CN105190308A - 高效调制成像 - Google Patents

Abstract

一种用于混浊样本测量的设备包括：多个光源，用于用非空间结构化光来照射混浊样本目标区域；投影***，用于用空间结构化光来照射混浊样本目标区域；传感器，用于从混浊样本的目标区域收集光，以及处理器，用于分析由传感器捕捉的数据，以生成混浊样本的散射和吸收系数。一种方法包括：用空间结构化光来照射样本，在许多波长下收集从样本反射的光，用非空间结构化光来照射样本，在许多波长下收集从样本反射的光，以及将收集的光的测量结果组合以获得样本的光学性质和/或吸收或荧光分子的浓度。空间和非空间光源的波长优选地是不同的。

Description

高效调制成像

技术领域

本文所述的实施例一般地涉及用于组织结构和功能的定量表征的调制成像，并且更具体地涉及促进高效调制成像的***和方法。

背景技术

组织结构和功能的定量表征是医学成像中的最具挑战性的问题之一。扩散光学法受到基本光-组织相互作用限制可被使用以从微米至厘米的长度规模的分辨率和深度灵敏度来测量生物组织或其它混浊（即光散射）样本。诸如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水之类的重要组织成分（称为发色团）能够以光学方式被检测，并且动作与评估局部组织健康或生理状态的各种指示符或指标相关。此类指标的示例包括组织氧饱和（stO₂，或氧合血液的组分）、全血量（ctTHb）、组织含水率（ctH₂O）以及组织灌注或新陈代谢。这些指标可以提供用于医师执行诊断和/或指导治疗的强大手段。可以检测到这些发色团，因为其具有可检测特征的在可见光和/或近红外区中的吸收光谱。本质上，可以使用光源来照射组织样本，并且可以使用汇入光来测量组织中的吸收特征并将感兴趣的发色团量化。实际上，这是由于组织中的散射的存在而导致的困难的测量。在学术界已经描述了一种基于探针的技术，并且其也已被许多公司（Somanetics、Hutchinson、ViOptix）进行商业转化。这些技术中的每一个使用许多不同算法和硬件部件（照明源、光谱检测）来处理对组织散射进行考虑、修正或控制的问题，以推导出关于血红蛋白和组织氧合的有意义信息。这些探针利用单点检测器的大量选择，使得能够实现光谱灵活性和高灵敏度。然而，接触探针经受一些主要限制。本质上，接触探针并不是成像技术，并且因此对于评定大面积的组织而言并不是理想的。这一点重要是因为组织健康状况常常是空间变化的，例如在组织创面（烧伤、溃疡、皮瓣等）中，其中，在正常组织与创面之间以及在创面本身内都可能存在空间对比度（例如创面边界相对创面中心）。利用接触探针，为了合成低分辨率图像，必须将多个接触探针放置在许多组织位置中，或者必须跨表面扫描探针。典型的创面在尺寸方面从若干mm至许多cm不同，对设计用来选址和/或适应此大范围的探针技术提出挑战。

在学术界和商业上还已开发了基于照相机的光谱成像方法。使用可见光的多光谱成像技术（HyperMed）已被应用于在宽视野（～10cm×10cm）上测量组织氧合且已被应用于糖尿病患者创面的监视。多谱成像法通常采用仅对组织的顶部浅表（＜1mm深）层进行采样的波长。虽然近红外线（650-1000nm）穿透深得多，但是由于强组织散射系数的存在（即与吸收相比），要隔离和量化反射或发射光信号中的发色团对比度更具挑战性。可以克服此限制并在浅表层（～100um深）层以及表面下层（1-10mm）两者中以无接触方式在宽视野上评估组织健康状况的技术更有价值且因此被期待。

