CN101151513A - 分析物无创检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于组织(208)特性的准确无创检测的方法和装置。本发明的一些实施例包括具有照射子系统(201)和聚集子系统(222)的光学取样器(221)，所述照射子系统适合于将具有第一偏振(205)的光传递到组织表面(208)，所述聚集子系统适合于聚集在与组织(208)相互作用之后而从组织(209)传递的具有第二偏振的光；其中所述第一偏振不同于所述第二偏振。偏振中的差异可阻碍从组织表面(208)镜面反射的光的聚集，并可促进与组织中期望的穿透深度或路径长度分布相互作用的光的优先聚集。例如，不同的偏振可为在其之间具有角度的线偏振或旋向性不同的椭圆偏振。

Description

分析物无创检测的方法和装置

技术领域

本发明涉及通过测定样品对入射辐射的响应来测量材料特性，尤其是涉及分析物如人体组织中的葡萄糖或酒精的测量。

背景技术

本申请要求2005年2月9日提交的号码为60/651,679的美国临时申请文件“The Influence of Changing Pathlength Distributions in theMeasurement of Analytes Noninvasively and Methods for Mitigation andCorrection”的利益，其被包含于此以做参考。

无创葡萄糖监测是很多研发团体的长期目标。这些团体中的几个已经试图使用近红外光谱作为测量方式。到目前为止，这些团体中没有一个演示了产生足以使美国食品药物管理署(“FDA”)和医师团体满意的无创葡萄糖测量的系统。由组织介质引入的光谱噪声是这些失败的主要原因。组织噪声可包括干扰或妨碍分析物测量的准确性的任何光谱变化源。组织的光学特性的变化可能有助于产生组织噪声。测量系统本身也可引入组织噪声，例如系统中的变化可能使组织的特性显得不同。组织噪声在已出版的文献中被充分认识，并被不同地描述为生理学变化、散射变化、折射率的变化、路径长度的变化、排水量的变化、温度变化、胶原质变化和组织层性质的变化。例如参考Khalil，Omar的无创葡萄糖测量技术(Noninvasiveglucose measurement technologies)：从1999到新千年初的修正，糖尿病技术和治疗(Diabetes Technology & Therapeutics)，第6卷，第5号，2004。组织的光学特性的变化可将传统的光谱应用限制为无创测量。传统的吸收光谱依赖于吸收性、浓度、路径长度和摩尔吸收系数之间的Beer-Lambert-Bouger定律。对于单个波长，单个组件情况：

$I_{\mathrm{\λ}}=I_{\mathrm{\λ},o}{10}^{-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{lc}}$

α_λ＝ε_λlc

其中I_λ，o和I_λ是入射和出射流量，ε_λ是摩尔吸收系数，c是物质的浓度，以及l是通过介质的路径长度。α_λ是在波长λ(-log₁₀(I_λ/I_λ，o))时的吸收系数。这些方程假定光子穿过路径长度为l的介质或被分子占有物吸收。

不幸的是，组织的光学测量与Beer定律要求的假设不一致。在个体之间组织的变化、同一个体在不同地点或不同时间之间组织的变化、表面污染物、测量系统与组织的相互作用以及很多其它真实世界的效应可能阻碍准确的光学测量。存在对允许在真实世界环境中准确测量的光学测量方法和装置的改进的需要。

发明内容

本发明提供用于组织特性的准确无创测定的方法和装置。本发明的一些实施例包括具有照射子系统和聚集子系统的光学取样器，所述照射子系统适合于将具有第一偏振的光传递(communicate)到组织表面，所述聚集子系统适合于聚集在与组织相互作用(interaction)之后而从组织传递的具有第二偏振的光；其中所述第一偏振不同于所述第二偏振。偏振中的差异可阻碍从组织表面镜面反射的光的聚集，并可促成与组织中期望的穿透深度或路径长度分布相互作用的光的优先聚集。作为例子，不同的偏振可为在其之间具有角度的线偏振或旋向性(handedness)不同的椭圆偏振。

光滑剂(smoothing agent)可应用(apply)到组织表面以阻止镜面反射光中的偏振变化，从而通过偏振差异(polarization difference)来增强对镜面反射光的抑制。光滑剂的光谱特征可在所产生的光谱信息中测定，并且光滑剂的存在、厚度以及正确的应用可被鉴定。照射系统、聚集系统或两者都可利用多个偏振状态，允许多个深度或路径长度分布被取样，或允许选择特定的深度或路径长度分布以进行取样。通过偏振抑制镜面反射光允许取样器与组织间隔开，减少了接触取样器而产生的问题(例如，组织测量由于压力或发热而出现某种倾向性)。取样器与组织的分离能使较大的面积如20mm²被取样。可布置照射系统和聚集系统，以便与组织表面的不同部分进行传递，例如被分离一段固定或可变距离的部分。

照射系统和聚集系统可设置成使组织的取样最佳化，例如通过响应于界面性质(interface quality)检测器(例如自动聚焦系统或光谱性质反馈系统)而改变光学焦距或与组织表面的距离。利用组织定位系统，例如使脉管系统(vascular system)的组成部分成像的成像系统，可识别被取样的组织的部分，从而允许在可重复的位置进行测量，而对组织没有机械限制。

对本领域技术人员来讲，当研究了下面的说明时，优点和新特征将变得明显或可通过实践本发明而得知。通过特别在随附的权利要求中指出的方法和组合可实现并得到本发明的优点。

附图说明

图1是组织及其变化的示意图。

图2是散射介质中Beer定律的限制的示意图。

图3是可用来被光学取样器控制的光特性的说明。

图4是根据本发明的组织取样器的示意图。

图5是信号强度与从大的散射介质散射回来的光的光学路径长度的关系曲线的概念性说明。

图6是有两个或更多不同的路径长度的情况的示意图。

图7是示例性实施例的简要描述。

图8是示例性实施例的简要描述。

图9是示例性实施例的简要描述。

图10是光学取样器的探照灯照明区域的示意图。

图11是光纤基部取样器的示意图。

图12是来自两个光学取样器的光谱信息的示意图。

图13和图14是两个光学取样器之间的差异的示意图。

图15是散射颗粒的单一溶液的路径长度和偏振角之间关系的示意图。

图16是人体组织的路径长度和偏振角之间的关系的示意图。

图17是解释所测量的路径和平均路径之间关系的图。

图18是散射溶液的所测量的路径和平均路径之间的关系曲线图。

图19是人体组织的所测量的路径和平均路径之间的关系曲线图。

图20显示通过适应性取样的改进的光学性能的图示。

图21是当存在光滑剂时使用光学取样器得到的光谱数据的曲线图。

具体实施方式

用于Beer定律的路径长度假说不完全符合在人体组织中进行测量的现实。在介质如组织中，光子被散射且不传播单一路径而是传播分布的路径。路径的分布导致路径长度的分布(光子传播的路径长度；具有特定的长度分布“路径长度分布”或“PLD”的一组路径长度)。简单说来，该分布具有很多传播具体的路径长度的光线，以及凭借散射相互作用的随机性质传播通过样品的较短或较长的路径的光线。该路径长度分布的特性可进一步以统计特性例如分布平均和标准偏差为特征。这些特性对测量系统不一定是固定的，因为它们可用复杂的方式依赖于包括散射粒子的数量、散射粒子的尺寸和形状以及波长的样品特性。此外，特定体积的组织的PLD对组织的固有特性以及组织被取样的方式敏感。在无创测量之间或在无创测量期间的PLD的任何变化将引起路径的变化，使得Beer定律的假设不被满足。最后结果是无创测量中的错误。光学特性的变化引起所观察的PLD的变化。PLD的变化可导致分析物测量误差。

