CN102348406A - 测量体内光信号的光学探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量光信号的光学探针，其包括引导入射光的第一光纤、将入射光向样本聚焦以及收集来自所述样本的变化光的透镜、引导变化光的第二光纤以及测量所述入射光的强度波动的光记录仪，特征在于，所述光记录仪定位在所述第一光纤之后，由此所述光记录仪接收来自所述第一光纤的所述入射光的一部分。所述光学探针通常用于测量体内光学信号，并且其主要应用于光谱学测量领域，其中由所述探针测量的光信号和一种设备联合应用，其中在例如拉曼、荧光、磷光吸收、扩散及传播研究中针对光信号分析光谱成分。本发明特别涉及并应用于拉曼光谱学领域。

Description

测量体内光信号的光学探针
本发明涉及一种测量体内光信号的光学探针。其在光谱学测量领域获得应用，其中通过所述探针测量的光信号与一种设备联合使用，该设备中对光信号分析其光谱分量，例如为拉曼、荧光、磷光吸收、扩散及传播研究。本发明特别涉及拉曼光谱学并且在其中获得应用。
背景技术
光谱学是一种通过使用光在分子水平获取信息的方法。该信息可涉及探测到的分子的旋转、振动和/或电子状态，以及离解能及其他。对于给定分子，该分子的所述旋转和/或振动光谱是特定的。因此，分子光谱经常被称为与特定分子相关的“指纹”。因此关于特别是分子的旋转、振动和/或电子状态的信息可用于分析包括多种未知分子成分的样本，由此获取所述样本中分子成分的认知。
光谱设置的基础是光源，例如激光，其用于照射样本。来自该光源的光(入射光)将与样本互相作用，这经常导致穿过该样本、由该样本发出、反射和/或散射的光的变化。通过收集变化的光并分析其光谱分布，可获取关于入射光与分子样本之间的互相作用的信息；因而可获取关于分子成分的信息。
光谱分布通常通过使用光谱仪测量。光谱仪是一种光学设备，通过将引导到所述光学设备的光束分离成不同频率成分并且随后通过使用CCD检测器、CCD阵列、光电二极管或类似物来测量这些成分的强度。
反映入射光和分子样本之间的相互作用的变化光可通常表现为发射或散射。发射信号具有比散射光信号相对较宽的光谱轮廓，散射光信号通常显示为很窄的光谱线。一种过程通常主导另一种过程，但两个过程可以并且会大多经常同时出现。反射光强度与散射光强度对比除了别的之外还取决于入射光的频率以及能量、入射光在样本中的测量点的强度、以及样本中的分子成分。
发射描述了当分子从光源，例如激光，吸收了光并且随后再次发射光的过程。发射光通常表现为具有与入射光相比不同的光谱分布，并且会具有反映分子中电子状态的不同旋转和/或振动状态的较宽光谱分布。多数发射过程表现为荧光或磷光，其中包括在光吸收及发射中的分子内电子状态的旋转在荧光过程中相同，但在磷光过程中不同。一般，分别地，荧光可被定性为光谱学允许的过程，而磷光为基于电子状态旋转转换和变化的光谱学禁用过程。因此磷光信号的强度通常比荧光信号更弱。
散射光可分类为弹性的或非弹性的，并且表现为光谱上非常窄的信号。弹性散射被称之为瑞利散射，其中没有频移，即瑞利散射具有与入射光相同的频率。
最常见的已知非弹性散射的范例是拉曼散射，其中在分子和入射光的光子之间存在能量交换。频率，即拉曼散射光的光谱分布，会与入射光的频率不同并且唯一地反映分子的特定振动水平；因而它是指纹光谱。这可用于识别探测的物质中分子成分及/或物质中特定分子的浓度。
相比瑞利散射及荧光，拉曼散射是相对较弱的过程。因而当收集拉曼散射光时，减少这些其他过程的影响是需要的。另外，拉曼散射光的强度绝大程度取决于入射光的频率及强度。因此如果想要基于分析所收集的拉曼散射光而接收关于不同样本和/或样本点中分子成分分布的可靠信息，必须监控入射光中的能量波动。如果样本和/或不同样本点中分子成分的分析是基于发射光谱的，同样如此。
为了收集改变的光并将其引导到例如为分光器的设备中用于随后的分析，需要光学探针。其通常包括不同光学元件的组合，例如透镜、镜子及光纤，并且表现为具有用于入射光的路径及用于变化光的路径。
