CN109924938A - 外置式双光源阴道镜成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种外置式双光源阴道镜成像系统，包括成像系统和光源系统，所述成像系统包括用于获取图像的外置式的阴道镜镜体和用于分光的图像采集单元；所述光源系统包括近红外光源和LED白光光源，其发出的光束经过整形后该光束中心均与所述阴道镜镜体的成像中心重合，使得所述阴道镜镜体同时获取可见光图像、近红外荧光图像，及融合图像。本发明的有益效果主要体现在：放大倍率高、分辨率高，实现了对宫颈、阴道组织的可见光‑近红外荧光双模式成像，可初步标记、识别各阶段病变组织；整形后的光束可以同时显示高分辨率的近红外荧光图像和白光图像，实现实时视频输出；采用外置式结构，便于操作、使用卫生，便于实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及医用成像技术领域，具体地涉及一种外置式阴道镜成像系统。
背景技术
宫颈癌是常见的妇科生殖道恶性肿瘤之一。在女性恶性肿瘤中，其发病率居第二位。在世界范围内，每年大约有50万新发病例，其中80％的病例发生于发展中国家。宫颈组织位于人体较深处，需要专用的成像设备观察。阴道镜是一种观察宫颈的装置，是诊断宫颈癌不可或缺的仪器。
现有的阴道镜有内置式和外置式两种，内置式阴道镜，如专利201710348007.6揭示的“一种多成像模式的内置式阴道镜”，其具有存在消毒不便、病患不适等问题，虽然该专利中的技术可以实现多种成像模式，但是其采用的分时点亮的照明方式，使获得的可见光图像和荧光图像有一定的时间差，不能产生多光源融合图像。外置式阴道镜具有工作距离长、放大倍率高、图像分辨率高、操作方便、便于消毒的优点。但现有的外置式阴道镜如奥林巴斯VIZ-YD、莱斯康3ML等仅有白光或绿光观察功能，对宫颈病变的初步诊断停留在主观目视观察上，初步诊断结果极大地依赖于医生的临床经验，缺少直观的诊断指标。
近年来，近红外荧光成像技术被广泛地应用于病变组织识别、手术导引、血管造影等临床医疗领域。吲哚菁绿是一种对人体安全的近红外荧光造影剂，在宫颈涂抹吲哚菁绿溶液后，由于病变组织的高通透性和滞留效应(EPR效应)，吲哚菁绿会在病变组织中富集。这种现象为识别早期病变组织提供了可能。近红外荧光穿透深度较深，并且因为生物组织在近红外波段几乎没有自发荧光，成像目标会更加突出。结合阴道镜，对宫颈进行高分辨率的近红外荧光成像，可有效识别早期病灶。
现有的外置式阴道镜，如中国专利申请号201620528626.4的发明专利“一种激光诱导荧光光谱阴道镜”使用不同波段的激光逐点扫描诱导荧光，这种成像方法速度较慢，装置较为复杂；中国专利申请号201510979397.8的发明专利“一种多模式电子阴道镜系统”不具备近荧光成像功能。
另外，中国专利申请号201611058128.9、201510008183.6、201210196099.8、201810376241.4、201510008184.0揭示的技术方案虽可以对生物组织进行可见光和近红外荧光成像，但不适用于观察宫颈组织。因为宫颈组织在人体内部深处，病变组织一般都很小，需要特定的强光源照明，并要求成像镜组有放大功能，上述的技术方案均不存在。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种外置式双光源阴道镜成像系统。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
外置式双光源阴道镜成像系统，包括成像系统、光源系统及数据处理系统，所述成像系统包括用于获取图像的外置式阴道镜镜体和图像采集单元；所述图像采集单元连接有可将可见光彩色图像和近红外荧光图像合成可见光-荧光融合图像的所述数据处理系统；所述光源系统包括近红外光源和LED白光光源，所述近红外光源和所述LED白光光源的光路上分别设有近红外光透镜组和可见光透镜组，所述近红外光源和所述LED白光光源发出的光束通过各自透镜组整形后其中心均与所述阴道镜镜体的成像中心重合，使得所述阴道镜镜体同时获取可见光图像和近红外荧光图像。
优选的，所述阴道镜镜体的镜头前侧固设有第一滤光器，所述第一滤光器为陷波滤光器；所述阴道镜镜体和所述图像采集单元之间设置有耦合透镜组，所述耦合透镜组为消色差透镜组，其表面镀可见光-近红外增透膜。
优选的，所述图像采集单元、所述阴道镜镜体和耦合透镜组共用成像光路。
优选的，所述图像采集单元包括分光器、彩色图像传感器和近红外图像传感器，所述分光器设置于所述彩色图像传感器和近红外图像传感器的前侧，所述分光器将接收的光线分开成可见光和近红外荧光并分别被所述彩色图像传感器和近红外图像传感器接收。
优选的，所述近红外光源和所述LED白光光源固设于所述阴道镜镜体的上方，并与所述阴道镜镜体之间呈夹角设置，使得所述近红外光源和所述LED白光光源发出的光束的中心相重合。
