CN106595860A - 多光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多光谱成像系统，包括光源系统、图像采集系统、图像处理系统、图像显示设备、陷波分光片和衰减片，光源系统所发出光用于激发组织样本、上荧光剂，反射光及可见光经图像采集系统采集后由图像处理系统进行数据处理，最后成像于图像显示设备。本发明可使白光与近红外光或红外荧光同时成像显示，从硬件上提高了红外荧光与白光的亮度对比度和精确选择小范围波段光波通过，有效减少后续图像处理工作量，减少目标图像重构所需的数据采集。且光路设计合理，在最短的路程及最小的空间实现光波段选择和光采集，满足图像去噪处理，不但解决双光源图像采集结构复杂、图像的软件处理困难的问题，还具有探测灵敏度高、结构简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及多光谱成像系统，主要用于微创外科手术中内窥镜照明和病灶处诊断定位等。
背景技术
多光谱成像系统是一种获取光谱特征和图像信息的基本设备，是光电遥感技术中的核心。多光谱成像系统多数属于被动工作，按其工作方式的不同可以分为光学成像和扫描成像两大类。随着成像技术的发展，可见光、红外、微光、紫外、激光等传感器系统大量涌现和应用，由多传感器和多平台获得同一目标的多种图像数据越来越多。
目前市场上多光谱成像系统包括有两个或者多个图像传感器协同工作，共同拍摄同一画面，然后再进行图像的拼合叠加处理后显示在显示器上。然而，上述两个或者多个图像传感器在拍摄同一画面时存在拍摄角度、聚焦点偏移、画面大小等不同，后期图像拼合叠加需采用较复杂算法来处理。
并且，部分多光谱成像系统实际应用中，尤其标本或者组织上的荧光剂受到激发光的照射后，荧光剂自身发出某个波段的荧光。当荧光剂发出荧光为近红外或者红外光时，要想得到荧光与白光叠加的标本或者组织图像，一般采用两个图像传感器，及一个仅采集荧光的图像，另外一个仅采集白光图像。两个图像传感器同步处理拍摄到的图像，然后再进行荧光和白光图像的拼合叠加显示出来。这种图像采集系统结构复杂、图像的软件处理十分困难，还有激发光源的独立运行操作复杂、激发光照射点与图像采集点不同步可能造成荧光图像的缺失。为此，有必要研发一种的结构简单、图像后期处理方便的多光谱成像系统。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供多光谱成像系统，解决双光源图像采集结构复杂、图像的软件处理困难等问题。为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种多光谱成像系统，包括光源系统、图像采集系统、图像处理系统和图像显示设备，还包括陷波分光片和衰减片，所述光源系统所发出光用于激发组织样本上荧光剂，反射光及可见光经图像采集系统采集后由图像处理系统进行数据处理，最后成像于图像显示设备，陷波分光片将光源系统发出光反射至衰减片，透过衰减片5到达组织样本，组织样本反射的光透过陷波分光片和衰减片，到达图像采集系统。
本发明进一步地，所述光源系统发射主波长是808nm的激光。
本发明进一步地，陷波分光片采用AL2O3和SiO2材质的镀膜，使808nm光透过率小于0.1％，使400nm～900nm范围的光透过率大于99.5％。
本发明进一步地，所述衰减片采用Ta2O5和SiO2材质的镀膜，使400nm～700nm光透过率维持在30％左右，而700nm～900nm光经衰减片的透过率大于99.5％。
本发明进一步地，所述光源系统包括发射激光的光源模块、扩束器和散光片，使得由光源模块发出的激光经扩速器改变光束直径和发散角，再经散光片分割光束得到光斑均匀的激光。
本发明进一步地，在扩束器和散光片之间还设置有改变光路走向的反射片。
本发明进一步地，所述图像采集系统包括用于选取光波段的陷波滤光片、IR聚焦镜头和图像传感器。
本发明进一步地，所述陷波滤光片使808nm光透过率小于0.1％，使400nm～900nm范围光透过率大于99.5％，所述IR聚焦镜头8使400nm～900nm范围光透过率在99.5％左右，使物体成像在所述图像传感器上。
本发明进一步地，所述图像采集系统还包括与IR聚焦镜头配合设置的调焦装置。
本发明进一步地，图像处理系统包括图像传感器，通过软件算法对图像增强处理，可见光在图像传感器10上产生的亮度信号低于反射光在图像传感器10上产生的亮度信号。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明多光谱图像成像系统，可使白光与近红外光或红外荧光同时成像显示，其光源系统结合陷波分光片和衰减片，衰减片从硬件上提高了红外荧光与白光的亮度对比度，有效减少后续图像处理工作量，陷波分光片精确选择小范围波段光波通过，反射或吸收掉其他不希望通过波段，减少目标图像重构所需的数据采集，同样有利于后续图像处理简单化。
