CN101797146B - 无扫描光谱编码的内窥成像的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无扫描光谱编码的内窥成像方法和系统。光源发出的光，经光纤入射到环行器，再经光纤入射到内窥探头，反射光通过内窥探头返回经光纤再经环行器、光纤后被光谱仪接收。在内窥成像系统中，宽带光依次经过折射率径向分布的梯度折射率透镜和折射率一维分布的梯度折射率透镜，再经虚像相控阵列、另一折射率径向分布的梯度折射率透镜和光栅后，不同光谱分量分别聚焦于样品的不同空间位置；经样品反射回的光谱分量，由内窥探头接收并原路返回，再经光纤和环行器进入光谱仪实现并行探测。依据光源光谱的分布信息，将反射光谱映射为二维空间位置上的成像信息，实现无扫描光谱编码的内窥成像。

Description

无扫描光谱编码的内窥成像的方法和系统

技术领域

本发明涉及医疗仪器内窥成像的方法和系统，尤其是涉及一种无扫描光谱编码的内窥成像的方法和系统。

背景技术

基于内窥成像技术的临床检测和手术已经被越来越广泛地应用在实践中，特别是涉及腹腔的手术当中。在内窥成像系统的应用当中，通常是通过构造一个或多个患者皮肤的切口，将包括内窥探头在内的多种医疗仪器通过这些切口插入患者的体腔，从而实现微创检测和基于微创检测的手术操作。

已知的基于自由空间光学系统的内窥探头能够提供高质量的体腔内待检测区域的成像信息。但是，在基于自由空间光学系统的内窥探头中，成像系统由一系列透镜构成，成像传感器和各种电气元器件都必不可少，这些都占用了有限的内窥探头空间，使得内窥探头具有较大的尺寸，并且也带来了临床应用中电气安全性的问题。此外，受到内窥探头中光学系统孔径的光学衍射效应的影响，基于自由空间光学系统的内窥探头的设计中，存在着内窥探头尺寸与成像分辨率的矛盾。

为了减小内窥探头的物理尺寸，避免电气安全性的问题，出现了基于光纤束的内窥探头。已知的基于光纤束的内窥探头一般采用光纤束作为成像系统的主要部分，光纤束沿内窥探头的方向布置，通过内窥探头前端的透镜将体腔内待检测区域的成像信息提供给光纤束，再通过内窥系统中的目镜、CCD或其它显示装置还原成像信息。在已知的基于光纤束的内窥探头中，一根光纤最多只能用于传输一个空间像素的成像信息，因此，受到内窥探头的物理尺度的限制，光纤束所集成的光纤数量制约了内窥系统成像的空间分辨能力。

为了克服上述问题，利用有限的内窥探头孔径传输尽可能多的信息，机械扫描的方式被引入到内窥探头的设计当中，例如丁志华、孟婕等提出的《用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像装置》，介绍了通过轴锥镜、直角棱镜和微马达相结合的机械结构实现光学圆周扫描的方法，又如吴彤、丁志华等提出的《用于OCT的单驱动正交谐振非对称光纤悬臂二维扫描探头》(Wu，Tong；Ding，Zhihua；Wang，Kai；Chen，Minghui；Wang，Chuan，Optics Express，Vol.17 Issue 16，pp.13819-13829(2009)Two- dimensional scanning realized by an asymmetry fibercantilever driven by single piezo bender actuat

发明内容

本发明的目的在于提供一种无扫描光谱编码的内窥成像方法和系统，在有限尺度的内窥探头中基于虚像相控阵列和光栅的正交色散，对二维图像信息进行光谱编码，实现高分辨率的无需光束扫描的快速内窥成像。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一、一种无扫描光谱编码的内窥成像方法：

在内窥探头中采用虚像相控阵列VIPA(Virtual Imaged Phased Array)与光栅正交色散的方式形成空间光谱编码，将体腔内待检测区域空间上不同位置反射的强度信息编码为光谱强度信息，实现高分辨率的无机械扫描快速内窥成像；其具体实现步骤如下：