简化的物理模型。简化的模型在理解本发明的操作原理方面可能是有用的。由于认识到组织是非常复杂的层状介质，简化的物理模型提供对问题被解释和剖析成较简单的部分的有用的结构。考虑在一组层状海绵中进行光谱测量的情况。海棉类似于组织是由于海绵具有液体包围的固体结构。这种物理模型类似于组织是由于组织具有由细胞和被细胞间液包围的胶原质组成的固体矩阵。海绵的这种物理模型及其与组织的关系将被逐渐复杂地系统地描述。

将海绵考虑为不均匀结构。根据与海绵中变化有关的取样面积的尺寸，在不同位置的海绵的不同观测结果可能看起来相当不同。组织是不均匀介质，因此可能存在位置与位置的差异。

考虑简化的情况，其中两个海绵具有相同的成分但是不同的密度。这里密度被定义为每单位体积固体海绵材料与空气(如果是干的)或水(如果是湿的)的比率。由于散射的变化，这些密度差异引起光传播特性的变化。然后这些差异转化为海绵之间PLD的差异。胶原质与水的关系在组织方面不同且造成所观察的PLD的差异。

水能根据挤压作用移进或移出海绵。挤压以临时的方式改变海绵的密度，因此改变所观察的PLD。组织是可挤压的介质，如人们可在组织中产生凹痕所证实的。因此，组织的挤压可改变水与胶原质的比率，并改变所观察的PLD。

皮肤由不同的皮肤层组成，这类似于海绵的堆积。海绵的层状堆积中的每一层可具有不同的厚度，并可具有不同的特性(例如不同的密度)。海绵层的厚度和其它特性的差异可改变所述堆积的光学特性，并可引起所观察的PLD的变化。例如在男人和女人之间以及由于衰老的原因，人的皮肤厚度可能变化。因此，皮肤厚度的差异可引起介质和所观察的PLD的光学特性的变化。对上面概念的图形表示见图1。

返回到Beer定律：

α_λ＝ε_λlc

其中I_λ，o和I_λ是入射和出射流量，ε_λ是摩尔吸收系数，c是物质的浓度，及l是通过介质的路径长度。a_λ是在波长λ时的吸收性。如果保持路径长度和浓度的乘积不变，可得到相同记录的吸光度，见图2。换句话说，在路径变化和浓度变化之间不能区分吸光度信息。回到海绵的类比，考虑在海绵中包含水的含水海绵到达固定的葡萄糖浓度。如果海绵被挤压，液体的葡萄糖浓度保持相同，然而散射量或每单位体积的固体物质增加。散射的增加可增加光路径长度，以及因此光学测量的葡萄糖浓度可能较高，而不管液体的实际葡萄糖浓度保持不变的事实。甚至对这个简单的系统，进一步将Beer定律的应用复杂化的是下述事实：在挤压期间每单位体积的液体量减少，使得液体、葡萄糖和固体物质的相对份额改变，导致PLD变化。由于改进的分析物测量目标，减少的路径长度变化量或对路径长度变化的有效补偿可产生改进的分析物测量。

组织噪声的源和原因。组织噪声源及其对路径长度分布的最终影响的以下讨论可帮助理解本发明各个方面的操作和益处。

人与人之间的内在差异。人体组织是由多个不同成分和不同厚度的层组成的复杂结构。人与人之间结构上的差异影响光如何与组织进行相互作用。特别地，这些组织差异可引起组织的散射和吸光特性的变化。这些变化又造成PLD的变化。在对多于一百个不同的人的实验中，发现人与人之间的PLD明显不同。

组织异质性差异。人体组织是由多个成分和不同厚度的层组成的复杂结构。此外，由于部位与部位之间的差异，组织可能是高度异质的。例如，人手掌上皮肤与同一人的前臂或脸上的皮肤相当不同。在不同部位之间的这些结构上的差异可能影响光如何与组织相互作用。实验数据表明，PLD根据所取样的确切部位而不同。对相同的组织体积或至少很大部分相同的组织体积取样，组织的每次重复取样可减少PLD差异。对于指定数量的相同部分，很小的取样面积对重新定位误差有非常严格的要求，而较大的取样器有较不严格的要求。在使用光纤取样器的人体测试中，我们观察到，只有几毫米的重新定位误差可能产生明显的光谱差异。由于部位与部位之间差异的这些结构上的差异引起PLD的变化并导致预测错误。因此，对相邻样品之间有相当数量的部分相同的大面积取样的取样系统具有明显的优点。

使用多个路径长度取样的组织取样器(有时称为光学探测器)还可能易受PLD差异的影响。在照射和聚集部位之间使用不同的物理间隔以产生不同路径的多路径取样器中，组织的稍微不同的位置被取样，产生额外的组织噪声。

组织挤压组织。除了上述内在PLD差异外，组织不是静态结构且在测量过程期间PLD可略微有所改变。作为例子，考虑当皮肤被置于与任何硬物体接触的压力中时，留在组织中的印记。当用固体透镜或表面对手臂取样时，组织在取样过程期间可能变得略微扁平。由于水的运动和下面的胶原质矩阵的挤压而出现了组织的挤压。水和胶原质变化导致吸收(成分)变化和散射变化。美国专利6,534,012中描述了对吸收和散射系数的接触取样的影响。该专利描述了用于控制施加在手臂上的压力的中等复杂的系统。由于取样处理产生的吸收或散射系数的变化，导致在取样过程期间可变的PLD以及相应的对测量准确性的有害影响。

皮肤表面组织。除了内在变化，组织和光学界面之间的界面也可随着时间的过去而改变。皮肤是具有很多皱纹和裂纹的粗糙表面。在几天之间、在单独的一天期间以及甚至在单个测量过程期间，可能出现皮肤表面的变化。例如在几天之间由于阳光暴晒可能出现变化。例如在一天内例如由于进行淋浴的活动可能出现变化。例如由于空气空间或组织裂纹的变化可能出现测量周期变化。随着裂纹或空间在尺寸上减少，透镜和皮肤之间的接触数量增加了。该增加的接触可改变光传输进组织或从组织传输出来的效率，且还可改变进入组织的光的有效数值孔径。数值孔径被定义为进入组织和从组织射出的光的椎角。数值孔径的变化可引起PLD的变化，导致分析物测量误差。用基于接触的取样器对组织取样还可使皮肤在取样过程中出汗。出汗可改变耦合进组织的光并影响测量结果。

