CN113260830B - 用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置。该装置包括具有感测部分的主体和位于该主体的感测部分处的感测层，并且该感测层具有感测表面，该感测表面被定位成与样品材料的表面区域直接或间接接触。感测层是可变形的并且具有预定的变形相关的光学特性。该装置还包括光检测器，该光检测器被定位成检测透射通过感测层的至少一部分的光。光学触诊装置被布置成使得当感测层的感测表面与样品材料的表面区域直接或间接接触并且通过感测层和样品材料的表面区域的至少一部分施加压力时，由于感测层的预定的变形或压力相关的光学特性，而能够通过检测透射通过感测层的至少一部分的光来测量样品材料的机械特性。

Description

用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置和方法
技术领域
本发明总体上涉及用于使用光学触诊来评估样品材料的机械特性的装置和方法，并且更具体地但非排他地涉及基于数字相机的光学触诊装置和用于表征样品材料的弹性的方法。
背景技术
基于光学成像、超声成像和MRI的弹性成像技术通常用于测量样品材料(诸如生物组织)中的变形，并且用于评估样品的刚度和其他机械特性。
近年来，基于光学相干断层扫描(OCT)的弹性成像技术取得了长足的发展，该技术可以提供以几微米的分辨率在样品材料内至最多几毫米的深度的信息。例如，本申请人已经开发了光学触诊(OP)技术，该技术在PCT国际专利申请号PCT/AU2016/000019中公开。所公开的OP技术使用抵靠生物样品的表面压缩的顺应性感测层，并且使用OCT以基于感测层和组织之间的力来测量通过压缩引入的层的厚度变化。基于OCT的光学触诊通常依赖于干涉仪。
本发明提供了进一步的改进。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置，该装置包括：
具有感测部分的主体；
感测层，该感测层定位在主体的感测部分处并且具有感测表面，该感测表面被定位成与样品材料的表面区域直接或间接接触，该感测层是可变形的并且具有预定的变形相关的光学特性；和
光检测器，该光检测器被定位成检测透射通过感测层的至少一部分的光；
其中，光学触诊装置被布置成使得当感测层的感测表面与样品材料的表面区域直接或间接接触并且通过感测层和样品材料的表面区域的至少一部分施加压力时，感测层变形，并且由于感测层的预定的变形相关的光学特性，而能够通过检测透射通过感测层的至少一部分的光来测量样品材料的机械特性。
本发明的实施例提供了一种简化且成本有效的光学触诊装置。与基于OCT的光学触诊装置相比，进一步简化了光学触诊装置的使用。该装置可以是相对轻便的、手持的，并且可以被布置为用于无线耦合到计算机等。
在一个特定实施例中，感测层是可压缩的，并且变形相关的光学特性是压缩相关的光学特性。感测层可以是可压缩的，使得该感测层在轴向加载时经受最小的侧向扩展。
感测层的变形相关的光学特性可以是压缩相关的透射率、光偏振、光吸收或光散射。可替代地，变形相关的光学特性可以与至少透射通过感测层的一部分的光的波长范围有关，使得例如透射通过感测层的至少一部分的光具有变形相关的颜色。
在一个示例中，可变形的感测层包括硅酮材料，并且可以具有遍布的气腔，使得感测层具有预定的不透明性。
光检测器可以是包括电荷耦合器件(CCD)或CCD阵列的相机。
主体可以是细长的，并且可以在一端处具有感测部分，感测层定位在该一端处。
光学触诊装置可以是手持式装置。
光学触诊装置还可以包括用于将光引导到感测层中的光源。
光源和光检测器可以位于主体内。
光学装置还可以包括运动检测器，在所述装置相对于样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测感测层和/或所述装置相对于样品材料的位置。
机械特性可以是弹性，并且所检测到的光可以指示响应于所施加的压力在感测层上的应力和/或变形的分布，该应力和/或变形的分布与样品材料的机械特性相关联。
在一个实施例中，评估样品材料的机械特性包括确定由于所施加的压力而导致的样品材料的应变。
光学触诊装置还可以包括至少一个位移和力测量装置，该位移和力测量装置被定位在感测层的感测表面处，用于测量感测表面的区域的力和合成位移。位移和力测量装置可以包括压头。在一个实施例中，多个压头在感测表面处结合到感测层中，以接触样品材料，从而能够测量样品材料上的力以及压头推入组织中的距离。
样品材料可以是生物组织或生物材料。可替代地，样品材料可以包括另一种弹性的或可变形的材料，诸如可以具有不均匀的硬度或柔韧性的聚合材料。
当感测层与样品材料的表面区域间接接触时，光学触诊装置还可以包括薄层，诸如透明护套，以免样品材料直接接触感测层。在一个实施例中，感测层形成护套的一部分或以护套的形式提供。
光检测器可以包括相机，诸如立体相机。光检测器还可以包括类似智能手机的装置。类似智能手机的装置可以包括用于定位样品材料的可拆卸的微透镜和/或3D打印平台。
在本发明的一个实施例中，光学触诊装置形成机器人外科手术装置的一部分。
在本发明的另一个实施例中，光学触诊装置的一些或全部部件被定位在球囊导管处或球囊导管内，该球囊导管被布置成使得光学触诊装置能够用于确定在使用中球囊导管定位在其中的样品材料的一部分的机械特性。感测层可以被定位在球囊导管的球囊的外部和/或附接到球囊导管的球囊。
光学触诊装置的至少一些或全部部件也可以被定位在针头，探针或关节镜处或定位在针头、探针或关节镜中，该针头、探针或关节镜具有窗口，感测层定位在该窗口处，使得能够确定在使用中所述针头、探针或关节镜定位在其中的所述样品材料的机械特性。
光学触诊装置还可以包括手套，并且可以将光学触诊装置的部件结合到手套中，使得当用户戴上手套时，通过用户将具有光学触诊装置的部件的手套的一部分在材料样品上移动，而能够进行光学触诊测量。
此外，感测层以透镜的形式提供，并且光学触诊装置可以被布置成用于定位在患者的眼睛处并且用于确定眼睛的压力和/或刚度的变化。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置，该装置包括：
具有感测部分的主体；
感测层，该感测层定位在主体的感测部分处并且具有感测表面，该感测表面被定位成用于与样品材料的表面区域直接或间接接触，该感测层是可变形的并且具有光学可检测的标记或图案；和
光学系统，该光学系统能够提供信息，该信息能够用于确定标记或图案相对于光学系统的移动，并且在感测层变形时，该信息被提供用于与光的传播方向正交的平面；
其中，光学触诊装置被布置成使得当感测层的感测表面与样品材料的表面区域直接或间接接触并且在感测层和样品材料的表面区域的至少一部分上施加压力时，感测层变形，并且能够通过测量标记或图案相对于光学系统的位置的改变来提供有关样品材料的机械特性的信息。
可检测的标记或图案可以是感测层固有的。可替代地，可检测的标记或图案可以被在外部涂覆、凹入或者可以是由在感测层的感测表面处的光源产生的结构。
