专利名称：用于进行正交偏振光谱成像(opsi)的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种使用如独立权利要求1前序部分所描述的正交偏振光谱成像(OPSI)，进行目标物探测的方法和系统，该目标物处于漫散射血管中层表面以下，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管。
众所周知，在医疗保健的所有领域，其趋势在于提供能够对患者进行最小的或者非侵入的治疗，尤其是减小患者的风险和压力的方法和系统。根据这种趋势，已经制定了用于提供非侵入式血液分析方法的方案。在非侵入式的血液分析中，一种可能性是通过共焦的喇曼光谱学测量活体中血液里各种分析物的浓度。
为了获得来自血液而不是皮肤的喇曼信号，皮肤表面附近的毛细血管必须被显象，并且该喇曼探测容积必须被瞄准到这些毛细管中的一个。靠近皮肤表面的毛细血管具有5至15μm的直径。共焦探测很好地保持所采集的喇曼信号源，将其全部三个维度限定在小于5×5×10μm3的光点场里。如果该焦点定位在毛细血管中，这样就有可能从血液中采集喇曼信号而没有来自表皮组织的背景信号。
在这方面，显象器官表面附近血管的一种简单、廉价、和增强方法就是所述的正交偏振光谱成像(OPSI)。正交偏振光谱成像的医学申请，例如WO 01/22741，在此引用作为参考。最近的测试表明使用OPSI也可能对人皮肤内的毛细血管进行显象。在OPSI中，偏振光通过偏振光束分离器入射到皮肤上。该光的一部分直接由表面反射(镜面反射)。另一部分穿透进入皮肤，其中在光被吸收或从皮肤表面被再发射之前，会进行一次或多次散射(漫反射)。在任意一次这些散射事件中，入射光的偏振都有可能被改变。被直接反射或者仅仅轻微穿透进入皮肤的光，在被再发射之前将仅仅进行一次或几次散射，而且大多数将保持其初始偏振。另一方面，更深穿透进入皮肤的光，经过多次散射，并在朝皮肤方向被再发射返回之前被去偏振。当通过与第一偏振器垂直精确取向的第二偏振器查看目标物时，从皮肤表面或皮肤上部反射的光在很大程度上被抑制，然而已经更深穿透进入皮肤的光大多数被探测到。结果该图像看起来犹如背照式。由于低于590nm的波长被血液强烈吸收，然而OPSI图像中的血管看上去将还是较暗。
被血液中分析物测量的浓度的可靠性直接取决于在血管内引导喇曼探测容积的能力。然而，虽然正交偏振光谱成像(OPSI)是一种探测人皮肤中毛细血管的方法，但是其本质上是2-维技术，然而理想的是能够准确瞄准喇曼探测容积的3-维图像。当OPSI的横向分辨率达到与喇曼技术相同量值级时，OPSI几乎无法提供任何深度信息。能够获得的仅有的深度区别是由图像目标物的焦点深度所产生的。随着毛细管从焦平面移出，其变得模糊。利用成像血管的锐度确定该血管深度有一些不利之处不十分精确；当该毛细管看上去模糊时，其并不能先验地清楚表示该毛细管在焦平面之上还是焦平面之下；当该毛细管看上去模糊时，其并不能先验地清楚毛细血管和焦平面距离之间的距离。另一个复杂因素在于，由于毛细血管以上的表皮组织的光线散射，即使是焦点对准的毛细血管图像也会被模糊。缺乏可靠的深度信息使得难以将喇曼激光向血管瞄准。
因而，本发明的目的在于提供一种方法和系统，用于利用提供更为精确的目标定位特别是人皮肤中的毛细管的正交偏振光谱成像(OPSI)，探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管。
这个目的是通过依据独立权利要求的特征而实现，而从属权利要求中包含的特征描述优选的和有用的实施方案。
提供一种利用正交偏振光谱成像(OPSI)，探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管的方法，根据本发明，其包括的步骤有以至少两个不同角度对所讨论的目标物进行成像，以便获得成像平面中的一个位置的移动；随后比较两幅图像中目标物的相关位移，以便获得所成像的目标物关于焦平面的坐标。