显微镜可用作为光学探针或合并作为其一部分。显微镜中的显微镜物镜将入射光聚焦在样本上并收集变化的光。可选地，第二显微镜物镜可用于收集所述变化的光。基于显微镜的光学探针并非可移动的物体，因而使用这种探针研究的样本需要取决于入射光的方向及显微镜物镜的位置而插入显微镜中或放置在其上部。在体外收集并放置在例如盖片或其它类型的薄盘上的样本是优选的且容易与显微镜一起工作。当提供有患者的血样时，可执行对患者血糖水平的测量。然而，其要求受过教育的人从患者获得血样并且此过程可能使患者本身产生某些不愉快。该体外方法的可选方式是患者直接将他/她的手臂插入所述显微镜的显微镜物镜下方或上方用于血糖水平的体内测量。不幸地是，这将是繁琐的，即使使用大部分显微镜不是不可能的。
不采用整个显微镜而仅采用单独安装在例如桌子上的显微镜物镜的光学探针允许探针和样本之间的较大的可达性(accessibility)。由于患者的手臂或手指可不费多大力气就放置在显微镜物镜前面，因此患者血糖水平的体内测量变得更方便。然而，如果所选的样本是腿，将其适当地放置在显微镜物镜前面将证实为更困难。另外，子宫皮肤异常的体内诊断，即子宫癌潜在风险的检查，不可能使用安装在桌子或类似物上的显微镜物镜来执行。
因此，需要一种可移动且柔性的光学探针来测量体内光学信号。解决该问题的一个方法是采用将光导入探针和/或从探针导出的光纤。在文献中可找到这种方法的不同范例。
US5,842,995中所述的光学探针主要应用在例如是癌症导致的皮肤异常诊断领域，并且基于既用于将入射光引导至样本上又用于从样本收集变化的光的光纤。所述入射光在其到达样本之前穿过宽带滤波器并且来自样本的变化光被收集在多芯光纤中。用于入射光的路径和用于收集变化光的路径协同并行(co-parallelly)地排列并且不共享光学部件。
US5,112,227中的光学探针包括用于入射光的路径和用于收集变化光的路径，其中所述两个路径协同并行地排列，并且共享用于将光聚焦到样本中并用于收集来自样本的变化光的相同透镜。以45°角放置在所述透镜前的光纤，允许入射光穿过并且反射来自样本的变化光，因此将所述两个路径分开。
在生物光学杂志(Journal of Biomedical Optics)(2003)第8卷第221-147页中(在此称之为J.Bio.Opt.)，描述了几种不同的光学探针。所述探针主要是不含光聚焦装置的多芯光纤探针。大部分探针具有用于入射光的路径和用于收集变化光的路径，其中所述两个路径协同并行地排列。
US5,842,995、US5,112,227和J.Bio.Opt.都描述了柔性且可移动的光学探针。然而，这些探针中没有一个精确计算入射光中的强度变化。
将激光耦合至光纤内的过程对激光聚焦在光纤内的角度、以及将激光聚焦在光纤中的透镜的聚焦点与光纤本身之间的距离相当敏感。源自光纤的光的强度变化将因激光耦合至光纤内的效率而变化。因此，来自样本的变化光的强度改变将反映入射光中的强度变化以及样本内的变化。如果想获取仅反应样本变化的强度变化模式，用于在光聚焦到样本内之前直接精确检测入射光强度的装置，因而是至关重要的。US5,842,995、US5,112,227和J.Bio.Opt.中描述的光学探针共同的是它们中没有一个提供了这种装置。
另外，当入射光聚焦在样本上时，变化光将不仅仅来自入射光的焦点，还来自聚焦点上面及下面的锥形区。因此，US5,842,995、US5,112,227和J.Bio.Opt.中所述的探针可测量的光信号将包含来自焦点外的样本区域的附加的且经常是不想要的影响。采用一些类型的孔径的共焦成像是获取在焦点上的光谱分量的精确信息而不含该点上方及下方样本的影响的一种方式。
在生物物理学杂志(Biophysical Journal)(2003)第85卷第572-580页的文章中描述了一种主要用于测量体内皮肤中水剖面的光学探针。用于从样本中收集变化光的路径包括光纤，其中光进入光纤的耦合提供了收集由于光纤的类似小孔的直径产生的共焦图像的手段。探针包括两个激光器，该激光器可提供入射光并且均可通过显微镜物镜聚焦在皮肤上。由于用于入射光的两个线路不使用光纤，因此显微镜物镜需要安装在固定位置。因此，使用这种探测布置来检查的样本点，即皮肤区域，存在减小的可达性。其中，使用这种光学探针也不能进行体内宫颈中的皮肤异常诊断，即宫颈癌潜在风险的检查。
因此需要一种用于测量体内光学信号的光学探针，其是柔性的、便携的并且精确计算入射光中的变化及来自样本焦点外的不希望的光信号。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。
