CN111757699A - 设有用于组合的成像和光谱分析的指示器模式的光谱反射测量系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于对患者眼睛的眼底或其他介质执行光谱分析的光谱反射测量系统。所述系统包括成像设备和光谱分析器。来自照明光源的照明光朝向患者眼睛的眼底投射。来自眼底的所得光被分束器分离为沿着成像光路行进以到达成像设备的成像部分和偏转到光谱分析光路的光谱分析部分。系统还包括光学地耦合到光谱分析光路的指示器光源。系统在采集模式中可操作以同时地获取患者眼睛的眼底的图像和所述眼底上的分析斑点的光谱分析，以及在指示器模式中可操作以获得图像内的分析斑点的视觉表示。

Description

设有用于组合的成像和光谱分析的指示器模式的光谱反射测 量系统

技术领域

本技术领域一般涉及用于血氧测定法或其他与眼睛有关的测量的设备，并且更具体地涉及提供患者眼睛的眼底内的分析斑点的光谱分析和视觉表示两者的光谱反射测量系统和方法。

背景技术

眼血氧饱和度测定法(Ocular oximetry)，即眼组织中的血液的氧饱和度的测量，是一种有用的无创工具，具有广泛的医学和健康监测应用。实际上，对生物组织中的氧饱和度的测量可以提供有关代谢、对压力的反应、不同疾病和病情的病理生理学或所用治疗的功效的有价值信息。

光谱反射测量系统可以用于通过照明光与眼底介质或眼睛眼底中的特征相互作用产生的光的光谱分析，提供来自患者眼睛的眼底的血氧饱和度测量或其他信息。为了在该领域中实现最佳使用，血氧仪或等效设备和系统应该优选地是高效、易于使用且易于制造的，这种器械的低成本和小型化也是关注的因素。提供此类特征的一个挑战在于光学布置的适当设计，以用于图像和数据采集以及信号重定向以进行分析。这样的设计应该正确地将正在光谱上分析其与光的相互作用的分析斑点作为目标，并对其进行识别。

仍然需要一种改进的设备，其可以用于眼部血氧饱和度测定法或患者眼睛中的其他参数的分析，以提供上述优点中的至少一些。

发明内容

根据一个方面，提供了一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量系统，包括：

-成像设备；

-光谱分析器；

-光学组件，限定患者眼睛和成像设备之间的成像光路、以及患者眼睛和光谱分析器之间的光谱分析光路；以及

-指示器光源，可操作以产生指示器光束，并且光学地耦合到光谱分析光路，使得所述指示器光束可投射在所述光谱分析器的分析斑点处的所述患者眼睛的眼底上。

在一些实施方式中，光学组件可以包括分束器，分束器沿着成像光路定位，并且被配置为将沿着成像光路行进的光的成像部分引导到成像设备，以及将所述光的光谱分析部分引导到光谱分析光路。分束器可以是二向色分束器。在一个示例中，二向色分束器可以具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着成像光路行进的光的成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着成像光路行进的光的光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

在其他示例中，分束器可以被配置为根据强度比或偏振方向，将沿着成像光路行进的光分为成像部分和光谱分析部分。

在一些实施方式中，光学组件包括：

-在光谱分析光路和光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在光谱分析光路和指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合光谱分析光路、第一光纤链路和第二光纤链路的三叉耦合器。

所述三叉耦合器可以例如包括多模光环形器、双包层光纤或自由空间分束配置。

在一些实施方式中，光学组件包括照明子组件，所述照明子组件被配置为朝向患者眼睛的眼底投射照明光。光谱反射测量系统还可以包括可操作以产生照明光并且光学地耦合到照明子组件的照明光源。在一些实施方式中，照明子组件包括：

-孔镜，所述孔镜沿着患者眼睛和分束器之间的成像光路以一角度定位，所述孔镜具有与成像光路对准的中心孔；以及

-光束整形光学器件，所述光束整形光学器件将来自照明光源的照明光投射到孔镜上以朝向患者眼睛的眼底反射。

所述照明子组件的光束整形光学器件可以包括遮挡照明光束的中心并且与所述孔镜的中心孔光学地对准的屏障。

在一些实施方式中，光谱反射测量系统还可以包括控制器，所述控制器被配置为在以下模式中操作：

-采集模式，其中所述控制器操作成像设备和光谱分析器，以同时地获得患者眼睛的眼底的图像和所述眼底上的分析斑点的光谱分析；以及

-指示器模式，其中所述控制器操作指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

在一些实施方式中，光谱反射测量系统还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在光谱分析光路中，并且被配置为在患者眼睛的所述眼底之上转移分析斑点的位置。所述斑点转移机构可以包括转移光学器件，所述转移光学器件包括用于改变光谱成像光路和分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

