CN112336306A - 一种多模态腹腔镜手术装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模态腹腔镜手术装置及实现方法，装置包括：计算机、高光谱成像系统、光声成像系统以及腹腔镜单元；其中，所述计算机，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；所述高光谱成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取高光谱成像数据；所述光声成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取光声成像数据；所述腹腔镜单元，用于内嵌高光谱成像通道和光声成像通道，并根据所述高光谱成像数据和所述光声成像数据，引导完成腹腔手术操作。本发明提高了在腹腔镜手术中肿瘤边界的识别准确性，可以在不损害临近正常组织的情况下，最大限度地切除肿瘤，减少复发率，可广泛应用于医疗器械技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是一种多模态腹腔镜手术装置及实现方法。
背景技术
高光谱成像融合了光谱分析和光学成像两项传统光学诊断方法，具有“图谱合一”的特点。对医学应用来说，光谱分析可以获得生物组织样本上某一点在感兴趣波长范围的完整光谱，对不同病理组织的化学组成和物理特征进行分析；而光学成像技术则提供了各组织结构的空间分布信息，实现了不同病理结构的直观呈现。医学高光谱成像将二维图像信息与一维光谱信号结合为一个三维数据立方体，它不仅包括了丰富的空间信息，同时包含了反映生物组织特性的光谱信息，这样能准确区分出不同的病理组织成分。高光谱在无创疾病诊断和手术引导方面具有巨大潜力。但由于其成像穿透深度有限，仍缺乏完整、全面的深层形态信息。
光声成像是近年来迅速发展的一种新型无损医学成像方法，是基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的无损生物光子成像方法。它结合了纯光学的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性。由于光声成像可以实现深达几厘米的穿透深度，并产生具有显著增强的空间分辨率和丰富对比度的图像，所以光声成像具有巨大的临床前研究和临床应用潜力。
腹腔镜手术是无需在腹壁上做大切口而仅通过组织上的针孔进行的微创手术或者检查，由微创切口进入人体内进行观察腔体内部组织和结构，对病变组织进行摘除。在肿瘤切除手术期间，对被切除组织的边界是否有无肿瘤的评估是至关重要的，但是在手术过程中，腹腔镜的摄像机图像上并不总是很容易看到肿瘤组织的位置和边界。这就导致了手术切除的肿瘤组织太少或过多，如果太少会造成复发而需要再次手术，如果太多可能引起并发症。
腹腔镜的手术其核心目标是在不损害邻近正常组织的情况下，最大限度地切除肿瘤。然而，在手术中，癌组织与健康组织往往难以区分，这导致了复发肿瘤的高死亡率。有的情况，为了避免复发，过多的切除。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种多模态腹腔镜手术装置及实现方法，以通过高光谱成像和光声成像的结合，准确地确定肿瘤位置及边缘，最大限度地切除所有局部肿瘤组织，而不留下残留的肿瘤细胞，减少复发率，也避免了组织的过多切除，减少炎症反应，弥补了现有腹腔镜手术的不足。
本发明的第一方面提供了一种多模态腹腔镜手术装置，包括计算机、高光谱成像系统、光声成像系统以及腹腔镜单元；
其中，所述计算机，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；
所述高光谱成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取高光谱成像数据；
所述光声成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取光声成像数据；
所述腹腔镜单元，用于内嵌高光谱成像通道和光声成像通道，并根据所述高光谱成像数据和所述光声成像数据，引导完成腹腔手术操作。
在一些实施例中，所述计算机包括:
控制单元，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；
处理单元，用于接收高光谱成像数据和光声成像数据；
显示单元，用于显示所述高光谱成像数据和光声成像数据；
所述控制单元连接所述处理单元，所述处理单元连接所述显示单元；
所述处理单元还用于连接所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统。
在一些实施例中，所述高光谱成像系统包括：
第一激光源单元，用于根据所述计算机的控制指令，发出高光谱激发光；
第一滤波器单元，用于对所述高光谱激发光进行滤波处理，得到目标波段的光束；
