CN112773302A - 一种适用血液环境成像的红外内窥镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用血液环境成像的红外内窥镜，属于医疗器械技术领域。包括近红外光源系统、照明光纤系统、内窥镜平台系统、变焦系统、成像光纤系统、手术操作系统和用于成像的红外相机系统；本发明利用在一定波段下红外光线能够穿透悬浮微粒溶液的原理，选择在合适的波段下，红外光线透过人体血液从而直接对循环系统内的相关器官结构实时成像，并利用操作系统做一些相应的手术操作。系统有效地避免了传统介入手术治疗过程中使用X射线给患者、医生带来辐射伤害，同时相比于传统X射线的透射图像，有更高的图像质量，更有利于外科医生在无需体外循环的情况下对患者实施手术，减小了对患者的创伤，使得相关外科手术更加微创、高效、安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用血液环境成像的红外内窥镜，属于医疗器械技术领域。
背景技术
在外科手术不断发展的今天，外科腔镜手术技术已经非常成熟，所谓腔镜手术是指在没有充血的体腔中，如胃或食道，液体可以排出的体腔中，允许可见波长的光用于内窥镜成像，在此基础上执行诸如切除、缝合等微创手术。然而，心脏外科中由于心脏体腔中血液充盈，无法利用肉眼直接透过血液观察，从而实现微创手术，因为目前暂无相关内窥镜能够在血液环境中成像。为了满足心脏介入手术的需要，X线成像是目前用于介入心脏手术的标准方法。介入心脏手术通过大型X射线装置施加在C型机械臂上，其将围绕患者旋转180度，可以显示患者心脏的轮廓。但这种轮廓是模糊的，只有金属导管在图像上显示最亮，这样能够粗略估计导管末端进入心脏结构的位置，并且C臂需要反复重新定位，以提供更全面的视角。在X线引导下，导管可以进入到心脏，甚至进入冠状动脉中。在血管中，导管远端释放光学敏感染料，在其被血液扩散之前，可以在放射图像上观察一段距离。然而事实已经表明，这项技术通常无法精准评估心脏内部结构。
此外，X线本身对于患者和术者都有一定的辐射伤害，并且在部分操作过程中需给患者注射造影剂，对患者的身体也会造成潜在的影响。X线透视成像系统的设备过于笨重且昂贵，所以在心脏介入手术技术领域如何寻找一种更安全、高效、简便的光源构建一种新的外科成像系统成为解决问题的关键。
红外线内窥镜系统相对于传统的X线引导系统可让术者更加清楚的观察到人体血液环境中内部结构，使得外科医师能清晰地辨认组织层次，便于组织精细分离，最大限度地减少手术并发症。目前该项红外线内窥镜系统在国内尚属空白，这方面的研究少之又少。
发明内容
本发明的目的是为解决如何克服现有的普通X线光源术中透视成像系统的弊端，构建一种更安全、高效、简便的外科成像系统的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种适用血液环境成像的红外内窥镜，包括近红外光源系统、照明光纤系统、内窥镜平台系统、成像光纤系统和用于成像的红外相机系统；近红外光源系统通过照明光纤系统与内窥镜平台系统连接，内窥镜平台系统通过成像光纤系统与红外相机系统连接。
优选地，所述内窥镜平台系统与红外相机系统之间设有用于调节、提高整个红外成像质量的变焦系统。
优选地，所述近红外光源系统包括红外激光器、激光器电源及激光器冷却装置；激光器电源与红外激光器连接；红外激光器与激光器冷却装置连接。
优选地，所述内窥镜平台系统包括内窥镜镜头和内窥镜的转向、控制系统；内窥镜镜头与内窥镜的转向、控制系统连接。
优选地，所述照明光纤系统包括照明光纤及相匹配的透镜组；照明光纤的一端与红外光源系统连接，照明光纤的另一端设有多个分支光束，分支光束设于内窥镜镜头的周围。
优选地，所述变焦系统包括由多个透镜组合成的变焦转换器，变焦转换器的一端连接成像光纤系统设有的成像光纤的端面，另一端连接红外相机系统设有的红外相机的接口。
优选地，所述红外相机系统包括近红外相机及图像处理子系统；近红外相机的支持波段设为1000nm-2500nm，近红外相机与最终形成高质量血液图像的图像处理子系统连接。
优选地，所述内窥镜平台系统还包括手术操作系统；手术操作系统包括操作爪、操作导丝及控制旋钮；所述操作爪设于内窥镜镜头的头端，包括剪刀、抓钳和持针钳；操作爪通过操作导丝与控制旋钮连接。
