專利名稱：多路徑、多放大率、非共焦熒光發(fā)射內窺鏡裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例最普遍地涉及多光子熒光和/或非線性諧波發(fā)射內窺鏡裝置和 方法的領域。尤其是，本發(fā)明的實施例涉及用于熒光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng)的多放大率、非共焦、 多路徑光學系統(tǒng)和光學系統(tǒng)模塊，以及相關方法。
背景技術：
多光子顯微術是差不多二十年前由本發(fā)明的共同發(fā)明人WattWebb博士共同發(fā)明 的?，F在公知的多光子顯微術(MPM)是明顯優(yōu)于標準共焦顯微術的特定類型的激光掃描顯 微術。在共焦顯微術中，高能光(例如488nm)的一個光子用于激發(fā)分子以產生熒光的一個 光子。該光在圍繞焦點的較大區(qū)域中激發(fā)分子。高能光的使用會容易破壞整個暴露區(qū)域中 的活體組織。此外，成像深度被限制為大約50微米(μ )(大約5個細胞層)。在MPM中，多個低能光子(例如960nm)同時撞擊在熒光分子上，從激發(fā)場的聚焦 體積產生熒光的一個分子。有利地，由于例如對活體組織的部位光毒性和光損傷有限、高達 500-1000 μ的撞擊深度和較低的散焦熒光背景，MPM比共焦顯微術更安全和有效地用于人 體。由激發(fā)場生成的某些組織結構的內源熒光減少或消除了對染料(熒光團)注射的需要。 在本領域中有已知的其他原因。因此，MPM提供了獲得高對比度、高分辨率圖像的能力，而 且不需要使用針孔或其他空間過濾元件，減小了由重復激發(fā)產生的組織光漂白和光裂解。用于生成多光子激發(fā)的激光也支持被稱為諧波生成的非線性光學現象。在多光子 激發(fā)下的二次諧波生成(SHG)(和更高階諧波生成)可以導致膠原和某些組織結構(例如 微管束、神經和軟骨)發(fā)出內源SHG輻射。本發(fā)明人和其他人認識到可以通過將MPM的原理結合到內窺鏡中實現各種優(yōu)點 和益處。例如，疾病診斷長期以來并且仍將繼續(xù)由各種活檢程序執(zhí)行?；顧z需要從患者身 體取出(深層)組織樣本，由病理學家進行樣本分析，并且出報告，這可能耗費幾小時到幾 天或以上。與多光子(和/或諧波生成)熒光成像的診斷能力組合執(zhí)行實時、原位內窺鏡 檢查的能力可以顯著減小與常規(guī)活檢程序關聯的疼痛、時間和成本并且有助于疾病診斷和 由于病情導致的組織損傷的范圍。用于亞組織、神經和軟骨檢查的高分辨率MPM優(yōu)于當前 的外科內窺鏡的能力。清楚地觀察神經和膠原的能力例如在神經留存前列腺手術、膀胱癌 治療中以及在頌面和口腔手術中尤其重要。
同時需要低放大率、大視野成像和高放大率、高分辨率多光子成像必須具備兩個 有效的光學成像系統(tǒng)(例如，兩個物鏡)。盡管多光學系統(tǒng)常規(guī)地設在顯微鏡裝置中，但是 獨立的、可切換的光學系統(tǒng)并未提供適合于緊湊內窺鏡的體系結構。迄今為止改進內窺鏡成像程序和裝置的努力集中于多光子熒光激發(fā)過程而很少 涉及用于獲得、識別和分析熒光的改進系統(tǒng)和方法，或涉及減小現有程序的嚴重性和侵襲 性的改進系統(tǒng)和方法?？紤]到與熒光發(fā)射內窺鏡成像裝置和方法關聯的前述困難和缺陷，本發(fā)明人認識 到仍然需要可以以可行的、成本合算的和有效的方式解決這些以及其他困難和缺陷的裝置 和方法。本發(fā)明人也認識到基于共焦的常規(guī)內窺鏡成像裝置和方法例如由于來自掃描裝 置的圖像阻塞和經由同心激發(fā)光纖波導的信號收集和/或傳輸不足而有缺點。本發(fā)明的實施例涉及解決與本領域中的當前技術關聯的上述缺陷和缺點的裝置 和方法。

發(fā)明內容
當在本文中使用時，術語“熒光發(fā)射”將用于表示多光子(特別是雙光子，但不排 除更高階)熒光發(fā)射以及在適合于激發(fā)這樣的熒光發(fā)射的條件下來自目標介質的光學二 次諧波生成(SHG)(但不排除更高階諧波生成)。本發(fā)明的示例性實施例包括但不限于布置在熒光發(fā)射內窺鏡的遠端之中或之處 的光學系統(tǒng)；用于熒光發(fā)射內窺鏡中或與其一同使用的光學系統(tǒng)模塊；基于光學波導的熒 光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng)；以及用于目標的遠程控制、多放大率成像或用熒光發(fā)射內窺鏡裝置從 目標收集熒光發(fā)射的方法。本發(fā)明的一個實施例是一種布置在熒光發(fā)射內窺鏡裝置的遠端之中或之處的光 學系統(tǒng)。所述光學系統(tǒng)包括鄰近內窺鏡的遠端布置的物鏡部件，其中所述物鏡部件具有僅 僅部分涂覆有帶圖案涂層的近側表面，和僅僅部分涂覆有涂層的遠側表面，所述帶圖案涂 層至少選擇性地反射或透射目標照明射線(target illumination)或選擇性地透射或反射 目標發(fā)射射線(target emission)。根據一個方面，所述目標照明射線是激光器發(fā)射的、IR 帶寬的、熒光激發(fā)光。在一個方面中，所述目標照明射線是與IR熒光激發(fā)光組合的可見光。 