TWI553294B - 干涉式光學成像裝置、其應用之系統及方法 - Google Patents

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Description

干涉式光學成像裝置、其應用之系統及方法
光學同調斷層掃描(OCT)是一種用於進行高分辨率截面成像的技術，其可以提供組織結構(例如，皮膚組織)在微米尺度的圖像。OCT方法沿著OCT光束對光散射樣本內部進行測量。
莫氏(Mohs)顯微鏡外科手術是在顯微控制下從患者身體進行切除，用於基底細胞癌(BCC)、鱗狀細胞癌(SCC)以及較不常見的其他類型皮膚癌的完全切除。將切除的組織樣本(即活檢物)水平切開以提供組織切片，繼而在載玻片上對所述組織切片進行組織學準備。在顯微鏡下檢查所述載玻片，以確定腫瘤是否被完全包含於切除的組織中--這是通過在所切除的組織的邊緣或邊沿上不存在腫瘤而確定的。如果腫瘤未被完全包含於所切除的組織中，則從患者身體切除額外的組織並且重複該程序直到取得的所有組織切片表明已從患者身體移除該腫瘤。活組織檢查和組織學處理是用於組織診斷的黃金標準。因此，莫氏外科手術一般而言由於其需要許多次活組織檢查而非常耗時。應用OCT以高效的方式來創建莫氏顯微外科手術樣本的圖像因而是非常有用的。
本發明提供了這樣的裝置或系統，其包括：光源模塊，其被配置用於向光學顯微鏡模塊提供光源光，該光學顯微鏡模塊運用所述光源光並處理光信號；Mirau型物鏡模塊，其運用來自所述光學顯微鏡模塊的光， 並且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信號；以及數據處理單元，其用於分析來自所述組織樣品的光信號，其中所述Mirau型物鏡模塊包括干涉物鏡，該干涉物鏡浸入在具有與所述組織樣品相近的光學特性的介質中，並且其中所述光學顯微鏡模塊包括光開關，該光開關被配置用於在光學同調斷層掃描(OCT)模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。
本發明之另一目的提供了一種用於對組織樣品進行成像的方法，該方法包括：通過本文所述的裝置或系統，對按深度從樣品出現的測試光進行成像，以及對來自該樣品的子結構的吸收、色散和/或散射的反差圖像進行成像，以提供該樣品的動態。
110‧‧‧光源模塊
120‧‧‧光學顯微鏡模塊
130‧‧‧Mirau型物鏡模塊
140‧‧‧組織平移模塊
150‧‧‧數據處理單元
209‧‧‧多模光纖
210‧‧‧光源
211‧‧‧單包層晶體光纖
212‧‧‧鐳射二極管
213‧‧‧第一準直和聚焦模塊
214‧‧‧第二準直和聚焦模塊
220‧‧‧光學顯微鏡模塊
221‧‧‧物鏡透鏡
222‧‧‧光學長波通濾波器
223‧‧‧偏振分束器
224‧‧‧光學開關
225‧‧‧反射鏡
226‧‧‧投射透鏡
230‧‧‧Mirau型物鏡模塊
231‧‧‧z軸壓電換能器
233‧‧‧干涉物鏡
234‧‧‧物鏡透鏡
235‧‧‧環形容納器
236‧‧‧第一玻璃板
237‧‧‧第二玻璃板
240‧‧‧組織平移模塊
241‧‧‧蓋玻片
242‧‧‧載物台
250‧‧‧數據處理單元
707‧‧‧準直透鏡
708‧‧‧成像光纖束
709‧‧‧多模光纖
710‧‧‧寬帶光源模塊
720‧‧‧光學顯微鏡模塊
727‧‧‧光學聚焦透鏡
730‧‧‧Mirau型物鏡模塊
740‧‧‧組織平移模塊
750‧‧‧數據處理單元
通過參考以下對其中利用本發明原理的說明性實施方式加以闡述的詳細描述和附圖，將會獲得對本發明的特徵和優點的更好的理解；在附圖中：圖1圖示了代表本發明裝置/系統的框圖，該裝置/系統包括光源模塊、光學顯微鏡模塊、Mirau型物鏡模塊、組織平移模塊和數據處理單元。
圖2圖示了示例性發明裝置/系統的示意圖。
圖3示出了示例性Mirau型物鏡模塊的示意圖。
圖4示出了示例性光源，即Ce3+：YAG單包層晶體光纖的發射光譜，其中插圖示出了該晶體光纖的端視圖。
圖5示出了由CCD的一個像素測量的水與玻璃板之間的光程差。
圖6示出了在水中的橫向掃描，展現出0.56m的橫向分辨率。
圖7圖示了圖2中所示的示例性發明裝置/系統的變體的示意圖。
近年來，光學同調斷層掃描(OCT)已經廣泛應用於皮膚組織的三維(3-D)圖像重建。眾所周知，在表皮中非侵入性地探查角質層(SC)的層參數(LP)，諸如平均總厚度(a-TT)、平均層數(a-NOL)和平均細胞層厚度(a-CLT)等，對於評估表皮的皮膚保濕性變得很重要。然而，為了將OCT技術應用於皮膚組織成像，在組織中優於1.2μm的軸向解析度是測量SC的LP的門檻。此外，單個3-D表皮細胞的形態對於癌前診斷中正常和異常細胞的早期檢測也很重要。這些都要求在組織中的亞微米空間解析度。利用二維CCD/CMOS相機的全場OCT(FF-OCT)有機會觀察SC的層結構，尤其是用於正面監測。通常，使用CCD/CMOS相機的FF-OCT的檢測靈敏度為約80dB，這與相機面積大小和正面幀速率有關。
