TW200944180A - Apparatus for skin imaging, system for skin analysis - Google Patents

Description

200944180 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種皮膚成像裝置、皮膚分析系統及皮膚 分析方法。 【先前技術】 黑色素瘤係最富侵略性且最致命形式的皮膚癌。僅在美 國’每年發生及死亡分別為60,000與7〇〇〇例。當在早期階 段偵測到時，可以$1_8K(千）的一相對較低費用來有效地處 理黑色素瘤’從而導致9 5 %的較高存活率。 對比之下，在晚期階段該疾病之進展係與少於13%的較 差存活率與每患者$6〇κ或更高之劇增治療成本相關聯。由 此，88%的每年總黑色素瘤治療費用係由於18%的晚期階 段病例所引起》 然而，此刻卻不存在任何官方黑色素瘤篩檢計劃。目 前，黑色素瘤診斷係由一般醫師基於視覺準則來執行。然 參 而，視覺篩檢極依賴於内科醫師之技能及經驗，且一般易 出錯並忽視可能在皮膚疾病早期階段不甚明顯之信號。 可用皮膚病工具（例如一皮膚鏡）僅在遵照一專門培訓的 經驗豐富皮膚病專家手中才有用。仍然，由於不可再現的 資料獲取’在獲取資料中存在一較大散佈。 因而，對於改良皮膚分析工具之需求盼望已久，其提供 皮膚之谷易且清楚分析，允許黑色素瘤以及其他皮膚癌類 1 ”他皮膚疾病之可靠早期彳貞调卜此—卫具將提供容易 .且及時的診斷’從而增加存活率並減少治療費用。 138729.doc 200944180 本發明之一目的係提供-種用於皮膚疾病(特定古之皮 膚癌’更特定言之係黑色素瘤）早期檢測之診斷工呈。 【發明内容】 ^ 本發明提供-種皮膚成像1置，其包含：—外殼，其具 備-檢視窗口用於定位於一皮膚上；至少一照明構件^ 用於從該外殼内部昭明兮蚣$目办 ， '月錢視…至少-近場影像捕捉 :件，其係指向該檢視窗口處；至少一遠場影像捕捉構 件，其係指向相鄰該檢視窗口而定位的-反射器處，皇中 該反射器係調適用於將來自該檢視窗口下之皮膚之散射漫 射光導朝向該遠場影像捕捉構件。使用此一裝置可進行 皮膚之可靠掃描，其可與參寺資料進行比較以便偵測在皮 膚之特定位置内的變化及/或異常。該外殼在將該檢視窗 口放置於-待監控皮膚區域之頂部上時基本上遮光。較佳 的係’該外殼之内表面具備-塗層，其具有支配吸收、色 彩、散射等之受控制光學性質。該近場成像構件以及該遠 場成像構件較佳的係數位相機。該近場及遠場散射一般係 不同強度。因此該些相機可在不同最佳條件下操作。該反 射器可能包含-單-鏡面或多個鏡面。該檢視窗口可能具 有各種形狀，例如圓形或方形。 較佳的係，該近場成像構件係基本上垂直於皮膚表面來 指向該檢視窗口處。因而’該近場影像基本上係一二維影 像’其具有曝露於該近場相機下的_最大表面面積。 在-較佳具體實施例中，該照明構件係在—傾斜角下指 向皮膚表面處。一傾斜角係非9〇度倍數的一角度；此暗示 138729.doc 200944180 著與皮膚表面之入射角係小於90。。 使用多個傾斜角之優點在下文中作進一步闡述。使用可 變入射角具有兩個優點。首先，藉由變動光照角度，改變 在該外殼之内表面上的遠場散射圖案之位置。此偏移取決 於組織散射係數，其對於惡性組織更高。分析與角度成函 數關係的遠場影像變化可提供病變係良性或惡性（癌症）之 資訊。 其次，使用傾斜入射角對光照光之穿透深度造成影響。 由此，可藉由調整該（等）光極之取向來針對（例如）檢測一 組織樣本之深度進行一選擇。因此，可獲得來自病變之不 同深度之資訊。此對於以下尤其重要：a)當皮膚癌位置限 於表皮層（皮膚表面之下約70至1〇〇微米）時，在一早期階段 偵測皮膚癌及b)在一晚期階段偵測一癌症病變之深度，其 中在-病變到達皮膚之—富含血液皮層時存在—較高轉移 風險。

