專利名稱：近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法與裝置，特別是指應用雙頻率極化光子對在散射介質中傳播以形成擴散極化光子對密度波(Diffused Photon Pair Density Wave，DPPDW)，并測量擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，以還原物體影像的方法與裝置。
背景技術：
人體的組織屬于高濃度散射介質(multiple scatteringmedium)具有散射系數遠大于吸收系數的特性，一般在散射介質中取得影像的方法都只是測量其吸收系數而得到明暗對比的影像，若是欲在高濃度散射介質中取得物體影像，由于光波受到高度散射，造成影像模糊，進而導致影像分辨率大幅下降，因此，若能降低光在高濃度散射介質中的散射效應，或是篩選出輕微散射的光子(snake photon)和直進光子(ballistic photon)，提高對吸收系數的靈敏度，則可以有效提升在高濃度散射介質中的影像分辨率。
然而篩選輕微散射光子和直進光子的方式只適合在較低散射介質中成像，目前在高濃度散射介質中成像的方法主要分時域(time domain)和頻域(frequency domain)的成像技術，在頻率域技術中已提出了擴散光子密度波(diffused photon density wave，DPDW)的概念，擴散光子密度波(DPDW)滿足擴散方程式(diffusion equation)，且能定量得到被測試物的吸收系數(absorption coefficient)與傳播散射系數(reduced scatteringcoefficient)，進而還原散射介質中物體的影像。頻率域技術是目前在高濃度散射介質中成像較有效的方法，其缺點是空間分辨率不高。
發明內容
為了改善上述缺點，本發明是提供一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括先將一雙頻率互相垂直偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質后，產生一擴散極化光子對密度波(DPPDW)，再利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質掃描，透過測量擴散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅及相位，而求得散射介質的傳播散射系數μs’及吸收系數μa進而還原該高濃度散射介質中的影像。
此外更利用兩種或多種不同中心波長的雙頻率近紅外互相垂直激光束測量血氧飽和密度及其變化量，再借由空間掃描可求得血氧飽和濃度的影像。
本發明所述近紅外極化光子對光譜儀測量裝置包括一雙頻率偏極化激光光源，用以產生互相關聯、互相垂直的一雙頻率偏極化光子對激光束，該雙頻率偏極化光子對激光束進入該散射介質后會產生一擴散極化光子對密度波；一參考光外差干涉信號，該參考光外差干涉信號的拍頻與該擴散極化光子對密度波外差干涉信號的拍頻相同；一空間掃描裝置，是對該散射介質作空間掃描；一光偵檢裝置，是偵測該擴散極化光子對密度波；以及一信號處理裝置，用以計算通過該光偵檢裝置后的該擴散極化光子對密度波的相位及振幅信號與空間分布，并求得散射介質中的吸收系數與傳播散射系數的空間分布。該雙頻率偏極化激光光源產生雙頻率互相垂直的偏極化光子對激光束，其中光偵檢裝置，相對于該雙頻率偏極化激光光源的位置設置，而信號處理裝置，與該光偵檢裝置連接。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率圓偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率圓偏極化激光束，而該擴散極化光子對密度波是由該雙頻率圓偏極化光子對激光束在散射介質中產生。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一偏振片，該圓偏極化擴散極化光子對密度波通過該偏振片及該光偵檢裝置后，產生一外差干涉信號。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一極化分光鏡以及一差動放大裝置，該擴散極化光子對密度波通過該極化分光鏡，并同時分別在該光偵檢裝置上產生外差干涉信號，并輸入到該差動放大裝置以形成雙頻率差動式近紅外極化光子對光譜儀。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率線偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率線偏極化激光束，而該擴散極化光子對密度波是由該雙頻率線偏極化光子對激光束在散射介質中產生。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一偏振片，該線偏極化光子對激光束通過該偏振片后產生一互相平行的線偏極化光子對激光束。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一λ/2波片以及一極化分光鏡，該線偏極化光子對激光束通過該λ/2波片后，造成線偏極化光子對激光束極化方向旋轉一角度，再通過該極化分光鏡，并使該光偵檢裝置上產生的外差干涉信號輸入到差動放大裝置中，形成線偏極化差動式近紅外極化光子對光譜儀。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括有一差動放大裝置，該差動放大裝置與該信號處理裝置電性連接，使該擴散極化光子對密度波具有較佳的信噪比及穩定性。
