CN103006326A - 视野可调双视频融合成像系统 - Google Patents

Abstract

一种视野可调双视频融合成像系统，包括：调焦模块，用于调整成像的清晰度；分光模块，将通过调焦模块的光线分为两路；荧光相机和彩色相机，用于将采集到的光信号转换为电信号，其中，所述荧光相机和彩色相机的CCD靶面大小相同；信号处理模块，用于将电信号处理为图像信息。本发明适用于利用分子影像技术进行小动物肿瘤发生发展研究和药物疗效评估的连续动态的操作。在持续观察的整个过程中，系统将自动完成信号采集，并实时提供目标对象的荧光和彩色图像。系统的人性化设计能最大程度地为用户考虑，可以有效的减少用户进行操作，大大节约了时间和精力。

Description

视野可调双视频融合成像系统

技术领域

本发明属于分子成像技术领域，特别涉及视野可调双视频融合成像系统。

背景技术

分子影像是一个涉及分子生物学、数学、化学、物理学、信息科学、医学和药学等多个学科的综合交叉领域，它可以在细胞分子水平上实现生物体生理病理变化的实时、无创、动态、在体成像，能够为研究疾病发生发展、药物作用效果以及动力学变化、特定基因功能、生物体生长发育等提供信息获取和分析处理的有效手段。分子影像技术突破了传统影像技术只能显示细胞分子改变所引起的解剖结构变化的局限，改变了传统离体方法不能再提连续观测药物作用机理及治疗效果的局面，可以实现疾病的早期发现和药物治疗效果的在体监测。随着基因组学、蛋白组学和疾病基因组学的迅速发展，疾病的诊断正在从传统的疾病表征观察、常规的生化实验检测，发展到多种基因和分子水平的微观特征认识，其中利用分子成像技术可以从基因、蛋白质水平深刻认识疾病的发生、发展过程，能够实现现有微观分析所无法取代的整体、连续、无创的特异检测方法，生物在体分子成像理论及其技术将会提供全新的预防、诊断和治疗手段。与传统的医学成像技术相比较而言，分子成像学着眼于构成疾病或病变的基础变化和基因分子水平的异常，而不是对由基因分子改变所构成的最终结果进行成像。在特异的分子探针的帮助下，分子成像技术可以在细胞、基因和分子水平上实现生物体内部生理或病理过程的无创实时动态在体成像，从而为疾病相关基因功能定位、细胞生长发育和突变过程的作用机制、新药研发等研究提供详细的定性、定位、定量资料以及有效的信息获取和分析处理的手段。

以最大限度减少病人创伤为目标的微创治疗和将创伤降至最低点的无创治疗已经成为近年来医学领域发展起来的新治疗手段。由于在微创或无创治疗过程中没有生成传统治疗中的伤口，也就无法对病灶进行直接的肉眼观察，因此需要影像的精确导航，以便能够准确的将病变组织在不扩大病变区域的前提下完全处理掉。通过影像的精确导航，疾病的治疗可以更加准确、更加系统、更加完善。分子影像技术不仅可以用于早期发现和精确诊断，还可以为基于影像的手术导航提供强有力的支持，从而极大地推动生命科学和临床医学的发展，具有划时代的革命意义。对于基于分子影像技术的临床手术导航而言，影像不仅起到导航的作用，同时也起到监控成像和疗效评价成像的作用。

目前现有技术中以单相机视频成像为主，近几年也出现了双相机以及三相机实时成像技术。在这三种技术中，单相机成像技术是通过激发光源、滤光片、镜头和相机以及数据处理模块组成，具有实现方法简单，成本较低等优点，但是该技术只能提供荧光谱段或者说只能对某一感兴趣光谱谱段进行成像，对于肉眼不可见的荧光成像领域显得不方便，工作人员需要不断的开灯关灯进行观察，影响连续使用和操作。三相机成像系统解决了多光谱实时成像的难题，系统由三台相机、滤光片、光源、镜头以及分光棱镜等构成，一台相机用于处理荧光图像，一台相机用于处理可见光图像，还有一台相机用于处理和去除背景噪声。系统结构较为复杂，成本较高，而且由于从镜头端面到CCD芯片所加光学元件较多，距离较长，所以成像视野受到很大约束，一般成像视野不会超过20cm*20cm，这对于大视野的观察显得尤为不便。双相机成像技术采用两台相机、镜头、分光棱镜、滤光片以及光源，在结构上对三相机成像系统做了简化，节省了去除背景噪声单元，而在其他方面又吸取了三相机成像系统的优点，可以进行多光谱的成像，在荧光成像的同时实现可见光成像。但该技术在应用中由于同样增加了光学模块，改变了原有镜头的光学参数，需要对各部件的摆放进行设计。

