CN114047623A - 多光谱荧光内镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种多光谱荧光内镜，包括光源***、导光软管、镜筒和图像处理***；镜筒包括光源接口、分光装置和图像传感器；光源***包括白光光源、荧光激发光源、电源、控制器、光合波器和匀光光纤；荧光激发光源包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的任意两个或多个，白光光源和荧光激发光源合并后经匀光光纤传输，匀光光纤与镜筒上的光源接口相连；导光软管中设有若干像束和若干光束，镜筒的分光装置用于将接收到的人体反光分为N个波段的信号，N个图像传感器一一对应接收N个波段的信号，图像传感器用于将接收到的信号传输至图像处理***。本技术方案弥补了现有技术只能匹配使用一种造影剂的缺陷。

Description

多光谱荧光内镜
技术领域
本发明涉及荧光内镜技术领域，具体涉及一种多光谱荧光内镜。
背景技术
现有技术的荧光腹腔内镜一般指的是ICG造影设备，仅匹配使用ICG造影剂，其适用光谱范围在400nm～1000nm之间，其中400nm-760nm波段为可见光，760nm～1000nm波段为红外光，用于在微创手术中提供实时的可见光影像和近红外荧光影像，通过将这两个波段所成图像进行整合，为术者提供更加清晰的手术视野，提高手术的精细程度。
现有技术的荧光腹腔内镜存在下述缺点:
（1）仅适用于一种造影剂，无法根据实际需求选择其他造影剂，如荧光素钠、5-ALA、亚甲蓝；
（2）基本无法根据实际手术需要调整白光色温，手术中人体的红色组织会使得手术空间内的色温低于入射白光色温，导致所得图像偏红。
发明内容
本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种多光谱荧光内镜。
要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种多光谱荧光内镜，包括光源***、导光软管、镜筒和图像处理***；镜筒包括光源接口、分光装置和图像传感器；
光源***包括白光光源、荧光激发光源、电源、控制器、光合波器和匀光光纤；
荧光激发光源包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的任意两个或多个，第一激光器用于产生波长为370nm的光，第二激光器用于产生波长为530nm的光，第三激光器用于产生波长为630nm的光，第四激光器用于产生波长为660nm的光，第五激光器用于产生波长为780nm的光；
光合波器包括若干输入光纤接口和一个输出光纤接口，白光光源和荧光激发光源均通过光纤与光合波器的输入光纤接口对应相连；
匀光光纤的第一端与光合波器的输出光纤接口相连，匀光光纤的第二端与镜筒上的光源接口相连；
电源用于为白光光源和荧光激发光源供电；
控制器用于控制白光光源和荧光激发光源的工作状态；
导光软管中设有若干像束和若干光束，光束用于将匀光光纤传输的光导出至人体，像束用于将接收到的人体反光导入至镜筒的分光装置；
镜筒的分光装置用于将接收到的人体反光分为N个波段的信号，图像传感器的数量为N个，N个图像传感器一一对应接收N个波段的信号，图像传感器用于将接收到的信号传输至图像处理***。
进一步地，所述白光光源包括第六激光器、第七激光器和第八激光器，第六激光器用于产生波长范围为622～760nm的红光，第七激光器用于产生波长范围为492～577nm的绿光，第八激光器用于产生波长范围为435～450nm的蓝光；第六激光器、第七激光器和第八激光器的供电端均分别对应连接一个恒流源，通过所述控制器控制恒流源的工作状态，从而控制第六激光器、第七激光器和第八激光器的输入功率，进而控制白光光源的出光色温。
进一步地，还包括热成像传感器，热成像传感器用于接收通过镜筒的分光装置分出的远红外光信号，并将接收到的远红外光信号传输至所述图像处理***。
进一步地，所述匀光光纤上设有若干超声波振子，超声波振子用于使匀光光纤产生振动，从而使匀光光纤中的光混合均匀。
进一步地，所述匀光光纤与镜筒的光源接口之间设有准直器，用于使匀光光纤传出的光为平行光。
进一步地，所述准直器的出光口设有防衍射片，防衍射片的中心圆孔的边缘由大量微小锯齿构成。
