CN101940463A

CN101940463A - 活体荧光内窥成像系统

Info

Publication number: CN101940463A
Application number: CN 201010500877
Authority: CN
Inventors: 付玲; 袁菁; 骆清铭; 曾绍群; 张红明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-09
Filing date: 2010-10-09
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: CN101940463B

Abstract

本发明涉及一种基于光纤束的活体荧光内窥成像系统，含有红绿蓝三色波段的入射光束会聚在光纤束的单根光纤中，经光纤束传输照射在样品上，返回的漫反射信号分别被红绿蓝三色相应波段光电探测器探测，逐点扫描获得样品的红绿蓝三色漫反射成像结果，并可合并组成样品成像空间真彩色形态分布。有别于现有基于光纤束的内窥系统所提供的伪彩色图像，此设计可以提供准确的红绿蓝三色真彩色成像结果，更便于操作者认知样品，同时可以为后续滤波等图像处理提供真实可靠的数据，在内窥系统的性能方面有了很大突破，应用范围广泛。

Description

活体荧光内窥成像系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种活体荧光内窥成像系统。

背景技术

肿瘤是严重威胁人类健康的重大疾病。近三十年，全球癌症(恶性肿瘤)发病数以年均3%～5%的速度递增，癌症已成为人类最重要的死因之一。目前临床研究发现，肿瘤早期不伴转移，容易切除，因此，肿瘤的早期发现、早期诊断是提高肿瘤治疗水平、降低治疗成本、提高愈后生活质量的关键。大量研究表明90%以上的肿瘤来源于上皮细胞的病变，且在癌症发生发展过程中会发生分子和细胞水平的变异。高分辨率光学内窥成像技术，相对于其他医学成像技术，如CT、MRI、PET等，具有无损、实时、在体检测微小肿瘤性病变等技术优势，能够更好地提高肿瘤的早期诊断率。人们围绕光学内窥成像展开了许多研究，其中基于光纤束的内窥成像技术，其内窥探头内无需扫描部件因而结构简单、外径较小，成为实用性最强的可行方案。

传统的基于光纤束的内窥系统一般将入射光经扫描导光系统传入光纤束，经前端探头照明样品，样品成像面信号原路返回，经分束器件与入射光分离，进入探测单元，获取的主要信息是样品经照射后成像面上各点的荧光强度信号(E. Laemmel et. al., Journal of Vascular Research 41(5), 400-411 (2004))或漫反射信号(C. Liang et. al., Optics Express 9(13), 821-830 (2001))，最终可提供成像诊断，已在生物医学领域获得应用。基于光纤束内窥的荧光成像方法虽然可以获得更理想的图像对比度，但由于组织中不同成分自发荧光差异较小而常常不得不使用外源荧光染料，因可能带来潜在的危害性局限了其可能的应用场合。而基于光纤束内窥的反射成像方法，则无需任何染料，更加安全，更适于临床使用。在临床应用中，由于血管增生是癌症早期的特征之一，而血管对420nm（蓝色）和580nm（黄色）的光有比较大的吸收，因此，临床观察肿瘤病变组织色泽偏红。如果能降低红色通道的增益，可以有效增加血管在组织漫反射成像中的对比度。而传统的基于光纤束内窥的反射成像方法通常为单一波长激发，所获图像为灰度图或经伪彩色编码着色后的伪彩色图。这种图像离真实的组织形貌还有一定差距，而且由于缺乏准确的红绿蓝三原色信息，无法对图像进行准确的滤色处理(降低红色增益)以提高特定对比度满足临床观察的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤束的活体荧光内窥成像系统，它能够形成准确的真彩色图像，满足后期滤波图像处理的需要。

为解决上述技术问题，本发明提出一种活体荧光内窥成像系统，包括光源单元、分光单元、扫描导光单元、光纤束内窥单元、光电信号探测单元和计算机单元；其特征在于：

所述的光源单元能够提供红、绿、蓝色三种入射光；可以是涵盖红、绿、蓝三色波段的宽带光源或白光光源，也可以是红、绿、蓝三种单色光源合并组成的真彩色光源。

所述的分光单元提供两路端口，一路由光源单元输出信号进入分光单元与扫描导光单元相连；从样品返回信号则从扫描导光单元经分光单元后进入光电信号探测单元。分光单元可以是分束器。

所述的扫描导光单元由扫描装置和4f系统组成；其中扫描装置实现对光束的空间扫描，以实现共聚焦显微成像的逐点探测，4f系统实现对光束直径的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求。

