專(zhuān)利名稱(chēng)：用于反射成象分析的方法與裝置的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)案介紹本申請(qǐng)要求以下優(yōu)先權(quán)1995年10月23日遞交的申請(qǐng)No.60/005,836；1996年3月23日遞交的申請(qǐng)No.60/016,040；1996年4月23日遞交的申請(qǐng)No.60/016,036；1996年4月23日遞交的申請(qǐng)No.60/016,037；1996年4月23日遞交的申請(qǐng)No.60/016,039；以及1996年6月27日遞交的申請(qǐng)No.60/020,685；如整個(gè)下文所指出的，所有上述申請(qǐng)公開(kāi)的內(nèi)容均在此引入作為參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明所述領(lǐng)域本發(fā)明涉及反射光分析。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及利用反射光譜成象對(duì)受檢者的血管系統(tǒng)進(jìn)行非侵入分析。本發(fā)明還涉及采用正交偏振器進(jìn)行反射光譜成象分析。
2.相關(guān)技術(shù)按照廣泛接受的醫(yī)學(xué)院校觀點(diǎn)包括白細(xì)胞分類(lèi)的全血計(jì)數(shù)(CBC+Diff)是了解患者全面身體狀況最好的檢測(cè)手段之一。醫(yī)生可以用它檢測(cè)或診斷貧血癥、感染、失血、急慢性疾病、過(guò)敏癥等等。CBC+Diff分析可提供包括紅細(xì)胞數(shù)目、紅細(xì)胞比積、血紅蛋白濃度在內(nèi)的有關(guān)血液成分的全面信息，并可提供描述整個(gè)紅細(xì)胞(RBC)群體的大小、形狀、及攜氧特性的指數(shù)。CBC+Diff還包括白細(xì)胞數(shù)量和種類(lèi)，及血小板數(shù)量。CBC+Diff是使用最多的診斷測(cè)試手段之一，在美國(guó)每年要作約二十億次。
傳統(tǒng)的CBC+Diff測(cè)試是以“侵入”方式進(jìn)行的，通過(guò)針頭從患者體內(nèi)抽出靜脈血樣，再送到實(shí)驗(yàn)室作分析。比如，抽血醫(yī)師(在抽血方面經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練的人)將靜脈血樣采集到一個(gè)含有抗凝劑的試管中，以防止血液凝結(jié)。然后將該樣品送至血液分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，通常是在自動(dòng)多參數(shù)分析儀器上進(jìn)行，如佛羅里達(dá)州邁阿密的Coulter Diagnostics公司制造的產(chǎn)品。CBC+Diff測(cè)試結(jié)果返回到送檢醫(yī)生處，通常是第二天了。
在醫(yī)療診斷過(guò)程中，經(jīng)常需要測(cè)試其它類(lèi)型的血液成分，如存在于血液血漿組分中的非細(xì)胞成分。這樣的成分可能包括血液氣體和膽紅素等。膽紅素是血紅蛋白和其它蛋白質(zhì)代謝分解過(guò)程中產(chǎn)生的淡紅偏黃的染色物質(zhì)。膽紅素由肝臟從血液中除去并排泄出體外。但是，新生兒，特別是早產(chǎn)兒的肝臟不能有效地處理膽紅素。
分娩過(guò)程常常導(dǎo)致大范圍的損傷，從而導(dǎo)致血液逸入代謝破裂的組織中。由于這個(gè)和其它的醫(yī)學(xué)原因，膽紅素可能在血流中積累起來(lái)。如果膽紅素水平增加過(guò)高，它將淤積到其它機(jī)體組織中去，引起黃疸。它首先表現(xiàn)在眼睛上。當(dāng)繼續(xù)增高時(shí)，將淤積到包括大腦在內(nèi)更深的組織中，并能夠?qū)е掠谰眯缘哪X損傷。
最普通的膽紅素分析方法是通過(guò)一個(gè)體外過(guò)程。在這種體外過(guò)程中，血樣是用侵入方式從患者身體中抽出的。通過(guò)離心作用使其組成成分(紅細(xì)胞和其它細(xì)胞)分離，而剩下的液體經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)，并用光譜儀器作出分析。
諸如用于傳統(tǒng)的CBC+Diff測(cè)試和膽紅素分析的侵入技術(shù)，對(duì)新生兒而言是個(gè)特別難題，因?yàn)樗麄兊难h(huán)系統(tǒng)還未發(fā)育完全。血液通常是用一種“后跟刺入”法抽出的，在此過(guò)程中新生兒的后跟會(huì)被一次或多次刺破，并反復(fù)將血液擠出到收集管中。即使對(duì)健康嬰兒，這種方法也是有創(chuàng)傷的。更重要的是，由于嬰兒總血量少，這種方法有被迫輸血的風(fēng)險(xiǎn)。新生兒的總血量為每公斤體重60-70cc。于是，在新生兒集中護(hù)理部門(mén)看護(hù)的低出生體重嬰兒(2500克以下)，其總血量在45-175cc范圍內(nèi)。由于他們的血量少，且出生后紅細(xì)胞的產(chǎn)生較遲，所以從不足月新生兒和其它患病嬰兒體內(nèi)頻繁采集血樣，就必然需要對(duì)這些嬰兒輸血。在供血需求方面，用于新生兒集中護(hù)理部門(mén)輸血之用的血庫(kù)，僅排在胸外科血庫(kù)需求之后的第二位。除了新生兒之外，在兒童，老年患者，燒傷患者，以及特護(hù)區(qū)患者的身上實(shí)施侵入技術(shù)也很費(fèi)事和/或困難。
實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果與身體檢查所得到結(jié)果之間存在著層級(jí)關(guān)系。一般地講，患者身體檢查結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果之間的區(qū)別，是由于技術(shù)局限。比如，在貧血癥(定義為低血紅蛋白濃度)的診斷過(guò)程中，為了對(duì)慘白的膚色進(jìn)行查驗(yàn)，經(jīng)常需要測(cè)出血紅蛋白濃度或紅細(xì)胞比積值。慘白是指皮膚缺乏粉紅的顏色，經(jīng)常標(biāo)志著深紅色血紅蛋白缺乏或濃度降低。但是，有時(shí)慘白也可能由如外圍血管收縮等其它原因造成，或被皮膚色素沉著所掩蓋。由于某些表皮部分不太受這些因素的影響，所以臨床上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，伴有貧血癥的慘白可以在口腔粘膜、結(jié)膜、嘴唇、和甲床更準(zhǔn)確地檢查出來(lái)。能迅速非侵入地直接通過(guò)檢查上述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域來(lái)定量確定血紅蛋白濃度的儀器，可以不必抽取靜脈血樣即確診貧血癥。在對(duì)患者作結(jié)論時(shí)，這種儀器可以避免因等待實(shí)驗(yàn)室結(jié)果而造成的時(shí)間延誤。這種儀器還具有使患者舒適的優(yōu)點(diǎn)。
軟組織，如粘膜或無(wú)色的皮膚并不吸收可見(jiàn)光和近紅外光，即它們不吸收血紅蛋白吸收光的光譜區(qū)域內(nèi)的光。這使血管系統(tǒng)可以通過(guò)光譜吸收從周?chē)浗M織背景中區(qū)分出來(lái)。但是，軟組織表面對(duì)光的反射很強(qiáng)，且在穿透僅僅100微米之后軟組織本身將明顯地對(duì)光產(chǎn)生散射。所以，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的體內(nèi)觀察，因分辨率低而很難進(jìn)行，因?yàn)閷?duì)多次散射和表面的鏡面反射進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜性而基本上無(wú)法實(shí)行。而有關(guān)微循環(huán)中的細(xì)胞顯現(xiàn)研究幾乎是不侵入的，并采用了有微循環(huán)組織的一個(gè)薄斷面(小于發(fā)生多次散射的距離)，如腸系膜，它可以利用透過(guò)該組織斷面的光通過(guò)顯微鏡加以觀察。還進(jìn)行過(guò)其它研究試驗(yàn)，通過(guò)時(shí)間選通在多次散射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生組織圖像(見(jiàn)Yodh，A.and B.Chance，《今日物理》(Physics Today)1995年，3月，34-40)。但是，這種圖象的分辨率因?yàn)楣獾纳⑸涫艿骄窒蓿疑⑸湟蜃拥挠?jì)算復(fù)雜。
光譜儀包括根據(jù)在一或多個(gè)光波長(zhǎng)處的電磁輻射受物質(zhì)吸收和衰減情況進(jìn)行分析。用于這種分析的儀器稱(chēng)作光譜儀。簡(jiǎn)單的光譜儀包括輻射源，諸如燈泡；光譜選擇裝置，如包含棱鏡或光柵或?yàn)V光片的單色儀；以及一或多個(gè)檢測(cè)器，如測(cè)量選定光譜范圍內(nèi)透過(guò)樣品和/或被其反射的光量的光電管。
對(duì)于不透明的樣品，如固體或高吸收溶液，可以測(cè)量從樣品表面反射的光輻射，并與無(wú)吸收的或白色的樣品反射的輻射相比較。如果對(duì)該反射強(qiáng)度作為波長(zhǎng)的函數(shù)作出曲線，則給出一個(gè)反射光譜。反射光譜通常用于染色織物或油漆表面的配色。但是，由于它的范圍限制和不準(zhǔn)確性，故反射光譜儀主要用于定性分析，而不用于定量分析。另一方面，透射光譜一般用于定量分析，因?yàn)榭梢赃m用比爾定律(Bear’s Law)(測(cè)量到的強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與濃度成線性反比關(guān)系)。
反射光譜儀通常不用于定量分析，因?yàn)楸砻娴溺R面反射限制了可以達(dá)到的對(duì)比度(黑與白或信號(hào)與噪聲之比)，進(jìn)而限制了測(cè)量范圍和線性度。由于表面效應(yīng)所以通常與表面成一定角度進(jìn)行測(cè)量。但是，僅在朗伯表面(Lambertian Surface)的特殊情況下，反射強(qiáng)度與視角無(wú)關(guān)。朗伯表面的反射光在各方向上呈現(xiàn)相等亮度(余弦定理)。但是，好的朗伯表面難以獲得。傳統(tǒng)的反射光譜儀，具有比符合比爾定律的透射光譜儀更為復(fù)雜的反射光強(qiáng)與濃度之間關(guān)系。根據(jù)可用于反射光譜儀的Kubelka-Munk理論，反射光強(qiáng)可以通過(guò)吸收散射比與濃度間接相關(guān)。
在雷諾氏病、糖尿病、和鐮形血細(xì)胞病患者甲床微循環(huán)的反射光方面已經(jīng)進(jìn)行了一些成象研究。進(jìn)行這些研究可以獲得有關(guān)毛細(xì)血管密度、毛細(xì)血管形狀及血流速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些研究局限于毛細(xì)血管方面的粗略物理測(cè)量。沒(méi)有進(jìn)行過(guò)光譜測(cè)量或單個(gè)細(xì)胞的測(cè)量，多普勒技術(shù)可用于估計(jì)速率。這些研究中采用的非侵入方法可以以一種舒適的方式應(yīng)用到大多數(shù)患者身上。
一種用于體內(nèi)分析的非侵入裝置被公開(kāi)在Winkelman的美國(guó)專(zhuān)利4,998,533中。Winkelman的裝置采用了圖象分析和反射光譜儀，以測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的參數(shù)如細(xì)胞尺寸。測(cè)量?jī)H僅在諸如毛細(xì)血管這樣的小血管內(nèi)進(jìn)行，在其中可以看到單個(gè)細(xì)胞。由于Winkelman的裝置僅僅在毛細(xì)血管中進(jìn)行測(cè)量，所以Winkelman裝置的測(cè)量對(duì)于較大的血管將不會(huì)有精確的測(cè)量結(jié)果。這種不精確源于由血液的非牛頓粘度特性導(dǎo)致的毛細(xì)血管中血液體積與細(xì)胞體積關(guān)系的經(jīng)常變化。因此，Winkelman裝置不能測(cè)量總的或真實(shí)的紅細(xì)胞比積，或總的血紅蛋白濃度，它們?nèi)Q于諸如靜脈這樣的大血管中紅細(xì)胞體積與全血體積之比。
Winkelman裝置通過(guò)對(duì)流過(guò)微細(xì)血管的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量與紅細(xì)胞數(shù)量有關(guān)的白細(xì)胞數(shù)量。為了估算濃度，Winkelman裝置依靠累加統(tǒng)計(jì)上可靠的白細(xì)胞數(shù)目。但是，通過(guò)微細(xì)血管的血流對(duì)于每個(gè)白細(xì)胞約包含1000個(gè)紅細(xì)胞，從而使得該方法不切實(shí)際。Winkelman裝置沒(méi)有提供任何可用于血小板顯現(xiàn)和計(jì)數(shù)的手段。而且，Winkelman裝置沒(méi)有提供任何可用于毛細(xì)血管血漿顯現(xiàn)或毛細(xì)血管血漿成分定量的手段。Winkelman裝置也沒(méi)有提供任何用于檢測(cè)諸如瘤細(xì)胞等血液異常成分的手段。
于是，本領(lǐng)域需要一種能提供完全不侵入的血管系統(tǒng)體內(nèi)分析的裝置。需要一種如下裝置，可提供高分辨率顯示血細(xì)胞組分(紅細(xì)胞，白細(xì)胞和血小板)；血液流變學(xué)；有血液流過(guò)的血管；以及整個(gè)血管系統(tǒng)的血管分布的裝置。而且需要一種非侵入式裝置，它可以定量地確定血細(xì)胞、血細(xì)胞正常和異常含量以及血漿的正常和異常成分。
發(fā)明概述本發(fā)明旨在提出利用反射光譜成象分析進(jìn)行血液分析的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，該裝置可以包括一照射血液的光源，以在光源與被照明血液之間形成一條光路。用第一偏振器使光源發(fā)出的光起偏。用圖象攝取裝置攝取從位于小于多次散射長(zhǎng)度的深度處被照明物體反射的反射圖象。該反射圖象沿著被照明血液與圖象攝取裝置之間的反射光路傳播。將一第二偏振器置于被照明血液與圖象攝取裝置之間的反射光路中。該第二偏振器具有與第一偏振器的偏振面成90°角的偏振面。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，該光源包括第一偏振器，從而第二偏振器具有與光源所發(fā)出偏振光的偏振面成90°的偏振面。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，該裝置包括位于第二偏振器與圖象攝取裝置之間反射光路中的圖象分離裝置。該圖象分離裝置將反射圖象分離成多個(gè)圖象部分。附加攝象裝置可用于攝取該反射圖象的多個(gè)部分?？梢栽趫D象分離裝置與圖象攝取裝置之間的反射光路中設(shè)置光譜選擇裝置。
按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種血液分析方法。該方法包括如下步驟(1)對(duì)血液成象，以產(chǎn)生一個(gè)從小于多次散射長(zhǎng)度的深度處反射出來(lái)的原始反射圖象；(2)對(duì)該原始反射圖象進(jìn)行校正，以形成一校正的反射圖象；(3)從校正的反射圖象中截取一個(gè)場(chǎng)面，以形成分析圖象，以及(4)對(duì)該分析圖象進(jìn)行分析以獲得血液特性。
按照本發(fā)明方法的再一個(gè)方面，對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正的步驟可以通過(guò)下述步驟完成(a)對(duì)原始的反射圖象進(jìn)行第一波長(zhǎng)濾光，以形成第一濾光圖象；(b)對(duì)原始的反射圖象進(jìn)行第二波長(zhǎng)濾光，以形成第二濾光圖象；(c)對(duì)第一濾光圖象除以第二濾光圖象所得到的商取負(fù)對(duì)數(shù)，以形成校正的反射圖象。此外，可以通過(guò)取第一和第二濾光圖象對(duì)數(shù)之差完成該校正。
按照本發(fā)明方法的另一個(gè)方面，從校正的反射圖象中截取一個(gè)場(chǎng)面以形成分析圖象的步驟，包括對(duì)校正的反射圖象施加一或多個(gè)判據(jù)。這些判據(jù)可以包括光強(qiáng)判據(jù)，尺寸判據(jù)，形狀判據(jù)，或其它空間濾波技術(shù)。
本發(fā)明的方法可用于確定血液的各種特性。這些特性可以包括單位體積血液的血紅蛋白濃度，單位體積血液的白細(xì)胞數(shù)，平均細(xì)胞體積，平均細(xì)胞血紅蛋白濃度，單位體積血液的血小板數(shù)，以及紅細(xì)胞比積。
按照本發(fā)明方法的又一個(gè)方面，可以用一第一偏振器起偏的光照射血液。反射圖象可以透過(guò)具有與第一偏振器偏振面成90°角的偏振面的第二偏振器或檢偏器，以產(chǎn)生一原始的反射圖象。
按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，該方法被用于進(jìn)行大血管中血液的體內(nèi)分析，以及用于小血管中血液的體內(nèi)分析以確定諸如濃度和血細(xì)胞計(jì)數(shù)等血液參數(shù)。本發(fā)明的方法還可以用于指導(dǎo)對(duì)毛細(xì)血管血漿的非細(xì)胞特性進(jìn)行非侵入式體內(nèi)分析。
