CN110200707A - 一种显示血流信息的手术显微镜系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种显示血流信息的手术显微镜系统，包括目镜、物镜、第一分光镜和第一滤波片，还包括激光光源、激光图像采集单元、计算机和显示单元，所述计算机与显示单元相互连接，所述激光光源产生激光照射手术区域，手术区域的反射激光依次通过物镜、第一分光镜和第一滤波片至激光图像采集单元，激光图像采集单元采集手术区域的激光散斑图像并传输至计算机，计算机生成血流图像并通过显示单元实现手术视野叠加血流信息，叠加血流信息的手术视野通过目镜查看。与现有技术相比，本发明可通过目镜实时查看附加血流图像信息，同时减少医生把目光从显微镜目镜移开以查看其他显示器的需要。
Description
技术领域
本发明涉及显微外科手术设备领域，尤其是涉及一种显示血流信息的手术显微镜系统及成像方法。
背景技术
在现代医疗中，手术显微镜对于外科医生而言是必不可少的。根据需要选择不同的放大倍率，可以提供手术视野的放大试图，使得医生甚至可以在肉眼几乎不可见的结构上进行操作，尤其用于神经外科手术，处理如毛细血管或神经等精细结构。同时，由于光源直接并入手术显微镜内部，手术显微镜也可以提供良好的手术视野照明。
现有的技术及普遍使用的手术显微镜设备主要为外科医生提供形态学观测辅助，而无法实时反映血管中的血流速度、组织的血流灌注等功能信息。这些附加信息对于神经外科类的手术具有十分重要的意义。例如，在颅内动脉瘤夹闭术及脑血管畸形切除术中，实时监测脑血流有利于术者动态掌握异常血流的阻断程度，同时避免正常血管的误夹闭；脑血管搭桥手术过程中，脑皮层血流的实时监测还可以帮助评估桥血管的通畅程度及脑血流是否恢复到正常水平。
目前，部分临床实践中使用带有荧光单元的显微镜来在术中观察血管，在荧光染料(如吲哚菁绿ICG)的辅助下，经激发后可以在附加的显示器上观察到血管的荧光图像，便于医生的术中参考。但这种方法只能观测到血管的有无，并不包含实时动态的血流信息，如流速等，且需要提前注射荧光染料，为患者增加负担。
在多模态数据显示方面，有学者提出了一种在手术显微镜内部增加OLED显示器的改进方式，而这种方式需要将全场视野信息做数字化显示，失去了显微镜观察组织的真实性。因此，更便捷、信息更加丰富的实时血流显示在显微手术操作中具有重要价值。
在血管血流成像方面，激光散斑成像(laser speckle imaging,LSI)技术作为一种新兴的血管、血流光学成像办法，通过分析漫反射激光经过不同传播路径相干叠加后造成的“散斑”，就可以得到可视化定量的实时组织血流灌注图像，是一种无标记的、非接触式、无需造影剂、高时间和空间分辨率的二维全场血流成像方法。在生物医学应用方面，LSI技术已经被用来研究皮肤、视网膜、视神经以及肠系膜等组织器官的表层血流特征。此外，由于能够方便得到脑皮层血流实时二维分布图，该技术也十分适合研究不同生理和病理状态下脑皮层的血管网络和血流分布。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种显示血流信息的手术显微镜系统及成像方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种显示血流信息的手术显微镜系统，包括目镜、物镜、第一分光镜和第一滤波片，还包括激光光源、激光图像采集单元、计算机和显示单元，所述计算机与显示单元相互连接，所述显示单元置于物镜和第一分光镜之间，所述激光光源产生激光照射手术区域，手术区域的反射激光依次通过物镜、第一分光镜和第一滤波片至激光图像采集单元，激光图像采集单元采集手术区域的激光散斑图像并传输至计算机，计算机生成血流图像并通过显示单元实现手术视野叠加血流信息，叠加血流信息的手术视野通过目镜查看。
所述的显示单元包括投影仪和显示器，所述投影仪与计算机连接，投影仪通过半透半反光镜将血流信息投射于显示器。
