專(zhuān)利名稱(chēng)：具有激勵(lì)系統(tǒng)和焦點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光譜分析裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析裝置，特別是一種光譜分析裝置，用于分析一個(gè)對(duì)象，如病人的血液，還涉及對(duì)應(yīng)的分析方法。此外，本發(fā)明還涉及一種光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，用于連續(xù)跟蹤一個(gè)移動(dòng)對(duì)象的一點(diǎn)。
一般來(lái)說(shuō)，分析裝置(如光譜分析裝置)用于調(diào)查待檢查對(duì)象的成分，例如，用于測(cè)量活體血液中的各種分析物的濃度。特別地，分析裝置采用一種分析，如光譜分析，基于所述對(duì)象的物質(zhì)與入射的電磁輻射(如可見(jiàn)光、紅外線或紫外線)之間的相互作用。
WO 02/057759A2公開(kāi)了一種包含一個(gè)激勵(lì)系統(tǒng)和一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光譜分析裝置，該文獻(xiàn)在此引作參考。所述激勵(lì)系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)激勵(lì)束來(lái)在一個(gè)激勵(lì)周期中激勵(lì)目標(biāo)區(qū)域。所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)監(jiān)測(cè)束來(lái)在一個(gè)監(jiān)測(cè)周期中對(duì)所述目標(biāo)區(qū)域成像。所述激勵(lì)周期與監(jiān)測(cè)周期基本重疊。因此，目標(biāo)區(qū)域與所述激勵(lì)一起被成像，并形成一個(gè)圖像，既顯示目標(biāo)區(qū)域，又顯示激勵(lì)范圍。根據(jù)該圖像，所述激勵(lì)束可以非常準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域。
WO 02/057759A2公開(kāi)的用于局部成分的同步成像和光譜分析的分析方法是通過(guò)對(duì)共焦視頻成像和Raman激勵(lì)采用獨(dú)立的激光器或使用單個(gè)激光器進(jìn)行組合的成像和Raman分析。同樣是在WO 02/057759A2中描述的正交偏振光譜成像(OPSI)是用于顯現(xiàn)靠近器官表面的血管的一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)且魯棒的方法，也可用于顯現(xiàn)人體皮膚表面中的毛細(xì)血管?？拷梭w皮膚表面的毛細(xì)血管的直徑大約10μm。由于共焦檢測(cè)，所采集的Raman信號(hào)的源被嚴(yán)格限制在尺寸小于5×5×5μm3的一個(gè)斑點(diǎn)內(nèi)所有三個(gè)維度內(nèi)。這樣就允許在焦點(diǎn)位于毛細(xì)血管內(nèi)的情況下，從血液中采集Raman信號(hào)，而不需要來(lái)自皮膚組織的背景信號(hào)。如果能夠以1μm或更高的精度知道血管的橫向位置以及血管在皮膚表面下的深度，則該斑點(diǎn)位置是可能的。
由于對(duì)血管的有效背照，OPSI基本上是一種二維技術(shù)。唯一的深度信息是通過(guò)圖像上的聚焦(散焦)量的影響來(lái)獲得的。如果采用數(shù)值孔徑(NA)高于0.8的物鏡，則皮膚內(nèi)場(chǎng)的深度在0.5μm以下。因此，采用基于圖像分析的精確聚焦算法，有可能發(fā)現(xiàn)血管的深度。
已知的自動(dòng)聚焦方法基于對(duì)將成像束和共焦激勵(lì)束聚焦到所關(guān)心的對(duì)象上的物鏡的軸向位置的掃描，同時(shí)測(cè)量一個(gè)優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值以量化(散焦)聚焦量。最好的聚焦是通過(guò)優(yōu)化所述優(yōu)質(zhì)函數(shù)(merit function)的值而建立的。通常有多種改變聚焦位置的可能性。例如，物鏡中的一個(gè)或兩個(gè)透鏡可以移動(dòng)(如照相機(jī)中的一樣)或系統(tǒng)中的另一個(gè)透鏡可以移動(dòng)。系統(tǒng)中的一個(gè)光學(xué)元件的形狀也可改變，例如，電子潤(rùn)濕(electro wetting)光學(xué)元件。但是，如果對(duì)象是未知的，則優(yōu)質(zhì)函數(shù)的最大值也是未知的。因此，所述優(yōu)質(zhì)函數(shù)僅提供關(guān)于聚焦量相對(duì)于其它聚焦位置的信息。
但是，病人將不僅在縱向移動(dòng)，還會(huì)在橫向移動(dòng)。因此，要求連續(xù)測(cè)量和調(diào)節(jié)共焦檢測(cè)中心的最優(yōu)位置。在圖像平面內(nèi)的橫向移動(dòng)很容易檢測(cè)，而軸向移動(dòng)(垂直于檢測(cè)平面)要難檢測(cè)的多。檢測(cè)軸向移動(dòng)或散焦的一種通用方法是通過(guò)在中心最佳聚焦位置周?chē)B續(xù)移動(dòng)檢測(cè)平面(所謂的擺動(dòng))。這可以通過(guò)移動(dòng)系統(tǒng)中的成像物鏡或另一個(gè)光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行。如果在中心位置之前或之后聚焦更好，則物鏡的中心位置改變。在已知系統(tǒng)中，檢測(cè)體位于圖像平面內(nèi)。因此，該檢測(cè)體也在最佳測(cè)量位置周?chē)B續(xù)移動(dòng)。這樣做的缺點(diǎn)是共焦檢測(cè)體在血管內(nèi)的時(shí)間很短，為了避免皮膚光譜與血液光譜的混淆，Raman信號(hào)的引入必須被控制，在已經(jīng)連續(xù)記錄至少30秒的情況下就是這樣。
