CN104586344B - 一种多模式宫腔镜系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式宫腔镜系统及其实现方法，其中，所述多模式宫腔镜系统包括：宫腔镜主镜体、光学相干断层成像模块、共聚焦成像模块和成像主机。与现有宫腔镜相比，本发明的多模式宫腔镜系统可以同时实现普通白光成像、深度层析成像和亚细胞水平成像三种模式。在传统白光显微的表层10μm分辨率成像上，深度层析成像提供子宫表皮2-3mm深度内的组织结构信息，可探测发生在皮下的早期癌变，亚细胞水平成像可对粘膜的上皮细胞层进行200nm高分辨率成像，可精确探测单个细胞的癌变。这为子宫癌的早期筛查提供了重要手段，具有很好的市场推广应用前景。

Description

一种多模式宫腔镜系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及内窥镜技术领域，尤其涉及的是一种多模式宫腔镜系统。
背景技术
宫腔镜是一项新的、微创性妇科诊疗技术，用于子宫腔内检查和治疗的一种纤维光源内窥镜，主要应用于诊断下症状：异常子宫出血、不孕症或习惯性流产者、宫腔内异物、子宫黏膜下肌瘤切除、子宫内膜息肉切除、宫腔粘连、子宫纵隔切除、子宫内膜癌。
宫颈镜成像系统包括宫腔镜、能源系统、光源系统、灌流系统和成像系统；它是利用镜体的前部进入宫腔，采用白光照明，和彩色高清对所观察的部位具有放大效应，以直观、准确成为妇科出血性疾病和宫内病变的首选检查方法。宫腔镜能直接检视宫内病变，对大多数子宫内疾病可迅速作出精确的诊断。
然而，由于子宫早期癌变往往发生在粘膜层以下，宫颈镜虽然能获得子宫粘膜上皮的基本形态，但由于使用白光照明，白光对组织的穿透深度有限，无法对深层次组织进行检查，因此诊断准确性不足。目前还没有一种针对子宫粘膜细微结构进行深度成像诊断的仪器。
光学相干断层成像(Opticalcoherencetomography,OCT)是利用弱相干光干涉仪的基本原理，可以检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像，可实现活体眼组织显微镜结构的非接触式、非侵入性断层成像。光学相干断层成像是超声的光学模拟品，但其轴向分辨率取决于光源的相干特性，可达10um,且能在生物组织中达到3mm左右的穿透深度。传统的光学相干断层成像技术中采用点扫描，宽场光学相干断层成像系统可以一次对对一个平面进行干涉成像，在快速实时成像上有极大潜力，同时由于不需要扫描单元，探头设计和生产得到简化。
共聚焦激光显微内镜(Confocallaserendomicroscopy,CLE)是近年发展迅速的一种新型高端内镜，其特点在于，激光器、探测器和被测物必须位于共扼位置。只有物镜的聚焦平面上发出的荧光能到达监测器，因为去除了离焦信号，成像轴向分辨率得到显著提高。共聚焦激光显微内镜，可以在进行内镜检查的同时进行粘膜的共聚焦显微观察。它提供胃肠道上皮高度放大的横切面的图像，这种高度放大的图像与活检显微成像分辨率相同，可以使内镜医师在内镜检查时做出即时的病理诊断，而不需活检和组织病理学检查。避免活检组织病理学诊断等待的时间，提高靶向活检的准确性,实现即时“光学活检”的目的。
因此，通过将宽场光学相干断层成像、共聚焦显微内镜与宫腔镜有机结合使用，来实现在活体组织的情况下对子宫粘膜或早期肿瘤进行详尽的检查，能提供对子宫粘膜上皮细胞的实现nm级的高分辨率成像和mm级的深度成像信息，精确定位于子宫粘膜上皮少数病变的细胞，和于子宫粘膜内的早期增生。这种多模式宫腔镜将成为具有高灵敏度与特异性的子宫癌症早期诊断工具，从多维度更直观更科学地提供定位、定性及定量信息，这对于减少对专家主观判断的依赖，和在基层普及宫颈癌早期筛查至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模式宫腔镜系统，能够同时实现普通白光成像、深度层析成像和亚细胞水平成像三种模式，从而能够精确探测单个细胞的癌变，这为子宫癌的早期症断提供了重要手段。
本发明的技术方案如下：
一种多模式宫腔镜系统，其中，包括：