按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于檢測(cè)物體光學(xué)特性的裝置。該裝置包括一個(gè)用于照射該物體的光源，和用于檢測(cè)從被照明物體反射出來(lái)的反射光的檢測(cè)裝置。一第一偏振器用于使光源發(fā)出的光起偏。一第二偏振器置于該物體與該檢測(cè)裝置之間的反射光路中。第二偏振器的偏振面與第一偏振器的偏振面成90°角。按照本發(fā)明的另一方面，光源是單色的、偏振的、或者單色且偏振的。
特征和優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的一個(gè)特征是提供血管系統(tǒng)的非侵入式體內(nèi)分析。本發(fā)明的另一個(gè)特征是可以對(duì)成形的血細(xì)胞成分(紅細(xì)胞，白細(xì)胞，和血小板)進(jìn)行定量分析。本發(fā)明的再一個(gè)特征是可以進(jìn)行諸如毛細(xì)血管血漿等不成形血液成分的定量分析。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是，通過(guò)利用血管系統(tǒng)的反射光譜圖象可以進(jìn)行單位體積或濃度的測(cè)量，如血紅蛋白，紅細(xì)胞比積，和血細(xì)胞計(jì)數(shù)等等。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是可以顯現(xiàn)血細(xì)胞、血管、和毛細(xì)血管血漿，并可以截取成分析圖象。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是，通過(guò)利用反射光譜成象可以確定如下特性，諸如單位體積血液的血紅蛋白濃度，單位體積血液中的白細(xì)胞數(shù)，平均細(xì)胞體積，平均細(xì)胞血紅蛋白濃度，單位體積血液中的血小板數(shù)，以及紅細(xì)胞比積。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提供一種用于迅速非侵入地測(cè)量CBC+Diff測(cè)試中的重要臨床參數(shù)的途徑。它可很好地提供立即結(jié)果。因此，可以用作現(xiàn)場(chǎng)護(hù)理(point-of-care)時(shí)的測(cè)試和診斷。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其取消了抽取血液的侵入技術(shù)。這樣就消除了從新生兒、兒童、老年患者、燒傷患者以及特護(hù)部門(mén)的患者身上抽取血液的痛苦和困難。本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，排除了接觸愛(ài)滋病，肝炎以及其它血液病的風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)省去了傳統(tǒng)侵入技術(shù)所需要的樣品傳遞、處理和分離，從而節(jié)約了總成本。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，為反射光譜儀大幅度提高測(cè)量范圍和精度提供了條件。本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以采用簡(jiǎn)單的濃度與強(qiáng)度關(guān)系。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，為更好地顯現(xiàn)任意物體的反射圖象和定量定性分析這些反射圖象提供了條件。
附圖簡(jiǎn)介現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明。在附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同或功能相似的元件。此外，標(biāo)號(hào)最左側(cè)的數(shù)字表示首次出現(xiàn)該標(biāo)號(hào)的附圖。


圖1表示本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例的框圖；圖2表示本發(fā)明用于形成受檢者血管系統(tǒng)圖象的實(shí)施例的框圖；圖3表示解釋圖2所示步驟220的框圖；圖4表示解釋圖2所示步驟230的框圖；圖5表示一標(biāo)題為“血液病的判斷途徑”的圖表；圖6A表示一可行樣機(jī)；
圖6B表示圖6A所示可行樣機(jī)的框圖；圖7表示了圖6A所示流體動(dòng)力學(xué)束流管的細(xì)部示意圖；圖8A表示概括在Coulter裝置與可行樣機(jī)上所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間吻合程度的圖表；圖8B表示一曲線圖，它說(shuō)明對(duì)各種程度貧血癥的血紅蛋白的比較判斷(血紅蛋白gm/dL是失血體積占總的血液體積百分比的函數(shù))。
圖8C表示一曲線圖，它說(shuō)明23名“健康”人體血紅蛋白的比較結(jié)果；圖9表示使用可行樣機(jī)獲得的紅細(xì)胞和血小板圖象；圖10表示用作參考的背景周?chē)豢紤]區(qū)域(區(qū)域A)，和血流內(nèi)一考慮區(qū)域(區(qū)域B)；圖11表示一條光強(qiáng)隨膽紅素濃度變化的曲線；圖12表示一斬波反射光譜儀；圖13表示對(duì)白血球化(leukopheresed)血漿的反射光譜掃描；圖14表示用可行樣機(jī)得到的白血病血樣圖象；圖15A表示顯示體內(nèi)裝置一個(gè)實(shí)施例的框圖；圖15B表示圖15A所示體內(nèi)裝置的細(xì)部；圖16表示適用于本發(fā)明的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖；圖17A和17B表示適合用于受檢者的本發(fā)明實(shí)施例；圖18A表示在傳統(tǒng)反射光中顯現(xiàn)的噴墨交叉點(diǎn)；圖18B表示在采用本發(fā)明正交偏振技術(shù)的反射光中顯現(xiàn)的噴墨交叉點(diǎn)；圖19表示紅色苯胺染料的反射光譜儀的曲線，以及圖20表示本發(fā)明的反射比色裝置一個(gè)實(shí)施例的框圖。
對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)描述1.綜述本發(fā)明旨在提出用于分析，特別是非侵入式體內(nèi)分析受檢者血管系統(tǒng)的方法和裝置。該方法通過(guò)對(duì)受檢者血管系統(tǒng)的一部分進(jìn)行成象而實(shí)現(xiàn)。覆蓋在成象部分上的組織必須能讓光束通過(guò)而不發(fā)生多次散射，以獲得反射圖象。為了形成圖象，必須符合兩個(gè)判據(jù)。第一，圖象必須具有待成象受檢者與其環(huán)境或背景之間在諸如吸收率、折射率、或散射特性等光學(xué)特性上的差別所形成的對(duì)比度。第二，從受檢者聚集的光必須基本上沒(méi)有散射地到達(dá)一圖象攝取裝置，即必須拍攝出從小于多次散射長(zhǎng)度的深度處的反射圖象。此處所使用的“圖象”是指滿足前述兩個(gè)判據(jù)的任何圖象。此處所使用的“反射圖象”是指反射光中的受檢者圖象。攝取圖象所需的分辨率受到成象部分的空間一致性的限制。比如，單個(gè)細(xì)胞的反射圖象需要高的分辨率。大血管的反射圖象可以允許低的分辨率。適用于作出基于蒼白膚色的判斷的反射圖象只需要很低的分辨率。
于是，覆蓋在成象部分上的組織最好是透光的，而且較薄，如人體嘴唇內(nèi)側(cè)的粘膜。本文所使用的“光”一般是指任何波長(zhǎng)的電磁輻射，包括光譜的紅外、可見(jiàn)和紫外部分。尤其適用的光譜部分是對(duì)組織較為透明的部分，如可見(jiàn)和近紅外的波長(zhǎng)區(qū)?？梢岳斫猓瑢?duì)于本發(fā)明而言，光可以是相干光或非相干光，照射可以是穩(wěn)定的或以脈沖光照明。
反射圖象被校正，以形成校正的反射圖象。進(jìn)行反射圖象的校正可以隔離重要的特定波長(zhǎng)，或從圖象的靜止部分提取出圖象的運(yùn)動(dòng)部分。從校正的反射圖象中截取一個(gè)場(chǎng)面，以形成分析圖象。然后為了獲得受檢者血管系統(tǒng)所需特性，對(duì)該分析圖象進(jìn)行分析。
本發(fā)明的方法可以用于大血管、小血管中，以及毛細(xì)血管血漿中的分析。本文所使用的“大血管”是指血管系統(tǒng)中尺寸大到足以使多個(gè)紅細(xì)胞并排流過(guò)其中的血管?！靶⊙堋笔侵秆芟到y(tǒng)中使紅細(xì)胞基本上“單行”流過(guò)其中的血管。如下文將詳細(xì)說(shuō)明的那樣，本發(fā)明是反射而不是透射待分析圖象。也就是說(shuō)，通過(guò)“觀看”血管系統(tǒng)而產(chǎn)生圖象，而不是通過(guò)“透視”血管系統(tǒng)。單位體積或濃度的測(cè)量可以直接從圖象中進(jìn)行。
通過(guò)使用本發(fā)明的方法提供大血管的反射光譜圖象，可以直接確定血紅蛋白(Hb)、紅細(xì)胞比積(Hct)和白細(xì)胞計(jì)數(shù)(WBC)等參數(shù)。通過(guò)使用本發(fā)明的方法提供小血管的反射光譜圖象，可以直接確定平均細(xì)胞體積(MCV)、平均細(xì)胞血紅蛋白濃度(MCHC)和血小板計(jì)數(shù)(Plt)。
為了實(shí)施本發(fā)明的方法，用一個(gè)光源照射需成象的受檢者血管系統(tǒng)的一部分。用一個(gè)圖象攝取裝置攝取該反射光。所謂圖象攝取裝置是指能夠攝取本文所定義的圖象的裝置。適用的圖象攝取裝置包括(但不限于此)照相機(jī)，膠片載體，光電管，光電二極管，或電荷耦合器件攝像機(jī)。為了進(jìn)行圖象校正、場(chǎng)面截取和血液特性分析，可以將圖象校正和分析裝置如計(jì)算機(jī)耦合至圖象攝取裝置上。
圖象校正可以是采用一個(gè)主波長(zhǎng)和一或多個(gè)輔助波長(zhǎng)的多色校正。比如，為了實(shí)現(xiàn)雙色校正，反射圖象被分成兩部分。這可以用圖象分離裝置實(shí)現(xiàn)，如二向色反射鏡。按照這種方式，一圖象攝取裝置用于攝取圖象透過(guò)該二向色反射鏡的部分，并且一圖象攝取裝置用于攝取圖象經(jīng)該二向色反射鏡反射的部分。耦合至兩個(gè)圖象攝取裝置的圖象校正與分析裝置，相對(duì)于另一圖象部分進(jìn)行一圖象部分的校正，以提供校正的圖象。
正交的偏振器適用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。一偏振器位于光源與受檢者血管系統(tǒng)被照明部分之間的光路中。第二偏振器或“檢偏器”位于被照明部分與圖象攝取裝置之間的反射光路中。該第二偏振器具有一與第一偏振器偏振面成90°的偏振面。這種正交偏振器結(jié)構(gòu)通過(guò)消去只是簡(jiǎn)單反射而不曾與被照明部分充分作用的光，改進(jìn)了與受檢者血管系統(tǒng)被照射部分和組織相作用的光的匯集。因此，消除了沒(méi)有攜帶被照明受檢者信息的光。按這種方法，反射圖象的圖象對(duì)比度被大大提高了，從而改進(jìn)了對(duì)被照明部分的顯現(xiàn)。
本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用于需要光學(xué)測(cè)量或可視觀測(cè)物體的反射特性的任何應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于檢測(cè)反射光強(qiáng)差的分析儀器而言，本發(fā)明的正交偏振器可以用以提高其工作范圍，允許采用強(qiáng)度與濃度之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用于這樣的領(lǐng)域如染料分配的控制，織物顏色控制，采用紙、薄膜或乳膠基試紙的測(cè)試等，內(nèi)窺鏡和保真顯示器的應(yīng)用場(chǎng)合。
2.本發(fā)明方法為了利用反射光檢查物體，必須有與物體在其表面下相互作用過(guò)并從物體返回的光。在使用反射圖象時(shí)，必須考慮兩個(gè)特征(1)物體內(nèi)光的吸收，和(2)物體內(nèi)光的散射。反射圖象是一個(gè)有一定面積和穿透深度的三維圖象。穿透深度或光路長(zhǎng)度可以用三個(gè)參數(shù)控制(1)光波長(zhǎng)；(2)與光相互作用的微粒大小以及(3)折射率。如果光的波長(zhǎng)、微粒大小和折射率保持不變，則穿透深度將不變。所以，由于穿透深度不變，這種反射圖象單位面積的測(cè)量值正比于單位體積的測(cè)量值。面積測(cè)量值是有恒定第三坐標(biāo)(深度)的體積測(cè)量值。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1，其中表示用于反射光譜圖象分析的本發(fā)明一方法實(shí)施例的框圖100。框圖100表示出將原始反射圖象110轉(zhuǎn)化成結(jié)果140的過(guò)程。所謂原始反射圖象是指在進(jìn)行校正操作115前的反射圖象。
校正操作115作用于原始反射圖象110上，以產(chǎn)生一被校正的反射圖象120。校正操作115使原始反射圖象相對(duì)于圖象背景正則化。在一個(gè)實(shí)施例中，校正操作115可以按雙色校正方式實(shí)現(xiàn)。在雙色校正時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)選為λ1和λ2。通過(guò)從λ1圖象減去λ2的圖象，所有以同樣方式影響λ1和λ2的參數(shù)相互抵消，并因而從生成(λ1-λ2)的圖象中消除。該生成(λ1-λ2)圖象僅僅體現(xiàn)那些對(duì)λ1和λ2影響不一樣的參數(shù)的效果。
在另一個(gè)實(shí)施例中，以速率或速度校正的方式進(jìn)行校正操作115。對(duì)于速率校正而言，是通過(guò)取t0時(shí)刻與t1時(shí)刻原始反射圖象110之差，形成校正的反射圖象120。為此目的，必須提供能發(fā)出脈沖光和/或開(kāi)閉圖象攝取裝置(如照相機(jī))的裝置，以便及時(shí)得到兩個(gè)不同的圖象。速率校正允許從原始反射圖象110靜止部分提取原始反射圖象110的移動(dòng)部分。按此方式，校正的反射圖象120形成為或者包含原始反射圖象110的移動(dòng)部分，或者包含其靜止部分。
一截取操作125作用于校正的反射圖象120上，以形成分析圖象130。截取操作125截取或分離一幅校正反射圖象120中感興趣的場(chǎng)面，以形成分析圖象130。對(duì)分析圖象130進(jìn)行分析操作135，以取得結(jié)果140。截取操作125截取的感興趣場(chǎng)面可以根據(jù)分析操作135所實(shí)施的分析類(lèi)型而定。以此方式，校正的反射圖象120可以包含由各種截取操作分別截取的許多感興趣的場(chǎng)面。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖2，其中表示本發(fā)明用于受檢者血管系統(tǒng)反射光譜成象方法的框圖200。在步驟210，受檢者血管系統(tǒng)的一部分被成象，產(chǎn)生原始反射圖面110(見(jiàn)圖1)。蓋在被成象部分的組織必須透光，以得到?jīng)]有多次散射的反射圖象。反射圖象主要來(lái)自反射光的一次散射。覆蓋成象部分的組織應(yīng)該是透光的。尤其適合的組織是人體各部分的粘膜，如鼻部粘膜，口腔粘膜，結(jié)膜，直腸粘膜以及陰道粘膜。此外，對(duì)于早產(chǎn)兒，其皮膚本身也比較透光。人體嘴唇的內(nèi)部提供了對(duì)人體血管系統(tǒng)成象的適當(dāng)區(qū)域。因此，光源發(fā)出的光穿過(guò)粘膜，形成了微血管系統(tǒng)的原始反射圖象。微血管系統(tǒng)包含大血管和小血管。因而，它能代表整個(gè)血管系統(tǒng)中的血管。嘴唇內(nèi)部微血管系統(tǒng)的原始反射圖象來(lái)自大約50μ至500μ深處。此外，微血管系統(tǒng)可以透過(guò)皮膚組織成象，如人體手指上或腳趾上的。
在步驟220，對(duì)原始反射圖象110進(jìn)行校正，以形成校正的反射圖象120。比如，校正操作115可以加在原始反射圖象110上以使其相對(duì)于背景正則化。可以用多色校正，如雙色校正，來(lái)消除來(lái)自校正的反射圖象光的光強(qiáng)、深度、和角度的影響。多色校正可以消除光所透過(guò)并照射血管系統(tǒng)待成象部分的組織顏色的影響。組織的顏色也要以同樣方式影響某些光波長(zhǎng)，所以可通過(guò)采用多色校正消除組織顏色的影響?？梢赃M(jìn)行速率校正，以從靜止的背景中提取移動(dòng)的細(xì)胞。速率校正可以單獨(dú)使用，或與多色校正一起使用。
在步驟230，從校正的反射圖象120中截取一個(gè)場(chǎng)面，以形成分析圖象130。該分析圖象的形成應(yīng)使其包含分析受檢者血管系統(tǒng)特性所必需的對(duì)象。比如，要分析的特性可能是待分析大血管的特性，例如其單位體積血液血紅蛋白濃度，或單位體積血液白細(xì)胞計(jì)數(shù)等等。為了獲得這些特性，分析圖象130形成時(shí)應(yīng)使其包含大血管。另一個(gè)例子是，要分析的特性可能是待分析小血管的特性，例如其單位體積血液血小板計(jì)數(shù)，或單位體積血液的毛細(xì)血管血漿成分(如膽紅素)，的濃度。為了獲得這些特性，分析圖象130形成時(shí)應(yīng)使其包含小血管。在步驟240，采用用于受檢者血管系統(tǒng)特性的分析操作135來(lái)對(duì)分析圖象130進(jìn)行分析。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可以從原始反射圖象中截取一場(chǎng)面，并校正該場(chǎng)面形成分析圖象。本發(fā)明的方法還可以在不施加校正操作的情況下進(jìn)行，從原始反射圖象中形成分析圖象。