最近引入了称为调制成像（MI）的新型光学成像方法，其使得能够在不要求直接接触的情况下在宽视野和组织深度中实现疾病进展和治疗响应的定量分析。在本文称为Bevilacqua等人的美国专利6,958,815B2中已描述了MI，其通过引用被结合到本文中。这种技术包括利用在一个或多个光学波长的空间调制光（或“结构化光”）图案来照射生物组织或其它混浊介质（具有散射性和吸收性两者的样本），并分析从组织最后得到的收集回的反射和散射的光。MI的优选实施例称为空间频域成像（SFDI），其中，空间光图案或结构是正弦的，其提供从少数（通常每波长3-15个）的结构化光测量结果来检测结构化光对比度的算法上简单的方式。当与多谱成像组合时，可以使用在两个或更多波长下的光学性质来定量地确定与组织健康有关的发色团的体内浓度，例如氧合血红蛋白（ctO₂Hb）、脱氧血红蛋白（ctHHb）和水（ctH₂O）。

为了执行吸收发色团的光谱（波长相关）测量，MI技术要求以各种波长从组织收集汇入的空间结构化光。这至今已经通过针对每个期望波长重复Bevilacqua等人的公开技术而实现。因此，总成像时间直接地随着测量的波长数目而衡量。这对于其中照明源不那么明亮、光通量低且由于CCD限制导致的检测器量子效率低的近红外中的一些波长而言可能特别具有挑战性。对于低通量波长而言，要求长积分时间（数十倍至数百倍ms），以获得适当的信噪比。必须在那些波长下增加光强度以便减少积分时间。然而，这受到以下限制：集光率或光通量、结构化光投影硬件的限制（包括光源（例如，LED、激光器、白光灯泡）、光中继***（例如透镜、波导、镜面）两者）以及图案生成技术（例如，反射式数字微镜阵列或硅上液晶、图案化透射材料或LCD阵列、或全息元件）。弱或低效的波长带的强度方面的“强力（Bruteforce）”的增加可以具有其它效果，包括增加的功率消耗、增加的热应力（这可以导致进一步的源的低效和不稳定）以及增加的冷却要求。较长的成像时间也在医学（或其它运动敏感）应用中产生实际问题，因为其导致由于在研究下的测量样本（例如组织）的小的移动造成的最终图像中的伪像。因此，期望提供在保持准确度而改善***效率并减少成像时间的同时改善当前调制成像方法的能力的设备和方法。

如上文简要地描述的那样，MI包括在大面积（许多cm²）的组织（或其它混浊）样本内用一个或多个空间结构化强度图案来照射样本并收集且分析最后得到的从样本接收回的光。对于从样本接收回的空间结构化光的振幅和/或相位的分析作为空间频率或周期性的函数（常被称作调制传递函数（MTF）），可被用来确定任何离散波长下的样本的光学性质信息。组织光学性质的示例包括光吸收、光散射（光度和/或角相关性）以及光致荧光。该光相关的数据（基于模型或根据经验导出）的分析可被用来生成定量吸收和减少的散射光学性质的2D或3D映射图。还可以通过对多个空间光学性质或导出结果求平均或者另外进行累加来产生分区（多像素）评估。通过在各种波长下使用空间频率或周期性信息，MI可以将吸收和荧光从散射效果分离，其每个起因于物理上独特的对比度机制。

用MI在多个波长下对吸收系数进行映射，进而使得能够实现组织发色团的定量光谱，其包括但不限于氧合和脱氧血红蛋白和水（ctO₂Hb、ctHHb以及ctH₂O）及导出的生理参数，诸如组织氧饱和以及血容量（stO₂和ctTHb）。还可以同时地测量从组织收集的光的空间变化相位，并且生成拓扑表面信息。此测量组合使得能够实现用于适应分析中的曲面的校准数据以及3D组织轮廓的可视化。在图1中示出了典型数据流。

MI的测量和分析中存在的问题是成像时间。较长的成像时间增加对运动和环境光照的灵敏度，其可以导致被测量生物度量的二维映射图中的伪像-特别是在临床应用中。硬件限制是长成像时间的关键原因。诸如发光二极管（LED）之类的高功率光源可以改良问题，但是测量时间在近红外方面仍是问题。这是因为LED功率和照相机灵敏度可以在很大程度上取决于波长，并且LED功率受到设备的尺寸和冷却要求的限制。

