(duì)于系統(tǒng)中的任何給定路徑長(zhǎng)度差，存在探頭和演變之間的匹配距離z，抵消路徑長(zhǎng)度差。如果觀察I中的振蕩，必須從此特定的距離z反射p波。通過改變系統(tǒng)中的路徑長(zhǎng)度差，并記錄振蕩波形，可以獲得作為縱向長(zhǎng)度z或深度的函數(shù)的反射系數(shù)r。通過橫向移動(dòng)探頭，也可以記錄r在橫向上的變化。
圖7進(jìn)一步示出了圖5B所示的系統(tǒng)或圖3所示的系統(tǒng)的、用于獲取光學(xué)不均勻性圖像的一個(gè)典型操作。在步驟710，改變兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位延遲，例如，增加增量，達(dá)到固定數(shù)值，用于測(cè)量對(duì)應(yīng)深度處的樣品205。這可以通過使用差分延遲器件530由圖5實(shí)現(xiàn)，或者可以由圖3中的差分延遲調(diào)制器250中的偏壓實(shí)現(xiàn)。在步驟720，向圖5B中的調(diào)制器520或圖3中的調(diào)制器250發(fā)送調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位差大約調(diào)整為固定值。在步驟730，測(cè)量在圖5B中的檢測(cè)器550中接收到的強(qiáng)度波形或在圖3中的檢測(cè)器362、363中接收到的強(qiáng)度波形，并將其存儲(chǔ)在電子控制器370中。在完成步驟730時(shí)，電子控制器370控制圖5B中的差分延遲器件530或圖3中的差分延遲調(diào)制器250中的偏壓，將兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位延遲變?yōu)椴煌墓潭ㄖ?，以測(cè)量不同深度處的樣品205。如處理環(huán)路740所示，循環(huán)此處理，直到完成在相同位置、不同深度處、對(duì)樣品的測(cè)量。此時(shí)，電子控制器370控制探頭320，橫向移動(dòng)到樣品205上的新位置，并再次重復(fù)上述測(cè)量，直到完成樣品205上全部所需位置。此操作由處理環(huán)路750表示。電子控制器370在步驟760處理每個(gè)測(cè)量結(jié)果，以根據(jù)基頻和諧波，計(jì)算δ和|r|的值?？梢栽诿總€(gè)測(cè)量之后或在完成全部測(cè)量之后，執(zhí)行這種數(shù)據(jù)處理。在步驟770，將計(jì)算出的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊372。
在上述實(shí)施方式中，并未將用于傳感樣品205的光分為沿兩個(gè)不同光路傳播的兩部分。除了一個(gè)模式在探頭320和樣品205之間傳播的額外距離以外，實(shí)質(zhì)上沿光路、在每個(gè)位置上、在相同的波導(dǎo)中傳導(dǎo)光的兩個(gè)獨(dú)立傳播模式。在由探頭320重新定向之后，沿光路、在每個(gè)位置上、在相同的波導(dǎo)中，向檢測(cè)模塊連續(xù)傳導(dǎo)兩個(gè)模式。
或者，可以控制從光源到探頭的光，使其處于單一傳播模式(例如第一傳播模式)，而不是兩個(gè)不同模式?？梢栽O(shè)計(jì)探頭，使第一模式的第一部分反轉(zhuǎn)其傳播方向，而傳導(dǎo)剩余的部分，或第二部分，到達(dá)樣品。探頭收集來自樣品的、對(duì)第二部分的反射或后向散射光，并進(jìn)行控制，使其處于不同于第一模式的第二傳播模式，以產(chǎn)生反射第二部分。探頭通過公共波導(dǎo)，將第一傳播模式的反射第一部分和第二傳播模式的反射第二部分送入檢測(cè)模塊，進(jìn)行處理。與在整個(gè)系統(tǒng)中使用兩個(gè)模式的光的實(shí)施方式相比，這種替代設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善了在檢測(cè)模塊處、兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位延遲的穩(wěn)定性，并提供了附加的實(shí)施優(yōu)勢(shì)。
圖8A和8B示出了光學(xué)傳感系統(tǒng)的光學(xué)布局的一個(gè)典型設(shè)計(jì)及其利用電子控制器的系統(tǒng)實(shí)施方式。設(shè)置輸入波導(dǎo)871，將來自寬帶光源201的、第一傳播模式(例如模式001)的光送往光定向器810。波導(dǎo)871可以是模式保持波導(dǎo)，設(shè)計(jì)用于支持至少一個(gè)傳播模式，如模式001或002。在將光以特定的模式(如模式001)耦合到波導(dǎo)871中時(shí)，波導(dǎo)871實(shí)質(zhì)上保持模式001的光。例如，支持兩個(gè)正交線偏振模式的保偏光纖可以用作波導(dǎo)871。類似于圖2、3、5A和5B所示的系統(tǒng)，使用雙模波導(dǎo)272和273來傳導(dǎo)光。光定向器510用于耦合波導(dǎo)871、272和273，以將來自輸入波導(dǎo)871的模式001轉(zhuǎn)變?yōu)殡p模波導(dǎo)272所支持的兩個(gè)模式(例如模式001和模式002)之一，并將來自波導(dǎo)272的兩個(gè)模式的光送往雙模波導(dǎo)273。在圖8A所示的示例中，光定向器810將來自波導(dǎo)871的模式001的光耦合到波導(dǎo)272中的相同模式001?；蛘?，光定向器810可以將來自波導(dǎo)871的模式001的光耦合到波導(dǎo)272中的不同模式002。雙模波導(dǎo)271的另一端端接探頭820，探頭820將部分光耦合到樣品205，進(jìn)行傳感。
將探頭820設(shè)計(jì)成與探頭320不同，其中當(dāng)從樣品205反射或后向散射光時(shí)，探頭830將部分模式001的光轉(zhuǎn)換為另一不同模式002?；蛘?，如果從波導(dǎo)871耦合過來的、波導(dǎo)272中的光處于模式002，則當(dāng)從樣品205反射或后向散射光時(shí)，探頭820將部分模式002的光轉(zhuǎn)換為另一不同模式001。在所示示例中，探頭820執(zhí)行以下功能a)反轉(zhuǎn)模式001的輸入輻射中的一小部分的傳播方向；b)整形剩余的輻射，并將其傳向樣品205；以及c)將從樣品205反射的輻射轉(zhuǎn)換為由雙模波導(dǎo)272支持的獨(dú)立模式002。由于探頭820只將部分光轉(zhuǎn)換為由波導(dǎo)272支持的另一模式，在這一點(diǎn)上，探頭820是部分模式轉(zhuǎn)換器。由于探頭820的操作，有兩個(gè)模式從探頭820傳播離開，旁路了樣品205的模式001和源自樣品反射或后向散射的光模式002。從這一點(diǎn)開始，圖8A所示的系統(tǒng)的其余部分的結(jié)構(gòu)和操作可以類似于圖2、3、5A和5B中的系統(tǒng)。
圖8B示出了圖8A中的設(shè)計(jì)的典型實(shí)施方式，其中電子控制器2970用于控制差分延遲調(diào)制器250和探頭820，并提供了顯示和接口模塊372。輸入偏振控制器802進(jìn)一步偏振和控制來自寬帶光源201的輻射(可以是部分偏振的)，從而只在作為圖8A中的波導(dǎo)871的保偏光纖371中激勵(lì)單一偏振模式?？梢允褂帽Ｆh(huán)行器來實(shí)現(xiàn)光定向器810，用于將來自波導(dǎo)371的光路由到波導(dǎo)372，以及將來自波導(dǎo)372的光路由到波導(dǎo)373。
圖8B中的探頭820可以被設(shè)計(jì)成包括類似于透鏡系統(tǒng)321的透鏡系統(tǒng)821、部分反射器822和偏振旋轉(zhuǎn)器823。部分反射器822用于將從波導(dǎo)372接收到的光的第一部分反射回波導(dǎo)372，并不改變其傳播模式，并向和從樣品205傳輸光。偏振旋轉(zhuǎn)器823用于控制來自樣品205的光，使其在進(jìn)入波導(dǎo)372時(shí)，處于模式002。
圖9示出了系統(tǒng)實(shí)施方式的另一示例，其中光學(xué)探頭820接收單一輸入模式的光，并將部分光轉(zhuǎn)換為不同的模式。輸入偏振器510用在輸入PM光學(xué)272中，以控制單一偏振模式的輸入光。相位調(diào)制器520和可變差分群延遲器件530與輸出PM光纖273耦合，用于在光學(xué)檢測(cè)之前，控制和調(diào)制兩個(gè)模式的相對(duì)相位延遲。設(shè)置輸出偏振器540來混合兩模式，以及檢測(cè)器550用于檢測(cè)來自輸出偏振器540的輸出。
圖10A和10B示出了探頭820的可能設(shè)計(jì)的兩個(gè)示例，包括部分反射表面1010、透鏡系統(tǒng)1020和用于旋轉(zhuǎn)偏振并改變模式的四分之一波片1030。在圖10A中，將保偏光學(xué)372的末端或端面用作部分反射器1010。光纖的無涂層末端發(fā)射大約4％的光能量。可以使用涂層將末端的反射率變?yōu)槠谕?。透鏡系統(tǒng)1020重新整形剩余的輻射，并將其傳遞到樣品205。透鏡系統(tǒng)1020的另一個(gè)作用在于將從樣品205反射的輻射收集回保偏光纖372中。定向四分之一波片1030，從而使其光軸與傳輸光的偏振方向成45度角。來自樣品205的反射光再次傳播通過四分之一波片1030，變?yōu)檠卮怪庇谀Ｊ?01的方向偏振，即模式002。或者，可以用法拉第旋轉(zhuǎn)器代替四分之一波片1030。圖10B中的探頭設(shè)計(jì)改變了透鏡系統(tǒng)1020和四分之一波片或法拉第旋轉(zhuǎn)器1030的位置。
