專利名稱：活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
腫瘤是嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病。近三十年，全球癌癥(惡性腫瘤)發(fā)病數(shù) 以年均3% 5%的速度遞增，癌癥已成為人類最重要的死因之一。目前臨床研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤 早期不伴轉(zhuǎn)移，容易切除，因此，腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷是提高腫瘤治療水平、降低治療 成本、提高愈后生活質(zhì)量的關(guān)鍵。大量研究表明90%以上的腫瘤來源于上皮細(xì)胞的病變，且 在癌癥發(fā)生發(fā)展過程中會(huì)發(fā)生分子和細(xì)胞水平的變異。高分辨率光學(xué)內(nèi)窺成像技術(shù)，相對(duì) 于其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如CT、MRI、PET等，具有無損、實(shí)時(shí)、在體檢測微小腫瘤性病變等技術(shù) 優(yōu)勢(shì)，能夠更好地提高腫瘤的早期診斷率。人們圍繞光學(xué)內(nèi)窺成像展開了許多研究，其中基 于光纖束的內(nèi)窺成像技術(shù)，其內(nèi)窺探頭內(nèi)無需掃描部件因而結(jié)構(gòu)簡單、外徑較小，成為實(shí)用 性最強(qiáng)的可行方案。傳統(tǒng)的基于光纖束的內(nèi)窺系統(tǒng)一般將入射光經(jīng)掃描導(dǎo)光系統(tǒng)傳入光纖束，經(jīng)前端 探頭照明樣品，樣品成像面信號(hào)原路返回，經(jīng)分束器件與入射光分離，進(jìn)入探測單元，獲取 的主要信息是樣品經(jīng)照射后成像面上各點(diǎn)的熒光強(qiáng)度信號(hào)(E. Laemmel et. al., Journal of Vascular Research 41(5)，400-411 (2004))或漫反射信號(hào)(C. Liang et. al., Optics Express 9(13), 821-830 (2001))，最終可提供成像診斷，已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得 應(yīng)用?；诠饫w束內(nèi)窺的熒光成像方法雖然可以獲得更理想的圖像對(duì)比度，但由于組織中 不同成分自發(fā)熒光差異較小而常常不得不使用外源熒光染料，因可能帶來潛在的危害性局 限了其可能的應(yīng)用場合。而基于光纖束內(nèi)窺的反射成像方法，則無需任何染料，更加安全， 更適于臨床使用。在臨床應(yīng)用中，由于血管增生是癌癥早期的特征之一，而血管對(duì)420nm(藍(lán) 色)和580nm (黃色)的光有比較大的吸收，因此，臨床觀察腫瘤病變組織色澤偏紅。如果能 降低紅色通道的增益，可以有效增加血管在組織漫反射成像中的對(duì)比度。而傳統(tǒng)的基于光 纖束內(nèi)窺的反射成像方法通常為單一波長激發(fā)，所獲圖像為灰度圖或經(jīng)偽彩色編碼著色后 的偽彩色圖。這種圖像離真實(shí)的組織形貌還有一定差距，而且由于缺乏準(zhǔn)確的紅綠藍(lán)三原 色信息，無法對(duì)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的濾色處理(降低紅色增益)以提高特定對(duì)比度滿足臨床觀 察的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖束的活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，它能夠形成準(zhǔn) 確的真彩色圖像，滿足后期濾波圖像處理的需要。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，包括光源單元、分 光單元、掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi)窺單元、光電信號(hào)探測單元和計(jì)算機(jī)單元；其特征在于
所述的光源單元能夠提供紅、綠、藍(lán)色三種入射光；可以是涵蓋紅、綠、藍(lán)三色波段的寬 帶光源或白光光源，也可以是紅、綠、藍(lán)三種單色光源合并組成的真彩色光源。
