一种荧光内窥成像系统 |
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| 申请号 | CN201710312538.X | 申请日 | 2017-05-05 | 公开(公告)号 | CN106901683A | 公开(公告)日 | 2017-06-30 |
| 申请人 | 中国人民武装警察部队总医院; | 发明人 | 刘海峰; 屈亚威; 贾逸文; 赵秀琴; 杨士松; 程文文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 荧光 内窥成像系统以解决 现有技术 中的内窥成像系统不能进行多 光谱 成像的问题。使用本发明的荧光内窥成像系统时，将传像光纤束置于空心组织的待 检测区域 ，根据不同的荧光探针的激发光光波调整合适的激发光滤光片、二向色镜滤光片和发射光滤光片进入相应光路。即可使 光源 被激发光滤光片过滤成窄带激发光，之后再被二向色镜滤光片反射至第二光路并激发待检测区域的荧光探针。荧光探针被激发后发射的荧光 信号 经过二向色镜滤光片和发射光滤光片之后被 图像采集 处理模 块 所采集。所以本发明只需要调节多光谱分光采集装置即可方便地实现不同荧光探针的多光谱成像。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种荧光内窥成像系统，其特征在于：包括照明光源模块、多光谱分光采集装置、图像采集处理模块、机械电子控制模块及用于置入待检测组织中以激发荧光探针并传导图像的传像光纤束，所述多光谱分光采集装置设置于暗箱中且具体包括激发滤光片切换器、二向色镜滤光切换器和发射光滤光片切换器，各切换器均包括可沿自身的转动轴线转动的转轮、转轮上沿其周向间隔设置有多个距其转动轴线距离相同以供相应滤光片安装的光口，转轮上还设置有用于驱动所述转轮沿自身的转动轴线转动的驱动件，所述驱动件由机械电子控制模块控制；照明光源模块、激发滤光片切换器与二向色镜滤光切换器之间的光路形成用于将照明光源过滤成窄带激发光的第一光路，二向色镜滤光切换器与传像光纤束之间的光路形成第二光路，二向色镜滤光切换器、发射光滤光片切换器及图像采集处理模块之间的光路形成了用于呈现待检测组织图像的第三光路；第二光路与第三光路的方向相反，第一光路与第二光路和第三光路均垂直。 |
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| 说明书全文 | 一种荧光内窥成像系统技术领域[0001] 本发明涉及一种荧光内窥成像系统。 背景技术[0002] 消化系统肿瘤是世界范围内最常见肿瘤之一。早发现、早治疗，提高早癌的诊断水平对于提高患者生存率、减轻社会经济负担有着深远的意义。目前国际研究表明，内镜检查是发现消化系统肿瘤的最有效途径。然而现有内镜技术存在检出率低，漏诊率高等诸多问题。为解决现有问题，分子影像学为我们提供了新的思路。分子影像学对活体内的生物过程在细胞和分子水平进行研究，同时利用靶向探针与特定分子结合可实现实时、定量成像。将分子影像学技术与消化内镜结合的消化内镜分子影像学，成为实现消化道肿瘤早期诊断的有效途径。目前的研究成果已经展现出这一领域良好的发展应用前景。 [0003] 目前常用的分子影像学设备有以下几种： [0004] (1)自体荧光成像设备 [0005] 自发荧光成像(AFI)系统运用氙气光透过蓝绿色旋转滤光片后形成激发蓝光(波长390-470nm)和绿光(波长540-560nm)直接照射胃肠道黏膜，除反射的蓝光被吸收滤片(吸收波长在500-630nm)阻挡外，反射绿光和自发荧光透过吸收滤片被CCD捕捉，经光电转化及图像重建后在显示器上显示。 [0006] 但自体荧光成像设备具有以下缺点：理论上只要分子结构发生改变，自体荧光就会发生特征性改变，AFI图像的光学对比并不体现肿瘤特异性光学对比，是一个综合了多个分子改变的结果。