BR112015010459B1 - método para a medição de uma amostra turva - Google Patents

Abstract

IMAGEAMENTO MODULADO EFICIENTE A presente invenção se refere a um aparelho para medição de amostra turva que compreende uma pluralidade de fontes de luz para iluminar uma área alvo de amostra turva com luz estruturada não espacial, um sistema de projeção para iluminar a área alvo de amostra turva com luz estruturada espacial, um sensor para coletar luz da área alvo de amostra turva, e um processador para analisar os dados capturados pelo sensor para produzir coeficientes de dispersão e absorção. Um método compreende iluminar a amostra com luz estruturada espacial, coletar luz refletida da amostra em uma série de comprimentos de onda, iluminar a amostra com luz estruturada não espacial, coletar luz refletida da amostra em uma série de comprimentos de onda, e combinar as medições da luza coletada para obter as propriedades ópticas da amostra e/ou a concentração de moléculas de absorção ou fluorescentes. Os comprimentos de onda das fontes de luz espacial e não espacial são preferivelmente diferentes.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[001] As modalidades aqui descritas geralmente se referem a imagiologia modulada para caracterização quantitativa de estrutura e funções de tecido. Especificamente, a presente invenção se refere a sistemas e métodos que facilitam a imagiologia (“imaging” em inglês) modulada eficiente.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] A caracterização quantitativa de estrutura e função de tecido é um dos problemas mais desafiantes na imagiologia médica. Os métodos de difusão óptica podem ser usados para medir tecidos biológicos ou outras amostras turvas (isto é, dispersão de luz) com resolução e sensibilidade profundas a partir de mícrons para escalas de extensão de centímetro, limitadas por interações de luz-tecido fundamentais. Os componentes importantes de tecido (referidos como cromóforos) tais como oxiemoglobina, deoxihemoglobina e água podem ser detectados opticamente e agem de maneira correlata para avaliar vários indicadores ou índices de status de saúde de tecido local ou psicológico. Exemplos de tais índices incluem saturação de oxigênio no tecido (stO2, ou fração de sangue oxigenado), volume total de sangue (ctTHb), fração de água no tecido (ctH2O), e aspersão ou metabolismo do tecido. Esses índices podem fornecer um meio poderoso para os médicos realizarem diagnoses e/ou terapias de orientação. Esses cromóforos podem ser detectados porque possuem espectros de absorção com aspectos que podem ser detectados, nas regiões visíveis e/ou infravermelho próximas. Em essência, pode ser usada uma fonte de luz para iluminar uma amostra de tecido, e a luz reemitida pode ser usada para medir os aspectos de absorção no tecido e quantidade de cromóforo de interesse. Praticamente, esta é uma medição difícil devido à presença de dispersão no tecido. Uma classe de tecnologias baseada em sonda foi descrita na academia e foi também traduzida comercialmente por uma série de empresas (Somanetics, Huchinson, ViOptix). Cada dessas tecnologias usa uma série de algoritmos e componentes de hardware diferentes (fontes de iluminação, detecção espectral) para abortar o problema para calcular, corrigir ou controlar dispersão de tecido para obter informação significativa sobre hemoglobina e oxigenação de tecido. Essas sondas se beneficiam da grande seleção de detectores de ponto único que possibilitam flexibilidade espectral e alta sensibilidade. Contudo, as sondas de contato estão sujeitas a algumas limitações principais. Por natureza, as sondas de contato não são tecnologias de imagiologia e, portanto, não são ideais para avaliar grandes áreas de tecido. Isso é importante porque a saúde do tecido varia espacialmente com frequência, por exemplo, nos ferimentos de tecido (queimaduras, úlceras, retalhos de tecido, etc.), onde o contraste espacial pode estar presente tanto entre o tecido normal e o ferimento, bem como dentro do próprio ferimento (por exemplo, adjacências do ferimento versus o centro do ferimento). Com as sondas de contato, para sintetizar uma imagem de baixa resolução podem ser colocadas várias sondas de contato em vários locais do tecido, ou a sonda precisa ser escaneada através da superfície. Os ferimentos típicos podem variar de alguns mm de tamanho para muitos cm, apresentando um desafio para as tecnologias de sonda projetar para endereço e/ou adaptar para essa grande variação.

[003] Os métodos de imagiologia espectral óptica baseados em câmera foram também desenvolvidos na academia e comercialmente. Foi a plicada uma tecnologia de imagiologia espectral múltipla usando luz visível (HyperMed) para medir oxigenação de tecido sobre em amplo campo de visão (~ 10 cm x 10 cm) e foi aplicada para monitorar ferimentos diabéticos. Os métodos de imagiologia espectral múltipla tipicamente empregam comprimentos de onda que fornecem amostra apenas das camadas superficiais superiores de tecido (<1mm de profundidade). Enquanto o infravermelho próximo (650 - 1000 mm) penetra muito mais fundo, o contraste cromóforo no sinal de luz refletido ou transmitido é mais desafiador para isolar e quantificar, devido à presença de um forte coeficiente de dispersão de tecido (isto é comparado à absorção). Uma tecnologia que pode superar essa limitação e avaliar a saúde do tecido sobre um amplo campo de visão em sem contato tanto nas camadas superficiais camada de (~100um de profundidade) bem como camadas de superfície secundária (1 a 10 mm) é mais valiosa e, portanto, é desejada.

