WO2016011611A1

WO2016011611A1 - 内窥式光学分子影像导航系统和多光谱成像方法

Info

Publication number: WO2016011611A1
Application number: PCT/CN2014/082792
Authority: WO
Inventors: 田捷; 蒋仕新; 迟崇巍; 杨鑫
Original assignee: 中国科学院自动化研究所
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-28
Also published as: CN104116497A; CN104116497B

Abstract

一种内窥式光学分子影像导航系统和多光谱成像方法。系统包括：光源模块（110）用于对待测组织的探测区域（100）进行照射，为探测区域（100）提供激发光和可见光；光学信号采集模块（120）用于根据探测区域（100）的反射光得到荧光和可见光图像；计算机控制与处理模块（130）与光学信号采集模块（120）连接，用于对光学信号采集模块（120）中的第一荧光相机（129）、第二荧光相机（1210）和彩色相机（125）进行控制，对光学信号采集模块（120）采集得到的荧光和可见光图像进行处理并显示；系统支撑模块（140）用于连接和支撑各部件；滤光片切换模块（150）用于为光源模块（110）和光学信号采集模块（120）提供不同光谱的滤光片。将不同谱段的图像拼合到一起，实现光谱的图像融合并进行显示。

Description

说明书内窥式光学分子影像导航系统和多光谱成像方法技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种内窥式光学分子影像导航系统和多光谱成像方法。背景技术

继放射性核素成像、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层和磁共振成像之后，近年来，分子影像学技术不断发展，作为分子影像的重要模态之一，光学分子影像技术逐渐成为研究热点，其中近红外荧光成像倍受关注。但是即使光学分子影像的应用领域较广，穿透深度仍是其广泛应用的一大障碍，如何能够实现深度探测是目前亟待解决的问题。发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种内窥式光学分子影像导航系统和多光谱成像方法，根据光学分子影像的特点，釆用三台相机来实现荧光、可见光以及拼合图像的获取等功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种内窥式光学分子影像导航系统，所述系统包括：光源模块（1 10 ) 、光学信号釆集模块（120 ) 、计算机控制与处理模块（1 30 ) 、系统支撑模块（140 )和滤光片切换模块（150 ) ；

所述光源模块（1 10 ) ，用于对待测组织的探测区域（100 )进行照射，为探测区域（ 100 )提供激发光和可见光；

所述光学信号釆集模块（120 ) ，用于根据所述探测区域（100 ) 的反射光得到荧光和可见光图像；所述计算机控制与处理模块（130) 与所述光学信号釆集模块（120)连接，用于对所述光学信号釆集模块（120) 中的第一荧光相机（129) 、第二荧光相机（ 1210 )和彩色相机（ 125 )进行控制，对所述光学信号釆集模块（ 120 ) 釆集得到的荧光和可见光图像进行处理并显示；

所述系统支撑模块（140) ，用于连接和支撑各部件；

所述滤光片切换模块（150) ，用于为所述光源模块（110)和所述光学信号釆集模块（120)提供不同光谱的滤光片。

进一步的，所述光源模块（110)进一步包括激发光光纤（111 ) 、可见光光纤（112 )、第一滤光片（113)、第二滤光片（114)、激发光光源（115) 和可见光光源（116) ；

所述激发光光纤（111 ) 与所述第一滤光片（113)连接，用于引导出所述激发光光源（115 )发出的激发光，以对所述探测区域（100)进行激发光照射；

所述可见光光纤（112) 与所述第二滤光片（114 )连接，用于引导出所述可见光光源（116)发出的可见光，为所述探测区域（100)提供照明光源。

进一步的，所述光学信号釆集模块（ 120 )进一步包括信号釆集光纤（ 121 )、内窥镜头（122 ) 、第一分光棱镜（123) 、第三滤光片（124) 、第二分光棱镜（ 126 )、第四滤光片（ 127 )、第五滤光片（ 128 )、第一荧光相机（ 129 ) 、第二荧光相机（1210)和彩色相机（125) ，其中，所述第一分光棱镜（123) 和第二分光棱镜（ 126 ) 由 55分光棱镜组成；

