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层析内窥显微成像装置

阅读：80发布：2020-05-11

专利汇可以提供层析内窥显微成像装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的实施例提供了一种层析内窥显微成像装置，包括光发射单元、结构光单元、转向单元和面阵探测单元，其中所述光发射单元用于发射光束；所述结构光单元用于将所述光束转变为结构光；所述转向单元用于转向所述结构光并透过样品的荧光；以及所述面阵探测单元用于采集所述荧光。该层析内窥显微成像装置采用面光源对样品进行激发，并使用面阵探测单元对样品激发光探测，可以大大提高组织分子的成像速度，可实现实时成像。此外，在层析内窥显微成像装置中使用结构光单元，解决了宽场成像本身由于聚焦平面上下层背景光的干扰而造成的图像模糊问题。，下面是层析内窥显微成像装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种层析内窥显微成像装置，包括光发射单元、结构光单元、转向单元和面阵探测单元，其中
所述光发射单元用于发射光束；
所述结构光单元用于将所述光束转变为结构光；
所述转向单元用于转向所述结构光并透过样品的荧光；以及
所述面阵探测单元用于采集所述荧光。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光发射单元包括：
光源，用于发射准直光束；以及
扩束组件，设置在所述光源的出口处，用于将所述准直光束扩束。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述扩束组件包括依次设置的窄带滤光器和扩束器，其中
所述窄带滤光器用于对所述准直光束进行滤光；
所述扩束器用于对滤光后的光束进行扩束。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述转向单元为二向色镜。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述结构光单元包括：
数字微镜装置；或者
空间光调制器；或者
光栅和控制所述光栅移动的驱动器。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括设置在所述转向单元下游的内窥单元，所述内窥单元用于将转向的光束传导并聚焦到样品上、并接收样品发出的荧光；所述荧光经所述转向单元后由所述面阵探测单元采集。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述内窥单元包括耦合物镜和成像光纤束，其中所述耦合物镜设置在所述成像光线束的一端，用于将所述聚焦的光束耦合进入所述光纤束的近端；以及
所述成像光纤束用于传导进入的光束。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述内窥单元还包括微型物镜，所述微型物镜设置在所述成像光线束的另一端，用于将所述光纤束传导的光束聚焦到所述样品上。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述面阵探测单元包括依次设置的聚焦透镜和面阵探测器，其中
所述聚焦透镜用于将所述样品发出的荧光聚焦；
所述面阵探测器用于采集荧光信号。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述面阵探测单元还包括长通滤光器，所述长通滤光器设置在所述聚焦透镜和所述面阵探测器之间，用于滤除杂散光。

说明书全文

层析内窥显微成像装置

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械领域，更具体地涉及一种层析内窥显微成像装置。

背景技术

[0002] 肿瘤是严重威胁人类健康的重大疾病。近三十年，全球癌症(恶性肿瘤)发病数以年均3％～5％的速度递增，癌症已成为人类最重要的死因之一。目前临床研究发现，肿瘤早期不伴转移，容易切除，因此，肿瘤的早期发现、早期诊断是提高肿瘤治疗水平、降低治疗成本、提高愈后生活质量的关键。大量研究表明90％以上的肿瘤来源于上皮细胞的病变，且在癌症发生发展过程中会发生分子和细胞水平的变异。基于光纤束的高分辨率光学内窥成像技术，能达到微米或者亚微米的分辨率，使内镜放大倍数达1000倍，相对于其他医学成像技术(如CT、MRI、PET等)具有无损、实时、在体检测微小肿瘤性病变等技术优势，能够更好地提高肿瘤的早期诊断率。内窥成像的探头端可深入到活体内部，完成微米级在体实时无损检测，实现无需取样的“在体活检”，为早期细胞分子病变探测带来新的技术手段。

发明内容

[0003] 考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种层析内窥显微成像装置，包括光发射单元、结构光单元、转向单元和面阵探测单元，其中所述光发射单元用于发射光束；所述结构光单元用于将所述光束转变为结构光；所述转向单元用于转向所述结构光并透过样品的荧光；以及所述面阵探测单元用于采集所述荧光。

