CN108378825A - 一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法和装置，包括光源，配置为发出四色序列光；黑白相机；光学成像系统，滤除所述对象的部分光线，同时引导光线成像；控制与计算系统，用于控制所述光源发光，获取并计算分析影像从而得到彩色图像和荧光图像；以及监视器显示所述对象的彩色图像和荧光图像。本发明还提供了一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法。本发明结构简单、造价经济且成像质量佳，为此类设备在经济欠发达地区的推广提供了一种优选方案。

Description

一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法和装置

技术领域

本发明涉及医学四色多光谱成像，更具体的，本发明涉及使用黑白相机实现人体组织的可见光和近红外光成像的方法和装置。

背景技术

近红外成像已经被广泛被应用于临床医学，一般借助近红外(简称NIR)造影剂(荧光染色剂)实现。所述造影剂在近红外光照明下可发出不同波段的近红外荧光。吲哚青绿(简称ICG)是一种常见的近红外造影剂，具有与血浆蛋白结合率高、不被肝外组织吸收的特点，是一种高效的血管标注染料，也是目前唯一被美国食品药品管理局(FDA)所批准的临床使用的近红外光学成像对比增强剂，广泛用于心血管系统、肝功能评估、视网膜和脉络膜的可视化、脑血管造影、眼科血管造影、前哨淋巴结造影等应用。近红外造影剂一般通过静脉注射或者皮下注射的方式导入待观察组织，用于对应组织机构和功能(血液、淋巴或胆汁的流动)的近红外成像，上述组织结构和功能在普通可见光照明下是不易成像的，或者成像的对比度不够显著。

目前，存在一些市售的系统可用来实现近红外成像。此类系统的示例包括加拿大Novadaq公司的SPY和Pinpoint系统、Fluoptics公司的FluoBeam 800手持式单元以及莱卡和蔡司公司的可观察近红外成像的手术显微镜等。其中一些设备，例如Pinpoint，具备可见光和近红外光的多光谱成像能力。此类设备可在多种成像模式中切换，包括可见光成像模式、近红外成像模式、近红外成像与可见光成像同时成像模式，以方便医生以不同的方式观看成像区域并进行比对。

对于近红外成像与可见光成像同时成像模式，市售系统一般采用以下三种方案实现。第一种方案是基于一台3传感器(3CCD或3CMOS)彩色相机实现可见光和近红外快速交替成像，该方案的缺点在于造价昂贵，非常不利于此类设备在欠发达地区的推广使用；第二种方案是基于单彩色传感器的相机实现可见光和近红外快速交替成像，此方案的缺点在于单彩色传感器的Bayer插值模式会在一定程度上牺牲色彩保真度；第三种方案是通过使用两个相机(彩色相机+近红外相机)，或者使用一个包括两个传感器(彩色传感器+近红外传感器)的相机，来实现可见光彩色和近红外光的同时成像，此方案的缺点在于光学结构复杂，彩色成像与近红外成像之间存在空间位置偏差，不利于两种成像的融合处理，另外双相机的方案会造成成像单元体积较大，不利于临床医生手持。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于黑白单相机的医用可见光和近红外光成像方法和装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，包括

光源，配置为发出四色序列光，照明被观察的对象，所述四色序列光为四种单色光相继发出形成，所述四种单色光包括蓝光、绿光、红光和近红外光；

黑白相机，配置为采集所述对象的影像，其帧率不低于100帧每秒；

光学成像系统，包括入光滤光器，配置为滤除所述对象的部分光线，还包括光学透镜，用于引导所述对象的其他波段光线成像于所述黑白相机；

控制与计算系统，其电连接于所述光源和所述黑白相机，用于控制所述光源发出所述四色序列光，也用于获取并计算分析所述黑白相机采集到的影像从而得到所述对象的彩色图像和荧光图像；以及