所述光学信号釆集模块（120) 中的各个器件之间的相对距离是固定的，光信号通过镜头进入所述系统中，首先被转化为平行光，通过第一分光棱镜 ( 123 )和第二分光棱镜（ U6 )将光线分为三束，分别由三个相机进行成像；所述光学信号釆集模块（120) 的镜头为内窥镜、 C接口镜头或 F接口镜头。

进一步的，所述计算机控制与处理模块（ 130 )进一步包括控制模块（ 131 ), 图像处理模块（132)和显示模块（133) ；

所述控制模块（131 )用于对所述第一荧光相机（129) 、第二荧光相机 ( 1210)和彩色相机（125) 的成像参数进行控制；

所述图像处理模块（132)用于对所述第一荧光相机（129) 、第二荧光相机（ 1210 )和彩色相机（ 125 )拍摄得到的图像数据进行处理；

所述显示模块（133)用于对于所述图像处理模块（132)处理后得到的图像进行实时显示。

进一步的，所述系统支撑模块（ 140 )进一步包括光学信号釆集支架（ 141 )、计算机支架（I⁴²)和光源支架（1«) ；

所述光学信号釆集支架（141 )用于支撑光学信号釆集模块（120) ，所述光学信号釆集支架（141 )用于多方位成像；

所述计算机支架（142)用于支撑计算机控制与处理模块（130) ；所述光源支架（143)用于支撑光源模块（110)，所述激发光光源（115) 和可见光光源（116)放置在所述光源支架（143) 内。

进一步的，所述滤光片切换模块（150)为滤光轮装置，用于根据不同荧光的激发特性，调整各个滤光片的语段，进行多光谱光线的激发和釆集。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于上述内窥式光学分子影像导航系统的多光谱成像方法，所述方法包括：

步骤 Sl，使激发光光源和可见光光源对探测区域分别进行照射；步骤 S2，根据探测特性，滤光片切换模块对光源模块、光学信号釆集模块中滤光片的参数进行设置；

步骤 S3，控制模块对第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机的成像参数进行调整，所述第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机分别根据所述探测区域（100)具有不同光谱或者能量的反射光釆集得到图像；

步骤 S4，图像处理模块对所述第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机釆集得到的图像进行处理；步骤 S5，显示模块对于所述步骤 S4得到的处理后的图像进行实时显示，若显示的图像达不到清晰度要求，则通过光学信号釆集模块来调节内窥镜头的参数，直到所述显示模块显示的图像达到清晰度要求；

步骤 S6，移动内窥镜头，在待测的探测区域内寻找荧光物体，得到所述荧光物体的图像。

本发明通过光源模块对探测区域进行激发，光学信号釆集模块进行实时釆集光线，滤光片切换模块对不同谱段的光线进行过滤，计算机模块对釆集到的图像信息进行实时的处理，将不同谱段的图像拼合到一起，实现光谱的图像融合并进行显示。附图说明

图 1为本发明内窥式光学分子影像导航系统的示意图；

图 2为本发明内窥式光学分子影像导航系统的光源模块结构框图；图 3为本发明内窥式光学分子影像导航系统的光学信号釆集模块结构框图；

图 4为本发明内窥式光学分子影像导航系统的计算机控制与处理模块结构框图所示；

图 5为本发明内窥式光学分子影像导航系统的支撑模块结构示意图；图 6为本发明内窥式光学分子影像导航系统的多光谱成像方法的流程图。具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。内窥式的探测方式具有探测深度可控等优点，可以有效解决穿透深度的问题。通过本发明方法，可以通过内窥镜头进入物体内部进行深度探测，可以观测和定位荧光位置，使其能够应用于工业探测和生物医学领域中。图 1为本发明内窥式光学分子影像导航系统的示意图，如图所示，本发明包括光源模块 110、光学信号釆集模块 120、计算机控制与处理模块 130、系统支撑模块 140和滤光片切换模块 150。

一并参见图 2所示的本发明内窥式光学分子影像导航系统的光源模块结构框图，图 3所示的本发明内窥式光学分子影像导航系统的光学信号釆集模块结构框图，图 4所示的本发明内窥式光学分子影像导航系统的计算机控制与处理模块结构框图所示。

