CN100478733C - 光谱系统和用于确定所关心容积位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光谱系统(400)的自动聚焦机构，所述光谱系统适用于确定所关心容积的性质。该所关心容积具有随时间变化的光学性质。本发明提供一种测量装置，该装置适用于测量所关心容积的光学性质的波动，从而确定所关心容积的位置(428)。该光谱系统还适用于将激发光束(418)聚焦到确定的所关心容积中，并用于收集从所关心容积发出的返回辐射(420)以用于光谱分析。优选地，激发光束(428)的非弹性散射辐射与用于光谱分析的弹性散射辐射分开。再利用激发光束的弹性散射辐射来测量所关心容积的光学性质的波动。利用控制回路，使得波动的振幅和/或强度能够最大化，该最大值固有地规定了所关心容积的位置，例如毛细血管(450)的中心。

Description

光谱系统和用于确定所关心容积位置的方法

技术领域

本发明涉及对一个所关心的容积进行光谱分析的领域。

背景技术

将光谱学技术用于分析目的本身可从现有技术中获悉。在WO02/057758 A1和WO 02/057759 A1中示出了一种光谱分析装置，用于对人体毛细血管中流动的血液成分进行体内非侵入的光谱分析。优选地，可通过利用共焦拉曼光谱法来实现光谱分析，从而测量体内血液中分析物的浓度。为了获取可检测光谱信号的高信噪比或信号-背景比，将共焦测量容积完全或至少大部分地置于血管内部是有利的。这需要对人体皮肤表面下的毛细血管精确定位。由于采用共焦检测的方案，不仅需要知道毛细血管的横向位置，而且还需要知道毛细血管在皮肤表面下的深度。

位于接近皮肤表面的毛细血管典型地具有大约10μm的直径。诸如拉曼信号的共焦测量容积能够恰当地限定在一个容积内的所有三个维度中，该容积可小至5×5×5μm³。将这种小共焦测量容积定位在典型毛细血管的中心，可允许收集光谱信号，该光谱信号具有来自周围表皮组织中的可忽略的背景信号的特征。将共焦测量容积精确定位在毛细血管的中心需要在所有三维空间中大约1μm的位置分辨率。

此外，由于光谱数据的获取至少需要几秒，因此必须考虑在获取数据期间可能的人体移动。因此，为了保持共焦测量容积在所选的毛细血管中的位置，需要光谱系统跟踪这种移动。

用于体内非侵入血液分析的光谱系统，利用了共焦检测方案，该系统需要对共焦测量容积的充分跟踪，以用于确定毛细血管的位置和跟踪毛细血管的任何移动。毛细血管(即所关心容积)的横向位置的确定，有效地利用了成像技术，例如共焦激光扫描显微镜方法(CLSM)或正交偏振光谱成像(OPS成像)。

CLSM技术基于激光光点扫描，所述扫描在所有三个空间方向上经过皮肤容积。毛细血管特别是血管能够被有效辨别，是由于其与周围组织相比具有不同的反射特性。因为CLSM利用了共焦检测方案，血管的深度，即其与皮肤表面的距离能够被精确确定。这种CLSM系统不仅昂贵，体积庞大，并且以相当低的帧频工作。因此，血管位置的确定变得非常的时间密集。

而OPS成像又基于皮肤内光的散射。由于在血液中光的吸收，血管在OPS图像中呈暗色。利用这种具有低数值孔径(NA)特征的成像技术，允许获得大块皮肤相对较大的横向面积。这种横向图像对于确定血管的横向位置是足够的，但是由于数值孔径低，会造成焦深较大。因此，成像血管的深度只能不充分地确定。这样OPS成像虽然提供了血管横向的精确定位，但仅能提供血管深度的粗糙定位。

在成像系统的对比中，从小共焦测量容积中获取光谱信号需要大数值孔径，以在所有三个空间方向上产生足够小的聚焦点。此外，利用大数值孔径可允许高深度分辨率的实现。

对比文件WO 01/39665 A2公开了一种用于保持拉曼激发源的焦点焦深和位置的方法和装置，而没有考虑是否使用了成像光收集系统。该方法和装置提供了一种从对象活组织中获得光谱信息的方法。该方法包括用具有激发波长的光照射在对象中所关心的组织，所述光来自光源并通过第一可调整透镜，然后使所述组织射出的光谱通过第二可调整透镜。然后对该通过第二可调整透镜的光谱进行收集和分析，以确定与所关心分析物相关的目标信号。该方法还包括从目标信号中得到校正信号，并根据该校正信号调节第一可调整透镜或第二可调整透镜的位置，以使目标信号得到加强。

