CN114637106A - 一种光纤内窥镜检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤内窥镜检测系统，包括：传像光纤束，用于伸入至小动物体内的目标区域，以对目标区域进行照明并收集回传目标区域的反射光线；光纤内窥镜本体，用于对传像光纤束回传的反射光线进行光学成像，以形成光学图像信息；数码成像单元，用于对光纤内窥镜本体所形成的光学图像信息转化成电信号数据；图像处理单元，用于对电信号数据进行数据处理，以得到目标内窥图像，其中，数据处理至少包括畸变校正处理和拼接处理。该光纤内窥镜检测系统，通过畸变校正处理能够避免最终形成的目标内窥图像出现畸变严重的问题，同时通过拼接处理能够保证图像的完整性，从而大大提升了内窥镜的观察能力水平。

Description

一种光纤内窥镜检测系统

技术领域

本发明涉及检测器械技术领域，更具体地说，涉及一种光纤内窥镜检测系统。

背景技术

内窥镜是集中了传统光学，精密机械，电路电子以及计算机和软件等的一种检测仪器，可以经口鼻或其他孔径进入活体生物内部。内窥镜在医学领域拥有广泛且普及的应用。

定制化内窥镜越来越多的应用在活体小动物的生物实验中，可用于诊断或跟踪性观察小动物生长过程中的躯体内器官或脑部结构，而对小动物造成较小的创伤和影响。用于研发药物的动物实验，可以缩短研发周期，降低研发经费。

电子内窥镜是利用CCD或者CMOS进行图像采集工作，在较长一段时间占据内窥镜中的主导地位，但其缺点也十分明显。适用于内窥镜的小尺寸图像传感器极大降低了图像分辨率，以及造成的严重图像畸变使得内窥镜的观察能力处于较低水平。

综上所述，如何解决电子内窥镜存在图像畸变严重导致内窥镜的观察能力水平较低的问题已经成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光纤内窥镜检测系统，以解决电子内窥镜存在图像畸变严重导致内窥镜的观察能力水平较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤内窥镜检测系统，包括：

传像光纤束，用于伸入至小动物体内的目标区域，以对所述目标区域进行照明并收集回传所述目标区域的反射光线；

光纤内窥镜本体，用于对所述传像光纤束回传的反射光线进行光学成像，以形成光学图像信息；

数码成像单元，用于对所述光纤内窥镜本体所形成的光学图像信息转化成电信号数据；

图像处理单元，用于对所述电信号数据进行数据处理，以得到目标内窥图像，其中，所述数据处理至少包括畸变校正处理和拼接处理。

可选地，所述光纤内窥镜本体包括主机箱和设置于所述主机箱的光学成像光路组件，所述光学成像光路组件包括：

采集端口，设置于所述主机箱的箱壁上且用于与所述传像光线束的前端连接；

光源，用于产生照明光；

主光路系统，设置于所述主机箱内部，且用于将所述光源的照明光通过所述采集端口传输至所述传像光线束，并将所述采集端口收集的反射光线输送至成像镜头组，所述成像镜头组设置于所述主机箱的箱壁且位于所述采集端口相对侧，以用于将收集的反射光线进行光学成像。

可选地，所述主光路系统包括正对所述采集端口布置且用于扩大观察视野的物镜。

可选地，所述主机箱内还设置有调焦轨道，所述调焦轨道位于与所述采集端口正对的光线传播路径上，所述物镜设置于所述调焦轨道上且位于靠近所述采集端口的一侧。

可选地，所述光源包括LED光源和激光源这两种光源中的至少一种。

可选地，当所述光源包括LED光源和激光源时，所述主光路系统包括透镜切换轨道、与所述LED光源匹配的半反半透镜和与所述激光源匹配的二向色镜，所述半反半透镜和所述二向色镜设置于所述透镜切换轨道，且所述透镜切换轨道能够切换所述半反半透镜和所述二向色镜的位置，以使二者之一位于所述主光路系统的光线传播路径上。

可选地，当所述光源包括LED光源时，所述LED光源包括LED灯、设置于所述LED灯的出射端的可调光阑和用于调节所述可调光阑的驱动器，所述可调光阑设置于所述主机箱的箱壁上。

