DE112014000814T5

DE112014000814T5 - Verfahren und Vorrichtung für optische Messungen unter Umgebungslichtbedingungen

Info

Publication number: DE112014000814T5
Application number: DE112014000814.1T
Authority: DE
Inventors: Haishan Zeng; Jianhua Zhao; Michael Short; Thomas Andrew Braun
Original assignee: VERISANTE TECHNOLOGY Inc; British Columbia Cancer Agency BCCA
Current assignee: VERISANTE TECHNOLOGY Inc; British Columbia Cancer Agency BCCA
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-10-29
Also published as: CN105556262A; US10213111B2; WO2014124537A1; US20150366454A1

Abstract

Beispiele eines Spektroskopiesystems mit einem speziellen ausgelegten Umgebungsbeleuchtungssystem werden offenbart. Das Umgebungsbeleuchtungssystem weist eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs) auf, die ein Beleuchtungslicht mit der Wellenlänge von 400–785 nm bereitstellen. Das Umgebungsbeleuchtungssystem kann ferner einen Filter aufweisen, um Licht oberhalb von 785 nm zu blockieren. Der Filter kann direkt vor den LED-Emittern bereitgestellt werden. Die LEDs können weiße LEDs oder RGB-LEDs sein. Das Spektroskopiesystem kann ferner ein Steuerungssystem aufweisen, das ein Signal von dem Spektralmesskopf erhält, wenn die Spektralmessungen beginnen, und kann sofort ein Signal senden, um automatisch das Umgebungsbeleuchtungssystem auszuschalten, und ein Signal von dem Spektralmesskopf zu empfangen, wenn die Spektralmessungen beendet sind, und automatisch das Umgebungsbeleuchtungssystem einschalten. Beispiele von Verfahren des Betreibens des Spektroskopiesystems und des Umgebungsbeleuchtungssystem werden offenbart.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für optische Messungen, die unter einem Umgebungslicht als einer passiven Beleuchtung durchgeführt werden, das in einem Untersuchungsraum verwendet wird, und bezieht sich genauer auf ein Spektroskopiesystem mit einem Umgebungsbeleuchtungssystem für spektrale Messungen, die unter Umgebungslichtbedingungen durchgeführt werden.
Hintergrund
Optische Abbildungssysteme und Verfahren, die eine Echtzeiterfassung, Diagnose und Abbildung von Krankheiten bereitstellen, sind in der Technik bekannt. Die Anwendung von solchen Systemen in vivo während medizinischen Echtzeitprozeduren war beschränkt durch ein schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis. Das niedrige Signal-zu-Rauschverhältnis ist eine Konsequenz einer niedrigen Stärke oder einer Abwesenheit eines optischen Signals, das von dem Zielgewebe kommt, und einem hohen Niveau an Hintergrundrauschen von einem Umgebungslicht. Um das Signal-zu-Rauschverhältnis zu verbessern, blockiert die Mehrheit der bekannten optischen Diagnosesysteme und -verfahren das Umgebungslicht, ignoriert es, zieht es als Hintergrund ab, oder schaltet das Raumlicht während der Messungen aus. Jedoch kann ein Ausschalten der Lichter oder ein Verdecken einer Sicht des Patienten während einer medizinischen Prozedur nachteilhaft und möglicherweise gefährlich sein. Auf der anderen Seite gibt es durch einfaches Ignorieren oder Abziehen des Umgebungslichts als Hintergrund ein Risiko, dass der Detektor überläuft und/oder dass die schwachen Signale eines Gewebes in dem Hintergrundrauschen begraben werden, es sei denn, das Umgebungslicht wird besonders zurückgewiesen. Einige andere bekannte Systeme und Verfahren zum Zurückweisen von Umgebungslicht enthalten ein Gating des Detektors oder ein Modulieren des Beleuchtungssignals und Verwenden einer Lock-In-Erfassung. Jedoch sind einige dieser Verfahren nicht anwendbar, um schwache Raman-Signale zu messen, die eine kontinuierliche Integration des Signals bei manchen Gelegenheiten über eine bis zu mehreren Sekunden oder Minuten erfordern.
Einige spektroskopische Untersuchungsverfahren, wie z.B. Raman-Spektralmessungen oder Fluoreszenzspektroskopie, können sehr sensitiv gegenüber einer Verschmutzung durch Umgebungslicht sein, weil Raman- oder Fluoreszenzsignale extrem schwach sein können, und selbst ein kleines Leck an Umgebungslicht kann das Signal stören. Raman-Spektroskopie ist eine spektroskopische Technik, die auf dem Prinzip arbeitet, dass Licht einer einzelnen Wellenlänge, das ein Molekül trifft, durch einen molekularen Vibrationszustandsübergang gestreut wird. Das sich ergebende gestreute Licht hat Wellenlängen, die verschieden von dem einfallenden oder Anregungslicht sind. Die in dem gestreuten Licht vorhandenen Wellenlängen sind charakteristisch für die Struktur der Moleküle. Die Intensität oder Wellenlänge oder "Raman-Verschiebung" des gestreuten Lichts ist repräsentativ für die Konzentration der Moleküle in der Probe. So repräsentiert das Spektrum der inelastisch gestreuten Strahlung einen Fingerabdruck der molekularen Vibrationen innerhalb der beobachteten Probe. Traditionell wird die Lichtanregungsquelle, typischerweise ein Laser, kontinuierlich gegen das Zielgewebe gerichtet, und das Raman-Signal wird über die Zeit gesammelt. Zusätzlich zu der Tatsache, dass das Raman-Signal von Natur aus sehr schwach ist, ist ein weiteres Problem die Interferenz mit dem Fluoreszenzsignal auf Grund einer Gewebefluoreszenz oder einer Emission von Licht. Viele Verbindungen fluoreszieren oder emittieren Licht, wenn sie Laserlicht in dem sichtbaren Bereich ausgesetzt sind. Fluoreszenzbänder sind im Allgemeinen breit und merkmalslos, und das Raman-Signal kann oft durch die Fluoreszenz verdeckt werden.