所述的显示器位于手术区域在显微镜内所成虚像的位置，所述半透半反光镜位于显示器与第一分光镜之间。
所述的投影仪为DLP投影仪，所述的显示器为HUD。
所述的激光光源与白光光源形成复合光源。
目镜与第一分光镜间设有第二滤波片和第二分光镜，手术区域反射的白光依次通过物镜、第一分光镜、第二滤波片和第二分光镜至白光图像采集单元。
所述计算机接收白光图像采集单元采集的白光图像，所述计算机对白光图像的血管骨架和血流图像的血管中心线进行配准。
一种利用所述显示血流信息的手术显微镜系统的显示血流信息方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：复合光源产生复合光照射手术区域；
步骤S2：激光图像采集单元采集激光散斑图像并传输至计算机，白光图像采集单元采集白光图像并传输至计算机；
步骤S3：计算机根据激光散斑图像生成血流图像，并对白光图像的血管骨架和血流图像的血管中心线进行配准；
步骤S4：显示单元接收计算机生成血流图像并实现手术视野叠加血流信息，叠加血流信息的手术视野通过目镜查看。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可实现手术视野叠加血流信息，从而为手术操作提供更多引导和参考。
(2)血流信息位于实际手术视野在显微镜内所成虚像的位置，通过目镜可同时看到手术视野和血流信息，减少医生把目光从显微镜目镜移开以查看其他显示器的需要。
(3)投影仪为DLP投影仪，显示器为HUD，可以更好地显示手术视野叠加血流信息。
(4)激光光源与白光光源形成复合光源，可使两种光源共光路，同时使手术显微镜系统设置更合理。
(5)计算机对白光图像的血管骨架和血流图像的血管中心线进行配准，可使显示结果更精确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明复合光源及多模态图像采集模块的结构图；
图4为本发明计算机的连接结构示意图；
图5为本发明显示单元结构图；
附图标记：
1为复合光源；3为计算机；4为显示单元；12为物镜；13为第一分光镜；14为第二分光镜；15为第一滤波片；16为第二滤波片；17为目镜；21为激光图像采集单元；22为白光图像采集单元；41为投影仪；42为显示器；43为半透半反光镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例中，所有照明和成像源将直接集成到传统手术显微镜的光学路径内，并在手术显微镜内部集成显示器42以提供外部影像数据，使医生在观察手术组织的同时，也能直接通过目镜17观察到通过LSI技术得到的实时血流图像等信息，避免将视线离开显微镜并转向外部显示器的不便性。
图1为结构示意图，图2为流程图，结合图1图2可以得到本实施例包括：复合光源1、多模态图像采集模块、计算机3和显示单元4。复合光源1采用共光路系统，包括激光光源和普通的白光光源，照射在待成像的手术区域，多模态图像采集模块包括激光图像采集单元21和白光图像采集单元22，用于获取手术区域的激光散斑图像和白光图像，并传输至计算机3，经计算分析后，生成医生所需的辅助手术医学影像，即实时血流图像。显示单元4包括投影仪41和显示器42，计算机3与显示单元4中的投影仪41相连，通过DLP(Digital LightProcessing，数字光处理)投影仪，将处理后的血流图像投射到位于显微镜内部的HUD(Head-Up Display,平视显示器)上，以实现手术视野叠加血流信息的功能。
激光图像采集单元21包括第一CCD(charge coupled device，电耦合器件)相机。
白光图像采集单元22包括第二CCD相机。
一般的商业DLP投影仪包括两个重要组成部分：数字微透镜阵列(DMD)芯片和色轮(彩色滤镜)。DMD芯片上共有数十万个小反射镜，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。光源通过色轮后折射在DMD芯片上，芯片接收控制信号后调整小反射镜反射光线的角度，最终将光线发射到显示器42上。