因此，所述目標發(fā)射射線可以來自可見光和/或來自熒光發(fā)射。根據一個方面，所述光學系 統(tǒng)包含傳輸目標照明射線和目標發(fā)射射線的光管。在一個方面中，在所述透鏡部件的近側 表面上的帶圖案涂層是環(huán)形、圓周圖案。在一個相關方面中，所述透鏡部件的部分帶涂層遠 側表面僅僅具有帶涂層的限定中心區(qū)域。根據一個方面，所述透鏡部件的遠側表面的中心 區(qū)域具有在所述透鏡的遠側表面中提供腔的形狀。在另一個方面中，遠側透鏡固定布置在 所述透鏡部件的遠側表面的腔中。在一個相關方面中，所述遠側透鏡的表面的至少一部分 具有至少透射或反射至少照明光或發(fā)射光的涂層。根據各種方面，所述透鏡部件的近側表 面具有球面或非球面形狀，并且所述透鏡部件的遠側表面具有部分平表面、至少部分球面 表面形狀或至少部分非球面表面形狀。根據一個方面，所述光學系統(tǒng)包括鄰近所述透鏡部 件的近側表面布置的準直光學部件。在一個方面中，光蓋至少布置在所述透鏡部件的遠側 表面的腔上。折射率匹配介質可以緊鄰所述透鏡部件的遠側表面的至少一部分布置。所述光學系統(tǒng)可以是用于量化熒光發(fā)射的目標照明射線和非成像目標發(fā)射射線-收集系統(tǒng)。作 為參考，所述光學系統(tǒng)還可以包括在本發(fā)明的其他實施例中提到的未明確地與當前實施例 結合敘述的其他特征。本發(fā)明的另一個實施例涉及一種布置在熒光發(fā)射內窺鏡裝置的遠端之中或之處 的光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)包括鄰近內窺鏡的遠端布置的具有中心通光孔徑的物鏡部件， 其中所述物鏡部件透射至少可見光譜或來自目標的熒光發(fā)射。根據一個方面，所述透鏡部 件的至少近側表面或遠側表面的至少一部分具有獲得預期光學效應的涂層。根據一個方 面，遠側透鏡固定布置在所述透鏡部件的通光孔徑中。根據各種實施例，所述透鏡部件的近 側表面具有球面形狀或非球面形狀，并且所述透鏡部件的遠側表面具有平表面、至少部分 球面表面形狀或至少部分非球面形狀。根據一個方面，所述光學系統(tǒng)包括鄰近所述透鏡部 件的近側布置并且沿著穿過所述透鏡部件的通光孔徑的光軸對準的準直光學部件。在一個 方面中，光蓋至少布置在所述透鏡部件的遠側表面上的通光孔徑上。根據一個方面，所述光 學系統(tǒng)是目標照明射線和非成像、目標發(fā)射射線-收集系統(tǒng)。作為參考，所述光學系統(tǒng)還可 以包括在本發(fā)明的其他實施例中提到的未明確地與當前實施例結合敘述的其他特征。本發(fā)明的另一個實施例涉及一種布置在熒光發(fā)射內窺鏡裝置的遠端之中或之處 的雙放大率光學系統(tǒng)。所述光學系統(tǒng)包括高放大率目標照明路徑，其將來自熒光發(fā)射一激 發(fā)目標照明源的近紅外(IR)光譜范圍內的光傳輸到目標；雙、整合低放大率目標照明路徑 和熒光發(fā)射路徑，其分別將來自可見光照明源的可見光譜范圍內的光傳輸到目標，以及將 來自目標的熒光發(fā)射朝著內窺鏡的近側區(qū)域傳輸。根據一個方面，所述雙、整合低放大率目 標照明路徑和熒光發(fā)射路徑還包括將來自目標的可見發(fā)射朝著內窺鏡的近側區(qū)域傳輸的 整合、低放大率可見目標發(fā)射路徑。根據一個方面，所述光學系統(tǒng)還包括鄰近內窺鏡的遠端 固定布置的物鏡部件，其中所述透鏡部件的僅僅一部分透射高放大率目標照明并且所述透 鏡部件的僅僅不同部分反射高放大率目標照明射線；進一步地，其中所述透鏡部件的至少 一部分形成所述雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射路徑的至少一部分。在一個相 關方面中，透射熒光發(fā)射_激發(fā)目標照明的所述透鏡部件的部分由所述透鏡部件的近側表 面的無涂層區(qū)域和所述透鏡部件的遠側表面的無涂層區(qū)域組成，進一步地，其中反射高放 大率目標照明的不同部分由所述透鏡部件的近側表面的帶涂層區(qū)域和所述透鏡部件的遠 側表面的帶涂層區(qū)域組成。根據一個方面，形成所述雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光 發(fā)射路徑的至少一部分的所述透鏡部件的部分包括所述透鏡部件的遠側表面的無涂層區(qū) 域的至少一部分和所述透鏡部件的近側表面的帶涂層區(qū)域的至少一部分。在一個方面中， 所述系統(tǒng)還包括鄰近所述透鏡部件布置在熒光發(fā)射_激發(fā)目標照明路徑中的準直透鏡。根 據一個方面，遠側透鏡緊鄰所述透鏡部件的遠側表面的至少一部分布置。在一個相關方面 中，所述遠側透鏡緊鄰所述透鏡部件的遠側表面的帶涂層區(qū)域布置。根據一個方面，所述光 學系統(tǒng)是目標照明射線和非成像、目標發(fā)射射線-收集系統(tǒng)。作為參考，所述光學系統(tǒng)還可 以包括在本發(fā)明的其他實施例中提到的未明確地與當前實施例結合敘述的其他特征。本發(fā)明的一個實施例涉及一種用于熒光發(fā)射內窺鏡裝置中或與其一同使用的光 學系統(tǒng)模塊。