CN111568549A - 一种具有实时成像功能的可视化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有实时成像功能的可视化系统，具体包括一接收端、一光源、一成像系统和一显示装置，其中光源中包括一红光光源和一荧光激发光源，成像系统中包括一红光图像传感器和一荧光图像传感器，对信号进行处理以向显示装置输出实时可视化信号。通过本技术方案，仅使用特定波段红光照亮手术场景即可为外科医生提供足够的背景信息并获得清晰完整的实时影像，该可视化系统整体结构精简，控制方法便捷，成像处理过程简单高效，在具备良好使用体验的同时制造及维护成本低，具有极高的适用性和可推广性。

Description

一种具有实时成像功能的可视化系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种具有实时成像功能的可视化系统。

背景技术

在现有技术中，荧光导航成像是一种术前通过注射特异性近红外荧光造影剂，使用白光和激发光两种光源照射成像区域，同时获得成像区域的清晰彩色图像和反映病灶信息的荧光图像的新型手术影像获取技术。关于如何生成白光并对背景信息进行分析，现有技术能够通常采用单芯片RGB系统或是三芯片RGB系统加以实现——针对单芯片RGB系统，由于单芯片系统不能同时捕获并处理白光信号和荧光信号，需要加入时间多路复用的设置，为实现较好的成像效果，光源管理体系往往被设置得极为复杂，以实现高同步频率(例如50Hz或是60Hz)交替打开/关闭白光光源和荧光激发光源；而针对三芯片RGB系统，则需要使用3个传感器来检测分别RGB通道的反射信号，在这种情况下，由于红色传感器也用于检测近红外信号，为了避免频繁的打开关闭光源，在此类架构中红灯始终处于关闭状态，只使用绿色和蓝色灯光用于提供成像环境，并通过绿色和蓝色传感器获取的图像用于创建背景图像；在这种结构中，由于无法采集红光波段信息，一些组织信息在背景图像中无法得到较好的显现，例如无法捕获人体内的某些类型的解剖结构，或者向外科医生提供了过多的背景信息，且背景与目标边界或者关键信息没有区别，容易导致诊疗诊断的混乱甚至过度切除。因而需要一种优化的可视化系统，在避免上述成像潜在问题的同时大幅度简化图像处理和光源激发过程，以便于日常使用和相关维护，进而扩大这一新型可视化系统的适用范围。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种具有实时成像功能的可视化系统，具体技术方案如下所示：

一种具有实时成像功能的可视化系统，具体包括：

一接收端，包括一相机接口和一导光接口；

一光源，通过一导光束连接导光接口，用于为接收端持续提供一成像光源，光源包括一第一光源和一第二光源，第一光源发出荧光激发光，第二光源发出红光；

一成像系统，通过一导光连接件连接相机接口，用于根据接收端持续接收到的成像光源反射光，分别获取荧光成像信号和红光成像信号并输出实时观测图像；

一显示装置，显示装置电连接成像系统，用于显示实时观测图像。

优选的，该种可视化系统，其中成像系统包括一摄像头组和一相机控制器；

摄像头组用于持续采集成像光源的反射光并进行滤波，输出相应的荧光图像和红光图像；

相机控制器通过相机电缆连接摄像头组，根据荧光图像和红光图像，输出相应的荧光成像信号和红光成像信号。

优选的，该种可视化系统，其中相机控制器还电连接光源；

相机控制器根据外部的用户指令生成相应的光源指令，光源根据光源指令开启或关闭第一光源和/或第二光源。

优选的，该种可视化系统，其中摄像头组包括一荧光图像传感器和一红光图像传感器；

荧光图像传感器包括一荧光过滤器，荧光过滤器用于过滤成像光源反射光中除荧光激发光对应的荧光的波段外的全部其他反射光，成像光源反射光通过荧光过滤器在荧光图像传感器中生成荧光图像；

红光图像传感器包括一红光过滤器，红光过滤器用于过滤成像光源反射光中除红光对应的波段外的全部其他反射光，成像光源反射光通过红光过滤器在红光图像传感器中生成红光图像。

优选的，该种可视化系统，其中荧光图像传感器和红光图像传感器均设置于同一装置内部并处于空间交错设置。

优选的，该种可视化系统，其中相机控制器还包括一图像增强单元；

图像增强单元采用非线性直方图均衡对荧光图像和红光图像进行图像增强，并根据图像增强结果输出荧光图像信号和红光图像信号。

优选的，该种可视化系统，其中图像增强单元包括一空间滤波机制，空间滤波机制具有减少红光图像信号中低空间频率信号和增加红光图像信号中高空间频率信号的功能。此外，图像增强单元还包括反转功能，能够将输入端的较高信号电平映射到输出端的较低信号电平，反之亦然。

