CN101621959A - 漫射光学层析成像 - Google Patents

Abstract

漫射光学层析成像设备包括：光源，其用于照射身体乳房部位；夹持设备，其被配置用于夹持该身体部位；测量设备，其被配置用于测量夹持设备内的光照水平和环境光照水平；以及控制设备，其被配置用于根据测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制光源。这种设备防止光泄漏到患者或操作者的眼睛内。

Description

漫射光学层析成像

技术领域

本发明涉及漫射光学层析成像设备，更特别地，涉及包含在漫射光学层析成像设备中的控制设备。

背景技术

光学成像是一种新的具有前景的医学成像模式。这是一种无伤害且便宜的提供生理信息的技术。一个重要的应用是乳腺癌成像，因为乳腺癌十分常见并且存在对于改进的和更早期检测的临床需求。这是女性中最常被诊断的癌症，在导致女性死亡的癌症中排列第二。在很多国家，筛选程序在现场进行，目的在于乳腺癌的早期检测。这些程序采用X射线乳房造影术，其产生大量的假阳性并且导致大量不必要的活组织检查。X射线乳房造影术的其他缺点是电离辐射的使用和不舒适的乳房压力。光学荧光成像有希望以足够的灵敏度和特异性对乳腺癌成像。它能在诊断过程和治疗监测中都起作用，因为它是女性友好、无伤害且相对便宜的技术。

光学荧光成像采用荧光造影剂和近红外光。注入造影剂后，顺序地用来自所有侧面的激光照射乳房。部分光在乳房内被造影剂吸收，所述造影剂则点亮，从而产生具有不同波长的荧光。肿瘤的存在性和位置能通过从乳房的所有侧面测量该荧光来加以检测。

如果通过光源发射的激光从夹持设备泄漏出去，有可能引起对患者或操作者的眼睛损害。如果光束意外地对准患者或操作者的眼睛，那么激光可灼烧小块眼睛视网膜。这样的光束有时甚至可能导致失明。

US20060013533描述了通过利用非常耐用的漫射器使单色光发散来改进暴露于单色光源期间的身体安全性的方法和装置。眼睛的安全性通过以下方式进一步增强：测量发散单色光的辐亮度并且如果发散单色光的辐亮度高于预定的安全值则发出作为意外事故结果的警告，并且如果希望的话，在单色光脉冲发射之前产生可见的闪光以诱导旁观者眨眼或改变其视场以避免直视该单色光。这种方法通过发散准直光束使得能量密度随距离的增大迅速地下降而防止了准直光束进入眼睛。甚至降低的能量密度也可能对人眼有害，因此可能要求进一步的防范措施。

因此，拥有防止眼睛暴露而没有上述任何缺点的系统将是有利的。

随附的独立权利要求和从属权利要求中阐明了本发明的特定的和优选的方面。从属权利要求的特征可与独立权利要求的特征相结合，以及与其他从属权利要求的合适的并且不仅仅像权利要求中明确阐述的特征相结合。

发明内容

按照第一方面，本发明提供了漫射光学层析成像设备，其包括：光源，其用于照射身体乳房部位；夹持设备，其被配置用于夹持身体部位；测量设备，其被配置用于测量夹持设备内的光照水平和环境光照水平；以及控制设备，其被配置用于根据测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制光源。测量设备测量夹持设备内的光照水平。当夹持设备内的光量低于阈值水平时，认为夹持设备是暗的。该阈值水平经实验确定。测量设备也检查环境光照水平的存在。只有当夹持设备为暗并且环境光存在时，控制设备才允许来自光源的光进入夹持设备。夹持设备内的低光照水平表明没有环境光渗漏到夹持设备内。它也意味着没有(激光)光渗漏出夹持设备。换言之，夹持设备完全关闭且防止光泄漏。这保证了受检患者或操作该漫射光学层析成像设备的操作者的安全。

在本发明的上下文中，夹持设备内的光照水平被测量。这也可以称为夹持设备内的“暗度”或“黑暗量”。实际上，所测量的就是夹持设备内的非常低的光照水平。

根据本发明的另一实施例，测量设备还包括检测板。优选地，该设备包含：第一光纤系列，其被配置用于感测夹持设备内的光照水平以及用于与检测板通信；第二光纤系列，其被配置用于将环境光照水平传送到检测板；和第三光纤系列，其被配置用于将来自夹持设备的散射光传送到检测板。这些光纤优选地在夹持设备内以环形物组织。优选地，光源和检测器光纤每环交错排列。夹持设备内的光照水平通过始于夹持设备内最高的环的第一光纤系列进行适当的检查。环境光照水平通过始于环境光源的第二光纤系列或那些没有荧光滤光器的光纤来检查。第三光纤系列将来自身体部位的散射光传送到检测板。第一光纤系列和第二光纤系列保证夹持设备关闭以防止光泄漏。肿瘤的存在性和位置通过测量经第三光纤系列传送的光加以检测。