角質形成細胞和黑素細胞是表皮中的兩種主要細胞類型，其正常大小為10至50μm。在約一個月內通過角質化過程，表皮可分為若干個層，即，底部的基底層、棘層、顆粒層、透明層和頂部的SC。在表皮中，黑素細胞散佈在基底層，具有伸長的樹突。在皮膚護理方面，角質形成細胞的增殖和分化影響表皮鎖水能力和乾性皮膚疾病。
本文提供了將OCT技術(例如，FF-OCT)應用於皮膚組織成像的裝置和系統。具體而言，本發明提供了皮膚組織的體外和體內3-D成像。
在一些實施方式中，提供了一種裝置，該裝置包括：光源模塊，其被配置用於向光學顯微鏡模塊提供光源光，該光學顯微鏡模塊運用該光 源光並處理光信號；Mirau型物鏡模塊，其運用來自光學顯微鏡模塊的光，並且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信號；以及數據處理單元，其用於分析來自組織樣品的光信號，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質中的干涉物鏡，並且其中所述光學顯微鏡模塊包括光學開關，該光學開關被配置用於在光學同調斷層掃描(OCT)模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。
在一些實施方式中，光源模塊可選擇為自發發射光源、放大式自發發射光源、超輻射發光二極管、發光二極管(LED)、寬帶超連續譜光源、鎖模雷射器、可調諧雷射器、傅立葉域鎖模光源、光參量振盪器(OPO)光源、鹵素燈，或者摻雜晶體光纖光源，諸如Ce3+：YAG晶體光纖光源、Ti3+：Al2O3晶體光纖光源或Cr4+：YAG晶體光纖光源。在某些實施方式中，光源模塊包括Ce3+：YAG晶體光纖、Ti3+：Al2O3晶體光纖或Cr4+：YAG晶體光纖。在某些實施方式中，光源模塊包括Ce3+：YAG晶體光纖。
在一些實施方式中，Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質中的干涉物鏡透鏡，位於填充有一種或多種介質的密封容器中的第一玻璃板、第二玻璃板。在某些實施方式中，所述干涉物鏡透鏡浸入在具有與待分析的組織樣品相似的光學特性的介質中。在某些實施方式中，所述光學特性是折射率。在某些實施方式中，所述介質具有在約1.2至約1.8範圍內的折射率。在某些實施方式中，所述介質具有在約1.3至約1.5範圍內的折射率。在一些實施方式中，所述介質包括具有在約1.3至約1.5範圍內的折射率的水、矽油、乙醇、甘油、派熱克斯玻璃(pyrex)、透明玻璃或塑膠，或者其組合。在某些實施方式中，所述介質包括水、矽油或甘油。在某些實施方式中， 所述介質包括水。在某些實施方式中，所述介質包括矽油。在一些實施方式中，所述一種或多種介質包括第一介質和第二介質。在某些實施方式中，所述第一介質包括水，而所述第二介質包括矽油。
在一些實施方式中，所述光學開關是1/4波片，其中該1/4波片的快軸設置成45°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號光的一部分通過且偏振態不變。在某些實施方式中，所述光學開關是1/4波片，其中該1/4波片的快軸設置成0°或90°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號光的一部分通過且偏振態旋轉90°。在一些實施方式中，所述光學顯微鏡模塊還包括物鏡透鏡、光學長波通濾波器和偏振分束器。
在一些實施方式中，所述組織平移模塊包括蓋玻片和位於組織容納器裝置上的橫向機動化線性載物台。在一些實施方式中，所述組織容納器裝置是載玻片或盒。在某些實施方式中，所述蓋玻片充當組織容納器。
在一些實施方式中，所述數據處理單元包括一維檢測器或二維檢測器、任選地耦合的計算機，或者其組合。在某些實施方式中，所述數據處理單元包括二維檢測器。在某些實施方式中，所述二維檢測器是電荷耦合器件(CCD)、多圖元相機或互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機，或者其組合。
在一些實施方式中，提供了一種系統或裝置，其包括：Ce3+：YAG晶體光纖/LED光源模塊，其被配置用於向光學顯微鏡模塊提供光源光，該光學顯微鏡模塊運用該光源光並處理光信號；Mirau型物鏡模塊，其運用來自光學顯微鏡模塊的光，並且處理從組織平移模塊生成的光信號；以及數據處理單元，用於分析來自組織樣品的光信號，其中所述Mirau型物鏡模塊 包括矽油，並且其中所述光學顯微鏡模塊包括作為光學開關的1/4波片，該1/4波片被配置用於在光學同調斷層掃描(OCT)模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。
