TWI652467B - 生物組織光學檢測探頭 - Google Patents

Abstract

一種生物組織光學檢測探頭，適於檢測一生物組織，其包含一表面成像模組與一斷層取像模組，其中表面成像模組用以擷取並生成生物組織之一表面影像，表面成像模組係包含一遠心透鏡、一第一光學鏡、一透鏡組、一影像感測器、以及一光源，光源用以發出一第一檢測光，斷層取像模組用以擷取生物組織之一斷層影像，斷層取像模組係包含遠心透鏡、第一光學鏡、一掃描鏡組以及一第一準直鏡，斷層取像模組用以接收一第二檢測光，其中，第一檢測光經一第一光路依序由光源、生物組織、遠心透鏡、第一光學鏡及透鏡組至影像感測器；第二檢測光經一第二光路依序由第一準直鏡、掃描鏡組、第一光學鏡、遠心透鏡、生物組織、遠心透鏡、第一光學鏡及掃描鏡組至第一準直鏡。

Description

生物組織光學檢測探頭

本揭露為一種光學檢測探頭，尤指一種對生物組織進行檢測的生物組織光學檢測探頭。

市面上的皮膚鏡，只能檢測皮膚表層影像，例如皮膚各種類型斑點、表面的縐紋、毛孔、膚質粗糙程度、膚色黯沈程度、青春痘、痘疤等，但對於皮膚深層的結構卻無法檢測，例如表皮層厚度、真皮層厚度、膠原蛋白密度、彈性纖維密度、毛孔結構、皮脂腺出油量、血管型態等這些判斷容貌是否老化的重要特徵，故無法早期監控初老症狀，使用正確的抗老化療程。

一般皮膚光學同調斷層成像系統，雖可檢測到皮膚深層的結構，例如是表皮厚度、真皮層厚度、膠原蛋白密度、彈性纖維密度、毛孔結構、皮脂腺出油量、血管型態等，但卻無法檢測到皮膚表層影像，例如皮膚各種類型斑點、表面的縐紋、毛孔、膚質粗糙程度、膚色黯沈程度、青春痘、痘疤等，故存在檢測上的盲點，使得無法評估合適與正確的抗老化療程。

有鑑於此，在本揭露的一實施例中，提出一種生物組織光學檢測探頭，其可以同時檢測生物組織表層及深層的狀態。

在一實施例中，本揭露提出一種生物組織光學檢測探頭，適於檢測一生物組織，其包含一表面成像模組與一斷層取像模組，其中表面成像模組用以擷取並生成生物組織之一表面影像，表面成像模組係包含一遠心透鏡、一第一光學鏡、一透鏡組、一影像感測器、以及一光源，光源用以發出一第一檢測光，斷層取像模組用以擷取生物組織之一斷層影像，斷層取像模組係包含遠心透鏡、第一光學鏡、一掃描鏡組、以及一第一準直鏡，斷層取像模組用以接收一第二檢測光，其中，第一檢測光經一第一光路依序由光源、生物組織、遠心透鏡、第一光學鏡及透鏡組至影像感測器；第二檢測光經一第二光路依序由第一準直鏡、掃描鏡組、第一光學鏡、遠心透鏡、生物組織、遠心透鏡、第一光學鏡、及掃描鏡組至第一準直鏡。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

在本揭露的一實施例中，提出一種生物組織光學檢測探頭，可擷取生物組織的表面影像及斷層影像，並與影像處理系統連接，以同時檢測生物組織表層及深層的狀態。

請參閱第1圖所示，生物組織光學檢測系統200可以是一光學同調斷層系統。在本實施例中，本揭露之生物組織光學檢測探頭1000可耦接於一光纖耦合器3000，光纖耦合器3000接收來自寬頻光源4000的光束，並分成兩個光束，一個是樣品光束，另一個是參考光束。生物組織光學檢測探頭1000作為光學同調斷層系統中的樣品臂，接收來自光纖耦合器3000的樣品光束，經由待測組織反射後會與參考臂2000的參考光束形成干涉訊號，並於斷層掃描分析模組5000中進行干涉訊號的分析與處理，以形成待測組織的斷層影像。