根据一个方面，提供了一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量系统。

所述光谱反射测量系统可以包括成像设备、光谱分析器和可控制以产生照明光的照明光源。

所述光谱反射测量系统还包括光学组件，所述光学组件限定患者眼睛和成像设备之间的成像光路、以及成像光路和光谱分析器之间的光谱分析光路。所述光学组件包括照明子组件，所述照明子组件光学地耦合到照明光源，并且被配置为朝向患者眼睛的眼底投射来自所述照明光源的照明光。光学组件还包括分束器，分束器沿着成像光路定位并且被配置为允许沿着成像光路行进的光的成像部分到达成像设备以及将所述光的光谱分析部分偏转到光谱分析光路。

光谱反射测量系统还包括光学地耦合到光谱分析光路并且可控制以产生指示器光束的指示器光源。

最后，提供了控制器。控制器被配置为在以下模式中操作：

-采集模式，其中控制器启动照明光源、成像设备和光谱分析器以同时获得患者眼睛的眼底的图像以及所述眼底上分析斑点的光谱分析；以及

-指示器模式，其中控制器启动指示器光源和成像设备，以获得所述图像内分析斑点的视觉表示。

在一些实施方式中，分束器是二向色分束器。二向色分束器可以具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着成像光路行进的光的成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着成像光路行进的光的光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

分束器可以可替换地被配置为根据强度比和偏振方向中的一个将沿着成像光路行进的光分为成像部分和光谱分析部分。

在一些实施方式中，光学组件包括：

-在光谱分析光路和光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在光谱分析光路和指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合光谱分析光路、第一条光纤链路和第二条光纤链路的三叉耦合器。

在一些实施方式中，光谱反射测量系统还可以包括斑点转移机构，斑点转移机构被定位在光谱分析光路中并且被配置为在患者眼睛的所述眼底之上转移分析斑点的位置。斑点转移机构可以包括转移光学器件，转移光学器件包括用于改变光谱成像光路和分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

根据另一个方面，还提供了一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量方法。方法包括：

-提供在采集模式和指示器模式中可操作的光谱反射测量系统；

-在采集模式中：

о照亮患者眼睛的眼底，由此获得来自所述眼底的返回光，返回光沿着成像光路传播；

о例如使用分束器将返回光分离为继续沿着成像光路的成像部分和偏转到光谱分析光路的光谱分析部分；

о使用成像设备检测成像部分，以获得患者眼睛的眼底的图像；

о使用光谱分析器检测光谱分析部分，以获得所述眼底上的分析斑点的光谱分析；以及

-在指示器模式中：

о将指示器光束耦合到光谱分析光，使得所述指示器光束被朝向患者眼睛的眼底投射，并且指示器光束的反射沿着成像光路传播到成像设备；

о使用成像设备检测指示器光束的反射，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

根据另一个方面，提供了一种用于对介质执行光谱分析的系统，包括：

-成像设备；

-光谱分析器；

-光学组件，限定介质和成像设备之间的成像光路、以及介质和光谱分析器之间的光谱分析光路，所述光学组件包括分束器，所述分束器沿着成像光路定位，并且被配置为将沿着成像光路行进的光的成像部分引导到成像设备、以及将所述光的光谱分析部分引导到光谱分析光路。

-指示器光源，光学地耦合到光谱分析光路，并且可操作以产生指示器光束；以及

-控制器，被配置为在以下模式中操作：

о采集模式，其中控制器操作成像设备和光谱分析器，以同时地获得介质的图像和分析斑点在所述介质中的光谱分析；以及

о指示器模式，其中控制器操作指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

在一些实施方式中，分束器是二向色分束器。二向色分束器可以具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着成像光路行进的光的成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着成像光路行进的光的光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

在一些实施方式中，分束器被配置为根据强度比和偏振方向中的一个，将沿着成像光路行进的光分为成像部分和光谱分析部分。

在一些实施方式中，所述光学组件包括：

-在光谱分析光路和光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在光谱分析光路和指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合光谱分析光路、第一光纤链路和第二光纤链路的三叉耦合器。

在一些实施方式中，三叉耦合器包括多模光环形器、双包层光纤和自由空间分束配置中的一个。

在一些实施方式中，光学组件包括被配置为朝向介质投射照明光的照明子组件。

在一些实施方式中，系统还包括可操作以产生照明光并且光学地耦合到照明子组件的照明光源。

在一些实施方式中，照明子组件包括：

-沿着患者眼睛和分束器之间的成像光路以一角度定位的孔镜，所述孔镜具有与成像光路对准的中心孔；以及

-将来自照明光源的照明光投射到孔镜上以朝向介质反射的光束整形光学器件。

在一些实施方式中，照明子组件的光束整形光学器件包括遮挡照明光束的中心并且与孔镜的中心孔光学地对准的屏障。

在一些实施方式中，系统还包括控制器，控制器被配置为在以下模式中操作：

-采集模式，其中控制器操作成像设备和光谱分析器，以同时地获得介质的图像、以及所述介质上的分析斑点的光谱分析；以及

-指示器模式，其中控制器操作指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

在一些实施方式中，系统还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在光谱分析光路中，并且被配置为在所述介质之上转移分析斑点的位置。斑点转移机构可以包括转移光学器件，转移光学器件包括用于改变光谱成像光路和分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