參見圖1，本發明一實施例之系統/裝置包括光源模塊110、光學顯微鏡模塊120、Mirau型物鏡模塊130、組織平移模塊140和數據處理單元150。光源模塊110被配置用於向光學顯微鏡模塊120提供合適的光，光學顯微鏡模塊120運用光源光並傳輸光信號。光學顯微鏡模塊120與Mirau型物鏡模塊130相關聯，Mirau型物鏡模塊130進一步處理光並將光注入到位於組織平移模塊140的組織樣品。從組織平移模塊返回的光被引導至數據處理單元150。
在一些實施方式中，光源模塊可選擇為自發發射光源、放大式自發發射光源、超輻射發光二極管、發光二極管(LED)、寬帶超連續譜光源、鎖模雷射器、可調諧雷射器、傅立葉域鎖模光源、光參量振盪器(OPO)、鹵素燈或摻雜晶體光纖光源(諸如Ce3+：YAG晶體光纖光源、Ti3+：Al2O3晶體光纖光源、Cr4+：YAG晶體光纖光源)，或者本領域技術人員將容易認識到的會根據本發明的實踐來提供合適的光的任何其他合適的光源。在某些實施方式中，光源模塊包括Ce3+：YAG晶體光纖、Ti3+：Al2O3晶體光纖或者Cr4+：YAG晶體光纖。光源模塊，諸如美國專利號8,416,48、8625948和美國公開號20080047303(各文獻均通過引用併入本文以用於此公開內容)中公開的那些光源模塊，是已知的。
在一些實施方式中，數據處理單元包括一維檢測器、二維檢測器或與一維或二維檢測器耦合的計算機，或者其組合。在一些實施方式中， 數據處理單元包括二維檢測器。該二維檢測器可以例如是電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機等。在某些實施方式中，數據處理單元150是多元素(multiple element)(即，多圖元)相機。
圖2圖示了本發明又一實施例之系統/裝置200，其包括經由多模光纖209向光學顯微鏡模塊220提供照明光的晶體光纖/LED寬帶光源210、光學顯微鏡模塊220、Mirau型物鏡模塊230、組織平移模塊240和數據處理單元250。示例性光源模塊210包括Ce3+：YAG單包層晶體光纖211，Ce3+：YAG單包層晶體光纖211由1-W、445-nm的鐳射二極管212(Nichia，#NDB7875，日本)通過第一準直和聚焦模塊213(例如，包括60×非球面透鏡、帶通濾波器(Semrock，#FF01-445/45，美國)和40×消色差透鏡)以及第二準直和聚焦模塊214(例如，包括40X消色差物鏡透鏡和20X消色差物鏡透鏡)進行泵浦，其中帶通濾波器的功能是將後向寬帶光反射回單包層晶體光纖211，以使從單包層晶體光纖211輸出的螢光準直並將其聚焦至多模光纖209中。從單包層晶體光纖的輸出端出現的寬帶光耦合至多模光纖209中並繼而由光學顯微鏡模塊220中的物鏡透鏡221進行準直，其中單包層晶體光纖之後的光的中心波長和帶寬分別為560nm和95nm。
示例性光學顯微鏡模塊220包括物鏡透鏡221、光學長波通濾波器222、偏振分束器223、光學開關224(例如，TN-LC、PA-LC、VA-LC、IPS或消色差1/4波片，或者其他合適的器件)，該光學開關224設置在偏振分束器223與Mirau型物鏡模塊230之間，並且將光引導至Mirau型物鏡模塊230、反射鏡225和投射透鏡226。從多模光纖209輸出並由偏振分束器223反射的光變成線性偏振。光學開關224的設計允許本發明裝置/系統 在OCT模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。在一些實施方式中，所述光學開關是1/4波片等。例如，在OCT模式中，1/4波片(即，光學開關的示例)的快軸設置為相對於水準軸成45°角。在這種模式中，只有信號光的從樣品反射(或散射)之後其偏振態不變的那部分可以通過偏振分束器223，並由數據處理單元250檢測到。在OPSI模式中，1/4波片的快軸設置為與水準軸平行(0°)或正交(90°)。在這種模式中，只有信號光的從樣品反射(或散射)之後其偏振態旋轉90°的那部分可以通過偏振分束器223，並由數據處理單元250檢測到。因此，處於OPSI模式中的系統能夠檢測樣品中散射的消偏振光。這對於在OCT模式下對深度結構(例如，皮膚組織結構)中的樣品進行成像特別有用。然而，具有光學開關的切換開關設計允許本發明系統通過獲取從樣品的任何子結構或微環境(例如，紅細胞和微血管)的吸收、色散和/或散射的反差圖像，來檢測樣品在其動態(例如，在血管中移動的紅細胞)中的任何子結構或微環境。
