CN108185974A - 一种内窥式荧光超声融合造影导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，包括多光谱光源与高频超声激发模块、内窥式探测器模块、信息处理模块；所述内窥式探测器模块包括超声探头和光学探头；所述光学探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；所述高频超声激发模块用于发射多频率超声，所述超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的所述二维超声图像传送给所述信息处理模块；所述信息处理模块对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像。本发明所采用的荧光超声融合造影能够实现病变组织或肿瘤的全貌探查，满足临床应用要求。

Description

一种内窥式荧光超声融合造影导航系统

技术领域

本发明涉及多模态医学成像领域，具体涉及一种内窥式荧光超声融合造影导航系统。

背景技术

内窥式导航系统用于内窥手术，是指医生在手术过程中所使用微创通道进入生物体内部的小型内窥设备，通过对生物内部的探测完成术中导航。内窥式手术由于其微创伤、易恢复等优点，在外科手术类型中持大比例份额。

基于光学荧光成像的内窥式导航系统已可见于临床应用，通过激光激发组织获得具有特异性的荧光成像方式，可以有效判断肿瘤或病变组织轮廓。虽然光学荧光成像导航系统为医生寻找病变组织的位置和浅层边界提供了引导，但由于光学方式获取的像是物体可视区域的二维平面投影，即使部分荧光具有一定无损组织的穿透能力，亦不能满足医生对病变组织或血管的纵深信息勘察。

与荧光成像获得的信息不同，超声成像利用超声在人体组织或血管传播的特异性，通过特定的超声探头，反馈的是组织在纵深方向的断层图像信息。虽然超声能有效获取组织的纵深影像，但不能为医务人员寻找病变区域提供快速导航。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，包括内窥式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块和信息处理模块，其中：

所述内窥式探测器模块包括超声探头和光学探头；所述光学探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；

所述多光谱光源激发模块用于发射近红外激光和可见白色光，所述近红外激光用于激发具有特异性组织荧光造影剂；

所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将所述增强荧光图像发送至显示器进行显示；

根据所显示的病变组织的位置和边界，所述高频超声激发模块用于发射多频率超声，所述超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的所述二维超声图像传送给所述信息处理模块；

所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像；

所述信息处理模块还用于将所述3D超声图像传送至显示器显示，所述增强荧光图像和所述3D超声图像为外科医生提供实时的手术影像导航。

较佳的，所述内窥式探测器模块还包括内窥长杆、内镜、外壳、连接装置、相机；所述超声探头位于所述内窥长杆的顶端；所述内镜内置于所述内窥长杆内；所述相机设置在所述内窥长杆的尾端外部；所述连接装置将所述相机与所述内窥长杆连接；所述外壳用于包裹所述相机和所述连接装置。