优选地，该方法利用拉曼光谱法，特别是利用分析光谱和调整透镜位置，以加强由光谱所确定的目标信号。该方法和装置利用两个分别的透镜，以借助于激发光束来照射所关心的组织，并用来收集由该组织射出的光谱。

因此利用拉曼光谱来对共焦测量容积进行深度对准是显而易见的。拉曼光谱的分析实际上示出了在测量容积中的血量和/或周围组织的量。但是，其有一个主要的缺点。由于拉曼散射是一个效率非常低的过程，将会需要至少几秒来收集足够的光谱信号，以允许在血液和皮肤组织之间进行辨别。由于这样一个长时间间隔，对于血管跟踪的光谱信号的分析是几乎完全不够的。该跟踪系统将会太慢而无法跟随人体的移动。最终，降低用于检测光谱信的检测器的读数周期将极大地增大取得的光谱数据的读出噪声，该检测器即电荷耦合装置(CCD)芯片。

发明内容

因此，本发明提供一种改善的自动聚焦机构，该自动聚焦机构用于对准光谱系统的共焦测量容积的深度，从而确定所关心容积的性质。

本发明提供一种光谱系统，用于确定所关心容积的性质。该所关心容积具有随时间变化的光学性质并且光谱系统包括一个测量单元。该测量单元根据在第一和第二时间间隔的期间测量的至少第一和第二容积的光学性质来确定所关心容积的位置。光谱系统还包括用于将激发光束聚焦在所关心容积中的聚焦装置和用于检测来自所关心容积的用于光谱分析的返回辐射的检测装置。

本发明有效地利用了所关心容积的光学性质。特别是本发明有效地利用了生物物质的生物结构的光学性质的时间变化或时间波动，该生物物质例如为血液，特别是红血球。在近红外线(NIR)波长范围，红血球的反射率显著大于血浆的反射率。因此，如果红血球流经毛细血管，通过将NIR光束引导入毛细血管内，能够观察到弹性散射光量的强烈波动，该弹性散射光即反射光。在没有血球的情况下，反射较少。当红血球经过由NIR辐射照射的毛细管时，反射会显著增加。由于红血球具有环形几何形状，其与光谱系统的典型的共焦测量容积的尺寸相当，因此反射光量强烈地依赖于红血球的存在与否。通过假定毛细血管直径、血流和红血球的浓度的典型参数，红血球在毛细血管中的流量能够确定为每秒大约几百个细胞。

因此，反射光强度的强烈波动可以出现在毫秒的时标中。优选地，流经生物管状结构的流体的光学性质，是由激发光束的弹性散射光即反射光来确定的，而不是通过分析光谱信号即返回辐射来确定的，由于无弹性散射过程，例如斯托克斯散射或反斯托克斯散射，该返回辐射相对于激发光束被频移。

优选地，所关心容积的横向位置通过一个独立的成像系统确定，例如正交偏振光谱成像(OPSI)、共焦视频显微镜方法(CVM)、光学相干层析X射线照相法(OCT)、共焦激光扫描显微镜方法(CLSM)、基于多普勒成像和基于超声波成像。相应的成像技术在US60/262582、US09/912127、EP 03100689.3和EP 03102481.3中公开，其全文在这里参考引入。

优选地在一时间间隔中利用测量至少第一和第二容积的光学性质，来确定所关心容积的深度，由此来确定平面的位置，为了理想地与所关心容积匹配，激发光束必须聚焦于该平面上。因此，至少第一和第二容积中的至少一个必须至少部分地与所关心容积重叠。确定的至少第一和第二容积的光学性质表示第一和第二容积与所关心容积之间的重叠度。由于已知至少第一和第二容积的位置，所关心容积的位置能够充分确定。例如，即使当第一容积部分地与所关心容积重叠而第二容积并不与所关心容积重叠时，充分确定所关心容积的位置大体上是可能的。

一旦所关心容积的位置通过利用例如生物流体的光学性质得以确定，光谱系统的聚焦装置将适用于将激发光束聚焦在所关心容积中。此外，光谱系统利用其检测装置从所关心容积中获取光谱数据，所关心容积规定了一特定结构或一特定物质，例如血管。