所述光學系統(tǒng)模塊包括外殼組件，其具有適于連接到熒光發(fā)射內窺鏡的遠 端的近端；鄰近所述外殼的遠端布置的物鏡部件，其中所述物鏡部件具有僅僅部分涂覆有 帶圖案涂層的近側表面和僅僅部分涂覆有涂層的遠側表面，所述帶圖案涂層執(zhí)行下列的至少一種選擇性地反射或透射目標照明射線和選擇性地透射或反射目標發(fā)射射線。根據一 個方面，所述外殼包含傳輸目標照明射線和目標發(fā)射射線的光管。在一個相關方面中，所述 外殼包括布置在所述外殼的近端中的透明密封件。根據一個方面，所述外殼封閉氣態(tài)環(huán)境。 根據一個方面，所述光學系統(tǒng)模塊還包括鄰近所述外殼的近端布置的掃描器，其中所述掃 描器具有適于接收來自目標照明源的目標照明光的目標照明輸入和目標照明輸出。在一個 相關方面中，所述目標照明輸出包括具有輸出遠端的光學波導。所述透鏡部件在目標形成 所述波導的遠端的共軛圖像。根據一個方面，所述光學系統(tǒng)模塊還包括布置在所述波導的 遠端與所述透鏡部件的近側表面中間的準直透鏡。作為參考，所述光學系統(tǒng)還可以包括在 本發(fā)明的其他實施例中提到的未明確地與當前實施例結合敘述的其他特征。本發(fā)明的另一個實施例涉及一種用于熒光發(fā)射內窺鏡裝置中或與其一同使用的 光學系統(tǒng)模塊，所述光學系統(tǒng)模塊包括可拆卸連接的外殼組件，其具有適于連接到熒光發(fā) 射內窺鏡裝置的遠端的近端；和鄰近所述外殼的遠端布置的具有中心通光孔徑的物鏡部 件，其中所述物鏡部件透射至少可見光譜或來自目標的熒光發(fā)射。根據一個方面，所述透鏡 部件的至少近側表面或遠側表面的至少一部分具有獲得預期光學效應的涂層。根據一個方 面，所述光學系統(tǒng)模塊還包括固定布置在所述透鏡部件的通光孔徑中的遠側透鏡。在各種 相關方面中，所述透鏡部件的近側表面具有球面或非球面形狀，并且所述透鏡部件的遠側 表面具有平表面、至少部分球面表面形狀和至少部分非球面形狀。根據一個方面，光蓋至少 布置在所述透鏡部件的遠側表面上的通光孔徑上。在一個相關方面中，所述外殼包括布置 在所述外殼的近端中的透明密封件。所述外殼可以封閉氣態(tài)環(huán)境。根據一個方面，所述光學 系統(tǒng)模塊還包括鄰近所述外殼的近端布置的掃描器，其中所述掃描器具有適于接收來自目 標照明源的目標照明光的目標照明輸入和目標照明輸出。在一個方面中，所述目標照明輸 出包括具有輸出遠端的光學波導。所述透鏡部件在目標形成所述波導的遠端的共軛圖像。 根據一個方面，所述光學系統(tǒng)模塊還包括布置在所述波導的遠端與所述透鏡部件的近側表 面中間的準直透鏡。作為參考，所述光學系統(tǒng)還可以包括在本發(fā)明的其他實施例中提到的 未明確地與當前實施例結合敘述的其他特征。本發(fā)明的一個實施例涉及一種基于光學波導的熒光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng)，其包括具有 遠端的一個或多個光學波導；和布置所述一個或多個光學波導的至少一個的遠端之中、之 處或附近的光學系統(tǒng)，其中所述光學系統(tǒng)包括物鏡部件，所述物鏡部件具有僅僅部分涂覆 有帶圖案涂層的近側表面和僅僅部分涂覆有涂層的遠側表面，所述帶圖案涂層至少選擇性 地反射或透射目標照明射線或選擇性地透射或反射目標發(fā)射射線。作為參考，所述內窺鏡 系統(tǒng)還可以包括在本發(fā)明的其他實施例中提到的未明確地與當前實施例結合敘述的其他 特征。本發(fā)明的一個實施例涉及一種用內窺鏡組件遠程控制、多放大率成像目標的方 法。所述方法包括以下步驟提供布置在所述內窺鏡組件的遠端中的光學系統(tǒng)；提供高放 大率目標照明路徑，其將來自高放大率目標照明源的近紅外(IR)光譜范圍內的脈沖光傳 輸通過所述光學系統(tǒng)的僅僅指定部分和傳輸到所述內窺鏡組件的遠端之外；和，提供雙、整 合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射路徑以及可見反向散射光路徑，其分別將來自可見光 照明源的可見光譜范圍內的光傳輸通過所述光學系統(tǒng)的不同指定部分并且傳輸到所述內 窺鏡組件的遠端之外到達目標，以及將來自目標的熒光發(fā)射朝著所述內窺鏡組件的近側區(qū)域傳輸通過所述光學系統(tǒng)的不同指定部分。作為參考，所述方法還可以包括在本發(fā)明的其 他實施例中提到的未明確地與當前實施例結合敘述的其他特征。本文所述的實施例利用了熒光發(fā)射激發(fā)場典型地在近IR( 700nm < λ <1.3μ)光譜內的事實；因此，激發(fā)波長可以容易地從明顯更短的熒光發(fā)射波長和可 見光( 400nm< λ ^ 700nm)分離以用于在低放大率下觀察。此外，由于多光子成像的 3D分辨率完全由掃描激光激發(fā)產生，因此熒光發(fā)射收集光學系統(tǒng)僅僅需要提供高效發(fā)射信 號收集的能力，從而便于簡單、大孔徑透鏡而不是高修正物鏡的使用。高放大率光學系統(tǒng)的 非共焦設計提供了用于在組織中深層成像的附加優(yōu)點，原因是減小了來自同心光纖掃描器 的圖像阻塞的問題，這是激發(fā)光纖將不提供足夠高效的信號收集和/或傳輸的癥結所在。各種裝置和方法實施例將適用于撓性和剛性內窺鏡，以及一般的多光子和光學諧 波生成熒光發(fā)射過程。