小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法
【专利摘要】一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，它包括有包括氙灯、可编程对比度调制扫描器、成像系统一、成像系统二、内窥成像光学系统、滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二、导光光纤束，在氙灯的前部设置滤色转盘一，滤色转盘一的前端设有耦合系统三，该耦合系统三的前端设有导光光纤束，该导光光纤束前端设有二色镜转盘一，该导光光纤束正前端以24°的角度对着到可编程对比度调制扫描器的数字微镜器件，该可编程对比度调制扫描器设置在内窥成像光学系统的正后方；它还包括：荧光成像方法和白光成像方法；本发明可获得成像速度接近视频的高实时性图像，有效消除了由于体内器官运动带来的图像模糊，也很好地消除了背景杂散光。
【专利说明】小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学分子成像【技术领域】，属于一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前的所有光学活体成像设备都是在体外进行成像，但很多成像目标，例如很多原位移植瘤，都是在腹腔或者胸腔内，由于外面有胸壁和腹壁组织，所以无论何种探针和标记技术，光学信号(500 - 800nm)都会被组织吸收和散射，大约每穿过Icm的组织后会衰减约10倍。因此在深部组织的发光信号到体外就会变弱。虽然现有的小动物整体成像设备也在不断推出新型号，以便更好收集捕捉到并清晰成像，最大程度消除背景噪声，还有尝试过在光学成像中还有基于突光时长的成像，例如通过频域(frequency domain, FD)或者时域(time-domain，TD)成像，其优势在于它不依赖于荧光团的浓度，可以提供一种根据荧光化学特性来测量荧光的方法。但由于频率要求等问题，该系统很难用于小动物成像，其他的光学成像设备包括激光共聚焦成像，光学相干层析成像等，有的也与内镜结合，虽然能很好成像组织结构，但工作距离短，而且都是仅仅能于对皮肤等浅表组织(300 μ m-500 μ m)深度的成像，无法对腹腔内实质脏器及深部组织成像。因此目前设备都无法解决在整体成像上光信号难以穿透腹壁胸壁组织并被吸收散射的问题，使体内的模型的成像会受到严重影响，成为体内深部组织光学分子成像无法逾越的障碍，这也是目前小动物活体光学成像的最难以解决的问题，也成为光学成像作为分子成像中一种成像模式的弱点，影响了其在生物医学领域的应用。另外，目前国际上商品化的整体成像设备都是采用传像光纤束，其最大优点是可以实现小尺寸、长工作距离的激光共聚焦内窥镜，但光纤束固有的缺点限制了此类技术的发展。首先是光纤束的芯径像素化结构严重降低了图像的径向分辨率，必须采用复杂的处理算法，才能较好地提高图像分辨率。其次是芯径之间薄的覆层会导致共聚焦扫描和成像时相邻像素之间存在信号串扰，降低了图像对比度。最后，光纤束在使用过程中断丝率会逐步增加，而且无法修复，导致视野黑点越来越多，而且目前设备多采用单根光纤结合末梢MEMS扫描机构实现图像中继，为了获得小尺寸的内窥镜探头尺寸，末梢MEMS器件的尺寸必须设计很小，而且工艺难度较大。因为采用单根光纤则必须在内窥镜探头末端集成MEMS扫描器，当扫描性能较好时导致末端尺寸较大，而较小尺寸的MEMS扫描器性能较差。另一个主要问题是成像的速度较低(帧频低于lOf/s)，实时性不够。因为体内器官无法固定，且随着小动物的呼吸及心跳会产生运动，由此带来的运动模糊降低了图像质量，影响了疾病的可靠诊断。
[0003]激光共焦内窥术是最新发展起来的一项技术，可在腔镜下全肝成像过程中进行组织的成像，无需取样实现病理学诊断。通过静脉注射荧光素作为对比剂，采用蓝激光激发，观察上皮组织的细胞形态。但现有技术尚需改进，以便利于肝病诊断。首先是光纤束作为传像系统，最高密度为3万 根光纤像素，清晰度不够，且信号之间存在串扰，降低了图像对比度。其次是成像速度较慢，为l_2fps，在体诊断时运动模糊严重影响图像质量。最后，小动物肝脏对蓝光散射严重，导致成像深度不够，且图像的清晰度和对比度也进一步降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统及方法，它弥补上述三个缺点，首先是设计光组组合传像系统，代替光纤束或单根光纤，将激光耦合进体内组织，并将荧光信号耦合至体外探测器，实现高清晰度成像，图像分辨率接近衍射极限，相邻像素无信号串扰，图像对比度高；其次是采用DMD器件实现可编程对比度扫描功能，通过一次对比度调制的随机栅格扫描成像与一次宽场照明成像，结合图像融合算法，实时重建出体内器官图像，成像速度达到15fps以上，消除由于小动物呼吸，心跳等变化而引起的图像运动模糊，以及消除背景荧光的干扰，包括有自发荧光和焦面外荧光，并且获得深度信息的荧光情况。