监视器，其电连接于所述控制与计算系统，接收并显示所述对象的所述彩色图像和荧光图像。

根据本发明的一实施方式，所述入光滤光器为滤光片，配置为滤除所述对象反射的近红外光。

根据本发明的一实施方式，所述入光滤光器包括入光滤光轮，所述入光滤光轮周向布设红光带通滤光片、绿光带通滤光片、蓝光带通滤光片以及荧光带通滤光片，通过旋转所述入光滤光轮在不同时间段只允许一定波段的光线通过或不允许任何光线通过，

所述入光滤光轮电连于所述控制与计算系统，被配置为在所述光源发出蓝光、绿光、红光和近红外光的时间段对应地只允许蓝光、绿光、红光和荧光通过。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机为面阵相机，所述面阵相机的像元方阵横向像元数量不低于1800个，所述方阵纵向像元数量不低于900个。

根据本发明的一实施方式，所述光源包括

近红外光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出近红外光脉冲；

近红外光准直透镜，其对应所述近红外光源设置，将所述近红外光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红外光光束；

白光光源，其用于发出可见光，发光时间受所述控制与计算系统控制；

白光准直透镜，其对应所述白光光源设置，将所述可见光进行光学准直从而形成白光光束；

滤光器，被配置为不同时间段内允许不同波段的光线通过，也可以配置为不允许任何光线通过，所述白光光束射向所述滤光器后产生蓝光、绿光、红光形成三色序列光束；以及

合光光学元件，其用于将两条不同方向射入的光束合并为一条光束，所述脉冲式红外光光束和所述三色序列光束从不同方向射入所述合光光学元件，形成四色序列光。

根据本发明的一实施方式，所述的一种黑白单相机实现的医用多光谱成像装置，其特征在于，所述合光光学元件包括二向色性分光镜，所述滤光器为滤光轮。

根据本发明的一实施方式，所述三色序列光束方向和所述脉冲式红外光光束方向垂直，所述二向色性分光镜的一面与所述三色光序列光束和所述脉冲式近红外光光束均呈45度设置。

根据本发明的一实施方式，所述光源包括

近红外光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出近红外光脉冲；

近红外光准直透镜，其对应所述近红外光源设置，将所述近红外光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红外光光束；

红光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出红光脉冲；

红光准直透镜，其对应所述红光光源设置，将所述红光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红光光束；

绿光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出绿光脉冲；

绿光准直透镜，其对应所述绿光源设置，将所述绿光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式绿光光束；

蓝光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出蓝光脉冲；

蓝光准直透镜，其对应所述蓝光源设置，将所述蓝光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式蓝光光束；以及

不少于3个合光光学元件，任一所述合光光学元件用于将两条不同方向射入的光束合并为一条光束，所述合光光学元件被配置为将所述脉冲式红外光光束、脉冲式红光光束、脉冲式蓝光光束、脉冲式绿光光束光学处理为四色序列光。

根据本发明的一实施方式，所述合光光学元件共3个，包括第一二向色性分光镜、第二二向色性分光镜以及第三二向色性分光镜，

所述脉冲式红光光束、脉冲式蓝光光束以及脉冲式绿光光束方向相同且与所述脉冲式红外光光束垂直，

所述第一二向色性分光镜的一面与所述脉冲式红光光束和所述脉冲式近红外光光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式红光光束和所述脉冲式近红外光光束光学处理为包含红光和近红外光的二色序列光束，

所述第二二向色性分光镜的一面与所述脉冲式绿光束和所述二色序列光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式绿光光束和所述二色序列光束光学处理为包含绿光、红光和近红外光的三色序列光束，

所述第三二向色性分光镜的一面与所述脉冲式蓝光束和所述三色序列光束光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式蓝光光束和所述三色序列光束光学处理为包含蓝光、绿光、红光和近红外光的四色序列光束。

为实现上述发明目的，本发明还采用如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，包括以下步骤：

四色序列光照射在对象上，所述四色序列光为四种单色光相继发出形成，所述四种单色光包括蓝光、绿光、红光和近红外光；

在任一单色光照明期间，黑白单机开始并完成1帧采集所述对象在对应单色光照明下的影像，其中蓝光、绿光以及红光照明下的影像是指所述对象对应单色光的反射光，近红外光照明下的影像是指所述对象在所述近红外光照明下被激发的荧光，并不包括所述对象反射的近红外光，所述被反射的近红外光在被采集前被滤除；