关于取样系统问题的组织定位。很多组织取样系统基于组织与光学透明元件接触或组织在空间上可重复定位的假设。上面讨论了与皮肤接触的光学透明元件的使用。组织不是刚硬结构的事实在符合与空间上可重复的定位相关联的标准方面造成显著的困难。大多数光学系统具有焦点(例如，像摄像机)，且在不同位置的组织的定位实际上模糊和破坏了光谱数据。组织的弹性、皮肤拉紧、肌肉活动和重力影响中的差异影响组织特别是组织的前表面平面的定位。定位的差异可能是降低测量性能的组织噪声源。

组织表面污染问题。为了进行有用的无创分析物(例如葡萄糖或酒精)测量，辐射必须与适当表示所研究的分析物的血液或系统值的材料(例如体液)相互作用。简单地从组织的前表面反射的辐射通常几乎不包含或根本不包含有用的信息，这是因为它与体液几乎没有相互作用。从前表面或从很浅的穿透深度反射的辐射称为镜面光。即使深深地穿入组织并包含分析物信息的辐射也可被表面上的污染物质影响，这是因为光通过污染层两次。例如，在进行葡萄糖检测的病人手臂上的糖浆可导致测量误差。

通过减少组织噪声源和/或通过增加光谱数据的信息内容可改善组织中光谱测量的准确性。通常，任何用恒定的或更恒定的PLD实现光谱的获得的取样器系统肯定影响测量准确性。任何提供更独特的光谱测量方案(例如双目镜与单目镜比较，或可控制的路径长度的取样)的取样器系统可增加光谱数据的信息内容。

本发明包括组织取样系统，其减少组织噪声并可增加所获得的光谱数据的信息内容。本发明的各个实施例包括下列特征的不同组合：

在取样器和组织之间没有接触。缺少接触可减少组织压缩的影响以及在组织表面的生理变化。

覆盖组织的相对大的面积的照射和聚集光学器件允许信号在大面积上被平均，因而减少了部位与部位之间的变化。

一种改变通过组织的路径长度分布或穿透深度的装置，以便利用数据处理中的这些差异来达到分析物浓度的更准确的估计。

容易的装配和总的低成本的实现。

对相同的组织部位取样或在组织的不同样品之间有相当数量的部分相同的能力。在样品之间较大数量的部分相同可减少由于部位与部位之间差异的光谱变化。

补偿组织表面部位的差异和/或向用户提供反馈以便以可重复的方式定位组织样品部位的系统。

来自所测量的光谱的镜面光的抑制。因为镜面或短路径长度光谱数据几乎不包含或根本不包含有用的分析物信息，因此镜面光的抑制消除或减少了另外的噪声源。

示例性实施例。

如图3所示，为组织取样设计的光学取样器集中于控制光101的数值孔径、照射角和聚集角103以及源和聚集光纤102之间的距离。照射光和聚集光的相对偏振可使用104。图4是根据本发明的组织取样器的示意图。光源201如宽带光源例如通过聚焦或校准元件202将光传递到分光计203如傅立叶变换分光计的输入孔径。分光计203例如使用聚焦元件204将光从其输出端口203传递到组织表面208。从分光计203到组织表面208的光学路径还可包括偏振器205、四分之一波片206或两者，以使入射在组织表面208上的光具有受控的线偏振或圆偏振。

在与组织相互作用之后，从组织漫反射的光可由聚光光学器件213聚集并被传递到检测器212。从组织表面208到检测器213的光学路径还可包括第二偏振器211(有时在这里称为“分析器”)、第二四分之一波片210或两者。照射光学器件221和聚集光学器件222可相对于彼此和相对于组织表面208布置，以阻碍镜面反射光209的聚集。作为例子，组织可放置在照射光学器件221和聚集光学器件222的光轴的相交处，组织表面与两个轴形成不同的角。在本发明的一个实施例中，光学器件被选择来照射直径约为10mm的组织面积，且定位装置(没有示出)用于将组织表面保持在期望位置和方向。注意，分光计可以或者在照射侧或者聚集侧。

图4的取样系统允许使用偏振器、分析器和四分之一波片，以改变从组织中散射的聚集的光的路径长度分布。从两个或更多路径长度分布收集的数据可用于检测例如组织的散射系数的量的不同；校准模型可利用此信息来提高分析物测量准确性(例如通过对液体浓度和PLD的协方差进行去卷积运算)。如早些时候讨论的，人体组织是非常复杂的物质。组织粒子在形状和尺寸上变化，尺寸在约0.1和20微米之间变化。对于操作在0.1到2.5微米波长范围内的分光计，粒子尺寸大致从最短波长的1/10变化到最长波长的几乎10倍。粒子散射和偏振相位函数可在该粒子尺寸范围内显著地变化。物质，如胶原质还形成定向绞合线(oriented strand)，使组织对光呈现为各向异性介质。已经撰写了许多论文并进行了实验，显示偏振光如何与这样的结构相互作用。例如参考S.P.Morgan和I.M.Stockford的“Surface-reflection elimination in polarization imaging of superficial tissue”，Opt.Let.28，114-116(2003)，其被包含在此以做参考。已经完成这项工作的很大部分来开发偏振光的使用，以当在进入组织的某个深度处看研究中的物体时，减少破坏散射粒子的效果的图像。照射光和聚集光的偏振状态影响通过组织的检测光的路径长度分布。

介质改变偏振特性的方式的矩阵表示例如Mueller矩阵、包含16个元素的方阵可用于测量和分析偏振光。斯托克司(Stokes)向量可用于描述照射光和聚集光的偏振状态。例如参考C.Bohren和D.Huffman的“Absorption and Scattering of light by Small Particle”(John Wiley & Sons，纽约，1983)，pp41-56，其被包含在此以做参考。所述向量可从四个独立的偏振状态例如垂直线偏振、水平线偏振、+45度线偏振和左圆偏振得到。通过用这些状态的每一个照射介质，然后在每个照射状态使用设定为这些状态中的每一个的分析器来观察响应，可观察到组成Mueller矩阵的元素的一组16个独立的状态(对4个照射状态的每一个有4个聚集状态)。将输入的Stokes向量与Mueller矩阵相乘产生输出的Stokes向量。虽然为个人组织样品确定完整的Mueller矩阵可能对辨别人与人之间的差异是有用的，也不是必须这么做以获得有用的信息。只使用几个偏振器位置的测量可了解一个组织样品不同于另一组织样品散射光的方式，允许构造利用此知识的改进的校准模型。

