用于生成深度剖面的方法和系统技术方案

本文提供了在通过样本厚度成像时可以提高光学分辨率的方法、设备和系统。用于生成受试者的组织的深度剖面的方法可以包括：使用光学探针将来自光源的激发光束传输至组织表面；使用光学探针中的一个或多个聚焦单元沿扫描路径同时调节激发光束的焦点的深度和位置；检测组织与激发光束接触时生成的信号的至少子集；以及使用一个或多个编程为处理信号的至少子集的计算机处理器以生成组织的深度剖面。子集的计算机处理器以生成组织的深度剖面。子集的计算机处理器以生成组织的深度剖面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成深度剖面的方法和系统
交叉引用
[0001]本申请要求于2018年11月13日提交的美国临时专利申请62/760,620的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术介绍

[0002]利用点扫描激发的成像设备(例如，非线性显微镜，双光子、三光子、多光子共聚焦拉曼，相干反斯托克斯拉曼光谱(Coherent anti
‑
Stokes Raman spectroscopy)，光学相干断层扫描(OCT))在平行于光轴但垂直于成像样本表面的方向上的分辨率在光学上可受限。
[0003]衍射可以防止将光聚焦到实际点，但是产生称为点扩散函数(PSF)的光集中区域。在三个维度上，PSF可以是相对于XY平面在Z方向(平行于光轴的方向)上伸长的椭圆体。PSF的尺寸可指示系统可分辨的最小特征，例如，系统的成像分辨率。在XZ/YZ平面中的PSF(轴向分辨率)可比在XY平面中的PSF(横向分辨率)长数倍。当尝试对样本的横截面成像时，该作用可降低图像质量。可通过增加光学系统的数值孔径(NA)来减小PSF的尺寸，但仍可存在PSF在Z方向上比在X或Y方向更长的趋势。当在折射率接近于1.5的浸渍介质中成像时，轴向PSF尺寸与横向PSF尺寸之间的比率可为大约5/NA。因此，当NA为1.0时，轴向PSF尺寸可为横向PSF尺寸的五倍。当NA值低于1.0时，PSF的这种拉伸可增加。例如，当NA为0.7时，对于衍射受限的光学系统，近红外光谱中激发波长的横向分辨率为大约0.7μm。在这样的系统中，轴向分辨率可大于4μm，其可比横向平面分辨率差约六倍。系统限制条件(例如，像差、透镜直径和焦距)可限制可以达到的实际NA。