本发明光路设计合理，在最短的路程及最小的空间实现光波段选择和光采集，满足图像去噪处理，不但解决双光源图像采集结构复杂、图像的软件处理困难的问题，还具有探测灵敏度高、结构简单的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明多光谱成像系统的结构示意图；
图2是本发明陷波分光片光谱曲线图；
图3是本发明衰减片光谱曲线图。
图中各附图标记的含义如下。
1光源模块 2扩速器
3反射片 4散光片
5衰减片 6陷波分光片
7陷波滤光片 8IR聚焦镜头
9调焦装置 10图像传感器
11图像处理模块 12显示设备
13组织样本
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，不用来限制本发明的范围。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明多光谱成像系统，包括光源系统、图像采集系统、图像处理系统和图像显示设备，还包括陷波分光片6和衰减片5，所述光源系统所发出光用于激发组织样本13上荧光剂，反射光及可见光经图像采集系统采集后由图像处理系统进行数据处理，最后成像于图像显示设备，陷波分光片6将光源系统发出光反射至衰减片5，透过衰减片5到达组织样本13，组织样本13反射的光透过陷波分光片6和衰减片5，到达图像采集系统。本发明光源系统发射光特定为主波长808nm的激光。
陷波分光片6，通过其上涂覆的镀膜层精确选择小范围波段光波通过，该陷波分光片6使用石英玻璃，通过离子溅射镀膜技术，采用AL2O3和SiO2材质的镀膜，使808nm光透过率小于0.1％，使400～800nm，818～900nm范围的光透过率大于99.5％。反射或吸收掉其他不希望通过波段。陷波分光片6使808nm光透过率小于0.1％，使400nm～900nm范围的光透过率大于99.5％，从而将由光源系统发出的光集中在400nm～900nm范围，光谱曲线如图1所示。
衰减片5，通过其上涂覆的镀膜层，衰减片5使用石英玻璃，同样通过离子溅射镀膜技术，采用Ta2O5和SiO2材质的镀膜，使400nm～700nm光透过率维持在30％左右，而700nm～900nm光经衰减片5的透过率大于99.5％，具体地，中心波长705nm T＝50％，400～690nm T≈30％，720～900nm T>99.5％。同样精确选择小范围波段光波通过，反射或吸收掉其他不希望通过波段。使400nm～700nm光透过率维持在30％左右，而700nm～900nm光经衰减片5的透过率大于99.5％。衰减片5是从硬件上提高了红外光(荧光)与白光的亮度对比度，减少图像软件工作量。
应当说明的是，本光源系统发射光特定为主波长808nm的激光，光源系统包括发射激光的光源模块1、扩束器2和散光片4。扩束器2是把光源模块1发出的激光束斑面积扩大10倍。由光源模块1发出的激光经扩速器2改变光束直径和发散角，再经散光片4分割光束得到光斑均匀的激光，即散光片4采用光束分割器技术对激光进行匀光效果，使激光光斑更均匀，减少激光的多横模特性对显示图像的影响。并且，在所述扩束器2和散光片4之间设置有反射片3，反射片3上镀膜层在808nm透过率小于1％，使激光经反射片3反射性能好。
如图1所示，本发明图像采集系统包括用于选取光波段的陷波滤光片7、IR聚焦镜头8和图像传感器10。陷波滤光片7使808nm光透过率小于0.1％，使400nm～900nm范围光透过率大于99.5％，陷波滤光片7进一步滤除808nm波段的红外光减少对图像传感器10的感光。IR聚焦镜头8使400nm～900nm范围光透过率在99.5％左右，使物体成像在所述图像传感器10上。且，图像采集系统还包括与IR聚焦镜头8配合设置的调焦装置9。
图像处理系统包括图像传感器10，可见光在图像传感器10上产生的亮度信号低于反射光在图像传感器10上产生的亮度信号。本发明图像处理，首先基于光学硬件的设置，衰减片5降低可见光到达图像传感器10的感光亮度，相对提高了红外光到达图像传感器10的亮度，使可见光在图像传感器10上产生的亮度信号低于红外光在图像传感器10上产生的亮度信号，之后通过软件算法把图像传感器10感光红外图像加以高亮显示。
图像传感器10对红外光的感光表现形式是亮度比较强，与周围像素点形成明显的亮暗差别，对白光图像感光进行正常的色彩转换，这样一幅图像有红外图像又有白光的图像，然后通过软件算法对图像增强处理，如图1所示的图像处理模块11。图像增强系统软件的关键算法有两方面，一是图像对比度的增强，二是彩色图像增强。
图像对比度的增强步骤是用于计算出图像中各像素点之间的相对明暗关系，通过这个明暗关系对各像素灰度值进行校正。算法公式是图像像素点X和Y之间的相对明暗值是Y/X＝log dy-log dx，然后再对图像进行线性灰度的变换。
假设原图像f(x，y)灰度分布范围在{min，max}，变换后的图像是g(x，y)灰度分布范围{0，255}，则线性变换公式是
g(x，y)＝(f(x，y)-min)/(max-min)*255
