CN115825032A

CN115825032A - 一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统

Info

Publication number: CN115825032A
Application number: CN202310076358.1A
Authority: CN
Inventors: 杨青; 谢溁超; 祁绩; 陈晓鹏; 高兴俊
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2023-02-08
Filing date: 2023-02-08
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2043-02-08
Also published as: CN115825032B

Abstract

本发明公开了一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统，包括：荧光采集模块：用于获取荧光分子在生物组织中的光谱信息、对比度信息和光强信息，并将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块；荧光再现模块：用于根据所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息生成荧光仿生模体；仿生模体成像模块：用于对所述荧光仿生模体进行成像。本发明用数字化方式代替传统荧光分子发光，具有高度稳定性；不同于荧光分子只能发射特定波段的荧光，该数字仿生模体可以模拟全波段任意的荧光分子的发射光谱，具备多样性和灵活性；荧光光谱和光强可通过光强调控进行调节，具备极高的精度。

Description

一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统

技术领域

本发明涉及一种医疗设备技术领域，尤其涉及一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统。

背景技术

随着医学光学技术的发展，荧光内窥成像在手术导航中发挥着越来越大的作用，然而，其光源特性、光学成像系统设计与参数、图像传感器性能与设置、图像处理算法、荧光剂的浓度与使用环境、组织结构特征与光学特性等诸多因素，都会影响最终的荧光图像信息，从而影响临床上的判断。不同设备的数据缺乏一致性，对设备检验、临床质控、算法验证等工作都带来巨大挑战。实体仿体（Anastasopoulou M, Comprehensive phantom forinterventional fluorescence molecular imaging）可用于评测成像系统的荧光成像性能，但这种方法易受荧光分子稳定性的影响；在荧光成像设备的评测方面，目前尚缺乏有效的手段。如何实现可用于荧光成像，且性质稳定、质量可靠、易量产、相关光学属性与人体组织真实环境高度一致的仿生模体，对荧光成像系统设备进行规范地标准地评价与测试，是这类设备标准化过程中的难题。

为此，我们提出一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种数字化荧光仿生模体成像方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种数字化荧光仿生模体成像系统，包括：

荧光采集模块：用于获取荧光分子在生物组织中的光谱信息、对比度信息和光强信息，并将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块；

荧光再现模块：用于根据所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息生成荧光仿生模体；

仿生模体成像模块：用于对所述荧光仿生模体进行成像。

进一步地，所述荧光采集模块包括：

光谱仪：用于采集荧光分子在生物组织中的荧光发射光谱曲线信息；

光学相机：用于采集荧光分子在生物组织中的荧光图像对比度信息；

光功率计：用于采集荧光分子在生物组织中的光强信息；

所述荧光发射光谱曲线信息即为光谱信息，所述荧光图像对比度信息即为对比度信息，将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块。

进一步地，所述荧光再现模块包括：

激光器：用于发射超连续谱光束，同时用于根据所述光强信息调控所述超连续谱光束的光功率，并将所述超连续谱光束传输至光谱调控单元；

光谱调控单元：用于根据所述光谱信息调控所述超连续谱光束，得到调控后的光谱光束，并将所述光谱光束传输至对比度调控单元；

对比度调控单元：用于根据所述对比度信息调控所述光谱光束的空间对比度分布，得到荧光光束，并将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体。

进一步地，所述激光器为超连续激光器，所述超连续谱光束包含波长连续变化的光。

进一步地，所述光谱调控单元包括：

耦合透镜：用于将所述超连续谱光束进行准直，得到准直光束，并将所述准直光束传输至第一光栅；

第一光栅：用于将所述准直光束产生色散，得到无焦点色散光，并将所述无焦点色散光传输至第一聚焦透镜；

第一聚焦透镜：用于将所述无焦点色散光变换为聚焦色散光，并将所述聚焦色散光传输至第一空间光调制设备；

第一空间光调制设备：用于根据所述光谱信息调控所述聚焦色散光的光谱成分，使所述聚焦色散光的光谱成分与所述光谱信息一致，得到调控后的聚焦色散光，并将所述调控后的聚焦色散光传输至第二聚焦透镜；