在通過光學開關224(例如，本文所述的消色差1/4波片)之後，光改變為圓偏振。該圓偏振光在通過Mirau型物鏡模塊230從參考臂和樣品臂反射回時，變成反向圓偏振。來自參考臂和樣品臂的光束在再次通過消色差1/4波片(參見圖2中的箭頭)之後均變成線性偏振，其與入射光正交相關。因此，從組織平移模塊240中的樣品和參考臂反射回來的光束在通過偏振分束器223之後合併，由反射鏡225反射，並繼而經由投射透鏡226投射至數據處理單元250(即，CCD(Imperx，#ICL-B0620，640×480圖元，美國)上，以生成具有260幀/秒的幀速率的干涉測量信號。在干涉測量載波信號的一個週期內，有60個採樣幀。
組織平移模塊240包括覆蓋組織樣品(例如，皮膚組織)的蓋玻片241和位於組織容納器裝置上的橫向機動化線性載物台242。組織容納器裝置可以是適合於容納組織的任何容納器。例如，組織容納器裝置是用於容納活檢物的載玻片。在一些情況下，蓋玻片起到載玻片的作用。在某些實施方式中，組織容納器裝置是蓋玻片。在一些實施方式中，組織容納器裝置是用於保持組織樣品(諸如來自患者的手術暴露組織的樣本)的匣。
參見圖3，其圖示了圖2一實施例之Mirau型物鏡模塊，該Mirau型物鏡模塊230包括z軸壓電換能器(PZT)231，該z軸壓電換能器(PZT)231與2D xy線性平臺(未顯示)和干涉物鏡233相耦合。出於示例說明目的，特殊設計的Mirau型干涉物鏡233包括浸入在第一介質(例如，水)中的物鏡透鏡234(例如，Olympus，LUMPLFLN 20×W，NA：0.5，視場：550μm，日本)、環形容納器235、用於容納第二介質(例如，矽油)的兩個石英矽玻璃板(厚度：150μm，λ/10平度，第一玻璃板236和第二玻璃板237)。水中焦場的直徑為約220μm(使用1/3視場)。干涉物鏡233固定於z軸壓電換能器231(PI，#P-720，德國)上。在一些實施方式中，第一介質與第二介質相同。例如，第一介質和第二介質可以都是矽油。
蓋玻片241係層疊在樣品之下。在一些實施方式中，蓋玻片具有與玻璃板相同的厚度。採用開環控制的PZT的總光行程為112μm。使用與物鏡透鏡234位於同一模塊上的500μm直徑的黑墨吸收體(n=1.48)來匹配第一玻璃板236的折射率，以便將雜散光吸收回數據處理單元(即CCD)，並且用於消除強度的直流項(DC term)。在用TiO2/SiO2(T/R=60/40，T：透射率；R：反射率；n矽油=1.406)塗覆交錯的層之後，在第二玻璃板 (237)的頂部上塗覆寬帶分束器塗層。接觸第二介質(即，矽油)的第一玻璃板(236)的反射塗層因n矽油=1.406而約為4%。
在操作過程中，物鏡透鏡234使照明光通過第一玻璃板236而朝向組織平移模塊240上的測試樣品聚焦。第二玻璃板237將聚焦光的第一部分反射至第一玻璃板反射塗層以限定參考光，並且將聚焦光的第二部分透射至測試樣品以限定測量光。繼而，第二玻璃板237將從測試樣品反射(或散射)的測量光與從第一玻璃板上的反射塗層反射的參考光重新組合，並且物鏡234和成像透鏡對組合的光進行成像，以在數據處理單元250(例如，具有或不具有計算機的多圖元相機)上產生干涉。PZT 231與2D x-y線性平臺相耦合。
在一些實施方式中，干涉物鏡233包括浸入在介質中的物鏡透鏡234、位於填充有一種或多種介質的密封容器中的第一玻璃板236、第二玻璃板237。本文所述的介質定義為具有對由光束穿過所述介質而引入的光路中的色散加以補償的特性的任何介質。與填充有空氣的傳統Mirau物鏡相比，Mirau型物鏡模塊中的所述一種或多種介質提供了在斷層成像情況下減少色散的手段。在一些實施方式中，本發明的Mirau型物鏡模塊包括兩種或更多種介質(例如，第一介質、第二介質等)，其中至少一種介質具有與待分析的樣品相似的光學特性，其被佈置用於對由光束穿過Mirau型物鏡而引入的光路中的色散加以補償。在各種皮膚光學特性中，折射率是重要的一種。在1至10μm範圍的微觀尺度上，折射率的變化引起光散射。人體皮膚組織的折射率的確定是基於已知方法(例如，Ding等人，Physics in Medicine and Biology,2006,51(6),1479)。相比於在標準溫度和壓力(STP)下的空氣 的折射率1.00，人體皮膚組織的折射率為約1.38至1.44。具有1.3至1.5之間的折射率的介質的非排他性示例包括水(1.33)、矽油(1.336-1.582，取決於組成)、20%葡萄糖水溶液(1.36)、乙醇(1.36)、甘油(1.47)、派熱克斯玻璃(1.47)。在一些實施方式中，在Mirau型物鏡模塊中使用的介質的折射率範圍為約1.0至約2.0、約1.2至約1.8、約1.3至約1.6、或者約1.3至約1.5。在某些實施方式中，所述介質的折射率範圍為約1.3至約1.5。
