專利名稱：對(duì)次表面組織和液體的拉曼光譜分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過探測(cè)漫散射光的拉曼特征來確定體內(nèi)次表面組織的 特性的方法和裝置。例如，所述方法和裝置適于透過皮膚、指甲或其它 表面組織來探測(cè)體內(nèi)骨骼的拉曼光譜特征，而不需要通過切割或穿刺而 使骨骼組織暴露出來。
背景技術(shù)：
對(duì)骨骼和其它生物組織及活組織進(jìn)行調(diào)査研究的領(lǐng)域包括各種各樣 的分析技術(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)評(píng)估特定患者、人或動(dòng)物的骨骼質(zhì)量或組織成分 是重要的，針對(duì)許多這樣的情況而開發(fā)出了這些技術(shù)。例如，患骨質(zhì)疏 松癥的人與正常人相比，骨折的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。對(duì)退變性骨骼疾病(例 如骨質(zhì)疏松癥)的診斷是重要的，從而使患者可以調(diào)整他們的生活方式 或?qū)で蟾深A(yù)以降低骨折的顯著風(fēng)險(xiǎn)。在肌骨組織研究中發(fā)現(xiàn)了另一示例。 該領(lǐng)域的一個(gè)重要方面是使用仔細(xì)挑選的許多正常的并且在許多情況下 是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物對(duì)具有功能的組織成分和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
但是，至今為止，很少有用于檢查骨骼的細(xì)節(jié)或其它組織的成分的 非侵入性或最小侵入性方法。在對(duì)遺傳疾病或代謝疾病的動(dòng)物模型的研 究中，標(biāo)準(zhǔn)的過程是犧牲動(dòng)物并采集組織標(biāo)本以供研究。顯然優(yōu)選的是， 研究活動(dòng)物并且使用導(dǎo)致最小不適或傷害的方法。在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)組織變 化的研究中，最能體驗(yàn)到這種需要。
顯然，在檢查人類患者時(shí)，犧牲過程并不是一種選擇。當(dāng)前用于評(píng) 估骨骼質(zhì)量的可用方法主要基于射線照相，特別是雙能X射線吸收測(cè)量
法(DEXA)。但是，這種技術(shù)僅能夠測(cè)量骨骼的無機(jī)相(羥磷灰石)，而 有機(jī)相(主要是膠原I)在很大程度上是不可見的。眾所周知，骨骼的材 料強(qiáng)度取決于膠原成分和羥磷灰石成分這兩者。因此，DEXA技術(shù)忽視
了評(píng)估骨骼質(zhì)量所需的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。至今為止，僅僅公知的用于獲取 有機(jī)(膠原)數(shù)據(jù)的過程涉及分析物理暴露出的骨骼或通過活組織切片 而切下的樣本。這兩者通常都會(huì)使患者不適或疼痛。
紅外和拉曼光譜法提供了豐富的與寬范圍的組織和液體的生化狀態(tài)
有關(guān)的信息(例如，參見US 6，681，133或WO 01/52739)。在骨骼分析中， 例如，這些技術(shù)可以提供礦物/基質(zhì)比、礦物結(jié)晶度、基質(zhì)交聯(lián)和機(jī)械負(fù) 載所引起的可逆變化和不可逆變化的有關(guān)信息。不幸的是，利用這些方 法進(jìn)行的分析局限于表面研究，即對(duì)暴露骨骼的研究。紅外輻射通常在 被水完全吸收之前穿透到組織中不多于幾個(gè)微米。近紅外范圍(700至 850nm)穿透得更深，但是多重散射會(huì)導(dǎo)致失去詳細(xì)空間信息。共焦顯微 鏡法是一種用于探測(cè)樣本深處的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但對(duì)于活組織被排除，因?yàn)?密集的焦點(diǎn)產(chǎn)生局部加熱和組織損害。此外，這種技術(shù)在諸如生物組織 的漫散射介質(zhì)中基本上效果較弱，在漫散射介質(zhì)中，該技術(shù)僅對(duì)于大約 十倍于光子在該介質(zhì)中平均自由程的深度是實(shí)用的。
彈性散射光子已經(jīng)用于在散射表面之下探測(cè)組分信息。例如， B.B.Das等在Rep. Prog. Phys. 60， 227 ( 1997)中描述了一種使用時(shí)間選通 (time gating)的方法。這種技術(shù)依賴于這樣的事實(shí)，即光穿透漫散射介 質(zhì)花費(fèi)的時(shí)間有限。因此，因此稍后將在較低的深度發(fā)生散射事件，因 此監(jiān)測(cè)散射信號(hào)隨時(shí)間的變化從理論上講應(yīng)當(dāng)提供關(guān)于在逐漸變深的深 度處的散射中心的性質(zhì)的信息。
用于提取對(duì)醫(yī)學(xué)診斷至關(guān)重要的信息的拉曼光譜法的廣泛應(yīng)用促使 研究一種能夠測(cè)量次表面拉曼散射的系統(tǒng)。理論上講，這種系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能 夠?qū)ζは鹿趋篮蛙浌?、軟骨?cartilage sack)內(nèi)的腰間盤組織、具有不 同材料和功能特性的腱和韌帶、由體內(nèi)膜狀覆層再次進(jìn)行保護(hù)的內(nèi)臟壁 或食道組織進(jìn)行成分分析。但是，Das等的彈性散射技術(shù)不能直接延伸到 拉曼光譜法。由于用于產(chǎn)生拉曼光的截面小得多，所以光子的非彈性散 射是弱得多的過程。這導(dǎo)致了弱得多的信號(hào)。此外，拉曼信號(hào)更加易受 發(fā)光或樣本損害的干擾。
一種已經(jīng)用于從拉曼散射獲取深度信息的方法在下文中進(jìn)行了描
述Jun Wu等所著白勺"Three dimensional imaging of objects embedded in turbid media with fluorescence and Raman spectroscopy" ， Appl. Optics 34 (18) ， 3425 (1995)。該論文描述了一種利用熒光衰減和拉曼散射的快 速上升時(shí)間，根據(jù)表面照射和散射光子的最早探測(cè)之間的時(shí)間延遲來推 斷深度信息的技術(shù)。設(shè)置一單光子探測(cè)系統(tǒng)以從被1MHz的脈沖激光束 照射時(shí)開始監(jiān)測(cè)來自樣本表面的反向散射光子。光子到達(dá)時(shí)間針對(duì)多個(gè) 脈沖照射的擴(kuò)展，顯示出具有開始時(shí)間延遲，它是散射對(duì)象的深度特性。 從A. Carden和M.D. Morris, J. Biomed. Optics 5, 259(2000)中可顯見 使用非侵入性拉曼骨骼探測(cè)可以獲得的益處，其中來自骨骼的信號(hào)質(zhì)量 對(duì)于得出關(guān)于是否存在疾病的精準(zhǔn)診斷是至關(guān)重要的。但是，骨膠原的 常規(guī)拉曼信號(hào)被不期望的來自覆層組織的拉曼信號(hào)掩蓋，因此，通常借 助活組織切片檢查來獲得與化學(xué)組成有關(guān)的數(shù)據(jù)。
已認(rèn)識(shí)到需要一種執(zhí)行次表面拉曼光譜法的另選非侵入性或最小侵 入性方法。這種方法應(yīng)該能夠提供克服了 DEXA的限制的更加靈活的體 內(nèi)分析技術(shù)的基礎(chǔ)。具體而言，DEXA在獲取與骨骼成分相關(guān)的部分信 息方面受到限制，但是期望基于拉曼的技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。
發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠提取體內(nèi)組織和活組織(諸 如骨骼組織)的次表面化學(xué)組成信息的基于拉曼光譜法的分析技術(shù)。本 發(fā)明的另一目的是在不需要任何切割、穿刺或用于使目標(biāo)次表面組織暴 露出來的外科手術(shù)介入的情況下實(shí)現(xiàn)這種分析。
因此，本發(fā)明提供了一種對(duì)次表面組織或液體進(jìn)行皮下檢查的方法， 所述方法包括利用探測(cè)光束照射表面組織；從表面上的一個(gè)或更多個(gè) 收集區(qū)或位置收集在所述表面下散射的光，所述收集區(qū)與所述探測(cè)光束 隔開；以及從所收集的光中探測(cè)一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜特征。然后，可 以根據(jù)所述拉曼光譜特征得出生物醫(yī)學(xué)特性或化學(xué)特性。
更一般性地說，本發(fā)明提供了一種透過漫散射上覆組織確定次表面 組織或液體的一個(gè)或更多個(gè)特性的方法，所述方法包括以下步驟在所
述上覆組織的表面上的進(jìn)入?yún)^(qū)提供入射光；從所述表面上的收集區(qū)收集 在所述上覆組織內(nèi)散射的光，所述收集區(qū)與所述進(jìn)入?yún)^(qū)隔幵；以及在所 收集的光中探測(cè)與所述入射光在光譜上相關(guān)的源自所述次表面組織或液 體的一個(gè)或更多個(gè)拉曼特征。
所述上覆組織可以是皮膚或指甲，所述次表面組織或液體可以是骨 骼、軟骨、乳房組織或血液，但是也有許多其它應(yīng)用，某些應(yīng)用可能需 要外科手術(shù)介入以暴露出用于遮蓋和保護(hù)要研究的下層或器官的上覆層 (諸如膜或粘液)。要研究的組織可以是液體形式，諸如血液、淋巴液或 者關(guān)節(jié)內(nèi)的液體、眼睛內(nèi)的液體或膜之間的液體。
