CN109901283B - 一种单模单光纤无扫描内窥成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有内窥镜成像技术存在的探头尺寸大，需要扫描装置，对光纤形变敏感，制造工艺复杂等技术问题，本发明提供一种单模单光纤的无扫描内窥成像系统及方法。该系统包括宽谱光源、单模光纤环形器、色散介质、光谱分析仪以及计算机；单模光纤环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口；第一端口用于将宽带照明光传导到第二端口；第二端口用于照明被测目标物体，同时接收经被测目标物体反射的信号光并将其传导到第三端口；第三端口连接光谱分析仪，光谱分析仪用于检测信号光的光谱信息；色散介质用于将第二端口出射的宽带照明光进行光谱色散；计算机用于得到被测目标物体的光谱信息，并基于该光谱信息重建目标物体的空间信息。

Description

一种单模单光纤无扫描内窥成像系统及方法

技术领域

本发明涉及内窥成像技术，具体涉及一种单模单光纤无扫描内窥成像系统及方法。

背景技术

内窥镜因其可通过狭小腔体对内部目标物体进行成像，被广泛应用于医学和工业领域的成像及检测。目前主流的医学内窥镜是基于光纤束系统或者复杂的机械扫描系统，照明光路与传像光路分离，导致探头尺寸较大，难以满足现代医学在微创、无创疾病诊断和治疗中对小尺寸探头的要求；同样，目前的工业内窥镜也需要超细的内窥探头。

多模光纤有多个空间传输模式，可并行传输信息，具有宽场成像的潜力；同时由于其直径较细，进而有望开发出一种创伤更小的超细光纤内窥镜。然而，多模光纤用来成像的主要缺点是其内部的传输模式对光纤的形变十分敏感，任何微小的形变都会导致传输模式的不可预测的变化，从而导致成像失真。这个缺陷使得其只能用于制作光纤无需弯曲的硬质内窥镜，而无法用于制作光纤需要弯曲的柔性内窥镜，这大大限制了其应用范围。

与多模光纤不同，单模光纤只有一个传输模式，因此其传输模式不会随着光纤的形变而发生改变，是制作柔性内窥镜的理想选择。然而，单根单模光纤本身不能用于对复杂物体进行成像，因为它不具有将不同空间位置信息区分开的能力。

为了解决只用单根单模光纤进行宽场成像的问题，近期提出了一种基于空间-光谱编码的图像传输策略。空间信息通过放置在光纤端面的一对正交法布里-珀罗标准具或衍射光栅等光谱分散器，首先转换为光谱信息，然后基于检测到的光谱信息进行数值反演从而恢复出被测目标物体的空间信息。然而，这种空间-光谱编码技术的主要障碍是设计及制造这样一种微型且结构复杂的色散元件是十分困难的。

发明内容

为解决现有内窥镜成像技术存在的探头尺寸大，需要扫描装置，对光纤形变敏感，制造工艺复杂等技术问题，本发明提供一种单模单光纤无扫描内窥成像系统及方法。该结构简单、利用单根单模光纤做探头，探头直径小且对形变不敏感，可深入狭小且结构复杂的腔体；同时在成像过程中无需扫描，耗时短，具有实时成像的优点。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：

一种单模单光纤无扫描内窥成像系统，包括宽谱光源、单模光纤环形器、色散介质、光谱分析仪以及计算机；

单模光纤环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一端口连接宽谱光源，用于将宽带照明光传导到第二端口；

第二端口正对被测目标物体，用于照明被测目标物体，同时接收经被测目标物体反射的信号光并将其传导到第三端口；

第三端口连接光谱分析仪，光谱分析仪用于检测信号光的光谱信息；

色散介质涂抹于所述单模光纤环形器的第二端口，用于将第二端口出射的宽带照明光进行光谱色散；

计算机与所述光谱分析仪连接，用于得到被测目标物体的光谱信息，并基于该光谱信息重建目标物体的空间信息。

优选地，所述色散介质为ZnO或TiO₂等对光谱具有色散功能的光学介质。

本发明利用上述单模单光纤无扫描内窥成像系统进行的成像方法具体包括以下步骤：

1)利用数字微镜器件进行空间-光谱传输响应矩阵标定；

2)对被测目标物体的光谱信息进行采集；

3)利用步骤1)的空间-光谱传输响应矩阵，根据矩阵求逆恢复算法，从步骤2)所获取的光谱信息中反演恢复出被测目标物体的空间信息。

进一步地，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)将数字微镜器件放置于单模光纤环形器第二端口的出射端；