在参考附图阅读其实施例之后，将更好地理解其他特征和方面。

附图说明

图1是根据实施例的光谱反射测量系统的示意表示。

图2A是根据一个实施方式示例的光谱反射测量系统的详细表示，该光谱反射测量系统用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析；图2B是根据一个实施方式示例的光谱反射测量系统的详细表示，该光谱反射测量系统用于执行血液样本的光谱分析。

图3是根据一个实施方式示例的在系统中使用的二向色分束器的透射分布的图形。

图4A-图4C示出根据一些实施例的在系统中使用的三叉耦合器的不同配置。

图5A-图5C分别示出分析斑点的视觉表示、患者眼睛的眼底的图像和相应的光谱分析、以及在一个实施方式示例中分析斑点在眼底的图像之上的叠加视觉表示。

图6是根据一个实施方式的系统的操作的时序图。

图7A和图7B是根据一个实施例的在光谱反射测量系统中使用的斑点转移机构的配置的示例。

具体实施方式

本说明书一般涉及用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量系统。

在本申请的上下文中，表述“光谱反射测量(spectroreflectometric)”被一般性地用作术语“光谱(spectral)”和“反射测量(reflectometric)”的缩写，参考与光谱反射测量法有关的技术。如本领域技术人员容易理解的那样，反射测量法是指使用反射光或其他电磁波来分析介质的特性。通常朝向介质投射光，光波前与介质界面的相互作用导致产生具有受介质影响的光学特性的返回光。在光谱反射测量法中，对返回光进行光谱分析，即作为返回光的波长分布的函数来分析返回光的特性，用于获得或推断关于介质及其成分的信息。

光谱反射测量法可以用于眼科领域，以感测患者的眼底的氧气水平。举例来说，通过氧合血红蛋白的存在来评估氧水平，氧合血红蛋白具有特征吸光度图。类似地，脱氧血红蛋白和羧基血红蛋白的浓度(与存在的二氧化碳水平有关)可以基于它们各自的吸光度图确定。这些参数及其调节指示代谢、对压力和刺激的响应以及潜在地病理生理学。然而，应当理解的是，还可以研究其他分子和现象，诸如例如荧光，因为它们导致反射光的光谱分布的改变。还应理解的是，可以对患者眼睛的眼底的不同区域或对眼底上存在的特征执行光谱分析。在其他实施方式中，可以对眼睛的其他部分(诸如结膜)执行光谱分析。

然而将容易理解的是，本文描述的系统可以用于与眼睛的光谱反射分析不同的应用。更广泛地讲，以下系统可以用于任何期望来自成像介质中的一部分的光谱信息的环境中。本领域技术人员将容易理解，在一些应用中，系统可以用于分析由感兴趣的介质透射或反射的光。在研究中的介质可以是眼睛以外的介质，例如皮肤、器官组织、暴露的肌肉组织和其他生物组织。在一些实施例中，在研究中的介质可以是诸如血液、组织等的离体样本，其存储在诸如袋子、小瓶、注射器或比色杯的透明容器中或者在适合的基板上。

参考图1，示出用于对患者眼睛21的眼底30执行光谱分析的光谱反射测量系统20的高层次示意表示，其示出根据一个实施例的光谱反射测量方法。

光谱反射测量系统20包括成像设备50、光谱分析器52和指示器光源66。在该示出的配置中，光谱反射测量系统20可以在两种模式下操作：采集模式和指示器模式。

光谱反射测量系统20还包括光学组件，光学组件限定患者眼睛21和成像设备50之间的成像光路34以及患者眼睛21和光谱分析器52之间的光谱分析光路36。在采集模式中，患者眼睛21的眼底30被照亮，从而获得来自眼底30的沿着成像光路34传播的返回光32。返回光32优选地被分为沿着成像光路32传播的成像部分54和偏转到光谱分析光路36的光谱分析部分56。经由成像设备50检测成像部分54以获得患者眼睛21的眼底30的图像。使用光谱分析器52检测所偏转的光谱分析部分56，以获得眼底30上的分析斑点的光谱分析。

在指示器模式中，指示器光源66产生指示器光束68，指示器光源66被耦合到光谱分析光路36使得指示器光束68投射在光谱分析器的分析斑点处的患者眼睛21的眼底上。

将容易理解的是，表述“分析斑点”是指患者眼睛的眼底或在其他被分析介质上的区域或区，到达光谱分析器的那部分返回光来源于该区域或区。分析斑点可以具有不同的尺寸和/或形状，这些尺寸和/或形状主要由光谱反射测量系统的几何形状和配置确定。

参考图2A，示出实现根据一个示例的光谱反射测量系统20的配置的示意表示。

如上所述，光谱反射测量系统20包括成像设备50。在一些实施方式中，成像设备50可以由CCD或CMOS传感器或敏感的并将光强度或能量转换成有用信号的任何表面实现。成像设备50可以包括编程有指令的处理器、计算机、电路或任何其他硬件组件或硬件组件集成，或者与它们通信，用于构造、存储和显示由成像设备50采集的图像。可以提供集成或分开的显示器以允许光谱反射测量系统20的操作者或用户观看所得图像。

