CN104736045A - 用于光学相干层析成像以及定位元件的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于光学相干层析成像的系统以及相应的方法,带有:干涉仪和传感器头,通过传感器头可将电磁辐射从干涉仪发送到待检查的对象处并且将由对象反射的电磁辐射引回到干涉仪中;定位元件(3),其用于相对于待检查的对象定位传感器头,定位元件带有支承,其布置在对象处并且传感器头可放置在该支承上;第一区域(4)和第二区域(5),第一区域(4)对于由干涉仪发送的且由对象反射的辐射基本上是可穿透的,第二区域(5)对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射的穿透性不同于第一区域(4)的穿透性;图像生成装置,其用于借助由对象和/或定位元件(3)、尤其由定位元件(3)的第二区域(5)反射的电磁辐射生成一幅或多幅图像;显示装置,其用于复现生成的图像;和控制装置,其用于以这种方式控制图像的生成和复现,即,传感器头可借助生成的和复现的图像带到在定位元件(3)上的期望的位置中。通过根据本发明的系统和方法在简单的操纵的情况下实现对象的可靠且省时的检查。
Description
技术领域
本发明涉及用于光学相干层析成像的系统和方法以及用于相对于待检查的对象定位传感器头的定位元件。
背景技术
光学相干层析成像(OCT)为对漫射光的试体(Probe)在其内部中进行测量的方法。生物组织由于其漫射光的特性特别适合于借助于OCT的诊断检查。因为OCT以相对很小的光强度来控制,并且所使用的光的波长大多数在接近红外线范围(750nm至1350nm)中,所以其相比于用于生物组织的离子化的X光诊断术并未显示出辐射伤害。因此,OCT对于医学来说特别重要并且粗略地类似于超声诊断,其中,代替声音,在OCT中使用光。在试体中的不同的边界层处反射的光的运行时间借助干涉仪来探测。典型地,比起利用超声,利用OCT可获得以一至两个量级更高的分辨率,然而,可获得的测量深度明显更小。获得的截面图像由于光学的散射通常仅实现进入到组织中最高几毫米的深度。OCT的现在最重要的应用领域是眼科学、皮肤病学以及癌诊断。当然还存在一些非医学的应用,例如材料检测。
在医学应用中,OCT系统的传感器头相对于待检查的对象的精确的定位对于在检查时获得的诊断信息的可靠性意义重大。同时应使操纵变得尽可能简单且省时。
发明内容
本发明的目的在于提供用于光学相干层析成像的系统和方法以及用于使用在这种系统或方法中的定位元件,通过其在尽可能简单的操纵的情况下实现对象的可靠且省时的检查。
该目的通过根据独立权利要求的系统、方法和定位元件来实现。
用于光学相干层析成像的根据本发明的系统具有:
-干涉仪和传感器头,通过传感器头可将电磁辐射从干涉仪发送到待检查的对象处并且将由对象反射的电磁辐射引回到干涉仪中,
-定位元件,其用于相对于待检查的对象定位传感器头,定位元件带有:支承,其可布置在对象处,并且传感器头放置在该支承上;第一区域,其对于由干涉仪发送的并且由对象反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域,其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射的穿透性不同于第一区域的穿透性,
-图像生成装置,其用于借助由对象和/或定位元件、尤其定位元件的第二区域反射的电磁辐射生成一幅或多幅图像,
-显示装置,其用于复现生成的图像,以及
-控制装置,其用于以这样的方式控制图像的生成和复现,即,传感器头可借助生成和复现的图像带到在定位元件上的期望的位置中。
在用于光学相干层析成像的根据本发明的方法中:
-将电磁辐射从干涉仪通过传感器头发送到待检查的对象处且将由对象反射的电磁辐射通过传感器头引回到干涉仪中,
-将用于相对于待检查的对象定位传感器头的定位元件布置在对象处,并且将传感器头放置在支承上,其中,支承具有:第一区域,其对于由干涉仪发送的和由象反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域,其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射的穿透性不同于第一区域的穿透性,
-借助由对象和/或定位元件(尤其定位元件的第二区域)反射的电磁辐射生成和复现一个或多个图像,以及
-将传感器头借助生成和复现的图像带到在定位元件上的期望的位置中。
根据本发明的定位元件使用在用于光学相干层析成像的系统中,其中,该系统具有干涉仪和传感器头,通过传感器头可将电磁辐射从干涉仪发送到待检查的对象处并且将由对象反射的电磁辐射引回到干涉仪中,其中,定位元件:
-允许传感器头相对于待检查的对象的定位,并且
-具有支承,其可布置在对象处,并且传感器头可放置在该支承上,其中,支承:第一区域,其对于由干涉仪发送的且由对象反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域,其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射的穿透性不同于第一区域的穿透性。
本发明的思想基于,为了相对于待检查的对象定位OCT传感器头而使用这样的定位元件,该定位元件具有至少两个区域,其带有不同的光学特性,尤其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的电磁辐射不同的穿透性和/或反射性(Reflexivität)。定位元件在此如此布置在对象处,即,对象的待检查的区域(例如皮肤损伤)位于定位元件的第一区域中,其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射基本上是可穿透的。由于定位元件的两个区域的不同的光学特性,在探测和显示的OCT图像中可识别出在第一区域与第二区域之间的过渡,倘若传感器头已经如此安放到定位元件上,即,传感器头的穿透窗处在在第一区域与第二区域之间的过渡的区域中。操作人员(其识别出在所显示的OCT图像中的这种过渡)然后可决定是否需相对于以前的位置改变传感器头的位置,以便例如尽可能居中地相对于第一区域放置穿透窗,并且由此一方面保证精确地记录对象的待检查的区域的OCT图像,而另一方面保证试体的相应得到反映的区域具有最佳的大小。在此生成和复现的OCT图像尤其为实时图像,可借助其由操作人员可靠地且特别舒适地进行传感器头的定位连同必要时需要的位置改变。
总地来说,本发明允许在同时简单且省时的操纵的情况下相对于待检查的对象精确地定位OCT系统的传感器头。
优选地,第二区域对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射基本上是不可穿透的。在第一区域(其对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射基本上是可穿透的)之间的过渡由此在相应的OCT图像中特别明显地可见且因此允许特别精确的定位。
备选地或附加地,第二区域具有这样的结构,其光学特性不同于对象的结构的光学特性。如果利用OCT系统例如记录人的皮肤器官的OCT图像,如此选择定位元件,其第二区域具有这样的结构,该结构在相应的OCT图像中很好可见地不同于皮肤器官的可预料到的典型结构。优选地,第二区域的结构具有尤其重复的结构元件,其可从OCT系统可靠地松开并且尤其具有例如至少3μm的侧向伸展。第二区域的这种结构以很高的可靠性在相应的OCT图像中不同于第一区域,通过其描绘出对象的待检查的区域,这使得定位同样特别可靠且对于操作者来说很简单。
在同样优选的实施方案中,定位元件的支承可弯曲地来设计。支承在此可尤其与对象的轮廓匹配。因此,定位元件还可以简单的方式安装待检查的对象的弯曲部位处,由此保证定位元件的第一区域可靠地位于对象的待检查的区域上并且在此不仅在定位传感器头期间而且在实际地拍摄OCT图像时保留诊断目的。因此还在简单地操纵的情况下保证传感器头相对于待检查的对象的精确的定位。
优选地,定位元件的支承如此设计,即,其与对象接触并且尤其可固定在对象处。支承尤其可可松开地固定在对象处。优选地,支承在其面向对象的下侧处设有至少一个粘贴区域,该粘贴区域在接触对象时与其达到可分开的粘贴连接。粘贴区域例如可具有包含粘粘剂的层,该层例如可通过将粘粘剂直接施加到支承的下侧上或还可通过将双侧的胶粘带的区段粘到支承的下侧上实现。优选地,粘贴区域、尤其粘粘剂层,设有附加的保护层,其就在使用定位元件前不久被移除。作为保护层,特别适合的例如是涂蜡的或硅油保护纸。优选地,仅仅支承的下侧的子区域、尤其在第一区域的环境中设有粘贴区域。
由于接触对象或定位元件可分开地定位在对象处,可特别可靠地实现传感器头相对于对象、尤其对象的待检查的区域的定位,因为在传感器头在定位过程期间的必要时需要的位置改变的情况下以简单且可靠的方式阻止定位元件的打滑。此外,由此定位元件还在为了诊断目的实际拍摄OCT图像期间以很高的可靠性保持在对象的待检查的区域上,从而实现精确地拍摄对象的最初选择的区域的OCT图像。
