專(zhuān)利名稱(chēng)：用于光譜分析的像差校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)一個(gè)感興趣的體積進(jìn)行光譜分析的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
將光譜學(xué)技術(shù)用于分析目的之應(yīng)用可從現(xiàn)有技術(shù)中獲悉。WO02/057758 A1和WO 02/057759 A1展示了用于對(duì)流過(guò)人體毛細(xì)血管的血液成分進(jìn)行體內(nèi)非侵入式光譜分析的光譜分析儀器。優(yōu)選地，通過(guò)利用共焦喇曼光譜法來(lái)測(cè)量活體內(nèi)血液分析物濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜分析，該方法允許非侵入式血液分析(NIBA)。
為了獲得可檢測(cè)光譜信號(hào)的高信噪比或信號(hào)背景比，共焦測(cè)量體積完全位于血管之內(nèi)將是有利的。一方面，這需要精確地確定人體皮膚表面之下血管的位置。另一方面，光譜系統(tǒng)的共焦測(cè)量體積必須精確地被移動(dòng)到所確定的血管位置。
對(duì)于非侵入式血液分析系統(tǒng)的大多數(shù)應(yīng)用，若將系統(tǒng)分成兩個(gè)部件，即通過(guò)一光纖連接起來(lái)的一個(gè)基站和一個(gè)柔性探頭，將是有利的。較大的基站典型地包含相當(dāng)寬大的激勵(lì)激光器和光譜分析裝置，而相對(duì)較小且具有柔性的探頭提供必要的光學(xué)器件，用于將激勵(lì)光束導(dǎo)向感興趣的體積中并用于收集光譜數(shù)據(jù)。
當(dāng)要分析那些難于觸及的人體部位，象耳垂、唇、舌、鼻孔或指間皮瓣時(shí)，小型柔性探頭將特別有利。因而，其總體尺寸是探頭最重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。除了尺寸要求以外，探頭應(yīng)具有較小的重量，允許人體的最大舒適性和易接近性。
然而，探頭必須提供有效的裝置，用于將共焦測(cè)量體積引導(dǎo)至皮膚表面之下所感興趣的特定體積之內(nèi)。主要有三種不同的方法，用于將共焦測(cè)量體積移至所期望的位置。第一種方法是將物鏡和共焦測(cè)量體積相對(duì)于彼此固定，即物鏡的焦點(diǎn)位置不能相對(duì)于透鏡移動(dòng)。在該第一種方法中，探頭的光學(xué)器件優(yōu)選地被排列成支持相關(guān)光學(xué)信號(hào)的旁軸傳播。通過(guò)相對(duì)于探頭和光學(xué)裝置移動(dòng)皮膚，可有效地實(shí)現(xiàn)將共焦測(cè)量體積移至皮膚中感興趣的體積內(nèi)。
第二種方法是利用相對(duì)于探頭固定皮膚。共焦測(cè)量體積也相對(duì)于物鏡位置固定。在此情況下，可通過(guò)相對(duì)于探頭本身移動(dòng)整個(gè)光學(xué)裝置或至少光學(xué)裝置的一部分，來(lái)實(shí)現(xiàn)共焦測(cè)量體積與感興趣的體積之間的所需移動(dòng)。例如，探頭的外殼被剛性地固定在皮膚表面上，并允許探頭的光學(xué)裝置實(shí)施一個(gè)例如相對(duì)于探頭外殼的橫向運(yùn)動(dòng)。該“橫向”的表述是指基本上垂直于探頭物鏡光軸的平面。
用于相對(duì)于皮膚移動(dòng)共焦測(cè)量體積的第三種方法，其是基于將探頭和物鏡剛性地固定到皮膚上，但允許相對(duì)于物鏡橫向移動(dòng)該共焦測(cè)量體積。這意味著必須改變光學(xué)信號(hào)(激勵(lì)光束和所檢測(cè)到的信號(hào)光束)的入射角和物鏡。
第一和第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量體積位于光軸上，以允許簡(jiǎn)單的光學(xué)器件，但需要相當(dāng)復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)。第三種方法利用移動(dòng)共焦測(cè)量體積離開(kāi)光軸，從而僅需基本的機(jī)械部件，例如一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)或可操縱的鏡面。由于從測(cè)量體積發(fā)出的相關(guān)光譜信號(hào)相對(duì)于物鏡光軸以非零的角度傳播，因而使用這種方法導(dǎo)致不可避免的物鏡像差。從而，所得光譜數(shù)據(jù)以多種方式受到影響。
例如，色差可導(dǎo)致光譜中較寬的線，并可能以不同的效率檢測(cè)到各種波長(zhǎng)。這種探頭利用相對(duì)于透鏡通過(guò)光學(xué)信號(hào)的非旁軸傳播來(lái)移動(dòng)共焦測(cè)量體積，因而該探頭通常需要一個(gè)具有極低像差度的復(fù)雜物鏡。這種復(fù)雜物鏡非常昂貴，因而不適于用在例如一個(gè)非侵入式血液分析系統(tǒng)的低成本探頭中。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明目的在于提供一種用于光譜系統(tǒng)的允許使用廉價(jià)光學(xué)器件的改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)，該光譜系統(tǒng)用于確定人體皮膚表面之下感興趣的體積內(nèi)生物結(jié)構(gòu)的特性。
