Оптическое исследовательское устройство, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим исследовательским устройствам. Устройство выполнено с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду и содержит участок ствола, выполненный с возможностью помещения в мутную среду, содержащий участок наконечника, в котором, по меньшей мере, одно устройство источника света выполнено с возможностью излучения пучка широкополосного света, причем пучок широкополосного света содержит различные полосы длин волн, которые модулируются по-разному, и, по меньшей мере, один фотодетектор для обнаружения широкополосного света в области, выполненной с возможностью помещения в мутную среду участка ствола. Дополнительно устройство содержит блок демодуляции и анализа, выполненный с возможностью осуществления спектрального анализа на основании электрического сигнала, принятого, по меньшей мере, от одного фотодетектора, и с возможностью обеспечения сигнала обратной связи для модификации модуляции широкополосного света в зависимости от сигнала, обеспеченного фотодетектором. Использование изобретения позволяет уменьшить время сбора данных при повышении их достоверности. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому исследовательскому устройству, выполненному с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду.
Уровень техники изобретения
В контексте настоящей заявки термин "свет" должен пониматься как означающий неионизирующее электромагнитное излучение, в частности, с длинами волн в диапазоне между 400 нм и 1400 нм. Термин "фотодетектор" означает устройство, способное принимать приходящий свет и выводить в ответ электрический сигнал, соответствующий принятому свету. Термин "мутная среда" должен пониматься как означающий вещество, состоящее из материала, имеющего коэффициент рассеяния света, такого как, например, внутрилипидный раствор или биологическая ткань.
Во многих медицинских контекстах биопсии являются единственным способом подтверждения медицинских диагнозов. Пункционные биопсии также известны как цитология тонкоигольной аспирации (FNAC), биопсия тонкоигольной аспирации (FNAB) или тонкоигольная аспирация (FNA). Такие пункционные биопсии используются для извлечения небольшого количества ткани из мутной среды, которая образована телом млекопитающего, то есть телом человека или телом животного, для дополнительного анализа извлеченной ткани вне тела, например, патологом под микроскопом. Пункционные аспирационные биопсии часто используются, помимо прочих, при исследовании женской груди, простаты, легких, щитовидной железы и кости. По сравнению с хирургическими биопсиями пункционные аспирационные биопсии являются менее инвазивными, менее дорогими, отнимающими меньше времени и наряду с этим обладают более коротким временем восстановления пациентов, подвергающихся биопсии. Например, в Соединенных Штатах Америки каждый год выполняется приблизительно один миллион пункционных биопсий для диагноза рака молочной железы.
В настоящее время биопсии ткани для взятия проб ткани из внутренности тела млекопитающего выполняются без обратной связи от биопсийной иглы. В результате врачам не хватает информации о микроструктуре и молекулярном составе ткани, которая расположена непосредственно перед концом иглы. В результате часто имеет место неопределенность о местоположении конца иглы относительно области ткани, из которой желательно взятие пробы.
Чтобы преодолеть эту проблему, при отсутствии прямой обратной связи от биопсийной иглы, как известно, используется множество различных способов получения изображения, чтобы помочь при позиционировании иглы. К таким способам получения изображения относятся рентгенография, MRI (магнитно-резонансная томография) и получение ультразвукового изображения. Хотя эти способы способны обеспечить полезную информацию об абсолютном местоположении биопсийной иглы, требуемая информация об относительном местоположении биопсийной иглы относительно ткани (которая особенно интересна) часто не может быть получена. Полученное пространственное разрешение часто является непригодным для идентификации малых патологических масс. Дополнительно применяемые способы получения изображения часто дают непригодный контраст мягкой ткани для различения между доброкачественными и злокачественными тканями. Дополнительная типичная проблема состоит в том, что применяемые способы получения изображения часто обеспечивают несоответствующий контраст для идентификации малых кровеносных сосудов или нервов, расположенных на пути движения биопсийной иглы.
Из-за этих недостатков существует множество случаев, когда во время пункционной биопсии кровеносные сосуды или нервы непреднамеренно прокалываются. Прокалывание сосудов биопсийными иглами может оказать вред пациенту, поскольку может возникнуть внутреннее кровотечение. Дополнительно прокалывание нервов также может быть особенно вредным для пациента. С этой точки зрения важно не только получить информацию относительно ткани, которая расположена перед скошенной частью наконечника (то есть в области, из которой ткань может извлекаться биопсийной иглой), но также получить информацию относительно ткани, которая располагается перед передней частью пункционного наконечника (то есть о ткани, которая будет проколота, если биопсийная игла будет продвигаться дальше вперед).
Существует возможность обеспечения прямой обратной связи от биопсийной иглы через оптическое волокно. Например, оптическое волокно может использоваться для предоставления информации о ткани, окружающей пункционный наконечник. Известно, что ткани могут различаться своими соответствующими оптическими спектрами поглощения (смотрите, например, Zonios et al., "Diffuse reflectance spectroscopy of human adenomatous colon polyps in vivo", Appl. Opt. 38(31), 1999, 6628-6637). В частности, гемоглобин, который присутствует в крови, обеспечивает явно выраженные оптические признаки.
