CN102397106B - 多光谱分光融合外科手术引导系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于外科手术手术野目标定性定位的技术领域，具体是一种多光谱分光融合外科手术引导系统，解决了现有术中成像技术对于外科手术肿瘤定性定位技术存在目标无法分辨的问题。其包括光源部分、分光摄像部分和图像融合部分，光源部分包括环形的白光LED、近红外LED；分光摄像部分包括近焦镜头、分光镜片、中继透镜、滤光片以及镜筒；图像融合部分包括分别与近红外和彩色摄像CCD信号输出端连接的若干台视频解码器。本发明的有益效果：采用分光摄影分别摄取了手术野的解剖学彩色图像和肉眼看不到的近红外光学图像，并分别显示；采用图像融合，能够精准定位显示手术野中的血管、淋巴管、淋巴结和被荧光染料标记的肿瘤组织。
Description
技术领域
本发明属于外科手术手术野目标定性定位的技术领域，具体涉及一种多光谱分光融合外科手术引导系统。
背景技术
手术切除肿瘤，目前仍然是治疗肿瘤的最有效方法。肿瘤的根治性手术是指对原发灶的广泛切除，连同其周围的淋巴结整块切除。恶性肿瘤可以从局部向周围组织浸润和扩散，因此手术治疗的原则是切除原发灶及可能受累的周围组织，甚至切除一定范围的正常组织，以免边缘有癌细胞残留。但手术切除的范围过大，手术后有一定的后遗症和功能障碍，所以肿瘤手术范围是临床外科医生多年来一直在探讨的问题，在医学进一步发展的今天有必要深入研究。
现代术中肿瘤定性定位的技术包括如下：
1 .淋巴示踪剂
前哨淋巴结（sentinel lymph node, SLN）是最先接受肿瘤区域淋巴引流并最早发生肿瘤转移的特异淋巴结，它接受原始的淋巴液，引流量最大，最容易含有转移的肿瘤细胞。SLN 是癌细胞经淋巴转移的第一道屏障。如果SLN 无转移，该区域其他淋巴结发生转移的可能性很小。自1994年采用10 g·L-1的异硫蓝进行乳腺癌前哨淋巴结活检（Sentinel lymph node biopsy，SLNB）以来，各国医生尝试不同的活性染料以期达到最佳的SLNB效果。目前SLNB的方法有核素法、染料法和二法联合应用三种。染料法是一种重要的方法，选择理想的染料作为淋巴示踪剂是进一步提高SLNB 成功率的重要保障。目前，SLNB 中常用的淋巴示踪剂有异硫蓝、专利蓝和亚甲蓝。近年来，亚甲蓝作为淋巴示踪剂已广泛应用于膀胱癌、乳腺癌、宫颈癌、结直肠癌、胃癌、甲状腺乳头状癌、食管和骨科肿瘤等治疗中。
此外还有具有特异性淋巴示踪作用的纳米炭混悬液，该制剂是使用纳米炭、聚乙烯吡咯烷酮和生理盐水制备而成的纳米混悬注射液，将其于肿瘤部位注射后，能够迅速将周围的淋巴结染色，从而进行淋巴结的清除，方便了临床肿瘤治疗。最新的淋巴结示踪剂还有近红外荧光量子点（Near-Infrared Fluorescent Quantum Dots），在膀胱癌动物模型中应用表明，能够更好地示踪淋巴结[4]，但淋巴示踪剂都仅用于单纯的淋巴结示踪，不能用于切缘的确定。
2. 放射性示踪剂
T99m 硫胶体等静脉注射用一个手提式γ探测器探查淋巴结并切除,也属于淋巴示踪剂的一种。
3. 冰冻切片
冰冻切片，比较熟悉，手术中医生切除可疑的组织，取材后直接冻冻，经恒温式冰冻切片机切片，冰冻固定液固定，HE染色。恶性诊断符合率大约95％以上。但冰冻切片需要切除组织送检，医师操作的灵活性差、实时性差、重复性差、时间较长等缺点。
就目前而言，术中立即明确肿瘤的范围，识别微小转移瘤灶，证实瘤体被完整切除还有许多困难，缺乏循证医学的指标。如果术中使用X线能造成病人和医护人员的损伤，大量造影剂引发毒副作用、超声缺乏特异性、磁共振虽图像清晰但设备笨重[10]。肿瘤分子影像学的深入研究将有助于提高术中肿瘤识别的水平。
4. 术中成像技术
常规采用术前成像指导外科手术，然而由于术中病人体位的变化或环境变化带来的解剖位置变化，导致术前图像不能够准确的引导甚至带来误导。因此，术中成像技术便得到快速发展，如术中磁共振成像、术中三维超声、术中CT、术中三维C臂X光成像等。但对于精细无菌的外科开放手术而言，这些笨重的成像设备对外科手术有一定的影响。所以需要研究简单、方便、快捷、灵活的术中成像技术。
