CN105595947B - 荧光内窥成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种荧光内窥成像装置和方法，其中，该成像装置包括：体外光谱编码单元、体内荧光成像单元和光线传输单元，光线传输单元分别与体外光谱编码单元体和内荧光成像单元相连，体外光谱编码单元，用于对宽带激光光源光谱进行二维编码；光线传输单元，用于将编码后的宽带激光光源光谱传递到体内荧光成像单元；体内荧光成像单元，用于将编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。根据本发明公开的荧光内窥成像装置和方法能够提升荧光内窥成像的速度和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种荧光内窥成像装置和方法。
背景技术
目前，人类生活水平的不断提高，科学技术的不断进步，人类越来越多的关注身体健康问题。上世纪初，人类的平均寿命才增长到30多岁，单靠物质延长寿命，其效果是不明显的，增长速度是缓慢的，在1923年，英国科学家阿弗莱明发明了青霉素，并在世界范围内广泛应用起来。青霉素可以抑制细菌的生长，延缓细菌感染性疾病的传播和蔓延。在这些医疗科技的推动下，随着免疫接种逐渐成熟并普及到世界各地，使得人类的平均寿命又增加了20多年，达到了60岁。近几年，随着医疗科技的不断发展，政府对于公共卫生等方面立法进一步完善，人类的平均寿命已经突破70岁，有些发达国家的人均寿命更是突破80岁。从人类寿命的发展历史中，我们可以看到医学对于延长人类寿命、保障人类身体健康的重要意义。人类的平均寿命逐渐延长，当中医学的发展对于人类的健康有着极其重要的作用。人类对于自身身体和癌细胞观察诊断的研究也在不断发展，对于体内细胞的病变的观察和诊断，常常需要用到内窥成像，对患处进行成像观察。
相关技术中的荧光成像大多使用一维光谱编码，然而，通过一维的机械运动对二维平面进行成像，不仅效率得不到很好保障，而且在成像过程中，成像噪音较多，所呈的图像质量不高。
发明内容
本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种荧光内窥成像装置。该装置能够降低成像噪音，提升荧光内窥成像的速度和准确度。
本发明的第二个目的在于提出一种荧光内窥成像方法。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种荧光内窥成像装置，包括体外光谱编码单元、体内荧光成像单元和光线传输单元，所述光线传输单元分别与所述体外光谱编码单元体和所述内荧光成像单元相连，其中：所述体外光谱编码单元，用于对宽带激光光源光谱进行二维编码；所述光线传输单元，用于将编码后的宽带激光光源光谱传递到所述体内荧光成像单元；所述体内荧光成像单元，用于将所述编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。
本发明实施例的荧光内窥成像装置，通过体外光谱编码单元对宽带激光光源光谱进行二位编码后经光线传输单元传递到体内荧光成像，体内荧光成像将编码后宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像，能够降低成像噪音，提升荧光内窥成像的速度和准确度，进而方便后续通过该图像对体内组织细胞进行观察。
在本发明的一个实施例中，所述体外光谱编码单元，具体包括第一二维色散装置和编码设备，其中，所述第一二维色散装置，用于将宽带激光光谱色散到二维平面；所述编码设备，用于将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码。
在本发明的一个实施例中，所述体内荧光成像单元，具体包括第二二维色散装置和成像装置，其中，所述第二二维色散装置，用于将所述编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞；所述成像装置，用于通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据所述荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
在本发明的一个实施例中，所述编码设备为数字微镜器件，所述第一二维色散装置和第二二维色散装置的配置参数相同。
在本发明的一个实施例中，所述体外光谱编码单元，还包括第一透镜，所述第一透镜位于所述第一二维色散装置与所述编码设备之间，其中，所述第一透镜，用于聚焦色散到二维平面上的宽带激光光谱。
