CN1867292A - 流体特性确定方法和光谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明能够确定流体的特性，如用于在活体内进行血液分析的目的。首先通过利用物镜的光学检测步骤确定流体流过的感兴趣体积的位置。优选光学检测步骤是成像步骤。接下来移动物镜以将物镜的焦点带到感兴趣体积中，在该位置进行光学分光步骤。其所具有优点是用于进行光学光谱学的测量束沿光轴传播以获得最佳效率。

Description

流体特性确定方法和光谱系统

本发明涉及光学光谱学，尤其涉及用于分析目的的光学光谱技术。

用于分析目的光学光谱技术在现有技术中是公知的。WO02/057758A1和WO02/057759A1示出对流过患者毛细血管的血液组分进行活体无创(non-invasive)光谱分析的光谱分析装置。毛细血管由监视系统进行成像且将激发束引导到毛细血管上以进行光谱分析。例如，采用近红外射线激发拉曼散射。对拉曼散射射线进行光谱分析以确定血液特性。

活体血液分析与现有技术的血液分析相比具有许多优点，现有技术中是采用例如针头从胳膊抽血，并在化学实验室中对血样进行分析。运输和分析要花费相当长的时间，所需的时间在两天到紧急情况下的典型20分钟之间变化。相反，活体血液分析能够以使患者在没有疼痛和感染危险的情况下即时和连续地监视血液特性。

因此，本发明目的在于提供无创确定流过生物管状结构的流体特性的方法，尤其是流过患者皮肤中毛细血管的血液的活体无创分析方法。

本发明提供确定流体特性的方法。首先，需要通过光学检测步骤确定流体流过的感兴趣体积的位置。这通过光学物镜完成。优选采用成像方法确定感兴趣体积的位置，如采用模式识别技术确定血液所流过血管的位置。

合适的成像方法包括正交偏振光谱成像(OPSI)，共焦视频显微术(CVM)，光学相干层析X射线摄影术(OCT)，共焦激光扫描显微术(CLSM)和基于多普勒的成像。相应的成像技术在国际专利申请WO02/057759和申请号为03100689.3和03102481.3的非在先公开的欧洲专利申请中公开，其专利代理备案号分别为PHNL030251和PHNL030944，其全部内容引入在此作为参考。

通过光学检测确定的感兴趣体积位置无需位于物镜的光轴上。在这种情况下，移动物镜以使物镜的焦点位于感兴趣体积内。

接下来进行光学分光(optical spectroscopic)步骤以确定感兴趣体积内的流体特性。为此目的，沿物镜光轴引导测量束使其聚焦在感兴趣体积内。这样做的优点是可在实现最佳效率和准确性的情况下进行光学分光步骤。这是因为当激光束沿物镜的光轴通过时，物镜的性能最佳，即光学象差将会最小。此外，返回射线的采集效率也是最佳的。

以这种方式，本发明能够采用较廉价的物镜进行高效且准确的光学光谱学以确定流体的特性。就所涉及的活体血液分析应用而言，本发明由于能够在光学检测步骤后无需平移皮肤就可将测量束聚集在所选定的血管内而具有特别的优点。这反过来又能够实现测量头的紧凑设计，该测量头为达到最佳卫生而完全密封。当无需皮肤平移时，就可进行快速和对于患者而言更为舒适的测量。

根据本发明的优选实施例，测量束的覆盖范围大于物镜开口，即物镜是“过充满的”。这能够移动物镜以使物镜的焦点位于在感兴趣体积内，同时仍使物镜开口保持在测量束的覆盖范围内。这种方式的优点在于只移动物镜而使测量束保持不动。

根据本发明的另一个优选实施例，采用与物镜耦合的反射光学元件使物镜产生较大的平移。在这种情况下，当测量束撞击到反射光学元件上时，反射光学元件沿物镜光轴将测量束引导到物镜开口上，从而测量束具有与物镜光轴垂直的方向。