所述的光纤束内窥单元由耦合透镜、光纤束以及内窥探头单元组成；光束经耦合透镜会聚后耦合进入光纤束中的单根光纤内，以实现共聚焦显微成像方式；所述的内窥探头单元由在封装套管中的光纤束后端和成像透镜组合而成；光纤束后端端面与样品成像面关于成像透镜成共轭关系，从光纤束输出的入射光经成像透镜照射在样品上，样品经该入射光激发产生的荧光辐射经成像透镜耦合进入光纤束相应的光纤中。其中成像透镜可以是单透镜或组合透镜。

所述的光电信号探测单元由分光器件、红、绿、蓝色三组波段带通滤波器及相应波段光电探测器组成；信号经分光器件分束后分别进入红、绿、蓝三通道，经相应波段带通滤波器滤波后，被相应波段光电探测器探测，并转化为电信号交由后端计算机单元处理。

所述的计算机单元完成系统软硬件控制，将光电探测器探测所得红、绿、蓝三色信号合成为真彩色图像。

进一步的，所述的光源单元包括红、绿、蓝三种波段的单色激光器，所述红、绿、蓝三种波段的单色激光器分别提供三种波段的单色光，经红、绿、蓝三种波段滤波片滤波后，由合光器件合为一束入射光，进入所述分光单元。

本发明具有如下特点：

1、采用含有红、绿、蓝三原色的入射光源，使样品经照射后漫反射返回真彩色信号。

2、分别对红、绿、蓝三原色建立探测通道，准确获取样品的红绿蓝三原色反射图像，并合成为准确的真彩色图像，能够满足后期滤波等图像处理的需要。

本发明采用含有红绿蓝三原色的彩色光源以及三原色分路探测系统，与传统光纤束内窥成像系统结合，构成新型的活体荧光真彩色内窥成像系统。这一新型成像系统可提供准确表达样品成像空间形态分布的真彩色图像，且该图像含有红绿蓝三原色具体信息，一方面真实还原了样品的色彩信息，更方便操作者认知，另一方面，也满足后期滤色等图像处理的需要，提高了基于光纤束活体内窥成像系统的性能。

附图说明

图1为本发明系统结构框图示意图。

图2为本发明光源单元示意图。

图中：1、光源单元，2、分光单元，3、扫描导光单元，4、光纤束内窥单元，5、光电信号探测与采集单元，6、计算机单元，7、光源，8、带通滤波片，9、扫描装置，10、4f系统，11、光纤束耦合透镜，12、光纤束，13、内窥探头单元，14、分光器件一，15、红色波段滤波片，16、红色波段光电探测器，17、分光器件二，18、绿色波段滤波片，19、绿色波段光电探测器，20、蓝色波段滤波片，21、蓝色波段光电探测器，22、红色波段激光器，23、红色波段滤波片，24、合光器件一，25、绿色波段滤波片，26、绿色波段激光器，27、合光器件二，28、蓝色波段滤波片，29、蓝色波段激光器，30、样品。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明可以通过如下的方式实现：在图1中，本发明包括光源单元1、分光单元2、扫描导光单元3、光纤束内窥单元4、光电信号探测单元5以及计算机单元6；所述的光源单元1能够提供红、绿、蓝色三种入射光；可以是涵盖红、绿、蓝三色波段的宽带光源或白光光源，也可以是红、绿、蓝三种单色光源合并组成的真彩色光源。

分光单元2提供两路端口；一路由光源单元1输出信号进入分光单元2与扫描导光单元3相连；从样品返回信号则从扫描导光单元3经分光单元2后进入光电信号探测单元5。分光单元2可以是分束器，或其他可以实现分束功能的装置。

扫描导光单元由扫描装置9和4f系统10组成；其中扫描装置9实现对光束的空间扫描，以实现逐点探测，4f系统10实现对光束尺寸的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求。

光纤束内窥单元由耦合透镜11、光纤束12及内窥探头成像透镜13组成；光束经耦合透镜11会聚后耦合进入光纤束12中的单根光纤内，以实现共聚焦显微成像方式。光纤束12的后端端面与样品30成像面关于内窥探头成像透镜13成共轭关系，从光纤束12输出的入射光经成内窥探头成像透镜13照射在样品30上，样品30经该入射光照射产生的漫反射信号经内窥探头成像透镜13耦合进入光纤束12相应的光纤中。其中内窥探头成像透镜13可以是单透镜或组合透镜。