圖3表示說(shuō)明圖2所示對(duì)原始反射圖象110進(jìn)行校正而形成校正的反射圖象120的步驟220一個(gè)實(shí)施例的框圖。在步驟302，對(duì)原始反射圖象110進(jìn)行第一波長(zhǎng)濾光(λ1濾光)，形成第一濾光圖象。在步驟304，對(duì)原始反射圖象110進(jìn)行第二波長(zhǎng)濾光(λ2濾光)，形成第二濾光圖象。也可以按與之相似的方法，進(jìn)行附加波長(zhǎng)濾光(λ3，λ4，λ5，等等)，形成附加濾光圖象。
在步驟306，從第一濾光圖象中減去第二濾光圖象，以形成校正反射圖象120。通過(guò)用雙色校正步驟302-306，那些對(duì)λ1和λ2有相同影響的參數(shù)被消除了或從原始反射圖象110中消去了。被消除的參數(shù)包括光強(qiáng)變化、穿透深度、光的角度和覆蓋受檢者血管系統(tǒng)成象部分的組織顏色。被校正的反射圖象即(λ1-λ2)圖象，包括受兩個(gè)波長(zhǎng)影響各不相同的一些項(xiàng)目。對(duì)于原始反射圖象110來(lái)說(shuō)，光強(qiáng)、光透射深度和光的角度都是對(duì)λ1和λ2有相同影響的參數(shù)。所以，雙色校正從原始反射圖象110中消除了光強(qiáng)變化、光穿透深度和光角度的影響，產(chǎn)生出被校正的反射圖象120。
步驟306適宜按符合比爾定律的方式進(jìn)行，以使被校正圖象120的反射強(qiáng)度的對(duì)數(shù)反比于被校正的反射圖象中諸如血紅蛋白等組分的濃度。根據(jù)比爾定律，測(cè)量到的反射光強(qiáng)其負(fù)對(duì)數(shù)與濃度成線性關(guān)系。在一個(gè)實(shí)施例中，步驟306可這樣進(jìn)行，第一濾光圖象的對(duì)數(shù)減去第二濾光圖象的對(duì)數(shù)，以形成被校正的反射圖象120。按照這種方式，被校正的反射圖象的反射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)正比于被校正的反射圖象中的濃度(concentration)。在另一個(gè)實(shí)施例中，步驟306這樣進(jìn)行，以致于通過(guò)取第一濾光圖象除以第二濾光圖象之商的負(fù)對(duì)數(shù)形成被校正的反射圖象120。進(jìn)而按照這種方式，被校正的反射圖象的反射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)，正比于被校正的反射圖象中的濃度。
通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇λ1和λ2，可以使校正反射圖象120正則化，以使余下的全部圖象成分正比于血紅蛋白的濃度。為此，一個(gè)波長(zhǎng)如λ1，應(yīng)該是血紅蛋白的吸收波長(zhǎng)。人體血管系統(tǒng)中的血液由動(dòng)脈血和靜脈血組成。動(dòng)脈血是從肺部流向身體其它部分的具有富含氧的血紅蛋白(氧合血紅蛋白)的血液。靜脈血是從身體其它部分流向肺部的具有少量氧的血紅蛋白(脫氧血紅蛋白)的血液。動(dòng)脈和靜脈血的顏色不同。這種顏色之差可以用于確定氧(O2)飽和度。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的顏色特征可以用于檢測(cè)這些血紅蛋白復(fù)合物。其它的血紅蛋白復(fù)合物，如碳氧血紅蛋白(一氧化碳中毒)或糖化血紅蛋白(糖尿病需要監(jiān)測(cè)的葡萄糖血紅蛋白)，都有特征譜，可對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。
只有某些波長(zhǎng)由動(dòng)脈血和靜脈血同等吸收。動(dòng)脈血和靜脈血吸收相同的波長(zhǎng)稱(chēng)為等吸收點(diǎn)。血紅蛋白的這樣一個(gè)等吸收點(diǎn)位于546nm。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，選擇λ1以使其位于血紅蛋白吸收帶中心附近，并使其位于等吸收點(diǎn)處或附近。適合的λ1是550nm。按此方式，血紅蛋白的濃度可以從大血管的反射光譜圖象中確定，不管大血管是通過(guò)動(dòng)脈血的動(dòng)脈血管還是通過(guò)靜脈血的靜脈血管。
被稱(chēng)作“空白”的其它波長(zhǎng)如λ2，應(yīng)該是血紅蛋白不吸收的波長(zhǎng)。λ2應(yīng)這樣選擇，使其充分靠近λ1以使光強(qiáng)、穿透深度、光角度、和組織顏色等參數(shù)對(duì)λ1和λ2有相同的影響。λ2應(yīng)該這樣選擇，使其充分遠(yuǎn)離λ1以便得到足夠大的(λ1-λ2)圖象信號(hào)。λ1和λ2之間的光譜間隔應(yīng)選為可提供足夠大的信號(hào)而不引入上述其它參數(shù)的影響。相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)很清楚如何選擇適合的光譜間隔。適合血紅蛋白濃度測(cè)量的光譜間隔，是第一波長(zhǎng)550nm(吸收波長(zhǎng))和第二波長(zhǎng)650nm(不吸收的波長(zhǎng))。用這種光譜間隔，反射光強(qiáng)差是血紅蛋白濃度的一個(gè)函數(shù)。
圖4表示解釋圖2所示用于從被校正的反射圖象120中截取一場(chǎng)面以形成分析圖象130的步驟230一實(shí)施例的框圖。在步驟402，將光強(qiáng)判據(jù)用于被校正的反射圖象120，以形成一強(qiáng)度校正反射圖象。比如，光強(qiáng)判據(jù)可以用來(lái)消去全部具有某一閾值以下光強(qiáng)的校正反射圖象部分。此外，光強(qiáng)判據(jù)可以用來(lái)消去全部具有某一閾值以上光強(qiáng)的校正反射圖象部分。另外，光強(qiáng)判據(jù)還可以用來(lái)僅保留具有一預(yù)定范圍內(nèi)光強(qiáng)的那部分校正反射圖象部分。
在步驟404，將尺寸判據(jù)作用于上述強(qiáng)度校正反射圖象上，以形成強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象。比如，該尺寸判據(jù)可以用來(lái)消去所有一尺寸閾值以下的強(qiáng)度校正反射圖象部分。此外，該尺寸判據(jù)可以用來(lái)消去所有一尺寸閾值以上的強(qiáng)度校正反射圖象部分。而且，該尺寸判據(jù)可以用來(lái)消去在一預(yù)定尺寸范圍之內(nèi)的那些強(qiáng)度校正反射圖象部分。
在步驟406，將一形狀判據(jù)作用于上述強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象上，以形成分析圖象130。比如，形狀判據(jù)可以用來(lái)僅僅保留具有由距軸線一預(yù)定距離所限定的形狀的那些強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象。此外，形狀判據(jù)可以用來(lái)僅僅保留具有由平滑邊界所限定的形狀特征的那些強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象。例如，可對(duì)邊界的曲率積分，以確定各點(diǎn)曲率的變化。用平滑邊界作為形狀特征，則理想圓具有的形狀特征值為1。如果圖象中該項(xiàng)的形狀不是一個(gè)理想圓，則它的形狀特征將為小于1的值。形狀特征值越小，圖象中該項(xiàng)的邊界就越加不平滑。比如，圖象中形狀為橢圓的項(xiàng)將有大約等于0.8的形狀特征值。再如，圖象中長(zhǎng)條和扁形的項(xiàng)將有大約等于0.1的形狀特征值。形狀判據(jù)可以用來(lái)僅僅保留具有一預(yù)定范圍內(nèi)形狀特征值的那些強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象。此外，形狀判據(jù)可以用來(lái)消去具有一預(yù)定范圍內(nèi)形狀特征值的那些強(qiáng)度兼尺寸校正反射圖象。
步驟402-406表示一個(gè)從校正反射圖象120中截取一場(chǎng)面以形成分析圖象的實(shí)施例。由此，步驟402-406代表了截取操作125的一個(gè)實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于此實(shí)施例。比如，尺寸判據(jù)可以直接施加于校正反射圖象120。形狀判據(jù)也可以直接施加在校正反射圖象120上。另外，光強(qiáng)判據(jù)，尺寸判據(jù)和形狀判據(jù)可以按不同的順序依次施加。其它適合的判據(jù)也可以用于截取校正反射圖象中的一個(gè)場(chǎng)面，本發(fā)明不限于使用光強(qiáng)，尺寸和形狀判據(jù)。比如，運(yùn)動(dòng)狀況可以用作從校正反射圖象120中截取場(chǎng)面的判據(jù)。運(yùn)動(dòng)狀況可以用于從圖象中諸如組織等不運(yùn)動(dòng)或緩慢移動(dòng)的部分中識(shí)別出諸如血細(xì)胞等圖象的運(yùn)動(dòng)部分。此外，還可以采用相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它圖象對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)和圖面截取技術(shù)，如空間頻率，光通量，方差運(yùn)算(variance operators)和強(qiáng)度分布圖。
圖1-4所示的方法可以用于進(jìn)行為診斷或監(jiān)控目的用的非侵入式血液參數(shù)體內(nèi)分析。取自《Wintrobe’s Clinical Hematolgy》第九版的圖5表示了血液病診斷三因素之間的關(guān)系(1)病史；(2)身體檢查結(jié)果和(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。圖5中暗示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與身體檢查(P.E.)時(shí)所得體檢結(jié)果之間的層級(jí)關(guān)系。通過(guò)迅速地非侵入式確定血紅蛋白濃度和平均細(xì)胞體積，以及進(jìn)行身體檢查，省去了抽取靜脈血樣的必要以及在對(duì)患者確診時(shí)等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果的拖延。
與之類(lèi)似，對(duì)白細(xì)胞計(jì)數(shù)的迅速和非侵入式確定會(huì)有助于對(duì)感染和/或發(fā)炎的診斷。可以對(duì)發(fā)燒患者進(jìn)行檢查，以確定其白細(xì)胞濃度是否超過(guò)或低于正常值。
血液由血漿和成形組分組成，并通過(guò)上述小血管和大血管流遍血管系統(tǒng)。血液的成形成分包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。本文所用的“血細(xì)胞”是指血液的成形組分，包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。單位體積血液的細(xì)胞濃度在大血管中是恒定的，并且是貫穿血管系統(tǒng)的大血管(如大到足以插入抽血針頭的血管)中濃度的一個(gè)可靠依據(jù)。相反地，在紅細(xì)胞基本上是成單行流過(guò)的小血管中的單位體積(濃度)測(cè)量結(jié)果，不能作為可以插入抽血針頭的大血管中濃度測(cè)量值的可靠依據(jù)。在小血管中，細(xì)胞濃度和血液體積之間的關(guān)系是均勻變化的，因此不能用作大血管細(xì)胞濃度的一個(gè)可靠依據(jù)。這種影響對(duì)不同的個(gè)體和一個(gè)個(gè)體的不同體位之間是多變的，甚致取平均也不能提供大血管的一個(gè)可靠預(yù)示值。
不帶白細(xì)胞分類(lèi)的全血計(jì)數(shù)(CBC)可測(cè)量八個(gè)參數(shù)(1)血紅蛋白(Hb)；(2)紅細(xì)胞比積(Hct)；(3)紅細(xì)胞計(jì)數(shù)(RBC)；(4)平均細(xì)胞體積(MCV)；(5)平均細(xì)胞血紅蛋白(MCH)；(6)平均細(xì)胞血紅蛋白濃度(MCHC)(7)白細(xì)胞計(jì)數(shù)(WBC)和(8)血小板計(jì)數(shù)(Plt)。在此處，前六個(gè)參數(shù)稱(chēng)為RBC參數(shù)。濃度測(cè)量(每單位體積血液的測(cè)量)是產(chǎn)生Hb，Hct，RBC，WBC，和Plt值所必須的。Hb是單位體積血液的血紅細(xì)胞濃度。Hct是單位體積血液中的細(xì)胞體積。Hct可以表示為一個(gè)百分比(細(xì)胞體積÷血液體積)×100％RBC是單位體積血液的紅細(xì)胞數(shù)。WBC是單位體積血液的白細(xì)胞數(shù)。Plt是單位體積血液的血小板數(shù)。
紅細(xì)胞指標(biāo)(MCV，MCH，和MCHC)是分別表示平均紅細(xì)胞的體積、血紅蛋白含量和血紅蛋白濃度的細(xì)胞參數(shù)。這些紅細(xì)胞指標(biāo)可以通過(guò)對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量并對(duì)這些單個(gè)細(xì)胞測(cè)量值取平均而確定。當(dāng)紅細(xì)胞在血管系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，其體積不變或不損失血紅蛋白。所以，紅細(xì)胞指標(biāo)在整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中是不變的，并能夠在小血管中可靠地測(cè)量到。這三個(gè)紅細(xì)胞指標(biāo)的關(guān)系由一個(gè)公式給出MCHC＝MCH÷MCV于是，只有兩個(gè)紅細(xì)胞指標(biāo)是可獨(dú)立變化的。
為了確定上述所列六個(gè)RBC參數(shù)值，必須符合以下兩個(gè)判據(jù)。第一，三個(gè)參數(shù)必須獨(dú)立測(cè)量或確定。即，必須與六個(gè)參數(shù)中的其它任何一個(gè)無(wú)關(guān)地測(cè)量或確定這三個(gè)參數(shù)。第二，三個(gè)獨(dú)立測(cè)量和確定的參數(shù)中至少有一個(gè)必須是濃度參數(shù)(單位體積血液的)。所以，這六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的值可以通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量來(lái)確定，至少其中之一是不能在小血管中進(jìn)行的濃度測(cè)量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，Hb和Hct通過(guò)對(duì)大血管形成反射光譜圖象而直接測(cè)量，MCV通過(guò)對(duì)小血管形成反射光譜圖象而直接測(cè)量。按此方法，可獨(dú)立地測(cè)量三個(gè)參數(shù)，且其中兩個(gè)參數(shù)(Hb和Hct)是對(duì)單位體積血液測(cè)量的濃度參數(shù)。在此實(shí)施例中，上述所列的六個(gè)RBC參數(shù)可以按如下方式確定。
Hb 直接測(cè)量Hct直接測(cè)量RBCHct÷MCVMCV直接測(cè)量MCHMCV×(Hb÷Hct)MCHC Hb÷Hct在本發(fā)明一個(gè)替代實(shí)施例中，Hb通過(guò)對(duì)大血管形成反射光譜圖象而直接測(cè)量，而MCV和MCHC通過(guò)對(duì)小血管形成反射光譜圖象而直接測(cè)量。按此方法，可獨(dú)立地測(cè)量三個(gè)參數(shù)，且其中一個(gè)參數(shù)(Hb)是對(duì)單位體積血液測(cè)量的濃度參數(shù)。在此替代實(shí)施例中，上述所列的六個(gè)RBC參數(shù)可以按如下方式確定。
Hb直接測(cè)量Hct Hb÷MCHCRBC Hct÷(MCV×MCHC)MCV 直接測(cè)量MCH MCV×MCHCMCHC 直接測(cè)量濃度測(cè)量是對(duì)單位體積的測(cè)量值。如上文討論的那樣，當(dāng)穿透深度不變時(shí)，對(duì)單位面積的測(cè)量正比于對(duì)單位體積的測(cè)量(深度恒定的體積測(cè)量值)。穿透深度是波長(zhǎng)、與之作用的微粒尺寸以及折射率的函數(shù)。就血液而言，微粒的尺寸和折射率基本上保持不變。因此，穿透深度對(duì)于一特定波長(zhǎng)將是恒定的。
血紅蛋白是紅細(xì)胞的主要成分。血紅蛋白是一種蛋白質(zhì)，它在血管系統(tǒng)中起運(yùn)輸氧氣和二氧化碳的載體作用。血紅蛋白吸收特定波長(zhǎng)的光，如550nm，而不吸收諸如650nm等其它非吸收波長(zhǎng)的光。根據(jù)比爾定律，測(cè)得的透射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)與濃度成線性反比關(guān)系。如下文第4部分更為詳細(xì)描述的那樣，本發(fā)明的裝置被構(gòu)成為，使得反射光強(qiáng)符合比爾定律。假設(shè)比爾定律適用，一個(gè)特定血樣中的血紅蛋白濃度與血紅蛋白反射光的負(fù)對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。血樣吸收的550nm光越多，則550nm處的反射光強(qiáng)越小，血樣中血紅蛋白的濃度越高?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)諸如550nm等吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的反射光強(qiáng)取負(fù)對(duì)數(shù)，而將血紅蛋白的濃度計(jì)算出來(lái)。所以，只要測(cè)量了特定血樣的反射光強(qiáng)，便可以直接確定諸如血紅蛋白這樣的成分在血樣中的濃度。
