具有高光谱相机引导的探头的成像系统的制作方法

文档序号:9251539
具有高光谱相机引导的探头的成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学设备或装备的领域。更具体地,本发明涉及用于识别生物组织中 的目标结构,例如用于有效肿瘤边缘评价的医学成像系统和方法。
【背景技术】
[0002] 在肿瘤切除手术期间,对被切除组织的边界是否是无肿瘤的评估是至关重要的。 当肿瘤没有被完全切除时,处置将没有疗效,伴随着对于患者的所有灾难性后果。尽管组织 病理学是用于评估切除是否完全的黄金标准,但是由于对被切除的标本的评估所需要的时 间,这仅可以在手术已经完成之后进行。尽管可以对被切除组织的外层到阳性边缘的特定 深度进行研宄的表面探头在开发中,但是这些方法仍然是相当耗时的,这是因为必须以足 够的准确度并以足够的分辨率来研宄外表面。另外,因为这些测量是点状的(或小面积测 量),所以它们由于可能致使这些测量较不稳定的异质组织结构而易于波动。
[0003] 因此,问题是如何以时间高效且鲁棒的方式针对阳性边缘来对被切除的肿瘤组织 的表面进行检验。

【发明内容】

[0004] 提供允许对生物组织内的目标结构(例如肿瘤组织)的稳定且同时时间高效的识 别的系统和方法将是有利的。
[0005] 在第一方面中,本发明提供了一种被布置用于识别相关联的生物组织中的目标结 构的医学成像系统,所述系统包括:
[0006] -高光谱相机系统,其被布置为提供覆盖所述生物组织的第一表面区域的高光谱 图像,其中,所述高光谱图像的像素包含在不同的光波长带处的信息,
[0007] -探头,其被布置为提供对于所述生物组织的第二表面区域的、具有指示所述目标 结构的信息的探头测量,并且被布置为相应地生成探头测量数据,其中,所述第二表面区域 比所述第一表面区域更小,并且其中,所述探头被选择为提供比所述高光谱相机系统更高 的关于对所述目标结构的识别的特异性,以及
[0008] -处理器,其在功能上被连接以接收所述高光谱图像和所述探头测量数据,其中, 所述处理器被布置为根据高光谱处理算法来分析所述高光谱图像,以便识别所述高光谱图 像的可能包含所述目标结构的部分,其中,所述处理器还被布置为分析所述探头测量数据 并响应于所述探头测量数据来校准所述高光谱处理算法,从而提供具有增强的灵敏度的经 校准的高光谱处理算法,以在所述高光谱图像中识别所述目标结构。
[0009] 本发明解决了所提到的问题,其中,所述高光谱图像可以被用于非常快速地但以 相当有限的光谱分辨率来提供足够大的区域的图像,并且因此具有关于对所述生物组织内 的所述目标结构的识别的相当低的特异性。然而,所述高光谱图像还可以被用于识别可疑 区域,即能够预期具有目标结构存在的一定可能性的区域。接着操作者可以例如借助于在 显示器上的视觉指示来将所述高光谱图像用作引导,所述引导指向选择由所述高光谱图像 覆盖的所述第一表面区域内的哪个(哪些)位置将要由选定的探头来测量,以使得其提供 较高的关于对所述目标结构的识别的特异性。因此,所述探头提供用于识别所述目标结构 的更好的数据,例如通过提供比所述高光谱图像更高的光谱分辨率,但却是以有限的测量 区域(例如以点测量或点状测量的形式)为代价的。使用所述探头测量数据来修改或校准 所述高光谱图像处理算法,可以获得具有关于识别所述目标结构(例如肿瘤组织)的增强 的对比度和/或灵敏度的经改进的图像。在已经执行了一次或有限次的探头测量并且已经 相应地校准了所述高光谱图像处理算法后,利用经校准的算法来处理的实时高光谱图像可 以被用于提供对另外的目标结构的非常快速的检验。
[0010] 因此,所述高光谱相机的高速度被用于指出要被利用更耗时的探头来检查的可疑 区域。然而,事实证明,甚至一次单个的点状探头测量也可以被用于为了增大灵敏度来显著 改进所述高光谱图像,以识别所述目标结构。这样,根据本发明的所述医学成像系统可以提 供对切除后的阳性边缘的鲁棒且时间高效的识别。这允许所述系统在手术期间被使用,并 且因此增加了在肿瘤手术期间去除所有肿瘤组织的机会,而不需要在稍后的检查中证明没 有成功地去除所有肿瘤组织的情况下重新进行手术。应当理解,探头的类型和对所述探头 测量数据的后继处理优选地应当为了提供有助于识别所考虑的具体目标结构的高灵敏度 而被选择。
[0011] 在识别肿瘤的情况下,所述高光谱相机系统可以被用于制作组织标本的表面的可 视图像和高光谱图像,接触探头或表面探头能够在靠近标本的表面的组织里面局部地进行 测量。基于查找表数据针对可疑区域来分析所述高光谱图像,并且所述高光谱图像能够针 对可疑标志来对所述探头进行分析。所述探头能够产生指示所探测的表面是否包含阳性边 缘的信号,并且要利用所述表面探头来检验的区域基于高光谱图像分析而被指示在可视图 像中。例如在几个位置处获取的来自所述表面探头的信号被用于校准用于分析所述高光谱 图像的2D图像处理算法。特别可以以较大的光谱范围并以较高的光谱分辨率来采集探头 数据,并且所述探头数据还可以覆盖表面以下的组织的部分,因此允许对这些组织点的准 确评价。想法是这些表面探头测量在介入期间(例如当2D光谱图像处理指示大的重建不 确定性时)仅需要完成几次,并且一旦已经执行这种利用表面探头数据的校准并且所述系 统被重新校准,操作者就可以使用从根据本发明的所述高光谱图像获得的实时2D结果。特 别地,所述表面探头测量的信号基于对所述可视图像的图像分析而被注释在所述可视图像 和/或所述高光谱图像中,以在测量时将探头端部位置与标本进行配准。
