CN217566002U - 一种内窥镜成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内窥镜成像系统。其中，内窥镜成像系统包括：光源，包括白光源和红外光源，向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明；成像模块，沿光路设置于光源的下游，接收关注区域反射的光信号，生成关注区域的物体的图像，光信号包括白光和/或近红外光；控制模块，与成像模块通信连接，获取图像信息的亮度值，并根据图像信息的亮度值控制光源的照明。本实用新型公开的内窥镜成像系统能够利用近红外荧光组织穿透能力强的特点及对光源的控制，实现白光观测的基础上，能同时看到更深层的组织结构。

Description

一种内窥镜成像系统

技术领域

本实用新型涉及内窥镜技术领域，特别是涉及一种内窥镜成像系统。

背景技术

内窥镜技术是一种集光学、精密制造、图像处理、光电信息、材料和生物工程等高精尖学科为一体的综合技术。近红外光成像技术的应用是利用了近红外光相比可见光独有的对组织粘膜深的穿透深度优势。

目前，常用的插管式内窥镜技术发展比较成熟，为了提升其对癌症的早期筛查率，在内窥镜白光成像技术(WLI)的基础上，发展了一系列应用光学技术获取有针对性的图像的内窥镜技术，包括自体荧光技术(AFI)、窄带成像(NBI)、电子分光色彩强调技术(FICE)和蓝激光成像(BLI)等。这些技术主要从光学层面实现图像增强，提升图像质量，使得目标血管、目标病变区域(即关注区域)的差异性得到增强，提升诊断效率和诊断的精度。

然而，当这些技术面对深层的组织观测时，由于可见光的穿透深度浅，使得成像效果不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种内窥镜成像系统，能够利用近红外光组织穿透能力强的特点及对光源的控制，解决了内窥镜对于深层组织成像不佳的问题。

具体地，本实用新型提供一种内窥镜成像系统，所述内窥镜成像系统包括：光源，包括白光源和红外光源，向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明；成像单元，沿光路设置于所述光源的下游，接收所述关注区域反射的光信号，生成所述关注区域的物体的图像，所述光信号包括白光和/或近红外光；控制单元，与所述成像单元通信连接，获取所述图像的亮度值并根据所述图像的亮度值控制所述光源的照明。

在一实施方式中，所述控制模块，控制所述白光源和所述红外光源交替提供白光和近红外光进行照明；所述成像模块，在所述光源每次照明的时间内进行曝光成像。

在一实施方式中，所述红外光源提供的所述近红外光包括中心波长为805nm的近红外光和/或中心波长为940nm的近红外光。

在一实施方式中，所述光源包括发光二极管或激光二极管。

在一实施方式中，所述内窥镜成像系统还包括滤光片，所述滤光片沿光路设置于所述成像模块的上游，以滤除关注区域反射的光信号中的部分光信号。

在一实施方式中，所述内窥镜成像系统还包括：光学器件，设置于所述光源与光源通道之间，用于将从所述光源发出的光耦合至所述光源通道。

在一实施方式中，所述光学器件用于将不同中心波长的近红外光耦合至同一光源通道。

在一实施方式中，所述光源通道包括一分二光纤，所述一分二光纤包括两个入射端和一个出射端；

所述不同中心波长的近红外光分别耦合于所述一分二光纤不同的入射端，沿着所述一分二光纤不同的支路传播，汇聚于所述一分二光纤的主路，并由所述一分二光纤的所述出射端射出。

在一实施方式中，其特征在于，还包括内窥镜前端，所述内窥镜前端包括活检口、光出口和所述成像装置的镜头，所述光源通道射出光线的一端靠近所述光出口设置。

在一实施方式中，所述控制单元包括数据采集单元、处理单元及亮度调节单元，所述数据采集单元将所述成像单元生成的图像传输到所述处理单元，所述处理单元接收并处理所述成像单元生成的所述图像，所述亮度调节单元获取所述图像的亮度值，并根据所述图像的亮度值控制所述光源的照明。

本实用新型的实施例提供了一种内窥镜成像系统，通过向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明后，接收关注区域反射的光信号，生成关注区域的物体的图像从而实现白光观测的基础上，获取更深层的组织结构的图像，从而增加了内窥镜的功能，拓展了其在癌症诊断和手术中的应用。并且，根据本实用新型的内窥镜成像系统，内窥镜系统获取图像的亮度值，从而反馈可控制光源的照明，从而增强图像信息对细节的描述，从而获取更精准的图像。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式提供的一种内窥镜成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施方式提供的控制模块的控制时序图；

