用于使用结构化照明经由单元件检测来分析浑浊介质的方法和设备

摘要

用于通过下述来获得一个或多个波长下的组织或浑浊介质的光学性质或结构的定性和定量分析的方法和设备：1）两个或更多结构化光条件下的浑浊介质（诸如组织）的表面上的单个空间位置处的检测或2）单个结构化光条件下的表面上的两个或更多空间位置处的检测。

说明书

技术领域

本文描述的实施例总体上涉及浑浊介质的光学测量且特别地涉及使用一个或多个结构化照明经由单元件检测器进行的组织吸收和散射参数的光学测量。

背景技术

在使用近红外光谱学（NIRS）作为用于组织光学性质的实时体内测量的手段方面已存在大量的研究，所述组织光学性质包含关于组织结构和功能的信息。特别地，在600～1000 nm光谱区域中，组织是散射为主的，并且组织中的最强分子吸收体是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白、水和脂类。高度漫射的光子探测大的样本体积，提供在高达几厘米的深度处的宏观平均吸收和散射性质。

被从组织反射或透射的光的量是由于吸收、散射和（通常非常弱的）荧光的复杂组合而引起的。为了测量给定样本的这些光学性质中的任何一个，一个人必须首先将吸收效应从散射效应分离/隔离。此能力的拥有对于大范围的医学（诊断、治疗监视、美容）和非医学应用（材料检验、可视化、真实感绘制、农业检验、化学浆料和粉末分析）而言是能够实现的。

NIR技术（虽然实际上不限于NIR光谱范围）将实验测量与基于模型的数据分析组合以定量地测量组织的体吸收（μ_a）和散射（μ_s'）性质。一旦在多种波长下已知μ_a和μ_s'，则能够确定各种分子吸收体的浓度。

在过去十年内已经开发了多个技术以测量体内组织性质，并且它们能够被广泛地分成两类：（1）光子迁移技术和（2）光学活检技术。这些类型的大多数仪器依赖于光纤接触探针测量，使得源检测几何结构被很好地定义。该几何结构允许组织的吸收和散射性质的定量测量，但是其局限于单个、小的区域。光子迁移仪器通常使用几厘米的源-检测器间隔，导致约一厘米的空间分辨率，使得能够针对诸如胸部、脑和肌肉的厚组织来确定μ_a和μ_s'。光学活检技术通常使用约100微米的源-检测器距离，因此它们侵入（interrogate）通常约一毫米的较小的空间规模。

对于许多医学诊断应用而言，需要将光子迁移和光学活检提供的某些生理信息组合、但具有宽场、无接触成像能力的技术。在此角色上，已经使用了使用具有可调谐光谱光源（或光谱检测滤波器）的照相机的多光谱成像系统。然而，存在关于照相机系统不能区别被组织吸收的光和被散射的光的基本问题。使用全场照明（即闪光摄影术）的成像系统不能区别两个效果，并且进行假设以便提供“定量”生化分析。在实践中，此缺陷导致描绘图像内的相对浓度变化的定性分析。

在Cuccia的Modulated Imaging：A Spatial Frequency Domain imaging Method for Wide - field Spectroscopy and Tomography of Turbid Media，Ph.D. Dissertation，University of California，Irvine，Dept. of Biomedical Engineering（“Cuccia，Modulated Imaging”）；以及Cuccia等人的Quantitation and mapping of tissue optical properties modulated imaging，J Biomed Opt 14（2），024012（2009）（“Cuccia，Quantitation and mapping”）中提供了这些技术的更详细讨论。

由于在先技术的缺陷，开发了称为“调制成像”（MI）的技术和技术平台。此类成像的关键方面是吸收和散射部件被分离并用来评估组织结构和计算定量生化映射图（map）。MI方法使用结构化光投射和基于照相机的检测以便获得以下各项的定量测量：

1. 次表面组织光学性质，包括：

     a. 由于以下各项而引起的组织吸收：

          i. 内生性发色团，诸如氧合和脱氧血红蛋白、水、脂类、黑色素、胆红素、卟啉等，以及

          ii. 外生性染料，诸如靛氰绿、次甲基蓝、合成制剂等

     b. 由于从上面的分子吸收之后的光的后续再发射而引起的组织荧光/磷光

     c. 由于以下各项而引起的组织散射，（微观折射）包括散射量值和方向两者：

          i. 细胞结构，诸如细胞核、线粒体、细胞膜，

          ii. 细胞外结构，诸如胶原质

          iii. 外源制剂

2. 表面轮廓信息（轮廓测定法）

先前在被通过引用结合在本文中的Cuccia的Quantitation and mapping和美国专利6,958,815中报道了包括空间频域成像（SFDI）测量、校准和分析的MI方法的详细描述。

从设备角度出发，MI/SFDI的创新方面是照相机与允许一个人重构组织光学性质的2D或3D方式的定量映射图的结构化光投射系统的其组合。一般地也称为空间结构化照明的结构化光照明除了别的以外还包括诸如正弦照明和周期性照明的照明。一般地，结构化照明图案（pattern）向组织中提供多个“视野”并显示出否则将被模糊或被混合在一起的各种结构与光学性质之间的对比。该系统通常是无接触的，允许在包括其中能够在没有污染的情况下侵入感兴趣的组织的手术引导的应用中的容易的使用。

