專利名稱：用于使用結(jié)構(gòu)化照明經(jīng)由單元件檢測來分析渾濁介質(zhì)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的實施例總體上涉及渾濁介質(zhì)的光學(xué)測量且特別地涉及使用一個或多個結(jié)構(gòu)化照明經(jīng)由單元件檢測器進行的組織吸收和散射參數(shù)的光學(xué)測量。
背景技術(shù)：
在使用近紅外光譜學(xué)(NIRS)作為用于組織光學(xué)性質(zhì)的實時體內(nèi)測量的手段方面已存在大量的研究，所述組織光學(xué)性質(zhì)包含關(guān)于組織結(jié)構(gòu)和功能的信息。特別地，在600 1000 nm光譜區(qū)域中，組織是散射為主的，并且組織中的最強分子吸收體是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白、水和脂類。高度漫射的光子探測大的樣本體積，提供在高達幾厘米的深度處的宏觀平均吸收和散射性質(zhì)。 被從組織反射或透射的光的量是由于吸收、散射和(通常非常弱的)熒光的復(fù)雜組合而引起的。為了測量給定樣本的這些光學(xué)性質(zhì)中的任何一個，一個人必須首先將吸收效應(yīng)從散射效應(yīng)分離/隔離。此能力的擁有對于大范圍的醫(yī)學(xué)(診斷、治療監(jiān)視、美容)和非醫(yī)學(xué)應(yīng)用(材料檢驗、可視化、真實感繪制、農(nóng)業(yè)檢驗、化學(xué)漿料和粉末分析)而言是能夠?qū)崿F(xiàn)的。NIR技術(shù)(雖然實際上不限于NIR光譜范圍)將實驗測量與基于模型的數(shù)據(jù)分析組合以定量地測量組織的體吸收(μ a)和散射(μ ；)性質(zhì)。一旦在多種波長下已知μ 3和μ s’，則能夠確定各種分子吸收體的濃度。在過去十年內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了多個技術(shù)以測量體內(nèi)組織性質(zhì)，并且它們能夠被廣泛地分成兩類(1)光子遷移技術(shù)和(2)光學(xué)活檢技術(shù)。這些類型的大多數(shù)儀器依賴于光纖接觸探針測量，使得源檢測幾何結(jié)構(gòu)被很好地定義。該幾何結(jié)構(gòu)允許組織的吸收和散射性質(zhì)的定量測量，但是其局限于單個、小的區(qū)域。光子遷移儀器通常使用幾厘米的源-檢測器間隔，導(dǎo)致約一厘米的空間分辨率，使得能夠針對諸如胸部、腦和肌肉的厚組織來確定μ a和μ；。光學(xué)活檢技術(shù)通常使用約100微米的源-檢測器距離，因此它們侵入(interrogate)通常約一毫米的較小的空間規(guī)模。對于許多醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用而言，需要將光子遷移和光學(xué)活檢提供的某些生理信息組合、但具有寬場、無接觸成像能力的技術(shù)。在此角色上，已經(jīng)使用了使用具有可調(diào)諧光譜光源(或光譜檢測濾波器)的照相機的多光譜成像系統(tǒng)。然而，存在關(guān)于照相機系統(tǒng)不能區(qū)別被組織吸收的光和被散射的光的基本問題。使用全場照明(即閃光攝影術(shù))的成像系統(tǒng)不能區(qū)別兩個效果，并且進行假設(shè)以便提供“定量”生化分析。在實踐中，此缺陷導(dǎo)致描繪圖像內(nèi)的相對濃度變化的定性分析。在 Cuccia 的 Modulated Imaging A Spatial Frequency Domain imagingMethod for Wide - field Spectroscopy and Tomography of Turbid Media, Ph. D.Dissertation， University of California， Irvine, Dept, of Biomedical Engineering(“Cuccia，Modulated Imaging，，)；以及 Cuccia 等人的 Quantitation and mapping oftissue optical properties modulated imaging, J Biomed Opt 14 (2),024012 (2009)(“Cuccia, Quantitation and mapping”)中提供了這些技術(shù)的更詳細討論。由于在先技術(shù)的缺陷，開發(fā)了稱為“調(diào)制成像”(MI)的技術(shù)和技術(shù)平臺。此類成像的關(guān)鍵方面是吸收和散射部件被分離并用來評估組織結(jié)構(gòu)和計算定量生化映射圖(map)。MI方法使用結(jié)構(gòu)化光投射和基于照相機的檢測以便獲得以下各項的定量測量
I.次表面組織光學(xué)性質(zhì)，包括
a.由于以下各項而引起的組織吸收
i.內(nèi)生性發(fā)色團，諸如氧合和脫氧血紅蛋白、水、脂類、黑色素、膽紅素、葉啉等，以及 .外生性染料，諸如靛氰綠、次甲基藍、合成制劑等
b.由于從上面的分子吸收之后的光的后續(xù)再發(fā)射而引起的組織熒光/磷光 c.由于以下各項而引起的組織散射，(微觀折射)包括散射量值和方向兩者
1.細胞結(jié)構(gòu)，諸如細胞核、線粒體、細胞膜，
ii.細胞外結(jié)構(gòu),諸如膠原質(zhì)
iii.外源制劑
2.表面輪廓信息(輪廓測定法)