本發(fā)明提供一種光譜系統(tǒng)，用于確定人體內(nèi)感興趣的體積中生物結(jié)構(gòu)的特性。該光譜系統(tǒng)包括一個(gè)物鏡，用于引導(dǎo)一激勵(lì)光束至感興趣的體積，并用于從感興趣的體積收集返回的輻射。該光譜系統(tǒng)還包括一個(gè)用于檢測(cè)來(lái)自感興趣的體積的返回輻射的檢測(cè)器，以及一個(gè)用于校正物鏡的像差的校正單元。
典型地，感興趣的體積是指人體皮膚表面之下的一個(gè)體積，該體積限定了一種諸如血管的特定生物結(jié)構(gòu)或組織的位置。優(yōu)選地，將對(duì)流過(guò)這種血管的血液進(jìn)行光譜分析。以此方式，可充分地實(shí)施非侵入式血液分析(NIBA)。
優(yōu)選地，該光譜系統(tǒng)包括一個(gè)基站和一個(gè)具有緊湊設(shè)計(jì)特征的柔性探頭。該探頭的物鏡優(yōu)選地采用不可避免地具有明顯像差的低成本光學(xué)器件。使用一個(gè)校正單元，以允許校正和補(bǔ)償由不理想物鏡造成的像差。從而，本發(fā)明提供了一種以明顯的像差為代價(jià)，在光譜數(shù)據(jù)采集中采用低成本物鏡的有效方法。通過(guò)連續(xù)地補(bǔ)償這些像差，可有效地消除這種低成本光學(xué)透鏡的缺點(diǎn)，從而允許將這種低成本物鏡用于諸如NIBA光譜系統(tǒng)的高精度測(cè)量裝置中。
該校正單元還適于補(bǔ)償多種不同類(lèi)型的像差。該該校正單元優(yōu)選地適于補(bǔ)償色差和單色像差。關(guān)于單色像差，該校正單元很好地適用于補(bǔ)償像散、場(chǎng)曲率、彗形像差、球面像差和諸如枕形畸變或桶形畸變的變形效應(yīng)。
優(yōu)選地，響應(yīng)于將激勵(lì)光束強(qiáng)烈地聚焦在一個(gè)指定的感興趣的體積中，獲得光譜數(shù)據(jù)。響應(yīng)于這種激勵(lì)，該光譜信號(hào)，即散射輻射，從感興趣的體積發(fā)出，并被一檢測(cè)器檢測(cè)到。為了確定感興趣的體積的成分，所關(guān)心的是所采集數(shù)據(jù)的光譜分析。換句話說(shuō)，所得光譜的各種頻率成分的相對(duì)強(qiáng)度代表著感興趣的體積的成分。
由于物鏡的色差，光譜中的特征線可能變寬，并且/或者光譜中各種波長(zhǎng)的強(qiáng)度可能改變。因而，該校正單元適于補(bǔ)償嚴(yán)重影響所采集光譜信息的色差。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，該光譜系統(tǒng)還包括一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件，用于將物鏡的一個(gè)共焦測(cè)量體積定位到感興趣的體積中。該可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件還適用于相對(duì)于物鏡光軸橫向地移動(dòng)共焦測(cè)量體積。
通過(guò)橫向地移動(dòng)該共焦測(cè)量體積，激勵(lì)光束和從感興趣的體積發(fā)出的返回輻射的光線相對(duì)于物鏡光軸并且/或者相對(duì)于光譜系統(tǒng)或探頭的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸以非平行的方式傳播。
以此方式，本發(fā)明的光譜系統(tǒng)允許改變激勵(lì)光束和所檢測(cè)到的返回輻射相對(duì)于物鏡光軸的傳播角度。
優(yōu)選地，該可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件被置入光譜系統(tǒng)的探頭中，以實(shí)現(xiàn)探頭更為牢固、廉價(jià)和有效的機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)。利用可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件來(lái)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)光束和返回輻射的非旁軸和/或離光軸布置，關(guān)鍵性地增強(qiáng)了物鏡像差對(duì)所得光譜數(shù)據(jù)的影響。