本发明涉及一种用于测量光信号的光学探针，其包括引导入射光的第一光纤、将入射光向样本(即进入或至其上)聚焦以及收集来自所述样本的变化光(例如散射和/或发射光)的透镜、引导变化光的第二光纤以及测量所述入射光中强度波动的光记录仪，特征在于，所述光记录仪定位在所述第一光纤之后，其中所述光记录仪接收来自所述第一光纤的所述入射光的一部分。
在所述光学探针中，所述光记录仪将通常定位在分色镜之后，所述分色镜允许入射光的一小部分穿过该分色镜并到达所述光记录仪上，或被所述分色镜反射至所述光记录仪上。
可选地，一种分光器可定位在所述第一光纤和所述分色镜之间，其中所述分光器将入射光的一小部分反射到所述光记录仪上。
使用光记录仪的一个优势在于其允许在任何时候精确测量入射光的强度变化。这确保了变化光的强度变化仅反映样本变化而并非入射光中的变化。
在本发明的一个实施例中，将入射光向所述样本聚焦的透镜布置在所述光学探针的表面使得在测量过程中所述透镜直接与所述样本(213)接触。
在测量过程中所述透镜直接与所述样本接触的一个优势在于样本穿透深度，以及因而所述光学探针至所述样本聚焦点的距离是精确已知的，并且由透镜的焦距限定。
在本发明的另一个实施例中，所述光学探针还包括窗口，其中所述窗口定位在所述透镜和所述样本之间，使得在测量过程中所述窗口与所述样本直接接触，并且所述窗口的厚度小于所述透镜的焦距。
如果使用对清洁敏感的脆弱透镜，将窗口插入透镜与样本之间的一个优势在于其可提供一种较简单的光学探针的清洗方式。
将窗口插入透镜与样本之间的另一个优势在于穿透深度可根据窗口的厚度而变化。因此如果所应用的窗口厚度与透镜的焦距相当，则可应用探针测量皮肤异常。
根据本发明的光学探针还包括定位在所述第一光纤后的分色镜，其中所述分色镜反射处于re_in＝0与100之间的任何百分比和透射处于tr_in＝0与100之间的任何百分比的入射光，其中re_in+tr_in＝100％，并且反射处于re_se＝0与100之间的任何百分比和透射处于tr_se＝0及100之间的任何百分比的所述变化光，其中re_se+tr_se＝100％。
所述分色镜通常相对于所述入射光离开所述第一光纤的传播方向成45°角定位。
在本发明的一个实施例中，re_in≥90％，tr_in≤10％，re_se≤30％，tr_se≥70％，因此所述分色镜反射了大部分的入射光并且透射了大部分的变化光。
在一个实施例中，其中大部分入射光被分色镜反射，所述光记录仪定位在所述分色镜后，由此所述光记录仪测量透射通过所述分色镜的所述入射光中的强度波动。
将光记录仪直接定位在反射大部分入射光的分色镜之后的优势在于，其使用较小部分的由分色镜透射否则将丢失的入射光。因此不需要任何附加的光学元件插入光学探针中以收集光从而用于测量入射光中的波动。
在本发明的一个实施例中，re_in≤10％，tr_in e≥90％，re_se≥70％，tr_se≤30％，因此所述分色镜透射了大部分的入射光并且反射了大部分的变化光。
在一个实施例中，其中大部分入射光被分色镜透射，所述光记录仪定位在所述分色镜后，由此所述光记录仪测量通过所述分色镜反射的所述入射光中的强度波动。
将光记录仪以一角度直接定位在透射大部分入射光的分色镜之后的优势在于，其使用较小部分由分色镜反射否则将丢失的入射光。因此不需要任何附加的光学元件插入光学探针中以收集光从而用于测量入射光中波动。
在又一个实施例中，其中大部分入射光被所述分色镜反射，分光器定位在所述第一光纤与所述分色镜之间，由此所述光记录仪测量被所述分光器反射且至所述光记录仪上的所述入射光中的强度波动。
分光器的优势在于，如果分色镜接近100％的透射或反射入射光，进而不允许分别反射或透射足够大的入射光至所述光记录仪上。
在本发明的一个实施例中，光离开所述第一光纤(203)的方向(239)与所述光进入所述第二光纤(227)的方向(241)之间的角度α基本为α＝90度。该角度也可为α＝80-100度。
在本发明的一个实施例中，所述光学探针还包括至少一个第一孔径，其中所述第一孔径仅允许来自所述样本中焦点的变化光进入所述第二光纤从而确保共焦图像，并且其中所述第一孔径直接定位在所述第二光纤前。所述孔径可以是独立的元件。然而，所述第二光纤的窄开口可同样行使所述孔径的功能。