先前在被通過引用結(jié)合在本文中的Cuccia的Quantitation and mapping和美國專利6，958，815中報道了包括空間頻域成像(SFDI)測量、校準和分析的MI方法的詳細描述。從設(shè)備角度出發(fā)，MI/SFDI的創(chuàng)新方面是照相機與允許一個人重構(gòu)組織光學(xué)性質(zhì)的2D或3D方式的定量映射圖的結(jié)構(gòu)化光投射系統(tǒng)的其組合。一般地也稱為空間結(jié)構(gòu)化照明的結(jié)構(gòu)化光照明除了別的以外還包括諸如正弦照明和周期性照明的照明。一般地，結(jié)構(gòu)化照明圖案(pattern)向組織中提供多個“視野”并顯示出否則將被模糊或被混合在一起的各種結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)之間的對比。該系統(tǒng)通常是無接觸的，允許在包括其中能夠在沒有污染的情況下侵入感興趣的組織的手術(shù)引導(dǎo)的應(yīng)用中的容易的使用。從方法角度出發(fā)，能夠以多種方式來分析照相機圖像以提取此定量信息。最常見的實施例是“空間頻域”分析，涉及I)處理圖像的單傅立葉變換，或者2)通過在多個結(jié)構(gòu)化照明條件下一通常是處于各種空間相位的空間正弦波，直接操縱一系列圖像。使用以上方法2)的方法的強烈好處是它們使得其本身更容易朝向恢復(fù)已恢復(fù)性質(zhì)的高分辨率映射圖(2D或3D方式)，因此允許在空間上分辨結(jié)構(gòu)和/或確定各種結(jié)構(gòu)/層等的深度。MI的另一創(chuàng)新方面是同時輪廓測量連同組織光學(xué)性質(zhì)確定一起的組合。輪廓測定法在諸如機器視覺和美容皮膚學(xué)的領(lǐng)域中是普遍的。如上所述，MI具有在空間上分辨光學(xué)吸收和散射參數(shù)的獨特能力，允許通過使用空間調(diào)制照明進行的組織光學(xué)性質(zhì)的寬場定量映射。圖I示出實驗室級系統(tǒng)10的配置。來自鹵素燈11的光被聚光器12擴大到空間光調(diào)制器(SLM)15上。當前系統(tǒng)使用來自德克薩斯儀器公司的數(shù)字微鏡器件(DMD)，其是能夠產(chǎn)生并投射任意灰階圖案的1024X768反射鏡陣列。此類圖案被指引通過投影儀透鏡16并被從反射鏡17反射至組織T的表面，并且然后由數(shù)字CCD照相機19來記錄漫反射光。在實驗室儀器中，使用濾光片轉(zhuǎn)盤13來查驗離散數(shù)目的波長。作為濾光片轉(zhuǎn)盤的替代，可以使用可調(diào)諧濾光器或可調(diào)諧光譜源來查驗離散數(shù)目的波長?？梢詫⒄痪€性起偏器14和18引入到源和檢測光程中以去除鏡面反射。SLM 15、照相機19和光譜設(shè)備與照相機和/或觸發(fā)板同步，使得能夠在各種空間頻率下快速地獲取一系列圖案。可以使用渾濁反射率標準(諸如基于Ti02的硅樹脂體模(phantom))來校準源強度并修正照明和成像系統(tǒng)兩者中的空間不均勻性。在大的樣本區(qū)域內(nèi)(許多平方厘米)投射各種空間頻率下的周期性照明圖案。通常，使用正弦波照明圖案。由照相機捕捉的反射圖像由于樣本的光學(xué)性質(zhì)特性而不同于照明圖案。這些空間調(diào)制波的解調(diào)表征樣本調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，其體現(xiàn)組織的光學(xué)性質(zhì)信肩、ο例如，能夠用以下形式的空間圖案來對組織進行照明
S - ^ fl+Mwcos(2mfx+a)]⑴
2
其中，Mc^fx和a分別是照明源強度、調(diào)制深度、空間頻率和空間相位。漫反射強度I是照明信號的空間變化(AC)和空間恒定(DC)分量的和。這些AC和DC空間分量不 涉及術(shù)語AC和DC的其它使用，諸如電信號的AC和DC分量或AC和DC時間分量，例如在Sevick-Muraca的美國專利5，865，754中描述的那些。針對表征這些AC和DC空間分量的基礎(chǔ)物理學(xué)、檢測方案、分析方法和數(shù)學(xué)模型全部不同于這些術(shù)語的其它使用。圖2所示的頂行的圖像示出針對四個空間頻率下的照明圖案獲得的圖像(僅示出每個頻率的I個相位)?？梢詫⒎瓷鋸姸鹊腁C分量IA。建模為
I At: M μΛ sA\ Va _ 2!f.V.i￡ I
在這里，Mac(X，fx)表示頻率仁下的反射光子密度“駐波”的振幅。請注意，Mac可以是位置X的函數(shù)。為了獲得MaJx，fx)，采用簡單時域振幅解調(diào)方法，在相同的空間頻率下對正弦波圖案進行照明三次，具有相位偏移α =0,2/3 π和4/3π弧度。然后可以通過下式在每個空間位置Xi處用代數(shù)方式來計算MaJx，fx)
MAC(xsi；H(i,-I2)2+{l2-i3>Kt3~li)Il/!(3)
空間變化的DC振幅Mlie(X)可以使用下式來計算
M,x；(x,f；)=|；If+]2+r3l/3(4)
其中，I1, I2和I3表示具有移位空間相位的每個位置處的Iac圖像值。最后，已知光學(xué)性質(zhì)的參考渾濁體模的測量允許用于源強度Stl的基于模型的校準，并且因此允許Ma。和Md。的轉(zhuǎn)換以分別對漫反射率Ra。和Rd。進行校準。一旦確定了反射率的AC和DC分量，則使用“White蒙特卡羅(White Monte Carlo)” (WMC)方法來提供在寬反射率范圍內(nèi)預(yù)測光傳輸?shù)臏蚀_且快速的模型。在每個波長下，將與空間一頻率相關(guān)的漫反射率擬合到用于圖像中的每個像素的WMC正向預(yù)測并獲得μ a和μ s’光學(xué)性質(zhì)，如在圖2的底部處所示。這可以使用最小3相、單頻圖像組(通過對圖像進行解調(diào)和求平均以分別獲得AC和DC振幅映射圖)用快速雙頻率查找表來執(zhí)行?？梢葬槍φ障鄼CFPGA硬件上的實時處理和/或?qū)嵤┓绞饺菀椎貙崿F(xiàn)此簡單算法。替換地，可以借助其它預(yù)測性、統(tǒng)計或啟發(fā)模型來執(zhí)行此分析。