本發(fā)明涉及生物醫(yī)學工程領域，特別涉及一種基于可調偏振的雙波段光譜成像儀及其光譜測定方法。

背景技術：

精確定位腦功能的活動區(qū)域是神經(jīng)外科精準手術的前提，也是最大程度切除顱內(nèi)病變并盡最大可能保留腦功能、減少神經(jīng)損傷的關鍵。腦組織在靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下對血氧的消耗存在差異，氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比例也不同。基于氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白具有不同的吸收光譜，利用這種不同的光譜特征，可以檢測組織內(nèi)血液供應狀態(tài)或血氧飽和度的變化，用于探測組織的血氧灌注狀態(tài)及血氧代謝狀態(tài)，從而定位出被激活且需要在手術過程中重點保護的腦區(qū)?，F(xiàn)有的光譜分析難以用于腦功能區(qū)的定位，原因在于：(1)現(xiàn)在的光譜分析多需要先后收集不同波段光譜值然后進行分析，隨著探測時間的改變，組織內(nèi)血液的灌注狀態(tài)和氧合狀態(tài)已發(fā)生改變，難以采集到同一時間點組織內(nèi)不同波段的光譜值進行分析，致使無法有效對數(shù)據(jù)進行分析。(2)現(xiàn)有的含氧血紅蛋白含量和脫氧血紅蛋白含量探測的光譜裝置所探測的漫反射光譜數(shù)據(jù)絕大多數(shù)來自于組織表面反射的光線，而這部分光線并未攜帶組織內(nèi)部的光譜信息而成為背景，使得數(shù)據(jù)分析的敏感性和準確性大大降低。(3)靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下組織內(nèi)氧合狀態(tài)的差異較小，目前的光譜裝置的探測方法和圖像處理方式均不能敏感的將激活區(qū)準確的定位出來。

因此，需要設計與現(xiàn)有探測含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的光譜成像儀不同的光譜探測與分析系統(tǒng)，并建立起相應的數(shù)據(jù)處理方法，以去除組織表面光線反射帶來的背景，降低系統(tǒng)噪聲；實現(xiàn)同時采集不同波段的光譜信息并進行分析，提高時間分辨率，減少誤差；通過數(shù)據(jù)處理放大靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下組織內(nèi)氧合狀態(tài)的差異，增加功能區(qū)探測的敏感性。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于可調偏振的雙波段光譜成像儀及其光譜測定方法，其不但可以去除表面光線反射帶來的背景，降低系統(tǒng)噪聲；而且可實現(xiàn)同時采集不同波段的光譜信息并進行分析，可提高時間分辨率，減少誤差；還可以放大靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下腦組織內(nèi)氧合狀態(tài)的細微差異，增加定位的敏感性。

本發(fā)明的基于基于可調偏振的雙波段光譜成像儀，包括：

光源組件，用于形成線偏振光；

分光棱鏡Ⅰ，將線偏振光反射聚焦在待檢測生物組織上并對從待檢測生物組織返回的光透射；

還包括用于成像的成像系統(tǒng)，成像系統(tǒng)包括：

成像物鏡，用于自待檢測生物組織返回并經(jīng)分光棱鏡Ⅰ的光經(jīng)過并成像；

分光棱鏡Ⅱ，沿成像光路路徑設置在成像物鏡后方用于將成像光路路徑分成透射光路徑和反射光路徑；

濾光片Ⅰ，對應分光棱鏡Ⅱ的透射光路徑設置用于第一特定波段光通過；

濾光片Ⅱ，對應分光棱鏡Ⅱ的反射光路徑設置用于第二特定波段光通過；

成像系統(tǒng)還包括一一對應濾光片Ⅰ和濾光片Ⅱ設置的第一波段探測器和第二波段探測器；

光譜成像儀還包括用于去除成像光路中非目標光的檢偏片，檢偏片的偏振方向與光源組件所形成的線偏振光的偏振方向垂直。

進一步，濾光片Ⅰ和濾光片Ⅱ均為窄帶濾光片，濾光片Ⅰ所對應的第一特定波段光的波長為530-560nm中的任意一種，濾光片Ⅱ所對應的第二特定波段光的波長為600-640nm中的任意一種。

