本發(fā)明是根據(jù)由美國國立衛(wèi)生研究院授予的資助號1RC4EY021357和1R01EY019951；以及由美國國家科學(xué)基金會授予的授予號CBET-1055379和CBET-1240416在政府支持下做出的。政府對本發(fā)明享有一定的權(quán)利。

交叉參考

本申請要求于2014年4月28日提交的美國專利申請序列號No.61/985278的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

光學(xué)相干斷層成像(Optical Coherence Tomography)(OCT)是一種非侵入性光學(xué)成像技術(shù)，其通過使用低相干干涉儀系統(tǒng)來產(chǎn)生樣品的深度解析反射成像。OCT成像允許在通過其它成像技術(shù)不容易獲得的各種生物系統(tǒng)和非生物系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)的三維(3D)可視化。在一些情況下，OCT可以在不干擾或傷害目標(biāo)或樣品的情況下提供評估信息的非侵入性、非接觸手段。例如，在醫(yī)學(xué)中，OCT應(yīng)用包括但不限于在眼睛的視網(wǎng)膜中的疾病的診斷、介入性心臟病學(xué)治療和評估、以及用于皮膚病的皮膚損傷的診斷的非侵入性手段。

通常，OCT用于生成各種結(jié)構(gòu)(包括諸如血脈管系統(tǒng)(blood vasculature)的脈管)的3D圖像。先前描述的OCT的方法提供用于獲得結(jié)構(gòu)信息的方法，所述獲得結(jié)構(gòu)信息是指(direct at)獲取關(guān)于脈管的外部結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、拓?fù)浜臀锢韺傩缘男畔?。然而，關(guān)于脈管和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的物理和化學(xué)屬性的信息也可以是有用的，產(chǎn)生關(guān)于系統(tǒng)的更多功能和潛在有用的信息。

例如在醫(yī)學(xué)診斷中，脈管可視化和關(guān)于血液屬性的量化信息對于許多疾病的診斷和治療可能是重要的。例如，大約50％的美國人會得癌癥，其中的大約50％會死于癌癥。在諸如糖尿病性視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)、青光眼的眼部疾病的示例中，美國近1000萬人以及全世界超過2億人可能存在視力喪失或失明的風(fēng)險。懷疑影響眼睛和周圍腫瘤的血液供應(yīng)的異常形態(tài)的脈管重塑和生化途徑可能分別與這些疾病的發(fā)作和預(yù)后相關(guān)。在一些示例中，通過異常血管增殖所例示的代謝中的異常增加或減少也可能與疾病相關(guān)。

允許獲取關(guān)于與疾病病因相關(guān)的組織屬性的信息的非侵入性方法可以致使預(yù)防這樣的疾病。測量血流量以及血流內(nèi)的其它各種生化分析物(諸如氧(pO₂)、葡萄糖或其它生物標(biāo)志物)的能力可以幫助指示目標(biāo)組織的功能狀態(tài)，諸如代謝活動。在一些示例中，理解目標(biāo)組織的功能狀態(tài)的能力可用于疾病的治療、監(jiān)測或預(yù)防。當(dāng)同時測量諸如血流和氧的屬性時尤其如此。目前，沒有非侵入性三維(3D)成像技術(shù)來測量組織中的體內(nèi)氧代謝。在本領(lǐng)域中需要用于針對(包括但不限于疾病的治療和診斷的)多種應(yīng)用的代謝和其它目標(biāo)功能的非侵入性3D量化成像的改進的方法和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在第一方面，本公開提供了一種用于對目標(biāo)進行成像的方法，所述方法包括以下步驟：用一個或更多個低相干光束對目標(biāo)執(zhí)行光學(xué)相干斷層成像(OCT)掃描，其中，所述一個或更多個光束包括一個或更多個波長；從由OCT掃描生成的反射信號獲取光學(xué)信息；在目標(biāo)中進行量化3D成像；根據(jù)所獲取的光學(xué)信息確定流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度；以及確定目標(biāo)中的一種或更多種分析物濃度的變化速率。

本公開的另一方面提供了一種用于對象的疾病的診斷或治療的方法，所述方法包括以下步驟：獲取步驟，獲取目標(biāo)的3D OCT掃描；確定步驟，確定所述目標(biāo)中的體液中的一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)，同時根據(jù)所生成的3D掃描量化所述體液的流量；以及提供步驟，提供醫(yī)療決策。在一些示例中，OCT掃描包括不可見光、可見光或近紅外(NIR)光。

通過引用并入

本說明書中所提及的所有出版物、專利和專利申請都通過引用并入本文，其程度如同每個單獨的出版物、專利或?qū)＠暾埍痪唧w和單獨地指明通過引用并入。

附圖說明

在所附權(quán)利要求中具體地闡述了本公開的裝置的新穎特征。通過參考以下詳細(xì)描述以及附圖將獲得對本公開的特征和優(yōu)點的更好的理解，所述詳細(xì)描述闡述了其中利用了本公開的裝置的原理的例示性示例，在附圖中：

圖1a是使用反向?qū)Ρ?inversed contrast)的著色的大鼠(rat)眼睛的體內(nèi)B掃描圖像的示例。

圖1b是短時傅里葉變換(STFT)OCT光譜的示例。

圖1c是來自脈管壁底部的STFT OCT提取的光譜的示例。

圖1d是來自脈管底部的反射光譜的示例。

圖2a是自由空間vis-OCT裝置的示例性示意圖。

圖2b是自由空間vis-OCT裝置的示例性照射光譜。

圖2c是自由空間vis-OCT裝置的理論和軸向分辨率的示例。

圖3是雙光束掃描的示例性示意圖。同時或順序地用一個或多個光束照射目標(biāo)。

圖4是示例性fOCT裝置的示意圖。

圖5是示例性fOCT裝置的示意圖。

圖6是多光束掃描的示例性示意圖。同時或順序地用一個或更多個光束照射目標(biāo)。

圖7是具有兩個或更多個光束的多光束掃描的示例性示意圖。同時或順序地用一個或更多個光束照射目標(biāo)。

圖8是示例性fOCT裝置的示意圖。

圖9是示例性fOCT裝置的示意圖。

圖10a是示例性vis-OCT眼底圖像。白色圓形線表示B掃描軌跡。

圖10b是主要脈管的示例性融合的脈管圖像和氧圖的示例。

圖10c是視網(wǎng)膜B掃描的示例。

圖10d是示出每個個體脈管的sO₂的示例性量化的圖。

圖10e是平均動脈和靜脈sO₂值的示例。

圖11a是示例性vis-OCT眼底圖像。白色圓形線表示B掃描軌跡。

圖11b是示例性B掃描。

圖11c是示例性相移B掃描圖像。

圖11d是測量的多普勒角的示例性示意圖和曲線圖。

圖11e是擬合血流速率數(shù)據(jù)的示例性曲線圖。

圖11f是動脈和靜脈的血流速率數(shù)據(jù)的示例性曲線圖。

圖11g是動脈和靜脈的總血流速率數(shù)據(jù)的示例性曲線圖。

圖12是用于代謝功能OCT的示例性方法的流程圖。

圖13是根據(jù)所獲取的光學(xué)信息在目標(biāo)中對流體的流速和氧濃度進行量化3D成像以及基于氧消耗確定代謝變化速率的示例性過程的流程示意圖。

圖14是根據(jù)所獲取的光學(xué)信息在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度進行量化3D成像以及確定目標(biāo)中的一種或更多種分析物濃度的變化速率的示例性過程的流程示意圖。

圖15a是示出移動細(xì)胞的示例性流量對比的圖。復(fù)反射系數(shù)信號的相移與投射到光束的流速成正比。

圖15b是用于計算多普勒角的示例性幾何形狀的示意圖。

圖15c是示例性B掃描。

圖15d是相移B掃描的示例。

圖16a是具有vis-OCT的示例性眼底圖像，并且圓形白線表示B掃描軌跡。

圖16b是指示視網(wǎng)膜的各種組織層的示例性B掃描。

圖16c是示出各個脈管的示例性B掃描。

圖17是示出大鼠中主要小動脈與靜脈之間的視網(wǎng)膜流量測量的示例性差異的曲線圖。

圖18a是關(guān)于sO₂的示例性縱向穩(wěn)定性研究。

圖18b是血流量的示例性縱向穩(wěn)定性研究。

圖18c是rMRO₂的示例性縱向穩(wěn)定性研究。

圖19是作為視網(wǎng)膜深度的函數(shù)的示例性模擬氧氣張力PO₂分布的曲線圖。視網(wǎng)膜色素上皮層(RPE)/感光器的外段(OS)層(層1)和外核層(ONL)/外網(wǎng)狀層(OPL)(層3)具有PO₂的線性分布；而感光器的內(nèi)段(OS)層(層2)具有二次PO₂分布。實線是正?？諝夂粑碌腜O₂分布，虛線是PaO₂＝72mmHg時的全身缺氧下的PO₂分布。脈絡(luò)膜氧壓(Pc)與全身PaO₂成比例。由于視網(wǎng)膜循環(huán)的自動調(diào)節(jié)，外部和內(nèi)部視網(wǎng)膜(PL)之間的界面處的氧張力被認(rèn)為是相同的。

圖20是示例性vis-OCT裝置的示意圖。

圖21a是用于流量測量的示例性掃描圖案示意圖的表示。兩個同心圓掃描穿過源自視盤視盤的所有血管。

圖21b是具有同步EKG圖案的示例性脈動流圖案的曲線圖。

圖21c是脈動流圖案的示例性傅里葉變換的曲線圖。

圖21d是顯示通過vis-OCT和spO₂(脈搏血氧定量法)的動脈sO₂測量的示例性相關(guān)性的曲線圖。

圖21e是對吸入空氣的變化的氧含量的示例性動脈和靜脈sO₂響應(yīng)的曲線圖。

圖22a例示出了在缺氧情況下的示例性視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)變化。常氧情況下視盤周圍的平均強度投影圖像。

圖22b例示出了在常氧情況下的視盤周圍的示例性平均強度投影圖像。

圖22c例示出了常氧和缺氧中的主動脈(A)和靜脈(V)的平均直徑的示例。

圖22d例示出了圖22a中的插入件的示例性放大視圖。

圖22e例示出了圖22b中的插入件的示例性放大視圖。

圖22f例示出了在常氧和缺氧情況下的小動脈直徑的示例性比較。

圖23a反映了源自視網(wǎng)膜循環(huán)和響應(yīng)于全身氧氣張力的示例性視網(wǎng)膜氧消耗。圖23a提供了缺氧協(xié)議的示例性示意圖表示。吸入氧含量分六步從21％逐步減少到9％。在每個步驟測量動脈和靜脈sO₂、血流量和血管直徑。

圖23b例示出了在降低氧含量下的示例性sO₂變化。

圖23c例示出了在降低氧含量下的示例性PO₂變化。

圖23d例示出了示例性對應(yīng)的動靜脈氧合差異的進展。

圖23e例示出了主要視網(wǎng)膜血管的示例性平均直徑。

圖23f例示出了示例性視網(wǎng)膜血流。

圖23g例示出了從動脈血管輸送氧氣的示例。

圖23h例示出了示例性氧攝取分?jǐn)?shù)。

圖23i例示出了來自視網(wǎng)膜循環(huán)的視網(wǎng)膜氧代謝的示例。

圖24a示出了在缺氧情況下視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜循環(huán)之間氧供應(yīng)平衡變化的示例性示意圖。在全身缺氧情況下，視網(wǎng)膜循環(huán)為外視網(wǎng)膜提供更多的氧以補償脈絡(luò)膜循環(huán)的不足。

圖24b示出了大鼠視網(wǎng)膜的示例性解剖結(jié)構(gòu)。

圖24c示出了跨視網(wǎng)膜的示例性模擬PO₂分布。

圖25例示出了可以從媒體讀取指令、連接到網(wǎng)絡(luò)并存儲由fOCT裝置生成的數(shù)據(jù)的示例性邏輯設(shè)備的示意圖。

圖26a例示出了使用OCT的粘液厚度的示例性動態(tài)監(jiān)測。圖26a示出了臺式vis-OCT系統(tǒng)的示例性示意圖。

圖26b例示出了示例性內(nèi)窺鏡NIR-OCT探針的示例性示意圖和照片。

圖26c示出了用內(nèi)窺鏡NIR-OCT探針成像的示例性宮頸內(nèi)組織樣品/目標(biāo)。

圖26d示出了放置在OCT物鏡下方的示例性宮頸內(nèi)組織樣品/目標(biāo)。

圖26e指示執(zhí)行三維內(nèi)窺鏡OCT掃描的示例性過程。BS，分束器；DC、色散補償；GM、電流計鏡；L，物鏡；M1、M2，反射鏡；F，帶尾纖維；FC，光纖耦合器；GL，自聚焦透鏡；P，棱鏡；NIR，近紅外；OCT，光學(xué)相干斷層成像；vis-OCT，可見光光學(xué)相干斷層成像。

圖27a例示出了在分泌和酶水解期間粘液層厚度變化的示例性動態(tài)監(jiān)測。圖27a包括示出宮頸內(nèi)組織的解剖特征的單個vis-OCT B掃描。

圖27b示出在37℃下在PBS溶液中孵育40分鐘期間測量的最大粘液厚度的示例圖。

圖27c示出了添加神經(jīng)氨酸酶后測量的最大粘液厚度的示例圖。圖27c的示例是在15分鐘的時間內(nèi)觀察到的。**，與時間＝0相比，P<0.01。箭頭，粘液表面；E，上皮；LP，固有層；vis-OCT，可見光光學(xué)相干斷層成像。

圖28a示出了體外完整獼猴陰道的示例性內(nèi)窺鏡NIR-OCT成像。(A)陰道管的360°圓形B掃描圖像(縮放，刻度條表示掃描軸的半徑，單位mm)。

圖28b示出了覆蓋45°的示例性高密度角掃描，示出了陰道表面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。如圖28b的示例所示，刻度條表示100μm。

圖28c示出了具有0.8mm縱向位移的相同45°圓形掃描的示例性3維渲染，示出了陰道上皮的粗糙結(jié)構(gòu)。R，陰道褶皺；G，保護殼玻璃表面；M，顆粒狀圖案表示粘液；NIR，近紅外；OCT，光學(xué)相干斷層成像。

圖29是例示出可以結(jié)合fOCT裝置使用的計算機系統(tǒng)的第一示例性架構(gòu)的框圖。

圖30是示出具有多個計算機系統(tǒng)的示例性網(wǎng)絡(luò)以及配置有fOCT裝置的多個蜂窩電話和個人數(shù)字助理的圖。

圖31是配置有fOCT裝置的示例性多處理器計算機系統(tǒng)的框圖。

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將更好地理解本發(fā)明的某些示例的以下詳細(xì)描述。為了例示本發(fā)明的目的，在附圖中示出了某些示例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于附圖中所示的布置和手段。

具體實施方式

I、總體概述

本公開的方法、裝置和系統(tǒng)提供功能性光學(xué)相干斷層成像(fOCT)。通常，fOCT可以包括用于確定目標(biāo)的功能性狀態(tài)(例如身體組織的健康)的非侵入性、非接觸方法。在一些示例中，fOCT可以用于確定組織的代謝變化，進而指示關(guān)于疾病狀態(tài)或健康的一些情況。

通常，fOCT采用本領(lǐng)域已知的OCT的任何方法。fOCT提供了一種從OCT光譜提取全套光學(xué)性質(zhì)并同時地或基本同時地提取光學(xué)信息以計算目標(biāo)中流體的流速以及目標(biāo)中特定分析物的濃度的方法。在一些示例中，從OCT掃描產(chǎn)生的相同或單個A掃描可用于計算流量(flow)和分析物濃度。例如，目標(biāo)可以是人類視網(wǎng)膜，其中可以使用fOCT確定或量化血流和氧。在一些示例中，目標(biāo)可以是皮膚，并且用葡萄糖的量化來計算汗液的流速。

