CN116367764A - 用于将相干光耦合到内窥镜系统中的装置 - Google Patents

用于将相干光耦合到内窥镜系统中的装置 Download PDF

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Abstract

公开了将相干光和非相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统的第一导光器中的装置、系统和方法。内窥镜系统包括非相干光源，用于产生非相干光，例如白光。耦合装置包括用于产生第一波长的相干光的第一光源，或用于接收第一波长的相干光的相干光输入。耦合装置还包括：光学输入，其具有光学输入连接器，用于将耦合装置通过第二导光器可释放地连接至非相干光源，以及光学输出，其包括光学输出连接器，用于将耦合装置通过第一导光器可释放地连接至内窥镜。光学输入被配置为接收来自内窥镜系统的非相干光。光学输出被配置为将非相干光和第一波长的相干光提供给第一导光器。在一个实施例中，耦合装置可配置为第一状态和第二状态，在第一状态下，耦合装置包括无阻碍的非相干光束路径，用于将非相干光从光学输入传播到光学输出；在第二状态下，耦合装置包括无阻碍的相干光束路径，用于将相干光从相干光源或相干光输入传播到光学输出。耦合装置可进一步包括光学耦合器，用于同时和/或交替地将非相干光和第一波长的相干光注入到第一导光器中。

Description

用于将相干光耦合到内窥镜系统中的装置
技术领域
本公开涉及将相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统中，特别地，但不排他地，涉及用于将相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统中的装置、系统和方法，以及涉及使用这种方法的计算机程序产品。
背景技术
通常在医疗过程中，例如手术或诊断期间，内窥镜系统用于观察或成像人体或动物体内的区域。对于本公开的范围而言，内窥镜系统可以包括用于对自然可接近的身体部位和具有人工创建的开口的空腔进行内部检查的系统，例如腹腔镜系统、关节镜系统、支气管镜系统、神经内窥镜系统等。内窥镜系统通常包括内窥镜，该内窥镜包括光传输系统和图像引导器、白光光源以及诸如摄像头的成像装置。通常，内窥镜包括刚性或柔性细长插入管，该插入管配备有用于照射目标的第一导光器(light guide)，例如光纤束，和用于将目标的图像传输到成像系统的第二导光器，例如棒透镜。其他内窥镜可以在尖端处或附近具有成像传感器，即所谓的尖端芯片系统。内窥镜可使用电缆连接至(外部)光源和屏幕。白光照明使得外科医生或内窥镜医师易于解读图像。
许多现代医学成像技术需要相干光，例如激光。例如，激光散斑对比成像(laserspeckle contrast imaging，LSCI)，有时被称为激光散斑对比分析(laser specklecontrast analysis，LASCA)，使用相干光来提供快速、全场、廉价且相对简单的体内成像方法，用于确定活体生物组织的二维灌注图。灌注可以作为组织活力的指标，因此可以在诊断和手术期间提供有价值的信息。作为另一个例子，荧光成像，例如基于吲哚菁绿(ICG)的灌注成像，可能需要相干光来激发荧光标记物。
因此，希望能用一台内窥镜将白光成像和相干光成像的优点结合起来。
WO2015/176294A1描述了一种用于基于激光散斑对比成像对组织的表面下血流进行成像的腹腔镜系统。该系统包括白光光源、具有用于将白光传输到视场的导光器的腹腔镜、激光光源和用于将激光传输到视场的光纤。光纤可以通过单独的切口插入患者体内，或者光纤可以作为单独的通道集成到腹腔镜的轴中或轴上，这需要更换或至少实质上改变腹腔镜。
US2016/002126A1描述了一种具有单个光源的内窥镜系统，其能够提供白光和红外激光以激发荧光标记物。然而，使用该系统将导致更换整个内窥镜系统，或者至少更换整个光源。这是相对昂贵的。
因此，从上述情况来看，本领域需要一种系统将相干光成像的优点与现有的内窥镜系统相结合。
发明内容
本公开的实施例的目的是减少或消除现有技术中已知的至少一个缺陷。
在第一方面，本发明涉及一种耦合装置，用于将相干光和非相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统的第一导光器中，所述内窥镜系统包括用于产生所述非相干光的非相干光源，所述非相干光例如为白光。所述耦合装置可以包括：光学输入，所述光学输入包括光学输入连接器，用于将所述耦合装置通过第二导光器连接至(优选地可释放地连接至)所述非相干光源，所述光学输入被配置为接收来自所述内窥镜系统的所述非相干光；用于产生第一波长的相干光的第一光源，或者用于接收第一波长的相干光的相干光输入；以及光学输出，包括光学输出连接器，所述光学输出连接器用于将所述耦合装置通过所述第一导光器可释放地连接至内窥镜，所述光学输出被配置为将所述非相干光和所述第一波长的相干光提供到所述第一导光器。在一个实施例中，所述耦合装置可以被配置为处于第一状态和第二状态，在第一状态下，所述耦合装置可以包括无阻碍的非相干光束路径，用于将所述非相干光从所述光学输入传播到所述光学输出，在所述第二状态下，所述耦合装置可以包括无阻碍的相干光束路径，用于将所述相干光从所述相干光源或从所述相干光输入传播到所述光学输出。耦合装置还可以包括光学耦合器，用于同时和/或交替地将所述非相干光和所述第一波长的相干光注入到所述第一导光器中，其中所述相干光和所述非相干光在所述光学输出处具有共享的光路。
所述光学输出包括单个输出通道，可能包括多个光纤，用于将所述非相干光和/或所述相干光提供给所述内窥镜系统的光传输系统的第一导光器。因此，所述相干光和所述非相干光在所述耦合装置的所述光学输出处并且因此在所述第一导光器的入口处具有共享的光路。所述第一状态和所述第二状态可以完全或部分重叠，从而得到所述非相干光和所述相干光以同时的方式共享所述光路的状态。所述第一状态和所述第二状态也可以是不同的状态，从而得到共享光路的分时方式。
在一些情况下，包括第一导光器的线缆可以包括附加通道。耦合装置可以包括用于向这种附加通道提供输入的附加输出(即，除了光学输出之外)。
如本文所使用的，光被提供给导光器意味着光被注入到导光器的光入口中。当光被提供给光学输出时，应当理解，光也被提供给连接至光学输出的导光器(当存在时)。
非相干光可以是白光或彩色光，例如蓝光。非相干光源还可以包括同时或交替地(例如，以分时方式)提供相干光的多个相干光源。内窥镜系统可以是用于对物体(优选地为人体或动物体，优选地为活体)进行内部视觉检查的任何系统。内部视觉检查可以涉及自然可触及的身体部位，如膀胱、肠道或支气管，也可以涉及具有人工开口的腔体，如腹腔或神经外科。因此，内窥镜系统可以是例如腹腔镜系统、关节镜系统、支气管镜系统、神经内窥镜系统等。内窥镜系统可以进一步包括手术器械，例如机器人手术系统。
通过在内窥镜系统的非相干光源和内窥镜本体(endoscope proper)之间连接耦合装置，相干光可以被引导到内窥镜的光传输系统的第一导光器中，从而允许额外的成像能力，例如LSCI成像和/或荧光成像，例如用于灌注成像或血管造影术的吲哚菁绿(ICG)成像。其他荧光标记物可以用于其他应用。例如，荧光成像也可以用于检测肿瘤组织。通常，不同的标记物被不同波长的光激活。
通过使用单独的装置，不需要更换光源或甚至整个内窥镜系统，也不需要在每次用户希望在非相干光源和相干光源之间切换时断开和重新连接光传输系统的第一导光器。因此，这是一个相对经济、灵活且易于操作的选择。
耦合装置可连接至光传输系统的第一导光器，而不是直接连接至内窥镜本体的光输入。通过这种方式，耦合装置可以放置在例如手术室中的无菌区之外。通过这种方式，该装置不需要在每次使用前进行消毒，从而提高了使用方便性，并降低了生产成本和操作成本。相比之下，要直接附接至内窥镜的装置将需要与传统的消毒方法兼容。这对包括相干光源的实施例来说尤其有问题，因为相干光源可能对热和消毒剂等敏感。
然而，由于耦合装置可通过第一导光器连接至内窥镜，因此光需要以足够的强度耦合到第一导光器中。这对非相干光来说尤其相关。因此，耦合装置可以被配置为最小化在光学输入和光学输出之间的光损失，特别是非相干光损失。
相干光可以在耦合装置本身中产生，或者可以由不同的装置产生并使用例如光纤提供给耦合装置。使用相干光输入可以产生较小的装置，该装置可以以基本上不受限制的方式放置在内窥镜系统中。此外，基于不同的需要，例如对于不同的荧光标记物，可以附接不同的相干光源。
另一方面，在耦合装置内部使用第一相干光源可以得到更高质量的相干光(例如，更高的功率、更小的光谱带宽和/或更长的相干长度)，因为相干光可以通过自由空间传播到光学输出或至少传播到光学耦合器，而不必使用可能不利于相干光质量的光学元件，如光纤。如下面更详细地描述的，光学耦合器可以另外包括第二相干光源和/或用于接收第二波长的相干光的相干光输入。
光学耦合器可以是静态光学耦合器，用于将相对宽的非相干光束和相对窄的相干光束组合在一个光路上，并通过光学输出将非相干光和相干光两者注入到内窥镜系统的光传输系统的第一导光器中。可替换地，光学耦合器可以是用于(选择性地)将相干光束或非相干光束或两者注入到第一导光器中的光学开关。
在一个实施例中，光学耦合器可以是光学开关，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，相干光未被注入到所述第一导光器中，在第二状态下，相干光被注入到所述第一导光器中。这样，操作者可以选择是否使用激光，而不需要移除耦合装置。
在一个实施例中，在第一状态下，光学开关可以被配置为在光学输出处提供非相干光。在第二状态下，光学开关可以被配置为不在光学输出处提供非相干光。在许多应用中，用户可能希望在只有非相干光和只有相干光之间切换。
在一个实施例中，光学开关可以被配置为切换到第三状态，在第三状态下，光学开关可以被配置为在光学输出处提供相干光和非相干光两者。当相干光在可见光谱之外时，例如红外光或紫外光，同时用相干光和非相干光对目标区域成像可能特别有利。
在一个实施例中，光学开关可以包括(例如可旋转的)第一可移动面镜(mirror)，该面镜可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，第一面镜的反射面被定位成反射在所述非相干光束路径上传播的非相干光，在第二位置，第一面镜的反射面被定位成在远离所述非相干光束路径的方向上反射所述非相干光。附加地或可选地，光学开关可以包括第二面镜，第二面镜可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，第二面镜的反射面被定位成反射在所述相干光束路径上传播的相干光，在第二位置，第一面镜的反射面被定位成在远离所述相干光束路径的方向上反射所述相干光。
第二面镜可以是与第一面镜相同的面镜、相同面镜的不同部分或单独的面镜。移动面镜可能既便宜又易于制造。
在一个实施例中，光学开关可以包括第一可切换面镜，其可在透明状态和反射状态之间切换，被定位成在所述反射状态下反射在所述非相干光束路径上传播的非相干光。附加地或可选地，光学开关可以包括第二可切换面镜，其可在透明状态和反射状态之间切换，被定位成在所述反射状态下反射在所述相干光束路径上传播的相干光。