a.定量血液濃度測(cè)量圖1-4所示的方法可用于進(jìn)行血液中Hb和Hct濃度的非侵入式體內(nèi)定量測(cè)量。比如，人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下的微循環(huán)系統(tǒng)可以被成象，以產(chǎn)生一個(gè)原始的反射圖象。為了測(cè)量Hb，用雙色校正對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正，使得校正反射圖象的反射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)反比于血紅蛋白的濃度。適合于這種雙色校正的波長(zhǎng)是λ1＝550nm和λ2＝650nm。從校正的反射圖象中截取出分析圖象，并使該分析圖象包含有大血管。測(cè)量大血管中央一個(gè)面積內(nèi)的平均反射光強(qiáng)。如上文所討論的那樣，面積測(cè)量與體積或濃度測(cè)量相對(duì)應(yīng)。因此，單位體積血液的血紅蛋白濃度可以通過(guò)測(cè)量大血管中央附近一個(gè)面積內(nèi)的反射光強(qiáng)而獲得本發(fā)明的方法還可以用于確定紅細(xì)胞比積(Hct)。血紅蛋白(單位體積血液中血紅蛋白的克數(shù))與紅細(xì)胞比積(單位體積血液中血細(xì)胞的體積)之間的差別，是由細(xì)胞中決定細(xì)胞折射率的血紅蛋白濃度決定的。因而，循環(huán)系統(tǒng)與背景之間的圖象對(duì)比度主要是由循環(huán)系統(tǒng)散射特性得到的測(cè)量，與紅細(xì)胞比積有關(guān)；而且主要是由吸收特性得到的圖象對(duì)比度測(cè)量，主要與血紅蛋白有關(guān)。比如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜底下的微循環(huán)系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生一個(gè)原始的反射圖象，該圖象的對(duì)比度是由血細(xì)胞散射特性之差決定的。為了確定細(xì)胞的體積，用雙色校正對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正，以使得該強(qiáng)度反比于細(xì)胞濃度。適合于這種雙色校正的波長(zhǎng)是使細(xì)胞與背景之間的反差最小的900nm(使紅細(xì)胞由于其散射特性而變暗的波長(zhǎng))和700nm。
b.血細(xì)胞計(jì)數(shù)人類(lèi)的血液由成形成分和血漿組成。成形血細(xì)胞成分有三種基本類(lèi)型紅細(xì)胞(紅血球)；白細(xì)胞(白血球)和血小板。如上指出的那樣，紅細(xì)胞含有從肺部向身體組織運(yùn)送氧氣的血紅蛋白。白細(xì)胞與紅細(xì)胞有大約相同的尺寸，但它不含血紅蛋白。一個(gè)健康的人每立方毫米的血液會(huì)有大約5,000,000個(gè)紅細(xì)胞，每立方毫米血液有大約7,500個(gè)白細(xì)胞。所以，一個(gè)健康的人對(duì)于每670個(gè)在其血管系統(tǒng)中循環(huán)著的紅細(xì)胞將有一個(gè)白細(xì)胞。
本發(fā)明的方法可以用于確定單位體積血液中的白細(xì)胞數(shù)量。如下文e部分將要詳細(xì)討論的那樣，就“血液流動(dòng)特性”而言，白細(xì)胞被推向血流的周邊，并在可以有反差地看到它們和對(duì)其計(jì)數(shù)的邊緣區(qū)移動(dòng)。比如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜底下的微循環(huán)系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生一個(gè)原始的反射圖象，該圖象的對(duì)比度是由白細(xì)胞光學(xué)特性之差決定的。最好在白細(xì)胞與大循環(huán)(紅細(xì)胞)之間存在光譜差別之處進(jìn)行測(cè)量。這通常出現(xiàn)在血紅蛋白吸收光而白細(xì)胞不吸收的可見(jiàn)光譜的藍(lán)光和綠光部分。于是為此目的，可以采用一寬的光譜區(qū)域(如從400至600nm)，且不必作雙色校正。
從原始反射圖象中截取分析圖象，并使得該分析圖象包含大血管。從分析圖象中可以數(shù)出單位面積血液白細(xì)胞的數(shù)目。由于上述原因，它與單位體積血液白細(xì)胞的數(shù)量成正比。
血小板是最小的成形血細(xì)胞組分，直徑通常小于1μ。血小板比紅細(xì)胞少，但比白細(xì)胞多。一個(gè)健康的人在血管系統(tǒng)循環(huán)的總共約2萬(wàn)億個(gè)紅細(xì)胞中，大約對(duì)于每17個(gè)紅細(xì)胞就有一個(gè)血小板。由于血小板在某種環(huán)境條件下能夠固結(jié)在一起并幫助堵塞血管壁上產(chǎn)生的孔，所以它有助于凝血。顯然，在創(chuàng)傷或其它損傷發(fā)生時(shí)血小板是關(guān)鍵性的。由于存在吸收特定波長(zhǎng)光的血紅蛋白，所以紅細(xì)胞被染色。白細(xì)胞和血小板都沒(méi)有可見(jiàn)的顏色，即它們不包含吸收可見(jiàn)光的成分。
作為血管受傷時(shí)所需凝血速度的一種測(cè)量手段，應(yīng)該定期進(jìn)行血小板濃度檢測(cè)。血小板缺乏(即血小板減少癥)可以導(dǎo)致血管壁泄漏，這是有害的或者甚至是致命的。在本發(fā)明之前，為了獲得血小板的測(cè)量結(jié)果，必須采用本領(lǐng)域公知的侵入方法，從患者身上提取血液并分析其血小板和其它血細(xì)胞的含量。采用非侵入技術(shù)獲得精確的血小板濃度測(cè)量值是更為有利的。本發(fā)明使得能夠獲得患者血液的精確測(cè)量值，而沒(méi)有抽血帶來(lái)的任何風(fēng)險(xiǎn)(例如愛(ài)滋病、肝炎等)。
本發(fā)明的方法可用于確定每單位體積的血小板數(shù)量。比如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下面的微血管系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生原始的反射圖象。為了對(duì)血小板計(jì)數(shù)，可利用速度校正來(lái)校正該原始的反射圖象。為進(jìn)行速度校正，通過(guò)獲取t0時(shí)一特定區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象與t1時(shí)該相同區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象之差，形成校正的反射圖象。利用該速度校正形成的校正反射圖象，可從靜止背景中分離出運(yùn)動(dòng)細(xì)胞。
從校正的反射圖象中截取分析圖象，使得該分析圖象包括小血管。在該分析圖象中可數(shù)出每單位面積的血小板數(shù)目。血小板計(jì)數(shù)可在白光下進(jìn)行，并且不需要進(jìn)行顏色或色差校正。通過(guò)數(shù)出小血管一區(qū)域中的血小板數(shù)目并結(jié)合同區(qū)域中的紅細(xì)胞數(shù)目，可估算出每單位體積中的血小板數(shù)目。在健康個(gè)體中，血小板對(duì)紅細(xì)胞的比率基本保持在1比17不變。在患病時(shí)，該比率在兩個(gè)方向都變化很大，從大約1比5到大約1比100。因此，血小板與紅細(xì)胞的相對(duì)數(shù)目可用作一種診斷手段。
簡(jiǎn)要地說(shuō)，通過(guò)利用參數(shù)之間的已知關(guān)系，本發(fā)明的方法可用于確定血管系統(tǒng)的多種特性。
c.血細(xì)胞指標(biāo)本發(fā)明的方法可用于確定平均細(xì)胞體積(MCV)。例如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下的微血管系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生原始的反射圖象。可以用“定格”即用脈沖照明和/或快門(mén)停止其操作，來(lái)攝取單個(gè)血細(xì)胞的圖象。為確定平均細(xì)胞體積，可利用速度校正來(lái)校正該原始的反射圖象。為進(jìn)行速度校正，通過(guò)獲取t0時(shí)一特定區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象與t1時(shí)該相同區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象之差，形成校正的反射圖象。利用該速度校正形成的校正反射圖象，可從靜止背景中分離出運(yùn)動(dòng)細(xì)胞。
從校正的反射圖象中截取分析圖象，使得該分析圖象包括小血管?？梢栽谥饌€(gè)象素基礎(chǔ)上確定該分析圖象中細(xì)胞的面積。通過(guò)對(duì)多個(gè)細(xì)胞的面積求平均值，可以以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立平均面積與平均細(xì)胞體積之間的關(guān)系。連續(xù)形狀的物體(例如人體紅細(xì)胞)的體積與面積之間的關(guān)系由下式確定體積＝(面積)3/2×K其中K是依經(jīng)驗(yàn)確定的形狀因數(shù)。相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以方便地依經(jīng)驗(yàn)確定已經(jīng)被傳統(tǒng)體外檢測(cè)裝置普遍采用的形狀因數(shù)K。因此，平均細(xì)胞體積可以從小血管中細(xì)胞的面積估算出來(lái)。
本發(fā)明的方法可以用于確定平均血紅蛋白濃度(MCHC)。MCHC的確定，除了用小血管中的單個(gè)細(xì)胞確定Hb之外，可以按照與在大血管中確定Hb相似的方式進(jìn)行。例如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下的微細(xì)血管系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生原始的反射圖象。用雙色校正對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正，以使得被校正的反射圖象的反射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)與血紅蛋白濃度成比例。適合于這種雙色校正的波長(zhǎng)是λ1＝550nm和λ2＝650nm。從校正的反射圖象中截取分析圖象，使得該分析圖象包含小血管。測(cè)量細(xì)胞的平均反射光強(qiáng)，從其中可以確定平均細(xì)胞血紅蛋白濃度。
平均細(xì)胞血紅蛋白濃度(MCHC)還可以從下列等式確定MCHC＝Hb÷HctHb和Hct可以按上述討論的方法直接從分析圖象中確定。
平均細(xì)胞血紅蛋白(MCH)可以從下列等式確定MCH＝MCV×MCHCMCV和MCHC可以按上述討論的方法直接從分析圖象中確定。
本發(fā)明的方法可以用于區(qū)分各種不同類(lèi)型的白細(xì)胞。成熟的白細(xì)胞有五(5)種。這五種可以分為兩類(lèi)細(xì)胞質(zhì)中含有小微粒的粒性白細(xì)胞，和細(xì)胞質(zhì)中不含有微粒的無(wú)粒白細(xì)胞?？梢愿鶕?jù)粒性白細(xì)胞與無(wú)粒白細(xì)胞的散射特性，而從分析圖象中將它們區(qū)分開(kāi)。所以，上述確定單位體積白細(xì)胞數(shù)目的方法，可以用于確定單位體積粒性白細(xì)胞的數(shù)目和單位體積無(wú)粒白細(xì)胞的數(shù)目。這種信息在臨床上是有用的。粒性白細(xì)胞數(shù)目的增加標(biāo)志著細(xì)菌感染，而無(wú)粒白細(xì)胞數(shù)目的增加標(biāo)志著病毒性感染。
d.血漿的成分與組成血漿是血液的流體部分，它占據(jù)著血管中成形血細(xì)胞組分之外的空間。血漿含有多種成分，其中之一是膽紅素。膽紅素是血漿中血紅蛋白溶液代謝的產(chǎn)物。血漿含有多種其它化合物溶液，以及附著在成形血細(xì)胞組分上的化合物。
本發(fā)明的方法可以用于確定毛細(xì)血管血漿中成分的濃度，例如，可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下的微血管系統(tǒng)成象，以產(chǎn)生原始的反射圖象。為了確定毛細(xì)血管血漿中成分的濃度，用雙色校正對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正，以使得被校正的反射圖象的反射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)與該成分濃度成反比。例如，為了確定毛細(xì)血管血漿中膽紅素的濃度，雙色校正的波長(zhǎng)采用λ1＝450nm(膽紅素的吸收波長(zhǎng))和λ2＝650nm(為了正則化而取的膽紅素不吸收的波長(zhǎng))。
從校正的反射圖象中截取分析圖象以使分析圖象包含毛細(xì)血管血漿，它可以在小血管中找到。測(cè)量毛細(xì)血管血漿一區(qū)域中的平均反射光強(qiáng)。在分析圖象中測(cè)量的反射光強(qiáng)可以轉(zhuǎn)化成分析圖象中的膽紅素濃度。如上討論的那樣，反射圖象與深度無(wú)關(guān)，以致于單位面積測(cè)量的密度與濃度相對(duì)應(yīng)。因此，可以通過(guò)測(cè)量小血管中毛細(xì)血管血漿一區(qū)域內(nèi)的反射光強(qiáng)，獲得單位體積膽紅素濃度。
如上所述，本發(fā)明的方法可以用于測(cè)量血漿的固有成分，如膽紅素。本發(fā)明還可以用于測(cè)量血漿的非固有成分，如藥物。例如，可以按照與膽紅素濃度測(cè)量相類(lèi)似的方法，利用λ1等于藥物吸收波長(zhǎng)而λ2等于藥物不吸收波長(zhǎng)的雙色校正，測(cè)量血漿中藥物的濃度。此外，可以利用分析圖象中呈現(xiàn)的光學(xué)特征，如本征熒光來(lái)檢測(cè)非固有成分。
通過(guò)使用標(biāo)記、標(biāo)簽或簽條，本發(fā)明還可以用于測(cè)量血液的細(xì)胞和非細(xì)胞成分(固有的和非固有的)。例如，可以用諸如口部的或注入的等熟知方法，將標(biāo)記、標(biāo)簽或簽條引入受檢者的血管系統(tǒng)中。為了形成有標(biāo)記的血漿組分，可以對(duì)標(biāo)記進(jìn)行選擇使得其附著在溶于毛細(xì)血管血漿的組分上。此外，標(biāo)記可以選擇成使得其附著在自身也附著于諸如細(xì)胞這樣的成形血液成分上的組分上，從而形成有標(biāo)記的細(xì)胞。例如，有可識(shí)別光學(xué)特征的標(biāo)記，如熒光蛋白質(zhì)，可以被引入血管系統(tǒng)中，使得它附著在某類(lèi)細(xì)胞如循環(huán)著的瘤細(xì)胞上。這種技術(shù)也可以用于測(cè)量正常白細(xì)胞的子類(lèi)，如淋巴細(xì)胞子類(lèi)。可識(shí)別光學(xué)特征應(yīng)出現(xiàn)在分析圖象中，如伴有熒光“閃光”。按此方法，可以檢測(cè)到標(biāo)記產(chǎn)生的熒光或其它光學(xué)差異，這些熒光或差異標(biāo)志著該標(biāo)記所附著的組分或細(xì)胞的存在。這種判斷方法可用于評(píng)價(jià)藥物的傳遞。其它光學(xué)特征如近紅外或紫外的吸收，也可以用于檢測(cè)毛細(xì)血管血漿中組分的存在。瘤或其它類(lèi)非正常細(xì)胞也可以通過(guò)使用指紋識(shí)別譜進(jìn)行檢測(cè)。
e.血流特性具體到白細(xì)胞的情況，體內(nèi)式血流檢查還可以另外提供目前即便用最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也難以獲得的有用信息。白細(xì)胞或白血球被機(jī)械地推到血流的周邊。已經(jīng)知道白細(xì)胞從血液中遷移到病灶區(qū)域的過(guò)程是一個(gè)兩步驟過(guò)程。由于它們與血管壁的“粘滯”作用，在第一步驟白細(xì)胞在血流的邊緣以比紅細(xì)胞慢的速度運(yùn)動(dòng)。在第二步驟，通過(guò)穿過(guò)血管壁的遷移白細(xì)胞離開(kāi)循環(huán)系統(tǒng)。這種位置和速度方面的特征可以用于鑒別分析圖象中的白細(xì)胞。白細(xì)胞相對(duì)速度的判定為臨診醫(yī)師在判定感染或發(fā)炎的程度和嚴(yán)重性方面提供很大幫助速度低且中等濃度表示感染或發(fā)炎的初起階段，正常速度和高濃度表示后期階段。
本發(fā)明的方法還可以用于確定白細(xì)胞的速度或速率。例如可以對(duì)人體嘴唇內(nèi)側(cè)粘膜下的微血管系統(tǒng)成象，并產(chǎn)生原始的反射圖象。為了確定白細(xì)胞的速度，用速率校正對(duì)原始的反射圖象進(jìn)行校正。為進(jìn)行速率校正，通過(guò)獲取t0時(shí)一特定區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象與t1時(shí)該相同區(qū)域或場(chǎng)面的原始反射圖象之差，形成校正的反射圖象，其中t0和t1之間的時(shí)間差是已知的。利用該速率校正形成的校正反射圖象，可從靜止背景中分離出運(yùn)動(dòng)細(xì)胞。