线阵CCD相机，用于将采集到的反射光谱转化为电信号；
图像采集单元，用于将线阵CCD相机获取的电信号采集到所述计算机内；
所述第一激光源单元连接所述第一滤波器单元，所述第一滤波器单元连接所述腹腔镜单元，所述线阵CCD相机与所述图像采集单元连接，所述图像采集单元连接所述计算机。
在一些实施例中，所述光声成像系统，包括：
第二激光源单元，用于根据所述计算机的控制指令，发出光声激发光；
第二滤波器单元，用于对所述光声激发光进行滤波处理，得到对应光束；
超声信号放大器单元，用于将采集到的光声信号放大；
数据采集单元，用于将放大后的光声信号采集到所述计算机内；
所述第二激光源单元连接所述第二滤波器单元，所述第二滤波器单元连接所述腹腔镜单元，所述超声信号放大器单元连接所述数据采集单元，所述数据采集单元连接所述计算机。
在一些实施例中，所述腹腔镜单元包括腹腔镜壳体；
所述腹腔镜壳体内部包括激光光纤、超声探头、高光谱成像窗口、超声信号线以及高光谱信号线；
所述激光光纤用于连接所述高光谱成像系统或者所述光声成像系统中的滤波器单元；
所述超声探头用于探测光声信号；
所述高光谱成像窗口用于探测高光谱信号；
所述超声信号线用于连接所述光声成像系统中的超声信号放大器单元；
所述高光谱信号线用于连接所述高光谱成像系统中的线阵CCD相机。
在一些实施例中，所述第一激光源单元采用超连续谱激光器，所述第一激光源单元的波长范围为400-2400nm。
在一些实施例中，所述第一滤波器单元的可调节的波长范围为400-1100nm；所述第一滤波器单元的调节间隔为5nm。
在一些实施例中，所述线阵CCD相机的光谱响应范围为200-1100nm。
本发明的第二方面提供了一种多模态腹腔镜手术装置的实现方法，包括：
通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统和光声成像系统的成像工作；
根据所述高光谱成像系统的成像结果，生成病灶区域的肿瘤边界识别结果；
根据所述光声成像系统的成像结果，生成病灶区域深度信息的光声图像。
在一些实施例中，所述通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统和光声成像系统的成像工作，包括：
通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统的第一激光源单元、第一滤波器单元、线阵CCD相机以及图像采集单元的高光谱成像工作；
通过计算机的控制单元控制光声成像系统的第二激光源单元、第二滤波器单元、超声信号放大器单元以及数据采集单元的光声成像工作。
本发明的有益效果是：本发明通过高光谱成像系统获取高光谱成像数据，通过光声成像系统获取光声成像数据，通过结合这两种成像方式，提高了在腹腔镜手术中肿瘤边界的识别准确性，可以在不损害临近正常组织的情况下，最大限度地切除肿瘤，减少复发率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多模态腹腔镜手术装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的腹腔镜单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的实现方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种多模态腹腔镜手术装置，包括计算机、高光谱成像系统、光声成像系统以及腹腔镜单元；
其中，所述计算机，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；
所述高光谱成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取高光谱成像数据；
所述光声成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取光声成像数据；
所述腹腔镜单元，用于内嵌高光谱成像通道和光声成像通道，并根据所述高光谱成像数据和所述光声成像数据，引导完成腹腔手术操作。
具体地，如图1所示，所述的计算机包括控制单元、处理单元、显示单元。
所述的高光谱成像系统包括：激光源单元、滤波器单元、线阵CCD以及图像采集单元。
所述的光声成像系统包括：激光源单元、滤波器单元、超声信号放大器、数据采集单元。
所述的腹腔镜单元与光声成像和高光谱成像系统耦合紧密，如图2所示，本发明实施例的腹腔镜单元包括腹腔镜壳体202以及所述腹腔镜壳体202内部的激光光纤206、超声探头204、高光谱成像窗口203、超声信号线205、高光谱信号线201。
在一些实施例中，所述计算机中的控制单元分别与激光源单元和滤波器单元相连，用于选择高光谱/光声成像模式。
在一些实施例中，所述的计算机中的处理单元被布置为接收所述高光谱图像和光声信号，分别与数据采集单元和图像采集单元分别相连。处理单元根据高光谱算法来分析所述高光谱图像，以便识别肿瘤区域，还被布置为重建光声图像，从而提供具有深度的肿瘤组织信息。