例如，物鏡透鏡234浸入在水(即，第一介質)或者俱有與水的光學特性相接近的光學特性的液體中。這是因為待成像的樣品(例如，活細胞、皮膚組織)包含最多的是水。由此能夠以令人滿意的方式進行活細胞的成像。在一些實施方式中，所述一種或多種介質是液體、凝膠、特種玻璃、特種塑膠或者俱有與測試樣品的光學特性相接近的光學特性的任何其他合適的材料。在某些實施方式中，所述介質是液體。在一些實施方式中，液體介質包括水、甘油、乙醇、矽油等。在某些實施方式中，所述液體介質包括水。在某些實施方式中，所述液體介質包括矽油。在某些實施方式中，所述液體介質包括甘油。在一些實施方式中，所述介質是具有約1.3至約1.5範圍內的折射率的透明玻璃或塑膠。
如圖2中所示，PZT 231由來自具有開環模式的資料擷取(Data Acquisition,DAQ)卡(NI，#PCI-4461，美國)的經放大信號所偏置。經由邁克森(Michelson)干涉儀，通過He-Ne雷射器的計數波數和相位差來記錄PZT的z軸位置與輸入電壓。因此，PZT的滯後運動在實驗上通過所記錄的位置-電壓曲線來補償。例如，圖4示出了Ce3+：YAG SCF(示例性光源)的發射光譜，其中插圖示出了SCF的端視圖。從水與玻璃板之間的邊界處反 射的A型掃描的干涉測量信號強度由CCD的一個圖元進行測量(參見圖5)。來自圖5中載波信號的載波包絡強度在帶通濾波器和希爾伯特(Hilbert)變換或其他相位解調演算法之後計算得出。由已知方法計算出的檢測靈敏度為約81dB。本發明系統的噪聲基底(noise floor)基本上被更強的共焦門(NA：0.8對比0.5)效應所抑制，並且繼而進一步降低了鬼像效應。示例性干涉物鏡相應地提供了在水介質表面沿軸向和橫向方向的Ra=0.91μm(參見圖5)和Rt=0.56μm(參見圖6)(或者在SC表面(結合水後，n=1.47)，Ra=0.90μm和Rt=0.51μm)的實驗解析度；然而，根據方程1，滿足衍射極限的在水表面的理論空間解析度為Ra=0.56μm和Rt=0.43μm(或者在SC表面，Ra=0.55μm和Rt=0.39μm)。
其中△zeff意指由△z共焦(水中的共焦門，等於λ 0n水/NA2，對於40×物鏡(NA：0.8)為約1.16μm)和△z同調(水中的同調門，等於0.44 λ 02/n水△λ，對於具有相同物鏡的Ce3+：YAG光源為約1.09μm)貢獻的有效軸向解析度。n樣品和n水相應地為樣品和水的折射率。λ 0和△λ為光源的中心波長和帶寬。在圖3中，40×干涉物鏡透鏡234用於水浸。令人驚訝地發現，當使用20×干涉物鏡透鏡(其中NA為0.5)時，樣品掃描變得更高效但仍獲得了相似的3-D成像結果(例如，解析度)。因此，在一些實施方式中，用於本發明裝置/系統的物鏡透鏡具有0.5或更小的NA。由於水和矽油都具有與樣品組織中的一種相似的相似折射率，因此本領域技術人員將容易認識到用一種替代另一種，或者只使用水，或者只使用矽油，或者 根據本發明的實踐而使用任何其他合適的介質。例如，克服水浸式Mirau型物鏡模塊的易蒸發性而製作浸入在矽油(第一介質)中且第二介質為矽油的干涉物鏡。
通常，FF-OCT在0°、90°、180°和270°，使用單張拍攝(single-shot)CCD，通過經由相位階躍技術計算棧資訊而獲得正面圖像，其中通過PZT的三角形振盪運動來對其移相。隨著一個正面圖像的曝光時間增加，檢測靈敏度變得更好。繼而，通過沿z軸堆積正面圖像來重建3-D圖像。與經典FF-OCT不同，包括Mirau型物鏡的本發明裝置/系統通過順序的干涉測量信號來重建3-D圖像棧。該次要考慮因素導致本發明裝置/系統更好的深度成像。
參見圖7，其提供了圖2中所示的實施方式的變體，示例性裝置/系統包括經由多模光纖709向光學顯微鏡模塊720提供照明光的晶體光纖/LED寬帶光源模塊710、Mirau型物鏡模塊730以及成像光纖束708，該成像光纖束708在Mirau型物鏡模塊、光學顯微鏡模塊、組織平移模塊740及數據處理單元750之間傳輸光。該變體實施方式提供了移動的/靈活的Mirau型物鏡模塊以檢測體內樣品。為了適應該設計，使用準直透鏡707來將成像光纖束708與Mirau型物鏡模塊730之間的光進一步準直。如圖7中所示，使用光學聚焦透鏡727來進一步提高圖像的質量。
本發明的裝置或系統對於輕鬆地對組織樣品進行成像是有用的。其在輔助皮膚治療中尤其有用。例如，本發明的裝置或系統可用作莫氏外科手術的輔助。在外科手術過程中，在每次移除組織之後，當患者等待時，針對癌細胞對該組織進行檢查，並且該檢查為額外的組織移除的決 定提供資訊。莫氏外科手術是在皮膚癌的移除過程中獲得完整邊沿控制的許多方法中之一；其取決於完整的圓周外圍和深處邊沿評估。本發明的裝置或系統可以原位地對樣品組織進行成像，或者在從患者身體中移除樣品組織後成像，從而提供了輔助莫氏外科手術的有效方式。在一些實施方式中，提供了一種用於對組織樣品進行成像的方法，該方法包括：通過本文所述的裝置或系統，對按深度從樣品出現的測試光進行成像，以及對來自該樣品的子結構的吸收、色散和/或散射的反差圖像進行成像，以提供該樣品的動態。在一些實施方式中，組織樣品是皮膚組織。在某些實施方式中，所述方法用於對皮膚組織狀況進行成像。在某些實施方式中，通過完整的圓周外圍和深處邊沿評估來確定皮膚狀況。