第二聚焦透镜：用于将所述调控后的聚焦色散光变换为调控后的无焦点色散光，并将所述调控后的无焦点色散光传输至第二光栅；

第二光栅：用于将所述调控后的无焦点色散光合为一束光，得到合束光，并将所述合束光传输至匀光器；

匀光器：用于将所述合束光进行匀光，得到调控后的光谱光束。

进一步地，所述第一空间光调制设备采用数字微镜阵列DMD。

进一步地，所述对比度调控单元包括：

第二空间光调制设备，所述第二空间光调制设备采用数字微镜阵列DMD，用于根据所述对比度信息调控所述光谱光束的空间对比度分布，使所述光谱光束的空间对比度分布与所述对比度信息一致，得到荧光光束；

投影镜头：用于将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体。

进一步地，所述仿生模体成像模块包括：

成像镜头：用于对所述荧光仿生模体进行成像，得到成像结果，并将所述成像结果传输至相机；

相机：用于将所述成像结果传输至计算机，在所述计算机中对所述成像结果进行分辨率、灵敏度和/或景深的参数分析。

本发明还提供一种数字化荧光仿生模体成像系统在仿生模体国际单位制的溯源中的应用，采用通光孔径D cm的光功率计，将通光孔径D cm的光功率计放置在距离仿生模体R cm的位置处，测量当前仿生模体的光功率为E mW，则发光面积A=1/4*pi*D²，立体角theta=A/R²，仿体辐射量=E/A/theta，单位mW/cm²/sr。

本发明还提供一种数字化荧光仿生模体成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：荧光采集模块获取荧光分子在生物组织中的光谱信息、对比度信息和光强信息，并将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块；

步骤S2：荧光再现模块根据所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息生成荧光仿生模体；

步骤S3：仿生模体成像模块对所述荧光仿生模体进行成像。

本发明的有益效果是：

1、用数字化方式代替传统荧光分子发光，该数字荧光仿生模体具有高度稳定性。

2、不同于荧光分子只能发射特定波段的荧光，该数字仿生模体可以模拟全波段任意的荧光分子的发射光谱，具备多样性和灵活性。

3、荧光光谱和光强可通过光强调控进行调节，该数字仿生模体具备极高的精度。

4、荧光仿生模体可用于多角度评测荧光成像设备，包括灵敏度、分辨率、景深等特性；数字仿生模体可溯源到国际单位。

附图说明

图1为本发明一种数字化荧光仿生模体成像系统的结构示意图；

图2为本发明一种数字化荧光仿生模体成像方法的流程示意图；

图3为本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法的仿生模体稳定性表征图；

图4为本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法生成的标准模型图；

图5为本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法生成的组织模型图；

图6为传统ICG荧光分子不稳定程度曲线。

附图标记说明

1-荧光采集模块，11-光谱仪，12-光学相机，13-光功率计，2-荧光再现模块，21-激光器，22-光谱调控单元，221-耦合透镜，222-第一光栅，223-第一聚焦透镜，224-第一空间光调制设备，225-第二聚焦透镜，226-第二光栅，227-匀光器，23-对比度调控单元，231-第二空间光调制设备，232-投影镜头，3-仿生模体成像模块，31-成像镜头，32-相机。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

参见图1，一种数字化荧光仿生模体成像系统，包括：

荧光采集模块1：用于获取荧光分子在生物组织中的光谱信息、对比度信息和光强信息，并将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块2；

所述荧光采集模块1包括：

光谱仪11：用于采集荧光分子在生物组织中的荧光发射光谱曲线信息；

光学相机12：用于采集荧光分子在生物组织中的荧光图像对比度信息；

光功率计13：用于采集荧光分子在生物组织中的光强信息；

所述荧光发射光谱曲线信息即为光谱信息，所述荧光图像对比度信息即为对比度信息，将所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息保存于计算机中，并通过所述计算机通信端口传递给荧光再现模块2。

荧光再现模块2：用于根据所述光谱信息、所述对比度信息和所述光强信息生成荧光仿生模体；

所述荧光再现模块2包括：

激光器21：用于发射超连续谱光束，同时用于根据所述光强信息调控所述超连续谱光束的光功率，并将所述超连续谱光束传输至光谱调控单元22；

所述激光器21为超连续激光器，所述超连续谱光束包含波长连续变化的光。

光谱调控单元22：用于根据所述光谱信息调控所述超连续谱光束，得到调控后的光谱光束，并将所述光谱光束传输至对比度调控单元23；

所述光谱调控单元22包括：

耦合透镜221：用于将所述超连续谱光束进行准直，得到准直光束，并将所述准直光束传输至第一光栅222；

第一光栅222：用于将所述准直光束产生色散，得到无焦点色散光，并将所述无焦点色散光传输至第一聚焦透镜223；

第一聚焦透镜223：用于将所述无焦点色散光变换为聚焦色散光，并将所述聚焦色散光传输至第一空间光调制设备224；

第一空间光调制设备224：用于根据所述光谱信息调控所述聚焦色散光的光谱成分，使所述聚焦色散光的光谱成分与所述光谱信息一致，得到调控后的聚焦色散光，并将所述调控后的聚焦色散光传输至第二聚焦透镜225；