С учетом сказанного было бы предпочтительно обнаруживать свет на боковых сторонах биопсийной иглы. Например, это могло бы позволить считывать свет, который прошел вокруг острого наконечника биопсийной иглы, начиная со скошенной стороны пункционного наконечника, и дошел до ствола иглы. В принципе, возможно направить свет на наконечник биопсийной иглы через оптическое волокно и излучать свет на ткань перед острым наконечником биопсийной иглы. Дополнительно возможно собирать свет, рассеянный в области ткани перед наконечником биопсийной иглы, посредством одного или более других оптических волокон, концы которых располагаются в области ствола биопсийной иглы. Оптические волокна могут, например, быть интегрированы в ствол биопсийной иглы. Однако такая система обладает следующими недостатками: требующиеся многомодовые волокна для сбора рассеянного света обычно содержат числовые апертуры в диапазоне 0,2. Это приводит к тому, что может быть собрано только небольшое количество света, падающего на поверхность на конце оптоволокна. Дополнительно конструкция и изготовление биопсийных игл, содержащих множество оптических волокон, обходятся дорого. Чтобы выполнить спектроскопию с помощью такой системы, то есть получить распределение большого количества различных полос длин волн в рассеянном свете для каждого места обнаружения, которое образуется концом соответствующего оптического волокна, собранный свет должен быть проанализирован спектрометром, специально приспособленным к малым интенсивностям. В этом случае получение спектров для нескольких положений обнаружения должно потребовать значительного времени.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить оптическое исследовательское устройство, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду, которое позволяет проводить спектральный анализ области мутной среды, расположенной перед участком наконечника, более достоверно при более низких затратах и с меньшим временем сбора данных.
Эта задача решается оптическим исследовательским устройством, выполненным с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду, соответствующим пункту 1 формулы изобретения. Оптическое исследовательское устройство содержит участок ствола, выполненный с возможностью помещения в мутную среду. Участок ствола содержит участок наконечника, выполненный с возможностью быть передним участком во время помещения в мутную среду. По меньшей мере, одно устройство источника света, выполненное с возможностью излучения пучка широкополосного света, обеспечивается в области, выполненной с возможностью помещения участка ствола в мутную среду. Пучок широкополосного света содержит различные полосы длин волн, модулированных по-разному. По меньшей мере, один фотодетектор для обнаружения широкополосного света обеспечивается в области, выполненной с возможностью помещения в мутную среду участка ствола. Поскольку оптическое исследовательское устройство обеспечивается, по меньшей мере, одним источником света в области ствола, выполненного с возможностью помещения в мутную среду, пучок широкополосного света может надежно излучаться в направлении интересующей области мутной среды, такой как ткань, расположенная в конкретном месте, в случае медицинских применений, и рассеиваться ею. Так как пучок широкополосного света содержит различные полосы длин волн, которые модулируются по-разному, спектральная информация может быть получена простым фотодетектором в комбинации с блоком демодуляции. Блок демодуляции может быть реализован как компактная электронная схема или может быть осуществлен в программном обеспечении на соответствующем процессоре. Таким образом, можно обойтись без сложных и дорогих спектрометров. В этом контексте широкополосный свет, содержащий различные полосы длин волн, означает свет, который содержит большое количество длин волн с непрерывными спектрами длин волн, по меньшей мере, в одной полосе длин волны. "Широкополосный" означает, что перекрывается широкий диапазон длин волн. Множество полос длин волн могут быть модулированы на различных частотах и/или в различных временных последовательностях. Так как, по меньшей мере, один фотодетектор обеспечивается в области, выполненной с возможностью помещения в мутную среду, рассеянный свет может непосредственно обнаруживаться в мутной среде, по меньшей мере, одним фотодетектором. Таким образом, рассеянный свет не должен быть связан с оптическими волокнами, которые могут привести к проблеме очень малых доступных числовых апертур. Дополнительно в случае, в котором обеспечивается множество мест обнаружения, вместо дополнительного оптического волокна для каждого места обнаружения (которое должно потребоваться, если рассеянный свет должен быть направлен на спектрометр, расположенный вне мутной среды, такой как тело млекопитающего) требуются только электрические соединения между фотодетекторами и наружной стороной мутной среды (например, внешней стороной тела млекопитающего). Это сопровождается значительным снижением затрат и приводит в результате к менее сложной системе. В частности, по меньшей мере, один фотодетектор (или множество фотодетекторов) может быть расположен на боковой области участка ствола.
Если, по меньшей мере, один фотодетектор электрически присоединяется к участку оптического исследовательского устройства, выполненному с возможностью пребывания вне мутной среды, спектральная информация, содержавшаяся в сигнале, по меньшей мере, от одного фотодетектора, может быть с удобством проанализирована вне мутной среды. В предпочтительном случае, в котором множество фотодетекторов обеспечивается в различных местах участка ствола, все эти фотодетекторы могут предпочтительно быть электрически присоединены к точкам за пределами мутной среды.
