CN107280763A - 一种光学可视化手术导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学可视化手术导航系统，包括：照明器件，其用于形成一照明光束；激发器件，其用于形成一近红外激发光束；合束器件，其用于将照明光束和近红外激发光束合束形成一混合光束；及导航头，其包括用于将混合光束发射至病灶区的发射头、一用于将混合光束传输至发射头的光波导、一用于采集病灶区的荧光信号的工业相机及一用于显示病灶区图像的显示屏。本发明设置合束器件将照明光束和近红外激发光束合束以发射至病灶区以便于照明、激发荧光，提高了工业相机的接收的光功率，其信噪比高，有利于工业相机对荧光信号的采集精确度，也便于后续的图像处理。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像技术，尤其是涉及一种光学可视化手术导航系统。
背景技术
癌症治疗最有疗效的方法是手术切除和化疗，而手术切除后遗留的癌症细胞的数量是衡量手术切除成功与否的一个指标，遗留的癌症细胞的多少和彻底清除的程度极大的影响了病情后期的发展，手术后如果有过多的癌症细胞遗留在器官上，则可能直接降低了随后的化疗效果和病人的存活几率。
对于尺寸较小的癌症组织或肿瘤边界，医生很难从肉眼和触摸的经验上给予准确判断。而且，在病人的病灶区，癌症组织和血管、神经等正常组织交错，肉眼无法分辨，在手术时，医生如果在切除癌症细胞的同时，过多的切除血管和神经等正常组织，会对病人的健康和功能造成巨大伤害。
因此，能为医生提供病灶区实时影像且能够精确分辨癌症组织和正常组织的设备，成为现在研究的热点。
目前，荧光造影剂成像技术已用于癌症组织和正常组织的分辨，其工作原理为：首先给术者注入荧光造影剂并等其聚集在肿瘤部位后，用一束激发光去照射，聚集了荧光物质的肿瘤就会发射出荧光，然后采集荧光物质所发射的波段的数据，最后经过数据处理成图像为外科手术大夫提供手术视野来完成肿瘤的切除。不同的荧光造影剂的激发波长不同，而目前多采用可见光波段来作为激发波长，这与作为照明部分的光源波段产生了冲突，为了避免上述冲突，一般在相机前设置延迟凸镜组件，其易导致相机接收的光功率下降，导致其信噪比低，从而不利于后续的图像重建，增加了后续的图像处理难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种光学可视化手术导航系统，解决现有技术中可见光作为激发波长导致接收的光功率低、信噪比差及后续图像重建难度大的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种光学可视化手术导航系统，包括：
照明器件，其用于形成一照明光束；
激发器件，其用于形成一近红外激发光束；
合束器件，其用于将照明光束和近红外激发光束合束形成一混合光束；及
导航头，其包括用于将混合光束发射至病灶区的发射头、一用于将混合光束传输至发射头的光波导、一用于采集病灶区的荧光信号的工业相机及一用于显示病灶区图像的显示屏。
优选的，所述照明器件包括沿照明光线传播方向依次设置的照明光源、聚集透镜及第一滤光片；所述激发器件包括激发光源及设于激发光源与合束器件之间的第二滤光片。
优选的，所述近红外激发光束的波长为783～787nm；所述照明光源的波长为380～760nm。
优选的，所述光波导包括光波导本体及设于光波导本体两端的前端适配器和末端适配器。
优选的，所述导航头包括一壳体，所述发射头和工业相机内置于所述壳体，所述显示屏设于所述壳体的一侧外壁。
优选的，所述发射头包括一内置于壳体的固定筒、设于所述固定筒前端的第一反射镜架、嵌设于所述第一反射镜架的第一反射镜、内嵌于固定筒前端的发散透镜及内嵌于所述壳体底部的第一透光窗片；所述前端适配器同轴内置于所述固定筒末端。
优选的，所述导航头还包括采集头，其包括嵌设于工业相机的镜头前端端面的第三滤光片、与所述第三滤光片配合设置的第二反射镜架、嵌设于所述第二反射镜架的第二反射镜及内嵌于所述壳体底部的第二透光窗片。
优选的，所述第一反射镜呈圆形、第二反射镜呈矩形。
优选的，所述照明光源为白光LED灯，所述第一滤光片为665nm低通滤光片，所述第二滤光片为785nm带通滤光片，所述第三滤光片为785nm陷波滤波片。
与现有技术相比，本发明设置合束器件将照明光束和近红外激发光束合束以发射至病灶区以便于照明、激发荧光，提高了工业相机的接收的光功率，其信噪比高，有利于工业相机对荧光信号的采集精确度，也便于后续的图像处理。
附图说明
图1是本发明的光学可视化手术导航系统的连接结构示意图；