图2示出了用显示出运动伪像的现有技术调制成像设备收集的婴儿烧伤创面的示例性数据集。图2（b）示出了反射率数据相对波长和空间频率。注意解调970nm数据中的伪像高空间频率条纹图案（右侧，底部）。在本文，术语解调数据指的是将从组织接收到的光的所提取的振幅在每个空间频率下归一化到光照明的振幅。换言之，解调数据是被照射组织的调制传递函数。这些伪像是由于该波长所需的长积分时间期间的运动而引起的。如图2（c）突出显示的那样，与其它较短波长（即仅0.5s）相比，我们要求10x的较长积分时间（即5s）以在970mm下获取该数据集。使用所有波长信息来产生发色团或散射振幅/斜率测量结果导致导出数据中的正弦伪像，如在图2（d）中的平均散射振幅图像中所示出的那样。

已经显示出，如果排除970nm波长测量结果（并因此排除水浓度（ctH₂O）的分析），仍可以通过采取典型组织含水率来准确地计算ctO₂Hb和ctHHb。图2（e）示出了当排除正确识别婴儿手臂的左上角（用黑色箭头指示）中的高散射区域的970nm数据时的最后得到的分析。此区域对应于烧伤的最严重位置且对识别有用。然而，水灵敏度在许多研究中是高度期望的，因此不期望排除970mm数据。

因此，一般地，期望具有在各种波长下捕捉目标发色团的光谱对比度测量结果的灵活性，同时对核心调制成像技术的结构化光要求具有复杂性方面的最小增加（如果有的话）。因此期望提供用以消除具有不良性能/灵敏度的波长下的伪像的效果，以便提供关于所有相关组分的浓度和/或分布的全部信息的设备和方法，所述所有相关组分包括ctH₂O、ctO₂Hb、ctHHb等（例如胆红素、高铁血红蛋白、脂质、外源性物质）。

发明内容

本文提供的实施例针对促进用于组织结构和功能的定量表征的高效调制成像的***和方法。在一个实施例中，一种用于测量混浊样本的设备包括：照射设备，具有被配置成用不具有空间结构的光来照射混浊样本的目标区域的多个光源；投影***，被配置成用具有空间结构的光来照射混浊样本的目标区域；传感器，被配置成收集来自混浊样本的目标区域的光；以及处理器，被配置成分析由传感器捕捉的数据，以生成混浊样本的散射和吸收系数。被配置成用不具有空间结构的光来照射样本的光源被布置在照明设备的周界上。投影***包括许多可开关光源。没有空间结构的光源的波长优选地不同于具有空间结构的光的波长。

在另一实施例中，一种用于测量混浊样本的方法包括：用具有空间结构的光来照射样本，收集从样本反射的光，以获得许多波长下的样本的汇入光，用不具有空间结构的光来照射样本，收集从样本反射的光，以获得许多波长下的样本的汇入光，并将从具有空间结构的光和不具有空间结构的光获得的测量结果组合以获得拟合参数，包括波长下的样本的光学性质和/或吸收或荧光分子的浓度。

不具有空间结构的光的波长优选地不同于具有空间结构的光的波长，即≠。

使用描述散射对波长的相关性的散射函数来执行获得的测量结果的组合，以在使用具有空间结构的光获得的离散波长下对测量结果进行内插或外推，以便获得用于使用不具有空间结构的光获得的波长下的散射的估计。

波长的散射函数是描述为 的幂律函数。

在检查随后的附图和详细描述之后，本发明的***、方法、特征和优点将是或者将变得对于本领域的技术人员而言显而易见。意图在于所有此类附加方法、特征和优点被包括在本描述内、本发明的范围内且受到所附权利要求的保护。意图还在于本发明不受到要求示例性实施例的细节的限制。

附图说明

作为本说明书的一部分所包括的附图图示出当前优选实施例，并且连同上文给出的一般描述和下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释和教导本发明的原理。