[0012] 除了识别肿瘤组织以外,所述成像系统也可以被用于例如在手术期间识别其他目 标结构,例如生物组织的表面以下的血管、神经束等的存在。由此,在对耗时和/或介入探 头的需要内避免这样的血管和神经束的意外部分是可能的。
[0013] 在优选实施例中,以比所述高光谱图像更高的光谱分辨率来采集所述探头测量。 特别地,所述高光谱图像可以利用相当低的光谱分辨率的交叠的光谱带而被采集,或者所 述光谱带可以是不交叠的并且因此具有没有任何信息的光谱带。因此,在全部两种情况下, 所述探头可以提供具有较高光谱分辨率的测量数据,这因此允许关于识别所述生物组织内 的所述目标结构的更高的特异性。
[0014] 优选地,所述第二表面区域被选择为被定位在所述第一表面区域内,并且因此所 述探头测量在由所述高光谱图像覆盖的区域内被执行。在所述探头是介入设备的情况下, 应当理解"在所述第一表面区域内"被理解为在所述第一表面区域的表面以下的生物组织 中的点或小面积中执行所述探头测量。
[0015] 所述系统可以被布置为在利用所述高光谱处理算法处理所述高光谱图像后视觉 显示所述高光谱图像,以及对诸如可以被用于以图形的方式对被识别为可能包含所述目标 结构的一个或多个部分进行指示的特殊阴影、着色、突出显示或环绕的部分的视觉指示。
[0016] 所述系统优选地被布置为在利用所述经校准的高光谱处理算法处理所述高光谱 图像后视觉显示所述高光谱图像。由此,操作者(例如医生)可以检验得到的高光谱图像, 现在所述高光谱图像在由经校准的算法处理后关于更好地将所述目标结构可视化得到增 强。
[0017] 所述处理器可以被布置为根据探头处理算法来分析所述探头测量数据,所述探头 处理算法包括将所述探头测量数据与查找表进行比较。备选地或额外地,所述处理器可以 被布置为根据探头处理算法来分析所述探头测量数据,所述探头处理算法包括计算多个测 量参数并将所述多个测量参数转译为指示所述目标结构的生理参数。
[0018] 所述处理器可以被布置为通过对所述高光谱图像中的在所述探头测量数据中被 识别为属于所述目标结构的像素的分组进行细化来校准所述高光谱处理算法。对高光谱图 像中的像素的这样的改进的分组将提供对所述目标结构的增强的可视化。例如被分配有相 同颜色或亮度的像素的分组可以基于从所述探头测量数据提取的参数而被改变或被调谐。
[0019] 所述探头可以包括表面探头和/或介入设备。所述探头可以包括光学探头和/或 超声探头。对使用哪种探头的选择取决于生物组织和其中待识别的所述目标结构的类型。 特别地,所述光学探头可以包括以下中的一种:漫反射光谱探头、漫射光学断层摄影探头、 差分路径长度光谱、荧光探头、拉曼光谱探头、共焦反射探头、共焦荧光探头、双光子荧光探 头、光学相干断层摄影探头、以及被布置为执行共焦成像的扫描纤维显微镜。
[0020] 优选地,所述高光谱相机系统被布置为提供二维实时图像,因此允许当所述高光 谱图像在监视器上被显示给探头操作者时对所述探头端部的实时导航。所述高光谱相机系 统可以总体上基于以下中的一种:(1)专用高光谱相机,其基于来自宽带光源的光具有在 相机里面的波长分离;(2)具有能调谐的波长或能调谐的滤波器设置的光源和普通相机; 以及(3)在普通相机前面的宽带光源和能调谐的滤波器。
[0021] 所述高光谱相机,即类型(1),典型地是昂贵的,而类型(2)和⑶基于普通相机。 然而,它们具有其他优势。例如利用不同波长的光照射的解决方案要求环境是暗的以产生 高质量图像。关于高光谱相机系统参见P. W. T. Yuen、M. Richardson的"An introduction to hyperspectral imaging and its application for security, surveillance and target acquisition",The Imaging Science Journal,58 卷,2010 年,241-253 页D 因此,在一个 实施例中,高光谱相机系统包括以下中的一种:
[0022] _高光谱相机,其被布置为提供所述高光谱图像,
[0023] _普通相机和具有不同窄带波长的多个光源以及控制器,所述普通相机、多个光源 和控制器被布置为提供所述生物组织由所述多个光源顺序照射的图像,以及
[0024] -普通相机以及被布置在所述普通相机与所述生物组织之间的能调谐的光学滤波 器,从而提供具有对所述能调谐的光学滤波器的不同设置的序列图像。
[0025] 所述处理器可以被布置为根据图像处理算法来处理所述高光谱图像,以便在所述 高光谱图像中识别所述探头的端部,从而识别所述探头
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