CN117770736A - 一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于显微内窥成像技术领域，具体涉及一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法。激发光源提供照明光束，照明光束经过准直扩束单元进行准直、扩束处理，得到空间光；空间光通过光分束单元反射，传递到所述内窥探头；内窥探头压电扫描器驱动单模光纤对被测样品进行二维平面点扫描；被测样品被激发后，发射的荧光信号将被扫描物镜收集并耦合至单模光纤的末端，荧光信号沿原路返回，由光分束单元透射，而后经过滤波片，最终被所述光电探测器收集；信号处理单元将光电探测器采集到的微弱荧光信号转换为电信号，并将其传递给所述控制器终端，根据采集到信号的相位信息和幅度信息，控制器终端来重建共聚焦显微成像图。
Description
技术领域
本发明属于显微内窥成像技术领域，具体涉及一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法。
背景技术
癌症是威胁人类健康最可怕的疾病之一。过去的几十年中，在我国十大高发癌症中，消化道癌症发病率一直居高不下，尤其是胃癌、结直肠癌和食管癌的死亡率较高。癌症，特别是消化道肿瘤的早期发现和早诊早治是降低癌症死亡率和提高5年生存率的有效手段。
当前用于癌症诊断的主要技术包括核磁共振成像、超声成像、计算机断层扫描成像、核素成像、正电子发射断层扫描成像和光学成像等方法。其中，超声成像和计算机断层扫描成像更适合于结构成像，分析肿瘤病灶的解剖学形态；核磁共振成像介于结构成像和功能成像之间。这三种成像技术手段归根结底主要注重病灶的形态学诊断，无法从分子、细胞层面对早期病灶进行精准诊断。
光学成像、核素成像以及正电子发射断层扫描成像特别适合研究分子、代谢和生理学事件，称为功能成像，功能成像与结构成像比较，功能成像更能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用。其中核素成像和正电子发射断层扫描成像都存在一定的缺陷，如对人体存在电离辐射、昂贵的设备和检测费用、时间或空间分辨率低、对比度和特异性差以及穿透深度不足等。光学成像技术在很大程度上规避了这些局限性，具有高时间空间分辨率、高对比度和特异性的无损成像能力，使其成为传统成像技术的替代选择。
光学成像包括实现对组织、器官的宏观成像和对组织、细胞或亚细胞水平的介观或微观成像。共聚焦荧光成像技术由于横向分辨率比传统的宽视场荧光显微镜有所提高，可以达到衍射极限，且具有光学切片能力，非常适合微观成像。
共聚焦显微内窥成像技术，是共聚焦显微成像技术的内窥化。利用该技术，无需活检取样就可获得体内器官的在体实时高分辨率细胞形态和黏膜组织微结构影像。由于能够在体内可视化或分析诊断目标，这些技术逐渐发展成为挑战组织病理学的潜在候选人，组织病理学仍然是诊断的金标准。共聚焦显微内窥镜以亚细胞分辨率无创检测人体中空器官或腔体的内部或实时获取组织的生化信息，配合常规光学内镜，实现在体诊断由宏观到微观的跨尺度成像，便于肿瘤的早期诊断和精准切除，有着较高的临床应用价值。
目前，相对流行的两种共聚焦显微内窥镜是整合式共聚焦内窥镜和探头式共聚焦内窥镜。探头式共聚焦内窥镜利用的是光纤束作为成像通道，采用近端扫描模式。但是，探头式共聚焦显微内窥镜存在自身固有的缺点：纤芯之间的非成像空间以及光纤之间的芯到芯距离会造成像素化伪影，因此，光纤束在样本平面上成像的横向分辨率有限；光纤束端面上的背景反射限制了图像对比度；此外，由于相邻光纤纤芯之间包层的光学串扰，相邻图像像素的光相互泄露，导致成像对比度会降低。
因此采用一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置来解决上述问题，为实现高性能、小尺寸、安全可靠的共聚焦显微内镜提供可行的技术途径是有必要的。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，包括：显微控制模块、显微光学模块和信息处理模块；
所述显微光学模块包括激发光源、准直扩束单元、光分束单元、光纤传像单元、内窥探头和图像采集单元；
其中，所述激发光源用于根据显微控制模块的控制提供照明光束；
所述准直扩束单元设置在激发光源的激发光路上，用于将所述激发光源的照明光束进行准直、扩束处理，得到空间光；
所述光分束单元设置在准直扩束单元的出射光路上，用于将空间光反射传输到光纤传像单元，同时，将来自样本表面的荧光信号透射到所述图像采集单元；