所述的分光單元提供兩路端口，一路由光源單元輸出信號(hào)進(jìn)入分光單元與掃描導(dǎo) 光單元相連；從樣品返回信號(hào)則從掃描導(dǎo)光單元經(jīng)分光單元后進(jìn)入光電信號(hào)探測單元。分 光單元可以是分束器。所述的掃描導(dǎo)光單元由掃描裝置和4f系統(tǒng)組成；其中掃描裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空 間掃描，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像的逐點(diǎn)探測，4f系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束直徑的調(diào)整，以滿足后續(xù)光 學(xué)器件的入射孔徑要求。所述的光纖束內(nèi)窺單元由耦合透鏡、光纖束以及內(nèi)窺探頭單元組成；光束經(jīng)耦合 透鏡會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束中的單根光纖內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式；所述的內(nèi)窺探 頭單元由在封裝套管中的光纖束后端和成像透鏡組合而成；光纖束后端端面與樣品成像面 關(guān)于成像透鏡成共軛關(guān)系，從光纖束輸出的入射光經(jīng)成像透鏡照射在樣品上，樣品經(jīng)該入 射光激發(fā)產(chǎn)生的熒光輻射經(jīng)成像透鏡耦合進(jìn)入光纖束相應(yīng)的光纖中。其中成像透鏡可以是 單透鏡或組合透鏡。所述的光電信號(hào)探測單元由分光器件、紅、綠、藍(lán)色三組波段帶通濾波器及相應(yīng)波 段光電探測器組成；信號(hào)經(jīng)分光器件分束后分別進(jìn)入紅、綠、藍(lán)三通道，經(jīng)相應(yīng)波段帶通濾 波器濾波后，被相應(yīng)波段光電探測器探測，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)交由后端計(jì)算機(jī)單元處理。所述的計(jì)算機(jī)單元完成系統(tǒng)軟硬件控制，將光電探測器探測所得紅、綠、藍(lán)三色信 號(hào)合成為真彩色圖像。進(jìn)一步的，所述的光源單元包括紅、綠、藍(lán)三種波段的單色激光器，所述紅、綠、藍(lán) 三種波段的單色激光器分別提供三種波段的單色光，經(jīng)紅、綠、藍(lán)三種波段濾波片濾波后， 由合光器件合為一束入射光，進(jìn)入所述分光單元。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
1、采用含有紅、綠、藍(lán)三原色的入射光源，使樣品經(jīng)照射后漫反射返回真彩色信號(hào)。2、分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色建立探測通道，準(zhǔn)確獲取樣品的紅綠藍(lán)三原色反射圖 像，并合成為準(zhǔn)確的真彩色圖像，能夠滿足后期濾波等圖像處理的需要。本發(fā)明采用含有紅綠藍(lán)三原色的彩色光源以及三原色分路探測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)光纖 束內(nèi)窺成像系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成新型的活體熒光真彩色內(nèi)窺成像系統(tǒng)。這一新型成像系統(tǒng)可提 供準(zhǔn)確表達(dá)樣品成像空間形態(tài)分布的真彩色圖像，且該圖像含有紅綠藍(lán)三原色具體信息， 一方面真實(shí)還原了樣品的色彩信息，更方便操作者認(rèn)知，另一方面，也滿足后期濾色等圖像 處理的需要，提高了基于光纖束活體內(nèi)窺成像系統(tǒng)的性能。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意圖。圖2為本發(fā)明光源單元示意圖。圖中1、光源單元，2、分光單元，3、掃描導(dǎo)光單元，4、光纖束內(nèi)窺單元，5、光電信 號(hào)探測與采集單元，6、計(jì)算機(jī)單元，7、光源，8、帶通濾波片，9、掃描裝置，10、4f系統(tǒng)，11、光 纖束耦合透鏡，12、光纖束，13、內(nèi)窺探頭單元，14、分光器件一，15、紅色波段濾波片，16、紅 色波段光電探測器，17、分光器件二，18、綠色波段濾波片，19、綠色波段光電探測器，20、藍(lán) 色波段濾波片，21、藍(lán)色波段光電探測器，22、紅色波段激光器，23、紅色波段濾波片，24、合 光器件一，25、綠色波段濾波片，26、綠色波段激光器，27、合光器件二，28、藍(lán)色波段濾波片，29、藍(lán)色波段激光器，30、樣品。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明可以通過如下的方式實(shí)現(xiàn)在圖1中，本發(fā)明包括光源單元1、分光單元2、 掃描導(dǎo)光單元3、光纖束內(nèi)窺單元4、光電信號(hào)探測單元5以及計(jì)算機(jī)單元6 ；所述的光源單 元1能夠提供紅、綠、藍(lán)色三種入射光；可以是涵蓋紅、綠、藍(lán)三色波段的寬帶光源或白光光 源，也可以是紅、綠、藍(lán)三種單色光源合并組成的真彩色光源。