一宫腔镜主镜体，其进一步包括：成像探头、用于白光成像的接口、用于白光成像的成像相机及照明光源；照明光源发出的白光经过成像探头后返回至成像相机后获得相应的白光成像图像信息；
一光学相干断层成像模块，其进一步包括：一成像光纤束、一宽场光学相干断层成像光路以及一红外宽带光源；红外宽带光源发出的红外光经过宽场光学相干断层成像光路通过成像光纤束接入到宫腔镜主镜体，获得相应的红外宽场成像信息；
一共聚焦成像模块，其进一步包括：共聚焦显微成像光路、可见光激光光源、成像光纤束接口和光电倍增管探测器；可见光激光光源输出的成像光经过共聚焦显微成像光路后聚焦到成像光纤束接口后，由成像光纤束通过宫腔镜的成像探头后回传通过共聚焦显微成像光路由光电倍增管探测器采集，获得相应的共聚焦显微成像信息；
一成像主机，其分别连接宫腔镜主镜体、光学相干断层成像模块和共聚焦成像模块；
其中，所述红外宽场成像信息、白光成像图像信息和共聚焦显微成像信息同时送入成像主机进行信号处理，并输出相应的检测结果。
优选地，所述的多模式宫腔镜系统，其中，所述共聚焦显微成像光路包括：物镜、扫描单元、滤波单元、扩束单元、透镜和共聚焦针孔；
可见光激光光源输出的成像光通过光导接口后，经过扩束单元扩束后依次通过滤波单元、扫描单元进入物镜后焦面，由物镜会聚成一点；
经过成像光纤束传回的信号，，经过物镜收集、扫描单元去扫描后由滤波单元反射后，再由透镜会聚后，由置于透镜焦面后的光电倍增管探测器采集。
优选地，所述的多模式宫腔镜系统，其中，所述光学相干断层成像光路包括一迈克尔逊式干涉光路和双精度光学延迟线平台；
其中，双精度光学延迟线平台由一压电陶瓷和步进电机组成；成像时，红外宽带光源发射的红外光通过一50/50分束镜分为两束：一束传输入由压电陶瓷和步进电机组成的双精度光学延迟线平台后，再经反射镜反射回分束镜，另一束作为红外照明光经红外宽带光源的输出接口输出。
优选地，所述的多模式宫腔镜系统，其中，所述红外宽带光源采用红外扫频光源来替代，所述双精度光学延迟线采用仅用压电陶瓷微位移台。
与现有技术相比，本发明所提供的多模式宫腔镜系统及其实现方法具有以下优点：
(1)本专利所述之多模式宫腔镜与现有宫腔镜相比，可以同时实现普通白光成像、深度层析成像和亚细胞水平成像三种模式。在传统白光显微的表层10μm分辨率成像上，深度层析成像提供子宫表皮2-3mm深度内的组织结构信息，可探测发生在皮下的早期癌变，亚细胞水平成像可对粘膜的上皮细胞层进行200nm高分辨率成像，可精确探测单个细胞的癌变。这为子宫癌的早期筛查提供了重要手段。
(2)本专利所采用之光学断层层析成像技术的方案为宽场红外光学断层层析成像。和现有光学断层层析成像技术相比，由于采用红外宽带光源，成像深度可以达到2-3mm。由于采用宽场干涉方式，简化了一般光学断层层析成像技术所需的扫描探头，现有成像光纤束即可使用，无需设计探头，易于生产。
(3)本专利所采用共聚焦显微成像技术采用在成像光纤束后焦面扫描的设计方式，简化了一般光学断层层析成像技术所需的扫描探头，现有成像光纤束即可使用，无需设计探头，易于生产。并设置与光学断层层析成像模块相同的成像光纤束接口，共用一条成像光纤束，可在不接触宫腔镜镜体的基础上进行成像模式切换。
(4)共聚焦显微成像技术、光学断层层析成像技术与现有宫腔镜的结合方式：由于共聚焦显微成像技术和光学断层层析成像技术成像共用成像光纤束，可利用活检通道进行成像，便于在现有宫腔镜基础上改装。
附图说明
图1为本发明的多模式宫腔镜系统的实施例的示意图。
图2为本发明的多模式宫腔镜系统的实施例中共聚焦显微成像光路的示意图。
图3为本发明的多模式宫腔镜系统的实施例中宫腔镜主镜体的示意图。
图4为本发明的多模式宫腔镜系统中光学相干断层成像模块的第一实施例的示意图。
图5为本发明的多模式宫腔镜系统中光学相干断层成像模块的第二实施例的示意图。