此外,优选的是,支承的第一区域构造为在支承中的穿口。第一区域和第二区域的光学特性的根据本发明的差别可以该方式特别简单地实现。同时由此实现传感器头的特别可靠的定位。
在另一优选的实施方案中,支承的第一区域的形状和/或大小匹配于传感器头的穿透区域的形状或大小,由干涉仪发送的和由对象反射的辐射可穿过该穿透区域。如果传感器头例如具有呈基本上圆形的窗部的形式的、带有大约2.5mm的直径的穿透区域,则第一区域同样基本上圆形地设计成带有大约2.5mm的直径。相应的情况适用于穿透区域的矩形的和其他的形状,例如还适用于带有倒圆的角部的矩形的、尤其方形的基本形状。因此一方面实现传感器头相对于对象的精确的定位,并且另一方面实现拍摄对象的最大部段的OCT图像。
优选地,在定位元件处设置有一个或多个标记,其支持传感器头相对于定位元件、尤其相对于支承的第一区域和/或第二区域的定位。标记例如可为线和/或圆和/或圆形区段。标记实现传感器头在其然后紧接着在借助显示的OCT图像的根据本发明的定位过程中完全精确地相对于对象定位之前的首先粗略的放置。通过预放置传感器头进一步简化和加速定位过程本身。
标记优选地如此设计,即,其相应于传感器头的外部轮廓和/或形状。如果传感器头的对象侧的端部例如具有圆形的支承区域,在其中部中布置有呈圆形的窗部的形式的穿透区域,则作为标记例如可设置两个同心的圆形的或扇形的环,它们的中心与支承区域或圆形的窗部的中心重合。两个环的内环的直径优选基本上相应于传感器头的支承区域的外径,而外环比内环具有少许更大的直径。因为人的眼睛识别出传感器头的支承区域的同心的放置的已经少许的偏差,所以操作人员可借助外环以简单且可靠的方式进行传感器头的可靠的预放置。
此外,优选的是,支承的第二区域对于由干涉仪发送的或由对象反射的、小于10-4尤其小于10-6的辐射具有穿透性。因为仅碰到第二区域上的辐射的小于0.01%或小于0.0001%的份额可通过支承的第二区域,所以第二区域在所拍摄的OCT图像中相对于第一区域(其对于由对象反射的辐射基本上是可穿透的)明显可识别出,从而传感器头可以很高的精度和可靠性精确地相对于对象定位。
特别优选的是,支承的第二区域具有反射层,其反射由干涉仪发送的辐射。支承的第二区、尤其反射层尤其具有用于由干涉仪发送的辐射的至少30%、尤其至少50%的反射能力。由此实现通过传感器头发送的并且碰到定位元件的支承的第二区域上的电磁辐射大部分被反射并且通过传感器头再次引回到干涉仪中。在在此获得的OCT图像的相应的图像区域中的明暗度值相对于在在其中复现待检查的对象的反射特性的图像区域中的明暗度值相应很高。由此可在OCT图像中以非常高的可靠性识别出在支承的第一区域和第二区域之间的过渡,从而传感器头的定位可在简单的操纵的情况下以很高精度实现。
优选地,图像生成装置构造成生成基本上垂直于碰到对象或定位元件上的电磁辐射的方向和/或平行于待检查的对象的表面伸延的平面的图像。在此获得的图像还被称为En-face图像。相应地,显示装置优选构造成复现生成的En-face图像。借助生成和复现的En-face图像可将传感器头特别精确地带到在定位元件上的期望的位置中。因此,传感器头例如可如此定位,即,在生成和复现的En-face图像中含有定位元件的整个第一区域或第一区域的尽可能大的部分或在其中可见。由此实现由对象拍摄的OCT图像(亦即,在垂直于对象表面伸延的平面中的不仅En-face图像而且切片图像)恰好源于对象的通过定位元件的第一区域限定的部分,并且在此,对象的在OCT图像中相应示出的区域始终具有最佳的大小。
优选的是,系统如此构造,即,对象的不同的深度的图像借助在对象的不同的深度中反射的辐射生成和复现,其中,在由对象的不同的深度获得和复现的图像中可识别出在对象与定位元件之间的过渡,尤其在定位元件的第一区域和第二区域之间的过渡。这具有的特别的优点是,如果系统在在其中还存在定位元件的深度区域中探测到OCT图像,不仅可很好地识别出考虑用于定位的、在OCT图像中在第一区域和第二区域之间的过渡,而且如果相应获得的OCT图像源自在对象之内的深度区域,其位于定位元件之下,那时可在OCT图像中精确地识别出该过渡。因此,如果在所谓的深度扫描期间在检查对象时识别出重新的或改变的定位的必要性,那时仍还可进行相对于对象定位传感器头,而不必采取附加的控制措施。
该实施方案在定位传感器头是特别有利,如果定位元件的第二区域对于由干涉仪发送的和/或由对象反射的辐射基本上是不可穿透的,从而对象的位于定位元件的第二区域之下的区域被定位元件的第二区域“遮暗”,或者作为“暗的”区域在OCT图像中由不同的深度显现出来。因此,如果En-face图像的相应的平面不是伸延通过定位元件,而是伸延通过位于其下的对象,那时还可在对象的不同的平面中拍摄和复现的En-face图像中识别出在对象与定位元件之间的过渡。因此,传感器头的定位在实际的测量运行中同样是可行的,在其中关于在对象的不同的深度中的平面拍摄OCT图像,尤其En-face图像。因此,传感器头的在开始测量运行之前选择的位置可在需要时事后在拍摄在对象中的不同的深度中的OCT图像期间在测量运行中进行修正。
优选地,系统包括探测器以用于探测由对象和/或由定位元件反射的且引回到干涉仪中的辐射,其中,用于操控探测器的控制装置如此构造,即,其在探测由定位元件反射的且引回到干涉仪中的辐射时处于饱和运行(Sättigungsbetrieb)中。由此实现在OCT图像区域(其相应于支承的第一区域和第二区域)之间的最大可能的对比,从而可以特别高的可靠性识别出在第一区域和第二区域之间的过渡。如果图像信号在其复现之前作为作为OCT图像被解调,由此可在OCT图像中识别出仅仅可变化的图像信号走向,而恒定的饱和信号仅作为黑色的区域出现在OCT图像中,那么这特别适用。
此外,特别优选的是,图像生成装置构造成以每秒大于一幅图像的频率、尤其以每秒大于五幅图像的频率生成对象或定位元件的图像,和/或显示装置构造成以每秒大于一幅图像的频率、尤其以每秒大于五幅图像的频率复现对象或定位元件的图像。对于生成率或复现率,可谈及的是OCT图像实时的生成或复现,从而操作人员可借助实时OCT图像–即,借助相应当前的OCT图像–识别出传感器头是否相对于对象具有期望的位置并且尤其位于定位元件的支承的第一区域上或上方,或必要时必须少许改变其位置。传感器头的位置改变可借助随后且实时拍摄或复现的OCT图像由操作人员直接在位置改变之后进行检查。
在本发明的特别有利的且优选的实施方案中,控制装置构造成实时生成和复现En-face图像,从而可将传感器头借助实时拍摄和复现的En-face图像带到在定位元件上的期望的位置中。因此可将传感器头以快速、可靠且舒适的方式相对于定位元件或对象带到最优的位置中,从而由对象的通过定位元件的第一区域限定的部分获得最佳大小的En-face和/或切片图像。
待检查的对象优选为生物组织,尤其为人或动物的皮肤器官。原则上,但本发明还可用于检查人或动物的其他器官。
附图说明
由结合附图的随后的说明得到本发明的其他的优点、特征和应用可能性。其中:
图1显示了用于光学相干层析成像的系统的示意性的示例的图示;
图2显示了探测面的示例的示意性的图示以用于说明第一运行模式;
图3利用在第一平面中的剖面显示了对象的空间元件以用于说明第一运行模式;
图4利用在第二平面中的剖面显示了对象的空间元件以用于说明第二运行模式;
图5利用在第二平面中的剖面显示了对象的空间元件以用于说明第三运行模式;
图6a)和6b)显示了通过对象和干涉仪的探臂的两个截面以用于说明焦点追踪;
图7显示了有规律的点阵的示例以用于说明输出图像值的插值;
图8相比于在深度的方向上的物理的分辨率显示了用于说明在对象的深度的方向上扫描干涉样本的简图;
图9相比于在深度的方向上的物理的分辨率显示了用于说明在对象的深度的方向上扫描的最初的输出图像值相应综合成输出图像值的另一简图;
图10显示了用于说明两个在对象的深度的方向上获得的输出图像的输出图像值的插值的另一简图;
图11显示了用于说明在横向于对象的深度的方向的一个(左边)平面或两个(右边)平面中的输出图像值的探测以及从两个平面获得的输出图像(右边)的输出图像值的插值的另一简图;
图12显示了输出图像(左边)相比于通过所说明的插值获得的相应的最终图像(右边)的示例;
图13显示了用于光学相干层析成像的系统的另一示例;
图14显示了系统的传感器头的图示;
图15显示了传感器头与定位元件一起的图示;
图16以面向传感器头的侧部(左边)和面向对象的侧部(右边)的俯视图显示了定位元件的第一示例;
图17以面向传感器头的侧部(左边)和面向对象的侧部(右边)的俯视图的显示了定位元件的另一示例;
图18显示了用于说明在不同的阶段a)至c)中的定位过程的截面图示;
图19显示了OCT图像的第一示例,其利用不透明的定位元件拍摄(a)切片、b)En-face);