所述光纤传像单元设置在光分束单元的反射光路上，用于传递成像光路中的空间光和荧光信号；
所述内窥探头用于在显微控制模块提供的驱动信号作用下，将所述空间光照射至被测样本，待测样品收到激发后发生荧光信号后，收集来自被测样本的荧光信号，将所述荧光信号传递给所述光分束单元；
所述图像采集单元设置在光分束单元的透射光路上，用于根据显微控制模块的控制采集所述光分束单元透射的荧光信号；
所述信息处理模块用于根据图像采集单元的荧光信号生成重建共聚焦显微成像图所需的电信号；
所述显微控制模块用于将驱动信号施加给所述内窥探头，控制所述内窥探头完成成像系统的扫描任务；控制所述激发光源，调节所述激发光源的增益大小；通过与所述图像采集单元电连接，控制图像采集单元的工作。
进一步地，所述内窥探头包括压电扫描器、环形支架、扫描光纤、不锈钢管、前支架和扫描物镜，所述压电扫描器与扫描光纤连接，所述压电扫描器借助所述环形支架和所述不锈钢管封装在一起；所述扫描光纤通过所述前支架固定在压电扫描器的中心位置；所述内窥探头设置在成像系统的远端，完成共聚焦显微内窥成像的扫描任务，并将来自被测样品表面发射的荧光耦合进成像光路。
进一步地，所述光纤传像单元包括光纤耦合器和单模光纤；通过光纤耦合器将空间光耦合进单模光纤，单模光纤的末端和压电扫描器相连接。
进一步地，所述图像采集单元包括第二耦合器、滤波片和光电探测器；将经过所述光分束单元透射的荧光信号透射进入第二耦合器，然后经过滤波片作用，最终被所述光电探测器收集。
进一步地，所述信息处理模块包括信号处理单元和控制器终端；
所述信号处理单元用于将来自所述图像采集单元的荧光信号转换为电信号，并将其发送至所述控制器终端；
所述控制器终端用于根据所述电信号生成共聚焦显微成像图；将控制信号发送至所述扫描控制模块，完成控制信号的传递，以保证实时成像。
进一步地，所述扫描控制模块包括驱动信号发生器、光电探测器驱动电路和激发光源增益调节电路。
第二方面，本发明还提供了一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像方法，包括以下步骤：
激发光源根据显微控制模块的控制提供照明光束，所述照明光束经过所述准直扩束单元进行准直、扩束处理，得到空间光；
所述空间光通过所述光分束单元反射，经所述光纤传感单元传递到所述内窥探头；
所述内窥探头压电扫描器在所述扫描控制模块提供的驱动信号作用下驱动单模光纤对被测样品进行二维平面点扫描；
被测样品被激发后，发射的荧光信号将被所述扫描物镜收集并耦合至单模光纤的末端，荧光信号沿原路返回，由所述光分束单元透射，而后经过所述滤波片，最终被所述光电探测器收集；
所述信号处理单元将所述光电探测器采集到的微弱荧光信号转换为电信号，并将其传递给所述控制器终端，根据采集到信号的相位信息和幅度信息，所述控制器终端来重建共聚焦显微成像图。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明中，内窥探头采用基于压电扫描器和单模光纤相结合的方法，将成像系统的扫描装置设置在系统远端，不仅能够消除对内窥探头的限制并且又避免了近端扫描存在的安全隐患，同时，又可以减小内窥探头的体积，达到小而安全的需求，并且在内窥探头紧凑封装和机械稳定性方面都具有优势；内窥探头设计压电扫描器驱动单模光纤进行点扫描的方式，从根本上克服了市面上采用近端扫描的共聚焦显微内镜存在的像素化伪影、横向分辨率有限、光纤束端面上的背景反射和相邻光纤纤芯之间包层的光学串扰等问题；在以亚细胞分辨率的原位实时成像中具有重要意义，可提供与病理活检相当的细胞结构信息，即可手持，又可与传统腹腔镜兼容，指导肿瘤病灶的精准切除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置的光路原理图；
图3为本发明实施例提供的内窥探头的具体结构图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的技术方案的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
在本发明的一个实施例中，提供了一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，包括：显微控制模块、显微光学模块和信息处理模块；所述显微光学模块包括激发光源、准直扩束单元、光分束单元、光纤传像单元、内窥探头和图像采集单元；所述激发光源、内窥探头和图像采集单元分别与显微控制模块连接，所述图像处理单元与所述控制器终端连接，所述控制器终端与显微控制模块连接；所述准直扩束单元设置在激发光源的激发光路上，所述光分束单元设置在准直扩束单元的出射光路上，所述光纤传像单元设置在光分束单元的反射光路上，所述内窥探头和光纤传像单元通过单模光纤相连接；所述图像采集单元设置在光分束单元的透射光路上；
