申请/专利权人：财团法人工业技术研究院

申请日：2017-09-28

公开（公告）日：2023-01-24

公开（公告）号：CN107874741B

主分类号：A61B5/00

分类号：A61B5/00

优先权：["20170912 TW 106131131","20160930 US 62/401,947"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.01.24#授权;2018.05.01#实质审查的生效;2018.04.06#公开

摘要：本发明公开一种生物组织光学检测探头，适于检测一生物组织，其包含表面成像模块与断层取像模块，其中表面成像模块用以提取并生成生物组织的表面影像，表面成像模块包含远心透镜、第一光学镜、透镜组、影像感测器、以及光源，光源用以发出第一检测光，断层取像模块用以提取生物组织的断层影像，断层取像模块包含远心透镜、第一光学镜、扫描镜组以及第一准直镜，断层取像模块用以接收第二检测光，其中，第一检测光经第一光路依序由光源、生物组织、远心透镜、第一光学镜及透镜组至影像感测器；第二检测光经第二光路依序由第一准直镜、扫描镜组、第一光学镜、远心透镜、生物组织、远心透镜、第一光学镜及扫描镜组至第一准直镜。

主权项：1.一种生物组织光学检测探头，适于检测一生物组织，其包含：表面成像模块，用以提取并生成该生物组织的一表面影像，该表面成像模块包含远心透镜、第一光学镜、透镜组、影像感测器、以及光源，该光源用以发出一第一检测光；以及断层取像模块，用以提取该生物组织的一断层影像，该断层取像模块包含该远心透镜、该第一光学镜、一扫描镜组以及第一准直镜，该断层取像模块用以接收一第二检测光；其中，该第一检测光经一第一光路依序由该光源、该生物组织、该远心透镜、该第一光学镜及该透镜组至该影像感测器；该第二检测光经一第二光路依序由该第一准直镜、该扫描镜组、该第一光学镜、该远心透镜、该生物组织、该远心透镜、该第一光学镜及该扫描镜组至该第一准直镜；其中，该第一光学镜可使该第一检测光穿透，并使该第二检测光反射，或者，该第一光学镜可使该第一检测光反射，并使该第二检测光穿透；其中，该光源具有一发光面，该发光面发出该第一检测光直接朝向该生物组织；以及其中，该光源配置在该远心透镜的周围，使该第一检测光照射至该生物组织，再经由该第一光路至该影像感测器，以及所述生物组织光学检测探头还包含第一偏光片与第二偏光片，该第一偏光片为中空环状，配置在该光源与该生物组织之间，该第二偏光片配置在该远心透镜至该影像感测器之间。