由于AFI没有使用特异性靶向造影剂，因而假阳性率较高，对于炎症与肿瘤的区分有一定难度。同时由于自体荧光信号强度十分微弱，易受到激发光混叠的影响。 [0007] (2)拉曼光谱成像 [0008] 拉曼光谱成像(RSI)是基于非弹性光散射现象，提供详细的化学信息。利用拉曼光谱，通过检测恶性和正常组织之间的化学差异而做出临床早期诊断。然而早期诊断的一个重要的限制是固有拉曼散射的低效性，因为它的信号较差、曝光时间长、灵敏度不足和穿透深度有限，已经严重限制该技术向临床转化。 [0009] (3)共聚焦显微成像 [0010] 共聚焦显微成像(CLI)其原理类似于激光共聚焦显微镜，可以使内镜下的组织结构放大1000倍，从而使得临床医师在内镜观察的同时对患者实时进行组织病理学诊断成为可能。而目前共聚焦内镜仅能提供488nm的激发光，在多光谱荧光成像方面具有明显优势。荧光素钠作为共聚焦内镜的荧光对比剂，使用时需静脉注射，国内外虽有文献表明荧光素钠可以安全使用，但静脉注射的风险相较表面喷洒要高的多，安全性难以保证。 [0011] (4)共聚焦内镜 [0012] 共聚焦内镜在原理上与共聚焦显微镜无异，均采用“点扫描”的成像方式，然而这种成像方式虽然可以提供高分辨率的清晰图像，但成像速度大打折扣，并且荧光由探测器检测，需在计算机系统中转换成电图像，后期人工图像选择耗时费力。 [0013] (5)高分辨率荧光成像 [0014] 高分辨率荧光成像(HRME)，通过激发喷洒在组织上的荧光造影剂而成像。目前，常用的荧光造影剂盐酸吖啶黄可与细胞核和细胞质内的DNA、RNA结合而染色，受到波长445nm的激发光照射后，可以发射出波长515nm的荧光。然而目前HRME只能进行单光谱成像，还无法联合多种荧光探针进行多光谱成像，同时缺乏图像分析软件对图像进行定量及定性分析。 发明内容[0015] 本发明的目的在于提供一种荧光内窥成像系统以解决现有技术中的内窥成像系统不能进行多光谱成像的问题。 [0016] 为实现上述目的，本发明的一种荧光内窥成像系统采用以下技术方案： [0017] 一种荧光内窥成像系统，包括照明光源模块、多光谱分光采集装置、图像采集处理模块、机械电子控制模块及用于置入待检测组织中以激发荧光探针并传导图像的传像光纤束，所述多光谱分光采集装置设置于暗箱中且具体包括激发滤光片切换器、二向色镜滤光切换器和发射光滤光片切换器，各切换器均包括可沿自身的转动轴线转动的转轮、转轮上沿其周向间隔设置有多个距其转动轴线距离相同以供相应滤光片安装的光口，转轮上还设置有用于驱动所述转轮沿自身的转动轴线转动的驱动件，所述驱动件由机械电子控制模块控制；照明光源模块、激发滤光片切换器与二向色镜滤光切换器之间的光路形成用于将照明光源过滤成窄带激发光的第一光路，二向色镜滤光切换器与传像光纤束之间的光路形成第二光路，二向色镜滤光切换器、发射光滤光片切换器及图像采集处理模块之间的光路形成了用于呈现待检测组织图像的第三光路；第二光路与第三光路的方向相反，第一光路与第二光路和第三光路均垂直。 [0018] 所述第二光路上于二向色镜滤光切换器与传像光纤束之间设置有放大物镜模块，所述放大物镜模块包括放大物镜转轮及用于驱动放大物镜转轮绕其自身转动轴线转动的放大物镜转轮驱动件，放大物镜转轮上沿其周向间隔设置有多个供放大物镜安装的光口，多个光口距其转动轴线的距离相同。 [0020] 所述第一光路上于照明光源模块与激发滤光片切换器之间设置有光斑调节器。 [0021] 所述传像光纤束包括多根传像光纤单丝及包裹在成束的传像光纤单丝外围的传像光纤外套管。 [0022] 所述图像采集处理模块包括用于接收传像光纤束所传送图像的相机及用于对相机所接收的图像进行处理的图像数据处理模块，所述图像数据处理模块包括用于对原始荧光图像进行去噪处理以去除原始荧光图像中传像光纤单丝间隔造成的网格图像的高斯滤波模块，图像数据处理模块还包括集成有直方图均衡化算法以提高荧光图像的对比度并生成校正荧光图像的校正模块。 [0023] 所述图像数据处理模块还包括用于显示所述校正荧光图像、计算校正荧光图像中的定量参数并将所得图像及相关数据进行分类存储的服务器。 [0024] 所述相机为具有图像信息转化单元的CCD相机，图像信息转化单元用于将图像信息转化为数据信息。 [0025] 本发明的有益效果如下：使用本发明的荧光内窥成像系统时，将传像光纤束置于空心组织的待检测区域，根据不同的荧光探针的激发光光波调整激发滤光片切换器使合适的激发光滤光片进入第一光路以将光源过滤成窄带激发光，窄带激发光被二向色镜滤光片切换器中的二向色镜滤光片反射而转至与第一光路垂直的第二光路中，并沿第二光路末端的传像光纤束激发待检测区域的荧光探针。荧光探针被激发后发射的荧光信号透过第二光路而进入与第二光路反向的第三光路，根据激发荧光调整发射光片切换器使合适的发射光滤光片进入第三回路，荧光信号经发射光滤光片再次过滤后被图像采集处理模块所采集而呈现待检测区域的荧光图像。被待检测区域所反射的激发光却会被二向色镜滤光片完全反射而不会进入第三光路，自然也不会影响最终采集到的荧光图像。所以本发明只需要调节多光谱分光采集装置使合适的滤光片进入相应的光路就可以激发不同的荧光探针并采集相应荧光探针被激发后的荧光图像，方便地实现了不同荧光探针的多光谱成像。而入射光需要经二向色镜滤光片反射后才能进入第二光路的形式更是避免了其他的干扰窄谱段光进入传像光纤束而对最终的根据荧光图像进行的诊断造成不利影响。附图说明 [0026] 图1为本发明的一种荧光内窥成像系统的一个实施例的结构示意图； [0027] 图2为图1中传像光纤束的剖面结构示意图； [0028] 图3为图1中传像光纤束的截面结构示意图； [0029] 图4为使用图1中的荧光内窥成像系统进行图像采集处理存储的流程图。 具体实施方式[0030] 本发明的一种荧光内窥成像系统的结构如图1～3所示，包括照明光源模块、多光谱分光采集装置、物镜模块、图像采集处理模块及机械电子控制模块。 [0032] 照明光源模块、激发滤光片切换器与二向色镜滤光切换器之间的光路形成用于将照明光源过滤成窄带激发光的第一光路。二向色镜滤光切换器与传像光纤束之间的光路形成用于激发待检测组织中的荧光探针以呈现原始荧光图像或是用于供宽光谱光源射入待检测组织中以呈现宽视野图像的第二光路。二向色镜滤光切换器、发射光滤光片切换器及图像采集处理模块之间的光路形成了用于呈现待检测组织图像的第三光路。第二光路与第三光路的方向相反，第一光路与第二光路和第三光路均垂直 [0033] 其中机械电子控制模块22为可编程机械控制器，总体控制激发光滤光片控制器2、二向色镜滤光片转轮控制器11及发射光滤光片控制器14进行旋转切换。 [0034] 照明光源模块包含单色可调光源1、导光光纤18及光斑调节器19，可根据用户的需要调节产生不同能量的宽光谱准直光线，通过光斑调节器19调节光源入射的光斑大小，照明光线通过导光光纤18进入多光谱分光采集装置。 [0035] 为了保证本发明的一种荧光内窥成像系统的避光性，多光谱分光采集装置由暗箱20包裹。多光谱分光采集装置的运动则由机械电子控制模块通过数据传输线控制，避免了每次转动转轮需要开启暗箱20的操作，使成像系统具有多光谱信息获取功能。暗箱20的箱体上开设有供相应光纤、电源线及数据线穿过的侧孔。 [0036] 激发滤光片切换器Ⅰ包括激发光滤光片控制器2、激发光滤光片3、激发光滤光片转轮4，激发光滤光片转轮4上设置有多个用于装载激发光滤光片3的光口，其中一个光口未安装激发光滤光片而形成备用的空口。激发光滤光片控制器2带动激发光滤光片转轮4沿其转动轴线转动以切换位于第一光路上的激发光滤光片4。