CN114200686A - 一种偏振光散射光谱成像内窥装置与探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明偏振光散射光谱成像内窥装置，包括线偏振光产生模块、偏振调制模块和光谱采集处理显示系统；所述偏振调制模块包括消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片；线偏振光产生模块用于提供照射探测目标的线偏振光；所述线偏振光在所述探测目标散射，产生后向散射光；后向散射光依次经消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片，完成偏振调制；光谱采集处理显示系统对完成偏振调制的光线进行光谱成像并解调；本发明可解决内窥镜活检通道的空间利用率不高的问题，并在此基础上进一步解决PLSS探头成像效率不高的问题，适用于探测消化道早癌信息，并在口腔癌、食管癌、胃癌、结肠癌等疾病诊断领域具有潜在的应用价值。

Description

一种偏振光散射光谱成像内窥装置与探测方法
技术领域
本发明属于医疗诊断器械技术领域，涉及消化道等部位的恶性肿瘤早期诊断设备，特别涉及一种偏振光散射光谱成像内窥装置与探测方法。
背景技术
消化道恶性肿瘤的早期诊断和治疗可以显着提高患者的长期生存率，改善生活质量。然而，由于其在人体内的位置，恶性肿瘤通常在癌变晚期才能够被诊断出来。目前，消化道恶性肿瘤的诊断和治疗是通过内窥镜实现的。内窥镜医师负责发现病变和活检，病理学医生负责活检组织的病理显微镜检查和诊断。这些检查旨在做出准确的诊断和定位残留癌症的位置。然而，这是一项复杂的工作，需要内窥镜医生和病理学医生具备丰富的知识和经验，而且诊断过程非常耗时。通常，放大内镜结合窄带成像(ME-NBI)技术用于早期胃肠道癌的内镜诊断[Curvers,W.L.,Singh,R.,Song,W.K.,Wolfsen,H.C.,Ragunath,K.,&Wang,K.,et al.(2008).Endoscopic tri-modal imaging for detection of early neoplasia inbarrett's oesophagus:a multi-centre feasibility study using high-resolutionendoscopy,autofluorescence imaging and narrow band imaging incorporated inone endoscopy system.Gut,57(2),167-72(2008)]。一般来说，ME-NBI对早期恶性肿瘤的诊断是基于异常的腺体形态和毛细血管形态。相比之下，病理学诊断基于异常细胞核形态，如细胞核大小、形状和密度等。这些形态信息可以从被测组织的后向散射光谱中获取。因此，光散射光谱技术(LSS)作为一种很有前途的光学工具可以提供这种形态学信息，其检测速度快、无创且成本低廉[Mourant,J.R.；Bigio,I.J.；Boyer,J.；Conn,R.L.；Johnson,T.；Shimada,T.,Spectroscopic diagnosis of bladder cancer with elastic lightscattering.Lasers Surg.Med.1995,17(4),350-357.]。然而，来自组织的后向散射光包括来自上皮细胞的单次散射光和来自深层组织的漫散射光，与细胞核形态信息相关的单次散射光很容易被漫散射光所掩盖，必须巧妙分离单次散射光和漫散射光。为了分开单次散射光和漫散射光，大家提出了偏振门或空间门技术[Qiu,L.；Pleskow,D.K.；Chuttani,R.；Vitkin,E.；Leyden,J.；Ozden,N.；Itani,S.；Guo,L.；Sacks,A.；Goldsmith,J.D.；Modell,M.D.；Hanlon,E.B.；Itzkan,I.；Perelman,L.T.,Multispectral scanning duringendoscopy guides biopsy of dysplasia in Barrett's esophagus.Nat.Med.2010,16(5),603-606.]、[Qiu,L.；Chuttani,R.；Pleskow,D.K.；Turzhitsky,V.；Khan,U.；Zakharov,Y.N.；Zhang,L.；Berzin,T.M.；Yee,E.U.