在許多情況下，單個(gè)進(jìn)入?yún)^(qū)和收集區(qū)足以得到可用的拉曼光譜數(shù)據(jù)。 在其它情況下，可以使用有不同物理間隔的一個(gè)或更多個(gè)進(jìn)入?yún)^(qū)以及一-個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)，并且例如通過使用根據(jù)多個(gè)間隔的數(shù)據(jù)以優(yōu)先選擇 所述次表面組織的拉曼信號(hào)，將如此獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，從而得 到所述次表面組織的所需特性的更加精確的確定。
在中心進(jìn)入?yún)^(qū)周圍圍繞或分布單個(gè)或多個(gè)收集區(qū)是有利的，因?yàn)檫@
與簡(jiǎn)單移位的收集區(qū)相比提供了增大的收集面積。另選的是，可以使用 在單個(gè)收集區(qū)周圍圍繞或分布的單個(gè)或多個(gè)進(jìn)入?yún)^(qū)。同心環(huán)形或其它形
狀的進(jìn)入?yún)^(qū)和收集區(qū)可能未被充分利用。例如， 一圈緊密封裝的端接光 纖可能填充相關(guān)環(huán)的大約60%。優(yōu)選的是，光學(xué)利用收集環(huán)或進(jìn)入環(huán)的
至少10%。
優(yōu)選的是，相關(guān)的進(jìn)入?yún)^(qū)和收集區(qū)不重疊。
本發(fā)明還提供了通過解釋所確定的次表面組織的特性來對(duì)人或動(dòng)物 的醫(yī)學(xué)狀況進(jìn)行診斷的相關(guān)方法。
本發(fā)明提供了用于確定次表面組織的一個(gè)或更多個(gè)特征的對(duì)應(yīng)裝置。
本發(fā)明還提供了一種測(cè)量漫散射組織的次表面拉曼光譜的方法，所 述方法包括以下步驟
a) 利用光探針照射所述組織；
b) 收集被所述組織散射的光；以及
C)對(duì)所收集的光的至少一部分進(jìn)行光譜分離，以探測(cè)一個(gè)或更多個(gè) 拉曼光譜特征，
其中被所述樣本散射的光是從所述樣本的表面上的多個(gè)空間位置處 收集的，各空間位置距照射點(diǎn)的距離不同，在各空間位置處收集的所述 光的至少一部分被單獨(dú)地進(jìn)行光譜色散以形成多個(gè)拉曼光譜，并且其中 所述方法還包括下述步驟
d)對(duì)所述多個(gè)拉曼光譜進(jìn)行分析以提取與所述組織的次表面區(qū)域 的拉曼光譜有關(guān)的信息。
因此，采用該方法，非破壞性地獲得了光譜信息，該光譜信息可用 于解釋和確定漫散射組織在表面層下方的性質(zhì)和組成。本發(fā)明有效地實(shí) 現(xiàn)了對(duì)從所述樣本得到的拉曼信號(hào)進(jìn)行空間選通，從而將來自與表面層 的組成不同的次表面層的拉曼信號(hào)隔離出來的方案。所述方法在此被稱
為空間偏移拉曼光譜法(SORS)。
將本發(fā)明用于在樣本內(nèi)的不同深度處具有一種或更多種不同化學(xué)組 成的組織時(shí)，從在空間上自探測(cè)激光束的入射點(diǎn)偏移了不同量的區(qū)域收 集拉曼光譜會(huì)得到一系列光譜(兩個(gè)或更多個(gè)光譜)，每個(gè)光譜都包括從 所述組織內(nèi)的不同深度發(fā)出的拉曼信號(hào)。所采集的該系列光譜所包括的 從組織表面層和組織次表面層產(chǎn)生的拉曼信號(hào)的相對(duì)貢獻(xiàn)不同。在收集 該數(shù)據(jù)系列時(shí)，當(dāng)信號(hào)收集點(diǎn)從探測(cè)激光束的入射點(diǎn)移開時(shí)，表面層信 號(hào)的貢獻(xiàn)減小得比由組織本體內(nèi)更深層的不同組成所產(chǎn)生的信號(hào)的貢獻(xiàn) 要快得多。這使得能夠直接地或者為了更高程度的分離而通過對(duì)所收集 的光譜集進(jìn)行數(shù)值處理(例如多元數(shù)據(jù)分析或光譜彼此間的定標(biāo)相減
(scaled subtraction)),來提取較深的次表面組織的貢獻(xiàn)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，收集了兩個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜并利用定標(biāo)
相減對(duì)其進(jìn)行分析，將從照射點(diǎn)處收集的或在距該照射點(diǎn)最近處收集的
拉曼光譜從距該照射點(diǎn)較遠(yuǎn)處收集的拉曼光譜中減去，由此可以識(shí)別該
組織的次層的拉曼光譜特征。
在另一另選例中，如果已知組織的表面的化學(xué)組成的拉曼光譜，則
通過從所收集的光的拉曼光譜中定標(biāo)減去該已知拉曼光譜，對(duì)所收集的
拉曼光譜進(jìn)行分析。
在一另選的優(yōu)選實(shí)施方式中，在距照射點(diǎn)不同的距離處收集至少20 個(gè)拉曼光譜并釆用多元數(shù)據(jù)分析對(duì)所述多個(gè)拉曼光譜進(jìn)行分析。主成分 分析可用作所述多元數(shù)據(jù)分析。
本發(fā)明的優(yōu)選特征是以兩個(gè)或更多個(gè)不同波長(zhǎng)照射組織，其中所收 集的光是拉曼光譜與熒光的組合，從而拉曼光譜可從所收集的光中提取 出來。
所述組織、收集用光學(xué)器件與照射點(diǎn)中的至少一個(gè)可以相對(duì)于其余 的移動(dòng)，從而能夠在距照射點(diǎn)不同的距離處收集拉曼光譜。例如，可以 提供其上安放有對(duì)象肢體或頭部的可移動(dòng)臺(tái)，并且安排探測(cè)光束來追蹤 所述肢體或頭部的移動(dòng)，由此所述對(duì)象組織相對(duì)于用于在距照射點(diǎn)不同 的距離處收集散射光的固定的收集用光學(xué)器件進(jìn)行移動(dòng)。
可從距照射點(diǎn)不同的距離處的點(diǎn)區(qū)域收集散射光，或者可從基本上 與從照射點(diǎn)測(cè)得的距離成橫向的多條基本平行的線收集散射光。
另選的是，使用光纖提供探測(cè)光束，并可使用圍繞所述探測(cè)光束光 纖布置成多個(gè)同心圓的光纖來收集散射光，由此在距所述照射點(diǎn)的不同 半徑處的同心環(huán)中收集所述散射光。
理想的是，光探針大于200 nm且小于2000 nm，并可由例如針對(duì)溫 度可調(diào)的一個(gè)或更多個(gè)準(zhǔn)單色激光器或二極管激光器來產(chǎn)生。為了避免 血紅蛋白的吸收，所述光探針優(yōu)選地大于600nm，并且為了避免黑色素 的吸收，波長(zhǎng)優(yōu)選地大于800nm。
在一另選方面中，本發(fā)明提供了對(duì)在漫散射組織內(nèi)的不同深度處產(chǎn) 生的拉曼光譜進(jìn)行選擇性測(cè)量的裝置，所述裝置包括光源，其利用探 測(cè)光束來照射組織；收集用光學(xué)器件，用于收集被所述組織散射的光， 并將其傳遞到光譜儀；探測(cè)裝置，用于探測(cè)被所述光譜儀色散的光；其 中，所述裝置適于在所述組織的表面上的多個(gè)空間位置處收集散射光， 各空間位置距照射點(diǎn)的距離不同，并且所述光譜儀對(duì)在各空間位置處收 集的光的至少一部分單獨(dú)地進(jìn)行光譜色散以形成多個(gè)拉曼光譜，并且其 中所述裝置還包括分析器，所述分析器用于從所述多個(gè)拉曼光譜中識(shí)別
所述組織的次層的拉曼光譜所特有的特征。
所述光源可由例如針對(duì)溫度可調(diào)的一個(gè)或更多個(gè)準(zhǔn)單色激光器或二 極管激光器構(gòu)成。
在另一另選方面中，本發(fā)明提供了一種診斷方法，所述診斷方法包 括使用如上所述的方法，從組織收集一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜，所述組 織由上覆組織的表面區(qū)域和與所述上覆組織不同的深層組織的次層區(qū)域 構(gòu)成。
優(yōu)選的是，在所述一個(gè)或更多個(gè)所收集的拉曼光譜中識(shí)別所述組織 的次層區(qū)域的拉曼光譜所特有的一個(gè)或更多個(gè)特征，并且將其與從健康 控制樣本獲得的特征進(jìn)行比較。
上面闡述的方法和裝置可以具體用于確定人體或動(dòng)物體中的體內(nèi)組 織的特性，并用于確定組織的生物醫(yī)學(xué)特性。
本發(fā)明還提供了包括內(nèi)窺鏡的如上所述的裝置，從而能夠使用所描 述的拉曼技術(shù)來研究皮下和內(nèi)部組織或液體。
現(xiàn)在將參照附圖僅通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1示出了本發(fā)明的原理，其中光源10的照射導(dǎo)致了體內(nèi)骨骼組織
處的拉曼散射16;
圖2a至2c示出了本發(fā)明可以使用的一些不同的組織構(gòu)造；
圖3a至3c示出了不同的進(jìn)入?yún)^(qū)和收集區(qū)的布置；
圖4示出了使用光學(xué)裝置50、 54來改變環(huán)形收集區(qū)的直徑的布置；
圖5示出了使用反射鏡60來增強(qiáng)拉曼光子的收集的應(yīng)用；
圖6a示出了用于與光譜探測(cè)器22連接的、進(jìn)行次表面體內(nèi)組織分
析的光學(xué)頭；
圖6b示出了包含本發(fā)明的內(nèi)窺鏡；
圖7a和7b示出了圖6的光學(xué)頭與連接器的平面詳細(xì)圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的分析裝置，設(shè)置所述分析裝置來
提取在代表體內(nèi)組織的樣本的表面層下產(chǎn)生的拉曼光譜；
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的用于收集空間偏移的拉曼光譜的點(diǎn)收集幾 何形狀；