在该照明構件係適用於變動人射㈣係較有利。因而， 可在不同角度下記錄該等近場及遠場影像，從而產生更多 資訊並增加該方法之靈敏度。在皮膚内的_些差異、變化 或異常將不會在H明角度下—樣明顯：增加收集記 錄之角度數目增加偵測異常之機會。 較佳的係，該照明構件係調適以將—光圖案投射在皮膚 =。：用-光照圖案具有下列優點。首先’其辅助獲得關 會中物體(即一皮膚病變)之形狀的三維資訊'惡性皮 膚病變可能在皮膚表面之頂部上形成一圓頂，其可使用三 138729.doc 200944180 維空間資訊來加以偵測。其次’使用一光照圖案辅助以獲 得關於沿一延伸區域之光衰減的資訊。—光照圖案可藉由 向該光照構件提供用以在視場内或附近調整光照區域^形 狀或圖案之-方式來實現。該照明構件可能包含以一預^ 圖案掃描皮膚之一區域的一單一光點，或在'給定位置處 的多個組合光點，或以一預定環狀形狀或其他適當形狀配 置的多個光點。 在一較佳具體實施例中，該照明構件可位移以變動人射 角此係一種在皮膚表面上變動光之入射角的極可靠方 式。各種機械位移構件可用以以一可靠且可再現方式來變 =，例如在軌道上的-電動光源。-缺點係在測量之 =移動照明光源至—新位置耗費時間，且移動零件易於損 在另一較佳具體實施例中 鱼 、月構件包含在不同入射 角下疋位的多個獨立供電 ^ ^ 項二先源可循序定址以便 變動…明角度。由於該等照 係極佳。—心“ 3角度係固疋的’故可再現性 缺點係需要可能較昂貴的多個光源。 較佳具體實施例中，該等 角。 射角包含至少一傾斜 特別有用的傾斜角係從2〇。 由於此係用於人麵士 * 最佳的係大約55。， ang〗e)。 、、膚之大約布魯斯特角（Brewster 較佳的係，該等入射角摄4 —傾斜奋 匕3大約0〇的一角度。在0。與 斜角下光散射對該等近場 麥及遠％影像之參數之影響之 J38729.doc 200944180 間的差異係時常較大，並因而組合產生很多資訊。 在該照明構件包含一偏極光源（較佳的係一雷射或一具 備偏極構件之未偏極光源）時係較有利。一偏極光源比 非偏極光產生一更特定散射圖案。

在一較佳具體實施例中，可變動該光源所發射之頻譜組 成因❿；則量可進—步最佳化，並在各種波長下實施， 從而進#最佳化測量之靈敏度。較佳但非必需地，每一 測量係在一單一波長下進行。 在該反射器係—敎形狀之—凸表面’從該外殼突出時 係較佳。此-反射器捕捉—較寬區域的散射漫射光，並因 而為該遠場成像構件提供一較高密度的資訊。 本發月還提#帛皮膚分析系統，其包含依據前述技術 方案之任—者之—裝置；控制構件，其用於控制該照明構 件與該成像構件；資料處理構件，其用於處理由該等近場 及遠場影像捕捉構件所敝之影像；及顯*構件，其用於 顯示影像及/或處理資料。使用此一系統，使一熟練者相 對容易地洞察-人之皮膚之目前狀態，並在將分析影像與 在-更早期階段（例如數周、數月或數年前）所拍攝之影像 進行比較時注意到在一古庸肉从該 皮廣内的變化。