所述第一空间光调制224设备采用数字微镜阵列DMD。

第二聚焦透镜225：用于将所述调控后的聚焦色散光变换为调控后的无焦点色散光，并将所述调控后的无焦点色散光传输至第二光栅226；

第二光栅226：用于将所述调控后的无焦点色散光合为一束光，得到合束光，并将所述合束光传输至匀光器227；

匀光器227：用于将所述合束光进行匀光，得到调控后的光谱光束。

对比度调控单元23：用于根据所述对比度信息调控所述光谱光束的空间对比度分布，得到荧光光束，并将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体；

所述对比度调控单元23包括：

第二空间光调制设备231，所述第二空间光调制设备231采用数字微镜阵列DMD，用于根据所述对比度信息调控所述光谱光束的空间对比度分布，使所述光谱光束的空间对比度分布与所述对比度信息一致，得到荧光光束；

投影镜头232：用于将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体。

仿生模体成像模块3：用于对所述荧光仿生模体进行成像。

所述仿生模体成像模块3包括：

成像镜头31：用于对所述荧光仿生模体进行成像，得到成像结果，并将所述成像结果传输至相机32；

相机32：用于将所述成像结果传输至计算机，在所述计算机中对所述成像结果进行分辨率、灵敏度和/或景深的参数分析。

参见图2，一种数字化荧光仿生模体成像方法，包括以下步骤：

步骤S3：仿生模体成像模块对所述荧光仿生模体进行成像。

实施例：

一种数字化荧光仿生模体成像系统，包括：

所述荧光采集模块1包括：

光功率计13：用于采集荧光分子在生物组织中的光强信息；

将荧光分子样品稀释于水中，装在4.5ml比色皿内等待检测；采用窄带光源激发荧光样品，样品产生的荧光信号经过光谱仪11探测到；同时也被光学相机12探测到，可获得荧光分子在生物组织中的光谱信息和光强信息；以临床常用的近红外荧光染料吲哚菁绿（ICG）为例，取1mg的ICG粉末，溶解于1ml蒸馏水中，再取0.01ml混合液，往其中加入1ml蒸馏水，最终的溶液浓度为0.01mg/ml，ICG的荧光现象较为明显。将混合好的ICG溶液置于比色皿中，通过容器的顶端，照射一束780nm的LED光束，对溶液中的ICG分子进行荧光激发；在容器的侧面，荧光信号通过镜头收集并聚焦到光纤端面，由光纤将荧光信号传输到光谱仪11中，得到荧光发射光谱曲线信息；在容器的另一个侧面，荧光信号通过成像镜头被光学相机12收集，得到了荧光图像对比度信息；在容器的第三个侧面放置一个光功率计13，测量荧光信号的光强信息，用于仿生模体的国际单位制溯源。在光谱测量过程中，激发光会对荧光发射谱造成较大影响，可单独测量激发光源的光谱曲线，用ICG实测光谱曲线减去光源光谱曲线，以消除影响。

所述荧光再现模块2包括：

所述光谱调控单元22包括：

所述第一空间光调制设备224采用数字微镜阵列DMD。

采用宽带光源的激光器21作为发光源，例如超连续激光器。由于超连续激光器的波长范围可达到200-2000nm，因此可以模拟该范围内的任何一种荧光分子发光；光源总功率20W，可以计算得到功率密度约为11mW/nm；光源经过耦合透镜221准直，输出准直光束，光束直径8mm可与第一光空间调制设备（DMD）224芯片大小（0.95英寸）匹配比较合适，经过第一光栅（600线对/毫米）222产生色散，得到无焦点色散光，导致不同颜色的光线将照射到第一光空间调制设备（DMD）224的不同区域，利用光场调控，实现光束的光谱调制；具体说来，第一光空间调制设备（DMD）224上每一列像素均对应一个波长的光波，通过控制该列像素打开的个数，可以控制该波长光波的含量；之后，无焦点色散光经过第二光栅226合为一束，再经过匀光器227进行匀光，得到调控后的光谱光束。