請進一步參閱第2圖，生物組織光學檢測探頭1000適於檢測一生物組織100，其包含一表面成像模組1與一斷層取像模組2，其中表面成像模組1用以擷取並生成生物組織100之一表面影像，表面成像模組1係包含一遠心透鏡10、一第一光學鏡20、一透鏡組30、一影像感測器40、以及一光源42，光源42用以發出一第一檢測光L1，斷層取像模組2用以擷取生物組織100之一斷層影像，斷層取像模組2係包含遠心透鏡10、第一光學鏡20、一掃描鏡組50以及一第一準直鏡60，斷層取像模組2用以接收一第二檢測光L2，其中，第一檢測光L1經一第一光路依序由光源42、生物組織100、遠心透鏡10、第一光學鏡20及透鏡組30至影像感測器40；第二檢測光L2經一第二光路依序由第一準直鏡60、掃描鏡組50、第一光學鏡20、遠心透鏡10、生物組織100、遠心透鏡10、第一光學鏡20及掃描鏡組50至第一準直鏡60。

在本實施例中，生物組織100係以皮膚組織為例，但並不以此為限。生物組織光學檢測探頭1000中的表面成像模組1可擷取生物組織100（皮膚）的表面影像，可進一步判斷出皮膚表層的組織結構，生物組織光學檢測探頭1000中的斷層取像模組2可擷取生物組織100（皮膚）的斷層影像，可獲取皮膚深層組織結構的資訊。其中，表面成像模組1與斷層取像模組2係共用遠心透鏡10及第一光學鏡20，因此，兩者需要經過精心的設計，才能使表面成像模組1與斷層取像模組2可以作動。

請同時參考第2圖與第3圖。在一實施例中，遠心透鏡10之一焦距為25-40mm之間，且在進行檢測時，生物組織100位在遠心透鏡10之一前焦平面FFS上。要說的是，當遠心透鏡10的焦距設計大於此範圍時，透鏡組30的直徑需求會增大，導致生物組織光學檢測探頭1000空間不夠放置，表面成像模組1的F值（F-number, F/#）會太大，影像感測器40感光不足，生物組織光學檢測探頭1000需要配置更高亮度的光源42，造成耗電。然而，當遠心透鏡10的焦距設計小於此範圍時，則會有元件空間位置不足的情形。在一實施例中，遠心透鏡10之焦距大於透鏡組30之焦距，詳細來說，遠心透鏡10之焦距/透鏡組30之焦距的比例為1.4-2.8之間。

首先討論表面成像模組1，在第2圖的實施例中，遠心透鏡10設置在第一光學鏡20與生物組織100之間。透鏡組30設置於第一光學鏡20相對於遠心透鏡10的一端，且透鏡組30位於影像感測器40與第一光學透鏡20之間。光源42發出的第一檢測光L1朝向生物組織100照射，經由生物組織100散射及反射後的第一檢測光L1經第一光路回到遠心透鏡10，透過第一光學鏡20的引導進入到透鏡組30。在一實施例中，透鏡組30可以是至少二片以上的透鏡所組成，其材質可為玻璃或塑膠製成，第一檢測光L1在透鏡組30中被聚焦後傳至影像感測器40中成像。

請同時參考第1圖與第2圖。在斷層取像模組2中，對應第2圖的實施例中，掃描鏡組50配置於第一光學鏡20與第一準直鏡60之間，且掃描鏡組50並非配置在遠心透鏡10與透鏡組30的連線上，而是配置於第一光學鏡20的投影位置上。斷層取像模組2接收的第二檢測光L2（即樣品光束）在第一準直鏡60準直後，由第二光路進入到掃描鏡組50進行掃描，再經過第一光學鏡20的引導由遠心透鏡10傳至生物組織100。接著，由生物組織100反射後的第二檢測光L2由遠心透鏡10經第一光學鏡20進入到掃描鏡組50與第一準直鏡60，進而由後面連接的光纖耦合器3000接收訊號並與參考臂2000的參考光束形成干涉訊號，後續傳送至斷層掃描分析模組5000中進行干涉訊號的分析與處理，以形成生物組織100的斷層影像。