图1示出了调制成像（MI）数据处理和典型MI数据产品的流程图。a）示出被投射到表面上的调制强度图案。b）示出在每个频率下解调并校准的图案振幅（每个频率三个相位图像）。c）示出被拟合到多频率模型以确定光学性质的图案。d）示出相位解调单独地提供关于在组织高度上的信息，其可以用于曲率校准和可视化两者。针对每个像素处理数据，生成光学性质的空间映射图。e）示出用于老鼠蒂状瓣的典型MI数据产品，其中远端表示对于较低灌注（stO₂）、血液汇聚（ctHHb&ctTHb）、水肿（ctH₂O）以及基质超微结构的退化/坏死（μs'）的MI灵敏度。

图2是示出儿科烧伤病人中的长测量时间在原始和被恢复的MI数据中引起可见伪像的图像。（a）是在研究中的烧伤组织的照片；（b）是示出了空间频率＝0.1mm^-1（底部）和空间频率＝0mm^-1（顶部）下的解调扩散反射率数据的原始数据图像，其针对4个波长，从左至右658nm、730nm、850nm以及970nm；（d）是示出了被恢复的组织氧合（StO2）数据的图像，其来自包含数据伪像的包括970nm数据的分析；（e）是示出了被恢复的组织氧合（StO₂）数据的图像，其来自排除了解调970nm数据的分析。黑色箭头指示在有创面的烧伤区域中与周围组织相比的增加的氧合的空间区域。在来自与970nm测量结果相关联的运动伪像的（d）中，该结果是模糊的。

图3示出了用于调制成像的增加效率设备的实施例。（a）示出了用于平面外部光照射的光环、用于结构化光照射的投影***以及偏心照相机。（b）示出了光环图案和照相机，其示出在中心用平面光照明叠加的矩形结构化光场，其两者都被照相机检测到。

图4示出了具有将用不同波长LED填充的9个位置的平面光源。

图5示出了具有可拆卸LED模块的平面照明光环。

图6示出了使用结构化光和非结构化光的高效MI分析的工作流程图。

图7示出了示例性数据，其显示从在现有技术中描述的调制成像设备获得的散射和吸收系数与当前高效的调制成像设备和方法之间的比较。（a）用现有技术设备成像的‘鲜红斑痣’的图像。请注意，脸颊上的PWS区域由于增加的血管化而具有与周围区域相比较的较高stO₂浓度。（b）是根据波长的散射系数的图表，其将现有技术（全拟合线）与本发明的高效设备和方法（减少的数据线）相比较。（c）是根据波长的吸收系数的图表，其将现有技术（全拟合线）与本发明的高效设备和方法（减少的数据线）相比较。

图8是示出了使用高效调制成像设备（y轴）相对现有技术调制成像设备（x轴）的来自鲜红斑痣（a）和烧伤组织（b）的所提取的散射和吸收数据的比较的图表。

图9a是示出了具有被配置成用不包含空间结构的光和包含空间结构的光来照射样本的光源的设备的示意图。

图9b是示出了图9a中利用了使用具有空间结构的光的照明条件的设备的示意图。

图9c是示出了图9a中利用了使用不具有空间结构的光的照明条件的设备的示意图。

图10是具有结构化和非结构化光源的调制成像仪器以及离轴照相机的实施例的照片。

图11是示出了典型LED的相对效率的示例的图表。

图12是图表，示出了（顶部）用于吸收光学性质的恢复的全面与高效的方法的比较，以及（底部）采用与“黄金标准”全面分析相偏差的百分比的比较，示出了各方法之间在准确度方面一般小于1%的差异，由此验证高效方法。

应注意的是，附图不一定按比例描绘，并且出于说明性目的，遍及各图一般用相同的附图标记来表示相似结构或功能的元件。还应注意的是，附图仅仅意图促进本文所述的各种实施例的描述。附图不一定描述本文公开的教导的每个方面，并且不限制权利要求的范围。