第一可切换面镜和/或第二可切换面镜可以是，例如，电可切换的面镜。在透明状态和反射状态之间切换面镜可能比移动面镜更快，而且不移动部件可以减少光学开关中光学元件的污染。第一可切换面镜和第二可切换面镜可以是同一个面镜，也可以是不同的面镜。
在一个实施例中，光学开关可以包括第一光束阻断器(blocker)，被配置为在第一状态下阻断相干光，优选地，第一光束阻断器包括机械快门，优选地为旋转快门，更优选地为电动旋转快门，或者光束阻断器，优选地为以下中的一个：液晶光阀、声光调制器、电光调制器或光弹性调制器。
可选地，光学开关可以进一步地包括第二光束阻断器，被配置为在第二状态下阻断非相干光，优选地，第二光束阻断器包括机械快门，优选地为旋转快门，更优选地为电动旋转快门，或者光束阻断器，优选地为液晶光阀。
机械快门易于制造和操作，而且价格低廉。在一些实施例中，相干光和非相干光都可以使用快门进行切换。通过使用反相的旋转快门，可以以相对较高的帧速率获得具有非相干光和相干光的交替照明。这可以允许例如复用相干光图像和非相干光图像。
光束阻断器不包括移动部件，因此是无尘的。它们通常也是快速和相对容易进行电子操作的。
在一个实施例中，光学耦合器可以包括第一会聚透镜和第二会聚透镜，第一会聚透镜用于减少来自光学输入的非相干光的发散，第二会聚透镜用于将非相干光聚焦到第一导光器中(或者聚焦到光学输出上)；以及面镜，位于第一透镜和第二透镜之间，被配置为将激光束引导到第一导光器中(或者光学输出上)。
使用透镜将非相干光聚焦到第一导光器中产生非常小的光损失。在一个实施例中，一个或多个透镜可以被面镜取代，例如，会聚透镜可以被凹面镜取代，可选地包括孔或窗口，以允许经过通过凹面镜的无阻碍的相干光束路径。
在一个实施例中，光学耦合器可以包括锥形光管，该锥形光管具有用于接收来自光学输入的非相干光的宽端和用于将非相干光提供给光学输出的窄端。锥形光管可以被在所述宽端和所述窄端之间与所述锥形光管相交的平面分成第一部分和第二部分，该平面的法线与锥形光管的纵轴限定非零角度。优选地，所述锥形光管还包括突起，所述突起具有垂直于所述相干光路的表面，用于接收相干光。所述光学耦合器还可以包括面镜，在所述锥形光管的纵轴上被定位在所述锥状光管的第一部分和第二部分之间的所述平面上，所述面镜被配置为将所述激光束引导到第一导光器中(或所述光学输出上)。
使用锥形光管得到很小的色差。突起可以增加进入导光器的相干光的量。
具有锥形光管的实施例和具有透镜的实施例都允许在各自的光束路径中使用机械或光学快门独立地切换相干光和非相干光。因此，非相干光和相干光可以单独使用，也可以组合使用。
在一个实施例中，光学开关可以包括内部导光器，用于将非相干光从内部导光器的第一端引导到内部导光器的第二端；光学开关可以进一步地包括开关体，该开关体至少包括内部导光器的第二端，开关体可在对应于第一状态的第一位置和对应于第二状态的第二位置之间移动。在第一位置，所述开关体被配置为阻断所述相干光束路径，并定位所述内部导光器的第一端以接收来自光学输入的非相干光，并且定位所述第二端以将所述非相干光注入到所述第一导光器。在第二位置，所述开关体被配置为不阻断相干光束路径，并且至少定位所述内部导光器的所述第二端，使得非相干光不被注入到所述第一导光器。
例如，从第一相干光源到光学输出的光束路径可以是通过自由空间的路径。在第一位置，导光器可以被配置为将非相干光引导到光学输出，同时阻断相干光的光束路径。通过将导光器移动到不同的位置，通向光学输出的相干光束路径可以不受阻碍。这样，使用非常少的光学元件来在光学输出处提供相干光并因此将相干光提供到第一导光器中，这对相干光的光谱和相干长度是有利的。
使用内部导光器来传输非相干光最小化光损失和色差。尽管一些非相干光源可以自动补偿减少的非相干光强度，但这种补偿通常是有限的。因此，即使是这样的系统，也优选将光损失最小化。
在一个实施例中，内部导光器可以是柔性导光器，优选地为熔接光纤束或液体导光器，该内部导器的第一端可以连接至光学输入。通过将导光器连接至光学输入，可以减少导光段之间的接口数量，这对非相干光的光强度和光质量可能是有利的。
在一个实施例中，光学开关是具有马达的电动的开关，马达可选地为伺服马达；光学开关可以在对应于第一状态的第一位置和对应于第二状态的第二位置之间移动。开关体可以通过凸轮或曲柄移动。在不同的实施例中，光学开关可以手动操作。
手动操作的开关在制造上可能比电动开关更简单、更便宜。与手动操作的开关相比，电动开关可能要快得多，也更容易远程操作。电动开关可以包括马达，用于在第一位置和第二位置之间移动光学开关的可移动部分，例如，可移动的面镜或开关体。伺服马达可用于快速和准确地移动光学开关。
在一个实施例中，所述光学开关可以包括第一端部止动件，被配置为将开关停止在对应于第一状态的第一位置；以及第二端部止动件，被配置为将开关停止在对应于第二状态的第二位置。光学开关还可以包括弹簧，被配置为在开关未被操作的情况下将开关保持在所述第一位置或所述第二位置。这种配置是可靠和准确的，并且可能比使用伺服马达更便宜。
在一个实施例中，所述光学开关被配置为在第一状态和第二状态之间自动来回切换，优选地以至少10Hz的频率，更优选地以至少30Hz的频率，甚至更优选地以至少100Hz的频率。
通过在两个照明状态之间交替，可以获得交替的图像。这可以有利于进一步的处理，例如，基于相干光成像的图像可以叠加在前面或后面的非相干光图像上，从而组合来自两种成像模式的信息。
在一个实施例中，光学输入连接器被配置为通过光管连接至(优选地，可释放地连接至)内窥镜系统的非相干光学输出；也就是说，第二导光器可以是光管。在不同的实施例中，光学输入连接器被配置为通过柔性导光器(优选地为光纤束、熔接光纤束或液体导光器)连接至(优选地，可释放地连接至)内窥镜系统的非相干光学输出；也就是说，第二导光器可以是柔性导光器。使用光管的刚性连接导致非常小的光损失，而使用光纤的柔性连接允许耦合装置相对于内窥镜系统的非相干光源更灵活地放置。
在一个实施例中，第一光源是窄带宽激光器，该窄带宽激光器的光谱带宽优选地小于1nm，更优选小于0.2nm，甚至更优选小于0.1nm。
在一个实施例中，第一光源的相干长度可以为至少0.35mm，优选地为至少1.5mm，更优选地为至少3.5mm。
在一个实施例中，第一光源是激光器，其功率输出至少为20mW，优选地至少为100mW，甚至更优选地至少为150mW。
使用具有小光谱带宽和长相干长度的相干光源可以获得高质量的激光散斑对比图像。根据要成像的部位，具有至少20mW的功率输出的相干光源可以防止成像期间的曝光不足。
在一个实施例中，第一波长可以在电磁光谱的红色部分中选择，优选地在600–700nm范围内，更优选地在630–660nm范围中。在另一个实施例中，第一波长可以在电磁光谱的红外部分中选择，优选地在700–1200nm范围内，更优选地在700-900nm范围内，甚至更优选地在770–790nm范围内或在820–840nm范围内。
对于激光散斑对比图像，例如灌注图像，红光是优选的，因为它们具有相对大的穿透深度并且被红细胞很好地反射。如果使用RGB相机或内窥镜系统的等效部件，则可以选择第一波长以通过RGB相机的红色通道成像。红外光也可以用于激光散斑对比成像，并且具有比红光更大的穿透深度。红外光也可以用于基于ICG的荧光成像。红外光成像可以与同时进行的白光成像相结合。使用红外光的另一个优点是可以同时执行激光散斑对比成像和基于ICG的荧光成像。
一些内窥镜可以包括阻断红外光的滤光器和/或可以不被配置为检测红外光；因此，使用可见光谱中的相干光可以允许使用具有更宽范围的内窥镜的耦合装置或成像系统。
在一个实施例中，耦合装置可以进一步地包括：第二光源，用于产生第二波长的相干光；以及用于将第一波长的光与第二波长的光组合的光学组合器，该光学组合器优选地包括用于选择性地反射第一波长的光或第二波长的光的二向色镜。
第二相干光源对于激光散斑对比图像可能是有利的，因为使用第二波长获得的图像可以用于校正使用第一波长获得的图像。
在一个实施例中，第二波长可以在电磁光谱的蓝色部分中或绿色部分中选择，优选地在380–590nm范围内，更优选地在470–570nm范围内，甚至更优选地在520–560nm范围内。
对于激光散斑成像，如果第二波长具有小的穿透深度并且在很大程度上被正在成像的组织反射，则是有利的。如果使用RGB相机或内窥镜系统的等效部件，则可以选择第二波长以通过RGB相机的绿色或蓝色通道成像。优选地，第一波长和第二波长在电磁光谱上相距足够远，以限制RGB通道之间的串扰。
内窥镜系统可以进一步地包括相机，优选地为RGB相机，该相机被配置为提供视频信号。在一个实施例中，耦合装置还可以包括：视频信号输入连接器，用于接收视频信号；视频信号输出连接器，用于提供视频输出；和图像处理模块，用于当光学耦合器将相干光注入到第一导光器中时，基于所述视频信号生成相干光图像，优选地为荧光图像和/或激光散斑对比图像。
通常，代替RGB相机，双单色或三单色相机，例如CCD相机，可以与例如不同颜色的滤色器(例如红色和绿色滤色器)或波长选择分束器(例如棱镜)一起使用。或者，可以使用具有机械、光学或电可切换滤色器或其他基于波长的选择装置的单个单色相机。在这种情况下，RGB相机的红色通道可以被解读为，例如，单色相机，其被配置为测量电磁光谱的红色部分中的光，并且，类似地，对绿色和蓝色通道的参考也是如此，视情况而定。这既涉及内窥镜系统中的相机，也涉及根据本发明实施例的成像系统中的相机。
在一个实施例中，在第一状态下，视频信号可以被循环到视频输出。在第二状态下，视频信号可以被提供给图像处理模块。图像处理模块可以被配置为基于所述视频信号确定一个或多个输出图像，优选地为激光散斑对比图像或荧光图像。该一个或多个输出图像在视频信号输出连接器处被提供。
包括图像处理模块防止了使用单独的图像处理模块来处理相干光图像的需要。
在一个实施例中，耦合装置还可以包括帧抓取器，用于将连续视频输入信号转换为离散帧以供视频处理模块处理。
在一个实施例中，耦合装置还可以包括第一传感器以及连接至第一传感器的控制器，第一传感器优选地为光学传感器。第一传感器可以被配置为仅当所述第一导光器连接至光学输出连接器时才向所述控制器发送第一信号；且所述控制器可以被配置为，在所述控制器未接收到所述第一信号的情况下，关断或阻断第一相干光源以及可选地关断或阻断第二相干光源。
在一个实施例中，耦合装置还可以包括第二传感器以及连接至第二传感器的控制器，第二传感器优选地为光学传感器。第二传感器可以被配置为当所述光学开关处于第二状态时发送第二信号；且所述控制器被配置为，在所述控制器未接收到所述第二信号的情况下，关断或阻断第一相干光源以及可选地关断或阻断第二相干光源。
如果第一导光器没有被连接以输送相干光的话，则这些传感器可以通过防止相干光离开耦合装置来增加耦合装置的安全性。
在一个实施例中，耦合装置还可以包括用于生成触发信号的控制开关或用于接收触发信号的触发输入，其中所述光学开关被配置为响应于接收到触发信号，从第一状态切换到第二状态。
在一个实施例中，耦合装置还可以包括数据存储介质或数据输出。
