CN115103625A - 用于组织目标的辨别的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于检测样品和感兴趣的其它化合物的系统和方法。系统可以包括：被配置为发射多种不同波长带的光的照明源、光学滤波器、相机芯片、以及光学路径，光学路径被配置为将第一照明源发射的光引导至目标处并且将从目标反射的光引导至至少一个相机芯片的。照明源和光学滤波器能够在与目标组织相对应的第一调谐状态和与背景组织相对应的第二调谐状态之间转换。系统可以被配置为在不同的调谐状态下记录图像并且基于所记录的图像生成与目标组织相对应的分数图像。

Description

用于组织目标的辨别的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月12日提交的题为“DISCRIMINATION OF TISSUE TARGETSWITH A COMBINATION OF SOURCE MODULATION AND IMAGING FILTERING IN THE VIS－NIR－SWIR”的美国临时专利申请号62/947,261的优先权，其全部内容通过引用结合于本文。
背景技术
手术过程中组织和解剖结构的可视化对于避免意外切割或组织的损伤至关重要。由于血液、脂肪、动脉、静脉、肌肉和筋膜的存在，即使针对最有经验的外科医生，手术部位的可视化也具有挑战性，所有这些都阻碍了视野。非接触和无试剂的实时术中成像工具被需要以帮助外科医生准确地观察手术部位并且定位模糊目标。分子化学成像已经被用于利用包括共形滤波器(CF)、液晶可调谐滤波器(LCTF)和多共轭滤波器(MCF)的技术来可视化组织和解剖结构。然而，仍然期望以新颖的方式进一步改进组织和解剖结构的可视化，以便提供更好的边缘、穿透的深度和结构的标识。
发明内容
以下概述是为了简要指示本发明的性质和实质。然而，所提交的摘要应当理解为不被用于解释或限制任何权利要求的范围或含义。
在一个实施例中，本发明涉及一种装置或系统，其可以包括：被配置为发射光的照明源，光包括以下至少一项：紫外(UV)光、可见(VIS)光、近红外(NIR)光、可见－近红外(VIS－NIR)光、短波红外(SWIR)光、扩展短波红外(eSWIR)光、近红外扩展短波红外(NIR－eSWIR)光、中波红外(MIR)光或长波红外(LWIR)光中；光学滤波器；至少一个相机芯片；以及光学路径，其被配置为将由第一照明源发射的光引导至目标处并且将从目标反射的光引导至至少一个相机芯片。照明源和光学滤波器能够在与目标组织相对应的第一调谐状态和与背景组织相对应的第二调谐状态之间转换。至少一个相机芯片可以被配置为：当照明源和光学滤波器处于第一调谐状态时记录第一图像，当照明源和光学滤波器处于第二调谐状态时记录第二图像，并且基于第一图像和第二图像生成与目标组织相对应的分数图像。
照明源可以包括调制的照明源或未调制的或宽带的照明源(例如，石英钨卤素照明源)。
在另一实施例中，照明源包括以下至少一项：发光二极管(LED)、超连续谱激光器、有机发光二极管(OLED)、电致发光器件、荧光灯、气体放电灯、金属卤化物灯、氙弧灯或感应灯。
在另一实施例中，其中照明源可以包括第一照明源，装置可以进一步包括第二照明源，其发射以下至少一项：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR光、MIR光或LWIR光。第二照明源可以包括调制的照明源或未调制的或宽带的照明源(例如，石英钨卤素照明源)。
在另一实施例中，光学滤波器可以选自由以下项组成的组：液晶滤波器、能够被控制以近乎实时地或实时地改变光通量的硅上液晶(LCoS)、旋转滤波器轮、MCF和CF。
在一个实施例中，装置可以进一步包括被耦合到光学路径的光学部件，光学部件被配置为将由第一照明源发射的光的第一部分引导至第一相机芯片处，以用于从光的第一部分生成第一图像，并且将由第一照明源发射的光的第二部分引导至第二相机芯片处，以用于从光的第二部分生成第二图像。
在一个实施例中，至少一个相机芯片包括对以下至少一项敏感的焦平面阵列：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR MIR光或LWIR光。
在一个实施例中，存在一种分析生物样品的方法，方法包括从照明源发射光，照明源发射以下至少一项：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR光、MIR光或LWIR光；在生物样品处经由光学路径传输光；在至少一个相机芯片上收集从生物样品反射的光；当照明源和光学滤波器处于第一调谐状态时记录第一图像；当照明源和光学滤波器处于第二调谐状态时记录第二图像；以及基于第一图像和第二图像生成与目标组织相对应的分数图像。
在另一实施例中，本公开涉及使用或操作装置或系统的任何前述实施例的方法。
附图说明
结合在说明书中并且形成说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且与书面描述一起用于解释本发明的原理、特征和特点。
在附图中：
图1示出了分析装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源生成VIS光和NIR光，并且LCTF级被定位于内窥镜和VIS－NIR相机芯片之间的光学路径中。