通過映射多個波長下的吸收系數(shù)，能夠可選地執(zhí)行組織的定量光譜術(shù)。結(jié)果是在每個空間位置處具有吸收光譜的3D數(shù)據(jù)立方體。組織發(fā)色團(例如氧合和脫氧血紅蛋白、脂類、水等)的消光系數(shù)的知識允許將這些光譜擬合到線性比爾-朗伯(Beer-Lambert)吸收模型并確定每個發(fā)色團的定量濃度。還可以對任何上述點檢測、測量和分析進行空間復(fù)用以產(chǎn)生渾濁介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)和/或結(jié)構(gòu)的1D、2D或3D空間表示。從硬件觀點出發(fā)，這將包括前述檢測器設(shè)置的多個拷貝或光學(xué)中繼器或掃描系統(tǒng)以中繼來自樣本上的各種位置處的檢測器信息。如上所述，一般認為的MI的創(chuàng)新方面是照相機(2D光傳感器)和結(jié)構(gòu)化照明系統(tǒng)(2D投影儀)的組合以使得能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)的測量和2D/3D映射。雖然能夠用消費者級電子裝置對此系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)化，然而其由于2D傳感器的存在而要求一定水平的成本和復(fù)雜性。例如，當針對光譜學(xué)擴展該方法時(多個波長的測量)，其增加顯著的系統(tǒng)復(fù)雜性和/或測量時間約束，需要單波長測量或笨重且昂貴的多光譜成像系統(tǒng)。另外，雖然與使用光的時間調(diào)制的測量方法的組合/集成在理論上也是可能的(除光的空間結(jié)構(gòu)化或空間調(diào)制之外)，但這從來不是可行的或期望的，因為其要求用于照相機的昂貴、笨重且低保真度的時間選通系統(tǒng)。
因此，期望的是提供不那么昂貴和復(fù)雜的系統(tǒng)以分析渾濁介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。本申請要求2009年11月19日提交的臨時申請序號No. 61/262807的權(quán)益，其被通過引用全部結(jié)合到本文中。


通過研究附圖，可以部分地收集包括結(jié)構(gòu)和操作的示例性實施例的細節(jié)，在附圖中，類似的附圖標記指的是類似的部分。圖中的部件不一定按比例，而是著重于舉例說明本發(fā)明的原理。此外，所有圖示意圖傳達概念，其中，可以示意性地而不是真實地或精確地舉例說明相對尺寸、形狀及其它詳細屬性。圖I是常規(guī)已調(diào)制成像系統(tǒng)的示意圖。圖2是已調(diào)制成像技術(shù)的數(shù)據(jù)分析流程的流程圖。圖3 Ca)是單元件檢測器和空間方面的強度調(diào)制源的示意圖。圖3 (b)是單元件檢測器和波長方面的強度調(diào)制源的示意圖。圖3 (c)是一個空間結(jié)構(gòu)化條件下的兩個位置處的單元件檢測的示意圖。圖3 (d)是單個光譜結(jié)構(gòu)化照明條件下的兩個光譜多樣化單元件檢測器下的單元件檢測的示意圖。圖4 (a) 4 (d)是利用兩個照明和一個檢測器的單元件檢測方法的照明和反射率圖。圖5 (a) 5 (b)是利用一個照明和兩個檢測器的單元件檢測方法的照明和反射率圖。圖6 (a) 6 (b)是作為AC和DC反射率分量的函數(shù)的體吸收(μ a)和散射(μ ；)的圖。圖7 (a) 7 (b)是利用一個照明和兩個檢測器的單元件檢測方法的照明和反射率圖。圖8 (a) 8 (d)是利用兩個照明和一個檢測器的單元件檢測方法的照明和反射率圖。圖9是具有單元件檢測器的結(jié)構(gòu)化照明系統(tǒng)的示意圖。圖10 (a) 10 (d)是示出(a)從包含苯胺黑、英托利匹特(intralipid)和水的組織模擬液體模收集的原始解調(diào)光譜的示例，ΜλΗ ;(b)由參考體模測量結(jié)果校準的反射率；(c)在本示例中在680 nm下示出的漫射“MTF”，以及(d)所得到的吸收和減小的散射光譜。圖11 (a) 11 Cd)是示出高和低反照率體模的光學(xué)性質(zhì)的圖，其包括(a)測量和預(yù)期的吸收光譜，(b)預(yù)期與測量吸收值之間的準確度，(c)測量和預(yù)期的減小的散射光譜，以及(d)預(yù)期和測量的減小的散射之間的準確度。圖12是示出來自手掌前臂的測量吸收光譜的圖和顯示用于此特定測量的相應(yīng)減 小的散射光譜的子圖。應(yīng)注意的是遍及各圖，出于說明性目的一般地用類似的參考數(shù)字來表示類似結(jié)構(gòu)或功能的元件。還應(yīng)注意的是各圖僅意圖便于優(yōu)選實施例的描述。
具體實施例方式在本文中提供的各種實施例和示例一般地針對用于在兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件或照明下在渾濁介質(zhì)(諸如組織)的表面上的單個空間位置或限定的收集區(qū)域處借助單元件檢測器通過檢測來獲得組織或渾濁介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的定性和定量分析的方法和設(shè)備。所述單個空間位置或限定的收集區(qū)域是局部化斑點或區(qū)域，并且優(yōu)選地尺寸或維度被確定為在照明功能件的特征的數(shù)量級。在單元件檢測器上所檢測的信號包括來自單個空間位置或限定的收集區(qū)域內(nèi)的所有點的信號的組合，其中，所述單個空間位置或限定的收集區(qū)域包括一個或多個點。替換地，在單個結(jié)構(gòu)化光條件或照明下在組織或其它渾濁介質(zhì)的表面上的兩個或更多空間位置或限定的收集區(qū)域處借助單元件檢測器來實現(xiàn)檢測。