內窺式光學分子影像導航系統和多光譜成像方法
【專利摘要】本發明涉及一種內窺式光學分子影像導航系統和多光譜成像方法。系統包括：光源模塊用于對待測組織的探測區域進行照射，為探測區域提供激發光和可見光；光學信號采集模塊用于根據探測區域的反射光得到熒光和可見光圖像；計算機控制與處理模塊與光學信號采集模塊連接，用于對光學信號采集模塊中的第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機進行控制，對光學信號采集模塊采集得到的熒光和可見光圖像進行處理并顯示；系統支撐模塊用于連接和支撐各部件；濾光片切換模塊用于為光源模塊和光學信號采集模塊提供不同光譜的濾光片。本發明將不同譜段的圖像拼合到一起，實現光譜的圖像融合并進行顯示。
【專利說明】內窺式光學分子影像導航系統和多光譜成像方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學成像【技術領域】，尤其涉及一種內窺式光學分子影像導航系統和多 光譜成像方法。

【背景技術】
[0002] 繼放射性核素成像、正電子發射斷層掃描、單光子發射計算機斷層和磁共振成像 之后，近年來，分子影像學技術不斷發展，作為分子影像的重要模態之一，光學分子影像技 術逐漸成為研究熱點，其中近紅外熒光成像倍受關注。但是即使光學分子影像的應用領域 較廣，穿透深度仍是其廣泛應用的一大障礙，如何能夠實現深度探測是目前亟待解決的問 題。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種內窺式光學分子影像導航系統和 多光譜成像方法，根據光學分子影像的特點，采用三臺相機來實現熒光、可見光以及拼合圖 像的獲取等功能。
[0004] 為實現上述目的，本發明提供了一種內窺式光學分子影像導航系統，所述系統包 括：光源模塊（110)、光學信號采集模塊（120)、計算機控制與處理模塊（130)、系統支撐模 塊（140)和濾光片切換模塊（150);
[0005] 所述光源模塊（110)，用于對待測組織的探測區域（100)進行照射，為探測區域 (100)提供激發光和可見光；
[0006] 所述光學信號采集模塊（120)，用于根據所述探測區域（100)的反射光得到熒光 和可見光圖像；
[0007] 所述計算機控制與處理模塊（130)與所述光學信號采集模塊（120)連接，用于對 所述光學信號米集模塊（120)中的第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和彩色相機 (125)進行控制，對所述光學信號采集模塊（120)采集得到的熒光和可見光圖像進行處理 并顯示；
[0008] 所述系統支撐模塊（140)，用于連接和支撐各部件；
[0009] 所述濾光片切換模塊（150)，用于為所述光源模塊（110)和所述光學信號采集模 塊（120)提供不同光譜的濾光片。
[0010] 進一步的，所述光源模塊（110)進一步包括激發光光纖（111)、可見光光纖（112)、 第一濾光片（113)、第二濾光片（114)、激發光光源（115)和可見光光源（116);
[0011] 所述激發光光纖（111)與所述第一濾光片（113)連接，用于引導出所述激發光光 源（115)發出的激發光，以對所述探測區域（100)進行激發光照射；
[0012] 所述可見光光纖（112)與所述第二濾光片（114)連接，用于引導出所述可見光光 源（116)發出的可見光，為所述探測區域（100)提供照明光源。
[0013] 進一步的，所述光學信號采集模塊（120)進一步包括信號采集光纖（121)、內窺鏡 頭（122)、第一分光棱鏡（123)、第三濾光片（124)、第二分光棱鏡（126)、第四濾光片（127)、 第五濾光片（128)、第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和彩色相機（125)，其中，所 述第一分光棱鏡（123)和第二分光棱鏡（126)由55分光棱鏡組成；
[0014] 所述光學信號采集模塊（120)中的各個器件之間的相對距離是固定的，光信號通 過鏡頭進入所述系統中，首先被轉化為平行光，通過第一分光棱鏡（123)和第二分光棱鏡 (126)將光線分為三束，分別由三個相機進行成像；
[0015] 所述光學信號采集模塊（120)的鏡頭為內窺鏡、C接口鏡頭或F接口鏡頭。
[0016] 進一步的，所述計算機控制與處理模塊（130)進一步包括控制模塊（131)、圖像處 理模塊（132)和顯示模塊（133);