图3为本实用新型一实施方式提供的内窥镜成像系统的部分结构示意图；

图4为本实用新型一实施方式提供的内窥镜成像系统的部分结构示意图；

图5为本实用新型一实施方式提供的内窥镜成像系统中内窥镜前端的结构示意图；

图6为本实用新型另一实施方式提供的内窥镜成像系统中内窥镜前端的结构示意图；

图7为本实用新型一实施方式提供的控制模块的结构示意图；

图8为本实用新型一实施方式提供的内窥镜成像方法的流程图；

图9为本实用新型一实施方式提供的内窥镜成像方法的部分流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施方式用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

第一实施方式

图1为本实用新型一实施方式提供的一种内窥镜成像系统的结构示意图。如图1所示，本实用新型的第一实施方式提供一种内窥镜成像系统，包括光源100、成像模块200和控制模块300。控制模块300控制光源100向关注区域提供照明，并对来自成像模块200生成的图像进行处理。

在上述内窥镜成像系统中，光源100包括白光源和红外光源，向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明。成像模块200沿光路设置于光源100的下游，接收关注区域反射的光信号，而生成关注区域的图像，光信号包括白光和/或近红外光。控制模块300与成像模块200通信连接，获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源100的照明。其中，光路是指光的传播路径，至少包括光传播中的折射、反射后的路线等。

具体地，白光和近红外光照明的关注区域可以但不限于是包含荧光物质(例如ICG，Indocyanine Green，荧光色素吲哚氰绿)的病灶区等。光源100提供的白光和近红外光，经由光纤束传递至关注区域以照明该区域。成像模块200包括镜头113及图像传感器等，镜头113将关注区域反射的光线汇聚于图像传感器处，使图像传感器接收由关注区域反射的光信号。并且，在一些实施方式中，镜头113能够进行聚焦或变焦，从而使获取的图像更清晰、准确。例如，图像传感器包括CMOS传感器或CCD传感器，该图像传感器接收来自镜头113的光信号并转换成图像电信号，而生成图像。成像模块200将图像传递至控制模块300进行处理，并且从控制模块300接收控制信号。控制模块300在接收到图像后，获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源100的照明。在本实施方式中，控制模块300对图像的处理还可以包括：将图像发送至外部设备并呈现于显示设备上，或将图像存储于存储单元(例如可读存储介质)。在一实施方式中，该内窥镜成像系统还包括滤光片，该滤光片沿光路设置于图像传感器的上游，使得关注区域反射的光信号还包括近红外荧光，获取的图像包括近红外荧光图像。

在一实施方式中，内窥镜成像系统还包括控制模块300，控制白光源和红外光源交替提供白光和近红外光进行照明。成像模块200在光源100每次照明时间内进行曝光成像。其中，控制模块300包括控制电路，可通过控制电路实现对白光源和红外光源的控制。需要说明的是，在本实施方式中，在白光源照明期间，图像传感器曝光获取白光彩色图像；在红外光源照明期间，图像传感器曝光获取近红外光图像，且白光源的照明时间和红外光源的照明时间均大于或等于图像传感器的曝光时间。

在本申请的实施方式中，控制光源100的白光源和红外光源交替照明可以由时序控制单元实现。其中，时序控制单元包括时序单元或计时器等但不限于此。具体地，控制模块300包括亮度调节单元330，亮度调节单元330的时序控制单元连接白光源电路和红外光源电路，控制白光源和红外光源交替照明。其中，白光源电路为调节白光源正常发光的电路，红外光源电路为调节红外光源正常发光的电路。成像模块200在光源100的每一次照明的时间内曝光成像。控制模块300控制光源100进行照明，从而使得成像模块200分别获取不同波长的光信号而生成图像。图2展示了一个周期内的一种时序控制，控制模块300根据输出帧频设定图像传感器的曝光时间和光源100的亮度及照亮时间。在一个曝光周期内，白光源和红外光源依次照亮明，图像传感器依次得到白光彩色图像和近红外光图像，并传输到控制模块300进行处理。其中曝光周期为图像传感器的感光周期。具体来说，当图像传感器(例如CMOS图像传感器)感光、白光照明以及近红外光照明时，对应电路中高电平有效。在此过程中，805nm近红外光照明周期、940nm近红外光照明周期和图像传感器曝光周期完全一致，从而成像。而，白光驱动电平与红外光电平正好相反，因此当红外光源照明时，白光源熄灭，图像传感器进行红外光成像；白光源照明时，红外光源熄灭，图像传感器进行白光成像。据此，在一次图像传感器感光过程中，只能有一种模式的光成像，且白光模式和红外模式交替进行，图像传感器的感光周期正好在白光或者红外光的曝光周期内，保证图像传感器记录的图像只来自于单一模式的光照明而生成。