在一个实施例中，光学系统包括至少两个间隔开的光检测器部件，所述光检测器部件定位成检测从标记或图案反射或透射的光。由至少两个检测器中的每个检测器所检测到的光可以用于获得与在感测层上的变形的深度分布相关联的信息。每个光检测器均可以是包括电荷耦合器件(CCD)或CCD阵列的相机。
在替代实施例中，光学系统包括用于检测透射通过感测层的光的光学元件的阵列，诸如微透镜，并且光学元件的阵列定位成使得能够确定标记或图案的深度位置。光学系统可以包括可以以相机的形式提供的光检测器，该光检测器可以包括电荷耦合器件(CCD)或CCD阵列。
主体可以是细长的，并且可以在一端处具有感测部分，感测层位于该一端处。
光学触诊装置还可以包括用于将光引导到感测层中的光源。光源和光检测器可以位于主体内。
光学触诊装置可以是手持式装置。
光学系统包括相机，诸如立体相机。光学系统还可以包括基于智能手机的装置。基于智能手机的装置可以包括用于定位样品材料的可拆卸的微透镜和/或3D打印平台。
标记可以包括透明颗粒。标记还可以包括荧光颗粒或光致发光颗粒。
光学触诊装置被布置成使得能够同时获取样品材料的照片和机械特性。
光学装置还可以包括运动检测器，在所述装置相对于样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测感测层或所述装置相对于样品材料的位置。
机械特性可以是弹性，并且所检测到的光可以指示响应于所施加的压力在感测层上的应力和/或变形的分布，应力和/或变形的分布与样品材料的机械特性相关联。
在一个实施例中，评估样品材料的机械特性包括确定由于所施加的压力而导致的样品材料的应变。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于评估样品材料的机械特性的系统，该系统包括：
根据本发明的第一或第二方面所述的光学触诊装置；
处理器，该处理器耦合至光学触诊装置，并且被配置为接收信号，该信号指示与由光检测器检测到的光相关联的信息；
其中所述信息能够用于获得样品材料的机械特性的量度。
该系统还可以包括与处理器通信的图形界面，该图形界面便于使用所述信息形成感测层的图像，该图像包括指示由通过感测层和通过至少(下面的)样品材料施加的压力应力引起的在感测层上的应力和/或变形的分布的特征。
处理器可以以计算机(诸如台式计算机)或者移动电话或任何其他移动装置(诸如平板电脑或任何其他合适的形式)的形式来提供。
处理器可以以有线方式或无线方式(诸如使用Wi-Fi或蓝牙技术)耦合到光学触诊装置。
处理器可以包括图形处理单元(GPU)，并且使用GPU算法来加速处理，以便获取感测层的实时图像和包括指示由所施加的压力引起的在感测层上的应力和/或变形的分布的特征的实时图像。
处理器还可以被配置为提供增强现实(AR)或虚拟现实(VR)，其中感测层的相应实时图像与以下相应实时图像重叠：所述相应实时图像包括指示在感测层上的应力和/或变形的分布的特征。可以将相应重叠的图像投影到屏幕上或嵌入到VR眼镜中，并指示出样品材料的机械特性的相对应的定量数值。
处理器可以被配置为从至少两个间隔开的光检测器中的每个光检测器接收信号，每个信号指示与由至少两个光检测器检测到的光相关联的信息。可以使用相应信号来使用图形界面形成感测层的光学图像，该光学图像包括指示在感测层上的变形的深度分布的特征。此外，处理器可以被配置为控制光检测器，该光检测器可以是图像检测器，以当该装置静止或当该装置在样品材料上移动或扫描时以预定频率拍摄一系列图像。
此外，处理器可以被布置成从运动检测器接收信号，在装置相对于样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测感测层或装置相对于样品材料的位置(的变化)，使得当装置在样品材料上移动或扫描时，能够使用所述一系列图像和来自运动检测器的信息来形成感测层的变形的分布的图或扫描。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于评估样品材料的机械特性的方法，该方法包括：
提供样品材料；
提供根据第三方面所述的系统；
该方法还包括：
相对于样品材料定位感测层，使得感测表面与样品材料的表面区域直接或间接接触；
通过感测层和样品材料的表面区域的至少一部分施加压力；和
检测从感测层的至少一部分透射或反射的光。
根据本发明的第三方面的系统的处理器还可以被布置成接收指示感测层或光学触诊装置相对于样品材料的位置的信号。
在一个实施例中，该方法包括提供与处理器通信的图形界面，以使用该信息来形成感测层的图像，该图像包括指示由通过感测层和通过样品材料的下面的表面区域的至少一部分施加的压力引起的在感测层上的应力和/或变形的分布的特征。
处理器可以以计算机(诸如台式计算机)或移动电话或任何其他移动装置(诸如平板电脑)的形式来提供。
该方法还可以包括：确定由于所施加的压力而引起的样品材料的应变，以便评估样品材料的机械特性。
样品材料的应变可以通过使用微处理器或GPU分析在所形成的光学图像中的像素分布来确定。
根据本发明的另一个实施例，该方法包括：
提供运动检测器，当所述装置相对于样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测所述感测层或所述装置相对于样品材料的位置；
在所述样品材料的多个表面区域上移动所述光学触诊装置，同时：(i)通过所述感测层和所述样品材料的相应表面区域的至少一部分施加压力，使得所述感测层被压缩，并且(ii)针对所述样品材料的所述多个表面区域中的每个表面区域同时地检测透射通过所述感测层的至少一部分的光或从所述感测层的至少一部分反射的光，或者在所述装置在所述样品材料上的移动期间顺序地检测光；和
检测感测层或所述装置相对于样品材料的坐标的移动或变化。
该方法还可以包括使用处理器和图形界面，用于根据检测到的坐标的移动或变化来收集一系列图像，从而获得指示相对于样品材料的多个表面区域在感测层上的应力的分布的应力图。
在一个实施例中，该方法可以包括提供光学触诊装置，该光学触诊装置包括至少两个光检测器，这两个光检测器定位成用于检测透射或反射通过感测层的相同部分的光，以便获得与在感测层上的变形的深度分布相关联的信息。
该方法还可以包括形成指示变形的深度分布的应变图像，并将应变图像与指示在感测层上的应力的分布应力图结合，并且在AR或VR装置(诸如VR眼镜)中显示应变图像和应力图两者。
在一个特定实施例中，光学触诊装置包括相机和运动检测器，运动检测器用于检测感测层或所述装置相对于样品材料的位置或运动，该方法包括：
提供运动检测器，当所述装置相对于所述样品材料的表面移动或扫描时，所述运动检测器用于检测所述感测层或者所述装置相对于所述样品材料的位置；其中
通过感测层和样品材料的表面区域的至少一部分施加压力的步骤包括通过感测层和样品材料的至少一部分施加变化的不同压力，包括相对于所述样品材料移动具有所述感测层的所述光学触诊装置的一部分以施加变化的不同压力；其中
使用所述相机并且在施加变化的不同压力以使得针对一系列压力检测图像的同时，进行检测从所述感测层的至少一部分透射或反射的光的步骤；其中
能够从利用针对所述一系列压力所记录的图像检测到的所述感测层的光学特性的变化，来确定所述样品材料的机械特性，诸如应力；并且其中
