專利名稱：光學活檢設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學活檢設(shè)備，更具體地涉及一種該光學活檢設(shè)備 所包括的物鏡。
背景技術(shù)：
在微創(chuàng)手術(shù)中進行活檢以確定疑似損傷的狀態(tài)。因為外科醫(yī)生必 須能夠看到疑似損傷，所以這樣的活檢通常是在疾病的后期進行的。 然后活檢被發(fā)送至病理學家以對耙組織切片進行研究。因此，結(jié)論取 決于可能代表或者不代表組織中的實際疾病狀態(tài)的局部組織樣品。光 學活檢是一種可替的代方法，其中使用活體內(nèi)光學技術(shù)來確定該疾病 是否已經(jīng)影響組織。該方法還能夠診斷早期疾病。光可以以多種方式 與組織相互作用并且例如能夠產(chǎn)生熒光和喇曼散射，所述方式包括彈 性和非彈性(多次或單次)散射、邊界層反射及吸收.所有這些可被
用于檢測組織中的任何異常變化。這對患者是有益的，因為不清除組 織并且能夠在所有必要的位置實時地當場進行分析。另外，自動診斷 可以為患者節(jié)省大量的時間并且也能夠為外科醫(yī)生節(jié)省大量的時間， 其可以診斷并治療患者而不是等待病理學結(jié)果。
光學活檢設(shè)備必須滿足兩個要求才能達到有用的效果。首先，它必 須能夠在有限時間內(nèi)掃描大量區(qū)域。其次，它必須具有高的靈敏度和 特異性。目前，提出了各種用于癌癥檢測的方法。那些可利用的能夠
篩選(screening)較大區(qū)域的方法(總體而言為非點狀方法)靈敏度 高但是特異性卻很低。因此這些方法產(chǎn)生了大量假陽性。具有高得多 的特異性的方法總體而言為點狀測量方法。這些方法可以給出良好的 診斷但是不適合于在短時間內(nèi)掃描大區(qū)域。為滿足上述這兩個要求， 需要兩個不同的光學設(shè)備。 一個設(shè)備基于能夠觀測較大區(qū)域而成像的 "照相機，，，另一個則基于能夠在細胞水平上觀測組織而成像的"顯 微鏡"。顯然，如果單個光學活檢設(shè)備能夠在靶部位的兩個不同視野 之間切換而不需要將設(shè)備從患者處移開，則活檢過程將會更加高效和 有效。
盡管在專利申請US20040158129中描述了將照相機和顯微鏡功能組合在一個設(shè)備中，但是該兩種光學醫(yī)療器械仍然是相互置于旁邊的 分開的實體。這就使得設(shè)備非常龐大。因為對于微創(chuàng)手術(shù)而言，設(shè)備
的寬度極為重要，所以US20040158129中描述的這種方案不是優(yōu)選的。 因此，有利的是具有一種沒有上述缺點的設(shè)備，并且更具體地具有 使得可以如類似照相機的(宏觀的)和類似顯微鏡的成像的緊湊的光 學活檢設(shè)備。
所附的獨立權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求列出了本發(fā)明的特別的及優(yōu) 選的方面。從屬權(quán)利要求的特征可以適當?shù)厍也粌H僅以權(quán)利要求書中 所明確列出的形式與獨立權(quán)利要求的特征以及與其它從屬權(quán)利要求的 特征結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面， 一種用于光學活檢設(shè)備的物鏡系統(tǒng)具有包 括配置為用于以第一放大率觀測的第一部分和配置為用于以第二放大率 觀測的第二部分的透鏡，其中第二放大率明顯不同于第一放大率。第一 放大率允許觀測所成像的靶的大區(qū)域，而第二放大率允許以高靈敏度和 特異性觀測靶。對于微創(chuàng)手術(shù)，關(guān)鍵是具有緊湊的光學活檢設(shè)備。在單 一物鏡系統(tǒng)內(nèi)組合以兩個不同放大率進行的觀測顯著減小了活檢設(shè)備的 寬度并能夠以更高特異性觀測更大區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述透鏡的第一部分和第二部分彼此是 同心的，而第二部分基本上圍繞在第一部分周圍。第一部分被配置為以 第一放大率成像，第二部分被配置為以第二放大率成像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，第一部分具有第一曲率半徑，而第二 部分具有第二曲率半徑。第一曲率半徑明顯不同于第二曲率半徑。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例，
