[发明专利]用于测量混浊样本的设备和方法

说明书

一种用于混浊样本测量的设备包括：多个光源，用于用非空间结构化光来照射混浊样本目标区域；投影系统，用于用空间结构化光来照射混浊样本目标区域；传感器，用于从混浊样本的目标区域收集光，以及处理器，用于分析由传感器捕捉的数据，以生成混浊样本的散射和吸收系数。一种方法包括：用空间结构化光来照射样本，在许多波长下收集从样本反射的光，用非空间结构化光来照射样本，在许多波长下收集从样本反射的光，以及将收集的光的测量结果组合以获得样本的光学性质和/或吸收或荧光分子的浓度。空间和非空间光源的波长优选地是不同的。

技术领域

本文所述的实施例一般地涉及用于组织结构和功能的定量表征的调制成像，并且更具体地涉及促进高效调制成像的系统和方法。

背景技术

组织结构和功能的定量表征是医学成像中的最具挑战性的问题之一。扩散光学法受到基本光-组织相互作用限制可被使用以从微米至厘米的长度规模的分辨率和深度灵敏度来测量生物组织或其它混浊（即光散射）样本。诸如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水之类的重要组织成分（称为发色团）能够以光学方式被检测，并且动作与评估局部组织健康或生理状态的各种指示符或指标相关。此类指标的示例包括组织氧饱和（stO₂，或氧合血液的组分）、全血量（ctTHb）、组织含水率（ctH₂O）以及组织灌注或新陈代谢。这些指标可以提供用于医师执行诊断和/或指导治疗的强大手段。可以检测到这些发色团，因为其具有可检测特征的在可见光和/或近红外区中的吸收光谱。本质上，可以使用光源来照射组织样本，并且可以使用汇入光来测量组织中的吸收特征并将感兴趣的发色团量化。实际上，这是由于组织中的散射的存在而导致的困难的测量。在学术界已经描述了一种基于探针的技术，并且其也已被许多公司（Somanetics、Hutchinson、ViOptix）进行商业转化。这些技术中的每一个使用许多不同算法和硬件部件（照明源、光谱检测）来处理对组织散射进行考虑、修正或控制的问题，以推导出关于血红蛋白和组织氧合的有意义信息。这些探针利用单点检测器的大量选择，使得能够实现光谱灵活性和高灵敏度。然而，接触探针经受一些主要限制。本质上，接触探针并不是成像技术，并且因此对于评定大面积的组织而言并不是理想的。这一点重要是因为组织健康状况常常是空间变化的，例如在组织创面（烧伤、溃疡、皮瓣等）中，其中，在正常组织与创面之间以及在创面本身内都可能存在空间对比度（例如创面边界相对创面中心）。利用接触探针，为了合成低分辨率图像，必须将多个接触探针放置在许多组织位置中，或者必须跨表面扫描探针。典型的创面在尺寸方面从若干mm至许多cm不同，对设计用来选址和/或适应此大范围的探针技术提出挑战。

在学术界和商业上还已开发了基于照相机的光谱成像方法。使用可见光的多光谱成像技术（HyperMed）已被应用于在宽视野（～10cm×10cm）上测量组织氧合且已被应用于糖尿病患者创面的监视。多谱成像法通常采用仅对组织的顶部浅表（＜1mm深）层进行采样的波长。虽然近红外线（650-1000nm）穿透深得多，但是由于强组织散射系数的存在（即与吸收相比），要隔离和量化反射或发射光信号中的发色团对比度更具挑战性。可以克服此限制并在浅表层（～100um深）层以及表面下层（1-10mm）两者中以无接触方式在宽视野上评估组织健康状况的技术更有价值且因此被期待。

最近引入了称为调制成像（MI）的新型光学成像方法，其使得能够在不要求直接接触的情况下在宽视野和组织深度中实现疾病进展和治疗响应的定量分析。在本文称为Bevilacqua等人的美国专利6,958,815 B2中已描述了MI，其通过引用被结合到本文中。这种技术包括利用在一个或多个光学波长的空间调制光（或“结构化光”）图案来照射生物组织或其它混浊介质（具有散射性和吸收性两者的样本），并分析从组织最后得到的收集回的反射和散射的光。MI的优选实施例称为空间频域成像（SFDI），其中，空间光图案或结构是正弦的，其提供从少数（通常每波长3-15个）的结构化光测量结果来检测结构化光对比度的算法上简单的方式。当与多谱成像组合时，可以使用在两个或更多波长下的光学性质来定量地确定与组织健康有关的发色团的体内浓度，例如氧合血红蛋白（ctO₂Hb）、脱氧血红蛋白（ctHHb）和水（ctH₂O）。