图20显示了OCT图像的第二示例,其利用不透明的定位元件拍摄(a)切片、b)En-face);
图21显示了OCT图像的第一示例,其利用明显起反射作用的定位元件拍摄(a)切片、b)En-face);
图22显示了OCT图像的第二示例,其利用明显起反射作用的定位元件拍摄(a)切片、b)En-face);以及
图23显示了OCT图像的第三示例,其利用明显起反射作用的定位元件拍摄(a)切片、b)En-face)。
具体实施方式
1.光学相干层析成像装置
图1显示了用于光学相干层析成像的系统的一示例的示意性的图示,该系统具有光学相干层析成像装置,在下面还被称为OCT装置。
OCT装置具有干涉仪10,其包括分束器11、照明臂12、参考臂13、探臂14以及探测臂15。此外,设置有辐射源21以用于生成光,其通过光学过滤器22过滤并且通过由透镜23和24组成的光学系统聚焦到光导体26的输入区域25上。辐射源21与光学过滤器22一起形成还被称为光源20的装置。
耦合到光导体26中的光通过位于其输出区域27中的光学系统28耦合到干涉仪10的照明臂12中。光从此处首先到达分束器11,将光通过分束器11一方面传送到参考臂13中并且由位于其端部处的可运动的参考镜16反射,而另一方面在通过探臂14之后照亮试体1的面2。结合本发明,试体1(其尤其为尤其人的皮肤组织的生物组织)还被称为对象。
为了以简单的方式实现将OCT装置(尤其干涉仪10的探臂14)尽可能精确地定位在试体1上,设置有定位元件3,其可粘到试体1上并且可在拍照之后再次从试体1移开。定位元件3具有两个区域,其对于由干涉仪10发送的和/或由试体1反射的光相应带有不同的穿透性和/或反射性(反射性)。由于两个区域的不同的光学特性,这两个区域可在拍摄的和复现的OCT图像方面有轻微不同,从而操作人员可以简单的方式识别出OCT装置是否如所期望的那样相对于试体定位或必要时是否必须进行位置修正。下面还进一步详细探讨定位元件3的其他的特性以及在借助于定位元件3执行传感器头的定位时的细节。
由试体1反射的(尤其返回散射的)光更新地通过探臂14、在分束器11中与在参考镜16处反射的、来自参考臂13的光重叠并且最后通过探测臂15到达到探测器30上,探测器30包括布置在优选水平面中的多个探测元素并且因此能够有空间分辨率地探测由试体30反射的光或相应的干涉样本-基于其叠加在参考镜16处反射的光。
作为探测器30,优选使用CMOS摄像机,其探测元素(所谓的像素)在红外线的光谱范围中是敏感的,尤其在例如1250nm与1350nm之间的光谱范围中。CMOS摄像机优选具有512x640探测元素。
作为光导体26,优选利用所谓的多模纤维,其数值的口径和芯部直径允许在耦合到纤维中的光的确定的波长中不仅可形成一种纤维模态(Fasermode),而且可激励多个不同的纤维模态。使用的多模纤维的直径优选在约1mm与3mm之间,尤其为大约1.5mm。
在试体1上的照亮的面2的大小近似相应于在参考镜16上的照亮的面17的大小并且一方面通过处在光导体26的输入区域处的光学系统(其在所显示的示例中包括透镜23和24)确定,并且另一方面通过设置在光导体26的输出区域中的光学系统28确定。
在所说明的OCT装置中,出现的干涉样本利用探测器30来探测,其中,生成相应的干涉信号。用于干涉信号的扫描的探测器30的扫描率在此如此选择,即,干涉样本的时间上的变化可以足够的精度来探测。如果应获得用于深度扫描的很高的速度,这通常需要很高的扫描率。
深度扫描在所说明的系统中优选由此实现,参考镜16与分束器11的光学距离在利用探测器30探测由试体1反射的光器件以速度v变化了这样的光学路径,其明显大于耦合到干涉仪10中的光的平均波长。优选地,在此在试体1的至少100个不同的深度中反射的光由探测器30来探测。尤其优选的是,光学路径周期性地随着幅度变化,其明显大于耦合到干涉仪10中的光的平均波长。参考镜16的光学距离以光学路径或幅度的改变优选是耦合到干涉仪10中的光的平均波长的至少100倍,尤其至少1000倍。由于在在距离变化中的很大的路径,参考镜16的运动还被称为宏观运动。
因为干涉样本的单独的周期通常相应必须在多个时刻进行扫描,在试体1的深度的方向上的最大可行的扫描速度取决于探测器30的最大可行的扫描率。在使用带有很高的空间分辨率的快速探测器阵列中,即,每单位长度带有很大数量的探测元素,最大的扫描率典型地在约1kHz的范围中。这在耦合到干涉仪中的光的例如1300nm的平均波长的情况下引起大约0.1mm/s的深度扫描的最大速度,如果每个干涉结构的周期拍摄四个点。
为了提高深度扫描的速度,在该OCT装置中对用于带有这样的频率的待探测的光的探测器30的敏感性的时间走向进行调制,该频率可以最多40%地大于或小于多普勒频率fD,其中,多普勒频率fD通过耦合到干涉仪10中的光的平均波长λ0和可运动的参考镜16的速度v如下得到:
。调制的典型频率在在1 kHz与25
kHz之间的范围中。特别优选的是,探测器敏感性的调制的频率不等于多普勒频率fD。
由试体1反射的且碰到探测器30上的光在此与探测器30的调制的敏感性叠加,从而探测器30在探测碰到探测器30上的干涉样本时代替带有多个周期的高频的干涉信号生成低频的差拍信号(Schwebungssignal),其比高频的干涉信号具有明显更小的周期。因此,比起在没有探测器30的敏感性的调制的情况下扫描高频干涉信号时,在扫描差拍时每时间单位需要明显更少的扫描时刻,而在此没有丢失重要的信息。这在探测器30的给定的最大的扫描率的情况下引起可将用于系统的深度扫描的最大速度提高多倍。
探测器30的敏感性例如可直接或利用布置在探测器30之前的可控制的电子快门调整。备选地或附加地,可调整在探测器30之前的光学元件的特性,例如用于由试体1反射的光的探测器物镜的穿透性。因此,相比于带有恒定的探测器敏感性的系统,扫描速度提高了4倍或甚至提高了8倍。
参考镜16的运动速度优选与探测器30的敏感性的调整的频率呈现固定的关系并且尤其如此选择,即,在出现的差拍信号的周期时间中整数数量的扫描时刻(优选四个扫描时刻)是合适的。
以这种方式扫描的差拍信号还必须在显示之前进行处理,因为在该信号中还含有干涉信息。应显示的重要的信息为相应的干涉的幅度和深度位置,然而不是干涉结构本身。为此必须通过以下方式对差拍信号解调,即,例如通过傅里叶变换或希尔伯特变换确定差拍信号的所谓的包迹。
因为差拍信号的相位通常未知并且其还对于不同的深度的不同的差拍信号可有不同,所以使用与相位无关的数字的解调算法。优选地,针对带有每个周期四个扫描时刻的干涉信号的扫描使用所谓的90°相移算法。由此实现差拍信号的快速的解调。
优选地,探测器30的敏感性的调整的周期包括两个子周期,其中,在第一子周期期间探测器对于待探测的光是敏感的,而在第二子周期期间探测器是不敏感的。通常,第一子周期和第二子周期同样长。然而,可为有利的是,第一子周期和第二子周期的持续时间设计得不一样长。如果由光源20发出的光或耦合到干涉仪10中的光和/或由试体1反射的光的强度相对很小,那么这例如是适用的。在这些情况下,第一子周期可如此选择,即,其持续时间长于第二子周期的持续时间。以这种方式即使在很低的光强度的情况下除了很高的深度扫描速度之外保证很高的信噪比且由此保证很高的图像质量。
备选于探测器30的敏感性,还可在时间上调整耦合到干涉仪10中的光的强度,其中,关于优选的实施方案以及有利的效果,关于探测器敏感性的上面所说明的调整的阐述相应是适用的。
辐射源21优选包括螺旋形的金属丝,其由透明的包封部(优选由玻璃构成)包围。优选地,辐射源21构造为卤素白炽灯,尤其钨-卤素-白炽灯,,其中,将钨丝用作金属丝,并且包封部的内部填有玻璃,其含有卤素,例如碘或溴。通过施加电压使螺旋形的金属丝发光,由此金属丝发出在空间上不相干的光。在本发明的意义中,在空间上不相干的光可理解成这样的光,其在空间上的相干长度小于15μm,并且尤其仅为几微米,即,在大约1μm与5μm之间。
由辐射源21生成的在空间上不相干的光通过光学过滤器22,其构造为带通过滤器并且基本上仅对在可预定的光谱的带宽内的光是可穿透的。光学过滤器22具有钟形的或高斯形的光谱的过滤特征,其中,仅仅由辐射源21生成的光的这样的光谱的光部分可通过光学过滤器22,该光部分在预定的带宽之内在钟形的或高斯形的光谱的过滤特征的平均波长附近。
在本发明的意义中,将高斯形的光谱的过滤特征理解成,用于带有确定波长λ的光的光学过滤器22的穿透性与成比例,其中,λ0表示波长,在其中光学过滤器22具有其最大穿透性,而Δλ表示标准偏差,其与高斯形的穿透性走向的半值宽度FWHM如下相关:。
将钟形的光谱的过滤特征理解成光学过滤器22的穿透性的光谱的这样的走向,该走向可通过高斯形的走向接近和/或仅在这个程度上不同于高斯形的走向,即,其傅里叶变换具有基本上高斯形的走向,该走向不带有旁瓣(Nebenmaxima)或带有仅仅非常低的旁瓣,其高度为傅里叶变换的最大值的最大5%。