具体实施方式

本文提供的实施例针对促进用于组织结构和功能的定量表征的高效调制成像的***和方法。在常规***中，在所有相关波长下照射相同的空间结构化光图案（或多个图案）。在一个实施例中，用于增加效率的调制成像***的设备将光源分离成空间结构化照明和空间未调制光（平面）照明。在本文，将平面光定义为基本上不具有空间强度图案或结构的光，并且将结构化光定义为具有空间强度图案或结构的光照明。如下所述，选择平面和结构化光照明的波长以优化灵敏度。在美国临时申请No.61/793,331和61/723,721中描述了用于高效调制成像的***和方法，所述申请通过引用被结合到本文中。

图3（a）示出了增加效率的调制成像设备10的优选实施例。设备10包括在其周界上具有许多外部非结构化（平面）光源14且被配置成照射组织样本的区域的照明源12、提供图案化（结构化）光以照射组织样本的区域的投影***16、以及从投影***16和外部平面光源12两者偏心定位并被配置成从被投影***16和外部平面光源12照射的组织样本的区域收集光的检测器或照相机18。平面光源12、投影***16和照相机18被耦合到印刷电路板（PCB）22，其包括处理器、电源、驱动器、存储器和可在处理器上执行并在存储器中存储的软件。由照相机18收集的光数据可以使用所存储的软件和处理器来处理或者向外端接到计算机或其它处理器以便处理。投影***16、照相机18和PCB22被安装到具有散热器21的成像底座20。两个位置滤波器23被耦合到照相机18和投影***16。

在图3（a）中，将外部平面光源12示为环形光组件，但是其可以是其它外部安装的光源，包括LED或激光器，其提供并不通过投影***16的非空间结构化照射。该环形光组件包括位于围绕环形底座13的周围的多个平面光源14。底座13连同盖11一起在外部被安装到调制成像设备10的盖15。

波长的选择在投影***16和（一个或多个）平面的、非结构化的源12、14两者方面都是灵活的。可包括DLP投影仪、LOCOS投影仪等的投影***16可包括诸如各种波长的发光二极管（LED）（诸如例如与平面光源12有关的在图4中示出的LED17和17'）之类的许多可开关光源，并且能够提供各种空间频率或其它结构化光图案的调制光。外部平面照明器12上的光源14还可以是具有一个或多个波长的LED，但是具体地提供没有空间结构的均匀照明。结构化投影16和外部平面光源12针对组织样本上的大体上同一区域。照相机18从结构化光射束路径和平面光的射束轴两者偏心，并且收集来自被照射的组织样本上的大体上同一区域的光。外部平面照射源12的配置的主要益处是由于不要求对光进行图案化并以光学方式中继到样本上的松弛的“非成像”约束而引起的非结构化光到样本的增加的传递。此配置改善了***效率，减少了获得期望信噪比（SNR）的成像时间，并且针对当测量时间受到诸如可用性和可携带性之类的实际考虑的约束时的应用而增加了可行性。

在优选实施例中，将照相机18从外部平面源12离轴地放置在后面，允许来自直接从源12到照相机18的光散射的最小串扰。在优选实施例中，照相机18是12位单色CCD照相机，但是可包括任何商用CMOS照相机。

在图3（b）中，示例示出了以下配置：其中通过在环中定向的许多源的中间对光进行成像。可以有其它实施例，但是全部具有以下特征：结构化光和平面光源16和12对组织样本的大体上同一区域进行照射，并且照相机18配置成对由结构化和平面光源16和12照射的大体上同一区域进行成像。

在另一实施例中，如图4中所示，平面源12上的每个光源14具有可以用任何波长填充的9个位置，其允许调制成像分析灵活地扩展至对其它波长敏感的生物度量，参见例如彩色LED模块17和单色LED模块17'，其可补充用来执行核心调制成像（结构化光）测量的波长。虽然作为9个位置被示出，但平面光源12上的每个光源14可以具有9个位置、12个位置等。

在另一实施例中，如图5中所示，外部平面照明器12的底座13提供插口24，可以将诸如LED模块17之类的外部光源14用插头***其中或者从其中取出，允许进行可重配置的波长选择。