综合计算处理上述影像，形成所述对象的彩色成像和荧光成像。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机的帧率不低于100帧每秒不高于300帧每秒；

所述黑白单相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，与此同时，所述黑白相机进行下一组数据的采集，所述计算处理的时间不长于所述一组数据的获取时间。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，所述黑白单相机完成一组数据采集后暂停采集一段时间；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms；

所述黑白相机在所述计算处理结束前完成下一组数据采集。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒，包括以下步骤，

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，所述黑白单相机按照一定帧率不间断的进行采集；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms；

将所述计算处理完成前所述黑白单相机采集的最后一组数据作为下一次计算处理的对象，舍弃其余数据。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像；

对多组所述数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms，此时所述黑白相机进行不间断采集并在在所述计算处理完成前获得多组数据，所述多组数据不少于两组。

根据本发明的一实施方式，所述多组数据为3组数据。

根据本发明的一实施方式，所述黑白单相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每5帧获得一组数据，在所述每5帧的其中一帧采集时，光源不发光，在所述每5帧的其余4帧采集时，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，光源不发光时所述黑白相机采集到的图像包含了环境光信息，作为数据处理时的噪声估计依据；

对3组数据进行包括降噪的计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于50ms；

所述黑白相机进行不间断采集并在所述计算处理完成前获得所述3组数据。

根据本发明的一实施方式，所述黑白相机为面阵相机，所述面阵相机的像元方阵横向像元数量不低于1800个，所述方阵纵向像元数量不低于900个。

需要说明的是，本文中的垂直设置或者45度设置均不是严格的角度要求，可以有正负1度甚至正负5度的角度偏差。

根据上述技术方案可知，本发明的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法和装置，其优点和有益效果在于：

本发明中采用黑白相机实现了彩色成像和荧光成像，具有成本低、结构简单、成像质量好、色彩还原度高的优点。其中，黑白相机的帧率不低于100fps甚至不低于300fps，在此帧率下解决了彩虹效应，同时可以保证计算处理有序进行。在一些实施例中，可实现相机的图像分辨率不低于1800×900，甚至不低于全高清分辨率(1920×1080)，从而进一步提升了图像质量。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构组成示意图；

图2为本发明一实施例的光源出光、成像系统入光、黑白相机采集和计算处理的时序图；

图3为本发明一实施例的光源的一种组成结构；

图4为本发明一实施例的光源的又一种组成结构；

图5为本发明一实施例的光源的又一种组成结构；

图6为本发明一实施例的滤光器的一种组成结构；

图7为本发明一实施例的光学成像系统的一种组成结构；

图8为本发明一实施例的光学成像系统的组成结构；

图9为本发明一实施例的入光滤光轮。

其中，附图标记说明如下：

1、黑白相机；2、光学成像系统；21、光学成像系统的一种组成结构；211、光学透镜；212、陷波滤光片；22、光学成像系统的又一种组成结构；221、光学透镜；222、入光滤光器；2221、入光滤光轮；3、对象；4、光源；41、第一种光源具体结构；411、近红外光源；412、白光LED；413、滤光器；4131、滤光轮；414、合光光学元件；415a、415b、准直透镜；42、第二种光源具体结构；421、近红外光源；422、白光氙灯；423、滤光器；424、合光光学元件；425a、425b、准直透镜；43、第三种光源具体结构；431、近红外光源；432、红光光源；433、绿光光源；434、蓝光光源；435a、435b、435c、435d、准直透镜；436、合光光学元件；437、合光光学元件；438、合光光学元件；5、控制与计算系统；6、监视器；

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置还可以以其他方式定位，例如旋转90度或位于其他方位，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