另外的缺點(diǎn)是，由于血流的變化，毛細(xì)管的形狀和尺寸連續(xù)變化，從而使得比較在不同時(shí)刻采集的圖像加劇了最佳聚焦位置的不確定性。此外，需要更多時(shí)間來(lái)采集足夠的Raman信號(hào)這一事實(shí)加劇了Raman光譜中的噪聲，因?yàn)椴杉礁嗟陌惦娏鳎蛞驗(yàn)榧由狭烁嗟淖x出噪聲。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)化的分析裝置和對(duì)應(yīng)的分析方法，用于對(duì)一個(gè)對(duì)象的成像和光譜分析，該裝置和方法使得即使在對(duì)象移動(dòng)期間，也可以將激勵(lì)束連續(xù)精確地自動(dòng)聚焦到對(duì)象上，特別是血管上，而不需要連續(xù)改變檢測(cè)體的位置。
根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過(guò)如權(quán)利要求1所述的分析裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括激勵(lì)系統(tǒng)，用于發(fā)射一個(gè)激勵(lì)束來(lái)激勵(lì)一個(gè)目標(biāo)區(qū)域；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括用于發(fā)射監(jiān)測(cè)束的監(jiān)測(cè)束源和對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像的成像系統(tǒng)；檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)由激勵(lì)束產(chǎn)生的來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的散射輻射；聚焦裝置，用于在至少兩個(gè)基本平行的相距預(yù)定距離的成像平面上聚焦所述成像系統(tǒng)，以及用于在所述相距預(yù)定距離的成像平面之間并且基本平行于這些平面的一個(gè)檢測(cè)平面上聚焦所述檢測(cè)系統(tǒng)和激勵(lì)系統(tǒng)；散焦檢測(cè)裝置，用于對(duì)至少兩個(gè)成像平面判斷所述成像系統(tǒng)從檢測(cè)平面的散焦量；和自動(dòng)聚焦裝置，用于控制所述聚焦裝置，以根據(jù)所判斷的散焦量和成像平面與檢測(cè)平面之間的預(yù)定距離共同改變成像系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)、和檢測(cè)系統(tǒng)的聚焦，使得所述至少兩個(gè)成像平面的預(yù)定散焦量之間的差等于預(yù)定量。
本發(fā)明的目的進(jìn)一步通過(guò)如權(quán)利要求10所述的對(duì)應(yīng)分析方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)項(xiàng)中定義。
本發(fā)明基于以下觀點(diǎn)即在不同成像平面上(聚焦平面)攝取所關(guān)心的對(duì)象(如血管)的至少兩個(gè)圖像，即，成像系統(tǒng)的成像平面在軸向(監(jiān)測(cè)束的方向)是稍微分開(kāi)的。共焦Raman檢測(cè)中心，即由激勵(lì)系統(tǒng)發(fā)射的用于激勵(lì)目標(biāo)區(qū)域(血管)的激勵(lì)束和檢測(cè)系統(tǒng)聚焦在其上的檢測(cè)平面位于該兩個(gè)成像平面之間，從而成像平面與檢測(cè)平面之間的距離為預(yù)定的且已知的。成像系統(tǒng)的散焦量，即在成像平面獲取的至少兩個(gè)圖像的散焦量是由散焦檢測(cè)裝置利用一個(gè)優(yōu)質(zhì)函數(shù)來(lái)確定的。由于所關(guān)心的對(duì)象(例如血管)的大小和形狀已知，優(yōu)質(zhì)函數(shù)僅僅提供相對(duì)散焦量。該相對(duì)量然后用于控制聚焦裝置來(lái)共同調(diào)節(jié)檢測(cè)平面和成像平面的位置，使得確定的至少兩個(gè)成像平面的散焦量等于該至少兩個(gè)成像平面的預(yù)定量。利用該信息，Raman共焦檢測(cè)體可以在所關(guān)心的對(duì)象(例如血管)內(nèi)部連續(xù)精確地定位。
與其它已知的自動(dòng)聚焦技術(shù)相比，本發(fā)明提供了以下優(yōu)點(diǎn)即使在測(cè)量過(guò)程中對(duì)象移動(dòng)，共焦檢測(cè)體也可以連續(xù)定位在所關(guān)心的對(duì)象的中心。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，不需要移動(dòng)元件，并且可以利用具有高數(shù)值孔徑的單個(gè)顯微鏡物鏡作為聚焦裝置。不需要圍繞中央最佳聚焦位置連續(xù)移動(dòng)檢測(cè)平面(擺動(dòng))。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，嚴(yán)格獲取兩個(gè)圖像，位于檢測(cè)平面的不同側(cè)，優(yōu)選地在不同側(cè)相同的距離處。