1.2)将所述数字微镜器件正对单模光纤环形器第二端口出射端的区域作为观察区域，并将该观察区域分成N个调制子区域，所述N为大于等于1的自然数；

1.3)依次采集数字微镜器件上N个调制子区域的光谱传输响应；

1.4)判断是否已采集完所有调制子区域，若否则回到步骤1.3)继续进行采集；若是，所有调制子区域的光谱传输响应获取完毕，这些光谱传输响应的集合即为空间-光谱传输响应矩阵，整个过程结束。

进一步地，上述步骤1.3)中任一调制子区域的光谱传输响应采集步骤具体为：

1.3.1)打开所述数字微镜器件的任一调制子区域作为标定目标物，照射成像；

1.3.2)将步骤1.3.1)所述经标定目标物的反射光由单模光纤环形器的第二端口接收并传导到第三端口，通过光谱分析仪获取其光谱信息，得到所述任一调制子区域的光谱传输响应。

进一步地，上述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将单模光纤环形器的第二端口正对被测目标物体，照射成像；

2.2)将步骤2.1)中被测目标物体所反射的信号光经单模光纤环形器的第二端口接收，并将其传导到第三端口，由光谱分析仪检测该信号光的光谱信息，所述光谱信息即为被测目标物体的光谱信息。

进一步地，上述步骤3)具体被测目标物体的空间信息表达式为：

A(x)＝M(x；λ)^-1×B(λ)；

其中：

B(λ)为被测目标物体的光谱信息；

M(x；λ)为标定好的空间-光谱传输响应矩阵；

M(x；λ)^-1为空间-光谱传输响应矩阵M(x；λ)的逆矩阵；

运算符“×”表示矩阵乘法。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1、本发明的单模单光纤无扫描内窥成像系统，利用单根单模光纤作为该系统的内窥探头。与传统的基于光纤束或梯度折射率透镜的内窥成像方法相比，结构简单、单根单模光纤直径更细，有利于进行微创检测。

2、本发明的单模单光纤无扫描内窥成像系统，利用单根单模光纤作为该系统的内窥探头。与传统的基于多模光纤的内窥成像方法相比，单模光纤的传输模式对形变不敏感，可用于制作应用范围更广的柔性内窥镜。

3、本发明的单模单光纤无扫描内窥成像方法，利用单根单模光纤作为该系统的内窥探头，利用色散介质实现空间-光谱信号编码。通过采集被测目标物体的光谱信息，借助在成像前测量得到的成像系统空间-光谱传输响应矩阵，即可对被测目标物体进行计算成像重构，实现利用单根单模光纤对被测目标物体进行无扫描内窥成像。与现有扫描内窥成像方法相比，成像过程中无需进行扫描操作，可有效降低图像采集时间，实现宽场实时成像。

4、本发明的单模单光纤无扫描内窥成像系统，用单根单模光纤作为该系统的内窥探针，单根单模光纤可以同时被用作照明光纤和成像光纤。与传统的照明光纤和成像光纤相分离的内窥成像方案相比，系统更简单，集成度更高。

5、本发明可应用于生物医学内窥成像及工业内窥成像等相关应用领域。

附图说明

图1为本发明未加载被测目标物体时的成像系统光路图；

图2为本发明加载被测目标物体时的成像系统光路图；

图3为进行空间-光谱传输响应矩阵标定时的成像系统光路图；

图4为成像方法的流程图；

图5为空间-光谱传输响应矩阵标定方法的流程图；

图6a为成像时的具体加载被测目标物体空间图；

图6b为测得的被测目标物体光谱信息图；

图6c为基于光谱信息反演重建出的被测目标物体空间信息图；

图7a为依次打开的数字微镜器件调制子区域图；

图7b为测得的调制子区域相应光谱传输响应图。

附图标记说明：

1-宽谱光源；2-单模光纤环形器；3-色散介质；4-光谱分析仪；5-计算机；6-数字微镜器件；7-被测目标物体。

具体实施方式

本发明提出了一种单模单光纤无扫描内窥成像系统及方法，分成像系统和成像方法两个部分，下面结合附图逐一进行介绍：

第一部分：成像系统(如图1和图2所示)