图2示出了分析装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源生成VIS光和NIR光，并且LCTF级被定位于内窥镜和VIS－NIR相机芯片之间的光学路径中。
图3示出了分析的装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源与光学部件结合操作，光学部件传输VIS－NIR光并且反射SWIR光，从而将VIS－NIR光传输至VIS－NIR FPA相机芯片并且将SWIR光反射至SWIR FPA相机芯片。
图4示出了分析的装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源与VIS－NIR FPA相机芯片结合操作，并且其中VIS－NIR CF或MCF被定位于内窥镜和VIS－NIR FPA相机芯片之间的光学路径中。
图5示出了分析的装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源与SWIR FPA相机芯片结合操作，并且其中SWIR CF或MCF被定位于内窥镜和SWIR FPA相机芯片之间的光学路径中。
图6示出了分析的装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源与光学部件结合操作，光学部件传输VIS－NIR光并且反射SWIR光，从而将VIS－NIR光通过CF或MCF传输至VIS－NIR FPA相机芯片，并且将SWIR光通过CF或MCF反射至SWIR FPA相机芯片。
图7示出了分析的装置和方法的一个实施例，其中可调谐照明源与卤素灯照明源结合操作，以便将混合光谱光传输至光学部件，光学部件将SWIR光通过CF或MCF反射至SWIRFPA相机芯片，并且将VIS－NIR光传输至VIS－NIR FPA相机芯片。
图8示出了用于单相机图像获取系统的定时图。
图9示出了用于选择图像获取系统的调谐状态以用于目标辨别的过程。
图10A示出了表示针对LCTF级的各种调谐状态的曲线图。
图10B示出了表示可调谐LED照明源输出的曲线图。
图10C示出了表示可调谐LED照明源输出和所选择的LCTF调谐状态的组合的分布的曲线图。
图10D示出了图10C中所示曲线的重叠视图。
图11示出了由图像获取系统执行的用于目标辨别的过程。
具体实施方式
本公开不限于所描述的特定系统、方法和计算机程序产品，因为这些可以改变。说明书中使用的术语仅用于描述特定版本或实施例的目的，而不旨在限制范围。
如在本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚地指明。除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同含义。本公开中的任何内容都不应当被解释为承认本公开中描述的实施例由于在先发明而无权先于这种公开。如本文所用，术语“包含”是指“包括但不限于”。
以下描述的实施例不旨在是穷尽的或将教导限制为以下详细描述中公开的精确形式。而是实施例被选择和被描述，使得本领域的其他技术人员可以理解和明白本发明的原理和实践。
本公开考虑系统、方法和计算机程序产品，系统、方法和计算机程序产品被设计为用照明光子照明样本，通过相机芯片从样本收集相互作用的光子，从由相机芯片收集和成像的相互作用的光子生成两个或多个样本图像，并且融合两个或多个样本图像以生成目标分数图像。通过对两个或多个样本图像应用数学运算以便融合两个或多个样本图像来生成目标分数图像。与由相互作用的光子形成的两个或多个样本图像中的任何一个样本图像可能具有的对比度和信息相比，目标分数图像具有更大的对比度和信息。本公开的进一步细节以下被提供。
照明源
照明源不受限制，并且可以是可用于生成针对照明所需的光子同时满足其它辅助要求(诸如功耗、发射光谱、封装、热输出等)的任何源。在一些实施例中，照明源是LED、白炽灯、卤素灯、超连续谱激光器、OLED、电致发光器件、荧光灯、气体放电灯、金属卤化物灯、氙弧灯、感应灯、或这些照明源的任何组合。在一些实施例中，照明源是可调谐照明源，这意味着由照明源生成的光子可以被选择在任何期望的波长范围内。在一些实施例中，照明源生成单色光子，它们是具有单一波长的光子。在一些实施例中，照明源生成多色光子，多色光子是具有多个波长或通带的光子，通带是光子波长的范围。可调谐照明源的所选择的波长不受限制，并且可以是UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR光、MIR光和LWIR光的范围内的任何通带。
在一些实施例中，照明源是超连续谱激光器，并且超连续谱激光器在整个波长范围上生成光子的连续输出。超连续谱激光器似乎生成白色，因为多个非线性光学过程一起作用在泵浦激光束上，从而使原始泵浦激光束的光谱展宽。例如，泵浦激光束可以通过微结构光纤。在一些实施例中，超连续谱激光器可以在约400nm至约2400nm的波长范围内实现连续输出。在其它实施例中，超连续谱激光器生成UV、VIS、NIR、VIS－NIR、SWIR、eSWIR、NIR－eSWIR、MIR、LWIR的范围内的连续输出，或前述范围中的一个或多个的组合。
