用於皮膚成像的儀器、用於皮膚分析的系統的製作方法

2023-05-27 01:56:36 2

專利名稱：用於皮膚成像的儀器、用於皮膚分析的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於皮膚成像的儀器、一種用於皮膚分析的系統和一種用於皮膚 分析的方法。
背景技術：
黑素瘤是最具侵蝕性和最致命形式的皮膚癌。僅僅在美國，每年出現和死亡的病 例分別為60000和7000例。當早期被檢測到時，黑素瘤可以以相對較低的費用$1. 8K有效 地治療，這導致95%的高存活率。相反地，晚期中該疾病的發展與小於13%的低存活率和明顯增長的治療費用(每 位患者$60K或更高)相關聯。結果，每年黑素瘤治療的總費用的88%歸因於18%的晚期 病例。然而，現在，不存在官方的黑素瘤篩查項目。當前，黑素瘤的診斷是由全科醫生基 於視覺標準執行的。然而，視覺篩查非常依賴於醫生的技能和經驗，並且通常易於產生差錯 並忽略在該皮膚疾病的早期可能不明顯的信號。可用的皮膚病學工具(例如dermascope)僅僅在接受了專門培訓的有經驗的皮膚 科醫生的手中是有用的。然而，由於不可再生的數據採集，存在所採集的數據中大的傳播 (spread) 0因此，長期以來需要改進的皮膚分析工具，其提供對皮膚的簡單且明確的分析、允 許對黑素瘤以及其他皮膚癌類型和其他皮膚疾病進行可靠的早期檢測。這種工具將提供容 易且及時的診斷，從而增加存活率並降低治療費用。本發明的目的是提供一種用於早期檢測皮膚疾病、特別是皮膚癌、更特別地是黑 素瘤的診斷工具。

發明內容
本發明提供一種用於皮膚成像的儀器，其包括設有用於在皮膚上定位的觀察窗的 外殼、至少一個用於從該外殼內部照明觀察窗的照明裝置、至少一個對準觀察窗的近場圖 像捕獲裝置、至少一個對準鄰近觀察窗定位的反射器的遠場圖像捕獲裝置，其中該反射器 適用於引導從觀察窗下的皮膚散射的擴散光朝向遠場圖像捕獲裝置。利用這種儀器，可以 對皮膚進行可靠的掃描，該掃描可以與參考數據相比較以便檢測皮膚特定位置中的變化和 /或異常。當所述觀察窗被置於待監測的皮膚區域最上面(top)時，所述外殼基本上無光 (light-free) 0優選地，所述外殼的內表面設有塗層，塗層具有支配(govern)吸收、顏色、 散射等的受控光學屬性。所述近場成像裝置以及遠場成像裝置優選地是數位照相機。所述 近場和遠場散射典型地具有不同的強度。因此，這些照相機可以在不同的最優條件下操作。 所述反射器可以包括單個反射鏡或多個反射鏡。所述觀察窗可以具有各種形狀，例如圓形 或正方形。優選地，所述近場成像裝置對準基本上垂直於皮膚表面的觀察窗。因此，所述近場成像裝置基本上是具有暴露於近場照相機的最大表面積的二維圖像。在優選實施例中，所述照明裝置在斜角下對準皮膚表面。斜角為不是90度的倍數 的角；這意味著與皮膚表面的入射角小於90°。使用多個斜角的優點在下文中被進一步詳細描述。使用可變的入射角有兩個優 點。首先，通過改變照射角，改變了所述外殼的內表面上的遠場散射圖案(pattern)的位 置。該移位依賴於組織散射係數，對於惡性組織而言，該散射係數較高。分析作為角度的函 數的遠場圖像的變化可以提供病變(lesion)是良性的還是惡性的(癌症)的信息。其次，使用傾斜的入射角對照射光的穿透深度有影響。結果，可以通過調節(一個 或多個)光極(optode)的取向而針對例如組織樣本被探查到的深度進行選擇。因此，可以 獲得來自病變的不同深度的信息。這對於下述操作而言是特別重要的a)檢測早期的皮膚 癌，此時其位置被限於表皮層(在皮膚表面以下近似70到100微米)；b)檢測晚期癌症病 變的深度，其中如果病變到達皮膚的血液豐富的真皮層，則存在高的轉移(metastases)風 險。如果所述照明裝置適合於改變入射角，則這是有利的。因此，可以在不同的角度下 記錄近場和遠場圖像，這些產生了更多的信息並增加的所述方法的靈敏度。皮膚中的一些 差異、變化或異常在單個照明角下將不會明顯增加收集記錄的角度的數量就增加了檢測 到異常的機會。優選地，所述照明裝置適於在皮膚上投射光圖案。使用照射圖案具有下列優點。首 先，它輔助獲得關於所研究對象(即皮膚病變)的形狀的3維信息。