CN115755361A

CN115755361A - 一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置

Info

Publication number: CN115755361A
Application number: CN202211405028.4A
Authority: CN
Inventors: 屈亚威; 韩龙飞; 桑浩; 丁志杨; 韩军伟; 付威威
Original assignee: Institute of Artificial Intelligence of Hefei Comprehensive National Science Center
Current assignee: Institute of Artificial Intelligence of Hefei Comprehensive National Science Center
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明公开了一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，涉及显微镜成像领域，本发明结构简单，本发明通过荧光显微镜装置的运用，同步采集同一物体同一位置处，有光纤和无光纤的图像，经过对比，能够得到无光纤图像算法校正的标准，便于评判后续对有光纤图像进行计算的算法优劣；本申请中可以更换传像光纤的规格，进而能够对不同规格的传像光纤的有无光纤图像进行采集，扩大影响显微镜的适用范围，进一步扩大评判去噪算法的范围。

Description

一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置

技术领域

本发明涉及显微镜成像领域，具体是一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置。

背景技术

消化系统肿瘤是世界范围内最常见肿瘤之一。早发现、早治疗，提高早癌的诊断水平对于提高患者生存率、减轻社会经济负担有着深远的意义。目前国际研究表明，内镜检查是发现消化系统肿瘤的最有效途径。

目前现有的医用内窥镜检测系统，无论是传统白光反射内窥镜(如纤维内窥镜、电子内窥镜等)，还是荧光内窥镜等，一般多使用细径柔性传像光纤束进行传像，传像光纤是由密排的光纤丝集成的，较为柔软、易弯曲，光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯包层交界面上不断产生全反射而前进，信号主要传输的区域是纤芯部分，因此从截面分析传光光纤，信号主要集中在纤芯部分，包层部分没有信号，也就是得到的是有光纤网格的图像。消除盲区主要用下述方法，对原始荧光或者白光图像利用高斯滤波算法进行去噪处理，去除原始荧光或者白光图像中光纤间隔造成的网格图像，再通过直方图均衡化算法提高荧光或者白光图像的对比度，生成校正荧光或者白光图像，但是由于没有真实的无光纤网格的图像作为对比，也即没有真实的无网格图像作为标准，无论使用哪种算法进行去噪处理，都难以评判此算法的优劣，因此难以优化去网格算法，以及对比不同去网格算法的优劣，或者同一种算法优化前后的差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，同步采集有光纤网格的图像及无光纤网格的图像，通过图像对比以建立网格图像去噪的标准，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，包括：

光源组，所述光源组包括发光件以及将发散光束转化为平行光束的准直透镜；

滤光组，所述滤光组包括沿光路依次排布的激发光滤光片、二向色镜以及发射光滤光片；

位于滤光组反射光光路上的载物台；

分光镜，所述分光镜将载物台上待检测物体的光信号分成两路，以及

用于接收无光纤网格图像的第一相机以及用于接收有光纤网格图像的第二相机。

作为本发明进一步的方案：所述光源组包括位于发光件和准直透镜之间的传光光纤。

作为本发明进一步的方案：所述分光镜与第一相机之间依次设有用于将平行光聚焦至传像光纤端部的第一物镜、传输图像的传像光纤、用于将光纤出射的光转化为平行光的第二物镜以及将平行光聚焦至相机感光芯片上的第一聚焦镜。

作为本发明进一步的方案：所述第一物镜和第二物镜为放大物镜，所述放大物镜包括带有RMS外螺纹的无限远平场消色差物镜。

作为本发明进一步的方案：所述传像光纤包括外侧的保护层、内侧若干个单根传像光纤以及包层区域。

作为本发明进一步的方案：所述分光镜与第二相机之间设有将平行光聚焦至相机感光芯片上的第二聚焦镜。

作为本发明进一步的方案：所述激发光滤光片为小直径带通干涉滤光片，其通带谱段应与所用荧光探针的吸收谱相匹配。

作为本发明进一步的方案：所述准直透镜为聚焦透镜组，将出射光聚集成于传光光纤束的直径接近的光束，并垂直入射到下级光路传光光纤束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过荧光显微镜装置的运用，同步采集同一物体同一位置处，有光纤和无光纤的图像，经过对比，能够得到无光纤图像算法校正的标准，便于评判后续对有光纤图像进行计算的算法优劣；本申请中可以更换传像光纤的规格，进而能够对不同规格的传像光纤的有无光纤图像进行采集，扩大影响显微镜的适用范围，进一步扩大评判去噪算法的范围；

