СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СООСНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ С МНОЖЕСТВОМ ДЛИН ВОЛН
METHODS AND DEVICE FOR COAXIAL IMAGE FORMING WITH MULTIPLE WAVELENGTHS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Данная заявка в общем относится к системам и способам для гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Гиперспектральная/мультиспектральная спектроскопия это метод формирования изображения, который объединяет множественные изображения объекта, разрешаемые в разных узких спектральных полосах (например, узких диапазонах длин волн) в единичный куб данных, именуемый гиперспектральным/мультиспектральным кубом данных. Данные, обеспечиваемые гиперспектральной/мультиспектральной спектроскопией, позволяют идентифицировать отдельные компоненты сложного состава путем распознавания гиперспектральных/мультиспектральных сигнатур для отдельных компонентов в гиперспектральном/мультиспектральном кубе данных.
.
,
.,
[0003] Гиперспектральная/мультиспектральная спектроскопия имеет широкую область применения, начиная с геологической и сельскохозяйственной разведки и заканчивая войсковым наблюдением и промышленным оцениванием. Например, спутниковое гиперспектральное/мультиспектральное формирование изображения используется при разведке на минералы, мониторинге окружающей среды и войсковом наблюдении (см, Bowles J.H. et al., Imaging Spectrometry III; 1997: Proc SPIE 1997. p. 38-45; Riaza A. etal. Inteml J Applied Earth Observation and Geoinformation Special issue: Applications of imaging spectroscopy 2001;3-4:345-354; Thenkabail P.S. et al Remote Sens Environ 2000;71 (REMOTE SENS ENVIRON):158-182.; и Tran C.D., Fresenius J Anal Chem 2001;369(3-4):313-9, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.)
.
.
.
[0004] Гиперспектральная/мультиспектральная спектроскопия используется в медицине для помощи при сложном диагнозе и прогнозирования результатов лечения. Например, медицинское гиперспектральное/мультиспектральное формирование изображения используется для точного прогнозирования жизнеспособности и выживания ткани, лишенной нормального кровоснабжения, и для отличения больной (например, опухоли) и ишемической ткани от нормальной ткани (см. Colarusso P. et al, Appl Spectrosc 1998; 52:106A-120A; Greenman R.I. et al, Lancet 2005;366:1711-1718; и Zuzak K.J. et al, Circulation 2001; 104(24):2905-10; содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.)
.
[0005] Несмотря на большие возможности гиперспектральной/мультиспектральной спектроскопии для медицинского формирования изображения, ряд недостатков ограничивает его исопльзование в клинических условиях (Kester R.T. et al, J. Biomed. Opt. 16, 056005 (May 10, 2011)). Например, медицинские гиперспектральные/мультиспектральные приборы дорого стоят, обычно десятки и сотни тысяч долларов, вследствие сложной оптики, необходимой для разрешения изображений на множестве узких спектральных полос.
[0006] Гиперспектральное/мультиспектральное формирование изображения также может страдать низким временным и пространственным разрешением, а также низкой оптической пропускной способностью, вследствие сложной оптики и больших вычислительных требований для сборки, обработки и анализа данные в трехмерные гиперспектральные/мультиспектральные кубы данных.
[0007] Таким образом, в данной области существует неудовлетворенная потребность в менее дорогостоящем и более быстродействующем средстве гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения и анализа данных. Настоящее раскрытие удовлетворяет эти и другие потребности за счет обеспечения способов и систем для соосного гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Определенные аспекты заявки предусматривают способы и системы для соосного гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В конкретных вариантах осуществления, способы и системы основаны на конкретной архитектурной компоновке внутреннего оборудования системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, которая служит для направления и разрешения света множественных длин волн в соосном режиме. В конкретном варианте осуществления, элемент управления пучком, имеющий множество режимов работы, направляет свет разных длин волн на разные оптические детекторы из общей исходной точки, таким образом, поддерживая соосное выравнивание между изображениями, захваченными соответствующими оптическими детекторами.
[0009] в одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. Один вариант осуществления предусматривает устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержащее корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону, и, по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем. По меньшей мере, один объектив располагается на пути оптической связи, содержащем начальный конец и завершающий конец. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса. Элемент управления пучком находится в оптической связи с, по меньшей мере, одним объективом и располагается на завершающем конце пути оптической связи. Элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы. Каждый соответствующий режим работы во множестве режимов работы предписывает элементу управления пучком находиться в оптической связи с разным оптическим детектором.
[0010] Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи. Каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество фильтров детектора внутри корпуса. Каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком.
[0011] Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит, по меньшей мере, один процессор с внутренней стороны корпуса. По меньшей мере, один процессор находится в электрической связи с элементом управления пучком и множеством оптических детекторов. С внутренней стороны корпуса имеется постоянная память, и, по меньшей мере, одна программа хранится в памяти и может выполняться, по меньшей мере, одним процессором.
[0012] По меньшей мере, одна программа содержит инструкции для (i) переключения элемента управления пучком между режимами работы во множестве режимов работы, и (ii) управления каждым оптическим детектором во множестве оптических детекторов. Предусмотрен интерфейс связи в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором. В конкретном варианте осуществления, устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник света для освещения целевого объекта или субъекта.
[0013] В другом аспекте, настоящее раскрытие предусматривает гиперспектральную/мультиспектральную камеру для медицинского формирования изображения. Один вариант осуществления предусматривает устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержащее корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону, и, по меньшей мере, один источник света, расположенный с наружной стороны корпуса. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения содержит, по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем. По меньшей мере, один объектив располагается на пути оптической связи. Путь оптической связи содержит начальный конец и завершающий конец. По меньшей мере, один источник света смещен относительно пути оптической связи и располагается так, что свет от, по меньшей мере, одного источника света (i) сначала испытывает обратное рассеяние поверхностью пациента, расположенного на начальном конце пути оптической связи, и (ii) затем проходит от начального конца пути оптической связи, через, по меньшей мере, один объектив, к завершающему концу пути оптической связи. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса. Элемент управления пучком находится в оптической связи с, по меньшей мере, одним объективом и располагается на завершающем конце пути оптической связи. Элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы. Каждый соответствующий режим работы во множестве режимов работы предписывает элементу управления пучком находиться в оптической связи с разным оптическим детектором. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи. Каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество фильтров детектора внутри корпуса. Каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком. По меньшей мере, один процессор находится с внутренней стороны корпуса. По меньшей мере, один процессор находится в электрической связи с одним или более источниками света, элементом управления пучком и множеством оптических детекторов. С внутренней стороны корпуса предусмотрена память. По меньшей мере, одна программа хранится в памяти и может выполняться, по меньшей мере, одним процессором. По меньшей мере, одна программа содержит инструкции для работы, по меньшей мере, одного источника света, переключения элемента управления пучком между режимами работы во множестве режимов работы, и управления каждым оптическим детектором во множестве оптических детекторов. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, предусмотрен интерфейс связи в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором.
[0014] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, источник света содержит первый некогерентный источник света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первый некогерентный источник света сконфигурирован для испускания излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первым некогерентным источником света является светодиод. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первым некогерентным источником света является широкополосный источник света, где широкополосный источник света испускает излучение в диапазоне длин волн, по меньшей мере, 200 нм. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, широкополосный источник света испускает излучение в диапазоне длин волн, по меньшей мере, 500 нм. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, широкополосным источником света является светодиод белого свечения.
[0015] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первую конденсорную линзу, покрывающую первый некогерентный источник света и, таким образом, фокусирующую свет, излучаемый некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первый фильтр источника света, покрывающий первый некогерентный источник света и, таким образом, фильтрующий свет, излучаемый некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первый поляризатор источника света, покрывающий первый некогерентный источник света и, таким образом, поляризующий свет, излучаемый первым некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первый гомогенизатор, покрывающий первый некогерентный источник света и, таким образом, гомогенизирующий свет, излучаемый первым некогерентным источником света.
[0016] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первый некогерентный источник света находится в первом множестве некогерентных источников света, расположенных с наружной стороны корпуса. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первый некогерентный источник света сконфигурирован для испускания излучения первой длины волны, и второй некогерентный источник света во множестве некогерентных источников света сконфигурирован для испускания излучения второй длины волны, где первая и вторая длины волны различны. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество некогерентных источников света содержит первое подмножество некогерентных источников света, способных испускать излучение первой длины волны. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первое подмножество некогерентных источников света располагается по первому шаблону с наружной стороны корпуса, например, первом шаблоне, обладающем радиальной симметрией относительно, по меньшей мере, одного объектива. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество некогерентных источников света дополнительно содержит второе подмножество некогерентных источников света, способных испускать излучение второй длины волны. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, второе подмножество некогерентных источников света располагается по второму шаблону с наружной стороны корпуса, например, втором шаблоне, обладающем радиальной симметрией относительно, по меньшей мере, одного объектива. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество некогерентных источников света содержит множество светодиодов. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество некогерентных источников света содержит множество широкополосных источников света.
[0017] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первое множество конденсорных линз, расположенных с наружной стороны корпуса, причем каждая конденсорная линза в первом множестве конденсорных линз покрывает соответствующий некогерентный источник света во множестве некогерентных источников света, таким образом, фокусируя свет, излучаемый соответствующим некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество конденсорных линз является съемным с наружной стороны корпуса.
[0018] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первое множество фильтров источника света, расположенных с наружной стороны корпуса, причем каждый соответствующий фильтр источника света в первом множестве фильтров источника света покрывает соответствующий некогерентный источник света во множестве некогерентных источников света, таким образом, фильтруя свет, излучаемый соответствующим некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество фильтров источника света является съемным с наружной стороны корпуса.
[0019] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первое множество поляризаторов источника света, причем каждый соответствующий поляризатор источника света в первом множестве поляризаторов источника света покрывает соответствующий некогерентный источник света во множестве некогерентных источников света, таким образом, поляризуя свет, излучаемый соответствующим некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество поляризаторов источника света является съемным с наружной стороны корпуса.
[0020] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит первое множество гомогенизаторов света, причем каждый соответствующий гомогенизатор света в первом множестве гомогенизаторов света покрывает соответствующий некогерентный источник света во множестве некогерентных источников света, таким образом, гомогенизируя свет, излучаемый соответствующим некогерентным источником света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество гомогенизаторов света является съемным с наружной стороны корпуса.
[0021] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один источник света содержит первый когерентный источник света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первый когерентный источник света сконфигурирован для испускания излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первым когерентным источником света является лазер (например, лазерный диод). В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, первый когерентный источник света состоит во множестве когерентных источников света, расположенных с наружной стороны корпуса. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество некогерентных источников света содержит множество лазерных диодов.
[0022] в некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один объектив содержит линзу с фиксированным фокусным расстоянием или линзу с переменным фокусным расстоянием. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один объектив представляет собой линзу с переменным фокусным расстоянием, которая фокусируется вручную. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, объектив представляет собой линзу с переменным фокусным расстоянием, которая является линзой с автофокусировкой. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, линза с переменным фокусным расстоянием представляет собой линзу трансфокации (например, линзу ручной трансфокации или линзу автоматической трансфокации).
[0023] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, элемент управления пучком содержит зеркало, установленное на исполнительном механизме. В таких вариантах осуществления исполнительный механизм имеет множество режимов работы.
[0024] в некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, зеркало представляет собой одностороннее зеркало. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, зеркало установлено на исполнительном механизме, причем исполнительный механизм имеет множество режимов работы.
[0025] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, зеркало представляет собой двухосное микроэлектромеханическое (MEMS) зеркало.
[0026] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, элемент управления пучком содержит матрицу микрозеркал. В некоторых вариантах осуществления, матрица микрозеркал содержит первое и второе множество микрозеркал. Каждое соответствующее микрозеркало в первом множестве микрозеркал находится в первой ориентации относительно пути оптической связи. Каждое соответствующее микрозеркало во втором множестве микрозеркал находится во второй ориентации относительно пути оптической связи. Первая и вторая ориентации содержат разные режимы работы. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, матрица микрозеркал содержит цифровое микрозеркальное устройство. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, матрица микрозеркал установлена на исполнительном механизме, который имеет множество режимов работы. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, матрица микрозеркал установлена на двухосном микроэлектромеханическом (MEMS) устройстве.
[0027] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, элемент управления пучком содержит двухосное устройство развертки. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, двухосное устройство развертки установлено на исполнительном механизме. В таких вариантах осуществления исполнительный механизм имеет множество режимов работы. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, двухосное устройство развертки установлено на двухосном микроэлектромеханическом (MEMS) устройстве.
[0028] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество оптических детекторов содержит, по меньшей мере, четыре оптических детектора. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов располагается с внутренней стороны корпуса и предназначен для приема отраженного света от элемента управления пучком. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов выбирается из группы, состоящей из прибора с зарядовой связью (ПЗС), комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), фотоэлемента и матрицы видеопреобразователя. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество оптических детекторов содержит множество приборов с зарядовой связью (ПЗС). В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество оптических детекторов содержит множество комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП). В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество оптических детекторов содержит множество фотоэлементов. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество оптических детекторов содержит множество матриц видеопреобразователя. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов используется для детектирования излучения разной частоты.
[0029] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один оптический детектор во множестве оптических детекторов не покрыт фильтром детектора во множестве фильтров детектора. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один оптический детектор, который не покрыт фильтром детектора, сконфигурирован для захвата цветного изображения поверхности пациента. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один оптический детектор, который не покрыт фильтром детектора, сконфигурирован для фокусировки изображения поверхности пациента, полученного, по меньшей мере, одним соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один оптический детектор покрыт фильтром детектора во множестве фильтров детектора и сконфигурирован для фокусировки изображения поверхности пациента, полученного, по меньшей мере, одним соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов.
[0030] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество фильтров детектора содержит, по меньшей мере, один полосовой фильтр, по меньшей мере, один длинноволновый фильтр, и/или, по меньшей мере, один коротковолновый фильтр. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество фильтров детектора является съемным с внутренней стороны корпуса. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один источник света является множеством источников света, расположенных с наружной стороны корпуса, причем каждый соответствующий источник света во множестве источников света, соответствующий оптическому детектору во множестве оптических детекторов, и каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора позволяет излучению, испускаемому соответствующим источником света во множестве источников света, проходить через соответствующий оптический детектор.
[0031] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит множество поляризаторов детектора с внутренней стороны корпуса, причем каждый соответствующий поляризатор во множестве поляризаторов детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, поляризуя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, множество поляризаторов детектора является съемным с внутренней стороны корпуса.
[0032] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, процессор в, по меньшей мере, одном процессоре выбирается из группы, состоящей из вентильной матрицы, программируемой пользователем (FPGA), специализированной интегральной схемы (ASIC), потокового процессора, микропроцессора и цифрового сигнального процессора.
[0033] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, память выбирается из группы, состоящей из оперативной памяти (ОЗУ), постоянной памяти (ПЗУ) и флэш-памяти.
[0034] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, одна программа, хранящаяся в памяти и исполняемая, по меньшей мере, одним процессором, содержит инструкции для включения первого источника света из, по меньшей мере, одного источника света, и переключения элемента управления пучком в режим работы во множестве режимов работы, который предписывает элементу управления пучком находиться в оптической связи с соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для последовательного включения и отключения каждого соответствующего источника света во множестве источников света. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для последовательного переключения элемента управления пучком в каждый соответствующий режим работы во множестве режимов работы, чтобы каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находился в оптической связи с элементом управления пучком, когда упомянутый соответствующий источник света включен.
[0035] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий источник света во множестве источников света включается менее чем за одну секунду. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий источник света во множестве источников света включается менее чем за половину секунды. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждый соответствующий источник света во множестве источников света включается менее чем за четверть секунды.
[0036] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один источник света представляет собой множество источников света, и элемент управления пучком содержит цифровое микрозеркальное устройство, имеющее множество микрозеркал. Каждое соответствующее микрозеркало во множестве микрозеркал имеет, по меньшей мере, первый режим работы в оптической связи с первым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов и второй режим работы в оптической связи со вторым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. По меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для включения первого и второго соответствующего источника света во множестве источников света и переключения каждого соответствующего микрозеркала во множестве микрозеркал между первым и вторым режимами работы, когда первый и второй соответствующие источники света включены. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждое соответствующее микрозеркало во множестве микрозеркал дополнительно имеет, по меньшей мере, третий режим работы, в котором соответствующие микрозеркала находятся в оптической связи с третьим соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов, и четвертый режим работы, в котором соответствующие микрозеркала находятся в оптической связи с четвертым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. По меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для отключения первого и второго соответствующих источников света, включения третьего и четвертого соответствующего источника света во множестве источников света, и переключения каждого соответствующего микрозеркала во множестве микрозеркал между третьим и четвертым режимами работы, когда третий и четвертый соответствующие источники света включены.
[0037] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, один источник света во множестве источников света содержит множество источников света, и элемент управления пучком содержит цифровое микрозеркальное устройство, содержащее множество микрозеркал. В таких вариантах осуществления, каждое соответствующее микрозеркало во множестве микрозеркал содержит первый режим работы, в котором соответствующее микрозеркало находится в оптической связи с первым оптическим детектором во множестве оптических детекторов, и второй режим работы, в котором соответствующее микрозеркало находится в оптической связи со вторым оптическим детектором во множестве оптических детекторов. По меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для включения первого и второго соответствующего источника света во множестве источников света, переключения первого подмножества микрозеркал во множестве микрозеркал в первый режим работы, когда первый и второй соответствующие источники света включены, и переключения второго подмножества микрозеркал во множестве микрозеркал во второй режим работы, когда первый и второй соответствующие источники света включены. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, каждое соответствующее микрозеркало во множестве микрозеркал дополнительно содержит третий режим работы, в котором соответствующее микрозеркало находится в оптической связи с третьим соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов, и четвертый режим работы, в котором соответствующее микрозеркало находится в оптической связи с четвертым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. По меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для отключения первого и второго источников света, включения третьего и четвертого соответствующего источника света во множестве источников света, переключения третьего подмножества микрозеркал во множестве микрозеркал в третий режим работы, когда третий и четвертый соответствующие источники света включены, и переключения четвертого подмножества микрозеркал во множестве микрозеркал в четвертый режим работы, когда третий и четвертый соответствующие источники света включены.
[0038] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, по меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для обработки цифрового изображения, полученного множеством оптических детекторов. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, инструкции для обработки цифрового изображения, полученного множеством оптических детекторов, содержит инструкции для осуществления, по меньшей мере, одного из регулировки яркости полученного цифрового изображения, регулировки контрастности полученного цифрового изображения, удаления артефакта из полученного цифрового изображения, обрезки полученного цифрового изображения, обработки одного или более подпикселей полученного цифрового изображения, уменьшения размера полученного цифрового изображения, сборки множества полученных цифровых изображений в спектральный гиперкуб, преобразования спектрального гиперкуба, собранного из множества полученных цифровых изображений, форматирования данных, содержащихся в полученном цифровом изображении; и шифрования данных, содержащихся в полученном цифровом изображении.
[0039] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, интерфейс связи содержит элемент беспроводной передачи сигнала. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, элемент беспроводной передачи сигнала выбирается из группы, состоящей из элемента передачи bluetooth, элемента передачи ZigBee, элемента передачи Wi-Fi, элемент сотовой передачи или элемента связи по стандарту IEEE 802.11b, 802.11a, 802.11g или 802.11n. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, интерфейс связи содержит шину связи. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, шиной связи является универсальная последовательная шина (USB), последовательная шина FireWire, шина Serial ATA (Serial advanced technology attachment), защищенная цифровая (SD) шина или шина Ethernet. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, шина связи сконфигурирована для сопряжения со сменными носителями данных.
[0040] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, интерфейс связи содержит док-станцию для мобильного устройства, имеющего дисплей мобильного устройства. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, мобильное устройство представляет собой смартфон, карманный персональный компьютер (КПК), карманный корпоративный компьютер, планшетный компьютер, цифровую камеру или портативный музыкальный проигрыватель.
[0041] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство дополнительно содержит дисплей корпуса, расположенный с наружной стороны корпуса. В таких вариантах осуществления, дисплей корпуса находится в электронной связи с, по меньшей мере, одним процессором. В таких вариантах осуществления, по меньшей мере, одна программа дополнительно содержит инструкции для отображения изображения, захваченного соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов на дисплее корпуса. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, дисплей корпуса является дисплеем с сенсорным экраном. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, дисплей корпуса используется для фокусировки изображения поверхности пациента, полученного, по меньшей мере, одним соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов.
[0042] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство формирования изображения имеет максимальное энергопотребление менее 15 ватт, менее 10 ватт, или менее 5 ватт. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, устройство формирования изображения получает питание от батареи.
[0043] Другой аспект настоящего раскрытия предусматривает способ получения набора соосных изображений для гиперспектрального/мультиспектрального анализа. В одном варианте осуществления, способ содержит разрешение множества изображений объекта или субъекта с использованием устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержащего корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону, и, по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем. По меньшей мере, один объектив располагается на пути оптической связи, содержащем начальный конец, расположенный на объекте или субъекте, и завершающий конец. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса. Элемент управления пучком находится в оптической связи с, по меньшей мере, одним объективом и располагается на завершающем конце пути оптической связи. Элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы. Каждый соответствующий режим работы во множестве режимов работы предписывает элементу управления пучком находиться в оптической связи с разным оптическим детектором. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи. Каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы. В корпусе предусмотрено множество фильтров детектора. Каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком. По меньшей мере, один процессор находится в электрической связи с элементом управления пучком и множеством оптических детекторов. Постоянная память находится в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором. В памяти хранится, по меньшей мере, одна программа, которая может выполняться, по меньшей мере, одним процессором. По меньшей мере, одна программа содержит инструкции для переключения элемента управления пучком между режимами работы во множестве режимов работы и управления каждым оптическим детектором во множестве оптических детекторов. В некоторых вариантах осуществления, предусмотрен интерфейс связи в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором. Каждое соответствующее изображение во множестве изображений разрешается на разной длине волны света соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. Каждый соответствующий оптический детектор переводится в состояние оптической связи с объективом путем циклирования элемента управления пучком по множеству режимов работы.
[0044] В другом аспекте, настоящее раскрытие предусматривает способ гиперспектрального/мультиспектрального медицинского формирования изображения для предоставления информации о медицинском состоянии субъекта. Один вариант осуществления предусматривает описанный здесь способ предоставления информации о медицинском состоянии субъекта с использованием устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения с множеством источников света. Способ содержит освещение ткани субъекта множеством световых излучений. Каждый соответствующий свет во множестве световых излучений характеризуется разной длиной волны. Каждый соответствующий свет во множестве световых излучений испускается из соответствующего источника света во множестве источников света и испытывает обратное рассеяние от ткани, таким образом, формируя множество обратнорассеянных световых излучений. Каждый соответствующий обратнорассеянный свет во множестве обратнорассеянных световых излучений разрешается соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов, с образованием, таким образом, множества цифровых изображений ткани субъекта. Каждое соответствующее цифровое изображение во множестве цифровых изображений соответствует разной длине волны обратнорассеянного света. Способ дополнительно содержит идентификацию спектральной сигнатуры во множестве цифровых изображений, которая соответствует медицинскому состоянию, таким образом, предоставляя информацию о медицинском состоянии субъекта.