使用定位在第二光纤之前的光学孔径的优势在于，所述光学孔径作为排除共焦区域即样本焦点之外产生的光学信号的三维深度滤波器。使用共焦光学探针的优势在于，进入第二光纤的变化光仅仅由入射光与样本之间在焦点的相互作用引起；因而排除了来自焦点上方或下方的锥形区域的影响。
在本发明的另一个实施例中，可另外采用一个或多个孔径来获取更清晰的三维深度图像。第二孔径优选地定位在样本和将光聚焦到样本内或其上的透镜之间。该第二孔径可以是单独元件，但在光被透镜散焦/收集的位置处光学探针的窄开口可同样行使孔径的功能。
在本发明的一个实施例中，将所述光学探针应用于测量体内光学信号。可选地，其还可用于通过将其浸入在例如血液样本中以测量光学信号从而进行体内测量。
通常，根据本发明的光学探针内部的光学元件由一个覆盖物围绕。由于使用了用于将光引导至光学探针内或从引导出光学探针外的柔性光纤，光学探针可自由转动。
光学探针的主要应用是使用诸如手臂、手指、腿或类似的不同身体区域测量患者体内的血糖水平。然而，所述探针还可用于测量例如血液中的血红蛋白、胆固醇、酒精和/或药物或血液中温度和/或温度变化。可选地，光学探针可用于体内测量例如在诊断宫颈癌风险性时在宫颈中所发现的来自皮肤层、皮肤变形及类似物的光学信号。
一种用于从样本中收集光学信号的方法，通常用于使用根据本发明的光学探针测量来自样本的光学信号，所述方法包括以下步骤：通过光学探针用来自光源的光照射所述样本，通过所述光学探针收集来自所述样本的变化光，以及分析来自所述样本的所述变化光的光谱成分。
在本发明的一个实施例中，所述光学探针与一种设备联合应用，用于针对光信号在例如拉曼、荧光、磷光吸收、扩散及传播的光谱成分进行光信号分析。
附图说明
图1显示了光学探针的应用。
图2显示了根据本发明的光学探针的第一实施例。
图3显示了根据本发明的光学探针的第二实施例。
图4显示了根据本发明的光学探针的第三实施例。
具体实施方式
图1示出了光学探针如何能用于测量体内光信号。光学探针101通过第一光纤105接收来自光源103的光。在本发明的该实施例中，光源103为激光器。入射光照射样本107并与之相互作用，接着变化自样本的变化光被光学探针101收集并通过第二光纤109引导至与计算机113连接的光谱仪111用于随后的光谱成分的分析。
在本发明的该实施方式中，样本是患者的手臂，但其还可以是手指或其它身体部分。同样地，测量在体内执行并对其进行显示，但光学探针101还可以用于通过将其浸入例如血液样本中测量光学信号从而进行体外测量。
通常，根据本发明的光学探针101内部的光学元件由覆盖物围绕，其中所述覆盖物具有至少一个用于两个光纤105和109的开口以及用于照射样本的光的开口。后一个开口还可用于收集来自样本的变化光。由于使用了用于将光引导进入或引导出光学探针的柔性光纤，光学探针101可自由转动。
光学探针101的主要应用是使用诸如手臂、手指、腿或类似的不同身体区域测量患者体内的血糖水平。然而，所述探针还可用于测量例如血液中的血红蛋白、胆固醇、酒精及/或药物或血液中的温度和/或温度变化。可选地，光学探针可用于体内测量例如在诊断宫颈癌风险性时在宫颈中所发现的来自皮肤层、皮肤变形及类似物的光学信号。
图2显示了光学探针201的第一个实施例，其包括将光引导至光学探针201内的第一光纤203。根据本发明的该实施例，光源通常为激光器。离开第一光纤203时，使用第一透镜207校准入射光205并通过穿过第一滤波器209进行滤光，该第一滤波器阻止激光频率外的0至100之间的任何百分率的频率。阻止激光频率之外的频率确保从入射光205中移除例如在第一光纤203内产生的拉曼散射。该第一滤波器209还可阻止位于0至100之间的任何百分率的激光频率。如果入射光205的强度对样本要求来说太高，则这是有好处的。第一滤波器209优选地为带通滤波器、陷波滤波器、边缘滤波器或类似的。
光学探针201还包括分色镜211，其反射或透射位于0至100之间的任何百分率的光，其中反射的和透射的光的百分率取决于分色镜211上的涂层、光到达所述分色镜211的角度、以及光的频率。分色镜211可被涂覆为使得当分色镜211以相对于入射光205的方向成给定角度定位时，其反射最高百分率的入射光205。改变分色镜211和入射光205之间的角度将因此减少入射光205被分色镜211反射的百分率。