儘管本文已示出並描述了本發明的優選實施方式，但對於本領域技術人員顯而易見的是，這些實施方式僅通過示例的方式提供。本領域技術人員在不脫離本發明的情況下現將會想到許多變化、改變和替代。應當理解，可以採用本文描述的本發明的實施方式的各種替代方案來實施本發明。下述權利要求旨在限定本發明的範圍，並且由此涵蓋這些權利要求範圍內的方法和結構及其等同物。
209‧‧‧多模光纖
210‧‧‧光源
211‧‧‧單包層晶體光纖
212‧‧‧鐳射二極管
213‧‧‧第一準直和聚焦模塊
214‧‧‧第二準直和聚焦模塊
220‧‧‧光學顯微鏡模塊
221‧‧‧物鏡透鏡
222‧‧‧光學長波通濾波器
223‧‧‧偏振分束器
224‧‧‧光學開關
225‧‧‧反射鏡
226‧‧‧投射透鏡
230‧‧‧Mirau型物鏡模塊
231‧‧‧z軸壓電換能器
233‧‧‧干涉物鏡
240‧‧‧組織平移模塊
241‧‧‧蓋玻片
242‧‧‧載物台
250‧‧‧數據處理單元

Claims (19)

  1. 一種干涉式光學成像裝置，包括：光源模塊，其被配置用於向光學顯微鏡模塊提供光源光，所述光學顯微鏡模塊運用所述光源光並處理光信號；Mirau型物鏡模塊，其運用來自所述光學顯微鏡模塊的光，並且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信號；以及數據處理單元，其用於分析來自所述組織樣品的光信號，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質中的干涉物鏡，並且其中所述光學顯微鏡模塊包括光學開關，所述光學開關被配置用於在光學同調斷層掃描(OCT)模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述光源模塊為放大式自發發射光源、超輻射發光二極管、發光二極管(LED)、寬帶超連續譜光源、鎖模雷射器、可調諧雷射器、傅立葉域鎖模光源、光參量振盪器(OPO)光源、鹵素燈、Ce3+：YAG晶體光纖光源、Ti3+：Al2O3晶體光纖光源或者Cr4+：YAG晶體光纖光源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質中的干涉物鏡透鏡，位於填充有一種或多種介質的密封容器中的第一玻璃板、第二玻璃板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述干涉物鏡透鏡浸入在具有與待分析的組織樣品相似的光學特性的介質中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的裝置，其中所述光學特性是折射率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中所述介質具有在1.2至1.8範圍內的折射率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中所述介質包括水、矽油或甘油。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的裝置，其中所述介質包括矽油。
  9. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述一種或多種介質包括第一介質和第二介質。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中所述第一介質包括水，而所述第二介質包括矽油。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述光學開關是1/4波片，所述1/4波片的快軸設置成45°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號光的一部分通過且偏振態不變。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述光學開關是1/4波片，所述1/4波片的快軸設置成0°或90°角，從而允許從所述樣品反射或散射的信號光的一部分通過且偏振態旋轉90°。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述光學顯微鏡模塊還包括物鏡透鏡、光學長波通濾波器和偏振分束器。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述組織平移模塊包括蓋玻片和位於組織容納器裝置上的橫向機動化線性載物台。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述數據處理單元可選擇為一維檢測器、二維檢測器、耦合一維檢測器的計算機、耦合二維檢測器的計算機、或耦合一維檢測器及二維檢測器的計算機之其中之一。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的裝置，其中所述二維檢測器是電荷耦合器件(CCD)、多圖元相機或互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機，或者其組合。
