皮肤疾病的非侵入式检测的制作方法
本申请要求于2016年3月8日提交的美国临时专利申请序列号62/305,207以及于2016年12月21日提交的美国临时专利序列号62/437,507的优先权，其各自通过引用而整体并入本文。
背景技术
皮肤癌是一种上皮癌，是最常见的癌症之一。皮肤癌可以发生在身体的各个部位，包括诸如脸颊以及眼睛、鼻子和嘴巴附近的面部区域。可以通过手术去除皮肤癌以防止扩散。手术的目标可以是去除所有的癌症，而不从面部去除太多健康的皮肤。为此，外科医生可以在可见的皮肤癌病灶周围或在存在癌症的皮肤区域周围绘制边界，随后沿着该边界切割以去除癌症。在一些情况下，也可以去除一定量的健康组织以确保即使不去除全部癌症，也去除了大部分癌症。这种类型的手术可以被称为mohs手术，以20世纪30年代发明这种程序的外科医生命名。mohs手术自采用以来基本没有变化，每年在美国进行超过250万例手术。
可以在不知道癌症边界的情况下进行mohs手术，并且在一些情况下，可能无法明确确定要去除的组织的量。因此，可能会去除健康的皮肤。在大约一半的手术中，癌症可能仍然存在。在此程序中，患者可能要等待外科医生分析所去除的组织。在一些情况下，分析可能涉及组织的组织学制备以供显微镜分析，这一过程可能需要大约一个小时。然后，外科医生(或在一些情况下为病理学家)可以检查组织以确定被去除的组织的边界是否包含癌症。如果仍然存在一些癌症(诸如，这可能是这些手术中大约一半的情况)，则可以进行第二次手术程序以去除更多的组织。随后可以制备该组织以供显微镜分析，同时患者再次等待结果。在大约20％的情况中，可能仍然存在一些癌症，并且可能需要第三次手术。可能需要多达8次手术才能去除所有癌症。这个过程对于患者来说可能是痛苦的，对于保险公司来说是昂贵的，而对于外科医生来说是低效的。
技术实现要素：
本文提供了可以用于皮肤疾病的非侵入式检测的方法和装置。
一方面，用于识别(identify)受试者的上皮组织中的疾病的方法包括(a)使用光学探针向所述上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲，所述单个光束的脉冲在接触所述上皮组织时生成与所述上皮组织的内在性质(intrinsicproperty)相关的信号；(b)在所述单个光束的脉冲的多个不同焦平面处收集所述信号的至少一个子集；以及(c)使用编程的计算机处理器处理所述信号的所述子集以生成所述上皮组织的深度剖面(depthprofile)，所述深度剖面可用于识别所述受试者的所述上皮组织中的疾病。在一些实施方式中，(a)-(c)在不从所述受试者去除所述上皮组织的情况下进行。在一些实施方式中，(a)-(c)在不向所述受试者施用对比度增强剂的情况下进行。
在一些实施方式中，所述单个光束的所述脉冲包括非偏振光。在一些实施方式中，所述单个光束的所述脉冲包括偏振光。在一些实施方式中，所述偏振光被旋转。在一些实施方式中，所述单个光束的所述脉冲的波长大于400nm。
在一些实施方式中，所述疾病是上皮癌。在一些实施方式中，所述上皮癌是皮肤癌。在一些实施方式中，所述深度剖面至少延伸到所述上皮组织的基底层下方。在一些实施方式中，所述方法还包括改变可移动透镜相对于所述上皮组织的相对位置以产生所述多个不同焦平面，所述可移动透镜与所述光学探针光学通信。在一些实施方式中，改变所述可移动透镜相对于所述上皮组织的所述相对位置包括平移所述可移动透镜。在一些实施方式中，所述可移动透镜以至少0.5hz的循环速率平移。
在一些实施方式中，所述方法还包括调制可电调谐或可机电调谐的透镜的曲率以产生所述多个不同焦平面，所述可电调谐或可机电调谐的透镜与所述光学探针电通信或机电通信。
在一些实施方式中，所述信号的所述子集包括二次谐波产生(shg)信号、三次谐波产生(thg)信号和自体荧光信号中的至少一种。在一些实施方式中，所述收集在环境光的存在下进行。在一些实施方式中，所述深度剖面包括单色图像。在一些实施方式中，所述深度剖面包括多色图像。在一些实施方式中，所述方法还包括勾勒出指示所述疾病在所述受试者的所述上皮组织中的位置的边界。在一些实施方式中，(a)在不穿透所述受试者的所述上皮组织的情况下进行。
在一些实施方式中，与所述上皮组织的内在性质相关的所述信号通过光电倍增管(pmt)传感器检测。在一些实施方式中，调制所述pmt传感器的功率和增益以增强图像质量。在一些实施方式中，与所述上皮组织的内在性质相关的所述信号通过混合pmt/雪崩光电二极管传感器检测。在一些实施方式中，单个光束的所述脉冲与通过所述pmt传感器的感测同步。
在一些实施方式中，通过将中空光管针插入所述上皮组织中来增加所述深度剖面的最大分辨深度。在一些实施方式中，所述中空光管针是单针。在一些实施方式中，所述中空光管针是中空光管针的环。
另一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法包括(a)在不穿透所述受试者的所述上皮组织的情况下，使用光学探针向所述上皮组织的表面传输来自光源的光脉冲，其中所述光脉冲在接触所述上皮组织时生成与所述上皮组织的内在性质相关的信号，并且其中使用可移动透镜在相对于所述上皮组织的多个不同相对位置处将所述光脉冲引导至所述上皮组织；(b)收集从所述光脉冲生成的所述信号的至少一个子集；以及(c)使用编程的计算机处理器处理所述信号的所述子集以生成所述上皮组织的剖面，所述剖面可用于识别所述受试者的所述上皮组织中的疾病。在一些实施方式中，所述光脉冲是单个光束的脉冲。在一些实施方式中，所述剖面是深度剖面。在一些实施方式中，所述光学探针可以与所述上皮组织的表面接触。在一些实施方式中，所述接触被监测。在一些实施方式中，所述光学探针可在所述上皮组织的表面上平移。
在一些实施方式中，所述收集在环境光的存在下进行。在一些实施方式中，所述光学探针包括减少检测到的环境光的量的遮光罩。在一些实施方式中，所述遮光罩包括多层不透明的鬃毛(opaquebristle)。在一些实施方式中，所述遮光罩是可伸缩的。在一些实施方式中，所述光学探针包括在收集从所述光脉冲生成的信号期间检测存在的环境光的量的附加传感器，并且所述编程的计算机处理器被编程用于从由所述光脉冲生成的所述信号中去除所述环境光的量。
在一些实施方式中，所述剖面呈现在可定制的显示器上。在一些实施方式中，所述可定制的显示器附接至所述光学探针。在一些实施方式中，所述可定制的显示器可从所述光学探针上拆卸。在一些实施方式中，所述可定制的显示器是附接至所述光学探针的蜂窝电话的显示器。在一些实施方式中，所述可定制的显示器具有缩放功能。在一些实施方式中，所述可定制的显示器在宽屏视图与高分辨率视图之间切换。
另一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的装置包括光学探针，其向所述上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲，所述单个光束的脉冲在接触所述上皮组织时生成与所述上皮组织的内在性质相关的信号；可移动透镜，其与所述光学探针光学通信，其中在使用期间，所述可移动透镜产生相对于所述上皮组织的多个不同焦平面；以及编程的计算机处理器，其被编程用于处理所述信号以生成所述上皮组织的深度剖面，所述深度剖面可用于识别所述受试者的所述上皮组织中的疾病。
另一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的装置包括光学探针，其向所述上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲，所述单个光束的脉冲在接触所述上皮组织时生成与所述上皮组织的内在性质相关的信号；可电调谐或可机电调谐的透镜，其与所述光学探针电通信或机电通信，其中调制所述可电调谐或可机电调谐的透镜的曲率产生相对于所述上皮组织的多个不同焦平面；以及编程的计算机处理器，其被编程用于处理所述信号以生成所述上皮组织的深度剖面，所述深度剖面可用于识别所述受试者的所述上皮组织的疾病。
在一些实施方式中，所述光学探针还包括滤光器，所述滤光器收集所述信号的子集。在一些实施方式中，所述光学探针还包括滤光器，所述滤光器收集所述信号的子集，其中所述信号的所述子集包括二次谐波产生(shg)信号、三次谐波产生(thg)信号和自体荧光信号中的至少一种。在一些实施方式中，所述光源包括脉冲持续时间小于约200飞秒的超快脉冲激光器。在一些实施方式中，所述光学探针不是共聚焦显微镜。在一些实施方式中，平移所述可移动透镜以产生所述多个不同焦平面。在一些实施方式中，所述可移动透镜耦合至平移所述可移动透镜的致动器。在一些实施方式中，所述光学探针与所述上皮组织的所述表面接触。在一些实施方式中，所述装置还包括检测所述光学探针与所述上皮组织的所述表面之间的位移的传感器。在一些实施方式中，所述光学探针包括收集所述信号的光电倍增管(pmt)。在一些实施方式中，所述光学探针包括收集所述信号的光电倍增管(pmt)，其中所述光电倍增管(pmt)还包括可激活的遮板。在一些实施方式中，所述深度剖面包括在显示器上的单色图像。在一些实施方式中，所述深度剖面包括在显示器上的多色图像。在一些实施方式中，所述装置还包括标记工具，用于勾勒出指示所述疾病在所述受试者的所述上皮组织中的位置的边界。在一些实施方式中，所述光学探针包括手持式外壳。在一些实施方式中，所述光学探针包括收集所述信号的混合光电倍增管(pmt)/雪崩光电二极管。
在一些实施方式中，所述装置是便携式装置。在一些实施方式中，所述便携式装置由电池供电。在一些实施方式中，所述便携式装置包括转轮。在一些实施方式中，所述便携式装置被容纳在外壳内。在一些实施方式中，所述便携式装置包括发射在所述光学探针无法检测的波长范围内的光的过滤光源。
在一些实施方式中，所述手持式外壳还包括显示器屏幕。在一些实施方式中，所述显示器屏幕是可拆卸的显示器屏幕。在一些实施方式中，所述显示器屏幕具有缩放功能。在一些实施方式中，所述显示器屏幕在宽屏视图与高分辨率视图之间切换。在一些实施方式中，所述显示器屏幕包括允许在所述显示器屏幕上标记所述上皮特征的编辑特征。
在一些实施方式中，所述手持式外壳还包括至少一个相机。在一些实施方式中，所述至少一个相机创建宏观图像。在一些实施方式中，所述显示器屏幕被分割并且包括所述宏观图像以及所述深度剖面的所述多色图像。在一些实施方式中，所述光学探针还包括一次性探针端头。
另一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的便携式装置包括(i)光学探针，其向所述上皮组织的表面传输单个光束的脉冲，所述单个光束的脉冲在接触所述上皮组织时生成指示所述上皮组织的内在性质的信号，以及(ii)一个或多个计算机处理器，其被单独或共同编程用于处理所述信号以生成所述上皮组织的深度剖面，所述深度剖面可用于识别所述受试者的所述上皮组织中的所述疾病，其中所述光学探针具有小于或等于约1磅的重量以及小于或等于约1ft2的覆盖区。
