用于中耳炎的光学相干断层扫描装置的制作方法

用于中耳炎的光学相干断层扫描装置
本技术是申请日为2017年06月17日、申请号为201780049844.7、发明名称为“用于中耳炎的光学相干断层扫描装置”的中国专利申请(其对应pct申请的申请日为2017年06月17日、申请号为pct/us2017/038052)的分案申请。
发明领域
1.本发明涉及光学相干断层扫描(optical coherence tomography，oct)。特别地，装置涉及用于诊断中耳炎(otitis media，om)的oct。发明背景
2.中耳炎是一种常见的内耳疾病，涉及组织炎症和撞击鼓膜的流体压力。中耳炎可能由病毒感染或细菌感染引起，由病毒感染引起的中耳炎通常无需治疗即可消退，而由细菌感染引起的中耳炎可能发展并导致听力损失或其他有害和不可逆的影响。不幸的是，难以使用目前可用的诊断装置来区分病毒感染或细菌感染，并且针对两种潜在感染的治疗方法有很大的不同。对于细菌感染，抗生素是首选的治疗方法，而对于病毒感染，感染往往会自行消退，并且抗生素不仅无效，而且还可能导致抗生素耐药性，这会降低其治疗后续细菌感染的有效性。
3.用于内耳感染的确定性诊断工具是鼓膜切开术，这是一种侵入性手术，涉及切入鼓膜，抽出流体，以及在显微镜下检查渗出液以鉴别渗出物中的感染因子。由于该手术造成的并发症，因此其仅用于严重的情况。这对于医疗从业者来说是一个两难的问题，因为针对病毒感染的抗生素处方被认为会导致细菌中抗生素耐药性的进化，而这可能在以后的余生中导致更严重的后果，并且由于用抗生素治疗病毒感染因子是无效的而并无有效的结果。需要用于诊断中耳炎的改进的诊断工具。发明目的
4.本发明的第一目的是用于鉴别邻近于鼓膜的流体类型的非侵入式医疗装置。
5.本发明的第二目的是用于鉴别邻近于鼓膜的流体的方法。
6.本发明的第三目的是用于执行光学相干断层扫描以鉴别邻近于鼓膜的薄膜特性的方法。
7.本发明的第四目的是用于执行光学相干断层扫描以鉴别邻近于鼓膜的流体特性的设备。
8.本发明的第五目的是用于通过将压力激励源耦合到鼓膜来表征鼓膜和相邻材料的设备和方法，其中由具有低相干性的光源通过测量路径照射鼓膜，所述低相干光源还耦合到参考路径和反射镜，其中将来自所述反射镜的反射和来自鼓膜的反射相加并呈递至检测器，所述参考路径的长度在包括鼓膜的范围内调制，所述检测器由此通过所述测量路径接收来自鼓膜的反射光能并且还通过所述参考路径接收来自反射镜的反射光能，使得以足够高的速率调制所述参考路径的长度允许响应于所述压力激励来估计鼓膜位置，从而提供鼓膜和相邻流体的表征。
9.本发明的第六目的是具有测量路径和参考路径的光学相干断层扫描系统，所述参
tomography，oct)装置的框图。出现在一个附图中的每个附图标号应被理解为与其在不同附图中呈现时具有相同的功能。诸如具有准直输出的宽带发光二极管(led)之类的低相干源102产生沿着路径104传向第一光分路器106的光能，并且光能继续传向第二光分路器108，在该处光能分成测量光路118和参考光路112，包括从第二分路器108到反射镜110到路径长度调制器114的区段。测量光路118中的光能与鼓膜120相互作用，并且反射的光能经由路径118反向传播到检测器，在该检测器处，反射的光能与从反射镜110和分路器108反射的来自参考光路112的光能合并，并且组合的反射光能传播到第一分路器106，随后传播到反射镜105，并经由路径122传播到检测器124。检测器124产生对应于路径122上检测到的光能的强度的电信号，当来自鼓膜的反射光能的路径长度与参考光路的长度完全相同时，该电信号是稳态最大值，而如果例如通过随时间致动路径长度调制器114而使参考光路长度扫过一定范围，则该电信号是时间最大值。每种类型的反射膜将会产生特征检测器信号。例如，当参考路径长度横穿诸如健康鼓膜等薄膜边界时，将会产生对应于鼓膜的单个反射区域的单个峰。如果参考路径长度经过有流体的耳朵，诸如含有低粘度感染性渗出物的耳朵，则鼓膜反射的初始峰值将在随后产生延伸反射的区域，其幅度因反射信号的光学衰减而下降。如果参考路径长度横穿伴有细菌感染的鼓膜，则在鼓膜的相对表面上可能存在细菌薄膜，这可能产生更大的轴向反射范围，接着是指示出高散射系数的基座(pedestal)和对应的增加的衰减。另外，鼓膜后面的三种类型的流体粘度(空气与薄流体与厚流体)将会对鼓膜上产生的压力激励作出不同的响应。因此，有可能调制参考光路长度并且可选地调制邻近于鼓膜的压力，以及检查检测器输出信号的性质和对激励压力的响应，以确定是否存在邻近于鼓膜的流体，是否存在邻近于鼓膜的诸如细菌等生物薄膜，以及邻近于鼓膜的流体的粘度，所有这些都来自于在检测器输出处呈现的测量光路上的鼓膜移动。