在圖8A、8B和9所示的示例中，只有一個(gè)偏振模式從波導(dǎo)871或371進(jìn)入光定向器810或保偏環(huán)行器。因此，可以利用如圖11所示的保偏光環(huán)行器1110和兩個(gè)偏振分束器1120和1130來構(gòu)造光定向器810或保偏環(huán)行器。保偏環(huán)行器1110用于在其三個(gè)端口之間只傳遞一個(gè)偏振模式，而不是如圖3、5A和5B所示情況下的兩個(gè)模式。偏振分束器1120和1130與保偏環(huán)行器1110相耦合，從而將進(jìn)入端口2的兩個(gè)偏振模式傳遞到端口3，并保持不相關(guān)。
多種硬件選擇可用于差分延遲調(diào)制器250。圖12示出了調(diào)制器250的一般設(shè)計(jì)，其中施加外部控制信號(hào)，以控制差分延遲元件來改變和調(diào)制輸出中的相對(duì)延遲?？梢允褂脵C(jī)械或非機(jī)械元件來產(chǎn)生兩個(gè)模式之間的所需相對(duì)延遲和對(duì)延遲的調(diào)制。
在一個(gè)實(shí)施方式中，非機(jī)械設(shè)計(jì)可以包括一段或多段如液晶材料等可調(diào)諧雙折射材料或如鈮酸鋰等電光雙折射材料，以及一個(gè)或多個(gè)固定雙折射材料，如石英和金紅石等。固定雙折射材料提供了兩個(gè)模式之間的固定延遲，可調(diào)諧雙折射材料提供了對(duì)兩個(gè)模式之間的相對(duì)延遲的調(diào)諧和調(diào)制功能。圖12A示出了這種非機(jī)械設(shè)計(jì)的示例，其中并未物理上分離兩個(gè)模式，而是利用改變兩個(gè)偏振模式之間的相對(duì)延遲的雙折射段、通過相同的光路傳導(dǎo)。
圖12B示出了通過模式分束器將接收光中的兩個(gè)模式分入兩個(gè)不同光路的不同設(shè)計(jì)。將可變延遲元件插入一個(gè)光路，以響應(yīng)外部控制信號(hào)，調(diào)整和調(diào)制相位延遲。然后，使用模式組合器，將兩個(gè)模式一起組合在輸出中。在將兩個(gè)正交線偏振用作兩個(gè)模式時(shí)，模式分束器和模式組合器可以是偏振分束器。
可以按照多種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光路之一中的可變延遲元件。例如，可變延遲元件可以是機(jī)械元件?？梢匀缦聵?gòu)造圖12B中的器件的機(jī)械實(shí)施方式首先，以偏振模式分束器按照偏振模式分離輻射，一個(gè)偏振模式傳播通過固定光路，而另一偏振模式傳播通過具有保偏光纖的壓電延伸器的可變光路，或者一對(duì)準(zhǔn)直器按照如下方式面向機(jī)械可移動(dòng)的后向反射器由一個(gè)準(zhǔn)直器通過與后向反射器之間的折返收集來自另一準(zhǔn)直器的光，或者通過兩次通過可旋轉(zhuǎn)光學(xué)片并從反射器上反射，對(duì)一對(duì)準(zhǔn)直器進(jìn)行光學(xué)連接。
圖13A和13B示出了適用于圖12B的機(jī)械可變延遲元件的兩個(gè)示例。這種機(jī)械可變延遲器件可用于高速地改變光束的光路長(zhǎng)度，并可以具有除圖12B所示的應(yīng)用以外的其他多種應(yīng)用。此外，本申請(qǐng)中的光學(xué)系統(tǒng)可以使用這種延遲器件。
圖13A所示的機(jī)械延遲器件包括光學(xué)分束器1310、可以是透明片的旋轉(zhuǎn)光學(xué)片1320、和反射鏡或反射器1330。分束器1310用作器件的輸入端口和輸出端口。旋轉(zhuǎn)光學(xué)片1320設(shè)置在反射鏡1330和分束器1310之間。分束器1310接收輸入光束1300，沿著通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)片1320、從分束器1310到反射鏡1330的光路傳導(dǎo)。透過分束器1310的部分光1300是照射到并透過旋轉(zhuǎn)光學(xué)片1320的光束1301。定向反射鏡或其他光學(xué)反射器1330，與從相對(duì)側(cè)入射到光學(xué)片1310上的光束垂直。來自反射鏡1320的反射光束1302按照相同的光路反向傳播，直到其遇到分束器1310。分束器1310將后向傳播光1302的一部分偏轉(zhuǎn)到不同的方向，作為輸出光束1303。
在此器件中，通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)片1320引起光路長(zhǎng)度的變化。光學(xué)片1320可以由質(zhì)量良好的光學(xué)材料制成。兩個(gè)光學(xué)表面可以是平坦的，并進(jìn)行了良好的拋光，以最小化光束的失真。此外，兩個(gè)表面應(yīng)當(dāng)彼此平行，從而光學(xué)片1320兩側(cè)的傳播方向平行?？梢愿鶕?jù)所需的延遲變化和旋轉(zhuǎn)角度的范圍來選擇光學(xué)片1320的厚度。光束所經(jīng)歷的光路長(zhǎng)度由光學(xué)片1320的旋轉(zhuǎn)角度確定。當(dāng)光學(xué)片1320的表面垂直于光束時(shí)(入射角為零)，路徑長(zhǎng)度最小。路徑長(zhǎng)度隨著入射角的增加而增加。
在圖13A中，有利的是，對(duì)準(zhǔn)輸入光，從而使其傳播通過整個(gè)光路，而沒有顯著的發(fā)散。光學(xué)片1320可以按照在用于周期性改變光學(xué)延遲的電動(dòng)機(jī)上。應(yīng)當(dāng)使用具有平坦反射表面的高質(zhì)量反射鏡來實(shí)現(xiàn)反射鏡1330。可以保持反射鏡1330的反射表面與光束垂直。
如果將線偏振光用作圖13A中的輸入光束1300，有利的是，使光的偏振方向平行于輸入平面(紙面)，因?yàn)榕c其他偏振方向相比，對(duì)于此偏振，在光學(xué)片1320的表面發(fā)生較少的反射?？梢允褂梅婪赐繉右赃M(jìn)一步降低光學(xué)片1320的表面上的光反射。
用在圖13A中的分束器1310使用其光透射和光反射來傳導(dǎo)光。分束器1310的這種方案引起了器件輸出中的反射損耗，由于在輸入光1300第一次通過分束器1310的透射進(jìn)入器件時(shí)的反射損耗、以及在光通過分束器1310的反射而位于器件中時(shí)的透射損耗。例如，如果分束器是50/50分束器，則最多25％的總輸入光能夠留在輸出光中。為了避免這種光學(xué)損耗，可以使用光環(huán)行器來代替分束器1320。圖13B示出了其中使用具有3個(gè)端口的光環(huán)行器1340將輸入光送往光學(xué)片1320和反射鏡1330并將返回光送往輸出端口的示例?？梢栽O(shè)計(jì)光環(huán)行器1340，將進(jìn)入端口1的幾乎全部光送往端口2，以及將進(jìn)入其端口2的幾乎全部光送往端口3，具有標(biāo)稱的光學(xué)損耗，因此極大地降低了器件中的光學(xué)損耗。商用光環(huán)行器(自由空間或基于光纖)可以用于實(shí)現(xiàn)環(huán)行器1340。
圖14A示出了作為整個(gè)差分延遲調(diào)制器250的一部分的、圖12B中的延遲器件的典型實(shí)施方式。第一光學(xué)模式分束器1410用于將波導(dǎo)373中的兩個(gè)模式分離到分別具有兩個(gè)反射鏡1431和1432的兩個(gè)路徑中。第二光學(xué)模式分束器1440(作為模式組合器)用于將兩個(gè)模式組合為輸出。例如，如果兩個(gè)模式是兩個(gè)正交線偏振，偏振分束器可以用于實(shí)現(xiàn)1410和1440?？勺児庋舆t線或器件1420位于上方的路徑中，用于控制兩個(gè)路徑之間的差分延遲。輸出可以與另一雙模波導(dǎo)1450相耦合，通往檢測(cè)模塊或直接將其發(fā)送到檢測(cè)模塊中。圖14B示出了基于圖14A所示的設(shè)計(jì)的延遲器件，其中反射鏡1432和可變光學(xué)延遲線1420由圖13A所示的機(jī)械延遲器件實(shí)現(xiàn)。圖13B中的機(jī)械延遲器件也可以用于實(shí)現(xiàn)圖14A中的器件。
在以上示例中，將單一的雙模波導(dǎo)272或372用作探頭220、320或820的輸入和輸出波導(dǎo)。因此，通過該雙模波導(dǎo)272或372，將單一模式或兩個(gè)模式的輸入光送入探頭，并將兩個(gè)獨(dú)立模式的輸出光從探頭送往檢測(cè)子系統(tǒng)或檢測(cè)器。
可選地，可以用兩個(gè)分離的波導(dǎo)代替單一的雙模波導(dǎo)272或372，一個(gè)將輸入光從光源送往探頭，而另一個(gè)將光從探頭送往檢測(cè)子系統(tǒng)或檢測(cè)器。作為示例，圖2中的器件可以具有不同于波導(dǎo)272的第二波導(dǎo)，用于將來自光學(xué)探頭220的、兩個(gè)不同模式的反射光送往調(diào)制器250和檢測(cè)子系統(tǒng)260。在此設(shè)計(jì)中，可以消除光定向器210。這樣做是有優(yōu)勢(shì)的。在實(shí)施時(shí)，可以設(shè)計(jì)探頭中的光學(xué)器件，將兩個(gè)模式的反射光送往第二波導(dǎo)。
圖15示出了可代替如圖5B所示的器件的這種設(shè)計(jì)的示例。在此設(shè)計(jì)中，通過一個(gè)雙模波導(dǎo)1510將探測(cè)光傳遞到樣品205，由探頭320收集反射/散射光，并通過另一雙模波導(dǎo)1520進(jìn)行傳導(dǎo)。利用如圖4所示的探頭，可以定向和對(duì)準(zhǔn)反射鏡424，從而將光反射到波導(dǎo)1520而不是波導(dǎo)1510中。這種設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于基于本申請(qǐng)公開的其他器件，包括圖2、3、8A、8B和9中的典型器件。