全文数据：生物组织光学检测探头技术领域[0001]本发明涉及一种光学检测探头，尤其是涉及一种对生物组织进行检测的生物组织光学检测探头。背景技术[0002]市面上的皮肤镜，只能检测皮肤表层影像，例如皮肤各种类型斑点、表面的皱纹、毛孔、肤质粗糙程度、肤色黯沉程度、青春痘、痘疤等，但对于皮肤深层的结构却无法检测，例如表皮层厚度、真皮层厚度、胶原蛋白密度、弹性纤维密度、毛孔结构、皮脂腺出油量、血管型态等这些判断容貌是否老化的重要特征，故无法早期监控初老症状，使用正确的抗老化疗程。[0003]一般皮肤光学同调断层成像系统，虽可检测到皮肤深层的结构，例如是表皮厚度、真皮层厚度、胶原蛋白密度、弹性纤维密度、毛孔结构、皮脂腺出油量、血管型态等，但却无法检测到皮肤表层影像，例如皮肤各种类型斑点、表面的皱纹、毛孔、肤质粗糙程度、肤色黯沉程度、青春痘、痘疤等，故存在检测上的盲点，使得无法评估合适与正确的抗老化疗程。发明内容[0004]有鉴于此，在本发明的一实施例中，提出一种生物组织光学检测探头，其可以同时检测生物组织表层及深层的状态。[0005]在一实施例中，本发明提出一种生物组织光学检测探头，适于检测一生物组织，其包含一表面成像模块与一断层取像模块，其中表面成像模块用以提取并生成生物组织的一表面影像，表面成像模块包含一远心透镜、一第一光学镜、一透镜组、一影像感测器、以及一光源，光源用以发出一第一检测光，断层取像模块用以提取生物组织的一断层影像，断层取像模块包含远心透镜、第一光学镜、一扫描镜组、以及一第一准直镜，断层取像模块用以接收一第二检测光，其中，第一检测光经一第一光路依序由光源、生物组织、远心透镜、第一光学镜及透镜组至影像感测器;第二检测光经一第二光路依序由第一准直镜、扫描镜组、第一光学镜、远心透镜、生物组织、远心透镜、第一光学镜、及扫描镜组至第一准直镜。[0006]为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下：附图说明[0007]图1为本发明的生物组织光学检测探头应用于生物组织光学检测系统的结构示意图；[0008]图2为本发明的生物组织光学检测探头的实施例的结构示意图；[0009]图3为本发明的生物组织光学检测探头的远心透镜的焦平面位置的示意图；[0010]图4为本发明的生物组织光学检测探头的实施例的结构示意图；[0011]图5为本发明的生物组织光学检测探头的实施例的结构示意图。[0012]符号说明[0013]1-表面成像模块[0014]10-远心透镜[0015]100-生物组织[0016]1000-生物组织光学检测探头[0017]2-断层取像模块[0018]20-第一光学镜[0019]200-生物组织光学检测系统[0020]2000-参考臂[0021]30-透镜组[0022]3000-光纤耦合器[0023]32-光圈[0024]34-第一偏光片[0025]36-第二偏光片[0026]40-影像感测器[0027]4000-宽频光源[0028]42-光源[0029]46-扫描指示灯[0030]50-扫描镜组[0031]5000-断层扫描分析模块[0032]52-第一扫描镜[0033]54-第二扫描镜[0034]60-第一准直镜[0035]62-第二准直镜[0036]80-第二光学镜[0037]90-透明罩[0038]BFL-后焦长度[0039]BFS-后焦平面[0040]FFL-前焦长度[0041]FFS-前焦平面[0042]L-长度[0043]L1-第一检测光[0044]L2-第二检测光[0045]L3-扫描指示光具体实施方式[0046]在本发明的一实施例中，提出一种生物组织光学检测探头，可提取生物组织的表面影像及断层影像，并与影像处理系统连接，以同时检测生物组织表层及深层的状态。[0047]请参阅图1所示，生物组织光学检测系统2〇0可以是一光学同调断层系统。在本实施例中，本发明的生物组织光学检测探头1000可耦接于一光纤耦合器3000,光纤耦合器3000接收来自宽频光源4000的光束，并分成两个光束，一个是样品光束，另一个是参考光束。生物组织光学检测探头1000作为光学同调断层系统中的样品臂，接收来自光纤耦合器3〇00的样品光束，经由待测组织反射后会与参考臂2000的参考光束形成干涉信号，并于断层扫描分析模块5〇00中进行干涉信号的分析与处理，以形成待测组织的断层影像。