CN109561818A - 可调色温白光源 - Google Patents

Abstract

一种用于医疗诊断的系统(100，200，400)，包括光纤电缆(104，204)和光耦合到光纤电缆(104)的第一端的多个光发射器(112，209)。多个光发射器(112，209)中的每个光发射器(231‑239)发射不同带宽的光。该系统还包括电耦合到多个光发射器(112，209)的控制器(108，208)。控制器包括逻辑，该逻辑在由控制器执行时，使得控制器执行操作，该操作包括：接收包括照明模式的指令(501)，以及调节从多个光发射器中的每个光发射器发射的光的强度以匹配照明模式(503)。

Description

可调色温白光源

技术领域

本公开通常涉及白光源，并且特别地但不排他地涉及内窥镜光源。

背景技术

内窥镜允许医生使用可插入仪器查看患者体内的器官和空腔。这是在不需要猜测或进行探索性手术的情况下进行诊断的有价值的工具。可插入仪器，有时称为内窥镜或孔镜，具有插入患者体内并放置在感兴趣的器官或空腔附近的部分，诸如管。

内窥镜最早出现于1800年代初，主要用于照亮身体的黑暗部分(由于光学成像还处于起步阶段)。在1950年代后期，开发了第一台能够捕捉图像的光纤内窥镜。玻璃纤维束被用于相干地将图像光从内窥镜的远端传输到相机。然而，这种开创性的成像内窥镜能够捕捉的图像质量存在物理限制：即，纤维的数量限制了图像的分辨率，并且纤维容易断裂。

现在内窥镜能够捕捉高分辨率图像，因为内窥镜使用各种现代图像处理技术为医生提供尽可能自然的视图。例如，内窥镜提供的视图能够模拟自然的感觉场和景深，以模仿医生在用她自己的眼睛看。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则贯穿各个视图，相似的附图标记表示相似的部分。并不一定标记元素的所有实例，以免在适当的地方打乱附图。附图不一定按比例绘制，而是强调说明所描述的原理。

图1A是根据本公开的实施例的内窥镜系统的框图。

图1B示出了根据本公开的实施例的内窥镜发射光谱和相应的黑体发射光谱。

图2示出了根据本公开的实施例的内窥镜光发射器。

图3A-图3I示出了根据本公开的几个实施例的黑体发射光谱和相应的内窥镜发射光谱。

图4示出了根据本公开的实施例的用户创建内窥镜发射光谱。

图5示出了根据本公开的实施例的内窥镜照明的方法。

具体实施方式

本文描述了用于可调色温白光源的系统和方法的实施例。在下面的描述中，许多的具体细节被阐述以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域技术人员将认识到，本文描述的技术可以无需该具体细节中的一个或多个来实践，或者可以用其它方法、组件、材料等等来实践。在其它实例中，熟知的结构、材料、或者操作未被具体地示出或描述以避免模糊某些方面。

贯穿本说明书的对“一个实施例”或者“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定的特征、结构、或者特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”在贯穿该说明书的各处的出现并不一定全部引用相同的实施例。此外，特定的特征、结构、或者特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。

内窥镜是医生用来在不需要进行探索性手术的情况下查看患者体内的设备。通常，内窥镜是具有插入管的成像设备，插入管通过(小)切口插入患者体内。成像设备从插入管的末端(“远端”)提供视图，并且例如在医生的监视器上显示该视图。成像系统可以提供感兴趣区域的立体视图，以便向查看者呈现更自然的图像。为了生成立体视图，内窥镜可以包括多个图像传感器，其中每个图像传感器从稍微不同的视角提供感兴趣区域的图像。视角的差异旨在模拟人眼的不同视角。为了进一步增强内窥镜成像并帮助医生诊断，本公开提供了一种优雅的解决方案，以在内窥镜的远端产生基本白光(或另一个操作者期望的发射光谱)。

