CN113520272B - 一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内窥导管‑多模态光学成像耦合检测系统，包括内窥探头、光纤、电机组件、波分复用器、OCT成像装置、荧光成像装置、图像处理装置；内窥探头包括套管，套管的始端内设有光学聚焦模块；电机组件能够驱动光纤进行旋转，并能对光纤进行收拉，实现内窥探头的旋转和回拉位移；图像处理装置分别与OCT成像装置、荧光成像装置的输出端电连接，指令波分复用器和图像处理装置输出特定规格的光信号，同时图像处理装置能够将OCT成像装置、荧光成像装置输出的图像信息进行图像配准，之后生成待测区域的多模态影像。与现有技术相比，本发明中的内窥导管‑多模态光学成像耦合检测系统能够获取无创、无接触、实时、高分辨率的组织结构和血流图像。

Description

一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，尤其是涉及一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统。

背景技术

结直肠癌是一种常见的癌症，约占全球所有癌症病例的10％。传统上结肠镜检查是结直肠癌诊断和分类的金标准，结肠镜检查可视化结肠和直肠粘膜上异常生长的息肉组织。除了结直肠癌筛查之外，医生还利用结肠镜检查以微创方式切除小息肉，并对较大的息肉或肿瘤进行活检以进行进一步诊断。但结肠镜只能提供直肠壁的表面形态，而不能观察与结直肠癌高度相关的异常层结构和皮下微血管。并且结肠镜对小息肉的检出率较低，影响结直肠癌诊断的准确性。

近些年来，新成像技术的不断发展为疾病的早期诊断提供了新的手段。

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)具有高分辨率，无接触，无损伤几个方面的特点。内窥OCT(Endoscopic OCT,E-OCT)作为OCT技术的重要分支，通过探头将光引导至待测器官组织处，可以克服光穿透深度有限的弱点，从而获得人体内器官深度高分辨的层析图像，通过组织形态学的研究，实现疾病的早期治疗。

荧光成像(Fluorescence Imaging)是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定范围内与荧光素的量呈线性关系。荧光是一种特异性高的分子，结合荧光成像和OCT就可以同时分析组织的结构和成分，可为直肠早期病变提供精准的影像手段。

如何将光学相干层析成像和荧光成像进行结合，构建一种新的检测系统，是目前亟需解决的技术问题。

美国专利US 2016/0242737 Al提出了一种能够对胆管或胰腺进行超声/OCT成像的多模态系统。该系统通过内窥探头检测组织上异常的结构以诊断出病因。但该专利并未使用光学相干层析血流成像对组织的微血管进行成像。微血管的形态变化有助于在早期诊断出直肠病变，让患者得到及时的治疗。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，结合光学相干层析成像和近红外荧光成像组成多模态光学成像系统可视化组织形态和血管结构来弥补传统结肠镜检查的局限性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是保护一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，包括内窥探头、光纤、电机组件、波分复用器、OCT成像装置、荧光成像装置、图像处理装置，其中具体地：

内窥探头，包括套管，所述套管的始端内设有光学聚焦模块；

光纤，所述光纤的始端接入所述套管的末端，且使得光纤的始端与所述光学聚焦模块光通信连接；

电机组件，与所述光纤的末端连接，所述电机组件能够驱动光纤进行旋转，并能对光纤进行收拉，以此实现内窥探头的旋转和回拉位移；

波分复用器，其第一端口与所述光纤的末端光通信连接，

OCT成像装置，其输入端与所述波分复用器的第二端口光通信连接；

荧光成像装置，其输入端与所述波分复用器的第二端口光通信连接；

图像处理装置，分别与OCT成像装置、荧光成像装置的输出端电连接，图像处理装置能够指令波分复用器和图像处理装置输出特定规格的光信号，同时图像处理装置能够将OCT成像装置、荧光成像装置输出的图像信息进行图像配准，之后生成待测区域的多模态影像。

进一步地，所述OCT成像装置包括光学相干成像样品臂光源和第一CCD传感器。

进一步地，所述荧光成像装置包括荧光激励光源和第二CCD传感器。

进一步地，所述波分复用器能够将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到光纤中，并通过光学聚焦模块输出至待测区域；

