[发明专利]用于经由谱编码进行光学成像的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2005年9月29日提交的序列号为60/721,802的美 国专利申请的权益，其整体内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及用于经由谱编码对上皮器官和其它生物结构进行全面光 学成像的装置和方法。

背景技术

放射技术如X射线计算机断层扫描(“CT”)、磁共振成像(“MRI”) 和超声波使得器官水平的人体病变的非侵入可视化成为可能。尽管这些医 疗器械可能能够识别大尺度的病变，但是癌症的诊断需要微观结构的评 估，这超出了传统成像技术的分辨率。因此，诊断可能需要活组织检查和 病理组织学检查。因为癌症前期的生长和早期癌症常常以微观尺度出现， 所以它们为识别和诊断提供显著的挑战。这些病变的传统筛选和监视依赖 于苏木精和伊红(“H&E”)染色玻片的无制导的活组织检查和形态分析。 尽管这种方法可以被认为是用于微观诊断的当前标准，但是它需要从患者 去除组织并且需要显著的处理时间以生成玻片。更重要地，组织病理学固 有地为点采样技术；常常只有非常小的一部分的患病组织能够被切除，并 且病理学家常常可能检查小于1％的活组织检查样品。

可以优选的是，从活人患者的整个器官或生物系统中获得微观诊断。 然而，合适成像技术的缺乏极大地限制了用于筛选肿瘤前的状况(例如转 化)和发育异常的选项。另外，无能力现场识别发育异常和恶性肿瘤的区 域已导致诸如像前列腺、结肠、食道和膀胱等等的随机活组织检查的筛选 过程，这是高度不希望的和杂乱无章的。当前涉及冷冻切片实验室的许多 诊断任务如外科肿瘤边界的描绘可以通过诊断医疗器械来改进，该诊断医 疗器械能够以微观尺度迅速成像大的组织体积。能够填补病理学和放射学 之间的这个空白的技术将会对患者管理和卫生保健具有重大利益。

已进行了技术进步以增加非侵入成像技术诸如像微CT、微PET和磁 共振成像(“MRI”)显微术的分辨率。通过这些技术已实现了接近20μ m的分辨率，但是基本的物理限制仍然阻止它们应用于患者。对于非切除 的组织病理学诊断，现场进行的微观光学活组织检查技术近来已取得进 展。反射共焦显微术(“RCM”)可以特别好地适合于对患者的非侵入显 微镜检查，因为它能够测量微观结构而没有组织接触，并且不需要管理外 在造影剂。RCM能够抑制离焦光，并且检测选择性地起源于组织内单平 面的背散射的光子。例如通过在平行于组织表面的平面内迅速扫描电磁辐 射的聚焦束，能够实施RCM，获得组织的横断或表面图像。可以用在RCM 中的大数值孔径(NA)能够获得非常高的空间分辨率(1-2μm)，使得亚 细胞结构的可视化成为可能。然而，高NA成像对随着光传播通过不均匀 的组织而出现的像差特别敏感。而且，使用RCM的高分辨率成像典型地 被限制到大约100-400μm的深度。

RCM已被广泛地展示为用于表皮组织的可行成像技术。内窥镜共焦 显微系统的开发已变得更加困难，这至少部分地归因于涉及使扫描显微镜 小型化的重要技术挑战。将共焦显微镜检查的概念直接应用于内窥镜检查 的一个主要障碍是机构的操纵，该机构用于在小直径软质探针的远端快速 扫描聚焦束。已提议了多种方法来应对这个问题，包括远端微机电系统 (“MEMS”)束扫描装置的使用和单模光纤束的近端扫描。而且，RCM 可以提供仅在离散位置处的微观图像——“点采样”技术。如当前实施的 那样，点采样是RCM所固有的，因为它具有有限的视场，其可以与切除 活组织检查的视场相当或比它小，并且对于全面的大视场显微镜检查，成 像速率太慢。

使共焦显微镜检查适用于内窥镜应用的另一个挑战包括可以用于光 学切片的高NA物镜的小型化。通过提供例如梯度指数透镜系统、双轴物 镜或定制设计的小型化物镜，可以实现这样的小型化。例如，使用耦合到 小型化物镜的光纤束，可以在体内获得子宫颈上皮的形态的详细图像，并 且使用商用仪器如可以从例如Olympus Corp.(奥林巴斯公司)和Pentax/ Optiscan获得的商用仪器，可以得到结直肠病变的基于荧光的图像。

尽管有这些进展，仍然需要改进的成像技术，该成像技术能够在大的 区域之上现场提供生物结构的微观分辨率。

发明内容