專利名稱：Nir臨床光學(xué)掃描系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維光學(xué)成象技術(shù)，尤其涉及復(fù)雜的隨機(jī)介質(zhì)如人體組織中通過檢測從介質(zhì)發(fā)射的散射光，對吸收和/或散射結(jié)構(gòu)進(jìn)行的檢測和三維成象。
背景技術(shù)：
大多數(shù)能夠提供人體內(nèi)部三維成象的醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備極為笨重，并且價格昂貴。與磁共振成象(MRI)設(shè)備相關(guān)的空間要求和價格有時使得即使在要求為進(jìn)行正確診斷而需要進(jìn)行三維成象時，也是一種不切實(shí)際的診斷選擇。傳統(tǒng)的借助于計算機(jī)輔助斷層成象(CAT)掃描系統(tǒng)除了笨重和價格昂貴以外，還要求病人暴露在潛在的有害輻射下。
有時，人們需要采用對隱埋在散射介質(zhì)(如人體組織)中的物體進(jìn)行檢測和識別的光學(xué)方法，這是因為光學(xué)系統(tǒng)可以做得小型、輕盈，并且相對價格低廉，同時還不會有從電磁頻譜有害部分產(chǎn)生的輻射。光學(xué)系統(tǒng)還能夠通過進(jìn)行頻譜分析，確定結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成以及從MRI或CAT成象系統(tǒng)所不能得到的能力。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用光學(xué)系統(tǒng)的一個問題是，人體是一個不透明的或散射的介質(zhì)，它使入射光在目標(biāo)物體上漫反射，從而使來自物體的位置和表面解剖數(shù)據(jù)不清楚。不透明介質(zhì)中隱埋的成象物體的成功的光學(xué)診斷工具必須能夠從由隱埋目標(biāo)反射的多途徑散射光信號中獲取有用的信息。
Barbour等人的標(biāo)題為“隨機(jī)介質(zhì)的成象方法”的美國專利5,137,355(下稱“Babour’355專利”)在此引述供參考。本發(fā)明揭示了一種根據(jù)顯著穿透人體組織的近紅外電磁波頻譜區(qū)域中散射光的測量的非侵入式的醫(yī)學(xué)成象技術(shù)。在這種技術(shù)以前，人們已經(jīng)對不透明介質(zhì)中目標(biāo)的光學(xué)檢測作了大量的工作，但隱埋物體深度和結(jié)構(gòu)的成象物體仍然沒有解決。Barbour的‘355專利的技術(shù)使得觀察者能夠精確地檢測三維圖象，并給出不透明介質(zhì)中目標(biāo)物體的光譜學(xué)特征。
Barbour的’355專利中揭示的技術(shù)采用多個波長的準(zhǔn)直源和準(zhǔn)直接收器，并對入射光每一位置的樣品產(chǎn)生的散射光進(jìn)行位置和角度掃描。這種技術(shù)使得可以確定不透明介質(zhì)中物體的深度、結(jié)構(gòu)和吸收和散射特性。
Barbour的’355專利中揭示的方法給出有關(guān)如何恢復(fù)高散射介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖象的基本描述。唯一的要求是，它要求檢測到的信號經(jīng)過充分的散射，從而按照顆粒圖象(即輻射傳輸方程)精確地描述每一次傳播途徑。所以，根據(jù)傳播信號時間特征的估算，該方法可以用于各種類型的能量源(如電磁的、聲學(xué)的和粒子線束)和各種源條件(即，直流的、時間分辨的或交流的)。盡管這種方法總體上講是正確的，但并不能詳細(xì)地說，特別是在非理想情況下，怎樣進(jìn)行測量是最好的。
例如，最好要求高質(zhì)量圖象的結(jié)構(gòu)消除這些不理想的因素，如由病人的呼吸和心跳引起的不可避免的運(yùn)動所產(chǎn)生的運(yùn)動假象。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種改進(jìn)的光學(xué)成象裝置和對非均勻樣品的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行成象并使運(yùn)動假象為最小的技術(shù)。
按照本發(fā)明的對具有非均勻表面幾何結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)斷層成象的裝置包含能夠提供具有至少能使通過組織的傳輸衰耗的波長的光的光源；由光纖束組成的光纖陣列，用來將光從光源傳送到要成象的組織；以及由接收組織散射的光的光纖束組成的第二光纖陣列；一可調(diào)組件，它包含一個支承每一光纖束的一端的可調(diào)支承構(gòu)件，光纖束沿每一支承構(gòu)件部分分布，支承構(gòu)件與正被成象的樣品表面一致，從而在多個相隔開的點(diǎn)處，將光發(fā)送到成象組織的表面上以及收集從該表面上反射的光；以及一個檢測器陣列，它接收第二光纖束中的光纖收集的光。
