三維光學(xué)相干斷層掃描裝置及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供了將全場(chǎng)光學(xué)相干斷層掃描(OCT)技術(shù)應(yīng)用于三維皮膚組織成像的裝置和系統(tǒng)。公開了特殊設(shè)計(jì)的Mirau型物鏡以及允許OCT模式和正交偏振光譜成像(OPSI)模式的光學(xué)顯微鏡模塊。
【專利說明】三維光學(xué)相干斷層掃描裝置及其應(yīng)用 發(fā)明背景
[0001] 光學(xué)相干斷層掃描（0CT)是一種用于進(jìn)行高分辨率截面成像的技術(shù)，其可以提供 組織結(jié)構(gòu)（例如，皮膚組織）在微米尺度的圖像。0CT方法沿著0CT光束對(duì)光散射樣本內(nèi)部 進(jìn)行測(cè)量。
[0002] 莫氏（Mohs)顯微鏡外科手術(shù)是在顯微控制下從患者身體進(jìn)行切除，用于基底細(xì) 胞癌（BCC)、鱗狀細(xì)胞癌（SCC)以及較不常見的其他類型皮膚癌的完全切除。將切除的組織 樣本（即，活檢物）水平切開以提供組織切片，繼而在載玻片上對(duì)所述組織切片進(jìn)行組織學(xué) 準(zhǔn)備。在顯微鏡下檢查所述載玻片，以確定腫瘤是否被完全包含于切除的組織中一一這是 通過在所切除的組織的邊緣或邊沿上不存在腫瘤而確定的。如果腫瘤未被完全包含于所切 除的組織中，則從患者身體切除額外的組織并且重復(fù)該程序直到取得的所有組織切片表明 已從患者身體移除該腫瘤。活組織檢查和組織學(xué)處理是用于組織診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)。因此， 莫氏外科手術(shù)一般而言由于其需要許多次活組織檢查而非常耗時(shí)。應(yīng)用0CT以高效的方式 來創(chuàng)建莫氏顯微外科手術(shù)樣本的圖像因而是非常有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了這樣的裝置或系統(tǒng)，其包括：光源模塊，其被配置用于向光學(xué)顯微鏡 模塊提供光源光，該光學(xué)顯微鏡模塊運(yùn)用所述光源光并處理光信號(hào)；Mirau型物鏡模塊，其 運(yùn)用來自所述光學(xué)顯微鏡模塊的光，并且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信 號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理單元，其用于分析來自所述組織樣品的光信號(hào)，其中所述Mirau型物鏡模 塊包括干涉物鏡，該干涉物鏡浸入在具有與所述組織樣品相近的光學(xué)特性的介質(zhì)中，并且 其中所述光學(xué)顯微鏡模塊包括光開關(guān)，該光開關(guān)被配置用于在光學(xué)相干斷層掃描（0CT)模 式與正交偏振光譜成像（0PSI)模式之間切換。
[0004] 在另一方面，提供了一種用于對(duì)組織樣品進(jìn)行成像的方法，該方法包括：通過本文 所述的裝置或系統(tǒng)，對(duì)按深度從樣品出現(xiàn)的測(cè)試光進(jìn)行成像，以及對(duì)來自該樣品的子結(jié)構(gòu) 的吸收、色散和/或散射的反差圖像進(jìn)行成像，以提供該樣品的動(dòng)態(tài)。 援引并入
[0005] 本說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請(qǐng)均通過引用而以相同程度并入本 文，猶如具體且單獨(dú)地指出每個(gè)單獨(dú)的出版物、專利或?qū)＠暾?qǐng)通過引用而并入。
【附圖說明】
[0006] 通過參考以下對(duì)其中利用本發(fā)明原理的說明性實(shí)施方式加以闡述的詳細(xì)描述和 附圖，將會(huì)獲得對(duì)本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)的更好的理解；在附圖中：
[0007] 圖1圖示了代表本發(fā)明裝置/系統(tǒng)的框圖，該裝置/系統(tǒng)包括光源模塊、光學(xué)顯微 鏡模塊、Mirau型物鏡模塊、組織平移模塊和數(shù)據(jù)處理單元。
[0008] 圖2圖示了示例性發(fā)明裝置/系統(tǒng)的示意圖。
[0009] 圖3示出了示例性Mirau型物鏡模塊的示意圖。
[0010] 圖4示出了示例性光源，即Ce3+:YAG單包層晶體光纖的發(fā)射光譜，其中插圖示出 了該晶體光纖的端視圖。
[0011] 圖5示出了由C⑶的一個(gè)像素測(cè)量的水與玻璃板之間的光程差。
[0012] 圖6不出了在水中的橫向掃描，展現(xiàn)出0. 56Pm的橫向分辨率。
