TWI674883B

TWI674883B - 快速組織分子成像裝置

Info

Publication number: TWI674883B
Application number: TW107124996A
Authority: TW
Inventors: 王強; 邵金華; 孫錦; 段后利
Original assignee: 大陸商無錫海斯凱爾醫學技術有限公司
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2019-10-21
Also published as: CN107361725A; CN107361725B; WO2019015438A1; TW201907872A

Abstract

本發明的實施例提供了一種快速組織分子成像裝置，包括光發射單元、轉向單元、掃描單元和線陣探測單元，其中所述光發射單元用於發射線光束；所述轉向單元用於轉向所述線光束並透過樣品的螢光；所述掃描單元用於調整轉向的線光束的方向以逐行掃描樣品；以及所述線陣探測單元用於採集所述螢光。該快速組織分子成像裝置採用線光源對樣品進行激發，採用一維掃描單元對線光束進行掃描，並使用線陣探測單元對樣品激發光探測，在一維方向實現共聚焦。由於採用線光束與線陣探測單元相結合進行組織分子成像，可以大大提高組織分子的成像速度，可實現即時成像，並且由於掃描單元僅進行一維掃描，因此可以有效提高系統的穩定性。

Description

快速組織分子成像裝置

本發明涉及醫療器械領域，更具體地涉及一種快速組織分子成像裝置。

腫瘤是嚴重威脅人類健康的重大疾病。大量研究表明90%以上的腫瘤來源於上皮細胞的病變，且在癌症發生發展過程中會發生分子和細胞水準的變異。基於光纖束的高解析度光學內窺成像技術，能達到微米或者亞微米的解析度，使內鏡放大倍數達1000倍，相對于其他醫學成像技術（如CT、MRI、PET等）具有無損、即時、在體檢測微小腫瘤性病變等技術優勢，能夠更好地提高腫瘤的早期診斷率。內窺成像的探頭端可深入到活體內部，完成微米級在體即時無損檢測，實現無需取樣的“在體活檢”，為早期細胞分子病變探測帶來新的技術手段。

考慮到上述問題而提出了本發明。本發明提供了一種快速組織分子成像裝置，包括光發射單元、轉向單元、掃描單元和線陣探測單元，其中所述光發射單元用於發射線光束；所述轉向單元用於轉向所述線光束並透過樣品的螢光；所述掃描單元用於調整轉向的線光束的方向以逐行掃描樣品；以及所述線陣探測單元用於採集所述螢光。

示例性地，所述光發射單元包括：光源，用於發射准直光束；以及擴束線聚焦器，設置在所述光源的出口處，用於將所述准直光束擴束並一維聚焦為線光束。

示例性地，所述轉向單元為二向色鏡。

示例性地，所述掃描單元為單個的掃描振鏡。

示例性地，所述掃描單元為空間光調製器。

示例性地，所述裝置還包括設置在所述掃描單元下游的中繼單元和內視單元，其中所述中繼單元用於將所述掃描單元掃描後的線光束聚焦到所述內視單元；所述內視單元用於將聚焦的線光束傳導並聚焦到所述樣品上、並接收樣品發出的螢光；所述螢光經所述中繼單元、所述掃描單元和所述轉向單元後由所述線陣探測單元採集。

示例性地，所述內視單元包括耦合物鏡和成像光纖束，其中所述耦合物鏡設置在所述成像光纖束的一端，用於將所述聚焦的線光束耦合進入所述光纖束的近端；以及所述成像光纖束用於傳導進入的線光束。

示例性地，所述內視單元還包括微型物鏡，所述微型物鏡設置在所述成像光纖束的另一端，用於將所述光纖束傳導的線光束聚焦到所述樣品上。

示例性地，所述線陣探測單元包括依次設置的聚焦透鏡和線陣探測器，其中所述聚焦透鏡用於將所述樣品發出的螢光聚焦；以及所述線陣探測器用於採集聚焦後的螢光信號。

示例性地，所述線陣探測單元還包括狹縫，所述狹縫用於僅允許聚焦平面的螢光通過。

示例性地，所述線陣探測單元還包括濾光器，所述濾光器設置在所述聚焦透鏡和所述線陣探測器之間，用於濾除雜散光。

該快速組織分子成像裝置採用線光源對樣品進行激發，採用一維掃描單元對線光束進行掃描，並使用線陣探測單元對樣品激發光探測，在一維方向實現共聚焦。由於採用線光束與線陣探測單元相結合進行組織分子成像，可以大大提高組織分子的成像速度，可實現即時成像，並且由於掃描單元僅進行一維掃描，因此可以有效提高系統的穩定性。