1)在无扫描光谱编码内窥探头中，光源发出并通过光纤、环行器引入内窥探头的光，先经过第一梯度折射率透镜准直，再经过第二梯度折射率透镜聚焦，第一梯度折射率透镜的折射率成径向梯度分布，将发散光准直为平行光，第二梯度折射率透镜的折射率成一维梯度分布，将平行光在特定方向上聚焦为线聚焦光，经过准直和线聚焦的光先通过光谱分辨能力强、自由光谱范围窄的虚像相控阵列VIPA作为色散器件实现一个方向上的色散；

2)在无扫描光谱编码内窥探头中，在虚像相控阵列VIPA之后，通过光栅实现与虚像相控阵列色散方向正交方向的色散；

3)在无扫描光谱编码内窥探头中，光束被第三梯度折射率透镜所汇聚，不同的光谱分量汇聚在第三梯度折射率透镜不同的焦面位置，即体腔内的待检测区域不同的空间位置，从而实现光谱的空间编码；

4)在无扫描光谱编码内窥探头中，依据光路可逆的原理，待检测区域不同的空间位置反射的光经过无扫描光谱编码内窥探头后回到光纤，将整个待检测区域的成像信息通过单根光纤传输，再经环行器、光纤之后被光谱仪所接收，通过对编码光谱与已知光源光谱的分析，得到体腔内的待检测区域的成像信息。

二、一种无扫描光谱编码的内窥成像系统：

包括光源、光纤、环行器、内窥探头和光谱仪；从光源发出的光，经过光纤入射到环行器，再经光纤入射到内窥探头，反射光通过内窥探头返回经光纤、再经环行器、光纤后被光谱仪接收；所述内窥探头：包括第一梯度折射率透镜、第二梯度折射率透镜、虚像相控阵列VIPA、第三梯度折射率透镜、光栅以及连接上述光学元件的透光隔离介质；环行器发出的光经过光纤入射内窥探头，经过第一梯度折射率透镜、第二梯度折射率透镜、虚像相控阵列VIPA、第三梯度折射率透镜和光栅入射到体腔内的待检测区域，再原路返回通过光纤回到环行器；其中虚像相控阵列VIPA与光栅的色散方向正交，使得体腔内待检测区域的空间位置信息转换为光谱编码。

所述的虚像相控阵列VIPA它靠近第二梯度折射率透镜的一侧为虚像相控阵列VIPA的全反射面，它靠近第三梯度折射率透镜一侧为虚像相控阵列VIPA的高反射面。

包括光源、光纤、环行器、内窥探头、光谱仪；从光源发出的光，经过光纤入射到环行器，再经光纤入射到内窥探头，在内窥探头内，宽带光依次经过折射率径向分布的第一梯度折射率透镜和折射率一维分布的第二梯度折射率透镜，再经虚像相控阵列、另一折射率径向分布的第三梯度折射率透镜和光栅后，不同光谱分量分别聚焦于样品的不同空间位置；经样品反射回的光谱分量，由内窥探头接收并原路返回，再经光纤和环行器进入光谱仪实现并行探测。依据光源光谱的分布信息，将反射光谱映射为二维空间位置上的成像信息，从而实现无扫描光谱编码的内窥成像。

所述内窥探头：包括第一梯度折射率透镜、第二梯度折射率透镜、虚像相控阵列VIPA、第三梯度折射率透镜、光栅以及连接上述光学元件的透光隔离介质；环行器发出的光经过光纤入射内窥探头，经过第一梯度折射率透镜、第二梯度折射率透镜、虚像相控阵列VIPA、第三梯度折射率透镜、光栅以及连接上述光学元件的透光隔离介质入射到体腔内的待检测区域，再原路返回通过光纤回到环行器。其中虚像相控阵列VIPA与光栅的色散方向正交，使得体腔内待检测区域的空间位置信息转换为光谱编码。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是；

1、相对于已知的基于自由空间光学系统的内窥探头和基于光纤束的内窥探头，本发明减小了内窥探头的物理尺寸，使内窥系统能够应用于常规的临床体腔内窥探头，还可以用于颅腔、耳道、血管等较小体腔的内窥成像，以及精密机械、微机电系统的检测成像。

