發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及一種用于評(píng)估材料的力學(xué)性能的裝置和方法，特別是，而不是僅涉及用于評(píng)價(jià)生物組織的彈性的醫(yī)學(xué)裝置和方法。

發(fā)明背景

生物組織的力學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)，且可能會(huì)因疾病而改變。例如，癌組織通常比周圍的軟組織“更硬”，并且通常的做法是醫(yī)生通過用手指施加壓力來手觸診患者的軟組織以識(shí)別癌組織。

然而，觸覺是主觀的，使用手觸診難以準(zhǔn)確識(shí)別癌組織的程度。為了以更可重復(fù)、客觀的方式給出組織的力學(xué)性能對(duì)比，成像技術(shù)已被開發(fā)，例如超聲彈性成像，光學(xué)相干彈性成像和磁共振彈性成像。

盡管出現(xiàn)了這些成像技術(shù)，醫(yī)生在許多臨床情況下仍然常常采取手觸診。

發(fā)明簡(jiǎn)述

本發(fā)明的第一方面提供了一種用于評(píng)估材料的力學(xué)性能的裝置，所述裝置包括傳感組件，所述傳感組件包括：

具有壓力敏感的特性或尺寸的傳感層；和

用于接收與傳感層的至少一部分相互作用的電磁輻射的電磁輻射接收器；

其中所述傳感組件被布置成當(dāng)所述傳感層位于所述材料的表面區(qū)域并且施加負(fù)載到所述材料的表面區(qū)域的至少一部分和所述傳感層的至少一部分時(shí)，所接收到的與傳感層相互作用的電磁輻射可用于確定傳感層的所述至少一部分內(nèi)的應(yīng)變，所確定的應(yīng)變指示所述材料的力學(xué)性能。

如本文所用，術(shù)語“材料”意指包含具有力學(xué)性能(如彈性或粘彈性)的任何物質(zhì)，包括，例如，生物材料(如生物組織)，有機(jī)材料(如食品)，和非生物性材料(如硅材料)等。

所述傳感層可以具有已知的硬度，然后可以利用電磁輻射由所確定的應(yīng)變來確定應(yīng)力。

所述裝置可布置成在傳感層的至少一部分內(nèi)的應(yīng)變可以利用在傳感層的界面或內(nèi)部反射的反射電磁輻射來確定，例如頂部和底部界面或內(nèi)部界面，如果所述傳感層包括分層結(jié)構(gòu)。

所述傳感層可布置成與材料的表面區(qū)域直接或間接接觸。

所述裝置還可以被布置成，確定材料的一部分內(nèi)的應(yīng)變，從使得可以利用材料的一部分內(nèi)確定的應(yīng)變和傳感層的一部分內(nèi)確定的應(yīng)力來評(píng)估所述材料的力學(xué)性能。例如，所述材料的一部分可以包括材料的外層部分或另一適當(dāng)部分。

本發(fā)明的實(shí)施例具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，由于了解傳感層的材料性質(zhì)，通過確定傳感層處的應(yīng)力，可以確定與材料的力學(xué)性能相關(guān)的定性信息，如材料一區(qū)域的力學(xué)性能的相對(duì)變化。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，所述裝置可以提供一種手觸診的觸覺被復(fù)制的光學(xué)觸診技術(shù)。除了觸覺之外，該裝置可以具有對(duì)材料的力學(xué)性能變化的客觀性、高空間分辨率和高靈敏度。以這種方式，例如，可以改善定位病變組織的程度的準(zhǔn)確性，并且該裝置可以用于引導(dǎo)外科醫(yī)生。

在一具體實(shí)施例中，所述元件是手套或套管。所述傳感組件可以位于或連接到手套的一個(gè)或多個(gè)手指部分的尖端處或在套管的尖端處。這在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。例如，通過將傳感組件并入或連接到手套的一個(gè)或多個(gè)手指部分或套管上，當(dāng)用戶穿戴手套或套管時(shí)，手觸診可以與由設(shè)備執(zhí)行的光觸診同時(shí)執(zhí)行，并且沿材料移動(dòng)指尖，所述材料可以是生物組織。

或者，所述元件可以例如是夾子或類似物。

在另一實(shí)施例中，所述裝置包括探針，例如細(xì)長(zhǎng)探針。在本實(shí)施例中，所述傳感組件可以并入或連接到探針的遠(yuǎn)端部分。例如，探針可以至少是以下之一：手持式探針、細(xì)長(zhǎng)探針、內(nèi)窺鏡探針、血管內(nèi)探針、機(jī)械臂和針探針，例如活檢針探針。在這方面，可以遠(yuǎn)程控制該裝置。例如，傳感組件可以連接到遠(yuǎn)程控制的機(jī)械臂上。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，傳感組件可以是可定位的，使得在使用手觸診不成功的位置可以評(píng)估生物組織的力學(xué)性能的相對(duì)變化。例如，該裝置可用于微創(chuàng)手術(shù)。

在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，傳感組件被布置成手動(dòng)施加負(fù)載。傳感組件可以被布置成，當(dāng)用戶戴上傳感組件和元件時(shí)，用戶可以通過傳感層手動(dòng)施加負(fù)載(例如用手指按壓)到材料的表面區(qū)域。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，傳感組件可包括用于施加負(fù)載的執(zhí)行器。所述執(zhí)行器可被布置成產(chǎn)生均勻或交變的負(fù)載。