这可以与物镜开口的过充满相结合。在这种情况下，当过充满所提供的容许量不足以使焦点位于感兴趣体积内时，反射光学元件只是与物镜移到一起。该实施例在当过充满程度最小从而使可获得的激光功率达到有效使用时特别有利。

根据本发明的另一优选实施例，采用另一个反射光学元件，该反射光学元件旋转以将测量束引导与物镜相耦合的反射光学元件上。以这种方式，就能够在保持测量束不动的情况下使物镜在二维中产生较大平移。

根据本发明的又一优选实施例，光盘驱动的光路和光学拾取单元用作平移物镜的廉价且紧凑的机构。该同一拾取单元还用于将物镜聚焦到毛细管上。

如果毛细血管分布得不够密集，则使拾取单元与任何类型的一维平移平台相结合是有利的。在反射光学器件的辅助下，就可覆盖较大的矩形面积。

根据本发明的一个优选实施例，重复进行光学检测步骤以跟踪感兴趣体积的位置。移动物镜以使焦点跟随感兴趣体积的运动。这对于在较长时间间隔监视流体特性是特别有利的，例如在手术期间监视血液组分。

根据本发明的又一优选实施例，采用共焦拉曼光谱学。将来自拉曼激发激光器的光通过物镜引导到检测体积上，且由同一物镜采集拉曼散射射线进行光谱分析。应当注意，本发明不限于自发性拉曼光谱学，还可采用其它光学光谱技术。

这包括(i)基于拉曼散射的其它方法，包括受激拉曼光谱学和相干反斯托克斯(anti-stokes)拉曼光谱学(CARS)，(ii)远红外光谱学，特别是远红外吸收光谱学。富里叶变换远红外(FTIR)光谱学和远红外(NIR)漫反射光谱学，(iii)其它散射光谱学技术，特别是荧光光谱学，多光子荧光光谱学和反向光谱学，和(iv)其它光谱技术，如光声光谱学，偏振测量法和泵浦探头光谱学。应用于本发明的优选光谱技术是拉曼光谱学和荧光光谱学。

本发明的以下优选实施例将通过参照附图而进行更详细的描述，附图中：

图1是本发明光谱系统实施例的框图，

图2描述图1中光谱系统的操作。

图3是说明本发明方法的优选实施例的流程图，

图4示出为在测量束范围内横向移动物镜的目的而使物镜过充满，

图5示出反射光学元件与物镜耦合以使物镜能够在一个方向上产生较大平移，

图6示出光学拾取单元的顶视图，

图7示出图5中光学拾取单元的侧视图，

图8示出带有可旋转安装的反射光学元件的拾取单元，

图9是与基站耦合的测量头的框图。

图1示出装置100，其可用于确定流过生物管状结构的流体特性，如流过患者皮肤下面的毛细血管的血液。装置100具有用于共焦拉曼光谱学的拉曼光谱系统102和成像系统104。

拉曼光谱系统102具有激光源101和光谱仪103。拉曼返回射线由光谱系统的分色镜105引导到光谱仪103上。

成像系统104具有提供入射成像光束106的光源107。成像光束106通过偏振光束分光器109和分色镜115被引导到物镜108上。

光源107的成像光束106产生返回光118，其由成像系统104，例如CCD照相机111接收。可采用的其它类型照相机包括CMOS和光电二极管阵列照相机或其它照相机。此外，成像系统104具有运行用于位置检测目的的计算机程序132的处理器130。

拉曼光谱系统102的激光源101提供入射激光束113，该激光束在分色镜115上反射并被引导到物镜108的物镜开口上。入射激光束113的宽度134大于物镜108的物镜开口宽度136。

物镜108与致动器138机械耦合。例如，致动器138是一个用于使物镜108在xy-平面内移动的机动的机械平移平台。采用致动器138，焦点需要位于在三维：x，y和z中的感兴趣体积内。使焦点位于z方向感兴趣体积内通常被称为聚焦。此外，致动器138还用于使物镜除在x，y-平面内移动之外在z方向上移动以聚焦。可替换地，致动器138是压电元件或其它机电平移平台。

