CN101375786B - 一种荧光内窥成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光内窥成像方法及装置，其采用：散斑图像产生单元产生散斑图像；与散斑图像产生单元耦合，一端可插入到体内待测组织处的光传导单元，将散斑图像通过其末端的物镜聚焦在待测组织上激发出荧光图像，同时将荧光图像逆向传出体外；分光单元在光传导单元的体外端将荧光图像从光路中分离出来；与分光单元耦合的图像采集单元，将荧光图像记录下来；图像分析及处理单元，对所记录的荧光图像进行处理及分析。采用本发明技术方案的荧光内窥成像方法能够以宽场的方式，对体内待测组织在细胞层次上进行无损伤、高空间分辨率的成像，而且后期数据处理容易，成像速度快。采用本发明技术方案的荧光内窥成像装置，结构简单、性价比高。

Description

一种荧光内窥成像方法及装置

技术领域

本发明涉及医学诊断领域，具体涉及一种荧光内窥成像方法及装置。

背景技术

早期发现是提高癌症存活率的关键。然而，现在的常规内窥镜检查所发现的最小肿瘤一般在10毫米左右，如何能在内窥镜检查中简单明了的发现更小的肿瘤，甚至实现组织无损伤、实时、活体层析、细胞水平成像是当前内窥镜诊断发展的最大难题。但是，传统的激光扫描共焦内窥镜一般采用复杂的三维扫描成像方式来获得样品的三维图像，图像的获取时间长；系统结构复杂；而且价格昂贵，限制了该技术的应用。而传统的双光子激发荧光内窥镜大都是利用扫描振镜，控制单个光束在样品上的扫描，记录时间在秒量级，这就导致该技术只能用于观察发生在较长时间量级的生物过程，很大程度上限制了它的应用范围。此外，二次谐波内窥技术面临着双光子荧光内窥镜单点扫描、成像时间长、系统复杂等多种挑战。这些技术通常采用照明激光的单点扫描，而不是高效的多点阵列扫描，因而还是存在较大缺陷。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是克服现有技术的不足，提供一种荧光内窥成像方法。

本发明需要解决的另一个技术问题是克服现有技术的不足，相应的提供一种荧光内窥成像装置。

本发明为解决上述荧光内窥成像方法的技术问题，采用如下技术方案予以解决：

一种荧光内窥成像方法，用于对体内的待测组织成像，依次包括如下步骤：产生散斑图像，由散斑图像产生单元，产生可在待测组织上激发出荧光图像的散斑图像；产生荧光图像，由光传导单元将所述散斑图像由体外传导至体内，并通过其末端的物镜将散斑图像聚焦在待测组织上产生荧光图像，同时将荧光图像逆向传出体外；分离荧光图像，由分光单元将荧光图像分离；记录荧光图像，由图像采集单元将分离的荧光图像记录；分析及处理荧光图像，由图像分析及处理单元，对所记录的荧光图像进行处理及分析。

其中，所述散斑图像包括相关散斑图像和随机散斑图像，均由激光照射散射体产生，通过改变散射体的位置和角度可以控制是产生相关散斑图像还是随机散斑图像，优选的是产生相关散斑图像。

进一步的，所述将荧光图像分离出来，是根据光的类型，让光透射或者反射来实现的。

进一步的，可控制所述物镜沿其光轴运动，以实现对待测组织不同层面的荧光激发，获得待测组织不同层面的荧光图像，后期通过三维重建获得待测组织的三维图像。

进一步的，所述光传导单元为传像光纤束，优选的技术方案中，所述传像光纤束由单模光纤构成。

优选的技术方案中，所述散斑图像的像元与传像光纤束的口径匹配。

本发明为解决上述荧光内窥成像装置的技术问题，采用如下技术方案予以解决：

一种荧光内窥成像装置，用于对体内的待测组织成像，包括：散斑图像产生单元，产生用于在待测组织上激发出荧光图像的散斑图像；光传导单元，所述光传导单元一端与散斑图像产生单元耦合，另一端可以被插入到体内待测组织处，将散斑图像通过其末端的物镜聚焦在待测组织上，并激发出荧光图像，同时将荧光图像逆向传出体外；分光单元，位于光传导单元体外一端的光路中，用于将荧光图像从散斑图像的传导光路中分离出来；图像采集单元，与分光单元耦合，将分离出来的荧光图像记录下来；图像分析及处理单元，对所记录的荧光图像进行处理及分析。

其中，所述散斑图像产生单元包括激光器以及位于激光器光路上的散射体，所述激光器产生的激光照射在散射体上产生能够激发荧光的荧光图像。

进一步的，所述激光器为氩离子激光器。

优选的技术方案中，所述散斑图像产生单元还包括位于激光的光路上，用于对激光光束的直径进行调整的光束调节单元。

进一步优选的技术方案中，所述光束调节单元包括光轴重合的第一透镜和第二透镜，且二透镜之间的距离为其焦距之和。

优选的技术方案中，所述散斑图像产生单元还包括与所述散射体连接的步进电机，所述步进电机与所述图像分析及处理单元中的计算机电连接，在计算机控制下带动散射体旋转或者平移。