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0006]一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，它包括有包括氙灯、可编程对比度调制扫描器(DMD)、成像系统一((XD-1)、成像系统二((XD-2)、内窥成像光学系统、滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二、导光光纤束，其特征在于:在氣灯的前部设置滤色转盘一，滤色转盘一的前端设有耦合系统三(L3)，该耦合系统三(L3)的前端设有导光光纤束，该导光光纤束前端设有二色镜转盘一，该导光光纤束正前端以24°的角度对着到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，该可编程对比度调制扫描器(DMD)设置在内窥成像光学系统的正后方；
[0007]在成像系统二的前部设置耦合系统二(L2)，该耦合系统二(L2)的前部设置有滤色转盘二，该滤色转盘二的前部设置二色棱镜转盘二，该二色棱镜转盘二的前部设有二色棱镜转盘一，该二色棱镜转盘一的前端设置光纤接口，该光纤接口与内窥成像光学系统的外径包覆光纤连通；在二色棱镜转盘二的一侧设置有稱合系统一(LI),该稱合系统一(LI)的后部设置有成像系统一。
[0008]所述的滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二结构相同，包括有转盘支架，转盘中心轴；滤色转盘一、滤色转盘二分别在转盘支架上设有至少两个滤色片，该两个滤色片设置在转盘中心轴四周的转盘支架上，其中滤色片一不起滤色作用，即让光全部通过；其它滤色片为具有不同的透过波长的滤色片，实现透过所需波长的光信号而过滤掉其他不必要的信号波长的功能；
[0009]二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二分别在转盘支架上设有一个反射镜一和至少一个具有透过不同波长的二色镜，实现让所需的波长光信号透射而其他光信号反射的功能。
[0010]一种小动物腹腔镜活体光学分子成像方法，采用上述所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；还包括以下步骤:
[0011]荧光成像方法:
[0012](I)氙灯发出的光通过滤色转盘一的具有不同的透过波长的滤色片后，只剩下波长为λ Εχ的光,通过稱合系统三(L3)稱合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一；
[0013](2)光到达二色棱镜转盘一后，经过透射透过具有不同波长的二色镜，以24°的角度入射到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，DMD由计算机编程控制24°角度，调制地将光反射到内窥成像光学系统的后孔径内；[0014](3)进入内窥成像光学系统的光最终入射到样本上面，激发样本上面的荧光染料，获得波长为λ Em的荧光信号；
[0015](4)荧光信号再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一；
[0016](5)光经过二色镜转盘一反射到达二色镜转盘二，透射后到达滤色转盘二。
[0017](6)透射过滤色转盘二的光经过耦合系统二(L2)成像在成像系统二(CXD-2)上；
[0018]上述过程成像系统二(CXD-2)获得一幅对比度调制扫描的栅格图像；然后再次使可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件的所有数字微反射镜均处于ON状态，且占空比为100%，形成均匀照明的光斑，获得第二幅荧光图像；通过图像融合算法，获得经过荧光染料处理的体内组织的图像。
[0019]一种小动物腹腔镜活体光学分子成像方法，采用上述所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；还包括以下步骤:
[0020]白光成像方法:
[0021](I)氙灯发出的光通过滤色转盘一并没有受到滤色的作用，即产生的白光全部耦合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一；
