CN107632386B - 一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法。系统包括：激光器、空间光调制器、第一单光纤、第二单光纤、聚焦透镜、桶探测器、控制处理器；激光器用于产生激光源；空间光调制器用于将激光源调制形成散斑信号；控制处理器用于产生调制矩阵来控制空间光调制器，并记录调制矩阵；第一单光纤用于将散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；第二单光纤用于传输目标物体的反射信号；聚焦透镜用于对反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；桶探测器用于探测聚焦信号的光强，并将光强转换为电信号；控制处理器用于接收电信号，并将电信号与调制矩阵进行关联计算，得到目标物体的图像。本发明能够提高内窥镜的分辨率，且能够实现大视场非接触式成像。

Description

一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法

技术领域

本发明涉及内窥镜成像领域，特别是涉及一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法。

背景技术

光纤内窥镜在各个领域都有着广泛的应用。在医学领域，医生可以通过内窥镜观察到病人胃、直肠等部位的病变以辅助治疗。在工程领域，内窥镜被用来对物体内部进行视觉检查，例如检查违禁物品，违禁车辆等。

单根的单模光纤由于其只能传播单个像素的光强值，无法直接得到光场的强度分布，故无法直接成像。由许多根单模光纤组成的光纤束可以对小范围内的目标进行成像，不过其成像范围小于光纤束的直径，且在使用时必须使其前端紧挨着物体才能进行成像，如此便使其使用范围比较受限，不仅如此，其成像分辨率完全取决于光纤束中的光纤数目，难以有所提高和突破。

多模光纤可以通过计算或波前调制的方式进行二维图像的传播，可是在实际内窥镜使用过程中，光纤的弯曲、移动都会严重影响光在其中传播的相位，致使其需要重新进行相位调制，十分不便，故其无法应用于内窥镜的实时成像。由于其成像机制的限制，成像分辨率完全取决于光纤的数量。对于一定直径尺寸的内窥镜而言，提高分辨率就意味着减小单根光纤的直径，这在制造工艺上是难以实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法，用以提高内窥镜的分辨率，且能够实现大视场非接触式成像。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统，所述系统包括：激光器、空间光调制器、第一单光纤、第二单光纤、聚焦透镜、桶探测器、控制处理器；

所述激光器，用于产生激光源；

所述空间光调制器，与所述激光器连接，用于将所述激光源调制形成散斑信号；

所述控制处理器，与所述空间光调制器连接，用于产生调制矩阵来控制所述空间光调制器，并记录所述调制矩阵；

所述第一单光纤，与所述空间光调制器连接，用于将所述散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；

所述第二单光纤，用于传输所述目标物体的反射信号；

所述聚焦透镜，与所述第二单光纤连接，用于对所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；

所述桶探测器，与所述聚焦透镜连接，用于探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号；

所述控制处理器，与所述桶探测器连接，用于接收所述电信号，并将所述电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

可选的，所述空间光调制器为数字微镜器件。

可选的，所述桶探测器为光电二极管、雪崩二极管或者单光子探测器。

可选的，所述调制矩阵为哈达马矩阵。

可选的，所述第一单光纤和第二单光纤与目标物体的距离均在1-3厘米之间。

本发明还提供了一种基于单光纤关联成像的内窥镜的成像方法，所述方法应用于上述内窥镜系统。所述方法包括：

产生激光源；

产生并记录N个调制矩阵；

根据所述调制矩阵对所述激光源进行N次调制形成N个散斑信号；

分别将所述N个散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；

获取所述目标物体的反射信号；每个所述反射信号与一个所述散斑信号相对应，不同的反射信号对应的散斑信号不同；

对每个所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；

探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号，得到多个电信号；

将所述多个电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

可选的，所述调制矩阵为哈达马矩阵。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明提供了一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法，该系统和方法是将多个调制矩阵与桶探测器探测到的多个电信号进行关联计算得到目标物体的图像，其分辨率完全取决于调制矩阵的分辨率，与光纤的数目无关，只需调节调制矩阵的分辨率即可提高本系统的分辨率。且本发明采用的单光纤与目标物体非接触，因此能够提高成像范围。通过本发明能够提高内窥镜的分辨率，且能够实现大视场非接触式成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的数字微镜器件工作的原理图；

