CN109480776A - 近红外荧光手术成像系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种近红外荧光手术成像系统及其使用方法，包括：光源模块，发出白光和激发光，所述白光和激发光照射待测组织体，生成发射光；光信息采集模块，包括：白光相机，用于采集白光图像；近红外一区荧光相机，用于采集近红外一区荧光图像；近红外二区荧光相机，用于采集近红外二区荧光图像；以及中央控制模块，分别与所述光源模块和光信息采集模块相连，中央控制模块的图像处理单元将光信息采集模块所采集的白光图像、近红外一区荧光图像和近红外二区荧光图像进行去噪、增强等预处理再通过中央控制模块的图像处理单元将图像进行伪色彩映射，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像，完成近红外荧光手术成像系统的成像。

Description

近红外荧光手术成像系统及其使用方法

技术领域

本公开涉及光学分子成像领域，尤其涉及一种近红外荧光手术成像系统及其使用方法。

背景技术

术中肿瘤微小病灶难以全面检测，是导致癌症复发的重要原因。到目前为止，外科医生最常用的术中残余癌灶检测方法仍然是：肉眼检视、用手触摸、快速冰冻切片病理检测以及术中超声检测。但是传统检测技术，以及术前CT、MRI技术至今仍难以满足临床上对术中肿瘤微小病灶全面检测的需求，因而对现有技术的优化以及探索新的成像技术成为影像学领域研究的热点。

随着医学成像技术的发展，光学分子影像已经成为生命科学基础研究和临床诊断中广泛应用的新一代成像模式。该技术横跨医学、分子生物学、计算机科学等多个学科，具有特异性高、灵敏度高的特点，并且能实时动态显像。现有多种荟萃分析的实验结果表明：ICG介导的近红外荧光成像技术，能够在癌症切除术中，协助外科医生，实时发现部分术中超声未能发现的或遗漏的微小肿瘤病灶。近红外荧光成像是利用近红外荧光对病灶进行成像的技术，可分为波长为700nm-900nm的近红外一区荧光成像和波长为1100nm-1700nm的近红外二区荧光成像。近红外一区成像具有背景噪声低、信号强度高的特点，近红外二区成像具有在生物组织内散射效应和吸收效应小、穿透深度深、组织自发荧光小和信背比高的优势，因此，利用近红外信号进行荧光成像，从而对肿瘤病灶进行检测的方法有望提高肿瘤手术患者的术后生存率和生存质量；但现有的近红外荧光成像系统存在成像深度较浅、信号背景比值较小、肿瘤边界区分不明显的不足。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种近红外荧光手术成像系统及其使用方法，以缓解现有技术中近红外荧光成像系统所成像深度较浅、信号背景比值较小、肿瘤边界区分不明显等技术问题。

(二)技术方案

在本公开的一个方面，提供一种近红外荧光手术成像系统，包括：光源模块，发出白光和激发光，所述白光和激发光照射待测组织体，生成发射光；光信息采集模块，通过所述发射光采集白光图像、近红外一区图像、近红外二区图像；以及中央控制模块，分别与所述光源模块和光信息采集模块相连，控制所述光源模块和光信息采集模块。

在本公开实施例中，所述光源模块包括：白光发射装置，用于发射白光；激光器，用于发射波长可调谐的激发光；光纤，用于传导所述激发光；以及转接装置，用于连接激光器与光纤。

在本公开实施例中，所述光源模块还包括：

扩束器，设置在光纤末端，将光纤中导出的激发光发散成激光束。

在本公开实施例中，所述光源模块还包括：

保护玻璃，扩束器设置在光纤和保护玻璃之间，激发光从扩束器传输到保护玻璃，保护玻璃用于限制被扩束器发散的激发光。

在本公开实施例中，所述光信息采集模块包括：白光相机，用于采集白光图像；近红外一区荧光相机，用于采集近红外一区荧光图像；近红外二区荧光相机，用于采集近红外二区荧光图像；以及变焦镜头，通过转接环安装于所述白光相机、近红外一区荧光相机及近红外二区荧光相机上，用于调节成像区域大小。

在本公开实施例中，所述光信息采集模块还包括：

第一数据线，用于传输所述白光相机的数据；第二数据线，用于传输近红外一区荧光采集相机数据；第三数据线，用于传输近红外二区荧光采集相机数据；以及电源线，用于为所述白光相机、近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机提供电源。