惡性皮膚病變可以在 皮膚表面的最上面形成圓丘(dome)，可以使用3維空間信息檢測該圓丘。其次，使用照射圖 案輔助獲得關於沿著擴展區域的光衰減的信息。可以通過為所述照射裝置提供一種調節視 場內或視場附近的被照射區域的形狀或圖案的方式來實現照射圖案。所述照明裝置可以包 括掃描預定圖案中的皮膚區域的單個點或在給定位置處的多個結合點或以預定的環形或 其他適當形狀設置的多個點。在優選實施例中，所述照明裝置可移置以改變如入射角。這是改變光在皮膚表面 上的入射角的非常可靠的方式。各種機械移置裝置可用於以可靠的和可重現的方式改變所 述角度，例如軌道上的機動的光源。缺點在於，在測量中間將光源移動到新位置要花費時間 並且移動部分易於出現故障(defect)。在另一個優選實施例中，所述照明裝置包括多個在不同入射角下定位的單獨供電 的光源。這些光源可以被順序地尋址以便改變照明角。當照明角被固定時，所述再現性是 非常好的。缺點在於需要多個可能是昂貴的光源。在優選實施例中，所述入射角包括至少一個斜角。特別有用的斜角是從20°到75°，最優選地為近似55°，因為這是針對人類皮膚 的近似的布儒斯特角(Brewster angle)。優選地，所述入射角還包括近似0°的角。在0°角和斜角處光散射對近場和遠場 圖像的參數的影響之間的差異通常是大的，並且因此該組合產生大量信息。如果所述照明裝置包括偏振的光源、優選地為雷射器或設有偏振裝置的非偏振的 光源，則這是有利的。與非偏振的光相比，偏振的光源產生更特殊的散射圖案。在優選實施例中，由光源發射的光譜成分可以被改變。因此，測量可以進一步優化，並且可以在各種波長處進行，這進一步優化了測量的靈敏度。優選地但非必要地，每個 測量在單個波長處進行。如果反射器是從外殼突出的預定形狀的凸面，則這是優選的。這種反射器捕獲寬 區域的散射的擴散光，並且因此提供用於遠場成像裝置的高密度信息。本發明還提供一種用於皮膚分析的系統，包括根據前述權利要求中任一項的儀 器；用於控制照明裝置和成像裝置的控制裝置；用於處理由近場和遠場圖像捕獲裝置捕獲 的圖像的數據處理裝置；和用於顯示圖像和/或經處理的數據的顯示裝置。利用這種系統， 對於技術人員而言，可以相對容易地了解人的皮膚的當前狀態並且在將分析的圖像與較早 階段(例如前若干星期、若干月或若干年)取得的圖像進行比較時注意到皮膚中的變化。根 據本發明的分析系統有助於指示表現出處於早期變化的皮膚疾病的變化，典型地比甚至由 有經驗的醫生可能指示的要早。當在皮膚中檢測到可能惡性的變化時，醫生可以決定啟動 進一步的檢驗，例如組織學或微生物檢驗，這可以導致皮膚疾病的早期診斷。潛在的致命的 皮膚疾病(例如黑素瘤)的早期診斷提高了患者存活的機會。本發明還提供一種用於皮膚分析的方法，包括以下步驟如上所述，將根據本發明 的儀器的觀察窗定位在待分析的皮膚區域上；由照明裝置在入射角下照明至少一部分所述 皮膚區域；由近場圖像捕獲裝置捕獲被照亮的(lighted)皮膚的至少一個圖像；由近場圖 像捕獲裝置捕獲至少一個由反射器從被照射的皮膚反射的圖像；以及將所捕獲的圖像與參 考圖像進行比較。近場和遠場圖像在不同照明角下的這種組合提供了可靠的且靈敏的信 息，並且被分析的皮膚中的發展中的變化可能被注意到。相反地，如果僅僅取得近場或遠 場，則一些變化在早期不那麼可能被注意到。同樣，照明的角度或圖案對所創建的圖像有巨 大的影響，並且可以增加皮膚病變可被注意到的機會。所獲得的圖像可以進一步(優選地 在自動化系統上)經歷圖像分割和模式識別分析以及病變分類。皮膚的照射可以利用部分 在離皮膚口徑(skinaperture) —定距離處或在其附近的圓丘狀屏蔽(screen)外部的光源 來完成。所述方法可以進一步包括將根據本發明的儀器的觀察窗定位在待分析的皮膚區 域上。所述方法可以進一步包括獲取遠離可疑病變的皮膚的遠場圖像，優選地以0° 和各種斜角獲取。然後，在離可疑病變一定距離處取得的圖像可被用作標準，特別是在沒有 歷史數據可用的情況下。有利地，可以確定每個圖像的「重心」和依賴於角度的「重心」移位。然後，可以以 0°角和斜角採集可疑病變(可能是惡性的)的遠場圖像，並估計每個圖像的「重心」和依 賴於角度的「重心」移位。