集成疾病诊断和治疗系统的制作方法

专利名称：集成疾病诊断和治疗系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及多种物质的非侵入光学探测的设备和技术，以及使用所述非侵入光学探测来检测、诊断和治疗肺部疾病的设备、系统和方法。

背景技术：
通过非侵入光学手段来勘测物质是许多研究的目标，因为物质中的光-物质相互作用的不均匀性可以揭示其结构、组成、生理和生物信息。多种基于光学相干区域反射法(OCDR)的设备和技术可以用于多种物质的非入侵光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官，以提供这些物质的层析成像测量。
在许多OCDR系统中，将来自光源的光分为采样光束和基准光束，分别沿两个分离的光路传播。光源可以是部分相干光源。采样光束沿着其自身的光路传播，照射在待研究的物质(或样品)上，而基准光束沿分离的路径朝向基准表面传播。然后，使样品反射的光束与基准表面反射的光束彼此叠加，以进行光学干涉。因为基于波长的相位延迟的缘故，干涉不会导致可观察的干涉条纹，除非采样和基准光束的两个光路长度非常近似。这提供了测距的物理机制。分束器可以用于分路来自光源的光，并组合反射采样光束和反射基准光束，以便在光检测器处进行检测。使用相同的器件来分路和重组辐射主要是根据公知的迈克尔逊(Michelson)干涉仪。在Born和Wolf的“光学原理(Principles ofOptics)”，Pergamon Press(1980)中总结了针对部分相干光的干涉的发现和理论。
自由空间Michelson干涉仪中的低相干光用于测量目的。基于光纤元件的光学干涉仪用在以低相干光作为表现物质的特性的手段的多种仪器中。光纤OCDR的多种实施例可以在以下文件中所公开的器件中找到Sorin等，美国专利5,202,745；Marcus等，美国专利5,659,392；Mandella等，美国专利6,252,666；以及Tearney等，美国专利6,421,164。将OCDR以特定光学结构应用在医学诊断中已经公知为“光学相干层析成像”(OCT)。
图1示出了用在如美国专利No.6,421,164和其他公开中所公开的多种光纤OCDR系统中的典型光学布局。光纤分束器附到两根光纤上，这两根光纤分别用于传导Michelson结构中的采样和基准光束。对于这些和其他实施方式中的大多数共同的是，首先，将来自低相干光源的光辐射物理地分为两个分离的光束，其中采样光束在样品波导中传播，与样品相互作用，而基准光束在基准波导中传播。然后，光纤分束器组合来自样品的反射辐射和来自基准波导的基准光，以引起干涉。


发明内容
本申请描述了使用非侵入光学探测的设备、系统和技术以及基于所述非侵入光学探测的集成医疗诊断和治疗系统和技术。例如，在一个实施例中，描述了集成诊断和治疗系统包括CT扫描单元，用于定位身体部分上的病区；以及激光、RF或微波辐射治疗单元，用于治疗选定的病区。在另一个实施方式中，本申请描述了用于肺癌治疗的集成诊断/治疗系统，包括CT扫描单元，用于定位肺部节结位置；基准剖面成像单元，用于分析每一个肺部节结位置；以及激光辐射治疗单元，用于光学治疗选定的肺部节结位置。在另一个实施方式中，描述了集成诊断和治疗系统，包括CT扫描单元，用于定位肺部节结位置；基准剖面成像单元，用于分析每一个肺部节结位置；以及微波辐射治疗单元，用于治疗选定的肺部节结位置。
还描述了以上系统和设备的具体实施方式
。在一个示例中，医疗设备包括气管镜，包括工作管道，配置用于插入到身体的通道中以到达身体内部的目标区域；光纤探测模块，包括(1)具有插入到气管镜的工作管道中的部分的探测光纤，(2)光学探头，与探测光纤的一端相连，并且位于所述工作管道的内部，所述光纤探测设备可操作用于通过探测光纤和光学探头将探测光定向到身体中的目标区域、并且收集来自所述目标区域中的反射光，并且用于进一步地获得来自所收集的反射光的目标区域的信息；以及激光治疗模块，包括功率传递光纤，具有插入到气管镜的工作管道中的部分，以向目标区域传递治疗激光束。
还描述了一种用于诊断和治疗患者的恶性疾病的方法，包括在患者的选定身体部分中执行计算断层(CT)扫描，以标识选定身体部分中潜在恶性的位置；使用光探测束来光学地探测所标识的位置，以进一步地将恶性位置与良性位置相标识；以及向每一个所标识的恶性位置传递辐射能量，以治疗恶性疾病。
该申请还描述了一种方法和设备，用于使用发射以不同波长为中心的光的多光源来获得组织和其它样品的横截面中的光谱吸收特征及其分布。在一个示例中，描述了一种用于对样品进行光学测量的方法，其中将发射不同波长光的不同光源用于测量样品。将来自不同光源的每一个波长的光通过单独的公共波导、按照第一传播模式定向到样品的一个采样位置中。在第一部分到达样品之前，将样品附近位置处的按照第一传播模式引导的光的第一部分定向为远离样品，而允许按照第二传播模式的第二部分到达样品。将第二部分从样品的反射定向为处于与第一传播模式不同的第二传播模式，以产生反射的第二部分。然后将按照第一传播模式所反射的第一部分和按照第二传播模式所反射的第二部分定向通过单独的波导。产生了从所述单独波导接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之间的相对延迟。调节从所述单独波导接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之间的相对延迟处于两个不同供电偏置值，以选择样品内部的材料层，以在来自不同光源的每一个波长处测量选定层的光吸收。将来自不同光源的每一个波长的光定向通过单独的波导到达样品的其它采样位置，以测量每一个采样位置处来自不同光源的每一个波长处的选定层的光吸收。
在另一个示例中，描述了一种设备，包括辐射源，用于分别产生不同波长的辐射束。将多路复用器用于接收来自辐射源的辐射束，并且用于组合所述辐射束以沿公共路径传播。将传递模块用于将一部分所组合的辐射定向到样品，并且用于收集从样品反射的辐射，而反射没有到达样品附近的辐射。该设备还可以包括可控差分延迟设备，用于接收从样品反射的辐射和没有到达样品的所反射的辐射。在该设备中包括多路解复用器，用于将接收到的辐射分为不同波长的多个光束。所述设备还包括辐射检测器，定位以分别接收来自多路复用器的光束。
在另一个示例中，在本申请中描述的设备包括用于将来自多个光源的光辐射通过公共的光波导组合和定向到样品的装置，每一个光源均在光谱带之内彼此不同的波长处发射；用于将所组合辐射的第一部分反射远离其附近的样品、而将组合辐射的第二部分定向到达样品的装置；用于将来自样品的所反射第一部分的至少一部分和所反射的第二部分的至少一部分通过公共光波导收集并引导到检测模块的装置；用于将光分为与光源的发射光谱相对应的多个光谱带的装置；以及用于将分离的光谱带的光辐射分别定向到多个光检测器的装置。
本申请还描述了用于对样品进行光学测量的设备的示例，包括光源，在以不同波长为中心的不同波段处发光；单波导，用于接收和引导处于第一传播模式的不同波段处的光；以及探头，与波导相连，以接收来自波导的光将在第一传播模式下将第一部分的光反射回波导，并且将第二部分的光定向到样品。探头从样品收集第二部分的反射，并且向波导输出反射作为处于与第一传播模式不同的第二传播模式的所反射第二部分。该设备还可以包括光学差分延迟单元，用于响应于控制信号，产生和控制第一传播模式和第二传播模式之间的相对延迟；检测模块，用于接收处于第一和第二传播模式的所反射的光辐射，以提取由处于第二传播模式的所反射光所携带的样品信息；以及控制单元。控制单元向光学差分延迟单元产生控制信号，并且设定相对延迟为两个不同的偏置值，以选择样品内部的材料层以测量来自不同光源的每一个波长处所选定层的光吸收。在一个实施方式中，可以将检测模块配置为包括光学设备，用于将按照第一传播模式所接收到的光的一部分和按照第二传播模式所接收到的光的一部分转换为按照沿第一光路传播的第三传播模式的光。该光学设备还可以将按照第一和第二传播模式所接收到的光的剩余部分转换为处于沿第二不同光路传播的第四传播模式的光。检测模块还包括第一光学元件，处于第一光路中以将不同波段处的光分离为第一组不同的光束；第一光检测器，用于分别接收和检测来自第一光学元件的第一组不同的光束；第二光学元件，处于第二光路中以将不同波段处的光分离为第二组不同的光束；以及第二光检测器，用于分别接收和检测来自第二光学元件的第二组不同的光束。
在另一个示例中，描述了一种用于对样品进行光学测量的设备，包括可调激光源，发射以不同波长为中心的不同波段的光。包括单波导，用于接收和引导处于第一传播模式中的不同波段处的光。探头与波导相连，以接收来自波导的光，在第一传播模式下将所述光的第一部分反射回波导，以及将所述光的第二部分定向到样品。探头收集来自样品的第二部分的反射，并且向波导输出反射，作为处于与第一传播模式不同的第二传播模式的所反射的第二部分。包括检测模块，用于接收波导中处于第一和第二传播模式的所反射的光，并且用于提取由处于第二传播模式中的所反射光携带的样品信息。还包括控制单元，用于调节每一个可调谐激光器通过相应的波段，以获得每一个相应波段之内的不同波段处的样品的吸收测量。
在本申请中描述的、用于非侵入光学探测的设计、技术和典型实施方式使用了沿一个或多个公共光波导内部实质上相同的光路传播的不同光模式的叠加和相互作用。当光波模式之一与待研究物质相互作用时，其与另一光模式的叠加可以用于获取与物质的光学属性有关的信息的目的。
在本申请中描述的方法和设备至少部分基于对多种技术问题的重视和在商用和用户友好设备中实现OCDR的实际考虑，以及由上述参考专利和其他公开所公开的OCDR系统中的各种技术限制。作为示例，与图1所示或前述专利中所描述的OCDR系统设计相关联的至少一个缺点是将基准光束与采样光束分离。由于光路的分离，两个光束之间的相对光学相位或差分延迟可能会经历不受控制的波动和变化，如不同的物理长度、振动、温度、波导弯曲等。例如，当样品臂是与基准臂分离的基于光纤的导管的形式时，对光纤的操作可能会引起采样和基准光束之间的差分相位的显著波动和漂移。这种波动和漂移可能会对测量造成不利的影响。例如，两个光束之间的差分相位的波动和漂移可能会引起相位敏感测量中的技术难题，如绝对折射率和双折射测量。
在本申请中描述的多种示例中，并未物理地分隔光辐射，使其沿不同的光路传播。代替地，沿通过一个或多个公共光波导的实质上相同的光路，传导所有传播波和模式。这种具有公共光路的设计可以有利地用于在系统中出现环境波动时、稳定不同辐射波和模式之间的相对相位，如温度变化、系统尤其是波导的物理移动、对波导和系统的振动和声学冲击。在这个和其他方案中，设计本系统以废除多种基于干涉仪的系统中的双光束路径结构，其中样品光和基准光沿不同的光路中传播，本系统的实施方式可以配置用于极大地减小差分相位延迟的波动和漂移，并且对于一些相位敏感测量是有益的，如确定绝对反射相位和双折射等。此外，本申请中所描述的技术和器件通过使用公共光路来传导光，简化了用于光学探测的器件的结构和光学配置。
在多种应用中，获得样品内部、隔离体内的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情况下，可能希望通过其特征谱吸收率，标识出一些物质的分布。在一些OCDR系统中，如前述专利中的系统，困难的是，针对这些和其他谱特性，直接进行光学不均匀性的测量。可以配置本申请中所描述的系统和技术，允许样品的这些和其他谱特性的直接测量。
下面，描述典型实施方式，以示出本系统和技术的多种特征和优点。这种特征之一是通过利用低相干辐射的非侵入手段获取与物质中的光学不均匀性有关的信息的方法和设备。另一特征是通过消除将光辐射分为样品路径和基准路径的必要，实现高信号稳定性和高信噪比。例如，额外的特征包括可以进行如双折射和绝对折射率等相位解析测量的平台、获得与谱吸收率有关的光学不均匀性的能力、解决各种基于干涉仪的光学系统中由于偏振变化而引起的信号漂移和衰落的问题、以及以简单的光学排列有效地使用源辐射。这里所描述的系统和技术的优点尤其包括提高性能和设备可靠性、简化操作和维护、简化光学布局、降低设备复杂性、降低制造复杂性和成本。
将描述用于光学传感样品的多种典型方法和技术。在一些实施方式中，两个不同光学传播模式(例如，第一和第二模式)的输入光通过公共输入光路通往光学探头，所述光学探头将第二模式的部分输入光发送到样品上。探头将第一模式的光和来自样品的、第二模式的返回光通过公共光路送往检测模块。
例如，这里所描述的一种方法包括以下步骤。通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。使第一传播模式的辐射远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，与样品相互作用，以根据相互作用，产生返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。接下来，使用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，以提取出样品的信息。
作为另一示例，描述了一种用于对样品进行光学测量的器件，包括波导、探头和检测模块。波导支持第一传播模式和第二、不同传播模式，并用于接收和传导第一和第二传播模式的输入光束。探头与波导相耦合，以接收输入光束，并将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式反射回波导，并将第二传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射输出到波导，作为第二传播模式的反射第二部分。检测模块用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
本申请还描述了使用一个输入波导向光学探头传导输入光以及使用另一输出波导传导来自光学探头的输出的器件。例如，一种用于对样品进行光学测量的器件可以包括输入波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，接收并传导第一和第二传播模式的输入光束。所述器件还可以包括输出波导，支持第一和第二传播模式。在此器件中，探头可以与输入波导相耦合以接收输入光束，并与输出波导相耦合，探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式传导到输出波导中，并将第二传播模式的第二部分输入光束传导到样品上。探头收集来自样品的、对第二波分的反射，并将发射输出到输出波导，作为第二传播模式的反射第二部分。此外，此器件中可以包括检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在一些其他实施方式中，将单一光传播模式(例如，第一预定模式)的光送往待测样品附近的光学探头。光学探头使输入光的第一部分以第一模式远离样品，将输入光的第二部分送往样品。然后，光学探头以第二、不同模式传导来自样品的返回光，在公共光路中与第一模式的第一部分共同传播。
例如，一种用于对样品进行光学测量的方法包括以下步骤。将第一传播模式的传导光束送往样品。在第一传播模式的第一部分传导光到达样品之前，在样品附近的位置处，使第一部分远离样品。传导第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生反射第二部分。然后，通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分传导到检测模块中，以从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。
还描述了另一种用于对样品进行光学测量的方法。在此方法中，将第一传播模式的光送往待测样品附近。然后，在样品附近，不到达样品，使第一传播模式的第一部分光远离样品传播。将第一传播模式的第二部分光送往样品，引起在样品处的反射。控制来自样品的反射光，使其处于与第一传播模式独立的第二传播模式，以便沿公共光路与第一部分共同传播。利用第一传播模式的第一部分和第二传播模式的反射光来获得样品的信息。
本申请还描述了用于对样品进行光学测量的器件和系统的典型实施方式，其中光学探头接收一个模式的输入光并输出两个模式的光。这种器件的一个示例包括波导，用于接收和传导第一传播模式的输入光束；和探头，与波导相耦合以接收输入光束，并将输入光束的第一部分以第一传播模式反射回波导，以及将输入光束的第二部分送往样品。此探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射以不同于第一传播模式的第二传播模式输出到波导，作为反射第二部分。此器件还包括检测模块，用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在另一示例中，公开了一种用于对样品进行光学测量的设备，包括光源；波导，至少支持第一和第二独立传播模式，并将来自光源的、第一传播模式的光辐射传导到待测样品的附近；探头，在样品的附近，端接波导，并反转波导中、一部分第一传播模式的传播方向，同时将剩余的光辐射传向样品，所述探头可用于将来自样品的反射光转换为第二传播模式；以及差分延迟调制器，传输来自探头和波导的、第一和第二传播模式的光，并改变第一和第二传播模式之间的相对光路长度。在此设备中，包括模式组合器，用于接收来自差分延迟调制器的光，并用于通过将每个模式的一部分转换为一对新模式，叠加第一和第二传播模式。在此设备中，使用至少一个光电检测器，用于接收两个新模式中的至少一个的光。此外，使用电子控制器与光电检测器进行通信，并用于从光电检测器的输出中提取出样品的信息。
在另一示例中，描述了一种器件，包括光波导、光学探头和光学检测模块。光波导用于传导第一光学模式的光辐射。光学探头与光波导相耦合，用于接收光辐射。所述光学探头可用于(1)将光辐射的一部分重定向回光波导，同时向样品传播剩余的辐射；(2)接收来自样品的反射或后向散射辐射，并将其送入波导；以及(3)控制来自样品的反射或后向散射光，使其处于不同于第一光学模式的第二光学模式。光学检测模块用于通过波导接收由探头重定向的辐射，并将第一和第二光学模式的光辐射，至少一部分，转换为公共光学模式。
用于对样品进行光学测量的器件的另一示例包括输入波导、输出波导和探头。输入波导支持第一和第二不同传播模式，并用于接收和传导第一传播模式的输入光束。输出波导支持第一和第二不同传播模式。探头与输入波导相耦合以接收输入光束，并与输出波导相耦合以输出光。探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束送入输出波导，以及将第二部分输入光束送往样品。此外，探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以第二传播模式将反射输出到输出波导，作为反射第二部分。此外，此器件包括检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
本申请还描述了一种用于对样品进行光学测量的设备的示例。在此示例中，使用能够保持至少一个传播模式的第一波导。发射辐射的光源用于激励第一波导中的传播模式。光检测器用于以其第一端口端接第一波导，使进入第一端口的光模式，至少一部分，通过第二端口，并使进入第二端口的光模式，至少一部分，通过第三端口。所述设备还包括第二波导，支持至少两个独立传播模式，并具有与第二端口耦合的第一端、和第二端。具体地，探头与第二波导的第二端相耦合，并用于将部分光的传播方向反转回第二波导，并将剩余的光传向样品。此探头可用于将来自样品反射的收集光变换为由第二波导支持的正交模式，并将正交模式的光送入第二波导。还包括支持至少两个独立传播模式的第三波导，与光检测器的第三端口相连，用于从中接收光。利用差分延迟调制器与第三波导相连，以接收来自第二波导的光，并参照一个模式，向另一模式施加可变相位延迟和可变路径长度。支持至少两个独立模式的第四波导与差分延迟调制器相耦合，用于从中接收光。定位检测子系统以接收来自第四波导的光，并叠加来自第四波导的两个传播模式以形成两个相互正交的新模式。此检测子系统包括两个光电检测器，分别接收新模式的光。
此外，本申请描述了光学传感器件和系统，将单一传播模式的输入光送往光学探头，并使用光学探头以相同的模式、沿可以由一个或多个连接波导形成的公共传播路径、向检测模块传导未到达样品的光和从样品返回的光。例如，基于此方案的器件可以包括至少支持光的输入传播模式的波导、与波导耦合的探头、和检测模块。波导用于接收和传导输入传播模式的输入光束。探头用于接收输入光束，并将第一部分输入光束以输入传播模式反射回波导，以及将输入传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以输入传播模式向波导输出该反射，作为反射第二部分。检测模块用于接收来自波导的、输入传播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在附图、文字描述和权利要求书中，详细描述了这些和其他特征、系统配置、相关优点和实施方式的变体。