物体的颜色取决于照明光源的光谱以及物体自身的光谱反射。当用内窥镜在空腔内成像时，照明源位于远端。为了使颜色看起来“自然”并对外科医生可识别，具有类似日光的光谱(例如，6500°K的黑体发射光谱)的白色光源经常是优选的。然而，为了使光到达内窥镜的末端，光源需要与光纤电缆良好耦合，以便电缆能够有效地将光传送到末端。宽带灯或LED可以用作光源，但是在某些情况下，与光纤的耦合效率可能会受到限制。激光器可以有效地耦合到光纤电缆；然而，单色激光源可能会产生看起来不自然的颜色。这可能妨碍内窥镜操作者(例如，外科医生)做出准确诊断或正确识别组织的能力。此外，在激光或宽带照明的两种情况下，源发射光谱是固定的；看起来“自然”的颜色是主观的，因此需要一个可调源。

如将更详细讨论的，离散激光器的集合耦合到照明光纤束中，并且激光器的相对功率由软件设定。用户可以在软件中设定温度(T)，由软件调整激光器的相对功率来照亮患者。因此，患者看起来好像被来自具有温度“T”的物体的黑体辐射照亮了。另外，在一些实施例中，用户可以输入任何源光谱特性，并且软件将调节激光器以匹配期望的光谱。

图1A是根据本公开的实施例的内窥镜系统100的框图。内窥镜系统100包括：内窥镜主体102；光纤电缆104；控制逻辑108；光控制器110；光源112；和计算机系统114(包括数据输入/输出116、和功率输入118)。在内窥镜系统100中，光源112包括多个光发射器，并且光耦合到光纤电缆104的第一端。光源112中的每个光发射器发射不同带宽的光—描绘为从光纤电缆104的远端(第二端)离开的具有五种不同能量的五个光子。控制逻辑108电耦合到多个光发射器以控制多个光发射器中的每个光发射器的发射强度。如将在图1B中讨论的，从光纤电缆104的第二端输出的光模仿到人眼的黑体发射光谱。

在所描绘的实施例中，控制逻辑108被耦合以接收(来自计算机系统114的)用户输入，并且响应于用户输入，独立地改变多个光发射器中的每个光发射器的发射强度。然而，在不同的实施例中，可以将用户指令直接输入至内窥镜(而不是附接的计算机系统114)中。尽管所示的实施例示出了硬连线到计算机系统114的内窥镜主体102，但是在其他实施例中，内窥镜主体102可以具有其自己的板上计算机系统114和接口。

尽管没有描述以避免模糊某些方面，内窥镜系统100可以具有用于将图像从物镜传输到内窥镜用户的透镜系统(这可以包括中继透镜系统或光纤束)。内窥镜系统100还可以具有一个或多个机械致动器，以引导光纤电缆104的插入，并操纵光纤电缆104穿过身体。控制逻辑108(例如，微控制器)设置在系统中并电耦合到多个光发射器。控制器包括当由控制器执行时使控制器执行大量操作的逻辑。例如，除了控制光输出之外，控制逻辑108还能够控制任何前述的设备架构的部件(例如，透镜系统、图像传感器、机械致动器等)。控制逻辑108可以精确控制透镜之间的距离，以聚焦内窥镜捕捉的图像，或者利用一个或多个机械致动器操纵光纤电缆104的主体。

图1B示出了根据本公开的实施例的示例内窥镜发射光谱120和相应的用户观察到的黑体发射光谱122。在所描绘的实施例中，内窥镜发射光谱120和用户观察到的黑体发射光谱122已经叠加在同一曲线图上；这只是用于比较目的。两个光谱没有按比例绘制。

如所示的，内窥镜发射光谱120包括五个离散的发射波峰。为了实现五个波峰，将五个激光器导入光纤。通过调节激光器的相对功率，可以渲染具有近似用户观察到的黑体发射光谱122的颜色的场景。所描绘的实施例可以包含例如中心波长为415nm、462nm、520nm、575nm和635nm的五个激光器。所有激光器可以具有1nm的带宽。这五个激光发射波峰可以类似于用户观察到的黑体发射光谱122(其类似于6,500°K黑体发射光谱)。