有幾種光源適合用于該裝置中，包括二極管激光器、Ti藍(lán)寶石激光器、染料激光器、多波長激光器、連續(xù)波(CW)激光器，以及脈沖功率激光器。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，光源發(fā)射電磁波近紅外部分的光。光纖陣列有一個靠近光源的可平移的光接收端。
在一種較佳實(shí)施例中，該裝置有一個介于光源和光纖陣列之間的聚焦透鏡。另外，可調(diào)支承構(gòu)件可以由具有塑性記憶的變形材料來構(gòu)筑，或者由形成一個或多個同心可調(diào)光闌的機(jī)械元件組成。該較佳實(shí)施例還具有介于第二光接收光纖陣列和檢測器陣列之間的衰耗器，用以控制從樣品收集的光的動態(tài)范圍。
從下面較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖，讀者將會更清楚地理解本發(fā)明的進(jìn)一步的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡述

圖1是含有本發(fā)明的NIR臨床光學(xué)掃描系統(tǒng)的整體系統(tǒng)方框圖；圖2A是按照本發(fā)明的可調(diào)虹膜片的放大透視圖；圖2B是按照本發(fā)明的可調(diào)虹膜組件的透視圖；圖2C是按照本發(fā)明的可調(diào)虹膜組件的閉合透視圖；圖3是衰耗器組件的透視圖；圖4A是按照本發(fā)明的輸出耦合器俯視圖；圖4B是檢測器陣列的圖形表示；圖5A是本發(fā)明實(shí)施例用作雙乳房掃描器的主視圖；圖5B是圖5A中描述的雙乳房掃描器的一個掃描頭的放大側(cè)視圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述在按照本發(fā)明的一個方面中，提供的光學(xué)成象裝置使得能夠?qū)Ψ蔷鶆驇缀谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行三維成象。這時，裝置可以被構(gòu)筑為使來自非平面樣品的散射光的收集為最佳，并且能夠通過產(chǎn)生一個包圍和封閉處于測試下的非均勻體幾何形狀的共形結(jié)構(gòu)，來減少運(yùn)動假象，從而使圖象處理具有所需的穩(wěn)定的和精確的幾何信息。
在該較佳實(shí)施例中，本發(fā)明檢測因光學(xué)非均勻性(如位于正常人體組織內(nèi)的光學(xué)離散介質(zhì)內(nèi)的腫瘤)所產(chǎn)生的散射光。源光纖使光通過共形結(jié)構(gòu)投射到目標(biāo)介質(zhì)(即人體組織)上。通過介質(zhì)傳播的光在射出之前經(jīng)受多途徑散射。發(fā)射光是通過也是位于共形結(jié)構(gòu)內(nèi)的接收光纖束來收集的。
本發(fā)明的特征是，使光散射的目標(biāo)介質(zhì)每一部分所產(chǎn)生的射出光產(chǎn)生相對貢獻(xiàn)。這一特征考慮了正進(jìn)行分析的目標(biāo)部分的深度，以及接收光纖相對于源光纖的距離和角度。目標(biāo)數(shù)據(jù)是根據(jù)先前由散射介質(zhì)產(chǎn)生的取決于位置的光通量信息的校準(zhǔn)測量來決定的；因此，要求嚴(yán)格地知道源光纖和接收光纖相對于目標(biāo)的位置。本發(fā)明的共形結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比，提高了這一位置信息的精確度。在確定了每一部分產(chǎn)生的相對貢獻(xiàn)以后，可以用計算機(jī)，由該信息勞重新構(gòu)筑一個三維的圖象。
圖1是采用本發(fā)明的NIR臨床光學(xué)掃描儀的較佳實(shí)施例的整體系統(tǒng)方框圖。該系統(tǒng)包含一光源組件100、可調(diào)光闌組件130、衰耗器組件160、檢測器陣列180，和計算機(jī)190。光源組件100包括一個近紅外源102、聚焦透鏡104和一個可平移光纖陣列106。使一部分從光源組件100發(fā)射光偏轉(zhuǎn)到參考檢測器110，從而可以監(jiān)視和校正源功率電平的波動。使其余的光投射到可調(diào)光闌130，該組件將發(fā)送和接收光纖束145罩住，用以投射和收集目標(biāo)樣品140處的光。