Deswegen gibt es einen Bedarf für ein System mit einer geformten Umgebungsbeleuchtung, sodass Raman-Messungen unter solch einer Umgebungsbeleuchtung ausgeführt werden können.
Zusammenfassung
In einem Aspekt wird ein Umgebungsbeleuchtungssystem für spektrale Messungen bereitgestellt. Das Umgebungsbeleuchtungssystem weist eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs) auf, um ein Umgebungslicht in dem Gebiet während spektraler Messungen zu erzeugen, und ein Steuerungssystem, das konfiguriert ist, ein Ausgabesignal für die eine oder mehreren LEDs so zu produzieren, dass während spektraler Messungen die eine oder mehreren LEDs ausgeschaltet werden. Das Steuerungssystem kann ferner konfiguriert werden, ein Triggersignal für die eine oder mehreren LEDs zu produzieren, um sie einzuschalten, wenn die spektralen Messungen vollendet sind.
In einem anderen Aspekt weist das Umgebungsbeleuchtungssystem eine oder mehrere optimierte RGB-LEDs auf. Die RGB-LEDs sind so optimiert, dass die rote LED Licht in einem Wellenlängenbereich von 620 bis 680 nm erzeugt.
In einem Aspekt ist ein Filter bereitgestellt, der konfiguriert ist, sichtbare Komponenten des Umgebungsbeleuchtungslichts durchzulassen und eine Komponente des nahe Infrarots (NIR) des Umgebungsbeleuchtungslichts zu blockieren. Das gefilterte Beleuchtungslicht der einen oder mehreren LEDs stellen ein Beleuchtungslicht in dem Wellenlängenbereich von 400 bis 780 nm bereit.
Nach einem anderen Aspekt wird ein Spektroskopiesystem mit einem Umgebungsbeleuchtungssystem bereitgestellt. Das Spektroskopiesystem weist einen Spektroskopiemesskopf, eine Lichtquelle zum Bereitstellen von Umgebungslicht für ein zu untersuchendes Subjekt, einen Detektor, um eine zurückkehrende Strahlung zu empfangen, die von dem Subjekt reflektiert und emittiert wurde, und um ein Spektrum der zurückgekehrten Strahlung zu messen, eine Anzeige, die in Kommunikation mit dem Detektor steht, um das gemessene Spektrum zu messen, und eine oder mehrere lichtemittierende Diode (LEDs) auf, um Umgebungslicht in dem Gebiet während einer spektralen Messung zu erzeugen.
Nach einem Aspekt wird ein Steuerungssystem bereitgestellt, das konfiguriert ist, die Lichtquelle und die eine oder mehreren LEDs so zu steuern, dass, wenn die Lichtquelle eingeschaltet wird, die eine oder mehreren LEDs ausgeschaltet werden. Das Steuerungssystem weist ferner einen Schalter auf, um die Lichtquelle einzuschalten und automatisch ein Signal zu produzieren, dass zu der einen oder mehreren LEDs transmittiert wird, um sie auszuschalten. Die Steuerungseinheit kann ferner mit dem Detektor kommunizieren, um ein Eingabesignal von dem Detektor zu empfangen, wenn der Detektor die zurückkehrende Strahlung erfasst, und produziert automatisch ein Ausgabesignal an die eine oder mehreren LEDs, um sie einzuschalten. Zusätzlich kann die Steuerungseinheit die Anzeige steuern, um sie auszuschalten, wenn die Lichtquelle eingeschaltet ist.
In einem weiteren Aspekt weist das Spektroskopiesystem ferner einen Filter auf, der konfiguriert ist, sichtbare Komponenten des Umgebungsbeleuchtungslichts durchzulassen und eine Komponente des nahen Infrarots (NIR) des Umgebungsbeleuchtungslichts zu blockieren.
In einem weiteren Aspekt sind die einen oder mehreren LEDs des Umgebungsbeleuchtungslichts optimierte RGB-LEDs.
Zusätzlich zu den Aspekten und Ausführungsbeispielen, die oben beschrieben wurden, werden weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele durch Bezug auf die Zeichnungen und ein Studium der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen können Bezugszeichen wieder verwendet werden, um eine Korrespondenz zwischen entsprechenden Elementen anzuzeigen. Die Zeichnungen werden bereitgestellt, um Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, zu illustrieren, und beabsichtigen nicht, den Bereich der Offenbarung einzuschränken. Größen und relative Positionen von Elementen in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet. Zum Beispiel sind die Formen von verschiedenen Elementen und Winkeln nicht maßstabsgerecht gezeichnet, und einige dieser Elemente sind willkürlich vergrößert und positioniert, um die Lesbarkeit der Zeichnung zu verbessern.