[004] Foi recentemente introduzido um novo método de imagiologia óptica chamado Imagiologia Modulada (MI), que possibilita análise quantitativa de progressão de doença e resposta terapêutica em um amplo campo de visão e profundidade do tecido sem requerer contato direto. O MI foi descrito na Patente US 6,958,815 B2, aqui referido como Bevilacqua et al, cuja descrição encontra-se incorporado ao presente a título de referência. Essa técnica compreende iluminação de tecido biológico ou outro meio turvo (uma amostra que é tanto dispersa quanto absorvente) com um padrão de luz espacialmente modulada (ou “luz estruturada”) em um ou mais comprimentos de onda ópticas e analisar a luz refletida de volta coletada ou difundida resultante do tecido. Uma modalidade preferida do MI é chamada Imagiologia de Domínio de Frequência Espacial (SFDI), no qual o padrão de luz espacial, ou estrutura, é sinusoidal, que permite uma forma algoritmicamente simples de detectar o contraste de luz estruturada de um pequeno número (tipicamente de 3 a 15) por comprimento de onda de medições de luz estruturada. Quando combinadas com imagiologia espectral múltipla, as propriedades ópticas em dois ou mais comprimentos de onda podem ser usadas para determinar quantitativamente as duas concentrações “in-vivo” (dentro de um organismo) de cromóforos que são relevantes para a saúde do tecido, por exemplo, oxiemoglobina (ctO2Hb), deoxihemoglobina (ctHHb) e água (ctH2O).

[005] Para realizar medições espectroscópicas (depende de comprimento de onda) de cromóforos, a técnica MI requer coleta de luz estruturada espacialmente remetida do tecido em vários comprimentos de onda. Isso foi realizado até hoje repetindo a técnica descrita de Bevilacqua et al para cada comprimento de onda desejado. Portanto, a escala dos períodos totais de imagiologia diretamente com o número de comprimentos de onda medido. Isso pode ser particularmente desafiador para alguns comprimentos de onda no infravermelho próximo onde as fontes de iluminação são menos brilhantes, o rendimento é baixo, e as eficiências de quantidade de detector são baixas devido às limitações CCD. Para comprimentos de onda de baixo rendimento, são requeridos longos períodos de integração (10s a 100s de ms) para obter sinal adequado para razão de ruído. A intensidade da luz deve ser aumentada nesses comprimentos de onda para reduzir o tempo de integração. Contudo, isso é limitado pelo “etendue” (propriedade de luz em um sistema óptico) ou rendimento de luz, limitações de hardware de projeção de luz estruturada, incluindo tanto da fonte de luz (por exemplo, LEDs, lasers, bulbo de luz branca), sistema de retransmissão óptica (por exemplo, lentes, guias de onda, (por exemplo, espelhos), quanto tecnologia de geração de padrão (por exemplo, arranjo de microprocessador espelho digital refletivo ou cristal líquido em silício, material transmissivo padronizado ou arranjo LCD, ou elemento holográfico). O aumento da “força bruta” de intensidade de bandas de comprimento de onda fracas ou ineficientes podem ter outros efeitos incluindo aumento de consumo de energia, aumento de tensão térmica (que pode levar a ineficiência de fonte adicional e instabilidade) e aumento de exigências de resfriamento. Os períodos de imagiologia mais longos também criam um problema prático nas aplicações médicas (ou outro movimento sensível) porque leva a artefatos na imagem final devido a pequenos movimentos da amostra de medição (por exemplo, tecido) que está sendo estudada. Portanto, é desejável fornecer um aparelho e método que melhore a capacidade dos métodos de imagiologia modulada enquanto mantém a precisão, mas aperfeiçoando a eficiência do sistema e reduzindo o período de imagiologia.

[006] Conforme descrito brevemente acima, MI compreende iluminação de uma amostra com um ou mais padrões de intensidades estruturados espacialmente sobre uma grande área (muitos cm2) de uma amostra de um tecido (ou outra turva) e coletar e analisar a luz recebida de volta resultante da amostra. Pode ser usada uma análise da amplitude e/ou fase da luz espacialmente estruturada recebida de volta da amostra como uma função da frequência espacial ou periodicidade, frequentemente referida como a função de transferência de modulação (MTF) para determinar a informação de propriedade óptica da amostra em qualquer comprimento de onda distinto. Exemplos de propriedades ópticas de tecido incluem absorção de luz, difusão de luz (magnitude e/ou dependência angular), e fluorescência de luz. A análise desses dados de dependência de luz (baseados em modelo ou deduzidos empiricamente) pode ser usada para gerar mapas 2D ou 3D de absorção quantitativa (μa) e propriedades ópticas de difusão reduzida (μs’). As avaliações no sentido da região (múltiplos pixels) podem ser também produzidas por média ou acumulando de outra maneira múltiplos resultados de propriedade óptica espacial ou deduzidos. Usando a informação de frequência espacial ou periodicidade em vários comprimentos de onda, o MI pode separar os efeitos de absorção (μa) e fluorescência (μa) de difusão (μs), que pode resultar de mecanismos de contraste fisicamente distintos.

[007] O mapeamento do coeficiente de absorção, (μa), em múltiplos comprimento de onda, pelo MI, sucessivamente, possibilita espectroscopia quantitativa de cromóforos de tecido incluindo, mas não limitado a oxiemoglobina, deoxihemoglobina e água (ctO2Hb, ctHHb e ctH2O) e parâmetros de fisiologia deduzidos tais como saturação de oxigênio no tecido e volume de sangue (stO2 e ctTHb). A fase de variação espacial da luz coletada do tecido pode ser também medida simultaneamente, e produz informação de superfície topográfica. Essa combinação de medições possibilita a visualização do perfil de tecido 3D, bem como dados de calibragem para acomodar superfícies curvas na análise. Um fluxo de dados típico está ilustrado na Figura 1.