；Sawhney,M.S.；Li,Y.；Vitkin,E.；Goldsmith,J.D.；Itzkan,I.；Perelman,L.T.,Multispectral light scatteringendoscopic imaging of esophageal precancer.Light-Science&Applications 2018,7.]。在美国专利US 6624890 B2中，Backman等人基于偏振门技术开发了一种新型偏振光散射光谱学(PLSS)系统。在过去的二十年中，研究人员研发了许多新颖的PLSS系统，这些系统在临床实践中显示出良好的诊断效果。然而，在这些已有的PLSS系统中，要么使用一个可旋转的偏振片，如美国专利US 6624890 B2，或两个并列的正交偏振片，如美国专利US6624890 B2、US 9788728 B2，从组织后向散射光中分出单次散射光。对于体外的PLSS系统来说，使用可旋转的偏振片来获取正交偏振光谱，使得系统体积庞大且测量效率低。对于体内的PLSS系统，使用两个正交偏振片和两个采集光纤来获取正交偏振光谱，使得内窥系统测量效率低、加工难，而且没有空间分辨率。为了成像和提高PLSS内窥系统的测量效率，可以使用偏振光谱调制法，在体内先对偏振光谱进行调制，把偏振信息转换成强度信息，然后通过采集光纤传输到体外，在体外通过解码的方式获取正交偏振光谱。这样，利用偏振光谱调制法可以去除PLSS系统中的可旋转偏振片或正交偏振片，并且只用一个采集光纤就可以获取正交偏振光谱，使得散射光谱成像成为可能。调制光谱的解码通常使用最先进的重建方法，即傅立叶变换方法(FTM)。然而，FTM存在一系列问题，例如高频损耗、通道串扰，更严重的是重建的光谱分辨率比使用的光谱仪较低。这些缺点使得FTM不适合用于PLSS技术，并且需要相对较高的光谱分辨率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种偏振光散射光谱成像内窥装置与探测方法，以解决内窥镜活检通道的空间利用率不高的问题，并在此基础上进一步解决PLSS探头成像效率不高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
偏振光散射光谱成像内窥装置，包括线偏振光产生模块、偏振调制模块和光谱采集处理显示系统；所述偏振调制模块包括消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片；
所述线偏振光产生模块用于提供照射探测目标的线偏振光；所述线偏振光在所述探测目标散射，产生后向散射光；
所述后向散射光依次经消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片，完成偏振调制；
所述光谱采集处理显示系统对完成偏振调制的光线进行光谱成像并解调。
在一个实施例中，所述线偏振光以105-110°或70-85°的角度照射探测目标。
在一个实施例中，所述线偏振光产生模块包括照明光纤和所述线偏振片，照明光由所述照明光纤的远端出射，经所述线偏振片后产生线偏振光；
或者，所述线偏振光产生模块包括保偏光纤，照明光经保偏光纤直接出射线偏振光。
在一个实施例中，所述照明光的光源为宽带光源，所述宽带光源的出射光经聚焦透镜耦合至照明光纤或保偏光纤。
在一个实施例中，所述偏振光散射光谱成像内窥装置还包括：
准直模块，所述准直模块用于将所述线偏振光准直至探测目标。
在一个实施例中，所述线偏振光的出射端、所述准直模块以及所述偏振调制模块设置于内窥保护层中，所述准直模块为抛物面反射镜，所述内窥保护层壁面设置有供抛物面反射镜反射的线偏振光和所述后向散射光通过的内窥照明侧孔。
在一个实施例中，所述偏振光散射光谱成像内窥装置还包括：
光纤传输模块，所述完成偏振调制的光线通过所述光纤传输模块传输至所述光谱采集处理显示系统。
在一个实施例中，所述照明光纤的远端和所述光纤传输模块的远端均设置于所述抛物面反射镜的焦平面上。
在一个实施例中，所述光纤传输模块为多模光纤或传像束，当为传像束时，光纤在远端密集排列，在近端重新排列形成光纤阵列，从而为色散留出空间。
在一个实施例中，所述偏振调制模块采用如下方案之一进行设置：
方案一：
线偏振片的直径比消色差四分之一波片和延迟器的直径大一倍，消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片的下边缘平行；
方案二：