在本較佳實(shí)施例中，可調(diào)光闌組件130包含多個共形光闌光闌(未示出)，它是可以調(diào)節(jié)以適合于目標(biāo)樣品140的特定表面幾何形狀的。共形光闌光闌罩住發(fā)送和接收光纖束145的尾端，從目標(biāo)樣品140發(fā)送并接收光。在另一種實(shí)施例中，可調(diào)組件是由變形材料構(gòu)成的。從接收光纖束155收集的光被投射到衰耗器組件160上，從而從目標(biāo)樣品140射出的散射光強(qiáng)度在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)是可調(diào)的。衰耗器組件160包含多個改變光學(xué)強(qiáng)度的衰耗器。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，衰耗器是中性密度濾光器。在另一種實(shí)施例中，衰耗器是偏振器。
光在通過衰耗器組件160以后，被投射到檢測器陣列180。檢測器陣列最好是一種標(biāo)準(zhǔn)的CCD陣列。代表三維圖象信息的電信號從檢測器陣列180發(fā)送到計算機(jī)190，用以重新構(gòu)筑圖象。本系統(tǒng)與上述’355專利的一部分不同點(diǎn)是，成象光是被投射到和從被分析的介質(zhì)收集的。
圖2A是可調(diào)光闌光闌200的放大透視圖，它包括發(fā)送和接收束210，和可調(diào)光闌開孔220。圖2B是一可調(diào)光闌組件240的透視圖。圖中采用典型的線束225更詳細(xì)地示出了發(fā)送接收束(bundle)210。圖2B中有18個發(fā)送/接收線束225。發(fā)送/接收線束225由支承結(jié)構(gòu)230和235作剛性支承；支承結(jié)構(gòu)230使發(fā)送/接收線束225與測試中的樣品(未示出)接觸。高整可變光闌245與正測試中的樣品緊密貼合在一起。
圖2C是可調(diào)光闌組件240的閉合(close-up)透視圖。圖中詳細(xì)示出的支承結(jié)構(gòu)235帶有位于光纖端口255下方延伸的金屬桿250，使得當(dāng)光闌245開啟或關(guān)閉時，所有支承構(gòu)件235能夠一起移動。例如，光闌245可以由一系列局部重疊的活動鋼板構(gòu)筑，使得金屬桿250附裝在它上面，從而活動鋼板重疊的程度控制光闌開孔的直徑。也可以采用其他許許多多的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一可調(diào)性。
在另一種實(shí)施例中，光闌是由固定的支承架構(gòu)成的，支承架235可以徑向并獨(dú)立地朝向開孔移動或離開該開孔。通過使支承架235獨(dú)立移動與要成象的組織接觸或靠近要成象的組織，來實(shí)現(xiàn)線束(bundle)終點(diǎn)的外圍定位(conformity)。
圖3示出的是衰耗器組件300，包括外柱體310、內(nèi)柱體320、接收線束330、衰耗器340和發(fā)送線束350。
圖4B示出的是安裝有發(fā)送線束410的檢測器陣列400。
圖5A是作為本發(fā)明實(shí)施例的雙乳房掃描器的主視圖，圖中給出了兩個掃描頭510。圖5B是掃描頭510中的一個的放大側(cè)視圖，其中包括有可調(diào)光闌520、530和540。
光源組件100提供用于受檢樣品輻照的NIR光。有各種各樣的NIR激光器102，如二極管激光器、Ti-藍(lán)寶石和染料激光器，它們可以工作在CW(連續(xù)波)到超短時間脈沖范圍內(nèi)。將激光耦合到光纖陣列106中是通過采用聚焦透鏡104將光聚焦到光纖的近端來實(shí)現(xiàn)的。通過機(jī)械裝置驅(qū)動的可平移光纖陣列106最少含有100個被套住的光纖束120，每一線束含有多個小直徑的光纖(＜200μ)，總工作面積最小為2mm2。
采用發(fā)送光纖束120，通過發(fā)送/接收線束120將NIR激光傳送到可調(diào)光闌組件130中的各個位置上。
可調(diào)光闌組件130包括幾個平行可調(diào)的光闌單元，每一個均罩住最少20個發(fā)送/接收線束120?？烧{(diào)光闌組件130剛性地固定在隔離環(huán)境光的外殼上。圖2A、2B和2C中示出了組件130中所包含的一個獨(dú)立可調(diào)的光闌光闌。這些光闌很好地與對光進(jìn)行投射和收集的發(fā)送和接收光纖束210的開孔220中的目標(biāo)樣品共形貼合。
盡管光是從密集目標(biāo)如人體組織的高散射介質(zhì)中隱埋的腫瘤散射得到的，但射出的信號電平有較大的動態(tài)范圍。最強(qiáng)的信號是那些在源附近直接從后向散射的；信號是以傾斜的角度散射的，并在組織內(nèi)經(jīng)過多次反射，比直接從后向散射的信號要弱得多。因此，需要使某些射出信號衰耗，特別是那些靠近入射光源的信號。對于斷層測量來說，信號的位置將隨光源的位置而變。
采用圖3中所示的衰耗器組件300，可以有效地完成用于任何光源位置的給定光纖束的選擇性衰耗。衰耗器組件300由兩個固定的同心圓柱形外殼組成，一個外柱體310和一個內(nèi)柱體320，它們之間是一個含有多個衰耗器340的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，衰耗器是分級的(graded)中性密度濾光器。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，衰耗器是偏振器。