光谱分析器52可以由允许作为波长的函数来分析光的任何适合设备来实现。光谱分析器52可以例如由光谱仪来实现。如本领域中已知的，光谱仪通常使用光折射(例如，在棱镜中)或光衍射(在衍射光栅中)通常根据其光谱分解入射光，并且包括测量分解光的分布强度的检测器。光谱分析器52可以包括编程有指令的计算机或处理器，以根据预定参数分析检测到的光谱，诸如以上所解释的。在一些实施例中，光谱分析器52可以是基于光栅的，如图2中举例说明的所示。然而将容易理解的是，在不脱离本说明书的范围的情况下，可以使用各种其他配置和结构组件。举例来说，光谱分析器52可以包括至少一个色散元件，诸如反射或透射中的光栅或棱镜。

光谱反射测量系统20还可以包括可操作以产生照明光24的照明光源22，照明光24可以在采集模式中朝向患者眼睛21的眼底30投射。照明光源22可以包括一个或多个LED(发光二极管)发射器。给定照明光源22的LED发射器可以具有相似的光学特性或选择的不同互补光学特性，以便一旦组合就获得照明光24期望的光学特性。将容易理解的是，在可替换实施例中可以使用光源的许多其他变型(诸如激光器、OLED、荧光灯、白炽灯、钨灯和其他灯泡)。本文中使用的表述“照明光”是指适合于投射到患者眼睛21中并且用于感应、产生或以其他方式生成返回光32的电磁辐射，返回光32在适当分析之后可以在患者眼睛21的眼底30上产生感兴趣的信息。将容易理解的是，术语“光”不被认为限于电磁光谱的可见部分。照明光24优选地具有宽带光谱分布，其涵盖系统被配置为执行的用于光谱分析的所有感兴趣的波长。在一些变型中，照明光可以是白光。在其他变型中，照明光24可以具有根据光谱反射测量系统20的使用领域而设计的光谱分布。在又一组变型中，照明光可以具有由一个或多个因素所规定的任何其他适合的光谱分布，这些因素诸如患者眼睛的光学特性、光源的可用性、待执行的光谱分析的本质和特征等。

如上所述，光谱反射测量系统20包括光学组件26，光学组件26一方面限定患者眼睛21和成像设备50之间的成像光路34，另一方面限定患者眼睛21和光谱分析器52之间的光谱分析光路36。

将容易理解的是，光学组件26可以通过适合于照亮患者眼睛并收集所得返回光的目的的各种配置来实现。光学组件26可以包括被配置为将眼底30的图像传递到图像平面46上的一个或多个光学组件。光学组件可以包括透镜、反光镜、偏振器、滤光器等。光学组件可以以如本领域技术人员通常已知的任何适合方式布置。光学组件26还可以包括其他非光学组件，诸如为光学组件提供结构和/或功能支持的机械或电气组件，诸如固定或可移位的支架、屏障、针孔、步进电机等)。

光学组件26可以包括照明子组件28，照明子组件28光学地耦合到照明光源22并且被配置为将来自照明光源22的照明光24朝向患者眼睛21的眼底30投射。

在示出的配置中，照明子组件28包括沿着成像光路34以一角度定位的孔镜38。孔镜38具有与成像光路34对准的中心孔39。优选地，照明光源22与患者21的眼睛正交地定位，并且孔镜相对于照明光24的光轴成45°角。在可替换实施例中，照明子组件28可以包括具有可变透射率和反射特性的一个或多个光学组件，例如设计为在中心具有低反射率、且在此中心周围具有高反射率的反光镜。

照明子组件28还包括光束整形光学器件，光束整形光学器件将来自照明光源22的照明光24投射到孔镜38上，用于朝向患者的眼底反射。光束整形光学器件包括与照明光24相互作用的一个或多个光学组件。在示出的实施例中，光束整形光学器件包括沿着照明光源22到孔镜38之间的光路相继设置的第一透镜40a、第二透镜40b和第三透镜40c。掩模42被定位在第二透镜40b和第三透镜40c之间。掩模42与孔镜38的中心孔39光学地对准，并且尺寸被设为遮挡照明光束24的中心。该配置提供具有环形形状的照明光24，使得其在孔镜38上被反射。可以在第一透镜40a和第二透镜40b之间进一步提供屏障(screen)44，以防止来自掩模42的逆向反射光到达照明光源22。可以在孔镜38和患者21的眼睛之间提供输出透镜41和任何其他相关的光学器件。

在一些实施方式中，可以可选地提供光学地耦合到照明子组件28的对准光源43，使得从其中产生的对准光束可以被发射到与照明光相同的光路中。在一些实施方式中，对准光源43可以产生在近红外光谱范围内的光，以避免给患者带来不适。