图6为本发明的多模式宫腔镜系统的实现方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种多模式宫腔镜系统及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明的多模式宫腔镜系统的实施例的示意图。如图所示，所述多模式宫腔镜系统包括：宫腔镜主镜体、光学相干断层成像模块、共聚焦成像模块和成像主机4；其中，所述宫腔镜主镜体包含成像探头1-1，用于灌流的流体入口1-2及出口1-3，用于插入组织活检镊的活检通道1-4，用于白光成像接口1-5，和用于白光成像的成像相机1-6及照明光源1-7；。所述光学相干断层成像模块包括：一根尺寸可接入宫腔镜活检通道的成像光纤束2-1、一宽场光学相干断层成像光路(图中，用2-2至2-8表示，下面会进行详细介绍)以及一红外宽带光源2-9。所述共聚焦成像模块包括：一个共聚焦显微成像光路(3-2至3-8，下面会进行详细介绍)、成像光纤束接口3-6、高灵敏度光电倍增管探测器3-9和一可见光激光源3-10。本发明中，光学相干断层成像模块(也称宽场光学相干断层成像模块)和共聚焦模块共用一根成像光纤束2-1通过活检通道1-4接入宫腔镜镜体。
请一并参阅图2，共聚焦成像模块主要由一个共聚焦显微成像光路(3-2至3-8)、光源、成像光纤束接口(3-1，3-6)、以及高灵敏度光电倍增管探测器(3-9)组成。其中，共聚焦显微成像光路(3-2至3-8)的特点是，在普通荧光成像光路基础上，于荧光收集臂焦面添置一共聚焦针孔3-8，这样仅使与激发光位置3-6共焦平面上的荧光信号进入光电倍增管探测器。离焦荧光信息被滤除，实现清晰的共聚焦成像。具体的成像原理为，可见光激光光源3-10输出的成像光通过光导接口引入共聚焦成像模块。经过扩束单元3-5扩束后通过滤波单元3-4，扫描单元3-3进入物镜后焦面，物镜焦面与成像光纤束2-1端面重合。激发光束由物镜会聚成一点，由成像光纤束2-1通过宫腔镜镜头1-1-4对子宫粘膜进行点照明，可见光激光光束对观察的子宫组织可以实现荧光成像(如自荧光，及由组织染色剂染色后的组织荧光)，组织上的一点的反射荧光由成像端口1-1-4采集，并由成像光纤束2-1传回共聚焦显微荧光成像模块。由共聚焦显微荧光成像模块端口3-1传回的子宫组织荧光及自荧光信号，经过物镜3-2收集、扫描单元3-3去扫描后由滤波单元3-4反射后，由一透镜3-7会聚后，由置于透镜3-7焦面后的高灵敏度光电倍增管探测器采集。扫描单元3-3对成像光纤束成像区域内的所有点进行XY逐行扫描成像，并由成像软件进行重建，由此得到子宫组织的共聚焦荧光显微图像。
请继续参阅图3，在本实施例中，主镜体包含成像探头1-1，用于灌流的流体入口1-2及出口1-3，用于插入组织活检镊的活检通道1-4，用于白光成像接口1-5。成像时，患者排空膀胱，取膀胱截石位，使用局部麻醉，宫颈钳夹持宫颈前唇后，探查宫腔大小，并用扩宫器扩宫。先注入少许膨宫液如5％葡萄液，并将宫腔镜镜头1-1置入。后按不同介质所需的压力及速度由1-2(1-1-2对应1-2的出口)注入膨宫液，使宫腔充盈，视野明亮。白光照明由光经1-3(1-1-3对应1-3的出口)输出，白光图像经过1-1-1返回至成像相机1-6采集。采集时可转动镜体，并按顺序作全面观察，由此得到宫腔内部白光成像结果。
请继续参阅图,4，光学相干断层成像光路包括一个迈克尔逊式干涉光路和双精度光学延迟线平台，光学延迟线平台由一压电陶瓷2-4和步进电机2-5组成。成像时，红外宽带光源2-9发射的红外光通过一块50/50分束镜2-6分为两束，一束传输入由压电陶瓷2-4和步进电机2-5组成的双精度光学延迟线平台后，再经反射镜2-3反射回分束镜2-6，另一束作为红外照明光经红外宽带光源输出接口2-2输出。由成像光纤束2-1通过宫腔镜镜头1-1-4对子宫粘膜进行照明，红外光束对观察的子宫组织可以实现穿透深度为2-3mm的照射，反射光仍由成像端口1-1-4采集，并由成像光纤束2-1传回红外宽场光学相干断层成像模块(即光学相干断层成像模块)。由红外宽场光学相干断层成像模块的端口2-2传回的反射光束带有子宫组织信息，在分束片2-6与经过光学延迟线平台的参考光束发生干涉，获得反射处对应深度的面干涉光信号，白光光源反射光信号和所述的面干涉光信号传输至所述成像主机4。
应当理解的是，所述采用宫腔镜活检通道做光学断层层析成像的思路可用于其它一切具有活检通道的内窥镜。如直肠镜，胃镜等。可根据内窥镜活检通道尺寸选用相应成像光纤束。
进一步地，如图5所示，本发明的光学相干断层成像光路还可以采用其他方式实现：更换红外宽带光源为红外扫频光源，同时，仅用一反射镜2-3和压电陶瓷2-4(省去步进电机2-5)。