从方法角度出发，能够以多种方式来分析照相机图像以提取此定量信息。最常见的实施例是“空间频域”分析，涉及1）处理图像的单傅立叶变换，或者2）通过在多个结构化照明条件下—通常是处于各种空间相位的空间正弦波，直接操纵一系列图像。使用以上方法2）的方法的强烈好处是它们使得其本身更容易朝向恢复已恢复性质的高分辨率映射图（2D或3D方式），因此允许在空间上分辨结构和/或确定各种结构/层等的深度。

MI的另一创新方面是同时轮廓测量连同组织光学性质确定一起的组合。轮廓测定法在诸如机器视觉和美容皮肤学的领域中是普遍的。

如上所述，MI具有在空间上分辨光学吸收和散射参数的独特能力，允许通过使用空间调制照明进行的组织光学性质的宽场定量映射。图1示出实验室级系统10的配置。来自卤素灯11的光被聚光器12扩大到空间光调制器（SLM）15上。当前系统使用来自德克萨斯仪器公司的数字微镜器件（DMD），其是能够产生并投射任意灰阶图案的1024×768反射镜阵列。此类图案被指引通过投影仪透镜16并被从反射镜17反射至组织T的表面，并且然后由数字CCD照相机19来记录漫反射光。在实验室仪器中，使用滤光片转盘13来查验离散数目的波长。作为滤光片转盘的替代，可以使用可调谐滤光器或可调谐光谱源来查验离散数目的波长。可以将正交线性起偏器14和18引入到源和检测光程中以去除镜面反射。SLM 15、照相机19和光谱设备与照相机和/或触发板同步，使得能够在各种空间频率下快速地获取一系列图案。可以使用浑浊反射率标准（诸如基于TiO2的硅树脂体模（phantom））来校准源强度并修正照明和成像系统两者中的空间不均匀性。

在大的样本区域内（许多平方厘米）投射各种空间频率下的周期性照明图案。通常，使用正弦波照明图案。由照相机捕捉的反射图像由于样本的光学性质特性而不同于照明图案。这些空间调制波的解调表征样本调制传递函数（MTF），其体现组织的光学性质信息。

例如，能够用以下形式的空间图案来对组织进行照明：

其中，S₀、M₀、f_x和α分别是照明源强度、调制深度、空间频率和空间相位。漫反射强度I是照明信号的空间变化（AC）和空间恒定（DC）分量的和。这些AC和DC空间分量不涉及术语AC和DC的其它使用，诸如电信号的AC和DC分量或AC和DC时间分量，例如在Sevick-Muraca的美国专利5,865,754中描述的那些。针对表征这些AC和DC空间分量的基础物理学、检测方案、分析方法和数学模型全部不同于这些术语的其它使用。

图2所示的顶行的图像示出针对四个空间频率下的照明图案获得的图像（仅示出每个频率的1个相位）。可以将反射强度的AC分量I_AC建模为：

在这里，M_AC(x, f_x)表示频率f_x下的反射光子密度“驻波”的振幅。请注意，M_AC可以是位置x的函数。为了获得M_AC(x, f_x)，采用简单时域振幅解调方法，在相同的空间频率下对正弦波图案进行照明三次，具有相位偏移α＝0、2/3π和4/3π弧度。然后可以通过下式在每个空间位置x_i处用代数方式来计算M_AC(x, f_x)：

空间变化的DC振幅M_DC(x)可以使用下式来计算：

其中，I₁, I₂和I₃表示具有移位空间相位的每个位置处的I_AC图像值。

最后，已知光学性质的参考浑浊体模的测量允许用于源强度S₀的基于模型的校准，并且因此允许M_AC和M_DC的转换以分别对漫反射率R_AC和R_DC进行校准。一旦确定了反射率的AC和DC分量，则使用“White蒙特卡罗（White Monte Carlo）”（WMC）方法来提供在宽反射率范围内预测光传输的准确且快速的模型。在每个波长下，将与空间—频率相关的漫反射率拟合到用于图像中的每个像素的WMC正向预测并获得μa和μs'光学性质，如在图2的底部处所示。这可以使用最小3相、单频图像组（通过对图像进行解调和求平均以分别获得AC和DC振幅映射图）用快速双频率查找表来执行。可以针对照相机FPGA硬件上的实时处理和/或实施方式容易地实现此简单算法。替换地，可以借助其它预测性、统计或启发模型来执行此分析。

通过映射多个波长下的吸收系数，能够可选地执行组织的定量光谱术。结果是在每个空间位置处具有吸收光谱的3D数据立方体。组织发色团（例如氧合和脱氧血红蛋白、脂类、水等）的消光系数的知识允许将这些光谱拟合到线性比尔-朗伯（Beer-Lambert）吸收模型并确定每个发色团的定量浓度。