从而提出了使用OPSI立体视觉的多种变化，以得到深度信息，其中对毛细血管以不同角度进行成像，得到在成像平面中位置的位移。从该位移的方向可以确定毛细血管在焦平面之上还是焦平面之下，而毛细血管和该焦平面之间的距离可由该位移的尺寸计算得到。立体观测是常规显微术中的公知技术。目标物以不同角度成像，且深度信息通过比较两幅图像中目标物的相关位移获得。当人眼分开观察这两幅图像时，人大脑会自动完成这些过程。图像分析算法也可以提取这些信息并进行量化。
现代的体视显微镜基于两个不同的原则。在所谓的格里诺(Greenough)设计中，两个同样的物镜被用于不同角度。在所谓的套筒(telescopic)设计或者共用物镜设计中，两个局部显微镜系统被彼此并排放置，且使用同一个主物镜。在本发明的优选实施方案中，该至少两幅图像的光路之间的角度取自10到30度。
进一步地，通过共焦喇曼光谱学进行的非侵入式血液分析，使用具有短工作间距、相对高的放大因子和高数值孔径(NA)的物镜，对喇曼激光聚焦并采集喇曼信号。为了易于构造和对准，以及由于空间和成本的限制，有利地是对OPSI使用同一物镜。使用单个的物镜获得体视像有两种基本方式使用平行光束仅照亮物镜的一部分，或者以一定角度照亮整个物镜。
OPSI使用波长在540到580nm的光，用于探测人皮肤中的毛细血管。对于OPSI成像优选的是1μm的横向分辨率，其通过使用0.35的NA可以达到。深度分辨率Δz和体视角α之间的关系式被给出Tanα＝0.5Δx/Δz.
其中Δx为该系统的横向分辨率。因子0.5由从左方(-α)和从右方(+α)的成像比较而得。一些典型值在下表中给出
对于NA＝0.9的物镜，光能够在目标物空间传播的最大角度是64°。对于1μm的横向分辨率，需要有效的0.35的NA，和21°的角度。因此，最大体视角(忽略其它限制，如图像空间的几何约束)为43°。在该角度下获得最高的深度分辨率为0.54μm。
进一步地，提供一种体视正交偏振散射成像(OPSI)的装置，用于成像漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管，其至少包括提供偏振光的光源；成像设备，诸如CCD-相机；光束分离器，其优选为偏振光束分离器；聚焦设备，诸如物镜、或反射镜；和以两个不同成像角度连续地、或者同时地对目标物进行成像的装置。该光源优选布置于照明漫散射血管中层，其根据此照明使用偏振光照明该目标物。用于对目标物成像的装置由两个具有不同成像角度的物镜或者单独的主物镜和用于在从偏振光束分离器到成像设备的路径上对成像光束进行位移的扫描反射镜形成。这两个不同的成像角度优选地相差10至30度。
进一步地，可以为每一幅图像提供分离的成像设备，或者作为一种替换实施方案，提供快门用于交替传送两图像中的一幅图像，其优选定位在偏振光束分离器和成像设备之间，且可以体现为旋转孔径快门、液晶盒快门、或者任一其它合适的器件。成像设备可以是，例如CCD、或CMOS相机。
该装置可以进一步的包括用于确定目标物位置的数据处理器，该位置至少包括关于平行于光轴的z轴的信息。
该装置可以进一步的包括光谱分析系统，该系统具有光谱光源，该光谱光源可以是用于提供光谱光束的激光；光谱光束定位设备，该光谱光束定位设备用于根据该数据处理器所确定的目标物位置将该光谱光束引导到目标物上。光谱分析系统同样可以是如WO 02/057759中所描述的。
本发明的进一步特点和优势，在本领域技术人员结合附图阅读了以下优选实施方案的说明书的基础上，将会更为显而易见，其中