參見圖3，內(nèi)柱體320罩住來自可調(diào)光闌組件130的接收線束330的尾端；這些線束傳送從目標(biāo)樣品140收集的光信號。從接收線束330射出的光有選擇地由衰耗器340衰耗。外柱體310罩住發(fā)送線束350，發(fā)送線束350收集從衰耗器340射出的光，并通過圖4A中所示的輸出耦合器，將經(jīng)衰耗的光投射到圖4B中所示的檢測器陣列400。
圖4A中，外耦合器420由外安裝裝置430和內(nèi)安裝裝置435保持。內(nèi)安裝裝置435通過安裝螺絲440將光纖束450保持在其位置上。光纖束450將光從衰耗器組件300發(fā)送到檢測器陣列400。
在另一個實(shí)施例中，通過將一個透鏡(未示出)安裝在外柱體310內(nèi)而將從接收線束330分散的光重新射出到分散線束350的近軸端，可以增強(qiáng)信號的強(qiáng)度。然而在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，對于熒光應(yīng)用場合，可以在接收線束330和發(fā)送線束350之間再加進(jìn)一個波長選擇濾光器，以阻塞激勵場(excitory field)。
由發(fā)送線束350從衰耗器340收集的光被投射到圖4B中所示的檢測器陣列400。根據(jù)激光器102的類型以及所期望的臨床應(yīng)用情況，可以采用任何數(shù)量的光檢測器或檢測器陣列400。冷卻的線性CCD適合于大多數(shù)的應(yīng)用場合。正如本領(lǐng)域中大多數(shù)技術(shù)人員知道的那樣，附裝在檢測器陣列400前端上的一種合適的結(jié)構(gòu)(未示出)可以將發(fā)送線束350的末端保持在相對于檢測器陣列400的固定位置上，從而可以得到精確的位置信息。
按照本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，外殼由黑塑料制成，用以將本發(fā)明的內(nèi)部組件與環(huán)境光屏蔽開。本發(fā)明的另一個實(shí)施例包括一個橡皮壩(rubber dam)結(jié)構(gòu)，形成一個對極端情況的防水密封結(jié)構(gòu)，使腔體內(nèi)填滿散射液體。橡皮壩和散射液體改進(jìn)了光纖和要求用于圖象計算的樣品之間的邊界匹配條件。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，只要合適，可以采用雙頭掃描儀，對雙側(cè)附屬部分(如乳房、四肢)進(jìn)行鑒別測量。圖5A示出的是雙乳房掃描的正視圖。該實(shí)施例中，本發(fā)明由含有兩個可調(diào)光闌組件130的雙頭掃描儀510組成，并且可以同時緊貼病人的兩個乳房。圖5B是雙頭掃描儀510中的一個頭的放大側(cè)視圖，為描述方便，給出了三個可調(diào)光闌520、530和540。
將從檢測器陣列400得到的測量信號數(shù)字化，并發(fā)送到主計算機(jī)，該計算機(jī)還控制電子線路的運(yùn)行、光源移動和衰耗器340的位置。主計算機(jī)還用來計算重新構(gòu)筑的圖象，并用于圖象顯示。
圖象的重新構(gòu)筑是用上述美國專利5,137,355中的方法實(shí)現(xiàn)的。它考慮了用粒子模型進(jìn)行的光子傳送的成形，并用幾個估算線性干擾模型的代數(shù)解算器中的任何一個分析測得的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，光源單元100含有一個或多個多波長的光源。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，掃描儀是以熒光檢測模式工作的。
本發(fā)明的一個主要特征是使目標(biāo)結(jié)構(gòu)對照移動假象具有穩(wěn)定性并且同時很好地使之與規(guī)則的幾何尺寸吻合(conform)的能力。后者是很有利的，這是因為當(dāng)估算具有規(guī)則邊界和任意邊界的結(jié)構(gòu)時，可以提高數(shù)字計算的效率。另外，其他的設(shè)計特征包括測量頭能夠進(jìn)行平穩(wěn)接觸測量(即不需重壓)的能力，以及裝置能夠與各種人體結(jié)構(gòu)接觸的幾何兼容性。
在該較佳實(shí)施例中，后者可以用附裝光纖的機(jī)械光闌來完成。光闌的調(diào)整可以在完全控制下用移動一控制裝置來實(shí)現(xiàn)。另外，光闌頭可以容易地擴(kuò)展，以包括一個相隔開的光闌陣列，它們基本上排列成平行的平面，使得能夠進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的表面測量。