從校正的反射圖象中截取分析圖象，使得該分析圖象包括小血管。通過(guò)對(duì)白細(xì)胞單位時(shí)間的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤可以確定其速度。白細(xì)胞的速度可以用作存在感染/發(fā)炎的標(biāo)志，這可能比紅血球沉降速率(ESR)更為明專(zhuān)門(mén)。
3.可行樣機(jī)為了證實(shí)本發(fā)明的方法所提供的結(jié)果，明顯地比用傳統(tǒng)測(cè)量血液參數(shù)的侵入式技術(shù)所得到的測(cè)量結(jié)果更精確、可靠、重復(fù)性好且穩(wěn)定性好，本發(fā)明人開(kāi)發(fā)出了可行樣機(jī)裝置600(見(jiàn)圖6A和6B)。該裝置600包含一個(gè)用于攝取原始反射圖象的可視圖象接收器612?？梢杂貌趟关Q軸型(Zeiss Axiovert Model)135顯微鏡的鏡頭單元作為可視圖象接收器612?？删劢构庠?14發(fā)出的光，通過(guò)可視圖象接收器612聚焦，從流體動(dòng)力學(xué)束流管630(在下文參照?qǐng)D7更詳細(xì)解釋)反射出來(lái)，并以共軸的方式再次通過(guò)可視圖象接收器612反射回來(lái)。示例的光源614是脈沖氙弧燈，如可以從馬薩諸塞州康橋市(MA.Cambridge)的EG&G公司購(gòu)得。
帶有原始反射圖象的反射光從束流管630出發(fā)，經(jīng)可視圖象接收器612到達(dá)一高分辨率攝像機(jī)618。攝像機(jī)618適宜為電子開(kāi)閉的高分辨率(1024×512象素)攝像機(jī)。示例的攝像機(jī)是Hamamatsu C2400-77高分辨率(768×497象素)電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。此外，攝像機(jī)618可以是從MA.Cambridge的EG&G公司得到的，高幀速(300Hz)，高分辨率，能攝取大約1,000,000個(gè)象素的9μm×9μm數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。反射光共軸會(huì)聚，并在攝像機(jī)618的面上聚焦成反射圖象。脈沖光源(頻閃)614可以由一同步脈沖分離器640(圖6B)驅(qū)動(dòng)，以使攝像機(jī)618幀速與光源614脈沖速率之間同步。攝像機(jī)618處于可視圖象接收器612的放大象平面上。
用于觀看反射圖象的目鏡615插在可視圖象接收器612與攝像機(jī)618之間的反射光路中。一圖象濾光器616也插在可視圖象接收器612與攝像機(jī)618之間的反射光路中。圖象濾光器616起一光譜選擇濾光器的作用，以按波長(zhǎng)對(duì)反射圖象濾光。
攝像機(jī)618與計(jì)算機(jī)620聯(lián)接，如康柏-P5，75MHZ計(jì)算機(jī)，運(yùn)行可從Silver Spring，MD的Media Cybernetics公司得到的Image Pro Plus圖象分析軟件。將攝像機(jī)618攝取的濾過(guò)光的圖象從攝像機(jī)618傳送至到計(jì)算機(jī)620進(jìn)行分析。為了從攝像機(jī)618獲取帶有圖象數(shù)據(jù)的信號(hào)，計(jì)算機(jī)620包括一“取幀板(frame grabber board)”646，如可從加拿大蒙特利爾的Coreco公司得到的Occulus F64圖象取幀板。最好是采用能提供足夠數(shù)字分辨率的10位取幀板。計(jì)算機(jī)620與一或多個(gè)用于顯示處理和/或存儲(chǔ)的輸出設(shè)備622連接。輸出設(shè)備622可以是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或其它類(lèi)型的存儲(chǔ)裝置如DAT帶驅(qū)動(dòng)器654，中央處理單元(CPU)，諸如激光打印機(jī)652之類(lèi)的打印機(jī)，計(jì)算機(jī)屏幕或視頻圖象監(jiān)視器648之類(lèi)的監(jiān)視器，諸如控制監(jiān)視器650之類(lèi)的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器等等。
攝像機(jī)618的輸出還可以送到一錄像機(jī)644，如超VHS錄像機(jī)。在攝像機(jī)618的輸出被送到計(jì)算機(jī)620或錄像機(jī)644之前，可以在其上添加一時(shí)間印記642。
視頻攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)大大提高了能夠高幀速處理的象素?cái)?shù)目。以幾毫秒間隔的含有多至1百萬(wàn)象素的血流攝取圖象，可以用于體內(nèi)式顯現(xiàn)紅細(xì)胞，并分析用透明或半透明材料的薄層與外部環(huán)境分離的現(xiàn)場(chǎng)血流。單個(gè)紅細(xì)胞在高速序列圖象各幀之間的變動(dòng)，可以用于增強(qiáng)信噪比和隱去靜止背景。
利用市售聚苯乙烯小球，為裝置600建立了動(dòng)態(tài)攝取顆粒尺寸范圍從0.94至10μm的相關(guān)系數(shù)＞0.99的微粒的基本精度。
為了提供血管系統(tǒng)體內(nèi)反射圖象的可行模型，利用裝置600來(lái)獲得血流的反射圖象。來(lái)自血液供給系統(tǒng)624的血液由一壓縮泵628A抽運(yùn)，按箭頭A所示的方向通過(guò)束流管630到達(dá)廢料池632。與此同時(shí)，來(lái)自鞘液供給系統(tǒng)626的鞘液由壓縮泵628B抽運(yùn)，按箭頭A所示方向通過(guò)束流管630到達(dá)廢料池632。鞘液是一種用于模擬血管壁和血管周?chē)渌M織的等滲媒質(zhì)。如圖7更為詳細(xì)表示的那樣，樣品流動(dòng)路徑702的截面在可視圖象接收器612上方處最小。通過(guò)控制樣品流動(dòng)路徑702截面變窄的比率，可以保持層流狀態(tài)?？梢哉{(diào)節(jié)樣品流動(dòng)路徑702的截面，使得在反射圖象中可以看到單個(gè)細(xì)胞。
所用模型采用的是細(xì)胞流量?jī)x所用的流體動(dòng)力學(xué)束流管。在該束流管中，一細(xì)的含有血液的樣品流被包裹在惰性鞘液中，且結(jié)合后的液體系統(tǒng)在大約相距250μm的兩個(gè)玻璃片之間流動(dòng)。改變鞘液的流動(dòng)具有將減小樣品流尺寸從直徑大于100μm到大約10μm的作用，這可很逼真地表現(xiàn)微血管系統(tǒng)的一般毛細(xì)血管。
用該束流管，可以獨(dú)立地改變以下重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)·受鞘液體積流量控制的血細(xì)胞速率，可以從每秒100μm變化到每秒1,000μm。
·受鞘液對(duì)樣品的相對(duì)流量體積控制的樣品流直徑，可以在10μm到100μm的范圍內(nèi)改變。
·通過(guò)改變樣品和鞘液流的流速可以在直徑和速率上產(chǎn)生脈動(dòng)。
·通過(guò)在靜止玻璃窗上或鞘液中添加散射物質(zhì)，可以模擬組織薄層(粘膜)的影響。
為了改進(jìn)流過(guò)束流管630血液的反射圖象的顯象，在裝置600中采用兩個(gè)偏振器(見(jiàn)圖6A)。第一偏振器613A位于光源614與可視圖象接收器612之間的光路中。第二偏振器613B位于含被成象血流的束流管630與攝像機(jī)618之間的反射光路中。兩個(gè)偏振器是“正交的”，其偏振面互成90°。例如，偏振器613B的偏振面相對(duì)于偏振器631A的偏振面為90°。與之類(lèi)似，偏振器613A的偏振面相對(duì)于偏振器631B的偏振面為90°。通過(guò)使用偏振器613A和613B，可增強(qiáng)攝像機(jī)618攝取的反射圖象，使血細(xì)胞組分相對(duì)于背景更突出地反襯出來(lái)，從而提供更好的血流顯象。通過(guò)采用正交偏振器改進(jìn)顯象將在下文有關(guān)體內(nèi)裝置的第4部分作詳細(xì)解釋。為了反射光來(lái)且模擬組織背景的反射，與裝置600還一同采用了一個(gè)漫反射器635。
利用裝置600，已經(jīng)驗(yàn)證了用反射光的圖象對(duì)四個(gè)RBC參數(shù)(RBC，MCV，Hb和MCHC)進(jìn)行定量的基本可行性。下列表格概述了用可行樣機(jī)(裝置600)得到的數(shù)值與用Coulter Stk.S裝置得到的值之間的相關(guān)性(N＝樣品數(shù)量；r＝相關(guān)系數(shù))。
參數(shù)N rHb 70 0.9MCHC 20 0.55MCV45 0.7RBC38 0.63利用裝置600，可以經(jīng)驗(yàn)地操縱束流管630中的血流形狀與速率，以模擬體內(nèi)條件。裝置600還可以用于測(cè)量血流，例如放在可視圖象接收器612上方束流管630處的患者手指中的血流。
為了證實(shí)本發(fā)明可臨床使用以提供精確的非侵入式體內(nèi)測(cè)試結(jié)果，本發(fā)明人將裝置600用于一致性及相關(guān)度研究中。利用裝置600測(cè)量血紅蛋白濃度，并為血液供給系統(tǒng)624從醫(yī)院索取了70位患者的血樣。利用佛羅里達(dá)州邁阿密的Coulter Diagnostics公司制造的Coulter Stk.S分析儀，對(duì)相同的70個(gè)血樣的血液進(jìn)行分析。70個(gè)樣品都一一在裝置600和Coulter裝置中作測(cè)試，以確定其血紅蛋白濃度是意味著貧血狀況還是正常狀況。如圖8A所示，對(duì)于70個(gè)樣品中的67個(gè)樣品，用可行樣機(jī)進(jìn)行的判定與用Coulter裝置進(jìn)行的判定一致，一致率96％。與Coulter裝置相比，裝置600有一例偏高錯(cuò)誤(當(dāng)Coulter裝置指示為正常時(shí)被本裝置視為貧血癥)和兩例偏低錯(cuò)誤(當(dāng)Coulter裝置指示為貧血癥時(shí)被本裝置視為正常)。
為了測(cè)量血管系統(tǒng)的各種特征，用裝置600進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。例如利用裝置600產(chǎn)生流過(guò)束流管630中的血液圖象。光源614發(fā)出400nm到1000nm范圍內(nèi)的光。通過(guò)選擇適合的圖象濾光器616。在450nm，500nm，550nm，600nm，650nm，700nm，750nm，800nm，850nm，900nm處攝取了圖象。圖9表示用裝置600得到的一個(gè)圖象實(shí)例。血小板用白點(diǎn)表示，與作為陰影部分的紅細(xì)胞形成對(duì)比。
裝置600還可用來(lái)證實(shí)可以進(jìn)行毛細(xì)血管血漿中的，或諸如小毛細(xì)管等小血管中細(xì)胞間隙的測(cè)量。通過(guò)消去或略去有關(guān)血細(xì)胞等的圖象部分，可進(jìn)行有關(guān)不成形成分的測(cè)量。用流體動(dòng)力學(xué)束流管將四種不同濃度的膽紅素添加到一1/4全血稀釋液中。所得的膽紅素水平在6.2g/dl至24.8g/dl的范圍內(nèi)。用頻閃氙燈照射視場(chǎng)，并用兩種不同濾光器記錄圖象，濾光器之一在膽紅素的主要吸收波長(zhǎng)(450nm)處，另一個(gè)在膽紅素吸收波段之外(600nm)。
攝取圖象之后，分析工作包括確定作為參考用的背景中感興趣區(qū)域或場(chǎng)面(區(qū)域A)(見(jiàn)圖10)。還劃定了流過(guò)束流管630的血流中的感興趣區(qū)域(區(qū)域B)。這些工作通過(guò)采用將紅細(xì)胞從區(qū)域B中分離出來(lái)的強(qiáng)度閾值來(lái)完成。然后確定區(qū)域B其余區(qū)域的光強(qiáng)以進(jìn)行分析。
圖11表示了一條光強(qiáng)隨膽紅素濃度(mg/dl)變化的曲線。圖11表示吸收波長(zhǎng)(450nm)處的光強(qiáng)比非吸收波長(zhǎng)(600nm)處的顯著提高。
為了確定白細(xì)胞或白血球的反射特性，用斬波反射光譜儀(見(jiàn)圖12)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖13表示反射光譜掃描的結(jié)果(反射率％是波長(zhǎng)nm的函數(shù))。圖13表示出在550nm左右的光譜區(qū)白細(xì)胞反射光較高，而在該區(qū)紅細(xì)胞反射光因血紅蛋白的吸收而被衰減。將中心波長(zhǎng)為550nm的光譜選擇濾光器(圖象濾光器616)用于裝置600，可得到100μm玻璃毛細(xì)管中白血病血液的圖象(見(jiàn)圖14)。圖14所示的白血病血液，具有比正?；蚪】笛核鶕碛械?7500/μl)更多的白細(xì)胞(44,000/μl)。在圖14中，白細(xì)胞是一些與紅細(xì)胞的深色背景相反的可見(jiàn)的亮點(diǎn)。
4.體內(nèi)裝置圖15A表示一說(shuō)明用于受檢者血管系統(tǒng)非侵入式體內(nèi)分析的體內(nèi)裝置1500實(shí)施例的框圖。裝置1500包括一用于照明受檢者組織(一般表示為1504)的光源1502。盡管表示了一個(gè)光源，但應(yīng)理解本發(fā)明不限于使用一個(gè)光源，可以采用多于一個(gè)的光源。在一個(gè)有多個(gè)光源的實(shí)施例中，每個(gè)光源可以是一個(gè)單色光源或多色光源。光源1502可以是能發(fā)出脈沖光的光源、發(fā)出連續(xù)光的非脈沖光源，或既可以發(fā)出脈沖光又可以發(fā)出連續(xù)光的光源。光源1502可以是脈沖氙弧燈，汞弧燈，鹵素?zé)簦u絲燈，激光器，激光二極管或發(fā)光二極管(LED)。光源1502可以是相干光源或非相干光源。
第一偏振器1510位于光源1502與受檢者1504之間。第一偏振器1510使光源1502發(fā)出的光變成偏振光，第二偏振器1520位于受檢者1504與圖象分離裝置1540之間。偏振器1510和1520適于具有相互成90°取向的偏振面。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光源1502包含第一偏振器1510，于是不需要單獨(dú)的第一偏振器1510。在此實(shí)施例中，光源1502是一個(gè)偏振光源，如激光器或激光二極管，而第二偏振器1520具有相對(duì)于偏振光源1502的偏振面成90°取向的偏振面。
來(lái)自受檢者1504的反射光譜圖象是從小于多次散射長(zhǎng)度的深度處反射出來(lái)的。圖象分離裝置1540將受檢者1504的反射光譜圖象分成兩個(gè)或多個(gè)圖象部分。圖象攝取裝置，如圖象攝取裝置1560，1570，和1565，攝取每個(gè)圖象部分。為了進(jìn)行圖象校正和分析以取得結(jié)果140，各個(gè)圖象攝取裝置都耦合至圖象校正和分析裝置1580上。
圖15B進(jìn)一步表示體內(nèi)裝置1500的細(xì)部。分束器1518被用來(lái)形成光源1502與被照明的組織之間的光路1506和反射光路1507。從被照明組織中小于多次散射長(zhǎng)度的深度處反射出來(lái)的反射圖象，沿著反射光路1507傳播到用于攝取反射圖象的圖象攝取裝置1560處。適合的圖象攝取裝置1560包括能攝取上述高分辨率圖象的那些裝置。圖象攝取裝置為分析目的攝取圖象的全部或一部分。適合的圖象攝取裝置包括(但不限于)照相機(jī)、膠片載體、光電管、光電二極管、光電探測(cè)器，或電荷耦合器件攝像機(jī)。例如，可以采用具有1024×512象素分辨率和300Hz幀速的視頻攝像機(jī)和電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。尤其適宜的圖象攝取裝置是HamamatsuC2400-77高分辨率CCD攝像機(jī)。
圖象攝取裝置所需的分辨率可以根據(jù)體內(nèi)裝置所要進(jìn)行的測(cè)量和分析類(lèi)型來(lái)決定。例如，確定血紅蛋白濃度(Hb)所需的圖象分辨率低于進(jìn)行細(xì)胞測(cè)量(如MCV或細(xì)胞計(jì)數(shù)等)所需的圖象分辨率。例如，可以用光電管，諸如一個(gè)紅光光電管和一個(gè)綠光光電管，作為圖象攝取裝置進(jìn)行血紅蛋白濃度測(cè)量。
第一偏振器1510位于光源1502與被照明組織之間的光路1506中。第一偏振器1510使光源1502發(fā)出的光起偏。偏振器1510有一被表示為1512的偏振面。第二偏振器1520位于被照明組織與圖象攝取裝置1560之間的反射光路1507中。偏振器1520具有一被表示為1522的偏振面。如圖15B所示，偏振面1512和1522互成90°取向。這些偏振器，諸如具有互成90°取向偏振面的偏振器1510和1520，在本文中稱(chēng)為“正交偏振器”。
偏振器的效率是透過(guò)該偏振器輸入光百分比的函數(shù)。對(duì)于輸入偏振器的每一單位非偏振(隨機(jī)偏振)光來(lái)說(shuō)，理想效率的偏振器應(yīng)該讓50％的輸入光透過(guò)。當(dāng)隨機(jī)偏振光輸入到兩個(gè)正交偏振放置的理想偏振器(不計(jì)效率)時(shí)，所有的光將完全消光，即沒(méi)有透過(guò)第二偏振器的光。由正交偏振器消去的光越多(即透過(guò)正交偏振器的隨機(jī)偏振光越少)，正交偏振器的消光作用就越大。具有至少為103(對(duì)于輸入正交偏振器的每單位隨機(jī)偏振光而言，有千分之一透過(guò)正交偏振器)消光系數(shù)的正交偏振器，適于本發(fā)明采用。適合的正交偏振器可以是從馬薩諸塞州的保麗來(lái)公司購(gòu)得的片狀偏振器。