上述范围的光与约180nm至约380nm(UV)、约380nm至约720nm(VIS)、约400nm至约1100nm(VIS－NIR)、约850nm至约1800nm(SWIR)、约1200nm至约2450nm(eSWIR)、约720nm至约2500nm(NIR－eSWIR)、约3000nm至约5000nm(MIR)、或约8000nm至约14000nm(LWIR)的波长相对应。上述范围可以被单独使用或以任何所列范围的组合被使用。这种组合包括相邻(邻接)范围、重叠范围和不重叠范围。范围的组合可以通过包括多个照明源，通过过滤照明源，或通过将高能量发射(诸如UV或蓝光)转换成具有较长波长的较低能量光的至少一种组件的添加(诸如磷光体和/或量子点)来被实现。
在一些实施例中，照明源被调制。如本文所使用的，当照明源被“调制”时，这意味着由照明源生成的光的波长通带在至少一个期望的光谱范围内是可选择的。光可以是单一波长或包含具有可变光谱形状的多个波长。照明源的这种调制不受限制，并且备选地被称为“照明源调制”。在一些实施例中，仅通过控制照明源的亮度或光通量来调制照明源。例如，照明源可以在较低的功率处被操作，以便减少照明源的光通量，从而在所选择的光的波长或全光谱范围内有效地使照明源变暗。备选地，通过在照明源和待分析样品之间定位中性密度光学滤波器来调制照明源，这减少了到达样品的光通量。
在一些实施例中，照明源是照明元件的阵列，并且每个照明元件发射所选择的波长的光。在这种实施例中，照明元件的光通量和/或发射光谱或是单独地或是以照明元件的分组的形式被调节和/或被控制。这改变了光的总发射波长和由照明源发射的波长的光通量。
当照明元件被包括作为照明阵列和照明源的一部分时，照明元件必须能够具有至少一项：对控制输入的快速响应、窄光带宽和快速并且可预测地改变从照明元件发射的光通量的能力。适合包含在照明阵列内的这种有用的照明元件的示例包括发光二极管(LED)、超连续谱激光器、有机发光二极管(OLED)、电致发光器件、荧光灯、气体放电灯、金属卤化物灯、氙弧灯、感应灯、或这些照明源的任何组合。每个照明元件的所选择的波长不受限制，并且可以是由光电效应或光子激发在UV、VIS、NIR、VIS－NIR、SWIR、eSWIR、NIR－eSWIR、MIR和LWIR范围内发射的任何通带或波长。
在一些实施例中，通过在照明源和样品之间的光学路径中定位滤波器来实现照明源调制。滤波器的选择不受限制。在一些实施例中，滤波器是固定滤波器，诸如传输所选择的波长的光的带通滤波器。固定滤波器包括吸收滤波器、干涉滤波器和二向色滤波器。在一些实施例中，滤波器是中性密度滤波器。中性密度滤波器可以具有光通量的固定的减少，或者光通量可以是可变的并且由此被控制。在一些实施例中，滤波器是液晶滤波器或LCoS，其可以被控制以近乎实时地或实时地改变光通量。在一些实施例中，滤波器是调制光通量的机械、机电或微机电器件。机械滤波器的示例包括具有至少一个固定滤波器的旋转滤波器轮。机电滤波器的示例包括由一个或多个电动机、螺线管和伺服机构移动的固定滤波器。微机电器件的示例包括数字微镜设备。数字微镜设备可以从德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司的商品名
Figure BDA0003793419970000071
获得。
图像调制
在一些实施例中，从收集的光子生成的图像被调制。这种调制的示例不受限制并且可以通过各种设备来被实现。可以通过插入CF、MCF或LCTF中的一项或多项来实现对收集的光子的调制，从而实现对图像的调制。在一些实施例中，CF、MCF或LCTF与上述源调制被组合。在一些实施例中，源调制的包含允许CF、MCF或LCTF的省略否则CF、MCF或LCTF将被需要。当与和MCF或CF组合的照明源相比时，可调谐源与单级LCFT的组合将具有更快的调谐速度和更高的吞吐量，这是因为MCF/CF包含多个LCTF级。单个级与可调谐光源的组合也将允许创造与MCF或CF一样独特的照明形状。较快的调谐速度是重要的，因为它们允许实时或接近实时的图像渲染，这有助于医务人员观察样品或手术部位。在更进一步的实施例中，一个或多个可调谐照明源与CF、MCF或LCTF中的一个或多个的组合允许同时选择用于照明和检测的波长的更高的精度。
在收集的光子的光学路径中的可调谐照明源和光学滤波器的组合不受限制。在一个实施例中，照明源是VIS－NIR－SWIR可调谐LED设备。在另一实施例中，照明源是可调谐VIS－NIR LED，并且光子由CF、MCF或LCTF收集。在另一实施例中，照明源是可调谐VIS－SWIR LED，并且光子由CF、MCF或LCTF收集。在另一实施例中，照明源是可调谐SWIR LED，并且光子由CF、MCF或LCTF收集。在另一实施例中，照明源是可调谐VIS－NIR－SWIR LED，并且光子由CF、MCF或LCTF收集。在另一实施例中，照明源是可调谐VIS－NIR LED和具有SWIR的卤素灯的组合，并且光子由CF、MCF或LCTF收集。
