CN105877711A - 一种皮肤疾病多模态成像检测系统 - Google Patents

一种皮肤疾病多模态成像检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的皮肤疾病多模态成像检测系统，采用超连续谱激光器，针对特定皮肤组织选取不同波长，获得高光谱高分辨率共聚焦成像，同时结合光声技术成像深度大的特点，将高光谱成像技术、反射式共聚焦成像技术和光声成像技术三者进行系统集成，形成多模态光学成像系统，弥补了单一模态成像在皮肤诊断方面的不足，与单一模态技术相比，多模态技术提供更完整的信息，提高皮肤疾病诊断的敏感性、准确性和特异性等，实现高光谱、高分辨、高速、深层皮肤疾病诊断的多模态光学分子影像，为皮肤疾病的诊断和临床研究提供了新的技术手段，有利于皮肤病诊断水平的提高，同时可以指导皮肤病手术，对皮肤病药物治疗提供客观评价。

Description

一种皮肤疾病多模态成像检测系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其是涉及一种皮肤疾病多模态成像检测系统。
背景技术
皮肤计算机断层扫描成像，也称皮肤共聚焦、皮肤CT是皮肤疾病检测的重要工具。目前主要采用共聚焦原理，以激光点光源代替宽场光源照明样品，同时在探测器前使用针孔形成点探测，照明点与探测点相对于物镜焦平面共轭。焦平面以外的点不会在探测点处成像，这样可有效抑制杂散光的影响。通过振镜或位移台等扫描机构，形成空间上三维扫描成像，通过对图像的三维重建获得样品三维图像。
但是，采用共聚焦成像方法有写不足之处：1)采用的激光波长相对较少，由于皮肤组分的多样性，各种成分对不同波长光波的吸收反射特性存在较大差异，会导致采用不同波长时的成像效果不同，波长少则无法对特定的皮肤组分实现最佳的成像效果；2)成像深度不足。皮肤共聚焦成像具有一定的成像深度，但最大仍只能到500μm左右，仅能应用于在体观察表皮和真皮浅层，随着成像深度的增加，其空间分辨率显著降低，这限制了共聚焦成像在皮肤疾病诊断中的应用。
光声成像是近年来迅速发展的一种新型无损医学成像方法，基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的无损生物光子成像方法。它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，可以提供高对比度和高分辨率的组织影像，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(1mm)，可实现50mm的深层活体内组织成像。但是，其成像速度比共聚焦慢，分辨率比共聚焦差。
虽然，在皮肤疾病的检查诊断方面，虽然出现了多种皮肤影像技术手段，但均存在各自的缺点。此外，由于皮肤组织结构的复杂性、成分的多样性，单一模态成像能够提供的信息相对较少，无法满足实际需求。
因此，将高光谱成像技术、反射式共聚焦成像技术和光声成像技术三者进行系统集成创新，形成多模态光学成像系统，弥补单一模态成像在皮肤诊断方面的不足，已经迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是：提供一种皮肤疾病多模态成像检测系统，该皮肤疾病多模态成像检测系统将高光谱成像技术、反射式共聚焦成像技术和光声成像技术三者进行系统集成，形成多模态光学成像系统，弥补单一模态成像在皮肤诊断方面的不足。
本发明的技术方案是：一种皮肤疾病多模态成像检测系统，包括高光谱成像单元、反射式共聚焦成像单元、光学成像单元及控制单元；
所述高光谱成像单元包括：超连续谱激光器和声光可调谐滤波器，所述超连续谱激光器发出宽波段的光波进入所述声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器可选择一种或几种波长通过；
所述反射式共聚焦成像单元包括：第一1/2波片、PBS棱镜、XY检流计扫描振镜、中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、大数值孔径物镜、成像聚焦镜头、针孔、光电倍增管及第一放大器；