光能，例如從激光源產(chǎn)生的光能，被引入到端接在光闌單元處的光纖內(nèi)。這可以采用幾種不同的方式來實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施例中，發(fā)送光纖是位于圓形結(jié)構(gòu)中的，該圓形結(jié)構(gòu)被罩在一個柱形結(jié)構(gòu)內(nèi)，柱形結(jié)構(gòu)中，有一個受計算機(jī)控制的并且使光偏轉(zhuǎn)到光纖內(nèi)的旋轉(zhuǎn)棱鏡。光纖可以是呈線束狀的，或者是由單個的光纖組成的，該光纖具有適當(dāng)大的直徑(～1mm)。不管是在哪一種情況下，都可以將它們封裝起來而避開環(huán)境光。光闌單元內(nèi)，還有接收光纖。可以使這些光纖的末端靠近發(fā)送光纖的各個發(fā)光端，或其他的位置處。發(fā)送一接收光纖排列結(jié)構(gòu)的精確的幾何形狀不是嚴(yán)格要求的，只要求能夠看到光源光纖就可以了。
在該較佳實(shí)施例中，我們已經(jīng)選擇了采用排列成“牛眼”的分叉光纖?！芭Ｑ邸钡闹醒胛恢煤邪l(fā)送光纖束；“光環(huán)(halo)”含有接收光纖。光闌頭自己可以由一個或多個單元組成。在后一種情況下，進(jìn)入陣列任何一處的光會在任何一個地方退出目標(biāo)組織。隨后，接收光通過接收光纖發(fā)送到濾光器單元內(nèi)，用來使靠近源光纖的地方的高強(qiáng)度信號得到所期望的衰耗。
為了能夠適應(yīng)重新確定光源的位置，還必須重新確定濾光器單元的位置。這是用可移動的濾光器陣列來實(shí)現(xiàn)的，該可移動的濾光器陣列與源光纖的位置是同步的。在一個實(shí)施例中，有兩個固定嵌套的柱體，一個罩住來自光闌單元的光纖，另一個罩住與之相距一短距離的接收光纖。其間有一個可移動的濾光器陣列，它的位置是與源光纖同步的。在濾光器單元的另一個實(shí)施例中，來自光闌的光纖和相對的接收光纖被罩在其間的圓盤內(nèi)，它是一個旋轉(zhuǎn)的濾光器陣列。不管是在哪一種實(shí)施例中，通常只有靠近源的信號需要接收信號的衰耗，盡管必要或者要求的話，也可以實(shí)現(xiàn)來自更遠(yuǎn)的光纖的信號的衰耗。自然，正對源光纖的那些接收光纖將具有低得多的強(qiáng)度，并且在這些情況下，附加的信號衰耗通常是不必要的，并且通常也是不要求的。
隨后，通過濾光器單元的光投射到光檢測器上。再有，可以采用許多種顯示方法。一種方法是，可以定位各個檢測器的位置使能夠直接接收通過旋轉(zhuǎn)濾光器傳送的光。另一種方法是，傳送到濾光器單元中相對的接收光纖的光可以與一錐形光纖相接，其窄端與一面積檢測器(area detector)如一個二維CCD或CID檢測器接觸。
上述系統(tǒng)可以被恰當(dāng)?shù)乜醋魇谴硪粋€幾何上自適應(yīng)的接口裝置。其一端是一個光源，其另一端是一個檢測器。其間是光闌單元，和需要用來將光投射到光闌上并執(zhí)行所有所需的信號調(diào)節(jié)(即衰耗)的附加裝置。所以，該單元可以容易地適合于所有的光源條件如DC、調(diào)幅或脈沖源。它也可以適合于所有適用于所選光源條件的檢測器。
實(shí)際上，光闌單元自己最好被罩在一個封殼內(nèi)，使其與環(huán)境光隔開。還可以將其構(gòu)筑成能夠?qū)⑸⑸湟后w引入光闌頭內(nèi)，從而簡化邊界條件。在后一種情況下，需要一個呈橡皮臂(rubber arm)形式的液體密封裝置，該裝置與目標(biāo)組織相接。
與先前在Barbour的’335專利中指出的那樣，分析從上述裝置得到的測量數(shù)據(jù)。原則上可以采用任何一種類型的擾動(perturbation)方法。這些方法通常是某種類型的代數(shù)重建方法。其求解局限于一階Bova或Rytov近似，或者也可以采用迭代的牛頓求解方法。正象人們所知道的那樣，在后一種情況下，從規(guī)則幾何形狀得到的測量數(shù)據(jù)可以比從具有任意邊界物體得到的數(shù)據(jù)更有效地進(jìn)行分析。這是本發(fā)明的光闌單元所具有的一個重要特征。
除了對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以重建圖象以外，還據(jù)理解，也可以按照特征獲取程序獨(dú)立地對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。原則上，據(jù)認(rèn)為，因為測試物體(如乳房)的外部幾何形狀是固定的，并且是已知的，所以這就限制了斷層數(shù)據(jù)集中可能的圖形數(shù)。先驗地，期望不同的病狀對光在組織中的傳播具有不同的影響是合理的。如果目標(biāo)的外部幾何限制是受到嚴(yán)格限制的(即，是一個圓)，那么數(shù)據(jù)中可能圖形的范圍也類似地受到限制。因此，除了防止移動假象以外，光闌單元自然也使得能夠?qū)芎眠m用于分析圖形恢復(fù)問題作為特征獲取問題的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。采用標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案如向后傳播，能夠容易地估計特征獲取。從對已知并且很好確定了病理的病人進(jìn)行的測量中將得到這種情況下的訓(xùn)練矢量(training vector)(即，正態(tài)性數(shù)據(jù))。
