CN107049242A - 扫描式人体微血管超微结构三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，至少包括：用于发射柱状直线传播的出射光的光源模块；用于使光线进行逐点传播的扫描模块；用于将光线部分反射，部分透过的分光单元；用于将光线集中一点照射到被测物体，并将微血流信息进行放大的扫描物镜；用于成像的成像模块；用于呈现图像的呈像模块。通过扫描模块，利用OPS成像原理，将皮肤内部的微血管超微结构信息以光点的形式进行采集，同时通过逐点扫描，将成像光点亮度的信息进行组合，复原出微血管超微结构的三维立体形状，且扫描模块逐点扫描的速度非常快，实现微血管超微结构的实时三维检测，以精确地对纵切面的微血管密度、微血管形状以及微血管内皮细胞和血细胞的形状等进行数字化定量化。

Description

扫描式人体微血管超微结构三维成像系统

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，具体的说是一种扫描式人体微血管超微结构三维成像系统。

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三维观测系统”。

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：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。

然而，常规的正交偏振光谱(OPS)成像技术只能呈现二维图像，利用对二维成像的分析虽然能够对微血流流速，微血管管径，以及横切面微血管密度进行定量化数字化，但由于二维成像无法取得深度信息，因此对于纵切面的微血管密度和微血管形状进行分析，二维成像并不能满足要求。这时就需要对成像设备进行改进，使其具有三维测量的能力，能够对微血管进行三维测量以获取深度信息，精确地对纵切面的微血管密度以及微血管形状、微血管内皮细胞和血细胞等微血管超微结构进行数字化定量化。

发明内容

根据上述不足之处，本发明的目的在于提供一种扫描式人体微血管超微结构三维成像系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，至少包括：

用于发射柱状直线传播的出射光的光源模块；

用于使光线进行逐点传播的扫描模块；

用于将光线部分反射，部分透过的分光单元；

用于将光线集中一点照射到被测物体，并将微血流信息进行放大的扫描物镜；

用于成像的成像模块；

用于呈现图像的呈像模块。

优选的是：所述的扫描模块为二轴扫描振镜系统。

优选的是：所述的二轴扫描振镜系统包括与电机控制模块相连的二轴振镜模块，所述的电机控制模块分为X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块，所述的X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块与振镜系统驱动模块相连，所述的振镜系统驱动模块由计算机或微处理器发出控制指令。

优选的是：成像模块与呈像模块之间设有偏振板。

优选的是：所述的扫描模块为微透镜圆盘系统。

优选的是：所述的微透镜圆盘系统包括圆盘模块，所述的圆盘模块依次与电机模块、电机控制模块、电机驱动模块和计算机或微处理器相连，所述的圆盘模块包括第一圆盘和第二圆盘，所述的第一圆盘和第二圆盘之间通过连接轴进行连接，所述的第一圆盘上设有设有若干个微透镜，所述的第二圆盘上设有与第一圆盘上的微透镜阵列相对应的成像小孔。

优选的是：成像模块为阵列透射单元。

优选的是：所述的光源模块为光源和用于将出射光调整成为柱状直线传播的准直单元。

优选的是：所述的准直单元为非球面透镜或平凸透镜。

优选的是：所述的分光单元为非偏振分光器或者半透镜。

本发明的有益效果在于：

(1)通过扫描模块，利用OPS成像原理，将皮肤内部的微血管信息以光点的形式进行采集，同时通过逐点扫描，将成像光点亮度的信息进行组合，复原出微血管的三维立体形状，且扫描模块逐点扫描的速度非常快，实现微血管的实时三维检测，以精确地对纵切面的微血管密度以及微血管形状进行数字化定量化。

(2)通过扫描模块与扫描物镜的配合，仅需要一个成像系统，即可实现三维成像，避免了传统三维成像系统中需要多个二维成像系统组合实现，使得本系统结构简单小巧，操作方便，降低了成本，这在实际应用推广过程中十分重要。