[0022](2)光到达二色棱镜转盘一后，经过反射，进入与内窥成像光学系统外径光纤连接的光纤接口，耦合进光纤中；
[0023](3)耦合进光纤中的白光通过光纤的传输照射到样本上面，反射出带有样本图像信息的光信号；
[0024](4)反射的光再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一；
[0025](5)光信号经过二色棱镜转盘一反射到达二色棱镜转盘二 ；
[0026](6)光信号经过二色棱镜转盘二反射经过稱合系统一成像在成像系统一((XD-1)上；
[0027]上述过程成像系统一获得白光照射下的样本彩色图像。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]1、将腹腔镜技术与小动物活体光学分子成像技术相结合，解决了目前小动物活体分子成像实验设备无法对腹腔内或者胸腔内病灶很好成像的瓶颈问题。
[0030]2、采用可编程对比度调制扫描器(DMD)实现可编程对比度扫描功能，通过一次对比度调制的随机栅格扫描成像与一次宽场照明成像，结合图像融合算法，实时重建出体内器官的图像，成像速度达到15fps以上，消除由于呼吸，心跳等变化而引起的图像运动模糊，以及消除背景荧光的干扰，包括有自发荧光和焦面外荧光，并且获得深度信息的荧光情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明的成像系统结构示意图。
[0032]图2是本发明实施例1的滤色转盘或二色棱镜转盘的结构示意图。
[0033]图3是本发明实施例2的滤色转盘或二色棱镜转盘的结构示意图。
[0034]图4是本发明实施例3的滤色转盘或二色棱镜转盘的结构示意图。[0035]图5是本发明实施例4的滤色转盘或二色棱镜转盘的结构示意图。
[0036]图6是本发明实施例5的滤色转盘或二色棱镜转盘的结构示意图。
[0037]附图标号:1、内窥成像光学系统；2、光纤接口 ；3、导光光纤束；4、滤色转盘一；5、氙灯；6、滤色转盘二 ；7、二色棱镜转盘二 ；8、二色棱镜转盘一 ；9、内窥成像光学系统的正后方；10、转盘支架；11、转轴；12、滤色片一或反射镜一 ；DMD、可编程对比度调制扫描器；CCD-1、成像系统一 ；(XD-2、成像系统二 ；L1、耦合系统一 ；L1、耦合系统二 ；L3、耦合系统三。
【具体实施方式】
[0038]参见图1所示:一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，它包括有包括氙灯、可编程对比度调制扫描器(DMD)、成像系统一(CXD-1)、成像系统二(CXD-2)、内窥成像光学系统、滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二、导光光纤束，其特征在于:在氙灯的前部设置滤色转盘一，滤色转盘一的前端设有耦合系统三(L3)，该耦合系统三(L3)的前端设有导光光纤束，该导光光纤束前端设有二色镜转盘一，该导光光纤束正前端以24°的角度对着到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，该可编程对比度调制扫描器(DMD)设置在内窥成像光学系统的正后方；
[0039]在成像系统二的前部设置耦合系统二(L2)，该耦合系统二(L2)的前部设置有滤色转盘二，该滤色转盘二的前部设置二色棱镜转盘二，该二色棱镜转盘二的前部设有二色棱镜转盘一，该二色棱镜转盘一的前端设置光纤接口，该光纤接口与内窥成像光学系统的外径包覆光纤连通；在二色棱镜转盘二的一侧设置有稱合系统一(LI),该稱合系统一(LI)的后部设置有成像系统一。
[0040]所述的滤色转盘一 、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二结构相同，包括有转盘支架，转盘中心轴；滤色转盘一、滤色转盘二分别在转盘支架上设有至少两个滤色片，该两个滤色片设置在转盘中心轴四周的转盘支架上，其中滤色片一不起滤色作用，即让光全部通过；其它滤色片为具有不同的透过波长的滤色片，实现透过所需波长的光信号而过滤掉其他不必要的信号波长的功能；
[0041]二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二分别在转盘支架上设有一个反射镜一和至少一个具有透过不同波长的二色镜，实现让所需的波长光信号透射而其他光信号反射的功能。