本发明中的荧光显微镜装置可以同时获取有光纤网格的图像和无光纤网格的图像，并且此装置能够保证获取的图像是物体同一位置的，在进行有光纤网格图像的“去网格算法”的开发设计时，无网格图像作为最终的真实图像，用于评判去网格算法的优劣，并对算法优化的路线起到一定的指导作用，也可用于不同去网格算法的对比分析等。

附图说明

图1为荧光内窥成像系统的结构示意图；

图2为传像光纤的轴向截面图；

图中：1-光源、101-传光光纤、2-准直透镜、3-激光发光滤光片、4-二向色镜、5-聚焦物镜、6-载物台、7-发射光滤光片、8-分光镜、9-第一物镜、10-传像光纤、11-第二物镜、12-第一聚焦镜、13-第一相机、14-第二聚焦镜、15-第二相机、31-保护层、32-单根传像光纤、33-包层区域。

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。

本发明实施例中，一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，包括

光源组，所述光源组包括发光件以及将发散光束转化为平行光束的准直透镜2；

滤光组，所述滤光组包括沿光路依次排布的激发光滤光片3、二向色镜4以及发射光滤光片7；

位于滤光组反射光光路上的载物台6；

分光镜8，所述分光镜8将载物台6上待检测物体的光信号分成两路，以及

用于接收无光纤网格图像的第一相机13以及用于接收有光纤网格图像的第二相机15。

在荧光显微镜装置的作用下，能够同步得到物体同一位置有光纤网格的图像和无光纤网格的图像，能够将两种图像作对比，有光纤网格图像作为标准，能够对评判度有光纤网格图像去噪算法的优劣，进而能够优化网格图像去噪算法、对比不同去噪算法的优劣或对比同一算法优化前后的差异。

所述荧光显微镜中各个结构之间的位置关系具体为：

所述光源组包括位于发光件和准直透镜2之间的传光光纤101，所述传光光纤101有多根玻璃丝或塑料丝组成的密集阵列，用于传导光源1发射的光；所述准直透镜2，用于将传光光纤出射的光转换为平行光束。

所述载物台6用于放置待检测物体；所述滤光组反射光光路与载物台6之间设有用于将反射光会聚至载物台6上的聚焦物镜5。

所述激发光滤光片3可选择性透过特定波段信号的光，对光源组传出的光束进行选择通过；所述二向色镜4根据表面镀膜的特点，可选择性的反射和透射特定波段的光源1；所述发射光滤光片7与激发光滤光片3类似，可通过特定波段的光，对通过的光束进行选择。所述二向色镜4能够对光束中不同波段的光源1选择性的反射或透射，所述二向色镜4反射的光经过聚焦物镜5，会聚至载物台6的待检测物体上。

所述分光镜8用于将入射光按照强度分成两路，且两个光路走向垂直，所述分光镜8对波长没有选择性。在分光镜8的作用下，能够将载物台6上物体的光信号分成两路，即：无光纤网格图像的一路和有光纤网格图像的一路，使第一相机13接收到无光纤网格的图像、第二相机15接收到有光纤网格的图像。

所述分光镜8与第一相机13之间依次设有用于将平行光聚焦至传像光纤10端部的第一物镜9、传输图像的传像光纤10、用于将光纤出射的光转化为平行光的第二物镜11以及将平行光聚焦至相机感光芯片上的第一聚焦镜12；所述分光镜8与第二相机15之间设有将平行光聚焦至相机感光芯片上的第二聚焦镜14。