В соответствии с одним аспектом, по меньшей мере, один фотодетектор является фотодиодом.
Фотодиоды могут традиционно изготавливаться с высокой чувствительностью обнаружения и при низких затратах. Дополнительно они могут реализовываться в очень компактном виде, так что возможно их интегрирование в участок ствола, компактное размещение на внутренней или наружной поверхности участка ствола или компактное размещение на основном элементе, который будет размещен в полом канале внутри участка ствола (таком как мандрен в случае биопсийной иглы).
В соответствии с вариантом участок ствола снабжается множеством фотодетекторов, расположенных в различных местах относительно участка ствола. В этом случае спектральная информация, содержащаяся в рассеянном свете, может быть получена в различных пространственных положениях. Как следствие, становится возможным пространственное определение свойств области мутной среды (например, ткани), которая располагается перед участком наконечника.
В соответствии с вариантом оптическое исследовательское устройство содержит блок модуляции и анализа, выполненный с возможностью проведения спектрального анализа сигнала, принятого, по меньшей мере, от одного фотодетектора. В этом случае информация об области мутной среды перед участком наконечника анализируется относительно распределения различных диапазонов длин волн. Как следствие, информация о рассеивающихся свойствах и/или концентрации хромофора в этой области мутной среды может быть получена достоверно.
В соответствии с вариантом блок демодуляции и анализа выполнен с возможностью проведения спектрального анализа сигналов, принятых от множества фотодетекторов, и дополнительного использования информации о соответствующих местах расположения множества фотодетекторов. В этом случае становится доступной пространственно разрешаемая спектральная информация, которая позволяет реконструировать двумерные изображения или изображения с большими размерностями интересующей области мутной среды, в частности перед участком наконечника.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения блок демодуляции и анализа выполнен с возможностью реконструкции многомерного изображения интересующей области мутной среды, например области, которая располагается перед участком наконечника. В этом случае полученная информация об области мутной среды без труда визуализируется. Изображение может, например, быть двумерным или трехмерным изображением. Однако четырехмерные или изображения с более высокой размерностью также могут быть реализованы, например, используя цветную шкалу, чтобы представить четвертое измерение. Изображение может представлять, например, коэффициенты поглощения и/или коэффициенты рассеяния с пространственным разрешением или распределение с пространственным разрешением одного или более хромофоров.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения участок ствола формирует, по меньшей мере, часть биопсийной иглы. В этом случае может быть предотвращено непреднамеренное прокалывание ткани, которая не должна прокалываться, такой как нервы или кровеносные сосуды. В альтернативном варианте участок ствола образует, по меньшей мере, часть катетера или эндоскопа.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, одно устройство источника света формируется концом световодной конструкции, соединенной с блоком генерации света, выполненным с возможностью обеспечения пучка широкополосного света. В этом случае пучок спектрально кодируемого широкополосного света может генерироваться вне мутной среды (например, снаружи тела млекопитающего) и легко направляться к участку наконечника через световодную конструкцию. Таким образом, генерация пучка спектрально кодируемого широкополосного света может быть осуществлена с высокой точностью. Световодная конструкция может, например, располагаться в материале участка ствола или обеспечиваться в основном элементе, выполненном с возможностью размещения в полом канале внутри участка ствола (таком как мандрен, в случае биопсийной иглы). Например, световодная конструкция может быть образована световодным волокном (оптическим волокном).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, один фотодетектор закладывается в материал участка ствола, предпочтительно так, чтобы он не выступал из участка ствола. В этом случае обеспечение, по меньшей мере, одного фотодетектора не оказывает отрицательного воздействия на помещение участка ствола в мутную среду, что, в частности, особенно удобно, когда мутная среда является телом живого млекопитающего.
В соответствии с вариантом оптическое исследовательское устройство выполнено с возможностью наложения высокочастотной модуляции в частотном диапазоне выше 50 МГц на пучок широкополосного света. Эта высокочастотная модуляция налагается на пучок в дополнение к специальной модуляции для различных диапазонов длин волны. Высокочастотная модуляция может использоваться для извлечения дополнительных оптических свойств из ткани перед наконечником, таких как коэффициенты оптического рассеяния или коэффициенты времени существования флуоресценции (в случае когда используется естественная флуоресценция или флуоресценция контрастных веществ).
В соответствии с одним вариантом оптическое исследовательское устройство является медицинским устройством, выполненным с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в тело млекопитающего. В этом случае участок ствола выполнен с возможностью помещения в тело млекопитающего и, по меньшей мере, один фотодетектор располагается в области, выполненной с возможностью помещения в тело млекопитающего участка ствола. Если, по меньшей мере, одно устройство источника света обеспечивается в области участка наконечника, пучок широкополосного света может надежно излучаться в направлении области мутной среды, такой как ткань, в случае медицинских применений, располагающейся перед передним наконечником, и рассеиваться ею.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут показаны в результате подробного описания вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
Фиг.1 - схематичное изображение оптического исследовательского устройства, соответствующего первому варианту осуществления.
Фиг.2 - схематичное изображение передней части участка ствола оптического исследовательского устройства.