[0017] 所述控制模塊（131)用于對所述第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和彩 色相機（125)的成像參數進行控制；
[0018] 所述圖像處理模塊（132)用于對所述第一熒光相機（129)、第二熒光相機（1210) 和彩色相機（125)拍攝得到的圖像數據進行處理；
[0019] 所述顯示模塊（133)用于對于所述圖像處理模塊（132)處理后得到的圖像進行實 時顯示。
[0020] 進一步的，所述系統支撐模塊（140)進一步包括光學信號采集支架（141)、計算機 支架（142)和光源支架（143);
[0021] 所述光學信號采集支架（141)用于支撐光學信號采集模塊（120)，所述光學信號 采集支架（141)用于多方位成像；
[0022] 所述計算機支架（142)用于支撐計算機控制與處理模塊（130);
[0023] 所述光源支架（143)用于支撐光源模塊（110)，所述激發光光源（115)和可見光光 源（116)放置在所述光源支架（143)內。
[0024] 進一步的，所述濾光片切換模塊（150)為濾光輪裝置，用于根據不同熒光的激發 特性，調整各個濾光片的譜段，進行多光譜光線的激發和采集。
[0025] 為了實現上述目的，本發明還提供了一種基于上述內窺式光學分子影像導航系統 的多光譜成像方法，所述方法包括：
[0026] 步驟S1，使激發光光源和可見光光源對探測區域分別進行照射；
[0027] 步驟S2,根據探測特性，濾光片切換模塊對光源模塊、光學信號采集模塊中濾光片 的參數進行設置；
[0028] 步驟S3,控制模塊對第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機的成像參數進行調 整，所述第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機分別根據所述探測區域（1〇〇)具有不同 光譜或者能量的反射光采集得到圖像；
[0029] 步驟S4,圖像處理模塊對所述第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機采集得到 的圖像進行處理；
[0030] 步驟S5,顯示模塊對于所述步驟S4得到的處理后的圖像進行實時顯示，若顯示的 圖像達不到清晰度要求，則通過光學信號采集模塊來調節內窺鏡頭的參數，直到所述顯示 模塊顯示的圖像達到清晰度要求；
[0031] 步驟S6,移動內窺鏡頭，在待測的探測區域內尋找熒光物體，得到所述熒光物體的 圖像。
[0032] 本發明通過光源模塊對探測區域進行激發，光學信號采集模塊進行實時采集光 線，濾光片切換模塊對不同譜段的光線進行過濾，計算機模塊對采集到的圖像信息進行實 時的處理，將不同譜段的圖像拼合到一起，實現光譜的圖像融合并進行顯示。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明內窺式光學分子影像導航系統的示意圖；
[0034] 圖2為本發明內窺式光學分子影像導航系統的光源模塊結構框圖；
[0035] 圖3為本發明內窺式光學分子影像導航系統的光學信號采集模塊結構框圖；
[0036] 圖4為本發明內窺式光學分子影像導航系統的計算機控制與處理模塊結構框圖 所示；
[0037] 圖5為本發明內窺式光學分子影像導航系統的支撐模塊結構示意圖；
[0038] 圖6為本發明內窺式光學分子影像導航系統的多光譜成像方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0039] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0040] 內窺式的探測方式具有探測深度可控等優點，可以有效解決穿透深度的問題。通 過本發明方法，可以通過內窺鏡頭進入物體內部進行深度探測，可以觀測和定位熒光位置， 使其能夠應用于工業探測和生物醫學領域中。
[0041] 圖1為本發明內窺式光學分子影像導航系統的示意圖，如圖所示，本發明包括光 源模塊110、光學信號采集模塊120、計算機控制與處理模塊130、系統支撐模塊140和濾光 片切換模塊150。
[0042] 一并參見圖2所示的本發明內窺式光學分子影像導航系統的光源模塊結構框圖， 圖3所示的本發明內窺式光學分子影像導航系統的光學信號采集模塊結構框圖，圖4所示 的本發明內窺式光學分子影像導航系統的計算機控制與處理模塊結構框圖所示。