能够从所述探针相对于所述材料样品的确定的移动来确定材料样品的应变，该移动是使用所提供的运动检测器确定的；
由此能够确定材料样品的非线性机械特性。
通过以下对本发明的特定实施例的描述，将更加全面地理解本发明。参照附图提供该描述。
附图说明
尽管任何其他形式都可能落入本发明内容部分所阐述的公开的范围之内，但现在将参照附图仅通过示例的方式描述具体实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的光学触诊装置；
图2a至图2h示出了显示根据本发明的实施例的感测层的给定压缩对通过感测层的光的透射的影响的图片；
图3(a)示出了根据本发明的另外的实施例的用于评估样品材料的机械特性的感测层的图片；
图3(b)示出了指示使用根据本发明的另外的实施例的光学触诊系统通过图3(b)中所示的感测层进行变形的深度分布的图片；
图4示出了根据本发明的另一实施例的用于评估样品材料的机械特性的光学系统的示意性图示；
图5示出了根据本发明的另一实施例的用于评估样品材料的机械特性的替代光学系统的示意性图示；
图6示出了根据本发明的一个实施例的评估样品材料的机械特性的光学触诊方法的流程图；
图7示出了根据一个实施例的包括光学触诊装置的机器人外科手术装置的示意性图示；
图8示出了根据一个实施例的包括光学触诊装置的球囊导管的示意性图示；
图9示出了显示根据另一实施例并且使用图1或图4的光学触诊装置执行的用于评估样品材料的机械特性的方法的示意性图示；
图10示出了根据一个实施例的结合在手套中的光学触诊装置的示意性图示；和
图11示出了根据另一个实施例的结合到隐形眼镜系统中的光学触诊装置的示意性图示。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于使用光学触诊来评估样品材料的机械特性的装置和方法。
光学触诊是一种能够用于绘制样品材料(诸如生物组织或生物材料)的表面应力的技术，其中，压缩负载被施加到抵靠样品材料定位的感测层。已知具有可变形的感测层，该可变形的感测层包括透明的硅酮材料并且是不可压缩的，使得其在压缩负载的作用下通过在横向于所施加的负载的平面内扩展而压缩和变形以保持其体积。因此，感测层的厚度响应于下面的材料的局部刚度而变化，并且OCT通常用于测量和成像通过压缩引入到放置在样品材料上的感测层的厚度的变化。OCT图像编码感测层的应力分布或应力图，该应力分布或应力图与样品材料的表面应力有关。基于OCT的光学触诊通常需要对感测层的整个厚度进行深度扫描(或深度剖分)，以便获得与变形的深度分布有关的信息，并以进一步确定感测层所经受的应变。然后能够基于所确定的应变和感测层的材料的已知应力-应变曲线来确定由感测层所经受的应力。然后可以使用所确定的应力和应变来定量地确定样品材料的弹性。
本发明提出了一种简化的光学触诊技术，该技术允许获得由感测层所经受的表面应力的量度(并指示在样品材料的表面处的应力)，并且随后允许评估样品材料的机械特性而无需进行OCT深度扫描。
根据本发明的实施例，光学触诊装置和光学触诊方法是基于数码相机的。机械特性与样品材料的弹性或刚度有关，并且样品材料可以是生物组织，由此该方法和装置可以特别地用于医学应用，诸如癌症边缘成像(其中可以获得关于肿瘤的位置和大小的信息以用于癌症的治疗)，或者诸如皮肤病学中的疤痕评估。在医学领域中，确实知晓诸如患病组织之类的异常可以改变生物组织的弹性。例如，癌变组织通常比周围的健康软组织″更硬″。样品材料可以替代地是生物材料，诸如食品材料，其中应用可以是食品质量监测。在另一个实施例中，样品材料可以是任何弹性或可变形的材料，诸如是可以具有不均匀的硬度或柔韧性的聚合材料。例如，非医学应用可以是纺织品感测，其中样品材料可以包括橡胶或凝胶。
本领域技术人员将进一步理解，可以考虑其他样品材料以及其他应用，并且可以评估其他机械特性，诸如粘弹性，或者甚至是非线性机械特性。
在一个特定实施例中，所提出的技术使用可变形且可压缩的感测层。感测层具有预定的光学特性，当在感测层的至少表面部分上施加压力或负载并随后压缩感测层时，该预定的光学特性改变，即，感测层包括具有压缩相关的预定光学特性的材料。
由于以下原因，使用可压缩的感测层是有利的。在可压缩的感测层的表面上施加负载导致感测层被压缩而不在侧向方向上扩展，即，感测层不在横向于所施加的负载的平面中扩展，其中感测层的体积不再维持。结果，当使用不可压缩的感测层时可能会发生的任何摩擦和/或表面粗糙度都能够显著降低，并且感测层的厚度随着下面的样品材料的不同″刚度″的更剧烈的变化可以被观察和测量到。随后能够改善光学触诊技术的有效空间分辨率，这可以进一步允许提高能够确定机械特性的精度。
参照图1，根据本发明的特定实施例的光学触诊装置100是呈笔形的手持式装置100，该装置包括具有感测部分104的主体102、位于感测部分104处的感测层106、以及光检测器108，该光检测器108被定位成使得在使用中能够检测透射通过感测层106的光。在当前实施例中，主体102是细长的并且包括光检测器108，光检测器108以诸如数字电荷耦合器件(CCD)相机之类的相机的形式提供。感测层106是可压缩的，具有压缩相关的光学特性，并且优选地在细长主体102的端部109处刚性地固定到感测部分104。感测部分104优选地是固定到细长体102的端部109的成像窗口，并且如果被破坏或刮擦则能够容易地更换。感测层106具有被定位成与样品材料114的表面区域112直接接触的感测表面110。可替代地，感测表面110可以与样品材料114间接接触，并且包括乳胶或另一种塑料材料的薄层(未示出)(诸如顺应性透明外科护套)可以例如定位在感测表面110和样品材料114之间，以防止生物组织的污染并确保无菌条件。相机108通常被定位成使得相机108与样品材料114的表面区域112之间的工作距离大约对应于几厘米。光学触诊装置100被布置为使得当感测层106的感测表面110与样品材料114的表面区域112接触并且在感测层106和样品材料114的表面区域112的至少一部分上施加压力时，感测层106被压缩，并且感测层106的预定的压缩相关的光学特性影响感测层106内的光，使得由相机108检测到的光是用于样品材料114的机械特性的量度
在本发明的特定实施例中，如图2a至图2h所示，感测层106的压缩相关的光学特性是压缩相关的透射率。感测层106被配置为在不施加压缩时是不透明的，并且在施加压力时变得更加透明，即，在感测层106上施加压力时，更多的光透射通过感测层106。
参照图2a至图2h，示出了在不同压力水平下施加的负载如何影响感测层106内的光的图示200。具体地，图2a至图2d对应于示出使用手指在感测层106上施加增加压力的负载的模拟的图像。感测层106诸如通过胶被固定到玻璃板202，使得感测层106不会相对于玻璃板202“滑动”或移动，并且使得负载的施加基本上能够导致沿着感测层106的厚度对感测层106进行压缩，并且不会导致感测层106的任何侧向移动。图2a对应于以最低压力施加负载，而图2d对应于以最高压力施加负载。图2e至图2h是使用数码CCD相机形成的图像，并且分别涉及图2a至图2d。可以看出，当以增加的压力施加负载时，感测层106在施加负载的区域内、即在手指施加压力的区域内、诸如在图2g和图2h中的区域204和206处变得更加透明。