优选的技术方案中，所述光传导单元包括传像光纤束；所述传像光纤束由多根单模光纤构成。

优选的技术方案中，所述光传导单元还包括第一耦合透镜和第二耦合透镜；所述第一耦合透镜和第二耦合透镜分别与传像光纤束的两个端面平行，且分别保持其光轴与传像光纤束的光轴重合。

进一步优选的技术方案中，所述传像光纤束的数值孔径与第一耦合透镜、第二耦合透镜的数值孔径匹配。

优选的技术方案中，所述光传导单元还包括与所述物镜连接，驱动物镜在其光轴方向移动的微型传动机构。

进一步优选的技术方案中，所述微型传动机构为压电陶瓷、微型步进电机以及其带动的导轨中的一种。

优选的技术方案中，所述光传导单元还包括用于将光路折转的折转镜。

进一步优选的技术方案中，所述折反镜为直角棱镜、与光轴成45°角的平面反射镜中的一种。

优选的技术方案中，所述分光单元为对荧光具有高透过率而对激发光具有高反射率的分束镜。

本发明的荧光内窥成像方法与现有技术对比的有益效果在于：

由于采用散斑图像在待测组织上激发出荧光图像，能够以宽场的方式，对体内待测组织在细胞层次上进行无损伤、高空间分辨率的成像，而且后期数据处理容易，成像速度快。

由于可以通过步进电机改变散射体的位置和角度，可以获得层析能力更好的相关散斑。

由于控制物镜沿其光轴运动，实现对待测组织不同层面的荧光激发，可以实现对待测组织的三维层析。

由于采用单模光纤构成的传像光纤束，避免了模间耦合，能够获得更高的成像对比度。

由于散斑图像的像元与传像光纤束的口径匹配，提高了光传输的效率和成像质量。

本发明的荧光内窥成像装置与现有技术对比的有益效果在于：

该装置结构简单、性价比高；由于采用激光产生散斑图像在体内待测组织上激发出荧光图像，进行宽场荧光成像，后期数据处理方便、易于操作和推广，有巨大的应用前景和市场，对于临床疾病诊断和生命科学研究等都具有非常重要的意义。

通过设置光束调节单元中的第一透镜和第二透镜，可以将激光器发出的激光光束调整到合适的尺寸。

通过采用步进电机带动散射体按相关步长旋转或者平移，可以产生层析能力更高的相关散斑图像。

通过在传像光纤束两端设置耦合透镜，可以使光路耦合得更好，有利于提高成像质量。

通过将传像光纤束的数值孔径与第一耦合透镜、第二耦合透镜的数值孔径匹配，提高了光传输的效率和成像质量。

通过采用微型传动机构带动物镜在光轴上移动，可以获得待测组织的三维层析图像。

通过设置折转镜可以让光路折转，提高内窥镜装置应用及操作的灵活性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式荧光内窥镜的示意图；

图2是本发明具体实施方式荧光内窥镜的光路示意图。

具体实施方式

一种用于对人体内待测组织成像的荧光内窥成像方法，包括如下步骤：首先通过散斑图像产生单元产生散斑图像，此散斑图像用于在待测组织上激发出荧光图像；然后将所述散斑图像通过光传导单元由体外传导至体内；再将所述传导到体内的散斑图像，通过光传导单元末端的物镜聚焦在待测组织上激发出荧光图像；所产生的荧光图像再逆向进入光传导单元并被传输至体外，最后被分光单元分离出来后被图像采集单元记录下来，生成供图像分析及处理单元进行分析和处理的荧光图像。图像采集单元为数码相机或者数码摄像机。图像分析及处理单元为计算机，后期可利用计算机对图像采集单元采集到的荧光图像进行存储、读取和统计光学均方根运算，以及提高图像信噪比算法处理，获得待测样品某一层的高分空间分辨率的二维图像。通过控制所述物镜沿其光轴运动，可以将散斑图像聚焦在待测组织的不同层面上，从而实现对待测组织不同层面的荧光图像的激发，获得不同层面的高分空间分辨率的二维荧光图像，然后通过对一系列不同层的高分空间分辨率的二维荧光图像进行三维重建，最后可获得待测组织的高空间分辨率三维荧光图像。其中散斑图像产生单元包括激光器，由激光器产生的激光光束照射散射体就会产生散斑图像，散斑图像包括相关散斑图像和随机散斑图像。可通过改变散射体的位置和角度以产生相关散斑图像或者随机散斑图像。在采集每幅荧光图像的时间间隔内，如果散斑图像的移动距离小于散斑图像的颗粒尺度，则产生的散斑图像为相关散斑图像；如果散斑图像的移动距离大于散斑图像的颗粒尺度，则产生的散斑图像为随机散斑图像。随机散斑图像和相关散斑图像对成像的原理是相同的，只是成像的层析能力不同；相关散斑图像的层析能力略高于随机散斑图像。下面所指的散斑图像包含了随机散斑图像和相关散斑图像，为简化描述，以后不再进行具体区分。