  17. 一種用於對組織樣品進行成像的系統，包括：光源模塊，其被配置用於向光學顯微鏡模塊提供光源光，所述光學顯微鏡模塊運用所述光源光並處理光信號；Mirau型物鏡模塊，其運用來自所述光學顯微鏡模塊的光，並且處理從容納組織樣品的組織平移模塊生成的光信號；以及數據處理單元，其用於分析來自所述組織樣品的光信號，其中所述Mirau型物鏡模塊包括浸入在介質中的干涉物鏡，並且其中所述光學顯微鏡模塊包括光學開關，所述光學開關被配置用於在光學同調斷層掃描(OCT)模式與正交偏振光譜成像(OPSI)模式之間切換。
  18. 一種用於對組織樣品進行成像的方法，包括：通過專利範圍第1項所述的裝置或專利範圍第17項所述的系統，對按深度從樣品出現的測試光進行成像，以及對來自所述樣品的子結構的吸收的反差圖像進行成像。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中通過完整的圓周外圍和深處邊沿評估來確定組織成像。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI639809B (zh) * 2016-10-04 2018-11-01 財團法人工業技術研究院 干涉儀及其成像方法
US10422744B2 (en) 2016-10-04 2019-09-24 Industrial Technology Research Institute Interferometer and imaging method therefor
TWI682149B (zh) * 2018-12-11 2020-01-11 財團法人工業技術研究院 成像方法及成像系統
TWI761011B (zh) * 2020-12-30 2022-04-11 致茂電子股份有限公司 雷射共焦量測系統及雷射共焦量測系統的光控制模組

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206362310U (zh) * 2016-09-28 2017-07-28 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种非球面检测光路中光学间隔测量系统
TWI616190B (zh) * 2016-11-18 2018-03-01 長庚大學 聲致顯影增強光同調影像之鏡頭及其系統和運作方法
CN110187490A (zh) * 2019-04-30 2019-08-30 宁波永新光学股份有限公司 一种提高显微镜物镜分辨率的方法
CN111240003B (zh) * 2020-03-26 2024-09-20 苏州睿仟科技有限公司 一种高数值孔径水浸/油浸物镜系统及显微镜扫描系统
CN114763988B (zh) * 2021-01-14 2024-05-10 致茂电子(苏州)有限公司 激光共焦测量系统及激光共焦测量系统的光控制模块
CN113804652A (zh) * 2021-08-31 2021-12-17 佛山光微科技有限公司 一种oct装置
CN113916855A (zh) * 2021-09-29 2022-01-11 深圳大学 一种显微成像装置
TWI841337B (zh) * 2022-07-21 2024-05-01 明達醫學科技股份有限公司 光學式生物計量器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020048025A1 (en) * 2000-08-12 2002-04-25 Hideyuki Takaoka Optical system and optical apparatus
TW569008B (en) * 2001-05-04 2004-01-01 Chih-Kung Lee A Multifunctional opto-electronic biochip system
TWI289211B (en) * 2005-12-21 2007-11-01 Ind Tech Res Inst Light source module using mixed a broadband light source and a coherent light source