线偏振片的直径比消色差四分之一波片和延迟器的直径大一倍，消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片同心；
方案三：
消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片的直径相等，同轴设置，消色差四分之一波片和延迟器的中间设有小孔，照明光纤置于小孔位置；
方案四：
消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片的直径相等，同轴设置，照明光经保偏光纤变为线偏振光，直接进入准直模块；
所述方案一、方案二、方案三、方案四中，光纤传输模块均置于线偏振片、延迟器和消色差四分之一波片的重叠区域远离探测目标的一侧；
所述方案一、方案二、方案三中，照明光纤均置于线偏振片、延迟器和消色差四分之一波片的非重叠区域远离探测目标的一侧。
在一个实施例中，所述消色差四分之一波片的快轴和线偏振片的透振方向相同并与延迟器的快轴方向成45°夹角。
在一个实施例中，所述光谱采集处理显示系统包含准直透镜、色散元件、聚焦透镜、探测器以及数据采集处理显示系统，所述完成偏振调制的光线依次通过准直透镜、色散元件、聚焦透镜，在探测器成像，并通过数据采集处理显示系统获取目标的成像偏振光谱。
本发明还提供了基于所述偏振光散射光谱成像内窥装置的探测方法，将所述线偏振光产生模块、偏振调制模块置入体内；
所述线偏振光产生模块产生线偏振光照射探测目标，在所述探测目标散射，产生后向散射光；
所述后向散射光依次经消色差四分之一波片、延迟器和线偏振片，完成偏振调制，即，将偏振信息转化成强度信息；
所述光谱采集处理显示系统接收完成偏振调制的光线，进行光谱成像，并通过解调获取目标的偏振信息。
在一个实施例中，所述光谱采集处理显示系统通过连续滑动迭代法进行解调，获取斯托克斯光谱，根据斯托克斯光谱计算后向散射光的正交偏振分量，即水平偏振分量和垂直偏振分量。
在一个实施例中，所述完成偏振调制的光线通过光纤传输模块传输至所述光谱采集处理显示系统，所述光纤传输模块为多模光纤或传像束，所述光谱采集处理显示系统获取的光纤传输模块每一根光纤的光谱I(xj,λk)表示如下：
I(xj,λk)＝{S0(xj,λk)+S1(xj,λk)cos[φ(λk)]+S2(xj,λk)sin[φ(λk)]}/2 (1)
其中xj表示第j根光纤的空间位置，λk表示第k个波段的波长，k＝1,2,…,N，N表示波段数；S0(xj,λkk)、S1(xj,λk)和S2(xj,λk)均表示斯托克斯参数；φ(λk)表示延迟器的延迟量，φ(λk)＝2πB(λk)d/λk，d表示延迟器厚度，B(λk)表示光谱双折射，B(λk)＝|ne(λk)-no(λk)|，ne(λk)表示非寻常折射率，no(λk)表示寻常折射率；
为了利用连续滑动迭代法(CSIM)重构后向散射光的斯托克斯光谱，首先将线性斯托克斯向量S(xj,λk)表示为:
S(xj,λk)＝S0(xj,λk)[1,P(xj,λk)cos2α(xj,λk),P(xj,λk)sin2α(xj,λk)]T (2)
其中P为线偏振度(DOLP)，α为偏振角(AOP)，则方程式(1)可以表示为:
I(xj,λk)＝{S0(xj,λk)+S0(xj,λk)P(xj,λk)cos[2α(xj,λk)-φ(λkk)]}/2 (3)
利用CSIM重建偏振参数[S0,P,α]的光谱，最后，计算得到斯托克斯参数S1,S2的光谱为：
Figure BDA0003430242940000061
则后向散射光的水平偏振分量强度IH和垂直偏振分量强度IV表示为:
Figure BDA0003430242940000062
假设照射探测目标的线偏振光的偏振态为水平偏振并平行于散射面(入射光和散射光决定的平面)，则单次散射光谱或差分光谱(单次散射光普近似相等于差分光谱)表示为：
ΔI＝I//-I⊥＝IH-IV＝S1 (6)
根据米氏散射理论，差分光谱表示为：
Figure BDA0003430242940000063
其中κ为归一化因子，I0为照射探测目标的线偏振光的强度，θ是散射角(入射光与散射光之间的夹角)，θ0为后向散射光被收集的角度范围，D为探测目标的细胞核直径，ΔD为细胞核尺寸范围，s2为散射振幅矩阵的元素，λ为照射探测目标的线偏振光的波长，n为相对折射率，f(D)为细胞核尺寸分布函数；
结合式子(6)和(7)，通过反演得到尺寸分布函数f(D)和相对折射率n；
在一个实施例中，所述反演采用如下方案之一进行：
方案一：