在本发明的该实施例中，大部分入射光205被分色镜211反射并且被第二透镜215聚焦到样本213中。入射光205的焦点217由第二透镜215的焦距限定。第二透镜215优选地为凸面的，但也可以是平面的。
分色镜211在当前实施例中以相对于入射光205的传播方向成45°角度定位。因此大部分入射光205以90°角度反射。分色镜211也可以以位于0-90°之间的角度定位。
在本发明的一个实施例中，被分色镜211反射和透射的入射光205的百分率分别为re_in≥90和tr_in≤10，其中re_in+tr_in＝100％。
在本发明的另一个实施例中，被分色镜211反射和透射的入射光205的百分率分别为re_in≥98且tr_in≤2，其中re_in+tr_in＝100％。
光学探针201还可包括一个窄窗口219，其定位在第二透镜215和样本213之间。窗口219的厚度小于第二透镜215的焦距218，即小于第二透镜215至样本213内焦点217的距离。窗口219可用于保护第二透镜215因而使得在探针与样本213接触之后容易清洁探针201。也可应用不同厚度的窗口219因此改变样本穿透深度220。通常样本穿透深度220取决于第二透镜215的焦距218及窗口219的厚度，位于1/10-3mm的范围内。同样还可以获得较短或较长的穿透深度220。
在本发明的另一个实施例中，不具有窗口219，并且第二透镜215与样本213直接接触。通常的样本穿透深度220取决于第二透镜215的焦距218，位于1/10-3mm的范围内。也可获得较短和较长穿透深度220，再次反映第二透镜215的已限定焦距218。
除了将入射光205聚焦到样本213中/上，第二透镜215还校准来自样本213中焦点217的变化光221。在当前的实施例中，分色镜211透射大部分变化光221，但反射入射光205的背向散射。这过滤了变化光221中不想要的频率，即背向反射的入射光205的频率，变化光221产生自与样本213的相互作用。
在本发明的一个实施例中，分色镜211反射和透射的变化光221的百分率分别为re_se≤30和tr_se≥70，其中re_se+tr_se＝100％。
在本发明的另一个实施例中，分色镜211反射和透射的变化光221的百分率分别为re_se≤10和tr_se≥90，其中re_se+tr_se＝100％。
在第三透镜225将光聚焦到第二光纤227中之前，通过穿过第二滤波器223对变化光221进一步滤光。第二滤波器223优选为带通滤波器、陷波滤波器、边缘滤波器或类似的，并且表现为透射0至100之间任何百分率的由第二透镜215收集的变化光221并阻挡0至100之间任何百分率的接近或等于入射光频率的频率。这可确保例如在几乎所有从样本213散射的拉曼光允许通过的同时，不想要的穿过第二滤波器223的瑞利散射的百分率可忽略不计。
当测量发射例如荧光时，为了避免饱和度和/或对检测设备的损害，可能对减少到达检测设备的光的强度感兴趣。为了达到该目的，可采用第二滤波器223，其允许少于100％的发射通过。
在本发明的该实施例中，分色镜211不反射所有的入射激光205。而是允许较小部分的光229通过分色镜211透射并到达光记录仪231上，光记录仪231检测通过分色镜211后的光229的强度和/或功率。光记录仪231可以是光电二极管、CCD检测器、热晶体管或导向至这种设备的光纤或类似物。
使用光记录仪231的优势在于，其允许在任何时候对入射光205的强度的变化进行精确测量。这确保了变化光221的强度的变化仅仅反映样本变化而不反映入射光的变化。
将光记录仪231并入光学探针201中并且在将入射光205耦合至第一光纤203外后将其定位具有明显优势，因为将激光耦合至光纤中的过程对该激光聚焦到光纤的角度、以及将激光聚焦至光纤内的透镜焦点与光纤本身之间的距离相当敏感。离开光纤的光强度的变化因此将随着激光耦合至光纤内的效率而变化。使用如前述专利/文章中的定位在激光器和光纤之间的光记录仪进而不会对聚焦到样本中的光的强度变化提供精确测量。变化光的强度的变化将不仅仅反映样本变化，而是反映样本变化与入射光的变化的组合。通过使用本发明所示的光记录设置解决了该问题。
除了上述光学元件之外，光学探针201还可以装备至少一个定位在第二光纤227之前的第一光学孔径233。第一光学孔径233作为清除在共焦区(即焦点217)以外产生的光学信号的3D深度滤波器。使用共焦光学探针的一个优势在于，进入第二光纤227的变化光221仅仅由入射光205和样本213之间在焦点217处的相互作用引起；因而清除了来自焦点217上方或下方的锥形区域的影响。