依據本發明之分析 系統有助於指示變化，該等變化指示（例如）在—早期變化 下的皮膚疾病，一般早於甚至經驗豐富内科醫生所能做到 的。^貞測皮膚中可能惡性變化之際，内科醫生可決定起 始可導致-皮膚疾病之一早期診斷的進—步測試，例如电 織或微生物測試。潛在致命皮膚疾病（諸如黑色素瘤）之早 138729.doc 200944180 期診斷改良患者存活之機會β 本發明還提供—種皮膚分析方法，其包含以下步驟：如 上所說明’將依據本發明之-裝置之檢視窗口定位於一待 分析皮膚區域上；在—人射角下藉由該照明構件來照明該 皮膚區域之至少部分；藉由該近場影像捕捉構件來捕捉該 照明皮膚之至少-影像；藉由該遠場影像捕捉構件來從該 光照皮膚捕捉由該反射器所反射之至少一影像；及將該等 捕捉影像與參考影像進行比較。在不同照明角度下近場及 遠場影像之此-組合提供可靠且敏感資訊，且1能注意到 在該分析皮膚内的發展中變化。對比之下，若僅採取;_近 場或-遠場’則一些變化較不可能在一早期階段注意到。 並且，該照明之角度或圖案對建立的影像具有鉅大影響， 並可增加可注意到皮膚病變之機會。該等獲得影像可進一 步經過影像分割及圖案辨識分析並歸類病變，較佳的係在 一自動化系統上。皮膚之光照可遠離或接近該皮膚孔隙之 邊緣採用部分在該圓頂狀遮蔽物外的一光源來進行。 該方法可進一步包括將依據本發明之一裝置之檢視窗口 定位於一待分析皮膚區域上。 該方法可進一步包括較佳的係在0。下且在各種傾斜角 下，遠離一可疑病變來獲取皮膚的遠場影像。遠離該可疑 病變所拍攝之該等影像可接著用作一標準，特別係在無任 何歷史資料可用時。 杈百利的係 重心」及「重心」 偏移。接著可在〇。及一傾斜角下獲夫 138729.doc -8- 200944180 可疑病變（可能惡性）之遠場影像，並取決於該角度來估計 用於每-影像之-「重心」及「重心」偏移。為了比較， 亦T用的係在〇。及-傾斜角下獲取—痣（一非惡性病變）之 遠％影像，其取決於該角度來估計用於每一影像之一「重 心」及「重心」偏移。此接著致能在皮膚、痣及可疑病變 之影像中「重心」偏移差異之比較，從而使一熟練者相對 容易地評估可疑病變是否真正係惡性。 ❿、較佳的係，在照明之不同人射角下拍攝複數個影像。此 增加偵測皮膚病變之機會。較佳的係，在從〇。至至少乃。 的範圍内變化的不同入射角下拍攝複數個影像。藉由使用 較高入射角，可評估皮膚之更可疑層。此有益於在一手期 階段情測-癌症病變，由於已知其開始於在皮膚内大約7〇 至100毫米深的表皮層。 最佳的係，該複數個影像包含至少在15。與25。之間的一 第一角度與在55。與65。之間的一第：角度下所拍攝之影 ❹冑。在該等人㈣包含至少0。與至少—傾斜角時係較佳， 且較佳的係該等角度包括完全偏極反射之布魯斯特角。 【實施方式】 顯示一裝置丨，其包含一遮光外殼2,該遮光外毅可 包含一半球之一全部或部分。外殼2之一底板3具備—窗口 開口 4,其係放置於一待檢查皮膚區域5之頂部上。皮膚5 在"亥® 口位置内形成一大約平坦表面。一器件可包括用以 控制強加於皮膚上之壓力或力的額外構件。此係用以最佳 化可能影響該等測量的皮膚變形、皮膚流體位移及相關效 138729.doc 200944180 應画口4可開啟，但還可具備一基本上平坦、充分透明 材料層’較佳的係一玻璃板’最佳的係一無反射玻璃板。 當不使用任何玻璃板時，在皮膚5之監控部分儘可能平坦 時係較佳。此可藉由保持掃描區域充分小或藉由使用皮膚 延展構件來實現。