作為集中于經(jīng)受兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件或照明的單個空間位置或限定的收集區(qū)域的替代，兩個或更多單元件檢測器集中于兩個或更多空間多樣化的位置或限定的收集區(qū)域，允許在不修改結(jié)構(gòu)化光或照明的源的情況下的不同結(jié)構(gòu)化光條件或照明的檢測。在上述單元件檢測方法中，能夠a)用與組織或其它渾濁介質(zhì)的表面接觸的單元件檢測器/傳感器來實現(xiàn)，或者b)另外經(jīng)由光纖或透鏡中繼系統(tǒng)輸送到單元件檢測器?？梢砸越佑|形式(例如，通過LCD、LED陣列或已濾波的背光)或無接觸形式(例如，通過幻燈放映機、DMD/DLP、LCOS或相干干涉)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化照明。在優(yōu)選實施例中，結(jié)構(gòu)化照明被空間結(jié)構(gòu)化，但替換地可以將其光譜結(jié)構(gòu)化(改變與波長相關(guān)的源強度)以顯示出光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。在圖3A 3D中給出了這些操作模式的圖。轉(zhuǎn)到圖3A，針對使用多個空間結(jié)構(gòu)化照明的單元件檢測來描述方法和設(shè)備100。在步驟(101)處，由空間光調(diào)制器(SLM) 110來產(chǎn)生多個結(jié)構(gòu)化光圖案。接下來，在步驟
(103)處，通過投影透鏡、廣義中繼器或接觸式照明系統(tǒng)112將空間結(jié)構(gòu)化光條件投射到包括組織或其它渾濁介質(zhì)的目標介質(zhì)T的表面上以用多個空間結(jié)構(gòu)化光條件對目標介質(zhì)T進行照明。在步驟(105)處，通過檢測器透鏡、廣義中繼器或接觸式檢測系統(tǒng)114將從目標介質(zhì)T的表面上的單個空間位置再發(fā)射、即漫反射或透射的光耦合到單元件檢測器116。
作為使用多個空間結(jié)構(gòu)化光圖案的替代，圖3C描繪了用于使用單個空間結(jié)構(gòu)化照明和一個或多個單元件檢測器的單元件檢測的方法和設(shè)備100’。在步驟(101’ )處，由空間光調(diào)制器(SLM) 110來產(chǎn)生單個結(jié)構(gòu)化光圖案。接下來，在步驟(103’)處，通過投影透鏡、廣義中繼器或接觸式照明系統(tǒng)112將空間結(jié)構(gòu)化光條件投射到目標介質(zhì)T的表面上以用單個空間結(jié)構(gòu)化光條件對目標介質(zhì)T進行照明。在步驟(107)處，通過檢測器透鏡、廣義中繼器或接觸式檢測系統(tǒng)114將從目標介質(zhì)T的表面上的兩個或更多空間多樣化位置再發(fā)射的光耦合到兩個或更多空間多樣化單元件檢測器115和116，或耦合到可移動或能夠采取兩個或更多配置或空間多樣化位置以檢測從目標介質(zhì)T的表面上的兩個或更多空間多樣化位置再發(fā)射的光的一個單元件檢測器116。替換地，圖3B描繪了用于使用多個光譜結(jié)構(gòu)化照明的單元件檢測的方法和設(shè)備102。在步驟(104)處，通過照明透鏡、廣義中繼器或接觸式照明系統(tǒng)112將由可變多光譜光源111產(chǎn)生的多個光譜結(jié)構(gòu)化光條件投射到目標介質(zhì)T的表面上以用多個光譜結(jié)構(gòu)化光條件對目標介質(zhì)T進行照明。在步驟(105)處，通過檢測器透鏡、廣義中繼器或接觸式檢測系統(tǒng)114將從目標介質(zhì)T的表面再發(fā)射的光耦合到單元件檢測器116。
作為使用多個光譜結(jié)構(gòu)化光圖案的替代，圖3D描繪了用于使用單個光譜結(jié)構(gòu)化照明和兩個或更多單元件檢測器的單元件檢測的方法和設(shè)備102’。在步驟(104’ )處，通過照明透鏡、廣義中繼器或接觸式照明系統(tǒng)112將由可變多光譜光源111產(chǎn)生的單個光譜結(jié)構(gòu)化光條件投射到目標介質(zhì)T的表面上以用單個光譜結(jié)構(gòu)化光條件對目標介質(zhì)T進行照明。在步驟(108)處，通過檢測器透鏡、廣義中繼器或接觸式檢測系統(tǒng)114和射束分離器、光譜儀或其它光譜選擇設(shè)備117將從目標介質(zhì)T再發(fā)射的兩個或更多光譜多樣化光信號耦合到兩個或更多光譜多樣化單元件檢測器118和119。轉(zhuǎn)到圖4 (a) 4 (d)，使用一個檢測器和兩個結(jié)構(gòu)化照明來描繪單元件檢測方法。如在圖4 (a)中描繪的，第一照明IAe+D。包括具有恒定偏移ID。的正弦波形IA。。圖4 (b)所示的第二照明Idc包括具有相當于第一照明Iamic的恒定偏移Idc的空間恒定強度的照明。對應(yīng)于第一照明Iamic并由單元件檢測器在被照明組織或其它渾濁介質(zhì)的表面上的點xg處檢測的再發(fā)射光的量值在圖4 (c)中被描繪成RAM)。。對應(yīng)于第二照明ID。并由單元件檢測器在被照明組織或其它渾濁介質(zhì)的表面上的點χ 處檢測的再發(fā)射光的量值在圖4(d)中被描繪成Rrc。雖然被示為點，即，但從其收集信號的單個空間區(qū)域?qū)嶋H上不能是極小的點位置，而是局部化斑點或區(qū)域?？筛鶕?jù)下式來確定僅從第一結(jié)構(gòu)化照明的AC分量得到的由單元件檢測器檢測的反射光的量值Ra。= Rac+Dc - rd。。替換地，圖5 (a) 5 (b)描繪使用兩個空間多樣化檢測器和一個結(jié)構(gòu)化照明的單元件檢測方法。如在圖5 (a)中描繪的，結(jié)構(gòu)化照明IAM)。包括正弦波形Ia。，具有恒定偏移ID。?？筛鶕?jù)下式來確定如在圖5 (b)中描繪的與由第一和第二單元件檢測器在被照明組織或其它渾濁介質(zhì)的表面上的第一位置Xg和第二位置X(2)處檢測的結(jié)構(gòu)化照明的AC和DC分量相對應(yīng)的再發(fā)射光的量值Rdc = (Rx⑴+ Rx⑵)/2; Rac = (Rxu)-Rx⑵)/2。可根據(jù)下式來確定與由第一和第二單元件檢測器在被照明組織或其它渾濁介質(zhì)的表面上的第三位置x(3)和第四位置x(4)處檢測的結(jié)構(gòu)化照明的AC和DC分量相對應(yīng)的再發(fā)射光的量