根据本发明的该第一个实施例，第一孔径233显示为单独元件。然而，第二光纤227的窄开口可同样行使孔径233的功能。
除了第一孔径233外，还可应用一个或多个孔径以获取更清晰的3D深度图像。第二孔径235优选地定位在第二透镜215和样本213之间。在一个优选的实施例中，其中不具有窗口219并且第二透镜215是凸面的，即使薄的第二孔径235定位在样本213及第二透镜215之间，第二透镜215将仍然与样本213直接接触。
在本发明的当前实施例中，第二孔径235显示为单独元件。但光学探针201在光被第二透镜215散焦/收集的点处的窄开口可同样行使第二孔径235的功能。
第三孔径237可优选地就定位在第三透镜225前面，如当前附图所示。这可进一步改善3D深度图像。
两个光纤203和227通常布置为使得，光离开第一光纤203的方向239与光进入第二光纤227的方向241彼此成α＝90°的角度。也可以存在两个光纤203和227的可选布置以及从而光离开/进入它们的方向(分别为239及241)，形成α≠90°的角度。
两个光纤203和227优选地为多模光纤，但也可为单模光纤。
图3显示了本发明的第二实施例，其中光学探针301包括将光引导至光学探针301内的第一光纤203、用于校准入射光205的第一透镜207、阻止位于入射光频率之外的频率的0至100之间的任何百分率的第一滤波器209、用于聚焦进入样本213中的入射光205并收集来自样本213的变化光221的第二透镜215、用于对变化光221进行光学滤波的第二滤波器223、用于将变化光221聚焦到第二光纤227中的第三透镜225，以及光记录仪231，其探测入射光的强度变化。
两个光纤203和227优选地为多模光纤，但也可为单模光纤。两个光纤203和227通常布置为使得，光离开第一光纤203的方向239与光进入第二光纤227的方向241彼此垂直。也可以存在两个光纤203和227和光离开/进入它们的方向的备选布置。
两个滤波器209和223通常为带通滤波器、陷波滤波器、边缘滤波器或类似的。第二透镜215优选地为凸面的，但也可以是平面的。
光学探针301进一步包括分色镜303，其反射或透射位于0至100之间的任何百分率的光。在当前实施例中，分色镜303以与入射光205的传播方向成45°的角度定位，但也可以以0-90°之间的角度定位。
根据本发明的第二实施例，分色镜303允许大部分入射光205穿过分色镜303并仅反射少部分由光记录仪231检测的入射光229。
分色镜303以大约90度的角度反射变化光221。
在本发明的一个实施例中，被分色镜303反射及透射的入射光205的百分率分别为re_in≤30且tr_in≥70，并且被分色镜303反射及透射的变化光221的百分率分别为re_se≥70且tr_se≤30，其中re_in+tr_in＝100％以及re_se+tr_se＝100％。
在本发明的另一个实施例中，被分色镜303反射及透射的入射光205的百分率分别为re_in≤10且tr_in≥90，并且被分色镜303反射及透射的变化光221的百分率分别为re_se≥90且tr_se≤10，其中re_in+tr_in＝100％以及re_se+tr_se＝100％。
光学探针301还可选择性地包括定位在第二透镜215和样本213之间的窄窗口219、第一光学孔径233、通常定位在第二透镜215和样本213之间的第二孔径235、以及通常就定位在第三透镜225前面的第三孔径237。根据本发明的第二实施例，孔径233和235显示为单独元件。然而，第二光纤227的窄开口可同样行使第一孔径233的功能，且光学探针301在光被第二透镜215散焦/收集的点处的窄开口可同样行使第一孔径233的功能。
通常样本穿透深度220取决于第二透镜215的焦距218及窗口219的厚度(如果该窗口219为光学探针301的一部分)，位于1/10-3mm的范围内。同样还可以获得较短或较长的穿透深度220。
光学探针301的优势与根据图2所示的光学探针201所述的优势相同。