(3)本装置可以对微血流进行实时的检测，且成像效果清晰，这对于某些疾病的预防、诊断和治疗而言是一项革命性的发明创造。

附图说明

图1是本发明的背景技术的设备原理图；

图2是本发明实施例1的光线原理图；

图3是本发明实施例1的结构示意图一；

图4是本发明实施例1的结构示意图二；

图5是本发明实施例1的二轴扫描振镜系统的结构示意图；

图6是本发明实施例2的光线原理图；

图7是本发明实施例2的结构示意图；

图8是本发明实施例2的微透镜圆盘系统的结构示意图；

图9是本发明实施例2的圆盘模块的结构示意图；

图10是本发明实施例2的圆盘模块的侧视图；

图11是本发明实施例2的第一圆盘的结构示意图；

图12是本发明实施例2单个微透镜的透射成像原理图；

图13是本发明实施例2单个测量位置不同扫描成像图。

图中，1-光源；2-准直单元；3-扫描模块；31-二轴扫描振镜系统；32-微透镜圆盘系统；4-分光单元；5-扫描物镜；6-成像模块；7-偏振板；8-呈像模块；9-遮光板；10-固定框架；11-连接件；12-伸缩镜筒；13-旋转中心轴；14-圆盘固定卡槽；15-固定转接件；16-第一圆盘；17-第二圆盘；18-连接轴；19-微透镜；20-成像小孔。

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。

本发明涉及一种扫描式微血管超微结构三维成像系统，至少包括：用于发射柱状直线传播的出射光的光源模块；用于使光线进行逐点传播的扫描模块3；用于将光线部分反射，部分透过的分光单元4；用于将光线集中一点照射到被测物体，并将微血流信息进行放大的扫描物镜5；用于成像的成像模块6；用于呈现图像的呈像模块8。并且，所有元件的位置关系均符合光学原理。

根据扫描模块的不同，本发明分为两个实施例，现一一进行详细说明。

实施例1

如图2-4所示的扫描式微血管超微结构三维成像系统，其扫描模块3为二轴扫描振镜系统31。具体的说，如图5所示的二轴扫描振镜系统31包括与电机控制模块相连的二轴振镜模块，电机控制模块分为X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块，X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块与振镜系统驱动模块相连，振镜系统驱动模块由计算机或微处理器发出控制指令。

具体的说，计算机或微处理器向二轴扫描振镜系统31发出指令，使光源1在观测区域的平面上进行扫描。计算机向二轴振镜模块发出指令时使用的计算坐标系统要与平面扫描时的物理平面坐标通过坐标换算相统一，才能发出正确指令控制二轴振镜将激光指向指定的扫描点。坐标换算所使用的算法称为二轴振镜坐标换算。

根据线性系统原理，计算机或微处理器发送的计算坐标系为矩阵X，观测范围内的物理平面坐标系为矩阵Y，X轴电机控制矩阵为A，Y轴电机控制矩阵为B，以上矩阵关系如式1所示。这里，A，B为二轴振镜模块出厂前已经定标好的矩阵，为已知值，因此输入计算坐标，根据式1可得实际观测范围内的物理平面坐标；同理，输入设定的光源扫描点在实际观测范围内的物理平面坐标，可得计算机需要发出指令的计算坐标。

通过以上算法，利用二轴振镜将激光照射点按照预先设定的顺序调制到观测范围内的不同位置，并利用数字相机进行图像采集，以达到不同位置光源，同一位置图像采集的目的。利用光度立体三维测量方法，对多幅图像进行处理，实现微血流的三维测量。

作为一种优选的实施例，成像模块6与呈像模块8之间设有偏振板7，可以滤掉皮肤表面的反射光，减少干扰，避免影响画面的清晰度。

作为一种优选的实施例，光源模块为光源1和用于将出射光调整成为柱状直线传播的准直单元2。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。光源优选为半导体激光器。半导体激光器和准直单元组成光源模块，岀射的激光为准直激光，激光虽然是直线光，但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，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。