通常，在圖13中提供了用于確定代謝速率的示意圖并且所述示意圖作為示例被提供。在一些示例中，從OCT掃描獲取干涉測量數(shù)據(jù)(1302)，并且將其轉(zhuǎn)換成3D復(fù)反射系數(shù)(complex reflectance)數(shù)據(jù)(1304)。然后使用該相同的A掃描數(shù)據(jù)來執(zhí)行流量和分析物濃度的同時或基本同時的計算或確定。在一些示例中，執(zhí)行3D脈管分割(1306)、光譜提取(1308)以量化氧飽和度(sO₂)(1310)。在一些示例中，這可以表示為氧分壓pO₂。同時，使用圓形亮度掃描(B掃描)方差(1312)、投射速率(1314)和微脈管系統(tǒng)可視化(1322)確定血液流速。同時，圓形B掃描幅度(1316)、血管直徑(1318)和血管方向性(1320)可用于確定絕對流量(1324)?？傊@些計算可以幫助確定組織中氧消耗的準(zhǔn)確變化，或總氧代謝速率(1326)。

在一些示例中，流量參數(shù)和分析物濃度的準(zhǔn)確量化可用于確定目標(biāo)功能的狀態(tài)的變化。例如，人類視網(wǎng)膜的代謝或氧消耗的變化可以指示視網(wǎng)膜疾病。在皮膚監(jiān)測和汗液中的葡萄糖的示例中，針對糖尿病的血糖水平監(jiān)測可以使用本公開的方法、裝置和系統(tǒng)來執(zhí)行。

考慮到本公開的無標(biāo)簽、非侵入性、非接觸方法，可以采用多種醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括癌癥和各種其它眼部疾病的疾病監(jiān)測和診斷。

在一些示例中，目標(biāo)中的量化3D成像在不使至少一種分析物與外源試劑或標(biāo)簽(label)接觸的情況下來執(zhí)行。在一些示例中，一個或更多個光束包括不可見光、可見光或近紅外(NIR)光。在一些示例中，OCT掃描生成一個或更多個A掃描(振幅調(diào)制掃描)。

在本公開的另一方面中，對目標(biāo)中的流體的流速以及目標(biāo)中的流體中的一種或更多種分析物的濃度進行量化成像，以及確定一種或更多種分析物濃度的變化速率使用相同的A掃描的光譜分析。在一些示例中，相同的OCT A掃描的振幅、強度或相位被用于確定一種或更多種分析物濃度的變化速率。在一些示例中，流速、一種或更多種分析物的濃度、以及所述確定變化的速率或一種或更多種分析物濃度使用目標(biāo)的多個OCT A掃描。

在本公開的另一方面，對目標(biāo)中的多個區(qū)域執(zhí)行OCT。在一些示例中，一個或更多個光束被用于執(zhí)行多光束或多頻帶掃描OCT。在一些示例中，用于照射的光源被配置為具有至多1.0mW的功率。在一些示例中，一個或更多個光束同時或順序地照射目標(biāo)。在一些示例中，量化成像目標(biāo)中的流體的流速以及目標(biāo)中的流體中的一種或更多種分析物的濃度基本上同時發(fā)生。在一些示例中，一個或更多個光束以圓形圖案或者兩個或更多個同心圓形圖案照射目標(biāo)。

在本公開的另一方面，目標(biāo)選自由組織、健康組織、患病組織、視網(wǎng)膜、腫瘤、癌癥、生長、纖維瘤、病變、皮膚、粘膜內(nèi)層、器官、移植物、血液供應(yīng)以及一個或更多個血管組成的組。在一些示例中，使用近紅外(NIR)光來執(zhí)行目標(biāo)中的流體的流速的量化成像。在一些示例中，使用可見光來執(zhí)行目標(biāo)中的流體中的一種或更多種分析物的濃度的量化成像。

在本公開的另一方面，流體可以包括但不限于全血、血漿、血清、尿、精液、眼淚、汗液、唾液、淋巴液、胸腔積液、腹膜液、腦膜液、羊水、腺體液、脊髓液、結(jié)膜液、玻璃體、水、陰道液、膽汁、粘液、唾液和腦脊液。在本公開的另一方面，分析物選自由氧、血紅蛋白、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、葡萄糖、糖、血尿素氮(blood area nitrogen)、乳酸鹽、血細(xì)胞比容、生物標(biāo)志物以及核酸組成的組。

在本公開的另一方面，通過比較或使用參考來執(zhí)行確定一種或更多種分析物的變化的速率。在一些示例中，參考是健康組織。在一些示例中，參考是其中流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度先前已被量化的目標(biāo)。在一些示例中，生成目標(biāo)的一個或更多個圖像。在一些示例中，一個或更多個圖像以及分析物濃度的速率的變化被用于計算目標(biāo)的功能或目標(biāo)的功能的變化。在一些示例中，目標(biāo)的功能是組織中的病理性改變。在一些示例中，目標(biāo)的功能是代謝功能。在一些示例中，在一個或更多個圖像中確定動脈和靜脈。在一些示例中，在目標(biāo)的一個或更多個區(qū)域中計算代謝功能。在本公開的另一方面，外源試劑與目標(biāo)接觸。在一些示例中，外源試劑是造影劑(contrast reagent)。在一些示例中，所述量化目標(biāo)中的流體的流速包括確定包含流體的一個或更多個脈管的橫截面積。

在本公開的另一方面，通過確定目標(biāo)中的一種或更多種分析物濃度的變化速率來進行醫(yī)學(xué)決策。

在本公開的另一方面，執(zhí)行光譜分析以提取目標(biāo)的全套光學(xué)性質(zhì)。

在本公開的另一方面，該方法被配置用于從由探針、手持裝置、可穿戴裝置、內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管探針、腹腔鏡工具、外科手術(shù)工具以及針組成的組中選擇的裝置。

本公開的另一方面提供確定一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)包括計算目標(biāo)中的代謝活動或代謝活動的變化。在一些示例中，通過測量針對所生成的多個區(qū)域中的每一個區(qū)域在多個深度處反射的可見光的強度、振幅或相位，來執(zhí)行確定目標(biāo)中的體液中的一個或更多個分子標(biāo)記物的狀態(tài)。在一些示例中，量化體液的流量包括測量針對所生成的多個區(qū)域中的每一個區(qū)域在多個深度處反射的NIR光的強度、振幅或相位。

在本公開的另一方面，獲取一個或更多個A掃描。在一些示例中，使用相同A掃描的光譜分析來確定流速和一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)。在一些示例中，提供醫(yī)療決策包括基于一個或更多個分子標(biāo)志物的狀態(tài)在報告中對一個或更多個治療決策選擇方案進行分級。在一些示例中，醫(yī)療決策是施用藥物。在一些示例中，目標(biāo)選自以下的組：患病組織、疑似患病組織和健康組織。在一些示例中，醫(yī)療決策是改變藥物的劑量、選擇藥物施用的頻率或進行藥物選擇。在一些示例中，確定目標(biāo)中的體液中的一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)同時量化體液的流量指示疾病的存在或不存在。在一些示例中，目標(biāo)選自由組織、健康組織、患病組織、視網(wǎng)膜、腫瘤、癌癥、生長、纖維瘤、病變、皮膚、粘膜內(nèi)層、器官、移植物、血液供應(yīng)以及一個或更多個血管組成的組。在一些示例中，確定一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)包括對血流或血液供應(yīng)進行成像。在一些示例中，成像包括將患病或疑似患病組織的血流或血液供應(yīng)的圖像與來自正常組織的血流或血液供應(yīng)的圖像或者來自同一組織的血流或血液供應(yīng)的先前圖像進行比較；以及當(dāng)與來自正常組織的血流或血液供應(yīng)的圖像或者來自同一組織的血流或血液供應(yīng)的先前圖像中的分子標(biāo)志物的水平相比，如果所述疑似患病組織的血流或血液供應(yīng)的圖像包括一種或更多種分子標(biāo)志物的增加的或異常的水平，則診斷所述患病組織。

在本公開的另一方面，目標(biāo)是疑似包括癌癥的組織。在一些示例中，癌癥選自由皮膚癌、肺癌、結(jié)腸癌、食管癌、胃癌、卵巢癌、甲狀腺癌、心臟癌、鱗狀細(xì)胞癌、纖維肉瘤、肉瘤樣癌(sarcoid carcinoma)、黑色素瘤、乳腺癌、肺癌、結(jié)腸直腸癌、腎癌、骨肉瘤、皮膚黑色素瘤、基底細(xì)胞癌、胰腺癌、膀胱癌、肝癌、腦癌、前列腺癌、白血病、黑色素瘤或淋巴瘤組成的組。

本公開的另一方面提供確定一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)，其用于診斷、監(jiān)測或治療眼部疾病，所述眼部疾病選自由以下疾病組成的組：年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)、濕性AMD、干性AMD、青光眼、視網(wǎng)膜靜脈閉塞、視網(wǎng)膜分支靜脈閉塞和糖尿病性視網(wǎng)膜病變。在一些示例中，在不使至少一種分析物與外源試劑或標(biāo)簽接觸的情況下來執(zhí)行確定一種或更多種分子標(biāo)記物的狀態(tài)。

本公開的另一方面提供了代謝光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)，其包括目標(biāo)的可見光照射和近紅外照射，以確定血液流速以及氧飽和速率的變化。

II、用于功能性O(shè)CT(fOCT)的一般方法

A、術(shù)語和OCT方法

本文所述的術(shù)語“光學(xué)相干斷層成像”和“OCT”通常是指在一些示例中用微米橫向分辨率對樣品成像的干涉測量技術(shù)。這種非侵入性光學(xué)斷層掃描成像技術(shù)用于各種醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，以提供目標(biāo)的橫截面或3D圖像。

本文所述的術(shù)語“功能性O(shè)CT”和“fOCT”通常是指OCT成像的方法，如本文所述，其提供關(guān)于目標(biāo)的結(jié)構(gòu)(3D、斷層掃描和橫截面信息)和功能信息兩者的獲取。在一些示例中，fOCT可以被稱為“可見光OCT”或“vis-OCT”。Vis-OCT通常是指包括可見光的一種類型的fOCT。

fOCT可以利用OCT的任何方法。通常，fOCT可以配置有干涉儀，如針對許多其它OCT方法的示例一樣。來自光源(例如，寬帶光源)的光被分裂(例如，通過分束器)，并且沿著樣品臂(通常包括樣品)和參考臂(通常包括鏡子)行進。來自樣品臂的照射目標(biāo)的光的一部分被目標(biāo)反射。光也從參考臂中的鏡子反射。(來自測試臂和參考臂的光例如通過分束器重新組合。)當(dāng)樣品臂中的光行進的距離在在參考臂中的光行進的距離的相干長度內(nèi)時，發(fā)生光學(xué)干涉，其影響重組光的強度。合成的反射光的強度根據(jù)目標(biāo)特性而變化。因此，所測量的反射的強度的變化是被成像的目標(biāo)的物理特征或?qū)傩缘闹甘尽?/p>

在一些示例中，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)可以利用時域OCT，其中參考臂的長度可以改變(例如，通過移動一個或更多個參考鏡)。隨參考臂距離變化而觀察到的反射率指示在樣品的不同深度處的樣品性質(zhì)。在一些示例中，替代參考臂長度的變化或者除了參考臂長度的變化之外，改變樣品臂的長度。在一些示例中，所述裝置、方法和系統(tǒng)可以利用頻域OCT，其中參考臂的距離可以是固定的，并且然后可以在不同的頻率測量反射率。例如，從光源發(fā)射的光的頻率可以在一個頻率范圍上或者諸如光柵的色散元件上掃描，并且檢測器陣列可以用于分離和檢測不同的波長。傅里葉分析可將頻率依賴性(frequency-dependent)反射性質(zhì)轉(zhuǎn)換為距離依賴性(distance-dependent)反射性質(zhì)，從而指示在不同樣品深度處的樣品性質(zhì)。在某些示例中，OCT可以示出不能從其它形式的成像獲得的附加信息或數(shù)據(jù)。

在一些示例中，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)可以利用頻域光學(xué)相干斷層成像，其中參考臂和樣品臂是固定的。來自包括多個波長的寬帶光源的光從樣品反射并干擾由參考鏡反射的光?？梢垣@得反射信號的光譜。例如，光可以被輸入到分光儀或光譜儀，包括例如光柵和檢測在不同頻率處的光的強度的檢測器陣列。

例如，可以通過處理器執(zhí)行傅立葉分析，并且可以將對應(yīng)于多個頻率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于樣品內(nèi)的多個位置的數(shù)據(jù)。因此，可以同時收集來自多個樣品深度的數(shù)據(jù)，而無需掃描參考臂(或樣品臂)。在Vakhtin等人(Vakhtin A B，Kane D J，Wood W R和Peterson KA),“Common-path interferometer for frequency-domain optical coherence tomography”,Applied Optics.42(34),6953-6958(2003))中描述了與頻域光學(xué)相干斷層成像有關(guān)的附加細(xì)節(jié)，并且其通過引用并入本文。

執(zhí)行光學(xué)相干斷層成像的其它方法是可能的。例如，在頻域光學(xué)相干斷層成像的一些示例中，從光源發(fā)射的光的頻率隨時間改變。因此，作為時間的函數(shù)的光強度的差異與不同的光頻率相關(guān)。當(dāng)使用光譜時變光源時，檢測器可以檢測作為時間的函數(shù)的光強度，以獲得干涉信號的光譜?？梢匀绫疚乃霾捎霉庾V的傅立葉變換。本公開的裝置、方法和系統(tǒng)可以利用OCT的任何方法，包括但不限于本領(lǐng)域已知的光譜域OCT、傅立葉域OCT、時間編碼頻域OCT、或掃描源OCT、單點OCT、共焦OCT、平行OCT、或全場OCT。

通常，術(shù)語“A掃描”或“A線”描述與不同樣品深度相關(guān)聯(lián)的光反射率。本文所使用的術(shù)語“B掃描”或“B線”是指使用由多個A掃描的集合形成的組織的橫截面視圖。在癌癥檢測的fOCT方法的示例中，由癌組織目標(biāo)反射的光被轉(zhuǎn)換成電信號，并且可以用于產(chǎn)生橫截面或3D結(jié)構(gòu)圖像和關(guān)于目標(biāo)組織(例如癌生長，病變，或腫瘤)的代謝功能信息二者。在眼科學(xué)的示例中，由眼組織反射的光被轉(zhuǎn)換為電信號，并且可以用于提供關(guān)于眼中組織的3D結(jié)構(gòu)和視網(wǎng)膜中的代謝活動的數(shù)據(jù)。在許多示例中，包括但不限于癌癥檢測和眼科學(xué)，A掃描和B掃描例如可以用于區(qū)分正常組織和異常組織。

對于一般方法，A掃描通?？梢园ㄔ趜軸方向上的多個深度處的數(shù)據(jù)，并且B掃描可以包括從內(nèi)側(cè)邊界到外側(cè)邊界或(x，y)軸方向上的橫截面數(shù)據(jù)。在皮膚癌病變的fOCT的示例中，例如，A掃描通常可以包括從病變的表皮的外部區(qū)域到包括脈管系統(tǒng)的內(nèi)部區(qū)域的數(shù)據(jù)，而B掃描可以包括在(x，y)平面中從一個病變邊界到另一個病變邊界的橫截面數(shù)據(jù)。在眼科實例中，A掃描通?？梢园◤慕悄さ揭暰W(wǎng)膜的數(shù)據(jù)，并且B掃描可以包括從眼睛的內(nèi)側(cè)邊界到外側(cè)邊界以及從角膜到視網(wǎng)膜的橫截面數(shù)據(jù)。3D C掃描可以用于通過在各種示例中組合多個B掃描來生成一個或更多個3D圖像。

在本公開中，“目標(biāo)”可以指示適于成像的任何樣品、物體或?qū)ο?。在一些示例中，目?biāo)可以包括但不限于諸如如為了fOCT的工業(yè)應(yīng)用而發(fā)現(xiàn)的和如本文所述的金屬、合金、聚合物以及礦物的無機材料。在一些示例中，目標(biāo)可以是有生命的物質(zhì)，如包括但不限于如將適用于如本文所述的fOCT的醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的胚胎、種子、細(xì)胞、組織、移植物、血管、器官或生物的任何合適的生物材料。

