CN103220961A - 扫描共焦内窥镜系统 - Google Patents

Abstract

扫描共焦内窥镜系统由以下构成：点光源，在二维平面上周期性移动并用激发光线扫描对象；点光源控制装置，控制点光源，使得激发光的照射密度在整个扫描区域内等于或低于指定密度；共焦针孔，被设置在与激发光的焦点共轭的位置处；图像信号检测装置，经由共焦针孔接收从由激发光激发的对象产生的荧光并检测图像信号；以及图像生成装置，使用检测到的图像信号来生成共焦图像。

Description

扫描共焦内窥镜系统

技术领域

本发明涉及一种扫描共焦内窥镜系统，所述系统仅对由激发光激发的对象发出的通过设于与共焦光学系统的焦点共轭的位置处的针孔获得的荧光进行检测和成像。

背景技术

已知有用于对体腔中的活组织进行观察的扫描共焦内窥镜系统。所述扫描共焦内窥镜系统用激发光扫描给药的对象。所述扫描共焦内窥镜系统用光电检测器仅对从被扫描对象发出的通过设于与共焦光学系统的焦点共轭的位置处的针孔获得的光分量进行检测。所述扫描共焦内窥镜系统基于响应被检测光的强度而生成的信号，生成相对于通过普通电子镜或普通光纤镜观察到的图像具有较高放大率和较高分辨率的图像。

在日本专利临时公开第JP2004-321792A号（下文称为“专利文献1”）中对这种扫描共焦内窥镜系统的特定配置的一个实例进行了描述。专利文献1中所述的扫描共焦内窥镜系统通过周期性移动传输激发光和荧光的光纤的尖端部分来对对象进行扫描。

发明内容

采用光在扫描区域内以一个方向水平扫描的光栅扫描方式，作为在扫描共焦内窥镜系统中激发光的扫描方式。在扫描共焦内窥镜系统技术领域中的这种技术常识下，本发明的发明人在考虑对扫描共焦内窥镜系统应用另一扫描方式的同时进行了特定检验。所考虑的扫描方式包括光在扫描区域内以水平方向往复扫描的光栅扫描方式、光在扫描区域内从中心到圆周螺旋扫描的螺旋扫描方式和光在扫描区域内以正弦曲线形状扫描的利萨如（Lissajous）扫描方式。

通过对该新扫描方式的检验，显然荧光褪色在观察区域内的特定部分明显发生，且该部分在观察区域内呈现为暗图像。若荧光褪色，并因此使所拍图像变得模糊，则可能对受损部分的检测或医生对受损部分的准确判断产生影响，这是不期望的。

本发明考虑了上述情况，且本发明的目的在于提供一种适用于根据扫描方式抑制荧光褪色的扫描共焦内窥镜系统。

为针对任何扫描方式抑制药中所包含的荧光材料的褪色过程，根据本发明实施方式的解决上述问题的扫描共焦内窥镜系统包括：点光源，采用激发光通过在二维平面上周期性移动而在对象上进行扫描；点光源控制装置，控制所述点光源，使得所述激发光的照射密度在整个扫描区域内变为小于或等于预定密度；共焦针孔，被布置在与所述激发光的会聚点共轭的位置处；图像信号检测装置，通过经由所述共焦针孔接收从由所述激发光激发的所述对象发出的荧光来检测图像信号；图像生成装置，使用检测到的图像信号来生成共焦图像。

所述点光源控制装置可控制所述激发光的强度，使得所述激发光的所述照射密度在所述整个扫描区域内变为均匀。所述点光源控制装置可控制所述激发光的占空比，使得所述激发光的所述照射密度在所述整个扫描区域内变为均匀。

所述图像生成装置可响应所述图像信号的检测定时而向每个图像信号分配二维像素位置，并通过根据分配的像素位置在空间上布置由所述图像信号表示的点图像来生成所述共焦图像。

所述图像生成装置可响应所述检测定时进行对每个图像信号的所述像素位置的分配，并使用针对分配的每个像素位置的所述图像信号进行像素值计算，使得当采用所述激发光照射具有均匀反射率的对象时所限定的像素的信号值变为彼此相等。