在特定实施例中，感测层106包括糖和硅酮的混合物，并且根据允许在没有压缩施加到感测层的状态下实现特定的不透明性的方法来制造。随着硅酮的固化，将糖与硅酮混合，并且随后将糖与水溶解，从而获得具有遍布的气腔的感测硅酮层106，感测层106具有类似于海绵之一的质地。感测层106内的空气-硅酮界面引起光的反射，并且由于未施加压缩负载而提供了感测层106的初始不透明外观。图2a和图2e示出了当非常小的压力被施加到感测层106时感测层的不透明性的示例。
向感测层106的表面区域施加压缩负载导致感测层106内的气腔被压缩和封闭，从而使得增加的光量能够透射通过感测层106。通过将数码相机放置在感测层106的不与样品材料114的表面接触的表面附近(即，在与感测层106的感测表面110相对的表面附近)，由数码相机检测到的光的变化与样品材料114的表面区域112处的应力直接有关。感测层中存在气腔有助于提供感测层的可压缩特性，即，由相对低泊松比表征的感测层，其中感测层在横向于压缩方向的方向上扩展的趋势相对最小。
感测层106可以具有适合于被固定到根据本发明的实施例的光学触诊装置的主体部分的给定感测部分的任何尺寸。在笔形的光学触诊装置100的特定实施例中，设想感测层106为圆柱形形状，其直径大约为10mm并且高度大约为1mm。然而，将理解的是，还可以设想任何其他形状和/或尺寸。
基于相机的光学触诊装置100诸如使用Wi-Fi或蓝牙无线地耦合到与图形界面118通信的微处理器116，由此形成用于评估样品材料114的机械特性的系统120。微处理器116可以以计算机(诸如台式计算机)的形式或者以移动装置(诸如平板电脑或移动电话)的形式来提供。微处理器116被配置为在使用中从光学触诊装置100接收电信号，该信号是与由CCD相机108检测到的光相关联的信息。该信息然后能够由微处理器116和图形界面使用，并且被转换为图像。该图像可以是如图2e至图2h中所示的类型的图像，并且与样品材料114的表面区域112受所施加的压力的影响有关地指示在感测层106上的应力和变形的分布。
将装置100实施为无线地连接到微处理器116和图形界面118的手持式笔形装置100允许提供具有增加的可用性的紧凑光学触诊装置。手持式笔形光学触诊装置100能够例如到达样品材料的远侧区域，这对于医学应用特别有利，以到达使用常规的基于OCT的光学触诊系统或装置不容易接近的生物组织的区域。另外，与根据本发明的实施例定义的光学触诊装置相关联的成本显著低于与传统的基于OCT的光学触诊装置相关联的成本。
将理解的是，然而，基于相机的光学触诊装置100可以替代地被连接到与图形界面118通信的微处理器116。
还将理解的是，在替代实施例中，设想使用被配置为具有其他压缩相关的光学特性的感测层，并且例如在不施加压缩时是透明的并且在施加压力时变得越来越浑浊。此外，在其他实施例中，感测层可以具有预定的压缩相关的光偏振、光吸收或光散射特性。
在替代实施例中，还设想具有可变形但不可压缩的感测层，并且具有预定的变形相关的光学特性，其中感测层包括在施加压力时改变颜色的材料，其中颜色的改变在使用中可以由数码相机108检测到并且用于形成图像，该图像指示与在样品材料114的表面区域112处的应力有关的在感测层106上的应力和变形的分布。
为了评估样品材料114在表面区域112处的弹性，需要通过直接或间接地测量由于所施加的负载而导致的感测层106的厚度的变化，来确定由于施加负载而在感测层106上的应变。
应变可以通过使用所形成的图像间接地确定。在该实施例中，感测层106的压缩相关的光学特性被校准，使得由光检测器108检测到的光强度的变化(在其中压缩相关的光学特性是压缩相关的光透射率的实施例中)能够与应变的值相关联。结果，能够将由光检测器108检测到的光的改变用作由感测层106所经受的应变的量度。
可替代地，可以使用放置在与样品材料114的表面区域112接触的感测层106的感测表面110处的压头或压头阵列直接定量地评估样品材料114在表面区域112处的应变和弹性。小的压头允许在施加压力时沿着感测层106的厚度测量感测表面110的位移的深度，该深度与样品材料114的表面区域112在与横向于所施加的负载的方向上的位移有关。
由于施加压力而由感测层106经受的应变ε大致能够如下确定：
其中ε与感测层106的应变有关，ΔL与感测表面110在横向于所施加的负载的方向上的位移的深度以及由于施加压力而导致的感测层106的厚度的变化有关。ΔL0与在施加合适的负载之前感测层106的初始厚度有关。具体地，在感测层106是可压缩的并且具有预定的压缩相关的光学特性的当前实施例中，使用校准将感测表面110的位移的深度与由于所施加的负载而与感测层106的初始厚度相比感测层106的厚度的变化相关。
作为样品材料114在表面区域112的区域处的弹性的度量，通常可以根据等式(1)定量地确定样品材料114的杨氏模量E：
其中，E与硅酮样品的杨氏模量有关，σ感测层与在感测层106上确定的应力有关，并且ε样品材料与在表面区域112的区域处的样品材料内分布的应变有关。
在使用放置在与样品材料114的表面区域112接触的感测层106的感测表面110处的压头的实施例中，可以根据以下等式(2)更具体地确定样品材料114的弹性的定量度量：
其中Er是样品材料114的减小的模量，即样品材料114和压头弹性变形的组合，Es和vs分别是样品材料114的杨氏模量和泊松比，并且Ei和vi分别是压头的杨氏模量和泊松比。在该等式中，可以初步表征Ei和vi，对于大多数固体材料可以估计vs，并且Er可以表示为：
其中Ap(hc)是在接触深度hc处凹陷的投影面积，Ap(hc)可以根据压头几何形状进行计算；β是预先已知的几何常数；S是接触的刚度，其可以由在卸载压头时的应力-位移曲线来指示，其中接触样品材料的压头末端的应变和位移都可以通过申请人的装置和方法测量。因此，Er是等式(2)中的可测量参数。通过将Er、Ei、vi和vs代入等式(2)，可以得出样品Es的杨氏模量值。
另外，可以在主体102内提供光源(未示出)，用于将光引导到感测层中。然后，将主体102内的相机108配置为响应于从光源接收光而捕获由感测层106透射的光。
根据本发明的另一个特定方面，感测层106是可变形的或可移动的并且可以是不可压缩的。感测层106包括印刷在感测层106的感测表面110上的光学可检测的标记或图案。可替代地，该标记或图案可以是在感测层106的感测表面110中呈涂层或凹痕的形式或者可以通过将给定的光结构或图案投射到样品材料上的光源来产生。
参照图3(a)，示出了包括斑点图案302的感测层106的图片300。
在该实施例中，光学触诊装置100包括能够提供信息的光学系统，该信息能够用于在感测层106响应于所施加的负载变形时确定诸如斑点图案302之类的标记或图案相对于光学系统的移动。