為了使得本發明的目的、技術方案和優點更為明顯，下面將參照附圖詳細描述根據本發明的示例實施例。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是本發明的全部實施例，應理解，本發明不受這裡描述的示例實施例的限制。基於本發明中描述的本發明實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動的情況下所得到的所有其它實施例都應落入本發明的保護範圍之內。

圖1和圖2分別示意性地示出了根據本發明一個實施例的快速組織分子成像裝置100的框圖和光路圖。該快速組織分子成像裝置100包括光發射單元110、轉向單元120、掃描單元130和線陣探測單元160。該快速組織分子成像裝置100可廣泛應用於消化道、呼吸道等各個部位的組織分子成像，實現腫瘤的早期診斷。

光發射單元110用於發射線光束。在一個實施例中，光發射單元110可以包括光源112和擴束線聚焦器114。光源112用於發射准直光束。光源112可以為發射特定波長的准直鐳射的雷射器。所述特定波長範圍可以為20nm-2000nm。該波長範圍內的鐳射可以激發大範圍的螢光體。光源112可以為量子阱雷射器、固態雷射器、氣體雷射器（例如氬離子雷射器）或者鐳射二極體。擴束線聚焦器114設置在光源112的出口，用於將光源112發出的准直光束擴束並一維聚焦為線光束。擴束線聚焦器114可以包括擴束透鏡和柱透鏡。擴束透鏡可以包括兩個L1、L2，兩個擴束透鏡L1、L2配合將光源112發出的准直光束進行擴束，以改變准直光束的直徑。柱透鏡包括L3，其將擴束後的光束一維聚焦為線光束並傳導至轉向單元120。

轉向單元120位於光發射單元110的下游，用於轉向光發射單元110發射的線光束，並且能夠使樣品的螢光透射。在圖1和2中，實線用於表示光發射單元110發出的線光束，虛線用於表示樣品受激發出的螢光。轉向單元120用於分離光發射單元110發出的光和樣品激發產生的螢光。轉向單元120對螢光的透射率可以達到90%以上，而對於其他波長的光基本上全部反射。於是，光發射單元110發出的線光束在經過轉向單元120被反射到掃描單元130。沿與線光束相同的光路返回的螢光在經過轉向單元120時透射，並傳導至線陣探測單元160。滿足上述條件的轉向單元120可以為二向色鏡。優選地，該二向色鏡的波長範圍可以在40nm-2200nm波長範圍內。

掃描單元130位於轉向單元120的下游，對轉向的線光束進行一維擺掃，用於調整轉向的線光束的方向以逐行掃描樣品。具體地，線光束可以為例如沿X方向延伸的線光束，掃描單元130將該線光束轉向到下游的光學部件（例如中繼單元140），同時進行Y方向掃描。Y方向與X方向成一定角度，例如成90度的直角。掃描單元130主要進行Y方向的一維掃描。這樣，與X方向的線光束配合進行一次Y方向上的掃描就可以形成整幅圖像。由此可見，採用線光束結合線陣探測單元160可以逐行成像，因此相比于現有的逐點成像，成像速度得以大幅提高。舉例來說，現有的逐點成像系統每次只能得到圖像上的一個點，假設1個點成像的時間為1ms，對於512×512圖元的圖像而言，那麼成整幅圖像需要的時間為1ms×512×512=0.26s，1秒內大約能成4幅圖像；而對於本申請提供的線掃描系統，拍攝1次能一次性得到一行圖像，理論上就比原來提高了512倍。假設相機一次曝光時間為40ms，那麼成一幅圖像時間為40ms×512=0.02s，1秒內大約能成50幅圖像。此外，由於僅進行一維方向上的擺掃，掃描單元130可以為單個的掃描振鏡。掃描振鏡的頻率可以在10-2000KHz的頻率範圍內。單個掃描振鏡的使用可以大幅降低噪音，並且精簡裝置的組成和控制的複雜度，提高了整機穩定性，同時降低了製造成本和維護成本。此外，掃描單元130也可以為空間光調製器。空間光調製器相比於掃描振鏡來說，成本相對較高。

