內(nèi)窺鏡照射光譜選擇裝置及超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，包括光源，照射光譜的選擇裝置，內(nèi)窺鏡，圖像處理單元，顯示單元，所述照射光譜的選擇裝置包括色散元件，會聚透鏡，可運(yùn)動反射鏡，色散元件出射的各個不同波長光經(jīng)會聚透鏡后投射到可運(yùn)動反射鏡，通過可運(yùn)動反射鏡的移動，將各波長光線分別耦合到電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件的入射面。本發(fā)明利用光的色散原理，使用波長選擇裝置可以簡單、方便對照射光的波長進(jìn)行選擇，實(shí)時獲得被測組織近紅外到可見光光譜范圍內(nèi)任意譜段的照射光譜；醫(yī)生可以根據(jù)病人的病情和病變組織的光學(xué)特性，選擇需要拍攝的光譜圖像，實(shí)現(xiàn)圖譜合一、對體內(nèi)活體組織的實(shí)時光譜成像。
【專利說明】內(nèi)窺鏡照射光譜選擇裝置及超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于內(nèi)窺鏡的光譜成像醫(yī)療設(shè)備，具體涉及一種內(nèi)窺鏡多譜段照射光譜的選擇裝置，另外，本發(fā)明還涉及使用上述選擇裝置的超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光譜成像技術(shù)是光譜分析和光學(xué)成像技術(shù)的結(jié)合，可以同時獲得生物組織的形態(tài)信息和生物組織在某一波長范圍內(nèi)的完整光譜數(shù)據(jù)。由于生物組織在不同的病理狀態(tài)下具有獨(dú)特的反射光譜、自發(fā)熒光光譜和誘發(fā)熒光光譜，所以對生物組織進(jìn)行光譜成像并進(jìn)行一定的量化分析，可以實(shí)現(xiàn)某些病理變化的早期診斷。特別是對腫瘤和其他疾病的發(fā)病機(jī)理、臨床診斷、病情檢測和療效評估的研究有重要意義。
[0003]目前在醫(yī)療領(lǐng)域中對組織進(jìn)行光譜成像基本上都需要先進(jìn)行樣本的采集和制備，然后用成像光譜設(shè)備采集數(shù)據(jù)。這種方式不能對活體組織進(jìn)行在體的光譜成像，極大的限制了光譜成像技術(shù)在疾病的早期診斷、治療效果評價等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0004]近年來有相關(guān)文獻(xiàn)和專利提出了多光譜成像技術(shù)與內(nèi)窺鏡相結(jié)合的設(shè)備，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對活體組織的在體光譜成像。例如，奧林巴斯提出了一種窄帶光譜成像(Narrow Band Imaging)內(nèi)窺鏡。該內(nèi)窺鏡利用易被血紅蛋白吸收的兩種波長的光(藍(lán)色光:405nm?425nm/綠色光:540?560nm)來照射并進(jìn)行成像，使粘膜表層的毛細(xì)血管和粘膜的細(xì)微結(jié)構(gòu)得以強(qiáng)調(diào)表示。由于組織產(chǎn)生癌變時會導(dǎo)致病變處血管增多，毛細(xì)血管在粘膜表面形成的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，窄帶光譜成像內(nèi)窺鏡可以為癌癥的早期發(fā)現(xiàn)提供有力的幫助。
[0005]又例如，奧林巴斯提出了一種自體突光成像(Auto Fluorescence Imaging)內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡利用組織的誘發(fā)熒光特性，使用藍(lán)光(390nm?470nm)激發(fā)光照射到黏膜下層，使組織產(chǎn)生強(qiáng)熒光。熒光如果遇到發(fā)育異常的病灶(例如淺表血管的異常聚集或黏膜增厚)，光線減少，熒光變?nèi)?。該?nèi)窺鏡系統(tǒng)會將這些細(xì)微變化轉(zhuǎn)換成色彩信息，使正常黏膜和病灶之間的細(xì)微區(qū)別得到強(qiáng)調(diào)，為診斷組織的病理變化提供依據(jù)。
