CN101903762B - 光纤探针 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种光纤探针(100)，其使光谱***中激发光与收集光之间的重叠最小化。光纤探针包括照明纤维(102)，照明纤维(102)具有一定长度和接近目标的末端，其中照明纤维被配置成将自光源的光传导至目标。光纤探针还包括至少一个收集纤维(104，106)，收集纤维具有接近目标的倾斜端部，其中收集纤维被配置成远离目标传导光。照明纤维还被配置成沿着其长度的至少部分朝向末端呈锥形且至少一个收集纤维的倾斜端面朝向照明纤维的铅笔形的锥形端面。

Description

光纤探针
技术领域
本发明涉及一种光纤探针，其特别地用于生物组织的光谱分析。
背景技术
美国专利US5822072讨论了一种适用于进行光谱测量的熔融光纤探针。熔融光纤探针包括熔融于优选地硅石制成的外壳内的具有具体几何配置的探针末端，激发光纤和至少一个收集光纤。探针末端可成形的具体几何配置包括以大于0°角倾斜的探针末端，倒置的圆锥形探针末端以及透镜头部。使用带熔断器的(fused)光纤探针将激发光能传输到样品介质，且也将从样品介质接收的光信号传输至信号分析器。
美国专利申请US2001/0012429A1讨论了一种改进的用于低光光谱分析的光纤探针组件。这种改进的光纤探针对于具有高度分析重要性的精密的光与物质之间的相互作用的响应性进行了改进，且减弱了对其它主要效应的敏感度。这通过调整对视场的照明和收集以便最优化探针敏感度而实现。在纤维的内部施加光操纵使得探针的递送模式和视场并不需要外部操纵且不会受到所研究的介质的不利影响。这允许光递送图案或者视场或二者均激进地(aggressive)以离开轴线的方式行进以实现显著提高的性能水平。激进的光束行进也通过采用纤维中的内反射表面实现。纤维还将过滤器、串扰抑制器和提供高性能探针的其它结构合并在牢固的封装中。
发明内容
由于现有技术中探针末端的几何形状，在入射光或激发光与收集光之间存在显著重叠。这种重叠可导致输出光谱强度的减小，而这种减小可反过来导致在确定输出光谱中峰值位置方面具有减小的准确度。因此希望具有一种光纤探针，其能在确定输出光谱中峰值位置方面实现更高的准确度。因此，在本发明中公开了一种使激发光与收集光之间的重叠最小化的光纤探针。
该光纤探针包括照明纤维，照明纤维具有一定长度和接近目标的末端，其中照明纤维被配置成将光从光源传导至目标。光纤探针还包括至少一个收集纤维，该至少一个收集纤维具有接近目标的倾斜端部，其中收集纤维被配置成远离目标传导光。照明纤维被进一步配置成沿着其长度的至少部分朝向末端呈锥形。每一个收集纤维的倾斜端部朝向照明纤维的锥形面。
由于锥形末端，从照明纤维发出更会聚或更窄的光束，从而减小激发光与收集光之间的重叠。收集纤维的倾斜端部有助于增加收集区域。这两个特点(即锥形末端与倾斜端部)的组合，与单独地使用这两个特点中的任一个相比，导致输出光谱强度的更大增加，从而提高确定光谱峰值位置的准确度。
附图说明
参看附图，基于下文的实施例，以举例说明的方式，在下文中详细地描述了本发明的这些方面和其它方面，在附图中：
图1示出光纤探针，其具有锥形照明纤维和两个具有倾斜端部的收集纤维；
图2a示出单个收集纤维的正面图；
图2b示出图1所示的光纤探针的横截面图；
图3a和图3b示出所公开的具有可调整照明纤维的光纤探针的实施例；以及
图4示出包括图1所示的光纤探针的光谱***。
当在各个附图中使用时，相对应的附图标记表示附图中相对应的元件。
具体实施方式
近年来，已经考虑利用光谱学来筛查癌，尤其是口腔癌。光谱学处置电磁辐射与物质的相互作用，主要是在紫外光(10nm至100nm)、可见光(400nm至700nm)、近红外(1000nm至1μm)和红外(10μm至1mm)的波长范围。基于光谱学测量的结果来筛查患者的口腔癌涉及利用电磁辐射来辐照目标样品(例如，在受试者口内的生物组织)，测量从样品吸收、发出和/或散射的光量，并对所测量的光的光谱组分进行分析和解读。
有前景的光学技术是激光诱导荧光光谱(LIFS)，也被称作自动荧光光谱(AFS)。在此技术中，相关组织由光源激发，光源可为激光器或高强度宽带光源，并测量组织的荧光光谱。关于LIFS的额外信息可见于Nirmala Ramanujam、Neoplasia的文章“FluorescenceSpectroscopy of Neoplastic and Non-Neoplastic Tissue，卷2，第1-2期，2000年1月-4月，第89-117页。尽管在这个文献中的大部分描述可以以举例说明的方式提及LIFS，但是应当指出的是所公开的光纤探针也可与其它光谱技术一起使用。