更进一步地，输入到成像主机4的信息中包括红外摄像头采集到的干涉图信息，由于涉图信息携带包括强度、相位、频率等丰富信息，但干涉图本身并不能直接反映样品的结构，需要借助调制相位和相移重构算法来还原样品结构图像，具体来说，需要样品或者参考镜移动特定的或者相等的步长，再用这样调节相位后得到的干涉图计算出强度和相位信息。本发明应用四步分步相移算法进行结构图重建。
本发明通过一具体的例子来说明其四步分步相移算法是如何实现的。
干涉信号表示为
式1
其中I0为直流项，A为干涉信号幅值，即要求的强度信息，φ是与样品有关的初始相位，是调制的相移量。红外摄像头在每个相移周期内采集四幅图像，T＝1/f，这里不需要特定的90度相移量，只需要每次相移保持相等的间隔，也可以增加采集相移图像幅数N来提高干涉图像的信噪比。
式2
由此可推导出强度幅值为
式5
调制的相移量为
式3
依此可计算出样品的位相信息：
式4
式5和式4即为红外摄像头每个像素四步相移得到的强度和相位信息。通过重组像素分布即可得到样品的图像信息。当然，上述摄像头采集的信号还可以接入安装医用监视器来处理显示，医用监视器由处理主机、显示器和操作控制键盘连接组成，在主机中完成光学相干断层成像三维重建结构。
本发明还提供了一种多模式宫腔镜系统的实现方法，如图6所示，所述方法包括以下步骤：
S100、成像探头置入后，照明光源发出的白光经过成像探头后返回至成像相机后获得相应的白光成像图像信息；
S200、红外宽带光源发出的红外光经过宽场光学相干断层成像光路通过成像光纤束接入到宫腔镜主镜体，获得相应的红外宽场成像信息；
S300、可见光激光光源输出的成像光经过共聚焦显微成像光路后聚焦到成像光纤束接口后，由成像光纤束通过宫腔镜的成像探头后回传通过共聚焦显微成像光路由光电倍增管探测器采集，获得相应的共聚焦显微成像信息；
S400、所述红外宽场成像信息、白光成像图像信息和共聚焦显微成像信息同时送入成像主机进行信号处理，并输出相应的检测结果。
优选地，所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其中，所述步骤S2中进一步包括：
成像时，红外宽带光源发射的红外光通过一50/50分束镜分为两束：一束传输入由压电陶瓷和步进电机组成的双精度光学延迟线平台后，再经反射镜反射回分束镜，另一束作为红外照明光经红外宽带光源的输出接口输出。
进一步地，所述的多模式宫腔镜系统的实现方法中，所述步骤S300中进一步包括：
S310、可见光激光光源输出的成像光通过光导接口后，经过扩束单元扩束后依次通过滤波单元、扫描单元进入物镜后焦面，由物镜会聚成一点；
S320、经过成像光纤束传回的信号，，经过物镜收集、扫描单元去扫描后由滤波单元反射后，再由透镜会聚后，由置于透镜焦面后的光电倍增管探测器采集。
进一步地，所述的多模式宫腔镜系统的实现方法中，所述步骤S4中成像主机进行信号处理具体包括：
对采集到的信息通过四步分步相移算法进行结构图重建，得到样品的图像信息。
进一步地，所述的多模式宫腔镜系统的实现方法中，所述步骤S3中还包括：扫描单元对成像光纤束成像区域内的所有点进行XY逐行扫描成像，并进行重建，由此得到组织的共聚焦荧光显微图像信息。
综上所述，本发明提供的多模式宫腔镜系统及其实现方法，其中，所述多模式宫腔镜系统包括：宫腔镜主镜体、光学相干断层成像模块、共聚焦成像模块和成像主机。与现有宫腔镜相比，本发明的多模式宫腔镜系统与现有宫腔镜相比，可以同时实现普通白光成像、深度层析成像和亚细胞水平成像三种模式。在传统白光显微的表层10μm分辨率成像上，深度层析成像提供子宫表皮2-3mm深度内的组织结构信息，可探测发生在皮下的早期癌变，亚细胞水平成像可对粘膜的上皮细胞层进行200nm高分辨率成像，可精确探测单个细胞的癌变。这为子宫癌的早期症断提供了重要手段，具有很好的市场推广应用前景。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种多模式宫腔镜系统，其特征在于，包括：
一宫腔镜主镜体，其进一步包括：成像探头、用于白光成像的接口、用于白光成像的成像相机及照明光源；照明光源发出的白光经过成像探头后返回至成像相机后获得相应的白光成像图像信息；