根据本发明的另一实施例，控制设备包含快门，该快门被配置用于根据测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平防止或允许来自光源的光进入夹持设备。该快门只有在确保夹持设备关闭且防光泄漏时才打开。这允许漫射光学层析成像设备的安全操作。

根据本发明的又一实施例，将耦合流体设置在夹持设备内以包围身体部位，所述耦合流体的光学特征与身体部位的光学特征基本上相同。耦合流体减少了重构图像中由于身体部位和夹持设备之间的边界效应导致的伪像。而且，如果耦合流体是液体，那么能够得到夹持设备和身体部位的形状之间的完美匹配。由于光源和测量-控制设备之间的不同路径长度引起的图像强度差能够被均衡化。

根据本发明的又一实施例，夹持设备包括：多个入射开口，其用于将光源产生的光耦合到夹持设备内；以及多个出射开口，其被构造为将散射光传递到测量-控制设备，所述散射光响应于来自光源的光而从身体部位发射。优选地，夹持设备的壁内安装有255个入射和出射开口。身体部位通过使用从255个入射开口引出的255条光纤而被顺序地照射。另外255条光纤从255个出射开口引出，用于检测每个照射位置的散射光。优选地，这些光纤以环形物组织。光源和检测器光纤每环交错排列。

根据本发明的另一实施例，光源为激光。通过采用激光，所产生的光的波长可以在小至中心波长周围大约10nm的范围内进行调节。

在根据本发明的另一方面，用于在光学成像系统中检测光学泄漏的方法包括如下步骤：

-将身体乳房部位置于漫射光学层析成像设备的夹持设备内；

-借助于光源照射夹持设备内的身体部位；

-用测量设备测量夹持设备内存在的光照水平；

-用测量设备测量环境光照水平；和

-根据测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制光源。

根据本发明的另一实施例，所述光源是激光光源。

根据本发明的又一实施例，适合用于层析成像设备的测量设备和控制设备被配置为测量夹持设备内的光照水平和环境光照水平，并且根据测量的夹持设备内的光照水平和测量的环境光照水平来控制层析成像设备的光源。

附图说明

本发明的这些和其他特性、特征和优点根据以下结合附图的详细描述将变得清楚明白，所述附图通过实例说明了本发明的原理。该描述仅为了举例给出，并不限制本发明的范围。以下引用的附图标记参见附图。

图1示出了光学荧光成像的原理；

图2示出了针对眼睛危害的安全概念的示意图；

图3示出了夹持设备的截面视图；以及

图4示出了夹持设备的顶视图。

具体实施方式

随附的独立权利要求和从属权利要求中阐明了本发明的特定的和优选的方面。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征相结合，以及与其他从属权利要求的合适的并且不仅仅像权利要求中明确阐述的特征。

下面将针对特定实施例并且参照某些附图描述本发明，但是本发明并不限于此。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，某些元件的尺寸可能为了说明的目的而被夸大并且未按照比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用措词“包括/包含”的地方，它并没有排除其他的元件或步骤。在提及单数名词(例如“一”或“一个”、“该”)时使用不定冠词或定冠词的地方，这包括该名词的复数，除非有其他被明确说明的情况。

而且，说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件，而不一定用于描述某种相继的或按时间的顺序。应当理解的是，这样使用的措词可在合适的情况下互换，并且于此描述的本发明的实施例能够以于此未描述或图示的其他顺序操作。

而且，说明书和权利要求书中的措词顶部、底部、上方、下方等等用于描述的目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解的是，这样使用的措词可在合适的情况下互换，并且于此描述的本发明实施例能够在于此未描述或图示的其他取向下操作。

在图1中，从所有侧面用入射光1顺序地照射身体乳房部位2。部分入射光1在身体部位2中被吸收，该身体部分则点亮，从而产生不同波长的荧光3。肿瘤4的存在性和位置能够通过从身体部位2的所有侧面测量荧光3而检测到。部分入射光1像传送的光4一样被传送。

