CN107374730A - 光学手术导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学手术导航系统，涉及医学设备领域。光学手术导航系统在可见光环境下工作，其包括可发射出不可见近红外光的荧光激发光源、可见光图像采集装置、近红外图像采集装置、图像处理装置和显示屏，可见光图像采集装置可采集手术照明装置的发射光经过探测区域的受检对象反射的可见光图像，近红外图像采集装置可采集荧光激发光源发射的光经过探测区域的受检对象激发的波长大于850nm的近红外荧光图像；显示屏安装在护目镜或头戴支架上，用于显示经图像处理装置图像处理后的图像。本发明可在可见光环境下实现荧光成像，获得高分辨率和较深组织的荧光成像，成像清晰，使医生在手术中不中断手术操作，就能随时了解实时的荧光成像情况。

Description

光学手术导航系统
技术领域
本发明属于医学设备领域，涉及一种应用于外科手术中以实现辅助成像的光学手术导航系统。
背景技术
外科医生在手术过程中需要凭借视觉判断生理组织结构和病理组织结构，现有的光学辅助设备借助荧光帮助医生做出更准确的判断。
如图1所示，现有的一种基于落地支架5’的手术辅助成像装置，利用近红外光学相机3’(EMCCD)对约800nm波长的近红外荧光成像，该相机与可见光相机2’和荧光激发光源1’共同固定在可灵活调整位置的机械手臂6’上，机械手臂6’安装在落地支架5’上，产生的图像显示在与落地支架5’相连的显示屏幕4’上。
上述的这套设备在手术床旁边帮助医生了解手术视野中的血液灌流情况。但是，在手术过程中，医生需要提前调整机械手臂6’的位置，将荧光激发光源1’调整到能够照射荧光组织上的荧光物质并激发出荧光的位置，将可见光相机2’和近红外光学相机3’调整到能够拍摄到荧光组织的位置，才能正常进行手术，使用极不方便。此外，由于荧光激发光源1’激发荧光物质只能产生约800nm短波长的近红外荧光，因此，在进行荧光成像时，需要在暗室环境下进行操作，以保障成像效果，如此，不利于手术的连续操作，且短波长的荧光对较深的荧光组织穿透性差，成像模糊不清。再者，由于该成像设备的荧光图像最终显示在落地支架5’的显示屏幕4’上，医生在手术中需要抬头才能看到落地支架5’上的荧光图像，势必要中断手术操作，改变体位，切换光源，进一步增加使用不便性，同时无法随时了解实时的荧光成像情况，容易耽误手术操作的及时性，降低手术操作的准确性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种光学手术导航系统，该光学手术导航系统能够在可见光环境下实现荧光成像，能够获得高分辨率和较深组织的荧光成像(波长大于850nm)，成像清晰，使医生在手术中不中断手术操作，不改变体位，不切换光源，就能随时了解实时的荧光成像情况。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种光学手术导航系统，所述光学手术导航系统在开启发光波长限制在可见光范围内的手术照明装置时工作，所述光学手术导航系统包括可发射出不可见近红外光的荧光激发光源、可见光图像采集装置、近红外图像采集装置、图像处理装置和显示屏，所述可见光图像采集装置用于采集手术照明装置的发射光经过探测区域的受检对象反射的可见光图像，所述近红外图像采集装置用于采集所述荧光激发光源发射的光经过探测区域的受检对象激发的波长大于850nm的近红外荧光图像，所述图像处理装置用于接收可见光图像和近红外荧光图像，并将两者进行图像处理操作；
所述显示屏安装在护目镜或头戴支架上，用于接收并显示经所述图像处理装置图像处理后的图像。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述可见光图像采集装置直接或者采用光纤安装在护目镜上或头戴支架上。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述近红外图像采集装置直接或者采用光纤安装在护目镜上或头戴支架上。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述图荧光激发光源直接或者采用光纤安装在护目镜上或头戴支架上。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述可见光图像采集装置和近红外图像采集装置一体形成一个图像采集装置，其中，所述图像采集装置具有光线入射口，所述图像采集装置内倾斜地设置有分束镜，所述图像采集装置具有两个末端部，其中一个末端部安装有可见光图像采集装置，另一个末端部安装有近红外图像采集装置。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述近红外图像采集装置选择探测波长范围为900-1700nm的近红外光学相机。