進一步，光源組件至少包括冷光源和用于將冷光源發(fā)出照明光變?yōu)榫€偏振光的起偏片，光源組件直接安裝在分光棱鏡Ⅰ上；經(jīng)分光棱鏡Ⅰ反射的線偏振光的入射方向與出射方向相垂直。

進一步，檢偏片設置在成像物鏡沿成像光路路徑后方；分光棱鏡Ⅰ和分光棱鏡Ⅱ均為半透半反棱鏡。

進一步，還包括殼體和設置于殼體上的物鏡安裝組件，物鏡安裝組件包括固定于殼體的支撐套、以可被驅動發(fā)生相對轉動的方式與支撐套配合的驅動套和與螺紋內(nèi)套于驅動套設置并用于成像物鏡定位固定的定位套，且定位套以可軸向移動圓周方向固定的方式內(nèi)套于支撐套設置。

進一步，還包括用于驅動驅動套轉動以使定位套相對于支撐套軸向移動進行調焦的調焦驅動組件，調焦驅動組件包括與驅動套外套圓周固定的從動錐齒輪、與從動錐齒輪以軸線垂直相交的方式嚙合的主動錐齒輪和與主動錐齒輪圓周固定并伸出殼體外的驅動軸。

進一步，定位套包括內(nèi)設有定位卡臺的定位套本體和與定位卡臺配合對成像物鏡形成定位鎖止的定位機構，成像物鏡的筒體外側設置有可卡入定位卡臺與定位機構之間形成定位配合的卡臂。

本發(fā)明還公開了一種利用基于可調偏振的雙波段光譜成像儀的光譜測定方法，包括以下步驟：

S1、標定被探測目標需要探測的感興趣區(qū)；

S2、在不刺激被探測目標的靜息狀態(tài)下獲取光譜數(shù)據(jù)并經(jīng)處理獲得所述感興趣區(qū)內(nèi)每一像素點的光譜基線值Rr；

S3、在刺激被探測目標的激活狀態(tài)下獲取光譜數(shù)據(jù)并經(jīng)處理獲得感興趣區(qū)內(nèi)每個像素點的激活光譜值Ra；

S4、將激活狀態(tài)下感興趣區(qū)內(nèi)每一像素點的激活光譜值Ra與靜息狀態(tài)下感興趣區(qū)內(nèi)每個像素點的光譜基線值Rr進行比較，計算出每個像素點的差值Rd，Rd＝Ra-R0；

S5、將每個像素點的差值Rd賦以偽彩，重建形成差值地形圖。

本實施例中，步驟S2包括以下步驟：

S2-1、在不刺激被探測目標的靜息狀態(tài)下，采用不同光譜值的雙波段光譜通道同時連續(xù)采集光譜數(shù)據(jù)并通過標定點核準每幀光譜圖片；

S2-2、連續(xù)采集光譜圖片并核準后，提取感興趣區(qū)每個像素點的光譜值；

S2-3、將雙波段光譜通道同一時間點采集的光譜照片相同位置的像素點的光譜值進行比值，并將相同位置像素點的所有時間點的比值連續(xù)相加并計算平均值得出所述光譜基線值Rr；。

本實施例中，步驟S3包括以下步驟：

在刺激狀態(tài)下，重復進行S2-1至S2-3步驟，并最終將獲得的所有時間點內(nèi)的比值連續(xù)相加并計算平均值得出所述激活光譜值Ra。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的基于正交偏振的雙波段光譜成像儀，其采用雙源探測器，可實現(xiàn)同時采集待檢測腦組織內(nèi)在兩不同特定波段光下的光譜值并進行分析，避免了因探測時間的改變，組織內(nèi)血液的灌注狀態(tài)和氧合狀態(tài)發(fā)生改變，可提高時間分辨率，減少誤差；而且檢偏片的偏振方向與光源組件所形成的線偏振光的偏振方向可調，形成正交偏振，只有待檢測生物組織內(nèi)部反射出來的光線被探測器接收，去除了待檢測生物組織表面反射帶來的背景光，增加數(shù)據(jù)探測的敏感性；