所述对比度调控单元23包括：

投影镜头232：用于将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体。

调控后的光谱光束经过第二光空间调制设备（DMD）231进行光场强度调制，最后经投影镜头232输出，形成荧光仿生模体。依据不同的成像需求，通过更换投影镜头232，可以轻松实现数字化荧光仿生模体尺寸的调节。

仿生模体成像模块3：用于对所述荧光仿生模体进行成像。

所述仿生模体成像模块3包括：

参见图3，本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法的仿生模体稳定性表征图；在连续5个小时内，仿生模体的的荧光变化率小于2%，稳定性较高，可长期使用。

参见图4，本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法生成的标准模型图；其中包括两个部分，其一是分辨率线对，分辨率范围为0.14~0.51mm；此外还包括5个强度递减的圆形区域，用以作灵敏度判断。

参见图5，本发明实施例一种数字化荧光仿生模体成像方法生成的组织模型图。该仿生模体为哺乳动物腹部表层血管ICG荧光，由仿生模体成像模块3采集得到的图像。

参见图6，传统ICG荧光分子不稳定程度曲线。从第1~3小时，在光持续照明下，ICG吸收率线性下降；从第3~4小时，停止光照，ICG吸收率不变。说明无光照情况下荧光分子较为稳定，而有光照时荧光分子不稳定。

以荧光腹腔镜为例，将腹腔镜放置在距离仿生模体5-10cm的距离，腹腔镜目镜处接一个带透镜的光学卡扣，卡扣内放置一个滤光片，再将CMOS相机接入卡扣，连接电脑，可以在屏幕上显示出数字仿生模体的图像。本模块依据不同的应用场景，可更换镜头，包括物镜等等。

本发明涉及一种数字化仿生模体成像系统。该平台包括一个荧光采集模块1，一个荧光再现模块2，以及一个仿生模体成像模块3。荧光采集模块1用以建立荧光分子的在特定环境下的发射光谱、光强和对比度信息数据库，同时也用于检测数字仿生模体的光谱、光强和对比度信息；荧光再现模块2包含光谱调控和对比度调控两个功能；仿生模体成像模块3可对仿生模体进行成像。荧光采集模块1和荧光再现模块2之间的通信通过计算机完成，荧光再现模块2与仿生模体成像模块3之间传递光学信息，即荧光信号。

本发明涉及一种荧光成像设备的评测方法。通过荧光再现模块2可投影出各种图像，包括疏密不同的条纹线对、强度各异的圆形光斑，以及其他更为复杂的图形；荧光成像系统通过对荧光仿生模体进行成像，根据成像结果可判断该荧光成像系统的多种成像性能。

本发明涉及一种数字化荧光仿生模体成像系统在仿生模体国际单位制的溯源中的应用，采用通光孔径D cm的光功率计，将通光孔径D cm的光功率计放置在距离仿生模体Rcm的位置处，测量当前仿生模体的光功率为E mW，则发光面积A=1/4*pi*D²，立体角theta=A/R²，仿体辐射量=E/A/theta，单位mW/cm²/sr。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，包括：

仿生模体成像模块：用于对所述荧光仿生模体进行成像。

2.如权利要求1所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述荧光采集模块包括：

光功率计：用于采集荧光分子在生物组织中的光强信息；

3.如权利要求1所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述荧光再现模块包括：

4.如权利要求3所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述激光器为超连续激光器，所述超连续谱光束包含波长连续变化的光。

5.如权利要求3所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述光谱调控单元包括：

6.如权利要求5所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述第一空间光调制设备采用数字微镜阵列DMD。

7.如权利要求3所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述对比度调控单元包括：

投影镜头：用于将所述荧光光束投影生成荧光仿生模体。

8.如权利要求1所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统，其特征在于，所述仿生模体成像模块包括：

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种数字化荧光仿生模体成像系统在仿生模体国际单位制的溯源中的应用，其特征在于，采用通光孔径D cm的光功率计，将通光孔径D cm的光功率计放置在距离仿生模体R cm的位置处，测量当前仿生模体的光功率为E mW，则发光面积A=1/4*pi*D²，立体角theta=A/R²，仿体辐射量=E/A/theta，单位mW/cm²/sr。

10.一种数字化荧光仿生模体成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S3：仿生模体成像模块对所述荧光仿生模体进行成像。