其中，第一光學鏡20係引導第一檢測光L1及第二檢測光L2通過。第一光學鏡20係可為一分色鏡，可對特定波長範圍的入射光穿透，其餘波長範圍的入射光反射，在第2圖的實施例中，第一光學鏡20可使第一檢測光L1穿透，並使第二檢測光L2反射。詳細來說，第一光學鏡20可設計讓波長範圍在300-700nm的光穿透、波長700-900nm的光反射，此時對應所使用的第一檢測光L1波長範圍在300-700nm之間，而第二檢測光L2波長範圍在800-900nm之間。

然而，在其他實施例中，第一光學鏡20可使第一檢測光L1反射，並使第二檢測光L2穿透。如第4圖的實施例所示，此時掃描鏡組50設置於第一光學鏡20相對於遠心透鏡10的一端，而透鏡組30配置於第一光學鏡20的投影位置上。詳細來說，第一光學鏡20可設計讓波長範圍在300-700nm的光反射、波長700-900nm的光穿透，此時對應所使用的第一檢測光L1波長範圍在300-700nm之間，而第二檢測光L2波長範圍在800-900nm之間。

第一光學鏡20可以為固定式或是移動式。當第一光學鏡20為固定式時，生物組織光學檢測探頭1000可同時進行表面影像及斷層影像的擷取功能。然而當第一光學鏡20為移動式時，則可單獨或同時進行影像擷取之功能，如第2圖的實施例中，當移動式的第一光學鏡20移除時，則可單獨進行表面影像的擷取，而在第4圖的實施例中，當移動式的第一光學鏡20移除時，則可單獨進行斷層影像的擷取。

請同時參考第2圖、第3圖與第4圖。在第2圖與第4圖的實施例中，生物組織光學檢測探頭1000更包含一光圈32。光圈32設置於遠心透鏡10與透鏡組30之間，且位於遠心透鏡10之一後焦平面BFS上靠近生物組織100方向小於0.56倍範圍內的遠心透鏡10之一後焦長度BFL位置。詳細來說，遠心透鏡10的後焦平面BFS靠近生物組織100方向延伸0.56倍的後焦長度BFL位置處具有一表面S，光圈32即設置在表面S與後焦平面BFS之間。如此一來，可增加解析度，表面成像模組1的體積較小，具有良好的收光效率。要注意的是，光圈32的設置位置需要小心的設計，若光圈32配置在大於0.56倍的後焦長度BFL位置時（即表面S往遠心透鏡10方向），光圈32與遠心透鏡10之間的位置太小，恐無法放置第一光學鏡20；若光圈32配置在後焦平面BFS往影像感測器40方向，成像畫面邊緣會偏暗，造成漸暈（vignetting）現象。此外，在圖1的實施例中，光圈32可與透鏡組30結合而設置於透鏡組30的內部。在圖2的實施例中，光圈32亦可設置於第一光學鏡20與透鏡組30之間。

在一實施例中，表面成像模組1在影像感測器40端的F值在2-5之間。當F值大於此範圍，透鏡組30的直徑需求會增大，不利於生物組織光學檢測探頭1000的縮小化，且會造成影像感測器40感光不足；當F值小於此範圍，遠心透鏡10與透鏡組30的像差增大，會增加整體光學結構的複雜度。此外，影像感測器40的尺寸小於表面成像模組1中的一視野(FOV)。