在一实施方式中，红外光源提供的近红外光包括中心波长为805nm的近红外光和/或中心波长为940nm的近红外光。具体地，如图4所示，红外光源可以同时提供中心波长为805nm的近红外光和中心波长为940nm的近红外光，即中心波长为805nm的近红外光和中心波长为940nm的近红外光同时从内窥镜前端的光出口射出。当然，在本实施方式中，红外光源也可以只提供中心波长为805nm的近红外光或中心波长为940nm的近红外光中的一种。即，在图像传感器的一次曝光时间内，仅单一中心波长的近红外光从内窥镜前端射出。其中，近红外光在通过光学器件41后耦合至光源通道42，之后经过内窥镜前端的光出口射出，从而对关注区域照明。需要说明的是，近红外光相比可见光具有对组织粘膜深的穿透深度优势，本实用新型利用该近红外光进行照明能够实现在白光观测的基础上，同时看见更深层组织，使得对深层的血管和组织结构突凸出显影。

在一实施方式中，光源100包括提供白光和近红外光的发光二极管或激光二极管。

在一实施方式中，参见图3所示，内窥镜成像系统还包括：光学器件41，设置于光源100与光源通道42之间，用于将从光源100发出的光耦合至光源通道42。

具体地，光学器件41位于光源100和光源通道42之间，能够将光源100发出的光耦合至光源通道42，以照明关注区域。光学器件41能够将光源100发出的光耦合至光源通道42，例如全反射(TIR)型光学链接装置。其中，光源通道42可以但不限于是光纤。在一实施方式中，光学器件41用于将不同中心波长的近红外光耦合至同一光源通道42，光源通道42将不同中心波长的近红外光汇聚成一束。例如，如图4所示，该光学器件将第一红外光源43提供的中心波长为805nm的近红外光和第二红外光源44提供的中心波长为940nm的近红外光耦合至同一光源通道42(即光纤)。对应地，如图6所示，内窥镜前端包括活检口111、白光出口112、镜头113、近红外光出口116。近红外光出口116同时通过中心波长为805nm的近红外光和中心波长为940nm的近红外光。光源100提供的白光通过白光出口112向关注区域进行照明，光源100提供的近红外光通过近红外光出口116向关注区域进行照明，反射回来的白光和/或近红外光被镜头113采集，然后汇聚至成像模块200进行成像。在本实施方式中，由于优化了设置于内窥镜的管体中的光源通道42(减少设置于内窥镜的管体内的光纤数量)，由以减少占用光源通道42的使用空间，使内窥镜的管体的管径得以减小。同时，内窥镜前端仅设置一个近红外光出口116，有利于优化内窥镜前端的结构布局，减小了内窥镜前端的直径尺寸。优选地，光源通道42可以但不限于是一分二光纤。具体地，如图4所示，一分二光纤包括两个入射端421和一个出射端422，第一红外光源43及第二红外光源44发出的不同中心波长的光线分别经过不同光学器件41(例如透镜)，耦合于一分二光纤不同的入射端421，并沿着一分二光纤不同的支路传播，而后汇聚于一分二光纤的主路，最终由主路上唯一出射端422射出。在本申请的其他实施方式中，还可以通过其他的结构将两种不同中心波长的光线汇聚至一条光路以减小光源通道42的结构尺寸或数量即可。

在另一实施方式中，参考图3及图5所示，内窥镜前端包括活检口111、白光出口112、镜头113、第一近红外光出口114、第二近红外光出口115。第一近红外光出口114和第二近红外光出口分别通过中心波长为805nm的近红外光和中心波长为940nm的近红外光。光源100提供的白光通过白光出口112向关注区域进行照明，光源100提供的近红外光通过第一近红外光出口114和第二近红外光出口115向关注区域进行照明，反射回来的白光和近红外光被镜头113采集，然后传递到成像模块200进行成像。