[0048]请进一步参阅图2,生物组织光学检测探头1〇〇〇适于检测一生物组织100,其包含一表面成像模块1与一断层取像模块2,其中表面成像模块1用以提取并生成生物组织1〇〇的一表面影像，表面成像模块1包含一远心透镜10、一第一光学镜2〇、一透镜组30、一影像感测器40、以及一光源42,光源42用以发出一第一检测光L1，断层取像模块2用以提取生物组织100的一断层影像，断层取像模块2包含远心透镜1〇、第一光学镜20、一扫描镜组50以及一第一准直镜6〇，断层取像模块2用以接收一第二检测光L2，其中，第一检测光L1经一第一光路依序由光源42、生物组织100、远心透镜1〇、第一光学镜20及透镜组30至影像感测器40;第二检测光L2经一第二光路依序由第一准直镜60、扫描镜组50、第一光学镜20、远心透镜10、生物组织100、远心透镜10、第一光学镜2〇及扫描镜组5〇至第一准直镜60。[0049]在本实施例中，生物组织100是以皮肤组织为例，但并不以此为限。生物组织光学检测探头1000中的表面成像模块1可提取生物组织1〇〇皮肤的表面影像，可进一步判断出皮肤表层的组织结构，生物组织光学检测探头1000中的断层取像模块2可提取生物组织1〇〇皮肤的断层影像，可获取皮肤深层组织结构的信息。其中，表面成像模块1与断层取像模块2共用远心透镜10及第一光学镜20,因此，两者需要经过精心的设计，才能使表面成像模块1与断层取像模块2可以作动。[0050]请同时参考图2与图3。在一实施例中，远心透镜10的一焦距为25〜40mm之间，且在进行检测时，生物组织100位于远心透镜10的一前焦平面FFS上。要说的是，当远心透镜10的焦距设计大于此范围时，透镜组30的直径需求会增大，导致生物组织光学检测探头1000空间不够放置，表面成像模块1的F值F-number，F#会太大，影像感测器40感光不足，生物组织光学检测探头1000需要配置更高亮度的光源42，造成耗电。然而，当远心透镜10的焦距设计小于此范围时，则会有元件空间位置不足的情形。在一实施例中，远心透镜10的焦距大于透镜组30的焦距，详细来说，远心透镜10的焦距透镜组30的焦距的比例为丨.4〜2.8之间。[0051]首先讨论表面成像模块1，在图2的实施例中，远心透镜10设置在第一光学镜20与生物组织100之间。透镜组30设置于第一光学镜20相对于远心透镜10的一端，且透镜组30位于影像感测器40与第一光学透镜20之间。光源42发出的第一检测光L1朝向生物组织100照射，经由生物组织100散射及反射后的第一检测光L1经第一光路回到远心透镜10,通过第一光学镜20的引导进入到透镜组30。在一实施例中，透镜组30可以是至少二片以上的透镜所组成，其材质可为玻璃或塑胶制成，第一检测光L1在透镜组30中被聚焦后传至影像感测器40中成像。[0052]请同时参考图1与图2。在断层取像模块2中，对应图2的实施例中，扫描镜组50配置于第一光学镜20与第一准直镜60之间，且扫描镜组50并非配置在远心透镜10与透镜组30的连线上，而是配置于第一光学镜20的投影位置上。断层取像模块2接收的第二检测光L2即样品光束在第一准直镜60准直后，由第二光路进入到扫描镜组50进行扫描，再经过第一光学镜20的引导由远心透镜1〇传至生物组织1〇〇。接着，由生物组织100反射后的第二检测光L2由®心透镜1〇经第一光学镜2〇进入到扫描镜组50与第一准直镜60,进而由后面连接的光纤耦合器3000接收信号并与参考臂2000的参考光束形成干涉信号，后续传送至断层扫描分析模块5〇〇〇中进行干涉信号的分析与处理，以形成生物组织100的断层影像。[0053]其中，第一光学镜2〇引导第一检测光L1及第二检测光L2通过。第一光学镜2〇可为一分色镜，可对特定波长范围的入射光穿透，其余波长范围的入射光反射，在图2的实施例中，第一光学镜2〇可使第一检测光L1穿透，并使第二检测光L2反射。详细来说，第一光学镜20可设计让波长范围在300〜700nm的光穿透、波长700〜900nm的光反射，此时对应所使用的第一检测光L1波长范围在300〜700nm之间，而第二检测光L2波长范围在800〜900nm之间。