CN101304682A (zh) * 2005-09-29 2008-11-12 通用医疗公司 用于提供一个或多个生物结构的多模态显微成像的装置和方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US841648A (en) 1906-06-04 1907-01-15 James H Hill Lantern.
CN1180222C (zh) * 2002-06-07 2004-12-15 清华大学 双频共焦台阶高度显微测量装置
FR2889584B1 (fr) * 2005-08-08 2008-07-11 Centre Nat Rech Scient Imagerie tomographique par microscope interferometrique a immersion
TW200811494A (en) 2006-08-25 2008-03-01 Univ Nat Sun Yat Sen Method for fabricating indirect-heated double-clad crystal fiber
CN100547366C (zh) * 2007-08-22 2009-10-07 中国科学院上海光学精密机械研究所 移相横向剪切干涉仪
TWI528062B (zh) 2010-08-27 2016-04-01 國立臺灣大學 摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源
CN102589463B (zh) * 2012-01-10 2014-01-15 合肥工业大学 二维和三维一体化成像测量系统
US9041935B2 (en) * 2012-05-29 2015-05-26 General Photonics Corporation Measuring polarization crosstalk in optical birefringent materials and devices based on reduction of line broadening caused by birefringent dispersion
JP2014110883A (ja) * 2012-10-30 2014-06-19 Canon Inc 画像処理装置及び画像処理方法
CN103792192B (zh) * 2014-01-27 2016-03-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于单探测器的偏振频域光学相干层析成像系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020048025A1 (en) * 2000-08-12 2002-04-25 Hideyuki Takaoka Optical system and optical apparatus
TW569008B (en) * 2001-05-04 2004-01-01 Chih-Kung Lee A Multifunctional opto-electronic biochip system
CN101304682A (zh) * 2005-09-29 2008-11-12 通用医疗公司 用于提供一个或多个生物结构的多模态显微成像的装置和方法
TWI289211B (en) * 2005-12-21 2007-11-01 Ind Tech Res Inst Light source module using mixed a broadband light source and a coherent light source

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI639809B (zh) * 2016-10-04 2018-11-01 財團法人工業技術研究院 干涉儀及其成像方法
US10422744B2 (en) 2016-10-04 2019-09-24 Industrial Technology Research Institute Interferometer and imaging method therefor
TWI682149B (zh) * 2018-12-11 2020-01-11 財團法人工業技術研究院 成像方法及成像系統
TWI761011B (zh) * 2020-12-30 2022-04-11 致茂電子股份有限公司 雷射共焦量測系統及雷射共焦量測系統的光控制模組

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