TWI472742B - 光學檢測裝置 - Google Patents

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Description

光學檢測裝置
本發明係關於一種檢測裝置，特別關於一種光學檢測裝置。
隨著科技的進步，醫療檢測技術也從侵入式(invasive)檢測進步到非侵入式(non-invasive)檢測。其中，非侵入式檢測就如利用近紅外線照射人體並檢知穿出人體之光線來進行組織檢測。
如圖1所示，一種習知的光學檢測裝置1包含一發光單元11及一光感測元件12。發光單元11具有複數發光二極體用以發出不同波長的光線，這些光線會進入人體組織，經由繞射、散射及反射而穿出組織，並由光感測元件12所接收。光感測元件12將所接收到的光線轉換為電訊號以供後續訊號分析。藉由訊號分析即可得知該檢測的人體組織是否正常。
然而，在習知技術中，必須用到多顆發光二極體來發射不同波長的光，並且，這些發光二極體需輪流發光以避免發出的光線產生干擾(disturbance)或串音(crosstalk)，這使得光線轉換的電訊號需在時間域(time domain)下來分析，而降低檢測效能。此外，檢測者並無法以直觀的方式來得到檢測結果，而僅是被告知是否有問題。
因此，如何提供一種光學檢測裝置，能夠提升檢測效能並提供直觀的檢測結果，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠提升檢測效率並提供直觀的檢測結果之光學檢測裝置。
為達上述目的，依據本發明之一種光學檢測裝置係用以檢測一組織，並包含一發光單元、一分光單元以及一光感測陣列。發光單元發射光線進入該組織。分光單元係接收由組織射出之光線，並將其分為複數波長之光線。光感測陣列係感測由分光單元射出之光線並產生一陣列光譜。
在一實施例中，發光單元所發射之該光線，其波段波長係介於300nm至2000nm。
在一實施例中，光學檢測裝置更包含一第一導光單元，其係將發光單元所發出之光線導引至該組織。第一導光單元可包含至少一光纖。藉此可避免發光單元發出之光線漏失而降低入射光強度，並有利於更精確的檢測。
在一實施例中，分光單元為一分光鏡(spectroscopic prism)、一濾波單元(filter unit)、一聲光可調諧濾波器(acousto-optical tunable filter,AOTF)或一液晶可調諧濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)。
在一實施例中，光學檢測裝置更包含一第二導光單元，其係將由該組織射出之光線導引至分光單元。分光單元係將由第二導光單元導引之光線分為該等波長之光線並傳送至光感測陣列。第二導光單元可包含複數光纖。藉由第二導光單元，可精確地由特定位置檢出光感測訊號，而提升檢測準確度。
在一實施例中，光感測陣列可包含複數光感測元件陣列形成一陣列，光感測元件陣列可包含光二極體(photo diode)、光敏電阻(photo resistor)或光電倍增管(Photomultiplier tube)。光二極體所構成的例如是電荷耦合元件(CCD)或互補式金氧半感測元件(CMOS)。光敏電阻例如是硫化鎘光感測元件。
在一實施例中，陣列光譜之一軸代表位置，另一軸代表光波長。
在一實施例中，光學檢測裝置更包含另一分光單元，其係接收由該組織射出之光線，並將其分為複數波長之光線，並傳送至該光感測陣列或另一光感測陣列。
在一實施例中，光學檢測裝置更包含一組織檢測單元，其係檢測該組織。
在一實施例中，光學檢測裝置更包含一訊號轉換單元，其係接收光感測陣列所產生之光感測訊號，並將其轉換為顯示訊號。
承上所述，本發明之光學檢測裝置具有分光單元，其可將一光線分為複數波長之光線或展開為一波段之光譜，使得本發明不需使用多顆發射不同波長之發光二極體而可達到多波長光線檢測之目的。此外，由於本發明藉由發光單元與分光單元的配合來達到多波長光線的功能，因而不需在時間域中來分析光訊號，發光單元可持續發光，發光單元所發出之光線可即時(real time)地經由分光單元展開為複數波長光線並傳送至光感測陣列，進而提升檢測效能。此外，光感測陣列感測由分光單元所展開之光線而形成一陣列光譜(array spectrum)，因而能提供直覺式的檢測效果，例如藉由觀看陣列光譜(可戴近紅外線眼鏡)或對應的虛擬顏色即能得知異常組織是否存在及其位置與種類。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種光學檢測裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖2為本發明較佳實施例之一種光學檢測裝置2的示意圖，其係用以檢測一組織T，例如是人體、動物、植物或藥物之組織，於此係以人體組織為例並以檢測乳房為例，可檢測乳房是否存在腫瘤、癌症或其他異常組織，並可檢測異常組織之位置及種類。