图1示出了具有位于两个分离光路中的基准和样品光束的、基于公知的Michelson干涉仪的传统光学传感器件的示例。
图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。
图3示出了图2所示的系统的典型实施方式。
图4示出了用在图3中的探头的一个典型实施方式和偏振选择反射器(PSR)的一个典型实施方式。
图5A和5B示出了另一典型光学传感系统，使用三个波导和光定向器，在测量样品时，向和从探头传导两个模式的光。
图6作为相位的函数示出了在图5A和5B的系统中的检测器处接收到的强度波形，其中检测光强度表现出拥有基频及其谐波的振荡波形。
图7示出了图5B所示系统或图3所示系统用于获取光学不均匀性图像的一个典型操作。
图8A和8B示出了光学传感系统的光学布局的一个典型设计及其利用电子控制器的系统实施方式，其中将单一模式用作输入光。
图9示出了系统实施方式的另一示例，其中光学探头接收单一输入模式的光，并将部分光转换为不同的模式。
图10A和10B示出了用在传感系统中的探头的可能设计的两个示例，其中输入光是单一模式的。
图11示出了光检测器的一个实施方式，包括保偏光环行器和两个偏振分束器。
图12示出了用在此光学传感系统中的光学差分延迟调制器的示例，其中施加外部控制信号，以控制差分延迟元件来改变和调制输出中的相对延迟。
图12A和12B示出了用于实现图12中的光学差分延迟调制器的两个典型器件。
图13A和13B示出了适合于实现图12所示的光学差分延迟调制器的机械可变延迟元件的两个示例。
图14A示出了作为整个差分延迟调制器的一部分的、图12B中的延迟器件的典型实施方式。
图14B示出了基于图14A所示的设计的延迟器件，其中反射镜和可变光学延迟线由图13A所示的机械延迟器件实现。
图15示出了可代替如图5B所示的器件的光学传感系统。
图16示出了基于图2所示的设计的系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对两个不同模式的输入光进行滤波。
图17示出了基于图8A所示的设计的另一典型系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对单一模式的输入光进行滤波。
图18示出了图16和17所示的器件中的可调谐带通滤波器的操作。
图19A示出了人类皮肤组织的示例，其中可利用这里所描述的光学传感技术来测量表皮和皮下层之间的真皮层中的葡萄糖浓度。
图19B示出了在1到2.5微米之间的波长范围内、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。
图20示出了图3所示的检测子系统的一个典型实施方式，其中使用两个衍射光栅来分离来自偏振分束器的输出光束中的不同谱分量。
图21和22示出了向光学探头传导单一模式的光并以相同的单一模式传导来自探头的输出光的光学传感器件的示例。
图23示出了针对图21和22所示的器件的光学探头的设计的示例，其中光学探头并不改变光的模式。
图24示出了部分地处于光谱吸收映射图(spectral absorbancemapping)测量中的身体部分表面以下的两个选定表面。
图25、图26和图27示出了使用用于光谱吸收映射图测量的固定中心发射波长处的多光源的设备示例。
图28示出了光学多路复用器的一个示例，用于将来自不同光源的光组合到公共波导或光路中。
图29A和图29B示出了具有分光学滤波器的光学多路复用器的另一个示例用于将来自不同光源的光束组合到公共波导或光路中、以及所述分光滤波器的光谱特征。
图30示出了使用处于针对光谱吸收映射图测量的固定中心发射波长处的多路光源的示范性设备，其中将光开关用于随后将来自不同光源的不同光束定向到公共波导或光路中。
图31示出了针对使用不同波长的不同光束以检测光谱吸收映射图测量中样品中的吸收特征。
图32示出了使用用于光谱吸收映射图测量的多路可调光源的示范性设备。
图33示出了集成系统的示例，所述集成系统将X射线CT扫描模块、基准剖面组织成像模块和激光治疗模块相组合以提供用于治疗肺癌的完整诊断和治疗平台。
图34示出了示范性使用图33所示系统用于检测和治疗肺癌。
图35示出了用于将探测光纤和波导一个作为单独的单元保持插入到如图33所示的工作通道中的管状单元或锴装(sheath)。