值:Rdc _ Rx (4) ; Rac _ Rx ⑶ ~~ Rx ⑷。如圖6 (a)和6 (b)所示，可以使用Rdc和Rac的值來確定組織或其它渾濁介質(zhì)的體吸收(ya)和散射(ys’)性質(zhì)。例如，如圖6 (b)中所描繪的，可以使用實驗或模型生成的查找表來確定組織或其它渾濁介質(zhì)的體吸收(μ a)和散射(μ ；)性質(zhì)。在單元件檢測方法的某些實施例中，可能有利的是允許由單元件檢測器收集的光大于單個“點”位置或局部化區(qū)域，使得作為從單個“點”位置收集光的替代，同時地從許多點收集光，其中，在單元件檢測器上檢測的信號將是來自包括在去局部化限定的收集區(qū)域中的所有點的信號的組合。所述限定的收集區(qū)域可以在照明功能件的特征的數(shù)量級或大于照明功能件的特征?？梢院唵蔚赝ㄟ^檢測透鏡的散焦或允許檢測器孔徑從樣本表面的更大區(qū)域收集光來實現(xiàn)從限定的收集區(qū)域收集的光的測量或檢測。以與前述相同的方式，源-檢測器配置的空間內(nèi)含物設(shè)計為將組織或其它渾濁介質(zhì)內(nèi)的期望信息內(nèi)容隔離。來自這種方法的數(shù)據(jù)將被以與前述源-檢測器配置類似的方式處理，包括后處理、濾波、校準、基于模型或基于查找表的計算。最后，可以將空間方面的去局部化的此概念容易地應(yīng)用于波長譜中的局部化，如其應(yīng)用于前述光譜調(diào)制方案那樣。轉(zhuǎn)到圖7 (a)和(b)，示出了利用去局部化限定的收集區(qū)域的單元件檢測方法。用具有恒定偏移Iirc的采取X形式(諸如正弦波)的單周期函數(shù)^進行照明。例如，該照明可 以采取Ittrtal = cos (k*x) + Idc的形式,其中，X是橫向空間維度且k是空間頻率。由單元件檢測器Dl和D2用兩個不同的區(qū)域收集方案來測量反射率或透射率。例如，可以將檢測器Dl設(shè)計為在照明函數(shù)空間周期的半整數(shù)倍(O. 5,1. 5,2. 5等)內(nèi)收集信息并產(chǎn)生量值測量結(jié)果W?？梢詫z測器D2設(shè)計為在周期性照明的整數(shù)倍(1、2、3等)周期內(nèi)收集信息，產(chǎn)生量值測量結(jié)果M2。由于測量M2是在照明周期的整數(shù)倍內(nèi)執(zhí)行的，所以AC分量將抵消，給出Rdc = M2。然而，除DC信息之外，M1還包括AC對比，并且其可以用來計算AC反射率分量。如果整數(shù)倍數(shù)對于兩個條件而言是相同的，則M1和M2將相差僅半周期且Ra。= IM2-M1U在替換方案中，如圖8 (a) 8 (d)所示，用具有恒定偏移的采取x形式(諸如正弦波)的周期函數(shù)I&對組織或其它渾濁介質(zhì)進行照明。例如，具有恒定偏移的周期函數(shù)照明將采取Ittrtal = cos (k*x) + Idc的形式，其中，X是橫向空間維度且k是空間頻率。還用具有空間恒定強度Idc的照明對組織或其它渾濁介質(zhì)進行照明。由單元件檢測器Dl用相同的區(qū)域收集方案來測量反射率或透射率。例如，可以將檢測器Dl設(shè)計成在照明函數(shù)空間周期的半整數(shù)倍(O. 5,1. 5,2. 5等)內(nèi)收集信息，并產(chǎn)生用于與具有恒定偏移的周期函數(shù)
=COS (k*x) + ID。照明相對應(yīng)的反射率或透射率的量值測量結(jié)果Mi。針對與具有空間恒定強度IDC的照明相對應(yīng)的反射率或透射率，檢測器Dl產(chǎn)生量值測量結(jié)果M2。由于測量M2是由于空間恒定照明而對再發(fā)射執(zhí)行的，所以不存在AC分量，并且因此給出Rdc = M20 M1除DC信息之外還包含AC對比，并且可以用來收集AC反射率分量，其中，Rac = M2 - M1U在更復(fù)雜的情形中，檢測來自任意復(fù)雜區(qū)域的光的功能被設(shè)計成顯示出期望樣本性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，諸如將再發(fā)射的光單獨地從周期性照明函數(shù)的波峰和波谷隔離，產(chǎn)生測量結(jié)果M1和M2。在這種情況下，Rdc = M1 + M2以及Rac = M2-M11。在另一示例中，用貝塞爾函數(shù)加某個恒定偏移ID。進行照明，其中，總照明是Itotal=J0(k*x) + ID。，其中，上是零階的貝塞爾函數(shù)，X是空間(橫向)位置且k是橫向空間頻率，并檢測(用單元件檢測器)從位置X = O至Xmax再發(fā)射或透射的總體光。此量值測量結(jié)果被稱為M1。單獨地，一個人可以僅用空間恒定強度Idc進行照明，因此，用相同的檢測器配置檢測不同的量值M2。這些量值M1和M2單獨地將足以用于計算光學(xué)性質(zhì)和/或?qū)Y(jié)構(gòu)進行定位(以與前述源-檢測器取向類似的方式)，即使它們未將照明射束的單個空間特征(正弦波的波峰或峰值)隔離。例如，如果M1和仏是由第一和第二照明條件進行的測量的量值，并且最大檢測半徑Xmax被設(shè)置為照明貝塞爾函數(shù)的“零”，然后分別用于反射率的DC和AC分量的量值估計Rdc和Rac將是Rdc = M2和Rac = M1 - M2。