具有高光谱相机引导的探头的成像系统的制作方法_3

文档序号:9251539阅读:来源:国知局
来将数据显示在来自WWW.hypermed-inc. com的 HyperMed Inc. "OxyVu Hyperspectral Imaging Technology" 的组织活力的氧合图中。 近来,已经引入了具有用于识别具有对肿瘤组织存在的指示的区域的专用算法的高光谱成 像系统(Panasyuk,S.V.、S. Yang 等的 "Medical hyperspectral imaging to facilitate residual tumor identification during surgery'',Cancer Biology&Therapy 6(3): 439-446 页,2007 年和 Hamed Akbari、Kuniaki Uto、Yukio Kosugi、Kazuyuki Kojima 和 Naofumi Tanaka 的 "Cancer detection using infrared hyperspectral imaging'', Cancer Science 102(4) :852-857页,2011年)。这些系统图像表面区域在从400nm到 高达 800nm 的可见波长范围中(Panasyuk,S.V.、S.Yang 等的"Medical hyperspectral imaging to facilitate residual tumor identification during surgery'',Cancer Biology&Therapy 6 (3) :439-446 页,2007 年),或者在近红外范围(1000-2500nm)中 (Hamed Akbari、Kuniaki Uto、Yukio Kosugi、Kazuyuki Kojima 和 Naofumi Tanaka 的 "Cancer detection using infrared hyperspectral imaging'',Cancer Science 102(4): 852-857页,2011年),并且根据查找表对图像进行着色以识别可疑点。
[0057] 然而,灵敏度通常受到组织表面上过度的血液的存在的抑制,这通常发生在开放 手术中。有限的波长范围和光谱分辨率还限制了特异性,这是因为主要区分参数是血液含 量和血液氧合,并且可能没有适当地考虑在可见波长范围中较不显著的肿瘤鉴别指标(例 如胆汁、水、脂肪及其他的组织散射和吸收)。
[0058] 在一些实施例中,高光谱相机系统可以被布置为使用线扫描图像来获得高光 谱图像,例如见 K. Hamada、K. Fujita、N. I. Smith、M. Kobayashi 和 S. Kawata 的 "Raman microscopy for dynamic molecular imaging'',J Biomed Optics. 13 (4),044027 (1-4), 2008年。在此,使用白色光源来照射样本并且从探测器/相机前面的狭缝探测吸收后的经 散射/反射的光子。一个方向上探测器被用来捕捉光谱信息,而另一个方向被用来捕捉沿 着线的横向信息。通过沿着样本来扫描所述线,获得沿第二横向方向的光谱信息。这提供 有图示了感兴趣区的三维光谱概览的巨大高光谱数据集。通过选择波长,可以获得预示不 同分子/化合物的各自的图像。这还可以被用于执行对两个不同波长的比率成像。与如上 所述的点测量成像相比,该模态实现了更快速地成像。
[0059] 处理器P可以被以各种方式实现。处理器P可以被集成在包括针对高光谱相机 HSC和探头PR的前端的专用设备中。然而,处理器P可以被分布到被远离相机HSC和探头 PR定位的一个或多个单独的计算机或处理系统。
[0060] 图2图示了用于基于点的探头测量的可能的光学接触探头的端部。源纤维端SF 发射光,并且探测器纤维端DF探测经反射的光。例如端部可以是图1中示出的PR的端 部。两个纤维端SF、DF被布置有中心到中心的距离FD。这可以被用于例如DRS、荧光或 拉曼光谱。利用接触探头的DRS测量可以在连续的波长范围上非常快速地运行,并且所探 测的体积取决于(一个或多个)有效的源-探测器纤维距离FD可以延伸到组织中高达若 干毫米(例如探测深度~1/2纤维距离)。因此,与通过在延伸到NIR中(例如从400nm 到1600nm)的波长范围上进行测量的高光谱成像相比,单点DRS提供增强的灵敏度和特异 性,其可以包括来自额外的肿瘤鉴别指标的主要贡献。还参见R.Nachab6、D.Evers、BHW Hendriks、GW Lucassen、M. Van der Voort、EJ Rutgers、M-J Vrancken Peeters、JA van der Hage、HS Olderburg、J. Wesseling 和 TJM Ruers 的 "Diagnosis of breast cancer using optical spectroscopy from 500 to 1600nm :a comparison of classification methods",J. Biomed. Opt. 16, 2011 年,087010 页。