通过使用从理论上说生成在空间上不相干的光的辐射源21在借助于二维的分辨位置的探测器30探测由试体1反射的光时避免由于光束从不同的地点在检查的试体1内的相干的串扰而出现所谓的重像(Geisterbild)。由此可放弃在使用在空间上相关的辐射源时通常需要的附加的装置以用于破坏空间的相干性。
此外,可因此追溯到用于生成不相干的光的热的辐射源上,例如白炽灯或卤素灯,其比通常使用的超级发光二极管(SLD)明显表现更出色且成本更合适。
通过利用高斯形或钟形的过滤特征的光学过滤将由辐射源21生成的光转变成在时间上部分相干的、带有优选大于大约6μm的时间上的相干长度的光。这在所说明的类型为所谓的时域OCT(在其中在干涉仪10中的参考臂13的长度变化并且借助于优选二维的探测器30持续地探测出现的干涉的强度)的OCT装置中特别有利,因为通过借助于通过光学过滤器22实现的带通过滤光一方面实现由试体1探测的图像的很高的侧向分辨率,并且通过光学过滤器22的高斯形或钟形的光谱的过滤特征另一方面避免在利用探测器探测的干涉样本的傅里叶变换中出现干扰性的旁瓣,其引起出现其他的重像。
总地来说,利用所说明的OCT装置以简单的方式获得带有很高的分辨率和图像质量的OCT图像。
在所显示的示例中,光学过滤器22布置在辐射源21与由两个透镜23和24形成的输入侧的光学系统之间。但原则上还可行的是,光学过滤器22设置在两个透镜23和24之间或设置在透镜24与光导体26的输入区域25之间。原则上,光学过滤器22的这种布置方案特别有利,如果碰到光学过滤器22上的光束具有仅仅很少的分散或尤其彼此平行地伸延,因为因此一方面降低在光学过滤器22的界面处的反射损失,并且另一方面减少由于光折射的射线偏差。因此,在所显示的示例中,光学过滤器22布置在光学系统的两个透镜23和24之间特别优选。
但备选地或附加地同样可行的是,将光学过滤器22直接施加到辐射源21的包封部上。这具有的优点是,可取消附加的过滤构件。
但备选地或附加地同样可行的是,将光学过滤器22布置在光导体26的输出区域27与照明臂12之间,例如在处在光导体26的输出区域27与照明臂12的输入部之间的光学系统28的透镜之前或之间。
在一简单且特别可靠的变型方案中,光学过滤器22包括吸收滤光器(尤其所谓的主体玻璃(Masseglas))和干涉过滤器,其中,在主体玻璃上例如通过汽化渗镀施加有带有不同的折射系数的多层(优选在大约30与70之间)薄层,由此获得干涉过滤器。
对于这种情况,即,光学过滤器22集成到辐射源21的包封部中,光学过滤器22优选通过将这种干涉层施加到包封部上实现。备选地或但附加地同样可行的是,透镜23、24更确切地说光学系统28的透镜中的一个或多个设有相应的干涉过滤器。
2.OCT装置的运行模式
所说明的OCT装置可以三个不同的运行模式运行。运行模式为两个实时模式(在其中试体1的OCT图像以每秒至少一幅图像的很高的速率、优选每秒大约5至10幅图像的速率生成)以及一个静态的运行模式。
在第一运行模式(实时模式1)中,实时生成试体1的二维的深度截面(所谓的切片)。这由此实现,即,作为探测器30使用CMOS摄像机,其允许调节所谓的兴趣窗口(Window
of Interest,WOI),在其中探测器30的仅仅部分面积对光敏感并且将光转变成相应的探测信号。降低敏感性的摄像面积与明显提高摄像速度相关联,从而可在调节时比在全图模式中每秒生成更多的摄像图像。
在实时模式1中,优选选择这样的WOI,其在总的摄像长度或宽度的方向相应于(例如640像素),而在另一方向上具有通过相应的摄像机的类型给定的最小可行数量的像素(例如4像素)。由此在这个程度上提高摄像机的速度,即,可实时拍摄OCT图像。
这优选组合探测器30的敏感性的上面说明的调制或耦合到干涉仪10中的光或由干涉仪10发送的光的强度的调制实现。
图2显示了作为示例的带有探测面A1的探测器30,探测面A1包括第一数量N1的布置在平面中的探测元素31并且具有长度c1和宽度b1。在所谓地调节WOI时,光仅仅通过位于探测面A1的子面A2中的探测元素31来探测并且将其转变成相应的探测信号。子面A2的探测元素31的第二数量N2小于整个探测面A1的探测元素31的第一数量N1。探测面A1和子面A2的长度c1和c2大小相同,而探测面A1和子面A2的宽度b1和b2不同。
在所显示的示例中,子面A2仅为四个像素宽,而探测面A1为512个像素宽。因此,探测面A1的敏感面以因数128被缩小,这显著缩短为了探测干涉样本和将其转变成相应的探测信号所需的持续时间。
如在图3中示出的那样,在该示例中代替完整的三维的X线断层照片从试体1的所考虑的空间元件R获得仅四个(相应于子面A2的四个像素行)二维的深度截面S(所谓的切片)。基于在第一运行模式中获得的切片,该模式还被称为切片模式。
为了进一步的说明,图3的左边部分显示了人的皮肤的模型,在其中例如显示了在运行模式1中优选实时拍摄的二维的深度截面确切地说切片的平面。
在第二运行模式(实时模式2)中,如在图4中示出的那样,从试体1的所考虑的空间元件R的确定的深度T生成二维的X线断层照片F,其中,深度T可自由选择。在此,探测器30的整个探测面A1用于探测由试体1反射的光并且将其转变成相应的探测信号,其中,然而仅相应最大低考虑用于计算X线断层照片F的五张摄像图像。为此,使在干涉仪10中的参考镜16在相对于分束器11带有例如1μm的幅度的确定的间距的情况下周期性地往复运动该间距,然而拍摄最高五幅摄像图像,其然后被决定用于OCT图像。以这种方式可以很高的重复率尤其实时生成X线断层照片F。相比于参考镜16的上面所说明的宏观运动,在此涉及参考镜16的微小的运动。
通过参考镜16的宏观运动-必要时组合在以确定的深度T在试体中借助于位于探臂14中的探测光学系统聚焦的光的下面进一步详细说明的焦点追踪-可自由选择深度T,由该深度T获得X线断层照片F。
基于通过试体1在基本上垂直于碰到试体1上的光的方向伸延的平面中的在第二运行模式中获得的二维的截面F,第二运行模式还被称为En-face模式。
为了进一步的说明,图4的左边的部分显示了人的皮肤的模型,在其中例如显示了在运行模式2中优选实时拍摄的二维的X线断层照片更确切地说En-face图像的平面。
在第三运行模式(静态的模式)中,借助参考镜16的宏观运动组合焦点追踪记录完整的三维的数据组。
在耦合到干涉仪10中的光的平均波长处在例如1μm的范围中时,参考镜16的宏观运动的光学路径长度或幅度至少例如为0.1mm,优选至少例如为1mm。
相比于参考镜运动的呈耦合的光的平均波长的一小部分(即,典型地最高1μm)的量级的通常微小的幅度,在所说明的OCT装置中,参考镜16的宏观运动呈0.1mm至几毫米的量级。
在参考镜16的宏观的线性运动期间,由试体1反射的光通过干涉仪10传送至二维的探测器30,并且由探测器连续地在相应确定的持续时间(其相应于探测器30的积分时间)的多个时刻来探测并且将其转变成相应的探测信号。
为了可在由参考镜16反射的光与由试体1反射的光之间出现干涉,必须满足所谓的相干条件,其尤其表明相应反射的光波必须彼此具有恒定的相位关系,以便可彼此干涉。由于使用带有非常短的相干长度(典型地10μm或更小)的光,恒定的相位关系的条件(其还被称为相干门(Kohärenz-Gate))仅在试体1的确定的深度或深度区域中得到满足。
在此,参考镜16在宏观运动期间的任何位置相应于在试体1内的确定的深度或在确定的深度附近的深度区域,针对其满足相干条件,从而可在由参考镜16反射的光与由试体1反射的光之间出现干涉。
在参考镜16的周期性的运动的情况下,参考镜16的周期性的运动的半周期(两个)相应可用于接收探测信号。
以这种方式通过探测器30连续地接收试体1的不同的深度的二维截面。这在图5中进行了说明,在其中代表多个二维截面示出了通过试体1的空间元件R的第一二维截面F1、第二二维截面F2和第三二维截面F3。这种二维截面同步地与参考镜16的宏观运动在方向a上“游移”通过试体1的所考虑的空间元件R,而不必使试体自身运动。
每个截面F1、F2和F3相应位于试体1的深度T1、T2和T3中,在其中相应满足相干条件,从而可在由参考镜16反射的光与由试体1反射的光之间出现干涉。因此,参考镜16的宏观运动组合连续二维地探测由试体1反射的光具有三维的深度扫描的效果。
通过参考镜16的宏观的线性运动(一方面)与利用二维的探测器30探测由试体1反射的光(另一方面)上面说明的组合实现可简单实现地且快速地记录试体1的所期望的空间元件R的完整的三维的数据组。
在此,通过参考镜16的宏观运动代替确定的深度的仅仅二维的图像获得三维的X线断层照片。在此,为了记录三维的数据组,不再需要使试体1相对于第二干涉仪20运动。这使得所说明的OCT装置紧凑、可靠地且可简单地操纵,从而其特别适合于用在vivo(体内)中。
为了进一步的说明,图5的左边的部分显示了人的皮肤的模型,在其中例如示出的空间元件,由该空间元件在运行模式3中拍摄三维的X线断层照片。
3.焦点追踪
