CN117516888A - 一种积分球数字仿体系统及成像测评方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种积分球数字仿体系统及成像测评方法，该积分球数字仿体系统包括：若干个不同波长的LED光源，多种波长的LED光源的光线经对应的积分球入射端口输入积分球，光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端处设置有一片散射薄膜，光线透过散射薄膜，形成数字仿体。本发明将数字仿体作为标准物可应用于成像系统的检测，具有光谱准确，光强稳定，可溯源等优点，其结构简单，易于应用。
Description
技术领域
本发明涉及生物荧光成像技术领域，尤其涉及一种积分球数字仿体系统及成像测评方法。
背景技术
荧光内窥镜成像在手术导航中，能够用于辅助识别肿瘤位置，有较高的特异性。长期以来，荧光内窥镜成像质量的量化问题仍未得到很好的解决。现有方案采用单一LED光源照明的方法，对荧光内窥镜的视场亮度进行主观评价，缺乏客观性；同时，该方法没有对光源进行强度量化，所得到的评测结果不具备可比较性。除了LED方案，常用的还有实体仿体、数字仿体等评测方法。其中，实体仿体以ICG或量子点等分子作为荧光发射源，存在制作复杂，强度控制难度大，稳定性较低等缺点；而现有数字仿体采用空间光调制器，光学机械结构较为复杂。
综上，为了实现荧光内窥镜的荧光效果量化客观评价，需要一种结构简单、易于使用、光谱光强准确稳定、可量化的数字仿体。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种积分球数字仿体系统及成像测评方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种积分球数字仿体系统，包括：若干个不同波长的LED光源，多种波长的LED光源的光线经对应的积分球入射端口输入积分球，光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端处设置有一片散射薄膜，光线透过散射薄膜，形成数字仿体。
进一步地，数字仿体的出射效率正比于积分球入射端口的面积，反比于积分球的表面积。
进一步地，在散射薄膜上设置带有图案的掩膜板，数字仿体光束经积分球出射端、带有图案的掩膜板、散射薄膜，得到带有图案的二维数字仿体；其中，二维数字仿体的图案与掩膜板的图案相同。
进一步地，将透射式空间光调制器放置于积分球出射端处，通过透射式空间光调制器设置图案，数字仿体光束经积分球出射端、散射薄膜、空间光调制器，得到带有图案的二维数字仿体；其中，二维数字仿体的图案与透射式空间光调制器设置的图案相同。
进一步地，在散射薄膜上设置仿组织材料，通过改变仿组织材料的浓度可以调节数字仿体荧光的深度、散射、吸收；其中，所述仿组织材料包括PDMS、聚氨酯、二氧化钛、氯化血红素。
进一步地，通过仿组织材料调节数字仿体的深度的过程包括：通过调节仿组织材料的固化厚度，以此控制数字仿体荧光的深度。
进一步地，通过仿组织材料调节数字仿体的散射系数和吸收系数的过程包括：
在PDMS中加入二氧化钛来调节数字仿体的散射系数，其中，二氧化钛的质量浓度为0.1%，以此设置散射因子为10cm-1；
或，
在聚氨酯中加入二氧化钛和氯化血红素来调节数字仿体的散射系数和吸收系数，其中，二氧化钛作为散射粒子，氯化血红素作为吸收粒子，二氧化钛的质量浓度为0.2%，氯化血红素的浓度为20ug/g。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，所述方法包括：
步骤S1：若干个不同波长的LED光源出射的光线经对应的积分球入射端口输入积分球，光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端处设置有一片散射薄膜，光线透过散射薄膜，形成数字仿体；
步骤S2：调节光源功率，通过光谱仪和光功率计实现对数字仿体的光谱、光强的标定；
步骤S3：通过荧光成像组件对数字仿体进行成像测试，得到包括光学畸变、TV畸变、分辨率、信噪比、对比度、灵敏度、响应特性在内的成像检测参数。
