背景技術(shù)：

本披露涉及光譜儀器和方法，并且更具體地涉及用于眼病的生物力學(xué)診斷的光學(xué)儀器。

相關(guān)技術(shù)說明

已經(jīng)開發(fā)了各種診斷和臨床儀器用于對生物組織進(jìn)行體內(nèi)成像，并且尤其用于使人眼中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。具體地，光學(xué)儀器用于測量人眼不同部分的幾何和光學(xué)特征。通過這類分析提供的幾何和學(xué)光特征能夠?qū)崿F(xiàn)對患者單個(gè)眼睛的各種程度的生物力學(xué)或生理學(xué)建模，致力于診斷眼科健康狀況并制定合適的治療計(jì)劃。

圓錐角膜是人眼的退行性疾病，其特征在于中央或旁中央角膜的曲率非炎性變薄和變陡，導(dǎo)致了表征所述疾病的圓錐形角膜。隨著圓錐角膜的發(fā)展，角膜的結(jié)構(gòu)變化引起患者視力的顯著受損。由圓錐角膜引起的角膜結(jié)構(gòu)變化可能進(jìn)一步使某些激光視力矯正手術(shù)復(fù)雜化，如激光輔助原位角膜磨鑲術(shù)(lasik)手術(shù)或準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù)(prk)手術(shù)，因?yàn)槭中g(shù)后角膜膨隆(或變薄)的風(fēng)險(xiǎn)可能增大。

由圓錐角膜引起的視覺受損可以使用特定地適配的眼鏡或角膜鞏膜接觸鏡片矯正到一定程度。然而，當(dāng)圓錐角膜發(fā)展到發(fā)病的晚期階段時(shí)，這類措施可能不會(huì)有效。針對晚期圓錐角膜，進(jìn)行角膜交聯(lián)治療，這樣可能會(huì)停止或至少減緩發(fā)病，盡管目前未能預(yù)測視覺完全康復(fù)。

除了圓錐角膜之外，其他類型的角膜變性也可能會(huì)影響人角膜的生物力學(xué)穩(wěn)定性。例如，也被稱為圓錐角膜的透明邊緣角膜變性(pmd)是一種退行性非炎性角膜病癥，其典型特征是在角膜的下部和外周區(qū)域有明顯的雙側(cè)膨隆。具體地，患有pmd的患者可能在具有完好中心上皮的角膜中心處展現(xiàn)出正常厚度，而在下部角膜中展現(xiàn)出變薄的外周帶。與角膜緣緊密相鄰的角膜部分可能被pmd所消耗，并且通常包括約幾毫米的條帶。作為pmd的進(jìn)一步結(jié)果，角膜的前彈力層可能不存在、不規(guī)則或可能具有破裂區(qū)域。

已經(jīng)使用布里淵散射(bs)進(jìn)行眼組織(如角膜和眼睛晶狀體)的粘彈特性的光學(xué)檢查，其依據(jù)采樣材料內(nèi)的位置依賴性質(zhì)量密度變化，來通過聲子-光子相互作用對入射相干光進(jìn)行散射。通過對來自眼組織的布里淵散射光束進(jìn)行光譜分析，可以確定眼組織的某些生物力學(xué)特性，如所分析的眼組織的粘彈特性。使用布里淵散射確定眼組織的粘彈特性關(guān)于使用紫外(uv)光對角膜進(jìn)行圓錐角膜交聯(lián)治療是特別有效的，以便探測和記錄交聯(lián)治療對角膜的相關(guān)生物力學(xué)特性(如硬度和剛度)的實(shí)際的定性影響。

另外，可以使用多光子顯微鏡檢查來檢查角膜的細(xì)小生物結(jié)構(gòu)以生成眼組織的某些圖像。在多光子成像過程中，角膜中的不同結(jié)構(gòu)通過多光子吸收被激勵(lì)并可以進(jìn)行自發(fā)熒光?？商娲?，某些非各向同性結(jié)構(gòu)(如角膜中的膠原原纖維)可以用于通過非線性相互作用進(jìn)行樣本束的波長的二次諧波發(fā)生(shg)或三次諧波發(fā)生(thg)。以這種方式，shg或thg信號可以指示角膜中各種結(jié)構(gòu)的位置和分布。

具體地，shg信號已經(jīng)與角膜中的原纖維的位置和分布相關(guān)聯(lián)。角膜原纖維的排列和取向以及它們的位置和密度可能與角膜在使用shg信號所分析的區(qū)域中的光學(xué)和機(jī)械特性相關(guān)聯(lián)。所述光學(xué)特性可以包括透明度和散射，而所述機(jī)械特性可以包括彈性力學(xué)特性，如強(qiáng)度。已知在眼病的晚期階段(如圓錐角膜和角膜營養(yǎng)不良)，在角膜的粗糙結(jié)構(gòu)中可檢測到受影響的眼組織的光學(xué)和機(jī)械特性的變化。因此，使用shg信號的分析可能是用于檢查角膜細(xì)微結(jié)構(gòu)的合適方法，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對眼病的發(fā)病的早期檢測。此外，在某些使用飛秒(fs)激光器的lasik手術(shù)過程中，在體內(nèi)由角膜原纖維生成shg信號，并且可以深入了解lasik切口的方向性和位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面，所披露的一種用于進(jìn)行眼病的生物力學(xué)診斷的方法包括：生成共享光起點(diǎn)的第一樣本束和第二樣本束、并且將所述第一樣本束和所述第二樣本束以與在生物組織樣本處的焦點(diǎn)位置共焦的方式傳播到所述生物組織樣本。所述方法包括檢測第一信號束，所述第一信號束包括所述第一樣本束從所述焦點(diǎn)位置反向散射的第一光子。使用布里淵散射檢測器來檢測所述第一信號束。所述方法還包括檢測第二信號束，所述第二信號束包括所述第二樣本束從所述焦點(diǎn)位置反向散射的第二光子。使用二次諧波發(fā)生(shg)檢測器來檢測所述第二信號束。