图2是本发明的导航头的结构示意图；
图3是本发明的图2的A-A向视图；
图4是本发明的图2的B-B向视图；
图5是本发明的荧光成像的近红外图和彩色图的对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1～4，本发明提供了一种光学可视化手术导航系统，包括照明器件1、激发器件2、合束器件3及导航头4。其中，照明器件1主要用于形成一照明光束，而激发器件2则用于形成一近红外激发光束，合束器件3可用于合束器件3将照明光束和近红外激发光束合束形成一混合光束；导航头4包括发射头41、光波导42、工业相机43和显示屏44，光波导42用于将混合光束传输至发射头41，发射头41将混合光束发射至病灶区，工业相机43则可采集病灶区的荧光信号，显示屏44可显示病灶区的图像。
本实施例在进行手术时，一般在手术导航前，可注入近红外荧光造影剂，当其聚集于肿瘤部位后进行手术导航，具体可开启照明器件1和激发器件2，照明光束和近红外激发光束在合束器件3的作用下合束，合束后的混合光束通过光波导42传输至发射头41，发射头41将合束后的混合光束发射至病人的病灶区，其中的照明光束起到对病灶区进行照明的作用，同时其也提供了彩图图像的光源，而近红外激发光束则激发聚集于肿瘤上的近红外荧光造影剂发射光线，工业相机43实时采集病灶区的荧光信号，上述荧光信号可上传到电脑进行处理以形成图像，形成的图像可反映出肿瘤的位置、形状、大小等信息，从而便于手术中对肿瘤的完整、精确切除。同时，设置显示屏44以用于显示病灶区的图像，其可用于为医生提供视野，便于医生更好的寻找病灶区，同时也可与电脑连接，便于获取获取肿瘤的相关信息。
具体的，所述照明器件1包括沿照明光线传播方向依次设置的照明光源11、聚集透镜12及第一滤光片13，照明光源11可采用白光LED灯，其波长为380～760nm，从而便于为后续壁病灶区进行照明并提供彩色图像的光源，而为了避免白光过多影响成像，本实施例第一滤光片13设置为为665nm低通滤光片，其可阻止波长大于665nm的光线通过，其有利于尽可能多的使通过的白光在工业相机43的RGB感光部分，避免形成的图像颜色失真。而聚集透镜12则可将照明光源11发射的大角度光线缩束，以避免光线的损失，提高照明效果。
激发器件2包括激发光源21及设于激发光源21与合束器件3之间的第二滤光片22，激发光源21可采用近红外激光器，其可发出波长为783～787nm的近红外光线并形成783～787nm的近红外激发光束，第二滤光片22可设置为785nm带通滤光片，其滤除不需要的杂散光，避免其影响后续的荧光信号的采集，提高信噪比。
合束器件3可采用二向色镜，其可将照明光束和近红外激发光束进行合束，其可保证照明光束和近红外激发光束对病灶区的同步照射，其避免了其他杂散光纤照射病灶区，其有利于提高后续工业相机43采集光信号的强度和精确度。在实际应用时，为了便于二向色镜的合束精度，照明光束和近红外激发光束可垂直设置。
本实施例光波导42包括光波导本体421及设于光波导本体421两端的前端适配器422和末端适配器423，末端适配器423与合束器件3相配合，以便于混合光束的顺利传输。其中，光波导本体421可采用液体光波导，其可对光线整齐化、均匀化处理，也利于光均匀出散。
导航头4在具体设置时，其包括一壳体45，所述发射头41和工业相机43内置于所述壳体45，所述显示屏44设于所述壳体45的一侧外壁。由于本实施例的导航头4结构简单，故壳体45的尺寸可设置长180mm、宽84mm、高83mm，其有利于后续的成像操作。壳体45可处于水平状态，而显示屏44与壳体45侧壁之间具有一定的倾斜角度，以便于医生手术至观察为佳，也可将显示屏44设置与壳体45为铰接，便于观察时医生根据其需要实时调节。
本实施例发射头41包括一内置于壳体45的固定筒411、设于所述固定筒411前端的第一反射镜架412、嵌设于所述第一反射镜架412的第一反射镜413、内嵌于固定筒411前端的发散透镜415及内嵌于所述壳体45底部的第一透光窗片414；所述前端适配器422同轴内置于所述固定筒411末端，固定筒411可对前端适配器422进行固定，以便于合束后的混合光束照射于第一反射镜413，发散透镜415嵌设于固定筒411前端可将混合光束进行适度发散，发散之后由第一反射镜413反射穿过第一透光窗片414后将混合光束照射于病灶区。