在一些实施例中，至少存在一个相机芯片收集相互作用的光子并对其成像。在一些实施例中，至少一个相机芯片被光的波长特征化，光的波长能够成像。可以被相机芯片成像的光的波长不受限制，并且包括UV、VIS、NIR、VIS－NIR、SWIR、eSWIR、NIR－eSWIR。这些分类与约180nm至约380nm(UV)、约380nm至约720nm(VIS)、约400nm至约1100nm(VIS－NIR)、约850nm至约1800nm(SWIR)、约1200nm至约2450nm(eSWIR)和约720nm至约2500nm(NIR－eSWIR)的波长相对应。上述范围可以单独被使用或以任何所列范围的组合被使用。这种组合包括相邻(邻接)范围、重叠范围和不重叠范围。范围的组合可以通过包括每个对特定范围敏感的多个相机芯片来被实现，或者通过包括滤色器阵列可以感测多个不同范围的单个相机芯片来被实现。
在一些实施例中，至少一个相机芯片被制造至少一个相机芯片的材料特征化。相机芯片的材料不受限制，并且可以基于期望相机芯片检测的波长范围来被选择。在这种实施例中，相机芯片包括硅(Si)、锗(Ge)、砷化铟镓(InGaAs)、硅化铂(PtSi)、碲化镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)、胶体量子点(CQD)或任何这些的组合。在一些实施例中，至少一个相机芯片是焦平面阵列(FPA)，其是被定位于透镜的焦平面处的感光像素的阵列。在一些实施例中，相机芯片被其电结构特征化。电结构不受限制。在一些实施例中，相机芯片包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。应当注意，以上列出的材料中的每个材料可以与任一电结构一起被使用以形成最终的相机芯片，并且以上的每个可以被形成为FPA。
组织和靶辨别
本公开的装置和方法可以通过生成分数图像来检测任何有用的生物或生理结构。分数图像是对两个或多个图像进行数学处理以生成目标对比度的结果。分数图像不受限制，并且包括用至少一个光的通带收集的数据。
在本公开中，通过加宽从至少VIS－NIR和SWIR区域(以及其它区域)中的至少一个光的通带收集的光，可用于目标辨别的光谱信息显著增加，从而提高在存在遮蔽时分辨感兴趣的目标的能力。例如，血红蛋白、肌红蛋白和β－胡萝卜素的吸收光谱在VIS范围内，而水、脂质、脂肪组织和脂肪的吸收光谱主要在NIR和SWIR范围内。此外，VIS－NIR和SWIR光的组合可以有助于通过遮蔽的检测，因为SWIR光可以更深地穿透到组织中。然而，应当注意，上述生物结构不是穷举的，并且可以通过本公开的装置和/或方法来分析任何器官、组织或生物样品。
在一些实施例中，源调制被执行以便生成实现目标辨别所需的对比度量。在一些实施例中，通过改变由可调谐照明源输出的光通量和/或波长来执行源调制。以上描述了可调谐照明源。在一些实施例中，通过增加或减少所提供的电流来改变LED自身的光通量来实现源调制。在一些实施例中，通过改变被定位于在可调谐照明源和样品之间或可调谐照明源和系统或装置的另一部件之间的光学路径中的光学滤波器的配置来实现源调制。
在一些实施例中，通过调谐照明源或通过配置光学滤波器以调制从照明源发出的光通量来实现实时检测。在一个实施例中，一个或多个CF与可调谐照明源相关联地被定位。在另一实施例中，一个或多个MCF与可调谐照明源相关联地被定位。在又一实施例中，一个或多个LCTF与可调谐照明源相关联地被定位。
用于目标辨别的成像系统
在一个实施例中，提供了单个相机变体。现在参考图1，可调谐LED照明源100能够生成在VIS－NIR光谱范围内的光子。在操作期间，VIS－NIR光通过内窥镜102被传输至目标104，目标104可以是组织样本或手术部位。在光子与目标相互作用之后，相互作用的光子通过内窥镜102和至少一个透镜106被传输至LCTF级108。在被LCTF级108调制之后，由是VIS－NIR敏感焦平面阵列(FPA)的相机芯片110收集现在已经由可调谐LED照明源100和LCTF级108两者调制的相互作用的光子。FPA是CCD相机芯片，但这不受限制，并且如果期望可以用CMOS相机芯片代替。LCTF 108被放置在透镜106和VIS－NIR FPA相机芯片110之间的光学路径101中，以便在相互作用的光子被FPA相机芯片110收集之前对它们进行调制。
在一个实施例中，LED照明源100、相机芯片110、LCTF级108和/或系统的其它组件可以被同步用于数据收集。例如，图8是诸如图1所示示例的针对单相机图像获取系统的示意性定时图。从图中可以看出，用于可调谐LED照明源100和LCTF级108的触发器可以与用于相机芯片110的触发器同步，以确保适当的图像获取。可以看出，收集T1和T2图像的时间＝2×(相机曝光时间)+(光稳定时间)。在各个实施例中，如图2、3、6和7中的示例所示，添加第二相机(即，双偏振)可以增加由系统生成的分数图像的帧速率。在各种实施例中，向图像获取系统添加更多的LED照明源可以减少图像获取时间。在各种实施例中，添加与LED组件分离的外部照明环可以减少图像获取时间。
在另一实施例中，提供了一种双相机变体。现在参考图2，可调谐LED照明源100生成VIS－NIR光谱范围内的光子。在操作期间，VIS－NIR光通过内窥镜102被传输至目标104，目标104可以是组织样本或手术部位。在光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子通过内窥镜102沿光学路径101被传输并且通过至少一个透镜106被传输至光学部件120(例如，棱镜、反射镜和/或分束器)，光学部件120从相互作用的光子的第二部分引导相互作用的光子的至少第一部分。相互作用的光子的第一部分被引导至第一LCTF级108A，并且随后被引导至是VIS－NIR FPA的第一相机芯片110A。相互作用光子的第二部分被引导至第二LCTF级108B，并且随后被引导至是VIS－NIR FPA的第二相机芯片110B。第一相机芯片110A从VIS－NIR光生成第一图像，第二相机芯片110B从VIS－NIR光生成第二图像。在实施例中所示的配置是有益的，因为双相机的使用允许更短的收集时间。