所述传像光纤10包括外侧的保护层31、内侧若干个单根传像光纤3210以及包层区域33，所述保护层31不能传光、单根传像光纤3210能够传输光信息、包层区域33为传像光纤10内部的包层区域33，该处不能传信号。传像光纤10可通过SMA905方式连接，或者其他便于连接光纤的方式，根据实际的光纤网格需求，比如光纤网格的尺寸大小，可方便快捷的更换传像光纤10，现用的是30000丝传像光纤10，可根据需要更换为40000丝或者50000丝的光纤，便于获取此种数量光纤丝情况下的有无光线网格的对比图像，便于进行算法处理分析。由于传像光纤10本身的结构特点，经过传像光纤10后的图像信号带有网格。

所述第一相机13和第二相机15采集到的图像属于同一物体的同一位置处有无光纤网格的图像，便于将两者采集到的图像进行对比，以得知相机采集到图像的优劣标准。

所述荧光显微镜装置中具体各部分说明如下：

光源部中：所述光源通过对宽谱光源进行光谱过滤的方式，产生特定谱段的激发光，达到能配合多种荧光探针使用的目的。

宽谱光源能产生在可见光到近红外波长范围内光强分布均匀的白光；激发光滤光片位置处可切换安装不同的激发光滤光片，用户可根据所使用的荧光探针，选取合适的激发光滤光片，使出射光为能充分激发荧光探针，又不引入其他谱段光干扰的窄谱段激发光；准直透镜将出射光准直并聚焦到光路下一级。

其中宽谱光源可以为大功率氙灯、卤灯光源或汞灯光源，其出射光谱段覆盖可见光到近红外波长范围；其中激发光滤光片为小直径带通干涉滤光片，其通带谱段应与所用荧光探针的吸收谱相匹配；其中准直透镜可为聚焦透镜组，起到准直和聚集光束的作用，其将出射光聚集成于传光光纤束的直径接近的光束，并垂直入射到下级光路传光光纤束。

光学信号传导采集部中：光学信号传导采集部将激发光传导到载物台上的检测区，检测区上有待检测的物体，采集部可以从检测区收集感兴趣光学信号。其含有准直透镜、二向色镜、聚焦物镜、激发光滤光片。

光源出射的光耦合进传光光纤，从传光光纤的另一端出射，使用聚焦物镜把传光光纤出射的光转化为平行光，照射到激发光滤光片上。

透过激发光滤光片的光照射到二向色镜上，反射到聚焦物镜前焦面上，然后光透过聚焦物镜照射到载物台上的物体表面，物体表面的位置平面就是聚焦物镜的焦平面处，二向色镜的反射波段和透波段可以根据需要自行选择。

图像采集部中：第一物镜和第二物镜为放大物镜，其中放大物镜可以为但不仅限于带有RMS外螺纹的无限远平场消色差物镜，放大倍数一般可以为4X，10X，20X，40X，各物镜之间齐焦，可对荧光图像进行放大，并在放大物镜共轭点上形成放大的实像，并投射到CCD相机的探测芯片上，放大物镜放大倍数的选择应与传像光纤束的直径大小相适应。

放大物镜放大倍数计算方法为：M＝Lmin/d。

式中M为放大倍数，Lmin为矩形CCD探测芯片的短边长度，d为传像光纤束的直径。

选取不同的滤光片进入相应的光路，就可以激发不同的荧光探针并采集相应荧光探针被激发后的荧光图像，方便地实现了不同荧光探针的多光谱成像，载物台上物体被激发后的荧光图像首先被聚焦物镜所接收，然后通过二向色镜，二向色镜对波长具有选择性反射和透射特性，此处激发的荧光可以透过二向色镜，然后投射到发射光滤光片上，发射光滤光片对波长具有选择透过性，可以滤除除了荧光之外的杂散光，减少干扰，光继续传输，到达分光镜，分光镜对波长没有选择性，可以让光强按照一半一半的射向两路，两路方向垂直，或者两路光强一路占30％，一路占70％，以及其他不同强度比例的分光镜。

经过分光镜之后，一路光经过第二聚焦镜，所述第二聚焦镜可以但不仅限于双胶合聚焦镜，双胶合聚焦镜可以有效的消除色差，把图像投射到第二相机的像面上；另一路光经过第一物镜汇聚到传像光纤的端部，把图像信号耦合进传像光纤中，图像经过传像光纤传输之后，从另一端出射，再次通过第二物镜，然后经过第一聚焦镜，其中第一聚焦镜可以为但不仅限于双胶合聚焦镜，再把带有网格图像的信息投射到第一相机的像面上，这一路获取的是带有光纤网格的图像。

