CN111820874A - 一种内窥显微成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

一种内窥显微成像系统，包括光源，光源的输出端连接有光程相关器，光程相关器的输出端连接有传像光纤束，传像光纤束通过参考反射镜连接有显微物镜，传像光纤束的输出端连接有光电探测器，光电探测器的信号输出端连接有信号处理器，信号处理器的输出端连接所述光程相关器，信号处理器的另一输出端连接有图像显示器。本发明利用相干门具有穿透生物组织内部成像的能力，通过纵向扫描还能获取组织内部的三维图像，参考反射光与样品后向散射光在同一传输通道传输，不会因震动而引起光程差的剧烈变动，抗震能力强。引入传像光纤束同时作为照明光与信号光的传输通道，通过传统内窥镜的工作钳道到达诊疗的部位，实现实时无创临床病理诊断。

Description

一种内窥显微成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，尤其是一种内窥显微成像系统及其应用的成像方法。

背景技术

在临床诊疗过程中，时常需要采用内窥镜设备，内窥镜设备可以将探头通过人体自然孔道送到指定部位并将采集的图像信息传输到体外供医生诊断。但普通的内窥镜设备只能提供组织表层图像信息而且放大倍数有限，为了进一步确诊往往还需要将活检钳通过内窥镜上的工作孔道获取组织标本，这不仅会给病人带来痛苦，增加病灶扩散的风险而且还需要长时间等待病理检测结果，诊疗效率低下。

所以为了解决上述问题人们提出了基于内窥镜工作钳道的内窥镜显微系统，现有技术方案有传统光学成像、OCT(光学相干断层扫描)成像、激光共聚焦成像等。传统光学成像只能实现表层组织的显微成像，OCT和激光共聚焦可以对组织内部成像但需要横向扫描，成像速度慢。为了能够实时获取组织内部结构信息，就需用全场光学相干层析成像技术，全场光学相干层析成像技术是在传统OCT技术上发展而来，避免了传统OCT需要横向扫描的弱点，同时因使用了大数值孔径的显微物镜，横向分辨率高。该技术利用低相干或非相干光源，利用其光源相干长度短的特点，结合相移解调算法可以一次性从几幅干涉图中解算出内部组织焦面处的横向截面图像信息，其它位置处的光信号将作为背景光被算法滤除，从而实现层析成像。因无需横向扫描具有成像速度快的优点，适用于生物组织实时层析成像。但现有的全场光学相干层析成像系统大都体积庞大，抗震能力差，需要配置气浮平台使用，无法应用于实时临床诊断。

所以，为了弥补现有的全场光学相干层析成像系统抗震能力差且体积较大等缺陷，就需设计一种能实时临床诊断的抗震能力强的内窥镜显微成像系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实时获取活体组织层析图像的内窥显微成像系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种内窥显微成像系统，包括光源，所述光源的输出端连接有光程相关器，所述光程相关器的输出端连接有传像光纤束，所述的传像光纤束通过参考反射镜连接有显微物镜，所述的显微物镜用于观察组织样品，所述的传像光纤束的输出端连接有光电探测器，所述的光电探测器的信号输出端连接有信号处理器，所述的信号处理器的输出端连接所述光程相关器，所述的信号处理器的另一输出端连接有图像显示器。

优选的，所述的传像光纤束的近端连接所述光程相关器，所述传像光纤束的远端连接所述显微物镜。

优选的，所述的光电探测器的探测面与所述的传像光纤束的近端光学共轭。

优选的，所述的光源为SLD光源或LED光源，且所述光源的中心波长为750nm-1350nm。

优选的，所述的光程相关器包括光纤耦合器，所述的光纤耦合器连接有反射镜和相位调制器，所述的反射镜连接相位调制器，所述的光纤耦合器的输入端连接所述光源，所述的相位调制器连接所述信号处理器，所述的反射镜连接所述传像光纤束。

优选的，所述的光纤耦合器为2*2串口。

优选的，所述的参考反射镜设置在所述传像光纤束的末端。

优选的，所述的光电探测器为面阵式探测器，为CCD感光传感器、COMS感光传感器的一种。

一种应用内窥显微成像系统的成像方法，包括下列步骤：

第一步，信号处理器输出控制信号控制光程相关器，使光程相关器输出的两束光束的光程差调整为初始值；

第二步，光源发出低相干光并输出至光程相关器中；

第三步，光程相关器将输入的低相干光转换为两束具有光程差的光束，并将具有光程差的两束光束进行合并输出至传像光纤束的近端；

第四步，传像光纤束将输入光由近端传输至远端，一部分输入光通过显微物镜照射到组织样品表面及内部，形成后向样品散射光，另一部分输入光经参考反射镜的反射形成参考反射光；