进一步地，所述荧光成像组件采用荧光内窥镜、荧光腹腔镜或荧光显微镜；所述荧光成像组件包括成像镜头、成像传感器，通过成像镜头接收数字仿体荧光，并投射到成像传感器形成图像。
进一步地，光学畸变的表达式如下：
D=(Y-y)/y；
式中，Y是切线矩形对角线长度，y是实际网格对角线长度；
TV畸变的表达式如下：
D=(H-h)/2h；
式中，H是切线矩形的高度，h是实际网格角点的高度；
信噪比的表达式如下：
SNR=(S-s)/σ；
式中，S是荧光强度，s是背景强度，σ是背景噪声；
对比度的表达式如下：
C=S/s-1；
式中，S是荧光强度，s是背景强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明将积分球应用于数字仿体形成领域，得到光谱准确，光强稳定，可溯源，形状多样的数字仿体。本发明提供的积分球数字仿体系统结构简单，易于应用。
（2）基于本发明提供的积分球数字仿体可以用于对荧光成像组件进行成像测试，得到荧光成像组件的光学畸变、TV畸变、分辨率、信噪比、对比度、灵敏度、响应特性在内的成像检测参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种积分球数字仿体系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的散射薄膜放置于积分球出射端口位置处的示意图；
图3是本发明实施例提供的数字仿体的示意图；其中，图3中的（A）为当散射薄膜采用低散射片时形成的数字仿体的照片；图3中的（B）为当散射薄膜采用高散射片时，形成的数字仿体的照片；
图4是本发明实施例提供的带有图案的掩膜版及对应的带有图案的二维数字仿体的示意图；其中，图4中的（A）为散射薄膜上覆盖带有图案的掩膜板的示意图，图4中的（B）为对应的带有图案的二维数字仿体的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种积分球数字仿体系统的成像测评方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的掩膜板的示意图；其中，图6中的（A）为带有第一图案的掩膜板的示意图；图6中的（B）为带有第二图案的掩膜板的示意图；图6中的（C）为带有第三图案的掩膜板的示意图；
图7是本发明实施例提供的双通道荧光数字仿体的示意图；其中，图7中的（A）为第一通道图像；图7中的（B）为第二通道图像；图7中的（C）为双通道双色的荧光数字仿体示意图。
图中，1- LED光源；2-积分球；3-积分球入射端口；4-积分球出射端口；5-散射薄膜；6-数字仿体；7-光谱仪；8-光功率计；9-荧光成像组件。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种积分球数字仿体系统，包括：若干个不同波长的LED光源1，多种波长的LED光源1的光线经对应的积分球入射端口3输入积分球2，光线在积分球内部经过多次反射，积分球出射端4输出，得到数字仿体光束。在积分球出射端4处设置有一片散射薄膜5（图2），光线透过散射薄膜5，形成数字仿体6（图3）。
进一步地，当散射薄膜5采用低散射片（即透明玻璃）时，形成的数字仿体6如图3中的（A）所示；当散射薄膜5采用高散射片（即毛玻璃）时，形成的数字仿体6如图3中的（B）所示。
进一步地，所述积分球有多个通光孔（即积分球入射端口3），通光孔的孔径为半英寸或1英寸不等，LED光源1的光线经通过积分球入射端口3进入积分球，光线在积分球内部反射，最后从积分球出射端4出射，出射效率正比于通光孔的面积，反比于积分球的表面积。
需要说明的是，光学测量中常用积分球来匀光，积分球多由金属材料制成，内壁涂白色高漫反射层（例如硫酸钡），且球内壁各点漫射均匀，光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。因此，利用积分球的匀光特性，可以进行光谱调节，又利用掩膜板结构特性，可以进行空间光强调节，从而实现生成数字仿体，具有光谱准确，光强稳定，可溯源等优点，其结构简单，易于应用。