所述波分复用器还能够将光学聚焦模块接收的光反馈信号分配至所述第一CCD传感器和第二CCD传感器。

进一步地，所述光学聚焦模块通过固定环固定于所述套管中。

进一步地，所述光学聚焦模块包括梯度折射率透镜和三角棱镜，三角棱镜将光纤传输的信号以90°角的方向照射在待测区域。

进一步地，所述电机组件驱动内窥探头旋转，以此采集待测区域的二维图像，电机组件驱动电机驱动内窥探头回拉，以此得到待测区域的三维图像。

进一步地，所述光学相干成像样品臂光源为VECSEL光源，所述荧光激励光源采用半导体可调激光的680-750nm波段。

进一步地，所述图像配准过程中，使用位于套管上的基准标记，根据检测到的标记位置对横截面图像进行重复采样，并使采集的图像每一条A-line向像素点对应于配准图像的角度位置，在连续的旋转扫描中校正OCT图像的抖动和拉伸。

进一步地，所述图像配准过程中，还使用基于灰度的多帧配准和图像加权方法消除组织运动造成的伪影。

进一步地，电机组件包括第一旋转电机和第二旋转电机，所述第一旋转电机仅驱动光纤进行旋转实现内窥探头的旋转，所述第二旋转电机的输出轴与第一旋转电机连接，第二旋转电机输出的扭转力能够驱动光纤收卷，实现内窥探头的回拉。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1.本发明的多模态光学成像系统设有成像原理不同的第一光学成像装置，即光学相干成像装置和第二光学成像装置，即荧光成像装置，其中光学相干成像技术相比于其他技术具有非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构，与内窥技术结合之后的OCT内窥成像技术可直接对生物组织进行成像，能够完成对组织的高精度扫描；荧光成像是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定范围内与荧光素的量呈线性关系；多模态系统将充分利用深度组织成像能力、OCT的高分辨组织成像能力以及荧光分子靶向成像的高灵敏度和特异性，实现实时可视化的多模态成像。

2.本发明的多模态内窥系统改善了单模态系统的单一性，不稳定性和成像分辨率差的特点，多模态内窥探头的镜头通过光纤可将光信号—电信号进行相互转换，具有综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点，综合平衡了这一系列问题，适合对于体内早期疾病的诊断，可更准确的检测出小息肉的位置和数量，为早期病变等提供精准的影像手段，有利于病人可提前治疗并提高治愈率。

3.本发明的光学相干成像装置、荧光成像装置分别与图像处理装置信号连接，且利用波分复用器相结合共同构成光学成像系统，可结合各种成像装置的优点获取组织器官的医学影像，有助于捕获更准确的组织器官的层析图。

附图说明

图1为本发明实施例中多模态内窥导管装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中多模态光学成像装置的结构框图；

图3为本发明实施例中图像配准算法框图。

图中：111、内窥探头，112、套管，113、固定环，114、光纤，115、梯度折射率透镜，116、三角棱镜，117、电机接口，118、驱动电机，201、图像处理装置，202、OCT成像装置，203、荧光成像装置，204、波分复用器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本技术方案借助多模态成像系统，近红外荧光成像可用于快速识别可疑病变，光学相干断层扫描内窥检查有助于将表层结构的细节可视化，以便进一步诊断，从而更好地分期和诊断肠道疾病。本技术方案结合光学相干层析成像和近红外荧光成像组成多模态光学成像系统可视化组织形态和血管结构来弥补传统结肠镜检查的局限性。

本发明中多模态光学成像系统包含图像处理装置、OCT成像装置、荧光成像装置和波分复用器；内窥导管装置包含套管、驱动电机和内窥探头，用于插入组织内部进行成像。导管装置具有综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点。具体实施如下：

内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统包括内窥探头111、光纤114、电机组件、波分复用器204、OCT成像装置202、荧光成像装置203、图像处理装置201，其中具体地：

