CN101500486A - 结合可见光与被动红外线技术及相关系统用于皮肤癌症先兆、痣和肿瘤的检测和识别及早期诊断 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非入侵性识别病理的皮肤损害的设备和方法。所述方法和设备通过结合光学的分析和红外光学信号，基于整体机制和光谱机制，来检测和识别不同种类的皮肤痣、肿瘤、损害和癌症(即黑素瘤)，用于检测和成像先兆的早期预警和潜在危险状况的治疗。

Description

结合可见光与被动红外线技术及相关系统用于皮肤癌症先兆、痣和肿瘤的检测和识别及早期诊断
技术领域与背景技术
本发明涉及一种用于识别病理的皮肤损害的非入侵性设备和方法。本发明尤其是涉及一种用于非入侵性检测和识别不同种类的皮肤痣、肿瘤、损害和癌症(即恶性黑素瘤)的设备和方法，通过结合光学的分析和红外光学信号，基于整体机制和光谱机制来检测和识别，用于检测和成像癌症先兆的早期预警和潜在危险状况的治疗。
通常，可疑的损害是通过活组织切片检查来确定它们的状况的。活组织切片检查存在许多明显的不足：首先，活组织切片检查需要组织的侵入式切除，这会产生疼痛，且花费昂贵。在活组织切片检查的中一次检查期间，只有数量非常有限的信号可以被识别，而病人都不乐意忍受如此大量的昂贵的和痛苦的检查试验。而且，活组织切片样品必须存储和运送到实验室中进行专家分析。这些存储和运送过程增加了成本，增加了样品可能被错误处理、毁坏或者丢失的机会，也会导致显著延长获得检查结果所需的时间。这个延长的时间意味着在随后进行的细查时需要将病人带回给医生，花费另一个检查期间。这增加了病人的不便，增加了费用，也增加了疾病恶化至不可治疗的风险，也会失去早期确诊的接触机会。而且，该等待的期间会导致病人产生明显焦虑。最后，活组织切片检查的结果解读通常是通过显微镜分析的，这样导致产生主观定性结果，这些主观定性结果对于检查结果的解读是很不合适的。
因此，在医疗诊断领域，尤其是在皮肤癌的病例中，人们对于安全、非入侵性检测技术是非常感兴趣的。癌症是一种发展缓慢的疾病，能通过监视经例行筛查确定的潜在的癌变损害来进行预防。然而，即使一个基本健康的病人愿意献身参加例行筛查程序，仍会受限于需要大量的时间、金钱，或者感到不方便。因此，筛查必须能够可信地识别危险性肿瘤，并快速、成本低廉且安全地区分危险性肿瘤与良性痣。
有许多采用主动机制的方法用于皮肤异常物的光谱分析和成像，已被广泛地知晓。这些方法已经不仅采用可见光和红外线的光学光谱和热成像方法，而且还采用了电磁微波、声学的、磁学的、紫外线和X-射线方法(例如，参见Fear，E.C.，and M.A.Stuchly，＂Microwavedetection of breast tumors：comparison of skin subtraction algorithms＂，SPIE，vol.4129，2000，pp.207-217；Gniadecka，M.，＂Potential for high-frequency ultrasonography，nuclear magneticresonance，and Raman spectroscopy for skin studies＂，Skin Research and Technology，vol.3，No.3，1997；以及Bruch，R.，et al，＂Development of X-ray and extreme ultraviolet(EUV)opticaldevices for diagnostics and instrumentation for various surface applications＂，Surface andInterface Anal.vol.27，1999，pp.236-246)。
X-射线技术，已经早于60年代起被成功地运用于检测在人体内的异常物，但该技术不适用于皮肤癌的早期检测，因为X-射线辐射的效果对于人体健康是有危害的，因此该技术不能经常(每周或者每月)使用于有皮肤异常物的病人的诊断，而这类诊断强烈需要在短期内反复检查。
声学的主动方法学，已被用于检测在人体内的结构，也是用于癌的皮肤异常物的早期诊断的非入侵性方法。癌症前期的皮肤损害常常是显微尺度的(属于毫米级或者微米级)，这些损害不能通过采用声学方法而被检测和识别(这些声学方法只限于检测比属于厘米级的声音波长更大的结构)。
皮肤肿瘤、痣和癌症的微波检测是基于在正常与异常皮肤组织的非传导性特性的对比。微波技术是非常复杂的，且以微波射线对人体进行辐射会产生危害效果。而且，微波信号的波长是从几毫米至几厘米，不能识别尺寸为半毫米或者更小的结构，而在半毫米范围的异常物在早期癌症诊断中是非常重要的[Bruch，R.，et al，＂Development of X-ray andextreme ultraviolet(EUV)optical devices for diagnostics and instrumentation for various surfaceapplications＂，Surface and Interface Anal.vol.27，1999，pp.236-246]。
用于皮肤异常的检测、识别和诊断的光学方法，已经被应用，以弥补上述传统的活组织切片检查和它们的解读的不足之处。光学方法可分为两种机制。第一种机制称为皮肤结构检测的整体机制。在该整体机制中，测量信号的红外空间分布，以获得关于皮肤性质方面的改变信息(如色温)，这些信息标记出正常皮肤和异常区域的界限。第二种机制称为光谱机制。在该光谱机制中，在多个频带内测量辐射强度，大体上基于从可见光到近红外(NIR)光谱带的反射光。该光谱机制对于识别特殊异常物是有用的，基于关于在频带范围内的异常物的相关“识别标志(signature)”的信息。
有许多用于皮肤损害的光学分析和成像的方法。总体上，这些分析采用主动机制，从外部光源来发出辐射，测量该幅射光束的反射、吸收和折射。这些非入侵性方法降低了费用，并得到客观的定量结果。而且，当需要进行身体采样时，用于光学分析的样品可以比传统活组织切片检查的样品更小。这样使采样程序显著地减少了对病人的外伤。光学分析甚至可以在医生的办公室或者操作室内进行，允许实时诊断和治疗，大大增加了治疗的效率，同时也降低了花费和延长时间的危险，并不会失去与病人接触的机会。然而，所有广为人知的技术，诸如光学成像、光学光谱分析与热成像技术，都存在不足之处，使它们不能完全适用于皮肤癌症和癌症先兆的检测和识别。
