专利名称：用于皮肤成像的仪器、用于皮肤分析的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于皮肤成像的仪器、一种用于皮肤分析的系统和一种用于皮肤 分析的方法。
背景技术：
黑素瘤是最具侵蚀性和最致命形式的皮肤癌。仅仅在美国，每年出现和死亡的病 例分别为60000和7000例。当早期被检测到时，黑素瘤可以以相对较低的费用$1. 8K有效 地治疗，这导致95%的高存活率。相反地，晚期中该疾病的发展与小于13%的低存活率和明显增长的治疗费用(每 位患者$60K或更高)相关联。结果，每年黑素瘤治疗的总费用的88%归因于18%的晚期 病例。然而，现在，不存在官方的黑素瘤筛查项目。当前，黑素瘤的诊断是由全科医生基 于视觉标准执行的。然而，视觉筛查非常依赖于医生的技能和经验，并且通常易于产生差错 并忽略在该皮肤疾病的早期可能不明显的信号。可用的皮肤病学工具(例如dermascope)仅仅在接受了专门培训的有经验的皮肤 科医生的手中是有用的。然而，由于不可再生的数据采集，存在所采集的数据中大的传播 (spread) 0因此，长期以来需要改进的皮肤分析工具，其提供对皮肤的简单且明确的分析、允 许对黑素瘤以及其他皮肤癌类型和其他皮肤疾病进行可靠的早期检测。这种工具将提供容 易且及时的诊断，从而增加存活率并降低治疗费用。本发明的目的是提供一种用于早期检测皮肤疾病、特别是皮肤癌、更特别地是黑 素瘤的诊断工具。
发明内容
本发明提供一种用于皮肤成像的仪器，其包括设有用于在皮肤上定位的观察窗的 外壳、至少一个用于从该外壳内部照明观察窗的照明装置、至少一个对准观察窗的近场图 像捕获装置、至少一个对准邻近观察窗定位的反射器的远场图像捕获装置，其中该反射器 适用于引导从观察窗下的皮肤散射的扩散光朝向远场图像捕获装置。利用这种仪器，可以 对皮肤进行可靠的扫描，该扫描可以与参考数据相比较以便检测皮肤特定位置中的变化和 /或异常。当所述观察窗被置于待监测的皮肤区域最上面(top)时，所述外壳基本上无光 (light-free) 0优选地，所述外壳的内表面设有涂层，涂层具有支配(govern)吸收、颜色、 散射等的受控光学属性。所述近场成像装置以及远场成像装置优选地是数字照相机。所述 近场和远场散射典型地具有不同的强度。因此，这些照相机可以在不同的最优条件下操作。 所述反射器可以包括单个反射镜或多个反射镜。所述观察窗可以具有各种形状，例如圆形 或正方形。优选地，所述近场成像装置对准基本上垂直于皮肤表面的观察窗。因此，所述近场成像装置基本上是具有暴露于近场照相机的最大表面积的二维图像。在优选实施例中，所述照明装置在斜角下对准皮肤表面。斜角为不是90度的倍数 的角；这意味着与皮肤表面的入射角小于90°。使用多个斜角的优点在下文中被进一步详细描述。使用可变的入射角有两个优 点。首先，通过改变照射角，改变了所述外壳的内表面上的远场散射图案(pattern)的位 置。该移位依赖于组织散射系数，对于恶性组织而言，该散射系数较高。分析作为角度的函 数的远场图像的变化可以提供病变(lesion)是良性的还是恶性的(癌症)的信息。其次，使用倾斜的入射角对照射光的穿透深度有影响。结果，可以通过调节(一个 或多个)光极(optode)的取向而针对例如组织样本被探查到的深度进行选择。因此，可以 获得来自病变的不同深度的信息。这对于下述操作而言是特别重要的a)检测早期的皮肤 癌，此时其位置被限于表皮层(在皮肤表面以下近似70到100微米)；b)检测晚期癌症病 变的深度，其中如果病变到达皮肤的血液丰富的真皮层，则存在高的转移(metastases)风 险。如果所述照明装置适合于改变入射角，则这是有利的。因此，可以在不同的角度下 记录近场和远场图像，这些产生了更多的信息并增加的所述方法的灵敏度。皮肤中的一些 差异、变化或异常在单个照明角下将不会明显增加收集记录的角度的数量就增加了检测 到异常的机会。优选地，所述照明装置适于在皮肤上投射光图案。使用照射图案具有下列优点。首 先，它辅助获得关于所研究对象(即皮肤病变)的形状的3维信息。恶性皮肤病变可以在 皮肤表面的最上面形成圆丘(dome)，可以使用3维空间信息检测该圆丘。