图2示出了根据本公开的实施例的内窥镜光发射器200。如所示的，内窥镜光发射器200包括：光纤电缆204、光源212(包括多个光发射器209)和控制逻辑208。多个光发射器209包括五个激光器：激光器231、激光器233、激光器235、激光器237和激光器239。多个光发射器209中的每一个光发射器光耦合到光纤电缆204，并单独地电耦合到控制逻辑208。多个光发射器209各自发射离散波长的光。激光器231发射最短波长的光，激光器233发射第二短波长的光，激光器235发射比激光器233更长波长的光，激光器237发射第二长波长的光，激光器239发射最长波长的光。可以变化发射强度或占空比(接通时间与断开时间之比)以输出不同的发射光谱。例如，当模拟更高温度(蓝移)黑体发射光谱时，激光器231的相对强度(或接通时间)可能更大。相反，当模拟更低温度(红移)黑体发射光谱时，激光器239的相对强度(或接通时间)可能更大。

尽管图2描绘的实施例示出了五个激光器，在其他实施例中，多个光发射器209可以具有任何数量的光源，包括激光器和/或发光二极管。此外，图2中描绘的激光器发射相对单色光(例如，具有小于1nm的带宽的光)。然而，在其他实施例中，多个光发射器209的带宽可以更大(大约5nm或更大)。在一些实施例中，光纤电缆204可以包括包层以促进全内反射(例如，包层可以包括反射金属或折射率比光纤电缆204的大部分低的材料)或包含多个光纤。图像传感器可以耦合到光纤电缆204的远端，或者图像传感器可以被包含在内窥镜的主体中，并且光纤电缆204可以用于将图像光中继回图像传感器。

图3A-图3I示出了根据本公开的几个实施例的范围从1,500°K到10,000°K的黑体发射光谱(左)和相应的内窥镜发射光谱(右)。所描绘的每个光谱仅仅是许多可能的发射光谱的一个示例。这里描绘的所有内窥镜发射光谱包括五个单独的光源(例如，激光二极管、发光二极管、气体激光器等)。在所有这些实施例中，用户可以输入黑体发射的温度，并且内窥镜将输出类似于(到人眼的)黑体发射光谱的内窥镜发射光谱。换句话说，可以调节内窥镜的离散发射波峰以欺骗人眼看到黑体发射光谱或其他连续光谱，诸如荧光光谱。

图3A示出了1,500°K黑体发射光谱301、和相应的内窥镜发射光谱303。相对低温的黑体光谱是红移的。因此，只有三个低能内窥镜发射波峰被用来近似黑体发射光谱301。这些波峰的强度按波长减小的顺序单调增加。

图3B示出了2,000°K黑体发射光谱305、和相应的内窥镜发射光谱307。类似于图3A，相对低温的黑体光谱是红移的。因此，只有四个低能量内窥镜发射波峰被用来近似黑体发射光谱307。这些波峰的强度按波长减小的顺序单调增加。

图3C示出了2,500°K黑体发射光谱309、和相应的内窥镜发射光谱311。在2,500°K时，黑体发射光谱309开始蓝移，但仍以红色为主。因此，最低能量波峰仍然具有最大强度，第二低能量波峰具有第二大强度，并且中间波峰具有比第二低能量波峰更低的强度。第二高能量波峰具有最低强度，而最高能量波峰具有第四大强度。

图3D示出了3,000°K黑体发射光谱313、和相应的内窥镜发射光谱315。这里，尽管黑体发射光谱313相对于2,500°K光谱蓝移，五个激光器中只有四个激光器用于形成相应的内窥镜发射光谱315。如所示的，四个最低能量的激光器用于发射光谱，并且每个发射波峰的强度按照波长减小的顺序单调增加。

图3E示出了4,000°K黑体发射光谱317、和相应的内窥镜发射光谱319。黑体发射光谱317继续蓝移，但仍以红色为主。因此，内窥镜发射光谱319包括所有五个激光发射波峰。最高能量波峰具有第二低强度，第二高能量波峰具有最低强度，中间能量波峰具有第三大强度，第二低能量波峰具有第二大强度，最低能量波峰具有最大强度。