[0006]中國專利CN 103340601 A提出一種基于內(nèi)窺鏡的多光譜成像系統(tǒng)和方法，該專利提出的設(shè)備提供了近紅外和可見光光源，并使用多組濾波片進(jìn)行濾光，從而獲得與濾光片相對應(yīng)的多光譜圖像。
[0007]上述奧林巴斯提出的窄帶光譜成像內(nèi)窺鏡、自體熒光成像內(nèi)窺鏡、及專利CN103340601 A提出“基于內(nèi)窺鏡的多光譜成像系統(tǒng)”通常都包括光源，用于提供近紅外到可見光內(nèi)全譜段的照明光；濾波片組合，用于在照明光中選擇較窄譜段的光線耦合到內(nèi)窺鏡照射被檢組織；內(nèi)窺鏡，拍攝被檢組織在指定譜段照明光照射下的光譜圖像；圖像處理單元，將被檢組織在各種譜段照明光的下的光譜圖像進(jìn)行圖像融合和處理，獲得組織的光譜圖像；以及顯示單元，對上述圖像進(jìn)行圖像顯示；這些設(shè)備可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)組織進(jìn)行在體光譜成像。但是仍然存在其局限性。
[0008]上述幾個方案的共同點(diǎn)是利用經(jīng)過濾波片濾光后的光源對組織進(jìn)行照明，以獲得與濾波片對應(yīng)的照射光譜圖像?；蛘呤褂脝紊す馄髯鳛楣庠?，以獲得激光器波長相對應(yīng)的光譜圖像。
[0009]這種光譜圖像的方式具有較大的局限性。一套設(shè)備中濾波片的數(shù)量決定了能采集到的組織的多光譜圖像的光譜組成。例如奧林巴斯的窄帶光譜成像內(nèi)窺鏡設(shè)備。該設(shè)備共有兩組共計五種濾波片:R(600nm?700nm)、G(500nm?600nm)、B(400nm?500nm)濾波片組和Ga(540nm?560nm)、Ba(405nm?415nm)濾波片組,該設(shè)備只能獲得組織的兩種光譜圖像。
[0010]綜上所述，目前的技術(shù)方案由于依賴濾波片或單色激光器，只能獲得組織的極少幾個特定的光譜圖像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對上述方案缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，可以簡單方便的獲取近紅外到可見光光譜范圍內(nèi)任意譜段，用于內(nèi)窺鏡光譜成像。
[0012]本發(fā)明的另一個目的在于提供使用上述選擇裝置的超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，可以獲得被測組織近紅外到可見光光譜范圍內(nèi)任意譜段的光譜圖像。
[0013]本發(fā)明的第一個目的通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn):一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，包括:
[0014]色散元件，用于將入射到色散元件上的可見光束按波長的不同進(jìn)行色散，使出射光的角度或位置根據(jù)入射光波長分布；
[0015]會聚透鏡，會聚透鏡的焦點(diǎn)位于可見光束與色散元件的入射點(diǎn)；
[0016]可運(yùn)動反射鏡，由驅(qū)動電路控制下進(jìn)行一維運(yùn)動；
[0017]電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件，用于耦合輸入不同波段的照射光譜；
[0018]色散元件出射的各個不同波長光經(jīng)會聚透鏡后投射到可運(yùn)動反射鏡，通過可運(yùn)動反射鏡的移動，將各波長光線分別耦合到電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件的入射面。
[0019]優(yōu)先的，所述色散元件為反射光柵。
[0020]本發(fā)明的另一個目的通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn):一種超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，包括:光源，用于提供近紅外到可見光內(nèi)全譜段的照明光；照射光譜的選擇裝置，用于在照明光中選擇任意指定譜段的光線耦合到內(nèi)窺鏡照射被檢組織；內(nèi)窺鏡，拍攝被檢組織在指定譜段照明光照射下的光譜圖像；圖像處理單元，將被檢組織在各種譜段照明光的下的光譜圖像進(jìn)行圖像融合和處理，獲得組織的光譜圖像；以及顯示單元，對上述圖像進(jìn)行圖像顯示；