可选地，当所述光源包括激光源时，所述激光源包括设置于所述主机箱的箱壁上的激光光纤接口和与所述激光光纤接口连接的激光器。

可选地，所述传像光纤束由若干相互独立的单根光纤集成，且所述传像光纤束的整体外直径取值为0.6mm-0.7mm。

可选地，所述数码成像单元包括摄像头，且所述摄像头为高速相机。

相比于背景技术介绍内容，上述光纤内窥镜检测系统，包括：传像光纤束，用于伸入至小动物体内的目标区域，以对目标区域进行照明并收集回传目标区域的反射光线；光纤内窥镜本体，用于对传像光纤束回传的反射光线进行光学成像，以形成光学图像信息；数码成像单元，用于对光纤内窥镜本体所形成的光学图像信息转化成电信号数据；图像处理单元，用于对电信号数据进行数据处理，以得到目标内窥图像，其中，数据处理至少包括畸变校正处理和拼接处理。该光纤内窥镜检测系统，在实际应用过程中，通过将传像光纤束的远端侧伸入至小动物体内的目标区域，然后经光纤内窥镜本体进行光学成像，然后通过数码成像单元将光学成像信息转化成电信号数据，最后由图像处理单元对电信号数据进行数据处理，从而能够得到目标内窥图像，由于电信号数据处理包括畸变校正和拼接处理，通过畸变校正处理能够避免最终形成的目标内窥图像出现畸变严重的问题，同时通过拼接处理能够保证图像的完整性，从而大大提升了内窥镜的观察能力水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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光纤内窥镜本体的内部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光纤内窥镜检测系统的结构示意图。

其中，图1和图2中：

1-数码成像单元；2-成像镜头组；3-半反半透镜；4-二向色镜；5-透镜切换轨道；6-LED灯；7-可调光阑；8-调焦轨道；9-物镜；10-激光光纤接口；11-激光器；12-传像光纤束；13-数据线；14-图像处理单元；15-显示装置；16-光纤内窥镜本体；17-传像光纤束；18-小动物；19-主机箱；20-采集端口。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种光纤内窥镜检测系统，以解决电子内窥镜存在图像畸变严重导致内窥镜的观察能力水平较低的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明实施例提供了一种光纤内窥镜检测系统，包括：传像光纤束17，用于伸入至小动物18体内的目标区域，以对目标区域进行照明并收集回传目标区域的反射光线；光纤内窥镜本体16，用于对传像光纤束17回传的反射光线进行光学成像，以形成光学图像信息；数码成像单元1，用于对光纤内窥镜本体16所形成的光学图像信息转化成电信号数据；图像处理单元14，用于对电信号数据进行数据处理，以得到目标内窥图像，其中，数据处理至少包括畸变校正处理和拼接处理。

该光纤内窥镜检测系统，在实际应用过程中，通过将传像光纤束17的远端侧伸入至小动物18体内的目标区域，然后经光纤内窥镜本体16进行光学成像，然后通过数码成像单元1将光学成像信息转化成电信号数据，最后由图像处理单元14对电信号数据进行数据处理，从而能够得到目标内窥图像，由于电信号数据处理包括畸变校正和拼接处理，通过畸变校正处理能够避免最终形成的目标内窥图像出现畸变严重的问题，同时通过拼接处理能够保证图像的完整性，从而大大提升了内窥镜的观察能力水平。

需要说明的是，数码成像单元1具体可以是摄像头或高速相机等，图像处理单元具体可以是计算机设备等。另外，一般来说，传像光纤束17的远端一般还会设置有微型镜头，以使传像光纤束17的照明光线更好的照射到目标区域。

另外需要说明的是，畸变校正处理的具体过程可以为：

畸变矫正分为标定和矫正两步，程序使用opencv库编写。

首先固定光纤传像束镜头位置，在镜头前10厘米位置正对镜头放置一块标准方格标定板，使用内窥镜系统采集一张标准方格标定板图片。根据已知的方格定标板规格，并与采集到的畸变图像对比计算，即可获得该成像系统的一组畸变矫正参数。这组参数有五个数值组成(k1,k2,k3,p1.p2)。其中，(k1,k2,k3)为径向畸变矫正参数，(p1,p2)为切向畸变矫正参数。

矫正步骤也分为切向矫正和径向矫正两步进行。对于输入图像中坐标处的旧像素点(x,y)，其在径向校正后的输出图像上的位置(x1,y1)通过下式计算：

x1＝x(1+k1*0.1^2+k2*0.1^4+k3*0.1^6)

y1＝y(1+k1*0.1^2+k2*0.1^4+k3*0.1^6)

对于径向矫正后的像素点(x1,y1)，其在切向校正后的输出图像上的位置(x2,y2)通过下式计算：

x2＝x1+[2*p1*x1y1+p2*(0.1^2+2*x1^2)]

y2＝y1+[p1*(0.1^2+2*y1^2)+2*p2*x1*y1]

(x2,y2)即为矫正后的最终像素点。

拼接处理的具体过程可以为：

图像拼接程序使用opencv库编写。具体过程：对于采集到的多张图片，首先进行特征点提取和匹配。根据匹配的特征点对得到相邻图像的位置关系从而进行图像配准，直接进行图像配准会破坏视场一致性，因而先将图像进行投影处理，最后计算相邻图像的拼缝并完成重叠区域的融合，得到最终的全景图。