将根据米氏散射理论计算得到的差分光谱(式7)通过最小二乘最小化算法拟合到目标的测量差分光谱(式6)中，如非负约束的最小二乘算法、遗传算法和粒子群算法等，最小二乘最小化算法不限于这几类。
方案二：
使用深度学习来反演细胞核尺寸，将根据米氏散射理论计算得到的差分光谱(式7)作为训练集，使用该训练集来训练神经网络(比如一维卷积神经网络)，用训练好的神经网络去预测细胞核尺寸等信息。
根据光纤传输模块所有光纤采集的光谱信息，获得所有光纤对应空间的细胞核尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、仅在内窥镜远端设置偏振调制模块，仅用一个采集光路来获取正交偏振光谱，具有结构简单紧凑微型化的特点。
2、可以充分利用内窥镜活检通道留给探头(即本发明偏振光散射光谱成像内窥装置要插入活检通道的部分)的空间，用传像束等装置来采集后向散射光，探头具有空间分辨率，成像效率高，避免了单次扫描时因没有空间分辨率而带来的组织后向散射光谱的平均化，而这种光谱的平均化会导致反演尺寸的平均化，癌变细胞很容易漏诊。
3、可以充分利用差分光谱物理模型做差分光谱的训练集，用深度学习预测细胞核尺寸和折射率信息，具有快速实时反演的特点，避免了传统反演方法因速度慢，无法使用于实时诊断的问题。
4、相对于旋转偏振片型或正交偏振片并列型PLSS装置，本发明无需旋转偏振片和设置两个正交的偏振片，也无需两个采集光路，仅用一个采集光纤束来采集偏振光谱，具有实时快速获取成像光谱的优越特征。
5、相对于已有内窥镜PLSS装置，本发明具有快照式偏振光谱成像能力和快速获取细胞核信息的能力，制作和集成工艺要求简单便捷，利用架上已有光纤和偏振元件即可组装。
6、相对于已有的PLSS探测方法，本发明装置适用于探测消化道早癌信息，在口腔癌、食管癌、胃癌、结肠癌等疾病诊断领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明偏振光散射光谱成像内窥装置的结构示意图。
图2是图1中偏振调制模块的构成和快慢轴示意图。
图3是图1中的偏振调制模块和照明光纤、传像束的安装示意图。
图4是图1中的传像束的排列示意图。
图5是图1中用线偏振光照射探测目标的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
基于前述，在现有的PLSS中，需使用一个可旋转的偏振片或者需使用两个并列的正交偏振片，可旋转的偏振片结构使得装置体积庞大，且由于需采取旋转控制技术等因素使得测量效率较低，一般仅用于体外。而两个并列正交偏振片结构一般用于体内，两个正交偏振片和两路采集光纤使得其测量效率低、加工难度极高，且缺乏空间分辨率。
理论上，使用偏振光谱调制法实现成像并提高PLSS内窥系统的测量效率，不再需要可旋转偏振片或正交偏振片，但是现有的调制解调方法如FTM并不适合PLSS。而在文献[Han,F.；Mu,T.；Tuniyazi,A.；Bao,D.；Gong,H.；Li,Q.；Chen,Z.；Zhang,C.,Iterativereconstruction for snapshot intensity-modulated linear imagingspectropolarimetry without Fourier transform and phase calibration.Optics andLasers in Engineering 2020,134,106286.]中，提出了一种称为连续滑动迭代法(CSIM)的新型重建方法。CSIM相对于FTM的优势是恢复的光谱分辨率非常接近所用光谱仪的固有分辨率。这一特征对于从组织散射光谱中解出Stokes光谱是非常重要的。但是，内窥装置内部的光路结构仍然是非常重要的。在本发明中，融合偏振光谱调制方法和PLSS技术，以减少内窥镜远端的偏振片的数量和偏振采集光路，简化采集探头，提高内窥镜活检通道的空间利用率；使用传像束来提高PLSS探头的成像效率，并使用CSIM方法来重建组织后向散射光的斯托克斯光谱；根据斯托克斯光谱来计算差分光谱或单次散射光谱，最后根据米氏散射理论去反演细胞核的尺寸分布，从而实现体内组织的癌变信息的实时诊断。
如图1所示，本发明的偏振光散射光谱成像内窥装置，主要包括线偏振光产生模块、偏振调制模块15和光谱采集处理显示系统18。
线偏振光产生模块用于产生线偏振光，以照射探测目标14，在探测目标14发生散射，产生后向散射光。探测目标14即诊断部位。