在图2中，来自激光光源100的光经过光纤101馈送到快门110，然后经过光纤111馈送到光纤开关120。光纤还进入被配置为夹持身体乳房部位(未图示)的夹持设备130。测量设备150包括多个检测板(其中仅示出两个，即151和152)和专用检测板153。控制设备160包括检测控制器154、计算机155和安全电路156。安全电路156包括安全开关157。光源140提供环境光。光纤101将来自激光光源100的光传送到快门110。光纤111将来自快门110的光传送到光纤开关120。光纤121将来自光纤开关120的光传送到夹持设备130。光纤131检查夹持设备内环境光的存在性并且与专用检测板153通信。光纤141将来自光源140的环境光传送到专用检测板153。光纤132感测进入夹持设备的环境光并且与检测板151通信。光纤133将荧光和来自夹持设备的传送的光传送到检测板152。为了方便起见，图中仅示出一根光纤以代表一系列光纤。

图3示出了夹持设备130的截面视图。它也示出了夹持设备130的入射和出射开口。另一方面，图4示出了夹持设备130的顶视图。最高的环被标记为135。

光泄漏检测必须是“单一部件故障亦安全”。这意味着如果一个部件发生故障，它应当仍是安全的。因此，优选地它利用两套措施来冗余地构建，所述措施记防范措施A和防范措施B。

对于防范措施A，采用了专用检测板153。来自光源100的激光经过光纤101馈送到快门110，然后通过光纤111馈送到光纤开关120。专用检测板153通过光纤131检查夹持设备130内的光照水平的存在。该专用检测板也通过光纤141检查夹持设备130外的环境光，即房间内从光源140发射的光。当检查到夹持设备内的光照水平时，采取措施区分激光和环境光。这通过在激光脉冲至夹持设备时暂时禁止光照水平检查来完成。如果测量的夹持设备130内的环境光照水平低于阈值，则认为夹持设备是暗的。环境光不需要不太亮，因为它可能影响到漫射光学层析成像设备产生的图像的质量。所需要的环境光水平通过在夹持设备稍微打开的情况下测量夹持设备内环境光的存在性所要求的最小光量来确定。所需环境光大约为100lux。夹持设备内的光照水平如下确定。当夹持设备完全关闭以及当夹持设备稍微打开(可能为5到10mm)时，检测板153产生的值被记录下来。当夹持设备稍微打开时，保证存在房间内的(环境光)最小光量。光照水平的阈值介于这两个值之间。其按照任意单位测量。在光照水平测量期间，如果检测器产生的值在上述值范围内，则认为夹持设备是暗的。光纤处通常存在荧光滤光器以滤除非红外光，即波长低于780nm的光。然而，荧光滤光器被从光纤131移除，以允许光照水平测量。夹持设备130内的光纤以环形物组织。光纤131始于最高的环135。如果夹持设备130是暗的且房间有光，这表示房间的光未泄漏到夹持设备，其进一步表示来自夹持设备的激光不能泄漏出去。随后，假定夹持设备130关闭并且激光进入夹持设备130。这通过信号“HOLDING DEVICE_SAFE_A”来发信号。

HOLDING DEVICE_SAFE_A＝

            (DARKNESS IN THE HOLDING DEVICE)AND

            (LIGHT IN THE ROOM)

光纤开关120具有其中光馈送夹持设备130的位置以及其中激光不馈送到夹持设备130的安全位置(FS_SAFE)。安全位置借助于安全开关157检测，所述安全开关的输出馈送到安全电路156。在安全位置上，光纤开关120用作激光光束阻挡器(stopper)。当快门110打开时，光照水平的测量暂时禁止。来自快门110的信号馈送到专用检测板153。专用检测板153也监测信号通过时快门110保持打开的最大时间。光源140发出的环境光通过多于一个的光纤141从多于一个位置加以检查。这是为了保证即使在操作者意外地覆盖一根光纤时，环境光也得以测量。如果任意光纤检测到光，就认为房间被照亮。这称作防范措施A。

对于防范措施B，采用了多个检测板(其中只示出了151和152)。荧光滤光器存在于光纤上以滤除非红外光(波长低于780nm)。由于荧光滤光器的原因，环境光(波长低于780nm)可能无法检测到。光纤132的荧光滤光器被移除以检测环境光。检测控制器154从计算机155获得命令以执行功能测量(对身体乳房部位成像以检测肿瘤)。该检测控制器发信号让快门110打开。随后，检测控制器154触发检测板151和152执行功能测量。检测板151和152将检测的值传递给检测控制器154。然后检测控制器154关闭快门110并且传递检测值给计算机155。这是为了产生测量值给外部图像处理系统(未图示)。以规则的间隔(例如每秒两次)、与功能测量交错，检测控制器154被命令进行夹持设备130内的环境光照水平的测量。为了检测夹持设备130内的环境光照水平，执行相同的步骤，但是在环境光照水平测量期间快门110不打开。夹持设备130内的光照水平通过光纤132和133检查。故障通过信号HOLDING DEVICE_SAFE_B发送。