在本发明的一个实施例中，所述体内荧光成像单元，还包括第二透镜，所述第二透镜位于所述第二二维色散装置与所述成像装置之间，其中，所述第二透镜，用于聚焦色散到二维平面上的所述编码后的宽带激光光源光谱。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜均为柱面透镜。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了荧光内窥成像方法，包括以下步骤：体外光谱编码单元对宽带光源光谱进行二维编码；光线传输单元将编码后的宽带激光光源光谱传递到体内荧光成像单元；体内荧光成像单元将所述编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。
本发明实施例的荧光内窥成像方法，通过体外光谱编码单元对宽带激光光源光谱进行二位编码后经光线传输单元传递到体内荧光成像，体内荧光成像将编码后宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像，能够降低成像噪音，提升荧光内窥成像的速度和准确度，进而方便后续通过该图像对体内组织细胞进行观察
在本发明的一个实施例中，所述体外光谱编码单元对宽带光源光谱进行二维编码，具体包括：所述体外光谱编码单元将宽带激光光谱色散到二维平面，并将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码。
在本发明的一个实施例中，所述体内荧光成像单元将所述编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像，具体包括：所述体内荧光成像单元将所述编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞；以及所述体内荧光成像单元通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据所述荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的荧光内窥成像装置的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的体外光谱编码单元101的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的体内荧光成像单元103的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的二维色散系统的原理图；
图5为根据本发明一个实施例的虚拟成像阵列VIPA(Virtual Imaged PhaseArrary)的原理图；
图6为根据本发明一个具体实施例的体外光谱编码单元101的示例图；
图7为根据本发明一个具体实施例的体内荧光成像单元103的示例图；
图8为根据本发明一个具体实施例的荧光内窥成像装置的示例图；
图9为根据本发明一个实施例的荧光内窥成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的荧光内窥成像装置和方法。
图1为根据本发明一个实施例的荧光内窥成像装置的结构示意图。
如图1所示，该荧光内窥成像装置100包括：体外光谱编码单元101、光线传输单元102和体内荧光成像单元103。
光线传输单元102与体外光谱编码单元体101和体内荧光成像单元103相连，体外光谱编码单元101用于对宽带激光光源光谱进行二维编码；光线传输单元102用于将编码后的宽带激光光源光谱传递到体内荧光成像单元103；体内荧光成像单元103用于将编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。
其中，光线传输单元102用于在体外光谱编码单元101和体内荧光成像单元103以及收集激发出得荧光强度信息的光传递，全部使用单光纤进行光线的传输。
具体而言，如图2所示，体外光谱编码单元101可以包括第一二维色散装置1011、编码设备1012和第一透镜1013。
其中，第一二维色散装置1011用于将宽带激光光谱色散到二维平面，第一透镜1013位于第一二维色散装置1011与编码设备1012之间，第一透镜1013用于聚焦色散到二维平面上的宽带激光光谱。
编码设备1012用于将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码。
其中，编码设备1012可以为数字微镜器件DMD(Digital Micromirror Device)。
如图3所示，体内荧光成像单元103可以包括第二二维色散装置1031、成像装置1032和第二透镜1033。
其中，第二二维色散装置1031，用于将编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞。
其中，第二透镜1033位于第二二维色散装置1031与成像装置1032之间，第二透镜1033用于聚焦色散到二维平面上的编码后的宽带激光光源光谱。
成像装置1032用于通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