图1为OPSI的设置的示意图示；图2a为在俯视图中具有使用平行光束的OPSI光路的成像物镜的出示意图示；图2b为图2a的侧面图；图3所示为使用平行成像光束的OPSI设置的实施方案；图4所示为使用同一物镜和倾斜成像光束的实施方案；图5所示为一幅图像中血管的示意性位置，该位置作为观察角和与焦平面相关的位置的函数。
图1示意性地示出了OPSI的典型设置，包括光源1，例如灯、激光、LED等，聚光镜2，光阑3，滤色镜4，偏振器5，偏振光束分离器6，以及物镜7。进一步地，图1示出了包括(a)表皮、(b)真皮的皮肤8，和毛细血管9。最后示出了分析器10，其中垂直于偏振器4进行偏振作用，透镜11，以及CCD相机12。
图2a为具有使用平行光束14、15的OPSI光路的成像物镜出的俯视图。非侵入式血液分析器使用NA为0.9的物镜。OPSI成像要求横向分辨率为1或2μm，其可以通过使用NA为0.35的物镜达到。由于OPSI所要求的NA(0.35)远远小于可获得的NA(0.9)，有可能仅使用部分的光瞳区域13进行成像。通过照亮光瞳13的不同区域可以实现不同的体视角。使用平行光束14、15，如果以两个不同的体视角观察，焦平面中的血管9被成像在同一位置。平展在焦平面前或焦平面后的血管9在这两幅图像中处于不同位置。图3示出一个可能的实施方案。
物镜光瞳13中成像光束的位置可以通过扫描(旋转)反射镜16和中继透镜17位移。如果在该透镜17和扫描反射镜16之间的距离等于该中继透镜17的焦距，倾斜反射镜16导致物镜光瞳13中成像光束的平行移位。物镜光瞳13和血管9之间的距离等于物镜光瞳13的焦距(相对人皮肤的折射率进行过校正)。
如图4所示的一种替换实施方案，其中与上图中相同的元件提供以相应的参考标记。偏振光束分离器6分离照明系统和成像系统的光路。该成像系统包括扫描反射镜16和中继透镜17，以便于扫描反射镜16上的支点成像在物镜13的中心。成像透镜用于将物镜13的焦平面上成像到CCD相机上。
该OPSI成像随着扫描反射镜16的摆动而进行移动。焦平面前或焦平面上的目标物，将相比在焦平面后或焦平面下的目标物移动更小。焦平面中的目标物将移动距离Mf tanβ，其中M为OPSI系统的放大因子，f为物镜的焦距，β为通过显微镜的物镜的观察角。β与扫描反射镜16的扫描角σ的关系如下tanβ＝(A/B)tan2σ，其中A为从扫描反射镜16到中继透镜17的距离，B为从中继透镜17到物镜13的距离。
在焦平面以上距离德尔塔(delta)处的目标物将移动一个稍小的距离M(f-δ)tanβ，然而，在焦平面以下距离δ的目标物将移动一个稍大的距离M(f+δ)tanβ，对比图5。
图5示出血管18的示意性位置，图5中所示的三条血管18a、18b、18c在β＝0的情况时都重叠在一起，但β≠0时，它们在焦平面上的投影则都具有不同的位移。
除上面所述的实施方案之外，也可以有其它的实施方案，例如，单个成像设备，其包括用一个旋转楔形物或两个移动契形物替代扫描反射镜。也可能使用两个成像设备通过物镜从不同角度进行观察。这样所具有的优势之处在于，没有移动的部件且可以同时从两侧探测图像。通过相关函数方法或者减去两幅图像，可以从所获得的图像来确定散焦量。
提供一种利用正交偏振光谱成像(OPSI)，探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人体皮肤的器官中的毛细血管的方法和装置，根据本发明，包括的步骤有以至少两个不同角度对被讨论的目标物成像，以便获得成像平面中的一个位置的位移；随后比较两幅图像中目标物的相对位移，以便获得所成像的目标物关于器官表面的坐标。
应当注意的是，上面所提到的实施方案并没有限制本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的精神范围内，将能够想到许多替换的实施方案。权利要求中，任一置于括号间的参考符号不应被解释为对该权利要求的限制。权利要求中用词“包括”并不排除存在有所列举的元件或步骤之外的其它元件或步骤。元件之前的用词“一”或“一个”不排除多种此类元件的存在。