分光單元2提供兩路端口 ；一路由光源單元1輸出信號(hào)進(jìn)入分光單元2與掃描導(dǎo) 光單元3相連；從樣品返回信號(hào)則從掃描導(dǎo)光單元3經(jīng)分光單元2后進(jìn)入光電信號(hào)探測單 元5。分光單元2可以是分束器，或其他可以實(shí)現(xiàn)分束功能的裝置。掃描導(dǎo)光單元由掃描裝置9和4f系統(tǒng)10組成；其中掃描裝置9實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空 間掃描，以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)探測，4f系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)對(duì)光束尺寸的調(diào)整，以滿足后續(xù)光學(xué)器件的入射 孔徑要求。光纖束內(nèi)窺單元由耦合透鏡11、光纖束12及內(nèi)窺探頭成像透鏡13組成；光束經(jīng) 耦合透鏡11會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束12中的單根光纖內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式。光 纖束12的后端端面與樣品30成像面關(guān)于內(nèi)窺探頭成像透鏡13成共軛關(guān)系，從光纖束12 輸出的入射光經(jīng)成內(nèi)窺探頭成像透鏡13照射在樣品30上，樣品30經(jīng)該入射光照射產(chǎn)生的 漫反射信號(hào)經(jīng)內(nèi)窺探頭成像透鏡13耦合進(jìn)入光纖束12相應(yīng)的光纖中。其中內(nèi)窺探頭成像 透鏡13可以是單透鏡或組合透鏡。光電信號(hào)探測單元5由分光器件一 14、紅色波段帶通濾波器15、紅色波段光電探 測器16、分光器件二 17、綠色波段帶通濾波器18、綠色波段光電探測器19、藍(lán)色波段帶通濾 波器20、藍(lán)色波段光電探測器21組成；信號(hào)經(jīng)分光器件一 14和分光器件二 17分為三束后， 分別進(jìn)入紅、綠、藍(lán)三色波段帶通濾波器15、18和20，經(jīng)濾波后被紅、綠、藍(lán)三色波段光電探 測器16、19和21分別探測，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)交由后端計(jì)算機(jī)單元6處理。分光器件一 14 和分光器件二 17可以是分束器，二向色鏡或其他可以實(shí)現(xiàn)分束功能的裝置。從光源單元1發(fā)出的寬帶彩色入射光經(jīng)分光單元2進(jìn)入掃描裝置9。掃描裝置9 實(shí)現(xiàn)光束在空間中的逐點(diǎn)順序掃描探測樣品。隨后4f系統(tǒng)10改變激發(fā)光束直徑大小以滿 足后續(xù)光纖束耦合透鏡11的入射孔徑要求。經(jīng)變換后的激發(fā)光束傳遞到光纖束內(nèi)窺單元 4，經(jīng)耦合透鏡11會(huì)聚并耦合進(jìn)入光纖束12中的單根光纖，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式。光 纖束12后端端面與樣品30成像面關(guān)于內(nèi)窺探頭成像透鏡13成共軛關(guān)系。經(jīng)光纖束12的 傳輸，從光纖束12后端輸出的光經(jīng)內(nèi)窺探頭成像透鏡13照射在樣品30上，樣品30經(jīng)照射 后發(fā)生漫反射，其漫反射信號(hào)經(jīng)內(nèi)窺探頭成像透鏡13收集后進(jìn)入光纖束12相應(yīng)的單根光 纖中原路返回后端光學(xué)系統(tǒng)。漫反射信號(hào)經(jīng)分光單元2進(jìn)入光電探測單元5，經(jīng)分光器件 一 14和分光器件二 17分為三束后，分別進(jìn)入紅、綠、藍(lán)三色波段帶通濾波器15、18和20，經(jīng) 濾波后被紅、綠、藍(lán)三色波段光電探測器16、19和21分別探測，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)交由后端計(jì) 算機(jī)單元6處理。系統(tǒng)逐點(diǎn)探測樣品中掃描空間內(nèi)的每一點(diǎn)的漫反射信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后 可重建出掃描區(qū)域的紅、綠、藍(lán)三色漫反射成像結(jié)果，將三者合并即為掃描區(qū)域的真彩色圖像。如圖2所示，所述的光源單元1由紅、綠、藍(lán)三種波段的單色激光器22、26和29提 供三種波段的單色光，經(jīng)相應(yīng)波段濾波片23、25和28濾波后，由合光器件一 24和合光器件 二 27合為一束入射光，進(jìn)入分光單元2。