在一些实施例中，所述计算机的显示单元指的是在腹腔镜手术设备中用于实现所述高光谱图像和光声图像的显示器，以便操作者更好地在腹腔镜手术中将所显示的多模态图像用作实时导航。显示单元与处理单元相连。
在一些实施例中，所述高光谱成像系统和光声成像系统使用相同激光源单元，均采用超连续谱激光器，波长范围为400-2400nm。所述的激光源单元、滤波器单元、腹腔镜单元依次相连。其中，高光谱成像系统中的激光源单元为第一激光源单元，高光谱成像系统中的滤波器单元为第一滤波器单元；光声成像系统中的激光源单元为第二激光源单元，光声成像系统中的滤波器单元为第二滤波器单元。
在一些实施例中，所述滤波器单元可选择一种或几种波长通过，可调节的波长范围400-1100nm，调节间隔为5nm。
在一些实施例中，所述的腹腔镜单元中的激光光纤与滤波器单元相连，超声信号线与超声放大器相连，高光谱信号线与线阵CCD相连。
在一些实施例中，所述的线阵CCD的光谱响应范围为200-1100nm。线阵CCD与图像采集单元相连。
本发明实施例还提供了一种多模态腹腔镜手术装置的实现方法，包括：
通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统和光声成像系统的成像工作；
根据所述高光谱成像系统的成像结果，生成病灶区域的肿瘤边界识别结果；
根据所述光声成像系统的成像结果，生成病灶区域深度信息的光声图像。
具体地，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：建立腹腔镜手术操作通道：建立腹腔镜手术通道切口，提供手术操作通道，便于手术器械的深入和操作手术器械，并将腹腔镜单元与高光谱成像系统和光声成像系统相连接。
步骤S2：病灶区域的高光谱信号采集：利用计算机的控制单元控制激光源单元产生宽波长光源，经过滤波器单元，产生可见光和近红外波段范围内不同波长的光束，再进入腹腔镜单元，采集病变区域的高光谱信号。再由线阵CCD采集形成可见光和近红外波段的反射光谱并转化为电信号，然后通过图像采集单元采集到计算机。
步骤S3：高光谱图像的分析与显示：计算机将采集到的数据用于高光谱图像的分析和显示，利用算法在处理单元进行病灶区域的肿瘤边界识别，并在显示单元实时显示出来。
步骤S4：病灶区域的光声信号采集:利用计算机的控制单元控制激光源单元产生光声激发光，该激发光经过激光光纤由腹腔镜单元到达病变组织，激发光声信号，并由腹腔镜壳体内集成的超声探头采集光声信号，由连接探头的超声信号线将信号输入到超声信号放大器，由超声信号放大器接收并放大，之后由数据采集单元进行信号采集，然后将信号送到计算机。
步骤S5：光声图像的重建与显示：通过处理单元，重建出具有病灶区域深度信息的光声图像，最后在显示单元显示出来。
综上所述，本发明提供了一种基于高光谱/光声成像技术的新型多模态腹腔镜手术装置及其实现方法，高光谱成像可以从光谱信息上得到组织表面空间和组分信息，光声成像则可以得到组织的深度信息。高光谱成像和光声成像的结合，可以通过高光谱成像对病变部位进行初定位，然后由光声成像得到组织的深度信息。高光谱所反映的组分差异这是光声成像不具备的。这种新型多模态腹腔镜手术方法可以在手术过程中较准确地确定肿瘤位置及边缘，最大限度地切除所有局部肿瘤组织，而不留下残留的肿瘤细胞，减少复发率，也避免了组织的过多切除，减少炎症反应，弥补了现有腹腔镜手术的不足。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：包括计算机、高光谱成像系统、光声成像系统以及腹腔镜单元；
其中，所述计算机，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；
所述高光谱成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取高光谱成像数据；
所述光声成像系统，用于根据计算机的控制指令，获取光声成像数据；
所述腹腔镜单元，用于内嵌高光谱成像通道和光声成像通道，并根据所述高光谱成像数据和所述光声成像数据，引导完成腹腔手术操作。
2.根据权利要求1所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述计算机包括:
控制单元，用于确定高光谱模式或光声成像模式，并向所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统发出控制指令；
处理单元，用于接收高光谱成像数据和光声成像数据；
显示单元，用于显示所述高光谱成像数据和光声成像数据；
所述控制单元连接所述处理单元，所述处理单元连接所述显示单元；
所述处理单元还用于连接所述高光谱成像系统以及所述光声成像系统。