其次，使用照射图 案辅助获得关于沿着扩展区域的光衰减的信息。可以通过为所述照射装置提供一种调节视 场内或视场附近的被照射区域的形状或图案的方式来实现照射图案。所述照明装置可以包 括扫描预定图案中的皮肤区域的单个点或在给定位置处的多个结合点或以预定的环形或 其他适当形状设置的多个点。在优选实施例中，所述照明装置可移置以改变如入射角。这是改变光在皮肤表面 上的入射角的非常可靠的方式。各种机械移置装置可用于以可靠的和可重现的方式改变所 述角度，例如轨道上的机动的光源。缺点在于，在测量中间将光源移动到新位置要花费时间 并且移动部分易于出现故障(defect)。在另一个优选实施例中，所述照明装置包括多个在不同入射角下定位的单独供电 的光源。这些光源可以被顺序地寻址以便改变照明角。当照明角被固定时，所述再现性是 非常好的。缺点在于需要多个可能是昂贵的光源。在优选实施例中，所述入射角包括至少一个斜角。特别有用的斜角是从20°到75°，最优选地为近似55°，因为这是针对人类皮肤 的近似的布儒斯特角(Brewster angle)。优选地，所述入射角还包括近似0°的角。在0°角和斜角处光散射对近场和远场 图像的参数的影响之间的差异通常是大的，并且因此该组合产生大量信息。如果所述照明装置包括偏振的光源、优选地为激光器或设有偏振装置的非偏振的 光源，则这是有利的。与非偏振的光相比，偏振的光源产生更特殊的散射图案。在优选实施例中，由光源发射的光谱成分可以被改变。因此，测量可以进一步优化，并且可以在各种波长处进行，这进一步优化了测量的灵敏度。优选地但非必要地，每个 测量在单个波长处进行。如果反射器是从外壳突出的预定形状的凸面，则这是优选的。这种反射器捕获宽 区域的散射的扩散光，并且因此提供用于远场成像装置的高密度信息。本发明还提供一种用于皮肤分析的系统，包括根据前述权利要求中任一项的仪 器；用于控制照明装置和成像装置的控制装置；用于处理由近场和远场图像捕获装置捕获 的图像的数据处理装置；和用于显示图像和/或经处理的数据的显示装置。利用这种系统， 对于技术人员而言，可以相对容易地了解人的皮肤的当前状态并且在将分析的图像与较早 阶段(例如前若干星期、若干月或若干年)取得的图像进行比较时注意到皮肤中的变化。根 据本发明的分析系统有助于指示表现出处于早期变化的皮肤疾病的变化，典型地比甚至由 有经验的医生可能指示的要早。当在皮肤中检测到可能恶性的变化时，医生可以决定启动 进一步的检验，例如组织学或微生物检验，这可以导致皮肤疾病的早期诊断。潜在的致命的 皮肤疾病(例如黑素瘤)的早期诊断提高了患者存活的机会。本发明还提供一种用于皮肤分析的方法，包括以下步骤如上所述，将根据本发明 的仪器的观察窗定位在待分析的皮肤区域上；由照明装置在入射角下照明至少一部分所述 皮肤区域；由近场图像捕获装置捕获被照亮的(lighted)皮肤的至少一个图像；由近场图 像捕获装置捕获至少一个由反射器从被照射的皮肤反射的图像；以及将所捕获的图像与参 考图像进行比较。近场和远场图像在不同照明角下的这种组合提供了可靠的且灵敏的信 息，并且被分析的皮肤中的发展中的变化可能被注意到。相反地，如果仅仅取得近场或远 场，则一些变化在早期不那么可能被注意到。同样，照明的角度或图案对所创建的图像有巨 大的影响，并且可以增加皮肤病变可被注意到的机会。所获得的图像可以进一步(优选地 在自动化系统上)经历图像分割和模式识别分析以及病变分类。皮肤的照射可以利用部分 在离皮肤口径(skinaperture) —定距离处或在其附近的圆丘状屏蔽(screen)外部的光源 来完成。所述方法可以进一步包括将根据本发明的仪器的观察窗定位在待分析的皮肤区 域上。所述方法可以进一步包括获取远离可疑病变的皮肤的远场图像，优选地以0° 和各种斜角获取。然后，在离可疑病变一定距离处取得的图像可被用作标准，特别是在没有 历史数据可用的情况下。有利地，可以确定每个图像的“重心”和依赖于角度的“重心”移位。然后，可以以 0°角和斜角采集可疑病变(可能是恶性的)的远场图像，并估计每个图像的“重心”和依 赖于角度的“重心”移位。为了进行比较，以0°角和斜角采集胎块(mole)(非恶性病变) 的远场图像也是有用的，从而估计每个图像的“重心”和依赖于角度的“重心”移位。随后， 这使得能够比较皮肤、胎块和可疑病变的图像中“重心”的移位的差异，这使得对于技术人 员而言评估可疑病变是否确实是恶性的相对容易。优选地，在变化的照明入射角下取得多个图像。这增加了检测到皮肤病变的机会。 优选地，在从0°到至少75°的范围内变化的入射角下取得多个图像。通过使用高入射角， 可以评估皮肤的更多表面层。这有益于检测早期的癌症病变，因为已知该癌症病变从皮肤 中近似70到100微米深的表皮层开始。