其中，所述激发光源用于根据显微控制模块的控制提供照明光束；所述准直扩束单元用于将所述激发光源的照明光束进行准直、扩束处理，得到空间光；所述光分束单元用于将空间光反射传输到光纤传像单元，同时，将来自样本表面的荧光信号透射到所述图像采集单元；所述光纤传像单元用于传递成像光路中的空间光和荧光信号；所述内窥探头用于在显微控制模块提供的驱动信号作用下，将所述空间光照射至被测样本，待测样品收到激发后发生荧光信号后，收集来自被测样本的荧光信号，将所述荧光信号传递给所述光分束单元；图像采集单元用于根据显微控制模块的控制采集所述光分束单元透射的荧光信号；信息处理模块用于根据图像采集单元的荧光信号生成共聚焦显微成像图，将总控制信号发送至所述显微控制模块；显微控制模块用于将驱动信号施加给所述内窥探头，控制所述内窥探头完成成像系统的扫描任务；控制所述激发光源，根据总控制信号调节所述激发光源的增益大小，具体的，控制模块通过调节电流大小来调整功率等方式来调节激发光源的增益大小；通过与所述图像采集单元电连接，控制图像采集单元的启停工作。
在具体实施例中，所述激发光源用于提供一束照明光束，能够在成像原理上使本实施例更加适用于多种被检测样本或统一检测样本的不同光学特征，可以实现获取多种荧光染料标记信号的共聚焦显微成像模式，方便全面观察或者研究被测样本。其中，所述激发光源可以是激光光源，也可以是发光二极管、卤素灯或其他光源；所述激光光源可以是仅发出一种波长或一定波长范围的光，也可以由多个波长范围的光源组成。
所述准直扩束单元可以采用光纤准直和扩束光学元件，比如准直透镜和扩束透镜，将所述激发光源提供的照明光束进行准直扩束处理，确保经过所述准直扩束单元的光信号在空间中光斑大小是确定的，方便接下来的光路中光信号的耦合和聚焦。
所述光分束单元可以分光棱镜，将来自所述准直扩束单元优化的光信号反射传输到光纤传像单元，同时可以利用其分光的功能将来自样本表面的荧光信号透射到所述图像采集单元。
所述光纤传像单元包括光纤耦合器和单模光纤，传递成像光路中的光信号，减小光信号在成像光路中产生的损耗。
所述内窥探头作为共聚焦显微内窥成像装置的扫描装置，扫描装置设置在远离成像系统端。如图3所示，内窥探头包括压电扫描器、环形支架、扫描光纤、不锈钢管、扫描物镜和前支架；所述压电扫描器与扫描光纤连接，所述压电扫描器借助所述环形支架和所述不锈钢管封装在一起；所述扫描光纤通过所述前支架固定在压电扫描器的中心位置；所述内窥探头设置在成像系统的远端，完成共聚焦显微内窥成像的扫描任务，并将来自被测样品表面发射的荧光耦合进成像光路。环形支架起到衔接外壳不锈钢管和压电扫描器的作用，前支架起到了保证单模光纤位于压电扫描器前端面的中心位置；扫描物镜因为必须满足尺寸足够小的条件，选取GRIN(梯度折射率)透镜；整个内窥探头中每个部分的固定都是通过紫外固化胶来完成。
所述图像采集单元包括第二耦合器、滤波片和光电探测器，将经过所述光分束单元透射的荧光信号透射进入第二耦合器，然后经过滤波片进一步过滤掉无关光信号，最终携带有用信号的荧光信号被所述光电探测器收集。
在具体实施例中，所述信息处理模块具体包括信号处理单元和控制器终端；所述信号处理单元用于将来自所述图像采集单元的荧光信号转换为电信号，并将其发送至所述控制器终端；所述控制器终端用于根据所述电信号生成共聚焦显微成像图；将控制信号发送至所述扫描控制模块，完成控制信号的传递。所述控制器终端作用：其一，根据电信号重建图像；其二，为了保证实时成像，相位信息必须正确，控制器终端产生控制信号，通过控制信号向显微控制模块发出子命令。其中，所述信号处理单元包括FPGA开发芯片和模数转换器；所述控制器终端包括上位机和液晶显示器。
在具体实施例中，显微控制模块包括扫描控制单元，所述扫描控制单元包括：驱动信号发生器、光电探测器驱动电路和激发光源增益调节电路。所述扫描控制单元用于将驱动信号施加给所述内窥探头，控制所述内窥探头完成成像系统的扫描任务；控制所述激发光源，并调节所述激发光源的增益大小；通过与所述图像采集单元电连接，控制光电探测器的开关设置。