在任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述方法可以進(jìn)一步包括：從所述第一信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的彈性力學(xué)特性，從所述第一信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的粘彈特性，并且從所述第二信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的形態(tài)結(jié)構(gòu)的指示。

在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，將所述第一樣本束和所述第二樣本束以所述共焦方式傳播到所述樣本可以包括沿著共同的光路傳播所述第一樣本束和所述第二樣本束。

在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，可以使用窄帶連續(xù)波激光器生成所述第一樣本束，可以使用飛秒光纖激光器生成所述第二樣本束，所述布里淵散射檢測器可以包括光譜儀，并且所述shg檢測器可以包括對所述第二信號束敏感的光電陰極。

在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述第一信號束可以包括來自所述焦點(diǎn)位置的瑞利散射光子和布里淵散射光子，而所述第二信號束可以包括處于所述第二樣本束的波長的半波長的光子。在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述生物組織樣本可以是包括人眼的一部分的體內(nèi)生物組織。

在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，將所述第一樣本束和所述第二樣本束以共焦方式傳播到所述樣本可以包括沿著與所述第一樣本束和所述第二樣本束平行的第一軸線改變所述焦點(diǎn)位置在所述生物組織樣本內(nèi)的軸向位置。在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，將所述第一樣本束和所述第二樣本束以所述共焦方式傳播到所述樣本可以包括沿著與所述第一軸線垂直的第二軸線和第三軸線中的至少一者改變所述焦點(diǎn)位置在所述生物組織樣本內(nèi)的橫向位置。在所述方法的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，將所述第一樣本束和所述第二樣本束以所述共焦方式傳播到所述樣本可以包括掃描所述生物組織樣本以使用所述第二信號束生成圖像數(shù)據(jù)。在所述方法中，所述第一樣本束和所述第二樣本束可以被引導(dǎo)到所述生物組織樣本處的多個(gè)不同的共同位置。在所述方法中，所述掃描可以包括改變所述焦點(diǎn)位置的軸向位置和所述焦點(diǎn)位置的橫向位置中的至少一者。

在另一個(gè)披露的方面，一種用于進(jìn)行眼病的生物力學(xué)診斷的光學(xué)儀器包括：第一光源，所述第一光源用于生成第一樣本束；以及第二光源，所述第二光源用于生成第二樣本束。所述光學(xué)儀器進(jìn)一步包括第一部分反射鏡，所述第一部分反射鏡用于使所述第一樣本束和所述第二樣本束重疊以生成組合樣本束。所述光學(xué)儀器還包括布里淵散射檢測器，所述布里淵散射檢測器包括光譜儀，所述光譜儀用于接收第一信號束，所述第一信號束包括所述第一樣本束從生物組織樣本處的焦點(diǎn)位置反向散射的第一光子。所述光學(xué)儀器更進(jìn)一步包括二次諧波發(fā)生(shg)檢測器，所述檢測器包括對第二信號束敏感的光電陰極，所述第二信號束包括所述第二樣本束從所述焦點(diǎn)位置反向散射的第二光子。

在任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述光學(xué)儀器可以進(jìn)一步包括第二部分反射鏡，所述第二部分反射鏡用于將所述組合樣本束以共焦方式傳播到所述焦點(diǎn)位置并且將包括所述第一信號束和所述第二信號束的組合信號束從所述焦點(diǎn)位置以共焦方式傳播。

在任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述光學(xué)儀器可以進(jìn)一步包括聚焦元件，所述聚焦元件用于沿著與所述組合樣本束平行的第一軸線以共焦方式改變所述焦點(diǎn)位置在所述生物組織樣本處的軸向位置。在任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述光學(xué)儀器可以進(jìn)一步包括掃描元件，所述掃描元件用于沿著與所述第一軸線垂直的第二軸線和第三軸線中的至少一者以共焦方式改變所述焦點(diǎn)位置在所述生物組織樣本處的橫向位置。在所述光學(xué)儀器中，所述聚焦元件和所述掃描元件中的至少一者可以用于掃描所述生物組織樣本以使用所述第二信號束生成圖像數(shù)據(jù)。在所述光學(xué)儀器中，所述第一樣本束和所述第二樣本束兩者可以被引導(dǎo)到所述生物組織樣本處的多個(gè)不同的共同位置。在所述光學(xué)儀器中，所述所述聚焦元件和掃描元件中的至少一者可以用于改變所述焦點(diǎn)位置的軸向位置和所述焦點(diǎn)位置的橫向位置中的至少一者。