2、相对于基于机械扫描的内窥探头，本发明以二维空间位置的光谱编码代替了其机械扫描结构，不仅消除了机械零部件和电气元器件可能带来的临床安全性问题，进一步减小了内窥探头的物理尺度，使之仅受到光学元器件尺度的限制，而且提高了内窥系统的成像速度，满足了全视场范围内实时成像的需要。

3、已知的基于光纤束的内窥探头的成像分辨率受到光纤束所集成的光纤数量的限制，在一定的视场范围内和有限的内窥探头尺寸下，成像的像素数量有限，因而不能实现较高的成像分辨率，而本发明所述的内窥探头在一定的视场范围内的有效像素数仅受到内窥探头光谱分辨能力的限制，因而能够在内窥成像系统中获得更高的成像分辨率，使之能够接近甚至超过基于自由空间光学系统的内窥探头的水平。

附图说明

图1是本发明所述的无扫描光谱编码的内窥成像系统的结构示意图。

图2是本发明所述的无扫描光谱编码的内窥成像方法的具体实施示例的俯视图。

图3是本发明所述的无扫描光谱编码的内窥成像方法的具体实施示例的后视图。

图4是本发明所述的无扫描光谱编码的内窥成像方法的具体实施示例中，虚像相控阵列VIPA的工作原理示意图。

图5是已知内窥探头的成像原理示意图。

图6是本发明所述的无扫描光谱编码的内窥成像方法的具体实施示例的光谱编码方法示意图。

图中：1、光源，2、光纤，3、环行器，4、内窥探头，5、光谱仪，6、第一梯度折射率透镜，7、第二梯度折射率透镜，8、虚像相控阵列VIPA，9、第三梯度折射率透镜，10、光栅，11、透光隔离介质，12、虚像相控阵列VIPA的全反射面，13、虚像相控阵列VIPA的高反射面，14、体腔内的待检测区域，15、已知内窥探头，16、目镜、CCD或者其它显示装置，17、光谱编码。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，从光源1发出的光经过光纤2入射到环行器3，再经环行器3通过光纤2入射到内窥探头4，进而照射到体腔内的待检测区域14；从体腔内的待检测区域14返回的成像光再经过内窥探头4、光纤2、环行器3和光纤2入射到光谱仪5，通过对反射光谱和已知光源1光谱的比较得出体腔内的待检测区域14的成像信息。

如图2所示，所述内窥探头4：由第一梯度折射率透镜6、第二梯度折射率透镜7、虚像相控阵列VIPA8、第三梯度折射率透镜9、光栅10以及连接上述光学元件的透光隔离介质11组成；环行器出发的光经过光纤2入射内窥探头4，经过第一梯度折射率透镜6、第二梯度折射率透镜7、虚像相控阵列VIPA8、第三梯度折射率透镜9、光栅10以及连接上述光学元件的透光隔离介质11入射到体腔内的待检测区域14，再原路返回通过光纤2回到环行器3。第二梯度折射率透镜7的折射率在平行于纸面的方向上成一维梯度分布，在垂直于纸面的方向折射率不变，因此能够将平行光束汇聚为线性聚焦光；同时，第二梯度折射率透镜7在平行于纸面的方向上存在一个倾角，依据费马原理，这一倾角的存在能够使聚焦成的直线偏向虚像相控阵列VIPA8的一侧。虚像相控阵列VIPA8以3-5度的倾角安装，其倾斜方向与第二梯度折射率透镜7的倾角方向反向，在图2中，二者都垂直于纸面。

如图3所示，在平行于纸面的方向上，光栅10以一定的倾角安装，这一倾角等于光源1发出的宽带光中，中心波长相对于特定光栅常数的衍射角，因此能够使中心波长获得最大的衍射效率。在图3中，光栅的刻线垂直于纸面平行分布。