請參考第2圖、第4圖與第5圖。在一實施例中，光源42配置在遠心透鏡10的周圍，使第一檢測光L1照射至生物組織100，再經由第一光路至影像感測器40。其中，生物組織光學檢測探頭1000更可包含一第一偏光片34與一第二偏光片36，第一偏光片34係為中空環狀，以不遮擋第二光路的方式配置在光源42與生物組織100之間，第二偏光片36係配置在遠心透鏡10至影像感測器40之間。要說的是，第二偏光片36可配置在遠心透鏡10至影像感測器40之間的任一位置，如第4圖的實施例中，第二偏光片36配置在透鏡組30與影像感測器40之間，然而在第5圖的實施例中，第二偏光片36配置在透鏡組30與第一光學鏡20之間，並不以所例舉者為限。第一偏光片34與第二偏光片36的設置可以減少生物組織100表面的反射。在一實施例中，第一偏光片34與第二偏光片36的光軸方向可以是垂直或是夾一角度，然而只要第一偏光片34與第二偏光片36的偏振方向不同即可，並不以所列舉者為限。此外，光源42可以是白光LED、可調不同顏色的LED或是UV LED等，以檢測生物組織100不同類型的狀態。以皮膚作為生物組織100為例，使用不同波長的光源42，可觀察皮膚表面的紋理或斑點，使用UV LED作為光源42時，可觀察皮膚表面細菌的激發螢光，當進一步搭配第一偏光片34與第二偏光片36，若產生平行偏振光時，可增加皮膚表面紋理的對比度，若產生交叉偏振光時，則可看到皮膚表層底下的血管及黑色素分布。

在一實施例中，斷層取像模組2中的視野在5-10mm之間，可以觀察生物組織100較大範圍。在另一實施例中，斷層取像模組2中的視野可與表面成像模組1的視野相同，以檢測相同位置的表面狀況及深度結構。以檢測皮膚為例，表面成像模組1與斷層取像模組2中的視野相同可檢測相同位置的表面膚質與皮膚的深度結構。

此外，斷層取像模組2在生物組織100端的F值在5.8-8.75之間。要說的是，若F值大於此範圍，容易造成生物組織100的橫向解析度不夠，若F值小於此範圍，則會使遠心透鏡10的像差增加，造成遠心透鏡10的光學結構趨於複雜，不利整體的輕量化。

掃描鏡組50係可將單一角度的第二檢測光L2轉換成多種角度的準直光束。在一實施例中，掃描鏡組50可包含一個或多個掃描鏡來進行掃描，其中，掃描鏡可以為掃描振鏡（Galvo mirror）。請參考第2圖及第4圖，掃描鏡組50包含一掃描鏡，掃描鏡係位於遠心透鏡10的後焦平面BFS上，以進行線性掃描。而在第5圖的實施例中，掃描鏡組50包含一第一掃描鏡52與一第二掃描鏡54，遠心透鏡10的後焦平面BFS係位於第一掃描鏡52與第二掃描鏡54之間，第一掃描鏡52與第二掃描鏡54可進行平面的掃描。

在一實施例中，第一準直鏡60係可將來自光纖耦合器3000的發散之第二檢測光L2準直，以入射至掃描鏡組50。請進一步參考第4圖與第5圖的實施例，生物組織光學檢測探頭1000更包含一第二準直鏡62、一第二光學鏡80與一掃描指示燈46。其中，第二準直鏡62可將掃描指示燈46發出的一掃描指示光L3準直，第二光學鏡80係引導準直的第二檢測光L2及掃描指示光L3分別行經第二光路及一第三光路。其中，掃描指示光L3經由第三光路至生物組織100，第三光路依序經由第二準直鏡62、第二光學鏡80、掃描鏡組50、第一光學鏡20、遠心透鏡10。一般來說，斷層取像模組2中所接收的第二檢測光L2通常為不可見光，使用者較無法直接得知第二檢測光L2照射到生物組織100的情形，因此可使用掃描指示光L3來輔助指示掃描位置，以確定擷取的斷層影像在生物組之100上的位置。詳細來說，掃描指示燈46可為一紅光雷射，但並不限於此。斷層取像模組2接收的第二檢測光L2經第一準直鏡60準直後會與掃描指示燈46發出的掃描指示光L3經第二準直鏡62準直後由不同的方向進入到第二光學鏡80，此後從第二光學鏡80一直到生物組織100，第二檢測光L2所行經的第二光路與掃描指示光L3所行經的第三光路幾乎重合，因此當紅色的掃描指示光L3照射到生物組織100的某一位置時，即可視為第二檢測光L2照射到生物組織的100位置。