还可以对任何上述点检测、测量和分析进行空间复用以产生浑浊介质光学性质和/或结构的1D、2D或3D空间表示。从硬件观点出发，这将包括前述检测器设置的多个拷贝或光学中继器或扫描系统以中继来自样本上的各种位置处的检测器信息。

如上所述，一般认为的MI的创新方面是照相机（2D光传感器）和结构化照明系统（2D投影仪）的组合以使得能够实现光学性质和组织结构的测量和2D/3D映射。虽然能够用消费者级电子装置对此系统进行结构化，然而其由于2D传感器的存在而要求一定水平的成本和复杂性。例如，当针对光谱学扩展该方法时（多个波长的测量），其增加显著的系统复杂性和/或测量时间约束，需要单波长测量或笨重且昂贵的多光谱成像系统。另外，虽然与使用光的时间调制的测量方法的组合/集成在理论上也是可能的（除光的空间结构化或空间调制之外），但这从来不是可行的或期望的，因为其要求用于照相机的昂贵、笨重且低保真度的时间选通系统。

因此，期望的是提供不那么昂贵和复杂的系统以分析浑浊介质的光学性质和结构。

本申请要求2009年11月19日提交的临时申请序号No. 61/262807的权益，其被通过引用全部结合到本文中。

附图说明

通过研究附图，可以部分地收集包括结构和操作的示例性实施例的细节，在附图中，类似的附图标记指的是类似的部分。图中的部件不一定按比例，而是着重于举例说明本发明的原理。此外，所有图示意图传达概念，其中，可以示意性地而不是真实地或精确地举例说明相对尺寸、形状及其它详细属性。

图1是常规已调制成像系统的示意图。

图2是已调制成像技术的数据分析流程的流程图。

图3（a）是单元件检测器和空间方面的强度调制源的示意图。

图3（b）是单元件检测器和波长方面的强度调制源的示意图。

图3（c）是一个空间结构化条件下的两个位置处的单元件检测的示意图。

图3（d）是单个光谱结构化照明条件下的两个光谱多样化单元件检测器下的单元件检测的示意图。

图4（a）～4（d）是利用两个照明和一个检测器的单元件检测方法的照明和反射率图。

图5（a）～5（b）是利用一个照明和两个检测器的单元件检测方法的照明和反射率图。

图6（a）～6（b）是作为AC和DC反射率分量的函数的体吸收（μ_a）和散射（μ_s'）的图。

图7（a）～7（b）是利用一个照明和两个检测器的单元件检测方法的照明和反射率图。

图8（a）～8（d）是利用两个照明和一个检测器的单元件检测方法的照明和反射率图。

图9是具有单元件检测器的结构化照明系统的示意图。

图10（a）～10（d）是示出（a）从包含苯胺黑、英托利匹特（intralipid）和水的组织模拟液体模收集的原始解调光谱的示例，；（b）由参考体模测量结果校准的反射率；（c）在本示例中在680 nm下示出的漫射“MTF”，以及（d）所得到的吸收和减小的散射光谱。

图11（a）～11（d）是示出高和低反照率体模的光学性质的图，其包括（a）测量和预期的吸收光谱，（b）预期与测量吸收值之间的准确度，（c）测量和预期的减小的散射光谱，以及（d）预期和测量的减小的散射之间的准确度。

图12是示出来自手掌前臂的测量吸收光谱的图和显示用于此特定测量的相应减小的散射光谱的子图。

应注意的是遍及各图，出于说明性目的一般地用类似的参考数字来表示类似结构或功能的元件。还应注意的是各图仅意图便于优选实施例的描述。

具体实施方式

在本文中提供的各种实施例和示例一般地针对用于在两个或更多结构化光条件或照明下在浑浊介质（诸如组织）的表面上的单个空间位置或限定的收集区域处借助单元件检测器通过检测来获得组织或浑浊介质的光学性质或结构的定性和定量分析的方法和设备。所述单个空间位置或限定的收集区域是局部化斑点或区域，并且优选地尺寸或维度被确定为在照明功能件的特征的数量级。在单元件检测器上所检测的信号包括来自单个空间位置或限定的收集区域内的所有点的信号的组合，其中，所述单个空间位置或限定的收集区域包括一个或多个点。

替换地，在单个结构化光条件或照明下在组织或其它浑浊介质的表面上的两个或更多空间位置或限定的收集区域处借助单元件检测器来实现检测。作为集中于经受两个或更多结构化光条件或照明的单个空间位置或限定的收集区域的替代，两个或更多单元件检测器集中于两个或更多空间多样化的位置或限定的收集区域，允许在不修改结构化光或照明的源的情况下的不同结构化光条件或照明的检测。

在上述单元件检测方法中，能够a）用与组织或其它浑浊介质的表面接触的单元件检测器/传感器来实现，或者b）另外经由光纤或透镜中继系统输送到单元件检测器。可以以接触形式（例如，通过LCD、LED阵列或已滤波的背光）或无接触形式（例如，通过幻灯放映机、DMD/DLP、LCOS或相干干涉）来实现结构化照明。在优选实施例中，结构化照明被空间结构化，但替换地可以将其光谱结构化（改变与波长相关的源强度）以显示出光学性质和结构。在图3A～3D中给出了这些操作模式的图。

