CN114916899A - 一种光学设计的荧光摄像头及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学设计的荧光摄像头，所述荧光摄像头放在内窥镜尖端实现电子成像，所述荧光摄像头包括摄像头本体，所述摄像头本体内设有调焦镜组、彩色CMOS感光芯片、分光棱镜和透镜组，所述透镜组设置在第一反射棱镜面与彩色CMOS感光芯片之间，内窥镜和所述调焦镜组采集待处理的手术区域图像，传输到所述分光棱镜，所述分光棱镜用于将入射光分别投射在所述彩色CMOS感光芯片两侧，分别形成A区彩色图像与B区荧光图像；本发明提高了叠加后成像效果和质量，同时降低了成本，且由于图像的同一性，计算机处理算法的难度要求下降。

Description

一种光学设计的荧光摄像头及其成像方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及为一种光学设计的荧光摄像头及其成像方法。
背景技术
特殊波长(如紫外光)照射可诱发人体组织产生自体荧光，诱发自体荧光时，由两个附带有不同通光波长滤色片获取高灵敏度单色和彩色单色图像，由计算机计算两个图像处理校正重叠并显示在显示器上，或使用荧光比值成像技术采集，捕捉红色图像与绿色图像，送至图像处理中心进行处理和合成，并按癌变组织和正常组织不同光谱特征分别赋予不同伪彩色，制成以红色指示癌变部位、以绿色指示正常部位的伪彩色图像，借助不同颜色发现可疑病灶，这种技术就是荧光染色内窥镜技术。荧光染色内镜从根本上改变了传统癌症诊断和治疗的方法，依据人体组织固有荧光光谱特征自动识别、诊断，术中可立即显示被测组织的性质，提供癌显示的区域与边界，指导外科医生手术中准确切除肿瘤。
但现有荧光内窥镜技术至少需要二块成像器件及配套电路独立处理二个图像信息，不仅体积，发热量成倍增加，且和棱镜的装配要求较高，图像匹配后荧光部分只能采用没有细节的伪彩显示肿瘤组织的区域和边缘，且分光后的正常组织存在偏色，影响成像质量。
现有技术中，专利为内窥镜用摄像头和具有它的内窥镜装置，公开号为CN107405058A，内窥镜用摄像头具有：摄像头光学系统，其包括分光棱镜，该分光棱镜具有对来自内窥镜的光中的白色光和荧光进行分割的分色膜；以及第一摄像元件和第二摄像元件，它们配置在被分光棱镜一分为二的各个光路上，其中，第一摄像元件是拍摄白色光像的白色光像观察用的元件，第二摄像元件是拍摄波长不同的两个荧光像的荧光像观察用的元件，第一摄像元件配置于在白色光像观察用的光路上成像的位置处，第二摄像元件配置于在荧光像观察用的光路上两个荧光像成像的两个位置之间的位置处。该发明存在以下技术问题：1.成像质量低，且摄像头体积大；2.该发明制作组装过于繁琐。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光学设计的荧光摄像头及其成像方法，具体的技术方案为：
一种光学设计的荧光摄像头，所述荧光摄像头放在内窥镜尖端实现电子成像，所述荧光摄像头包括摄像头本体，所述摄像头本体内设有调焦镜组、彩色CMOS感光芯片、分光棱镜和透镜组，所述透镜组设置在分光棱镜与彩色CMOS感光芯片之间，内窥镜和所述调焦镜组采集待处理的手术区域图像，传输到所述分光棱镜，所述分光棱镜用于将入射光分别投射在所述彩色CMOS感光芯片两侧，分别形成A区彩色图像与B区荧光图像，所述摄像头本体内还设有图像处理单元，所述图像处理单元包括图像分割单元，用于处理所述彩色CMOS感光芯片两侧上的图像，将所述B区荧光图像经过图像拉伸处理后与A区彩色图像点对点叠加。
进一步地，所述彩色CMOS感光芯片上分为接收A区彩色图像的成像区A与接收B区荧光图像的成像区B。
进一步地，所述分光棱镜包括第一反射棱镜面和第二反射棱镜面，所述第一反射棱镜面用于将彩色光透射到第二反射棱镜面，并将彩色光中的荧光反射到成像区B，所述第二反射棱镜面将彩色光反射到成像区A。
进一步地，所述透镜组用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到成像区B。
一种光学设计的荧光摄像头的成像方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、内窥镜和荧光摄像头采集待处理的手术区域图像，第一反射棱镜面处透射彩色光并在第二反射棱镜面处反射到彩色CMOS感光芯片上的成像区A，同时彩色光中的荧光通过特殊波长光源增强激发的荧光波段按比例通过第一反射棱镜面反射在透镜组上，位于第一反射棱镜面荧光成像光路上的透镜组用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到彩色CMOS感光芯片上的成像区B，形成荧光波长图像；