拉曼光谱系统102、成像系统104和致动器138与控制器122耦合。控制器122具有用于控制装置100的全部操作的控制程序124。

为利用装置100进行活体血液分析，患者将其具有皮肤114的身体部分放置物镜108下面。皮肤114具有许多血管112。

当装置100开启时，控制程序124向成像系统104发出控制信号。作为响应，光源107提供成像光束106以使CCD照相机111通过物镜108拍摄皮肤114的照片。该照片由程序132进行分析以检测至少一个血管112。以这种方式确定进行光谱血液分析的检测体积110。在此处所考虑的实例中，检测体积110不在物镜108的光轴140上。

检测体积110的位置由程序132传送到控制程序124。控制程序124确定检测体积110距物镜108光轴140的距离。为确定物镜108的实际位置，可设置也与控制器122耦合的位置传感器(图中未示出)。然而，优选采用成像系统104确认物镜108的位置改变；以此设置反馈电路。

在已确定检测体积110和光轴140位置之间的距离之后，控制程序124向致动器138发出控制信号以使物镜108在xy-平面移动，从而使光轴140位于检测体积110内。这样，物镜108的焦点142移动到检测体积110内；在物镜108已移动光轴140和检测体积110之间的距离144后，示出在图2中。

应当注意，物镜108在xy-平面内的移动受限于入射激光束113的宽度134。这能够保持激光光源101以及分色镜105和115不动。

在物镜108已移动距离144以将光轴140带进检测体积110后，控制程序124向拉曼光谱系统102发出控制信号。作为响应，拉曼光谱系统102提供来自激光光源101的入射激光束113，该激光束113沿物镜108的光轴140被引导到检测体积110上。

入射激光束113未撞击到物镜108物镜开口上的部分不用于光谱学。这种情形也称为物镜108的“过充满”。非常重要的是需要注意：入射激光束113的撞击到物镜108物镜开口的部分沿光轴140被引导到检测体积110内的焦点142上。

这就得到具有物镜108的物镜开口宽度136的拉曼返回光束117。拉曼返回光束117由光谱仪103通过分色镜115和105接收。光谱仪103对拉曼返回光束117进行光谱分析。这样，就可确定流过检测体积110的血液的一个或多个特性。

图3示出相应的流程图。在步骤300中，实行成像方法以确定感兴趣体积的位置，例如进行血液分析的检测体积的位置。该成像利用光学物镜实行。

在步骤302中，移动物镜以将物镜的焦点带进感兴趣体积内。在步骤304中，通过引导测量束穿过物镜到达感兴趣体积并利用物镜采集由测量束引起的来自感兴趣体积的返回射线来实行拉曼光谱学或其它光学光谱方法。

图4是物镜的放大视图，该物镜既用于感兴趣体积的光学检测，又用于根据本发明原理的光学光谱学。图4中与图1和2中的元件相对应的元件的附图标记为对应元件的附图标记加上300。

物镜408具有物镜开口407。物镜开口407具有宽度436。物镜408具有光轴440和焦点442。

物镜408首先用于利用光学检测步骤确定感兴趣体积的位置。感兴趣体积的位置可以不位于光轴440上，正如上面以实例的形式给出的解释，如图1所示。

为实行随后的光学分光步骤，物镜408沿方向446或相反方向448移动以使焦点442移动到感兴趣体积内。在此处所考虑的优选实施例中，该移动受到测量束413范围的限制，即其宽度434的限制。物镜408由测量束413过充满。换句话说，测量束413具有比物镜开口407的宽度436更宽的宽度434。

测量束413的方向平行于光学通路(optical access)440。因此，测量束413撞击到物镜开口407的部分平行于光轴440且指向焦点442。返回射线在该处由物镜408采集并发送到光谱仪进行光谱分析。

图5示出可替换实施例，其中与图4相同元件的附图标记为图4中相应元件的附图标记加100。在图5的实施例中，入射激光束513具有垂直于物镜508光轴540的方向。入射激光束513由光学元件515反射到光轴540方向中。与图1、2和4的实施例相同，入射激光束513的宽度534比物镜508的物镜开口507宽度536更宽。

