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。
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。
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系统。
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 Optics 8(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 Optics 10(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。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系统。其包括光源 (LS)402、 照明与收集系统 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。照明与收集系统 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、 多处理器系统或者多个过 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系统权利要求中， 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。