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的用于收集空間偏移的拉曼光譜的同心圓 收集幾何形狀；
圖11示出了使用本發(fā)明的分析裝置以不同偏移產(chǎn)生的兩層樣本的一
系列拉曼光譜；
圖12示出了圖11的樣本的拉曼光譜的絕對(duì)強(qiáng)度與偏移距離的相關(guān)
性；
圖13示出了圖12的拉曼光譜相對(duì)于偏移距離的比率；
圖14示出了縮放成與反式芪譜帶的高度相同的同一兩層樣本的一 系列拉曼光譜；
圖15示出了圖14的各光譜中的PMMA的貢獻(xiàn)；
圖16針對(duì)同一樣本示出了反式芪拉曼信號(hào)與源自PMMA層的熒光 的相對(duì)比率，其是空間收集偏移量的函數(shù)；
圖17示出了使用根據(jù)本發(fā)明的分析裝置獲得的對(duì)同一樣本的一系 列拉曼光譜的PCA分析結(jié)果；以及
圖18示出了使用根據(jù)本發(fā)明的分析方法獲得的拉曼光譜針對(duì)同一 樣本進(jìn)行簡(jiǎn)單減法處理的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，在示意性截面圖中示出了工作中的本發(fā)明的實(shí)施方 式。使用包括激光器9或由激光器9提供的光源10來照射體內(nèi)組織14 的表面12的局部進(jìn)入?yún)^(qū)，體內(nèi)組織14在本實(shí)施例中由皮層15和下面的 骨骼組織20組成。來自所述光源的入射輻射通過樣本(尤其是上皮層) 發(fā)生漫散射。 一些輻射可被組織吸收， 一些輻射可能會(huì)引起例如熒光發(fā) 光，并且一些輻射通過組織表面12后未發(fā)生變化地再度顯現(xiàn)。
入射輻射中較小比例的光子被非彈性散射，由此產(chǎn)生拉曼光子，例 如如拉曼事件16所示。拉曼光子繼而通過組織被漫散射。 一些拉曼光子 可被吸收，例如由此產(chǎn)生熒光，而一些拉曼光子穿過表面12后未發(fā)生變 化地顯現(xiàn)，從而在收集器18處被收集。
拉曼光子經(jīng)歷第二次拉曼事件的可能性非常小。
例如使用探測(cè)器22中的濾波器或光譜儀以及適宜的傳感器對(duì)收集
的光進(jìn)行分析，并且在分析器23中進(jìn)一步使用所確定的拉曼光譜或光譜 特征。所述探測(cè)器可以使用傅立葉變換而不是常規(guī)的色散分光技術(shù)。
通常，大部分拉曼光子將在光源10的附近產(chǎn)生，在此處入射輻射最 強(qiáng)。例如通過使用與光源10相配的光學(xué)器件在光源10處收集光，可以 對(duì)這些拉曼光子進(jìn)行最好的探測(cè)。然而，隨著距光源的距離的增加，源 自光源附近的拉曼光子的強(qiáng)度要比源自距光源更遠(yuǎn)處的、特別是來自組 織內(nèi)較深處的拉曼光子的強(qiáng)度下降得更快。因此，通過將收集光的位置 與組織被照射的位置隔開，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)來自組織內(nèi)較深處的拉曼光子的 優(yōu)選取樣。
在圖1中，拉曼事件16發(fā)生在次表面骨骼層20中或在其頂部?？?以調(diào)整光源10與收集器18之間(或等同的進(jìn)入?yún)^(qū)11與收集區(qū)19之間) 的間隔d來選擇特定深度。然而，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，以一定范圍的 間隔d收集光，分析器23用于根據(jù)所收集的光針對(duì)不同"值的拉曼特征 來推斷組織的深度相關(guān)特性。
可以通過對(duì)多個(gè)間隔的拉曼信號(hào)進(jìn)行數(shù)值處理來優(yōu)先選擇特定層的 拉曼信號(hào)。同樣，可以通過類似的數(shù)值處理優(yōu)選去除一層或更多層的拉 曼信號(hào)。這種數(shù)值處理可以是根據(jù)不同間隔的信號(hào)的簡(jiǎn)單加權(quán)比較或相 減，或者可以使用更復(fù)雜的PCA技術(shù)。
在圖1中，體內(nèi)組織14在表皮組織15和骨骼組織20之間顯示出明 顯的邊界。圖2a至2c中示出了一些其它組織構(gòu)造。在圖2a中，從表面 層30至深層32存在漸變，深層32可以是漫散射型的或者可以是部分不 透明或完全不透明的，在這些層之間的界面處產(chǎn)生代表層32的拉曼光子。 在圖2b中，表面層30與深層32被另外一透明或半透明層34隔開，該 透明或半透明層34例如可以為充有體液的空間。圖2c中示出了更為復(fù) 雜的組織結(jié)構(gòu)，其中，漸變或突變的次層36和38嵌入在表面層30之下 或之內(nèi)。
這里使用的拉曼技術(shù)和裝置可以作為定位癌感染組織的獨(dú)立技術(shù)或 者在乳癌的情況下與諸如乳房X線照相術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合，從而應(yīng)用 于例如對(duì)癌組織的非侵入性檢查。在針對(duì)乳癌的結(jié)合方法中，乳房X線 照相術(shù)將用于識(shí)別乳房?jī)?nèi)的可疑區(qū)域，然后拉曼技術(shù)將用于探測(cè)該可疑 區(qū)域并識(shí)別它們的性質(zhì)。這可以緩解對(duì)活組織切片檢查的需要，并提供 了即時(shí)的結(jié)果，因此大大降低了患者的損傷。所描述的拉曼技術(shù)特別適 于乳房的深層探測(cè)，因?yàn)榕c許多其它類型的組織相比，乳房組織表現(xiàn)出 較長(zhǎng)的光子散射路徑長(zhǎng)度以及較低的吸收系數(shù)。
在適當(dāng)情況下，可以將拉曼裝置組合到內(nèi)窺鏡裝置中。這樣，可以 探測(cè)體腔，或者使用部分侵入性技術(shù)來探測(cè)優(yōu)選不應(yīng)受到破壞的身體區(qū) 域，但是希望有能穿過周圍組織或膜而進(jìn)入這些區(qū)域的拉曼探測(cè)。這些
區(qū)域例如為大腦(例如，用于識(shí)別阿茨海默癥(Alzheimer's disease)和 早老癥(Hutchinson，s disease)以及CJD)、肝臟、心臟、腎、前列腺、靜脈、 神經(jīng)系統(tǒng)、脊髓和膝蓋骨。其它目標(biāo)生理狀況包括對(duì)腎和膀胱中的結(jié)石 的性質(zhì)的探測(cè)。
所描述的拉曼方法和裝置也可以用于對(duì)血液特性的尤其是透過皮膚 的非侵入性探測(cè)。在這種應(yīng)用中，本發(fā)明用于去除源自皮膚的壓倒性的 拉曼和熒光信號(hào)，從而揭示來自血管中所包含的血液的下層信號(hào)。這樣， 可以檢測(cè)并測(cè)量葡萄糖水平、氧合作用、微生物、膽固醇的類型和量以 及諸如尿素、總蛋白質(zhì)和白蛋白的其它血液成分?？梢匝芯恐T如淋巴液 和眼淚的其它液體。
為了提高組織與光源和/或收集器之間的耦合，可以使用折射率匹配 液體。也可將諸如丙三醇的折射率匹配液體沉積到組織中，以局部地并 暫時(shí)地減少光子散射。這增加了所描述的技術(shù)的工作深度?？梢詫⒄凵?率匹配液體稱為"對(duì)比劑"或"圖像增強(qiáng)劑"。
可以使用各種幾何形狀以單個(gè)、多個(gè)或可變的間隔實(shí)現(xiàn)光的入射輻 射和收集。在圖3a中，樣本表面上存在單個(gè)照射或進(jìn)入?yún)^(qū)40。與該照射 區(qū)隔開的是單個(gè)收集點(diǎn)或區(qū)域42，或者是多個(gè)區(qū)域，如虛線所示。另選 的是，可以移動(dòng)單個(gè)收集區(qū)或等效的照射區(qū)以提供可變間隔。在圖3b中，單個(gè)照射區(qū)40被一環(huán)形收集區(qū)44或者被多個(gè)環(huán)形收集
區(qū)或一可變半徑的環(huán)形收集區(qū)所圍繞，如虛線所示?？梢允褂脭喹h(huán)或與 照射點(diǎn)距離相似的多個(gè)分離的區(qū)域來代替環(huán)形收集區(qū)。
在圖3c中，使用環(huán)形照射區(qū)46和中央收集點(diǎn)48,由此減小了產(chǎn)生 給定數(shù)目的拉曼光子所需的入射輻射的局部強(qiáng)度。所述環(huán)的半徑可以改 變，或者將所述環(huán)設(shè)置為具有一定范圍的半徑的多個(gè)環(huán)。也可使用由多 個(gè)分離的照射區(qū)構(gòu)成的斷環(huán)，所述多個(gè)分離的照射區(qū)分布在距收集中心 點(diǎn)的距離相似的位置處。
通常，在進(jìn)入或收集區(qū)的比例盡可能大的條件下收集光或提供入射 輻射是有利的。然而，在實(shí)際的實(shí)施方式中，覆蓋率會(huì)受到限制。例如， 在環(huán)內(nèi)排列圓柱光纖時(shí)，10%的覆蓋率可能就已足夠，但優(yōu)選的是25%， 并且60%或更高也是可能的。
在簡(jiǎn)化的實(shí)施方式中，通過靠近樣本表面的單根光纖可以提供單個(gè) 進(jìn)入?yún)^(qū)，利用收集用光纖的線性陣列可以提供多個(gè)收集區(qū)。光纖可類似 地用于提供環(huán)形和其它構(gòu)造的單個(gè)和多個(gè)固定間隔，并且可使用多種機(jī) 械裝置來提供可變間隔。
為了提供可變半徑的進(jìn)入?yún)^(qū)或收集區(qū)，還可以使用諸如圖4中所例 示的光學(xué)裝置?？梢哉{(diào)整位于組織與收集器之間的光學(xué)器件50和/或樣本 到探測(cè)器的距離，以將來自組織表面的不同部分的光引導(dǎo)至與光源10同 心的收集器18上。能夠利用光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)器54沿軸向52平移的透鏡裝 置(和/或照射源以及拉曼收集器/探測(cè)器)將來自半徑變化的環(huán)形區(qū)域的 光引導(dǎo)到收集器上，但也可以設(shè)想其它構(gòu)造。