由BC癌症研究中心提出的一种用于皮肤癌症的非入侵性检测的光学光谱学技术，包括在皮肤的可见光波带(400-750nm)和荧光光谱上对皮肤的散射特性和吸收的分析。由于皮肤疾病引起的化学和结构的改变导致特有的自发荧光和散射的反射比光谱。这些光谱特征能被用于区分皮肤癌症和其他皮肤疾病。单独采用反射比光谱，是难以区分多种皮肤状况的，因为不同的皮肤疾病具有类似的反射比光谱。通过考虑针对特定皮肤疾病的相关的荧光光谱，经常可能会区分不同的具有类似反射比光谱的皮肤异常物。然而，作为一种只限于可见光频带的纯光谱方法，该方法不会给出关于某个损害的几何学方面的重要信息。一些损害也是难以肯定地识别的，即使同时采用荧光光谱和反射比光谱。例如，刺激泌脂的角化症的荧光强度是比正常皮肤或高或低的，取决于该损害的厚度和角化过度的程度。因此，不值得期待能在某个损害上获得进一步的识别信息，以便肯定地识别该损害，以及该损害的发展阶段和对病人的危害。
另一种用于识别皮肤损害的光学系统是MelaFind，它由电光科学公司(Electro-OpticalSciences Inc.，EOS)所创立，用于非入侵性早期黑素瘤的检测。该系统的操作原理是基于多谱段的图像分析(多谱段的皮肤镜图像被用作随后的计算机分析的输入数据)。诊断方法包括：步骤1：多谱段成像；步骤2：图像分割(去除毛发，分割损害部位)；以及步骤3：提取和分析特征。一种探测器使用反射光来对损害进行成像。从近红外线(NIR)到可见光的光谱带采用不同的窄光谱波长的光以获得在该损害的吸收和散射性质上的信息，可获得十个图像。这提供了关于该损害的界限、尺寸和形态学的信息，这些信息是不能通过肉眼获得的。一种专门的成像探测器可检测在每个光谱带的发光情况，制作数字化图像，并将图像送到计算机进行处理。该方法缺乏使整个光谱分析实时进行的能力，因而不能肯定地识别该损害的颜色和阴影，因此不能肯定地区分所有种类的良性的、癌症前期的和癌的损害。该方法不能给出在该损害的深度方面的精确信息。
另一种光学方法是基于一种熟知为DermLite的设备。该方法采用交叉极化的无油表皮发光显微镜来改进有颜色的皮肤损害和基础细胞癌的诊断。该DermLite设备合并了交叉极化滤光器，该滤光器减少了从皮肤表面产生的光的反射比，且准许较深结构的可视化。从白色的发光二级管(LEDs)发出的光，是由一种特殊滤光器线形地极化的，从放大镜观测到的图像也是线形地极化的，以致抵偿从皮肤表面而来的反射光。这种模式被称为交叉极化ELM，已经被广泛研究用于有颜色的损害的成像，该成像用于黑素瘤的早期检测。虽然该方法允许近表面损害的完全可见光光谱成像，但是它不能确定该损害的深度。而且，单独基于可见光反射比光谱学，是不可能从正常皮肤或痣中区分多种病理的损害。例如，在图2中，仅显示了在侵略性的癌症前期的结构1b和良性痣之间的区分，由于在近红外区增加的吸收。
用于分析和分类皮肤病理的窄带红外光谱方法学包括：拉曼(Raman)光谱学[Barry，B.W.，H.G.M.Edwards，and A.C.Williams，＂Fourier transfom Raman and infrared vibrationalstudy of human skin：assignment of spectral bands＂，Journal of Raman Spectroscopy，vol.23，1992，pp.641-645；Gniadecka，M.，H.C.Wulf，and N.N.Mortensen，＂Diagnosis of basal cellcarcinoma by Raman spectroscopy＂，Journal of Raman Spectroscopy，vol.28，1997；Fendel，S.，and Schrader，＂Investigation of skin and skin lesions by NIR-FT-Raman spectroscopy＂，JournalofAnnal.of Chemistry，vol.5,1998；Sterenborg，H.J.C.M.，M.Motamedi，F.Sahebkar，et al.，＂In vivo optical spectroscopy：new promising techniques for early diagnosis of skin cancer＂，SkinCancer，vol.8，1993，pp.57-65]和基于红外线(IR)光谱诊断学的方法(称为傅里叶转换红外光谱学，FTIR)结合纤维光学技术(称为纤维光渐逝波法，FEW)[Afanasyeva，N.，S.Kolyakov，V.Letokhov，et al，＂Diagnostic of cancer by fiber optic evanescent wave FTIR(FEW-FTIR)spectroscopy＂，SPIE，vol.2928，1996，pp.154-157；Afanasyeva，N.，S.Kolyakov，V.Letokhov，et al，＂Noninvasive diagnostics ofhuman tissue in vivo＂，SPIE，vol.3195，1997，pp.314-322；Afanasyeva，N.，V.Artjushenko，S.Kolyakov，et al.，＂Spectral diagnostics oftumortissues by fiber optic infrared spectroscopy method＂，ReportsofAcademy ofScience of USSR，vol.356，1997，pp.118-121；Afanasyeva，N.，S.Kolyakov，V.Letokhov，and V.Golovkina，＂Diagnostics of cancer tissues by fiber optic evanescent wave Fourier transform IR(FEW-FTIR)spectroscopy＂，SPIE，vol.2979，1997，pp.478-486；Bruch，R.