如图2所示，打开激发光源，照明光束通过准直扩束光路，光信号得到优化变为光斑一定的准直光，然后准直和扩束以后的空间光垂直入射光分束单元，即分光棱镜，分光棱镜(呈45度方向固定)将空间光90度反射到光纤耦合器中；其中，准直透镜和光纤耦合器的角度和位置在调节到最佳位置和角度后固定不变，保证整个光路的耦合效率，尽量减小光能量的损耗；通过光纤耦合器将空间光耦合进单模光纤，单模光纤的末端和压电扫描器相结合，完成共聚焦显微内窥成像的扫描设置；激发光通过内窥探头照射待测样品，待测样品收到激发光的照射后，发射待测样品表面的荧光信号，荧光信号通过内窥探头返回成像系统的光路，通过光分束单元透射进入靠近光电探测器端的第二耦合器，然后经过滤波片过滤，最终光电探测器采集到一定波长范围内的荧光信号。
本实施例中，内窥探头采用基于压电扫描器和单模光纤相结合的方法，将成像系统的扫描装置设置在系统远端，不仅能够消除对内窥探头的限制并且又避免了近端扫描存在的安全隐患，同时，又可以减小内窥探头的体积，达到小而安全的需求，并且在内窥探头紧凑封装和机械稳定性方面都具有优势；内窥探头设计压电扫描器驱动单模光纤进行点扫描的方式，从根本上克服了市面上采用近端扫描的共聚焦显微内镜存在的像素化伪影、横向分辨率有限、光纤束端面上的背景反射和相邻光纤纤芯之间包层的光学串扰等问题；在以亚细胞分辨率的原位实时成像中具有重要意义，可提供与病理活检相当的细胞结构信息，即可手持，又可与传统腹腔镜兼容，指导肿瘤病灶的精准切除。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像方法。该系统所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个系统实施例中的具体限定可以参见上文中对于一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像的方法，包括以下步骤：
激发光源根据显微控制模块的控制提供照明光束，所述照明光束经过所述准直扩束单元进行准直、扩束处理，得到空间光；
所述空间光通过所述光分束单元反射，经所述光纤传感单元传递到所述内窥探头；
所述内窥探头压电扫描器在所述扫描控制模块提供的驱动信号作用下驱动单模光纤对被测样品进行二维平面点扫描；
被测样品被激发后，发射的荧光信号将被所述扫描物镜收集并耦合至单模光纤的末端，荧光信号沿原路返回，由所述光分束单元透射，而后经过所述滤波片，最终被所述光电探测器收集；
所述信号处理单元将所述光电探测器采集到的微弱荧光信号转换为电信号，并将其传递给所述控制器终端，根据采集到信号的相位信息和幅度信息，所述控制器终端来重建共聚焦显微成像图。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，包括：显微控制模块、显微光学模块和信息处理模块；
所述显微光学模块包括激发光源、准直扩束单元、光分束单元、光纤传像单元、内窥探头和图像采集单元；
其中，所述激发光源用于根据显微控制模块的控制提供照明光束；
所述准直扩束单元设置在激发光源的激发光路上，用于将所述激发光源的照明光束进行准直、扩束处理，得到空间光；
所述光分束单元设置在准直扩束单元的出射光路上，用于将空间光反射传输到光纤传像单元，同时，将来自样本表面的荧光信号透射到所述图像采集单元；
所述光纤传像单元设置在光分束单元的反射光路上，用于传递成像光路中的空间光和荧光信号；
所述内窥探头用于在显微控制模块提供的驱动信号作用下，将所述激发光信号照射至被测样本，待测样品收到激发后发生荧光信号后，收集来自被测样本的荧光信号，将所述荧光信号通过光纤传像单元传递给所述光分束单元；
所述图像采集单元设置在光分束单元的透射光路上，用于根据显微控制模块的控制采集所述光分束单元透射的荧光信号；
所述信息处理模块用于根据图像采集单元的荧光信号转换为生成共聚焦显微成像图所需的电信号，并将其传递给所述控制器终端，根据采集到信号的相位信息和幅度信息，控制器终端来重建共聚焦显微成像图；
所述显微控制模块用于将驱动信号施加给所述内窥探头，控制所述内窥探头完成成像系统的扫描任务；控制所述激发光源，调节所述激发光源的增益大小；通过与所述图像采集单元电连接，控制图像采集单元的工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，所述内窥探头包括压电扫描器、环形支架、扫描光纤、不锈钢管、前支架和扫描物镜，所述压电扫描器与扫描光纤连接，所述压电扫描器借助所述环形支架和所述不锈钢管封装在一起；所述扫描光纤通过所述前支架固定在压电扫描器的中心位置；所述内窥探头设置在成像系统的远端，完成共聚焦显微内窥成像的扫描任务，并将来自被测样品表面发射的荧光耦合进成像光路。