上述器件和技術(shù)可以用于通過將兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位差控制在不同數(shù)值，獲得樣品給定位置在不同深度處的光學(xué)測(cè)量結(jié)果，以及通過在樣品上橫向改變探頭的相對(duì)位置，獲得樣品上不同位置的光學(xué)測(cè)量結(jié)果，以獲得樣品給定深度或不同深度的層析映像。這些器件和技術(shù)還可以用于執(zhí)行樣品上的其他測(cè)量，包括樣品層的譜選擇測(cè)量。
在多種應(yīng)用中，有利的是獲得與可通過其譜吸收率標(biāo)識(shí)的、分散在樣品中的特定物質(zhì)有關(guān)的信息。因此，可調(diào)諧帶通濾波器可用于對(duì)入射到探頭上的光進(jìn)行濾波，以選擇入射光的寬帶光譜中的所需光譜窗口，以測(cè)量樣品的響應(yīng)，并改變光譜窗口的中心波長(zhǎng)，以測(cè)量樣品響應(yīng)的譜分布。帶通濾波器的這種調(diào)諧允許源光譜的可變部分通過，同時(shí)對(duì)樣品的復(fù)雜反射系數(shù)的分布進(jìn)行測(cè)量。
可選地，可以向光學(xué)探頭發(fā)送寬帶光，而不對(duì)其進(jìn)行光學(xué)濾波，可以選擇和測(cè)量來自探頭的輸出光中的不同波長(zhǎng)的光譜分量，以測(cè)量樣品在選定波長(zhǎng)附近的響應(yīng)或樣品響應(yīng)的譜分布。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波器插入在來自光頭的輸出給的光路中，對(duì)光進(jìn)行濾波。在另一實(shí)施方式中，光柵或其他衍射光學(xué)元件可以用于光學(xué)地分離要由檢測(cè)子系統(tǒng)或檢測(cè)器測(cè)量的輸出光中的不同光譜分量。
作為示例，圖16示出了基于圖2所示的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器1610插入在輸入波導(dǎo)271中，對(duì)兩個(gè)不同模式的輸入光進(jìn)行濾波。圖17示出了基于圖8A所示的設(shè)計(jì)的另一典型系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器1710插入在輸入波導(dǎo)871中，對(duì)單一模式的輸入光進(jìn)行濾波?？梢詫⑦@種可調(diào)諧濾波器設(shè)置在其他位置。
圖18示出了圖16和17所示的器件中的可調(diào)諧帶通濾波器的操作。濾波器選擇光源光譜內(nèi)的窄譜帶，以測(cè)量樣品的光譜特征。
特別地，本申請(qǐng)的器件和技術(shù)可以用于選擇樣品內(nèi)的層，以通過適當(dāng)處理測(cè)量數(shù)據(jù)來進(jìn)行測(cè)量。參照?qǐng)D16和17中的器件，假設(shè)要測(cè)量以界面I和II分界的層的吸收特性。為了簡(jiǎn)化描述，假設(shè)層內(nèi)物質(zhì)的光譜吸收以波長(zhǎng)相關(guān)衰減系數(shù)μh(λ)為特征，其他位置以μg(λ)為特征。還假設(shè)界面I(II)附近的物質(zhì)擁有有效、波長(zhǎng)相關(guān)反射系數(shù)rI(rII)。如果光源光譜覆蓋了所關(guān)心的特征吸收，具有可在樣品205的特征吸收范圍內(nèi)調(diào)諧的通帶的光學(xué)濾波器1610或1710可以用于測(cè)量樣品205的、以不同波長(zhǎng)為中心的光譜響應(yīng)。
在操作中，可以執(zhí)行以下步驟。首先，調(diào)整差分延遲調(diào)制器250，從而使一個(gè)模式(例如模式001)傳播的路徑長(zhǎng)度與由界面I反射的、另一模式(例如模式002)的輻射傳播的路徑長(zhǎng)度相匹配。此時(shí)，可以在記錄由于調(diào)制器250所產(chǎn)生的周期差分相位而引起的測(cè)量信號(hào)的振蕩的同時(shí)，掃描濾波器1610或1710的通帶。作為波長(zhǎng)的函數(shù)的振蕩幅度由等式(15)給出 其中z1是從樣品205的上表面測(cè)量到界面I的距離。接下來，再次調(diào)整延遲調(diào)制器250，改變差分延遲，從而使模式001所傳播的路徑長(zhǎng)度與從界面II反射的、模式002的輻射所傳播的路徑長(zhǎng)度相匹配。如下獲得界面II的測(cè)量結(jié)果 其中zII是從界面I測(cè)量到界面II的距離。為了獲得以界面I和II分界的層的吸收特性，可以利用等式(7)和等式(6)獲得以下比例 特別地，此等式提供了只與所關(guān)心的層的吸收特性有關(guān)的信息，并允許對(duì)該層進(jìn)行測(cè)量。因此，此方法提供了一種“相干光柵”機(jī)制，用于光學(xué)地獲得位于樣品表面下方的特定、指定層的吸收光譜。
應(yīng)當(dāng)注意，可以設(shè)計(jì)光學(xué)濾波器1610或1710的通帶足夠窄，以分辨所關(guān)系的吸收特性，與此同時(shí)，足夠?qū)?，以區(qū)分所關(guān)心的層。以下用于通過探測(cè)病人的皮膚來監(jiān)測(cè)葡萄糖水平的示例表明這種結(jié)構(gòu)是合理且實(shí)用的。
多種與葡萄糖相關(guān)的監(jiān)測(cè)儀依賴于從糖尿病病人處取得血樣。重復(fù)地針刺皮膚可能會(huì)引起病人相當(dāng)大的不舒服。因此，需要以非侵入的方式來監(jiān)測(cè)葡萄糖水平。公知的是，血液中的葡萄糖擁有在近紅外(NIR)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的“簽名”光學(xué)吸收峰。還清楚的是，非侵入檢測(cè)葡萄糖的主要障礙是因?yàn)橐韵率聦?shí)探測(cè)光束在其路徑上與擁有疊加吸收帶的多種組織和物質(zhì)相互作用。從所有其他峰中提取出簽名葡萄糖峰被證明是困難的。
可以利用上述“相干光柵”來克服用于監(jiān)測(cè)葡萄糖的其他方法的難題。對(duì)于葡萄糖監(jiān)測(cè)，指定層可以是真皮層，其中葡萄糖集中在血管網(wǎng)絡(luò)和組織液中。
圖19A示出了人類皮膚組織的示例，其中可利用這里所描述的相干光柵技術(shù)來測(cè)量表皮和皮下層之間的真皮層中的葡萄糖濃度?？梢岳孟喔晒鈻偶夹g(shù)光學(xué)地選擇和測(cè)量真皮層。已知的是，淺表皮層由于其含有色素，是NIR吸收的主要來源。但是，因?yàn)槿狈ρ?，表皮不?huì)產(chǎn)生對(duì)葡萄糖監(jiān)測(cè)有用的信息。可以應(yīng)用相干光柵技術(shù)，通過拒絕表皮和皮下組織的吸收，來惟一地獲得真皮層的吸收光譜。此技術(shù)的附加優(yōu)點(diǎn)來源于以下事實(shí)與表皮相比，真皮表現(xiàn)出較小的溫度變化。已知的是，表面溫度變化引起水吸收的漂移，妨礙了葡萄糖監(jiān)測(cè)。
圖19B示出了在1到2.5微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。這些峰的寬度約為150nm。為了分別這些峰，可以選擇可調(diào)諧帶通濾波器的帶寬約為30nm。深度分辨率由以下等式確定 因此，以圖16和17中的器件或其他光學(xué)傳感器件實(shí)現(xiàn)的相干光柵可以用于確定不小于60μm厚的組織層中的葡萄糖的吸收特性。如圖19A所示，人類的皮膚由通常為0.1mm厚的淺表皮層構(gòu)成。在表皮下方是真皮，大約1mm厚，在真皮中，葡萄糖集中在血液和組織液中。以上分析表明能夠利用圖16和17所示的設(shè)備將真皮的吸收特性與表皮和其他層的吸收特性隔離開。
由等式(18)可知，對(duì)于給定的中心波長(zhǎng)λ0，譜分辨率和層分辨率的乘積是常數(shù)。應(yīng)當(dāng)根據(jù)這兩個(gè)分辨率與測(cè)量的具體要求之間的折中來確定濾波器帶寬的選擇。
可以操作可調(diào)諧帶通濾波器1610或1710來獲取樣品中隔離出的提交的吸收特性。
圖20示出了圖3所示的檢測(cè)子系統(tǒng)260的一個(gè)典型實(shí)施方式，其中使用兩個(gè)衍射光柵2010和2020來分離來自偏振分束器361的輸出光束中的不同譜分量。定位透鏡2012，以收集來自光柵2010的衍射分量，并將不同的譜分量聚焦在其焦平面的不同位置。將具有多個(gè)光電檢測(cè)器元件的檢測(cè)器陣列2014設(shè)置在透鏡2012的焦平面，從而由不同的光電檢測(cè)器元件接收不同的譜分量。按照類似的方式，將第二透鏡2022和檢測(cè)器陣列2024用在衍射分量的光路中。在其中使用單一的光檢測(cè)器來進(jìn)行測(cè)量的圖5A、5B、8A和8B所示的器件中，可以使用單一的光柵、透鏡和檢測(cè)器陣列。
在操作中，每個(gè)檢測(cè)器元件以較小的波長(zhǎng)間隔接收光。可以對(duì)來自陣列中的所有元件的光電流進(jìn)行求和，以形成與在如圖3所示的、沒有光柵的每個(gè)單一檢測(cè)器中接收到的信號(hào)等價(jià)的信號(hào)。通過有選擇地測(cè)量來自陣列中的單個(gè)元件或元件組的光電流，可以獲得樣品的光譜信息。
在上述示例中，光學(xué)探頭發(fā)出兩個(gè)不同傳播模式的光，其中兩個(gè)模式之一的光攜帶有來自樣品的信息。或者，可以將單一傳播模式的光用作光學(xué)探頭的輸入光和來自光學(xué)探頭的輸出光。因此，基于這種設(shè)計(jì)的器件不僅使用公共光路向和從探頭和樣品傳導(dǎo)光，而且控制單一模式的光。與上述針對(duì)來自探頭的光使用兩個(gè)不同模式的示例相比，此單模設(shè)計(jì)進(jìn)一步消除或降低了在相同光路中傳播的不同模式之間的任何差別。