在圖5中示出了另一方面，該方面可以用于上述任何一種配置。向 樣本表面提供一個(gè)或更多個(gè)反射鏡元件60。當(dāng)入射輻射或拉曼輻射自組 織出現(xiàn)而遠(yuǎn)離收集器18時(shí)，這些反射鏡元件使出現(xiàn)的輻射改變方向返回 組織。這增大了入射輻射的強(qiáng)度，因此增加了組織內(nèi)拉曼光子的產(chǎn)生， 并且還增大了在收集器18處接收到的拉曼光子的比例。這些反射鏡元件 優(yōu)選地不出現(xiàn)在靠近光源10或進(jìn)入?yún)^(qū)的表面，而是靠近收集區(qū)。
在另選實(shí)施方式中，通過利用直接放置在組織表面上或者在還使用
其它成像光學(xué)器件的情況下放置在成像平面上的蔽光框(mask),可以使 用非成像光學(xué)器件(諸如在Applied Optics第35巻第758頁中描述的非 成像光學(xué)器件)來實(shí)現(xiàn)更高的收集效率。該蔽光框擋住了組織的適當(dāng)區(qū) 域從而僅收集來自期望空間偏移的信號(hào)。蔽光優(yōu)選地與諸如電荷耦合器 件的探測(cè)器同步，從而使來自該探測(cè)器的順序讀數(shù)與提供根據(jù)照射區(qū)和 收集區(qū)之間的相應(yīng)的順序間隔所收集的光的蔽光框相關(guān)。所述蔽光可以 是機(jī)械的，并且還可以在成像光學(xué)器件與非成像型探測(cè)器之間進(jìn)行。
圖6a示出了本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施方式，該實(shí)施方式包括通過光纖束72 而連接到探測(cè)器22的光學(xué)頭70。光學(xué)探測(cè)的結(jié)果被送入膝上型計(jì)算機(jī)或 其它計(jì)算機(jī)23，該膝上型計(jì)算機(jī)或其它計(jì)算機(jī)23對(duì)拉曼特征進(jìn)行分析以 推斷組織14的特性。在(未按比例繪制的)圖7a的平面示意圖中示出 了光學(xué)頭70的細(xì)節(jié)。 一束光源光纖74端接在所述頭的中央?yún)^(qū)域中。這 些光源光纖嵌入在諸如環(huán)氧樹脂的填充物76中，并被環(huán)形間隔元件78 圍繞。收集用光纖80端接在圍繞所述間隔元件的環(huán)形區(qū)域中，也嵌入在 一填充物中，并被外套管圍繞。該配置適于包括上述各種反射鏡和光學(xué) 裝置。
在該特定實(shí)施方式中，各光纖具有直徑為200 pm的芯以及使光纖厚 度達(dá)到230 pm的包層。內(nèi)束由七根光源光纖74構(gòu)成，外束由26根收集 用光纖80構(gòu)成。使間隔物78具有能夠?qū)⑹占霉饫w80與所述頭的中心 隔開約3 mm的大小，并且使收集用光纖的末端近似均勻地分布在關(guān)于所 述中心半徑恒定的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。該收集用光纖應(yīng)當(dāng)適于執(zhí)行光學(xué)或近紅 外拉曼操作，并且可由二氧化硅制成。
照射用光纖和收集用光纖距光學(xué)頭約100cm遠(yuǎn)地端接在圖7b示意性 例示的連接器中。所述連接器提供六根照射用光纖和二十六根收集用光 纖以連接到圖6的探測(cè)器22中，該探測(cè)器22包括在827nm處工作的光 源照射準(zhǔn)單色激光器和Kaiser Holospec光學(xué)分析器。
在圖6b中將本發(fā)明實(shí)現(xiàn)為內(nèi)窺鏡。插入管90用于通過自然的或經(jīng) 外科手術(shù)形成的孔92而進(jìn)入人體或動(dòng)物體。照射用纖維和收集用纖維端 接在探測(cè)頭(未顯示)中，并通過插入管而穿回到控制手柄94?？梢栽?br>
控制手柄中或在相連的探測(cè)器單元22中執(zhí)行光學(xué)探測(cè)。
圖8中示出了用于識(shí)別來自體內(nèi)次表面組織的深度特定拉曼光譜的 另一空間選通分析裝置的示意圖。下面描述的特征和改變可以適當(dāng)?shù)貞?yīng) 用于已經(jīng)討論過的更一般性的實(shí)施方式。該裝置通常包括激光器IOI、拉
曼探測(cè)裝置102、 103以及分析器104。使用功率為12mW的諸如二極管 激光器的準(zhǔn)單色激光器(在組織分析的情況下，優(yōu)選地在827nm處工作) 產(chǎn)生所述裝置的探測(cè)光束105,利用常規(guī)光學(xué)器件將該探測(cè)光束105導(dǎo)向 樣本。該樣本具有表面層106和化學(xué)組成與所述表面層不同的較深層107。
圖8中示出的實(shí)際配置是實(shí)驗(yàn)性的。樣本的各層構(gòu)成了實(shí)際體內(nèi)組 織的模型，并且為了方便起見而安放在工作臺(tái)上。但是，替換成具有很 小改動(dòng)的真實(shí)體內(nèi)組織是簡(jiǎn)單明了的。在當(dāng)前的展示中，使用在514nm 處工作的氬離子激光器。
對(duì)于該裝置，使用佩林布洛卡棱鏡(Pdlin-Brocaprism，未示出)來 阻擋激光等離子體線。所述裝置包括焦距為1 m的透鏡108，該透鏡108 用于在樣本上以法向入射角將激光束弱聚焦成直徑為300 pm的點(diǎn)。通過 使用光圈值(f-rmmber)約為1的直徑為2"的收集透鏡109按反向散射幾 何形狀收集由于照射樣本而產(chǎn)生的拉曼光，并利用透鏡109按2.5的放大 倍率將其成像在光譜儀102 (其是拉曼探測(cè)裝置的一部分)的狹縫上。優(yōu) 選地使用傳統(tǒng)成像光譜儀102 (例如光圈值為6.3的Spex Triplemate ) 使拉曼光色散并將該拉曼光成像在CCD照相機(jī)103上。照相機(jī)103優(yōu)選 地是用液氮冷卻的背照式深耗盡層CCD照相機(jī)(例如Andor， DU420-BU2 (250 nm) 1024X255有效像素)。這種照相機(jī)在拉曼光譜區(qū)域 中的CCD量子效率為大約65X并且其像素尺寸為26 pmX26 pm。將光 譜儀102的末級(jí)狹縫寬度設(shè)定為120 pm?？?0像素縱向合并(bin) CCD
以保持在收集側(cè)的空間選擇性。
將樣本106、 107安放在x-y-z微定位臺(tái)110上，所述微定位臺(tái)110 包括受控驅(qū)動(dòng)器(未示出)，該受控驅(qū)動(dòng)器可將所述臺(tái)與末級(jí)光學(xué)器件一 起(在圖8中垂直地)移動(dòng)以使激光束相對(duì)于樣本的入射點(diǎn)固定在該樣 本上。在該構(gòu)造中，拉曼探測(cè)裝置102、 103總是從空間中的固定成像區(qū)
中收集反向散射拉曼移位光子，并且在泵浦光束(pump beam)入射點(diǎn)保 持固定在其在樣本表面上的位置處的同時(shí)在整個(gè)該成像區(qū)中對(duì)樣本進(jìn)行 掃描。也可使用濾波器(未示出)來阻擋任何殘余彈性散射探測(cè)激光到 達(dá)光譜儀102。使用從探測(cè)光束入射點(diǎn)橫向偏移的點(diǎn)收集，來部署上述 SORS裝置(圖9)。另選的是，可以使用可移動(dòng)臺(tái)或其它移動(dòng)控制裝置 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)或更多個(gè)的樣本、照射點(diǎn)和拉曼探測(cè)裝置之間的相對(duì)移動(dòng)。
針對(duì)光學(xué)行為與分層漫射體內(nèi)組織相似的測(cè)試樣本對(duì)利用與上述裝 置相似的裝置的拉曼光譜進(jìn)行收集，在該測(cè)試樣本中，第一層106由寬1 cm、高約4cm的光徑為lmm的比色管(cuvette)構(gòu)成，該比色管具有 定制的熔融石英前窗口和后窗口 ，填充有直徑約為20 pm的PMMA(聚(甲 基丙烯酸甲酯))球體。在填充期間，通過在比色皿(cell)上進(jìn)行機(jī)械拍 打，將所述球體松散地塞在該比色皿中以消除任何較大的空隙。該第一 層之后是第二層107，該第二層107由光徑為2mm的另一比色皿構(gòu)成， 該另一比色皿中填充有利用缽和杵研磨的反式芪細(xì)粉。使用這些比色管 是為了提供簡(jiǎn)單的樣本處理方法，它們并不是所述裝置的必要特征。
在探測(cè)激光束入射到使第一層106位于最上層的樣本上的情況下， 利用一基本點(diǎn)收集幾何形狀來收集使用在此處描述的SORS方法的空間 偏移拉曼光譜，其中從自探測(cè)光束的入射點(diǎn)橫向移位的點(diǎn)進(jìn)行收集(圖 9)。如圖9所示的收集幾何形狀的點(diǎn)代表本發(fā)明的方法的最簡(jiǎn)實(shí)施方式。 另一方面，圖10中所示的不需要使用x-y定位臺(tái)的同心圓幾何形狀有利 地獲得高得多的收集效率，但是需要使用光纖以使各圓成像在光譜儀狹 縫上的不同高度處，使得在色散后它們?cè)贑CD 103上的像能夠被成像在 分離的水平條紋上，使光譜在CCD上的垂直位置對(duì)應(yīng)于樣本表面上的相 對(duì)于探測(cè)光束入射點(diǎn)的給定偏移收集距離。在Jiaying Ma和Dor Ben-Amotz的題為"Rapid Micro-Raman Imaging using Fiber-Bundle Image Compression" (Applied Spectroscopy第51巻，第12號(hào)，1997年)的文 章中描述了使用光纖束來收集拉曼光譜，通過引用將其內(nèi)容合并于此。
當(dāng)然，顯而易見的是，可以釆用其它的另選收集幾何形狀，同時(shí)仍 然可實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的空間偏移拉曼光譜收集。
另外，在不進(jìn)行樣本照射時(shí)，可收集表示背景和裝置噪聲的"樣本
上(above the sample)"拉曼光譜。然后可以從拉曼光譜集合中減去該"樣 本上"拉曼光譜，以從光譜中去除噪聲。