所述内窥探头4中，光栅10和虚像相控阵列VIPA8的色散能力不同，光栅10具有较宽的自由光谱范围和相对较弱的光谱分辨能力，虚像相控阵列VIPA8具有较强的光谱分辨能力和较窄的自由光谱范围，光栅10所能分辨的最小波长差小于虚像相控阵列VIPA8的自由光谱范围。通过光纤2入射到内窥探头4的光，先经过折射率成径向分布的第一梯度折射率透镜6准直为平行光束，再经折射率成一维分布的第二梯度折射率透镜7被汇聚成线聚焦光，入射到虚像相控阵列VIPA8中。在虚像相控阵列VIPA8中，线聚焦光以及线聚焦光自身的反射虚像阵列中的每一个虚像都存在狭缝的衍射效应，线聚焦光以及线聚焦光自身的反射虚像阵列中的各个虚像之间存在干涉效应。在虚像相控阵列VIPA8的一个自由光谱范围内，不同的光谱分量具有相同的干涉级次和不同的衍射角；相邻的两个自由光谱范围的光谱分量，具有相邻的干涉级次。因此，虚像相控阵列VIPA8所产生的空间色散分布，使得同一个自由光谱范围内的不同光谱分量以不同的空间角度出射。因为虚像相控阵列VIPA8的自由光谱范围较窄，多个光谱带在其色散方向的正交方向上重叠在一起，每个光谱带的带宽都等于虚像相控阵列VIPA8的自由光谱范围，大于光栅10所能分辨的最小波长差。光线经过折射率成径向分布的第三梯度折射率透镜9，以近似平行光的形式照射到光栅10，光栅10的色散方向与虚像相控阵列VIPA8的色散方向正交，将重叠的多个光谱带在光栅10的色散方向上分开，最终，各个光谱分量分别在第三梯度折射率透镜9焦平面的不同位置聚焦。第三梯度折射率透镜9的焦平面与体腔内的待检测区域14相重合，因此体腔内的待检测区域14的不同空间位置对应了成像光谱编码中不同的光谱分量，当从体腔内的待检测区域14返回的成像光沿入射的相反顺序返回光纤2的时候，体腔内的待检测区域14的成像信息就包含在反射光谱中。在图2所述的具体实施示例中，光纤2、第一梯度折射率透镜6、第二梯度折射率透镜7、虚像相控阵列VIPA8、第三梯度折射率透镜9、光栅10被透光隔离介质11所连接在一起。透光隔离介质11可以是与第一梯度折射率透镜6、第二梯度折射率透镜7、虚像相控阵列VIPA8、第三梯度折射率透镜9、光栅10等光学元件直径相同的玻璃圆柱体，或者是顶端、底端具有一定倾角的玻璃圆柱体，或者是其它的透光材料，透光隔离介质11在其端面直接与上述光学元件相连。

如图4所示，所述虚像相控阵列VIPA8包括虚像相控阵列VIPA的全反射面12、虚像相控阵列VIPA的高反射面13；光线以线聚焦光的形式入射到虚像相控阵列VIPA的全反射面12上，虚像相控阵列VIPA的全反射面12的阴影区域镀有反射率高于99.7％的全反射膜，空白区域不镀膜或镀有增透膜，线聚焦光通过空白区域入射到虚像相控阵列VIPA的高反射面13上，虚像相控阵列的高反射面13镀有高反射膜，因此，入射光的一少部分能量从虚像相控阵列VIPA的高反射面13出射，大部分能量被反射回虚像相控阵列VIPA的全反射面12，虚像相控阵列VIPA的全反射面12的一次反射形成了线聚焦光的一个虚像，线聚焦光在虚像相控阵列VIPA的全反射面12和虚像相控阵列VIPA的高反射面13之间的多次反射，形成了一个虚像阵列，这一虚像阵列中的每一个虚像以及入射的线聚焦光本身互相干涉，干涉的结果使得不同的光谱分量以不同的空间角度从虚像相控阵列VIPA8平行出射。因为虚像相控阵列VIPA8的自由光谱范围较窄，多个光谱带在其色散方向的正交方向上重叠在一起，每个光谱带的带宽都等于虚像相控阵列VIPA8的自由光谱范围，大于光栅10所能分辨的最小波长差。