第二光學鏡80係引導第二檢測光L2及掃描指示光L3通過。第二光學鏡80係可為一分色鏡，可對特定波長範圍的入射光穿透，其餘波長範圍的入射光反射，在第4圖的實施例中，第二光學鏡80可使第二檢測光L2穿透，並使掃描指示光L3反射。詳細來說，第二光學鏡80可設計讓波長範圍在700nm以下的光反射、波長780nm以上的光穿透，此時對應所使用的第二檢測光L2波長範圍在800-900nm之間，而掃描指示光L3波長範圍在620-700nm之間。然而，在其他實施例中，第二光學鏡80可使第二檢測光L2反射，並使掃描指示光L3穿透。如第5圖的實施例所示，第二光學鏡80可設計讓波長範圍在700nm以下的光穿透、波長780nm以上的光反射，此時對應所使用的第二檢測光L2波長範圍在800-900nm之間，而掃描指示光L3波長範圍在620-700nm之間。此外，由於掃描指示光L3也會通過第一光學鏡20，所以可設計第一光學鏡20於穿透率50%時的波長在掃描指示光L3的一中心波長範圍內。以使用紅光雷射作為掃描指示燈46為例，紅光雷射的中心波長範圍約在620-700nm之間，故可選用穿透率50%的波長在此範圍內的材料來製作第一光學鏡20。

此外，在第4圖及第5圖的實施例中，生物組織光學檢測探頭1000更可包含一透明罩90，其連接於遠心透鏡10。透明罩90的長度L與遠心透鏡10的前焦長度FFL大致相等，以確保生物組織100會固定在遠心透鏡10的前焦平面FFS上，可避免離焦(defocus)造成影像的模糊。

綜上所述，本揭露所提出之生物組織光學檢測探頭可藉由共用遠心透鏡及第一光學鏡的方式來使兩種不同的光路在單一探頭中得以實現，使生物組織光學檢測探頭可以同時檢測生物組織表層及深層的狀態。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧表面成像模組

10‧‧‧遠心透鏡

100‧‧‧生物組織

1000‧‧‧生物組織光學檢測探頭

2‧‧‧斷層取像模組

20‧‧‧第一光學鏡

200‧‧‧生物組織光學檢測系統

2000‧‧‧參考臂

30‧‧‧透鏡組

3000‧‧‧光纖耦合器

32‧‧‧光圈

34‧‧‧第一偏光片

36‧‧‧第二偏光片

40‧‧‧影像感測器

4000‧‧‧寬頻光源

42‧‧‧光源

46‧‧‧掃描指示燈

50‧‧‧掃描鏡組

5000‧‧‧斷層掃描分析模組

52‧‧‧第一掃描鏡

54‧‧‧第二掃描鏡

60‧‧‧第一準直鏡

62‧‧‧第二準直鏡

80‧‧‧第二光學鏡

90‧‧‧透明罩

BFL‧‧‧後焦長度

BFS‧‧‧後焦平面

FFL‧‧‧前焦長度

FFS‧‧‧前焦平面

L‧‧‧長度

L1‧‧‧第一檢測光

L2‧‧‧第二檢測光

L3‧‧‧掃描指示光

第1圖為本揭露之生物組織光學檢測探頭應用於生物組織光學檢測系統的結構示意圖。 第2圖為本揭露之生物組織光學檢測探頭之實施例的結構示意圖。 第3圖為本揭露之生物組織光學檢測探頭之遠心透鏡之焦平面位置的示意圖。 第4圖為本揭露之生物組織光學檢測探頭之實施例的結構示意圖。 第5圖為本揭露之生物組織光學檢測探頭之實施例的結構示意圖。