光源模块 110用于对待测组织的探测区域 100进行照射，为探测区域 100提供激发光和可见光。

光学信号釆集模块 120用于根据探测区域 100的反射光得到荧光和可见光图像。

计算机控制与处理模块 130与光学信号釆集模块 120连接，用于对光学信号釆集模块 120中的第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125进行控制，对光学信号釆集模块 120釆集得到的荧光和可见光图像进行处理并显示。

系统支撑模块 140，用于连接和支撑各部件。

滤光片切换模块 150，用于为光源模块 110和光学信号釆集模块 120 提供不同光谱的滤光片。

光源模块 110进一步包括激发光光纤 111、可见光光纤 112、第一滤光片 113、第二滤光片 114、激发光源 115和可见光源 116，其中，激发光光纤 111与第一滤光片 113连接，用于引导出激发光光源 115发出的激发光，以对探测区域 100进行激发光照射；可见光光纤 112与第二滤光片 114连接，用于引导出可见光光源 116发出的可见光，为探测区域 100提供照明光源。

光学信号釆集模块 120进一步包括信号釆集光纤 121、内窥镜头 122、第一分光棱镜 123、第三滤光片 124、第二分光棱镜 126、第四滤光片 127、第五滤光片 128、第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125，其中，内窥镜头 122与信号釆集光纤 121相连接，用于将发射光引导至第一分光棱镜 123处和调整成像清晰度；第一分光棱镜 123的入射光端与内窥镜头 122的末端相连，两个出射端分别连接第三滤光片 124和第二分光棱镜 126，第三滤光片 124与彩色相机 125相连，第二分光棱镜 126的入射光端与第一分光棱镜 123的一个出射端相连，两个出射端分别通过第四滤光片 127和第五滤光片 128与第一荧光相机 129和第二荧光相机 1210 相连，用于将内窥镜头 122传输的一束光线分成三束；第一分光棱镜 123 和第二分光棱镜 126由 55分光棱镜组成；第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125与计算机控制与处理模块 130连接，用于根据第一分光棱镜 123和第二分光棱镜 126的出射光线进行成像，并将分别得到的具有不同光谱或者不同能量的图像传输至计算机控制与处理模块 130。

光学信号釆集模块 120中的各个器件之间的相对距离是固定的，即光信号通过镜头进入系统中，首先被转化为平行光，各光学器件距离一定，也就是光程一定，光信号在其中的传播不影响成像的质量，通过第一分光棱镜 123和第二分光棱镜 126将光线分为三束，分别由三个相机进行成像。所以，光学信号釆集模块 120为一个通用的分光模块，即无论镜头选择为内窥镜、 C接口镜头还是 F接口镜头，只要调整到合适的法兰距，都能在计算机上清晰成像。

计算机控制与处理模块 130进一步包括控制模块 131、图像处理模块

132和显示模块 133，其中，控制模块 131用于对第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125的成像参数比如曝光时间等进行控制；图像处理模块 132用于对第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125 拍摄得到的图像数据进行处理，处理包括图像重建和图像融合等功能；其中，图像重建算法包括：

步骤 1、将被测区域离散化为四面体网格，得到系统矩阵 A 步骤 1、釆集荧光数据，得到测量矩阵 Φ 步骤 3 计算 H = A 步骤 4 计算向量 β = Φ 步骤 5 计算矩阵 Η的最大特征值步骤 6 令 ^c 步骤 7 ij-^_D^(k) =c-ⁱB-c-ⁱHX^(k)+X^ik) 更新 X ^xiK+l)U] =