在各種典型應用中，本文所述的裝置和方法實施例可以作為捷徑用于在體內、在 原位提供組織的底層結構和生物化學的顯微成像以診斷信息，該信息隨后通常由病理學家 對通過活檢獲得的組織的固定薄切片進行蘇木精和伊紅(H&E)染色吸收顯微術獲取。本發(fā) 明的具體化裝置和方法可以在手術期間或在診斷前使用以描繪惡性腫瘤的邊界或識別特 定疾病或損傷狀態(tài)，將通知它們的提示治療，并且用于監(jiān)測治療后結果。具體化裝置和方法 可以用于識別和辨認在手術期間將被保護以免于損傷的器官和解剖結構，例如神經束、微 管束和其他結構。具體化裝置和方法將允許精確的空間目標區(qū)分，并且允許來自目標體積 的熒光發(fā)射的非成像量化。本領域的技術人員應當理解可以在根據各種實施例的光學系統(tǒng)的各種角和旋轉 定向下收集定量熒光發(fā)射收集以及熒光發(fā)射圖像，這在本領域中對于常規(guī)內窺鏡成像來說 是已知的。


附圖示出了本發(fā)明的各種典型的和示例性的實施例以及各個方面。在圖中圖1是內窺鏡系統(tǒng)的示意圖，顯示了各種照明、控制、檢測和分析部件，包括包含 根據本發(fā)明的一個示例性實施例的光學系統(tǒng)的同軸內窺鏡的遠端；圖2是包含根據本發(fā)明的一個示例性實施例的光學系統(tǒng)的內窺鏡的遠側區(qū)段的 側視、橫截面、示意圖；圖3是可以用于本發(fā)明的一個典型實施例中的光纖X-Y掃描器的示意圖；圖4a和4b是根據本發(fā)明的示例性方面的物鏡部件的備選方面的示意圖；圖5是根據本發(fā)明的一個示例性實施例的內窺鏡應用的示意圖；以及圖6是根據本發(fā)明的一個示例性實施例的內窺鏡檢查/針吸活檢應用的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例一般涉及熒光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng)和方法。圖1顯示了同軸內窺鏡系統(tǒng)100-1的示意圖，該內窺鏡系統(tǒng)被顯示為帶有遠側區(qū) 段101，該遠側區(qū)段包含由本發(fā)明具體化的光學系統(tǒng)。當在本文中使用時，遠側區(qū)段可以是 內窺鏡的遠側區(qū)段，或者備選地，可以是活檢針。該系統(tǒng)是同軸的，原因是如圖所示，提供近
8IR目標激發(fā)光的光纖159部分由遠側區(qū)段101的透光內部同軸圍繞。熒光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng) 100-1包括照明平臺105，該照明平臺包括合適的熒光發(fā)射激發(fā)源，例如飛秒、脈沖激光器， 和可見目標照明源。照明平臺控制模塊107例如提供脈沖形狀控制、光束擴展、空間濾波、 光譜相位控制、調制和目標照明源的其他控制功能。光源控制模塊107也可以包括調節(jié)和 切換IR源所生成的波長的波長源控制模塊177。該系統(tǒng)因此至少具有雙波段目標照明能 力，與本文所述的光學系統(tǒng)結合，該能力可以提供遠程控制、多放大率熒光發(fā)射成像和信號 檢測。如圖1中進一步所示，檢測部件139被提供用于收集來自目標(未顯示)的熒光發(fā) 射和其他信號光(統(tǒng)稱為133)。檢測部件139可以是光電倍增管(PMT)或恢復可見信號光 以及熒光發(fā)射以用于非成像或成像應用的其他合適的檢測機構或成像器。掃描器140被顯 示為布置在根據下面更詳細所述的一個典型實施例的遠側區(qū)段101中。該系統(tǒng)也包括控制 來自遠側區(qū)段101的信號光的檢測和收集的檢測控制模塊181 ；目標分析模塊147 ；和計算 機控制顯示設備141。圖2提供了根據本發(fā)明的一個典型實施例的遠側區(qū)段101的圖示100-2。在所示 方面中，遠側區(qū)段101代表用于成像目標155的微型內窺鏡的終、遠端。如圖所示，物鏡部件213固定布置在終端、遠端內窺鏡區(qū)段101中。物鏡部件具有 近側表面208，該近側表面具有如粗線261所示的帶圓周圖案的分色涂層。近側表面208的 中心區(qū)域211無涂層或者可以帶有防反射涂層。透鏡部件213具有遠側表面219，該遠側 表面在中心區(qū)域中凹入或者以其它方式具有不同于透鏡的周邊的曲率(包括平的)。凹入 中心區(qū)域因此在遠側表面的中心區(qū)域中形成有限腔217。遠側表面的凹入區(qū)域也具有如粗 線235所示的分色涂層。光纖159將780nm目標照明射線250的短、高重復脈沖輸送到掃 描器140。準直透鏡209沿著遠側區(qū)段101的中心縱軸布置并且將掃描照明250引導到透 鏡部件的無涂層或帶防反射涂層的中心區(qū)域211。光從透鏡的遠側表面的帶分色涂層的中 心區(qū)域235朝著近側表面的帶圓周涂層的區(qū)域261反射。然后光通過透鏡的遠側表面的無 涂層區(qū)域折射出以照明目標155。透鏡部件上的分色涂層被設計為也透射用于照明目標并 且作為可見信號光從目標反射/散射的可見光。在圖2的示例性實施例中，光學系統(tǒng)可選地包括布置在遠側表面219中的腔217 中的遠側透鏡215。遠側透鏡無涂層并且有助于下面進一步所述的目標的低放大率、大視 野、可見成像。