Claims (19)

1. 一種生物組織光學檢測探頭，適於檢測一生物組織，其包含：一表面成像模組，用以擷取並生成該生物組織之一表面影像，該表面成像模組係包含一遠心透鏡、一第一光學鏡、一透鏡組、一影像感測器、以及一光源，該光源用以發出一第一檢測光；以及一斷層取像模組，用以擷取該生物組織之一斷層影像，該斷層取像模組係包含該遠心透鏡、該第一光學鏡、一掃描鏡組以及一第一準直鏡，該斷層取像模組用以接收一第二檢測光；其中，該第一檢測光經一第一光路依序由該光源、該生物組織、該遠心透鏡、該第一光學鏡及該透鏡組至該影像感測器；該第二檢測光經一第二光路依序由該第一準直鏡、該掃描鏡組、該第一光學鏡、該遠心透鏡、該生物組織、該遠心透鏡、該第一光學鏡及該掃描鏡組至該第一準直鏡；其中，該遠心透鏡之一焦距大於該透鏡組之一焦距。
2. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該遠心透鏡之該焦距為25-40mm之間，且該生物組織位在該遠心透鏡之一前焦平面上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該遠心透鏡之該焦距/該透鏡組之該焦距的比例為1.4-2.8之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該第一光學鏡可使該第一檢測光穿透，並使該第二檢測光反射。
5. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該第一光學鏡可使該第一檢測光反射，並使該第二檢測光穿透。
6. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，更包含一光圈，其中該光圈設置於該遠心透鏡與該透鏡組之間，且位於該遠心透鏡之一後焦平面上靠近該生物組織方向小於0.56倍範圍內的該遠心透鏡之一後焦長度位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該表面成像模組在該影像感測器端的一F值(f-number)在2-5之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該影像感測器的尺寸小於該表面成像模組中的一視野(FOV)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該光源配置在該遠心透鏡的周圍，使第一檢測光照射至該生物組織，再經由該第一光路至該影像感測器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之生物組織光學檢測探頭，更包含一第一偏光片與一第二偏光片，該第一偏光片係為中空環狀，配置在該光源與該生物組織之間，該第二偏光片係配置在該遠心透鏡至該影像感測器之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該斷層取像模組中的一視野在5-10mm之間。
12. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該斷層取像模組在該生物組織端的一F值在5.8-8.75之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中， 該掃描鏡組包含一掃描鏡，該掃描鏡係位於該遠心透鏡的一後焦平面上，以進行線性掃描。
14. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該掃描鏡組包含一第一掃描鏡與一第二掃描鏡，該遠心透鏡的一後焦平面係位於該第一掃描鏡與該第二掃描鏡之間，且該第一掃描鏡與該第二掃描鏡可進行平面的掃描。
15. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，更包含一第二準直鏡、一第二光學鏡與一掃描指示燈；其中，該第二準直鏡可將該掃描指示燈發出的一掃描指示光準直，該第二光學鏡係引導準直的該第二檢測光及該掃描指示光分別行經該第二光路及一第三光路；其中，該掃描指示光經由該第三光路至該生物組織，該第三光路依序經由該第二準直鏡、該第二光學鏡、該掃描鏡組、該第一光學鏡、該遠心透鏡。
16. 如申請專利範圍第15項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該第二光學鏡可使該第二檢測光穿透，並使該掃描指示光反射。
17. 如申請專利範圍第15項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該第二光學鏡可使該第二檢測光反射，並使該掃描指示光穿透。
18. 如申請專利範圍第15項所述之生物組織光學檢測探頭，其中，該第一光學鏡於穿透率50%的一波長在該掃描指示光的一中心波長範圍內。
19. 如申請專利範圍第1項所述之生物組織光學檢測探頭，更包含 一透明罩，其連接於該遠心透鏡，該透明罩的一長度與該遠心透鏡的一前焦長度相等。