0. 05，其中d為第一部》

的曲率半徑，C2為第二部分的曲率半徑。該比率保證了第一放大率明 顯不同于第二放大率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，第一曲率半徑和第二曲率半徑符號不 同。這樣的配置允許產(chǎn)生第二與第一放大率的高比率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，第一放大率與宏觀視野相關(guān)聯(lián)，第二放大率與微觀視野相關(guān)聯(lián)。宏觀視野使得能夠觀測靶的廣闊區(qū)域，而 微觀視野使得能夠以高特異性和靈敏度在細胞水平觀測靶。為使光學 活檢設(shè)備實際有用，將能夠觀測靶更大區(qū)域的宏觀視野與能夠在細胞 水平上觀測靶的微觀視野相結(jié)合是重要的。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，第一放大率至少比第二放大率小10倍。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，第一部分具有第一波長敏感透射涂 層，第二部分具有第二波長敏感透射涂層。這種涂層向物鏡提供了附 加選擇裝置以在宏觀視野和微觀視野之間切換。這些涂層優(yōu)選與不同 波長的兩個光源聯(lián)合使用。當以第一光源照射時，透鏡的第二部分上 的涂層不透射第一光源的光并且透鏡的第一部分以第一觀測模式形成 圖像。當以第二光源照射時，透鏡的第一部分上的涂層不透射第二光 源的光并且透鏡的第二部分以第二觀測模式形成圖像。優(yōu)選地，第一 觀測模式為宏觀觀測模式而第二觀測模式為微觀模式。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，光學活檢設(shè)備包括插入體內(nèi)的插管和固定 于插管尖端以用于以第 一放大率觀測體內(nèi)活體組織和以第二放大率觀 測體內(nèi)活體組織的物鏡系統(tǒng)。第二放大率高于第一放大率。物鏡系統(tǒng)
具有配置為以第 一放大率觀測的第 一部分和配置為以第二放大率觀測 的第二部分。通過這種類型的光學活檢設(shè)備，檢查醫(yī)生可掃描把的更 大區(qū)域(宏觀視野)，并且當注意到疑似區(qū)域時可直接就地)f見測單細 胞(微觀視野)以在單次光學活檢步驟中確定病理。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該光學活檢設(shè)備還包括配置為切換以第 一放大率和第二放大率進行觀測的光闌。光闌優(yōu)選地包括內(nèi)部部件和 外部部件。優(yōu)選地，在宏觀視野中，內(nèi)部部件被構(gòu)造為透明的而外部 部件被構(gòu)造為不透明的。相反，在微觀視野中，內(nèi)部部件被構(gòu)造為不 透明而外部部件凈皮構(gòu)造為透明。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，光闌包括液晶。引入液晶光闌可減少 相對較大而且制造昂貴的機械移動部件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，光闌被配置為按照電潤濕原理工作。 這樣的光闌是緊湊的且沒有機械移動部件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該光學活檢設(shè)備還包括圖像傳感器。 物鏡在圖像傳感器上形成粑的圖像。