CN113261911A - 一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法 - Google Patents

一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法。本发明所述成像系统包括双通道光源模块，内窥镜导光模块、CMOS图像采集模块及PC成像及存储模块。本发明基于光源调制技术，用所述调制信号发生器与恒流源对白光光源和近红外光光源进行调制。双通道照射光源通过内窥镜导光模块对待测肿瘤组织进行照射后获得复合光信号，CMOS图像采集模块单通道成像，并导入PC成像及存储模块，利用数字锁相算法对双通道复合图像信号进行解调后，可分别显示并存储。本发明检测方法将双通道图像融合，从而获得更完整可靠的组织信息，达到更精确定位肿瘤组织的位置、大小和形状的目的。提高成像系统图像信噪比的同时，有望实现临床上降低肿瘤复发率。

Description

一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，尤其是涉及一种用于胃肠手术、结肠镜检查等的荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法。
背景技术
内窥镜是现代医疗诊断的一种重要仪器，在临床应用上，可以通过内窥镜识别健康组织与癌症组织，从而有效帮助外科医生准确判断和切除癌症组织。内窥镜技术切口小、痛苦小、恢复快、术后瘢痕小，符合现代美学要求，广泛应用于胃肠手术、胸外科、结肠镜检查、关节镜检查等。目前临床经验表明，当肿瘤边缘对比度低或病灶较小时，很难精确划分和完全切除肿瘤。
荧光分子成像技术(Fluorescence Molecular Imaging，FMI)是精确定位肿瘤的有效工具，该技术通过对肿瘤组织进行荧光标记并实时显示肿瘤区域荧光图像。本发明基于荧光内窥镜成像原理与FMI技术相同，利用荧光探针标记肿瘤组织，帮助医生检出微小病灶、精确定位肿瘤、标记肿瘤边界、完全切除肿瘤。但是，由于荧光信号弱，造成荧光内窥镜的荧光图像质量较差。
由于荧光剂在肿瘤组织与正常组织中的吸收度不同，近红外荧光导航手术可以提高肿瘤切除的准确度，从而降低肿瘤的复发率和漏检率。且近红外光在生物组织内的穿透深度较深，近红外荧光成像的分辨率高，可以在术中为医生实时提供更加准确、客观、有效的肿瘤组织结构和功能等信息。现有的荧光内窥镜成像系统，均以白光和近红外光作为照射光源，双通道摄像机进行图像采集。然而，荧光内窥镜的荧光信号较弱，背景噪声强，图像信噪比较低，图像质量不好。
为了提高荧光内窥镜图像质量，现有技术均是通过增加摄像机的曝光时间以解决此问题，然而会造成图像的采集帧率下降而不满足临床要求。因此，针对目前技术的不足，为了提高荧光电子内窥镜成像系统的图像信噪比，且不降低图像采集帧率，本发明公开了一种利用数字锁相算法进行光源调制的荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法。
发明内容
(一)技术上解决的问题
本发明提出了一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法，能够在不降低图像采集速率的情况下，同时获得白光图像和荧光图像以提高成像信噪比，且融合图像以提高图像质量。本发明的目的是利用数字锁相算法能够提高信号信噪比和系统稳定性，解决现有技术中荧光信号弱，图像采集帧率降低等问题，且采用图像融合方法获得更加精确获得肿瘤组织的位置、大小和形状等信息，在临床上帮助外科医生准确判断和完全切除肿瘤。
该成像系统具有扩大图像时间和空间信息、减小不确定性、增加可靠性、改善系统鲁棒性等优点。
(二)技术方案
在本公开的一方面，提供一种基于数字锁相算法进行光源调制的荧光电子内窥镜成像系统。荧光电子内窥镜结合白光和荧光两个通道能够同时采集双通道图像，白光图像和荧光图像可分别为医生提供解剖学信息和荧光定位，且荧光剂吲哚菁绿(ICG)已经获得了FDA认证。