所述光学成像单元包括：激光器、第二1/2波片、可切换反射镜、PBS棱镜、XY检流计扫描振镜、中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、小数值孔径物镜、环形超声换能器及第二放大器；
所述反射式共聚焦成像单元的工作方式为：所述声光可调谐滤波器出射的光束经所述第一1/2波片后转变为S向偏振光，所述S向偏振光经所述PBS棱镜反射后再经所述XY检流计扫描振镜、中继镜头后进入所述共振振镜，经所述共振振镜行扫描后的光束，依次经所述中扫描透镜、筒镜和大数值孔径物镜后聚焦于皮肤组织样品上；所述皮肤组织样品反射或散射信号依次经所述大数值孔径物、筒镜和中扫描透镜后进入所述共振振镜，所述信号经所述共振振镜行扫描后再依次经所述中继镜头、XY检流计扫描振镜后，进入所述PBS棱镜，所述信号中的P光透射所述PBS棱镜并经所述成像聚焦镜头聚焦于所述针孔处，透过上述针孔的光束被所述光电倍增管接收并转换为第一电信号，所述第一电信号经所述第一放大器放大，由所述控制单元采集并图像重建获得组织的共聚焦图像；
所述光学成像单元的工作方式为：所述激光器出射的纳秒脉冲激光光束经所述第二1/2波片后转变为P向偏振光，所述P向偏振光束经所述可切换反射镜切换进入所述PBS棱镜，经所述PBS棱镜透射的P向偏振光束通过所述XY检流计扫描振镜扫描后再依次经所述中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、小数值孔径物镜后聚焦于皮肤组织样品上；所述皮肤组织样品吸收光波后产生光声信号，所述环形超声换能器将所述光声信号转换为第二电信号，所述第二电信号经过所述第二放大器放大并由所述控制单元采集数据后生成组织的光声图像。
下面对上述技术方案进一步解释：
所述XY检流计扫描振镜包括X振镜和所述Y振镜，在所述反射式共聚焦成像单元工作时，所述X振镜保持静止和所述Y振镜进行扫描。
在所述光学成像单元工作时，所述共振振镜保持静止。
所述大数值孔径物镜的孔径范围在1.0-1.4之间，所述小数值孔径物镜的孔径范围在0.3-1.0之间。
所述控制单元信号连接于所述超连续谱激光器、声光可调谐滤波器、XY检流计扫描振镜、共振振镜及激光器。
还包括信号连接于所述控制单元的显示单元。
本发明的优点是：
本发明提供的皮肤疾病多模态成像检测系统，采用超连续谱激光器，针对特定皮肤组织选取不同波长，获得高光谱高分辨率共聚焦成像，同时结合光声技术成像深度大的特点，将高光谱成像技术、反射式共聚焦成像技术和光声成像技术三者进行系统集成，形成多模态光学成像系统，弥补了单一模态成像在皮肤诊断方面的不足，与单一模态技术相比，多模态技术提供更完整的信息，提高皮肤疾病诊断的敏感性、准确性和特异性等，实现高光谱、高分辨、高速、深层皮肤疾病诊断的多模态光学分子影像，为皮肤疾病的诊断和临床研究提供了新的技术手段，有利于皮肤病诊断水平的提高，同时可以指导皮肤病手术，对皮肤病药物治疗提供客观评价。
附图说明
图1为本发明实施例提供的皮肤疾病多模态成像检测系统结构示意图。
其中：超连续谱激光器1和声光可调谐滤波器2、第一1/2波片3、PBS棱镜4、XY检流计扫描振镜5、中继镜头6、共振振镜7、中扫描透镜8、筒镜9、大数值孔径物镜10、皮肤组织样品11、成像聚焦镜头12、针孔13、光电倍增管14、第一放大器15、控制单元16、激光器17、第二1/2波片18、可切换反射镜19、小数值孔径物镜20、环形超声换能器21及第二放大器22。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的皮肤疾病多模态成像检测系包括高光谱成像单元、反射式共聚焦成像单元、光学成像单元、控制单元及显示单元。
其中，所述高光谱成像单元包括：超连续谱激光器1和声光可调谐滤波器2，所述超连续谱激光器1发出宽波段的光波进入所述声光可调谐滤波器2，所述声光可调谐滤波器2可选择一种或几种波长通过；