B、fOCT系統(tǒng)配置

用于數(shù)據(jù)收集的fOCT系統(tǒng)可以以各種方式進行配置，通常適合于任何類型的OCT。圖1和圖2(a)例示出了由配置用于代謝成像的示例性系統(tǒng)200生成的數(shù)據(jù)的示例。示例性自由空間vis OCT系統(tǒng)200包括透鏡L1 202、透鏡L2 204、x-y軸線性掃描鏡單元206(例如，諸如壓電驅(qū)動的電流計鏡(GM)的用于操縱激光束的一對可旋轉(zhuǎn)鏡，或諸如共振掃描鏡等的其它旋轉(zhuǎn)機構(gòu))、分束器208、色散控制(DC)210、參考鏡(REF)212、激光器214(例如，由超連續(xù)譜源產(chǎn)生的，諸如連續(xù)波(CW)氬離子激光器等)、電荷耦合器件(CCD)照相機216(例如，二維CCD或諸如CMOS照相機等的其它檢測器)以及計算機或其它處理器218。

透鏡L1 202和L2 204將由激光器214產(chǎn)生的光束中繼到目標(biāo)瞳孔220上。分束器208與包括參考鏡212的具有色散控制210的參考臂一起工作，以調(diào)整來自激光器214的光束。光束由鏡子206引導(dǎo)通過透鏡202、204以沖擊瞳孔220。所獲得的圖像信息由CCD 216捕獲并轉(zhuǎn)發(fā)到計算機218。例如，計算機218可以被用于控制CCD 216和/或系統(tǒng)200的其它部件。

圖2(b)例示出使用系統(tǒng)200獲得的示例性照射光譜。圖2(c)示出了使用示例性系統(tǒng)200獲得的理論和實驗軸向分辨率的比較。

圖20提供了fOCT或vis-OCT配置的另一示例。在一些示例中，超連續(xù)譜源2097用于目標(biāo)的照射。在一些示例中，由于最小色散，可以采用開放空間邁克爾遜(Michelson)干涉測量配置。光束也可以被立方體分束器準(zhǔn)直并分裂到參考臂和樣品臂中。樣品臂可以包含用于操縱光束的二維電流計鏡，以及(可選地)用于將光束從電流計鏡中繼到目標(biāo)的0.2倍放大的開普勒望遠(yuǎn)鏡。參考臂可以包括色散控制玻璃板和用于例示出光束的鏡子。來自參考臂和樣品臂的兩個光束在分束器處重新組合并且可以由光纖收集。光纖可以將光傳送到光譜儀，該光譜儀可以由準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵、物鏡和線掃描CCD照相機2098(例如Balser，sprint slp2k)組成。照相機曝光和掃描電流計鏡可以通過模擬輸出卡同步。

本公開的裝置、方法、組合物、系統(tǒng)和藥劑盒可以使用適于OCT的任何光源，包括但不限于超連續(xù)譜激光器、超發(fā)光二極管、連續(xù)波激光器或超短脈沖激光器。光源可以用于產(chǎn)生一個或更多個低相干光束以照射目標(biāo)。在一些示例中，光源可以用于產(chǎn)生一定范圍的光束。在一些示例中，光源可以產(chǎn)生1到10個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生2到5個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生5到20個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生10到15個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生1到1000個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生10到1000個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生20到100個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生30到100個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生40到100個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生50到100個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生60到1000個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生70到100個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生1到80個光束之間的光束。在其它示例中，光源可以產(chǎn)生90到100個光束之間的光束。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，光束的數(shù)量可以落入由這些值中的任何值界定的任何范圍內(nèi)(例如從約1個光束到約1000個光束)。

通常，一個或更多個光束的波長范圍可以在約500nm至約620nm的范圍內(nèi)。在一些示例中，波長可以在200nm至600nm之間的范圍內(nèi)。在一些示例中，波長可以在300nm至900nm之間的范圍內(nèi)。在一些示例中，波長可以在500nm至1200nm之間的范圍內(nèi)。在一些示例中，波長可以在500nm至800nm之間的范圍內(nèi)。在一些示例中，一個或更多個光束的波長范圍可以具有在500nm、510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm、590nm、600nm、610nm和620nm處或附近的波長。通常，一個或更多個光束的波長范圍可以在200nm至1500nm的范圍內(nèi)。在一些示例中，一個或更多個光束的波長范圍可以在200nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在300nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在400nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在500nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在600nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在700nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在800nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在900nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在1000nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在1100nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在1200nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在1300nm至1500nm的范圍內(nèi)。一個或更多個光束的波長范圍可以在1300nm至1500nm的范圍內(nèi)。在一些示例中，fOCT和本公開的裝置、方法和系統(tǒng)包括波長在可見光譜或近紅外(NIR)光譜中的兩個或更多個光束。在一些示例中，fOCT包括具有在可見光譜和NIR光譜中的波長的光束。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，光的波長可落在由這些值中的任何值界定的任何范圍內(nèi)(例如，從約200nm光束到約1500nm光束)。

在一些示例中，fOCT可以包括多頻帶掃描。在一些示例中，頻帶可以包括在有界范圍內(nèi)包含光的連續(xù)波長的一個或多個波長范圍。在一些示例中，頻帶可以包括具有波長的上限和波長的下限的包含光的連續(xù)波長組的一個或更多個波長范圍。在一些示例中，頻帶內(nèi)的有界范圍可以包括本文所述的波長范圍。在一些示例中，fOCT可以包括重疊的頻帶。在一些示例中，fOCT可以包括基本上分離的頻帶。在一些示例中，頻帶可以部分重疊。在一些示例中，fOCT可以包括范圍從1個頻帶到100個頻帶的一個或更多個頻帶。在一些中，頻帶的數(shù)量可以包括1-5個頻帶。在一些中，頻帶的數(shù)量可以包括5-10個頻帶。在一些中，頻帶的數(shù)量可以包括10-50個頻帶。在一些中，頻帶的數(shù)量可以包括25-75個頻帶。在一些中，頻帶的數(shù)量可以包括25-100個頻帶。

通常，用于照射目標(biāo)的一個或更多個光束可以以任何合適的圖案配置。在一些示例中，光束可以是一個或更多個多邊形圖案。在一些示例中，照射圖案600(圖6)可以是一個或更多個光束610、620的矩形。在一些示例中，光束可以利用一個或更多個光束396和397作為一個或更多個圓(圖3)或者兩個或更多個同心圓395照射目標(biāo)。在一些示例中，可以基于要在目標(biāo)中成像的脈管或流體流量的圖案來選擇合適的圖案。例如，在視網(wǎng)膜中，發(fā)現(xiàn)血管以圓形圖案或基本上圓形的圖案徑向地在視盤周圍。例如，對于視網(wǎng)膜的fOCT成像，可以使用一個或更多個同心圓的光束或基本上圓形的光束照射目標(biāo)視網(wǎng)膜。在一些示例中，可以利用相同或不同的預(yù)定義掃描軌跡來執(zhí)行fOCT。在一些示例中，軌跡可以包括多邊形形狀。在一些示例中，軌跡可以同時或順序地施加到目標(biāo)。

此外，與其它OCT或成像方法相比，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)可以允許產(chǎn)生fOCT掃描的各種功率要求。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.01mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用大約0.8mW的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用大約0.5mW-0.8mW的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用大約0.1mW-1.2mW的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用大約0.2mW-1.5mW的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.01mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.02mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.03mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.04mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.05mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.06mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.07mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.08mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.09mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.1mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.2mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.3mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.4mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.5mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.6mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.7mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.8mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從0.9mW到1mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從1.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從2.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從3.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從4.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從5.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從10.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從20.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從30.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從50.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。在一些示例中，fOCT裝置被配置為用具有從75.0mW到100mW的功率范圍的光源照射目標(biāo)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，光源功率可以落入由這些值中的任何值界定的任何范圍內(nèi)(例如，從約0.01mW至約100mW)。

在一些示例中，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)允許配置fOCT裝置以比其它OCT或成像方法更快的速率獲取A掃描。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在1kHz至10,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在5kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在10kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在20kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在30kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在40kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在50kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在60kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在70kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在80kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在90kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在100kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在200kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在300kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在400kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在500kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在600kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在700kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在800kHz至1000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在900kHz至1,000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在1000kHz至10000kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在約35kHz至約70kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在約20kHz至約100kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在約75kHz至約200kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以在約100kHz至約500kHz的范圍內(nèi)。在一些示例中，A掃描獲取速率可以包括10kHz、15kHz、20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz、60kHz、70kHz、75kHz、80kHz、85kHz、90kHz或100kHz的頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，A掃描獲取頻率可以落入由這些值中的任何值界定的任何范圍內(nèi)(例如，從約1kHz至約10000kHz)。

每個B掃描可以具有多個A掃描，范圍從1個到1000個。在一些示例中，每個B掃描可以具有1-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有10-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有100-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，一個B掃描可以具有256個A掃描。在一些示例中，每個B掃描可以具有200-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有300-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有400-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有500-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有600-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有700-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有800-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有900-1000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有1000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有2000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有3000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有4000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有5000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有6000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有7000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有8000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，每個B掃描可以具有9000-10,000個A掃描的范圍。在一些示例中，一個B掃描可以包括2410個A掃描。在一些示例中，一個B掃描可以包括2500個A掃描。

在一些示例中，可以利用為了在目標(biāo)中量化3D成像而生成的1-100,000,000個A掃描的范圍來執(zhí)行fOCT。在一些示例中，生成的A掃描可以在100-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成的A掃描可以在1000-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成的A掃描可以在10000-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成的A掃描可以在100000-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成的A掃描可以在1000000-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成的A掃描可以在10,000,000-100,000,000個的范圍內(nèi)。在一些示例中，生成約65,000個A掃描用于在目標(biāo)中量化3D成像。在一些示例中，生成約50,000個A掃描用于在目標(biāo)中量化3D成像。在一些示例中，生成約75,000個A掃描用于在目標(biāo)中量化3D成像。在一些示例中，生成約25,000個A掃描用于在目標(biāo)中量化3D成像。

在一些示例中，除了fOCT成像之外，還可以使用用于收集心電圖(EKG)信號的EKG放大器。在一些示例中，當(dāng)配置用于血管的代謝成像的fOCT裝置時，EKG信號可能是有用的，例如圖20中所示的2099。EKG信號收集可以與模擬輸出卡的掃描同步，以使得EKG的收集和OCT圖像是同時的。在一些示例中，脈搏血氧計也可以與fOCT一起使用，如圖20中所示的2094。在一些示例中，幀捕獲器與fOCT一起使用，如圖20中所示的2096。在一些示例中，PC處理器(2095)或機器可以配置有fOCT。在一些示例中，PC計算機處理器可以包括但不限于個人計算機、大型機、蜂窩電話、移動裝置、可穿戴裝置或手表。

C、fOCT信號處理和量化

本公開的裝置、方法和系統(tǒng)根據(jù)如本文所描述的且在先前步驟中獲取的光學(xué)信息提供在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度進行量化3D成像。在一些示例中，從A掃描提取光學(xué)信息。與先前描述的成像方法不同，可以僅從OCT產(chǎn)生的光學(xué)信息中提取足以在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度進行量化3D成像的數(shù)據(jù)。另外，可以從相同的光學(xué)信息中提取在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度進行量化3D成像。在一些示例中，相同的光學(xué)信息可以是相同的A掃描。在一些示例中，來自單個或相同的A掃描的信息可用于在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度進行量化3D圖像。在一些示例中，在目標(biāo)中對流體的流速的量化3D成像以及對一種或更多種分析物的濃度的量化3D成像兩者同時或基本同時地發(fā)生。在一些示例中，同時(或基本上同時，考慮到一些數(shù)據(jù)傳輸、存儲和/或處理等待時間等)可以指并行(或基本上并行，考慮到一些數(shù)據(jù)傳輸、存儲和/或處理等待時間等)計算。在一些示例中，同時可以指利用相同的OCT裝置或相同的算法處理器進行的在目標(biāo)中對在相同系統(tǒng)中、相同目標(biāo)中存在的流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度的量化3D成像。

i、3D成像

圖14提供了用于在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度的量化3D成像的信號處理量化的方法的示例性處理方案。在某些示例中，獲得一個或更多個OCT掃描(1401)。然后從一個或更多個OCT掃描獲得原始光譜數(shù)據(jù)(1402)。然后獲得A掃描復(fù)反射系數(shù)(1403)。根據(jù)相同的A掃描復(fù)反射系數(shù)，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供目標(biāo)中的流體的流速的計算(1404)，以及目標(biāo)中的一種或更多種分析物濃度的計算(1405)?？梢曰谀繕?biāo)中流體的流速的計算來執(zhí)行目標(biāo)功能的變化的確定(1406)。

在下游量化過程要素(process element)之前，在一些示例中，配置有fOCT裝置的CCD照相機的一個或更多個曝光可以記錄干涉光譜。在一些示例中，在獲得A掃描之前執(zhí)行過程要素。在一些示例中，DC光譜背景可以為光譜信號的一部分或全部的平均。剩余的光譜可以以相等的間隔被重新采樣到k空間中。關(guān)于深度(“A線”或“A掃描”)的復(fù)反射系數(shù)信號可以通過對k空間光譜的快速傅里葉變換(FFT)獲得。可以針對本文所述的收集的A線的全部或一部分重復(fù)該過程。可以使用快速傅立葉變換(FFT)或任何合適的方法來生成3D復(fù)反射系數(shù)數(shù)據(jù)。在一些示例中，復(fù)反射系數(shù)的振幅可以用于獲得3D形態(tài)圖像。

ii、量化分析物濃度

本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供信號處理，其提供要從由fOCT生成的以及如本文所述的3D圖像量化的一種或更多種分析物濃度。一般來說，該方法包括：3D圖像脈管分割、光譜提取以及擬合。

在一些示例中，可以通過強度閾值來分割或識別包含流體的脈管。在一些示例中，脈管包括但不限于血管。在一些示例中，可以對每個B掃描圖像執(zhí)行強度直方圖調(diào)整以最大化對比度。接著，可以使用Otsu的方法計算全局圖像閾值，并且用于二值化一個或更多個圖像。在一些示例中，來自每個A掃描的第一非零邊界的深度位置可以被記錄為該點處的表面?？梢詫υ诖松珊兔枋龅腂掃描的全部或一部分重復(fù)相同的過程。

然后可以定位脈管的橫向坐標(biāo)?？梢圆扇木啾砻婕s150至200f.m深度的板(slab)的平均強度投影。在一些示例中，板的范圍可以從1f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從100f.m到400f.m。在一些示例中，板的范圍可以從100f.m到900f.m。在一些示例中，板的范圍可以從200f.m到800f.m。在一些示例中，板的范圍可以從300f.m到700f.m。在一些示例中，板的范圍可以從400f.m到600f.m。在一些示例中，板的范圍可以從200f.m到600f.m。在一些示例中，板的范圍可以從100f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從200f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從300f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從400f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從500f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從600f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從600f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從700f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從800f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從900f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從1000f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從1200f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從1300f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從1400f.m到10000f.m。在一些示例中，板的范圍可以從1500f.m到10000f.m。

接著，可以使用自適應(yīng)閾值處理過程來二值化圖像。為了消除噪聲，可以對具有3個像素弧度圓盤圖案的二值化圖像執(zhí)行圖像擴大和侵蝕處理。然后可以單獨分離和選擇每個脈管。然后可以記錄脈管的3D坐標(biāo)(軸向和橫向)，以進一步從這些脈管提取光譜。

在可以確定每個血管的3D坐標(biāo)之后，可以從原始數(shù)據(jù)中選擇相應(yīng)的干涉光譜，并且可以針對光譜提取和擬合執(zhí)行短時傅立葉變換(STFT)?？梢詰?yīng)用任何合適的高斯窗口大小。在一些示例中，k_w＝0.32f.m-1(在585nm下為17nm)可用于STFT中。在一些示例中，可以使用將軸向分辨率放松(relax)到至少9f.m.或至多9f.m。然后可以從脈管壁的底部獲取光譜。各種光譜擬合模型在本領(lǐng)域中是已知的。

