CN106725345B - 利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，至少包括：可发射线偏振光的光源模块；可将线偏振光调制成圆偏振光的调光单元；可将被观测对象放大成像的镜头单元；可将经被测对象反射的光线进行成像的成像单元；以及可将镜头单元反射后带有被测对象信息的反射光处理形成图像的呈像模块；其中，光源模块位于镜头单元的镜头的外周，光源模块其光线照射方向的前方设有调光单元。因此，本装置具有比传统成像装置更好的成像性能；通过将环状光源设置在显微物镜的镜头部分代替原本设置在装置内显微物镜后方的的LED光源，拉近了光源与被测物体的距离，大大的提高了光的利用效率，从而可以降低半导体激光器的能量值。

Description

利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的 装置

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圆偏振侧流暗场成像技术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进行观测。因此通过了解微血流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。微血流情况对健康和疾病诊疗如此重要，对微血流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。为了实现利用微血流的精确诊疗，必不可少的需要能够在无创的情况下对微血流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，侧流暗场(SDF)成像技术和正交偏振光谱(OPS)成像技术是对于微血流进行成像的两种常用技术。

然而，常规的正交偏振光谱(OPS)成像技术中，由于偏振板对于正交偏振光的反射能力有上限，偏振反射光不能100％被过滤掉而造成成像中背景噪声过大，为了解决这个问题，侧流暗场(SDF)成像技术在2007年被提出，其原理如图1所示。

侧流暗场成像技术中，首先采用环形LED照明围绕在成像显微镜头周围，LED发出的光源同OPS成像技术一样，是特殊波长的光，但不是偏振光。LED光从显微镜头周围环形的照射到皮肤上，在皮肤表面发生散射的同时在皮肤内部发生散射。因为显微镜头距离皮肤很近，环状照射到皮肤上又反射回来的光很难进入镜头成像，而内部散射光的照射方向是随机的，会有一部分照射到显微镜头而在CCD上成像。这样就避免了皮肤表面反射直接对微微血管超微结构进行成像。

但是，传统的侧流暗场成像技术采用环形LED光源围绕在成像显微物镜镜头的周围，由于此光源不是偏振光，因此，绝大部分的光线发生散射无法反射到成像显微物镜中，也就是说光的利用率极低，成像很不清晰。而对于人体微血管超微结构的探测而言，由于一方面人体的微血管内皮细胞以及血细胞等超微结构本身就非常微小，另一方面后期需要实现实时观测，因此，成像清晰度的好坏对于观测结果的准确性与否紧密相关，并且直接影响疾病的诊断。

发明内容

根据上述不足之处，本发明的目的是提供一种增加光源利用率，提高成像清晰度的利用圆偏振侧流暗场成像技术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：一种利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，至少包括

可发射线偏振光的光源模块；

可将线偏振光调制成圆偏振光的调光单元；

可将被观测对象放大成像的镜头单元；

可将经被测对象反射的光线进行成像的成像单元；

以及可将镜头单元反射后带有被测对象信息的反射光处理形成图像的呈像模块；

其中，光源模块位于镜头单元的镜头的外周，光源模块其光线照射方向的前方设有调光单元。

优选的是：所述的光源模块包括与镜头单元的镜头可拆卸连接的光源固定装置，所述的光源固定装置内设有向被测对象发出照射光的光源。

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：所述的光源固定装置包括环状支架，所述环状支架的靠近被测物体的一端设有底板，所述的底板上均匀环设有若干承载光源的通孔，所述环状支架的外周设有遮光罩子。

优选的是：所述的调光单元为1/4波长板或者1/4相位差膜。

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：所述的成像单元为双胶合消色差透镜，由凹凸透镜和双面凸透镜组成。

优选的是：所述的镜头单元、成像单元和呈像模块的外周设有固定框架。

本发明的有益效果在于：

(1)通过调光单元将垂直线偏振光转变为圆偏振光，并照射到人体皮肤上，使得入射光具有更好的透射能力和成像清晰度，因此，本装置具有比传统成像装置更好的成像性能，能够实现对人体微血管内皮细胞以及血细胞的清晰观测；

(2)通过将环状光源设置在镜头单元的镜头部分代替原本设置在装置内显微物镜后方的的LED光源，拉近了光源与被测物体的距离，大大的提高了光的利用效率，从而可以降低半导体激光器的能量值；