聚焦裝置的控制在其中調(diào)節(jié)，使得每個(gè)成像平面的散焦量基本相等，最后具有一定的偏移量。這樣，通過(guò)優(yōu)質(zhì)函數(shù)，可以檢查每個(gè)成像平面的圖像的散焦多大，并且調(diào)節(jié)聚焦裝置，使得每個(gè)成像平面的散焦量基本相等。如果在分析過(guò)程中病人移動(dòng)，該移動(dòng)被連續(xù)檢測(cè)，使得聚焦裝置被自動(dòng)連續(xù)地重調(diào)。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，成像系統(tǒng)包括兩個(gè)相機(jī)，例如CCD)相機(jī)或CMOS相機(jī)，每個(gè)相機(jī)聚焦到一個(gè)成像平面。每個(gè)相機(jī)同時(shí)拍攝所關(guān)心對(duì)象的一個(gè)圖像。這樣，只需要一個(gè)顯微鏡物鏡來(lái)將兩個(gè)相機(jī)和激勵(lì)分別聚焦到相應(yīng)的成像平面或檢測(cè)平面?？蛇x地，可以只用一個(gè)相機(jī)，在該實(shí)施例中，聚焦控制裝置適應(yīng)于將相機(jī)分時(shí)聚焦到至少兩個(gè)成像平面上，即獲取所關(guān)心的對(duì)象的至少兩個(gè)圖像，并且相機(jī)的聚焦連續(xù)交替地在該至少兩個(gè)成像平面之間改變。在一個(gè)相機(jī)的實(shí)施例中，提供了用于將相機(jī)分時(shí)聚焦到至少兩個(gè)成像平面上，特別是用于交替地將相機(jī)聚焦到至少兩個(gè)成像平面上的聚焦控制裝置。這些聚焦控制裝置因此僅位于成像系統(tǒng)的光路中，而不在Raman系統(tǒng)的光路中。
如果不同波長(zhǎng)區(qū)域與相機(jī)的不同色彩區(qū)域(R、G或B)重疊，所采用的相機(jī)可以是標(biāo)準(zhǔn)彩色CCD相機(jī)。也可以采用不同像素具有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的色彩敏感性的CCD相機(jī)，或采用一個(gè)分色鏡和兩個(gè)單色相機(jī)。除了CCD相機(jī)，也可采用其它成像設(shè)備，包括CMOS傳感器(和光電二極管陣列或用于其它應(yīng)用的掃描設(shè)備)。對(duì)于單色OPSI，可以采用單色相機(jī)。
成像系統(tǒng)的(相對(duì))散焦量最好通過(guò)使用優(yōu)質(zhì)函數(shù)來(lái)確定。這樣的優(yōu)質(zhì)函數(shù)的例子是整個(gè)圖像或所關(guān)心的區(qū)域中像素亮度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)系統(tǒng)被聚焦時(shí)，急劇的亮度變化被淘汰，標(biāo)準(zhǔn)偏差減小。其它例子是整個(gè)圖像或所關(guān)心的區(qū)域中像素亮度的梯度的和或平均值。當(dāng)系統(tǒng)被聚焦時(shí)，急劇的亮度變化被淘汰，梯度減小。(著名的)Sobel梯度算子可以計(jì)算梯度，但是，例如其它梯度算子也是可能的。
通用自動(dòng)聚焦方法也采用優(yōu)質(zhì)函數(shù)。但是，本發(fā)明中獲取不同深度的圖像的方法是有利的。如上所述，如果不能準(zhǔn)確了解對(duì)象，則不可能在絕對(duì)意義上量化散焦量。在已知的自動(dòng)聚焦方法中，對(duì)于系統(tǒng)的許多設(shè)置都計(jì)算聚焦量，最佳聚焦位置對(duì)應(yīng)于具有最大優(yōu)質(zhì)值的位置。此處建議至少在兩個(gè)圖像平面測(cè)量聚焦量。但是不確定和估算絕對(duì)值，而只是確定和估算相對(duì)值，例如成像平面的量之間的差。
監(jiān)測(cè)束源可以有不同的實(shí)施方式。可以采用單個(gè)激光器發(fā)射監(jiān)測(cè)束，或一個(gè)單獨(dú)的白光源。此外，可以采用合適的濾光器將所產(chǎn)生的白光分裂為具有不同顏色的兩個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)束。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，兩個(gè)分立的光源，特別是發(fā)光二極管(LED)被用來(lái)在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射部分監(jiān)測(cè)束，這些束被束合成單元結(jié)合為監(jiān)測(cè)束，用于對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像。
最好是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適合于正交偏振的光譜成像，如上所述，并且在WO02/057759A1中描述。
本發(fā)明不僅可以用于如上所述的分析裝置，而且還涉及光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，用于連續(xù)跟蹤一個(gè)移動(dòng)對(duì)象的一個(gè)點(diǎn)，包括要聚焦到所跟蹤的點(diǎn)上的目標(biāo)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，聚焦裝置，散焦檢測(cè)裝置，和自動(dòng)聚焦裝置，如權(quán)利要求12所述。本發(fā)明可以用于使用成像系統(tǒng)連續(xù)三維定位和跟蹤一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)內(nèi)的特定位置處的一個(gè)點(diǎn)的任意系統(tǒng)，如激光束的焦點(diǎn)或分光鏡系統(tǒng)的檢測(cè)體。
