CN105640506A - 获得清晰微循环图像的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得清晰微循环图像的方法，包括：控制微小光源投射装置以投射角向被检物发出光线；投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算；显微镜光学系统对漫反射光线进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。本发明还提供了一种获得清晰微循环图像的装置，包括显微镜光学系统，微小光源投射装置，成像捕获装置和计算机辅助成像装置。实施本发明提供的实施例，可以在无需使用偏振光的基础上得到未受反射光影响的清晰图像，设计巧妙，成本低。

Description

获得清晰微循环图像的装置和方法
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种获得清晰微循环图像的装置和方法。
背景技术
在人体血液循环系统中，微循环是指微动脉和微静脉之间的血液循环，是输送氧气和营养物质给组织细胞并运走二氧化碳CO2和代谢产物的最终环节，也是最重要的环节。微循环的灌注对于细胞代谢非常重要，微循环灌注障碍将引起严重的代谢障碍，严重情况将引起各组织器官的衰竭并导致死亡。实时监测微循环状况，特别是如何快速简单地监测危重病人的微循环状况，如早期发现休克(微循环衰竭)征兆等，对于提高危重病人的生存率极为关键。
目前在可视化的人体微循环监测上，其监测装置主要从照明方式、立体成像原理等方面进行改进，从而提高图像对比度或者获得立体图像；但对于微循环监测装置用于对小空间的体内(如舌下黏膜等)微循环灌注的观察以及对观察视场内的感兴趣区域进行更细致的观测则鲜有涉及。
传统用于观察小空间的产品，一般是采用照明光路和成像光路共用同一空间的同轴光照明。这时，照明光线几乎是垂直投射在皮肤组织表面。由于被观察对象一般为皮肤或黏膜，当皮肤或黏膜表面有不均匀的油脂膜或角质层时，则会形成镜面效果，产生强烈的反射光。如果反射光进入成像系统，由于反射光的信号强度远大于散射的漫反射光，正常观察所需的皮肤组织散射的漫反射光就被淹没，成像质量也就不清晰。
为了避免皮肤表面的反光，传统方法会在照明光路中增加光线偏振起偏器，使照明光为偏振光；同时，在成像光路中加入正交偏振片消除成像光路中皮肤表面反射的偏振光。但是，皮肤或黏膜表面的油脂膜或角质层是不均匀的，所以反射光线是不均匀的偏振光线。反射光线通过成像光路正交偏振片后，成像图像会形成大片的阴影，仍然影响图像的清晰度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为了避免上述现有技术的缺陷，提供一种微循环清晰图像捕获技术方案，重新构造光路，在无需使用偏振光的基础上，使得被检物表面的反射光线无法进入成像光路，从而得到未受反射光线影响的清晰图像。
为解决以上技术问题，一方面，本发明实施例提供一种获得清晰微循环图像的方法，包括：
控制微小光源投射装置以投射角向被检物发出光线；所述投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算；
所述光线在被检物表面产生反射光线偏离显微镜光学系统；所述光线进入被检物内部组织发生散射后，产生漫反射光线并透出被检物后进入所述显微镜光学系统；
所述显微镜光学系统对所述漫反射光线进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。
进一步地，所述的获得清晰微循环图像的方法，还包括：
所述显微镜光学系统将获得的光线成像投射至成像捕获装置；所述成像捕获装置对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至计算机辅助成像装置；所述计算机辅助成像装置对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
另一方面，本发明实施例还提供了一种获得清晰微循环图像的装置，包括：显微镜光学系统，以及，至少一个微小光源投射装置；
所述微小光源投射装置，用于以投射角向被检物发出光线；所述投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算；
所述光线在被检物表面产生反射光线偏离显微镜光学系统；所述光线进入被检物内部组织发生散射后，生产漫反射光线并透出被检物后进入所述显微镜光学系统；
所述显微镜光学系统，用于对所述漫反射光线进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。