物镜508可向方向546和548移动，而入射激光束513和光学元件515保持不动，只要物镜508的物镜开口507完全保持在入射激光束513的覆盖范围内。当物镜508需要移动较大距离以将焦点542带入感兴趣体积内时，光学元件515与物镜508一起移动，而入射激光束513的位置保持不变。这样，就能够使物镜508向方向546和548产生较大平移。例如，光学元件515是棱镜或反射镜(参见图1和2实施例中的分色镜115)。

图6示出拾取单元650的顶视图。拾取单元650承载物镜608。拾取单元650具有使物镜608可控制地向方向646和648以及方向652和654移动的致动器638。入射激光束613的位置是固定的。

与上述实施例中一样，激光束613的宽度654比物镜开口607的宽度636更宽。因此，物镜608向方向646和648的移动受到物镜开口607被入射激光束613覆盖的范围的限制。物镜608向方向646和648移动所受到的限制由图6中的虚线指示。

图7示出拾取单元650的侧视图。拾取单元650承载将入射激光束613引导到物镜608的透镜656上的反射光学元件615。这能够使物镜608与反射光学元件615一起向方向652和654移动较大距离，而入射光束613的位置保持未改变。此外，透镜656可垂直移动以实现聚焦。

拾取单元650的一种实施方式是利用在光盘驱动器中所采用的光学拾取单元，如CD播放器。

在需要使物镜608向方向646和648移动较大距离的情况下，可采用如图8所示的另一个反射光学元件658。反射光学元件658可转动地安装在转动臂上(在图8中未示出)。可替换地，图7中所示的全部光学部件都安装在转动臂上以最佳地保持光学对准。通过转动反射光学元件658，反射激光束613的方向沿方向646或648(参见图6)改变，从而物镜608可相应地向这些方向移动。

图9示出光谱装置900另一个实施例的框图。光谱装置900具有基站902，基站902包括光谱仪903、显示单元960和程序962。

基站902通过光纤966和968与测量头964耦合。

测量头964具有成像系统904，成像系统904包括光源907、照相机911和程序932。成像系统904与致动器938耦合，致动器938与物镜908机械耦合以使物镜908在xy-平面内移动。此外，测量头964具有用于将通过光纤966接收的入射测量束引导到物镜908上和用于将由物镜908采集的返回射线耦合到光纤968以发送到光谱仪903的光学元件970。

在操作时，患者将测量头964放置在他或她的皮肤上。成像系统904的光源907提供成像光束(参见图1中的成像光束106)，该成像光束由光学元件970引导穿过物镜908到达皮肤914上。

利用照相机911对皮肤914拍摄照片，该照片由程序932进行分析以检测血管和选择位于其中一个血管内的检测体积。成像系统904控制致动器938以使物镜908在xy-平面内移动，从而将物镜908的焦点带入由程序932确定的检测体积内。

通过光纤966接收自基站902的测量束由光学元件970引导到物镜908上。测量束穿过物镜908的物镜开口的部分沿物镜908的光轴传播且聚焦在检测体积内。

这产生返回射线，该射线由物镜908采集并通过光学元件970耦合到光纤968内。分析由基站902内的光谱仪903接收的返回射线，从而确定流过检测体积的血液的一个或多个特性。该分析由程序962实行。分析的结果显示在显示器960上。