将容易理解的是，照明子组件28可以通过任何合适的集合或光学组件以及伴随的结构的、机械的、电气的或其他特征来实现，这些特征协作以将来自照明光源的照明光以期望光学特性传送到患者眼睛。照明子组件的组件可以以各种方式重定向、聚焦、准直、过滤或其他方式作用于光。本领域技术人员将容易理解的是，多种设计可以提供这样的结果。例如，在一些变型中，可以使用一根或多根光纤，将至少部分地来自照明光源22的照明光24朝向眼底30运送。还将理解的是，照明光源22可以单独或整体提供到光学组件26。在一个示例中，光学组件26可以包括被配置为接收直接或间接地来自照明光源的照明光的光端口。

仍然参考图2A，光学组件26还包括分束器48，分束器48沿着成像光路34定位并且被配置为将返回光32的成像部分54引导到成像光路34，以及将返回光32的光谱分析部分56引导到光谱分析光路36。将容易理解的是，尽管在示出的变型中，分束器48被配置和布置为使返回光32的成像部分54透射通过、以及反射返回光32的光谱分析部分56，但在其他变型中，分束器48可以被配置和布置为朝向成像设备50反射成像部分54、以及朝向光谱分析器52透射通过光谱分析部分56。

在一些实施方式中，聚焦透镜可被定位在孔镜38和分束器48之间。在一些实施例中，聚焦透镜可以被安装在适合的平移致动器上，从而允许其沿着成像光路34的移位。这样的移动使成像平面46移位以补偿不同患者眼睛中的折射率变化。在其他变型中，聚焦透镜可以具有可变化的焦点并且可以通过不同手段可调节。

返回光32的成像部分54沿着成像光路34行进，直到其到达用于检测的成像设备50。当然，可以沿着成像光路提供许多光学组件，以在成像部分54到达成像设备50之前准直、聚焦、过滤、重定向或以其他方式影响成像部分54。光束整形光学器件51在图2A示出的配置中被指示为这种组件的黑箱表示。

返回光32的光谱分析部分56被偏置到光谱分析光路36，并最终由光谱分析器54检测。光谱分析光路36也光学地耦合到指示器光源66，使得指示器光束68可以沿着光谱分析光路36朝向分束器48反向传播。指示器光源66的操作以及可以沿着光谱分析光路36提供的其他特征将在以下进一步详细解释。

分束器48可以根据各种原理中的任何一种来操作，以根据不同部分来分离入射于其上的光。在一个实施例中，分束器48是二向色分束器。如本领域中公知的，二向色光学组件根据其光谱特性影响光。二向色分束器48可以具有专为光谱反射测量系统20的操作定制的光谱透射分布。额外地参考图3，在一个示例中，二向色分束器48具有透射光谱分布，其限定：

-与沿着成像光路行进的光的成像部分54的光谱相关联的两个高透射率区域60a、60b，每个高透射率区域具有100％的透射率。换句话说，在这些区域内返回光的具有波长的那部分将被允许无偏差地通过分束器。在示出的示例中，高透射率区域分别小于500nm和大于620nm。

-与沿着成像光路34行进的光32的光谱分析部分56的光谱相关联的低透射率区域62。在示出的示例中，光谱分析优选地在500nm至620nm范围内的光上操作，并且在该范围内，分束器48的透射率为零或可忽略不计，从而确保返回光32的该光谱分量完全反射到光谱分析光路36；以及

-与指示器光束68的光谱相关联的部分透射率区域64。在示出的变型中，指示器光束68具有红色范围内的波长，例如在635nm处或附近。光谱范围中的光举例来说以50/50的比率被分束器部分透射和部分反射。

如本领域的技术人员将容易理解的，图3的图形示出理想的光谱分布，并且实际的实施方式可能仅近似于这样的理想变化。

在其他实施例中，分束器48可以根据除其光谱内容之外的其他特征来分离光。分束器48可以例如被配置为根据独立于光的波长或偏振态的强度比将沿着成像光路34行进的返回光32分为成像部分和光谱分析部分。在其他变型中，分束器48可以被配置为根据偏振方向将沿着成像光路34行进的返回光32分为成像部分和光谱分析部分。

返回参考图2A，在一些实施方式中，光学组件26包括第一光纤链路70和第二光纤链路72。第一光纤链路70在光谱分析光路34和光谱分析器52之间延伸。第二光纤链路72在光谱分析光路34和指示器光源66之间延伸。光学组件26还包括三叉耦合器74，该三叉耦合器74光学地耦合光谱分析光路34、第一光纤链路70和第二光纤链路72。

三叉耦合器74可以由各种设备和/或配置来实现，这些设备和/或配置提供从光谱分析光路36到第一光纤链路70的光循环，以允许返回光32的光谱分析部分56到达光谱分析器52，以及从第二光纤链路72到光谱分析路径36的光循环，以允许指示器光束68在系统中朝向患者21的眼睛发射。在图4A-图4C中，示出三叉耦合器74的不同变型。在图4A的示例中，三叉耦合器74包括多模光环形器。图4B示出另一种变型，其中三叉耦合器74包括双包层光纤，双包层光纤可以支持指示器光束在纤芯中的传播，并且用于光谱分析区域的光集合而通过包层发送到光谱分析器。在这种情况下，纤芯模光学地耦合到第一光纤链路，而包层模光学地耦合到第二光纤链路(反之亦然)。在又一种变型中，三叉耦合器74可以是自由空间配置，例如基于自由空间分束配置76。