根据本发明的另一优选实施方案，测量单元还适用于检测来自至少第一和第二容积的至少第一和第二测量返回辐射。该第一和第二测量返回辐射表示第一和第二容积的光学性质。该第一和第二测量返回辐射自第一和第二容积发出。特别是，当第一或第二容积中的任意一个至少部分地与所关心容积重叠时，所关心容积的位置能够被充分确定。

测量辐射能够在分离光源的基础上产生，该光源提供一种不同于激发辐射的辐射。例如，能够使用由成像系统产生的光。作为选择，分离光源能够实现专门用于提供第一和第二容积的照射，以产生足够的测量返回辐射。

此外，激发光束的辐射能够有效地用作第一和第二返回辐射，该激发光束在第一和第二容积被弹性散射。这样，能够有效地利用用于产生激发光束的现有光源。

优选地，至少第一和第二容积的位置，特别是深度能够任意移位，以允许测量在不同位置的弹性散射，例如在皮肤的表面下。在弹性散射信号中的大波动表示红血球的流动，进而表示至少第一和第二容积与限定所关心容积的血管的真正重叠。

与此相反，在至少第一和第二测量返回辐射中的小波动表示至少第一和第二容积并未与血管重叠或仅稍微与血管重叠。由于通过分析光学信号能很好地确定至少第一和第二容积的位置，该光学信号表示在第一和第二容积与指定的所关心容积之间的重叠，从而能够精确确定所关心容积的位置。

所关心容积的位置由此可被精确确定。优选地，通过传统成像技术控制横向位置确定，本发明的所关心容积的位置确定是指所关心容积的深度，例如在人体皮肤表面下的深度。

而且，本发明的所关心容积的位置确定决不是仅限于深度的确定。原则上，测量单元还能够普遍适用于根据所关心容积的光学性质的波动来确定所关心容积的任何横向位置。

根据本发明的另一优选实施方案，第一和第二时间间隔完全重叠或部分重叠，或者第一和第二时间间隔定义两个不重叠的顺序时间间隔。

当第一和第二时间间隔重叠时，可同时确定至少第一和第二容积的光学性质。因此，在相同的时间间隔期间，确定第一和第二容积与所关心容积之间的重叠度。已知所关心容积的近似尺寸，还已知第一和第二容积的相互分离和相对位置，允许根据至少第一和第二容积的光学性质的简单同时测量，确定所关心容积的位置。

在另一极端情况下，第一和第二时间间隔完全不重叠，因此，第一和第二容积被顺序探测，是指至少第一和第二容积的空间扫描。大体上，通过所关心容积连续地扫描第一容积，对应的指的是第一容积的不同位置的光学信号被测量。然后测量信号的最大值表示第一容积和所关心容积之间最大地重叠。第一容积的对应位置是指所关心容积的中心。

例如测量弹性散射光的波动能有效地允许获取和跟踪毛细血管的中心，所述散射光在深度变化的不同位置被散射。由于在毫秒的时标中发生例如血流的波动，因此扫描的帧频足够高，以允许对所关心容积的位置进行有效确定和追踪。

根据本发明的另一优选实施方案，测量单元还适用于确定至少第一和第二测量返回辐射的时间变化的最大幅度。获得从多个不同容积弹性散射的辐射的波动，使得能够找到弹性散射发出最大波动的一个特定容积。

假定典型毛细血管的直径基本上与红血球的尺寸相同，能够推断出单个血球能够完全充满血管的直径。当测量光束的共焦测量容积的尺寸与红血球的尺寸具有相同的范围时，且当测量光束的测量体积基本上与毛细血管的中心重叠时，测量返回辐射的强度波动的最大值将会提高。因此，通过实施利用测量辐射的深度扫描和随后对在深度扫描期间从被照射的不同容积发出的弹性散射光的最大波动强度的确定，确定光谱系统的所关心容积所需要的焦深能够有效地得以确定。

根据本发明的另一优选实施方案，测量单元还适用于确定第一和第二测量返回辐射的时间变化幅度之间的差异。在该实施方案中，只有从两个容积中发出的弹性散射光必须进行分析。当第一和第二时间间隔基本重叠时这可优选适用。这两个位置具有相同的横向坐标，但在深度上稍微不同。优选地，在第一和第二容积之间的距离略低于血管的典型直径。收集并分析测量返回辐射将提供两个光学信号，该测量返回辐射在第一和第二容积上被弹性散射，这两个光学信号具有时间波动的特征。假定第一和第二信号的波动频率基本相同，但第一和第二信号之间的波动幅度不同。