内窥探头111包括套管112，所述套管112的始端内设有光学聚焦模块；

光纤114的始端接入所述套管112的末端，且使得光纤114的始端与所述光学聚焦模块光通信连接；

电机组件与所述光纤114的末端连接，所述电机组件能够驱动光纤114进行旋转，并能对光纤114进行收拉，以此实现内窥探头111的旋转和回拉位移；

波分复用器204第一端口与所述光纤114的末端光通信连接，

OCT成像装置202输入端与所述波分复用器204的第二端口光通信连接；

荧光成像装置203输入端与所述波分复用器204的第二端口光通信连接；

图像处理装置201分别与OCT成像装置202、荧光成像装置的输出端电连接203，图像处理装置201能够指令波分复用器204和图像处理装置201输出特定规格的光信号，同时图像处理装置201能够将OCT成像装置202、荧光成像装置203输出的图像信息进行图像配准，之后生成待测区域的多模态影像。

OCT成像装置202包括光学相干成像样品臂光源和第一CCD传感器。荧光成像装置203包括荧光激励光源和第二CCD传感器。波分复用器204能够将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到光纤114中，并通过光学聚焦模块输出至待测区域；波分复用器204还能够将光学聚焦模块接收的光反馈信号分配至所述第一CCD传感器和第二CCD传感器。

光学聚焦模块由梯度折射率透镜115和三角棱镜116组成。该三角棱镜上设置有镀金反射膜，且与水平面成45°角，以使该镀金反射膜将传输来的光信号以90°角的方向照射在样本组织上。光学聚焦模块与光纤连接用于将光纤传输过来的光信号输出至样本组织，并用来接收样本组织所反射的光反馈信号，再通过光纤传输至图像处理装置。

内窥探头通过光纤与电机接口117连接。驱动电机118接收到微处理器发出电信号，使得驱动电机118的端部转动，以此按一定转速带动内窥探头旋转，生成样品组织的二维图像，微处理器根据执行的程序，指令驱动电机118接收到回拉信号，带动内窥探头在样品组织回拉从而生成三维图像。

从上述技术方案来看，本实施例提供了一种内窥导管装置，能够采集样品组织的三维图像，有利于结直肠癌的诊断。

图2为一种多模态光学成像系统框图。如图2所示，本实施例结合OCT成像装置202和荧光成像装置203后与图像处理装置201连接，以获得样品组织的多模态图像。波分复用器204用于将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路。图像处理装置201接收到反馈信号后使用配准算法对数据进行预处理，配准完毕后使用光学多普勒层析算法对样品组织进行血流成像。

具体实施时图像处理装置201包括微处理器、RAM和ROM，其中ROM中预存储有本技术方案中所用到的算法程序及其他匹配的辅助程序。

OCT成像装置202与梯度折射率透镜通过光纤连接，用于根据控制信号输出光信号，所述的光信号通过聚焦模块到达待测样品组织，并接收采集的待测样品组织反馈的光信号。

荧光成像装置利用波分复用器与OCT成像观测装置构成光学成像系统，用于将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路。

图像配准：

组织的生理运动以及内窥导管回撤遇到弯曲组织会加剧旋转不均匀性，此时会产生大量伪影和形变，导致无法准确计算血流成像。在光学相干层析血流成像之前需要预先使用图像配准算法处理，算法流程如图3所示。该方法使用位于导管上的基准标记，根据检测到的标记位置对横截面图像进行重复采样，并使采集的图像每一条A-line向像素点对应于配准图像的角度位置，在连续的旋转扫描中校正OCT图像的抖动和拉伸。为了量化校正算法的性能，在每次旋转中使用两个基准点进行矫正计算，并使用另外两个基准点进行测量。校正后角度标准偏差降低到1毫弧度，相当于旋转稳定性提高了15倍以上。矫正后背景噪声和沿拉回方向的垂直条纹噪声明显减少并且可以通过图像观察到直肠规则的凹坑结构。

本技术方案还使用基于灰度的多帧配准和图像加权方法消除组织运动造成的伪影，经过OCT和OCTA配准后输出结果。

光学相干层析血流成像：

光学相干层析血流成像(Optical Coherence Tomography Angiography,OCTA)是OCT的扩展技术，利用不同b-scan图像之间的相位差对小血管进行成像。谱域OCT系统中，线阵CCD探测到的实干涉光谱信号I(λ)经图像采集卡采集后，先经过光谱校正、减直流项和重新采样，得到关于波矢k的干涉信号I(k)。对进行傅立叶变换后得到是与样品深度位置z有关的复解析信号

