与成像和激光测量结合的检查的制作方法

本发明涉及一种能够将通过对样品进行成像而在大范围上获得的信息与有关样品的某些特性的局部请求信息融合的装置。

背景技术：

成像技术通常用于研究样品(例如，生物组织)的特性。特别地，即使在空间扩展的样品(例如，完整的器官)上也可以非常快速地获得光学图像。例如，这样的图像可以包含关于由光源提供的光谱的哪一部分被样品反射的信息。

有时，该信息不足以对调查开始时提出的问题做出定论。例如，组织中的光学变化可能是由于疾病引起的，但也可能有其他原因。例如通过分子特异性拉曼光谱法进行的化学检查可以阐明组织中是否存在肿瘤标志物。

然而，这种研究难以在体内进行。大多数通过拉曼光谱法进行研究的仪器被设计用于分析载玻片或比色皿上的小样品，这些小样品必须首先从扩展的器官中取出。这样的装置的例子是通过拉曼光谱仪扩展的光学显微镜。原则上，激光束可以从更大的距离对准器官。然而，然后难以收集足够的在所有方向上发射的拉曼散射光。

技术实现要素：

问题与解决方案

因此，本发明的目的是提供一种装置，利用该装置可以通过激光束在空间扩展的样品上局部询问特性，由此与现有技术相比，信噪比得以改善，并且如此获得的信息也可以与通过成像在大范围上获得的信息融合。

根据本发明，该任务是通过根据主要权利要求的设备来解决的。进一步有利的设计从引用主要权利要求的从属权利要求得到。

本发明的主题

在做出本发明时，开发了一种用于检查样品的装置。该装置包括用于获得样品的概览图像的成像装置，例如相机或相机阵列。该装置还包括：测量仪器，用于通过从孔眼射出的激光束来局部询问样品的至少一个特性；跟踪装置，用于确定样品上当前正在通过激光束询问的位置；以及存储器，在该存储器中通过激光束询问的特性与所确定的样品上的位置相关联。

根据本发明，上述跟踪装置被设计为通过对由此从概览图像产生的激光点进行评估来确定激光束照到样品上的位置，和/或通过测量孔眼的位置和取向来确定该位置。

已经认识到，通过这种方式，即使在空间扩展的样品(例如，完整的器官)的情况下，也可以通过孔眼接近样品。因此，在通过激光束询问时，孔眼可以覆盖样品本身发光的空间角的大部分。然后，可以收集该光的大部分并将其用于评估。

与通过拉曼光谱仪扩展的上述显微镜相比，这代表了范例转变(paradigmshift)。对于这些显微镜，例如，由于将样品安装在以限定的方式相对于孔眼移动的定位台上，因此预先知道了要通过激光束检查的样品的位置。这使将通过激光束扫描的特性分配给样品上的特定位置一点也不难。已经认识到，对于空间扩展的样品，技术上难以从远距离以已知的方式将孔眼移动到靠近样品。相反，有利的是，首先完全放弃样品上的哪个位置当前正在通过激光束扫描的知识，并稍后再次对其进行确定。

然而，通过激光束询问样品上的特性的概念不限于以下事实：样品响应于激光束而产生光信号并且对该信号进行评估。例如，样品也可以通过激光束进行局部加热，并且可以通过热成像相机在远场中观察这种加热。同样地，可以从样品局部去除材料，然后将该材料吸入质谱仪以确定其化学组成。

在本发明的特别有利的配置中，孔眼是探针的一部分，该探针可以由装置的操作者手动引导至样品。尽管通常目的是使尽可能多的步骤自动化和机械化，但是在操作过程中检查组织时，对孔眼进行手动定位是特别有利的。在这种情况下，通过机械臂进行机械定位将需要相当大的工作量，由此必须特别地确保安全性，使得不会因机械臂的力过大而造成伤害。机械臂也需要大量空间，而在操作场景中通常没有大量空间。现在通过手动定位并将自动化转移到对样品上检查位置的随后确定，可以将一方面的操作者的力量与另一方面的技术最佳地结合在一起。这也可以实现不受特定位置限制的可运输单元。

