[发明专利]通过光谱编码进行光学成像的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请基于2005年9月29日提交的序列号为60/721,802的美国专利申请，并要求该美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用包含于此。 

技术领域

本发明涉及通过光谱编码对上皮器官和其它生物结构进行综合光学成像的设备和方法。 

背景技术

例如X光计算断层扫描(“CT”，computed tomography)、磁共振成像(“MRI”，magnetic resonance imaging)和超声波的放射技术能够在器官级别进行人类病理的无创性显像。虽然这些模式能够识别大面积的病理，但是癌症的诊断可能需要对超出传统成像技术的分辨率的显微结构进行评价。因此，为了诊断可能需要活组织检查和组织病理学检查。因为癌前生长和早期癌症经常以微观规模出现，所以对识别和诊断提出了相当大的挑战。传统的对这些病理的筛选和监控依赖于对苏木精和曙红(“H&E”，Hematoxylin and Eosin)染色玻片的不可控的活组织检查和形态分析。虽然这种方法被视为显微诊断的现行标准，但是这种方法需要切下患者的组织并且需要相当长的处理时间来得到玻片。更重要的是，组织病理学固有地是一种点采样技术；常常只能切除病变组织非常小的一部分，并且经常病理学家仅可能检查不到1％的活组织检查样本。 

从存活的人类患者的整个器官或者生物系统获得显微诊断可能更理想。然而，合适的成像技术的缺乏可能大大限制了筛选肿瘤前病况(例如组织变形)和异常结构的选择。另外，无法就地识别异常结构区域和癌区域导致例如前列腺、结肠、食道和膀胱等的随机活组织检查的筛选方法，这是非常不理想并且非常无选择性的。通过能够在显微标度对大的组织体积进行快速成像的诊断方式可以改进当前称为冰冻切片检查的许多诊断 工作，例如肿瘤手术切缘的描绘。可以填补病理学和放射医学之间的这种空隙的技术将大大有利于患者管理和健康护理。 

已经取得了技术进步来提高例如显微CT(micro-CT)、显微PET(micro-PET)和磁共振成像(“MRI”)显微术等无创性成像技术的分辨率。这些技术已经达到了接近20μm的分辨率，但是基本的物理限制可能仍然阻碍这些技术在患者中的应用。近来，对于不切除组织的病理学诊断，就地执行的显微光学活组织检查技术取得很大进步。由于反射共焦显微术(“RCM”，reflectance confocal microscopy)能够在没有组织接触的情况下测量显微结构并且不需要施用外部造影剂，因此尤其适合对患者的无创显微检查。RCM可以排除焦点未对准的光并且检测选择性地源于组织内的单个平面的反向散射光子。可以例如通过在平行于组织表面的平面上快速扫描聚焦的电磁辐射束来实现RCM，从而产生组织的横断面或者正面图像。可以在RCM中使用的大数值孔径(NA，numerical aperture)可以产生非常高的空间分辨率(1～2μm)，能够使亚细胞结构可视化。然而，高NA成像可能对光通过不均匀的组织传播时所产生的像差(aberration)特别敏感。此外，使用RCM的高分辨率成像一般限于大约100～400μm的深度。 

已经广泛证明RCM是可行的用于皮肤组织的成像技术。内窥式共焦显微系统已很难得到发展，这至少部分是由于使扫描显微镜小型化时所遇到的实际技术挑战。将共焦显微术的原理直接应用于内窥镜检查的一个主要障碍是在小直径软探头的远端将聚焦的束快速光栅化的机制的设计。已经提出了多种方法来解决该问题，包括使用远端微机电系统(“MEMS”，micro-electromechanical system)束扫描设备和单模光纤束的近端扫描。此外，RCM仅可以提供仅在离散位置的显微图像——“点采样”技术。如目前所实现的，点采样是RCM固有的，这是因为其具有与活组织切片检查的视场相当或者小于活组织切片检查视场的有限视场，而且对于综合大场显微成像速率可能太慢。 

使共焦显微术适用于内窥式应用的另一个挑战可能包括可以用来进行光学切片的高NA物镜的小型化。这种小型化可以通过设置渐变折射率透镜(gradient-index lens)系统、双轴物镜或者定制设计的微型物镜来实现。例如，可以使用耦合到微型物镜的光导纤维束体内获得宫颈上皮组织的详细图像，可以使用例如可以从Olympus Corp.和Pentax/Optiscan获得的商用仪器来获得基于荧光的结肠直肠损伤的图像。 

尽管有了这些进步，但是还存在可以在大的区域上就地提供生物结构的显微分辨率的改进的成像技术的需要。 

发明内容