本發明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為多組具有不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源，并且同時測量不同中心波長的該擴散極化光子對密度波的振幅及相位信號，以計算血氧飽和度，并經由空間掃描得到血氧飽和度影像。
本發明是提供一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，主要是利用雙頻率、圓偏極化或線偏極化激光束在高濃度散射介質中傳播而形成擴散極化光子對密度波(diffused photonpair density wave，DPPDW)，基于光學外差干涉技術和極化光子對的同調性(coherence)及共同路徑(common-path)，而從外差干涉信號中測量擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位與振幅的大小，再借由相位延遲與振幅衰減參數隨信號光纖和偵測光纖的間距離的改變而計算出散射介質的吸收系數μa與傳播散射系數μs’，同時亦可借由固定多個不同位置的信號光纖和偵測光纖和多個不同的間隔距離，同時計算出散射介質的吸收系數與傳播散射系數的空間分布，以達成在高濃度散射介質中得到物體的影像。
本發明更提供一種可實時測得血液中血氧飽和濃度(Hemoglobin saturation，SaO2)以及血氧飽和濃度分布影像的近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置。利用兩種或多種不同中心波長的雙頻率近紅外偏極化激光束借由含氧血紅素(Oxyhemoglobin，HbO2)和不含氧血紅素(Deoxyhemoglobin，Hb)對同一近紅外光波長有不相同的吸收系數，以獲得血液中血氧飽和濃度(Hemoglobin saturation，SaO2)的實時測量，并更能進一步借由同時掃描信號光纖和偵測光纖或多個固定在不同位置及不同間隔距離的信號光纖及偵測光纖而取得血氧飽和濃度的空間分布影像。
圖1是為近紅外極化光子對光譜儀測量方法流程圖；圖2是為近紅外極化光子對光譜儀測量血氧飽和度方法流程圖；圖3是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第一實施例的示意圖；圖4是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第二實施例示意圖；圖5是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第三實施例示意圖；圖6是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第四實施例示意圖；圖7是為第四實施例中參考光外差干涉參考信號；圖8是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第五實施例示意圖；圖9是為第五實施例中雙頻率線偏極化光子對激光束(P波+S波)旋轉角度示意圖；圖10是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第六實施例示意圖；圖11a、11b在一個均勻10％的Intralipid-10％溶液中，擴散極化光子對密度波的(如圖11a所示)振幅球面波前(單位為dBm)與(如圖11b所示)相位球面波前(單位為度)；圖12a、12b在三種不同體積濃度的Intralipid(精制卵磷脂)溶液中，擴散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖12a所示)與相位延遲(如圖12b所示)對信號光纖及偵測光纖的距離r的線性關系圖；圖13a、13b在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在加入吸收物india ink(印度墨水)前與加入吸收物india ink后擴散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖13a所示)與相位延遲(如圖13b所示)對距離r的反應；圖14a、14b在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在三種雙頻率極化光子對激光光源拍頻下擴散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖14a所示)與相位延遲(如圖14b所示)對距離r的線性關系圖；圖15雙頻率極化光子對激光光源拍頻為20MHz，Intralipid-10％溶液的體積濃度對所測得的溶液傳播散射系數的線性關系圖；圖16在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，雙頻率極化光子對激光光源拍頻為20MHz，所加入的吸收物Methylene-Blue(亞甲藍)濃度對所測得的溶液吸收系數的線性關系圖。