权利要求
1.一种进行正交偏振光谱成像(OPSI)的装置，用于对漫散射血管中层表面以下的目标物特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管进行成像，其中至少包括用于提供偏振光的光源(1)；成像设备(12)；光束分离器(6)；聚焦设备(7)；和用于以两个不同成像角度对目标物进行成像的器件。
2.根据权利要求1的装置，特征在于用于对目标物成像的器件由两个具有不同成像角度的物镜组成。
3.根据权利要求1的装置，特征在于用于对目标物成像的器件由单个主物镜(7)、扫描反射镜(16)、和用于将路径上的成像光束从偏振光束分离器(6)位移到成像设备(12)的一个旋转楔形物或两个移位楔形物组成。
4.根据权利要求1的装置，特征在于为每一幅图像提供分离的成像设备(12)。
5.根据权利要求4的装置，特征在于为交替地传送两幅图像提供快门。
6.根据权利要求5的装置，特征在于该快门被定位在偏振光束分离器(6)和成像设备(12)之间。
7.根据权利要求5的装置，特征在于该快门为旋转孔径快门。
8.根据权利要求5的装置，特征在于该快门为液晶盒快门。
9.根据权利要求1的装置，特征在于两个成像角度相差10至30度。
10.根据权利要求1的装置，特征在于该成像设备为CCD相机。
11.根据权利要求1的装置，特征在于该成像设备为CMOS传感器。
12.根据权利要求1的装置，特征在于进一步包括用于确定目标物位置的数据处理器，该位置至少包括关于平行于光轴的z轴的信息。
13.根据权利要求12的装置，特征在于进一步包括光谱分析系统，具有光谱光源以及光谱光束定位设备，该设备用于根据该数据处理器所确定的目标物位置将光谱光束引导到目标物上。
14.一种利用正交偏振光谱成像(OPSI)，探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管的方法，包括的步骤有以至少两个不同角度对所讨论的目标物成像，以便获得成像平面中的位置的位移；比较两幅图像中目标物的相对位移，以便获得所成像的目标物关于器官表面的坐标。
15.根据权利要求14的方法，特征在于基于位移的方向确定被成像目标在焦平面之上还是焦平面之下。
16.根据权利要求14的方法，特征在于目标物和焦平面之间的距离由位移的长度计算得到。
17.根据权利要求1的方法，特征在于成像角度选取在10到30度之间。
18.根据权利要求14的方法，特征在于使用单个物镜(7)对目标物进行成像。
19.根据权利要求18的方法，特征在于使用平行光束照亮物镜(7)的一部分，以便获得至少两幅图像。
20.根据权利要求18的方法，特征在于以限定的角度照亮整个物镜(7)，以便获得至少两幅图像。
全文摘要
提供一种利用正交偏振光谱成像(OPSI)，探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤的器官中的毛细血管的方法和装置，根据本发明包括的步骤有以至少两个不同角度对被讨论的目标物成像，以便获得成像平面中的位置的位移；随后比较两幅图像中目标物的相对位移，以便获得所成像的目标物关于器官表面的坐标。
文档编号A61B5/00GK1897870SQ200480038312
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月20日 优先权日2003年12月22日
发明者M·C·范毕克, E·兰德林克, R·F·M·亨德里克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司