[0004] 示例性地，所述光发射单元包括：光源，用于发射准直光束；以及扩束组件，设置在所述光源的出口处，用于将所述准直光束扩束。

[0005] 示例性地，所述扩束组件包括依次设置的窄带滤光器和扩束器，其中所述窄带滤光器用于对所述准直光束进行滤光；所述扩束器用于对滤光后的光束进行扩束。

[0006] 示例性地，所述转向单元为二向色镜。

[0007] 示例性地，所述结构光单元包括：数字微镜装置；或者空间光调制器；或者光栅和控制所述光栅移动的驱动器。

[0008] 示例性地，所述装置还包括设置在所述转向单元下游的内窥单元，所述内窥单元用于将转向的光束传导并聚焦到样品上、并接收样品发出的荧光；所述荧光经所述转向单元后由所述面阵探测单元采集。

[0009] 示例性地，所述内窥单元包括耦合物镜和成像光纤束，其中所述耦合物镜设置在所述成像光线束的一端，用于将所述聚焦的光束耦合进入所述光纤束的近端；以及所述成像光纤束用于传导进入的光束。

[0010] 示例性地，所述内窥单元还包括微型物镜，所述微型物镜设置在所述成像光线束的另一端，用于将所述光纤束传导的光束聚焦到所述样品上。

[0011] 示例性地，所述面阵探测单元包括依次设置的聚焦透镜和面阵探测器，其中所述聚焦透镜用于将所述样品发出的荧光聚焦；所述面阵探测器用于采集荧光信号。

[0012] 示例性地，所述面阵探测单元还包括长通滤光器，所述长通滤光器设置在所述聚焦透镜和所述面阵探测器之间，用于滤除杂散光。

[0013] 该层析内窥显微成像装置采用面光源对样品进行激发，并使用面阵探测单元对样品激发光探测，可以大大提高组织分子的成像速度，可实现实时成像。此外，在层析内窥显微成像装置中使用结构光单元，解决了宽场成像本身由于聚焦平面上下层背景光的干扰而造成的图像模糊问题。附图说明

[0014] 通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同或相似部件或步骤。

[0015] 图1示出了根据本发明一个实施例的层析内窥显微成像装置的示意性框图；以及[0016] 图2示出了根据本发明一个实施例的层析内窥显微成像装置的光路示意图。

具体实施方式

[0017] 为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

[0018] 图1和图2分别示意性地示出了根据本发明一个实施例的层析内窥显微成像装置100的框图和光路图。该层析内窥显微成像装置100包括光发射单元110、结构光单元150、转向单元120和面阵探测单元140。该层析内窥显微成像装置100可广泛应用于消化道、呼吸道等各个部位的组织分子成像，实现肿瘤的早期诊断。

[0019] 光发射单元110用于发射光束。在一个实施例中，光发射单元110可以包括光源112和扩束组件114。光源112用于发射准直光束。光源112可以为发射特定波长的准直激光的激光器。所述特定波长范围可以为20nm-2000nm。该波长范围内的激光可以激发大范围的荧光体。光源112可以为量子阱激光器、固态激光器、气体激光器(例如氩离子激光器)或者激光二极管。扩束组件114设置在光源112的出口，用于将光源112发出的准直光束扩束。在一个优选实施例中，扩束组件114可以包括依次设置的窄带滤光器(未示出)和扩束器。窄带滤光器用于对光源112发出的准直光束进行滤光。窄带滤光器可以过滤出所需波长的光，例如允许500nm-600nm的光线透过窄带滤光器，用于激发大范围的荧光。扩束器可以包括两个扩束透镜L1、L2，它们相互配合将经过窄带滤光器的光束进行扩束，以改变准直光束的直径。

[0020] 结构光单元150用于将光发射单元110发射的光束转变为结构光，后文将对结构光单元150的多个实施例进行详细描述。

[0021] 转向单元120位于结构光单元150的下游，用于转向结构光单元150形成的结构光，并且能够使样品的荧光透射。在图1和2中，实线用于表示光发射单元110发出的光束，虚线用于表示样品受激发出的荧光。转向单元120用于分离结构光单元150产生的结构光和样品激发产生的荧光。转向单元120对荧光的透射率可以达到90％以上，而对于其他波长的光基本上全部反射。于是，结构光单元150产生的结构光经过转向单元120时被反射到内窥单元130。沿与光束相同的光路返回的荧光在经过转向单元120时几乎全部透射，并传导至面阵探测单元140。满足上述条件的转向单元120可以为二向色镜。优选地，该二向色镜的波长范围可以在40nm-2200nm波长范围内。