可以理解，超连续谱激光器1和声光可调谐滤波器2(Acousto-optic TurnableFilter，AOTF)组成一个快速波长选择和切换子系统，超连续谱激光器1发出宽波段的光波，AOTF在其中的波长范围内快速选择一种或几种波长通过，这样可以根据具体检测的皮肤位置或病变成分选择一些特殊的波长进行成像，以实现对特定皮肤成分的图像增强。
所述反射式共聚焦成像单元包括：第一1/2波片3、PBS棱镜4、XY检流计扫描振镜5、中继镜头6、共振振镜7、中扫描透镜8、筒镜9、大数值孔径物镜10、成像聚焦镜头12、针孔13、光电倍增管14及第一放大器15；
所述反射式共聚焦成像单元的工作方式为：所述声光可调谐滤波器2出射的光束经所述第一1/2波片3后转变为S向偏振光，所述S向偏振光经所述PBS棱镜4反射后再经所述XY检流计扫描振镜5、中继镜头6后进入所述共振振镜7，经所述共振振镜7行扫描后的光束，依次经所述中扫描透镜8、筒镜9和大数值孔径物镜10后聚焦于皮肤组织样品11上；所述皮肤组织样品11反射或散射信号依次经所述大数值孔径物镜10、筒镜9和中扫描透镜8后进入所述共振振镜7，所述信号经所述共振振镜7行扫描后再依次经所述中继镜头6、XY检流计扫描振镜5后，进入所述PBS棱镜4，所述信号中的P光透射所述PBS棱镜4并经所述成像聚焦镜头12聚焦于所述针孔13处，透过所述针孔13的光束被所述光电倍增管14接收并转换为第一电信号，所述第一电信号经所述第一放大器15放大，由所述控制单元16采集并图像重建获得组织的共聚焦图像；
可以理解，所述大数值孔径物镜10沿光轴可适量移动，每移动一个位置可得到一个层面上的共聚焦图像，经过图像重建可以得到皮肤组织的三维图像。
优选地，XY检流计扫描振镜单元5包括X振镜和所述Y振镜，其中，X振镜扫描速度较快，可以起到行扫描作用，Y振镜扫描速度较慢，可以起到列扫描作用，在上述反射式共聚焦成像模式下，X振镜保持静止，Y振镜扫描。
所述光学成像单元包括：激光器17、第二1/2波片18、可切换反射镜19、PBS棱镜4、XY检流计扫描振镜5、中继镜头6、共振振镜7、中扫描透镜8、筒镜9、小数值孔径物镜20、环形超声换能器21及第二放大器22；
所述光学成像单元的工作方式为：所述激光器17出射的纳秒脉冲激光光束经所述第二1/2波片18后转变为P向偏振光，所述P向偏振光束经所述可切换反射镜19切换进入所述PBS棱镜4，经所述PBS棱镜4透射的P向偏振光束通过所述XY检流计扫描振镜5扫描后再依次经所述中继镜头6、共振振镜7、中扫描透镜8、筒镜9、小数值孔径物镜20后聚焦于皮肤组织样品上；所述皮肤组织样品吸收光波后产生光声信号，所述环形超声换能器21将所述光声信号转换为第二电信号，所述第二电信号经过所述第二放大器22放大并由所述控制单元16采集数据后生成组织的光声图像。
优选地，在上述光声成像过程中共振振镜7保持静止，只有XY检流计扫描振镜5扫描。
优选地，所述大数值孔径物镜的孔径范围在1.0-1.4之间，所述小数值孔径物镜的孔径范围在0.3-1.0之间。
所述控制单元16还信号连接于所述超连续谱激光器1、声光可调谐滤波器2、XY检流计扫描振镜5、共振振镜7及激光器17。所述控制单元16优选为电子控制箱。
可以理解，控制单元16可以控制超连续谱激光器1和激光器17的开关、功率、记录同步信号等；还可以控制声光可调谐滤波器2进行波长选择，并对选择出的激光进行功率调节；同时，还可以控制XY检流计扫描振镜5、共振振镜7，设置扫描方式、范围，采样频率等；并通过控制采集第一放大器15和第二放大器22输出的电信号，进行图像重建生成共聚焦图像和光声图像，及将图像输出到显示单元23上。优选地，所述显示单元23为显示器。
本发明提供的皮肤疾病多模态成像检测系统，采用超连续谱激光器，针对特定皮肤组织选取不同波长，获得高光谱高分辨率共聚焦成像，同时结合光声技术成像深度大的特点，将高光谱成像技术、反射式共聚焦成像技术和光声成像技术三者进行系统集成，形成多模态光学成像系统，弥补了单一模态成像在皮肤诊断方面的不足，与单一模态技术相比，多模态技术提供更完整的信息，提高皮肤疾病诊断的敏感性、准确性和特异性等，实现高光谱、高分辨、高速、深层皮肤疾病诊断的多模态光学分子影像，为皮肤疾病的诊断和临床研究提供了新的技术手段，有利于皮肤病诊断水平的提高，同时可以指导皮肤病手术，对皮肤病药物治疗提供客观评价。