1a ist eine graphische Illustration eines Ausgabespektrums einer Kathodenstrahlröhren-(CRT)-Monitors.
1b ist eine graphische Illustration eines Ausgabespektrums eines Flüssigkristallanzeige-(LCD)-Monitors.
1c ist eine graphische Illustration eines Ausgabespektrums eines lichtemittierenden Dioden-(LED)-Monitors.
2 ist ein Graph eines Raman-Spektrums einer Handflächenhaut mit einer unterschiedlichen Umgebungsbeleuchtung.
3 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Spektroskopiesystems, das ein Ausführungsbeispiel eines Umgebungsbeleuchtungssystems der vorliegenden Erfindung verwendet.
4 ist ein Graph eines Hintergrundsignals, wenn ein Laser eines Spektroskopiesystems nach 3 ausgeschaltet wird und eine LED Umgebungslampe ohne einen Filter, um das Umgebungslicht zu formen, eingeschaltet wird.
5 ist ein Graph eines Hintergrundsignals von 4, wenn ein Filter vor einem LED-Umgebungslicht platziert wird, um das Umgebungslicht zu formen.
6 ein Graph von Emissionsspektren von zwei Typen von LEDs in einem Raman-Wellenlängenbereich ohne einen Filter vor einem LED-Umgebungslicht (Kurve 601) und mit einem Filter, der vor einem LED-Umgebungslicht montiert ist, um das Umgebungslicht zu formen (Kurve 602). Die Figur zeigt auch ein Emissionsspektrum eines Hintergrundsignals (Kurve 603).
7 illustriert graphisch eine Transmissionscharakteristik eines Filters, der vor einem LED-Umgebungslicht montiert ist, um das Umgebungslicht zu formen.
Detaillierte Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Bereitstellen von Umgebungslicht in einem Untersuchungsraum während in Vivo-Spektralmessungen in Echtzeit bereit, und genauer während in Vivo-Raman-Spektralmessungen.
Definitionen
Für die Zwecke dieser Erfindung werden die folgenden Definitionen bereitgestellt:
Umgebungslicht: Das Hintergrundlicht, das auf ein Subjekt fällt. Das Umgebungslicht kann zumindest ein Raumlicht, Überkopflampen, Lichter von Monitoren und andere Lichtquellen enthalten.
Signal-zu-Rausch: Das Verhältnis der Stärke eines Zielsignals zu dem Hintergrundgeräusch. Dieses kann entweder durch Verbessern des Zielsignals oder durch Reduzieren des Hintergrundrauschens erhöht werden.
Echtzeit: Eine Messung, die in wenigen Sekunden oder weniger, bevorzugt in einer Sekunde durchgeführt wird, die es ermöglicht, eine Prozedur oder einen Behandlungsplan basierend auf den Ergebnissen der Messung zu modifizieren.
Subjekt: Ein lebendes Tier, Pflanze, Virus, oder bakterielles Subjekt, mit einer Betonung auf Säugetiere, insbesondere Menschen.
In vivo: Eine Messung, die an Geweben innerhalb eines lebenden Subjekts durchgeführt wird.
Natürlicherweise sind Raman-Signale sehr schwach, und selbst wenn das Raumlicht ausgeschaltet wird, kann ein Licht von einem Systemmonitor stark genug sein, um das Raman-Signal zu verschmutzen. Dies kann klar in 1a bis 1c gezeigt werden. 1a illustriert ein Ausgabespektrum eines CRT-Monitors. Das Signal in dem 700–900 nm Wellenband ist 25-fach verstärkt, um das Signal besser zu visualisieren. Es kann bemerkt werden, dass es zwei Peaks in dem 785–1000 nm Bereich gibt, die stark genug sind, um das Raman-Signal in diesem Bereich zu verschmutzen. Mit Bezug zu einem Ausgabespektrum von einem LCD-Monitor, das in 1b illustriert ist, kann bemerkt werden, dass es eine Anzahl von Peaks in dem 785–1000 nm Bereich gibt, die stark genug sind, das Raman-Signal in diesem Bereich zu verschmutzen. Das Signal in dem 750–900 nm Wellenlängenbereich ist 10-fach verstärkt, um das Signal besser zu visualisieren. Die Experimente haben gezeigt, dass der LED Hintergrundbeleuchtungs-LCD-Monitor, ein so genannter LED-Monitor (1c) das Beste der drei Monitorausgabespektren aus der Sicht von spektralen Messungen bereitstellt. Wie aus einem in 1c gezeigten Ausgabespektrums des LED-Monitors bemerkt werden kann, gibt es keine Peaks in dem 785–1000 nm Bereich, jedoch kann der Schwanz in dem 785–1000 nm Bereich möglicherweise stark genug sein, um einen Fluoreszenzhintergrund zu beeinflussen, der seinerseits ein Raman-Signal in diesem Bereich beeinflussen kann. Das Signal in dem 750–900 nm Wellenlängenbereich ist 10-fach verstärkt, um das Signal besser zu visualisieren. Die Experimente haben auch gezeigt, dass die Ausgabespektren von Fluoreszenzraumlampen in dem Wellenlängenbereich von 750–900 nm eine Anzahl von Peaks in dem 785–1000 nm Bereich enthalten, die stark genug sind, um das Raman-Signal in diesem Bereich zu verschmutzen, und daher sollten Fluoreszenzlampen nicht für eine Raumbeleuchtung bei Raman-Messungen verwendet werden.