如上所述，當(dāng)高消光偏振器彼此正交設(shè)置時(shí)，實(shí)際上所有的光都被消除了。所以，使用所述本發(fā)明裝置的正交偏振器的期望結(jié)果，應(yīng)該是消去全部照明圖象?，F(xiàn)在將說(shuō)明，使用本發(fā)明裝置中正交偏振器提高反射圖象可視性以及用反射圖象提高定量分析能力的負(fù)面效果。反射光有三個(gè)分量。第一個(gè)是反射時(shí)保持光源圖象的“鏡面或鏡子似的反射”分量。第二分量是“粗糙表面散射”分量。該粗糙表面散射分量是粗糙表面散射形成的散射光，而不保留光源圖象。但是，鏡面反射分量和粗糙表面散射分量保持偏振態(tài)。第三也是最后的分量是“小微粒散射”分量，通常稱(chēng)為“瑞利散射”分量。瑞利散射分量是被與照射光波長(zhǎng)相比較小的微粒散射的光。瑞利散射失去了光的偏振。所以，瑞利散射分量是反射光中被消去偏振而失去原有偏振的唯一分量。
透過(guò)“正交偏振器”(如彼此90°取向的偏振器1510和1520)的反射光的唯一分量是瑞利散射分量。鏡面反射分量和粗糙表面散射分量則保持偏振態(tài)。所以，如果沿第一方向(如偏振器1510產(chǎn)生的)偏振的光束的鏡面反射分量和粗糙表面散射分量通過(guò)與該第一方向成90°取向的偏振器(如偏振器1520)，則這兩個(gè)反射光分量會(huì)被消去。相反地，第一方向偏振光的瑞利散射分量是去偏振的。所以，當(dāng)瑞利散射分量通過(guò)與第一偏振方向成90°取向的偏振器時(shí)，它沒(méi)有被消去。而且，瑞利散射分量沒(méi)有光源的圖象，并有效地提供了來(lái)自物體內(nèi)部的均勻反射光源。
參見(jiàn)圖15B，偏振器1510使光源1502發(fā)出的光沿第一方向1512偏振。此偏振光從物體1504反射出來(lái)。反射光的瑞利散射分量被消偏。但是，鏡面反射分量和粗糙表面散射分量則保持來(lái)自偏振器1510的偏振態(tài)。當(dāng)反射光通過(guò)沿與第一方向1512成90°的第二方向1522取向的偏振器1520時(shí)，鏡面反射分量和粗糙表面散射分量被消去。所以，通過(guò)偏振器1520的反射光分量?jī)H僅是已經(jīng)在方向1522上去偏振的瑞利散射分量，其光強(qiáng)按與入射光夾角余弦變化。
當(dāng)使用正交偏振器如彼此成90°取向的偏振器1510和1520時(shí)，只有去偏振反射光即瑞利散射分量可被觀察到。鏡面反射分量和粗糙表面散射分量則被消去。與上述沒(méi)有光透過(guò)正交偏振器的預(yù)想結(jié)果相反，由瑞利散射去偏振的光，提供了一種可明顯地提高反射圖象對(duì)比度和可視度的實(shí)際背光照明效果，并提高了用反射圖象進(jìn)行定量分析的能力。此提高的可視性和量化能力是由使用上述正交偏振器導(dǎo)致的兩個(gè)結(jié)果造成的。第一，對(duì)于定量測(cè)量均為噪聲源的鏡面反射分量和粗糙表面散射分量被消去了。第二，瑞利散射分量是“完全散射”，它表現(xiàn)出與朗伯表面的反射光相同的情況。所以，瑞利散射分量與觀看角度無(wú)關(guān)，并使?jié)舛瓤梢詮臏y(cè)量到的反射光強(qiáng)更簡(jiǎn)單地計(jì)算出來(lái)(類(lèi)似于比爾定律)。
根據(jù)朗伯定律，理想反射平面輻射或反射的一給定方向的發(fā)光強(qiáng)度，隨該方向與表面法線夾角的余弦而變化。朗伯表面是一個(gè)假設(shè)的理想反射表面，它的反射光亮度與方向無(wú)關(guān)。從朗伯表面反射的光在所有角度上都是等亮度的，好象剛剛下過(guò)的雪一樣。絕大多數(shù)的表面并不是朗伯表面，而且由于表面的影響，其反射光的強(qiáng)度隨觀察角度而變。
通過(guò)比較圖18A和18B可以看出，使用本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可提高其可視性。圖18A表示用沒(méi)有正交偏振器的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)看到的黑噴墨交叉點(diǎn)。由于噴墨交叉點(diǎn)與背景之間的對(duì)比度較差，所以難以看清該噴墨交叉點(diǎn)。圖18B表示采用本發(fā)明正交偏振技術(shù)即諸如彼此成90°取向的偏振器1510和1520等，看到的與圖18A中相同的黑噴墨交叉點(diǎn)。圖18B形象地表示利用正交偏振器在可視性和對(duì)比度方面獲得的改善。該圖象與透射光所成圖象看上去是相同的。由圖18A中傳統(tǒng)反射光看到的反射，通過(guò)使用正交偏振器在圖18B中得以消除。
如圖15B所示，物鏡1517共軸地安置于光路1506和反射光路1507中。物鏡1517放大反射圖象。圖象攝取裝置1560位于物鏡1517的放大象平面上。物鏡1517最好被選擇為具有看見(jiàn)被照明組織所需的最低放大率。此所需的放大率，乃是待觀看的被照明組織中物體尺寸以及圖象所用象素尺寸的函數(shù)。低放大率可提供大的景深，但是圖象更粗糙。高放大率可提供小的景深，但對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的模糊更為敏感。微血管系統(tǒng)中的血管直徑一般是10-40μ。通過(guò)10x鏡頭可提供每個(gè)血管直徑范圍十至二十(10-20)個(gè)象素的適宜圖象。低放大率可以適用于更小的象素。
透鏡1516可以用在偏振器1510的任意一側(cè)，以在光路1506中使光聚焦。為了防止熱輻射，最好在光源1502前安置一可阻擋熱輻射的濾光器1508。濾光器1508是一可屏蔽紅外波長(zhǎng)的截止濾光器。濾光器1508最好能屏蔽大于或等于1000nm的波長(zhǎng)。
為了將反射圖象分離成第一部分1532和第二部分1534，圖象分離裝置1540安置在第二偏振器1520與圖象攝取裝置1560之間的反射光路中。應(yīng)當(dāng)理解，圖象分離裝置1540可以將反射圖象分離成多個(gè)部分，并不局限于兩部分。反射圖象的第一部分1532由圖象攝取裝置1560攝取下來(lái)。第二部分1534則由第二圖象攝取裝置1570攝取下來(lái)。第二圖象攝取裝置1570可以與圖象攝取裝置1560相同或不同。第二圖象攝取裝置1570被置于物鏡1517的放大象平面上。附加的圖象攝取裝置可以用于攝取圖象分離裝置1540分離的其它圖象部分。在另一個(gè)實(shí)施例中，用單一圖象攝取裝置攝取反射圖象的第一部分1532和第二部分1534。
一種特別優(yōu)選的圖象分離裝置是能透過(guò)小于特定波長(zhǎng)的所有光并反射所有大于該特定波長(zhǎng)光的二向色反射鏡或其它類(lèi)型二向色分光器。另一方面，可以使用能反射小于特定波長(zhǎng)的所有光和透過(guò)所有大于該特定波長(zhǎng)的光的圖象分離裝置。還可以采用其它適合的圖象分離裝置。
光譜選擇裝置1552可安置在第二偏振器1520與圖象攝取裝置1560之間的反射光路1507中。光譜選擇裝置1552可以是例如單色儀，光譜濾光器，棱鏡或光柵。與之類(lèi)似，光譜選擇裝置1554可以安置在第二偏振器1520與第二圖象攝取裝置1570之間的反射光路1507中。光譜選擇裝置1554也可以是例如單色儀，光譜濾光器，棱鏡或光柵等等。光譜選擇裝置1552和1554的中心值可以根據(jù)需進(jìn)行的分析類(lèi)型選取。例如，如果要確定血紅蛋白的濃度，則光譜選擇裝置1552或1554之一最好以550nm為中心波長(zhǎng)，而光譜選擇裝置1552或1554之另一個(gè)最好以650nm為中心。作為另一個(gè)實(shí)例，如果要確定膽紅素的濃度，則光譜選擇裝置1552或1554之一最好以450nm為中心，而光譜選擇裝置1552或1554之另一個(gè)最好以600nm為中心。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，光源1502由多個(gè)LED構(gòu)成，每個(gè)LED發(fā)出不同波長(zhǎng)的光。例如，采用三個(gè)LED提供紅、綠和藍(lán)光光源。采用可發(fā)出特定波長(zhǎng)光的光源1502如LED，可以免去采用分離光譜選擇裝置1552和1554的必要。可以用單個(gè)圖象攝取裝置1560攝取三個(gè)LED的各自反射圖象。例如，可以用對(duì)多波長(zhǎng)(紅，綠，藍(lán))敏感的單色攝像機(jī)來(lái)攝取三個(gè)LED(紅，綠，藍(lán))每個(gè)的反射圖象。
圖象攝取裝置1560與圖象校正和分析裝置1580聯(lián)接。圖象校正和分析裝置1580可以是計(jì)算機(jī)或其它類(lèi)型的處理系統(tǒng)(在下文對(duì)應(yīng)圖16將作更詳細(xì)說(shuō)明)。代表著圖象攝取裝置1560所攝取的反射圖象的信號(hào)1562由圖象攝取裝置1560送出，并被圖象校正和分析裝置1580接收。與之類(lèi)似，圖象攝取裝置1570與圖象校正和分析裝置1580聯(lián)接。代表著圖象攝取裝置1570所攝取的反射圖象的信號(hào)1572由圖象攝取裝置1570送出，并被圖象校正和分析裝置1580接收。圖象校正和分析裝置1580處理和分析接收到的反射圖象。尤其是，圖象分析和校正裝置可用于執(zhí)行圖2所示的步驟220-240。圖象分析和校正裝置1580可以被構(gòu)造成通過(guò)硬件、軟件或硬件與軟件結(jié)合執(zhí)行這些步驟。
用于本發(fā)明的示范性圖象校正和分析裝置1580，在圖16中被表示為一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600包含一或多個(gè)處理器，如處理器1604。處理器1604與通信總線1606連接。就該示范性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言描述了各種軟件實(shí)施例。閱讀過(guò)說(shuō)明之后，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白如何用其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和/或計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)施本發(fā)明。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600還包括一主存儲(chǔ)器1608，最好為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，并且還可以包括一輔助存儲(chǔ)器1610。比如，輔助存儲(chǔ)器1610可以包括硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器1612和/或代表軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁帶驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等的可更換存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1614?？筛鼡Q存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1614按公知的方式在可更換存儲(chǔ)單元1618上進(jìn)行讀和/或?qū)?。可更換存儲(chǔ)單元1618代表由可更換存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器讀和寫(xiě)的軟盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等等。應(yīng)當(dāng)知道，可更換存儲(chǔ)單元1618包括計(jì)算機(jī)可使用的存儲(chǔ)著計(jì)算機(jī)軟件和/或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)栽體。
在另一個(gè)實(shí)施例中，輔助存儲(chǔ)器1610可以包括其它能使計(jì)算機(jī)程序或其它指令裝入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600中的類(lèi)似裝置。例如，這種裝置可以包括可更換存儲(chǔ)單元1622和接口1620。這類(lèi)實(shí)例可以包括一程序卡和卡接口(如在視頻游戲機(jī)中的那種)，一可更換存儲(chǔ)芯片(如EPROM，或PROM)和輔助插座，以及其它可更換存儲(chǔ)單元1622和能使軟件和數(shù)據(jù)從可更換存儲(chǔ)單元1622傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600中的接口1620。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600還可以包含一通信接口1624。通信接口1624可以使軟件和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600與外部設(shè)備(如圖象攝取裝置1560和1570)之間進(jìn)行傳輸。通信接口1624的實(shí)例可以包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口(如Ethernet卡)、通信端口、PCMCIA槽和卡等等。通過(guò)通信接口1624傳輸?shù)能浖c數(shù)據(jù)，其形式為電信號(hào)、電磁信號(hào)、光信號(hào)或其它能通過(guò)通信接口1624接收的信號(hào)形式。例如信號(hào)1562和1572經(jīng)信道1628送到通信接口。信道1628載有信號(hào)1562和1572，并可以用電線或電纜、光纖、電話線、蜂窩電話網(wǎng)、RF網(wǎng)或其它通信信道實(shí)現(xiàn)。
在這篇文件中，術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)程序載體”和“計(jì)算機(jī)可用載體”一般是指諸如更換存儲(chǔ)裝置1618、裝入硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器1612的硬盤(pán)，以及通過(guò)信道1628傳送信號(hào)的這類(lèi)載體。這些計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品用于為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600提供軟件。
計(jì)算機(jī)程序(又稱(chēng)為計(jì)算機(jī)控制邏輯)存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器1608和/或輔助存儲(chǔ)器1610中。計(jì)算機(jī)程序也可以通過(guò)通信接口1624接收。這種計(jì)算機(jī)程序在其運(yùn)行時(shí)，能使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600實(shí)現(xiàn)本文所述的本發(fā)明的特點(diǎn)。尤其是計(jì)算機(jī)程序在其運(yùn)行時(shí)，能使處理器1604實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特點(diǎn)。因此，計(jì)算機(jī)的程序代表計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600的控制器。
在采用軟件實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例中，軟件可以存儲(chǔ)在一計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中，并利用可更換存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1614、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器1612或通信接口1624裝入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1600中?？刂七壿?軟件)在其由處理器1604運(yùn)行時(shí)，使處理器1604執(zhí)行本文所述本發(fā)明的功能。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明主要由硬件實(shí)施，例如，應(yīng)用型特定集成電路(ASICs)等硬件組件。相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)清楚，如何實(shí)現(xiàn)此硬件形式的機(jī)器以執(zhí)行本文所述功能。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明由軟件與硬件的結(jié)合實(shí)施。
圖17A和17B表示本發(fā)明的實(shí)施例，適用于實(shí)施非侵入式體內(nèi)分析的受檢者。圖17A表示一包含探測(cè)器1704、打印機(jī)1706和處理與存儲(chǔ)單元1708的控制臺(tái)單元1702。探測(cè)器1704用于形成受檢者血管系統(tǒng)一部分的圖象，如下嘴唇內(nèi)側(cè)的。折射率匹配介質(zhì)，如可從Johnson & Johnson公司得到的商品名為“KY”凝膠的乙基纖維素或糖漿等等，最好涂在探測(cè)器1704上，以在探測(cè)器1704與下嘴唇內(nèi)側(cè)之間產(chǎn)生良好的光學(xué)連接或光學(xué)密封。
