高效调制成像的制作方法
【技术领域】
[0001] 本文所述的实施例一般地涉及用于组织结构和功能的定量表征的调制成像，并且 更具体地涉及促进高效调制成像的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 组织结构和功能的定量表征是医学成像中的最具挑战性的问题之一。扩散光学 法受到基本光-组织相互作用限制可被使用以从微米至厘米的长度规模的分辨率和深度 灵敏度来测量生物组织或其它混浊（即光散射）样本。诸如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和 水之类的重要组织成分(称为发色团）能够以光学方式被检测，并且动作与评估局部组织健 康或生理状态的各种指示符或指标相关。此类指标的示例包括组织氧饱和（StO2，或氧合血 液的组分)、全血量（CtTHb)、组织含水率（CtH2O)以及组织灌注或新陈代谢。这些指标可以 提供用于医师执行诊断和/或指导治疗的强大手段。可以检测到这些发色团，因为其具有 可检测特征的在可见光和/或近红外区中的吸收光谱。本质上，可以使用光源来照射组织 样本，并且可以使用汇入光来测量组织中的吸收特征并将感兴趣的发色团量化。实际上， 这是由于组织中的散射的存在而导致的困难的测量。在学术界已经描述了一种基于探针的 技术，并且其也已被许多公司（Somanetics、Hutchinson、ViOptix)进行商业转化。这些技 术中的每一个使用许多不同算法和硬件部件（照明源、光谱检测）来处理对组织散射进行考 虑、修正或控制的问题，以推导出关于血红蛋白和组织氧合的有意义信息。这些探针利用单 点检测器的大量选择，使得能够实现光谱灵活性和高灵敏度。然而，接触探针经受一些主要 限制。本质上，接触探针并不是成像技术，并且因此对于评定大面积的组织而言并不是理想 的。这一点重要是因为组织健康状况常常是空间变化的，例如在组织创面(烧伤、溃疡、皮瓣 等）中，其中，在正常组织与创面之间以及在创面本身内都可能存在空间对比度(例如创面 边界相对创面中心)。利用接触探针，为了合成低分辨率图像，必须将多个接触探针放置在 许多组织位置中，或者必须跨表面扫描探针。典型的创面在尺寸方面从若干_至许多cm 不同，对设计用来选址和/或适应此大范围的探针技术提出挑战。
[0003] 在学术界和商业上还已开发了基于照相机的光谱成像方法。使用可见光的多光谱 成像技术（HyperMed)已被应用于在宽视野（~IOcmX IOcm)上测量组织氧合且已被应用于 糖尿病患者创面的监视。多谱成像法通常采用仅对组织的顶部浅表(< Imm深)层进行采样 的波长。虽然近红外线（650-1000nm)穿透深得多，但是由于强组织散射系数的存在（即与 吸收相比)，要隔离和量化反射或发射光信号中的发色团对比度更具挑战性。可以克服此限 制并在浅表层（~IOOum深）层以及表面下层（I-IOmm)两者中以无接触方式在宽视野上评 估组织健康状况的技术更有价值且因此被期待。
[0004] 最近引入了称为调制成像(MI)的新型光学成像方法，其使得能够在不要求直接 接触的情况下在宽视野和组织深度中实现疾病进展和治疗响应的定量分析。在本文称为 Bevilacqua等人的美国专利6, 958, 815 B2中已描述了 MI，其通过引用被结合到本文中。这 种技术包括利用在一个或多个光学波长的空间调制光(或"结构化光"）图案来照射生物组 织或其它混浊介质（具有散射性和吸收性两者的样本)，并分析从组织最后得到的收集回的 反射和散射的光。MI的优选实施例称为空间频域成像（SFDI)，其中，空间光图案或结构是 正弦的，其提供从少数(通常每波长3-15个)的结构化光测量结果来检测结构化光对比度的 算法上简单的方式。当与多谱成像组合时，可以使用在两个或更多波长下的光学性质来定 量地确定与组织健康有关的发色团的体内浓度，例如氧合血红蛋白（CtO2Hb)、脱氧血红蛋 白（CtHHb)和水（CtH2O)。