通常，OCT信號可以通過與分析物有關(guān)的不同方程(equation)來建模。在一些示例中，分析物可以是氧、血紅蛋白、脫氧血紅蛋白或氧合血紅蛋白。例如，為了確定視網(wǎng)膜中的代謝功能，可以使用以下方程來對氧消耗進行建模：

I²＝I₀²R₀r exp[-2ndμ_HbO2(sO₂)-2ndμ_Hb(1-sO₂)]

其中I₀是視網(wǎng)膜上的入射強度。在一些示例中，可以忽略由眼晶狀體和玻璃體腔引起的光學(xué)衰減，并且因此可以將I₀視為源光譜；R₀是參考臂反射率；d[mm]是脈管直徑；r[無量綱(dimensionless)]是脈管壁處的反射率，其散射光譜可以被建模為在一階玻恩近似(Born approximation)r(A)AA下的冪次定律，其中，A是常數(shù)。光學(xué)衰減系數(shù)f.1[mm^-1]組合了流體的吸收(f.1a)和散射系數(shù)(f.1s)。在一些示例中，這可以是針對全血，其可以是波長和氧合依賴性的。在氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的示例中，下標(biāo)Hb和HbO₂分別表示脫氧血液和氧合血液的貢獻。然后，可以在光譜上使用數(shù)據(jù)的對數(shù)線性回歸以返回sO₂的值。任何合適的分析物的濃度都可以通過目標(biāo)中的3D成像量化獲得。

iii、流量量化

使用OCT量化流體流速的方法先前已經(jīng)描述并且是本領(lǐng)域已知的。在一些示例中，相位敏感多普勒OCT可以用于流量測量。相位是沿成像系統(tǒng)的光路長度的反射的高分辨率位置測量的一種類型，其是成像光的波長的一半的頻率的循環(huán)。成像波長的一半的深度位置變化將產(chǎn)生相同的相位測量。相位的變化與軸向流成比例，平行于由v(cosθ)指定的成像方向的流分量，其中，v是流體的速率，θ是流動方向與成像光之間的角度。

在來自兩個相鄰A線的相位敏感多普勒OCT信號中(圖15)，可以用于提取流體的速率，流體中的分析物的速率或流體粘度。在一些示例中，可以通過確定紅細(xì)胞的速率來測量血流。血流速率可以被表示為：

其中，f_sample是OCT A線掃描頻率；A₀[nm]是光源的中心波長；Δφ是相鄰A掃描之間的復(fù)反射系數(shù)的相移[弧度(radian)]；n是樣品的折射率；以及e[弧度]是多普勒角；血管與探測光之間的角度。投射到探測光束方向的速率vp與Δφ成正比，

總血流量等于速率和脈管橫截面積的乘積：

因此，血流的后處理可以包括以下步驟：計算投影血流速率v_p、多普勒角θ和脈管直徑Dia。

本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供利用用于量化一種或更多種分析物濃度的相同光學(xué)信息來用于流體流量計算。可以使用光學(xué)信息，或者，在一些示例中，可以使用來自干涉光譜的傅立葉變換的復(fù)反射系數(shù)A線信號。在一些示例中，相鄰A線之間的復(fù)信號的相位項的導(dǎo)數(shù)(derivative)可以用于量化脈管中的流體流量。在一些示例中，中值濾波器可以應(yīng)用在一個或更多個B掃描相位圖像上以去除椒鹽噪聲。Δφ通過每個脈管腔內(nèi)的相移的積分來計算。

在一些示例中，為了計算多普勒角，具有半徑r₁和r₂的雙圓掃描在兩個不同脈管中心點S(x₁,y₁,z₁)和E(x₂,y₂,z₂)處與脈管相交。脈管的方向可以表示為矢量ES：

在視網(wǎng)膜的fOCT的示例中，探測光的方向是NS’，其中，N是眼睛的交點(nodal point)。如果眼睛直徑為h，則N的坐標(biāo)為(0,0,h)，并且S’的坐標(biāo)為(x₁’,y₁’,0)。探測光方向為：

然后可以在給定所有矢量的坐標(biāo)的情況下計算多普勒角θ：

其中r₁和r₂分別是視網(wǎng)膜上的外部和內(nèi)部圓形掃描的半徑，并且<1和<2是圓形掃描的方位角。可以直接從B掃描OCT圖像測量z坐標(biāo)?？紤]到與眼球直徑(對于大鼠，h＝6mm)相比視網(wǎng)膜是薄的(200f.m)，E'和S'的坐標(biāo)可以表示為：

在一些示例中，可以使用水平地從<＝0到360度的圓形B掃描圖像。垂直軸z是深度，其中B掃描圖像的下邊界被設(shè)置為z＝0?？梢詮耐獠亢蛢?nèi)部掃描圓形B掃描圖像分割脈管?？梢詼y量z坐標(biāo)以及r_p1和r_p2。r₁和r₂可以通過以下公式計算：

r₁＝h·tan(φ₁)，r₂＝h·tan(φ₂)。

掃描角度φ_l和可以分別由電流計鏡設(shè)置為4度和6度。給定所有坐標(biāo)，可以根據(jù)以下公式計算多普勒角θ：

為了計算流量，也可以使用橫截面直徑和面積。脈管高度H可以從振幅B掃描圖像軸向獲得。血管的直徑Dia則可以等于：

Dia＝H×sin(θ)

并且可以求解出Dia。

如本文所述的分析物可以指適于成像的任何化學(xué)或生物化學(xué)部分。在一些示例中，這可以包括但不限于可適合成像以確定目標(biāo)功能的氧、血紅蛋白、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、葡萄糖、糖、血尿素氮、乳酸鹽、血細(xì)胞比容、生物標(biāo)志物、分子標(biāo)志物或核酸。分析物也可以是分子，包括但不限于：多肽、蛋白質(zhì)、抗體、酶、核酸、糖類、小分子、藥物等。

在一些示例中，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度的“無標(biāo)簽”量化3D成像。在該示例中，在不使用與分析物或目標(biāo)接觸的外源試劑的情況下計算分析物和流量。例如，已描述了多種成像方法，描述使用可結(jié)合到一種或更多種分析物的造影劑或附加化學(xué)標(biāo)志物或信號來量化分析物或流量。本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供成像系統(tǒng)，其中成像的一種或更多種分析物是無標(biāo)簽的。

然而，在一些示例中，一種或更多種造影劑可以與本公開的裝置、方法和系統(tǒng)結(jié)合使用。在該示例中，可以在沒有標(biāo)簽的情況下獲得在目標(biāo)中對流體的流速和一種分析物的濃度的量化3D成像，同時可以通過使一種或更多種分析物與諸如造影劑的外源試劑接觸來確定一種或更多種另外的分析物濃度。

目標(biāo)可以包括可包含待成像的流體的任何脈管或結(jié)構(gòu)，包括但不限于組織、健康組織、患病組織、視網(wǎng)膜、腫瘤、癌癥、生長、纖維瘤、病變、皮膚、粘膜內(nèi)層、器官、血液供應(yīng)以及一個或更多個血管。

在一些示例中，流體可以包括但不限于全血、血漿、血清、尿、精液、眼淚、汗液、唾液、淋巴液、胸腔積液、腹膜液、腦膜液、羊水、腺體液、脊髓液、結(jié)膜液、玻璃體、水、陰道液、膽汁、粘液、唾液和腦脊液。

iv、確定分析物和目標(biāo)功能的變化的速率

通常，本公開的裝置、方法和系統(tǒng)提供了確定分析物的濃度變化速率的方法?？梢栽谝粋€時間點或在一系列時間點上執(zhí)行量化成像目標(biāo)中的流體的流速以及目標(biāo)中的流體中的一種或更多種分析物的濃度。在一些示例中，可以在至少1毫秒、1秒、1分鐘、1小時、1天、1星期、1個月、1年和10年的時間段內(nèi)監(jiān)測目標(biāo)。在一些示例中，可以在至多1毫秒、1秒、1分鐘、1小時、1天、1星期、1個月、1年和10年的時間段內(nèi)監(jiān)測目標(biāo)。在一些示例中，可以監(jiān)測目標(biāo)20-60分鐘。在一些示例中，可以在1至5年內(nèi)監(jiān)測目標(biāo)。在一些示例中，可以監(jiān)測目標(biāo)1至60秒。在一些示例中，可以監(jiān)測目標(biāo)1毫秒至500毫秒。

在一些示例中，目標(biāo)功能可以包括但不限于生物標(biāo)志物或分析物的代謝活動、生物標(biāo)志物或分析物的代謝速率、生物標(biāo)志物或分析物的氧消耗、生物標(biāo)志物或分析物的組織消耗、病理生理改變、病理改變、組織改變(諸如組織重塑、一種或更多種血管的異常生長或異常組織生長)、壞死、細(xì)胞凋亡、壞死、血管生成、細(xì)胞增殖、神經(jīng)調(diào)節(jié)、神經(jīng)活性、傷口愈合、感染、燒傷、瘢痕、放射性損傷、缺氧、氧化應(yīng)激等。

在一些示例中，目標(biāo)功能的變化可以通過將來自在目標(biāo)中對流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度的3D成像的信息與參考進行比較來確定。在一些示例中，參考可包括但不限于健康圖像或來自健康對象的信息的平均值。在一些示例中，參考可以包括來自在不同時間生成的3D圖像的信息。在一些示例中，一個或更多個參考可與其它參考進行比較以確定一種或更多種分析物濃度的速率變化。

III、功能OCT和代謝活動

在一些示例中，fOCT可以具體用于一個或更多個組織的代謝成像。在某些示例中，代謝成像可以提供關(guān)于對象中組織的健康狀態(tài)的診斷信息。

使用圖2(a)的示例性系統(tǒng)200，可見光光學(xué)相干斷層成像(vis-OCT)可以通過并行測量來自視網(wǎng)膜循環(huán)的血流和sO₂來量化體內(nèi)rMRO₂。使用OCT光譜分析，可以在體內(nèi)測量sO₂。3D成像能力使得vis-OCT具體地能夠從血管中恢復(fù)光譜并消除來自其它視網(wǎng)膜層的混雜信號。代謝速率rMRO₂可以通過將sO₂測量與OCT流量測量相結(jié)合來獲得。

在操作中，例如，可以通過使聚焦的寬帶激光穿過視網(wǎng)膜來掃描視網(wǎng)膜的三維(3D)結(jié)構(gòu)，以提供橫向(x，y)鑒別?；诜瓷涔馀c參考光之間的干涉來重建深度(z)處的反射率(A線)。

每個3D測量(例如，x,y,z中的2.8mm×2.8mm×1mm)可以僅以高幀速率(例如，98fps)進行幾秒(例如2.5s)，允許用高時間分辨率監(jiān)測rMRO₂。為了量化rMRO₂(例如，每單位時間消耗的氧氣的氣體體積，mL/min)，從視網(wǎng)膜循環(huán)測量兩個參數(shù)：總視網(wǎng)膜血流量F[J.L/min]和相對sO₂[百分比]?？梢愿鶕?jù)以下方程計算rMRO₂：

其中，C_Hb是血紅蛋白濃度[g/J.L]，并且1.34是血紅蛋白的氧結(jié)合能力[mL/g]。下標(biāo)w和v表示動脈和靜脈sO₂。血流是橫截面脈管面積(s)和速率(v)的乘積，其中s是根據(jù)斷層掃描圖像計算的，v是基于來自移動血細(xì)胞的相位變化測量的。sO₂的對比度來自例如氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的不同吸收光譜。通過擬合從血管提取的血液光譜，例如可以計算總血紅蛋白中氧合血紅蛋白的百分比(按照定義為sO₂)。

在操作中，某些示例提供了實現(xiàn)代謝成像的雙光束掃描方法。使用可見光生成第一光束，并且使用NIR光生成第二光束?？梢姽釵CT束測量sO₂，并且NIR光OCT束測量血流量。雙光束OCT系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的掃描圖案可以以多種方式設(shè)計。圖2(a)提供了能夠生成和測量各種波束圖案和所獲得的照射的一個示例性系統(tǒng)200。例如，圖3示出了圓形雙光束掃描方法395。如圖3的示例所示，第一光束396是用于測量目標(biāo)瞳孔中的sO₂的可見光束，并且第二光束397是用于測量瞳孔中的血流量的近紅外光束。使用雙光束圓形掃描方法，光束396、397圍繞視盤(ONH)以圓周運動移動。因為視網(wǎng)膜血管從ONH徑向延伸，所以光束的每個圓圈穿過附接到視網(wǎng)膜的所有動脈和靜脈并且使得能夠捕獲全部視網(wǎng)膜血流量。在兩個圓形掃描之間的脈管的位移也為絕對流量提供脈管方向性。例如，高速掃描還便于捕獲血流的脈動圖譜。

圖4例示出了設(shè)計有作為基于開放空間的系統(tǒng)的一個OCT和作為基于光纖的系統(tǒng)的另一個OCT的另選雙光束圓形掃描系統(tǒng)400。示例系統(tǒng)400包括控制兩個光譜儀402、404以分析由超連續(xù)譜激光器406產(chǎn)生的照射的計算機或其它處理器401。激光器406使用濾波器408，其將激光分離成可見光410和NIR 412波長。

可見光束410被引導(dǎo)通過分束器415，并且利用例示出的DC 413、光圈414和鏡子416從熱鏡(HM)418調(diào)節(jié)到XY掃描鏡420并且到目標(biāo)眼睛440上。NIR光束412穿過光纖422，并且使用偏振控制(PC)424、DC 426、光圈428和鏡子430的組合來進行調(diào)節(jié)。NIR光束412通過XY掃描鏡432例示出到HM 418，然后經(jīng)由XY掃描鏡420到目標(biāo)眼睛440上。

圖5例示出了設(shè)計有兩個基于OCT的光纖的系統(tǒng)的另選雙光束圓形掃描系統(tǒng)500。示例系統(tǒng)500包括控制兩個光譜儀502、504以分析由超連續(xù)譜激光器506產(chǎn)生的照射的計算機或其它處理器501。激光器506使用濾波器508，其將激光分離成可見光510和NIR 512波長。

可見光束510通過光纖514被引導(dǎo)到HM 516。可見光510利用PC 518、DC 520、光圈522和鏡子524來進行調(diào)節(jié)?？梢姽?10從HM 516引導(dǎo)到XY掃描鏡526并到達(dá)目標(biāo)540上。NIR光束512穿過光纖528，并且使用偏振控制(PC)530、DC 532、光圈534和鏡子536的組合來進行調(diào)節(jié)。NIR光束512被XY掃描鏡538反射到HM516，并然后經(jīng)由XY掃描鏡526反射到目標(biāo)540上。

雖然示例系統(tǒng)500和600實現(xiàn)代謝OCT的相同目的，但系統(tǒng)500、600使用不同的vis-OCT設(shè)計實現(xiàn)該結(jié)果。基于雙光纖OCT的系統(tǒng)600可以比系統(tǒng)500更緊湊，但是兩個系統(tǒng)500、600的輸出之間的數(shù)據(jù)處理是等效的。系統(tǒng)200、500、600中的任一個都可以用于實現(xiàn)各種波束圖案，但是系統(tǒng)200更適合于圓形波束圖案300。

圖6示出了另選的雙光束線性掃描方法600。如圖6的示例所示，第一光束610是用于測量目標(biāo)瞳孔中的sO2的可見光束，并且第二光束620是用于測量瞳孔中的血流量的近紅外光束。每個光束610、620沿著單獨的路徑移動以掃描視網(wǎng)膜血管的一部分。示例系統(tǒng)200、400、500中的任一個都可以用于執(zhí)行區(qū)別(distinctive)路徑雙光束方法600。

圖7示出了另選的雙光束線性掃描方法700。如圖7的示例所示，第一光束710是用于測量目標(biāo)瞳孔中的sO₂的可見光束，并且第二光束720是用于測量瞳孔中的血流量的近紅外光束。在示例方法700中，光束710和720沿著被隔開確定的距離的相同路徑移動，以掃描視網(wǎng)膜血管的一部分。示例系統(tǒng)200、400、500中的任一個都可以用于執(zhí)行空間分離雙波束方法700。