本公开描述的内窥镜系统不限于医疗内窥镜，还可以包括类似的系统，该系统包括来自其他领域(例如制造、枪械制造或航空)的非相干光源和光传输系统。非医疗领域的内窥镜系统有时被称为管道镜或纤维镜。它们可以用于例如发动机或枪支内膛的视觉检查。
在另一方面，本发明可以涉及一种用于利用内窥镜系统生成相干光图像的图像处理系统。所述内窥镜系统可以包括非相干光源、视频处理单元和内窥镜，所述内窥镜连接至相机。在一个实施例中，所述图像处理系统包括视频处理装置和根据前述任一实施例的耦合装置。所述视频处理装置可以包括：视频信号输入连接器，用于接收来自所述相机的视频信号。所述视频处理装置还可以包括：第一视频信号输出连接器，用于提供视频输出，所述第一视频信号输出连接器被配置为连接至所述内窥镜系统的所述视频处理单元的视频信号输入。所述视频处理装置还可以包括：图像处理模块，用于在光学开关处于第一状态时基于所述视频信号生成相干光图像。
在一个实施例中，图像处理系统还可以包括第二视频信号输出连接器，被配置为连接至第二显示器，所述图像处理系统被配置为当所述光学开关处于第一状态时向所述第一视频输出提供非相干光图像，并且当所述光学开关处于第二状态时向所述第二视频信号输出提供相干光图像。
在一个方面，本发明可以涉及一种用于利用内窥镜系统生成红外相干光图像的成像系统，所述内窥镜系统包括非相干光源、内窥镜和用于将光输送到所述内窥镜的光传输系统。在一个实施例中，所述成像系统可以包括前述的耦合装置，第一波长在电磁系统的红外部分中选择，优选地在700–1200nm范围内，更优选地在700-900nm范围内，甚至更优选地在770–790nm范围内或者820–840nm范围内。所述成像系统还可以包括：红外成像传感器，被配置为接收由内窥镜收集的光；和图像处理模块，被配置为从红外成像传感器接收视频信号，并基于接收到的视频信号确定相干光图像。
红外成像传感器可以包括在RGB/IR相机或等同装置中，即，被配置为使用单个传感器阵列捕捉电磁光谱的可见光和红外部分两者中的图像的相机。可替换地，成像传感器可以进一步包括分束器，用于将由目标反射的光分成由红外成像传感器成像的红外部分和由包括在内窥镜系统或成像系统中的RGB相机成像的可见光部分，如上所述。
在一个方面，本发明可以涉及一种内窥镜系统，优选地为腹腔镜系统，其包括如上所述的耦合装置。
在一个方面，本发明可以涉及一种使用内窥镜系统生成患者体内目标区域的基于相干光的图像的方法。所述内窥镜系统可以包括：非相干光源，用于产生非相干光，例如白光；和内窥镜，所述内窥镜包括用于插入患者体内的插入管、用于照射目标区域的光传输系统和用于获取目标区域的图像的图像传感器。内窥镜可以通过第一导光器连接至(优选地，可释放地连接至)相干光耦合系统，所述相干光耦合体系被配置为：通过第二导光器接收来自所述非相干光源的非相干光，接收或生成第一波长的相干光，选择性地将所述相干光和/或所述非相干光提供给第一导光器，其中所述相干光和所述非相干光优选地在所述第一导光器中具有共享的光路。在一个实施例中，所述方法可以包括：接收第一触发信号；响应于接收到所述第一触发信号，向所述光传输系统提供相干光。所述方法还可以包括：接收来自所述图像传感器的视频流，所述视频流包括表示由所述目标区域反射或散射的相干光的光强度的信号。所述方法还可以包括：基于所述视频流确定相干光图像，例如激光散斑对比图像或荧光图像。
在一个实施例中，所述方法还可以包括：显示和/或存储所确定的所述相干光图像。
在一个实施例中，所述方法还可以包括：响应于接收到第二触发信号，或者在接收到所述第一触发信号之后的预定时间量，将所述非相干光提供给所述光传输系统，以及优选地，阻断所述相干光进入所述光传输系统。
本发明还可以涉及一种计算机程序或计算机程序套件，包括至少一个软件代码部分或存储至少一个软件代码部分的计算机程序产品，当在计算机系统上运行时，所述软件代码部分被配置为执行如前所述的一个或多个方法步骤。
本发明还可以涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质存储至少一个软件代码部分，所述软件代码部分在由计算机执行或处理时被配置为执行如前所述的一个或多个方法步骤。
将参照附图进一步说明本发明，附图将示意性地示出根据本发明的实施例。应当理解，本发明不以任何方式限制于这些特定实施例。
附图说明
以下对本发明具体实施例的附图的描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本教导、它们的应用或用途。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的利用耦合装置增强的用于提供相干光成像的内窥镜系统；
图2A和图2B示意性地示出了根据本发明实施例的耦合装置；
图3示意性地示出了根据本发明实施例的耦合装置；
图4A和图4B示意性地示出了根据本发明实施例的耦合装置；
图5A至图5D示意性地示出了根据本发明实施例的光学开关；
图6A至图6C示意性地示出了根据本发明实施例的光学开关；
图7A和图7B示意性地示出了根据本发明实施例的内窥镜系统的光源单元和耦合装置之间的连接；
图8示意性地示出了根据本发明实施例的用于将相干光成像能力添加到内窥镜系统的系统；和
图9示出了根据本发明实施例的用于生成相干光图像的方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明实施例的利用装置增强的内窥镜系统，该内窥镜系统用于提供相干光成像。内窥镜系统1001、1002可以包括光源单元102、显示单元104和内窥镜106，例如腹腔镜。
光源单元102可以包括用于产生非相干光的光源108，例如，白光光源。光源单元可以进一步包括用于控制光源的控制器110，例如，控制光源的光强度或光谱质量。控制器可以被配置为接收来自用户和/或来自其他系统部件的输入。光源单元可以进一步包括光学输出连接器112，用于连接内窥镜106的光学输入，例如导光器124。
内窥镜106可以包括用于操作内窥镜的手柄114和插入管116。插入管可以具有连接到手柄的近端和具有尖端118的远端，尖端118用于插入患者体内。插入管可以是刚性管或轴或柔性管。
内窥镜还可以包括用于通过输入导光器124(例如光纤束)接收光的光学输入。光学输入可以连接到手柄或插入管。
插入管可以包括导光器120，用于将光从光学输入引导到尖端118，以照明目标区域130。光源单元的光学输出112和内窥镜的尖端之间的光学部件可以统称为内窥镜系统的光传输系统。
内窥镜可以进一步包括用于对目标区域成像的图像传感器116，例如RGB相机。在一些内窥镜中，图像传感器可以放置在内窥镜的尖端；这样的系统也可以被称为尖端芯片系统。在其他内窥镜中，图像传感器可以放置在手柄中，并且插入管可以包括导光器，例如，棒透镜，用于将由目标区域反射或发射的光引导到光学传感器。
在一些内窥镜中，手柄114和插入管116可以是可拆卸的。因此，可以在保留相同的插入管116的同时，将图像传感器122更换为不同类型的图像传感器。
内窥镜可使用视频信号电缆126连接至显示单元104的视频输入连接器132。内窥镜可以进一步包括有线连接或无线连接，例如，以远程控制光源单元102和/或显示单元104。例如，视频信号电缆也可以是允许双向数据传输的数据电缆。内窥镜可以进一步包括电源或电源连接器，用于接收电力以操作图像传感器。
显示单元104可以包括视频输入连接器132，用于接收来自内窥镜106的视频输入。显示单元可进一步包括用于处理视频输入信号的视频处理器134，以及用于显示从内窥镜接收的视频或图像的显示器136。显示器可以通过(外部)视频电缆138接收来自视频处理器的视频输入，视频电缆138连接视频处理器的视频输出连接器133与显示输入连接器135。在其他实施例中，显示器可以通过内部连接接收来自视频处理器的输入。
显示单元104可以进一步包括控制器，被配置为接收来自用户和/或来自其他系统部件的输入，例如，用于暂停视频或拍摄快照。显示单元还可以向其他系统部件提供输出；例如，如果视频输入信号中的图像看起来曝光过度或曝光不足，显示单元可以与光源单元102通信以调整光强度。显示单元可进一步包括或可连接至存储设备，存储设备用于存储例如图像数据。在其他内窥镜系统中，显示器可以是与包括视频处理器的耦合装置分开的装置。在一些内窥镜系统中，视频处理器和光源可以被包括在单个装置中。
因此，目前描述的内窥镜系统1001、1002可以是(商业上可获得的)用于使用非相干光(例如白光)对患者体内的目标区域130进行成像的内窥镜系统。本公开的某些实施例涉及一种装置，该装置允许使用相同或基本相同的内窥镜系统，用于与非相干光成像一起使用相干光(例如激光)对目标区域成像，或用于与非相干光成像交替地使用相干光(例如激光)对目标区域成像。因此，新的能力，特别是如荧光成像和/或激光散斑对比成像的成像能力，可以添加到现有的内窥镜系统中，而不必更换光源，或者至少不必更换内窥镜的插入管。
因此，用于将相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统的耦合装置140可以插入在光源单元的光学输出112和内窥镜的光学输入之间。耦合装置可以包括用于接收来自内窥镜系统的非相干光的光学输入142和用于将非相干光提供给光传输系统的光学输出144。光学输入可以包括光学输入连接器，用于可释放地连接导光器158。同样地，光学输出可以包括光学输出连接器，用于可释放地连接导光器124。
在所描述的实施例中，耦合装置的光学输入142可通过导光器158(例如光纤束)连接至内窥镜系统的光源单元102的光学输出112。耦合装置的光学输出144可通过导光器124连接至内窥镜的光学输入。在没有耦合装置的设置中，导光器124可以直接连接至光源单元的光学输出112。用于连接导光器与光源或用于将导光器与光源断开连接的可释放连接是内窥镜系统的标准特征。
耦合装置140可进一步包括第一光源146，例如激光器，用于产生第一波长的相干光。在一个不同的实施例中，激光源可以是单独的装置，并且耦合装置可以包括相干光输入，用于接收来自单独的激光源的第一波长的相干光。耦合装置可以进一步包括光学开关148，用于选择性地将第一波长的相干光耦合到光学输出144，因此，当导光器124被连接时，用于选择性地将第一波长的相干光耦合到导光器124。耦合装置还可以包括控制器，用于控制光学开关。
在一个实施例中，耦合装置140可以进一步包括视频信号输入连接器152，用于接收视频输入信号。视频信号可以由视频处理器134预输入，或者可以直接从内窥镜中的图像传感器122获得。耦合装置还可以包括视频信号输出连接器154，用于提供视频输出信号。耦合装置可进一步包括图像处理模块156，用于处理视频信号。专用的图像处理软件可以例如通过实现激光散斑对比成像来利用相干光成像的可能性。在一个不同的实施例中，图像处理模块和视频信号输入连接器以及视频信号输出连接器可以体现在单独的装置中。
在所描述的实施例中，耦合装置的视频信号输入连接器152可以通过信号电缆138连接至显示单元104的视频信号输出。在其他实施例中，耦合装置的视频信号输入连接器可以直接连接至内窥镜106的视频信号输出。在一些这样的实施例中，信号电缆可以允许双向数据传输，并且可以例如将触发信号或控制信号从内窥镜发送到耦合装置，或者反之亦然。耦合装置的视频信号输出连接器154可以通过信号电缆160连接至显示单元104的显示输入连接器135。在没有耦合装置的设置中，信号电缆138可以直接连接至显示输入连接器135。
