CN1829470A - 检测及表征生物组织的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测和定位生物组织(7)的密度和/或结构和/或化学组成的差异的方法，以第一确定频段的光持续照射该生物组织，该频段能够使该生物组织产生荧光现象、自体荧光现象或者以第二频段发光的现象。所述方法的特征在于包括以下步骤：通过设置有图像传感器且像素嵌合体设置有补色滤光器的彩色视频装置，视频地采集以上述方式照射的生物组织，对于由此获得的图像的每个点：1)收集与每个像素接收的能量相关的信息，以重构生物组织(7)的图像，b)放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以表征生物组织(7)的差异或使由此获得的图像出现。

Description

检测及表征生物组织的设备

技术领域

本发明涉及一种检测、定位及表征生物组织的密度、结构或化学组成的差异的方法及设备。

背景技术

在现有技术中，已提出多种利用含有内生的发色团的组织的自体荧光(auto-fluorescence)或者由施加的染料或者外生的发色团产生的荧光，来检测或表明生理源(physiological origin)或组织源(histological origin)的组织差异的方法，无论其是否是病理的。

基于发色团含量随着被测区是健康的还是受损的而不同的原理，能够获得活体组织的荧光实时映射。

这种方法已被用于直接观测硬组织(例如牙釉质)、软组织(例如皮肤或者口腔粘膜)上的衰变(decay)损伤，或者经由内窥镜检查路线观测胸内腔或者胃内腔粘膜。

还提出多种利用波长确定的单色光来照射组织，以使该单色光通过在不同波长发光来反馈辐射，以检测和表征组织差异的方法。

根据这种原理，例如，利用在这两个特定波长处的相应测量比较牙齿的健康区和衰变区的发光强度，尤其是利用数学运算来计算这两个发光强度之间的差异，根据获得的值，能够确定衰变的出现，或者表征组织差异或表面退化。

这种方法还用于动物模型中胰腺发炎处理的活体检测，其中通过比较蓝色与红色之间的光谱和强度比，可获得健康组织和受损组织之间的重要组织区别。

在文献资料中可发现其他应用，尤其是气管-支气管结构的癌的活体检测，当组织从发育异常状态变为癌状态时，支气管的自体荧光改变。在这种情况下，可发现损伤会导致500nm附近的绿色荧光减少，而600nm附近的红光波段增加。

同一原理也用于眼科学，以评估晶状体的透明度，因为晶状体的光氧化蛋白质能够通过荧光来表明。

这些应用借助于使用传统的具有光谱分离滤光器的光学装置的设备。

这些滤光器的缺点是需要笨重且易碎的成本很高的设备。光强度必须很高，这会引起寄生荧光发射，而使信噪比下降，并屏蔽掉相关信号的检测。

发明内容

本发明的目的是提出一种可以确保检测、定位及表征生物组织的结构或其他差异的方法及设备，这种设备设计简单、成本低廉、易于使用以及能够消除与各种未知因素相关的不同假相，这些未知因素可能作用于组织表面并干扰测量。

因此，本发明的保护主题是一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的方法，以第一确定频段的光持续照射该生物组织，该频段能够使该生物组织产生荧光现象、自体荧光现象或者以第二频段发光的现象，该方法的特征在于包括以下步骤：

使用彩色视频装置采集以上述方式照射的生物组织的图像，该彩色视频装置设置有图像传感器，该图像传感器具有像素嵌合体，其中像素设置有补色滤光器。

对于所获得的图像的每个点：

a)收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织的图像，

b)放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织的所述差异。

根据本发明，可处理所收集的第二频段内数据，以使用不同于与第二频段自然对应的颜色的颜色来表征所获得的结构差异。

本发明的另一保护主题是一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的设备，其特征在于包括：

照射装置，能够以第一确定频段内的光持续照射生物组织，以使该生物组织产生第二频段内的荧光现象，

彩色视频装置，设置有图像传感器，该图像传感器具有像素嵌合体，其中像素设置有补色滤光器，

采集及计算装置，对于所获得图像的每一点，能够收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织的图像，

放大装置，放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织的所述差异。

该设备还可包括处理装置，该处理装置处理所收集的在第二频段内的数据，以使用不同于与第二频段自然对应的颜色的颜色来表征所获得的结构差异。

本发明的另一保护主题是一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的方法，以第一确定频段的光持续照射该生物组织，该频段能够使该生物组织产生荧光现象、自体荧光现象或者以第二频段发光的现象，其特征在于包括以下步骤：

使用图像采集装置采集以上述方式照射的生物组织的图像，该图像采集装置包括：单色图像传感器即亮度传感器；以及至少一个设置有滤光器的传感器，该滤光器的颜色与希望表明差异的检测期间所发出的荧光的颜色相对应，