具體實施例方式
為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特別舉出較佳實施例，并配合所附圖，作詳細說明如下。
請參閱圖1、3，本發明的近紅外極化光子對光譜儀測量方法步驟如下a.將一雙頻率互相垂直的圓或線偏極化光子對激光束410或420入射至一高濃度散射介質260后，產生一擴散極化光子對密度波(DPPDW)430或440；b.利用一空間掃描裝置24對該高濃度散射介質260掃描；c.借偏振片280、光偵檢裝置290、帶通濾波裝置310及信號處理裝置320測量該擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，而空間掃描裝置24包括信號光纖240和偵測光纖270；d.利用已量得的擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位變化和振幅衰減信號的空間分布，可求得吸收系數μa和傳播散射系數μs’的空間分布，進而還原散射介質260中的物體影像。
請參閱圖2、4，本發明更可透過下列步驟求得血液中的血氧飽和度，首先，a.將二種或多種不同中心波長的雙頻率互相垂直的圓或線偏極化光子對激光束410或420入射至一高濃度散射介質260后，產生一擴散極化光子對密度波(DPPDW)430或440；b.利用一空間掃描裝置24對該高濃度散射介質260掃描；c.濾光片350或351，借偏振片280或281、光偵檢裝置290或291、信號放大裝置300或301、帶通濾波裝置310或311及信號處理裝置320測量該擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，而空間掃描裝置24包括信號光纖240和偵測光纖270；d.利用兩組不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源100、101在散射介質中產生擴散極化光子對密度波(DPPDW)，并借由掃描裝置24和光偵檢裝置290、291可求得血氧飽和濃度的分布影像。
第一實施例請參閱圖3，雙頻率圓偏極化激光光源100可輸出一互相關聯(correlated)、相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對激光束410，該圓偏極化光子對激光束410具有圓偏極化R波和L波，其對應的頻率分別為ωR與ωL，當雙頻率圓偏極化光子對激光束410經過分光鏡200后，由分光鏡200將雙頻率圓偏極化光子對激光束410分成信號光束450和參考光束460，信號光束經由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號光纖240并進入散射介質260中，此時雙頻率圓偏極化光子對激光束410會形成擴散極化光子對密度波(DPPDW)430，同時參考光束460經由反射面鏡220及偏振片230送入光偵檢裝置250，以產生參考光外差干涉信號，而信號光束450進入偵測光纖270后，經過一偏振片(analyzer)280、光偵檢裝置290、信號放大裝置300及帶通濾波裝置310，最后與參考光束460一起輸入信號處理裝置320中。
第二實施例請參閱圖3，雙頻率圓偏極化激光光源100可輸出一互相關聯(correlated)、相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對激光束410，該圓偏極化光子對激光束410具有圓偏極化R波和L波，其對應的頻率分別為ωR與ωL，或是利用雙頻率線偏極化激光光源500輸出一互相關聯、相互垂直的線偏極化光子對激光束420，該線偏極化光子對激光束420具有線偏極化P波和S波，其對應的頻率分別為ωP與ωS。另外，雙頻率偏極化激光光源100亦可為一單頻穩頻線偏極化激光結合一電光調制器(或聲光調制器)、偏振片以及λ/4波片形成雙頻率圓偏極化光子對激光束410，同時雙頻率偏極化激光光源100亦可為一單頻穩頻線偏極化激光結合一電光調制器或聲光調制器及偏振片是用以產生雙頻率線偏極化光子對激光束420。另外，當雙頻率偏極化激光光源100包含一單頻穩頻線偏極化半導體激光結合電流調制、偏振片及波片，亦可形成雙頻率圓(或線)偏極化光子對激光束410或420。