[0045] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап предоставления информации о медицинском состоянии содержит диагностирование медицинского состояния.
[0046] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, множество световых излучений освещает ткань в последовательном режиме. В некоторых вариантах осуществления, этот последовательный режим отличается тем, что только один свет во множестве световых излучений одномоментно освещает ткань субъекта.
[0047] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап освещения ткани субъекта содержит освещение ткани первым соответствующим светом и вторым соответствующим светом во множестве световых излучений с поверхности субъекта одновременно или почти одновременно. Первый соответствующий свет характеризуется первой длиной волны, и второй соответствующий свет характеризуется второй длиной волны. Это приводит к формированию первого обратнорассеянного света, характеризующегося первой длиной волны, и второго обратнорассеянного света, характеризующегося второй длиной волны.
[0048] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап разрешения множества обратнорассеянных световых излучений содержит разрешение первого обратнорассеянного света первым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. Первый соответствующий оптический детектор покрыт первым соответствующим фильтром детектора во множестве фильтров детектора. Первый фильтр детектора сконфигурирован так, чтобы позволять свету, характеризующемуся первой длиной волны, проходить через него, и не позволять свету, характеризующемуся второй длиной волны, проходить через него. Этап разрешения множества обратнорассеянных световых излучений дополнительно содержит разрешение второго обратнорассеянного света вторым соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов. Второй оптический детектор покрыт вторым соответствующим фильтром детектора во множестве фильтров детектора. Второй оптический фильтр детектора сконфигурирован так, чтобы: позволять свету, характеризующемуся второй длиной волны, проходить через него, и не позволять свету, характеризующемуся первой длиной волны, проходить через него.
[0049] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, первый и второй фильтры детектора характеризуются соответствующими первой и второй центральными длинами волн, причем первая и вторая центральные длины волны разнесены, по меньшей мере, на 10 нм или, по меньшей мере, на 25 нм.
[0050] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, первый и второй фильтры детектора являются полосовыми фильтрами. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, первый фильтр детектора является коротковолновым фильтром, и второй фильтр детектора является длинноволновым фильтром. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, первая и вторая длины волны разнесены, по меньшей мере, на 50 нм или, по меньшей мере, на 100 нм.
[0051] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, множество световых излучений содержит, по меньшей мере, три соответствующих световых излучения, причем каждый соответствующий свет характеризуется разной длиной волны. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, один соответствующий свет во множестве световых излучений характеризуется длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, один соответствующий свет во множестве световых излучений характеризуется длиной волны в видимом диапазоне. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, множество световых излучений включает в себя, по меньшей мере, один свет, характеризующийся длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне, и, по меньшей мере, один свет, характеризующийся длиной волны в видимом диапазоне.
[0052] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап освещения ткани содержит освещение ткани субъекта каждым соответствующим светом во множестве световых излучений в течение не более двух секунд, или в течение не более одной секунды, или в течение не более половины секунды, или в течение не более четверти секунды.
[0053] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап идентификации спектральной сигнатуры во множестве цифровых изображений, которая соответствует медицинскому состоянию, содержит обработку множества цифровых изображений ткани субъекта для определения набора значений, соответствующих ткани субъекта. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, набор значений выбирается из уровней дезоксигемоглобина, уровней оксигемоглобина, уровней общего гемоглобина, насыщения кислородом, снабжения кислородом, уровней гидратации, уровней общего гематокрита, уровней меланина и уровней коллагена.
[0054] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, этап идентификации спектральной сигнатуры во множестве цифровых изображений, которая соответствует медицинскому состоянию, содержит обработку множества цифровых изображений поверхности субъекта для идентификации шаблона окисления или гидратации в ткани, связанной с поверхностью субъекта. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, обработка множества цифровых изображений содержит осуществление, по меньшей мере, одного из регулировка яркости по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, регулировка контрастности по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, удаления артефакта из по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, обрезки, по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, обработки одного или более подпикселей, по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, уменьшение размера, по меньшей мере, одного из соответствующих цифровых изображений, сборки множества цифровых изображений в спектральный гиперкуб, преобразования спектрального гиперкуба, собранного из множества цифровых изображений, форматирования данных, содержащихся в, по меньшей мере, одном из соответствующих цифровых изображений, и шифрования данных, содержащихся в, по меньшей мере, одном из соответствующих цифровых изображений.
[0055] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, первый этап обработки осуществляется, по меньшей мере, одним процессором устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, второй этап обработки осуществляется вне устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, второй этап обработки осуществляется мобильным устройством, причем мобильное устройство сконфигурировано находиться в электрической связи с устройством гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, мобильное устройство выбирается из группы, состоящей из смартфона, карманного персонального компьютера (КПК), карманного корпоративного компьютера, планшетного компьютера, цифровой камеры и портативного музыкального проигрывателя. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, по меньшей мере, второй этап обработки осуществляется внешним сервером. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, внешним сервером является облачная вычислительная среда. В других вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, внешний сервер представляет собой сервер, установленный в больнице, где производится формирование изображения.
[0056] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, медицинское состояние выбирается из группы, состоящей из ишемии ткани, формирования язвы, развития язвы, веностаза, венозно-язвенного заболевания, инфекции, шока, сердечной недостаточности, дыхательной недостаточности, гиповолемии, развития диабета, застойной сердечной недостаточности, сепсиса, обезвоживания, кровотечения, гипертензии, воздействия химического или биологического агента и воспалительной реакции.
[0057] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных способов, способ дополнительно содержит фокусировку предварительного изображения ткани субъекта до разрешения множества обратнорассеянных световых излучений.
[0058] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит дисплей корпуса, расположенный с наружной стороны корпуса, причем дисплей корпуса находится в электронной связи с, по меньшей мере, одним процессором, причем предварительное изображение отображается на дисплее корпуса. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, интерфейс связи устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения находится в электронной связи с мобильным устройством, имеющим дисплей мобильного устройства, причем предварительное изображение отображается на дисплее мобильного устройства. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств, мобильное устройство выбирается из группы, состоящей из смартфона, карманного персонального компьютера (КПК), карманного корпоративного компьютера, планшетного компьютера, цифровой камеры и портативного музыкального проигрывателя.
[0059] В одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает способ получения гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержащего множество изображений. В одном варианте осуществления, способ включает в себя разрешение множества изображений субъекта с использованием устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержащего: корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону; по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем, причем, по меньшей мере, один объектив расположен на пути оптической связи, причем путь оптической связи содержит начальный конец, расположенный на объекте или субъекте, и завершающий конец; элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса, причем элемент управления пучком находится в оптической связи с, по меньшей мере, одним объективом и расположен на завершающем конце пути оптической связи, причем элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы, причем каждый соответствующий режим работы во множестве режимов работы предписывает элементу управления пучком находиться в оптической связи с разным оптическим детектором; множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи, причем каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы; множество фильтров детектора внутри корпуса, причем каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком; по меньшей мере, один процессор в электрической связи с элементом управления пучком и множеством оптических детекторов; память в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором, причем в памяти хранится, по меньшей мере, одна программа, исполняемая, по меньшей мере, одним процессором, причем, по меньшей мере, одна программа содержит инструкции для: переключения упомянутого элемента управления пучком между режимами работы во множестве режимов работы и управления каждым оптическим детектором в упомянутом множестве оптических детекторов; и интерфейс связи в электрической связи с, по меньшей мере, одним процессором. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных способов, каждое соответствующее изображение во множестве изображений разрешается на разной длине волны света соответствующим оптическим детектором во множестве оптических детекторов, причем каждый соответствующий оптический детектор переводится в состояние оптической связи с объективом путем циклирования элемента управления пучком по множеству режимов работы.
[0060] В одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает постоянный машиночитаемый носитель данных, на котором хранится, по меньшей мере, одна программа для сбора соосно выровненных изображений субъекта на множестве узкополосных длин волн, сконфигурированная для выполнения, по меньшей мере, одним процессором компьютерной системы. В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одна программа включает в себя инструкции для: включения первого источника освещения, сконфигурированного для излучения узкополосного света, имеющего первую длину волны или первую полосу длин волн; переключения элемента управления пучком в первый режим работы в оптической связи с первым оптическим детектором, сконфигурированным для разрешения узкополосного света, имеющего первую длину волны или первую полосу длин волн; захвата изображения субъекта, освещаемого светом, излучаемым первым источником освещения, с использованием первого оптического детектора; отключения первого источника освещения; включения второго источника освещения, сконфигурированного для излучения узкополосного света, имеющего вторую длину волны или вторую полосу длин волн; переключения элемента управления пучком во второй режим работы в оптической связи со вторым детектором, сконфигурированным для разрешения узкополосного света, имеющего вторую длину волны или вторую полосу длин волн; захвата изображения субъекта, освещаемого светом, излучаемым вторым источником освещения, с использованием второго оптического детектора; и в качестве опции, повторения этапов с четвертого по седьмой первое заранее определенное число раз для сбора второго заранее определенного количества изображений на разных длинах волн или в разных полосах длин волн, и, таким образом, для сбора соосно выровненных изображений субъекта.
[0061] в одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает способ управления формирователем изображения для получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани субъекта, причем гиперспектральное/мультиспектральное изображение содержит множество субизображений ткани субъекта, причем каждое соответствующее субизображение во множестве субизображений получено на соответствующей длине волны или в полосе длин волн из множества длин волн или полос длин волн. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных устройств и способов, формирователь изображения включает в себя: корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону; по меньшей мере, один источник света, расположенный с наружной стороны корпуса; по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем, причем, по меньшей мере, один объектив расположен на пути оптической связи, причем путь оптической связи, содержит начальный конец и завершающий конец, причем свет от, по меньшей мере, одного источника света сначала рассеивается тканью субъекта и затем проходит от начального конца пути оптической связи, через, по меньшей мере, один объектив, к завершающему концу пути оптической связи; элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса, причем элемент управления пучком находится в оптической связи с завершающим концом пути оптической связи, причем элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы; множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи, причем каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы; и множество фильтров детектора внутри корпуса, причем каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком, благодаря чему, каждый оптический детектор во множестве оптических детекторов сконфигурирован для записи соответствующего субизображения во множестве субизображений на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения. В некоторых вариантах осуществления вышеописанных способов, способ включает в себя идентификацию множества основных времен экспозиции, причем каждое соответствующее основное время экспозиции во множестве основных времен экспозиции, представляет время экспозиции для разрешения соответствующего субизображения, во множестве субизображений, ткани субъекта на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения, причем первое основное время экспозиции для первого субизображения отличается от второго основного времени экспозиции второго субизображения во множестве субизображений. В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает в себя циклирование элемента управления пучком по множеству режимов работы, причем элемент управления пучком остается в каждом соответствующем режиме работы в течение основного времени экспозиции, соответствующего длине волны или полосе длин волн, собираемой оптическим фильтром, соответствующим соответствующему режиму работы, благодаря чему, субизображение записывается на оптическом детекторе, соответствующем соответствующему режиму работы, таким образом, обеспечивая сбор гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани.
[0062] В одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает постоянный машиночитаемый носитель данных, на котором хранится одна или более программ, исполняемых устройством гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения с помощью центрального процессора, сконфигурированного для исполнения одной или более программ, и подсистемы оптического сбора данных, сконфигурированной для получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани субъекта, причем устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, содержит: корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону; по меньшей мере, один источник света, расположенный с наружной стороны корпуса; по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем, причем, по меньшей мере, один объектив расположен на пути оптической связи, причем путь оптической связи, содержит начальный конец и завершающий конец, причем свет от, по меньшей мере, одного источника света сначала рассеивается тканью субъекта и затем проходит от начального конца пути оптической связи, через, по меньшей мере, один объектив, к завершающему концу пути оптической связи; элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса, причем элемент управления пучком находится в оптической связи с завершающим концом пути оптической связи, причем элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы; множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи, причем каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы; и множество фильтров детектора внутри корпуса, причем каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком, благодаря чему, каждый оптический детектор во множестве оптических детекторов сконфигурирован для записи соответствующего субизображения во множестве субизображений на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения. В некоторых вариантах осуществления, одна или более программ содержит инструкции для идентификации множества основных времен экспозиции, причем каждое соответствующее основное время экспозиции во множестве основных времен экспозиции, представляет время экспозиции для разрешения соответствующего субизображения, во множестве субизображений, ткани субъекта на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения, причем первое основное время экспозиции для первого субизображения отличается от второго основного времени экспозиции второго субизображения во множестве субизображений, и циклирования элемента управления пучком по множеству режимов работы, причем элемент управления пучком остается в каждом соответствующем режиме работы в течение основного времени экспозиции, соответствующего длине волны или полосе длин волн, собираемой оптическим фильтром, соответствующим соответствующему режиму работы, благодаря чему, субизображение записывается на оптическом детекторе, соответствующем соответствующему режиму работы, таким образом, обеспечивая сбор гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани.
[0063] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных способов и постоянного машиночитаемого носителя данных, основное время экспозиции для субизображения во множестве субизображений определяется фактором, влияющим на основное освещение ткани субъекта, и чувствительностью соответствующего оптического детектора в подсистеме оптического сбора данных, используемой для получения субизображения на длине волны или в полосе длин волн, соответствующей субизображению.
[0064] В некоторых вариантах осуществления вышеописанных способов и постоянного машиночитаемого носителя данных, фактором является степень освещения ткани субъекта, обеспечиваемого подсистемой освещения устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, количество окружающего света или концентрация меланина в ткани субъекта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0065] Фиг.1 – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0066] Фиг.2A – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан продольный разрез тубуса камеры с элементом 204 управления пучком, изображенным в перспективе.
[0067] Фиг.2B – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан продольный разрез тубуса камеры с оптическими детекторами 206, изображенными в перспективе.
[0068] Фиг.3A – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан покомпонентный вид компонентов внутреннего оборудования с элементом 204 управления пучком изображенным в перспективе.
[0069] Фиг.3B – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан продольный разрез тубуса камеры с подсистемой 210 формирователя изображения, изображенной в перспективе.
[0070] Фиг.4 – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан вид вдоль тубуса камеры.
[0071] Фиг.5 – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан тубус камеры в разрезе с подсистемой 210 формирователя изображения, изображенной в перспективе.
[0072] Фиг.6 – схематический вид подсистемы освещения соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан покомпонентный вид компонентов подсистемы освещения.
[0073] Фиг.7 – схематический вид подсистемы формирователя изображения соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан покомпонентный вид компонентов подсистемы формирователя изображения.
[0074] Фиг.8 – ряд изображений первого корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления: Фиг.8A – планарный вид спереди первого корпуса; Фиг.8B – его планарный вид сзади; Фиг.8C – его вид в плане сверху; Фиг.8D – его вид в плане снизу; Фиг.8E – его планарный вид слева; и Фиг.8F – его планарный вид справа.
[0075] Фиг.9 – ряд изображений второго корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления: Фиг.9A – планарный вид спереди второго корпуса; Фиг.9B – его планарный вид сзади; Фиг.9C – его вид в плане сверху; Фиг.9D – его вид в плане снизу; Фиг.9E – его планарный вид слева; и Фиг.9F – его планарный вид справа.
[0076] Фиг.10 – ряд изображений третьего корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления: Фиг.10A – планарный вид спереди второго корпуса; Фиг.10B – его планарный вид сзади; Фиг.10C – его вид в плане сверху; Фиг.10D – его вид в плане снизу; Фиг.10E – его планарный вид слева; и Фиг.10F – его планарный вид справа.
[0077] Фиг.11A и 11B – виды в перспективе первого корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0078] Фиг.11C и 11D – виды в перспективе второго корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0079] Фиг.11E и 11F – виды в перспективе третьего корпуса для соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0080] Фиг.12 – схематический вид внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, установленной в корпусе, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показан продольный разрез тубуса камеры с элементом 204 управления пучком, изображенным в перспективе.
[0081] Фиг.13 – схема подсистемы обработка для соосной гиперспектральной/мультиспектральной системы, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0082] Фиг.14 иллюстрирует способ предоставления информации, касающейся медицинского состояния субъекта и, в необязательном, порядке, лечения субъекта соответственно, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0083] Фиг.15 – схематический вид пути света для захваченного гиперспектрального/мультиспектрального изображения, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0084] Фиг.16 – схематический вид инструкций для сбора и, в качестве опции, обработки гиперспектральных/мультиспектральных изображений, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0085] Фиг.17 – схематический вид инструкций для оптимизации времен экспозиции и сбора гиперспектрального/мультиспектрального изображения, согласно некоторым вариантам осуществления.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
I. ВВЕДЕНИЕ
[0086] Гиперспектральное и мультиспектральное формирование изображения являются родственными методами в более широком классе спектроскопии, обычно именуемыми спектральным формированием изображения или спектральным анализом. Обычно, гиперспектральное формирование изображения относится к получению множества изображений, причем каждое изображение представляет узкую спектральную полосу, собранную в непрерывном спектральном диапазоне, например, 20 спектральных полос, каждая из которых имеет ширину полосы FWHM 20 нм, покрывающих от 400 нм до 800 нм. Напротив, мультиспектральное формирование изображения относится к получению множества изображений, причем каждое изображение представляет узкую спектральную полосу, собранную в прерывистом спектральном диапазоне. В целях настоящего раскрытия, термины “гиперспектральный” и “мультиспектральный” используются взаимозаменяемо и относятся к множеству изображений, причем каждое изображение представляет узкую спектральную полосу (имеющую ширину полосы FWHM от 10 нм до 30 нм, от 5 нм до 15 нм, от 5 нм до 50 нм, менее 100 нм, от 1 до 100 нм и т.д.), независимо от того, собраны ли они по непрерывному или прерывистому спектральному диапазону.
[0087] Используемые здесь термины “узкий спектральный диапазон” или “узкополосный” используются взаимозаменяемо и относятся к непрерывному интервалу длин волн, обычно состоящему из спектральной полосы FWHM, не превышающей около 100 нм. В некоторых вариантах осуществления, узкополосное излучение состоит из спектральной полосы FWHM, не превышающей около 75 нм, 50 нм, 40 нм, 30 нм, 25 нм, 20 нм, 15 нм, 10 нм, 5 нм, 4 нм, 3 нм, 2 нм или 1 нм.
[0088] Термин «гиперспектральный» относится к узким спектральным полосам формирования изображения по непрерывному спектральному диапазону, и созданию спектров всех пикселей в сцене. Поэтому датчик, имеющий только 20 полос, также может быть гиперспектральным, когда покрывает диапазон от 500 до 700 нм с 20 полосами, каждая из которых имеет ширину 10 нм. (При этом датчик с 20 дискретными полосами, покрывающий видимый спектр, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, средневолновый инфракрасный и длинноволновый инфракрасный диапазоны, будет считаться мультиспектральным.)
[0089] Среди прочих аспектов, заявка предусматривает способы и системы, которые обеспечивают захват соосных гиперспектральных/мультиспектральных изображений с использованием элемента управления пучком, имеющего множество режимов работы, и множества оптических детекторов, каждый из которых сконфигурирован для разрешения света на конкретной(ых) длине(ах) волны. Архитектура внутреннего оборудования предусмотренных здесь гиперспектральных/мультиспектральных систем (например, элемента управления пучком и оптических детекторов), обеспечивает ряд преимуществ над системами и способами гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, известными в технике. Например, предусмотренные здесь системы и способы обеспечивают истинное соосное выравнивание изображений, захваченных в диапазоне длин волн без необходимости в перестраиваемом фильтре, сокращение времени освещения субъекта, сокращение времени экспозиции изображения, ускорение гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, снижение энергопотребления и сокращение производственных затрат, а также другие преимущества.
[0090] В частности, настоящая заявка предусматривает гиперспектральные/мультиспектральные системы и способы которые используют элемент управления пучком (например, зеркало или матрицу микрозеркал), имеющий множество режимов работы, способный направлять свет разных длин волн на разные оптические детекторы из общей исходной точки и, таким образом, поддерживать соосное выравнивание между изображениями, захваченными соответствующими оптическими детекторами. В некоторых вариантах осуществления, каждый из оптических детекторов покрыт фильтром, для выбора конкретной длины волны света. Это позволяет разрешать изображения объекта на множественных длинах волн без необходимости в дорогостоящей оптике, например, перестраиваемых фильтрах (например, жидкокристаллических перестраиваемых фильтрах). В отличие от систем формирования изображения, которые опираются на строчную развертку для захвата изображений на отдельных длинах волн (например, системы, где применяется призма или дифракционная решетка), описанные здесь системы могут захватывать истинно двухмерные соосные изображения путем последовательного разрешения изображений объекта на разных длинах волн с использованием соответствующих оптических детекторов во множестве оптических детекторов.
[0091] В некоторых вариантах осуществления, очень слабое выравнивание пиксельного поля между изображениями на определенной длине волны может понадобиться для учета краевых эффектов и слабого механического рассогласования между оптическими детекторами и элементом управления пучком. В некоторых вариантах осуществления, описанные здесь системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения содержат программное обеспечение, выполняемое центральным(и) процессором(ами) 1308 для осуществления слабого выравнивания изображения между цифровыми изображениями 1332, полученными разными оптическими детекторами 206, например, в ходе последующей обработки гиперспектрального/мультиспектрального куба 1336 данных. В других вариантах осуществления, слабое выравнивание может осуществляться внешним устройством или сервером после передачи цифровых изображений 1332 и/или гиперспектрального/мультиспектрального куба 1336 данных из системы формирования изображения.
[0092] Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, некоторые из раскрытых гиперспектров/мультиспектров имеют согласованные узкополосные источники освещения и фильтры детектора. Использование согласованных элементов освещения и регистрации значительно повышает отношение сигнал/шум разрешаемых изображений (например, количество света, имеющего желаемую длину волны, по сравнению с количеством света, имеющего нежелательные длины волн). Отношение сигнал/шум разрешаемых изображений также можно повысить за счет включения согласованных поляризаторов поверх соответствующих элементов освещения и регистрации.
[0093] Повышение отношения сигнал/шум позволяет сократить времена освещения и экспозиции, и, таким образом, увеличить оптическую пропускную способность системы. Таким образом, предусмотренные здесь системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения могут эффективно захватывать изображения целевого объекта, например, на пяти разных длинах волн одновременно. С этой целью, объект последовательно освещается узкополосными источниками света различных длин волн, и изображения объекта захватываются оптическими детекторами, сконфигурированными для разрешения света соответствующих широкополосных длин волн.
[0094] Гиперспектральные/мультиспектральные системы, которые захватывают изображения на разных длинах волн с использованием детекторов, которые немного смещены друг от друга (например, на двух или более детекторах, расположенных один за другим на конце оптического пути), требуют большой вычислительной мощности для индексирования и выравнивания изображений друг с другом. Аналогично, изображения, захваченные с использованием систем формирования изображения, которые опираются на согласованное бурение множественных объективов (например, где центр каждого объектива указывает общую цель), подлежат математической коррекции, чтобы информация, полученная от каждого объектива, преобразовывалась взаимно-однозначно. Преимущественно, предусмотренные здесь системы формирования изображения обеспечивают истинно соосные выровненные изображения, снижая вычислительную нагрузку и, таким образом, увеличивая скорость обработки гиперспектральных/мультиспектральных данных.