图2A和2B示意性地示出了根据本发明一个实施例的耦合装置。特别地，图2A示出了用于将相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统的耦合装置200的一个非常基本的实施例。所示出的耦合装置包括光学输入202和光学输出连接器204，光学输入202用于接收来自内窥镜系统的光源的非相干光，例如白光，光学输出连接器204用于连接至内窥镜系统的光传输系统。耦合装置进一步包括相干光输入206，用于接收第一波长的相干光。相干光输入可选地包括准直器，以防止或减少相干光束的发散。耦合装置进一步包括光学耦合器208，用于接收非相干光和相干光并提供耦合光束。耦合光束可以同时和/或交替地包括相干光和非相干光。耦合装置被进一步配置为将耦合光束注入到光学输出204。
因此，耦合装置可以被配置为处于第一状态和第二状态，第一状态和第二状态可以部分或完全重合。在第一状态下，耦合装置可以包括无阻碍的非相干光束路径，用于将非相干光从光学输入传播到光学输出。在第二状态下，耦合装置可以包括无阻碍的相干光束路径，用于将相干光从相干光源或相干光输入传播到光学输出。光学耦合器可将非相干光束路径和相干光束路径耦合或组合到共享的光路，该共享的光路被配置为同时和/或交替地将非相干光和相干光注入到光学输出，并且因此(如果存在的话)注入与光学输出连接器相连接的导光器。
光学耦合器208可以是同时将非相干光和相干光组合在单个光路上的静态光学耦合器，例如将连接至非相干光输入的光纤和连接至相干光输入的光纤接合到单个光纤束中的Y形线缆。然而，由于与Y形线缆相关的光损失，特别是关于非相干光，这样的实施例不是优选的。因此，光学输出204可以向光传输系统同时提供非相干光和相干光。可替换地，光学耦合器208可以是用于选择性地将相干光耦合到光学输出204中的光学开关。因此，光学输出可以仅提供非相干光，或者根据光学开关，仅提供相干光和/或提供非相干光和相干光两者。参照图5A–图5D，更详细地讨论了光学耦合器的实施例。
图2B示出了类似的耦合装置210，其包括如上面参照图2A所述的光学输入212，光学输出214和光学耦合器218。耦合装置210进一步包括第一相干光源216，用于产生第一波长的相干光。
使用如图2A中的配置为接收来自外部相干光源的相干光的相干光输入，可得到小型的耦合装置，该装置可以以几乎不受限制的方式放置在内窥镜系统中。例如，在一些实施例中，耦合装置可以直接插入内窥镜系统的光源单元的光学输出中。如将在下面参照图7讨论的，这可以导致非常低的白光损失。
此外，使用相干光输入允许连接不同的激光源，这可以根据不同的成像需求来选择。
另一方面，当耦合装置包括如图2B中的(内部)第一相干光源时，相干光可以通过自由空间传播到光学输出，或至少传播到光学耦合器。这可以得到更高质量的相干光(例如，更高的功率、更小的光谱带宽和/或更长的相干长度)，因为不需要使用可能不利于相干光质量的光学元件，例如光纤。由于安全问题和校准困难，通常不可能有外部相干光源和自由空间相干光传播。
图3示意性地示出了根据本发明实施例的耦合装置。特别地，图3示出耦合装置300包括光学输入302、光学输出304和用于产生第一波长的相干光的第一相干光源306，如上文参照图2A和2B讨论的。耦合装置还包括光学开关308，用于选择性地将相干光耦合到光学输出304。
耦合装置300可进一步包括用于操作光学开关308的接口310。该接口可包括耦合装置上的物理触发器，例如，按钮，或包括基于软件的触发器，例如，触摸屏上的功能(虚拟按钮)。在其他实施例中，接口可包括用于接收来自外部装置(例如来自内窥镜系统的部分或来自外部控制装置)的有线触发信号或无线触发信号的输入。无线触发信号可以使用例如WiFi、蓝牙、或声学或光学通信协议。一些内窥镜系统可被配置为在内窥镜系统的某些功能被激活时提供触发信号，例如拍照功能。该触发信号可用于激活光学开关。外部控制装置可由内窥镜系统的操作者(例如外科医生或内窥镜医师)操作，并可包括脚踏开关或遥控器，优选地，该脚踏开关或遥控器可附接到内窥镜的手柄上，例如使用弹性带。该接口还可以包括例如麦克风和语音识别软件，用于对光学开关进行基于语音的操作。该接口可进一步提供关于光学开关的状态的反馈，优选地为视觉反馈。
光学开关308可被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，相干光不耦合到光学输出304，在第二状态下，相干光耦合到光学输出。这样，操作者可以选择是否使用激光，而不必移除耦合装置。
在一个实施例中，在第一状态下，光学开关308可以被配置为在光学输出304处提供非相干光。在第二状态下，光学开关可以被配置为不在光学输出处提供非相干光。在许多应用中，用户可能希望在只有非相干光和只有相干光之间切换。
在一些实施例中，光学开关308也可被配置为切换到第三状态，在该第三状态下，光学开关可被配置为在光学输出304处提供相干光和非相干光两者。
接口310可以包括机械触发器或电子触发器。在机械触发器的情况下，开关可以通过在对应于第一状态的第一位置和对应于第二状态的第二位置之间移动来手动操作。在该实施例中，耦合装置可以不包括控制器。
在一个不同的实施例中，耦合装置300可以进一步包括控制器312，用于控制光学开关。在该实施例中，接口可以向控制器发送触发信号，控制器操作光学开关。在一个典型的实施例中，光学开关是电动开关，其具有由控制器控制的马达致动的移动的机械部分。
在一些实施例中，控制器可以在不依赖于触发信号的情况下控制光学开关在第一状态和第二状态之间切换，例如，以固定的时间间隔切换。在这样的实施例中，耦合装置不需要包括接口。
图4A和图4B示意性地示出了根据本发明实施例的耦合装置。特别地，图4A示出耦合装置400包括光学输入402、光学输出404、光学开关408、接口410和控制器412，如上文参照图2A、图2B和图3讨论的。
该耦合装置还包括用于产生第一波长的相干光的第一相干光源4061、用于产生第二波长的相干光的第二相干光源4062、以及用于将第一波长的相干光与第二波长的相干光耦合的激光耦合器407，例如二向色镜或偏振分束器。可替换地，可以使用下文参照图4B所述的基于光纤的激光耦合。通常，第二波长不同于第一波长。通过使用激光耦合器，第一波长的相干光和第二波长的相干光可以组合在单个光路上。
第二相干光源对于激光散斑对比图像可以是有利的，因为使用第二波长获得的图像可以用来校正使用第一波长获得的图像。分色镜是将第二波长的光与第一波长的光耦合或组合的有效方式。在一些实施例中，甚至更多的相干光源可以以类似的方式加入。这可能对例如三维激光散斑对比成像有用，其基于用多个不同波长的相干光获得的激光散斑对比图像。
耦合装置400可以进一步包括图像处理模块420。图像处理模块可以接收来自视频输入连接器422的视频信号，并将视频信号提供给视频输出连接器424。通常，内窥镜可以直接或通过例如内窥镜系统的视频处理器间接地连接至视频信号输入连接器，并且显示单元可以连接至视频信号输出连接器。
视频信号可以是模拟信号或数字信号。视频处理模块420可包括帧抓取器426，用于将视频信号转换为适合进一步处理的单独的图像。视频处理模块可以包括缓冲器428，用于临时存储一个或多个图像。该一个或多个图像然后可由图像处理器430处理。该图像处理器可包括具有体现在其中的计算机可读程序代码的计算机可读存储介质、以及与该计算机可读存储介质耦合的处理器，优选地为微处理器。
图像处理器可以被配置为计算例如激光散斑对比图像或荧光图像。例如，图像处理器可以被配置为执行基于LSCI的临床灌注成像方案，如W.Heeman等人的评述文章“激光斑点对比成像的临床应用：评述(Clinical applications of laser speckle contrastimaging:a review)”，J.Biomed.Opt.24:8(2019)中所述的，通过引用将该文章并入本文。另外地或可选地，图像处理器可以被配置为执行基于荧光的临床灌注成像方案，优选地基于ICG的荧光成像，如A.V.DSouza等人的评述文章“荧光引导手术系统的评述：吲哚菁绿成像之外的关键性能能力的识别(Review of fluorescence guided surgery systems:identification of key performance capabilities beyond indocyanine greenimaging”，J.Biomed.Opt.21:8(2016)))所述的，通过引用将该文章并入本文。
视频处理模块420可进一步包括信号转换器426，用于将图像处理器生成的输出转换为与输入视频信号兼容的输出视频信号。例如，如果视频处理模块从视频输入接收SDI信号，并且图像处理器输出HDMI信号，则图像转换器可以是HDMI到SDI转换器。由此，视频输出信号与视频输入信号是兼容的，确保视频输出信号可以被显示单元以与来自内窥镜的信号相同的方式处理。
在一个实施例中，耦合装置可以包括屏幕，或者耦合装置可连接至不同的显示器。在这种情况下，可能不需要信号转换器。同样，如果图像处理器提供与从内窥镜接收的相同类型的输出，则可能不需要信号转换器。在一个实施例中，耦合装置可以有一个以上的视频输出连接器，例如，用于输出未处理的视频信号的第一输出连接器、以及用于输出处理后的信号的第二输出连接器。
在一个实施例中，视频处理模块420可以与控制器412通信。然后，视频处理器模块可以例如在光学开关处于第一状态时提供未处理的信号，仅向内窥镜提供非相干光(例如白光)，并在光学开关处于第二状态时提供处理的信号，向内窥镜提供相干光。在一个实施例中，视频处理模块和控制器可以作为软件模块在同一硬件模块上实现。
耦合装置400可进一步包括用于存储图像的存储装置434，或用于连接至外部存储设备的存储输出连接器。例如，耦合装置可以被配置为存储所有的图像数据，或者耦合装置被配置为，当光学开关处于第二状态时，仅当从控制器412接收到存储信号时，仅存储已处理的图像数据和/或未处理的图像数据。
耦合装置400还可以包括电源416，用于向电子部件(例如，一个或多个激光源4061-2、光学开关408、控制器412、视频处理模块420以及任何其他需要电源的部件)提供电源。一个或多个可以包括例如散热器和/或风扇的热控制单元414可以控制一个或多个部件(例如激光源和视频处理模块)的温度。一个或多个状态LED 436可以指示各种部件的状态，例如，由电源提供的电力、光学开关的状态、正在接合的光学输出连接器等等。壳体可以保护这些部件。
图4B示意性地示出了包括耦合装置440和处理装置450的系统。耦合装置440可以包括光学输入442、光学输出444、和光学开关448，如参照图4A所述的。处理装置450可以包括接口460、控制器462、热控制器464、电源466、视频输入连接器472、视频输出连接器474、存储装置484、一个或多个状态LED 486和视频处理模块470，视频处理模块470包括帧抓取器、缓冲器、图像处理器和信号转换器，也如参照图4A所述的。