[0022] 该层析内窥显微成像装置100还包括设置在转向单元120下游的内窥单元130。内窥单元130用于将转向单元120转向的光束传导并聚焦到样品上，并且接收样品发出的荧光。该荧光经转向单元120后由面阵探测单元140采集。在一个优选实施例中，如图2所示，内窥单元130可以包括耦合物镜132、微型物镜136、以及耦合在耦合物镜132和微型物镜136之间的成像光纤束134。耦合物镜132用于将光束耦合(例如聚焦)进入成像光纤束134的近端(靠近操作人员的一端)。成像光纤束134用于将光束传导至成像光纤束134的远端(远离操作人员的一端)。微型物镜136用于将成像光纤束134传导的激光聚焦到样品的检测面上。检测面可以位于样品表面以下的所需深度处。样品的该检测面处的荧光团受激发出荧光。荧光信号经过微型物镜136收集，经成像光纤束134和耦合物镜132传导，穿过转向单元120进入面阵探测单元140。成像光纤束134所包括的光线束的数量可以大于十根。微型物镜136不是必须的。

[0023] 在探测光路上，面阵探测单元140采集依次经内窥单元130和转向单元120返回的荧光。在一个优选实施例中，面阵探测单元140包括聚焦透镜142和面阵探测器146。聚焦透镜142用于将样品发出的荧光聚焦。聚焦后的荧光在面阵探测器146的光敏面上感光。面阵探测器146可以为各种类型的面阵相机，例如CCD(电荷耦合元件)面阵相机或CMOS(互补金属氧化物半导体)面阵相机等。面阵探测器146的成像速度在几十帧到几千万帧的范围内。面阵探测单元140每次能够形成一幅完整图像，即该层析内窥显微成像装置的成像速度为面阵探测单元140的成像速度，进而可快速实现可观测的组织分子图像。可选地，面阵探测单元140还包括长通滤光器。长通滤光器(未示出)设置在聚焦透镜142和面阵探测器146之间，用于滤除杂散光。

[0024] 概括地说，光源112发出的准直光束，经扩束组件114扩束，由结构光单元150转变为结构光，转向单元120将该结构光折转进入内窥单元130，内窥单元130将光束传导至样品，激发出荧光并传递回面阵探测单元140进行成像。

[0025] 示例性地，面阵探测器采集到的数据可以发送至计算机，由计算机接收并处理。此外，该计算机还可以对结构光单元、面阵探测器的曝光和增益、以及光发射单元的发射功率等进行控制。

[0026] 结构光单元150设置在光发射单元110与转向单元120之间，用于将光发射单元110发出的光束转变为结构光。所述结构光属于特征化后的光束。结构光单元150通过调制光的相位达到光波调制的目的。

[0027] 在一个优选实施例中，结构光单元150可以包括光栅和控制该光栅移动的驱动器(例如马达)。所述光栅可以为余弦光栅。光发射单元110发出的光束经过光栅投影到样品上，形成结构光照明。当每个周期(即光栅移动周期)形成三幅源图像时，每次移动光栅周期的1/3，相当于光栅图案相移2π/3。同时面阵探测单元140的曝光速度与光栅的移动同步。三次相移(0，2π/3，4π/3)得到样品的三幅源图像，再经过结构光重建获得样品的一幅层析图像。举例来说，如果期望达到的帧率为10帧/秒，则光栅需每秒移动30次，以形成30幅源图像。此外，光栅也可以在一个周期内移动6次或9次等，对应地，每次相移光栅周期的1/6或1/9等。所述“结构光重建”的算法可以是现有的或未来可能出现的各种算法，由于结构光重建不属于本发明的发明点，因此本发明不对其进一步详细地描述。所述光栅可以为每毫米大于或等于10线对的光栅，例如10线对/毫米、20线对/毫米、30线对/毫米或40线对/毫米等。

[0028] 在另一个优选实施例中，该结构光单元150也可以采用空间光调制器。空间光调制器可以在主动控制下调制光的相位进行光波调制。它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理。

[0029] 在还一个优选实施例中，该结构光单元150也可以采用现有的各种数字微镜装置(DMD)。DMD是一种电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，通过电子输入对内部阵元的翻转进行控制，以形成所期望的光栅，由此操作人员可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。

[0030] 在层析内窥显微成像装置中使用结构光重建技术，解决了宽场成像本身由于聚焦平面上下层背景光的干扰而造成的图像模糊问题。

[0031] 尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

[0032] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

[0033] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

[0034] 类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

[0035] 本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

[0036] 此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

[0037] 应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

[0038] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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