，S.Sukuta，N.I.Afanasyeva，et al.，＂Fourier transform infrared evanescent wave(FTIR-FEW)spectroscopy oftissues＂，SPIE，vol.2970，1997，pp.408-415；Brooks，A.，R.Bruch，N.Afanasyeva，et al.，＂Investigation of normalskin tissue using fiberoptical FTIR spectroscopy＂，SPIE，vol.3195，1997，pp.323-333；Afanasyeva，N.，S.Kolyakov，L.N.Butvina，＂Remote skin tissue diagnostics in vivo by fiberoptic evanescent wave Fourier transform infrared spectroscopy＂，SPIE，vol.3257，1998，pp.260-266；Brooks，A.，N.Afanasyeva，R.Bruch，et al.，＂Investigation of human skin surfaces invivo using fiber optic evanescent wave Fourier transform infrared(FEW-FTIR)spectroscopy＂，Surface and Interface Analysis，vol.27，1999，pp.221-229；Brooks，A.，N.Afanasyeva，R.Bruch，et al.，＂FEW-FTIR spectroscopy applications and computer data processing for noninvasive skintissue diagnostics in vivo＂，SPIE，vol.3595，1999，pp.140-151；Sukuta，S.，and R.Bruch，＂Factor analysis of cancer Fourier transform evanescent wave fiber-optical(FTIR-FEW)spectra＂，Lasers in Surgery and Medicine，vol.24，No.5，1999，pp.325-329；Afanasyeva，N.，L.Welser，R.Bruch，et al.，＂Numerous applications of fiber optic evanescent wave Fourier transforminfrared(FEW-FTIR)spectroscopy for subsurface structural analysis＂，SPIE，vol.3753，1999，pp.90-101]。这些技术采用3-5μm或10-14μm范围的窄光谱波带(MIR纤维光的光谱学[Artjushenko，V.，A.Lerman，A.Kryukov，et al.，＂MIR fiber spectroscopy for minimal invasivediagnostics＂，SPIE，vol.2631，1995])。这些窄带红外线方法对于从异常组织中区分正常皮肤是有效的。然而，受限于对窄带红外线的测量，这些方法不能检测在非良性痣和早期癌症先兆之间的细微区别。这些方法甚至不能可信地从皮肤癌中区分痣，正如图2所示，在可见光光谱中，痣具有它们自身特有的最大量，不能仅采用红外区段来肯定地识别。
与红外光谱学相比，热成像方法采用光学照相机来产生皮肤肿瘤或皮肤病理异常的有色照片。该被动整体机制方法可检测从正常和病理组织中来的红外辐射的图案的差异。总的来说，该成像的结果可分为四类主要参数。再将这些参数用于病理的和良性的皮肤异常物(例如，肿瘤、黑素瘤、损害和痣)的检测和识别。这些参数是：a)异常形状的不对称性；b)异常物的界限；c)异常物的颜色；d)异常物的尺寸。热成像的主要局限是：热成像照相机受限于它们的检测与癌症前期的损害相关联的非常精细温度差异的能力不足，且缺乏光谱数据，单独基于该整体机制，该方法几乎是不可能肯定地区分良性的和恶性的损害。
由SIAscopy公司提出的超光谱成像方法(HIM)是一种基于光谱机制的被动方法。HIM采用可选择的光谱范围，采用多种窄波带。因为该方法不包括连续光谱，HIM方法不能给出关于有病的和健康的组织的阴影和颜色特征。这样，对于检测在癌症前期的损害的微细变化，HIM不是非常好的方法。而且，缺乏整体组件，HIM不能测量损害的形态学，尤其是不能测量损害的深度。
AstronClinics(MAC)公司的方法是一种基于光谱机制的被动方法，根据皮肤科医生的要求选择频带宽。该方法也包括一种整体机制，可测量温度梯度，用于皮肤异常物的结构的成像。当异常物的温度接近于正常皮肤结构的温度时，温度梯度的测量是无效的。这个方法的光谱机制的主要缺点是：由于它受限于几个窄频带，它不能获得关于颜色和阴影的完全信息，而这些信息是黑素瘤的基础参数。
用于DIRI成像的方法[Melnik B.“Optical Diagnostics of Skin Cancer，”M.Sc.Thesis，Ben-Gurion Univ.2004]是基于图案和分布IR辐射的测量的整体机制(采用一种IR照相机)。这种方法不是完全被动的，因为在某个损害的冷却过程中，它需要通过IR辐射和之后观察热流和温度降低的速度，以相关异常物(例如痣或者黑素瘤)对组织进行加热。在本方法中，也可观察到温度的梯度。一种光谱机制测量是可选择地执行的，只采用一些从整个光谱选取的一些频带。该方法的分辨率低，不足以识别感兴趣的异常物，因为它会受到噪音和混乱的影响。而且，因为该方法缺乏在深度方面的信息，且包括只对可见光带辐射的测量，该方法的识别度较低。该方法的另一个不足是：它需要对皮肤的加热和冷却的附加操作。