HUD最早是用于航空器上的飞行辅助装置，它利用光反射的原理将与飞行安全有关的重要信息或参数投射到一片玻璃上，调整投射的信息的焦距为无限远，且这片玻璃的高度基本与飞行员的眼睛高度一直，这样就使得飞行员平视前方时，可以把外界景象与HUD显示的资料融合在一起。这一影像显示装置的核心即在于其特殊的夹层结构的玻璃设计，一般来说，外层是两片简单的玻璃，中间夹层为楔形PVB(聚乙烯醇缩丁醛)膜，使玻璃呈上厚下薄的状态，以避免图像重影。HUD屏具有半透半反的特性，这使得在使用时，人眼既可以观察到屏上投射的信息，也可以透过屏观察到实际的物体。
图3为复合光源及多模态图像采集模块的结构图。激光光源产生光谱宽度较窄的激光并发射至手术区域，激光的波长范围约为650nm～980nm，功率范围约为2mW～10mW，为保证成像质量，其光谱宽度应尽量窄。该激光光源与普通手术显微镜的白光光源在显微镜内部组成共光路系统，经由物镜12到达第一分光镜13，第一滤光片滤除白光，只保留激光下的散斑信息，并使其被第一CCD相机采集，第一CCD相机为高灵敏度CCD相机。第二滤光片则用于滤除激光并保留白光下的图像信息，使其经过第二分光镜14后，到达显微镜目镜17便于医生观察，同时被普通显微镜用第二CCD相机采集，以备后续处理分析。特别地，由于相机专门用于采集激光照射下得到的激光散斑图像，所以要求其具有较高的灵敏度，曝光时间应在5～10ms范围内；第二CCD相机专门用于采集普通白光照射下的手术视野图像。
图4为计算机3的连接结构示意图。第一CCD相机和第二CCD相机分别与计算机3相连，以实现图像数据的实时传输。计算机3配备成熟的激光散斑图像处理软件，使用GPU加速的优化处理程序，实现由第一CCD相机得到的散斑图像高效、实时地计算得到衬比图像，衬比图经伪彩处理为便于人眼观察的血流图像，血流图像包含血流信息，同时对白光图像下的血管骨架和血流图像中的血管中心线进行精确配准，最终输出至与计算机3相连的DLP投影仪中。
激光散斑成像是利用衬比度的概念来量化散斑的模糊程度的，进而反映散斑颗粒的运动位置和速度，即血流分布和流速。衬比度K的基本定义如下：
其中σ代表散斑光强的标准偏差，μ代表光强的平均值。
对原始散斑图像的处理方法主要分为时间衬比算法和空间衬比算法，分别通过散斑的时间和空间统计特性来得到散射粒子速度信息。时间衬比算法需连续拍摄和记录多帧散斑图像，对于每一像素点，对不同帧中该点的灰度值数据求平均值以及标准差，再通过比值计算得到时间衬比度值；空间衬比算法需在原始散斑图像上选取一个正方形的滑动空间窗口，计算窗口中所有点的灰度值的平均值和标准偏差，作为中心点位置散斑强度的空间平均值和空间标准偏差，进而通过二者的比值得到该点处的空间衬比度值。
为保证软件的计算能力适应术中的实时成像要求，本实施例中应用了基于单调点变换的增强激光散斑衬比分析(eLASCA)算法，减小计算量并提高数据的动态范围，极大的提升了运算速度同时保持数据的有效性。具体过程如下：将三维衬比度值矩阵K2(m,n,l)变形为一维向量f(i)(i＝1,...,M×N×L)，基于单调点变换理论，将随机变量f变换为满足p(fe)≡1的fe，即满足：
其中，常数b为比例系数，v为血流速度。
根据如下公式计算fe，最终将fe重构回三维矩阵Ke 2，进而得到衬比图像。
其中，Numf为衬比度值数据中不大于f的数目，
图5为显示单元的结构图。显示单元4在本实施例中主要包括DLP投影仪、半透半反镜和HUD。DLP投影仪接受来自计算机3的信号后，自动调整内部DMD芯片上小反射镜的角度，将处理得到的只保留血流部分的图像实时投射到半透半反镜上，经反射最终投影到放置于手术显微镜内部的HUD上。其中，HUD位于手术区域在显微镜内所成虚像的位置，这样就可以保证医生能够从目镜17同时观察到白光照射下的手术视野和叠加在其上显示的实时血流信息，并且二者位于同一焦平面，便于观察和操作。另外，血流图像经如图4所示过程与视野区域实时配准，保证了医生从目镜17观察时，DLP投影仪投射的血流信息与视野中的血管位置精准重合，确保系统的精确性和稳定性。