Фиг.3 - схематичное изображение участка ствола, показанного на фиг.2, со вставленным основным элементом.
Фиг.4 - схематичное изображение источника света.
Подробное описание вариантов осуществления
Вариант осуществления настоящего изобретения теперь будет описан со ссылкой на фиг.1-4. Оптическое исследовательское устройство 10 содержит часть 20, выполненную с возможностью помещения в мутную среду. Оптическое исследовательское устройство 10, которое будет описано со ссылкой на чертежи в качестве примера варианта осуществления, образовано медицинским устройством и в данном случае часть 20 выполнена с возможностью помещения в тело млекопитающего (то есть тело человека или животного). В этом случае мутная среда образуется телом млекопитающего. В примере варианта осуществления, который будет описан со ссылкой на чертежи, часть 20 образуется биопсийной иглой. Часть 20 имеет участок 21 ствола, содержащий участок 22 наконечника. Во время помещения в мутную среду участок 22 наконечника образует передний участок 21 ствола. Участок 21 ствола имеет трубчатую форму, по существу, с круговым поперечным сечением и содержит скошенный участок в области участка 22 наконечника. Участок 21 ствола снабжен полым каналом 30, который в показанном примере биопсийной иглы служит для извлечения проб ткани из тела млекопитающего. Участок 21 ствола выполнен таким образом, что полый канал 30 может быть заполнен основным элементом 31, который может быть расположен в полом канале 30. Основной элемент 31 может извлекаться из полого канала 30, когда участок 22 наконечника располагается в месте, из которого должна быть взята проба ткани. В описанном случае биопсийной иглы основной элемент 31 формируется мандреном.
На фиг.2 показан участок 21 ствола без основного элемента 31, размещаемого в полом канале 30. На фиг.3 показан участок 21 ствола со вставленным основным элементом 31. Часть 20 соединяется с блоком 80 генерации света, который более подробно будет объясняться ниже. Блок 80 генерации света обеспечивает пучок 11 широкополосного света, содержащего различные диапазоны длин волны, которые модулируются по-разному. В примере варианта осуществления пучок 11 направляется к участку 22 наконечника через световодную конструкцию 23, которая в данном примере образована оптическим волокном. В приведенном здесь примере световодная конструкция 23 располагается в центре основного элемента 31. Один конец световодной конструкции 23, который расположен в области участка 22 наконечника, выполнен таким образом, что пучок 11 широкополосного света может излучаться на ткань, расположенную перед участком 22 наконечника (в направлении, в котором участок ствола помещается в мутную среду, такую как тело млекопитающего). Таким образом, оптическое исследовательское устройство 10 выполняется таким образом, что пучок 11 широкополосного света может излучаться в область мутной среды (например, ткани) перед участком 22 наконечника, так что свет рассеивается в этой области.
Дополнительно, по меньшей мере, один фотодетектор для обнаружения широкополосного света обеспечивается в области участка 21 ствола, которая расположена ближе к участку 22 наконечника, в частности на боковой стороне участка 21 ствола. В примере варианта осуществления, показанном на чертежах, на участке 21 ствола обеспечиваются три фотодетектора 27a, 27b и 27c, в частности, встраиваются в материал участка 21 ствола, так чтобы они не выступали из участка 21 ствола. Следует заметить, что количество фотодетекторов не ограничивается этим примером и может также обеспечиваться другое количество фотодетекторов (даже большие количества). Дополнительно, как станет очевидно из последующего описания, также возможно использование только одного фотодетектора. Фотодетекторы 27a, 27b, 27c могут, например, быть образованы фотодиодами. Фотодетекторы 27a, 27b, 27c соединяются с блоком 32 демодуляции и анализа через соответствующие электрические соединения 28. Блок 32 демодуляции и анализа может быть образован, например, компьютером, выполненным соответствующим образом. В области участка 21 ствола электрические соединения 28 могут располагаться, например, на наружной поверхности участка 21 ствола. В этом случае они предпочтительно защищаются от повреждения защитным покрытием. Такое защитное покрытие может также использоваться для изоляции электрических соединений. Альтернативно электрические соединения 28 также могут встраиваться в материал участка 21 ствола или располагаться в полом канале 30.
Блок 80 генерации света будет теперь описан со ссылкой на фиг.4. Блок 80 генерации света содержит источник 1 света, излучающий коллимированный пучок 2 широкополосного света, разделитель 3 полос, пространственный модулятор 4 света и блок 6 рекомбинации света.
Источник 1 света выбирается таким образом, что излучается белый свет с большой мощностью и яркостью. В этом контексте "белый свет" означает, что свет обладает широкой полосой оптических длин волн, которая достаточна для поддержки намеченного измерения. То есть пучок 2 света содержит непрерывную широкую полосу длин волн, охватывающую множество длин волн, предпочтительно в видимом, инфракрасном (IR) и/или длинноволновом инфракрасном диапазонах. Источник 1 света может быть импульсным. Например, источник 1 света является чрезвычайно ярким источником белого света, основанным на супернепрерывной генерации. Это достигается, например, использованием мощных фемтосекундных световых импульсов, распространяющихся через перфорированное волокно. Однако также возможно использовать довольно простую лампу, излучающую белый свет. Как станет ясно далее, большая ширина полосы пучка 2 света позволяет иметь большое количество спектральных точек. В этом контексте термин "спектральные точки" используется для измеренных сигналов на различных длинах волн или частотах соответственно. Таким образом, большое количество спектральных точек соответствуют большому количеству данных для различных длин волн или частот соответственно.