在另一实施例中，如图4中所示，例如LED模块17之类的每个光源14结合了例如积分棒或扩散器之类的射束均化器26，以将来自同一源上的多个单独可选址LED芯片的输出在空间上平坦化并组合。

操作和分析的方法：如下操作用于调制成像的设备10。调制成像通常在许多离散波长下收集数据，其中的每一个在照相机或检测器处具有不同的通量或信噪比（SNR）。在本文提供的高效设备10将这n个波长分离成两类：1）空间结构化波长和非结构化平面波长。如上所述，运动伪像趋向于针对对于那些通量或信噪比（SNR）低的波长的出现。低SNR可由低源功率、不良投影仪-源耦合、减少的投影仪通量、低接收信号或用于该波长的不良检测器灵敏度所引起。低SNR波长要求相应较高的积分（即照相机曝光时间），使得其对运动敏感。在本文提供的方法的演示示例中，用高SNR波长执行空间结构化照射，并且用低SNR波长执行非结构化平面照射。本文提供的高效设备10在图6中所示的分析中不同地处理空间结构化光和非结构化光，并在如图9b和9c中所示的以下步骤中描述。如在图9a中示意性地示出，将高效设备10示为包括平面光源12、结构化光源16和位于组织或混浊样本30上的照相机18。

1）如图9b中所示，开启结构化光源16并以一个或少数的高SNR波长（例如）在组织样本30上扫描，如在美国专利6958815中简要描述的那样。结构化光以许多空间频率在这些波长下照射样本30，并且从样本30反射和散射的光被照相机18收集。然后可以使用用于生物组织中的光散射的物理模型或者基于测量或模拟的目录的经验数据查找表来分析该数据，以获得样本的调制传递函数和/或光学性质信息，例如空间分辨吸收和减少的散射和映射图。说明样本混浊度的物理模型的示例是光传输的标准扩散方程和辐射传输模型。

2）接下来，可以基于兴趣样本中的波长相关的光学性质特征将空间结构化波长下的测量结果内插或外推至非结构化波长。例如，在近红外区中，可以将导出的散射系数拟合到波长的幂律函数，诸如或者更一般地，其在由照相机18检测到的图像中的每个像素处被内插或外推，以提供用于针对非结构化波长的散射系数的估计值。对于所述等式而言，A和B参数是自由的非负变量，并且n至少为1。请注意，通过从结构化（高SNR）波长数据导出诸如用于非结构化（即低SNR）波长的散射系数之类的性质，可以通过消除对于获取结构化光图像的需要而直接地测量来减少成像时间。这允许使用单个非结构化光图案来确定其余参数，因此减少了总体获取时间并避免了运动伪像。

3）如图9c中所示，然后关掉处于高SNR波长的结构化光源16，然后开启作为低SNR波长的平面光源12并用来照射样本30。从样本30反射的光被照相机***18检测到，以期望的波长提供汇入光，诸如扩散反射率值。作为说明性示例，在970nm下测量扩散反射率以确定ctH₂O灵敏度。请注意，此步骤可以备选地在步骤1之前执行，或者与步骤1内的测量交叉进行。

4）在分析的最后步骤中，通过使用平面的光源测量与被外推或内插的结构化光源测量的组合来计算低SNR波长下的光学性质。例如，可以使用用于生物组织的物理散射/反射模型利用1-参数拟合或查找表计算将在下评估的拟合散射系数，即和漫反射率值进行组合，由此生成。

5）在此阶段，针对所有波长完整地确定光学性质（例如散射和吸收）系数，其根据用于从结构化照射波长（即高SNR）导出的数据和从非结构化平面照射波长（即低SNR）导出的光数据的调制传递函数来直接测量。

6）现在可以从全波长相关的散射和吸收系数导出发色团浓度和生理指标。

请注意，可以在底层数据的任何后测量阶段执行步骤2、4和/或6。此外，代替顺序地执行，可以在直接“全局”拟合或者对所有输入数据的同时分析中一起执行步骤2、4和/或6以提供期望的输出，从而获得吸收或荧光分子的浓度。