发明内容

为了解决现有的分子影像系统存在的问题，本发明的目的是提供一种视野可调双视频融合成像系统。

为了实现所述目的，一种视野可调双视频融合成像系统，包括：

调焦模块，用于调整成像的清晰度；

分光模块，将通过调焦模块的光线分为两路；

荧光相机和彩色相机，用于将采集到的光信号转换为电信号，其中，所述荧光相机和彩色相机的CCD靶面大小相同；

信号处理模块，用于将电信号处理为图像信息。

本发明适用于利用分子影像技术进行小动物肿瘤发生发展研究和药物疗效评估的连续动态的操作。在持续观察的整个过程中，系统将自动完成信号采集，并实时提供目标对象的荧光和彩色图像。系统的人性化设计能最大程度地为用户考虑，可以有效的减少用户进行操作，大大节约了时间和精力。

附图说明

附图1为本发明视野可调双视频融合成像系统示意图；

附图2为本发明适合F口镜头的光学原件摆放方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体图1示出本发明视野可调双视频融合成像系统示意图，具有光学模块(1)和成像模块(2)，其中：

光学模块(1)包括分光模块(11)、调焦模块(12)、光源模块(13)，调焦模块(12)与分光模块(11)相连，调整成像的清晰度与焦距；分光模块(11)一端与调焦模块(12)相连，一端与光电转化模块(21)相连，其中光电转化模块(21)中包含两个部分荧光相机(211)和彩色相机(212)，两个模块分别接在分光模块(11)一端的两个面，实现对采集到的光信号转化成电信号的过程，荧光相机(211)及彩色相机(212)可实现对曝光时间、图像分辨率等参数的设置；光电转化模块(21)后接数据处理模块(22)，该模块完成采集到的信号叠加、存储、可视化输出等处理，数据处理模块(22)有以下5个部分，荧光信号获取模块(221)、彩色信号获取模块(222)、数据叠加处理模块(223)、数据存储模块(224)以及数据输出显示模块(225)，其中荧光信号获取模块(221)主要完成将荧光相机(211)传输过来的数据进行接受，待数据叠加处理模块(223)调用，彩色信号获取模块(222)主要完成将彩色相机(212)传输过来的数据进行接受，待数据叠加处理模块(223)调用，数据叠加处理模块(223)主要完成对荧光信号获取模块(221)获取到的数据增加伪绿，然后将增加伪绿的数据与彩色信号获取模块(222)的数据进行叠加处理，由数据存储模块(224)和数据输出模块(225)进行调用；数据存储模块(224)主要完成按照设定的存储时间间隔，保存荧光信号获取模块(221)、彩色信号获取模块(222)采集到的数据，以及数据叠加处理模块(223)叠加处理后的数据；数据输出显示模块(225)主要完成输出显示叠加后的数据信息，以及根据设定显示荧光相机(211)及彩色相机(212)采集到的原始数据信息。

为保证数据叠加处理模块(223)可以快速的实现处理，达到视频融合的目的，在硬件上需要进行优化配置。传统方法是将采集到的图像通过配准的方法进行叠加，该方法的运算量较大，实时性不好，无法实现视频成像的目的。如果采集到的图像大小不同，不论算法实现速度多快，都是要耗时的，也都会影响融合成像的速度。那么最理想的解决办法是通过硬件上实现采集图像的一致，去除配准的过程，实现视频的融合叠加。具体实现上，由于CCD芯片到镜头端面的距离是相等的，所以只要选择两台相机的CCD靶面大小相同，即可加快数据运算的速度，降低处理时间。通常工业级相机的CCD靶面较小，而荧光相机的靶面较大，为了折中选择，本发明选择两款图像分辨率均为2048*2048，像源大小为6.5微米，芯片尺寸为13.3mm*13.3mm。通过荧光信号获取模块(221)和彩色信号获取模块(222)采集到的图像，可以保证是相同大小，在数据叠加处理模块(223)处理图像时，将采集到的每张图像直接叠加重合，通过数据输出模块(225)进行输出，保证视频融合成像的流畅性。根据实际情况，也可以选择其它相机，只要满足两台相机的CCD靶面大小相同即可。