在所述光學(xué)儀器的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述第一光源可以包括窄帶連續(xù)波激光器，所述第二光源可以包括飛秒光纖激光器，所述布里淵散射檢測器可以包括光譜儀，并且所述shg檢測器可以包括對所述第二信號束敏感的光電陰極。

在所述光學(xué)儀器的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述第一信號束可以包括來自所述焦點(diǎn)位置的瑞利散射光子和布里淵散射光子，而所述第二信號束可以包括處于所述第二樣本束的波長的半波長的光子。在所述光學(xué)儀器中，所述生物組織樣本可以是包括人眼的一部分的體內(nèi)生物組織。

在所述光學(xué)儀器的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述布里淵散射檢測器可以從所述第一信號束確定所述生物組織在所述焦點(diǎn)位置處的彈性力學(xué)特性，并且從所述第一信號束確定所述生物組織在所述焦點(diǎn)位置處的粘彈特性。在所述光學(xué)儀器的任何一個(gè)披露的實(shí)施例中，所述shg檢測器可以用于從所述第二信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的形態(tài)結(jié)構(gòu)的指示。

附圖說明

為了更加完整地理解本發(fā)明及其特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下說明，在附圖中：

圖1是用于眼病的生物力學(xué)診斷的光學(xué)儀器的實(shí)施例的選定元件的框圖；

圖2是用于眼病的生物力學(xué)診斷的方法的選定要素的流程圖；

圖3是用于眼病的生物力學(xué)診斷的方法的選定要素的流程圖；并且

圖4是用于眼病的生物力學(xué)診斷的信號處理系統(tǒng)的實(shí)施例的選定元件的框圖。

具體實(shí)施方式

在以下說明中，通過舉例的方式對細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述以便于討論所披露主題。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明顯的是，所披露的實(shí)施例是示例性的并且不是所有可能的實(shí)施例的窮舉。

如在此所使用的，連字符形式的參考數(shù)字是指元件的具體實(shí)例，而無連字符形式的參考數(shù)字是指集體元件。因此，例如，裝置‘12-1’是指裝置類別的實(shí)例，所述裝置類別可以集體性地被稱為裝置‘12’，并且所述裝置類別中的任一者可以概括地稱為裝置‘12’。

針對引起影響人角膜的生物力學(xué)穩(wěn)定性的角膜變性的眼病(如圓錐角膜)的早期檢測，可能希望使用適合于可靠診斷各種眼病開始發(fā)病的光學(xué)檢查方法對角膜進(jìn)行物理分析。所希望的光學(xué)檢查方法能夠?qū)崿F(xiàn)在角膜出現(xiàn)臨床上表現(xiàn)出的肉眼可見結(jié)構(gòu)變化之前檢測角膜變性。

通常，用于眼組織的光學(xué)檢查的不同方法，如布里淵散射和多光子成像，是以相對于眼組織中的結(jié)構(gòu)在空間上不相關(guān)的方式單獨(dú)進(jìn)行的。所述單獨(dú)的光學(xué)檢查方法可能是在許多診斷應(yīng)用和臨床應(yīng)用中更好地理解和表征眼組織的物理特性的約束因素。

因此，不同的且在空間上不相關(guān)的光學(xué)檢查方法可以限制許多診斷和臨床應(yīng)用中眼組織中結(jié)構(gòu)的分析和表征。在下面的描述中，披露了一種用于生物力學(xué)眼病的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)可以獲得布里淵散射信號和來自眼組織(包括人角膜)的shg信號在空間上精確的關(guān)聯(lián)。

角膜或角膜的單獨(dú)結(jié)構(gòu)部分可以表征為線性彈性的、均勻的或各向同性的材料。角膜的生物結(jié)構(gòu)包括角膜上皮、前彈力層(又稱為前界膜)、角膜基質(zhì)(又稱為固有質(zhì))、杜亞層(dua’slayer)、后彈力層(又稱為后限膜)以及角膜內(nèi)皮。對于角膜眼病的病因和發(fā)病機(jī)理，角膜的生物力學(xué)性質(zhì)的變化可能被認(rèn)為與檢測眼病高度相關(guān)。

材料(如人角膜)的生物力學(xué)特性可以由彈性力學(xué)特性或粘彈特性或其組合來表示，并且可能與材料的剛度有關(guān)?？梢允褂貌煌哪Ａ縼肀碚魃锪W(xué)特性。

應(yīng)力可以被定義為由變形引起的材料恢復(fù)力除以恢復(fù)力施加面積。應(yīng)變可以被定義為由應(yīng)力引起的材料的機(jī)械尺寸變化與材料的原始狀態(tài)的比率。

縱向模量m(又稱為p波模量或約束模量)用于描述各向同性均質(zhì)材料?？v向模量m被定義為在所有其他非軸向應(yīng)變?yōu)榱愕膯屋S應(yīng)變狀態(tài)(又稱為零橫向應(yīng)變的狀態(tài))下軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的比率。