对于所获得的图像的每个点：

a)收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织的图像，

b)放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织的所述差异。

本发明的又一保护主题是一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的设备，其特征在于：

照射装置，能够以确定的第一频段内的光持续照射生物组织(7)，以使该生物组织产生第二频段内的荧光现象，

图像采集装置，包括：单色图像传感器即亮度传感器；以及至少一个设置有滤光器的传感器，该滤光器的颜色与在待测差异的检测期间发出的荧光的颜色相对应，

采集及计算装置，对于所获得图像的每一点，能够收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构该生物组织的图像，

放大装置，放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示该生物组织的所述差异。

与现有技术的设备不同，本发明的优点在于其不必借助于单色光源，这使得其首先能够使用由光源供应的大部分能量，而后能够使用处于可见光范围内的辐射波段，提供被测组织的图像(在牙科中，是牙齿图像，或在其他领域中，是粘膜、皮肤、眼睛等的图像)。

在本发明的一个实施例中，例如关于观测硬组织(例如牙釉质)的情况，其中第二频段集中于一种原色(在本例中为红色)，彩色视频设备的CCD传感器设置在具有滤光器的每个像素处，所述滤光器的颜色优选为补色，也就是黄色、品红色及青色。使用补色滤光器的益处是，首先，这些滤光器的反应范围大于原色滤光器的反应范围，因此这些传感器的灵敏度也大于原色传感器的灵敏度；其次可以作用于两个信号，即与每个补色相关的原色信号，而不是仅能够作用于单个信号，即与原色相关的信号，因此能够确保更好地管理所用的滤光。

附图说明

下面参照附图描述本发明的一个实施例，其为非限制性示例，在附图中：

图1为本发明的检测、定位及表征生物组织的结构差异的设备的示意图。

图2为显示波长范围的示意图，本发明在牙科领域的临床应用会借助该波长范围。

具体实施方式

图1所示的本发明的设备包括由电流发生器3供电的氙灯1。由氙灯1提供的非单色光在离开氙灯后被滤光器4滤光，滤光器4能够保持从紫外光延伸到可见光附近的辐射波段。这些光辐射通过波导管5并持续照射生物组织，在此为患者的牙齿7。波导管5被以轴线xx’为中心的纵向管路(channel)穿过，彩色摄影机11能够通过该管路拍摄牙齿7。

摄影机11连接到信号处理装置13，所述信号处理装置连接到视频显示设备15。

在本实施例中，滤光器4允许集中于370nm附近的波段通过，并且如图2所示，此频段的一部分包括处于可见光范围内的部分A。

众所周知，在这种光照的作用下，牙齿的矿物组成，也就是牙釉质产生处于绿光和蓝光范围内的荧光辐射。

此外，由于牙齿衰变而部分变质的牙釉质部分发射650nm范围内的荧光辐射，即红光辐射。

根据本发明，利用彩色摄影机11记录图像，该图像为几个光谱波段的产物，即：

由照射光谱的可见光部分照射牙齿获得的牙齿图像，

由照射光谱的紫外光照射牙釉质产生的荧光获得的牙齿图像，

由于衰变，牙釉质的变质区发出的荧光图像(在红光范围内，即650nm附近)。

根据本发明，放大由牙齿的变质部分产生的在红光(650nm附近)范围内的荧光信号。因此，CCD传感器的像素优选装配有补色(即黄色、品红色及青色)滤光器，并将绿色滤光器添加到所述补色滤光器。在这些条件下，可以理解，例如设置有黄色滤光器的像素如果接收光能，则允许红色光线和绿色光线通过。一旦这个像素接收光能，则需要确定这束光是否为必须进行放大的红色辐射；或者反之，确定这束光是否为不必进行放大的绿色辐射。因此，考虑具有绿色滤光器的相邻像素，并且如果其饱和，则意味着辐射全部为绿色的，因此对于这一像素没有需放大的红色辐射。在相反的情况下，其为导致需放大的红色辐射。

对于CCD传感器的所有像素，逐个地持续地进行处理。这种操作模式将转化为视频监控器15上的显示，首先是牙齿的图像(如上所述，该图像首先从可见光范围内的照射获得，其次从牙釉质产生的在蓝色/绿色波长范围内的荧光获得)，其次是红色图像，其上叠加了检测到的衰变。

根据本发明，显然如果需要，可以将检测到的红色辐射随后再转化成任何其他更适当颜色的显示辐射。

对于本发明，为了便于检测牙齿的变质区，也可以不显示其他参数例如为牙垢、牙斑、先前治疗的填充物、或任何其他生物组成(element)引起的近似颜色的寄生荧光，以有助于所需的诊断。

