用于光谱分析中像差校正的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种光谱系统（１００），用于确定人体的感兴趣的体积（１２０）中生物结构的特性。该光谱系统（１００）包括一个低成本物镜（１１８），用于引导激励光束至感兴趣的体积（１２０）并且从感兴趣的体积（１２０）收集返回辐射（１２４）。在检测到返回辐射（１２４），即光谱信号之后，一个校正单元（１０６）对由该低成本物镜（１１８）引入的光谱信号的像差进行补偿。由于所述物镜（１１８）的像差强烈地依赖于感兴趣的体积（１２０）距离物镜（１１８）的光轴（１１６）的横向距离（１２２），该校正单元（１０６）有效地使用一个校正表（１１０），该校正表（１１０）提供了校正值与感兴趣的体积（１２０）的各个横向位置（１２２）之间的分配关系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对一个感兴趣的体积进行光谱分析的领域。
技术介绍
将光谱学技术用于分析目的之应用可从现有技术中获悉。WO02/057758 A1和WO 02/057759 A1展示了用于对流过人体毛细血管的血液成分进行体内非侵入式光谱分析的光谱分析仪器。优选地，通过利用共焦喇曼光谱法来测量活体内血液分析物浓度来实现光谱分析，该方法允许非侵入式血液分析(NIBA)。为了获得可检测光谱信号的高信噪比或信号背景比，共焦测量体积完全位于血管之内将是有利的。一方面，这需要精确地确定人体皮肤表面之下血管的位置。另一方面，光谱系统的共焦测量体积必须精确地被移动到所确定的血管位置。对于非侵入式血液分析系统的大多数应用，若将系统分成两个部件，即通过一光纤连接起来的一个基站和一个柔性探头，将是有利的。较大的基站典型地包含相当宽大的激励激光器和光谱分析装置，而相对较小且具有柔性的探头提供必要的光学器件，用于将激励光束导向感兴趣的体积中并用于收集光谱数据。当要分析那些难于触及的人体部位，象耳垂、唇、舌、鼻孔或指间皮瓣时，小型柔性探头将特别有利。因而，其总体尺寸是探头最重要的设计标准之一。除了尺寸要求以外，探头应具有较小的重量，允许人体的最大舒适性和易接近性。然而，探头必须提供有效的装置，用于将共焦测量体积引导至皮肤表面之下所感兴趣的特定体积之内。主要有三种不同的方法，用于将共焦测量体积移至所期望的位置。第一种方法是将物镜和共焦测量体积相对于彼此固定，即物镜的焦点位置不能相对于透镜移动。在该第一种方法中，探头的光学器件优选地被排列成支持相关光学信号的旁轴传播。通过相对于探头和光学装置移动皮肤，可有效地实现将共焦测量体积移至皮肤中感兴趣的体积内。第二种方法是利用相对于探头固定皮肤。共焦测量体积也相对于物镜位置固定。在此情况下，可通过相对于探头本身移动整个光学装置或至少光学装置的一部分，来实现共焦测量体积与感兴趣的体积之间的所需移动。例如，探头的外壳被刚性地固定在皮肤表面上，并允许探头的光学装置实施一个例如相对于探头外壳的横向运动。该“横向”的表述是指基本上垂直于探头物镜光轴的平面。用于相对于皮肤移动共焦测量体积的第三种方法，其是基于将探头和物镜刚性地固定到皮肤上，但允许相对于物镜横向移动该共焦测量体积。这意味着必须改变光学信号(激励光束和所检测到的信号光束)的入射角和物镜。第一和第二种方法的优点是测量体积位于光轴上，以允许简单的光学器件，但需要相当复杂的机械机构。第三种方法利用移动共焦测量体积离开光轴，从而仅需基本的机械部件，例如一个可转动或可操纵的镜面。由于从测量体积发出的相关光谱信号相对于物镜光轴以非零的角度传播，因而使用这种方法导致不可避免的物镜像差。从而，所得光谱数据以多种方式受到影响。例如，色差可导致光谱中较宽的线，并可能以不同的效率检测到各种波长。这种探头利用相对于透镜通过光学信号的非旁轴传播来移动共焦测量体积，因而该探头通常需要一个具有极低像差度的复杂物镜。这种复杂物镜非常昂贵，因而不适于用在例如一个非侵入式血液分析系统的低成本探头中。
技术实现思路