步骤 8

步骤 9 重复步骤 7 8，迭代 1000次，输出

X为重建出的具体荧光信息，包括位置和深度信息，与彩色图像融合，实现在白光图像中观测荧光位置，实现多光谱成像。

显示模块 133用于对于图像处理模块 132处理后得到的图像进行实时显示，供操作人员观测。

图 5为本发明内窥式光学分子影像导航系统的支撑模块结构示意图，如图所示，系统支撑模块 140进一步包括光学信号釆集支架 141、计算机支架 142和光源支架 143。其中，光学信号釆集支架 141用于支撑光学信号釆集模块 120，光学信号釆集支架 141可以进行 180° 旋转，用于多方位成像；计算机支架 142用于支撑计算机控制与处理模块 130，系统的控制与处理都在计算机支架 142上完成；光源支架 143用于支撑光源模块 110 激发光光源 115和可见光光源 116放置其中。系统支撑模块 140的力臂可以进行 360° 旋转，可以实现各个方位的信号釆集，极大的提高了系统的灵活性和可操作性。滤光片切换模块 140为滤光轮装置，用于根据不同荧光的激发特性，调整各个滤光片的谱段，以保证多光谱光线的激发和釆集，避免不同光谱光线的相互干扰。各个滤光片的谱段一旦调整好后，在整个实时成像的过程中将不再切换。滤光片的数量可根据需要进行安装，在本发明一实施例中，滤光片的数量为 5片：第一滤光片 113、第二滤光片 114、第三滤光片 124、第四滤光片 127和第五滤光片 128，滤光片的谱段为近红外范围，具体为：

第一滤光片 113的语段为 710nm-770讓，直径为 25mm;

第二滤光片 114的语段为 400nm_650讓，直径为 25mm;

第三滤光片 124的语段为 400nm_650讓，直径为 25mm;

第四滤光片 127的语段为 710nm_770讓，直径为 25mm;

第五滤光片 128的语段为 810nm-870讓，直径为 25mm。

在操作人员实际使用过程中，可以根据具体的需求切换具有合适光谱的滤光片。

图 6为本发明内窥式光学分子影像导航系统的多光谱成像方法的流程图，如图所示，本方法具体包括如下步骤：

步骤 S101，使激发光光源 115和可见光光源 116对探测区域 100分别进行照射；

步骤 S102，根据探测特性，滤光片转换模块 140对于光源模块 110、光学信号釆集模块 120中滤光片的参数进行设置；

步骤 S103，控制模块 131对第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210 和彩色相机 125的成像参数进行调整，第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210和彩色相机 125分别根据探测区域 100具有不同光谱或者能量的反射光釆集得到图像；

步骤 S104，图像处理模块 132对第一荧光相机 129、第二荧光相机 1210 和彩色相机 125釆集得到的图像进行处理；

步骤 S105，显示模块 133对于步骤 S104得到的处理后的图像进行实时显示，若显示的图像达不到清晰度要求，则通过光学信号釆集模块 120 来调节内窥镜头 122的参数，直到显示模块 133显示的图像达到清晰度要求；步骤 S 1 06，移动内窥镜头 1 22，在待测的探测区域 1 00内寻找荧光物体，最终得到荧光物体的清晰图像。

本发明通过光源模块对探测区域进行激发，光学信号釆集模块进行实时釆集光线，滤光片切换模块对不同谱段的光线进行过滤，计算机模块对釆集到的图像信息进行实时的处理，将不同谱段的图像拼合到一起，实现光谱的图像融合并进行显示。目前市面上绝大部分荧光产品均釆用单一 CCD相机进行成像，其缺点在于成像时只能看到荧光图像或者可见光图像，而无法看到多光谱的图像；并且成像时只能看到表面图像或浅表图像，无法对其内部区域进行探测。而本发明有效的解决了该问题，降低了光学分子成像研究的门槛，拓展了光学分子影像研究与应用的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

1、一种内窥式光学分子影像导航系统，其特征在于，所述系统包括：光源模块（ 110)、光学信号釆集模块（ 120)、计算机控制与处理模块（ 130)、系统支撑模块（140) 和滤光片切换模块（150) ；

所述光源模块（ 110) ，用于对待测组织的探测区域（ 100)进行照射，为探测区域（100)提供激发光和可见光；

所述光学信号釆集模块（120 ) ，用于根据所述探测区域（100) 的反射光得到荧光和可见光图像；

所述计算机控制与处理模块（130 ) 与所述光学信号釆集模块（120) 连接，用于对所述光学信号釆集模块（120) 中的第一荧光相机（ 129 ) 、第二荧光相机（1210) 和彩色相机（125 ) 进行控制，对所述光学信号釆集模块（120) 釆集得到的荧光和可见光图像进行处理并显示；