根据实验可以确定，通过将辐射添加到处于400nm级波长范围内的照射光谱，转移寄生荧光的荧光带，修改产生的荧光光谱。

通过改变发射光谱，显然能够消除寄生荧光的其他现象，寄生荧光在牙釉质上存在牙垢或者牙斑时可能会产生并可能干扰测量。

根据本发明，也可以借助单色图像传感器，尤其是CCD型。因此，图像采集设备包括：首先是第一亮度传感器，其次是具有滤光器的传感器，该滤光器的颜色与待测差异的检测期间所发出的荧光的颜色相对应。例如，为了检测龋齿，该滤光器的颜色是允许650nm的辐射通过，并且当检测发育异常或者癌组织时，该滤光器的颜色是允许500nm的辐射通过。显然，在这种情况下，本发明的设备仅能够检测单一类型的异常。因此，很明显，能够设置其他配有其他滤光器的单色传感器，每加一个可增加一个附加应用。

在本发明的一个具体实施例中，摄影机11可设置有这样的装置，即能够使摄影机在被测区的荧光检测模式下或者可视模式下运行，以产生传统的视频图像。因此，透镜必须装配有与所发射的光的衰减相应的滤光器。摄影机的机头(hand-piece)可设置开关，该开关允许在荧光模式下使用专用滤光器或者停用专用滤光器，以进行传统视频成像。在荧光模式中，也可以在透镜前方设置彩色滤光器，以提高对比度。

尽管就主要在牙科领域内的应用主要描述了本发明的实施，然而本发明也可以应用于例如支气管粘膜等组织变质的检测和定位，其中，支气管粘膜的绿光(500nm附近)范围内的自体荧光减少，而600nm附近的红光范围内的自体荧光增加。

同样，可以借助于除CCD传感器之外的其他传感器，尤其是CMOS传感器。

此外，可以检测和定位组织损伤，例如胰腺损伤，当以集中于波长400nm辐射的频段照射时，所述胰腺损伤的红色荧光(630nm)会显著增加。

Claims (7)

1.一种检测和定位生物组织(7)的密度和/或结构和/或化学组成的差异的方法，以第一确定频段内的光持续照射该生物组织，该频段能够使该生物组织产生荧光现象、自体荧光现象或者以第二频段发光的现象，其特征在于包括以下步骤：

使用彩色视频装置采集以上述方式照射的生物组织的图像，该彩色视频装置设置有图像传感器，该图像传感器具有像素嵌合体，其中像素设置有补色滤光器，

对于所获得的图像的每个点：

a)收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织(7)的图像，

b)放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织(7)的所述差异。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于处理所收集的第二频段内的数据，以使用不同于第二频段自然对应的颜色的颜色来表征所获得的结构差异。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于将辐射添加到能改变荧光光谱的照射光谱的频段上，以转移寄生荧光的荧光波段。

4.一种检测和定位生物组织(7)的密度和/或结构和/或化学组成的差异的设备，其特征在于包括：

照射装置(1)，能够以第一确定频段内的光持续照射生物组织(7)，以使该生物组织产生第二频段内的荧光的现象，

彩色视频装置(11)，设置有图像传感器，该图像传感器具有像素嵌合体，其中像素设置有补色滤光器，

采集及计算装置，对于所获得的图像的每一点，收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织(7)的图像，

放大装置，放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织的所述差异。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于包括处理装置(13)，该处理装置处理所收集的第二频段内的数据，以使用不同于第二频段自然对应的颜色的颜色来表征所获得的结构差异。

6.一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的方法，以第一确定频段内的光持续照射该生物组织，该频段能够使该生物组织产生荧光现象、自体荧光现象或者以第二频段发光的现象，其特征在于包括以下步骤：

使用图像采集装置采集以上述方式照射的生物组织的图像，该图像采集装置包括：单色图像传感器即亮度传感器；以及至少一个设置有滤光器的传感器，该滤光器的颜色与待测差异的检测期间所发出的荧光的颜色相对应，

对于所获得的图像的每个点：

a)收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构生物组织的图像，

b)放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示生物组织的所述差异。

7.一种检测和定位生物组织的密度和/或结构和/或化学组成的差异的设备，其特征在于：

照射装置(1)，能够以第一确定频段内的光持续照射生物组织(7)，以使该生物组织产生第二频段内的荧光现象，

图像采集装置，包括：单色图像传感器即亮度传感器；以及至少一个设置有滤光器的传感器，该滤光器的颜色与在待测差异的检测期间发出的荧光的颜色相对应，

采集及计算装置，对于所获得图像的每一点，收集与每个像素接收的能量相关的数据，以重构该生物组织的图像，

放大装置，放大与第二频段内接收的能量相应的信号，以在所获得的图像上表征或显示该生物组织的所述差异。

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