优选的，该种可视化系统，其中相机控制器还包括一光源控制器；

光源控制器用于根据一预设标准判断摄像头组采集到的成像光源反射光的进光量是否足够，并当进光量不足时控制光源进行补光。

优选的，该种可视化系统，其中成像装置采用RGB色彩模式进行实时观测图像的呈现，其中：

RGB红色通道由红光图像信号决定；

RGB绿色通道由红光图像信号和荧光图像信号叠加决定；

RGB蓝色通道由红光图像信号决定。

优选的，该种可视化系统，其中第二光源发出的红光波段为[600nm，700nm]。

优选的，该种可视化系统，其中第一光源发出的荧光激发光波段为[780nm，820nm]，用于激发ICG染料。

优选的，该种可视化系统，其中第一光源发出的荧光激发光波段为[480nm，520nm]，用于激发荧光染料。

优选的，该种可视化系统，其中接收端为一内窥镜。

优选的，该种可视化系统，当其应用于开放手术时，接收端为一开放手术用光学耦合系统。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

通过本技术方案，仅使用特定波段红光照亮接收端手术场景即可为外科医生提供足够的背景信息并获得清晰完整的实时影像，可视化系统整体结构精简，控制方法便捷，成像处理过程简单高效，在具备良好使用体验的同时制造及维护成本低，具有极高的适用性和可推广性。

附图说明

图1为本发明一种具有实时成像功能的可视化系统的结构示意图；

图2为本发明一种具有实时成像功能的可视化系统中，于单芯片RGB红外成像系统中的滤波模式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种具有实时成像功能的可视化系统，具体技术方案如下所示：

一种具有实时成像功能的可视化系统，如图1所示，具体包括：

一接收端1，包括一相机接口11和一导光接口12；

一光源2，通过一导光束20连接导光接口12，用于为接收端1持续提供一成像光源，光源2包括一第一光源21和一第二光源22，第一光源21发出荧光激发光，第二光源22发出红光；

一成像系统3，通过一导光连接件30连接相机接口11，用于根据接收端1持续接收到的成像光源反射光，分别获取荧光成像信号和红光成像信号并输出实时观测图像；

一显示装置4，显示装置4电连接成像系统3，用于显示实时观测图像。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中接收端为一内窥镜。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，当其应用于开放手术时，接收端为一开放手术用光学耦合系统。

在本发明的一较佳实施例中，可视化系统中的接收端能够根据手术的实际需要灵活地配置成为带相机接口和导光接口的内窥镜或是开放手术用光学耦合系统，能够根据不同的手术需求进行灵活调配，增强了该可视化系统的适用范围。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中成像系统3包括一摄像头组31和一相机控制器32；

摄像头组31用于持续采集成像光源反射光并进行滤波，输出相应的荧光图像和红光图像；

其中摄像头组31通过被配置成检测荧光成像信号和红色成像信号的图像传感器阵列连续地收集和过滤来自导光连接件30的光，并输出相应的荧光图像和红色图像；

相机控制器32通过相机电缆连接摄像头组31，根据荧光图像和红光图像，输出相应的荧光成像信号和红光成像信号。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中相机控制器32还电连接光源2；

相机控制器32根据外部的用户指令生成相应的光源指令，光源2根据光源指令开启或关闭第一光源21和/或第二光源22和/或第三光源23。

在本发明的另一较佳实施例中，光源2还包括一第三光源23，该第三光源23发出白光。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中摄像头组31包括一荧光图像传感器312和一红光图像传感器311。

荧光图像传感器312包括多个子图像传感器3121、3122、3123，可以任选地配置为接收不同波长的光，其中子图像传感器3121接收蓝光，子图像传感器3122接收绿光，子图像传感器3123接收近红外光；

红色图像传感器311被配置为接收红光。

在本发明的另一较佳实施例中，该种可视化系统中的摄像头组31包括一个荧光图像传感器和一个红光图像传感器，其中荧光图像传感器用于通过滤波镜片收集由荧光激发光产生的反射荧光并生成荧光图像，由于只有造影剂生效的区域才会在荧光激发光的影响下产生荧光，故而前述荧光图像表示的即是医生感兴趣的领域；同样地，红光图像传感器用于通过滤波镜片收集红光反射光并生成红光图像，表示背景区域。由于在外科手术过程中，人体组织在红光光谱范围内能够提供明显的反射，因而仅采用红光作为背景光源能够为手术环境提供良好的背景信息。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中荧光图像传感器和红光图像传感器均设置于同一装置内部并处于空间交错设置。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中相机控制器32还包括一图像增强单元321；