[008] Uma questão presente na medição e análise de MI é o período de imagiologia. Os períodos de imagiologia mais longos aumenta a sensibilidade para movimento e iluminação ambiente, que pode resultar em artefatos nos dois mapas dimensionais das métricas biológicas medidas - particularmente em aplicações clínicas. As limitações do hardware são um motivo chave para períodos de imagiologia longos. As fontes de luz de alta energia, tais como os diodos de emissão de luz (LEDs), podem melhorar o problema, mas o tempo de medição permanece um problema no infravermelho próximo. Isso se deve ao fato de que a energia LED e a sensibilidade da câmera podem depender muito do comprimento de onda e a energia LED é limitada pelas exigências de resfriamento e tamanho do aparelho.

[009] A Figura 2 ilustra um conjunto de dados de exemplo de uma queimadura infantil, coletados com um aparelho de imagiologia modulada do estado da técnica que exibe artefatos de movimento. A Figura 2(b) ilustra dados de refletância versus comprimento de onda e frequência espacial. Deve ser observado que o padrão em tira de frequência espacial alta de artefato nos dados demodulados 970nm (direita, fundo). Aqui o termo dados demodulados significa que a amplitude extraída da luz recebida do tecido normalizado para a amplitude da iluminação de luz em cada frequência espacial. Em outras palavras, os dados demodulados é a função de transferência de modulação do tecido iluminado. Esses artefatos são devido ao movimento durante os longos períodos de integração requeridos para esse comprimento de onda. Como as Figuras 2(c) realçam, é requerido período de integração 10x mais longo (isto é, 5s) é requerido para adquirir os dados definidos em 970 nm comparados a outros comprimentos de onda mais curtos (isto é, apenas 0,5s). Usando toda informação de comprimento de onda para produzir cromóforos ou amplitude de difusão / medições de inclinação resulta em artefatos sinusoidais nos dados deduzidos conforme ilustrado na imagem de amplitude de difusão média na Figura 2(d).

[010] Foi ilustrado que se a medição do comprimento de onda 970nm e, portanto, a análise de concentração de água (ctH2O) é excluída ctO2Hb e ctHHb podem ser ainda precisamente calculados presumindo uma fração de água de tecido típica. A Figura 2(c)ilustra a análise resultante quando os dados 970nm são excluídos que identificam corretamente uma região de alta dispersão que identifica corretamente no canto esquerdo superior do braço da criança, indicado pela seta preta. A região corresponde ao local mais grave do ferimento e é útil para identificar. Contudo, a sensibilidade à água é altamente desejável em muitos estudos, assim, não é desejável excluir os dados 970 nm.

[011] Em geral, portanto, é desejável ter a flexibilidade para capturar medições de contraste espectral dos cromóforos alvos em vários comprimentos de onda, embora tendo simultaneamente um mínimo aumento de complexidade, se houver, para as exigências de luz estruturada da técnica de imagiologia modulada de núcleo. Portanto, é desejável fornecer um aparelho e um método para remover os efeitos dos artefatos nos comprimentos de onda com desempenho / sensibilidade fraco para fornecer informação completa sobre as concentrações e/ou distribuições de todos os componentes relevantes incluindo ctH2O, ctO2Hb,e ctHHb e outros (por exemplo, bilirrubina, metemoglobina, lipídeos, agentes exógenos).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[012] As modalidades aqui fornecidas são direcionadas a sistemas e métodos que facilitam imagiologia modulada eficiente para caracterização quantitativa de estrutura e função de tecido. Em uma modalidade, um aparelho para a medição de uma amostra turva compreende um aparelho de iluminação que possui uma pluralidade de fontes de luz configurada para iluminar uma área alvo de uma amostra turva com luz que não possui estrutura espacial, um sistema de projeção configurado para iluminar a área alva da amostra turva com luz que possui uma estrutura espacial, um sensor configurado para coletar luz da área alvo da amostra turva, e um processador configurado para analisar os dados capturados pelo sensor para produzir coeficientes de dispersão e absorção da amostra turva. As fontes de luz configuradas para iluminar a amostra com luz não possui estrutura espacial são dispostas no perímetro do aparelho de iluminação. O sistema de projeção compreende uma série de fontes de luz comutável. Os comprimentos de onda das fontes de luz sem estrutura espacial são preferivelmente diferentes dos comprimentos de onda da estrutura espacial que possui luz.

[013] Em outra modalidade, um método para a medição de uma amostra turva compreende iluminar a amostra com luz que possui estrutura espacial, coletar luz refletida da amostra para obter a luz remetida da amostra em uma série de comprimentos de onda, ^j, iluminar a amostra que não possui estrutura espacial, coletar a luz refletida da amostra para obter a luz remetida da amostra em uma série de comprimentos de onda, ^k, e combinar as medições obtidas da luz que possui estrutura espacial e luz sem estrutura espacial para obter parâmetros de ajuste, incluindo as propriedades ópticas da amostra nos comprimentos de onda ^j, e/ou a concentração de absorção ou moléculas fluorescentes.

[014] Os comprimentos de onda, ^ k, da luz que não possui estrutura espacial é preferivelmente diferente dos comprimentos de onda de luz que possui estrutura espacial, ^j, isto é ^k * ^ j.

[015] A combinação das medições obtidas é realizada usando uma função de dispersão que descreve a dependência da dispersão nos comprimentos de onda para interpolar ou extrapolar as medições nos comprimentos de onda distintos, ^ j obtido usando luz que possui estrutura espacial, para obter avaliações para dispersão em comprimentos de onda ^ k obtidos usando luz que não possui estrutura espacial.

[016] A função de dispersão de comprimento de onda é uma função de regulamento de energia descrita como μs'(A) = Ai*À -bi + A2*À -b2 + ... + An*À -bn.