所述負(fù)載通常是壓縮負(fù)載。然而，也可以是其它類型的負(fù)載，如壓縮、吸力、剪切、光熱、空氣射流、聲輻射力、扭轉(zhuǎn)和擴(kuò)展。負(fù)載可以是靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的。

力學(xué)性能可能與材料的彈性有關(guān)，如生物組織的彈性。例如，力學(xué)性能可能與材料的楊氏模量或其他模量有關(guān)?；蛘撸W(xué)性能可能與粘彈性或任何其他力學(xué)性能有關(guān)。

在一實(shí)施例中，傳感層是柔性的。具體地，傳感層可被布置成符合材料的表面區(qū)域。特別是，傳感層可以至少沿著傳感層的厚度變形。此外，傳感層通常具有至少沿著傳感層厚度的彈性。如果通過傳感層將負(fù)載施加到表面區(qū)域的一部分，柔性傳感層有助于將負(fù)載基本均勻地傳遞到材料上。因此，可以減小傳感層和材料的表面區(qū)域之間的空氣間隙。

所述裝置可以布置成使得傳感層至少沿著傳感層的厚度變形，以響應(yīng)于施加到材料的表面區(qū)域的至少一部分的負(fù)載。在這方面，所接收到的電磁輻射可用于確定傳感層的變形，例如確定在施加負(fù)載期間傳感層的厚度。在這方面，所述電磁輻射可以在傳感層的界面區(qū)域被偏轉(zhuǎn)或反射。例如，所述裝置可被布置成采用干涉測(cè)量，諸如低相干干涉測(cè)量法，來確定傳感層的頂部和底部界面的相對(duì)位置。

所述傳感層可以至少透射所檢測(cè)到的電磁輻射。

所述傳感層可以至少部分地由硅材料構(gòu)成。然而，也可以是其他材料和材料的組合。

在一實(shí)施例中，所述裝置包括光源，所述光源被布置成向至少一個(gè)傳感層發(fā)射電磁輻射。特別是，所述光源可以被布置成通過傳感層將電磁輻射導(dǎo)入材料。

接收器可以是電磁輻射的檢測(cè)器。或者，該裝置可以包括與接收器分開的檢測(cè)器。接收器還可以被布置成從光源發(fā)射電磁輻射并進(jìn)入傳感層。

在一實(shí)施例中，所述裝置被布置成使用以下至少一種：光學(xué)相干斷層掃描、共焦熒光顯微鏡、光學(xué)相干彈性成像。

在一特定的例子中，所發(fā)射的電磁輻射是紅外光，例如近紅外光。

在一具體實(shí)施例中，所述裝置被布置成確定所述材料的力學(xué)性能。例如，可以確定材料的楊氏模量或任何其它合適的模量。在這方面，所述裝置或相應(yīng)的進(jìn)一步的裝置可以被布置成確定材料內(nèi)的應(yīng)變，例如利用光學(xué)相干彈性成像(oce)?？梢杂?jì)算所確定的應(yīng)變與所述傳感層的該部分的應(yīng)力之間的關(guān)系，從而定量確定所述材料的力學(xué)性能。

在一實(shí)施例中，所述裝置被布置成傳感層是可移除的。

在一實(shí)施例中，所述裝置包括檢測(cè)器陣列，從而使得可以確定在接觸表面的某一區(qū)域的橫向位置上的應(yīng)力。例如，所述裝置可包括一束光纖，所述一束光纖包括具有分布在與上述橫向位置相關(guān)聯(lián)的區(qū)域上的端部的纖維。

在另一實(shí)施例中，所述裝置被布置成跨所述傳感層的區(qū)域橫向掃描，從而使得可以確定跨所述傳感層的區(qū)域的橫向位置上的應(yīng)力。例如，所述裝置可包括掃描鏡，例如檢流計(jì)鏡。

利用上述實(shí)施例，可以產(chǎn)生2d或3d應(yīng)變圖或2d或3d應(yīng)力圖，其指示材料的一區(qū)域上的力學(xué)性能的變化。

在一具體實(shí)施例中，所述裝置是醫(yī)學(xué)裝置，且所述材料是生物組織，如人或動(dòng)物的軟組織。軟組織可伴有或可包括病變組織，如癌組織。軟組織的具體例子可能是結(jié)締組織、肌腱、脂肪和肌肉組織。

為了便于理解，術(shù)語“病變”在整個(gè)專利說明書中被用作組織異常的同義詞，包括例如，可能是良性的、前惡性的、惡性的或任何其他病變或異常狀態(tài)的病變或腫瘤。

或者，所述材料可以是非生物材料，例如，硅材料或任何其他合適的材料。

所述裝置還可以被布置成使用與力學(xué)性能有關(guān)的信息，如力學(xué)性能在一區(qū)域上的相對(duì)變化，以確定兩種不同類型材料部分之間的界面位置。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，所述裝置可被布置成確定是否存在病變的生物組織。通過這種方法，可以識(shí)別病變組織的程度。

本發(fā)明的第二方面提供了一種評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的方法，該方法包括：