在本公开实施例中，所述光信息采集模块还包括：第一滤光片，设置在近红外一区采集相机和变焦镜头之间，用于滤掉近红外一区波段以外的光信号；以及第二滤光片，设置在近红外二区采集相机和变焦镜头之间，用于滤掉近红外二区波段以外的光信号。

在本公开实施例中，所述中央控制模块包括：信号控制单元，用于控制光源模块以及光信息采集模块；数据读取单元，用于读取光信息采集模块所采集的白光图像、近红外一区荧光图像及近红外二区荧光图像数据；以及图像处理单元，用于对白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像进行预处理，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像；所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元之间均通信连接。

在本公开实施例中，所述中央控制模块还包括：图像显示单元，用于显示白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像、近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像；所述图像显示单元与所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元均通信连接。

在本公开的另一方面，还提供一种近红外荧光手术成像系统的使用方法，使用以上所述的近红外荧光手术成像系统进行成像，所述使用方法包括：步骤A：打开白光发射装置，通过中央控制模块的信号控制单元向白光采集相机输出控制信号，使白光相机采集白光图像；步骤B：关闭白光发射装置，打开激光器输出激发光，通过中央控制模块的信号控制单元向近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机输出控制信号，分别采集近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像；步骤C：通过中央控制模块的图像处理单元将步骤A和B所采集的白光图像、近红外一区荧光图像和近红外二区荧光图像进行去噪、增强的预处理；步骤D：通过中央控制模块的图像处理单元将经过步骤C预处理后的图像进行伪色彩映射，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像，完成近红外荧光手术成像系统的成像。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开近红外荧光手术成像系统及其使用方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)生物组织内的吸收效应和散射效应都较小；

(2)组织自发荧光小和信背比高；

(3)穿透能力更强，成像深度更深；

(4)光信号的分布更加接近真实，肿瘤边界判断更加准确。

附图说明

图1是本公开实施例的近红外荧光手术成像系统的结构示意图。

图2是本公开实施例的近红外荧光手术成像系统的光源模块的结构示意图。

图3是本公开实施例的近红外荧光手术成像系统的光信息采集模块的结构示意图。

图4是本公开实施例的近红外荧光手术成像系统的使用方法流程图。

具体实施方式

本公开提供了一种近红外荧光手术成像系统及其使用方法，相比于传统检测技术以及已有的近红外一区成像，本系统另外提供一种近红外二区成像技术，它在生物组织内的吸收效应和散射效应都较小，因而具有穿透度深，组织自发荧光小和信背比高的优势。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一近红外荧光手术成像系统，图1为所述近红外荧光手术成像系统的结构示意图，图2是近红外荧光手术成像系统的光源模块的结构示意图；图3是近红外荧光手术成像系统的光信息采集模块的结构示意图，结合图1至图3所示，所述的近红外荧光手术成像系统，包括：

光源模块，发出白光和激发光；

光信息采集模块，获取白光图像、近红外一区图像、近红外二区图像；以及

中央控制模块，控制所述光源模块和光信息采集模块；读取白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像；根据白光图像和近红外荧光图像得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像。荧光图像进行伪色彩映射，将伪色彩分别叠加到白光图像上，得到近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像。