在一些实施方式中，所述光学探针被配置用于向所述上皮组织的表面传输所述单个光束的脉冲而不穿透所述上皮组织的表面。在一些实施方式中，所述光学探针还包括滤光器，所述滤光器收集所述信号的子集，其中所述信号的子集包括二次谐波产生(shg)信号、三次谐波产生(thg)信号和自体荧光信号中的至少一种。在一些实施方式中，所述重量小于或等于约0.5磅。在一些实施方式中，所述覆盖区小于或等于约0.5ft2。
从其中仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式的以下详细描述中，本公开内容的其他方面和优点对于本领域技术人员而言将会变得显而易见。如将认识到的，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且其若干细节能够在各个明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开内容。因此，附图和描述本质上将被认为是说明性而非限制性的。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同具体地和个别地指出每一个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。
附图说明
本发明的新颖特征在随附权利要求书具体阐述。通过参考对其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图(本文中也称为“图”)，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，在附图中：
图1提供了从约780nm的光脉冲生成二次谐波和双光子荧光信号的示意图；
图2提供了可以用于生成组织的深度剖面以识别疾病的装置的示意图；
图3a和图3b示出了用于识别上皮组织中的疾病的方法；
图4示出了外周边缘评估中的两种可能的组织学结果(例如，健康的和癌性的)；
图5示出了几种光学探针；
图6a示出了来自经典病理学分析和实时多色深度剖面的样品；图6b示出了来自经典病理学分析和实时单色深度剖面的样品；
图7a示出了mohs显微外科手术的说明性示例；图7b示出了mohs显微外科手术的几个阶段和每个阶段的相关处理时间；
图8示出了用于识别上皮组织中的疾病的成像系统设置；
图9示意性地示出了成像系统的光学系统模块；
图10a和图10b示出了示例性光纤发射模块的元件；
图11a和图11b示出了示例性扫描仪模块的元件；
图12a和图12b示出了示例性第一收集模块的元件；
图13a和图13b示出了示例性光学探针模块的元件；
图14a和图14b示出了示例性第二收集模块的元件；
图15a示出了上皮组织的垂直平面扫描或深度剖面扫描；图15b示出了为了最大图像质量在垂直平面扫描或深度剖面扫描期间调制功率和pmt增益；图15c示出了使用曲面显示器屏幕来去除正弦扫描的图像失真；图15d示出了手持式设备上的可伸缩遮光罩；图15e示出了具有安装的和可安装的显示器屏幕的手持式设备；
图16a示出了电池运行的便携式系统；图16b示出了具有不同光谱响应的上皮组织特征的三色成像；图16c示出了模制的光分选器；图16d示出了具有物理位置标记机构的手持式设备；图16e示出了具有探针的外部可视化位置映射的手持式设备；图16f示出了探针的数字位置映射；
图17a示出了同步感测和脉冲导航光的手持式设备；图17b示出了示例性皮肤镜和显微镜组合，图17c示出了具有光谱过滤的集成照明的系统；图17d示出了具有蜂窝电话适配器的手持式设备；图17e示出了具有能够在高分辨率视图与宽视野视图之间切换的缩放功能的显示器；图17f示出了具有单个深边缘光管针的探针和具有深边缘光管针的环的探针；
图18示出了具有一次性光学探针的手持式设备对患者面部上的组织成像的用途；
图19示出了手持式设备的内部特征的示意图；
图20示出了二次谐波倍频器的示意图；
图21a示出了用于在z平面中扫描上皮组织的示例设备；图21b示出了用于在z平面中扫描组织的设备的激发路径的示例性设计；
图22示出了用于在水平平面中扫描上皮组织的示例设备；
图23示出了可以在深度剖面扫描期间使用的示例中继透镜；
图24示出了可以用于扫描组织的收集光学器件的示例配置；
图25示出了收集单元的示意图，该收集单元将来自手持式设备的组合信号分成单独的信号；
图26示出了一次性、非侵入式探针的示意图；
图27a、图27b和图27c示出了示例手持式设备的内部特征的多个朝向；以及
图28示出了计算机控制系统的示例性示意图，该计算机控制系统被编程或以其他方式配置用于实现本文提供的方法。
具体实施方式
虽然本文已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但对于本领域技术人员而言将会显而易见的是，此类实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员可能在不偏离本发明的情况下想到众多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文所述发明的实施方式的各种替代。
如本文所用，术语“受试者”通常是指动物，诸如哺乳动物。受试者可以是人或非人哺乳动物。受试者可能患有疾病或疑似患有疾病。在一些情况下，期望受试者被治疗以减轻疾病的症状或治愈受试者的疾病。受试者可以是正由医疗保健提供者(诸如医生)进行治疗的患者。
如本文所用，术语“疾病”通常是指影响受试者身体的一部分或全部的异常病况或者生物功能或生物结构(诸如器官)的障碍。疾病可以由最初来自外部来源的因素引起，诸如感染性疾病，或者可以由内部功能障碍引起，诸如自身免疫疾病。疾病可以指对患病的受试者造成疼痛、功能障碍、痛苦、社会问题和/或死亡的任何病况。疾病可以是急性病况或慢性病况。疾病可以指感染性疾病，其可以起因于存在致病微生物剂，包括病毒、细菌、真菌、原生动物、多细胞生物和被称为朊病毒的异常蛋白质。疾病可以指非感染性疾病，包括但不限于癌症和遗传疾病。在一些情况下，疾病可以治愈。在一些情况下，疾病无法治愈。
如本文所用，术语“上皮组织”和“上皮”通常是指在整个身体中排列在腔和血管表面和器官表面的组织。上皮组织包括通常具有以下三种形状的上皮细胞：鳞状、柱状和立方形。上皮细胞可以作为包括鳞状、柱状或立方形细胞的简单上皮排列在单层细胞中，或者作为包括鳞状、柱状和/或立方形细胞的分层(层状)上皮排列在深度为两个或更多个细胞的层中。
如本文所用，术语“基底层”通常是指分层上皮的各层中的一层。基底层可以与基底膜接触，基底膜可以指由上皮细胞分泌的细胞外基质层，上皮位于基底膜之上。
如本文所用，术语“癌症”通常是指由已经失去对正常生长控制的敏感性的细胞的增殖引起的或以之为特性的增殖性病症。相同组织类型的癌症通常起源于相同的组织，并且可以基于其生物学特性分成不同的亚型。癌症类别的非限制性示例是癌(上皮细胞衍生的)、肉瘤(结缔组织或中胚层衍生的)、白血病(造血组织衍生的)和淋巴瘤(淋巴组织衍生的)。癌症可能累及身体的每个器官和组织。不限制癌症定义，癌症的具体示例可以包括黑素瘤、白血病、星形细胞瘤、胶质母细胞瘤、视网膜母细胞瘤、淋巴瘤、神经胶质瘤、霍奇金淋巴瘤和慢性淋巴细胞白血病。可能受各种癌症影响的器官和组织的示例包括胰腺、乳腺、甲状腺、卵巢、子宫、睾丸、前列腺、垂体、肾上腺、肾、胃、食管、直肠、小肠、结肠、肝、胆囊、头颈、舌、嘴、眼睛和眼眶、骨、关节、脑、神经系统、皮肤、血液、鼻咽组织、肺、喉、泌尿道、宫颈、阴道、外分泌腺和内分泌腺。在一些情况下，癌症可以是多中心的。在一些情况下，癌症可能是原发灶不明的癌症(cup)。
如本文所用，术语“病灶”通常是指疾病和/或疑似疾病的区域、伤口、切口和/或手术切缘。伤口可以包括但不限于刮伤、擦伤、割伤、撕裂、断裂、穿刺、划伤、切伤和/或引起出血的任何损伤和/或足够外来生物穿透的皮肤创伤。切口可以包括由医疗专业人员(诸如但不限于医师、护士、助产士和/或执业护士)以及牙科专业人员在治疗(诸如手术程序)期间造成的那些切口。
如本文所用，术语“组织病理学”通常是指为研究疾病的临床表现而对组织而进行的显微镜检查。可以从受试者取出组织并随后制备用于显微镜检查。样品可以被化学固定或在冷冻切片中处理，随后进行染色，诸如用一种或多种染料、色素和/或抗体染色。可以例如通过揭示细胞组分和组织结构组分和/或增强对比度来使用染色促进组织的检查。
如本文所用，术语“光”通常是指在红外(例如约700nm至约1mm)到紫外(例如约10nm至约380nm)的波长范围内的电磁辐射。
如本文所用，术语“环境光”通常是指环境或受试者周围的光，诸如医学检查室或手术室中的光。
如本文所用，术语“焦平面”通常是指垂直于透镜或反射镜的轴并穿过透镜或反射镜的焦点的平面。焦点通常是指透镜或反射镜的轴上的一点，平行光线可以会聚到该点以形成样品的图像。
如本文所用，术语“荧光”通常是指可以由于吸收一个或多个不同波长的入射电磁辐射而发射的辐射。在一些情况下，荧光可以来自外源提供的标签和/或标志物的发射。在一些情况下，荧光可以作为一种或多种内源分子对电磁辐射激发的内在响应而产生。
如本文所用，术语“自体荧光”通常是指一种或多种内源性分子对电磁辐射激发产生的荧光。
如本文所用，术语“多光子激发”通常是指通过一个以上的光子激发荧光团，引起荧光光子的发射。在一些情况下，发射的光子比激发光子具有更高的能量。
如本文所用，术语“二次谐波产生”和“shg”通常是指非线性光学过程，其中与非线性材料相互作用的光子被有效地“组合”以形成新光子，该新光子相比于原始光子具有约两倍的能量，因此具有约两倍的频率和约一半(1/2)的波长。
如本文所用，术语“三次谐波产生”和“thg”通常是指非线性光学过程，其中与非线性材料相互作用的光子被有效地“组合”以形成新光子，该新光子相比于原始光子具有约三倍的能量，因此具有约三倍的频率和约三分之一(1/3)的波长。
如本文所用，术语“偏振光”通常是指具有在一个平面中振荡的波的光。非偏振光通常可以指具有在多于一个平面中振荡的波的光。
如本文所用，术语“对比度增强剂”通常是指可应用于样品来增强使用光学成像技术所获得的样品图像的对比度的任何试剂，诸如但不限于荧光团、金属纳米颗粒、纳米壳复合体和半导体纳米晶体。荧光团可以是抗体靶向的荧光团、肽靶向的荧光团以及有代谢活性的荧光探针。金属纳米颗粒可以包括能散射光的金属，诸如金和银。纳米壳复合体可以包括包含介电芯和金属壳的纳米颗粒。半导体纳米晶体可以包括量子点，例如含有硒化镉或硫化镉的量子点。
如本文所用，术语“深度剖面”通常是指样品(诸如组织样品)的垂直横截面或近似垂直的横截面。例如，组织样品(诸如皮肤组织)的深度剖面通常是指相对于皮肤组织的表面在垂直方向上延伸的横截面。深度剖面可以提供在样品的各种深度处的信息，例如在皮肤组织的各种深度处的信息。可以实时提供深度剖面。
如本文所用，术语“单色”通常是指单一色调的颜色。
如本文所用，术语“多色”通常是指两种或更多种颜色。
如本文所用，术语“实时的”和“实时”通常是指立即的、快速的、不需要操作员干预的、自动的和/或编程的。实时可以包括但不限于以飞秒、皮秒、纳秒、毫秒、秒以及更长的和可选地更短的时间间隔进行的测量。
用于检测上皮癌症的光学技术
