宽谱荧光内窥镜装置

1.本发明涉及一种内窥镜装置，特别涉及一种宽谱荧光内窥镜装置，属于检测设备技术领域。


背景技术：

2.医学内窥镜目前已经广泛用于临床检测与手术，集成了光学、影像学、人体工程学等多门学科于一体，为临床诊断提供了体外诊断难以提供的可靠图像依据，为如消化道、脉管系统、耳鼻喉、腹腔系统疾病等多种疾病的诊断与治疗提供了解决方案。
3.历经百年发展，内窥镜除了成像分辨率的不断提高，日本奥林巴斯、德国xion等多个品牌提出了很多先进的内窥镜设计方案。如奥林巴斯的双色窄带宽内窥镜，对不同波长的光进行限定，仅留下红、绿、蓝色窄带光波。利用窄带光波穿透胃肠道黏膜的深度不同，实现不同深度血管的穿透。德国xion的3d成像硬镜，通过双光路设计实现实时三维图像成像，提升了内窥图像的立体感，有利于临床医生对内窥图像中组织深度的观察。
4.但是目前的内窥镜光学成像波长基本都是基于可见光区(400-650nm)，极少部分是基于传统红外(650-900nm)，但这些波长在临床医学进行成像时，不仅会受到因组织对光子的吸收和散射产生的影响，而且还会受到组织自发荧光的严重干扰，因此难以实现组织的高穿透深度和高空间分辨率成像。而短波红外(900-2500nm)荧光成像具有更低的组织散射和吸收、更高的穿透深度，所以短波红外内窥镜光学成像系统具有更高的时空分辨率和检测深度，具有更优和更广泛的应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种宽谱荧光内窥镜装置，以克服现有技术中的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种宽谱荧光内窥镜装置，包括：
8.能够握持的外壳以及柔性的探测管，所述探测管的第一端与所述外壳连接，第二端为能够被置于待检测区域的探测端，所述探测管的第二端设置有两个以上的成像物镜；
9.红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构以及显示机构，所述红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构设置在所述外壳内，所述红外光源、可见光源经光纤线缆分别与至少一成像物镜连接，所述控制机构分别与所述图像探测机构、显示机构、红外光源、可见光源连接；
10.所述图像探测机构能够将待检测区域在红外激发光照射下形成的短波红外荧光、待检测区域反射的可见光分别对应转换为短波红外荧光图像信号、可见光图像信号；所述显示机构用于将所述可见光图像信号和短波红外荧光图像信号以人眼可见的方式显示；所述控制机构用于对所述红外光源、可见光源进行调控。
11.与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜
装置，结构简单，操作简便；本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，采用包含可提供红外激发光的红外光源和可提供可见光的可见光光源作为光源，可以实现更高的时空分辨率；以及，本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，采用的柔性的探测管中具有可伸缩的波纹管结构，使得在具体操作时可以更加灵活，进一步提高了检测的深度。
附图说明
12.图1是本发明一典型实施案例中提供的一种宽谱荧光内窥镜装置的结构示意图；
13.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种宽谱荧光内窥镜装置中光源、光纤线缆以及控制器的配合原理结构示意图；
14.图3是本发明一典型实施案例中提供的以一种宽谱荧光内窥镜装置进行成像的流程示意图。
具体实施方式
15.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
16.本发明实施例提供了一种宽谱荧光内窥镜装置，其中的宽谱荧光是指350-2500nm波段，优选为350-1700nm的荧光，本发明以纤细的结构体(即探测管，所述探测管的最大外直径为1.2-15mm)伸入被检测腔体内部，使被荧光探针标记的被检测部位实现350-2500nm波段的荧光激发，并将被激发的350-2500nm(优选为350-1700nm)波段的荧光进行成像并以图像的方式呈现。
17.内窥镜是医生用于观察患者体内而不需要进行探查性手术的装置，通常，内窥镜是具有插入管的成像装置，插入管通过小切口插入患者体内，成像装置从插入管的尖端(“远端”)提供视图，并且例如在医生的监视器上显示该视图，远端可以与内窥镜的手持部分(“近端”)相对，成像系统可以向观看者提供感兴趣的区域的视图。