手动操作性的概念不限于将探针握在手中。相反，该术语还包括例如将探针通过内窥镜的工作通道引导至器官。

通常，由于时间限制，不使用激光束详细地检查整个扩展样品，而是基于概览图像来选择特定位置进行这种检查。在此，操作者可以使用快速的手眼协调能力，同时利用触摸感来避免因在组织上用力过大而造成的伤害。因此，操作者可以完全专注于检查的医学方面，而背景技术中的装置则负责将通过激光束详细检查的结果与概览图像合并的复杂性。

有利地，探针具有用于通过测量仪器询问特性的手动操作的触发器。不可能为每种检查实时询问特性。例如，对拉曼光谱的记录可能需要几秒钟。这可能意味着在将探针定位在关注点之后，可能需要等待当前记录的结束。另一方面，如果通过按下触发器开始记录，则无需等待时间。

如果探针与样品之间的距离发生变化，则从孔眼出射的激光束的焦平面也可能发生变化。这在多大程度上影响了通过激光束对样品特性的询问取决于在询问中使用的物理对比机制和询问的速度。例如，对拉曼光谱的采集可能需要几秒钟，并且在探针与样品之间的相对运动过大时，就会变得“模糊”，类似于以对应较长的曝光时间拍摄的照片。相对运动可能例如由探针的手动引导而引起，但是也可能例如由可以是活体器官的样品的自然运动而引起。因此，在本发明的另一个特别有利的配置中，设置有跟踪装置，该跟踪装置被设计为关于孔眼与样品之间的距离的变化来跟踪从孔眼射出的激光束的焦平面。

这些跟踪装置例如可以被设计为自动地重新调节激光器的焦平面和/或耦合到通向孔眼的光波导中的光的焦平面。为此，可以通过任何方式确定探针与样品之间的距离。例如，探针可以具有用于探针与样品之间距离的测量装置。该测量装置例如可以具有用于电磁波和/或用于超声波的发射器以及用于由样品反射的波或由样品反射的超声波的接收器。然而，也可以例如根据表示探针和样品的任何图像来确定孔眼与样品之间的距离。该图像例如可以是相机图像，但是也可以通过任何其他方式获得，例如通过评估太赫兹辐射。

重新聚焦可以例如通过快速的机械移动机构、借助于液体透镜或通过任何其他自适应光学器件来进行。

焦平面的跟踪还特别是可以在孔眼在样品上的扩展区域上(例如，手动地)移动时保持焦平面的稳定。结果，在样品的不同位置获得的测量值对于样品的特性变得更具可比性。

在本发明的一个特别有利的实施方式中，跟踪装置包括图像评估逻辑，该图像评估逻辑适于将概览图像的亮度超过阈值的位置、概览图像的亮度的重心和/或概览图像的亮度的空间轮廓与激光束的光束轮廓相匹配的位置识别为样品上当前通过激光束扫描的位置。激光比例如灯光要强得多地定向，通过它产生光学概览图像，并且因此通常在亮度方面占主导地位。如果样品的一部分具有与激光束相同的颜色，则也可以可靠地识别当前通过激光束扫描的位置。

在本发明的另一个有利的配置中，设置有用于以频率w对激光束进行强度调制的调制器。此外，将用于获得概览图像的装置扩展成使得该装置能够记录概览图像的时间顺序。跟踪装置包括图像评估逻辑，该图像评估逻辑被设计为从概览图像的时间顺序中识别样品上以频率w调制亮度的位置作为样品上当前正在通过激光束扫描的位置。通过这种方式，即使使用的激光强度非常低并且由激光束引起的亮度落后于由其他光源引起的主导程度，也仍然可以识别当前扫描的位置。

在本发明的另一个特别有利的配置中，跟踪装置包括用于在空间上跟踪孔眼或探针的至少两个激光扫描仪或无线电发射器。这些装置例如可以放置在手术室的角落中，在这些角落中它们不会发生干扰，并且在整个手术室内跟踪探针的位置和取向。

在本发明的另一个有利的配置中，测量仪器还包括扫描装置，该扫描装置被设计为改变激光束从孔眼出射的角度。通过这种方式，可以扩展通过激光束进行的点状检查，以检查样品上的有限区域。