转到图3A，针对使用多个空间结构化照明的单元件检测来描述方法和设备100。在步骤（101）处，由空间光调制器（SLM）110来产生多个结构化光图案。接下来，在步骤（103）处，通过投影透镜、广义中继器或接触式照明系统112将空间结构化光条件投射到包括组织或其它浑浊介质的目标介质T的表面上以用多个空间结构化光条件对目标介质T进行照明。在步骤（105）处，通过检测器透镜、广义中继器或接触式检测系统114将从目标介质T的表面上的单个空间位置再发射、即漫反射或透射的光耦合到单元件检测器116。

作为使用多个空间结构化光图案的替代，图3C描绘了用于使用单个空间结构化照明和一个或多个单元件检测器的单元件检测的方法和设备100'。在步骤（101'）处，由空间光调制器（SLM）110来产生单个结构化光图案。接下来，在步骤（103'）处，通过投影透镜、广义中继器或接触式照明系统112将空间结构化光条件投射到目标介质T的表面上以用单个空间结构化光条件对目标介质T进行照明。在步骤（107）处，通过检测器透镜、广义中继器或接触式检测系统114将从目标介质T的表面上的两个或更多空间多样化位置再发射的光耦合到两个或更多空间多样化单元件检测器115和116，或耦合到可移动或能够采取两个或更多配置或空间多样化位置以检测从目标介质T的表面上的两个或更多空间多样化位置再发射的光的一个单元件检测器116。

替换地，图3B描绘了用于使用多个光谱结构化照明的单元件检测的方法和设备102。在步骤（104）处，通过照明透镜、广义中继器或接触式照明系统112将由可变多光谱光源111产生的多个光谱结构化光条件投射到目标介质T的表面上以用多个光谱结构化光条件对目标介质T进行照明。在步骤（105）处，通过检测器透镜、广义中继器或接触式检测系统114将从目标介质T的表面再发射的光耦合到单元件检测器116。

作为使用多个光谱结构化光图案的替代，图3D描绘了用于使用单个光谱结构化照明和两个或更多单元件检测器的单元件检测的方法和设备102'。在步骤（104'）处，通过照明透镜、广义中继器或接触式照明系统112将由可变多光谱光源111产生的单个光谱结构化光条件投射到目标介质T的表面上以用单个光谱结构化光条件对目标介质T进行照明。在步骤（108）处，通过检测器透镜、广义中继器或接触式检测系统114和射束分离器、光谱仪或其它光谱选择设备117将从目标介质T再发射的两个或更多光谱多样化光信号耦合到两个或更多光谱多样化单元件检测器118和119。

转到图4（a）～4（d），使用一个检测器和两个结构化照明来描绘单元件检测方法。如在图4（a）中描绘的，第一照明I_AC+DC包括具有恒定偏移I_DC的正弦波形I_AC。图4（b）所示的第二照明I_DC包括具有相当于第一照明I_AC+DC的恒定偏移I_DC的空间恒定强度的照明。对应于第一照明I_AC+DC并由单元件检测器在被照明组织或其它浑浊介质的表面上的点x(₁)处检测的再发射光的量值在图4（c）中被描绘成R_AC+DC。对应于第二照明I_DC并由单元件检测器在被照明组织或其它浑浊介质的表面上的点x(₁)处检测的再发射光的量值在图4（d）中被描绘成R_DC。虽然被示为点，即x(₁)，但从其收集信号的单个空间区域实际上不能是极小的点位置，而是局部化斑点或区域。可根据下式来确定仅从第一结构化照明的AC分量得到的由单元件检测器检测的反射光的量值：R_AC＝R_AC+DC - R_DC。

替换地，图5（a）～5（b）描绘使用两个空间多样化检测器和一个结构化照明的单元件检测方法。如在图5（a）中描绘的，结构化照明I_AC+DC包括正弦波形I_AC，具有恒定偏移I_DC。可根据下式来确定如在图5（b）中描绘的与由第一和第二单元件检测器在被照明组织或其它浑浊介质的表面上的第一位置x(₁)和第二位置x(₂)处检测的结构化照明的AC和DC分量相对应的再发射光的量值：R_DC = (Rx₍₁₎ + Rx₍₂₎)/2; R_AC = (Rx₍₁₎-Rx₍₂₎)/2。可根据下式来确定与由第一和第二单元件检测器在被照明组织或其它浑浊介质的表面上的第三位置x(₃)和第四位置x(₄)处检测的结构化照明的AC和DC分量相对应的再发射光的量值：R_DC = Rx₍₄₎; R_AC = Rx₍₃₎–Rx₍₄₎。

如图6（a）和6（b）所示，可以使用R_DC和R_AC的值来确定组织或其它浑浊介质的体吸收（μ_a）和散射（μ_s'）性质。例如，如图6（b）中所描绘的，可以使用实验或模型生成的查找表来确定组织或其它浑浊介质的体吸收（μ_a）和散射（μ_s'）性质。