2 illustriert ein Raman-Spekrum einer Handflächenhaut unter verschiedenen Umgebungsbeleuchtungen. Wie gesehen werden kann, gibt es eine Anzahl von großen künstlichen Peaks (siehe die Peaks, die mit Pfeilen gekennzeichnet sind), wenn die Raman-Messung mit dem LCD-Monitor aufgenommen wird, die das Raman-Signal verschmutzen, wie in Kurve 1 gezeigt. Es gibt ein bis zwei künstliche Peaks mit dem CRT-Monitor (Kurve 2), aber das Raman-Signal ist relativ schwach und wird durch das Hintergrundsignal begraben. Raman-Messungen mit einem LED-Monitor/LED-Lampe als Umgebungslicht, die in Kurve 3 bzw. Kurve 4 gezeigt sind, scheinen vernünftige Ergebnisse zu produzieren. Wie aus den Kurven 3 und 4 bemerkt werden kann, gibt es bemerkbare Raman-Signale in dem 785–1000 nm Bereich. Wie es erwartet wird, zeigt die Raman-Messung ohne ein Umgebungslicht, ohne ein Raumlicht, wie sie durch Kurve 5 repräsentiert wird, die besten Ergebnisse für das Raman-Signal.
Einige verschiedene LED-Lichtquellen wurden für das Bereitstellen eines Umgebungslichts während Raman-Spektralmessungen beurteilt. Zum Beispiel kann eine weiße LED-Lampe mit Farbstoffmaterialien, wie z.B. eine SYLVANIA^TM LED-Lampe, eine PHILIPS^TM LED-Lampe, oder eine OMM^TM LED-Lampe oder irgendein anderer Typ einer weißen LED-Lampe verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel werden 3-Farb-LED-Lampen (RGB) ohne Farbstoffmaterialien, wie z.B. MCL^TM 3-Farb-LED-Lampe mit einer Steuereinheit, um Farbkombinationen zu ändern, getestet. Es wurde gefunden, dass weiße LED-Lampen mit Farbstoffmaterialen Schwanzsignale jenseits von 750 nm bereitstellen können, die das Raman-Signal verschmutzen können. Auch wurde für 400–500 nm Signale gefunden, dass es Beugung zweiter Ordnung für den 800–1000 nm Wellenlängenbereich gibt, wenn das Signal nicht angemessen in dem Raman-System gefiltert wird. Zusätzlich wurde gefunden, dass, wenn ein Tiefpassfilter („long-pass filter“), d.h. ein RS 785 LP Filter (Semrock, Rochester, New York) verwendet wird, der Filter einiges des LED-Lichts und des Raman-Anregungslichts bei 785 nm blockieren kann, aber nicht das Signal oberhalb von 785 nm, insbesondere, wenn dieser Filter mit Weißlicht-LED-Lampen verwendet wird. Der getestete Tiefpassfilter kann nicht 400–750 nm Licht blockieren, das Problem für eine Raman-Messung verursachen kann, deswegen kann er als solcher, wenn er zum Filtern des Umgebungslichts während Raman-Messungen verwendet wird, das Raman-Signal verschlechtern. Selbst wenn die LED-Lampe nicht nahe der Raman-Sonde ist, gibt es ein LED-Signalleck, das das gemessene Raman-Spektrum verschmutzen kann. Das LED-Leck kann größer werden, wenn die Probe nahe bei der LED-Umgebungslampe ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System zum Produzieren eines Umgebungslichts für Raman-Messungen durch Formen des LED-Lampenspektrums. In einer Implementierung kann ein Bandpassfilter verwendet werden, um Komponenten des nahen Infrarots (NIR) des Umgebungslichts abzuschneiden. Ein sichtbares LED-Spektrum des Umgebungslichts kann durch Bereitstellen eines Tiefpassfilters vor einem Detektor eines Raman-Systems bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann ein BLP01-785R Tiefpassfilter (Semrock, Rochester, New York) in dem Raman-System verwendet werden, um die LED-Umgebungsbeleuchtung von 300–785 nm zurückzuweisen. Dies ist nur für Illustrationszwecke, und irgendein anderer Tiefpassfilter kann in dem Raman-System verwendet werden.