因而，本专利技术目的在于提供一种用于光谱系统的允许使用廉价光学器件的改进的光学系统，该光谱系统用于确定人体皮肤表面之下感兴趣的体积内生物结构的特性。本专利技术提供一种光谱系统，用于确定人体内感兴趣的体积中生物结构的特性。该光谱系统包括一个物镜，用于引导一激励光束至感兴趣的体积，并用于从感兴趣的体积收集返回的辐射。该光谱系统还包括一个用于检测来自感兴趣的体积的返回辐射的检测器，以及一个用于校正物镜的像差的校正单元。典型地，感兴趣的体积是指人体皮肤表面之下的一个体积，该体积限定了一种诸如血管的特定生物结构或组织的位置。优选地，将对流过这种血管的血液进行光谱分析。以此方式，可充分地实施非侵入式血液分析(NIBA)。优选地，该光谱系统包括一个基站和一个具有紧凑设计特征的柔性探头。该探头的物镜优选地采用不可避免地具有明显像差的低成本光学器件。使用一个校正单元，以允许校正和补偿由不理想物镜造成的像差。从而，本专利技术提供了一种以明显的像差为代价，在光谱数据采集中采用低成本物镜的有效方法。通过连续地补偿这些像差，可有效地消除这种低成本光学透镜的缺点，从而允许将这种低成本物镜用于诸如NIBA光谱系统的高精度测量装置中。该校正单元还适于补偿多种不同类型的像差。该该校正单元优选地适于补偿色差和单色像差。关于单色像差，该校正单元很好地适用于补偿像散、场曲率、彗形像差、球面像差和诸如枕形畸变或桶形畸变的变形效应。优选地，响应于将激励光束强烈地聚焦在一个指定的感兴趣的体积中，获得光谱数据。响应于这种激励，该光谱信号，即散射辐射，从感兴趣的体积发出，并被一检测器检测到。为了确定感兴趣的体积的成分，所关心的是所采集数据的光谱分析。换句话说，所得光谱的各种频率成分的相对强度代表着感兴趣的体积的成分。由于物镜的色差，光谱中的特征线可能变宽，并且/或者光谱中各种波长的强度可能改变。因而，该校正单元适于补偿严重影响所采集光谱信息的色差。根据本专利技术的另一优选实施例，该光谱系统还包括一个可转动反射镜元件，用于将物镜的一个共焦测量体积定位到感兴趣的体积中。该可转动反射镜元件还适用于相对于物镜光轴横向地移动共焦测量体积。通过横向地移动该共焦测量体积，激励光束和从感兴趣的体积发出的返回辐射的光线相对于物镜光轴并且/或者相对于光谱系统或探头的整个光学系统的光轴以非平行的方式传播。以此方式，本专利技术的光谱系统允许改变激励光束和所检测到的返回辐射相对于物镜光轴的传播角度。优选地，该可转动反射镜元件被置入光谱系统的探头中，以实现探头更为牢固、廉价和有效的机械和光学设计。利用可转动反射镜元件来实现激励光束和返回辐射的非旁轴和/或离光轴布置，关键性地增强了物镜像差对所得光谱数据的影响。由于由物镜引入的像差强烈地依赖于返回辐射的传播方向与物镜光轴之间的相对角度，该校正单元有效地利用那些确定激励型和/或返回型光线与物镜光轴之间传播角度的信息。根据本专利技术的另一优选实施例，校正单元适于对所检测到的返回辐射进行校正。这样，物镜像差不是通过光学装置来补偿，而是将校正机制施加到在检测光谱信号时所产生的信号上。已知激励光束和物镜光轴之间的相关传播角，使得通过例如电信号和/或数据处理装置来有效地实施光谱数据的校正。根据本专利技术的另一优选实施例，校正单元还适于利用由校正表提供的校正值。校正表的每个校正值是从感兴趣的体积到物镜光轴的横向距离所特有的。换句话说，每个校正值是激励和/或返回辐射与物镜光轴之间的相关传播角所特有的。校正表提供横向距离，即相关传播角与所需校正值之间的分配关系，以允许精确补偿由物镜引入的像差。这里，一个校正值可指一个标量值、一个校正矢量或甚至一个校正矩阵。以此方式，可有效地补偿多种不同的像差，无论是单色差还是色差。优选地，校正表是通过整个光谱系统的一个校准步骤来获得的。在此情况下，一个参考光谱信号是通过从位于物镜光轴上的感兴趣的体积采集光谱数据来获得的。通过连续地横向移动感兴趣的体积和光谱系统的共焦测量体积，从多个不同横向位置获取相同光谱信号，以允许与该参考信号进行比较。通过参考信号与多个在不同横向位置采集的光谱信号的比较，以允许表征本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱系统（１００），用于确定人体的感兴趣的体积（１２０）中生物结构的特性，其包括：一个物镜（１１８），用于引导激励光束至感兴趣的体积并且从感兴趣的体积收集返回辐射，一个检测器（１０４），用于检测来自感兴趣的体积的返回辐射 ，一个校正单元（１０６），用于校正所述物镜的像差。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MC范比克，WHJ伦森，G卢卡森，M范德沃特，BLG巴克，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]