探測(cè)器1704最好配備有圖15所示從光源1502到一或多個(gè)圖象攝取裝置的那些元件。為了確保本發(fā)明裝置具有最優(yōu)性能，在偏振器1510與使光束去偏振的偏振器1520之間的光路中應(yīng)該沒(méi)有任何東西。比如，偏振器1510與偏振器1520之間的光路中存在灰塵將降低裝置的性能。而且，探測(cè)器1704的組件最好由不能去偏振的材料制成，使得該材料不能對(duì)光去偏振。光路中作為探測(cè)器1704組件的特別優(yōu)選材料，是可從Kodak公司得到的商品名為KODACEL的非去偏振塑料。其它適合于光路中組件的材料是玻璃或石英。探測(cè)器1704成象端的優(yōu)選材料是玻璃。信號(hào)(諸如圖15所示的信號(hào)1562或1572)從探測(cè)器1704傳輸至處理和存儲(chǔ)單元1708進(jìn)行處理與存儲(chǔ)。
圖17B表示一移動(dòng)單元1722。移動(dòng)單元1722包括一探測(cè)器1724和傳送帶單元1726。探測(cè)器1724可以按與圖17A所示探測(cè)器1704相似的形式構(gòu)成。傳送帶單元1726包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送單元1728。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送單元1728接收來(lái)自探測(cè)器1724的信號(hào)。這些信號(hào)可以由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送單元1728存儲(chǔ)起來(lái)，以便以后處理。另外，這些信號(hào)可以由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送單元1728發(fā)送到一中央處理站(未示出)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。中央處理站可以用來(lái)永久地存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)，和以公知方式打印和顯示結(jié)果。轉(zhuǎn)送帶單元1726還包括一放置電池或其它適用電源的位置1729。
本發(fā)明的體內(nèi)裝置可以用于實(shí)施上述本發(fā)明方法。尤其是，該體內(nèi)裝置可以用于確定單位體積血液中血紅蛋白和膽紅素的濃度。該體內(nèi)裝置還可以用于確定紅細(xì)胞比積和平均細(xì)胞體積。該體內(nèi)裝置還可以用于確定單位體積血液中白細(xì)胞的數(shù)目和血小板的數(shù)目。為了確定細(xì)胞的數(shù)目，如白細(xì)胞或血小板數(shù)目，光源要采用脈沖光源或頻閃形式的，以便在分析圖象中作“定格”而進(jìn)行計(jì)數(shù)。用脈沖光源完成定格避免了分析圖象中因移動(dòng)帶來(lái)的模糊。脈沖光源最好與圖象攝取裝置的幀速同步。定格還可以通過(guò)控制圖象攝取裝置上的快門(mén)開(kāi)閉來(lái)完成。在任何需在分析圖象中進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)的時(shí)候優(yōu)選定格圖象。定格圖象還可以用于確定其它非細(xì)胞計(jì)數(shù)參數(shù)，如Hb或Hct。然而，諸如象Hb和Hct這些其它參數(shù)也可以用非定格圖象確定。
為了對(duì)用體內(nèi)裝置的測(cè)量結(jié)果與用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，在小豬不同程度貧血的條件下作了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)小豬放血，同時(shí)點(diǎn)滴生理鹽水保持小豬體液體積不變。用傳統(tǒng)的Coulter實(shí)驗(yàn)室裝置通過(guò)抽取血樣以及用體內(nèi)裝置測(cè)量放血期間不同點(diǎn)的血紅蛋白。圖8B畫(huà)出一曲線圖，它表示出用Coulter Stk.S裝置和體內(nèi)裝置對(duì)通過(guò)放血產(chǎn)生的不同程度貧血癥的血紅蛋白的比較測(cè)量結(jié)果(血紅蛋白gm/dL是失血體積占總血液體積百分比的函數(shù))。圖8B表示出Coulter Stk.S裝置的結(jié)果和HEMOSCAN(體內(nèi)裝置)結(jié)果之間的高相關(guān)性(r＝0.91)。
對(duì)23個(gè)“健康”人進(jìn)行了用體內(nèi)裝置的實(shí)驗(yàn)。該方法包括用探測(cè)器在嘴唇上采集反射光譜圖象。將探測(cè)器通過(guò)由少量“KY”凝膠獲得光學(xué)連接或光學(xué)密封放置在受檢者嘴唇表面內(nèi)側(cè)(粘膜)。圖8C表示一曲線圖，它圖示出用Coulter Stk.S裝置和HEMOSCAN體內(nèi)裝置對(duì)23位“健康”人的血紅蛋白比較測(cè)量結(jié)果。該結(jié)果顯示出83％的預(yù)期一致性和r＝0.68的相關(guān)性。
5.體外和其它分析應(yīng)用除了血管系統(tǒng)非侵入式體內(nèi)分析之外，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用于改善反射圖象的可視性，和提高用反射圖象進(jìn)行定量分析的能力。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以很容易地用于血樣特性的體外分析。上文討論的體內(nèi)測(cè)量還可以通過(guò)對(duì)例如管路或束流管等中的血液成象而在體外進(jìn)行。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用來(lái)完成定量化的血液濃度(Hb，Hct)、血液計(jì)數(shù)(WBC，RBC，Plt)、血細(xì)胞特性(MCV，MCHC，和粒性白細(xì)胞)和血漿成分(膽紅素，標(biāo)記的血漿組分和標(biāo)記的細(xì)胞)的體外測(cè)量。
本發(fā)明的正交偏振技術(shù)還可以用于對(duì)已涂覆在例如不透明表面上的染料，油墨和化學(xué)試劑進(jìn)行定量分析測(cè)量。這種定量分析是在“試紙測(cè)試”或試紙指示器中進(jìn)行的，可用于血液測(cè)試、受孕測(cè)試或葡萄糖測(cè)試中。本發(fā)明可以用于對(duì)紙條上的血液成分進(jìn)行體外測(cè)量。此正交偏振技術(shù)還可以用于那些需要在兩種或多種顏色的樣品之間進(jìn)行匹配的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)也可以用于管道探測(cè)鏡的應(yīng)用領(lǐng)域，或用于臨床上應(yīng)用的內(nèi)窺鏡和保真顯示器中。
圖19表示作為四種紅色苯胺染料的染料濃度函數(shù)的吸收度單位(Absorbance Unit)曲線(1，3X，10X和20X的濃度；見(jiàn)下文表1)。線1902代表用傳統(tǒng)反射分光光度計(jì)對(duì)四種樣品測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)。這種傳統(tǒng)儀器通常工作范圍很小，一般從0.0至0.5吸收度單位，在最佳狀態(tài)下是從0.0至1吸收度單位。一個(gè)吸收度單位代表透射或反射的光強(qiáng)改變10倍。傳統(tǒng)裝置在0.5吸收度單位以上曲線變平且沒(méi)有響應(yīng)，不能對(duì)最后兩點(diǎn)(10X和20X的濃度)加以區(qū)分。線1902在該區(qū)域是平坦的。相反地，線1904代表了用圖20所示含有正交偏振器的反射比色儀裝置2020對(duì)四個(gè)樣品測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明的反射比色儀裝置的工作范圍擴(kuò)大至二吸收度單位(系數(shù)100)以上。采用本發(fā)明的反射比色儀裝置在測(cè)量最后一個(gè)濃度(20X)時(shí)受到的限制是進(jìn)行計(jì)算所用的位數(shù)(8位)。八位的分辨率(28＝256)與大約2.41吸收度單位相當(dāng)。為了提高吸收度單位數(shù)，需要增加位數(shù)。例如，十位(210＝1024)與大約三個(gè)吸收度單位相當(dāng)(系數(shù)1000)。為了測(cè)量20X的濃度，將需要15位。圖19的結(jié)果表明，本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用于印刷的色彩控制、纖維和染料的批量控制，諸如以紙、薄膜或乳膠為基底的試紙測(cè)試，以及其它需要區(qū)分顏色的場(chǎng)合。
表1
圖20表示反射比色儀裝置2020的一個(gè)實(shí)施例。裝置2020包含一光源2022和一聚光鏡2024。具有用2027表示的偏振面的第一偏振器2026用于使光源2022發(fā)出的光起偏。第一偏振器2026被放置在光源2022與被照明的物體或反射基底2042之間的光路中。在一個(gè)實(shí)施例中，光源2022包含第一偏振器2026，使得不再需要單獨(dú)的第一偏振器2026。在此實(shí)施例中，光源2022是一個(gè)偏振光源，如激光器或激光二極管。分束器2028使第一偏振器2026起偏的光反射，透過(guò)物鏡2030照射在物體2042上。
具有用2035表示的偏振面的第二偏振器2034被放置在物體2042與檢測(cè)裝置2036之間的反射光路中。偏振面2035與偏振面2027成90°角。用于波長(zhǎng)選擇的光譜選擇裝置2032如濾光器，設(shè)置在反射光路中。
工作時(shí)，來(lái)自光源2022的照明光2038透過(guò)聚光鏡2024，并由第一偏振器2026起偏。偏振光2040被反射離開(kāi)分束器2028，并通過(guò)物鏡2030聚焦在物體2042上。由物體2042反射的光2044，將通過(guò)物鏡2030、分束器2028、光譜選擇裝置2032和第二偏振器2034。檢測(cè)裝置2036則對(duì)正交偏振的反射光2046進(jìn)行檢測(cè)。
檢測(cè)裝置2036可以是適于檢測(cè)反射光2046的任何器件。適合的檢測(cè)裝置包括光電探測(cè)器，光電管，或其它能夠檢測(cè)反射光2046反射光強(qiáng)的器件。適合的檢測(cè)裝置2036還包括攝像機(jī)。裝置2020還可以用于對(duì)管路或束流管中的血液進(jìn)行血液分析。
6.結(jié)論盡管以上說(shuō)明了本發(fā)明的多種實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，它們僅僅是以示例形式給出的，而不是以限制形式。例如，本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以應(yīng)用于任何需要透過(guò)組織觀看循環(huán)系統(tǒng)的場(chǎng)合。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)還可以用于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)印染的織物成象。本發(fā)明的正交偏振技術(shù)可以用于需要光學(xué)測(cè)量或肉眼觀察物體反射特性的任何體內(nèi)或體外分析場(chǎng)合。所以，本發(fā)明的廣度和范圍不應(yīng)局限于上述的任何示例性實(shí)施例，而應(yīng)該僅僅根據(jù)權(quán)利要求書(shū)及其等同物來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種利用反射光譜成象分析血液的裝置，包括一用于照明血液的光源，其中在所述光源與被照明血液之間形成一條光路；一用于使所述光源發(fā)出的光起偏的第一偏振器；一用于攝取從小于多次散射長(zhǎng)度的深度處被照明血液反射出來(lái)的反射圖象的圖象攝取裝置，該反射圖象沿著被照明血液與所述圖象攝取裝置之間的反射光路傳輸，以及一置于被照明血液與所述圖象攝取裝置之間反射光路中的第二偏振器，其中所述第二偏振器的偏振面與所述第一偏振器的偏振面互成90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的光源包含所述第一偏振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述的光源包括一激光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的圖象攝取裝置包括一電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述的圖象攝取裝置還包括一光電探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的圖象攝取裝置包括一光電探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述第二偏振器與所述圖象攝取裝置之間反射光路中的光譜選擇裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的光源是脈沖光源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括置于所述第二偏振器與所述圖象攝取裝置之間反射光路中，用于將反射圖象分離成第一部分和第二部分的圖象分離裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述的圖象分離裝置包括一二向色反射鏡，其中反射圖象的第一部分透過(guò)所述二向色反射鏡到達(dá)所述圖象攝取裝置，而反射圖象的第二部分被所述二向色反射鏡反射。
11.權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括一用于攝取反射圖象第二部分的第二圖象攝取裝置。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中所述的第二圖象攝取裝置包括電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。
13.權(quán)利要求11的裝置，進(jìn)一步包括置于所述二向色反射鏡與所述第二圖象攝取裝置之間反射光路中的一光譜選擇裝置。
14.權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括置于所述第二偏振器與所述圖象攝取裝置之間反射光路中，用于將反射圖象分離成多個(gè)部分的一圖象分離裝置，其中反射圖象的一第一部分由所述的圖象攝取裝置攝取。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，進(jìn)一步包括一第二圖象攝取裝置，并且其中所述的多個(gè)部分是兩個(gè)部分，且反射圖象的第二部分由所述的第二圖象攝取裝置攝取。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，進(jìn)一步包括置于所述圖象分離裝置與所述圖象攝取裝置之間反射光路中的一第一光譜選擇裝置，和置于所述圖象分離裝置與所述第二圖象攝取裝置之間反射光路之間的一第二光譜選擇裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述的第一光譜選擇裝置的中心波長(zhǎng)在550nm，而所述第二光譜選擇裝置的中心波長(zhǎng)在650nm。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述圖象攝取裝置相聯(lián)接用于校正和分析反射圖象的圖象校正分析裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述的圖象校正分析裝置包括計(jì)算機(jī)。
20.一種利用反射光譜成象分析血液的裝置，包括一照明血液的光源；一用于在所述光源與被照明血液之間形成光路，并且為小于多次散射長(zhǎng)度的深度處由被照明血液反射的反射圖象形成反射光路的分束器；一用于使所述光源發(fā)出的光起偏的第一偏振器；一用于攝取反射圖象的攝像機(jī)，以及一置于被照明血液與所述攝像機(jī)之間反射光路中的第二偏振器，其中所述第二偏振器的偏振面與所述第一偏振器的偏振面互成90°。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述的光源包括所述的第一偏振器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述的光源包括一激光二極管。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述的光源為脈沖光源。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述光源與被照明血液之間的可阻擋熱輻射的濾光器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述分束器與被照明血液之間用于放大反射圖象的物鏡，其中所述的攝像機(jī)處于所述物鏡的放大象面中。