所述光源模块照射样本后得到白光图像、近红外一区有荧光图像、近红外二区荧光图像。

根据优选的实施例，所述近红外荧光手术成像系统还包括外部封装模块，所述外部封装模块包括：

支撑架，用于支撑近红外荧光手术成像系统的光信息采集模块；所述支撑架用于保障光信息采集模块的平衡稳定；

连接器，设置在支撑架上，用于固定连接所述支撑架及光信息采集模块。

根据优选的实施例，所述近红外荧光手术成像系统，还包括：

手术床，用于支撑手术患者，对手术患者进行升降和/或平移。

在本公开实施例中，结合图1至图3所示，所述光源模块包括：

白光发射装置，用于发射白光；

激光器，用于发射激发光；所述激光器发出的激发光的波长可以调谐；

光纤，用于将激发光传导到手术成像区域；所述光纤是由玻璃制成的纤维，光纤的长度例如可以是3米；以及

转接装置，用于连接激光器与光纤。

根据优选的实施例，所述光源模块还包括：

扩束器，设置在光纤末端，将光纤中导出的激发光发散成较大的激光束；

根据优选的实施例，所述光源模块还包括：

保护玻璃，扩束器设置在光纤和保护玻璃之间，激发光从扩束器传输到保护玻璃，保护玻璃用于将被扩束器发散的激发光限制在一个小范围内，保护其他各子部件。

在本公开实施例中，所述光信息采集模块用于白光、近红外一区荧光、近红外二区荧光的采集，结合图1至图3所示，所述光信息采集模块包括：

白光相机，用于采集白光图像；

近红外一区荧光相机，用于采集近红外一区荧光图像；

近红外二区荧光相机，用于采集近红外二区荧光图像；

变焦镜头，用于调节成像区域大小；

转接环，用于连接相机和各自变焦镜头；

根据优选的实施例，所述光信息采集模块还包括：

第一数据线，用于传输所述白光相机的数据。

第二数据线，用于传输近红外一区荧光采集相机数据；

第三数据线，用于传输近红外二区荧光采集相机数据；以及

电源线，用于为所述白光相机、近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机提供电源。

所述白光相机和近红外一区荧光相机可以由高速、高灵敏度、高分辨率的pco.edge 5.5相机构成，近红外二区荧光相机可以由PI NIRvana 640相机构成，工作温度为零下80摄氏度；

所述第一数据线可以通过USB3.0接口将白光采集相机与中央控制模块相连接；所述第二数据线可以通过USB3.0接口将近红外一区荧光采集相机与中央控制模块相连接；所述第三数据线可以通过RJ45接口将近红外二区荧光采集相机与中央控制模块连接；

所述电源线包括：第一电源线、第二电源线、第三电源线，各电源线通过电源适配器将各采集相机连接到220V电压上。

根据优选的实施例，光信息采集模块还包括：

第一滤光片，设置在近红外一区采集相机和变焦镜头之间；

所述第一滤光片可以是近红外一区信号带通滤光片，滤光片可以设置在转接环上，可以滤掉近红外一区波段以外的光信号；

第二滤光片，设置在近红外二区采集相机和变焦镜头之间；

所述第二滤光片可以是近红外二区信号长通滤光片，滤光片可以设置在转接环上，可以滤掉近红外二区波段以外的光信号。

在本公开实施例中，所述中央控制模块包括：

信号控制单元，用于控制光源模块以及光信息采集模块；

数据读取单元，用于读取光信息采集模块所采集的白光图像、近红外一区荧光图像及近红外二区荧光图像数据；

图像处理单元，用于对白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像进行预处理，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像。

所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元之间均通信连接。

所述信号控制单元，例如可以用于从计算机输出光源模块、光信息采集模块的控制信号；输入读取单元，例如可以用于计算机读取光信息采集模块采集到的信号；图像处理单元，例如可以用于对采集到的光信息进行校正、去噪、叠加伪色彩等处理。

根据优选的实施例，所述中央控制模块还包括：

图像显示单元，用于显示白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像、近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像。与所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元均通信连接。

在本公开实施例中，信号控制单元输出控制信号，控制采集相机，并设置采集顺序及相关参数。数据读取单元通过各相机的数据线读取采集到的白光图像、近红外一区有荧光图像、近红外二区荧光图像。然后通过图像处理单元对采集到的信息进行处理，对白光图像和荧光图像进行图像去噪、图像增强等处理。根据初步处理后的白光图像和荧光图像计算配准参数，然后将荧光图像进行伪色彩映射，将伪色彩分别叠加到白光图像上，得到近红外一区伪色彩叠加图和近红外二区伪色彩叠加图。最后，图像显示单元对白光图像、近红外一区伪色彩叠加图、近红外二区伪色彩叠加图进行显示。

如上所述，在本公开实施例中，还提供一种近红外荧光手术成像系统的使用方法，基于以上所述近红外荧光手术成像系统进行成像，将近红外荧光手术成像系统组装好，调整支撑架，使成像区域尽可能在成像视野中心。图4是近红外荧光手术成像系统的使用方法的流程示意图，如图4所示，所述使用方法包括：

步骤A：打开白光发射装置，通过中央控制模块的信号控制单元向白光采集相机输出控制信号，使白光相机采集白光图像；

步骤B：关闭白光发射装置，打开激光器输出激发光，通过中央控制模块的信号控制单元向近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机输出控制信号，分别采集近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像；

步骤C：通过中央控制模块的图像处理单元将步骤A和B所采集的白光图像、近红外一区荧光图像和近红外二区荧光图像进行去噪、增强等预处理；

步骤D：通过中央控制模块的图像处理单元将经过步骤C预处理后的图像进行伪色彩映射，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像，完成近红外荧光手术成像系统的成像。