[0043] 光源模塊110用于對待測組織的探測區域100進行照射，為探測區域100提供激 發光和可見光。
[0044] 光學信號采集模塊120用于根據探測區域100的反射光得到熒光和可見光圖像。
[0045] 計算機控制與處理模塊130與光學信號采集模塊120連接，用于對光學信號采集 模塊120中的第一突光相機129、第二突光相機1210和彩色相機125進行控制，對光學信號 采集模塊120采集得到的熒光和可見光圖像進行處理并顯示。
[0046] 系統支撐模塊140,用于連接和支撐各部件。
[0047] 濾光片切換模塊150,用于為光源模塊110和光學信號米集模塊120提供不同光譜 的濾光片。
[0048] 光源模塊110進一步包括激發光光纖111、可見光光纖112、第一濾光片113、第二 濾光片114、激發光源115和可見光源116,其中，激發光光纖111與第一濾光片113連接， 用于引導出激發光光源115發出的激發光，以對探測區域100進行激發光照射；可見光光纖 112與第二濾光片114連接，用于引導出可見光光源116發出的可見光，為探測區域100提 供照明光源。
[0049] 光學信號采集模塊120進一步包括信號采集光纖121、內窺鏡頭122、第一分光棱 鏡123、第三濾光片124、第二分光棱鏡126、第四濾光片127、第五濾光片128、第一突光相機 129、第二熒光相機1210和彩色相機125,其中，內窺鏡頭122與信號采集光纖121相連接， 用于將發射光引導至第一分光棱鏡123處和調整成像清晰度；第一分光棱鏡123的入射光 端與內窺鏡頭122的末端相連，兩個出射端分別連接第三濾光片124和第二分光棱鏡126， 第三濾光片124與彩色相機125相連，第二分光棱鏡126的入射光端與第一分光棱鏡123的 一個出射端相連，兩個出射端分別通過第四濾光片127和第五濾光片128與第一突光相機 129和第二突光相機1210相連，用于將內窺鏡頭122傳輸的一束光線分成三束；第一分光 棱鏡123和第二分光棱鏡126由55分光棱鏡組成；第一突光相機129、第二突光相機1210 和彩色相機125與計算機控制與處理模塊130連接，用于根據第一分光棱鏡123和第二分 光棱鏡126的出射光線進行成像，并將分別得到的具有不同光譜或者不同能量的圖像傳輸 至計算機控制與處理模塊130。
[0050] 光學信號采集模塊120中的各個器件之間的相對距離是固定的，即光信號通過鏡 頭進入系統中，首先被轉化為平行光，各光學器件距離一定，也就是光程一定，光信號在其 中的傳播不影響成像的質量，通過第一分光棱鏡123和第二分光棱鏡126將光線分為三束， 分別由三個相機進行成像。所以，光學信號采集模塊120為一個通用的分光模塊，即無論鏡 頭選擇為內窺鏡、C接口鏡頭還是F接口鏡頭，只要調整到合適的法蘭距，都能在計算機上 清晰成像。
[0051] 計算機控制與處理模塊130進一步包括控制模塊131、圖像處理模塊132和顯示模 塊133,其中，控制模塊131用于對第一突光相機129、第二突光相機1210和彩色相機125 的成像參數比如曝光時間等進行控制；圖像處理模塊132用于對第一熒光相機129、第二熒 光相機1210和彩色相機125拍攝得到的圖像數據進行處理，處理包括圖像重建和圖像融合 等功能；其中，圖像重建算法包括：
[0052] 步驟1、將被測區域離散化為四面體網格，得到系統矩陣A
[0053] 步驟2、采集熒光數據，得到測量矩陣Φ
[0054] 步驟 3、計算 Η = ATA
[0055] 步驟4、計算向量B = Ατ Φ
[0056] 步驟5、計算矩陣Η的最大特征值λ max
[0057] 步驟 6、令 c = λ max+ ε
[0058] 步驟 7、計算 D(k) = cl-dX^kX05)
[0059] 步驟 8、更新 X，X(K+1) [i] = Shrink(D(k) [i])
[0060] 步驟9、重復步驟7、8,迭代1000次，輸出x。
[0061] X為重建出的具體熒光信息，包括位置和深度信息，與彩色圖像融合，實現在白光 圖像中觀測熒光位置，實現多光譜成像。
[0062] 顯示模塊133用于對于圖像處理模塊132處理后得到的圖像進行實時顯示，供操 作人員觀測。