本發(fā)明的基于雙波段光譜成像儀的光譜測定方法，通過將被測目標激活前和激活后連續(xù)采集的每一像素點的光譜數(shù)據(jù)進行對照處理并進行計算差值，不但可去除背景干擾，而且通過比較激活前后的光譜差異，達到了定位出感興趣區(qū)被激活區(qū)域和判斷激活程度同時進行的目的，解決了現(xiàn)有技術中靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下腦組織內(nèi)氧合狀態(tài)的差異較小，目前的光譜裝置的探測方法和圖像處理方式均不能敏感的將激活區(qū)準確的定位出來。。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

圖1為本發(fā)明的光譜成像儀的光路原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的光譜成像儀的結構示意圖；

圖3為圖2中A處放大圖；

圖4為本發(fā)明的光譜成像儀的立體結構圖。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明的光譜成像儀的光路原理示意圖；圖2為本發(fā)明的光譜成像儀的結構示意圖；圖3為圖2中A處放大圖；圖4為本發(fā)明的光譜成像儀的立體結構圖，如圖所示：本實施例的基于正交偏振的雙波段光譜成像儀，包括用于形成線偏振光的光源組件和將線偏振光反射聚焦在待檢測生物組織上并對從待檢測生物組織返回的光透射的分光棱鏡Ⅰ2；待檢測生物組織放置在工作面1上

還包括用于成像的成像系統(tǒng)，成像系統(tǒng)包括：

成像物鏡3，用于自待檢測生物組織返回并經(jīng)分光棱鏡Ⅰ2的光經(jīng)過并成像；

分光棱鏡Ⅱ4，沿成像光路路徑設置在成像物鏡3后方用于將成像光路路徑分成透射光路徑和反射光路徑；

濾光片Ⅰ5，對應分光棱鏡Ⅱ4的透射光路徑設置用于第一特定波段光通過；

濾光片Ⅱ6，對應分光棱鏡Ⅱ4的反射光路徑設置用于第二特定波段光通過；

成像系統(tǒng)還包括一一對應濾光片Ⅰ5和濾光片Ⅱ6設置的第一波段探測器7和第二波段探測器8；

光譜成像儀還包括用于去除成像光路中非目標光的檢偏片9，檢偏片9的偏振方向與光源組件所形成的線偏振光的偏振方向可調。

其中，檢偏片9為偏振方向可調，其通過可被驅動旋轉的方式實現(xiàn)；即成像光路路徑為光源組件→分光棱鏡Ⅰ2→待檢測生物組織→分光棱鏡Ⅰ2→成像物鏡3→檢偏片9→分光棱鏡Ⅱ4，經(jīng)分光棱鏡Ⅱ4分光為兩個路徑分別經(jīng)濾光片Ⅰ5和濾光片Ⅱ6進入對應探測器，對應每一探測器設置有一個CCD單元進行圖像處理，其中，分光棱鏡Ⅰ2的豎直光軸、成像物鏡3的光軸、分光棱鏡Ⅱ4的光軸重合；具體工作原理為：光源組件形成的線偏振光通過分光棱鏡Ⅰ2將光路折轉對目標進行照明，目標表面的光線通過正交的檢偏片9完全衰減，目標里面的光通過散射變?yōu)椴糠制窆?，與檢偏片9不正交的光線可以通過進入分光棱鏡Ⅱ4，并經(jīng)分光棱鏡Ⅱ4分別通過濾光片Ⅰ5和濾光片Ⅱ6之后達到各自探測器進行同步成像，之后通過顯示器進行顯示。