當(dāng)采用諧振拉曼技術(shù)來獲取拉曼光譜，由此入射探測(cè)光束的波長(zhǎng)被 調(diào)諧為與待研究材料的發(fā)色團(tuán)(chromphore)相匹配時(shí)，拉曼信號(hào)會(huì)被由 于電子激勵(lì)而產(chǎn)生的熒光(冷光)淹沒。例如，在對(duì)骨骼的室溫研究或 體內(nèi)研究中將激發(fā)出熒光，但在較冷的樣本中更可能激發(fā)出磷光。類似 地，金屬系的拉曼探測(cè)常常會(huì)激發(fā)出室溫磷光。
在這種情況下，利用SORS法可以在兩個(gè)或更多個(gè)激光波長(zhǎng)處使拉 曼光譜恢復(fù)(recover)。這依賴于下述事實(shí)熒光背景的光譜輪廓通常不 依賴于激勵(lì)波長(zhǎng)，而拉曼光譜依賴于激勵(lì)波長(zhǎng)。因此，在兩個(gè)或更多個(gè) 不同的照射波長(zhǎng)下在距照射點(diǎn)相同的空間距離處收集的光譜可以彼此相 減，以給出拉曼譜帶處于其中的導(dǎo)數(shù)型圖，并且可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)處理 以給出看起來更真實(shí)的拉曼光譜。在S. E. J. Bell, E. S. O. Bourguignon和 A. C. Dennis的題為"Subtracted shifted Raman spectroscopy (SSRS) method" (Analyst, 1998， 123， 1729-1734)的文章中描述了用于識(shí)別拉曼 譜帶的該技術(shù)。該技術(shù)還被稱作如P. Matousek, M. Towrie和A. W. Parker IJ.在同名論文(Raman Spec., 33, 128-242(2002))中所描述的移位激勵(lì)拉 曼差技術(shù)(Shifted Excitation Raman Difference technique (SERD))，通過 引用將其內(nèi)容合并于此。
可借助分立的激光器或借助單個(gè)激光器(諸如二極管激光器)來產(chǎn) 生兩個(gè)或更多個(gè)波長(zhǎng)的入射輻射，其輸出例如通過溫度調(diào)節(jié)而改變。所 需波長(zhǎng)差通常約為拉曼譜帶的一半寬度，通常約為5 cm"至10 cm"。
圖11中示出了在相對(duì)于拉曼收集點(diǎn)和激光在樣本表面上的入射點(diǎn)的 空間偏移度變化的情況下測(cè)定的針對(duì)上述測(cè)試樣本的一組拉曼光譜。為 了進(jìn)行比較，還顯示了在各單獨(dú)的測(cè)量中測(cè)得的純層(pure layer)的拉 曼光譜。圖11中的頂部光譜是純反式芪的光譜，而底部光譜是純PMMA 的光譜。在零偏移(0 mm)時(shí)測(cè)得的光譜表示使用常規(guī)拉曼儀器通常將 獲得的拉曼光譜。顯然，該光譜包含來自樣本頂層和底層的可感知貢獻(xiàn)，
并且在空間偏移光譜中頂層的貢獻(xiàn)隨偏移距離而逐漸減小。對(duì)于實(shí)際應(yīng) 用，在需要恢復(fù)底層的純譜處，頂層信號(hào)可能表示對(duì)于下層的拉曼信號(hào) 來說不可接受的失真。當(dāng)拉曼收集點(diǎn)與探測(cè)光束入射點(diǎn)之間的橫向偏移 增大時(shí)這兩個(gè)信號(hào)之間的逐漸分離可使用SORS方法清楚地實(shí)現(xiàn)，并且
可從所例示的數(shù)據(jù)集中清楚地觀察到。在〉2mm的距離處(圖11中從上 數(shù)的第三個(gè)光譜)，可以實(shí)現(xiàn)下層拉曼信號(hào)對(duì)頂層拉曼信號(hào)的比率的一個(gè) 數(shù)量級(jí)的改善。
圖12示出了個(gè)體光譜的絕對(duì)拉曼強(qiáng)度對(duì)空間偏移的依賴性。該數(shù)據(jù) 是通過將兩個(gè)強(qiáng)反式芪譜帶(1575 cm"、 1595 cm'1、 1632 cm'1和1641 cm層1 處)和PMMA的譜帶(約809 cm"、 1455 cm"和1728 cm"處)進(jìn)行數(shù) 值擬合而獲得的。該曲線圖清楚地展示了，當(dāng)拉曼收集點(diǎn)從探測(cè)照射區(qū) 側(cè)向移動(dòng)(即，橫向偏移增大)時(shí)，來自底層的拉曼信號(hào)要比來自頂層 的拉曼信號(hào)減小得慢得多。這導(dǎo)致了底層對(duì)頂層的總體相對(duì)拉曼強(qiáng)度比 隨著空間偏移的增大而提高，如圖13所示。
為了將使用本發(fā)明的方法和裝置針對(duì)上述測(cè)試樣本而實(shí)現(xiàn)的對(duì)比度 提高進(jìn)行量化，獲取在偏移為3.5mm處的具有較長(zhǎng)獲取時(shí)間(IOOO秒) 的拉曼光譜。圖14示出了該光譜以及按比例縮放成與反式芪譜帶的高度 相同的按零偏移獲取的拉曼光譜。通過從這些光譜中減去純反式甚光譜， 獲得了PMMA在個(gè)體光譜中的貢獻(xiàn)(參見圖15)。通過將它們擬合，我 們得出，通過將頂層光譜成分去除，下層的對(duì)比度提高了 15倍。另一個(gè) 顯著的觀察結(jié)果是，使用該空間選通方法而獲得的信噪比相比于其它替 代方法更好。
在零偏移的條件下測(cè)得的由1 mmPMMA層造成的拉曼反式萬信號(hào) 的總衰減約為80。然而，通過進(jìn)一步改進(jìn)收集效率例如通過采用圖IO 所示的圓形收集幾何形狀，或通過使用較小的光圈數(shù)和較高吞吐量的光 譜儀，同樣在常規(guī)拉曼光譜法中不可避免地存在的通過漫射過程而導(dǎo)致 的該信號(hào)損失可以得到有效彌補(bǔ)。
圖16展示了本發(fā)明的空間選通分析裝置和方法的另一有用特征。該 分析裝置能夠抑制下層拉曼光譜中的熒光，如果該熒光源自頂層的話。
圖16所示的曲線給出了反式芪拉曼信號(hào)與源自PMMA層的熒光的相對(duì)
比率，以及熒光的絕對(duì)強(qiáng)度(其為空間收集偏移的函數(shù))。通過引入2.5 mm 的位移，反式芪拉曼強(qiáng)度相對(duì)于熒光強(qiáng)度被提高了約2倍。
在需要對(duì)從表面層和次表面層獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比在原始光譜內(nèi)可直 接實(shí)現(xiàn)的分離更大的分離的情況下，通過使收集點(diǎn)和探測(cè)發(fā)起點(diǎn)偏移， 可以使用圖8的分析器104進(jìn)行多元數(shù)據(jù)分析過程。利用SORS收集的 數(shù)據(jù)特別適合多元數(shù)據(jù)分析，這是因?yàn)槿绻霊?yīng)用該方法，就仍然需要 在各種偏移量處測(cè)得的拉曼光譜的集合。為了實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)值分解，該 集合內(nèi)的光譜的數(shù)目理想地至少應(yīng)當(dāng)比樣本中存在的層的數(shù)目高一個(gè)數(shù) 量級(jí)。為證明該點(diǎn)，采用主成分分析(PCA)形式的多元分析。
將使用此處描述的SORS方法和裝置生成的在圖8中表示的PMMA 與反式芪雙層系上獲取的大約二十個(gè)拉曼光譜輸入Matlab Rll (The MathworksInc.，Natick，MA)中，并利用內(nèi)建腳本和本地編寫的腳本進(jìn)行 處理。對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行奇異值分解后生成的十個(gè)最大本征矢量包含在 PCA循環(huán)中。該數(shù)據(jù)集中不包括PMMA與反式芪的純譜，并且不進(jìn)行基 線校正。
當(dāng)需要對(duì)表面層和次表面層的光譜特征進(jìn)行完全分離時(shí)，多元數(shù)據(jù) 簡(jiǎn)化技術(shù)是有優(yōu)勢(shì)的。這些數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化技術(shù)還提供將各層的光譜特征分離 的手段，所述層可能具有中度至高度的光譜重疊或者在其中由于純成分 的光譜不可得或不可知而導(dǎo)致個(gè)體成分對(duì)譜帶包絡(luò)的貢獻(xiàn)不可知。
圖17中示出了由多元分析得出的恢復(fù)因子。該過程將這樣收集的拉 曼光譜清楚地分解為兩個(gè)單層(即PMMA (頂層)和反式芪(底層))的 純譜。通過以ca. 1595 cm"譜帶(像素730)為目標(biāo)來恢復(fù)純反式芪的因 子，并且通過以ca. 809 cm"譜帶(像素80)為目標(biāo)來恢復(fù)純PMMA的 因子。冷光背景因子可根據(jù)原始輸入光譜之一構(gòu)建。使用通常用于基線 校正的迭代多項(xiàng)式擬合運(yùn)算法(LieberCA和Mahadevan-Jansen A 2003) 來生成該因子。在該情況下，利用三階多項(xiàng)式的100個(gè)擬合循環(huán)被用于 生成所述基線。該基線用作代表冷光背景的因子。然后將這三個(gè)因子用 于重構(gòu)誤差小于3%的數(shù)據(jù)集。
盡管在上述實(shí)施例中收集了 二十個(gè)分離的拉曼光譜，但在可以進(jìn)行 個(gè)體拉曼光譜的定標(biāo)相減的情況下，需要少至2或3個(gè)光譜。即使釆用 多元數(shù)據(jù)分析，盡管優(yōu)選的是對(duì)至少一個(gè)因子(其數(shù)目大于要識(shí)別的成 分的數(shù)目)進(jìn)行分析，但是使用較小的數(shù)據(jù)集(例如約10個(gè)光譜)也常 ?？梢猿晒Φ剡M(jìn)行這種分析。
以下是本發(fā)明人用于解釋在此描述的分析方法和裝置的功效的當(dāng)前