在另一实施例中，双相机变体包括对相互作用光子的不同光谱敏感并且从相互作用光子的不同光谱生成图像的FPGA。现在参考图3，可调谐LED照明源100生成VIS、NIR和SWIR光谱范围内的光子。在操作期间，VIS、NIR和SWIR光经由内窥镜102被传输至目标104。在光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子通过内窥镜102沿光学路径101被传输至光学部件120。光学部件120包括光学滤波器涂层，其允许VIS－NIR光通过，但反射SWIR光。穿过光学部件120的VIS－NIR光被引导至到第一相机芯片110A，第一相机芯片是对VIS－NIR光敏感的FPA，以便生成第一图像。由光学部件120反射的SWIR光被引导至第二相机芯片110B，第二相机芯片110B是对SWIR光敏感的FPA，以便从SWIR光生成第二图像。因为VIS－NIR和SWIR光的组合可以通过遮蔽帮助辨别目标，所以本实施例中所示的配置可以是有益的。
在另一实施例中，单相机变体包括FPA，该FPA对VIS－NIR光敏感并且从相互作用的光子生成图像。现在参考图4，可调谐LED照明源100生成VIS和NIR光谱范围内的光子。在操作期间，VIS和NIR光经由内窥镜102被传输至目标104。在光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子通过内窥镜102沿光学路径101被传输至CF或MCF 130中，该CF或MCF 130调制和修改光子。光子在穿过CF或MCF 130之后被传输至是VIS－NIR FPA的相机芯片110。VIS－NIR FPA由此生成图像。
在另一实施例中，单相机变体包括对SWIR光敏感并且从相互作用的光子生成图像的FPA。现在参考图5，可调谐LED照明源100生成SWIR光谱范围内的光子。在操作期间，SWIR光经由内窥镜102被传输至目标104。在光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子沿光学路径101被传输通过内窥镜102并且进入CF或MCF 130，CF或MCF 130调制和修改光子。光子在通过CF或MCF 130之后被传输至是SWIR FPA的相机芯片110。SWIR FPA由此生成图像。
在另一实施例中，双相机变体包括对相互作用光子的不同光谱敏感的FPA。现在参考图6，可调谐LED照明源100生成VIS、NIR和SWIR光谱范围内的光子。在操作期间，VIS、NIR和SWIR光经由内窥镜102被传输至目标104。在光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子沿光学路径101被传输通过内窥镜102并且进入光学部件120。光学部件120传输VIS－NIR光，但反射SWIR光。由光学部件120传输的VIS－NIR光行进到第一CF或MCF 130A，并且最终进行到是VIS－NIR FPA的第一相机芯片110A。被反射的SWIR光被传输至第二CF或MCF130B，并且向前传输至是SWIR FPA的第二摄像芯片110B。在每种情况下，CF或MCF 130A、130B被定位于光学部件120和相应的相机芯片110A、110B之间的光学路径101中。
在另一实施例中，双相机、双照明源包括对相互作用光子的不同光谱敏感的FPA。照明源是不同的并且发射不同光谱的光。现在参考图7，可调谐LED照明源100生成VIS和NIR光谱范围内的光子。另外，石英钨卤素(QTH)照明源140(在本公开中也称为卤素灯)生成包括UV、VIS、NIR、VIS－NIR、SWIR、eSWIR、NIR－eSWIR、MIR和LWIR范围的广谱光。
在操作期间，VIS和/或NIR光经由内窥镜102被传输至目标104。同样在操作期间，由卤素灯照明源140生成的光经由内窥镜102被传输至目标104。在来自两个照明源100、140的光子与目标104相互作用之后，相互作用的光子沿光学路径101被传输通过内窥镜102并且进入光学部件120。光学部件120传输VIS－NIR光，但反射SWIR光。由光学部件120传输的VIS－NIR光行进到是VIS－NIR FPA的第一相机芯片110A。关键地，在该实施例中，VIS－NIRFPA不具有放置在其和光学部件120之间的CF或MCF，并且因此VIS－NIR光在没有这种滤波的情况下被传输至FPA。光学部件120还将SWIR光反射到是SWIR FPA的第二相机芯片110B。此外，该实施例包括放置于SWIR FPA相机芯片110B和光学部件120之间的光学路径101中的SWIR CF或MCF 130B，以调制宽带光源。在该实施例中所示的配置可以是有益的，因为照明源可以被同步以交替地照明目标，以防止宽带和可调谐光源光学路径之间的干扰。
用于目标辨别的过程