在一实施方式中，如图7所示，控制模块300包括数据采集单元310、处理单元320及亮度调节单元330。数据采集单元310将成像模块200生成的图像传输到处理单元320。处理单元320接收并处理成像模块200生成的图像。亮度调节单元330获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源100的照明。其中，图像在上述的不同单元件的传播可以采用信号等形式进行传播。

具体地，控制模块300控制光源100进行照明，从而使得成像模块200分别获取不同波长的光信号而生成的图像。图2展示了一个周期内的时序控制，亮度调节单元330根据输出帧频设定图像传感器的曝光时间和光源100的亮度及照亮时间。在一个曝光周期内，白光和红外光光源依次照亮，图像传感器依次得到白光和近红外光图像，并通过数据采集单元310传输到处理单元320进行处理。

具体地，处理单元320对从成像模块200获取的白光彩色图像和近红外光图像进行实时处理，对白光彩色图像和近红外光图像分别进行彩色校正和伪彩处理后，并对白光彩色图像和近红外光图像加权叠加生成融合图像，再把这三种图像实时传输给显示设备显示出来，也可以把近红外光图像单独显示。类似地，在其他实施方式中，成像模块200获取的图像包括白光彩色图像和近红外荧光图像，并且处理单元320根据该白光彩色图像和近红外荧光图像生成融合图像。

本实用新型的内窥镜成像系统能够利用近红外光组织穿透能力强的特点及对光源的控制，实现白光观测的基础上，能同时看到更深层的组织结构，从而增加了内窥镜的观测深度，拓展了其在癌症等诊断和手术中的应用。

第二实施方式

本实用新型的第二实施方式提供一种内窥镜的成像方法，图8为本实用新型本实施方式所提供的内窥镜成像方法流程图。如图8所示，该方法包括如下步骤：

步骤710：向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明；

具体地，在使用内窥镜进行成像时，光源100提供的白光和近红外光，经由光源通道42(例如光纤束等)传递，最终照射至关注区域以获取该关注区域的图像。在本实施方式中，控制模块300控制光源100中的白光源和红外光源交替照明依次提供白光和近红外光，还可以控制光源100中的白光源和红外光源同时照明。在本实用新型的实施方式中，白光和近红外光照明的关注区域可以但不限于是病灶区域，还可以包含荧光物质(荧光色素吲哚氰绿，ICG)的区域等。例如，通过发光二极管及光源通道向包含荧光物质的病灶区进行照明。

步骤720：接收关注区域反射的光信号，生成关注区域的物体的图像，光信号包括白光和/或近红外光。

具体地，在提供的白光和近红外光照射到该关注区域时，光线发生反射，可以通过镜头113的接收关注区域反射的光信号，并将该光信号汇聚于图像传感器处，使图像传感器根据该光信号转换成电信号图像进行成像。在光源100的每一次照明时间内曝光成像，图像传感器分别获取不同波长的光信号而生成图像，可以根据输出帧频设定图像传感器的曝光时间和光源100的亮度及照亮时间。其中，图像传感器可以但不限于是CMOS传感器或CCD传感器等。优选地，在其他实施方式中，近红外光照射到关注区域的荧光物质上，并由该荧光物质激发产生近红外荧光，该近红外荧光经滤光后被成像模块200接收并生成对应的近红外荧光图像。

步骤730：获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源100的照明。

具体地，可以通过控制模块300在接收到图像后，获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源的照明，然后通过成像模块200进行成像，增强了图像对细节的描述，从而获取更精准的图像。其中，根据图像获取到图像的亮度值，且由于亮度值和光源100之间存在因果关系，因此通过图像的亮度值可推知光源100的照明情况，从而确认是否要进行调节。