[0095] Кроме того, использование согласованных элементов освещения и регистрации также устраняет растрату света на полосы, отличные от тех, которые нужны для формирования изображения (например, внеполосный свет), таким образом, повышая эффективность системы формирования изображения. Повышенная эффективность, обеспеченная последовательным освещением узкополосным излучением, отсутствием перестраиваемых фильтров и сниженными требованиями к процессору, позволяет системе формирования изображения снижать потребление мощности. В Таблице 1 представлен оценочный баланс мощности, для одного варианта осуществления гиперспектральной/мультиспектральной камеры, на основе известных механических/электрических элементов. Согласно таблице 1, в одном варианте осуществления, устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения (например, камера) может быть сконструирована таким образом, чтобы потреблять максимум от 4 до 8 ватт мощности, т.е. достаточно мало, чтобы можно было обеспечить питание от батареи. Соответственно, в одном варианте осуществления, раскрытие предусматривает гиперспектральную/мультиспектральную камеру, работающую от батареи. В некоторых вариантах осуществления, камера имеет максимальное потребление мощности менее 15 ватт, менее 10 ватт, или менее 5 ватт. В прочих вариантах осуществления, камера имеет максимальное потребление мощности менее 20 Вт, 19 Вт, 18 Вт, 17 Вт, 16 Вт, 15 Вт, 14 Вт, 13 Вт, 12 Вт, 11 Вт, 10 Вт, 9 Вт, 8 Вт, 7 Вт, 6 Вт, 5 Вт, или меньше ватт. Конечно, предполагается, что, со временем, будут разработаны более эффективные механические/электрические элементы, и такие усовершенствованные элементы можно будет использовать для обеспечения описанного здесь более эффективного устройства гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
Таблица 1
Оценочный баланс мощности для одного варианта осуществления гиперспектральной/мультиспектральной камеры
Электрический/механический элемент
Потребление мощности (ватт)
Цифровой процессор
2,0–3,5
Освещение от СИД
1,0–2,5
Электронная схема камеры
0,25–0,5
Интерфейс беспроводной сети и соответствующая электронная схема
0,25–0,5
элемент управления пучком
0,25
Электронная схема управления батареей и преобразования мощности
0,25–0,5
Максимальное потребление мощности
4–7,75
[0096] В одном варианте осуществления, предусмотренные здесь системы и способы полезны для гиперспектрального/мультиспектрального медицинского формирования изображения и диагностики. Например, элемент управления пучком и множество оптических детекторов могут быть установлены внутри корпуса камеры, для упрощения манипуляций со стороны специалиста в области здравоохранения.
[0097] в другом варианте осуществления, предусмотренные здесь системы и способы полезны для других гиперспектральных/мультиспектральных применений, например, спутникового формирования изображения (например, для геологической разведки минеральных ресурсов, сельскохозяйственного формирования изображения и войскового наблюдения), дистанционного химического формирования изображения и мониторинга окружающей среды. Например, элемент управления пучком и множество оптических детекторов могут быть установлены внутри спутникового или другого телескопического устройства для дистанционного гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
II. Системы для гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения
[0098] На Фиг.1 показан схематический вид внутреннего оборудования 100 соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. Камера включает в себя подсистему 102 освещения, содержащую корпус 114 для одного или более источников 104 света, которые управляются центральным процессором (ЦП; не показан). Источники света находятся в электронной связи с материнской платой 110, корпусом ЦП, посредством шлейфа или провода 112, который соединяет подсистему освещения с материнской платой 110. Камера дополнительно включает в себя линзовую подсистему, содержащую объектив 106 и, в качестве опции, сложную линзовую сборку (не показана), которая установлена внутри корпуса 108, который надлежащим образом позиционирует сложную линзовую сборку относительно пути оптической связи, начинающегося на поверхности субъекта и заканчивающегося на элементе управления пучком (не показан), расположенном с внутренней стороны сборки камеры. Необязательный экран 116 постороннего света предназначен для ослабления постороннего света и отражений во внутренней сборке камеры.
[0099] На Фиг.2A и 2B показан в продольном разрезе тубус внутреннего оборудования 100 соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На Фиг.2A показан вид в перспективе элемента 204 управления пучком, а на Фиг.2B показан вид в перспективе подсистемы 210 формирователя изображения. Согласно определенным вариантам осуществления, соосная гиперспектральная/мультиспектральная камера включает в себя: подсистему 102 освещения, содержащую один или более источников 104 света; сборка 202 объектива, заключенную в корпус 108, который фиксирует линзовая сборка относительно других компонентов оптической сборки; необязательный экран 116 постороннего света; элемент 204 управления пучком в электрической связи и, в качестве опции, установленный на материнской плате 110 в электрической связи с одним или более ЦП (не показан); и подсистему 210 формирователя изображения, содержащую множество оптических детекторов 206 в электрической связи с материнской платой 110 посредством шлейфа или провода 208.
[0100] В одном варианте осуществления, путь оптической связи создается, когда излучение, испускаемое из одного или более источников 104 света подсистемы 102 освещения, освещает ткань субъекта (не показан) и испытывает обратное рассеяние к сборке 202 объектива, которая фокусирует свет на элемент 204 управления пучком, имеющий множество режимов работы. Находясь в соответствующем режиме работы, элемент 204 управления пучком отражает свет на один из множества оптических детекторов 206, который сконфигурирован для захвата изображения поверхности субъекта на одной или более конкретных длинах волн.
[0101] Каждый оптический детектор 206 в подсистеме 210 формирователя изображения, опционально, покрыт оптическим фильтром (например, фильтром детектора), который пропускает свет заранее определенной длины волны к детектору. В одном варианте осуществления, один или более из источников 104 света согласуется с фильтром, покрывающим оптический детектор 206, например, источник света испускает излучение на длине волны, которая способна проходить через соответствующий фильтр. Когда соответствующие источники 104 света во множестве источников света согласуются с соответствующими фильтрами детектора во множестве фильтров детектора, элемент 204 управления пучком функционирует для направления излучения, испускаемого соответствующим источником 104 света, на соответствующий оптический детектор 206, покрытый согласующим фильтром. Элемент 204 управления пучком сконфигурирован иметь множество режимов работы, каждый из которых направляет свет, испытавший обратное рассеяние от ткани субъекта, на другой оптический детектор 206.
[0102] На Фиг.12 показано то же сечение, что и на Фиг.2A, внутреннего оборудования 100 соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, установленной в корпусе 1200, согласно некоторым вариантам осуществления. В качестве опции, корпус 1200 включает в себя подставку 1202 для присоединения портативного устройства 1204 к корпусу 1200. В качестве опции, портативное устройство 1204 содержит дисплей, предпочтительно, дисплей с сенсорным экраном, для отображения изображений, полученных внутренним оборудованием 100 соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры.
[0103] На Фиг.3A и 3B показаны подетальные виды внутреннего оборудования соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На Фиг.3A показан вид в перспективе светонаправляющей подсистемы 302, а на Фиг.2B показан вид в перспективе подсистемы 210 формирователя изображения. Подетальные виды демонстрируют различные компоненты подсистемы 102 освещения, линзовой подсистемы 300, светонаправляющей подсистемы 302 и подсистемы 210 формирователя изображения.
[0104] На Фиг.4 показан вид вдоль тубуса линзовой подсистемы соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. Подсистема освещения содержит множество источников 104 света в радиальной компоновке относительно объектива 106. В качестве опции, источники 104 света расположены так, что имеют радиальную или приблизительно радиальную симметрию относительно объектива 106. Светонаправляющая подсистема 302, содержащая элемент 204 управления пучком и, опционально, исполнительный механизм (не показан) для переключения элемента управления пучком между различными режимами работы, располагается на дальнем конце тубуса камеры. Элемент 204 управления пучком способен переключаться между режимами работы для отражения света на различные оптические детекторы 206, установленные на задней стороне подсистемы 210 формирователя изображения.
[0105] Фиг.5 иллюстрирует вид в перспективе вдоль тубуса линзовой подсистемы соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. На фигуре показано множество оптических детекторов 206, установленных на задней стороне подсистемы 210 формирователя изображения, в радиальной компоновке относительно сборка 202 объектива. В качестве опции, оптические детекторы 206 расположены так, что имеют радиальную или приблизительно радиальную симметрию относительно сборка 202 объектива. Оптические детекторы 206 смещены относительно пути оптической связи, начинающегося на поверхности изображаемого объекта и заканчивающегося на элементе 204 управления пучком, также в оптической связи с соответствующими режимами работы элемента 204 управления пучком.
[0106] Далее следует более подробное описание подсистем 102, 300, 302 и 210.
A. ПОДСИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ
[0107] На Фиг.6 показан покомпонентный вид подсистемы 102 освещения соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. Подсистема освещения включает в себя множество источников 104 света, установленных на печатной плате (PCB; 602) в электрической связи с ЦП, причем ЦП опционально установлен на или находится в другой электрической связи с материнской платой 110, посредством шлейфа или провода 112. Источники 104 света располагаются на поверхности системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения (например, камеры), например, будучи установлены в корпусе 114 подсистемы освещения.
[0108] Согласно приведенному здесь описанию, хотя источники света могут полностью содержаться в корпусе камеры (например, быть экранированными от окружающей среды), их можно рассматривать как расположенные с наружной стороны корпуса при условии, что они находятся в оптической связи с окружающей средой. Например, в некоторых вариантах осуществления, источники света, расположенные с наружной стороны корпуса камеры, могут находиться за одним или более слоями стекла, пластика или пленки для защиты источников света от воздействия окружающей среды. Кроме того, один или более слоев стекла, пластика или пленки могут иметь фильтрующие, поляризующие, гомогенизирующие или фокусирующие свойства.
[0109] В некоторых вариантах осуществления, один или более из источников 104 света могут быть покрыты любой комбинацией фокусирующей линзы, гомогенизатора, поляризатора и фильтра по длинам волны. В одном варианте осуществления, разные источники света могут быть покрыты разными комбинациями фильтрующих элементов. Например, в одном варианте осуществления, множество источников 104 света, расположенных на поверхности системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения (например, соосной камеры), включает в себя один или более узкополосных источников света (например, монохроматический СИД) для захвата изображений, которые будут собираться в гиперспектральный/мультиспектральный куб данных, и, по меньшей мере, один широкополосный источник света (например, источник белого света) для захвата цветных изображений, используемый, например, для фокусировки или иного позиционирования изображения. В этом примере, монохроматические источники света могут быть, при желании, покрыты гомогенизатором света и/или поляризатором света для однородного освещения субъекта и повышения отношения сигнал/шум для разрешаемого изображения, тогда как широкополосный источник света не нуждается в гомогенизации или поляризации.
[0110] Источники освещения могут располагаться любым образом на системе формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления, источники 104 света располагаются в виде одного или более концентрических кругов вокруг объектива 106 системы формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления, включающих в себя множество узкополосных источников 104 света, два или более источника 104 света, испускающих излучение одной и той же длины волны, могут освещаться одновременно. В некоторых вариантах осуществления, два или более источника света, испускающих излучение одной и той же длины волны, располагаются радиально симметрично относительно объектива 106 для обеспечения однородного освещения цели. В некоторых вариантах осуществления, где система формирования изображения включает в себя множество узкополосных источников освещения, также может быть включен один или более широкополосных источников освещения, например, для использования при захвате широкополосного изображения объекта или субъекта. Поскольку широкополосное изображение объекта или субъекта не обязательно использовать при анализе собранных гиперспектральных/мультиспектральных данных, широкополосный(е) источник(и) не обязаны располагаться вокруг или радиально симметрично относительно объектива.
[0111] Например, согласно Фиг.4, устройство формирования изображения (например, гиперспектральная/мультиспектральная камера), способное освещать объект на восьми длинах волн, могут иметь два источника света (104-4 и 104-12), расположенные симметрично относительно объектива 106, которые испускают излучение одной и той же длины волны, например, два идентичных узкополосных СИД. Аналогично, четыре источника света (104-4, 104-8, 104-12 и 104-16), испускающие излучение одной и той же длины волны, могут располагаться симметрично относительно объектива. В некоторых вариантах осуществления, система формирования изображения включает в себя 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, или более источников света. В некоторых вариантах осуществления, система формирования изображения включает в себя, по меньшей мере, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, или более источников света, испускающих излучение одной и той же длины волны, предпочтительно, размещенные в симметричном шаблоне относительно объектива.
[0112] В других вариантах осуществления, где система формирования изображения освещает объект широкополосным светом, два или более источника 104 света, например, все источники света, могут быть сконфигурированы для испускания широкополосного излучения. В некоторых вариантах осуществления, все широкополосные источники 104 света могут освещаться одновременно.
[0113] В прочих вариантах осуществления, где система формирования изображения освещает объект фильтрованным светом, два или более источника 104 света, например, все источники света, могут быть сконфигурированы для испускания широкополосного излучения. Затем различные источники 104 света могут быть покрыты фильтрами освещения, адаптированными для разных длин волн, которые согласуются с фильтрами, покрывающими оптические детекторы 206.
.
[0114] В некоторых вариантах осуществления, фильтры освещения являются съемными с наружной стороны корпуса. Аналогично, в некоторых вариантах осуществления, фильтры детектора являются съемными с внутренней стороны корпуса. Таким образом, разные наборы фильтров освещения и/или детектора можно обеспечивать для использования при оценивании разных медицинских состояний. Например, в некоторых реализациях, пользователь позиционирует первый набор фильтров осветителя и/или детектора на системе формирования изображения для помощи в оценивании первого медицинского состояния (например, формирования язвы) и второй набор фильтров осветителя и/или детектора на системе формирования изображения для помощи в оценивании второго медицинского состояния (например, меланомы). В одном примере, первый набор фильтров включает в себя фильтры, адаптированные для длин волн, используемых, например, для количественной оценки уровней оксигемоглобина и дезоксигемоглобина, тогда как второй набор фильтров включает в себя фильтры, адаптированные для длин волн, используемых, например, для различения между меланомой и другими нарушениями пигментации (например, невусом Шпица, себорейным кератозом, базально-клеточной карциномой и меланоцитарным невусом; см., Nagaoka T. et al, кожа Res Technol. (2011) Aug 31).
1. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
[0115] В различных вариантах осуществления, источники света, испускающие излучение в ультрафиолетовом спектре (длины волн от около 10 нм до около 400 нм), видимом спектре (длины волн от около 400 нм до около 760 нм) и/или ближнем инфракрасном спектре (длины волн от около 760 нм до около 2000 нм) используются в предусмотренных здесь системах и способах гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
[0116] Описанные здесь системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, в общем случае, включают в себя, по меньшей мере, один источник света для освещения области, представляющей интерес, на субъекте. В различных примерах, источник света включает в себя единичный широкополосный источник света, множество широкополосных источников света, единичный узкополосный источник света, множество узкополосных источников света или комбинацию одного или более широкополосных источников света и одного или более узкополосных источников света. Аналогично, в различных вариантах осуществления, источник света включает в себя множество когерентных источников света, единичный некогерентный источник света, множество некогерентных источников света или комбинацию одного или более когерентных и одного или более некогерентных источников света.
[0117] Под “широкополосным” подразумевается свет, который включает в себя компонентные длины волн в пределах существенной части, по меньшей мере, одной полосы, например, в пределах, по меньшей мере, 20% или, по меньшей мере, 30%, или, по меньшей мере, 40% или, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 60% или, по меньшей мере, 70% или, по меньшей мере, 80% или, по меньшей мере, 90% или, по меньшей мере, 95% полосы, или даже всей полосы, и опционально включает в себя компонентные длины волн в одной или более других полосах. “Белый источник света” считается широкополосным, поскольку он охватывает существенную часть, по меньшей мере, видимой полосы. В некоторых вариантах осуществления, широкополосный свет включает в себя компонентные длины волн в пределах, по меньшей мере, 100 нм электромагнитного спектра. В других вариантах осуществления, широкополосный свет включает в себя компонентные длины волн в пределах, по меньшей мере, 150 нм, 200 нм, 250 нм, 300 нм, 400 нм, 500 нм, 600 нм, 700 нм, 800 нм или более электромагнитного спектра.
[0118] Под “узкополосным” подразумевается свет, который включает в себя компоненты только в узкой спектральной области, например, менее 20%, или менее 15%, или менее 10%, или менее 5%, или менее 2%, или менее 1%, или менее 0,5% единой полосы. Узкополосные источники света не обязаны ограничиваться единой полосой, но могут включать в себя длины волн в множественных полосах. Каждый из множества узкополосных источников света может по отдельности генерировать свет только в малом участке единой полосы, но совместно могут генерировать свет, который покрывает существенную часть одной или более полос, например, могут совместно составлять широкополосный источник света. В некоторых вариантах осуществления, широкополосный свет включает в себя компонентные длины волн в пределах не более чем 100 нм электромагнитного спектра (например, имеет спектральную ширину полосы не более чем 100 нм). В других вариантах осуществления, узкополосный свет имеет спектральную ширину полосы не более чем 90 нм, 80 нм, 75 нм, 70 нм, 60 нм, 50 нм, 40 нм, 30 нм, 25 нм, 20 нм, 15 нм, 10 нм, 5 нм, или менее электромагнитного спектра.
[0119] Используемый здесь термин “спектральная ширина полосы” источника света означает интервал компонентных длин волн, интенсивность которых составляет, по меньшей мере, половину максимальной интенсивности, иначе именуемый как спектральная ширина полосы “полной ширины на полумаксимуме” (FWHM). Многие светодиоды (СИД) испускают излучение на более чем одной дискретной длине волны, и, таким образом, являются узкополосными излучателями. Соответственно, узкополосный источник света можно описать как имеющий “характеристическую длину волны” или “центральную длину волны”, т.е. длину волны, излучаемую с наибольшей интенсивностью, а также характеристическую спектральную ширину полосы, например, интервал длин волн, излучаемых с интенсивностью, по меньшей мере, вполовину меньшей, чем на характеристической длине волны.
[0120] Под “когерентным источником света” подразумевается источник света, который испускает электромагнитное излучение единичной длины волны в фазе. Таким образом, когерентный источник света является разновидностью узкополосного источника света со спектральной шириной полосы менее 1 нм. Неограничительные примеры когерентных источников света включают в себя лазеры и лазерные СИД. Аналогично, некогерентный источник света испускает электромагнитное излучение, имеющее спектральную ширину полосы более 1 нм и/или не находящееся в фазе. В связи с этим, некогерентный свет может быть либо узкополосным, либо широкополосным светом, в зависимости от спектральной ширины полосы света.
[0121] Примеры пригодных широкополосных источников 104 света включают в себя, без ограничения, накальные источники света, например, галогенную лампу, ксеноновую лампу, металлогалогенную лампу и широкополосный светодиод (СИД). В некоторых вариантах осуществления, стандартный или заказной фильтр используется для балансировки интенсивностей света на разных длинах волн для повышения уровня сигнала определенной длины волны или для выбора узкой полосы длин волн. Широкополосное освещение субъекта особенно полезно при захвате цветного изображения субъекта или при фокусировке системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
[0122] Примеры пригодных узкополосных некогерентных источников 104 света включают в себя, без ограничения, узкополосный светодиод (СИД), сверхлюминесцентный диод (СЛД) (см. Redding B., arVix: 1110.6860 (2011), содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей), лазер с хаотическим режимом генерации и широкополосный источник света, покрытый узкополосным фильтром. Примеры пригодных узкополосных когерентных источников 104 света включают в себя, без ограничения, лазеры и лазерные светодиоды. Хотя в описанных здесь системах формирования изображения можно использовать как когерентные, так и некогерентные узкополосные источники 104 света, когерентное освещение менее пригодно для формирования изображения в полном поле вследствие спекловых артефактов, которые препятствуют формированию изображения (см., Oliver, B.M., Proc IEEE 51, 220-221 (1963)). Однако когерентное освещение особенно пригодно для вариантов осуществления, содержащих сканирующее устройство детектирования.
[0123] В одном варианте осуществления, свет, излучаемый из источника 104 света, проходит через конденсорную линзу, которая фокусирует свет на цель (например, кожу субъекта). В родственном варианте осуществления, свет, излучаемый из источника 104 света, проходит через оптический рассеиватель или гомогенизатор света, который изменяет свойства фокусировки света так, чтобы он освещал выбранные области цели, по существу, равномерно. Таким образом, интенсивность света в одной точке области оказывается, по существу, такой же, как интенсивность света в другой точке области. В других вариантах осуществления, интенсивность света изменяется в области от точки к точке. В некоторых вариантах осуществления, источник 104 света покрыт как конденсорной линзой, так и гомогенизатором.
[0124] В некоторых вариантах осуществления, свет также проходит через необязательный поляризатор освещения, который удаляет любой свет, не имеющий выбранной поляризации. Поляризатор может представлять собой, например, поляризующий светоделительный элемент или тонкопленочный поляризатор. Поляризацию можно выбирать, например, надлежащим образом вращая поляризатор. Когда поляризатор освещения располагается перед источником 104 света, согласующийся поляризатор детектора должен располагаться перед соответствующим оптическим детектором 206 для деполяризации света до разрешения изображения в обратнорассеянном поляризованном свете.
a. Светодиоды (СИД)
[0125] В предпочтительном варианте осуществления, подсистема 102 освещения содержит один или более светодиодов (СИД; 104) для освещения поверхности пациента. СИД обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с другими источниками света для освещения поверхности субъекта. Например, поскольку СИД выделяют очень мало тепла, освещение с помощью СИД не влияет на поверхностную температуру кожи субъекта, и поэтому не приводит к физиологическим изменениям, которые могут вносить изменения в гиперспектральный/мультиспектральный анализ. СИД могут быть сконструированы для излучения света, имеющего узкую и строго определенную спектральную полосу, что позволяет обойти требование к фильтрации света освещения, повысить общую эффективность системы формирования изображения, повысить отношение сигнал/шум детектирования на желаемой длине волны и сократить времена освещения и экспозиции, необходимые для создания высококачественного цифрового изображения цели. СИД достигают максимальных интенсивностей очень быстро, например, СИД красного свечения может достигать полной яркости не более чем за микросекунду, позволяя быстрее циклировать по множеству длин волн освещения. СИД имеют длительный срок эксплуатации по сравнению с накальными и люминесцентными источниками света. Можно изготавливать СИД очень малых размеров (например, от около 2 мм до около 8 мм), что позволяет устанавливать большое количество СИД в виде одного или более концентрических кругов вокруг объектива 106.