本公开内容提供了可以用于诊断上皮疾病和皮肤病理学的光学技术。光学成像技术可以显示核和细胞形态，并且可以提供在大面积的新切除组织或活检组织中实时检测肿瘤而无需样品处理(诸如组织学中的样品处理)的能力。光学成像方法还可以促进对可疑组织的非侵入式实时可视化，而无需将组织样品切除、切片和/或染色。光学成像可以改善可诊断组织的收益(例如，通过避免纤维化或坏死的区域)、最小化不必要的活检或内窥镜切除术(例如，通过区分肿瘤与炎性病灶)、并且实时评估手术边缘以确认阴性边缘(例如，用于进行有限的切除术)。实时评估组织样品而无需等待组织处理、切片和染色的能力可以改善诊断周转时间，尤其是在有时效性的情况下，诸如mohs手术期间。用于诊断上皮疾病和癌症的光学成像技术的非限制性示例包括多光子显微术、自体荧光显微术、偏振光显微术、共聚焦显微术、拉曼光谱、光学相干断层成像术和超声波扫描术。
多光子显微术(mpm)可以用于对活体样本(诸如患者的皮肤组织)中的内在分子信号进行成像。在mpm中，用波长比正常激发波长更长(例如长两倍或三倍)的光照射样品。mpm可以包括二次谐波产生显微术(shg)和三次谐波产生显微术(thg)。三次谐波产生可以用于对神经组织进行成像。
自体荧光显微术可以用于对固有荧光的生物分子(例如荧光团)进行成像。自体荧光的内源性生物分子的非限制性示例包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nadh)、nad(p)h、黄素腺嘌呤二核苷酸(fad)、胶原、视黄醇和色氨酸以及色氨酸的吲哚胺衍生物。可以光学检测这些荧光团的荧光水平的变化，诸如随肿瘤进展的变化。变化可能与改变的细胞代谢途径(nadh、fad)或改变的结构组织基质(胶原)有关。
偏振光可以用于评估生物结构并且检查诸如细胞大小和折射率等参数。折射率可以提供关于细胞(例如组织样品中的细胞)的组成和组构结构的信息。癌症可以显著改变组织组构，并且这些变化可以用偏振光进行光学检测。
共聚焦显微术也可以用于检查上皮组织。可以施用外源造影剂以增强可见性。共聚焦显微术可以提供在活人皮肤中约2-5微米(μm)薄的部分中的核和细胞形态的非侵入式图像，横向分辨率为约0.5-1.0μm。共聚焦显微术可以用于可视化体内微观解剖结构，如表皮和单个细胞，包括黑素细胞。
拉曼光谱也可以用于检查上皮组织。拉曼光谱依赖于非弹性散射(所谓的“拉曼”散射)现象来检测疾病进展生物标志物(诸如脂质、蛋白质和氨基酸)的光谱特征。
光学相干断层成像术也可以用于检查上皮组织。光学相干断层成像术基于干涉测量，其中激光光束被分束器分开，将一些光发送到样品，并将一些光发送到参照物。来自样品和参照物的反射光的组合可以产生干涉图案，该干涉图案可以用于确定提供关于样品内结构的空间尺寸和位置的信息的反射率分布。目前市售的光学相干断层成像系统具有约10μm至15μm的横向分辨率，成像深度为约1mm或更深。虽然该技术可以快速生成反映不同层的组织组分(例如，细胞、结缔组织等)的三维(3d)图像体，但是图像分辨率(例如，类似于组织学显微镜的4倍物镜)可能不足以进行常规组织病理学诊断。
超声也可以用于检查上皮组织。超声可以用于评估上皮癌的相关特性，诸如深度和血管供应。虽然超声波扫描术可能在检测色素(如黑素)方面受限，但其可以对组织学分析进行补充并提供额外的细节以协助治疗决策。其可以用于对原发性肿瘤的特性(诸如厚度和血流)进行非侵入式评估，并且可以有助于关键管理决策的修改。
本文公开的用于诊断上皮疾病和皮肤病理学的方法可以包括多光子显微术、自体荧光显微术、偏振光显微术、共聚焦显微术、拉曼光谱、光学相干断层成像术和超声波扫描术中的一种或多种。在一些情况下，用于诊断上皮疾病和/或皮肤病理学的方法包括自体荧光显微术和多光子显微术。作为替代，用于诊断上皮疾病和/或皮肤病理学的方法包括自体荧光显微术、多光子显微术和偏振光显微术。二次谐波产生显微术和三次谐波产生显微术都可以使用。在一些情况下，使用二次谐波产生显微术和三次谐波产生显微术中的一种。
用于识别上皮组织中的疾病的方法
本文公开了用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法。一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法可以包括使用光学探针向上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲。在接触上皮组织时，单个光束的脉冲可以生成与上皮组织的内在性质相关的信号。例如，如图1所示，在接触元件102时，具有以约780nm为中心的波长的光脉冲101可以生成与元件102的内在性质相关的信号103，诸如二次谐波信号和双光子荧光信号。接下来，可以在单个光束的脉冲的多个不同焦平面处收集信号的至少一个子集。随后可以例如借助于编程的计算机处理器处理该信号子集，以生成上皮组织的深度剖面。该深度剖面可能可用于识别受试者上皮组织中的疾病。
可以实时生成深度剖面。例如，在光学探针向上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲时生成深度剖面。可以以至少1帧/秒(fps)、2fps、3fps、4fps、5fps、10fps或更高的帧率生成深度剖面。帧率通常是指成像设备显示称为帧的连续图像的速率。深度剖面的图像帧可以提供上皮组织的横截面图像。图像帧可以是具有任何合适尺寸的四边形。图像帧可以是矩形的，在一些情况下具有相等的边(例如，正方形)，例如，描绘200μm×200μm的上皮组织横截面。图像帧可以描绘具有约50μm×50μm、100μm×100μm、150μm×150μm、200μm×200μm、250μm×250μm、300μm×300μm或更大的尺寸的上皮组织横截面。在一些情况下，图像帧可以没有相等的边。
所识别的疾病可以是上皮癌。上皮癌是一种皮肤癌，包括但不限于非黑素瘤皮肤癌(诸如基底细胞癌(bcc)和鳞状细胞癌(scc))和黑素瘤皮肤癌。
本文公开的用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法可以在疾病治疗期间使用和/或用于治疗疾病，例如在mohs手术期间使用来治疗皮肤癌。在一些情况下，可以在不从受试者去除上皮组织的情况下进行识别受试者上皮组织中疾病(例如皮肤癌)的识别。这可以有利地防止受试者的疼痛和不适，并且可以加速疾病的检测和/或识别。可以以非侵入式的方式检测疾病的位置，这可以使得诸如医疗保健专业人员(例如，外科医生、医师、护士或其他从业者)等用户能够在手术前确定病变区域的位置和/或边界。在一些情况下，可以在不穿透受试者的上皮组织(例如通过针)的情况下识别受试者的上皮组织中的疾病。
图2提供了可以用于生成深度剖面以识别上皮组织中的疾病的装置的示意图。可以用于生成深度剖面的装置可以包括光学探针201和具有超快脉冲激光器202的便携式推车。在如图3a和图3b所示的示例性方法中，光学探针301向上皮组织302的表面(诸如疑似患有疾病的区域)传输来自光源(诸如便携式推车上的超快脉冲激光器)的单个光束的脉冲。在接触上皮组织302时，单个光束的脉冲303，例如如图3b所示的具有以约780nm为中心的波长的光脉冲，可以生成与上皮组织的内在性质相关的信号，诸如自体荧光信号304和二次谐波产生信号305。图4示出了示例性深度剖面(健康的401和癌性的402)，其可以从与皮肤组织的内在性质相关的信号生成。这些深度剖面可以用于识别肿瘤边缘并且促进快速肿瘤去除。深度剖面可以提供在显示器上，如移动计算机设备(例如电话或平板计算机)的显示器上，并且由外科医生评估以确定疾病的位置。
光学探针可以包括光学元件，其与组织直接接触以对细胞结构成像。多种折射透镜如中继透镜、准直透镜和场透镜，可以用于将来自光源的超快光脉冲聚焦成上皮组织内的小斑点。聚焦光的小斑点可以在接触上皮组织时生成内源组织信号，如二次谐波产生信号、双光子自体荧光信号、三次谐波产生信号、相干反斯托克斯拉曼光谱信号或其他非线性多光子产生信号。探针还可以将由诸如反射镜和平移透镜等光学元件生成的扫描图案转换成组织内的焦斑移动，以使焦点扫描通过该结构并且生成组织的逐点图像。探针可以包括多个透镜以最小化像差、优化焦点扫描的线性映射以及最大化分辨率和视场。图5示出了与本文所述的方法兼容的几种光学探针。光学探针可以与其他模块或子组(例如，扫描模块和一个或多个收集模块)连接以形成手持式和便携式的成像设备，使得医疗保健专业人员(例如，外科医生、医师、护士或其他从业者)能够在受试者的床边识别疾病。
单个光束的脉冲可以是超短光脉冲。超短光脉冲可以从超短脉冲激光器(本文也称为“超快脉冲激光器”)发射。超短光脉冲可以具有在各种材料中导致非线性相互作用的高峰值强度。超短光脉冲通常是指具有飞秒或皮秒数量级的半峰全宽(fwhm)的光。在一些示例中，超短光脉冲具有至少约1飞秒、10飞秒、100飞秒、1皮秒、100皮秒或1000皮秒的fwhm。超短光脉冲的特性可以在于包括脉冲持续时间、脉冲重复速率和平均功率在内的几个参数。脉冲持续时间通常是指光功率相对于时间的fwhm。脉冲重复速率通常是指脉冲的频率或每秒的脉冲数。超短脉冲激光器技术的非限制性示例包括钛蓝宝石激光器、锁模二极管泵浦激光器、锁模光纤激光器和锁模染料激光器。钛蓝宝石激光器是使用掺杂有钛离子作为激光介质(例如，作为激光器内光学增益来源的活性激光介质)的蓝宝石(al2o3)晶体的可调谐激光器。例如二极管泵浦激光器、光纤激光器和染料激光器的激光器可以通过主动锁模或被动锁模来锁模以获得超短脉冲。二极管泵浦激光器是固态激光器，其中增益介质包括激光晶体或块状玻璃(例如，镱晶体、镱玻璃和掺铬激光晶体)。虽然脉冲持续时间可能不像钛蓝宝石激光器能达到的那样短，但二极管泵浦超快激光器可以在脉冲持续时间、脉冲重复速率和平均功率方面覆盖较宽的参数范围。也可以使用基于掺杂有稀土元素(诸如铒、镱、钕、镝、镨、铥或其组合)的玻璃纤维的光纤激光器。在一些情况下，可以使用包括有机染料诸如罗丹明、荧光素、香豆素、茋、伞形酮、并四苯、孔雀石绿或其他有机染料作为激光介质(在一些情况下作为液体溶液)的染料激光器。
提供超短光脉冲的光源可以是波长可调谐的超短脉冲钛蓝宝石激光器。钛蓝宝石激光器可以是锁模振荡器、啁啾脉冲放大器(chirped-pulseamplifier)或可调谐连续波激光器。锁模振荡器可以生成持续时间在约几皮秒至约10飞秒之间(在一些情况下为约5飞秒)的超短脉冲。脉冲重复频率可以为约70至90兆赫兹(mhz)。术语“啁啾脉冲”通常是指一种可以防止脉冲损坏激光器中的组件的特殊构造。在“啁啾脉冲”激光器中，脉冲可以在时间上进行拉伸，使得能量在时间和空间上不全位于同一点处，从而防止损坏放大器中的光学器件。随后可以对脉冲进行光学放大并在时间上再压缩以形成短的局部脉冲。这些设备可以生成具有约20飞秒至约100飞秒的持续时间的超短、超高强度脉冲。
通过增益切换可以产生超短光脉冲。在增益切换中，用例如另一个激光器泵浦激光增益介质。增益切换可以应用于包括气体激光器(例如横向激励大气压(tea)二氧化碳激光器)在内的各种类型的激光器。