光學檢測裝置2包含一發光單元21、一分光單元22以及一光感測陣列23。其中，發光單元21可包含一發光元件，其可發射一波段波長之光線，波段波長例如介於300nm至2000nm，較佳者係介於350nm至1100nm，為可見光及近紅外線(near Infrared,NIR)波長；於此僅為舉例，並非用以限制本發明。除了藉由單一發光元件發射出具有一波段波長的光線之外，亦可藉由將複數發光元件設置於發光單元21內，並藉由一混光元件將該等發光元件之光線混光，然後由發光單元21射出而產生具有該波段波長的光線。發光元件例如為發光二極體(LED)或雷射二極體(laser diode)。
光學檢測裝置2可更包含一第一導光單元24，其係將發光單元21所發出之光線導引至組織T。第一導光單元24可避免發光單元21發出之光線漏失而降低入射光強度。第一導光單元24可例如包含至少一光纖241或導光條。當光線由發光單元21射出並經由第一導光單元24進入組織T後，光線會在組織T內進行繞射、散射或反射而射出組織T、或激發該組織產生射出光線、或導致該組織或鄰近組織產生射出之光線。
另外，當光學檢測裝置2無第一導光單元24時，可將發光單元21設置於儘量靠近組織T的位置，以減少光漏。
分光單元22係接收由組織T射出之光線，並將其分為複數波長之光線。分光單元22可包含一分光鏡(spectroscopic prism)、一濾波單元(filter unit)、一聲光可調諧濾波器(acousto-optical tunable filter,AOTF)或一液晶可調諧濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)。上述分光單元22係可選擇性地將光線分為多個波長之光線(discrete)、或形成一波段之光譜(continuous)。於此係以分光鏡為例，其係將發光單元21所發出之光線展開為一波段之光譜。
光學檢測裝置2可更包含一第二導光單元25，其係將由組織T射出之光線導引至分光單元22，亦即分光單元22係將由第二導光單元25導引之光線分為該等波長之光線。第二導光單元25可包含複數光纖251或導光條，於此係以6條光纖251為例，但非用以限制本發明。藉由光纖251，可將檢測區域限縮至一點，而有助精確分析每一區域之組織的檢測情況及異常組織的位置。於此，該等光纖251與光纖241係排成一列，而將檢測區域限制在一維方向，進而提升分析準確度。在此情況下，使用者只要移動光纖251及241即可進行二維(全區)的掃描及檢測。
另外，當光學檢測裝置2無第二導光單元25時，可將分光單元22設置於儘量靠近組織T的位置，以減少出射光的漏失。
另外，第二導光單元25係穿過一遮光元件A，以避免太多雜光進入組織T內而產生訊號之干擾。遮光元件A亦可整合至光學檢測裝置2之外殼靠近發光單元21的部分。
光感測陣列23係感測由分光單元22射出之光線。光感測陣列23可包含複數光感測元件，光感測元件例如包含光二極體(photo diode)、光敏電阻(photo resistor)或光電倍增管(Photomultiplier tube)。光二極體所構成的例如是電荷耦合元件(CCD)或互補式金氧半感測元件(CMOS)。光敏電阻例如是硫化鎘光感測元件。於此，由於分光單元22將發光單元21所發出之光線展開為一波段之光譜，而該光線又投射至光感測陣列23，故藉由光感測陣列23上的光感測元件可產生一陣列光譜而將該光譜完整地呈現，並提供直覺、直觀的檢測結果供檢測者觀看。圖3為光感測陣列23呈現一陣列光譜的影像圖。光感測陣列23上呈現的光譜為條狀式，每一條代表分光單元22將一光纖251的光線所展開的光譜，每一條光譜的波長例如從670nm延伸至1050nm；即陣列光譜的一軸代表位置，另一軸代表光波長。需注意的是，圖3所示之光譜陣列圖係以分光單元22將6條以上之光纖251之光線展開的光譜為例，並且波長介於670nm與1050nm之間。
圖4為本實施例之另一態樣中，第二導光單元之複數光纖251設置於組織T之一俯視示意圖。圖2之光纖251設置為一維陣列僅為舉例說明，光纖251所排成之圖案亦可有多種變化態樣，例如圖4所示，光纖251係呈輻射狀。
圖5為光學檢測裝置2之一實施態樣的方塊示意圖，光學檢測裝置2可更包含一控制模組26、一顯示單元27及一組織檢測單元28，其中，控制模組26係與發光單元21、光感測陣列23、顯示單元27及組織檢測單元28電性連接。以下請參照圖5並配合圖2舉例說明檢測過程。
