发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种宽视场荧光内窥成像装置和方法,解决了在极小的外径和长度限制下能够实现体内白光和近红外波段的宽视场图像的获取,提高了最终的成像质量和效率。
本发明提出的一种宽视场荧光内窥成像装置,包括插入成像组件、和图像处理组件,所述插入成像组件包括成像光路组件、照明光路组件和插入部,插入部的一端通过内窥镜器械通道插入人体组织、另一端分别与成像光路组件的输入端、照明光路组件的输出端连接;
照明光路组件为插入部提供白光和近红外光耦合后的照明光源,成像光路组件将插入部获取的荧光信号进行分离成像,得到白光图像和近红外荧光图像,图像处理组件对白光图像和近红外荧光图像。
进一步地,所述插入部包括端部透镜组件、成像物镜组件、成像光纤和照明光纤,成像物镜组件、成像光纤同轴设置并组成成像通道,两个端部透镜组件设置于成像通道的轴线两侧并与成像物镜组件连接,照明光纤环绕成像通道设置,照明光纤的一端分别与两个端部透镜组件连接、另一端与照明光路组件的输出端连接,成像光纤的一端与成像物镜组件连接、另一端穿出照明光路组件与成像光路组件的输入端连接。
进一步地,所述照明光路组件包括白光光源、白光准直透镜、激光器、激光扩束透镜一、激光扩束透镜二、激光准直透镜、二向色镜一和耦合物镜一;
白光光源发出的可见光经过白光准直透镜转为白光平行光,激光器发出的激光依次经过激光扩束透镜一、激光扩束透镜二后通过激光准直透镜转为激光平行光,激光平行光经过二向色镜一透射近红外波段光源,近红外波段光源与白光平行光经过耦合物镜一耦合到医用光缆中,医用光缆通过专用的转接接口与照明光纤连接。
进一步地,所述成像光路组件包括耦合物镜二、二向色镜二、耦合物镜四、彩色CC相机、滤光片、耦合物镜三和倍增CCD相机;成像光纤传输的通过耦合物镜二进入二向色镜二,二向色镜二反射可见光波段并透射近红外波段,可见光波段经过耦合物镜四被彩色CC相机采集成像得到白光图像,近红外波段依次经过滤光片、耦合物镜三后被倍增CCD相机采集成像得到近红外荧光图像。
进一步地,所述成像物镜组件包括依次设置的第一透镜、第一垫圈、第二透镜、第二垫圈、光阑、第三透镜和第四透镜,两个端部透镜组件分别设置于第一透镜轴向两侧,第四透镜与成像光纤端头的金属套管通过第三垫圈连接,第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、成像光纤同轴设置。
进一步地,第一透镜和第二透镜具有负光焦度并组成负组,第三透镜和第四透镜具有正光焦度并组成正组,按照负组在前、正组在后,光阑位于正组前焦面位置,构成正负组分离的反远距像方远心摄影物镜。
进一步地,第一透镜为平凹球面透镜,第二透镜为由一个双凸透镜和一个双凹透镜组成的双胶合透镜,第三透镜为由一个弯月透镜加一个双凸透镜组成的双胶合透镜,第四透镜为平凸球面透镜。
一种宽视场荧光内窥成像装方法,包括如下步骤:
将白光光源和激光光源经过耦合通过照明光纤传输到插入成像组件的端部透镜组件位置,照亮人体组织;
获取人体组织被激发后的荧光信号,荧光信号经过插入成像组件端部设置的插入部采集耦合至成像光纤中;
成像光路组件通过将耦合后的荧光信号分离成白光图像和近红外荧光图像;
图像处理组件分别读取白光图像和近红外荧光图像,将增强后的白光图像和增强后的近红外荧光图像叠加融合后进行显示。
本发明提供的一种宽视场荧光内窥成像装置和方法的优点在于:本发明结构中提供的一种宽视场荧光内窥成像装置和方法,通过照明光路组件为插入部进行照明,可以提高插入部的检测质量,成像光路组件对插入部采集的荧光信号进行分离、增强并融合,提高了最终图像的成像质量,能够满足多光谱成像、公差不敏感、宽视场同时保证其成像性能的荧光内镜。解决了在极小的外径和长度限制下能够实现体内白光和近红外波段的宽视场图像的获取,并对获取的宽视场图像进行处理、融合显示的技术问题,进一步提升医务工作者工作效率和图像质量,降低加工和使用成本。
具体实施方式