提供材料；

在材料的表面區(qū)域定位傳感層，從而使得負(fù)載可被施加到材料的

至少一部分和在材料表面區(qū)域上的傳感層的至少一部分，所述傳感層

具有壓力敏感的特性或尺寸；

將負(fù)載施加到所述材料的表面區(qū)域的至少一部分上和在材料表面

區(qū)域上的傳感層的至少一部分上；

當(dāng)施加負(fù)載時(shí)，將電磁輻射發(fā)射到傳感層的至少一部分中；

接收與所述傳感層的至少一部分相互作用的電磁輻射；和

利用所接收到的電磁輻射確定所述傳感層的一部分上的應(yīng)變，所確定的應(yīng)變指示材料的力學(xué)性能。

所述方法可以包括使用用于連接傳感組件的元件將傳感組件連接到一構(gòu)件，從而使得所述傳感組件的移動(dòng)或定位可以經(jīng)由該構(gòu)件控制，所述傳感組件包括傳感層和用于電磁輻射的接收器。所述構(gòu)件可以是用戶的身體部分，從而使得用戶穿戴該構(gòu)件和傳感組件。例如，所述傳感層可以并入或連接到手套的手指部分或套管上。在該例子中，至少將負(fù)載施加到材料的表面區(qū)域的步驟可包括使用用戶的一個(gè)或多個(gè)手指經(jīng)由傳感層施加壓力?；蛘?，用于連接傳感組件的元件可以例如是夾子。

將傳感組件連接到身體部分的步驟可以包括至少部分地圍繞身體部分。

所述傳感層可以具有已知的硬度，且所述方法可包括由確定的應(yīng)變確定應(yīng)力。

接收電磁輻射的步驟可包括檢測(cè)電磁輻射。

施加負(fù)載的步驟可包括手動(dòng)施加負(fù)載或使用可施加靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)載的執(zhí)行器。在一具體實(shí)施例中，施加負(fù)載的步驟包括由穿戴傳感組件和元件的用戶手動(dòng)施加負(fù)載。

如果傳感層包括分層結(jié)構(gòu)，檢測(cè)已經(jīng)與傳感層的至少一部分相互作用的電磁輻射的步驟可以包括檢測(cè)在傳感層的界面處或在傳感層內(nèi)反射的電磁輻射，例如頂部和底部界面或內(nèi)部界面。

在材料的表面區(qū)域上定位傳感層的步驟可包括定位傳感層，從而使得傳感層與材料的表面區(qū)域直接或間接接觸。

施加負(fù)載的步驟可包括通過傳感層施加負(fù)載。

在一實(shí)施例中，傳感層被并入或連接到探針的遠(yuǎn)端，并且定位傳感層的步驟包括將包括傳感層的探針遠(yuǎn)端插入體腔或血管內(nèi)以進(jìn)行血管內(nèi)分析。例如，探針的遠(yuǎn)端可以通過切口或微創(chuàng)手術(shù)插入。在本實(shí)施例中，至少探針遠(yuǎn)端的移動(dòng)可以被遠(yuǎn)程控制。在另一例子中，傳感層可以被并入或連接到針探針的遠(yuǎn)端。例如，傳感層可定位在內(nèi)針的鈍的遠(yuǎn)端，該內(nèi)針容納在外針內(nèi)，以將針探針插入生物組織中。在其他的例子中，探針的遠(yuǎn)端插入肌腱和軟骨中以進(jìn)行骨科分析，或插入耳道以進(jìn)行耳鏡分析。其他適當(dāng)?shù)睦右部蔀楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員采用。

在一實(shí)施例中，所述方法可在體內(nèi)進(jìn)行，例如在患者的手術(shù)過程中進(jìn)行。

在一實(shí)施例中，所述方法還可以包括便于引導(dǎo)以使傳感層的接觸表面與材料的表面區(qū)域接觸。例如，所述方法可包括至少捕獲材料的表面區(qū)域的圖像的步驟。

在一實(shí)施例中，在傳感層的接觸表面的一部分上確定應(yīng)力的步驟包括根據(jù)施加的負(fù)載來確定傳感層的變形。具體而言，該步驟可包括確定傳感層的厚度。在這方面，進(jìn)行將電磁輻射至少發(fā)射到傳感層的步驟，從而使得電磁輻射在傳感層的邊緣被偏轉(zhuǎn)或反射。

確定傳感層厚度的步驟可以在負(fù)載施加到材料的表面區(qū)域的至少一部分之前和/或之后進(jìn)行。

在一實(shí)施例中，發(fā)射電磁輻射的步驟包括通過傳感層將電磁輻射引導(dǎo)到材料中。

在一具體實(shí)施例中，所述方法包括確定材料的力學(xué)性能的步驟，例如楊氏模量。在這方面，所述方法可包括在材料中確定應(yīng)變的步驟，例如通過使用光學(xué)相干彈性成像(oce)?？梢杂?jì)算所確定的應(yīng)變與傳感層部分上確定的應(yīng)力之間的關(guān)系，從而定量地確定所述材料的力學(xué)性能。

在一實(shí)施例中，接收通過至少一個(gè)傳感層傳播的電磁輻射的步驟包括通過橫向掃描傳感層的一個(gè)區(qū)域來檢測(cè)來自多個(gè)橫向位置的電磁輻射。

所述方法還可包括生成2d或3d應(yīng)變圖，或2d或3d應(yīng)力圖的步驟，以說明材料的力學(xué)性能的跨區(qū)域變化。

所述方法還可以包括使用與力學(xué)性能有關(guān)的信息來識(shí)別是否存在病變的生物組織的步驟。

在一實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的醫(yī)學(xué)裝置進(jìn)行該方法。

本發(fā)明的第三方面提供了一種使用光學(xué)相干層析成像(oct)或任何其它成像技術(shù)來評(píng)估材料的力學(xué)性能的方法，該方法包括步驟：