一光学相干断层成像模块，其进一步包括：一成像光纤束、一宽场光学相干断层成像光路以及一红外宽带光源；红外宽带光源发出的红外光经过宽场光学相干断层成像光路通过成像光纤束接入到宫腔镜主镜体，获得相应的红外宽场成像信息；
一共聚焦成像模块，其进一步包括：共聚焦显微成像光路、可见光激光光源、成像光纤束接口和光电倍增管探测器；可见光激光光源输出的成像光经过共聚焦显微成像光路后聚焦到成像光纤束接口后，由成像光纤束通过宫腔镜的成像探头后回传通过共聚焦显微成像光路由光电倍增管探测器采集，获得相应的共聚焦显微成像信息；其中共聚焦显微成像光路具体包括：物镜、扫描单元、滤波单元、扩束单元、透镜和共聚焦针孔；可见光激光光源输出的成像光通过光导接口后，经过扩束单元扩束后依次通过滤波单元、扫描单元进入物镜后焦面，由物镜会聚成一点；经过成像光纤束传回的信号，经过物镜收集、扫描单元去扫描后由滤波单元反射后，再由透镜会聚后，由置于透镜焦面后的光电倍增管探测器采集；
一成像主机，其分别连接宫腔镜主镜体、光学相干断层成像模块和共聚焦成像模块；其中，所述红外宽场成像信息、白光成像图像信息和共聚焦显微成像信息同时送入成像主机进行信号处理，并输出相应的检测结果。
2.根据权利要求1所述的多模式宫腔镜系统，其特征在于，所述宽场光学相干断层成像光路包括一迈克尔逊式干涉光路和双精度光学延迟线平台；
其中，双精度光学延迟线平台由一压电陶瓷和步进电机组成；成像时，红外宽带光源发射的红外光通过一50/50分束镜分为两束：一束传输入由压电陶瓷和步进电机组成的双精度光学延迟线平台后，再经反射镜反射回分束镜，另一束作为红外照明光经红外宽带光源的输出接口输出。
3.根据权利要求2所述的多模式宫腔镜系统，其特征在于，所述红外宽带光源采用红外扫频光源来替代，所述双精度光学延迟线平台采用仅用压电陶瓷微位移台。
4.一种权利要求1所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、成像探头置入后，照明光源发出的白光经过成像探头后返回至成像相机后获得相应的白光成像图像信息；
S2、红外宽带光源发出的红外光经过宽场光学相干断层成像光路通过成像光纤束接入到宫腔镜主镜体，获得相应的红外宽场成像信息；
S3、可见光激光光源输出的成像光经过共聚焦显微成像光路后聚焦到成像光纤束接口后，由成像光纤束通过宫腔镜的成像探头后回传通过共聚焦显微成像光路由光电倍增管探测器采集，通过扫描单元逐点扫描、重建获得相应的共聚焦显微成像信息；
S4、所述红外宽场成像信息、白光成像图像信息和共聚焦显微成像信息同时送入成像主机进行信号处理，并输出相应的检测结果。
5.根据权利要求4所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S2中进一步包括：
成像时，红外宽带光源发射的红外光通过一50/50分束镜分为两束：一束传输入由压电陶瓷和步进电机组成的双精度光学延迟线平台后，再经反射镜反射回分束镜，另一束作为红外照明光经红外宽带光源的输出接口输出。
6.根据权利要求4所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中进一步包括：
S31、可见光激光光源输出的成像光通过光导接口后，经过扩束单元扩束后依次通过滤波单元、扫描单元进入物镜后焦面，由物镜会聚成一点；
S32、经过成像光纤束传回的信号，经过物镜收集、扫描单元去扫描后由滤波单元反射后，再由透镜会聚后，由置于透镜焦面后的光电倍增管探测器采集。
7.根据权利要求4所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S4中成像主机进行信号处理具体包括：
对采集到的信息通过四步分步相移算法进行结构图重建，得到样品的图像信息。
8.根据权利要求6所述的多模式宫腔镜系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：
扫描单元对成像光纤束成像区域内的所有点进行XY逐行扫描成像，并进行重建，由此得到组织的共聚焦荧光显微图像信息。
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