进一步地，所述镜筒的分光装置包括棱镜A、棱镜B和棱镜C，棱镜A、棱镜B和棱镜C的材质均为氟化钡；棱镜A包括面A1、面A2、面A3，面A1上设有反射膜Ⅰ，面A2上设有第一双色分光膜；棱镜B包括面B1、面B2、面B3，面B1上设有反射膜Ⅱ，面B2上设有第二双色分光膜；棱镜C包括面C1和面C2，面C1和面 2相对设置；第一双色分光膜用于使波长为200～400nm 的光反射，使400～12000nm的光透过；第二双色分光膜用于使波长为400～2000nm的光反射，使波长为2000～12000nm的光透过；人体反光的直线传播路径依次穿过棱镜A的面A1、棱镜A的面A2、棱镜B的面B1、棱镜B的面B2、棱镜C的面C1和棱镜C的面C2；当人体反光传播至第一双色分光膜时，波长为200～400nm 的光被反射至反射膜Ⅰ，再通过反射膜Ⅰ被二次反射，最后经棱镜A的面A3垂直传播至第一CMOS；当人体反光传播至第二双色分光膜时，波长为400～2000nm的光被反射至反射膜Ⅱ，再通过反射膜Ⅱ被二次反射，最后经棱镜B的面B3垂直传播至第二CMOS；当人体反光传播至棱镜C，波长为2000～12000nm的光经棱镜C的面C2垂直传播至热成像传感器；第一CMOS为紫外图像传感器，第二CMOS为可见光图像传感器和近红外传感器。
进一步地，所述棱镜A的面A3上设有增透膜Ⅰ，增透膜Ⅰ用于增加波长为200～400nm的光的透过率；所述棱镜B的面B3上设有增透膜Ⅱ，增透膜Ⅱ用于增加波长为400～2000nm的光的透过率；所述棱镜C的面C2上设有增透膜Ⅲ，增透膜Ⅲ用于增加波长为2000～12000nm的光的透过率。
进一步地，所述导光软管中像束设置在中心，光束设置在像束的外周。
进一步地，根据人为设定，所述控制器控制荧光激发光源中的第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的某一个指定激光器出光；控制器控制白光光源和荧光激发光源周期时序出光，具体为：白光光源出光时间为T1i,出光时长为ω，出光周期为T；荧光激发光源的出光时间为T2i,为无限窄的脉冲光，出光周期为T；T2i-T1i=ω+ε。
本发明可以达到的有益效果为：
（1）对于荧光激发光源，第一激光器可用于激发人体的自体荧光，第二激光器可用于匹配使用造影剂荧光素钠，第三激光器可用于匹配使用造影剂5-ALA，第四激光器可用于匹配使用造影剂亚甲蓝；第五激光器可用于匹配使用造影剂ICG，弥补了现有技术只能匹配使用一种造影剂的缺陷。
（2）进一步地，采用红、绿、蓝三色激光器整合而成的白光光源，可以通过调整各激光器的输入功率调整白光光源的出光色温。
（3）进一步地，通过热成像传感器可以监控人体温变信息，用于为术中血供判断提供参考。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中导光软管的截面示意图；
图3是本发明实施例中防衍射片的示意图；
图4是本发明实施例中镜筒的分光装置的结构示意图；
图5是本发明实施例中镜筒的分光装置的分光原理图；
图6是本发明实施例中时序成像的成像时序图；
1-光源***，2-白光光源，3-光合波器，4-匀光光纤，5-导光软管，6-像束，7-光束，8-防衍射片，9-微小锯齿，10-增透膜Ⅰ，11-第一双色分光膜，12-第二双色分光膜，13-增透膜Ⅲ，14-增透膜Ⅱ，15-反射膜Ⅱ，16-反射膜Ⅰ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1所示，一种多光谱荧光内镜，包括光源***1、导光软管5、镜筒和图像处理***。
镜筒包括光源接口、分光装置和图像传感器。
光源***1包括白光光源2、荧光激发光源、电源、控制器、光合波器3和匀光光纤4。
荧光激发光源包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器，第一激光器用于产生波长为370nm的光，第二激光器用于产生波长为530nm的光，第三激光器用于产生波长为630nm的光，第四激光器用于产生波长为660nm的光，第五激光器用于产生波长为780nm的光。
白光光源2包括第六激光器、第七激光器和第八激光器，第六激光器用于产生波长范围为622～760nm的红光，第七激光器用于产生波长范围为492～577nm的绿光，第八激光器用于产生波长范围为435～450nm的蓝光；第六激光器、第七激光器和第八激光器的供电端均分别对应连接第一恒流源、第二恒流源和第三恒流源，通过控制器控制各恒流源的工作状态，从而控制第六激光器、第七激光器和第八激光器的输入功率，进而控制白光光源2的出光色温。
光合波器3包括8个输入光纤接口和一个输出光纤接口，白光光源2的3个激光器和荧光激发光源的5个激光器分别通过光纤与光合波器3的输入光纤接口一一对应相连。
匀光光纤4的第一端与光合波器3的输出光纤接口相连，匀光光纤4的第二端与镜筒上的光源接口相连；匀光光纤4与镜筒的光源接口之间设有准直器，用于使匀光光纤4传出的光为平行光；准直器的出光口设有防衍射片8，防衍射片8的中心圆孔的边缘由大量微小锯齿9构成，如图3所示；匀光光纤4上设有若干超声波振子，超声波振子用于使匀光光纤4产生振动，从而使匀光光纤4中的光混合均匀。
电源用于为白光光源2和荧光激发光源供电，控制器用于控制白光光源2和荧光激发光源的工作状态。