18.吲哚菁绿(icg)是一种与血浆中的蛋白质结合的染料。当用808nm左右光激发时，icg发出荧光，波长范围在810nm-1400nm。可以将icg注射到血流中，并且在手术期间，可以对icg荧光成像以示出血液灌注和脉管系统。在内窥镜手术中，外科医生插入内窥镜(在内窥镜的远端具有相机和照明源)以实时地对感兴趣的手术区域成像。本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置可以帮助解决在实时获得规则的可见反射图像的同时，获得高穿透深度高分辨率短波红外荧光图像以示出icg的空间分布的问题。icg近红外ii区荧光图像可以提供外科医生可以使用以更好地分辨各种身体结构之间的差异的对比信息。icg也可以选用其他临床使用的具有近红外ii区荧光的荧光探针替代。
19.在以下描述中，本发明实施例阐述了许多具体细节以提供对实施例的深入理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践本文描述的技术。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
20.贯穿本说明书，对“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。此外，特定特征、结构或特
性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
21.本发明实施例提供了一种宽谱荧光内窥镜装置，包括：
22.能够握持的外壳以及柔性的探测管，所述探测管的第一端与所述外壳连接，第二端为能够被置于待检测区域的探测端，所述探测管的第二端设置有两个以上的成像物镜；
23.红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构以及显示机构，所述红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构设置在所述外壳内，所述红外光源、可见光源经光纤线缆分别与至少一成像物镜连接，所述控制机构分别与所述图像探测机构、显示机构、红外光源、可见光源连接；
24.所述图像探测机构能够将待检测区域在红外激发光照射下形成的短波红外荧光、待检测区域反射的可见光分别对应转换为短波红外荧光图像信号、可见光图像信号；所述显示机构用于将所述可见光图像信号和短波红外荧光图像信号以人眼可见的方式显示；所述控制机构用于对所述红外光源、可见光源进行调控。
25.在一具体实施方式中，所述可见光光源和红外光源分别独立地与所述控制机构连接，且能够被独立的控制。
26.在一具体实施方式中，所述光纤线缆包括并行设置在所述检测管内的导光束和传像束，所述导光束和传像束能够对350-2500nm波段内的光信号进行传输。
27.在一具体实施方式中，所述成像物镜包括沿光的传输方向依次设置的多片微透镜，其中，所述成像物镜的直径为0.4-10mm。
28.在一具体实施方式中，所述探测管的第一端具有内螺纹结构，所述外壳具有与所述内螺纹结构相匹配的外螺纹结构，所述探测管的第一端与所述外壳通过螺纹连接的方式连接。
29.在一具体实施方式中，所述探测管靠近所述第一端的部分具有能够在外力作用下沿自身长度方向被拉伸、复原的波纹管结构。
30.在一具体实施方式中，所述探测管的第二端设置有探测头，所述探测头通过螺纹连接的方式与所述探测管连接且能够被拆卸，其中，所述探测头内设置有多个并行设置在的筒状的收容腔，每一所述成像物镜对应嵌设在一收容腔内。
31.在一具体实施方式中，所述图像探测机构包括摄像机，所述摄像机为可同时探测可见光和短波红外荧光的宽谱感应摄像机，或者，所述图像探测机构包括用于探测可见光的可见光图像摄像机和用于探测短波红外荧光的短波红外图像摄像机。
32.在一具体实施方式中，所述摄像机包括探测器以及设置在探测器接收端的成像光学器件和滤波机构，所述滤波机构至少用于滤除红外激发光，所述成像光学器件至少用于收集来反射的可见光和短波红外荧光，并且将收集的反射的可见光和短波红外荧光聚焦在探测器上，以形成光学图像。
33.在一具体实施方式中，所述显示机构包括显示器，所述显示器用于显示可见光图像和短波红外荧光图像。
34.如下将结合具体实施案例和附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的控制器、激光器、显示器、光纤线缆、光学透镜以及摄像机等均可以是本领域技术人员已知的，其均可以通过市购获得，在此不对其具体的结构和型号等进行限定。
35.本发明实施例提供了一种宽谱荧光内窥镜装置，该宽谱荧光内窥镜装置的远端(该端部插入到手术区域中)具有两个离散的激光源和350-2500nm波段荧光成像的纤细管成像装置(包括柔性的探测管和成像物镜)，并且在近端具有一个以上探测器，所述探测器包括至少一个900-2500nm光敏感探测器(优选为900-1700nm探测器)；通过光纤线缆可以将350-2500nm的光从近端的离散的激光源传输到远端(传输波长优选为350-1700nm)。