[0042]一种小动物腹腔镜活体光学分子成像方法，采用上述所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；在荧光成像过程中，转动滤色转盘一、滤色转盘二至相应波长对应的滤色片，可以分别让波长为λ Εχ的光(由所选荧光染料所需要的激发光)和波长为λΕπ的荧光信号(由所选荧光染料受激发后产生)通过。另外，转动二色棱镜转盘一和二色棱镜转盘二至适当位置，分别让波长为λΕχ和λ Em的光透射，其他光信号反射。直接控制激发光源的照射能量，它有利于成像系统根据每一种荧光物质、或实验样本种类及其部位作针对性的调节，在同一样本中对不同荧光团的数量比较就会很容易实现。软件控制的转盘支架10和转轴11转动，提供在一个测读次序中激发光和发射光滤光片的快速转换.透射区域大小为20cm*20cm。
[0043]包括以下步骤:
[0044]荧光成像方法:
[0045](I)氙灯发出的光通过滤色转盘一的具有不同的透过波长的滤色片后，只剩下波长为λ Εχ的光,通过稱合系统三(L3)稱合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一；
[0046](2)光到达二色棱镜转盘一后，经过透射透过具有不同波长的二色镜，以24°的角度入射到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，DMD由计算机编程控制24°角度，调制地将光反射到内窥成像光学系统的后孔径内；
[0047](3)进入内窥成像光学系统的光最终入射到样本上面(在小动物腹腔内的样本上面涂上相应的波长的染料)，激发样本上面的荧光染料，获得波长为λΕπ的荧光信号；
[0048](4)荧光信号再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一；
[0049](5)光经过二色镜转盘一反射到达二色镜转盘二，透射后到达滤色转盘二。
[0050](6)透射过滤色转盘二的光经过耦合系统二(L2)成像在成像系统二(CXD-2)上；
[0051]上述过程成像系统二(CXD-2)获得一幅对比度调制扫描的栅格图像；然后再次使可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件的所有数字微反射镜均处于ON状态，且占空比为100%，形成均匀照明的光斑，获得第二幅荧光图像；通过图像融合算法，获得经过荧光染料处理的体内组织的图像。
[0052]一种小动物腹腔镜活体光学分子成像方法，采用上述所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；在白光成像过程中，调节滤色转盘一和滤色转盘二，旋转到滤色片一，不起滤色作用让光全部通过。同时二色棱镜转盘一和二色棱镜转盘二转换到反射镜功能。
[0053]包括以下步骤:
[0054]白光成像方法:
[0055](1)氙灯发出的光通过滤色转盘一并没有受到滤色的作用，即产生的白光全部耦合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一；
[0056](2)光到达二色棱镜转盘一后,经过反射,进入与内窥成像光学系统外径光纤连接的光纤接口，耦合进光纤中；
[0057](3)耦合进光纤中的白光通过光纤的传输照射到样本上面，反射出带有样本图像信息的光信号；
[0058](4)反射的光再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一；
[0059](5)光信号经过二色棱镜转盘一反射到达二色棱镜转盘二 ；
[0060](6)光信号经过二色棱镜转盘二反射经过稱合系统一成像在成像系统一((XD-1)上；
[0061]上述过程成像系统一获得白光照射下的样本彩色图像。
[0062]内窥成像光学系统为外径5mm,长度150_的硬性内镜探头，同时外径包覆有光纤束进行白光的传输。
[0063]滤色转盘是一个改进的可调滤色片。如图2、图3、图4、图5、图6所示，以图5为例，它包含有5个(或其他数量)滤色片，转动转盘选择不同的滤色片对通过的光信号进行处理。其中滤色片一不起滤色作用，即让光全部通过。滤色片二至五为具有不同的透过波长的滤色片，实现透过所需波长的光信号而过滤掉其他不必要的信号波长的功能(所需波长为表1)。
[0064]表1.常用光学分子成像激发光及发射光波长[0065]
【权利要求】