該快速組織分子成像裝置100還包括設置在掃描單元130下游的中繼單元140和內視單元150。

中繼單元140用於將掃描單元130掃描後的線光束聚焦到內視單元150。中繼單元140通常為透鏡組，例如透鏡L4、L5。

內視單元150用於將中繼單元140聚焦的線光束傳導並聚焦到樣品上，並且接收樣品發出的螢光。該螢光經中繼單元140和轉向單元120後由線陣探測單元160採集。內視單元150可以包括耦合物鏡152、微型物鏡156、以及和耦合在耦合物鏡152和微型物鏡156之間的成像光纖束154。中繼單元140可以包括兩個中繼透鏡L4、L5，它們相互配合將掃描後的線光束中繼到內視單元150中的耦合物鏡152的後瞳。耦合物鏡152用於將線光束耦合（例如聚焦）進入成像光纖束154的近端（靠近操作人員的一端）。成像光纖束154用於將線光束傳導至成像光纖束154的遠端（遠離操作人員的一端）。微型物鏡156用於將成像光纖束154傳導的鐳射聚焦到樣品的檢測面上。檢測面可以位於樣品表面以下的所需深度處。樣品的該檢測面處的螢光團受激發出螢光。螢光信號經過微型物鏡156收集，經成像光纖束154、耦合物鏡152和中繼單元140傳導，掃描單元130反射，穿過轉向單元120進入線陣探測單元160。成像光纖束154所包括的光纖束的數量可以大於十根。微型物鏡156不是必須的。在對清晰度要求不高的情況下，可選地，可以省略微型物鏡156。微型物鏡156可以設計成可伸入到消化道、呼吸道等內，與消化道、呼吸道等的表面相接觸。

在探測光路上，線陣探測單元160採集依次經內視單元150、中繼單元140、掃描單元130和轉向單元120返回的螢光。在一個優選實施例中，線陣探測單元160包括聚焦透鏡162和線陣探測器166。聚焦透鏡162用於將樣品發出的螢光聚焦。線陣探測器166用於採集聚焦透鏡162聚焦後的螢光信號。聚焦後的螢光在線陣探測器166的光敏面上感光。線陣探測器166可以為各種類型的線陣相機，例如電荷耦合元件（Charge Coupled Device，簡稱CCD）線陣相機或互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡稱CMOS）線陣相機等。線陣探測器166的成像速度在幾十幀到幾千萬幀的範圍內。

可選地，在聚焦透鏡162和線陣探測器166之間可以設置有狹縫164，狹縫164用於僅允許聚焦平面的螢光通過。狹縫164的尺寸可以在幾十納米到幾十毫米的範圍內。狹縫164的存在使得聚焦平面外的雜散光被阻擋掉。只有聚焦平面上被線光束照亮樣品發出的螢光被接收，通過掃描單元130的掃描，聚焦平面處樣品的所有行的樣品發出的螢光都被線陣探測器166接收，並按照掃描的軌跡排列成二維圖像，進而可快速實現可觀測的組織分子圖像。可選地，線陣探測單元160包括濾光器。濾光器（未示出）設置在聚焦透鏡162和線陣探測器166之間，用於濾除雜散光。在有狹縫164的實施例中，濾光器可以設置在聚焦透鏡162和狹縫164之間。

概括地說，光源112發出的准直光束，經擴束線聚焦器114擴束並一維彙聚成線光束，轉向單元120將線光束折轉，掃描單元130將線光束通過中繼單元140耦合進入內視單元150，內視單元150將雷射光束傳導至樣品，激發出螢光並傳遞回線陣探測單元160進行成像。

示例性地，線陣探測器採集到的資料可以發送至電腦，由電腦接收並處理。此外，該電腦還可以對掃描單元（例如振鏡的頻率等）、線陣探測器的曝光和增益、以及光發射單元的發射功率等進行控制。

該快速組織分子成像裝置100採用線光源對樣品進行激發，採用一維掃描單元130（例如單個掃描振鏡）對線光束進行掃描，並使用線陣探測單元160對樣品激發光探測，在一維方向實現共聚焦。由於採用線光束與線陣探測單元160相結合進行組織分子成像，可以大大提高組織分子的成像速度，可實現即時成像，並且由於掃描單元130僅進行一維掃描，因此可以有效提高系統的穩定性。