[0013] 圖7圖示了圖2中所示的示例性發(fā)明裝置/系統(tǒng)的變體的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 近年來，光學(xué)相干斷層掃描（0CT)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于皮膚組織的三維（3-D)圖像 重建。眾所周知，在表皮中非侵入性地探查角質(zhì)層（SC)的層參數(shù)（LP)，諸如平均總厚度 (a-TT)、平均層數(shù)（a-NOL)和平均細(xì)胞層厚度（a-CLT)等，對(duì)于評(píng)估表皮的皮膚保濕性變得 很重要。然而，為了將0CT技術(shù)應(yīng)用于皮膚組織成像，在組織中優(yōu)于1.2 ym的軸向分辨率是 測(cè)量SC的LP的門檻。此外，單個(gè)3-D表皮細(xì)胞的形態(tài)對(duì)于癌前診斷中正常和異常細(xì)胞的 早期檢測(cè)也很重要。這些都要求在組織中的亞微米空間分辨率。利用二維(XD/CM0S相機(jī) 的全場(chǎng)OCT(FF-OCT)有機(jī)會(huì)觀察SC的層結(jié)構(gòu)，尤其是用于正面監(jiān)測(cè)。通常，使用（XD/CM0S 相機(jī)的FF-0CT的檢測(cè)靈敏度為約80dB，這與相機(jī)面積大小和正面幀速率有關(guān)。
[0015] 角質(zhì)形成細(xì)胞和黑素細(xì)胞是表皮中的兩種主要細(xì)胞類型，其正常大小為10至 50 y m。在約一個(gè)月內(nèi)通過角質(zhì)化過程，表皮可分為若干個(gè)層，即，底部的基底層、棘層、顆粒 層、透明層和頂部的SC。在表皮中，黑素細(xì)胞散布在基底層，具有伸長(zhǎng)的樹突。在皮膚護(hù)理 方面，角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖和分化影響表皮鎖水能力和干性皮膚疾病。
[0016] 本文提供了將0CT技術(shù)（例如，F(xiàn)F-0CT)應(yīng)用于皮膚組織成像的裝置和系統(tǒng)。具 體而言，本發(fā)明提供了皮膚組織的體外和體內(nèi)3-D成像。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，提供了一種裝置，該裝置包括：光源模塊，其被配置用于向光 學(xué)顯微鏡模塊提供光源光，該光學(xué)顯微鏡模塊運(yùn)用該光源光并處理光信號(hào)；Mirau型物鏡 模塊，其運(yùn)用來自光學(xué)顯微鏡模塊的光，并且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的 光信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理單元，其用于分析來自組織樣品的光信號(hào)，其中所述Mirau型物鏡模 塊包括浸入在介質(zhì)中的干涉物鏡，并且其中所述光學(xué)顯微鏡模塊包括光學(xué)開關(guān)，該光學(xué)開 關(guān)被配置用于在光學(xué)相干斷層掃描（0CT)模式與正交偏振光譜成像（0PSI)模式之間切換。
[0018] 在一些實(shí)施方式中，光源模塊包括自發(fā)發(fā)射光源、放大式自發(fā)發(fā)射光源、超福射 發(fā)光二極管、發(fā)光二極管（LED)、寬帶超連續(xù)譜光源、鎖模激光器、可調(diào)諧激光器、傅里葉 域鎖模光源、光參量振蕩器（0P0)、鹵素?zé)簦蛘邠诫s晶體光纖，諸如Ce 3+:YAG晶體光纖、 Ti3+: A1203晶體光纖或Cr4+: YAG晶體光纖。在某些實(shí)施方式中，光源模塊包括Ce3+: YAG晶體 光纖、Ti3+: A1203晶體光纖或Cr4+: YAG晶體光纖。在某些實(shí)施方式中，光源模塊包括Ce3+: YAG 晶體光纖。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質(zhì)中的干涉物鏡透鏡，位于填 充有一種或多種介質(zhì)的密封容器中的第一玻璃板、第二玻璃板。在某些實(shí)施方式中，所述干 涉物鏡透鏡浸入在具有與待分析的組織樣品相似的光學(xué)特性的介質(zhì)中。在某些實(shí)施方式 中，所述光學(xué)特性是折射率。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)具有在約1. 2至約1. 8范圍內(nèi)的 折射率。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)具有在約1. 3至約1. 5范圍內(nèi)的折射率。在一些實(shí)施 方式中，所述介質(zhì)包括具有在約1. 3至約1. 5范圍內(nèi)的折射率的水、硅油、乙醇、甘油、派熱 克斯玻璃（pyrex)、透明玻璃或塑料，或者其組合。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)包括水、硅 油或甘油。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)包括水。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)包括硅油。 在一些實(shí)施方式中，所述一種或多種介質(zhì)包括第一介質(zhì)和第二介質(zhì)。