图2示出本发明适合F口镜头的光学原件摆放方法，其中：

调焦模块(12)选用Nikon F口镜头(也可以选用其他公司的产品)，由于F口镜头法兰距相对较大(46.5mm)，所以以F口作为调焦模块(12)的接口；分光模块(11)选用边长为L＝25mm的55分光棱镜，棱镜的大小与工业C接口(直径25.4)的大小很接近，棱镜材质为K9，折射率n＝1.5168(根据具体情况也可以选用其他分光模块)。B的位置为荧光相机(211)的CCD芯片位置，C的位置为彩色相机(212)的CCD芯片位置。由于光线在空气中的传播速度和在棱镜中不同，则光在棱镜中的传输距离需要折换成空气中的距离，公式如公式(1)

$L^{\′}=L-\frac{L}{n}$

要保证各种F口的镜头在该设计下均可以使用，则要保证1.AOB的距离＝AOC的距离。例如，调焦模块的光经分光模块到荧光相机的CCD位置的光路等于所述调焦模块的光经分光模块到荧光彩色相机的CCD位置的光路。并且，分光模块到荧光相机的CCD位置的光路垂直于所述分光模块到荧光彩色相机的CCD位置的光路。2.AOB的距离＝46.5+L’＝55.01。

具体来说：在AOB的距离＝AOC的距离中，A指的是调焦模块(12)F接口的端面，O是分光模块(11)的中心，B是荧光相机(211)CCD芯片的位置，C是彩色相机(212)CCD芯片的位置。AOB指的是调焦模块(12)F接口端面到荧光相机(211)CCD芯片的直线距离，AOC指的是调焦模块(12)F接口端面到分光模块(11)中心的直线距离，加上分光模块(11)中心到彩色相机(212)CCD芯片的直线距离。

对于公式(1)的计算，由于光线在空气中的传播速度与在玻璃介质中传播速度不同，光线穿过两种不同的介质会发生折射现象，由于在调焦模块(12)与荧光相机(211)之间加了一个分光模块(11)，所以光线由原来全部在空气中传播，变成了一段在空气中传播，一段在玻璃中传播。因为棱镜的边长L＝25mm，所以光线发生折射改变的距离L’就可以由公式(1)来求出，相当于原来的法兰距因改变光路，延长了L’的距离。所以可以得出AOB＝AOC＝55.01mm。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种视野可调双视频融合成像系统，包括：

调焦模块，用于调整成像的清晰度；

分光模块，将通过调焦模块的光线分为两路；

荧光相机和彩色相机，用于将采集到的光信号转换为电信号，其中，所述荧光相机和彩色相机的CCD靶面大小相同；

信号处理模块，用于将电信号处理为图像信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述荧光相机和彩色相机的分辨率均为2048*2048，像源大小为6.5微米，芯片尺寸为13.3mm*13.3mm。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述调焦模块的光经分光模块到荧光相机的CCD位置的光路等于所述调焦模块的光经分光模块到荧光彩色相机的CCD位置的光路。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述分光模块到荧光相机的CCD位置的光路垂直于所述分光模块到荧光彩色相机的CCD位置的光路。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述调焦模块的光经分光模块到荧光相机的CCD的距离为55.01mm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述信息处理模块包括：

荧光信号获取模块，用于接收荧光相机传输的数据；

彩色信号获取模块，用于接收彩色相机传输的数据；

数据叠加处理模块，对荧光信号获取模块获取的数据增加伪绿，将增加伪绿的数据与彩色信号获取模块的数据进行叠加处理；

数据存储模块，按照设定的数据间隔保存荧光信号获取模块、彩色信号获取模块采集到的数据，以及数据叠加处理模块叠加处理后的数据；

数据输出显示模块，输出显示叠加后的数据信息，以及根据设定显示荧光相机和彩色相机采集到的原始数据信息。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述数据叠加处理模块将采集到的图像直接叠加重合，保证视频融合图像的流畅性。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述荧光相机和彩色相机采集到不同光谱的电信号时，所述信号处理模块对不同光谱的电信号进行实时叠加，实现不同光谱的图像信息同时成像。

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