进一步地，如图4中的（A）所示，在散射薄膜5上覆盖带有图案的掩膜板。其中，带有图案的掩膜板的中央方形区域中的圆形区域透光，圆形区域与方形区域间的部分不透光。将带有图案的掩膜板放置于积分球出射端4处，数字仿体光束经积分球出射端4、带有图案的掩膜板、散射薄膜5，得到带有对应的图案的二维数字仿体（如图4中的（B）所示）。类似地，采用透射式空间光调制器替代带有图案的掩膜板，通过投射式空间光调制器设置图案，将透射式空间光调制器放置于积分球出射端4处，数字仿体光束经积分球出射端4、透射式空间光调制器、散射薄膜5，得到带有对应的图案的二维数字仿体。
进一步地，在散射薄膜5上设置仿组织材料，通过仿组织材料可以调节数字仿体荧光的深度、散射、吸收等特性参数，数字仿体光束经积分球出射端4、仿组织材料、散射薄膜5，形成数字仿体。
在本实例中，所述仿组织材料包括但不限于PDMS、聚氨酯、二氧化钛、氯化血红素等。
其中，通过仿组织材料调节数字仿体的深度的过程包括：
通过匀胶机转速来调节仿组织材料的固化厚度，以此控制数字仿体荧光的深度。示例性地，以PDMS和二氧化钛的混合物作为仿组织材料为例，根据实际测量，在英寸硅片上涂抹PDMS和二氧化钛的混合物，当匀胶机的转速设置为600rpm，固化后通过台阶仪测得仿组织材料的厚度为83微米；当匀胶机的转速设置为800rpm，固化后通过台阶仪测得仿组织材料的厚度为60微米；当匀胶机的转速设置为1000rpm，固化后通过台阶仪测得仿组织材料的厚度为40微米；当匀胶机的转速设置为1200rpm，固化后通过台阶仪测得仿组织材料的薄膜厚度为19微米。
其中，通过仿组织材料调节数字仿体的散射系数和吸收系数的过程包括：
在PDMS中加入二氧化钛来模拟组织散射，其中，二氧化钛的质量浓度为0.1%，相当于简化散射因子为10cm-1；
或，
在聚氨酯中加入二氧化钛和氯化血红素，其中，二氧化钛为散射粒子，氯化血红素为吸收粒子，二氧化钛的质量浓度为0%~50%，氯化血红素的浓度为0~100mg/g，混合后凝固成仿组织薄层，其中，凝固的过程可在掩膜板上固化或固化后放置在掩膜板上。在本实例中，二氧化钛的质量浓度优选为0.2%，氯化血红素的浓度优选为20ug/g。随着二氧化钛的质量浓度、氯化血红素的浓度的增大，散射系数和吸收系数增大。
如图5所示，本发明提供了一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：若干个不同波长的LED光源1出射的光线经对应的积分球入射端口3输入积分球2，光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端4输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端4处放置透射式光调制器件，光束透过透射式光调制器件产生对应空间结构的二维的数字仿体。
具体地，所述透射式光调制器件包括但不限于采用带有图案的掩模板或空间光调制器等。带有图案的掩模板图案可包括分辨率线对、其他自定义结构等，积分球出射的数字仿体经过带有图案的掩模板空间调制，形成与掩膜板图案相同的实像，即二维的数字仿体。
步骤S2：调节光源功率实现对数字仿体进行光谱、光强的标定。
具体地，通过光谱仪7测量数字仿体对应的光谱，通过调节多种波长光源的相对强度，实现对光谱的调整与标定；通过光功率计8测量数字仿体对应的光强，通过调节光源的整体强度，改变光强，实现对数字仿体的光强的标定。在本实例中，光谱仪及光功率计提供反馈效果，保证该积分球数字仿体系统的稳定性
其中，光谱调制的过程包括：光源波长可选多种，例如将亮度相当的红、绿、蓝三种颜色的LED输入积分球，经过积分球匀光后，那么从积分球出射口可得得到白光，即实现了混光效果。输出光强可以通过调节输入光束的整体光强来实现，具体为在积分球的输入口引入光衰减片等光强调制器件。
步骤S3：通过荧光成像组件9对数字仿体进行成像测试，得到包括畸变、分辨率、信噪比、对比度、灵敏度、响应特性在内的成像检测参数。