应当注意，对于物镜和皮肤的相对移动，为使激光束聚焦在血管的感兴趣体积内，也可通过合适的机构移动皮肤而不移动物镜。

在某些情况下，完全不需要物镜和皮肤的相对移动。例如，测量头可放置在较靠近皮肤表面的具有较密集血管的身体部分，从而不需要重新定位。这种测量在口中实行更方便。

附图标记清单

100    装置

101    激光光源

102    拉曼光谱系统

103    光谱仪

104    成像系统

105    分色镜

106    成像光束

107    光源

108    物镜

109    偏振光束分光器

110    检测体积

111    CCD照相机

112    血管

113    入射激光束

114    皮肤

115    分色镜

117    拉曼返回光束

118    返回光束

122    控制器

124    控制程序

130    处理器

132    程序

134    宽度

136    宽度

138    致动器

140    光轴

142    焦点

144    距离

405    物镜

407    物镜开口

413    测量束

434    宽度

436    宽度

440    光轴

442    焦点

446    方向

448    方向

508    物镜

513    射激光束

515    光学元件

550    光轴

546    方向

548    方向

534    宽度

536    宽度

542    焦点

607    物镜开口

608    物镜

613    射激光束

615    反射光学元件

636    宽度

638    致动器

646    方向

648    方向

650    拾取单元

652    方向

654    方向

656    透镜

658    反射光学元件

900    装置

902    基站

903    光谱仪

904    成像系统

906    光谱仪

907    光源

908    物镜

911    照相机

914    皮肤

932    程序

938    致动器

960    显示单元

962    程序

964    测量头

966    光纤

968    光纤

970    光学元件

Claims (14)

1、一种确定物质特性的方法，该方法包括以下步骤：

-实行光学检测步骤以通过物镜确定感兴趣体积的位置，

-移动物镜，从而使物镜的焦点位于感兴趣体积内，

-实行光学分光步骤以通过测量束确定感兴趣体积内物质的特性。

2、根据权利要求1所述的方法，其中测量束的覆盖范围大于物镜开口，而且其中物镜沿垂直于测量束的方向移动，而物镜开口保持在测量束的覆盖范围内。

3、根据权利要求1所述的方法，其中该物质是流过生物管状结构的流体，且该方法还包括以下步骤：

-通过重复实行光学检测步骤来跟踪生物管状结构的移动，

-移动物镜，从而使焦点保持在感兴趣体积内。

4、根据权利要求1所述的方法，其中光学检测步骤通过成像方法实行。

5、根据权利要求1所述的方法，其中采用拉曼光谱学、荧光光谱学、弹性散射光谱学、红外光谱学或光声光谱学实行光学分光步骤。

6、根据权利要求1所述的方法，其中该物质是血液且该感兴趣体积位于血管内。

7、一种计算机程序产品，包括用于实行以下步骤的程序手段：

-控制光学检测部件以确定感兴趣体积的位置，该光学检测部件包括物镜，

-控制光学检测部件以移动物镜，从而使物镜的焦点位于感兴趣体积内，

-控制光学光谱部件以通过测量束确定感兴趣体积内物质的特性。

8、根据权利要求7所述的计算机程序产品，该程序手段适于控制第二反射光学元件以将来自第二反射光学元件的测量束引导到第一反射光学元件上，从而第一反射光学元件将该测量束引导到物镜开口上，当该测量束撞击到第一反射光学元件上时，它具有垂直于物镜光轴的方向。

9、一种确定物质特性的光谱系统，包括：

-物镜(108；408；508；608；908)，其用于实行光学检测以确定感兴趣体积(110)位置，

-装置(138；938)，其用于移动物镜，从而使物镜的焦点位于感兴趣体积内，

-光学光谱装置(103；102；903；966；968)，其用于确定感兴趣体积内物质的特性，该光学光谱装置适于提供测量束(113；413；513；613)。

10、根据权利要求9所述的光谱系统，其中移动物镜的装置包括机械、机电和/或压电部件。

11、根据权利要求9所述的光谱系统，还包括基站(902)和测量头(964)，基站和测量头通过至少一个光纤(966，968)耦合以从基站向测量头发送测量束，并且从测量头向基站发送返回射线，测量头包括用于将测量束引导到物镜开口的光学装置(970)和用于移动物镜的装置。

12、根据权利要求9所述的光谱系统，其中测量束的覆盖范围大于物镜开口(407；607)。

13、根据权利要求9所述的光谱系统，还包括将测量束引导到物镜开口上的第一反射光学元件(615)，该测量束具有垂直于物镜光轴的方向。

14、根据权利要求9所述的光谱系统，还包括将测量束引导到第一反射光学元件的第二反射光学元件(658)，该第二反射光学元件可转动地安装。

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