在一些情况下，相比于锁模激光器，使用增益切换激光器可以更容易实现调节脉冲重复速率，因为可以使用电子驱动器来控制增益切换而无需改变激光谐振器设置。在一些情况下，脉冲激光器可以用于在光学上泵浦增益切换激光器。例如，氮气紫外激光器或准分子激光器可以用于脉冲泵浦染料激光器。在一些情况下，q切换可以用于产生超快光脉冲。
超快脉冲激光器可以产生脉冲持续时间小于500飞秒、450飞秒、400飞秒、350飞秒、300飞秒、250飞秒、200飞秒、150飞秒、100飞秒或更短的光脉冲。在一些情况下，脉冲持续时间为约150飞秒。超快脉冲激光器的脉冲重复频率可以是至少10mhz、20mhz、30mhz、40mhz、50mhz、60mhz、70mhz、80mhz、90mhz、100mhz或更大。在一些情况下，脉冲重复频率为约80mhz。
上皮组织中的组织和细胞结构可以以波长依赖性方式与单个光束的脉冲相互作用，并生成与上皮组织的内在性质相关的信号。所生成的信号可以用于评估组织(如皮肤组织)的癌性状态。所生成和收集的信号子集可以包括二次谐波产生(shg)信号、三次谐波产生(thg)信号、偏振光信号和自体荧光信号中的至少一种。基于非线性多光子激发的高次谐波产生显微术(hhgm)(例如，二次谐波产生和三次谐波产生)可以用于检查活组织和固定组织中的细胞结构。shg通常是指非线性光学过程，其中具有约相同频率的光子与非线性材料相互作用并且有效地“组合”以产生新光子，该新光子相比于原始光子具有约两倍的能量，因此具有约两倍的频率和约一半(1/2)的波长。类似地，thg通常是指非线性光学过程，其中具有约相同频率的光子与非线性材料相互作用并且有效地“组合”以产生新光子，该新光子相比于原始光子具有约三倍的能量，因此具有约三倍的频率和约三分之一(1/3)的波长。有序内源性分子(诸如但不限于胶原、微管和肌肉肌球蛋白)的二次谐波产生(shg)和三次谐波产生(thg)可以在不使用外源标记的情况下获得，并且提供包括纤维状胶原、肌球蛋白、微管在内的分子的详细实时光学重构，以及其他细胞信息，诸如膜电位和细胞去极化。组织中蛋白质和分子(例如i型胶原和ii型胶原、肌球蛋白和微管)的排序和组构在与光相互作用时可以生成可用于评估组织的癌性状态的信号。shg信号可以用于检测可能在包括癌症、纤维化和结缔组织病症在内的疾病中发生的变化，如胶原纤维/纤维结构的变化。各种生物结构均可以产生shg信号。在一些情况下，可能无需用可以改变生物系统起作用的方式的外源探针和对比度增强剂来标记分子。在一些情况下，本文用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法在不向受试者施用对比度增强剂的情况下进行。
可以生成和收集用于确定上皮组织中的疾病的另一类型的信号是自体荧光。自体荧光通常是指由某些生物分子(诸如蛋白质、小分子和/或生物结构)自然发射的光。上皮组织和细胞可以包含各种自体荧光蛋白和化合物。明确定义的波长可以被诸如自然存在于细胞和组织中的内源性分子、蛋白质、水和动物脂肪等发色团吸收。可以在组织中发现的自体荧光荧光团的非限制性示例包括包含可以发射uv范围的芳香族氨基酸(诸如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)的多肽和蛋白质，以及可以发射约400nm至650nm范围的波长的维生素衍生物，包括视黄醇、核黄素、衍生自烟酸的nad(p)h的烟酰胺环以及在弹性蛋白和一些胶原中发现的基于吡哆醇(维生素b6)的吡哆胺交联物(pyridolaminecrosslink)。
在一些情况下，光学探针可以用于向上皮组织的表面传输偏振光脉冲。偏振光可以用于在生物样本中从双折射分子(诸如纤维素和淀粉)产生对比度。偏振光可以用于检查诸如细胞大小和折射率等参数。折射率可以提供信息，诸如关于细胞(例如组织样品中的细胞)组成和细胞组构结构的信息。
癌症可能显著改变组织组构。某些参数，如细胞大小和折射率，可以用于检测和诊断上皮组织中的癌前变化。在一些情况下，单个光束的脉冲包括偏振光。可以旋转偏振面以产生具有各种偏振面的偏振光。偏振面可以旋转至少约10o、20o、30o、40o或45o。偏振光的旋转可以用于突出上皮组织中的各种结构。作为替代，单个光束的脉冲包括非偏振光。
单个光束的脉冲波长可以为至少约400纳米(nm)、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或更长。在一些情况下，光脉冲的波长在约700nm与900nm之间、在约725nm与875nm之间、在约750nm与850nm之间或在约775nm与825nm之间。也可以使用多个波长。当使用多个波长的光时，该波长可以以约400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或更长为中心，且带宽为至少约10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、175nm、200nm、225nm、250nm、275nm、300nm或更长。例如，波长可以以约780nm为中心，且带宽为约50nm(例如约((780–(50/2))＝755nm)至约((780+(50/2))＝805nm))。
由于光脉冲而生成的信号的子集可以由光电探测器收集，该光电探测器诸如光电倍增管(pmt)、光电二极管、电荷耦合器件(ccd)、电荷注入器件(cid)和互补金属氧化物半导体探测器(cmos)。滤光器可以用于收集信号的子集，例如对应于自体荧光信号、二次谐波产生信号和三次谐波产生信号的光。滤光器可以选择性地传输不同波长的光，并且可以在光路中包括窗格玻璃或塑料器件。滤光器可以是带通滤波器，其反射落在带通范围之外的光。带通滤波器可以反射落在带通范围之外的光的至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或更多。在一些情况下，滤光器可以用于收集信号的子集，诸如二次谐波产生信号、三次谐波产生信号、来自偏振光的信号和自体荧光信号。
在一些情况下，可以在环境光的存在下收集这些信号。环境光可以指在医疗检查室或进行手术程序的手术区中的普通室内照明，诸如由包括白炽灯泡或白炽灯、卤素灯、气体放电灯、荧光灯、发光二极管(led)灯和碳弧灯在内的各种类型的电光源提供。
所收集的信号可以由编程的计算机处理器处理以生成深度剖面。信号可以无线传输到编程的计算机处理器。作为替代，信号可以通过有线连接传输到编程的计算机处理器。借助于编程的计算机处理器，可以使用与上皮组织的内在性质相关的信号或信号子集来生成深度剖面。所收集的信号和/或所生成的深度剖面可以电子方式存储。在一些情况下，存储信号和/或深度剖面直到其被用户(诸如外科医生、医师、护士或其他医疗保健从业者)删除。当用于诊断和/或治疗时，可以实时地向用户提供深度剖面。实时提供的深度剖面可以用作手术前图像以识别疾病例如皮肤癌的边界。深度剖面可以提供上皮组织(诸如包括表皮、真皮和/或皮下组织的皮肤组织)的各个层的可视化。深度剖面可以至少延伸到角质层、透明层、颗粒层、棘层或鳞状细胞层和/或基底细胞层的下方。在一些情况下，深度剖面延伸到上皮组织表面下方至少250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm或更深。在一些情况下，深度剖面延伸到上皮组织表面下方的约100μm与1mm之间、约200μm与900μm之间、约300μm与800μm之间、约400μm与700μm之间或约500μm与600μm之间。
深度剖面可以包括显示来源于单个基色调的颜色的单色图像。作为替代，深度剖面可以包括显示多于一种颜色的多色图像。在多色图像中，可以使用多种颜色来突出细胞的不同元件，诸如细胞核和细胞质。可以实时调节对比度以提供和/或增强结构特异性对比度。对比度可以由用户(例如，外科医生、医师、护士或其他医疗保健从业者)调节，或者编程的计算机处理器可以实时自动地优化对比度。在多色图像中，每种颜色可以用于表示所收集信号的特定子集，诸如二次谐波产生信号、三次谐波产生信号、由偏振光产生的信号和自体荧光信号。可以定制多色深度剖面的颜色以反映外科医生和/或病理学家在使用标准组织病理学时通常可以看到的图像图案。当以类似于如何可以观察到传统组织学样品(例如，用苏木精和曙红染色的样品)的方式显示深度剖面时，病理学家可以更容易地解释深度剖面的结果。图6a和图6b示出了来自经典病理分析的样品以及作为多色图像(图6a)和单色图像(图6b)提供的实时深度剖面。图6a的多色图像描绘了红色的第一信号子集601和绿色的第二信号子集602。图6b的单色图像描绘了深紫色的第一信号子集603和浅紫色的第二信号子集604。
为了生成深度剖面，可以收集来自多个焦平面的信号。可以通过改变可移动透镜相对于上皮组织的相对位置来获得多个不同焦平面。可移动透镜可以与光学探针光学通信。改变可移动透镜的相对位置可以包括平移可移动透镜。可以以循环速率平移可移动透镜以产生至少1帧/秒(fps)、2fps、3fps、4fps、5fps、10fps或更大的帧率。该循环速率可以是至少0.5hz、1hz、2hz、3hz、4hz、5hz或更大。作为可移动透镜的替代或与可移动透镜相结合，可以通过调制与光学探针电通信或机电通信的可电调谐或可机电调谐的透镜的曲率来获得多个不同焦平面。可调谐透镜可以指光学特性(诸如焦距和/或光轴的位置)可以在使用期间通过例如电子控制来调节的光学元件。可电调谐的透镜可以含有合适的电光材料(例如，局部有效折射率或折射率随施加在其上的电压而变化的材料)的薄层。可以使用电极或电极阵列来施加期望的电压以将折射率局部地调节到期望值。该电光材料可以包括液晶。可以施加电压以调制双折射的轴和包括液晶的电光材料的有效折射率。在一些情况下，可以使用聚合物凝胶。可调谐透镜可以包括限定液晶中像素网格(类似于液晶显示器中使用的像素网格)的电极阵列。单个像素的折射率可以被电控制以给出期望的相位调制分布，相位调制分布是指由于可调谐透镜的电光层区域上的局部可变有效折射率而导致的施加于穿过该层的光的局部相位移动的分布。
传输光脉冲的光学探针可以在上皮组织的表面上平移，使得用户可以检查患有疾病或疑似患有疾病的整个区域。这可以允许用户评估疾病的边界和位置。在一些情况下，可以勾勒出受试者的上皮组织中指示疾病(例如皮肤癌，诸如非黑素瘤皮肤癌)位置的边界。光学探针可以包括标记工具，诸如包含墨水的标记工具，以勾勒出疾病区域的边界。标记工具可以是包含经fda批准的皮肤标记墨水(诸如genetianvioletink)的笔或其他书写仪器；可以与侵蚀性皮肤准备(诸如chg/异丙醇处理)一起使用的准备耐受墨水；防水永久墨水；或易于去除，诸如用酒精去除的墨水。笔可以具有细端头、超细端头或宽端头。标记工具可以是无菌笔。作为替代，标记工具可以是非无菌笔。
使用由本文公开的方法生成的深度剖面可以允许用户区分健康组织与癌组织，并在手术之前绘制疾病(例如癌症)的边界。可以在外科医生和/或患者附近的显示器上提供深度剖面，使得用户可以实时评估上皮组织中的疾病并确定疾病的位置和/或边界。显示器可以是与任何计算设备(诸如计算机、电视或者诸如电话或平板计算机等移动计算设备)相关联的屏幕。本文用于检测受试者的上皮组织中的疾病的方法可以使得能够用一次手术治疗皮肤癌。通过识别癌症及其在上皮组织中的位置，可以在损失最少量的健康组织的情况下去除癌症。