例如，在所述像素值计算中，对分配给所述像素位置的所述图像信号进行积分、减法、乘法、除法、平均和舍弃中的至少一种。

所述图像信号检测装置可结合由所述点光源控制装置对所述激发光的强度的控制来控制增益。

例如，对所述点光源的扫描是所述激发光从所述扫描区域的中心到周边以螺旋形式在所述对象上进行扫描的螺旋扫描。在所述激发光的扫描时段期间，所述点光源控制装置按照一次螺旋中的像素位置数量相对于螺旋次数的增加率来线性或非线性增加或减小激发光的强度。在该情况下，所述图像生成装置可基于所述激发光的强度的变化率和所述增加率来进行所述像素值计算。

在所述激发光的扫描时段期间，所述点光源控制装置可线性增加所述激发光的强度。在所述像素值计算中，可对分配给相同像素位置的所述图像信号的值进行积分。

根据本发明，提供了一种适用于根据扫描方式抑制荧光褪色的扫描共焦内窥镜系统。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的扫描共焦内窥镜系统的配置的框图。

图2总体上示出了根据本发明实施方式的扫描共焦内窥镜系统中提供的共焦光学单元的配置。

图3示出了光纤的尖端在XY近似平面上的旋转轨迹。

图4是涉及从根据本发明实施方式的光源发出的激发光的强度的示意图。

图5示出了第一变形中与图4（a）和图4（b）类似的示意图。

图6示出了第二变形中与图4（a）和图4（b）类似的示意图。

图7示出了第三变形中与图4（a）和图4（b）类似的示意图。

具体实施方式

下文中，将参照附图对根据本发明一种实施方式的扫描共焦内窥镜系统进行说明。

图1是示出根据本发明实施方式的扫描共焦内窥镜系统1的配置的框图。根据本发明实施方式的扫描共焦内窥镜系统1是通过利用共焦显微镜的基本原理设计的一种系统，且被配置为适用于以高放大率和高分辨率观察对象。如图1所示，所述扫描共焦内窥镜系统1包括系统主体100、共焦探头200和监视器300。使用扫描共焦内窥镜系统1的共焦观察在具有柔性的管状共焦探头200的尖端面被操作为与对象接触的状态下进行。

所述系统主体100包括光源102、光耦合器104、衰减器106、CPU108、CPU存储器110、光纤112、光接收器114、视频信号处理电路116、图像存储器118和视频信号输出电路120。所述共焦探头200包括光纤202、共焦光学单元204、子CPU206、子存储器208和扫描驱动器210。

光源102根据CPU108的驱动控制发出激发施予患者体腔内的药剂的激发光。激发光进入光耦合器104。光连接器152与光耦合器104的一个端口耦接。在无反射的情况下终止从光源102发出的激发光的衰减器106与光耦合器104的未用端口耦接。已进入前述端口的激发光通过光连接器152，并进入设于共焦探头200内的光学系统。

光纤202的近端通过光连接器152与光耦合器104光学耦合。光纤202的尖端被容纳在安装于共焦探头200的尖端部分内的共焦光学单元204中。从光耦合器104激发的激发光在通过光连接器152之后进入光纤202的近端，经过光纤202，并随后从光纤202的尖端出射。

图2（a）总体上示出了共焦光学单元204的配置。下文中，为便于对共焦光学单元204进行说明，该共焦光学单元204的长边方向被定义为Z方向，以及与Z方向垂直且互相垂直的两个方向被定义为X方向和Y方向。如图2（a）所示，共焦光学单元204具有容纳各个部件的金属外管204A。该外管204A固定为在同轴方向上可滑动，内管204B具有与外管204A的内壁形状相对应的外壁形状。光纤202的尖端（下文用附图标记202a表示）通过外管204A和内管204B的近端面内形成的开口被容纳和支撑在内管204B内，并用作扫描共焦内窥镜系统1的第二点光源。作为点光源的尖端202a的位置在CPU108的控制下周期性变化。