例子包括(生物醫(yī)學(xué))激光外科、激光切割、激光焊接、激光刨削、光動(dòng)力學(xué)療法、遠(yuǎn)程感測(cè)、以及軍事應(yīng)用中的目標(biāo)和跟蹤。上述分析裝置還可以看作包括這樣的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。
下面參考附圖更詳細(xì)解釋本發(fā)明。


圖1示出本發(fā)明的分析系統(tǒng)的第一實(shí)施例的圖形表示；圖2示出本發(fā)明所用的原理；圖3示出優(yōu)質(zhì)函數(shù)的使用；圖4示出本發(fā)明的分析系統(tǒng)的第二實(shí)施例的圖形表示。
圖1為本發(fā)明的分析系統(tǒng)的第一實(shí)施例的圖形表示。該分析系統(tǒng)包括一個(gè)光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Iso)，用于形成待檢驗(yàn)對(duì)象(obj)的光學(xué)圖像。在本例中，對(duì)象(obj)是待檢驗(yàn)病人前臂上的一片皮膚。所述分析系統(tǒng)還包括一個(gè)多光子、非線性或彈性或非彈性散射光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)(ods)，用于通過(guò)多光子或非線性光學(xué)過(guò)程對(duì)對(duì)象(obj)內(nèi)產(chǎn)生的光進(jìn)行光譜分析。圖1所示例子具體使用一個(gè)Raman光譜設(shè)備形式的非彈性Raman散射檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)。術(shù)語(yǔ)“光學(xué)”不僅包含可見(jiàn)光，而且包含紫外線和紅外線，特別是近紅外線。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Iso)包括用于發(fā)射監(jiān)測(cè)束(irb)的監(jiān)測(cè)束源(Is)和一個(gè)成像系統(tǒng)(img)，用于成像目標(biāo)區(qū)域，例如，病人前臂(obj)上層真皮中的血管(V)。本例中的監(jiān)測(cè)束源(Is)包括一個(gè)白光源(Ias)、一個(gè)透鏡(11)和一個(gè)干涉濾光器(未示出)，以產(chǎn)生560-570nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。此外，還提供偏振器(p)，用于偏振監(jiān)測(cè)束(irb)。監(jiān)測(cè)束源(Is)調(diào)節(jié)為適合正交偏振光譜成像(OPSI)。
在OPSI中，偏振光被顯微鏡物鏡(mo)通過(guò)偏振分束器(pbs)投射到表皮(obj)上。部分光直接從表面反射(鏡面反射)，另一部分穿過(guò)皮膚，在皮膚內(nèi)散射一次或多次，直到被吸收或重新從皮膚表面射出(漫反射)。在任意這些散射事件中，入射光的偏振都輕微改變。直接反射或輕微透入皮膚的光只散射一次或幾次就被重新射出，并將保持其初始偏振狀態(tài)。另一方面，透入皮膚更深的光經(jīng)過(guò)多次散射事件，在重新發(fā)射回表面之前被完全去偏。
當(dāng)通過(guò)與第一偏振器(p)精確垂直的第二偏振器或分析器(A)看對(duì)象(obj)時(shí)，從表面或皮膚上面部分反射的光被大量抑制，而透入皮膚深處的光主要被檢測(cè)到。結(jié)果圖像看上去象被背后照亮一樣。由于590nm以下的波長(zhǎng)被血液強(qiáng)烈吸收，在OPSI圖像中，血管呈黑色。
通常，采用單色CCD相機(jī)獲取圖像。血管從表示血細(xì)胞大小、形狀和運(yùn)動(dòng)的其它吸收結(jié)構(gòu)分開(kāi)。本實(shí)施例中采用的成像系統(tǒng)(img)包括上述分析器(a)，用于只允許偏振狀態(tài)垂直于偏振監(jiān)測(cè)束(irb)的光的光通過(guò)，所述偏振監(jiān)測(cè)束的光是通過(guò)偏振分束器(pbs)從所述對(duì)象(obj)反射回來(lái)的。所述光還進(jìn)一步通過(guò)透鏡(13)聚焦，并通過(guò)分束器(bs)分裂，以便由兩個(gè)CCD相機(jī)(CCD1、CCD2)接收。這兩個(gè)相機(jī)聚焦在對(duì)象(obj)內(nèi)部的兩個(gè)不同成像平面上，用于自動(dòng)聚焦。下面將詳細(xì)解釋。
Raman光譜設(shè)備(ods)包括一個(gè)用于發(fā)射一個(gè)激勵(lì)束(exb)的激勵(lì)系統(tǒng)(exs)和用于檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的Raman散射信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)。激勵(lì)系統(tǒng)(exs)可以構(gòu)造為二極管激光器，以785nm紅外線的形式產(chǎn)生激勵(lì)束(exb)。當(dāng)然也可以采用其它激光器作為激勵(lì)系統(tǒng)。例如，一個(gè)反射鏡系統(tǒng)和光纖將激勵(lì)束(exb)傳導(dǎo)到二向色反射鏡(f1)，以便沿監(jiān)測(cè)束(irb)將激勵(lì)束(exb)傳導(dǎo)到顯微鏡物鏡(mo)，將兩個(gè)束都聚焦到對(duì)象(obj)上。