一方面，用于识别受试者的上皮组织中的疾病的方法可以包括使用光学探针向上皮组织的表面传输来自光源的光脉冲而不穿透受试者的上皮组织。光脉冲在接触上皮组织时可以生成与上皮组织的内在性质相关的信号。可以使用可移动透镜在相对于上皮组织的多个不同相对位置处将光脉冲引导至上皮组织。接下来，可以收集从光脉冲生成的信号的至少一个子集。可以例如借助于编程的计算机处理器来处理该信号的子集，以生成上皮组织的剖面。深度剖面可用于识别受试者的上皮组织中的疾病。在一些情况下，该剖面是深度剖面。可以在可定制的显示器上呈现剖面，使得该信息以用户熟悉的方式提供。
光脉冲可以是单个光束的脉冲。如本文所述的其他方面，单个光束的脉冲可以是超短光脉冲。超短光脉冲可以来自光源，诸如超短脉冲激光器或增益切换激光器。光电探测器可以用于收集由于光脉冲而生成的信号。光电探测器可以是对所收集信号的强度敏感的pmt。在一些情况下，信号可能超过光电探测器的检测能力。环境光可能超过一些光电探测器的检测能力。超过光电探测器检测能力的信号可能损坏光电探测器。为了防止光电探测器受到环境光的损害，其中可以放置光电探测器的光学探针可以与上皮组织的表面接触，使得最少量的环境光到达光电探测器。可以监测该接触，使得当上皮组织的表面与光学探针之间的接触被破坏时，可以激活定位在探测器前方(例如，相对于光路)的遮板并且阻挡入射光。在一些情况下，pmt包括电气联锁和/或遮板。电气联锁和/或遮板可以通过在上皮组织表面与光学探针之间的接触被破坏时激活而在光电倍增管隔室暴露于环境光时保护pmt。通过使用可激活的联锁和/或遮板，可以在环境光的存在下收集信号，从而允许用户在患者的床边生成一个或多个实时的手术前深度剖面。
在一些情况下，光学探针可在上皮组织的表面上平移。探针可以在皮肤组织的表面上自由移动和操作。将光学探针在上皮组织的表面上平移可以允许实时检查上皮组织较宽的区域。可以平移的光学探针可以包括手持且便携式的外壳。这可以允许外科医生在患者的床边实时检查疾病的位置，该疾病例如皮肤组织中的癌症。外壳可以具有至少约0.1ft2、0.2ft2、0.3ft2、0.4ft2、0.5ft2或1ft2的覆盖区。作为替代，外壳可以具有小于或等于约1ft2、0.5ft2、0.4ft2、0.3ft2、0.2ft2或0.1ft2的覆盖区。一方面，提供了与本文方法相一致的用于识别受试者的上皮组织中的疾病的装置。与本文方法相一致的装置可以包括主题方法的任何元件，包括但不限于光学探针；诸如超短脉冲激光器的一个或多个光源；一个或多个移动或可调谐透镜；一个或多个滤光器；一个或多个光电探测器；一个或多个计算机处理器；一个或多个标记工具；及其组合。
用于识别受试者的上皮组织中的疾病的装置可以包括光学探针。光学探针可以向上皮组织的表面传输来自光源的单个光束的脉冲。单个光束的脉冲在接触上皮组织时可以随后生成与上皮组织的内在性质相关的信号。光源可以包括超快脉冲激光器，诸如钛蓝宝石激光器。超快脉冲激光器可以生成小于500飞秒、400飞秒、300飞秒、200飞秒、100飞秒或更短的脉冲持续时间。超短光脉冲的脉冲重复频率可以是至少10mhz、20mhz、30mhz、40mhz、50mhz、60mhz、70mhz、80mhz、90mhz、100mhz或更大。
该装置可以包括与光学探针光学通信的可移动透镜。在使用期间，可移动透镜可以产生相对于上皮组织的多个不同焦平面。
可以平移装置的可移动透镜以产生多个不同焦平面。可移动透镜可以耦合至平移透镜的致动器。该致动器可以由编程的计算机处理器控制。致动器可以是线性致动器，诸如机械致动器、液压致动器、气动致动器、压电致动器、机电致动器、线性马达或其组合。机械致动器可以通过将旋转运动转换为线性运动来运行，例如通过螺旋机构、轮轴机构和凸轮机构。液压致动器可以包括中空圆筒，该中空圆筒包括活塞和不可压缩的液体。气动致动器可以类似于液压致动器，但包括压缩气体而不是液体。压电致动器可以包括在施加电压的情况下可以扩张的材料。因此，压电致动器可以实现极其精细的定位分辨率，但也可能具有非常短的运动范围。在一些情况下，压电材料可能表现出滞后现象，这可能使得难以以可重复的方式控制它们的扩张。除了用电动马达代替控制旋钮或手柄之外，机电致动器与机械致动器类似。
在一些情况下，与光学探针电通信或机电通信的可电调谐或可机电调谐的透镜可以用于产生多个不同焦平面。对可电调谐或可机电调谐的透镜的曲率进行调制可以产生相对于上皮组织的多个不同焦平面。可调谐透镜的曲率可以通过施加电流来调制。该装置还可以包括编程的计算机处理器以控制电流的施加。
用于识别受试者的上皮组织中的疾病的装置包括滤光器。如本文其他地方所述的滤光器可以用于收集与上皮组织的一种或多种内在性质相关的信号的一个或多个特定子集。这些滤光器可以是经涂覆的玻璃或塑料元件，其可以选择性地传输某些波长(诸如自体荧光波长)的光，和/或具有其他特定属性的光，诸如偏振光。滤光器可以收集二次谐波产生(shg)信号、三次谐波产生(thg)信号、偏振光信号和自体荧光信号中的至少一种。
除了控制可移动透镜的平移或调制可调谐透镜的曲率之外，编程的计算机处理器可以处理信号以生成深度剖面。深度剖面可以用作手术前图像以识别上皮组织中的癌症(如非黑素瘤皮肤癌)的边界。深度剖面可以显示在屏幕上。屏幕可以是与计算设备相关联的任何合适的屏幕，诸如计算机、电视或诸如电话或平板计算机等移动设备。深度剖面可以包括在显示器上的单色图像或在显示器上的多色图像。多色图像可以以不同颜色突出不同结构，提供结构特异性的对比度，如本文公开的各个其他方面所述。
在一些情况下，光学探针包括手持式外壳，允许用户在例如患者的床边生成深度剖面。该装置还可以包括标记工具，诸如笔，使得用户可以在评估在实时生成的深度剖面时标记和指示受试者的上皮组织中的疾病的边界或位置。
该装置还可以包括检测光学探针与上皮组织表面之间的位移的传感器。如果环境光超过pmt的检测能力，该传感器可以通过激活pmt遮板以防止环境光到达pmt并损坏pmt而保护光电探测器(例如pmt)免受环境光的影响。
在一些情况下，光学探针不是共聚焦显微镜。
上皮癌
癌通常是指从上皮细胞发展的一类癌症。癌可以源自排列在身体内表面或外表面的组织，并且通常来源于源自胚胎发生期间的内胚层或外胚层的细胞。可以基于组织病理学将癌分类成组。这些组的非限制性示例包括腺癌、鳞状细胞癌(scc)、腺鳞癌、间变性癌、大细胞癌和小细胞癌。
癌可以见于身体的各个区域。上皮癌的非限制性示例包括卵巢、结肠、直肠、乳腺、前列腺、胰腺、口腔、食管、肺、膀胱、肝、子宫、皮肤和脑部的上皮癌。见于口腔的癌可以包括鳞状细胞癌。乳腺癌可以包括导管癌。前列腺癌可以包括腺癌。结肠癌和直肠癌可以包括腺癌和/或鳞状细胞癌。胰腺癌可以包括腺癌。可以根据癌推定的起源细胞对癌进行命名(例如，肝细胞癌和肾细胞癌)。癌还可以包括间变性、未分化癌的罕见亚型，诸如梭形细胞癌、巨细胞癌和肉瘤样癌。
癌症可以进行分期，这一过程通常指以合理的方式进行综合的体检和临床检查、细胞和组织的病理学检查、手术技术、实验室测试和成像研究以获得关于异常生长物或病灶的大小及其入侵和转移程度的信息。癌分期可以与病况的预后有关联。癌通常用罗马数字(例如i、ii、iii和iv)进行分期。在一些类型的癌中，0期被用于描述原位癌-即尚未从原发部位扩散的癌。i期和ii期可以用于描述较小的和/或已扩散至局部结构的肿瘤。iii期可以用于描述已经扩散至区域淋巴结、组织和/或器官结构的肿瘤。iv期可以用于描述可能已经通过血液转移到远处部位、组织和/或器官的肿瘤。在最近的分期系统中，亚期(a、b、c)可以用于更好地定义具有相似预后或治疗选项的患者组。分期的标准可以根据肿瘤出现的器官系统而不同。例如，结肠癌和膀胱癌分期系统可以依赖于侵入深度，而乳腺癌的分期可能更多地取决于肿瘤的大小。在肾癌中，分期可以基于肿瘤的大小和肿瘤侵入肾窦的深度二者。考虑到许多大小和解剖学变量，肺癌分期可能更复杂。
癌的分级通常是指使用标准来部分地或完全地量化相对于衍生出癌的正常亲本上皮组织的外观，在转化细胞中所见的细胞和组织成熟程度。通常可以用包含疑似肿瘤组织的样品进行癌的分级。病理学家可以使用包括但不限于染色、免疫组织化学和流式细胞术等技术来检查组织样品。癌通常可分类为四个等级之一。1级通常是指其中转化细胞与衍生出癌的正常亲本上皮组织很相似的状态。2级通常是指其中转化细胞与衍生出癌的正常亲本上皮组织具有相当大的相似性的状态。3级通常是指其中转化细胞与衍生出癌的正常亲本上皮组织具有很少相似性的状态。4级通常是指其中转化细胞与衍生出癌的正常亲本上皮组织没有显著相似性的状态。
可以通过检查使用包括但不限于活检的技术获得的组织样品来对癌进行确诊，该活检包括针吸、细针抽吸、芯针活检、真空辅助活检、大芯针活检、切取活检、切除活检、钻取活检、刮取活检或皮肤活检。可以制备组织样品用于组织病理学或细胞病理学分析，并且可以例如用显微镜对组织样品进行检查以识别组织样品中上皮细胞的分子、细胞和/或组织架构特性。组织病理学分析可以包括使用染色剂和染料来检查组织样品中结构特征的细胞组构和排列。用于组织病理学分析的染色剂的非限制性示例包括苏木精和伊红(h&e)、番红、油红o、刚果红、固绿fcf和银盐。还可以通过放射性技术检查组织病理学样品。在放射性技术中，组织样品中的放射性标记物质可以通过x射线检测。组织病理学检查还可以包括免疫组织化学，即其中抗体(包括但不限于未标记的抗体和标记的抗体)可以用于检测特定蛋白质、碳水化合物和脂质的过程。可以通过该过程确定特定蛋白质、碳水化合物和脂质的位置。在染色剂是荧光分子的情况下，该技术可以被称为免疫荧光法。作为组织病理学检查的替代或补充，组织样品的基因谱分析也可以用于诊断癌症。尽管一些肿瘤类型在癌分级与肿瘤预后之间可能存在统计相关性，但这种关联的强度可能是高度可变的。
治疗选项的选择可以取决于癌的分期、等级和位置。治疗选项的非限制性示例包括手术切除或肿瘤切除术、mohs手术或mohs显微外科手术、放疗、化疗、刮除术和电流干燥技术(electrodessication)、光动力疗法和激光治疗。治疗可以包括切除，其中通过外科手术去除肿瘤，并且在一些情况下，肿瘤周围的一些看起来无肿瘤的皮肤也被去除。mohs手术是一种专门的手术，可以用于去除一些皮肤癌。在mohs手术中，外科医生可以切除肿瘤以及肿瘤周围非常少量的看起来正常的皮肤。在患者等待时，外科医生可以使用显微镜检查被去除的组织，尤其是寻找癌症的存在。必要时，外科医生可以继续去除少量组织并在显微镜下对其进行检查。这可以持续到当外科医生在显微镜下检查组织时不再检测到癌症为止。治疗可以包括放疗，这是一种涉及使用高能辐射杀死癌细胞的治疗。另一种形式的治疗可以包括化疗，其涉及化疗剂的施用。化疗剂可以全身或局部施用。全身施用的非限制性方法包括肠内施用，诸如经由丸剂、片剂、胶囊和滴剂，以及肠胃外施用，诸如经由静脉内注射和动脉内注射。局部施用的非限制性方法包括外用施用(诸如经由化疗霜剂)和局部注射。治疗可以包括刮除术和电流干燥技术。首先，使用刮匙通过刮或挖来去除组织，并且施加电流以破坏任何剩余的癌细胞。在一些情况下，治疗可以包括光动力疗法(pdt)，这是一种涉及使用光来去除一些早期皮肤癌的治疗。