步骤S2、彩色CMOS感光芯片上的图像经过图像处理单元分成独立的A区彩色图像和B区荧光图像并对B区荧光图像进行单独图像增强处理，此时彩色光中按比例反射的荧光仍保持基本正常比例，无需进行修正；
步骤S3、将S2得到的A区彩色图像和经图像进行处理后的B区荧光图像进行点对点叠加处理，获得正常清晰的手术区域图像以及荧光染色激发区域的精细成像。
进一步地，所述步骤S1具体还包括：所述第一反射棱镜面设为特殊波长光源增强激发的荧光波段按比例设定的半反半透、其他可见光波段全透射的工作模式，其中透射的光束集中打在所述彩色CMOS感光芯片上的成像区A上并形成彩色图像，反射的激发的荧光波段集中打在所述彩色CMOS感光芯片上的成像区B上并形成待处理的单色图像。
进一步地，所述步骤S3中的A区彩色图像对白时不需要进行荧光补偿，与特殊荧光光源功率按固定透反比例设计。
本发明的有益效果：
1、本发明中的A区彩色图像与B区荧光图像可以通过软件轻易实现点对点叠加，对比使用双CMOS像的叠加更为精准，图像无闪烁效果，提高了叠加后成像效果和质量。
2、本发明图像处理单元的计算机图像处理算法简易化。由于图像的同一性，计算机处理算法的难度要求下降，从技术层面上讲，低价优质。
3、本发明成本和体积大幅降低，分光棱镜制造难度和CMOS装配难度大幅降低。
4、本发明仅需一个彩色成像芯片（CMOS），结构细小，发热量大幅降低，可以放在内窥镜尖端实现直接电子成像，进一步降低荧光染色镜成本，可实现一次性使用。
附图说明
图1为本发明中荧光摄像头的光路示意图。
图2为本发明中图像处理单元的工作原理图。
图3为本发明中分光棱镜、透镜组以及彩色CMOS感光芯片的位置关系图。
图中：1、彩色CMOS感光芯片；101、成像区A；102、成像区B；2、第一反射棱镜面；3、第二反射棱镜面；4、透镜组；5、调焦镜组。
具体实施方式
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,本领域技术人员在没有作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。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,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。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是连接,也可以是可拆卸连接,或成一体；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。
如图1至图3所示，一种光学设计的荧光摄像头，所述荧光摄像头放在内窥镜尖端实现电子成像，所述荧光摄像头包括摄像头本体，所述摄像头本体内设有调焦镜组5、彩色CMOS感光芯片1、分光棱镜和透镜组4，所述透镜组4设置在分光棱镜与彩色CMOS感光芯片1之间，所述透镜组4用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到成像区B102，内窥镜和所述调焦镜组5采集待处理的手术区域图像，传输到所述分光棱镜，所述分光棱镜用于将入射光分别投射在所述彩色CMOS感光芯片1两侧，分别形成A区彩色图像与B区荧光图像，所述彩色CMOS感光芯片1上分为接收A区彩色图像的成像区A101与接收B区荧光图像的成像区B102，所述分光棱镜包括第一反射棱镜面2和第二反射棱镜面3，所述第一反射棱镜面2用于将彩色光透射到第二反射棱镜面3，并将彩色光中的荧光反射到成像区B102，所述第二反射棱镜面3将彩色光反射到成像区A101。
所述摄像头本体内还设有图像处理单元，所述图像处理单元包括图像分割单元，用于处理所述彩色CMOS感光芯片两侧上的图像，将所述B区荧光图像经过图像拉伸处理后与A区彩色图像点对点叠加。
一种光学设计的荧光摄像头的成像方法，所述方法包括：
步骤S1、内窥镜采集待处理的手术区域图像，第一反射棱镜面2处透射彩色光并在第二反射棱镜面3处反射到彩色CMOS感光芯片1上的成像区A101，同时彩色光中荧光通过特殊波长光源增强激发的荧光波段将按比例通过第一反射棱镜面2反射在透镜组上，位于第一反射棱镜面2荧光成像光路上的透镜组4用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到彩色CMOS感光芯片上的成像区B102，形成荧光波长图像；
所述步骤S1具体还包括：所述第一反射棱镜面2设为特殊波长光源增强激发的荧光波段按比例设定的半反半透、其他可见光波段全透射的工作模式，其中透射的光束集中打在所述彩色CMOS感光芯片1上的成像区A101上并形成彩色图像，反射的激发的荧光波段集中打在所述彩色CMOS感光芯片1上的成像区B102上并形成待处理的单色图像。