该实施例中的光学系统包括两个间隔开的光检测器，诸如两个间隔开的光检测器108。参照图4，示出了根据本发明的该特定实施例的光学触诊装置100的立体光学系统400。立体光学系统400包括以相机的形式设置的两个光检测器402、404，这两个光检测器间隔开距离d并且定位成检测在正交于光的传播方向的平面中从斑点图案302反射或透射的光。立体光学系统400旨在创建立体视觉以便模拟两只眼睛的双眼视觉，这进一步允许在使用中获得关于在施加压力时在感测层106上分布的变形的特征的深度的信息。
在该实施例中，类似于微处理器116的微处理器从两个相机402、404接收信息，并且能够分别与相机402、404相关联地形成感测层106的感测表面110的表面区域406、408的两个相应的图像。斑点图案302被布置成使得其能够被两个相机402、404相对良好地识别和共配准，并且使得能够获得两个图像之间的相关性。由于斑点图案中的特征在任何地方都是唯一的，因此能够通过简单的相关性算法实现最小的共配准误差。
如图4中可见，在立体视觉中，以距相机402、404相对较远的距离D定位的元素将导致以较小的坐标差或较小的视差聚焦在两个对应的光检测器上，如图4中由与距表面区域406、408最远的距离的点410有关的“uL-uR”部段所示的。相反，以距相机402、404相对较近的距离D定位的元素将导致以高坐标差或高视差聚焦在两个相对应的光检测器上，如由与点412有关的“uL-uR”部段所示的。从相机402、404获得的两个图像的共配准分别允许获得视差图，该视差图是感测层106内的变形的元素的深度分布的直接定量指示。
图3(b)示出了指示使用图3(a)的感测层106和图4的光学系统获得的变形的深度分布的图像303。变形的深度分布以色标的形式定量地表示，其中与指示由于所施加的负载而经受了不太明显的变形的感测层106的相对应部分的色标306的蓝色端308相比，色标306的红色端304表示感测层106的相对应部分由于所施加的负载而经受了较明显的变形。
使用数字图像处理算法执行的图像300的像素分布的分析允许获得感测层106内的变形的元素的定量深度信息，该信息与在表面区域112处由样品材料114经受的应变有关。
包括相机402、404的立体镜可以例如由一些现成的部件制成，诸如USB内窥镜相机。3D打印技术可以用于定制立体镜的形式或形状，例如用于支撑两个相机402、404的3D打印外壳。
将理解的是，尽管已经关于两个相机402、404示出了图4中所示的当前实施例，但是可以使用两个以上的相机，这可以允许获得更准确的信息以约束在感测层106上的变形的深度分布。
此外，设想到在一个实施例中，以智能手机装置或其他基于智能手机的装置的相机的形式设置光学触诊装置的光检测器，诸如光学触诊装置100的光检测器108。在包括立体光学系统400的光学触诊装置100的实施例中，还设想立体光学系统400包括基于智能手机的装置。在这些实施例中，基于智能手机的装置可以进一步配备有用于定位样品材料的可拆卸的微透镜和/或3D打印平台。
参照图5，示出了能够用于获得感测层106(可变形或可移动的、不可压缩的且包括斑点图案)内的变形的元素的深度分布的直接指示的替代光学系统500。光学系统500包括用于检测透射通过感测层的光的微透镜502的阵列，微透镜502定位成使得能够确定斑点图案的元素的深度位置d。光学系统500允许对可变形的不可压缩感测层106执行光场成像，其中能够形成以下图像：该图像指示感测层106内的变形的元素的深度分布。光学系统500还包括光检测器504、位于感测部分(类似于光学触诊装置100的感测部分104)处的主透镜506。微透镜502以距主透镜506的距离din定位并且定位在距光检测器604的位置fx处。如图5中可见，能够借助于微透镜502通过光检测器504来检测透射通过感测层106的每条光线510的侧向位置和角度。类似于立体光学系统400，位于距光检测器504不同距离d、d′、d”处的元素将导致这些元素的不同像素分布D、D′、D”，并且深度信息能够例如通过使用数字图像处理来分析形成的图像中的像素分布而获得。对于立体光学系统400的实施例，感测层的斑点图案能够由微透镜502和光检测器504相对较好地识别和共配准。
参照图6，示出了根据本发明的特定实施例的用于评估样品材料的机械特性的基于相机的光学触诊方法600的流程图。
类似于基于OCT的光学触诊技术，当前方法允许获得与样品材料114的弹性有关的信息。然而，由于能够使用紧凑的系统和装置来实现当前方法并且还能够无线地实施当前方法，因此其被显著地简化，尤其对于生物组织的医学应用而言，其可能是有利的，因为其可以允许到达样品材料的否则相对难以接近的区域。
在步骤602，提供样品材料，诸如样品材料114。在特定的实施例中，样品材料114是生物组织。然而，如上所提及的，样品材料114例如可以可替代地是生物材料或任何弹性的或可变形的材料，诸如可以具有不均匀的硬度或柔韧性的聚合材料。
在步骤604，提供光学触诊装置，诸如光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500的光学触诊装置，用于评估样品材料114的机械特性。
在步骤606，相对于样品材料114定位感测层106，使得感测表面110与表面区域112直接接触。将理解的是，感测层106可以可替代地定位成使得感测表面110例如使用位于感测表面110和样品材料114之间的包含乳胶或另一种塑料材料的薄层(未示出)与表面区域112间接接触，所述薄层诸如为外科手术护套，以防止污染生物组织并确保无菌条件。
在步骤608，在感测层106上并在样品材料114的表面区域112的至少一部分上施加压力。
在步骤610，光学触诊装置100的光检测器108、或者立体光学系统400的光检测器402和404、或者光学系统500的光检测器504检测从感测层106的至少一部分透射或反射的光。检测到的光是样品材料的机械特性的量度。特别地，检测到的光用于响应于所施加的压力来确定在感测层106上的应变和/或变形的分布。
还以计算机(诸如台式计算机)或任何移动装置(诸如平板电脑或移动电话)的形式提供与图形界面118通信的微处理器116。微处理器116耦合到光学触诊装置100，并且被配置为从装置100接收电信号，该信号指示与由光检测器108检测到的光相关联的信息。然后，由图形界面118使用接收到的信号和相对应的信息，以形成感测层106的图像。图像包括指示由通过感测层106并且通过样品材料114的下面的表面区域112的至少一部分所施加的压力造成的在感测层106上的应力和/或变形的分布的特征。应力和/或变形的分布因此与受施加的压力影响的样品材料114的表面区域112有关。然后，微处理器116还能够用于对光学图像上的像素分布进行分析，以量化表面区域112处的样品材料114的应变。
测量的光学分辨率通常取决于感测层106的变形相关的光学特性如何影响透射通过感测层106的光，并且更具体地取决于变形相关的光学特性的动态范围。此外，测量的光学分辨率取决于相机108的灵敏度以检测投射通过感测层106的光的变化，或者取决于相机402、404或光检测器504的灵敏度以共配准斑点图案的特征。