一种基于数字锁相算法进行光源调制的荧光电子内窥镜成像系统，其包括：双通道光源模块，用于同时对两个不同波长的白光光源和近红外光光源进行调制；内窥镜导光模块，用于传输双通道照明信号至待测肿瘤组织并返回携带信息的复合光信号；CMOS图像采集模块，用于采集携带肿瘤组织信息的复合光信号；PC成像及存储模块，用于解调出白光和荧光图像分别显示、融合并存储。
在本公开实施例中，双通道光源模块包括：一路白光调制光源通道，作为照明光源输出，其中包括：调制信号发生器a，其与恒流源a一端相连，所述恒流源a另一端与白光光源相连，用于产生载波信号对白光光源进行调制；另一路近红外光调制光源通道，作为荧光信号激发光源输出，其中包括：调制信号发生器b，其与恒流源b一端相连，所述恒流源b另一端与近红外光光源相连，用于产生与另一路不同频率的载波信号对近红外光光源进行调制。
在本公开实施例中，内窥镜导光模块包括：二合一照明光纤，其两端输入分别与所述白光光源和近红外光光源相连，用于对两路调制光源进行光信号耦合；荧光内窥镜导光管，其一端与所述二合一照明光纤的另一端输出相连，用于将调制的耦合照明信号照射至待测肿瘤组织，并再次传导携带待测组织信息的复合光信号返回；陷波滤光片，其一端与所述荧光内窥镜导光管相连，用于滤除所述复合光信号中原始的近红外激发光信号，并保留需解调的白光信号和荧光信号。
在本公开实施例中，CMOS图像采集模块包括：CMOS相机，其一端与所述陷波滤光片相连，用于接收滤光后的有效白光信号和荧光信号，利用单通道CMOS进行双通道复合图像采集。
在本公开实施例中，PC成像及存储模块包括：计算机，其与所述CMOS相机相连，利用数字锁相算法用于对采集滤光后的复合图像信号进行解调为白光图像和荧光图像，并在显示器上成像显示、融合和存储。
在本公开实施例中，所述调制信号发生器a和调制信号发生器b对不同波长的双通道光源分别接入不同频率的载波信号进行幅度调制，能实现双通道输出正弦波、方波、三角波、脉冲波等任意函数波形，且垂直分辨率可达14bit。
在本公开实施例中，可选的，所述调制信号发生器输出正弦波的频率范围为1μHz～20MHz，白光调制光源通道的输出幅值范围为0～10V，近红外调制光源通道的输出幅值范围为0～3V。
在本公开实施例中，所述恒流源a和恒流源b为自振荡连续电感电流模式的降压恒流源，电路简单价格低廉，用于驱动双通道光源。
在本公开实施例中，所述白光光源作为照明光源，近红外光光源作为荧光激发光源；采用LED冷光源模组，其LED灯珠和特殊聚光系统能提高照度值；且提供LED灯珠过热自动关断保护功能，功耗最大值为65W，响应时间小于5μs。
在本公开实施例中，所述待测肿瘤组织采用荧光剂吲哚菁绿(ICG)作为荧光探针进行标记；根据ICG的激发特性，所述近红外光光源波长必须在750～810nm范围内。采用中心波长约为775nm处的近红外光光源，激发出波长约为830nm的荧光信号。
在本公开实施例中，所述荧光内窥镜导光管是直径为10mm的中空圆柱状体，工作长度为330mm，视向角为30°，视场角为高清HD分辨率。
在本公开实施例中，所述陷波滤光片在波长为410～670nm和830～990nm范围内的光透过率分别约为90.28％和89.92％，而700～800nm范围内的光透过率约为0.002％；因此，能有效滤除原始近红外激发光，同时保留750～810nm波段中携带肿瘤组织信息的白光信号和荧光信号，满足成像系统设计需求。