下面,通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明,在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1至5所示,本发明提出的一种宽视场荧光内窥成像装置,包括成像光路组件1、照明光路组件2、插入部3和图像处理组件4,插入部3的一端通过内窥镜器械通道插入组织、另一端分别与成像光路组件1的输入端、照明光路组件2的输出端连接;照明光路组件2为插入部3提供白光和近红外光耦合后的照明光源,成像光路组件1将插入部3获取的荧光信号进行分离成像,得到白光图像和近红外荧光图像,图像处理组件4对白光图像和近红外荧光图像。
通过照明光路组件2为插入部3进行照明,可以提高插入部的检测质量,成像光路组件1对插入部3采集的荧光信号进行分离、增强并融合,提高了最终图像的成像质量,该成像装置是能够满足多光谱成像、公差不敏感、宽视场同时保证其成像性能的荧光内镜。解决了在极小的外径和长度限制下能够实现体内白光和近红外波段的宽视场图像的获取,并对获取的宽视场图像进行处理、融合显示的技术问题,进一步提升医务工作者工作效率和图像质量,降低加工和使用成本。
以下具体说明。
(A)插入部3包括端部透镜组件31、成像物镜组件32、成像光纤33和照明光纤34,成像物镜组件32、成像光纤33同轴设置并组成成像通道,两个端部透镜组件31设置于成像通道的轴线两侧并与成像物镜组件32连接,照明光纤34环绕成像通道设置,照明光纤34的一端分别与两个端部透镜组件31连接、另一端与照明光路组件2的输出端连接,成像光纤33的一端与成像物镜组件32连接、另一端穿出照明光路组件2与成像光路组件1的输入端连接,成像物镜组件32外周通过成像头端金属结构件35包裹设置,成像头端金属结构件35需满足各透镜和光纤的装配要求。
端部透镜组件31为平凹透镜,增大照明光纤34光线的发散角度,提供覆盖成像视场的照明光场;成像物镜组件32耦合成像光纤33,满足在可见光和近红外光谱下宽视场的成像要求,成像光纤33耦合成像物镜组件32使用,可以利用SMA905插头实现快速装配与拆卸,照明光纤34使用玻璃光纤可以兼顾光谱的耦合效率和弯曲度。插入部3外径小于器械通道内径,成像装置在使用时插入部3经器械通道进入人体内部进行组织观察,有利于医务工作者在多种场景下观察使用。
成像物镜组件32包括依次设置的第一透镜321、第一垫圈322、第二透镜323、第二垫圈324、光阑325、第三透镜326和第四透镜327,两个端部透镜组件31分别设置于第一透镜321轴向两侧,第四透镜327与成像光纤33端头的金属套管331通过第三垫圈328连接,第一透镜321、第二透镜323、第三透镜326、第四透镜327、成像光纤33同轴设置。
第一垫圈322位于第一透镜321和第二透镜323之间,满足成像物镜组件32尺寸和精度的要求,保证前后结构件的间距满足设计要求;第二垫圈324位于第二透镜323与光阑325之间,满足成像物镜尺寸和精度的要求,保证前后结构件的间距满足设计要求,光阑325利用化学蚀刻的方式进行加工,满足成像物镜尺寸和精度的要求;第三垫圈328为成像物镜组件32和成像光纤33之间的垫圈,满足成像物镜尺寸和精度的要求,保证前后结构件的间距满足设计要求;成像光纤33端头的金属套管可以满足成像光纤与成像物镜的同心要求,同时方便成像光纤磨抛时进行夹持。
第一透镜321、第二透镜323、第三透镜326、第四透镜327所构成的成像物镜,是采用“负-正”型的像方远心系统,由具有负光焦度的第一透镜L1和具有负光焦度的第二透镜L2组成负组,由具有正光焦度的第三透镜L3和具有正光焦度的第四透镜L4组成正组,负组在前,,正组在后,光阑303位于正组前焦面位置,构成正负组分离的反远距像方远心摄影物镜。
光线依次经过第一透镜321、第二透镜323、第三透镜326、第四透镜327,最后成像于成像光纤端面S43上;第一透镜321、第二透镜323、第三透镜326、第四透镜327均为球面透镜,第一透镜321为平凹球面透镜,第二透镜323为由一个双凸透镜和一个双凹透镜组成的双胶合透镜,第三透镜326为由一个弯月透镜加一个双凸透镜组成的双胶合透镜,第四透镜327为平凸球面透镜。成像物镜组件32整体结构简单,各表面光焦度配置合理,制造公差合适,方便加工与装配。
作为成像物镜组件32的一个实施例,不排除成像物镜组件32采用其他参数进行成像的方案。成像物镜组件32中各透镜详细参数如表1所示,其中,曲率半径、厚度和通光孔径单位均为毫米(mm):