[0126] СИД состоят из кристалла полупроводящего материала, легированного примесями, которые обеспечивают формирование p-n-перехода. Ток, подаваемый на полупроводящий материал, свободно течет от стороны p-проводимости (анода) к стороне n-проводимости (катоду), создавая электромагнитное излучение (свет), когда электрон встречается с дыркой и падает из зоны проводимости в валентную зону. Длина волны испускаемого излучения зависит от ширины запрещенной зоны, сформированной между зоной проводимости и валентной зоной, и, таким образом, полупроводящего материала, используемого для формирования СИД. Неограничительные примеры полупроводниковых материалов, которые можно использовать для создания СИД, излучающего свет на конкретной длине волны, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Полупроводящие материалы, используемые для узкополосных СИД
Цвет
Длина волны (нм)
Полупроводниковый материал
инфракрасный
λ>760
арсенид галлия (GaAs)арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)
красный
610<λ<760
арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)арсенид-фосфид галлия (GaAsP)фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)фосфид галлия (III) (GaP)
оранжевый
590<λ<610
арсенид-фосфид галлия (GaAsP)фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)фосфид галлия (III) (GaP)
желтый
570<λ<590
арсенид-фосфид галлия (GaAsP)фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)фосфид галлия (III) (GaP)
зеленый
500<λ<570
нитрид индия-галлия (InGaN)/нитрид галлия (III) (GaN)фосфид галлия (III) (GaP)фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)фосфид алюминия-галлия (AlGaP)
синий
450<λ<500
селенид цинка (ZnSe)нитрид индия-галлия (InGaN)карбид кремния (SiC) в качестве подложки
фиолетовый
400<λ<450
нитрид индия-галлия (InGaN)
ультрафиолетовый
λ<400
алмаз (235 нм)нитрид бора (215 нм)нитрид алюминия (AlN) (210 нм)нитрид алюминия-галлия (AlGaN)нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) – (вплоть до 210 нм)

[0127] В одном варианте осуществления, СИД 104 являются СИД в корпусе, например LUXEON Rebel (Philips Lumileds Lighting). Также можно использовать другие типы СИД в корпусе, например, производства OSRAM (Ostar package), Luminus Devices (США) или Tridonic (Австрия). Как указано здесь, СИД в корпусе представляет собой сборку из одного или более кристаллов СИД, которая содержит электрические соединения, например, проводные соединения или контактные площадки, и, возможно, включает в себя оптический элемент и тепловые, механические и электрические интерфейсы. СИД 104 могут включать в себя линзу поверх кристаллов СИД. Альтернативно, можно использовать СИД без линзы. СИД без линз могут включать в себя защитные слои, которые могут включать в себя фосфоры. Фосфоры можно наносить в виде присадки в связующем веществе или в виде отдельной пластины.
[0128] Полупроводниковые кристаллы СИД обычно заливаются в прозрачную или окрашенную сформованную пластиковую оболочку, которая: облегчает монтаж полупроводникового кристалла СИД в корпусе 114 подсистемы освещения, обеспечивает структурную защиту полупроводникового кристалла и связанной с ним электрической проводки, и действует как преломляющий посредник между полупроводником с относительно высоким показателем преломления и наружным воздухом с низким показателем преломления, усиливая световое излучение из полупроводника, действуя как рассеивающая линза, позволяющая свету излучаться под увеличенным углом падения из светового конуса, по сравнению с углом, под которым может излучать бескорпусный кристалл.
[0129] В некоторых вариантах осуществления, предусмотренные здесь системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения включают в себя узкополосные источники света на основе СИД. В одном варианте осуществления, узкополосные источники света на основе СИД имеют спектральную ширину полосы FWHM не более около 100 нм, предпочтительно, менее около 50 нм, более предпочтительно, менее 25 нм. В одном варианте осуществления, система формирования изображения включает в себя, по меньшей мере, один источник СИД, который испускает излучение в инфракрасном, предпочтительно, ближнем инфракрасном, спектре. Освещение с помощью СИД ближнего инфракрасного диапазона обычно используется в камерах наблюдения охранных систем.
,
[0130] Дополнительную информацию о светодиодах можно найти в Schubert E.F., Light emitting diodesSecond Edition, Cambridge University Press (2006), содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
b. Конкретные варианты осуществления
[0131] В первом варианте осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения включает в себя единичный широкополосный источник 104 света, используемый для освещения ткани на субъекте. Для получения множества изображений, где каждое соответствующее изображение соответствует обратное рассеяние света с разной длиной волны от ткани, каждый из оптических детекторов 206 покрывают узкополосным фильтром. В этом варианте осуществления, длины волн света в широкой полосе, которая включает в себя все длины волн, представляющие интерес, используются одновременно для освещения ткани, и фильтры детектора используются как средство выбора длины волны, где оптические детекторы экспонируются обратнорассеянному свету одновременно или последовательно.
[0132] Для получения гиперспектральных/мультиспектральных данных, в одном соответствующем варианте осуществления, система формирования изображения освещает выбранную область (например, ткань) субъекта широкополосным источником 104 света, и свет, испытавший обратное рассеяние от освещенной области субъекта, фокусируется сборкой 202 объектива на элемент 204 управления пучком. Пока выбранная область освещается, ЦП 1308 системы формирования изображения циклирует элемент 204 управления пучком по множеству режимов работы, где каждый режим работы предусматривает установление оптической связи элемента 204 управления пучком с соответствующим оптическим детектором 206. Таким образом, обратнорассеянный свет последовательно направляется на соответствующие оптические детекторы 206, каждый из которых покрыт разным узкополосным фильтром, что обеспечивает последовательность соосных цифровых изображений выбранной области на длинах волн, соответствующих соответствующим узкополосным фильтрам.
[0133] Во втором варианте осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения включает в себя множество широкополосных источников 104 света, используемых для освещения области (например, ткани) на субъекте. Каждый из широкополосных источников 104 света покрыт узкополосным фильтром, благодаря чему, каждый источник света освещает выбранную область узкополосным светом. В этом варианте осуществления, каждый из оптических детекторов 206, используемых для разрешения изображений для сборки в гиперспектральный/мультиспектральный куб данных, покрыт узкополосным фильтром, который соответствует узкополосному фильтру, покрывающему соответствующий источник света. Источники 104 света и оптические детекторы 206, которые покрыты идентичными или, по существу, аналогичными фильтрами и/или поляризаторами именуются здесь “согласующимися” элементами.
[0134] В одном соответствующем варианте осуществления, одна длина волны одномоментно используется для освещения субъекта, и обратнорассеянный свет на этой длине волны регистрируется с использованием оптического детектора 206, покрытого согласующим фильтром. Затем эта длина волны отключается, и то же самое осуществляется для следующей выбранной длины волны, в поэтапном процессе для захвата соосного гиперспектрального/мультиспектрального изображения (например, гиперспектрального/мультиспектрального куба данных). В другом варианте осуществления, более одной длины волны света одномоментно используется для освещения субъекта, и обратнорассеянный свет разрешается с использованием согласованно фильтрованных оптических детекторов 206, одновременно, почти одновременно или последовательно.
[0135] Для получения гиперспектральных/мультиспектральных данных, в одном соответствующем варианте осуществления, источники 104 света последовательно включаются и отключаются, освещая выбранную область на субъекте одномоментно одним типом фильтрованного света. Режимы работы элемента 204 управления пучком координируются с источниками света, благодаря чему, когда источник 104 света, покрытый конкретным фильтром освещения включается, элемент 204 управления пучком устанавливает оптическую связь с оптическим детектором 206, покрытым согласующим фильтром детектора.
[0136] В третьем варианте осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения включает в себя множество узкополосных источников 104 света, используемых для освещения области кожи на субъекте, предпочтительно без фильтров освещения по длине волны. В этом варианте осуществления, каждый из оптических детекторов 206, используемых для разрешения изображений для сборки в гиперспектральный/мультиспектральный куб данных, покрыт узкополосным фильтром, согласующим узкополосный свет, излучаемый соответствующим источником света.
[0137] Для получения гиперспектральных/мультиспектральных данных, в одном соответствующем варианте осуществления, источники 104 света последовательно включаются и отключаются, освещая выбранную область на субъекте одномоментно одной длиной волны. Режимы работы элемента 204 управления пучком координируются с источниками света, благодаря чему, когда источник 104 света, излучающий первую длину волны, включается, элемент 204 управления пучком устанавливает оптическую связь с оптическим детектором 206, покрытым согласующим фильтром детектора.
[0138] Вышеописанные варианты осуществления, описывающие использование широкополосного либо узкополосного освещения, не предусматривают никаких ограничений, и включают в себя варианты осуществления, где система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения включает в себя комбинация источников 104 света обоих типов. Например, в некоторых вариантах осуществления, где узкополосные источники 104 света используются для освещения области, представляющей интерес, на субъекте, широкополосный источник света может присутствовать для обеспечения освещения, например, для получения цветного изображения выбранной области или фокусировки системы.
[0139] Хотя здесь предусмотрены варианты осуществления, где применяется одновременное, почти одновременное и последовательное освещение, последовательное освещение и детектирование является предпочтительным, поскольку оно дает более низкое отношение сигнал/шум. Сильное узкополосное освещение на желаемой длине волны (внутриполосное освещение) вкупе с согласующими узкополосными оптическими фильтрами, покрывающими оптические детекторы 206, позволяет увеличить внутриполосное освещение и, вместе с тем, уменьшить внеполосное освещение (например, детектирование нежелательных длин волн).
[0140] Кроме того, хотя фильтры освещения присутствуют в нескольких предусмотренных здесь вариантах осуществления, использование нефильтрованного света, в частности нефильтрованного узкополосного света, является предпочтительным. Благодаря фильтрации источника 104 света, неиспользуемый свет генерируется системой гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, что снижает эффективность и без необходимости повышает требуемую мощность системы.
2. ФОКУСИРУЮЩИЕ ЛИНЗЫ
[0141] В некоторых вариантах осуществления, конденсорная линза располагается поверх одного или более источников 104 света, расположенных на поверхности системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения для формирования светового пучка, направленного к цели, и его фокусировки в виде пятна в соответствии с фокусным расстоянием объектива формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления, фокусирующая линза также повышает однородность света, направленного на цель. Рассеиватель также может размещаться поверх одного или более источников 104 света для рассеивания освещения, падающего на субъект или объект.
.
[0142] Конденсорные линзы хорошо известны в технике. Например, патент США № 8025429, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, описывает оптическую линзу, которая дважды преломляет свет, излучаемый светодиодным осветителем, обеспечивая более однородный пучок света эллиптической формы. Патентная заявка США, опубликованная за № 2010/0165637, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, описывает оптическую линзу, пригодную для использования в светодиодных осветителях, которая использует формирование поверхности линзы для распределения света с возможностью точного управления при минимальных потерях вследствие отражения. Аналогично, Ding Y. etal, Optics Express, 16:17; 12958-12966 (2008), содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, описывает использование оптических линз произвольной формы, сконструированных на основании закона преломления и закона сохранения энергии, для обеспечения сформованного и однородного освещения из источников света на основе СИД.
3. ГОМОГЕНИЗИРУЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
[0143] В некоторых вариантах осуществления, гомогенизатор света располагается поверх одного или более источников 104 света, расположенных на поверхности системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения для обеспечения однородного освещения области на целевом объекте или субъекте. Примерный гомогенизатор света, который можно использовать, представляют собой гомогенизаторы света, раскрытые в Agilent Technologies Application Brief I-003, Light GuideTechniques UsingLED Lamps, Agilent Technologies (2001), содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. Ссылка описывает использование световодов для направления и гомогенизации света, излучаемого из светодиодных ламп. Коммерческие гомогенизаторы света СИД доступны, например, от RPC Photonics (Рочестер, Нью-Йорк).
4. ПОЛЯРИЗУЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
[0144] В некоторых вариантах осуществления, поляризующая линза располагается поверх одного или более источников 104 света, расположенных на поверхности системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, для поляризация света, освещающего целевой объект или субъект. Поляризованное освещение имеет преимущество, поскольку устраняет поверхностное отражение от кожи и помогает устранять отражение постороннего света с внеосевых направлений формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления, когда поляризатор располагается поверх источника освещения, второй поляризатор располагается перед соответствующим оптическим детектором 206 для деполяризации света до разрешения изображения детектором. В некоторых вариантах осуществления, где множественные источники света на системе формирования изображения поляризованы, поляризующая линза располагается поверх объектива или иным образом предшествует элементу управления пучком, что позволяет использовать единичный поляризатор для деполяризации изображения. В других вариантах осуществления, отдельные поляризаторы располагаются между элементом управления пучком и отдельными оптическими детекторами. В некоторых вариантах осуществления, поляризующая линза детектора выбирается из линейного поляризатора, кругового поляризатора и эллиптического поляризатора.
[0145] В патенте США № 5929443, выданном Alfano etal., содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, раскрыты способ и устройство для формирования изображения объектов на основе поляризации и деполяризации света. В одном варианте осуществления, поверхность мутной среды изображается путем освещения поверхности мутной среды светом, благодаря чему, свет испытывает обратное рассеяние от освещаемой поверхности мутной среды, детектирования пары комплементарных компонентов поляризации обратнорассеянного света, и формирования изображения освещаемой поверхности с использованием пары комплементарных компонентов поляризации. Освещающий свет, предпочтительно, является поляризованным (например, линейно поляризованным, поляризованным по кругу, эллиптически поляризованным), где, например, освещающий свет линейно поляризован, пара комплементарных компонентов поляризации, предпочтительно, являются компонентами, параллельными и перпендикулярными поляризованному освещающему свету, и изображение формируется путем вычитания перпендикулярного компонента из параллельного компонента, путем вычисления отношение параллельных и перпендикулярных компонентов или с использованием некоторой комбинации отношения и разности параллельных и перпендикулярных компонентов.
5. ФИЛЬТРЫ ПО ДЛИНАМ ВОЛНЫ ОСВЕЩЕНИЯ
[0146] В некоторых вариантах осуществления, где широкополосные источники света используются для освещения объекта или субъекта, фильтр по длинам волны располагается поверх широкополосного источника света для повышения процента желаемой длины волны света. Фильтр освещения согласуется с соответствующим фильтром детектора, для повышения отношения сигнал/шум изображения, захваченного на желаемой длине волны. В некоторых вариантах осуществления, фильтр освещения выбирается из полосового фильтра, длинноволнового фильтра и коротковолнового фильтра.
[0147] Как и источники света, фильтры можно описывать в отношении их спектральной “полосы пропускания”, например, интервала компонентных длин волн, которые могут проходить через фильтр. В некоторых вариантах осуществления, полоса пропускания фильтра задается в виде интервала компонентных длин волн, в котором прозрачность фильтра, по меньшей мере, вполовину ниже, чем на характеристической или центральной длине волны (FWHM). Например, спектральная полоса пропускания фильтра, таким образом, на 100% прозрачная относительно, по меньшей мере, одной компонентной длины волны, является интервалом последовательных компонентных длин волн, на которых фильтр прозрачен, по меньшей мере, на 50%. В некоторых вариантах осуществления, полосу пропускания фильтра можно эквивалентно выразить в отношении компонентных длин волн (например, 450-480 нм) или как ширину полосы пропускания на центральной длине волны (например, 30 нм на 465 нм или ±15 нм на 465 нм).
[0148] Полосовой фильтр также можно описать в отношении его “характеристической длины волны”, например, длины волны, на которой фильтр наиболее прозрачен, или его “центральной длины волны”, например, компонентной длины волны посередине спектральной полосы пропускания. В некоторых вариантах осуществления, полосовой фильтр характеризуется, как характеристической или центральной длиной волны, так и спектральной шириной полосы. Например, полосовой фильтр с центральной длиной волны 340±2 нм, шириной полосы FWHM 10±2, и пиковым пропусканием (например, максимальным процентом пропускания в полосе пропускания) 50%, позволяет, по меньшей мере, 25% каждого компонента света, имеющего длину волны от 330±4 нм до 350±4 нм, проходить через него.
[0149] В конкретных вариантах осуществления, фильтр освещения по длинам волны является полосовым фильтром, например, фильтром, который пропускает только излучение, имеющее длину волны в определенном диапазоне, в то же время, блокируя другие длины волн. В некоторых вариантах осуществления, спектральная полоса пропускания FWHM фильтра освещения (например, размер полосы пропускания фильтра) не превышает около 100 нм, предпочтительно, не превышает около 50 нм, более предпочтительно, не превышает около 25 нм. В прочих вариантах осуществления, спектральная ширина полосы FWHM фильтра не превышает 250 нм, 200 нм, 200 нм, 175 нм, 150 нм, 150 нм, 125 нм, 100 нм, 90 нм, 80 нм, 75 нм, 70 нм, 65 нм, 60 нм, 55 нм, 50 нм, 45 нм, 40 нм, 35 нм, 30 нм, 25 нм, 20 нм, 15 нм, 10 нм, 9 нм, 8 нм, 7 нм, 6 нм, 5 нм, 4 нм, 3 нм, 2 нм или 1 нм.
[0150] В некоторых вариантах осуществления, полосовой фильтр является узкополосным фильтром. В конкретных вариантах осуществления, узкополосный фильтр имеет спектральную ширину полосы FWHM не более чем 25 нм, 24 нм, 23 нм, 22 нм, 21 нм, 20 нм, 19 нм, 18 нм, 17 нм, 16 нм, 15 нм, 14 нм, 13 нм, 12 нм, 11 нм, 10 нм, 9 нм, 8 нм, 7 нм, 6 нм, 5 нм, 4 нм, 3 нм, 2 нм или 1 нм.
[0151] В некоторых вариантах осуществления, множество полосовых фильтров освещения имеет центральные длины волн, отстоящие друг от друга, по меньшей мере, на 10 нм или, по меньшей мере, на 15 нм, 20 нм, 25 нм, 30 нм, 35 нм, 40 нм, 45 нм, 50 нм, 55 нм, 60 нм, 65 нм, 70 нм, 75 нм, 80 нм, 85 нм, 90 нм, 95 нм, 100 нм или более.
[0152] В некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения содержит согласованный набор полосовых фильтров освещения и полосовых фильтров детектора. В некоторых вариантах осуществления, соответствующие полосовые фильтры освещения и детектора, имеющие одинаковые или, по существу, аналогичные центральные или характеристические длины волн и спектральные полосы пропускания, используются для обеспечения внутриполосного освещения и формирования изображения. Описанное здесь внутриполосное освещение и формирование изображения существенно снижает фоновый шум, одновременно сокращая необходимые времена экспозиции освещения и детектора.
B. Линзовая подсистема
[0153] Свет, испытавший обратное рассеяние от объекта или субъекта, проходит через объектив 106 или сборку 202 объектива, которая фокусирует свет на элемент 204 управления пучком. В некоторых вариантах осуществления, линза 106 может содержать простую выпуклую линза. В других вариантах осуществления, линзовая подсистема будет включать в себя составную линзу. Составная линза может быть линзой с фиксированным фокусным расстоянием или линзой с переменным фокусным расстоянием.
[0154] Линза с фиксированным фокусным расстоянием это линза, фокусное расстояние которой установлено в ходе изготовления. Обычно фокус линзы с фиксированным фокусным расстоянием устанавливается на сверхфокусном расстоянии, то есть расстоянии, за пределами которого все объекты будут приемлемо сфокусированы. Для получения малого минимального фокусного расстояния, апертура и фокусное расстояние линзы с фиксированным фокусным расстоянием уменьшаются, чтобы сверхфокусное расстояние было малым. Это позволяет получить глубину поля в пределах от бесконечности до короткого расстояния. Поскольку линза с фиксированным фокусным расстоянием не имеет подвижных деталей, эксплуатация линзы не связана с потреблением электрической энергии. Это дает преимущество при производстве маломощной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, особенно, имеющей батарейное питание. Недостаток линзы с фиксированным фокусным расстоянием состоит в том, что она не может создавать такие резкие изображения, которые получаются с использованием линзы с переменным фокусным расстоянием.
[0155] Линза с переменным фокусным расстоянием, также известная как линза трансфокации, представляет собой составную линзовую сборку, которой можно манипулировать для изменения фокусного расстояния. Переменное фокусное расстояние достигается за счет перемещения одной или более линз относительно одной или более дополнительных линз, присутствующих в линзовой сборке. Вследствие сложности линзы с переменным фокусным расстоянием по сравнению с линзой с фиксированным фокусным расстоянием, линзы с переменным фокусным расстоянием являются более дорогостоящими в изготовлении. Однако качество изображения, получаемое с помощью линзы с переменным фокусным расстоянием, выше, чем получаемое с помощью линзы с фиксированным фокусным расстоянием. Линзы с переменным фокусным расстоянием могут быть парфокальными или вариофокальными. Парфокальная линза, также именуемая линзой с истинным фокусом, поддерживает фокус при изменении фокусного расстояния, тогда как вариофокальная линза теряет фокус при трансфокации.
[0156] В некоторых вариантах осуществления, линзы с переменным фокусным расстоянием является линзой с ручной фокусировкой, например, той, которая требует участия пользователя в фокусировке изображение. Линзы с ручной фокусировкой могут быть сконструированы с возможностью управления путем вращения тубуса линзовой сборки, приводящего к перемещению линз в линзовой сборке по дорожкам, или путем подачи команд двигателям в камере перемещать линзы, например, с помощью кнопок управления или ввода через сенсорный экран.
[0157] В других вариантах осуществления, линза с переменным фокусным расстоянием является линзой с автофокусировкой, которая фокусируется электронными средствами с помощью датчика, системы управления и двигателя, установленного в камере. Согласно Фиг.13, управление линзой с автофокусировкой может осуществляться программным модулем линзы, хранящимся в системной памяти 1314 процессорной подсистемы 1300, который подает команды на двигатель, установленный в корпусе камеры, для перемещения одной или более Фокусирующих линз в сборке 202 объектива для достижения желаемой фокусировки.
[0158] В прочих вариантах осуществления, гиперспектральная/мультиспектральная линза с переменным фокусным расстоянием имеет настройки для работы в режимах автоматической и ручной регулировки фокуса. Например, патент США № 5675441, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, описывает устройство управления фокусирующей линзой, которое имеет электродвигатель, подключенный к фокусирующей линзе, в электрической связи с автоматическим управлением регулировкой фокуса, а также устройством ручной эксплуатации, которое механически управляет двигателем в ручном режиме работы.
C. Светонаправляющая подсистема
[0159] Согласно Фиг.15, свет 1506, имеющий первую длину волны (λ), испускаемый из источника 104 света, испытывает отражение или обратное рассеяние от области, представляющей интерес (1502; ROI) на объекте или субъекте 1500. Свет 1506 проходит через сборку объектива (не показана) и направляется элементом 204 управления пучком, находящимся в первом режиме работы во множестве режимов работы, к оптическому детектору 206, сконфигурированному для разрешения света первой длины волны (λ). В некоторых вариантах осуществления, элемент управления пучком переключается в соответствующий режимы работы с использованием исполнительного механизма 1504, способного регулировать угол при вершине и угол наклона элемента управления пучком.
.
.
[0160] В некоторых вариантах осуществления, исполнительный механизм 1504 является вершинно-наклонным исполнительным механизмом, который вращает элемент 204 управления пучком относительно двух осей. Благодаря перемещению исполнительного механизма 1504, элемент 204 управления пучком устанавливает оптическую связь с соответствующими оптическими детекторами 206. В некоторых вариантах осуществления, исполнительный механизм 1504 является исполнительным механизмом MEMS, например, исполнительным механизмом MEMS гребенчатого типа (см. патент США № 7295726, выданный Milanovic et al, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей) или вершинно-наклонно-поршневым исполнительныым механизмом MEMS (см. Milanovic et al, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 10, No. 3, May/June 2004:462-471, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей).