如圖3，雙頻率圓偏極化光子對激光束410，經過分光鏡200后，將雙頻率圓偏極化光子對激光束410分成信號光束450和參考光束460，信號光束經由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號光纖240中，同時參考光束460經由反射面鏡220及偏振片230送入光偵檢裝置250，以產生參考光外差干涉信號，參考光外差干涉信號可寫成Ir(Δωt)＝DC+Гcos(Δωt)--------------------------------------------(1)Ir為參考光外差干涉信號的強度，Δω＝ωR-ωL為外差干涉信號的拍頻，DC為直流信號大小，Г為參考光外差干涉信號的振幅大小，t為時間坐標。信號光纖240輸出的雙頻率偏極化光子對激光束在散射介質260中擴散形成擴散極化光子對密度波(DPPDW)430，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270用來偵測擴散極化光子對密度波(DPPDW)430，擴散極化光子對密度波(DPPDW)430通過偏振片280，在光偵檢裝置290產生外差干涉信號，由信號放大裝置300和帶通濾波裝置310將外差干涉信號輸出到信號處理裝置320(例如鎖相放大裝置)量取振幅及相位，其中信號光纖240可由點光源取代，而偵測光纖270可由小面積光偵檢裝置取代。信號光束450通過散射介質260所產生外差干涉信號可進一步寫成(2) I是信號強度，Δω為外差干涉信號的拍頻，t為時間坐標，02為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的能量通量率(rate of energyfluence)，k2為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的波數(wavenumber)，k2＝k2r+ik2i。其中k2r、k2i分別為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的波數k2的實數部分和虛數部分，k2r、k2i對應于散射介質260的吸收特性及散射特性，r是信號光纖240和偵測光纖270的間隔距離，ΔΦ是相位差。
k2r＝[3μa(μs′+μa]1/2-----------------------------------------------(3)μs′、μa分別為散射介質260的傳播散射系數和吸收系數，由方程式(2)可求得在圖3中信號光纖240和偵測光纖270分別在不同間隔距離r0和r，外差干涉信號在散射介質260中的振幅衰減
In(II0)=[In(r0r)-k2rΔr]---(4)]]>I0和I分別是在r0和r的外差干涉信號光強度大小，其中Δr＝r-r0。同理ΔΦ為相位差，可表示成ΔΦ=nΔωc(3μs′4μa)1/2·r=k2i---(5)]]>k2i=nΔωc(3μs′4μa)1/2---(6)]]>n為散射介質的折射率，Δω為外差干涉信號的拍頻，c為真空中的光速，μs′、μa分別為擴散極化光子對密度波(DPPDW)在散射介質260中的傳播散射系數和吸收系數，k2i為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的波數k2的虛數部分，它對應散射介質260的散射特性。由方程式(3)和(6)求得μs′=2ck2rk2i3n(Δω)---(7)]]>μa=nΔω2c(k2rk2c)---(8)]]>因此散射介質260的特性μs′、μa可由圖3裝置中所測量到的外差干涉信號的振幅衰減和相位延遲求得。
如圖4所示，本發明裝置可同時使用另一個不同中心波長的雙頻率圓偏極化激光光源101經過反射面鏡102、分光鏡103及200，經由前述相同的光學系統將雙頻率圓偏極化光子對激光束510在散射介質260中形成擴散極化光子對密度波(DPPDW)440。雙頻率圓偏極化光子對激光束510經由分光片201、濾光片351及偏振片231及光偵檢裝置251中形成參考光的外差干涉信號，同時信號光束450經由分光片340、濾光片351、偏振片281，在光偵檢裝置291產生外差干涉信號，由信號放大裝置301和帶通濾波裝置311將外差干涉信號輸出到信號處理裝置320(例如鎖相放大裝置)量取振幅及相位，以達到形成雙波長近紅外極化光子對光譜儀的測量功能。本發明利用分光片340、濾光片350及351可將不同中心波長λ1、λ2的擴散極化光子對密度波(DPPDW)分開并同時測量其振幅及相位信號大小。
進一步說明，如圖4所示，亦可由兩組雙頻率線偏極化激光光源輸出不同中心波長相互垂直的線偏極化光子對激光束420、520，P波(平行于X坐標軸)與S波(平行于Y坐標軸)，其時間頻率分別為ωP與ωS，而Z軸為激光光傳播方向。當偏振方向相互垂直不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化光子對激光束410、510進入高濃度散射介質260中時，由于雙頻率圓偏極化光子對激光束410、510經過一連串的碰撞事件(events)，而形成不同中心波長λ1、λ2的擴散極化光子對密度波(DPPDW)430、440，同時極化光子對的空間同調性程度(degree of spatial coherence)和極化程度(Degree of polarization，DOP)因而下降，因此僅有仍然維持相互關聯(correlation)的圓偏極化光子對(circular polarizedphoton pair，CPPP)，才能產生外差干涉信號并可通過光偵檢裝置中以Δω＝ωR-ωL為中心頻率的帶通濾波裝置(Band pass filter，BPF)310、311，由于產生外差干涉信號的極化光子對在高濃度散射介質260中屬于經過較少碰撞事件的雙頻率圓偏極化光子對激光束410，而能保留較多的偏極化特性及空間同調性。因此本發明可經由極化光篩選(polarization gating)和空間同調篩選(spatial coherence gating)，進而篩選散射程度較低的雙頻率圓偏極化光子對(CPPP)并形成擴散極化光子對密度波(DPPDW)，它們同時亦滿足擴散方程式。同理，本發明方法及裝置亦可用不同波長λ1、λ2雙頻率線偏極化光子對激光束420、520，借由圖4完成近紅外極化光子對光譜儀。