然而應當理解物鏡部件213的遠側表面將提供用于高效信號收集的簡單、大 孔徑，原因是多光子成像的3D分辨率完全由掃描激光激發(fā)產生。在如圖所示的一個備選方 面中，可以加入可選的透鏡元件300(以虛線顯示)以進一步增強信號的收集效率。在合適的激發(fā)下，目標發(fā)出多光子熒光或二次諧波生成。該熒光發(fā)射277由透鏡 部件213收集并且沿著遠側區(qū)段101內的熒光發(fā)射光路徑朝著檢測器(未顯示)傳播以提 供目標的高放大率、高分辨率熒光發(fā)射圖像?？梢赃h程控制照明以提供可見目標照明?？梢娬彰鲗⒋┻^209、211、235和可選的 217，從而形成目標的低放大率寬視野顯示。從目標反射的可見光由遠側透鏡215和透鏡部 件213收集并且沿著遠側區(qū)段101內的可見發(fā)射光路徑朝著檢測器(未顯示)傳播以提供 目標的低放大率、寬視野圖像。應當理解可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對透鏡表面涂層的圖案布置、一個 透鏡/多個透鏡的光學特性、光學系統(tǒng)布局和實施例的其他特征進行變化。實施例提供了一種用于熒光發(fā)射/可見成像的多放大率、多整合光路徑和整合雙成像光學部件、光學系 統(tǒng)。圖4a和4b顯示了包括物鏡部件和遠側透鏡的光學系統(tǒng)的示例性備選方面。例如，圖 4a顯示了環(huán)形透鏡部件213-2的側視橫截剖面。中心通光孔徑280圍繞透鏡的光軸291。 分色涂層可以在透鏡的各種區(qū)域上形成圖案以實現透鏡的預期雙成像功能。在圖4b中，遠 側透鏡215-2沿著鄰近透鏡部件213-3的遠側表面219'的光軸布置。如圖所示，遠側透鏡 215-2的近側表面215'和透鏡部件213-3的遠側表面219'的周邊區(qū)域261'帶涂層，從 而當入射IR目標激發(fā)光穿過透鏡213-3的無涂層中心區(qū)域之后反射它。透鏡系統(tǒng)將提供 如上文所述的整合多路徑、多放大率熒光/可見成像。如圖2中進一步所示，遠側區(qū)段101的一個實施例可以包含光管103，該光管具有 密封遠側區(qū)段的氣芯的反射內壁123。在所示方面中，外覆蓋層151圍繞光管。透射蓋127 布置在遠側區(qū)段101的近端中。蓋127使遠側區(qū)段101的低折射率氣芯與內窺鏡主體的較 高折射率介質125分離并且為掃描器140提供支撐。該蓋可以帶涂層以更好地透射熒光發(fā) 射277。內窺鏡主體的較高折射率介質125由較低折射率外覆層圍繞以形成用于信號熒光 的光導管。合適的光管設計對于本領域的技術人員來說是公知的。內窺鏡主體可以是撓性 的或剛性的。在另一個實施例中，遠側區(qū)段101可以包含定位在蓋127與物鏡213之間的附加 透鏡300。在圖2所示的典型實施例中，透鏡300可以被構造為環(huán)形，帶有設計用于通過激 發(fā)光的中心區(qū)域和用于收集熒光的外側區(qū)域。透鏡300可以增加內窺鏡系統(tǒng)的熒光收集效率。區(qū)段101的氣芯121可以容納其他簡單光纖掃描器。合適的光纖包括但不限于氣 芯光子帶隙光纖、高階模光纖、微結構光纖和大芯寬帶光纖。取決于利用的掃描器和覆蓋層 151的類型，可以使用其他探頭。另外，經由光纖159傳輸的激光束也可以用振動反射鏡或 微型機電系統(tǒng)(MEMS)等進行掃描。圖3示出了一個典型的光纖X-Y掃描器140-1。掃描器包括驅動光纖末梢358的IR 光柵掃描的兩個壓電彎曲元件，壓電X軸掃描器309和壓電Y軸掃描器307。掃描器140-1 包括用于傳輸近IR激發(fā)光和高放大率信號光的第一光纖359 ；和用于傳輸可見目標照明、 定位激發(fā)光焦點和低放大率顯示的第二光纖361。如圖所示兩個光纖布置在相同(X)掃描 器上并且均具有不同懸垂長度。光纖末梢358將典型地由光學系統(tǒng)共軛成像在目標上。快 (X)軸掃描器309將共振地被驅動，而慢(Y)軸掃描器307將非共振地被驅動。在圖中指示 了掃描器的典型實際尺寸和掃描范圍。可以使用如現有技術中報導的梯度折射率(GRIN)透鏡執(zhí)行組織中的深層熒光成 像?？蛇x的GRIN透鏡可以作為靠近遠側透鏡215的遠側附件使用附加的光學幾何形狀被 包含在同軸光學系統(tǒng)100-1中。如上所述，高折射率介質125有助于提供熒光發(fā)射277低損失傳播到在內窺鏡的 近端的檢測平臺139或其他診斷設備。典型的折射率值的范圍可以為大約1.58-1.73。另 外，撓性、低折射率管129可以圍繞光管103同心地布置以幫助定位內窺鏡遠端。在一個典型方面中，光管103直徑大約為5mm，但是其他直徑也是可行的。例如， 8mm直徑的系統(tǒng)可以用于通過內窺鏡插入輸尿管來診斷和監(jiān)測膀胱癌的治療。除了泌尿外 科應用之外，用于前列腺檢查和癌癥以及其他手術的腹腔鏡工具也可以利用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。此外，在結腸鏡檢查程序中，大直徑撓性內窺鏡可以提供組織的彩色靈敏低放大率 視頻成像以弓I導熒光發(fā)射成像。類似地，小直徑系統(tǒng)可以用于光活檢環(huán)境中。進一步應當理解容納剛性和撓性內窺鏡的各種保護外殼可以與本發(fā)明的公開實 施例結合。