CN117838299A - 适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，涉及生物医学工程技术领域，本发明包括三维重建模块、电机控制模块以及激光标记模块。三维重建模块，用于展示容积激光内镜系统得到的层析图像，以确定发生病变的待标记位置。电机控制模块，用于控制容积激光内镜系统的探头，在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到待标记位置。激光标记模块，用于在探头返回到待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记；激光标记模块包括灼烧激光器、波分复用器以及电开关。该系统能够可以在容积激光内镜系统发现普通的可见光内窥系统无法发现的可疑位置后，采用自动/手动进行高质量的激光标记，便于后续可将光内窥探头的取样。

Description

适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技术是一种新型的成像技术，能够对被测样品实时、快速地进行无接触、无损伤的层析成像，在现代的工业制造、和医学诊断等特殊场景中已有广泛的应用。

OCT技术的基本原理是是一个双臂式干涉仪，由于使用低相干光源，在参考镜位于某一特定位置时，干涉系统仅获取样品臂中的样品对应深度的信息，通过调整样品臂的光程差，即可获取样品不同深度的信息，配合多个方向的扫描，或增加光源的带宽，即可对样品进行三维的层析成像。

在各类OCT技术中，内窥光学相干层析成像(Endoscopic Optical CoherenceTomography,EOCT)是一种应用在内窥场景的OCT技术，其无接触、无损伤、快速成像等特点，使其在消化道、生殖道、呼吸道、心血管、泌尿系统等具有管状结构的生物组织器官的内窥成像上得到了广泛应用，并取得了较大的研究进展。这种技术的一个重要的临床应用，被称为容积激光内镜volumetric laser endomicroscopy,VLE，VLE系统可以搭载EOCT光纤探头，在医学检查中，获得患者整个食管远端显微层析图像。

在内窥诊断中，容积激光内镜系统可以发现传统可见光内窥系统不能发现的、在体表下的病变。在容积激光内镜检查中，经验丰富的医生可以确定图像中的可疑区域，但并不能仅通过图像就认定病变，一般需要进一步的活检数据支撑。由于容积激光内镜系统需要使用小口径的内窥导管，故取样结构不能随着内窥探头一起进入体内，而需要后续的可见光内窥探头携带取样结构进入。

为实现一体化、智能化、便捷化的内窥检查，需要一种方法，使可见光内窥探头能定位到容积激光内镜系统发现的可疑位置，以完成精确取样，这就需要容积激光内镜系统带有必要的标记手段，现有通常采用手动选取位置和烧灼时间的方式，其操作繁琐，由于操作人员的经验不同，无法保证标记质量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，能够在容积激光内镜系统发现普通的可见光内窥系统无法发现的可疑位置后，采用自动/手动进行高质量的激光标记，便于后续可将光内窥探头的取样。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，包括三维重建模块、电机控制模块以及激光标记模块。

三维重建模块，用于展示容积激光内镜系统得到的层析图像，以确定发生病变的待标记位置。

电机控制模块，用于控制容积激光内镜系统的探头，在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到待标记位置。

激光标记模块，用于在探头返回到待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记；激光标记模块包括灼烧激光器、波分复用器以及电开关。

灼烧激光器使用选定的波长的功率，烧灼激光通过波分复用器耦合进容积激光内镜系统，与成像光共用探头光路到达标记位置实现标记。

灼烧激光器上具备激光输出端口和射频输入端口，灼烧激光通过激光输出端口输出；烧灼激光从激光输出端口输出后，将通过滤波片式波分复用器耦合进容积激光内镜系统的样品臂；射频输入端口通过信号电缆连接电信号接入端口；电信号接入端口连接外部的信号发生器或者系统主机；信号发生器或者系统主机发出的电信号从电信号接入端口，经射频输入端口进入灼烧激光器，对灼烧激光的输出进行信号控制。