本實施例中，濾光片Ⅰ5和濾光片Ⅱ6均為窄帶濾光片，濾光片Ⅰ5所對應的第一特定波段光的波長為530-560nm中的任意一種，濾光片Ⅱ6所對應的第二特定波段光的波長為600-640nm中的任意一種；在本實施例中，第一特定波段光的特征波段為550±5nm，第二特定波段光的特征波段為630±5nm；窄帶濾光片主要實現(xiàn)對系統(tǒng)波段進行選擇，濾光片可進行手動更好，每一濾光片均通過一個與光譜儀的殼體可拆卸連接的濾光片安裝支架安裝，濾光片通過壓圈安裝在安裝支架上，當需要更換濾光片時，可以打開儀器殼體后蓋板，擰下濾光片固定螺釘，拔出濾光片安裝支架，松開壓圈，換好濾光片后擰緊壓圈，然后再通過螺釘安裝到儀器上。

本實施例中，光源組件至少包括冷光源10和用于將冷光源10發(fā)出照明光變?yōu)榫€偏振光的起偏片11，光源組件直接安裝在分光棱鏡Ⅰ2上；光譜成像儀還包括底座26，光源組件和分光棱鏡Ⅰ2均設置在底座26上，光源組件還包括準直鏡組12，冷光源10發(fā)出一束發(fā)散光，通過準直鏡組將光線變?yōu)槠叫泄?，之后通過起偏片11將光線變?yōu)榫€偏振光；經(jīng)分光棱鏡Ⅰ2反射的線偏振光的入射方向與出射方向相垂直；光源組件集成設置在分光棱鏡Ⅰ2的安裝座上，兩者分別工作，并形成光源照射，其安裝方式為現(xiàn)有技術，在此不再贅述，以能實現(xiàn)本發(fā)明所需要的雙光譜通道即可；另外，本發(fā)明的物鏡的探測區(qū)域范圍為100mm左右，可以對直徑為100mm左右的區(qū)域同時進行探測分析，在短時間內(nèi)，空間分辨率可以達到毫米級。

本實施例中，檢偏片9設置在成像物鏡3沿成像光路路徑后方；分光棱鏡Ⅰ2和分光棱鏡Ⅱ4均為半透半反棱鏡；檢偏片9通過安裝支架設置在光譜儀的殼體上，并且檢偏片9位于成像物鏡3之后分光棱鏡Ⅱ4之前，通過外部的手輪可以調整檢偏片9的偏振態(tài)，作用主要是通過調整偏振方向，濾除目標表皮的反射光，透過目標內(nèi)部的散射光。

本實施例中，還包括殼體13和設置于殼體上的物鏡安裝組件，殼體安裝在底座上，殼體為支撐框架結構，物鏡安裝組件包括固定于殼體13的支撐套14、以可被驅動發(fā)生相對轉動的方式與支撐套14配合的驅動套15和與螺紋內(nèi)套于驅動套15設置并用于成像物鏡3定位固定的定位套16，且定位套16以可軸向移動圓周方向固定的方式內(nèi)套于支撐套14設置；如圖2所示，殼體13內(nèi)設置有支撐架17，支撐套14與支撐架17通過螺釘固定連接，支撐套14包括上套體14-1和與上套體14-1螺紋連接的下套體14-2，驅動套15的上端形成徑向凸緣14-3支撐設置在下套體14-2上，并徑向凸緣位于上套體14-1下端和下套體14-2的下部端緣上，當驅動套15被轉動時可相對上套體14-1和下套體14-2轉動但不可軸向移動，定位套16與驅動套15螺紋連接，并且定位套16內(nèi)套在上套體14-1內(nèi)并通過花鍵結構配合形成圓周固定，當驅動套15被轉動時，定位套16可形成軸向的移動；采用此種結構的定位支撐方式可使得成像物鏡3的調焦更加精確，且支撐穩(wěn)定；另外，檢偏片、濾光片和探測器均安裝在殼體上，殼體上設置有用于旋轉檢偏片的旋轉盤；殼體為框架結構，光源組件和分光棱鏡Ⅰ安裝在底座，物鏡組件自底座部底部插入安裝在物鏡安裝組件上。