36.本发明实施例提供了一种宽谱荧光内窥镜装置所采用的用于处理探测器输出的数据并将该数据发送到计算机监视器、显示器的软件、激光器、成像透镜、图像探测器等均可以通过市购获得，在此不对其作特别的限定和说明，需要说明的是，本发明实施例意在解释该一种宽谱荧光内窥镜装置的结构组成，其成像原理和成像过程与本领域技术人员已知的现有内窥镜装置基本相同，其中，本发明实施例所提供的一种宽谱荧光内窥镜装置可以用于诊疗或非诊疗的目的。
37.实施例1
38.请参阅图1，一种宽谱荧光内窥镜装置，包括能够握持的主体10、柔性的探测管17、光纤线缆11、可见光源12、红外光源13、图像探测器14、控制器15和计算机系统16，所述主体10包括硬质外壳，所述可见光源12、红外光源13，图像探测器14、控制器15被封装在所述硬质外壳内部，所述光纤线缆11设置在所述柔性的探测管17内，所述光纤线缆11的一端与所述可见光源12、红外光源13连接，另一端与位于所述探测管17内的成像物镜连接，所述控制器15分别与所述图像探测器14、显示器、计算机系统16、可见光源12、红外光源13连接。
39.在本实施例中，所述图像探测器14能够将待检测区域在红外激发光照射下形成的短波红外荧光、待检测区域反射的可见光分别对应转换为短波红外荧光图像信号、可见光图像信号；所述控制器14用于对所述红外光源、可见光源进行调控。
40.在本实施例中，所述宽谱荧光内窥镜装置包括近端(手持)和远端(与近端相对的光纤线缆11的端部)，可见光源12、红外光源13光学耦接到光纤线缆11的近端，以将可见光源12、红外光源13提供的光发射到光纤线缆11中，并从远端输出；其中，所述光纤线缆11被配置为双光纤且同时可以传输可见光和红外激发光两者，并且，红外激发光的波长在可见光的波长光谱之外。
41.在本实施例中，所述红外光源13和可见光源12可以分别是波长808nm左右的红外光激光器和可见光激光器，所述红外光源13也可以换成其他波长激光器，如：750nm、760nm、780nm、980nm、1064nm、1200nm、1250nm、1530nm等波长的激光器。滤光片可以阻挡几乎所有波长808nm左右的激发光，但让其他波长的光通过。波长808nm左右的激发光和可见波长激发光同时工作。波长808nm左右的激发光可以使感兴趣的手术区域中的icg染料在短波红外区发荧光，并且可见光由手术区域(即待检测区域，下同)中的器官等反射；可见光由可见光探测器成像，短波红外荧光由短波红外荧光探测器成像，两个成像图片可以分开，也可以通过软件算法叠加，值得注意的是，可见光和短波红外荧光可以由各自的探测器探测，也可以由一个宽谱相机探测，宽谱相机感光范围包含可见光和短波红外光，如果是选用宽谱相机，拍出来的图片是可见光和短波红外光叠加的图，可以通过软件算法分解两种光。需要说明的是，该软件算法等可以通过市购获得。
42.需要说明的是，可以使用不同波长的荧光探针和激发光波长，另外，该宽谱荧光内窥镜装置中可以采用更多的相同型号的探测器用于立体成像。
43.在本实施例中，所述图像探测器14耦接到光纤线缆11，并且可以接收待检测区域反射的可见光以及通过滤波器阻挡了红外激发光而到达图像探测器14的短波红外荧光，同时将大部分的反射的可见光和短波红外荧光传递到图像探测器14。
44.请参阅图2，图2示出了本发明实施例中的光源的结构，所述光源包括可见光源12和红外光源13，所述可见光源12可以包括一个或多个可见光激光器，所述红外光源13可以包括一个或多个红外激光器，所述可见光从一个或多个可见光激光器发射，并且红外激发光从一个或多个红外激光器发射，红外激发光的波长长于可见光的波长光谱，可见光激光器和红外激光器可以是能够发射多个波长光的单个激光二极管或者可以是多个独立的激光二极管，每个激光二极管发射不同波长的光。
45.在本实施例中，如图2所示，所述光源可以光学耦接到光纤线缆11上，以将可见光和红外激发光引导到光纤线缆11的近端。因此，光被传输到光纤线缆11中，并且光在光纤线缆11内被全内反射，直到它到达发射它的远端。
46.在本实施例中，所述控制器15耦接到可见光源12和红外光源13以调节可见光源12和红外光源13的输出，其中，所述控制器15可以是处理器系统的一部分，或者，所述控制器15可以是用于控制可见光源12和红外光源13的输出的独立控制器；所述控制器15可以独立地控制各个激光源的强度，以平衡发射的红外激发光和可见光的量，在一个实施例中，所述可见光源12和红外光源13可以具有任何数量的光源(包括激光器和/或发光二极管)。
47.在本实施例中，所述光纤线缆11可以包括包层以促进全内反射(例如，包层可以包括反射金属，或具有比光纤线缆11的主体更低的折射率的材料)或者包含多个光纤。
48.在本实施例中，所述光纤线缆11包括并行设置在所述检测管内的导光束和传像束，所述导光束和传像束能够对350-2500nm波段内的光信号进行传输。