可將浸沒流體（從顯微鏡已知）施加於在 皮膚與該器件之出口窗口之間的皮膚i。此最小化來自皮 膚表面之鏡面反射比’增加皮膚内的光穿透，並最大化光 收集效率。垂直於皮膚表面5，一第一、近場成像相機6係 定位於窗口開口 4上方。在一角度入下，一光源7係指向曝 露皮膚區域4處。光8之部分係由皮膚5所吸收，另一部分 係反射而又另一部分係散射。當在窗口 4内使用一玻璃板 時可使用的隶大角度一般係75。（取決於玻璃類型），由於 在更尚角度下一般由於全内反射而無法獲得任何有用資 料。反射光9可藉由一光阱10來加以捕捉，以便防止在該 外殼内的進一步散射。散射光丨丨之部分係由第一相機6來 直接s己錄。該第一相機記錄近場散射光，其相對於入射光 束8在小於90。之角度下散射，並具有一相對較高強度。散 射光11之另一部分係透過相鄰開口4而定位的一適當蠻曲 鏡面13來朝一第一、运場成像相機12來反射。該間接反射 遠場散射係相對於入射光束8在大於9〇。的角度下散射，並 具有一相對較低強度。隨著遠場相機12與近場影像相機6 分離，可相對於所記錄強度來容易地最佳化每一相機，以 獲得一最佳信雜比。 在光源7照明皮膚5下的角度A可透過該雷射之機械移 138729.doc -10- 200944180 =或透過可調整光學器件（諸如鏡面），或藉由使用一光 纖來從1端光源遞送光來變動，該遠端光源之位置及角 度可相對於皮膚而位移。或者，若干額外雷射14、15(或 f他光源）可在固定角度Ατ定位，且循序操作以便實現可 措由移動一單—雷射7所實現之相同光照條件。 藉由在不同入射雷射角度A下記錄近場影像6與遠場影像 12兩者’可測量在許多角度下的影像，然而此將導致巨量 的資料。實際上’較佳的係在一有限數量的角度下記錄， 較佳的係每皮膚位置從3至1〇個角度。一特別有用資料集 可能（例如）藉由在大約〇。、2〇。、4〇。、55。及75。之角度下 測量來獲得。該裝置可接著在ΧΜ兩者方向上移動二向 在皮膚上的不同位置，較佳的係藉由自動化構件。因而， 可在一所需解析度下掃描皮膚之一特定部分，並可處理該 資料° 一特定皮膚區域之掃描可相當快地進行。 在不同角度下近場及遠場影像之處理組合產生一皮膚輪 靡。邊等g己錄影像可與參考影像（例如在一更早期時間所 記錄之影像）或皮膚之一健康部分之一記錄進行比較。此 方法產生指示皮膚中異常及/或變化之一可靠且容易方 式，從而大大有助於診斷（例如）皮膚癌。由於該方法極敏 感’故此類皮膚疾病更可能在比已知方法更早期的—階段 積測到。早期偵測係在皮膚癌之情況下特別重要。組合自 動化資料處理系統及決策支援，此提供用於皮膚癌筛檢之 易獲取工具的一基礎。 裝置1可由不需要一完全醫療教育或經驗者來操作。所 138729.doc 200944180 收集的影像資料及/或分析資料可傳送至一熟練者，或可 能存在由需要在-更高資格專家審視下的—相對不熟練者 來預先選擇潛在有害發展…旦注意到在影像内的一、可怕 差異，被檢查者可轉送至臨床醫生，其可實施一全面診斷 以便確認某一疾病（諸如黑色素瘤）之發展。因而，可更有 效地使用熟練專業人員可用之有限時間，同時可針對潛在 危險皮膚疾病來監控大量人。 儘管用於皮膚疾病早期_之應用係視為依據本發明之 裝置ί之最重要應用’但其還可用於其他應用，例如化妝 品應用（諸如皮膚類型之測量）、監控色素異常 與白斑症… ％如老人斑 【圖式簡單說明】 圖1顯示依據本發明之一裝置。 【主要元件符號說明】 1 裝置 2 遮光外殼 底板 窗口開口 /檢視窗口 5 6 皮膚區域/皮膚/皮膚表面 /近場影像 第一、近場成像相機/近場影像 捕捉構件 光源/照明構件/獨立供電光源 8 入射光束 9 反射光 138729.doc -12- 200944180 ίο 光阱 11 散射光 12 第二、遠場成像相機/遠場影像/遠場影像 捕捉構件 13 適當彎曲鏡面/反射器 14 雷射/照明構件/獨立供電光源 15 雷射/照明構件/獨立供電光源 A 角度/傾斜角