[017] Os sistemas, métodos e aspectos e vantagens da invenção serão ou se tornarão claros para aquele versado na técnica mediante exame das figuras e descrição detalhada que se seguem. Pretende-e que todos os métodos, aspectos e vantagens que estejam incluídos dentro desta descrição, estejam dentro do escopo da invenção, e sejam protegidos pelas reivindicações em anexo. Pretende-se também que a invenção não esteja limitada a exigir os detalhes das modalidades exemplificativas.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] Os desenhos em anexo, que estão incluídos como parte do presente relatório, ilustram a modalidade preferida no momento e, junto com a descrição geral fornecida acima e a descrição detalhada da modalidade preferida fornecida abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios da presente invenção.

[019] A Figura i ilustra um fluxograma de processamento de dados de imagiologia modulada (MI) e produtos de dados MI típicos. a) ilustra padrões de intensidade modulada projetados na superfície, b) ilustra amplitude desmodulada e calibrada padrões em cada frequência (três imagens de fase por frequência), c) ilustra o ajuste padrão para um modelo de múltiplas frequências para determinar propriedades, d) ilustra que a desmodulação de fase fornece separadamente informação na altura do tecido, que pode ser usada tanto para calibragem de curvatura e visualização. Os dados são processados para cada pixel, gerando mapas espaciais de propriedades ópticas, e) ilustra produtos de dados MI típicos para um retalho de pedículo de rato, com a extremidade distal demonstrando a sensibilidade MI para aspersão diminuída (stO2), acúmulo de sangue (ctHHb & ctTHb), edema (ctH2o), e degradação de ultraestrutura matriz / necrose (μs’).

[020] A Figura 2 são imagens que ilustram que longos períodos de medição em um paciente queimado pediátrico ocasionam artefatos visíveis nos dados MI não trabalhados e recuperados. (a) é uma fotografia de um tecido queimado que está sendo estudado; (b) são imagens de dados não trabalhados que ilustram dados refletância difusa desmodulada em frequência espacial = 0,1 mm-1 (parte inferior) e frequência espacial = 0 mm-1 (parte superior), para 4 comprimentos de onda, da esquerda para direita 658 nm, 730 nm, 850 nm e 970 nm; (d) é uma imagem que ilustra dados de oxigenação de tecido recuperado (StO2), de uma análise que inclui dados 970 nm, contendo artefatos de dados; (e) é uma imagem que ilustra dados de oxigenação (StO2) de tecido recuperado, de uma análise que exclui os dados 970 nm desmodulados. Uma seta preta indica uma área espacial de oxigenação aumentada na região queimada, conforme comparado ao tecido circundante. Esse resultado é obscurecido em (d) dos artefatos de movimento associados à medição 970nm.

[021] A Figura 3 ilustra uma modalidade de um aparelho com aumento de eficiência para imagiologia modulada, (a) ilustra um aro de luz para iluminação de luz externa planar, um sistema de projeção para iluminação de luz estruturada, e câmera fora do centro, (b) ilustra um padrão de aro de luz e câmera que ilustra campo de luz estruturada retangular no centro, sobreposta pela iluminação de luz planar ambas as quais são detectadas pela câmera.

[022] A Figura 4 ilustra uma fonte de luz planar com 9 posições a serem povoadas por comprimento de onda LED diferente.

[023] A Figura 5 ilustra um aro de luz de iluminação planar com módulos LED passiveis de serem removidos.

[024] A Figura 6 é um diagrama de fluxo de trabalho de uma análise MI eficiente usando luz estruturada e não estruturada.

[025] A Figura 7 ilustra dados de exemplo que ilustram uma comparação entre coeficientes de dispersão e absorção obtidos do aparelho de imagiologia modulada descrita no estado da técnica e o aparelho de imagiologia modulada eficiente presente e método. (a) é uma imagem de uma ‘Mancha de Vinho do Porto (PWS)’ formada com um aparelho do estado da técnica. Deve ser observado que a região PWS no cheque possui uma concentração stO2 mais alta comparada às áreas adjacentes devido ao aumento de vascularização. (b) é um gráfico do coeficiente de dispersão como uma função de comprimento de onda comparando o estado da técnica (linha de ajuste completa) e aparelho eficiente e método da presente invenção (linhas de dados reduzidas). (c) é um gráfico do coeficiente de absorção como uma função do comprimento de onda comparando o estado da técnica (linha de ajuste completa) e aparelho eficiente e método da presente invenção (linhas de dados reduzidas).

[026] A Figura 8 ilustra gráficos que ilustram uma comparação de dados de dispersão extraída e de absorção de uma Mancha de Vinho do Porto (a) usando o aparelho de imagiologia modulada eficiente (eixo geométrico y) versus o uso do aparelho de imagiologia do estado da técnica (eixo geométrico x).

[027] A Figura 9a é um esquema que ilustra um aparelho com fontes de luz configuradas para iluminar a amostra com luz que não contém estrutura espacial e luz contendo estrutura espacial.

[028] A Figura 9bé um esquema que ilustra o aparelho da Figura 9a com uma condição de iluminação usando a luz que contém estrutura espacial.

[029] A Figura 9c é um esquema que ilustra o aparelho na Figura 9a com uma condição de iluminação usando a luz que não possui estrutura espacial.

[030] A Figura 10 é uma fotografia de uma modalidade de um instrumento de imagiologia de modulação com fontes de luz estruturada e não estruturada, e uma câmera fora do eixo geométrico.

[031] A Figura 11 é um gráfico que ilustra um exemplo da eficiência relativa dos LEDs típicos.