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最优选地，所述多个图像包括以15°与25°之间的第一角和55°与65°之间的 第二角取得的图像。如果入射角至少包括0°角且至少包括一个斜角，则这是优选的，并且 优选地所述入射角包括全偏振反射的布儒斯特角。
图1示出根据本发明的仪器。
具体实施例方式图1示出仪器1，其包括无光的外壳2，该外壳2可以包括整个半球或其一部分。 外壳1的底板3设有窗口 4，该窗口被置于待检查的皮肤区域的最上面。皮肤5在所述窗 位置形成近似平坦的表面。一种设备可以包括附加的装置以控制施加在皮肤上的压力或力 (force)。这是为了使可能影响测量的皮肤变形、皮肤流体移置和相关效应最小化。窗4可 以是打开的，但是也可以设有基本平坦的、充分透明的材料层，优选地为玻璃板，最优选地 为无反射玻璃板。当不使用玻璃板时，如果皮肤5的被监测部分尽可能地平坦，则这是优选 的。这可以通过使被扫描区域保持充分小或通过使用皮肤伸展装置来实现。浸液(根据显 微镜方法已知)可以应用在皮肤与设备的出射窗之间的皮肤上。这最小化了来自皮肤表面 的镜面反射、增加了皮肤中的光穿透并且最大化了光收集效力。第一近场成像照相机6垂 直于皮肤表面5地定位在窗口 4上方。光源7在角度A下对准暴露的皮肤区域4。光8的 一部分被皮肤5吸收，另一部分被反射，而还有一部分被散射。当玻璃板用在窗4中时，可 以使用的最大角度典型地为75° (依赖于玻璃的类型)，因为在更高的角度处，典型地由于 全内反射，不能获得有用的数据。反射光9可以被光阱(light trap) 10捕获，以便防止在 外壳内的进一步的散射。散射光11的一部分直接被第一照相机6记录。第一照相机记录 近场散射光，该近场散射光在相对于入射束8的小于90°的角度下散射，并具有相对较高 的强度。散射光11的另一部分通过邻近窗口 4定位的适当弯曲的反射镜13被朝向第二远 场成像照相机12反射。该间接反射的远场散射在相对于入射束8的大于90°的角度下被 散射，并具有相对较低的强度。由于远场照相机12与近场图像照相机6分离，每个照相机 可以容易地相对于所记录的强度来最优化以达到最优的信噪比。光源7照亮皮肤5的角度A可以或者通过对激光器的机械移动或者通过可调节的 光学器件(例如反射镜)或者通过使用其位置和角度可以关于皮肤移置的传送来自远程光 源的光的光纤来改变。可替换地，许多附加的激光器14、15(或其他光源)可以在固定的角 度A下定位并顺序地操作以便实现可以通过移动单个激光器7实现的相同照明条件。通过在不同的入射激光角度A下记录近场图像6和远场图像12这二者，可以测量 在许多角度处的图像，然而，这将产生大量的数据。在实践中，优选的是在有限量的角度下 (优选地每个皮肤位置3-10个角度)记录。特别有用的数据集可以例如通过在近似0°、 20°、40°、55°和75°的角度处测量来获得。所述仪器然后可以在X和Y两个方向上(优 选地通过自动化装置)朝皮肤上的不同位置而被移动。因此，皮肤的特定部分可以以期望 的分辨率扫描，并且所述数据可被处理。特定皮肤区域的扫描可以相对较快地进行。在不同角度下近场和远场图像的经处理的组合产生皮肤轮廓(profile)。所记录 的图像可以与参考图像进行比较，参考图像例如是较早时候记录的图像或皮肤的健康部分