技术实现思路

[0004]本文提供了当通过样本的厚度成像时可以提高光学分辨率的方法和设备。本文还提供了可以改善疾病诊断的方法和设备。
[0005]在一方面，本公开内容提供了一种用于生成受试者的组织的深度剖面(depth profile)的方法，其包括：(a)使用光学探针将激发光束从光源传输至组织的表面，所述激发光束的脉冲在与组织接触时产生指示组织的内在性质的信号，其中所述光学探针包括一个或多个聚焦单元，所述聚焦单元同时调节激发光束的焦点的深度和位置；(b)检测信号的至少子集；和(c)使用一个或多个计算机处理器以生成组织的深度剖面，所述计算机处理器编程为处理在(b)中检测到的信号的至少子集。
[0006]在一些实施方案中，激发光束是脉冲光束。在一些实施方案中，激发光束是单光束。在一些实施方案中，单光束是脉冲光束。在一些实施方案中，激发光束包括多光束。在一些实施方案中，该方法还包括(b)包括同时检测信号的多个子集。在一些实施方案中，该方法还包括处理信号的多个子集以生成多个深度剖面，其中所述多个深度剖面指示检测信号时的探针位置。在一些实施方案中，所述多个深度剖面对应于相同的扫描路径。在一些实施方案中，扫描路径包括倾斜的扫描路径。在一些实施方案中，该方法还包括为多个深度剖面的每一个分配至少一种不同的颜色。在一些实施方案中，该方法还包括组合来自多个深度
剖面的数据的至少一个子集以形成合成深度剖面。在一些实施方案中，该方法还包括在显示屏上显示源于合成深度剖面的合成图像。在一些实施方案中，合成图像是多色图像。在一些实施方案中，多色图像的颜色分量对应于使用时间和位置同步的信号子集的多个深度剖面。在一些实施方案中，多个层中的每一层包括识别不同于其他层的特征的数据。在一些实施方案中，深度剖面包括多个深度剖面子集，其中所述多个子集深度剖面包括来自处理后生成信号的光学数据。在一些实施方案中，所述多个深度剖面包括第一深度剖面和第二深度剖面。
[0007]在一些实施方案中，第一深度剖面包括通过处理一信号而得的数据，该数据与从包括在第二深度剖面中的信号而产生的数据不同。在一些实施方案中，其中第一深度剖面和第二深度剖面包括一个或多个独立地选自二次谐波产生(SHG)信号、多光子荧光信号和反射共聚焦显微镜(RCM)信号的处理信号。在一些实施方案中，多个深度剖面包括第三深度剖面，所述第三深度剖面包括来自选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号处理的数据。在一些实施方案中，深度剖面包括根据信号的多个子集创建的单个分量、图像或深度剖面。在一些实施方案中，深度剖面包括根据从相同位置和时间收集的图像的多个子集创建的多个层。在一些实施方案中，该方法还包括生成多个深度剖面。在一些实施方案中，多个深度剖面中的每一个对应于不同的探针位置。在一些实施方案中，多个深度剖面对应于检测信号时不同的扫描图案(scan pattern)。在一些实施方案中，不同的扫描图案对应于相同的时间和探针位置。在一些实施方案中，不同扫描图案中的至少一个扫描图案包括倾斜扫描图案。在一些实施方案中，倾斜扫描图案形成倾斜平面。
[0008]在一些实施方案中，组织包括体内组织。在一些实施方案中，(c)包括生成体内深度剖面。在一些实施方案中，深度剖面是带注释的深度剖面。在一些实施方案中，注释包括至少一种选自词语和标记的注释。在一些实施方案中，信号包括至少一个选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号。在一些实施方案中，多光子荧光信号包括多个多光子荧光信号。在一些实施方案中，信号包括至少两个选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号。在一些实施方案中，信号包括SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号。在一些实施方案中，信号还包括至少一个选自三次谐波产生信号、相干反斯托克斯拉曼散射信号、受激拉曼散射信号和荧光寿命成像信号的信号。
[0009]在一些实施方案中，信号在组织内在相同时间和位置产生。在一些实施方案中，该方法还包括在(a)之前，使受试者的组织与光学探针接触。在一些实施方案中，该方法还包括沿着扫描路径调节激发光束的焦点的深度和位置。在一些实施方案中，扫描路径是倾斜的扫描路径。在一些实施方案中，倾斜的扫描路径形成沿着相对于光学探针的光轴成角度的方向定位的倾斜平面。在一些实施方案中，倾斜平面与光轴之间的角度大于0度且小于90度。在一些实施方案中，(a)
‑
(c)在不向受试者给药对比度增强剂的情况下进行。在一些实施方案中，激发光束包括非偏振光。在一些实施方案中，激发光束包括偏振光。在一些实施方案中，在环境光的存在下进行检测。在一些实施方案中，(a)在不穿透受试者的组织的情况下进行。在一些实施方案中，该方法还包括使用一个或多个计算机处理器利用深度剖面来识别组织的特征。
[0010]在一些实施方案中，该方法还包括使用一个或多个计算机处理器来识别组织中的疾病。在一些实施方案中，疾病的识别准确度为至少约80％。在一些实施方案中，疾病的识
别准确度为至少约90％。在一些实施方案中，疾病为癌症。在一些实施方案中，所述组织为受试者的皮肤，并且其中所述癌症为皮肤癌。在一些实施方案中，深度剖面的分辨率为至少约0.8微米。在一些实施方案中，深度剖面的分辨率为至少约4微米。在一些实施方案中，深度剖面的分辨率为至少约10微米。在一些实施方案中，该方法还包括测量激发光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成受试者的组织的深度剖面的方法，包括：(a)使用光学探针将来自光源的激发光束传输至所述组织的表面，所述激发光束的脉冲在接触所述组织时产生指示所述组织的内在性质的信号，其中所述光学探针包括一个或多个聚焦单元，所述聚焦单元同时调节所述激发光束的焦点的深度和位置；(b)检测所述信号的至少一子集；以及(c)使用一个或多个计算机处理器，所述一个或多个计算机处理器编程为处理在(b)中检测到的所述信号的所述至少所述子集以生成所述组织的所述深度剖面。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发光束是脉冲光束。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发光束是单光束。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述单光束是脉冲光束。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发光束包括多光束。6.根据权利要求1所述的方法，其中(b)包括同时检测所述信号的多个子集。7.根据权利要求1的方法，还包括处理所述信号的所述多个子集以生成多个深度剖面，其中所述多个深度剖面对应于检测所述信号时的探针位置。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个深度剖面对应于相同的扫描路径。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述扫描路径包括倾斜的扫描路径。10.根据权利要求7所述的方法，还包括为所述多个深度剖面的每一个分配至少一种不同的颜色。11.