1.一种小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，它包括有包括氙灯、可编程对比度调制扫描器(DMD)、成像系统一((XD-1)、成像系统二((XD-2)、内窥成像光学系统、滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二、导光光纤束，其特征在于:在氙灯的前部设置滤色转盘一，滤色转盘一的前端设有耦合系统三(L3)，该耦合系统三(L3)的前端设有导光光纤束，该导光光纤束前端设有二色镜转盘一，该导光光纤束正前端以24°的角度对着到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，该可编程对比度调制扫描器(DMD)设置在内窥成像光学系统的正后方； 在成像系统二的前部设置耦合系统二(L2)，该耦合系统二(L2)的前部设置有滤色转盘二，该滤色转盘二的前部设置二色棱镜转盘二，该二色棱镜转盘二的前部设有二色棱镜转盘一，该二色棱镜转盘一的前端设置光纤接口，该光纤接口与内窥成像光学系统的外径包覆光纤连通;在二色棱镜转盘二的一侧设置有耦合系统一(LI)，该耦合系统一(LI)的后部设置有成像系统一。
2.根据权利要求1所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统，其特征在于:所述的滤色转盘一、滤色转盘二、二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二结构相同，包括有转盘支架，转盘中心轴；滤色转盘一、滤色转盘二分别在转盘支架上设有至少两个滤色片，该两个滤色片设置在转盘中心轴四周的转盘支架上，其中滤色片一不起滤色作用，即让光全部通过；其它滤色片为具有不同的透过波长的滤色片，实现透过所需波长的光信号而过滤掉其他不必要的信号波长的功能； 二色棱镜转盘一、二色棱镜转盘二分别在转盘支架上设有一个反射镜一和至少一个具有透过不同波长的二色镜，实现让所需的波长光信号透射而其他光信号反射的功能。
3.一种小动物 腹腔镜活体光学分子成像方法，其特征在于:它包括权利要求1或2所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；还包括以下步骤: 荧光成像方法: (1)氙灯发出的光通过滤色转盘一的具有不同的透过波长的滤色片后，只剩下波长为λ Εχ的光，通过稱合系统三(L3)稱合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一； (2)光到达二色棱镜转盘一后，经过透射透过具有不同波长的二色镜，以24°的角度入射到可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，DMD由计算机编程控制24°角度，调制地将光反射到内窥成像光学系统的后孔径内； (3)进入内窥成像光学系统的光最终入射到样本上面，激发样本上面的荧光染料，获得波长为λ Em的突光信号； (4)荧光信号再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一； (5)光经过二色镜转盘一反射到达二色镜转盘二，透射后到达滤色转盘二。 (6)透射过滤色转盘二的光经过耦合系统二(L2)成像在成像系统二(CXD-2)上； 上述过程成像系统二(CXD-2)获得一幅对比度调制扫描的栅格图像；然后再次使可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件的所有数字微反射镜均处于ON状态，且占空比为100%，形成均匀照明的光斑，获得第二幅荧光图像；通过图像融合算法，获得经过荧光染料处理的体内组织的图像。
4.一种小动物腹腔镜活体光学分子成像方法，其特征在于:它包括权利要求1或2所述的小动物腹腔镜活体光学分子成像系统；还包括以下步骤: 白光成像方法: (1)氙灯发出的光通过滤色转盘一并没有受到滤色的作用，即产生的白光全部耦合进入导光光纤束到达二色棱镜转盘一； (2)光到达二色棱镜转盘一后，经过反射，进入与内窥成像光学系统外径光纤连接的光纤接口，耦合进光纤中； (3)耦合进光纤中的白光通过光纤的传输照射到样本上面，反射出带有样本图像信息的光信号； (4)反射的光再由内窥成像光学系统收集，到达可编程对比度调制扫描器(DMD)的数字微镜器件器件，被ON状态的数字微镜反射，到达二色镜转盘一； (5)光信号经过二色棱镜转盘一反射到达二色棱镜转盘二； (6)光信号经过二色棱镜转盘二反射经过稱合系统一成像在成像系统一((XD-1)上； 上述过程成像系统一获得白 光照射下的样本彩色图像。
【文档编号】A61B1/313GK103799961SQ201410087600
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】洪德飞, 王立强, 王知非 申请人:洪德飞, 王立强, 王知非