CN106580268B - 利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，至少包括光源模块、分光偏振单元、镜头模块和呈像模块；其中，光源模块包括光源和位于光源照射方向用于将光线的传播成为柱状直线传播的准直单元；镜头模块依次包括成像单元和镜头单元；呈像模块为数字相机。通过将分光偏振单元代替原本的分光器和偏振板，大大的降低了“无创动态微血管超微结构观测系统”结构的复杂性，却还能保证原有的成像效果；通过将分光偏振单元代替原本的分光器和偏振板，大大降低了“无创动态微血管超微结构观测系统”的成本，提高了“无创动态微血管超微结构观测系统”的推广和使用，极大了改变了人体微血管超微结构的探测方法，有利于疾病的预防、诊断和治疗。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光学成像技术进行医学诊断的医疗器械，具体的说是一种利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置。
背景技术
微循环是指微动脉与微静脉之间的血液与组织细胞进行物质交换的场所。微循环的功能，形态和代谢的完整是维持人体器官正常功能所不可缺少的条件。通过微循环的研究，便于进一步了解人体各脏器的特殊功能，认知疾病的发病机理，有利于疾病预防，诊断和治疗。各种不同的疾病状态包括糖尿病，高血压和冠心病等，都会引起微循环的病态，包括微血管管径，微血管密度以及微血管内的微血流速度等参数的变化，还能够对微血管内皮细胞以及微血管内流动的血细胞等微血管超微结构进行观测。因此通过了解微微血管超微结构情况来把握微循环质量，对于各类疾病的诊断和治疗有着极其重要的作用。微血管超微结构情况对健康和疾病诊疗如此重要，对微血管超微结构情况进行高精度的数字化定量化，实现精确诊疗就有重大的必要性。为了实现利用微血管超微结构的精确诊疗，必不可少的需要能够在无创的情况下对微血管超微结构进行实时高清晰成像并数字化的“无创动态微血管超微结构观测系统”。
在医学领域，透过皮肤无创地对身体内部进行成像的方式有很多，例如，计算机断层成像(CT)技术以及核磁共振成像(MRI)技术等等。虽然这些技术产生的早，发展成熟，但是由于设备体积大，分辨率低，实时性差等缺点并不适合对微血流成像进行使用。其中，正交偏振光谱(OPS)成像技术是对于微血流进行成像的一种新技术。
能够在无创的情况下实时对活体微血流进行观察的成像系统在1999年被提出[1]：正交偏振光谱(OPS)成像技术。该技术的原理图如图1所示。具体的说：正交偏振光谱成像技术中，首先利用特殊波长的光作为成像光源，这样的光源既能够在一定程度上透过皮肤并在其内部进行散射又能够被微血管中的红血球所吸收。光源发出的光本身是非偏振光，需要透过偏振板(A)成为线性偏振光。然后，线性偏振光源通过位于系统中心的分光镜反射到皮肤表面。线性偏振光照射到皮肤表面时会产生两种光：与照射光偏振方向相同的偏振反射光以及照射到内部发生散射而失去统一偏振性的非偏振散射光。非偏振散射光在皮肤内部形成照射光源，又透过皮肤同偏振反射光一起通过分光镜照射到位于数字相机传感器CCD前方的偏振板(B)上。这时，非偏振散射光因为反映了内部微血流情况而需要被成像，但偏振反射光则需要被作为噪声过滤掉。因为偏振板B与偏振板A的偏振方向成正交，也就是与偏振反射光的偏振方向成正交。根据偏振板的特性，偏振反射光会被偏振板B反射回去而非偏振散射光会通过偏振板B而在CCD表面成像。这样，通过正交偏振的原理就可以在无创的情况下实时观测到微血流的影像了，这里因为红血球对光源具有一定的吸收作用，所以能够观察到微血管较暗，其他组织较亮的影像。
在以往的正交偏振光谱成像技术中，由于当时半导体激光技术还不够成熟，其价格仍然较LED昂贵，同时出射的激光的保偏性也不佳，因此必须是使用两枚线偏振板来实现精确地正交偏振。但是线偏振板往往价格很高，这就对产品的低成本化带来了困难。具体的说，分光器的价格将近1800元，偏振板的价格将近7300元，且偏振板极易损坏，对于产品的使用和维护带来了非常大的压力，也在一定程度上限制了“无创动态微血流成像系统”的推广和应用。另一方面，设备中采用的元器件越多，对元器件之间的固定和拆装都存在一定的难度。