这样，广为人知的是，一种非入侵性的方法学，用于识别所有种类的皮肤病理状况尤其是早期癌症先兆，是具有很高优势的。本发明满足了这个需求，通过应用一种区分测量以改善对于在从皮肤发出的可见光和红外线辐射的强度的细微差异的敏感度。所改善的敏感度允许对在光吸收和在皮肤中热产生的变化的精细量化，这些都是不同形式的皮肤损害与癌症发展的不同阶段的特征。因此，本发明揭示了一种极为敏感的方法，以便区分正常皮肤细胞和那些病变异常物。例如，如下面实施例中，本发明采用了这种将正常皮肤细胞对照有病变异常物的皮肤细胞的区分测量，以一种整体机制和一种皮肤分析的光谱机制。在该整体机制中考虑宽频带的对照的光谱分布，以检测某个损害，并评定该损害的位置、尺寸和形状。该对照的频率依赖性，它的数量和它的标记都用于评定，血管的和代谢作用的活性，这些对于正常皮肤和病变异常的皮肤是有差异的。综上所述，两种机制都允许精确诊断不同皮肤异常物，且便于癌症的和癌症前期的症状的早期预警。作为一种非入侵性方法，所提出的发明允许研究者可以对任何皮肤异常物进行非破坏性的检测。
发明内容
本发明涉及一种用于识别病理的皮肤损害的非入侵性方法和设备。本发明尤其是涉及一种用于非入侵性检测和识别不同种类的皮肤痣、肿瘤、损害和癌症(即恶性黑素瘤)的方法和设备，通过结合光学的分析和红外光学信号，基于整体机制和光谱机制来检测和识别，用于检测和成像先兆的早期预警和潜在危险状况的治疗。
根据本发明的教导，这里提供了一种用于识别在对象皮肤里的损害的非入侵性方法。所述方法包括测量辐射以找到由皮肤发出辐射的异常物的位置的步骤。该异常物是由于损害而产生的。接着执行光谱分析，量化在可视光谱带内的第一信号和在红外光谱带内的第二信号。然后，基于所述位置和所述光谱分析的结果来识别该皮肤损害。
根据本发明的教导，这里还提供了一种用于识别在皮肤的损害的探测器。该探测器包括对第一频带敏感的第一传感器组件。该第一传感器组件配置为确定在由皮肤发出的第一辐射信号中的异常物的位置和特征。该异常物是由于损害而产生的。该探测器还包括第二传感器组件，配置为对第二频带敏感，以及处理器，配置为识别损害，该识别是基于所述位置、所述特征，以及在由皮肤发出的在所述第二频带内的未变辐射信号与由所述第二传感器组件在所述位置测量的第二辐射信号之间的对比。
根据本发明以下所述的优选实施例的进一步特征，所述识别损害的步骤还包括认出癌症先兆。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，癌症先兆是基于在近红外光谱带内的能量的测量而认出的。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射包括从皮肤反射的可见光。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射包括由皮肤的荧光发出的可见光。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射包括由皮肤发出的黑体中红外光谱带能量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射包括在宽频带内的能量，该宽频带包括红外线和可见光频带。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射包括由皮肤散射的在近红外线频带内的能量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所测量的辐射不仅包括从皮肤反射的可见光，还包括由皮肤发出的黑体中红外光谱带能量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述找到损害的步骤包括以下子步骤：量化从皮肤未损害处发出的第一能量，接着测量从检出损害位置发出的第二能量，然后计算在所述第一能量与第二能量之间的区分测量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述方法还包括以下步骤：对损害进行分类，形成基于所测量的辐射异常物的特征的总种类。在将损害分类为一个总种类后，在该总种类内适用光谱分析以区分不同的对象。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述适用光谱分析的步骤包括从该光谱分析中选择频带。所选择的频带是最优的，以区分在所述总种类内的至少两个不同对象。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述方法还确定该损害的深度。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述找到损害的步骤和所述确定损害深度的步骤是同时进行的。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述确定损害深度的步骤包括以下子步骤：测量由所述损害发出的红外线能量，再基于所述测量的结果来计算该损害的深度。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，用于识别损害的方法还包括以下步骤：测量荧光，所述识别损害的步骤是进一步基于荧光的测量的输出值。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述在光谱分析中的第二信号包括具有5.5至7.5微米之间波长的红外线能量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述进行光谱分析的步骤包括以下子步骤：测量在所述位置发出的在第一频带内所测量的第一能量，量化在所述位置发出的在第二频带内所测量的第二能量，并计算在所述第一能量与第二能量之间的区分测量。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，在所述光谱分析中的第二信号包括：在外部辐射源的输出和所述损害的输出之间的交互作用的产物，从所述损害发出的热流，从所述损害反射的光，以及由所述损害发出的黑体辐射。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述识别损害的步骤包括将所述损害分类为许多种类的一类。潜在的种类包括：良性痣、病变的癌症先兆和癌的损害。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述用于癌症损害的探测器的第一传感器组件包括电子传感器，而第二传感器组件包括该电子传感器和光谱通带滤光器。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述用于癌症损害的探测器还包括：用于产生光束的可见光光源，而所述第一传感器组件被配置为检测从皮肤反射的光束。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述用于癌症损害的探测器还包括：紫外线光源，配置为引发皮肤的荧光，而所述第二传感器组件被配置为检测该荧光。