圖8例示出了另選的雙光束圓形掃描系統(tǒng)800。雙光束圓形掃描系統(tǒng)800包括作為基于開放空間的系統(tǒng)的一個OCT和作為基于光纖的系統(tǒng)的另一個OCT，并且代表系統(tǒng)400的設(shè)計的變型。具體來說，示例系統(tǒng)800不使用HM 412和第二XY掃描單元432，而是僅使用一個XY掃描單元820，并且替代地使用楔形棱鏡850和第三鏡子852來將可見光810和NIR光束812經(jīng)由XY掃描單元820引導(dǎo)到目標(biāo)840。

圖9例示出了示例性雙光束圓形掃描系統(tǒng)900。雙光束圓形掃描系統(tǒng)900包括兩個基于光纖的OCT，并且代表系統(tǒng)500的設(shè)計的變型。具體來說，示例系統(tǒng)900不使用HM 516和第二XY掃描單元538，而是僅使用一個XY掃描單元920，并且替代地使用楔形棱鏡950和第三鏡子952來將可見光910和NIR光束912經(jīng)由XY掃描單元920引導(dǎo)到目標(biāo)940。

圖10(a)至圖10(d)示出了使用可見光OCT從對象的眼睛無創(chuàng)地獲取的示例性sO2信息。圖10(a)以反向?qū)Ρ鹊幕叶蕊@示眼底圖像。明亮的血管結(jié)構(gòu)對應(yīng)于血液中的強光學(xué)衰減。

為了比較，將3D OCT體積分段并用于投射平均強度。圖10(b)例示出了所獲得的相對于眼睛的微脈管系統(tǒng)的增強的對比。此外，可以量化主要脈管中的平均sO2值，獲得如圖10(b)所示的sO2偽色圖疊加。

在圖10(a)的示例中，在視盤周圍采用圓形掃描圖案(例如，利用4096A線)來對眼睛中的所有主要血管進行取樣。圖10(c)表示展開成B掃描圖像的圖10(a)的圓形掃描，其中脈管指數(shù)對應(yīng)于圖10(a)中的圓形掃描上的數(shù)字。各個脈管中的sO2值在圖10(d)中示出。在彩色圖像中，紅色和藍(lán)色可分別標(biāo)記動脈和靜脈。

圖11(a)至圖11(g)示出了通過雙掃描NIR光OCT獲得的示例性血流速率和流量測量信息。圖11(a)示出了光譜域光學(xué)相干斷層成像(SD-OCT)的示例性視網(wǎng)膜眼底圖像。白色環(huán)表示進行雙光束激光掃描的位置，每對包括一個大圓掃描和一個小圓掃描。圖11(b)示出了樣品幅度SDOCT圖像。圖11(c)示出了圖11(b)的對應(yīng)相位SD-OCT圖像。

圖11(d)表示血管的多普勒角。圖11(d)的上部示出了一個樣品脈管的多普勒角(在圖11(c)中的黑色虛線內(nèi)所表示的)。圖11(d)的下部提供了8對數(shù)據(jù)的多普勒角的統(tǒng)計結(jié)果。

圖11(e)提供了樣品脈管內(nèi)(例如，在圖11(c)中的黑色虛線正方形內(nèi))的血流速率的分析。圖11(e)的上部示出了整個樣品脈管的速率分布。圖11(e)的下部示出了沿圖11(e)中的虛線所表示的方向的橫向速率分布。在圖11(e)的示例中，通過二次函數(shù)擬合原始數(shù)據(jù)。

圖11(f)示出了在8對數(shù)據(jù)中12個視網(wǎng)膜脈管的血流速率的示例性統(tǒng)計結(jié)果。圖11(g)示出了在8對數(shù)據(jù)的視網(wǎng)膜靜脈和動脈中的血流量的示例性統(tǒng)計結(jié)果。在圖11(g)的示例中，每個條為200μm。

因此，某些示例基于描述來自全血的散射和吸收以及血管散射的綜合分析模型，通過vis-OCT提供體內(nèi)視網(wǎng)膜血氧定量法。氧消耗基于血流速率和基于用可見光和NIR光的同時掃描的氧飽和率(sO2)的變化。然后可以導(dǎo)出視網(wǎng)膜代謝速率。某些示例提供參數(shù)測量，而不是估計。某些示例提供與目標(biāo)視網(wǎng)膜相關(guān)聯(lián)的血管中的總血流量和/或局部血流量。

微脈管系統(tǒng)可視化1322還可以基于體積數(shù)據(jù)集和先前計算的表面形貌來確定。根據(jù)3D體積數(shù)據(jù)集(例如，距離視網(wǎng)膜表面150至200！Jm深)切割板，并且從所述板生成2D平均強度投影圖。接著，用徑向圓盤圖案(例如，3個像素)執(zhí)行形態(tài)學(xué)閉合以獲得不均勻強度背景。然后，通過該背景對2D平均強度投影圖進行標(biāo)準(zhǔn)化，以增強與微脈管系統(tǒng)的對比度。

IV、醫(yī)學(xué)應(yīng)用

在各種示例中，一個或更多個fOCT圖像可以提供可以根據(jù)其來進行診斷和/或評估的數(shù)據(jù)。在一些示例中，這樣的測定可涉及生物組織結(jié)構(gòu)、脈管系統(tǒng)和/或微循環(huán)。例如，在一些示例中，生物組織的3D體內(nèi)成像以及量化通過其中各個脈管的血流量可用于理解許多疾病發(fā)展和治療之后的機理，包括例如缺血、變性、創(chuàng)傷、癲癇發(fā)作和各種其它神經(jīng)疾病。在其它示例中，本文所公開的OCT圖像和技術(shù)可用于識別癌癥、腫瘤、癡呆和眼科疾病/病癥(包括例如青光眼、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性)。此外，在各種示例中，如本文所公開的OCT技術(shù)可用于內(nèi)窺鏡成像或其它內(nèi)部醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在一些示例中，fOCT可用于分級治療方案，諸如個性化或定制患者治療特定治療方案。在一些示例中，fOCT可用作針對一種或更多種藥物的伴隨診斷。在一些示例中，fOCT還可用于在監(jiān)測疾病期間評估藥物治療的功效。在一些示例中，fOCT還可用于在藥物開發(fā)期間篩選藥物功效。前述診斷和/或評估的例示性示例是示例性的，并因此本發(fā)明的示例不限于所討論的示例。

A、fOCT和醫(yī)療決策

在一些示例中，fOCT可用于提供醫(yī)療決策。在一些示例中，醫(yī)療決策可以包括但不限于治療步驟、診斷、監(jiān)測、隨訪、評估、診斷確認(rèn)、預(yù)后、為患者選擇藥物、將藥物治療改變?yōu)榱硪环N藥物、停止藥物治療、改變治療或藥物劑量、增加或減少治療或藥物施用的頻率、或建議進一步評估。在一些示例中，醫(yī)療決策可以是外科工具或外科手術(shù)的指導(dǎo)。在一些示例中，醫(yī)療決策可以是布置一個或更多個醫(yī)療器械或工具，諸如布置支架或布置縫合線。在一些示例中，醫(yī)療決策可以是在切除腫瘤時確定手術(shù)切緣。

B、分子標(biāo)志物、造影劑和體液

在一些示例中，fOCT可用于檢測或量化可能與疾病相關(guān)聯(lián)的多種分子標(biāo)志物。本文所定義的術(shù)語分子標(biāo)志物包括但不限于可能需要跟蹤其分布或識別的分子或生物分子、全細(xì)胞或商業(yè)上重要的基質(zhì)(substrate)。分子和生物分子包括核酸、肽、蛋白質(zhì)、寡糖、脂質(zhì)、抗原和小分子。商業(yè)上重要的基質(zhì)包括但不限于有機和無機聚合物、小分子或化學(xué)部分(chemical moieties)或由其制成的產(chǎn)物。在一些示例中，分子標(biāo)志物可包括但不限于氧、血紅蛋白、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、葡萄糖、糖、血尿素氮、乳酸鹽、血細(xì)胞比容、生物標(biāo)志物以及核酸。

在一些示例中，一種或更多種造影劑可以與本公開的裝置、方法和系統(tǒng)結(jié)合使用。通常，本公開提供目標(biāo)中流體的流速以及一種或更多種分析物的濃度的量化，其中至少一種分析物不與外源試劑相接觸。在其它示例中，可以包括造影劑或標(biāo)簽以除了對流體的流速以及未與造影劑或標(biāo)記物接觸的一種或更多種分析物的濃度的量化之外，或者與對流體的流速以及未與造影劑或標(biāo)簽接觸的一種或更多種分析物的濃度的量化相結(jié)合，量化一種或更多種分析物。

本領(lǐng)域已知，許多類型的造影劑和標(biāo)簽可用于檢測和量化不同的分析物。在一些示例中，造影劑、外源試劑可以是可以提供光譜信號以使得通過OCT能夠掃描和量化分析物或流速的任何合適的化學(xué)制品、部分(moiety)或分子。在一些示例中，造影劑或標(biāo)簽可以包括化學(xué)連接的部分、配體、抗體、小分子、有機分子、放射性探針、核酸等。

在一些示例中，可以在一種或更多種體液中測定一種或更多種分子標(biāo)志物的濃度。一般來說，任何體液都可適于用fOCT成像。在一些示例中，體液可包括但不限于全血、血漿、血清、尿、精液、眼淚、汗液、唾液、淋巴液、胸腔積液、腹膜液、腦膜液、羊水、腺體液、脊髓液、結(jié)膜液、玻璃體、水、陰道液、膽汁、粘液、唾液和腦脊液。

C、治療決策的分級

所提供的公開的方法可以包括使用在目標(biāo)中確定的一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)來針對對象分級(排序)治療選項。在一些示例中，治療可以包括如本文所描述的任何醫(yī)療決策。在一些示例中，可基于由fOCT確定的信息對一種或更多種藥物進行分級。藥物治療的分級可以基于關(guān)于分子標(biāo)志物的科學(xué)信息。例如，科學(xué)信息可以是來自一個或更多個科學(xué)期刊(例如，新英格蘭醫(yī)學(xué)期刊(New England Journal of Medicine)(NEJM)、Lancet等)中公開的一個或多個研究的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)信息可以是在商業(yè)數(shù)據(jù)庫中提供的數(shù)據(jù)(例如，存儲在由 Systems提供的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù))。一個或更多個科學(xué)信息可以用于對治療進行分級。在一些示例中，數(shù)據(jù)或科學(xué)信息可能不被公布。在一些示例中，數(shù)據(jù)或科學(xué)信息被保持在私人數(shù)據(jù)庫中，并且用于跨選擇的患者或患者子群的比較。

i、藥物類別

藥物治療選擇方案可以基于目標(biāo)中的一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)分成幾類。例如，第一類藥物治療選擇方案可以是科學(xué)信息預(yù)測藥物對于其目標(biāo)具有特定狀態(tài)的一種或更多種分子標(biāo)志物的對象將是有效的那些選擇方案。這第一類的藥物可以是為對象推薦的藥物治療選擇方案。

第二類藥物治療選擇方案可以是一些科學(xué)信息預(yù)測藥物對具有特定狀態(tài)的一種或更多種分子標(biāo)志物的對象將是有效的那些選擇方案，并且基于來自對象的樣品中特定狀態(tài)的一種或更多種分子標(biāo)志物，一些科學(xué)信息不支持對對象使用藥物。例如，樣品可能包含其狀態(tài)指示藥物在對象中將是有效的標(biāo)志物和或者可能指示藥物對該對象而言還將具有毒性作用的另一種標(biāo)志物(例如，指示特定疾病狀態(tài)或階段的特定代謝圖譜)。

該第二類還可以包括針對藥物在對象中的功效有間接科學(xué)支持的藥物(例如，藥物靶向與目標(biāo)中分子標(biāo)志物在相同的分子途徑中的蛋白質(zhì))。例如，該類中的藥物可靶向在VEGF的過表達(dá)變體的下游起作用的激酶，該激酶與通過fOCT確定的目標(biāo)中的較高代謝速率相關(guān)。該第二類中的藥物可以是為對象推薦的藥物治療選擇方案。

第三類藥物可以是針對該第三類藥物基于來自對象的樣品中的一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)，科學(xué)信息指示藥物在對象中將是無效的那些藥物。例如，如果由fOCT成像提供的信息如果功效不相關(guān)的話，靶向細(xì)胞表面受體的藥物可能不顯示功效?？梢酝扑]不用該第三類中的藥物治療對象。

藥物治療選擇方案可以使用基于算法的方法進行分級。確定患者樣品中一種或更多種分子標(biāo)志物的狀態(tài)。針對與分子標(biāo)志物的狀態(tài)以及一種或更多種不同藥物的功效相關(guān)的信息，分析關(guān)于一個或更多個對象的一個或更多個相似目標(biāo)的科學(xué)文獻或策展(curated)fOCT掃描的數(shù)據(jù)庫。如果分子標(biāo)志物的狀態(tài)與藥物的功效相關(guān)，則可以建議用該藥物治療該對象。如果分子標(biāo)志物的狀態(tài)與藥物的功效不相關(guān)，則可以建議不用該藥物治療該對象。計算機和計算機可讀介質(zhì)可以用于對藥物治療選擇方案進行分級。

可以以報告的形式提供分級藥物治療選擇方案的列表。藥物治療選擇方案的分級可以通過顏色編碼來指示。例如，第一類藥物可以用綠色進行顏色編碼，第二類藥物可以用黃色進行顏色編碼，第三類藥物可以用紅色進行顏色編碼。

針對對象的藥物治療選擇方案的推薦可以基于疾病的階段(例如對象的癌癥，例如晚期癌癥、AMD、晚期AMD)。藥物治療選擇方案也可以基于其它因素進行分級，例如疾病的類型、對象的年齡、藥物代謝基因(參與吸收、分布、代謝和排泄的基因)的狀態(tài)、患者已接收的其它藥物的功效、關(guān)于對象的臨床信息以及家族病史。

在一些示例中，特定類別的藥物可用于治療。在一些示例中，當(dāng)fOCT用于確定組織的代謝速率是異常血管增殖或減少的結(jié)果時，已知影響血液脈管系統(tǒng)的藥物可能是合適的。在一些示例中，這可包括但不限于血管生成抑制劑，例如VEGF(脈管內(nèi)皮生長因子)途徑抑制劑、例如本文所描述的VEGF途徑(pathway)抑制劑、例如VEGF抑制劑、例如小分子抑制劑、蛋白，例如融合蛋白(例如，阿柏西普(aflibercept))或針對VEGF的抗體、例如貝伐單抗(bevacizumab)；或者VEGF受體抑制劑(例如VEGF受體1抑制劑或VEGF受體2抑制劑)，例如小分子抑制劑、例如索拉非尼(sorafenib)、舒尼替尼(sunitinib)、帕唑帕尼(pazopanib)或布洛尼尼(brivanib)或抗VEGF受體的抗體。

B、疾病

fOCT可用于與多種疾病相關(guān)的醫(yī)學(xué)決策。這些可包括神經(jīng)疾病，其可包括但不限于癡呆、腦震蕩、阿爾茨海默氏病、帕金森病、周圍神經(jīng)病、癲癇和多發(fā)性硬化。在一些示例中，這些可包括脈管疾病，包括但不限于糖尿病、外周血管疾病、中風(fēng)、心血管疾病、心肌梗塞和動脈瘤。