上面说明的OCT装置如此来设计,即,在参考镜16的运动的完整的行程(及,路径长度或两倍的幅度)期间始终获得带有足够高的强度和很高的清晰度的干涉信号。此外,通过随后进一步说明的焦点追踪保证干涉信号以及探测的干涉样本的清晰度对于在试体1中的所有的深度来说是最大的。
为此在探测由试体1反射的光期间以如下方式调节干涉仪10的位于探臂14中的成像光学系统的焦点,即,焦点在试体1中的位置和在其中在反射光的情况下满足相干条件并且出现干涉的这样的平面在试体1中的位置在在拍摄试体1的空间元件R的X线断层照片期间的所有的时间基本上是相同的。这在下面借助图6a和6b来说明。
图6a显示了这样的情况,在其中在探臂14中的在此仅简化为透镜示出的探测物镜14a的焦点f处在试体1的这样的深度中,该深度并不与相干门K的位置一致。因此,在相干门K之内在深度Ti中探测的通过试体1的截面并未精确清晰地反映给探测器30(参见图1),从而在探测干涉时应接受信息损失。
而在图6b中示出了这样的情况,在其中如此调节探测物镜14a的焦点f,即,其在相干门K之内位于深度Ti中。根据相干门K的相应的深度Ti追踪探测物镜14a的焦点f被称为焦点追踪。以这种方式使干涉仪10在深度扫描期间清晰地适合于在试体1的不同的深度Ti中的相干门K的相应的位置,从而由试体1的任何深度获得带有很高清晰度的图像。
最大光学扫描深度Tm说明直至在试体1的表面之下的哪种深度满足用于结构干涉的相干条件并且获得相应的干涉样本。
在图6a和6b中简化示出的探测物镜14a优选包括多个透镜,其可单个地和/或成组地朝试体1的方向上运动或运动离开试体1。为此,例如设置有压电的执行器,尤其超声压电马达,其与探测物镜14a或透镜相联结并且使物镜14a或透镜沿着一个或多个引导部(尤其引导杆或引导槽)运动。
探测物镜14a或透镜的运动优选与在干涉仪10中的参考镜16的宏观运动同步(参见图1)。探测物镜14a的焦点f以这种方式跟随相干门G,而后者连续地通过试体1的不同的深度T1、T2和T3,由该深度借助探测器30记录相应二维的截面F1、F2和F3(参见图5)。
参考镜16的宏观运动和焦点追踪(一方面)组合二维的探测器30(另一方面)的同步保证特别简单且快速地拍摄在试体1的不同的深度中的多个清晰的二维的图像截面且由此保证探测带有很高的图像质量的完整的三维的图像数据组。
因为干涉仪10和在探臂14中的光学图像持续地彼此协调,所以由探测器30探测的在试体1中的任何深度的干涉信号是最大的,从而产生非常高的信噪比。此外,由此确保在试体1中的所有深度的横向分辨率是最佳的,因为成像的焦点f始终在相干门K中。由此获得带有很高的对比的细节可信的OCT图像。
有利地,透镜确切地说探测物镜14a的透镜朝试体1的方向上的运动的速度v2小于参考镜16的运动的速度v1。优选地,在此参考镜16和透镜的速度的比v1/v2选择成其近似等于2n–1,或该值最高大约±20%、优选为该值大约±10%。因此焦点f和相干门G的位置以特别高的可靠性彼此协调。
通过上述说明地选择参考镜12和透镜42的速度的比v1/v2保证,相干门K和焦点f在深度扫描期间相叠地位于总地所考虑的深度区域中。在带有折射指数n=1.4的试体的上面的示例中,速度的比v1/v2在大约的范围中,即,在大约1.44与2.16之间,并且优选大约为。
4.三线性插值
利用上面说明的OCT装置或方法获得的OCT图像可经受差值以用于进一步改善识别诊断信息,例如在皮肤病学的领域中还用于改善地识别在皮肤中带有例如大于10μm的大小的空腔或肿胀。
在利用上面说明的OCT装置或方法获得的OCT图像(尤其实时图像)中特别有利的插值方法在此为所谓的三线性插值,在其中对至少两个二维的输出图像(其在对象的彼此平行伸延的平面中被拍摄)的输出图像值在三维空间中进行插值,从而获得二维的最终图像。这在下面详细地进行进一步阐述。
三线性插值为用于在三维的规则点阵(即,在所有的三个空间方向上带有相同的点阵常数的点阵)中多变量地插值的方法。这借助在图7中示例性地显示的点阵来说明。由位于立方体的八个角C000至C111处的输出图像值的插值相应导出位于立方体的中心C中的插补值。
相应的输出图像值源自在对象的不同的平面中拍摄的输出图像。输出图像值为在相应的二维的输出图像中的不同的地点处的光强度值。带有坐标C000、C001、C011和C010的输出图像值(即,光强度值)例如源自在运行模式1中拍摄的、沿着第一深度截面S(参见图3)的第一实时图像,而带有坐标C100、C101、C111和C110的输出图像值(即,光强度值)源自在运行模式1中拍摄的、沿着以点阵常数的间距与第一深度截面间隔开的第二深度截面S的第二实时图像(参见图3)。在一备选的示例中,带有坐标C000、C010、C110和C100的输出图像值源自在运行模式2中拍摄的、呈第一二维的X线断层照片F的形式的第一实时图像(参见图4),而带有坐标C001、C011、C111和C101的输出图像值源自在运行模式2中拍摄的、呈以点阵常数的间距与第一二维的X线断层照片间隔开的第二二维的X线断层照片F的形式的第二实时图像(参见图4)。
为了三线性插值利用上面说明的OCT装置或方法获得的OCT图像,尤其实时图像,在所有的三个空间尺度上选择相同的分辨率。
在由现有技术已知的OCT系统中,这不可没有分辨率损失地实现,因为在大多数情况下仅可实现相对很高的轴向的(即,纵向的,在碰到对象的光的方向上)分辨率,而侧向的(即,横向的,垂直于碰到对象上的光的方向)分辨率在大多数情况下明显更低。因此,在所有的三个空间方向上选择相同的分辨率仅通过降低轴向的分辨率实现,然而,这由于很大的信息损失通常并非是所期望的,因为那时不再可解决小的对象。此外,在由现有技术已知的OCT系统中不可同时或至少几乎同时拍摄两个二维的图像。这尤其针对En-face图像和扫描系统。因此,实时的三线性插值几乎不可实现,因为那时运动工具(Bewegungsartefakt)变得同样重要。
而在利用上面说明的OCT装置或方法获得的OCT图像中,三线性插值不仅在在运行模式1和2中探测的二维的实时图像(切片或En-face)的情况下是可行的,而且可用于后处理在静态的运行模式3中获得的三维的X线断层照片。
在上面说明的OCT装置中,轴向的(即,纵向的)分辨率基本上通过光源20的光谱的带宽和待检查的对象1的折射指数确定,而侧向的(即,横向的)分辨率基本上通过探测器30的探测元素31的数量和光学成像(参见图1和2)确定。
上面说明的OCT装置如此调整,及,侧向的分辨率和轴向的分辨率几乎相同并且非常高。优选地,分辨率在所有的三个维度上大约为3μm×3μm×3μm。
这对于侧向的分辨率尤其通过上面说明的焦点追踪实现,而对于轴向的分辨率尤其通过使用光源20实现,光源20包括作为辐射源21的卤素灯组合高斯过滤器22。
此外,优选的是,干涉仪10的成像光学系统(尤其探测物镜14)的景深(参见图1)大于输出图像值的“点阵间距”,即,输出图像值在三个维度上的空间距离。由此在任何情况下保证,始终以很高的进度探测输出图像值。
此外,优选地考虑这样的事实:干涉信号的扫描必须高度足够,以便并未损伤所谓的采样定理。这在下面进行进一步阐述。
图8相比于在深度T的方向上的物理的分辨率41显示了用于说明在对象的深度T的方向上扫描干涉样本40的简图。在上面说明的OCT装置或方法中,优选每个干涉样本40的干涉周期相应采样四个点42。干涉周期在此为耦合到干涉仪中的光的一半的(平均)波长长(在平均波长为大约1.3μm的情况下,这相应于大约0.65μm)。由此得出两个采样点42的间距43为大约0.163μm。然而,在空气中的物理分辨率41大约为4μm。这意味着大约24个相继的行在深度方向T上含有近似相同的物理信息并且因此可没有重要信息损失地综合成一行。这又引起合成的体积像点(所谓的体素)在所有的三个维度上具有近似相同的扩展,即,基本上相应于立方体。在此,输出图像值例如相应于最初的输出图像值的中值或中位数。
图9说明了在对象的深度T的方向上在多个相继的行44中扫描的最初的输出图像值以上面说明的方式综合成带有仅仅一个输出图像值和行高的行,即,在深度方向T上的纵向的伸展45,其相应于垂直于深度方向T的行的像点(像素)的侧向的伸展46。
在运行模式1(在其中实时拍摄切片)中在三线性插值时同时读出探测器30的两个相邻的行。这在在图2中显示的探测器30的示例中意味着,探测器30的子面A2的宽度b2如此选择,即,在探测器30的宽度的方向上仅延伸通过两个探测元素31。子面A2于是包括仅仅2×640个探测元素31,其在参考镜16(参见图1)的宏观运动期间连续第读出并且以上面说明的方式计算成二维的最终图像。
这借助图10进行说明。呈两个深度截面的形式的两个在对象的深度T的方向上拍摄的输出图像S(参见图3)通过三线性插值综合成最终图像S'。
因为同时且以非常短的时间拍摄呈两个深度截面的形式的两个输出图像S,所以确保在传感器头与对象(尤其人的或动物的皮肤)之间的可能的相对运动,而拍摄两个二维的输出图像S并不重要。