在本发明的特别有利的配置中，测量仪器包括用于询问样品的化学组成的拉曼光谱仪。每个分子在拉曼光谱中都有特征性的指纹，使得例如混合物的组成也可以清楚地确定。特别地，可以通过肿瘤标志物的存在来清楚地识别肿瘤组织。此外，由于通过样品拉曼散射光散射的光与用于扫描的激光束发生了波长偏移，因此可以通过光谱过滤来将通过样品拉曼散射光散射的光与激光束分离。

任何期望的校正都可以应用于拉曼光谱。例如，可以使用多项式、emsc或最小二乘法通过拟合来分离荧光背景。

在本发明的特别有利的配置中，将一方面的激发激光器和另一方面的拉曼光谱仪经由分光比依赖于波长的光纤耦合器连接至通向孔眼的公共光纤。为此目的，光纤耦合器可以包含例如二向色镜。通过这种方式，甚至可以覆盖激发激光器、光谱仪和样品之间几米的较大距离。因此，激发激光器和光谱仪不必例如在紧靠手术场地附近占据手术室的空间，而是可以位于它们不干涉的地方。为了避免绊倒的危险，可以通过任何方式(例如，从手术室的天花板)将带有探针的光纤引导至装置的操作者。

在本发明的另一个特别有利的配置中，设置有输出单元，该输出单元被设计为将存储在存储器中并通过激光束扫描的特性的表示叠加在样品的通过存储器相关联的位置处的概览图像上。通过这种方式，概览图像以操作者直接可见的方式升级为“增强现实”。

例如，可以通过要搜索的化学物质标准来评估拉曼光谱。例如，可以以获得最大匹配的方式将来自该标准的物质的拉曼光谱的线性组合拟合到记录的拉曼光谱中。然后，线性组合的系数提供关于探求物质在探求位置存在的比例的信息。现在，例如，可以为来自标准的每种物质分配一种颜色，并且这些颜色可以应用于例如由线性组合的系数确定的强度表示中。

可以自由选择要搜索的物质标准，并且该要搜索的物质标准特别是可以由操作者进行动态调整。例如，为了清楚起见，可以隐藏某些物质。

在本发明的另一个特别有利的配置中，设置有投影仪，该投影仪被设计为将存储在存储器中并通过激光束在通过存储器相关联的位置处扫描的特性的表示投影到样品上。由此，可以将“增强现实”进一步改善到操作者不再需要在样品(例如，器官)和计算机屏幕之间来回移动视线的程度。例如，操作者可以将探针移动到对其化学组成感兴趣的器官区域上，并将通过拉曼光谱法确定的化学组成直接“绘制”到器官本身上。投影在较长的操作期间特别有利，因为在器官和计算机屏幕之间的每次视野的改变都需要将眼睛调整到不同的距离。随着时间推移，这些改变可能会很累人。

在本发明的另一个特别有利的配置中，成像装置包括明场相机。然后，所捕获的概览图像对应于人类正常的观看方式。因此，在这方面，操作者不必习惯于在样品和显示概览图像的计算机屏幕之间来回移动视线。

在本发明的另一个特别有利的配置中，成像装置被设计为拍摄样品的三维概览图像。三维概览图像可特别用于控制投影仪，以将询问到的特性的表示在存储器中相关联的正确位置投影到样品上。成像装置可以特别地包括立体相机和/或带式测光装置。

例如，可以通过对在不同方向的照明下拍摄的概览图像进行最小二乘拟合来确定照射在样品上的局部入射角，并因此确定样品表面的局部取向。然后确定导致强度分布与实际观察到的强度分布最不矛盾的样品表面的取向。

在本发明的另外的特别有利的实施方式中，设置有切换装置，该切换装置被设计为在用于感测样品特性的第一较低水平与用于从样品去除材料和/或用于改变样品的材料的第二较高水平之间切换激光束的强度。例如，该切换装置可以是挡板或普克尔斯盒。然后，还可以将该装置用于改变通过激光束扫描的特性。例如，可以消融化学污染物或肿瘤组织。