图5是信号强度与从大的散射介质散射回来的光的光学路径长度的关系曲线的概念性说明，其大致表示对几个路径长度分布的每一个的人体组织特性。因为组织是散射介质，因此从分光计进入组织的光通常必须经历一个或更多散射现象，以倒转方向并射出组织而被检测器聚集。当偏振光经历散射现象时，它部分地变得去偏振，即，光的一部分可能变成随机偏振，而光的另一部分保持其原始偏振状态。光在每个散射现象经历的去偏振的量可取决于包括粒子折射率、形状、尺寸和散射角的多个参数。这些特性可能在人与人之间改变，或可能随着人的生理状态例如年龄或水合作用水平改变。一般而言，组织中光的路径长度越长，它遇到的散射现象就越多，它的偏振就变得越随机。此外，当路径长度作为交叉偏振量的函数增加时，穿透深度一般较大。因此，与比较深地穿入组织并传播较长的路径的光相比，从接近表面的区域散射或传播较短路径长度的光通常维持其原始偏振状态的较大的部分。较深地穿入组织的光也将由于组织中的吸收而更严重地衰减，并从检测器视场散射，所以长路径长度光的总强度减少，而不管偏振状态如何。

图5显示对分析器的几个方向的预期的路径长度分布。当分析器旋转使得其偏振轴相对于输入偏振器为90度角时，维持其原始偏振的光被最大量地衰减，只允许交叉或随机偏振的光通过301。维持其更多的原始偏振状态的、传播更直接的短路径的光比传播较长路径的光衰减更多。当分析器以其偏振轴平行于输入偏振器轴303而被定向时，满足聚集偏振器的方向要求的线偏振光和随机偏振光都能通过。在此方向，经历了较少的散射作用的较大一部分较短路径的光将被检测到。在分析器的中间方向302，比起交叉偏振器位置的分布，较短和较长路径长度的光在合成信号中的比重变化将产生比重更倾向于较短路径长度的分布。

本示例性实施例表示在组织取样中的主要进步：取样相对大的面积的取样器，而不需要与组织接触，具有强大的镜面抑制能力，以及具有通过改变照射和聚集光学器件之间的偏振状态而产生多路径数据的能力。

附加的实施例和改进。

为了特定的执行目标，在例如上面示例性实施例中描述的取样系统可通过以下描述的一个或更多附加的实施例和改进被修改。

自动聚焦。电动伺服系统以及例如用在自动聚焦照像机中的聚焦传感器可用于在测量过程期间维持组织和光谱测量光学系统之间的准确距离。组织、光学系统或两者可响应来自自动聚焦传感器的信息而移动，以产生组织和光学系统之间的预定距离。如果取样部位是手的背面或拇指和食指之间的区域，则这样的自动聚焦系统可能是特别合适的。例如，如果手放在平坦的表面上，自动聚焦机制能补偿手厚度的差异。

组织扫描。在测量期间可扫描组织以产生非常大的取样面积。扫描处理可包括通过相对于取样器移动组织部位、或通过相对于组织部位移动取样器、或通过光学控制光、或其中的组合来扫描组织部位。

组织表面上的位置反馈。测量系统可通知用户组织部位是否被插入正确的焦点平面或位置。存在很多光学定位或测量系统，例如通常用于确定内壁尺寸的系统。这样的系统可提供组织平面的一般定位以及组织平面的倾斜的信息。

不同输入偏振状态的使用。由于组织结构中的各向异性，例如由于胶原质绞合线的各向异性，通过收集在不同的照射偏振器角度的数据可得到独特的不同的路径长度分布。输入偏振角的变化与聚集偏振角的同时变化可提供路径长度观察的多样性。

不同类型偏振的使用。圆偏振光和线偏振光表现可能不同。不同类型偏振的使用可用于提高路径长度差异。对于每个前向散射现象，圆偏振光可能维持其原始偏振状态的较大一部分。因此，不同类型偏振的使用可用于产生不同的路径长度数据。

不同聚集角和照射角的使用。照射光学器件和聚集光学器件相对于彼此和相对于组织表面的角度可影响路径长度分布。如上所述，照射和聚集光学器件布置成避免聚集来自组织表面的直接镜面反射。根据照射和聚集光学器件之间的关系，系统可配置成使得所聚集的光必须进行所要求的偏振变化和所要求的方向变化。通常，较大的所要求的方向变化意味着组织中较长的路径长度。

照射区域和聚集区域的分离。通过分离照射和聚集区域可进一步减少镜面光的量。由于分离的照射和聚集区域，任何被系统聚集的光必须进入组织并通过组织传播到聚集部位。

皮肤表面人为现象的减少。皮肤表面粗糙度可引起由于通过组织的传播而与偏振状态的变化无关的偏振变化。通过在所研究的光谱区域内给组织表面涂上没有或有很少干扰吸收特征的液体可减轻潜在的问题。这样的皮肤光滑液的使用减少了由于表面粗糙度的偏振变化。有很少吸收特征的油是氟碳润滑剂、氟化烃油。涂有这样的光滑剂的光可减少表面散射产生的信号，最少地干扰所观察的组织光谱。从可辨别为溶剂特性的光谱特征可确定光滑剂的正确应用(例如存在、浓度、材料)。例如，具有已知吸收特性的添加剂可加到氟碳润滑剂，且光谱系统可从这些特性的观测结果中确定氟碳润滑剂的特征。此外，头发的去除或最少化可减少由于组织粗糙度产生的人工现象。

同一组织体积的取样。由于组织的不均匀性质，希望给同一组织部位或组织体积取样。几个专利申请或专利试图通过使用将各种机械设备如金属板或EKG探测器暂时贴到手臂上的粘合剂来处理此问题。例如参考的美国专利6,415,167，其被包含于此以做参考。然后使用这些设备来将手臂放置在取样器上以将手臂定位在配合的容器中。这些设备最多是在较短的一组测量期间帮助反复重新定位臂的完全临时性的装置。它们不能用作在一段长时间内减少测量误差的永久基准。

在我们的实验室里证明，在测量区域外的手臂上的两个或更多的墨水渍在引导组织的定位方面是有用的。从取样器侧面观察手臂的TV摄像机可用于在视觉上引导手臂放入取样器中，允许被测量的人或助手在四周移动手臂，直到墨水渍与放置在TV监视器的屏幕上的斑点对齐。通过将标记永久地刺入皮肤可长期使用此方案。用户通常认为这是不可接受的。倘若期望指定的取样区域，它也排除了容易变化的测量部位。

可使用静脉(vein)或毛细管成像，而不是墨水渍或纹身，来为组织的定位提供持久的参考标记。静脉和毛细管成像可使用光学照射和图像捕获方法来使静脉或毛细管接近例如在TV监视器上可见的组织表面。实际上对于分析物测量，根据由目标应用如无创血糖测量规定的标准可最初定位测量部位。然后静脉或毛细管图像可与测量部位一致或从周围的区域被记录。该记录的图像然后可用作引导在未来测量中组织和取样系统的相对布置的模板。它可用作视觉助手以将组织手工放置在正确的位置，或它可用于使用图像修正以将仪器或组织自动放置或维持在正确位置的自动伺服系统。当在测量部位测量仪器和组织之间没有直接物理接触时，自动化系统在维持位置方面可能特别有用。