[0063] 圖5為本發明內窺式光學分子影像導航系統的支撐模塊結構示意圖，如圖所示， 系統支撐模塊140進一步包括光學信號采集支架141、計算機支架142和光源支架143。其 中，光學信號采集支架141用于支撐光學信號采集模塊120,光學信號采集支架141可以進 行180°旋轉，用于多方位成像；計算機支架142用于支撐計算機控制與處理模塊130,系統 的控制與處理都在計算機支架142上完成；光源支架143用于支撐光源模塊110,激發光光 源115和可見光光源116放置其中。系統支撐模塊140的力臂可以進行360°旋轉，可以實 現各個方位的信號采集，極大的提高了系統的靈活性和可操作性。
[0064] 濾光片切換模塊140為濾光輪裝置，用于根據不同熒光的激發特性，調整各個濾 光片的譜段，以保證多光譜光線的激發和采集，避免不同光譜光線的相互干擾。各個濾光片 的譜段一旦調整好后，在整個實時成像的過程中將不再切換。濾光片的數量可根據需要進 行安裝，在本發明一實施例中，濾光片的數量為5片：第一濾光片113、第二濾光片114、第三 濾光片124、第四濾光片127和第五濾光片128,濾光片的譜段為近紅外范圍，具體為：
[0065] 第一濾光片113的譜段為710nm-770nm，直徑為25mm ;
[0066] 第二濾光片114的譜段為400nm-650nm，直徑為25mm ;
[0067] 第三濾光片124的譜段為400nm-650nm，直徑為25mm ;
[0068] 第四濾光片127的譜段為710nm-770nm，直徑為25mm ;
[0069] 第五濾光片128的譜段為810nm-870nm，直徑為25mm。
[0070] 在操作人員實際使用過程中，可以根據具體的需求切換具有合適光譜的濾光片。
[0071] 圖6為本發明內窺式光學分子影像導航系統的多光譜成像方法的流程圖，如圖所 示，本方法具體包括如下步驟：
[0072] 步驟S101，使激發光光源115和可見光光源116對探測區域100分別進行照射；
[0073] 步驟S102,根據探測特性，濾光片轉換模塊140對于光源模塊110、光學信號采集 模塊120中濾光片的參數進行設置；
[0074] 步驟S103,控制模塊131對第一熒光相機129、第二熒光相機1210和彩色相機125 的成像參數進行調整，第一熒光相機129、第二熒光相機1210和彩色相機125分別根據探測 區域100具有不同光譜或者能量的反射光采集得到圖像；
[0075] 步驟S104,圖像處理模塊132對第一熒光相機129、第二熒光相機1210和彩色相 機125采集得到的圖像進行處理；
[0076] 步驟S105,顯示模塊133對于步驟S104得到的處理后的圖像進行實時顯示，若顯 示的圖像達不到清晰度要求，則通過光學信號采集模塊120來調節內窺鏡頭122的參數，直 到顯示模塊133顯示的圖像達到清晰度要求；
[0077] 步驟S106,移動內窺鏡頭122,在待測的探測區域100內尋找熒光物體，最終得到 熒光物體的清晰圖像。
[0078] 本發明通過光源模塊對探測區域進行激發，光學信號采集模塊進行實時采集光 線，濾光片切換模塊對不同譜段的光線進行過濾，計算機模塊對采集到的圖像信息進行實 時的處理，將不同譜段的圖像拼合到一起，實現光譜的圖像融合并進行顯示。目前市面上絕 大部分熒光產品均采用單一 CCD相機進行成像，其缺點在于成像時只能看到熒光圖像或者 可見光圖像，而無法看到多光譜的圖像；并且成像時只能看到表面圖像或淺表圖像，無法對 其內部區域進行探測。而本發明有效的解決了該問題，降低了光學分子成像研究的門檻，拓 展了光學分子影像研究與應用的范圍。
[0079] 以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明 的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種內窺式光學分子影像導航系統，其特征在于，所述系統包括：光源模塊（110)、 光學信號采集模塊（120)、計算機控制與處理模塊（130)、系統支撐模塊（140)和濾光片切 換模塊（150); 所述光源模塊（110)，用于對待測組織的探測區域（100)進行照射，為探測區域（100) 提供激發光和可見光； 所述光學信號采集模塊（120)，用于根據所述探測區域（100)的反射光得到熒光和可 見光圖像； 所述計算機控制與處理模塊（130)與所述光學信號采集模塊（120)連接，用于對所 述光學信號米集模塊（120)中的第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和彩色相機 (125) 進行控制，對所述光學信號采集模塊（120)采集得到的熒光和可見光圖像進行處理 并顯示； 所述系統支撐模塊（140)，用于連接和支撐各部件； 所述濾光片切換模塊（150)，用于為所述光源模塊（110)和所述光學信號采集模塊 (120)提供不同光譜的濾光片。