优选地，所述红外激光器输出包括用于细节方面成像的1320nm和用于穿透深度成像的1710nm两种波长的近红外波。
优选地，所述图像处理子系统将两种不同波段的成像进行合成，从而保证图像的细节及深度。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，利用红外光线在特定波段下可穿透悬浮颗粒溶液进行成像的原理，在人体充盈血液的环境下对人体相应的结构进行较为清晰的成像，相比传统X线成像，具有高质量、无辐射、易操作的特点，为手术医生提供更为准确的手术图像，有效地避免了传统介入手术治疗过程中使用X射线给患者、医生带来的辐射伤害；从而造福于医生和患者。同时相比于传统X射线的透射图像，有更高的图像质量，更有利于外科医生在无需体外循环的情况下对患者实施手术，减小了对患者的创伤，使得相关外科手术更加微创、高效、安全。
附图说明
图1为本发明一种适用血液环境成像的红外内窥镜实施例的示意图。
图2为根据本发明的内窥镜平台系统结构示意图。
图3为本发明一种适用血液环境成像的红外内窥镜内窥镜镜头头端的结构示意图。
图4为本发明一种适用血液环境成像的红外内窥镜动物体内血液环境中成像效果图。
附图标记：1.红外内窥镜；2.近红外光源系统；3.照明光纤系统；4.变焦系统；5.内窥镜平台系统；6.成像光纤系统；7.红外相机系统；8.手术操作系统；9.心脏；10.内窥镜镜头；21.激光器；22.激光器电源；23.激光器冷却装置；31.照明光纤；33.分支光束；71.红外相机；72.图像处理子系统；81.操作爪；83.控制旋钮；91.左心室；92.心脏瓣膜。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-4所示，本发明提供一种适用血液环境成像的红外内窥镜1，包括近红外光源系统2、照明光纤系统3、内窥镜平台系统5、成像光纤系统6和用于成像的红外相机系统7；近红外光源系统2通过照明光纤系统3与内窥镜平台系统5连接，内窥镜平台系统5与红外相机系统7之间设有用于调节、提高整个红外成像质量的变焦系统4。近红外光源系统2包括红外激光器21、激光器电源22及激光器冷却装置23；激光器电源22与红外激光器21连接；红外激光器21与激光器冷却装置23连接。内窥镜平台系统5包括内窥镜镜头10和内窥镜的转向、控制系统；内窥镜镜头10与内窥镜的转向、控制系统连接。照明光纤系统3包括照明光纤31及相匹配的透镜组；照明光纤31的一端与红外光源系统2连接，照明光纤31的另一端设有多个分支光束33，分支光束33设于内窥镜镜头的周围。变焦系统4包括由多个透镜组合成的变焦转换器，变焦转换器的一端连接成像光纤系统6设有的成像光纤的端面，另一端连接红外相机系统7设有的红外相机71的接口。红外相机系统7包括近红外相机71及图像处理子系统72；近红外相机71的支持波段设为1000nm-2500nm，近红外相机71与最终形成高质量血液图像的图像处理子系统72连接。内窥镜平台系统5还包括手术操作系统8；手术操作系统8包括操作爪81、操作导丝及控制旋钮83；操作爪81设于内窥镜镜头10的头端，包括剪刀、抓钳和持针钳；操作爪81通过操作导丝与控制旋钮83连接。红外激光器21输出包括用于细节方面成像的1320nm和用于穿透深度成像的1710nm两种波长的近红外波。图像处理子系统72将两种不同波段的成像进行合成，从而保证图像的细节及深度。
为克服现有的普通X线光源术中透视成像系统的弊端，本发明设计了一种以近红外光作为光源，在人体内血液中成像的一种内窥镜系统，将光源、成像、操作三大系统以内窥镜为平台有机地结合起来，具有操作简便、设备体积小、成像质量高等特点。具体而言，本发明包含如下技术方案。