[00M]然而，在其他实施例中，第一光学镜20可使第一检测光L1反射，并使第二检测光L2穿透。如图4的实施例所示，此时扫描镜组50设置于第一光学镜20相对于远心透镜10的一端，而透镜组30配置于第一光学镜20的投影位置上。详细来说，第一光学镜20可设计让波长范围在300〜700nm的光反射、波长700〜900nm的光穿透，此时对应所使用的第一检测光L1波长范围在300〜700nm之间，而第二检测光L2波长范围在800〜900nm之间。[0055]第一光学镜20可以为固定式或是移动式。当第一光学镜20为固定式时，生物组织光学检测探头1000可同时进行表面影像及断层影像的提取功能。然而当第一光学镜20为移动式时，则可单独或同时进行影像提取的功能，如图2的实施例中，当移动式的第一光学镜20移除时，则可单独进行表面影像的提取，而在图4的实施例中，当移动式的第一光学镜20移除时，则可单独进行断层影像的提取。[0056]请同时参考图2、图3与图4。在图2与图4的实施例中，生物组织光学检测探头1000还包含一光圈32。光圈32设置于远心透镜10与透镜组30之间，且位于远心透镜10的一后焦平面BFS上靠近生物组织100方向小于0.56倍范围内的远心透镜10的一后焦长度BFL位置。详细来说，远心透镜10的后焦平面BFS靠近生物组织100方向延伸0.56倍的后焦长度BFL位置处具有一表面S，光圈32即设置在表面S与后焦平面BFS之间。如此一来，可增加分辨率，表面成像模块1的体积较小，具有良好的收光效率。要注意的是，光圈32的设置位置需要小心的设计，若光圈32配置在大于0.56倍的后焦长度BFL位置时（即表面S往远心透镜10方向），光圈32与远心透镜10之间的位置太小，恐无法放置第一光学镜20;若光圈32配置在后焦平面BFS往影像感测器40方向，成像画面边缘会偏暗，造成渐晕vignetting现象。此外，在图2的实施例中，光圈32可与透镜组30结合而设置于透镜组30的内部。在图3的实施例中，光圈32也可设置于第一光学镜20与透镜组30之间。[0057]在一实施例中，表面成像模块1在影像感测器40端的F值在2-5之间。当F值大于此范围，透镜组30的直径需求会增大，不利于生物组织光学检测探头1000的缩小化，且会造成影像感测器40感光不足；当F值小于此范围，远心透镜10与透镜组30的像差增大，会增加整体光学结构的复杂度。此外，影像感测器40的尺寸小于表面成像模块1中的一视野FOV。[0058]请参考图2、图4与图5。在一实施例中，光源42配置在远心透镜10的周围，使第一检测光L1照射至生物组织1〇〇,再经由第一光路至影像感测器40。其中，生物组织光学检测探头1000还可包含一第一偏光片34与一第二偏光片36,第一偏光片34为中空环状，以不遮挡第二光路的方式配置在光源42与生物组织100之间，第二偏光片36配置在远心透镜10至影像感测器40之间。要说的是，第二偏光片36可配置在远心透镜10至影像感测器40之间的任一位置，如图4的实施例中，第二偏光片36配置在透镜组30与影像感测器40之间，然而在图5的实施例中，第二偏光片36配置在透镜组30与第一光学镜20之间，并不以所例举者为限。第一偏光片34与第二偏光片36的设置可以减少生物组织100表面的反射。在一实施例中，第一偏光片34与第二偏光片36的光轴方向可以是垂直或是夹一角度，然而只要第一偏光片34与第二偏光片36的偏振方向不同即可，并不以所列举者为限。此外，光源42可以是白光LED、可调不同颜色的LED或是UVLED等，以检测生物组织100不同类型的状态。以皮肤作为生物组织100为例，使用不同波长的光源42,可观察皮肤表面的纹理或斑点，使用UVLED作为光源42时，可观察皮肤表面细菌的激发荧光，当进一步搭配第一偏光片34与第二偏光片36，若产生平行偏振光时，可增加皮肤表面纹理的对比度，若产生交叉偏振光时，则可看到皮肤表层底下的血管及黑色素分布。[0059]在一实施例中，断层取像模块2中的视野在5〜lOmtn之间，可以观察生物组织100较大范围。在另一实施例中，断层取像模块2中的视野可与表面成像模块1的视野相同，以检测相同位置的表面状况及深度结构。以检测皮肤为例，表面成像模块1与断层取像模块2中的视野相同可检测相同位置的表面肤质与皮肤的深度结构。