本发明的单模单光纤无扫描内窥成像系统，包括宽谱光源1、单模光纤环形器2、色散介质3、光谱分析仪4以及计算机5；

单模光纤环形器2包括端口一(第一端口)、端口二(第二端口)以及端口三(第三端口)，端口一连接宽谱光源1，用于将宽带照明光传导到端口二；

端口二正对被测目标物体7，用于照明被测目标物体7，同时接收经被测目标物体7反射的信号光并将其传导到端口三；

端口三连接光谱分析仪4，光谱分析仪4用于检测信号光的光谱信息；

色散介质3涂抹于所述单模光纤环形器2的端口二，用于将端口二出射的宽带照明光进行光谱色散；

计算机与所述光谱分析仪4连接，用于得到被测目标物体7的光谱信息，并基于该光谱信息重建目标物体的空间信息。

当加载被测目标物体7时，工作方式如下：

调整宽谱光源1的输出光强，调制至合适状态，然后经单模光纤环形器2的端口一传导到端口二。单模光纤环形器2的端口二输出的宽带光源经色散介质色散后照射被测目标物体7，经被测目标物体7反射的信号光又被单模光纤环形器2的端口二接收，并传导到端口三由光谱分析仪4获取其光谱信息。

空间-光谱传输响应矩阵标定系统如图3所示，将数字微镜器件6放置于单模光纤环形器2端口二的出射端。其中数字微镜器件6正对单模光纤环形器2端口二出射端的区域作为观察区域。标定空间-光谱传输响应矩阵的详细过程见第二部分的成像系统空间-光谱传输响应矩阵标定方法。

第二部分：单模单光纤无扫描内窥成像方法以及空间-光谱传输响应矩阵标定方法：

如图4、图5以及图6a至图6c所示，具体步骤如下：

步骤1利用数字微镜器件6进行空间-光谱传输响应矩阵标定；

步骤1.1将数字微镜器件6放置于单模光纤环形器2端口二的出射端；

步骤1.2将所述数字微镜器件6正对单模光纤环形器2端口二出射端的区域作为观察区域，并将该观察区域分成N个调制子区域，所述N为大于等于1的自然数；

步骤1.3)选择数字微镜器件6上观察区域内的任一一个调制子区域作为当前调制子区域；

步骤1.4采集当前调制子区域的光谱传输响应；如图7a至图7b所示，具体步骤包括：

步骤1.4.1打开当前调制子区域作为标定目标物，照射成像；

步骤1.4.2将步骤1.4.1所述经标定目标物的反射光由单模光纤环形器2的端口二接收并传导到端口三，通过光谱仪获取其光谱信息，得到所述调制子区域的光谱传输响应。

步骤1.5判断是否已选择所述数字微镜器件6上观察区域内的所有调制子区域，若否，选择下一个调制子区域，并回到步骤1.4；若是，所有调制子区域的光谱传输响应获取完毕，这些光谱传输响应的集合即为空间-光谱传输响应矩阵，整个过程结束。

步骤2对被测目标物体7的光谱信息进行采集，具体包括步骤：

步骤2.1将单模光纤环形器2的端口二正对被测目标物体7，照射成像；

步骤2.2将步骤2.1中被测目标物体7反射的信号光，经单模光纤环形器2的端口二接收并将其传导到端口三，由光谱分析仪4检测该信号光的光谱信息，所述光谱信息即为被测目标物体7的光谱信息。