先前已示出了最小測量結(jié)果Rdc和Rac如何足以用于計算光學(xué)性質(zhì)，諸如分別為43和ys’的吸收和減小的散射系數(shù)。本文所述的單元件檢測方法的優(yōu)點主要在于設(shè)備的單元件檢測器方面?？梢钥蛇x地如上文相對于MI方法所述的來實施儀器測量、校準和分析方法，并且在Cuccia的Modulated Imaging, Cuccia 的 Quantitation and mapping 以及美國專利 6, 958, 815 中進行了進一步詳細敘述，其被通過引用結(jié)合到本文中，不同的是I)檢測器是(a)單元件傳感器或其它光學(xué)檢測器，或(b)用于光學(xué)中繼設(shè)備的入射光瞳(例如，諸如光纖的面)，或者(C)其它點或局部化區(qū)域檢測系統(tǒng)，以及2)不存在到已檢測信號的空間對應(yīng)關(guān)系(例如‘X’參數(shù))，因為每個再發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖案僅檢測一個“信號”。結(jié)果，能夠從單個空間位置處的測量檢測在χ-y平面中延伸的來自空間結(jié)構(gòu)化光波的非局部信息。此能力來源于這樣的現(xiàn)象，即單個空間位置處的反射光波的形狀和量值是通常比單個空間點檢測大的體積內(nèi)的與光 學(xué)性質(zhì)相關(guān)的多次散射的累積結(jié)果。因此，內(nèi)部散射趨向于在結(jié)構(gòu)光波上引起非局部或“全局”效果，通常導(dǎo)致被反射的結(jié)構(gòu)化光圖案中的模糊或?qū)Ρ榷葥p失。此模糊的橫向空間規(guī)模取決于介質(zhì)中的吸收和散射的長度規(guī)模，其可以比由單元件檢測器在單個空間位置處采樣的斑點大得多。在這種方法中，兩個或更多結(jié)構(gòu)化光投射給出復(fù)合波的多重“視野”，允許由單個局部測量來檢測波的非局部性質(zhì)。以前，使用覆蓋廣視野的2D照相機來測量此性質(zhì)以便在x-y平面中捕捉與空間相關(guān)的信息。作為此檢測現(xiàn)象的示例，考慮以I + cos(fx*x)形式來檢測由于被正弦照明的渾濁介質(zhì)而引起的再發(fā)射波峰或波谷。由于濁度，在特定波峰或波谷處測量的強度是內(nèi)部性質(zhì)的累積結(jié)果，其遠離檢測點橫向地延伸超過多個空間周期。此感測的“非局部性”將取決于空間周期(l/fx)與介質(zhì)內(nèi)的光交互的規(guī)模(1/^3和I/μ ；)的關(guān)系。換言之，由于濁度，光學(xué)性質(zhì)的局部化變化或擾動(諸如由于腫瘤或血管而引起的增加的吸收)將促使再發(fā)射的結(jié)構(gòu)光圖案被非局部地修改。在以上正弦示例中，多個峰值和波峰將由于在程度方面比光的空間周期小得多的擾動而被修改。單點或單個空間位置數(shù)據(jù)的分析和/或重構(gòu)將包括以下步驟中的一個或多個
1)測量的數(shù)據(jù)的信號調(diào)節(jié)，諸如信號平均、濾波、標準化或本底扣除，以減少非期望偽像的影響，諸如噪聲或本底信號；
2)空間變化(AC)信號的振幅或相位分量的隔離，諸如
a)將由于照明的單個空間頻率而引起的測量結(jié)構(gòu)光信號解調(diào)以將空間變化的分量的振幅和/或相位隔離到反射或透射波，或者
b)執(zhí)行上述操作，其中，空間變化信號替代地由多個空間頻率構(gòu)成(頻率的疊加)。通常，通過將從相同結(jié)構(gòu)化光波的多相位投射產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組合來完成此解調(diào)。在被通過引用結(jié)合的 Cuccia 的 Quantitation and Mapping 和 Bassi 等人的 Spatial shift ofspatially modulated light projected on turbid media,J. Opt. Soc. Am. A. 25(11)2833 (2008) (“Bassi, Spatial Shift”)中討論的用以計算薄的振幅或相位的簡單方法。一個方式是將數(shù)據(jù)組合以獲得如下振幅數(shù)據(jù)
AC 振幅=V ([A-B]2 + [B-Cf - [C-AJ2),其中，A、B和C分別是在具有0、120和240度的相位的空間正弦波的照明下收集的數(shù)據(jù)點；
3)空間恒定(DC)信號的振幅分量的隔離，諸如恒定(平面)照明條件下的單次測量或計算多相位投射的平均值或均值。參見Bassi的Spatial Shift ；Cuccia的Quantitationand Mapping ；
4)相對于對具有已知光學(xué)性質(zhì)的樣本(校準體模)的測量的以上AC或DC信號的標準化或校準；
5)基于一個或多個AC或DC信號的樣本的光學(xué)性質(zhì)(吸收、減小的散射、各向異性、熒光等)的確定，例如通過基于模型的分析(例如分析、隨機或有限元素解算器)、與先前獲取的數(shù)據(jù)(例如已知光學(xué)性質(zhì)的體模樣本的測量結(jié)果)的比較或其它啟發(fā)式方法；
6)5)中的以上計算，其中，通過先驗表格結(jié)果的查找表來執(zhí)行計算；
7)樣本內(nèi)的結(jié)構(gòu)的深度的確定，例如通過AC和/或DC信號的比或差、基于模型的分析(例如基于多層或包含的解算器)或其它啟發(fā)式方法；
8)5)或6)與7)的組合，以獲得樣本深度和光學(xué)性質(zhì)確定，使得能夠?qū)⒐鈱W(xué)性質(zhì)分配到特定區(qū)域；
9)使用一個或多個波長下的體或逐區(qū)域光學(xué)性質(zhì)來確定特定材料、染料、發(fā)色團等的濃度或截面和/或位置；
10)9)中的度量的組合以提供告知關(guān)于樣本的健康、構(gòu)成或其它狀態(tài)的信息的簡單索