波分复用器上具备端口一和端口二，端口一为与容积激光内镜系统回拉扫描模块的连接端口，端口二为与容积激光内镜系统成像光路的连接端口。

射频输入端口与电信号接入端口之间的信号电缆上连接电开关，电开关实现射频输入端口与电信号接入端口之间的信号通断。

优选地，烧灼激光的波长选定为1455nm。

进一步地，波分复用器的滤波片选用短波通的FWDM，即成像光使用端口二-波分复用器-端口一的透射光路，烧灼激光使用激光输出端口-波分复用器-端口一的反射光路。

优选地，三维重建系统，用于将容积激光内镜系统采集到的针对同一样品的在时间上连续的层析图像，按照时间顺序进行排列、叠加、配准，从而获得与实际样品对应的三维重建图像。

进一步地，电机控制模块，用于在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到待标记位置，具体为：

容积激光内镜系统中的回拉扫描模块使用的旋转电机和导轨电机为带位置编码的电机时，则电机控制模块将直接通过电机记录的位置编码，控制电机将探头送到指定的待标记位置。

进一步地，电机控制模块，用于在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到待标记位置，具体为：

容积激光内镜系统使用的是无位置编码的电机时，则电机控制模块将记录容积激光内镜系统回拉扫描过程的电机速度、运行时间参数，通过所记录的参数，计算回到指定待标记位置所需的电机参数，以控制电机将探头送到指定位置。

优选地，灼烧激光器设置为在无射频输入的情况下不进行输出。

进一步地，激光标记模块，用于在探头返回到待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记，包括自动灼烧标记或者手动灼烧标记。

进一步地，自动灼烧标记的过程为：

在选定点位所在截面顺时针和逆时针方向上，距离点位特定距离的位置上自动烧灼两个标记点；

探头瞄准待标记位置后，激活烧灼激光器发出灼烧激光，同时成像光路保持成像；烧灼激光光路和成像光路在波分复用器处被分隔开，故不会产生串扰；此时，探头不再旋转，成像光路仅对样品单点处的深度结构进行成像，随着烧灼的进行，样品对成像的衰减会不断增加，成像光路接收到的后向散射光减小；此时，系统不再显示烧灼点处的深度结构，而是对烧灼点处的深度信号进行求和，获取后向散射光的衰减量；系统根据衰减量控制烧灼激光输出强度，当衰减量达到一定值后，烧灼激光停止输出，完成一个点的标记；随后探头旋转，瞄准第二个待标记位置，重复上述步骤，即完成自动标记。

有益效果：

1、本发明提出的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，可以在获得生物组织的三维重建图像后，根据用户需要，对图像中发现的可疑位置进行自动/手动的激光标记，以引导后续可见光内窥探头携带手术工具进行活检取样。该系统自动标记时，容积激光内镜系统保持成像，实时监测标记点的烧伤情况，保证标记质量，并在监测到潜在的危险时即使反馈给系统，做出对应的相应。该系统可以十分简单、便捷地引入容积激光内镜系统，或从容积激光内镜系统中移除。因此本发明系统具有可行性、可操作性以及安全性，并且由于此系统可以适用于大多数应用OCT技术的内窥系统，故也具有泛用性，具有广阔的应用场景。

2、本发明提供的自动激光烧灼方法，系统通过检测标记位置的后向散射的衰减量，实时监控组织的烧伤情况，动态控制烧灼激光的输出，既保证了系统控制的自动烧灼能够完成有效标记，也保护了生物组织不被激光过度灼伤，这在临床应用中提升了系统的可靠性和安全性。

3、本发明系统可以通过波分复用器适配大多数应用OCT技术的内窥系统硬件结构，并且也可以通过更换烧灼激光的波长，适配不同应用OCT技术的内窥系统的波段。总体来说，本发明系统可以应用于不同用途、不同波段、不同驱动结构的容积激光内镜系统中，具有很好的泛用性，因而也具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明智能激光标记系统的一种硬件配置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，涉及内窥光学相干层析成像，以及容积激光内镜系统的设计与搭建。具体是一种适用于医用内窥系统的，能够在容积激光内镜系统对可疑病变位置进行检查、定位后，自动设置能够引导可见光内窥探头进行取样检查的标记的装置。

本发明提供的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，包括三维重建模块、电机控制模块以及激光标记模块。