楊氏模量e(又簡稱為彈性模量)用于描述拉伸彈性。材料的拉伸彈性是在沿軸線施加相反力時(shí)的軸向變形響應(yīng)。楊氏模量e被定義為拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變的比率。

lamé第一參數(shù)λlamé(希臘語：lambda-lamé)也用于描述拉伸彈性。

剪切模量g(又稱為剛性模量μ、希臘語mu或lamé第二參數(shù))用于描述施加相反力時(shí)恒定體積的材料的剪切變形響應(yīng)。剪切模量g被定義為剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比，并且可以用于推導(dǎo)出材料的粘度。

體積彈性模量k用于描述材料對如氣體壓力的各向同性力的體積彈性或各向同性變形響應(yīng)。體積彈性模量k被定義為相對于體積應(yīng)力與體積應(yīng)變之比或者定義為可壓縮性κ(希臘語：kappa)的倒數(shù)。體積彈性模量k是楊氏模量e至三維的擴(kuò)展。

泊松比ν(希臘語：nu，又稱為泊松數(shù))用于描述當(dāng)沿著第一軸線被壓縮時(shí)在與第一軸線垂直的第二軸線和第三軸線上膨脹的材料的變形響應(yīng)。泊松比ν被定義為橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的負(fù)比率或定義為膨脹分?jǐn)?shù)除以壓縮分?jǐn)?shù)。

對于均質(zhì)各向同性線性彈性材料，使用某些方程來描述上述各種模量之間的關(guān)系。例如，體積彈性模量k、楊氏模量e和剪切模量g與泊松比ν相關(guān)，如方程1中給出的。

而且，體積彈性模量k、剪切模量g和縱向模量m是相關(guān)的，如方程2中給出的。

如前所述，可以采用布里淵散射來測量眼組織的生物力學(xué)特性。在布里淵散射中，聲波(又稱為聲子)可以指示材料內(nèi)的位置依賴性質(zhì)量密度變化。由于質(zhì)量密度變化導(dǎo)致的局部壓縮，材料的光密度(又稱為折射率)可能會(huì)發(fā)生局部變化。光密度n的局部變化可能導(dǎo)致空間性周期性光密度變化，其表現(xiàn)為入射到材料上的相干光的衍射元件。當(dāng)相干光通過從材料偏轉(zhuǎn)或反射而與這樣的衍射元件相互作用時(shí)，發(fā)生布里淵散射。由于聲子以給定速度在材料內(nèi)行進(jìn)，所以從聲子偏轉(zhuǎn)或反射的光發(fā)生頻率(或波長)多普勒頻移。換言之，由于非彈性散射過程，布里淵散射光子將具有與入射光子不同的能量。光子能量的變化可以表示為方程3中給出的頻率f(或波長λ)的變化。

在方程3中，c是真空中的光速，n是未受干擾的材料的光密度。布里淵散射引起相對于入射光子的頻率f(或波長λ)可以是正的或負(fù)的頻移fb(或波長位移λb)。因此，非彈性布里淵散射光子將具有由f±fb給出的可能頻率(或由λ±λb給出的可能波長)。布里淵散射光的光譜將包括彈性偏轉(zhuǎn)或反射光，在頻率f(或波長λ)處形成瑞利峰(rayleighpeak)以及非彈性布里淵散射光，形成至少一個(gè)附加側(cè)峰(又被稱為邊頻帶)。當(dāng)所述側(cè)峰是由具有比入射光子更高能量的散射光子引起時(shí)，可以在f+fb(或λ-λb)處觀察到斯托克斯峰。當(dāng)所述側(cè)峰是由具有比入射光子更低能量的散射光子引起時(shí)，可以在f-fb(或λ+λb)處觀察到反斯托克斯峰。

通常，布里淵散射光子將會(huì)改變傳播方向，使得布里淵散射光的頻移fb取決于入射光子與布里淵散射光子之間的散射角θ，如方程4中給出的。

在方程4中，n是未受干擾材料的光密度，v是聲子在材料中的速度，λ是真空中入射光子的波長，而θ是散射角。根據(jù)定義，當(dāng)θ為零時(shí)，入射光子的傳播方向與布里淵散射光子的傳播方向呈反向平行，使得入射光子垂直于所述材料的表面。在方程4中，正(+)結(jié)果對應(yīng)于反斯托克斯布里淵峰，而負(fù)結(jié)果(-)對應(yīng)于斯托克斯布里淵峰。針對波長|λb|＜＜λ，方程5描述了fb與λb之間的關(guān)系。

因?yàn)轭l移fb取決于散射角θ，所以每個(gè)散射角θ與特定頻移fb相關(guān)聯(lián)。通過在方程3中設(shè)置θ＝0°獲得頻移的最大值或最小值，得到方程6，其對應(yīng)于布里淵散射材料上的法向入射光束。

在θ＝0°的特殊情況下，頻移fb可以被稱為縱向布里淵偏移。

通過對布里淵散射光束進(jìn)行光譜分析，可以確定散射材料的某些生物力學(xué)特性。例如，復(fù)值縱向模量m取決于方程7給出的聲子的速度v。

在方程7中，ρ是聲子在其中傳播的材料的質(zhì)量密度，δfb是布里淵散射邊頻帶的線寬。

線寬δfb對應(yīng)于聲子的壽命的倒數(shù)，并表征在傳播通過材料的過程中聲子(聲波)的衰減。在一個(gè)實(shí)施例中，線寬δfb可以被測量為斯托克斯或反斯托克斯布里淵峰的半峰全寬(fwhm)。在其他實(shí)施例中，可以使用表征頻率間隔δfb的頻譜寬度的另一合適定義。例如，可以假定所有頻譜分量的振幅等于或大于具有最大振幅的頻譜分量的指定分?jǐn)?shù)。