為了進行比較，以0°角和斜角採集胎塊(mole)(非惡性病變) 的遠場圖像也是有用的，從而估計每個圖像的「重心」和依賴於角度的「重心」移位。隨後， 這使得能夠比較皮膚、胎塊和可疑病變的圖像中「重心」的移位的差異，這使得對於技術人 員而言評估可疑病變是否確實是惡性的相對容易。優選地，在變化的照明入射角下取得多個圖像。這增加了檢測到皮膚病變的機會。 優選地，在從0°到至少75°的範圍內變化的入射角下取得多個圖像。通過使用高入射角， 可以評估皮膚的更多表面層。這有益於檢測早期的癌症病變，因為已知該癌症病變從皮膚 中近似70到100微米深的表皮層開始。
6
最優選地，所述多個圖像包括以15°與25°之間的第一角和55°與65°之間的 第二角取得的圖像。如果入射角至少包括0°角且至少包括一個斜角，則這是優選的，並且 優選地所述入射角包括全偏振反射的布儒斯特角。


圖1示出根據本發明的儀器。
具體實施例方式圖1示出儀器1，其包括無光的外殼2，該外殼2可以包括整個半球或其一部分。 外殼1的底板3設有窗口 4，該窗口被置於待檢查的皮膚區域的最上面。皮膚5在所述窗 位置形成近似平坦的表面。一種設備可以包括附加的裝置以控制施加在皮膚上的壓力或力 (force)。這是為了使可能影響測量的皮膚變形、皮膚流體移置和相關效應最小化。窗4可 以是打開的，但是也可以設有基本平坦的、充分透明的材料層，優選地為玻璃板，最優選地 為無反射玻璃板。當不使用玻璃板時，如果皮膚5的被監測部分儘可能地平坦，則這是優選 的。這可以通過使被掃描區域保持充分小或通過使用皮膚伸展裝置來實現。浸液(根據顯 微鏡方法已知)可以應用在皮膚與設備的出射窗之間的皮膚上。這最小化了來自皮膚表面 的鏡面反射、增加了皮膚中的光穿透並且最大化了光收集效力。第一近場成像照相機6垂 直於皮膚表面5地定位在窗口 4上方。光源7在角度A下對準暴露的皮膚區域4。光8的 一部分被皮膚5吸收，另一部分被反射，而還有一部分被散射。當玻璃板用在窗4中時，可 以使用的最大角度典型地為75° (依賴於玻璃的類型)，因為在更高的角度處，典型地由於 全內反射，不能獲得有用的數據。反射光9可以被光阱(light trap) 10捕獲，以便防止在 外殼內的進一步的散射。散射光11的一部分直接被第一照相機6記錄。第一照相機記錄 近場散射光，該近場散射光在相對於入射束8的小於90°的角度下散射，並具有相對較高 的強度。散射光11的另一部分通過鄰近窗口 4定位的適當彎曲的反射鏡13被朝向第二遠 場成像照相機12反射。該間接反射的遠場散射在相對於入射束8的大於90°的角度下被 散射，並具有相對較低的強度。由於遠場照相機12與近場圖像照相機6分離，每個照相機 可以容易地相對於所記錄的強度來最優化以達到最優的信噪比。光源7照亮皮膚5的角度A可以或者通過對雷射器的機械移動或者通過可調節的 光學器件(例如反射鏡)或者通過使用其位置和角度可以關於皮膚移置的傳送來自遠程光 源的光的光纖來改變。可替換地，許多附加的雷射器14、15(或其他光源)可以在固定的角 度A下定位並順序地操作以便實現可以通過移動單個雷射器7實現的相同照明條件。通過在不同的入射雷射角度A下記錄近場圖像6和遠場圖像12這二者，可以測量 在許多角度處的圖像，然而，這將產生大量的數據。在實踐中，優選的是在有限量的角度下 (優選地每個皮膚位置3-10個角度)記錄。特別有用的數據集可以例如通過在近似0°、 20°、40°、55°和75°的角度處測量來獲得。所述儀器然後可以在X和Y兩個方向上(優 選地通過自動化裝置)朝皮膚上的不同位置而被移動。因此，皮膚的特定部分可以以期望 的解析度掃描，並且所述數據可被處理。特定皮膚區域的掃描可以相對較快地進行。在不同角度下近場和遠場圖像的經處理的組合產生皮膚輪廓(profile)。所記錄 的圖像可以與參考圖像進行比較，參考圖像例如是較早時候記錄的圖像或皮膚的健康部分