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該光學活檢設(shè)備還包括配置用于傳 遞所形成圖像的光纖成束器；和光學耦合至該光纖成束器并配置用于 讀取所形成圖像的控制臺。圖像傳感器通常被集成到光學頭內(nèi)。為使 光學頭的設(shè)計更簡單，可采用光纖成束器傳遞圖像。靶在光纖成束器 的一端上成像，而不是在圖像傳感器上成像。該光纖成束器由多根微 小的光纖組成。該光纖成束器將圖像傳遞至光纖成束器的另一端。光 纖成束器的另 一端被該光學活檢設(shè)備的控制臺的光束探測。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該光學活檢設(shè)備還包括配置用于讀 取所形成圖像的單根掃描光纖；以及被光學耦合至該單根掃描光纖且 被配置為重構(gòu)所形成圖像的控制臺。


通過下面結(jié)合通過實例示出本發(fā)明原理的附圖的詳細描述，本發(fā)明 的這些及其它特性、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。僅僅為了舉例而給 出了該描述，該描述并不限制本發(fā)明的范圍。下面引用的參考圖指的 是附圖。
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的物鏡系統(tǒng)；
圖2a示出了在宏觀視野中所形成圖像的光線軌跡；
圖2b示出了在微觀視野中所形成圖像的光線軌跡；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有可切換光闌的物鏡；
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光學活檢設(shè)備，其中圖像以宏觀
視野形成，并圖像傳感器被光纖成束器取代；
圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光學活檢設(shè)備，其中圖像以微觀
視野形成，并圖像傳感器被光纖成束器取代； 圖5示出了一種共焦掃描機構(gòu)的示意圖6a示出了其中圖像傳感器被讀取宏觀視野圖像的掃描光纖取代 的光學活檢設(shè)備；以及
圖6b示出了其中圖像傳感器被讀取微觀視野圖像的掃描光纖取代 的光學活檢設(shè)備。
具體實施例方式
在所附的獨立和從屬權(quán)利要求中列出了本發(fā)明的特別的和優(yōu)選的方面。從屬權(quán)利要求的特征可以適當?shù)厍也粌H僅以權(quán)利要求書中所明
結(jié)合。 ,一 一
將針對特定實施例并參考某些附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限 于此，而是僅僅由權(quán)利要求限定。權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)被 解釋為對范圍的限制。所描述附圖僅僅是示意性的而非限制性的。在 附圖中，為了說明的目的，某些元件的尺寸可能被放大了而沒有按照 比例繪制。在本說明書和權(quán)利要求中使用術(shù)語"包括"的地方，并不 排除其它元件或者步驟。當表示單數(shù)名詞例如"一個"、"該"時所 使用的不定冠詞或者定冠詞包括多個該名詞，除非特別指定了別的內(nèi) 容。
另外，說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語第一、第二、第三等等用于區(qū)分 相似的元件而不一定用于描述順序或者時間順序。應(yīng)當理解，如此使 用的術(shù)語在適當?shù)那闆r下是可以互換的，并且這里所描述的本發(fā)明的 實施例能夠以與這里所描述或者圖示順序不同的其他順序操作。
另外，說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語頂部、底部、之上、之下等等用 于描述目的而不一定用于描述相對位置。應(yīng)當理解，如此使用的術(shù)語 在適當?shù)那闆r下是可以互換的，并且這里所描述的本發(fā)明的實施例能 夠以與這里所描述或者圖示方位不同的其他方位操作。