對于人體組織進(jìn)行的測量，可以預(yù)期，受檢目標(biāo)會具有非均勻的邊界，并且會具有移動假象。例如，對乳房非接觸評估肯定是這種情況。乳房是一個可變形的結(jié)構(gòu)。其外部的幾何形狀隨主體的取向以及支承結(jié)構(gòu)而變。另外，可以期望，呼吸和心臟活動會引入不確定的假象。
這些類型的變量可能會在獲得高質(zhì)量圖象中有問題。移動假象作為測量數(shù)據(jù)中使圖象質(zhì)量變壞的噪聲源。盡管Barbour的’355中的方法能夠估計具有非均勻邊界的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)外部邊界是光滑和規(guī)則(如柱形、半球形幾何形狀)的時候，可以采用許多更有效的適用于不同類型的方法(如有限差分法、有限元解法)。在反向問題采用遞歸解法的情況時，更是這樣，這時，采用多網(wǎng)格坐標(biāo)前向解答器(multi-grid forward solver)可以大大減少計算時間。因此，本發(fā)明可以滿足使移動假象為最小并且同時使目標(biāo)結(jié)構(gòu)的幾何形狀為簡單形狀的要求。由于測量裝置在幾何形狀上是適合的，所以可以對各種人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。
總體上說，上述裝置與現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)掃描器相比，提高了信號的保真度。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，共形結(jié)構(gòu)含有基于纖維光學(xué)的斷層組件，該組件罩在一個可調(diào)的多層光闌架內(nèi)，該框架可以使多個光纖與皮膚直接接觸，而僅有光對人體組織產(chǎn)生適度的壓縮。這種設(shè)計有幾種有用的用途。它可以在捕獲數(shù)據(jù)期間，用作在機(jī)械上使組織穩(wěn)定，從而使移動假象為最小。在某些情況下，還可以使組織形成與光闌開孔一樣的幾何形狀。這使得可以改進(jìn)信號的收集，同時可以精確地知道與目標(biāo)介質(zhì)的幾何形狀相關(guān)的光纖位置。通過調(diào)整與組織幾何形狀相關(guān)的多層光闌中每一層的開孔，可以得到非均勻人體結(jié)構(gòu)(如乳房)的精確外形。整個光闌組件被剛性地罩在一個更大的框架內(nèi)，用來隔離環(huán)境光，并且可以被散射液體填滿，而改進(jìn)邊界的匹配。
上述裝置和系統(tǒng)使得能夠用低成本的光學(xué)掃描儀，對較厚的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際的NIR光學(xué)斷層成象研究，用來對各種病理狀態(tài)(如癌癥診斷和分級、缺氧狀態(tài)的估計、血管病理等)進(jìn)行檢測和成象。另外，本系統(tǒng)使得我們能夠應(yīng)用Barbour的’355專利的基本概念，同時使之能夠?qū)Ψ蔷鶆驇缀涡螤钸M(jìn)行高精度、高靈敏度的測量。
如上所述，新系統(tǒng)還具有高靈活性，可以容易地適用于成人各種身體極端情況的檢查估計(如胸部、四肢、生殖器、頭和頸)，并且可以用于嬰兒總體積的估算。本系統(tǒng)還可以用于獸醫(yī)學(xué)檢查，如動物肢體和關(guān)節(jié)的檢查評估，如賽馬。
上述單元重量輕、體積小，耗能適中，并且采用低成本的光源和檢測器。另外，用最少數(shù)量的機(jī)械操作，可以實(shí)現(xiàn)斷層數(shù)據(jù)的收集。生產(chǎn)單位可以容易地將其安裝在實(shí)驗裝置上。還可以對實(shí)施例作小的更改，一個對多個波長光學(xué)和熒光測量以及雙頭單元。本發(fā)明的范圍并非僅限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以應(yīng)用于不透明介質(zhì)中隱埋物體的三維成象，例如食品的遠(yuǎn)程檢查。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是圖象精確性的靈敏度和外部組織幾何形狀誤差、源和檢測器的位置的穩(wěn)定性以及對移動假象的靈敏性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以采用各種光源(激光光源)，將NIR光耦合到光纖內(nèi)。
