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動反射鏡,通過可運動反射鏡的移動,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行選擇,實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,實現(xiàn)圖譜合一、對體內(nèi)活體組織的實時光譜成像。
【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,所以對生物組織進行光譜成像并進行一定的量化分析,可以實現(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)域中對組織進行光譜成像基本上都需要先進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(藍色光:405nm?425nm/綠色光:540?560nm)來照射并進行成像,使粘膜表層的毛細血管和粘膜的細微結(jié)構(gòu)得以強調(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,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,使用藍光(390nm?470nm)激發(fā)光照射到黏膜下層,使組織產(chǎn)生強熒光。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)酢T搩?nèi)窺鏡系統(tǒng)會將這些細微變化轉(zhuǎn)換成色彩信息,使正常黏膜和病灶之間的細微區(qū)別得到強調(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,對上述圖像進行圖像顯示;這些設(shè)備可以在一定程度上實現(xiàn)對體內(nèi)組織進行在體光譜成像。但是仍然存在其局限性。
[0008]上述幾個方案的共同點是利用經(jīng)過濾波片濾光后的光源對組織進行照明,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,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,會聚透鏡的焦點位于可見光束與色散元件的入射點;
[0016]可運動反射鏡,由驅(qū)動電路控制下進行一維運動;
[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動反射鏡,通過可運動反射鏡的移動,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,會聚透鏡的焦點位于可見光束與色散元件的入射點;
[0024]可運動反射鏡,由驅(qū)動電路控制下進行一維運動;
[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動反射鏡,通過可運動反射鏡的移動,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行選擇,實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,實現(xiàn)圖譜合一、對體內(nèi)活體組織的實時光譜成像;實現(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。
【具體實施方式】
[0034]如圖1為本發(fā)明的一個實例。如圖1所示,本實施例的超光譜內(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),光輻射強度隨頻率變化呈連續(xù)分布。在本實施例中,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,從而實現(xiàn)控制輸出照明光強度。
[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的前焦點位于照明光與色散元件的入射點;可運動反射鏡11位于會聚透鏡10和光導(dǎo)件12之間;可運動反射鏡11的運動位置和會聚透鏡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、可運動反射鏡11反射后光線聚焦到光導(dǎo)件12的端面上。本實施例中,可運動反射鏡做一維平移運動;可運動反射鏡的驅(qū)動電路可以是用單片機實現(xiàn)。
[0037]圖2是波長選擇裝置3進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的焦點位于照明光與反射光柵的入射點,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 會聚點的距離八1大于1/2&時,則波長λ 2的光線無法進入光導(dǎo)件12。在另一種狀態(tài)下,可運動反射鏡向右運動距離△〗,則波長λ 2的光線會聚到光導(dǎo)件12中心,而波長λ !的光線無法進入光導(dǎo)件12。如此,可以通過控制可運動反射鏡的位置,選擇需要的波長耦合進入光導(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動η個位置點,這些不同波長和位置點需要事先調(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\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。控制模塊向驅(qū)動電路發(fā)出控制信號,使可運動反射鏡11移動到位置Α,使波長X1的光線耦合進入導(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。控制模塊向驅(qū)動電路發(fā)出控制信號,使可運動反射鏡11移動到位置B,使波長λ 2的光線耦合進入導(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,會聚透鏡的焦點位于可見光束與色散元件的入射點; 可運動反射鏡,由驅(qū)動電路控制下進行一維運動; 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動反射鏡,通過可運動反射鏡的移動,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,會聚透鏡的焦點位于可見光束與色散元件的入射點; 可運動反射鏡,由驅(qū)動電路控制下進行一維運動; 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動反射鏡,通過可運動反射鏡的移動,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