第五步，后向样品散射光与参考反射光经过传像光纤束，返回到传像光纤束的近端，然后进入光电探测器；

第六步，参考反射光与后向样品散射光在光电探测器的阵面处形成干涉信号，并将干涉信号输出至信号处理器中，并以图像方式进行存储；

第七步，信号处理器每接收完一幅干涉图像后即调整光程相关器的两束输出光束的光程，并重复第二步至第六步，经N次图像采集后，信号处理器调整光程相关器的两束输出光束的光程使其回到初始值；

第八步，信号处理器将采集到的N幅图像经解调算法处理后形成组织层析图像；

第九步，图像显示器接收来自信号处理器的组织层析图像信号并进行显示。

本发明的优点和积极效果是：

本发明利用相干门具有穿透生物组织内部成像的能力，通过纵向扫描还能获取组织内部的三维图像，参考反射光与样品后向散射光在同一传输通道传输，不会因震动而引起光程差的剧烈变动，抗震能力强。引入传像光纤束同时作为照明光与信号光的传输通道，整个探头直径小，可以通过传统内窥镜的工作钳道到达需要诊疗的部位，实现实时无创临床病理诊断，可应用于实时活体组织检测，提高诊疗效率。

附图说明

图1是本发明的系统连接结构示意图；

图2是本发明的实施例一中光程相关器的结构示意图；

图3是本发明的实施例二中光程相关器的结构示意图。

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做出创造性劳动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，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

如图1-图3所示，本发明所述的一种内窥显微成像系统，包括光源，所述光源的输出端连接有光程相关器，所述光程相关器的输出端连接有传像光纤束，所述的传像光纤束通过参考反射镜连接有显微物镜，所述的显微物镜用于观察组织样品，所述的传像光纤束的输出端连接有光电探测器，所述的光电探测器的信号输出端连接有信号处理器，所述的信号处理器的输出端连接所述光程相关器，所述的信号处理器的另一输出端连接有图像显示器。

进一步，所述的传像光纤束的近端连接所述光程相关器，所述传像光纤束的远端连接所述显微物镜。

进一步，所述的光电探测器的探测面与所述的传像光纤束的近端光学共轭。

进一步，所述的光源为SLD光源或LED光源，且所述光源的中心波长为750nm-1350nm。

进一步，所述的光程相关器包括光纤耦合器，所述的光纤耦合器连接有反射镜和相位调制器，所述的反射镜连接相位调制器，所述的光纤耦合器的输入端连接所述光源，所述的相位调制器连接所述信号处理器，所述的反射镜连接所述传像光纤束。

进一步，所述的光纤耦合器为2*2串口。

进一步，所述的参考反射镜设置在所述传像光纤束的末端。

进一步，所述的光电探测器为面阵式探测器，为CCD感光传感器、COMS感光传感器的一种。

一种应用内窥显微成像系统的成像方法，包括下列步骤：

第一步，信号处理器输出控制信号控制光程相关器，使光程相关器输出的两束光束的光程差调整为初始值；

第二步，光源发出低相干光并输出至光程相关器中；

第三步，光程相关器将输入的低相干光转换为两束具有光程差的光束，并将具有光程差的两束光束进行合并输出至传像光纤束的近端；

第四步，传像光纤束将输入光由近端传输至远端，一部分输入光通过显微物镜照射到组织样品表面及内部，形成后向样品散射光，另一部分输入光经参考反射镜的反射形成参考反射光；

第五步，后向样品散射光与参考反射光经过传像光纤束，返回到传像光纤束的近端，然后进入光电探测器；

第六步，参考反射光与后向样品散射光在光电探测器的阵面处形成干涉信号，并将干涉信号输出至信号处理器中，并以图像方式进行存储；

第七步，信号处理器每接收完一幅干涉图像后即调整光程相关器的两束输出光束的光程，并重复第二步至第六步，经N次图像采集后，信号处理器调整光程相关器的两束输出光束的光程使其回到初始值；

第八步，信号处理器将采集到的N幅图像经解调算法处理后形成组织层析图像；

第九步，图像显示器接收来自信号处理器的组织层析图像信号并进行显示。

实施例一

如图2所示，本实施例的光源采用LED光源，中心波长为λ，带宽为Δλ，光程相关器由Michelson干涉仪和2x2的光纤耦合器构成，输入光经2x2光纤耦合器的a口输入，分成强度相等的两束光，分别经c口与d口输出，然后经准直器准直投射到反射镜，再被反射镜反射回c口与d口，一部分经b口合并输出，一部分回到光源。c口处的反射镜位置固定，d口处的反射镜与相位调制器(PZT)机械连接，通过控制相位调制器(PZT)的电压改变反射镜的位置，从而改变b口两束输出光的光程差。传像光线束的外径小于内窥镜工作钳道孔径，其近端附近设置有分束镜。参考反射镜设置在传像光纤束的远端，其反射面与传像光纤束远端重合。显微物镜的外径小于内窥镜工作钳道，待成像组织截面与传像光纤束远端面通过显微物镜共轭。光电探测器采用面阵式图像传感器，阵面与传像光纤束近端共轭。