[0061] 图3图示了基于普通数字相机CM的高光谱相机系统,普通数字相机CM以由控制 器控制的顺序方式提供生物组织BT的2D图像,其中,光源Ll、L2和L3将其不同窄带光顺 序地施加到生物组织BT的表面。通过测量仅在几个仔细选定的波长处的反射率来实现组 织类型之间的良好鉴别是可能的,并且使用一些基本技术来创建对比度,如将在两个不同 波长处的反射率相除。利用这样的系统,利用普通相机CM来替换昂贵的高光谱相机并且替 代地使用各种窄带光源是可能的。优选地,在由光源L1-L3顺序照射期间生物组织BT被定 位在暗处以避免来自其他光源的任何干扰。
[0062] 图4a和图4b示出了在高光谱处理算法的校准之前(图4a)和之后(图4b)同一 高光谱图像的构建图示。在图4a的高光谱图像中,不能由高光谱图像处理清晰分类的可疑 区域可以被视觉指示给操作者,这里被图示为由白色虚线指示的两个区域。这是对操作者 例如使用点测量探头来执行这些可疑区域内的探头测量的引导。用于(残留)肿瘤鉴别的 这样的点测量的增大的灵敏度和特异性可以被用于重新校准高光谱处理图像,例如其中使 用的查找表,并且由此基本上增强高光谱图像中的每个像素的灵敏度和特异性。图4b中清 楚地看出这样的校准的结果,其中,图4a中的上区域被看出实际上隐藏了图4b中清楚指出 的肿瘤(白影),然而在图4a中被指示为可疑的下部在图4b的增强图像中可以看出不包括 肿瘤组织。
[0063] 点探头也可以与荧光光谱一起使用,荧光光谱允许增强的肿瘤鉴别,例如通过提 供关于局部代谢的进一步的信息(例如NAD+/NADH比率)或者组织中的自动荧光肿瘤特异 性标记(例如如阿霉素或紫杉醇的细胞抑制药物)的存在。使用拉曼光谱,可以以非常高 的准确度来识别与肿瘤细胞的存在相关联的化学成分,并且可以给出用于对高光谱处理算 法的重新校准的补充信息。
[0064] 图5a_图5c示出了利用用于覆盖较大区域的点测量或至少小面积测量的探头测 量的不同策略的范例。图5a示出了点测量,而图5b和图5c示出覆盖感兴趣区的点的簇。 可以使用单点探头和扫描纤维显微镜的组合来获得例如图5b和图5c中示出的策略。因 此,在一些实施例中,探头可以包括单点探头和扫描纤维显微镜两者(BHW Hendriks、WCJ Bierhoff、JJL Horikx、AE Desjardins、CA Hezemans、GW 't Hooft、GW Lucassen 和 N Mihajlovic的"High-resolution resonant and non resonant fiber-scanning confocal microscope",J. Biomed. Opt. 16, 2011年,026007页)。这样的扫描纤维显微镜实现了以显 著的空间分辨率、视场(F0V)和对比度对被检查的生物组织的共焦成像。除了高光谱图像 之外的组合提供在例如图5a的单点测量上的显著进步。该模态实现了以亚微米分辨率(~ 0. 6 ym)在感兴趣空间区(~200 ym)上的全波长区多光谱成像。所述模态可以被用于从 诸如图5b中示出的单个感兴趣区或者如图5c中示出的覆盖许多独立感兴趣区的组合来获 得全光谱信息,因此允许明显更大的区的信息。
[0065] 组合探头系统还可以采用容易实现的不同的光学成像模态,例如共焦反 身寸(K. Carlson、M. Chidley、K_B. Sung、M. Descour、A. Gillenwater、M. Follen 和 R. Richards-Kortum 的"In vivo fiber-optic confocal reflectance microscope with an injection-molded plastic miniature objective lens'',Appl. Opt. 44(10), 1792 至 1797 页,2005 年)、共焦荧光(J. C. Jung、A. D. Mehta、E. Aksay、R. St印noski 和 M. J. Schnitzer 的 '' In vivo mammalian brain imaging using one-and two-photon fluorescence microendoscopy",J. Neurophysiol. 92 (5),3121 至 3133 页,2004 年)、双光 子焚光(J. C. Jung 和 M. J. Schnitzer 的"Multiphoton endoscopy",Opt. Lett. 28 (11),902 至 904 页,2003 年;以及 M. T. Myaing、D. J. MacDonald 和 X. Li 的 "Fiber-optic scanning two-photon fluorescence endosocope",Opt. Lett. 31(8),1076 至 1078 页,2006 年);以 及光学相干断层摄影(G. J. Tearney、M. E. Brezinski、B. E. Bouma、
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