Коллимированный пучок 2 широкополосного света направляется к разделителю 3 полос. Разделитель полос выполнен с возможностью пространственного разделения множества полос (2a, 2b..., 2n) длин волн, содержащихся в пучке 2 широкополосного света. Например, разделитель 3 полос может быть сформирован дифракционной решеткой, выполненной с возможностью пространственного разделения различных полос длин волн, содержащихся в пучке 2 широкополосного света. Однако он может также быть выполнен другим видом дисперсионного элемента, зависящего от длины волны, такого, например, как призма. Следует заметить, что не требуется, чтобы различные полосы длин волн обязательно имели одну и ту же ширину относительно диапазона длин волны или один и тот же разнос длин волн относительно друг друга (разнос длин волн).
Пространственно разделенные полосы (2a..., 2n) длин волн направляются на пространственный модулятор 4 света (SLM) для пространственной модуляции разделенных полос длин волн таким способом, при котором каждая из полос (2a..., 2n) длин волн принимает конкретную модуляцию. В настоящем варианте осуществления пространственный модулятор 4 света имеет тип устройства, работающего на пропускание. Однако пространственная световая модуляция может также быть реализована в схеме отражательного типа. Пространственный модулятор 4 света содержит входную линзу 41, блок 42 модуляции света, выходную линзу 43 и источник 5 модуляции. Входная линза 41 делает соответствующие пучки света в различных полосах длин волн параллельными. Блок 42 модуляции света соединяется с источником 5 модуляции, который управляет работой блока 42 модуляции света. Блок 42 модуляции света может быть реализован механически, например, в форме специального диска Нипкова, или прерывателя, или вращающегося полигона и т.п. Предпочтительно блок 42 модуляции света формируется микрозеркальным устройством или жидкокристаллическим устройством. Также возможна комбинация любого из этих элементов, установленных последовательно на пути прохождения света. Например, может применяться один элемент, обеспечивающий быструю, периодически повторяющуюся (периодическую) модуляцию, и другой элемент, обеспечивающий медленно меняющуюся регулировку интенсивности.
Могут применяться различные способы модуляции света, известные в данной области техники. Например, может применяться мультиплексирование с частотным разделением или мультиплексирование с временным разделением или то и другое. Схема модуляции, в соответствии с которой выполняется модуляция полос (каналов) длин волн, задается блоком 42 модуляции света совместно с источником 5 модуляции.
Независимо модулированные полосы (2a, 2b..., 2n) длин волн рекомбинируются в коллимированный пучок 11 спектрально кодируемого широкополосного света с помощью блока 6 рекомбинации света, который может быть сформирован, например, другой дисперсионной решеткой или дисперсионный элементом, работающим на другой длине волны. В варианте осуществления разделитель 3 полос, блок 6 рекомбинации света, линзы и блок 42 модуляции света устанавливаются в так называемой конфигурации "4-f". Однако изобретение не ограничивается таким построением.
Коллимированный пучок 11 спектрально кодируемого широкополосного света затем направляется к участку 22 наконечника участка 21 ствола, как было описано выше. В примере варианта осуществления пучок 11 спектрально кодируемого широкополосного света подается на световодную конструкцию 23 блока 80 генерации света.
Теперь будет описана работа оптического исследовательского устройства 10. Как описано выше, когда участок 21 ствола помещен в мутную среду, пучок 11 спектрально кодируемого широкополосного света излучается в направлении области мутной среды, расположенной перед участком 22 наконечника. Благодаря мутному характеру мутной среды, свет многократно рассеивается в области мутной среды, которая располагается перед участком 22 наконечника (как схематично указано множеством стрелок на фиг.3). Часть света, которая была рассеяна, будет падать на фотодетекторы 27a, 27b, и 27c. В ответ на падающий свет, каждый из фотодетекторов 27a, 27b, и 27c вырабатывает электрический сигнал, соответствующий падающему свету. Эти электрические сигналы передаются на блок 32 демодуляции и анализа через электрические соединения 28. Благодаря тому, что пучок 11, используемый для освещения мутной среды, является спектрально кодируемым, как описано выше, спектральная информация может быть проанализирована, основываясь на электрических сигналах от фотодетекторов 27a, 27b и 27c.