在某些實(shí)施方式中，所 述第一介質(zhì)包括水，而所述第二介質(zhì)包括硅油。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，所述光學(xué)開關(guān)是1/4波片，其中該1/4波片的快軸設(shè)置成45° 角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號(hào)光的一部分通過且偏振態(tài)不變。在某些實(shí)施方 式中，所述光學(xué)開關(guān)是1/4波片，其中該1/4波片的快軸設(shè)置成0°或90°角，從而允許從 所述樣品反射或散射的信號(hào)光的一部分通過且偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。在一些實(shí)施方式中，所述 光學(xué)顯微鏡模塊還包括物鏡透鏡、光學(xué)長(zhǎng)波通濾波器和偏振分束器。
[0021] 在一些實(shí)施方式中，所述組織平移模塊包括蓋玻片和位于組織容納器裝置上的橫 向機(jī)動(dòng)化線性載物臺(tái)。在一些實(shí)施方式中，所述組織容納器裝置是載玻片或盒。在某些實(shí) 施方式中，所述蓋玻片充當(dāng)組織容納器。
[0022] 在一些實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)處理單元包括一維檢測(cè)器或二維檢測(cè)器、任選地耦 合的計(jì)算機(jī)，或者其組合。在某些實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)處理單元包括二維檢測(cè)器。在某些 實(shí)施方式中，所述二維檢測(cè)器是電荷耦合器件（CCD)、多像素相機(jī)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)相機(jī)，或者其組合。
[0023] 在一些實(shí)施方式中，提供了一種系統(tǒng)或裝置，其包括：Ce3+:YAG晶體光纖/LED光源 模塊，其被配置用于向光學(xué)顯微鏡模塊提供光源光，該光學(xué)顯微鏡模塊運(yùn)用該光源光并處 理光信號(hào)；Mirau型物鏡模塊，其運(yùn)用來自光學(xué)顯微鏡模塊的光，并且處理從組織平移模塊 生成的光信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于分析來自組織樣品的光信號(hào)，其中所述Mirau型物 鏡模塊包括硅油，并且其中所述光學(xué)顯微鏡模塊包括作為光學(xué)開關(guān)的1/4波片，該1/4波片 被配置用于在光學(xué)相干斷層掃描（0CT)模式與正交偏振光譜成像（0PSI)模式之間切換。
[0024] 參見圖1，示例性發(fā)明系統(tǒng)/裝置100包括光源模塊110、光學(xué)顯微鏡模塊120、 Mirau型物鏡模塊130、組織平移模塊140和數(shù)據(jù)處理單元150。光源模塊110被配置用于 向光學(xué)顯微鏡模塊120提供合適的光，光學(xué)顯微鏡模塊120運(yùn)用光源光并傳輸光信號(hào)。光 學(xué)顯微鏡模塊120與Mirau型物鏡模塊130相關(guān)聯(lián)，Mirau型物鏡模塊130進(jìn)一步處理光 并將光注入到位于組織平移模塊140的組織樣品。從組織平移模塊返回的光被引導(dǎo)至數(shù)據(jù) 處理單元150。
[0025] 在一些實(shí)施方式中，光源模塊包括自發(fā)發(fā)射光源、放大式自發(fā)發(fā)射光源、超福射發(fā) 光二極管、發(fā)光二極管（LED)、寬帶超連續(xù)譜光源、鎖模激光器、可調(diào)諧激光器、傅里葉域鎖 模光源、光參量振蕩器（0P0)、鹵素?zé)艋驌诫s晶體光纖（諸如Ce 3+:YAG晶體光纖、Ti3+:A1203 晶體光纖、Cr4+:YAG晶體光纖），或者本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到的會(huì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐 來提供合適的光的任何其他合適的光源。在某些實(shí)施方式中，光源模塊包括Ce 3+:YAG晶體 光纖、Ti3+:A1203晶體光纖或者Cr 4+:YAG晶體光纖。光源模塊，諸如美國(guó)專利號(hào)8, 416, 48、 8625948和美國(guó)公開號(hào)20080047303 (各文獻(xiàn)均通過引用并入本文以用于此公開內(nèi)容）中公 開的那些光源模塊，是已知的。