偏振调制模块15用于对后向散射光进行偏振调制，即，将偏振信息转化成强度信息。在本发明中，沿后向散射光的传播方向，其包括依次设置的消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153。
光谱采集处理显示系统18用于对完成偏振调制的光线进行光谱成像并解调，其解调可基于前述的连续滑动迭代法实现。
在一个实施例中，线偏振光可由照明光经线偏振器件后产生，示例地，本发明提供了两种可行的具体结构。
一种结构，线偏振器件为线偏振片，线偏振光产生模块包括照明光纤17和线偏振片153。示例地，可直接使用偏振调制模块15中的线偏振片153，照明光由照明光纤17在远端即体内出射，经线偏振片153后产生线偏振光。
另一种结构，线偏振器件为保偏光纤，照明光经保偏光纤在远端即体内直接出射线偏振光。
示例地，本发明中，用于产生线偏振光的照明光光源宜为宽带光源192，宽带光源192发出的400-700nm宽带光经聚焦透镜191耦合至照明光纤17或保偏光纤。
在一个实施例中，为实现必要的光路走向，本发明偏振光散射光谱成像内窥装置还包括了准直模块12，准直模块12用于将线偏振光准直至探测目标14。此时，为消除准直模块12的镜面反射光并保证后向散射光能够较好地产生并进入偏振调制模块15，本发明中，线偏振光优选以105-110°或70-85°的角度照射探测目标14。
示例地，当探测目标14并非位于腔型器官内，可直接处于线偏振光的前方时，准直模块12直接即可将线偏振光准直至探测目标14。而当探测目标14位于消化道如口腔、食管、胃、结肠等腔型器官内时，准直模块12需采用抛物面反射镜等类似结构，此时，线偏振光照射探测目标14的角度即抛物面反射镜的反光轴与照明光束的中心夹角θ。
为保护装置，容易理解，本发明中，线偏振光的出射端、准直模块12以及偏振调制模块15应规范地设置于内窥保护层11中，当准直模块12为抛物面反射镜等类似的反射结构时，内窥保护层11的壁面应设置有供抛物面反射镜反射的线偏振光和后向散射光通过的内窥照明侧孔13。此时，线偏振光先照射至抛物面反射镜，再由抛物面反射镜反射，经由内窥照明侧孔13穿过内窥保护层11，照射至探测目标14，产生的后向散射光同样经后向散射光穿过内窥保护层11，进入偏振调制模块15。
本发明偏振调制模块15在体内完成后向散射光的偏振调制，在本发明后向散射光的调制过程中：
消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153作为一个整体，对散射光进行调制，即将散射光中的偏振信息转化为强度信息；
因此，在一个实施例中，如图2所示，消色差四分之一波片151的快轴和线偏振片153的透振方向相同并与延迟器152的快轴方向成45°夹角。本发明中的目标的差分光谱的获取只需要斯托克斯光谱S0,S1和S2，没有涉及到S3，因此这种设计的作用是把散射光中的斯托克斯光谱S0,S1和S2转化成强度信息。
如图3所示，在偏振调制模块15采用如下方案之一进行设置：
方案一：
线偏振片153的直径比消色差四分之一波片151和延迟器152的直径大一倍，消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153的下边缘平行；
方案二：
线偏振片153的直径比消色差四分之一波片151和延迟器152的直径大一倍，消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153同心；
方案三：
消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153的直径相等，同轴设置，消色差四分之一波片151和延迟器152的中间设有小孔，照明光纤17置于小孔位置；
方案四：
消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153的直径相等，同轴设置，照明光经保偏光纤变为线偏振光，直接进入准直模块12。
在上述的方案一、方案二、方案三、方案四中，光纤传输模块16均置于线偏振片153、延迟器152和消色差四分之一波片151的重叠区域远离探测目标14的一侧。
在上述的方案一、方案二、方案三中，照明光纤17均置于线偏振片153、延迟器152和消色差四分之一波片151的非重叠区域远离探测目标14的一侧。
在一个实施例中，为实现必要的光谱信息采集与传输，本发明偏振光散射光谱成像内窥装置还包括了光纤传输模块16，光纤传输模块16将完成偏振调制的光线传输至光谱采集处理显示系统18。
当准直模块12为抛物面反射镜时，照明光纤17的远端和光纤传输模块16的远端均设置于抛物面反射镜的焦平面上，以准直照明光。