7的記錄。該方法產生了指示皮膚中的異常和/或變化的可靠且容易的方式，這可以給診斷 例如皮膚癌帶來巨大的幫助。因為該方法非常靈敏，所以與已知的方法相比，這樣的皮膚疾 病更容易在早期被檢測到。在皮膚癌的情況下，早期檢測特別重要。與自動化的數據處理 系統和決策支持相結合，這為用於皮膚癌篩查的易於使用的工具提供了基礎。儀器1可以由不需要完整的醫學教育也不需要經驗的人來操作。所收集的圖像數 據和/或分析數據可被發送給技術人員，或可以存在由相對不熟練的技術人員對需要由更 高資格的專家察看的(look at)潛在有害的發展的預先選擇。一旦圖像中的令人擔憂的差 異被注意到，則被檢查的人可以被轉送至臨床醫生，其可以進行全面的診斷以便證實某疾 病(例如黑素瘤)的發展。因此，技術熟練的專家可用的有限時間可被更高效地使用，同時 可以針對潛在危險的皮膚疾病對更大量的人群進行監測。儘管用於皮膚疾病的早期檢測的應用被認為是根據本發明的儀器1的最重要的 應用，但是它也可以用於其它應用，例如美容應用(如皮膚類型的測量)、色素紊亂(如老年 斑和白癜風)的監測。
8
權利要求
用於皮膚成像的儀器(1)，包括 外殼(2)，其設有用於在皮膚表面(5)上定位的觀察窗(4)， 至少一個照明裝置(7，14，15)，其用於從該外殼內部照明所述觀察窗， 至少一個近場圖像捕獲裝置(6)，其對準所述觀察窗，和 至少一個遠場圖像捕獲裝置(12)，其對準鄰近所述觀察窗定位的反射器(13)，其中所述反射器適用於引導從所述觀察窗下的皮膚散射的擴散光朝向所述遠場圖像捕獲裝置。
2.根據權利要求1的儀器，其特徵在於所述近場成像裝置基本上垂直於所述皮膚表面 而指向。
3.根據權利要求1或2的儀器，其特徵在於所述照明裝置在斜角(A)下對準所述皮膚表面。
4.根據權利要求3的儀器，其特徵在於所述照明裝置適合於改變所述入射角。
5.根據權利要求4的儀器，其特徵在於所述照明裝置可移置以改變所述入射角。
6.根據權利要求4的儀器，其特徵在於所述照明裝置包括多個在不同入射角下定位的 單獨供電的光源(7，14，15)。
7.根據前述權利要求中任一項的儀器，其中所述照明裝置適於將光圖案投射在皮膚上。
8.根據前述權利要求中任一項的儀器，其特徵在於所述入射角包括至少一個斜角㈧。
9.根據權利要求8的儀器，其中所述斜角(A)是從20°到75°。
10.根據權利要求7或8的儀器，其中所述入射角包括斜角以及近似0°的角。
11.根據前述權利要求中任一項的儀器，其特徵在於所述照明裝置包括偏振的光源，優 選地包括雷射器。
12.根據前述權利要求中任一項的儀器，其特徵在於可以改變由所述光源發射的波長。
13.根據前述權利要求中任一項的儀器，其特徵在於所述反射器(13)是從所述外殼突 出的預定形狀的凸面鏡。
14.用於皮膚分析的系統，包括根據前述權利要求中任一項的儀器(1)；用於控制所 述照明裝置和成像裝置的控制裝置；用於處理由所述近場和遠場圖像捕獲裝置捕獲的圖像 的數據處理裝置；和用於顯示圖像和/或經處理的數據的顯示裝置。
15.用於皮膚分析的方法，包括步驟-將根據權利要求1-13中任一項的儀器的觀察窗(4)定位在待分析的皮膚區域(5)上，-由所述照明裝置(7，14，15)在入射角下照明至少一部分所述皮膚區域， -由所述近場圖像捕獲裝置(6)捕獲被照亮的皮膚區域的至少一個圖像， -由所述遠場圖像捕獲裝置(12)捕獲至少一個由所述反射器(11)從所述被照亮的皮 膚區域反射的圖像，以及-將所捕獲的圖像與參考圖像進行比較。
16.根據權利要求15的用於皮膚分析的方法，其特徵在於在變化的照明的入射角下捕 獲多個圖像。
17.根據權利要求16的方法，其特徵在於所述入射角至少包括0°角且至少包括一個 斜角㈧。
全文摘要
本發明涉及一種用於皮膚成像的儀器、一種用於皮膚分析的系統和一種用於皮膚分析的方法，其使用在不同照射角下的近場和遠場皮膚圖像的組合。該儀器提供一種可以被用於針對可以表現出皮膚疾病、特別是例如黑素瘤之類的皮膚癌的病變快速篩查皮膚的工具。
文檔編號A61B5/103GK101977551SQ200980109478
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月11日 優先權日2008年3月18日
發明者N·E·尤曾巴賈卡瓦, R·E·蒂爾溫德, S·瓦德曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司