发明内容
根据上述不足之处，本发明提供了一种结构简单，价格低廉的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，至少包括光源模块、分光偏振单元、镜头模块和呈像模块；其中，光源模块包括光源和位于光源照射方向用于将光线的传播成为柱状直线传播的准直单元；镜头模块依次包括成像单元和用于将被观测对象放大成像的镜头单元；呈像模块为数字相机。
优选的是：所述的分光偏振单元为偏振分光器或金属线栅偏振板。
优选的是：所述的准直单元为成像单元或平凸透镜。
优选的是：所述的成像单元为双胶合消色差透镜，所述的成像单元由凹凸透镜和双面凸透镜组成。
优选的是：所述的镜头单元为显微镜物镜或可变焦镜头。
优选的是：所述的光源为能够发出线偏振光的镀偏振膜的LED或者半导体激光器。
优选的是：所述分光偏振单元的侧部设置有阻断透过分光单元的光线的遮光板。
优选的是：所述准直单元与分光偏振单元之间设有直角反射平面镜。
优选的是：所述光源模块、分光偏振单元、镜头模块和呈像模块的外部设有固定框架。
本发明的有益效果在于：
(1)通过将分光偏振单元代替原本的分光器和偏振板，大大的降低了“无创动态微血管超微结构观测系统”结构的复杂性，却还能保证原有的成像效果；
(2)通过将分光偏振单元代替原本的分光器和偏振板，大大降低了“无创动态微血管超微结构观测系统”的成本，提高了“无创动态微血管超微结构观测系统”的推广和使用，极大了改变了人体微循环的探测方法，有利于疾病的预防、诊断和治疗；
(3)通过准直单元将从半导体激光器中发出的以辐射式传播的直线光转变为柱状直线光，提高入射光的光效，以提高成像的清晰度；
(4)通过外部的固定框架，将本装置容纳在整体装置中，并设置成手持设备，使用方便；
(5)通过直角反射平面镜将光源模块的方向与呈像模块的方向一致，使得整个设备更加紧凑。
(6)通过镜头单元能够对微血管内皮细胞以及血细胞等超微结构进行观测，通过镜头单元中的可变焦镜头既能够在大视野范围对微血管进行宏观观测也能够在小视野范围对微血管的超微结构进行微观观测。
附图说明
图1是现有技术的原理示意图；
图2是本发明的光线原理图一；
图3是本发明的结构示意图一；
图4是本发明的光线原理图二；
图5是本发明的结构示意图二；
图6是本发明的光线原理图三；
图7是本发明的结构示意图三；
图8是本发明的光线原理图四；
图9是本发明的结构示意图四；
图10是本发明入射光经过偏振分光器时的光线原理图；
图11是本发明入射光经过金属线栅偏振板时的光线原理图；
图12是本发明的成像单元的结构示意图；
图中，1-光源；2-准直单元；3-分光偏振单元；4-成像单元；5-镜头单元；6-遮光板；7-呈像模块；8-直角反射平面镜；9-固定框架；10-双面凸透镜；11-凹凸透镜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图2-3所示，本发明涉及一种利用正交偏振光谱成像探测人体微循环的装置，至少包括光源模块、分光偏振单元3、镜头模块和呈像模块7；其中，光源模块包括光源1和位于光源照射方向用于将光线的传播成为柱状直线传播的准直单元2；镜头模块依次包括成像单元4和用于将被观测对象放大成像的镜头单元5；呈像模块为数字相机。
其中，数字相机包括CCD传感器或者CMOS传感器的数字相机。
进一步的，准直单元2为非球面透镜或平凸透镜。
非球面透镜为双胶合消色差透镜，包括沿光源照射方向上依次设置的凹凸透镜和双面凸透镜，双面凸透镜的曲率半径小于凹凸透镜的曲率半径；
平凸透镜为沿光源照射方向上的平面和凸面；由于双胶合消色差透镜相对于平凸透镜的球面像差小，实现光线准直精度高，因此优选双胶合消色差透镜。
采用非球面透镜的附图例如图2、3、4、5、6、7、8、9中的a，采用平凸透镜的附图如图2、3、4、5、6、7、8、9中的b。