其幅值对应样品的结构信息，幅角对应样品的相位信息。通过计算第m个横向像素点的相邻N行A扫描信号，可以得到该横向点上不同轴向像素的多普勒频移值和多普勒展宽的标准偏差值，公式表示为：

其中T为相邻两次A扫描的时间间隔，即CCD的积分时间。p(f)是多普勒功率谱。

作为优选方案，在本多模态光学成像系统中，OCT成像装置202采用高速VECSEL光源，可实现长距离成像，光源发出的光通过多模光纤传输至三角棱镜再90°折射到样品上。采用半导体可调激光的680-750nm波段作为激发光源，实现对荧光分子成像。对双模态光路部分的集成则根据OCT成像装置202和荧光成像装置203不同波长的情况选取波分复用器204将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路，这种全光纤光路设计保证了双模态光路系统紧凑和稳定。

本发明的多模态光学成像系统设有成像原理不同的光学相干成像装置和荧光成像装置，光学相干成像技术相比于其他技术具有非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构，与内窥技术结合之后的OCT内窥成像技术可直接对生物组织进行成像，能够完成对组织的高精度扫描，对早期癌变进行早期诊断。

本发明结合荧光成像技术和OCT/OCTA成像技术可实现分析组织的结构和成分，可为直肠早期病变等提供精准的影像手段，相比单一模态的成像技术的单一性，不稳定性和成像分辨率差的特点，多模态的成像技术更适合对于体内早期疾病的诊断，综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，包括：

内窥探头（111），包括套管（112），所述套管（112）的始端内设有光学聚焦模块；

光纤（114），所述光纤（114）的始端接入所述套管（112）的末端，且使得光纤（114）的始端与所述光学聚焦模块光通信连接；

电机组件，与所述光纤（114）的末端连接，所述电机组件能够驱动光纤（114）进行旋转，并能对光纤（114）进行收拉，以此实现内窥探头（111）的旋转和回拉位移；

波分复用器（204），其第一端口与所述光纤（114）的末端光通信连接，

OCT成像装置（202），其输入端与所述波分复用器（204）的第二端口光通信连接；

荧光成像装置（203），其输入端与所述波分复用器（204）的第二端口光通信连接；

图像处理装置（201），分别与OCT成像装置（202）、荧光成像装置的输出端电连接（203），图像处理装置（201）能够指令波分复用器（204）和图像处理装置（201）输出特定规格的光信号，同时图像处理装置（201）能够将OCT成像装置（202）、荧光成像装置（203）输出的图像信息进行图像配准，之后生成待测区域的多模态影像；所述图像配准过程中，使用位于套管（112）上的基准标记，根据检测到的标记位置对横截面图像进行重复采样，并使采集的图像每一条A-line向像素点对应于配准图像的角度位置，在连续的旋转扫描中校正OCT图像的抖动和拉伸；所述图像配准过程中，还使用基于灰度的多帧配准和图像加权方法消除组织运动造成的伪影。

2.根据权利要求1所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述OCT成像装置（202）包括光学相干成像样品臂光源和第一CCD传感器。

3.根据权利要求2所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述荧光成像装置（203）包括荧光激励光源和第二CCD传感器。

4.根据权利要求3所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述波分复用器（204）能够将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到光纤（114）中，并通过光学聚焦模块输出至待测区域；

所述波分复用器（204）还能够将光学聚焦模块接收的光反馈信号分配至所述第一CCD传感器和第二CCD传感器。

5.根据权利要求1所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述光学聚焦模块通过固定环（113）固定于所述套管（112）中。

6.根据权利要求5所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述光学聚焦模块包括梯度折射率透镜（115）和三角棱镜（116），三角棱镜（116）将光纤传输的信号以90°角的方向照射在待测区域。

7.根据权利要求1所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述电机组件驱动内窥探头（111）旋转，以此采集待测区域的二维图像，电机组件驱动电机驱动内窥探头（111）回拉，以此得到待测区域的三维图像。

8.根据权利要求3所述的一种内窥导管-多模态光学成像耦合检测系统，其特征在于，所述光学相干成像样品臂光源为VECSEL光源，所述荧光激励光源采用半导体可调激光的680-750nm波段。

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