23.在本发明的一个示例中，路径长度调制器114将参考路径长度改变一定距离，该距离对应于图1的126a至126d的测量路径长度，对应于所要表征的鼓膜115的移动区域。当调制器114增加参考路径长度时，递送到检测器的信号更靠近区域126d，而当调制器114减小参考路径长度的距离时，递送到检测器的区域信号处于区域126a中。
24.图2a示出了致动器电压或电流与路径长度调制器114的轴向位移之间的示例关系，该路径长度调制器114由机械驱动器电路116驱动，该机械驱动器电路116可以是用于耦合到反射镜114的音圈致动器的音圈驱动器，从而关于112的光轴调制反射镜。驱动器和路径长度调制器114的类型取决于位移调制的最高频率，因为使路径长度调制器114移位的能量与路径长度调制器114的质量有关，诸如移动反射镜的情况。反射镜和致动器可以是微机电系统(micro electrical machined system，mems)，用于较低的反射器质量和对应地较快的反射镜响应。可以能够采用多种其他路径长度调制器而不限于反射镜的使用。
25.图2b示出了控制器117，其以阶跃方式产生致动器电压，其中致动器在每个深度处暂时停止。例如，如果增加的致动器驱动导致更长的参考路径长度，则从t1到t2，致动器电压可以是202a，对应于图1的位移位置126a，而其他电压202b、202c和202d可以分别对应于鼓膜附近的位置126b、126c和126d。
26.图3示出了示例oct鼓膜表征系统302，其中元件被布置成提供单个测量输出。对于自由空间光学的情况(光能未被约束于诸如光纤等波导内)，图1和图3的系统分路器和组合器是部分反射镜。图3中示出的主要元件对应于图1中的相同功能元件。如图所示，通过重新
布置参考光路，系统的元件可以被封闭起来。
27.在本发明的一个示例中，检测器124可以是响应于总施加光强度并具有特征响应的单个全波长光学检测器。在本发明的另一示例中，检测器124可以包括单波长滤波器，或者色彩分路器和多个检测器元件，从而可以单独地检测每个反射的光波长。图4示出了进入色彩检测器124a的准直光能122，其中准直光能122通过折射棱镜124b分成不同的波长，该折射棱镜124b将波长λ1、λ2、λ3、λ4分离到线性或2d检测器124c上，该检测器124c继而能够按波长提供反射光能的强度图。在波长吸收的特征(signature)对特定类型的细菌或鼓膜病理学特异的情况下，单个地检测波长可能是有用的。检测器响应的光谱通常针对反射的光能响应而定制，该光谱对于具有超过几mm的深度测量能力的oct系统可以在ir范围内。在本发明的一个示例中，将针对各种生物材料的检测器光谱响应保持在存储器中，并与来自多个光学检测器的响应的叠加进行比较。例如，耵聍(耳垢)、健康的鼓膜、发炎的鼓膜(浸渍血液的鼓膜)、细菌液、渗出液和粘性液的光学反射特性可以保持在模板存储器中，并与在数据采集的轴向深度上测量的鼓膜响应的光谱分布相比较。继而可以通过控制器将在参考光路长度范围内的每个轴向深度处的检测器响应与每个模板存储器光谱图案的光谱特性相比较，其中控制器检查针对每个波长的检测器响应和模板存储器的内容，并基于这样的确定来估计提供测量路径反射的材料的类型。对于耵聍的光谱图案的检测可以导致从检测器响应中减去耵聍光谱响应，并且/或者其可以导致向用户指示在响应中已经检测到耳垢，用户可以通过将测量光路指向鼓膜的不同区域来将其消除。
28.由于光学相干断层扫描的轴向分辨率是光波长的分数(fraction)，因此有可能基于光谱单独地表征每个结构，即使被成像的每个结构的轴向厚度仅为百微米量级。通过沿着测量轴且在鼓膜的轴向范围内提供具有高空间能量的非常窄的光束，可以提高系统的轴向分辨率。