在运行模式2(在其中实时拍摄En-face图像)中,位于中间的位置中的参考镜16(参见图1)仅实施微小的优选振荡的、大约+/-5μm至+/-40μm的运动。探测物镜14的位置或光学成像特性在此优选如此调节,即,其具有在通过参考镜16的宏观移动预定的平均的深度位置中的焦点。在三线性插值实时拍摄的En-face图像时,相比于没有三线性插值的运行,相应探测在参考镜16的两个不同的位置处的呈两个En-face图像的形式的两个输出图像并且计算出呈En-face图像的形式的二维的最终图像。
这借助在图11中显示的简图来说明,该简图显示了参考镜16的位置P关于时间t的走向。
在图11的简图的左边部分中示出了没有三线性插值的情况。在此,在运行模式2中通过以下方式由在对象中的确定的深度获得呈X线断层照片的形式的二维的输出图像F,即,测量参考镜16的关于中间位置P0对称安放的五个位置P。
在图11的简图的右边部分中说明了三线性插值的应用。通过以下方式获得两个二维的输出图像F,即,相应测量参考镜16的五个位置P。五个位置P相应对称于P1或P2的位置,P1或P2本身优选对称于参考镜16的中间位置P0。参考镜16的位置P1和P2的间距47在此通过轴向的和/或侧向的像素数量45或46(参见图9)确定。在位置P1和P2的优选对称的位置的情况下,在对象中的相应的X线断层照片F相应以一半的像素数量位于平均的深度位置之上或之下。以这种方式拍摄的两个输出图像F于是经受三线性插值,在其中获得最终图像F'。
优选地,在干涉仪10中(参见图1)的光学成像的景深如此选择,即,其大于一半的体素大小。在优选的体素大小为3μm的情况下,景深必须大于1.5μm。
因为两个输出图像在运行模式2中的所说明的探测直接相继进行,典型地以大约0.014秒的时间间隔,所以在传感器头与对象(尤其皮肤)之间的可能的相对运动,在拍摄两个最初的输出图像之间对获得的输出图像的影响几乎被排除或可忽略地很小。
优选地,传感器头在拍摄图像时直接接触待检查的对象(尤其皮肤)的表面,由此明显降低相对运动的可能性。在尤其在拍摄人的或动物的皮肤的图像是特别有利,因为皮肤通常是有弹性的,并且尤其在施加胶的情况下,传感器头的顶部黏着在皮肤处,从而传感器头的轻微的侧向运动或轻微的倾斜通常并未引起在皮肤与传感器头之间的相对运动。
在运行模式3(在其中拍摄静态的三维的X线断层照片)中,如上面进一步说明的那样,在探测器敏感性调制(一方面)与待探测的干涉信号(另一方面)之间产生差拍。由此单个的采样点在深度方向上的间距大于在运行模式1中的间距,从而相应于很少的采样点(优选在6与10之间,尤其8)进行综合,以便获得立方形的三维的图像元素(体素)。
图12显示了输出图像(左边)相比于相应的最终图像(右边)的示例,其通过所说明的插值获得。最终图像相对于输出图像噪声明显更少地并且因此显现得“更柔和”或“更平滑”。在为了诊断目的比较图像的解释(尤其皮肤病学的领域中)已经表明,可由通过三线性插值获得的最终图像更快且更可靠地得悉相应有关的诊断信息。这尤其针对带有典型地大于10μm的大小的空腔或不均匀性。
用于三线性插值的上述的实施方案还相应地针对三立方插值,在其中输出值不是通过线性函数插值,而是通过三次函数插值。
5.用于光学相干层析成像的系统
图13显示了用于光学相干层析成像的系统50的另一示例。该系统50包括壳体51、呈键盘53、计算机鼠标54以及脚踏开关装置55的形式的输入装置,脚踏开关装置55具有左边的脚踏开关55l、中间的脚踏开关55m和右边的脚踏开关55r。壳体51在所显示的示例中通过以下方式设计成可移动,即,壳体设有滚轮56。
此外,设置有传感器头57,其通过电缆58或电缆软管或管与壳体51连接。传感器头57在其静止位置中插接在设置在壳体51处或中的传感器头支架中传感器头57在拍摄OCT图像期间可从传感器头支架中取出,这在附图中通过用虚线示出的传感器头57和用虚线示出的电缆58来表示。
系统包括呈纯平屏幕的形式的显示装置52,在纯平屏幕上可示出OCT图像60和61,其通过将传感器头57安放到对象(尤其病人的皮肤)上来探测。在在附图中显示的示例中,第一OCT图像60为基本上垂直于检查对象的表面伸延的深度截面,其在上面说明的运行模式1中进行拍摄,而第二OCT图像61为二维的X线断层照片,其基本上平行于检查对象的表面伸延并且在上面说明的运行模式2中进行拍摄。
在显示装置52中在第一OCT图像60的区域中示出了直线62,其可在表示的双箭头的方向上通过以下方式向上或向下移动,及,例如借助输入装置53、54或55选择直线62相对于第一OCT图像60的相应位置。系统50如此配置,即,根据直线62在示出的第一OCT图像60中的选择的位置自动确定在检查对象中的垂直于示出的第一OCT图像60伸延的平面并且在此拍摄二维的X线断层照片,其然后作为第二OCT图像61被示出。
第一OCT图像60优选为所谓的切片,而第二OCT图像61优选为所谓的En-face图像,其在相应于在第一OCT图像60中的直线62的平面中已经被拍摄。
此外,在显示装置52的屏幕处示出了呈可沿着直线运动的切换符号的形式的深度选择指示器63,其显示出通过选择直线62相对于示出的第一OCT图像60的位置选择的深度。备选地或附加地,深度还可以数值的形式给出。
此外,在显示装置52中可设置一个或多个其他的选择指示器。在示出的示例中设置有选择指示器64,其显示出待检查的对象的一个或多个特性。该特性优选通过操作者在拍摄相应的OCT图像之前来选择和输入。皮肤病学的应用在此例如为表征相应的病人的皮肤的湿度的参数。于是,在相应的选择指示器64中,可使相应的切换符号沿着直线持续地或以预定的步调在位置“干燥的皮肤”(在左边)与“湿润的皮肤”(在右边)之间运动。
在图1中示出的干涉仪10连同光学系统28和探测器30集成到传感器头57中。光源20连同呈两个透镜23和24的形式的输入侧的光学系统优选集成在系统50的壳体51中。光导体26(通过其使一者为光源20与另一者为干涉仪10彼此联结)在这种情况下在电缆58之内从壳体51引导至传感器头57。此外,在电缆58中引导有电导线,其一方面用于传感器头57的能量供给和控制,而另一方面将探测器30的在探测时由OCT图像生成的探测信号从探测器30导引到壳体51中,在此处将其输送给处理装置(未示出)。
在图14中详细示出了在图13中仅极其示意性地显示的传感器头57。在传感器头57的传感器头壳体57a的下部的区域中设置有手柄57b,通过其由操作人员将传感器头57从在壳体51处或中的传感器头支架取出或再次插入到传感器头支架中并且在拍摄OCT图像时放置到对象上且必要时可沿着对象来引导。在此,使传感器头57利用位于传感器头壳体57a的前端处的接触面57c接触待检查的对象,尤其病人的皮肤。
在接触面57c的中部中设置有窗部57d,光可通过窗部57d从位于传感器头57中的干涉仪10的探臂14(参见图1)离开并且在此对待检查的对象进行光疗。在对象的不同的深度中反射的和/或回散的光通过窗部57d再次进入到干涉仪10的探臂14中并且可在此如上面已经详细示出的那样以干涉现象的形式来探测和评估。
此外,装传感器头壳体57a处设置有状态显示装置57e,优选呈发光显示器的形式,通过其例如显示出用于获取OCT图像的系统50和/或传感器头57的准备情况。
在传感器头壳体57a的后端的区域中将电缆58(其还可构造为电缆通道或软管)联接到传感器头57处。
利用上面说明的用于光学相干层析成像的系统50可拍摄对象(尤其人的皮肤)的三维和二维的截面图像,其中,穿透到人的皮肤中的深度可达到最高约1mm并且检查的皮肤区域的面积的大小典型地具有约1.8×1.5mm的尺寸。由于在所说明的系统50中使用的带有约1.3μm的优选的平均波长的红外线射线可排除病人的辐射负荷,如例如在使用X射线辐射那样。此外,利用所说明的系统50获取的OCT图像具有很高的分辨率并且允许示出带有最高3μm的大小的单独的对象结构。利用系统50获得的OCT图像也可用于测量不同的结构的绝对的几何伸展,即,其大小。
即使并未明确显示,系统50包括控制装置以用于根据本发明控制系统50,尤其光学相干层析成像装置,或用于执行上面和随后说明的流程。此外,该系统包括处理装置以用于处理不同的数据连同输出图像值的上面说明的插值。控制装置和/或处理装置优选集成在系统50的壳体51中。
6.用于定位传感器头的定位元件
如已经结合图1阐述的那样,为了支持相对于待检查的对象定位集成在传感器头57中的干涉仪10的而将定位元件3安装在对象处。那时将传感器头57放置到定位元件3上并且放置在期望的部位处。
这在图15中借助出于清晰性原因半透明地示出的定位元件3显示出。传感器头57利用接触面57c(参见图14)放在定位元件3上并且在示出的示例中如此放置,即,传感器头57的窗部57d(参见图14)基本上位于定位元件3的第一区域4之上。第一区域4对于从窗部57d离开的以及由对象(未示出)反射的且再次穿过窗部57d的光基本上是透明的并且优选设计为在定位元件3中的穿口。