特别是第一信号的波动幅度是第一容积和血管重叠度的指示。对于第二强度信号，类似的假定成立。假定另外一种圆形血管，可得出结论：当第一和第二强度信号的波动在幅度上相同时，第一和第二容积距血管的中心距离相等。

用这种方法，测量和比较第一和第二强度信号的波动的幅度能够产生一个控制信号，该控制信号表示第一和/或第二容积相对于血管中心的相对位置。这里，控制信号仅仅是第一强度信号幅度与第二强度信号幅度之间的差值。将该控制信号提供到适用于控制聚焦单元的控制机构上，以允许建立一个用于最小化控制信号的控制回路，从而将第一和第二容积中心定位在血管中心附近。已知第一和第二容积的坐标，直接将激发光束引导入所关心容积，然后该所关心容积由第一和第二容积的几何中心限定。

根据本发明的另一优选实施方案，测量光束和激发光束由同一的光源产生。而且，该激发光束和测量光束由同一聚焦单元聚焦。甚至在实际应用中，测量光束实际上是激发光束的一部分。当将例如拉曼光谱技术应用在光谱系统中时，可以假定发生在样品中，特别是发生在光谱系统共焦测量容积中的多个散射过程，具有弹性特征。

因此，散射辐射的主要部分被弹性散射在共焦测量容积中，并能够用于上述波动测量。反向散射和收集的辐射的一小部分由于非弹性散射过程而受到频移。这些频移组分优选地与用于样品光谱分析的弹性散射组分在空间上分开。

根据本发明的另一优选实施方案，测量单元包括至少一个检测元件和至少一个孔径元件，该孔径元件形成至少第一和第二测量反射辐射的孔径。用于检测从至少第一容积中发出的弹性散射辐射的测量单元典型地使用一种装置，该装置为接受弹性散射测量的该至少第一和第二容积提供简单而有效的移动。通过移动孔径和检测器，能够移动至少第一和第二容积的位置。检测器元件可采用任意一种光电检测器来实施，并且不必提供空间分辨率。为了分辨反射光的时间波动，该光电检测器的帧频必须足够大，该波动典型在毫秒范围中。传统商业上可购买到的光电二极管通常能够满足这些要求。

孔径单元可以是任意一种孔径，例如针孔或者甚至是允许将光学信号传输到遥远位置的光纤的孔径。作为选择，检测器元件和孔径单元的功能能够并入到针孔尺寸的光电二极管中。

根据本发明的另一优选实施方案，至少一个检测器和至少一个孔径单元可适用于沿至少第一和第二测量返回辐射的光轴移动。用这种方法，至少第一和第二容积的位置能够任意移位。这允许改变第一和第二容积之间的相对距离，以使测量单元适用于在尺寸上不同的多个所关心容积。同样，第一和第二容积的深度位置能够在不需要移动光谱系统的物镜的情况下变化。

根据本发明的另一优选实施方案，第一和第二容积以及测量容积的中心位于激发光束的光轴上，其中激发光束聚焦在测量容积中。用这种方法，第一和第二容积的位置能够仅在激发光束的光轴上移位。这能够通过对相应孔径的变型有效地实现，该相应孔径是沿第一和第二容积反射的辐射的光轴的相应孔径。因此，测量在第一和第二容积中流体的光学性质，对于实现用于精确重新得到和追踪不同毛细血管的光谱系统的自动聚焦机构，具有实际用途。

根据本发明的另一优选实施方案，第一和第二容积基本等距离地与测量容积的中心分开。通过精确确定规定了与例如特定血管的一些重叠的第一和第二容积的位置，合理地将所关心容积限定在第一和第二容积之间的几何中心。因此，所关心容积基本上与测量容积重叠。假定一圆形血管，第一和第二容积的几何中心与血管中心基本重叠，该血管中心与光谱系统的测量容积中心基本重叠。另外，通过利用许多皮肤的横向图像，能够获得毛细血管的尺寸信息，对该尺寸信息进行进一步分析能够优化自动聚焦机构。

在另一方面，本发明提供一种用于光谱系统的计算机程序产品，用于确定所关心容积的性质。所关心容积具有一种随时间变化的光学性质，计算机程序产品包括计算机程序装置，计算机程序装置根据在第一和第二时间间隔期间通过利用测量单元测量至少第一和第二容积的光学性质来确定所关心容积的位置。计算机程序装置还适用于通过控制聚焦装置将激发光束聚焦到所关心容积中，并适用于随后检测来自所关心容积的用于光谱分析的返回辐射。