图像增强单元321采用非线性直方图均衡对荧光图像和红光图像进行图像增强，并根据图像增强结果输出荧光图像信号和红光图像信号。

在本发明的另一较佳实施例中，对获得的荧光图像和红光图像进行非线性映射的图像增强，能够增强图像呈现效果，提升用户体验。进一步的，图像增强单元包括空间滤波机制，具有减少红色信号中的低空间频率信号和增加红色信号中的高空间频率信号的能力；此外，图像增强单元还包括反转功能，能够在输入端的较高信号电平映射到输出端的较低信号电平，反之亦然。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中相机控制器32还包括一光源控制器322；

光源控制器322用于根据一预设标准判断摄像头组采集到的成像光源反射光的进光量是否足够，并当进光量不足时控制光源进行补光。

在本发明的另一较佳实施例中，相机控制器32还具备自动补光的功能，能够根据回传图像的亮度、清晰度、对比度等参数判断是否存在进光量过低的情况，并在存在进光量过低的情况出现时控制光源2进行二次补光操作。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中成像装置4采用RGB色彩模式进行实时观测图像的呈现，其中：

RGB红色通道由红光图像信号决定；

RGB绿色通道由红光图像信号和荧光图像信号叠加决定；

RGB蓝色通道由红光图像信号决定。

在本发明的另一较佳实施例中，当需要对观测图像进行实时呈现时，RGB红色通道和蓝色通道均直接采用红光图像信号进行统一化呈现，而绿色通道则由红光图像信号和荧光图像信号通过简单叠加进行呈现，并在最后的呈现过程中将红色通道和蓝色通道对应的背景区域灰度化，以便更好地突出绿色区域供外科医生进行更为精准的手术操作。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中第二光源22发出的红光波段为[600nm，700nm]。

在本发明的另一较佳实施例中，本发明所提出的可视化系统同样可用于四芯片的RGB系统中以取得更好的成像效果，其中四芯片RGB系统包括红光图像传感器311、绿光图像传感器3121、蓝光图像传感器3122和近红外光图像传感器3123，且此时采用的光源则为荧光激发光源21、红光光源22和白光光源23，所述红光光源22的波段被设定主要集中分布在[600nm，700nm]的区间范围内，由于常用的白光光源的波段主要集中在[400nm，700nm]的区间范围内并在600nm后急速衰减，因而需要所述的红光光源22的红光波段对所述白光光源23进行相应的光学补足。这样做的好处在于，人体组织或者血液在红光光谱范围内，具有对于医生来说非常重要的信息，例如血管位置等等，这些信息在外科医生动手术进行切除等术式时，可以提供好的背景环境。

在本发明的另一优选实施例中，本发明提供的可视化系统也适用于在单芯片RGB红外成像系统中使用以获得更好的成像效果：具体而言，应用于单芯片RGB红外成像系统时可视化系统包括一个CMOS图像传感器，具有如图2所示的示例性滤波模式，其光源与在先描述的光源相类似。

作为优选的实施方式，该种可视化系统，其中第一光源21发出的荧光激发光波段为[800nm，820nm]。

在本发明的另一较佳实施例中，第一光源21发出的荧光激发光波段被限定位[800nm，820nm]，为了更好地采集由荧光激发光激发得到的荧光，相应的荧光图像传感器接收的荧光的波段被限定为[820nm，840nm]来捕获荧光影像。

作为优选的实施方式，在可视化系统中，其中第一光源21发出的荧光激发光波段为[480nm，500nm]，以激发特定对比剂，例如荧光素。

在本发明的另一较佳实施例中，第一光源21发出的荧光激发光波段被限定位[480nm，500nm]，为了更好地采集由荧光激发光激发得到的荧光，相应的荧光图像传感器接收的荧光的波段被限定为[500nm，520nm]来捕获荧光影像。

