本發(fā)明涉及光學(xué)成像，尤其涉及一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、消化系統(tǒng)腫瘤是世界范圍內(nèi)最常見腫瘤之一。早發(fā)現(xiàn)、早治療，提高早癌的診斷水平對(duì)于提高患者生存率、減輕社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)有著深遠(yuǎn)的意義。目前國(guó)際研究表明，內(nèi)鏡檢查是發(fā)現(xiàn)消化系統(tǒng)腫瘤的最有效途徑，其中熒光內(nèi)窺鏡是目前最新的內(nèi)窺熒光成像技術(shù)之一，其工作原理是利用熒光染料的特異性與癌細(xì)胞或病變區(qū)域的親和性，經(jīng)過(guò)激發(fā)光源激發(fā)后，病變區(qū)域發(fā)出特定波長(zhǎng)的熒光信號(hào)，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地觀察和診斷，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和革新，熒光內(nèi)窺鏡逐漸成為臨床診斷的重要工具，廣泛應(yīng)用于消化道、呼吸道、泌尿道等部位的腫瘤、炎癥性疾病和感染性疾病的診斷。

2、但目前的熒光內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中激發(fā)光路與成像光路采用相互獨(dú)立甚至并排放置的設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致激發(fā)光視場(chǎng)和成像視場(chǎng)只能在特定工作距離范圍內(nèi)重合，大大限制了有效的成像視場(chǎng)范圍；同時(shí)在成像光路中，雖然白光信號(hào)和熒光信號(hào)共用物鏡和分光棱鏡，但是在最終成像時(shí)，白光光路和熒光光路各自經(jīng)過(guò)相應(yīng)相機(jī)前的聚焦透鏡進(jìn)行成像，這樣的光路系統(tǒng)會(huì)因聚焦透鏡差異及裝調(diào)誤差導(dǎo)致彩色圖像和熒光圖像出現(xiàn)視場(chǎng)定位偏差大的現(xiàn)象，給裝調(diào)工藝及后期圖像處理增大難度，而且很難保證白光圖像和熒光圖像的高度融合，直接影響醫(yī)生對(duì)病變位置的精準(zhǔn)判斷。

3、另外，目前的熒光內(nèi)窺鏡系統(tǒng)采用的光學(xué)元件多、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多以機(jī)箱形式呈現(xiàn)，占用手術(shù)室空間，給醫(yī)護(hù)人員的操作帶來(lái)不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法，不僅減輕了裝調(diào)工藝及圖像對(duì)準(zhǔn)的難度，還可以輕易實(shí)現(xiàn)熒光圖像和彩色圖像像素級(jí)的融合。

2、本發(fā)明提出的一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法，包括勻光機(jī)構(gòu)、調(diào)光機(jī)構(gòu)、分光棱鏡、傳光機(jī)構(gòu)、彩色相機(jī)和近紅外相機(jī)，勻光機(jī)構(gòu)發(fā)出的激發(fā)光通過(guò)調(diào)光機(jī)構(gòu)進(jìn)入分光棱鏡，設(shè)定波段的激發(fā)光穿過(guò)分光棱鏡后進(jìn)入傳光機(jī)構(gòu)，以激發(fā)人體組織的熒光信號(hào)，混合的白光信號(hào)和熒光信號(hào)通過(guò)傳光機(jī)構(gòu)進(jìn)入分光棱鏡以進(jìn)行光分離，白光信號(hào)進(jìn)入彩色相機(jī)以得到彩色圖像，熒光信號(hào)進(jìn)入近紅外相機(jī)以得到熒光圖像。

3、進(jìn)一步地，所述分光棱鏡由三個(gè)棱鏡通過(guò)膠合形成，共有兩個(gè)膠合面，每個(gè)膠合面均鍍有膜層使得設(shè)定波長(zhǎng)的光透射，其他波段的光反射。