图3F示出了6,000°K黑体发射光谱321、和相应的内窥镜发射光谱323。在6000°K时，黑体发射光谱321示出急剧的蓝移。为了匹配这个偏移，最高能量(最低波长)内窥镜发射波峰强度比其他波峰至少大两倍。然而，第二高能量波峰的强度具有比所有其它波峰更低的强度。三个最低能量波峰强度大致是相同的大小，但中间波峰(第二至最低能量)略比其他两个波峰小。

图3G示出了6,500°K黑体发射光谱325、和相应的内窥镜发射光谱327。在6,500°K时，黑体发射光谱325类似于太阳光谱。它显著地蓝移。最高能量波峰强度最大，第二高能量波峰具有最小的波峰强度，中间能量波峰强度大于第二最高能量波峰强度，第二低能量波峰具有与第二高能量波峰强度大致相同的波峰强度。最后，最低能量波峰具有与中间能量波峰大致相同的波峰强度。

图3H示出了8,000°K黑体发射光谱329、和相应的内窥镜发射光谱331。在8,000°K时，黑体发射光谱329大大地蓝移。内窥镜发射光谱331也蓝移，其中最高能量波峰具有最大强度，第二最高能量波峰具有比最高能量波峰更低的强度，第三高能量波峰具有与第二高能量波峰大致相同的强度，第二低能量波峰具有最低强度，并且最低能量波峰具有第二低强度。

图3I示出了10,000°K黑体发射光谱333、和相应的内窥镜发射光谱335。黑体发射光谱333是所描绘的最蓝移的光谱。因此，内窥镜发射光谱335也高度蓝移。最高能量波峰大约是每个其他波峰的两倍大。接下来的两个最高能量波峰大约是最高能量波峰的一半大小，并且两个最低能量波峰大约是相同的大小，并且具有比前两个波峰更低的强度。

本领域技术人员将观察到与上述黑体发射光谱及其相应的内窥镜发射光谱相关的几种趋势：(1)当黑体发射光谱的温度低于2,500°K时，多个光发射器发射单调增加光谱的光(其中多个光发射器中具有最短波长发射光谱的光发射器具有最小振幅，并且多个光发射器中具有最长波长发射光谱的光发射器具有最大振幅)；(2)当黑体发射光谱的温度低于4,000°K时，多个光发射器中具有最长波长发射光谱的光发射器具有最大幅度；并且(3)当黑体发射光谱的温度大于4,000°K时，多个光发射器中具有最短波长发射光谱的光发射器具有最大幅度。

图4示出了根据本公开的实施例的用户创建内窥镜发射光谱。如所示的，用户经由将自定义连续发射光谱的参数输入平板电脑(或其他电子设备)来选择发光模式。在所描绘的实施例中，用户用他/她的手指在平板电脑的屏幕上绘制发射光谱。平板与内窥镜400无线通信，并且内窥镜400调整其发射光谱以匹配平板上绘制的光谱。本领域技术人员将会理解，尽管图示的实施例涉及人在平板上绘制期望的光谱，但是可以使用任何数量的用于定义连续发射光谱的其他方法。例如，发射参数可以简单地输入到表格中，或者可以通过触发增加/减少相对波峰强度。或者，可以在某种照明下拍摄场景的图片，并且平板可以分析光谱并相应地调整内窥镜400的输出。此外，任何计算机系统(不仅仅是平板)都可以用于无线、通过有线或其他电子通信方法与内窥镜400通信。

图4中还示出了颜色检查器(具有理想化颜色的一系列正方形)，在一些实施例中，该颜色检查器可以是“Macbeth”颜色检查器。颜色检查器包括要表示照片中看到的颜色范围的颜色。在一个实施例中，选择发光模式可以包括在期望照明下确定颜色检查器中的颜色，并生成内窥镜光谱输出以匹配期望照明模式。颜色检查器可以在参考照明(诸如在6,500°K时的黑体)下成像，然后在自定义光源下再次成像。自定义光源下的颜色可以与参考光源下的颜色进行比较，以观看自定义光源的输出与参考的接近程度。通过这样做，内窥镜400可以仿真期望的定制照明模式。在一个实施例中，可以用平板中的相机(或任何其他相机设备，诸如手机相机、计算机相机等)来完成对颜色检查器的成像。或者，内窥镜操作者也可以设置发射的光谱来增强特定器官的颜色，而不是使用颜色检查器来设置期望的光谱输出。这可能使诊断和治疗更容易。例如，在不同类型的光下，肿瘤可能看起来与健康组织不同；内窥镜用户可以调整光谱以主要发射这种诊断波长的光。