7的记录。该方法产生了指示皮肤中的异常和/或变化的可靠且容易的方式，这可以给诊断 例如皮肤癌带来巨大的帮助。因为该方法非常灵敏，所以与已知的方法相比，这样的皮肤疾 病更容易在早期被检测到。在皮肤癌的情况下，早期检测特别重要。与自动化的数据处理 系统和决策支持相结合，这为用于皮肤癌筛查的易于使用的工具提供了基础。仪器1可以由不需要完整的医学教育也不需要经验的人来操作。所收集的图像数 据和/或分析数据可被发送给技术人员，或可以存在由相对不熟练的技术人员对需要由更 高资格的专家察看的(look at)潜在有害的发展的预先选择。一旦图像中的令人担忧的差 异被注意到，则被检查的人可以被转送至临床医生，其可以进行全面的诊断以便证实某疾 病(例如黑素瘤)的发展。因此，技术熟练的专家可用的有限时间可被更高效地使用，同时 可以针对潜在危险的皮肤疾病对更大量的人群进行监测。尽管用于皮肤疾病的早期检测的应用被认为是根据本发明的仪器1的最重要的 应用，但是它也可以用于其它应用，例如美容应用(如皮肤类型的测量)、色素紊乱(如老年 斑和白癜风)的监测。
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权利要求
用于皮肤成像的仪器(1)，包括 外壳(2)，其设有用于在皮肤表面(5)上定位的观察窗(4)， 至少一个照明装置(7，14，15)，其用于从该外壳内部照明所述观察窗， 至少一个近场图像捕获装置(6)，其对准所述观察窗，和 至少一个远场图像捕获装置(12)，其对准邻近所述观察窗定位的反射器(13)，其中所述反射器适用于引导从所述观察窗下的皮肤散射的扩散光朝向所述远场图像捕获装置。
2.根据权利要求1的仪器，其特征在于所述近场成像装置基本上垂直于所述皮肤表面 而指向。
3.根据权利要求1或2的仪器，其特征在于所述照明装置在斜角(A)下对准所述皮肤表面。
4.根据权利要求3的仪器，其特征在于所述照明装置适合于改变所述入射角。
5.根据权利要求4的仪器，其特征在于所述照明装置可移置以改变所述入射角。
6.根据权利要求4的仪器，其特征在于所述照明装置包括多个在不同入射角下定位的 单独供电的光源(7，14，15)。
7.根据前述权利要求中任一项的仪器，其中所述照明装置适于将光图案投射在皮肤上。
8.根据前述权利要求中任一项的仪器，其特征在于所述入射角包括至少一个斜角㈧。
9.根据权利要求8的仪器，其中所述斜角(A)是从20°到75°。
10.根据权利要求7或8的仪器，其中所述入射角包括斜角以及近似0°的角。
11.根据前述权利要求中任一项的仪器，其特征在于所述照明装置包括偏振的光源，优 选地包括激光器。
12.根据前述权利要求中任一项的仪器，其特征在于可以改变由所述光源发射的波长。
13.根据前述权利要求中任一项的仪器，其特征在于所述反射器(13)是从所述外壳突 出的预定形状的凸面镜。
14.用于皮肤分析的系统，包括根据前述权利要求中任一项的仪器(1)；用于控制所 述照明装置和成像装置的控制装置；用于处理由所述近场和远场图像捕获装置捕获的图像 的数据处理装置；和用于显示图像和/或经处理的数据的显示装置。
15.用于皮肤分析的方法，包括步骤-将根据权利要求1-13中任一项的仪器的观察窗(4)定位在待分析的皮肤区域(5)上，-由所述照明装置(7，14，15)在入射角下照明至少一部分所述皮肤区域， -由所述近场图像捕获装置(6)捕获被照亮的皮肤区域的至少一个图像， -由所述远场图像捕获装置(12)捕获至少一个由所述反射器(11)从所述被照亮的皮 肤区域反射的图像，以及-将所捕获的图像与参考图像进行比较。
16.根据权利要求15的用于皮肤分析的方法，其特征在于在变化的照明的入射角下捕 获多个图像。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于所述入射角至少包括0°角且至少包括一个 斜角㈧。
全文摘要
本发明涉及一种用于皮肤成像的仪器、一种用于皮肤分析的系统和一种用于皮肤分析的方法，其使用在不同照射角下的近场和远场皮肤图像的组合。该仪器提供一种可以被用于针对可以表现出皮肤疾病、特别是例如黑素瘤之类的皮肤癌的病变快速筛查皮肤的工具。
文档编号A61B5/103GK101977551SQ200980109478
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月18日
发明者N·E·尤曾巴贾卡瓦, R·E·蒂尔温德, S·瓦德曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司