在单元件检测方法的某些实施例中，可能有利的是允许由单元件检测器收集的光大于单个“点”位置或局部化区域，使得作为从单个“点”位置收集光的替代，同时地从许多点收集光，其中，在单元件检测器上检测的信号将是来自包括在去局部化限定的收集区域中的所有点的信号的组合。所述限定的收集区域可以在照明功能件的特征的数量级或大于照明功能件的特征。可以简单地通过检测透镜的散焦或允许检测器孔径从样本表面的更大区域收集光来实现从限定的收集区域收集的光的测量或检测。以与前述相同的方式，源-检测器配置的空间内含物设计为将组织或其它浑浊介质内的期望信息内容隔离。来自这种方法的数据将被以与前述源-检测器配置类似的方式处理，包括后处理、滤波、校准、基于模型或基于查找表的计算。最后，可以将空间方面的去局部化的此概念容易地应用于波长谱中的局部化，如其应用于前述光谱调制方案那样。

转到图7（a）和（b），示出了利用去局部化限定的收集区域的单元件检测方法。用具有恒定偏移I_DC的采取x形式（诸如正弦波）的单周期函数I_AC进行照明。例如，该照明可以采取I_total = cos(k*x) + I_DC的形式，其中，x是横向空间维度且k是空间频率。由单元件检测器D1和D2用两个不同的区域收集方案来测量反射率或透射率。例如，可以将检测器D1设计为在照明函数空间周期的半整数倍（0.5、1.5、2.5等）内收集信息并产生量值测量结果M₁。可以将检测器D2设计为在周期性照明的整数倍（1、2、3等）周期内收集信息，产生量值测量结果M₂。由于测量M₂是在照明周期的整数倍内执行的，所以AC分量将抵消，给出R_DC＝M₂。然而，除DC信息之外，M₁还包括AC对比，并且其可以用来计算AC反射率分量。如果整数倍数对于两个条件而言是相同的，则M₁和M₂将相差仅半周期且R_AC = |M₂-M₁|。

在替换方案中，如图8（a）～8（d）所示，用具有恒定偏移的采取x形式（诸如正弦波）的周期函数I_AC对组织或其它浑浊介质进行照明。例如，具有恒定偏移的周期函数照明将采取I_total = cos(k*x) + I_DC的形式，其中，x是横向空间维度且k是空间频率。还用具有空间恒定强度I_DC的照明对组织或其它浑浊介质进行照明。由单元件检测器D1用相同的区域收集方案来测量反射率或透射率。例如，可以将检测器D1设计成在照明函数空间周期的半整数倍（0.5、1.5、2.5等）内收集信息，并产生用于与具有恒定偏移的周期函数I_total  = cos(k*x) + I_DC照明相对应的反射率或透射率的量值测量结果M₁。针对与具有空间恒定强度IDC的照明相对应的反射率或透射率，检测器D1产生量值测量结果M₂。由于测量M₂是由于空间恒定照明而对再发射执行的，所以不存在AC分量，并且因此给出R_DC＝M₂。M₁除DC信息之外还包含AC对比，并且可以用来收集AC反射率分量，其中，R_AC＝|M₂ - M₁|。

在更复杂的情形中，检测来自任意复杂区域的光的功能被设计成显示出期望样本性质或结构，诸如将再发射的光单独地从周期性照明函数的波峰和波谷隔离，产生测量结果M₁和M₂。在这种情况下，R_DC = M₁ + M₂以及R_AC = |M₂-M₁|。

在另一示例中，用贝塞尔函数加某个恒定偏移I_DC进行照明，其中，总照明是I_total⁼ J₀(k*x) + I_DC，其中，J₀是零阶的贝塞尔函数，x是空间（横向）位置且k是横向空间频率，并检测（用单元件检测器）从位置x＝0至x_max再发射或透射的总体光。此量值测量结果被称为M₁。单独地，一个人可以仅用空间恒定强度I_DC进行照明，因此，用相同的检测器配置检测不同的量值M₂。这些量值M₁和M₂单独地将足以用于计算光学性质和/或对结构进行定位（以与前述源-检测器取向类似的方式），即使它们未将照明射束的单个空间特征（正弦波的波峰或峰值）隔离。例如，如果M₁和M₂是由第一和第二照明条件进行的测量的量值，并且最大检测半径x_max被设置为照明贝塞尔函数的“零”，然后分别用于反射率的DC和AC分量的量值估计R_DC和R_AC将是R_DC＝M₂和R_AC＝M₁ - M₂。先前已示出了最小测量结果R_DC和R_AC如何足以用于计算光学性质，诸如分别为μ_a和μ_s'的吸收和减小的散射系数。