较佳的，所述内窥长杆为可弯曲的长杆。

较佳的，所述内镜跟随所述内窥长杆进入生物体内探测组织和病理的荧光成像。

较佳的，所述相机为可用于探测可见光和近红外荧光的CCD相机。

较佳的，所述外壳由ABS材料制成。

较佳的，所述超声探头内有一关键感知器，所述关键感知器为超声换能阵列。

较佳的，所述信息处理模块对荧光图像进行处理得到增强荧光图像包括：

对所述内窥式探测器模块探测到的荧光图像进行图像增强、自动阈值、灰度拉伸预处理；

对预处理之后的荧光图像进行精准的边缘提取，将病变组织和正常组织进行边界划分，并显示在处理后的荧光增强图像中；

针对所述荧光增强图像中病变组织区域进行分析，获取中心坐标、区域像素面积、像素最大值、像素最小值，为医生进行手术操作提供判断依据。

较佳的，所述信息处理模块对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像包括：

对每幅二维超声图像进行预处理，取出图像中的随机噪声，并对图像进行全局增强；

对预处理之后的二维超声图像进行关键特征提取，并由边缘提取算子准确提取超声图像中病变组织区域的ROI边界；

以检测到的病变组织区域ROI边界为匹配基元，对二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像。

较佳的，在对二维超声图像进行3D配准融合时采用如下公式全局搜索最佳匹配位置：

公式中x、y、z分别表示3D图点的三维坐标，d表示自定义比较歩值，m、n、p表示3D图像素点数量：m＝n＝p，i、j、k为函数变量。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、本发明提供一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，可以有效利用光学荧光成像和3D超声成像的特点，为深入生物体内的组织内窥探测造影导航提供三维信息，全面反映病变组织形貌；2、内窥式探测器是本发明的关键组成部分，本发明采用将荧光成像探头与超声换能探头进行了整体化契合设计，结构合理简洁，方便术中操作；3、本发明所采用的荧光超声融合造影不仅能实现病变组织或肿瘤的全貌探查，且对生物体或组织无损害无辐射，满足临床应用要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的内窥式探测器结构示意图；

图3是本发明的超声图像处理与3D配准流程图；

图中数字表示：

1-超声换能探头，2-内窥长杆，3-内镜，4-包装外壳，5-连接装置，6-相机。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1所示，一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，包括：多光谱光源激发模块、高频超声激发模块、内窥式探测器模块、信息处理模块、系统包装模块；多光谱光源激发模块用于激发可见白光和近红外激光，高频超声激发模块用于激发多频率超声；可见白光、近红外激光和多频率超声均对生物体组织无损害无辐射；内窥式探测器模块通过微创开口进入生物体内部进行探测，获取近红外激光和超声经组织和病理反馈的荧光图像和超声图像。

本发明多光谱光源激发模块为多通道激光发射器；高频超声激发模块为多通道高频超声发射器。

信息处理模块用于对荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将增强荧光图像发送至显示器进行显示；根据所显示的病变组织的位置和边界，对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的二维超声图像传送给信息处理模块；信息处理模块还用于对连续的二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像；信息处理模块还用于将3D超声图像传送至显示器显示，增强荧光图像和3D超声图像为外科医生提供实时的手术影像导航；能够协助医务人员对手术中病变组织进行更加精确的观测与分析；系统包装模块用于包装上述各模块，确保各模块正常使用，并保护各模块。

如图2所示，内窥式探测器模块包括超声换能探头1、内窥长杆2、内镜3、外壳4、连接装置5、相机6，内镜3内置于内窥长杆2内；超声换能探头1位于内窥长杆2的顶端，超声换能探头1可获取组织和病理反馈的超声信号并转换成超声图像；内窥长杆2内包含用于传输超声发射和接收信号的信号线；连接装置5将相机6与内窥长杆2连为一整体；相机6可通过光纤连接内镜3，收集内镜3反馈的荧光图像，外壳4将相机6和连接装置5包装为一整体，保护相机6和连接装置5，保证相机6使用的安全性，外壳4应满足医疗仪器和工程学设计要求，较好的使用ABS材料，并设计成可手持的形状，便于使用者手握，增加舒适度和操控性。内窥式探测器模块结构简单，包含超声换能探头和光学成像探头(即内镜3与相机6组合一起称为光学成像探头)，能够深入生物体较深的内部直观的获得组织和病理反馈的光学图像和超声图像，功能性强，使用方便。

内窥式探测器模块还包括有一为荧光造影提供光源和能量的多光谱光源照射器。

结合光学荧光成像与超声成像的优点，本发明提出一种内窥式荧光超声融合造影系统，设计一种新型的内窥式荧光超声融合探测器，并针对该探测器的多模态造影结构，以超声探测方式获取病变组织纵深切面的超声图像，完成荧光图像和超声图像的融合造影，形成新型的三维分子影像画面，实现医务人员在内窥式手术过程中的精准导航。

实施例二

基于实施例一的内窥式荧光超声融合造影导航系统，本发明的内窥式荧光超声融合造影导航系统在手术过程中可伸入生物体内部进行内窥式探测并提供造影导航，优选的，本发明的内窥式荧光超声融合造影导航系统的工作方法及工作参数为：