[0161] В некоторых вариантах осуществления, исполнительный механизм 1504 представляет собой шарнирное устройство, способное отклоняться относительно вертикальной и горизонтальной осей. Например, Texas Instruments (Даллас, Хехас) производит двухосные аналоговые направляющие зеркала MEMS (например, TALP1000B) содержащие одностороннее зеркало на шарнире, которое можно встраивать в описанную здесь систему гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения для точного управления световым пучком. В некоторых вариантах осуществления, зеркало выполнено из монокристаллического кремния, предпочтительно, не имеющего границ блоков. В некоторых вариантах осуществления, зеркальная поверхность покрыта слоем золота. В некоторых вариантах осуществления, устройство MEMS имеет электромагнитный привод, что позволяет работать на низком напряжении и малой мощности.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0162] В некоторых вариантах осуществления, зеркало представляет собой микрозеркало или матрицу микрозеркал. В некоторых вариантах осуществления, площадь поверхности микрозеркала не превышает 0,01 мм, 0,02 мм, 0,03 мм, 0,04 мм, 0,05 мм, 0,06 мм, 0,07 мм, 0,08 мм, 0,09 мм, 0,1 мм, 0,2 мм, 0,3 мм, 0,4 мм, 0,5 мм, 0,6 мм, 0,7 мм, 0,8 мм, 0,9 мм или 1,0 мм. В других вариантах осуществления, площадь поверхности зеркала составляет, по меньшей мере 1 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 7 мм, 8 мм, 9 мм, 10 мм, 11 мм, 12 мм, 13 мм, 14 мм, 15 мм, 16 мм, 17 мм, 18 мм, 19 мм, 20 мм, 21 мм, 22 мм, 23 мм, 24 мм, 25 мм, 30 мм, 35 мм, 40 мм, 45 мм, 50 мм, или более.
[0163] В некоторых вариантах осуществления, модули управления, хранящиеся в системной памяти 1314, управляют: освещением, посредством модуля 1324 управления освещением, направлением пучка к одному или более оптическим детекторам 206 посредством модуля 1326 управления направлением пучка, и временем экспозиции изображения и самими оптическими детекторами посредством модуля 1328 управления оптическими детекторами. Модуль 1326 управления направлением пучка предписывает исполнительному механизму 1504 переключать элемент 204 управления пучком в различные режимы работы, каждый из которых находится в оптической связи с одним из оптических детекторов 206.
[0164] Например, для сбора изображений объекта 1500 для гиперспектрального/мультиспектрального анализа на двух разных длинах волн, λ и λ’, модуль 1324 управления освещением включает первый источник 104-4 света, излучающий свет 1506-4 на первой длине волны (λ), освещающий область 1502, представляющую интерес (ROI) на субъекте 1500. Отраженный или обратнорассеянный свет 1506-4 от субъекта 1500 попадает в объектив или его сборку (не показан) и падает на элемент 204 управления пучком, переведенный в первый режим работы исполнительным механизмом 1504, управляемым модулем 1326 управления направлением пучка, который перенаправляет свет на оптический детектор 206-4, сконфигурированный для разрешения света с длиной волны λ. Затем модуль 1324 управления освещением отключает первый источник 206-4 света и включает второй источник 206-5 света, излучающий свет 506-5 на второй длине волны (λ’), освещающий ROI 1502. Одновременно, модуль 1328 управления направлением пучка подает команду исполнительному механизму 1504 перевести элемент 204 управления пучком во второй режим работы, который находится в оптической связи со вторым оптическим детектором 206-5, сконфигурированным для разрешения света с длиной волны λ’. Таким образом, когда отраженный или обратнорассеянный свет 1506-5 падает на элемент 204 управления пучком, свет 1506-5 перенаправляется на второй оптический детектор 206-5.
[0165] Элемент 204 управления пучком может представлять собой один или более отражающих элементов, способных перенаправлять падающий пучок в одном или более направлениях к детектору(ам). В некоторых вариантах осуществления, элемент 204 управления пучком представляет собой элемент, который отражает свет в одном или более направлениях (например, зеркальный элемент). В конкретном варианте осуществления элемент управления пучком представляет собой плоское зеркало, способное отражать свет в широком диапазоне длин волн. В другом конкретном варианте осуществления, элемент управления пучком представляет собой матрицу зеркал, например, матрицу микрозеркал.
[0166] В одном варианте осуществления, элемент управления пучком состоит из более, чем одного элемента и способен одновременно направлять световые излучения разных длин волн в разных направлениях. В конкретных вариантах осуществления, элемент управления пучком включает в себя первое, горячее зеркало и второе зеркало, расположенное позади горячего зеркала. Горячее зеркало снабжено надлежащим покрытием для отражения света выше или ниже определенной длины волны, будучи прозрачным для света с более низкими или более высокими длинами волн, соответственно.
[0167] Например, в некоторых вариантах осуществления, горячее зеркало снабжено покрытием, отражающим инфракрасное излучение, но пропускающим видимый свет. Благодаря ориентированию горячего зеркала в первом режиме работы, инфракрасный свет отражается к первому оптическому детектору, сконфигурированному для разрешения инфракрасного света. В то же время, видимый свет проходит через горячее зеркало и отражается вторым зеркалом, находящимся в режиме работы, связанным со вторым оптическим детектором, сконфигурированным для разрешения видимого света.
[0168] Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения одновременно освещает ROI 1502 с помощью первого источника света 104-4, испускающего инфракрасное излучение 1506-4, и второго источника света 104-5, испускающего видимый свет 1506-5. Отраженный или обратнорассеянный инфракрасный 1506-4 и видимый 1506-5 свет, проходящий через объектив или его систему (не показан) проецируется на горячее зеркало (не показано), которое отражает инфракрасный свет 1506-4 на первый оптический детектор 206-), сконфигурированный для разрешения инфракрасного света 1506-4. Видимый свет 1506-5 проходит через горячее зеркало и отражается вторым зеркалом (не показано), находящимся в оптической связи со вторым оптическим детектором 206-5, сконфигурированным для разрешения видимого света.
[0169] В некоторых вариантах осуществления, элемент управления пучком представляет собой микросхему, содержащую микроэлектромеханическую систему (MEMS). Микросхема MEMS в общем случае включает в себя двухмерную матрицу отклоняемых зеркал, допускающих раздельное управление. Патент США № 6097859, выданный Solgaard et al., содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей, описывает функциональную конфигурацию такого коммутатора MEMS, избирательного по длине волны (WSS), который принимает длину волны из входного волокна и способен переключать длину(ы) волны на любое из множественных выходных волокон. Полную переключающую матрицу из нескольких сотен микроэлектромеханических зеркал (MEMS) можно изготавливать на кристалле размером менее одного сантиметра, методами, хорошо развитыми в производстве полупроводниковых интегральных схем.
[0170] В некоторых вариантах осуществления, устройство MEMS выполнено по технологии цифровой обработки света (DLP), например, в виде микросхемы цифрового микрозеркального устройства (DMD). Микросхема DMD содержит от сотен до сотен тысяч микрозеркал, размещенных в виде прямоугольной матрицы. В некоторых вариантах осуществления, каждое из зеркал на микросхеме DMD находится во взаимно-однозначном соответствии с пикселем, разрешаемым оптическим детектором. Зеркала в матрице DMD могут по отдельности вращаться на ±10-12 градусов вокруг одной оси, позволяя работать в первом и втором режиме. DMD, используемые в световых проекторах, действуют как каждое микрозеркало по отдельности, с двумя режимами работы, соответствующими первому состояние “включено”, в котором свет проецируется наружу через апертуру, и второму состоянию “выключено”, в котором свет отклоняется в другое место внутри проектора, например, на теплоотвод. Коммерческие микросхемы DMD продаются, например, фирмой Texas Instruments (Даллас, Техас).
[0171] В одном варианте осуществления, каждое из двух вращаемых состояний зеркала DMD находится в оптической связи с двумя оптическими детекторами, соответственно. Соответственно, два изображения, собранные на двух разных длинах волн света, можно собирать одновременно, либо переключая микрозеркало между его двумя вращаемыми состояниями, либо поочередно устанавливая микрозеркала в оптической связи с разными оптическими детекторами. В некоторых вариантах осуществления, микросхема DMD также располагается на исполнительном механизме, имеющем множество режимов работы. Таким образом, когда исполнительный механизм находится в первом режиме работы, зеркала DMD могут находиться в оптической связи с первым или вторым оптическим детектором, тогда как во втором режиме работы, зеркала DMD могут находиться в оптической связи с третьим или четвертым оптическим детектором.
[0172] В некоторых вариантах осуществления, использование микросхемы MEMS, имеющей двухмерную матрицу отклоняемых зеркал, позволяет осуществлять строчную развертку одновременно на одной или более длинах волн. Устройство развертки это устройство, осуществляющее строчную развертку (по вертикали или горизонтали) или развертка пучка в пределах поля зрения детектора. В некоторых вариантах осуществления, система формирования изображения осуществляет строчную развертку во множество малых оптических детекторов (например, однопиксельных датчиков или фотоэлементов) для дальнейшего уменьшения размера и энергопотребления устройства.
[0173] В других вариантах осуществления, зеркало развертки используется для строчной развертки в пределах поля зрения. Зеркало развертки отражает свет от одной строки ROI к оптическому детектору, который захватывает изображение. Получив свет от одной строки, зеркало развертки поворачивается или иначе перемещается для получения света от другой строки. Зеркало развертки продолжает свое вращение, пока последовательно не получит свет от каждой строки ROI. Для строчной развертки ROI можно использовать другие механизмы помимо зеркал развертки, например, сканер фокальной плоскости, описанный в статье Yang et al., “A CCD Camera-based Hyperspectral Imaging System of Stationary and Airborne Applications”, Geocarto International, Vol. 18, No. 2, June 2003, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
D. Подсистема формирователя изображения
[0174] На Фиг.7 показан покомпонентный вид подсистемы 210 формирователя изображения соосной гиперспектральной/мультиспектральной камеры, согласно некоторым вариантам осуществления. Подсистема формирователя изображения включает в себя множество оптических детекторов 206, установленных на гибкой сборке 706 жестких печатных плат через жесткие островки 704 печатной платы (PCB) в электрической связи с ЦП (не показан), причем ЦП, в качестве опции, установлен на или находится в другой электрической связи с материнской платой (не показан), посредством шлейфа или провода 208. Сборка шлейфов/островков PCB присоединена к литому или выточенному держателю 700, в качестве опции, имеющему отдельные прорези 702 для монтажа соответствующих островки 704 PCB, для обеспечения оптического выравнивания с различными режимами работы элемента 204 управления пучком, жесткого монтажа, и для обеспечения вибро- и ударостойкости.
[0175] Оптические детекторы 206 расположены на фиксированном расстоянии от элемента 204 управления пучком и, таким образом, объектива 106 или сборки 202 объектива. В некоторых вариантах осуществления, все оптические детекторы 206 в подсборке 210 формирователя изображения расположены на одном и том же фиксированном расстоянии от элемента 204 управления пучком. Расстояние между оптическим детектором 206 и объективом 106 или сборкой 202 объектива, наряду с размером элементов датчика, которые образуют оптический детектор 206, определяет (частично) спектральное разрешение подсистемы формирователя изображения. Спектральное разрешение, которое представляет собой ширину (например, FWHM) компонентных длин волн, собранных оптическими детекторами, сконфигурировано, например, благодаря тому, что фильтр объектива покрывает оптический детектор 206, быть достаточно малым, чтобы захватывать спектральные признаки медицинских состояний, представляющих интерес.
[0176] Регистрируемая интенсивность компонентных длин волн зависит от многих факторов, в том числе, интенсивности источника света, чувствительность элементов датчика на каждой конкретной компонентной длине волны, отражательной способности или коэффициента пропускания разных компонентов датчика, например, фильтров, поляризаторов и линз, и времени экспозиции элемента датчика компонентной длине волны. Эти факторы выбираются таким образом, чтобы подсистема 210 формирователя изображения могла в достаточной степени определять интенсивность компонентных длин волн, которые позволяют различать спектральные признаки медицинских состояний, представляющих интерес.
1. Фильтры длин волн детектора
[0177] В некоторых вариантах осуществления, фильтры длин волн располагаются поверх множества оптических детекторов для увеличения процента желаемой длины волны или спектральной полосы света, достигающего оптического детектора. Фильтр детектора согласуется с соответствующим фильтром освещения, для увеличения отношения сигнал/шум изображения, захваченного на желаемой длине волны. В некоторых вариантах осуществления, фильтр детектора выбирается из полосового фильтра, длинноволнового фильтра и коротковолнового фильтра.
[0178] В конкретных вариантах осуществления, фильтр освещения по длинам волны является полосовым фильтром, например, фильтром, который пропускает только излучение, имеющее длину волны в определенном диапазоне, в то же время, блокируя другие длины волн. В некоторых вариантах осуществления, спектральная полоса пропускания FWHM фильтра освещения (например, размер полосы пропускания фильтра) не превышает около 100 нм, предпочтительно, не превышает около 50 нм, более предпочтительно, не превышает около 25 нм. В прочих вариантах осуществления, спектральная ширина полосы FWHM фильтра не превышает 250 нм, 200 нм, 200 нм, 175 нм, 150 нм, 150 нм, 125 нм, 100 нм, 90 нм, 80 нм, 75 нм, 70 нм, 65 нм, 60 нм, 55 нм, 50 нм, 45 нм, 40 нм, 35 нм, 30 нм, 25 нм, 20 нм, 15 нм, 10 нм, 9 нм, 8 нм, 7 нм, 6 нм, 5 нм, 4 нм, 3 нм, 2 нм или 1 нм.
[0179] В некоторых вариантах осуществления, полосовой фильтр является узкополосным фильтром. В конкретных вариантах осуществления, узкополосный фильтр имеет спектральную ширину полосы FWHM не более чем 25 нм, 24 нм, 23 нм, 22 нм, 21 нм, 20 нм, 19 нм, 18 нм, 17 нм, 16 нм, 15 нм, 14 нм, 13 нм, 12 нм, 11 нм, 10 нм, 9 нм, 8 нм, 7 нм, 6 нм, 5 нм, 4 нм, 3 нм, 2 нм или 1 нм.
[0180] В некоторых вариантах осуществления, множество полосовых фильтров освещения имеет центральные длины волн, отстоящие друг от друга, по меньшей мере, на 10 нм или, по меньшей мере, на 15 нм, 20 нм, 25 нм, 30 нм, 35 нм, 40 нм, 45 нм, 50 нм, 55 нм, 60 нм, 65 нм, 70 нм, 75 нм, 80 нм, 85 нм, 90 нм, 95 нм, 100 нм или более.
2. Поляризующие фильтры детектора
[0181] В некоторых вариантах осуществления, поляризующие линзы (поляризаторы) располагаются поверх одного или более из множества оптических детекторов 206 для деполяризации света, испытавшего обратное рассеяние от ткани пациента. В некоторых вариантах осуществления, поляризующая линза детектора согласуется с соответствующей поляризующей линзой освещения, для увеличения отношения сигнал/шум изображения, захваченного на желаемой длине волны. В некоторых вариантах осуществления, поляризующая линза детектора выбирается из линейного поляризатора, кругового поляризатора и эллиптического поляризатора.
3. Оптические детекторы
[0182] Оптический детектор может состоять из одного пикселя или множества пикселей, например, будучи датчиком с мегапиксельной матрицей. Пригодные оптические детекторы хорошо известны в технике и включают в себя, без ограничения, прибор с зарядовой связью (ПЗС), комплементарную структуру металл-оксид-полупроводник (КМОП), матрицу видеопреобразователя и фотоэлемент. Матрицы видеопреобразователя и фотоэлементы особенно пригодны для устройства строчной развертки, в котором изображение ROI сканируется в один или более детекторов одновременно по горизонтали и вертикали для попиксельного создания изображения.
[0183] Примеры ПЗС в соответствии с настоящим раскрытием включают в себя, но без ограничения, детекторы на основе Si ПЗС, InGaAs и HgCdTe. Пригодный спектральный диапазон в некоторых вариантах осуществления составляет от 0,3 микрона до 1 микрона, от 0,4 микрона до 1 микрона, от 1 микрона до 1,7 микрона, или от 1,3 микрона до 2,5 микрон. В некоторых вариантах осуществления детектор содержит от 320 до 1600 пространственных пикселей. В других вариантах осуществления, ПЗС имеет больше или меньше пространственных пикселей. В некоторых вариантах осуществления, детектор имеет поле зрения от 14 градусов до 18.4 градусов. В некоторых вариантах осуществления ПЗС осуществляет дискретизацию с разрешением от 3 нм до 10 нм.
[0184] В типичных вариантах осуществления, оптические детекторы покрыты фильтрами детектора, обычно полосовыми фильтрами, сконфигурированными для длины волны, представляющей интерес. В качестве опции, один или более оптических детекторов, установленных в системе формирования изображения, не покрываются фильтром и могут использоваться для получения широкополосного изображения субъекта, для фокусировки изображения субъекта и/или для увеличения или уменьшения масштаба на ROI.
4. Оптимизация времени экспозиции
[0185] Многие преимущества описанных здесь систем и способов гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения вытекают, по меньшей мере, частично, из использования внутриполосного освещения и детектирования по множественным длинам волны/спектральной полосе при соосном выравнивании. Например, внутриполосное освещение позволяет увеличить отношение сигнал/шум и сократить времена экспозиции, что, в свою очередь, приводит к снижению энергопотребления, уменьшению рассогласования вследствие перемещения субъекта и снижению вычислительной нагрузки при обработке результирующих гиперспектральных/мультиспектральных кубов данных.
[0186] Эти преимущества можно дополнительно развить путем минимизации времени экспозиции (например, выдержки затвора), необходимого для обеспечения пригодного отношения сигнал/шум на каждой длине волны, применяемой для формирования изображения. Минимальное время экспозиции, необходимое для разрешения пригодного изображения на каждой длине волны, будет зависеть, по меньшей мере, от чувствительности оптического детектора для конкретной длины волны, характеристик и интенсивности окружающего света, присутствующего при получении изображений, и концентрации меланина в изображаемой коже/ткани.
[0187] В одном варианте осуществления, описанные здесь системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, преимущественно, сокращают суммарное время, необходимое для сбора полного гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, за счет определения конкретного времени экспозиции, необходимого для разрешения каждого субизображения гиперспектрального/мультиспектрального изображения. Каждое из субизображений собирается на разной длине волны или полосе длин волн и, вследствие этого, время, необходимое для разрешения каждого субизображения, будет изменяться как функция длины волны. В некоторых вариантах осуществления, это изменение преимущественно учитывается таким образом, чтобы субизображениям, которые требуют меньшего времени вследствие их длин волн или полос длин волн получения, выделялись более короткие времена экспозиции, тогда как субизображениям, которые требуют большего времени вследствие их длин волн или полос длин волн получения, выделялись более короткие времена экспозиции. Эта инновация позволяет сократить общее время экспозиции, поскольку каждому из субизображений в гиперспектральном/мультиспектральном изображении выделяется только время, необходимое для полной экспозиции, а не “безразмерное” время экспозиции. В конкретном варианте осуществления, постоянные инструкции, закодированные формирователем изображения в постоянной памяти, определяют минимальное время экспозиции, необходимое для получения изображения на каждой длине волны или в каждой полосе длин волн, используемой системой гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения.
[0188] В описанных здесь гиперспектральных/мультиспектральных системах и способах, время экспозиции, используемое для получения изображения, это период времени, в течение которого оптический детектор 206 активно разрешает свет, принимаемый от элемента 204 управления пучком. Соответственно, время экспозиции можно регулировать, управляя временем нахождения элемента управления пучком в оптической связи с конкретным оптическим детектором, управляя временем, в течение которого оптический детектор 206 активно разрешает свет, или их комбинации.
[0189] Один аспект предусматривает постоянный машиночитаемый носитель данных, на котором хранится одна или более программ, исполняемых устройством гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения с помощью центрального процессора, сконфигурированного для исполнения одной или более программ, и подсистемы оптического сбора данных, сконфигурированной для получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани субъекта. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения содержит корпус, имеющий наружную сторону и внутреннюю сторону, и, по меньшей мере, один источник света, присоединенный к корпусу (например, расположенный с наружной стороны корпуса). Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит, по меньшей мере, один объектив, присоединенный к корпусу или размещенный в нем, причем, по меньшей мере, один объектив расположен на пути оптической связи, причем путь оптической связи, содержит начальный конец и завершающий конец. Свет от, по меньшей мере, одного источника света (i) сначала испытывает обратное рассеяние тканью субъекта и (ii) затем проходит от начального конца пути оптической связи, через, по меньшей мере, один объектив, к завершающему концу пути оптической связи. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит элемент управления пучком с внутренней стороны корпуса, причем элемент управления пучком находится в оптической связи с завершающим концом пути оптической связи, причем элемент управления пучком характеризуется множеством режимов работы. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество оптических детекторов, смещенных относительно пути оптической связи, причем каждый соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов находится в оптической связи с элементом управления пучком в соответствующем режиме работы. Устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения дополнительно содержит множество фильтров детектора внутри корпуса, причем каждый соответствующий фильтр детектора во множестве фильтров детектора покрывает соответствующий оптический детектор во множестве оптических детекторов, таким образом, фильтруя свет, принимаемый соответствующим оптическим детектором от элемента управления пучком, благодаря чему, каждый оптический детектор во множестве оптических детекторов сконфигурирован для записи соответствующего субизображения во множестве субизображений на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения. Одна или более программ содержит инструкции для идентификации множества основных времен экспозиции, причем каждое соответствующее основное время экспозиции во множестве основных времен экспозиции, представляет время экспозиции для разрешения соответствующего субизображения, во множестве субизображений, ткани субъекта на длине волны или в полосе длин волн соответствующего субизображения. Первое основное время экспозиции для первого субизображения отличается от второго основного времени экспозиции второго субизображения во множестве субизображений. Одна или более программ дополнительно содержат инструкции для циклирования элемента управления пучком по множеству режимов работы, причем элемент управления пучком остается в каждом соответствующем режиме работы в течение основного времени экспозиции, соответствующего длине волны или полосе длин волн, собираемой оптическим фильтром, соответствующим соответствующему режиму работы, благодаря чему, субизображение записывается на оптическом детекторе, соответствующем соответствующему режиму работы, таким образом, обеспечивая сбор гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани.
[0190] Согласно Фиг.17, в одном варианте осуществления, предусмотрен способ (1700) получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани пациента, причем способ содержит этапы, на которых выбирают (1702) множество длин волн или дискретных полос длин волн для получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения ткани; идентифицируют (1704) минимальные времена экспозиции для разрешения изображения ткани на каждой длине волны или дискретной полосе длин волн; идентифицируют (1710), по меньшей мере, один фактор, влияющий на одно или более минимальных времен экспозиции; регулируют (1718) минимальные времена экспозиции на основании идентифицированных факторов; и получают гиперспектральное/мультиспектральное изображение ткани с использованием отрегулированных минимальных времен экспозиции.