作为一种优选的实施例，分光单元4为非偏振分光器或者半透镜。半透镜与非偏振分光器均具有分光的功能，其中，半透镜为薄片形的镜片，而非偏振分光器为立方体形状。且从价格来说，非偏振分光器的价格需要好几千元，且安装的时候因体积较大安装不方便，再者，非偏振分光器容易损坏，因此，优选半透镜。

作为一种优选的实施例，此实施例中的成像模块6为非球面透镜即可，此成像模块的非球面透镜与光源模块中的非球面透镜一样，但是透镜的焦距不同，需要调整此处的非球面透镜或者显微物镜的位置，将此处的非球面透镜的焦点位置和显微物镜的后向焦点位置重合，在调整位置之后将非球面透镜和显微物镜用透镜镜筒固定。

作为一种优选的实施例，光源模块、二轴扫描振镜系统3、分光单元4、扫描物镜5、偏振板7、成像模块6和呈像模块8的外周设有固定框架10，多个固定框架10之间通过连接件11进行连接。由于本装置的光学系统简单小巧，因此，本装置整体体积较小，可以做成手持式的，使用起来非常方便。在呈像模块与偏振板的固定框架之间可以设置伸缩镜筒12，用以调节光学系统的焦距，便于实时对焦，以获得清洗的图像。

此实施例中，在分光单元的光线透过的一侧设有遮光板9。此处的遮光板9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。

使用时，打开光源1，经准直后的出射光以直线柱状进行传播；当光线照射到二轴扫描振镜系统31时，根据二轴振镜坐标换算法，利用二轴振镜模块将光源照射点按照预先设定的顺序调制到观测范围内的不同位置，当点状传播的光线照射到被测物体上时，照射到皮肤表面的光线进行反射，反射光不能被成像模块成像；透过皮肤照射到微血管的光线进行散射，散射光进入光学系统，以点的形式进行成像；通过对于成像点亮度信息的组合，复原出微血管的三维立体形状。通过扫描模块的调整，对于被测物体进行逐点扫描，逐点进行成像，并利用数字相机进行图像采集，以达到不同位置光源，同一位置图像采集的目的。利用光度立体三维测量方法，对多幅图像进行处理，实现微血流的三维测量。

实施例2

利用普通的共聚焦显微镜等扫描式三维显微镜对微血流进行三维成像时，由于扫描速度较慢，实时成像效果较差，从而对微血流的流动进行测量较难，还容易收到人体脉动等因素影响。要实现扫描式地对微血流进行成像，需要一种能够高速扫描的装置，且该装置能够透过皮肤对微血流进行无创三维成像。基于以上目的，设计一种由上下两个圆盘组成的旋转扫描装置，该装置中，上方圆盘为光照入射端，内嵌有多组不同焦距的微透镜；下方圆盘为光照输出端，内有与微透镜焦距位置相同的通光小孔。从机械运动的角度来说，旋转的精度和速度远远优于平面移动，因此采用圆盘旋转式扫描，在速度和控制精度上高于平面扫描，能够实现无创动态微血流三维成像。

基于上述目的，本实施例的扫描模块为微透镜圆盘系统32。具体的说，如图8所示，微透镜圆盘系统32包括圆盘模块，圆盘模块依次与电机模块、电机控制模块、电机驱动模块和计算机或微处理器相连，如图9-11所示的圆盘模块包括第一圆盘16和第二圆盘17，第一圆盘16和第二圆盘17之间通过连接轴18进行连接，第一圆盘16上设有若干个微透镜19，第二圆盘17上设有与第一圆盘16上的微透镜19相对应的成像小孔20。