在一些示例中，fOCT可用于為眼部疾病提供醫(yī)療決策，所述眼部疾病可包括但不限于常染色體性視網(wǎng)膜色素變性、常染色體顯性白點狀視網(wǎng)膜炎(autosomal dominant retinitis punctual albescens)、中心凹蝶形色素上皮營養(yǎng)不良(butterfly-shaped pigment dystrophy of the fovea)、成人型卵黃性黃斑營養(yǎng)不良、諾里氏病(Norrie's disease)、藍(lán)色錐體性全色盲、無脈絡(luò)膜癥(choroideremia)、回旋形萎縮、年齡相關(guān)性黃斑變性、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤、前和后葡萄膜炎、視網(wǎng)膜血管疾病、白內(nèi)障、角膜營養(yǎng)不良、視網(wǎng)膜脫離、虹膜變性和萎縮以及糖尿病性視網(wǎng)膜病變、單純皰疹病毒感染、巨細(xì)胞病毒、過敏性結(jié)膜炎、干眼癥、溶酶體貯積病、糖原貯積病、膠原蛋白病(disorders of collagen)、糖胺聚糖和蛋白聚糖疾病(disorders of glycosaminoglycans and proteoglycans)、括約肌脂質(zhì)沉積(sphinogolipodoses)、粘脂脂癥、氨基酸代謝障礙、甲狀腺功能障礙性眼病(dysthyroid eye diseases)、前角膜和后角膜營養(yǎng)不良、視網(wǎng)膜感光器障礙、角膜潰瘍以及眼傷口。

在一些示例中，fOCT可用于與癌癥相關(guān)的醫(yī)療決策，例如急性骨髓性白血病；膀胱癌，包括上尿路腫瘤和前列腺的尿路上皮癌；骨癌，包括軟骨肉瘤、尤文氏肉瘤和骨肉瘤；乳腺癌，包括非侵入性、侵入性、葉狀腫瘤、佩吉特氏病(Paget's disease)和妊娠期乳腺癌；中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌、成人低級浸潤性上皮內(nèi)星形細(xì)胞瘤(adult low-grade infiltrative supratentorial astrocytoma)/少突神經(jīng)膠質(zhì)瘤、成人顱內(nèi)室管膜瘤、間變性星形細(xì)胞瘤/間變性少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤/多形性成膠質(zhì)細(xì)胞瘤、有限的(1-3)轉(zhuǎn)移性病變、多發(fā)性(>3)轉(zhuǎn)移性病變、癌性淋巴瘤性腦膜炎、非免疫抑制原發(fā)性CNS淋巴瘤和轉(zhuǎn)移性脊柱腫瘤；宮頸癌；慢性粒細(xì)胞白血病(CML)；結(jié)腸癌、直腸癌、肛門癌；食道癌；胃部(胃)癌；頭頸部癌，包括篩竇瘤、上頜竇腫瘤、唾液腺腫瘤、唇癌、口腔癌、口咽癌、下咽癌、隱匿性原發(fā)癌、聲門性喉癌、聲門上型喉癌、鼻咽癌和晚期頭頸癌；肝膽癌，包括肝細(xì)胞癌、膽囊癌、肝內(nèi)膽管癌和肝外膽管癌；霍奇金病/淋巴瘤；腎癌；黑素瘤；多發(fā)性骨髓瘤、系統(tǒng)性輕鏈淀粉樣變性、瓦爾登斯特倫氏巨球蛋白血癥(Waldenstrom's macroglobulinemia)；骨髓增生異常綜合征；神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤，包括多發(fā)性內(nèi)分泌瘤(1型)、多發(fā)性內(nèi)分泌瘤(2型)、類癌瘤、胰島細(xì)胞瘤、嗜鉻細(xì)胞瘤、低分化/小細(xì)胞/非典型肺類癌；非霍奇金淋巴瘤，包括慢性淋巴細(xì)胞性白血病/小淋巴細(xì)胞性淋巴瘤、濾泡性淋巴瘤、邊緣區(qū)淋巴瘤、套細(xì)胞淋巴瘤、彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤、伯基特淋巴瘤、成淋巴細(xì)胞淋巴瘤、AIDS相關(guān)B細(xì)胞淋巴瘤、外周T細(xì)胞淋巴瘤和蕈樣真菌病/Sézary綜合征；非黑素瘤皮膚癌，包括基底和鱗狀細(xì)胞皮膚癌、隆突皮膚纖維肉瘤、梅克爾細(xì)胞癌；非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)，包括胸腺惡性腫瘤；隱匿的主卵巢癌，包括上皮性卵巢癌、邊緣性上皮性卵巢癌(低惡性潛能)和較不常見的卵巢組織學(xué)；胰腺腺癌；前列腺癌；小細(xì)胞肺癌和肺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤；軟組織肉瘤，包括軟組織末端、腹膜后、腹內(nèi)肉瘤和硬纖維瘤；睪丸癌；胸腺惡性腫瘤，包括甲狀腺癌，結(jié)節(jié)評估、乳頭狀癌、濾泡癌、Hürthle細(xì)胞腫瘤、髓樣癌和退行性癌；子宮腫瘤，包括子宮內(nèi)膜癌和子宮肉瘤。

藥物篩選和開發(fā)的方法

所提供的本公開的裝置、方法和系統(tǒng)還可以包括用于研究藥物對樣品或測試對象的功效的裝置。通常，fOCT的裝置和方法可以用于藥物的平臺篩選，藥物可以包括生物制劑或小分子。在一些示例中，fOCT可用于確定潛在藥物目標(biāo)的功效，其可被設(shè)計為增加或減少目標(biāo)中的特定分子標(biāo)志物或分析物。例如，如果篩選用于視網(wǎng)膜中的VEGF抑制劑，則fOCT可用于評估候選分子的潛在功效、毒性和劑量。

在一些示例中，樣品可以包括體外培養(yǎng)的組織移植物、收獲的移植物(例如來自尸體或人工生長的組織)。在一些示例中，測試對象可以包括動物或轉(zhuǎn)基因的生物體。在一些示例中，轉(zhuǎn)基因的生物體可展現(xiàn)一種或更多種測試藥物功效的疾病狀態(tài)或癥狀。所提供的方法還可以包括對FDA批準(zhǔn)的脫標(biāo)標(biāo)記藥物、實驗藥物、治療方案或藥物試劑的高通量篩選。

V、用于fOCT的軟件和計算機系統(tǒng)

在各種示例中，某些方法和系統(tǒng)可以進一步包括計算機系統(tǒng)上的軟件程序及其使用。因此，用于諸如激光系統(tǒng)操作、流體控制功能和/或數(shù)據(jù)獲取步驟的系統(tǒng)功能的同步的計算機化控制在本發(fā)明的范圍內(nèi)。計算機系統(tǒng)可以被編程為控制將樣品輸送到檢測系統(tǒng)的定時和協(xié)調(diào)，以及控制用于將所選樣品轉(zhuǎn)移到不同流路中的機構(gòu)。在本發(fā)明的一些示例中，計算機還可以被編程為存儲從檢測系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)和/或處理數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析和顯示。

圖25中所例示的計算機系統(tǒng)2500可以被理解為可以從媒體2511和/或網(wǎng)絡(luò)端口2505讀取指令的邏輯設(shè)備，其可以可選地連接到具有固定媒體2512的服務(wù)器2509。如圖25所示的系統(tǒng)可以包括CPU 2501、磁盤驅(qū)動器2503、諸如鍵盤2515和/或鼠標(biāo)2516的可選輸入裝置以及可選的監(jiān)視器2507。數(shù)據(jù)通信可以通過指示的通信介質(zhì)實現(xiàn)到本地或遠(yuǎn)程位置處的服務(wù)器。通信介質(zhì)可以包括發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)的任何裝置。例如，通信介質(zhì)可以是網(wǎng)絡(luò)連接、無線連接或因特網(wǎng)連接。這種連接可以提供通過萬維網(wǎng)的通信?？梢韵胂螅梢酝ㄟ^這樣的網(wǎng)絡(luò)或連接來發(fā)送與本公開相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便由用戶方(party)2522接收和/或?qū)彶?，如圖25所示。

圖29是例示出可以結(jié)合本發(fā)明的示例性示例使用的計算機系統(tǒng)100的第一示例性架構(gòu)的框圖。如圖29所示，示例計算機系統(tǒng)可以包括用于處理指令的處理器102。處理器的非限制性示例包括：Intel XeonTM處理器、AMD OpteronTM處理器、三星32位RISC ARM 1176JZ(F)-S vl.OTM處理器、ARM Cortex-A8三星S5PC100TM處理器、ARM Cortex-A8蘋果A4TM處理器、Marvell PXA 930TM處理器或功能等效的處理器。多個執(zhí)行線程可以用于并行處理。在一些示例中，還可以使用多個處理器或具有多個核的處理器，無論是在單個計算機系統(tǒng)中、在集群中的，還是在通過包括多個計算機、蜂窩電話和/或個人數(shù)據(jù)助理裝置的網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)(distributed across systems)中。

如圖29所例示，高速緩存104可以連接到處理器102或并入處理器102中，以為被處理器102最近或頻繁使用的指令或數(shù)據(jù)提供高速存儲器。處理器102通過處理器總線108連接到北橋106。北橋106通過存儲器總線112連接到隨機存取存儲器(RAM)110，并且管理由處理器102對RAM 110的訪問。北橋106還通過芯片組總線116連接到南橋114。南橋114進而連接到外圍總線118。外圍總線可以是例如PCI、PCI-X、串行總線(PCI Express)或其它外圍總線。北橋和南橋通常被稱為處理器芯片組，并且管理處理器、RAM和外圍總線118上的外圍組件之間的數(shù)據(jù)傳輸。在一些另選架構(gòu)中，北橋的功能可以并入處理器中，而不是使用單獨的北橋芯片。

在一些示例中，系統(tǒng)100可以包括附接到外圍總線118的加速器卡122。加速器可以包括現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或用于加速某些處理的其它硬件。例如，加速器可以用于自適應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)或者用于評估在擴展集處理中使用的代數(shù)表達(dá)式。

軟件和數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器124中，并且可以被加載到RAM 2910和/或高速緩存104中以供處理器使用。系統(tǒng)100包括用于管理系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)的非限制性示例包括：Linux、WindowsTM、MACOSTM、BlackBerry OSTM、iOSTM和其它功能等效的操作系統(tǒng)，以及在操作系統(tǒng)之上運行的、用于根據(jù)當(dāng)前公開的技術(shù)的示例性示例來管理數(shù)據(jù)存儲和優(yōu)化的應(yīng)用軟件。

在該示例中，系統(tǒng)100還包括連接到外圍總線用于提供到外部存儲器(諸如網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)和可用于分布式并行處理的其它計算機系統(tǒng))的網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)120和121。

圖30是示出具有多個計算機系統(tǒng)3002a和3002b、多個蜂窩電話和個人數(shù)據(jù)助理3002c、以及網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)3004a和3004b的網(wǎng)絡(luò)3000的圖。在示例性示例中，系統(tǒng)3002a、3002b和3002c可以管理數(shù)據(jù)存儲并且優(yōu)化對存儲在網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)3004a和3004b中的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)訪問。數(shù)學(xué)模型可以用于數(shù)據(jù)并且可以使用跨計算機系統(tǒng)3002a和3002b以及蜂窩電話和個人數(shù)據(jù)助理系統(tǒng)3002c的分布式并行處理來進行評估。計算機系統(tǒng)3002a和3002b以及蜂窩電話和個人數(shù)據(jù)助理系統(tǒng)3002c還可以為存儲在網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)3004a和3004b中的數(shù)據(jù)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)提供并行處理。圖30僅例示出了一個示例，并且各種各樣的其它計算機架構(gòu)和系統(tǒng)可以結(jié)合當(dāng)前公開的技術(shù)的各種示例來使用。例如，刀片式服務(wù)器可以用于提供并行處理。處理器刀片可以通過背板連接以提供并行處理。存儲器還可以通過單獨的網(wǎng)絡(luò)接口連接到背板或作為網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)。

在一些示例性示例中，處理器可以通過網(wǎng)絡(luò)接口、背板或用于由其它處理器進行并行處理的其它連接器來維護單獨的存儲器空間并傳輸數(shù)據(jù)。在其它示例中，處理器中的一些或全部可以使用共享虛擬地址存儲空間。

圖31是根據(jù)示例性fOCT設(shè)備使用共享虛擬地址存儲空間的多處理器計算機系統(tǒng)302的框圖。該系統(tǒng)包括可以訪問共享存儲器子系統(tǒng)304的多個處理器302a-302f。該系統(tǒng)在存儲器子系統(tǒng)304中并入多個可編程硬件存儲器算法處理器(MAP)306a-306f。每個MAP 306a-306f可以包括存儲器308a-308f和一個或更多個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)310a-310f。MAP提供可配置的功能單元，并且可以向FPGA310a-310f提供特定的算法或算法的部分，以便與相應(yīng)的處理器緊密協(xié)作地進行處理。例如，MAP可以用于評估關(guān)于數(shù)據(jù)模型的代數(shù)表達(dá)式，以及在示例性示例中執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)。在該示例中，為了這些目的，每個MAP都可由所有處理器全局訪問。在一種配置中，各個MAP可以使用直接存儲器訪問(DMA)來訪問相關(guān)聯(lián)的存儲器308a-308f，從而使其能夠獨立于相應(yīng)的微處理器302a-302f(并且與其異步地)執(zhí)行任務(wù)。在該配置中，MAP可以將結(jié)果直接饋送到另一MAP以用于流水線和算法的并行執(zhí)行。

上述計算機架構(gòu)和系統(tǒng)僅是示例，并且各種其它計算機、蜂窩電話和個人數(shù)據(jù)助理架構(gòu)和系統(tǒng)可結(jié)合示例性示例使用，所述示例性示例包括使用通用處理器、協(xié)處理器、FPGA和其它可編程邏輯器件、片上系統(tǒng)(SOC)、專用集成電路(ASIC)以及其它處理和邏輯元件的任意組合的系統(tǒng)。在一些示例中，計算機系統(tǒng)的全部或部分可以以軟件或硬件來實現(xiàn)。任何種類的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)都可以結(jié)合示例性示例使用，包括隨機存取存儲器、硬盤驅(qū)動器、閃存、磁帶驅(qū)動器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)以及其它本地或分布式數(shù)據(jù)存儲裝置和系統(tǒng)。

在示例性示例中，計算機系統(tǒng)可以使用在上述或其它計算機架構(gòu)和系統(tǒng)中的任一個上執(zhí)行的軟件模塊來實現(xiàn)。在其它示例中，系統(tǒng)的功能可以部分地或完全地以固件、諸如圖31中所示的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的、可編程邏輯器件、片上系統(tǒng)(SOC)、專用集成電路(ASIC)或其它處理和邏輯元件來實現(xiàn)。例如，可以通過使用硬件加速器卡(諸如圖29中所示的加速器卡122)利用硬件加速來實現(xiàn)設(shè)置處理器和優(yōu)化器。

VI、術(shù)語

本文所使用的術(shù)語僅是用來描述特定的示例，并非旨在限制本公開的裝置。如本文所使用的，除非上下文明確指出，否則單數(shù)形式“一(a)”、“一個(an)”和“該”旨在也包括其復(fù)數(shù)形式。此外，就在詳細(xì)描述和/或權(quán)利要求中所使用的術(shù)語“包括”、“包括”、“具有(have)”、“具有”、“具有(with)”或其變體來說，這樣的術(shù)語是意在以類似于術(shù)語“包括(comprise)”的方式包含于內(nèi)。

以上參照用于例示的示例性應(yīng)用描述了本公開的裝置的若干方面。應(yīng)當(dāng)理解，闡述了許多具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法以提供對設(shè)備的完全理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將很容易認(rèn)識到，裝置可以在沒有一個或更多個具體細(xì)節(jié)的情況下或者利用其它方法來實現(xiàn)。本公開不限于所例示出的動作或事件的順序，因為一些動作可以以不同的順序發(fā)生和/或與其它動作或事件同時發(fā)生。此外，并非需要所有例示出的動作或事件來實現(xiàn)根據(jù)本公開的方法。

范圍在本文中可以表示為從“約”一個特定值，和/或到“約”另一個特定值。當(dāng)表達(dá)這樣的范圍時，另一個示例包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似地，當(dāng)值通過使用先行詞“約”表示為近似值時，應(yīng)當(dāng)理解，該特定值形成另一個示例。還應(yīng)當(dāng)理解，范圍中的每一個的端點無論是關(guān)聯(lián)于另一個端點還是獨立于另一個端點都是有意義的。如本文所用的術(shù)語“約”是指在特定用途的上下文內(nèi)與所述數(shù)值相加或減去15％的范圍。例如，約10將包括從8.5到11.5的范圍。