三维重建模块，用于展示容积激光内镜系统得到的层析图像，以确定发生病变的待标记位置；本发明实施例所采用的三维重建模块可以是针对腔组织样品的三维重建系统，可以将容积激光内镜系统采集到的针对同一样品的在时间上连续的层析图像，按照时间顺序进行排列、叠加、配准，从而获得与实际样品对应的三维重建图像并进行显示，从而实现清晰、直观地确认样品各结构以及可疑病变的相对位置。三维重建图像还支持深度方向上的切片查看，医生在观察重建图像时，可以查看特定深度范围的圆筒状切片图像，以排除三维图像中其他深度体素的干扰和混叠，可以更清晰地确定皮下组织的情况，从而发现不明显的可疑病变。三维重建图像还支持自定义显示范围、放大显示、多角度显示等功能，可以提供任意清晰、方便的角度观察获得的三维图像，以提升人机交互体验、提升诊断的效率和准确性。

电机控制模块，用于控制容积激光内镜系统的探头，可以在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到待标记位置，并使探头射出的聚焦光斑瞄准待标记位置，以便后续进行激光标记。

本发明提供的智能激光标记控制系统，是基于容积激光内镜系统的外置系统，故其运作方式将参考容积激光内镜系统实际硬件条件。在这里，若容积激光内镜系统中的回拉扫描模块使用的旋转电机和导轨电机是带位置编码的电机，那么电机控制模块将直接通过电机记录的位置编码，控制电机将探头送到指定位置；若容积激光内镜系统使用的是无位置编码的普通电机，那么电机控制模块将记录容积激光内镜系统回拉扫描过程的电机速度、运行时间等参数，通过这些参数，粗略计算回到指定位置所需的电机参数，以控制电机将探头送到指定位置，但是，在这种情况下，定位精度将难以保证，系统检测硬件条件后将对用户发出警告。

由于电机的加工精度、系统控制精度等原因，电机控制模块控制电机返回指定位置时可能会产生误差，为了减小这些误差，在系统控制探头到达指定位置时，可以让探头进行一次旋转扫描，和三维重建模块中得到的图像进行比对后，可以大致确认探头是否处于指定位置。

激光标记模块，用于在探头返回到待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记；激光标记模块包括灼烧激光器1、波分复用器3以及电开关8；

灼烧激光器1使用选定的波长的功率，烧灼激光通过波分复用器3耦合进容积激光内镜系统，与成像光共用探头光路到达标记位置实现标记；本发明灼烧激光器设置为在无射频输入的情况下不进行输出。

灼烧激光器1上具备激光输出端口2和射频输入端口6，灼烧激光通过激光输出端口2输出；烧灼激光从激光输出端口2输出后，将通过滤波片式波分复用器3耦合进容积激光内镜系统的样品臂；射频输入端口6通过信号电缆连接电信号接入端口7；电信号接入端口7连接外部的信号发生器或者系统主机；信号发生器或者系统主机发出的电信号从电信号接入端口7，经射频输入端口6进入灼烧激光器1，对灼烧激光的输出进行信号控制。

波分复用器3上具备端口一4和端口二5，端口一4为与容积激光内镜系统回拉扫描模块的连接端口，端口二5为与容积激光内镜系统成像光路的连接端口。波分复用器3的滤波片选用短波通的FWDM，即成像光使用端口二5-波分复用器3-端口一4的透射光路，烧灼激光使用激光输出端口2-波分复用器3-端口一4的反射光路。

射频输入端口6与电信号接入端口7之间的信号电缆上连接电开关8，电开关8实现射频输入端口6与电信号接入端口7之间的信号通断。

系统自动标记的默认方式是在选定点位所在截面顺时针和逆时针方向上，距离点位特定距离的位置上自动烧灼两个标记点。探头瞄准待标记位置后，将激活烧灼激光器，同时成像光路保持成像。在这里，烧灼激光光路和成像光路在波分复用器处被分隔开，故不会产生串扰。此时，探头不再旋转，成像光路仅对样品单点处的深度结构进行成像，随着烧灼的进行，样品对成像的衰减会不断增加，成像光路接收到的后向散射光也逐渐减小。此时，系统不再显示烧灼点处的深度结构，而是对烧灼点处的深度信号进行求和，借此获取后向散射光的衰减量。为保证在获得有效标记的同时不过度灼伤组织，系统将根据测得的衰减量控制烧灼激光输出强度，当衰减量达到一定值后，烧灼激光停止输出，完成一个点的标记。随后探头旋转，瞄准第二个待标记位置，重复上述步骤，即可完成自动标记。