[0191] В некоторых вариантах осуществления, минимальные времена экспозиции основаны на основном освещении ткани и/или чувствительности оптического детектора, получающего изображение.
[0192] В некоторых вариантах осуществления, фактором, влияющим на минимальное время экспозиции, является одно или более из освещения, обеспечиваемого устройством, используемым для получения гиперспектрального/мультиспектрального изображения, окружающего света и концентрации меланина в ткани.
E. Процессорная подсистема
[0193] Фиг.13 схематически иллюстрирует примерный вариант осуществления процессорной подсистемы 1300. Процессорная подсистема 1300 включает в себя один или более центральных процессоров (ЦП) 1308, необязательное главное энергонезависимое запоминающее устройство 1340, например, карту памяти, для хранения программного обеспечения и данных, запоминающее устройство 1340, в качестве опции, управляемое контроллером 1342 хранилища, и системную память 1314 для хранения программ управления системой, данных и прикладных программ, включающих в себя программы и данные, загруженные из энергонезависимого запоминающего устройства 1340. Процессорная подсистема 1300, в качестве опции, включает в себя пользовательский интерфейс 1302, включающий в себя одно или более устройств 1306 ввода (например, сенсорный экран, кнопки или переключатели) и/или дисплей 1304, хотя в некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения может управляться внешним устройством, например, карманным устройством, портативным компьютером или настольным компьютером. Процессорная подсистема 1300 включает в себя один или более интерфейсов 1312 связи для подключения к любому проводному или беспроводному внешнему устройству (например, карманному устройству, портативному компьютеру или настольному компьютеру) или сети связи (например, глобальной сети, например, интернету) 1313. Процессорная подсистема 1300 включает в себя источник 1307 питания для обеспечения питания вышеупомянутых элементов и внутреннюю шину 1310 для взаимного соединения вышеупомянутых элементов системы. Шина 1310 связи может включать в себя схему (иногда именуемую чипсетом), которая соединяет между собой и управляет связью между компонентами системы.
[0194] В некоторых вариантах осуществления, процессорная подсистема 1300 сообщается с сетью 1313 связи, таким образом, позволяя процессорной подсистеме 1300 передавать и/или принимать данные между устройствами мобильной связи по сети связи, в частности, использующей беспроводную линию связи, например, сотовую, WiFi, ZigBee, BluTooth, IEEE 802.11b, 802.11a, 802.11g или 802.11n и т.д. Сетью связи может быть любая пригодная сеть связи, сконфигурированная для поддержки передач данных. Пригодные сети связи включают в себя, но без ограничения, сотовые сети, глобальные сети (WAN), локальные сети (LAN), интернет, IEEE 802.11b, 802.11a, 802.11g или 802.11n беспроводной сети, наземную линию, кабельную линию, оптоволоконную линию и т.д. Система формирования изображения, в зависимости от варианта осуществления или желаемой функциональности, может работать полностью автономно, пользуясь своей собственной вычислительной мощностью, в сети, отправляя необработанные или частично обработанные данные, или одновременно в обоих режимах.
[0195] Память 1314 включает в себя высокоскоростную оперативную память, например, DRAM, SRAM, DDR ОЗУ, или другие твердотельные запоминающие устройства произвольного доступа; и обычно включает в себя энергонезависимые запоминающие устройства наподобие флэш-памяти или другие постоянные твердотельные запоминающие устройства. Память 1314, в качестве опции, включает в себя одно или более запоминающих устройств, расположенных вне ЦП 1308. Память 1314 или, альтернативно, постоянное(ые) запоминающее(ие) устройство(а) в памяти 1314, содержит(ат) постоянный машиночитаемый носитель данных.
[0196] В некоторых вариантах осуществления, работой процессорной подсистемы 1300 управляет, в основном, операционная система 1320, которая выполняется центральным процессором 1308. Операционная система 1320 может храниться в системной памяти 1314. В некоторых вариантах осуществления, процессорная подсистема 1300 не управляется операционной системой.
[0197] В некоторых вариантах осуществления, системная память 1314 включает в себя одно или более из файловой системы 1322 для управления доступом к различным описанным здесь файлам и структурам данных, программного модуля 1324 управления освещением для управления описанным(и) здесь источником(ами) света, программного модуля 1326 управления для управления пучком для управления режимами работы элемента управления пучком, программного модуля 1328 управления оптическим детектором для управления оптическими детекторами и считывания цифровых изображений, полученных таким образом, хранилища 1331 данных цифровых изображений для хранения цифровых изображений 1332, полученных оптическими детекторами, программного модуля 1334 обработки данных для манипулирования полученным изображением или набором изображений, хранилища 1335 данных для гиперспектрального/мультиспектрального куба данных для хранения гиперспектральных/мультиспектральных кубов 1336 данных, собранных из множества гиперспектральных/мультиспектральных плоскостей данных, и программного модуля 1338 управления интерфейсом связи для управления интерфейсом 1312 связи, который подключает к внешнему устройству (например, карманному устройству, портативному компьютеру или настольному компьютеру) и/или сети связи (например, глобальной сети, например интернету).
[0198] Полученные цифровые изображения 1332 и гиперспектральные/мультиспектральные кубы 1336 данных могут храниться в модуле хранения в системной памяти 1314 и не обязаны одновременно присутствовать, в зависимости от того, какие стадии анализа осуществила процессорная подсистема 1300. Фактически, в некоторых вариантах осуществления, до формирования изображения субъекта и после передачи полученных цифровых изображений или самих файлов обработанных данных, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения не содержит ни полученных цифровых изображений 1332, ни гиперспектральных кубов 1336 данных. В других вариантах осуществления, после формирования изображения субъекта и после передачи полученных цифровых изображений или самих файлов обработанных данных, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения оставляет полученные цифровые изображения 1332 и/или гиперспектральные кубы 1336 данных в течение периода времени (например, пока не потребуется место для хранения, в течение заранее определенного промежутка времени и т.д.).
[0199] В некоторых вариантах осуществления, вышеуказанные программы или программные модули соответствуют наборам инструкций для осуществления вышеописанной функции. Наборы инструкций могут выполняться одним или более процессорами, например, ЦП 1308. Вышеуказанные программные модули или программы (например, наборы инструкций) не обязательно реализовывать как отдельные программы, процедуры или модули, и, таким образом, различные поднаборы этих программ или модулей можно комбинировать или иначе реорганизовывать в различных вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления, в памяти 1314 хранится поднабор вышеуказанных модулей и структур данных. Кроме того, в памяти 1314 могут храниться дополнительные модули и структуры данных, не описанные выше.
[0200] Системная память 1314, в качестве опции, также включает в себя один или более из следующих программных модулей, которые не проиллюстрированы на Фиг.13: спектральной библиотеки, которая включает в себя профили для множества медицинских состояний, программного модуля спектрального анализатора для сравнения измеренных гиперспектральных/мультиспектральных данных со спектральной библиотекой, модулей управления для дополнительных датчиков; информации, полученной одним или более дополнительными датчиками, программного модуля построителя изображения для генерации гиперспектрального/мультиспектрального изображения, гиперспектрального/мультиспектрального изображения, собранного на основании гиперспектрального/мультиспектрального куба данных и, в качестве опции, объединенного с информацией, полученной дополнительным датчиком, программного модуля управления объединением для интеграции данных полученных дополнительным датчиком, в гиперспектральный/мультиспектральный куб данных, и программного модуля управления дисплеем для управления встроенным дисплеем.
[0201] При обследовании субъекта и/или наблюдении гиперспектральных/мультиспектральных изображений субъекта, врач может, в качестве опции, обеспечивать ввод в процессорную подсистему 1300, который изменяет один или более параметров, на которых базируется гиперспектральное/мультиспектральное изображение и/или диагностических выход. В некоторых вариантах осуществления, этот ввод обеспечивается с использованием устройства 1306 ввода. Помимо прочего, процессорная подсистема 1300 может получать инструкцию для изменения спектрального участка, выбранного спектральным анализатором (например, для изменения порога аналитической чувствительности) или для изменения внешнего вида изображения, генерируемого построителем изображения (например, для переключения с карты интенсивности на топологическую визуализацию).
[0202] Аналогично, процессорная подсистема 1300 может получать инструкцию для передачи инструкций подсистеме 210 формирователя изображения для изменения свойств восприятия одного из оптических детекторов (например, настройки экспозиции, частоты кадров, скорости интеграции или длины волны, подлежащей детектированию). Можно изменять также и другие параметры. Например, процессорная подсистема 1300 может получать инструкцию для получения широкоформатного изображения субъекта в целях скрининга, или для получения изображения в увеличенном масштабе конкретной области, представляющей интерес.
[0203] В некоторых вариантах осуществления, процессорная подсистема 1300 не включает в себя контроллер 1342 или память 1340. В некоторых таких вариантах осуществления, память 1314 и ЦП 1308, фактически, представляют собой одну или более специализированных интегральных схем chips (ASIC). Например, в некоторых вариантах осуществления, ASIC включает в себя инструкции модуля 1324 управления освещением, модуля 1326 управления направлением пучка, модуля 1328 управления оптическими детекторами, модуля 1334 обработки данных и/или модуля 1338 управления интерфейсом связи. В некоторых вариантах осуществления, ASIC дополнительно включает в себя место для хранения для хранилища 1331 данных полученных цифровых изображений и хранящихся в нем цифровых изображений 1332 и/или хранилища 1335 данных для гиперспектрального/мультиспектрального куба данных и хранящихся в нем гиперспектральных/мультиспектральных кубов 1336 данных.
1. Спектральный анализатор
[0204] В некоторых вариантах осуществления, память 1314 включают в себя спектральную библиотеку и спектральный анализатор для сравнения гиперспектральных/мультиспектральных данных, полученных системой формирования изображения, с известными спектральными шаблонами, связанными с различными медицинскими состояниями. В других вариантах осуществления, анализ полученных гиперспектральных/мультиспектральных данных осуществляется на внешнем устройстве, например, карманном устройстве, планшетном компьютере, портативном компьютере, настольном компьютере, внешнем сервере, например, в облачной вычислительной среде.
[0205] В некоторых вариантах осуществления, спектральная библиотека включает в себя профили для множества медицинских состояний, каждый из которых содержит набор спектральных характеристик, уникальный для медицинского состояния. Спектральный анализатор использует спектральные характеристики для определения вероятности или правдоподобия того, что область субъекта, соответствующая измеренному гиперспектральному/мультиспектральному кубу данных подвергнута медицинскому состоянию. В некоторых вариантах осуществления, каждый профиль включает в себя дополнительную информацию о состоянии, например, информацию о том, является ли состояние злокачественным или доброкачественным, вариантах лечения и т.д. В некоторых вариантах осуществления, каждый профиль включает в себя биологическую информацию, например, информацию, которая используется для изменения условий детектирования для субъектов с разными типами кожи. В некоторых вариантах осуществления, спектральная библиотека хранится в единой базе данных. В других вариантах осуществления, такие данные, напротив, хранятся во множестве баз данных, которые могут размещаться или не размещаться на одном и том же компьютере, например, на двух или более компьютерах, доступных через глобальную сеть. В некоторых вариантах осуществления, спектральная библиотека сохраняется электронными средствами в энергонезависимом запоминающем устройстве 1340 и извлекается по мере необходимости с использованием контроллера 1342 хранилища.
[0206] В некоторых вариантах осуществления, спектральный анализатор анализирует конкретные спектры, полученные из гиперспектрального/мультиспектрального куба данных, спектры, имеющие заранее заданные спектральные диапазоны (например, спектральные диапазоны, специфические для конкретного медицинского состояния), путем сравнения спектральных характеристик заранее определенного медицинского состояния со спектрами субъекта в заданных спектральных диапазонах. Осуществление такого сравнения только в заданных спектральных диапазонах позволяет одновременно повысить точность характеристики и снизить вычислительную мощность, необходимую для осуществления такой характеристики.
MC
MC
NS
[0207] Спектральные характеристики такого медицинского состояния, как ишемия или язва, можно определить, например, идентифицировав сначала фактическое состояние этого типа на другом субъекте, например с использованием традиционного визуального осмотра, и затем получив зависящее от длины волны обратное рассеяние R(λ) репрезентативной области кожи, подвергнутой медицинскому состоянию. Затем обратное рассеяние пораженной кожи R(λ) можно спектрально сравнивать с зависящим от длины волны обратным рассеянием нормальной кожи этого субъекта в той же самой области поражения, R(λ), путем нормализации обратного рассеяния пораженной кожи относительно обратного рассеяния нормальной кожи следующим образом:
MC,N
MC,N
MC
NS
MC,N
MC
NS
MC
NS
MC,N
MC
NS
MC,N
где R(λ) – нормализованное обратное рассеяние пораженной кожи. В других вариантах осуществления, R(λ) альтернативно определяется через разность между R(λ) и R(λ), или путем вычисления R(λ)=[R(λ)-R(λ)]/[R(λ)+R(λ)]. Возможны и другие типы нормализации. Заметим, что при наличии множественных репрезентативных областей пораженной кожи, будет существовать столько же нормализованных значений обратного рассеяния пораженной кожи. Эти нормализованные значения обратного рассеяния можно усреднять, таким образом, учитывая естественное спектральное изменение между разными областями пораженной кожи. Заметим также, что вследствие естественного изменения характеристик нормальной кожи между отдельными личностями, а также потенциальное изменение характеристик конкретного типа пораженной кожи между отдельными личностями, может оказаться полезным основывать модель нормализованного обратного рассеяния R(λ) пораженной кожей на средней величине значений обратного рассеяния R(λ) многих разных образцов пораженной кожи одного и того же типа, а также на средней величине значений обратного рассеяния R(λ) многих разных типов нормальной кожи (например, получая R(λ) для многих разных субъектов, имеющих это медицинское состояние, и усредняя результаты по разным субъектам).
MC,N
region
region
NS
,
субъект
[0208] В одном варианте осуществления, для определения, имеет ли субъект тип медицинского состояния, характеризующийся R(λ), спектральный анализатор получает отражательную способность кожи каждой области, R(λ), из гиперспектрального куба или плоскости измеренных данных (1336). Затем спектральный анализатор нормализует обратное рассеяние R(λ) из этой области относительно зависящего от длины волны обратного рассеяния нормальной кожи субъекта в той же области, R(λ), следующим образом:
,
region,N
где R(λ) – нормализованное обратное рассеяние области. Возможны и другие типы нормализации.
region,N
MC,N
region,N
MC,N
MC,N
region,N
MC,N
[0209] В некоторых вариантах осуществления, спектральный анализатор анализирует спектры субъектов путем сравнения R(λ) с R(λ). В одном простом примере, сравнение производится на основании отношения R(λ)/R(λ) или разности R(λ)-R(λ). Величина отношения или разности указывает, имеет ли какая-либо область спектральные характеристики, согласующиеся с характеристиками пораженной кожи. Однако, хотя вычислять отношения и разности просто, результат такого вычисления сложен и требует дополнительного анализа прежде, чем можно будет поставить диагноз. В частности, деление или вычитание двух спектров, каждый из которых имеет много пиков, генерирует вычисленный спектр, который также имеет много пиков. Некоторые пики в вычисленном спектре могут быть особенно сильными (например, если субъект имеет медицинское состояние, характеризующееся R(λ)), но также могут присутствовать и другие пики (например, вследствие шума или вследствие какой-либо конкретной характеристики субъекта). Врач в смотровом кабинете обычно усматривает значительно больше пользы в простом ответе “да/нет” относительного того, имеет ли субъект медицинское состояние, чем в сложном спектре. Один способ получения ответа “да/нет” состоит в вычислении, имеет ли пик в вычисленном спектре величину, которая выше или ниже заранее определенного порога, и присутствует ли он на длине волны, ожидаемой для этого медицинского состояния.
region,N
MC,N
[0210] Другой способ получения ответа “да/нет” предусматривает рассмотрение R(λ) и R(λ) как векторов и определение “угла” между векторами. Угол представляет степень перекрытия между векторами и, таким образом, представляет вероятность того, что субъект имеет медицинское состояние. Если угол меньше порогового значения, предполагается, что субъект имеет медицинское состояние; если угол не превышает пороговое значение, предполагается, что субъект не имеет медицинского состояния. Альтернативно, на основании значения угла между векторами можно определить вероятность того, что субъект имеет медицинское состояние.
[0211] В одном варианте осуществления, спектральная библиотека может содержать персонализированную базу данных спектральной информации, собранной для конкретного субъекта. Затем персонализированную базу данных можно использовать для мониторинга изменений в субъекте с течением времени. Изменения с течением времени в спектральных характеристиках области на субъекте можно использовать для обеспечения информации, например, по развитию или регрессии медицинского состояния, эффективности лечения и возникновению нового медицинского состояния (например, формирования язвы). Предоставленную информацию можно использовать для информирования о медицинском лечении субъекта. Дополнительные подробности можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0212] В некоторых вариантах осуществления, спектральный анализатор включает в себя натренированный алгоритм анализа данных для идентификации области на коже субъекта, представляющей биологический интерес, с использованием изображения, полученного устройством и/или для определения участка гиперспектрального/мультиспектрального куба данных, который содержит информацию о биологическом поражении в коже субъекта. В соответствии с настоящим раскрытием, для помощи при анализе можно использовать весьма разнообразные методы классификации шаблонов и/или статистические методы. Например, такие методы классификации шаблонов и/или статистические методы можно использовать для (i) помощи в идентификации медицинского состояния субъекта, (ii) помощи в характеристики медицинского состояния субъекта, и (iii) помощи в анализе развития медицинского состояния субъекта (например, обнаружении изменений в составе ткани или раны на коже пациента с течением времени). Дополнительные подробности можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0213] Классификация шаблонов используется для поиска в спектральной библиотеке для идентификации и характеристики медицинских состояний (например, ишемии, язвы, диабета и т.д.), которые характеризуются наблюдаемыми гиперспектральными/мультиспектральными сигнатурами. В некоторых примерах, гиперспектральные/мультиспектральные сигнатуры представляют собой значения конкретных пикселей в изображении кожи субъекта, шаблоны значений конкретных групп пикселей в изображении кожи субъекта, значения конкретных измеренных длин волн или любую другую форму наблюдаемых данных, которые непосредственно присутствуют в спектральных данных и/или которые можно получить из спектральных данных взятой кожи субъекта. В некоторых вариантах осуществления, методы классификации шаблонов, например искусственный интеллект, используются для анализа гиперспектральных/мультиспектральных кубов данных, выхода других датчиков или камер и/или самих гиперспектральных/мультиспектральных изображений (которые могут или не могут быть объединены с другой информацией). Дополнительные подробности можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383; National Research Council; Panel on Discriminant Analysis Classification and Clustering, Discriminant Analysis and Clustering, Washington, D.C.: National Academy Press; и Dudoit et al., JASA 97; 77–87 (2002), содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0214] Соответствующие алгоритмы для правил принятия решения включают в себя, но без ограничения: дискриминантный анализ, включающий в себя линейные, логистические и более гибкие дискриминационные методы (см., например, Gnanadesikan, 1977, Methods for Statistical Data Analysis of MultivariateObservations, New York: Wiley 1977; алгоритмы на основе деревьев, например, деревья классификации и регрессии (CART) и варианты (см., например, Breiman, 1984, Classification and Regression Trees, Belmont, California: Wadsworth International Group); обобщенные аддитивные модели (см., например, Tibshirani, 1990, Generalized Additive Models, London: Chapman and Hall); нейронные сети (см., например, Neal, 1996, Bayesian Learning for Neural Networks, New York: Springer-Verlag; и Insua, 1998, нейронные сети с положительной обратной связью для непараметрической регрессии в: Practical Nonparametric and Semiparametric Bayesian Statistics, pp. 181–194, New York: Springer), содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. Другие пригодные алгоритмы анализа данных для правил принятия решения включают в себя, но без ограничения, логистическую регрессию или непараметрический алгоритм, который обнаруживает различия в распределении значений признаков (например, знаковый ранговый критерий Уилкинсона (неотрегулированный и отрегулированный)).
[0215] В технике известны и другие пригодные алгоритмы анализа данных, некоторые из которых рассмотрены в Hastie et al., (2001, The Elements of Statistical Learning, Springer-Verlag, New York, Chapter 9, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей). Примеры алгоритмов анализа данных включают в себя, но без ограничения: дерево классификации и регрессии (CART), дерево множественной аддитивной регрессии (MART), предсказательный анализ для микроматриц (PAM), и анализ случайного леса. Такие алгоритмы классифицируют сложные спектры и/или другую информацию, давая возможность отличать нормальных субъектов от субъектов, имеющих конкретное медицинское состояние. Другие примеры алгоритмов анализа данных включают в себя, но без ограничения, ANOVA и непараметрические эквиваленты, линейный дискриминантный анализ, логистический регрессионный анализ, анализ на основе классификации ближайших соседей, нейронные сети, анализ главных компонентов, квадратический дискриминантный анализ, классификаторы регрессии и машины опорных векторов. Такие алгоритмы можно использовать для построения правила принятия решения и/или повышения скорости и эффективности применения правила принятия решения и для исключения предвзятости исследователя, специалисту в данной области техники очевидно, что компьютерные алгоритмы не обязательны для осуществления раскрытых способов.
.
[0216] В конкретных вариантах осуществления, пригодные алгоритмы анализа данных выполняемый центральным(и) процессором(ами) 1308 описанных здесь систем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, или внешними устройствами или серверами, используются, например, для определения местоположения и/или степень тяжести диабетических язв стопы или пролежней. В некоторых вариантах осуществления, пригодные алгоритмы анализа данных используются для прогнозирования возможного формирования диабетических язв стопы или пролежней. Неограничительные примеры пригодных алгоритмов анализа данных для этих целей можно найти в Yudovsky D. et al., J Diabetes Sci Technol. (2010) Sep 1; 4(5):1099-113; Yudovsky D. et al., J Biomed Opt. (2011) Feb; 16(2):026009, и Yudovsky D. et al, J Biophotonics (2011) Aug; 4(7-8):565-76, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0217] За дополнительной информацией по использованию натренированных алгоритмов анализа данных для анализа гиперспектральных/мультиспектральных данных, можно обратиться, например, к патентным заявкам США, опубликованным за №№ 2009/0326383 и 2003/0215791, и патентам США №№ 7282723 и 7219086, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
F. Подсистема отображения
[0218] В некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения содержит дисплей 1304, который принимает изображение (например, цветное изображение, монохроматическое изображение или гиперспектральное/мультиспектральное изображение) от модуля управления дисплеем и отображает изображение. В качестве опции, подсистема отображения также отображает легенду, которая содержит дополнительная информация. Например, легенда может отображать информацию, указывающую вероятность того, что область имеет конкретное медицинское состояние, категорию состояния, вероятный возраст состояния, границу состояния, информацию о лечении состояния, информацию, указывающую возможные новые области, представляющие интерес для обследования, и/или информацию, указывающую возможную новую информацию, которая может оказаться полезной для получения диагноза, например, другой тест или другая спектральная область, которую можно анализировать.