图3为本发明实施例提供的哈达马矩阵示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于单光纤关联成像的内窥镜的成像方法的流程图。

其中，1-激光器、2-空间光调制器、3-控制处理器、4-第一单光纤、5-第二单光纤、6-聚焦透镜、7-桶探测器。

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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。

本发明的目的是提供一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法，用以提高内窥镜的分辨率，且能够实现大视场非接触式成像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统的结构图；图2为本发明实施例提供的数字微镜器件工作的原理图；图3为本发明实施例提供的哈达马矩阵示意图。

如图1所示，一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统包括：激光器1、空间光调制器2、控制处理器3、第一单光4、第二单光纤5、聚焦透镜6、桶探测器7。

所述激光器1用于产生激光光源。

所述空间光调制器2，与所述激光器1连接，用于将所述激光源调制形成散斑信号。

具体的，如图2所示，所述空间光调制器2为数字微镜器件，数字微镜器件由1024*1024个很小的反射镜构成，在其工作过程中，数字微镜器件的每个小反射镜会向两个方向实现角度为12°的翻转，如此便可以将激光源调制到不同的方向，形成散斑信号。

所述控制处理器3，与所述空间光调制器2连接，用于产生调制矩阵来控制所述空间光调制器2，并记录所述调制矩阵。

具体的，所述控制处理器3产生调制矩阵，所述调制矩阵为如图3所示的哈达马矩阵。哈达马矩阵中每个元素都是+1或-1，并且任意两行或两列都是正交的。控制处理器3通过调制矩阵来控制空间光调制器，当调制矩阵中的+1加载到空间调制器上的反射镜时，所述反射镜对应翻转+12°，当调制矩阵中的-1加载到空间调制器上的反射镜时，所述反射镜对应翻转-12°。控制处理器3会产生N个调制矩阵，因此会对空间光调制器进行N次控制，从而获取N个散斑信号。

所述第一单光纤4，与所述空间光调制器2连接，用于将所述散斑信号进行耦合并投射到目标物体上。所述目标物体对所述散斑信号进行反射，所述第二单光纤5用于将所述反射信号传输到聚焦透镜6。所述第一单光纤4和第二单光纤5与目标物体的距离均在1-3厘米之间。反射信号在传输过程中的相位变化对成像而言没有影响，只要保证反射信号光强的涨落与在第一单光纤4内传播的散斑信号光强的涨落保持一致即可。

所述聚焦透镜6与所述第二单光纤5连接，用于对所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号。

所述桶探测器7与所述聚焦透镜6连接，用于探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号。

具体的，所述桶探测器7为光电二极管、雪崩二极管或者单光子探测器，所述桶探测器将探测到的N个聚焦信号的光强转换为N个电信号。

所述控制处理器3，与所述桶探测器7连接，用于接收所述电信号，并将所述电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

上述实施例提供的一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统与现有技术相比的优点在于：

1)传统内窥镜使用的是3000-20000根单模光纤组成的光线束进行成像，而上述实施例提供的系统允许通过单根光纤完成内窥镜成像，这样一来不仅节约了生产制造的成本，降低了制造工艺的难度，而且极大的减小了内窥镜的直径尺寸，在某些需要很细的内窥镜管的特定应用场合(如胃镜、肠镜等)具有极大的优势。

2)传统内窥镜在使用并进行成像时，每根光纤携带一个像素点的光强值，故其成像分辨率完全受制于内窥镜的光纤数目。而上述实施例提供的系统其分辨率完全取决于调制矩阵的分辨率，与光纤的数目无关，若想提高分辨率，提高调制矩阵的分辨率即可。

3)传统内窥镜在使用时，需要紧贴着物体对其成像，其成像范围取决于光纤的直径尺寸。而上述实施例提供的系统允许光纤前端距离成像物体一段距离，这样不仅能够实现大视场非接触式成像，也使内窥镜在使用时更加灵活、方便。