表1宽视场成像物镜组件具体参数
表1中的L1对应指第一透镜321,L2对应指第二透镜323,L3对应指第三透镜326,L4对应指第四透镜327。宽视场成像物镜组件的半视场为30°,按照光线的成像方向,如图4所示,第一透镜321有两个面S11和S12,第二透镜323有三个面S21、S22和S23,第三透镜326有三个面S31、S3和S33,第四透镜327有两个面S41和S42。
S11面为平面、通光孔径为1mm,S12面的曲率半径为0.628mm、通光孔径为0.81mm,第一透镜321的中心厚度为0.15mm,第一透镜321的S12面到第二透镜323的S21面的中心距离为0.24mm,第一透镜321所用材料为TIF6。
第二透镜323为双胶合透镜,其中S21面的曲率半径为9.143mm、通光孔径为1.0mm,S22面的曲率半径为-0.746mm、通光孔径为0.8mm,S23面的曲率半径为0.719mm、通光孔径为0.8mm;第二透镜323的S21面到S22面的中心距离0.22mm,S22面到S23面的中心距离为0.15mm,第二透镜的323面到光阑325的中心距离为0.82mm;第二透镜323的S21面所用材料为N-LASF31A,S22面所用材料为H-FK95N。
光阑325的面通光孔径为0.25mm,光阑面到第三透镜326的S31面的中心距离为0.27mm。
第三透镜为双胶合透镜,其中S31面曲率半径为1.598mm、通光孔径为1.0mm,S32面曲率半径为0.729mm、通光孔径为1.0mm,S33面曲率半径为-1.177mm,通光孔径为1.0mm;第三透镜的S31面到S32面的中心距离1.06mm,S32面到S33面的中心距离为0.49mm,第二透镜的S33面到第四透镜S41面的中心距离为0mm;第三透镜S31面所用材料为H-ZF88,S32面所用材料为N-PSK57。
第四透镜327的S41面曲率半径为1.499mm、通光孔径为1.0mm,S42面为平面、通光孔径为1.0mm,第四透镜327的中心距离为0.9mm,第四透镜327到成像光纤端面S43的距离为0.7mm,第四透镜327所用材料为N-LASF31。
根据表1中第一透镜321的参数,第一透镜321为平凹透镜具有较大的折射率与曲率,满足大视场设计要求,同时使轴外光线偏转较大,有利于实现像方远心光路。
根据表1中第二透镜323的参数,第二透镜323为正负透镜组合的双胶合透镜,用于校正装置球差和轴向色差,且其组成的负透镜可辅助校正场曲。
根据表1中第三透镜326参数,第三透镜326为正负透镜组合的双胶合透镜,配合第二透镜323校正系统球差和轴向色差,且第三透镜326组成的正透镜和负透镜的阿贝系数相差较大,校正了垂轴色差。
根据表1中第四透镜327参数,第四透镜327为具有较大折射率的平凸透镜,完成光线的偏折作用并校正轴上点像差。同时光阑325放置在第三透镜326与第四透镜327组成的后组透镜的前焦面处,实现像方远心光路,减小光学系统横向尺寸。
根据上述参数条件,宽视场的成像物镜组件32在整个视场内的横向像差校正充分,垂轴色差校正良好,成像性能优异。同时,宽视场的成像物镜组件32在整个视场内的场曲小于10μm,最大畸变约等于3%,表明该物镜在获得宽视场的同时也保证了优异的成像性能。宽视场的成像物镜组件32极小的加工尺寸,保证了成像头端在器械通道内使用的要求。
(B)成像光路组件1包括耦合物镜二11、二向色镜二12、耦合物镜四13、彩色CC相机14、滤光片15、耦合物镜三16和倍增CCD相机17;成像光纤33传输的通过耦合物镜二11进入二向色镜二12,二向色镜二12反射可见光波段并透射近红外波段,可见光波段经过耦合物镜四13被彩色CC相机14采集成像得到白光图像,近红外波段依次经过滤光片15、耦合物镜三16后被倍增CCD相机17采集成像得到近红外荧光图像。
