[发明专利]用于使用结构化照明经由单元件检测来分析浑浊介质的方法和设备

说明书

技术领域

本文描述的实施例总体上涉及浑浊介质的光学测量且特别地涉及使用一个或多个结构化照明经由单元件检测器进行的组织吸收和散射参数的光学测量。

背景技术

在使用近红外光谱学（NIRS）作为用于组织光学性质的实时体内测量的手段方面已存在大量的研究，所述组织光学性质包含关于组织结构和功能的信息。特别地，在600～1000 nm光谱区域中，组织是散射为主的，并且组织中的最强分子吸收体是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白、水和脂类。高度漫射的光子探测大的样本体积，提供在高达几厘米的深度处的宏观平均吸收和散射性质。

被从组织反射或透射的光的量是由于吸收、散射和（通常非常弱的）荧光的复杂组合而引起的。为了测量给定样本的这些光学性质中的任何一个，一个人必须首先将吸收效应从散射效应分离/隔离。此能力的拥有对于大范围的医学（诊断、治疗监视、美容）和非医学应用（材料检验、可视化、真实感绘制、农业检验、化学浆料和粉末分析）而言是能够实现的。

NIR技术（虽然实际上不限于NIR光谱范围）将实验测量与基于模型的数据分析组合以定量地测量组织的体吸收（μ_a）和散射（μ_s'）性质。一旦在多种波长下已知μ_a和μ_s'，则能够确定各种分子吸收体的浓度。

在过去十年内已经开发了多个技术以测量体内组织性质，并且它们能够被广泛地分成两类：（1）光子迁移技术和（2）光学活检技术。这些类型的大多数仪器依赖于光纤接触探针测量，使得源检测几何结构被很好地定义。该几何结构允许组织的吸收和散射性质的定量测量，但是其局限于单个、小的区域。光子迁移仪器通常使用几厘米的源-检测器间隔，导致约一厘米的空间分辨率，使得能够针对诸如胸部、脑和肌肉的厚组织来确定μ_a和μ_s'。光学活检技术通常使用约100微米的源-检测器距离，因此它们侵入（interrogate）通常约一毫米的较小的空间规模。

对于许多医学诊断应用而言，需要将光子迁移和光学活检提供的某些生理信息组合、但具有宽场、无接触成像能力的技术。在此角色上，已经使用了使用具有可调谐光谱光源（或光谱检测滤波器）的照相机的多光谱成像系统。然而，存在关于照相机系统不能区别被组织吸收的光和被散射的光的基本问题。使用全场照明（即闪光摄影术）的成像系统不能区别两个效果，并且进行假设以便提供“定量”生化分析。在实践中，此缺陷导致描绘图像内的相对浓度变化的定性分析。

在Cuccia的Modulated Imaging：A Spatial Frequency Domain imaging Method for Wide - field Spectroscopy and Tomography of Turbid Media，Ph.D. Dissertation，University of California，Irvine，Dept. of Biomedical Engineering（“Cuccia，Modulated Imaging”）；以及Cuccia等人的Quantitation and mapping of tissue optical properties modulated imaging，J Biomed Opt 14（2），024012（2009）（“Cuccia，Quantitation and mapping”）中提供了这些技术的更详细讨论。

由于在先技术的缺陷，开发了称为“调制成像”（MI）的技术和技术平台。此类成像的关键方面是吸收和散射部件被分离并用来评估组织结构和计算定量生化映射图（map）。MI方法使用结构化光投射和基于照相机的检测以便获得以下各项的定量测量：

1. 次表面组织光学性质，包括：

     a. 由于以下各项而引起的组织吸收：

          i. 内生性发色团，诸如氧合和脱氧血红蛋白、水、脂类、黑色素、胆红素、卟啉等，以及

          ii. 外生性染料，诸如靛氰绿、次甲基蓝、合成制剂等

     b. 由于从上面的分子吸收之后的光的后续再发射而引起的组织荧光/磷光

     c. 由于以下各项而引起的组织散射，（微观折射）包括散射量值和方向两者：

          i. 细胞结构，诸如细胞核、线粒体、细胞膜，

          ii. 细胞外结构，诸如胶原质