本文所述的单元件检测方法的优点主要在于设备的单元件检测器方面。可以可选地如上文相对于MI方法所述的来实施仪器测量、校准和分析方法，并且在Cuccia的Modulated Imaging，Cuccia的Quantitation and mapping以及美国专利6,958,815中进行了进一步详细叙述，其被通过引用结合到本文中，不同的是1）检测器是（a）单元件传感器或其它光学检测器，或（b）用于光学中继设备的入射光瞳（例如，诸如光纤的面），或者（c）其它点或局部化区域检测系统，以及2）不存在到已检测信号的空间对应关系（例如‘x’参数），因为每个再发射结构光图案仅检测一个“信号”。结果，能够从单个空间位置处的测量检测在x-y平面中延伸的来自空间结构化光波的非局部信息。此能力来源于这样的现象，即单个空间位置处的反射光波的形状和量值是通常比单个空间点检测大的体积内的与光学性质相关的多次散射的累积结果。因此，内部散射趋向于在结构光波上引起非局部或“全局”效果，通常导致被反射的结构化光图案中的模糊或对比度损失。此模糊的横向空间规模取决于介质中的吸收和散射的长度规模，其可以比由单元件检测器在单个空间位置处采样的斑点大得多。在这种方法中，两个或更多结构化光投射给出复合波的多重“视野”，允许由单个局部测量来检测波的非局部性质。以前，使用覆盖广视野的2D照相机来测量此性质以便在x-y平面中捕捉与空间相关的信息。作为此检测现象的示例，考虑以1 + cos(f_x*x)形式来检测由于被正弦照明的浑浊介质而引起的再发射波峰或波谷。由于浊度，在特定波峰或波谷处测量的强度是内部性质的累积结果，其远离检测点横向地延伸超过多个空间周期。此感测的“非局部性”将取决于空间周期（1/f_x）与介质内的光交互的规模（1/μ_a和1/μ_s'）的关系。换言之，由于浊度，光学性质的局部化变化或扰动（诸如由于肿瘤或血管而引起的增加的吸收）将促使再发射的结构光图案被非局部地修改。在以上正弦示例中，多个峰值和波峰将由于在程度方面比光的空间周期小得多的扰动而被修改。

单点或单个空间位置数据的分析和/或重构将包括以下步骤中的一个或多个：

1）测量的数据的信号调节，诸如信号平均、滤波、标准化或本底扣除，以减少非期望伪像的影响，诸如噪声或本底信号；

2）空间变化（AC）信号的振幅或相位分量的隔离，诸如：

     a）将由于照明的单个空间频率而引起的测量结构光信号解调以将空间变化的分量的振幅和/或相位隔离到反射或透射波，或者

     b）执行上述操作，其中，空间变化信号替代地由多个空间频率构成（频率的叠加）。通常，通过将从相同结构化光波的多相位投射产生的数据组合来完成此解调。在被通过引用结合的Cuccia的Quantitation and Mapping和Bassi等人的Spatial shift of spatially modulated light projected on turbid media，J. Opt. Soc. Am. A. 25（11）2833（2008）（“Bassi, Spatial Shift”）中讨论的用以计算薄的振幅或相位的简单方法。一个方式是将数据组合以获得如下振幅数据：

AC振幅 = 

其中，A、B和C分别是在具有0、120和240度的相位的空间正弦波的照明下收集的数据点；

3）空间恒定（DC）信号的振幅分量的隔离，诸如恒定（平面）照明条件下的单次测量或计算多相位投射的平均值或均值。参见Bassi的Spatial Shift；Cuccia的Quantitation and Mapping；

4）相对于对具有已知光学性质的样本（校准体模）的测量的以上AC或DC信号的标准化或校准；

5）基于一个或多个AC或DC信号的样本的光学性质（吸收、减小的散射、各向异性、荧光等）的确定，例如通过基于模型的分析（例如分析、随机或有限元素解算器）、与先前获取的数据（例如已知光学性质的体模样本的测量结果）的比较或其它启发式方法；

6）5）中的以上计算，其中，通过先验表格结果的查找表来执行计算；

7）样本内的结构的深度的确定，例如通过AC和/或DC信号的比或差、基于模型的分析（例如基于多层或包含的解算器）或其它启发式方法；

8）5）或6）与7）的组合，以获得样本深度和光学性质确定，使得能够将光学性质分配到特定区域；

9）使用一个或多个波长下的体或逐区域光学性质来确定特定材料、染料、发色团等的浓度或截面和/或位置；

10）9）中的度量的组合以提供告知关于样本的健康、构成或其它状态的信息的简单索引；

11）通过样本的各种区域、相同部位的多次测量、来自相同部位、多个部位、多个样品或人的多个波长和/或多个时间获得的1～10中的许多数据计算的比较，以便评估样本变差，将一个样本与总体相比较，告知治疗结果，执行诊断分析等。