26.權(quán)利要求20的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述第二偏振器與所述攝像機(jī)之間光路中用于分離反射圖象的二向色反射鏡，其中反射圖象的第一部分透過(guò)所述二向色反射鏡到達(dá)所述攝像機(jī)，而反射圖象的第二部分由所述二向色反射鏡反射，和一用于攝取反射圖象第二部分的圖象攝取裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述的圖象攝取裝置包括一第二攝像機(jī)。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述的圖象攝取裝置包括一光電探測(cè)器。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述二向色反射鏡與所述攝像機(jī)之間光路中的第一光譜選擇濾光器，和一置于所述二向色反射鏡與所述第二攝像機(jī)之間光路中的第二光譜選擇濾光器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述的第一光譜選擇濾光器的中心波長(zhǎng)在550nm，而所述第二光譜選擇濾光器的中心波長(zhǎng)在650nm。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述攝像機(jī)聯(lián)接的用于分析反射圖象的計(jì)算機(jī)。
32.一種血液分析方法，包括(1)對(duì)血液成象，以形成一個(gè)從小于多次散射長(zhǎng)度的深度處反射出來(lái)的原始反射圖象；(2)對(duì)該原始反射圖象進(jìn)行校正，以形成一被校正的反射圖象；(3)從被校正的反射圖象中截取一場(chǎng)面，以形成分析圖象，及(4)對(duì)該分析圖象進(jìn)行分析，以獲得血液特性。
33.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(2)包括(a)對(duì)原始反射圖象進(jìn)行第一波長(zhǎng)濾光，以形成第一濾光圖象；(b)對(duì)原始反射圖象進(jìn)行第二波長(zhǎng)濾光，以形成第二濾光圖象；(c)對(duì)第一濾光圖象除以第二濾光圖象所得到的商取負(fù)對(duì)數(shù)，以形成被校正的反射圖象。
34.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(2)包括實(shí)施速率校正，以便從原始反射圖象的靜止部分中提取出原始反射圖象的運(yùn)動(dòng)部分，從而形成被校正的反射圖象。
35.權(quán)利要求33的方法，其中第一波長(zhǎng)濾光器的中心波長(zhǎng)在位于等吸收點(diǎn)的第一波長(zhǎng)處。
36.權(quán)利要求33的方法，其中第一波長(zhǎng)濾光器的中心波長(zhǎng)在550nm處，而第二波長(zhǎng)濾光器的中心波長(zhǎng)在650nm處。
37.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(3)包括(a)對(duì)被校正的反射圖象施加光強(qiáng)判據(jù)。
38.權(quán)利要求37的方法，其中步驟(3)還包括(b)對(duì)被校正的反射圖象施加尺寸判據(jù)。
39.權(quán)利要求38的方法，其中尺寸判據(jù)用于將大血管截取到分析圖象中，其中的大血管具有可使多個(gè)紅細(xì)胞并排通過(guò)其中的足夠尺寸。
40.權(quán)利要求38的方法，其中尺寸判據(jù)用于將小血管截取到分析圖象中，其中的小血管具有紅細(xì)胞基本單列通過(guò)其中的尺寸。
41.權(quán)利要求38的方法，其中步驟(3)進(jìn)一步包括(c)對(duì)被校正的反射圖象施加形狀判據(jù)。
42.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(3)包括利用空間頻率從校正的反射圖象中截取場(chǎng)面。
43.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(4)包括(a)確定分析圖象的平均反射光強(qiáng)，以及(b)將分析圖象的平均反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成單位體積血液中的血紅蛋白濃度。
44.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(4)包括(a)在分析圖象中作白細(xì)胞計(jì)數(shù)，以確定單位體積血液中的白細(xì)胞數(shù)量。
45.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(4)包括(a)由分析圖象確定平均細(xì)胞體積。
46.權(quán)利要求32所述的方法，其中步驟(4)包括(a)在分析圖象中作血小板計(jì)數(shù)，以確定單位體積血液中的血小板數(shù)量。
47.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(4)包括(a)在分析圖象中測(cè)量單位體積血液的細(xì)胞體積，以確定紅細(xì)胞比積。
48.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(4)包括(a)在分析圖象中測(cè)量單位體積血液的細(xì)胞體積，以確定紅細(xì)胞比積(Hct)；(b)確定分析圖象的平均反射光強(qiáng)；(c)將分析圖象的平均反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成單位體積血液中的血紅蛋白濃度(Hb)，以及(d)由分析圖象確定平均細(xì)胞體積(MCV)。
49.權(quán)利要求48的方法，進(jìn)一步包括(5)由等式RBC＝Hct/MCV確定紅細(xì)胞計(jì)數(shù)(RBC)。
50.權(quán)利要求48的方法，進(jìn)一步包括(5)從分析圖象中確定平均細(xì)胞血紅蛋白濃度(MCHC)。
51.權(quán)利要求50的方法，進(jìn)一步包括(5)從等式MCH＝MCV×MCHC確定平均細(xì)胞血紅蛋白。
52.權(quán)利要求32的方法，其中分析圖象是這樣從校正的反射圖象中截取的，使得分析圖象包括毛細(xì)血管血漿。
53.權(quán)利要求52的方法，其中步驟(4)包括(a)確定分析圖象的平均反射光強(qiáng)，以及(b)將分析圖象的平均反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成單位體積血液中的膽紅素濃度。
54.權(quán)利要求53的方法，其中步驟(2)包括(a)對(duì)原始反射圖象進(jìn)行第一波長(zhǎng)濾波，以形成第一濾光圖象；(b)對(duì)原始反射圖象進(jìn)行第二波長(zhǎng)濾波，以形成第二濾光圖象；(c)對(duì)第一濾光圖象除以第二濾光圖象所得到的商取負(fù)對(duì)數(shù)，以形成校正的反射圖象。
55.權(quán)利要求54的方法，其中第一波長(zhǎng)濾光的中心波長(zhǎng)在450nm處，而第二波長(zhǎng)濾光的中心波長(zhǎng)在600nm處。
56.權(quán)利要求52的方法，其中步驟(4)包括(a)檢測(cè)由引入血液中的標(biāo)記所產(chǎn)生的光學(xué)對(duì)比度。
57.權(quán)利要求56的方法，其中其標(biāo)記用于檢測(cè)毛細(xì)血管血漿中的化合物。
58.權(quán)利要求56的方法，其中其標(biāo)記用于檢測(cè)血液中附著于細(xì)胞上的化合物。
59.權(quán)利要求52的方法，其中步驟(4)包括(a)確定血漿的固有成分。
60.權(quán)利要求52的方法，其中步驟(4)包括(a)確定血漿的非固有成分。
61.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(1)包括(a)用被一第一偏振器起偏的光照明血液，及(b)攝取從血液反射的反射圖象，其中反射圖象透過(guò)偏振面與第一偏振器偏振面成90°的一第二偏振器，以產(chǎn)生原始的反射圖象。
62.一種非侵入式體內(nèi)分析大血管中血液的方法，包括(1)用被一第一偏振器起偏的光照射受檢者血管系統(tǒng)的一部分；(2)攝取從被照射部分反射的反射圖象，其中反射圖象透過(guò)偏振面與第一偏振器偏振面成90°的一第二偏振器，以產(chǎn)生一原始的反射圖象；(3)對(duì)原始反射圖象進(jìn)行校正，以形成被校正的反射圖象；(4)從被校正反射圖象截取一個(gè)含有大血管的場(chǎng)面，以形成分析圖象，其中大血管尺寸足以可使多個(gè)紅細(xì)胞并排通過(guò)其中，以及(5)對(duì)分析圖象進(jìn)行分析，以獲得大血管中血液的特性。
63.權(quán)利要求62的方法，其中步驟(4)包括至少如下之一(a)對(duì)校正的反射圖象施加光強(qiáng)判據(jù)，以形成光強(qiáng)-校正的反射圖象；(b)對(duì)光強(qiáng)-校正的反射圖象施加尺寸判據(jù)，以形成光強(qiáng)兼尺寸校正的反射圖象；(c)對(duì)光強(qiáng)兼尺寸校正的反射圖象施加形狀判據(jù)，以形成分析圖象。
64.權(quán)利要求63的方法，其中步驟(5)包括(a)確定分析圖象的平均反射光強(qiáng)，并(b)將分析圖象的平均反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成單位體積血液中的血紅蛋白濃度(Hb)。
65.權(quán)利要求63的方法，其中步驟(5)包括(a)在分析圖象中測(cè)量單位體積血液的細(xì)胞體積，以確定紅細(xì)胞比積(Hct)。
66.權(quán)利要求62的方法，其中步驟(2)以定格操作實(shí)現(xiàn)。
67.權(quán)利要求66的方法，其中步驟(5)包括(a)在分析圖象中對(duì)白細(xì)胞計(jì)數(shù)，以確定單位體積血液中的白細(xì)胞數(shù)量。
68.權(quán)利要求64的方法，其中步驟(3)包括用以550nm為中心的第一波長(zhǎng)和以650nm為中心的第二波長(zhǎng)實(shí)施雙色校正。
69.權(quán)利要求66的方法，其中步驟(5)包括(a)在分析圖象中對(duì)粒性白細(xì)胞計(jì)數(shù)，及(b)在分析圖象中對(duì)非粒性白細(xì)胞計(jì)數(shù)。
70.權(quán)利要求67的方法，其中步驟(1)用400nm至600nm范圍的光實(shí)現(xiàn)。
71.權(quán)利要求62的方法，其中步驟(5)包括(a)檢測(cè)由引入受檢者血管系統(tǒng)中的標(biāo)記所產(chǎn)生的光學(xué)對(duì)比度。
72.權(quán)利要求71的方法，其中的標(biāo)記用于檢測(cè)受檢者血管系統(tǒng)中附著于細(xì)胞上的化合物。
73.權(quán)利要求62的方法，其中步驟(5)包括(a)檢測(cè)血紅蛋白絡(luò)合物。
74.一種非侵入式體內(nèi)分析小血管中血液的方法，包括(1)用被一第一偏振器起偏的光照明受檢者血管系統(tǒng)的一部分；(2)攝取從被照射部分反射的反射圖象，其中反射圖象透過(guò)偏振面與第一偏振器偏振面成90°的一第二偏振器，以產(chǎn)生一原始的反射圖象；(3)對(duì)原始反射圖象實(shí)施校正，以形成被校正的反射圖象；(4)從被校正反射圖象截取一個(gè)含有小血管的場(chǎng)面，以形成分析圖象，其中小血管具有使紅細(xì)胞基本單列通過(guò)其中的尺寸，以及(5)對(duì)分析圖象進(jìn)行分析，以獲得小血管中血液的特性。
75.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(2)以定格操作實(shí)現(xiàn)。
76.權(quán)利要求75的方法，其中步驟(5)包括(a)在分析圖象中對(duì)血小板計(jì)數(shù)，以確定單位體積血液中的血小板數(shù)量。
77.權(quán)利要求74的方法，其中分析圖象是這樣從校正的反射圖象中截取的，使得分析圖象包括毛細(xì)血管血漿。
78.權(quán)利要求77的方法，其中步驟(5)包括(a)確定分析圖象的平均反射光強(qiáng)，及(b)將分析圖象的平均反射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成單位體積血液中的膽紅素濃度。
79.權(quán)利要求78的方法，其中步驟(3)包括用以450nm為中心的第一波長(zhǎng)和以600nm為中心的第二波長(zhǎng)實(shí)施雙色校正。
80.權(quán)利要求77的方法，其中步驟(5)包括(a)檢測(cè)由一標(biāo)記產(chǎn)生的光學(xué)對(duì)比度。
81.權(quán)利要求80的方法，其中其標(biāo)記用于檢測(cè)毛細(xì)血管血漿中的化合物。
82.權(quán)利要求80的方法，其中其標(biāo)記用于檢測(cè)附著于細(xì)胞上的化合物。
83.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(5)包括(a)從分析圖象中確定平均細(xì)胞體積。
84.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(5)包括(a)從分析圖象中確定平均細(xì)胞血紅蛋白濃度(MCHC)。
85.權(quán)利要求84的方法，其中步驟(3)包括(a)用以550nm為中心的第一波長(zhǎng)和以650nm為中心的第二波長(zhǎng)實(shí)施雙色校正。
86.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(3)包括(a)對(duì)原始反射圖象實(shí)施速率校正，以形成被校正的反射圖象。
87.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(4)包括至少如下之一(a)對(duì)校正的反射圖象施加光強(qiáng)判據(jù)，以形成光強(qiáng)-校正的反射圖象；(b)對(duì)光強(qiáng)-校正的反射圖象施加尺寸判據(jù)，以形成光強(qiáng)兼尺寸校正的反射圖象；(c)對(duì)光強(qiáng)兼尺寸校正的反射圖象施加形狀判據(jù)，以形成分析圖象。
88.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(5)包括(a)檢測(cè)血漿的固有組分。
89.權(quán)利要求74的方法，其中步驟(5)包括(a)檢測(cè)血漿的非固有組分。
90.用于檢測(cè)物體光學(xué)特性的裝置，包括一用于照明物體的光源；一用于檢測(cè)從被照明物體反射的反射光的檢測(cè)裝置；一用于使所述光源發(fā)出的光起偏的第一偏振器，和一置于物體與所述檢測(cè)裝置之間反射光路中的第二偏振器，其中所述第二偏振器的偏振面與所述第一偏振器的偏振面成90°。
91.根據(jù)權(quán)利要求90的裝置，進(jìn)一步包括一置于所述第一偏振器與物體之間的物鏡，其中所述的檢測(cè)裝置處于所述物鏡放大象面上。
92.根據(jù)權(quán)利要求90的裝置，進(jìn)一步包括置于所述第二偏振器與所述檢測(cè)裝置之間反射光路中用于分離被照射物體反射的反射光的反射光分離裝置，其中一第一部分反射光透過(guò)所述反射光分離裝置到達(dá)所述檢測(cè)裝置，而一第二部分反射光被所述的反射光分離裝置所反射，和一用于檢測(cè)第二部分反射光的第二檢測(cè)裝置。
93.根據(jù)權(quán)利要求92所述的裝置，進(jìn)一步包括置于所述反射光分離裝置與所述檢測(cè)裝置之間反射光路中的一第一光譜選擇裝置，及置于所述反射光分離裝置與所述第二檢測(cè)裝置之間反射光路之間的一第二光譜選擇裝置。
94.根據(jù)權(quán)利要求90所述的裝置，其中所述的檢測(cè)裝置包括一攝像機(jī)。
95.根據(jù)權(quán)利要求94所述的裝置，其中所述檢測(cè)裝置還包括一光電探測(cè)器。
96.根據(jù)權(quán)利要求90所述的裝置，其中所述檢測(cè)裝置還包括一光電探測(cè)器。
97.根據(jù)權(quán)利要求90所述的裝置，進(jìn)一步包括一設(shè)置在所述第二偏振器與所述檢測(cè)裝置之間的二向色分離器。
98.根據(jù)權(quán)利要求90所述的裝置，其中所述的光源包括所述的第一偏振器。
99.根據(jù)權(quán)利要求98所述的裝置，其中所述的光源包括一激光二極管。
100.根據(jù)權(quán)利要求90所述的裝置，其中所述的光源是單色的。
101.根據(jù)權(quán)利要求100所述的裝置，其中所述的光源包括一發(fā)光二極管(LED)。
102.根據(jù)權(quán)利要求100所述的裝置，其中所述的光源是偏振光源。
103.根據(jù)權(quán)利要求102所述的裝置，其中所述的光源包括一激光器。
全文摘要
用反射圖象對(duì)受檢者的血管系統(tǒng)進(jìn)行非侵入式體內(nèi)分析。相對(duì)于背景校正原始反射圖象(110),以形成被校正的反射圖象(120)。從被校正的反射圖象中截取包含有待分析場(chǎng)面的分析圖象(130)。該方法和裝置可以用于確定單位體積血液的血紅蛋白濃度,單位體積血液白細(xì)胞數(shù)目,平均細(xì)胞體積,單位體積血液中血小板數(shù)目以及紅細(xì)胞比積。正交偏振器(1510和1520)可以用于提高反射圖象的可視度。
文檔編號(hào)G01N15/02GK1200657SQ9619782
公開(kāi)日1998年12月2日 申請(qǐng)日期1996年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月23日
發(fā)明者沃倫·格若那, 里查德·G·那德奧 申請(qǐng)人:斯托邁奇克公司