具体实施例方式 在美国，肺癌是最致命的癌症之一。肺癌患者在诊断之后只有10-15％的相对较低的5年存活率。许多患者的肺癌已经处于第二或第三阶段，并且在患者开始表现出症状并且寻求医学治疗之前已经转移到其它位置或组织。极少数患者在存活率更高的早期阶段(对于第一阶段肺癌接近85％)被诊断出。传统的年度胸部X射线检查没有表现出足够的敏感性，以揭示典型地在第一阶段肺癌中发现的孤立的、较小的(例如，直径小于1厘米)的肿瘤。
近来，在主要的欧洲和日本研究中，重点已经转移到早期检测。在美国，主要的新试验(国家肺筛选试验NLST)已经开始，并且目的在于评估检测早期肺癌时胸计算断层(CT)的功效。NLST将接收年度CT扫描的高风险对象(前吸烟者)的随机选定组与接收胸X射线的对象的控制组进行比较。
早期研究结果已经显示出胸部CT扫描常常揭示实质数量的单生肺节结(SPN)。活组织检查已经显示出大约80％或更多(例如98％)的这些SPN将被钙化并且是良性的。然而，CT扫描不能在钙化SPN和活性SPN之间进行区分。CT无能力区分恶性肿瘤与良性SPN已经导致对于肺癌早期筛选的CT扫描功效的激烈争论。
该CT扫描缺陷的补救措施是执行一个或多个肺部活组织检查，以便进一步地检查由CT扫描所标识的SPN的本性。然而，肺部活组织检查可能是危险的。统计学显示四分之一的肺部活组织检查导致气胸、肺穿透。同样，老年人和贫血患者在肺部活组织检查期间实质要冒出血的风险。此外，肺部活组织检查是相对昂贵的。这些和其它因素已经导致寻求替代方法用于代替肺部活组织检查。
可以将在本申请中描述的非侵入光探测技术和设备用于检测和诊断人类和动物的肺部疾病，包括肺癌。可以将在各种实现中描述的光学探头插入到肺中，以光学地测量肺的各部分，而无需从肺部获取物理样品。以下描述首先描述基于组织或部分的光谱相应以及探测光中的不同光模式的相互作用的非侵入光探测具体实现。接下来，描述了将CT扫描与光探测和激光治疗结合的集成肺病诊断和治疗系统的示例。
在许多应用中材料和物质的光谱响应是重要的。例如，将一些明显的材料性质反映到它们的光谱响应上，并且可以经由光谱响应对其进行检测和测量。例如，可以将检测到的或测量到的明显性质用于标识和定位诸如人或动物的身体部分之类的区域或范围。接下来，可以进一步地分析所标识的身体部分。作为更具体的示例，可以使用所测量的光谱响应来检测和定位癌症肿瘤或其它疾病。可以将在本申请中描述的各种非侵入光学技术用于测量人或动物的目标身体部分的光谱响应。将光学探头用于扫描通过身体部分的探测光束，以光学地测量目标身体部分的光学响应以获得映射图。在目标身体部分的每一个位置处，将不同光波长的光用于获得这些不同波长处的光吸收响应。特别地，可以通过拒绝对于由目标层边界外部的组织反射的探测光的贡献，光学地选择和测量表面以下的目标层的光谱吸收特征。
在一些实现中，可以将单宽带光源用于获得光源的发射光谱范围之内的光谱信息。可以将可调光学滤波器用于挑选光源的发射光谱之内的较窄波段的光谱响应。当待测量的吸收特征和测量下的身体部分的各种目标吸收特征占据了超出单光源的发射光谱带宽移的较宽光谱范围时，所述光源可以通过将两个或更多单元组合来实现，用于获取组合和其它样品中的光谱吸收映射图(SAM)。
以下部分首先描述使用单光源用于非侵入光学探测的各种技术和设备，然后描述将不同光谱范围的两个或更多不同光源进行组合用于SAM测量的设备和技术。
在诸如光波导等光路中传播的光的能量可以位于不同的传播模式中。不同的传播模式可以具有多种形式。光的光学偏振态是这种传播模式的示例。在缺乏耦合机制时，两个独立的传播模式不会彼此混合。作为示例，两个正交的偏振模式不会彼此相互作用，即使这两个模式沿相同的光路或波导传播，并且空间上彼此叠加。本申请中所描述的典型技术和器件利用相同光路或波导中的光中的两个独立传播模式，来测量样品的光学属性。可以使用探头将光送往样品，可以是两个传播模式的，也可以是单一传播模式的，并接收来自样品的反射或后向散射光。
例如，可以将一束第一传播模式的传导光送往样品。可以安排第一传播模式的第一部分在到达样品之间被反射，而允许第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生发射第二部分。通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分送入检测模块中，以便从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。
在另一示例中，可以通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。传导第一传播模式的辐射，使其远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，使其与样品相互作用，以产生来自相互作用的返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。然后，利用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，来提取出样品的信息。
在基于本申请公开的这些和其他实施方式中，限定两个独立模式在自由空间中的相同波导或相同光路中进行传播，除了探测光在探头和样品之间传播了额外的距离。此特征稳定了光的两个模式之间的相对相位或差分光路径，即使是发生波导的机械移动。这与其中样品光和基准光在不同光路中传播的干涉仪传感器件相反。这些具有分离光路的干涉仪传感器件易于受到由于差分光路中的变化而引起的噪声的影响，通常在光学结构上较为复杂，难于操作和实施。下述基于波导的示例部分设计用于克服这些和其他限制。
图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。此器件沿相同的波导将两个传播模式的光送往样品205附近的光学探头，用于获取样品中的光学不均匀性信息。在一些应用中，可以使用样品夹具来支撑样品205。将来自宽带光源201的光辐射耦合到第一双模波导271中，以激励两个正交传播模式001和002。光定向器210用于将两个模式传向第二双模波导272，第二双模波导272端接探头220。探头220可以配置为至少执行以下功能。探头220的第一个功能是反转波导272中、模式001的部分光的传播方向；探头220的第二个功能是重新整形模式002的剩余部分光，并将其传递到样品205；以及探头220的第三个功能是将从样品205反射的光收集到第二双模波导272中。然后，光定向器210将模式001和002的后向传播光送往第三波导273，并进一步传向差分延迟调制器250。差分延迟调制器250能够改变两个模式001和002之间的相对光路长度和光学相位。检测子系统260用于叠加两个传播模式001和002，以形成两个彼此正交的新模式，以便由光电检测器接收。每个新模式均为模式001和模式002的混合模式。
在检测子系统260中、两个模式001和002的叠加允许进行距离检测。以模式002进入检测子系统260的光被样品反射，承载有与样品的光学不均匀性有关的信息，而另一模式001在探头220的内部旁路了样品205。只要这两个模式001和002保持独立地通过波导，其在检测子系统260中的叠加就可以用于获得与样品205有关的信息，而无需用在一些传统Michelson干涉仪系统中的分离光路。
为了简化分析，通过在第一波导271中，假设模式001的振幅是第一线偏振E001，模式002的振幅是第二、正交线偏振E002，考虑源光谱的薄切片。样品205的特征在于本质上较为复杂的有效反射系数r；差分延迟调制器250的特征在于作用于模式001的纯相移Г。现在，通过将其投影到在矢量空间中相对旋转45度的一对新模式EA和EB上，叠加两个模式001和002。可以如下表示新模式EA和EB 假设系统中除了样品205以外的所有组件都是无损的。所得到的两个叠加模式的强度为
其中

是与来自样品的反射相关联的相位延迟。反映反射系数r的特征的较为方便的方式是测量上述两个强度的差，即
如果通过差分延迟调制器250调制Г，则相应地调制测量信号，等式(3)。对于Г的周期或时间线性变化，测量到的信号以周期振荡作为响应，并且其峰峰值与r的绝对值成正比。
对于图2中的宽带光源201，考虑两个相位Г和

与波长相关。如果两个模式001和002在其到达检测系统260时经历了有较大不同的路径，整体相位角

也应当是极为波长相关的。因此，测量到的信号(应该是等式(3)在源光谱上的积分)产生了平滑的函数，即使Г是变化的。在测量到的信号中发生显著振荡的条件是在其叠加位置处，两个模式001和002经历类似的路径长度。在这种情况下，整体相位角

变得波长无关或几乎波长无关。换句话说，对于有调制器250设置的给定相对路径长度，测量信号中的振荡表示来自等于两个模式001和002所传播的光路长度的距离的、另一模式的反射。因此，可以利用图2所示的系统来测定反射源的距离。
由于两个模式001和002之间的相对相位的稳定性，可以利用图2所示的系统相对容易地进行相位敏感测量。以下将描述基于图2所示的系统的典型方法，用于确定与从样品205反射的辐射相关联的绝对相位。
在此方法中，差分相位调制器250将正弦调制应用于差分相位，调制大小为M，调制频率为Ω。测量两个新模式的强度差，并可以如下表示
由等式(4)可知，测量结果表现出基频Ω的振荡和基频Ω的谐波频率的振荡。基频和每个谐波的振幅与