根据在优选实施例中所述的进一步特征，所述处理器包括：操作员、专门的电子处理器或者个人电脑。
附图简要说明
在这里，仅通过与实施例的方式来描述本发明的内容，与以下的附图有关：
图1是根据本发明所述的一种用于识别癌损害的设备的第一个实施例；
图2是从良性痣到恶性黑素瘤的不同阶段反射的光的可见光带的光谱图；
图3a是一光谱图，显示从刺激泌脂的角化症和正常皮肤中发出在可见光带内的荧光光谱；
图3b是一光谱图，显示从刺激泌脂的角化症和正常皮肤中发出的可见光带的反射光谱；
图3c是一光谱图，显示从混合痣和正常皮肤中发出的可见光带的荧光光谱；
图3d是一光谱图，显示从混合痣和正常皮肤中发出的可见光带的反射光谱；
图4是恶性黑素瘤的红外线对照光谱图；
图5是根据本发明所述的一种用于识别癌损害的方法的流程图；
图6是根据本发明所述的一种用于识别癌损害的设备的第二个实施例；
图7是根据本发明所述的一种用于识别癌损害的设备的第三个实施例。
具体实施方式详述
根据本发明所述的一种用于识别病理的皮肤损害的非入侵性方法和设备的原理和操作，可以根据附图和相关说明而得到较好的理解。
图1显示了根据本发明所述的一种用于皮肤癌的早期检测方法。皮肤探测器12a包含光纤束，包括6个照明光纤14a、14b、14c、14d、14e和14f，以及读取光纤16a，正如在横截面18a所示。探测器12a是从病人的皮肤20a上扫过的。照明光纤14a-f连接到光源22a，该光源包含He-Cd激光和QTH灯。读取光纤16a穿过可调整滤光器24而连接至分光计卡26，数据留在个人电脑(PC)28a中。所提供的PC28a带有显示器30a，用于结果的显示，例如，显示光谱图32。
一种在可见光频带内的宽带整体测量，被用于在从皮肤20a发出的可见光带内找到反射能量的异常物的位置。为了进行该宽带测量，滤光器24设置为允许宽带的光通过读取光纤16a。在图1所示的实施例中，该整体测量是在300-900nm的波长范围内(也就是，在可见光和近红外线光谱带内)进行的。光源22a的QTH灯被激活，在可见光和近红外线光谱带内产生光束。该光束向下行经照明光纤14a-f，并在皮肤20a上发光，该光反射离开皮肤20a的表面，并沿着读取光纤16a传输，通过滤光器24到达分光计卡26。分光计卡26将信号数字化，并将结果传送到PC28a，用于处理。首先，对从正常皮肤反射的光的强度进行测量，该结果是从规则的皮肤结构R′发出的全部的能量流。接着，扫描该皮肤的感兴趣的区域，找到异常物。在该点的辐射流测量结果R＂被扫描后，由PC28a进行处理，并输出作为从正常皮肤的区分测量。在如图1所示的实施例中，该区分测量，对照C是根据公式C＝(R′-R＂)/(R′+R＂)来计算的。异常物区域(当对照的吸收值大时)是可识别的，用于在该光谱机制内作进一步研究，以识别异常物的精确状态，识别该异常物是否良性结构，是否需要监视的癌症先兆，或者是否需要治疗的病变损害。
在如图1所示的实施例中，分别进行了四个测量。第一个测量的是可见光信号，由于通过采用通频带滤光器产生荧光，以将滤光器24设置为允许可见光的第一窄带Δλ1通过读取光纤16a，并激活光源22a的He-Cd激光，以产生紫外线光束。该紫外线光束向下行经照明光纤14a-f，并在皮肤20a上发光，刺激在皮肤20的表面发出荧光，产生可见光带的光，该光沿着读取光纤16a传输，通过滤光器24到达分光计卡26。分光计卡26将信号数字化，并将结果传送到PC 28a，用于处理。PC 28a因而测量在第一窄带内的荧光。接着，操作员调整滤光器24，以使光在第一窄带Δλ2通过，而PC 28a测量在第二窄带内的荧光。使用者继续重复地改变滤光器24，并测量信号，该信号是一组光带，产生一个荧光光谱。
在如图1所示的实施例中，在光谱强度R的每个光谱带Δλi对于正常皮肤是定量的R′(Δλi)，而在异常物区域的位置，其光谱强度R＂(Δλi)是测量的。发出辐射的光谱密度(dR/dλ；其中，R表示在所选择的光谱带内的全部辐射流，λ表示波长)的在每个光谱带内的对照C，Δλi，是由PC 28a按下式计算的：C(Δλi)＝[R＂(Δλi)-R′(Δλi)]/[R＂(Δλi)+R′(Δλi)]
在测量了荧光光谱后，操作者测量由于可见光的反射而产生的第二信号，通过关闭He-Cd激光并激活光源22a的QTH灯。该QTH灯产生可见光，该光穿过照明光纤14a-f，在皮肤20的表面上发光，并反射回读取光纤16a。操作员接着调整滤光器24，以PC 28a进行测量，产生一个反射的可见光光谱图(如图2所示)，显示在显示器30a上。
在测量了反射可见光/NIR光谱后，操作员关闭光源22a并调整光纤16a，让光通过该光纤进入中红外线(MIR)机制。如上所述的从频带与频带之间的改变过程中，操作员被动地测量第三信号，该信号是从皮肤20a发出的中红外线(MIR)频带光谱(如图4所示)，该皮肤20a是以温度为T0≈36.60C的黑体来处理的，该黑体在MIR光谱范围内辐射。这样，通过改变滤光器24的频率依赖性，该探测器12的传感器组件和分光计卡26被用于测量在不同频带内的能量。
探测器12a也被用于在宽带MIR(Δλ＝4-12μm)内以整体模式来扫描异常区，以便采用地形学上的技术勾画出在皮肤表面和在深处的异常区的形状。该异常物的深度是非常重要的关于异常物所在区域的参数，因为在一些临界深度处，黑素瘤能被转变成它的危险形式。特别地，血管存在于皮肤表面以下的数毫米处，深达7mm的损害是很可能通过血管转移的，也是比浅处损害更具危险性的。因为可见光不能穿透皮肤，采用可见光(反射光或者荧光)成像方法难以确定某个损害的深度。