(3)将本装置通过固定框架进行密封，制成手持式的简式装置，使用起来非常方便。

(4)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是背景技术的设备原理图；

图2是本发明的光线原理图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明的光源模块实施例一的结构示意图一；

图5是本发明的光源模块实施例一的结构示意图二；

图6是本发明的光源模块实施例一的结构示意图三；

图7是本发明的光源模块实施例二的结构示意图一；

图8是本发明的光源模块实施例二的结构示意图二

图9是本发明的光源模块实施例二的结构示意图三；

图10是光照强度和照射范围的关系图。

图中，1-呈像模块；2-成像单元；3-镜头单元；4-光源；5-环状支架；6-调光单元；7-皮肤；8-微血管；9-固定框架；10-底板；11-通孔；12-内圆环；13-遮光罩子；A-入射光；B-微血管超微结构的后向散射非偏振光。

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。

实施例1

如图2-3所示的一种利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，至少包括：可发射线偏振光的光源模块；可将线偏振光调制成圆偏振光的调光单元；可将被观测对象放大成像的镜头单元；可将经被测对象反射的光线进行成像的成像单元；以及可将镜头单元反射后带有被测对象信息的反射光处理形成图像的呈像模块；其中，光源模块位于镜头单元的镜头的外周，光源模块其光线照射方向的前方设有调光单元。

进一步的，呈像模块为带CCD传感器或者CMOS传感器的数字相机。

进一步的，光源模块包括与镜头单元的镜头可拆卸连接的光源固定装置，光源固定装置内设有向被测对象发出照射光的光源。

进一步的，可拆卸连接的方式可以为卡扣式连接、螺纹连接、磁吸式连接等其他可拆卸方式。但是由于镜头单元都是标准件，要将其在镜头外周加工螺纹，难度相对较大，因此优选为卡扣式连接，较为简便的一种方式是通过在光源固定装置上贯穿若干个螺丝，通过螺丝顶住镜头单元的镜头的前端，将螺丝拧紧固定，便实现了固定在镜头单元上的目的。正由于镜头单元是标准件且非常昂贵，其卡扣式连接可以在光源固定装置内加设，从而不对镜头单元进行改变。光源固定装置内设有向被测物体发出照射光的光源。

进一步的，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。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，优选为半导体激光器，目前的半导体激光器的价格已经几乎等同于高性能大功率的LED，因此使用这样的半导体激光器光源几乎不会增加设备成本，且半导体激光器具有极好的偏振特性和直线传播特性。

进一步的，如图4-6所示的光源固定装置包括环状支架，环状支架的靠近被测物体的一端设有底板，底板上均匀环设有若干承载光源的通孔，环形支架的中心位置设有与镜头单元的镜头相配合的内圆环，可在此内圆环内设置与镜头单元的镜头相连接的可拆卸装置。环状支架的外周设有遮光罩子13，遮光罩子13为不透光材料，或者涂覆防黑色反射层，为了防止外部的光线进入镜头，并在成像单元中成像，从而导致光线的干扰。同时，也可以防止入射光的光线进入人体眼睛，对人体眼睛造成一定的伤害或不适。

进一步的，如图4-6所示通孔的中心轴线与镜头单元中心的轴线平行。光源的入射光正对皮肤表面射入。

进一步的，调光单元为1/4波长板或者1/4相位差膜。可以实现将入射的线偏振光调整为穿透力更强成像效果更清晰的圆偏振光。其中，优选1/4相位差膜。1/4相位差膜又称为1/4聚合物相位延迟膜，有一种高度耐用的双折射聚合物片制作，能够修改透射光的偏振状态，具有1/4波长板的功能，同时1/4相位差膜耐用且价格低廉，极大增强了设备的可维护性以及降低了成本(增加一下成本的计算对比)。具体参照表1关于1/4波长板和1/4相位差膜的比对情况。

表1 1/4波长板或者1/4相位差膜各参数比对情况

	1/4波长板	1/4相位差膜
			材料形状	圆形	方形
材料面积[mm]	76.2(直径)	100×100
			材质	水晶	双折射聚合物
透过率	>98％	>90％
			厚度[mm]	9	0.075
价格	￥16462.5	￥142.5