第一实施例

如图1，本发明的一种医用可见光和近红外光成像装置包括黑白相机1、光学成像系统2、光源4、控制与计算系统5以及监视器6，实现了对象3的彩色成像和荧光成像。其中黑白相机1为面阵相机，光源4受控制与计算系统5控制可相继发出红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)和近红外光(NIR)形成四色序列光，其中所述近红外光(NIR)的频率范围为760nm至810nm，例如可以是中心频率为785nm或780nm或805nm带宽为20nm到40nm左右的窄波段光。对象3表面包含造影剂(例如吲哚青绿，简称ICG)，经过所述近红外光(NIR)照射后，会受激发出近红外段的荧光(NIR_F)，例如光谱范围大概814-851nm，其功率峰值位于825nm左右。所述四色序列光照射在对象3上，对应地，对象3依次反射红光(R’)、绿光(G’)、蓝光(B’)以及近红外光(NIR’)，形成反射的四色序列光。所述反射的四色序列光及其所述荧光(NIR_F)经过光学成像系统2后，所述对象3反射的近红外光(NIR’)被滤除，其余光线相继成像于黑白相机1，分别形成对象3在所述红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)照射下的影像以及荧光(NIR_F)的影像。控制与计算系统5综合分析处理上述影像，形成对象3的彩色成像和荧光成像，并显示在监视器6上，所述荧光成像是指对象3的荧光光斑成像或者综合了荧光光斑和彩色影像的融合图像，所述融合图像通过荧光光斑在彩色图像中标记了病变区域。上述过程中，控制与计算系统5控制黑白相机1采集时刻、曝光时间等参数，同时控制光源4的出光时刻以及出光时间，使得光源4的出光和黑白相机1的采集成像可以同步。所述黑白相机1可以是标准工业相机模组也可以是基于CCD或者CMOS图像传感器实现的定制相机模组。

需要说明的是，所述四色序列光为四种单色光相继发出形成，所述四种单色光包括蓝光、绿光、红光和近红外光，其出光顺序并不唯一，例如可以是依次为蓝光、绿光、红光、近红外光的序列出光，也可以是依次为近红外光、红光、绿光、蓝光的序列出光

如图2所示为光源4出光、对象3反射光以及黑白相机1采集光的时序图。在光源4发射红光(R)的期间，黑白相机1开始并完成反射的红光(R’)的采集，对应地，在光源4发射绿光(G)、蓝光(B)和近红外光(NIR)的期间，黑白相机1开始并完成绿光(G’)、蓝光(B’)以及荧光(NIR_F)的采集。光源4的出光顺序并不唯一，可以是“红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)和近红外光(NIR)”的任意排列。

图2所示时序包括模式(a)、模式(b)、模式(c)、模式(d)以及模式(e)五种模式，在黑白相机1分辨率不低于1800×900甚至不低于1920×1080的前提下，实现消除或大幅减弱了彩虹效应，并保证了图像数据处理的有效有序进行。

对于模式(a)，黑白相机1帧率不低于100fps同时不高于300fps。黑白相机1每4帧获得一组数据，所述一组数据包括了多光谱信息(红光、绿光、蓝光、近红外光以及荧光)。控制与计算系统5对所述一组数据计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，与此同时，黑白相机1进行下一组数据的采集，所述计算处理的时间不长于所述一组数据的获取时间。具体地，当黑白相机帧率为100fps时，控制与计算系统5计算处理一组数据的时间不长于40ms，同时监视器6以25fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像；当黑白相机帧率为300fps时，控制与计算系统5计算处理一组数据的时间不长于13.33ms，同时监视器6以不超过75fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像。

对于模式(b)，黑白相机1帧率不低于300fps。与模式(a)类似，黑白相机1每4帧获得一组数据，所述一组数据包括了多光谱信息。控制与计算系统5对所述一组数据计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，黑白相机1完成一组数据采集暂停一段时间，并在所述计算处理结束前完成下一组数据采集，所述计算处理的时间不长于40ms。具体地，黑白相机1帧率为300fps，控制与计算系统5计算处理一组数据的时间不长于40ms，同时监视器6最低25fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像。