进一步地，所述荧光成像组件9可以采用荧光内窥镜、荧光腹腔镜、荧光显微镜等设备。所述荧光成像组件9包括成像镜头、成像传感器，通过成像镜头接收数字仿体荧光，并投射到成像传感器形成图像。所述成像传感器可以采用CMOS传感器、CCD传感器。
示例性地，在本实例中，采用荧光内窥镜作为荧光成像组件9对积分球数字仿体进行成像测试。图6提供了3种掩膜板的图案，如图6中的（A）所示，第一图案用于检测光学畸变、TV（Transverse Vertical）畸变、信噪比、对比度；其中，光学畸变的表达式如下：
D=(Y-y)/y
式中，Y是切线矩形对角线长度，y是实际网格对角线长度。
TV畸变的表达式如下：
D=(H-h)/2h
式中，H是切线矩形的高度，h是实际网格角点的高度。
信噪比的表达式如下：
SNR=(S-s)/σ
式中，S是荧光强度，s是背景强度，σ是背景噪声。
对比度的表达式如下：
C=S/s-1
式中，S是荧光强度，s是背景强度。
如图6中的（B）所示，第二图案用于检测分辨率；如图6中的（C）所示，第三图案用于检测灵敏度、响应特性。
实施例1
本实施例提供了一种近红外波段数字仿体，包括：波长为780nm、810nm、850nm的LED光源、四通光孔的积分球；波长为780nm、810nm、850nm的LED光源出射的光线，分别通过其中的3个积分球入射端口3输入积分球2的内部，波长为780nm、810nm、850nm的LED光源出射的光线对应的光强控制为1：2：1，光线在积分球内部经过多次反射，通过积分球出射端4输出，积分球出射端4处设置有一毛玻璃，毛玻璃的表面放置有一片分辨率测试板，数字仿体光束经积分球出射端4、分辨率测试板、毛玻璃，形成分辨率线对应图案的近红外数字仿体。
实施例2
本实施例提供了一种双通道双色的荧光数字仿体，包括：波长为532nm、630nm的激光光源、三通光的孔积分球；波长为532nm、630nm的激光光源出射的光线分别通过其中的2个积分球入射端口3输入积分球2的内部，波长为532nm、630nm的激光光源出射的光线对应的光强控制为1：1，积分球出射端4处设置有一毛玻璃，在毛玻璃外放置一个液晶空间光调制器，透射式空间光调制器产生两种图案，分别与波长为532nm、630nm的激光同步，数字仿体光束对应的图案，形成双色荧光数字仿体。
如图7所示，为模拟该荧光效果，本实例设置了两个掩膜板，第一个掩膜板通绿光，采集得到第一通道图像（如图7中的（A）所示），第二个掩膜板通红光，采集得到第二通道图像（如图7中的（B）所示），将第一通道图像和第二通道图像叠加，得到双通道双色的荧光数字仿体（如图7中的（C）所示）。
实施例3
本实例提供了一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：若干个不同波长的LED光源1出射的光线经对应的积分球入射端口3输入积分球2，光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端4输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端4处设置有一片散射薄膜，光线透过散射薄膜5，形成数字仿体6。
步骤S2：通过光谱仪7测量数字仿体对应的光谱，通过调节多种波长光源的相对强度，实现对光谱的调整与标定；通过光功率计8测量数字仿体对应的光强，通过调节光源的整体强度，改变光强，实现对数字仿体的光强的标定。
步骤S3：通过荧光成像组件9对数字仿体进行成像测试，得到包括畸变、分辨率、信噪比、对比度、灵敏度、响应特性在内的成像检测参数。
进一步地，散射薄膜上可以覆盖掩膜板，掩膜板的图案及散射薄膜的厚度决定了荧光的效果。当掩膜板为分辨率测试板图案，可以测试荧光成像组件的分辨率；当掩模板为网格形状时，可以测试荧光成像组件的畸变。
当散射薄膜上没有覆盖掩膜板时，调节数字仿体强度，可以测试荧光成像组件的灵敏度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种积分球数字仿体系统，其特征在于，包括：若干个不同波长的LED光源（1），多种波长的LED光源（1）的光线经对应的积分球入射端口（3）输入积分球（2），光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端（4）输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端（4）处设置有一片散射薄膜（5），光线透过散射薄膜（5），形成数字仿体（6）。