进一步的，成像单元4用于聚焦光线进入镜头单元并接收镜头单元的成像光线使之清晰成像于呈像单元，成像单元4为双胶合消色差透镜，如图12所示，由凹凸透镜和双面凸透镜组成，凹凸透镜和双面凸透镜的位置可以互换，例如沿光源照射方向上依次设置凹凸透镜和双面凸透镜，也可为沿光源照射方向上依次设置双面凸透镜和凹凸透镜。这是为了减少由于镜面曲率而造成折射率的误差，提高出射光的准直精度。两面透镜之间通过光学粘合剂粘接。
进一步的，镜头单元5为显微镜物镜或可变焦镜头。
显微镜物镜包括有限远补正显微物镜以及无限远补正显微物镜，具有很高的光学分辨率，能够实现对被观测物体部分宏观结构以及内部微结构，如血细胞和微血管内皮细胞的清晰成像，但是放大倍率固定，不可调节。
可变焦镜头是可以调节放大倍数以实现对观测范围进行扩大和缩小的镜头，不仅能够对被观测对象进行宏观结构的观测，也能够对被观测对象进行内部微结构，如血细胞和血管内皮细胞的清晰成像，但是光学分辨率相对于显微物镜较低。
可根据装置的使用目的和使用范围，对显微物镜和可变焦镜头进行选择性使用。例如既需要对大面积范围内的微血管分布密度进行统计，也需要观测血细胞对血流流动情况进行分析时，使用可变焦镜头；仅需要对血管内部血细胞和血管内皮细胞进行观测，并对成像质量要求较高时，使用显微物镜。
进一步的，光源1为能够发出线偏振光的镀偏振膜的LED或者半导体激光器。众所周知，LED发出的光线为非偏振光，为了使LED通过调光单元转换为圆偏振光，在LED发光部表面镀偏振膜层，LED发出的光线首先透过偏振膜层，变为偏振光。使用镀偏振膜的LED的优点为LED使用寿命长，照射均匀，不会出现斑点噪声。缺点为其发出的光线直线传播性差。因此，优选的为半导体激光器，半导体激光器和准直单元2组成光源模块，岀射的激光为准直激光，虽然半导体激光器的出射光为直线光，但是仍然是以辐射形式在空间传播，因此，需要在出射光的位置放置准直单元来将激光的传播成为柱状直线传播。激光波长在400-600纳米之间。
进一步的，光源模块、分光偏振单元3、镜头模块和呈像模块的外部设有固定框架9。通过固定框架9，将整个光学仪器组成一个整体，且由于所选的器件体积较小，可以将整个装置设置成手持设备，便于操作和使用。
进一步的，分光偏振单元3的侧部设置有阻断透过分光单元的光线的遮光板6。此处的遮光板6主要是防止激光误摄入人体的眼睛，造成眼睛的损伤。另一方面，激光具有一定的能量，虽然采用的激光器为小功率激光，不会造成热感，也不会照射到别的仪器上造成仪器损坏。但不管激光是否存在伤害性，为了使用安全，都必须对其进行遮光处理。
进一步的，其中的分光偏振单元为偏振分光器或金属线栅偏振板。
作为一个优选的实施例，其中，分光偏振单元3为偏振分光器，例如图2-5所示。普通的正交偏振光谱成像设备中使用分光器和偏振板来实现正交偏振光的分离。发明中使用偏振分光器来实现相同效果的正交偏振光分离，由于仅使用一个偏振分光器实现，比普通的正交偏振光谱成像设备价格低廉。
表1元器件的价格比较
从表1可以看出，常规的成像设备通常采用一块分光器和和两块偏振板，价格相当于一块偏振分光器的8.8倍，比一块偏振分光器的价格高出了14500多元人民币，并且，偏振板由于其材质和构造，极易损坏，这样势必大大提高了传统设备的售价，以及后期使用和维护的价格，在一定程度上限制了利用“无创动态微血流成像系统”进行疾病的预防、诊断和治疗的推广。而采用偏振分光器可以大大降低成像设备的成本以及使用和维护的费用，利于产品的推广，同时也便于利用“无创动态微血流成像系统”进行疾病的预防、诊断和治疗。
该系统内部结构简单，成本低。但是照射到皮肤上的激光为线偏振光，比起圆偏振光，它的穿透力虽然不够强，但足够进行简单的微血流观察，另外成像清晰度也可以依靠图像处理来修正。
作为一个优选的实施例，其中，分光偏振单元3还可以是金属线栅偏振板，如图6-9所示。偏振分光器的价格虽然远低于两枚线偏振板和一块分光偏振单元的价格，但仍然为上千元。为了进一步减少设备成本，本发明了采用廉价的金属线栅偏振板来代替偏振分光器，金属线栅偏振板具有与偏振分光器相同的功能，但是金属线栅偏振板的价格在几百元到一千元左右，低于偏振分光器的售价，这为进一步推广“无创动态微血流成像系统”起到了非常重要的作用。具体的价格比较参见表2。