光电信号探测单元5由分光器件一14、红色波段带通滤波器15、红色波段光电探测器16、分光器件二17、绿色波段带通滤波器18、绿色波段光电探测器19、蓝色波段带通滤波器20、蓝色波段光电探测器21组成；信号经分光器件一14和分光器件二17分为三束后，分别进入红、绿、蓝三色波段带通滤波器15、18和20，经滤波后被红、绿、蓝三色波段光电探测器16、19和21分别探测，并转化为电信号交由后端计算机单元6处理。分光器件一14和分光器件二17可以是分束器，二向色镜或其他可以实现分束功能的装置。

从光源单元1发出的宽带彩色入射光经分光单元2进入扫描装置9。扫描装置9实现光束在空间中的逐点顺序扫描探测样品。随后4f系统10改变激发光束直径大小以满足后续光纤束耦合透镜11的入射孔径要求。经变换后的激发光束传递到光纤束内窥单元4，经耦合透镜11会聚并耦合进入光纤束12中的单根光纤，以实现共聚焦显微成像方式。光纤束12后端端面与样品30成像面关于内窥探头成像透镜13成共轭关系。经光纤束12的传输，从光纤束12后端输出的光经内窥探头成像透镜13照射在样品30上，样品30经照射后发生漫反射，其漫反射信号经内窥探头成像透镜13收集后进入光纤束12相应的单根光纤中原路返回后端光学系统。漫反射信号经分光单元2进入光电探测单元5，经分光器件一14和分光器件二17分为三束后，分别进入红、绿、蓝三色波段带通滤波器15、18和20，经滤波后被红、绿、蓝三色波段光电探测器16、19和21分别探测，并转化为电信号交由后端计算机单元6处理。系统逐点探测样品中扫描空间内的每一点的漫反射信号，经数据处理后可重建出扫描区域的红、绿、蓝三色漫反射成像结果，将三者合并即为扫描区域的真彩色图像。

如图2所示，所述的光源单元1由红、绿、蓝三种波段的单色激光器22、26和29提供三种波段的单色光，经相应波段滤波片23、25和28滤波后，由合光器件一24和合光器件二27合为一束入射光，进入分光单元2。

所述的活体荧光内窥真彩色成像系统的扫描导光单元、光纤束内窥单元也可以采用彩色CCD可以全场方式实现同样活体荧光内窥真彩色成像功能。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种活体荧光内窥成像系统，包括光源单元、分光单元、扫描导光单元、光纤束内窥单元、光电信号探测单元和计算机单元；其特征在于：

所述的光源单元能够提供红、绿、蓝色三种入射光；可以是涵盖红、绿、蓝三色波段的宽带光源或白光光源，也可以是红、绿、蓝三种单色光源合并组成的真彩色光源；

所述的分光单元提供两路端口，一路由光源单元输出信号进入分光单元与扫描导光单元相连；从样品返回信号则从扫描导光单元经分光单元后进入光电信号探测单元；

所述的扫描导光单元由扫描装置和4f系统组成；其中扫描装置实现对光束的空间扫描，以实现共聚焦显微成像的逐点探测，4f系统实现对光束直径的调整，以满足后续光学器件的入射孔径要求；

所述的光纤束内窥单元由耦合透镜、光纤束以及内窥探头单元组成；光束经耦合透镜会聚后耦合进入光纤束中的单根光纤内，以实现共聚焦显微成像方式；所述的内窥探头单元由在封装套管中的光纤束后端和成像透镜组合而成；光纤束后端端面与样品成像面关于成像透镜成共轭关系，从光纤束输出的入射光经成像透镜照射在样品上，样品经该入射光激发产生的荧光辐射经成像透镜耦合进入光纤束相应的光纤中；

所述的光电信号探测单元由分光器件、红、绿、蓝色三组波段带通滤波器及相应波段光电探测器组成；信号经分光器件分束后分别进入红、绿、蓝三通道，经相应波段带通滤波器滤波后，被相应波段光电探测器探测，并转化为电信号交由后端计算机单元处理；

2.根据权利要求1所述的活体荧光内窥成像系统，其特征在于，所述的光源单元包括红、绿、蓝三种波段的单色激光器，所述红、绿、蓝三种波段的单色激光器分别提供三种波段的单色光，经红、绿、蓝三种波段滤波片滤波后，由合光器件合为一束入射光，进入所述分光单元。

3.根据权利要求1或2所述的活体荧光内窥成像系统，其特征在于，所述分光单元是分束器。