其中，预设算法是预先设置的光谱编码成像算法。
需要理解的是，该实施例的成像装置1032根据荧光信息和已有的一些光谱编码成像算法即可恢复出体内组织细胞的图像。
其中，需要说明的是，第一二维色散装置1011和第二二维色散装置1031的配置参数相同，以保证在照射到组织细胞之前的二维光谱恢复到预定的编码形式。
其中，第一透镜1013和第二透镜1033均为柱面透镜。
其中，在本发明实施例中，第一二维色散装置1011和第二二维色散装置1031使用光栅和虚拟成像阵列VIPA(Virtual Imaged Phase Array)，
图4为根据本发明一个实施例的二维色散系统的原理图，其中包括VIPA和光栅。
由图4所示，经过柱面透镜后，在焦点处会得到一条线光斑，然后将该线光斑入射进VIPA。光线在VIPA前后表面之间反复反射，形成许多虚拟的图像阵列。光线在后表面一侧出射，将会色散成为一条线，此时完成一维色散效果。
需要说明的是，当前的线光斑每一个点上都包含相同间隔的波长的光线。
在将该线光斑入射到光栅平面上，使用光栅完成第二维度的色散效果。最终得到了在二维平面上的光谱色散效果。
图5为根据本发明一个实施例的虚拟成像阵列VIPA(Virtual Imaged PhaseArrary)的原理图。
如图5所示，VIPA是一种能够提供比较大的角色散率，而且高分辨率的分光元件。它的原理和法布里-泊罗标准量具(Fabry-Perot etalon,FP标准量具)相同，只是它将FP标准量具留下一个窗口，并倾斜一定角度放置。通过在标准量具内部一次一次聚焦，制作一个虚拟的图像阵列。这些虚拟的图像阵列发出的光线经过干涉，形成不同波长的色散角度的分离。
由图5可知，经过柱面透镜形成的线光斑需要准确落在VIPA后表面上，然后光线会在VIPA的前后表面之间反射多次，且在后表面出射一部分光线。在反射的同时，形成一个虚拟的图像阵列。同时，出射的光经过干涉，形成不同波长的色散角度的分离。
下面参照图6详细说明一下本发明实施例的体外光谱编码单元101。
如图6所示，从宽带激光光源出射的光线经过扩束装置，得到的直径1-2mm光斑的光线。然后将此光线经过柱面透镜，在焦点处获得一条线光斑。将此线光斑射入二维色散系统，然后得到一个二维平面光谱光斑，每一个点的波长都不相同。然后使用数字微镜器件DMD(Digital Micromirror Device)对该二维平面光谱光斑进行编码。通过控制DMD微镜阵列的转角，选取一系列波长的组合，返回系统中。根据光路可逆的原理，进而通过二维色散装置后，耦合进入单光纤中，并传输到体内荧光内窥成像单元。
应当注意的是，在光斑经过二维色散系统后，为了获得更好的光谱色散效果，可以将光线通过一个透镜，聚焦色散的光斑。
下面参照图7详细说明一下本发明实施例的体内荧光成像单元103。
如图7所示，宽带激光光源光谱在体外光谱编码单元编码后，经过单光纤传输出射后，经过相同的二维色散系统后，会恢复成DMD预定编码的形式。然后将该编码后的二维色散光斑，照射到体内的组织细胞上，激发生物细胞的自体荧光。然后根据光路可逆的原理，部分荧光会返回，通过二维色散系统后，耦合进入单光纤，并传输到最终的单像素探测器中。
应当注意的是，与体外光谱编码单元101相同，为了获得更好的光谱色散效果，在光斑经过二维色散系统后，可通过一个透镜，聚焦色散的光斑。
可以理解的是，根据不同时刻对宽带光源光谱，利用二维色散装置进行不同的光谱编码，并通过单光纤传输进入体内照射成像部分，使用单像素探测器收集激发出的荧光强度信息，通过计算恢复最终的图像信息。
本发明实施例的荧光内窥成像装置，通过体外光谱编码单元对宽带激光光源光谱进行二位编码后经光线传输单元传递到体内荧光成像，体内荧光成像将编码后宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像，能够降低成像噪音，提升荧光内窥成像的速度和准确度，进而方便后续通过该图像对体内组织细胞进行观察。
下面参照图8详细说明一下本发明实施例的荧光内窥成像装置。
如图8所示，宽带激光光源(半波带宽约为20nm)经过光纤输出到空间，通过扩束装置将光斑直径控制在1-2mm左右。经过体外光谱编码单元101获得光谱编码后的光线，然后耦合进入单光纤，向后端传输光信号。经过光谱编码的光线从单光纤中出射，进入体内荧光内窥成像单元103。体内荧光内窥成像单元103对体内组织细胞照射激发出荧光后，将聚焦后的荧光耦合进入单光纤，由单光纤传输光线到单像素探测器，进行光信号强度值的采集。通过不同时刻对于光谱进行不同的编码，得到一组不同强度的值，根据光谱编码成像算法和不同光信号强度值，利用数学计算，可恢复出最终的体内组织细胞的图像。
与上述几种实施例提供的荧光内窥成像装置相对应，本发明的一种实施例还提供一种荧光内窥成像方法，由于本发明实施例提供的荧光内窥成像方法与上述几种实施例提供的荧光内窥成像装置相对应，因此，前述对荧光内窥成像装置实施例的解释说明也适用于本实施例提供的荧光内窥成像方法，在本实施例中不再详细描述。