當(dāng)布里淵散射光子在與入射光子反向平行的方向上出射時(shí)，如當(dāng)θ＝0°時(shí)，剪切模量g將為零，并且縱向模量m將等于體積彈性模量，入從方程2可以明顯看出。在這種情況下，復(fù)值縱向模量m的值m1和m2將分別由方程8和9給出。

在方程8中，m1描述了材料的彈性力學(xué)特性，而在方程9中，m2描述了材料的粘彈特性。因此，通過測量響應(yīng)于入射束(又稱為布里淵樣本束)而從材料(又稱為布里淵信號束)反向散射的布里淵散射光束的邊頻帶之一(斯托克斯或反斯托克斯)的頻移fb，可以確定材料的彈性力學(xué)特性。另外，通過還測量所述邊頻帶的線寬δfb，可以確定材料的粘彈特性。

除了布里淵散射之外，來自人角膜的shg信號與角膜中的原纖維的位置和分布相關(guān)聯(lián)。shg是指材料響應(yīng)于全波長激發(fā)而在半波長處的光子的二階非線性發(fā)射，如方程10所給出的。

在方程10中，λshg是shg信號束中的shg信號的波長，并且λ1是激發(fā)束的波長(又稱為shg樣本束)。

來自人角膜的shg信號的激發(fā)可以使用聚焦在所希望采樣位置處的飛秒光纖激光器來進(jìn)行，用于可用于生成角膜生物結(jié)構(gòu)圖像的shg信號的精確空間采集。在一些實(shí)施例中，當(dāng)從人角膜采集shg信號時(shí)，激發(fā)區(qū)域可以在幾微米量級上。角膜中的原纖維由膠原蛋白組成，已知其是非常有效的非線性shg信號源。另外，激發(fā)束與角膜膠原原纖維的非線性相互作用取決于膠原原纖維的位置、取向、密度和對齊，這可能引起shg信號提供對各種角膜組織的生物結(jié)構(gòu)狀況的深入了解。

對于體內(nèi)成像，可以從人角膜獲得反向shg信號(b-shg)。b-shg信號束可以在與入射的shg樣本束大致反向平行的方向上發(fā)射，并且可以由任何合適的光學(xué)檢測系統(tǒng)檢測到。在一些實(shí)施例中，可以使用光電倍增管(pmt)作為用于使用b-shg信號的高靈敏度成像應(yīng)用的shg檢測器。在一些實(shí)施例中，類似于pmt但是使用多個(gè)單獨(dú)的通道提供進(jìn)一步的空間分辨率的多通道板極檢測器可以用作shg檢測器。shg檢測器可以配備有濾光器，以將λshg波長與從采樣材料返回的測量束進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)使用pmt或類似的光電檢測器時(shí)，可以選擇光電陰極材料對λshg波長具有所希望的靈敏度。另外，在一些實(shí)例中，可以采用shg樣本束的偏振而用于對采樣材料的特定發(fā)射模式的附加選擇性。當(dāng)所述采樣材料是人角膜組織時(shí)，對偏振敏感的發(fā)射模式可能與膠原原纖維的形態(tài)特征有關(guān)。當(dāng)shg樣本束被偏振時(shí)，shg檢測器還可以包括偏振濾光器，以辨別shg信號束的各種偏振取向。

現(xiàn)在參考附圖，圖1是示出了用于眼病的生物力學(xué)診斷的光學(xué)儀器100的框圖。光學(xué)儀器100不是按比例繪制的，而是示意性表示。如所示，光學(xué)儀器100用于分析可以表示人眼的樣本112，特別是用于分析人眼的角膜114。并且，在光學(xué)儀器100中，坐標(biāo)系120以x和y限定了相對于樣本112的z方向和橫向方向，使得shg樣本束130和布里淵樣本束131沿軸向方向z朝向樣本112傳播。光學(xué)儀器100因此能夠使用空間相關(guān)聯(lián)的測量過程而從樣本112同時(shí)捕獲布里淵信號和shg信號。以這種方式，光學(xué)儀器100可以在許多診斷和臨床應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對樣本112中的眼組織的某些物理特性的改進(jìn)分析和測量。