由于由物鏡引入的像差強(qiáng)烈地依賴(lài)于返回輻射的傳播方向與物鏡光軸之間的相對(duì)角度，該校正單元有效地利用那些確定激勵(lì)型和/或返回型光線與物鏡光軸之間傳播角度的信息。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，校正單元適于對(duì)所檢測(cè)到的返回輻射進(jìn)行校正。這樣，物鏡像差不是通過(guò)光學(xué)裝置來(lái)補(bǔ)償，而是將校正機(jī)制施加到在檢測(cè)光譜信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)上。已知激勵(lì)光束和物鏡光軸之間的相關(guān)傳播角，使得通過(guò)例如電信號(hào)和/或數(shù)據(jù)處理裝置來(lái)有效地實(shí)施光譜數(shù)據(jù)的校正。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，校正單元還適于利用由校正表提供的校正值。校正表的每個(gè)校正值是從感興趣的體積到物鏡光軸的橫向距離所特有的。換句話說(shuō)，每個(gè)校正值是激勵(lì)和/或返回輻射與物鏡光軸之間的相關(guān)傳播角所特有的。校正表提供橫向距離，即相關(guān)傳播角與所需校正值之間的分配關(guān)系，以允許精確補(bǔ)償由物鏡引入的像差。這里，一個(gè)校正值可指一個(gè)標(biāo)量值、一個(gè)校正矢量或甚至一個(gè)校正矩陣。以此方式，可有效地補(bǔ)償多種不同的像差，無(wú)論是單色差還是色差。
優(yōu)選地，校正表是通過(guò)整個(gè)光譜系統(tǒng)的一個(gè)校準(zhǔn)步驟來(lái)獲得的。在此情況下，一個(gè)參考光譜信號(hào)是通過(guò)從位于物鏡光軸上的感興趣的體積采集光譜數(shù)據(jù)來(lái)獲得的。通過(guò)連續(xù)地橫向移動(dòng)感興趣的體積和光譜系統(tǒng)的共焦測(cè)量體積，從多個(gè)不同橫向位置獲取相同光譜信號(hào)，以允許與該參考信號(hào)進(jìn)行比較。
通過(guò)參考信號(hào)與多個(gè)在不同橫向位置采集的光譜信號(hào)的比較，以允許表征光譜探頭的物鏡和整個(gè)光學(xué)裝置的像差。
此外，校正表還采用二維矩陣，以允許表征物鏡像差，該像差是由感興趣的體積和共焦測(cè)量體積相對(duì)于物鏡光軸沿兩個(gè)橫向方向的橫向位移造成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，從感興趣的體積到物鏡光軸的橫向距離能夠由可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件的定向來(lái)確定。優(yōu)選地，可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件能夠通過(guò)某些類(lèi)型的致動(dòng)器來(lái)操縱。已知致動(dòng)器的位置和可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件的定向，則可確定激勵(lì)光束相對(duì)于物鏡光軸的相關(guān)傳播角。這使得實(shí)現(xiàn)對(duì)那些支配物鏡像差的參數(shù)進(jìn)行直觀的和直接的訪問(wèn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，光譜系統(tǒng)還包括一個(gè)提供所關(guān)心區(qū)域圖像的成像系統(tǒng)，用于確定感興趣的體積相對(duì)于物鏡光軸的橫向位置。例如，該成像系統(tǒng)提供人體皮膚表面的一個(gè)圖像，用于識(shí)別所關(guān)心的特定體積在皮膚表面圖像中的位置。該成像系統(tǒng)還提供位于患者皮膚表面之下所關(guān)心區(qū)域的成像。通過(guò)這種涉及皮膚表面上或表面之下所關(guān)心區(qū)域的成像，可充分地移動(dòng)光譜系統(tǒng)的測(cè)量體積，以便與感興趣的體積重疊。
合適的成像方法包括正交偏振光譜成像(OPSI)、共焦視頻顯微(CVM)、光學(xué)相干性層析成像(OCT)、共焦激光掃描顯微(CLSM)、基于多普勒效應(yīng)的成像和基于超聲波的成像。相應(yīng)的成像技術(shù)公開(kāi)于US60/262582、US09/912127、US09/912127、EP03100689.3和EP03102481.3中，其整體作為參考在此引入。
此外，確定感興趣的體積相對(duì)于物鏡光軸的橫向位置需要某種圖形識(shí)別裝置，以在橫向圖像中識(shí)別感興趣的體積。可選地，感興趣的體積的確定可通過(guò)與一操作員的互動(dòng)來(lái)獲得，以在一個(gè)可見(jiàn)的橫向圖像中確定感興趣的體積。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，校正單元還適于校正物鏡的色差和單色差。特別地，通過(guò)利用本發(fā)明的校準(zhǔn)方法，該校正單元使用一個(gè)針對(duì)由各個(gè)橫向位置所得光譜信號(hào)與參考信號(hào)之間偏差的校正表。以此方式，原則上能夠有效地補(bǔ)償由于激勵(lì)光束和/或返回輻射的非旁軸傳播而出現(xiàn)的所有類(lèi)型的色差或單色差。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，該校正單元還適于根據(jù)一個(gè)特征表來(lái)校正物鏡像差。該特征表在制造該物鏡時(shí)產(chǎn)生，且指示出每個(gè)特定物鏡的像差。與校正表相比，該特征表僅僅是該物鏡所特有的，而不是探頭的整個(gè)光學(xué)裝置所特有的。此外，該特征表通常指明了物鏡的像差和缺陷，當(dāng)該物鏡被例如用在不同類(lèi)型的光譜系統(tǒng)中時(shí)，該表可用于物鏡像差的通用校正。因此，該特征表不僅是一個(gè)特定光學(xué)裝置中一個(gè)物鏡的像差所特有的，而且是該物鏡通用的各種光學(xué)像差所特有的。