在本發(fā)明的背景中，靶可以是包括肺、膀胱、腹腔、膝關(guān)節(jié)等的任 何內(nèi)部區(qū)域。檢查醫(yī)生可檢查該內(nèi)部區(qū)域，并且當注意到疑似區(qū)域(即， 損傷)時，他可就地觀測該損傷的單獨的細胞。在相同的背景中，宏 觀視野指的是觀測耙的較大區(qū)域，微觀視野指的是在細胞水平以高靈
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有光軸150的物鏡系統(tǒng)100。如圖所示， 在該實例中它由一個透鏡組成。透鏡100具有孔半徑為R,的第一部分 120以及孔半徑為Ra的笫二部分110。透鏡表面的第一部分120用于形 成在宏觀視野中成像的靶圖像，第二部分IIO用于形成在微觀視野中 成像的耙圖像。表面130為物鏡100的旋轉(zhuǎn)對稱的非球表面。
圖2a示出了表示置于物面20內(nèi)的靶(未示出)的宏觀視野的光線 軌跡圖，其中使用了物鏡系統(tǒng)100的第一部分120。圖2b示出了表示 乾微觀視野的光線軌跡圖，其中使用了物鏡系統(tǒng)100的第二部分110。圖像形成于圖像傳感器30上。防護玻璃板25被置于物鏡100前面。 圖3示出了具有光軸150和可切換光闌200的物鏡系統(tǒng)100。光闌
由兩部分組成內(nèi)部部件210和外部部件220。每個部件可被切換至透
明狀態(tài)或者光吸收狀態(tài)。
圖4a和4b示出了包括物鏡系統(tǒng)100的光學活檢設(shè)備l，其中圖像
傳感器被光纖成束器80取代。物鏡系統(tǒng)IOO將發(fā)自把(未示出)的光
束40、 50轉(zhuǎn)換為光束42、 52并在光纖成束器80的一端上形成圖像。
圖像被傳遞至光纖成束器80的另一端，并被控制臺410的光束420探測。
圖5示出了如E. Laemmel等人在J. Vase. Res. 2004; 41: 400-411 中所描述的共焦掃描系統(tǒng)。l為組織樣品。2為圖像成束器。3為透鏡。 4為轉(zhuǎn)鏡。5為分色鏡。6為激光源。7為光子檢測器。
圖6示出了包括物鏡系統(tǒng)100的光學活檢設(shè)備1，其中圖像傳感器 被讀取圖像的掃描光纖500取代。該光纖500被連至控制臺(未示出)。 物鏡系統(tǒng)100將發(fā)自靶(未示出)的光束40、 50轉(zhuǎn)換為光束42、 52。 通過掃描光纖端部510,所形成的圖像可被讀取并被轉(zhuǎn)移至控制臺。
如圖1所示，物鏡系統(tǒng)100包括兩個部分120和110。表面的第一 部分120具有該表面上該部分的最佳適配球面的最佳適配曲率半徑d， 而該表面的第二部分IIO具有該表面上該部分的最佳適配球面的最佳 適配曲率半徑C2。 d和C2明顯不同。
由下面的公式給定旋轉(zhuǎn)對稱非球表面130
其中z為在光軸150方向上以毫米計的該表面的位置，r為以毫米 計的到光軸的距離，c為該表面的曲率(半徑的倒數(shù))，B4至B^為r 的i次方的系數(shù)。c的值為1. 096014mnf1。系數(shù)B4至B1Q的值分別為 0.73894797、 -8. 5560965、 38.136909、 -40.046541。
物鏡系統(tǒng)100的第一部分120也由等式(1 )描述，但是其中所述 系數(shù)被給定為c的值為0. 5635876,—'且系數(shù)B,至Bi。的值分別為 0. 6048722、 -10.82945、 105. 297、 84.06069。該表面的點z(O)處于 沿光軸距表面130的z(O)點0. 5mm的距離處。另夕卜，孔半徑R,為0. 2mm。 第二部分110也由等式(1)描述，但是其中所述系數(shù)被給定為c的值為-1. 777857mm '且系數(shù)B4至B,。的值分別為1. 122886、 10. 22766、 - 69. 06088、218, 1365。該表面的點z (0)處于沿光軸多巨表面130的z(O) 點O. 5mm的距離處。另外，孔半徑R2為0. 45咖。透鏡材料的折射率在 650nm的波長下為1.581，并且阿貝(Abbe )數(shù)為29.9。透鏡前面的玻 璃板25的厚度為0. lmm，折射率在650nm的波長下為1. 515，而阿貝 數(shù)為64.2。