和|r|有关。可以得出r与谐波之间的关系。例如，基频振荡和第二谐波的振幅可以从等式(4)中得到，为

其中J1和J2分别是一阶和二阶贝赛尔函数。等式(5a)和(5b)可以用于求解|r|和

即r的完整特征。因此，可以通过分析测量信号中的多次谐波内容，完整地反映出复杂的反射系数r。具体地，测量结果中基频分量的出现是由于

的出现。
图3示出了图2所示的系统的典型实施方式。可以选择源201的光谱，使其满足所需的测距分辨率。光谱越宽，测距分辨率越好。多种光源可以用作源201。例如，一些半导体超亮发光二极管(SLED)和自发辐射放大(ASE)光源可以拥有用于此目的的适当光谱属性。在此具体示例中，可以使用偏振控制器302来控制偏振态，以便使输入波导371中、两个模式001和002的大小成比例。波导371和其他波导372和373可以是双模波导，并能够支持相互正交的两个独立偏振模式。一类实用且商用的波导是保偏(PM)光纤。保偏光纤可以携带两个独立的偏振模式，即沿其慢轴偏振的s波和沿其快轴偏振的p波。在高质量的保偏光纤中，这两个模式可以在相当长的距离上、基本上不发生能量交换或耦合。保偏环行器310根据以下方案传导光波流将来自光纤371的两个输入偏振模式送入光纤372；将来自光纤372的两个输入偏振模式送入光纤373。保偏环行器370可以用于保持两个独立偏振模式的分离。例如，应当将光纤371中的s波只作为s波或p波送入光纤372。一些商用保偏环行器适用于此目的。
图3所示的系统实现了与波导372耦合的光学探头320，用于对样品205进行光学测量。探头320将从波导372接收到的一部分光(两个模式001和002中的一个模式(如002)的光)传递到样品205，并收集来自样品205的、相同模式002的反射和后向散射光。从样品205收集到模式002的返回光携带了样品205的信息，并对其进行治疗，以提取出样品205的信息。探头320将在波导372中传向探头320的另一模式001的光反射回去。探头320将模式002的返回光和模式001的反射光送回到波导372中，并通过环行器310和波导373，送往差分延迟调制器250和检测系统260。
在所示实施方式中，探头320包括透镜系统321和偏振选择反射器(PSR)322。透镜系统321用于将光能量会聚到较小的面积上，以利于在横向上对样品进行空间解析研究。偏振选择反射器322将模式001反射回去，并透射模式002。因此，模式002的光透过探头320，照射在样品205上。透镜系统321收集来自样品205的后向反射或散射光，并在波导372中，与由PSR 322反射的模式001的光一起传向环行器310。
图4示出了根据一个实施方式的探头320和偏振选择反射器(PSR)322的一个示例的细节。PSR 322包括其配置如图所示的偏振分束器(PBS)423和反射器或反射镜424，其中PBS 423将所选的模式(例如模式002)传向样品205，并反射和偏转另一模式(例如模式001)，远离样品205，并到达反射器424。通过反射器424的后向反射，将反射模式001送回PBS 423和透镜系统321。反射器424可以是分束器423一侧的反射涂层。应当对准反射器424，以允许反射辐射重新进入保偏光纤372。模式002的透射光照射到样品205上，并且模式002的、由样品205反射和后向三岁的光通过PBS 423，传向透镜系统321。透镜系统321将模式001和002的光耦合到光纤372中。
在图3所示的实施方式中，检测系统260包括偏振分束器361和两个光电检测器362和363。偏振分束器361用于接收来自调制器250的两个独立偏振模式001和002，并叠加这两个独立偏振模式001和002。可以按照如下方式定向分束器361，将每个独立偏振分割为两部分，并且对于每个独立偏振模式，两个分割部分拥有相同的幅度。按照这种方式，在分束器361的两个输出端口中的每一个中，组合并混合了模式001的一部分和模式002的一部分，以形成叠加的新模式，每个光电检测器接收以等式(1)为特征的叠加模式。可以定向偏振分束器361，从而使其反射表面的入射平面与两个独立偏振模式之一(001或002)成45度角。
图3中的系统还实现了电子控制器或控制电子器件370，用于接收和处理来自光电检测器362和363的检测器输出，并控制系统的操作。例如，电子控制器370可以用于控制探头320和差分延迟调制器250。差分延迟控制器250在电子器件和程序的控制下，产生作为通过与样品205内部的深度范围相配的整个范围的差分路径长度扫描的差分相位调整形式。也可以对电子控制器370进行编程，从而在由调制器250产生的多个差分路径长度处、记录和提取以等式(3)为特征的测量信号中的振荡幅度。因此，可以获得作为深度的函数的反射轮廓，作为样品205上选定位置处的样品不均匀性的一维表示。
为了获取样品205中光学不均匀性的二维图像，可以通过如译码级或压电定位器的位置扫描仪，控制探头320，从而使探测光沿垂直于光传播方向的横向进行扫描。对于每个横向扫描增量，可以利用上述方法记录作为深度的函数的反射轮廓。然后，可以在显示和接口模块372上显示所收集的信息，以形成揭示了样品205的不均匀性的截面图像。
通常，可以在本申请中所描述的每个器件中实现横向扫描机构，以改变光学探头与样品的相对横向位置，以获得样品的2维映像。例如，xy扫描仪可以与光学头或支撑样品的样品夹具啮合，以响应由电子控制器370产生的位置控制信号，完成这种扫描。
图5A和5B示出了另一典型系统，在测量样品205时，使用了波导271、272和273以及光定向器210向和从探头320传导两个模式的光。相对于PM波导271的偏振轴，定向第一光学偏振器510，将来自宽带光源201的辐射以作为独立传播模式的两个正交线偏振模式耦合到波导271中。光学相位调制器520耦合在波导271中，以相对于一个传导模式调整另一个传导模式的光的光学相位。将可变差分群延迟(VDGD)器件530插入波导273中，或与波导273相连，以便在两个波之间引入可控光路差。这里，利用第二光学偏振器540和光检测器550来形成检测系统。定向第二偏振器540，将两个传导波投影到相同的偏振方向，从而两个传播模式之间的光路差和光相位差的变化引起可由检测器550检测的强度变化。
来自源201的光通常是部分偏振的。可以对准偏振器510，从而透射来自源201的最大光量，并将透射光以实质上相等的幅度与波导271中的两个传导模式相耦合。波导271中的两个正交偏振模式S和P的电场可以表示为 其中将透射过偏振器的电场表示为E。应当清楚的是，光具有有限光谱宽度(宽带或部分相干)。可以通过以下傅立叶积分来表示场 E＝∫Eωejωtdω.(7) 为了简化分析，以下考虑光谱的波切片，即特定波长的光波。不失一般性，假设所有组件(包括偏振器、波导、路由器、PSR和VDGD)都是无损的。指定本质上较为复杂的样品反射系数r。在其到达第二偏振器540时，p波相对于s波具有光学相位Г 通过偏振器540的光可以表示为 照射在光电检测器550上的光的强度由等式(10)给出 其中相位角δ反映了样品205的反射系数的复杂本质，并由等式(11)定义 r＝|r|ejδ. (11) 假设调制器520相对于s波，在p波中施加正弦相位调制，幅度为M，频率为Ω，由检测器550接收的光强可以表示如下
其中相位角

是两个模式之间的累计相位滑动，不包括由于调制器520而引起的周期调制。VDGD 530或调制器520中的静态相移可以用于调整两个模式之间的相位差，以消除
图6示出了作为相位的函数的、在检测器550处接收到的强度I的波形。检测到的光强表现出拥有基频Ω及其谐波的振荡波形。基频和每个谐波的振幅与δ和|r|有关。可以得出r与谐波之间的关系的数学表达式。例如，可以得到基频振荡和第二谐波的振幅 AΩ＝0.5|E|2J1(M)|r|sinδ；(13a) A2Ω＝0.5|E|2J2(M)|r|cosδ； (13b) 其中J1和J2分别是一阶和二阶贝赛尔函数。等式(13a)和(13b)可以用于求解|r|和δ，即r的完整特征。
下面分析在图5A和5B的系统中具有宽带光源201的效果。当在两个传播模式之间存在显著的差分群延迟时，必须存在较大的相关相位滑动

(波长相关)。光源中的实质波长扩展意味着相位滑动也拥有实质扩展。这种相位扩展不能通过相位控制器件来消除，相位控制器件也不能消除差分群延迟。在这种情况下，检测到的光强由以下积分给出
容易看出，如果