4)传统内窥镜由于一根光纤只能传播一个光强值的能量，致使被成像物体的反射光能量分散在各个单根光纤中，在弱背景下每根光纤中的光强很低，其接收器使用的是CCD等面阵光伏器件，探测灵敏度有限。而上述实施例提供的系统将全部反射光能量都聚集在单根光纤中，并采用如雪崩二极管、单光子探测器等超灵敏装置作为成像探测的桶探测器，这样一来极大地提高了成像的灵敏度，可以实现极弱背景下的内窥镜成像探测。

本发明还提供了一种基于单光纤关联成像的内窥镜的成像方法，所述方法应用于上述内窥镜系统。

图4为本发明实施例提供的一种基于单光纤关联成像的内窥镜的成像方法的流程图。如图4所示，所述方法包括：

步骤S401：产生激光源；

具体的，通过激光器1产生激光源。

步骤S402：产生并记录N个调制矩阵；

具体的，通过控制处理器3产生并记录N个调制矩阵，所述调制矩阵为哈达马矩阵。

步骤S403：根据所述调制矩阵对所述激光源进行N次调制形成N个散斑信号；

具体的，空间光调制器2根据N个调制矩阵对激光源进行N次调制形成N个散斑信号。

步骤S404：分别将所述N个散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；

具体的，第一单光纤4将所述散斑信号进行耦合并透射到目标物体上。

步骤S405：获取所述目标物体的反射信号；每个所述反射信号与一个所述散斑信号相对应，不同的反射信号对应的散斑信号不同；

具体的，目标物体对散斑信号进行反射，通过第二单光纤5获取所述目标物体的反射信号。

步骤S406：对每个所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；

具体的，通过所述聚焦透镜6对所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号。

步骤S407：探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号，得到多个电信号；

具体的，通过桶探测器7探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号。

步骤S408：将所述多个电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

具体的，通过控制处理器3将所述电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

关联计算的公式如下：

G(x,y)＝<(S_i-<S>)I_i(x,y)>

式中，G(x,y)表示待测目标物体的图像，<>表示对N次测量取平均值，S表示桶探测器7探测到的N个电信号，I_i(x,y)为第i个调制矩阵，S_i表示桶探测器7探测到的对应于I_i(x,y)的电信号。

本实施例提供的方法将调制矩阵与桶探测器探测到的光强信息进行关联计算得到目标物体的图像，其分辨率完全取决于调制矩阵的分辨率，与光纤的数目无关，只需调节调制矩阵的分辨率即可提高本系统的分辨率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、空间光调制器、第一单光纤、第二单光纤、聚焦透镜、桶探测器和控制处理器；

所述激光器，用于产生激光源；

所述空间光调制器，与所述激光器连接，用于将所述激光源调制形成散斑信号；

所述控制处理器，与所述空间光调制器连接，用于产生调制矩阵来控制所述空间光调制器，并记录所述调制矩阵；

所述第一单光纤，与所述空间光调制器连接，用于将所述散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；

所述第二单光纤，用于传输所述目标物体的反射信号；

所述聚焦透镜，与所述第二单光纤连接，用于对所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；

所述桶探测器，与所述聚焦透镜连接，用于探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号；

所述控制处理器，与所述桶探测器连接，用于接收所述电信号，并将所述电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间光调制器为数字微镜器件。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述桶探测器为光电二极管、雪崩二极管或者单光子探测器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制矩阵为哈达马矩阵。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一单光纤和第二单光纤与目标物体的距离均在1-3厘米之间。

6.一种基于单光纤关联成像的内窥镜的成像方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1所述的内窥镜系统，所述方法包括：

产生激光源；

产生并记录N个调制矩阵；

根据所述调制矩阵对所述激光源进行N次调制形成N个散斑信号；

分别将所述N个散斑信号进行耦合并投射到目标物体上；

获取所述目标物体的反射信号；每个所述反射信号与一个所述散斑信号相对应，不同的反射信号对应的散斑信号不同；

对每个所述反射信号进行聚焦，得到聚焦信号；

探测所述聚焦信号的光强，并将所述光强转换为电信号，得到多个电信号；

将所述多个电信号与所述调制矩阵进行关联计算，得到所述目标物体的图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调制矩阵为哈达马矩阵。

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