在材料的表面部分上定位材料層，所述材料層對(duì)于用于oct或任何其它成像技術(shù)的輻射是透射性的；

通過該層向材料的表面部分施加負(fù)載；和

當(dāng)在材料表面部分施加負(fù)載時(shí)，利用oct或任何其他成像技術(shù)從材料中接收輻射以評(píng)估性能；

其中，該層具有使得所述負(fù)載基本均勻分布于材料的表面部分的力學(xué)性能。

從以下描述本發(fā)明的具體實(shí)施例將更全面地理解本發(fā)明。該描述參照附圖提供。

附圖說明

圖1a和b是本發(fā)明一實(shí)施例的用于評(píng)估材料的力學(xué)性能的醫(yī)學(xué)裝置的示意圖；

圖2顯示了用于確定圖1a和b的醫(yī)學(xué)裝置的傳感層的一部分處的應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖3示出了使用圖1a和b的醫(yī)學(xué)裝置獲得的示例性應(yīng)力圖；

圖4a是用于執(zhí)行oce測(cè)量方法的示例性設(shè)置的摘錄；

圖4b和c顯示了使用圖4a的示例性設(shè)置獲得的數(shù)據(jù)；

圖5a是圖1a和b的醫(yī)學(xué)裝置的摘錄；

圖5b和c顯示了使用圖5a的示例性設(shè)置獲得的數(shù)據(jù)；

圖6a和b是本發(fā)明一實(shí)施例的用于評(píng)估材料的力學(xué)性能的醫(yī)學(xué)裝置的示意圖；

圖7a和b顯示了使用圖6a的示意圖的醫(yī)學(xué)裝置獲得的數(shù)據(jù)；及

圖8是說明據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的評(píng)估材料的力學(xué)性能的方法的流程圖。

具體實(shí)施例的詳細(xì)描述

本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種用于評(píng)估材料的力學(xué)性能的裝置和方法。例如，所述裝置可以是醫(yī)學(xué)裝置。在這種情況下，材料可以是生物材料，例如生物組織。然而，也可以是非生物材料，例如硅材料，其通常用于復(fù)制醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中生物軟組織的形式和結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解該裝置不僅應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而且在包括例如機(jī)器人和食品工業(yè)在內(nèi)的其他領(lǐng)域中也有應(yīng)用。力學(xué)性能可被用于評(píng)價(jià)任何合適的柔性材料。例如，在食品工業(yè)中，這種裝置可以用來決定食物的成熟程度。此外，該裝置可用于質(zhì)量控制和材料加工。

力學(xué)性能通常與材料的彈性有關(guān)。具體來說，彈性可能與材料的楊氏模量有關(guān)。楊氏模量代表材料的硬度。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們已經(jīng)知道如病變組織等異常可能會(huì)改變生物組織的彈性。例如，癌組織通常比周圍的健康軟組織更“硬”。這種生物組織彈性的差異通常被用來通過使用手觸診來確定是否存在癌組織。然而，這種技術(shù)對(duì)從事手觸診的醫(yī)生來說是主觀的。此外，僅僅通過使用手觸診，癌組織的確切程度可能難以識(shí)別。

如下，將描述該裝置和該方法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的示例性實(shí)施例。然而，如上所述，也可以應(yīng)用在其他技術(shù)領(lǐng)域中。

本發(fā)明的實(shí)施例的醫(yī)學(xué)裝置被設(shè)置為通過確定在使用中與生物組織的表面區(qū)域接觸的醫(yī)學(xué)裝置的傳感層的一部分處的應(yīng)力來評(píng)估生物組織的彈性。通過這種方式，可以對(duì)生物組織的彈性在一個(gè)區(qū)域上的變化進(jìn)行定性測(cè)定，從而確定癌組織的位置。

關(guān)于材料的力學(xué)性能，我們將理解也可以是其他力學(xué)性能，如材料的粘彈性。

本發(fā)明的實(shí)施例的醫(yī)學(xué)裝置包括傳感組件，所述傳感組件包括傳感層和檢測(cè)器。檢測(cè)器被布置成檢測(cè)通過傳感層傳播的電磁輻射。在該實(shí)施例中所述醫(yī)學(xué)裝置也包括可用于將傳感組件連接到用戶的身體部分的元件。例如，所述身體部分可以是用戶的手指或手，并且所述元件可以是用戶可與傳感組件一起穿戴的套管或手套。

電磁輻射可以通過傳感層發(fā)射到材料中，從而使得電磁輻射在傳感層的頂部和底部邊緣被偏轉(zhuǎn)或反射。所檢測(cè)到的電磁輻射用于確定上述傳感層的一部分處所經(jīng)受的應(yīng)力。

所述傳感層具有壓力敏感的特性或尺寸，并且具有用于接觸材料表面區(qū)域的接觸表面，例如生物組織的皮膚表面區(qū)域。當(dāng)負(fù)載被施加到材料和傳感層與材料的表面區(qū)域接觸時(shí)，可以用在傳感層的一部分處確定的應(yīng)力來評(píng)估材料的力學(xué)性能。通過這種方式，可以定性地測(cè)定材料在材料表面區(qū)域以下的區(qū)域處的力學(xué)性能的變化。為了定量測(cè)定材料的力學(xué)性能，還需要與所確定的應(yīng)力相結(jié)合的進(jìn)一步測(cè)量。例如，所述醫(yī)學(xué)裝置可以被布置成使用oce來確定分布在材料中的應(yīng)變。通過計(jì)算材料的應(yīng)變與傳感層的應(yīng)力之間的關(guān)系，可以定量地測(cè)定材料的楊氏模量。