[0021]其特征在于所述照射光譜的選擇裝置包括:
[0022]色散元件，用于將入射到色散元件上的可見光束按波長的不同進(jìn)行色散，使出射光的角度或位置根據(jù)入射光波長分布；
[0023]會聚透鏡，會聚透鏡的焦點(diǎn)位于可見光束與色散元件的入射點(diǎn)；
[0024]可運(yùn)動反射鏡，由驅(qū)動電路控制下進(jìn)行一維運(yùn)動；
[0025]電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件，用于耦合輸入不同波段的照射光譜；
[0026]色散元件出射的各個不同波長光經(jīng)會聚透鏡后投射到可運(yùn)動反射鏡，通過可運(yùn)動反射鏡的移動，將各波長光線分別耦合到電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件的入射面。
[0027]優(yōu)先的，所述色散元件為反射光柵。
[0028]優(yōu)先的，所述光源包括:氙氣燈和準(zhǔn)直透鏡，所述氙氣燈發(fā)出的照明光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成平行光輸出投射到所述色散元件上。
[0029]進(jìn)一步的，所述光源還包括用于改變通光孔徑大小的可變光闌，所述準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成的平行光經(jīng)可變光闌后輸出投射到所述色散元件上。
[0030]進(jìn)一步的，所述圖像處理單元中設(shè)有控制模塊，用于分別觸發(fā)控制所述可運(yùn)動反射鏡的驅(qū)動、內(nèi)窺鏡的拍攝、圖像處理和光闌孔徑調(diào)節(jié)。
[0031]本發(fā)明利用光的色散原理，使用波長選擇裝置可以簡單、方便對照射光的波長進(jìn)行選擇，實(shí)時獲得被測組織近紅外到可見光光譜范圍內(nèi)任意譜段的照射光譜；醫(yī)生可以根據(jù)病人的病情和病變組織的光學(xué)特性，選擇需要拍攝的光譜圖像，實(shí)現(xiàn)圖譜合一、對體內(nèi)活體組織的實(shí)時光譜成像；實(shí)現(xiàn)某些病理變化的早期診斷。特別是對腫瘤和其他疾病的發(fā)病機(jī)理、臨床診斷、病情檢測和療效評估的研究有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1本發(fā)明系統(tǒng)原理組成框圖；
[0033]圖2本發(fā)明波長選擇裝置中選擇不同波長的原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]如圖1為本發(fā)明的一個實(shí)例。如圖1所示，本實(shí)施例的超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)包括:光源裝置1，波長選擇裝置2，電子內(nèi)窺鏡3，圖像處理器4，顯示器5。
[0035]其中，光源裝置I用于提供照明光。照明裝置I所提供的照明光，在近紅外到可見光譜段內(nèi)，光輻射強(qiáng)度隨頻率變化呈連續(xù)分布。在本實(shí)施例中，光源裝置I包括:氙氣燈7，其作用是發(fā)出照明光；準(zhǔn)直透鏡8，將氙氣燈7發(fā)出的照明光準(zhǔn)直成平行光；可變光闌9，可以在控制電路控制下，改變通光孔徑的大小，從而實(shí)現(xiàn)控制輸出照明光強(qiáng)度。
[0036]波長選擇裝置2的作用是，從照明光中選擇指定譜段范圍的光線，并將該譜段的光線會聚到電子內(nèi)窺鏡3的光導(dǎo)件12的入射面。波長選擇裝置2包括:色散元件9，會聚透鏡10，可運(yùn)動反射鏡11和光導(dǎo)件12。色散元件9其作用為將入射到散射元件9上的光束按波長的不同進(jìn)行色散，使出射光的角度或位置根據(jù)入射光波長分布；本實(shí)施例中可使用Thorlabs公司生產(chǎn)的GR50-0603反射光柵作為色散元件。會聚透鏡10的前焦點(diǎn)位于照明光與色散元件的入射點(diǎn)；可運(yùn)動反射鏡11位于會聚透鏡10和光導(dǎo)件12之間；可運(yùn)動反射鏡11的運(yùn)動位置和會聚透鏡10、光導(dǎo)件12之間的位置關(guān)系滿足指定譜段范圍的光經(jīng)過會聚透鏡10會聚、可運(yùn)動反射鏡11反射后光線聚焦到光導(dǎo)件12的端面上。本實(shí)施例中，可運(yùn)動反射鏡做一維平移運(yùn)動；可運(yùn)動反射鏡的驅(qū)動電路可以是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