的范围与π可比，则对于光源的带宽，不能观察到I中的振荡，由于不同波长的振荡因为其相位差而抵消。这种现象非常类似于白光干涉，只有在路径差较小(膜较薄)时，才能看到彩色条纹。上述分析证明了使用宽带光源能够利用所提出的设备实现距离检测。为此，与p波相比(不包括其在探头和样品之间的折返)，使s波在系统中具有较长的光路。对于系统中的任何给定路径长度差，存在探头和演变之间的匹配距离z，抵消路径长度差。如果观察I中的振荡，必须从此特定的距离z反射p波。通过改变系统中的路径长度差，并记录振荡波形，可以获得作为纵向长度z或深度的函数的反射系数r。通过横向移动探头，也可以记录r在横向上的变化。
图7进一步示出了图5B所示的系统或图3所示的系统的、用于获取光学不均匀性图像的一个典型操作。在步骤710，改变两个模式之间的相对相位延迟，例如，增加增量，达到固定数值，用于测量对应深度处的样品205。这可以通过使用差分延迟器件530由图5实现，或者可以由图3中的差分延迟调制器250中的偏压实现。在步骤720，向图5B中的调制器520或图3中的调制器250发送调制驱动信号，将两个模式之间的相对相位差大约调整为固定值。在步骤730，测量在图5B中的检测器550中接收到的强度波形或在图3中的检测器362、363中接收到的强度波形，并将其存储在电子控制器370中。在完成步骤730时，电子控制器370控制图5B中的差分延迟器件530或图3中的差分延迟调制器250中的偏压，将两个模式之间的相对相位延迟变为不同的固定值，以测量不同深度处的样品205。如处理环路740所示，循环此处理，直到完成在相同位置、不同深度处、对样品的测量。此时，电子控制器370控制探头320，横向移动到样品205上的新位置，并再次重复上述测量，直到完成样品205上全部所需位置。此操作由处理环路750表示。电子控制器370在步骤760处理每个测量结果，以根据基频和谐波，计算δ和|r|的值。可以在每个测量之后或在完成全部测量之后，执行这种数据处理。在步骤770，将计算出的数据发送到显示模块372。
在上述实施方式中，并未将用于传感样品205的光分为沿两个不同光路传播的两部分。除了一个模式在探头320和样品205之间传播的额外距离以外，实质上沿光路、在每个位置上、在相同的波导中传导光的两个独立传播模式。在由探头320重新定向之后，沿光路、在每个位置上、在相同的波导中，向检测模块连续传导两个模式。
或者，可以控制从光源到探头的光，使其处于单一传播模式(例如第一传播模式)，而不是两个不同模式。可以设计探头，使第一模式的第一部分反转其传播方向，而传导剩余的部分，或第二部分，到达样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射或后向散射光，并进行控制，使其处于不同于第一模式的第二传播模式，以产生反射第二部分。探头通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分送入检测模块，进行处理。与在整个系统中使用两个模式的光的实施方式相比，这种替代设计进一步改善了在检测模块处、两个模式之间的相对相位延迟的稳定性，并提供了附加的实施优势。
图8A和8B示出了光学传感系统的光学布局的一个典型设计及其利用电子控制器的系统实施方式。设置输入波导871，将来自宽带光源201的、第一传播模式(例如模式001)的光送往光定向器810。波导871可以是模式保持波导，设计用于支持至少一个传播模式，如模式001或002。在将光以特定的模式(如模式001)耦合到波导871中时，波导871实质上保持模式001的光。例如，支持两个正交线偏振模式的保偏光纤可以用作波导871。类似于图2、3、5A和5B所示的系统，使用双模波导272和273来传导光。光定向器510用于耦合波导871、272和273，以将来自输入波导871的模式001转变为双模波导272所支持的两个模式(例如模式001和模式002)之一，并将来自波导272的两个模式的光送往双模波导273。在图8A所示的示例中，光定向器810将来自波导871的模式001的光耦合到波导272中的相同模式001。或者，光定向器810可以将来自波导871的模式001的光耦合到波导272中的不同模式002。双模波导271的另一端端接探头820，探头820将部分光耦合到样品205，进行传感。
将探头820设计成与探头320不同，其中当从样品205反射或后向散射光时，探头830将部分模式001的光转换为另一不同模式002。或者，如果从波导871耦合过来的、波导272中的光处于模式002，则当从样品205反射或后向散射光时，探头820将部分模式002的光转换为另一不同模式001。在所示示例中，探头820执行以下功能a)反转模式001的输入辐射中的一小部分的传播方向；b)整形剩余的辐射，并将其传向样品205；以及c)将从样品205反射的辐射转换为由双模波导272支持的独立模式002。由于探头820只将部分光转换为由波导272支持的另一模式，在这一点上，探头820是部分模式转换器。由于探头820的操作，有两个模式从探头820传播离开，旁路了样品205的模式001和源自样品反射或后向散射的光模式002。从这一点开始，图8A所示的系统的其余部分的结构和操作可以类似于图2、3、5A和5B中的系统。
图8B示出了图8A中的设计的典型实施方式，其中电子控制器2970用于控制差分延迟调制器250和探头820，并提供了显示和接口模块372。输入偏振控制器802进一步偏振和控制来自宽带光源201的辐射(可以是部分偏振的)，从而只在作为图8A中的波导871的保偏光纤371中激励单一偏振模式。可以使用保偏环行器来实现光定向器810，用于将来自波导371的光路由到波导372，以及将来自波导372的光路由到波导373。
图8B中的探头820可以被设计成包括类似于透镜系统321的透镜系统821、部分反射器822和偏振旋转器823。部分反射器822用于将从波导372接收到的光的第一部分反射回波导372，并不改变其传播模式，并向和从样品205传输光。偏振旋转器823用于控制来自样品205的光，使其在进入波导372时，处于模式002。
图9示出了系统实施方式的另一示例，其中光学探头820接收单一输入模式的光，并将部分光转换为不同的模式。输入偏振器510用在输入PM光学272中，以控制单一偏振模式的输入光。相位调制器520和可变差分群延迟器件530与输出PM光纤273耦合，用于在光学检测之前，控制和调制两个模式的相对相位延迟。设置输出偏振器540来混合两模式，以及检测器550用于检测来自输出偏振器540的输出。
图10A和10B示出了探头820的可能设计的两个示例，包括部分反射表面1010、透镜系统1020和用于旋转偏振并改变模式的四分之一波片1030。在图10A中，将保偏光学372的末端或端面用作部分反射器1010。光纤的无涂层末端发射大约4％的光能量。可以使用涂层将末端的反射率变为期望值。透镜系统1020重新整形剩余的辐射，并将其传递到样品205。透镜系统1020的另一个作用在于将从样品205反射的辐射收集回保偏光纤372中。定向四分之一波片1030，从而使其光轴与传输光的偏振方向成45度角。来自样品205的反射光再次传播通过四分之一波片1030，变为沿垂直于模式001的方向偏振，即模式002。或者，可以用法拉第旋转器代替四分之一波片1030。图10B中的探头设计改变了透镜系统1020和四分之一波片或法拉第旋转器1030的位置。
在图8A、8B和9所示的示例中，只有一个偏振模式从波导871或371进入光定向器810或保偏环行器。因此，可以利用如图11所示的保偏光环行器1110和两个偏振分束器1120和1130来构造光定向器810或保偏环行器。保偏环行器1110用于在其三个端口之间只传递一个偏振模式，而不是如图3、5A和5B所示情况下的两个模式。偏振分束器1120和1130与保偏环行器1110相耦合，从而将进入端口2的两个偏振模式传递到端口3，并保持不相关。
多种硬件选择可用于差分延迟调制器250。图12示出了调制器250的一般设计，其中施加外部控制信号，以控制差分延迟元件来改变和调制输出中的相对延迟。可以使用机械或非机械元件来产生两个模式之间的所需相对延迟和对延迟的调制。
在一个实施方式中，非机械设计可以包括一段或多段如液晶材料等可调谐双折射材料或如铌酸锂等电光双折射材料，以及一个或多个固定双折射材料，如石英和金红石等。固定双折射材料提供了两个模式之间的固定延迟，可调谐双折射材料提供了对两个模式之间的相对延迟的调谐和调制功能。图12A示出了这种非机械设计的示例，其中并未物理上分离两个模式，而是利用改变两个偏振模式之间的相对延迟的双折射段、通过相同的光路传导。
图12B示出了通过模式分束器将接收光中的两个模式分入两个不同光路的不同设计。将可变延迟元件插入一个光路，以响应外部控制信号，调整和调制相位延迟。然后，使用模式组合器，将两个模式一起组合在输出中。在将两个正交线偏振用作两个模式时，模式分束器和模式组合器可以是偏振分束器。
可以按照多种结构来实现两个光路之一中的可变延迟元件。例如，可变延迟元件可以是机械元件。可以如下构造图12B中的器件的机械实施方式首先，以偏振模式分束器按照偏振模式分离辐射，一个偏振模式传播通过固定光路，而另一偏振模式传播通过具有保偏光纤的压电延伸器的可变光路，或者一对准直器按照如下方式面向机械可移动的后向反射器由一个准直器通过与后向反射器之间的折返收集来自另一准直器的光，或者通过两次通过可旋转光学片并从反射器上反射，对一对准直器进行光学连接。
图13A和13B示出了适用于图12B的机械可变延迟元件的两个示例。这种机械可变延迟器件可用于高速地改变光束的光路长度，并可以具有除图12B所示的应用以外的其他多种应用。此外，本申请中的光学系统可以使用这种延迟器件。
图13A所示的机械延迟器件包括光学分束器1310、可以是透明片的旋转光学片1320、和反射镜或反射器1330。分束器1310用作器件的输入端口和输出端口。旋转光学片1320设置在反射镜1330和分束器1310之间。分束器1310接收输入光束1300，沿着通过旋转光学片1320、从分束器1310到反射镜1330的光路传导。透过分束器1310的部分光1300是照射到并透过旋转光学片1320的光束1301。定向反射镜或其他光学反射器1330，与从相对侧入射到光学片1310上的光束垂直。来自反射镜1320的反射光束1302按照相同的光路反向传播，直到其遇到分束器1310。分束器1310将后向传播光1302的一部分偏转到不同的方向，作为输出光束1303。
在此器件中，通过旋转光学片1320引起光路长度的变化。光学片1320可以由质量良好的光学材料制成。两个光学表面可以是平坦的，并进行了良好的抛光，以最小化光束的失真。此外，两个表面应当彼此平行，从而光学片1320两侧的传播方向平行。可以根据所需的延迟变化和旋转角度的范围来选择光学片1320的厚度。光束所经历的光路长度由光学片1320的旋转角度确定。当光学片1320的表面垂直于光束时(入射角为零)，路径长度最小。路径长度随着入射角的增加而增加。
在图13A中，有利的是，对准输入光，从而使其传播通过整个光路，而没有显著的发散。光学片1320可以按照在用于周期性改变光学延迟的电动机上。应当使用具有平坦反射表面的高质量反射镜来实现反射镜1330。可以保持反射镜1330的反射表面与光束垂直。
如果将线偏振光用作图13A中的输入光束1300，有利的是，使光的偏振方向平行于输入平面(纸面)，因为与其他偏振方向相比，对于此偏振，在光学片1320的表面发生较少的反射。可以使用防反涂层以进一步降低光学片1320的表面上的光反射。
用在图13A中的分束器1310使用其光透射和光反射来传导光。分束器1310的这种方案引起了器件输出中的反射损耗，由于在输入光1300第一次通过分束器1310的透射进入器件时的反射损耗、以及在光通过分束器1310的反射而位于器件中时的透射损耗。例如，如果分束器是50/50分束器，则最多25％的总输入光能够留在输出光中。为了避免这种光学损耗，可以使用光环行器来代替分束器1320。图13B示出了其中使用具有3个端口的光环行器1340将输入光送往光学片1320和反射镜1330并将返回光送往输出端口的示例。可以设计光环行器1340，将进入端口1的几乎全部光送往端口2，以及将进入其端口2的几乎全部光送往端口3，具有标称的光学损耗，因此极大地降低了器件中的光学损耗。商用光环行器(自由空间或基于光纤)可以用于实现环行器1340。
图14A示出了作为整个差分延迟调制器250的一部分的、图12B中的延迟器件的典型实施方式。第一光学模式分束器1410用于将波导373中的两个模式分离到分别具有两个反射镜1431和1432的两个路径中。第二光学模式分束器1440(作为模式组合器)用于将两个模式组合为输出。例如，如果两个模式是两个正交线偏振，偏振分束器可以用于实现1410和1440。可变光延迟线或器件1420位于上方的路径中，用于控制两个路径之间的差分延迟。输出可以与另一双模波导1450相耦合，通往检测模块或直接将其发送到检测模块中。图14B示出了基于图14A所示的设计的延迟器件，其中反射镜1432和可变光学延迟线1420由图13A所示的机械延迟器件实现。图13B中的机械延迟器件也可以用于实现图14A中的器件。
在以上示例中，将单一的双模波导272或372用作探头220、320或820的输入和输出波导。因此，通过该双模波导272或372，将单一模式或两个模式的输入光送入探头，并将两个独立模式的输出光从探头送往检测子系统或检测器。
可选地，可以用两个分离的波导代替单一的双模波导272或372，一个将输入光从光源送往探头，而另一个将光从探头送往检测子系统或检测器。作为示例，图2中的器件可以具有不同于波导272的第二波导，用于将来自光学探头220的、两个不同模式的反射光送往调制器250和检测子系统260。在此设计中，可以消除光定向器210。这样做是有优势的。在实施时，可以设计探头中的光学器件，将两个模式的反射光送往第二波导。