在其它应用包括生物测定识别和用于抽血的辅助设备的文献中描述了静脉成像(vein imaging)的方法。静脉成像技术通常试图在静脉和周围的组织之间获得最大对比度。在所描述的一种技术中，548nm的偏振光用于照射小区域中的组织。例如参考2006年1月15日访问的http://oemagazine.com/fromTheMagazine/nov03/vein.html、1999年10月26日发布的美国专利5,974,338“Non-invasive blood analyzer”，其中每个都被包含在此以做参考。当光穿透组织时被散射，照射组织的较大的体积。从浅区域散射回来的光维持其一些原始的偏振，因此可被视频摄像机上的交叉偏振器衰减。穿透较深的光失去其偏振并被摄像机检测到，实际上回到原处照射路径中的静脉。在选定的波长，血液具有允许静脉被看作与从下层组织散射的光的较亮背景相反的黑色物体的吸收峰值。在其它参考资料中，来自LED的在880nm和在740nm的偏振光用于大量照射组织，此外CCD摄像机上的交叉偏振器帮助抑制表面反射和浅深度散射的光。例如参考全部于2006年1月15日访问的http://www.news-medical.net/？id＝5395、http://luminetx.com/home.html、http://nae.edu/NAE/pubundcom.nsf/weblinks/CGOZ-65RKKV/$file/EMBS2004e.pdf。在这些较长的波长，组织散射比在548nm的较短波长时少，所以光可穿透较大的距离，允许观察较深的静脉。在888nm的血液的吸收比在548nm时少得多，所以可能需要计算机处理的对比度增强来使静脉图像清晰。其它技术包括将对比度增强的染料注入血流，这对很多分析物测量应用来说可能是不可接受的。

附加性能

表面污染物的去除。被组织散射的光使照射光的原始偏振状态逐渐随机化。未散射的或弱散射的光维持其偏振状态，而多次散射的光随机偏振并均等地对共偏振和交叉偏振状态产生影响。这两种状态的简单相减使弱散射成分被减少。例如参考Morgan、Stephen等人的“Surface-reflectionelimination in polarization imaging of superficial tissue”，Optics Letters Vol 28，No 2，2003年1月15日，其被包含于此以做参考。因此，表面污染物的流出，例如用于葡萄糖测量的产生能源的糖或用于无创酒精测量的臂表面上的酒精，可以很大程度上被来自不同偏振状态的有效处理的数据消除。

用于最小化PLD差异的光谱处理。来自多个路径长度的信息可用于明确地定义或决定PLD。另外，较简单的方法使用不同的路径长度数据来最小化PLD中的差异并产生具有可能最窄的分布的PLD。假定散射导致光子采用两个可能的路径长度之一，l₁＝1和l₂＝3(每个都有50％的可能性)，那么最终的测量的透射率或吸收率为：

$R_1=\frac{I_{\mathrm{\λ}}}{I_{\mathrm{\λ},o}}=\left(0.5\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{1}c\right)}+\left(0.5\right).10-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{2}c\right)$

$a_{\mathrm{\λ}}={-\log }_{10}(\left(0.5\right){10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{1}c\right)}+\left(0.5\right)10-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{2}c\right))$

不幸的是，本结果相对于浓度不是线性的。然而，假定光学取样机械装置可分离地测量路径长度l₂＝3。它的反射系数简单地为

$R_2=\frac{I_{\mathrm{\λ}}}{I_{\mathrm{\λ},o}}=\left(1\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{2}c\right)}$ 或

$\frac{1}{2}.R_2=\left(0.5\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{2}c\right)}$

在这种普通的情况中，从eq.1中减去eq.4得到不同的反射系数

$R_{\mathrm{\Δ}}=R_1-\frac{1}{2}{R}_2$

$=[\left(0.5\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{1}c\right)}+\left(0.5\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{2}c\right)}]$

$=\left(0.5\right).{10}^{-\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{l}_{1}c\right)}$

以及R_Δ实际上具有分立的路径长度l₁。这个简单的例子可扩展到产生两个或更多不同路径长度的情况，如图6所示。可通过多种包括简单的减法的方法来处理这些光谱以产生较窄的‘微分路径长度分布’。结果可能是‘混合搭配’的微分/积分光谱，其具有比数据的任何单独通道更窄的路径长度分布。应认识到，对此技术的重要假设是，在不同路径长度的化学性质是固定的。特别地，前面的方程假定对R₁和R₂‘c’必须是共用的。虽然组织的成分在整个变化很多的路径长度上不必固定，但是按这种方法进行的PLD的标准化被显示为有利的。而且可期望较窄的PLD，因为它较接近于单一路径长度，因而较接近于基于Beer定律的假设。

不同光谱分辨率的使用。来自组织前表面的光谱数据通常几乎不包含有用的分析物信息。如图5所示，照射和聚集偏振角相同的取样配置产生包含来自零或非常短的路径长度光的相当数量的信号的数据。这是从表面和从很浅的深度散射的光，其中分析物浓度一般很低，因而不同于全身的分析物浓度或较深的组织。相对于所收集的光谱分辨率，所收集的数据可以被去分辨。去分辨数据的过程可有效减少分析物浓度对数据的影响，同时保持与组织如组织反射系数、组织位置、组织光滑度等联系的一般信息。因为表面和浅层散射的光几乎不包括或根本不包括与所研究的分析物联系的吸收特征，因此在低光谱分辨率进行的光谱反射系数测量可从较高的分辨率光谱减去，而不从组织中的较深处丧失理想的光谱吸收特征。实验或理论方法可用于确定此“背景”光的最佳光谱分辨率，且在不同偏振的数据的不同组合可用于此处理方法。

适应性取样。实验研究以及模拟研究显示，光学取样器的参数可能影响所得到的PLD。特别地，取样器的配置可影响所得到的PLD。重要的参数包括输入和输出光学器件的数值孔径、发射角和聚集角、输入和输出光学器件之间的间隔以及输入和输出光学器件的偏振(线偏振或圆偏振)。可实时调节光学系统以产生理想的PLD。单独或组合的这些参数的调节允许系统产生具有最理想的PLD的单一光谱。

改变测量的方向。在糖尿病的处理中，有糖尿病的个体一般接收与当前葡萄糖水平联系的点测量。这个信息非常有用，但是该信息的价值可能被改变方向的同时显示显著提高了。希望测量设备报告葡萄糖浓度、变化率和变化方向。这样的额外信息可产生改进的葡萄糖控制和低血糖与高血糖情况的较大避免。使用当前的接触取样器，这样的测量是不可能的，因为组织在测量过程期间被挤压。因此，路径长度分布改变并且不能得到对改变方向需要的高度准确的测量。使用像这里描述的非接触取样器，组织不被挤压且取样表面不由于接触取样器而变化，允许确定分析物浓度变化的方向。例如参考美国专利申请10/753,50“Non-invasive Determination ofDirection And Rate of Change of an Analyte”，其被包含在此以做参考。