圖5和6顯示了本發(fā)明的裝置和方法實施例可以在其中使用的兩個應用環(huán)境的示 意圖。本發(fā)明的同軸內窺鏡系統(tǒng)執(zhí)行在各種醫(yī)療內窺鏡和光活檢針體系結構中具體化的目 標的內源熒光的熒光成像、處理和測量。圖5顯示了根據本發(fā)明的內窺鏡布置500-1，而圖6顯示了根據本發(fā)明的光活檢 針布置600-1。圖5和6被呈現以示出本發(fā)明的遠側光學組件怎樣可以用于許多臨床環(huán)境中。參考圖5 (參考如上所述的圖1)，內窺鏡布置500-1包括產生激光照明L的激光源 505，所述激光照明通過光纖559被傳輸到遠側區(qū)段101。遠側區(qū)段101容納在內窺鏡563 中。內窺鏡563的遠端例如通過腔C(在該情況下為食道)傳入患者P的口中。熒光發(fā)射 F和散射可見光由如上文所述的區(qū)段101檢測和傳輸并且通過分色鏡589和通過檢測路徑 569傳遞到分光鏡和/或成像檢測設備571中以使用熒光發(fā)射提供高放大率、高空間分辨率 圖像和使用散射可見光提供低放大率、低空間分辨率圖像。分光鏡和/或成像檢測設備571可以包括具有PMT或其他檢測設備的檢測平臺 139(圖1中所示)；和基于計算機的視頻顯示器141，以用于檢測和數字傳輸到用于圖像形 成和顯示的計算機。本發(fā)明的另一個實施例基于用至少一個常規(guī)光纖或用光活檢針穿刺組織自身。光 針活檢使用亞毫米直徑的針作為光路徑。外科針活檢可以在例如肺癌和乳腺癌診斷中用作 診斷程序。針可以通過CT掃描被引導以將針引導到預期位置?；顧z組織被去除并且受到 H&E染色以用于吸收顯微術。亞毫米直徑的活檢針可能太小以致于不允許光學成像，但是可 以便于飛秒激光傳輸通過針腔和返回通過針的熒光發(fā)射的收集，從而允許發(fā)射光譜的定量 測量，所述定量測量可以用作診斷工具以通過SHG識別結構(例如膠原)和通過煙酰胺腺 嘌呤二核苷酸(NADH)的強度識別代謝狀態(tài)。當在內窺鏡環(huán)境中使用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法 時在MPM中生成的組織的定量相關的內源熒光譜可以與活檢樣本比較。在圖6所示的光活檢針應用中，如本文中公開的在其遠端包含光學系統(tǒng)的針被插 入組織中以在針的末端采樣組織的自發(fā)熒光。針的遠側區(qū)段可以充當在需要時可以插入組 織中的皮下注射器。備選地，遠側區(qū)段可以被構造為鄰接正被成像的組織的表面。隨著多光 子激發(fā)，在激發(fā)熒光的針的末端的聚焦體積被明確限定。備選地，束狀針可以用于照明較大 的組織體積。在執(zhí)行致密組織癌(例如乳腺或肝癌)的活檢中，針狀內窺鏡可以用于沿著 插入路徑檢查熒光。與通常需要耗時的組織固定和染色程序的常規(guī)活檢相比，當針被插入 并且在患者內移動時，用多光子激發(fā)熒光光譜法進行的光活檢提供了即時診斷光譜數據。如圖6中進一步所示，(參考圖1)，光活檢針布置600-1包括產生激光照明L的激 光源605，所述激光照明通過光纖659被傳輸到遠側區(qū)段101。在活檢針布置中，遠側區(qū)段 101容納在光活檢針663的孔腔中。光活檢針663的遠端在該例子中穿過患者P的皮膚并 且進入骨盆E。多光子熒光F和散射可見光由如上所述的光學系統(tǒng)檢測和傳輸并且通過分 色鏡689和通過檢測路徑669傳遞到分光鏡和/或成像檢測設備671中，以使用多光子熒光提供高放大率、高空間分辨率圖像和使用散射可見光提供低放大率、低空間分辨率圖像。分光鏡和/或成像檢測設備571可以包括具有PMT或其他檢測設備的檢測平臺 139(圖1中所示)；和基于計算機的視頻顯示器141，以用于檢測和數字傳輸到用于圖像形 成和顯示的計算機。本發(fā)明的同軸內窺鏡系統(tǒng)的這些形式方面也可以組合實現，其中內窺鏡被插入患 者的體腔中以提供光纖到達體腔的內表面的途徑，光纖可以從所述內表面被插入組織材料 中以采樣它的連續(xù)層。例如，在結腸壁中的癌癥發(fā)病的研究中，組織具有大約5層，每層具 有它自身的特征光學性質和自發(fā)熒光。每層的連續(xù)光探測可以區(qū)分不同層和通過疾病識別 它們的變化。多光子醫(yī)學成像的這些形式可以用于通過在體腔或固體組織內部成像代替?zhèn)?統(tǒng)活檢化驗以在門診基礎上用局部麻醉提供即時評估和治療調節(jié)。本發(fā)明的裝置和方法通 過應用輻射活化組織材料從而促進組織的同時多光子激發(fā)以發(fā)出內源熒光特性。內源熒光 與由在相同條件下激發(fā)健康組織發(fā)出的熒光比較，并且比較結果以確定被檢查組織是否潛 在地患病。在組織中生成的多光子激發(fā)熒光和激光激發(fā)的二次和三次諧波的檢測可以通過 提供激發(fā)和信號路徑的區(qū)段和通過附加圍繞光纖束或通過更厚光管由內窺鏡檢查和光活 檢實現，用于在一個或多個單模激發(fā)光纖的末梢附近激發(fā)的光的高效收集。多光子內窺鏡 組織熒光的熒光收集效率明顯優(yōu)于單光子激發(fā)，原因是發(fā)射被局限在光纖的末梢附近，在 那里它最接近同軸光學儀器。相同優(yōu)點適用于光活檢針環(huán)境。