在本公开的另一方面，还提供一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，采用以上所述的荧光电子内窥镜成像系统进行成像；所述检测方法包括：步骤A：利用所述调制信号发生器a和恒流源a以及所述调制信号发生器b和恒流源b分别对两路所述白光光源和近红外光光源进行双通道光源调制，两路调制光传导至所述二合一照明光纤输出一路耦合照明信号；步骤B：步骤A中所述耦合照明信号由所述荧光内窥镜导光管传导至已注射荧光剂ICG的待测肿瘤组织中进行检测，其反射出携带肿瘤信息的复合光信号经过所述荧光内窥镜导光管返回；步骤C：步骤B中所述复合光信号由所述荧光内窥镜导光管传导至所述陷波滤光片，滤除原始照明信号中的近红外激发光，输出有用需解调的白光信号和荧光信号；步骤D：步骤C中所述需解调的白光信号和荧光信号传导至所述CMOS相机采集得到复合图像，由近红外光激发得到的荧光信号和白光照射下得到的白光信号组成；步骤E：步骤D中所述复合图像同步传导至所述计算机进行处理，利用数字锁相算法进行解调，分别得到双通道的白光信号和荧光信号在显示器上显示并进行双通道图像融合，数据存储。
在本公开实施例中，所述步骤A中基于光源调制技术，对双通道光源进行调制。由所述调制信号发生器a和调制信号发生器b产生正弦波调制信号，其频率分别为12Hz和6Hz，幅值为1.5～2V。从而保证图像采集帧速率在满足临床要求的情况下，在一定程度上增强图像信噪比，提高图像质量。
在本公开实施例中，所述步骤D中基于频分调制方法，利用单通道的所述CMOS相机进行双通道图像采集。所述CMOS相机的采集帧速率为fs＝48fps，即为复合图像的获取帧速率，则解调获得白光图像和荧光图像的帧速率同样为fs＝48fps，克服了时分调制方法的图像采集帧速率降低的问题。
在本公开实施例中，所述步骤E中基于数字锁相算法，对双通道复合图像进行解调。将解调后的荧光图像和白光图像进行融合，通过像素值取大图像融合方法获得融合图像。在肿瘤切除手术中，白光图像能较好显示出肿瘤周围重要的解剖学结构信息，荧光图像可以较好显示出肿瘤的尺寸信息。融合图像能结合两种图像的成像优势，获得更完整可靠的组织信息。
(三)技术效果
从上述技术方案可以看出，本公开的一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法至少具有以下技术效果其中之一或其中一部分：
(1)基于光源调制技术，采用频分调制法对两个不同波长的双通道光源进行调制，使白光调制光源通道和近红外调制光源通道处于不同的频带上。
(2)通过荧光内窥镜导光管同时照射到待测肿瘤组织表面，由单通道的CMOS相机同步采集双通道图像信息，降低成像成本。
(3)利用数字锁相算法，PC成像及存储模块用与CMOS相同的采集帧率对双通道复合信号进行解调，分别得到白光通道和荧光通道的图像并存储，由此克服了时分调制法会大幅度降低双通道图像采集帧率的不足，从而增强图像信噪比，提高系统成像质量。
(4)采用像素值取大图像融合方法，将解调后的白光图像和荧光图像进行融合，获得融合图像能很大程度上保留白光图像的解剖学结构信息以及荧光图像的尺寸信息，帮助医生更加准确地完全切除肿瘤，降低癌症复发率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。构成本发明公开的一部分附图用来提供对本发明公开的进一步理解，本发明公开的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本公开实施例的一种荧光电子内窥镜成像系统硬件结构连接示意图。其中：
1：调制信号发生器a 2：恒流源a
3：白光光源 4：调制信号发生器b
5：恒流源b 6：近红外光光源
7：二合一照明光纤 8：荧光内窥镜导光管
9：陷波滤光片 10：CMOS相机
11：计算机
图2是本公开实施例的荧光电子内窥镜成像检测方法的流程示意图。
图3是本公开实施例的荧光电子内窥镜成像系统的双通道光源调制示意图。
图4是本公开实施例的荧光电子内窥镜成像检测方法的数字锁相基本原理示意图；其中图4(a)为数字锁相放大器的基本结构图；图4(b)为数字锁相放大器的信号频率迁移原理示意图。