其它取样器实施例

各种附加的示例性实施例被描述以帮助说明使用本发明的可能的优点。这些示例性实施例仅仅是说明性的；本领域技术人员应知道其它布置和特征组合。

示例性实施例。上面讨论的取样器使用照射和聚集光学器件之间的正交偏振量的变化来测量以两个或更多不同的路径长度分布传播的光。光的空间展开还可用于产生聚集光谱中的路径长度差异。如果组织被点源照射且漫反射的光被聚集点接收，则路径长度分布可能改变，因为聚集光移到距照射点不同的距离的地方。光强度随离原点的距离下降的速率依赖于组织的散射和吸收特性。下文中描述的取样器利用了这种现象。

在包含此特征的示例性实施例中，可变路径取样器使用来自被透镜或镜面会聚在组织上的小光源的光。第二透镜或镜面聚集来自组织上一点的光并将其聚焦在检测器上。虽然在原理上相同的棱镜或反射镜可用于照射和聚集，但是使用分离的光学组件可能是有利的。这允许放置挡板以帮助消除从照射源的光学器件直接散射的光的聚集(即，没有与足够深的组织相互作用)。分光计可放置在从源到组织的路径中或从组织到检测器的路径中。在组织上照射或聚集部位之间的物理间隔确定通过组织传播的可能最短的光路径长度。为了得到不同的路径长度分布，可以在输入和输出光学器件之间物理间隔不同的情况下收集数据。

实际上输入和输出不必限制为单个点。图7是示例性实施例的简要描述。窄狭缝状光源501可由光纤圆直变换器形成。柱面镜502可将光线511成像在组织508上。另一柱面镜503可从组织表面508上的线512聚集光并将其成像在一排光纤504上，光纤504可设置成圆形束以更有效地耦合到检测器505。两条图像线511、512可彼此平行对齐但彼此偏移。改变两条线511、512之间的距离可改变通过组织的最小光学路径长度。可用几种方式改变该距离。作为一个例子，挡板509右边的光学器件可安装在平移台上并水平移动，以改变在拾取点或线的组织上的位置。可选地，光纤源或拾取束可单独沿着最佳聚焦平面(近似垂直地)平移。

本示例性取样器具有许多优点：与在测量区域中的组织没有强制性接触；通过光学系统的阻挡和成像特性可抑制表面散射光；以及通过改变输入和输出点或线之间的物理间隔可容易地改变路径长度分布，特别是最小路径。在一些应用中，准确放置组织以使线保持强聚焦是重要的。在组织信号的较差平均的条件下，所询问的组织区域不如使用前述取样器的大。

示例性实施例。图8是另一示例性实施例的简要描述。该示例性实施例具有与前面例子类似的组件和布置。第二排聚集光纤621从第二聚集线623聚集光，允许同时从两个不同的路径长度分布聚集光。同时聚集可减少由于暂时变化而引起的误差。两个或更多同时聚集线可与平移结合，以允许询问不同对区域，如前面的例子。

该示例性实施例的另一变形照射环形遮光板并将环的图像聚焦在组织上。然后光从环中心的小点被聚集并被聚焦在检测器上。通过改变环形遮光板，可实现源和收集器之间的一系列不同的间隔。该实施例可用光学系统扩展，该光学系统将多个环形图像聚焦在组织上并将来自多个中心点的光聚集在检测器上。

可使取样定位窗口或系数匹配液(index matching fluid)与组织接触或不接触，来使用任何示例性实施例。也可使用在组织之前或之后的路径中的分光计。

示例性实施例。图9是示例性实施例的简要描述。本取样器消除了前面取样器的重新成像的光学器件，通过使光纤与组织直接接触来将光引入或引出组织。此布置可将对准确光学对准的要求减少到在制造期间光纤的永久布置中所要求的。物理接触还可帮助减少从组织表面散射的光的聚集。然而由于界面潮湿变化和下层结构的压缩，直接组织接触可产生组织特性变化。

实验结果

用前面以演示和测量其改善的性能为目的讨论的各种组织取样实施例进行了一系列测试。这些实验涉及由散射颗粒组成的组织人体模型和对人体组织的测试。

组织人体模型以向后散射的模式或通过类似于取样器用于测量人体组织的方式的漫反射被取样。组织人体模型由在具有平透明窗户的容器内的水溶液组成。如葡萄糖和尿素等几种分析物的不同浓度被包括在人体组织中存在的浓度范围内。也包括悬浮的聚苯乙烯颗粒的浓度范围以改变散射水平，因而改变通过溶液传播的光的路径长度分布。用于测试的设置主要由从4000mg/dl到8000mg/dl的9种不同的散射浓度组成。例如参考2002年10月28日提交的美国专利申请10/281,576“Optically similarreference samples”，其被包含于此以做参考。散射中的此变化导致大约±25％的路径长度变化。然后使用像结合图4描述的、配置有偏振器和分析器但没有四分之一波片的取样器来收集光谱响应数据。使用不同数量的正交偏振来收集每个样品的数据。

也使用相同的光学系统进行人体测试。通过将肘放在护肘上而插入手臂且受验对象的手紧握或靠着垂直的柱放置。病人的手掌与地面垂直。不使用窗户或其它定位设备来控制受验对象的手臂的位置。

被取样的大区域。如图10所示，光学系统探照灯以大于直径8mm的椭圆形点照射取样区域。该取样区域比使用以前的光纤取样器取样的区域约大12.5倍。

类似的光谱信息内容。使用传统的光纤取样器如图11所示取样器和上述系统来获得光谱数据，其中所述取样器和系统在照射和聚集偏振器具有90度的正交偏振量的情况下被操作。信息内容的一般评估和所联系的光谱数据的光学穿透可通过检查光谱吸收特征的最高点来获得；图12示出提供类似的光谱信息的两个取样器。

在组织测量期间改善的稳定性。在以前的取样器中，与组织接触挤压组织，且组织和取样器之间的界面在取样过程期间变化。从传统的取样器和从以前描述的图4的非接触取样器获得来自同一受验对象的数据。数据被收集2分钟并被平均中心以说明在取样过程期间出现的光谱变化。图13和图14示出对两个受验对象的两个取样系统之间的不同。通过计算路径长度的变化可测量改进。对路径长度变化的合理的度量是量化沿着基线修正方向的6900cm^-1处在水吸收峰值下的区域。当与传统的取样器比较时，20个不同个体的研究证明了大于500％的改进(即，减少的路径长度变化)。