圖4中，激光光源除了以雙頻率線圓偏極化激光光源100、101作為實施外，也可以雙頻率線偏極化激光光源500、501作為實施，故進入偵測光纖270的雙頻率圓(或線)擴散極化光子對密度波410或420經過一偏振片(analyzer)280或281即可有效的將互相垂直的雙頻率圓(或線)偏極化光子對激光束410及510，或420及520轉換成相互平行的雙頻率線偏極化光子對激光束420’，最后被光偵檢裝置300所接收，它所產生的外差干涉信號，其強度可表示為I(Δωt)＝DC+γcos(Δωt+ΔΦ)----------------------------------------(9)I為信號強度，Δω為外差干涉信號的拍頻，t為時間坐標，DC為直流信號大小，γ為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅，ΔФ為其相位延遲，由擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位延遲和振幅衰減信號可獲得散射介質的μs′和μa。再借空間掃描由擴散方程式求出μs′和μa的空間分布以達到在高濃度散射介質260中利用擴散極化光子對密度波(DPPDW)430或440還原影像的目的。
第三實施例本實施例是將本發明應用于二度空間的實施例，利用一雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101的裝置在高濃度散射介質260中還原待檢測物610的影像。請參閱圖5，本發明透過雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101，例如奇曼氦-氖激光(Zeeman He-Ne laser)，產生雙頻率互相關聯(correlated)且相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對(circular polarized photonpair，CPPP)或線偏極化光子對(linear polarized photon pairLPPP)激光束410或420，圓(或線)偏極化光子對激光束410或420可入射到高濃度散射介質260以及待檢測物610中，而產生擴散圓(或線)極化光子對密度波(DPPDW)430或440。接著，擴散極化光子對密度波(DPPDW)430或440通過光偵檢裝置290或291，直接測量擴散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅(amplitude)及相位(phase)，實時測量散射介質的吸收系數μa和傳播散射系數μs′，而μs′＝μs(1-g)。μs為散射系數，g為散射介質的非均向性參數(scattering anisotropic parameter)，并且該雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101以及光偵檢裝置290或291可于二度空間中位移掃描，再借由擴散方程式的解求得μs′和μa的空間分布圖，以取得散射介質中的光學特性(μs′，μa)變化的空間分布，以還原物體影像。另外，更進一步借由含氧血紅素(Oxyhemoglobin，HbO2)和不含氧血紅素(Deoxyhemoglobin，Hb)對同一波長有不相同的吸收系數，同時利用兩種不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化激光光源或兩種不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化激光光源，實時測量血液中血氧飽和濃度(Hemoglobinsaturation，SaO2)，再借由二度空間掃描，更能進一步取得血氧飽和濃度的分布影像。
將雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101和光偵檢裝置290或291對散射介質260共同位移并做二維(2-D)和三維(3-D)掃描，從獲得擴散極化光子對密度波(DPPDW)430或440的振幅和相位的數據可求得μs′和μa的空間分布，再利用擴散方程式將物體在散射介質260中還原成像。雙頻率偏極化激光光源100或101和光偵檢裝置290或291的數目可適當調整以求得最佳的成像效果。