29.图5a和图5b示出了用于检测鼓膜随时间推移的位置的本发明的示例。控制器117产生供路径长度调制器使用的三角波形502，该路径长度调制器将光能引导至鼓膜，鼓膜可具有与其相邻的流体，并且该流体可具有特定粘度，该特定粘度可能已知会在细菌感染的进展期间增大。细菌感染已知会在诸如鼓膜等膜的表面上提供具有特定光学反射特性的生物薄膜。通过外耳道将光信号引导向所要表征的鼓膜，并且由图3的控制器117检查图5b的检测器响应。第一组波形509示出了时域响应，该时域响应包括与鼓膜在第一反射界面处提供的锐利反射光学界面的强反射相关联的初始峰值507，并且鼓膜后的流体也产生信号，该信号随深度衰减，图中示出为倾斜的基座(pedestal)508。基座508的存在指示出鼓膜后存在流体。这可以与正常鼓膜的第二组响应511形成对比，例如波形的峰值522，其相对较窄并且具有缩短的持续时间520，因为在鼓膜后不存在反射流体。
30.在本发明的另一实施方式中，鼓膜本身可以通过外部激励源调制，诸如吹气，或者随时间调制的气压源。例如，在提供外部压力激励源并且选择压力激励以提供小于1％的鼓膜位移的情况下，峰值光信号的相对时间位置将会指示出鼓膜的位置。由于系统的刷新率是光学的，而不是现有技术超声装置的声学，因此鼓膜的询问速度仅受路径长度调制器114的调制速率的限制，该速率可能比超声系统快几个数量级。另外，依赖于光学干涉测量的光学系统的轴向分辨率远大于由换能器振铃(ringdown)支配的超声系统的轴向分辨率。另外，由于空气与鼓膜之间的声阻抗边界非常大，因此超声波向鼓膜之外结构的超声穿透深
度非常有限。相比之下，从空气到鼓膜的光学折射率比跨越该边界的超声折射率低许多个数量级，因此界面处的光能损失较低。光学穿透主要受与鼓膜和鼓膜界面之外的结构相关联的散射损失的限制，并且这些损失可以部分地通过使用非常高的光能来减轻，该光能是采用占空比调制的脉冲光能，以将施加于鼓膜的平均功率维持在合理的平均功率范围内。
31.图6示出了光学相干断层扫描系统600的光纤示例。控制器618协调各个子系统，包括启用低相干源602，该低相干源602将光能耦合到光纤604，光纤604随后将该光能递送到第一分路器606，随后递送到光纤608和第二分路器610。来自第二分路器610的光能被沿着两个路径引导，一个路径是具有长度l
测量
615的通向鼓膜的测量路径612，而另一路径是具有长度l
参考
并且终止于开放的反射光纤端部619的参考光路617，反射光纤端部619可以替代地是镜面抛光的端部或光学反射末端，其中光路617包括包裹在pzt调制器614周围的光纤，当向pzt施加激励电压时，pzt调制器614改变尺寸形状和直径。当pzt调制器614被馈送正弦波或方波激励时，pzt调制器614的直径增大和减小，从而提供可变长度l
参考
。pzt调制器614还能够以超过100khz的频率进行高速光纤长度调制。本领域已知的其他光纤长度调制器亦可用于快速改变l
参考
路径上的光纤长度，而图中所示pzt调制器614仅供参考。来自l
测量
路径和l
参考
路径的组合的光能到达第二分路器610并在光纤608上返回，包括从pzt调制器614反射的光能和从鼓膜650反射的光能之和。组合的光能沿着路径608行进到第一分路器606，通过光纤620，并到达检测器622，在该处相干光能叠加和相减，从而相应地形成检测器622输出，该输出被馈送到控制器618以供分析。控制器618还产生pzt调制器激励电压616，诸如图5a的电压或电流波形502，并且还可以产生用于启用低相干源602的信号，并且执行对检测器622响应的分析，该响应可以是在检测器622的波长响应上的单个强度值，或是由图4的传感器提供的单个波长输出。控制器结合l
参考
调制功能作用于检测器响应，以确定可能与在鼓膜附近存在流体的可能性相关的渗出物度量(metric)，并且还提供关于邻近于鼓膜的流体的粘度的指示。
32.图7示出了图6的延伸，其具有由音圈致动器或其他压力源致动的，提供微小压力变化的外部鼓膜激励发生器704，其优选地具有低于50deka-pascal(dapa)的峰值压力以供施加于鼓膜。由pzt调制器614进行的参考路径长度调制的速率超过激励发生器704的最高频率成分至少2倍，以满足奈奎斯特(nyquist)采样要求。