对于模式(c)，黑白相机1帧率不低于300fps。与模式(a)类似，黑白相机1每4帧获得一组数据，所述一组数据包括了多光谱信息。控制与计算系统5对所述一组数据计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，此时黑白相机1进行不间断采集，所述计算处理的时间不长于40ms，将所述计算处理完成前采集的最后一组数据作为下一次计算处理的对象，舍弃其余数据。具体地，黑白相机1帧率为300fps，控制与计算系统5计算处理一组数据的时间不长于40ms，同时监视器6最低25fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像。

对于模式(d)，黑白相机1帧率不低于300fps。与模式(a)类似，黑白相机1每4帧获得一组数据，所述一组数据包括了多光谱信息。控制与计算系统5对多组数据(例如三组)计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms，此时黑白相机1进行不间断采集并在在所述计算处理完成前获得所述多组数据。基于多组数据的校准、滤波和平滑处理使得最终输出的图像信噪比高、清晰度大幅提升。具体地，黑白相机1帧率为300fps，控制与计算系统5计算处理三组数据并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理三组数据并显示的时间不长于40ms，监视器6以25fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像。

对于模式(e)，黑白相机1帧率不低于300fps。黑白相机1每5帧获得一组数据，在所述每5帧的其中一帧采集时，光源4不发光，在所述每5帧的其余4帧采集时，光源4依次同步地发出四色序列光(蓝光、绿光、红光、近红外光)。光源4不发光时黑白相机1采集到的图像包含了环境光信息，作为数据处理时的噪声估计依据。控制与计算系统5对多组数据(例如两组)计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于33ms，此时黑白相机1进行不间断采集并在在所述计算处理完成前获得所述多组数据。由于采集了环境光信息，数据处理时可以对噪声进行更为准确的估计和处理，另外基于多组数据的校准、滤波和平滑处理使得最终输出图像的信噪比和清晰度进一步提升。具体地，黑白相机1帧率为300fps，控制与计算系统5计算处理两组数据并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理三组数据并显示的时间不长于33ms，监视器6以30fps的帧率向用户显示彩色图像或荧光图像。

如图3所示，第一种光源组成结构41包括近红外光源411、白光LED412、滤光器413、合光光学元件414以及准直透镜415a、415b。

白光LED412持续发出白光，所述白光经准直透镜415b准直为一条白光光束后经过滤光器413。滤光器413的滤光特性周期性发生变化，在不同时间段内允许不同波段的光线通过，也可以不允许任何光线通过。所述白光光束经过滤光器413后相继产生红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)形成三色光序列，所述三色光序列射向合光光学元件414的一面。近红外光源411可以是近红外激光二极管、近红外LED或者大功率氙灯配合窄带滤光片实现，近红外光源411受控于控制与计算系统5发出红外光脉冲，其出光时间与所述三色光序列的出光时间相协调。所述红外光脉冲经过准直透镜415a后形成脉冲式红外光光束并射向合光光学元件414的另一面。合光光学元件414反射所述三色光序列同时透射所述脉冲式红外光光束从而形成方向一致的一条四色序列光束。所述四色光序列可以通过聚光镜耦合入光纤(图中未示出)也可以直接射向对象3。优选地，合光光学元件414可以是二向色性分光镜，所述白光发光二极管选用高显色指数型，一般显色指数大于90甚至大于95。

需要说明的是，本文中的光束是指由若干方向大概一致的光线构成的一束光，并没有要求构成的光线的方向完全一致，例如光束中各光线之间的角度差异可以不大于10度甚至不大于20度。

如图6所示，滤光轮4131是图3中滤光器413的一种具体形式。滤光轮4131可绕中心旋转，其旋转速度、旋转角度均可受控，滤光轮周向上分布有三个带通滤光片，白光经过所述三个带通滤光片后，可分别处理为红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)。例如，三个滤光片分别分布于滤光轮的上方、下方和左侧。当旋转所述滤光轮4131至阻隔所述白光光束时，可以作为所述近红外光源411进行脉冲式出光的时间段。所述三个带通滤光片的通带可首尾相接，例如蓝光带通滤光片的截止波长和绿光带通滤光片的起始波长之差不超过30nm甚至不超过10nm，所述绿光带通滤光片的截止波长和红光带通滤光片起始波长之差不超过30nm甚至不超过10nm，从而显色指数大于90的白光经由所述滤光轮处理后形成的红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)的总体波段构成在可见光范围内相对完整，例如可通过混光形成显色指数大于90的白光(设备中并未将多单色光进行混光)，从而在为后期将多帧单色图像高保真地处理为彩色图像提供了基础。