用于消融和/或改性材料的激光器不必与用于询问的激光器相同。也可以通过将光束路径从强度更高的第二激光器释放到样品来切换激光强度。例如，用于扫描的激光器可以是连续波激光器，而用于消融和/或改性的激光器发射非常高强度的超短脉冲。这样的脉冲可以直接与待消融材料的原子的电子壳相互作用。然后可以使该材料消融，而无需在很大程度上加热样品的周围区域。

特别地，切换装置可以由安装在手动引导的探针上的手动触发器来控制。然后，操作者可以例如使用上述“增强现实”来将探针用作“化学擦除器”，以通过使探针扫过它们而直接“擦除”检测到的不良物质或组织变化。

在这种情况下，应注意的是，尽管使用该装置来辅助手术是必不可少的“用例”，但不限于此。例如，也可以通过手动引导的探针检查由金属合金或塑料混合物组成的组件，以确定合金或混合物的组成在整个部件上是否是均质的，因此确定该部件是否具有完全由该组成保证的使用特性。以相同的方式，例如，可以检查焊缝或粘合接头以确定各自的特性是否均匀的。在胶合接头的情况下，例如，可以识别粘合剂没有反应到其硬化形式的区域。在此可能的错误来源例如是在光活化粘合剂的情况下的照明不足或多组分粘合剂的组分混合不充分。

在本发明的另一种特别有利的构造中，切换装置连接至测量装置，使得在通过激光束扫描的特性满足预定条件时，切换装置被自动触发。例如，在通过激光束扫描的位置处已经识别出某种物质时，可以自动启动切换装置。因此，可以通过由某种化学物质的存在触发的自动触发机构来启动切换装置。化学物质的存在可以例如通过拉曼光谱法来检测，但是例如也可以通过响应于用于询问的激光束而发出荧光来检测。这使使用者能够进行化学控制的消融。

化学控制的消融不仅在医学领域有用。它也可以用于化妆品领域，例如，选择性地化学转化或分解纹身颜料，而不会在被处理的皮肤上留下疤痕。此外，也可以从对于化学溶剂的施加过于敏感的表面上选择性地去除涂鸦颜料。

附图说明

在下文中，通过附图说明本发明的主题，而不限制本发明的主题。示出了：

图1：设备100的结构的例子的不按比例的示意图；

图2：在输出单元71(图2a)或直接在样品2(图2b)上的“增强现实”的示例性表示；

图3：在用于询问样品2的特性23的激发激光器36和用于从样品2去除材料的消融激光器34之间的切换8；

图4：使用两个工件91和92的例子的叠加的光学和化学信息，这两个工件通过胶合接头93胶合在一起。

具体实施方式

图1示出了设备100的设计的示意性例子。在该例子中，要检查的样品2是体内肝脏。为了清楚起见，省略了其他器官和身体部位。

探针5由设备100的操作者在样品2上引导。玻璃纤维38穿过探针5，该探针终止于孔眼31中。激发激光器36发射激光束32，该激光束32可选地在调制器33中以频率w被调制。激光束32经由第一玻璃纤维37a进入分光比依赖于波长的光纤耦合器37。激光束32从孔眼31射出，并在样品2上的位置23处产生激光点32a。在该位置23处，产生拉曼散射光，其是作为被询问的特性22的样品2的局部化学组成的特征。由附图标记22表示的其中包含信息的拉曼散射光通过光纤耦合器37被引导到第二玻璃纤维37b中，该第二玻璃纤维通向拉曼光谱仪35。为了清楚起见，图1中示出了孔眼31与样品2之间的距离。拉曼光谱仪35确定样品2在位置23处的局部化学组成22，但是不知道该位置23在样品2上的位置。

图1示出了确定位置23的两种方式。为此目的的跟踪装置4可以包括至少两个激光扫描仪43或无线电发射器44，它们确定探针5的位置31a和取向31b，并且因此还确定孔眼31。跟踪装置4可以替代地或组合地还包括图像评估逻辑41、42，该图像评估逻辑41、42包含由相机1提供的探针2的概览图像21(包括由激光束32在其中产生的激光点32a)，并评估激光点32a的位置作为概览图像21的位置23。

每个位置23与相关联的询问特性22一起存储在存储器6中。

孔眼31、激发激光器36、调制器33、光纤耦合器37、连接至光纤耦合器37的光纤37、37a和38以及拉曼光谱仪35一起形成用于询问样品2的特性22的测量仪器3。