理論。該理論得到由本發(fā)明人進(jìn)行的蒙特卡羅(Monte Carlo)散射建模 研究的支持，該研究得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)非常好地符合。隨著收集點(diǎn)的空 間偏移，光子遷移效應(yīng)的隨機(jī)性質(zhì)導(dǎo)致來自不同層的拉曼信號(hào)的相對(duì)含 量發(fā)生變化。遷移光子實(shí)質(zhì)上在介質(zhì)內(nèi)經(jīng)歷了"隨機(jī)行走(mndomwalk)"， 且光子的方向在沿著傳播距離的每個(gè)傳輸長(zhǎng)度中都被隨機(jī)化。當(dāng)從樣本 表面上的探測(cè)光束入射的點(diǎn)處收集拉曼信號(hào)時(shí)，由于探測(cè)光子的密度在 樣本的曝光點(diǎn)處最高，因此光譜包含的來自頂層的信號(hào)貢獻(xiàn)相對(duì)較大。 隨著樣本深度的增加，當(dāng)光子強(qiáng)度經(jīng)光子漫射過程而逐漸減弱時(shí)，探測(cè) 強(qiáng)度快速減小。此外，在樣本較深層處產(chǎn)生的拉曼光在傳播回表面時(shí)會(huì) 發(fā)生散射并經(jīng)歷相同的漫射。因此，這導(dǎo)致了在較深樣本層產(chǎn)生的拉曼 光譜的強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。該效應(yīng)導(dǎo)致與以相同幾何形狀針對(duì)被探測(cè)的 光學(xué)透明介質(zhì)而收集的信號(hào)相比，當(dāng)從樣本表面上的探測(cè)光束入射點(diǎn)處 收集信號(hào)時(shí)，收集到的在樣本表面產(chǎn)生的拉曼光子的比例基本大于在較 深樣本層產(chǎn)生的拉曼光子的比例。
然而，當(dāng)從自探測(cè)光束入射點(diǎn)橫向偏移的點(diǎn)處收集拉曼光時(shí)，樣本 內(nèi)探測(cè)光的強(qiáng)度沿樣本深度變得更為均等地分布。這是因?yàn)槿肷涔馐紫?必須從探測(cè)入射點(diǎn)通過樣本側(cè)向傳播到收集區(qū)，并且在途中通過光子漫 射而隨機(jī)化。因此，在從探測(cè)入射點(diǎn)偏移的位置處收集的散射拉曼信號(hào) 所包含的較深層信號(hào)的比例大于從探測(cè)光束入射點(diǎn)收集的光譜中的該比
所描述的空間選通分析裝置和方法因此提供了用于從漫散射介質(zhì)內(nèi) 的個(gè)體層中提取純拉曼信號(hào)的極為有力但簡(jiǎn)單的手段。被探測(cè)樣本的深 度可以大大超過傳輸長(zhǎng)度，而傳輸長(zhǎng)度對(duì)傳統(tǒng)的共焦拉曼顯微鏡法卻設(shè)
置了深度限制。在上述實(shí)施例中，介質(zhì)的傳輸長(zhǎng)度估計(jì)為200 pm。重要
的是，所述裝置和方法可以"盲目"地使用，即不需具有關(guān)于各層的化 學(xué)成分的任何先驗(yàn)知識(shí)。該技術(shù)因而對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中對(duì)漫散射材 料的敏感次表面非破壞性探測(cè)具有理想的先決條件。
在已知樣本僅由組成不同的兩個(gè)層(諸如體內(nèi)皮層和骨骼層)構(gòu)成
的情形下(如果這是未知的，則可從純PCA直接獲得該信息)，所述方
法和裝置可用于提取個(gè)體層的純信號(hào)而無需涉及多元數(shù)據(jù)分析技術(shù)。這 在兩層的兩個(gè)光譜均包括不重疊的可識(shí)別譜帶的情況下是可能的。在該 情況下，可使用簡(jiǎn)單的定標(biāo)相減將各個(gè)體層的光譜彼此分離。在該處理 中，通過利用兩個(gè)不同的空間偏移量所測(cè)得的兩個(gè)光譜的定標(biāo)相減，消 除一個(gè)拉曼成分，所述定標(biāo)相減抵消了該處理中的一個(gè)光譜成分或另一
個(gè)光譜成分。圖18中示出了該簡(jiǎn)單提取過程的結(jié)果。該分析中使用的光 譜是采用零偏移和2 mm的偏移測(cè)得的。盡管可適用性要求滿足上述條 件，但結(jié)果顯然令人滿意。相反，上述的PCA分析可在不知道樣本的不 同層的組成的情況下使用。
因此，很顯然并非在所有情況下都需要利用本發(fā)明生成完整的拉曼 光譜。在對(duì)所涉及材料或要被探測(cè)的組分有一定的了解時(shí)，例如使用一 個(gè)或更多個(gè)帶通濾波器對(duì)各拉曼光譜特征進(jìn)行的探測(cè)也可以利用在此描 述的SORS方法和裝置來完成。
通常情況下對(duì)兩層的"抑制"或分離的確切程度取決于多種參數(shù)。 這些參數(shù)包括頂層的厚度、下層基質(zhì)(matrix)的厚度、探測(cè)光束的直徑、 確切的收集幾何形狀、使用的探測(cè)光的波長(zhǎng)以及介質(zhì)的傳輸長(zhǎng)度。對(duì)于 非侵入性次表面探測(cè)，憑經(jīng)驗(yàn)可以認(rèn)為理想的偏移應(yīng)當(dāng)達(dá)到上覆介質(zhì)的 厚度或數(shù)個(gè)厚度。此外，為了使該技術(shù)有效，光束直徑應(yīng)當(dāng)小于頂層的 厚度。 一般說來，頂層越薄且下層基質(zhì)越厚，越有利于將兩個(gè)成分更好 地光譜分離。
由此，本發(fā)明特別適合用在非侵入性醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用。但是，探測(cè)光 子或拉曼光子的任何程度的吸收將導(dǎo)致來自樣本表面的拉曼信號(hào)的總產(chǎn) 生量減少。因此，為了使SORS分析有效，在基本上無任何吸收的波長(zhǎng)
處進(jìn)行測(cè)量是重要的。在活組織的情況下，在NIR (約800nm)中的血 紅蛋白吸收區(qū)(〉600nm)外很好地滿足了這一條件。因此，對(duì)于活組織 而言，優(yōu)選的激光源產(chǎn)生波長(zhǎng)至少為600nm的光。產(chǎn)生800nm以上的光 的激光源也是適當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@降低了黑色素對(duì)入射光的吸收。此外，在 該波長(zhǎng)處，骨骼組織具有相對(duì)較低的熒光。
但是，對(duì)本發(fā)明而言，不必使用波長(zhǎng)為514nm或者大于600nm的光。 探測(cè)波長(zhǎng)的選擇實(shí)質(zhì)上是在深度刺穿(其隨波長(zhǎng)的變長(zhǎng)而改善)與探測(cè) 器的量子效率(波長(zhǎng)越短該值越高)之間進(jìn)行的權(quán)衡。如前所述，在此 使用的探測(cè)器3是基于硅技術(shù)的背照式深耗盡層CCD探測(cè)器。選擇該探 測(cè)器是因?yàn)槠渚哂心壳翱傻玫降淖罴鸯`敏度和信噪比，但也可以使用其 它探測(cè)器。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)避免了激勵(lì)拉曼光譜中的H20模，但針對(duì)Si探測(cè) 的截止限制為1.1 ,。 InGaAs探測(cè)器可在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)下使用，但這些探 測(cè)器目前具有降低的靈敏度。
作為SORS分析的潛在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的實(shí)施例，眾所周知，從骨骼組織 測(cè)得的拉曼光譜表示其生化狀態(tài)。光譜中的峰表示礦物組分(例如磷酸 鹽、碳酸鹽、氫氧化物以及間隙和殘留水分子)和有機(jī)材料(主要是膠 原基質(zhì))。因此，如果在骨骼結(jié)構(gòu)中存在異常，則礦物峰和膠原峰的相對(duì) 強(qiáng)度將會(huì)與正常的不同。
產(chǎn)生在漫散射基質(zhì)中埋藏的化學(xué)特定的信號(hào)的技術(shù)適用于許多醫(yī)學(xué) 應(yīng)用。實(shí)際上，可預(yù)想到，次表面信息的非破壞性提取將具有如下的醫(yī) 學(xué)應(yīng)用對(duì)嵌入損害的檢測(cè)，以及對(duì)腫瘤、皮膚和血液組分的評(píng)估。
使用本發(fā)明的方法和裝置，可以從大大超過常規(guī)共焦顯微鏡法能夠 達(dá)到的深度的深度處取回充分純的拉曼光譜。此外，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于， 本發(fā)明與連續(xù)波(cw)激光光束的使用相兼容并適于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中 的遠(yuǎn)程監(jiān)視。
權(quán)利要求
1.一種透過漫散射上覆組織在體內(nèi)確定次表面組織或液體的一個(gè)或更多個(gè)特性的方法，所述方法包括以下步驟(a)在所述上覆組織的表面上的進(jìn)入?yún)^(qū)提供入射光；(b)從所述表面上的收集區(qū)收集在所述上覆組織內(nèi)散射的光，所述收集區(qū)與所述進(jìn)入?yún)^(qū)隔開；以及(c)在所收集的光中探測(cè)與所述入射光在光譜上相關(guān)的源自所述次表面組織的一個(gè)或更多個(gè)拉曼特征。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括根據(jù)所述拉曼特征 來確定所述次表面組織或液體的所述特征。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述次表面組織或液體包 括骨骼、軟骨、乳房組織以及血液中的一種。
4. 如權(quán)利要求1、 2或3所述的方法，其中，所述上覆組織包括皮 膚和指甲之一。
5. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述探測(cè)步驟包括對(duì) 所收集的光進(jìn)行光譜色散，以形成拉曼光譜。
6. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述探測(cè)步驟包 括對(duì)所收集的光進(jìn)行過濾，以將所述拉曼光譜特征中的一個(gè)或更多個(gè)分開。
7. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述收集步驟包括按所述進(jìn)入?yún)^(qū)和所述收集區(qū)之間的表面上的多個(gè)間隔收集光。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，確定所述特性包括將根據(jù)不 同間隔的拉曼特征與所述上覆組織和次表面組織或液體內(nèi)的不同深度或 深度分布相關(guān)聯(lián)。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，確定所述特性包括將根據(jù)不 同間隔的拉曼特征相組合，以針對(duì)深度或深度分布進(jìn)行選擇。
10. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述收集步驟包括-從與一共同進(jìn)入?yún)^(qū)隔開不同距離的多個(gè)收集區(qū)收集光。
11. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中， 一個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)圍 繞進(jìn)入?yún)^(qū)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中，各收集區(qū)均為環(huán)，并且所述 散射光被多個(gè)收集用光纖收集，所述多個(gè)收集用光纖圍繞用于向所述進(jìn) 入?yún)^(qū)提供入射輻射的一個(gè)或更多個(gè)照射用光纖分布。
13. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 一個(gè)或更多個(gè)進(jìn)入?yún)^(qū)圍繞一共同收集區(qū)。
14. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括對(duì)布置在 所收集的光的路徑上的收集用光學(xué)器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)收集區(qū)與進(jìn)入 區(qū)之間的距離。
15. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括在所述收 集區(qū)之外、所述上覆組織的表面附近布置一個(gè)或更多個(gè)反射鏡元件以將 光反射回所述組織中。
16. —種在體內(nèi)測(cè)量漫散射組織的次表面拉曼光譜的方法，所述方 法包括以下步驟-a) 利用入射輻射的光探針照射所述組織；b) 收集被所述組織散射的光；以及C)對(duì)所收集的光的至少一部分進(jìn)行光譜分離，以探測(cè)一個(gè)或更多個(gè) 拉曼光譜特征，其中被所述組織散射的光是從所述組織的表面上的多個(gè) 空間位置處收集的，各空間位置距照射點(diǎn)的距離不同，在各空間位置處 收集的所述光的至少一部分被單獨(dú)地進(jìn)行光譜色散以形成多個(gè)拉曼光 譜，并且其中所述方法還包括下述步驟d)對(duì)所述多個(gè)拉曼光譜進(jìn)行分析以提取與所述組織的次表面區(qū)域 的拉曼光譜有關(guān)的信息。
17. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，收集到至少兩個(gè)拉曼 光譜并使用定標(biāo)相減對(duì)其進(jìn)行分析，將在與所述照射點(diǎn)距離最近處收集 的拉曼光譜從與所述照射點(diǎn)距離較遠(yuǎn)處收集的拉曼光譜中減去，由此識(shí) 別出所述組織的次層的拉曼光譜的特征。
18. 如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，針對(duì)所述組織 的表面的化學(xué)組成的拉曼光譜是己知的，并且通過從所收集的光的拉曼 光譜中定標(biāo)減去所述已知拉曼光譜來對(duì)所述拉曼光譜進(jìn)行分析。
19. 如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，利用多元數(shù)據(jù)分析對(duì)所述多個(gè)拉曼光譜進(jìn)行分析。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中，利用主成分分析對(duì)所述多個(gè)拉曼光譜進(jìn)行分析。
21. 如權(quán)利要求19或20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在距所述照 射點(diǎn)不同的距離處收集至少二十個(gè)拉曼光譜。
22. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，以兩個(gè)或更多個(gè) 不同波長(zhǎng)照射所述組織，并且所收集的光是拉曼光譜與熒光的組合，并 且其中所述方法還包括從所收集的光中提取所述拉曼光譜的步驟。
23. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使所述組織、所 述收集用光學(xué)器件和所述照射點(diǎn)或照射區(qū)域中的至少一個(gè)相對(duì)于其余的 進(jìn)行移動(dòng)，從而能夠在距所述照射點(diǎn)不同的距離處收集拉曼光譜。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中，提供其上安放有所述組織的 可移動(dòng)臺(tái)，并安排所述探測(cè)光束來追蹤所述組織的移動(dòng)，由此所述組織 相對(duì)于用于在距所述照射點(diǎn)不同的距離處收集散射光的固定的收集用光 學(xué)器件進(jìn)行移動(dòng)。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述散射光是從距所述照射 點(diǎn)距離不同的點(diǎn)區(qū)域收集的。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述散射光是從多條基本平 行的線收集的，所述多條基本平行的線基本與從所述照射點(diǎn)測(cè)得的距離 成橫向。
27. 如權(quán)利要求16至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用光纖來 提供所述探測(cè)光束，并使用圍繞所述探測(cè)光束光纖排列成多個(gè)同心圓的 光纖來收集所述散射光，由此在距所述照射點(diǎn)的不同半徑處的同心環(huán)中 收集所述散射光。
28. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，結(jié)合使用光譜儀 和電荷耦合器件照相機(jī)對(duì)所收集的光進(jìn)行光譜色散。
29. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述光探針或入 射輻射是利用連續(xù)波激光器產(chǎn)生的。
30. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述光探針包括兩個(gè)或更多 個(gè)單獨(dú)的波長(zhǎng)并且是由一個(gè)或更多個(gè)激光器產(chǎn)生的。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述光探針是由單個(gè)可調(diào)諧 激光器產(chǎn)生的。
32. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述光探針的所述兩個(gè)或更 多個(gè)單獨(dú)的波長(zhǎng)是由兩個(gè)或更多個(gè)對(duì)應(yīng)的激光器產(chǎn)生的。
33. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述入射輻射具有大 于600nm的波長(zhǎng)。
34. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述入射輻射具有大 于800nm的波長(zhǎng)。
35. —種確定患者在目標(biāo)組織中是否有癌病變的方法，所述方法包括執(zhí)行任一前述權(quán)利要求的步驟，以在所述目標(biāo)組織中測(cè)量癌病變所特有的一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜特征；以及基于所述拉曼光譜特征，確定所述患者在所述目標(biāo)組織中是否有癌 病變。
36. —種確定患者是否有與該患者的骨骼組織有關(guān)的醫(yī)學(xué)病變的方 法，所述方法包括執(zhí)行任一前述權(quán)利要求的步驟，以測(cè)量所述骨骼組織所特有的一個(gè) 或更多個(gè)拉曼光譜特征；以及根據(jù)所述拉曼光譜特征，確定所述患者是否有骨骼組織病變。
37. —種在無外科手術(shù)介入的情況下對(duì)次表面組織或液體執(zhí)行體內(nèi) 皮下檢查的方法，所述方法包括利用探測(cè)光束照射表面組織；從所述表面上的與所述探測(cè)光束隔開的一個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)收集在 所述表面下散射的光；以及從所收集的光中探測(cè)一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜特征。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述次表面組織或液體是骨骼、軟骨、乳房組織以及血液中的一種。