由表1可知，在保证成像效果相差不大的情况下，1/4相位差膜的价格远远低于1/4波长板的价格，因此，采用1/4相位差膜可以大大降低本装置的维护和使用成本。另一方面，1/4相位差膜几乎没有厚度，而1/4波长板的厚度将近1cm，对于其安装在本装置前端的效果来说，也是1/4相位差膜优于1/4波长板。

进一步的，镜头单元3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，成像单元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，成像单元为双胶合消色差透镜，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，镜头单元和成像单元外周设有固定框架。通过固定框架将本装置制作成手持式的装置，使用起来可以随时移动，非常方便。

进一步的，遮光罩子13为圆柱形或者锥台形，如图9所示。由于镜头单元的镜头部分本身面积较小，其所形成的光圈面积也小，锥台的设计可以尽可能的扩大被测的区域。

本发明还提供一种利用本装置进行探测人体微血管超微结构的方法，包括如下步骤

(1)将被测物体放在光源固定装置的前方，开启光源，入射光为线偏振光，通过调光单元将线偏振光调整为圆偏振光；

(2)圆偏振光照射到被测物体，在皮肤表面，圆偏振光被反射回去成为圆偏振反射光；透过皮肤表面的入射光照射在微血管表面发生去偏振现象，成为非偏振散射光；

(3)皮肤表面反射的圆偏振反射光极少部分进入镜头单元，因而很难被成像单元成像；经微血管微结构反射的非偏振散射光绝大部分进入镜头单元，因而可以被成像单元成像，并由呈像模块显示图像。

由于镜头单元的前端与皮肤表面之间距离极小，因此皮肤表面反射的圆偏振反射光很少能够进入镜头单元而被成像单元所成像，而经微血管散射的光可以进入镜头单元而被成像单元成像，并由呈像模块显示图像。

实施例2

与实施例1不同的是，如图7-8所示，将通孔的中心轴线与镜头单元中心的轴线相交设置，且其交点位于入射光方向。当然，可将罩子设置成圆柱状，也可以是锥台状，仅需要根据入射光的交底，调整安装角度即可。这样设置是为了提高入射光的利用率。

激光或者LED光源照射到一个平面上时，光照强度在照射范围上呈高斯分布，如图10所示。当环状光源的每一个激光器垂直照射时，实际上照射到物镜观察范围的光强约为光照中心光强的10％左右，导致光照利用率的浪费。

采用斜向光照的方式，将光照中心调整到镜头单元观察范围内，使得观察范围内的光强为90％到100％，可以有效利用光照，达到以低功耗实现高亮照明的目的，也就是说可以降低激光的功率。这一点在实际应用过程中非常重要。具体论述如下。

能量高度集中的激光光束有可能对人体造成损害，如眼睛或皮肤。所以，国际电子技术委员会IEC(International Electrotechical Commission)和食品及药品管理局FDA(Food and Drug Administration)对激光设备的安全性，按其激光输出值的大小进行了分类。正规生产激光设备，其安全等级均应按FDA或IEC标准进行标注。IEC标准将激光设备分为五个等级，分别称为Class1,Class2,Class3A,Class3B,Class4。例如，Class1级激光设备，在“可预见的工作条件下”是一种安全设备；而Class4级的激光设备，则是可能生成有害的漫反射的设备，会引起皮肤的灼伤乃至火灾，使用中应特别小心。FDA标准将激光设备分为六个等级，即ClassⅠ，ClassⅡa,ClassⅡ,ClassⅢa,ClassⅢb和ClassⅣ。对ClassⅠ级者，其激光辐射量不认为是有害的，对ClassⅣ级者，其激光辐射量无论是直接辐射还是散射(Scattered)，对皮肤和眼睛均是有害的。

Class I：低输出激光(功率小于0.4mW)，不论何种条件下对眼睛和皮肤，都不会超过MPE值，甚至通过光学系统聚焦后也不会超过MPE值。可以保证设计上的安全，不必特别管理。典型应用如激光教鞭，CD播放机，CD-ROM设备，地质勘探设备和实验室分析仪器等。