当然，在到达三叉耦合器74之前，可以沿着光谱分析光路提供许多光学组件以准直、聚焦、过滤、重引导或以其他方式影响成像部分54。光束整形光学器件78在图2A示出的配置中被指示为这种组件的黑箱表示。举例来说，还示出将光聚焦到三叉耦合器上的透镜79。

指示器光源66可以由产生适合于指向功能的指示器光束68的任何光源实现。在一个示例中，指示器光源66可以是激光二极管。指示器光束68可以具有对患者眼睛安全并且在成像设备的检测范围内的任何波长或光谱内容。指示器光源可以例如在可见或近红外光谱范围内发射。

根据一些实施方式，光谱反射测量系统20包括控制器80。控制器80被配置为在采集模式和指示器模式中操作。在一些实施方式中，可以可替换地操作采集模式和指示器模式，而在其他实施方式中它们可以同时被操作。在采集模式中，控制器80操作照明光源22、成像设备50和光谱分析器52以同时获得患者眼睛21的眼底30的图像和该眼底30上的分析斑点的光谱分析。在指示器模式中，控制器80操作指示器光源66和成像设备50以获得在采集模式中所获得的图像内分析斑点的视觉表示。

参考图5A-图5C，描述通过实施本文描述的方法和系统获得的结果的示例。图5A示出在指示器模式下获得的分析斑点82的视觉表示，其中来自指示器光源的指示器光束被光学地导引通过系统到达患者的眼底。所获得的视觉表示是该点源到成像设备的传感器上的图像。由于两个光纤链路70和72在三叉耦合器74处共享相同的输出，因此该图像可以用作“激光指示器”以限定对其执行光谱分析的区。图5B示出眼底的图像84和由在采集模式中所获得的共同指示器所限定的分析斑点的光谱分析85。优选地，控制器包括精确同步，其以电子方式使得系统能够在指示器模式和采集模式中连续操作。在一些实施例中，图5B中示出的图像和光谱分析信息可以在图5A中示出的分析斑点的视觉表示之前获得。可选地，可以将在指示器模式中所获得的分析斑点的位置叠加在采集模式中所获得的视网膜的图像上，如图5C所示。可以在血氧饱和度测定法应用中联合提供来自相应区域的氧浓度。图6示出分别从控制器提供给照明光源22、成像设备50、光谱分析器52和指示器光源66的控制信号的时序图。

光谱反射测量系统20可以包括附加组件和功能。

在一些实施方式中，光谱反射测量系统20可以包括斑点转移机构86，斑点转移机构86被定位在光谱分析路径36中，并且被配置为在不影响成像部分21的情况下在患者的眼底30之上转移分析斑点的位置。斑点转移机构86可以包括移动光学器件，诸如一个或多个可操纵镜。可以利用所述可操纵镜的枢转来改变沿着光谱成像光路36行进的指示器光束68和分束器48之间的入射角。参考图7A和图7B，示出斑点转移机构配置的两个示例。在图7A中，使用在

和θ方向上均具有位移的第一反射镜88a和第二反射镜88b，来改变指示器光束68入射到分束器48上的角度。第一反射镜88a的位移方向必须与第二反射镜88b的位移方向相反，以保持指示器光束68在分束器48上的位置并且仅改变入射角。在图7B中，使用万向镜89代替第二反射镜88b。该方案与在4f配置中使用的两个透镜90a和90b一起使用，使得能够改变指示器光束68入射到分束器48上的角度，而不改变指示器光束68撞击分束器的位置。

参考图2B，示出类似于上述反射光谱反射测量系统20的变型，用于对除了眼睛眼底之外的介质执行光谱分析。举例来说，在图2B的图示中，所研究的介质是一袋液体23(例如，包含血液或血浆)。

图2B的光谱反射测量系统包括与图2A示出的系统相同的所有组件，包括光学组件26和照明子组件28。在该变型中，照明子组件28还包括附加输出透镜41'。可以将附加输出透镜41'添加到图2A的配置中，以提供聚焦并在成像设备50上形成被探查介质的图像。如本领域技术人员将容易理解的，该方法可以实现对于最初构思用于探查眼睛眼底的系统的简单适配(adaptation)，因为这样的概念考虑了由眼睛的透镜执行的自然光聚焦，其本质上由附加输出透镜41'代替。在其他变型中，输出透镜41和附加输出透镜41'可以由单个透镜或不同的光学结构代替。

当然，在不脱离如所附权利要求书中描述的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种修改。

Claims (38)