HOLDING DEVICE_SAFE_B＝

           NO AMBIENT LIGHT IN THE HOLDING DEVICE＝

           DARKNESS IN THE HOLDING DEVICE

另外，在身体乳房部位成像之前在所述多个检测板上执行检查。在这种情况下，荧光滤光器未激活，并且所有光纤用于检查夹持设备130内的光照水平。这是防范措施B。

这两个HOLDING DEVICE_SAFE信号是冗余的。这是为了在“单一部件故障”时保证安全性。

安全开关157连接到光纤开关120并且产生FS_SAFE信号。安全电路156控制激光光源100。安全电路156允许激光光源发射激光并且仅当光纤开关120阻挡光束或所述两个HOLDING DEVICE_SAFE信号被激活时允许激光进入夹持设备130。

LASER_ON＝(FS_SAFE)OR

  (HOLDING DEVICE_SAFE_A AND HOLDING DEVICE_SAFE_B)。

计算机155收集来自检测板151和152的信号并且传递这些信号到图像处理系统。计算机155也确定HOLDING DEVICE_SAFE_B信号。因此，计算机用来命令检测控制器154执行功能测量并且收集来自检测控制器154的测量值。

根据本发明的另一实施例，安装了辅助灯以增强夹持设备130的光泄漏检测。在前面的实施例中，要求环境光源140始终激活。另一方面，辅助灯(在红外范围，因此不可见)只能在夹持设备130内光照水平被检查时被激活。在功能测量期间(即激光进入夹持设备130时)，辅助灯将关闭。

夹持设备130内的光照水平仅在功能测量之间的间隔中被测量。在功能测量期间，安全性检查是闲置的(由于激光的原因，夹持设备内的光照水平检查将失败)。该闲置时段可通过在专用检测器153前安装滤光器加以避免，所述检测器检测夹持设备130内的光照水平。这些滤光器阻断激光，但允许环境光通过。激光是近红外的。因此，这些滤光器将需要阻断近红外和红外，并且将需要通过较短波长的光。环境光将需要包含这些较短波长的光，例如绿光、蓝光或紫外光。

应当理解的是，尽管本文针对根据本发明的设备讨论了优选的实施例、特定的构造和配置，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以做出形式和细节上的各种变化或改进。

Claims (9)

1.一种漫射光学层析成像设备，包括：

光源，其用于照射身体乳房部位；

夹持设备，其被配置用于夹持该身体部位；

测量设备，其被配置用于测量夹持设备内的光照水平和环境光照水平；以及

控制设备，其被配置用于根据测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制光源。

2.权利要求1的漫射光学层析成像设备，其中所述测量设备包括：

第一光纤系列，其被配置用于感测所述夹持设备内的光照水平；

第二光纤系列，其被配置用于传送环境光照水平；以及

第三光纤系列，其被配置用于传送来自所述夹持设备的散射光。

3.权利要求1的漫射光学层析成像设备，其中所述控制设备包括快门，所述快门被配置用于根据所述夹持设备内的光照水平和环境光照水平阻止或允许来自光源的光进入该夹持设备。

4.权利要求1的漫射光学层析成像设备，还包括置于所述夹持设备内以包围所述身体部位的耦合流体，其中该耦合流体的光学特性基本上与所述身体部位的光学特性相同。

5.权利要求1的漫射光学层析成像设备，其中所述夹持设备包括：多个入射开口，其用于将光源产生的光耦合到该夹持设备中；以及多个出射开口，其被构造为将散射光传送到测量-控制设备，该散射光从所述身体部位响应于来自光源的光而发射。

6.权利要求1的漫射光学层析成像设备，其中所述光源是激光光源。

7.一种用于在漫射光学层析成像设备中控制光源的方法，包括步骤：

将身体乳房部位置于漫射光学层析成像设备的夹持设备内；

借助于光源照射该夹持设备内的身体部位；

用测量设备测量该夹持设备内的光照水平；

用测量设备测量环境光照水平；以及

基于测量的所述夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制所述光源。

8.权利要求7的方法，其中所述光源为激光光源。

9.一种测量设备和控制设备，适用于根据权利要求1的层析成像设备，被配置为测量夹持设备内的光照水平和测量环境光照水平并且按照测量的夹持设备内的光照水平和环境光照水平控制该层系成像设备的光源。

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