33.在本发明的一个示例中，参考路径长度由顺序操作的第一调制器和第二调制器调制，其中第一调制器提供大但相对较慢的参考路径长度变化，而第二调制器提供小但相对较快的参考路径长度变化。以这种方式，第一调制器能够将oct检查区域放置在诸如以鼓膜为中心的感兴趣的区域内，而第二调制器能够快速改变路径长度以提供高速率的路径长度变化(并且因此提供高采样率)，以用于估计响应于压力激励的鼓膜移动。
34.在图1和图3中示为115以及在图6和图7中示为650的鼓膜中可以看到，鼓膜具有带有远顶点(图1和图3的119，图6和图7的651)的圆锥形状，该远顶点在耳鼻喉科中被称为“光锥”，因为它是临床检查期间鼓膜的唯一为入射光能提供法面(normal surface)的区域。类似地，当使用现有技术系统的超声源时，光锥区域是鼓膜的提供显著的反射信号能量的唯一部分。本发明的光学系统对来自该表面的反射光能进行操作，对于散射光能，该表面不需要垂直于入射光束，从而提供相比于超声系统的另一优点。
35.图8a示出了施加到鼓膜的，来自激励发生器704的示例正弦压力激励，诸如使用音
圈膜片致动器施加的正弦波形821，该音圈膜片致动器移位足以调制鼓膜的局部区域或调制表面压力达100dapa(dekapascal)p-p的体积。次声波(低于20hz)频率可能需要密封激励表面周围的局部区域，而音频频率(在20hz至20khz范围内)和超音频频率(高于20khz)在来自没有密封耳道的发生器704的音频波引向所要表征的鼓膜时可以充分地传播。由于表面位置的调制对应于相关联l
参考
路径长度的相同量的变化，因此正弦压力激励821导致表面的调制，如绘图832所示。波形832的每个离散圆表示来自oct测量系统700的采样点，对应于l
参考
路径长度和鼓膜位置的变化，其中每个点332代表一个这样的样本。在本发明的一个示例实施方式中，施加一系列正弦调制激励821频率，每个频率具有不同的周期822，并且响应830的延迟和l
参考
的峰值变化被组合用于估计鼓膜的延展性或弹性、流体粘度，或者其他鼓膜或流体性质。在本示例中，鼓膜的位移与参考路径的路径长度的相关变化之间存在1:1的关系，这导致峰值响应。例如，如果图5b的标度是0、-0.5mm、-1mm、-0.5mm、0mm、0.5mm等的序列，则这表示鼓膜中相同距离的对应位移。通过施加具有不同循环时间822的一系列音频和亚音频音调并测量l
参考
的变化，如绘图832中所示，能够估计鼓膜的位移并提取依赖于频率的特性，诸如鼓膜后流体的粘度或弹性。例如，与流体的密度或粘度改变相关联的示例性弹性度量测量可以是针对阶跃变化的表面或膜响应时间874的相关变化，或者是针对正弦频率的相位延迟830。以这种方式，可以使用一系列激励821并测量一系列表面响应832来作出表面的频域响应。图6和图7的参考路径调制器614或图3的反射镜114可以包括第一路径长度调制器和第二路径长度调制器，所述第一路径长度调制器使参考路径长度居中以包括鼓膜，而所述第二路径长度调制器快速改变参考路径长度以提供对鼓膜轴向移动的充分采样。
36.图8a示出了能够以一系列这样的激励提供的正弦激励，用于产生来自一系列测量的表面位移的相位-频率响应绘图，而图8b示出了等效于图8a的时域阶跃响应，其中对鼓膜施加50dapa峰值的表面阶跃压力激励862，这产生所测量的鼓膜位移序列872。类似地，有可能基于位移响应绘图872的时间延迟874和振幅响应(示为0.5mm)来表征表面响应。