在一实施方式中，如图9所示，根据亮度值控制光源100的照明的步骤具体包括：

步骤731：判断亮度值是否大于预定值；

步骤732：若亮度值大于预定值，则降低白光和\或近红外光的亮度；

步骤733：若亮度值小于预定值，则增强白光和\或近红外光的亮度。

将获取的亮度值与预定值进行比较，当亮度值大于或小于预定值时，则说明采集到的图像的亮度过高或过低，因而影响到了图像的质量，导致图像不能全面地反应关注区域的特征。其中，预定值可以为范围值或点值，且通常优选为范围值，并可根据实际需要进行调节。具体来说，当获取的亮度值大于预定值时，采集到的图像的亮度过高，出现过度曝光的问题，因而可以根据亮度值与电源功率的对应关系减小光源两端的电压(或减小流经光源100的电流)，从而降低光源100的发光功率，实现对下一帧图像的亮度的调节。类似地，当获取图像的亮度值小于预定值时，采集到的图像的亮度过低，呈现的画面较暗，容易忽略一些细节信息(例如颜色较深的病灶等)，因此，可以对应亮度值与电源功率的对应关系增大光源两端的电压(或增大流经光源的电流)，从而提高光源的发光功率，实现对下一帧图像的亮度的调节。其中，在一实施方式中，每张图片对应一个亮度。亮度指画面的明亮程度，单位是堪德拉每平米(cd/m²)或称nits。

在一实施方式中，该方法还包括将图像发送至外部设备并呈现于显示设备上，或将图像存储于存储单元(例如可读存储介质)。

在一实施方式中，接收关注区域反射的光信号，生成关注区域的物体的图像，光信号包括白光和/或近红外光的步骤具体包括：在提供白光时获取第一图像，在提供近红外光时获取第二图像。

具体地，白光源向关注区域提供白光进行照明，图像传感器在白光源的照明时间内曝光，且白光源的照明时间大于或等于图像传感器曝光时间，从而感光生成白光彩色图像。在白光彩色图像获取结束后(或白光照明结束后)，红外光源向关注区域提供近红外光进行照明，且红外光源的照明时间大于或等于图像传感器曝光时间，从而感光生成近红外光图像。其中，图像传感器可以但不限于是CMOS传感器或CCD传感器等。参见图2所示，在本实施方式中，不同中心波长的近红外光可以同时向关注区域照明，也可以依次向关注区域照明。

本实用新型的内窥镜成像方法通过向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明，接收关注区域反射的光信号，生成关注区域的物体的图像，且获取图像的亮度值，并根据图像的亮度值控制光源的照明，从而实现白光观测的基础上，观测更深层的组织结构，从而增加了内窥镜的功能，拓展了其在癌症诊断和手术中的应用。内窥镜系统获取图像的亮度值，然后反馈可控制光源的照明，增强了图像对细节的描述，从而实现获取更精准的图像。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施方式的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上，仅是本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统包括：

光源，包括白光源和红外光源，向关注区域交替提供白光和近红外光进行照明；

成像模块，沿光路设置于所述光源的下游，接收所述关注区域反射的光信号，生成所述关注区域的物体的图像，所述光信号包括白光和/或近红外光；

控制模块，与所述成像模块通信连接，获取所述图像的亮度值，并根据所述图像的亮度值控制所述光源的照明。

2.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，

所述控制模块，控制所述白光源和所述红外光源交替提供白光和近红外光进行照明；

所述成像模块，在所述光源每次照明的时间内进行曝光成像。

3.根据权利要求1或2所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述红外光源提供的所述近红外光包括中心波长为805nm的近红外光和/或中心波长为940nm的近红外光。

4.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述光源包括发光二极管或激光二极管。

5.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括滤光片，所述滤光片沿光路设置于所述成像模块的上游，以滤除关注区域反射的光信号中的部分光信号。

6.根据权利要求1、2或4中任一项所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括：

光学器件，设置于所述光源与光源通道之间，用于将从所述光源发出的光耦合至所述光源通道。

7.根据权利要求6所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述光学器件用于将不同中心波长的近红外光耦合至同一光源通道。

8.根据权利要求7所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述光源通道包括一分二光纤，所述一分二光纤包括两个入射端和一个出射端；

所述不同中心波长的近红外光分别耦合于所述一分二光纤不同的入射端，沿着所述一分二光纤不同的支路传播，汇聚于所述一分二光纤的主路，并由所述一分二光纤的所述出射端射出。

9.根据权利要求6所述的内窥镜成像系统，其特征在于，还包括内窥镜前端，所述内窥镜前端包括活检口、光出口和所述成像模块的镜头，所述光源通道射出光线的一端靠近所述光出口设置。

10.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述控制模块包括数据采集单元、处理单元及亮度调节单元，所述数据采集单元将所述成像模块生成的图像传输到所述处理单元，所述处理单元接收并处理所述成像模块生成的所述图像，所述亮度调节单元获取所述图像的亮度值，并根据所述图像的亮度值控制所述光源的照明。

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