彩色图像的增强是通过每个像素点的运算得到。图像是由像素点组成。彩色像素点是有RGB三个数值组成，可以把一幅彩色图像当成三个独立的二维像素点阵进行处理，在每个颜色通道上，每个像素对应着相应的感光元件对红绿蓝广西的响应值。整个输入的图像S(x，y)，则将其分解为SR(x，y)，SG(x，y)，SB(x，y)三幅图像，将图像经过公式S(x，y)＝logS(x，y)在对数域中处理，将增强后的结果图像J(x，y)中的像素点灰度值都初始化为constant，即J(x，y)＝constant。水平方向上令h＝width/2，计算S(x，y)与S(x+h，y)之间的相对明暗关系J(x+h)(y)＝constant+(logd(x+h)(y)-logd(x)(y))。垂直方向上令l＝height/2，计算S(x，y)与S(x，y+l)之间的相对明暗关系J(x)(y+l)＝constant+(logd(x)(y+l)-logd(x)(y))。令h＝h/2，l＝l/2，重复水平方向上和垂直方向上的计算，直到h＝1且l＝1。对增强后的图像J(x，y)使用公式g(x，y)＝(f(x，y)-min)/(max-min)*255进行变换，变换后的三幅图像按R、G、B顺序依次写入一幅图像中输出，最终显示在显示设备12上。
因此，本发明多光谱图像成像系统，可使白光与近红外光或红外荧光同时成像显示，其光源系统结合陷波分光片和衰减片，衰减片从硬件上提高了红外荧光与白光的亮度对比度，有效减少后续图像处理工作量，陷波分光片精确选择小范围波段光波通过，反射或吸收掉其他不希望通过波段，减少目标图像重构所需的数据采集，同样有利于后续图像处理简单化。且本发明光路设计合理，在最短的路程及最小的空间实现光波段选择和光采集，满足图像去噪处理，不但解决双光源图像采集结构复杂、图像的软件处理困难的问题，还具有探测灵敏度高、结构简单的特点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.多光谱成像系统，其特征在于：包括光源系统、图像采集系统、图像处理系统和图像显示设备，还包括陷波分光片(6)和衰减片(5)，所述光源系统所发出光用于激发组织样本(13)上荧光剂，反射光及可见光经图像采集系统采集后由图像处理系统进行数据处理，最后成像于图像显示设备，陷波分光片(6)将光源系统发出光反射至衰减片(5)，透过衰减片5到达组织样本(13)，组织样本(13)反射的光透过陷波分光片(6)和衰减片(5)，到达图像采集系统。
2.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述光源系统发射主波长是808nm的激光。
3.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：陷波分光片(6)采用AL2O3和SiO2材质的镀膜，使808nm光透过率小于0.1％，使400～800nm，818～900nm范围的光透过率大于99.5％。
4.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述衰减片(5)采用Ta2O5和SiO2材质的镀膜，使400nm～700nm光透过率维持在30％左右，而700nm～900nm光经衰减片(5)的透过率大于99.5％。
5.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述光源系统包括发射激光的光源模块(1)、扩束器(2)和散光片(4)，使得由光源模块(1)发出的激光经扩速器(2)改变光束直径和发散角，再经散光片(4)分割光束得到光斑均匀的激光。
6.根据权利要求5所述的多光谱成像系统，其特征在于：在扩束器(2)和散光片(4)之间还设置有改变光路走向的反射片(3)。
7.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述图像采集系统包括用于选取光波段的陷波滤光片(7)、IR聚焦镜头(8)和图像传感器(10)。
8.根据权利要求7所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述陷波滤光片(7)使808nm光透过率小于0.1％，使400nm～900nm范围光透过率大于99.5％，所述IR聚焦镜头8使400nm～900nm范围光透过率在99.5％左右，使物体成像在所述图像传感器10上。
9.根据权利要求7所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述图像采集系统还包括与IR聚焦镜头(8)配合设置的调焦装置(9)。
10.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于：所述图像处理系统包括图像传感器10，通过软件算法对图像增强处理，可见光在图像传感器10上产生的亮度信号低于反射光在图像传感器10上产生的亮度信号。
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