4、進(jìn)一步地，兩個(gè)膠合面中第一膠合面鍍有膜層使得400-800nm波段白光和激發(fā)光高透，透射率大于99%，830-1000nm波段熒光高反，反射率大于99%，第二膠合面鍍有膜層使得400-700nm波段白光高反，反射率大于95%，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高透，透射率大于99.5%。

5、進(jìn)一步地，所述三個(gè)棱鏡分別為第一棱鏡、第二棱鏡和第三棱鏡，第一棱鏡與第二棱鏡之間通過(guò)第一膠合面連接，第二棱鏡和第三棱鏡之間通過(guò)第二膠合面連接；

6、白光信號(hào)和熒光信號(hào)進(jìn)入第一棱鏡，經(jīng)過(guò)第一膠合面，830-1000nm波段的熒光信號(hào)被反射進(jìn)入近紅外相機(jī)，400-800nm波段的光信號(hào)被透射進(jìn)入第二棱鏡，經(jīng)過(guò)第二膠合面，400-700nm波段的白光信號(hào)被反射進(jìn)入彩色相機(jī)，750-800nm波段的激發(fā)光透射進(jìn)入第三棱鏡。

7、進(jìn)一步地，按照白光信號(hào)和熒光信號(hào)的傳送方向，第一棱鏡31的入射端設(shè)置增透膜，對(duì)400-1000nm波段的光具有大于99.5%的透射率，第一棱鏡31的出射端設(shè)置分光膜，對(duì)830-1000nm波段的熒光高透，透射率大于99.8%，對(duì)400-800nm波段的白光和激發(fā)光高反，反射率大于98%，第二棱鏡32的出射端設(shè)置分光膜，對(duì)400-700nm波段的白光高透，透射率大于99%，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高反，反射率大于98%，第三棱鏡33的出射端設(shè)置增透膜，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高透，透射率大于99.5%。

8、進(jìn)一步地，所述勻光機(jī)構(gòu)包括光源組件、第一準(zhǔn)直透鏡、第一可調(diào)光闌、聚焦透鏡、第二可調(diào)光闌、第二準(zhǔn)直透鏡，光源組件發(fā)出的激發(fā)光依次經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡、第一可調(diào)光闌、聚焦透鏡、第二可調(diào)光闌、第二準(zhǔn)直透鏡后進(jìn)入調(diào)光機(jī)構(gòu)。

9、進(jìn)一步地，所述調(diào)光機(jī)構(gòu)為數(shù)字微反射鏡器件dmd，數(shù)字微反射鏡器件dmd有三種狀態(tài)，分別為偏轉(zhuǎn)+12°、不偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)-12°。

10、進(jìn)一步地，所述傳光機(jī)構(gòu)包括長(zhǎng)焦透鏡、放大物鏡、光纖探頭、成像光纖和寬視場(chǎng)成像物鏡組，成像光纖的一端連接光纖探頭、另一端連接寬視場(chǎng)成像物鏡組，成像光纖設(shè)置于放大物鏡的前端部，寬視場(chǎng)成像物鏡組獲取白光信號(hào)和熒光信號(hào)；

11、混合的白光信號(hào)和熒光信號(hào)依次通過(guò)成像光纖、光纖探頭、放大物鏡、長(zhǎng)焦透鏡進(jìn)入分光棱鏡以進(jìn)行光分離；

12、進(jìn)一步地，所述彩色相機(jī)的成像輸入端設(shè)置有第一濾光片，近紅外相機(jī)的成像輸入端設(shè)置有第二濾光片。

13、一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置的成像方法，包括如下步驟：

14、勻光機(jī)構(gòu)發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)調(diào)光機(jī)構(gòu)的tir棱鏡以24°角斜射在數(shù)字微反射鏡器件dmd上，數(shù)字微反射鏡器件dmd使激發(fā)光垂直透過(guò)tir棱鏡并入射到分光棱鏡上；