变化的偏振改变组织人体模型中路径长度的演示。光子变得去偏振的路径长度依赖于其原始偏振(线偏振或圆偏振)状态、它经历的散射现象的数目和与它相互作用的粒子的散射各向异性。线偏振光的偏振角度依赖于方位角，但圆偏振光与之无关。实验系统基于线偏振光，并用于演示可通过改变照射和聚集光学器件之间的正交偏振量而影响路径长度。图15示出对散射颗粒的单一溶液的路径长度和偏振角之间的关系。四个偏振器设置(0°、50°、63°和90°)用作这些大致引起相等的路径长度变化的偏振角。通过计算沿着基线修正方向的在水吸收峰值下6900cm^-1处的区域来量化路径长度变化。

变化的偏振改变组织中路径长度的演示。在人受验对象中重复用于演示作为偏振角的函数的路径长度变化的方法。在0°、22.5°、45°和90°从5个不同的受验对象获得光谱数据。将偏振角和通过计算沿着基线修正方向的在水吸收峰值下6900cm^-1处的区域量化的路径长度变化加起来对数据取平均。图16中表示的作为结果的光谱数据显示随增加的交叉偏振而增加的路径长度和增加的镜面反射量。路径长度和交叉偏振量之间的关系显示在右手边的图上作为sin(angle)²的函数。最终的数据显示，变化的偏振可影响在组织光谱中所看到的光学路径长度。

量化散射溶液中路径长度差异的能力的演示。使用传统的‘单目透镜’取样系统，确定给定样品的散射特征的能力非常有限。插入误差和仪器性能的变化可能使这个过程甚至更难。多路径系统例如由本发明实现的系统允许确定相对路径长度。使用从4000mg/dl到8000mg/dl的9种不同的散射浓度来创建一组可变的散射组织人体模型。散射的这种变化导致大约±25％的路径长度变化。这9个散射水平在四个偏振器设置0°、50°、63°和90°被取样。数据以下列方式被处理。(1)在每个偏振角确定每个样品的路径。(2)使用所有获得的数据来确定平均路径作为越过所有散射样品的偏振角的函数。(3)绘制在每个不同的偏振角的每种溶液的确定的路径长度与所设定溶液的平均路径的关系曲线图，如图17所示。如果溶液的光学特性创建的路径长度比平均路径长，则由在每个偏振的路径图定义的线具有比一更大的斜率。平均值和所观察的样品之间的斜率差异定义给定样品的路径长度的相对百分比差异。如在图18中所看到的，这个简单的处理方法可准确地特征化组织人体模型数据。

人体中路径长度变化的演示。上述方法用于检查人受验对象之间的路径长度变化。这个过程需要确定平均路径作为越过多个受验对象的角度的函数，并绘制每个受验对象在不同偏振角的路径长度与多个受验对象的平均路径的关系曲线图。斜率差异定义人与人之间的百分比(％)差异。如在图19中看到的，路径长度的变化约为±20％，且分布呈现为基于我们有限的数据组的高斯型分布。

所演示的适应性取样。对于产生最准确的葡萄糖测量的组织光谱的取得，光学系统可以改变，以便获得期望的光谱特征。例如，在一些应用中可能期望具有相同或尽可能类似的路径长度的光谱数据。最小化路径变化的一个方法包括定义期望的路径长度，然后合并来自两个或更多不同路径长度或偏振的数据。合并的方法由下列方程定义：

NewSPectra＝x％*spectra63+(1-x％)*spectra90

x＝Min(waterpeak_{(averagespecta6900)}-waterpeak_{(newspecta6900)})

来自在63°和90°交叉偏振的20个不同受验对象的样品被合并，如上面的方程所定义的。比较度量标准是6900cm^-1波带下的变化。图20中绘出的结果是在90°交叉偏振获得的光谱数据与合并的数据的关系图。该结果显示所计算的变化的显著降低。注意，路径长度是波长的函数，所以在一点(6900cm^-1波带)的拟合不必平移到整个光谱的拟合。可使用其它方法来拟合在每个波长处、或在波长区域附近、或使用作为波长的函数的向量的光谱。拟合系数的确定可对不被分辨的光谱进行并用于全分辨率光谱。此外，取样系统可迅速确定适当的交叉偏振，然后只在此偏振取得数据。在取样过程期间光谱数据的稳定性允许我们以前面不可利用的多种方式获得数据。

表面变光滑的演示。当使用偏振作为镜面抑制的方法时，可能期望由于组织内散射现象而出现有任何偏振变化。改变偏振度的表面上的散射现象可能通过增加PLD的变化而降低光谱数据的质量。为了演示皮肤光滑的重要性，以非特定的方式将面油应用到组织。所应用的油是氟碳润滑剂、氟化烃油。选择这种特定的油，因为它在所研究的区域几乎没有吸收。关于用或没有用皮肤光滑油的若干天的光谱数据被获得。在每个偏振角的6900水波带的变化的检查显示显著的提高；见图21。光滑油的使用促成了具有共同折射率的光滑表面并减少了在所有观察的偏振角的组织噪声。

其它应用。个体可通过其光谱差异被识别。例如参考美国专利6,816,605、6,628,809、6,560,352；其中每一个都被包含于此以做参考。根据本发明的取样器可提供改进的生物测定能力。特别地，被多路径取样提供的重新定位能力和额外的信息可改善生物测定结果。使用通过PLD差异(改变源到检测器的间隔或改变偏振的系统)可得到的信息，我们可创建生物测定识别系统，该识别系统比只在一个PLD或穿透深度包含信息的系统可能具有较高的性能。该信息可像不同的制动拴一样用在组合锁上：为了进入，人必须符合在多层处的生物测定。

仅仅为了说明本发明的特定实施例而引用上面讨论的特定尺寸和装置。设想本发明的使用可包括具有不同尺寸和特征的组件。意图是本发明的范围由其所附的权利要求规定。

Claims (45)

1.一种光学取样器，包括：

a.照射子系统，其适合于将具有第一偏振的光传递到组织表面；

b.聚集子系统，其适合于聚集在与所述组织相互作用之后而从所述组织传递的具有第二偏振的光；

c.其中所述第一偏振不同于所述第二偏振。

2.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述第一偏振不同于所述第二偏振，使得所述聚集系统优先聚集除了从所述组织表面镜面反射的光以外的光。

3.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述第一偏振不同于所述第二偏振，使得所述聚集系统优先聚集与所述组织的选定深度相互作用的光。

4.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述第一和第二偏振是线性的，在所述第一和第二偏振之间有非零的相对角度。

5.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述第一和第二偏振是椭圆的，且其中所述第一和第二偏振旋向不同。

6.一种光学地取样组织的方法，包括：

a.将光滑剂应用到所述组织表面的一部分上；

b.使用权利要求1所述的光学取样器来照射所述组织表面的所述部分，并聚集从所述组织表面传递的光，而没有使所述光滑剂与所述光学取样器物理接触。

7.如权利要求6所述的光学地取样组织的方法，进一步包括分析被所述聚集系统聚集的光以确定所述光滑剂的存在。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述光滑剂具有特性吸收，且其中所述分析光的步骤包括确定所聚集的光是否与具有所述特性吸收的材料相互作用。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括根据所聚集的光确定与所述光相互作用的光滑剂的厚度。