В блоке 32 демодуляции и анализа сигналы, обнаруженные фотодетекторами 27a, 27b, 27c, декодируются/демодулируются блоком демодуляции, чтобы восстановить спектральную информацию, содержащуюся в рассеянном свете, выходящем из мутной среды в соответствующих местах расположения фотодетекторов 27a, 27b и 27c. Чтобы позволить проводить надежную демодуляцию, на блок 32 демодуляции и анализа подается сигнал 25 модуляции от источника 5 модуляции в блоке 80 генерации света. Сигнал 25 модуляции отражает выполняемую модуляцию. Сигнал 25 модуляции позволяет блоку 32 демодуляции и анализа выполнять соответствующую операцию демодуляции. Блок демодуляции блока 32 демодуляции и анализа может быть реализован, например, как относительно экономически эффективная и компактная электронная схема. Альтернативно он может быть реализован в программном обеспечении, работающем на цифровом процессоре в блоке 32 демодуляции и анализа. В любом случае оптические спектры для каждой конкретной среды, как отображаемые мутной средой на свете, падающем на соответствующие фотодетекторы 27a, 27b и 27c, могут быть получены в соответствии с различными местами обнаружения с высокой чувствительностью обнаружения. Следует заметить, что благодаря описанному выше спектральному кодированию различных полос длин волн, спектральная информация может быть получена для каждого фотодетектора посредством процесса демодуляции. Блок 32 демодуляции и анализа анализирует частотное содержимое в сигнале от соответствующего фотодетектора 27a, 27b или 27c, чтобы определить оптический спектр. Таким образом, распределения интенсивности по соответствующим полосам длин волн могут быть определены из электрических сигналов фотодетекторов 27a, 27b и 27c. Таким образом, описанное оптическое исследовательское устройство 10 позволяет выполнять спектроскопию, не требуя дорогих и крупногабаритных спектрометров.
Дополнительно блок 32 демодуляции и анализа может использовать информацию о пространственном положении различных фотодетекторов 27a, 27b и 27c и оценивать различные распределения интенсивности света по фотодетекторам.
В примере варианта осуществления блок 32 демодуляции и анализа выполнен с возможностью обработки сигналов, соответствующих различным фотодетекторам 27a, 27b и 27c, используя принципы оптической томографии для реконструкции изображений мутной среды в области участка 22 наконечника из предоставленной спектральной информации. Блок 32 демодуляции и анализа может использовать множество различных алгоритмов восстановления, известных в технике, чтобы реконструировать, по меньшей мере, одно изображение свойств мутной среды. Таким образом, комбинация спектральной и пространственной информации может, например, использоваться для различения анатомических структур. Например, кровеносные сосуды можно различать от нервов. Различные анатомические структуры могут быть идентифицированы, даже если они располагаются на несколько миллиметров впереди пункционного наконечника.
Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления каждая из множества заранее определенных полос длин волн (каналов), которые могут иметь различную ширину и/или разнос, коллимированного источника белого света может быть кодирована в частотной области и во временной области, используя разделитель 3 полос и пространственный модулятор 4 света (SLM). Полосы длин волн рекомбинируются в единый коллимированный пучок 11 блоком 6 рекомбинации света. Коллимированный и кодируемый пучок 11 возможно произвольно большой ширины оптической полосы (белый свет) используется для освещения области мутной среды перед участком наконечника. В соответствии с вариантом осуществления рассеянный свет, выходящий из мутной среды, обнаруживается множеством фотодетекторов 27a, 27b и 27c. Соответствующие сигналы от фотодетекторов демодулируются так, что оптические спектры в различных местах обнаружения получаются с высокой чувствительностью обнаружения. Соответствующие принятые сигналы декодируются/демодулируются для каждого положения обнаружения, чтобы восстановить спектральную информацию и, следовательно, получить оптические спектры конкретных сред, как они отображаются мутной средой на свете, выходящем из мутной среды.
Возможно, чтобы пространственный модулятор 4 света работал таким образом, что различные полосы длин волн модулируются несинусоидальным сигналом, используя, например, прямоугольные импульсы.
Дополнительно возможно управлять пространственным модулятором 4 света таким образом, чтобы следовать комплексной схеме модуляции, в которой смежные каналы (полосы длин волны) не являются смежными каналами в преобразованной радиочастотной области на стороне обнаружения. В этом случае соответствующие каналы модулируются независимо, так что для блока 32 демодуляции и анализа, демодулирующего сигналы, соответствующие рассеянному свету, обнаруженному в местах обнаружения, эти соответствующие каналы располагаются не по соседству друг с другом.
В примере варианта осуществления, показанном на чертежах, обеспечивается сигнал 26 обратной связи от блока 32 демодуляции и анализа к источнику 5 модуляции в блоке 80 генерации света. С помощью этого сигнала 26 обратной связи схема кодирования, используемая для широкополосного света, может динамически модифицироваться в зависимости от электрических сигналов, поступающих, по меньшей мере, от одного фотодетектора 27a, 27b, 27c. Например, порядок и/или распределение полос длин волн могут изменяться между измерениями, и объединенные результаты различных измерений могут браться для идентификации и подавления эффектов переходных помех. Например, априорно известный признак в спектре может замаскировать другой, более неуловимый, но важный признак в одной конфигурации, но не в другой конфигурации порядка и/или распределения каналов. Таким образом, если порядок и/или распределение полос длин волны изменяются, более неуловимый признак может быть выявлен. Вместо перераспределения полос длин волн они могут быть также перемасштабированы по интенсивности, чтобы снизить перекрестные помехи. Масштабирование вниз больших входных сигналов относительно меньших входных сигналов обладает тем дополнительным преимуществом, что динамический диапазон электронных усилителей может быть выбран более оптимальным способом, так чтобы общий динамический диапазон системы мог быть улучшен.