如上所述，在一些实施例中，可以由计算机系统执行处理以从两个或多个样本图像(即，T1图像和T2图像)生成目标分数图像，其可以融合两个或多个样本图像。过程200的一个示例在图9中被示出。由计算机系统执行的步骤可以实现为软件、硬件、固件或其组合。在一个实施例中，由计算机系统执行的步骤可以实现为存储在计算机系统的存储器中的指令，当由耦合到存储器的处理器执行时，该指令使计算机系统执行过程200。在另一实施例中，由计算机系统执行的步骤可以被实现为例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。在各种实施例中，过程200可以结合上文描述的图1至图7中所说明的成像系统的实施例中的任何实施例被使用。
如上所述，可调谐LED照明源100；LCTF级108、108A、108b或CF/MCF130、130A、130B；以及(多个)相机芯片110、110A、110B可同步以用于数据(即，图像)收集。在一些实施例中，可调谐LED照明源100可以被保持在恒定输出，并且LCTF、CF或MCF级可以被调谐。在其他实施例中，LCTF、CF或MCF级可以被配置为提供特定输出，并且可调谐LED照明源100可以被调谐。在其它实施例中，可调谐LED照明源100和LCTF、CF或MCF级都可以被调谐。图像获取系统的各个组件被调谐的特定方式可以被称为针对图像获取系统的“调谐状态”。因此，计算机系统可以针对图像获取系统记录202处于多个不同调谐状态的图像。在一个实施例中，计算机系统可以在图像获取系统的每个不同的可能调谐状态下记录202图像。第一图像可以被称为T1图像，第二图像可以被称为T2图像等等。此外，计算机系统可以将所记录的图像组合204为单个文件。在一个实施例中，记录的图像可以被组合204成超立方体。因此，计算机系统可以优化206超立方体以生成分数。在一个实施例中，计算机系统可以执行例如粒子群优化(PSO)算法来优化超立方体。因此，计算机系统可以基于经计算的分数针对图像获取系统选择208两个调谐状态，其中一个调谐状态针对背景组织被优化，而另一个调谐状态针对目标组织被优化。为了说明这些概念，图10A示出了针对LCTF级108的各种调谐状态的曲线图，并且图10B示出了LED照明源的可调谐输出的曲线图。值得注意的是，LED照明源100的输出可以保持恒定，以便用于与各种LCTF 108调谐状态或不同的LED输出卷积，并且可以在图像记录过程期间选择LCTF调谐状态。可以在优化过程期间选择针对LCTF级108的调谐状态和LED照明源100的输出，以标识与目标组织和背景组织相对应的图像采集系统的调谐状态。此外，图10C和10D示出了针对图像获取系统的各种调谐状态(即，LCTF级108和LED输出的调谐状态的各种组合)的曲线图。每个调谐状态可以针对图像获取系统限定不同的光谱分布。因此，不同的光谱分布可以与不同的目标和背景组织相对应，并且因此可以被用于可视化由用户所期望的各种不同的解剖结构。注意，尽管根据具有LCTF级108的图像采集系统讨论了上述曲线，但是应当认识到，这仅仅是用于说明的目的，并且图像采集可以是具有不同配置和组件的各种不同实施例的形式，如上所述。总之，过程200可以被用于针对图像获取系统限定不同的调谐状态，以用于区分目标组织与背景组织。
现在参考图11，示出了针对图像获取系统的各种实施例的过程250，一旦针对目标和背景组织选择了调谐状态，过程250就可以被执行。在执行中，图像获取系统可以在两个所选择的调谐状态之间迭代地转换，顺序地记录两个图像，完成其分析，并且显示从图像生成的分数图像。特别地，图像获取可以设置252至第一调谐状态，记录254第一图像(T1)，设置256至第二调谐状态，记录258第二图像(T2)，从图像生成260目标分数图像，并且显示262目标分数图像。在一些实施例中，过程250可以实时被执行。本文描述的系统和过程是有益的，因为它们特别地适用于生成具有实时地从背景组织突出显示目标组织的对比度的分数图像。
在以上的详细描述中，参考了构成其部分的附图。在附图中，类似的符号通常标识类似的组件，除非上下文另有规定。在详细描述、附图和权利要求中描述的说明性实施例并不意味着限制。其它实施例可以被使用，并且可以在不脱离本文所呈现的对象的精神或范围的情况下作出其它改变。容易理解的是，本公开的各种特征，如在本文中一般描述的和在附图中示出的，可以被布置、替换、组合、分离和设计成各种各样的不同配置，所有这些都在本文中明确地预期。
本公开不限于本申请中描述的特定实施例，这些特定实施例旨在说明各种特征。在不脱离其精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。除了在此列举的那些方法和装置之外，在本公开范围内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员从前述描述中将是显而易见的。这些修改和变化旨在落入所附权利要求的范围内。本公开仅由所附权利要求的条款以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围来限制。应当理解，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，其当然可以变化。还应当理解，本文所用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，而不旨在限制。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用适当地从复数转化为单数和/或从单数转化为复数。为清楚起见，本文中可明确阐述各种单数/复数排列。