图4显示了本发明的第三个实施例，其中光学探针401包括将光引导至光学探针301内的第一光纤203、用于校准入射光205的第一透镜207、阻止位于入射光频率之外的频率的0至100之间的任何百分率的第一滤波器209、用于聚焦进入样本213中的入射光205并收集来自样本213的变化光221的第二透镜215、用于对变化光221进行光学滤波的第二滤波器223、用于将变化光221聚焦到第二光纤227中的第三透镜225，以及光记录仪231，其探测入射光的强度变化。
两个光纤203和227优选地为多模光纤，但也可为单模光纤。两个光纤203和227通常布置为使得，光离开第一光纤203的方向239与光进入第二光纤227的方向241彼此垂直。也可以存在两个光纤203和227和光离开/进入它们的方向的备选布置。
两个滤波器209和223通常为带通滤波器、陷波滤波器、边缘滤波器或类似的。第二透镜215优选地为凸面的，但也可以是平面的。
光学探针401还包括分色镜403，其反射或透射位于0至100之间的任何百分率的光。在当前实施例中，分色镜403以与入射光205的传播方向成45°的角度定位，但也可以以0-90°之间的角度定位。
根据本发明的第三个实施例，分色镜403以90度角度将大部分入射光205反射到样本213上并且允许变化光221通过分色镜403透射。可选地，分色镜403可透射大部分入射光205并且反射来自样本213的大部分变化光221，由此可如图3所示的光学探针的第二实施例所述地定位样本213及就定位在样本213前的光学元件(215、219及235)。
与第一及第二实施例相反，用于光记录的少部分的入射光229在穿过分色镜403或被其反射后并未被收集。而是，采用定位在第一滤波器209和分色镜403之间的分光器405来将少部分的入射光229引导至光记录仪231上。所述分光器405可以是分束器、允许大部分入射光通过的分色镜、低密度滤波器或类似的。
光学探针401还可选择性地包括定位在第二透镜215和样本213之间的窄窗口219、第一光学孔径233、通常定位在第二透镜215和样本213之间的第二孔径235、以及通常就定位在第三透镜225之前的第三孔径237。根据本发明的该第二实施例，孔径233和235显示为单独元件。然而，第二光纤227的窄开口可同样行使第一孔径233的功能，以及光学探针201在光被第二透镜215散焦/收集的点处的窄开口可同样行使第一孔径233的功能。
通常样本穿透深度220取决于第二透镜215的焦距218和窗口219的厚度(如果窗口219是光学探针401的一部分)，位于1/10-3mm的范围内。同样还可以获得较短或较长的穿透深度220。
光学探针401的优势与根据图2所示的光学探针201所述的优势相同。
光学探针201、301和401均构造为使得内部的光学元件彼此非常靠近地定位，并且因此图2-4仅仅作为示意性且不表示不同光学元件之间的精确距离。
尽可能靠近地将光学元件放置在光学探针内的一个优势在于，该特征增强了入射光在样本焦点处的强度以及通过其收集变化光的效率，因为减少了入射光和/或变化光的衍射影响。
附图标记
101：光学探针
103：光源，例如激光器
105：第一光纤
107：样本，即患者手臂
109：第二光纤
111：光谱仪
113：计算机
201：根据第一实施例的光学探针
203：第一光纤
205：入射光
207：第一透镜
209：第一滤波器
211：分色镜
213：样本
215：第二透镜
217：焦点
218：第一透镜的焦距
219：窗口
220：穿透深度
221：变化光
223：第二滤波器
225：第三透镜
227：第二光纤
229：用于光记录的小部分入射光
231：光记录仪
233：第一孔径
235：第二孔径
237：第三孔径
239：离开第一光纤的光的方向
241：进入第二光纤的光的方向
301：根据第二实施例的光学探针
303：分色镜
401：根据第三实施例的光学探针
403：分色镜
405：分光器

Claims (15)

1.一种用于测量光信号的光学探针，其包括：
-第一光纤(203)，用于引导入射光，
-透镜(215)，用于将入射光向样本(213)聚焦以及收集来自所述样本(213)的变化光，
-第二光纤(227)，用于引导变化光，
-光记录仪(231)，用于测量所述入射光的强度波动，
其特征在于，所述光记录仪(231)定位在所述第一光纤(203)之后，由此所述光记录仪(231)接收来自所述第一光纤(203)的所述入射光的一部分。