图15示出了可代替如图5B所示的器件的这种设计的示例。在此设计中，通过一个双模波导1510将探测光传递到样品205，由探头320收集反射/散射光，并通过另一双模波导1520进行传导。利用如图4所示的探头，可以定向和对准反射镜424，从而将光反射到波导1520而不是波导1510中。这种设计可以应用于基于本申请公开的其他器件，包括图2、3、8A、8B和9中的典型器件。
上述器件和技术可以用于通过将两个模式之间的相对相位差控制在不同数值，获得样品给定位置在不同深度处的光学测量结果，以及通过在样品上横向改变探头的相对位置，获得样品上不同位置的光学测量结果，以获得样品给定深度或不同深度的层析映像。这些器件和技术还可以用于执行样品上的其他测量，包括样品层的谱选择测量。
在多种应用中，有利的是获得与可通过其谱吸收率标识的、分散在样品中的特定物质有关的信息。因此，可调谐带通滤波器可用于对入射到探头上的光进行滤波，以选择入射光的宽带光谱中的所需光谱窗口，以测量样品的响应，并改变光谱窗口的中心波长，以测量样品响应的谱分布。带通滤波器的这种调谐允许源光谱的可变部分通过，同时对样品的复杂反射系数的分布进行测量。
可选地，可以向光学探头发送宽带光，而不对其进行光学滤波，可以选择和测量来自探头的输出光中的不同波长的光谱分量，以测量样品在选定波长附近的响应或样品响应的谱分布。在一个实施方式中，可以将可调谐光学带通滤波器插入在来自光头的输出给的光路中，对光进行滤波。在另一实施方式中，光栅或其他衍射光学元件可以用于光学地分离要由检测子系统或检测器测量的输出光中的不同光谱分量。
作为示例，图16示出了基于图2所示的设计的系统，其中将可调谐滤波器1610插入在输入波导271中，对两个不同模式的输入光进行滤波。图17示出了基于图8A所示的设计的另一典型系统，其中将可调谐滤波器1710插入在输入波导871中，对单一模式的输入光进行滤波。可以将这种可调谐滤波器设置在其他位置。
图18示出了图16和17所示的器件中的可调谐带通滤波器的操作。滤波器选择光源光谱内的窄谱带，以测量样品的光谱特征。
特别地，本申请的器件和技术可以用于选择样品内的层，以通过适当处理测量数据来进行测量。参照图16和17中的器件，假设要测量以界面I和II分界的层的吸收特性。为了简化描述，假设层内物质的光谱吸收以波长相关衰减系数μh(λ)为特征，其他位置以μg(λ)为特征。还假设界面I(II)附近的物质拥有有效、波长相关反射系数rI(rII)。如果光源光谱覆盖了所关心的特征吸收，具有可在样品205的特征吸收范围内调谐的通带的光学滤波器1610或1710可以用于测量样品205的、以不同波长为中心的光谱响应。
在操作中，可以执行以下步骤。首先，调整差分延迟调制器250，从而使一个模式(例如模式001)传播的路径长度与由界面I反射的、另一模式(例如模式002)的辐射传播的路径长度相匹配。此时，可以在记录由于调制器250所产生的周期差分相位而引起的测量信号的振荡的同时，扫描滤波器1610或1710的通带。作为波长的函数的振荡幅度由等式(15)给出 其中z1是从样品205的上表面测量到界面I的距离。接下来，再次调整延迟调制器250，改变差分延迟，从而使模式001所传播的路径长度与从界面II反射的、模式002的辐射所传播的路径长度相匹配。如下获得界面II的测量结果 其中zII是从界面I测量到界面II的距离。为了获得以界面I和II分界的层的吸收特性，可以利用等式(7)和等式(6)获得以下比例 特别地，此等式提供了只与所关心的层的吸收特性有关的信息，并允许对该层进行测量。因此，此方法提供了一种“相干光栅”机制，用于光学地获得位于样品表面下方的特定、指定层的吸收光谱。
应当注意，可以设计光学滤波器1610或1710的通带足够窄，以分辨所关系的吸收特性，与此同时，足够宽，以区分所关心的层。以下用于通过探测病人的皮肤来监测葡萄糖水平的示例表明这种结构是合理且实用的。
多种与葡萄糖相关的监测仪依赖于从糖尿病病人处取得血样。重复地针刺皮肤可能会引起病人相当大的不舒服。因此，需要以非侵入的方式来监测葡萄糖水平。公知的是，血液中的葡萄糖拥有在近红外(NIR)波长范围内的“签名”光学吸收峰。还清楚的是，非侵入检测葡萄糖的主要障碍是因为以下事实探测光束在其路径上与拥有叠加吸收带的多种组织和物质相互作用。从所有其他峰中提取出签名葡萄糖峰被证明是困难的。
可以利用上述“相干光栅”来克服用于监测葡萄糖的其他方法的难题。对于葡萄糖监测，指定层可以是真皮层，其中葡萄糖集中在血管网络和组织液中。
图19A示出了人类皮肤组织的示例，其中可利用这里所描述的相干光栅技术来测量表皮和皮下层之间的真皮层中的葡萄糖浓度。可以利用相干光栅技术光学地选择和测量真皮层。已知的是，浅表皮层由于其含有色素，是NIR吸收的主要来源。但是，因为缺乏血液，表皮不会产生对葡萄糖监测有用的信息。可以应用相干光栅技术，通过拒绝表皮和皮下组织的吸收，来惟一地获得真皮层的吸收光谱。此技术的附加优点来源于以下事实与表皮相比，真皮表现出较小的温度变化。已知的是，表面温度变化引起水吸收的漂移，妨碍了葡萄糖监测。
图19B示出了在1到2.5微米之间的波长范围内、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。这些峰的宽度约为150nm。为了分别这些峰，可以选择可调谐带通滤波器的带宽约为30nm。深度分辨率由以下等式确定 因此，以图16和17中的器件或其他光学传感器件实现的相干光栅可以用于确定不小于60μm厚的组织层中的葡萄糖的吸收特性。如图19A所示，人类的皮肤由通常为0.1mm厚的浅表皮层构成。在表皮下方是真皮，大约1mm厚，在真皮中，葡萄糖集中在血液和组织液中。以上分析表明能够利用图16和17所示的设备将真皮的吸收特性与表皮和其他层的吸收特性隔离开。
由等式(18)可知，对于给定的中心波长λ0，谱分辨率和层分辨率的乘积是常数。应当根据这两个分辨率与测量的具体要求之间的折中来确定滤波器带宽的选择。
可以操作可调谐带通滤波器1610或1710来获取样品中隔离出的提交的吸收特性。
图20示出了图3所示的检测子系统260的一个典型实施方式，其中使用两个衍射光栅2010和2020来分离来自偏振分束器361的输出光束中的不同谱分量。定位透镜2012，以收集来自光栅2010的衍射分量，并将不同的谱分量聚焦在其焦平面的不同位置。将具有多个光电检测器元件的检测器阵列2014设置在透镜2012的焦平面，从而由不同的光电检测器元件接收不同的谱分量。按照类似的方式，将第二透镜2022和检测器阵列2024用在衍射分量的光路中。在其中使用单一的光检测器来进行测量的图5A、5B、8A和8B所示的器件中，可以使用单一的光栅、透镜和检测器阵列。
在操作中，每个检测器元件以较小的波长间隔接收光。可以对来自阵列中的所有元件的光电流进行求和，以形成与在如图3所示的、没有光栅的每个单一检测器中接收到的信号等价的信号。通过有选择地测量来自阵列中的单个元件或元件组的光电流，可以获得样品的光谱信息。
在上述示例中，光学探头发出两个不同传播模式的光，其中两个模式之一的光携带有来自样品的信息。或者，可以将单一传播模式的光用作光学探头的输入光和来自光学探头的输出光。因此，基于这种设计的器件不仅使用公共光路向和从探头和样品传导光，而且控制单一模式的光。与上述针对来自探头的光使用两个不同模式的示例相比，此单模设计进一步消除或降低了在相同光路中传播的不同模式之间的任何差别。
图21示出了用于只以波导内部的一个传播模式来获得物质内的光学不均匀性和其他属性的信息的一个典型系统。通过保偏波导271和272，将来自宽带光源201的宽带或低相干光送往探头2110。探头2110内部的部分反射器反转输入光的一小部分的方向，以创建辐射波1，同时将剩余输入光传向样品205。来自样品205的后向散射或反射光成为第二辐射波2，并由探头2110进行收集。探头2110对辐射波1和2进行组合，并将其耦合回波导272中。辐射波1和2在波导272中向光定向器210传播，光定向器210通过波导273将辐射波1和2送往检测模块2101。具体地，从探头2110输出的辐射波1和2处于与探头2110的输入光相同的模式。探头2110在将辐射波1和2送往波导272时并不改变光的模式。
检测模块2101包括分束器2120、两个光路2121和2122、路径2122中的光学可变延迟元件2123、光束组合器2130、和两个光检测器2141和2142。分束器2120将波导273中的光(包括相同模式的辐射波1和2)分为分别在两个光路2121和2122中传播的两部分。具体地，两部分中的每一个均包括来自辐射波1和2的光。通过控制信号控制光路2122中的可变延迟元件或延迟线2123，以调整两个光路2121和2122之间的相对光学延迟，并可以通过本申请中所描述的典型延迟元件或其他延迟设计来实现。光束组合器2130组合两个光路的信号，使其彼此叠加，并分别输出针对光检测器2141和2142的两个光信号。光束组合器可以是偏振分束器，用于将组合光分为彼此偏振正交的两部分。
探头2110可以包括部分反射器，用于产生并未到达样品205的辐射波1。假设去往探头2110的光和从探头2110输出的光的单一传播模式是偏振模式，从探头2110中的部分反射器反射的光(即辐射波1)具有与从样品收集到的光(辐射波2)相同的偏振。因此，辐射1和2在波导272和273中、以相同的传播模式传播。因为从不同的位置反射辐射波1和2，其在到达分束器2120时经历了不同的光路长度。可变延迟元件2123的作用在于相对于路径2121中的光，在路径2122中的光中添加可调整的延迟量。
在操作中，可以调整可变延迟元件2123，从而可以使通过路径2122到达偏振分束器2130的部分辐射1经历与通过另一路径2122到达分束器2130的部分辐射2类似的光路长度。因为通过可变延迟元件2123对其相对路径长度进行调整，两个光束在光电检测器2141和2142处的叠加引起了可测量的强度变化。此变化可以用于获取与样品205的不均匀性和其他属性有关的信息。
图22示出了利用保偏光纤的、图21所示的系统的典型实施方式。可以将偏振控制器202设置在光源201的输出，用于控制一个偏振模式的输入光的偏振。所示光学头2110包括透镜系统2111和部分反射器2112。两个反射镜1和2用于构造分束器2120和2130之间的两个光路。由部分反射器2122和样品205反射的光辐射以相同的模式在保偏(PM)光纤272中传播。分束器2120将辐射波1和2的主要部分偏转到反射镜1，而将剩余部分送往反射镜2。
可以使偏振分束器2130的入射平面相对于来自一个光路中的反射镜2和另一光路的可变延迟元件2123的光的传播方向具有有限角度。在此结构中，由检测器2141和2142接收到的光能量是两个辐射(即辐射1和辐射2)的叠加。应当清楚，可以通过光纤或其他光波导来实现分束器2120和2130之间的连接，以消除自由空间路径和两个反射镜1和2。
在图21和22所示的示例中，光学头2110与样品205之间的间隔可以大于所关心的样品深度，从而在到达分束器2130时，部分辐射1经历只类似于部分辐射2的光路长度。换句话说，在图21和22中的系统的操作期间，相同辐射的分割部分并不经历类似的光路长度。
图23示出了探头2110的一个典型光学结构。可以利用部分反射光纤末端(即光纤272的端面)来实现部分反射器2310。无涂层光纤末端具有大约4％的反射率，并因而可以用作此部分反射器。端面上的光学涂层可以用于将反射率变为所需数值。
可以根据几个因素来选择光纤末端2310的反射率。一方面，辐射波1应当足够强，从而使其与辐射波2的叠加在两个检测器2141和2142处产生适当的强度变化。另一方面，辐射波1又不能太强，因为其可能会压制光电检测器2141和2142，阻止了检测系统中高增益的使用。对于系统的优化操作，可能希望选择光纤末端的反射率与由光纤从样品收集到的总光量可比。
在图21和22中，公共波导272用于将输入光发送到探头2110中以及传导从探头2110输出的输出光。可选地，类似于图15中的设计，可以用用于将输入光发送到探头2110中的输入波导和用于将从探头2110输出的输出光送往检测模块2101的分束器2120的输出波导来代替波导272。在此设计中，可以消除光定向器210，并且光学探头2110可以设计为将具有辐射波1和2的输出光送入输出波导。
类似于在所述其他实施例中调谐光的频率，在实现图21和22中的器件时，可调谐光学带通滤波器可以用于调谐光的频带，以有选择地测量样品205在滤波器频带处的属性。此外，如图20所示，在检测模块中使用光栅来测量样品的不同光谱分量也可以用在模块2101中。
图24进一步示出了用于光学地定标用于其光谱吸收的身体表面以下的层的测量技术。参考等式(15)-(17)，可以调节光学差分延迟，以获得来自两个深度I和II的测量值AI和AII，以便获得针对深度I和II之间的层的测量值。如果对光源的中心波长λ进行扫描，以获得不同波长处的测量值，可以将等式(17)中的测量比率用于获得仅由界面I和II所限定的物质的光谱吸收特性，即μh(λ)。因此，在用于测量的光谱吸收方面，该技术有效地隔离了I和II之间的物质。通过改变界面I和II的深度，可以针对全部层来执行该过程，以获得剖面光谱吸收映射图(SAM)。
用于获得SAM测量值的一种方式是在两个或更多不同波长处、使用以这些波长为中心的光辐射、首先获得反射的剖面映射图，A(λ)。当如上所述使用单光源时，将可调光学滤波器用于在目标区域上面的探头的每一个空间位置处选择不同的波长以获得测量值。在一个位置处完成不同波长的测量时，将探头移到下一个位置，并且重复所述测量。该过程继续，直到测量了目标区域之内的全部位置为止。结合使用可变延迟值的光差分延迟和沿目标表面的扫描实现了目标区域光谱吸收的三维映射图。
在其中样品具有宽光谱范围吸收特征的一些应用中，单光源可能不能够提供对这些吸收特征的足够宽的光谱覆盖。以下部分描述使用具有以不同波长为中心的辐射的两个或更多光源，以提供SAM测量中的宽光谱覆盖。