处理装置450可进一步包括第一相干光源4561、第二相干光源4562和激光耦合器457。在所示出的例子中，激光耦合器包括光纤耦合器。使用光纤447将相干光从处理装置450引导到耦合装置440，这是组合多个激光源的有效方式。在其他实施例中，第一相干光和第二相干光可以首先使用激光耦合器进行组合(如参照图4A中的特征407所解释的)，并且耦合或组合的相干光束可以随后被注入到光纤。
光纤447可以连接至耦合装置440的相干光输入446。可选地，相干光输入可以包括准直器。耦合装置可进一步地通过一条或多条电缆4491-2连接到处理装置450，以接收电源和控制信号来操作光学开关448。
图5A至图5D示意性地示出了根据本发明实施例的光学开关。下面参照图5A至图5D描述的一些实施例可以实现为非开关光学耦合器。这些实施例通常比Y型电缆耦合器(例如上面参照图2A描述的)更具光效率。
特别地，图5A示出光学开关500包括非相干光输入502、相干光输入520和光输出506。非相干光输入可以被配置为通过第一导光器504(例如，光管或光纤束)来接收非相干光。非相干光输入可以是耦合装置的光学输入，或者可以光学地连接至光学输入。光输出可以是耦合装置的光学输出，或者可以光学地连接至光学输出。由此，光输出可以向第二导光器508提供光，该第二导光器508可以是内部导光器或内窥镜系统的导光器。
光学开关500可以进一步包括第一会聚透镜512和第二会聚透镜514，第一会聚透镜512用于减少来自相干光输入502的非相干光510的发散，第二会聚透镜514用于将非相干光聚焦到光学输出506上。在另一个实施例中，一个或多个会聚透镜可以被一个或多个凹面镜取代。凹面镜可以比透镜有更好的光学质量，例如，更少的光吸收和/或更少的色差；然而，透镜可以比凹面镜更便宜。对技术人员来说，很明显的是，当使用凹面镜时，可以相应地调整非相干光输入的位置以及可选的相干光输入的位置。
光学开关500可进一步地被配置为从相干光源522或通过第三导光器(例如光纤)接收相干光。如果相干光通过自由空间传播，则相干光输入520可以简单地是光学开关外壳中的孔或窗口。在一些实施例中，特别是当相干光输入通过第三导光器接收相干光时，光学开关可以包括第三会聚透镜524以减少相干光束526的发散。
光学开关500可以进一步包括面镜528，该面镜528定位在第一会聚透镜512和第二会聚透镜514之间。该面镜528可被配置为将相干光束526引导到光输出506。由于相干光束的直径比非相干光束510的直径小得多，因此，面镜相对于非相干光束的直径的尺寸可以较小。面镜可以使用小的、可选地透明的支架来安装。因此，非相干光的强度损失可以很小。由于非相干光510和相干光526在光输入502、520和光输出506之间通过自由空间传播，因此进一步最小化了强度损失。
光学开关500可进一步包括第一快门530，优选地为可旋转快门，设置在相干光输入520和面镜528之间。第一快门可被配置为在阻断相干光束526的第一状态和不阻断相干光束的第二状态之间移动。通过关闭和打开第一快门，光学开关可以第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，相干光不耦合到光输出，在第二状态下，相干光耦合到光输出。
在可替代的实施例中，第一快门530可以是非机械性的光阻断机构，例如，液晶光阀、声光调制器、电光调制器(如波克尔电池)或光弹性调制器。在某些情况下，相干光可能需要被偏振，例如，通过使用偏振激光源或通过在相干光源和第一快门之间插入偏振器。
在另一个实施例中，可以通过移动面镜528将相干光束526引导到光学输出506上或引导离开光学输出506。在这样的实施例中，第一快门530可以被移除。或者，面镜可以是可切换的面镜，例如，电光可切换的面镜。可切换的面镜可以在光学开关处于第一状态下的透明状态和光学开关处于第二状态下的反射状态之间进行切换。根据面镜的尺寸，可移动的面镜或可切换的面镜也可用于阻断第二状态下的非相干光，从而消除对第二快门532的需要。
通过为非相干光输入和相干光输入选择合适的安排，可以使用单个面镜将非相干光或相干光反射到光学输出上。
在另一个实施例中，可以通过开启和关闭相干光源来开启和关闭相干光。这样，不需要包含移动部件。然而，使用快门可能比切换相干光源更快。
可选地，光学开关500可以包括第二快门532(优选地为可旋转快门)，设置在非相干光输入502和面镜528之间。第二快门可以被配置为在不阻断非相干光束510的第一状态和阻断非相干光束的第二状态之间移动。或者，第二快门可以被实现为液晶光阀。
可以通过一个或多个致动器534移动第一快门530以及可选地移动第二快门532。
在一个实施例中，第一快门530和第二快门532可以联合操作，使得当第一快门阻断相干光束526时，第二快门不阻断非相干光束510，反之亦然。在另一个实施例中，第一快门和第二快门可以独立操作，允许非相干光和相干光单独地或组合地使用。
第一快门530和第二快门532可以是旋转快门，允许在第一状态和第二状态之间快速切换。通过使用反相的旋转快门，可以以相对较高的帧速率获得具有非相干光和相干光的交替照明。
因此，光学开关500可以被配置为在第一状态和第二状态之间自动来回切换，优选地以至少10Hz的频率，更优选地以至少30Hz的频率，甚至更优选地以至少100Hz的频率。通过在两个照明状态之间交替，可以获得交替的图像。这可以有利于进一步的处理，例如，基于相干光成像的图像可以叠加在前面或后面的非相干光图像上或与之并排显示，从而组合来自两种成像模式的信息。
在一个不同的实施例中，可以通过移除快门530、532和致动器534来获得静态光学耦合器。
在另一个实施例中，非相干光输入502和相干光输入520的位置可以交换，面镜528可以被配置为将来自非相干光输入的非相干光反射到光输出506。面镜可以进一步包括孔或窗口，以允许相干光束从相干光输入传播到光输出。
在又一个实施例中，非相干光输入502和相干光输入520都可以相对于光输出506放置在一个角度下，并且面镜528可以包括两个或更多的反射面，用于将相干光和/或非相干光反射到光输出上。
在另一个实施例中，相干光输入可以靠近非相干光输入，例如，两者都在与光输出相对的壁上，并且相干光和/或非相干光可以被设置为在较小角度下向光输出注入光。在这样的实施例中，可以移除面镜。然而，包括面镜的实施例可以更容易校准，并且可以有较少的光损失，因为相干光和非相干光都可以在最佳角度下被注入到光输出。
图5B示出光学开关540包括非相干光输入542、相干光输入550和光输出544，如参照图5A所述的。光学开关540可以进一步包括第一快门558、第二快门560和致动器562，如参照图5A所述的。
然而，代替图5A中示出的透镜512和514，光学开关540可以包括锥形光管548，该锥形光管548具有用于接收来自非相干光输入542的非相干光546的宽端和用于将非相干光和/或相干光提供给光输出544的窄端。从非相干光输入出来的非相干光束通常是强发散的。因此，宽端的最佳宽度取决于非相干光输入和宽端之间的距离。
锥形光管548可以被在宽端和窄端之间的与锥形光管相交的平面549分成第一部分和第二部分，该平面的法线与锥形光管的纵轴限定非零角度。光学开关可进一步包括面镜554，定位在该平面上并被配置为在光输出544上引导相干光束552。锥形光管可以包括突起556，该突起556具有垂直于相干光路的表面，用于最小化锥形光管表面的光反射。
使用锥形光管代替透镜可以最小化色差，特别是非相干光的色差。
图5C示出光学开关570包括非相干光输入572、相干光输入578和光输出574，如参照图5A所述的。
光学开关570可以进一步包括开关体(switching body)584，该开关体584可以在对应于光学开关570的第一状态的第一位置和对应于光学开关的第二状态的第二位置之间移动。在第一状态下，光学开关可被配置为在光输出574处仅提供非相干光，而在第二状态下，光学开关可被配置为在光输出处仅提供相干光。图中示出了处于第二状态下的光学开关。
开关体584可包括导光器576，例如，光管，导光器576被配置为当开关体处于第一位置时，将非相干光从非相干光输入572引导到光输出574。在第二位置，非相干光575可被快门586阻断。因此，在第二位置处，开关体被配置为不将非相干光引导到光输出。
开关体584可进一步包括面镜582，该面镜582被配置为在开关体处于第二位置时在光输出574处引导相干光束580。面镜可进一步被配置为在开关体处于第二位置时不在光输出处引导相干光束。
可以通过致动器588在第一位置和第二位置之间移动开关体584。
在一个实施例中，光学开关570可以包括第一端部止动件和第二端部止动件，该第一端部止动件被配置为将开关体584停止在对应于第一状态的第一位置，该第二端部止动件被配置为将开关体停止在对应于第二状态的第二位置。光学开关可进一步包括弹簧，该弹簧被配置为在开关未被操作的情况下将开关体保持在第一位置或第二位置。这种配置是可靠的、准确的，而且相对便宜。
可替换地，可以使用伺服马达在第一位置和第二位置之间移动开关体584。在这种情况下，可能不需要端部止动件。使用伺服马达可以比使用(普通)马达和端部止动件更快、更安静。
在另一个替代方案中，开关体584可以手动移动，例如使用杠杆。这是一种廉价的、但相对较慢的和可能不太精确的开关方式。
可以通过例如平移或旋转运动在第一位置和第二位置之间移动开关体584。在一个实施例中，运动可以通过凸轮或通过曲柄转移到开关体。这将在下面参照图6A和6B更详细地讨论。
导光器576的使用引入了很少的光损失，并使色差最小化。可替换地，可以使用图5A中示出的带有透镜的系统。
图5D示出光学开关590非相干光输入591、相干光输入593和光输出592，包括如参照图5A所述的。
光学开关590可以进一步包括开关体596，该开关体596被配置为在第一位置和第二位置之间移动。该开关体可包括柔性导光器594(例如，纤维束、具有熔接端部的纤维束或液体导光器)的至少一个端部。在第一位置，开关体可被配置为通过柔性导光器将非相干光从非相干光输入引导到光输出。柔性导光器可以延伸到非相干光输入之外，并且可以例如直接连接至内窥镜系统的光源单元的光学输出。这种配置的优点是，耦合装置可在同一侧(例如正面)具有光学输入和光学输出，这有利于耦合装置的操作。
在第二位置，开关体596可被配置为向光输出592提供相干光595。在所示出的例子中，从相干光输入593到光输出592的光束路径可以是通过自由空间的路径。在第二位置，到光学输出的相干光束路径可以是无阻碍的。开关体可以有孔，用于让相干光通过。或者，开关体可以有这样的尺寸和形状：该尺寸和形状使得在第二位置处，开关体的任何部分都不覆盖相干光输入和光输出之间的路径。
这样，使用非常少的光学部件来在光学输出处提供相干光，这有利于相干光的光谱和相干长度。
在一个不同的实施例中，可以使用光纤将相干光从相干光输入593引导到光输出592。这可以进一步增加设置的灵活性，并可以使耦合装置对部件的错位不那么敏感。
如参照图5C所述，光学开关590可进一步包括致动器597、端部止动件、弹簧等。