[0026] 在一些實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理單元包括一維檢測(cè)器、二維檢測(cè)器或與一維或二維 檢測(cè)器耦合的計(jì)算機(jī)，或者其組合。在一些實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理單元包括二維檢測(cè)器。該 二維檢測(cè)器可以例如是電荷耦合器件（CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)相機(jī)等。在 某些實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理單元150是多元素（multiple element)(即，多像素）相機(jī)。
[0027] 圖2圖示了示例性發(fā)明系統(tǒng)/裝置200,其包括經(jīng)由多模光纖209向光學(xué)顯微鏡 模塊220提供照明光的晶體光纖/LED寬帶光源210、光學(xué)顯微鏡模塊220、Mirau型物鏡模 塊230、組織平移模塊240和數(shù)據(jù)處理單元250。示例性光源模塊210包括Ce 3+:YAG單包 層晶體光纖211，Ce3+:YAG單包層晶體光纖211由l-W、445-nm的激光二極管212(Nichia， #NDB7875,日本）通過第一準(zhǔn)直和聚焦模塊213(例如，包括60X非球面透鏡、帶通濾波器 (Semrock，#FF01-445/45,美國(guó)）和40X消色差透鏡）以及第二準(zhǔn)直和聚焦模塊214(例 如，包括40X消色差物鏡透鏡和20X消色差物鏡透鏡）進(jìn)行栗浦，其中帶波通濾波器的功能 是將后向?qū)拵Ч夥瓷浠貑伟鼘泳w光纖211，以使從單包層晶體光纖211輸出的熒光準(zhǔn)直 并將其聚焦至多模光纖209中。從單包層晶體光纖的輸出端出現(xiàn)的寬帶光耦合至多模光纖 209中并繼而由光學(xué)顯微鏡模塊220中的物鏡透鏡221進(jìn)行準(zhǔn)直，其中單包層晶體光纖之后 的光的中心波長(zhǎng)和帶寬分別為560nm和95nm。
[0028] 不例性光學(xué)顯微鏡模塊220包括物鏡透鏡221、光學(xué)長(zhǎng)波通濾波器222、偏振分束 器223、光學(xué)開關(guān)224(例如，TN-LC、PA-LC、VA-LC、IPS或消色差1/4波片，或者其他合適的 器件），該光學(xué)開關(guān)224設(shè)置在偏振分束器223與Mirau型物鏡模塊230之間，并且將光引 導(dǎo)至Mirau型物鏡模塊230、反射鏡225和投射透鏡226。從多模光纖209輸出并由偏振分 束器223反射的光變成線性偏振。光學(xué)開關(guān)224的設(shè)計(jì)允許本發(fā)明裝置/系統(tǒng)在0CT模式 與正交偏振光譜成像（0PSI)模式之間切換。在一些實(shí)施方式中，所述光學(xué)開關(guān)是1/4波片 等。例如，在0CT模式中，1/4波片（即，光學(xué)開關(guān)的示例）的快軸設(shè)置為相對(duì)于水平軸成 45°角。在這種模式中，只有信號(hào)光的從樣品反射（或散射）之后其偏振態(tài)不變的那部分 可以通過偏振分束器223,并由數(shù)據(jù)處理單元250檢測(cè)到。在0PSI模式中，1/4波片的快軸 設(shè)置為與水平軸平行（0° )或正交（90° )。在這種模式中，只有信號(hào)光的從樣品反射（或 散射）之后其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°的那部分可以通過偏振分束器223,并由數(shù)據(jù)處理單元250 檢測(cè)到。因此，處于OPSI模式中的系統(tǒng)能夠檢測(cè)樣品中散射的消偏振光。這對(duì)于在0CT模 式下對(duì)深度結(jié)構(gòu)（例如，皮膚組織結(jié)構(gòu)）中的樣品進(jìn)行成像特別有用。然而，具有光學(xué)開關(guān) 的切換開關(guān)設(shè)計(jì)允許本發(fā)明系統(tǒng)通過獲取從樣品的任何子結(jié)構(gòu)或微環(huán)境（例如，紅細(xì)胞和 微血管）的吸收、色散和/或散射的反差圖像，來檢測(cè)樣品在其動(dòng)態(tài)（例如，在血管中移動(dòng) 的紅細(xì)胞）中的任何子結(jié)構(gòu)或微環(huán)境。
[0029] 在通過光學(xué)開關(guān)224 (例如，本文所述的消色差1/4波片）之后，光改變?yōu)閳A偏振。 該圓偏振光在通過Mirau型物鏡模塊230從參考臂和樣品臂反射回時(shí)，變成反向圓偏振。來 自參考臂和樣品臂的光束在再次通過消色差1/4波片（參見圖2中的箭頭）之后均變成線 性偏振，其與入射光正交相關(guān)。因此，從組織平移模塊240中的樣品和參考臂反射回來的光 束在通過偏振分束器223之后合并，由反射鏡225反射，并繼而經(jīng)由投射透鏡226投射至數(shù) 據(jù)處理單元250(8卩，00)(111^6^，#1(^-80620,640\480像素，美國(guó)）上，以生成具有260 幀/秒的幀速率的干涉測(cè)量信號(hào)。在干涉測(cè)量載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，有60個(gè)采樣幀。