作为本发明的光学手术导航系统的一种优选方案，所述图像处理装置包括图像重叠处理单元、亮度调节单元和近红外图像添加伪彩处理单元。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的光学手术导航系统能够在可见光环境下实时采集可见光和较长波长的近红外荧光信号(波长大于850nm)，并将二者的图像重叠处理后显示在手术医生佩戴的护目镜或头戴支架上的显示屏上。在正常手术过程中采用本发明的光学手术导航系统来辅助手术中光学成像，实现了手术的连续性操作，同时提高了对较深的荧光组织的穿透性，可获得高分辨率和较深组织的荧光成像，成像清晰。此外，由于显示屏安装在医生常佩戴的护目镜或头戴支架上，因此，医生在手术过程中只需要随时转动眼球就能看到显示屏上手术视野的实时荧光图像，为手术操作提供辅助，给医生带来了方便，大大提高了手术效率和成功率。
附图说明
图1是现有的一种手术辅助成像装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施方式提供的一种光学手术导航系统的结构示意图，图中，可见光相机和近红外光学相机均安装在头戴支架上；
图3是本发明优选实施方式提供的另一种光学手术导航系统的结构示意图，图中，可见光相机和近红外光学相机均安装在同一护目镜上；
图4是本发明优选实施方式提供的分束镜的结构示意图，图中，箭头指向为光路的传播方向。
附图中：
1’、荧光激发光源；2’、可见光相机；3’、近红外光学相机；4’、显示屏幕；5’、落地支架；6’、机械手臂。
1、荧光激发光源；2、可见光图像采集装置；3、近红外图像采集装置；4、图像处理装置；5、显示屏；6、护目镜；7、头戴支架；8、手术灯；9、分束镜。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
优选实施方式
本实施方式提供了一种光学手术导航系统，如图2所示，该光学手术导航系统包括荧光激发光源1、可见光图像采集装置2、近红外图像采集装置3、图像处理装置4和显示屏5等组成部分。
在本实施方式中，荧光激发光源1可发射出不可见的近红外光。荧光激发光源1可以根据手术视野中组织上涂抹的荧光物质选择合理波段的近红外光光源。荧光激发光源1可直接或者采用光纤安装在能够屏蔽荧光激发光源1发出近红外光的护目镜6上或头戴支架7上。
可见光图像采集装置2用来采集手术灯8的发射光经过探测区域的受检对象(涂抹有荧光物质的器官、生理组织或病理组织、血液等)反射的可见光图像。可见光图像采集装置2可以是可见光图像采集单元，还可以采用可见光相机等摄影装置。可见光图像采集装置2可直接或者采用光纤安装在护目镜6上或头戴支架7上。
近红外图像采集装置3用来采集荧光激发光源1发射的不可见近红外光经过探测区域的受检对象激发的波长大于850nm的近红外荧光图像。近红外图像采集装置3可以是近红外图像采集单元，还可以采用近红外光学相机等摄影装置。优选的，近红外图像采集装置3选择探测波长范围为900-1700nm的近红外光学相机，能够采集荧光激发光源1发射的不可见近红外光经过探测区域的受检对象激发的波段900-1700nm的长波长的近红外荧光图像。当然，近红外图像采集装置3还可以选择采集波长更长(1700-2526nm)的近红外荧光图像的摄影装置。近红外图像采集装置3可直接或者采用光纤安装在护目镜6上或头戴支架7上。
图像处理装置4则用来接收可见光图像采集装置2采集的可见光图像和近红外图像采集装置3采集的近红外荧光图像，并将两者进行图像处理操作。图像处理装置4包括图像重叠处理单元、亮度调节单元和近红外图像添加伪彩处理单元和其他图像处理单元。其中，图像重叠处理单元采用特征点检测实现重叠图像的拼接算法，将具有重叠区域的两个图像合成一个宽视角图像。亮度调节单元可提高两个图像中某些像素点的亮度值，以使图像清晰分明。近红外图像添加伪彩处理单元可将灰色图像以自定义伪彩显示出来，进一步提高图像清晰度。
显示屏5用来接收并显示经图像处理装置4图像处理后的图像,显示屏5安装在护目镜6或头戴支架7上，医生在手术过程中只需要随时转动眼球就能看到显示屏5上手术视野的实时荧光图像，为手术操作提供辅助，给医生带来了方便，大大提高了手术效率和成功率。显示屏5优选为透射式显示屏，即使在昏暗情况下使医生能看到亮度均匀的屏幕。
具体的，当选择可见光图像采集单元和近红外图像采集单元时，两个单元可集成在同一芯片上，一起安装在医生佩戴的护目镜6上或头戴支架7上。当选择可见光相机和近红外光学相机时，有以下多种组合安装方式：第一种，两个相机均通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在护目镜6上；第二种，两个相机均通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在头戴支架7上(参见图2)；第三种，近红外光学相机通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在护目镜6上，可见光相机通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在头戴支架7上；第四种，可见光相机通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在护目镜6上，近红外光学相机通过紧固组件(如紧固螺栓或卡扣连接件)可拆卸地安装在头戴支架7上；第五种，两个相机均通过光纤连接在护目镜6上；第六种，两个相机均通过光纤连接在头戴支架7上。