該醫(yī)學(xué)裝置可用于確定病變組織的存在和程度。在一些實(shí)施例中，傳感層形成一部分或連接在手套的一個(gè)或多個(gè)手指部分或連接到套管上。這樣，由醫(yī)生進(jìn)行的手觸診可以與使用醫(yī)學(xué)裝置的光學(xué)觸診同時(shí)進(jìn)行。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述醫(yī)學(xué)裝置包括探針，例如內(nèi)窺鏡探針、針探針或血管內(nèi)探針。在這樣的實(shí)施例中，傳感層可以是一部分或連接到探針的遠(yuǎn)端，以便傳感層可以插入體腔中。這樣，醫(yī)學(xué)裝置就可以用于微創(chuàng)手術(shù)。

參考圖1a和b，顯示了本發(fā)明一實(shí)施例的用于評(píng)估材料102的力學(xué)性能的醫(yī)學(xué)裝置100的示意圖。

在這個(gè)特定的例子中，材料102的力學(xué)性能與彈性有關(guān)。材料102是柔性的硅材料102，通常用于復(fù)制生物軟組織的結(jié)構(gòu)和形式。硅材料102包含比周圍硅材料106更硬的內(nèi)含物104。在這方面，內(nèi)含物104可表示腫瘤，周圍硅材料106可表示周圍軟組織。

在本例中，內(nèi)含物104具有1.5兆帕的楊氏模量e，并且嵌入在材料表面區(qū)域以下約1毫米處。周圍硅材料106具有20千帕的楊氏模量e。楊氏模量代表硅材料102的硬度。

醫(yī)學(xué)裝置100可用于體內(nèi)確定如腫瘤的病變組織在健康軟組織中的存在和程度。在這個(gè)特定的例子中，通過評(píng)估硅材料102在表面下的區(qū)域的彈性變化，可能可以識(shí)別在周圍硅材料106內(nèi)的內(nèi)含物104的位置和程度。

醫(yī)學(xué)裝置100包括傳感層108和光學(xué)系統(tǒng)110。

在本實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)110包括用于發(fā)射電磁輻射的光源和用于檢測(cè)與傳感層的至少一部分相互作用的電磁輻射的檢測(cè)器。例如，電磁輻射可以從傳感層的邊界反射、偏轉(zhuǎn)或散射。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解到光源可以不是醫(yī)學(xué)裝置100的一部分。

本實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)110是光學(xué)相干層析成像(“oct”)系統(tǒng)110的形式。具體地，使用便攜式掃頻oct系統(tǒng)110，其中心波長(zhǎng)為1325納米(近紅外)和光譜帶寬100納米。oct系統(tǒng)110的軸向和橫向分辨率(全寬和半數(shù)最大值)分別為17微米(空氣中)和16微米。關(guān)于oct系統(tǒng)，將理解任何合適的oct系統(tǒng)可用于醫(yī)學(xué)裝置100。例如，oct系統(tǒng)可以是中心波長(zhǎng)為840納米和光譜帶寬為50納米的光譜域oct系統(tǒng)。該示例性系統(tǒng)的軸向和橫向分辨率分別為8微米和11微米。此外，oct系統(tǒng)可以是相敏感的掃頻oct系統(tǒng)。

從oct系統(tǒng)110發(fā)射的電磁輻射通過透鏡112以25毫米的工作距離照亮硅材料102的表面區(qū)域。電磁輻射通過透鏡112和傳感層108被定向到硅材料102的一部分中。然而，應(yīng)理解，電磁輻射可在通過傳感層108傳播之前通過材料進(jìn)行交替?zhèn)鞑ァ?/p>

傳感層108具有在本實(shí)施例中與硅材料102的表面區(qū)域接觸的接觸表面，如圖1a和b中所示，在本實(shí)施例中，傳感層108由硅材料構(gòu)成。然而，也可以是其他合適的材料或材料組合物。在硅材料的例子中，應(yīng)注意硅材料的性能可以通過改變硅催化劑、交聯(lián)劑和非交聯(lián)硅油的比例來控制。

所述醫(yī)學(xué)裝置的傳感層108具有壓力敏感的特性或尺寸。在該特定實(shí)施例中，傳感層108可隨著傳感層108的厚度變形并且具有彈性。傳感層108具有硅材料102的周圍硅材料106周圍范圍內(nèi)的楊氏模量，即約20千帕。這使得傳感層108符合材料的表面區(qū)域的結(jié)構(gòu)并且當(dāng)負(fù)載施加于材料的表面區(qū)域時(shí)變形，如圖1b所示。

本實(shí)施例中的負(fù)載是使用醫(yī)學(xué)裝置100施加的壓縮負(fù)載。特別是，醫(yī)學(xué)裝置100具有圓柱形頭114，其具有抗反射涂覆成像窗116。成像窗口116作為壓縮板以通過傳感層108向生物組織102的表面區(qū)域施加負(fù)載，如圖1b中的箭頭118所示。

圓柱形頭114的長(zhǎng)度設(shè)置為使醫(yī)學(xué)裝置100的可測(cè)量位移范圍最大化，從而壓縮生物組織102。最大限度地?cái)U(kuò)大位移范圍對(duì)于病變組織位于組織表面相對(duì)較下面位置的定位尤其重要，例如，在生物組織具有相對(duì)較厚的皮下脂肪的情況下。在這種情況下，需要更大的位移以充分壓縮生物組織102，以便可以評(píng)估在表面區(qū)域下面的生物組織的彈性。