圖21示出了用于只以波導(dǎo)內(nèi)部的一個(gè)傳播模式來獲得物質(zhì)內(nèi)的光學(xué)不均勻性和其他屬性的信息的一個(gè)典型系統(tǒng)。通過保偏波導(dǎo)271和272，將來自寬帶光源201的寬帶或低相干光送往探頭2110。探頭2110內(nèi)部的部分反射器反轉(zhuǎn)輸入光的一小部分的方向，以創(chuàng)建輻射波1，同時(shí)將剩余輸入光傳向樣品205。來自樣品205的后向散射或反射光成為第二輻射波2，并由探頭2110進(jìn)行收集。探頭2110對(duì)輻射波1和2進(jìn)行組合，并將其耦合回波導(dǎo)272中。輻射波1和2在波導(dǎo)272中向光定向器210傳播，光定向器210通過波導(dǎo)273將輻射波1和2送往檢測(cè)模塊2101。具體地，從探頭2110輸出的輻射波1和2處于與探頭2110的輸入光相同的模式。探頭2110在將輻射波1和2送往波導(dǎo)272時(shí)并不改變光的模式。
檢測(cè)模塊2101包括分束器2120、兩個(gè)光路2121和2122、路徑2122中的光學(xué)可變延遲元件2123、光束組合器2130、和兩個(gè)光檢測(cè)器2141和2142。分束器2120將波導(dǎo)273中的光(包括相同模式的輻射波1和2)分為分別在兩個(gè)光路2121和2122中傳播的兩部分。具體地，兩部分中的每一個(gè)均包括來自輻射波1和2的光。通過控制信號(hào)控制光路2122中的可變延遲元件或延遲線2123，以調(diào)整兩個(gè)光路2121和2122之間的相對(duì)光學(xué)延遲，并可以通過本申請(qǐng)中所描述的典型延遲元件或其他延遲設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。光束組合器2130組合兩個(gè)光路的信號(hào)，使其彼此疊加，并分別輸出針對(duì)光檢測(cè)器2141和2142的兩個(gè)光信號(hào)。光束組合器可以是偏振分束器，用于將組合光分為彼此偏振正交的兩部分。
探頭2110可以包括部分反射器，用于產(chǎn)生并未到達(dá)樣品205的輻射波1。假設(shè)去往探頭2110的光和從探頭2110輸出的光的單一傳播模式是偏振模式，從探頭2110中的部分反射器反射的光(即輻射波1)具有與從樣品收集到的光(輻射波2)相同的偏振。因此，輻射1和2在波導(dǎo)272和273中、以相同的傳播模式傳播。因?yàn)閺牟煌奈恢梅瓷漭椛洳?和2，其在到達(dá)分束器2120時(shí)經(jīng)歷了不同的光路長(zhǎng)度?？勺冄舆t元件2123的作用在于相對(duì)于路徑2121中的光，在路徑2122中的光中添加可調(diào)整的延遲量。
在操作中，可以調(diào)整可變延遲元件2123，從而可以使通過路徑2122到達(dá)偏振分束器2130的部分輻射1經(jīng)歷與通過另一路徑2122到達(dá)分束器2130的部分輻射2類似的光路長(zhǎng)度。因?yàn)橥ㄟ^可變延遲元件2123對(duì)其相對(duì)路徑長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)光束在光電檢測(cè)器2141和2142處的疊加引起了可測(cè)量的強(qiáng)度變化。此變化可以用于獲取與樣品205的不均勻性和其他屬性有關(guān)的信息。
圖22示出了利用保偏光纖的、圖21所示的系統(tǒng)的典型實(shí)施方式?？梢詫⑵窨刂破?02設(shè)置在光源201的輸出，用于控制一個(gè)偏振模式的輸入光的偏振。所示光學(xué)頭2110包括透鏡系統(tǒng)2111和部分反射器2112。兩個(gè)反射鏡1和2用于構(gòu)造分束器2120和2130之間的兩個(gè)光路。由部分反射器2122和樣品205反射的光輻射以相同的模式在保偏(PM)光纖272中傳播。分束器2120將輻射波1和2的主要部分偏轉(zhuǎn)到反射鏡1，而將剩余部分送往反射鏡2。
可以使偏振分束器2130的入射平面相對(duì)于來自一個(gè)光路中的反射鏡2和另一光路的可變延遲元件2123的光的傳播方向具有有限角度。在此結(jié)構(gòu)中，由檢測(cè)器2141和2142接收到的光能量是兩個(gè)輻射(即輻射1和輻射2)的疊加。應(yīng)當(dāng)清楚，可以通過光纖或其他光波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)分束器2120和2130之間的連接，以消除自由空間路徑和兩個(gè)反射鏡1和2。
在圖21和22所示的示例中，光學(xué)頭2110與樣品205之間的間隔可以大于所關(guān)心的樣品深度，從而在到達(dá)分束器2130時(shí)，部分輻射1經(jīng)歷只類似于部分輻射2的光路長(zhǎng)度。換句話說，在圖21和22中的系統(tǒng)的操作期間，相同輻射的分割部分并不經(jīng)歷類似的光路長(zhǎng)度。
圖23示出了探頭2110的一個(gè)典型光學(xué)結(jié)構(gòu)?？梢岳貌糠址瓷涔饫w末端(即光纖272的端面)來實(shí)現(xiàn)部分反射器2310。無涂層光纖末端具有大約4％的反射率，并因而可以用作此部分反射器。端面上的光學(xué)涂層可以用于將反射率變?yōu)樗钄?shù)值。
可以根據(jù)幾個(gè)因素來選擇光纖末端2310的反射率。一方面，輻射波1應(yīng)當(dāng)足夠強(qiáng)，從而使其與輻射波2的疊加在兩個(gè)檢測(cè)器2141和2142處產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度變化。另一方面，輻射波1又不能太強(qiáng)，因?yàn)槠淇赡軙?huì)壓制光電檢測(cè)器2141和2142，阻止了檢測(cè)系統(tǒng)中高增益的使用。對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化操作，可能希望選擇光纖末端的反射率與由光纖從樣品收集到的總光量可比。
在圖21和22中，公共波導(dǎo)272用于將輸入光發(fā)送到探頭2110中以及傳導(dǎo)從探頭2110輸出的輸出光?？蛇x地，類似于圖15中的設(shè)計(jì)，可以用用于將輸入光發(fā)送到探頭2110中的輸入波導(dǎo)和用于將從探頭2110輸出的輸出光送往檢測(cè)模塊2101的分束器2120的輸出波導(dǎo)來代替波導(dǎo)272。在此設(shè)計(jì)中，可以消除光定向器210，并且光學(xué)探頭2110可以設(shè)計(jì)為將具有輻射波1和2的輸出光送入輸出波導(dǎo)。
類似于在所述其他實(shí)施例中調(diào)諧光的頻率，在實(shí)現(xiàn)圖21和22中的器件時(shí)，可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波器可以用于調(diào)諧光的頻帶，以有選擇地測(cè)量樣品205在濾波器頻帶處的屬性。此外，如圖20所示，在檢測(cè)模塊中使用光柵來測(cè)量樣品的不同光譜分量也可以用在模塊2101中。
圖24進(jìn)一步示出了用于光學(xué)地定標(biāo)用于其光譜吸收的身體表面以下的層的測(cè)量技術(shù)。參考等式(15)-(17)，可以調(diào)節(jié)光學(xué)差分延遲，以獲得來自兩個(gè)深度I和II的測(cè)量值A(chǔ)I和AII，以便獲得針對(duì)深度I和II之間的層的測(cè)量值。如果對(duì)光源的中心波長(zhǎng)λ進(jìn)行掃描，以獲得不同波長(zhǎng)處的測(cè)量值，可以將等式(17)中的測(cè)量比率用于獲得僅由界面I和II所限定的物質(zhì)的光譜吸收特性，即μh(λ)。因此，在用于測(cè)量的光譜吸收方面，該技術(shù)有效地隔離了I和II之間的物質(zhì)。通過改變界面I和II的深度，可以針對(duì)全部層來執(zhí)行該過程，以獲得剖面光譜吸收映射圖(SAM)。
用于獲得SAM測(cè)量值的一種方式是在兩個(gè)或更多不同波長(zhǎng)處、使用以這些波長(zhǎng)為中心的光輻射、首先獲得反射的剖面映射圖，A(λ)。當(dāng)如上所述使用單光源時(shí)，將可調(diào)光學(xué)濾波器用于在目標(biāo)區(qū)域上面的探頭的每一個(gè)空間位置處選擇不同的波長(zhǎng)以獲得測(cè)量值。在一個(gè)位置處完成不同波長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)，將探頭移到下一個(gè)位置，并且重復(fù)所述測(cè)量。該過程繼續(xù)，直到測(cè)量了目標(biāo)區(qū)域之內(nèi)的全部位置為止。結(jié)合使用可變延遲值的光差分延遲和沿目標(biāo)表面的掃描實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域光譜吸收的三維映射圖。
在其中樣品具有寬光譜范圍吸收特征的一些應(yīng)用中，單光源可能不能夠提供對(duì)這些吸收特征的足夠?qū)挼墓庾V覆蓋。以下部分描述使用具有以不同波長(zhǎng)為中心的輻射的兩個(gè)或更多光源，以提供SAM測(cè)量中的寬光譜覆蓋。
這里描述的各種光學(xué)配置可以適用于執(zhí)行SAM測(cè)量。以下描述幾個(gè)示例用于使用不同波長(zhǎng)處的多路光源。
圖25示出了使用不同光波長(zhǎng)的兩個(gè)或更多不同光源2510以獲得來自樣品的反射映射圖的光學(xué)設(shè)備2500。每一個(gè)光源在以與其它光源不同的波長(zhǎng)為中心的帶寬Δλ之內(nèi)發(fā)射?？梢赃x擇光源2510的波長(zhǎng)以覆蓋待測(cè)量樣品中的吸收特征的光譜范圍。在一些應(yīng)用中，可以選擇2510的波長(zhǎng)以有效地對(duì)感興趣的具體吸收特征進(jìn)行采樣，如圖31所示，并且因此不可以覆蓋樣品中的其它吸收特征。在具體實(shí)施方式