在一些具体的实施方案中，上述光纤内窥镜本体16具体可以包括主机箱19和设置于主机箱19的光学成像光路组件，光学成像光路组件具体可以包括：采集端口20、光源和主光路系统，其中，采集端口20设置于主机箱19的箱壁上且用于与传像光线束17的前端连接；光源用于产生照明光；主光路系统设置于主机箱19内部，且用于将光源的照明光通过采集端口20传输至传像光线束17，并将采集端口20收集的反射光线输送至成像镜头组2，成像镜头组2设置于主机箱19的箱壁且位于采集端口20相对侧，以用于将收集的反射光线进行光学成像。通过将光纤内窥镜本体16的光学成像光路组件集成于主机箱19内部，能够避免外界的干扰，提升光纤内窥镜光学成像光路的稳定性。

进一步的实施方案中，上述主光路系统具体可以包括正对采集端口20布置的物镜9，通过设计该物镜9，能够扩大观察视野。其中，物镜9可以设计成模块化组件，可更换不同倍数物镜，实现多种放大倍数，比如，可以设计成放大20倍的物镜等，实际应用过程中，可以根据实际需求具体配置。

更进一步的实施方案中，上述主机箱19内还可以设置有调焦轨道8，调焦轨道8位于与采集端口20正对的光线传播路径上，物镜9设置于调焦轨道上且位于靠近采集端口20的一侧。通过设置调焦轨道8，能够对光学成像的焦距进行调节，从而有助于形成更加清晰的成像。

在一些更具体的实施方案中，上述光源具体可以包括LED光源和激光源这两种光源中的至少一种。实际应用过程中，可以根据实际需求配置对应的光源布置方式。

比如，当光源同时包括LED光源和激光源时，主光路系统具体可以包括透镜切换轨道5、与LED光源匹配的半反半透镜3和与激光源匹配的二向色镜4，半反半透镜3和二向色镜4设置于透镜切换轨道5，且透镜切换轨道5能够切换半反半透镜3和二向色镜4的位置，以使二者之一位于主光路系统的光线传播路径上。当二向色镜4位于主光路系统的光线传播路径上时，激光源所产生的照明光能够进入传像光线束17；当半反半透镜3位于主光路系统的光线传播路径上时，LED光源所产生的照明光能够进入传像光线束17。通过设计透镜切换轨道5，可以实现光源的自由切换，根据实际需求选择具体的光源形式。两种光源的切换，可以实现任意切换明场或荧光成像的功能。

在一些具体的实施方案中，当光源包括LED光源时，LED光源包括LED灯6、设置于LED灯6的出射端的可调光阑7和用于调节可调光阑7的驱动器，可调光阑7设置于主机箱19的箱壁上。通过将LED光源设计成上述结构形式，可以实现多种光强的明场成像。

在另外一些具体的实施方案中，当光源包括激光源时，激光源包括设置于主机箱19的箱壁上的激光光纤接口10和与激光光纤接口10连接的激光器11。其中，激光器所发射的光的波长可以根据实际需求进行配置，比如可以设计成能够发射出波长为450纳米的激光光源。另外，该激光器可以设计成模块化组件，可以根据实际需求选择更换成其他适用波长的激光器。

在一些具体的实施方案中，上述传像光纤束17具体可以由若干相互独立的单根光纤集成，具体可以是成千上万根光纤构成，且传像光纤束17的整体外直径取值为0.6mm-0.7mm。通过将传像光纤束设计成直径较小的尺寸，能够使得进入小动物体内或脑内造成的创伤减小，降低了活体小动物的死亡率，为小动物完整生命周期的监督测量提供了可实现的途径。

在一些更具体的实施方案中，上述数码成像单元1具体可以包括摄像头，且摄像头为高速相机。通过将数码成像单元1设计为高速相机，能够实现150fps，一千五百万素质的成像和实时传输功能。采用的高速相机，配合定制的探头和光纤等光学成像系统，配合特定的图像处理技术，能够显著提高内窥镜用于小动物体内的成像质量。实际应用过程中，可以根据实际需求选择相应成像质量的数码成像单元，在此不做更具体的限定。

为了本领域技术人员，更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体的应用场景进行说明书：

第一种方式，利用激光束作为光源。激光器11发出的激光通过激发光滤光片滤除杂散二向色镜4实现90度转向到达物镜9将激光束耦合进传像光纤束12中。激光束在传像光纤束12的远端出射，通过远端微型镜头组出射到目标区域。荧光收集并耦合进同一根传像光纤。荧光通过光纤到达光纤束的近端经过耦合物镜9收集到达系统的主体部分，当荧光到达二向色镜4时实现与激发光的分离。光电探测器之前成像镜头组2对物镜9成的像进行二次成像。