[0030] 組織平移模塊240包括覆蓋組織樣品（例如，皮膚組織）的蓋玻片241和位于組 織容納器裝置上的橫向機(jī)動(dòng)化線性載物臺(tái)242。組織容納器裝置可以是適合于容納組織的 任何容納器。例如，組織容納器裝置是用于容納活檢物的載玻片。在一些情況下，蓋玻片起 到載玻片的作用。在某些實(shí)施方式中，組織容納器裝置是蓋玻片。在一些實(shí)施方式中，組織 容納器裝置是用于保持組織樣品（諸如來自患者的手術(shù)暴露組織的樣本）的匣。
[0031] 參見圖3,其圖示了圖2的示例性Mirau型物鏡模塊，該Mirau型物鏡模塊230包 括z軸壓電換能器（PZT) 231，該z軸壓電換能器（PZT) 231與2D x-y線性平臺(tái)232和干涉 物鏡233相耦合。出于示例說明目的，特殊設(shè)計(jì)的Mirau型干涉物鏡233包括浸入在第一介 質(zhì)（例如，水）中的物鏡透鏡 234 (例如，Olympus，LUMPLFLN 20 X W，NA: 0? 5，視場(chǎng)：550 y m， 日本）、環(huán)形容納器235、用于容納第二介質(zhì)（例如，硅油）的兩個(gè)石英硅玻璃板（厚度： 150 ym，A/1〇平度，第一玻璃板236和第二玻璃板237)。水中焦場(chǎng)的直徑為約220 ym(使 用1/3視場(chǎng)）。干涉物鏡233固定于z軸壓電換能器231 (PI，#P-720,德國(guó)）上。在一些實(shí) 施方式中，第一介質(zhì)與第二介質(zhì)相同。例如，第一介質(zhì)和第二介質(zhì)可以都是硅油。
[0032] 蓋玻片241層疊在樣品之下。在一些實(shí)施方式中，蓋玻片具有與玻璃板相同的厚 度。采用開環(huán)控制的PZT的總光行程為112 ym。使用與物鏡透鏡234位于同一模塊上的 500 y m直徑的黑墨吸收體（n = 1. 48)來匹配第一玻璃板236的折射率，以便將雜散光吸 收回?cái)?shù)據(jù)處理單元（即CCD)，并且用于消除強(qiáng)度的直流項(xiàng)（DC term)。在用Ti02/Si02(T/R =60/40, T :透射率；R :反射率；1^油=1. 406)涂覆交錯(cuò)的層之后，在第二玻璃板（227)的 頂部上涂覆寬帶分束器涂層。接觸第二介質(zhì)（即，硅油）的第一玻璃板（226)的反射涂層 因n桂油=1. 406而約為4%。
[0033] 在操作過程中，物鏡透鏡234使照明光通過第一玻璃板236而朝向組織平移模塊 240上的測(cè)試樣品聚焦。第二板237將聚焦光的第一部分反射至第一玻璃板反射涂層以限 定參考光，并且將聚焦光的第二部分透射至測(cè)試樣品以限定測(cè)量光。繼而，第二板237將從 測(cè)試樣品反射（或散射）的測(cè)量光與從第一玻璃板上的反射涂層反射的參考光重新組合， 并且物鏡234和成像透鏡對(duì)組合的光進(jìn)行成像，以在數(shù)據(jù)處理單元250 (例如，具有或不具 有計(jì)算機(jī)的多像素相機(jī)）上產(chǎn)生干涉。PZT 231與2D x-y線性平臺(tái)232相耦合。
[0034] 在一些實(shí)施方式中，干涉物鏡233包括浸入在介質(zhì)中的物鏡透鏡234、位于填充有 一種或多種介質(zhì)的密封容器中的第一玻璃板236、第二玻璃板237。本文所述的介質(zhì)定義為 具有對(duì)由光束穿過所述介質(zhì)而引入的光路中的色散加以補(bǔ)償?shù)奶匦缘娜魏谓橘|(zhì)。與填充有 空氣的傳統(tǒng)Mirau物鏡相比，Mirau型物鏡模塊中的所述一種或多種介質(zhì)提供了在斷層成 像情況下減少色散的手段。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的Mirau型物鏡模塊包括兩種或更 多種介質(zhì)（例如，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)等），其中至少一種介質(zhì)具有與待分析的樣品相似的 光學(xué)特性，其被布置用于對(duì)由光束穿過Mirau型物鏡而引入的光路中的色散加以補(bǔ)償。在 各種皮膚光學(xué)特性中，折射率是重要的一種。在1至10 ym范圍的微觀尺度上，折射率的變 化引起光散射。人體皮膚組織的折射率的確定是基于已知方法（例如，Ding等人，Physics in Medicine and Biology，2006,51(6)，1479)。相比于在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（STP)下的空氣 的折射率1. 00,人體皮膚組織的折射率為約1. 38至1. 44。具有1. 3至1. 5之間的折射率的 介質(zhì)的非排他性示例包括水（1. 33)、硅油（1. 336 - 1. 582,取決于組成）、20 %葡萄糖水溶 液（1.36)、乙醇（1.36)、甘油（1.47)、派熱克斯玻璃（1.47)。在一些實(shí)施方式中，在Mirau 型物鏡模塊中使用的介質(zhì)的折射率范圍為約1. 〇至約2. 0、約1. 2至約1. 8、約1. 3至約1. 6、 或者約1. 3至約1. 5。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)的折射率范圍為約1. 3至約1. 5。