如所示，光學(xué)儀器100包括生成shg樣本束130的shg源102。當(dāng)shg源102是飛秒光纖激光器時(shí)，在具體實(shí)施例中，λ1波長可以為1030納米(nm)，并且λshg波長可以相應(yīng)地為515nm。光學(xué)儀器100進(jìn)一步包括生成布里淵樣本束132的布里淵源104。布里淵源104可以是適用于眼組織中的布里淵散射的任何窄帶光源。在一些實(shí)施例中，布里淵源104是具有的波長為532nm且線寬為約1mhz的單模連續(xù)波激光器。shg源102和布里淵源104可以被定位成在焦點(diǎn)位置116處相對于樣本112共焦，其可以使用聚焦透鏡124進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在圖1中，shg樣本束130和布里淵樣本束132在部分反射鏡110-1處組合成單條光路?？梢允褂脪呙鑳x118在x-y平面中對shg樣本束130和布里淵樣本束132的組合束進(jìn)行空間調(diào)制，以便掃描樣本112中的各個(gè)位置。掃描儀118可以因此調(diào)制x-y平面中的焦點(diǎn)位置116以對樣本112中的各個(gè)位置進(jìn)行采樣，如角膜114中不同的感興趣區(qū)域。shg樣本束130和布里淵樣本束132的組合束可以經(jīng)由聚焦透鏡124從掃描儀118傳播到部分反射鏡110-2處的樣本112。聚焦透鏡124可以在z軸上使用任何合適的機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)，以沿著z軸改變焦點(diǎn)位置116。因此，在圖1所示的實(shí)施例中，shg樣本束130和布里淵樣本束132沿著共同的光路從部分反射鏡110-1傳播至樣本112，所述部分反射鏡用作shg樣本束130和布里淵樣本束132的公共光起點(diǎn)。

從部分反射鏡110-2朝向樣本112，shg樣本束130和布里淵樣本束132的組合束可以在與樣本112的表面垂直或基本上垂直的方向上傳播到樣本112。在組合束具有一定的束寬度的程度上，聚焦透鏡124可以將shg樣本束130和布里淵樣本束132集束到焦點(diǎn)位置116處的所希望的樣本區(qū)域。然后，shg信號束131和布里淵信號束133的組合束可以從樣本112朝向部分反射鏡110-2散射回來。注意，光學(xué)儀器100中描繪的采樣幾何圖形是示例性的，并且可以在不同的實(shí)施例中進(jìn)行修改。

從部分反射鏡110-2朝向部分反射鏡110-3，shg信號束131和布里淵信號束133的組合束可以傳播穿過孔122。孔122可以相對于shg信號束131和布里淵信號束133而共焦地排列。孔122可以用于將shg信號束131和布里淵信號束133中的光子限制在特定的掃描角度，例如，取決于掃描儀118。因此，孔122可以根據(jù)掃描儀118使用的掃描角度而進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)。在其他實(shí)施例中，例如當(dāng)孔122被固定時(shí)，聚焦透鏡124可以用于使shg樣本束130和布里淵樣本束132居中或?qū)?zhǔn)，使得shg信號束131和布里淵信號束133與孔122對準(zhǔn)。

在部分反射鏡110-3處，shg信號束131可以經(jīng)由檢測透鏡126被引導(dǎo)到shg檢測器106，而布里淵信號束133可以經(jīng)由檢測透鏡128被引導(dǎo)到布里淵檢測器108。兩個(gè)檢測透鏡126和128可以相對于shg信號束131和布里淵信號束133共焦地排列。如上所述，shg檢測器106可以是用于shg信號束131的任何合適的檢測器，如pmt或多通道板極檢測器。

布里淵檢測器108可以包括適用于區(qū)分瑞利散射與布里淵散射的高分辨率光譜儀。由于瑞利散射束可能具有比布里淵散射束顯著更大的振幅、并且兩條散射束可以在光譜上相對靠近，布里淵檢測器108可以具有高光譜分辨率和高光譜對比度。在具體實(shí)施例中，布里淵檢測器108可以包括作為光學(xué)傳感器的電荷耦合器件(ccd)陣列。

在光學(xué)儀器100的操作中，shg樣本束130和布里淵樣本束132的組合束可以被共焦地傳播到焦點(diǎn)位置116，所述焦點(diǎn)位置可以使用掃描儀118在x-y平面中進(jìn)行調(diào)制?？梢允褂镁劢雇哥R124在z軸上調(diào)制焦點(diǎn)位置116。以這種方式，可以使用光學(xué)儀器100掃描和分析樣本112中的各個(gè)點(diǎn)、線、區(qū)域和體積。

在焦點(diǎn)位置116處，可以通過布里淵檢測器108測量布里淵信號束133。具體地，布里淵檢測器108可以測量布里淵信號束133中的一個(gè)(或兩個(gè))邊頻帶(斯托克斯或反斯托克斯)的頻移fb。布里淵檢測器108還可以測量一個(gè)或兩個(gè)邊頻帶的線寬δfb。利用測得的頻移fb和測得的線寬δfb，可以如上文關(guān)于方程8和9所解釋的那樣確定焦點(diǎn)位置116處的彈性力學(xué)特性和粘彈特性。

同時(shí)并且從同一焦點(diǎn)位置116，可以由shg檢測器106測量shg信號束131。具體地，shg檢測器106可以記錄shg信號束131中的λshg波長的信號振幅。具體地，shg檢測器106可能對λshg波長處的小振幅敏感。由于λshg波長的信號振幅表明焦點(diǎn)位置116處的膠原原纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，所以shg檢測器106記錄的信號振幅可以用于生成樣本112中的眼組織的某些圖像。以這種方式由shg檢測器106生成的圖像信息可以精確地與焦點(diǎn)位置116處的彈性力學(xué)特性和粘彈特性在空間上相關(guān)聯(lián)。由光學(xué)儀器100生成的結(jié)果數(shù)據(jù)可以提供對焦點(diǎn)位置116處的樣本112的狀況更徹底的理解和分析，并且能夠?qū)Ω鞣N眼病進(jìn)行早期生物力學(xué)診斷。