为了便于对激发的荧光信号的采集，本实施例导航头4还包括采集头46，其包括嵌设于工业相机43的镜头前端端面的第三滤光片464、与所述第三滤光片464配合设置的第二反射镜架461、嵌设于第二反射镜架461的第二反射镜462及内嵌于所述壳体45底部的第二透光窗片463，病灶区的反射的光束和激发的荧光均穿过第二透光窗片463并经过第二反射镜462反射之后被工业相机43接收，而为了保证成像质量，工业相机43的镜头前端端面设置有第三滤光片464，可将近红外激发光束在病灶区反射的光纤过滤，具体的，所述第三滤光片463可设置为785nm陷波滤波片，其可将近红外激发光束在病灶区反射的光线过滤，即其可将波长为785nm的近红外管线过滤，以便于白光和荧光通过，提高后续的成像质量。
其中，具体设置时，本实施例所述第一反射镜413优选设置呈圆形、第二反射镜462优选设置呈矩形，从而便于混合光束的反射及后续的成像。
本实施例采用上述结构，其光路设计简单化，其有利于荧光信号的输入功率增大，其可便于工业相机的自动聚焦以采集荧光信号，进而获取更佳清晰的肿瘤信息，运用了液体光波导，使得光均匀出散，仪器更加小型化，其便于使用者的操作，而设置显示屏配合导航，提高导航的灵活性。
为了证明本实施例具有更佳的成像效果，请参阅图5所示，由于本实施例工业相机采用双CCD摄像机，从而可以分别获取近红外图像和彩色图像，图5为本实施例采用小鼠实验后获得的近红外图像和彩色成像的对比示意图，在实际外科手术操作时，可将上述两个图像进行对照以更加精确判断肿瘤位置。
与现有技术相比，本发明设置合束器件3将照明光束和近红外激发光束合束以发射至病灶区以便于照明、激发荧光，提高了工业相机43的接收的光功率，其信噪比高，有利于工业相机43对荧光信号的采集精确度，也便于后续的图像处理。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光学可视化手术导航系统，其特征在于，包括：
照明器件，其用于形成一照明光束；
激发器件，其用于形成一近红外激发光束；
合束器件，其用于将照明光束和近红外激发光束合束形成一混合光束；及
导航头，其包括用于将混合光束发射至病灶区的发射头、一用于将混合光束传输至发射头的光波导、一用于采集病灶区的荧光信号的工业相机及一用于显示病灶区图像的显示屏。
2.根据权利要求1所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述照明器件包括沿照明光线传播方向依次设置的照明光源、聚集透镜及第一滤光片；所述激发器件包括激发光源及设于激发光源与合束器件之间的第二滤光片。
3.根据权利要求2所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述近红外激发光束的波长为783～787nm；所述照明光源的波长为380～760nm。
4.根据权利要求3所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述光波导包括光波导本体及设于光波导本体两端的前端适配器和末端适配器。
5.根据权利要求4所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述导航头包括一壳体，所述发射头和工业相机内置于所述壳体，所述显示屏设于所述壳体的一侧外壁。
6.根据权利要求5所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述发射头包括一内置于壳体的固定筒、设于所述固定筒前端的第一反射镜架、嵌设于所述第一反射镜架的第一反射镜、内嵌于固定筒前端的发散透镜及内嵌于所述壳体底部的第一透光窗片；所述前端适配器同轴内置于所述固定筒末端。
7.根据权利要求6所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述导航头还包括采集头，其包括嵌设于工业相机的镜头前端端面的第三滤光片、与所述第三滤光片配合设置的第二反射镜架、嵌设于所述第二反射镜架的第二反射镜及内嵌于所述壳体底部的第二透光窗片。
8.根据权利要求7所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述第一反射镜呈圆形、第二反射镜呈矩形。
9.根据权利要求8所述的光学可视化手术导航系统，其特征在于，所述照明光源为白光LED灯，所述第一滤光片为665nm低通滤光片，所述第二滤光片为785nm带通滤光片，所述第三滤光片为785nm陷波滤波片。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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