[0035] 例如，物鏡透鏡234浸入在水（即，第一介質(zhì)）或者具有與水的光學(xué)特性相接近的 光學(xué)特性的液體中。這是因?yàn)榇上竦臉悠罚ɡ?，活?xì)胞、皮膚組織）包含最多的是水。 由此能夠以令人滿意的方式進(jìn)行活細(xì)胞的成像。在一些實(shí)施方式中，所述一種或多種介質(zhì) 是液體、凝膠、特種玻璃、特種塑料或者具有與測(cè)試樣品的光學(xué)特性相接近的光學(xué)特性的任 何其他合適的材料。在某些實(shí)施方式中，所述介質(zhì)是液體。在一些實(shí)施方式中，液體介質(zhì)包 括水、甘油、乙醇、硅油等。在某些實(shí)施方式中，所述液體介質(zhì)包括水。在某些實(shí)施方式中， 所述液體介質(zhì)包括硅油。在某些實(shí)施方式中，所述液體介質(zhì)包括甘油。在一些實(shí)施方式中， 所述介質(zhì)是具有約1. 3至約1. 5范圍內(nèi)的折射率的透明玻璃或塑料。
[0036] 如圖2中所示，PZT 231由來自具有開環(huán)模式的DAQ卡（NI，#PCI-4461，美國(guó)）的 經(jīng)放大信號(hào)所偏置。經(jīng)由邁克耳孫（Michelson)干涉儀，通過He-Ne激光器的計(jì)數(shù)波數(shù)和 相位差來記錄PZT的z軸位置與輸入電壓。因此，PZT的滯后運(yùn)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)上通過所記錄的位 置-電壓曲線來補(bǔ)償。例如，圖4示出了 Ce3+:YAG SCF(示例性光源）的發(fā)射光譜，其中插圖 示出了 SCF的端視圖。從水與玻璃板之間的邊界處反射的A型掃描的干涉測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度由 CCD的一個(gè)像素進(jìn)行測(cè)量（參見圖5)。來自圖5中載波信號(hào)的載波包絡(luò)強(qiáng)度在帶通濾波器 和希耳伯（Hilbert)變換或其他相位解調(diào)算法之后計(jì)算得出。由已知方法計(jì)算出的檢測(cè)靈 敏度為約81dB。本發(fā)明系統(tǒng)的噪聲基底（noisefloor)基本上被更強(qiáng)的共焦門（NA:0.8對(duì) 0.5)效應(yīng)所抑制，并且繼而進(jìn)一步降低了鬼像效應(yīng)。示例性干涉物鏡相應(yīng)地提供了在水介 質(zhì)表面沿軸向和橫向方向的Ra = 0. 91 y m(參見圖5)和Rt = 0. 56 y m(參見圖6)(或者在 SC表面（結(jié)合水后，n = 1. 47)，Ra = 0. 90 y m和Rt = 0. 51 y m)的實(shí)驗(yàn)分辨率；然而，根據(jù) 方程1，滿足衍射極限的在水表面的理論空間分辨率為Ra = 0. 56 y m和Rt = 0. 43 y m (或 者在 SC 表面，Ra = 0? 55 y m 和 Rt = 0? 39 y m)。
⑴ 其中AZeff意指由AZ共焦（水中的共焦門，等于入。n水/NA 2,對(duì)于40X物鏡（NA:0.8) 為約1. 16 ym)和A z相干（水中的相干門，等于0? 44 A 〇2/n水A A，對(duì)于具有相同物鏡的 Ce3+:YAG光源為約1.09ym)貢獻(xiàn)的有效軸向分辨率。11#&和1^相應(yīng)地為樣品和水的折射 率。A。和A A為光源的中心波長(zhǎng)和帶寬。在圖3中，40X干涉物鏡透鏡234用于水浸。 令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用20X干涉物鏡透鏡（其中NA為0. 5)時(shí)，樣品掃描變得更高效但 仍獲得了相似的3-D成像結(jié)果（例如，分辨率）。因此，在一些實(shí)施方式中，用于本發(fā)明裝置 /系統(tǒng)的物鏡透鏡具有0. 5或更小的NA。由于水和硅油都具有與樣品組織中的一種相似的 相似折射率，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到用一種替代另一種，或者只使用水，或者只 使用硅油，或者根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐而使用任何其他合適的介質(zhì)。例如，克服水浸式Mirau型 物鏡模塊的易蒸發(fā)性而制作浸入在硅油（第一介質(zhì)）中且第二介質(zhì)為硅油的干涉物鏡。
[0037] 通常，F(xiàn)F-0CT 在 0°、90°、180° 和 270°，使用單張拍攝（single-shot) CCD，通過 經(jīng)由相位階躍技術(shù)計(jì)算棧信息而獲得正面圖像，其中通過PZT的三角形振蕩運(yùn)動(dòng)來對(duì)其移 相。隨著一個(gè)正面圖像的曝光時(shí)間增加，檢測(cè)靈敏度變得更好。繼而，通過沿z軸堆積正面 圖像來重建3-D圖像。與經(jīng)典FF-0CT不同，包括Mirau型物鏡的本發(fā)明裝置/系統(tǒng)通過順 序的干涉測(cè)量信號(hào)來重建3-D圖像棧。該次要考慮因素導(dǎo)致本發(fā)明裝置/系統(tǒng)更好的深度 成像。