子存储器208存储共焦探头200的探头信息，诸如识别信息和各种特性。子CPU206在启动时从子存储器208中读取探头信息，并经由将系统主体100与共焦探头200电连接的电连接器154将探头信息传送给CPU108。CPU108将传送的探头信息存储在CPU存储器110中。CPU108在必要时通过读取存储的探头信息来生成用于控制共焦探头200所需的信号，并将该信号传送给子CPU206。子CPU206根据来自CPU108的控制信号来指定扫描驱动器210所需的设置值。

扫描驱动器210生成与指定的设置值相对应的驱动信号，并驱动和控制附着和固定在光纤202靠近尖端202a的外表面上的双轴致动器204C。图2（b）总体上示出了双轴致动器204C的配置。如图2（b）所示，双轴致动器204C为压电致动器，在该压电致动器中，与扫描驱动器210连接的一对X轴电极（图中为X和X’）和Y轴电极（图中为Y和Y’）形成在压电体上。

扫描驱动器210在用于双轴致动器204C的X轴的电极之间施加交流电压X，使得压电体在X方向上共振，以及在用于Y轴的电极之间施加具有与交流电压X的频率相同的频率且具有与交流电压X的相位正交的相位的交流电压Y，使得压电体在Y轴方向上共振。交流电压X和交流电压Y被限定为与时间成比例线性增加振幅并分别采取在时间（X）和（Y）处达到平均均方根值（X）和（Y）的电压。光纤202的尖端202a进行旋转，由于双轴致动器204C将X方向和Y方向上的动能结合在一起，从而在近似为X-Y平面的平面（下文称为“XY近似平面”）上绘出中心位于中心轴AX的螺旋图案。尖端202a的旋转轨迹与施加电压成正比地变大，并在施加具有平均均方根（X）和（Y）的交流电压时变为具有最大直径的圆圈。图3示出了尖端202a在XY近似平面上的旋转轨迹。

激发光为连续光，且在从紧接开始向双轴致动器204C施加交流电压之后的时间到停止施加交流电压的时间的时间段内，从光纤202的尖端202a发出。下文中，为便于说明，该时间段被称为“采样周期”。当在采样周期结束之后停止向双轴致动器204C施加交流电压时，光纤202的振动发生衰减。尖端202a在XY近似平面上的圆周运动根据光纤202振动的收敛而收敛，并在经过预定时间之后在中心轴AX上停止。下文中，为便于说明，从采样周期结束的时间到尖端202a在中心轴AX上停止的时间的时间段（更具体地，稍长于数学上定义的直到尖端202a停止时所经过的时间段，以确保尖端202a在中心轴AX上停止）被称为“制动周期”。与一个帧相对应的时间段由一个采样周期和一个制动周期构成。为缩短制动周期，可在制动周期初始阶段向双轴致动器204C施加反相电压，以主动施加制动转矩。

在光纤202的尖端202a的前面安装有物镜光学系统204D。物镜光学系统204D由多个光学透镜构成，且经由透镜框（未示出）固定在外管204A内。在外管204A中，透镜框相对于内管204B被支撑和固定。因此，固定在透镜框上的透镜组沿Z方向与外管204A中的内管204B一起滑动。

在内管204B的近端面与外管204A的内壁之间附着有螺旋压缩弹簧204E和形状记忆合金204F。螺旋压缩弹簧204E初始在Z方向上从其自然长度被压缩和夹住。形状记忆合金204F具有在Z方向上延伸的杆状形状，在室温条件下对其施加外力时变形，并在加热到高于或等于预定温度时通过形状记忆效应恢复到预定形状。形状记忆合金204F被设计为使得通过形状记忆效应的恢复力大于螺旋压缩线圈204E的恢复力。扫描驱动器210生成与由子CPU206指定的设置值相对应的驱动信号，并通过对形状记忆合金204F进行通电和加热来控制形状记忆合金204F的膨胀和收缩量。形状记忆合金204F使内管204B根据膨胀和收缩量在Z方向上向前或向后移动。