在另一方面，本发明提供一种确定所关心容积的位置的方法，其借助于光谱系统来检测所关心容积的性质。该光谱系统具有聚焦装置，用于将激发光束聚焦到所关心容积中，该光谱系统还具有检测装置，用于检测来自所关心容积各自的返回辐射以用于光谱分析。该确定所关心容积的位置的方法包括步骤：在第一时间间隔期间测量至少第一容积的光学性质，在第二时间间隔期间测量至少第二容积的光学性质，和根据至少第一和第二容积的光学性质确定所关心容积位置。

特别的，所关心容积位置的确定和激发光束的聚焦能够同时进行。这意味着激发光束能够聚焦在一个任意容积中，激发光束的弹性散射辐射能够被分析以确定所关心容积的位置。该位置确定能够在控制回路中执行，该控制回路分析反射辐射的波动，随后改变激发光束的共焦测量容积的深度。

应该注意，本发明并不仅限于特定形式的光谱技术，例如拉曼光谱法，而是能够使用其它光谱技术。这包括(i)基于拉曼散射的其它方法包括受激拉曼光谱法和相干反斯托克斯拉曼光谱法(CARS)，(ii)红外线光谱法，特别是红外线吸收光谱法，傅立叶变换红外线(FTIR)光谱法和近红外线(NIR)扩散反射光谱法，(iii)其它散射光谱技术，特别是荧光光谱法，多光子荧光光谱法和反射光谱法，和(iv)其它光谱技术例如光声光谱法，偏振测定法和泵针光谱法。优选地适用于本发明的光谱技术是拉曼光谱法和荧光光谱法。

根据本发明的一个方面，提供了一种光谱系统，用于确定所关心容积的性质，所关心容积具有随时间变化的光学性质，所述光谱系统包括：

测量单元，用于根据在第一和第二时间间隔期间测量至少第一和第二容积的光学性质，确定所关心容积的位置，至少第一和第二容积的光学性质表示在所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度；

聚焦装置，用于根据所关心容积的位置将激发光束聚焦到所关心容积中，

检测装置，用于检测来自所关心容积的返回辐射，以用于光谱分析。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定所关心容积位置的方法，用于利用光谱系统确定所关心容积的性质，所述光谱系统具有用于将激发光束聚焦到所关心容积中的聚焦装置和用于检测来自所关心容积的返回辐射以用于光谱分析的检测装置，用于确定所关心容积位置的方法包括以下步骤：

在第一时间间隔期间，测量至少第一容积的光学性质，

在第二时间间隔期间，测量至少第二容积的光学性质，

根据所述至少第一和第二容积的光学性质确定所关心容积的位置，

其中至少第一和第二容积的光学性质表示在所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度。

根据本发明的一个方面，提供了一种光谱系统，用于确定所关心容积的性质，所关心容积具有随时间变化的光学性质，所述光谱系统包括：

测量单元，用于根据在第一和第二时间间隔期间测量至少第一和第二容积的光学性质，确定所关心容积的位置，所述至少第一和第二容积的光学性质表示所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度；

聚焦装置，用于根据所关心容积的位置将激发光束聚焦到所关心容积中，

检测装置，用于检测来自所关心容积的返回辐射，以用于光谱分析。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于确定所关心容积位置的方法，用于利用光谱系统确定所关心容积的性质，所述光谱系统具有用于将激发光束聚焦到所关心容积中的聚焦装置和用于检测来自所关心容积的返回辐射以用于光谱分析的检测装置，用于确定所关心容积位置的方法包括以下步骤：

在第一时间间隔期间，测量至少第一容积的光学性质，

在第二时间间隔期间，测量至少第二容积的光学性质，

根据所述至少第一和第二容积的光学性质确定所关心容积的位置，

其中至少第一和第二容积的光学性质表示所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度。

附图说明

在下文中，本发明的优选实施方案将通过参考附图进行更加详细地描述，其中：

图1示出光谱系统的自动聚焦系统的框图，

图2是利用从第一和第二容积发出的第一和第二光学信号的自动聚焦系统框图的描述，

图3是第一和第二光学信号波动的描述，

图4示出自动聚焦系统的一个详细的实施方案，

图5示出一个具有两个部分重叠容积的毛细血管。

具体实施方式

图1示出用于光谱系统100的自动聚焦机构的框图。自动聚焦机构适用于在皮肤112表面下精确定位所关心容积114。光谱系统100具有束源102，测量单元110和聚焦与收集单元104。另外，光谱系统100具有光谱仪，以用于光谱地分析来自所关心容积114的返回辐射。为了简单该光谱仪并未在图1中说明。