中，應(yīng)該考慮用于測(cè)量所需的深度空間分辨率來選擇每一個(gè)光源的帶寬Δλ。將光學(xué)多路復(fù)用器2520用于接收來自不同光源2510的光輻射，以將這些光波組合到公共光路中，即公共光波導(dǎo)271。光定向器210將已組合的光輻射經(jīng)由公共波導(dǎo)272定向到探頭220。定位于樣品205上的探頭220將來自已復(fù)用的或已組合的一部分光輻射分束為探測(cè)光，并且將該探測(cè)光定向到樣品205。將來自樣品205的反射光由探頭220進(jìn)行收集，并且經(jīng)由波導(dǎo)272、光定向器210和另一個(gè)波導(dǎo)273定向到差分延遲器250。在前一個(gè)部分中詳細(xì)描述了設(shè)備2500的各種實(shí)施方式和操作。還將光學(xué)多路解復(fù)用器2530用于基于以光源2510的不同波長(zhǎng)為中心的不同波段將從差分延遲調(diào)制器250輸出的光空間地進(jìn)行分離。因此，可以將不同的光檢測(cè)器模塊2540的陣列用于分別接收和檢測(cè)所分離的不同波段的光束。作為示例，將來自一個(gè)光源的以波長(zhǎng)λ1為中心、并且在Δλ1的帶寬之內(nèi)的光輻射與其余的光輻射分離，并且發(fā)送到檢測(cè)器模塊1(D1)。每一個(gè)檢測(cè)器模塊可以包括一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器。差分延遲調(diào)制器250、解復(fù)用器2530和檢測(cè)器模塊2540形成了執(zhí)行設(shè)備2500的光檢測(cè)的光相干器的至少一部分。將已多路復(fù)用的光輻射通過光波導(dǎo)272或光纖和探頭220傳遞到組織。將來自組織的背向散射和反射光部分地由探頭220收集，并且重新定向到光學(xué)相干器中。
實(shí)際上，將探頭220操作用于掃描樣品205上已多路復(fù)用的光輻射，以獲得不同波長(zhǎng)的測(cè)量。針對(duì)每一個(gè)所設(shè)計(jì)的空間間隔，差分延遲調(diào)制器250掃描一個(gè)范圍以與樣品內(nèi)部深度的范圍相對(duì)應(yīng)。重復(fù)該過程，直到測(cè)量了樣品區(qū)域的全部采樣位置為止。在該實(shí)施方式中，可以同時(shí)地獲得兩個(gè)或更多波長(zhǎng)的光的光輻射剖面映射圖。盡管對(duì)差分延遲調(diào)制器250和探測(cè)光輻射進(jìn)行掃描，可以將來自檢測(cè)器模塊2540(每一個(gè)均接收與光源2510之一相關(guān)聯(lián)的不同波段之內(nèi)的光輻射)的光電流同時(shí)地記錄為可以從中提取多個(gè)反射映射圖A(λ1)、A(λ2)等的數(shù)據(jù)。每一個(gè)反射映射圖均可以由一個(gè)光源的波段之內(nèi)的輻射來形成。然后可以將這些反射映射圖用于使用基于由等式(15)至(17)概述的原理的算法來推導(dǎo)出SAM。
圖26示出了圖25中的設(shè)備2500的一個(gè)實(shí)施方式2600，其中將數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)2610用于處理來自檢測(cè)器模塊2540的檢測(cè)器輸出，并且用于產(chǎn)生光譜吸收映射圖。DSP 2610可以是如圖3中所示的設(shè)備控制器370的一部分?？梢詫@示器和用戶接口模塊372用于允許操作者觀看SAM結(jié)果，并且控制該設(shè)備。
圖27示出了圖26所示的設(shè)備2600的示例，其中用兩個(gè)光柵2010和2020以及兩個(gè)透鏡2012和2014實(shí)現(xiàn)多路解復(fù)用器2530。用兩個(gè)檢測(cè)器陣列2014和2024實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器模塊2540，即，檢測(cè)器模塊2540的每一個(gè)均包括陣列2014中的一個(gè)檢測(cè)器和陣列2024中的另一個(gè)檢測(cè)器，用于檢測(cè)不同偏振狀態(tài)中的相同波長(zhǎng)的光。偏振分束器361將來自差分延遲調(diào)制器250的已波長(zhǎng)復(fù)用的光分束為具有相互正交偏振狀態(tài)的兩個(gè)光束，其中，每一個(gè)已分束的光束是處于來自探頭220的兩個(gè)不同模式的光的混合物。偏振分束器361將處于第一傳播模式的接收到的光的一部分和處于第二傳播模式的接收到的光的一部分轉(zhuǎn)換為處于沿第一光路傳播的第三傳播模式的光，并且用于將處于第一和第二傳播模式的接收到的光的其余部分轉(zhuǎn)換為處于沿不同的第二光路傳播的第四傳播模式的光。第三和第四模式是偏振分束器361的兩個(gè)正交偏振模式。
光柵2010和2020將已波長(zhǎng)復(fù)用的光輻射分離為角度間隔，每一個(gè)與來自光源2510之一的光相對(duì)應(yīng)。在一個(gè)檢測(cè)器陣列中的光敏元件的數(shù)目可以等于所使用的光源的數(shù)目?？梢詫⒚恳粋€(gè)光敏元件的感測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)為足夠大，使得可以由陣列中的一個(gè)元件接收一個(gè)光源的波段內(nèi)的全部光輻射。例如，如果在該系統(tǒng)中使用三個(gè)光源，可以使用每一個(gè)均具有三個(gè)光敏元件的兩個(gè)陣列。
可以將光多路復(fù)用器2520實(shí)現(xiàn)為多種結(jié)構(gòu)。圖28示出了多路復(fù)用器25120的一個(gè)示例，其中將部分反射鏡2801和2802用于對(duì)來自三個(gè)不同光源2510A、2510B和2510C的輻射束進(jìn)行多路復(fù)用?？梢詫⒃撛O(shè)計(jì)和N個(gè)部分反射鏡一起用于對(duì)來自(N+1)個(gè)光源的光束進(jìn)行多路復(fù)用。可以同涂敷具有薄金屬層的一側(cè)來制造部分反射鏡。利用這種配置，并非全部光功率被多路復(fù)用到光纖中，因?yàn)樵诿恳粋€(gè)反射器處發(fā)生光功率損耗。將光準(zhǔn)直器2810用于將已多路復(fù)用的光耦合到光波導(dǎo)或光纖271中。
圖29A示出了多路復(fù)用器2520的另一個(gè)示例，所述多路復(fù)用器減小了圖28的設(shè)計(jì)中的光損耗，并且提供了可用光功率的有效使用。在該示例中，將光學(xué)雙色濾波器2901和2902用于分別代替部分反射鏡2801和2802?？梢詫㈦p色濾波器實(shí)現(xiàn)為各種形式。一個(gè)實(shí)施方式是使用兩個(gè)短通(short-pass)干涉濾波器作為雙色濾波器2901和2902。
圖29B示出了雙色濾波器2901和2902的光學(xué)設(shè)計(jì)。將濾波器2901的截止波長(zhǎng)設(shè)定在分別以λ1和λ2為中心的第一和第二光源的輻射帶之間。將濾波器2902的截止波長(zhǎng)設(shè)定在分別以λ2和λ3為中心的第二和第三光源的輻射帶之間。利用這種配置，除了濾波器的非理想性之外，可以將來自三個(gè)光源的全部輻射耦合到光纖271中，而沒有顯著的光損耗?？梢允褂枚鄬与娊橘|(zhì)薄膜制作這種類型的干涉光學(xué)濾波器。其它可能的多路復(fù)用器包括陣列波導(dǎo)類型和光柵類型。
在用于SAM測(cè)量的以上設(shè)備中，將不同波段的光束由探頭220同時(shí)地定向到樣品205。因此，同時(shí)地執(zhí)行不同波長(zhǎng)的光學(xué)測(cè)量。可選地，如圖30所示，光學(xué)多路復(fù)用器2520可以用光開關(guān)3010代替，以同時(shí)定向波段之一內(nèi)的探測(cè)束，使得將不同波段處的探測(cè)光束隨后不同時(shí)地定向到樣品205以獲得反射映射圖。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以通過1×N光開關(guān)作為開關(guān)3010將N寬帶光源2510順序地與圖30中的光學(xué)設(shè)備相連。從而獲得不同波段的反射映射圖A(λ1)、A(λ2)等，然后將其用于計(jì)算SAM。
可以根據(jù)待測(cè)量的具體吸收特性來對(duì)任意以上設(shè)備設(shè)計(jì)中的寬帶光源做出選擇。作為示例，圖31示出了其中存在吸收峰3110的樣品3100的吸收幅度光譜。可以將具有所示中心波長(zhǎng)的三個(gè)或更多不同寬帶光源用于對(duì)峰3110進(jìn)行映射。為了實(shí)現(xiàn)更好的光譜分辨率，可以增加光源的數(shù)目。在三個(gè)光源的示例中，可以將三個(gè)不同光源處的反射率映射圖A(λ1)、A(λ2)和A(λ3)用于計(jì)算針對(duì)SAM的特征的強(qiáng)度。
SAM的軸向分辨率(即，深度分辨率)與中心波長(zhǎng)λ0的光源的帶寬(光譜寬度)Δλ有關(guān)，并且如下給出 針對(duì)給定的帶寬Δλ，相應(yīng)反射率映射圖的深度分辨率由以上等式確定。因此，較寬的帶寬對(duì)于沿探測(cè)束的方向分辨較小的空間特征是需要的，作為折衷這限制了空間分辨率。例如，如果人們想要對(duì)占據(jù)了1微米的光波長(zhǎng)附近的20nm范圍的光譜吸收特征進(jìn)行映射時(shí)，可以選擇約5nm帶寬的光源。在這些條件下，針對(duì)SAM的空間分辨率粗略地為90微米。