弓I ;
11)通過樣本的各種區(qū)域、相同部位的多次測量、來自相同部位、多個部位、多個樣品或人的多個波長和/或多個時間獲得的I 10中的許多數(shù)據(jù)計算的比較，以便評估樣本變差，將一個樣本與總體相比較，告知治療結(jié)果，執(zhí)行診斷分析等。通過用單元件傳感器進行結(jié)構(gòu)光測量(或檢測從樣本上的單個點或空間位置再發(fā)射或透射的光)，消除了 2D傳感器檢測的復(fù)雜性。這一般地導(dǎo)致三個主要實際優(yōu)點
1.核心儀器能夠潛在地更小、更敏感、噪聲較低、強度分辨率更好、更便宜和/或在較低功率下操作；
2.其它測量復(fù)用方法變得更加可行，諸如光譜復(fù)用(例如，通過光譜儀或檢測器陣列)以及偏振復(fù)用；以及
3.與諸如基于時間的測量或時域和時間-頻率域光子遷移技術(shù)的其它測量方法的組
口 ο轉(zhuǎn)到圖9，示出了具有單元件檢測器的結(jié)構(gòu)化照明系統(tǒng)200的示例的示意圖。如所描繪的，系統(tǒng)200包括包含寬帶投影照明源211的近紅外數(shù)字投影儀210。來自照明源211的光經(jīng)由集成的基于桿的“輕型引擎”(諸如在DLP投影儀中提供的那些)被傳送到數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD) 215。來自DMD 215的光然后被成像到目標介質(zhì)T的表面上，導(dǎo)致投影視場，例如50X68 mm的視場。收集光學(xué)裝置(透鏡)218捕捉從被照明區(qū)域的2mm直徑中心小段再發(fā)射的光。如所描繪的，這些光學(xué)裝置218將從此區(qū)域收集的光耦合到400微米檢測器纖維222的遠側(cè)尖端。從樣本再發(fā)射的光然后被輸送到可調(diào)諧光譜儀224，被調(diào)諧到一定的波長范圍和分辨率，例如430 1050 nm的波長范圍，具有 I nm的分辨率。16位CXD226充當檢測器?？梢允褂媒徊媸?英寸直徑的線柵偏振濾波器214來抵制來自樣本表面的鏡面反射。起偏器214被插在DMD 215與投影光學(xué)裝置216之間，并且分析儀220被放置在纖維222與收集光學(xué)裝置218之間。如下所述，能夠在無接觸方法中利用系統(tǒng)200以便確定渾濁介質(zhì)的定量光學(xué)性質(zhì)，其在下文中稱為空間調(diào)制定量光譜術(shù)(SMoQS)。通過作為投射的照明圖案的空間頻率的函數(shù)來測量來自未知樣本的寬帶反射率，能夠在沒有存在發(fā)色團的先驗假設(shè)的情況下計算絕對吸收和減小的散射系數(shù)。針對在SMoQS研究中利用系統(tǒng)200測量的所有樣本，使用基于與圖10 (a)所示的類似的二維正弦波的照明圖案來表征樣本。圖案的空間頻率以 O. 05 mm 1的步幅從O跨越至O. 2 mnT1。使用已經(jīng)由Cuccia的Quantitation and mapping描述的調(diào)制/解調(diào)方案，將每個特定空間頻率投射3次，每次具有O、120和240度的相移。針對每個投射的相位獲取數(shù)據(jù)三次以便進一步降低噪聲。針對每個投影圖案和每個相位存儲原始光譜數(shù)據(jù)。從具有已知光學(xué)性質(zhì)的液體參考樣本獲取參考校準測量結(jié)果。此步驟用來表征儀器的固有MTF。作為跨多個像素從單個波長測量反射率序列的替代，在SMoQS方法中，針對單個空間位置測量整個寬帶反射率。這種特定方法允許測量大得多的波長范圍，但其是以成像能力為代價的。在這種情況下，針對每個空間頻率和相位收集全寬帶光譜。然后對寬帶反射率進行解調(diào)以提取所檢測的光的AC分量
權(quán)利要求
1.一種用于在樣本的區(qū)域內(nèi)確定渾池介質(zhì)的樣本的表面或次表面光學(xué)性質(zhì)和/或結(jié)構(gòu)的設(shè)備，包括 源，其用以使樣本的區(qū)域暴露于一個或多個結(jié)構(gòu)化照明； 一個或多個單元件檢測器，其被配置為從樣本表面上的一個或多個空間位置接收光學(xué)信號；以及 信號處理器，其被耦合到所述一個或多個單元件檢測器并被配置為重構(gòu)來自一個或多個空間位置的光學(xué)數(shù)據(jù)。
2.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述信號處理器是計算機。
3.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述源被配置為產(chǎn)生兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件。
4.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，所述一個或更多單元件檢測器包括被配置成從一個空間位置收集再發(fā)射的光信號的一個單元件檢測器。
5.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，所述兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件被光譜結(jié)構(gòu)化。
6.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述源被配置為產(chǎn)生一個或更多結(jié)構(gòu)化光條件。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，所述一個或多個單元件檢測器包括被配置成從兩個或更多空間多樣化位置收集再發(fā)射的光信號的兩個或更多空間多樣化單元件檢測器。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，所述一個或多個單元件檢測器包括被配置成收集兩個或更多光譜多樣化再發(fā)射的光信號的兩個或更多光譜多樣化單元件檢測器。