可选择的是，采用探测器12a在主动模式下确定某个损害的深度，以测量NIR散射。在这个实施例中，光源22a会在约900nm波长的窄带内产生NIR光。该NIR光可穿透常规皮肤，但被血管散射。类似地，滤光器24被调整为允许NIR光通过读取光纤16a。这样，探测器12a将检测在接近皮肤表面具有血管密度增加(黑素瘤发展的典型信号)的位置。
接下来的实验已经验证了本发明。1)在可见光频带：在文献[Melnik B.＂OpticalDiagnostics of Skin Cancer，＂M.Sc.Thesis，Ben-Gurion Univ.2004]中描述了这些实验，通过采用可见光光谱来检测和识别黑素瘤和痣。用约100只小鼠进行研究，从在损害部位注射黑素瘤的初始阶段起，分析癌症发展的动态变化，直至癌症演变的最后阶段。同时，通过被动方法观察了具有不同种类的痣的80名病人。观察到超过60个关于不同种类的痣的光谱图。所有这些光谱图显示：正常痣在500nm处具有相对于常规损害的它的对比的最大量。图2a、图2b和图2c都显示了从小鼠的痣获得的可见光辐射的吸收对照的标准化的光谱特征，从痣发展到黑素瘤的三个发展阶段。图2a显示了正常痣的光谱图在500nm处具有明显大量的反射比102a。一些痣是有侵略性的，以致在几个星期后，它们转变为黑素瘤，其具有高原状的光谱分布(如图2c所示)。图2b显示了一种侵略性癌症前期的痣的光谱图，它在500nm处具有峰102b，类似于正常的痣，但可通过在NIR带(900nm)内的相对于正常痣提高的反射比104b，认出该侵略性癌症前期的痣，正常痣在NIR带104a处有非常低的反射率。发展后的黑素瘤具有高原状的可见光反射光谱图106，如图2c所示。
图3a和图3b显示了正常皮肤202a，b和刺激泌脂的角化症204a，b的典型荧光的例子(图3a)和散射反射比光谱的例子(图3b)。图3c和图3d显示了正常皮肤202c，d和刺激泌脂的角化症206a，b的典型荧光的例子(图3c)和散射反射比光谱的例子(图3d)。采用单独的反射光谱202b，d、204b、206b或者在白光照射下的可见光检查，是难以区分刺激泌脂的角化症204b和混合痣206b的。然而，当同时考虑了对于特定皮肤疾病的相关荧光光谱时，是有可能区分刺激泌脂的角化症204a和混合痣206a的，该刺激泌脂的角化症204a具有比正常皮肤高的荧光强度，该混合痣206a具有比正常皮肤低的荧光强度。不过，在一些病例中，刺激泌脂的角化症也会有比他们周围正常皮肤低的荧光强度，这取决于损害厚度和角化过度的程度。
这样，可见光反射比是不足以识别许多损害的(例如，混合痣和刺激泌脂的角化症)。分析可见的荧光将可识别一些损害(例如，荧光强度高于正常皮肤的刺激泌脂的角化症)，但在一些病例(例如，混合痣和荧光强度低于正常皮肤的刺激泌脂的角化症)中，需要更多的信息。在一些病例中，仅采用可见光谱是不可能区分黑素瘤和良性痣的。在图1所示的实施例中，这些疑难病例是采用IR光谱学来识别的。
在本发明的另一个实施例中，所述整体辐射扫描并非对异常物的每个位置都全部进行光谱测量。取决于该整体扫描的特性，该异常物被分入一个总种类中，然后针对在该总种类中的特定损害之间的区别采取光谱扫描方法。例如，如果某个损害在NIR带的初始整体扫描中显示增加的反射比104b，则将该损害归类为黑素瘤(图2c)、癌症前期的混合痣(图2b)或者良性的刺激泌脂的角化症204b。为区分这些损害，首先在500mm波长处进行可见的荧光扫描，该波长是用于从混合痣区分角化症的最佳波长，通过比较光谱图204a到光谱图206a，可以观察到。如果该荧光是相对于正常皮肤提高的，则可将该损害识别为刺激泌脂的角化症。如果该荧光不是提高的，则测量完全可见光反射光谱。如果在500mm波长处有最大的反射比，则该损害可识别为癌症前期的痣，如图2b所示。该可见光反射光谱是以被动的MIR扫描制作的。如果在皮肤表面附近发现该热流有所提高，则该损害可识别为潜在的浅部黑素瘤。如果在皮肤深处发现该热流有所提高，则该损害可识别为潜在的深部黑素瘤。
图4显示了两类黑素瘤的三个被动红外线对比光谱图：所测量的女性黑素瘤301和男性黑素瘤302的被动IR光谱图，理论上计算出的和实际测量的。因为所测量的参数是对照的，对于正常皮肤，光谱图是一条在原点0处的平行直线。类似地，良性痣具有类似于正常皮肤的热流，因此其光谱图也是原点0的平直对照。可见，黑素瘤可通过在5-7μm之间的MIR带内的清晰峰而被识别。实际上，黑素瘤和相关的增加的流通导致局部温度以0.1K逐级升高。该温度升高导致从皮肤的黑体辐射的小量增加。该小量的增加不会反映在热成像或者FLIR(前视红外线)照相机中。然而，采用焦热电的检测器(例如，如图1和图4所示的实施例中的检测器，从美国ORIEL设备公司获得[可参见关于测量技术的详细说明，如Brooks，A.，N.Afanasyeva，R.Bruch，et al.，＂Investigation ofhuman skin surfaces invivo using fiber optic evanescent wave Fourier transform infrared(FEW-FTIR)spectroscopy＂，Surface and Interface Analysis，vol.27，1999，pp.221-229；Brooks，A.，N.Afanasyeva，R.Bruch，et al.，＂FEW-FTIR spectroscopy applications and computer data processingfor noninvasive skintissue diagnostics in vivo＂，SPIE，vol.3595，1999，pp.140-151；Sukuta，S.，and R.Bruch，＂Factor analysis of cancer Fourier transform evanescent wave fiber-optical(FTIR-FEW)spectra＂，Lasers in Surgery and Medicine，vol.24，No.5，1999，pp.325-329；and Afanasyeva，N.