在以上多源SAM測(cè)量中每一個(gè)光源均具有固定的發(fā)射中心波長(zhǎng)和帶寬。在基于上述設(shè)計(jì)的其它實(shí)施方式中，可以將多路可調(diào)激光源用于代替固定光源。可以將每一個(gè)可調(diào)激光源配置用于提供以λ為中心的Δλ波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高度相干輻射。由于相同的考慮，感興趣的光譜吸收特征可能對(duì)于單個(gè)可調(diào)激光源太寬以致不能覆蓋，可以按照用于SAM測(cè)量的各種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多可調(diào)激光源，每一個(gè)均在以不同波長(zhǎng)為中心的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是可調(diào)的。
圖32示出了用于SAM測(cè)量的設(shè)備3200的一個(gè)示例，其中將兩個(gè)或更多可調(diào)激光3210用作光源。再將來自可調(diào)激光源3210的光輻射定向到探頭220之前，將其通過多路復(fù)用器2520進(jìn)行組合。將包括從測(cè)量時(shí)的組織收集到的、來自探頭220的光波重新定向到多路解復(fù)用器2530中，在所述多路解復(fù)用器中根據(jù)波段將光波分離為不同光路中的分離束，由光檢測(cè)器接收每一個(gè)分離的光束。
可以將這種布置配置用于允許可調(diào)激光源3210的波長(zhǎng)的同時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而允許來自不同波段中的探頭220的光波的記錄。圖32的設(shè)計(jì)中的一個(gè)特征是缺少在使用一個(gè)或更多固定光源以產(chǎn)生探測(cè)光的其它設(shè)計(jì)中使用的光學(xué)差分延遲調(diào)制器250。在測(cè)量期間，每一個(gè)可調(diào)激光通過其調(diào)諧光譜范圍進(jìn)行調(diào)諧，并且可以計(jì)算已記錄的光強(qiáng)作為每一個(gè)波段中的激光波長(zhǎng)的函數(shù)，以獲得針對(duì)該波段的反射率映射圖。隨著一定波長(zhǎng)周期的光電流的變化表示起源于樣品205中的一定距離或深度的反射。本質(zhì)上，這種計(jì)算根據(jù)其頻率的光電流分解，或公知為傅立葉變換。為了使反射率映射圖覆蓋深度范圍，可調(diào)激光應(yīng)該具有與深度范圍可比較的、或更長(zhǎng)的適當(dāng)相干長(zhǎng)度?？梢垣@得被檢樣品205的針對(duì)兩個(gè)或更多波段的兩個(gè)或更多反射率映射圖，并且可以將其用于基于等式(15)至(17)來推導(dǎo)樣品205的SAM。
可以通過去除光學(xué)差分延遲調(diào)制器250，將可調(diào)激光的使用實(shí)現(xiàn)為用于SAM測(cè)量的各種設(shè)備設(shè)計(jì)。例如，可以使用圖30的設(shè)計(jì)而沒有差分延遲調(diào)制器250，以將來自不同可調(diào)激光源的光輻射順序地定向到樣品205。當(dāng)將來自具體可調(diào)激光的輻射定向到樣品205時(shí)，通過激光的調(diào)諧范圍對(duì)激光在其激光頻率內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，以獲得調(diào)諧范圍之內(nèi)的不同波長(zhǎng)處的光吸收的測(cè)量。
在使用具有可調(diào)激光源的上述技術(shù)的一些精密光學(xué)相位測(cè)量中，可以將差分相位調(diào)制器250插入到公共波導(dǎo)273中，以從探頭接收處于第一和第二傳播模式的光，并且產(chǎn)生和調(diào)制第一和第二傳播模式之間的相對(duì)光學(xué)相位。第一和第二傳播模式之間的相對(duì)光學(xué)相位的調(diào)制引起光電流在光電檢測(cè)器2540(或探測(cè)器陣列2014和2024中的探測(cè)器)范圍之外，以相對(duì)于波長(zhǎng)對(duì)其波峰位置和波谷位置進(jìn)行偏移。這允許使用與由等式12和13所表示的分析類似的數(shù)學(xué)分析來精確計(jì)算從樣品反射的光的反射光相位。
作為以上非侵入光學(xué)探測(cè)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，圖33示出了組合了以下模塊的集成系統(tǒng)3300的示例X射線CT掃描模塊3310，用于定位肺節(jié)結(jié)；極微小侵入光探測(cè)模塊3320；以及治療模塊3330，用于提供用于治療肺癌的完整診斷和治療平臺(tái)?？梢詫⒅委熌K3330設(shè)計(jì)為使用諸如激光輻射、RF或微波輻射能之類的電磁輻射來治療選定目標(biāo)區(qū)域處的惡性疾病。氣管鏡3340用于提供將用于光探測(cè)模塊3320的光探測(cè)插入到肺中的裝置，以光學(xué)測(cè)量肺中的目標(biāo)區(qū)域。此外，還將氣管鏡3340用于將來自激光治療模塊3330的激光束引導(dǎo)到肺中用于激光治療。如所示出的，氣管鏡3340包括工作管道3342，是中空的，并且接收用于光探測(cè)模塊3320的光學(xué)探頭和光學(xué)濾波器33222；以及用于激光治療模塊3330的光功率傳遞波導(dǎo)3322。將工作管道3342插入到肺的內(nèi)部，以探測(cè)肺中的不同目標(biāo)區(qū)域。工作管道3342的遠(yuǎn)端對(duì)包括傳輸光學(xué)探測(cè)光和來自激光治療模塊3330的激光束兩者的端面或窗口。將計(jì)算和控制模塊3350配置用于控制三個(gè)不同的模塊3310、3320和3330，并且用于執(zhí)行測(cè)量分析。將可以包括用戶輸入界面和顯示監(jiān)視器的顯示和用于界面模塊2260用于允許操作者操作系統(tǒng)3300。
將CT掃描模塊3310用于對(duì)患者的肺進(jìn)行掃描，以檢測(cè)和定位全部單個(gè)的肺節(jié)結(jié)(SPN)。將每一個(gè)SPN經(jīng)由CT掃描成像進(jìn)行可視定位。接下來，將光探測(cè)模塊3320用于測(cè)量由CT掃描所標(biāo)識(shí)的每一個(gè)SPN。這就是差分診斷，并且分析光學(xué)測(cè)量以確定每一個(gè)SPN是良性的還是惡性的。然后將激光治療模塊3330用于治療每一個(gè)惡性SPN。全部這三個(gè)程序可以在一個(gè)集成系統(tǒng)中執(zhí)行。
可以將極微小侵入光探測(cè)模塊3320實(shí)現(xiàn)為如本申請(qǐng)中所述的各種實(shí)施例。作為具體示例，光探測(cè)模塊3320可以實(shí)現(xiàn)為截面成像模塊。可以將光探測(cè)模塊3320用于允許在早期肺癌診斷中CT掃描的預(yù)先使用，此外，可以使用諸如激光高溫的光學(xué)方法促進(jìn)癌癥治療。模塊3320利用光學(xué)相干技術(shù)來獲得光學(xué)斷層以非破壞性地揭示組織結(jié)構(gòu)和其它生理信息。成像模塊的探頭是光纖基的，并且被插入到氣管鏡3340的工作管道中。之前已經(jīng)將氣管鏡3340的探頭用于視覺地定位肺內(nèi)部的腫瘤。利用光探測(cè)模塊隨后的可疑組織或SPN的體內(nèi)檢查，可以通過它們不同的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特征將鈣化的良性SPN與惡性SPN相區(qū)分。使用光探測(cè)模塊3320解決了CT掃描診斷難題，使極微小侵入過程能夠定位SPN，然后識(shí)別那個(gè)節(jié)結(jié)是惡性的。特別地，使用基于光探測(cè)的這種診斷順序允許醫(yī)師避免大多數(shù)肺部活組織檢查(如果不使全部的話)，從而顯著地減小上述風(fēng)險(xiǎn)，并且極大地提高沒有副作用的成功診斷的選擇。
圖34示出了圖33中的系統(tǒng)3300的一個(gè)示范性使用。將CT掃描用于執(zhí)行針對(duì)全部SPN(良性的和惡性的)肺部掃描的初始檢查。在CT掃描之后，在每一個(gè)所檢測(cè)的SPN處執(zhí)行光學(xué)探測(cè)，以確定所述SPN是良性的還是惡性的。如果SPN確定為是惡性的，可以通過使用激光治療模塊3330執(zhí)行激光治療以治療SPN的惡性疾病。如果沒有發(fā)現(xiàn)惡性SPN，患者可以計(jì)劃定期CT掃描以檢測(cè)肺部情況。
表1 可以將激光治療實(shí)現(xiàn)為諸如激光高溫治療和激光切除治療之類的各種結(jié)構(gòu)。例如，肺病學(xué)家可以使用激光治療模塊3330鐘的高功率激光和插入到氣管鏡3340的工作通道中的光纖基治療探針來向腫瘤傳遞光功率。稱為激光高溫的這種程序已經(jīng)示出了用于使癌變組織壞死。選擇激光發(fā)射波長(zhǎng)，使得實(shí)質(zhì)上全部地光被組織吸收，即在組織的1厘米范圍之內(nèi)。可以使用幾種類型的高功率激光源。例如，緊湊的二極管泵浦固態(tài)激光器是易于可用的。能夠傳輸實(shí)質(zhì)功率級(jí)別(例如，瓦特量級(jí))的光纖也是可用的。我們估計(jì)可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的一般方法完成將大約33％效率的激光光功率耦合入光纖。
作為示例，表1列出了針對(duì)傳遞到組織的不同光功率級(jí)別，升高可疑組織的溫度所需的、計(jì)算的曝光時(shí)間。在33％耦合效率的情況下，輸入到光傳遞波導(dǎo)3332(例如，光纖)的激光功率要達(dá)到三倍。在以上估計(jì)中，假設(shè)惡性組織熱表現(xiàn)為好像水一樣(約70％正確)，并且節(jié)結(jié)實(shí)質(zhì)上與周圍組織處于較弱的熱接觸。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)10℃的溫升足夠殺死癌細(xì)胞，并且更高的溫升更快地殺死惡性細(xì)胞?；诒?的結(jié)果，3-6瓦的激光應(yīng)該足夠執(zhí)行5-10秒鐘曝光的體內(nèi)激光高溫。