10.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统适合于将具有第一多个偏振状态中任何偏振状态的光传递到组织表面。

11.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述聚集系统适合于聚集在与所述组织相互作用之后而从所述组织传递的具有第二多个偏振状态中任何偏振状态的光。

12.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统适合于将具有第一多个偏振状态中任何偏振状态的光传递到组织表面；或所述聚集系统适合于聚集在与所述组织相互作用之后而从所述组织传递的具有第二多个偏振状态中任何偏振状态的光；或两者。

13.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统将光传递到所述组织表面的至少20平方毫米的区域。

14.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统将光传递到所述组织表面的第一部分，且其中所述聚集系统聚集从所述组织表面的第二部分传递的光，以及其中所述第一部分与所述第二部分不相同。

15.如权利要求14所述的光学取样器，其中所述第一部分与所述第二部分分离一段距离。

16.如权利要求15所述的光学取样器，其中所述距离是可变的。

17.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统和所述聚集系统不与被照射的所述组织表面接触。

18.如权利要求17所述的光学取样器，其中所述第一间隔和所述第二间隔中至少一个是可变的。

19.如权利要求18所述的光学取样器，进一步包括界面性质检测器，且其中所述第一间隔、所述第二间隔或两者响应于所述界面性质检测器而变化。

20.如权利要求1所述的光学取样器，其中所述照射系统和所述聚集系统中至少一个包括具有可变焦距的光学器件。

21.如权利要求20所述的光学取样器，进一步包括界面性质检测器，且其中所述照射系统的焦距、所述聚集系统的焦距或两者响应于所述界面性质检测器而变化。

22.如权利要求1所述的光学取样器，进一步包括组织定位系统。

23.如权利要求22所述的光学取样器，其中所述组织定位系统包括使脉管系统的组成部分成像的系统。

24.如权利要求22所述的光学取样器，进一步包括向用户传递所述组织表面相对于所述取样器的位置的反馈系统。

25.如权利要求22所述的光学取样器，其中所述照射系统、所述聚集系统或两者相对于所述组织表面的关系可响应于所述组织定位系统而变化。

26.一种光学取样器，包括照射系统和聚集系统，其中所述照射系统和所述聚集系统适合于聚集处于第一路径长度分布和处于第二路径长度分布的光谱信息，其中所述第一和第二路径长度分布是不同的。

27.如权利要求26所述的光学取样器，其中所述照射系统将光传递到组织样品的第一部分，且其中所述聚集系统聚集来自所述组织的第二部分的光，其中所述第一和第二部分分离一段可变的距离。

28.一种确定组织中分析物的变化方向、变化率或两者的方法，包括使用权利要求1所述的光学取样器给所述组织取样，并分析所聚集的光以确定所述分析物的所述变化方向、变化率或两者。

29.一种确定组织的第一光谱特性的方法，包括用权利要求1所述的光学取样器以所述第一和第二偏振之间的多个差异中的每一个差异来收集光谱信息、选择相应于期望路径长度分布的差异，以便确定所述第一光谱特性、以及根据以所选择的差异聚集的光谱信息来确定所述第一光谱特性。

30.一种光学取样系统，包括：

a.光源；

b.第一偏振器；

c.第二偏振器；

d.检测器；

e.所有器件被布置以形成从所述光源到所述第一偏振器、再到被取样的组织表面的第一光学路径，以及从所述组织表面到所述第二偏振器、再到所述检测器的第二光学路径。

31.一种光学取样系统，包括：

a.照射系统，包括：

i.光源；

ii.准直仪，其与所述光源光连通；

iii.分光计，其与所述准直仪光连通；

iv.第一聚焦透镜，其与所述分光计光连通；

v.第一偏振器，其与所述第一聚焦透镜光连通；

b.聚集系统，包括：

i.第二偏振器，其与被取样的组织光连通；

ii.第二聚焦透镜，其与所述第二偏振器光连通；

iii.聚光器，其与所述第二聚焦透镜光连通；

iv.检测器，其与所述聚光器光连通；

c.取样界面，其适合于维持所述照射系统和组织样品之间的至少一段最小距离以及所述聚集系统和所述组织样品之间的至少一段最小距离；

d.其中

i.所述照射系统和聚集系统相对于彼此安装，使得来自所述照射系统的光以相对于所述组织表面的第一角度入射在所述组织上，且使得从所述组织到所述聚集系统的光相对于所述组织表面形成第二角度，其中所述第一角度不等于所述第二角度；和

ii.从所述照射系统传递到所述组织的光的偏振可由所述第一偏振器控制为第一多个偏振状态中的任何偏振状态；

iii.从所述组织到达所述检测器的光的偏振可由所述第二偏振器控制为第二多个偏振状态中的任何偏振状态。

32.一种确定组织样品对光的响应的方法，包括：

a.用具有第一偏振的光照射所述组织样品；

b.聚集与所述组织相互作用之后而从所述组织传递的具有第二偏振的光；

c.聚集与所述组织相互作用之后而从所述组织传递的具有第三偏振的光；

d.其中所述第二偏振和所述第三偏振是不同的。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述第一、第二和第三偏振是线性的。

34.如权利要求32所述的方法，其中所述第一、第二和第三偏振是椭圆的，且其中所述第二和第三偏振旋向不同。

35.如权利要求32所述的方法，其中所述第二和第三偏振是不同的，使得在步骤b)中聚集的光具有与步骤c)中聚集的光不同的路径长度分布。

36.如权利要求32所述的方法，其中所述第二和第三偏振不同于所述第一偏振。

37.如权利要求32所述的方法，其中所述组织被照射以及光被聚集，使得所述组织与所述光相互作用的部分基本上与预定部分相同。

38.如权利要求37所述的方法，其中所述预定部分是在前面的使用所述光学取样器进行的特性测定中与光相互作用的一部分。

39.如权利要求32所述的方法，其中所述组织在所述表面的第一部分被照射，以及光从所述表面的第二部分聚集，其中所述第一部分和所述第二部分是不同的。

40.如权利要求39所述的方法，其中所述第一部分和所述第二部分分离一段可变的距离。

41.如权利要求32所述的方法，其中在步骤b)中聚集的光是从所述组织的第一部分聚集的，以及其中在步骤c)中聚集的光是从所述组织的第二部分聚集的，其中所述第一部分和第二部分是不同的。

42.一种光学取样器，包括照射系统和聚集系统，两者都与被取样的组织分离。

43.一种光学取样器，包括照射系统和聚集系统，所述照射系统适合于将光传递到组织表面的第一部分，所述聚集系统适合于聚集从组织的第二部分传递的光，其中所述第一部分和所述第二部分是不同的。

44.如权利要求43所述的光学取样器，其中所述第一和第二部分彼此分离一段距离。

45.一种光学取样器，包括照射系统、聚集系统和定位系统，其中所述照射系统和所述聚集系统被布置以便响应于所述定位系统而与一致的组织部分相互作用。

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