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Claims (1)

1. 200944180 七、申請專利範圍： k 一種皮膚成像裝置（1)，其包含： 一具備一檢視窗口（4)之外殼（2) ’該檢視窗口係用於 定位於一皮膚表面上， 至少一照明構件（7、14、15)，其用於從該外殼内部照 明該檢視窗口， 至少一近場影像捕捉構件（6) ’其係指向該檢視窗口 處，以及 至 一达％影像捕捉構件（12)，其係指向相鄰該檢視 窗口而定位的一反射器（13)處， 其中該反射器係調適用於將在來自該檢視窗口下之該 皮膚的散射漫射光導引朝向該遠場影像捕捉構件。 月求項1之裝置，其特徵在於該近場成像構件係基本 上垂直於該皮膚表面而引導。 I ^求項1或2之裝置，其特徵在於該照明構件係在一傾 斜角（A)下指向該皮膚表面。 、 4·::求！:之裝置，其特徵在於該照明構件係適用於改 5. 6. 7. 如請求項4之裝置 改變該入射角。 如請求項4之裝置 入射角下定位的多 如請求項1或2之裝 圖案投射在該皮膚 ’其特徵在於該照明構件係可位移以 ’其特徵在於該照明構件包含在不同 個獨立供電光源（7、14、15)。 置’其中該照明構件係調適以將一光 138729.doc 200944180 8.如請求項1或2之裝置，其特徵在於該入射角包含至少一 傾斜角（A)。 9·如請求項8之裝置，其中該傾斜角（A)係從2〇。至75〇。 10·如請求項7之裝置，其中該等入射角包含一傾斜角以及 一大約0。角度。 11_如請求項1或2之裝置，其特徵在於該照明構件包含一偏 極光源，較佳的係一雷射。 12.如吻求項丨或2之裝置，其特徵在於可改變由該光源所發 射之波長。 13. 2請求項！或2之裝置，其特徵在於該反射器⑴）係一預 定形狀的—凸鏡面，從該外殼突出。 14. -種皮膚分析系統，其包含如前述請求項中任—項之裝 置⑴j控制構件，其用於控制該照明構件與該成像構 件’資料處理構件，其用於處理該等近場及遠場影像捕 冓牛所捕捉之影像，及顯不構件，其用於顯示影像及/ 或處理後資料。 15- 一種皮膚分析方法’其&含以下步驟： 奢长項1至13中任一項之裝置之該檢視窗口⑷定 位於一待分析皮膚區域（5)上， 、~角下藉由§亥照明構件（7、14、15)來照明該皮 膚區域之至少部分， / &近以像捕捉構件（6)來捕捉該照明皮膚區域之 至少一影像， 該照明皮膚區域捕 藉由該遠場影像捕捉構件（12)來從 J38729.doc 200944180 捉由該反射器（11)所反射之至少—影像，以及 將該等捕捉影像與參考影像進行比較。 16. 如请求項15之皮膚分析方法，其特徵在於在照明之不同 入射角下捕捉複數個影像。 17. 如請求項16之方法’其特徵在於該等入射角包含至少〇。 與至少一傾斜角（A)。

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