从光纤202的尖端202a发出的激发光通过物镜光学系统204D在对象的表面或表面层上形成斑点。斑点的形成位置根据作为点光源的尖端202a的移动而在Z方向上偏移。即，共焦光学单元204通过将尖端202a由于双轴致动器204C而在XY近似平面上进行的周期性圆周运动与Z轴方向上的移动相结合来对对象进行三维扫描。

由于光纤202的尖端202a被设于物镜光学系统204D的前焦点处，所以尖端202a用作共焦针孔。在由激发光激发的对象的散射分量（荧光）中，仅来自与尖端202a光学共轭的会聚点的荧光入射在尖端202a上。荧光经过光纤202，并随后通过光连接器152进入光耦合器104。光耦合器104将进入的荧光与从光源102发出的激发光分离，并将荧光引到光纤112上。荧光通过光纤112传输，并随后由光接收器114进行检测。为检测具有低噪声水平的微弱光，光接收器114可被配置为高灵敏度光检测器，诸如光电倍增管。

检测信号被输入到视频信号处理电路116中。视频信号处理电路116在CPU108的控制下运行，并通过以恒定速率对检测信号进行采样和保持以及AD转换来生成数字检测信号。当确定了在采样周期内光纤202的尖端202a的位置（轨迹）时，明确限定了观察区域（扫描区域）内与所确定的位置相对应的点形成位置以及用于通过检测来自点形成位置的返回光而获得数字检测信号的信号采集时间。在该实施方式中，预先根据信号采集时间利用校准工具参考实验结果来估算点形成位置，并确定图像上与估算位置相对应的位置。将所确定的信号采集时间与像素位置（像素地址）相关联的重映射表存储在CPU存储器110中。

视频信号处理电路116参考重映射表，并响应信号采集时间向像素地址分配由数字检测信号表示的点图像。下文中，为便于说明，将上述分配工作称为重映射。根据重映射结果，视频信号处理电路116通过以逐帧方式将由点图像的空间布置构成的图像信号存储在图像存储器118中来进行缓冲。缓冲信号以预定时间从图像存储器118被扫出到视频信号输出电路120，并在被转换为符合预定标准（诸如NTSC（国家电视系统委员会）或PAL（逐行倒相））的视频信号之后显示在监视器300上。具有高放大率和高分辨率的三维共焦图像被显示在监视器300的显示屏幕上。

另外，对对象以螺旋方式（螺旋扫描）从扫描区域的中心到周边在XY方向上进行扫描。关于对象的扫描轨迹为螺旋轨迹，如图3的情况。由于光纤202产生共振运动，所以每个螺旋的周期（对于一次转动扫描的时间段）恒定。由于激发光的照射密度（每单位区域的照射能量）在靠近中心的点上变高，所以荧光体的分解在靠近中心的点上进行得更快，且发生褪色。因此，出现了以下问题：在观察目标所处的观察区域的中心部分处图像变暗。为抑制荧光褪色，可考虑例如采取降低激发光强度的措施。然而，若激发光的强度降低，则由于缺少检测光量，在观察区域的周边部分噪声特别突出。在两种情况下，受损部分的检测或医生对受损部分的准确判断都可能受到影响，这是不期望的。出于这一原因，根据该实施方式的扫描共焦内窥镜系统1被配置为通过适当控制激发光的强度（或光量）来适当抑制荧光褪色。

图4（a）示出了光纤202的尖端202a的移动。图4（b）示出了从光源102发出的激发光的强度。图4（a）和图4（b）中的每幅图的水平轴为时间轴。图4（a）的垂直轴表示尖端202a相对于中心轴AX在X方向（或Y方向）上的偏移量。图4（b）的垂直轴表示激发光的强度。如图4（b）所示，紧接在进入采样周期之后，激发光的强度为零。从采样周期的开始到采样周期的结束，CPU108从零线性增加激发光的强度。激发光被设置为使得照射密度小于或等于整个扫描区域内的预定密度。由于激发光的照射密度在扫描区域的中心部分减小，所以可抑制荧光褪色。由于激发光的照射密度的减小在扫描区域的周边部分得到抑制，所以因缺少检测光量而导致的信噪比的下降在扫描区域的周边部分较小。另一方面，存在对信噪比会因激发光的照射密度在扫描区域的中心部分减小而在观察区域的中心部分下降的担忧。