进一步分析近红外光学成像技术的优点和不足：生物体内的细胞或某种大分子标记荧光染料或报告基因时，应用体外特定波长的光波照射，穿过组织的光线，激发这些荧光材料发射荧光，体外光学影像设备摄取这些发射出的荧光，形成光学分子影像，这种光学分子影像将真实反映体内某种基因的表达或大分子的生物学特性，并动态记录和显示分子事件及其动力学过程。然而，近红外光人眼看不到，需要特殊的光学成像系统，以近红外荧光团为造影剂，当一种波长的近红外光照射外科手术野时，手术野发射出另外一种波长的近红外光，摄取这种发射的近红外光可以精确确定近红外荧光团的位置。当近红外荧光团标记到活体细胞、组织和器官时，通过手术野中的近红外光就可以显示组织的结构和病变部位。目前吲哚青绿作为近红外荧光显影剂，采用近红外光成像已经在乳腺癌、胃癌和结肠癌的临床治疗中应用。但是近红外图像只能显示出目标的大致轮廓，目标与背景的对比度较低、边缘模糊、细节无法分辨。
发明内容
本发明为了解决现有肿瘤定性定位技术存在上述的缺陷，而现有术中成像技术对于外科手术肿瘤定性定位技术也存在目标无法分辨等缺陷的问题，提供了一种多光谱分光融合外科手术引导系统。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于包括光源部分、分光摄像部分和图像融合部分，
光源部分包括环形的白光LED和环形的近红外LED；
分光摄像部分包括近焦镜头、分光镜片、中继透镜、滤光片以及将上述近焦镜头、分光镜片、中继透镜、滤光片连接在一起的镜筒，镜筒为避光材料制成；
所述的近焦镜头与分光镜片配置于同一轴线上，分光镜片的光入射角为45°，设置一片以上；
分光镜片所形成的第一个折射光路末端为彩色摄像CCD,其余光路末端为近红外摄像CCD，每个彩色摄像CCD和每个近红外摄像CCD前面都设置滤光片，近焦镜头和分光镜片之间、分光镜片与滤光片之间设置中继透镜；
图像融合部分包括分别与近红外摄像CCD和彩色摄像CCD信号输出端连接的若干台视频解码器，各视频解码器的数据输出端与融合处理板的数据输入端连接，融合处理板的数据输出端又与视频编码器的数据输入端连接，视频编码器的数据输出端与监视器的数据输入端连接。
白光LED的光亮度是 40,000 lux，波长400～650nm，近红外LED光强度4 mW/cm2。近焦镜头为50mm f/0.95光圈。分光镜片透射反射比是40/60。滤光片峰值透过率: T>90%，带宽20nm。镜筒固定于支架之上。支架固定于可移动的机械性横臂上，支架回转角度 360度，具有六个自由度。
图像融合方法为：代表手术野的解剖学结构的彩色摄像CCD摄取的可见光彩色图像，和代表手术野的血管、淋巴管、淋巴结和被荧光染料标记的肿瘤组织的近红外摄像CCD摄取的近红外图像融合，具体步骤如下：
1）、采用双线性插值法对彩色图像数据进行重采样，获得与全色图像P大小相同的重彩色图像[R，G，B]；
2）、采用算数平均法计算重彩色图像[R，G，B]的强度分量；
所述重采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量用下列公式表示为：
3）、根据公式：
式中Pt为调整后的全色图像，μp为原始全色图像P的均值，σp为原始全色图像p的方差，μI为采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量I的均值，σI为重样彩色图像[R，G，B]的强度分量I的方差，
采用重采样重彩色图像[R，G， B]的强度分量的均值和方差调整全色图像P的均值和方差，使调整后的全色图像Pt的均值和方差与重采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量的均值和方差匹配；
4）、将重样彩色图像[R，G，B]分量分别与（Pt-I）相加，获得最终的彩色图像[Rc，Gc，Bc]，所述的最终的彩色图像[Rc，Gc，Bc]用公式表示：
