专利名称：一种内窥镜装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种内窥镜装置，具体的，涉及内窥镜光学系统的一种扫描切换装置和相应的图像处理算法以及屏幕显示技术。
背景技术：
用于医疗治疗及其他目的的内窥镜设备包括插入人体内部的插入部。插入部的端部包括照明窗和成像设备。在通过照明窗发射的照明光下，通过成像设备对身体的内部进行成像。通过成像设备获得的成像信号经过预定的图像处理技术处理成为成像图像显示在监视器上。由此，操作者可以通过观看监视器上显示的图像来观察身体的内部。所述内窥镜设备用于观察各种区域。例如，上部内窥镜用于观察诸如从食道到胃的区域，从胃到十二指肠的区域，等等。通常在临床应用上，医生先通过大范围的扫描筛查判断是否存在问题区域，再通过近距离放大观察诊断问题区域。由于人体组织可能对某一特定波长的光很敏感，而普通彩色照明光光谱很宽，感受器同时感受宽光谱内所有光谱的信息，从而使得对组织特性敏感的特定波长的信息被淹没掉而无法产生有效的响应。例如图30所示。图30示意了血红蛋白的光谱吸收曲线。在415纳米及550纳米位置左右，含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱吸收系数差异很明显，在此处用目前常用的宽光谱彩色照明光内窥镜成像，会使得400-500纳米中所有的光在感受器上同时产生响应，而两种物质的总响应相差不大，所以在图像上根本无法分辨含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白，而采用415纳米或者550纳米为中心的窄带光照明成像，就可以只针对脱氧血红蛋白成像，从而利用吸收系数的差异使得这两种血红蛋白在图像上区分开来。所以利用很窄的特定波长进行成像，能够有效提取组织光谱特性。2006年，日本奥林巴斯公司已经推出了一种窄带光内窥镜设备，这种设备将特定频率(波长)带的光发射到要观察的区域以进行成像，产生与成像频带相对应的光谱图像，并且在显示设备上显示所述光谱图像。利用所述光谱图像进行观察能够观察到通过正常图像无法观察到的组织特性，例如粘膜下血管形态分布等。此设备已经得到广泛使用，所以，窄带光内窥镜的临床效果已经得到证明。但是其用于成像的窄带光波长的数量很少，并且波长固定，不能更改，能够提取的组织特性有限；并且波长的选择和组合还存在疑问，窄带光波长与疾病的对应关系还没有文献研究和记载。所以，产生至少连续覆盖400-700纳米的全可见光范围的一系列窄带光用于光谱成像，并且对获得的窄带光图像进行处理，从中选择出针对某种特定的病变组织敏感的波长，是很有意义的，可以有针对性的提高这种病变的检出率。日本专利申请公开出版物第2002-95635号公开了一种内窥镜设备，所述内窥镜设备被构造成能够利用具有不同光谱特性的滤光器以发射具有限定通带的窄带光来以层次分级的方式单独观察体腔组织。但是这种内窥镜设备的窄带光发生器所产生的窄带光波段数量是有限的，其波长不能覆盖全部可见光范围，不能获得所有波段的窄带光信息。[0008]日本专利申请公开出版物第2003-93336号公开了一种电子内窥镜设备，所述电子内窥镜设备被构造成将来自照明光光源的光(白色光)发射到要被观察的身体的内部，通过固态成像装置获得彩色图像信号，由彩色图像信号生成光谱图像，并且通过在显示监视器上切换正常图像和光谱图像进行显示。日本专利申请公开出版物第2003-93336号中公开的电子内窥镜设备被构造成当发射具有窄带波长的光时，通过矩阵处理估算从生物体反射的信号。但是这种光谱信息是估计的，并不是真实的光谱信息，光谱还原度不高。日本专利申请公开出版物第2006-239206号公开了具有彩色空间变换处理电路的内窥镜装置，所述彩色空间变换处理电路从对应于RGB信号和在所选择的三个波长范围中的λ ,λ2和X3信号的矩阵系数形成光谱图像。日本专利申请公开号2006-239206中公开的内窥镜装置是这样配置的当在显示装置上显示光谱图像时，分配到显示装置的(R，G和B)的光谱波长的多个波长设置(λ λ2和 b)是预先提供的；生成对应于多个波长设置的多个光谱图像；当操作者操作选择切换时可以手工切换波长设置；可以将对应于选择波长设置的光谱图像循环切换。