3 zeigt ein Raman-System 10 und ein LED-Umgebungsbeleuchtungssystem 12. Das LED-Umgebungslicht kann unter Verwendung eines Filters 14 geformt werden. In einer Implementierung kann der Filter 14 direkt vor den LED-Emitter angebracht werden, um eine Filtergröße zu reduzieren. Das Raman-System 10 kann ferner einen Messkopf 16 und einen Laser 15 aufweisen, um ein Beleuchtungslicht für ein Zielsubjekt der Untersuchung bereitzustellen. Ein Licht, das von dem Ziel reflektiert oder emittiert wird, wird auf einen Spektrograph 17 gerichtet und durch einen Detektor 19 erfasst. Eine Tiefpassfilter 18 kann bereitgestellt werden, um zu verhindern, dass Licht in einem sichtbaren Bereich, 300–785 nm Bereich, den Spektrograph 17 erreicht. Der Detektor 19 kann ein pixellierter Detektor wie z.B. eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD), eine Ladungsinjektionseinrichtung (CID), eine intensivierter CCD-Detektor, eine Fotomultiplierröhre (PMT) Detektoranordnung, eine Fotodiodenanordnung (PDA), eine intensivierte PDA usw. sein. Das Signal von dem Detektor 19 kann auf einem Monitor 20 verarbeitet, analysiert und angezeigt werden. Der Monitor kann ein LED-Monitor sein.
4 illustriert graphisch ein Hintergrundsignal, wenn kein Filter 14 mit der LED-Umgebungslichtquelle 12 verwendet wird. In dem in 4 gezeigten Graph ist die Lichtquelle des Raman-Systems, wie z.B. ein Laser 15 von 3 ausgeschaltet, während die LED-Umgebungslampe 12 immer noch an ist. Es kann bemerkt werden, dass es ein Leck von LED-Licht in dem System gibt. Es kann auch ein Leck von dem Monitor 20 geben, jedoch verglichen mit dem LED-Umgebungslichtleck können die Peaks von dem Monitor schwächer sein und deswegen nicht klar in dem Graph zu sehen sein.
5 zeigt dasselbe Experiment wie in 4, aber wir platzierten einen Bandpassfilter vor die LED-Umgebungslampe. Nur für illustrative Zwecke kann der Filter ein BG39 oder ein BG40 Bandpassfilter sein, der vor der LED-Lampe montiert ist. Wie aus dem Graph von 5 bemerkt werden kann, ist das Leck des LED-Lampensignals sehr reduziert.
6 illustriert Emissionsspektren von zwei Typen von LEDs in dem Raman-Wellenlängenbereich. Kurve 601 zeigt die Emissionsspektren des LED-Umgebungslichts, wenn es keinen Filter vor dem LED-Licht gibt. Kurve 602 illustriert das Emissionsspektrum des LED-Umgebungslichts, wenn es einen Bandpassfilter gibt, der vor dem LED-Licht montiert ist, und Kurve 603 ist ein Emissionsspektrum des Hintergrundsignals, wenn das LED-Umgebungslicht ausgeschaltet ist. Wie bemerkt werden kann, gibt es Schwanzsignale von der LED-Lampe, wenn kein Filter vor der LED ist, die eine Verschmutzung des Raman-Signals verursachen können. Nach Anbringen des Filters können die LED-Schwänze verhindert werden. In dem in 6 gezeigten Graph sieht es so aus, dass ein Schwanz nicht vollständig durch Anbringen des Filters vor der LED verhindert werden kann. Es wurde gelernt, dass der Grund für den möglichen Schwanz die Tatsache ist, dass der Tiefpassfilter, der in dem Raman-Messkopf während des Experiments verwendet wurde, nicht vollständig das sichtbare Wellenband des LED-Lichts zurückweisen kann. Die Reste sind eigentlich von der Beugung zweiter Ordnung des blaugelben Teils der LED-Lampe, die außerhalb des Bereichs des Tiefpassfilters ist, jedoch kann dies dadurch verhindert werden, dass zu einem Längenwellenfilter gewechselt wird, der dieses Band des sichtbaren Bereichs blockieren kann. Wie hierin oben erwähnt, verwenden wir in den Experimenten, die in einigen der hierin gezeigten Graphen präsentiert werden, BG39 und/oder BG40 als einen Bandpassfilter, der vor dem LED-Licht montiert ist, jedoch schneiden diese Filter etwas von den roten Wellenlängenbandkomponenten ab, die einen Effekt auf die Umgebungsbeleuchtung in dem Untersuchungsraum haben können, und die zu einer unnatürlichen Empfindung für einen Betreiber führen.
7 zeigt Transmissionskurven von einem anderen Ausführungsbeispiel eines Bandpassfilters, der vor dem LED-Licht montiert ist, der alle sichtbaren Komponenten des LED-Lichts beibehalten kann, während die Komponenten des nahen Infrarots (NIR), die das Raman-Signal verschmutzen können, blockiert werden können. Dieser Filter kann von einem Filter eines Interferenztyps sein, in der Annahme, dass der LED-Lichthalbkegelwinkel 15 Grad ist.
Unter Verwendung einer geformten LED-Lampenumgebungsbeleuchtung, können Raman-Messungen unter Umgebungsbeleuchtung ausgeführt werden. Die LED-Lichtquelle kann eine weiße LED mit Farbmaterial oder eine RGB 3-LED-Lampe ohne Farbmaterialien (z.B. MCL^TM RGB-LEDs) aufweisen. Überraschenderweise haben die Experimente gezeigt, dass die RGB 3-LED-Lampe ohne Farbstoffmaterialien immer noch NIR-Komponenten bereitstellen kann, die Raman-Messungen beeinflussen können, und deswegen wird ein Filter immer noch mit der Lampe benötigt, wenn sie für Raman-Messungen verwendet wird. Die NIR-Komponenten können durch Epoxidmaterialien oder durch Einschlussmaterialien erzeugt werden, die in der RGB 3-LED-Lampe verwendet werden.