S1、多光谱光源照射器为荧光造影提供光源和能量，多光谱激光发射器选用可见白色光和近红外激光的两光谱激光发射器，优选的，可见白色光的波长为400nm～650nm，近红外激光的波长为760nm，多光谱激光发射器可激励病变组织发出波长为810nm～890nm的近红外荧光；高频超声发射器为超声造影提供相应的动力和能量，高频超声发射器选用发射频率为7.5MHz；

S2、内窥式探测器模块通过微创开口进入生物体内部进行探测，获取组织和病理的荧光图像和超声图像：在内窥式探测器模块工作时，超声换能探头1、内窥长杆2、内镜3进入生物体内部探测，外壳4、连接装置5和相机6均不进入人体内；

内窥长杆2可从微创开口延伸到生物体内部并带动超声换能探头1和内镜3进行探测，内窥长杆2可发生弯曲，优选长度为60cm；

超声换能探头1上安装有关键感知器，关键感知器为超声换能阵列，超声换能阵列可在不同时间发出频率恒定的高频超声，组织和病理在预先静脉注射到人体内的微泡超声造影剂的作用下会反射不同的超声回波，该回波经超声换能探头1转换成电子信号，电子信号经超声控制器转换成超声图像，并通过信号线将超声图像传送到信息处理模块中；

内镜3用于探测生物体内的组织和病理的荧光成像，并将探测到的荧光图像传送到相机6中进行拍摄，内镜3可以根据手术兴趣面的不同而使用不同端面角度的内镜，如0°或30°的内镜；

相机6用于探测并收集内镜3传送来荧光图像，并将获取的荧光图像传送到信息处理模块中，相机6优选可探测波长为400nm～650nm可见光和波长为750nm～900nm近红外荧光的双CCD相机；

S3、信息处理模块对内窥视探测器模块收集到的荧光图像进行处理和分析，获得突出病理位置及边界的增强荧光图像：增强荧光图像反映的是组织和病理在横向界面的形貌图像，能够突出病理在横向界面的位置及边界，并为超声图像的获取提供了快速定位；继而对于超声探头进行探测，从而获得病变组织连续的二维超声图像，信息处理模块对二维超声图像进行检测和提取融合配准成3D模式重构超声图像的3D信息；

S4、信息处理模块将处理和分析后的增强荧光图像、3D超声图像传送至显示器进行显示，显示病变组织的3D信息，为医务人员提供实时的手术影像导航。

实施例三

基于实施例二中内窥式荧光超声融合造影导航系统的工作方法，优选的，信息处理模块对荧光图像的处理方法为：

S11、多光谱激光发射器发出可见白光和近红外激光并通过多光谱光源照射器对生物内组织进行照射，生物体组织由于细胞分子形式的不同，在病变组织周围会形成特异性的荧光造影剂聚合层，在特定近红外激光的激发下荧光亮度突出，荧光图像中最大的点既可认为是病变组织；内窥式探测器模块将此时的荧光图像实时拍摄并传送到信息处理模块内；