但是在一次使用过程中，只能对三种窄带光波长成像，其他波长的图像只能通过数学方法模拟，而要手工更换滤波片波长只能在一次检查结束以后，这使得可能获得的全可见光范围的窄带光的图像丧失了彼此相同的检查条件，可供比较研究的 价值很低，而且完成一次扫描成像的时间很长，操作很繁琐。美国专利7342658公开了一种用于内窥镜分光成像的光谱成像装置，所述装置使用了波长与空间位置相关的分光成像，利用挡片及挡片的移动来选取不同波长的像用于显示。但是这种成像方式光的能量利用率很低，成像质量也很低，分辨率很受限制，而且光路设计很繁琐。美国专利7321791公开了一种在信号接收端滤光的显微镜结构，所述结构可以取得不同波长的光谱图像，主要是用于过滤荧光。其实现的光谱图像带宽大于20nm，覆盖范围集中于可见光中部，没有覆盖400-470nm的蓝紫光区域。而且这种结构应用于内窥镜会导致内镜头端体积变大，比现在用的内窥镜头端大得多，严重增加患者使用内镜时的痛苦程度。美国专利2009-0137908公开了一种利用滤波片从白光中过滤出窄带光照明组织用来成像的方法，所述方法中用到的窄带光主要用于激发荧光，所述滤光片同时用于照明光滤光和荧光滤光。其滤波片数量很少且波长固定，无法实现全光谱覆盖的光谱成像。美国专利7826055公开了一种通过嵌有滤波片的转盘从白光中过滤出窄带光用来照明的装置。所述滤波片可以实现小于5纳米的窄带滤波，每个转盘上的滤波片是可以更换的。但是每一个转盘上的滤波片数量是很有限的，不可能在一次扫描中实现全部可见光谱范围的覆盖，而且其使用的滤波片的中心波长集中于红外波段，而非可见光波段。美国专利5078150公开了一种用于内窥镜的光谱诊断装置，所述装置的照明部分通过两个转盘过滤光源发出的白光实现。所述一个转盘实现三个不同颜色光的过滤，另一个转盘实现四个以上的窄带光过滤。但是其数量仍然很少，没有实现全可见光谱的覆盖(该专利用七个滤波片波段涵盖400-700纳米区域，但是即使不考虑每个波段是否是窄带的因素，它也没有完成400-700纳米的全覆盖。因为从通过率上来说，半峰值处就认为频带截止，而不是通过率为O才截止。所以它仍然有部分可见光频谱没有包含)。而当这数个窄带光光谱可以覆盖400-700纳米的可见光范围时，其每个窄带光滤波片实现的光谱带宽大于20纳米。美国专利2005-0234302公开了一种用于内窥镜的光谱成像装置，所述装置的照明部分可以通过可调光源输出任意波长的照明光，可以实现可见光范围内波长的扫描，形成数据立方，但是其照明部分主要通过声光可调滤波器或者其他光谱生成装置实现，这对于光路设计要求很高，实现繁琐，器件价格十分昂贵，并且该专利不是通过窄带光滤光片组实现。美国专利4816909公开了一种用于内窥镜的彩色分光光源装置，用转轮上的滤光片实现分光，由数个转轮构成分光装置。但是该装置未用于窄带光光谱成像，也没有提及光谱扫描和覆盖范围。
实用新型内容考虑到前述的情况，本实用新型的目的是提供一种可以连续产生一系列至少覆盖400-700纳米连续光谱的窄带光的内窥镜光源装置，以及对获得的一系列窄带光光谱图像 进行处理和显示的方法。拥有这种装置的内窥镜可以在很短的时间内(小于3秒)内通过一次操作连续完成一系列窄带光的照明，成像，处理和显示。这一系列窄带光带宽很窄，至少有一个小于20纳米，滤光片组的滤光片数量大于15，可以连续覆盖至少所有可见光光谱范围。通过本实用新型，我们就可以获得光谱连续的窄带光图像，并且从这些图像中找出对特定病症敏感的波长，将这些波长再次应用到窄带光成像中，就可以有针对性的提高特定病症的检出率。本实用新型的技术方案为一种内窥镜装置，其特征在于包括发光单元，窄带光滤光片组，滤光片组控制机构，内窥镜体，图像处理单元，显示单元，图像存储单元；其中发光单元，用于发射至少涵盖可见光波长范围的连续光谱的照明光；窄带光滤光片组，用于从所述照明光中滤出一系列窄带光；所述一系列窄带光不间断覆盖所述照明光的全部光谱范围；滤光片组控制机构与窄带光滤光片组连接，用于控制所述窄带光滤波片组上的窄带光滤光片进入或者退出所述照明光的光路；内窥镜体分别与显示单元、图像处理单元连接，所述内窥镜体包括一导光单元，用于将所述照明光或窄带光引导照射到被检查对象，以及一成像单元，用于采集被检查对象的图像信号；图像处理单元，用于对所述图像信号进行处理而生成光谱图像；显示单元与图像处理单元连接，用于显示所述光谱图像；图像存储单元与图像处理单元连接，用于实时存储至少一套所述一系列窄带光所对应的所有光谱图像。