由传统的基于OCT的光学触诊装置提供的光学分辨率通常在100μm至200μm之间的范围内。根据本发明的实施例，基于相机的光学触诊装置的光学分辨率可以在10μm至200μm之间变化，这取决于所使用的光学系统的分辨率和感测层106的物理变形。特别地，根据其中感测层106是可压缩的、即其中感测层106的横向运动受到限制的实施例，可以实现基于相机的光学触诊装置的在10μm至20μm之间的范围内的光学分辨率。此外，可以在样品材料114的表面下方最多3mm的深度处评估样品材料114在表面区域112的区域处的弹性。相比之下，已知的基于OCT的光学触诊技术允许评估样品材料在表面下方1至2mm深度处的弹性。因此，与当前已知的光学触诊技术相比，根据本发明的实施例的基于相机的光学触诊装置100和方法600提供了具有相似的光学分辨率和样品材料114内的改善的视场的改进的光学触诊技术的优点。
此外，方法600可以包括提供运动检测器(未示出)，在装置100相对于样品材料114的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测感测层106或装置100相对于样品材料114的位置。因此，能够获得在样品材料114的表面上的用于感测层106或装置100的x和y坐标。方法600然后可以包括在平行于样品材料114的表面的平面中使光触诊装置100在样品材料114的多个表面区域112上移动，并且在样品材料114上对于多个表面区域112中的每个表面区域同时执行步骤608和610。因此，当装置100在样品材料114上移动时，微处理器116和图形界面118可以用于形成感测层106的一系列图像，从而当装置100在样品材料114上移动或扫描时，能够跟踪并观察到在感测层106上的变形的分布的变化。可替代地，可以针对多个表面区域112中的每一个获取感测层106的图像，并且然后可以使用微处理器116和图形界面118来根据在样品材料上的感测层或装置的(x，y)坐标来收集相应的图像，以针对样品材料114的包括多个被研究的表面区域112的区域，形成在感测层上的变形的分布的单个图像特征。通过检测在平行于样品材料114的表面的平面中感测层106相对于样品材料114的坐标的移动或变化并且通过获取针对多个表面区域112中的每个表面区域的图像，能够追踪感测层106或装置100相对于样品材料114的位置，并且能够在单个图像中获得并观察到在样品材料114的各个扫描区域112上的变形和/或应力的分布的全面表示。因此能够获得样品材料114的应力图和/或应变图。然后能够通过数字图像处理来分析多个光学图像中的每个光学图像的像素分布，从而获得应变的定量度量。然后能够从包括感测层106的材料的已知应力-应变曲线确定应力值，并且随后能够使用以上定义的等式(1)定量地确定样品材料114的弹性。
处理器116可以进一步包括GPU，并且使用GPU算法来加速处理，从而能够获取感测层106的实时图像以及包括指示由所施加的压力引起的在感测层上的应力和/或变形的分布的特征的实时图像。
然后进一步设想，方法600是使用AR装置或VR装置(例如VR眼镜)来实现的，由此包括指示在感测层106上的应力和/或变形的分布的特征的相应实时图像能够与感测层106的相应实时图像重叠并且被投影到屏幕上或嵌入到VR眼镜中，从而能够增强触摸感。
此外，可以将基于相机的光学触诊装置(诸如装置100或诸如包含立体光学系统400或500的光学触诊装置)结合到外科手术机器人或视频内窥镜中，并将重叠的相应图像投影到屏幕上，这将允许在手术过程中提供触感。
图7示出了结合有基于相机的光学触诊装置702的机器人外科手术装置700的示例，机器人外科手术装置700可以对应于光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500的光学触诊装置。光学触诊装置702作为其中一个手术臂工作，从而允许机器人外科手术装置700使用数码相机查看手术部位，并且使用感测层106和方法600测量样品材料(未示出)的机械特性。此外，与样品材料的所测量的机械特性有关的信息可以用于通过手术部位(即正在研究的样品材料)的触感和/或成像来引导机器人外科手术装置700的操作者。
机器人外科手术装置700可以进一步包括其他手术臂或工具(toll)704。
图8示出了一个实施例，其中基于相机的光学触诊装置(其可以对应于光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500的光学触诊装置)的一些部件被定位在球囊导管800处或球囊导管800内。该球囊导管800包括球囊802和导管804。如图8中所示，光学触诊装置的相机806(或者用于包括立体光学系统400或500的光学触诊装置的立体相机806、806′)位于球囊802内，并且光学触诊装置的感测层808位于球囊802的外部，从而附接到球囊802的外表面。为了测量样品材料(未示出)的机械特性，球囊802首先被放气，并且导管804被插入样品材料的目标部位中，例如，其中样品材料是生物组织的气道或血管。当导管到达目标部位时，球囊膨胀，使得感测层808被抵靠样品材料压缩。利用方法600，然后可以使用光学触诊装置的一个或多个相机来测量样品材料的机械特性，诸如弹性。光学触诊装置和球囊导管可以进一步布置为使得在测量机械特性的同时，使用一个或多个相机获取目标部位的照片。在样品材料是生物组织的特定示例中，导管可以进一步结合其他外科手术工具，诸如刀片或排液器，以与光学触诊装置一起工作。当完成测量和操作时，球囊802再次放气，并且能够将导管从测量部位抽出。
还将理解的是，可替代地，还设想将光学触诊装置(诸如光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500)的至少一些或全部部件定位在针头、探针或关节镜处或者定位在针头、探针或关节镜中，针头、探针或关节镜具有窗口，光学触诊装置的感测层位于窗口处，从而能够确定针头、探针或关节镜在使用中所处的样品材料的机械特性。
图9示出了进一步的应用，其中根据本公开的实施例的基于相机的光学触诊装置被用于确定样品材料的非线性机械特性。图9示出了一个实施例，其中进一步使用方法600通过施加变化的不同压力来测量样品材料900的非线性机械特性，如在902、902′和902″处所示。在该具体实施例中，光学触诊装置904包括带有两个相机906、906′、成像窗口908和硅酮感测层910的立体镜。将理解的是，光学触诊装置904可以可替代地包括单个相机906。光学触诊装置904用于连续地压缩感测层910和样品材料900的部分912，并且具有感测层910的光学触诊装置904相对于样品材料900移动以施加变化的不同压力。在施加变化的不同压力的同时并且当光学触诊装置904相对于样品材料900移动时，一个/或多个相机906可以以例如每秒24帧或更高的帧速率记录压缩层的连续视频。能够从感测层910的所记录的视频中获得样品材料900的应力图，并且能够根据光学触诊装置904相对于样品材料900的移动速度来计算样品材料900的应变，该应变能够使用嵌入在光学触诊装置904中的陀螺仪来测量。通过确定样品材料的应力和应变，能够估计样品材料900的弹性。特别地，由于能够在不同的应变点处获取连续的应力图，因此能够测量样品材料的非线性机械特性，诸如样品材料的非线性切线模量。