图5是本公开实施例中图像采集对比实验在不同帧数下的双通道信噪比结果对比示意图；其中图5(a)是白光通道在不同帧数下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果；图5(b)是荧光通道在不同帧数下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果。
图6是本公开实施例中图像采集对比实验在不同滤波器长度下的双通道信噪比结果对比示意图。其中图6(a)是白光通道在不同滤波器长度下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果；图6(b)是荧光通道在不同滤波器长度下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对于本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，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。
本发明提出了一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法，能够同时获得白光照射和近红外光激发下的高信噪比的白光图像和荧光图像，以提高成像信噪比且融合图像能提高图像质量。本发明的目的是利用数字锁相算法能够提高信号信噪比和系统稳定性，解决现有技术中荧光信号弱，图像采集帧率降低等问题，从而更加精确获得肿瘤组织的位置、大小和形状等信息，在临床上帮助外科医生准确判断和完全切除肿瘤。
为了使本发明的上述目的、技术方案和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本公开实施例中，提供了一种荧光电子内窥镜成像系统，图1为荧光电子内窥镜成像系统的硬件结构连接示意图，如图1所示，所述的一种荧光电子内窥镜成像系统，其包括：双通道光源模块，内窥镜导光模块，CMOS图像采集模块，PC成像及存储模块。
其中，双通道光源模块包括：
一路白光调制光源通道，作为照明光源输出，其中包括：
调制信号发生器a1，其与恒流源a2一端相连，所述恒流源a2另一端与白光光源3相连，用于产生载波信号对白光光源3进行调制；
另一路近红外光调制光源通道，作为荧光信号激发光源输出，其中包括：
调制信号发生器b4，其与恒流源b5一端相连，所述恒流源b5另一端与近红外光光源6相连，用于产生与另一路不同频率的载波信号对近红外光光源6进行调制。
其中，内窥镜导光模块包括：
二合一照明光纤7，其两端输入分别与所述白光光源3和近红外光光源6相连，用于对两路调制光源进行光信号耦合；
荧光内窥镜导光管8，其一端与所述二合一照明光纤7的另一端输出相连，用于将调制的耦合照明信号照射至待测肿瘤组织，并再次传导携带待测组织信息的复合光信号返回；
陷波滤光片9，其一端与所述荧光内窥镜导光管8相连，用于滤除所述复合光信号中原始的近红外激发光信号，并保留需解调的白光信号和荧光信号。
其中，CMOS图像采集模块包括：
CMOS相机10，其一端与所述陷波滤光片9相连，用于接收滤光后的有效白光信号和荧光信号，利用单通道CMOS进行双通道复合图像采集。
其中，PC成像及存储模块包括：
计算机11，其与所述CMOS相机10相连，利用数字锁相算法用于对采集滤光后的复合图像信号进行解调为白光图像和荧光图像，并在显示器上成像显示、融合和存储。
在本公开实施例中，所述调制信号发生器a和调制信号发生器b的输出频率范围为1μHz～20MHz，其中白光调制光源通道的输出幅值范围为0～10V，近红外调制光源通道的输出幅值范围为0～3V，且垂直分辨率可达14bit。
在本公开实施例中，所述调制信号发生器a和调制信号发生器b对白光光源和近红外光光源分别接入12Hz和6Hz的正弦波载波信号进行幅度调制，实现双通道输出幅值为1.75±0.25V的正弦波调制波形。
在本公开实施例中，所述恒流源a和恒流源b为自振荡连续电感电流模式的降压恒流源，输出电压范围为8～30V，输出可调效率可达97％，内置功率开关保护电路，用于驱动双通道光源。