示例地，光纤传输模块16可为多模光纤或传像束，当为多模光纤时，根据空间分辨率的需求确定光纤数量，例如100根，1000根等。如果对光谱的空间分辨率有更高的要求，可使用传像束，使得PLSS内窥探头具有更高的空间分辨率。参考图4，当光纤传输模块16为传像束时，光纤在远端即体内密集排列，传像束的像素由单根光纤丝的直径和内窥镜活检通道的大小决定；在近端即体外重新排列形成光纤阵列，从而为色散留出空间，通过重新排列传像束的方式获取光谱和空间信息。阵列中光纤丝的左右上下间距根据光谱分辨率和内窥装置面积来设计，利用传像束，可同时采集光谱信息和空间信息。
在一个实施例中，本发明光谱采集处理显示系统18包含准直透镜181、色散元件182、聚焦透镜183、探测器184以及数据采集处理显示系统185。光谱采集处理显示系统18完整地位于体外，完成偏振调制的光线依次通过准直透镜181、色散元件182、聚焦透镜183，在探测器184成像，并在数据采集处理显示系统185进行光谱解调，获取目标的成像偏振光谱。
参考图5，根据以上结构，应用本发明偏振光散射光谱成像内窥装置进行探测时，首先将线偏振光产生模块、偏振调制模块15置入体内；然后，利用线偏振光产生模块产生线偏振光照射探测目标14，在探测目标14散射，产生后向散射光；后向散射光依次经消色差四分之一波片151、延迟器152和线偏振片153，完成偏振调制，即，将偏振信息转化成强度信息；光谱采集处理显示系统18接收完成偏振调制的光线，进行光谱成像，并通过解调获取目标的偏振信息。
本发明的光谱解调在光谱采集处理显示系统18完成，具体是在数据采集处理显示系统185完成，解调方法使用前述的连续滑动迭代法，先获取斯托克斯光谱，然后根据斯托克斯光谱即可计算后向散射光的正交偏振分量，即水平偏振分量和垂直偏振分量。
具体地，本发明解调过程：完成偏振调制的光线通过光纤传输模块16传输至光谱采集处理显示系统18，光纤传输模块16为多模光纤或传像束，光谱采集处理显示系统18(具体为探测器184)获取的光纤传输模块16每一根光纤的光谱I(xj,λk)表示如下：
I(xj,λk)＝{S0(xj,λk)+S1(xj,λk)cos[φ(λk)]+S2(xj,λk)sin[φ(λk)]}/2 (1)
其中xj表示第j根光纤的空间位置，λk表示第k个波段的波长，k＝1,2,…,N，N表示波段数；S0(xj,λkk)、S1(xj,λk)和S2(xj,λk)均表示斯托克斯参数；φ(λk)表示延迟器152的延迟量，φ(λk)＝2πB(λk)d/λk，d表示延迟器厚度，B(λk)表示光谱双折射，B(λk)＝|ne(λk)-no(λk)|，ne(λk)表示非寻常折射率，no(λk)表示寻常折射率；
为了利用连续滑动迭代法(CSIM)重构后向散射光的斯托克斯光谱，首先将线性斯托克斯向量S(xj,λk)表示为:
S(xj,λk)＝S0(xj,λk)[1,P(xj,λk)cos2α(xj,λk),P(xj,λk)sin2α(xj,λk)]T (2)
其中P为线偏振度(DOLP)，α为偏振角(AOP)，则方程式(1)可以表示为:
I(xj,λk)＝{S0(xj,λk)+S0(xj,λk)P(xj,λk)cos[2α(xj,λk)-φ(λkk)]}/2 (3)
利用CSIM重建偏振参数[S0,P,α]的光谱，最后，计算得到斯托克斯参数S1,S2的光谱为：
Figure BDA0003430242940000131
假设利用CSIM方法已经重建了散射光的斯托克斯光谱，则后向散射光的水平偏振分量强度IH和垂直偏振分量强度IV表示为:
Figure BDA0003430242940000132
假设照射探测目标14的线偏振光的偏振态为水平偏振并平行于散射面(即入射光和散射光决定的平面)，则单次散射光谱或差分光谱(单次散射光普近似相等于差分光谱)表示为：
ΔI＝I//-I⊥＝IH-IV＝S1 (6)
根据米氏散射理论，差分光谱表示为：
Figure BDA0003430242940000133
其中κ为归一化因子，I0为照射探测目标14的线偏振光的强度，θ是散射角(入射光与散射光之间的夹角)，θ0为后向散射光被收集的角度范围，D为探测目标14的细胞核直径，ΔD为细胞核尺寸范围，s2为散射振幅矩阵的元素，λ为照射探测目标14的线偏振光的波长，n为相对折射率，f(D)为细胞核尺寸分布函数。
结合式子6和7，可以计算得到尺寸分布函数f(D)和相对折射率n；
在一个实施例中，所述反演采用如下方案之一进行：
方案一：