为了进行上面讨论的计算，并确定物体的颜色(或颜色检查器中的正方形)，平板或其他计算机必须计算XYZ空间中物体的颜色。照明光谱(“I(λ)”)首先必须乘以物体的颜色特定反射性光谱(“R(λ)，G(λ)，B(λ)”)。该光谱乘以适当曲线(颜色的X值的(λ)、颜色的Y值的y(λ)、以及颜色的Z值的z(λ))，然后积分(见等式1、2和3)。

等式1：X＝∫I(λ)R(λ)x(λ)dλ

等式2：Y＝∫I(λ)G(λ)y(λ)dλ

等式3：Z＝∫I(λ)B(λ)z(λ)dλ

在颜色表示中，有两个主要概念：“色度”(即颜色的量)和“亮度”(即颜色的明度)。用两个术语来表示色度，用一个术语来表示亮度。“色度”可以通过使用X、Y和Z计算u'和v'来确定(见等式4和5)。

等式4：u'＝4X/(X+15Y+3Z)

等式5：v'＝9Y/(X+15Y+3Z)

当比较颜色和参考光源时，我们可以计算Δ(u'v')(见等式6)。

等式6：Δ(u'v')＝√((u'-u'_ref)²+(v'-v'_ref)²)

理想情况下Δ(u'v')≤0.030。在这个范围内，人眼难以察觉颜色之间的差异。换句话说，优化寻求最小化宽带正常照明(例如，6,500°K时的黑体照明)下的拼贴(tile)(或其他颜色参考)的颜色和在来自这里描述的激光器的集合的照明下的同一拼贴的颜色之间的差的总和(或一些其他线性组合)。

图5示出了根据本公开的实施例的内窥镜照明的方法500。方法500中一些或全部过程框501-507出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，方法500中的一些可以以未示出的各种顺序执行，或者甚至并行执行。

框501示出了从多个发光模式选择发光模式。在一个实施例中，发光模式是对应于图3A-图3I中描绘的黑体发射光谱的内窥镜发射光谱中的任何一个。在其他实施例中，用户可以选择、跟踪或输入自定义发射光谱(见例如图4)。

框503示出了响应于所选择的发光模式从多个光发射器发射光。在一个实施例中，多个光发射器中的每个光发射器发射不同带宽的光。由多个光发射器中的大多数光发射器发射的光的带宽可以小于5nm。在其他实施例中，带宽可以明显更小，诸如1nm或更小。

框505描述了通过光纤电缆传输光；光纤电缆的第一端光耦合到多个光发射器。在一些实施例中，使用激光器作为光源提供了与光纤电缆的(相对于其他白光源)极其有效的光耦合。

框507示出了从光纤电缆的第二端向外耦合光，并且从光纤电缆的第二端输出的光模仿到人眼的连续发射光谱。在一个实施例中，从光纤电缆的第二端输出的光在CIELUV颜色空间中通过根据黑体发射光谱使Δ(u'v')≤0.030来模仿黑体发射光谱。

以上对本发明所示实施例的描述，包括摘要中描述的内容，并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种修改是可能的。

考虑到上述详细描述，可以对本发明进行这些修改。权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的具体实施例。相反，本发明的范围将完全由权利要求确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

要求排他的属性或特权的本发明的实施例定义如权利要求。

Claims (23)

1.一种用于医疗诊断的系统，包括：

光纤电缆；

多个光发射器，光耦合到光纤电缆的第一端，其中，多个光发射器中的每个光发射器发射不同带宽的光；以及

控制器，设置在所述系统中并电耦合到多个光发射器，其中所述控制器包括逻辑，所述逻辑在由所述控制器执行时使得控制器执行操作，所述操作包括：

接收包括照明模式的指令，其中所述照明模式模仿到人眼的黑体发射光谱；以及

调节从多个光发射器中的每个光发射器发射的光的强度，以匹配照明模式。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明模式包括用于所述多个光发射器发射的光的预定强度的集合。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述预定强度的集合模仿对应于温度的黑体发射光谱，并且其中所述温度包括1,000°K和10,000°K之间的特定温度，含1,000°K和10,000°K。