盡管上文中參照附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施例以及各種改進(jìn)形式，但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非僅限于這些實(shí)施例和所描述的修改形式，在不偏離權(quán)利要求書所描述的發(fā)明范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員還可以對這些實(shí)施例作各種更改和進(jìn)一步的提高。
權(quán)利要求
1.一種對具有非均勻表面幾何形狀的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)斷層成象的裝置，其特征在于，它包含光源，所述光源能夠提供具有一波長的光，所述光能夠至少在通過所述組織傳輸時產(chǎn)生衰耗；第一光纖陣列，它包括將光從所述光源傳送到要成象的所述組織的光纖束；第二光纖陣列，它包括接收所述組織散射的光的光纖束；可調(diào)組件，所述可調(diào)組件包括一可調(diào)支承構(gòu)件，它支承每一光纖束的一端，所述光纖束來自所述第一和第二光纖陣列，并且沿每一支承構(gòu)件的一部分分布，與要成象的樣品表面吻合，從而將光發(fā)送到被成像組織的表面，并且在多個相隔開的點(diǎn)處收集從被成象組織表面發(fā)射的光；以及檢測器陣列，它接收所述第二光纖束中的光纖收集的光。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光源是從一組激光器中選擇出來的，所述一組激光器是二極管激光器、Ti藍(lán)寶石激光器、染料激光器、多波長激光器、連續(xù)波(CW)激光器以及脈沖功率激光器。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述光源所發(fā)射的光在電磁頻譜的近紅外部分。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光纖陣列具有靠近所述光源的可平移的光接收端。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它包含一個介于所述光源和所述光纖陣列之間的聚焦透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支承構(gòu)件是由一變形材料構(gòu)成的。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支承構(gòu)件包含一可調(diào)光闌。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包含一介于所述光纖束和所述檢測器陣列之間的衰耗器，所述光纖束從所述可調(diào)組件發(fā)射光。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述衰耗器包含罩住來自所述可調(diào)組件的光纖束的內(nèi)柱體；罩住將光引入所述檢測器陣列的光纖束的外柱體；以及介于所述內(nèi)、外柱體的多個衰耗器。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述多個衰耗器包含各具有多個密度值的中性密度濾光器。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述多個衰耗器包含偏振器。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包含一個參考檢測器，所述檢測器監(jiān)視所述光源，所述光源來自一部分所述光纖陣列，所述光纖陣列從所述光源接收光。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包含一個外殼，所述外殼圍住所述可調(diào)組件，從而所述外殼阻擋環(huán)境光。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述外殼還包含一橡皮壩，用以包容浸入的折射率匹配的液體。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述檢測器陣列是一個電荷耦合器件(CCD)檢測器陣列。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，在所述檢測器陣列和從所述可調(diào)組件發(fā)射光的所述光纖束安裝端之間有一個固定的物理關(guān)系。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包含一第二可調(diào)組件，以形成一雙頭掃描儀。