步骤3利用步骤1的空间-光谱传输响应矩阵，根据矩阵求逆恢复算法，从步骤2)所获取的光谱信息中反演恢复出被测目标物体的空间信息。具体为：

若已知被测目标物体7的光谱信息为B(λ)，标定好的空间-光谱传输响应矩阵为M(x；λ)，则被测目标物体7的空间信息为：

A(x)＝M(x；λ)^-1×B(λ)。

其中：

M(x；λ)^-1为空间-光谱传输响应矩阵的逆矩阵；

运算符“×”表示矩阵乘法。

上述空间-光谱传输响应矩阵可以是在单模单光纤无扫描内窥成像系统加工出厂前完成标定，也可以是在成像系统使用过程中需要的时候进行标定。

综上所述，本发明提出的单模单光纤无扫描内窥成像系统的内窥探头是单根单模光纤，它同时被用作照明光纤和成像光纤，由于其直径小，对形变不敏感，可进入狭小复杂腔体对目标物体进行成像；该系统相应的单模单光纤内窥成像方法是一种宽场成像方法，采集目标物体图像时无需进行扫描操作，因此具有采集图像耗时短的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，等同替换或者改进等，但是这些基于本发明思想的修正和改变均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单模单光纤无扫描内窥成像方法，采用的单模单光纤无扫描内窥成像系统包括宽谱光源(1)、单模光纤环形器(2)、色散介质(3)、光谱分析仪(4)以及计算机(5)；

单模光纤环形器(2)包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一端口连接宽谱光源(1)，用于将宽带照明光传导到第二端口；

第二端口正对被测目标物体(7)，用于照明被测目标物体(7)，同时接收经被测目标物体(7)反射的信号光并将其传导到第三端口；

第三端口连接光谱分析仪(4)，光谱分析仪(4)用于检测信号光的光谱信息；

色散介质(3)涂抹于所述单模光纤环形器(2)的第二端口，用于将第二端口出射的宽带照明光进行光谱色散；色散介质(3)为ZnO或TiO₂；

计算机与所述光谱分析仪(4)连接，用于得到被测目标物体的光谱信息，并基于该光谱信息重建目标物体的空间信息；

其特征在于，单模单光纤无扫描内窥成像方法具体执行步骤如下：

1)利用数字微镜器件(6)进行空间-光谱传输响应矩阵标定；

具体执行步骤如下：

1.1)将数字微镜器件(6)放置于单模光纤环形器(2)第二端口的出射端；

1.2)将所述数字微镜器件(6)正对单模光纤环形器(2)第二端口出射端的区域作为观察区域，并将该观察区域分成N个调制子区域，所述N为大于等于1的自然数；

1.3)依次采集数字微镜器件(6)上N个调制子区域的光谱传输响应；

1.4)判断是否已采集完所有调制子区域，若否则回到步骤1.3)继续进行采集；若是，所有调制子区域的光谱传输响应获取完毕，这些光谱传输响应的集合即为空间-光谱传输响应矩阵，整个过程结束；

2)对被测目标物体(7)的光谱信息进行采集；

3)利用步骤1)的空间-光谱传输响应矩阵，根据矩阵求逆恢复算法，从步骤2)所获取的光谱信息中反演恢复出被测目标物体的空间信息；

被测目标物体的空间信息表达式为：

A(x)＝M(x；λ)^-1×B(λ)；

其中：

B(λ)为被测目标物体(7)的光谱信息；

M(x；λ)为标定好的空间-光谱传输响应矩阵；

M(x；λ)^-1为空间-光谱传输响应矩阵M(x；λ)的逆矩阵；

运算符“×”表示矩阵乘法。

2.根据权利要求1所述的单模单光纤无扫描内窥成像方法，其特征在于：步骤1.3)中任一调制子区域的光谱传输响应采集步骤具体为：

1.3.1)打开所述数字微镜器件(6)的任一调制子区域作为标定目标物，照射成像；

1.3.2)将经步骤1.3.1)中所述标定目标物的反射光由单模光纤环形器(2)的第二端口接收并传导到第三端口，通过光谱分析仪(4)获取其光谱信息，得到所述任一调制子区域的光谱传输响应。

3.根据权利要求1所述的单模单光纤无扫描内窥成像方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将单模光纤环形器(2)的第二端口正对被测目标物体(7)，照射成像；

2.2)将步骤2.1)中被测目标物体(7)所反射的信号光经单模光纤环形器(2)的第二端口接收，并将其传导到第三端口，由光谱分析仪(4)检测该信号光的光谱信息，所述光谱信息即为被测目标物体(7)的光谱信息。

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