步骤S2、彩色CMOS感光芯片1上的图像经过图像处理单元分成独立的A区彩色图像和B区荧光图像并对B区荧光图像进行单独图像增强处理，此时彩色光中按比例反射的荧光仍保持基本正常比例，无需进行修正；
步骤S3、将S2得到的A区彩色图像和经图像进行处理后的B区荧光图像进行点对点叠加处理，获得正常清晰的手术区域图像以及荧光染色激发区域的精细成像；
所述步骤S3中的A区彩色图像对白时不需要进行荧光补偿，与特殊荧光光源功率按固定透反比例设计。
工作原理：
内窥镜的配套专用多光谱照明光源包含特定功率激发光和白光，经过激发光染色的手术区域被激发光照射时会产生特定波长增强的激发光，白光光源中正常激发光波段功率和所述增强激发光功率按固定比例在第二反射棱镜面3与第一反射棱镜面2中分别透反射给彩色CMOS感光芯片1上的成像区A101与彩色CMOS感光芯片1上的成像区B102，所述固定比例为第一反射棱镜面2对激发光的透反比例，并输出到图像处理主机。将彩色CMOS感光芯片上的A区彩色图像进行对白处理，而后与图像进行处理后的B区荧光图像进行点对点叠加处理即可获得被标记的叠加彩色图像，便可以在清晰观察到手术区域的同时，观察到被荧光染色区域的细节图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制，应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进以及变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光学设计的荧光摄像头，其特征在于，所述荧光摄像头放在内窥镜尖端实现电子成像，所述荧光摄像头包括摄像头本体，所述摄像头本体内设有调焦镜组、彩色CMOS感光芯片、分光棱镜和透镜组，所述透镜组设置在分光棱镜与彩色CMOS感光芯片之间，内窥镜和所述调焦镜组采集待处理的手术区域图像，传输到所述分光棱镜，所述分光棱镜用于将入射光分别投射在所述彩色CMOS感光芯片两侧，分别形成A区彩色图像与B区荧光图像，所述摄像头本体内还设有图像处理单元，所述图像处理单元包括图像分割单元，用于处理所述彩色CMOS感光芯片两侧上的图像，将所述B区荧光图像经过图像拉伸处理后与A区彩色图像点对点叠加。
2.根据权利要求1所述的一种光学设计的荧光摄像头，其特征在于，所述彩色CMOS感光芯片上分为接收A区彩色图像的成像区A与接收B区荧光图像的成像区B。
3.根据权利要求2所述的一种光学设计的荧光摄像头，其特征在于，所述分光棱镜包括第一反射棱镜面和第二反射棱镜面，所述第一反射棱镜面用于将彩色光透射到第二反射棱镜面，并将彩色光中的荧光反射到成像区B，所述第二反射棱镜面将彩色光反射到成像区A。
4.根据权利要求1所述的一种光学设计的荧光摄像头，其特征在于，所述透镜组用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到成像区B。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的光学设计的荧光摄像头的成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、内窥镜和荧光摄像头采集待处理的手术区域图像，第一反射棱镜面处透射彩色光并在第二反射棱镜面处反射到彩色CMOS感光芯片上的成像区A，同时彩色光中的荧光通过特殊波长光源增强激发的荧光波段按比例通过第一反射棱镜面反射在透镜组上，位于第一反射棱镜面荧光成像光路上的透镜组用于调整荧光光路并精准聚焦B区荧光图像到彩色CMOS感光芯片上的成像区B，形成荧光波长图像；
步骤S2、彩色CMOS感光芯片上的图像经过图像处理单元分成独立的A区彩色图像和B区荧光图像并对B区荧光图像进行单独图像增强处理，此时彩色光中按比例反射的荧光仍保持基本正常比例，无需进行修正；
步骤S3、将S2得到的A区彩色图像和经图像进行处理后的B区荧光图像进行点对点叠加处理，获得正常清晰的手术区域图像以及荧光染色激发区域的精细成像。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S1具体还包括：所述第一反射棱镜面设为特殊波长光源增强激发的荧光波段按比例设定的半反半透、其他可见光波段全透射的工作模式，其中透射的光束集中打在所述彩色CMOS感光芯片上的成像区A上并形成彩色图像，反射的激发的荧光波段集中打在所述彩色CMOS感光芯片上的成像区B上并形成待处理的单色图像。
7.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S3中的A区彩色图像对白时不需要进行荧光补偿，与特殊荧光光源功率按固定透反比例设计。
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