现提供一具体实施例对本技术方案进行进一步说明和阐释：

在本发明的具体实施例中，相机控制器和显示装置被集成于一带显示屏幕的个人电脑中，该个人电脑连接摄像头组和光源。外科医生在进行手术前，通过个人电脑中的相关程序向光源发出开启指令，红光光源和荧光激发光源同时开启，通过导光束经由接收端的耦合对手术区域进行照射，此时手术对象区域将被激发发出荧光信号，而其他背景区域将反射红光；摄像头组采集反射光并通过滤波片进行相应滤波，输出荧光图像和红光图像至相机控制器；相机控制器将根据一预先设置的进光量对照表，根据回传图像的亮度、清晰度、对比度等参数判断是否存在进光量过低的情况——若存在则控制光源进行二次补光，若不存在则基于非线性映射对获得的图像进行图像增强，而后通过显示屏幕将完成处理的图像进行实时展示；展示图像先通过RGB色彩模式进行处理，红色通道和蓝色通道由红光图像信号直接决定且相同，共同组成背景；绿色通道由红光图像信号和荧光图像信号叠加决定，组成手术标的物，而后在对于背景部分进行灰度处理以剔除颜色，从而获得具有更佳对比度的实时图像，有助于外科医生的手术顺利进行。

综上，通过本技术方案，仅使用特定波段红光照亮手术场景即可为外科医生提供足够的背景信息并获得清晰完整的实时影像，可视化系统整体结构精简，控制方法便捷，成像处理过程简单高效，在具备良好使用体验的同时制造及维护成本低，具有极高的适用性和可推广性。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种具有实时成像功能的可视化系统，其特征在于，具体包括：

一接收端，包括一相机接口和一导光接口；

一光源，通过一导光束连接所述导光接口，用于为所述接收端持续提供一成像光源，所述光源包括一第一光源和一第二光源，所述第一光源发出荧光激发光，所述第二光源发出红光；

一成像系统，通过一导光连接件连接所述相机接口，用于根据所述接收端持续接收到的成像光源反射光，分别获取荧光成像信号和红光成像信号并输出实时观测图像；

一显示装置，所述显示装置电连接所述成像系统，用于显示所述实时观测图像。

2.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述成像系统包括一摄像头组和一相机控制器；

所述摄像头组用于持续采集所述成像光源的反射光并进行滤波，输出相应的荧光图像和红光图像；

所述相机控制器通过相机电缆连接所述摄像头组，根据所述荧光图像和所述红光图像，输出相应的所述荧光成像信号和所述红光成像信号。

3.如权利要求2所述的可视化系统，其特征在于，所述相机控制器还电连接所述光源，所述光源还包括一第三光源，所述第三光源发出白光；

所述相机控制器根据外部的用户指令生成相应的光源指令，所述光源根据所述光源指令开启或关闭所述第一光源和/或所述第二光源和/或所述第三光源。

4.如权利要求2所述的可视化系统，其特征在于，所述摄像头组包括一荧光图像传感器和一红光图像传感器；

所述荧光图像传感器包括一第一子图像传感器、一第二子图像传感器和一第三子图像传感器，用于任选地配置为接受不同波长的光，所述第一子图像传感器用于接收蓝光，所述第二子图像传感器用于接收绿光，所述第三子图像传感器用于接收近红外光；

所述红光图像传感器被配置为接收红光。

5.如权利要求4所述的可视化系统，其特征在于，所述荧光图像传感器和所述红光图像传感器均设置于同一装置内部并处于空间交错设置。

6.如权利要求2所述的可视化系统，其特征在于，所述相机控制器还包括一图像增强单元；

所述图像增强单元采用非线性直方图均衡对所述荧光图像和所述红光图像进行图像增强，并根据图像增强结果输出所述荧光图像信号和所述红光图像信号。

7.如权利要求5所述的可视化系统，其特征在于，所述图像增强单元包括一空间滤波机制，所述空间滤波机制具有减少所述红光图像信号中低空间频率信号和增加所述红光图像信号中高空间频率信号的功能。

8.如权利要求3所述的可视化系统，其特征在于，所述相机控制器还包括一光源控制器；

所述光源控制器用于根据一预设标准判断所述摄像头组采集到的所述成像光源反射光的进光量是否足够，并当所述进光量不足时控制所述光源进行补光。

9.如权利要求1或6所述的可视化系统，其特征在于，所述成像装置采用RGB色彩模式进行所述实时观测图像的呈现，其中：

RGB红色通道由所述红光图像信号决定；

RGB绿色通道由所述红光图像信号和所述荧光图像信号叠加决定；

RGB蓝色通道由所述红光图像信号决定。

10.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述第二光源发出的红光波段为[600nm，700nm]。

11.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述第一光源发出的荧光激发光波段为[780nm，820nm]，用于激发ICG染料。

12.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述第一光源发出的荧光激发光波段为[480nm，520nm]，用于激发荧光染料。

13.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述接收端为一内窥镜。

14.如权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，当所述可视化系统应用于开放手术时，所述接收端为一开放手术用光学耦合系统。

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