示例

示例1

該示例描述了測量和分析OCT信號以估計全血的光學(xué)吸收特性的方法。使用描述來自全血的散射和吸收以及血管散射的綜合分析模型，執(zhí)行通過vis-OCT(包含可見光的fOCT)的體內(nèi)視網(wǎng)膜血氧定量法。由于血細(xì)胞的多重光學(xué)散射而產(chǎn)生的包裝因子也包括在該模型中。

vis-OCT血氧定量法的原理如圖12所例示。從底部脈管壁反射的入射光雙重通過脈管腔。反射光的光譜通過一系列短時傅里葉變換(STFT)提取，其被表示為：

I²＝I₀²R₀r exp[-2ndμ_HbO2(sO₂)-2ndμ_Hb(1-sO₂)]

其中，I₀是視網(wǎng)膜上的入射強度。忽略由眼晶狀體和玻璃體腔引起的光學(xué)衰減，并因此源光譜取為I₀；R₀是參考臂反射率；n是血液的平均折射率(～1.35)；d[mm]是脈管直徑；r[無量綱]是脈管壁處的反射率，其散射光譜可以被建模為在一階玻恩近似r(λ)＝Aλ^-a下的冪次定律，其中A是常數(shù)。光學(xué)衰減系數(shù)μ[mm^-1]結(jié)合了全血的吸收系數(shù)(μ_a)和散射系數(shù)(μ_s)，它們都是波長和氧合依賴性的。下標(biāo)Hb和HbO₂分別表示來自脫氧和氧合血液的貢獻。通過取自然對數(shù)和插入上面的表達(dá)式，方程1變?yōu)?/p>

然后可以執(zhí)行最小二乘法(LS)擬合來擬合光譜并獲得sO₂、a和ln(AR₀)。11的光譜等于μ＝μ_a+Wμ_s，其中W是對散射光譜加權(quán)的血細(xì)胞包裝因子。

在該示例中，設(shè)置由利用超連續(xù)譜源(SuperK、NKT光子學(xué))實現(xiàn)的圖1的自由空間光譜域OCT系統(tǒng)組成。光譜范圍以585nm為中心，具有85-nm FWHM帶寬。理論軸向分辨率在空氣中為1.5μm，測量為1.7μm。在自制的(home-made)光譜儀中使用2k像素線掃描CCD(Aviiva、SM2、e2v)。A線速率為24kHz。為了獲取由256×256個A線組成的3D圖像，獲取時間為2.7s。對于體內(nèi)實驗，使著色的大鼠成像(Long Evans大鼠，500g，Harlan實驗室)。

vis-OCT數(shù)據(jù)用以下步驟執(zhí)行。首先通過源光譜對原始光譜進行歸一化，并減去DC分量。在獲取3D圖像之后，通過平均強度投影獲得眼底圖像，并且數(shù)字地識別每條血管的中心線。最后，通過具有高斯窗尺寸k_w＝0.32μm^-1(在585nm處17nm)的STFT，沿著中心線從底部脈管壁提取OCT光譜，將軸向分辨率(在空氣中)放松至～8.9μm。對來自每個脈管的光譜進行平均以進行魯棒估計，并且對光譜從540nm到610nm應(yīng)用LS以取得sO2。

觀察血液光學(xué)散射和血細(xì)胞包裝因子如何影響μ的光譜。根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系，血紅蛋白的吸收影響血液光學(xué)散射，并因此導(dǎo)致依賴氧合的光學(xué)散射光譜。如前所述，由氧合和脫氧血液計算μ_a和μ_s的光譜，其中血漿折射率設(shè)定為1.35。此外，由于密集血細(xì)胞的多重散射效應(yīng)，全血中的散射系數(shù)通過包裝因子W(01W11)加權(quán)。將表達(dá)式更正為μ＝μ_a+Wμ_s，其中W取決于全血中紅細(xì)胞的體積分?jǐn)?shù)(血細(xì)胞比容)H。因此，μ的光譜是W的函數(shù)。隨著包裝因子的增加，μ的光譜紅移并且整個光譜形狀也發(fā)生改變。W的值從0到1變化，并進行LS擬合，同時繪制來自主動脈和靜脈的sO₂的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。還計算了每個脈管的相對于LS擬合的平均光譜殘差。動脈和靜脈的所有平均殘差被平均(圖10)。當(dāng)W＝0.2時，來自動脈和靜脈二者的計算出的氧合的變化(誤差條)達(dá)到它們的最小值以及擬合殘差。從動脈和靜脈(圖11中的3號和6號)獲得擬合并取樣。當(dāng)W＝0.2時，圓柱粒子模型中的血細(xì)胞比容計算為35％，球形粒子模型中的血細(xì)胞比容計算為30％。圖11示出了vis-OCT血氧定量法的體內(nèi)結(jié)果。在反向?qū)Ρ戎幸曰叶蕊@示OCT眼底圖像(圖11)。明亮的血管結(jié)構(gòu)對應(yīng)于血液中的強光學(xué)衰減。作為比較，我們從深度范圍160-250μm(對應(yīng)于到RPE層的IS/OS連接點)將3D OCT體積分段并預(yù)計(project)平均強度。作為結(jié)果，來自微脈管系統(tǒng)的對比度增強(圖16)。此外，在圖16中，主脈管中的平均sO₂值被量化，并且sO₂的偽色圖被覆蓋。使用具有4096個A線的圍繞視盤的圓形掃描圖案(圖16中的圓圈)，使得可以對所有主要脈管進行采樣。我們將圓形掃描擴展為B掃描圖像，其中脈管指數(shù)對應(yīng)于圖18中的數(shù)字。利用紅色和藍(lán)色標(biāo)記的動脈和靜脈給出各個脈管中的sO₂的值(圖17)。平均來說，來自動脈和靜脈的sO₂分別為95±3％和72±7％。來自靜脈的標(biāo)準(zhǔn)偏差高于動脈，這主要是由μ的平坦光譜造成的。交替的動脈和靜脈圖案可以通過脈管的尺寸來確認(rèn)(即動脈由于其收縮性而具有比靜脈更小的直徑)。

本文所提出的算法和模型基于以下事實：底部血管壁可以以高信噪比(SNR)來成像。在當(dāng)前的示例中，利用具有直徑在30μm至130μm之間的脈管中的計算，實現(xiàn)了對于sO 2的足夠的SNR。

示例2

該示例證明可見光光學(xué)相干斷層成像(vis-OCT)可以通過并行測量血流量和來自視網(wǎng)膜循環(huán)的sO₂來量化體內(nèi)rMRO₂。3D成像能力使得vis-OCT尤其能夠從血管中恢復(fù)光譜并消除來自其它視網(wǎng)膜層的混雜信號。通過將sO₂測量與OCT流量測量相結(jié)合獲得rMRO₂。在體外和體內(nèi)驗證血流和sO₂測量。作為原理的驗證，我們調(diào)查了對進行性缺氧挑戰(zhàn)的代謝反應(yīng)以及缺氧期間視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜循環(huán)之間的平衡的變化。實驗結(jié)果通過氧擴散模型進行交叉驗證，所述模型來源于使用微電極對大鼠外視網(wǎng)膜中的氧張力分布的直接測量。

使大鼠視網(wǎng)膜的3D結(jié)構(gòu)成像，并使用vis-OCT量化rMRO₂(圖22)。聚焦的寬帶激光掃描視網(wǎng)膜以提供橫向(x，y)辨別。通過所例示光與參考光之間的干涉重建深度(z)(A線)處的反射率。每個3D測量(x,y,z中的2.8mm×2.8mm×1mm)以98fps的幀速率僅需要幾秒(通常為2.5s)，允許用高時間分辨率監(jiān)測rMRO₂。為了量化rMRO₂(每單位時間消耗的氧氣的氣體體積，mL/min)，從視網(wǎng)膜循環(huán)測量兩個參數(shù)：總視網(wǎng)膜血流量F[JlL/min]和相對sO₂[百分比]。根據(jù)以下方程計算rMRO₂：

其中C_Hb是血紅蛋白濃度[g/JlL]，并且1.34是血紅蛋白的氧結(jié)合能力[mL/g]。下標(biāo)a和v表示動脈和靜脈sO₂。如本文所述，血流是橫截面脈管面積(s)和速率(v)的乘積，其中s是根據(jù)斷層掃描圖像計算的，v是基于來自移動血細(xì)胞的相位變化測量的。sO₂的對比度來自相對于氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白不同的吸收光譜。通過擬合從血管提取的血液光譜，計算總血紅蛋白中氧合血紅蛋白的百分比(按照定義為sO₂)。

由于在可見光范圍內(nèi)血液的強衰減，當(dāng)光通過時，在脈管下方投射陰影。在深視網(wǎng)膜中使用正前(en face)切片作為屏幕以捕獲該“陰影效應(yīng)”并產(chǎn)生微脈管系統(tǒng)的2D“印跡”。大的視網(wǎng)膜脈管以及毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)被清楚地可視化。該方法不需要如先前報告的高密度掃描方案，但是其卻提供了魯棒的無標(biāo)簽的微血管造影術(shù)。

為了測試sO₂和血流量測量的精確度，進行體外流量校準(zhǔn)，其中通過注射泵將渾濁水溶液(1％脂肪內(nèi)脂)泵送通過毛細(xì)管，然后針對泵流量設(shè)置校準(zhǔn)vis-OCT流量測量。對于sO₂，具有受控的sO₂的牛全血流過毛細(xì)管，并且將vis-OCT sO₂量化與源自血液分析儀讀數(shù)的結(jié)果進行比較。針對速率和sO₂測量，精確度分別在0.25f.l/min和4％內(nèi)。

為了完成體內(nèi)流量測量，在視盤(ONH)周圍采用雙圓掃描圖案。因為視網(wǎng)膜血管從ONH徑向延伸，所以每個圓圈都穿過所有動脈和靜脈，并且使得能夠捕獲全部視網(wǎng)膜血流量(圖21)。在兩個圓形掃描之間的脈管的位移為絕對流量提供脈管的方向性。以70kHz的A線速率進行八個雙圓掃描。高速掃描使得能夠捕獲血流的脈動分布(profile)(圖21)。參考同步EKG記錄以提供心動周期的時間。來自動脈的脈動流動圖案與EKG分布良好地吻合，在流與QRS復(fù)合波的峰值之間具有輕微的延遲(～0.1s)。這種延遲是由房室結(jié)放電序列、心室收縮以及從心臟到頭部的壓力傳播所花費的時間造成的。進行脈動圖譜的傅里葉變換，并且來自所有動脈流的不同峰值一致，表明心率為4.36s^-1。基于針對每個脈管的八個雙圓掃描的流量讀數(shù)被平均并且總計為總的動脈和靜脈流量。來自動脈和靜脈血管的總血流量在測量精確度內(nèi)(從5只大鼠平均為±0.38f.L/min)。

為了驗證向內(nèi)和向外血流量的一致性，以6-8JLL/min(n＝5只大鼠)計算總平均血流量的值，其與使用相同麻醉方案報告的數(shù)據(jù)良好地一致。

兩個實驗方案被用于檢查我們的體內(nèi)sO₂測量的精確度。在第一方案中，吸入空氣中的氧含量在幾個步驟中從21％逐漸變?yōu)?0％。每次調(diào)整后，允許動物適應(yīng)改變的空氣并再穩(wěn)定～2分鐘。通過附接到大鼠后腿的脈搏血氧計監(jiān)測系統(tǒng)性外周動脈氧合(spO₂)。在每次吸入條件下，通過vis-OCT測量動脈sO₂，并將其與脈搏血氧計spO₂讀數(shù)的平均值進行比較(圖23)。線性相關(guān)(R2＝0.839)建立了我們的sO₂測量對血氧變化的響應(yīng)性。在第二個方案中，吸入氧從21％變?yōu)?00％，然后從21％變?yōu)?0％(圖23)。動脈sO₂從21％到100％大致不變，但在10％氧氣時顯著降低(在21％氧氣時為0.95±0.02，在100％氧氣時為0.95±0.01，在恢復(fù)21％時為0.96±0.01，并且在10％氧氣時為0.59±0.03)；另一方面，靜脈sO₂隨變化的氧含量而變化(在21％氧氣時為0.75±0.03，在100％氧氣時為0.86±0.01，在恢復(fù)21％時為0.74±0.02，并且在10％氧氣時為0.48±0.01)。

任何縱向研究的關(guān)鍵因素是隨時間重復(fù)的測量的穩(wěn)定性。為了測試重復(fù)性，進行時間進程實驗，其中在兩周的時間跨度內(nèi)對同一對象進行五次測量。五次測量的各種參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在平均值的11％內(nèi)(針對動脈sO₂為7.4％，針對靜脈sO₂為6.4％，針對血流量為9％，并且針對rMRO₂為11％)。

已表征了血流量和sO₂測量的精確度，研究了系統(tǒng)性氧張力及其如何在缺氧期間影響rMRO₂。雖然先前的研究已經(jīng)顯示在低氧供應(yīng)下的血液動力學(xué)(增加的視網(wǎng)膜血流量)和血管變化(增加的血管直徑)，但是從未報告過關(guān)于內(nèi)部視網(wǎng)膜氧消耗如何對有限的氧供應(yīng)做出反應(yīng)的全面觀察。此外，視網(wǎng)膜循環(huán)在光適應(yīng)條件下向外部視網(wǎng)膜提供非常少的氧，但是在缺氧期間如何變化未知。

觀察缺氧條件下的視網(wǎng)膜脈管變化(圖22)。在缺氧期間主動脈和靜脈擴張。針對動脈，平均脈管直徑增加～35％(常氧期間為59.7±1.5f.m，缺氧期間為80.8±2.0f.m)，并且針對靜脈，平均脈管直徑增加～16％(常氧期間為77.4±2.0f.m，缺氧期間為90.2±2.3f.m)。在常氧中，動脈由于收縮性脈管緊張度而彎曲；在缺氧情況下，直的動脈表示脈管平滑肌松弛。此外，也可以在較小的小動脈中觀察到擴張(圖22)，這允許更多的血流量進入外部網(wǎng)狀層(OPL)中的深視網(wǎng)膜毛細(xì)血管網(wǎng)。

為了逐步跟蹤自動調(diào)節(jié)反應(yīng)，進行“步降(step-down)”缺氧挑戰(zhàn)方案，其中吸入氧含量在六個步驟中(21％19％、16％、14％、11％和9％)從21％(常氧)降低到9％(缺氧)(圖23)。在各個步驟進行測量，并且量化sO₂、血流量、脈管直徑和rMRO₂的發(fā)展趨勢(n＝6只大鼠)。整個實驗方案耗費不到30分鐘。

如預(yù)期的，動脈和靜脈sO₂兩者隨著降低的氧而減少(圖19)。靜脈SO₂幾乎線性下降，而當(dāng)氧含量低于14％時，動脈sO₂下降得更快。因為氧分壓(PO₂)可以是對自動調(diào)節(jié)的直接刺激并且具有更多的生物學(xué)意義，所以基于具有n＝2.8和P50＝32.9的希耳方程(Hill's equation)定義的血紅蛋白解離曲線將sO₂讀數(shù)轉(zhuǎn)換為PO₂。對于動脈和靜脈，平均PO₂分別為106.5±6.6和45.5±1.8mmHg，并且9％的吸入O₂的情況下幾乎線性地下降到36.8±1.5和26.3±0.9mmHg。動靜脈sO₂差異表現(xiàn)出當(dāng)動脈PO₂高于65mmHg時稍微增加并且之后迅速減少的兩段式圖案。當(dāng)檢查時，脈管直徑與動脈PO₂的發(fā)展趨勢也具有類似的兩段式圖案，其中在嚴(yán)重缺氧期間擴張變得更明顯。脈管擴張的結(jié)果是脈管阻力的減小，這允許更多的血流量(圖23)。增加的血流量補償了saO₂的缺乏，并且通過動脈血管的總氧輸送(由1.34×F_artery X saO₂定義)得以維持(斜率＝-0.0028)。氧攝取指數(shù)(由動靜脈sO₂差異相對于動脈sO₂的比率定義)增加，表明視網(wǎng)膜在缺氧條件下更有效地攝取氧。最后，來自視網(wǎng)膜循環(huán)的視網(wǎng)膜的氧消耗也隨著動脈PO₂的減少而增加(圖23)。圖中23的斜率明顯不為零(分別為P＝0.033、0.001和<0.001)，其中散布主要由各動物的數(shù)據(jù)的垂直偏移貢獻，每個動物的斜率呈現(xiàn)相同的趨勢(在圖23i的插圖中示出)。

vis-OCT用于精確測量rMRO₂并可視化微脈管系統(tǒng)。該方法使得能夠以高時間分辨率通過其氧消耗來監(jiān)測視網(wǎng)膜功能。以高精度測量rMRO₂對系統(tǒng)性PO₂變化的反應(yīng)和所觀察到的在缺氧條件下來自視網(wǎng)膜循環(huán)的增加的氧消耗。