二向色反射鏡(f1)還將返回(監(jiān)測(cè))的束與散射的Raman信號(hào)分開(kāi)。反射的監(jiān)測(cè)束被傳送到成像系統(tǒng)(img)，彈性或非彈性地從對(duì)象散射的Raman光在二向色反射鏡(f1)被反射，并沿激勵(lì)束的光路傳回。非單性地散射的Raman光然后被適當(dāng)?shù)臑V光器(f2)反射，并沿著檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)中的Raman檢測(cè)路徑導(dǎo)向具有CCD檢測(cè)器的分光計(jì)的輸入端。該具有CCD檢測(cè)器的分光計(jì)被組合在檢測(cè)器系統(tǒng)(dsy)中，該檢測(cè)器系統(tǒng)(dsy)記錄波長(zhǎng)小于大約1050nm的Raman頻譜。該具有CCD檢測(cè)器的分光計(jì)的輸出信號(hào)表示Raman散射紅外光的Raman頻譜。實(shí)踐中，該Raman頻譜在800nm以外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)生，依激勵(lì)波長(zhǎng)的不同而變化。CCD檢測(cè)器的信號(hào)輸出端連接到頻譜顯示單元，例如在監(jiān)視器上顯示記錄的Raman頻譜(spot)的工作站。還提供一個(gè)計(jì)算單元(如工作站)來(lái)分析Raman頻譜，并計(jì)算一個(gè)或多個(gè)分析物的濃度。
關(guān)于該分析裝置總體和功能的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱以上提到的文獻(xiàn)WO02/057759A1。
這兩個(gè)相機(jī)(CCD1、CCD2)在所述成像系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)血管(V)中共焦Raman系統(tǒng)(ods)的連續(xù)自動(dòng)聚焦。因?yàn)樵谘悍治鲞^(guò)程中，病人不僅會(huì)縱向(z)移動(dòng)，還會(huì)橫向(x，y)移動(dòng)，所以這是必須的。因此，需要對(duì)共焦檢測(cè)中心的最佳位置進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和調(diào)整。橫向移動(dòng)很容易由成像系統(tǒng)檢測(cè)到，而軸向移動(dòng)則難檢測(cè)得多。根據(jù)本發(fā)明，兩個(gè)相機(jī)(CCD1、CCD2)拍攝血管(V)的OPS圖像，但該兩個(gè)相機(jī)的成像平面在軸向(z)稍微分開(kāi)。這在圖2中更詳細(xì)示出。在第一個(gè)相機(jī)(CCD)1聚焦到第一成像平面(i1)的同時(shí)(該第一平面在檢測(cè)平面(dp)之上，并與檢測(cè)平面(dp)平行，而Raman激勵(lì)和檢測(cè)系統(tǒng)(exs，dsy)聚焦在該檢測(cè)平面上)，第二個(gè)相機(jī)(CCD2)聚焦到第二成像平面(i2)上(該第二成像平面在檢測(cè)平面之下并平行于檢測(cè)平面)。兩個(gè)成像平面(i1，i2)之間的距離(d)的數(shù)量級(jí)與物鏡(mo)的景深相同或稍大，特別是在0.5-20μm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，成像平面(i1，i2)與檢測(cè)平面(dp)之間的距離(d1，d2)相等且固定。
散焦檢測(cè)裝置(ddm)利用兩個(gè)相機(jī)(CCD1，CCD2)的優(yōu)質(zhì)函數(shù)從聚焦到兩個(gè)分開(kāi)的成像平面(i1，i2)上的該兩個(gè)相機(jī)獲取的圖像測(cè)量散焦量。根據(jù)所確定的散焦量之差以及成像平面(i1，i2)與檢測(cè)平面(dp)之間的已知距離(d1，d2)，顯微鏡物鏡(mo)的位置被自動(dòng)聚焦裝置(afm)調(diào)整，使得血管(V)被兩個(gè)相機(jī)(CCD1，CCD2)以相同的散焦量成像，或者在有利的情況下，以確定的偏差成像。利用該信息，Raman共焦檢測(cè)體能夠連續(xù)精確地定位在血管(V)內(nèi)。
優(yōu)質(zhì)函數(shù)用于從一個(gè)圖像計(jì)算一個(gè)數(shù)。根據(jù)優(yōu)質(zhì)函數(shù)的類(lèi)型，該數(shù)對(duì)于特定的圖像是最大值或最小值。用于自動(dòng)聚焦的優(yōu)質(zhì)函數(shù)最好這樣選擇，使得其在最清晰的圖像具有極值。但是，優(yōu)質(zhì)函數(shù)的極值對(duì)于不同的對(duì)象并不相同。因此，如果對(duì)象不是確切已知，則無(wú)法從一次測(cè)量知道圖像是否被正確聚焦。只有通過(guò)比較優(yōu)質(zhì)函數(shù)對(duì)于不同系統(tǒng)設(shè)置的輸出，才可以判斷產(chǎn)生最佳聚焦的設(shè)置。簡(jiǎn)言之，如果對(duì)象不是確切已知，則優(yōu)質(zhì)函數(shù)只有相對(duì)意義，而沒(méi)有絕對(duì)意義。優(yōu)質(zhì)函數(shù)的例子為整個(gè)圖像或所關(guān)心區(qū)域中像素亮度的標(biāo)準(zhǔn)偏移，整個(gè)圖像或所關(guān)心區(qū)域中像素亮度的梯度和。例如，Sobel梯度算子可以計(jì)算梯度。也可以采用其它梯度算子。