2.根据权利要求1所述的光学探针，其特征在于，所述透镜(215)布置在所述光学探针的表面，使得在测量过程中所述透镜(215)直接与所述样本(213)接触。
3.根据权利要求1所述的光学探针，其特征在于，所述光学探针还包括窗口(219)，其中所述窗口(219)定位在所述透镜(215)和所述样本(213)之间，使得在测量过程中所述窗口(219)与所述样本(213)直接接触，并且其中所述窗口(219)的厚度小于所述透镜(218)的焦距。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学探针，其特征在于，所述光学探针还包括定位在所述第一光纤(203)后的分色镜(211、303或403)，其中所述分色镜(211、303或403)用于：
-反射位于re_in＝0至100之间的任何百分比并且透射位于tr_in＝0至100之间的任何百分比的入射光，其中re_in+tr_in＝100％，
-反射位于re_se＝0至100之间的任何百分比且透射位于tr_se＝0至100之间的任何百分比的所述变化光，其中re_se+tr_se＝100％。
5.根据权利要求4所述的光学探针，其特征在于，所述分色镜(211、303或403)相对于所述入射光离开所述第一光纤(203)的传播方向成45°角定位。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的光学探针，其特征在于，re_in≥90％，tr_in≤10％，re_se≤30％，tr_se≥70％。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的光学探针，其特征在于，所述光记录仪(231)定位在所述分色镜(211)后，由此所述光记录仪(231)测量通过所述分色镜(211)透射的所述入射光的强度波动。
8.根据权利要求4-5中任一项所述的光学探针，其特征在于，re_in≤10％，tr_in e≥90％，re_se≥70％，tr_se≤30％。
9.根据权利要求4、5及8中任一项所述的光学探针，其特征在于，所述光记录仪(231)定位在所述分色镜(303)后，由此所述光记录仪(231)测量被所述分色镜(303)反射的所述入射光的强度波动。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的光学探针，其特征在于，分光器(405)定位在所述第一光纤(203)和所述分色镜(403)之间，由此所述光记录仪(231)测量被所述分光器(405)反射且至所述光记录仪(231)上的所述入射光的强度波动。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学探针，其特征在于，光离开所述第一光纤(203)的方向(239)与光进入所述第二光纤(227)的方向(241)之间的角度α为α＝90度。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的光学探针，其特征在于，所述光学探针还包括至少第一光学孔径(235)，其中所述第一光学孔径(235)仅允许来自所述样本(213)中的焦点(217)的变化光进入所述第二光纤(227)以确保共焦图像，并且其中所述第一孔径(235)直接定位在所述第二光纤(227)前面。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的光学探针，其特征在于，所述光学探针用于测量体内光学信号。
14.一种用于从样本(107)中收集光学信号的方法，包括以下步骤：
-通过根据权利要求1-13中任一项所述的光学探针(101)用来自光源(103)的光照射所述样本(107)，
-通过所述光学探针(101)收集来自所述样本(107)的变化光，
-分析来自所述样本的所述变化光的光谱成分。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光学探针(101)与一种设备(111)联合应用，用于在例如拉曼、荧光、磷光吸收、扩散及传播研究中针对光信号分析光谱成分。
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