如图4所示，第二种光源组成结构42包括近红外光源421、白光氙灯422、滤光器423、合光光学元件424以及准直透镜425a、425b。第二种光源组成结构42与第一种光源组成结构41的区别仅在于白光发光单元采用白光氙灯422实现。

如图5所示，第三种光源具体结构43包括近红外光源431、红光光源432、绿光光源433、蓝光光源434、准直透镜435a、435b、435c、435d、合光光学元件436、合光光学元件437以及合光光学元件438。所述红光光源432、绿光光源433、蓝光光源434以及所述近红外光源431受控发光并经过对应的准直透镜后相继产生红光光束(R)、绿光光束(G)、蓝光光束(B)以及近红外光光束(NIR)形成四色光束。合光光学元件436、合光光学元件426以及合光光学元件427分别令射向其一面的光束透过同时令射向其另一面的光束发生反射，从而将所述四色光束合并为一个光束。所述红光光源432、绿光光源433、蓝光光源434以及所述近红外光源431的发光时间受控，可相继发出脉冲光，光源最终输出的光束为如图2所示的四色序列光。所述四色光序列可以通过聚光镜耦合入光纤(图中未示出)也可以直接射向对象3。优选的，合光光学元件436、合光光学元件426以及合光光学元件427可采用二向色性分光镜，所述红光光源432、绿光光源433、蓝光光源434可分别选用红光LED、绿光LED、蓝光LED，近红外光源431可选用激光二极管实现，所述激光二极管的中心频率为785nm或780nm或805nm，带宽为20nm到40nm。

图7所示为光学成像系统的一种组成结构21，包括光学透镜211以及陷波滤波片212，用于对象3发出光线的光学成像以及近红外光(NIR’)的滤除，光学透镜211可选用工业镜头，陷波滤波片212被配置为阻止近红外光(NIR’)通过，例如在760nm到810nm之间的光线的透过率低于1％甚至低于0.1％，在380nm到750nm以及810nm到900nm之间光线的透过率大于80％。图7中，光学透镜211以及陷波滤波片212的位置可以互换。

第二实施例

与第一实施例相比，第二实施例的光学成像系统的具体结构和功能不同。

如图8所示，此实施例的光学成像系统22包括光学透镜221、入光滤光器222，用于对入射光线的光学成像、近红外光(760nm至810nm)的滤除以及减弱环境干扰光。光学透镜221可以是工业镜头也可以是定制的透镜组，作用是令入射的光线可以成像于黑白相机的感光芯片。入光滤光器222的滤光特性受控于控制与计算系统5，可以被配置为只允许一定波长范围内的光线通过，例如，可以时间上依次只允许红光、绿光、蓝光以及荧光(810nm至900nm)通过。入光滤光器222只允许红光通过的时间与光源4发出红光的时间相协调(例如相同)，对应的，所述入光滤光器222只允许绿光、蓝光、荧光(810nm至900nm)通过的时间与光源4发出绿光、蓝光、近红外光(760nm至810nm)的时间相协调(例如相同)，从而实现所述红光、绿光、蓝光或荧光(810nm至900nm)依次在黑白相机成像的同时，依次对应地，滤除了入射环境光的红光以外波段成分、绿光以外波段成分、蓝光以外波段成分以及荧光(810nm至900nm)以外成分，从而弱化环境干扰光线对于成像的影响，上述过程中近红外光(760nm至810nm)同样会被滤除。