關(guān)于施加負(fù)載，應(yīng)理解所述負(fù)載可以是任何合適的負(fù)載，如壓縮、吸力、剪切、光熱、聲輻射力、空氣射流、扭轉(zhuǎn)或伸展。此外，可只施加負(fù)載于材料的表面區(qū)域的部分，從而使得傳感層能符合材料的表面區(qū)域的輪廓。

當(dāng)施加負(fù)載于硅材料102的表面區(qū)域的部分，如圖1b所示，傳感層108至少部分在傳感層108的接觸表面變形。換句話說，傳感層108的厚度隨施加到硅材料102表面區(qū)域的那部分的負(fù)載而改變。

在這實(shí)施例中，使用oct系統(tǒng)110確定傳感層108的上邊緣和下邊緣的軸向位置之間的距離。具體地，向傳感層發(fā)射的電磁輻射被傳感層108的頂部和底部邊緣反射。在本例中，采用低相干干涉法確定傳感層108的頂部和底部邊緣之間的距離。

如圖1b所示，由于傳感層108的變形，傳感層108的厚度隨施加的負(fù)載而變化。由于示例性oct系統(tǒng)110的配置，傳感層108的厚度的最小可測(cè)量變化約為4微米。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解其他oct系統(tǒng)可用于測(cè)量較小的變化。例如，在1納米量級(jí)的厚度變化，可以用oct系統(tǒng)的相敏感的能力。

然后，使用經(jīng)確定的傳感層108的變形來確定在傳感層108的一部分上所經(jīng)受的應(yīng)力。在這個(gè)實(shí)施例中，為了確定在傳感層108的該部分所經(jīng)受的應(yīng)力，按如下所示確定應(yīng)變?chǔ)牛?/p>

其中ε是指硅材料的應(yīng)變，i0是指施加負(fù)載之前傳感層108的厚度，i是指施加負(fù)載之后傳感層108的厚度，和(x，y)是指穿越傳感層108區(qū)域的橫向位置。

在這個(gè)實(shí)施例中，傳感層108的厚度在施加負(fù)載之前被確定。然而，應(yīng)理解，可在施加負(fù)載之后確定厚度，或由于傳感層108的常規(guī)厚度可以是已知的根本不用確定厚度。

為了確定應(yīng)力，用傳感層108的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為例子，如圖2所示。用傳感層108的特定材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以確定諸如傳感層108的一區(qū)域中所經(jīng)受的應(yīng)力。

傳感層108的那部分處的應(yīng)力說明材料的彈性。通過評(píng)估跨硅材料102的一區(qū)域的彈性，可以生成2d應(yīng)力圖。一個(gè)2d應(yīng)力圖的例子示例性如圖3所示。還可以通過隨漸增的負(fù)載所獲得的一系列2d應(yīng)力圖或?qū)?d應(yīng)力并入計(jì)算機(jī)械模型中來創(chuàng)建3d應(yīng)力圖。

應(yīng)力圖對(duì)應(yīng)于使用醫(yī)學(xué)裝置100所確定的應(yīng)力所在區(qū)域。在這方面，oct系統(tǒng)110被布置成掃描一區(qū)域，例如，在箭頭120所指示的方向上一行一行地掃描。這可以通過掃描鏡來實(shí)現(xiàn)。然而，在其它實(shí)施例中，醫(yī)學(xué)裝置100可包括用于檢測(cè)電磁輻射的檢測(cè)器陣列，以響應(yīng)指向多個(gè)相應(yīng)位置的電磁輻射，例如，使用光纖束。

應(yīng)力圖的橫向分辨率約為160至390微米，在亞毫米范圍內(nèi)?？蛇_(dá)分辨率的上限是由oct系統(tǒng)分辨率決定的。分辨率取決于oct系統(tǒng)110的分辨率，并且受生物組織內(nèi)的結(jié)構(gòu)和機(jī)械異質(zhì)性的影響。然而，應(yīng)注意，圖3所示的應(yīng)力圖所代表的機(jī)械對(duì)比度與如硅材料或生物組織等材料的光學(xué)性質(zhì)無關(guān)。例如，材料的彈性變化可以在例如血液存在的情況下進(jìn)行評(píng)估。

本發(fā)明的本實(shí)施例的醫(yī)學(xué)裝置100可能能夠在超過常規(guī)oct成像技術(shù)的最大深度的深度內(nèi)評(píng)估材料102的彈性。oct的成像深度通常在表面以下1-2毫米。然而，醫(yī)學(xué)裝置可以在距離表面2毫米以下更深的深度評(píng)估材料的彈性。在一實(shí)驗(yàn)中，醫(yī)學(xué)裝置100被用來定位一個(gè)嵌入在硅材料中在表面以下4毫米深度的內(nèi)含物。當(dāng)施加負(fù)載時(shí)，內(nèi)含物位于表面以下約3.7毫米處。

在一特定的實(shí)施例中，醫(yī)學(xué)裝置100還包括手套或套管，從而使得傳感層被并入或連接到手套的一個(gè)或多個(gè)手指部分或連接到套管上。在這種情況下，可以通過用一個(gè)或多個(gè)手指施加壓力來施加負(fù)載。