，L.Welser，R.Bruch，et al.，＂Numerous applications of fiber optic evanescent wave Fouriertransform infrared(FEW-FTIR)spectroscopy for subsurface structural analysis＂，SPIE，vol.3753，1999，pp.90-101])并采用IR辐射强度的区分测量来处理该信号(例如，如图1和图4所示的实施例中的区分参数对比)，该小量的增加是易于检测到的，即使这些损害深藏于皮肤表面以下数厘米处。在如图1所示的实施例中，通过连续的采用不同滤光器的窄带IR测量来制作IR光谱图(如前所述的对于可见光带光谱的测量)。在另一些实施例(见图6和图7)中，通过同时测量得到不同窄带信号(采用多重检测器和多重折射光栅滤光器)或者采用单独的测量，PC 28b采用傅立叶变换计算光谱图，该光谱图是在FTIR内来自干涉图或者其他已知测量技术。
图5是根据本发明所述的用于识别皮肤损害的方法的流程图。会诊开始402，通过引导受试病人皮肤的整体扫描404以识别潜在损害的位置。特别地，在图5所示的实施例中，该整体扫描是在被动(黑体)MTR辐射的宽带(从2-10μm)的总强度的对比。记录在发出黑体MTR辐射的异常体的位置。医生也记录在视觉上的在皮肤内可疑的可见异常物的位置(在反射可见光区的异常物)。如果有任何未经确认的异常物，以光谱模式来扫描该异常物的特殊位置。首先，以紫外线照射该皮肤，并在可见光带测量荧光光谱408。接着，以白光照射该皮肤，测量可见光反射比光谱410(注意，这是一个宽带光谱，也包括在NIR范围或以上范围的测量)。最后，关闭该光源，并测量黑体辐射的被动红外线光谱412。最后，采用线断层技术在IR范围内扫描该损害的区域，被动地测量黑体辐射，以确定在皮肤表面和在皮肤深处的损害的形状414。基于上述光谱扫描的结果来识别该损害，通过整体和线断层扫描来确定该损害的位置，进行如下的分析416:1)如果该可见反射光谱图具有高原形状，且该损害具有比正常皮肤高的热流量(被动MIR)，线断层摄影显示该增加的IR流量能在皮肤表面以下超过5mm的深处被识别，该病人将被诊断为危险性的黑素瘤，并将送往立即外科治疗；2)如果该可见光反射光谱具有高原形状且有高MIR流量，但线断层摄影显示该损害的深度少于5mm，该病人将被诊断为有不太危险的黑素瘤，并将送去以液氮“烧(burned)”该损害，以及作深层活组织检查和波节研究；3)如果该可见光反射光谱不具有高原形状，但具有在NIR区(在900nm处)增加的反射比，并对于超过5mm的深处有增加的热流量，则将该损害诊断为危险性的癌症先兆，并将送去作外科切除；4)如果该可见光反射光谱不具有高原形状，但在900nm处有增加的反射比，而在低于5mm的深处没有增加的热流量，则将该损害诊断为不太危险的潜在的癌症先兆，并使病人处于密切观察的状态；5)如果该可见光反射光谱具有正斜面，没有NIR反射比的升高，但在荧光方面比正常皮肤有所增加，且没有增加的热流量，则该损害被诊断为良性的刺激泌脂的角化症；6)如果该可见光反射光谱具有正斜面，没有NIR反射比的升高，但在荧光方面比正常皮肤有所减少，且没有增加的热流量，则该损害被诊断为可疑的良性混合痣，该病人将保持在观察状态以监视可能的病变转化。如果有更多未经确定的异常物406，则该光谱扫描步骤408-412、线断层扫描步骤414和分析步骤416都是对于每个异常区域重复进行的。如果不存在更多的未经确定的异常区域，则该次会诊将结束418。
图6显示了本发明的第二个实施例。在图6所示的实施例中，采用探测器12b研究了病人的皮肤20b，该探测器12b具有照明光纤14g，该光纤连接到光源22b。该探测器12b还包含读取光纤16b，该光纤连接到分光计502。分光计502同时测量在可见光、NIR和MIR等多个频带的辐射，采用了检测器系统504，该系统可以使多个检测器的阵列，每个检测器测量不同的频带。可选择地，检测器系统504也可以是干涉计，产生干涉光谱，该光谱由处理器来解读，该处理器可以是PC 28b等可作傅立叶变换分析的装置。在任何状况下，检测器系统504的测量结果都通过界面电子学方法送到PC 28b，而PC 28b在屏幕30b上显示这些测量结果为光谱图。PC 28b也连接到第一控制电缆506a以控制光源22b，从而在紫外线或者可见光范围内提供照明，以便分别测量可见的荧光或者可见光的反射(可见光的反射和荧光不能同时测量，因为所测量的信号是在相同频带)，PC 28b还连接到第二控制电缆506b以控制检测器系统504。在一个可选实施例中，所有组件(除了检测器12b)都位于一个小的便携式盒内(该处理器是专门的处理器，相对于PC 28b的标准处理器而言)。
图7显示了根据本发明所述的扫描器组件600的第三个实施例。特别地，扫描器组件600包括主动可见光传感器组件602，该组件是一束五条光纤，其中四条是照明光纤14h-14k，另一条是读取光纤16c，显示在横截面18b上。可见光不能穿透皮肤，因此该可见光传感器组件602是由透镜610c聚焦到皮肤20c表面的一点612上。扫描组件600也包括两个被动MIR传感器组件604a和604b，这些组件是由透镜610a和610b在比点612低7mm的一点处从相反角度分别聚焦的。这样，当扫描器组件沿着扫描方向606移动时，可见光传感器组件602沿一条线探测皮肤表面的变色点(或者荧光)，而MIR传感器组件604a和604b同时沿着同一条线从两个方向测量黑体MIR辐射，以便测量损害614的深度。这样，可找到该损害的位置，基于从皮肤发出的可见光信号，由于在皮肤20c表面的反射比或者荧光，以及基于从皮肤20c表面之上或之下在MIR带内作为黑体辐射发出的被动IR能量信号。而且，由于多种传感器的聚焦点不同，在皮肤20c表面的损害的位置和在皮肤20c表面之下深处的损害都是同时被确定的。
值得注意的是，上面描述的内容仅仅是作为一些范例，可能有更多其他实施例在本发明的精神和保护范围之内。