图4（c）示意性示出了图4（a）和图4（b）中的时间t₁和时间t₂处的激发光的螺旋轨迹。在图4（c）中，将时间t₁处的螺旋用附图标记“R₁”表示，以及将时间t₂处的螺旋用附图标记“R₂”表示。在该实施方式中，一次螺旋期间获得的数字检测信号的样本数量为2000，且分别分配给在螺旋R₁和R₂中获得的数字检测信号的像素地址的数量为500和2000。与一个螺旋上的斑点形成位置相对应的像素地址的数量随着螺旋直径的增加而变大（即，随着轨迹变长而变大），因为像素在矩阵中被布置为具有恒定间隔。在时间t₁处，将四个（=2000/500）数字检测信号分配给一个像素地址。由于一个像素的值是四个数字检测信号的积分值，所以可抑制由于激发光照射密度的下降而引起的信噪比下降。由于激发光的强度较低且每个数字检测信号的值较小，所以像素值（积分值）并不饱和。在时间t₂处，将一个数字检测信号分配给一个像素地址。由于激发光的强度较高且数字检测信号的值较高，所以信噪比较高。

分配给一个螺旋的像素地址的数量并不一定相对于螺旋次数而线性增加。因此，可在考虑激发光强度的增加率与像素地址的数量相对于螺旋次数的增加率之间的关系的同时，通过不限于积分而将减法、乘法、除法和平均适当结合来计算像素值。像素值的计算可被设置为使得灵敏度（激发光照射到具有均匀反射率的对象上时所定义的每个像素的信号值）对于所有像素均相同。

在采样周期内，激发光的强度可随着像素地址的数量相对于螺旋次数的增加率而线性或非线性增加或下降。在该情况下，例如，激发光的强度可被设置为使得照射密度在整个扫描区域内变得均匀。

（第一变形）

图5（a）和图5（b）是与图4（a）和图4（b）类似的根据该实施方式的扫描共焦内窥镜系统1的第一变形中的示意图。下文所述的变形的配置具有与上述实施方式相同的区块配置。因此，对变形的硬件和软件配置的详细说明将被简化或省略。

如图5（b）所示，在第一变形中，激发光的占空比从采样周期的开始到结束连续增加。占空比可被设置为使得激发光（脉冲光）的像素位置和斑点形成位置以一对一的关系被确定（即，每个像素一个脉冲，且照射密度在整个扫描区域内均匀）。在第一变形中，激发光的强度本身在采样周期内保持恒定。然而，在扫描区域的中心部分，由荧光体吸收的能量暂时下降。由于荧光体的分解延迟进行，所以可抑制荧光褪色。由于激发光的照射密度的减小可在扫描区域的周边部分得到抑制，所以因缺少检测光量而导致的信噪比下降在观察区域的周边部分较小。

（第二变形）

图6（a）和图6（b）是与图4（a）和图4（b）类似的根据该实施方式的扫描共焦内窥镜系统1的第二变形中的示意图。在第二变形中，光源102为激光二极管。

如该实施方式的情况，在第二变形中，激发光的强度从采样周期的开始到结束增加。为稳定激光二极管的输出，要求有一定程度的功率。因此，与该实施方式相反，紧随进入采样周期之后的激发光的强度并不为零。在第二变形中，由于激发光的照射密度也在扫描区域的中心部分降低，所以可抑制荧光褪色。由于激发光的照射密度的减小可在扫描区域的周边部分得到抑制，所以因缺少检测光量而导致的信噪比下降在观察区域的周边部分较小。

在第二变形中，与该实施方式相比，时间t1处的激发光的强度较高。由于这一原因，存在当四个数字检测信号被积分时像素值变为饱和的可能性。因此，在第二变形中，通过同时使用积分和除法来计算像素值。可替代地，可通过舍弃至少一个数字检测信号以及通过对剩余数字检测信号进行积分来获得像素值。