控制模組26驅動發光單元21發光，發光單元21可被驅動而持續發光，光線透過第一導光單元24、組織T及第二導光單元25而到達分光單元22，分光單元22將光線展開為一波段之光譜並射至光感測陣列23。藉由光感測陣列23之二維排列的光感測元件對接收到的光線進行感測，並轉換為光感測訊號SS 傳送至控制模組26，當然，光感測訊號SS 傳送至控制模組26的過程中可經過放大處理，於此不加以限制。然後，藉由控制模組26之一訊號轉換單元261可將光感測訊號轉換為顯示訊號SD ，控制模組26並使顯示單元27依據顯示訊號SD 來顯示。如此，當檢測者移動光纖241、251時，顯示單元27亦會即時(real time)地改變顯示結果，而達到即時檢測的效果，而且非常直觀。
顯示單元27可為一顯示面板，並可對應至光感測陣列23，當然，顯示面板的畫素數量與光感測陣列23的光感測元件數量極可能不相同，但兩者可等比例的相互對應。顯示單元27可顯示複數虛擬顏色(pseudo-colors)來代表不同波長的光線及光訊號的強弱。如此，即可保留光感測陣列23的二維資料，並提供直覺、直觀式的檢測結果，以供醫生判讀。另外，顯示單元27所顯示的虛擬顏色亦可直接對應異常組織存在的可能性，例如紅色表示極可能出現異常組織，藍色表示可能出現異常異常組織，綠色表示正常組織。另外，顯示單元27所顯示的虛擬顏色亦可直接對應異常組織的種類，例如紅色表示癌細胞，藍色表示良性腫瘤。上述顯示單元27的顯示畫面與光感測訊號之關連僅為舉例說明，並非用以限制本發明。
除了利用顯示單元27顯示檢測結果之外，檢測結果亦可用其他方式來呈現，例如以聲音方式，利用喇叭將檢測結果讀出，或是利用閃光方式，利用顯示單元27或閃光燈之閃光的頻率或亮度而呈現不同檢測結果。另外，若不使用顯示單元27來顯示檢測結果，使用者亦可藉由配戴近紅外線眼鏡來觀看光感測陣列23之影像來判讀，也是非常直觀。
光感測陣列23所感測之光感測訊號SS ，亦可分離出來進行後續分析。藉由分析二維排列之光感測元件的光感測訊號SS 可得知異常組織之種類、大小及位置。
另外，如圖2及圖5所示，光學檢測裝置2可更包含一組織檢測單元28，其係與控制模組26電性連接。組織檢測單元28可例如為光學同調斷層掃描(Optical Coherence Tomography,OCT)、HGT、PAT或超音波檢測裝置。本實施例之組織檢測單元28超音波檢測裝為例。超音波檢測之結果可與光感測陣列23之光感測訊號獨立分析、或結合比對，以提供多樣及更精確的分析。組織檢測單元28在結構上，可與第二導光單元25結合，例如光纖251係穿過組織檢測單元28內，進而簡化結構並美化產品外觀，且當使用者移動組織檢測單元28時，亦同時移動第二導光單元25，使得光感測陣列23與組織檢測單元28同時檢測相同區域。當然，在實施上，組織檢測單元28亦可為單獨之元件，供使用者操作。
以下舉例說明光學檢測裝置2的其他變化態樣。請參照圖6所示，光學檢測裝置2可更包含另一分光單元22a，其係接收由組織T射出之光線，並將其分為複數波長之光線，並傳送至光感測陣列23。於此，分光單元22a係設置於分光單元22之上，且分光單元22a、22係將光線分光並投射至光感測陣列23之不同區域(例如上半部及下半部)進行感測。光學檢測裝置2可更包含另一第二導光單元25a，第二導光單元25a與第一導光單元25類似，並包含複數光纖251，以將自組織T射出之光線導引至分光單元22a進行分光。如此，光感測陣列23可呈現兩個區域的檢測結果。本發明可以依據這樣的方式來達到多區或全區的檢測，並可提供直覺、直觀的檢測結果。當然，分光單元22、22a所發出之光線需避免互相干擾。另外，如圖6所示，光纖241可位於導光單元25及25a之間。
請參照圖7所示，光學檢測裝置2可更包含另一光感測陣列23a，其係具有複數光感測元件形成陣列，與圖6主要不同在於，分光單元22a係將光線投射至光感測陣列23a以進行感測。此外，光學檢測裝置2之第一導光單元24更包含一光纖241，該等光纖241分別提供第二導光單元25及25a之入射光。本發明可以依據這樣的方式來達到多區或全區的檢測，並可提供直覺、直觀的檢測結果。
請參照圖8所示，其係顯示一種可能實施態樣之光學檢測裝置2，其係以智慧型手機為例。光學檢測裝置2之發光單元21位於殼體29底部，分光單元22及光感測陣列23係位於殼體29內。由於使用者可直接握持光學檢測裝置2靠近身體進行檢測，故光學檢測裝置2可不需具有第一導光單元24及第二導光單元25。光學檢測裝置2直接將檢測結果顯示於顯示單元27供使用者觀看，顯示單元27可顯示二維顏色影像，以提供直觀的檢測結果。