图9所示为入光滤光轮2221，是所述入光滤光器222的具体结构。所述入光滤光轮可绕中心旋转，其旋转速度、旋转角度均可受控，周向上布设有红光滤光片、绿光滤光片、蓝光滤光片以及荧光波段滤光片，对应的只允许透过红色光线、绿色光线、蓝色光线、以及荧光光线。

采用上述单黑白相机的四色成像方式，具备如下的优点：一是克服了光学结构的复杂性，成本较低，可靠性较高；二是不存在双传感器或者三传感器的空间对位偏差，并且不需要分光镜或者分光棱镜，因而具备更高的图像对位精度和色彩保真度(颜色损失更少)；三是不使用Bayer插值，因此比单彩色传感器的色彩保真度要高；四是黑白传感器的像元较大，弱光成像能力较强，因此可以通过更短时间的曝光削弱环境光的影响。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本文中的方向一致并非指的是严格的无任何角度偏差的方向一致，而是大致一致。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (17)

1.一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，包括

光源，配置为发出四色序列光，照明被观察的对象，所述四色序列光为四种单色光相继发出形成，所述四种单色光包括蓝光、绿光、红光和近红外光；

黑白相机，配置为采集所述对象的影像，其帧率不低于100帧每秒；

光学成像系统，包括入光滤光器，配置为滤除所述对象的部分光线，还包括光学透镜，用于引导所述对象的其他波段光线成像于所述黑白相机；

控制与计算系统，其电连接于所述光源和所述黑白相机，用于控制所述光源发出所述四色序列光，也用于获取并计算分析所述黑白相机采集到的影像从而得到所述对象的彩色图像和荧光图像；以及

监视器，其电连接于所述控制与计算系统，接收并显示所述对象的所述彩色图像和荧光图像。

2.如权利要求1所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述入光滤光器为滤光片，配置为滤除所述对象反射的近红外光。

3.如权利要求1所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，

所述入光滤光器包括入光滤光轮，所述入光滤光轮周向布设红光带通滤光片、绿光带通滤光片、蓝光带通滤光片以及荧光带通滤光片，通过旋转所述入光滤光轮在不同时间段只允许一定波段的光线通过或不允许任何光线通过，

所述入光滤光轮电连于所述控制与计算系统，被配置为在所述光源发出蓝光、绿光、红光和近红外光的时间段对应地只允许蓝光、绿光、红光和荧光通过。

4.如权利要求2所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述黑白相机为面阵相机，所述面阵相机的像元方阵横向像元数量不低于1800个，所述方阵纵向像元数量不低于900个。

5.如权利要求1-4任一所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述光源包括

近红外光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出近红外光脉冲；

近红外光准直透镜，其对应所述近红外光源设置，将所述近红外光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红外光光束；

白光光源，其用于发出可见光，发光时间受所述控制与计算系统控制；

白光准直透镜，其对应所述白光光源设置，将所述可见光进行光学准直从而形成白光光束；

滤光器，被配置为不同时间段内允许不同波段的光线通过，也可以配置为不允许任何光线通过，所述白光光束射向所述滤光器后产生蓝光、绿光、红光形成三色序列光束；以及

合光光学元件，其用于将两条不同方向射入的光束合并为一条光束，所述脉冲式红外光光束和所述三色序列光束从不同方向射入所述合光光学元件，形成所述四色序列光。

6.如权利要求5所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述合光光学元件包括二向色性分光镜，所述滤光器为滤光轮。

7.如权利要求6所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述三色序列光束方向和所述脉冲式红外光光束方向垂直，所述二向色性分光镜的一面与所述三色光序列光束和所述脉冲式近红外光光束均呈45度设置。

8.如权利要求1-4任一所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，所述光源包括

近红外光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出近红外光脉冲；

近红外光准直透镜，其对应所述近红外光源设置，将所述近红外光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红外光光束；

红光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出红光脉冲；

红光准直透镜，其对应所述红光光源设置，将所述红光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式红光光束；

绿光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出绿光脉冲；

绿光准直透镜，其对应所述绿光源设置，将所述绿光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式绿光光束；