导光软管5中设有若干像束6和若干光束7，光束7用于将匀光光纤4传输的光导出至人体，像束6用于将接收到的人体反光导入至镜筒的分光装置；如图2所示，导光软管5中像束6设置在中心，光束7设置在像束6的外周。
镜筒的分光装置用于将接收到的人体反光分为三个波段的信号，图像传感器的数量为三个，三个图像传感器一一对应接收三个波段的信号，图像传感器用于将接收到的信号传输至图像处理***。
如图4所示，镜筒的分光装置包括棱镜A、棱镜B和棱镜C，棱镜A、棱镜B和棱镜C的材质均为氟化钡；棱镜A包括面A1、面A2、面A3，面A1上设有反射膜Ⅰ16，面A2上设有第一双色分光膜11；棱镜B包括面B1、面B2、面B3，面B1上设有反射膜Ⅱ15，面B2上设有第二双色分光膜12；棱镜C包括面C1和面C2，面C1和面 2相对设置；第一双色分光膜11用于使波长为200～400nm 的光反射，使400～12000nm的光透过；第二双色分光膜12用于使波长为400～2000nm的光反射，使波长为2000～12000nm的光透过。
如图5所示，人体反光的直线传播路径依次穿过棱镜A的面A1、棱镜A的面A2、棱镜B的面B1、棱镜B的面B2、棱镜C的面C1和棱镜C的面C2；当人体反光传播至第一双色分光膜11时，波长为200～400nm 的光被反射至反射膜Ⅰ16，再通过反射膜Ⅰ16被二次反射，最后经棱镜A的面A3垂直传播至第一CMOS；当人体反光传播至第二双色分光膜12时，波长为400～2000nm的光被反射至反射膜Ⅱ15，再通过反射膜Ⅱ15被二次反射，最后经棱镜B的面B3垂直传播至第二CMOS；当人体反光传播至棱镜C，波长为2000～12000nm的光经棱镜C的面C2垂直传播至热成像传感器；第一CMOS为紫外图像传感器，第二CMOS为可见光图像传感器和近红外传感器。
棱镜A的面A3上设有增透膜Ⅰ10，增透膜Ⅰ10用于增加波长为200～400nm 的光的透过率；棱镜B的面B3上设有增透膜Ⅱ14，增透膜Ⅱ14用于增加波长为400～2000nm的光的透过率；棱镜C的面C2上设有增透膜Ⅲ13，增透膜Ⅲ13用于增加波长为2000～12000nm的光的透过率。
根据人为设定，控制器控制荧光激发光源中的第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的某一个指定激光器出光；控制器控制白光光源2和荧光激发光源周期时序出光，具体为：白光光源2出光时间为T1i,出光时长为ω，出光周期为T；荧光激发光源的出光时间为T2i,为无限窄的脉冲光，出光周期为T；T2i-T1i=ω+ε, ε是白光光源2第i周期的闭光与荧光激发光源第i周期的出光时间间隔。
例如，以ICG为造影剂，设定白光光源2和荧光激发光源中的第五激光器以周期T时序出光，在时间T1i白光光源出光，出光时长为ω，而后关闭；时间间隔ε后，第五激光器在时间T2i产生780nm的无限窄脉冲光，而后关闭，该脉冲光激发ICG造影剂产生荧光，荧光在时间T3i时强度最大，荧光寿命为τ。
相应地，如图6所示，在时间T1i～（T1i+ω）期间，进行可见光摄像；在时间T3i～（T3i+τ）期间，进行荧光摄像；而后图像处理***将相对应的可见光成像和荧光成像进行整合。
在本发明的描述中，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位或位置关系的词语，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多光谱荧光内镜，其特征是：包括光源***（1）、导光软管（5）、镜筒和图像处理***；镜筒包括光源接口、分光装置和图像传感器；
光源***（1）包括白光光源（2）、荧光激发光源、电源、控制器、光合波器（3）和匀光光纤（4）；
荧光激发光源包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的任意两个或多个，第一激光器用于产生波长为370nm的光，第二激光器用于产生波长为530nm的光，第三激光器用于产生波长为630nm的光，第四激光器用于产生波长为660nm的光，第五激光器用于产生波长为780nm的光；
光合波器（3）包括若干输入光纤接口和一个输出光纤接口，白光光源（2）和荧光激发光源均通过光纤与光合波器（3）的输入光纤接口对应相连；
匀光光纤（4）的第一端与光合波器（3）的输出光纤接口相连，匀光光纤（4）的第二端与镜筒上的光源接口相连；
电源用于为白光光源（2）和荧光激发光源供电；
控制器用于控制白光光源（2）和荧光激发光源的工作状态；
导光软管（5）中设有若干像束（6）和若干光束（7），光束（7）用于将匀光光纤（4）传输的光导出至人体，像束（6）用于将接收到的人体反光导入至镜筒的分光装置；