根據(jù)本實(shí)施例，假設(shè)在最佳聚焦位置附近，優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值在最佳聚焦位置上下對(duì)稱(chēng)變化。因此，如果在兩個(gè)位置計(jì)算優(yōu)質(zhì)函數(shù)，且輸出相等，則最佳聚焦位置必然在該兩個(gè)位置之間。如果優(yōu)質(zhì)函數(shù)值1(M1，見(jiàn)圖3)大于優(yōu)質(zhì)函數(shù)值2(M2)，則圖像平面1(i1)必然比圖像平面2(i2)更靠近血管，中央聚焦平面必須向上移。因此，根據(jù)M1和M2的相對(duì)值，總可以知道聚焦位置該朝那個(gè)方向移動(dòng)。這對(duì)于系統(tǒng)的魯棒實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)是很重要的。優(yōu)質(zhì)函數(shù)的典型形狀示于圖3。在本實(shí)施例中，僅檢測(cè)M1是否大于或小于M2。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)平面(dp)向上或向下移動(dòng)一個(gè)固定量(例如1μm).這是最簡(jiǎn)單的實(shí)施例。在更高級(jí)的實(shí)施例中，也可以根據(jù)散焦差確定移動(dòng)步長(zhǎng)的大小。
可以采用整個(gè)圖像進(jìn)行自動(dòng)聚焦。但是，不同的血管或血管的不同部分在皮膚表面下不同深度處。因此，利用最佳Raman測(cè)量位置周?chē)乃P(guān)心區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)聚焦更準(zhǔn)確。在具有更高質(zhì)量的圖像的不同應(yīng)用中，利用本發(fā)明的方法可以達(dá)到1％的聚焦深度精確度。因此，對(duì)于Raman激勵(lì)束的自動(dòng)聚焦，可以獲得1μm數(shù)量級(jí)的精度。
圖4示出本發(fā)明分析裝置的另一實(shí)施例。光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)(ods)與成像系統(tǒng)(img)相同。在成像系統(tǒng)(img)中，只有一個(gè)CCD相機(jī)(CCD1)，但該相機(jī)用于分時(shí)接收來(lái)自不同成像平面的目標(biāo)區(qū)域的圖像。這可以通過(guò)在第一和第二成像平面(i1，i2)之間改變相機(jī)(CCD1)的焦點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而相機(jī)的焦點(diǎn)通過(guò)由聚焦控制裝置(fcm)控制的透鏡(12)的位置的改變而改變。這樣，利用一個(gè)相機(jī)即可通過(guò)利用如上所述的優(yōu)質(zhì)函數(shù)來(lái)確定不同成像平面的散焦量，從而利用該實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)血管(V)中的共焦Raman系統(tǒng)的自動(dòng)聚焦。
連續(xù)改變相機(jī)(CCD1)焦點(diǎn)的替換方式是移動(dòng)相機(jī)或采用基于電子濕潤(rùn)(electro wetting)的可切換透鏡。
以上描述了單色OPSI實(shí)施例具有白光源和濾光器。然而，本發(fā)明可以應(yīng)用于許多不同的實(shí)施例，包括a)具有波長(zhǎng)小于590nm的單個(gè)光源的單色OPSI實(shí)施例，其中所述光源可以是窄帶的(LED，激光器(二極管))或?qū)拵У?燈)，具有濾光器，并具有單色圖像模塊(CCD相機(jī)、CMOS傳感器)；b)雙色/多色OPSI實(shí)施例(理論上可以采用兩種以上顏色從圖像提取額外信息)，具有b1)具有兩種顏色的單個(gè)光源，一個(gè)在600nm以上，一個(gè)在590nm以下，這可以通過(guò)在白光源前面放置具有兩個(gè)透射區(qū)的濾光器，或通過(guò)使用發(fā)射兩種不同顏色的專(zhuān)用光源(例如，具有兩種顏色的LED)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用具有不同顏色的兩個(gè)或更多個(gè)光源和一個(gè)束合成器；b2)彩色照相機(jī)或傳感器，具有對(duì)不同光源的顏色敏感的不同像素；這可以是標(biāo)準(zhǔn)RGB敏感曲線或?qū)Ｓ们€(每組像素有專(zhuān)用的濾光器)；也可以使用二向色反射鏡和兩個(gè)單色圖像傳感器；b3)單個(gè)寬帶(白色)光源，并且對(duì)不同像素使用具有對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)區(qū)域的特殊敏感曲線的一個(gè)彩色相機(jī)；可選地，可以采用一個(gè)雙色反射鏡和兩個(gè)單色相機(jī)，在光路中具有專(zhuān)用濾光器；b4)具有可切換頻譜的單個(gè)光源或交替啟動(dòng)的發(fā)射不同波長(zhǎng)區(qū)域的光的兩個(gè)光源；然后可以采用單色相機(jī)來(lái)交替拍攝不同顏色的圖像。