本发明的原理：本发明涉及多光谱图像实时融合外科手术引导的方法主要用于精准定位手术野中的血管、淋巴管、淋巴结和被荧光染料标记的肿瘤组织。针对可见光图像对比度相对较高，目标包含一定的细节信息,但在黑暗背景下具有不易观察的隐蔽性，而红外图像显示出目标的大致轮廓,目标与背景的对比度较低、边缘模糊、细节无法分辨，本发明采用光学技术向外科手术野照射可见光和特定波段的近红外光，通过分光摄像系统摄取手术野的解剖学彩色图像和肉眼看不到的近红外光学图像，再采用图像融合技术将同一视野同一时刻的图像重叠融合，使目标图像更加清晰。具体来说采用分光镜技术将手术野发射和反射的光分为可见光和近红外光，彩色CCD摄取红、绿、蓝的多光谱彩色影像，近红外CCD摄取近红外影像，两路已配准和同步的可见光与红外模拟视频信号经视频解码器形成数字信号，DSP 通过视频口读入并进行融合处理,待处理的图像和中间结果存放在片外大容量SDRAM 中；融合处理后的数据通过视频口进入视频编码器,输出到监视器上，融合后的数据存储在计算机硬盘。本发明所述的融合方法将彩色多光谱图像和近红外图像进行实时融合，使融合图像具有很高的空间细节表现能力和丰富的光谱信息，从而增强对图像实时判读的可靠性和认识能力，提高数据分类和目标识别的准确性。
本发明的有益效果：采用分光摄影分别摄取了手术野的解剖学彩色图像和肉眼看不到的近红外光学图像，并可以分别显示；采用图像融合，能够精准定位显示手术野中的血管、淋巴管、淋巴结和被荧光染料标记的肿瘤组织。本发明可以应用于生物活体近红外荧光成像的研究，人体肿瘤外科切除术中残余肿瘤的探查和识别、多种肿瘤前哨淋巴结定位、外科手术术中近红外荧光胆道造影和肝叶区分、心血管外科术中评估冠状动脉搭桥术效果、脑血管外科术中脑血管畸形的确定，以及整形外科穿支皮瓣的监测等，使现代外科发生根本的改变。
附图说明
图1为本发明的组成图，
图2为分光摄像装置结构示意图，
图3为实施例1中的可见光图像，
图4为近红外线图像，
图5为图3和4融合后的图像，
图中：1-近焦镜头，2-分光镜片，3-中继透镜，4-滤光片，5-彩色摄像CCD，6-镜筒，7-近红外摄像CCD，8-白光LED，9-近红外LED。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例：
多光谱分光融合外科手术引导系统，包括光源部分、分光摄像部分和图像融合部分，
光源部分包括环形的白光LED8和环形的近红外LED9。白光LED，光亮度是 40,000 lux，波长400～650nm，主要使手术野明亮清晰；近红外LED激发光源，光强度4 mW/cm2光源采用环型LED排列，所有LED都采用高度集成的LED驱动器控制，保持输出功率稳定。
分光摄像部分包括近焦镜头1、分光镜片2、中继透镜3、滤光片4以及将上述各部分连接在一起的镜筒6，镜筒6为避光材料制成。
近焦镜头1，近焦镜头要求为50mm f/0.95超大光圈，要摄取手术野的图像，距离一般是20-50厘米，太远太近都不适合，所以需要近焦镜头。
分光镜片2：将从手术野的光线分为可见光和近红外光，分光镜片2的功能是将一部分光反射，一部分光透射，也可以根据需要分成不同的波段，不同的光走不同光路；分光镜片透射反射比是40/60，光入射角是45°，根据需要可以一片或多片。
滤光片4：在每一个光路的末端及摄像CCD的前面，放置相应的荧光截止滤光片；截止波长根据需要选择，采用窄带滤光片，峰值透过率: T>90%，带宽20nm。
中继透镜3：在近焦镜头1与分光镜片2之间，分光镜片2和摄像CCD之间有中继透镜3。
摄像CCD： 2台以上，分光镜片2所形成的第一个折射光路末端为彩色摄像CCD 5, 摄取手术野的解剖学图像，接受通过第一片分光镜反射的光，其余光路末端为近红外摄像CCD 7依次类推。（本实施例以2台为例）
镜筒6：镜筒6由避光材料制成，将镜头、分光镜、中继透镜和摄像CCD连接在一起。整体镜筒将被固定在一个支架上，摄像CCD的点信号通过连线传出。支架固定于可移动的机械性横臂上，支架回转角度 360度，具有六个自由度运动，可实现镜头的前后、左右、上下的电动俯仰及旋转移动，使医生能得到最佳的观察角度。
图像融合部分包括分别与近红外摄像CCD和彩色摄像CCD信号输出端连接的若干台视频解码器，各视频解码器的数据输出端与融合处理板的数据输入端连接，融合处理板的数据输出端又与视频编码器的数据输入端连接，视频编码器的数据输出端与监视器的数据输入端连接。
工作步骤如下：
1、通过外科手术暴露肿瘤所在器官或位置，如图3；
2、将系统的摄像头对准手术野，显示图3；
3、在肿瘤周围注射近红外荧光剂；
4、启动系统摄像开关，通过分光摄像头摄取图3和4，及可见光图像和近红外图像，可见光为外科手术野解剖结构图，图4为淋巴结近红外影像，但图4很难判断其解剖部位；