一种适用血液环境成像的红外内窥镜1；包括：用于产生适合血液内成像波段的近红外光源系统2、用于传输光源的照明光纤系统3、用于调节和提高整个红外成像质量的变焦系统4、用于搭载相关光学元件的内窥镜平台系统5、用于将血液中物体反射的光线传输到相机的成像光纤系统6、用于成像的红外相机系统7及用于术者手术操作的操作系统8。其中，近红外光源系统2包括红外激光器21、激光器电源22及激光器冷却装置23，激光器21能够输出不同功率的近红外光线，输出功率由相应的激光器电源22控制，功率可随供电电压和电流变化呈线性输出。照明光纤系统3包括照明光纤31及相匹配的透镜组，该照明光纤31一端与红外光源系统2连接，另一端分为若干分支光束33，每个光束作为单根独立的照明光纤均匀分布于内窥镜的头端周围。变焦系统4包括由多个透镜组合成的变焦转换器，一端连接内窥镜平台系统5的成像光纤的端面，另一端连接红外相机71的接口，可将成像光纤传输的反射光线利用透镜组进行折射，从而保证能够准确投射在红外相机71的感光元件表面。内窥镜平台系统5包含内窥镜的转向、控制系统，可以利用穿梭在头端的蛇骨系统通过控制手柄自主控制内窥镜头端的指向，并且能够为整个红外内窥镜系统提供稳定平台，可将系统的成像光纤系统6、照明光纤系统3及手术操作系统8内置。成像光纤系统6包含高像素数的多根多束成像光纤组成，能够有效将物体反射的光线平行传输到另一端。红外相机系统7包含近红外相机71及图像处理子系统72，其中近红外相机71的支持波段为1000nm-2500nm，红外相机71将反射光线转换成电信号传输给图像处理子系统72，最终通过软件图像处理，形成高质量的血液中图像。手术操作系统8包含操作爪81、操作导丝及控制旋钮83，操作爪81位于内窥镜的头端，包含剪刀、抓钳、持针钳等多种手术器械种类，操作爪81通过操作导丝与控制旋钮83连接，术者可通过控制旋钮83控制内窥镜头端的操作爪81进行移动和开合操作。
红外激光器21主要输出1320nm和1710nm两种波长的近红外波，利用近红外线在悬浮颗粒溶液中的米氏散射原理，1710nm波段主要用于穿透深度成像，而1320nm波段主要用于细节方面成像。
激光器冷却装置23为循环温控，能够保证激光器21恒定在最佳环境下工作。
照明光纤31可按不同数量的分支束均匀分布于内窥镜头端的边缘，并且照明光纤31能够在较高的传输有效率下传输近红外光线。
照明光纤分支束33头端设置有相应匹配的透镜，保证光纤呈均匀平行光线发射。
变焦系统4中光路根据近红外光线在透镜中折射规律进行优化，并且透镜的制作材料方面也针对近红外光线进行优化，从而保证了成像质量。
内窥镜平台系统5中，不同参数的系统元件可以按照标准尺寸进行替换，可以根据手术类型的不同对系统进行组合。
成像光纤具有高像素数、低损耗率等特点，成像光学针对近红外光线在材料、设计方面进行优化，保证了图像传输的稳定性和高质量。
红外相机系统7通过图像处理系统，包括利用人工智能软件等，将两种不同波段成像进行合成，从而保证图像的细节及深度。
手术操作系统8为统一标准尺寸，可根据术中手术需要随意组合，保证了该系统的多用途性。
本发明依据原理是：该系统利用在一定波段下红外光线能够穿透悬浮微粒溶液的原理，选择在合适的波段下，透过人体血液从而直接对循环系统内的相关器官结构实时成像。本发明可在人体血液环境下对人体相应的结构进行较为清晰的成像，相比传统X线成像，具有高质量、无辐射、易操作的特点，为手术医生提供更为准确的手术图像，从而造福于患者。
实施例
参见图1、2、3、4，当术者在准备进行一台心脏瓣膜修补术时，首先安全地让患者进入麻醉状态，优先打开近红外光源系统2中的激光器冷却装置23，待激光器21温度达到最佳工作温度后，从患者心脏9的左心尖入路，选好切口，将红外内窥镜镜头10伸入患者左心室91，打开激光器21，1320nm和1710nm两种波段的红外光从激光器21发出，经过照明光纤系统3，利用头端分布式光纤束-分支光束33均匀照射在血液中，将心脏内部的反射光线通过成像光纤系统6反射回红外相机71传感器内，最终经过图像处理系统72，将两种波段红外图像合成，最终成像，术者可根据术中成像具体要求，通过改变激光器电源22的电压和电流来控制输出近红外光源的功率，从而改变成像的亮度及深度，同时也可通过变焦系统4来调整红外内窥镜的焦距，从而满足术者的术中操作，术者可通过手术操作系统8，利用控制旋钮83控制红外内窥镜头端的操作爪81，随意切换各种手术器械，完成对心脏瓣膜92的修补。
所有操作过程通过图像处理系统72进行监控、记录，保证整台手术的安全性和可追溯性。
本发明的使用方法