49.在本实施例中，所述探测管的第一端具有内螺纹结构，所述外壳具有与所述内螺纹结构相匹配的外螺纹结构，所述探测管的第一端与所述外壳通过螺纹连接的方式连接，以及，所述探测管靠近所述第一端的部分具有能够在外力作用下沿自身长度方向被拉伸、复原的波纹管结构，在使用时，可以通过拉伸探测管便可延伸所述探测管的长度，从而在不增加宽谱荧光内窥镜装置整体体积的情况下提高探测的深度和探测范围，使得探测管的操控更加灵活多变。
50.需要说明的是，所述波纹管结构为探测管管体的一部分，所述波纹管结构可以设置有一段或者间隔设置的多段。
51.在本实施例中，所述探测管的第二端设置有探测头，所述探测头通过螺纹连接的方式与所述探测管连接且能够被拆卸，其中，所述探测头内设置有多个并行设置在的筒状的收容腔，每一收容腔内并对设置有一成像物镜，所述成像物镜与所述光纤线缆耦接。
52.在本实施例中，所述成像物镜包括沿光的传输方向依次设置的多片微透镜，其中，所述成像物镜的直径为0.4-10mm。
53.在本实施例中，短波红外荧光的波长为900～2500nm，红外激发光可以是具有比短波红外荧光能量低的任何光，值得注意的是，虽然在所描绘的实施例中，红外激发光和短波红外荧光是相对单色的，但在其它实施例中，这些光源的发射轮廓可以更宽，使得它们包括多个波长的光(并且甚至可以包括多个发射峰)。
54.在本实施例中，反射的可见光和短波红外荧光在图像探测器14中形成图像数据，
图像数据可以由处理系统实时分离为可见图像数据和短波红外荧光图像数据，在本实施例中，可见图像数据与由图像探测器14接收的反射的可见光基本一致，并且短波红外荧光图像数据与由图像探测器14接收的短波红外荧光基本一致。
55.在本实施例中，如果采用宽谱相机，可以将组合图像数据分离为可见图像数据和短波红外荧光图像数据；而如果采用可见光相机和短波红外相机的组合，可以通过软件算法可以将可见图像数据和短波红外荧光图像数据融合叠加。
56.需要说明的是，本领域普通技术人员将理解，所描绘的方法以及处理过程中的所有部分可以在耦接到内窥镜装置或包括在内窥镜装置中的处理器/控制器中发生。此外，内窥镜可以经由无线或有线通信与本地或远程处理器通信。在一些实施例中，处理器/控制器可以是分布式系统(例如，在需要处理大量数据的实施例中，例如，高清晰度视频)。应理解，所描绘的实施例说明了红外激发光为808nm左右、短波红外荧光为900-2500nm的情况，但在其他实施例中，可使用其他波长的红外激发光源。
57.图3示出了根据本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置进行医学成像的方法，图3中示出的一些或全部在方法出现的顺序不应被视为限制性的。相反，受益于本发明实施例本领域普通技术人员将理解，该方法中的一些可以以未示出的或甚至并行的各种顺序执行。
58.以一种宽谱荧光内窥镜装置进行医学成像的方法可以包括：
59.1)从内窥镜的光纤线缆的远端同时发射可见光和红外激发光，在一个实施例中，激发光的波长在可见光的波长光谱之外(例如，激发光具有比可见光更长的波长)；
60.2)利用图像探测器接收反射的可见光，在一个实施例中，红外激发光被滤波器阻挡而不被图像探测器吸收。在一些实施例中，其可以是陷波滤波器，或任何其他波长选择性滤波；
61.3)利用图像探测器接收从多个染料分子发射的短波红外荧光，并且该短波红外荧光是响应于该多个染料分子吸收红外激发光而发射的。短波红外荧光可以具有比可见光或激发光更长的波长。图像探测器同时接收反射的可见光和短波红外荧光。反射的可见光和短波红外荧光在图像探测器中同时形成组合图像数据；
62.4)将组合图像数据分离为可见图像数据；该可见图像数据与图像探测器接收的反射的可见光相称；
63.5)将组合图像数据分离为短波红外荧光图像数据；该短波红外荧光图像数据与图像探测器接收的短波红外荧光光相称，在一个实施例中，如果采用宽谱相机，将组合图像数据分离为可见图像数据和短波红外荧光图像数据。在一个实施例中，如果采用可见光相机和短波红外相机的组合，通过软件算法可以将可见图像数据和短波红外荧光图像数据融合叠加。
64.在实施例中，可以利用可见图像数据和短波红外荧光图像数据形成分割的图像也可以是叠加图像，这允许医生在手术期间清楚地识别身体的不同区域。
65.本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，结构简单，操作简便；本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，采用包含可提供红外激发光的红外光源和可提供可见光的可见光光源作为光源，可以实现更高的时空分辨率；以及，本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，采用的柔性的探测管中具有可伸缩的波纹管结构，使得在具体操作时