所述醫(yī)學(xué)裝置100還可以包括光學(xué)光導(dǎo)，例如連接傳感層108和oct系統(tǒng)110的光纖。對(duì)于醫(yī)用手套的例子，傳感層可以被并入或連接到手指帽，例如塑料或金屬套管?？梢栽谔坠軆?nèi)設(shè)置凹槽，從而使得光纖維束可以被引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)手指部分的尖端以建立光耦合。以這種方式，可以生成表示組織彈性的2d圖像。

因此，醫(yī)學(xué)裝置100提供了一種光學(xué)觸診系統(tǒng)，其中可以組合使用手觸診的評(píng)估。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解在醫(yī)學(xué)裝置的其它實(shí)施例中，可以包括被布置成產(chǎn)生負(fù)載的執(zhí)行器。負(fù)載可以是靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的。

醫(yī)學(xué)裝置100還可包括探針，例如內(nèi)窺探針、針探針或血管內(nèi)探針。這樣，生物組織的彈性可以在體內(nèi)某個(gè)位置進(jìn)行評(píng)估，這個(gè)位置可能無法通過手觸診進(jìn)行評(píng)估。例如，醫(yī)學(xué)裝置100可以在機(jī)器人外科領(lǐng)域，如微創(chuàng)外科手術(shù)中應(yīng)用。在這方面，至少該醫(yī)學(xué)裝置的傳感層可連接到細(xì)長(zhǎng)探針的遠(yuǎn)端，該細(xì)長(zhǎng)探針可穿過切口，例如通過患者腹部的壁部。

醫(yī)學(xué)裝置100相對(duì)于生物組織的表面區(qū)域的定位可遠(yuǎn)程控制。例如，醫(yī)學(xué)裝置100可以包括或連接到諸如照相機(jī)之類的攝像裝置，從而使得傳感層的接觸表面可以與所討論的生物組織的表面區(qū)域接觸。

現(xiàn)在參考圖4和5，其示出了使用醫(yī)學(xué)裝置200(圖4a)的光學(xué)相干彈性成像(“oce”)設(shè)置和醫(yī)學(xué)裝置100(圖5a)之間的比較，醫(yī)學(xué)裝置200與圖1的醫(yī)學(xué)裝置100類似但沒有傳感層。在這個(gè)特定的例子中，使用光譜域系統(tǒng)，而不是使用掃頻oct系統(tǒng)。然而，可采用任何適當(dāng)?shù)膐ct系統(tǒng)進(jìn)行定量測(cè)量。

光學(xué)相干彈性成像的基礎(chǔ)和技術(shù)詳見“光學(xué)相干彈性成像綜述：基礎(chǔ)、技術(shù)與展望”ieee量子電子學(xué)雜志，2014年3月/4月，20卷，第2期，其通過引用并入本文。

現(xiàn)在具體參考圖4a，其示出了用于執(zhí)行壓縮oce來確定分布在硅樣品中的應(yīng)變的醫(yī)學(xué)裝置200的摘錄。醫(yī)學(xué)裝置200不包括傳感層，并且醫(yī)學(xué)裝置200的成像窗口與硅樣品402的表面直接接觸的。為了便于說明，將硅樣品402分為硬部404和軟部406。

執(zhí)行oce測(cè)量方法以使用oct確定硅樣品402內(nèi)的位移。應(yīng)注意，壓縮oce因?yàn)閮H確定應(yīng)變本身不能定量測(cè)定硅樣品402的力學(xué)性能，如硅樣品402的楊氏模量。

硅樣品的oct圖像(b型掃描)示例性地示出在圖4b中，用如圖4b所示無傳感層的醫(yī)學(xué)裝置200。如圖4b所示，在這種結(jié)構(gòu)(不含傳感層)中，硅樣品的軟部406的變形受到硅樣品402的硬部404的限制。

沿401號(hào)線確定的應(yīng)變被表示為圖4c中橫向位置的函數(shù)。圖4c說明了所確定的應(yīng)變沿著401號(hào)線基本上是恒定的，401號(hào)線沿著硅樣品402的硬部和軟部404、406延伸。如圖4c所示，使用沒有傳感層的醫(yī)學(xué)裝置200，很難定位在硅樣品402的硬部404和軟部406之間的界面。

比較和參照?qǐng)D5a，其顯示了如圖1所示的醫(yī)學(xué)裝置100的摘錄。如圖5a所示的醫(yī)學(xué)裝置100用于執(zhí)行壓縮oce測(cè)量方法來確定分布在硅樣品中的應(yīng)變。同時(shí)，如圖1描述的確定傳感層的一部分的應(yīng)力。當(dāng)電磁輻射通過傳感層108時(shí)，可以從相同的oct圖像數(shù)據(jù)確定傳感層108的應(yīng)力和分布在硅樣品402中的應(yīng)變。

為了定量地測(cè)定硅樣品402的力學(xué)性能，如楊氏模量，計(jì)算硅樣品402中所確定的應(yīng)變與在傳感層108的一部分中所確定的應(yīng)力之間的關(guān)系。

在這方面，如參考圖1、2和3所描述的，醫(yī)學(xué)裝置100用于確定跨傳感層108的某一區(qū)域的在橫向位置上的壓力。在本實(shí)施例中，傳感層108的接觸表面與圖4a的硅樣品402的表面區(qū)域接觸。