将米氏散射理论计算的差分光谱(式7)通过最小二乘最小化算法拟合到目标的测量差分光谱(式6)中，如非负约束的最小二乘算法、遗传算法和粒子群算法等，最小二乘最小化算法不限于这几类。
方案二：
使用深度学习来反演细胞核尺寸，将根据米氏散射理论得到的差分光谱(式7)作为差分光谱训练集，使用该训练集来训练神经网络(比如一维卷积神经网络)，用训练好的神经网络去预测细胞核尺寸等信息。
根据光纤传输模块16所有光纤采集的光谱信息，获得所有光纤对应空间的细胞核尺寸，光纤的位置可以判断尺寸异常细胞(病变细胞)的空间位置，这些信息用于量化和评价上皮细胞的变化，从而进一步用于判断组织是否癌变，实现早癌诊断。

Claims (15)

1.偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，包括线偏振光产生模块、偏振调制模块(15)和光谱采集处理显示系统(18)；所述偏振调制模块(15)包括消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)；
所述线偏振光产生模块用于提供照射探测目标(14)的线偏振光；所述线偏振光在所述探测目标(14)散射，产生后向散射光；
所述后向散射光依次经消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)，完成偏振调制；
所述光谱采集处理显示系统(18)对完成偏振调制的光线进行光谱成像并解调。
2.根据权利要求1所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述线偏振光以105-110°或70-85°的角度照射探测目标(14)。
3.根据权利要求1所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述线偏振光产生模块包括照明光纤(17)和所述线偏振片(153)，照明光由所述照明光纤(17)的远端出射，经所述线偏振片(153)后产生线偏振光；
或者，所述线偏振光产生模块包括保偏光纤，照明光经保偏光纤直接出射线偏振光。
4.根据权利要求3所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述照明光的光源为宽带光源(192)，所述宽带光源(192)的出射光经聚焦透镜(191)耦合至照明光纤(17)或保偏光纤。
5.根据权利要求3所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，还包括：
准直模块(12)，所述准直模块(12)用于将所述线偏振光准直至探测目标(14)。
6.根据权利要求5所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述线偏振光的出射端、所述准直模块(12)以及所述偏振调制模块(15)设置于内窥保护层(11)中，所述准直模块(12)为抛物面反射镜，所述内窥保护层(11)壁面设置有供抛物面反射镜反射的线偏振光和所述后向散射光通过的内窥照明侧孔(13)。
7.根据权利要求3所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，还包括：
光纤传输模块(16)，所述完成偏振调制的光线通过所述光纤传输模块(16)传输至所述光谱采集处理显示系统(18)；
所述光纤传输模块(16)为多模光纤或传像束，当为传像束时，光纤在远端密集排列，在近端重新排列形成光纤阵列，从而为色散留出空间。
8.根据权利要求7所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述照明光纤(17)的远端和所述光纤传输模块(16)的远端均设置于所述抛物面反射镜的焦平面上。
9.根据权利要求7所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述偏振调制模块(15)采用如下方案之一进行设置：
方案一：
线偏振片(153)的直径比消色差四分之一波片(151)和延迟器(152)的直径大一倍，消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)的下边缘平行；
方案二：
线偏振片(153)的直径比消色差四分之一波片(151)和延迟器(152)的直径大一倍，消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)同心；
方案三：