优选的，所述可见光透镜组沿所述LED白光光源的发射光路依次设置有第一透镜、第二透镜和第二滤光器，以使可见光光束在工作面上产生的可见光光斑恰好覆盖成像视场，所述第二滤光器为低通滤光器。
优选的，所述近红外光透镜组沿所述近红外光源的发射光路依次设置有第三透镜和第四透镜，所述第三透镜的焦距为25.4mm，所述第四透镜的焦距为50mm，所述第三透镜与第四透镜的间距为76mm，所述第三透镜的后焦面处设置有用于滤除杂光的光阑，所述第三透镜与光阑之间间距25.4mm，所述光阑开口直径为6mm，以使近红外光光束在工作面上产生的近红外光光斑覆盖成像视场。
优选的，所述近红外光源连接有驱动电路，用以调节近红外光源的输出功率。
优选的，所述阴道镜镜体的底部固设有支架。
本发明揭示的外置式双光源阴道镜成像系统，包括成像系统、光源系统及数据处理系统，所述成像系统包括用于获取图像的外置式阴道镜镜体和图像采集单元；所述光源系统包括近红外光源和LED白光光源，所述近红外光源和所述LED白光光源的光路上分别设有近红外光透镜组和可见光透镜组，所述近红外光源和所述LED白光光源发出的光束通过各自透镜组整形后其中心均与所述阴道镜镜体的成像中心重合，使得所述阴道镜镜体同时获取可见光图像和近红外荧光图像；所述图像采集单元包括分光器、彩色图像传感器和近红外图像传感器，所述分光器将接收的光线分开成可见光和近红外荧光并分别被所述彩色图像传感器和近红外图像传感器接收；所述图像采集单元连接有所述数据处理系统，所述数据处理系统包括用于显示所述彩色图像传感器接收的可见光所形成的彩色图像的第一显示单元、用于显示所述近红外图像传感器接收的近红外荧光所形成的近红外荧光图像的第二显示单元、用于将可见光彩色图像和近红外荧光图像合成可见光-荧光融合图像的图像合成器、以及用于显示所述可见光-荧光融合图像的第三显示单元。
本发明的有益效果主要体现在：
1、可同时获取可见光图像和近红外荧光图像，并且放大倍率高、分辨率高，使得医务人员可以借助近红外荧光成像技术来更好的观察到病变组织，使得治疗更精准简便；
2、共用的成像光路使得消除了获取图像之间存在的时间差，可以得到可见光-近红外荧光融合图像，方便医生判断，病变区域会被荧光显示出来，把荧光图像再融合到可见光图像上，判断会更加直观；
3、外置式的阴道镜镜体设置，相比内置式的阴道镜更加安全卫生，也最大程度地降低了患者不适，更适用于实际使用；
4、分光器使得可见光图像和近红外荧光图像同时生成，成像速度快，提高了工作效率；
5、相比于其他用于生物组织的成像系统，本发明与外置式阴道镜镜体相配合的整形后的光束结构，其专用性更强，更适用于观察宫颈组织。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明实施例的结构示意图；
图2：本发明实施例中近红外光源的发光光路示意图；
图3：本发明实施例中可见光光源的发光光路示意图；
图4：本发明实施例中图像数据处理系统的图像处理示意图；
图5：当激发光功率密度约为30mW/cm2时，15×放大倍率下，以6帧/秒采集的涂抹吲哚菁绿溶液鸡胸肉的白光照明图像、近红外荧光图像和白光-荧光融合图像。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。
如图1至图5所示，本发明揭示了一种外置式双光源阴道镜成像系统，包括成像系统100和光源系统200。所述成像系统100包括用于获取图像的外置式的阴道镜镜体101和用于分光并采集图像的图像采集单元110；所述阴道镜镜体101的底部固设有可伸缩的支架107，用于支撑所述阴道镜镜体101。所述光源系统200包括近红外光源201和LED白光光源202。所述光源系统200发出光束照射病灶区，反射的光束进入所述阴道镜镜体101内，并被所述图像采集单元110采集图像。
具体的，本发明中的所述近红外光源201为激发光源。所述近红外光源201和所述LED白光光源202固设于所述阴道镜镜体101的上方，并与所述阴道镜镜体101之间呈一定夹角，使得在工作面上，所述近红外光源201和所述LED白光光源202发出的光束的中心相重合，并且所述近红外光源201和所述LED白光光源202发出的光束的光斑中心与所述阴道镜镜体101的成像中心相重合，以保证所述阴道镜镜体101中所成的可见光图像和近红外荧光图像可以完全重合。
由于外置式阴道镜镜体101是一种特殊的结构，其具有特定的工作距离，孔径小，视场小，放大倍率、机械尺寸等一系列参数也是相对固定的，这样需要强光源照明，且光源的光束整形结构也需要特殊设计。
本发明为了进一步规整所述近红外光源201和所述LED白光光源202在工作面上形成的光斑，所述近红外光源201和所述LED白光光源202的光路上分别设有近红外光透镜组和可见光透镜组。如图2所示，所述近红外光透镜组沿所述近红外光源201的发射光路依次设置有第三透镜207和第四透镜208，所述第三透镜207的焦距为25.4mm，所述第四透镜208的焦距为50mm，所述第三透镜207的后焦面处设置有用于滤除杂光的光阑209，第三透镜207与第四透镜208之间的间距为76mm，第三透镜207与光阑209之间间距25.4mm，光阑209开口直径6mm，使得所述近红外光源201发出的光束在工作面上形成形状规整的光斑。如图3所示，所述可见光透镜组沿所述LED白光光源202的发射光路依次设置有第一透镜205、第二透镜206，以使可见光光束在工作面上产生的可见光光斑恰好覆盖成像视场。