当然本发明的皮肤疾病多模态成像检测系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (6)

1.一种皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，包括高光谱成像单元、反射式共聚焦成像单元、光学成像单元及控制单元；
所述高光谱成像单元包括：超连续谱激光器和声光可调谐滤波器，所述超连续谱激光器发出宽波段的光波进入所述声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器可选择一种或几种波长通过；
所述反射式共聚焦成像单元包括：第一1/2波片、PBS棱镜、XY检流计扫描振镜、中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、大数值孔径物镜、成像聚焦镜头、针孔、光电倍增管及第一放大器；
所述光学成像单元包括：激光器、第二1/2波片、可切换反射镜、PBS棱镜、XY检流计扫描振镜、中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、小数值孔径物镜、环形超声换能器及第二放大器；
所述反射式共聚焦成像单元的工作方式为：所述声光可调谐滤波器出射的光束经所述第一1/2波片后转变为S向偏振光，所述S向偏振光经所述PBS棱镜反射后再经所述XY检流计扫描振镜、中继镜头后进入所述共振振镜，经所述共振振镜行扫描后的光束，依次经所述中扫描透镜、筒镜和大数值孔径物镜后聚焦于皮肤组织样品上；所述皮肤组织样品反射或散射信号依次经所述大数值孔径物镜、筒镜和中扫描透镜后进入所述共振振镜，所述信号经所述共振振镜行扫描后再依次经所述中继镜头、XY检流计扫描振镜后，进入所述PBS棱镜，所述信号中的P光透射所述PBS棱镜并经所述成像聚焦镜头聚焦于所述针孔处，透过所述针孔的光束被所述光电倍增管接收并转换为第一电信号，所述第一电信号经所述第一放大器放大，由所述控制单元采集并图像重建获得组织的共聚焦图像；
所述光学成像单元的工作方式为：所述激光器出射的纳秒脉冲激光光束经所述第二1/2波片后转变为P向偏振光，所述P向偏振光束经所述可切换反射镜切换进入所述PBS棱镜，经所述PBS棱镜透射的P向偏振光束通过所述XY检流计扫描振镜扫描后再依次经所述中继镜头、共振振镜、中扫描透镜、筒镜、小数值孔径物镜后聚焦于皮肤组织样品上；所述皮肤组织样品吸收光波后产生光声信号，所述环形超声换能器将所述光声信号转换为第二电信号，所述第二电信号经过所述第二放大器放大并由所述控制单元采集数据后生成组织的光声图像。
2.根据权利要求1所述的皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，所述XY检流计扫描振镜包括X振镜和所述Y振镜，在所述反射式共聚焦成像单元工作时，所述X振镜保持静止和所述Y振镜进行扫描。
3.根据权利要求1所述的皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，在所述光学成像单元工作时，所述共振振镜处于静止状态。
4.根据权利要求1所述的皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，所述大数值孔径物镜的孔径范围在1.0-1.4之间，所述小数值孔径物镜的孔径范围在0.3-1.0之间。
5.根据权利要求1所述的皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，所述控制单元信号连接于所述超连续谱激光器、声光可调谐滤波器、XY检流计扫描振镜、共振振镜及激光器。
6.根据权利要求5所述的皮肤疾病多模态成像检测系统，其特征在于，还包括信号连接于所述控制单元的显示单元。
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