本實施例中，還包括用于驅動驅動套15轉動以使定位套16相對于支撐套14軸向移動進行調焦的調焦驅動組件；調焦驅動組件包括與驅動套15外套圓周固定的從動錐齒輪18、與從動錐齒輪18以軸線垂直相交的方式嚙合的主動錐齒輪19和與主動錐齒輪19圓周固定并伸出殼體13外的驅動軸20；調焦驅動組件還包括軸套21，軸套固定設置在支撐架17上，驅動軸20自軸套穿過，主動錐齒輪19與驅動軸20的內(nèi)端固定，從動錐齒輪18圓周外套固定在驅動套15上。

本實施例中，定位套16包括內(nèi)設有定位卡臺16-1的定位套本體和與定位卡臺16-1配合對成像物鏡3形成定位鎖止的定位機構，成像物鏡3的筒體3-1外側設置有可卡入定位卡臺16-1與定位機構之間形成定位配合的卡臂25；定位機構為彈簧柱塞結構，包括彈簧23和柱塞24，彈簧將柱塞壓緊于卡臂形成定位，柱塞的端部形成球頭結構，當安裝成像物鏡3時，自殼體13底部將成像物鏡3自下向上伸入殼體13內(nèi)，并在成像物鏡3下部設置有定位工裝，當定位工裝上設置有位置指示環(huán)槽，當指示環(huán)槽與光源棱邊基本對齊時，轉動成像物鏡3，使卡臂卡入定位卡臺與定位機構之間即可形成定位安裝。

在驅動軸20伸出殼體13的外端部設置有調焦手輪22，當圖像清晰度不足時，可以順時針或逆時針旋轉調焦手輪使成像物鏡3整體沿光軸移動進行調焦，直至圖像清晰為止；另外，本光譜成像儀還包括調高支架，殼體13整體設在調高支架上，調高支架為成框架連接的四條支腿，支腿的上部設置有調高裝置，調高裝置為與支腿螺紋連接的螺套，螺套與光譜成像儀的底部連接。

本發(fā)明還公開了一種利用基于可調偏振的雙波段光譜成像儀的生物組織光譜測定方法，該方法主要基于氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白具有不同的吸收光譜，利用這種不同的光譜特征，可以檢測組織內(nèi)血液供應狀態(tài)或血氧飽和度的變化，從而對生物組織的活動區(qū)(或稱功能區(qū))和非活動區(qū)進行區(qū)分，該方法包括以下步驟：

S1、標定被探測目標需要探測的感興趣區(qū)；

S2、在不刺激被探測目標的靜息狀態(tài)下獲取光譜數(shù)據(jù)并經(jīng)處理獲得所述感興趣區(qū)內(nèi)每一像素點的光譜基線值Rr；

S3、在刺激被探測目標的激活狀態(tài)下獲取光譜數(shù)據(jù)并經(jīng)處理獲得感興趣區(qū)內(nèi)每個像素點的激活光譜值Ra；

S4、將激活狀態(tài)下感興趣區(qū)內(nèi)每一像素點的激活光譜值Ra與靜息狀態(tài)下感興趣區(qū)內(nèi)每個像素點的光譜基線值Rr進行比較，計算出每個像素點的差值Rd，Rd＝Ra-R0；

