[发明专利]用于光学检查混浊介质的内部的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于光学检查混浊介质的内部的方法和装置。

背景技术

在本申请的上下文中，措辞混浊介质理解为是指由具有高光散射系数的材料构成的物质，例如英脱利匹特注射液（intralipid solution）或者生物组织。措辞光理解为是指非电离电磁辐射，特别是波长介于400nm和1400nm范围内的非电离电磁辐射。

在过去的几十年中，诸如生物组织的混浊介质的光学系统（optics）已经成为一个广泛的研究领域并且已经发现了在例如监测（例如脉冲血氧仪）、化妆品（例如葡萄酒色斑去除）和癌症治疗（例如光动力疗法）中的临床应用。已知用于对混浊介质光学成像（特别是用于对生物组织成像）的若干技术，例如光学相干断层扫描、共聚焦显微术、双光子显微术和漫射光学断层扫描。在漫射光学成像中，可以存在包括许多源和检测器位置的测量几何形式，以用于采集3-D断层扫描图像，或者例如可以使用具有有限数目的源和检测器（例如在手持式探针中）的几何形式来提供待成像物体的简单映射（map）或读出仅仅一个或多个特定参数。在这些应用中，典型地使用可见光、NIR（近红外）和/或IR（红外）光，并且例如可以以连续波、以脉冲形式或者以光子密度波来提供这种光。而且，使用单色光、多波长光或连续光谱的若干不同技术在本领域中是已知的。另外可以利用组织固有的荧光或者荧光造影剂的荧光。这些应用都以一种或另一种方式受益于组织中存在的光谱特征，如下面参考图1所解释。

图1中示出例如在乳房组织中存在的主发色团的吸收光谱。在图1中，示出主发色团的各个吸收作为波长的函数，可以看出，主发色团血红蛋白、氧合血红蛋白、水和脂质的吸收属性在它们与入射光波长的依存性上显著不同。另外可以看出，这些成份的光谱没有表现出窄光学带宽的特征，而是仅仅表现出具有相当大带宽的特征。

对组织的光谱分析允许利用不同的光谱特性，使得组织的发色团且因此组织的组成可以被确认，且在需要时被可视化和/或分析。依据对从组织发出的漫射光的活体内光学光谱分析的有希望实例包括对乳腺癌成像（例如通过漫射光学断层成像）、荧光成像（例如使用固有的荧光或者荧光造影剂）以及对糖尿病的监测。然而，在对诸如组织的混浊介质的光谱分析中出现的固有问题在于，由于光在组织中较高的固有光散射量，从所检查的混浊介质发出的光强烈地衰减以及甚至更重要地是漫射性质的。一旦光是漫射的，光无法被有效地准直，因此对从这种混浊介质发出的光进行光谱采集是低效率的。这种低效率成为改善组织光学的应用性所必须克服的问题。将在下面描述这种低效率的原因。

为了理解在混浊介质的光学检查中出现的收集低效率，需要更进一步了解光学特性。“集光率（etendue）”G也称为接受性、透光率、光捕获或收集能力，它是表征光在面积和角度上如何“展开”的光学系统的属性。可以以若干等价方式限定集光率。从源的角度，它是源的面积A乘以从源看到的与系统入射光瞳对向的立体角Ω，即G＝AΩ。这种乘积示于图2。从系统的角度，集光率为入射光瞳的面积乘以从光瞳看到的与源对向的立体角。然而，这些限定应用于面积和立体角无穷小“单元”且必须在源和光阑二者上求和。理想的光学系统将产生具有与源相同的集光率的图像。换言之，在理想光学系统中，集光率是守恒的；然而在非理想的真实系统中，集光率一般变差（即，变为更高的值）。集光率与拉格朗日不变量和光学不变量有关。

在用于其中漫射光将被耦合到分光计（spectrometer）内的混浊介质的光学检查的系统中，分光计的集光率（或收集能力）本征地远小于漫射源（其本性上具有接近最大可能值的集光率）的集光率。常规分光计依据缝隙或针孔的狭窄程度以获得其检测器上充分的空间分辨率，因为空间分辨率随后转化为光谱分辨率。因为由于上述集光率失配的原因，对例如从由生物组织形成的混浊介质发出的漫射光的光谱分析是固有低效率的，这严重损害了检测阈值和采样时间。已经发现，在检测器侧，几乎无法解决这种集光率问题。考虑到集光率失配，利用大集光率检测器将是优选的。然而，考虑到所需要的光谱分辨率，在常规布置中这一点是不可能的。

原则上，使用光电倍增管（PMT）作为这种装置中的检测器将是有利的，因为它非常灵敏（内部增益）并具有快速响应（高带宽）和大面积（高集光率）。然而，使用光电倍增管（PMT）伴随着诸如有限动态范围以及容易过度曝光的一些问题。另外，在光谱的近红外（NIR）处，PMT的灵敏度显著下降。