4.如权利要求3所述的系统，其中，当所述黑体发射光谱的温度小于4,000°K时，所述多个光发射器中具有最长波长发射光谱的光发射器具有最大强度，并且其中，当所述黑体发射光谱的温度大于4,000°K时，所述多个光发射器中具有最短波长发射光谱的光发射器具有最大强度。

5.如权利要求1所述的系统，其中，由所述多个光发射器中的大多数光发射器发射的光的带宽小于5nm。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明模式在CIELUV颜色空间中通过根据黑体发射光谱使Δ(u'v')≤0.030来模仿黑体发射光谱。

7.一种内窥镜照明的方法，包括：

从多个发光模式中选择发光模式；

响应于所选择的发光模式，从多个光发射器发射光，其中所述多个光发射器中的每个光发射器发射不同带宽的光；

通过光纤电缆传输光，其中所述光纤电缆的第一端光耦合到多个光发射器；以及

从光纤电缆的第二端向外耦合光，其中从所述光纤电缆的第二端输出的光模仿到人眼的连续发射光谱。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个发光模式中的每个发光模式对应于1,000°K和10,000°K之间的黑体发射光谱的温度，含1,000°K和10,000°K。

9.如权利要求8所述的方法，其中，当黑体发射光谱的温度小于2,500°K时，所述多个光发射器发射随波长增加而单调增加的发射光谱，其中，所述多个光发射器中具有最短波长发射光谱的光发射器具有最小强度，并且所述多个光发射器中具有最长波长发射光谱的光发射器具有最大强度。

10.如权利要求8所述的方法，其中，当黑体发射光谱的温度小于4,000°K时，所述多个光发射器中具有最长波长发射光谱的光发射器具有最大强度。

11.如权利要求8所述的方法，其中，当黑体发射光谱的温度大于4,000°K时，所述多个光发射器中具有最短波长发射光谱的光发射器具有最大强度。

12.如权利要求8所述的方法，其中，从所述光纤电缆的第二端输出的光在CIELUV颜色空间中通过根据黑体发射光谱使Δ(u'v')≤0.030来模仿黑体发射光谱。

13.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个光发射器包括具有5nm或更小带宽的五个激光二极管。

14.如权利要求7所述的方法，其中，所述发光模式由用户通过输入自定义连续发射光谱的参数来选择。

15.如权利要求7所述的方法，其中，选择发光模式包括：

在期望的照明下确定颜色检查器的颜色；以及

生成照明模式以匹配期望的照明。

16.一种内窥镜，包括：

光纤电缆；

多个光发射器，光耦合到光纤电缆的第一端，其中所述多个光发射器中的每个光发射器发射不同带宽的光；以及

控制逻辑，电耦合到多个光发射器，以控制多个光发射器中的每个光发射器的发射强度，其中从光纤电缆的第二端输出的光模仿到人眼的黑体发射光谱。

17.如权利要求16所述的内窥镜，其中，所述控制逻辑耦合来接收用户输入，并且响应于所述用户输入，独立地改变所述多个光发射器中的每个光发射器的发射强度。

18.如权利要求17所述的内窥镜，其中，所述用户输入包括黑体发射光谱的温度。

19.如权利要求18所述的内窥镜，其中，所述温度范围从1,000°K到10,000°K。

20.如权利要求16所述的内窥镜，其中，所述多个光发射器包括多个激光二极管或多个发光二极管中的至少一个。

21.如权利要求20所述的内窥镜，其中，由所述多个光发射器中的大多数光发射器发射的光的带宽小于5nm。

22.如权利要求21所述的内窥镜，其中，所述多个光发射器包括五个光发射器。

23.如权利要求16所述的内窥镜，其中，从所述光纤电缆的第二端输出的光在CIELUV颜色空间中通过根据黑体发射光谱使Δ(u'v')≤0.030来模仿黑体发射光谱。