第四實施例請參閱圖6，不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化激光光源500、501輸出一互相關聯、相互垂直但不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化光子對激光束710、720，雙頻率線偏極化光子對激光束710、720在通過方位角對X軸為θ的偏振片280后，可產生相互平行但不同中心波長的雙頻率線偏極化光子對激光束420’(如圖7)，再由分光片200將互相平行的雙頻率線偏極化光子對激光束420’分成信號光束450和參考光束460，信號光束450經由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號光纖240中，同時參考光束460經由分光鏡201分光成二路，一路(中心波長為λ1)經過濾光片351、光偵檢裝置251，并產生外差干涉參考光信號，另一路(中心波長為λ2)經由反射面鏡220、濾光片350送入光偵檢裝置250并產生外差干涉信號，再一并輸出到信號處理裝置320，而雙頻率線偏極化光子對激光束710、720經過信號光纖240的另一端，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270，通過分光鏡340后分為二路，一路(中心波長為λ1)經過濾光片351、光偵檢裝置291、信號放大裝置301以及帶通濾波裝置311，最后進入信號處理裝置320，另一路(中心波長為λ2)經過濾光片350輸入光偵檢裝置290中，由信號放大裝置300和帶通濾波裝置310輸入到信號處理裝置320中，同理，圖6亦可利用一組不同中心波長的雙頻率圓偏極化激光光源100、101亦會輸出一互相關聯、相互垂直的雙頻率圓偏極化光子對激光束410或420，并經過反射面鏡102將雙頻率圓偏極化光子對激光束410或420反射至分光鏡103，后續的光路及其信號處理經過相同于雙頻率線偏極化激光光源500、501，本段不再贅述，借由分光鏡340和濾光片351、350分別將中心波長λ1、λ2的擴散極化光子對密度波(DPPDW)分開并且同時測量其振幅及相位信號大小。
第五實施例請參閱圖8，雙頻率線偏極化激光光源600通過λ/2波片104，將雙頻率線偏極化光子對激光束610(P波+S波)旋轉一角度θ(如圖9)，再利用分光片190分成信號光束450及參考光束460，信號光束450經由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號光纖240中，信號光纖240的另一端輸出信號光束并在散射介質260中擴散形成擴散極化光子對密度波(DPPDW)440，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270用來偵測擴散極化光子對密度波(DPPDW)440，擴散極化光子對密度波(DPPDW)440經過一極化光分光鏡130將擴散極化光子對密度波(DPPDW)440(P波+S波)在極化光分光鏡130的X軸方向和Y軸方向的分量分開并輸入到光偵檢裝置140、150和信號放大裝置160、170中產生外差干涉信號，它們可表示成Ix(Δωt)＝DC+γcos(Δωt+ΔΦ)-----------------------------------(10)Iy(Δωt)＝DC-γcos(Δωt+ΔΦ)-----------------------------------(11)Ix為x軸方向的信號強度，Iy為y軸方向的信號強度，DC為直流信號，γ為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅，ΔΦ為擴散極化光子對密度波(DPPDW)的相位延遲，借由差動放大裝置180可將兩組信號相減成為平衡偵檢電路(balanced detector circuit)，ΔI＝Ix-Iy＝2γcos(Δωt+ΔФ)---------------------------------------(12)并送入信號處理裝置320中，量取擴散極化光子對密度波(DPPDW)440的振幅衰減和相位差，其中參考光信號460經過偏振片195及光偵檢裝置250并輸入到信號處理器320。完成差動式近紅外極化光子對光譜儀裝置，以求得外差干涉信號的振幅衰減和相位延遲，并提高偵測的靈敏度和信噪比值(SNR)。
第六實施例請參閱圖10，同理，本實施例將不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化光子對激光光源100、101可經λ/4波片105、106而使雙頻率圓偏極化光子對激光束410轉變成雙頻率線偏極化光子對激光束，而構成雙波長雙頻率圓偏極化差動式近紅外極化光子對光譜儀。
由于血液中血紅素(hemoglobin)的吸收系數μa在缺氧狀態(Hb)和充氧狀態(Hb02)對不同近紅外光波長λ1、λ2(例如λ1＝780nm，λ2＝850nm)有明顯的不同，并可由方程式(13)～(16)實時求得血氧飽和濃度(SaO2)的變化。