S5、將每個像素點的差值Rd賦以偽彩，重建形成差值地形圖。

本實施例中，步驟S2包括以下步驟：

S2-1、在不刺激被探測目標的靜息狀態(tài)下，采用不同光譜值的雙波段光譜通道同時連續(xù)采集光譜數(shù)據(jù)并通過標定點核準每幀光譜圖片；

S2-2、連續(xù)采集光譜圖片并核準后，提取感興趣區(qū)每個像素點的光譜值；

S2-3、將雙波段光譜通道同一時間點采集的光譜照片相同位置的像素點的光譜值進行比值，并將相同位置像素點的所有時間點的比值連續(xù)相加并計算平均值得出所述光譜基線值Rr；即雙波段光譜通道在同一時間點分別采集一幀光譜數(shù)據(jù)照片，將該時間點所獲得的兩光譜數(shù)據(jù)照片位于相同位置點的像素點的光譜值進行相比，由于在一段時間內(nèi)，雙波段光譜通道分別采集有多幀照片，使每一時間點的相同位置點的像素點的光譜值進行相比，然后將每一像素點所有時間點獲得的比值連續(xù)相加并求平均值，進而獲得每一相同位置點像素點的光譜基線值(下述的激活光譜值采用同樣方法進行測定)。

本實施例中，步驟S3包括以下步驟：

在刺激狀態(tài)下，重復進行S2-1至S2-3步驟，并最終將獲得的所有時間點內(nèi)的比值連續(xù)相加并計算平均值得出所述激活光譜值Ra；具體的，步驟S3包括：S3-1、采用所述雙光譜通道同時連續(xù)采集光譜圖片并通過標定點核準每幀圖片；S3-2、連續(xù)采集圖片并核準后，提取感興趣區(qū)每個像素點的光譜值；S3-3、雙光譜通道同一時間點采集的光譜照片相同位置的像素點的光譜值進行比值，將獲得的所有時間點內(nèi)的比值連續(xù)相加并計算平均值得出激活光譜值(Ra)。

在本發(fā)明的光譜測定方法中，雙波段光譜通道的雙波段分別為550nm和630nm，通過本發(fā)明中公開的腦功能成像儀的雙光路通道實現(xiàn)，在步驟S2-1和S3-1中，確定感興趣區(qū)時時在感興趣區(qū)的周圍采用亞光標記物標出定標點，然后通過550nm和630nm兩通道同時連續(xù)采集光譜數(shù)據(jù)后應用現(xiàn)有的圖像處理軟件通過定標點核準每幀圖片，定標點核準是指在探測中會對亞光標記點進行追蹤，本實施例中，感興趣區(qū)可采用四個標記點的方形形狀，當目標探測物出現(xiàn)輕微移動也可進行自動校正實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時的自動點對點核準，以防后續(xù)每個像素點光譜值的不對應。

步驟S2-3和步驟S3-3中，同一時間所采集的550nm和630nm兩通道的光譜照片的每一像素點的光譜值先進行比值，舉例說明如，R1＝R630-1/R550-1；R2＝R630-2/R550-2；R3＝R630-3/R550-3；……Rn＝R630-n/R550-n，其中1、2、3……n表示不同時間點采集的光譜圖片數(shù)據(jù)，然后將將不同時間點采集的比值進行平均，獲得靜息狀態(tài)下感興趣區(qū)的光譜基線值Rr，Rr＝(R1+R2+R3……+Rn)/n。

然后將激活狀態(tài)下感興趣區(qū)的光譜值Ra與靜息狀態(tài)下感興趣區(qū)的光譜基線值Rr進行比較，計算出每個像素點的差值Rd，Rd＝Ra-R0；最后將每個像素點的差值Rd賦以偽彩，重建形成差值地形圖，定位出感興趣區(qū)內(nèi)某些被激活的區(qū)域，差值Rd的大小反映其活化程度。

通過該光譜測定方法，不但可去除背景干擾，而且可通過比較激活前后的光譜差異，定位出感興趣區(qū)某些被激活的區(qū)域，并同時達到判斷激活程度，解決了現(xiàn)有技術中靜息狀態(tài)下與激活狀態(tài)下腦組織內(nèi)氧合狀態(tài)的差異較小，目前的光譜裝置的探測方法和圖像處理方式均不能敏感的將激活區(qū)準確的定位出來。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。