37.在本发明的一个示例中，使用单独的低相干光源102或602(诸如红外范围的源)来增加穿透深度，并且同轴地使用单独的可见光源(未示出)来指示正在表征的鼓膜的区域，同时将测量光路指向鼓膜上。光源102或602可以是红外光源以减少散射，从而提供额外的穿透深度。在本发明的另一示例中，低相干光源102或602是可见光源，从而既提供对感兴趣的鼓膜区域的照射，又提供鼓膜位移的测量，如前所述。本发明提供了包括但不限于以下实施方式：1.一种用于表征邻近于反射膜的流体的方法，所述方法包括：向第一分路器提供低相干光源，光能的一部分被引导至测量路径并且光能的一部分被引导至参考路径；所述参考路径具有时间调制长度，从而以周期性间隔改变参考路径长度；所述测量路径包括所要表征的反射膜，所述参考路径具有与所述测量路径基本上相等的长度，所述参考路径还具有用于反射光能的反射器；将来自所述测量路径的反射光能与来自所述参考路径的反射光能相加，并将所述相加的光能施加至检测器；所述检测器向控制器提供关于参考路径调制器的检测器峰值响应；
所述控制器检查检测器响应的基座宽度，并且还检测所述检测器峰值响应的到达时间；将当前峰值检测器响应与先前峰值检测器响应相比较；从当前峰值检测器响应和先前峰值检测器响应形成鼓膜度量，当所述基座宽度增大时，所述鼓膜量度增大，当所述检测器峰值的到达时间的变化减小时所述鼓膜量度增大。2.如实施方式1所述的方法，其中所述参考路径和所述测量路径是由全反射镜和部分反射镜形成的自由空间光路。3.如实施方式1所述的方法，其中所述参考路径和所述测量路径由波导形成。4.如实施方式1所述的方法，其中所述参考路径和所述测量路径由光纤形成。5.如实施方式1所述的方法，其中所述低相干源是发光二极管。6.如实施方式1所述的方法，其中所述检测器是光电转换器。7.如实施方式1所述的方法，其中所述检测器具有多个波长特异性输出。8.如实施方式1所述的方法，其中所述时间调制长度包括耦合到反射镜的音圈致动器。9.如实施方式1所述的方法，其中所述时间调制长度是pzt激活的调制器。10.如实施方式7所述的方法，其中所述多个波长特异性输出耦合到模板存储器，用于检测器响应与保存在所述模板存储器中的各种材料类型的波长响应的比较。11.如实施方式10所述的方法，其中所述模板存储器材料类型中的至少一种是对于耵聍的反射响应。12.如实施方式11所述的方法，其中对耵聍的检测为用户产生关于耵聍检测的指示。13.一种用于测量鼓膜的装置，所述装置具有：光源，其产生低相干光输出；第一分路器和第二分路器，每个分路器具有组合器端口、第一端口和第二端口，每个分路器将功率从所述第一端口耦合到所述组合器端口，并从所述组合器端口耦合到所述第二端口；所述光源耦合到所述第一分路器的第一端口；所述第一分路器的组合器端口耦合到所述第二分路器的组合器端口；所述第二分路器的第一端口将光能耦合到通向所要表征的膜的外部光学端口，从所要表征的膜到所述第二分路器的第一端口的光学距离是测量长度；所述第二分路器的第二端口耦合到光学参考路径，所述光学参考路径具有关于所述测量光学长度调制的光学长度；由此从所述外部光学端口返回的反射光能被引导通过所述第二分路器的组合器端口，通向所述第一分路器的组合器端口，通向所述第一分路器的第二端口，以及通向检测器；控制器，其从所述检测器接收信号，并将当前检测器响应与先前检测器响应相比较以形成反射量度。14.如实施方式13所述的装置，其中所述低相干源是发光二极管。15.如实施方式13所述的装置，其中所述检测器是宽带检测器。
16.如实施方式13所述的装置，其中所述检测器具有多个输出，每个输出响应于独特的波长范围。17.如实施方式13所述的装置，其中所述第一分路器和所述第二分路器是部分反射镜。18.如实施方式13所述的装置，其中所述第一分路器和所述第二分路器是光纤。19.如实施方式13所述的装置，其中所述控制器基于以下各项中的至少一个形成渗出物量度：检测器响应宽度、基座宽度或反射波长分布。20.如实施方式13所述的装置，其中使用耦合到反射镜的，电压或电流控制的致动器来调制所述参考路径的所述光学长度。21.如实施方式13所述的装置，其中使用耦合到光纤的pzt致动器来调制所述参考路径的所述光学长度。22.如实施方式15所述的装置，其中所述宽带检测器包括用于比较对已知生物材料的多个检测器响应的模板存储器。23.如实施方式22所述的装置，其中所述模板存储器检测器响应中的至少一种是：耵聍、健康的鼓膜、发炎的鼓膜、细菌液、渗出液或粘性液。
38.提供本文示例是为了理解本发明，应当理解，本发明能够以各种不同的方式实践，并使用不同类型的波导来传播光能，以及不同的光源、光学检测器和调制参考路径长度l
参考
的方法。本发明的范围由以下权利要求描述。