皮肤癌
皮肤癌可以被认为是一种常见的癌症形式，占全球病例的至少40％。皮肤癌可以发生于皮肤细胞的异常生长，并且可以分类为非黑素瘤皮肤癌和黑素瘤皮肤癌。非黑素瘤皮肤癌可能比黑素瘤皮肤癌更常见。非黑素瘤癌症的非限制性示例包括基底细胞癌(bcc)、鳞状细胞癌(scc)、血管肉瘤、皮肤b细胞淋巴瘤、皮肤t细胞淋巴瘤、隆凸性皮肤纤维肉瘤、merkel细胞癌和皮脂腺癌。在非黑素瘤皮肤癌中，约80％可能是基底细胞癌，20％可能是鳞状细胞癌。bcc可以存在于皮肤暴露于阳光的区域，诸如面部，但可以通过手术或放射很容易地治疗。黑素瘤有时被称为恶性黑素瘤，是一种可以从黑素细胞(含有色素的细胞)发展而来的癌症。黑素瘤可以比bcc和scc更具侵袭性。
癌症(例如皮肤癌)的治疗可以取决于癌症的类型、癌症的位置和患者的年龄。预后可能受临床和组织学因素以及癌症的解剖学位置的影响。非黑素瘤皮肤癌通常可以治愈，并且治疗通常可以包括手术切除，但也可以包括放疗、外用药物(诸如氟尿嘧啶)的应用及其组合。黑素瘤治疗可以包括手术、化疗、放疗、靶向疗法及其组合。
在高风险解剖学部位(例如在眼睛、鼻子和嘴附近的区域)去除上皮癌可能涉及由手术期间每次切除的组织学检查指导的精确显微外科切除。可能期望对周围正常组织造成最小的损伤。
mohs显微外科手术(mohs手术)
上皮癌(诸如皮肤癌)的治疗可以包括mohs显微外科手术(在本文中也称为“mohs手术”)。mohs手术可以包括手术去除组织并且随后对切除的组织进行组织病理学检查。可以对新鲜的组织样品或固定的组织样品进行组织病理学检查，以检测手术去除或切除的组织中癌症的存在。mohs手术可以允许外科医生在手术时验证所有癌细胞已被去除。这可以增加去除所有癌组织的几率，并且可以减少对其他治疗和/或其他手术的需要。
图7a示出了mohs手术的说明性示例。在例如通过外科医生或医师的视觉检查、触诊和温和刮除确定了推定的肿瘤边缘之后，通过例如在推定的肿瘤边缘周围区域用手术刀制造切口来获得用于组织病理学检查的新鲜组织样品。在切开时，可以在样本和手术部位中放置划痕以便于组织定向。癌症的临床边界与切口之间的距离可以是可变的，这取决于恶性肿瘤的类型、恶性肿瘤的大小以及恶性肿瘤的分界程度。在一些情况下，可以用局部麻醉剂来麻醉手术部位。
然后可以制备组织样本用于组织病理学分析。可以基于刻痕将样本分成较小的块并用墨水标记以保持组织定向。在一些情况下，可以生成将手术缺损与标记的样本相关联的图。然后可以处理组织样本以经由例如冷冻切片产生样本的整个外周边缘的薄冷冻切片。切片可以具有可变的厚度。切片的厚度可以在4um与8um之间。切片可以染色，例如用诸如h&e和甲苯胺蓝等染色剂和/或免疫组织化学染色剂进行染色，该免疫组织化学染色剂诸如细胞角蛋白染色剂ae1/ae3、per-ep4、mnf116、cd34、低分子量细胞角蛋白和细胞角蛋白7以及mart-1。随后可以检查组织切片中是否存在癌细胞。如果在载玻片上识别出残留的肿瘤，则可以在图上标记出位置，从而将手术缺损与标记的样本相关联。然后该图可以用于识别手术部位中肿瘤累及的相应区域。随后可以去除该区域以供进一步的组织处理和检查，重复先前描述的组织制备和染色过程。可以重复该过程直到外周边缘和深度边缘在组织学上不含肿瘤细胞。
为了获得用于组织学检查的固定组织样品，可以将固定剂(诸如包含氯化锌的混合物)施加至皮肤持续可变的时间长度，该时间长度在约6小时至24小时的范围内，取决于期望采样的组织深度。固定后，可以手术去除或切除样品并用显微镜检查。通常可能不需要其他的染色和处理，因为施加于皮肤的固定剂可以保持肿瘤和细胞组织学。在切除期间可能不需要麻醉剂，因为固定组织已经死亡并且可能感觉不到疼痛。根据切除的样品的显微镜检查结果，可以将其他的固定剂施加于肿瘤累及的任何剩余区域持续额外的约6小时至24小时，并且可以重复该过程，直到所检查的组织样品在组织学上没有肿瘤。固定切片的制备可能需要至少1天至2天。这种时间延迟可能导致无法对大量组织进行采样并实时检测残留的肿瘤边缘。在一些情况下，肿瘤去除是不完全的，患者可能经历额外的手术、放疗、化疗及其组合。
mohs程序可能需要一到几次切除，这取决于病灶的大小、形状和复杂性。整个过程的时间长度可以变化，这取决于使用新鲜组织样品还是固定组织样品。图7b示出了使用新鲜组织样品的mohs显微外科手术的几个阶段以及每个阶段的相关处理时间。一轮组织切除和样品分析的总计时间可以占据约0.1小时至4小时或0.5小时至2小时，这取决于各种因素，包括但不限于组织样品的大小以及外科医生和/或技术人员的技术。总计时间可以小于或等于4小时、3小时、2小时、1小时、30min、10min、5min或1min。
外科医生可以确定样品看起来是健康的还是癌性的。如果样品看起来是癌性的，可以进行另一轮手术切除和组织检查。在一些情况下，样品可能看起来是健康的，并且可能不需要另一轮手术切除。在其他情况下，外科医生可能无法明确确定样品是健康的还是癌性的。
mohs手术可能持续数小时，并且受试者在该程序的大部分时间可能在局部麻醉下在有开放性伤口的情况下进行等待。这可能是对患者而言并不舒服的缓慢且时间效率低的过程。
成像系统设置
参考图8，用于执行本文所述方法的成像系统设置可以包括光纤发射模块801、扫描仪模块802、第一收集模块803、光学探针模块804和第二收集模块805。光纤发射模块801可以用于光生成。光纤发射模块801可以包括光源，诸如超快脉冲激光器。来自超快脉冲激光器的光脉冲可以通过一系列光学元件递送到光纤，诸如具有空芯的单模光纤。随后光纤可以将光脉冲递送至可以创建扫描图案的扫描仪模块802。随后，光可以穿过扫描仪模块802至第一收集模块803，光在第一收集模块处被进一步引导至光学探针模块804，例如通过二向色镜。光学探针模块804可以向上皮组织(诸如皮肤组织)的表面传输单个光束的脉冲。在接触上皮组织后，可以生成与上皮组织的内在性质相关的信号，诸如自体荧光信号和二次谐波产生信号。这些信号可以由光学探针模块804收集并传输到第一收集模块803并进一步传输到第二收集模块805。第二收集模块可以包括一个或多个用于处理与上皮组织的内在性质相关的信号的光电倍增管。图9示意性地图示了光学系统模块，诸如光纤发射模块901、扫描仪模块902、第一收集模块903、光学探针模块904和第二收集模块905。
图10a和图10b示意性地图示了示例性光纤发射模块的元件。光纤发射模块可以包括光源，如激光器1001；一个或多个转向镜1002a和1002b；隔离器1003；一个或多个滤光器1004；光束采样器1005；光传感器1006；波片1007；一个或多个透镜1008；以及光纤1009。激光器1001，诸如topticafemtofiberpronir780nm激光器，可以用作超快光脉冲的光生成源。一个或多个转向镜1002a和1002b可以用于引导光脉冲，例如，朝向光纤发射模块的其他元件。可以包括隔离器1003(诸如eot33db光学隔离器)以旋转光脉冲，例如旋转偏振光的脉冲。一个或多个滤光器1004(诸如连续可变反射型中性密度(nd)滤光器)可以用于减少或修改来自光源的光的强度。光束采样器1005可以将一部分光转向光传感器1006(诸如铟镓砷(ingaas)光电二极管)。通过将一部分光转向光传感器1006，可以监测光脉冲的光学退化或不稳定性，诸如功率波动。还可以提供波片1007(诸如多级半波片)以改变光的偏振态。可以使用一个或多个透镜1008将光引导至光纤1009，诸如具有空芯的单模光纤，该光纤可以将光脉冲传输到扫描仪模块。
图11a和图11b示意性地图示了示例性扫描仪模块。扫描仪模块可以包括光纤1101；一个或多个透镜1102、1003和1104；以及一个或多个反射镜1105。光纤发射模块的光纤和扫描仪模块的光纤可以是相同的光纤，并且光纤可以将光从光纤发射模块传输到扫描仪模块。光可以由透镜1102(诸如准直透镜)进行准直。可以使用一对透镜(诸如移动的聚焦透镜1103和固定的聚焦透镜1104)来改变光的焦平面。随后可以将聚焦的光引导至微机电系统(mems)镜1105，该镜将光导向第一收集模块。
图12a和图12b示意性地图示了示例性第一收集模块。第一收集模块可以包括一个或多个中继透镜1201和1202；二向色镜1203；光传感器1204；透镜1205；和光纤1206。从扫描仪模块接收的光脉冲可以由中继透镜1201和1202传输至二向色镜1203。二向色镜1203可以将一些光传输至光传感器1204。传输至光电探测器的光可以用于监测所传输的光的性质。未传输至光电探测器1204的光可以通过二向色镜转向光学探针模块，该光学探针模块可以将光引导至上皮组织的表面。除了将光转向光学探针模块之外，二向色镜还可以用来将收集的信号从光学探针模块传输至第二收集模块。所收集的信号可以通过透镜1205传输至光纤1206，诸如液体光导，该光纤将光传输至第二收集模块。光导可以由任何光学级材料制成，诸如丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂、液体和玻璃。
图13a和图13b示意性地图示了示例性光学探针模块。光学探针模块可以包括一个或多个中继透镜1301和1302；准直透镜1303；场透镜1304；以及一个或多个物镜1305和1306。光学探针模块的透镜和物镜既可以将光向上皮组织传输(顶部光束)，又可以将所生成的与上皮组织的内在性质相关的信号(下部光束)传输至第二收集模块以供信号处理和分析。
图14a和图14b示意性地图示了示例性第二收集模块。第二收集模块，诸如双色收集模块，可以包括光纤1401；聚光透镜1402、1405和1408；二向色镜(dichroic)1403；滤光器1404和1407；以及光电探测器1406和1409。光纤1401，诸如液体光导，可以用于将光从第一收集模块传输至第二收集模块。聚光透镜1402，诸如非球面聚光透镜，可以将所收集的光引导到二向色镜1403，诸如具有约425nm截止值的长通二向色镜。二向色镜可以将波长短于截止值的光传输至探测器1406，并且将波长长于截止值的光转向其他探测器1409。所传输的光，例如波长短于约425nm的光，可以被引导至滤光器1404(诸如传输shg信号的shg滤波器)和聚光透镜1405(诸如非球面聚光透镜)到达在其中检测shg信号的光电探测器1406，诸如光电倍增管(例如，hamamatsupmt)。所转向的光，例如波长长于约425nm的光，可以被引导至滤光器1407(诸如传输自体荧光信号的自体荧光滤波器)和聚光透镜1408(诸如非球面聚光透镜)到达在其中检测自体荧光信号的另一光电探测器1409，诸如光电倍增管(例如，hamamatsupmt)。可以例如使用编程的计算机处理器处理所收集的shg信号和自体荧光信号，以生成上皮组织的剖面(例如，深度剖面)，该剖面可用于识别上皮组织中的疾病。该疾病可以是例如皮肤癌。