本领域技术人员将理解，一般而言，本文所用的术语，特别是所附权利要求书(例如，所附权利要求书的正文)中的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等)。虽然各种组合物、方法和装置以“包含”各种组件或步骤(解释为意指“包括但不限于”)的方式描述，但组合物、方法和装置也可以“基本上由各种组件和步骤组成”或“由各种组件和步骤组成”，并且此类术语被应解释为限定基本上封闭的成员组。本领域技术人员将进一步理解，如果所引入的权利要求列举的具体数目是想要的，则这种意图将在权利要求中明确地列举，并且在没有这样的列举的情况下，不存在这样的意图。
例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来引入权利要求叙述。然而，这种短语的使用不应被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”引入权利要求叙述将包含这种引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限制为仅包含一个这种叙述的实施例，即使当同一权利要求包括引言短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词诸如“一”或“一个”时(例如，“一”和/或“一个”应被解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于引入权利要求叙述的明确文章的使用。
此外，即使明确地列举了特定数目的引入的权利要求列举，本领域技术人员将认识到，这种列举应被解释为意指至少所列举的数目(例如，没有其他修饰词的“两个列举”的裸列举意指至少两个列举，或两个或多个列举)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一项”的惯例的情况下，一般来说此类构造在所属领域的技术人员将理解惯例的意义上是既定的(例如，“具有A、B和C中的至少一项的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一项”的惯例的情况下，一般来说此类构造在所属领域的技术人员将理解惯例的意义上是既定的(例如，“具有A、B或C中的至少一项的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。本领域的技术人员将进一步理解，无论在说明书、权利要求书还是附图中，实际上呈现两个或多个备选术语的任何析取性词语和/或短语应被理解为涵盖包括这些术语中的一个、这些术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，在根据马库什组描述本公开的特征的情况下，本领域技术人员将认识到本公开也由此根据马库什组的任何单个成员或成员亚组来被描述。
如本领域技术人员将理解的，出于任何和所有目的，诸如就提供书面描述而言，本文公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围可以容易地被认为是充分地描述并且使得相同的范围能够被分解为至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为非限制性实例，本文讨论的每个范围可以容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本领域技术人员还将理解的，诸如“至多”、“至少”等的所有语言包括所列举的数字，并且是指可随后分解成如上所述的子范围的范围。最后，如本领域技术人员将理解的，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1－3个单元的组是指具有1个单元、2个单元或3个单元的组。类似地，具有1－5个单元的组是指具有1个单元、2个单元、3个单元、4个单元或5个单元的组，等等。
各种以上公开的和其它的特征和功能或其备选，可以组合到许多其它不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以对其进行各种目前未预见或未预料的备选、修改、变化或改进，这些备选、修改、变化或改进中的每一项也旨在由所公开的实施例涵盖。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
照明源，被配置为发射光，所述光包括以下至少一项：紫外(UV)光、可见(VIS)光、近红外(NIR)光、可见－近红外(VIS－NIR)光、短波红外(SWIR)光、扩展短波红外(eSWIR)光、近红外扩展短波红外(NIR－eSWIR)光、中波红外(MIR)光或长波红外(LWIR)光；
光学滤波器；
至少一个相机芯片；以及
光学路径，所述光学路径被配置为将由所述第一照明源发射的所述光引导至目标处并且将从所述目标反射的所述光引导至所述至少一个相机芯片；
其中所述照明源和所述光学滤波器能够在与目标组织相对应的第一调谐状态和与背景组织相对应的第二调谐状态之间转换；