蓝光光源，发光时间受所述控制与计算系统控制，可发出蓝光脉冲；

蓝光准直透镜，其对应所述蓝光源设置，将所述蓝光脉冲进行光学准直从而形成近脉冲式蓝光光束；以及

不少于3个合光光学元件，任一所述合光光学元件用于将两条不同方向射入的光束合并为一条光束，所述合光光学元件被配置为将所述脉冲式红外光光束、脉冲式红光光束、脉冲式蓝光光束、脉冲式绿光光束光学处理为四色序列光。

9.如权利要求8所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像装置，其特征在于，

所述合光光学元件共3个，包括第一二向色性分光镜、第二二向色性分光镜以及第三二向色性分光镜，

所述脉冲式红光光束、脉冲式蓝光光束以及脉冲式绿光光束方向相同且与所述脉冲式红外光光束垂直，

所述第一二向色性分光镜的一面与所述脉冲式红光光束和所述脉冲式近红外光光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式红光光束和所述脉冲式近红外光光束光学处理为包含红光和近红外光的二色序列光束，

所述第二二向色性分光镜的一面与所述脉冲式绿光束和所述二色序列光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式绿光光束和所述二色序列光束光学处理为包含绿光、红光和近红外光的三色序列光束，

所述第三二向色性分光镜的一面与所述脉冲式蓝光束和所述三色序列光束光束均呈45度设置，其用于将所述脉冲式蓝光光束和所述三色序列光束光学处理为包含蓝光、绿光、红光和近红外光的四色序列光束。

10.一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

四色序列光照射在对象上，所述四色序列光为四种单色光相继发出形成，所述四种单色光包括蓝光、绿光、红光和近红外光；

在任一单色光照明期间，黑白单机开始并完成1帧采集所述对象在对应单色光照明下的影像，其中蓝光、绿光以及红光照明下的影像是指所述对象对应单色光的反射光，近红外光照明下的影像是指所述对象在所述近红外光照明下被激发的荧光，并不包括所述对象反射的近红外光，所述被反射的近红外光在被采集前被滤除；

综合计算处理上述影像，形成所述对象的彩色成像和荧光成像。

11.如权利要求10所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，

所述黑白相机的帧率不低于100帧每秒不高于300帧每秒；

所述黑白单相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，与此同时，所述黑白相机进行下一组数据的采集，所述计算处理的时间不长于所述一组数据的获取时间。

12.如权利要求10所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，

所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，所述黑白单相机完成一组数据采集后暂停采集一段时间；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms；

所述黑白相机在所述计算处理结束前完成下一组数据采集。

13.如权利要求10所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，

所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒，包括以下步骤，

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，所述黑白单相机按照一定帧率不间断的进行采集；

对所述一组数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms；

将所述计算处理完成前所述黑白单相机采集的最后一组数据作为下一次计算处理的对象，舍弃其余数据。

14.如权利要求10所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，

所述黑白相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每4帧获得一组数据，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像；

对多组所述数据计算处理为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于40ms，此时所述黑白相机进行不间断采集并在在所述计算处理完成前获得多组数据，所述多组数据不少于两组。

15.如权利要求14所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，所述多组数据为3组数据。

16.如权利要求10所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，

所述黑白单相机的帧率不低于300帧每秒；

所述黑白相机每5帧获得一组数据，在所述每5帧的其中一帧采集时，光源不发光，在所述每5帧的其余4帧采集时，完成采集四色序列光照明下的所述对象的影像，光源不发光时所述黑白相机采集到的图像包含了环境光信息，作为数据处理时的噪声估计依据；

对两组数据进行包括降噪的计算处理并显示为一帧彩色图像或荧光图像，所述计算处理的时间不长于33ms；

所述黑白相机进行不间断采集并在所述计算处理完成前获得所述两组数据。

17.如权利要求10-16任一所述的一种黑白单相机实现的医用四色多光谱成像方法，其特征在于，所述黑白相机为面阵相机，所述面阵相机的像元方阵横向像元数量不低于1800个，所述方阵纵向像元数量不低于900个。