可以將圖33中的集成診斷和治療系統(tǒng)以及圖34中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)為允許在單獨(dú)的會(huì)話或訪問中執(zhí)行SPN定位/檢測(cè)和氣管鏡檢查兩者。此外，因此可以在單獨(dú)的氣管鏡過程期間執(zhí)行差分診斷和激光治療兩者。因此，可以在單獨(dú)的診所訪問中執(zhí)行這三個(gè)不同的程序SPN檢測(cè)/定位、惡性-良性差分診斷和治療?？梢孕薷腃T掃描系統(tǒng)以將更多較小的用于差分診斷和激光治療的光學(xué)器件合并起來，使得可以在一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備上執(zhí)行完整的過程。這導(dǎo)致醫(yī)師時(shí)間的非常有效的使用以及對(duì)于患者的便利。諸如激光高溫和激光切除之類的激光治療方法對(duì)于治療下的患者確實(shí)不具有副作用，因此在這一方面與諸如化療和輻射相比是有利的。此外，可以實(shí)現(xiàn)圖34中的集成系統(tǒng)，以減小差分診斷和治療中的任意延遲，因此這種實(shí)現(xiàn)比使用常用于在惡性和良性SPN之間進(jìn)行區(qū)分的腫瘤尺寸生長(zhǎng)協(xié)議(protocol)的“等待和觀看”觀察的其它方法是有利的。
圖33中的集成系統(tǒng)還可以通過使用除了激光治療模塊之外的治療模塊來實(shí)現(xiàn)?？梢允褂糜糜谇谐纳漕l(RF)能量和微波能量的各種電磁輻射治療?？梢詫F或微波波導(dǎo)探針插入到工作管道3342中以向治療的目標(biāo)SPN傳遞RF或微波能量。例如，激光治療模塊3330可以用微波切除治療單元來代替?？梢允构ぷ鞴艿赖倪h(yuǎn)端端面?zhèn)鬏斕綔y(cè)光和RF/微波輻射兩者。
此外，還可以將圖33所示的集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用于診斷和治療其它疾病。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，集成診斷和治療系統(tǒng)可以包括CT掃描單元，用于定位身體部分中的病區(qū)；基準(zhǔn)截面成像單元，用于分析每一個(gè)病區(qū)；以及激光、RF或微波輻射治療單元，用于治療選定區(qū)域?？梢詫⒃撓到y(tǒng)用于診斷和治療肺癌、前列腺癌和其它腫瘤。該系統(tǒng)管道一個(gè)特定實(shí)現(xiàn)是圖33中的示例，用于診斷和治療肺癌，其中將氣管鏡插入到肺中，用于傳遞探測(cè)光和治療激光束。
在實(shí)現(xiàn)圖33中的系統(tǒng)時(shí)，可以將光學(xué)成像模塊3320的光學(xué)探頭220和治療傳遞波導(dǎo)3332統(tǒng)一為插入到工作管道3342內(nèi)部的單獨(dú)組件，使得可以將可能是激光輻射、RF或微波輻射的治療輻射定向到光學(xué)探頭220定位的大致相同位置。在該設(shè)計(jì)中，當(dāng)將SPN標(biāo)識(shí)為惡性時(shí)，可以將治療輻射傳遞到惡性SPN的相同位置，而無需改變工作管道3342的遠(yuǎn)端末梢位置。因此，可以將該統(tǒng)一組件用于簡(jiǎn)化治療輻射相對(duì)于由光學(xué)成像模塊3320所標(biāo)識(shí)的惡性SPN的對(duì)齊。
圖35示出了統(tǒng)一組件3500的一個(gè)示例。將管狀單元或鎧裝3510用于保持探測(cè)光纖3322和波導(dǎo)3332一起作為單一單元。光纖33232的末端處或附近的探頭220和波導(dǎo)3332的遠(yuǎn)端放置為在端面窗口3520之內(nèi)的管狀單元3510的遠(yuǎn)端處彼此緊跟。同樣，探頭220和波導(dǎo)3332的遠(yuǎn)端瞄準(zhǔn)實(shí)質(zhì)相同的位置。然后將組件3500插入到工作管道3342內(nèi)部，以將端面窗口3520放置在工作管道3342的末端處。
在本申請(qǐng)中只公開了一些實(shí)施方式。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以進(jìn)行變化、修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
要求保護(hù)的是正文中描述的和附圖中所示出的，包括
1.一種醫(yī)療設(shè)備，包括
氣管鏡，包括工作管道，配置用于插入到身體的通道中以到達(dá)身體內(nèi)部的目標(biāo)區(qū)域；
光纖探測(cè)模塊，包括(1)具有插入到氣管鏡的工作管道中的部分的探測(cè)光纖，以及(2)光學(xué)探頭，與探測(cè)光纖的一端相連，并且位于所述工作管道的內(nèi)部，所述光纖探測(cè)設(shè)備可操作用于通過探測(cè)光纖和光學(xué)探頭將探測(cè)光定向到身體中的目標(biāo)區(qū)域，并且收集來自目標(biāo)區(qū)域的反射光，并且用于進(jìn)一步地從所收集的反射光獲得目標(biāo)區(qū)域的信息；以及
激光治療模塊，包括功率傳遞光纖，具有插入到氣管鏡的工作管道中以向目標(biāo)區(qū)域傳遞治療激光束的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1實(shí)施的設(shè)備，還包括
計(jì)算斷層(CT)模塊，用于掃描身體的至少一部分，以獲得身體的掃描部分的CT掃描數(shù)據(jù)，該CT掃描數(shù)據(jù)被分析用于標(biāo)識(shí)和定位惡性可疑目標(biāo)區(qū)域，用于通過光纖探測(cè)模塊進(jìn)一步地探測(cè)和分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，構(gòu)建所述探測(cè)光纖以支持處于第一傳播模式和不同的第二傳播模式的光，并且光纖探測(cè)模塊還包括
光源，用于產(chǎn)生探測(cè)光，其中所述探測(cè)光纖接收和引導(dǎo)處于第一傳播模式的探測(cè)光；
其中，光纖探頭與探測(cè)光纖相連以從探測(cè)光纖接收光，并且以第一傳播模式將所述光的第一部分反射回探測(cè)光纖中，并且將所述光的第二部分定向到目標(biāo)區(qū)域，所述探頭收集從目標(biāo)區(qū)域的第二部分的反射，并且向探測(cè)光纖輸出所述反射作為處于第二傳播模式的反射第二部分；
光學(xué)差分延遲單元，用于響應(yīng)于控制信號(hào)，產(chǎn)生和控制從探測(cè)光纖接收到的所反射第一部分和所反射的第二部分之間的相對(duì)延遲；
檢測(cè)模塊，用于從探測(cè)光纖接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且提取由所反射的第二部分所攜帶的目標(biāo)區(qū)域的信息；以及
控制單元，向光學(xué)差分延遲單元產(chǎn)生控制信號(hào)，用于以兩個(gè)不同偏置值設(shè)置相對(duì)延遲，以選擇目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部的材料層，以測(cè)量選定層的光學(xué)吸收。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，檢測(cè)模塊包括
光學(xué)設(shè)備，用于將按照第一傳播模式的光沿第一光路進(jìn)行定向，以及將按照第二傳播模式的光沿不同的第二光路進(jìn)行定向；
第一光學(xué)元件，處于第一光路中以將不同波段處的光分離為第一組不同的光束；
多個(gè)第一光檢測(cè)器，用于分別接收和檢測(cè)來自第一光學(xué)元件的第一組不同的光束；
第二光學(xué)元件，處于第二光路中以將不同波段處的光分離為第二組不同的光束；以及
多個(gè)第二光檢測(cè)器，用于分別接收和檢測(cè)來自第二光學(xué)元件的第二組不同的光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，第一和第二光學(xué)元件是光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，檢測(cè)模塊包括數(shù)字信號(hào)處理器，用于處理所反射的第二部分中的目標(biāo)區(qū)域的信息，并且用于產(chǎn)生目標(biāo)區(qū)域的光譜吸收數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光學(xué)差分延遲單元包括
模式分離單元，用于將接收到的光分為按照第一傳播模式的第一光束和按照第二傳播模式的第二光束；以及
在第一和第二光束之一中的可變光學(xué)延遲元件，用于響應(yīng)于控制信號(hào)調(diào)節(jié)第一和第二光束之間的光學(xué)延遲。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，第一和第二傳播模式是由探測(cè)光纖支持的兩個(gè)正交偏振模式，并且其中檢測(cè)模塊包括
光檢測(cè)器；以及
光偏振器，用于接收和混合所反射的第一和第二部分，以向光檢測(cè)器產(chǎn)生光學(xué)輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光學(xué)探頭包括部分模式轉(zhuǎn)換器，將來自目標(biāo)的反射設(shè)定于第二傳播模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光學(xué)探頭包括
部分反射器，用于反射探測(cè)光的所反射的第一部分，并且用于向樣品傳輸探測(cè)光的第二部分；以及