进一步地，所述的获得清晰微循环图像的装置，还包括：成像捕获装置和计算机辅助成像装置；所述显微镜光学系统，还用于将获得的光线成像投射至所述成像捕获装置；所述成像捕获装置，用于对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至所述计算机辅助成像装置；所述计算机辅助成像装置，用于对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
优选地，所述显微镜光学系统包括孔径光阑和多个用于光线成像的镜片，以调整所述显微镜光学系统的光学视场、系统分辨率和放大倍数。
进一步地，所述显微镜光学系统还包括成像通光区域。
优选地，所述微小光源投射装置包括微小LED灯珠阵列；所述微小LED灯珠阵列包括围绕所述成像通光区域均匀布置的多个LED。
优选地，所述微小光源投射装置还用于将光线投射至被测物表面，在所述被测物表面形成一个照度均匀的区域。
进一步地，所述的多个LED固定在基板上；所述基板上设有向各个LED提供电源的导线。
本发明实施例提供的微循环清晰图像捕获技术方案，利用光学领域的特点，结合被测物(尤其是皮肤或黏膜的内部组织)的光线传播特征，通过巧妙地设置微小光源投射装置与被测物的相对位置以及控制入射光线的投射角大小，避免被测物表面的照明光路的反射光线进入显微镜光学系统，同时，投射角大小以及被测物的散射特性决定了经过被测物内部组织漫反射后的成像光路光线可以进入显微镜光学系统，因此，成像光路的漫反射光线未叠加有照明光路的反射光线，即成像光路不受反射光线的影响，从而实现在无需使用偏振光和偏振片滤光的基础上，获得清晰的微循环图像。
附图说明
图1是本发明提供的获得清晰微循环图像的装置的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明提供的显微镜光学系统与微小光源投射装置及被测物的光线分布示意图。
图3是本发明提供的获得清晰微循环图像的装置的光路几何角度示意图。
图4是本发明提供的微小光源投射装置的一种结构的仰视图。
图5是本发明提供的获得清晰微循环图像的方法的一个实施例的步骤流程图。
图6本发明提供的获得清晰微循环图像的方法的又一个实施例的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参看图1，是本发明提供的获得清晰微循环图像的装置的一个实施例的结构示意图。
在本实施例中，所述的获得清晰微循环图像的装置，包括：显微镜光学系统10，以及，至少一个微小光源投射装置20。
所述微小光源投射装置20，用于以投射角ρ向被检物(如皮肤或黏膜的内部组织)发出光线A；所述投射角ρ为光线A发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角ρ>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统10的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算，即正弦函数sin的反函数。
所述光线A在被检物表面产生反射光线B偏离显微镜光学系统10；所述光线A进入被检物内部组织发生散射后，生产漫反射光线C并透出被检物后进入所述显微镜光学系统10。
所述显微镜光学系统10，用于对所述漫反射光线C进行光线成像，获得未叠加有反射光线B的微循环清晰图像。由于进入至显微镜光学系统10中的光线不受反射光线B的影响，因而可以在无需添加偏振光和偏振片滤光的前提下即可获得用于生成清晰图像的光线，光线成像不受反射光线B影响。
对于显微镜光学系统10，数值孔径(NA)是光学的重要参数。例如，GB2609-81标准的系列显微镜物镜，显微镜都会注明其数值孔径(NA)的参数。
参看表1，是本发明提供的显微镜光学系统物镜的基本参数的多个示例。
表1显微镜光学系统物镜的基本参数
数值孔径NA是显微镜物镜的重要参数，与物镜的放大倍数，工作距离，景深有直接关系。一般来说，它与分辨率成正比，决定其分辨力的大小。
参看图2，是本发明提供的显微镜光学系统与微小光源投射装置及被测物的光线分布示意图。
数值孔径NA是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角θ半数的正弦之乘积，可以用公式表示如下：
NA＝n*sin(θ/2)(1)
孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。只有在孔径角θ范围内的光线才能进入显微镜光学系统10，孔径角θ范围外的光线无法进入显微镜光学系统10，不参加成像，因而不影响成像质量。
当被测物为皮肤组织时，皮肤组织表面的角质层类似于镜面，遵守光的反射定律，能强烈地反射光线。皮肤组织100微米深度下是良好的光散射体，遵守光的散射定律，能有效地散射光，在皮肤组织内部产生散射光线C’，散射光线C’透出皮肤组织后，在皮肤表面产生漫反射光线C进入显微镜光学系统10的光线成像器件中。