通過脈沖激光源的很高、局部、瞬時強度和時間集中兩者的組合使有效多光子分 子激發(fā)成為可能。例如，可以有利地使用脈沖持續(xù)時間為大約100飛秒(100X10_15秒) 并且脈沖重復率為80MHZ的高強度IR源(例如鈦藍寶石鎖模固態(tài)激光器)。波長在大約 700-1000nm之間或脈沖寬度為10_9秒至10_15秒的光脈沖是適宜的。也可以使用也有效用 于多光子激發(fā)和諧波生成的其他激光器。這些激光器可以用于產生例如在光譜的紅外或可 見紅光范圍內的較長的不同波長的光以生成將合計達到光譜中的熒光團所需的適當吸收 能帶的必要激發(fā)光子能量，所述熒光團通常將由波長大約為入射光的波長的一半的光譜范 圍內的單光子的吸收激發(fā)。如果需要更短的激發(fā)波長，激光波長可以通過外部諧波生成除 以2、3或4。因此，例如在750nm的可見紅光范圍內的兩個光子將組合以激發(fā)通常吸收在 375nm或以上的紫外范圍內的光的熒光團，而在例如1070nm的紅外范圍內的兩個光子將激 發(fā)吸收在可見光范圍內的535nm或以上的光的熒光團。這些快脈沖被引導通過內窺鏡或光 活檢針到達目標組織材料或到達組織樣本。由于很短持續(xù)時間的聚焦脈沖所提供的高瞬時 功率，包含在目標組織材料中并且通?？捎删哂卸滩ㄩL(典型地，紫外)的高能單光子激發(fā) 的熒光團(熒光染料)明顯有可能將同時從激光源吸收兩個長波長光子。該吸收在熒光團 分子中組合兩個光子的能量，由此將熒光團提高到它的激發(fā)狀態(tài)。當熒光團返回它的正常 狀態(tài)時，它發(fā)出光，并且該光然后通過內窺鏡或光活檢針返回到合適的檢測器。除了用多光子激發(fā)測量內源組織熒光以外，有可能利用藥物的熒光來檢測它們在 組織中的位置。這樣的藥物常常偏析到特定組織結構或疾病產物，例如腫瘤。多光子激發(fā)可 以用于識別它們。許多重要的藥物吸收紫外光以變?yōu)闊晒獠⑶乙虼擞行У赝ㄟ^多光子激發(fā) 被激發(fā)。因此，實現了內源組織熒光的多光子激發(fā)的所有優(yōu)點以及熒光藥物的選擇性偏析 或結合所提供的標記特征。例如，當用于治療大腸炎的主要藥物(5-氨基水楊酸)被代謝時該藥物可以在活體結腸組織外植體的所有層中被成像。由于膠原、煙酰胺腺嘌呤二核苷 酸(NADH)和其他結構，它可以通過成像組織自發(fā)熒光相對于復合組織結構被定位?？梢酝?過多光子內窺鏡檢查和/或多光子光活檢在組織內在體內觀察這樣的藥物的多光子激發(fā)。包括熒光染料的光活化劑通常用于多光子顯微術中以成像細胞和組織的性質。 合適的光活化劑包括通過多光子激發(fā)被激發(fā)的染料，例如有機分子，當它們結合金屬離 子(例如Ca2+，Mg2+，Na+, K+或H+)時它們的熒光變化。結合到DNA雙螺旋的染料(例如 DAPI (4‘，6-二脒基-2-苯基吲哚))是特別有用的。許多這樣的染料適合于體內應用。熒光分布也可以通過活體動物(包括人)中的多光子吸收內窺鏡光譜法被探測 以識別炎癥疾病(例如大腸炎)和跟隨它的治療的進度。積累在癌細胞中的熒光原卟啉 IX(氨基乙酰丙酸的代謝產品)的分布將類似地有用于癌癥檢測。NADH熒光可能是通過多 光子吸收內窺鏡光譜法可獲得的最有希望的癌癥信號，但是它必須通過多光子吸收在空間 上被局限以將它從包括膠原的其他源(其可以在相鄰組織中類似地發(fā)熒光)區(qū)分開。某些 組織和組織成分(特別是膠原，以許多形式出現的組織的一種重要結構成分)在生成亮相 干照明的二次諧波方面很有效。照明的二次諧波具有正好一半的波長并且因此是基礎照明 的光子能量的兩倍。類似地，照明的三次諧波具有正好三分之一的波長，并且因此是光子能 量的三倍。已證明二次諧波輻射的生成是有用于細胞的顯微鏡成像的現象。由于在復合組 織中激發(fā)二次或三次諧波所需的照明條件與多光子熒光激發(fā)近似相同，因此有可能利用組 織(例如膠原)中的二次或三次諧波生成來補充內源組織熒光的多光子激發(fā)。在復合組織 中，二次或三次諧波輻射經常通過廣角被輻射，這使得它可與多光子激發(fā)熒光一起被檢測。本發(fā)明的裝置和方法可以用于各種目的。例如，可以確定在受試者的區(qū)域中的組 織學和臨床組分、結構、代謝狀態(tài)和活力。備選地，可以在受試者的區(qū)域中檢測對生理學和 藥理學刺激和病情的功能反應。此外，也可以確定在受試者的區(qū)域中的組織或藥物熒光激 發(fā)和發(fā)射光譜、亮度、熒光壽命和時間波動。用于膀胱中的成像和活檢的泌尿外科內窺鏡構造的外部幾何形狀包括大約4. 5mm 和8mm的外徑。光管可以包含一系列桿狀透鏡，所述桿狀透鏡照明在膀胱壁的內側的區(qū)域 以用于低放大率表面成像和收集來自組織表面的反向散射和反射光并且將光輸送到目鏡 或照相機。也可以包括用于流體灌注和插入導絲導管和其他導管的小管。本發(fā)明的內窺鏡 方面包括用于MPM的脈沖紅外激光和用于低放大率照明的白光的光纖輸入，以及將兩個成 像光源引導到成像檢測器(例如PMT等)的光管。本發(fā)明的方面和實施例的以上描述提供了圖解和描述，但是并非旨在是窮舉的或 將本發(fā)明限制為公開的確切形式。本領域的技術人員將認識到根據以上教導那些實施例的 某些修改、排列、添加和組合是可能的或者可以從本發(fā)明的實施獲得。
1權利要求