表2元器件的价格比较
从表2结合表1可以看出，金属线栅偏振板的价格比偏振分光器的价格更为低廉，且体积小，更加不易损坏，在实际应用过程中占有极大的优势。
虽然金属线栅偏振板的价格低廉，但由于金属线栅偏振板无法以很高的反射率阻挡垂直线偏振光，因此该系统在成像方面会有背景噪声的存在。可是这种背景的灰度与微血流的灰度在图像中有极大的不同，因此可以利用图像直方图来对图像进行正规化的处理，这样就可以去除背景噪声的辉度，再现微血流的成像。
作为一个优选的实施例，在准直单元2与分光偏振单元3之间设有直角反射平面镜8，如图4、5、8和9所示。通过直角反射平面镜8，可以将光源的方向与呈像模块7的方向平行，使得整个设备更加紧凑，美观，便于握持和使用操作。增加直角反射平面镜8附图如图4、5和图8、9，不增加直角反射平面镜8附图如图2、3和图6、7。
一种利用本装置进行探测人体微血管超微结构的方法，如图2、4、6和8所示，特别是图10和11所示，包括如下步骤：
(1)将镜头单元5的镜头移动至被测物体的表面，开启光源1，入射光通过准直单元2形成柱状直线光；
(2)由于入射光为垂直线偏振光，因此该入射光照射到分光偏振单元3时，发生了反射率为90％以上的反射；
(3)反射光进入由成像单元4和镜头单元5所组成的镜头模块，并照射到皮肤上；这时，在皮肤表面发生了垂直线偏振的反射光以及在内部血管发生了非偏振的散射光，二者同时再次通过镜头模块，照射到分光偏振单元上；由于皮肤表面的反射光不发生偏振状态的改变，因此作为垂直线偏振光，皮肤表面的反射光被分光偏振单元以90％以上的反射率反射回去；由于内部血管发生的散射光为非偏振光，其中的平行偏振成分以90％以上的透射率透过分光偏振单元，最终在呈像模块7上成像。
Claims (7)
1.一种利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：至少包括光源模块、分光偏振单元(3)、镜头模块和呈像模块(7)；
所述光源模块包括光源(1)和位于光源照射方向用于将光线的传播成为柱状直线传播的准直单元(2)；
所述的镜头模块依次包括成像单元(4)和用于将被观测对象放大成像的镜头单元(5)；
所述的呈像模块（7）为数字相机；
所述的准直单元(2)为非球面透镜或平凸透镜；
所述非球面透镜为双胶合消色差透镜，包括沿光源照射方向上依次设置的凹凸透镜和双面凸透镜，双面凸透镜的曲率半径小于凹凸透镜的曲率半径；
所述平凸透镜为沿光源照射方向上的平面和凸面；
所述的成像单元(4)为双胶合消色差透镜，所述的成像单元由凹凸透镜和双面凸透镜组成。
2.根据权利要求1所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述的分光偏振单元(3)为偏振分光器或金属线栅偏振板。
3.根据权利要求1所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述的镜头单元(5)为显微镜物镜或可变焦镜头。
4.根据权利要求1所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述的光源(1)为能够发出线偏振光的镀偏振膜的LED或者半导体激光器。
5.根据权利要求1或2所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述分光偏振单元(3)的侧部设置有阻断透过分光单元的光线的遮光板(6)。
6.根据权利要求1所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述准直单元(2)与分光偏振单元(3)之间设有直角反射平面镜(8)。
7.根据权利要求1所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述光源模块、分光偏振单元(3)、镜头模块和呈像模块的外部设有固定框架(9)。
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