18.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述衰耗器還包含一波長選擇濾光器。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光纖束包含多個小直徑的光纖，每一光纖具有小于200微米的直徑，并且所述光纖束中的每一個具有至少為2平方毫米的總工作面積。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，有一個最小數(shù)量為100的光纖束。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包含用于三維圖象重建的計算裝置和從所述檢測器陣列接收的數(shù)據(jù)的顯示器。
22.一種對具有非均勻表面幾何形狀的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)斷層成象的方法，其特征在于，它包含下述步驟采用一可調(diào)組件，使之與受測樣品的幾何形狀很好吻合；用通過可調(diào)組件中含有的發(fā)送光纖束從一光源得到的光輻照所述樣品；用所述可調(diào)組件中含有的接收光纖束，在所述光源波長下，從所述樣品收集散射光；用一檢測器陣列檢測被散射的光；用能夠構(gòu)筑和顯示來自被散射的光的三維圖象的計算機(jī)分析被散射的光。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，來自所述樣品的所述散射光處在所述光源波長以外的一個波長下。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述樣品是在多個光源波長下輻照的。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含通過將一部分所述光源的光偏轉(zhuǎn)到一參考檢測器來監(jiān)視所述光源的光的步驟。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含有選擇地使來自所述樣品的散射光衰耗的步驟。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含通過用一外殼將所述可調(diào)組件罩住來擋住環(huán)境光而使所述可調(diào)組件不受影響的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，它還包含通過用折射率匹配液體來填滿所述外殼而使所述受測樣品折射率匹配的步驟。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含用兩個可調(diào)組件形成一雙頭掃描器的步驟。
30.如權(quán)利要求22所述的步驟，其特征在于，它還包含采用一波長選擇濾光器的步驟。
31.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含采用包含多個小直徑光纖的光纖束的步驟，每一所述小直徑光纖的直徑小于200微米，并且所述光纖束中的每一個具有至少為2平方毫米的工作面積。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，它還包含最少采用100個光纖束的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維光學(xué)成象技術(shù),尤其涉及通過檢測從介質(zhì)射出的散射光,對復(fù)雜隨機(jī)介質(zhì)如人體組織中的吸收和/或散射結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測和三維成象。按照本發(fā)明對具有非均勻表面幾何結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)X線斷層成象的裝置包含:光源,它能夠提供具有一波長的光,所述波長的光能夠在通過所述組織傳送時產(chǎn)生衰耗:光纖陣列,它由將光從光源傳送到要成象的組織的光纖束組成,以及第二光纖陣列,它由接收組織散射的光的光纖束組成;可調(diào)組件,它包含一支承每一光纖束的一端的可調(diào)支承構(gòu)件,光纖束沿每一支承構(gòu)件的一部分分布,與要成象的樣品表面吻合,從而將光傳送到該表面,并在多個相隔開的點(diǎn)處,從成象組織的表面收集發(fā)射的光;以及一檢測器陣列,它接收第二光纖束中的光纖收集的光。
文檔編號G01N21/47GK1276869SQ98810247
公開日2000年12月13日 申請日期1998年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月16日
發(fā)明者R·L·巴伯 申請人:紐約州立大學(xué)研究基金會