图10示出了另一实施例，其中根据本公开的实施例提供的基于相机的光学触诊装 置(诸如光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500的光学触诊装置)被结合在外科手术手套1000中。基于相机的光学触诊装置1002附接到手套1000的一部分上，其被布置成使得外科手术操作者能够在使用中戴上手套并通过执行方法600的步骤606到610进行目标样品材料(诸如目标生物组织)的应力测量和对目标样品材料的机械特性进行评估。还能够获得目标样品材料或组织的照片。另外，戴着手套的外科手术操作者可以将手套1000的包括光学触诊装置1002的部分在样品材料上移动，以获得应力测量值并在样品材料的预定区域上评估材料的机械特性。一旦完成测量，就能够将基于相机的光学触诊装置1002从外科手术手套1000上拆下，以供外科手术操作者进行其他外科手术操作。基于相机的光学触诊装置与外科手术手套的兼容性可以具有以下优点：可以显著减少获得样品材料(诸如在该具体示例中的组织)的机械特性的测量所需的时间。
将理解的是，尽管已经关于外科手术手套描述了当前实施例，但是光学触诊装置可以结合在其他类型的手套中，其可以用于其他应用中，其中样品材料可以不限于生物组织。
图11示出了另一个实施例，其中根据本公开的实施例提供的基于相机的光学触诊 装置(诸如光学触诊装置100或包括立体光学系统400或500的光学触诊装置)被结合在隐形眼镜系统1100中。在该实施例中，光学触诊装置的感测层以透镜1102的形式提供，透镜1102被布置成用于定位在患者的眼睛1104的表面处。随着眼压的改变，感测层1104的厚度相应地改变。光学触诊装置的相机1106被布置为使得能够测量感测层1104的厚度的变化，由此能够确定眼压和/或眼睛的刚度的变化。
在所附权利要求和本发明的先前描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示另外需要，否则词语″包括″或诸如″包含″或″包含着″的变体以包括性含义使用，即，在本发明的各种实施例中，指定所陈述的特征的存在但不排除其他特征的存在或增加。

Claims (40)

1.一种用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置，该装置包括：
具有感测部分的主体；
感测层，该感测层位于所述主体的所述感测部分处并且具有感测表面，该感测表面被定位成用于与所述样品材料的表面区域直接或间接接触，该感测层是可变形的并且具有预定的变形相关的光学特性；和
光检测器，该光检测器定位成检测透射通过所述感测层的至少一部分的光；
其中，所述光学触诊装置被布置成使得当所述感测层的所述感测表面与所述样品材料的所述表面区域直接或间接接触并且通过所述感测层和所述样品材料的所述表面区域的至少一部分施加压力时，所述感测层变形，并且由于所述感测层的所述预定的变形相关的光学特性，而能够通过检测透射通过所述感测层的至少一部分的光来测量所述样品材料的机械特性，其中，所述感测层是可压缩的，并且变形相关的光学特性是压缩相关的光学特性。
2.根据权利要求1所述的光学触诊装置，其中，所述感测层是可压缩的，使得该感测层在轴向加载时经受最小的侧向扩展。
3.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述感测层的所述变形相关的光学特性是压缩相关的透射率、光偏振、光吸收或光散射。
4.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述变形相关的光学特性与至少透射通过所述感测层的一部分的光的波长范围有关，使得透射通过所述感测层的至少一部分的光具有变形相关的颜色。
5.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置是手持式装置或视频内窥镜。
6.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，还包括用于将光引导到所述感测层中的光源，所述光源和所述光检测器被定位在所述主体内。
7.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，还包括运动检测器，在
所述装置相对于所述样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检
测所述感测层和/或所述装置相对于所述样品材料的位置。
8.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述机械特性是弹性，并且所检测到的光指示响应于所施加的压力在所述感测层上的应力和/或变形的分布，所述应力和/或变形的分布与所述样品材料的机械特性相关联。
9.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，还包括至少一个位移和力测量装置，所述位移和力测量装置定位在所述感测层的所述感测表面处，用于测量所述感测表面的区域的力和合成位移。
10.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述样品材料是生物组织或生物材料。
11.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光检测器包括相机。
12.根据权利要求11所述的光学触诊装置，其中，所述相机是立体相机。
13.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光检测器包括基于智能手机的装置。
14.根据权利要求13所述的光学触诊装置，其中，所述基于智能手机的装置包括用于定位所述样品材料的可拆卸的微透镜和/或3D打印平台。
15.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置形成机器人外科手术装置的一部分。
16.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置的至少一些或全部部件被定位在球囊导管处或球囊导管内，所述球囊导管被布置成使得所述光学触诊装置能够用于确定在使用中所述球囊导管定位在其中的所述样品材料的一部分的机械特性。
17.根据权利要求16所述的光学触诊装置，其中，所述感测层定位在所述球囊导管的球囊的外部和/或附接到所述球囊导管的球囊。
18.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置的至少一些或全部部件被定位在针头、探针或关节镜处或定位在针头、探针或关节镜中，所述针头、探针或关节镜具有窗口，所述感测层定位在所述窗口处，使得能够确定在使用中所述针头、探针或关节镜定位在其中的所述样品材料的机械特性。