5、同时系统采用图像融合技术，显示图5；
6、图5非系统直接摄取，而是图3和4的融合；
7、医生就可以通过图5准确判断肿瘤和区域淋巴结的解剖部位，指导外科医生彻底切除病灶。
Claims (8)
1.一种多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于包括光源部分、分光摄像部分和图像融合部分，
光源部分包括环形的白光LED和环形的近红外LED；
分光摄像部分包括近焦镜头（1）、分光镜片（2）、中继透镜（3）、滤光片（4）以及将上述近焦镜头（1）、分光镜片（2）、中继透镜（3）、滤光片（4）连接在一起的镜筒（6），镜筒（6）为避光材料制成；
所述的近焦镜头（1）与分光镜片（2）设置于同一轴线上，分光镜片（2）的光入射角为45°，设置一片以上；
分光镜片（2）所形成的第一个折射光路末端为彩色摄像CCD,其余光路末端为近红外摄像CCD（7），每个彩色摄像CCD和每个近红外摄像CCD前面都设置滤光片（4），近焦镜头（1）和分光镜片（2）之间、分光镜片（2）与滤光片（4）之间设置中继透镜（3）；
图像融合部分包括分别与近红外摄像CCD和彩色摄像CCD信号输出端连接的若干台视频解码器，各视频解码器的数据输出端与融合处理板的数据输入端连接，融合处理板的数据输出端又与视频编码器的数据输入端连接，视频编码器的数据输出端与监视器的数据输入端连接。
2.根据权利要求1所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于白光LED的光亮度是 40,000 lux，波长400～650nm，近红外LED光强度4 mW/cm2。
3.根据权利要求1所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于近焦镜头（1）为50mm f/0.95光圈。
4.根据权利要求1所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于分光镜片（2）透射反射比是40/60。
5.根据权利要求1所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于滤光片（4）峰值透过率: T>90%，带宽20nm。
6.根据权利要求1所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于镜筒（6）固定于支架之上。
7.根据权利要求6所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于支架固定于可移动的机械性横臂上，支架回转角度 360度，具有六个自由度。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的多光谱分光融合外科手术引导系统，其特征在于图像融合方法为：
代表手术野的解剖学结构的彩色摄像CCD摄取的可见光彩色图像，和代表手术野的血管、淋巴管、淋巴结和被荧光染料标记的肿瘤组织的近红外摄像CCD摄取的近红外图像融合，
具体步骤如下：
1）、采用双线性插值法对彩色图像数据进行重采样，获得与全色图像P大小相同的重彩色图像[R，G，B]；
2）、采用算数平均法计算重彩色图像[R，G，B]的强度分量；
所述重采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量用下列公式表示为：
3）、根据公式：
式中Pt为调整后的全色图像，μp为原始全色图像P的均值，σp为原始全色图像p的方差，μI为采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量I的均值，σI为重样彩色图像[R，G，B]的强度分量I的方差，
采用重采样重彩色图像[R，G， B]的强度分量的均值和方差调整全色图像P的均值和方差，使调整后的全色图像Pt的均值和方差与重采样重彩色图像[R，G，B]的强度分量的均值和方差匹配；
4）、将重样彩色图像[R，G，B]分量分别与（Pt-I）相加，获得最终的彩色图像[Rc，Gc，Bc]，所述的最终的彩色图像[Rc，Gc，Bc]用公式表示：
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