3.根据权利要求2所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，所述光纤传像单元包括光纤耦合器和单模光纤；通过光纤耦合器将空间光耦合进单模光纤，单模光纤的末端和压电扫描器相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，所述图像采集单元包括第二耦合器、滤波片和光电探测器；将经过所述光分束单元透射的荧光信号透射进入第二耦合器，然后经过滤波片作用，最终被所述光电探测器收集。
5.根据权利要求4所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，所述信息处理模块包括信号处理单元和控制器终端；
所述信号处理单元用于将来自所述图像采集单元的荧光信号转换为电信号，并将其发送至所述控制器终端；
所述控制器终端用于根据所述电信号生成共聚焦显微成像图；将控制信号发送至所述扫描控制模块，完成控制信号的传递，以保证实时成像。
6.根据权利要求5所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置，其特征在于，所述扫描控制模块包括驱动信号发生器、光电探测器驱动电路和激发光源增益调节电路。
7.根据权利要求4-6任一一项所述的一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
激发光源根据显微控制模块的控制提供照明光束，所述照明光束经过所述准直扩束单元进行准直、扩束处理，得到空间光；
所述空间光通过所述光分束单元反射，经所述光纤传感单元传递到所述内窥探头；
所述内窥探头压电扫描器在所述扫描控制模块提供的驱动信号作用下驱动单模光纤对被测样品进行二维平面点扫描；
被测样品被激发后，发射的荧光信号将被所述扫描物镜收集并耦合至单模光纤的末端，荧光信号沿原路返回，由所述光分束单元透射，而后经过所述滤波片，最终被所述光电探测器收集；
所述信号处理单元将所述光电探测器采集到的微弱荧光信号转换为电信号，并将其传递给所述信号处理单元，根据采集到信号的相位信息和幅度信息，所述控制器终端来重建共聚焦显微成像图。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410033286.7A CN117770736A (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410033286.7A CN117770736A (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117770736A true CN117770736A (zh) | 2024-03-29 |
Family
ID=90401913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410033286.7A Pending CN117770736A (zh) | 2024-01-08 | 2024-01-08 | 一种基于远端扫描的共聚焦显微内窥成像装置及方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117770736A (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110353609A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-10-22 | 北京航空航天大学 | 一种具备三维成像能力的光场3d共聚焦内窥镜 |
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2024
- 2024-01-08 CN CN202410033286.7A patent/CN117770736A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110353609A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-10-22 | 北京航空航天大学 | 一种具备三维成像能力的光场3d共聚焦内窥镜 |
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