In einer Implementierung kann die LED-Lichtquelle eine RGB 3-LED-Lampe aufweisen, die optimiert ist, sodass keine NIR-Komponenten erzeugt werden, und deswegen kann das Umgebungslicht mit der optimierten RGB 3-LED-Lampe ohne Verwendung eines Filters, um die NIR-Komponenten von dem Licht abzuschneiden, bereitgestellt werden. Die RGB 3-LED-Lampe kann so optimiert werden, dass die RGB-Lampe verglichen mit Standard-RGB-LEDs blau verschoben ist, sodass sie Licht unter 780 nm produzieren kann und kein Licht in dem NIR-Bereich emittiert wird, selbst wenn kein Filter verwendet wird. Zum Beispiel kann die rote LED-Lampe optimiert werden, um ein Beleuchtungslicht in dem 620 bis 680 nm Wellenlängenbereich zu erzeugen.
In einer anderen Implementierung kann das Umgebungslicht mit einem Steuerungssystem 22 (3) des Spektroskopiesystems verbunden sein. Das Steuerungssystem 22 kann einen oder mehrere Prozessoren, Steuerungseinheiten oder allgemeine oder spezial Computerhardware enthalten. In verschiedenen Implementierungen kann das Steuerungssystem, das Umgebungsbeleuchtungssystem 12 steuern, z.B. die eine oder mehreren LEDs und/oder den Monitor 20. Das Steuerungssystem empfängt als ein Eingabesignal ein Signal von dem Laser 15, wenn der Laser 15 eingeschaltet wird. Basierend auf solch einem Eingabesignal von dem Laser 15 kann das Steuerungssignal ein Ausgabesignal produzieren, das es an das Umgebungslichtsystem 12 überträgt, um die eine oder mehreren LEDs auszuschalten. So kann das Subjekt unter Untersuchung unter Umgebungsbeleuchtung untersucht werden. Wenn ein Betreiber eine Spektralmessung von einem interessierenden Gebiet aufnehmen möchte, kann ein Spektralmessschalter (nicht gezeigt) gedrückt werden, der den Laser 15 und das Steuerungssystem 22 triggern kann. Das Steuerungssystem kann dann ein Signal an die Umgebungslichtquelle 12 senden, um das Umgebungslicht auszuschalten. Zum Beispiel kann das Umgebungslicht für eine vorbestimmte Zeit ausgeschaltet werden, z.B. für eine oder zwei Sekunden. In einem Beispiel sendet der Detektor 19 ein Signal zu dem Steuerungssystem 22, wenn ein Signal der Spektralmessungen durch den Detektor 19 erfasst wird. Basierend auf solch einem Signal, das das Steuerungssystem 22 von dem Detektor empfängt, kann es ein Signal für das Umgebungsbeleuchtungssystem 12 erzeugen, um es wieder einzuschalten. Dies kann eigentlich einen Weg bereitstellen, um dem Betreiber zu sagen, dass die Messungen vollendet wurden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerungssystem 22 ein Signal an ein Spannungsquellensystem des Monitors 20 senden, um den Monitor 20 während Spektralmessungen auszuschalten, und ihn wieder einzuschalten, wenn die Spektralmessungen vollendet wurden. Das Steuerungssystem 22 kann enthalten oder kann in Kommunikation mit einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien sein, die verwendet werden können, um die Steuerungsinformation persistent oder anders zu speichern. Weil das Steuerungssystem 22 den Betrieb des Umgebungslichtsystems 12 so steuert, dass das Umgebungslicht während der spektralen Messungen ausgeschaltet wird, kann der Filter zum Formen des Umgebungslichts vermieden werden.
Ausführungsbeispiele eines LED-Umgebungsbeleuchtungs-(Licht-)-Systems, das während optischer Erfassungsprozeduren verwendet wird, werden offenbart. Irgendeines der Ausführungsbeispiele der LED-Umgebungsbeleuchtungssysteme kann für Raman-Messungen auf einer Haut oder irgendwelchen inneren Organen verwendet werden. In einigen Implementierungen, kann das Umgebungsbeleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung für Fluoreszenzmessungen von inneren Organen verwendet werden. Zum Beispiel kann das geformte LED-Umgebungslicht für eine Beleuchtung verwendet werden, um eine Fluoreszenz oder Raman-Spektrum und/oder Abbildungsmessungen zu führen. In einigen Implementierungen kann irgendeine der offenbarten LED-Umgebungsbeleuchtungssysteme als eine Raumbeleuchtung in den Untersuchungsräumen verwendet werden.