與已知的自動(dòng)聚焦技術(shù)相比，本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)共焦檢測(cè)體能夠連續(xù)定位在具有待分析血液的血管的中心。被比較的圖像最好同時(shí)測(cè)量。此外，在兩個(gè)相機(jī)的實(shí)施例中，不需要移動(dòng)元件，并且可以將單個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種分析裝置，特別是光譜分析裝置，用于分析一個(gè)對(duì)象，包括一個(gè)激勵(lì)系統(tǒng)(exs)，用于發(fā)射激勵(lì)束(exb)，以激勵(lì)一個(gè)目標(biāo)區(qū)域；一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Iso)，包括用于發(fā)射監(jiān)測(cè)束(irb)的監(jiān)測(cè)束源(ls)和對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像的成像系統(tǒng)(img)；一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)，用于檢測(cè)由激勵(lì)束(exb)產(chǎn)生的從目標(biāo)區(qū)域散射的射線；聚焦裝置(mo)，用于將所述成像系統(tǒng)(img)聚焦到相距預(yù)定距離(d)的至少兩個(gè)基本平行的成像平面上(i1，i2)，并用于將所述激勵(lì)系統(tǒng)(exs)和檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)聚焦到所述成像平面(i1，i2)之間預(yù)定距離(d1，d2)處并基本平行于所述成像平面的檢測(cè)平面上(dp)；散焦檢測(cè)裝置(ddm)，用于對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)檢測(cè)成像系統(tǒng)(img)從檢測(cè)平面(dp)散焦的量；和自動(dòng)聚焦裝置(afm)，用于控制所述聚焦裝置(mo)來(lái)根據(jù)檢測(cè)的散焦量和成像平面(i1，i2)與檢測(cè)平面(dp)之間的預(yù)定距離(d1，d2)共同改變成像系統(tǒng)(img)、激勵(lì)系統(tǒng)(exs)、和檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)的聚焦，使得對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)所檢測(cè)的散焦量之差等于一個(gè)預(yù)定量。
2.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述聚焦裝置(mo)被調(diào)節(jié)為將所述成像系統(tǒng)(img)聚焦到與檢測(cè)平面(dp)等距離(d1，d2)的兩個(gè)成像平面(i1，i2)上，且其中所述自動(dòng)聚焦裝置(afm)被調(diào)節(jié)為控制所述聚焦裝置(mo)，使得每個(gè)成像平面(i1，i2)的散焦量基本相等。
3.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述成像系統(tǒng)包括兩個(gè)相機(jī)(CCD1，CCD2)，每個(gè)相機(jī)聚焦到所述成像平面(i1，i2)之一上。
4.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述成像系統(tǒng)包括一個(gè)相機(jī)(CCD1)和焦點(diǎn)控制裝置(fcm)，用于將所述相機(jī)(CCD1)分時(shí)聚焦到所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)上，特別是用于交替地將所述相機(jī)(CCD1)聚焦到所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)上。
5.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述散焦檢測(cè)裝置(ddm)使用優(yōu)質(zhì)函數(shù)來(lái)確定散焦量。
6.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述優(yōu)質(zhì)函數(shù)是圖像中的所有像素或所關(guān)心的區(qū)域中亮度亮度梯度的和/或平均值，特別是通過(guò)Sobel梯度算子確定的亮度梯度。
7.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述監(jiān)測(cè)束源(Is)包括兩個(gè)光源，用于發(fā)射不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的部分監(jiān)測(cè)束，以及一個(gè)束合成單元(BC)，用于將所述部分監(jiān)測(cè)束合成為監(jiān)測(cè)束(irb)。
8.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述監(jiān)測(cè)束源(Is)包括一個(gè)白光源，用一個(gè)濾光器傳輸兩個(gè)分開(kāi)的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光，且其中所述成像系統(tǒng)(img)包括用于色敏檢測(cè)的成像裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述監(jiān)測(cè)束源(Is)包括波長(zhǎng)低于590nm的單個(gè)光源，所述光源是窄帶光源或?qū)拵Ч庠?，一個(gè)濾光器和一個(gè)單色成像系統(tǒng)(img)。
10.如權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Iso)適應(yīng)于正交偏振的光譜成像。