这里描述的各种光学配置可以适用于执行SAM测量。以下描述几个示例用于使用不同波长处的多路光源。
图25示出了使用不同光波长的两个或更多不同光源2510以获得来自样品的反射映射图的光学设备2500。每一个光源在以与其它光源不同的波长为中心的带宽Δλ之内发射。可以选择光源2510的波长以覆盖待测量样品中的吸收特征的光谱范围。在一些应用中，可以选择2510的波长以有效地对感兴趣的具体吸收特征进行采样，如图31所示，并且因此不可以覆盖样品中的其它吸收特征。在具体实施方式
中，应该考虑用于测量所需的深度空间分辨率来选择每一个光源的带宽Δλ。将光学多路复用器2520用于接收来自不同光源2510的光辐射，以将这些光波组合到公共光路中，即公共光波导271。光定向器210将已组合的光辐射经由公共波导272定向到探头220。定位于样品205上的探头220将来自已复用的或已组合的一部分光辐射分束为探测光，并且将该探测光定向到样品205。将来自样品205的反射光由探头220进行收集，并且经由波导272、光定向器210和另一个波导273定向到差分延迟器250。在前一个部分中详细描述了设备2500的各种实施方式和操作。还将光学多路解复用器2530用于基于以光源2510的不同波长为中心的不同波段将从差分延迟调制器250输出的光空间地进行分离。因此，可以将不同的光检测器模块2540的阵列用于分别接收和检测所分离的不同波段的光束。作为示例，将来自一个光源的以波长λ1为中心、并且在Δλ1的带宽之内的光辐射与其余的光辐射分离，并且发送到检测器模块1(D1)。每一个检测器模块可以包括一个或多个光检测器。差分延迟调制器250、解复用器2530和检测器模块2540形成了执行设备2500的光检测的光相干器的至少一部分。将已多路复用的光辐射通过光波导272或光纤和探头220传递到组织。将来自组织的背向散射和反射光部分地由探头220收集，并且重新定向到光学相干器中。
实际上，将探头220操作用于扫描样品205上已多路复用的光辐射，以获得不同波长的测量。针对每一个所设计的空间间隔，差分延迟调制器250扫描一个范围以与样品内部深度的范围相对应。重复该过程，直到测量了样品区域的全部采样位置为止。在该实施方式中，可以同时地获得两个或更多波长的光的光辐射剖面映射图。尽管对差分延迟调制器250和探测光辐射进行扫描，可以将来自检测器模块2540(每一个均接收与光源2510之一相关联的不同波段之内的光辐射)的光电流同时地记录为可以从中提取多个反射映射图A(λ1)、A(λ2)等的数据。每一个反射映射图均可以由一个光源的波段之内的辐射来形成。然后可以将这些反射映射图用于使用基于由等式(15)至(17)概述的原理的算法来推导出SAM。
图26示出了图25中的设备2500的一个实施方式2600，其中将数字信号处理器(DSP)2610用于处理来自检测器模块2540的检测器输出，并且用于产生光谱吸收映射图。DSP 2610可以是如图3中所示的设备控制器370的一部分。可以将显示器和用户接口模块372用于允许操作者观看SAM结果，并且控制该设备。
图27示出了图26所示的设备2600的示例，其中用两个光栅2010和2020以及两个透镜2012和2014实现多路解复用器2530。用两个检测器阵列2014和2024实现检测器模块2540，即，检测器模块2540的每一个均包括阵列2014中的一个检测器和阵列2024中的另一个检测器，用于检测不同偏振状态中的相同波长的光。偏振分束器361将来自差分延迟调制器250的已波长复用的光分束为具有相互正交偏振状态的两个光束，其中，每一个已分束的光束是处于来自探头220的两个不同模式的光的混合物。偏振分束器361将处于第一传播模式的接收到的光的一部分和处于第二传播模式的接收到的光的一部分转换为处于沿第一光路传播的第三传播模式的光，并且用于将处于第一和第二传播模式的接收到的光的其余部分转换为处于沿不同的第二光路传播的第四传播模式的光。第三和第四模式是偏振分束器361的两个正交偏振模式。
光栅2010和2020将已波长复用的光辐射分离为角度间隔，每一个与来自光源2510之一的光相对应。在一个检测器阵列中的光敏元件的数目可以等于所使用的光源的数目。可以将每一个光敏元件的感测区设计为足够大，使得可以由阵列中的一个元件接收一个光源的波段内的全部光辐射。例如，如果在该系统中使用三个光源，可以使用每一个均具有三个光敏元件的两个阵列。
可以将光多路复用器2520实现为多种结构。图28示出了多路复用器25120的一个示例，其中将部分反射镜2801和2802用于对来自三个不同光源2510A、2510B和2510C的辐射束进行多路复用。可以将该设计和N个部分反射镜一起用于对来自(N+1)个光源的光束进行多路复用。可以同涂敷具有薄金属层的一侧来制造部分反射镜。利用这种配置，并非全部光功率被多路复用到光纤中，因为在每一个反射器处发生光功率损耗。将光准直器2810用于将已多路复用的光耦合到光波导或光纤271中。
图29A示出了多路复用器2520的另一个示例，所述多路复用器减小了图28的设计中的光损耗，并且提供了可用光功率的有效使用。在该示例中，将光学双色滤波器2901和2902用于分别代替部分反射镜2801和2802。可以将双色滤波器实现为各种形式。一个实施方式是使用两个短通(short-pass)干涉滤波器作为双色滤波器2901和2902。
图29B示出了双色滤波器2901和2902的光学设计。将滤波器2901的截止波长设定在分别以λ1和λ2为中心的第一和第二光源的辐射带之间。将滤波器2902的截止波长设定在分别以λ2和λ3为中心的第二和第三光源的辐射带之间。利用这种配置，除了滤波器的非理想性之外，可以将来自三个光源的全部辐射耦合到光纤271中，而没有显著的光损耗。可以使用多层电介质薄膜制作这种类型的干涉光学滤波器。其它可能的多路复用器包括阵列波导类型和光栅类型。
在用于SAM测量的以上设备中，将不同波段的光束由探头220同时地定向到样品205。因此，同时地执行不同波长的光学测量。可选地，如图30所示，光学多路复用器2520可以用光开关3010代替，以同时定向波段之一内的探测束，使得将不同波段处的探测光束随后不同时地定向到样品205以获得反射映射图。在一个实施方式中，可以通过1×N光开关作为开关3010将N宽带光源2510顺序地与图30中的光学设备相连。从而获得不同波段的反射映射图A(λ1)、A(λ2)等，然后将其用于计算SAM。
可以根据待测量的具体吸收特性来对任意以上设备设计中的宽带光源做出选择。作为示例，图31示出了其中存在吸收峰3110的样品3100的吸收幅度光谱。可以将具有所示中心波长的三个或更多不同宽带光源用于对峰3110进行映射。为了实现更好的光谱分辨率，可以增加光源的数目。在三个光源的示例中，可以将三个不同光源处的反射率映射图A(λ1)、A(λ2)和A(λ3)用于计算针对SAM的特征的强度。
SAM的轴向分辨率(即，深度分辨率)与中心波长λ0的光源的带宽(光谱宽度)Δλ有关，并且如下给出 针对给定的带宽Δλ，相应反射率映射图的深度分辨率由以上等式确定。因此，较宽的带宽对于沿探测束的方向分辨较小的空间特征是需要的，作为折衷这限制了空间分辨率。例如，如果人们想要对占据了1微米的光波长附近的20nm范围的光谱吸收特征进行映射时，可以选择约5nm带宽的光源。在这些条件下，针对SAM的空间分辨率粗略地为90微米。
在以上多源SAM测量中每一个光源均具有固定的发射中心波长和带宽。在基于上述设计的其它实施方式中，可以将多路可调激光源用于代替固定光源。可以将每一个可调激光源配置用于提供以λ为中心的Δλ波长范围内的高度相干辐射。由于相同的考虑，感兴趣的光谱吸收特征可能对于单个可调激光源太宽以致不能覆盖，可以按照用于SAM测量的各种设计实现两个或更多可调激光源，每一个均在以不同波长为中心的波长范围内是可调的。
图32示出了用于SAM测量的设备3200的一个示例，其中将两个或更多可调激光3210用作光源。再将来自可调激光源3210的光辐射定向到探头220之前，将其通过多路复用器2520进行组合。将包括从测量时的组织收集到的、来自探头220的光波重新定向到多路解复用器2530中，在所述多路解复用器中根据波段将光波分离为不同光路中的分离束，由光检测器接收每一个分离的光束。
可以将这种布置配置用于允许可调激光源3210的波长的同时调节，进而允许来自不同波段中的探头220的光波的记录。图32的设计中的一个特征是缺少在使用一个或更多固定光源以产生探测光的其它设计中使用的光学差分延迟调制器250。在测量期间，每一个可调激光通过其调谐光谱范围进行调谐，并且可以计算已记录的光强作为每一个波段中的激光波长的函数，以获得针对该波段的反射率映射图。随着一定波长周期的光电流的变化表示起源于样品205中的一定距离或深度的反射。本质上，这种计算根据其频率的光电流分解，或公知为傅立叶变换。为了使反射率映射图覆盖深度范围，可调激光应该具有与深度范围可比较的、或更长的适当相干长度。可以获得被检样品205的针对两个或更多波段的两个或更多反射率映射图，并且可以将其用于基于等式(15)至(17)来推导样品205的SAM。
可以通过去除光学差分延迟调制器250，将可调激光的使用实现为用于SAM测量的各种设备设计。例如，可以使用图30的设计而没有差分延迟调制器250，以将来自不同可调激光源的光辐射顺序地定向到样品205。当将来自具体可调激光的辐射定向到样品205时，通过激光的调谐范围对激光在其激光频率内进行调谐，以获得调谐范围之内的不同波长处的光吸收的测量。
在使用具有可调激光源的上述技术的一些精密光学相位测量中，可以将差分相位调制器250插入到公共波导273中，以从探头接收处于第一和第二传播模式的光，并且产生和调制第一和第二传播模式之间的相对光学相位。第一和第二传播模式之间的相对光学相位的调制引起光电流在光电检测器2540(或探测器阵列2014和2024中的探测器)范围之外，以相对于波长对其波峰位置和波谷位置进行偏移。这允许使用与由等式12和13所表示的分析类似的数学分析来精确计算从样品反射的光的反射光相位。
作为以上非侵入光学探测技术和设备的应用，图33示出了组合了以下模块的集成系统3300的示例X射线CT扫描模块3310，用于定位肺节结；极微小侵入光探测模块3320；以及治疗模块3330，用于提供用于治疗肺癌的完整诊断和治疗平台。可以将治疗模块3330设计为使用诸如激光辐射、RF或微波辐射能之类的电磁辐射来治疗选定目标区域处的恶性疾病。气管镜3340用于提供将用于光探测模块3320的光探测插入到肺中的装置，以光学测量肺中的目标区域。此外，还将气管镜3340用于将来自激光治疗模块3330的激光束引导到肺中用于激光治疗。如所示出的，气管镜3340包括工作管道3342，是中空的，并且接收用于光探测模块3320的光学探头和光学滤波器33222；以及用于激光治疗模块3330的光功率传递波导3322。将工作管道3342插入到肺的内部，以探测肺中的不同目标区域。工作管道3342的远端对包括传输光学探测光和来自激光治疗模块3330的激光束两者的端面或窗口。将计算和控制模块3350配置用于控制三个不同的模块3310、3320和3330，并且用于执行测量分析。将可以包括用户输入界面和显示监视器的显示和用于界面模块2260用于允许操作者操作系统3300。
将CT扫描模块3310用于对患者的肺进行扫描，以检测和定位全部单个的肺节结(SPN)。将每一个SPN经由CT扫描成像进行可视定位。接下来，将光探测模块3320用于测量由CT扫描所标识的每一个SPN。这就是差分诊断，并且分析光学测量以确定每一个SPN是良性的还是恶性的。然后将激光治疗模块3330用于治疗每一个恶性SPN。全部这三个程序可以在一个集成系统中执行。
可以将极微小侵入光探测模块3320实现为如本申请中所述的各种实施例。作为具体示例，光探测模块3320可以实现为截面成像模块。可以将光探测模块3320用于允许在早期肺癌诊断中CT扫描的预先使用，此外，可以使用诸如激光高温的光学方法促进癌症治疗。模块3320利用光学相干技术来获得光学断层以非破坏性地揭示组织结构和其它生理信息。成像模块的探头是光纤基的，并且被插入到气管镜3340的工作管道中。之前已经将气管镜3340的探头用于视觉地定位肺内部的肿瘤。利用光探测模块随后的可疑组织或SPN的体内检查，可以通过它们不同的结构和光学特征将钙化的良性SPN与恶性SPN相区分。使用光探测模块3320解决了CT扫描诊断难题，使极微小侵入过程能够定位SPN，然后识别那个节结是恶性的。特别地，使用基于光探测的这种诊断顺序允许医师避免大多数肺部活组织检查(如果不使全部的话)，从而显著地减小上述风险，并且极大地提高没有副作用的成功诊断的选择。
图34示出了图33中的系统3300的一个示范性使用。将CT扫描用于执行针对全部SPN(良性的和恶性的)肺部扫描的初始检查。在CT扫描之后，在每一个所检测的SPN处执行光学探测，以确定所述SPN是良性的还是恶性的。如果SPN确定为是恶性的，可以通过使用激光治疗模块3330执行激光治疗以治疗SPN的恶性疾病。如果没有发现恶性SPN，患者可以计划定期CT扫描以检测肺部情况。
表1 可以将激光治疗实现为诸如激光高温治疗和激光切除治疗之类的各种结构。例如，肺病学家可以使用激光治疗模块3330钟的高功率激光和插入到气管镜3340的工作通道中的光纤基治疗探针来向肿瘤传递光功率。称为激光高温的这种程序已经示出了用于使癌变组织坏死。选择激光发射波长，使得实质上全部地光被组织吸收，即在组织的1厘米范围之内。可以使用几种类型的高功率激光源。例如，紧凑的二极管泵浦固态激光器是易于可用的。能够传输实质功率级别(例如，瓦特量级)的光纤也是可用的。我们估计可以使用本领域普通技术人员所公知的一般方法完成将大约33％效率的激光光功率耦合入光纤。
作为示例，表1列出了针对传递到组织的不同光功率级别，升高可疑组织的温度所需的、计算的曝光时间。在33％耦合效率的情况下，输入到光传递波导3332(例如，光纤)的激光功率要达到三倍。在以上估计中，假设恶性组织热表现为好像水一样(约70％正确)，并且节结实质上与周围组织处于较弱的热接触。研究者已经发现10℃的温升足够杀死癌细胞，并且更高的温升更快地杀死恶性细胞。基于表1的结果，3-6瓦的激光应该足够执行5-10秒钟曝光的体内激光高温。