1.一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量系统，包括：

-成像设备；

-光谱分析器；

-光学组件，限定所述患者眼睛和所述成像设备之间的成像光路、以及所述患者眼睛和所述光谱分析器之间的光谱分析光路；以及

-指示器光源，可操作以产生指示器光束，并且光学地耦合到所述光谱分析光路，使得所述指示器光束可投射在所述光谱分析器的分析斑点处的所述患者眼睛的眼底上。

2.根据权利要求1所述的光谱反射测量系统，其中所述光学组件包括分束器，所述分束器沿着所述成像光路定位，并且被配置为将沿着所述成像光路行进的光的成像部分引导到所述成像设备，以及将所述光的光谱分析部分引导到所述光谱分析光路。

3.根据权利要求2所述的光谱反射测量系统，其中所述分束器是二向色分束器。

4.根据权利要求3所述的光谱反射测量系统，其中所述二向色分束器具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着所述成像光路行进的光的所述成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着所述成像光路行进的光的所述光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与所述指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

5.根据权利要求2所述的光谱反射测量系统，其中所述分束器被配置为根据强度比，将沿着所述成像光路行进的光分为所述成像部分和所述光谱分析部分。

6.根据权利要求2所述的光谱反射测量系统，其中所述分束器被配置为根据偏振方向，将沿着所述成像光路行进的光分为所述成像部分和所述光谱分析部分。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光谱反射测量系统，其中所述光学组件包括：

-在所述光谱分析光路和所述光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在所述光谱分析光路和所述指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合所述光谱分析光路、所述第一光纤链路和所述第二光纤链路的三叉耦合器。

8.根据权利要求7所述的光谱反射测量系统，其中所述三叉耦合器包括多模光环形器。

9.根据权利要求7所述的光谱反射测量系统，其中所述三叉耦合器包括双包层光纤。

10.根据权利要求7所述的光谱反射测量系统，其中所述三叉耦合器包括自由空间分束配置。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光谱反射测量系统，其中所述光学组件包括照明子组件，所述照明子组件被配置为朝向所述患者眼睛的眼底投射照明光。

12.根据权利要求11所述的光谱反射测量系统，还包括照明光源，所述照明光源可操作以产生所述照明光并且光学地耦合到所述照明子组件。

13.根据权利要求11或12所述的光谱反射测量系统，其中所述照明子组件包括：

-孔镜，所述孔镜沿着所述患者眼睛和所述分束器之间的成像光路以一角度定位，所述孔镜具有与所述成像光路对准的中心孔；以及

-光束整形光学器件，所述光束整形光学器件将来自照明光源的所述照明光投射到所述孔镜上以朝向所述患者眼睛的眼底反射。

14.根据权利要求13所述的光谱反射测量系统，其中所述照明子组件的所述光束整形光学器件包括遮挡照明光束的中心并且与所述孔镜的所述中心孔光学地对准的屏障。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的光谱反射测量系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在以下模式中操作：

-采集模式，其中所述控制器操作所述成像设备和光谱分析器，以同时地获得所述患者眼睛的眼底的图像和所述眼底上的分析斑点的光谱分析；以及

-指示器模式，其中所述控制器操作所述指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的光谱反射测量系统，还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在所述光谱分析光路中，并且被配置为在所述患者眼睛的所述眼底之上转移所述分析斑点的位置。

17.根据权利要求2-6中任一项所述的光谱反射测量系统，还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在所述光谱分析光路中，并且被配置为在所述患者眼睛的所述眼底之上转移所述分析斑点的位置，所述斑点转移机构包括转移光学器件，所述转移光学器件包括用于改变所述光谱成像光路和所述分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

18.一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量系统，包括：

-成像设备；

-光谱分析器；

-可控制以产生照明光的照明光源；

-光学组件，限定所述患者眼睛和所述成像设备之间的成像光路、以及所述成像光路和所述光谱分析器之间的光谱分析光路，所述光学组件包括：

o照明子组件，光学地耦合到所述照明光源，并且被配置为朝向所述患者眼睛的眼底投射来自所述照明光源的照明光；

o分束器，所述分束器沿着所述成像光路定位，并且被配置为允许沿着所述成像光路行进的光的成像部分到达所述成像设备，以及将所述光的光谱分析部分偏转到所述光谱分析光路；

-指示器光源，光学地耦合到所述光谱分析光路，并且可控制以产生指示器光束；以及

-控制器，被配置为在以下模式中操作：

o采集模式，其中所述控制器启动所述照明光源、成像设备和光谱分析器，以同时地获得所述患者眼睛的眼底的图像和所述眼底上的分析斑点的光谱分析；以及

o指示器模式，其中所述控制器启动所述指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

19.根据权利要求18所述的光谱反射测量系统，其中所述分束器是二向色分束器。

20.根据权利要求19所述的光谱反射测量系统，其中所述二向色分束器具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着所述成像光路行进的光的所述成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着所述成像光路行进的光的所述光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与所述指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

21.根据权利要求18所述的光谱反射测量系统，其中所述分束器被配置为根据强度比和偏振方向中的一个，将沿着所述成像光路行进的光分为所述成像部分和所述光谱分析部分。

22.根据权利要求18所述的光谱反射测量系统，其中所述光学组件包括：

-在所述光谱分析光路和所述光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在所述光谱分析光路和所述指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合所述光谱分析光路、所述第一光纤链路和所述第二光纤链路的三叉耦合器。