儘管這裡已經參考附圖描述了示例實施例，應理解上述示例實施例僅僅是示例性的，並且不意圖將本發明的範圍限制於此。本領域普通技術人員可以在其中進行各種改變和修改，而不偏離本發明的範圍和精神。所有這些改變和修改意在被包括在所附權利要求所要求的本發明的範圍之內。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的設備和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的設備實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或元件可以結合或者可以集成到另一個設備，或一些特徵可以忽略，或不執行。

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

類似地，應當理解，為了精簡本發明並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該本發明的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多的特徵。更確切地說，如相應的權利要求書所反映的那樣，其發明點在於可以用少於某個公開的單個實施例的所有特徵的特徵來解決相應的技術問題。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。

本領域的技術人員可以理解，除了特徵之間相互排斥之外，可以採用任何組合對本說明書（包括伴隨的權利要求、摘要和附圖）中公開的所有特徵以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書（包括伴隨的權利要求、摘要和附圖）中公開的每個特徵可以由提供相同、等同或相似目的的替代特徵來代替。

此外，本領域的技術人員能夠理解，儘管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特徵而不是其它特徵，但是不同實施例的特徵的組合意味著處於本發明的範圍之內並且形成不同的實施例。例如，在權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

應該注意的是上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，並且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的範圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位於括弧之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。位於元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本發明可以借助於包括有若干不同元件的硬體以及借助於適當程式設計的電腦來實現。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬體項來具體體現。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式或對具體實施方式的說明，本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為准。

100‧‧‧快速組織分子成像裝置

110‧‧‧光發射單元

112‧‧‧光源

114‧‧‧擴束線聚焦器

120‧‧‧轉向單元

130‧‧‧掃描單元

140‧‧‧中繼單元

150‧‧‧內視單元

160‧‧‧線陣探測單元

L1、L2‧‧‧擴束透鏡

L3‧‧‧柱透鏡

L4、L5‧‧‧中繼透鏡、透鏡

152‧‧‧耦合物鏡

154‧‧‧成像光纖束

156‧‧‧微型物鏡

162‧‧‧聚焦透鏡

164‧‧‧狹縫

166‧‧‧線陣探測器

通過結合附圖對本發明實施例進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯。附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中，相同的參考標號通常代表相同或相似部件或步驟。圖1示出了根據本發明一個實施例的快速組織分子成像裝置的示意性框圖；圖2示出了根據本發明一個實施例的快速組織分子成像裝置的光路示意圖。

Claims

一種快速組織分子成像裝置，包括一光發射單元、一轉向單元、一掃描單元和一線陣探測單元，其中：所述光發射單元用於發射一線光束；所述轉向單元用於轉向所述線光束並透過一樣品的螢光；所述掃描單元用於調整所述轉向的線光束的方向以逐行掃描所述樣品；以及所述線陣探測單元用於採集所述螢光。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述光發射單元包括：一光源，用於發射一准直光束；以及一擴束線聚焦器，設置在所述光源的一出口處，用於將所述准直光束擴束並一維聚焦為所述線光束。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述轉向單元為一二向色鏡。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述掃描單元為單個的一掃描振鏡。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述掃描單元為一空間光調製器。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述裝置還包括設置在所述掃描單元下游的一中繼單元和一內視單元，其中所述中繼單元用於將所述掃描單元掃描後的線光束聚焦到所述內視單元；所述內視單元用於將所述聚焦的線光束傳導並聚焦到所述樣品上、並接收所述樣品發出的螢光；所述螢光經所述中繼單元、所述掃描單元和所述轉向單元後由所述線陣探測單元採集。
如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，所述內視單元包括一耦合物鏡和一成像光纖束，其中所述耦合物鏡設置在所述成像光纖束的一端，用於將所述聚焦的線光束耦合進入所述成像光纖束的近端；以及所述成像光纖束用於傳導進入的所述線光束。
如申請專利範圍第7項所述的裝置，其中，所述內視單元還包括一微型物鏡，所述微型物鏡設置在所述成像光纖束的另一端，用於將所述成像光纖束傳導的線光束聚焦到所述樣品上。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述線陣探測單元包括依次設置的一聚焦透鏡和一線陣探測器，其中所述聚焦透鏡用於將所述樣品發出的螢光聚焦；以及所述線陣探測器用於採集聚焦後的螢光信號。
如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，所述線陣探測單元還包括一狹縫，所述狹縫用於僅允許聚焦平面的螢光通過。
如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，所述線陣探測單元還包括一濾光器，所述濾光器設置在所述聚焦透鏡和所述線陣探測器之間，用於濾除雜散光。