测量单元110具有检测器106和处理单元108。束源102产生激发光束，该光束被集中到聚焦与收集单元104，其中该束源典型为在近红外线范围发射光的激光器。借助于聚焦与收集单元104，激发光束116被集中并聚焦到皮肤112表面下的所关心容积114中。

发明的聚焦机构利用激发光束的弹性散射部分强度的波动，该波动表示测量容积至少部分地与毛细血管重叠。聚焦与收集单元104还适用于收集任何一种从所关心容积114发出的返回辐射。

特别的，由于弹性散射的返回辐射的部分，即不具有相对于激发辐射频移的特性的部分，与具有可检测出频移特性的光谱信号分开。弹性散射辐射，以及在所关心容积114中反射的辐射，被提供到测量单元110的检测器106。检测器106依次能够分析波动，特别是反射辐射的波动的幅度和/或强度。检测器106还连接到处理单元108，根据检测的波动产生一个控制信号。

根据该控制信号，处理单元108控制聚焦与收集单元104，以移动激发光束116的共焦测量容积。优选地，共焦测量容积仅沿激发光束116的光轴位移，即垂直于皮肤表面。响应共焦测量容积的位移，反射辐射的波动幅度也可以改变。这种改变由检测器检测并经处理单元108进一步分析。根据反射辐射的波动幅度的改变，处理单元108产生相应的控制信号。

聚焦与收集单元104、检测器106和处理单元108形成控制回路，用于使幅度最大，幅度即从皮肤112的表面下的不同深度发出的反射辐射的波动的振幅和/或强度。不同容积的不同深度对应反射辐射波动的不同幅度。波动的最大幅度表示共焦测量容积和毛细血管的最大重叠。经皮肤112的垂直扫描，由此确定反射辐射波动的最大强度出现的容积的位置，允许精确确定所关心容积114相对于皮肤112表面的深度。

图2示出了一个与图1类似的实施方案，其中测量单元110具有第一检测器120和第二检测器122。第一检测器120以这样一种方式布置：使其仅检测从第一容积124反射的辐射。第二检测器122以这样一种方式布置：使其仅检测从第二容积126发出的辐射。第一和第二容积124、126与毛细血管118部分重叠。用于光谱分析的所关心容积位于毛细血管118的中心。

流经毛细血管118的血液，特别是红血球仅仅具有与第一和第二容积124、126相同的几何尺寸的特征。激发光束116同时照射毛细血管118与第一和第二容积124和146。而现在第一检测器120又仅检测第一容积124中反射的光，第二检测器122适用于仅检测从第二容积126中发出的激发光束的反射光。

现在自动聚焦机构明确利用红血球具有与血浆和周围组织相比基本不同的反射率的事实。当红血球流经毛细血管118时，可以检测到反射率明显地增加。由于在第一容积124和血管之间的重叠基本上不同于第二容积126与血管之间的重叠，所以第一检测器120和第二检测器检测的反射光的强度将会显著变化。在这种情况下，由第二检测器122检测的强度波动的幅度将大于由第一检测器120检测的对应的幅度。

两个检测器120、122都产生相应的强度信号，这些信号被传给处理单元108。处理单元108根据从第一和第二检测器120、122中获取两个强度信号能够产生一个控制信号或差信号。然后处理单元108控制聚焦与收集单元104，以使容积124、126的每一个容积与毛细血管118的重合变成基本相同的这样一种方式，来稍微移位第一容积124和第二容积126。假定圆形毛细血管118，第一容积124和第二容积126之间的几何中心规定为毛细血管118的中心。用这种方法，两个容积124、126有效地规定了所关心容积的位置。

图3是两个强度信号300、302的描述，该强度信号由图2的第一和第二检测器120、122产生。此外，图3说明了两个强度信号300、302的强度波动。图3的图表的水平轴304规定为时间，两个垂直轴306、308规定为每个信号300、302的振幅。如图中所示，第一信号300和第二信号302受到不规则的波动。两个信号300、302的波动同时发生但是幅度不同。这里，第二信号302的波动大于第一信号300的波动，这表示第二容积126与毛细血管118之间的重叠度大于第一容积124与毛细血管118之间的重叠度。

自动聚焦机构旨在最小化两个信号300、302的幅度的差异，以在第一和第二容积124、126与毛细血管118之间形成相同的重叠，从而允许精确确定毛细血管118的中心。