注意，在光學(xué)儀器100的各種實(shí)施例或安排中，可以使用光的不同的實(shí)現(xiàn)方式、布局和轉(zhuǎn)向。例如，光學(xué)儀器100中使用的光路的某些部分可以包括光纖。在一些實(shí)施例中，在光學(xué)儀器100中使用的光路的某些部分可以包括光波導(dǎo)。在光學(xué)儀器100中使用的光路的某些部分可以表示介質(zhì)(如真空、自由空間、氣體環(huán)境或大氣)內(nèi)的光路。在給定的實(shí)施例中，偏振元件可以與shg樣本束130和布里淵樣本束132中的至少一者一起使用，并且當(dāng)檢測到shg信號束131和布里淵信號束133中的至少一者時(shí)，可以使用偏振濾光器。在另一種安排中，可以省略掃描儀118，并且可以使用另一個(gè)掃描元件(如物鏡)。在具體實(shí)施例中，光學(xué)儀器100包括的光學(xué)部件的至少一部分可以被小型化并且組合成具有相對小的質(zhì)量和外部尺寸的緊湊單元，使得整個(gè)緊湊單元由外部掃描元件保持并相對于樣本112移動(dòng)。并且，在光學(xué)儀器100的某些實(shí)施例中可以使用坐標(biāo)系120的不同取向。

在各種實(shí)施例中，光學(xué)儀器100可以用于表征或分析角膜內(nèi)層生物結(jié)構(gòu)，如人角膜基質(zhì)中的原纖維或微原纖維。

注意，光學(xué)儀器100不是按比例繪制的，而是示意性表示?？梢詫鈱W(xué)儀器100進(jìn)行改良、添加或省略，而不脫離本披露的范圍。如本文所述，光學(xué)儀器100的部件和元件可根據(jù)具體應(yīng)用集成或分離。而且，光學(xué)儀器100的操作可以由更多、更少或其他部件來執(zhí)行。

現(xiàn)在參考圖2，以流程圖形式描繪了如本文所述的用于執(zhí)行眼病的生物力學(xué)診斷的方法200的實(shí)施例的選定要素的框圖。方法200可以由光學(xué)儀器100(見圖1)來實(shí)現(xiàn)。注意，方法200中描述的某些操作可以是可選的，或者可以在不同的實(shí)施例中重新安排。

方法200在步驟202以生成共享光起點(diǎn)的第一樣本束和第二樣本束而開始。在步驟204，將所述第一樣本束和所述第二樣本束以與生物組織樣本處的焦點(diǎn)位置共焦的方式傳播至所述生物組織樣本。在步驟206，使用布里淵散射檢測器檢測包括所述第一樣本束從所述焦點(diǎn)位置反向散射的第一光子的第一信號束。在步驟208，使用二次諧波發(fā)生(shg)檢測器檢測包括所述第二樣本束從所述焦點(diǎn)位置反向散射的第二光子的第二信號束。在步驟210，從所述第一信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的彈性力學(xué)特性和粘彈特性。在步驟212，從所述第二信號束確定所述生物組織樣本在所述焦點(diǎn)位置處的形態(tài)結(jié)構(gòu)的指示。

現(xiàn)在參考圖3，以流程圖形式描繪了如本文所述的用于執(zhí)行眼病的生物力學(xué)診斷的方法300的實(shí)施例的選定要素的框圖。方法300可以由光學(xué)儀器100(見圖1)來實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)施例中，方法300可以包括關(guān)于方法200中的步驟204的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。注意，方法300中描述的某些操作可以是可選的，或者可以在不同的實(shí)施例中重新安排。

方法300在步驟302以沿著與所述第一樣本束和所述第二樣本束平行的第一軸線改變所述焦點(diǎn)位置在所述生物組織樣本內(nèi)的軸向位置而開始。在步驟304，沿著與所述第一軸線垂直的第二軸線和第三軸線中的至少一個(gè)改變所述生物組織樣本內(nèi)的所述焦點(diǎn)位置的橫向位置。在步驟306，掃描所述生物組織樣本以使用所述第二信號束生成圖像數(shù)據(jù)，從而使得所述第一樣本束和所述第二樣本束兩者被引導(dǎo)到所述生物組織樣本處的多個(gè)不同的共同位置，并且包括改變所述焦點(diǎn)位置的軸向位置和所述焦點(diǎn)位置的橫向位置中的至少一者。

如本文所披露的，一種用于進(jìn)行眼病的生物力學(xué)診斷的方法和系統(tǒng)可以包括用于生成布里淵樣本束的布里淵光源以及用于生成shg樣本束的二次諧波發(fā)生(shg)光源。所述布里淵樣本束和所述shg樣本束兩者可以以與焦點(diǎn)位置共焦的方式重合地引導(dǎo)到生物組織樣本。可以檢測所述布里淵樣本束產(chǎn)生的布里淵散射以確定所述樣本的彈性力學(xué)特性和粘彈特性。可以檢測所述shg束產(chǎn)生的shg散射以確定關(guān)于所述樣本的形態(tài)結(jié)構(gòu)的指示。所述樣本可以是體內(nèi)人角膜。