本发明的荧光内窥成像装置如图1所示，包括：激光器101、第一透镜102、第二透镜103、步进电机104、散射体105、扩束整形透镜106、分束镜107、截止滤光片108、数码相机的镜头109、数码相机的探测面110、第一耦合透镜111、传像光纤束112、第二耦合透镜113、折转镜114、微型传动机构115和物镜116。

如图2所示，激光器101发出的准直激光束经过其光路上的第一透镜102和第二透镜103后，其直径被调整到合适的尺寸。激光器101采用氩离子激光器，当然也可以采用其它能够发出可以激发荧光的激光的激光器，其平均输出功率一般为1毫瓦到10瓦。

调整到合适尺寸后的激光光束照射到散射体105上就会产生散斑图像。散射体105为具有一定颗粒度的玻璃基底，也可以采用具有漫散射表面的其它散射物。散射体105连接有步进电机104，通过计算机控制步进电机104带动散射体105平动或转动产生散斑图像。该散斑图像经扩束整形透镜106进行扩束整形之后，由分束镜107将光路折转90°，然后经第一耦合透镜111成像于传像光纤束112的体外端面。

这样散斑图像就被耦合进了传像光纤束112，并被其传导至传像光纤束112的体内端面，再通过第二耦合透镜113与后续的光路耦合。传像光纤束112可以由多模光纤或者单模光纤构成。本处采用单模光纤，因为通常情况下单模光纤构成的传像光纤束112能够抑制模间耦合，获得更高的成像对比度。

此外，为了增强荧光内窥装置应用的灵活性，在光传导单元的末端设置了折转镜114。折转镜114只起到对光路折转90°的作用，不影响成像。折转镜114可以是直角棱镜，也可以是与光轴成45°角的平面反射镜。散斑图像经过折转镜114后被物镜116聚焦于待测组织117，激发待测组织发出荧光。

待测组织117受散斑图像激发所发出的荧光形成的图像为荧光图像，反过来通过物镜116、折转镜114和第二耦合透镜113成像于传像光纤束112的体内端面。同理，传像光纤束112将荧光图像从其体内端面传递到其体外端面，再通过第一耦合透镜111后传导至分束镜107。由于分束镜107对荧光具有高透过率，因而不影响荧光图像的光路。从而将荧光图像和散斑图像分离。荧光图像再经过截止滤光片108进一步过滤之后，进入到数码相机的镜头109中，最终成像在数码相机的探测面110上，从而被数码相机记录下来，供后续的计算机分析和处理。

其中物镜116设置在微型传动机构115上，通过计算机控制微型传动机构115，可使得物镜116沿其光轴运动，实现对待测组织117不同层面的荧光激发，最终获得待测组织不同层面的二维荧光图像，通过计算机进行三维重建，可获得待测组织的三维荧光图像，实现对待测组织的三维层析成像。微型传动机构115可以采用压电陶瓷带动微型导轨，也可以采用微型步进电机带动微型导轨。

为提高光传输的效率和成像质量，将传像光纤束112的数值孔径设计成与第一耦合透镜111和第二耦合透镜113的数值孔径相匹配；以及将散斑图像的像元尺寸调节得与传像光纤束112的口径相匹配。

本实施例中采用的数码相机为CCD相机，当然也可以是CMOS相机或者其它各种数码摄像机。

该装置克服了单点扫描激光束的光学成像技术成像速度慢、结构复杂庞大、成本高的缺点，具有共聚焦显微镜相接近的三维层析显微能力，同时又具有宽场成像特点，仅需一维深度扫描就可获得三维层析图像，而且具有其结构相对简单、数据处理容易。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种荧光内窥成像装置，其特征在于包括：

散斑图像产生单元，产生用于在待测组织上激发出荧光图像的散斑图像；光传导单元，所述光传导单元一端与散斑图像产生单元耦合，另一端被插入到体内待测组织处，将散斑图像通过其末端的物镜聚焦在待测组织上，并激发出荧光图像，同时将荧光图像逆向传出体外；所述散斑图像产生单元包括激光器以及位于激光器光路上的散射体，所述激光器产生的激光照射在散射体上产生能够激发荧光的荧光图像；所述散斑图像产生单元还包括与所述散射体连接的步进电机，步进电机与图像分析及处理单元中的计算机电连接，在计算机控制下带动散射体旋转或者平移；

分光单元，位于光传导单元体外一端的光路中，用于将荧光图像从散斑图像的光路中分离出来；

图像采集单元，与分光单元耦合，将分离出的荧光图像记录下来；

图像分析及处理单元，对所记录的荧光图像进行处理及分析。

2.根据权利要求1所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述激光器为氩离子激光器。

3.根据权利要求1或2所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述光传导单元还包括与所述物镜连接、驱动物镜在其光轴方向移动的微型传动机构。

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