在本公开实施例中，所述白光光源作为照明光源，近红外光光源作为荧光激发光源；采用LED冷光源模组，其LED灯珠和特殊聚光系统能提高照度值；且提供LED灯珠过热自动关断保护功能，功耗最大值为65W，响应时间小于5μs。
在本公开实施例中，所述待测肿瘤组织采用荧光剂吲哚菁绿(ICG)作为荧光探针进行标记；根据ICG的激发特性，所述近红外光光源波长必须在750～810nm范围内。采用中心波长约为775nm处的近红外光光源，激发出波长约为830nm的荧光信号。
在本公开实施例中，所述荧光内窥镜导光管是直径为10mm的中空圆柱状体，工作长度为330mm，视向角为30°，视场角为高清HD分辨率。
在本公开实施例中，所述陷波滤光片在波长为410～670nm和830～990nm范围内的光透过率分别约为90.28％和89.92％，而700～800nm范围内的光透过率约为0.002％；因此，能有效滤除原始近红外激发光，同时保留750～810nm波段中携带肿瘤组织信息的白光信号和荧光信号，满足成像系统设计需求。
在本公开的另一方面，还提供一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，采用以上所述的荧光电子内窥镜成像系统进行成像，图2是本公开实施例荧光电子内窥镜成像系统的检测方法流程示意图，如图2所示，所述检测方法包括：
步骤A：利用所述调制信号发生器a1和恒流源a2以及所述调制信号发生器b4和恒流源b5分别对两路所述白光光源3和近红外光光源6进行双通道光源调制，两路调制光传导至所述二合一照明光纤7输出一路耦合照明信号；
步骤B：步骤A中所述耦合照明信号由所述荧光内窥镜导光管8传导至已注射荧光剂ICG的待测肿瘤组织中进行检测，其反射出携带肿瘤信息的复合光信号经过所述荧光内窥镜导光管8返回；
步骤C：步骤B中所述复合光信号由所述荧光内窥镜导光管8传导至所述陷波滤光片9，滤除原始照明信号中的近红外激发光，输出有用需解调的白光信号和荧光信号；
步骤D：步骤C中所述需解调的白光信号和荧光信号传导至所述CMOS相机10采集得到复合图像，由近红外光激发得到的荧光信号和白光照射下得到的白光信号组成；
步骤E：步骤D中所述复合图像同步传导至所述计算机11进行处理，利用数字锁相算法进行解调，分别得到双通道的白光信号和荧光信号在显示器上显示并进行双通道图像融合，数据存储。
在本公开实施例中，所述步骤A中基于光源调制技术，对双通道光源进行调制，其示意图如图3所示。其中，由所述调制信号发生器a1和调制信号发生器b4产生正弦波载波信号，分别得到白光调制信号和近红外调制信号，其频率分别为12Hz和6Hz，幅值为1.5～2V。从而保证图像采集帧速率在满足临床要求的情况下，在一定程度上增强图像信噪比，提高图像质量。
在本公开实施例中，所述步骤D中基于频分调制方法，利用单通道的所述CMOS相机进行双通道图像采集。所述CMOS相机的采集帧速率为fs＝48fps，即为复合图像的获取帧速率，则解调获得白光图像和荧光图像的帧速率同样为fs＝48fps，克服了时分调制方法的图像采集帧速率降低的问题。
在本公开实施例中，所述步骤E中基于数字锁相算法，对双通道复合图像进行解调。为了验证数字锁相算法在荧光电子内窥镜成像系统中提高图像质量的可行性，进行了图像采集对比实验。以图像信噪比作为成像质量的评价指标，对经过数字锁相算法处理与未经锁相处理的图像信噪比(SNR)进行比较分析。
由于在荧光电子内窥镜的组织信息检测中，荧光信号包含了人体组织健康程度的重要信息，但由于荧光信号较弱，当它在各种噪声和干扰等的影响下，有可能会无法反映真实的人体组织图像信息。锁相放大器是检测微弱周期信号的一种有效检测方法，且由于数字锁相放大器克服了模拟锁相放大器的温度漂移、系统噪声等缺点，已被广泛应用于光、电、磁、人体信号检测等多科学技术领域中。