[0037]圖2是波長選擇裝置3進(jìn)行指定波長選擇的原理示意圖。根據(jù)光柵公式，間距為d的反射光柵,入射光以相對于光柵表面法線的入射角α入射級出射光相對于光柵表面法線的出射角θ與入射光波長λ的關(guān)系如下:
[0038]d(sin( Θ )-sin( α )) =ηιλ
[0039]照明光中波長為入1與波長為λ 2的光線經(jīng)過反射光柵后會以不同的角度出射。由于會聚透鏡10的焦點(diǎn)位于照明光與反射光柵的入射點(diǎn)，波長λ i與波長為λ2的光線經(jīng)過會聚透鏡后，聚焦在不同的位置。若會聚透鏡的焦距為f，波長入1與波長為λ2的光線經(jīng)過會聚透鏡后會聚點(diǎn)的距離Al為:
[0040]Δ I = f (tan Θ「tan θ 2)
[0041]如圖2所示，光導(dǎo)件12的入射面的直徑為a，在一種狀態(tài)下波長λ:的光線經(jīng)過可運(yùn)動反射鏡11反射后，會聚到光導(dǎo)件12中心。若波長為λ 2的光線經(jīng)過會聚透鏡后與波長λ 會聚點(diǎn)的距離八1大于1/2&時，則波長λ 2的光線無法進(jìn)入光導(dǎo)件12。在另一種狀態(tài)下，可運(yùn)動反射鏡向右運(yùn)動距離△〗，則波長λ 2的光線會聚到光導(dǎo)件12中心，而波長λ !的光線無法進(jìn)入光導(dǎo)件12。如此，可以通過控制可運(yùn)動反射鏡的位置，選擇需要的波長耦合進(jìn)入光導(dǎo)件12。
[0042]當(dāng)需要的拍攝λ2....λ ?的光譜圖像，具體可選用一個包括色散λ2....λ η不同波段光的反射光柵，反射鏡需要在一維平移運(yùn)動η個位置點(diǎn)，這些不同波長和位置點(diǎn)需要事先調(diào)校對應(yīng)并存儲記錄到控制模塊和發(fā)射鏡驅(qū)動電路中。
[0043]上述色散兀件還可米用如透射光柵、色散棱鏡、分光光度計、光譜儀、聲光偏轉(zhuǎn)器或液晶可調(diào)濾光器等，這些元件的原理和上述反射光柵類同?？蛇\(yùn)動反射鏡也可采用控制其轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)反射角度，將上述色散元件輸出不同的波長耦合進(jìn)入光導(dǎo)件。
[0044]電子內(nèi)窺鏡3作用是插入到體腔內(nèi)并拍攝腔內(nèi)組織的圖像信息，由圖像處理器4儲存。
[0045]圖像處理器4作用是存儲攝像元件上的電子圖像，并將組織在一系列光譜照射下的圖像進(jìn)行合成，獲得組織的高光譜分辨率的光譜圖像。
[0046]上述圖像處理單元中設(shè)置控制模塊，用于分別觸發(fā)控制所述可運(yùn)動反射鏡的驅(qū)動、內(nèi)窺鏡的拍攝、圖像處理和光闌孔徑調(diào)節(jié)。
[0047]具體協(xié)調(diào)控制的過程如下:醫(yī)生根據(jù)病人的病情和組織的光學(xué)特征，設(shè)定需要的拍攝λρ λ2....λη的光譜圖像?？刂颇K向驅(qū)動電路發(fā)出控制信號，使可運(yùn)動反射鏡11移動到位置Α，使波長X1的光線耦合進(jìn)入導(dǎo)光件12，并通過導(dǎo)光件12和電子內(nèi)窺鏡4，照射到被測組織上。電子內(nèi)窺鏡4收集在被測組織上反射光或誘發(fā)熒光，成像到攝像元件像面，并被圖像處理器5儲存為A1圖像?？刂颇K向驅(qū)動電路發(fā)出控制信號，使可運(yùn)動反射鏡11移動到位置B，使波長λ 2的光線耦合進(jìn)入導(dǎo)光件12，并通過導(dǎo)光件12和電子內(nèi)窺鏡3，照射到被測組織上。電子內(nèi)窺鏡3收集在被測組織上反射光或誘發(fā)熒光，成像到攝像元件像面，并被圖像處理器4儲存為λ2圖像。如此循環(huán)，獲得被測組織一組λ P λ 2....入?光譜圖像。圖像處理器將這組圖像合成，獲得被測組織在λρλ^...λη光譜內(nèi)的合成光譜圖像。并由顯示器5顯示。