9.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述單元件檢測器是用于光學(xué)中繼設(shè)備的入射光瞳。
10.權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，所述光學(xué)中繼設(shè)備是光纖。
11.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級的區(qū)域。
12.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級或小于所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的區(qū)域。
13.權(quán)利要求I的設(shè)備，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級或大于所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的區(qū)域。
14.一種在樣本的區(qū)域內(nèi)確定渾池介質(zhì)的樣本的的表面或次表面光學(xué)性質(zhì)和/或結(jié)構(gòu)的方法，包括 使樣本的區(qū)域暴露于一個或多個結(jié)構(gòu)化照明； 用一個或多個單元件檢測器從樣本表面上的一個或多個空間位置收集光學(xué)信號；以及 重構(gòu)來自所述一個或多個空間位置的光學(xué)數(shù)據(jù)。
15.權(quán)利要求12所述的方法，其中，使樣本的區(qū)域暴露于一個或多個結(jié)構(gòu)化照明的步驟包括使樣本的區(qū)域暴露于兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件。
16.權(quán)利要求14的方法，其中，所述兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件被光譜結(jié)構(gòu)化。
17.權(quán)利要求15的方法，其中，從樣本表面上的一個或多個空間位置接收光學(xué)信號的步驟包括在樣本的區(qū)域被暴露于兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件時用單元件檢測器從樣本表面上的一個空間位置接收光學(xué)信號。
18.權(quán)利要求14的方法，其中，使樣本的區(qū)域暴露于一個或多個結(jié)構(gòu)化照明的步驟包括使樣本的區(qū)域暴露于一個結(jié)構(gòu)化光條件。
19.權(quán)利要求18的方法，其中，從樣本表面上的一個或多個空間位置接收光學(xué)信號的步驟包括在樣本的區(qū)域被暴露于一個結(jié)構(gòu)化光條件時用兩個或更多空間多樣化單元件檢測器從樣本表面上的兩個或更多空間多樣化位置接收光學(xué)信號。
20.權(quán)利要求18的方法，其中，所述一個結(jié)構(gòu)化光條件被光譜結(jié)構(gòu)化且所述一個或多個單元件檢測器包括被配置成收集兩個或更多光譜多樣化再發(fā)射的光信號的兩個或更多光譜多樣化單元件檢測器。
21.權(quán)利要求14的方法，其中，所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明是在樣本的表面上延伸的空間結(jié)構(gòu)化光波。
22.權(quán)利要求14的方法，其中，重構(gòu)的步驟包括從用所述一個或多個單元件檢測器從樣本表面上的一個或多個空間位置接收的光學(xué)信號重構(gòu)來自在樣本的區(qū)域的表面上延伸的再發(fā)射的結(jié)構(gòu)化光波的信息。
23.權(quán)利要求14的方法，其中，所述單元件檢測器是用于光學(xué)中繼設(shè)備的入射光瞳。
24.權(quán)利要求23的方法，其中，所述光學(xué)中繼設(shè)備是光纖。
25.權(quán)利要求14的方法，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級的區(qū)域。
26.權(quán)利要求14的方法，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級或小于所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明 中的單獨的一個的特征的區(qū)域。
27.權(quán)利要求14的方法，其中，所述一個或多個空間位置中的單獨的一個包括在所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的數(shù)量級或大于所述一個或多個結(jié)構(gòu)化照明中的單獨的一個的特征的區(qū)域。
全文摘要
用于通過下述來獲得一個或多個波長下的組織或渾濁介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的定性和定量分析的方法和設(shè)備1)兩個或更多結(jié)構(gòu)化光條件下的渾濁介質(zhì)(諸如組織)的表面上的單個空間位置處的檢測或2)單個結(jié)構(gòu)化光條件下的表面上的兩個或更多空間位置處的檢測。
文檔編號A61B6/00GK102883658SQ201080061773
公開日2013年1月16日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者D.J.庫恰 申請人:調(diào)節(jié)成像公司