偏振旋轉(zhuǎn)器，位于部分反射器和目標(biāo)區(qū)域之間，用于改變所反射的第二部分的偏振，來控制所反射的第二部分處于第二傳播模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光學(xué)探頭包括
部分反射器，用于反射探測(cè)光的所反射的第一部分，并且用于向目標(biāo)區(qū)域傳輸探測(cè)光的第二部分；以及
法拉第旋轉(zhuǎn)器，位于部分反射器和目標(biāo)區(qū)域之間，用于改變所反射的第二部分的偏振，來控制所反射的第二部分處于第二傳播模式。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光學(xué)探頭包括
部分反射器，用于反射探測(cè)光的所反射的第一部分，并且用于向目標(biāo)區(qū)域傳輸探測(cè)光的第二部分；以及
四分之一波片，位于部分反射器和目標(biāo)之間，用于改變所反射的第二部分的偏振，來控制所反射的第二部分處于第二傳播模式。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，光纖探測(cè)模塊還包括
輸入波導(dǎo)，用于從光源接收探測(cè)光，并且用于引導(dǎo)處于第一傳播模式的輸入光束；
輸出波導(dǎo)，用于從探測(cè)光纖接收所反射的第一部分和第二部分，并且用于將所反射的第一和第二部分定向到光學(xué)差分延遲單元；以及
光路由器，與輸入波導(dǎo)、探測(cè)光纖和輸出波導(dǎo)相連，所述光路由器將來自輸入波導(dǎo)的光定向到探測(cè)光纖，并且將來自探測(cè)光纖的管定向到輸出波導(dǎo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，光學(xué)路由器包括
光學(xué)環(huán)行器；
第一分束器，處于探測(cè)光纖中，用于傳輸處于第一傳播模式的光，并且用于反射處于第二傳播模式的光；
第二分束器，處于輸出波導(dǎo)中，用于傳輸處于第一傳播模式的光，并且用于反射處于第二傳播模式的光；以及
旁路波導(dǎo)，連接在第一和第二分束器之間，用于將由第一分束器反射的所反射第二部分定向到第二分束器，所述第二分束器通過反射將所反射的第二部分定向到輸出波導(dǎo)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，還包括
可調(diào)光學(xué)濾波器，位于輸入波導(dǎo)之一中；
探測(cè)光纖；以及
輸出波導(dǎo)，用于選擇目標(biāo)區(qū)域的光譜響應(yīng)的一部分來進(jìn)行測(cè)量。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括可調(diào)光學(xué)濾波器，用于對(duì)探測(cè)光進(jìn)行濾波，以選擇目標(biāo)區(qū)域的光譜響應(yīng)的一部分來進(jìn)行測(cè)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括可調(diào)光學(xué)濾波器，用于對(duì)所反射的第一和第二部分進(jìn)行濾波，以選擇目標(biāo)區(qū)域的光譜響應(yīng)的一部分來進(jìn)行測(cè)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，光纖探測(cè)模塊還包括
多個(gè)光源，將以不同波長(zhǎng)為中心的不同波段的光作為探測(cè)光發(fā)射到探測(cè)光纖中，其中，光學(xué)探頭以第一傳播模式將探測(cè)光的第一部分反射回探測(cè)光纖中，并且將探測(cè)光的第二部分定向到目標(biāo)區(qū)域，以及探頭收集來自目標(biāo)區(qū)域的第二部分的反射，并且向探測(cè)光纖輸出所述反射作為處于與第一傳播模式不同的第二傳播模式的所反射的第二部分；
光學(xué)差分延遲單元，用于響應(yīng)于控制信號(hào)，產(chǎn)生和控制從單波導(dǎo)接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之間的相對(duì)延遲；
檢測(cè)模塊，用于接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且用于提取由所反射的第二部分?jǐn)y帶的目標(biāo)區(qū)域的信息；以及
探測(cè)控制單元，向光學(xué)差分延遲單元產(chǎn)生控制信號(hào)，用于以兩個(gè)不同偏置值設(shè)置相對(duì)延遲，以選擇目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部的材料層，以測(cè)量來自不同光源的每一個(gè)波長(zhǎng)處的選定層的光吸收。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，光纖探測(cè)模塊還包括
多個(gè)可調(diào)激光源，將以不同波長(zhǎng)為中心的不同波段內(nèi)的光作為探測(cè)光發(fā)射到探測(cè)光纖中，其中所述探測(cè)光纖配置用于接收和引導(dǎo)處于第一傳播模式的不同波段的探測(cè)光；
其中，光學(xué)探頭用于以第一傳播模式將探測(cè)光的第一部分反射回探測(cè)光纖中，并且將光的第二部分定向到目標(biāo)區(qū)域，以及探頭收集來自目標(biāo)區(qū)域的第二部分的反射，并且向探測(cè)光纖輸出所述反射作為處于與第一傳播模式不同的第二傳播模式的所反射的第二部分；
檢測(cè)模塊，用于在波導(dǎo)中接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且用于提取由所反射的第二部分?jǐn)y帶的目標(biāo)區(qū)域的信息；以及
探測(cè)控制單元，用于對(duì)相應(yīng)激光發(fā)射波段中的每一個(gè)可調(diào)激光器進(jìn)行調(diào)諧，以獲得每一個(gè)相應(yīng)波段之內(nèi)的不同波長(zhǎng)處目標(biāo)區(qū)域的吸收測(cè)量值。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括
管狀單元，用于保持探測(cè)光纖、探頭和功率傳遞光纖作為插入到氣管鏡的工作通道中的單獨(dú)組件。
21.一種用于肺癌治療的醫(yī)療設(shè)備，包括
計(jì)算斷層(CT)掃描單元，用于檢測(cè)和定位肺的肺部節(jié)結(jié)位置；
光學(xué)剖面成像單元，用于光學(xué)地測(cè)量和分析每一個(gè)肺部節(jié)結(jié)位置，以在良性和惡性肺部節(jié)結(jié)位置之間進(jìn)行區(qū)分；以及
放射治療單元，用于光學(xué)治療惡性的選定肺部節(jié)結(jié)位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，放射治療單元包括微波切除治療單元，用于治療選定的肺部節(jié)結(jié)位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，還包括內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡包括工作管道，其中，光學(xué)截面成像單元包括探測(cè)光纖，用于向每一個(gè)肺部節(jié)結(jié)位置傳遞探測(cè)光以光學(xué)地測(cè)量每一個(gè)位置，以及工作通道內(nèi)部的一部分探測(cè)光纖，以傳遞探測(cè)光。
24.一種集成診斷和治療系統(tǒng)，包括
CT掃描單元，用于定位身體部分中的病區(qū)；
基準(zhǔn)剖面成像單元，用于分析每一個(gè)病區(qū)；以及
激光放射治療單元，用于治療選定的病區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，每一個(gè)病區(qū)均受到前列腺癌的感染。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，每一個(gè)病區(qū)均是肺的一部分，并且受到肺癌的感染。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，每一個(gè)病區(qū)均受到與前列腺癌和肺癌不同的癌癥的感染。
28.一種用于診斷和治療患者的惡性疾病的方法，包括
在患者的選定身體部分中執(zhí)行計(jì)算斷層(CT)掃描，以標(biāo)識(shí)選定身體部分中潛在惡性位置；
使用光探測(cè)束以光學(xué)地探測(cè)所標(biāo)識(shí)的位置，以進(jìn)一步地將惡性位置與良性位置相標(biāo)識(shí)；以及
向每一個(gè)所標(biāo)識(shí)的惡性位置傳遞輻射能量，以治療惡性疾病。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，輻射能量從微波或RF源獲得。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，輻射源從激光獲得。
全文摘要
本申請(qǐng)描述了一種用于光學(xué)的測(cè)量樣品的設(shè)計(jì)、實(shí)施方式和技術(shù)，以及一種通過電磁輻射處理(例如激光、RF或微波)提供CT-掃描、光學(xué)探測(cè)和治療的集成系統(tǒng)?？梢詫⒉煌ㄩL(zhǎng)的光用于檢測(cè)樣品中的不同吸收特征。可以使用包括可調(diào)激光器的多路光源。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101389264SQ200580043930
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者彼得·E·諾瑞斯, 王飛凌, 李小莉 申請(qǐng)人:突慧公司