Während besondere Elemente, Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Offenbarung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass der Bereich der Offenbarung nicht darauf beschränkt ist, weil Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Licht der vorhergehenden Lehre. Dadurch können z.B. in irgendeinem Verfahren oder hierin offenbarten Prozess die Akte oder Betriebsweisen, die das Verfahren/Prozess ausmachen, in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, und sie sind nicht notwendigerweise auf irgendeine besonders offenbarte Reihenfolge beschränkt. Elemente und Komponenten können verschieden konfiguriert oder angeordnet werden, kombiniert werden, und/oder in verschiedenen Ausführungsbeispielen eliminiert werden. Die verschiedenen Merkmale und Prozesse, die oben beschrieben wurden, können unabhängig voneinander verwendet werden, oder in verschiedener Weise kombiniert werden. Alle möglichen Kombinationen und Unterkombinationen sollen in den Bereich dieser Offenbarung fallen. Ein Bezug auf "einige Ausführungsbeispiele", "ein Ausführungsbeispiel" oder ähnliches in dieser Offenbarung bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, Struktur, Schritt, Prozess oder Charakteristikum, das in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wird, in zumindest einem Ausführungsbeispiel enthalten ist. Deswegen weisen Vorkommen von Ausdrücken wie "in einigen Ausführungsbeispielen", "in einem Ausführungsbeispiel" oder ähnliches in dieser Offenbarung nicht notwendigerweise auf dasselbe Ausführungsbeispiel und können sich auf ein oder mehrere derselben oder verschiedenen Ausführungsbeispiele beziehen. In der Tat können die neuen Verfahren und Systeme, die hierin beschrieben werden, in einer Vielzahl von anderen Formen ausgeführt werden. Ferner können verschiedene Weglassungen, Hinzufügungen, Ersetzungen, Äquivalente um Anordnungen und Änderungen in der Form der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gemacht werden, ohne von dem Geist der hierin beschriebenen Erfindungen abzuweichen.
Verschiedene Aspekte und Vorteile der Erfindungen wurden hier beschrieben, soweit angemessen. Es versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle dieser Aspekte und Vorteile gemäß irgendeinem besonderen Ausführungsbeispiel erreicht werden. Deshalb soll z.B. bemerkt werden, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele in einer Weise ausgeführt werden können, die einen Vorteil erreicht oder optimiert oder eine Gruppe von Vorteilen, wie sie hierin gelehrt werden, ohne dass notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile erreicht werden, die hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden.
Eine hierin verwendete bedingte Sprache wie z.B., unter anderem "kann", "könnte", "würde", "können", "z.B." und ähnliches beabsichtigt, falls es nicht anders ausgedrückt wird oder sich anders aus dem Kontext versteht, im Allgemeinen zu vermitteln, dass bestimmte Ausführungsbeispiele bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten, während andere Ausführungsbeispiele sie nicht enthalten. Deswegen beabsichtigt solche Bedingungssprache im Allgemeinen nicht, zu implizieren, dass Merkmale, Elemente, und/oder Schritte in irgendeiner Weise für ein oder mehrere Ausführungsbeispiele benötigt werden, oder dass ein oder mehrere Ausführungsbeispiele notwendigerweise eine Logik zum Entscheiden mit oder ohne Betreibereingabe oder Aufforderung, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten sind oder in einem bestimmten Ausführungsbeispiel auszuführen sind. Kein einzelnes Merkmal oder Gruppe von Merkmalen wird benötigt oder ist unabdingbar für irgendein spezielles Ausführungsbeispiel. Die Ausdrücke "aufweisen", "enthalten", "haben" und ähnliches sind synonym und werden inklusiv auf eine Weise mit offenem Ende verwendet und schließen zusätzliche Elemente, Merkmale, Akte, Betriebsweisen usw. nicht aus. Auch wird der Ausdruck "oder" in seinem inklusiven Sinne (und nicht in seinem exklusiven Sinne) verwendet, sodass, wenn er z.B. verwendet wird, um eine Liste von Elementen zu verbinden, der Ausdruck "oder" bedeutet eins, einige oder alle der Elemente in der Liste.
Eine konjunktive Sprache wie z.B. die Phrase "zumindest eins von X, Y und Z" ist, falls es nicht anders gekennzeichnet ist so zu verstehen, mit dem Kontext, wie er im Allgemeinen verwendet wird, um zu übermitteln, dass ein Gegenstand, Ausdruck usw. entweder X, Y oder Z sein kein. Solch eine konjunktive Sprache beabsichtigt nicht im Allgemeinen zu implizieren, dass bestimmte Ausführungsbeispiele zumindest eins von X, zumindest ein von Y und zumindest ein von Z aufweisen müssen.
Die Beispielberechungen, Simulationen, Ergebnisse, Graphen, Werte und Parameter der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beabsichtigen die offenbarten Ausführungsbeispiele zu illustrieren und nicht zu beschränken. Andere Ausführungsbeispiele können verschieden konfiguriert und/oder betrieben werden als die illustrativen Beispiele, die hierin beschrieben werden. In der Tat können die neuen Verfahren und Vorrichtungen, die hierin beschrieben werden, in einer Vielzahl von anderen Formen ausgedrückt werden. Ferner können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der Verfahren und Systeme, die hierin beschrieben werden, gemacht werden, ohne vom Geist der hierin offenbarten Erfindungen abzuweichen.