如图5所示，对于已知内窥探头15而言，其成像方式是将体腔内的待检测区域14的每个点的成像强度I(x，y)通过不同的通道，例如光纤束内的单根光纤，提供给目镜、CCD或者其它显示装置16，这样的设计就要求内窥探头具有能够容纳多个通道的较大的直径。

如图6所示，所述内窥探头4通过光谱编码17的形式，将体腔内的待检测区域14的空间位置信息编码为波长信息λ(x，y)，再将光谱编码的强度信息I(λ)通过光纤2、环行器3，再经光纤2传输给光谱仪5，通过分析已知光源1的光谱和反射回的编码光谱得到成像信息。

本发明公开了一种无扫描光谱编码的内窥成像的方法和系统。在有限尺度的内窥探头中通过正交色散实现对二维空间位置成像信息的光谱编码，实现高分辨率的无需光束扫描的快速内窥成像。

Claims (2)

1.一种无扫描光谱编码的内窥成像方法，其特征在于：在内窥探头中采用虚像相控阵列VIPA与光栅正交色散的方式形成空间光谱编码，将体腔内待检测区域空间上不同位置反射的强度信息编码为光谱强度信息，实现高分辨率的无机械扫描快速内窥成像；其具体步骤如下：

1)在无扫描光谱编码内窥探头中，光源发出并通过第一光纤、环行器引入内窥探头的光，先经过第一梯度折射率透镜准直，再经过第二梯度折射率透镜聚焦，第一梯度折射率透镜的折射率成径向梯度分布，将发散光准直为平行光，第二梯度折射率透镜的折射率成一维梯度分布，将平行光在特定方向上聚焦为线聚焦光，经过准直和线聚焦的光先通过光谱分辨能力强、自由光谱范围窄的虚像相控阵列VIPA作为色散器件实现一个方向上的色散；

2)在无扫描光谱编码内窥探头中，在虚像相控阵列VIPA之后，通过光栅实现与虚像相控阵列色散方向正交方向的色散；

3)在无扫描光谱编码内窥探头中，光束被第三梯度折射率透镜所汇聚，不同的光谱分量汇聚在第三梯度折射率透镜不同的焦面位置，即体腔内的待检测区域不同的空间位置，从而实现光谱的空间编码；

4)在无扫描光谱编码内窥探头中，依据光路可逆的原理，待检测区域不同的空间位置反射的光经过无扫描光谱编码内窥探头后回到第二光纤，将整个待检测区域的成像信息通过第二光纤传输，再经环行器、第三光纤之后被光谱仪所接收，根据已知光源光谱，通过对编码光谱的探测，得到体腔内的待检测区域的成像信息。

2.实施权利要求1所述方法的一种无扫描光谱编码的内窥成像系统，其特征在于：包括光源(1)、三根光纤、环行器(3)、内窥探头和光谱仪(5)；从光源(1)发出的光，经过第一光纤入射到环行器(3)，再经第二光纤入射到内窥探头(4)，反射光通过内窥探头(4)返回经第二光纤、再经环行器(3)、第三光纤后被光谱仪(5)接收；其特征在于：所述内窥探头(4)：包括第一梯度折射率透镜(6)、第二梯度折射率透镜(7)、虚像相控阵列VIPA(8)、第三梯度折射率透镜(9)、光栅(10)以及连接第一梯度折射率透镜(6)、第二梯度折射率透镜(7)、虚像相控阵列VIPA(8)、第三梯度折射率透镜(9)、光栅(10)的透光隔离介质(11)；环行器(3)发出的光经过第二光纤入射内窥探头，经过第一梯度折射率透镜(6)、第二梯度折射率透镜(7)、虚像相控阵列VIPA(8)、第三梯度折射率透镜(9)和光栅(10)入射到体腔内的待检测区域(14)，再原路返回通过第二光纤回到环行器(3)；其中虚像相控阵列VIPA(8)与光栅(10)的色散方向正交，使得体腔内待检测区域(14)的空间位置信息转换为光谱编码。

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