参看图3，是本发明提供的获得清晰微循环图像的装置的光路几何角度示意图。
微小光源投射装置10以与垂直方向夹角的投射角ρ发出光线A，到达皮肤组织表面；由于皮肤组织表面的角质层类似于镜面，遵守光的反射定律，如图3所示，则存在以下关系：
入射角α＝投射角ρ(2)
反射角β＝入射角α(3)
若要避免反射光线B进入显微镜光学系统10，从图3中可以看出，必须要求反射角β与孔径角θ满足关系：β>θ/2；因此，可以推出发射光线A的投射角ρ必须满足以下条件：ρ>θ/2；同时，根据方程(1)已知数值孔径NA与折射率n、孔径角θ的关系，并且空气的折射率n＝1.0，则可以得出在空气中存在以下关系：
孔径角(θ)＝2*arcsin(NA)(4)
则当投射角ρ>arcsin(NA)，即可避免皮肤表面的反射光线B进入显微镜光学系统10中叠加成像。
例如，对于分辨率较高的显微镜，通常其数值孔径NA＝0.25，则根据上述推导过程可知，投射角ρ需要大于14.5度。由于皮肤组织100微米深度下是良好的光散射体，遵守光的散射定律，散射光线C’反映皮肤组织内部特征，透出皮肤表面后进入显微镜光学系统10中进行成像。
本实施例无需使用偏振光和偏振片滤光，通过控制照明光线投射夹角，即可避免皮肤组织表面镜面反射光B进入显微镜光学系统10，只允许皮肤组织漫反射光C进入显微镜光学系统10。微循环物体反射的光线进入显微镜光学系统，到达成像捕获装置，通过计算机辅助成像模块得到清楚的微循环图像。
优选地，本实施例用于观察到生物(尤其是人体)内部皮肤组织微循环状况。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的获得清晰微循环图像的装置，还包括：成像捕获装置30和计算机辅助成像装置40。
其中，所述显微镜光学系统10，还用于将获得的光线成像投射至所述成像捕获装置30；
所述成像捕获装置30，用于对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至所述计算机辅助成像装置40；
所述计算机辅助成像装置40，用于对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
具体实施时，所述显微镜光学系统10包括孔径光阑和多个用于光线成像的镜片，以调整所述显微镜光学系统10的光学视场、系统分辨率和放大倍数。并且，进一步地，所述显微镜光学系统10还包括成像通光区域11。显微镜光学系统10内部设有数个镜片，用于光线成像。皮肤组织内部返回的漫反射光线C经过显微镜光学系统10的数个镜片后，在成像捕获装置30表面成一个放大的倒立的像。在具体实施过程中，显微镜光学系统10至少包括一个孔径光阑和两个镜片，使得其光学视场，系统分辨率，放大倍数均能满足微循环里血液细胞的观察。
参看图4，是本发明提供的微小光源投射装置的一种结构的仰视图。
在本实施例中，所述微小光源投射装置20包括微小LED灯珠阵列；所述微小LED灯珠阵列包括围绕所述成像通光区域11均匀布置的多个LED(图4中示意出4个小型LED)。所述微小光源投射装置20还用于将光线投射至被测物表面，在所述被测物表面形成一个照度均匀的区域。
具体实施时，所述的多个LED固定在基板21上；所述基板21上设有向各个LED提供电源的导线(图4中未示出)。
进一步地，与相对应，本发明实施例还利用图1实施例提供的获得清晰微循环图像的装置提供了一种获得清晰微循环图像的方法。
参见图5，是本发明提供的获得清晰微循环图像的方法的一个实施例的步骤流程图。
在本实施例中，所述的获得清晰微循环图像的方法主要包括以下步骤：
步骤S101：控制微小光源投射装置20以投射角向被检物发出光线；所述投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角ρ>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统10的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算，即正弦函数sin的反函数。所述光线A在被检物表面产生反射光线B偏离显微镜光学系统10；所述光线A进入被检物内部组织发生散射后，产生漫反射光线C并透出被检物后进入所述显微镜光学系统10；
步骤S102：所述显微镜光学系统10对所述漫反射光线C进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。
参见图6，本发明提供的获得清晰微循环图像的方法的又一个实施例的步骤流程图。
本实施例在图5实施例的基础上，进一步地，所述获得清晰微循环图像的方法还包括以下步骤S103～S105：
步骤S103：所述显微镜光学系统10将获得的光线成像投射至成像捕获装置30；