本公开基于近红外荧光手术导航技术，结合白光图像和近红外荧光图像，采用图像处理算法，实现患者体内肿瘤微小病灶的近红外荧光成像，并构建了近红外荧光手术成像系统，该系统可以实现患者体内微小肿瘤的检测。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开近红外荧光手术成像系统及其使用方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种近红外荧光手术成像系统及其使用方法，相比于传统检测技术以及已有的近红外一区成像，本系统另外提供一种近红外二区成像技术，它在生物组织内的吸收效应和散射效应都较小，因而具有穿透度深，组织自发荧光小和信背比高的优势。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近红外荧光手术成像系统，包括：

光源模块，发出白光和激发光，所述白光和激发光照射待测组织体，生成发射光；

光信息采集模块，通过所述发射光采集白光图像、近红外一区图像、近红外二区图像；以及

中央控制模块，分别与所述光源模块和光信息采集模块相连，控制所述光源模块和光信息采集模块。

2.根据权利要求1所述的近红外荧光手术成像系统，所述光源模块包括：

白光发射装置，用于发射白光；

激光器，用于发射波长可调谐的激发光；

光纤，用于传导所述激发光；以及

转接装置，用于连接激光器与光纤。

3.根据权利要求2所述的近红外荧光手术成像系统，所述光源模块还包括：

扩束器，设置在光纤末端，将光纤中导出的激发光发散成激光束。

4.根据权利要求2所述的近红外荧光手术成像系统，所述光源模块还包括：

保护玻璃，扩束器设置在光纤和保护玻璃之间，激发光从扩束器传输到保护玻璃，保护玻璃用于限制被扩束器发散的激发光。

5.根据权利要求1所述的近红外荧光手术成像系统，所述光信息采集模块包括：

白光相机，用于采集白光图像；

近红外一区荧光相机，用于采集近红外一区荧光图像；

近红外二区荧光相机，用于采集近红外二区荧光图像；以及

变焦镜头，通过转接环安装于所述白光相机、近红外一区荧光相机及近红外二区荧光相机上，用于调节成像区域大小。

6.根据权利要求5所述的近红外荧光手术成像系统，所述光信息采集模块还包括：

第一数据线，用于传输所述白光相机的数据；

第二数据线，用于传输近红外一区荧光采集相机数据；

第三数据线，用于传输近红外二区荧光采集相机数据；以及

电源线，用于为所述白光相机、近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机提供电源。

7.根据权利要求5所述的近红外荧光手术成像系统，所述光信息采集模块还包括：

第一滤光片，设置在近红外一区采集相机和变焦镜头之间，用于滤掉近红外一区波段以外的光信号；以及

第二滤光片，设置在近红外二区采集相机和变焦镜头之间，用于滤掉近红外二区波段以外的光信号。

8.根据权利要求1所述的近红外荧光手术成像系统，所述中央控制模块包括：

信号控制单元，用于控制光源模块以及光信息采集模块；

数据读取单元，用于读取光信息采集模块所采集的白光图像、近红外一区荧光图像及近红外二区荧光图像数据；以及

图像处理单元，用于对白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像进行预处理，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像；

所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元之间均通信连接。

9.根据权利要求8所述的近红外荧光手术成像系统，所述中央控制模块还包括：图像显示单元，用于显示白光图像、近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像、近红外一区伪色彩叠加图像、近红外二区伪色彩叠加图像；所述图像显示单元与所述信号控制单元、数据读取单元、图像处理单元均通信连接。

10.一种近红外荧光手术成像系统的使用方法，使用权利要求1至9任一项所述的近红外荧光手术成像系统进行成像，所述使用方法包括：

步骤A：打开白光发射装置，通过中央控制模块的信号控制单元向白光采集相机输出控制信号，使白光相机采集白光图像；

步骤B：关闭白光发射装置，打开激光器输出激发光，通过中央控制模块的信号控制单元向近红外一区荧光相机、近红外二区荧光相机输出控制信号，分别采集近红外一区荧光图像、近红外二区荧光图像；

步骤C：通过中央控制模块的图像处理单元将步骤A和B所采集的白光图像、近红外一区荧光图像和近红外二区荧光图像进行去噪、增强的预处理；

步骤D：通过中央控制模块的图像处理单元将经过步骤C预处理后的图像进行伪色彩映射，得到手术区域的近红外一区伪色彩叠加图像和近红外二区伪色彩叠加图像，完成近红外荧光手术成像系统的成像。