图6A至图6C示意性地示出了根据本发明实施例的光学开关。特别地，图6A示出了光学开关的开关体602的驱动机构。该开关体可被配置为围绕轴604旋转。如上文参照图5C和图5D更详细地讨论的，开关体可包括第一导光器606(例如，光管、纤维束或液体导光器)，被配置为当开关体处于第一位置(如图所示)时，将非相干光从非相干光输入引导到光学开关的光输出。开关体可进一步包括第二导光器608(例如，孔或光纤)，其被配置为当开关体处于第二位置(用虚线表示)时，将相干光从相干光输入引导到光学开关的光输出。当相干光通过自由空间传播时，开关体的形状可以使其在第二位置不阻断相干光束，并且不需要包括孔。
开关体602可以通过曲柄610连接至马达612。曲柄的一端可以可旋转地连接至开关体602。曲柄的另一端可以可旋转地连接至马达的轴外连接点。在第一位置，曲柄可被弹簧620拉向第一端部止动件6181，在本实施例中，弹簧附接至开关体。在其他实施例中，弹簧可以附接至不同的部分。弹簧也可以推动曲柄，而不是拉动曲柄。端部止动件和弹簧确保开关体准确地定位在第一位置。在不同的实施例中，可以不使用弹簧以及可选地不使用端部止动件。
当马达接收到612开关信号时，马达可以围绕轴614旋转到第二位置。在第二位置，曲柄的一部分或另一合适的部件可以被弹簧620拉向第二端部止动件6182。
在一个实施例中，可使用伺服马达来驱动开关体。伺服马达可以非常精确，因此，可以排除端部止动件6181-2和弹簧620。
在一个实施例中，开关体602可以直接附接至马达(例如伺服马达)的轴604。
图6B示意性地示出了用于使用凸轮在第一位置和第二位置之间移动光学开关的开关体630的驱动机构。尽管所描绘的开关体对应于如图5C中所示出的光学开关，但是相同的驱动机构可以用于移动任何合适的开关体，例如，如图5D中所示出的开关体。
开关体630可以包括第一光路632，用于当开关体处于第二位置(如图所示)时将光从相干光输入引导到光输出636。光路可以包括例如面镜634。或者，光路可以包括例如光纤。在第二位置，开关体的部分可以阻断来自非相干光输入638的光。开关体还可以包括导光器，用于在开关体处于第二位置时将非相干光从非相干光输入引导到光输入(非相干光输入和光输入相对于导光器的相对位置已经用虚线示出)。
轴640可以连接至开关体630。致动器644可被配置为移动凸轮642。通过在第一方向(例如，平行于开关体的纵向轴)上移动凸轮，开关体可以在第二方向(例如，垂直于第一方向的横向方向)上移动。凸轮可以与高精度成形，从而确保开关体的准确定位。该定位可通过弹簧646进一步改善，特别是在第一状态下。
图6C示意性地示出了包括旋转快门的光学开关的部分。快门650可包括一个或多个附接到可旋转轴654的快门叶片652。该快门可以被放置在光学开关中，如上文参考图5A和5B所述的。当快门围绕轴旋转时，快门叶片可以交替地阻挡和不阻挡非相干光束路径或相干光束路径656。
光学开关可进一步包括设置在快门一侧的光传感器658和设置在快门另一侧的光发射器，共同形成与旋转轴基本平行的光学传感器布置。在所示出的实施例中，光学传感器布置被配置为使得当光束路径未被快门叶片阻挡时，光学传感器可接收来自光发射器的光，而当光束路径被快门叶片阻挡时，不接收光。因此，光传感器可以提供与光束路径被阻挡或不被阻挡相关的信号给接口和/或光学开关的控制器。
可替换地或附加地，光学传感器布置可以被定位为使得光学传感器在光束路径被阻挡时接收光，而在光束路径不被阻挡时不接收光。类似的光学传感器布置也可以包括在其他实施例中，例如图6A和图6B所示的实施例中。
图7A和图7B示意性地示出了根据本发明实施例的内窥镜系统的光源单元和耦合装置之间的连接。图7A示出了内窥镜系统的光源单元702，其包括非相干光源704，例如，白光光源，以及用于向光学输出连接器708提供光的光学输出706。光学输出连接器被成形为接收来自光传输系统的连接器。不同的制造或品牌可能具有不同形状的光学输出连接器。
图7A进一步示出了用于将相干光注入到内窥镜系统的光传输系统的耦合装置710。耦合装置包括用于连接至光源单元702的光学输出连接器708的光学输入连接器712。在所示出的实施例中，光学输入连接器包括刚性光管714，用于将光从光源单元的光学输出706引导到光学耦合器720。光学输入连接器可以进一步包括轴716，优选地为不透明轴，用于保护导光器并防止不需要的光进入光管。轴可以覆盖导光器的整个长度或部分长度，例如，仅覆盖暴露的部分。光学输入连接器还可以包括用于将光管固定到光源单元的光学输出连接器708的保持器部分718。保持器部分可以在光管和/或连接器的整个长度的一部分上延伸，以提供光管的机械支撑和保护。刚性光管允许以对非相干光较小的强度损失和有限的光谱变化的连接。
优选地，光学输入连接器712的形状和尺寸被选择为与预定类型的光学输出连接器708兼容。在一些实施例中，光学输入连接器可以是可更换的或可调节的，以便耦合装置710与多种类型的光学输出连接器兼容。
光学耦合器720可以包括非相干光输入722，用于接收来自光学输入连接器的非相干光。光学耦合器可进一步包括相干光输入724和光输出726。相干光输入可以直接地或通过相干光输入连接器728接收来自相干光源的光。通过相干光连接器接收相干光的优点是，耦合装置可以相对较小和较轻，使得耦合装置在光源单元702安装在光学塔中时也可以连接到光源单元的前面，而不需要例如专用的外部支撑结构，并且不会因为延伸得太远而对用户造成麻烦。光学耦合器可以是上面参照例如图5A至图5D讨论的光学开关，优选地为图5A至图5C中所示的光学开关。
耦合装置710可进一步包括光输出连接器730，用于连接到内窥镜系统的光传输系统并向其提供光。优选地，光学输出连接器的形状和尺寸兼容于与耦合装置的光学输入连接器712的相同类型的光学连接器。这样，耦合装置可以连接到也可直接连接到光源单元702的光传输系统。
由于耦合装置710在其光学输出726处提供相干光，因此耦合装置的光学输出连接器730可以有利地配备有一个或多个激光安全特征732–740。例如，光学输出连接器可以包括快门732，用于在没有光传输系统连接至光学输出连接器730的情况下阻断光(特别是相干光)离开光学输出连接器730。当输出连接器为空时，快门可被例如弹簧734推动到关闭位置，并且当输入连接器被插入时，快门可以被推动到打开位置。可替换地或附加地，光学输出连接器可以包括光学传感器736，738。光学传感器可以包括光源736和传感器738。如果传感器738检测到来自光源736的大于预定量的光，则传感器可以向耦合装置的控制器提供第一信号，如果传感器738检测到来自光源736的小于该预定量的光，则传感器可以向耦合装置的控制器提供第二信号。当控制器接收到第一信号时，取决于实施例，控制器可以例如关断第一激光源和/或第二激光源，和/或通过切换到相干光不被注入到光学输出连接器的状态来阻断相干光路。
在所示出的实施例中，来自光学输入连接器712的导光器714直接连接至光学耦合器720。这种配置的优点是其结构简单并且光强度损失低。然而，在其他实施例中，在光学输入连接器和光学耦合器之间可以存在中间结构。类似地，光学耦合器的光输出726直接连接至光学输出连接器730。这对于输出光的光强度和质量来说也是有利的。同样，在其他实施例中，可以存在将光从光输出726引导到光学输出连接器730的中间结构。
图7B示出了内窥镜系统的光源单元752和耦合装置760之间的另一种连接。光源单元可以包括非相干光源754(例如白光光源)、光学输出756和光学输出连接器758，如上面参照图7A讨论的。
耦合装置760可以包括光学输入连接器762，该光学输入连接器762包括轴766和保持器768，如上文参照图7A所讨论的。输入连接器还包括导光器764，但在本实施例中，该导光器是柔性导光器，例如，纤维束、具有熔接端部的纤维束或液体导光器。这允许灵活地放置耦合装置，例如，放置在容纳光源单元的光学塔的不同平台上。因此，与耦合装置附在光源单元前面的情况相比，对例如尺寸和重量的限制较少，便于在耦合装置中加入一个或多个相干光源778。这对相干光的光质量有有利的影响，因为相干光几乎可以完全穿过自由空间而不存在安全问题。
耦合装置760可以进一步包括光学耦合器770，该光学耦合器770包括非相干光输入772，相干光输入774和光输出776。该光学耦合器可以是上文参照例如图5A至图5D讨论的光学开关，优选地为图5D所示的光学开关。如果光学耦合器是如图5D所示的光学开关，则柔性导光器764可以与柔性导光器594相同，从而最小化转换，并最大化光质量。
耦合装置760可以进一步包括光学输出连接器780和安全特征，例如，如上面参照图7A讨论的，由弹簧784操作的快门782和/或光学传感器(未示出)。
图8示意性地示出了根据本发明实施例的用于将相干光成像能力添加到内窥镜系统的相干光系统。相干光系统800可以包括耦合装置810，耦合装置810包括光学输入812、光学输出814、相干光输入，和/或一个或多个相干光源816，光学输入812用于通过导光器813从内窥镜系统的光源接收非相干光，光学输出814用于向内窥镜系统的光传输系统的导光器815提供光，相干光输入用于接收至少第一波长的相干光，一个或多个相干光源816用于产生至少第一波长的光。耦合装置可进一步包括光学耦合器818，用于同时或交替地将非相干光和相干光提供给光传输系统。
可选地，相干光系统800可以包括控制器820，该控制器820可操作地连接至光学耦合器818，用于控制光学耦合器。控制器可以被包括在与光学耦合器和/或一个或多个激光源相同的装置中，或者可以体现在单独的控制器装置中，并且被配置为使用有线连接或无线连接与耦合装置810通信。
可选地，相干光系统800可以包括可连接至控制器820的用户接口822，用于接收用于控制系统的输入和/或提供关于系统状态的输出。用户接口可以包括一个或多个按钮，例如，电源按钮和用于产生触发信号的按钮。用户接口还可以包括一个或多个状态灯。用户接口可以被包括在与控制器和/或光学耦合器818相同的装置中。或者，用户接口可以体现在不同的装置中，例如，手持装置中，该手持装置被配置为通过有线连接或无线连接与控制器和/或耦合装置810通信。用户接口也可以分布在系统的几个部件上，例如，附接到内窥镜870的手柄的按钮，被配置为向耦合装置发送触发信号，以及耦合装置上的状态灯，指示光学耦合器818的状态。当光学耦合器是光学开关时，光学耦合器的状态是特别相关的。
可选地，如果系统包括视频处理模块830，则相干光系统800可包括或可连接至内部或外部数据存储装置824，用于存储与耦合装置的状态相关的信息和/或用于存储用内窥镜系统获取的图像。该数据存储装置可以通过有线连接或无线连接可操作地连接至控制器820。
可选地，相干光系统800可以包括视频处理模块830。视频处理模块可包括第一视频输入连接器832，用于接收来自用于捕捉内窥镜图像的相机的第一视频流，该相机优选地被包括在内窥镜870中或附接到内窥镜870。视频处理模块可进一步包括视频输出连接器834，用于向内窥镜系统的视频处理模块提供视频输入流或其衍生物。在一些实施例中，视频处理模块可包括第二视频输入连接器836，用于从用于捕捉内窥镜图像的相机接收第二视频流。视频处理模块可进一步包括视频处理器838，用于处理第一视频流和可选地处理第二视频流。优选地，视频处理器包括用于处理视频流的专用图形处理器。视频处理器可进一步包括通用处理单元和用于存储软件(例如，用于生成激光散斑对比图像和/或荧光图像的图像处理软件)的存储器。视频处理模块可进一步包括例如帧抓取器、视频转换器和缓冲器。