步骤S104：所述成像捕获装置30对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至计算机辅助成像装置40；
步骤S105：所述计算机辅助成像装置40对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
具体地，本实施例提供的获得清晰微循环图像的方法与图1实施例提供的获得清晰微循环图像的装置的工作原理基本相同，在此不再赘述。
本发明实施例提供的微循环清晰图像捕获技术方案，利用光学方面的规律和特点，结合被测物(尤其是皮肤或黏膜的内部组织)的光线传播特点，通过巧妙地设置微小光源投射装置与被测物的相对位置以及控制入射光线的投射角大小，重构光路，避免被测物表面的照明光路的反射光线进入显微镜光学系统，同时，由于投射角大小以及被测物的散射特性决定了经过被测物内部组织漫反射后的成像光路光线可以进入显微镜光学系统，因此，成像光路的漫反射光线未叠加有照明光路的反射光线，即成像光路不受反射光线的影响，从而实现在无需使用偏振光和偏振片滤光的基础上，获得清晰的微循环图像，设计巧妙，成本低。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种获得清晰微循环图像的方法，其特征在于，包括：
控制微小光源投射装置以投射角向被检物发出光线；所述投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算；
所述光线在被检物表面产生反射光线偏离显微镜光学系统；所述光线进入被检物内部组织发生散射后，产生漫反射光线并透出被检物后进入所述显微镜光学系统；
所述显微镜光学系统对所述漫反射光线进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。
2.如权利要求1所述的获得清晰微循环图像的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述显微镜光学系统将获得的光线成像投射至成像捕获装置；
所述成像捕获装置对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至计算机辅助成像装置；
所述计算机辅助成像装置对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
3.一种获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，包括：显微镜光学系统，以及，至少一个微小光源投射装置；
所述微小光源投射装置，用于以投射角向被检物发出光线；所述投射角为光线发射方向与垂直于被检物的方向之间的夹角，并满足条件：投射角>arcsin(NA)；其中，参数NA为显微镜光学系统的数值孔径；符号arcsin为反正弦运算；
所述光线在被检物表面产生反射光线偏离显微镜光学系统；所述光线进入被检物内部组织发生散射后，生产漫反射光线并透出被检物后进入所述显微镜光学系统；
所述显微镜光学系统，用于对所述漫反射光线进行光线成像，获得未叠加有反射光线的微循环清晰图像。
4.如权利要求3所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述装置还包括：成像捕获装置和计算机辅助成像装置；
所述显微镜光学系统，还用于将获得的光线成像投射至所述成像捕获装置；
所述成像捕获装置，用于对所述光线成像进行处理，获得图像数据并将其传送至所述计算机辅助成像装置；
所述计算机辅助成像装置，用于对所述图像数据进行数字处理后，显示出微循环数字图像。
5.如权利要求3所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述显微镜光学系统包括孔径光阑和多个用于光线成像的镜片，以调整所述显微镜光学系统的光学视场、系统分辨率和放大倍数。
6.如权利要求5所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述显微镜光学系统还包括成像通光区域。
7.如权利要求6所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述微小光源投射装置包括微小LED灯珠阵列；
所述微小LED灯珠阵列包括围绕所述成像通光区域均匀布置的多个LED。
8.如权利要求7所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述微小光源投射装置还用于将光线投射至被测物表面，在所述被测物表面形成一个照度均匀的区域。
9.如权利要求7所述的获得清晰微循环图像的装置，其特征在于，所述的多个LED固定在基板上；所述基板上设有向各个LED提供电源的导线。
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