当医生进行如动脉瘤夹闭术等需要实时监测手术区域周围血流情况的外科手术时，可在打开白光光源的同时打开激光光源与显示单元4。激光照射在组织表面，由多模态图像采集单元如高灵敏度CCD相机或高灵敏度CMOS相机经过分光、滤光光路等采集实时变化的激光散斑图像，并传输至与多模态图像采集单元相连的计算机3中。计算机3运用GPU加速的LSI算法程序，对散斑衬比度值进行计算，最终得到实时的血流信息，经由DLP投影仪投射至HUD上，医生便可以方便地观察到手术区域附近实时的血流灌注情况变化。
可以理解的是，以上实施方法仅为说明本实施例的具体原理和可利用场景，但并不局限于此。将认识到，对于本领域的研究人员来说，后续各种基于本实施例的修改、变体方案也被视为本实施例的保护范围。
Claims (8)
1.一种显示血流信息的手术显微镜系统，包括目镜(17)、物镜(12)、第一分光镜(13)和第一滤波片(15)，其特征在于，还包括激光光源、激光图像采集单元(21)、计算机(3)和显示单元(4)，所述计算机(3)与显示单元(4)相互连接，所述激光光源产生激光照射手术区域，手术区域的反射激光依次通过物镜(12)、第一分光镜(13)和第一滤波片(15)至激光图像采集单元(21)，激光图像采集单元(21)采集手术区域的激光散斑图像并传输至计算机(3)，计算机(3)生成血流图像并通过显示单元(4)实现手术视野叠加血流信息，叠加血流信息的手术视野通过目镜(17)查看。
2.根据权利要求1所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，所述的显示单元(4)包括投影仪(41)和显示器(42)，所述投影仪(41)与计算机(3)连接，投影仪(41)通过半透半反光镜(43)将血流信息投射于显示器(42)。
3.根据权利要求2所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，所述的显示器(42)位于手术区域在显微镜内所成虚像的位置，所述半透半反光镜(43)位于显示器(42)与第一分光镜(13)之间。
4.根据权利要求2所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，所述的投影仪(41)为DLP投影仪，所述的显示器(42)为HUD。
5.根据权利要求1所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，所述的激光光源与白光光源形成复合光源(1)。
6.根据权利要求5所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，目镜(17)与第一分光镜(13)间设有第二滤波片(16)和第二分光镜(14)，手术区域反射的白光依次通过物镜(12)、第一分光镜(13)、第二滤波片(16)和第二分光镜(14)至白光图像采集单元(22)。
7.根据权利要求6所述的一种显示血流信息的手术显微镜系统，其特征在于，所述计算机(3)接收白光图像采集单元(22)采集的白光图像，所述计算机(3)对白光图像的血管骨架和血流图像的血管中心线进行配准。
8.一种利用权利要求5-7任一所述手术显微镜系统的成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：复合光照射手术区域；
步骤S2：激光图像采集单元(21)采集激光散斑图像并传输至计算机(3)，白光图像采集单元(22)采集白光图像并传输至计算机(3)；
步骤S3：计算机(3)根据激光散斑图像生成血流图像，并对白光图像的血管骨架和血流图像的血管中心线进行配准；
步骤S4：显示单元(4)接收计算机(3)生成血流图像并实现手术视野叠加血流信息，叠加血流信息的手术视野通过目镜(17)查看。
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