其中所述至少一个相机芯片被配置为：
当所述照明源和所述光学滤波器处于所述第一调谐状态时记录第一图像，
当所述照明源和所述光学滤波器处于所述第二调谐状态时记录第二图像，并且
基于所述第一图像和所述第二图像生成与所述目标组织相对应的分数图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述照明源包括以下至少一项：发光二极管(LED)、超连续谱激光器、有机发光二极管(OLED)、电致发光设备、荧光灯、气体放电灯、金属卤化物灯、氙弧灯和感应灯。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述照明源包括第一照明源，所述装置进一步包括第二照明源，所述第二照明源发射以下至少一项：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR MIR光或LWIR光。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学滤波器选自由以下项组成的组：液晶滤波器、能够被控制以近乎实时地或实时地改变光通量的硅上液晶(LCoS)、以及旋转滤波器轮、MCF和CF。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个相机芯片包括第一相机芯片和第二相机芯片。
6.根据权利要求5所述的装置，进一步包括耦合到所述光学路径的光学部件，所述光学部件被配置为将由所述第一照明源发射的所述光的第一部分引导至所述第一相机芯片处以用于从所述光的所述第一部分生成所述第一图像，并且将由所述第一照明源发射的所述光的第二部分引导至所述第二相机芯片处以用于从所述光的所述第二部分生成所述第二图像。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个相机芯片包括对以下至少一项敏感的焦平面阵列：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR MIR光或LWIR光。
8.一种分析生物样品的方法，所述方法包括：
从照明源发射光，所述照明源被配置为发射以下至少一项：紫外(UV)光、可见(VIS)光、近红外(NIR)光、可见－近红外(VIS－NIR)光、短波红外(SWIR)光、扩展短波红外(eSWIR)光、近红外扩展短波红外(NIR－eSWIR)光、中波红外(MIR)光或长波红外(LWIR)光；
经由光学路径将所述光传输通过光学滤波器；
其中所述照明源和所述光学滤波器能够在与所述生物样本的目标组织相对应的第一调谐状态和与所述生物样本的背景组织相对应的第二调谐状态之间转换；
收集所述至少一个相机芯片上的所述光；
当所述照明源和所述光学滤波器处于所述第一调谐状态时记录第一图像；
当所述照明源和所述光学滤波器处于所述第二调谐状态时记录第二图像；以及
基于所述第一图像和所述第二图像生成与所述目标组织相对应的分数图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述照明源包括以下至少一项：发光二极管(LED)、超连续谱激光器、有机发光二极管(OLED)、电致发光设备、荧光灯、气体放电灯、金属卤化物灯、氙弧灯和感应灯。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述照明源包括以下至少一项：发光二极管(LED)、超连续谱激光器和有机发光二极管(OLED)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述照明源包括第一照明源，所述装置进一步包括第二照明源，所述第二照明源发射以下至少一项：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR MIR光或LWIR光。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述光学滤波器选自由以下项组成的组：液晶滤波器、能够被控制以近乎实时地或实时地改变光通量的硅上液晶(LCoS)、旋转滤波器轮、MCF和CF。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个相机芯片包括第一相机芯片和第二相机芯片。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述光收集在至少一个相机芯片上包括：
经由被耦合到所述光学路径的光学部件，将由所述照明源发射的所述光的第一部分引导至所述第一相机芯片处，以用于从所述光的所述第一部分生成所述第一图像；以及
经由所述光学部件，将由所述照明源发射的所述光的第二部分引导至所述第二相机芯片处，以用于从所述光的所述第二部分生成所述第二图像。
15.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个相机芯片包括对以下至少一项敏感的焦平面阵列：UV光、VIS光、NIR光、VIS－NIR光、SWIR光、eSWIR光、NIR－eSWIR MIR光或LWIR光。
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