S12、信息处理模块通过对相机6传送来的荧光图像进行图像增强、自动阈值、灰度拉伸等图像预处理，将荧光图像的对比度和可视化清晰度大幅度提高；

S13、对预处理后荧光图像的病变区域进行精准的边缘提取，如对病变组织或肿瘤等规划边界，并实时的传送到显示模块中进行显示，为医务人员提供导航标识；

S14、信息处理模块统计荧光图像中病变区域的增强荧光图像信息，如中心坐标、区域像素面积、像素最大值、像素最小值等；在医生进行手术操作时提供判断依据。

实施例五

如图3所示，基于实施例三中内窥式荧光超声融合造影导航系统的工作方法，优选的，信息处理模块对超声图像的处理方法为：

S21、超声换能探头1收集到的超声扫描单幅图像为扇形2D切片灰度图像，收集到的二维超声图像经信号线传送到信息处理模块中处理与分析；

S22、信息处理模块对超声图像进行图像预处理，去除超声图像中的随机噪点，全面增强图像的像素，获得更加清晰和高对比度的二维超声图像；

S23、信息处理模块对预处理后的超声图像进行关键特征提取，关键特征表现为具有较好边缘的组织或者较大面积的连接域，较好边缘的组织如血管、肿瘤等，较大面积的连接域如膀胱、肿瘤等，并由边缘提取算子提取准确的超声图像病变组织ROI边界，提取算子采用CANNY算子或SOBEL算子等；

S24、信息处理模块以检测到的病变组织边界为匹配基元，对二维超声图像进行三维配准融合，重构超声图像的3D信息。本实施例的三维配准采用最小平方差算法SSD作为相似性测度函数，全局搜索最佳匹配位置，完成超声图像的3D融合配准，算法SSD公式如下所示：

公式中x、y、z分别表示3D图点的三维坐标；d表示自定义比较歩值，如5，10，20，100等；m、n、p表示3D图像素点数量：m＝n＝p，i、j、k为函数变量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，包括内窥式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块和信息处理模块，其中：

所述内窥式探测器模块包括超声探头和光学探头；所述光学探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；

所述多光谱光源激发模块用于发射近红外激光和可见白色光，所述近红外激光用于激发具有特异性组织荧光造影剂；

所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将所述增强荧光图像发送至显示器进行显示；

根据所显示的病变组织的位置和边界，所述高频超声激发模块用于发射多频率超声，所述超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的所述二维超声图像传送给所述信息处理模块；

所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像；

所述信息处理模块还用于将所述3D超声图像传送至显示器显示，所述增强荧光图像和所述3D超声图像为外科医生提供实时的手术影像导航。

2.如权利要求1所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述内窥式探测器模块还包括内窥长杆、内镜、外壳、连接装置、相机；所述超声探头位于所述内窥长杆的顶端；所述内镜内置于所述内窥长杆内；所述相机设置在所述内窥长杆的尾端外部；所述连接装置将所述相机与所述内窥长杆连接；所述外壳用于包裹所述相机和所述连接装置。

3.如权利要求2所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述内窥长杆为可弯曲的长杆。

4.如权利要求3所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述内镜跟随所述内窥长杆进入生物体内探测组织和病理的荧光成像。

5.如权利要求4所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述相机为可用于探测可见光和近红外荧光的CCD相机。

6.如权利要求5所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述外壳由ABS材料制成。

7.如权利要求2或6所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述超声探头内有一关键感知器，所述关键感知器为超声换能阵列。

8.如权利要求1所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述信息处理模块对荧光图像进行处理得到增强荧光图像包括：

对所述内窥式探测器模块探测到的荧光图像进行图像增强、自动阈值、灰度拉伸预处理；

对预处理之后的荧光图像进行精准的边缘提取，将病变组织和正常组织进行边界划分，并显示在处理后的荧光增强图像中；

针对所述荧光增强图像中病变组织区域进行分析，获取中心坐标、区域像素面积、像素最大值、像素最小值，为医生进行手术操作提供判断依据。

9.根据权利要求1所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述信息处理模块对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像包括：

对每幅二维超声图像进行预处理，取出图像中的随机噪声，并对图像进行全局增强；

对预处理之后的二维超声图像进行关键特征提取，并由边缘提取算子准确提取超声图像中病变组织区域的ROI边界；

以检测到的病变组织区域ROI边界为匹配基元，对二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像。

10.根据权利要求9所述的一种内窥式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，在对二维超声图像进行3D配准融合时采用如下公式全局搜索最佳匹配位置：

公式中x、y、z分别表示3D图点的三维坐标，d表示自定义比较歩值，m、n、p表示3D图像素点数量：m＝n＝p，i、j、k为函数变量。