[032] A Figura 12 mostra gráficos que ilustram uma comparação ( parte superior) de métodos Completos e Eficientes para recuperação de propriedades ópticas de absorção, (parte inferior) uma comparação, em desvio percentual de análise completa do “padrão de outro”, geralmente mostra menos do que 1% de diferença na precisão entre as abordagens, desse modo validando o método Eficiente.

[033] Deve ser observado que as figuras não estão necessariamente desenhadas em escala e que os elementos de estruturas ou funções similares são geralmente representados por referência numérica semelhante para fins ilustrativos por todas as figuras. Deve ser também observado que as figuras pretendem apenas facilitar a descrição das várias modalidades aqui descritas. As figuras não descrevem necessariamente todos os aspectos dos ensinamentos aqui descritos e não limitam o escopo das reivindicações.

DESCRIÇÃO

[034] As modalidades aqui fornecidas são direcionadas a sistemas e métodos que facilitem imagiologia modulada eficiente para caracterização quantitativa de estrutura e função de tecido. Nos sistemas convencionais, o mesmo padrão (ou padrões) de luz espacialmente estruturada foi (foram) iluminado em todos os comprimentos de onda relevantes. Em uma modalidade, um aparelho para sistema de imagiologia modulada eficiente separa as fontes de luz em iluminação espacialmente estruturada e iluminação de luz (planar) não modulada espacialmente. Aqui luz planar é definida como luz com substancialmente nenhum padrão ou estrutura de intensidade espacial e luz estruturada é definida como iluminação de luz com padrão ou estrutura de intensidade espacial. Os comprimentos de onda das iluminações de luz planar e estruturada são escolhidos para otimizar a sensibilidade conforme descrito abaixo. Os sistemas e métodos para imagiologia modulada eficiente são descritos nos Pedidos de Patente Provisórios U.S. Ns 61/793,331 e 61/723,721, cujas aplicações encontram-se incorporadas ao presente a título de referência.

[035] A Figura 3(a) ilustra uma modalidade preferida de um aparelho de imagiologia modulada eficiente 10. O aparelho 10 compreende uma fonte de iluminação 12 que possui uma série de fontes de luz externas não estruturadas (planares) 14 em seu perímetro e configuradas para iluminar uma área de uma amostra de tecido, um sistema de projeção 15 que fornece luz padronizada (estruturada) para iluminar a área da amostra de tecido, e um detector ou câmera 18 posicionado fora do centro a partir de ambos os sistemas de projeção 16 e da fonte de luz planar externa 12 e configurado para coletar luz da área da amostra de tecido iluminada pelo sistema de projeção 16 e a fonte de luz planar externa 12. A fonte de luz planar 12, o sistema de projeção e a câmera 18 são acoplados a uma placa de circuito impressa (PCB) 22, que inclui um processador, energia, controladores, memória e software que pode ser executado no processador e armazenado na memória. Os dados de luz coletados pela câmera 18 podem ser processados usando o software armazenado e processador ou enviados para um computador ou outro processador para processamento. O sistema de projeção 16, a câmera 18 e a PCB 22 são montados em uma base de imagiologia 20 que possui um dissipador de calor 21. Dois filtros de posição são acoplados à câmera 18 e ao sistema de projeção 16.

[036] A fonte de luz planar externa 12 é ilustrada na Figura 3(a) como um conjunto de luz de anel, mas pode ser outras fontes de luz montadas externamente, incluindo LEDs ou lasers, que fornecem iluminação não espacialmente estruturada que não atravessa o sistema de projeção 16. O conjunto de luz de anel inclui uma pluralidade de fontes de luz planares 14 posicionada em volta da periferia de uma base de aro 13. A base 13, junto com uma cobertura 11, são montadas fora de uma cobertura 15 do aparelho de imagiologia modulada 10.

[037] A seleção dos comprimentos de onda é flexível tanto no sistema de projeção 16 quanto na(s) fonte(s) não estruturada(s) planar (planares) 12, 14. O sistema de projeção 16, que pode incluir um projetor DLP, um projetor LOCOS, e similares, pode compreender uma série de fontes de luz comutáveis tais como Diodos de Emissão de Luz (LEDs) de vários comprimentos de onda, tais como, por exemplo, os LEDs 17 e 17’ ilustrados na Figura 4 com relação à fonte de luz planar 12, e é capaz de fornecer luz modulada versus várias frequências espaciais ou outros padrões de luz estruturada. A fontes de luz 14 no iluminador planar externo 12 pode ser também LEDs com um ou mais comprimentos de onda, mas fornecem especificamente iluminação uniforme sem estrutura espacial. A projeção estruturada 16 e as fontes de luz planares externas 12 são direcionadas geralmente para a mesma área na amostra de tecido. A câmera 18 é fora do centro de ambos os eixos de feixe da luz planar e dos trajetos de feixe de luz estruturada e coleta luz geralmente da mesma área na amostra de tecido que foi iluminada. Um benefício principal da configuração da fonte de iluminação planar externa 12 é o aumento de transferência de luz não estruturada para a amostra devido às restrições de “não imagiologia” relaxadas que não requerem que a luz seja padronizada e opticamente retransmitida para as amostras. Essa configuração melhora a eficiência do sistema, reduz os períodos de imagiologia para obter uma razão de sinal para ruído (SNR) desejada, e aumenta a viabilidade para aplicações quando os períodos de medição são limitados por considerações práticas tais como usabilidade e portabilidade.

[038] Em uma modalidade preferida a câmera 18 é colocada por trás fora do eixo da fonte planar externa 12, permitindo mínima diafonia da luz difundida diretamente da fonte 12 para a câmera 18. Em uma modalidade preferida, a câmera 18 é uma câmera CCD monocromática de 12 bits, mas pode incluir qualquer câmera CMOD comercial.