為確定笫一部分120和第二部分110的最佳適配半徑，使用最佳適 配球面方法。通過如下方法確定最佳適配球面找到使得該表面垂度 和最佳適配球面垂度之間的均方根(RMS)偏差最小化的球面半徑。對 于第一部分120，最佳適配球面半徑為1. 695mm。對于第二部分110, 最佳適配球面半徑為-0. 813mm。正半徑表示球心位于該表面右方而負 號表示球心位于該表面左方。這些最佳適配半徑的倒數(shù)則為該表面的 最佳適配曲率半徑。于是，對于第一部分120,最佳適配曲率半徑d 為O. 590mm1，而對于第二部分110， c2為-1. 230 mm人定義d和C2之 差的優(yōu)選標準是(c2 - Cl)和d比率的絕對值應(yīng)當大于0. 05
更優(yōu)選的是^< 0，即第一和第二部分的曲率半徑應(yīng)當具有不同的符號。
在上述實例中，宏觀視野中的靶被設(shè)置在與防護玻璃板25相距 50. 5mm處，而圖像傳感器處于與物鏡系統(tǒng)100相距2. Omm處。這種配 置的放大率為0. 054。在微觀視野中，物體被設(shè)置在與防護玻璃板25 相距0. 5mm處。該放大率為2. 248。這兩種模式之間的放大因子為41. 6。 通常，這兩種模式之間的放大因子優(yōu)選大于10。更有利的是放大因子 高達40。
物鏡系統(tǒng)100的第一部分120和第二部分110優(yōu)選被涂敷兩個對不 同波長敏感的涂層以在宏觀和微觀模式下都形成圖像。將具有相應(yīng)波 長的兩個光源連同這兩個涂層一起使用。當以第一光源照射時，透鏡 第二部分上的涂層不透射第一光源的光，而透鏡第一部分以第一觀測 模式形成圖像。當以第二光源照射時，透鏡第一部分上的涂層不透射第二光源的光，而透鏡第二部分以第二觀測模式形成圖像。圖2a和2b 中的光線軌跡圖示出了這一點。
根據(jù)圖3所示的另一個實施例，可切換光闌200用于以不同模式形 成圖1象。該光闌由兩部分組成內(nèi)部部分210和外部部分220。每個部 分可被切換至透明狀態(tài)或者光吸收狀態(tài)。在第一觀測模式下，內(nèi)部部 分210被制成透明的，而外部部分220被制成不透明的。在第二觀測 模式下，情況相反。不透明部分不透射光而透明部分形成圖像。該光 闌可由液晶光闌制成。另一種可能為利用基于如EP-A-1543370所描述 的電潤濕原理的可切換光闌。該切換還可基于在液晶顯示器領(lǐng)域公知 的液晶原理。
在所有上述實施例中，圖像形成于圖像傳感器30上。為使該光學 設(shè)備的設(shè)計更簡單，優(yōu)選地采用通過使用例如由E. Laemmel等人在J. Vase. Res. 2004; 41: 400-411中所描述的光纖束才支術(shù)傳遞圖l象?，F(xiàn) 在在如圖4a和4b所示出的光纖成束器80的一端成像，而不是在圖像 傳感器30上成像。該光纖成束器80由許多微小的光纖組成。該光纖 成束器然后將圖像傳遞至光纖成束器80的另一端?，F(xiàn)在可以由控制臺 410的光束420探測光纖的另一端。這種控制臺410的一個實例例如為 如圖5所示出以及如E. Laemmel等人在J. Vase. Res. 2004; 41:400-411中所描述的共焦掃描系統(tǒng)。該參考文獻示出了圖4的掃描 系統(tǒng)410和420讀取光纖成束器80所傳遞圖像的實例。
在另一個實施例中，如圖6a和6b所示，單個掃描光纖50(M皮用于 傳遞所形成的圖像。該光纖500被連至控制臺(未示出)。通過掃描 光纖端部510,由光探測所形成的圖4象可以如US - A - 20050052753所 描述的那樣被讀取并傳送至控制臺。