优选的，荧光激发光源1、图像处理装置4、显示屏5、可见光相机和近红外光学相机全部安装在同一护目镜6或同一头戴支架7上，不单独分开设置，可见光图像和近红外荧光图像直接在护目镜6或头戴支架7上进行成像，更方便在任意手术室使用，大大提高了通用性。优选的，为了提高荧光成像的稳定性和可靠性，荧光激发光源1安装在手术灯8上，可提供持续稳定的近红外光，图像处理装置4、显示屏5、可见光相机和近红外光学相机均安装在同一护目镜6(参见图3)或同一头戴支架7上，这种布置方式不仅方便采集可见光图像和近红外荧光图像，而且荧光成像持续、稳定且可靠。
在上述两种图像采集结构中，可见光相机和近红外光学相机两个相机均安装在同一部件(护目镜6或头戴支架7)上，二者可一体形成为一个图像采集装置(一体式结构)，该图像采集装置具有光线入射口，图像采集装置内倾斜地设置有分束镜9，图像采集装置具有两个末端部，其中一个末端部安装有可见光相机，另一个末端部安装有近红外光学相机。入射光线经过分束镜9分束为可见光路与近红外光路两路光路，两路光路再分别由可见光相机与近红外光学相机来检测成像，二者的成像通过图像处理装置4整合处理后显示在显示屏5上(参见图4)。这种设计方式形成的图像来自于同一个镜头，降低了图像处理的难度，提高了图像处理效率，进而提高了荧光成像效率，节省了手术时间，提高了手术成功率，此外，采用这种设计也能减少外观设计的复杂性。上述唯一的镜头可以设置于头戴支架7上或者护目镜6上。
当手术时，医生在限制可见光波长的手术灯8下进行手术，患者血液中含有荧光物质或者手术视野中组织上涂抹荧光物质，位于医生头戴装备的或者手术灯上的荧光激发光源1发出的不可见近红外光照射在荧光物质上，使之发射出波长大于850nm的长波近红外光，这些光被手术医生头戴的近红外光学相机采集成像，与可见光相机所成像重叠后，呈现在手术医生头戴的透射式屏幕上，为手术提供荧光成像信息。
上述的可见光相机和近红外光学相机选择体积小、质量轻、成本低的微型摄像装置，例如微型摄像头、隐形针孔等。
本发明的光学手术导航系统能够在可见光环境下实时采集可见光和较长波长的近红外荧光信号，并将二者的图像重叠处理后显示在手术医生佩戴的护目镜或头戴支架上的显示屏上。在正常手术(在提供可见光环境的手术灯下手术)过程中采用本发明的光学手术导航系统来辅助手术中光学成像，实现了手术的连续性操作，同时提高了对较深的荧光组织的穿透性，可获得高分辨率和较深组织的荧光成像，成像清晰。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光学手术导航系统，其特征在于，所述光学手术导航系统在开启发光波长限制在可见光范围内的手术照明装置时工作，所述光学手术导航系统包括可发射出不可见近红外光的荧光激发光源(1)、可见光图像采集装置(2)、近红外图像采集装置(3)、图像处理装置(4)和显示屏(5)，所述可见光图像采集装置(2)用于采集手术照明装置的发射光经过探测区域的受检对象反射的可见光图像，所述近红外图像采集装置(3)用于采集所述荧光激发光源(1)发射的光经过探测区域的受检对象激发的波长大于850nm的近红外荧光图像，所述图像处理装置(4)用于接收可见光图像和近红外荧光图像，并将两者进行图像处理操作；
所述显示屏(5)安装在护目镜(6)或头戴支架(7)上，用于接收并显示经所述图像处理装置(4)图像处理后的图像。
2.根据权利要求1所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述可见光图像采集装置(2)直接或者采用光纤安装在护目镜(6)上或头戴支架(7)上。
3.根据权利要求2所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述近红外图像采集装置(3)直接或者采用光纤安装在护目镜(6)上或头戴支架(7)上。
4.根据权利要求3所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述图荧光激发光源(1)直接或者采用光纤安装在护目镜(6)上或头戴支架(7)上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述可见光图像采集装置(2)和近红外图像采集装置(3)一体形成一个图像采集装置，其中，所述图像采集装置具有光线入射口，所述图像采集装置内倾斜地设置有分束镜(9)，所述图像采集装置具有两个末端部，其中一个末端部安装有可见光图像采集装置(2)，另一个末端部安装有近红外图像采集装置(3)。
6.根据权利要求5所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述近红外图像采集装置(3)选择探测波长范围为900-1700nm的近红外光学相机。
7.根据权利要求6所述的光学手术导航系统，其特征在于：所述图像处理装置(4)包括图像重叠处理单元、亮度调节单元和近红外图像添加伪彩处理单元。
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