通过用单元件传感器进行结构光测量（或检测从样本上的单个点或空间位置再发射或透射的光），消除了2D传感器检测的复杂性。这一般地导致三个主要实际优点：

1. 核心仪器能够潜在地更小、更敏感、噪声较低、强度分辨率更好、更便宜和/或在较低功率下操作；

2. 其它测量复用方法变得更加可行，诸如光谱复用（例如，通过光谱仪或检测器阵列）以及偏振复用；以及

3. 与诸如基于时间的测量或时域和时间-频率域光子迁移技术的其它测量方法的组合。

转到图9，示出了具有单元件检测器的结构化照明系统200的示例的示意图。如所描绘的，系统200包括包含宽带投影照明源211的近红外数字投影仪210。来自照明源211的光经由集成的基于杆的“轻型引擎”（诸如在DLP投影仪中提供的那些）被传送到数字微镜设备（DMD）215。来自DMD 215的光然后被成像到目标介质T的表面上，导致投影视场，例如50×68 mm的视场。收集光学装置（透镜）218捕捉从被照明区域的2mm直径中心小段再发射的光。如所描绘的，这些光学装置218将从此区域收集的光耦合到400微米检测器纤维222的远侧尖端。从样本再发射的光然后被输送到可调谐光谱仪224，被调谐到一定的波长范围和分辨率，例如430～1050 nm的波长范围，具有～1 nm的分辨率。16位CCD 226充当检测器。可以使用交叉式2英寸直径的线栅偏振滤波器214来抵制来自样本表面的镜面反射。起偏器214被插在DMD 215与投影光学装置216之间，并且分析仪220被放置在纤维222与收集光学装置218之间。

如下所述，能够在无接触方法中利用系统200以便确定浑浊介质的定量光学性质，其在下文中称为空间调制定量光谱术（SMoQS）。通过作为投射的照明图案的空间频率的函数来测量来自未知样本的宽带反射率，能够在没有存在发色团的先验假设的情况下计算绝对吸收和减小的散射系数。

针对在SMoQS研究中利用系统200测量的所有样本，使用基于与图10（a）所示的类似的二维正弦波的照明图案来表征样本。图案的空间频率以0.05 mm^-1的步幅从0跨越至0.2 mm^-1。使用已经由Cuccia的Quantitation and mapping描述的调制/解调方案，将每个特定空间频率投射3次，每次具有0、120和240度的相移。针对每个投射的相位获取数据三次以便进一步降低噪声。针对每个投影图案和每个相位存储原始光谱数据。从具有已知光学性质的液体参考样本获取参考校准测量结果。此步骤用来表征仪器的固有MTF。

作为跨多个像素从单个波长测量反射率序列的替代，在SMoQS方法中，针对单个空间位置测量整个宽带反射率。这种特定方法允许测量大得多的波长范围，但其是以成像能力为代价的。在这种情况下，针对每个空间频率和相位收集全宽带光谱。然后对宽带反射率进行解调以提取所检测的光的AC分量：

得到作为空间频率的函数的用于给定样本的宽带AC反射率（图10（a））。在这里，I_i(λ, f_x)表示三个投射相位处的测量反射光谱，i=[1, 2, 3]。通过使用具有已知光学性质的参考体模，能够对数据进行校准并对其给定绝对反射率的单位（图10（b））。在这里，最高迹线对应于在0/mm的空间频率（即平面照明）下获取的数据且最低的对应于在0.2/mm的空间频率下获取的数据。随着空间频率增加，在980nm下表现为反射光谱中的凹陷的吸收谱带变得不那么明显。这与如由Cuccia的Quantitation and mapping所报道的随着增加空间频率而减小吸收衬度的观察结果一致。在每个波长下，然后能够通过Cuccia的Quantitation and mapping的点源反射率预测的离散Hankel变换通过基于蒙特卡罗的模拟对作为空间频率（即有效MTF）的函数的AC反射率振幅的减小进行建模和分析（图10（c））。根据此模型，能够独立地在每个波长下识别吸收和散射的贡献，在不使用用于减小的散射的任何光谱约束或假设的幂定律依赖关系的情况下得到用于吸收和散射的宽带光谱（图10d）。不同于基于漫射的模型，这种方法不受反照率或频率范围的限制。出于建模目的，我们采取用于英托利匹特体模的0.7和用于皮肤的0.9的各向异性（g）值。为了举例说明SMoQS准确地恢复光学性质的能力，准备一系列的均值液体体模。由于其在光学性质方面被很好地表征，所以使用Intralipid?（20%，Fresenius Kabi）作为体模内的散射剂。（H. J van Staveren等人，Light scattering in Intralipid - 10% in the wavelength range of 400 - 1100nm，Applied Optics 30（31），4507 - 4514（1991）（van Staveren））。

针对这些研究，还执行多距离FDPM测量（R.C. Haskell等人的Boundary Conditions for the Diffusion Equation in Radiative Transfer, Journal of the Optical Society of America-A, 10, 1 - 15, (1994)）以在650～850 nm内确认这些值，独立地确认所准备的体模与使用由van Staveren提出的方法在分析上确定的预期散射值匹配。

为了简化和实验控制，使用单个染料作为液体体模中的主吸收剂。在此初始研究中，水溶性苯胺黑（Sigma Aldrich）由于其相比于感兴趣的波长范围而言宽的光谱分布而被选作吸收体，允许在单个体模中测量吸收值的大的动态范围。此外，这些值的分布粗略地模拟在组织中可能遇到的分布—即可见光中的宽吸收峰值和近红外光中的低吸收。以在不存在任何散射体的情况下在液体体模中使用的特定浓度来测量每个苯胺黑溶液的谱线形状和定量吸收值，并在感兴趣的整个波长范围内使用分光光度计（Shimadzu UV-3600）进行确认。