所述系统支撑模块（140) ，用于连接和支撑各部件；

所述滤光片切换模块（150) ，用于为所述光源模块（110) 和所述光学信号釆集模块（120)提供不同光谱的滤光片。

2、根据权利要求 1的系统，其特征在于，所述光源模块 ( 110 )进一步包括激发光光纤（ 111 ) 、可见光光纤（ 112 ) 、第一滤光片（ 113 ) 、第二滤光片（114 ) 、激发光光源（115 ) 和可见光光源（116 ) ；

所述激发光光纤（111 ) 与所述第一滤光片（113) 连接，用于引导出所述激发光光源（115 )发出的激发光，以对所述探测区域（100 ) 进行激发光照射；

所述可见光光纤（112 ) 与所述第二滤光片（114 ) 连接，用于引导出所述可见光光源（116 )发出的可见光，为所述探测区域（100)提供照明光源。

3、根据权利要求 1的系统，其特征在于，所述光学信号釆集模块（ 120 ) 进一步包括信号釆集光纤（ 121 )、内窥镜头（ 122 )、第一分光棱镜（ 123 )、第三滤光片（l²⁴ ) 、第二分光棱镜（Π6 ) 、第四滤光片（Π7 ) 、第五滤光片（128 ) 、第一荧光相机（129 ) 、第二荧光相机（1210 ) 和彩色相机 ( 125 ) ，其中，所述第一分光棱镜（123 ) 和第二分光棱镜（126 ) 由 55 分光棱镜组成；

所述光学信号釆集模块（ 120 )中的各个器件之间的相对距离是固定的，光信号通过镜头进入所述系统中，首先被转化为平行光，通过第一分光棱镜（123) 和第二分光棱镜（126 ) 将光线分为三束，分别由三个相机进行成像；

所述光学信号釆集模块（120 )的镜头为内窥镜、 C接口镜头或 F接口镜头。

4、根据权利要求 1的系统，其特征在于，所述计算机控制与处理模块 ( 130)进一步包括控制模块（ 131 )、图像处理模块（ 132 )和显示模块（ 133); 所述控制模块（131 ) 用于对所述第一荧光相机（129 ) 、第二荧光相机（1210) 和彩色相机（125 ) 的成像参数进行控制；

所述图像处理模块（132 ) 用于对所述第一荧光相机（129 ) 、第二荧光相机（1210) 和彩色相机（125 ) 拍摄得到的图像数据进行处理；

所述显示模块（133 ) 用于对于所述图像处理模块（132 ) 处理后得到的图像进行实时显示。

5、根据权利要求 1的系统，其特征在于，所述系统支撑模块（ 140 )进一步包括光学信号釆集支架（ 141 )、计算机支架（ 142 )和光源支架（ 143); 所述光学信号釆集支架（141 ) 用于支撑光学信号釆集模块（120) ，所述光学信号釆集支架（141 ) 用于多方位成像；

所述计算机支架（142 ) 用于支撑计算机控制与处理模块（130 ) ；所述光源支架（ 143)用于支撑光源模块（ 110)，所述激发光光源（ 115 ) 和可见光光源（ 116 )放置在所述光源支架（143) 内。

6、根据权利要求 1的系统，其特征在于，所述滤光片切换模块（ 150) 为滤光轮装置，用于根据不同荧光的激发特性，调整各个滤光片的谱段，进行多光谱光线的激发和釆集。

7、一种基于权利要求 1 所述的内窥式光学分子影像导航系统的多光谱成像方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤 S l，使激发光光源和可见光光源对探测区域分别进行照射；步骤 S 2，根据探测特性，滤光片切换模块对光源模块、光学信号釆集模块中滤光片的参数进行设置；

步骤 S 3，控制模块对第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机的成像参数进行调整，所述第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机分别根据所述探测区域具有不同光谱或者能量的反射光釆集得到图像；

步骤 S4，图像处理模块对所述第一荧光相机、第二荧光相机和彩色相机釆集得到的图像进行处理；

步骤 S 5，显示模块对于所述步骤 S4得到的处理后的图像进行实时显示，若显示的图像达不到清晰度要求，则通过光学信号釆集模块来调节内窥镜头的参数，直到所述显示模块显示的图像达到清晰度要求；

步骤 S 6，移动内窥镜头，在待测的探测区域内寻找荧光物体，得到所述荧光物体的图像。