图7示出了1）由现有技术所规定的***获得的全调制成像分析（全拟合线）与2）用减少数目的波长的当前高效设备和方法（减少的数据线）之间的示例性比较。在两个设备和方法之间存在卓越的协议。然而，请注意，当前高效设备的优点是去除了运动伪像，同时在所有波长下提供光学性质（例如散射和吸收）系数方面的良好保真度。

为了评估用这种改进方法可以解决的测量范围及病人群体，收集10个鲜红斑痣和10个烧伤病人测量结果并用现有技术设备和方法以及在本文提出的高效调制成像设备10和方法来分析。图8示出了用于由当前高效设备获得的各种波长（y轴）相对从现有技术设备获得的波长（x轴）的散射（图8a）和吸收系数（图8b）的绘图。这些数据在其吸收系数方面是多样化的：PWS情况下的血液汇聚和烧伤情况下的组织苍白/表皮黑色素损失分别地呈现出高吸收和低吸收。然而，图8示出了如具有斜率＝1的直线所指示的两者的一一对应关系。

在本描述中，术语照相机指的是光学检测***，其将一定面积的组织样本成像到像素化检测器阵列上，其中，被成像的样本的面积比结构化光照射的最小空间特征大得多。在另一实施例中，从样本反射的光被单个检测器收集，使得光被从一定面积的样本收集，其小于从投影***对其进行照射的结构化光的最小空间特征。

最近，MI***实施例实现了仪器正面上的LED泛光（非结构化）照射以及来自数字微镜器件的基于LED的标准MI结构化投影两者。

图10示出了具有结构化光源116和非结构化光源112的MI设备110的实施例。照相机118被配置成查看从位于仪器前面约1英尺（1'）的目标反射回来的结构化光和非结构化光两者。

图11示出了典型LED的相对效率的示例。弱波长（低峰值）导致当被要求通过投影仪发射时的不良成像速度。这些是用于泛光（非结构化）照明的最佳候选，避免了使用低光通量（低集光率）投影仪的需要。

图12（顶部）示出了用于恢复吸收光学性质的全面与高效的方法的比较。使用具有已知光学性质的标准化组织模拟幻影的测量作为成像目标。针对全面分析，执行标准空间频域测量。针对高效分析，针对3个波长（620、690、810nm）执行全面分析的子集，然后将光学散射值外推或内插至其它期望波长（660、730、850、970nm），以获得仅具有非结构化（平面）数据的吸收系数。用结构化（660、730、850nm）和非结构化（620、690、810nm）波长“反向地”对此进行重复。底部：在与“黄金标准”全面分析的偏差百分比方面的比较一般在方法之间的准确度方面显示出小于1%的差异，因此验证了高效方法。

本发明易于进行各种修改和替换形式，在图中已示出其特定示例并在本文中进行了详细描述。然而，应理解的是，本发明不限于公开的特定形式或方法，而是相反地，本发明将涵盖落在所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等价方式和替换形式。

在以上描述中，仅出于说明的目的，阐述了特定命名法，以提供本公开的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，并不要求这些特定细节来实施本公开的教导。

典型示例和从属权利要求的各种特征以并非具体和明确的穷举方式进行组合，以便提供本教导的附加有用的实施例。还清楚地注意到，实体组的所有值范围或指示出于原始公开的目的以及出于限制所要求保护的主题的目的而公开了每个可能中间值或中间实体。

理解的是，本文所述的实施例是出于阐述的目的，并且不应认为其限制本公开的主题。不脱离本发明的范围或精神的情况下的各种修改、使用、替换、组合、改善、生产方法对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如，读者将理解的是在本文描述的过程动作的特定排序和组合仅仅是说明性的，除非另外说明，并且可以使用不同或附加的过程动作或者过程动作的不同组合或排序来执行本发明。作为另一示例，可以将一个实施例的每个特征与其它实施例中所示的其它特征混合和匹配。类似地，可根据需要结合本领域的技术人员已知的特征和过程。另外且明显地，可根据需要添加或减少特征。因此，除根据所附权利要求及其等价方式之外，本发明将不受限制。