由于該特征表是在物鏡制造過(guò)程之后直接產(chǎn)生的，該特征表對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的物鏡是特有的。這使得能夠表征和補(bǔ)償一個(gè)低成本光學(xué)透鏡在質(zhì)量上的變化。以此方式，將由本發(fā)明的光譜系統(tǒng)校正單元實(shí)施的校正步驟可單獨(dú)地適用于多種不同的物鏡。此外，當(dāng)例如由于衛(wèi)生原因，探頭的零件采用可置換元件時(shí)，一個(gè)物鏡可甚至由另一個(gè)物鏡替換，且該校正單元可通過(guò)利用其相應(yīng)的特征表而精確地自適用于該替換透鏡。因而不必為確定該替換透鏡的像差而進(jìn)行新的校準(zhǔn)。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種用于光譜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該光譜系統(tǒng)用于確定人體內(nèi)感興趣的體積中生物結(jié)構(gòu)的特性。該光譜系統(tǒng)具有一個(gè)物鏡，用于將激勵(lì)光束引導(dǎo)至感興趣的體積，并用于從感興趣的體積收集返回輻射。該光譜系統(tǒng)還包括一個(gè)檢測(cè)器，用于檢測(cè)從感興趣的體積的返回輻射，且該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)程序方法，用于分析該返回輻射，并用于對(duì)該返回輻射進(jìn)行校正，以校正物鏡的像差。
在另外一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種用于對(duì)光譜系統(tǒng)的物鏡進(jìn)行像差校正的方法，該光譜系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于確定人體內(nèi)感興趣的體積中生物結(jié)構(gòu)的特性。用于進(jìn)行像差校正的方法包括以下步驟利用物鏡將激勵(lì)光束引導(dǎo)至感興趣的體積，并從感興趣的體積收集返回輻射；在第二步驟中，從感興趣的體積發(fā)出的返回輻射被檢測(cè)到；在最后一步驟中，對(duì)檢測(cè)到的返回輻射實(shí)施一個(gè)校正步驟，以校正由物鏡引入的像差。
應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明并不局限于特定類(lèi)型的喇曼光譜法，而是也可使用其它光譜學(xué)技術(shù)。這包括(i)基于喇曼散射的其它方法，包括受激喇曼光譜法和相干反斯托克斯喇曼光譜法(CARS)，(ii)紅外光譜法，特別是紅外吸收光譜法、傅立葉變換紅外(FTIR)光譜法和近紅外(NIR)漫反射光譜法，(iii)其它散射光譜技術(shù)，特別是熒光光譜法、多光子熒光光譜法和反射光譜法，以及(iv)其它光譜學(xué)技術(shù)，例如光聲光譜法、偏振測(cè)定和泵浦-探測(cè)光譜法。適用于本發(fā)明的優(yōu)選的光譜學(xué)技術(shù)為喇曼光譜法和熒光光譜法。


以下將參照附圖更為詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1示出了光譜系統(tǒng)的一個(gè)方框圖，圖2示出了一個(gè)用于實(shí)施像差校正步驟的流程圖，圖3示出了一個(gè)流程圖，該流程用于產(chǎn)生本發(fā)明校正步驟的校正表。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明光譜系統(tǒng)100的一個(gè)方框圖。該光譜系統(tǒng)100包括一個(gè)成像系統(tǒng)102。該光譜系統(tǒng)100包括光譜單元104，該光譜單元104包括一個(gè)光源，該光源典型地為一個(gè)在近紅外范圍(NIR)工作的激光源，該光譜單元104還包括一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器典型地采用一個(gè)光譜儀。該光譜系統(tǒng)包括一個(gè)校正單元106、一個(gè)光譜分析系統(tǒng)108和一個(gè)校正表110。此外，光譜系統(tǒng)100包括一個(gè)光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置具有至少一對(duì)透鏡、一個(gè)物鏡118、一個(gè)分色鏡114和一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112。光源，例如NIR激光器，被用在光譜模塊104中，因而在此未明確示出。