锁相放大器主要是利用噪声与已知频率的有用信号互不相关的特性，采用相关检测原理对已知频率信号进行检测。其基本原理是对已知原始信号进行频谱搬移，并利用低通滤波器滤除高频噪声，从而提高信号信噪比。如图4所示，是所述成像检测方法的数字锁相基本原理示意图。其中，图4(a)为数字锁相放大器的基本结构图，图4(b)为数字锁相放大器的信号频率迁移原理示意图。
在本公开实施例中，所述图像采集对比实验设计包括：
(1)首先，在不进行光源调制和数字锁相算法解调图像的情况下，利用时分方法分别采集白光图像和荧光图像。其中，将CMOS相机的采集帧速率设置为fs＝48fps，即在1s内，分别采集白光图像24帧，荧光图像24帧。
(2)其次，利用如图1所示的荧光电子内窥镜成像系统，根据所述检测方法基于频分方法对白光光源和近红外激发光源进行调制，并利用数字锁相算法进行双通道图像解调，以获得经过锁相处理后的白光图像和荧光图像。其中，将CMOS相机的采集帧速率同样设置为fs＝48fps，即在1s内，可以获得48帧白光图像，48帧荧光图像。
在本公开实施例中，所述图像采集对比实验的结果分析，将从帧数和低通滤波器的长度两个影响参数角度进行图像信噪比(SNR)对比评估成像性能。如图5所示，为所述图像采集对比实验不同帧数下的双通道信噪比结果对比示意图。其中，设置低通滤波器的长度固定为48，图5(a)是白光通道在不同帧数下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果，可知未经锁相处理的白光图像信噪比为36.50dB，经过锁相处理的白光图像信噪比为39.54dB，比未经锁相处理的图像信噪比提高了8.2％；图5(b)是荧光通道在不同帧数下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果，可知未经锁相处理的荧光图像信噪比为33.47dB，经过锁相处理的荧光图像信噪比为35.70dB，比未经锁相处理的图像信噪比提高了6.7％。因此，经过数字锁相算法处理提高了所述成像系统的成像质量，减少了外界噪声对图像造成的干扰。
另外，根据仿真研究结果得知，在数字锁相算法中，随着滤波器长度的增加，其图像信噪比会随之有所提高，但会相应的增长图像信号的延迟时间。改变滤波器长度分别为8、16、24、32、40、48、56，进行不同滤波器长度下的双通道信噪比结果对比示意图如图6所示。其中，图6(a)是白光通道在不同滤波器长度下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果；图6(b)是荧光通道在不同滤波器长度下经过锁相处理与未经处理的信噪比对比结果。由图6可知，在白光通道和荧光通道均符合以下规律：随着滤波器长度的增大，经过数字锁相算法处理的图像信噪比不断提高，未经锁相处理的信噪比不受滤波器长度影响；当滤波器长度小于40时，利用数字锁相算法并未提高图像信噪比；在滤波器长度为40时，经过锁相处理的图像信噪比与未经锁相处理的图像信噪比基本持平；当滤波器长度超过40时，数字锁相算法能够有效提高双通道图像的信噪比，但是伴随着滤波器长度的增大，采集图像的延迟时间也会增长。当滤波器长度为48时，会产生1s的图像延迟。
在本公开实施例中，所述步骤E中将解调后的荧光图像和白光图像进行融合，通过像素值取大图像融合方法获得融合图像。在肿瘤切除手术中，白光图像能较好显示出肿瘤周围重要的解剖学结构信息，荧光图像可以显示出恶性肿瘤的大小、轮廓等信息，但荧光图像无法显示出肿瘤在组织中的位置信息和肿瘤周围的重要解剖学结构等信息，不便于医生进行肿瘤切除。图像融合可以将2张或以上的图像信息融合至1张图像上，使融合图像包含更多的有效信息，方便人们进行观察或计算机进行数据处理。