[0038] 參見圖7,其提供了圖2中所示的實(shí)施方式的變體，示例性裝置/系統(tǒng)包括經(jīng)由多 模光纖709向光學(xué)顯微鏡模塊720提供照明光的晶體光纖/LED寬帶光源模塊710、Mirau 型物鏡模塊730以及成像光纖束708,該成像光纖束708在Mirau型物鏡模塊與光學(xué)顯微鏡 模塊之間傳輸光。該變體實(shí)施方式提供了移動(dòng)的/靈活的Mirau型物鏡模塊以檢測(cè)體內(nèi)樣 品。為了適應(yīng)該設(shè)計(jì)，使用準(zhǔn)直透鏡707來將成像光纖束708與Mirau型物鏡模塊730之 間的光進(jìn)一步準(zhǔn)直。如圖7中所示，使用光學(xué)聚焦透鏡727來進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量。
[0039] 本發(fā)明的裝置或系統(tǒng)對(duì)于輕松地對(duì)組織樣品進(jìn)行成像是有用的。其在輔助皮膚治 療中尤其有用。例如，本發(fā)明的裝置或系統(tǒng)可用作莫氏外科手術(shù)的輔助。在外科手術(shù)過程 中，在每次移除組織之后，當(dāng)患者等待時(shí)，針對(duì)癌細(xì)胞對(duì)該組織進(jìn)行檢查，并且該檢查為額 外的組織移除的決定提供彳目息。莫氏外科手術(shù)是在皮膚癌的移除過程中獲得完整邊沿控制 的許多方法中之一；其取決于完整的圓周外圍和深處邊沿評(píng)估。本發(fā)明的裝置或系統(tǒng)可以 原位地對(duì)樣品組織進(jìn)行成像，或者在從患者身體中移除樣品組織后成像，從而提供了輔助 莫氏外科手術(shù)的有效方式。在一些實(shí)施方式中，提供了一種用于對(duì)組織樣品進(jìn)行成像的方 法，該方法包括：通過本文所述的裝置或系統(tǒng)，對(duì)按深度從樣品出現(xiàn)的測(cè)試光進(jìn)行成像，以 及對(duì)來自該樣品的子結(jié)構(gòu)的吸收、色散和/或散射的反差圖像進(jìn)行成像，以提供該樣品的 動(dòng)態(tài)。在一些實(shí)施方式中，組織樣品是皮膚組織。在某些實(shí)施方式中，所述方法用于對(duì)皮膚 組織狀況進(jìn)行成像。在某些實(shí)施方式中，通過完整的圓周外圍和深處邊沿評(píng)估來確定皮膚 狀況。
[0040] 盡管本文已示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易 見的是，這些實(shí)施方式僅通過示例的方式提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的情況下 現(xiàn)將會(huì)想到許多變化、改變和替代。應(yīng)當(dāng)理解，可以采用本文描述的本發(fā)明的實(shí)施方式的各 種替代方案來實(shí)施本發(fā)明。下述權(quán)利要求旨在限定本發(fā)明的范圍，并且由此涵蓋這些權(quán)利 要求范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)及其等同物。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種裝置，包括：光源模塊，其被配置用于向光學(xué)顯微鏡模塊提供光源光，所述光學(xué) 顯微鏡模塊運(yùn)用所述光源光并處理光信號(hào)；Mirau型物鏡模塊，其運(yùn)用來自所述光學(xué)顯微 鏡模塊的光，并且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理單元， 其用于分析來自所述組織樣品的光信號(hào)，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質(zhì)中的 干涉物鏡，并且其中所述光學(xué)顯微鏡模塊包括光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)被配置用于在光學(xué) 相干斷層掃描（OCT)模式與正交偏振光譜成像（OPSI)模式之間切換。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光源模塊包括放大式自發(fā)發(fā)射光源、超輻 射發(fā)光二極管、發(fā)光二極管（LED)、寬帶超連續(xù)譜光源、鎖模激光器、可調(diào)諧激光器、傅里 葉域鎖模光源、光參量振蕩器（ΟΡΟ)、鹵素?zé)?、Ce 3+:YAG晶體光纖、Ti3+:A1203晶體光纖或者 Cr4+:YAG晶體光纖。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述光源模塊包括Ce 3+:YAG晶體光纖。