第二种方式，利用LED灯6作为光源。LED灯6可通过驱动器和可调光阑7调节光强，之后通过一半反半透镜3转向90度到达物镜9，物镜9将白光耦合进传像光纤束12。白光束在光纤的远端出射，通过远端微型镜头组出射到样品上。白光收集并耦合进同一根传像光纤。白光通过光纤到达光纤束的近端经过耦合物镜收集到达半反半透镜3，然后进入成像镜头组2，对物镜9成的像进行二次成像。

如图2，将光纤内窥镜16的光纤一端的传像光纤束，通过口部顺着食管或其他天然孔径插入实验小鼠(小动物18)体内，采用明场或荧光成像的方式，获取到实验小鼠体内目标位置的图像。通过光纤内窥镜16，将摄像头1采集到的光学图像，通过数据传输线13输入图像处理单元14(比如，计算机)进行图像处理，得到畸变矫正的修复和图像的拼接等处理，最后再计算机中的显示装置15输出完整目标图像。

本发明的基于传像光纤束的内窥镜系统，针对活体小动物试验的应用场景，采用了定制的探头和光纤等光学成像系统，采用的高速相机，配合特定的图像处理技术，能够显著提高内窥镜用于小动物体内的成像质量。光纤直径小，进入小动物体内或脑内造成的创伤减小，降低了活体小动物的死亡率，为小动物完整生命周期的监督测量提供了实现的途径。本发明通过滑轨改变二向色镜和半反半透镜的位置，从而实现切换明场和荧光成像两种成像效果，可根据动物体内成像的需要进行实时切换，拓宽了应用场景。

另外需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应当理解，本申请中如若使用了“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤内窥镜检测系统，其特征在于，包括：

传像光纤束(17)，用于伸入至小动物(18)体内的目标区域，以对所述目标区域进行照明并收集回传所述目标区域的反射光线；

光纤内窥镜本体(16)，用于对所述传像光纤束(17)回传的反射光线进行光学成像，以形成光学图像信息；

数码成像单元(1)，用于对所述光纤内窥镜本体(16)所形成的光学图像信息转化成电信号数据；

图像处理单元(14)，用于对所述电信号数据进行数据处理，以得到目标内窥图像，其中，所述数据处理至少包括畸变校正处理和拼接处理。

2.如权利要求1所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述光纤内窥镜本体(16)包括主机箱(19)和设置于所述主机箱(19)的光学成像光路组件，所述光学成像光路组件包括：

采集端口(20)，设置于所述主机箱(19)的箱壁上且用于与所述传像光线束(17)的前端连接；

光源，用于产生照明光；

主光路系统，设置于所述主机箱(19)内部，且用于将所述光源的照明光通过所述采集端口(20)传输至所述传像光线束(17)，并将所述采集端口(20)收集的反射光线输送至成像镜头组(2)，所述成像镜头组(2)设置于所述主机箱(19)的箱壁且位于所述采集端口(20)相对侧，以用于将收集的反射光线进行光学成像。

3.如权利要求2所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述主光路系统包括正对所述采集端口(20)布置且用于扩大观察视野的物镜(9)。

4.如权利要求3所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述主机箱(19)内还设置有调焦轨道(8)，所述调焦轨道(8)位于与所述采集端口(20)正对的光线传播路径上，所述物镜设置于所述调焦轨道上且位于靠近所述采集端口的一侧。

5.如权利要求2所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述光源包括LED光源和激光源这两种光源中的至少一种。

6.如权利要求5所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，当所述光源包括LED光源和激光源时，所述主光路系统包括透镜切换轨道(5)、与所述LED光源匹配的半反半透镜(3)和与所述激光源匹配的二向色镜(4)，所述半反半透镜(3)和所述二向色镜(4)设置于所述透镜切换轨道(5)，且所述透镜切换轨道(5)能够切换所述半反半透镜(3)和所述二向色镜(4)的位置，以使二者之一位于所述主光路系统的光线传播路径上。

7.如权利要求5所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，当所述光源包括LED光源时，所述LED光源包括LED灯(6)、设置于所述LED灯(6)的出射端的可调光阑(7)和用于调节所述可调光阑(7)的驱动器，所述可调光阑(7)设置于所述主机箱(19)的箱壁上。

8.如权利要求5所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，当所述光源包括激光源时，所述激光源包括设置于所述主机箱(19)的箱壁上的激光光纤接口(10)和与所述激光光纤接口(10)连接的激光器(11)。

9.如权利要求1所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述传像光纤束(17)由若干相互独立的单根光纤集成，且所述传像光纤束(17)的整体外直径取值为0.6mm-0.7mm。

10.如权利要求1所述的光纤内窥镜检测系统，其特征在于，所述数码成像单元(1)包括摄像头，且所述摄像头为高速相机。

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