[0048]本發(fā)明不局限與上述【具體實(shí)施方式】，根據(jù)上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于包括: 色散元件，用于將入射到色散元件上的可見光束按波長的不同進(jìn)行色散，使出射光的角度或位置根據(jù)入射光波長分布； 會聚透鏡，會聚透鏡的焦點(diǎn)位于可見光束與色散元件的入射點(diǎn)； 可運(yùn)動反射鏡，由驅(qū)動電路控制下進(jìn)行一維運(yùn)動； 電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件，用于稱合輸入不同波段的照射光譜； 色散元件出射的各個不同波長光經(jīng)會聚透鏡后投射到可運(yùn)動反射鏡，通過可運(yùn)動反射鏡的移動，將各波長光線分別耦合到電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件的入射端面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于:所述色散元件為反射光柵。
3.一種超光譜內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，包括:光源，用于提供近紅外到可見光內(nèi)全譜段的照明光；照射光譜的選擇裝置，用于在照明光中選擇任意指定譜段的光線耦合到內(nèi)窺鏡照射被檢組織；內(nèi)窺鏡，拍攝被檢組織在指定譜段照明光照射下的光譜圖像；圖像處理單元，將被檢組織在各種譜段照明光的下的光譜圖像進(jìn)行圖像融合和處理，獲得組織的光譜圖像；以及顯示單元，對上述圖像進(jìn)行圖像顯示； 其特征在于所述照射光譜的選擇裝置包括: 色散元件，用于將入射到色散元件上的可見光束按波長的不同進(jìn)行色散，使出射光的角度或位置根據(jù)入射光波長分布； 會聚透鏡，會聚透鏡的焦點(diǎn)位于可見光束與色散元件的入射點(diǎn)； 可運(yùn)動反射鏡，由驅(qū)動電路控制下進(jìn)行一維運(yùn)動； 電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件，用于稱合輸入不同波段的照射光譜； 色散元件出射的各個不同波長光經(jīng)會聚透鏡后投射到可運(yùn)動反射鏡，通過可運(yùn)動反射鏡的移動，將各波長光線分別稱合到電子內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)件的入射面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于:所述色散元件為反射光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于:所述光源包括:氙氣燈和準(zhǔn)直透鏡，所述氙氣燈發(fā)出的照明光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成平行光輸出投射到所述色散元件上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于:所述光源還包括用于改變通光孔徑大小的可變光闌，所述準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成的平行光經(jīng)可變光闌后輸出投射到所述色散元件上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)窺鏡照射光譜的選擇裝置，其特征在于:所述圖像處理單元中設(shè)有控制模塊，用于分別觸發(fā)控制所述可運(yùn)動反射鏡的驅(qū)動、內(nèi)窺鏡的拍攝、圖像處理和光闌孔徑調(diào)節(jié)。
【文檔編號】A61B1/05GK104352216SQ201410538199
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】劉滿林, 劉俊, 王翰林, 安昕, 張浠 申請人:佛山市南海區(qū)歐譜曼迪科技有限責(zé)任公司