为了进一步提高图像的质量，所述LED白光光源202的前侧固设有第二滤光器203，所述第二滤光器203为低通滤光器，只允许通过波长650nm以下的光。所述近红外光源201连接有驱动电路204，用以调节近红外光源201的输出功率，使得所述近红外光源201产生稳定的输出。所述阴道镜镜体101的镜头前侧固设有第一滤光器102，所述第一滤光器102为陷波滤光器，以保证通过白光和荧光的同时不影响成像质量。所述第一滤光器102和所述第二滤光器203均可拆卸，以方便根据不同的成像需求进行更换。
所述图像采集单元110包括分光器113、彩色图像传感器114和近红外图像传感器115。其中所述分光器113为分光棱镜和/二向色镜，用于将接受到的白光和近红外荧光分开，分别被彩色图像传感器和近红外图像传感器接收，所述分光器113内置于双CCD相机内部(图中未示出)；所述彩色图像传感器114为彩色电荷耦合元件或彩色CMOS图像传感器；所述近红外图像传感器115为近红外电荷耦合元件或近红外CMOS图像传感器。
具体的，所述分光器113具有透射部和反射部来将接收的成像光路分开成可见光成像和近红外荧光成像，所述透射部的后侧对应设置有所述彩色图像传感器114，所述反射部的反射面对应设置有所述近红外图像传感器115。所述透射部接收并透射可见光成像并且无法透射近红外荧光成像，被透射的可见光成像被所述彩色图像传感器114接收。所述反射部反射近红外荧光成像，近红外荧光成像经反射后被所述近红外图像传感器115接收。在本发明优选实施例中为透射可见光成像，反射近红外荧光成像，在其他实施例中，也可以透射近红外荧光成像，反射可见光成像。
所述阴道镜镜体101和所述图像采集单元110之间设置有耦合透镜组106，为了实现对于可见光图像和近红外荧光图像的同时采集，所述图像采集单元110、所述阴道镜镜体101和耦合透镜组106共用成像光路。具体的，所述耦合透镜组106设置于所述分光器113和所述阴道镜镜体101之间，所述耦合透镜组106为消色差透镜组，用于调整所述阴道镜镜体101所成的图像的尺寸，使得所述阴道镜镜体101所成的图像与所述彩色图像传感器114和近红外图像传感器115的尺寸匹配，在其他实施例中也可以选用其他合适的耦合透镜组，以获得最大的成像视场。
所述图像采集单元110还连接有将可见光彩色图像和/或视频和近红外荧光图像和/或视频合成白光-荧光融合图像和/或视频的数据处理系统300。具体的，所述数据处理系统300将获取的近红外荧光图像和/或视频进行图像增强，然后叠加到可见光彩色图像和/或视频的绿色通道上，合成白光-荧光融合图像和/或视频。
其工作原理如图4所示：
首先，彩色图像传感器114采集白光照明图像近红外图像传感器115采集近红外荧光图像I。然后，对近红外荧光图像进行对比度增强和伪彩色转换，以绿色显示，得到伪彩色近红外荧光图像
其中，R,G,B分别表示白光照明图像中红、绿、蓝通道信息。R’,G’,B’分别表示融合图像中红、绿、蓝通道信息。m,n代表图像融合比例。最后，将白光照明图像Iw、近红外荧光图像In、白光-荧光融合图像If分别显示。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实验对象为鸡胸肉。实验步骤如下：
1、打开所述LED白光光源202，调整好实验对象与所述成像系统100之间的距离，使所述彩色图像传感器114采集到鸡胸肉的清晰白光图像；
2、打开所述近红外光源201；
3、将浓度为1mg/mL的吲哚菁绿溶液涂抹于鸡胸肉部分区域，通过所述近红外图像传感器115采集近红外荧光图像；
4、通过所述驱动电路204调节所述近红外光源201的输出功率，使得荧光图像亮度合适；
5、使用所述数据处理系统300进行数据处理。
所得白光照明图像、近红外荧光图像、白光-荧光融合图像如图5所示。可以看出涂抹了吲哚菁绿溶液的区域被清晰地显示。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：包括成像系统（100）、光源系统（200）及数据处理系统（300），所述成像系统（100）包括用于获取图像的外置式阴道镜镜体（101）和图像采集单元（110）；所述图像采集单元（110）连接有可将可见光彩色图像和近红外荧光图像合成可见光-荧光融合图像的所述数据处理系统（300）；所述光源系统（200）包括近红外光源（201）和LED白光光源（202），所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）的光路上分别设有近红外光透镜组和可见光透镜组，所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）发出的光束通过各自透镜组整形后其中心均与所述阴道镜镜体（101）的成像中心重合，使得所述阴道镜镜体（101）同时获取可见光图像和近红外荧光图像。