镜筒的分光装置用于将接收到的人体反光分为N个波段的信号，图像传感器的数量为N个，N个图像传感器一一对应接收N个波段的信号，图像传感器用于将接收到的信号传输至图像处理***。
2.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述白光光源（2）包括第六激光器、第七激光器和第八激光器，第六激光器用于产生波长范围为622～760nm的红光，第七激光器用于产生波长范围为492～577nm的绿光，第八激光器用于产生波长范围为435～450nm的蓝光；第六激光器、第七激光器和第八激光器的供电端均分别对应连接一个恒流源，通过所述控制器控制恒流源的工作状态，从而控制第六激光器、第七激光器和第八激光器的输入功率，进而控制白光光源（2）的出光色温。
3.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：还包括热成像传感器，热成像传感器用于接收通过镜筒的分光装置分出的远红外光信号，并将接收到的远红外光信号传输至所述图像处理***。
4.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述匀光光纤（4）上设有若干超声波振子，超声波振子用于使匀光光纤（4）产生振动，从而使匀光光纤（4）中的光混合均匀。
5.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述匀光光纤（4）与镜筒的光源接口之间设有准直器，用于使匀光光纤（4）传出的光为平行光。
6.根据权利要求5所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述准直器的出光口设有防衍射片（8），防衍射片（8）的中心圆孔的边缘由大量微小锯齿（9）构成。
7.根据权利要求3所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述镜筒的分光装置包括棱镜A、棱镜B和棱镜C，棱镜A、棱镜B和棱镜C的材质均为氟化钡；棱镜A包括面A1、面A2、面A3，面A1上设有反射膜Ⅰ（16），面A2上设有第一双色分光膜（11）；棱镜B包括面B1、面B2、面B3，面B1上设有反射膜Ⅱ（15），面B2上设有第二双色分光膜（12）；棱镜C包括面C1和面C2，面C1和面 2相对设置；第一双色分光膜（11）用于使波长为200～400nm 的光反射，使400～12000nm的光透过；第二双色分光膜（12）用于使波长为400～2000nm的光反射，使波长为2000～12000nm的光透过；人体反光的直线传播路径依次穿过棱镜A的面A1、棱镜A的面A2、棱镜B的面B1、棱镜B的面B2、棱镜C的面C1和棱镜C的面C2；当人体反光传播至第一双色分光膜（11）时，波长为200～400nm 的光被反射至反射膜Ⅰ（16），再通过反射膜Ⅰ（16）被二次反射，最后经棱镜A的面A3垂直传播至第一CMOS；当人体反光传播至第二双色分光膜（12）时，波长为400～2000nm的光被反射至反射膜Ⅱ（15），再通过反射膜Ⅱ（15）被二次反射，最后经棱镜B的面B3垂直传播至第二CMOS；当人体反光传播至棱镜C，波长为2000～12000nm的光经棱镜C的面C2垂直传播至热成像传感器；第一CMOS为紫外图像传感器，第二CMOS为可见光图像传感器和近红外传感器。
8.根据权利要求7所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述棱镜A的面A3上设有增透膜Ⅰ（10），增透膜Ⅰ（10）用于增加波长为200～400nm 的光的透过率；所述棱镜B的面B3上设有增透膜Ⅱ（14），增透膜Ⅱ（14）用于增加波长为400～2000nm的光的透过率；所述棱镜C的面C2上设有增透膜Ⅲ（13），增透膜Ⅲ（13）用于增加波长为2000～12000nm的光的透过率。
9.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：所述导光软管（5）中像束（6）设置在中心，光束（7）设置在像束（6）的外周。
10.根据权利要求1所述的多光谱荧光内镜，其特征是：根据人为设定，所述控制器控制荧光激发光源中的第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器中的某一个指定激光器出光；控制器控制白光光源（2）和荧光激发光源周期时序出光，具体为：白光光源（2）出光时间为T1i，出光时长为ω，出光周期为T；荧光激发光源的出光时间为T2i,为无限窄的脉冲光，出光周期为T；T2i-T1i=ω+ε, ε是白光光源（2）第i周期的闭光与荧光激发光源第i周期的出光时间间隔。
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