綜上所述，本發明之光學檢測裝置具有分光單元，其可將一光線分為複數波長之光線或展開為一波段之光譜，使得本發明不需使用多顆發射不同波長之發光二極體而可達到多波長光線檢測之目的。此外，由於本發明藉由發光單元與分光單元的配合來達到多波長光線的功能，因而不需在時間域中來分析光訊號，發光單元可持續發光，發光單元所發出之光線可即時(real time)地經由分光單元展開為複數波長光線並傳送至光感測陣列，進而提升檢測效能。此外，光感測陣列感測由分光單元所展開之光線而形成一陣列光譜(array spectrum)，因而能提供直覺式的檢測效果，例如藉由觀看陣列光譜(可戴近紅外線眼鏡)或對應的虛擬顏色即能得知異常組織是否存在及其位置與種類。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2．．．光學檢測裝置
11、21．．．發光單元
12．．．光感測元件
22、22a．．．分光單元
23、23a．．．光感測陣列
24．．．第一導光單元
241、251．．．光纖
25、25a．．．第二導光單元
26．．．控制模組
261．．．訊號轉換單元
27．．．顯示單元
28．．．組織檢測單元
29．．．殼體
A．．．遮光元件
SS ．．．光感測訊號
SD ．．．顯示訊號
T．．．組織
圖1為一種習知光學檢測裝置的示意圖；
圖2為本發明較佳實施例之一種光學檢測裝置的示意圖；
圖3為本發明較佳實施例之光學檢測裝置之光感測陣列呈現一陣列光譜的影像圖；
圖4為本發明較佳實施例之另一態樣中，複數光纖設置於組織之一俯視示意圖；
圖5為本發明較佳實施例之光學檢測裝置的方塊示意圖；
圖6及圖7為本發明較佳實施例之光學檢測裝置之變化態樣的示意圖；以及
圖8為本發明較佳實施例之光學檢測裝置的外觀示意圖。
2．．．光學檢測裝置
21．．．發光單元
22．．．分光單元
23．．．光感測陣列
24．．．第一導光單元
241、251．．．光纖
25．．．第二導光單元
28．．．超音波檢測單元
A．．．遮光元件
T．．．組織

Claims (11)

  1. 一種光學檢測裝置，係用以檢測一組織，包含：一發光單元，發射光線進入該組織；一分光單元，係接收由該組織射出之光線，並將其分為複數波長之光線；以及一光感測陣列，係包含複數光感測元件形成一陣列並感測由該分光單元射出之光線，而產生一陣列光譜，該陣列光譜之一軸代表位置，另一軸代表光波長，該陣列光譜為條狀式，每一條代表該分光單元將從該組織之一處射出之光線所展開的光譜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該發光單元所發射之該光線，其波段係介於300nm至2000nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含：一第一導光單元，係將該發光單元所發出之光線導引至該組織。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學檢測裝置，其中該第一導光單元係包含至少一光纖。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該分光單元包含一分光鏡、一濾波單元、一聲光可調諧濾波器或一液晶可調諧濾波器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含：一第二導光單元，將由該組織射出之光線導引至該分光單元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學檢測裝置，其中該第二導光單元包含複數光纖。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該等光感測元件包含光二極體、光敏電阻或光電倍增管。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含：另一分光單元，係接收由該組織射出之光線，並將其分為複數波長之光線，並傳送至該光感測陣列或另一光感測陣列。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含：一組織檢測單元，係檢測該組織。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含：一訊號轉換單元，係接收該光感測陣列所產生之光感測訊號，並將其轉換為顯示訊號。
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