光纤探针适用于向人解剖结构的难以到达的部分辐照并从该难以到达的部分收集数据。但是，探针的设计较为关键，因为其可影响光到组织的递送和光到组织内的传播、收集效率(即，所收集的光子总数相对于发射的光子总数)和收集光的起源。光纤装置中的照明(即，激发)纤维和收集纤维的配置在决定所记录的光谱的品质方面起到重要作用。设计参数包括单个纤维相对于多个纤维的选择，照明纤维和收集纤维的大小、光源/激发源的孔径以及源到检测器的间隔。另外，关于光纤探针设计考虑的另外信息可见于Urs Utzinger和Rebecca R.Richards-Kortum的文章“Fiber optic probes forbiomedical optical spectroscopy”，Journal of Biomedical Optics8(1)，121-147(2003年1月)，以及Adrien Ming Jer Wang、Janelle EliseBender、Joshua Pfefer、Urs Utzinger和Rebekah Anna Drezek的文章“Depth-sensitive reflectance measurements using obliquelyoriented fiber probes”，Journal of Biomedical Optics10(4)，044017(2005年7月/8月)。
图1示出所公开的光纤探针100的实施例。照明纤维(IF)102将自光源(在图4中示为402)的入射光108传输至相关组织(TIS)114。在与相关组织114相互作用之后返回的光110、112由收集纤维(CF)104、106收集以传输到处理单元(在图4中示为404)。
照明纤维102在末端处为锥形以产生较窄的入射光束。这减轻了入射光108与收集光纤104、106所收集的光110、112的干涉。收集纤维104、106具有倾斜端部以使收集区域最大化，该收集区域即组织114的这样的区域：反射的光从该区域进行收集。例如由于来自组织的荧光，作为反射的光的替代，收集纤维也可收集散射光或者发射光。
尽管收集纤维104、106的端部被示为沿一方向倾斜以便与照明纤维102的纵向轴线成锐角，也考虑端部沿另一方向的倾斜，即以便与照明纤维102的纵向轴线成钝角。而且，还考虑倾斜端部的各种角度，例如30°、45°等。尽管在图中仅示出两个收集纤维104、106，也可使用单个收集纤维。或者，也可使用多于两个收集纤维。
图2a示出具有倾斜端部202的单个收集纤维204，当纤维定向成收集表面平行于页面时。图2b示出包括单个照明纤维208和六个收集纤维206a、206b、206c、206d、206e和206f的光纤探针200(即，当从探针的末端端部观察时)中的光纤束的端视图或投影，每个收集纤维具有图2a所示的倾斜端部。
由于收集纤维206a-206f的倾斜端部，其在纸面上的投影表现为椭圆形截面。两个圆208a、208b示出照明纤维208的两个端截面的投影。换言之，结合着参看图1，照明纤维102具有宽部和顶点位于窄末端的锥形部分。圆208示出较宽部分的投影，而较小圆208b表示末端。应当指出的是尽管图1所示的照明纤维102是铅笔形，但其它锥形也是可能的。举例而言，能具有下面这样的照明纤维：其从一端(比如说连接到光源的端部)到末端自始至终为锥形。或者，也可考虑其它形状，诸如与直部分散布置的多个锥形部分。
在图3a和图3b所示的示范性实施例中，光纤探针300具备可调整的照明纤维302。典型光纤探针具有重叠的照明区域与收集区域以使组织浊度效应最小化且使采样区域通常在1mm直径的范围内，这样可以充分信噪比来测量荧光。已知的是，探针到目标的距离显著地影响荧光发射的强度和荧光发射起源的区域(深度)。因此，在许多情况下，固定的照明区域可能不覆盖整个相关组织。在这种情形下，可调整的激发探针可有助于更准确地覆盖所希望的组织区域。所提出的图3a和图3b的实施例克服上述问题，因为其通过改变激发纤维302与目标组织312之间的距离来改变被照亮的区域，同时使所揭示的光纤探针的设计保持提高的收集效率。