15、設(shè)定波長(zhǎng)的激發(fā)光通過(guò)分光棱鏡后到達(dá)傳光機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)焦透鏡成為平行光；

16、平行光通過(guò)傳光機(jī)構(gòu)進(jìn)入寬視場(chǎng)成像物鏡組，以激發(fā)人體組織的熒光信號(hào)；

17、混合的白光信號(hào)和熒光信號(hào)通過(guò)傳光機(jī)構(gòu)進(jìn)入分光棱鏡以進(jìn)行光分離；

18、白光信號(hào)進(jìn)入彩色相機(jī)以得到彩色圖像，熒光信號(hào)進(jìn)入近紅外相機(jī)以得到熒光圖像。

19、本發(fā)明提供的一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法的優(yōu)點(diǎn)在于：采用激發(fā)光路與成像光路的共光軸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了激發(fā)光視場(chǎng)和成像視場(chǎng)的高度重合，擴(kuò)大了有效的成像視場(chǎng)范圍；通過(guò)對(duì)分光棱鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅減輕了裝調(diào)工藝及圖像對(duì)準(zhǔn)的難度，而且可以輕易實(shí)現(xiàn)熒光圖像和彩色圖像像素級(jí)的融合；本實(shí)施例采用高度集成化設(shè)計(jì)，整體為手持便攜形式，占用空間小，不受醫(yī)療環(huán)境限制，大大提升了應(yīng)用范圍和靈活性。另外，本實(shí)施例提出使用數(shù)字微反射鏡器件dmd22投射特定非均勻分布的圖案，以補(bǔ)償原始光斑中的不均勻性，從而獲得高度均勻的激發(fā)光斑，提升熒光成像質(zhì)量；同時(shí)本裝置通過(guò)特殊的膜層（分光棱鏡、第一濾光片以及第二濾光片上設(shè)置的膜層）設(shè)計(jì)，對(duì)熒光具有較高的透射率，綜合透射率大于90%，可以用于部分組織的自發(fā)熒光成像，不需注射熒光造影劑，簡(jiǎn)化了手術(shù)流程。