所述的活體熒光內(nèi)窺真彩色成像系統(tǒng)的掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi)窺單元也可以采 用彩色CCD可以全場方式實(shí)現(xiàn)同樣活體熒光內(nèi)窺真彩色成像功能。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，包括光源單元、分光單元、掃描導(dǎo)光單元、光纖束內(nèi)窺單元、光電信號(hào)探測單元和計(jì)算機(jī)單元；其特征在于所述的光源單元能夠提供紅、綠、藍(lán)色三種入射光；可以是涵蓋紅、綠、藍(lán)三色波段的寬帶光源或白光光源，也可以是紅、綠、藍(lán)三種單色光源合并組成的真彩色光源；所述的分光單元提供兩路端口，一路由光源單元輸出信號(hào)進(jìn)入分光單元與掃描導(dǎo)光單元相連；從樣品返回信號(hào)則從掃描導(dǎo)光單元經(jīng)分光單元后進(jìn)入光電信號(hào)探測單元；所述的掃描導(dǎo)光單元由掃描裝置和4f系統(tǒng)組成；其中掃描裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的空間掃描，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像的逐點(diǎn)探測，4f系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束直徑的調(diào)整，以滿足后續(xù)光學(xué)器件的入射孔徑要求；所述的光纖束內(nèi)窺單元由耦合透鏡、光纖束以及內(nèi)窺探頭單元組成；光束經(jīng)耦合透鏡會(huì)聚后耦合進(jìn)入光纖束中的單根光纖內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)共聚焦顯微成像方式；所述的內(nèi)窺探頭單元由在封裝套管中的光纖束后端和成像透鏡組合而成；光纖束后端端面與樣品成像面關(guān)于成像透鏡成共軛關(guān)系，從光纖束輸出的入射光經(jīng)成像透鏡照射在樣品上，樣品經(jīng)該入射光激發(fā)產(chǎn)生的熒光輻射經(jīng)成像透鏡耦合進(jìn)入光纖束相應(yīng)的光纖中；所述的光電信號(hào)探測單元由分光器件、紅、綠、藍(lán)色三組波段帶通濾波器及相應(yīng)波段光電探測器組成；信號(hào)經(jīng)分光器件分束后分別進(jìn)入紅、綠、藍(lán)三通道，經(jīng)相應(yīng)波段帶通濾波器濾波后，被相應(yīng)波段光電探測器探測，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)交由后端計(jì)算機(jī)單元處理；所述的計(jì)算機(jī)單元完成系統(tǒng)軟硬件控制，將光電探測器探測所得紅、綠、藍(lán)三色信號(hào)合成為真彩色圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的光源單元包括 紅、綠、藍(lán)三種波段的單色激光器，所述紅、綠、藍(lán)三種波段的單色激光器分別提供三種波段 的單色光，經(jīng)紅、綠、藍(lán)三種波段濾波片濾波后，由合光器件合為一束入射光，進(jìn)入所述分光 單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，其特征在于，所述分光單元是分束器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖束的活體熒光內(nèi)窺成像系統(tǒng)，含有紅綠藍(lán)三色波段的入射光束會(huì)聚在光纖束的單根光纖中，經(jīng)光纖束傳輸照射在樣品上，返回的漫反射信號(hào)分別被紅綠藍(lán)三色相應(yīng)波段光電探測器探測，逐點(diǎn)掃描獲得樣品的紅綠藍(lán)三色漫反射成像結(jié)果，并可合并組成樣品成像空間真彩色形態(tài)分布。有別于現(xiàn)有基于光纖束的內(nèi)窺系統(tǒng)所提供的偽彩色圖像，此設(shè)計(jì)可以提供準(zhǔn)確的紅綠藍(lán)三色真彩色成像結(jié)果，更便于操作者認(rèn)知樣品，同時(shí)可以為后續(xù)濾波等圖像處理提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，在內(nèi)窺系統(tǒng)的性能方面有了很大突破，應(yīng)用范圍廣泛。
文檔編號(hào)A61B1/05GK101940463SQ20101050087
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者付玲, 張紅明, 曾紹群, 袁菁, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)