根据权利要求7所述的方法，还包括组合来自所述多个深度剖面的数据的至少一子集，以形成合成深度剖面。12.根据权利要求7所述的方法，还包括在显示屏上显示从所述合成深度剖面导出的合成图像。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述合成图像是多色图像。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多色图像的颜色分量对应于使用在时间和位置上同步的信号子集的多个深度剖面。15.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个层中的每一层包括识别不同于其他层的特征的数据。16.根据权利要求13所述的方法，其中所述深度剖面包括多个子集深度剖面，其中所述多个子集深度剖面包括来自处理的生成信号的光学数据。17.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个深度剖面包括第一深度剖面和第二深度剖面。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一深度剖面包括通过处理一信号而得的数据，该数据与从包括在所述第二深度剖面中的信号而产生的数据不同。19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一深度剖面和所述第二深度剖面包括一个或多个独立地选自二次谐波产生(SHG)信号、多光子荧光信号和反射共聚焦显微镜(RCM)信号的处理的信号。20.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个深度剖面包括第三深度剖面，所述第三深度剖面包括由选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号处理的数据。21.根据权利要求1所述的方法，其中所述深度剖面包括从所述信号的多个子集创建的
单个分量、图像或深度剖面。22.根据权利要求1所述的方法，其中所述深度剖面包括从相同位置和时间收集的多个图像子集创建的多个层。23.根据权利要求1所述的方法，还包括生成多个深度剖面。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述多个深度剖面中的每一个对应于不同的探针位置。25.根据权利要求23所述的方法，其中所述多个深度剖面对应于在检测信号时不同的扫描图案。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述不同的扫描图案对应于相同的时间和探针位置。27.根据权利要求25所述的方法，其中所述不同扫描图案中的至少一种扫描图案包括倾斜扫描图案。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述倾斜扫描图案形成倾斜平面。29.根据权利要求1所述的方法，其中所述组织包括体内组织。30.根据权利要求29所述的方法，其中(c)包括生成体内深度剖面。31.根据权利要求1所述的方法，其中所述深度剖面是带注释的深度剖面。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述注释包括至少一个选自词语和标记的注释。33.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号包括至少一个选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号。34.根据权利要求33所述的方法，其中所述多光子荧光信号包含多个多光子荧光信号。35.根据权利要求33所述的方法，其中所述信号包括至少两个选自SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号的信号。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述信号包括SHG信号、多光子荧光信号和RCM信号。37.根据权利要求33所述的方法，其中所述信号还包括至少一个选自三次谐波产生信号、相干反斯托克斯拉曼散射信号、受激拉曼散射信号和荧光寿命成像信号的信号。38.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号在所述组织内的相同时间和位置产生。39.根据权利要求1的方法，还包括在(a)之前，使所述受试者的所述组织与所述光学探针接触。40.根据权利要求1所述的方法，还包括沿着扫描路径调节所述激发光束的所述焦点的所述深度和所述位置。41.根据权利要求40所述的方法，其中所述扫描路径是倾斜的扫描路径。42.根据权利要求41所述的方法，其中所述倾斜的扫描路径形成沿相对于所述光学探针的光轴成角度的方向定位的倾斜平面。43.根据权利要求42所述的方法，其中所述倾斜平面与所述光轴之间的角度大于0度且小于90度。44.根据权利要求1所述的方法，其中(a)
‑
(c)在不向所述受试者施用对比度增强剂的情况下进行。45.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发光束包括非偏振光。
46.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发光束包括偏振光。47.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测在环境光的存在下执行。48.根据权利要求1所述的方法，其中(a)在不穿透所述受试者的所述组织的情况下进行。49.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述一个或多个计算机处理器使用所述深度剖面识别所述组织的特征。50.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述一个或多个计算机处理器来识别所述组织中的疾病。51.根据权利要求50所述的方法，其中以至少约80％的准确度识别所述疾病。52.根据权利要求51所述的方法，其中以至少约90％的准确度识别所述疾病。53.根据权利要求50所述的方法，其中所述疾病是癌症。54.根据权利要求53所述的方法，其中所述组织是所述受试者的皮肤，并且其中所述癌症是皮肤癌。55.根据权利要求1所述的方法，其中所述深度剖面具有至少约0.8微米的分辨率。56.根据权利要求1所述的方法，还包括测量所述激发光束的功率。57.根据权利要求56所述的方法，还包括实时监测所述激发光束的所述功率。58.根据权利要求56所述的方法，还包括使用所述一个或多个计算机处理器对所述功率进行归一化，从而生成归一化的深度剖面。59.根据权利要求1所述的方法，还包括显示至少部分地由所述深度剖面生成的所述组织的投影横截面图像。60.根据权利要求59所述的方法，还包括显示多个层的图像的合成图。61.根据权利要求60所述的方法，其中所述多个层中的每一层由多个深度剖面中的对应深度剖面生成。62.一种用于生成受试者的组织的深度剖面的系统，包括：光学探针，所述光学探针被配置为将激发光束从光源传输至所述组织的表面，所述激发光束在接触所述组织时...

【专利技术属性】
技术研发人员：加布里埃尔，
申请(专利权)人：恩斯派克特拉健康公司，
类型：发明
国别省市：