В соответствии с модификацией варианта осуществления высокочастотная модуляция, содержащая частоты в диапазоне выше 50 МГц, налагается на пучок 11 спектрально кодируемого широкополосного света. Такая высокочастотная модуляция предпочтительно может использоваться для извлечения из материала дополнительных оптических свойств, таких как оптические коэффициенты рассеяния (в случае волнового анализа плотности фотонов) и/или коэффициенты времени продолжительности флуоресценции.
Хотя был описан вариант осуществления, в котором предусмотрены многочисленные фотодетекторы, спектроскопия в области мутной среды перед участком наконечника может быть реализована при обеспечении уже одного фотодетектора в области участка ствола. Вместо, по меньшей мере, одного оптического волокна в комбинации со спектрометром для спектроскопии, как в предшествующем уровне техники, требуются только экономически эффективный фотодетектор и электрическое подключение к блоку 32 демодуляции и анализа.
В соответствии с предложенной реализацией оптический спектр света, который был рассеян непосредственно перед острым пункционным наконечником, получается с помощью фотодетектора, не требуя спектрометра. С помощью предложенной реализации может быть получена информация о микроструктуре и молекулярном составе мутной среды (например, ткань в описанном случае биопсийной иглы) непосредственно перед участком 22 острого наконечника.
Что касается реализации, в которой реконструируется двумерное или многомерное изображение мутной среды в области участка наконечника, то установлено следующее: чем больше фотодетекторов обеспечиваются в области участка ствола, тем лучшее изображение может быть реконструировано. Однако затраты на добавление дополнительного спектрального детектора будут затратами только на добавление дополнительного фотодетектора и соответствующего электрического монтажа. Это дает особое преимущество по сравнению с решением, в котором спектральный анализ осуществляется через оптическое волокно и спектрометр.
Так как в области участка 21 ствола обеспечивается, по меньшей мере, один фотодетектор, который помещается непосредственно в мутную среду (например, тело млекопитающего), преодолеваются проблемы малых числовых апертур (приводящие к очень малой части рассеянного света, которая может быть обнаружена), которые свойственны передаче рассеянного света в оптическое волокно.
Хотя со ссылкой на вариант осуществления было описано, что фотодетекторы 27a, 27b, 27c встроены в материал участка 21 ствола, изобретение этим не ограничивается. Например, множество фотодетекторов может быть обеспечено на гибкой фольге, которая оборачивается вокруг участка 21 ствола и прикрепляется к нему.
Хотя со ссылкой на вариант осуществления было описано, что световодная конструкция 23 располагается в основном элементе 31 (например, образованном мандреном), возможно также расположить световодную конструкцию в материале участка 21 ствола.
Хотя до сих пор было описано, что, по меньшей мере, один фотодетектор располагается в месте на внешней окружности участка 21 ствола, возможно также, например, расположить, по меньшей мере, один фотодетектор внутри основного элемента 31. В реализации, в которой обеспечиваются, по меньшей мере, два фотодетектора 27a, 27b, 27c, дополнительно возможно выполнять дифференциальную спектроскопию, в которой сигнал одного фотодетектора используется в качестве опорного для сигналов, соответствующих другому фотодетектору. Дифференциальная спектроскопическая обработка, например, описывается авторами Amelink и Sterenborg в "Measurement of the local optical properties of turbid media using differential pathlength spectroscopy", Appl. Opt. 43, 2004, 3048-3054.
Хотя был описан вариант осуществления, в котором блок 80 генерации света обеспечивается в части оптического исследовательского устройства 10, которая остается снаружи мутной среды, возможна также другая реализация. Например, блок генерации света может быть также расположен внутри участка 21 ствола. Например, небольшой широкополосный источник света в форме миниатюрного белого светодиода (которые продаются, например, компаниями Lumileds® или Nichia® или InfiniLED®) может обеспечиваться на участке 21 ствола. Частотная модуляция этого источника света может, например, выполняться посредством малогабаритного, низкодобротного элемента Фабри-Перо с длиной полости, быстро изменяемой во времени. Более подробная информация об этом типе модуляции раскрывается авторами Peng и др. "Fourier transform emission lifetime spectrometer", Opt. Lett. 32(4), 2007, 421-423.
Как альтернатива блок генерации света может содержать множество источников света, выполненных с возможностью излучения в различных полосах длин волн. Различные источники света могут быть модулированы с различными характеристиками, например, на различных частотах. Это может быть достигнуто, например, посредством независимой модуляции мощности, подаваемой во времени на соответствующие источники света. Подобно модификации, описанной выше, множество источников света могут быть расположены на участке 21 ствола.