图像处理器可包括具有体现在其中的计算机可读程序代码的计算机可读存储介质、以及与该计算机可读存储介质耦合的处理器，优选地为微处理器。该计算机可读程序代码可包括执行用于确定相干光图像(优选地为荧光图像，例如基于ICG的图像或激光散斑对比图像)的方法步骤的指令。
视频处理模块可以被实现为基于云的模块。在这样的实施例中，视频处理模块可以包括用于连接至互联网的网络连接，并且图像处理器可以是互联网连接的计算装置。
在一个实施例中，视频处理器可以根据光学耦合器的状态来处理第一视频流和/或第二视频流。例如，如果光学耦合器是光学开关，则视频处理器可以被配置为，或由控制器820控制为，仅在光学开关处于相干光被提供给光传输系统的状态时处理一个或多个视频流。
视频处理模块830可以被包括在与控制器820相同的装置中，或者可以体现在单独的图像处理装置中，并配置为使用有线连接或无线连接与控制器通信。视频处理器和控制器也可以体现为在共享硬件(例如，包括中央处理单元(CPU)、存储器和可选的图形处理单元(GPU)的嵌入式计算模块)上运行的软件模块。
相干光系统800可以进一步包括显示器840，其可与视频处理模块830连接。因此，该系统可以被配置为在显示器840上显示基于相干光成像的图像或视频，而基于非相干光成像的图像或视频显示在被包括在内窥镜系统中的显示器上。
内窥镜系统可以包括内窥镜870。该内窥镜可包括柔性或刚性插入管860，其具有远端尖端862，用于插入物体(优选地为患者，例如，人体或动物体，优选地为活体)。一些内窥镜系统，通常是具有柔性插入管的系统，可以具有在远端尖端862处或附近安装的图像传感器。其他内窥镜系统，通常是具有刚性插入管的系统，可以有包括图像传感器的成像单元，例如，RGB相机，其位于内窥镜的手柄内或附近。在一些系统中，成像单元可从插入管上拆下来。
可选地，相干光系统800可以包括成像单元850，该成像单元被配置为附接到内窥镜的插入管的近端。成像单元可以包括相机，例如，RGB或RGB/IR相机852。RGB/IR相机的优点是，红外相干光可以与非相干光图像或白光图像同时获得。这样，使用相干光获得的图像和基于非相干光的图像可以以相对容易的方式组合起来，而不需要例如对基于相干光和非相干光的图像的校准。如果第一波长在可见光谱中，则可以通过读取RGB相机的相应通道来获得相干光图像，例如，如果第一波长在电磁光谱的红色部分，则可以通过读取或仅使用RGB图像的红色像素来获得相干光图像，该RGB图像是在用红色相干光照射目标(优选地不同时用非相干光照射)期间捕捉的。
或者，相干光系统800可以包括专用成像模块854，用于获取第一波长的光的图像。专用成像模块可包括分束器器856，例如二向色镜或偏振分束器，用于将内窥镜收集的光分成第一光束和第二光束，第一光束主要包括近似第一波长的光或由荧光标记物发射的波长的光，第二光束包括剩余的光。专用成像模块可进一步包括用于对第一光束进行成像的专用图像传感器858。
专用成像模块854可被配置为附接到内窥镜870的插入管860的近端。专用成像模块可进一步被配置为接收成像单元850，该成像单元被配置为附接到内窥镜的插入管的近端。这样，专用成像，例如，红外成像，可以被添加到具有可拆卸相机的内窥镜中。如果第一波长在电磁光谱的红外部分，则应选择在插入管内或连接点没有红外滤光片的内窥镜。
在相干光系统800的一些实施例中，光学耦合器818可以被配置为能够以高频率(例如60赫兹)切换的光学开关。在这样的实施例中，成像单元850可以是RGB相机，该RGB相机被配置为以高帧率(例如每秒120帧)获取图像或视频流。该相机可以操作性地连接至控制器820。因此，相干光系统可以交替地捕捉相干光图像和非相干光图像，例如，白光图像。视频处理模块830例如可以在视频信号输出834处以60帧/秒的帧率输出基于非相干光图像的视频流，并且可以同样以60帧/秒的帧率将基于相干光图像的视频流发送到显示器840。在一些实施例中，当光学开关在第一状态和第二状态之间切换时获得的图像可能是较低质量的。在这种情况下，相机可以例如获取包括非相干光图像、切换图像、相干光图像和另一个切换图像的序列的视频流。视频处理模块可以不考虑切换图像，并基于相干光和非相干光对于每个以30帧/秒生成视频流。
图9示出了根据本发明实施例的使用相干光耦合系统生成相干光图像的方法。相干光耦合系统可包括光学输入、第一相干光源以及光学输出，光学输入用于接收来自内窥镜系统的光源的非相干光，第一相干光源用于产生第一波长的相干光，光学输出用于将非相干光和第一波长的相干光交替提供给内窥镜系统的光传输系统。光学输出可通过第一导光器连接至内窥镜，光学输入可通过第二导光器连接至非相干光源。
相干光耦合系统可进一步包括光学开关，该光学开关被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，非相干光被注入到光学输出，而相干光未被注入到光学输出，因此未被注入到第一导光器，在第二状态下，相干光被注入到光学输出，而非相干光未被注入到光学输出，因此被注入第一导光器。
在第一步骤902中，相干光耦合系统中的控制器可以接收第一触发信号。响应于接收到第一触发信号，控制器可使光学开关切换904到第二状态。由此，相干光可被提供给内窥镜系统的光传输系统。因此，内窥镜可以用相干光照射目标区域，并收集由目标区域中的组织响应于被照射而反射或发射的光。内窥镜系统的相机可以基于收集到的光来捕捉视频流。
在下一步骤906中，相干光耦合系统中的视频处理模块可以从内窥镜系统的相机接收视频流，该视频流包括基于用第一波长的相干光照射目标区域的图像信息。随后，视频处理模块可以基于接收到的视频流确定908一个或多个相干光图像，例如激光散斑对比图像或荧光图像，例如基于ICG的图像。在一个实施例中，视频流可以包括帧，或者视频处理模块可以被配置为基于接收到的视频流确定帧。单个相干光图像可以基于所接收的视频流的多个帧。
在下一步骤910中，相干光耦合系统可以将一个或多个确定的相干光图像提供给相干光耦合系统的视频信号输出，在相干光耦合系统的显示器上显示一个或多个确定的相干光图像，和/或将该一个或多个确定的相干光图像存储在数据库中，该数据库被包括在相干光耦合系统中或与之相连。
在可选的步骤912中，相干光耦合系统可在确定了预定数量的相干光图像后，或在预定的时间量后，或在接收到第二触发信号时，使光学开关切换到第一状态。
此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”意图也包括复数形式，除非上下文另外地明确指出。应进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
以下权利要求中所有手段或步骤加功能要素的相应结构、材料、动作和等同物，旨在包括与其他具体要求保护的权利要求要素相结合执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，但并不旨在穷举或限制于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适合于预期的特定用途的各种修改。

Claims (38)

1.一种用于将相干光和非相干光耦合到内窥镜系统的光传输系统的第一导光器中的耦合装置，所述内窥镜系统包括非相干光源，用于产生所述非相干光，例如白光，所述耦合装置包括：
光学输入，包括光学输入连接器，所述光学输入连接器用于将所述耦合装置通过第二导光器可释放地连接至所述非相干光源，所述光学输入被配置为接收来自所述内窥镜系统的所述非相干光；
用于产生第一波长的相干光的第一光源，或者用于接收所述第一波长的相干光的相干光输入；
光学输出，包括光学输出连接器，所述光学输出连接器用于将所述耦合装置通过所述第一导光器可释放地连接至内窥镜，所述光学输出被配置为将所述非相干光和所述第一波长的所述相干光提供给所述第一导光器；
在所述耦合装置的至少第一状态下，无阻碍的非相干光束路径，用于将所述非相干光从所述光学输入传播到所述光学输出；
在所述耦合装置的至少第二状态下，无阻碍的相干光束路径，用于将所述相干光从相干光源或从所述相干光输入传播到所述光学输出；
光学耦合器，用于同时和/或交替地将所述非相干光和所述第一波长的所述相干光注入到所述第一导光器中，其中所述相干光和所述非相干光在所述光学输出处具有共享的光路。
2.根据权利要求1所述的耦合装置，其中，所述光学耦合器是光学开关，所述光学开关被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态下，所述相干光不被注入到所述第一导光器中，在所述第二状态下，所述相干光被注入到所述第一导光器中。
3.根据权利要求2所述的耦合装置，其中，在所述第一状态下，所述光学开关被配置为将所述非相干光注入到所述第一导光器中，并且其中，在所述第二状态下，所述光学开关被配置为不将所述非相干光注入所述第一导光器中。
4.根据权利要求2或3所述的耦合装置，其中，所述光学开关包括：
第一面镜，能够在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述第一面镜的反射面被定位成反射在所述非相干光束路径上传播的非相干光，在所述第二位置，所述第一面镜的所述反射面被定位成在远离所述非相干光束路径的方向上反射所述非相干光；和/或
第二面镜，能够在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述第二面镜的反射面被定位成反射在所述相干光束路径上传播的相干光，在所述第二位置，所述第一面镜的所述反射面被定位成在远离所述相干光束路径的方向上反射所述相干光。
5.根据权利要求2或3所述的耦合装置，其中，所述光学开关包括：
第一可切换面镜，能够在透明状态和反射状态之间切换，被定位成在所述反射状态下反射在所述非相干光束路径上传播的非相干光；和/或
第二可切换面镜，能够在透明状态和反射状态之间切换，被定位成在所述反射状态下反射在所述相干光束路径上传播的相干光。
6.根据权利要求2或3所述的耦合装置，其中，所述光学开关包括：
第一光束阻断器，被配置为在所述第一状态下阻断所述相干光，优选地，所述第一光束阻断器包括机械快门，优选地为旋转快门，更优选地为电动旋转快门，或者所述第一光束阻断器包括光束阻断器，该光束阻断器优选地为以下中的一个：液晶光阀、声光调制器、电光调制器或光弹性调制器；和
可选地，第二光束阻断器，被配置为在所述第二状态下阻断所述非相干光，优选地，所述第二光束阻断器包括机械快门，优选地为旋转快门，更优选地为电动旋转快门，或者所述第二光束阻断器包括光束阻断器，该光束阻断器优选地为液晶光阀。
7.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中，所述光学耦合器包括：
第一会聚透镜和第二会聚透镜，所述第一会聚透镜用于减少来自所述光学输入的所述非相干光的发散，所述第二会聚透镜用于将所述非相干光聚焦到第一导光器中；和
面镜，位于所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜之间，被配置为将相干光束和/或非相干光束引导到所述第一导光器中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中，所述光学耦合器包括：