19.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，包括手套，并且其中所述光学触诊装置的部件被结合在所述手套中，使得当使用者戴上所述手套时，通过用户将具有所述光学触诊装置的所述部件的所述手套的一部分在所述样品材料上移动，能够进行光学触诊测量。
20.根据权利要求1或2所述的光学触诊装置，其中，所述感测层以透镜的形式提供。
21.根据权利要求20所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置被布置成用于定位在患者的眼睛处并且用于确定眼睛的压力和/或刚度的变化。
22.一种用于评估样品材料的机械特性的光学触诊装置，该装置包括：
具有感测部分的主体；
感测层，该感测层位于所述主体的所述感测部分处并且具有感测表面，该感测表面被定位成用于与所述样品材料的表面区域直接或间接接触，该感测层是可变形的并且具有光学可检测的标记或图案；和
光学系统，该光学系统能够提供信息，该信息能够用于确定所述标记或图案相对于所述光学系统的移动，并且在所述感测层变形时，该信息被提供用于与光的传播方向正交的平面；
其中，所述光学触诊装置被布置成使得当所述感测层的所述感测表面与所述样品材料的所述表面区域直接或间接接触并且在所述感测层和所述样品材料的所述表面区域的至少一部分上施加压力时，所述感测层变形，并且能够通过测量所述标记或图案相对于所述光学系统的位置改变来提供有关所述样品材料的机械特性的信息；并且
其中，所述光学触诊装置包括立体相机。
23.根据权利要求22所述的光学触诊装置，其中，所述光学系统包括至少两个间隔开的光检测器部件，所述光检测器部件定位成检测从所述标记或图案反射或透射的光。
24.根据权利要求22所述的光学触诊装置，其中，所述光学系统包括用于检测透射通过所述感测层的光的光学元件的阵列，并且所述光学元件的阵列被定位成使得能够确定所述标记或图案的深度位置。
25.根据权利要求24所述的光学触诊装置，其中，所述光学元件是微透镜。
26.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述光学触诊装置是手持式装置。
27.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述光学系统包括基于智能手机的装置。
28.根据权利要求27所述的光学触诊装置，其中，所述基于智能手机的装置包括用于定位所述样品材料的可拆卸的微透镜和/或3D 打印平台。
29.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述标记包括透明颗粒。
30.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述标记包括荧光颗粒或光致发光颗粒。
31.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述装置被布置成使得能够同时获取所述样品材料的照片和机械特性。
32.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，包括运动检测器，当所述装置相对于所述样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测所述感测层或所述装置相对于所述样品材料的位置或运动。
33.根据权利要求22至25中的任一项所述的光学触诊装置，其中，所述机械特性是弹性，并且所检测到的光指示响应于所施加的压力在所述感测层上的应力和/或变形的分布，所述应力和/或变形的分布与所述样品材料的机械特性相关联。
34.一种用于评估样品材料的机械特性的系统，该系统包括：
根据权利要求1至21、23和从属于权利要求23所述的权利要求26至33中的任一项所述的光学触诊装置；
处理器，该处理器耦合至所述光学触诊装置，并且被配置为接收信号，该信号指示与由所述光检测器检测到的光相关联的信息；
其中所述信息能够用于获得所述样品材料的机械特性的量度。
35.根据权利要求34 所述的系统，其中，所述处理器以有线方式或无线方式耦合至所述光学触诊装置。
36.根据权利要求 35所述的系统，其中，所述处理器使用Wi-Fi 或蓝牙技术耦合至所述光学触诊装置。
37.一种用于评估样品材料的机械特性的方法，该方法包括：
提供所述样品材料；
提供根据权利要求34至36中任一项所述的系统；
该方法还包括：
相对于所述样品材料定位所述感测层，使得所述感测表面与所述样品材料的表面区域直接或间接接触；
通过所述感测层和所述样品材料的所述表面区域的至少一部分施加压力；和
检测从所述感测层的至少一部分透射或反射的光。
38.根据权利要求37 所述的方法，包括：
提供运动检测器，当所述装置相对于所述样品材料的表面移动或扫描时，该运动检测器用于检测所述感测层或所述装置相对于所述样品材料的位置；
在所述样品材料的多个表面区域上移动所述光学触诊装置，同时：（i）通过所述感测层和所述样品材料的相应表面区域的至少一部分施加压力，使得所述感测层被压缩，并且（ii）针对所述样品材料的所述多个表面区域中的每个表面区域同时地检测透射通过所述感测层的至少一部分的光或从所述感测层的至少一部分反射的光，或者在所述装置在所述样品材料上的移动期间顺序地检测光；和
检测所述感测层或所述装置相对于所述样品材料的坐标的移动或变化。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述光学触诊装置包括相机和运动检测器，所述运动检测器用于检测所述感测层或所述装置相对于所述样品材料的位置或运动，其中所述光学触诊装置的至少一些或全部部件被定位在针头、探针或关节镜处或定位在针头、探针或关节镜中，所述针头、探针或关节镜具有窗口，所述感测层定位在所述窗口处，使得能够确定在使用中所述针头、探针或关节镜定位在其中的所述样品材料的机械特性，所述方法包括：
提供运动检测器，当所述装置相对于所述样品材料的表面移动或扫描时，所述运动检测器用于检测所述感测层或者所述装置相对于所述样品材料的位置；其中
通过所述感测层和所述样品材料的所述表面区域的至少一部分施加压力的步骤包括通过所述感测层和所述样品材料的至少一部分施加变化的不同压力，包括相对于所述样品材料移动具有所述感测层的所述光学触诊装置的一部分以施加变化的不同压力；其中
使用所述相机并且在施加变化的不同压力以使得针对一系列压力来检测图像的同时，进行检测从所述感测层的至少一部分透射或反射的光的步骤；其中
能够从利用针对所述一系列压力所记录的图像检测到的所述感测层的光学特性的变化，来确定所述样品材料的机械特性；并且其中
能够从所述探针相对于所述样品材料的确定的移动来确定样品材料的应变，该移动是使用所提供的运动检测器确定的；
由此能够确定所述样品材料的非线性机械特性。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述样品材料的机械特性是所述样品材料的应力。
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