該方框圖示出了從感興趣的體積120發(fā)出的返回輻射124的光路。典型地，激勵(lì)光束沿著與返回輻射相同的光路但沿相反方向傳播。以此方式，物鏡的功能成為雙重的。首先，它用于將激勵(lì)光束聚焦到感興趣的體積中，其次，它提供對(duì)來(lái)自感興趣的體積的返回輻射的收集。例如，該激勵(lì)光束可利用分色光束分離器被耦合到返回輻射的光路中。
對(duì)于本發(fā)明，并不嚴(yán)格要求激勵(lì)光束與返回輻射沿著相同的光路傳播。原則上，激勵(lì)光束可以任意合適的聚焦裝置聚焦到感興趣的體積中。
返回輻射124在進(jìn)入光譜單元104的檢測(cè)器之前，以非旁軸的方式穿過(guò)透鏡和反射鏡系統(tǒng)而傳播。在圖1所示實(shí)施例中，感興趣的體積120橫向地與成像系統(tǒng)102和物鏡118的光軸116分開(kāi)。橫向距離122可由可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112充分地控制。換句話說(shuō)，可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112的定向確定了感興趣的體積120距光軸116的橫向距離122。由于由低成本物鏡118引入的像差強(qiáng)烈地依賴(lài)于橫向距離122，該橫向距離的信息必須被提供給校正單元106。
通過(guò)使可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112傾斜，如箭頭所示，光譜系統(tǒng)100的共焦測(cè)量體積可被有效地引導(dǎo)至感興趣的體積120中。從感興趣的體積120發(fā)出的光譜信號(hào)被分色鏡114反射，最終由光譜單元104的檢測(cè)器檢測(cè)到，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。一方面，該檢測(cè)信號(hào)指示了感興趣的體積120的成分的光譜，另一方面，該檢測(cè)信號(hào)指示了由物鏡118引入的像差。該檢測(cè)信號(hào)從光譜單元104被傳送到校正單元106。
校正單元106適于處理所獲得的檢測(cè)信號(hào)，以補(bǔ)償由物鏡118引入的像差。優(yōu)選地，該校正單元106有效地利用校正表110。優(yōu)先采用查找表形式的該校正表110提供針對(duì)感興趣的體積120距離光軸116的橫向距離122的校正信號(hào)。為了應(yīng)用該校正表110的合適的校正值，校正單元106也需要指示橫向距離122的信息。
橫向距離122既可由可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112的定向來(lái)確定，也可通過(guò)由成像系統(tǒng)102獲得的圖像檢查來(lái)確定。從而，該成像系統(tǒng)102與可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112均被連接到校正單元106。以此方式，可通過(guò)簡(jiǎn)單地從可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112傳送一個(gè)控制信號(hào)至校正單元106，由可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112的定向來(lái)推導(dǎo)出所需的橫向距離122的信息。附加地或可選地，可通過(guò)分析一個(gè)利用成像系統(tǒng)102獲取的可見(jiàn)圖像，來(lái)充分地獲得感興趣的體積120的橫向距離122。
典型地，感興趣的體積的位置由成像系統(tǒng)來(lái)確定。如果已知該位置并由此知道其到光軸的距離，控制單元傳送一個(gè)信號(hào)至可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡，以將測(cè)量體積瞄準(zhǔn)目標(biāo)體積。移動(dòng)激勵(lì)光束的焦點(diǎn)，從而移動(dòng)了測(cè)量體積，以便基本上與感興趣的體積120重疊。
使用成像系統(tǒng)102還允許在一個(gè)由成像系統(tǒng)102提供的可見(jiàn)圖像中直觀地選擇一個(gè)感興趣的體積120。感興趣的體積120的選擇既可通過(guò)置于本發(fā)明光譜系統(tǒng)100之內(nèi)的圖形識(shí)別裝置來(lái)實(shí)施，也可通過(guò)與一操作員的互動(dòng)來(lái)實(shí)施。然而，成像系統(tǒng)102被充分地校準(zhǔn)，以便精確地確定感興趣的體積120距離光譜系統(tǒng)的光軸116的橫向距離122。分色鏡114用于在空間上將頻率偏移的光譜信號(hào)從成像信號(hào)中分離出來(lái)。