[0219] В одном варианте осуществления, дисплей корпуса встроен в корпус системы гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В примере такого варианта осуществления, видеодисплей в электронной связи с процессором 1308 установлен на задней стороне описанной здесь соосной камеры. В конкретном варианте осуществления, дисплей корпуса является дисплеем с сенсорным экраном, который используется для манипулирования отображаемым изображением и/или для управления гиперспектральной/мультиспектральной системой.
[0220] В другом варианте осуществления, интерфейс 1312 связи содержит док-станцию для мобильного устройства, имеющего дисплей мобильного устройства. Мобильное устройство, например смартфон, карманный персональный компьютер (КПК), карманный корпоративный компьютер, планшетный компьютер, IPOD, цифровая камера или портативный музыкальный проигрыватель, может подключаться к док-станции, эффективно устанавливая дисплей мобильного устройства на систему гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения (например, камеру). В качестве опции, мобильное устройство используется для манипулирования отображаемым изображением и/или для управления гиперспектральной/мультиспектральной системой.
[0221] В еще одном варианте осуществления, процессорная подсистема 1300 сконфигурирована находиться в проводной или беспроводной связи с внешним дисплеем, например, на карманном устройстве, планшетном компьютере, портативном компьютере, настольном компьютере, телевизоре, IPOD или проекторе, на котором отображается изображение. В качестве опции, пользовательский интерфейс на внешнем устройстве используется для манипулирования отображаемым изображением и/или для управления гиперспектральной/мультиспектральной системой.
[0222] В одном варианте осуществления, изображение может отображаться в реальном времени на дисплее. Изображение в реальном времени можно использовать, например, для фокусировки изображения субъекта, для выбора надлежащей области, представляющей интерес, и для увеличения или уменьшения масштаба изображения субъекта. В одном варианте осуществления, изображение в реальном времени субъекта является цветным изображением, захваченным оптическим детектором, который не покрыт фильтром детектора. В этих вариантах осуществления, подсистема формирователя изображения содержит оптический детектор, предназначенный для захвата истинных цветных изображений субъекта. В другом варианте осуществления, изображение в реальном времени субъекта является монохроматическим или узкополосным (например, 10-50 нм) изображением, захваченным оптическим детектором, покрытым фильтром детектора. В этих вариантах осуществления, любой оптический детектор, покрытый фильтром детектора в подсистеме формирователя изображения, можно использовать для: (i) разрешения цифровых изображений субъекта для интеграции в гиперспектральный/мультиспектральный куб данных; и (ii) разрешения узкополосных изображений для фокусировки, или иной регулировки оптических свойств системы формирования изображения.
[0223] В некоторых вариантах осуществления, гиперспектральное/мультиспектральное изображение, построенное из данных, собранных системой формирования изображения, отображается на внутреннем дисплее корпуса, установленном дисплее корпуса, или внешнем дисплее. Собранные гиперспектральные/мультиспектральные данные (например, присутствующие в гиперспектральном/мультиспектральном кубе данных) используется для создания двухмерного представления изображаемого объекта или субъекта, на основании одного или более параметров. Модуль построителя изображения, хранящийся в памяти системы формирования изображения или во внешнем устройстве, строит изображение на основании, например, проанализированных спектров. В частности, построитель изображения создает представление информации в спектрах. В одном примере, построитель изображения строит двухмерную карту интенсивности, в которой изменяющаяся в пространстве интенсивность одной или более конкретных длин волн (или диапазонов длин волн) в спектрах представлена соответствующей изменяющейся в пространстве интенсивностью видимого маркера.
[0224] В некоторых вариантах осуществления, построитель изображения объединяет гиперспектральное изображение с информацией, полученной от одного или более дополнительных датчиков. Неограничительные примеры пригодных способов объединения изображений включают в себя: наложение полос, способ высокочастотной фильтрации, интенсивность-цвет-насыщенность, анализ главных компонентов и дискретное вейвлет-преобразование. Дополнительные подробности, касающиеся примерных методов объединения изображений, можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
1. Дисплеи с сенсорным экраном
[0225] В одном варианте осуществления, подсистема отображения включает в себя видеодисплей с сенсорным экраном, которым пользователь может манипулировать, например, для фокусировки изображения, уменьшения или увеличения масштаба в изображении, выбора области изображения для дополнительного анализа, изменения контрастности изображения, изменения параметра гиперспектрального/мультиспектрального изображения (например, режима, представляемых спектральных полос, искусственного окрашивания и т.д.). В конкретном варианте осуществления, подсистема отображения содержит сенсорный экран, перекрывающий второй видеодисплей, например ЖК дисплей, причем сенсорный экран и второй видеодисплей имеют отдельные схемы и шаблоны.
[0226] Сенсорные экраны используют различные технологии для восприятия прикосновения пальца или стилуса, например, резистивные, емкостные, инфракрасные и акустические датчики. Действие резистивных датчиков основано на том, что, в результате прикосновения, два резистивных элемента, перекрывающие дисплей, входят в контакт друг с другом, замыкая резистивную цепь, тогда как действие емкостных датчиков основано на том, что емкость пальца изменяет емкость, регистрируемую матрицей элементов, перекрывающих устройство отображения. Действие инфракрасных и акустических сенсорных экранов аналогично основано на том, что палец или стилус создает препятствие для инфракрасных или акустических волн, распространяющихся по экрану, указывая присутствие и позицию прикосновения.
[0227] В емкостных и резистивных сенсорных экранах часто используются прозрачный проводники, например, оксид индия-олова (ITO) или прозрачные проводящие полимеры, например PEDOT, для формирования матрицы поверх отображаемого изображения, таким образом, чтобы отображаемое изображение можно было видеть сквозь проводящие элементы, используемые для восприятия прикосновения. Размер, форма и шаблон схемы влияют на точность сенсорного экрана, а также на заметность схемы, перекрывающей дисплей. В то время как один слой наиболее пригодных проводящих элементов, перекрывающих дисплей, трудно увидеть, множественные слои могут быть видны пользователю, и некоторые материалы, например, металлические элементы в виде тонких линий не прозрачны, но, благодаря своим малым размерам, ускользают от глаз пользователей.
[0228] За дополнительной информацией по использованию дисплеев с сенсорным экраном, можно обратиться, например, к патентам США №№ 7190348, 7663607 и 7843516 и патентным заявкам США, опубликованным за №№ 2008/0062139, 2009/0046070, 2011/0102361, 2011/0095996, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
G. Дополнительные элементы
[0229] В некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения допускает монтаж на треноге или другой неподвижной конструкции. В некоторых вариантах осуществления, тренога представляет собой треногу фиксированного датчика или треногу фиксированного датчика на колесах. В некоторых вариантах осуществления, гиперспектральный датчик допускает монтаж на подвижной или неподвижной подставке. Например, в некоторых вариантах осуществления, мобильное устройство гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения может быть установлено на подставке или другом постоянном держателе в смотровом кабинете.
III. ОБЗОР СПОСОБОВ
[0230] Фиг.14 иллюстрирует обзор способа (1400) предоставления информации о медицинском состоянии субъекта, с использованием гиперспектрального/мультиспектрального формированияе изображения. Сначала цифровое изображение ROI на субъекте захватывается (1402) на первой длине волны с использованием первых согласованных источника освещения и оптического детектора, включенных в описанную здесь систему гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления, конкретная область субъекта содержит несколько разных смежных или несмежных областей кожи субъекта. Как описано здесь более подробно, в некоторых вариантах осуществления, это изображение получается путем освещения ROI первым узкополосным источником света, расположенным на системе формирования изображения, и направления света, испытавшего обратное рассеяние от ROI, на первый оптический детектор, сконфигурированный для разрешения узкополосного света (например, оптический детектор, покрытый фильтром, согласованным с узкополосным источником освещения) с использованием элемента управления пучком, находящегося в первом режиме работы, в оптической связи с первым оптическим детектором.
.
[0231] На этапе 1404 производится определение, были ли изображения захвачены для всех комбинаций согласованных источника освещения и детектора. Если нет 1404-нет, захватывается дополнительное изображение ROI (например, на второй длине волны с использованием вторых согласованных источника освещения и оптического детектора). Дополнительные цифровые изображения собираются на уникальных узкополосных длинах волн подобным образом, пока изображения ROI не будут получены на всех желаемых длинах волн 1404-да. Количество и идентичность требуемых изображений, разрешаемых на уникальных длинах волн, зависит от оцениваемого(ых) медицинского(их) состояния(ий). В некоторых вариантах осуществления, например, когда ишемическое состояние оценивается путем измерения уровней оксигемоглобина и дезоксигемоглобина на ROI, для анализа требуется всего лишь три длины волн. В других вариантах осуществления, например, где необходимо отличать потенциально раковые поражения кожи от других нарушений пигментации, может потребоваться гораздо больше изображений (см. Nagaoka T. et al, выше).
[0232] В качестве опции, данные, содержащиеся в полученных цифровых изображениях, затем подвергаются предварительной обработке (1406) центральным процессором (ЦП), присутствующим в системе гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. Цифровые изображения можно обрабатывать, например, для регулировки яркости полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), регулировки контрастности полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), удаления артефакта из полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), обрезки полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), обработки одного или более подпикселей полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), уменьшения размера полученного(ых) цифрового(ых) изображения(й), сборки множества полученных цифровых изображений в спектральный гиперкуб, преобразования спектрального гиперкуба, собранного из множества полученных цифровых изображений, форматирования данных, содержащихся в полученном(ых) цифровом(ых) изображении(ях); и/или шифрования данных, содержащихся в полученном цифровом изображении.
[0233] Затем обработанные данные и/или необработанные цифровые изображения передаются на внешнее устройство или сервер на этапе 1408 для дополнительного анализа. Вследствие того, что для анализа наборов гиперспектральных/мультиспектральных данных требуется большая вычислительная мощность, желательно осуществлять как можно больше вычислений на внешнем устройстве или сервере, например, чтобы освободить ЦП в системе формирования изображения для получения изображения и/или для снижения вычислительных требований к системе формирования изображения, особенно в варианте осуществления карманной камеры, работающей на батарейном питании. Неограничительные примеры внешних устройств, пригодных для обработки гиперспектральныых/мультиспектральных данных, включают в себя: карманные устройства, например, смартфон, карманные персональные компьютеры (КПК), IPHONE, карманные корпоративные компьютеры, планшетные компьютеры, настольные компьютеры, портативные компьютеры, серверы, содержащие множественные ЦП, и облачные вычислительные среды. В некоторых вариантах осуществления, обработка и анализ распределяются между множественными устройствами. Например, в одном варианте осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения передает обработанные или необработанные цифровые изображения на карманное устройство (например, смартфон). Смартфон может осуществлять дополнительные этапы обработки и/или начальный анализ данных и затем передавать файлы промежуточных данных на второе устройство или сервер, например, в облачную вычислительную среду, для осуществления вычислительно затратного анализа.
[0234] На этапе 1410, внешнее устройство или сервер определяет, переданы ли данные в формате, пригодном для гиперспектрального/мультиспектрального анализа, например, предварительно собранного спектрального куба данных. В отсутствие данных в пригодном формате 1410-нет, внешнее устройство или сервер соответственно форматируют данные на этапе 1412, например, путем сборки данных в спектральный куб данных. Измерения из множества цифровых изображений можно обрабатывать согласно таким способам, как кластеризационный анализ, анализ главных компонентов или любые аналитические способы, пригодные для обработки таких измерений. В некоторых вариантах осуществления, измерения нормализуются до осуществления любой аналитической обработки.
[0235] Если внешнее устройство или сервер определяет, что данные переданы в формате, пригодном для гиперспектрального/мультиспектрального анализа (1410-да) или до/после надлежащего форматирования, 1412, гиперспектральные/мультиспектральные данные сравниваются, на этапе 1414, с одной или более спектральными сигнатурами в библиотеке спектральных сигнатур, причем каждая спектральная сигнатура в библиотеке соответствует одной или более спектральным характеристикам медицинского состояния. В некоторых вариантах осуществления, медицинское состояние идентифицируется, когда сравнение приводит к идентификации спектральной сигнатуры из библиотеки спектральных сигнатур, которая больше других напоминает спектр в измеренных гиперспектральных/мультиспектральных данных. Результаты такого сравнения можно представить метрикой подобия, например, отношением или матрицей подобия.
.
[0236] Примеры метрик подобия приведены в McGill et al., 1979, “An evaluation of factors affecting document ranking by information retrieval systems”, Project report, Syracuse University School of Information Studies, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. В частности, в таблице 2 McGill et al перечислено 67 разных примерных метрик подобия, которые можно использовать для сравнения измерений из одной или более из множества областей со спектральной сигнатурой в библиотеке спектральных сигнатур. Если метрики подобия превышают определенное значение, соответствующая область будет идентифицирована как подозрительная область. Например, область может быть идентифицирована как подозрительная область, когда метрика подобия между областью и спектральной сигнатурой для медицинского состояния является, например, отношением 0,4 или выше, 0,5 или выше, 0,6 или выше, 0,7 или выше, 0,8 или выше, 0,9 или выше, где 1,0 представляет полную идентичность между областью и спектральной сигнатурой медицинского состояния. Специалисту в данной области техники очевидно, что порог для метрики подобия может различаться для разных типов тканей, подлежащих анализу. Например, может быть труднее получить сигналы для определенного типа тканей, в результате чего, отношение сигнал-шум для конкретной ткани может быть низким; таким образом, это приводит к низким значениям метрик подобия. В некоторых вариантах осуществления, измерения множества областей разрешаются в спектры, где каждый спектр соответствует другой области. Затем спектр, соответствующий конкретной области, сравнивается с сигнатурным спектром, соответствующим медицинскому состоянию. Сигнатурный спектр получается путем производства измерений области, про которую известно, что она имеет медицинское состояние. Специалисту в данной области техники очевидно, что для получения спектральной сигнатуры медицинского состояния можно использовать любые пригодные аналитические способы.
x
p
[0237] Для вычисления метрики подобия (например, корреляционного коэффициента) между измерениями из ROI с одной или более спектральными сигнатурами в библиотеке спектральных сигнатур, можно использовать разнообразные методы. Например, множество признаков можно вычислить из измерений области во множестве областей. Те же признаки можно вычислить из спектральных сигнатур. Одним примером признака является наблюдаемая или регистрируемая интенсивность на конкретной длине волны. Другим примером признака является отношение одной наблюдаемой или регистрируемой интенсивности на одной конкретной длине волны, деленная на другую наблюдаемую или регистрируемую интенсивность на другой конкретной длине волны. Еще одним примером признака является некоторая математическая функция двух или более наблюдаемых или регистрируемых интенсивностей на уникальных длинах волн. Примерные математические функции включают в себя, но без ограничения, мономиальные и полиномиальные функции (например, биномиальные функции, квадратические функции, триномиальная функция и т.д.) любой степени, большей нуля (например, вышеприведенная линейная функция f(x)=a⋅(x)+b, где значение ⎣a⋅(x)⎦ вычисляется для a⋅(x)), рациональные функции (например,  экспоненциальные функции (например, экспоненциально убывающая функция или экспоненциально возрастающая функция), степенные функции (например, f(x)=a, где a и p – действительные числа), степенные ряды (например, степенные ряды относительно переменной x), или любая их комбинация. Таким образом, из каждого гиперспектрального изображения можно вычислить пять или более, десять или более, двадцать или более, или сто или более признаков. Затем значения этих признаком можно использовать как основание для вычисления подобия между такими изображениями.
.
[0238] В некоторых вариантах осуществления, дополнительная информация, собранная из ROI на субъекте, используется для помощи в идентификации медицинского состояния. В некоторых вариантах осуществления, дополнительные данные объединяются с гиперспектральными/мультиспектральными данными, измеренными из множества изображений, полученных из ROI, и объединенные данные сравниваются с библиотекой спектральных сигнатур, содержащих объединенные спектральные и неспектральные сигнатуры. В других вариантах осуществления, дополнительные данные анализируются отдельно от гиперспектральных/мультиспектральных данных, например, сравниваются с отдельной библиотекой сходных сигнатур, для дополнительной характеристики или подтверждения конкретного медицинского состояния. Дополнительные данные можно собирать с использованием любой комбинации датчика, например, датчика LIDAR, датчика формирования теплового изображения, датчика миллиметрового диапазона (микроволнового излучения), датчика цвета, рентгеновского датчика, УФ датчик, БИК датчика, КВИК датчика, СВИК датчика и ДВИК датчика. В некоторых вариантах осуществления, дополнительный датчик встроен в систему гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения. В других вариантах осуществления, дополнительные данные собираются с использованием отдельного устройства. Примерные способы сбора, объединения и обработки дополнительных данных совместно с гиперспектральными/мультиспектральными данными приведены в патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383, поданной Barnes et al, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0239] После идентификации (1414) спектральной сигнатуры, связанной с медицинским состоянием в измеренных гиперспектральных/мультиспектральных данных, информация о медицинском состоянии сообщается (1416) специалисту в области здравоохранения. Эта информация может представлять собой, например, информацию, которая обеспечивает или помогает в обеспечении диагноза для пациента, информацию, которая обеспечивает правдоподобие конкретного диагноза, информацию, которая обеспечивает или помогает в обеспечении прогноза развития заболевания, информацию, которая обеспечивает или помогает в обеспечении прогноза для конкретного курса лечения, информацию, которая обеспечивает или помогает в обеспечении оптимального курса лечения, при возможности более чем одного курса лечения, и информацию, которая обеспечивает правдоподобие ремиссии или безболезненного выживания после лечения.
[0240] На основании предоставленной информации, профессиональный медик (например, врач) может, в качестве опции, составить и/или осуществить план лечения. Например, если субъект диагностирован с раковым поражением, которое нелегко заметить невооруженным глазом, но которое имеет границы, наблюдаемые в гиперспектральном/мультиспектральном медицинском изображении, план лечения может предусматривать иссечение поражения на основании границ, показанных в гиперспектральном/мультиспектральном медицинском изображении.
[0241] В некоторых вариантах осуществления, гиперспектральные/мультиспектральные изображения субъекта, или его ROI, берутся в один момент времени, для оценивания субъекта в этот конкретный момент времени. В других вариантах осуществления, множественные гиперспектральные/мультиспектральные изображения субъекта, или его ROI, берутся за период времени, например, с интервалом в минуту, час, сутки, неделю, месяц, год или десятилетие, для мониторинга, например, общего состояния здоровья субъекта, развития медицинского состояния (например, развития заболевания), регрессии медицинского состояния, эффективности плана лечения, или для проактивного мониторинга субъекта на предмет медицинского состояния.
[0242] Например, в одном варианте осуществления, стопы субъекта, диагностированного с диабетом, периодически изображаются описанными здесь гиперспектральными/мультиспектральными методами для мониторинга начальных признаков формирования диабетической язвы стоп, которая возникает у пятнадцати процентов всех диабетиков (Brem and Tomic-Canic, J Clin Invest. 2007 May; 117(5):1219-22). В различных вариантах осуществления, стопы пациента изображаются, по меньшей мере, раз в неделю, по меньшей мере, раз в месяц, по меньшей мере, раз в три месяца, по меньшей мере, раз в шесть месяцев или, по меньшей мере, раз в год.
IV. Применение гиперспектрального/мультиспектрального медицинского формирования изображения
[0243] В некоторых вариантах осуществления, настоящее раскрытие предусматривает системы и способы гиперспектрального/мультиспектрального медицинского формирования изображения. Эти способы основаны на возможности различать разные взаимодействия, происходящие между светом на разных длинах волн и компонентами человеческого тела, особенно компонентами, расположенными в коже или непосредственно под ней. Например, общеизвестно, что дезоксигемоглобин поглощает большее количество света на длине волны 700 нм, чем вода, в то время как вода поглощает гораздо большее количество света на длине волны 1200 нм, по сравнению с дезоксигемоглобином. Измеряя коэффициент поглощения двухкомпонентной системы, состоящей из дезоксигемоглобина и воды, на длинах волн 700 нм и 1200 нм, можно легко определить индивидуальные вклады дезоксигемоглобина и воды в поглощение системы, и, таким образом, концентрации обоих компонентов. Таким же образом, отдельные компоненты более сложных систем (например, человеческой кожи) можно определить путем измерения поглощения множества длин волн света, отраженного или обратнорассеянного от системы.
[0244] Конкретные взаимодействия между различными длинами волн света, измеренные путем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения и каждым отдельным компонентом системы (например, кожей) создают гиперспектральную/мультиспектральную сигнатуру при построении гиперспектрального/мультиспектрального куба данных из данных. В частности, разные области (например, разные ROI на одном субъекте или разные ROI из разных субъектов) по-разному взаимодействуют со светом в зависимости от присутствия, например, медицинского состояния в области, физиологической структуры области и/или присутствия химиката в области. Например, жир, кожа, кровь и мышечная ткань по-разному взаимодействуют с различными длинами волн света. Аналогично, данный тип ракового поражения взаимодействует с различными длинами волн света иначе, чем нормальная кожа, нераковые поражения и другие типы раковых поражений. Аналогично, данный химикат, который присутствует (например, в крови или на коже), взаимодействует с различными длинами волн света иначе, чем другие типы химикатов. Таким образом, свет, полученный от каждой освещенной области субъекта, имеет спектральную сигнатуру на основании характеристик области, причем сигнатура содержит медицинскую информацию об этой области.
[0245] Например, структуру кожи, несмотря на ее сложность, можно приближенно представить в виде двух отдельных и структурно отличающихся слоев, а именно, эпидермиса и дермы. Эти два слоя имеют весьма отличающиеся свойства рассеяния и поглощения вследствие различий в составе. Эпидермис это наружный слой кожи. Он имеет специализированные клетки, именуемые меланоциты, которые вырабатывают меланиновые пигменты. Свет, в основном, поглощается в эпидермисе, тогда как рассеяние в эпидермисе считается пренебрежимо малым. Дополнительные подробности можно найти в G.H. Findlay, “Blue Skin,” British Journal of Dermatology 83(1), 127-134 (1970), содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0246] Дерма имеет плотное скопление коллагеновых волокон и кровеносных сосудов, сильно отличается своими оптическими свойствами от эпидермиса. Поглощение света бескровной дермы пренебрежимо мало. Однако переносимые кровью пигменты, например, оки- и дезоксигемоглобин, и вода являются основными поглотителями света в дерме. Рассеяние на коллагеновых волокнах и поглощение вследствие хромофор в дерме определяют глубину проникновения света через кожу.
nd
[0247] Свет, используемый для освещения поверхности субъекта, будет проникать в кожу. Степень проникновения света будет зависеть от длины волны конкретного излучения. Например, относительно видимого света, чем больше длина волны, тем глубже свет будет проникать в кожу. Например, лишь около 32% фиолетового света длиной волны 400 нм проникает в дерму человеческой кожи, тогда как более 85% красного света длиной волны 700 нм проникает в дерму или за ее пределы (см. Capinera J.L., Encyclopedia of Entomology, 2 Edition, Springer Science (2008) на странице 2854, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей). В целях настоящего раскрытия, выражения “освещение ткани”, “отражение света от поверхности” и пр., подразумевают, что излучение с длиной волны, пригодной для детектирования, испытывает обратное рассеяние от ткани субъекта, независимо от расстояния, на которое распространяется свет внутрь субъекта. Например, определенные длины волн инфракрасного излучения проникают под поверхность кожи, таким образом, освещая ткань под поверхностью субъекта.