图9为根据本发明一个实施例的荧光内窥成像方法的流程图。
S901，体外光谱编码单元对宽带光源光谱进行二维编码。
具体地，体外光谱编码单元将宽带激光光谱色散到二维平面，并将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码。
S902，光线传输单元将编码后的宽带激光光源光谱传递到体内荧光成像单元。
S903，体内荧光成像单元将编码后的宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。
具体地，体内荧光成像单元在获得编码后的宽带激光光源光谱之后，将编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞，以及通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
其中，预设算法是预先设置的光谱编码成像算法。
需要理解的是，该实施例根据荧光信息和已有的一些光谱编码成像算法即可恢复出体内组织细胞的图像。
本发明实施例的荧光内窥成像方法，通过体外光谱编码单元对宽带激光光源光谱进行二位编码后经光线传输单元传递到体内荧光成像，体内荧光成像将编码后宽带激光光源光谱色照射到体内组织细胞进行成像。能够降低成像噪音，提升荧光内窥成像的速度和准确度，进而方便后续通过该图像对体内组织细胞进行观察。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种荧光内窥成像装置，其特征在于，所述装置包括体外光谱编码单元、体内荧光成像单元和光线传输单元，所述光线传输单元分别与所述体外光谱编码单元和所述体内荧光成像单元相连，其中：
所述体外光谱编码单元，用于对宽带激光光源光谱进行二维编码；其中，所述体外光谱编码单元，具体包括第一二维色散装置和编码设备，其中，所述第一二维色散装置，用于将宽带激光光谱色散到二维平面；所述编码设备，用于将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码；
所述光线传输单元，用于将编码后的宽带激光光源光谱传递到所述体内荧光成像单元；
所述体内荧光成像单元，具体包括第二二维色散装置和成像装置，其中，
所述第二二维色散装置，用于将所述编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞；
所述成像装置，用于通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据所述荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
2.如权利要求1所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述编码设备为数字微镜器件，所述第一二维色散装置和第二二维色散装置的配置参数相同。
3.如权利要求1所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述体外光谱编码单元，还包括第一透镜，所述第一透镜位于所述第一二维色散装置与所述编码设备之间，其中，
所述第一透镜，用于聚焦色散到二维平面上的宽带激光光谱。
4.如权利要求3所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述体内荧光成像单元，还包括第二透镜，所述第二透镜位于所述第二二维色散装置与所述成像装置之间，其中，
所述第二透镜，用于聚焦色散到二维平面上的所述编码后的宽带激光光源光谱。
5.如权利要求4所述的荧光内窥成像装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜均为柱面透镜。
6.一种应用如权利要求1-5任一所述的荧光内窥成像装置所进行的荧光内窥成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
体外光谱编码单元对宽带光源光谱进行二维编码；其中，所述体外光谱编码单元对宽带光源光谱进行二维编码，具体包括：所述体外光谱编码单元将宽带激光光谱色散到二维平面，并将色散到二维平面上的宽带激光光谱进行编码；
光线传输单元将编码后的宽带激光光源光谱传递到体内荧光成像单元；
所述体内荧光成像单元将所述编码后的宽带激光光源光谱色散到二维平面，并照射到体内组织细胞；以及
所述体内荧光成像单元通过单像素探测器收集体内组织细胞上返回的荧光信息，并根据所述荧光信息和预设算法恢复出体内组织细胞的图像。
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