进一步地，为应对医学检查中多变的情况，本发明还提供手动标记的操作选项。手动标记通过在系统向射频输入口传输信号的线缆上串联的开关器件实现。当开关器件锁定时，开关保持闭合状态，此时激光器按照从系统输入的激发信号输出激光；当解除开关器件锁定后，系统将保持输出高电平信号，此时需要使用者通过打开/闭合开关，以控制激光器停止/开始输出激光。为了保证安全，系统将继续监测标记点位后向散射光的衰减情况，当系统认为衰减量达到阈值后，将自动停止输出激光，并向使用者发出警告。

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明的一种可能的硬件配置和结构，而非用于限制本发明的范围。在实际应用中，本发明可以根据不同规格的容积激光内镜系统，调整其硬件配置和结构。

本实施例提供了该系统应用于一种适用于某一特定容积激光内镜系统时的硬件配置和运行方案，该容积激光内镜系统的以下重要参数将在后续的描述中提及：成像光束中心波长为1310nm。如图1所示为本实施例系统方案的简略硬件配置示意图。

烧灼激光由烧灼激光器1产生，并从激光输出端口2输出。烧灼激光的参数由此激光器决定。

优选地，考虑到烧灼激光将与中心波长为1310nm的成像光共用光路，且激光在标记的过程中要尽量减小体液的反射造成的损失，故在此实施例中，将烧灼激光的波长选定为1455nm，以使烧灼激光和成像光能共用系统的G652光纤光路，并且在体液环境下具有较小的反射损失。

进一步地，烧灼激光从激光输出端口2输出后，将通过滤波片式波分复用器FWDM3耦合进容积激光内镜系统的样品臂。在FWDM的其他端口，端口4用于与容积激光内镜系统的回拉扫描电机相连，端口5用于接收容积激光内镜系统光源方向传输过来的光线。

优选地，在FWDM中，其滤波片一般会选用多层反射的滤波结构，以实现特定波长范围的高反射率，这种多层反射结构将影响部分反射光的光程，不利于OCT成像。故在本实施例中，选用短波通的FWDM，即成像光使用5-3-4透射光路，烧灼激光使用2-3-4反射光路，以避免FWDM对成像光路的光程造成影响。

进一步地，烧灼激光的输出可以由端口6输入的信号控制，端口6与信号发生器/系统主机用电缆相连，信号发生器/系统主机发出的电信号从端口7接入本发明系统。

进一步地，在信号电缆上串联有一电开关，在手动控制激光的模式下，用户可以通过与此电开关连接的外部设备，自由控制烧灼激光器的输出。控制电开关的设备可以是按钮、踏板等其他设备，可以按照用户习惯和应用场景自定义配置。若用户要使用系统的自动烧灼标记功能，用户可以将电开关的状态锁定在闭合状态，系统会自动检测电开关是否处在该状态，在该状态下，系统将切换到自动标记模式，即用户在操作程序中选定可疑位置后，系统将自动在默认的标记位置进行标记。

优选地，为保证系统的安全性，激光器已被设置为，在无射频输入的情况下不进行输出。

使用本发明系统时，用户将系统中回拉扫描电机模块前的光纤连接断开，并通过本实施例硬件结构中的端口4和端口5重新建立连接，并将端口7接入信号发生器/系统主机，即可将本发明系统引入普通的容积激光内镜系统，此过程简单易操作，且可以随时将上述连接去除，从容积激光内镜系统中移除本发明系统。

接入系统后，用户启动容积激光内镜系统，完成一次常规成像，将获得的数据输入本系统配套的软件分析工具中，即可获得技术方案中三维重建图像，并可以进行多角度切片观察，并在分析工具中选定标记位置，系统将自动操作回拉扫描电机，返回标记位置。最后，系统主机/信号发生器向激光器输出高电平，即可实现标记。

本实施例是为了举例描述而给出的，并非无遗漏或本发明只限于这一种形式。实施例中可进行的修改和变化对于具有本领域基础知识的普通人而言是容易联想到的。选择此实施例进行描述，仅是为了更好地说明本发明的原理、运作方式和应用场景，并使阅读者更容易理解本发明在特定场景下的可能形式。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (9)