技術(shù)特征：

1.一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，包括勻光機(jī)構(gòu)（1）、調(diào)光機(jī)構(gòu)（2）、分光棱鏡（3）、傳光機(jī)構(gòu)（4）、彩色相機(jī)（5）和近紅外相機(jī)（6），勻光機(jī)構(gòu)（1）發(fā)出的激發(fā)光通過(guò)調(diào)光機(jī)構(gòu)（2）進(jìn)入分光棱鏡（3），設(shè)定波段的激發(fā)光穿過(guò)分光棱鏡（3）后進(jìn)入傳光機(jī)構(gòu)（4），以激發(fā)人體組織的熒光信號(hào)，混合的白光信號(hào)和熒光信號(hào)通過(guò)傳光機(jī)構(gòu)（4）進(jìn)入分光棱鏡（3）以進(jìn)行光分離，白光信號(hào)進(jìn)入彩色相機(jī)（5）以得到彩色圖像，熒光信號(hào)進(jìn)入近紅外相機(jī)（6）以得到熒光圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述分光棱鏡（3）由三個(gè)棱鏡通過(guò)膠合形成，共有兩個(gè)膠合面，每個(gè)膠合面均鍍有膜層使得設(shè)定波長(zhǎng)的光透射，其他波段的光反射。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，兩個(gè)膠合面中第一膠合面（34）鍍有膜層使得400-800nm波段白光和激發(fā)光高透，透射率大于99%，830-1000nm波段熒光高反，反射率大于99%，第二膠合面（35）鍍有膜層使得400-700nm波段白光高反，反射率大于95%，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高透，透射率大于99.5%。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述三個(gè)棱鏡分別為第一棱鏡（31）、第二棱鏡（32）和第三棱鏡（33），第一棱鏡（31）與第二棱鏡（32）之間通過(guò)第一膠合面（34）連接，第二棱鏡（32）和第三棱鏡（33）之間通過(guò)第二膠合面（35）連接；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，按照白光信號(hào)和熒光信號(hào)的傳送方向，第一棱鏡（31）的入射端設(shè)置增透膜，對(duì)400-1000nm波段的光具有大于99.5%的透射率，第一棱鏡（31）的出射端設(shè)置分光膜，對(duì)830-1000nm波段的熒光高透，透射率大于99.8%，對(duì)400-800nm波段的白光和激發(fā)光高反，反射率大于98%，第二棱鏡（32）的出射端設(shè)置分光膜，對(duì)400-700nm波段的白光高透，透射率大于99%，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高反，反射率大于98%，第三棱鏡（33）的出射端設(shè)置增透膜，對(duì)750-800nm波段的激發(fā)光高透，透射率大于99.5%。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述勻光機(jī)構(gòu)（1）包括光源組件（11）、第一準(zhǔn)直透鏡（12）、第一可調(diào)光闌（13）、聚焦透鏡（14）、第二可調(diào)光闌（15）、第二準(zhǔn)直透鏡（16），光源組件（11）發(fā)出的激發(fā)光依次經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡（12）、第一可調(diào)光闌（13）、聚焦透鏡（14）、第二可調(diào)光闌（15）、第二準(zhǔn)直透鏡（16）后進(jìn)入調(diào)光機(jī)構(gòu)（2）。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述調(diào)光機(jī)構(gòu)（2）為數(shù)字微反射鏡器件dmd（22），數(shù)字微反射鏡器件dmd（22）有三種狀態(tài)，分別為偏轉(zhuǎn)+12°、不偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)-12°。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述傳光機(jī)構(gòu)（4）包括長(zhǎng)焦透鏡（41）、放大物鏡（42）、光纖探頭（43）、成像光纖（44）和寬視場(chǎng)成像物鏡組（45），成像光纖（44）的一端連接光纖探頭（43）、另一端連接寬視場(chǎng)成像物鏡組（45），成像光纖（44）設(shè)置于放大物鏡（42）的前端部，寬視場(chǎng)成像物鏡組（45）獲取白光信號(hào)和熒光信號(hào)；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述彩色相機(jī)（5）的成像入射端設(shè)置有第一濾光片（7），近紅外相機(jī)（6）的成像入射端設(shè)置有第二濾光片（8）。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置的成像方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于同軸光路的手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法，涉及光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，包括勻光機(jī)構(gòu)、調(diào)光機(jī)構(gòu)、分光棱鏡、傳光機(jī)構(gòu)、彩色相機(jī)和近紅外相機(jī)，勻光機(jī)構(gòu)發(fā)出的激發(fā)光通過(guò)調(diào)光機(jī)構(gòu)進(jìn)入分光棱鏡，設(shè)定波段的激發(fā)光穿過(guò)分光棱鏡后進(jìn)入傳光機(jī)構(gòu)，以激發(fā)人體組織的熒光信號(hào)，混合的白光信號(hào)和熒光信號(hào)通過(guò)傳光機(jī)構(gòu)進(jìn)入分光棱鏡以進(jìn)行光分離，白光信號(hào)進(jìn)入彩色相機(jī)以得到彩色圖像，熒光信號(hào)進(jìn)入近紅外相機(jī)以得到熒光圖像；該手持式熒光內(nèi)窺成像裝置及方法不僅減輕了裝調(diào)工藝及圖像對(duì)準(zhǔn)的難度，還可以輕易實(shí)現(xiàn)熒光圖像和彩色圖像像素級(jí)的融合；另外裝置整體為手持便攜形式，占用空間小，不受醫(yī)療環(huán)境限制，提升了應(yīng)用范圍和靈活性。

技術(shù)研發(fā)人員：韓龍飛,岳秀梅,桑浩,朱曉冬,韓軍偉,張鼎文,馮曉緒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院（安徽省人工智能實(shí)驗(yàn)室）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23