在红外线内窥镜1使用前，先打开红外激光器电源22和激光器水冷装置，待红外激光器21达到工作温度后，打开中央处理系统及图像采集系统，将内窥镜伸入到术区中，打开红外激光器21，分别选择1320nm和1710nm两个波段的红外激光输出，将电流和电压调整到一个合适输出功率，恰好能满足术区的成像要求，然后调整中央处理系统及变焦系统4，不断提高图像的成像质量，从而保证了手术的安全、高效完成。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：包括近红外光源系统、照明光纤系统、内窥镜平台系统、成像光纤系统和用于成像的红外相机系统；近红外光源系统通过照明光纤系统与内窥镜平台系统连接，内窥镜平台系统通过成像光纤系统与红外相机系统连接。
2.如权利要求1所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述内窥镜平台系统与红外相机系统之间设有用于调节、提高整个红外成像质量的变焦系统。
3.如权利要求2所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述近红外光源系统包括红外激光器、激光器电源及激光器冷却装置；激光器电源与红外激光器连接；红外激光器与激光器冷却装置连接。
4.如权利要求3所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述内窥镜平台系统包括内窥镜镜头和内窥镜的转向、控制系统；内窥镜镜头与内窥镜的转向、控制系统连接。
5.如权利要求4所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述照明光纤系统包括照明光纤及相匹配的透镜组；照明光纤的一端与红外光源系统连接，照明光纤的另一端设有多个分支光束，分支光束设于内窥镜镜头的周围。
6.如权利要求5所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述变焦系统包括由多个透镜组合成的变焦转换器，变焦转换器的一端连接成像光纤系统设有的成像光纤的端面，另一端连接红外相机系统设有的红外相机的接口。
7.如权利要求6所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述红外相机系统包括近红外相机及图像处理子系统；近红外相机的支持波段设为1000nm-2500nm，近红外相机与最终形成高质量血液图像的图像处理子系统连接。
8.如权利要求7所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述内窥镜平台系统还包括手术操作系统；手术操作系统包括操作爪、操作导丝及控制旋钮；所述操作爪设于内窥镜镜头的头端，包括剪刀、抓钳和持针钳；操作爪通过操作导丝与控制旋钮连接。
9.如权利要求8所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述红外激光器输出包括用于细节方面成像的1320nm和用于穿透深度成像的1710nm两种波长的近红外波。
10.如权利要求9所述的一种适用血液环境成像的红外内窥镜，其特征在于：所述图像处理子系统将两种不同波段的成像进行合成，从而保证图像的细节及深度。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114403794A (zh) * | 2022-02-14 | 2022-04-29 | 清华大学 | 基于光纤成像的血管镜和方法 |
| WO2022246980A1 (zh) * | 2021-05-26 | 2022-12-01 | 南京微纳科技研究院有限公司 | 内窥镜照明系统及其透镜、内窥镜设备 |
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2021
- 2021-02-23 CN CN202110200275.XA patent/CN112773302A/zh active Pending
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