图15a示意性地图示了组织的垂直平面扫描或深度剖面扫描。可以通过在x方向和y方向上倾斜mems镜来控制水平面的成像。可以通过改变处于无焦点布置的一对透镜之间的距离来实现对成像深度的控制。可以通过沿着单个轴扫描mems镜，同时反复改变这对透镜之间的距离以在垂直方向上扫描来产生深度剖面。图15b示意性地示出了可以通过在扫描过程期间调制功率和pmt增益来改变深度剖面图像的质量。穿过组织的信号强度可能随深度呈指数下降。可以通过使用反馈信号算法实时调制功率和pmt增益来抵消这种信号强度降低，从而获得在整个横截面图像上具有均匀亮度和对比度的图像。图15c图示了可能由正弦扫描引起的图像失真。可以使用光栅扫描来完成用于构建图像的信号处理，该光栅扫描使用显微镜以线性三角波扫描的这一假设。可能难以使mems镜以线性图案移动，因此，显微镜可以使用正弦扫描而近似于三角波扫描。正弦扫描可能导致图像失真，其中在x方向上有扩张。可以通过使用在x方向上弯曲的显示器屏幕来抵消这种失真。
手持式设备可以包括许多用以改善功能和易用性的特征。图15d图示了具有可伸缩遮光罩的手持式设备。当环境光污染最小化时，可以获得更高分辨率的成像。在许多情况下，在暗室中成像可能是不可行的。通过引入可伸缩的遮光罩可以实现对光污染的限制。可伸缩的遮光罩可以使用手持式设备上的按钮来致动。遮光罩可以围绕探针并在扫描期间阻挡光线。罩可以储存在不遮挡探针的位置。罩可以包括能够模制到身体所有部位的若干层柔性不透明鬃毛。手持式设备还可以包括显示器，如图15e所示。显示器可以永久性安装或者显示器可以是可移除的。显示器也可以是固定的或安装在允许显示器折叠和旋转的铰链上。
图16a示出了便携式电池供电的成像系统的图示。该系统可以包括用于便于移动的转轮、用于在不使用时保持手持式设备的支架、包括计算机处理器的内部组件、光生成源以及电池。图16b示出了可以由该系统生成的三色图像。三色图像可以突出以不同光谱响应为特性的组织特征。例如，通过手持式设备收集的光可以被过滤并按波长分选到收集通道中。可以对信号光进行过滤并将其分选到包括较宽波长范围的少量收集通道中或包括较窄波长范围的大量收集通道中。例如，可以将信号光过滤并分选为thg信号、shg信号和自体荧光信号。thg信号可以包括所收集光的窄带，其大约是脉冲光波长的三分之一。所收集的thg信号的波长范围可以以约125nm、150nm、175nm、200nm、225nm、250nm、275nm、300nm、325nm或更长为中心。shg信号可以包括所收集光的窄带，其大约是脉冲光波长的一半(例如，390nm)。所收集的shg信号的波长范围可以以约200nm、225nm、275nm、300nm、325nm、350nm、375nm、400nm、425nm、450nm、475nm或更长为中心。自体荧光信号可以包括所收集光的窄带或所收集光的宽带。所收集的自体荧光信号的波长范围可以为400nm至450nm、400nm至500nm、400nm至550nm、400nm至600nm、400nm至650nm、450nm至500nm、450nm至550nm、450nm至600nm、450nm至650nm、500nm至550nm、500nm至600nm、500nm至650nm、550nm至600nm、550nm至650nm或600nm至650nm。
可以通过计算机处理器为波长范围指定颜色以生成多色图像。例如，经过滤和分选的shg信号可以代表真皮结缔组织并且可以被指定为绿色。经过滤的自体荧光信号可以分选到单个收集通道中或者按波长分裂并分选到多个收集通道中。例如，经过滤的自体荧光信号可以被分选成两个范围，短波长范围和长波长范围。短波长范围内的信号可以代表角质形成细胞并且可以被指定为蓝色。长波长范围内的信号可以代表黑素细胞并且可以被指定为红色。彩色化的信号信息可以编译到单个图像中。
可以使用模制的光分选器实现光的过滤。图16c是模制的光分选器的示意图，其可以利用全内反射来对光进行分选，同时最小化功率损失。模制的光分选器可以允许小的波形因数和光学器件的简化。模制的光分选器可以包括模制成三臂几何形状的玻璃或聚合物。三臂几何形状可以具有胶合到每个端部并且还胶合到pmt的玻璃面上的滤波器。液体光导可以直接胶合到模具的表面上。直接胶合可以最小化fresnel反射。
手持式设备还可以包括用于定位探针和标记组织的特征。图16d示出了具有物理位置标记机构的手持式设备。物理位置标记机构可以允许用户将物理标记放置在正通过手持式设备观察的组织区域上。例如，物理位置标记机构可以用于标记通过肉眼无法看到的癌性生长的边缘。标记材料可以包括墨水，并且可以通过按下按钮来部署标志物。手持式设备还可以包括外部视觉定位机构。图16e示出了具有定位在探针任一侧的双相机的手持式设备。可以修改显示器以包括显示探针的物理位置和显微镜图像两者的分屏。另外，相机可以用于创建数字位置映射。图16f示出了具有宏观图像和显微图像的分屏。宏观图像可以由探针上的一个或多个相机生成。显微镜与相机之间的通信可以使得来自显微图像的数字标志物能够投射在宏观图像上。从显微图像向宏观图像投射特征或数字标志物可以使得微观癌性组织的边界能够在宏观图像上显示为边缘线。
图17a示出了光感测和导航光脉冲相交替的手持式设备。当使用正弦扫描时，只能使用扫描的近似线性部分。因此，大约20％的扫描可能被浪费。可以通过光感测与导航光脉冲相交替来减少扫描的该浪费部分。例如，当扫描处于正弦扫描的线性部分时，手持式设备可以处于感测模式并且导航光脉冲可以关闭。当扫描处于正弦扫描的非线性部分时，手持式设备可以处于光脉冲模式并且pmt传感器可以关闭。可以通过用遮板对光进行物理门控来隔绝光线。光脉冲可以是高频的，从而在人眼看来是连续的。光感测和导航光脉冲相交替可以与遮光罩结合使用，这可以允许遮光罩的内部被照亮。遮光罩内部的照亮可以便于在手持式设备上使用定位相机。
图17b示出了示例性皮肤镜和显微镜组合。皮肤镜可以用于增强对皮肤病灶的观察。手持式设备可以与皮肤镜结合以最大化该设备的功能。皮肤镜可以是外部放大镜或靠近探针末端的相机。手持式设备可以具有在皮肤镜功能与显微镜功能之间切换的能力。
成像系统还可以包括具有用以减少光污染的光谱滤波器的集成照明。图17c示出了包括发射经过滤的光的集成光源的示例成像系统。经过滤的光可能无法被手持式设备检测到。光源可以发射具有约600nm至650nm、600nm至700nm、600nm至750nm、600nm至800nm、650nm至700nm、650nm至750nm、650nm至800nm、700nm至750nm、700nm至800nm或750nm至800nm范围内的波长的光。成像系统还可以适应于连接到智能电话。图17d示出了具有用于连接智能电话的夹具和缆线的手持式设备。兼容的智能电话可以包括
图17e示出了具有包括单个深边缘光管针的探针和具有深边缘光管针的环的探针的手持式设备。从手持式设备发射的大量光可以损失到周围组织。为了减少损失到周围组织的光的量并将深度剖面的最大分辨深度增加到可以在不刺穿组织的情况下可检测到的深度以下，可以将光管针穿过肿瘤的中心插入以吸收逸出的光。手持式设备探针可以包括单个光管针或多个光管针。可以以包括环形配置在内的各种配置使用多个光管针。光管针的使用可以提供更高质量的图像。
图18图示了具有一次性探针端头的手持式设备。图26示出了一次性探针端头的放大图。探针可以具有小于约10mm、8mm、6mm、4mm或2mm的端头直径。手持式设备可以具有使得一次性探针容易连接和断开的机构。该机构可以具有对准功能，以实现探针与手持式设备之间的精确光学对准。手持式设备可以被成形为类似于具有枪状外形因素的耳镜或皮肤镜。手持式设备可以具有至多约0.25磅(lb)、0.5lb、1lb、2lb、4lb或8lb的重量。可以将屏幕并入到手持式设备中以提供定点照护(point-of-care)观察。屏幕可以是可拆卸的并且能够改变朝向。手持式设备可以附接到可以包括滚动推车或公文包型配置的便携式系统。便携式系统可以包括激光器、电子器件、光传感器和电源系统。激光器可以提供最佳递送频率的光。手持式设备可以包括二次谐波倍频器，以将光从可用于递送的频率(例如，1560nm)转换成可用于对组织进行成像的频率(例如，780nm)。例如，递送频率可以是至少约800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm或更大，并且成像频率可以是至少约400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或更大。激光器可以具有足够低的功率，从而以电池电源来运行该系统。该系统还可以包括充电座或用以在操作期间保持便携式单元的迷你支架。在单个医疗办公室中可以有许多迷你支架并且可以有能够在房间之间传送的单个便携式系统。
图19示出了手持式设备的内部组件的示意图。手持式设备的其他朝向如图27a-图27c所示。激光器可以通过光缆向手持式设备提供低频超快脉冲光。光束可以穿过二次谐波倍频器1910，光束可以在此被准直并转换成更高频率的光。在穿过倍频器1910之后，光束可以接触一个或多个光束转向镜1920。光束转向镜1920可以进行光束对准优化。一旦通过光束转向镜1920优化了光束对准，光束可以接触无焦点z平面扫描仪1930。无焦点z平面扫描仪可以在扫描时改变轴方向上的焦点并且能够进行深度剖面成像。在进入探针端头之前，mems镜1940可以在x方向和y方向上扫描光束。手持式设备的端头可以包括将光束引导至探针的后孔以进入组织的中继透镜1950。手持式设备的端头还可以包括收集光学器件1960，该收集光学器件可以反射用于成像的较低频率的光并收集较高频率的信号光。图21b示出了从无焦点z平面扫描仪到探针物镜的激发路径。
图20为二次谐波倍频器1910的放大示意图。倍频器1910可以包括非线性晶体，诸如周期性极化的铌酸锂晶体。倍频器1910的效率可以根据温度而变化。为了获得倍频器1910的最佳性能，可以使用温度控制器和反馈传感器基于产生的光量来调节单元的温度。
图21a为无焦点z平面扫描仪1930的放大示意图。无焦点z平面扫描仪1930可以使准直光束会聚或发散，在成像时使焦点沿轴向移动。使焦点沿轴向移动可以允许扫描z平面并且能够对深度剖面进行成像。透镜中的一个的质量可以很小，这可以允许透镜使用音圈致动器在几个hz下进行扫描。无焦点z平面扫描仪可以在z方向上扫描来自mems镜1940的线，并且可以用作慢轴扫描。
图22为mems镜组装件1940的放大示意图。对于深度剖面扫描，mems镜1940可以在x方向上快速扫描线，同时z平面或深度剖面扫描仪1930在z方向上缓慢地转移该线。对于水平成像，mems镜1940可以在x方向上快速扫描并在y方向上缓慢扫描，同时z平面扫描仪可以用于准静态聚焦。
图23为中继透镜组装件1950的放大示意图，其将光束引导至探针的后孔。中继透镜1950可以使光适于进入探针。中继透镜1950可以将来自mems镜1940和无焦点z平面扫描仪1930的扫描成像到物镜的后焦平面，这可以使得物镜的扫描是远心的。为了获得放大率随深度没有差异的深度剖面图像，可能需要使用远心物镜。远心物镜还可以保持恒定的数值孔径(na)，从而同样使整个扫描区域能够有恒定的分辨率。激发路径中的二向色镜可以将用于成像的光反射到探针，但是可以允许信号光穿过到达收集光纤。