为了支持传感器头57首先暂时地放置在定位元件3上,在定位元件3上设置有圆形的标记6,其直径基本上相应于传感器头57的圆形的接触面57c的外径。为了实现传感器头57很好暂时地放置在定位元件3是,操作人员将传感器头57如此放置在定位元件3上,即,传感器头57的接触面57c的外缘沿着圆形的标记6伸延。
定位元件3的包围第一区域4的第二区域5与第一区域4的不同之处在于其光学特性并且优选地对于从传感器头57离开的以及由对象反射的光基本上是不可穿透的。备选地或附加地,第二区域5可具有这样的结构,其不同于在对象的OCT图像中待期待的复现的结构。该结构可例如为一个或多个子区域,其对于光的穿透性和/或反射能力具有特征性的(例如周期性的)走向(借助其识别出在OCT图像中的第二区域5,尤其子区域的一个或多个)并且可明显不同于相应于对象的OCT图像区域。
由于两个区域4和5的彼此不同的光学特性,操作人员可在获取和显示的OCT图像中无问题地识别出,传感器头57何时已经如此放置到定位元件3上,即,传感器头57的窗部57d并未精确地位于透明的第一区域4之上。根据第二区域5是否吸收或反射光,相应于定位元件3的第二区域5的区域在OCT图像中可识别为通常很暗或很亮的区域。于是操作人员可借助图像判断,传感器头57的位置相对于以前的位置可改变到何种程度,以便使窗部57d尽可能居中地相对于第一区域放置并且由此一方面保证由对象的待检查的区域精确地拍摄OCT图像并且另一方面保证对象的相应成像的区域具有最佳的大小。
图16以面向传感器头57的侧部(左边)的俯视图和以面向对象的侧部(右边)的俯视图显示了定位元件3的第一示例。
定位元件3包括柔性支承,例如纸和/或塑料和/或纺织材料,其具有带有倒圆角的角部的基本上方形的基本现状并且设有穿口,穿口形成定位元件3的第一区域4。穿口的形状和大小基本上相应于传感器头57的窗部57d的形状和大小。因此,在该示例中穿口基本上是圆形的。
支承的区域部分形成定位元件3的第二区域5并且在面向传感器头57的侧部上设有反射层,其反射从传感器头57离开的光并且优选具有近似100%的反射能力。反射层优选可具有一种或多种金属(例如铝)并且例如通过将反射材料粘贴、压紧或汽化渗镀在支承上生成。备选地或附加地还可自反射性地设计支承,例如呈薄的和/或柔性的金属箔的形式。
同心于第一区域4设置有第一圆形标记6和第二圆形标记6',其支持传感器头57放置在定位元件3上。结合图15的实施方案相应地适用于第一圆形的标记6。人的眼睛甚至可借助第二圆形的标记6'轻易地发觉接触面57c的少许的偏心的放置,这允许附加地控制传感器头57暂时地放置在定位元件3上。
除了圆形标记6和6'之外,将直线7设置为标记,其优选如十字线那样围绕第一区域4来布置并且附加地支持传感器头3放置在定位元件3上。标记6、6'和7例如可通过第二区域5的印刷、雕刻或压印生成。
定位元件3的支承的在图16(右边)中显示的下侧在第一区域4的圆形的领域中具有粘贴区域8,借助于其可将定位元件3可分开地固定在对象(尤其人的皮肤器官)处。粘贴区域优选通过利用粘粘剂涂覆支承的下侧或通过粘贴双侧的胶粘带生成。优选地,粘贴区域(尤其粘粘剂层)设有附加的保护层(未示出),其只有在使用定位元件3之前不久才被移除。作为保护层,例如涂蜡的或硅油保护纸是优选的。
图17以面向传感器头57的侧部(左边)的俯视图和以面向对象的侧部(右边)的俯视图显示了定位元件3的另一示例。不同于在图16中显示的第一示例,支承的面向传感器头57的侧部仅仅在环形地包围第一区域4的区域(其在该示例中形成定位元件6的第二区域5)设有反射层。此外,在该示例中,支承的背侧(图17右边)完全设有粘贴区域。此外,结合在图16中显示的第一示例的实施方案相应地适用于在图17中显示的示例。
下面借助图18进一步阐述根据本发明的方法,图18显示了通过对象1、定位元件3和传感器头57的三个截面。
图18的a)部分显示了定位元件3,其如此施加(尤其粘住)在对象1上,在这种情况下人的皮肤,即,第一区域4位于对象1的感兴趣的和待详细检查的区域1‘上,例如皮肤损伤。出于清晰性原因,定位元件3和对象1在此处所选择的图示中间隔开地显示出,尽管定位元件3贴靠在对象1处。
图18的b)部分显示了利用接触面57c位于定位元件3上的传感器头,其由操作人员尤其借助标记6、6'和7(参见图15至17)暂时放置在定位元件3上,从而传感器头的窗部57d位于定位元件3的第一区域4的区域中。优选地,一方面在传感器头的接触面57c与窗部57d之间并且另一方面在定位元件3与对象1之间存在介质(所谓的折射率匹配凝胶,Index Matching Gel),通过其使光学折射系数彼此匹配,以便最小化由于在界面处的反射的光损失。
为了实现传感器头的窗部57d相对于对象1、尤其相对于待检查的区域1'的还要更精确的定位(在其中窗部57d精确地位于第一区域4上),以根据本发明的方式考虑OCT图像,操作人员可借助该OCT图像识别出窗部57d何时并未精确地放置在第一区域4上。
对于在图18的部分b)中示出的示例,窗部57d相对于第一区域4少许向左朝第二区域5移动,从而第二区域5的突出到像场中的部分由于其不同于第一区域4的光学特性可在相应的OCT图像中识别出。尤其当实时拍摄和复现OCT图像时,操作人员那时可通过向右逐渐地推移传感器头在同时观察相应获得的OCT图像时最终如此放置传感器头,即,其如在图18的部分c)中示出的那样精确地位于定位元件3的第一区域4上并且由此关于对象1的待检查的区域1‘最佳地定位。
下面进一步阐述例如一些在所说明的定位过程中拍摄和复现的OCT图像。
图19和20显示了利用定位元件3获得的OCT图像,定位元件3的第二区域5绝大部分地吸收且基本上没有反射由传感器头发送且由对象1反射的光。
附图的部分a)相应为通过定位元件(上图)和对象(下图)的在第一运行模式中拍摄的二维的深度截面(所谓的切片,参见图3)。附图的部分b)相应为在第二运行模式中在对象和定位元件中的确定的深度中拍摄的二维的X线断层照片(所谓的En-face图像,参见图4)。示出的箭头在相应的切片中显示了深度,在该深度中拍摄相关的En-face图像。
如由图19和20可见的那样,在在不同的深度中获得的En-face图像中,相应于定位元件3的第二区域5的第二图像区域5'相应明显不同于相应于定位元件3的第一区域4的第一图像区域4'。在图19中,第一图像区域4'显示了在对象的确定的深度中的结构,而第二图像区域5'由于对于光不可穿透的第二区域5均匀黑色地复现。在图20中,第一图像区域4'均匀黑色地复现,因为在该深度中在第一区域4中存在空气或折射率匹配凝胶,其并未引起相关的光散射。基于此,即使仅仅少许的光反射在相邻的第二区域5中,第二图像区域5'在En-face图像中相对很亮。
如上面已经详细说明的那样,操作人员可借助优选实时拍摄的OCT图像以简单且舒适的方式使传感器头相对于定位元件6移动,并且在此如此来放置,即,从对象探测的第一图像区域4'是最佳的,而从第二区域5获得的第二图像区域5'被最小化或被从OCT图像中完全排除。
图21至23显示了利用定位元件3的获得OCT图像,定位元件3的第二区域5绝大部分地反射由传感器头发送的或由对象1反射的光。关于附图的部分a)和b),图19和20的上述实施方案相应地适用。
在拍摄在该示例中显示的OCT图像时,OCT系统的探测器如此运行和/或操控,即,其在探测由定位元件3的第二区域5反射的光时处于饱和中,即,由探测器相应提供的探测信号占据预定的或可预定的最大值。在解调时,在其中由探测的干涉图像的探测信号导出OCT图像,仅探测探测信号的改变。然而,因为处于饱和运行中的探测器没有显示出探测信号的变化,所以在解调之后在相应的OCT图像中出现完全褐色且因此无噪的第二图像区域5',其相应于定位元件3的第二区域5。因此,在所显示的En-face图像中在所有的深度中得到在第一图像区域4'与第二图像区域5'之间的很高的对比。
下面进一步阐述定位元件的其他的方面、备选方案和优点。
优选地,定位元件在中部中具有很小的孔,其可圆形或有角地来构造。孔的直径或棱长度优选地匹配于OCT系统的像场对角线(BFD),其中,在圆形孔的情况下直径约为BFD的100%至200%,或在有角孔的情况下棱长度为BFD的75%至170%。
优选地,定位元件的材料如此选择或提供,即,其在尽可能所有的深度中生成可见的对比度。这例如可通过遮暗实现,其中,该材料对于使用的光尤其在波长约为1.3μm的情况下不透明。此外,这可明显的反射实现,其中,材料在约1.3μm的情况下明显反射。反射在此优选如此明显,即,探测器转变到饱和运行中。这在解调(FSA)在明显起反射作用的材料的区域中的探测信号之后引起无噪的完全黑色的图像。
孔过渡至定位元件不仅在切片中可见,而且在En-face图像中可见。尤其在使用反射材料时,这甚至适用于所有的深度,在其中进行拍摄OCT图像。
在定位元件的背侧上的起粘贴作用的区域可必要时明显小于定位元件的总面积并且必须仅仅轻易地粘在皮肤上。这实现定位元件的简单且无痛的拉开。