圖2的方法200和圖3的方法300可以使用計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，所述計(jì)算機(jī)被編程為生成或控制所述樣本束的位置、強(qiáng)度或其他特性并處理檢測到的信號束。在一些實(shí)施例中，這樣的編程計(jì)算機(jī)可以是圖1所示的光學(xué)儀器100的一部分。在一些實(shí)施例中，所述編程計(jì)算機(jī)可以以有線或無線方式連接至光學(xué)儀器100，以執(zhí)行方法200或300的至少某些部分。所述編程計(jì)算機(jī)可以包括專用部件，如與shg源102、布里淵源104、聚焦透鏡124、部分反射鏡110、掃描儀118、shg檢測器106、布里淵檢測器108和孔122成一體的部件。例如，所述編程計(jì)算機(jī)可以包括或可以響應(yīng)于檢測到的信號束而控制改變一個(gè)或多個(gè)上述部件的狀態(tài)的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)。例如，當(dāng)信號束未聚焦時(shí)，所述編程計(jì)算機(jī)可以使用一個(gè)或多個(gè)開關(guān)或以其他方式引起聚焦透鏡124、部分反射鏡110或孔122的位置或大小改變。在不排除第一實(shí)例的另一實(shí)例中，當(dāng)信號束不具有正確的強(qiáng)度時(shí)，所述編程計(jì)算機(jī)可以使用一個(gè)或多個(gè)開關(guān)或以其他方式引起shg源102或布里淵源104改變。

處理檢測到的信號束可以包括涉及生成或控制樣本束的位置、強(qiáng)度或其他特性的方面以及涉及生成關(guān)于生物組織樣本的生物力學(xué)特性的信息的方面。例如，當(dāng)信號束的一個(gè)或多個(gè)方面并非明智時(shí)，一些處理可以生成警告。一些處理可以生成反映生物力學(xué)特性的視覺顯示。可以實(shí)時(shí)、或者在一些延遲之后、特別是當(dāng)包括生物組織樣本的不同位置的生物力學(xué)特性時(shí)生成這樣的顯示。

所述編程計(jì)算機(jī)可以包括可以彼此通信或不通信的多于一個(gè)計(jì)算機(jī)。例如，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以接收關(guān)于檢測到的信號束的數(shù)據(jù)并使用所述數(shù)據(jù)來生成或控制樣本束的位置、強(qiáng)度或其他特性，而單獨(dú)的計(jì)算機(jī)可以接收關(guān)于檢測到的信號束的數(shù)據(jù)并使用所述信息來生成關(guān)于所述生物組織樣本的生物力學(xué)特性的信息。

現(xiàn)在參考圖4，呈現(xiàn)了展示信號處理系統(tǒng)400的實(shí)施例的選定元件的框圖。在圖4所描繪的實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)400包括聯(lián)接至布里淵檢測器108和shg檢測器106的計(jì)算設(shè)備402，而計(jì)算設(shè)備402包括經(jīng)由共享總線406聯(lián)接至被統(tǒng)稱為存儲(chǔ)器410的存儲(chǔ)介質(zhì)的處理器404。如所示，信號處理系統(tǒng)400可以包括圖1中用于眼病的生物力學(xué)診斷的光學(xué)儀器100，如本文公開的。

在各種實(shí)施例中，計(jì)算設(shè)備402可以包括用于與網(wǎng)絡(luò)接口連接的網(wǎng)絡(luò)適配器。計(jì)算設(shè)備402可以包括連接至各種輸入和輸出設(shè)備的外圍適配器。例如，計(jì)算設(shè)備402可以經(jīng)由輸入設(shè)備與布里淵檢測器108和shg檢測器106通信，以接收用于眼病的生物力學(xué)診斷的輸出信號，如本文所述。計(jì)算設(shè)備402還可以經(jīng)由輸出設(shè)備與布里淵檢測器108、shg檢測器106或其他組件通信，以控制光學(xué)儀器100的各個(gè)方面。

存儲(chǔ)器410可以表示各種持久性存儲(chǔ)介質(zhì)、易失性存儲(chǔ)介質(zhì)、固定存儲(chǔ)介質(zhì)以及可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)中的任何一種。存儲(chǔ)器410可以用于存儲(chǔ)指令、數(shù)據(jù)或兩者。如所示，存儲(chǔ)器410存儲(chǔ)可由處理器404(即操作系統(tǒng)(os)412)執(zhí)行的指令或代碼以及眼病診斷應(yīng)用414。操作系統(tǒng)412可以是unix或類unix操作系統(tǒng)、系操作系統(tǒng)以及嵌入式操作系統(tǒng)、或另一種適合的操作系統(tǒng)。如上所述，眼病診斷應(yīng)用414可以表示可由處理器404執(zhí)行的指令或代碼，以實(shí)現(xiàn)方法200和300的至少某些部分以及相關(guān)聯(lián)的功能。

以上披露的主題應(yīng)認(rèn)為是說明性而非限制性的，并且所附權(quán)利要求書旨在覆蓋所有這種修改、增強(qiáng)、以及屬于本披露的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的其他實(shí)施例。因此，為了被法律最大程度地允許，本披露的范圍將由所附權(quán)利要求書及其等效物的最廣泛允許的解讀來確定并且不應(yīng)受限于或局限于上述詳細(xì)說明。