[0005] 为了执行吸收发色团的光谱(波长相关)测量，MI技术要求以各种波长从组织收集 汇入的空间结构化光。这至今已经通过针对每个期望波长重复Bevilacqua等人的公开技 im实I。因此，总成像时间直接地随着测量的波长数目而衡量。域予哀原、TfM 么明亮、光通量低且由于C⑶限制导致的检测器量子效率低的近红外中的一些波长而言可 能特别具有挑战性。对于低通量波长而言，要求长积分时间(数十倍至数百倍ms)，以获得 适当的信噪比。必须在那些波长下增加光强度以便减少积分时间。然而，这受到以下限制： 集光率或光通量、结构化光投影硬件的限制(包括光源(例如，LED、激光器、白光灯泡)、光中 继系统(例如透镜、波导、镜面）两者）以及图案生成技术(例如，反射式数字微镜阵列或硅上 液晶、图案化透射材料或LCD阵列、或全息元件)。弱或低效的波长带的强度方面的"强力 (Brute force)"的增加可以具有其它效果，包括增加的功率消耗、增加的热应力(这可以导 致进一步的源的低效和不稳定)以及增加的冷却要求。较长的成像时间也在医学(或其它运 动敏感）应用中产生实际问题，因为其导致由于在研究下的测量样本(例如组织）的小的移 动造成的最终图像中的伪像。因此，期望提供在保持准确度而改善系统效率并减少成像时 间的同时改善当前调制成像方法的能力的设备和方法。
[0006] 如上文简要地描述的那样，MI包括在大面积(许多cm2)的组织(或其它混浊）样 本内用一个或多个空间结构化强度图案来照射样本并收集且分析最后得到的从样本接 收回的光。对于从样本接收回的空间结构化光的振幅和/或相位的分析作为空间频率 或周期性的函数(常被称作调制传递函数(MTF))，可被用来确定任何离散波长下的样本 的光学性质信息。组织光学性质的示例包括光吸收、光散射(光度和/或角相关性）以及 光致荧光。该光相关的数据(基于模型或根据经验导出）的分析可被用来生成定量吸收
和减少的散射
光学性质的2D或3D映射图。还可以通过对多个空间光学性质 或导出结果求平均或者另外进行累加来产生分区（多像素)评估。通过在各种波长下使用空 间频率或周期性信息，MI可以将吸收：
和荧光：
从散射
效果分离，其每个起 因于物理上独特的对比度机制。
[0007] 用MI在多个波长下对吸收系数
进行映射，进而使得能够实现组织发色团的 定量光谱，其包括但不限于氧合和脱氧血红蛋白和水（ct02Hb、CtHHb以及CtH2O)及导出的 生理参数，诸如组织氧饱和以及血容量（8切2和ctTHb)。还可以同时地测量从组织收集的 光的空间变化相位，并且生成拓扑表面信息。此测量组合使得能够实现用于适应分析中的 曲面的校准数据以及3D组织轮廓的可视化。在图1中示出了典型数据流。
[0008] MI的测量和分析中存在的问题是成像时间。较长的成像时间增加对运动和环境光 照的灵敏度，其可以导致被测量生物度量的二维映射图中的伪像-特别是在临床应用中。 硬件限制是长成像时间的关键原因。诸如发光二极管（LED)之类的高功率光源可以改良问 题，但是测量时间在近红外方面仍是问题。这是因为LED功率和照相机灵敏度可以在很大 程度上取决于波长，并且LED功率受到设备的尺寸和冷却要求的限制。
[0009] 图2示出了用显示出运动伪像的现有技术调制成像设备收集的婴儿烧伤创面的 示例性数据集。图2 (b)示出了反射率数据相对波长和空间频率。注意解调970nm数据中 的伪像高空间频率条纹图案(右侧，底部)。在本文，术语解调数据指的是将从组织接收到的 光的所提取的振幅在每个空间频率下归一化到光照明的振幅。换言之，解调数据是被照射 组织的调制传递函数。这些伪像是由于该波长所需的长积分时间期间的运动而引起的。如 图2 (c)突出显示的那样，与其它较短波长（即仅0. 5s)相比，我们要求IOx的较长积分时 间（即5s)以在970mm下获取该数据集。使用所有波长信息来产生发色团或散射振幅/斜 率测量结果导致导出数据中的正弦伪像，如在图2 (d)中的平均散射振幅图像中所示出的 那样。
[0010] 已经显示出，如果排除970nm波长测量结果(并因此排除水浓度（CtH2O)的分析)， 仍可以通过采取典型组织含水率来准确地计算CtO2Hb和CtHHb。图2 (e)示出了当排除正 确识别婴儿手臂的左上角（用黑色箭头指示)中的高散射区域的970nm数据时的最后得到的 分析。此区域对应于烧伤的最严重位置且对识别有用。然而，水灵敏度在许多研究中是高 度期望的，