Δμa(λ1)=ϵHbλ1ΔHb+ϵHbO2λ1ΔHbO2---(13)]]>Δμa(λ2)=ϵHbλ2ΔHb+ϵHbO2λ2ΔHbO2---(14)]]>ΔHb=ϵHbO2λ2Δμ2aλ1-ϵHbO2λ1Δ2aλ2(ϵHbλ1ϵHbO2λ2-ϵHbλ2ϵHbO2λ1)---(15)]]>ΔHbO2=ϵHbλ2Δμ2aλ1-ϵHbλ1Δμ2aλ2(ϵHbO2λ1ϵHbλ2-ϵHbO2λ2ϵHbλ1)---(16)]]>其中ΔHb、ΔHbO2、Δμa分別為缺氧血紅素濃度、充氧血紅素濃度和血紅素吸收系數的變化量，εHbλ1、εHbO2λ1、εHbλ2、εHbO2λ2分別為血紅素在缺氧和充氧狀態下對不同波長λ1和λ2的莫耳消光系數(molarextinction coefficient)，均為已知參數。由本發明裝置可求得擴散極化光子對密度波(DPPDW)在血液中的振幅衰減和相位延遲，再依照方程式(3)～(8)計算出血紅素的μs′和μa。利用不同波長λ1和λ2可精確求得血紅素吸收系數μa(λ1)和μa(λ2)的值，并完成血氧飽和濃度變化的實時測量，同時亦可借由空間掃描配合擴散方程式的解得到血氧飽和濃度的影像。本發明提出一種差動式近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，并利用圓偏極化光子對激光束或線偏極化光子對激光束可有效的獲得散射介質的光學特性(μa，μs′)的測量，經由掃描被測試物體，再配合擴散方程式的解可對在散射介質中物體成像，同時亦可借由兩種不同中心波長的雙頻率圓(或線)偏極化激光光源精確且實時測量不同波長的μs′(λ)和μa(λ)值，更進一步測得缺氧血紅素濃度Hb、充氧血紅素濃度HbO2的變化量和血氧飽和濃度SaO2的變化量，并經由掃描得到血氧飽和濃度的影像。
實驗結果
圖11a至圖16為以圖3的系統架構所得的實驗結果，其中圖11a、11b的實驗情形是在一個均勻10％的Intralipid-10％溶液中，擴散極化光子對密度波的(圖11a)振幅球面波前(單位為dBm)與(圖11b)相位球面波前(單位為度(degree))實驗結果的圖表，而圖12a、12b是在三種不同體積濃度的Intralipid溶液中，擴散極化光子對密度波的(圖12a)振幅衰減與(圖12b)相位延遲對信號光纖及偵測光纖的間隔距離r的線性關系圖，圖13a、13b是在15％體積濃度(volume concentration)的Intralipid-10％溶液中，在加入吸收物india ink前與加入吸收物india ink后擴散極化光子對密度波的振幅衰減(圖13a)與相位延遲(圖13b)對距離r的反應，圖14a、14b是在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在三種光源拍頻(1.8MHZ，2.6MHZ，20MHZ)下擴散極化光子對密度波的振幅衰減(圖14a)與相位延遲(圖14b)對距離r的線性關系圖，圖15是光源拍頻為20MHz，Intralipid-10％溶液的體積濃度對所測得的溶液傳播散射系數的線性關系圖，圖16是在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，光源拍頻為20MHz，所加入的吸收物(absorber)Methylene-Blue濃度對所測得的溶液吸收系數的線性關系圖，由上述實驗結果可證實此系統的可行性。
以上所述僅為本發明較佳實施例，然其并非用以限定本發明的范圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明的保護范圍當以本申請的權利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下100、101～雙頻率圓偏極化激光光源102、220～反射面鏡103、190、200、201、340～分光鏡104～λ/2波片
105～λ/4波片130、131～極化光分光鏡140、141、142、150、250、251、290、291、330、331～光偵檢裝置160、161、162、170、300、301～信號放大裝置180～差動放大裝置195、230、231、280、281～偏振片210～顯微物鏡24～空間掃描裝置240～信號光纖260～散射介質270～偵測光纖300、301～信號放大裝置310、311～帶通濾波裝置320～信號處理裝置350、351～濾光片410、510～圓偏極化光子對激光束420、520、710、720～線偏極化光子對激光束420’～雙頻率線偏極化光子對激光束430、440～擴散極化光子對密度波(DPPDW)450～信號光束460～參考光束500、501、600～雙頻率線偏極化激光光源610～待檢測物
權利要求
1.一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括以下步驟a.將一雙頻率圓或線偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質后，產生一擴散極化光子對密度波；b.利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質作空間掃描，以偵測該擴散極化光子對密度波；c.再透過一光偵檢裝置接收該空間掃描裝置掃描到的該擴散極化光子對密度波；d.透過一信號處理裝置計算通過該光偵檢裝置后的該擴散極化光子對密度波的相位及振幅信號空間分布，并計算該散射介質的傳播散射系數和吸收系數的空間分布，以還原該高濃度散射介質中的影像。