荧光光束投射到相机的靶面上，相机将图像的光信号转换为电信号输入服务器，服务器对图像进行采集并显示在荧光屏上，并可以对图像进行处理、存储及进行文件管理。

其中相机可以为但不仅限于低温制冷科学级电荷耦合器件(CCD)相机或者互补型金属氧化物半导体管(CMOS)相机，用于接收成像强度微弱的光信号，并将其采样转换为数字图像，其有效成像光强微弱的荧光信号，得到原始荧光图像，也能采集激发光、白光图像。

本申请在对有无光纤图像对比时：

首先对特征更加明显的标本板进行成对图像采集，通常对有确定斜率的条纹标本板进行图像采集，从而获得有网格图像的倾斜角度。对有网格图像进行倾斜矫正后，通过计算无光纤网格图像与有光纤网格图像的归一化平方差(Normed SQIDD)，差值最小的区域为无光纤网格图像与有光纤网格图像对应的区域。在采集标本时对有光纤网格图像进行旋转矫正处理后，对成对图片进行对应区域裁剪，获得成像区域、旋转角度一致的成对有光纤网格图像和无光纤网格图像。

计算归一化平方差的方法如下，其中L_comb为有光纤网格的图像，I_clear为无光纤网格的图片。

在对去网格算法进行判断时，通过计算去网格后的图片与有光纤网格图片的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio，PSNR)与结构相似性(Structural Similarity，SSIM)进行算法优劣评估，PSNR与SSIM值更大的效果更好。PSNR用于衡量两张图像之间差异，例如压缩图像与原始图像，评估压缩图像质量。SSIM(structural similarity index)结构相似性指标，是一种衡量两张数位影像相似程度的指标，在影像品质的衡量上符合人眼对影像品质的判断。

其中PSNR的计算方法如下：

SSIM的计算方法如下：

SSIM(x，y)＝[l(x，y)]^α·[c(x，y)]^β·[s(x，y)]^γ

其中，x、y分别代表有光纤网格图像和无光纤网格图像，l代表图像亮度，c代表图像对比度，s代表图像的结构，通过以下方法计算，其中μ代表图像均值，σ代表图像标准差，C为极小常数。

通过上述公式的辅助能够对有光纤网格的图像、经过计算处理后的图像、无光纤网格的图像进行数据上精准的对比，从而对光纤图像去噪算法的优劣进行评估。

本发明结构新颖，运行稳定，本发明中的荧光显微镜装置可以同时获取有光纤网格的图像和无光纤网格的图像，并且此装置能够保证获取的图像是物体同一位置的，在进行有光纤网格图像的“去网格算法”的开发设计时，无网格图像作为最终的真实图像，用于评判去网格算法的优劣，并对算法优化的路线起到一定的指导作用，也可用于不同去网格算法的对比分析等。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，包括：

位于滤光组反射光光路上的载物台；

2.根据权利要求1所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述光源组包括位于发光件和准直透镜之间的传光光纤。

3.根据权利要求1所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述分光镜与第一相机之间依次设有用于将平行光聚焦至传像光纤端部的第一物镜、传输图像的传像光纤、用于将光纤出射的光转化为平行光的第二物镜以及将平行光聚焦至相机感光芯片上的第一聚焦镜。

4.根据权利要求3所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述第一物镜和第二物镜为放大物镜，所述放大物镜包括带有RMS外螺纹的无限远平场消色差物镜。

5.根据权利要求3所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述传像光纤包括外侧的保护层、内侧若干个单根传像光纤以及包层区域。

6.根据权利要求1所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述分光镜与第二相机之间设有将平行光聚焦至相机感光芯片上的第二聚焦镜。

7.根据权利要求1所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述激发光滤光片为小直径带通干涉滤光片，其通带谱段应与所用荧光探针的吸收谱相匹配。

8.根据权利要求1所述的一种可同时获取有无光纤网络对比图像的荧光显微镜装置，其特征在于，所述准直透镜为聚焦透镜组，将出射光聚集成于传光光纤束的直径接近的光束，并垂直入射到下级光路传光光纤束。