探针5包含第一触发器51，设备100的操作者可利用该第一触发器51触发拉曼光谱仪35记录拉曼光谱。探针5还包含第二触发器81，该第二触发器81可用于触发用于去除材料的切换装置8，这在图3中详细说明。为了清楚起见，在图1中没有示出触发器51和81的信号连接。

图2a示出了可以如何使用存储在存储器6中的信息在输出单元71上显示“增强现实”的例子。输出单元71从相机1接收样品2的概览图像21并将其显示在背景中。同时，输出单元71从存储器6中接收所询问的特性22的值以及样品2上相应的位置23。由此，输出单元71确定表示61，在该表示中，例如不同的化学物质以不同的颜色显示。表示61叠加在样品2的概览表示21上。

图2b示出了可以如何创建“增强现实”的例子，该“增强现实”不需要将视线从样品2转向输出单元71。投影仪72根据存储在存储器6中的信息生成表示62，该表示例如可以类似于根据图2a的表示61而被颜色编码。与图2a不同，该表示直接投影到样品2上。因此，询问特性22的每个值都被投影到对应的位置23上。

图3示出了如何在询问特性22和从样品2去除材料之间进行切换的例子。激发激光器36的连续激光束32和消融激光器34的脉冲激光束34a分别被引导到切换装置8中。切换装置8将光束32和34a中的恰好一个耦合到第一光纤37a中，该第一光纤37a通向图1所示的光纤耦合器37。另一个光束被导向光束捕集器82，在该光束捕集器中它被转换成热量。以此方式，激光器36和34本身不必经常打开和关闭，经常打开和关闭对它们的使用寿命不利。

图4示出了另一个应用例子，其中可以使用装置100将常规的光学对比度和化学对比度进行组合。作为样品2，将检查通过胶合接头93胶合在一起的第一工件91和第二工件92的结构。

图4a示出了在正常的光学概览图像21中可见的样品2的那些特征。第一工件91具有基本水平的凹槽91a，第二工件92具有基本垂直的凹槽92a。刻痕标记91a、92a分别在工件91和92的制造过程中产生。粘合接头93显得无色且没有任何特殊结构。

图4b示出了快照，其中样品2已经部分被探针5检查。从左到右依次检查粘合接头93。在已经存在探针5的地方，已经识别出了粘合接头93由适当固化的粘合剂93a组成。该信息可以如图2a所说明的那样在输出单元71上输出，或者例如如图2b所说明的那样直接投影到样品2上。

图4c示出了已经通过探针5扫描了完整的粘合接头93的状态。在图4b中尚未检查的粘合接头93的区域中，现在明显的是，粘合剂的第一组分93b和第二组分93c存在于分离的相中，并且没有反应产生最终形状93a。因此，在该区域中，粘合接头93是有缺陷的并且不可加载。

附图标记列表

1用于获得概览图像21的装置

2样品

21样品2的概览图像

22通过激光束32询问的样品2的特性

23样品2上激光束32询问特性22的位置

3用于对特性进行局部询问的测量仪器

31用于激光束3的孔眼

31a孔眼31的位置

31b孔眼31的空间取向

32激光束

32a激光束32在样品2上产生的激光点

33用于激光束32的调制器

34消融激光器

34a消融激光器34的光束

35拉曼光谱仪

36激发激光器

37光纤耦合器

37a用于激光束32、34a的光纤耦合器37的输入

37b用于询问特性22的光纤耦合器37的输出

38用于激光束32、34a和特性22的公共光纤

4试验2上位置23的跟踪装置

41、42图像评估逻辑

43激光扫描仪

44无线电发射器

5探针

51用于询问特性22的触发器

6将特性22与位置23相关联的存储器

61、62存储器6中信息的表示

71概览屏幕21和表示61的输出设备

72用于试验2的表示62的投影仪

8切换装置

81用于切换装置的释放

82光束捕集器

91第一工件

91a第一工件91中的刻痕

92第二工件

92a第二工件92中的刻痕

93工件91和92之间的胶合接头

93a全固化粘合剂

93b粘合剂的第一组分

93c粘合剂的第二组分

100设备