Class II：低输出的可视激光(功率0.4mW-1mW)，人闭合眼睛的反应时间为0.25秒，用这段时间算出的曝光量不可以超过MPE值。通常1mW以下的激光，会导致晕眩无法思考，用闭合眼睛来保护，不能说完全安全，不要直接在光束内观察，也不要用Class II激光直接照射别人的眼睛，避免用远望设备观察Class II激光。典型应用如课堂演示，激光教鞭，瞄准设备和测距仪等。

Class III：中输出激光，光束若直接射入眼睛，会产生伤害，基于某些安全的理由，进一步分为IIIA和IIIB级。

IIIA级为可见光的连续激光，输出为1-5mW的激光束，光束的能量密度不要超过25W/m－m，避免用远望设备观察IIIA激光，这样可能增大危险。IIIA的典型应用和Class II级有很多相同之处，如激光教鞭，激光扫描仪等。

III B级为5-500mW的连续激光，直接在光束内观察有危险。但最小照射距离为13cm，最大照射时间十秒以下为安全。IIIB激光的典型应用如光谱测定和娱乐灯光表演等。

ClassIV：高输出连续激光(大于500mW)，高过第三级，有火灾的危险，扩散反射也有危险。典型应用如外科手术，研究，切割，焊接和显微机械加工等。

另一种分类方法是将激光器的安全级别一般分为4级。

ClassⅠ:低输出激光(功率小于0.4mW)。基本不会对眼睛产生危害，可以保证设计上的安全，不必特别管理。

ClassⅡ:低输出的可视激光(功率0.4mW-1mW)，通常1mW以下的激光，会导致晕眩无法思考，用闭合眼睛来保护，一般即可消除症状。不要直接在光束内观察，也不要用小于1mw的激光直接照射别人的眼睛，避免用远望设备观察ClassⅡ的激光。

ClassⅢ有ⅢA和ⅢB级：ClassⅢA级为可见光的连续激光，输出为1-5mW的激光束，避免用远望设备观察I激光，这样可能增大危险，同ClassⅡ一样，不要直接在光束内观察，也不要用ClassⅢA的激光直接照射别人的眼睛。

ClassⅢB级为5-500mW的连续激光，直接在光束内观察有危险，也不要用ClassⅢB的激光直接照射别人的眼睛，这样危险会更大。ClassⅣ级为高输出连续激光(大于500mW)，高过第三级，有火灾的危险，扩散反射也有危险，尤其值得注意。孩童请避免直接观看此类激光。

因此，激光光源在本装置的利用过程中，利用斜向光照，能够实现从垂直照射的10％光强提升至90％-100％。因此假设垂直照射使用ClassIIIA级5mW激光光源，在斜向光照及全息膜聚光情况下仅需要ClassII的0.4-0.8mW激光光源即可，极大的提升了系统使用安全性。

Claims (5)

1.一种利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：至少包括

可发射线偏振光的光源模块，所述的光源模块包括与镜头单元(3)的镜头可拆卸连接的光源固定装置，所述光源固定装置内设有向被观测对象发出照射光的光源(4)；所述光源(4)为能够发出线偏振光的镀偏振膜的LED或者半导体激光器；

可将线偏振光调制成圆偏振光的调光单元(6)；

可将被观测对象放大成像的镜头单元(3)；

可将经被测对象反射的光线进行成像的成像单元(2)；

以及可将镜头单元(3)反射后带有被测对象信息的反射光处理形成图像的呈像模块(1)；

其中，所述光源模块位于镜头单元(3)的镜头的外周，所述光源模块其光线照射方向的前方设有调光单元(6)，所述调光单元(6)为1/4波长板或者1/4相位差膜，用于将垂直线偏振光转变为圆偏振光。

2.根据权利要求1所述利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述光源固定装置包括环状支架(5)，所述环状支架(5)的靠近被测物体的一端设有底板(10)，所述底板(10)上均匀环设有若干承载光源的通孔(11)，所述环状支架(5)的外周设有遮光罩子(13)。

3.根据权利要求1所述利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述镜头单元(3)为显微镜物镜或可变焦镜头。

4.根据权利要求1所述利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述成像单元(2)为双胶合消色差透镜，由凹凸透镜和双面凸透镜组成。

5.根据权利要求1所述利用圆偏振侧流暗场成像技术探测人体微血管超微结构的装置，其特征在于：所述镜头单元(3)、成像单元(2)和呈像模块的外周设有固定框架(9)。