2.根据权利要求1所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，数字仿体（6）的出射效率正比于积分球入射端口（3）的面积，反比于积分球的表面积。
3.根据权利要求1所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，在散射薄膜（5）上设置带有图案的掩膜板，数字仿体光束经积分球出射端（4）、带有图案的掩膜板、散射薄膜（5），得到带有图案的二维数字仿体；其中，二维数字仿体的图案与掩膜板的图案相同。
4.根据权利要求1所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，将透射式空间光调制器放置于积分球出射端（4）处，通过透射式空间光调制器设置图案，数字仿体光束经积分球出射端（4）、散射薄膜（5）、空间光调制器，得到带有图案的二维数字仿体；其中，二维数字仿体的图案与透射式空间光调制器设置的图案相同。
5.根据权利要求1所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，在散射薄膜（5）上设置仿组织材料，通过仿组织材料调节数字仿体荧光的深度、散射、吸收；其中，所述仿组织材料包括PDMS、聚氨酯、二氧化钛、氯化血红素。
6.根据权利要求5所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，通过仿组织材料调节数字仿体的深度的过程包括：通过调节仿组织材料的固化厚度，以此控制数字仿体荧光的深度。
7.根据权利要求5所述的积分球数字仿体系统，其特征在于，通过改变仿组织材料的浓度调节数字仿体的散射系数和吸收系数的过程包括：
在PDMS中加入二氧化钛来调节数字仿体的散射系数，其中，二氧化钛的质量浓度为0.1%，以此设置散射因子为10cm-1；
或，
在聚氨酯中加入二氧化钛和氯化血红素来调节数字仿体的散射系数和吸收系数，其中，二氧化钛作为散射粒子，氯化血红素作为吸收粒子，二氧化钛的质量浓度为0%~50%，氯化血红素的浓度为0~100mg/g。
8.一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：若干个不同波长的LED光源（1）出射的光线经对应的积分球入射端口（3）输入积分球（2），光线在积分球内部经过多次反射经积分球出射端（4）输出，得到数字仿体光束；在积分球出射端（4）处设置有一片散射薄膜，光线透过散射薄膜（5），形成数字仿体（6）；
步骤S2：调节光源功率，通过光谱仪（7）和光功率计（8）实现对数字仿体的光谱、光强的标定；
步骤S3：通过荧光成像组件（9）对数字仿体进行成像测试，得到包括光学畸变、TV畸变、分辨率、信噪比、对比度、灵敏度、响应特性在内的成像检测参数。
9.根据权利要求8所述的一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，其特征在于，所述荧光成像组件（9）采用荧光内窥镜、荧光腹腔镜或荧光显微镜；所述荧光成像组件（9）包括成像镜头、成像传感器，通过成像镜头接收数字仿体荧光，并投射到成像传感器形成图像。
10.根据权利要求8所述的一种基于积分球数字仿体系统的成像测评方法，其特征在于，光学畸变的表达式如下：
D=(Y-y)/y；
式中，Y是切线矩形对角线长度，y是实际网格对角线长度；
TV畸变的表达式如下：
D=(H-h)/2h；
式中，H是切线矩形的高度，h是实际网格角点的高度；
信噪比的表达式如下：
SNR=(S-s)/σ；
式中，S是荧光强度，s是背景强度，σ是背景噪声；
对比度的表达式如下：
C=S/s-1；
式中，S是荧光强度，s是背景强度。
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