特别地，照明纤维302可沿着光纤探针的纵向轴线在光线探针300内上下移动，以便移动纤维的末端进一步远离或进一步靠近目标组织312。光纤探针的纵向轴线也是照明纤维302的纵向轴线，且因此照明纤维302的移动也可描述为沿着其自身的纵向轴线移动。线状箭头示出入射到组织312的光以及由收集纤维306收集的光的方向。块状箭头示出激发或照明纤维302的移动。具体而言，图3a示出照明纤维302远离组织312移动以便增加激发光的覆盖区域，而图3b示出照明纤维302更靠近目标组织312移动，用于更会聚的激发。当照明纤维302与组织312之间的距离改变时，可能需要调整照明光源(图4中的402)的强度。所需调整的细节可见于先前所引用的现有技术文献中。可通过手动器件，例如附连到照明纤维302上的把手或螺旋机构来实现照明纤维302的移动。或者，可使用步进电机及其类似物来自动地实现这种移动。
在图4中示出典型荧光光谱***。其包括光源(LS)402、照明与收集***100以及检测与处理单元(DPU)404，检测与处理单元(DPU)404可测量作为波长的函数的所发出的光。
光源402可为单色光源，例如，激光或者高强度宽带辐射源。照明与收集***100是如在本公开内容的各个实施例中所实施的光纤探针。如先前所提到的那样，其用于将来自光源402的入射光传输至组织TIS，以及将从组织TIS反射、散射或发射的光传导至检测与处理单元404。检测与处理单元404自光纤探针接收光且执行光谱分析以检测所接收的光中的各种频率组分。这种处理的实例可为检测所接收的光中的光谱峰值的简单傅里叶变换操作。也考虑其它技术，诸如功率谱分析技术等。
尽管使用光来作为入射的和被收集的电磁辐射经常在实施例中进行描述，但应当指出的是也可使用其它形式的适当电磁辐射。
在所公开的方法的描述实施例中的次序并非强制性的。在不偏离所公开的概念的情况下，本领域技术人员可改变步骤的次序或者使用线程模型、多处理器***或者多个过程来同时执行步骤。
应当指出的是，上述实施例说明了本发明而非限制本发明，且在不偏离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员能设计许多替代实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应认为限制权利要求。词语“包括”并不排除在权利要求书中列出的那些要素或措施之外的要素或措施的存在。在元件之前的词语“一”并不排除多个这样的元件的存在。可利用包括若干不同元件的硬件和利用合适的编程的计算机来实施所公开的方法。在列举出若干器件的***权利要求中，若干个这些器件中可由计算机可读软件或硬件的同一个条目来实施。在相互不同的附属权利要求中陈述特定措施的简单事实并不表示不可使用这些措施的组合来取得益处。

Claims (5)

1.一种用于进行光谱测量的光纤探针(100)，其包括：
照明纤维(102)，其具有一定长度和接近目标(114)的末端，该照明纤维(102)被配置成将来自光源(402)的光传导至目标(114)；以及
至少一个收集光纤(104，106)，其具有接近所述目标(114)的倾斜端部，该至少一个收集光纤(104，106)被配置成远离所述目标(114)传导光；
其特征在于：
其中所述照明纤维(102)被配置成沿着其长度的至少部分朝向所述末端呈锥形以从照明纤维发出更会聚或更窄的光束，从而减小自光源传导至目标的光与远离目标传导的光之间的重叠；以及
所述收集纤维(104，106)中每一个的倾斜端部朝向所述照明纤维(102)的锥形面以增加收集区域。
2.根据权利要求1所述的光纤探针，其中所述照明纤维是铅笔形。
3.根据权利要求1所述的光纤探针，其中所述倾斜端部与所述照明纤维(102)的纵向轴线成45°角。
4.根据权利要求1所述的光纤探针，其中所述照明纤维(302)可沿着所述光纤探针的纵向轴线移动，从而能调整所述目标(312)与所述照明纤维(302)的末端之间的间隔。
5.一种光谱***，其包括：
激发光源(402)；
照明与收集***(100)；以及
检测与处理单元(404)，其被配置成测量作为波长的函数的所发出的光；
其中所述照明与收集***(100)包括光纤探针，其包括：
照明纤维(102)，其具有一定长度和接近目标(114)的末端，该照明纤维(102)被配置成将来自光源(402)的光传导至所述目标(114)；以及
至少一个收集纤维(104，106)，其具有接近所述目标(114)的倾斜端部，该至少一个收集纤维(104，106)被配置成远离所述目标(114)传导光，
其特征在于：
其中所述照明纤维(102)被配置成沿着其长度的至少部分朝向所述末端呈锥形以从照明纤维发出更会聚或更窄的光束，从而减小自光源传导至目标的光与远离目标传导的光之间的重叠；以及
所述收集纤维(104，106)中每一个的倾斜端部朝向所述照明纤维(102)的锥形面以增加收集区域。
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