2. 根據權利要求1的系統，其特征在于，所述光源模塊（110)進一步包括激發光光纖 (111)、可見光光纖（112)、第一濾光片（113)、第二濾光片（114)、激發光光源（115)和可見 光光源（116); 所述激發光光纖（111)與所述第一濾光片（113)連接，用于引導出所述激發光光源 (115) 發出的激發光，以對所述探測區域（100)進行激發光照射； 所述可見光光纖（112)與所述第二濾光片（114)連接，用于引導出所述可見光光源 (116) 發出的可見光，為所述探測區域（100)提供照明光源。
3. 根據權利要求1的系統，其特征在于，所述光學信號采集模塊（120)進一步包括信 號米集光纖（121)、內窺鏡頭（122)、第一分光棱鏡（123)、第三濾光片（124)、第二分光棱鏡 (126) 、第四濾光片（127)、第五濾光片（128)、第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和 彩色相機（125)，其中，所述第一分光棱鏡（123)和第二分光棱鏡（126)由55分光棱鏡組 成； 所述光學信號采集模塊（120)中的各個器件之間的相對距離是固定的，光信號通過鏡 頭進入所述系統中，首先被轉化為平行光，通過第一分光棱鏡（123)和第二分光棱鏡（126) 將光線分為三束，分別由三個相機進行成像； 所述光學信號采集模塊（120)的鏡頭為內窺鏡、C接口鏡頭或F接口鏡頭。
4. 根據權利要求1的系統，其特征在于，所述計算機控制與處理模塊（130)進一步包括 控制模塊（131)、圖像處理模塊（132)和顯示模塊（133); 所述控制模塊（131)用于對所述第一突光相機（129)、第二突光相機（1210)和彩色相 機（125)的成像參數進行控制； 所述圖像處理模塊（132)用于對所述第一熒光相機（129)、第二熒光相機（1210)和彩 色相機（125)拍攝得到的圖像數據進行處理； 所述顯示模塊（133)用于對于所述圖像處理模塊（132)處理后得到的圖像進行實時顯 /_J、1 〇
5. 根據權利要求1的系統，其特征在于，所述系統支撐模塊（140)進一步包括光學信號 采集支架（141)、計算機支架（142)和光源支架（143); 所述光學信號采集支架（141)用于支撐光學信號采集模塊（120)，所述光學信號采集 支架（141)用于多方位成像； 所述計算機支架（142)用于支撐計算機控制與處理模塊（130); 所述光源支架（143)用于支撐光源模塊（110)，所述激發光光源（115)和可見光光源 (116)放置在所述光源支架（143)內。
6. 根據權利要求1的系統，其特征在于，所述濾光片切換模塊（150)為濾光輪裝置，用 于根據不同熒光的激發特性，調整各個濾光片的譜段，進行多光譜光線的激發和采集。
7. -種基于權利要求1所述的內窺式光學分子影像導航系統的多光譜成像方法，其特 征在于，所述方法包括： 步驟S1，使激發光光源和可見光光源對探測區域分別進行照射； 步驟S2,根據探測特性，濾光片切換模塊對光源模塊、光學信號采集模塊中濾光片的參 數進行設置； 步驟S3,控制模塊對第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機的成像參數進行調整，所 述第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機分別根據所述探測區域具有不同光譜或者能量 的反射光采集得到圖像； 步驟S4,圖像處理模塊對所述第一熒光相機、第二熒光相機和彩色相機采集得到的圖 像進行處理； 步驟S5,顯示模塊對于所述步驟S4得到的處理后的圖像進行實時顯示，若顯示的圖像 達不到清晰度要求，則通過光學信號采集模塊來調節內窺鏡頭的參數，直到所述顯示模塊 顯示的圖像達到清晰度要求； 步驟S6,移動內窺鏡頭，在待測的探測區域內尋找熒光物體，得到所述熒光物體的圖 像。
【文檔編號】A61B19/00GK104116497SQ201410349864
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】田捷, 蔣仕新, 遲崇巍, 楊鑫 申請人:中國科學院自動化研究所