[0060]此外，断层取像模块2在生物组织100端的F值在5.8〜8.75之间。要说的是，若F值大于此范围，容易造成生物组织100的横向分辨率不够，若F值小于此范围，则会使远心透镜10的像差增加，造成远心透镜10的光学结构趋于复杂，不利整体的轻量化。[0061]扫描镜组50可将单一角度的第二检测光L2转换成多种角度的准直光束。在一实施例中，扫描镜组50可包含一个或多个扫描镜来进行扫描，其中，扫描镜可以为扫描振镜Galvomirror。请参考图2及图4,扫描镜组50包含一扫描镜，扫描镜位于远心透镜10的后焦平面BFS上，以进行线性扫描。而在图5的实施例中，扫描镜组50包含一第一扫描镜52与一第二扫描镜54,远心透镜10的后焦平面BFS位于第一扫描镜52与第二扫描镜54之间，第一扫描镜52与第二扫描镜54可进行平面的扫描。[0062]在一实施例中，第一准直镜60可将来自光纤耦合器3000的发散的第二检测光L2准直，以入射至扫描镜组50。请进一步参考图4与图5的实施例，生物组织光学检测探头1〇〇〇还包含一第二准直镜62、一第二光学镜80与一扫描指示灯46。其中，第二准直镜62可将扫描指示灯46发出的一扫描指示光L3准直，第二光学镜80引导准直的第二检测光L2及扫描指示光L3分别行经第二光路及一第三光路。其中，扫描指示光L3经由第三光路至生物组织1〇〇,第三光路依序经由第二准直镜62、第二光学镜80、扫描镜组50、第一光学镜20、远心透镜10。一般来说，断层取像模块2中所接收的第二检测光L2通常为不可见光，使用者较无法直接得知第二检测光L2照射到生物组织100的情形，因此可使用扫描指示光L3来辅助指示扫描位置，以确定提取的断层影像在生物组的100上的位置。详细来说，扫描指示灯46可为一红光激光，但并不限于此。断层取像模块2接收的第二检测光L2经第一准直镜60准直后会与扫描指示灯46发出的扫描指示光L3经第二准直镜62准直后由不同的方向进入到第二光学镜80，此后从第二光学镜80—直到生物组织100,第二检测光L2所行经的第二光路与扫描指示光L3所行经的第三光路几乎重合，因此当红色的扫描指示光L3照射到生物组织100的某一位置时，即可视为第二检测光L2照射到生物组织的100位置。[0063]第二光学镜80引导第二检测光L2及扫描指示光L3通过。第二光学镜80可为一分色镜，可对特定波长范围的入射光穿透，其余波长范围的入射光反射，在图4的实施例中，第二光学镜80可使第二检测光L2穿透，并使扫描指示光L3反射。详细来说，第二光学镜80可设计让波长范围在7〇〇mn以下的光反射、波长780nm以上的光穿透，此时对应所使用的第二检测光L2波长范围在800〜900nm之间，而扫描指示光L3波长范围在620〜700nm之间。然而，在其他实施例中，第二光学镜80可使第二检测光L2反射，并使扫描指示光L3穿透。如图5的实施例所示，第二光学镜80可设计让波长范围在700mn以下的光穿透、波长780mn以上的光反射，此时对应所使用的第二检测光L2波长范围在800〜900nm之间，而扫描指示光L3波长范围在620〜700nm之间。此外，由于扫描指示光L3也会通过第一光学镜20,所以可设计第一光学镜20于穿透率50%时的波长在扫描指示光L3的一中心波长范围内。以使用红光激光作为扫描指示灯46为例，红光激光的中心波长范围约在620〜700nm之间，故可选用穿透率50%的波长在此范围内的材料来制作第一光学镜20。[0064]此外，在图4及图5的实施例中，生物组织光学检测探头1000还可包含一透明罩90，其连接于远心透镜1〇。透明罩90的长度L与远心透镜10的前焦长度FFL大致相等，以确保生物组织100会固定在远心透镜10的前焦平面FFS上，可避免离焦defocus造成影像的模糊。[0065]综上所述，本发明所提出的生物组织光学检测探头可通过共用远心透镜及第一光学镜的方式来使两种不同的光路在单一探头中得以实现，使生物组织光学检测探头可以同时检测生物组织表层及深层的状态。[0066]以上所述的具体实施例，仅用于例释本发明的特点及功效，而非用于限定本发明的可实施范畴，在未脱离本发明上揭的精神与技术范畴下，任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为下述的权利要求所涵盖。