[039] Na figura 3(b) um exemplo mostra uma configuração onde a luz, por exemplo, formada por imagem através do meio de uma coleta de fonte orientada em um anel. São possíveis outras modalidades, mas todas possuem o aspecto de que a luz estruturada e as fontes de luz planar 16 e 12 estão iluminadas geralmente a mesma área na amostra de tecido e que a câmera 18 é configurada para formar imagem geralmente da mesma área iluminada pelas fontes de luz estruturada e planar 16 e12.

[040] Em outra modalidade, conforme ilustrado na Figura 4, cada fonte de luz 14 na fonte planar 12 possui 9 posições que podem ser povoada com qualquer comprimento de onda, que permita a extensão flexível da análise de imagiologia modulada para métricas biológicas que são sensíveis a outros comprimentos de onda, ver, por exemplo, um módulo LED de múltiplas correspondentes 17 e um módulo LED de uma cor 17’, que pode ser complementar aos comprimentos de onda usados para realizar medição de imagiologia modulada de núcleo (luz estruturada). Apesar de ilustrado como 9 posições, cada fonte de luz 14 na fonte de luz planar 12 pode ter 9 posições, 12 posições, etc.

[041] Em outra modalidade, conforme ilustrado na Figura 5, a base 13 do iluminador planar externo 12 fornece suportes 24 nos quais as fontes de luz externas 14, tais como os módulos LED 17, podem ser plugados ou retirados para permitir uma seleção de comprimento de onda reconfigurável.

[042] Em outra modalidade, conforme ilustrado na Figura 4, cada fonte de luz 14, por exemplo, um módulo LED 17 incorpora um homogeneizador 26, tal como uma haste de integração ou difusor, para dispersar e combinar espacialmente a produção dos múltiplos chips LED passíveis de ser endereçáveis individualmente na mesma fonte.

[043] Método de Operação e Análise. O aparelho 10 para imagiologia modulada é operado como se segue. A imagiologia modulada tipicamente coleta dados em uma série de comprimentos de onda distintos li, 12,..., 1n. cada um dos quais possui um rendimento diferente ou razão de sinal para ruído (SNR) na câmera ou detector. O aparelho eficiente 10 aqui fornecido separa esses n comprimentos de onda em duas categorias: 1) comprimentos de onda espacialmente estruturados, l1S , lS2 ,., lSj e comprimentos de onda planares não estruturados l1P , l2P ,., lkP . Conforme descrito acima, os artefatos de movimento tendem a aparecer para comprimentos de onda para os quais o rendimento ou razão de sinal para ruído (SNR) é baixo. O SNR baixo pode resultar de uma energia de fonte baixa, acoplamento fraco de projetor - fonte, rendimento de projetor reduzido, sinal recebido baixo ou sensibilidade de detector baixa para esse comprimento de onda. Um comprimento de onda SNR baixo requer uma integração correspondente mais alta (isto é, tempo de exposição da câmera), tornando-o suscetível a movimento. Em um exemplo de demonstração do método fornecido no contexto, a iluminação espacialmente estruturada foi realizada com comprimentos de onda SNR altos e a iluminação planar não estruturada foi realizada com comprimentos de onda SNR baixos. O aparelho eficiente 10 aqui fornecido trata a luz espacialmente estruturada e não estruturada de maneira diferente na análise ilustrada na Figura 6 e descrita nas etapas que se seguem conforme ilustrado nas Figuras 9b e 9c. Conforme ilustrado esquematicamente na Figura 9a, o aparelho eficiente 10 é ilustrado para incluir uma fonte de luz planar 12, uma fonte de luz estruturada 16 e uma câmera 18 posicionada acima de um tecido ou amostra turva 30. 1) Conforme ilustrado na Figura 9b, as fontes de luz estruturada 16 são ligadas e escaneadas na amostra de tecido 30 em um ou mais número de comprimentos de onda SNR altos (por exemplo, tf = tf,tf,tf) conforme descrito brevemente na Patente US 695815. A luz estruturada ilumina a amostra 30 nesses comprimentos de onda com uma série de frequências espaciais, e a luz refletida e difundida a partir da amostra 30 é coletada pela câmera 18. Esses dados podem ser então analisados para obter a função de transferência de modulação e/ou informação de propriedade óptica da amostra, por exemplo, a absorção solucionada espacialmente e dispersão reduzida (μa(tf) e μs'(tf)), usando qualquer modelo físico para dispersão de luz em tecido biológico, ou dados empíricos de pesquisa com base em um catálogo de medições ou simulações. Exemplos de modelos físicos que são considerados para amostra de turbidez são a Equação de Difusão Padrão e modelos de Transporte Radiativos de transporte de luz. 2) Em seguida, as medições nos comprimentos de onda espacialmente estruturados Â,j podem ser interpoladas ou extrapoladas para comprimentos de onda não estruturados, ÂkP , com base nos aspectos de comprimento de onda dependente de propriedades ópticas na amostra de interesse. Por exemplo, na região infravermelho próximo, o coeficiente de dispersão deduzido μs'(tf) pode ser ajustado para uma função de regulamento de energia de comprimento de onda tal como μs'(A) = A*À - b, ou geralmente μs'(A) = Ai*À -bi + A2*À -b2 + ... + An*À -bn, interpolado ou extrapolado em cada pixel na imagem detectada pela câmera 18 para fornecer um valor estimado para o coeficiente de dispersão para os comprimentos de onda não estruturados, μs’ (Ap). Para as equações mostradas os parâmetros A e b são livres, variáveis não negativas, e n é pelo menos 1. Deve ser observado pela propriedade de dedução tal como o coeficiente de dispersão para um comprimento de onda não estruturado (isto é, SNR baixo) dos dados de comprimento de onda estruturado (SNR alto), o tempo de imagiologia pode ser reduzido eliminando a necessidade de adquirir imagens de luz estruturada para medir diretamente μs’ (Xp). Isso permite o uso de um único padrão de luz não estruturada para determinar o parâmetro remanescente, μa, ( Z), consequentemente reduzindo o tempo de aquisição geral e evitando artefatos de movimento. 3) Conforme ilustrado na Figura 9c, as fontes de luz estruturadas 16, que estão em comprimentos de onda SNR alto, são então desligadas, e as fontes de luz planar 12, que são comprimentos de onda SNR baixo, são então ligadas e usadas para iluminar a amostra 30. A luz refletida da amostra 30 é detectada pelo sistema de câmera 18, fornecendo luz remetida nos comprimentos de onda desejados, tais como coeficientes de refletância de difusão, Rd Z. Conforme o exemplo ilustrativo, a refletância difusa é medida em 970 nm para determinar a sensibilidade ctH2O. Deve ser observado que essa Etapa pode ser alternativamente realizada antes da Etapa 1, ou intercalada com medições dentro da Etapa 1. 4) Na última etapa de análise das propriedades ópticas nos comprimentos de onda SNR, Z são calculados usando a combinação de medições de fonte de luz estruturada planar e extrapolada ou interpolada. Por exemplo, os valores de refletividade de difusão (Rd( Xp)) e os coeficientes de dispersão μs'(A) = A*À - b) avaliados em Ap; i.e. μs'(Ap) = A*( Xp )- b) podem ser combinados com 1 ajuste de parâmetro ou cálculo de tabela de pesquisa usando um modelo de dispersão / reflexão física para tecido biológico, consequentemente produzindo μa( Ap). 5) Nesse estágio os coeficientes da propriedade óptica (por exemplo, dispersão e absorção) são totalmente determinados para todos os comprimentos de onda - medidos diretamente da função de transferência de modulação para dados derivados dos comprimentos de onda de iluminação estruturada (isto é, SNR alto) e dados de luz derivados dos comprimentos de onda de iluminação plana não estruturada (isto é SNR baixo). 6) As concentrações de cromóforos e índices de fisiologia podem ser agora deduzidos dos coeficientes de dispersão totalmente dependentes de comprimento de onda e de absorção.