具体的说，第一圆盘16上的微透镜19可以设置为阵列形式，且一阵列中的微透镜焦距相同，可以根据需要设置不同焦距的微透镜阵列，例如图11中的微透镜阵列a、b、c。以单个微透镜的成像原理距离说明，如图12所示，一束平行传播的激光透过微透镜聚焦，聚焦焦点通过小孔后，透过皮肤照射到内部微血管。该激光照射到皮肤上时，发生非焦点面的反射，照射到皮肤内部时发生焦点面的后向散射。非焦点面的反射无法再小孔处再次形成焦点聚焦，因此该反射光无法通过小孔进行成像；而焦点面的后向散射光能够在小孔处形成焦点聚焦，从而通过小孔，并由半透镜反射后进行成像。因此，这样的结构能够单独对微透镜或者显微物镜的焦点面进行成像，而非焦点面则无法成像。通过微透镜圆盘系统的转动，逐点扫描被测物体，通过对于成像点亮度信息的组合，复原出微血管的三维立体形状。

如图6所示，不同焦距的微透镜阵列可以对不同深度的微血管进行探测，探测效果更加真实。

作为一种优选的实施例，成像模块6为与第一圆盘16上的微透镜19相对应设置的阵列透射单元。此处的阵列透射单元可以是微透镜阵列，且与第一圆盘16上的微透镜19相对应设置。

其余光源模块、分光单元、固定框架等与实施例1相同。

另外，由于微透镜圆盘系统的结构特殊，因此需要在固定框架上设置专门的圆盘固定卡槽14，用以固定微透镜圆盘系统。再者，当固定框架10之间尺寸不协调时，可以通过固定转接件15进行转接。

使用时，打开光源1，经准直后的出射光以直线柱状进行传播；当光线照射到微透镜圆盘系统32时，通过微透镜圆盘系统32的转动，逐点扫描被测物体，通过对于成像点亮度信息的组合，复原出微血管超微结构的三维立体形状。

Claims (10)

1.一种扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：至少包括：

用于发射柱状直线传播的出射光的光源模块；

用于使光线对被观测对象进行逐点扫描的扫描模块(3)；

用于将光线部分反射，部分透过的分光单元(4)；

用于将光线集中一点照射到被测物体，并将人体微血管超微结构信息进行放大的扫描物镜(5)；

用于成像的成像模块(6)；

用于呈现图像的呈像模块(8)。

2.根据权利要求1所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的扫描模块(3)为二轴扫描振镜系统(31)。

3.根据权利要求2所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的二轴扫描振镜系统(31)包括与电机控制模块相连的二轴振镜模块，所述的电机控制模块分为X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块，所述的X轴电机控制模块和Y轴电机控制模块与振镜系统驱动模块相连，所述的振镜系统驱动模块由计算机或微处理器发出控制指令。

4.根据权利要求2或3所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：成像模块(6)与呈像模块(8)之间设有偏振板(7)。

5.根据权利要求1所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的扫描模块(3)为微透镜圆盘系统(32)。

6.根据权利要求5所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的微透镜圆盘系统(32)包括圆盘模块，所述的圆盘模块依次与电机模块、电机控制模块、电机驱动模块和计算机或微处理器相连，所述的圆盘模块包括第一圆盘(16)和第二圆盘(17)，所述的第一圆盘(16)和第二圆盘(17)之间通过连接轴(18)进行连接，所述的第一圆盘(16)上设有若干个微透镜(19)，所述的第二圆盘(17)上设有与第一圆盘(16)上的微透镜(19)相对应的成像小孔(20)。

7.根据权利要求5或6所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：成像模块(6)为阵列透射单元。

8.根据权利要求1所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的光源模块为光源(1)和用于将出射光调整成为柱状直线传播的准直单元(2)。

9.根据权利要求8所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的准直单元(2)为非球面透镜或平凸透镜。

10.根据权利要求1所述的扫描式人体微血管超微结构三维成像系统，其特征在于：所述的分光单元(4)为非偏振分光器或者半透镜。