Claims

Umgebungsbeleuchtungssystem für ein Gebiet, in dem spektrale Messungen durchgeführt werden, wobei das Umgebungsbeleuchtungssystem aufweist: eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs), um ein Umgebungslicht in dem Gebiet während einer spektralen Messung zu erzeugen; ein Steuerungssystem, wobei das Steuerungssystem konfiguriert ist, ein Ausgabesignal zu der einen oder mehreren LEDs auszugeben, sodass während spektraler Messungen die eine oder mehrere LEDs ausgeschaltet werden.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem ferner Triggersignale produziert, sodass die eine oder mehreren LEDs eingeschaltet werden, wenn die spektralen Messungen vollendet sind.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren LEDs RGB-LED-Lampen sind.
Umgebungsbeleuchtungssystem für ein Gebiet, in dem spektrale Messungen durchgeführt werden, wobei das Umgebungsbeleuchtungssystem aufweist: eine oder mehrere optimierte RGB lichtemittierende Dioden (LEDs), um ein Umgebungslicht in dem Gebiet während einer spektralen Messung zu erzeugen, wobei die rote LED verschoben ist, um ein Licht in einem 620–680 nm Wellenlängenbereich zu erzeugen.
Umgebungsbeleuchtungssystem für ein Gebiet, in dem spektrale Messungen durchgeführt werden, wobei das Umgebungsbeleuchtungssystem aufweist: eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs), um ein Umgebungslicht in dem Gebiet während einer spektralen Messung durchzuführen; und einen Filter, der konfiguriert ist, sichtbare Komponenten des Umgebungsbeleuchtungslichts durchzulassen und Komponenten des nahen Infrarot (NIR) des Umgebungsbeleuchtungslichts zu blockieren.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei der Filter konfiguriert ist, irgendein Umgebungsbeleuchtungslicht mit einer Wellenlänge oberhalb von 780 nm abzuschneiden.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei der Filter direkt vor der einen oder mehreren LEDs montiert ist.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei die einen oder mehreren LEDs weiße LEDs sind.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 8, wobei die einen oder mehreren LEDs ein Farbstoffmaterial aufweisen.
Umgebungsbeleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei die einen oder mehreren LEDs RGB-LED-Lampen sind.
Spektroskopiesystem mit einem Umgebungsbeleuchtungssystem, wobei das System aufweist: einen Spektroskopiemesskopf; eine Lichtquelle, die ein Beleuchtungslicht produziert, um ein zu untersuchendes Objekt zu beleuchten und eine rückkehrende Strahlung zu produzieren; einen Detektor, der gekoppelt ist, um die zurückkehrende Strahlung aufzufangen und ein Spektrum der zurückkehrenden Strahlung zu messen; eine Anzeige, die in Kommunikation mit dem Detektor steht, um das gemessene Spektrum anzuzeigen; und eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs), um ein Umgebungslicht in dem Gebiet während einer Spektralmessung zu erzeugen.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, ferner mit einem Steuerungssystem in Kommunikation mit der Lichtquelle und der einen oder mehreren LEDs, sodass die eine oder mehreren LEDs ausgeschaltet werden, wenn die Lichtquelle eingeschaltet wird.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 12, wobei das Steuerungssystem ferner einen Schalter in Kommunikation mit dem Steuerungssystem aufweist, um gleichzeitig die Lichtquelle zu aktivieren und die einen oder mehreren LEDs zu deaktivieren.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 12, wobei die Steuerungseinheit ferner mit dem Detektor kommuniziert, sodass das Steuerungssystem ein Ausgabesignal an die eine oder mehreren LEDs produziert, um sie einzuschalten, wenn der Detektor die zurückkehrende Strahlung erfasst.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 12, wobei die Steuerungseinheit ferner in Kommunikation mit der Anzeigeeinheit ist, um die Anzeigeeinheit zu deaktivieren, wenn die Lichtquelle aktiv eine Beleuchtung für spektrale Messungen produziert, und die Anzeige zu aktivieren, wenn das gemessene Spektrum durch den Detektor erfasst wurde.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, ferner mit einem Filter, der konfiguriert ist, sichtbare Komponenten des Umgebungsbeleuchtungslichts durchzulassen und Komponenten des nahen Infrarots (NIR) des Umgebungsbeleuchtungslichts zu blockieren.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 16, wobei der Filter konfiguriert ist, Licht mit Wellenlängen oberhalb von 780 nm abzuschneiden.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 16, wobei der Filter direkt vor der einen oder mehreren LEDs montiert ist.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, wobei die eine oder mehreren LEDs optimierte RGB-LEDs sind, wobei die rote LED verschoben ist, um Licht in einem 620–680 nm Wellenlängenbereich zu erzeugen.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, ferner mit einem Tiefpassfilter, der vor den Detektor platziert ist, und der konfiguriert ist, Licht unterhalb 785 nm Wellenlänge zu blockieren und Licht oberhalb 785 nm Wellenlänge durchzulassen.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, das zum Durchführen von Raman-Spektralmessungen in Echtzeit verwendet wird.
Spektroskopiesystem nach Anspruch 11, das zum Durchführen von Fluoreszenzspektralmessungen in Echtzeit verwendet wird.