通过监测第一信号300和第二信号，特别是增加的强度波动的频率，能够有效地保证两个信号指的是与共同毛细血管重叠的容积。否则，波动的频率将是相当不相关的。

图4说明了一个用于光谱系统400的自动聚焦系统的详细实施方案。光谱系统400具有激光器402、第一检测器404、第二检测器406、光谱仪408、聚焦单元410、三个针孔412、414、416、二向色镜432和两个分束器434、436。

激光器402产生激发光束418，该激发光束418被分束器434反射，并被导向聚焦单元410。优选地，激发光束418的反射部分由聚焦单元410聚焦在所关心的焦面428上。但是，位于第一焦面430之内和第二焦面426之内的区域也受到激发光束的照射。

用于确定所关心容积的测量系统由第一检测器404、第二检测器406、针孔412和针孔414组成。测量单元的组件，特别是针孔412和第一检测器404以这样一种方式布置：使检测器404仅检测从第一焦面430附近的容积弹性散射的辐射。类似地，第二检测器406和针孔414以这样一种方式布置：使第二检测器406仅检测从第二焦面426附近的容积弹性散射的激发光束的弹性散射辐射。

分束器436、434和二向色镜432的系统以这样一种方式设计：使非弹性散射辐射420在二向色镜432反射然后经针孔416导向到光谱仪408。激发光束418的弹性散射辐射基本由二向色镜432透射，经分束器436分配到两个检测器404、406。

这里，由第一检测器404检测的第一测量返回辐射424表示第一焦面430附近的容积与毛细血管的部分空间重叠，由第二检测器406检测的第二测量返回辐射422表示第二焦面426周围的容积与毛细血管之间重叠。检测器404、406优选地实施为光电二极管，该光电二极管适用于产生信号，该信号表示第一和第二测量返回辐射424、422的强度波动的幅度。

针孔412、414适用于可沿第一和第二测量返回辐射424、422的光轴移动。这样，由第一和第二焦面430、426规定的共焦测量容积的中心能够任意移位。针孔412和/或针孔414或两个针孔能够同时移动，以适应于第一和第二测量返回辐射的波动的幅度。这种适应固有地规定了毛细血管的中心。由于每个针孔412、414、416的位置规定了每个焦面426、428和430的垂直位置，因此能够精确确定毛细血管中心的位置。

一旦已知所关心容积的位置，可以允许针孔416移位以将光谱仪408的共焦测量容积移动到毛细血管的中心，或者作为选择地允许以这样一种方式移动聚焦单元410，以使所关心焦面428与毛细血管的中心重叠。

为了允许更灵活性地移动不同的焦面426、428、430，不仅针孔和焦面适应于沿其相应测量返回辐射的光轴移动，而且两个检测器404、406也适应于可沿其相应测量返回辐射的光轴移动。

特别是利用上述自动聚焦机构与在皮肤表面下的容积的横向成像相结合，允许使自动聚焦机构适应于各种不同尺寸的血管。例如通过获取具有大焦深特征的皮肤的一个容积的二维横向图像，可用于检测血管并用于确定皮肤相对于光谱系统的横向位置。血管的横向图像还可以进一步用于确定血管的尺寸，以允许调整第一和第二焦面430、426的间隔，该间隔表示针对被检测血管特定尺寸的最佳间隔。

图5示出焦面426、428和430以及聚焦单元410的放大图。椭圆形区域450表示一个毛细血管。所关心容积的中心452位于毛细血管450的中心附近，并确定了一个位置，由光谱仪408检测到的返回辐射420必须从该位置理想地射出。第一焦面430规定第一容积440，第二焦面426规定第二容积442。针孔412和414以这样一种方式布置：使第一检测器404仅收集从第一容积440射出的第一测量返回辐射424。

类似地，以这样一种方式布置针孔414：使检测器406仅收集第二容积442附近的第二测量返回辐射422。表示为第一重叠444和第二重叠446的阴影部分的容积举例说明了第一和第二容积440、442与毛细血管450之间的部分重叠。假定血球流经毛细血管，与重叠444、446成比例的对应的波动将可由分开的检测器404、406检测到。

此外，还应该注意，本发明并不仅仅可用于与各种焦面的垂直排列结合。所关心容积的位置确定还可借助于容积的光学检查，该容积以与所关心容积部分重叠的方式任意定位。因此，本发明还可以以水平或以某种方式倾斜的构形实现。因此，至少第一和第二容积并不必须位于直线上，例如光谱系统的光轴上。