在校正單元106利用校正表110和橫向距離122的信息對(duì)所獲得的檢測(cè)信號(hào)實(shí)施像差補(bǔ)償之后，再將像差已被補(bǔ)償?shù)墓庾V傳送到光譜分析單元108，以便對(duì)所采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析。一旦由光譜儀108完成了光譜分析，則可獲得測(cè)量體積，例如流過(guò)感興趣的體積120的血液的成分的可靠信息。
所示光譜系統(tǒng)100可劃分為一個(gè)基站和一個(gè)柔性緊湊探頭。優(yōu)選地，僅光學(xué)部件112、114、118必須置于該柔性探頭之內(nèi)。所有其它部件，例如光譜單元104、成像系統(tǒng)102、校正單元106以及光譜儀108可充分地置于該基站內(nèi)。在此情況下，基站與探頭之間光和/或電信號(hào)的傳送必須通過(guò)光纖和/或?qū)щ娫?lái)提供。優(yōu)選地，還將一個(gè)用于產(chǎn)生激勵(lì)光束的近紅外激光器置入該基站中。
與利用可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112從感興趣的體積收集返回輻射相同的方式，將激勵(lì)光束聚焦到感興趣的體積120中。這樣，感興趣的體積的激勵(lì)與相應(yīng)光譜數(shù)據(jù)的采集可由同一光學(xué)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。這使得實(shí)現(xiàn)了光譜系統(tǒng)100的探頭的緊湊、價(jià)廉和柔性設(shè)計(jì)。
圖2示出了一個(gè)用于實(shí)施本發(fā)明像差校正步驟的流程圖。在此，在第一步200中，利用成像系統(tǒng)102獲取一個(gè)所關(guān)心區(qū)域，例如人體皮膚表面的一個(gè)區(qū)域或者皮膚表面之下的一個(gè)區(qū)域的可視圖像。然后，在步驟202中，既可通過(guò)成像系統(tǒng)102的圖形識(shí)別裝置，也可通過(guò)與一操作員的互動(dòng)來(lái)確定一個(gè)感興趣的體積120。一旦已經(jīng)在所獲取的圖像中確定了感興趣的體積，則光譜系統(tǒng)的激勵(lì)光束必須被引導(dǎo)并聚焦到感興趣的體積120中。
假設(shè)感興趣的體積的激勵(lì)與光譜數(shù)據(jù)的光學(xué)采集基于同一光學(xué)裝置，在步驟204中，可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112被轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度α，以便將光譜系統(tǒng)的共焦測(cè)量體積橫向地移動(dòng)到感興趣的體積120。
一旦激勵(lì)光束的焦點(diǎn)以及光學(xué)裝置的共焦檢測(cè)體積基本上與感興趣的體積120重疊，則在步驟206中，感興趣的體積受到激勵(lì)光束的激勵(lì)，以便激發(fā)用于產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)所需的散射過(guò)程。
在步驟208中，在利用激勵(lì)光束使感興趣的體積120曝光的過(guò)程中，從感興趣的體積中檢測(cè)到相應(yīng)的返回輻射。該返回輻射指示了光譜數(shù)據(jù)，且由光譜單元104檢測(cè)到。所檢測(cè)到的返回輻射指示了光譜和由低成本物鏡118引入的像差。
由于像差強(qiáng)烈地依賴(lài)于感興趣的體積相對(duì)于物鏡光軸的橫向位置，在步驟210中，從校正表中獲得一個(gè)校正值，并將其提供給校正單元106。該校正值是針對(duì)感興趣的體積120的橫向距離和返回輻射的波長(zhǎng)所特定的。而感興趣的體積的橫向距離又可利用可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112的角度α來(lái)確定。一旦正確的校正值已被校正單元106獲得，則對(duì)所檢測(cè)到的返回輻射實(shí)施一個(gè)相應(yīng)的校正步驟，即在步驟212中，對(duì)由光譜單元104獲得的電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的像差補(bǔ)償。
最后，在最終步驟214中，已進(jìn)行像差補(bǔ)償?shù)墓庾V，以及因此已被校正的信號(hào)由光譜分析系統(tǒng)108進(jìn)行光譜分析，以便得到感興趣的體積120的成分的精確信息，其中該已被校正的信號(hào)指示了已被校正的光譜。
圖3示出了一個(gè)用于產(chǎn)生校正表的流程圖，該校正表將被本發(fā)明的光譜系統(tǒng)100的校正單元106使用。在第一步300中，記錄一個(gè)校準(zhǔn)或參考信號(hào)。在此情況下，校準(zhǔn)或參考信號(hào)是指位于物鏡118的光軸上的感興趣的體積120的所檢測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)。假設(shè)在此構(gòu)造中，物鏡118的像差最小，從而可被忽略。