用户可根据所使用的荧光探针，调节激发光滤光片控制器2使合适的激发光滤光片4进入第一光路，选定的激发光滤光片4过滤射入光斑中的宽谱段白光，而使特定的窄带光谱能够透过激发光滤光片4而向后传输并形成可激发荧光探针的窄带激发光，同时又不引入其他谱段光干扰的窄谱段出射光。在选择激发光滤光片4时，应以能充分激发所使用的荧光探针的光波长为选择依据。其中激发光滤光片3为小直径带通干涉滤光片，其带通谱段应与所用荧光探针的吸收谱相匹配。 [0037] 二向色镜滤光片切换器Ⅱ包括二向色镜滤光片转轮控制器11、二向色镜滤光片12、二向色镜转轮13。二向色镜转轮13上设置有多个用于装载二向色镜滤光片12的光口，其中一个光口未安装二向色镜滤光片12而形成备用的空口。二向色镜滤光片转轮控制器11控制二向色镜转轮13沿其转动轴线转动而使与由激发滤光片3中射出的窄带激发光匹配的二向色镜滤光片12进入光路，窄带激发光被二向色镜滤光片12完全反射后进入光路下一级而穿过物镜切换器。穿过物镜切换器后的窄带激发光经光学准直耦合器9耦合到传像光纤束 10的近端。其中光学准直耦合器9为聚焦透镜组，起到准直和聚集光束的作用，其将由窄带激发光聚集成与传像光纤束10的直径接近的光束，并垂直入射到下级光路中的传像光纤束 10中。传像光纤束10为柔性探测器，因而其远端能顺利伸入人体内部空腔组织内而紧贴待观察物体，而将窄带激发光传导入人体内部空腔组织中，并以圆形光光斑模式均匀照射在检测区域。所以窄带激发光会随着传像光纤束10由其近端传送至远端而使被观察物体受激发并发射荧光信号。被观察物体受激发而发出荧光信号，同时被观察物体还会反射部分窄带激发光而形成激发光、反射可见光而形成反射光。 [0038] 其中二向色镜滤光片12为小直径长波通二向色镜滤光片12，其截止波长应与所用荧光探针的吸收谱相匹配。窄带激发光被二向色镜滤光片12反射到物镜模块上，同时待检测组织受激发射的荧光(比激发光的波长要长)透过二向色镜滤光片12直接进入相机。而向后反射或者由待测物体散射的激发光被二向色镜滤光片12二次反射，防止其进入到相机形成杂散信号。 [0039] 物镜切换器包括放大物镜5、物镜转轮6、物镜安装孔7及物镜转轮控制器8，物镜转轮6上装载有多个放大物镜5。用户可通过物镜转轮控制器8控制物镜转轮6沿其转动轴线转动而将不同放大倍数的放大物镜5接入光路。由待测物体发出的反射光、激发光和受激发射的荧光信号被传像光纤束10收集后，通过放大物镜5并形成放大的图像。物镜转轮控制器8由可编程微型步进电机控制以切换不同放大倍数的放大物镜。放大物镜放大倍数的选择应与传像光纤束的直径大小相适应。物镜转轮6上设置有多个用于装载放大物镜5的光口，其中一个光口未安装放大物镜5而形成备用空口。 [0040] 其中放大物镜5为带有RMS外螺纹的有限远平场消色差物镜，放大倍数分别为4X，10X，20X，40X，各物镜之间齐焦，可对荧光图像进行放大，并在放大物镜共轭点上形成放大的实像，并投射到CCD相机17的探测芯片上。放大物镜5放大倍数计算方法为：M＝Lmin/d。 [0041] 式中M为放大倍数，Lmin为矩形CCD探测芯片的短边长度，d为传像光纤束的直径。 [0042] 经过放大物镜之后的光谱信号再传送至二向色镜滤光片切换器Ⅱ之后分成几路。待检测组织反射的激发光和反射光无法透过二向色镜滤光片12而是被其反射。荧光信号能透过二向色镜滤光片12并入射到发射光滤光片切换器Ⅲ。发射光滤光片切换器Ⅲ包括发射光滤光片控制器14、发射光滤光片15、发射光滤光片转轮16，发射光滤光片转轮16上设置有多个用于装载发射光滤光片15的光口，其中一个光口未安装发射光滤光片15而形成备用空口。通过发射光滤光片控制器14控制发射光滤光片转轮16绕其转动轴线转动，即可将不同的发射光滤光片15转入光路中。