具体实施时，信号处理器采集来自光电探测器的信号并存储，每采集完一次即调整光程相关器内部的相位调制器(PZT)的电压，改变输入到传像光纤束的两光束的光程差。信号处理器对一个采样周期内采集的N幅图像进行相移解调算法处理，解算出组织样品内部的层析图像。信号处理器可以采用通用计算机实现控制与信号的解调，也可以通过FPGA编程实现。图像显示器接收来自信号处理的图像信号，供诊疗者直接观看。图像显示器可以是普通平面显示器也可以是立体显示器。

实施例二

如图3所示，本实施例的光程相关器由Fizeau干涉腔及光环形器构成，具体实施时，输入光经a口进入光环形器的b口，经准直器准直后投射到半反半透镜BS和反射镜M上。一部分光经半反半透镜BS反射回b口，经c口输出，一部分透过半反半透镜BS经反射镜M反射回b口，经c口输出。b口处的反射镜M与相位调制器(PZT)机械连接，通过控制相位调制器(PZT)电压改变反射镜M的位置，从而改变c口处两束输出光的光程差，本实施例的成像方法与实施例一相同，在此不再赘述。

本发明利用相干门具有穿透生物组织内部成像的能力，通过纵向扫描还能获取组织内部的三维图像，参考反射光与样品后向散射光在同一传输通道传输，不会因震动而引起光程差的剧烈变动，抗震能力强。引入传像光纤束同时作为照明光与信号光的传输通道，整个探头直径小，可以通过传统内窥镜的工作钳道到达需要诊疗的部位，实现实时无创临床病理诊断，可应用于实时活体组织检测，提高诊疗效率。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种内窥显微成像系统，其特征在于：包括光源，所述光源的输出端连接有光程相关器，所述光程相关器的输出端连接有传像光纤束，所述的传像光纤束通过参考反射镜连接有显微物镜，所述的显微物镜用于观察组织样品，所述的传像光纤束的输出端连接有光电探测器，所述的光电探测器的信号输出端连接有信号处理器，所述的信号处理器的输出端连接所述光程相关器，所述的信号处理器的另一输出端连接有图像显示器。

2.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的传像光纤束的近端连接所述光程相关器，所述传像光纤束的远端连接所述显微物镜。

3.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的光电探测器的探测面与所述的传像光纤束的近端光学共轭。

4.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的光源为SLD光源或LED光源，且所述光源的中心波长为750nm-1350nm。

5.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的光程相关器包括光纤耦合器，所述的光纤耦合器连接有反射镜和相位调制器，所述的反射镜连接相位调制器，所述的光纤耦合器的输入端连接所述光源，所述的相位调制器连接所述信号处理器，所述的反射镜连接所述传像光纤束。

6.根据权利要求5所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的光纤耦合器为2*2串口。

7.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的参考反射镜设置在所述传像光纤束的末端。

8.根据权利要求1所述的一种内窥显微成像系统，其特征在于：所述的光电探测器为面阵式探测器，为CCD感光传感器、COMS感光传感器的一种。

9.一种应用内窥显微成像系统的成像方法，其特征在于：包括下列步骤：

第一步，信号处理器输出控制信号控制光程相关器，使光程相关器输出的两束光束的光程差调整为初始值；

第二步，光源发出低相干光并输出至光程相关器中；

第三步，光程相关器将输入的低相干光转换为两束具有光程差的光束，并将具有光程差的两束光束进行合并输出至传像光纤束的近端；

第四步，传像光纤束将输入光由近端传输至远端，一部分输入光通过显微物镜照射到组织样品表面及内部，形成后向样品散射光，另一部分输入光经参考反射镜的反射形成参考反射光；

第五步，后向样品散射光与参考反射光经过传像光纤束，返回到传像光纤束的近端，然后进入光电探测器；

第六步，参考反射光与后向样品散射光在光电探测器的阵面处形成干涉信号，并将干涉信号输出至信号处理器中，并以图像方式进行存储；

第七步，信号处理器每接收完一幅干涉图像后即调整光程相关器的两束输出光束的光程，并重复第二步至第六步，经N次图像采集后，信号处理器调整光程相关器的两束输出光束的光程使其回到初始值；

第八步，信号处理器将采集到的N幅图像经解调算法处理后形成组织层析图像；

第九步，图像显示器接收来自信号处理器的组织层析图像信号并进行显示。

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