在下一個(gè)步驟302中，具有相關(guān)的感興趣的體積120的皮膚或校準(zhǔn)采樣相對(duì)于物鏡118的光軸116在橫向平面中連續(xù)地被移動(dòng)。在下一個(gè)步驟304中，可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度α，以使物鏡118的共焦測(cè)量體積跟蹤感興趣的體積120。以此方式，保證了光譜系統(tǒng)的共焦測(cè)量體積保持在感興趣的體積120之內(nèi)。
在相繼的步驟306中，對(duì)于感興趣的體積120的每個(gè)橫向位置，由光譜單元104檢測(cè)到返回輻射。由于光學(xué)信號(hào)的非平行或非旁軸傳播，該返回輻射，即光譜信號(hào)受到物鏡118的像差的影響。在緊接的步驟308中，每個(gè)所檢測(cè)到的信號(hào)與校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，以求解出針對(duì)感興趣的體積120的每個(gè)橫向位置的像差。由于步驟308中所進(jìn)行的比較，在下一個(gè)步驟310中確定了一個(gè)相應(yīng)的校正值。該校正值可為標(biāo)量、矢量或甚至一個(gè)多維矩陣。
一旦在步驟310中已經(jīng)確定感興趣的體積的一個(gè)特定橫向位置的校正值，則在最終步驟312中，該校正值被存儲(chǔ)在一個(gè)校正表中。該校正表提供可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡112的傾角α與相應(yīng)的校正值之間的分配關(guān)系。應(yīng)當(dāng)指出，皮膚相對(duì)于物鏡的橫向位移是一個(gè)二維位移。換句話說(shuō)，皮膚及其感興趣的體積120可在基本上垂直于光譜系統(tǒng)的光軸116的平面內(nèi)移動(dòng)。
參考數(shù)字列表100光譜系統(tǒng)102成像系統(tǒng)104光譜單元106校正單元108光譜分析單元110校正表112可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡114分色鏡116光軸118物鏡120感興趣的體積122距離光軸的橫向距離124返回輻射
權(quán)利要求
1.一種光譜系統(tǒng)(100)，用于確定人體的感興趣的體積(120)中生物結(jié)構(gòu)的特性，其包括一個(gè)物鏡(118)，用于引導(dǎo)激勵(lì)光束至感興趣的體積并且從感興趣的體積收集返回輻射，一個(gè)檢測(cè)器(104)，用于檢測(cè)來(lái)自感興趣的體積的返回輻射，一個(gè)校正單元(106)，用于校正所述物鏡的像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光譜系統(tǒng)(100)，還包括一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件(112)，用于將所述物鏡(118)的一個(gè)測(cè)量體積定位到感興趣的體積(120)中，所述可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件適于相對(duì)于所述物鏡的光軸(116)橫向地移動(dòng)所述測(cè)量體積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光譜系統(tǒng)(100)，其中所述校正單元(106)適于對(duì)所檢測(cè)到的返回輻射進(jìn)行校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的光譜系統(tǒng)(100)，其中所述校正單元(106)適于利用由一個(gè)校正表(110)提供的校正值，每個(gè)校正值是從感興趣的體積(120)到所述物鏡(118)的所述光軸(116)的橫向距離(122)所特有的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)的光譜系統(tǒng)(100)，其中從感興趣的體積(120)到所述物鏡(118)的所述光軸(116)的所述橫向距離(122)是由所述可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件(112)的定向來(lái)確定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的光譜系統(tǒng)(100)，還包括一個(gè)成像系統(tǒng)(102)，其提供所關(guān)心區(qū)域的圖像以便確定感興趣的體積(120)的所述橫向位置(122)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的光譜系統(tǒng)(100)，其中所述校正單元(106)適于校正所述物鏡(118)的色差和單色差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的光譜系統(tǒng)(100)，其中所述校正單元(106)適于根據(jù)一個(gè)特征表來(lái)校正所述物鏡(118)的像差，所述特征表是在制造所述物鏡時(shí)產(chǎn)生的并且指示出每個(gè)特定物鏡的像差。