消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)的直径相等，同轴设置，消色差四分之一波片(151)和延迟器(152)的中间设有小孔，照明光纤(17)置于小孔位置；
方案四：
消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)的直径相等，同轴设置，照明光经保偏光纤变为线偏振光，直接进入准直模块(12)；
所述方案一、方案二、方案三、方案四中，光纤传输模块(16)均置于线偏振片(153)、延迟器(152)和消色差四分之一波片(151)的重叠区域远离探测目标(14)的一侧；
所述方案一、方案二、方案三中，照明光纤(17)均置于线偏振片(153)、延迟器(152)和消色差四分之一波片(151)的非重叠区域远离探测目标(14)的一侧。
10.根据权利要求1或9所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述消色差四分之一波片(151)的快轴和线偏振片(153)的透振方向相同并与延迟器(152)的快轴方向成45°夹角。
11.根据权利要求1所述偏振光散射光谱成像内窥装置，其特征在于，所述光谱采集处理显示系统(18)包含准直透镜(181)、色散元件(182)、聚焦透镜(183)、探测器(184)以及数据采集处理显示系统(185)，所述完成偏振调制的光线依次通过准直透镜(181)、色散元件(182)、聚焦透镜(183)，在探测器(184)成像，并通过数据采集处理显示系统(185)获取目标的成像偏振光谱。
12.基于权利要求1所述偏振光散射光谱成像内窥装置的探测方法，其特征在于，将所述线偏振光产生模块、偏振调制模块(15)置入体内；
所述线偏振光产生模块产生线偏振光照射探测目标(14)，在所述探测目标(14)散射，产生后向散射光；
所述后向散射光依次经消色差四分之一波片(151)、延迟器(152)和线偏振片(153)，完成偏振调制，即，将偏振信息转化成强度信息；
所述光谱采集处理显示系统(18)接收完成偏振调制的光线，进行光谱成像，并通过解调获取目标的偏振信息。
13.根据权利要求12所述探测方法，其特征在于，所述光谱采集处理显示系统(18)通过连续滑动迭代法进行解调，获取斯托克斯光谱，根据斯托克斯光谱计算后向散射光的正交偏振分量，即水平偏振分量和垂直偏振分量。
14.根据权利要求12所述探测方法，其特征在于，所述完成偏振调制的光线通过光纤传输模块(16)传输至所述光谱采集处理显示系统(18)，所述光纤传输模块(16)为多模光纤或传像束，所述光谱采集处理显示系统(18)获取的光纤传输模块(16)每一根光纤的光谱I(xj,λk)表示如下：
I(xj,λk)＝{S0(xj,λk)+S0(xj,λk)P(xj,λk)cos[2α(xj,λk)-φ(λk)]}/2
利用连续滑动迭代法重建偏振参数[S0,P,α]的光谱，最后，计算得到斯托克斯参数S1,S2的光谱为：
S1＝S0P cos2α
S2＝S0P sin2α
则后向散射光的水平偏振分量强度IH和垂直偏振分量强度IV表示为:
IH＝(S0+S1)/2
IV＝(S0-S1)/2
假设照射探测目标(14)的线偏振光的偏振态为水平偏振并平行于散射面，则单次散射光谱或差分光谱表示为：
ΔI＝I//-I⊥＝IH-IV＝S1
根据米氏散射理论，差分光谱表示为：
Figure FDA0003430242930000041
其中κ为归一化因子，I0为照射探测目标(14)的线偏振光的强度，θ是散射角，θ0为后向散射光被收集的角度范围，D为探测目标(14)的细胞核直径，ΔD为细胞核尺寸范围，s2为散射振幅矩阵的元素，λ为照射探测目标(14)的线偏振光的波长，n为相对折射率，f(D)为细胞核尺寸分布函数；根据光纤传输模块(16)所有光纤采集的光谱信息，获得所有光纤对应空间的细胞核尺寸。
15.根据权利要求14所述探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括细胞核尺寸的反演；所述反演采用如下方案之一进行：
方案一：
将根据米氏散射理论计算得到的差分光谱通过最小二乘最小化算法拟合到目标的测量差分光谱中；
方案二：
使用深度学习来反演细胞核尺寸，即，将根据米氏散射理论计算得到的差分光谱来作为训练集，使用该训练集来训练神经网络，用训练好的神经网络去预测细胞核尺寸。
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