图24为收集光学器件1960的放大示意图。收集光学器件1960可以包括二向色镜，其将低频光(诸如用于成像的光)反射到组织，同时将更高频率的光递送至多模光纤以递送至便携式成像系统中的pmt传感器。收集光学器件1960可以包括多个透镜以将光引导至多模光纤或液体光导。结缔组织可以产生激发光的shg并且产生窄的高频信号(例如，390nm)。细胞中的某些蛋白质(例如，nadh、黑素、fad、角蛋白、弹性蛋白等)可以经历自体荧光并且可以生成跨越宽范围波长的信号。多模光纤或液体光导可以将信号递送至收集单元中的便携式成像系统，该收集单元可以按波长分离信号。
图25为收集单元的示意图。便携式成像系统可以包括多个pmt传感器。可以使用多个二向色镜将来自多模光导线缆或液体光导线缆的光分成三个组分。信号的shg部分可以去往第一pmt传感器(pmt1)。信号的自体荧光部分可以分割到两个通道中，一个通道去往第二pmt传感器(pmt2)且第二通道去往第三pmt传感器(pmt3)。进入每个pmt的光可以通过滤光器以去除背景噪声、来自照明激光脉冲的背向反射光以及pmt通道之间的光的混合。每个pmt可以提供其各自信号组分的强度的数字图像。随后可以将计算机处理器编程用于在扫描激发时构建来自每个通道的逐个像素的图像。随后可以将图像编译到单个图像中，其中每个原始图像由唯一的颜色表示，这可以提供不同组织结构之间的颜色对比度。
成像系统可以是完全移动的，并且可以由临床医生移动到患者正在等待的房间。机器可以通电，并且医师可以将可移动的探针固定到手持式设备。为了优化成像，临床医生可以在环境光条件下、在关灯的情况下或在不会干扰显微镜光学器件的定制照明下使用机器。使用具有更快动态的传感器(诸如混合光电倍增管和雪崩光电二极管)，也可以实现具有更少的环境背景信号的优化成像。这些类型的混合传感器可以具有几百皮秒(ps)量级的快速建立时间。增加的动态可以允许系统仅在激发激光器的脉冲生成期间感测信号，并且可以在激光器未接通的间隔期间消除背景光的记录。使背景信号最小化的替代方法可以是在探针端头附近引入额外的光纤以测量进入组织以及该采样探针的其他pmt传感器和电子器件的环境光的量。随后可以从脉冲光检测到的信号中去除来自采样探针的信号，这可以校正背景信号。探针可以在端头上使用水、酒精、甘油、凡士林或油，以改善光与组织的光学耦合。在准备好机器并附接探针的情况下，临床医生可以操纵显微镜和探针接触组织上的各个感兴趣区域，同时实时记录和显示所得到的图像。
计算机系统
本公开内容提供了被编程用于执实现本公开内容的方法的计算机控制系统。图28示出了计算机系统2801，其可以被编程或以其他方式被配置用于实现本文提供的方法。计算机系统2801可以调节识别受试者的上皮组织中的疾病的各个方面，例如收集在多个不同焦平面处生成的信号的至少一个子集，以及使用该信号来生成上皮组织的深度剖面。计算机系统2801可以是用户的电子设备或者是可以相对于电子设备远程定位的计算机系统。电子设备可以是移动电子设备。
计算机系统2801包括中央处理单元(cpu，本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)2805，其可以是单核或多核处理器，或者是用于并行处理的多个处理器。计算机系统2801还包括存储器或存储位置2810(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存)、电子存储单元2815(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口2820(例如，网络适配器)和外围设备2825，诸如高速缓冲存储器、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器2810、存储单元2815、接口2820和外围设备2825通过诸如主板的通信总线(实线)与cpu2805通信。存储单元2815可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。计算机系统2801可以借助于通信接口2820可操作地耦合至计算机网络(“网络”)2830。网络2830可以是因特网、互联网和/或外联网、和/或可以与因特网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络2830可以是电信和/或数据网络。网络2830可以包括一个或多个计算机服务器，其可以实现分布式计算，诸如云计算。在一些情况下，网络2830可以借助于计算机系统2801实现对等网络，这可以使耦合至计算机系统2801的设备能够充当客户端或服务器。
cpu2805可以执行一系列机器可读的指令，该指令可以体现在程序或软件中。指令可以存储在诸如存储器2810等存储位置中。指令可针对cpu2805，该指令随后可以编程或以其他方式配置cpu2805以实现本公开内容的方法。由cpu2805执行的操作示例可以包括获取、解码、执行和回写。
cpu2805可以是诸如集成电路等电路的一部分。系统2801的一个或多个其他组件可以包含在电路中。在一些情况下，该电路是专用集成电路(asic)。
存储单元2815可以存储文件，诸如驱动程序、库和保存的程序。存储单元2815可以存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。在一些情况下，计算机系统2801可以包括在计算机系统2801外部，诸如位于通过内联网或因特网与计算机系统2801通信的远程服务器上的一个或多个附加数据存储单元。
计算机系统2801可以通过网络2830与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统2801可以与用户(例如，服务提供商)的远程计算机系统通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式pc)、平板或平板型pc(例如，
如本文所述的方法可以通过存储在计算机系统2801的电子存储位置上(诸如，存储器2810或电子存储单元2815上)的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实现。机器可执行代码或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可以由处理器2805执行。在一些情况下，可以从存储单元2815检索代码并将其存储在存储器2810上以备处理器2805迅速存取。在一些情况下，可以排除电子存储单元2815，而机器可执行指令存储在存储器2810上。
代码可以被预编译和配置用于与具有适应于执行代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行期间被编译。代码可以以编程语言提供，该编程语言可被选择以使该代码能够以预编译或即时编译(as-compiled)的方式执行。
本文提供的系统和方法的各方面，诸如计算机系统2801，可以在编程中体现。本技术的各个方面可以被认为是“产品”或“制品”，其一般为携带在一种类型的机器可读介质上或在该类型的机器可读介质中体现的机器(或处理器)可执行代码和/或相关联数据的形式。机器可执行代码可以存储在电子存储单元上，诸如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪存)或硬盘上。“存储”型介质可以包括计算机的任何或全部有形存储器、处理器等，或其相关联模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等，其可在任何时间为软件编程提供非暂时性存储。有时，软件的全部或部分可以通过因特网或各种其他电信网络进行通信。例如，这种通信可以使软件能够从一个计算机或处理器加载到另一个计算机或处理器，例如，从管理服务器或主计算机加载到应用服务器的计算机平台。因此，可以承载软件元件的另一类型的介质包括光波、电波和电磁波，诸如跨越本地设备之间的物理接口、通过有线和光学陆线网络以及通过各种空中链路使用。携带诸如有线或无线链路、光学链路等这种波的物理元件，也可以被认为是承载软件的介质。如本文所用，除非限于非暂时性有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”等术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码等机器可读介质可以采用许多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如任何计算机中的任何存储设备等，诸如可以用于实现附图中所示的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这种计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴缆线；铜线和光纤，包括构成计算机系统内总线的线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号或声波或光波的形式，诸如在射频(rf)和红外(ir)数据通信期间产生的那些。因此，常见形式的计算机可读介质包括例如：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、cd-rom、dvd或dvd-rom、任何其他光学介质、穿孔卡片纸带、具有孔洞图案的任何其他物理存储介质、ram、rom、prom和eprom、flash-eprom、任何其他存储器芯片或匣盒、传送数据或指令的载波、传送此类载波的缆线或链路、或计算机可以从中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。许多这些形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带至处理器以供执行。
计算机系统2801可以包括电子显示器2835或可与电子显示器2835通信，电子显示器2835包括用户界面(ui)2840，用于提供例如上皮组织的深度剖面。ui的示例包括但不限于图形用户界面(gui)和基于网络的用户界面。
可以通过一种或多种算法来实现本公开内容的方法和系统。算法可以在由中央处理单元2805执行时通过软件实现。该算法可以例如使用在多个不同焦平面处收集的信号子集来生成深度剖面。在一些情况下，该算法可以实时生成深度剖面。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员而言将会显而易见的是，此类实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员将会在不偏离本发明的情况下想到众多变化、改变和替换。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所述发明的实施方式的各种替代。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此涵盖在这些权利要求范围内的方法和结构及其等效项。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！