9.一種用于光譜系統(tǒng)(100)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，從而用于確定人體的感興趣的體積(120)中生物結(jié)構(gòu)的特性，所述光譜系統(tǒng)具有一個(gè)物鏡(118)，用于將一激勵(lì)光束引導(dǎo)至感興趣的體積(120)中并且從感興趣的體積收集返回輻射，所述光譜系統(tǒng)還具有一個(gè)檢測(cè)器(104)，用于從感興趣的體積檢測(cè)返回輻射，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)程序方法，用于分析所述返回輻射，對(duì)所述返回輻射進(jìn)行校正，以校正所述物鏡的像差。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括適于控制一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件(112)的程序方法，用于將所述物鏡(118)的一個(gè)測(cè)量體積定位到感興趣的體積(120)中，所述可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡元件適于相對(duì)于所述物鏡的所述光軸(116)橫向地移動(dòng)所述測(cè)量體積。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括適于分析一個(gè)由成像系統(tǒng)(102)提供的所關(guān)心區(qū)域的圖像的計(jì)算機(jī)程序方法，用于確定感興趣的體積(120)相對(duì)于所述物鏡(118)的所述光軸(116)的橫向位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項(xiàng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括適于根據(jù)一個(gè)特征表來(lái)校正所述物鏡(118)的像差的計(jì)算機(jī)程序方法，所述特征表是在制造所述物鏡時(shí)產(chǎn)生的并且指示出每個(gè)特定物鏡的像差。
13.一種用于對(duì)光譜系統(tǒng)(110)的物鏡(118)進(jìn)行像差校正的方法，所述光譜系統(tǒng)(110)被設(shè)計(jì)成用于確定人體的感興趣的體積(120)中生物結(jié)構(gòu)的特性，所述進(jìn)行像差校正的方法包括以下步驟利用物鏡將激勵(lì)光束引導(dǎo)至感興趣的體積中并且從感興趣的體積收集返回輻射，檢測(cè)來(lái)自感興趣的體積的返回輻射，對(duì)檢測(cè)到的返回輻射實(shí)施一個(gè)校正步驟，以校正所述物鏡的像差。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中校正步驟的實(shí)施包括以下步驟確定感興趣的體積(120)與所述物鏡(118)的所述光軸(116)之間的橫向距離(122)，獲取針對(duì)所確定的橫向距離的一個(gè)校正值，利用所獲得的校正值，對(duì)檢測(cè)到的返回輻射實(shí)施一個(gè)校正步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光譜系統(tǒng)(100)，用于確定人體的感興趣的體積(120)中生物結(jié)構(gòu)的特性。該光譜系統(tǒng)(100)包括一個(gè)低成本物鏡(118)，用于引導(dǎo)激勵(lì)光束至感興趣的體積(120)并且從感興趣的體積(120)收集返回輻射(124)。在檢測(cè)到返回輻射(124)，即光譜信號(hào)之后，一個(gè)校正單元(106)對(duì)由該低成本物鏡(118)引入的光譜信號(hào)的像差進(jìn)行補(bǔ)償。由于所述物鏡(118)的像差強(qiáng)烈地依賴(lài)于感興趣的體積(120)距離物鏡(118)的光軸(116)的橫向距離(122)，該校正單元(106)有效地使用一個(gè)校正表(110)，該校正表(110)提供了校正值與感興趣的體積(120)的各個(gè)橫向位置(122)之間的分配關(guān)系。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1973233SQ200580020590
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
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