Хотя применение настоящего изобретения к биопсийной игле было описано со ссылкой на варианты осуществления, изобретение не ограничивается этим и может также быть применено к другим медицинским устройствам, таким как катетеры или эндоскопы. Было обнаружено, что объединение оптического считывания и катетеров может быть клинически ценным во многих контекстах. Настоящее изобретение предлагает существенное упрощение конструкции и повышение чувствительности обнаружения.
Таким образом, было описано оптическое исследовательское устройство, которое пригодно для множества применений, в частности для медицинских применений. В частности, оно может использоваться в области направления пункционной биопсии, чтобы избежать повреждения ключевых структур, таких как нервы и кровеносные сосуды. Оно может использоваться для основанного на движении иглы описания тканей на пути прохождения иглы, например, для обнаружения кровеносных сосудов и/или нервов и/или для дифференциации, например, между заполненными текучей средой и заполненными кровью цистами. Дополнительно оптическое исследовательское устройство может использоваться, например, для контроля мозговой ткани, кровеносных сосудов и/или кровотока в случае введения иглы в мозг.
Что касается применения для катетеров, то оптическое исследовательское устройство может использоваться, например, для описания бляшек в артериях. Что касается применения в эндоскопах, то оно может использоваться, например, для получения спектральной информации от ткани снаружи корпуса эндоскопа и/или от ткани, которая видна в изображении, даваемом эндоскопом.
Хотя в качестве вариантов осуществления были описаны только медицинские применения оптического исследовательского устройства, возможны также немедицинские применения, такие как оптическое исследование пищевых продуктов для проверки свежести, качества и содержания. Например, оптическое исследовательское устройство может использоваться для исследования содержания воды и/или жиров в таких продуктах, как сливочное масло, растительное масло и спрэды (например, арахисовое масло), для исследования содержания алкоголя (этилового спирта) и/или для исследования, например, свежести молочной продукции.
1. Оптическое исследовательское устройство (10), выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду, причем упомянутое оптическое исследовательское устройство содержит участок (21) ствола, выполненный с возможностью помещения в мутную среду, причем упомянутый участок (21) ствола содержит участок (22) наконечника, выполненный с возможностью быть передним участком во время помещения в мутную среду,
в котором, по меньшей мере, одно устройство источника света, выполненное с возможностью излучения пучка (11) широкополосного света, обеспечивается в области участка (21) ствола, выполненного с возможностью помещения в мутную среду, причем пучок (11) широкополосного света содержит различные полосы (2a, 2b…, 2n) длин волн, которые модулируются по-разному; и,
по меньшей мере, один фотодетектор (27a, 27b, 27c) для обнаружения широкополосного света обеспечивается в области, выполненной с возможностью помещения в мутную среду участка (21) ствола, при этом оптическое исследовательское устройство (10) содержит блок (32) демодуляции и анализа, выполненный с возможностью осуществления спектрального анализа на основании электрического сигнала, принятого, по меньшей мере, от одного фотодетектора (27a, 27b, 27c), и выполненный с возможностью обеспечения сигнала (26) обратной связи для модификации модуляции широкополосного света в зависимости от сигнала, обеспеченного, по меньшей мере, одним фотодетектором (27a, 27b, 27c).
2. Оптическое исследовательское устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один фотодетектор (27a, 27b, 27c) электрически соединяется с участком оптического исследовательского устройства, выполненного с возможностью оставаться снаружи мутной среды.
3. Оптическое исследовательское устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один фотодетектор (27a, 27b, 27c) является фотодиодом.
4. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что участок (21) ствола снабжен множеством фотодетекторов (27a, 27b, 27c), расположенных в различных местах относительно участка (21) ствола.
5. Оптическое исследовательское устройство по п.4, отличающееся тем, что блок (32) демодуляции и анализа выполнен с возможностью осуществления спектрального анализа сигналов, принятых от множества фотодетекторов (27a, 27b, 27c), и дополнительно использует информацию о соответствующих местоположениях множества фотодетекторов (27a, 27b, 27c).
6. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.4 и 5, отличающееся тем, что блок (32) демодуляции и анализа выполнен с возможностью реконструкции многомерного изображения интересующей области мутной среды.
7. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что участок (21) ствола образует, по меньшей мере, часть биопсийной иглы, катетера или эндоскопа.
8. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно устройство источника света образуется концом световодной конструкции (23), соединенной с блоком (80) генерации света, выполненным с возможностью обеспечения пучка (11) широкополосного света.
9. Оптическое исследовательское устройство по п.8, отличающееся тем, что световодная конструкция (23) располагается в материале участка (21) ствола или в основном элементе (31), выполненном с возможностью размещения в полом канале (30) внутри участка ствола.
10. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один фотодетектор (27a, 27b, 27c) встраивается в материал участка (21) ствола.
11. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оптическое исследовательское устройство (10) выполнено с возможностью наложения высокочастотной модуляции в диапазоне частот выше 50 МГц на пучок (11) широкополосного света.
12. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оптическое исследовательское устройство является медицинским устройством, выполненным с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в тело млекопитающего.
13. Оптическое исследовательское устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно устройство источника света обеспечивается в области участка (22) наконечника.