在本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请，在这里被整体引入为本说明书的参考资料，在相同程度上，如果每个单独的出版物、专利或专利申请是特别地和单独地描述并在这里被引入为参考资料。而且，在本专利申请中对任何参考资料的引用或者鉴别将不被视为允许该参考资料构成本发明的现有技术。

Claims (25)

1、一种用于识别在对象皮肤里的损害的非入侵性方法，包括以下步骤：
d)找到由皮肤发出辐射的异常物的位置，所述异常物是由于损害而产生的；
e)执行光谱分析，包括：量化在可视光谱带内的第一信号和在红外光谱带内的第二信号；以及
f)基于所述位置和所述光谱分析的结果来识别该皮肤损害。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述识别损害的步骤包括认出癌症先兆。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的认出是基于在近红外光谱带内的能量的测量。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射包括从皮肤反射的可见光。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射包括由皮肤的荧光发出的可见光。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射包括由皮肤发出的黑体中红外光谱带能量。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射包括在宽频带内的能量，该宽频带包括红外线和可见光频带。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射包括由皮肤散射的在近红外线频带内的能量。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辐射不仅包括从皮肤反射的可见光，还包括由皮肤发出的黑体中红外光谱带能量。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述找到的步骤包括以下子步骤：
(i)量化从皮肤未损害处发出的第一能量；
(ii)测量从所述损害位置发出的第二能量；以及
(iii)计算在所述第一能量与第二能量之间的区分测量。
11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
g)对损害进行分类，形成基于所述异常物的特征的总种类；以及
h)在所述总种类内适用所述光谱分析以区分不同的对象。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述适用的步骤包括从所述光谱分析中选择频带，所述频带是最优的以区分在所述总种类内的至少两个不同对象。
13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
i)确定所述损害的深度。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述找到的步骤和确定的步骤是同时进行的。
15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述确定的步骤包括以下子步骤：
(i)测量由所述损害发出的红外线能量；
(ii)基于所述测量的结果来计算所述损害的深度。
16、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
d)测量荧光；
其中，所述识别的步骤是进一步基于所述荧光测量的输出值。
17、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二信号包括具有5.5至7.5微米之间波长的红外线能量。
18、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行光谱分析的步骤包括以下子步骤：
(iii)测量在所述位置发出的在第一频带内所测量的第一能量；
(iv)量化在所述位置发出的在第二频带内所测量的第二能量；
(v)计算在所述第一能量与第二能量之间的区分测量。
19、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二信号包括至少一个发射物，选自以下群组：在外部辐射源的输出和所述损害的输出之间的交互作用的产物，从所述损害发出的热流，从所述损害反射的光，以及由所述损害发出的黑体辐射。
20、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述识别包括根据多个种类对所述损害的分类，所述种类包括：良性痣、病变的癌症先兆和癌的损害。
21、一种用于识别在皮肤的损害的探测器，包括：
a)对第一频带敏感的第一传感器组件，所述第一传感器组件配置为确定在由皮肤发出的第一辐射信号中的异常物的位置和特征，所述异常物是由于损害而产生的；
b)第二传感器组件，配置为对第二频带敏感；以及
c)处理器，配置为识别损害，该识别是基于所述位置、所述特征，以及在由皮肤发出的在所述第二频带内的未变辐射信号与由所述第二传感器组件在所述位置测量的第二辐射信号之间的对比。
22、根据权利要求21所述的探测器，其特征在于：所述第一传感器组件包括电子传感器，所述第二传感器组件包括所述电子传感器和光谱通带滤光器。
23、根据权利要求21所述的探测器，其特征在于，还包括：
d)用于产生光束的可见光光源；
其中，所述第一传感器组件被配置为检测从皮肤反射的所述光束。
24、根据权利要求21所述的探测器，其特征在于，还包括：
e)紫外线光源，配置为引发皮肤的荧光；
其中，所述第二传感器组件被配置为检测所述荧光。
25、根据权利要求21所述的探测器，其特征在于：所述处理器包括至少一个处理单元，选自以下群组：操作员、专门的电子处理器和个人电脑。
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