2.一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括以下步驟a.將至少二種不同中心波長的雙頻率偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質后，產生一擴散極化光子對密度波；b.利用一空間掃描裝置于該高濃度散射介質作空間掃描，以偵測該擴散極化光子對密度波；c.再透過一光偵檢裝置接收該空間掃描裝置掃描到的該擴散極化光子對密度波；d.借由缺氧血紅素及充氧血紅素對同一波長有不相同的吸收系數反應，完成雙波長或多波長近紅外極化光子對光譜儀測量方法。
3.一種近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，應用于散射介質中以求得物體影像，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量裝置包括一雙頻率偏極化激光光源，用以產生互相關聯、互相垂直的一雙頻率偏極化光子對激光束，該雙頻率偏極化光子對激光束進入該散射介質后會產生一擴散極化光子對密度波；一參考光外差干涉信號，該參考光外差干涉信號的拍頻與該擴散極化光子對密度波外差干涉信號的拍頻相同；一空間掃描裝置，是對該散射介質作空間掃描；一光偵檢裝置，是偵測該擴散極化光子對密度波；以及一信號處理裝置，用以計算通過該光偵檢裝置后的該擴散極化光子對密度波的相位及振幅信號與空間分布，并求得散射介質中的吸收系數與傳播散射系數的空間分布。
4.根據權利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率圓偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率圓偏極化激光束，而該擴散極化光子對密度波是由該雙頻率圓偏極化光子對激光束在散射介質中產生。
5.根據權利要求4所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一偏振片，該圓偏極化擴散極化光子對密度波通過該偏振片及該光偵檢裝置后，產生一外差干涉信號。
6.根據權利要求4所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一極化分光鏡以及一差動放大裝置，該擴散極化光子對密度波通過該極化分光鏡，并同時分別在該光偵檢裝置上產生外差干涉信號，并輸入到該差動放大裝置以形成雙頻率差動式近紅外極化光子對光譜儀。
7.根據權利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率線偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率線偏極化激光束，而該擴散極化光子對密度波是由該雙頻率線偏極化光子對激光束在散射介質中產生。
8.根據權利要求7所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一偏振片，該線偏極化光子對激光束通過該偏振片后產生一互相平行的線偏極化光子對激光束。
9.根據權利要求7所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一λ/2波片以及一極化分光鏡，該線偏極化光子對激光束通過該λ/2波片后，造成線偏極化光子對激光束極化方向旋轉一角度，再通過該極化分光鏡，并使該光偵檢裝置上產生的外差干涉信號輸入到差動放大裝置中，形成線偏極化差動式近紅外極化光子對光譜儀。
10.根據權利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括有一差動放大裝置，該差動放大裝置與該信號處理裝置電性連接。
11.根據權利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為多組具有不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源，并且同時測量不同中心波長的該擴散極化光子對密度波的振幅及相位信號，以計算血氧飽和度，并經由空間掃描得到血氧飽和度影像。
全文摘要
本發明是一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，測量方法的步驟為先將一雙頻率圓或線偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質后，產生一擴散極化光子對密度波，再利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質掃描，以偵測擴散極化光子對密度波的振幅及相位，而求得散射介質的傳播散射系數和吸收系數，進而在散射介質中還原物體影像，此外，更利用二種或多種不同中心波長的雙頻率極化近紅外激光束，實時測量血氧飽和濃度及其變化量，再借由空間掃描可求得血氧飽和濃度的影像。
文檔編號G01J3/00GK1799505SQ20051000004
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月5日 優先權日2005年1月5日
發明者周晟, 詹益欣, 吳政雄, 俞力平 申請人:周晟
專業數控銑床產品供應商
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