39. 如權(quán)利要求37或38所述的方法，其中，所述收集區(qū)與所述探 測(cè)光束不重疊。
40. —種透過漫散射上覆組織在體內(nèi)確定次表面組織或液體的一個(gè)或更多個(gè)特性的裝置，所述裝置包括光源，其被布置成在所述上覆組織的表面上的進(jìn)入?yún)^(qū)提供入射光； 收集器，其被布置成從所述表面上的收集區(qū)收集在所述上覆組織內(nèi)散射的光，所述收集區(qū)與所述進(jìn)入?yún)^(qū)隔開；以及探測(cè)器，其被布置成探測(cè)與所述入射光在光譜上相關(guān)的源自所述次 表面組織或液體的一個(gè)或更多個(gè)拉曼特征。
41. 如權(quán)利要求40所述的裝置，所述裝置還包括分析器，所述分析 器適于從所述拉曼特征推導(dǎo)出所述次表面組織或液體的一個(gè)或更多個(gè)特 性。
42. 如權(quán)利要求41所述的裝置，所述裝置適于根據(jù)所述進(jìn)入?yún)^(qū)與所 述收集區(qū)之間的多個(gè)間隔來收集光，所述分析器適于組合根據(jù)所述多個(gè) 間隔的拉曼特征，從而針對(duì)一深度或深度分布進(jìn)行選擇。
43. 如權(quán)利要求40、 41或42所述的裝置，其中，所述次表面組織 包括骨骼、軟骨、乳房組織以及血液中的至少一種。
44. 如權(quán)利要求40至43中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述上覆組 織包括皮膚和指甲中的至少一種。
45. 如權(quán)利要求40至44中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述探測(cè)器 包括光譜儀，所述光譜儀被布置成對(duì)所收集的光進(jìn)行光譜色散以分離出 所述拉曼特征。
46. 如權(quán)利要求40至44中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述探測(cè)器 包括被布置成選擇所述拉曼特征的一個(gè)或更多個(gè)濾波器。
47. 如權(quán)利要求40至46中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述進(jìn)入?yún)^(qū) 或所述收集區(qū)是圍繞這兩個(gè)區(qū)域中的另一個(gè)區(qū)域的環(huán)形區(qū)域。
48. 如權(quán)利要求47所述的裝置，所述裝置還包括光學(xué)設(shè)置，所述光 學(xué)設(shè)置適于可控地調(diào)節(jié)所述環(huán)形區(qū)域的直徑。
49. 如權(quán)利要求40至48中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括蔽光裝置，所述蔽光裝置被布置成可控地調(diào)節(jié)所述進(jìn)入?yún)^(qū)與所述收集區(qū)之 間的間隔。
50. 如權(quán)利要求40至48中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括一 個(gè)或更多個(gè)反射鏡元件，所述一個(gè)或更多個(gè)反射鏡元件被布置在所述一 個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)和進(jìn)入?yún)^(qū)之外且與所述上覆組織的表面鄰近，用以將 光反射回所述組織。
51. —種對(duì)在漫散射組織內(nèi)的不同深度處產(chǎn)生的拉曼光譜進(jìn)行體內(nèi)選擇性測(cè)量的裝置，所述裝置包括光源(1)，其利用入射輻射的探測(cè)光束來照射所述組織； 收集用光學(xué)器件，用于收集被所述組織散射的光，并將其傳遞到光譜儀；探測(cè)裝置，用于探測(cè)被所述光譜儀色散的光；其中，所述裝置適于在所述組織的表面上的多個(gè)空間位置處收集散 射光，各空間位置距照射點(diǎn)的距離不同，并且所述光譜儀(2)對(duì)在各空 間位置處收集的光的至少一部分單獨(dú)地進(jìn)行光譜色散以形成多個(gè)拉曼光 譜，并且其中所述裝置還包括分析器(4)，所述分析器(4)用于從所述 多個(gè)拉曼光譜中識(shí)別所述組織(6， 7)的次層的拉曼光譜所特有的特征。
52. 如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，所述分析器適于執(zhí)行拉曼光 譜之間的定標(biāo)相減。
53. 如權(quán)利要求51所述的裝置，其中，所述分析器適于對(duì)所述拉曼 光譜進(jìn)行多元數(shù)據(jù)分析。
54. 如權(quán)利要求53所述的裝置，其中，所述分析器適于對(duì)所述拉曼 光譜進(jìn)行主成分分析。
55. 如權(quán)利要求51至54中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括可 移動(dòng)臺(tái)，所述可移動(dòng)臺(tái)用于使所述組織、所述收集用光學(xué)器件和所述照 射點(diǎn)中的至少一個(gè)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而能夠在距所述照射點(diǎn)不同的距離 處收集拉曼光譜。
56. 如權(quán)利要求55所述的裝置，其中，所述可移動(dòng)臺(tái)是可移動(dòng)樣本臺(tái)，并且其中設(shè)置有針對(duì)所述組織的移動(dòng)來追蹤所述探測(cè)光束的裝置，由此所述樣本可相對(duì)于固定的收集用光學(xué)器件進(jìn)行移動(dòng)從而能夠在距所述照射點(diǎn)的多個(gè)不同距離處收集散射光。
57. 如權(quán)利要求51至54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述收集用 光學(xué)器件包括圍繞所述探測(cè)光束布置成多個(gè)同心圓的光纖。
58. 如權(quán)利要求51至57中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述光源是 連續(xù)波激光器。
59. 如權(quán)利要求51至58中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述探測(cè)裝 置包括電荷耦合器件照相機(jī)。
60. 如權(quán)利要求40至59中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述入射輻 射具有大于600nm的波長(zhǎng)。
61. 如權(quán)利要求40至60中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述入射輻 射具有大于800nm的波長(zhǎng)。
62. —種在無外科手術(shù)介入的情況下對(duì)次表面組織執(zhí)行體內(nèi)檢查的 醫(yī)學(xué)皮下檢查裝置，所述裝置包括探測(cè)光束源，其被布置成照射表面組織；收集器，其被布置成從所述表面上的與所述探測(cè)光束隔開的一個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)收集在所述表面下散射的光；以及探測(cè)器，其被布置成從所收集的光中探測(cè)一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜特征。
63. 如權(quán)利要求62所述的裝置，其中，所述收集區(qū)與所述探測(cè)光束 不重疊。
64. 如權(quán)利要求62或63所述的裝置，所述裝置還包括分析器，所 述分析器被布置成根據(jù)所述拉曼光譜特征推導(dǎo)出所述次表面組織的一個(gè) 或更多個(gè)特性。
65. 如權(quán)利要求40至61中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置被實(shí)現(xiàn)為 內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡通過自然的或經(jīng)外科手術(shù)形成的孔進(jìn)入從而在體內(nèi) 進(jìn)行檢査。
66. —種診斷方法，所述診斷方法包括使用如權(quán)利要求1至39中 任一項(xiàng)所述的方法，從樣本收集一個(gè)或更多個(gè)拉曼光譜，所述樣本由上 覆組織的表面區(qū)域和與所述上覆組織不同的深層組織的次層區(qū)域構(gòu)成。
67. 如權(quán)利要求66所述的診斷方法，所述診斷方法還包括在所述 一個(gè)或更多個(gè)所收集的拉曼光譜中識(shí)別所述樣本(6、 7)的次層區(qū)域的拉曼光譜所特有的一個(gè)或更多個(gè)特征，并且將所述一個(gè)或更多個(gè)所識(shí)別 的特征與從健康控制樣本獲得的特征進(jìn)行比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)次表面組織和液體的拉曼光譜分析。公開了用于在體內(nèi)確定人體或動(dòng)物體中的次表面組織或液體的特性的裝置和方法。在表面上的一個(gè)或更多個(gè)進(jìn)入?yún)^(qū)提供入射輻射，并且從與所述進(jìn)入?yún)^(qū)隔開的一個(gè)或更多個(gè)收集區(qū)收集光。在所收集的光中探測(cè)拉曼特征，并且根據(jù)該拉曼特征得出深度相關(guān)信息。
文檔編號(hào)A61B5/103GK101115986SQ200580047024
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者安東尼·維廉·帕克, 帕維爾·馬陶謝克 申請(qǐng)人:科學(xué)技術(shù)設(shè)備委員會(huì)