Claims (29)

1.一种用于测量混浊样本的设备，包括

照射设备，具有被配置成用不具有空间结构的光来照射混浊样本的目标区域的多个光源，

投影***，被配置成用具有空间结构的光来照射混浊样本的所述目标区域，

传感器，被配置成从所述混浊样本的所述目标区域收集光，以及

处理器，被配置成分析由传感器捕捉的数据，以生成所述混浊样本的散射和吸收系数。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述光源被配置成用被布置在照明设备的周界上的不具有空间结构的光来照射所述样本。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述照明设备包括光环组件。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述光环组件包括环主体，所述环主体具有围绕所述环主体的周界形成的多个插口，其中，所述光源被可去除地安装在所述插口内。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述光源包括LED模块。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器是照相机。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器与所述照明设备和所述投影***偏轴地定位。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括射束均化器。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述射束均化器是积分棒。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述投影***包括许多可开关光源。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述可开关光源包括具有不同波长的LED。

12.如权利要求1所述的设备，其中，没有空间结构的光的波长不同于具有空间结构的光的波长。

13.一种用于测量混浊样本的设备，包括

平面光源，

空间结构化光源，

传感器，被配置成从被平面光源和空间结构化光源单独地照射的混浊样本的目标区域收集光，以及

处理器，被配置成分析由所述传感器捕捉的数据，以生成所述混浊样本的散射和吸收系数。

14.如权利要求13所述的设备，其中，所述平面光源被配置成用不具有空间结构的光来照射所述样本。

15.如权利要求13所述的设备，其中，所述平面光源包括光环组件。

16.如权利要求15所述的设备，其中，所述光环组件包括环主体，所述环主体具有围绕所述环主体的周界形成的多个插口、以及可去除地安装在所述插口内的多个非空间结构化光源。

17.如权利要求16所述的设备，其中，所述多个非空间结构化光源中的单独的一些包括LED模块。

18.如权利要求13所述的设备，其中，所述传感器是照相机。

19.如权利要求13所述的设备，其中，所述传感器与所述平面光源和所述空间结构化光源偏轴地定位。

20.如权利要求17所述的设备，其中，所述多个非空间结构化光源中的单独的一些包括包括射束均化器。

21.如权利要求20所述的设备，其中，所述射束均化器是积分棒。

22.如权利要求13所述的设备，其中，所述空间结构化光源是投影***。

23.如权利要求13所述的设备，其中，所述空间结构化光源包括许多可开关光源。

24.如权利要求23所述的设备，其中，所述可开关光源包括具有不同波长的LED。

25.如权利要求13所述的设备，其中，由平面光源发射的光的波长不同于从空间结构化光源发射的光的波长。

26.一种用于测量混浊样本的方法，包括以下步骤

用具有空间结构的光来照射混浊样本，

收集从混浊样本反射的光，以在许多波长下获得所述样本的汇入光，

用不具有空间结构的光来照射所述混浊样本，

收集从所述样本反射的光，以在许多波长下获得所述样本的汇入光，以及

将从具有空间结构的光和不具有空间结构的光的所获得的测量结果进行组合以获得拟合参数，其中，所述拟合参数包括许多波长下的所述混浊样本的光学性质中的一个或多个以及吸收或荧光分子的浓度。

27.如权利要求26所述的方法，其中，没有空间结构的光的波长不同于具有空间结构的光的波长。

28.如权利要求26所述的方法，其中，使用描述散射对波长的相关性的散射函数来执行获得的测量结果的组合，以在使用具有空间结构的光所获得的离散波长下对测量结果进行内插或外推，以便获得用于使用不具有空间结构的光所获得的波长下的散射的估计。

29.如权利要求28所述的方法，其中，波长的所述散射函数是描述为 的幂律函数。