锥形光管，具有用于接收来自所述光学输入的所述非相干光的宽端和用于将所述非相干光提供给所述光学输出的窄端，所述锥形光管被在所述宽端和所述窄端之间的、与所述锥形光管相交的平面分成第一部分和第二部分，所述平面的法线与所述锥形光管的纵轴限定非零角度，优选地，所述锥形光管还包括突起，所述突起具有垂直于相干光路的表面，用于接收所述相干光；和
面镜，在所述锥形光管的所述纵轴上被定位在所述锥状光管的所述第一部分和所述第二部分之间的所述平面上，所述面镜被配置为将激光束引导到所述第一导光器中。
9.根据权利要求2或3所述的耦合装置，其中，所述光学开关包括：
内部导光器，用于将所述非相干光从所述内部导光器的第一端引导到所述内部导光器的第二端；和
开关体，至少包括所述内部导光器的所述第二端，所述开关体能够在对应于所述第一状态的第一位置和对应于所述第二状态的第二位置之间移动，
–在所述第一位置，所述开关体被配置为阻断所述相干光束路径，定位所述内部导光器的所述第一端以接收来自所述光学输入的非相干光，并且定位所述第二端以将所述非相干光注入到所述第一导光器中；以及
–在所述第二位置，所述开关体被配置为不阻断所述相干光束路径，并且至少定位所述内部导光器的所述第二端，使得所述非相干光不被注入到所述第一导光器中。
10.根据权利要求9所述的耦合装置，其中，所述内部导光器是柔性导光器，优选地为熔接光纤束或液体导光器，并且其中，所述内部导器的所述第一端连接至所述光学输入。
11.根据权利要求4所述的耦合装置，其中，所述光学开关是具有马达的电动开关，所述马达可选地为伺服马达；所述马达被配置为在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述第一面镜，以及可选地在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述第二面镜。
12.根据权利要求9或10所述的耦合装置，其中，所述光学开关是具有马达的电动开关，所述马达可选地为伺服马达；所述马达被配置为通过凸轮或曲柄在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述开关体。
13.根据权利要求11或12所述的耦合装置，其中，所述光学开关包括：
第一端部止动件，被配置为将所述第一面镜或所述开关体停止在所述第一位置；
第二端部止动件，被配置为将所述第一面镜或所述开关体停止在所述第二位置；和
弹簧，被配置为在所述开关未被操作的情况下将所述第一面镜或所述开关体保持在所述第一位置或所述第二位置。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的耦合装置，其中，所述光学开关被配置为在所述第一状态和所述第二状态之间自动来回切换，优选地以至少10Hz的频率，更优选地以至少30Hz的频率，甚至更优选地以至少100Hz的频率。
15.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中，所述第二导光器是光管。
16.根据权利要求1-14中任一项所述的耦合装置，其中，所述第二导光器是柔性导光器，优选为纤维束、熔接光纤束或液体导光器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中，所述第一光源是窄带宽激光器，所述窄带宽激光器的光谱带宽优选地小于1nm，更优选地小于0.2nm，甚至更优选地小于0.1nm。
18.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中，所述第一光源是激光器，所述激光器的功率输出至少为20mW，优选地至少为100mW，甚至更优选地至少为150mW。
19.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中所述第一波长在电磁光谱的红色部分中，优选地在600–700nm范围内，更优选地在630–660nm范围中，或者其中所述第一波长在电磁光谱的红外部分中，优选地在700–1200nm范围内，更优选地在700-900nm范围内，甚至更优选地在770–790nm范围内或在820–840nm范围内。
20.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，还包括：
第二光源，用于产生第二波长的相干光，所述第二波长优选地不同于所述第一波长；和
激光耦合器，用于将所述第一波长的所述相干光与所述第二波长的所述相干光组合，所述激光耦合器优选地包括用于选择性地反射所述第一波长的光或所述第二波长的光的二向色镜。
21.根据权利要求20所述的耦合装置，其中，所述第二波长在电磁光谱的蓝色部分或绿色部分中，优选地在380–590nm范围内，更优选地在470–570nm范围内，甚至更优选地在520–560nm范围内。
22.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，其中所述内窥镜系统包括相机，优选地为RGB相机，所述相机被配置为提供视频信号，并且其中所述耦合装置还包括：
视频信号输入连接器，用于接收所述视频信号；
视频信号输出连接器，用于提供视频输出；和
图像处理模块，用于当所述光学耦合器将相干光注入到所述第一导光器中时，基于所述视频信号生成相干光图像，优选地为荧光图像和/或激光散斑对比图像。
23.根据权利要求2和22所述的耦合装置，其中
在所述第一状态下，所述视频信号被循环到所述视频输出；以及
其中在所述第二状态下，所述视频信号被提供给所述图像处理模块，所述图像处理模块被配置为基于所述视频信号确定一个或多个输出图像，优选地为激光散斑对比图像或荧光图像，并且所述一个或多个输出图像在所述视频信号输出连接器处被提供。
24.根据权利要求22或23所述的耦合装置，还包括帧抓取器，用于将连续视频输入信号转换为离散帧以供所述视频处理模块处理。
25.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，还包括第一传感器以及连接至所述第一传感器的控制器，所述第一传感器优选地为光学传感器，其中：
所述第一传感器被配置为仅在所述第一导光器连接至所述光学输出连接器的情况下才向所述控制器发送第一信号；以及
所述控制器被配置为，在所述控制器未接收到所述第一信号的情况下，关断或阻断第一相干光源，以及可选地关断或阻断第二相干光源。
26.根据权利要求2至25中任一项所述的耦合装置，还包括第二传感器以及连接至所述第二传感器的控制器，所述第二传感器优选地为光学传感器，其中：
所述第二传感器被配置为在所述光学开关处于所述第二状态的情况下发送第二信号；以及
所述控制器被配置为，在所述控制器未接收到所述第二信号的情况下，关断或阻断第一相干光源，以及可选地关断或阻断第二相干光源。
27.根据权利要求2至26中任一项所述的耦合装置，还包括用于生成触发信号的控制开关或用于接收触发信号的触发输入，其中所述光学开关被配置为响应于接收到触发信号，从所述第一状态切换到所述第二状态。
28.根据前述权利要求中任一项所述的耦合装置，还包括数据存储介质或数据输出。
29.一种用于利用内窥镜系统生成相干光图像的图像处理系统，所述内窥镜系统包括非相干光源、视频处理单元和内窥镜，所述内窥镜连接至相机，所述图像处理系统包括视频处理装置和根据权利要求2-21中任一项所述的耦合装置，所述视频处理装置包括：
–视频信号输入连接器，用于接收来自所述相机的视频信号；
–第一视频信号输出连接器，用于提供视频输出，所述第一视频信号输出连接器被配置为连接至所述内窥镜系统的所述视频处理单元的视频信号输入；和
–图像处理模块，用于在光学开关处于所述第一状态时基于所述视频信号生成相干光图像。
30.根据权利要求29所述的图像处理系统，所述图像处理系统还包括第二视频信号输出连接器，被配置为连接至第二显示器，所述图像处理系统被配置为当所述光学开关处于所述第一状态时向所述第一视频输出提供非相干光图像，并且当所述光学开关处于所述第二状态时向所述第二视频信号输出提供相干光图像。
31.根据权利要求30所述的图像处理系统，还包括显示器，用于显示相干光图像，所述显示器能够与所述第二视频信号输出连接器连接。
32.一种用于利用内窥镜系统生成红外相干光图像的成像系统，所述内窥镜系统包括非相干光源、内窥镜和用于将光输送到所述内窥镜的光传输系统，所述成像系统包括：
根据权利要求1-14中任一项所述的耦合装置，所述第一波长在电磁系统的红外部分中选择，优选地在700–1200nm范围内，更优选地在700-900nm范围内，甚至更优选地在770–790nm范围内或者820–840nm范围内；
红外成像传感器，被配置为接收由所述内窥镜收集的光；和
图像处理模块，被配置为从所述红外成像传感器接收视频信号，并基于接收到的视频信号确定相干光图像，
优选地为RGB/IR相机，或者，分束器和IR相机，所述分束器用于将目标反射的所述光分为IR光束和白色光束。
33.一种内窥镜系统，优选地为腹腔镜系统，包括根据权利要求1-28中任一项所述的耦合装置。
34.一种使用内窥镜系统生成物体中目标区域的基于相干光的图像的方法，所述物体优选地为人体或动物体，优选地为活体，所述内窥镜系统包括：
–非相干光源，用于产生非相干光，例如白光；和
–内窥镜，所述内窥镜包括用于插入患者体内的插入管、用于照射所述目标区域的光传输系统和用于获取所述目标区域的图像的图像传感器；
所述内窥镜通过第一导光器可释放地连接至相干光耦合系统，所述相干光耦合系统被配置为：
–生成或接收触发信号；
–通过第二导光器接收来自所述非相干光源的所述非相干光；
–接收或生成第一波长的相干光；以及
–选择性地将所述相干光和/或所述非相干光提供给所述第一导光器，其中所述相干光和所述非相干光在所述第一导光器中具有共享的光路；
所述方法包括：
接收第一触发信号；
响应于接收到所述第一触发信号，向所述光传输系统提供相干光；
接收视频流，所述视频流包括表示由所述目标区域反射或散射的相干光的光强度的信号；以及
基于所述视频流确定相干光图像，例如激光散斑对比图像或荧光图像。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括：
显示和/或存储所确定的相干光图像。
36.根据权利要求34或35所述的方法，还包括：
响应于接收到第二触发信号，或者在接收到所述第一触发信号之后的预定时间量，将所述非相干光提供给所述光传输系统，以及优选地，阻断所述相干光进入所述光传输系统。
37.一种计算机程序或计算机程序套件，包括至少一个软件代码部分或存储至少一个软件代码部分的计算机程序产品，当在计算机系统上运行时，所述软件代码部分被配置为执行根据权利要求34至36中的至少一项所述的方法。
38.一种非暂时性计算机可读存储介质，存储至少一个软件代码部分，所述软件代码部分在由计算机执行或处理时，被配置为执行根据权利要求34-36中的至少一项所述的方法。
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