[0248] Кратко выражаясь, свет от осветителя(ей) в описанных здесь системах проникает в поверхностную ткань субъекта, и фотоны рассеиваются в ткани, многократно переизлучаясь в ткани. Некоторые фотоны поглощаются молекулами оксигенированного гемоглобина с известным профилем по спектру света. Аналогично ведут себя фотоны, поглощаемые молекулами деоксигенированного гемоглобина. Изображения, разрешаемые оптическими детекторами, состоят из фотонов света, которые рассеиваются через кожу обратно к линзовой подсистеме. Таким образом, изображения представляют свет, не поглощенный различными хромофорами в ткани и не потерянный вследствие рассеяния в ткани. В некоторых вариантах осуществления, свет от осветителей, который не проникает через поверхность ткани, устраняется с использованием поляризаторов. Аналогично, некоторые фотоны переизлучаются с поверхности кожи в воздух, наподобие солнечного света, отражающегося от поверхности озера.
[0249] Соответственно, разные длины волн света можно использовать для обследования кожных тканей субъекта на разных глубинах. В общем случае, высокочастотный, коротковолновый видимый свет полезен для исследования элементов, присутствующих в эпидермисе, в то время как более низкочастотный, длинноволновый видимый свет полезен для исследования, как эпидермиса, так и дермы. Кроме того, определенные длины волн инфракрасного света полезны для исследования эпидермиса, дермы и подкожных тканей.
[0250] В видимом и ближнем инфракрасном (ВБИК) спектральном диапазоне и при низкой интенсивности облучения, и когда тепловые эффекты пренебрежимо малы, основные взаимодействия света с тканью включают в себя отражение, преломление, рассеяние и поглощение. Для нормального коллимированного падающего излучения, правильное отражение кожи на границе раздела воздух-ткань обычно составляет лишь около 4%-7% в диапазоне длин волн 250-3000 нанометров (нм). Дополнительные подробности можно найти в R.R. Anderson and J.A. Parrish, “The optics of human skin,” Journal of Investigative Dermatology 77(1), 13-19 (1981), содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. Если пренебречь отражением на границе раздела воздух-ткань и предположить полное рассеяние падающего света после рогового слоя, отражательную способность кожи в ВБИК в устойчивом состоянии можно смоделировать таким образом, что свет, оставшийся после поглощения в эпидермисе, затем отражается обратно к слою эпидермиса вследствие изотропного рассеяния в слое дермы, и, наконец, выходит из кожи, снова пройдя через слой эпидермиса.
[0251] Используя двухслойную оптическую модель кожи, обратное рассеяние, в целом, можно смоделировать в виде:
E
D
где T(λ) – коэффициент пропускания эпидермиса, и R(λ) – отражательная способность дермы. Коэффициент пропускания эпидермиса возведен в квадрат, поскольку свет проходит через него дважды, прежде чем выйти из кожи. Предполагая, что поглощение эпидермиса, в основном, определяется концентрацией меланина, коэффициент пропускания эпидермиса можно смоделировать в виде:
E
m
et al.
где d - глубина эпидермиса, c - концентрация меланина и m(λ) - функция коэффициента поглощения для меланина. Дополнительные подробности можно найти в S.L. Jacques, “Skin optics,” Oregon Medical Laser Center News и т.д. (1988), содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. За дополнительной информацией по моделированию отражательной способности, обратного рассеяния, коэффициента пропускания, поглощения и внутреннего рассеяния кожи можно обратиться к патентной заявке США, опубликованной за № 2009/0326383, поданной Barnes , содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0252] Значение обратного рассеяния ткани (например, кожи) как функция длины волны, R(λ), можно использовать для получения медицинской информации о ткани и находящихся под ней структурах. Например, когда в коже вырастают раковые поражения кожи наподобие базально-клеточной карциномы (БКК), сквамозно-клеточной карциномы (СКК) и злокачественной меланомы (ЗМ), молекулярная структура пораженной кожи изменяется. Злокачественная меланома это разновидность рака, который начинается в меланоцитах, присутствующих в слое эпидермиса. Дополнительные подробности можно найти в “Melanoma Skin Cancer,” American Cancer Society (2005), содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей. Большинство клеток меланомы вырабатывают меланин, который, в свою очередь, изменяет характеристики обратного рассеяния как функцию длины волны R(λ) пораженной кожи. Сквамозные и базальные клетки также присутствуют в слое эпидермиса. Самый внешний слой эпидермиса называется роговым слоем. Под ним находятся слои сквамозных клеток. Самая нижняя часть эпидермиса, базальный слой, образован базальными клетками. Сквамозно- и базально-клеточные карциномы вырабатывают определенные вирусные белки, которые взаимодействуют с росторегулирующими белками нормальных клеток кожи. Аномальный рост клеток изменяет характеристики оптического рассеяния эпидермиса и, следовательно, свойства обратного рассеяния кожи как функцию длины волны R(λ). Таким образом, информация о разных состояниях кожи (например, нормальной коже, доброкачественных поражениях кожи и раковых поражениях кожи) можно получить путем характеристики обратного рассеяния R(λ) от ткани.
[0253] Соответственно, описанные здесь системы и способы можно использовать для диагностики и характеристики разнообразных медицинских состояний. В одном варианте осуществления, концентрация одного или более компонентов кожи или крови определяется для оценивания медицинского состояния пациента. Неограничительные примеры компонентов, полезных для медицинского оценивания, включают в себя: уровни дезоксигемоглобина, уровни оксигемоглобина, уровни общего гемоглобина, насыщение кислородом, снабжение кислородом, уровни гидратации, уровни общего гематокрита, уровни меланина, уровни коллагена и уровни билирубина. Аналогично, шаблон, градиент или изменение с течением времени компонента кожи или крови можно использовать для обеспечения информации о медицинском состоянии пациента.
[0254] Неограничительные примеры состояний, которые можно оценивать путем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, включают в себя: ишемию ткани, формирование язвы, развитие язвы, веностаз, венозно-язвенное заболевание, инфекцию, шок, сердечную недостаточность, дыхательную недостаточность, гиповолемию, развитие диабета, застойную сердечную недостаточность, сепсис, обезвоживание, кровотечение, гипертензию, воздействие химического или биологического агента и воспалительную реакцию.
[0255] В одном варианте осуществления, описанные здесь системы и способы используются для оценивания оксигемометрии ткани и соответственно, медицинских состояний, относящихся к здоровью пациента, полученных из измерений кислорода в поверхностной сосудистой сети. В некоторых вариантах осуществления, описанные здесь системы и способы позволяют измерять оксигенированный гемоглобин, деоксигенированный гемоглобин, насыщение кислородом, и снабжение кислородом. Обработка этих данных обеспечивает информацию, помогающую врачу, например, в диагностике, прогнозировании, назначении лечения, назначении операции и проведении операции для таких состояний, как критическая ишемия конечности, диабетические язвы стопы, пролежни, болезнь периферических сосудов, хирургическое здоровье ткани и т.д.
.
.
[0256] В одном варианте осуществления, описанные здесь системы и способы используются для оценивания диабетических и пролежневых язв. Развитие диабетической язвы стоп обычно является результатом разрушения барьера между дермой кожи и подкожным жиром, который служит подушкой для стопы при хождении. Этот прорыв может приводить к увеличению давления на дерму, приводящему к ишемии и, возможно, некрозу ткани, что в итоге проявляется в форме язвы (Frykberg R.G. et al, Diabetes Care 1998;21(10):1714-9). Измерение уровней оксигемоглобина, дезоксигемоглобина и/или насыщения кислородом путем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения может обеспечивать медицинскую информацию, касающуюся, например: вероятности формирования язвы на ROI, диагностирования язвы, идентификации границ язвы, развития или регрессии формирования язвы, прогноза излечения язвы, вероятности ампутации по причине язвы. Кроме того, информацию о гиперспектральных/мультиспектральных способах детектирования и характеристики язв, например, диабетических язв стопы, можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2007/0038042, и Nouvong A. et al, Diabetes Care. 2009 Nov; 32(11):2056-61, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0257] В одном варианте осуществления, описанные здесь системы и способы используются для оценивания шока у субъекта. Клиническое представление шока изменяется от субъекта к субъекту. В то время как обычными индикаторами состояния шока включают в себя низкое кровяное давление, сниженный диурез и смятение, эти симптомы проявляются не у всех субъектов (Tintinalli J.E., “Emergency Medicine: A Comprehensive Study Guide,” New York: McGraw-Hill Companies. pp. 165–172). Однако было установлено, что изменения в насыщении кожи кислородом, первопричина шока, присутствуют как выраженные гиперспектральные картины пятнистого поражения кожи у субъектов, испытывающих геморрагический шок (патентная заявка США, опубликованная за № 2007/0024946). Соответственно, измерение уровней оксигемоглобина, дезоксигемоглобина и/или насыщения кислородом путем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения может обеспечивать медицинскую информацию, касающуюся, например: вероятности входа субъекта в состояние шока, диагноза состояния шока, развития или регрессии состояния шока и прогноза выхода из состояния шока. В некоторых вариантах осуществления, шок представляет собой геморрагический шок, гиповолемический шок, кардиогенный шок, септический шок, анафилактический шок или нейрогенный шок. Способы выявления и характеристики шока можно найти в патентной заявке США, опубликованной за № 2007/0024946, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0258] Дополнительные примеры медицинских состояний, которые можно диагностировать и/или характеризовать способами и системами настоящего раскрытия, включают в себя, но без ограничения: ссадину, алопецию, атрофию, артериовенозную мальформацию, признак Баттла, волдыри, нору, базально-клеточная карциному, ожег, кандидозный пленочный дерматит, болезнь от кошачьих царапин, контактный дерматит, кожную форму синдрома larva migrans, мраморный рисунок кожи, дерматому, экхимоз, веснушки, инфекционную эритему, экссудативную многоформную эритему, струп, экскориация, пятую болезнь, фолликулит, гомологичную болезнь, каплевидный, каплевидный псориаз, заболевание кистей рук, стоп и полости рта, болезнь Шенлейна-Геноха, простой герпес, крапивницу, ауточувствительный дерматит, импетиго, укус насекомого, детский ревматоидный артрит, болезнь Кавасаки, келоид, волосяной кератоз, феномен Кебнера, лангергансоклеточный гистиоцитоз, лейкемию, линейный лихен, лихенификацию, гроздевидную кожу, лимфангиит, корь, менингококкемия, контагиозный моллюск, нейрофиброматоз, невус, дерматит от сумаха укореняющегося, псориаз, чесотку, скарлатину, шрам, себорейную экзему, сывороточную болезнь, шагреневую бляшку, синдром Стивенса-Джонсона, малиновый язык, шестосомный дерматит, телеангиэктазия, стригущий лишай, трихофитию гладкой кожи, туберозный склероз, крапивницу, ветряную оспу, опоясывающий лишай, волдырь, ксантома, напоминающий опоясывающий лишай, базально-клеточную карциному, сквамозно-клеточную карциному, злокачественную меланому, выбухающую дерматофибросаркому, карциному из клеток Меркеля и саркому Капоши.
[0259] Другие примеры медицинских состояний включают в себя, но без ограничения: жизнеспособность ткани (например, является ли ткань мертвой или живой, и/или прогнозируется ли, что она останется живой); ишемию ткани; злокачественные клетки или ткани (например, отделение злокачественной опухоли от доброкачественной, дисплазии, предраковую ткань, метастаз); инфицирование и/или воспаление ткани; и/или присутствие патогенов (например, бактериальных или вирусных культур). Некоторые варианты осуществления включают в себя дифференциацию разных типов ткани друг от друга, например, дифференциацию костной ткани от мышечной ткани, кожи и/или сосудистой сети. Некоторые варианты осуществления исключают характеризацию сосудистой сети.
.
.
.
[0260] В прочих вариантах осуществления, предусмотренные здесь системы и способы можно использовать в ходе операции, например, для определения хирургических краев, оценивания правильности хирургических краев до или после резекции, оценивания или мониторинга жизнеспособности ткани в почти реальном времени или реальном времени, или для помощи в операции на основе изображений. Дополнительную информацию по использованию гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения в ходе операции можно найти в Holzer M.S. et al, J Urol. 2011 Aug; 186(2):400-4; Gibbs-Strauss S.L. et al, Mol imaging. 2011 Apr; 10(2):91-101; и Panasyuk S.V. etal, Cancer Biol Ther. 2007 Mar; 6(3):439-46, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
et al.
[0261] Дополнительную информацию по использованию гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения в медицинских оценкам, можно найти, например, в Chin J.A. , J Vasc Surg. 2011 Dec; 54(6):1679-88; Khaodhiar L. et al., Diabetes Care 2007;30:903–910; Zuzak K.J. et al., Anal Chem. 2002 May 1;74(9):2021-8; Uhr J.Вт. et al., Transl Res. 2012 May; 159(5):366-75; Chin M.S. et al., J Biomed Opt. 2012 Feb; 17(2):026010; Liu Z. et al., sensors (Basel). 2012; 12(1):162-74; Zuzak K.J. et al., Anal Chem. 2011 Oct 1;83(19):7424-30; Palmer G.M. et al., J Biomed Opt. 2010 Nov-Dec; 15(6):066021; Jafari-Saraf and Gordon, Ann Vasc Surg. 2010 Aug; 24(6):741-6; Akbari H. et al., IEEE Trans Biomed Eng. 2010 Aug; 57(8):2011-7; Akbari H. et al., Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009:1461-4; Akbari H. et al., Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2008:1238-41; Chang S.K. et al., Clin Cancer Res. 2008 Jul 1;14(13):4146-53; Siddiqi A.M. et al., рак. 2008 Feb 25;114(1):13-21; Liu Z. et al., Appl Opt. 2007 Dec 1;46(34):8328-34; Zhi L. et al., Comput Med Imaging Graph. 2007 Dec; 31(8):672-8; Khaodhiar L. et al., Diabetes Care. 2007 Apr; 30(4):903-10; Ferris D.G. et al., J Low Genit Tract Dis. 2001 Apr; 5(2):65-72; Greenman R.L. et al., Lancet. 2005 Nov 12;366(9498):1711-7; Sorg B.S. et al., J Biomed Opt. 2005 Jul-Aug; 10(4):44004; Gillies R. et al., and Diabetes Technol Ther. 2003;5(5):847-55, содержание которых, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
V. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0262] Настоящее раскрытие базируется, по меньшей мере, частично, на компоновке оптических элементов в системе гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения, которая позволяет осуществлять истинное соосное формирование изображения на множественных длинах волн. Хотя предусмотренные здесь способы и системы для соосного гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения особенно пригодны для медицинского формирования изображения и диагностики, описанную здесь конкретную компоновку оптического элемента можно также успешно применять в других областях.
[0263] В одном варианте осуществления, настоящее раскрытие предусматривает систему гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения для удаленного считывания. Например, система формирования изображения, содержащая мощный объектив, элемент управления пучком, имеющий множество режимов работы, и множество оптических детекторов, большинство или все из которых покрыты надлежащим фильтром, может быть установлена на спутнике. Гиперспектральный/мультиспектральный спутник можно использовать, например, в: геологической разведке, например, в горнодобывающей и нефтяной промышленности для поиска выходов нефти (Ellis J., "Searching for oil seeps and oil-impacted soil with hyperspectral imagery”, Earth Observation Magazine, Jan 2001) или карманов других минеральных ресурсов; сельскохозяйственной разведке, например, мониторинге зерновых или идентификации пригодной почвы; наблюдении, например, в рекогносцировке местности; химическом формировании изображения, например, для обнаружения опасных или токсичных агентов или химических эмиссий; и мониторинге окружающей среды; например, мониторинге уровней химикатов в атмосфере и субатмосферных областях.
[0264] Дополнительно, низкая максимальная требуемая мощность описанных здесь систем гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения обуславливает высокую пригодность устройств для других портативных применений. Например, в качестве карманного устройства, используемого на поле боя для быстрого определения состояния раненого солдата или для обнаружения присутствия химического агента. За дополнительной информацией по использованию гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения для сортировки или других боевых вариантов осуществления, можно обратиться к патентной заявке США, опубликованной за № 2007/0024946, содержание которой, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0265] В другом варианте осуществления, описанное здесь портативное гиперспектральное/мультиспектральное устройство можно использовать для обнаружения опасных эмиссий, идентификации химических выбросов, или иной идентификации небезопасных условий работы, например, на фабрике, нефтеперегонном заводе или химическом заводе. В некоторых вариантах осуществления, система гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения может крепиться на стене, потолке, колонне и т.д., на заводе или фабрике для непрерывного мониторинга атмосферных условий для безопасных условий работы.
[0266] В другом варианте осуществления, описанное здесь портативное гиперспектральное/мультиспектральное устройство можно использовать для судебного анализа. В некоторых вариантах осуществления, предусмотренные здесь гиперспектральные/мультиспектральные способы и системы можно использовать, например: для определения времени смерти на основании изменения химии клеток, анализируемой формирователем изображения; оценки близости произведенного выстрела на основании остатка, оставшегося на цели; определения степени тяжести тупой травмы; определения, наступила ли кислородная недостаточность до или после смерти; оценивания лекарственного состояния; идентификации местоположения и состава телесных жидкостей, присутствующих на месте преступления; определения, является повреждение старым или новым; производства оценок на месте; обнаружения улик и обеспечения оценивания на месте (например, идентификации стреляных гильз на большой площади); определения местоположения рукотворных объектов; оценивания механически обработанных поверхностей, имеющих изменяющиеся поляризационные и спектральные характеристики, анализа телесных жидкостей, рассеянных по большой площади; идентификации места удара; оценивания места ДТП в целом (в отличие от выборки отдельных точек в сцене), идентификации разных волос для анализа ДНК; обнаружения и выделения волос на ковре; и анализа химических остатков, присутствующих на поверхности или субъекте (например, пороха). За дополнительной информацией по использованию гиперспектрального/мультиспектрального формирования изображения в судебной экспертизе, можно обратиться к патенту США № 6640132, выданному Freeman и Hopmeier, содержание которого, таким образом, включено сюда посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
[0267] Аспекты раскрытых способов можно реализовать в виде компьютерного программного продукта, который включает в себя механизм компьютерной программы внедренный в постоянный машиночитаемый носитель данных. Кроме того, любой из раскрытых здесь способов можно реализовать в одном или более компьютерах или других формах устройства. Кроме того, любой из раскрытых здесь способов можно реализовать в одном или более компьютерных программных продуктах. Некоторые раскрытые здесь варианты осуществления предусматривают компьютерный программный продукт, где закодированы какие-либо или все из раскрытых здесь способов. Такие способы могут храниться на продукте для хранения информации типа CD-ROM, DVD, магнитного диска или любом другом машиночитаемом продукте для хранения данных или программ. Такие способы также могут быть внедрены в постоянное хранилище, например, ПЗУ, одну или более программируемых микросхем или одну или более специализированных интегральных схем (ASIC). Такое постоянное хранилище может располагаться на сервере, точке доступа 802.11, беспроводном мосте/станции 802.11, ретрансляторе, маршрутизаторе, карманном мобильном устройстве, портативном компьютере, настольном компьютере или других электронных устройствах.
[0268] Некоторые варианты осуществления предусматривают компьютерный программный продукт, который содержит какие-либо или все из программных модулей, показанных на Фиг.13. Эти программные модули могут храниться на продукте для хранения информации типа CD-ROM, DVD, магнитного диска или любом другом машиночитаемом продукте для хранения данных или программ. Программные модули также могут быть внедрены в постоянное хранилище, например, ПЗУ, одну или более программируемых микросхем или одну или более специализированных интегральных схем (ASIC). Такое постоянное хранилище может располагаться на сервере, точке доступа 802.11, беспроводном мосте/станции 802.11, ретрансляторе, маршрутизаторе, мобильном телефоне или других электронных устройствах.
[0269] В одном аспекте, настоящее раскрытие предусматривает постоянный машиночитаемый носитель данных, на котором хранится одна или более программ, исполняемых компьютером для сбора соосно выровненных гиперспектральных/мультиспектральных изображений объекта или субъекта на множестве узкополосных длин волн. Согласно Фиг.16, в одном варианте осуществления, программа содержит инструкции для: включения (1602) первого источника освещения, способного испускать узкополосный свет, имеющий первую длину волны, переключения (1604) элемента управления пучком в первый режим работы в оптической связи с первым оптическим детектором, сконфигурированным для разрешения узкополосного света, имеющего первую длину волны; захвата (1606) изображения объекта или субъекта, освещаемого светом, излучаемым первым источником освещения, с использованием первого оптического детектора; отключения (1608) первого источника освещения; включения (1610) второго источника освещения, способного испускать узкополосный свет, имеющий вторую длину волны; переключения (1612) элемента управления пучком во второй режим работы в оптической связи со вторым детектором, сконфигурированным для разрешения узкополосного света, имеющего вторую длину волны; захвата (1614) изображения объекта или субъекта, освещаемого светом, излучаемым вторым источником освещения, с использованием второго оптического детектора; повторения этапов с 1608 по 1614 при необходимости для сбора нужного количества изображений на разных длинах волн; в качестве опции, сборки данных, содержащихся в каждом захваченном изображении, в гиперспектральный куб данных; и, в качестве опции, сравнения данных в гиперспектральном кубе данных, с библиотекой спектральных сигнатур, связанных с одним или более описанными здесь медицинскими состояниями.
[0270] В некоторых вариантах осуществления, программа дополнительно содержит инструкции для осуществления, по меньшей мере, одного из: регулировки яркости полученного изображения, регулировки контрастности полученного изображения, удаления артефакта из полученного изображения, обрезки полученного изображения, обработки одного или более подпикселей полученного изображения, уменьшения размера полученного изображения, сборки множества полученных изображений в спектральный гиперкуб, преобразования спектрального гиперкуба, собранного из множества полученных цифровых изображений, форматирования данных, содержащихся в полученном изображении, и шифрования данных, содержащихся в полученном изображении.
[0271] В других вариантах осуществления, предусмотрены дополнительные программы для эксплуатации гиперспектральных систем формирования изображения и сбора описанных здесь гиперспектральных данных. Например, в некоторых вариантах осуществления, программы включают в себя инструкции для одновременного освещения множественными источниками света, одновременного сбора множественных изображений с использованием множественных оптических детекторов, управления матрицами зеркал MEMS или микрозеркал MEMS, сбора изображений в режимах работы строчной развертки и т.д.
ССЫЛКИ
[0272] Все приведенные здесь ссылки, таким образом, включены в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме и для всех целей в той же степени, как если бы каждая отдельная публикация или патент или патентная заявка была в частности и по отдельности указана для включения посредством ссылки в полном объеме и для всех целей.
[0273] Специалист в данной области техники может предложить многочисленные модификации и вариации данной заявки, не выходя за рамки ее сущности и объема. Описанные здесь конкретные варианты осуществления представлены исключительно в порядке примера, и заявка подлежит ограничению только положениями нижеследующей формулы изобретения, совместно с полным объемом эквивалентов, предусмотренных формулой изобретения.