（第三变形）

图7（a）和图7（b）是与图4（a）和图4（b）类似的根据该实施方式的扫描共焦内窥镜系统1的第三变形中的示意图。图7（c）示出了光接收器114的增益。在图7（c）中，水平轴为时间轴，以及垂直轴表示增益。

对光源102的控制与第二变形相同。在第三变形中，光接收器114的增益紧随在进入采样周期之后被设为较高值。因此，例如，即使螺旋扫描的速度由于像素数量或帧速率的增加而增加，也不存在有关激发光的照射密度下降的扫描区域的中心部分缺少检测光量的担忧。光接收器114的增益被控制为随着激发光强度的增加而下降。因此，可有效避免观察区域的周边部分内的像素值饱和。

上文是对本发明的该实施方式的说明。本发明不限于上述配置，而是可在本发明的技术概念范围内以各种方式变化。例如，可通过将激发光的占空比的变化与激发光的强度的变化相结合来对光源102进行控制。

可应用于本发明的扫描方式不限于螺旋扫描方式。例如，本发明可适用于采用光在扫描区域内以水平方向往复扫描的光栅扫描方式或光在扫描区域内以正弦曲线形状扫描的利萨如扫描方式的扫描共焦内窥镜系统。即，在其他各种扫描方式中，照射密度可在观察区域中的特定部分变高，且荧光褪色可能会进行。这种问题也可通过对其应用本发明并由此进行上述光源控制和各个计算过程来有效解决。

Claims (11)

1.一种扫描共焦内窥镜系统，包括：

点光源，采用激发光通过在二维平面上周期性移动而在对象上进行扫描；

点光源控制装置，控制所述点光源，使得所述激发光的照射密度在整个扫描区域内变为小于或等于预定密度；

共焦针孔，被布置在与所述激发光的会聚点共轭的位置处；

图像信号检测装置，通过经由所述共焦针孔接收从由所述激发光激发的所述对象发出的荧光来检测图像信号；以及

图像生成装置，使用检测到的图像信号来生成共焦图像。

2.根据权利要求1所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述点光源控制装置控制所述激发光的强度，使得所述激发光的所述照射密度在所述整个扫描区域内变为均匀。

3.根据权利要求1或2所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述点光源控制装置控制所述激发光的占空比，使得所述激发光的所述照射密度在所述整个扫描区域内变为均匀。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述图像生成装置响应所述图像信号的检测定时而向每个图像信号分配二维像素位置，并通过根据分配的像素位置在空间上布置由所述图像信号表示的点图像来生成所述共焦图像。

5.根据权利要求4所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述图像生成装置响应所述检测定时进行对每个图像信号的所述像素位置的分配，并使用针对分配的每个像素位置的所述图像信号进行像素值计算，使得当采用所述激发光照射具有均匀反射率的对象时所限定的像素的信号值变为彼此相等。

6.根据权利要求5所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，在所述像素值计算中，对分配给所述像素位置的所述图像信号进行积分、减法、乘法、除法、平均和舍弃中的至少一种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述图像信号检测装置结合由所述点光源控制装置对所述激发光的强度的控制来控制增益。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的扫描共焦内窥镜系统，

其中，

对所述点光源的扫描是所述激发光从所述扫描区域的中心到周边以螺旋形式在所述对象上进行扫描的螺旋扫描；以及

在所述激发光的扫描时段期间，所述点光源控制装置按照一次螺旋中的像素位置数量相对于螺旋次数的增加率来线性或非线性增加或减小所述激发光的强度。

9.根据引用权利要求5的权利要求8所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，所述图像生成装置基于所述激发光的强度的变化率和所述增加率来进行所述像素值计算。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的扫描共焦内窥镜系统，

其中：

对所述点光源的扫描是所述激发光从所述扫描区域的中心到周边以螺旋形式在所述对象上进行扫描的螺旋扫描；以及

在所述激发光的扫描时段期间，所述点光源控制装置线性增加所述激发光的强度。

11.根据引用权利要求5的权利要求10所述的扫描共焦内窥镜系统，其中，在所述像素值计算中，对分配给相同像素位置的所述图像信号的值进行积分。

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