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質(zhì)中的干涉 物鏡透鏡，位于填充有一種或多種介質(zhì)的密封容器中的第一玻璃板、第二玻璃板。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述干涉物鏡透鏡浸入在具有與待分析的組織樣 品相似的光學(xué)特性的介質(zhì)中。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光學(xué)特性是折射率。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述介質(zhì)具有在約1. 2至約1. 8范圍內(nèi)的折射率。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述介質(zhì)包括水、硅油或甘油。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述介質(zhì)包括硅油。10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述一種或多種介質(zhì)包括第一介質(zhì)和第二介質(zhì)。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一介質(zhì)包括水，而所述第二介質(zhì)包括硅 油。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)開關(guān)是1/4波片，其中所述1/4波片 的快軸設(shè)置成45°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號(hào)光的一部分通過且偏振態(tài)不 變。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)開關(guān)是1/4波片，其中所述1/4波片的 快軸設(shè)置成0°或90°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號(hào)光的一部分通過且偏振 態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)顯微鏡模塊還包括物鏡透鏡、光學(xué)長(zhǎng)波 通濾波器和偏振分束器。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述組織平移模塊包括蓋玻片和位于組織容納 器裝置上的橫向機(jī)動(dòng)化線性載物臺(tái)。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理單元包括一維檢測(cè)器或二維檢測(cè) 器、任選地耦合的計(jì)算機(jī)，或者其組合。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述二維檢測(cè)器是電荷耦合器件（CCD)、多像素 相機(jī)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)相機(jī)，或者其組合。18. -種用于對(duì)組織樣品進(jìn)行成像的系統(tǒng)，包括：光源模塊，其被配置用于向光學(xué)顯微 鏡模塊提供光源光，所述光學(xué)顯微鏡模塊運(yùn)用所述光源光并處理光信號(hào)；Mirau型物鏡模 塊，其運(yùn)用來自所述光學(xué)顯微鏡模塊的光，并且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成 的光信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理單元，其用于分析來自所述組織樣品的光信號(hào)，其中所述Mirau型 物鏡模塊包括浸入在介質(zhì)中的干涉物鏡，并且其中所述光學(xué)顯微鏡模塊包括光學(xué)開關(guān)，所 述光學(xué)開關(guān)被配置用于在光學(xué)相干斷層掃描（OCT)模式與正交偏振光譜成像（OPSI)模式 之間切換。19. 一種用于對(duì)組織樣品進(jìn)行成像的方法，包括：通過權(quán)利要求1所述的裝置或權(quán)利要 求18所述的系統(tǒng)，對(duì)按深度從樣品出現(xiàn)的測(cè)試光進(jìn)行成像，以及對(duì)來自所述樣品的子結(jié)構(gòu) 的吸收的反差圖像進(jìn)行成像。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中通過完整的圓周外圍和深處邊沿評(píng)估來確定組 織成像。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK105852800SQ201510504729
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日
【發(fā)明人】黃升龍, 何端書, 蔡建中
【申請(qǐng)人】黃升龍