一種用于布置在內窺鏡照明和多光子熒光發(fā)射收集裝置的遠端之中或之處的光學系統(tǒng)，包括布置在內窺鏡裝置的遠端中的物鏡部件，其中所述物鏡部件具有僅僅部分涂覆有帶圖案涂層的近側表面和僅僅部分涂覆有涂層的遠側表面，所述帶圖案涂層執(zhí)行下列的至少一種選擇性地反射或透射目標照明射線和選擇性地透射或反射目標發(fā)射射線。
2.根據權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述目標照明射線獨立地包括紅外光和可見 光光譜。
3.根據權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述物鏡部件的遠側表面的中心區(qū)域具有在 所述透鏡的遠側表面中提供腔的形狀。
4.根據權利要求3所述的光學系統(tǒng)，還包括固定布置在所述物鏡部件的遠側表面中的 腔中的遠側透鏡。
5.根據權利要求4所述的光學系統(tǒng)，其中所述遠側透鏡的表面的至少一部分具有涂 層，所述涂層執(zhí)行下列的至少一種透射和反射照明光和發(fā)射光中的至少一種。
6.根據權利要求1所述的光學系統(tǒng)，包括成像系統(tǒng)。
7.根據權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述內窺鏡、多光子熒光發(fā)射照明和收集裝 置包括容納所述物鏡部件的活檢針。
8.一種用于布置在熒光發(fā)射內窺鏡裝置的遠端之中或之處的雙放大率光學系統(tǒng)，包括高放大率目標照明路徑，其將來自熒光發(fā)射-激發(fā)目標照明源的近紅外(IR)光譜范圍 內的光傳輸到目標；雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射路徑，其分別將來自可見光照明源的可見 光譜范圍內的光傳輸到目標，以及將來自目標的熒光發(fā)射朝著內窺鏡的近側區(qū)域傳輸。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射 路徑還包括將來自目標的可見發(fā)射朝著內窺鏡的近側區(qū)域傳輸的整合、結構化、低放大率 可見目標發(fā)射路徑。
10.根據權利要求9所述的系統(tǒng)，還包括布置在內窺鏡裝置的遠端中的物鏡部件，其中所述透鏡部件的僅僅一部分透射高放大 率目標照明射線并且所述透鏡部件的僅僅不同部分反射高放大率目標照明射線；進一步 地，其中所述透鏡部件的至少一部分形成所述雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射 路徑的至少一部分。
11.根據權利要求10所述的系統(tǒng)，還包括緊鄰所述物鏡部件的遠側表面的至少一部分 布置的遠側透鏡。
12.一種用于與多光子熒光發(fā)射內窺鏡裝置配合使用的光學系統(tǒng)模塊，包括可拆卸連接的外殼組件，其具有適于連接到熒光發(fā)射內窺鏡的遠端的近端；和鄰近所述外殼的遠端布置的具有中心通光孔徑的物鏡部件，其中所述物鏡部件透射至 少可見光譜或來自目標的熒光發(fā)射。
13.根據權利要求12所述的光學系統(tǒng)模塊，還包括固定布置在所述物鏡部件的通光孔徑中的遠側透鏡。
14.根據權利要求13所述的光學系統(tǒng)模塊，還包括至少布置在所述透鏡部件的遠側表面上的通光孔徑上的光蓋。
15.根據權利要求12所述的光學系統(tǒng)模塊，還包括鄰近所述外殼的近端布置的掃描器，其中所述掃描器具有適于接收來自目標照明源的 目標照明光的目標照明輸入和目標照明輸出。
16.一種遠程控制、多放大率、多光子成像目標的方法，包括提供固定布置在多光子熒光發(fā)射內窺鏡組件的遠端中的光學系統(tǒng)；提供高放大率目標照明路徑，其將來自高放大率目標照明源的近紅外(IR)光譜范圍 內的脈沖光傳輸通過所述光學系統(tǒng)的僅僅指定部分和傳輸到所述內窺鏡組件的遠端之外； 以及，提供雙、整合低放大率目標照明路徑和熒光發(fā)射路徑以及可見反向散射光路徑，其分 別將來自可見光照明源的可見光譜范圍內的光傳輸通過所述光學系統(tǒng)的不同指定部分并 且傳輸到所述內窺鏡組件的遠端之外到達目標，以及將來自目標的熒光發(fā)射朝著所述內窺 鏡組件的近側區(qū)域傳輸通過所述光學系統(tǒng)的不同指定部分。
全文摘要
本發(fā)明的實施例包括一種耦合到熒光發(fā)射內窺鏡裝置的遠端的光學系統(tǒng)和光學系統(tǒng)模塊、基于光學波導的熒光發(fā)射內窺鏡系統(tǒng)和用于遠程控制、多放大率成像目標或用熒光發(fā)射內窺鏡裝置從目標收集熒光發(fā)射的方法。一種典型系統(tǒng)包括布置在內窺鏡裝置的遠端中的物鏡。該透鏡適于透射可見目標照明和熒光發(fā)射誘導目標照明以及來自目標的熒光發(fā)射和可見光。該系統(tǒng)因此可以用單一透鏡系統(tǒng)同時提供低放大率、大視野成像和高放大率、高分辨率多光子成像。
文檔編號A61B1/07GK101909509SQ200880123865
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權日2007年11月12日
發(fā)明者C·徐, W·W.·韋布 申請人:康奈爾大學