缺氧期間增加的氧攝取可能是當(dāng)來自脈絡(luò)膜循環(huán)的氧供應(yīng)下降時從視網(wǎng)膜循環(huán)到外部視網(wǎng)膜的增加的氧供應(yīng)的結(jié)果。視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜循環(huán)之間的平衡在缺氧期間可能不具有主動補償；而是，它可以由兩種循環(huán)響應(yīng)于氧缺乏而表現(xiàn)的不同方式產(chǎn)生。脈絡(luò)膜循環(huán)具有小的動靜脈sO₂差異和很少的自動調(diào)節(jié)反應(yīng)，而視網(wǎng)膜循環(huán)具有大的動靜脈sO₂差異并且被良好地調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)性PO₂降低時，來自脈絡(luò)膜血管層(chorioicapillaris)的氧供應(yīng)下降，減少感光體周圍的PO₂，并增加梯度以將氧從OPL中的視網(wǎng)膜毛細(xì)血管推向感光體(圖24)。為了確定這種平衡機制是否可以量化地解釋從視網(wǎng)膜循環(huán)增加的氧攝取，我們進行了模擬。

外部視網(wǎng)膜是無血管的，其氧供應(yīng)僅依賴于擴散。在解剖學(xué)上，外部視網(wǎng)膜可以進一步分為三層(圖24)。從脈絡(luò)膜側(cè)，它們是感光體外段(OS，層1)、感光體內(nèi)段(IS，層2)和外核層(ONL，層3)。通過在各種哺乳動物物種(包括大鼠)中的微電極測量來表征穿過外部視網(wǎng)膜的視網(wǎng)膜氧分布(圖19)。PO₂在脈絡(luò)膜處最大，并且朝向其中消耗氧的感光體的內(nèi)段以陡峭的梯度下降。在外核層中，PO₂還表現(xiàn)出朝向感光體的內(nèi)段的梯度。該氧分布可以通過基于菲克第二定律的一維三層擴散模型來建模，

其中Q是通過組織重量[ml·min^-1·100g^-1]標(biāo)準(zhǔn)化的氧消耗，D是氧的擴散率[1.97e^-5cm²/s]，k是氧的溶解度[2.4ml O₂/(ml視網(wǎng)膜·mmHg)]，P是P O₂[mmHg]，以及x是距脈絡(luò)膜的距離。通過將擴散模型擬合到測量的P O2曲線，已經(jīng)表征了在光適應(yīng)下外視網(wǎng)膜Q_av中的平均耗氧量。此外，從視網(wǎng)膜循環(huán)提供的Q_av的分?jǐn)?shù)也可以在給定外部視網(wǎng)膜中的三層的厚度、外部視網(wǎng)膜的邊界處的PO₂值和Q_av的情況下計算。使用從大鼠視網(wǎng)膜測量的參數(shù)值，并且假設(shè)脈絡(luò)膜PO₂降低，在外視網(wǎng)膜上模擬缺氧分布。這使得我們能夠估計通過視網(wǎng)膜循環(huán)提供給外部視網(wǎng)膜的額外氧氣，并將其與我們的實驗數(shù)據(jù)進行比較。視網(wǎng)膜氧攝取隨降低的動脈PO₂變化在模擬和實驗中分別幾乎相同(斜率＝-0.0020和-0.0023)。

示例3

用fOCT和vis-OCT量化rMRO₂的能力可以提供對各種視網(wǎng)膜疾病，尤其是DR和青光眼的發(fā)病機理的有價值的洞察。關(guān)鍵要素是理解視網(wǎng)膜細(xì)胞變性與血液動力學(xué)失調(diào)之間的因果關(guān)系。例如在DR中，已知內(nèi)皮和周細(xì)胞破裂發(fā)生在早期DR，但是發(fā)生的血液動力學(xué)變化不清楚。一些研究顯示增加的視網(wǎng)膜血流量并暗示較高的血流量和高葡萄糖水平導(dǎo)致過度灌注，這進一步損害內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞；然而，存在矛盾的數(shù)據(jù)顯示減少的血流量是糖尿病視網(wǎng)膜中最早的變化之一。假設(shè)是疾病早期階段的周細(xì)胞損失減少了氧消耗，這可能矛盾地導(dǎo)致視網(wǎng)膜的增加的氧合。這可能產(chǎn)生相對高氧，導(dǎo)致血管收縮和減少的血流量。類似地，在青光眼中，存在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞及其軸突的變性。盡管在青光眼中觀察到改變的血流量和脈管系統(tǒng)，但是它們與神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡的因果關(guān)系仍然是未知的。配置用于視網(wǎng)膜掃描的fOCT裝置被設(shè)置用于診斷、監(jiān)測治療患者的各種眼科疾病。通過測量rMRO₂，對代謝功能和血流量進行測量并且代謝功能和血流量與許多疾病相關(guān)，其中視網(wǎng)膜由于疾病或?qū)膊〉囊赘行远?jīng)歷氧消耗的變化。血流動力學(xué)失調(diào)與視網(wǎng)膜細(xì)胞變性之間的聯(lián)系。隨著對視網(wǎng)膜代謝功能的更好的理解，可以設(shè)計早期疾病檢測和治療策略的改進的方法。

示例4

在該示例中，配置有vis-OCT測量的探針被配置用于成像宮頸粘液以及與諸如HIV的感染性疾病的潛在的相互作用。盡管目前的方法使用外源物質(zhì)來預(yù)防AIDS感染(例如，陰道屏障裝置和抗生素)，但是越來越多的研究集中在內(nèi)在的AIDS防御系統(tǒng)上。其中，宮頸粘液作為重要的屏障。由多種糖蛋白和抗體組成的正常粘液在捕獲和中和侵入的感染性微生物方面非常有效。

指示宮頸內(nèi)屏障的完整性的一個關(guān)鍵參數(shù)是粘液厚度，這仍然是迄今為止難以監(jiān)測的，部分是因為其凝膠狀外觀阻止通過目視檢查的直接測量。在這項研究中，可見光光學(xué)相干斷層成像(vis-OCT)是用橫向分辨率和微米級深度分辨率來動態(tài)測量體內(nèi)粘液厚度。粘液含有源自細(xì)胞碎片和不可溶物質(zhì)的固有對比度，其特征性背散射圖案使其區(qū)分于下層組織，使得能夠?qū)崿F(xiàn)其厚度的定量測量。Vis-OCT能夠在體外可視化并進行宮頸粘液的厚度測量。此外，vis-OCT探針實現(xiàn)了粘液分泌和水解的實時動態(tài)監(jiān)測。vis-OCT系統(tǒng)被成功地小型化用于可以容易地插入獼猴FRT的內(nèi)窺鏡探針。

構(gòu)建原型內(nèi)窺鏡OCT探針，其可以進行線性和圓形掃描。為了實現(xiàn)用于原位測量的較高的穿透深度，也使用近紅外(NIR)光源。內(nèi)窺鏡探針是基于光纖的微型尺寸的透鏡-棱鏡復(fù)合體。OCT探針的示意圖如圖26所示。使用梯度折射率(GRIN)透鏡來獲得光聚焦。將直角棱鏡附接在GRIN透鏡上以實現(xiàn)期望的側(cè)視成像。透鏡-棱鏡復(fù)合體安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，該旋轉(zhuǎn)軸由步進電動機驅(qū)動以控制圓形掃描。使用機動線性平移臺來將探針從近端位置移動到遠(yuǎn)端位置，從而使得能夠執(zhí)行3維圓柱形掃描圖案。圖26中的照片示出了成品原型內(nèi)窺鏡OCT探針的尺寸。探針的外徑為大約4.5mm，其可以很容易地插入獼猴FRT中。

圖27示出了使用臺式OCT系統(tǒng)的橫截面B-掃描幀畫面。包括上皮和固有層(LP)的宮頸內(nèi)組織結(jié)構(gòu)在OCT圖像中被可視化。粘液通過來自粘液表面的強烈反射和粘液內(nèi)分散的細(xì)胞碎片被識別。

圖27中繪制了在用PBS培養(yǎng)時的相對粘液厚度變化。在成像序列期間，在該過程的第一個30分鐘內(nèi)觀察到粘液厚度幾乎線性增加達(dá)到三倍的厚度。針對這些時間點，厚度的變化在統(tǒng)計學(xué)上是明顯的(P<0.01)。粘液厚度此后達(dá)到平穩(wěn)階段。

對完整獼猴陰道管離體進行360°圓柱掃描。圖28示出了整個3維體積數(shù)據(jù)集的旋轉(zhuǎn)B掃描圖像之一。為了更好地觀察，圖像被重新縮放以放大組織層，顯示陰道粘膜的粗糙表面。我們還進行了高分辨率體積掃描，其覆蓋45°的掃描角度(對應(yīng)于1.2mm圓周)和0.8mm的縱向位移。圖28示出了體積數(shù)據(jù)的B掃描之一。除了由保護性玻璃外殼所施加的壓力引起的一些平坦表面之外，諸如陰道皺褶解剖結(jié)構(gòu)被可視化。此外，上皮凹部中的亮的顆粒狀圖案表明存在陰道粘液。探針用于顯示粘液流和組織完整性的動態(tài)特性，其可用于下游診斷和疾病監(jiān)測目的，例如用于HIV感染。

示例5

在一個示例中，結(jié)腸鏡檢查探針或內(nèi)窺鏡針對fOCT進行調(diào)整以評估腸壁息肉的癌癥。目前，各種其它成像技術(shù)與內(nèi)窺鏡成像結(jié)合使用；然而，該方法提供較差的靈敏度和特異性。然而，本領(lǐng)域已知所有癌癥由于血管生成(angiogenesis)而是高度血管性的。血管生成是從既存的血管生長出新血管的過程。血管生成是腫瘤從休眠狀態(tài)到惡性狀態(tài)的基本步驟，其中新血管貫穿到癌性生長中并提供營養(yǎng)物和氧。由于血管攜帶血紅蛋白，因此啟用fOCT的探針能夠提供作為血液流速和血紅蛋白氧飽和度的函數(shù)的氧消耗的高度精確的測量。如本文方法所提供的，計算一種或多種息肉的代謝速率。另外，fOCT探針能夠以高分辨率對息肉下面或周圍的脈管系統(tǒng)的各個方面成像，以幫助在早期階段確定息肉是否可能是癌前期或是癌癥。本領(lǐng)域中通常已知癌癥與正常組織相比具有增強的代謝特性，因此，與正常組織相比，癌細(xì)胞具有來自血紅蛋白的更高的氧含量和更高濃度的脫氧血紅蛋白。另選地，當(dāng)用fOCT對潛在結(jié)腸癌息肉進行成像時，將fOCT圖像和代謝速率計算與和正常組織的fOCT看起來像什么進行比較；如果增加的血管形成出現(xiàn)在fOCT圖像中，則診斷是可能的。異常血管形成也可以表示患病組織。例如，異常血管形態(tài)可以表示血管生成和推定的結(jié)腸癌。異常血管形態(tài)將是健康結(jié)腸組織的正常脈管系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)外的任何血管形態(tài)。

示例6

癌癥診斷的另一個示例包括乳腺癌。fOCT探針被配置用于針中以及用于移除乳腺癌腫瘤的外科手術(shù)工具。使用針fOCT探針，針將被放置在腫瘤的可疑區(qū)域周圍的位置，以檢查組織的形態(tài)和腫瘤的脈管系統(tǒng)。3D fOCT圖像與乳房的一個或更多個區(qū)域的代謝速率信息相結(jié)合有助于外科醫(yī)生確定用于切除乳腺癌腫瘤的最佳手術(shù)切緣。由于血管生成而增加的氧合血紅蛋白分子可以通過由fOCT方法確定和計算的更高的代謝速率向外科醫(yī)生指示。因此，當(dāng)與正常乳腺組織相比較時，可以相應(yīng)地猜測和診斷乳房中具有來自血紅蛋白的較高氧含量和較高濃度的脫氧血紅蛋白的癌細(xì)胞。另選地，當(dāng)用fOCT成像乳房時，將超聲圖像與正常組織的fOCT圖像進行比較，如果出現(xiàn)增加的或異常的血管形成，則診斷是可能的。

示例7

fOCT的另一示例包括用于針對具有可以通過fOCT檢測的增加的血管形成的患病組織的診斷技術(shù)的配置方法和裝置。當(dāng)血供不足時，已知在冠狀動脈疾病、外周動脈疾病和中風(fēng)中出現(xiàn)血管生成。例如，圍繞大動脈或灌注大動脈壁的血管，例如血管滋養(yǎng)管。這些血管圍繞心臟周圍的動脈。如果這些血管中有斑塊，則血供應(yīng)隨著斑塊尺寸增加而增長，并且來自這些額外血管的更多細(xì)胞移動到斑塊中，使得其不穩(wěn)定并且更可能破裂，導(dǎo)致心臟病發(fā)作和中風(fēng)。已經(jīng)顯示血管滋養(yǎng)管的內(nèi)皮在高膽固醇血癥條件下受到干擾。這引起血管滋養(yǎng)管的收縮，隨后缺乏氧供應(yīng)。隨后結(jié)果是VEGF表達(dá)將隨著快速血管滋養(yǎng)管形成而增加。這種增加的血管形成可以通過本文描述的系統(tǒng)檢測，以診斷易感性心肌梗死或缺血性病癥。

示例8

在該示例中，fOCT被配置用于要被插入到導(dǎo)管中的探針，其被引導(dǎo)到動脈瘤的部位。fOCT探針能夠連續(xù)測量代謝速率，并提供動脈瘤中和周圍的血管的3D結(jié)構(gòu)圖像，通知外科醫(yī)生在最佳安全的地方操作的位置。fOCT探針用于將一個或更多個外科器械引導(dǎo)到需要治療的動脈瘤部位。

示例9

在該示例中，fOCT被配置用于用于分析大腦中的血液脈管系統(tǒng)的術(shù)中工具，以幫助外科醫(yī)生識別異常神經(jīng)活動的病灶(foci)。在治療癲癇中，可能需要對一個或更多個癲癇病灶進行神經(jīng)調(diào)節(jié)以控制癲癇癥狀。為了識別病灶，外科醫(yī)生使用fOCT探針來識別腦中具有異常脈管系統(tǒng)和增加的代謝的區(qū)域，這可能與與癲癇有關(guān)聯(lián)的異常神經(jīng)活動相關(guān)。使用fOCT數(shù)據(jù)，外科醫(yī)生識別癲癇病灶并應(yīng)用治療。

示例10

在該示例中，fOCT用于監(jiān)測患有AMD的患者的治療和預(yù)后。患者存在早期AMD的癥狀，包括玻璃疣的存在和視覺中的零星模糊和黑斑。醫(yī)生管理FDA批準(zhǔn)的藥物和抗VEGF藥物。在給藥之前和之后用fOCT監(jiān)測患者的視網(wǎng)膜。3周后，在用的情況下，觀察到很少或沒有效果。醫(yī)生轉(zhuǎn)換治療并向患者施用另一種抗VEGF藥物在施用藥物之前和之后監(jiān)測患者的視網(wǎng)膜。