可以将图33中的集成诊断和治疗系统以及图34中的技术实现为允许在单独的会话或访问中执行SPN定位/检测和气管镜检查两者。此外，因此可以在单独的气管镜过程期间执行差分诊断和激光治疗两者。因此，可以在单独的诊所访问中执行这三个不同的程序SPN检测/定位、恶性-良性差分诊断和治疗。可以修改CT扫描系统以将更多较小的用于差分诊断和激光治疗的光学器件合并起来，使得可以在一个单独的设备上执行完整的过程。这导致医师时间的非常有效的使用以及对于患者的便利。诸如激光高温和激光切除之类的激光治疗方法对于治疗下的患者确实不具有副作用，因此在这一方面与诸如化疗和辐射相比是有利的。此外，可以实现图34中的集成系统，以减小差分诊断和治疗中的任意延迟，因此这种实现比使用常用于在恶性和良性SPN之间进行区分的肿瘤尺寸生长协议(protocol)的“等待和观看”观察的其它方法是有利的。
图33中的集成系统还可以通过使用除了激光治疗模块之外的治疗模块来实现。可以使用用于切除的射频(RF)能量和微波能量的各种电磁辐射治疗。可以将RF或微波波导探针插入到工作管道3342中以向治疗的目标SPN传递RF或微波能量。例如，激光治疗模块3330可以用微波切除治疗单元来代替。可以使工作管道的远端端面传输探测光和RF/微波辐射两者。
此外，还可以将图33所示的集成设计实现用于诊断和治疗其它疾病。例如，在一个实施方式中，集成诊断和治疗系统可以包括CT扫描单元，用于定位身体部分中的病区；基准截面成像单元，用于分析每一个病区；以及激光、RF或微波辐射治疗单元，用于治疗选定区域。可以将该系统用于诊断和治疗肺癌、前列腺癌和其它肿瘤。该系统管道一个特定实现是图33中的示例，用于诊断和治疗肺癌，其中将气管镜插入到肺中，用于传递探测光和治疗激光束。
在实现图33中的系统时，可以将光学成像模块3320的光学探头220和治疗传递波导3332统一为插入到工作管道3342内部的单独组件，使得可以将可能是激光辐射、RF或微波辐射的治疗辐射定向到光学探头220定位的大致相同位置。在该设计中，当将SPN标识为恶性时，可以将治疗辐射传递到恶性SPN的相同位置，而无需改变工作管道3342的远端末梢位置。因此，可以将该统一组件用于简化治疗辐射相对于由光学成像模块3320所标识的恶性SPN的对齐。
图35示出了统一组件3500的一个示例。将管状单元或铠装3510用于保持探测光纤3322和波导3332一起作为单一单元。光纤33232的末端处或附近的探头220和波导3332的远端放置为在端面窗口3520之内的管状单元3510的远端处彼此紧跟。同样，探头220和波导3332的远端瞄准实质相同的位置。然后将组件3500插入到工作管道3342内部，以将端面窗口3520放置在工作管道3342的末端处。
在本申请中只公开了一些实施方式。但是，应当理解的是，可以进行变化、修改和改进。
权利要求
要求保护的是正文中描述的和附图中所示出的，包括
1.一种医疗设备，包括
气管镜，包括工作管道，配置用于插入到身体的通道中以到达身体内部的目标区域；
光纤探测模块，包括(1)具有插入到气管镜的工作管道中的部分的探测光纤，以及(2)光学探头，与探测光纤的一端相连，并且位于所述工作管道的内部，所述光纤探测设备可操作用于通过探测光纤和光学探头将探测光定向到身体中的目标区域，并且收集来自目标区域的反射光，并且用于进一步地从所收集的反射光获得目标区域的信息；以及
激光治疗模块，包括功率传递光纤，具有插入到气管镜的工作管道中以向目标区域传递治疗激光束的部分。
2.根据权利要求1实施的设备，还包括
计算断层(CT)模块，用于扫描身体的至少一部分，以获得身体的扫描部分的CT扫描数据，该CT扫描数据被分析用于标识和定位恶性可疑目标区域，用于通过光纤探测模块进一步地探测和分析。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，构建所述探测光纤以支持处于第一传播模式和不同的第二传播模式的光，并且光纤探测模块还包括
光源，用于产生探测光，其中所述探测光纤接收和引导处于第一传播模式的探测光；
其中，光纤探头与探测光纤相连以从探测光纤接收光，并且以第一传播模式将所述光的第一部分反射回探测光纤中，并且将所述光的第二部分定向到目标区域，所述探头收集从目标区域的第二部分的反射，并且向探测光纤输出所述反射作为处于第二传播模式的反射第二部分；
光学差分延迟单元，用于响应于控制信号，产生和控制从探测光纤接收到的所反射第一部分和所反射的第二部分之间的相对延迟；
检测模块，用于从探测光纤接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且提取由所反射的第二部分所携带的目标区域的信息；以及
控制单元，向光学差分延迟单元产生控制信号，用于以两个不同偏置值设置相对延迟，以选择目标区域内部的材料层，以测量选定层的光学吸收。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，检测模块包括
光学设备，用于将按照第一传播模式的光沿第一光路进行定向，以及将按照第二传播模式的光沿不同的第二光路进行定向；
第一光学元件，处于第一光路中以将不同波段处的光分离为第一组不同的光束；
多个第一光检测器，用于分别接收和检测来自第一光学元件的第一组不同的光束；
第二光学元件，处于第二光路中以将不同波段处的光分离为第二组不同的光束；以及
多个第二光检测器，用于分别接收和检测来自第二光学元件的第二组不同的光束。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，第一和第二光学元件是光栅。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，检测模块包括数字信号处理器，用于处理所反射的第二部分中的目标区域的信息，并且用于产生目标区域的光谱吸收数据。
7.根据权利要求3所述的设备，其中，光学差分延迟单元包括
模式分离单元，用于将接收到的光分为按照第一传播模式的第一光束和按照第二传播模式的第二光束；以及
在第一和第二光束之一中的可变光学延迟元件，用于响应于控制信号调节第一和第二光束之间的光学延迟。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，第一和第二传播模式是由探测光纤支持的两个正交偏振模式，并且其中检测模块包括
光检测器；以及
光偏振器，用于接收和混合所反射的第一和第二部分，以向光检测器产生光学输出。
9.根据权利要求3所述的设备，其中，光学探头包括部分模式转换器，将来自目标的反射设定于第二传播模式。
10.根据权利要求3所述的设备，其中，光学探头包括
部分反射器，用于反射探测光的所反射的第一部分，并且用于向样品传输探测光的第二部分；以及
偏振旋转器，位于部分反射器和目标区域之间，用于改变所反射的第二部分的偏振，来控制所反射的第二部分处于第二传播模式。
11.根据权利要求3所述的设备，其中，光学探头包括
部分反射器，用于反射探测光的所反射的第一部分，并且用于向目标区域传输探测光的第二部分；以及
法拉第旋转器，位于部分反射器和目标区域之间，用于改变所反射的第二部分的偏振，来控制所反射的第二部分处于第二传播模式。
12.根据权利要求3所述的设备，其中，光学探头包括
部分反射器，用于反射探测光的所反射的第一部分，并且用于向目标区域传输探测光的第二部分；以及
四分之一波片，位于部分反射器和目标之间，用于改变所反射的第二部分的偏振，来控制所反射的第二部分处于第二传播模式。
13.根据权利要求3所述的设备，其中，光纤探测模块还包括
输入波导，用于从光源接收探测光，并且用于引导处于第一传播模式的输入光束；
输出波导，用于从探测光纤接收所反射的第一部分和第二部分，并且用于将所反射的第一和第二部分定向到光学差分延迟单元；以及
光路由器，与输入波导、探测光纤和输出波导相连，所述光路由器将来自输入波导的光定向到探测光纤，并且将来自探测光纤的管定向到输出波导。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，光学路由器包括
光学环行器；
第一分束器，处于探测光纤中，用于传输处于第一传播模式的光，并且用于反射处于第二传播模式的光；
第二分束器，处于输出波导中，用于传输处于第一传播模式的光，并且用于反射处于第二传播模式的光；以及
旁路波导，连接在第一和第二分束器之间，用于将由第一分束器反射的所反射第二部分定向到第二分束器，所述第二分束器通过反射将所反射的第二部分定向到输出波导中。
15.根据权利要求13所述的设备，还包括
可调光学滤波器，位于输入波导之一中；
探测光纤；以及
输出波导，用于选择目标区域的光谱响应的一部分来进行测量。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括可调光学滤波器，用于对探测光进行滤波，以选择目标区域的光谱响应的一部分来进行测量。
17.根据权利要求1所述的设备，还包括可调光学滤波器，用于对所反射的第一和第二部分进行滤波，以选择目标区域的光谱响应的一部分来进行测量。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，光纤探测模块还包括
多个光源，将以不同波长为中心的不同波段的光作为探测光发射到探测光纤中，其中，光学探头以第一传播模式将探测光的第一部分反射回探测光纤中，并且将探测光的第二部分定向到目标区域，以及探头收集来自目标区域的第二部分的反射，并且向探测光纤输出所述反射作为处于与第一传播模式不同的第二传播模式的所反射的第二部分；
光学差分延迟单元，用于响应于控制信号，产生和控制从单波导接收到的所反射的第一部分和所反射的第二部分之间的相对延迟；
检测模块，用于接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且用于提取由所反射的第二部分携带的目标区域的信息；以及
探测控制单元，向光学差分延迟单元产生控制信号，用于以两个不同偏置值设置相对延迟，以选择目标区域内部的材料层，以测量来自不同光源的每一个波长处的选定层的光吸收。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，光纤探测模块还包括
多个可调激光源，将以不同波长为中心的不同波段内的光作为探测光发射到探测光纤中，其中所述探测光纤配置用于接收和引导处于第一传播模式的不同波段的探测光；
其中，光学探头用于以第一传播模式将探测光的第一部分反射回探测光纤中，并且将光的第二部分定向到目标区域，以及探头收集来自目标区域的第二部分的反射，并且向探测光纤输出所述反射作为处于与第一传播模式不同的第二传播模式的所反射的第二部分；
检测模块，用于在波导中接收所反射的第一部分和所反射的第二部分，并且用于提取由所反射的第二部分携带的目标区域的信息；以及
探测控制单元，用于对相应激光发射波段中的每一个可调激光器进行调谐，以获得每一个相应波段之内的不同波长处目标区域的吸收测量值。
20.根据权利要求1所述的设备，还包括
管状单元，用于保持探测光纤、探头和功率传递光纤作为插入到气管镜的工作通道中的单独组件。
21.一种用于肺癌治疗的医疗设备，包括
计算断层(CT)扫描单元，用于检测和定位肺的肺部节结位置；
光学剖面成像单元，用于光学地测量和分析每一个肺部节结位置，以在良性和恶性肺部节结位置之间进行区分；以及
放射治疗单元，用于光学治疗恶性的选定肺部节结位置。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，放射治疗单元包括微波切除治疗单元，用于治疗选定的肺部节结位置。
23.根据权利要求22所述的设备，还包括内窥镜，所述内窥镜包括工作管道，其中，光学截面成像单元包括探测光纤，用于向每一个肺部节结位置传递探测光以光学地测量每一个位置，以及工作通道内部的一部分探测光纤，以传递探测光。
24.一种集成诊断和治疗系统，包括
CT扫描单元，用于定位身体部分中的病区；
基准剖面成像单元，用于分析每一个病区；以及
激光放射治疗单元，用于治疗选定的病区。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，每一个病区均受到前列腺癌的感染。
26.根据权利要求24所述的系统，其中，每一个病区均是肺的一部分，并且受到肺癌的感染。
27.根据权利要求24所述的系统，其中，每一个病区均受到与前列腺癌和肺癌不同的癌症的感染。
28.一种用于诊断和治疗患者的恶性疾病的方法，包括
在患者的选定身体部分中执行计算断层(CT)扫描，以标识选定身体部分中潜在恶性位置；
使用光探测束以光学地探测所标识的位置，以进一步地将恶性位置与良性位置相标识；以及
向每一个所标识的恶性位置传递辐射能量，以治疗恶性疾病。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，辐射能量从微波或RF源获得。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，辐射源从激光获得。
全文摘要
本申请描述了一种用于光学的测量样品的设计、实施方式和技术，以及一种通过电磁辐射处理(例如激光、RF或微波)提供CT-扫描、光学探测和治疗的集成系统。可以将不同波长的光用于检测样品中的不同吸收特征。可以使用包括可调激光器的多路光源。
文档编号A61B5/00GK101389264SQ200580043930
公开日2009年3月18日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年10月20日
发明者彼得·E·诺瑞斯, 王飞凌, 李小莉 申请人:突慧公司