定位元件的外径可大于传感器头的顶部并且为了简单地发现中部例如具有十字线和定心圆。
定位元件的外径可必要时明显小于传感器头的顶部,尤其支承面。
使用者将定位元件的开口精确地定位到皮肤的应利用OCT系统检查的部位上。现在将传感器头如此放置到定位元件上方或上,即,同心的定心圆的内部的那个被恰好覆盖。外圆用作附加的定位控制,因为人的眼睛轻易地发现关于同心度的不准确性并且由此实现使用者简单地修正传感器头的定位。
优选压印在定位元件是的十字线附加地实现传感器头的位置控制。
由于定位元件在OCT图像中生成可见的对比度,所以使用者可可靠且舒适地发现寻找的皮肤部位。在此没有得到由于公差的不准确性。
定位元件的使用几乎是不解自明的并且通常不需要昂贵地培训使用者。基于所说明的原理利用该解决方案实现传感器头可靠地定位在ROI(感兴趣的区域,Region of Interest)上并且由此保证生成的图像源于相应的皮肤区域。因此,系统是“无公差的”,因为OCT图像仅出现在开口的区域中。
此外,通过定位元件的反射材料保证皮肤的被覆盖的区域在OCT图像中渐隐并且在所有的深度中得到在在定位元件上的区域与皮肤之间的很好的对比。
此外,定位元件简单地建造并且可成本合适地制成。针对定位元件可使用生物材料,其避免刺激皮肤。粘贴面积可如此选择,即,可实现轻易地拉开定位元件,而没有在此使皮肤受伤。利用小的定位元件还可标记可难以接近的皮肤区域。
7.系统或方法的其他的发明方面
用于OCT的上述详细说明的系统或方法具有单独的特征或特征组合,通过其使系统或方法在操纵和图像探测期间变得更简单、更快且更可靠,而在此不强执性地需要在独立权利要求中提及的所有特征。特征或特征组合同样看作本发明。
尤其将用于光学相干层析成像的系统看作本发明,带有:至少一个干涉仪,其用于输出光,利用光来照射对象;和探测器,其用于探测由对象反射和/或回散的光,其中,系统的特征在于上述的尤其在部分1至6中和/或结合附图详细说明的一个或多个特征。相应与系统的方法同样看作本发明。
Claims (16)
1. 一种用于光学相干层析成像的系统,带有
-干涉仪(10)和传感器头(57),通过所述传感器头(57)将电磁辐射从干涉仪(10)发送到待检查的对象(1)处并且可将由所述对象(1)反射的电磁辐射引回到所述干涉仪(10)中,
-定位元件(3),其用于相对于所述待检查的对象(1)定位所述传感器头(57),定位元件(3)带有:支承,其布置在所述对象(1)处,并且所述传感器头(57)可放置在所述支承上;和第一区域(4),其对于由所述干涉仪(10)发送的和由所述对象(1)反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域(5),其对于由所述干涉仪(10)发送的和/或由所述对象(1)反射的辐射的穿透性不同于所述第一区域(4)的穿透性,
-图像生成装置(51),其用于借助由所述对象(1)和/或所述定位元件(3),尤其由所述定位元件(3)的第二区域(5)反射的电磁辐射生成一幅或多幅图像(60,61),
-显示装置(52),其用于复现生成的图像(60,61),以及
-控制装置(51),其用于以这种方式控制图像(60,61)的生成和复现,即,所述传感器头(57)可借助生成的和复现的图像(60,61)带到在所述定位元件(3)上的期望的位置中。
2. 根据权利要求1所述的系统,其中,用于由所述干涉仪(10)发送的和/或由所述对象(1)反射的辐射的所述第二区域(5)基本上是不可穿透的。
3. 根据权利要求1或2所述的系统,其中,所述第二区域(5)具有这样的结构,其光学特性不同于对象(1)的尤其典型的结构的光学特性。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承可弯曲地来设计并且尤其可匹配所述对象(1)的轮廓。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承可与所述对象(1)接触,尤其可松开地固定在所述对象(1)处。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承的第一区域(4)构造为在所述支承中的穿口。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承的第一区域(4)的形状和/或大小匹配于所述传感器头(57)的穿透区域(57d)的形状或大小,由所述干涉仪(10)发送的和由所述对象(1)反射的辐射可穿过穿透区域(57d)。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,在所述定位元件(3)处设置有一个或多个标记(6,6',7),其支持所述传感器头(57)相对于所述定位元件(3),尤其相对于所述支承的第一区域和/或第二区域(4或5)的定位。
9. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承的第二区域(5)具有用于由所述干涉仪(10)发送的或由所述对象(1)反射的、小于10-4尤其小于10-6的辐射的穿透性。
10. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承的第二区域(5)具有反射层,所述反射层反射由所述干涉仪(10)发送的辐射。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述支承的第二区域(5)尤其所述反射层具有用于由所述干涉仪发送的辐射的至少30%尤其至少50%的反射能力。
12. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,所述系统如此构造,即,来自所述对象(1)的不同的深度的图像(60,61)借助反射到所述对象(1)的不同的深度中的辐射生成和复现,其中,在由所述对象(1)的不同的深度获得的和复现的图像(60,61)中可识别出在对象(1)与定位元件(3)之间尤其在所述定位元件(3)的第一区域和第二区域(4和5)之间的过渡。
13. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,带有探测器(30),探测器(30)用于探测由所述对象(1)和/或所述定位元件(3)反射的且引回到所述干涉仪(10)中的辐射,其中,用于操控所述探测器(30)的控制装置如此构造,即,其在探测由所述定位元件(3)反射的且引回到所述干涉仪(10)中的辐射时处于饱和运行中。
14. 根据上述权利要求中任一项所述的系统,其中,
-构造有图像生成装置(51),其以每秒大于一幅图像的频率,尤其以每秒大于五幅图像的频率生成所述对象(1)或定位元件(3)的图像(60,61),和/或
-构造有显示装置(52),其用于以每秒大于一幅图像的频率,尤其以每秒大于五幅图像的频率复现对象(1)或定位元件(3)的图像(60,61)。
15. 一种定位元件(3),其用于使用在用于光学相干层析成像的系统中,该系统带有干涉仪(10)和传感器头(57),通过所述传感器头(57)可将电磁辐射从所述干涉仪(10)发送到待检查的对象(10)处并且将由所述对象(1)反射的电磁辐射引回到所述干涉仪(10)中,其中,所述定位元件(3)
-允许相对于待检查的对象(1)定位所述传感器头(57),并且
-具有支承,其可布置在所述对象(1)处,并且所述传感器头(57)可放置在该支承上,其中,所述支承具有:第一区域(4),其对于由所述干涉仪(10)发送的并且由所述对象(1)反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域(5),其对于由所述干涉仪(10)发送的和/或由所述对象(1)反射的辐射的穿透性不同于所述第一区域(4)的穿透性。
16. 一种用于光学相干层析成像的方法,在其中
-将电磁辐射从干涉仪(10)通过传感器头(57)发送到待检查的对象(1)处,并且将由所述对象(1)反射的电磁辐射通过所述传感器头(57)引回到所述干涉仪(10)中,
-将用于相对于所述待检查的对象(1)定位所述传感器头(57)的定位元件(3)布置在所述对象(1)处,并且将所述传感器头(57)放置在所述支承上,其中,所述支承具有:第一区域(4),其对于由所述干涉仪(10)发送的并且由所述对象(1)反射的辐射基本上是可穿透的;和第二区域(5),其对于由所述干涉仪(10)发送的和/或由所述对象(1)反射的辐射的穿透性不同于所述第一区域(4)的穿透性,
-借助由所述对象(1)和/或由所述定位元件(3),尤其所述定位元件(3)的第二区域(5)反射的电磁辐射生成和复现一个或多个图像(60,61),并且
-将所述传感器头(57)借助生成的和复现的图像(60,61)带到在所述定位元件(3)上的期望的位置中。
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