11.一種分析方法，特別是一種光譜分析方法，用于分析一個(gè)對(duì)象，包括步驟發(fā)射一個(gè)激勵(lì)束(exb)，以激勵(lì)一個(gè)目標(biāo)區(qū)域；發(fā)射監(jiān)測(cè)束(irb)以通過(guò)成像系統(tǒng)(img)對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像；檢測(cè)由激勵(lì)束(exb)產(chǎn)生的從目標(biāo)區(qū)域散射的射線；將所述成像系統(tǒng)(img)聚焦到相距預(yù)定距離(d)的至少兩個(gè)基本平行的成像平面(i1，i2)上；將所述激勵(lì)系統(tǒng)(exs)和檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)聚焦到所述成像平面(i1，i2)之間預(yù)定距離(d1，d2)處并基本平行于所述成像平面的檢測(cè)平面(dp)上；對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)檢測(cè)成像系統(tǒng)(img)從檢測(cè)平面(dp)散焦的量；和控制所述聚焦來(lái)根據(jù)檢測(cè)的散焦量和成像平面(i1，i2)與檢測(cè)平面(dp)之間的預(yù)定距離(d1，d2)共同改變成像系統(tǒng)(img)、激勵(lì)系統(tǒng)(exs)、和檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)的聚焦，使得對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)所檢測(cè)的散焦量之差等于一個(gè)預(yù)定量。
12.一種光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，用于連續(xù)跟蹤一個(gè)移動(dòng)對(duì)象(obj)的一個(gè)點(diǎn)，包括一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)(exs)，該系統(tǒng)被聚焦到所跟蹤的點(diǎn)上；一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Iso)，包括用于發(fā)射監(jiān)測(cè)束(irb)的監(jiān)測(cè)束源(ls)和對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像的成像系統(tǒng)(img)；聚焦裝置(mo)，用于將所述成像系統(tǒng)(img)聚焦到相距預(yù)定距離(d)的至少兩個(gè)基本平行的成像平面上(i1，i2)，并用于將所述目標(biāo)系統(tǒng)(exs)聚焦到所述成像平面(i1，i2)之間預(yù)定距離(d1，d2)處并基本平行于所述成像平面的檢測(cè)平面上(dp)；散焦檢測(cè)裝置(ddm)，用于對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)檢測(cè)成像系統(tǒng)(img)從檢測(cè)平面(dp)散焦的量；和自動(dòng)聚焦裝置(afm)，用于控制所述聚焦裝置(mo)來(lái)根據(jù)檢測(cè)的散焦量和成像平面(i1，i2)與檢測(cè)平面(dp)之間的預(yù)定距離(d1，d2)共同改變成像系統(tǒng)(img)和目標(biāo)系統(tǒng)(exs)的聚焦，使得對(duì)所述至少兩個(gè)成像平面(i1，i2)所檢測(cè)的散焦量之差等于一個(gè)預(yù)定量。
13.如權(quán)利要求12所述的跟蹤系統(tǒng)，其中所述目標(biāo)系統(tǒng)(exs)包括一個(gè)光束發(fā)生裝置，用于發(fā)射光束，特別是用于發(fā)射激光束，該光束被聚焦到所述對(duì)象的被跟蹤點(diǎn)上。
14.如權(quán)利要求12所述的跟蹤系統(tǒng)，適用于激光外科、激光切割、激光焊接、激光切削、光力學(xué)治療、無(wú)線電治療、遠(yuǎn)程檢測(cè)、和目標(biāo)與跟蹤領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分析裝置，特別是光譜分析裝置，用于分析一個(gè)對(duì)象，例如病人的血液，以及一種對(duì)應(yīng)的分析方法。為了將共焦檢測(cè)體瞄準(zhǔn)血管內(nèi)部，正交偏振光譜成像(OPSI)被用于定位皮膚中的毛細(xì)血管。提出一種成像系統(tǒng)(img)，具有稍微偏移的成像平面(i1，i2)，用于血管的成像，以提供自動(dòng)聚焦。共焦Raman檢測(cè)平面(dp)位于該兩個(gè)成像平面(i1，i2)之間。根據(jù)對(duì)成像平面(i1，i2)測(cè)量的散焦量，調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)(img)、用于激勵(lì)目標(biāo)區(qū)域的激勵(lì)系統(tǒng)(exs)、以及檢測(cè)系統(tǒng)(dsy)的聚焦，使得散焦量之差等于預(yù)定量，從而共焦檢測(cè)平面(dp)定位在血管(V)內(nèi)部。這樣，可以實(shí)現(xiàn)高精度的連續(xù)自動(dòng)聚焦。本發(fā)明還涉及用于連續(xù)跟蹤移動(dòng)對(duì)象(obj)的一個(gè)點(diǎn)的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B7/28GK1759307SQ200480006437
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月11日
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