实现三个体模，每个设计有独特的各组光学性质。将这些中的两个当做研究样本。这些中的第一个是高反照率体模，被设计为具有分别为[0.01-0.1]和[1.0-2.0]  mm^-1的吸收和减小的散射值范围，而第二体模具有低反照率，具有在[0.1 - 0.3]  mm^-1之间的吸收和在范围[0.5-1.2]  mm^-1内的减小的散射。这些范围延伸远远超过NIR中的预期值，但是相对于在可见光系中预期的值而言仍是保守的。第三体模的光学性质被选择为落在两个测试体模的那些之间，μ_a = [0.1-0.3]且μ_s'=[1.0-2.0]。这被用作参考校准以表征系统MTF和谱吞吐量。

图11示出用于两个液体体模的提取光学性质。在图11（a）中，连同在体模的准备中所使用的苯胺黑和水的已知浓度一起描绘用于低和高反照率的已恢复吸收光谱。这些吸收值是在每个波长下用SMoQS方法独立地确定的，然而如实地产生预期的光谱，即使是在其中源照明和系统吞吐量弱的光谱区中（即430～500 nm和1000～1050 nm）。针对减小的散射系数的定量确定产生类似的结果（图11（c））。作为预期值的量值的函数，光学性质的恢复也是成功的（图11（b）、11（d））。这种技术举例说明了跨越被测试的范围预期光学性质的高度线性响应，得到分别用于吸收和散射的0.985和0.996的R-平方值。

为了证明基本可行性，还收集关于体内人类组织的测量结果。在这种特定情况下，将对象的手掌前臂放置在投影照明下，并具体地从包含大静脉的组织区域收集光（IRB研究协议# 1996～200）。使用在液体体模实验中所采用的相同参考体模，提取吸收和减小的散射光谱，如图12所示。然后在线性最小二乘的意义上将吸收光谱拟合到包括氧合和脱氧血红蛋白、水和黑色素的光谱的基本集合。由于系统的信噪比在此测量的光谱极限下特别弱（<1），所以仅在500～1000 nm的范围内执行此拟合。用这些生理相关的发色团来定性地很好地描述测量的皮肤光谱。所得到的每个发色团的定量贡献与用于此类组织的典型值一致。这些拟合产生用于22.4和28.4 M的氧合和脱氧血红蛋白的浓度值，其在别处针对皮肤引用的值的范围内。（M. Kobayashi等人的Analysis of nonlinear relation for skin hemoglobin imaging，Optics Express 9（13）802～812（2001））。另外，已确定所探测的体积的70.2%由水构成且0.51%是黑色素。（I. Nishidate等人的Estimation of melanin and hemoglobin in skin tissue using multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation. Journal of Biomedical Optics 9（4）700～710（2004））。尽管已认识到皮肤不是均匀介质且发色团的分布是深度选择性的，但相当近似地，这些结果仍是令人鼓舞的且仍有用于SMoQS的进一步基于层的建模的机会。（J. R. Weber等人的Non - contact imaging of absorption and scattering in layered tissue using spatially - modulated structured light, Journal of Applied Physics，105，102028（2009））。

已经提供了浑浊介质中的空间频率域（SFD）采样的新实施例，其能够在范围430至1050 nm内表征光学性质，具有1.5 nm分辨率。将SFD平台用于定量光谱术不仅由于其跨越非常宽的波长范围来表征浑浊介质的能力而有吸引力，而且必需仪器是相对低成本、非接触式且实现起来很简单的。这种方法的固有灵活性允许调谐用于已特定波长系为目标的系统，允许其在宽范围的初始研究中被使用。在于检测纤维处添加扫描光学装置的情况下，能够在由投射的图案照明的组织的整个区域内执行光学性质的映射。源照明的光谱预先调节还将帮助平衡所检测的动态范围、与波长相关的反射率，允许在其中吸收在特性上很强的两个光谱区域中有改善的SNR以及补偿系统仪器功能中的光谱依赖性方面的限制。

该技术的体内演示提供了用存在于皮肤组织中的典型发色团很好地描述提取的吸收光谱的强有力证据。然而，此分析是使用假设发色团均匀地分布在组织中的模型执行的。实际上，在这里所使用的设备的侵入体积的规模，皮肤是不均匀的。宽波长范围内的组织侵入将提供对于组织发色团种类和结构的与深度相关的衬度，在可见光中的亚毫米探测深度至近红外光中的许多毫米的深度灵敏度范围内。此外，在宣称分层介质中的光学性质的鲁棒定量之前，将需要此差动体积效应的进一步研究和建模。（J.R. Weber）。

本文所述的初始测量举例说明SMoQS作为用于对可见光和近红外光中的光学性质进行量化的技术的基本能力。其能够在没有任何先验假设的情况下表征这些光学性质并在无接触范例中执行这些测量，有助于组织的体内表征。

虽然本发明可以接受各种修改和替换形式，但其特定示例已在附图中示出并在本文中被详细地描述。然而，应理解的是本发明不限于所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、等价物和替换。