1.适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，包括三维重建模块、电机控制模块以及激光标记模块；

所述三维重建模块，用于展示容积激光内镜系统得到的层析图像，以确定发生病变的待标记位置；

所述电机控制模块，用于控制容积激光内镜系统的探头，在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到所述待标记位置；

所述激光标记模块，用于在探头返回到所述待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记；所述激光标记模块包括灼烧激光器(1)、波分复用器(3)以及电开关(8)；

所述灼烧激光器(1)使用选定的波长的功率，烧灼激光通过波分复用器(3)耦合进容积激光内镜系统，与成像光共用探头光路到达标记位置实现标记；

所述灼烧激光器(1)上具备激光输出端口(2)和射频输入端口(6)，灼烧激光通过所述激光输出端口(2)输出；烧灼激光从激光输出端口(2)输出后，将通过滤波片式波分复用器(3)耦合进容积激光内镜系统的样品臂；射频输入端口(6)通过信号电缆连接电信号接入端口(7)；电信号接入端口(7)连接外部的信号发生器或者系统主机；信号发生器或者系统主机发出的电信号从电信号接入端口(7)，经射频输入端口(6)进入灼烧激光器(1)，对灼烧激光的输出进行信号控制；

所述波分复用器(3)上具备端口一(4)和端口二(5)，所述端口一(4)为与容积激光内镜系统回拉扫描模块的连接端口，所述端口二(5)为与容积激光内镜系统成像光路的连接端口；

射频输入端口(6)与电信号接入端口(7)之间的信号电缆上连接电开关(8)，所述电开关(8)实现射频输入端口(6)与电信号接入端口(7)之间的信号通断。

2.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，烧灼激光的波长选定为1455nm。

3.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述波分复用器(3)的滤波片选用短波通的FWDM，即成像光使用端口二(5)-波分复用器(3)-端口一(4)的透射光路，烧灼激光使用激光输出端口(2)-波分复用器(3)-端口一(4)的反射光路。

4.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述三维重建系统，用于将容积激光内镜系统采集到的针对同一样品的在时间上连续的层析图像，按照时间顺序进行排列、叠加、配准，从而获得与实际样品对应的三维重建图像。

5.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述电机控制模块，用于在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到所述待标记位置，具体为：

所述容积激光内镜系统中的回拉扫描模块使用的旋转电机和导轨电机为带位置编码的电机时，则电机控制模块将直接通过电机记录的位置编码，控制电机将探头送到指定的待标记位置。

6.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述电机控制模块，用于在容积激光内镜系统的回拉扫描流程完成后，将探头送回到所述待标记位置，具体为：

所述容积激光内镜系统使用的是无位置编码的电机时，则电机控制模块将记录容积激光内镜系统回拉扫描过程的电机速度、运行时间参数，通过所记录的参数，计算回到指定待标记位置所需的电机参数，以控制电机将探头送到指定位置。

7.如权利要求1所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述灼烧激光器设置为在无射频输入的情况下不进行输出。

8.如权利要求1～7任一所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述激光标记模块，用于在探头返回到所述待标记位置后，对该待标记位置进行烧灼标记，包括自动灼烧标记或者手动灼烧标记。

9.如权利要求8所述的适用于容积激光内镜系统的智能激光标记控制系统，其特征在于，所述自动灼烧标记的过程为：

在选定点位所在截面顺时针和逆时针方向上，距离点位特定距离的位置上自动烧灼两个标记点；

探头瞄准待标记位置后，激活烧灼激光器(1)发出灼烧激光，同时成像光路保持成像；烧灼激光光路和成像光路在波分复用器(3)处被分隔开，故不会产生串扰；此时，探头不再旋转，成像光路仅对样品单点处的深度结构进行成像，随着烧灼的进行，样品对成像的衰减会不断增加，成像光路接收到的后向散射光减小；此时，系统不再显示烧灼点处的深度结构，而是对烧灼点处的深度信号进行求和，获取后向散射光的衰减量；系统根据所述衰减量控制烧灼激光输出强度，当衰减量达到一定值后，烧灼激光停止输出，完成一个点的标记；随后探头旋转，瞄准第二个待标记位置，重复上述步骤，即完成自动标记。