权利要求：1.一种生物组织光学检测探头，适于检测一生物组织，其包含：表面成像模块，用以提取并生成该生物组织的一表面影像，该表面成像模块包含远心透镜、第一光学镜、透镜组、影像感测器、以及光源，该光源用以发出一第一检测光;以及断层取像模块，用以提取该生物组织的一断层影像，该断层取像模块包含该远心透镜、该第一光学镜、一扫描镜组以及第一准直镜，该断层取像模块用以接收一第二检测光；其中，该第一检测光经一第一光路依序由该光源、该生物组织、该远心透镜、该第一光学镜及该透镜组至该影像感测器;该第二检测光经一第二光路依序由该第一准直镜、该扫描镜组、该第一光学镜、该远心透镜、该生物组织、该远心透镜、该第一光学镜及该扫描镜组至该第一准直镜。2.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该远心透镜的一焦距为25〜40mm之间，且该生物组织位于该远心透镜的一前焦平面上。3.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该远心透镜的一焦距大于该透镜组的一焦距。4.如权利要求3所述的生物组织光学检测探头，其中，该远心透镜的该焦距该透镜组的该焦距的比例为1.4〜2.8之间。5.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该第一光学镜可使该第一检测光穿透，并使该第二检测光反射。6.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该第一光学镜可使该第一检测光反射，并使该第二检测光穿透。7.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，还包含一光圈，其中该光圈设置于该远心透镜与该透镜组之间，且位于该远心透镜的一后焦平面上靠近该生物组织方向小于0.56倍范围内的该远心透镜的一后焦长度位置。8.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该表面成像模块在该影像感测器端的一F值f-number在2〜5之间。9.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该影像感测器的尺寸小于该表面成像模块中的一视野F〇V。10.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该光源配置在该远心透镜的周围，使第一检测光照射至该生物组织，再经由该第一光路至该影像感测器。11.如权利要求10所述的生物组织光学检测探头，还包含第一偏光片与第二偏光片，该第一偏光片为中空环状，配置在该光源与该生物组织之间，该第二偏光片配置在该远心透镜至该影像感测器之间。12.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该断层取像模块中的一视野在5〜10mm之间。13.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该断层取像模块在该生物组织端的一F值在5.8〜8.75之间。14.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该扫描镜组包含一扫描镜，该扫描镜位于该远心透镜的一后焦平面上，以进行线性扫描。15.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，其中，该扫描镜组包含第一扫描镜与第二扫描镜，该远心透镜的一后焦平面位于该第一扫描镜与该第二扫描镜之间，且该第一扫描镜与该第二扫描镜可进行平面的扫描。16.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，还包含第二准直镜、第二光学镜与扫描指示灯；其中，该第二准直镜可将该扫描指示灯发出的一扫描指示光准直，该第二光学镜引导准直的该第二检测光及该扫描指示光分别行经该第二光路及一第三光路；其中，该扫描指示光经由该第三光路至该生物组织，该第三光路依序经由该第二准直镜、该第二光学镜、该扫描镜组、该第一光学镜、该远心透镜。17.如权利要求16所述的生物组织光学检测探头，其中，该第二光学镜可使该第二检测光穿透，并使该扫描指示光反射。'18.如权利要求16所述的生物组织光学检测探头，其中，该第二光学镜可使该第二检测光反射，并使该扫描指示光穿透。19.如权利要求16所述的生物组织光学检测探头，其中，该第一光学镜于穿透率50%的一波长在该扫描指示光的一中心波长范围内。20.如权利要求1所述的生物组织光学检测探头，还包含透明罩，其连接于该远心透镜，该透明罩的一长度与该远心透镜的一前焦长度相等。

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