[044] Deve ser observado que as Etapas 2, 4 e/ou 6 podem ser realizadas em qualquer estágio após a medição dos dados subjacentes. Além disso, em vez de serem realizadas sequencialmente, as Etapas 2, 4 e/ou 6 podem ser realizadas juntas em um ajuste “global” direto, ou análise simultânea de todos os dados inseridos para fornecer o rendimento desejado, de modo a obter a concentração de moléculas de absorção ou fluorescentes.

[045] A Figura 7 ilustra uma comparação de exemplo entre 1) uma análise de imagiologia modulada total conforme obtida pelo sistema prescrito pelo estado da técnica (linhas completas de ajuste), e 2) o aparelho eficiente presente e método com número reduzido de comprimentos de onda (linhas de dados reduzidas). Há excelente conformidade entre os dois aparelhos e métodos. Contudo, deve ser observado que a vantagem do aparelho eficiente presente é a remoção dos artefatos de movimento enquanto fornece boa fidelidade nos coeficientes da propriedade óptica (por exemplo, dispersão e absorção) em todos os comprimentos de onda.

[046] Para acessar o escopo das medições e populações de paciente que podem ser tratados com esse método refinado, foram coletadas 10 tinta de vinho tinto e 10 medições de pacientes queimados e analisadas com um aparelho e método do estado da técnica bem como o aparelho de imagiologia modulada eficiente 10 e o método aqui apresentado. A Figura 8 mostra mapas de dispersão (Figura 8a) de coeficientes de absorção (Figura b) para vários comprimentos de onda obtidos pelo aparelho eficiente presente (eixo geométrico y) versus aqueles obtidos do aparelho do estado da técnica (eixo geométrico x). Esses dados são diversos em termos de coeficientes de absorção: acúmulo de sangue em casos PWS e branqueamento / perda de tecido de melanina epidérmica em casos de queimadura exibem absorção alta e baixa, respectivamente. Contudo, a Figura 8 ilustra correspondência um para um dos dois indicados por uma linha reta com inclinação = 1.

[047] Na presente descrição o termo câmera se refere a um sistema de detecção óptica que cria imagem em uma área de uma amostra de tecido em um arranjo de detectores com pixel, onde a área da amostra formada com imagem é muito maior do que o menor aspecto espacial a iluminação de luz estruturada. Em outra modalidade a luz refletida da amostra é coletada por um único detector, de maneira que a luz é coletada de uma área da amostra que é menor do que o menor aspecto espacial da luz estruturada que ilumina o mesmo a partir do sistema de projeção.

[048] Recentemente, uma modalidade do sistema MI implementada tanto com iluminação de fluxo LED (não estruturada) na frente do instrumento, bem como projeção estruturada padrão MI baseada em LED a partir de um Dispositivo de Microprocessador Espelho Digital.

[049] A Figura 10 ilustra uma modalidade de um dispositivo MI 10 com fontes de luz estruturada 116 não estruturada 112. Uma câmera 118 é configurada para visualizar tanto a luz estruturada quanto a não estruturada que reflete fora de um alvo posicionado aproximadamente um pé (30,48 cm) (1’) na frente do instrumento.

[050] A Figura 11 ilustra um exemplo de uma eficiência relativa de LEDs típicos. Os comprimentos de onda fracos (valores de pico baixo) resultam em velocidade de imagiologia fraca quando requerido a emitir através do projetor. Há ótimos candidatos para iluminação de fluxo (não estruturada) evitando a necessidade de usar um projetor de rendimento baixo de luz (“etendue” baixo).