23.根据权利要求18所述的光谱反射测量系统，还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在所述光谱分析光路中，并且被配置为在所述患者眼睛的所述眼底之上转移所述分析斑点的位置。

24.根据权利要求23所述的光谱反射测量系统，其中所述斑点转移机构包括转移光学器件，所述转移光学器件包括用于改变所述光谱成像光路和所述分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

25.一种用于对患者眼睛的眼底执行光谱分析的光谱反射测量方法，包括：

-提供在采集模式和指示器模式中可操作的光谱反射测量系统；

-在所述采集模式中：

o对所述患者眼睛的眼底进行照明，由此获得来自所述眼底的返回光，所述返回光沿着成像光路传播；

o将所述返回光分离为继续沿着所述成像光路的成像部分和偏转到所述光谱分析光路的光谱分析部分；

o使用成像设备检测所述成像部分，以获得所述患者眼睛的眼底的图像；

o使用光谱分析器检测所述光谱分析部分，以获得所述眼底上的分析斑点的光谱分析；以及

-在所述指示器模式中：

o将指示器光束耦合到所述光谱分析光路，使得所述指示器光束被朝向所述患者眼睛的眼底投射，并且所述指示器光束的反射沿着所述成像光路传播到所述成像设备；

o使用所述成像设备检测所述指示器光束的所述反射，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

26.一种用于对介质执行光谱分析的系统，包括：

-成像设备；

-光谱分析器；

-光学组件，限定所述介质和所述成像设备之间的成像光路、以及所述介质和所述光谱分析器之间的光谱分析光路，所述光学组件包括分束器，所述分束器沿着所述成像光路定位，并且被配置为将沿着所述成像光路行进的光的成像部分引导到所述成像设备、以及将所述光的光谱分析部分引导到所述光谱分析光路。

-指示器光源，光学地耦合到所述光谱分析光路，并且可操作以产生指示器光束；以及

-控制器，所述控制器被配置为在以下模式中操作：

o采集模式，其中所述控制器操作所述成像设备和光谱分析器，以同时地获得所述介质的图像和所述介质中的分析斑点的光谱分析；以及

o指示器模式，其中所述控制器操作所述指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

27.根据权利要求26所述的系统，其中所述分束器是二向色分束器。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述二向色分束器具有透射光谱分布，所述透射光谱分布限定：

-与沿着所述成像光路行进的光的所述成像部分的光谱相关联的一个或多个高透射率区域；

-与沿着所述成像光路行进的光的所述光谱分析部分的光谱相关联的低透射率区域；以及

-与所述指示器光束的光谱相关联的部分透射率区域。

29.根据权利要求26所述的分束器，其中所述分束器被配置为根据强度比和偏振方向中的一个，将沿着所述成像光路行进的光分为所述成像部分和所述光谱分析部分。

30.根据权利要求26-29中任一项所述的系统，其中所述光学组件包括：

-在所述光谱分析光路和所述光谱分析器之间延伸的第一光纤链路；

-在所述光谱分析光路和所述指示器光源之间延伸的第二光纤链路；以及

-光学地耦合所述光谱分析光路、所述第一光纤链路和所述第二光纤链路的三叉耦合器。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述三叉耦合器包括多模光环形器、双包层光纤和自由空间分束配置中的一个。

32.根据权利要求26-31中任一项所述的系统，其中所述光学组件包括照明子组件，所述照明子组件被配置为朝向所述介质投射照明光。

33.根据权利要求32所述的系统，还包括照明光源，所述照明光源可操作以产生所述照明光并且光学地耦合到所述照明子组件。

34.根据权利要求32或33所述的系统，其中所述照明子组件包括：

-孔镜，所述孔镜沿着患者眼睛和所述分束器之间的成像光路以一角度定位，所述孔镜具有与所述成像光路对准的中心孔；以及

-光束整形光学器件，所述光束整形光学器件将来自照明光源的所述照明光投射到所述孔镜上以朝向所述介质反射。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述照明子组件的所述光束整形光学器件包括遮挡所述照明光束的中心并且与所述孔镜的所述中心孔光学地对准的屏障。

36.根据权利要求26-35中任一项所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在以下模式中操作：

-采集模式，其中所述控制器操作所述成像设备和光谱分析器，以同时地获得所述介质的图像和所述介质上的分析斑点的光谱分析；以及

-指示器模式，其中所述控制器操作所述指示器光源和成像设备，以获得所述图像内的分析斑点的视觉表示。

37.根据权利要求26-36中任一项所述的系统，还包括斑点转移机构，所述斑点转移机构被定位在所述光谱分析光路中，并且被配置为在所述介质之上转移分析斑点的位置。

38.根据权利要求37所述的系统，其中所述斑点转移机构包括转移光学器件，所述转移光学器件包括用于改变所述光谱成像光路和所述分束器之间的入射角的至少一个可操纵镜。

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