附图标记清单

100光谱系统

102束源

104聚焦与收集单元

106检测单元

108处理单元

110测量单元

112皮肤

114所关心容积

116激发光束

118毛细血管

120第一检测器

122第二检测器

124第一容积

126第二容积

300第一信号

302第二信号

304时间轴

306振幅

308振幅

400光谱系统

402激光器

404第一检测器

406第二检测器

408光谱仪

410聚焦单元

412针孔

414针孔

416针孔

418激发光束

420返回辐射

422第二测量返回辐射

424第一测量返回辐射

426第二焦面

428所关心的焦面

430第一焦面

432二向色镜

434分束器

436分束器

440第一容积

442第二容积

444第一重叠

446第二重叠

450毛细血管

452所关心容积

Claims (15)

1、一种光谱系统(100；400)，用于确定所关心容积(118；450)的性质，所关心容积具有随时间变化的光学性质，所述光谱系统包括：

测量单元(110)，用于根据在第一和第二时间间隔期间测量至少第一和第二容积的光学性质，确定所关心容积的位置，所述至少第一和第二容积的光学性质表示所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度；

聚焦装置(410)，用于根据所关心容积的位置将激发光束聚焦到所关心容积中，

检测装置(408)，用于检测来自所关心容积的返回辐射，以用于光谱分析。

2、根据权利要求1所述的光谱系统(100；400)，其中测量单元(110)还被设置用于检测来自所述至少第一和第二容积的至少第一和第二测量返回辐射，所述至少第一和第二测量返回辐射表示所述至少第一和第二容积的光学性质。

3、根据权利要求1所述的光谱系统，其中所述第一和第二时间间隔完全重叠或部分重叠，或者其中所述第一和第二时间间隔定义两个不重叠的顺序时间间隔。

4、根据权利要求2的光谱系统(100；400)，其中所述测量单元(110)被设置用于确定所述至少第一和第二测量返回辐射的随时间变化的幅度的最大值。

5、根据权利要求4的光谱系统，其中所述测量单元还被设置用于根据所确定的幅度的最大值确定焦深。

6、根据权利要求2的光谱系统(100；400)，其中所述测量单元(110)被设置用于确定所述至少第一和第二测量返回辐射随时间变化的幅度之间的差值。

7、根据权利要求6的光谱系统，其中所述测量单元还被设置用于根据所确定的差值产生用于控制所述聚焦装置的控制信号。

8、根据权利要求2的光谱系统(100；400)，其中测量辐射和所述激发光束由相同光源(102；402)产生，其中所述聚焦装置还被设置用于将所述测量辐射导向到所述至少第一和第二容积中。

9、根据权利要求2的光谱系统(100；400)，其中所述测量单元(110)包括至少一个检测器元件(106；406，406)和至少一个孔径元件(412，414)，所述孔径元件形成用于所述至少第一和第二测量返回辐射(424；422)的一个孔径。

10、根据权利要求9的光谱系统(100；400)，其中所述至少一个检测器元件(106；406，406)和所述至少一个孔径元件(412，414)被设置用于可沿所述至少第一和第二测量返回辐射(424，422)的光轴移动。

11、根据权利要求9的光谱系统(100；400)，其中能根据所述孔径元件(412，414)的位置确定所述第一和第二容积(124，126；442，440)的位置。

12、根据权利要求3的光谱系统(100；400)，其中所述第一和第二容积(124，126；442，440)位于所述激发光束(116；418)的光轴上。

13、根据权利要求3的光谱系统(100；400)，其中所述第一和第二容积(1 24，126；442，440)与所述光谱系统的测量容积的中心等距离地隔开。

14、一种用于确定所关心容积(118；450)位置的方法，用于利用光谱系统确定所关心容积的性质，所述光谱系统具有用于将激发光束聚焦到所关心容积中的聚焦装置(410)和用于检测来自所关心容积的返回辐射以用于光谱分析的检测装置(408)，用于确定所关心容积位置的方法包括以下步骤：

在第一时间间隔期间，测量至少第一容积的光学性质，

在第二时间间隔期间，测量至少第二容积的光学性质，

根据所述至少第一和第二容积的光学性质确定所关心容积的位置，

其中至少第一和第二容积的光学性质表示所述第一和第二容积与所关心容积之间的重叠程度。

15、根据权利要求14的方法，其中所述第一和第二时间间隔完全重叠或部分重叠，或者所述第一和第二时间间隔定义两个不重叠的顺序时间间隔。

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