2.根据权利要求1所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述阴道镜镜体（101）的镜头前侧固设有第一滤光器（102），所述第一滤光器（102）为陷波滤光器；所述阴道镜镜体（101）和所述图像采集单元（110）之间设置有耦合透镜组（106），所述耦合透镜组（106）为消色差透镜组，其表面镀可见光-近红外增透膜。
3.根据权利要求2所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述图像采集单元（110）、所述阴道镜镜体（101）和耦合透镜组（106）共用成像光路。
4.根据权利要求3所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述图像采集单元（110）包括分光器（113）、彩色图像传感器（114）和近红外图像传感器（115），所述分光器（113）设置于所述彩色图像传感器（114）和近红外图像传感器（115）的前侧，所述分光器（113）将接收的光线分开成可见光和近红外荧光并分别被所述彩色图像传感器（114）和近红外图像传感器（115）接收。
5.根据权利要求1所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）固设于所述阴道镜镜体（101）的上方，并与所述阴道镜镜体（101）之间呈夹角设置，使得所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）发出的光束的中心相重合。
6.根据权利要求1所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述可见光透镜组沿所述LED白光光源（202）的发射光路依次设置有第一透镜（205）、第二透镜（206）和第二滤光器（203），以使可见光光束在工作面上产生的可见光光斑覆盖成像视场，所述第二滤光器（203）为低通滤光器。
7.根据权利要求1至6任一所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述近红外光透镜组沿所述近红外光源（201）的发射光路依次设置有第三透镜（207）和第四透镜（208），所述第三透镜（207）的焦距为25.4mm，所述第四透镜（208）的焦距为50mm，所述第三透镜（207）与第四透镜（208）的间距为76mm，所述第三透镜（207）的后焦面处设置有用于滤除杂光的光阑（209），所述第三透镜（207）与光阑（209）之间间距25.4mm，所述光阑开口直径为6mm，以使近红外光光束在工作面上产生的近红外光光斑覆盖成像视场。
8.根据权利要求1所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述近红外光源（201）连接有驱动电路（204），用以调节近红外光源（201）的输出功率。
9.根据权利要求1所述的外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：所述阴道镜镜体（101）的底部固设有支架（107）。
10.外置式双光源阴道镜成像系统，其特征在于：包括成像系统（100）、光源系统（200）及数据处理系统（300），所述成像系统（100）包括用于获取图像的外置式阴道镜镜体（101）和图像采集单元（110）；所述光源系统（200）包括近红外光源（201）和LED白光光源（202），所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）的光路上分别设有近红外光透镜组和可见光透镜组，所述近红外光源（201）和所述LED白光光源（202）发出的光束通过各自透镜组整形后其中心均与所述阴道镜镜体（101）的成像中心重合，使得所述阴道镜镜体（101）同时获取可见光图像和近红外荧光图像；所述图像采集单元（110）包括分光器（113）、彩色图像传感器（114）和近红外图像传感器（115），所述分光器（113）将接收的光线分开成可见光和近红外荧光并分别被所述彩色图像传感器（114）和近红外图像传感器（115）接收；所述图像采集单元（110）连接有所述数据处理系统（300），所述数据处理系统（300）包括用于显示所述彩色图像传感器（114）接收的可见光所形成的彩色图像的第一显示单元、用于显示所述近红外图像传感器（115）接收的近红外荧光所形成的近红外荧光图像的第二显示单元、用于将可见光彩色图像和近红外荧光图像合成可见光-荧光融合图像的图像合成器、以及用于显示所述可见光-荧光融合图像的第三显示单元。
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