在本實(shí)施例中，硅樣品的楊氏模量e測(cè)定如下：

其中e表示硅樣品的楊氏模量，σ傳感層表示在傳感層的某一部分所確定的應(yīng)力，和ε硅樣品表示分布在硅樣品中的應(yīng)變。

通過結(jié)合用壓縮oce確定的硅樣品402分布的應(yīng)變和傳感層108的這部分的應(yīng)力，可以定量測(cè)定硅樣品402的力學(xué)性能，如楊氏模量。換句話說，壓縮oce正與使用醫(yī)學(xué)裝置100的光學(xué)觸診結(jié)合。

圖5b顯示硅樣品402的octb-掃描，其示出了在剛性和柔軟區(qū)域上方引入的可變應(yīng)力。圖5c顯示了沿著501號(hào)線的楊氏模量。圖5b和c顯示了硅樣品402的硬部和軟部404、406之間的彈性差異。

現(xiàn)在參考圖6，其示出了本發(fā)明一實(shí)施例所述的醫(yī)學(xué)裝置600。本實(shí)施例中所述醫(yī)學(xué)裝置600包括用于連接到用戶的手指603的套管602。套管602將傳感組件連接到用戶的手指603上。傳感組件包括包括光學(xué)元件的光纖604，下面將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的討論。傳感組件還包括與圖1a和1b中所示的傳感層108所對(duì)應(yīng)的傳感層606。在該實(shí)施例中，醫(yī)學(xué)裝置600被布置成使負(fù)載被施加到傳感層606并且與正在與傳感層606一起的材料與用戶的手指603接觸。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在其它實(shí)施例中，套管602可以用手套代替并且傳感組件可選擇性地被并入手套的一個(gè)或多個(gè)手指部分或手套的其它部分。此外，傳感層606可以構(gòu)成手套的一部分。

現(xiàn)參照?qǐng)D6b，詳細(xì)示出醫(yī)學(xué)裝置600的組成部分。光纖604是單模光纖并且耦合到“無芯”光纖部分608。“無芯”光纖部分608又耦合到grin光纖部分610，在使用中從中發(fā)射電磁輻射且在使用中通過它接收電磁輻射。傳感層606使用光學(xué)粘合劑607耦合到套管602。

圖7a和7b說明了一個(gè)用示意性示于圖6a的裝置600進(jìn)行的硬度測(cè)量結(jié)果的例子。圖700顯示了硬度作為時(shí)間函數(shù)，圖702顯示了所測(cè)得的硬度作為預(yù)載應(yīng)變的函數(shù)，進(jìn)而作為傳感層606變形的函數(shù)。

現(xiàn)在參考圖8，其示出了說明本發(fā)明一實(shí)施例的方法800的流程圖。

該方法包括提供材料的第一步驟802。如上所述，該材料可以是生物材料，如生物組織，或非生物材料，如硅材料，其可用于在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域或用于復(fù)制生物組織的形式和結(jié)構(gòu)。應(yīng)理解任何適當(dāng)?shù)娜嵝缘牟牧隙际强梢缘摹?/p>

在下一步驟804中，定位傳感層從而使得傳感層的接觸表面與所提供的材料的表面區(qū)域接觸。所述傳感層例如可以是如圖1a和b中所示的醫(yī)學(xué)裝置100的傳感層108。傳感層具有壓力敏感的特性或尺寸。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述傳感層被布置成符合材料的表面區(qū)域的結(jié)構(gòu)。例如，傳感層可以是可變形的。

在進(jìn)一步的步驟806中，將負(fù)載施加到材料的表面區(qū)域的一部分。例如可以通過醫(yī)學(xué)裝置的傳感層施加負(fù)載。

當(dāng)負(fù)載被施加到材料的表面區(qū)域時(shí)，在步驟808中電磁輻射至少被發(fā)射到傳感層中。電磁輻射通常指向材料的表面區(qū)域，通過傳感層傳播并被傳播到材料的一部分。

響應(yīng)于所發(fā)射的電磁輻射，在步驟810中檢測(cè)已通過傳感層傳播的電磁輻射。例如，所發(fā)射的電磁輻射可以在傳感層的頂部和底部邊緣被偏轉(zhuǎn)或反射。隨后，所檢測(cè)到的電磁輻射用于確定步驟812中傳感層的一部分上的應(yīng)力。例如，如果傳感層因施加負(fù)載而變形，則可以確定傳感層的厚度。然后使用傳感層的厚度來確定傳感層內(nèi)分布的應(yīng)變。通過了解傳感層材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，就可以確定傳感層的一部分上所經(jīng)受的應(yīng)力。

在進(jìn)一步的步驟中，分析應(yīng)力以評(píng)估所提供的材料的力學(xué)性能。例如，可以評(píng)估材料的某一區(qū)域的橫向位置上的力學(xué)性能的變化。需要注意的是，通過確定傳感層的一部分上的應(yīng)力，只能對(duì)組織的力學(xué)性能進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

為了定量測(cè)定材料的力學(xué)性能，例如代表材料硬度的楊氏模量，所確定的應(yīng)力需要與oce測(cè)量方法結(jié)合。oce通常用來測(cè)量采用oce的材料的位移。這樣就可以確定材料內(nèi)部的應(yīng)變分布。通過將材料的應(yīng)變與傳感層的應(yīng)力相結(jié)合，可以量化材料的力學(xué)性能。

在以下的權(quán)利要求和本發(fā)明的前述描述中，除上下文另外因?yàn)槊魇菊Z言或必要含義之外，詞語“包括”或諸如“包括”或“包含”的變體以包容性意義使用，即，指定所描述特征的存在，但不排除在本發(fā)明的各種實(shí)施例中存在或添加其它特征。