可以更加灵活，进一步提高了检测的深度。
66.本发明的所示实施例的以上描述(包括摘要中所描述的内容)，并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种修改。
67.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于包括：能够握持的外壳以及柔性的探测管，所述探测管的第一端与所述外壳连接，第二端为能够被置于待检测区域的探测端，所述探测管的第二端设置有两个以上的成像物镜；红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构以及显示机构，所述红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构设置在所述外壳内，所述红外光源、可见光源经光纤线缆分别与至少一成像物镜连接，所述控制机构分别与所述图像探测机构、显示机构、红外光源、可见光源连接；所述图像探测机构能够将待检测区域在红外激发光照射下形成的短波红外荧光、待检测区域反射的可见光分别对应转换为短波红外荧光图像信号、可见光图像信号；所述显示机构用于将所述可见光图像信号和短波红外荧光图像信号以人眼可见的方式显示；所述控制机构用于对所述红外光源、可见光源进行调控。2.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述可见光光源和红外光源分别独立地与所述控制机构连接，且能够被独立的控制。3.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述光纤线缆包括并行设置在所述检测管内的导光束和传像束，所述导光束和传像束能够对350-2500nm波段内的光信号进行传输。4.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述成像物镜包括沿光的传输方向依次设置的多片微透镜，其中，所述成像物镜的直径为0.4-10mm。5.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述探测管的第一端具有内螺纹结构，所述外壳具有与所述内螺纹结构相匹配的外螺纹结构，所述探测管的第一端与所述外壳通过螺纹连接的方式连接。6.根据权利要求1或5所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述探测管靠近所述第一端的部分具有能够在外力作用下沿自身长度方向被拉伸、复原的波纹管结构。7.根据权利要求1或5所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述探测管的第二端设置有探测头，所述探测头通过螺纹连接的方式与所述探测管连接且能够被拆卸，其中，所述探测头内设置有多个并行设置在的筒状的收容腔，每一所述成像物镜对应嵌设在一收容腔内。8.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述图像探测机构包括摄像机，所述摄像机为可同时探测可见光和短波红外荧光的宽谱感应摄像机，或者，所述图像探测机构包括用于探测可见光的可见光图像摄像机和用于探测短波红外荧光的短波红外图像摄像机。9.根据权利要求8所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述摄像机包括探测器以及设置在探测器接收端的成像光学器件和滤波机构，所述滤波机构至少用于滤除红外激发光，所述成像光学器件至少用于收集来反射的可见光和短波红外荧光，并且将收集的反射的可见光和短波红外荧光聚焦在探测器上，以形成光学图像。10.根据权利要求1所述的宽谱荧光内窥镜装置，其特征在于：所述显示机构包括显示器，所述显示器用于显示可见光图像和短波红外荧光图像。

技术总结
本发明公开了一种宽谱荧光内窥镜装置。所述宽谱荧光内窥镜装置包括：能够握持的外壳以及柔性的探测管，所述探测管的第一端与所述外壳连接，第二端为能够被置于待检测区域的探测端，所述探测管的第二端设置有两个以上的成像物镜；红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构以及显示机构，所述红外光源、可见光源、图像探测机构、控制机构设置在所述外壳内，所述红外光源、可见光源经光纤线缆分别与至少一成像物镜连接，所述控制机构分别与所述图像探测机构、显示机构、红外光源、可见光源连接。本发明实施例提供的一种宽谱荧光内窥镜装置，可以实现更高的时空分辨率。实现更高的时空分辨率。实现更高的时空分辨率。


技术研发人员：王强斌 张叶俊 吴峰
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2023/9/20