所述像素值取大图像融合方法的思想为：当对两幅源图像进行融合时，对两幅图像中对应位置的像素值进行逐一比较，选择较大的像素值作为融合图像中相应位置的像素值。其具有扩大图像时间和空间信息、减小不确定性、增加可靠性、改善系统鲁棒性等优点。为将荧光图像中肿瘤的大小和轮廓等信息与白光图像中肿瘤的位置信息及其周围的解剖学结构信息有效结合，本发明提出利用像素值取大图像融合方法，在利用光源调制技术、数字锁相算法进行图像解调之后，可以对解调后的白光图像和荧光图像进行融合。因此，本公开提出了一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，可以提高双通道的图像信噪比，且融合图像结合了白光图像和荧光图像的优点，使医生获得更加完整可靠的组织信息，从而帮助医生更加准确地切除肿瘤，减轻患者痛苦，降低癌症复发率。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。其中，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的公开实施例及实施例中的特征可以相互组合。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开的一种荧光电子内窥镜成像系统及检测方法有了清楚的认识。
综上所述，本发明提出了一种荧光电子内窥镜成像系统及其检测方法，能够在不降低图像采集速率的情况下，同时获得白光图像和荧光图像以提高成像信噪比，且融合图像以提高图像质量。本发明的目的是利用数字锁相算法能够提高信号信噪比和系统稳定性，解决现有技术中荧光信号弱，图像采集帧率降低等问题，且采用图像融合方法获得更加精确获得肿瘤组织的位置、大小和形状等信息，在临床上帮助外科医生准确判断和完全切除肿瘤。
该成像系统具有扩大图像时间和空间信息、减小不确定性、增加可靠性、改善系统鲁棒性等优点。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示输出范围、工作长度等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和技术效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种荧光电子内窥镜成像系统，其特征在于：其包括：
双通道光源模块，用于同时对两个不同波长的白光光源和近红外光光源进行调制；
内窥镜导光模块，用于传输双通道照明信号至待测肿瘤组织并返回携带信息的复合光信号；
CMOS图像采集模块，用于采集携带肿瘤组织信息的复合光信号；
PC成像及存储模块，用于解调出白光和荧光图像分别显示、融合并存储。
2.根据权利要求1所述的荧光电子内窥镜成像系统，其特征在于：
双通道光源模块包括：
一路白光调制光源通道，作为照明光源输出，其中包括：
调制信号发生器a(1)，其与恒流源a(2)一端相连，所述恒流源a(2)另一端与白光光源(3)相连，用于产生载波信号对白光光源进行调制；
一路近红外光调制光源通道，作为荧光信号激发光源输出，其中包括：
调制信号发生器b(4)，其与恒流源b(5)一端相连，所述恒流源b(5)另一端与近红外光光源(6)相连，用于产生与另一路不同频率的载波信号对近红外光光源进行调制。
内窥镜导光模块包括：
二合一照明光纤(7)，其两端输入分别与所述白光光源(3)和近红外光光源(6)相连，用于对两路调制光源进行光信号耦合；
荧光内窥镜导光管(8)，其一端与所述二合一照明光纤(7)的另一端输出相连，用于将调制的耦合照明信号照射至待测肿瘤组织，并再次传导携带待测组织信息的复合光信号返回；
陷波滤光片(9)，其一端与所述荧光内窥镜导光管(8)相连，用于滤除所述复合光信号中原始的近红外激发光信号，并保留需解调的白光信号和荧光信号。
CMOS图像采集模块包括：
CMOS相机(10)，其一端与所述陷波滤光片(9)相连，用于接收滤光后的有效白光信号和荧光信号，利用单通道CMOS进行双通道复合图像采集。
PC成像及存储模块包括：
计算机(11)，其与所述CMOS相机(10)相连，利用数字锁相算法用于对采集滤光后的复合图像信号进行解调为白光图像和荧光图像，并在显示器上成像显示、融合和数据存储。