3.根据权利要求1所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述高光谱成像系统包括：
第一激光源单元，用于根据所述计算机的控制指令，发出高光谱激发光；
第一滤波器单元，用于对所述高光谱激发光进行滤波处理，得到目标波段的光束；
线阵CCD相机，用于将采集到的反射光谱转化为电信号；
图像采集单元，用于将线阵CCD相机获取的电信号采集到所述计算机内；
所述第一激光源单元连接所述第一滤波器单元，所述第一滤波器单元连接所述腹腔镜单元，所述线阵CCD相机与所述图像采集单元连接，所述图像采集单元连接所述计算机。
4.根据权利要求1所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述光声成像系统，
包括：
第二激光源单元，用于根据所述计算机的控制指令，发出光声激发光；
第二滤波器单元，用于对所述光声激发光进行滤波处理，得到对应光束；
超声信号放大器单元，用于将采集到的光声信号放大；
数据采集单元，用于将放大后的光声信号采集到所述计算机内；
所述第二激光源单元连接所述第二滤波器单元，所述第二滤波器单元连接所述腹腔镜单元，所述超声信号放大器单元连接所述数据采集单元，所述数据采集单元连接所述计算机。
5.根据权利要求1所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述腹腔镜单元包括腹腔镜壳体；
所述腹腔镜壳体内部包括激光光纤、超声探头、高光谱成像窗口、超声信号线以及高光谱信号线；
所述激光光纤用于连接所述高光谱成像系统或者所述光声成像系统中的滤波器单元；
所述超声探头用于探测光声信号；
所述高光谱成像窗口用于探测高光谱信号；
所述超声信号线用于连接所述光声成像系统中的超声信号放大器单元；
所述高光谱信号线用于连接所述高光谱成像系统中的线阵CCD相机。
6.根据权利要求3所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述第一激光源单元采用超连续谱激光器，所述第一激光源单元的波长范围为400-2400nm。
7.根据权利要求3所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述第一滤波器单元的可调节的波长范围为400-1100nm；所述第一滤波器单元的调节间隔为5nm。
8.根据权利要求3所述的一种多模态腹腔镜手术装置，其特征在于：所述线阵CCD相机的光谱响应范围为200-1100nm。
9.一种多模态腹腔镜手术装置的实现方法，其特征在于：包括：
通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统和光声成像系统的成像工作；
根据所述高光谱成像系统的成像结果，生成病灶区域的肿瘤边界识别结果；
根据所述光声成像系统的成像结果，生成病灶区域深度信息的光声图像。
10.根据权利要求9所述的一种多模态腹腔镜手术装置的实现方法，其特征在于：所述通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统和光声成像系统的成像工作，包括：
通过计算机的控制单元控制高光谱成像系统的第一激光源单元、第一滤波器单元、线阵CCD相机以及图像采集单元的高光谱成像工作；
通过计算机的控制单元控制光声成像系统的第二激光源单元、第二滤波器单元、超声信号放大器单元以及数据采集单元的光声成像工作。
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| CN202011137369.9A Pending CN112336306A (zh) | 2020-10-22 | 2020-10-22 | 一种多模态腹腔镜手术装置及实现方法 |
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|---|---|
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100056928A1 (en) * | 2008-08-10 | 2010-03-04 | Karel Zuzak | Digital light processing hyperspectral imaging apparatus |
| CN103389273A (zh) * | 2013-08-01 | 2013-11-13 | 中国科学院自动化研究所 | 一种光声和光学融合的多模态成像系统 |
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-
2020
- 2020-10-22 CN CN202011137369.9A patent/CN112336306A/zh active Pending
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