将合适的发射光滤光片15接入第三光路，荧光信号被发射光滤光片切换器Ⅲ过滤后被图像采集处理模块采集，即可在显示设备上显示出待检测区域的原始荧光图像。荧光光束投射到CCD相机17的靶面上，CCD相机17将图像的光信号转换为电信号输入服务器，服务器对图像进行采集并显示在荧光屏上，并可以对图像进行处理、存储及进行文件管理。 [0043] 发射光滤光片15的光轴方向与平行放大物镜5的光轴同轴，所以由发射光滤光片15射出的荧光信号的方向与射入光学准直耦合器9的窄带激发光的方向相反。 [0044] CCD相机17对通过发射光滤光片15过滤后的原始荧光图像进行采集。其中相机为电荷耦合器件(CCD)相机或互补型金属氧化物半导体管(CMOS)相机，用于接收成像强度弱的光信号，并将采样转换为数字图像，其有效成像光强微弱的荧光信号，得到原始荧光图像。 [0045] 图像采集处理模块包括CCD相机17和图像数据处理控制模块21。图像数据处理模块包括高斯滤波模块、集成有直方图均衡化算法的校正模块和服务器。图像数据处理控制模块21对原始荧光图像进行处理的方法如下：第一步，使用高斯洪波模块中的高斯滤波算法对原始荧光图像进行去噪处理，去除原始荧光图像中传像光纤间隔造成的网格图像；第二步，通过校正模块中的直方图均衡化算法提高荧光图像的对比度，生成校正荧光图像；第三步，在服务器中实时同步显示所述的校正荧光图像，并计算校正荧光图像中的细胞核数量、核面积、核质比及核间距等定量参数，将所得图像及相关数据进行分类存储。 [0046] 其中发射光滤光片15为小直径带通干涉滤光片，其带通谱段覆盖所用荧光剂的发射谱峰，且与所用的激发光滤光片的带通谱段不重叠。因而荧光信号经发射光滤光片15之后，非荧光信号会被滤除。避免了非荧光信号与荧光信号重叠而影响最终采集的光谱图像，光谱图像采集不准确可能引起检查结果的误判。 [0047] 传像光纤束10用于将激发光传导到人体内部空心器官的检测区，并从检测区收集感兴趣的激发光、荧光等光学信号而传导到体外成像。传像光纤束10具体包含一束柔性、小外径、高分辨率、光传输通透率高的传像光纤单丝24和套在成束的传像光纤单丝24外围的传像光纤外套管23。传像光纤束10的设计使其能够顺利经人口腔等开口到达食道、胃等空心器官，将出射激发光传导入人体内部空腔组织中，并以圆形光光斑模式均匀照射在检测区域。光纤外套管23采用医用级聚丙烯酰胺或聚四氟乙烯材料制作。 [0048] 所述的传光光纤18为石英光纤，长约100cm，直径2.5mm，配备SMA905输出端口。 [0049] 宽光谱光源1产生的宽光谱光线由传光光纤18传导，并通过光纤远端的光斑调节器19形成特定直径的准直光线。 [0050] 其中宽光谱光源1可以为大功率氙灯、卤灯光源或汞灯光源，其出射光谱段覆盖可见光到近红外波长范围。 [0051] 本发明显示待检测组织图片的方法如下：被观察物体被窄带激发光照射后产生荧光信号，荧光信号被传像光纤束10接收后通过传像光纤束后被放大物镜5放大，放大后的荧光光束通过二向色镜滤光片转轮13和发射光滤光片15，投射到CCD相机的靶面上。CCD相机将图像的光信号转换为电信号输入图像采集处理模块中的服务器，服务器对图像进行采集并显示在显示屏上，并可以对图像进行处理、存储及进行文件管理。 [0052] 使用本发明的一种荧光内窥成像系统进行图像采集处理存储的流程图如图4所示，包括以下步骤： [0053] 1、开启装置电源，包括CCD相机17的电源、宽光谱光源1的电源和电脑电源； [0054] 2、将传像光纤束10的远端插入人体组织空腔中并使其紧贴待测物体，此时可由CCD相机采集到原始荧光图像和宽视野图像； [0055] 3、CCD相机17将光学信号的图像转化为数字信号并输入计算机； [0056] 4、对原始荧光图像利用高斯滤波算法进行去噪处理，去除原始荧光图像中光纤间隔造成的网格图像，再通过直方图均衡化算法提高荧光图像的对比度，生成校正荧光图像，并在显示器上实时同步显示所述的校正荧光图像，并能计算相关荧光图像中的细胞核数量、核面积、核质比及核间距等定量参数； [0057] 4、计算机将校正图像及细胞核数量、核面积、核质比，核间距等定量参数显示在显示器上； [0058] 5、重复步骤2-4，得到一定数量的荧光图像和相关定量参数； [0059] 6、建立分类文件夹，采集的图像及相关定量参数存入文件夹中； [0060] 7；切断设备电源关闭电脑。 [0061] 在其他实施例中，还可以将图像卡输入计算机以将光学信号转化为数字信号。 [0062] 以裸鼠结肠癌模型用被FITC标记EGFR抗体及Alexa Fluor680标记的VEGF抗体两种荧光探针进行多谱成像为例，使用本发明的一种荧光内窥成像系统进行多光谱成像的方法如下： [0063] 根据所使用的FITC、Alexa Fluor680两种荧光探针的光谱学特征，选择适宜的两套激发光滤光片488nm和645nm，两套二向色镜滤光片490nm和690nm，两套发射光滤光片525nm和710nm的组合。 [0064] 开启宽光谱光源1，相机17及计算机，将传像光纤束的远端对准并紧贴待测部位。 [0065] 先对FITC标记EGFR抗体进行激发成像，分别切换激发光滤光片转轮4，二向色镜转轮13及发射光滤光片转轮16使一组激发光滤光片3，二向色镜滤光片12及发射光滤光片15进入光路，用窄谱段激发光照射探测物，使CCD相机17拍摄第一组原始荧光图像。 [0066] 在对Alexa Fluor680标记的VEGF抗体进行激发成像，分别切换激发光滤光片转轮4，二向色镜转轮13及发射光滤光片转轮16使另一组激发光滤光片3，二向色镜滤光片12及发射光滤光片15进入光路，用窄谱段激发光照射探测物，使CCD相机17拍摄第二组原始荧光图像。 [0067] 由于传像光纤束10成像时其中的传像光纤单丝24之间的固有间隔会在成像时产生网格图案，严重影响图像质量以及对图像信息的判读，更是无法对所得图像进行图像数据处理及定量分析。所以需要使用图像数据处理控制模块21对原始荧光图像进行处理。 [0068] 图像数据处理控制模块21读取两组原始荧光图像，分别对两组原始荧光图像使用高斯滤波算法进行去噪处理，去除原始荧光图像中光纤间隔造成的网格图像，再通过直方图均衡化算法提高荧光图像的对比度，生成校正荧光图像，并在显示器上实时同步显示所述的校正荧光图像。 [0069] 本实施例中，所述的高斯滤波算法和直方图均衡化算法具体包括以下步骤： [0070] 分别读取两组原始荧光图像，用(-1)x+y乘以输入图像进行坐标变换，利用离散傅里叶变换计算图像的DFT，用滤波器函数H(μ,ν)乘以F(μ,ν)计算反DFT，得到结果再乘以(-x+y1) 即得到高斯滤波后的图像。 [0071] 高斯滤波的二维形式如下： [0072] 式中D(μ,ν)是模糊半径r，其中r2＝μ2+ν2；σ是正态分布的标准偏差。 [0073] 通过直方图均衡化算法进行图像处理时，具体映射方法如下： [0074] [0076] 由上式即可得到图像灰度值映射并通过图像灰度值计算相关荧光图像中的细胞核数量、核面积、核质比及核间距等定量参数，并能将所得图像及相关数据进行分类存储。 [0077] 本实施例的荧光内窥镜成像系统可将不同的滤光片切换至光路上，以满足不同探针对滤光装置成像的要求，从而实现对多种荧光探针快速成像。另外，由于采用电动控制各转轮的电机，切换时无需打开暗箱，可以快速电动切换，避免了外界杂散光的干扰同时减少了光学系统内光学信号的损失。并且由于进行了图像处理，提高了荧光图像的质量，并能对图像进行定量分析计算。 |
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