3.根据权利要求1-2之一所述的荧光电子内窥镜成像系统，其特征在于，所述调制信号发生器a(1)和调制信号发生器b(4)对不同波长的双通道光源分别接入不同频率的载波信号进行幅度调制，能实现双通道输出任意波形，频率范围为1μHz～20MHz，幅值范围为0～10V且垂直分辨率可达14bit；所述恒流源a(2)和恒流源b(5)为自振荡连续电感电流模式的降压恒流源，电路简单价格低廉，用于驱动双通道光源；所述白光光源(3)作为照明光源，近红外光光源(6)作为荧光激发光源；采用LED冷光源模组，其LED灯珠和特殊聚光系统能提高照度值；且提供LED灯珠过热自动关断保护功能，功耗最大值为65W，响应时间小于5μs。
4.根据权利要求1-2之一所述的荧光电子内窥镜成像系统，其特征在于，所述待测肿瘤组织采用荧光剂吲哚菁绿(ICG)作为荧光探针进行标记；根据ICG的激发特性，所述近红外光光源(6)波长必须在750～810nm范围内，且中心波长约为775nm处的近红外光会激发出波长约为830nm的荧光信号。
5.根据权利要求1-2之一所述的荧光电子内窥镜成像系统，其特征在于，所述荧光内窥镜导光管(8)是直径为10mm的中空圆柱状体，工作长度为330mm，视向角为30°，视场角为高清HD分辨率；所述陷波滤光片(9)能有效滤除原始近红外激发光，同时保留750～810nm波段中携带肿瘤组织信息的白光信号和荧光信号。
6.一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用基于权利要求1至5任一项所述的荧光电子内窥镜成像系统进行成像；所述检测方法包括：
步骤A：利用所述调制信号发生器a(1)和恒流源a(2)以及所述调制信号发生器b(4)和恒流源b(5)分别对两路所述白光光源(3)和近红外光光源(6)进行双通道光源调制，两路调制光传导至所述二合一照明光纤(7)输出一路耦合照明信号。
步骤B：步骤A中所述耦合照明信号由所述荧光内窥镜导光管(8)传导至已注射荧光剂吲哚菁绿(ICG)的待测肿瘤组织中进行检测，其反射出携带肿瘤信息的复合光信号经过所述荧光内窥镜导光管(8)返回。
步骤C：步骤B中所述复合光信号由所述荧光内窥镜导光管(8)传导至所述陷波滤光片(9)，滤除原始照明信号中的近红外激发光，输出有用需解调的白光信号和荧光信号。
步骤D：步骤C中所述需解调的白光信号和荧光信号传导至所述CMOS相机(10)采集得到复合图像，由近红外光激发得到的荧光信号和白光照射下得到的白光信号组成。
步骤E：步骤D中所述复合图像同步传导至所述计算机(11)进行处理，利用数字锁相算法进行解调，分别得到双通道的白光信号和荧光信号在显示器上显示并进行双通道图像融合，数据存储。
7.根据权利要求6所述一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，所述步骤A中基于光源调制技术，对双通道光源进行调制。由所述调制信号发生器a(1)和调制信号发生器b(3)产生不同频率的载波信号，使双通道信号在频域上区分开，从而保证图像采集帧速率在满足临床要求的情况下，在一定程度上增强图像信噪比，提高图像质量。
8.根据权利要求6所述一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，所述步骤D中基于频分调制方法，利用单通道的所述CMOS相机(10)进行双通道图像采集。所述CMOS相机(10)的采集帧速率为fs，即为复合图像的获取帧速率，则解调获得白光图像和荧光图像的帧速率同样为fs，克服了时分调制方法的图像采集帧速率降低的问题。
9.根据权利要求6所述一种荧光电子内窥镜成像系统的检测方法，所述步骤E中将解调后的荧光图像和白光图像进行融合，通过像素值取大图像融合方法获得融合图像，从而获得更完整可靠的组织信息。
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