耦合物镜二11为耦合物镜,使用10X或20X放大倍率,匹配耦合物镜四13和耦合物镜三16的双胶合透镜使用,耦合物镜二11可以使用平场复消色差物镜,能够较好的校正宽光谱色差,保证成像质量;二向色镜二12能够反射可见光波段,透射近红外波段,起到分离白光图像信号和荧光图像信号的作用;滤光片15在二向色镜二12分离出白光图像信号的基础上,进一步过滤激光器23发射光干扰,提高荧光图像对比度;耦合物镜三16为荧光信号的成像耦合透镜,匹配耦合物镜二11使用;倍增CCD相机17EMCCD电子倍增型CCD相机或科研级CCD相机,能够采集弱荧光信号,对荧光信号进行成像,得到近红外荧光图像;耦合物镜四13为白光信号成像耦合透镜,匹配耦合物镜二11使用,与耦合物镜三16具有相同规格和参数,需要保证白光图像与荧光图像的光学放大倍率一致,有利于图像处理进行图像融合;彩色CC相机14能够采集白光信号,对白光图像信号进行成像以得到白光图像。
(C)照明光路组件2包括白光光源21、白光准直透镜22、激光器23、激光扩束透镜一24、激光扩束透镜二25、激光准直透镜26、二向色镜一27和耦合物镜一28;白光光源21发出的可见光经过白光准直透镜22转为白光平行光,激光器23发出的激光依次经过激光扩束透镜一24、激光扩束透镜二25后通过激光准直透镜26转为激光平行光,激光平行光经过二向色镜一27透射近红外波段光源,近红外波段光源与白光平行光经过耦合物镜一28耦合到医用光缆中,医用光缆通过专用的转接接口与照明光纤34连接。
白光光源21为可见光波段的白光光源,能够提供成像装置可见光波段的白光照明;白光准直透镜22、能够将白光光束变为平行光出射;激光器23为近红外波段的激光器,能够出射785nm激光,可以根据实际需要选择激光器的工作波段,其中近红外荧光成像主要使用的是785nm以及808nm;激光扩束透镜一24和激光扩束透镜二25组成激光扩束系统,扩大激光器23所发出激光的光束直径;激光准直透镜26能够将光束变为平行光出射;二向色镜一27能够反射可见光波段,透射近红外波段,能够将白光光源与近红外光源叠加耦合输出,选择时需要注意激光的功率与损伤阈值;耦合物镜一28为光源耦合透镜,将叠加后白光光束和近红外激光光束耦合到医用光缆中,医用光缆通过专用的转接接口与照明光纤连接,实现照明光线传输。
医护工作者在使用本发明进行成像观察之前,通过静脉注射或者局部注射的方式将荧光造影剂送入体内,例如吲哚菁绿(Indocyanine Green,ICG)。吲哚菁绿完全可以在血浆和全血液中几乎完全与血浆蛋白结合,可以保证其几乎完全留在血管中,不易向外扩散。同时ICG在活体内几乎无任何毒副作用,吸收光在近红外范围为800-840nm。使用指定波段的光源照射,对应位置能够激发出特定波段的荧光信号。目前ICG能够与多种抗体偶联,用于癌细胞和肿瘤的定向示踪,因此被作为一种常用的血管造影剂使用。如图5所示为宽视场荧光内窥成像装置的成像方法流程示意图。
一种宽视场荧光内窥成像装方法,包括如下步骤:
步骤一、将白光光源和激光光源经过耦合通过照明光纤传输到插入成像组件的端部透镜组件位置,照亮人体组织;
步骤二、获取人体组织被激发后的荧光信号,荧光信号经过插入成像组件端部设置的插入部采集耦合至成像光纤中;
步骤三、成像光路组件通过将耦合后的荧光信号分离成白光图像和近红外荧光图像;
步骤四、图像处理组件分别读取白光图像和近红外荧光图像,将增强后的白光图像和增强后的近红外荧光图像叠加融合后进行显示。
白光光源与激光光源经过耦合物镜一28耦合通过照明光纤34传输到端部透镜组件31位置,照亮人体内组织,激发组织的荧光信号,混合的白光和近红外信号经过成像物镜组件32采集,耦合至成像光纤33内。成像光路组件1利用二向色镜二12和滤光片15将光纤内混合的白光和近红外图像信号分离成白光图像信号和近红外荧光图像信号,分别通过彩色CC相机14和倍增CCD相机17读取白光图像信号和近红外荧光信号。
图像处理组件4通过荧光信号强度检测算法和白光图像自动曝光和增益控制,实现荧光图像信号与白光图像信号对比度实时调控,图像处理组件4再将处理后的荧光图像信号与白光图像信号进行叠加融合并在图像显示器显示,避免由于白光图像过曝、过暗或者荧光图像信号强度过低导致的图像质量下降,同时成像物镜组件32的各项像差得到充分校正,实现荧光图像和白光图像的高质量传输,有利于提升医护工作者图像观察效率,其中荧光信号强度检测算法和白光图像自动曝光和增益控制可以采用现有的图像图像处理算法,在此不赘述。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。