應(yīng)當理解，盡管在這里針對根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備討論了優(yōu)選的實施 例、特定的構(gòu)造和配置以及材料，但是可進行形式和細節(jié)上的各種改 變或者更改，而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于光學活檢設(shè)備的物鏡系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有一透鏡，該透鏡包括配置為用于以第一放大率觀測的第一部分，和配置為用于以第二放大率觀測的第二部分，其中第二放大率明顯不同于第一放大率。
2. 如權(quán)利要求1所述的物鏡系統(tǒng)，其中透鏡的第一部分和第二部分彼此同心，并且第二部分基本上圍繞在第一部分周圍。
3. 如權(quán)利要求1所述的物鏡系統(tǒng)，其中第一部分具有第一曲率半徑，第二部分具有第二曲率半徑，并且其中笫一曲率半徑明顯不同于第二曲率半徑。
4.如權(quán)利要求3所述的物鏡系統(tǒng)，一部分的曲率半徑，C2為第二部分的曲率半徑。0.05，其中d為第
5. 如權(quán)利要求3所述的物鏡系統(tǒng)，其中第一曲率半徑和第二曲率半徑符號不同。
6. 如權(quán)利要求1所述的物鏡系統(tǒng)，其中第一放大率與宏觀視野相關(guān)聯(lián)，第二放大率與微觀視野相關(guān)聯(lián)。
7. 如權(quán)利要求6所述的物鏡系統(tǒng)，第一放大率至少比第二放大率小10倍。
8. 如權(quán)利要求1所述的物鏡系統(tǒng)，第一部分具有第一波長敏感透射涂層，第二部分具有第二波長敏感透射涂層。
9. 一種光學活檢設(shè)備，包括插入體內(nèi)的插管；和物鏡系統(tǒng)，固定于插管尖端以用于通過第一放大率觀測和第二放大率觀測，其中第二放大率高于第一放大率，并且其中該物鏡系統(tǒng)具有一透鏡，該透鏡包括配置用于以第一放大率觀測的第一部分和配置用于以第二放大率，見測的第二部分。
10. 如權(quán)利要求9所述的光學活檢設(shè)備，還包括配置用于切換以第一放大率和第二放大率進行觀測的光闌。
11. 如權(quán)利要求10所述的光學活檢設(shè)備，其中所述光闌包括液
12. 如權(quán)利要求9所述的光學活檢設(shè)備，其中光闌被配置為按照電潤濕原理工作。
13. 如權(quán)利要求9所述的光學活檢設(shè)備，還包括圖像傳感器，其中由透鏡形成的圖像被傳遞至所述圖像傳感器。
14. 如權(quán)利要求9所述的光學活檢設(shè)備，還包括光纖成束器，被配置用于傳遞由透鏡所形成圖像；和控制臺，被光學耦合至該光纖成束器并配置用于讀取所形成圖像。
15. 如權(quán)利要求9所述的光學活檢設(shè)備，還包括單個掃描光纖，被配置用于讀取所形成圖像；以及控制臺，被光學耦合至該單個掃描光纖且被配置為重構(gòu)所形成圖像。
全文摘要
一種用于光學活檢設(shè)備的物鏡系統(tǒng)，具有包括配置為用于以第一放大率觀測的第一部分和配置為用于以第二放大率觀測的第二部分的透鏡。第二放大率明顯不同于第一放大率。第一放大率使得能夠觀測靶的更大區(qū)域，而第二放大率使得能夠在細胞水平高靈敏度和特異性地觀測靶。在單一物鏡內(nèi)組合不同放大率的觀測形成了一種緊湊的光學活檢設(shè)備。
文檔編號G02B3/10GK101652681SQ200880011185
公開日2010年2月17日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月31日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, S·凱珀 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司