[051] A Figura 12 (parte superior) ilustra uma comparação de métodos Completos e Eficientes para recuperação de propriedades ópticas de absorção. Uma medição de um espectro padronizado que simula tecido com baixas propriedades ópticas foi usada como um alvo de imagiologia. Para a análise total, foram realizadas medições padrões de domínio de frequência espacial. Para a análise Eficiente, foi realizado um subsequentemente conjunto da análise Total para 3 comprimentos de onda (620, 690, 810 nm), e então os valores de dispersão óptica foram extrapolados ou interpolados para outros comprimentos de onda desejados (660, 730, 850, 970 nm) para obter o coeficiente de absorção apenas com dados não estruturados (planares). Isso foi repetido “ao contrário” com comprimentos de onda estruturados (660, 730, 850nm) e não estruturados (620, 690, 810nm). Parte Inferior: Uma comparação, no presente desvio da análise total de “padrão ouro”, mostra geralmente menos do que 1% de diferença na precisão entre as abordagens, desse modo validando o método Eficiente.

[052] Embora a invenção seja suscetível a várias modificações, e formas alternativas, os exemplos específicos da mesma foram mostrados nos desenhos e estão aqui descritos em detalhe. Deve ser compreendido, contudo, que a invenção não está limitada às formas ou métodos específicos aqui descritos, ao contrário, a invenção deve cobrir todas as modificações, equivalências e alternativas que incidam no espírito e escopo das reivindicações em anexo.

[053] Na descrição acima, apenas para fins de explicação, a nomenclatura especifica é demonstrada para fornecer uma completa compreensão da presente descrição. Contudo, deve ser claro para aquele versado na técnica que esses detalhes específicos não são exigidos para praticar os ensinamentos da presente descrição.

[054] Os vários aspectos dos exemplos representativos e das reivindicações dependentes podem ser combinados de maneiras que não estejam específica e explicitamente enumeradas em ordem para fornecer modalidades uteis adicionais dos presentes ensinamentos. Deve ser também expressamente observado que todas as variações de valores de grupos de entidades descrevem cada valor intermediário possível ou entidade intermediária inteiramente para o propósito de descrição original, bem como para o propósito de restrição da matéria reivindicada.

[055] Deve ser compreendido que as modalidades aqui descritas são para fins de elucidação e não devem ser consideradas como limitando a matéria da descrição. Várias modificações, usos, substituições, combinações, aperfeiçoamentos, métodos de produção sem se afastar do escopo e espírito a presente invenção devem ser claros para aquele versado na técnica. Por exemplo, o leitor deve compreender que a ordenação e combinação específicas das ações de processo aqui descritas são meramente ilustrativas, a menos que declarado de outra maneira, e a invenção pode ser realizada usando ações de processo diferentes ou adicionais, ou uma combinação ou ordenação de ações de processo diferente. Como outro exemplo, cada aspecto de uma modalidade pode ser misturado e combinado com outros aspectos ilustrados em outras modalidades. Os aspectos e processos conhecidos daqueles versados na técnica podem ser similarmente incorporados conforme desejado. Adicional ou obviamente, os aspectos podem ser adicionados ou subtraídos conforme desejado. Portanto, a invenção não deve ser restrita exceto à luz das reivindicações em anexo e seus equivalentes.

Claims (7)

1. Método para medição de uma amostra turva, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: iluminar com uma primeira fonte de luz uma área alvo da amostra turva com apenas luz espacialmente estruturada em uma pluralidade de comprimentos de onda e ao longo de um primeiro trajeto de projeção óptica, coletar luz refletida da amostra turva para obter luz espacialmente estruturada remetida da amostra em uma primeira pluralidade de comprimentos de onda, 2 j, iluminar com uma segunda fonte de luz a área alvo da amostra turva com apenas luz estruturada planar em uma pluralidade de comprimentos de onda e ao longo de um segundo trajeto de projeção óptica, em que o primeiro trajeto de projeção óptica difere do segundo trajeto de projeção óptica, coletar luz refletida da amostra turva para obter luz estruturada planar remetida da amostra em uma segunda pluralidade de comprimentos de onda, 2k, e combinar as medições da luz espacialmente estruturada remetida e da luz planar remetida coletada da amostra turva para obter parâmetros de ajuste, em que os parâmetros de ajuste incluem uma ou mais propriedades ópticas da amostra turva nas primeira e segunda pluralidade de comprimentos de onda 2j e 2k, e uma concentração de moléculas de absorção ou fluorescentes.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada comprimento de onda da primeira pluralidade de comprimentos de onda 2j tem uma razão de sinal para ruído (SNR) diferente e, em que cada comprimento de onda da segunda pluralidade de comprimentos de onda 2k, tem uma razão de sinal para ruído (SNR) diferente.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira pluralidade de comprimentos de onda 2j difere da segunda pluralidade de comprimentos de onda 2k.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente, antes de iluminar a área alvo da amostra turva com apenas luz não espacialmente estruturada, extrapolar as medições da luz remetida tendo estrutura espacial para calcular um coeficiente de dispersão para a segunda pluralidade de comprimentos de onda, μ'( 2PP).

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que as medições da luz não espacialmente estruturada se encontram em coeficientes de refletância difusa, RdλP.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que μ'( λλk) e Rd λP são combinados para produzir μa( λpk).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a razão de sinal para ruído (SNR) da primeira pluralidade de comprimentos de onda λj são maiores em relação à razão de sinal para ruído (SNR) da segunda pluralidade de comprimentos de onda λ k

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