所述一系列窄带光中的至少一个窄带光的波长带宽小于20纳米。还包括一彩色滤光片组，用于从所述照明光中滤取出红、绿、蓝颜色的照明光；所述滤光片组控制机构与该彩色滤光片组连接，用于控制该彩色滤光片组与所述窄带光滤光片组切换进入所述光路。所述窄带光滤波片组的滤光片安装在一窄带滤光片轮上；所述窄带滤光片轮上没有通光孔，在所述彩色滤光片组切换进入光路时，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮整体平移，使得所述窄带光滤光片组切换出光路。还包括一彩色滤光片组，用于从所述照明光中滤取出红、绿、蓝颜色的照明光；所述窄带光滤波片组的滤光片安装在一窄带滤光片轮上；所述窄带滤光片轮上有至少一个不安装窄带滤光片的通光孔，用于在所述彩色滤光片组切换入光路时接收所述照明光。所述彩色滤光片组安装在一滤光片轮上；所述滤光片轮有一全光谱通过的通光空间，用于在所述窄带光滤光片组切换入光路，并且所述彩色滤光片组切换出光路时通光；或所述彩色滤光片轮没有通光空间，在所述窄带光滤光片组切换进入光路时，所述滤光片组控制机构控制所述彩色滤光片轮整体平移，使得所述彩色滤光片组切换出光路。各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按圆形轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮转动；或各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按两个或者多个圆形轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮转动及圆形轨迹位置在光路中的切换；或各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按涡状线轨迹排布，所述滤光片组控制 机构控制所述窄带滤光片轮转动；或各个所述窄带滤光片分布在两个以上窄带滤光片轮上，所述滤光片组控制机构控制所述两个以上窄带滤光片轮转动及每一个窄带滤光片轮进入或者退出光路。所述滤光片组控制机构通过齿条齿轮结构控制窄带滤光片轮转动；其中，所述滤光片组控制机构的电动机60的转轴上安装一齿轮61与窄带滤光片转轮共轴共圆心，齿轮61与同齿形的齿条62紧密耦合，齿条62固定；齿轮61的周长等于滤光片所在涡状线相邻两圈之间沿着径向的距离Td ；电动机60固定在一个滑块64上，滑块64放置在一个滑轨65上，轨道65与齿条62平行。所述窄带滤光片轮为一中空的柱体结构；各个所述滤光片在所述柱体结构的表面成螺旋线轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述柱体结构旋转或者平移。所述滤光片组控制机构的电动机60与所述柱体结构23的驱动孔71共轴；所述柱体结构外表有螺旋线状凹槽67 ;—固定模块68内表面有螺纹状凸起69，该凸起69与凹槽67吻合且两者的螺距与柱体表面上的光滤光片排布的螺旋线轨迹的螺距相同；所述柱体结构的表面设有若干对进光和出光相对应的通光孔70 ；电动机60的主轴63有与驱动孔71相同的截面形状，柱形结构23可沿主轴63滑动，实现电动机控制滤光片的选择和切换。所述窄带光滤光片组所包含的每一个滤光片产生对应一个特定波长和带宽的窄带光，或者产生对应两个以上的波长和带宽的窄带光。这种内窥镜装置，包括发光单元，所述发光单元可发射至少涵盖可见光波长范围的连续光谱的照明光；窄带光滤光片组，可根据需要从所述照明光中滤取出一系列窄带光，所述一系列窄带光不间断覆盖所述照明光的全部光谱范围，所述一系列窄带光中的任意一个窄带光的波长带宽很窄，至少有一个小于20纳米；滤光片组控制机构，用于控制所述窄带光滤波片组自动切换，使得所述窄带光滤光片进入或者退出所述照明光的光路；内窥镜体，所述内窥镜体至少包括导光单元，用于将所述照明光或窄带光引导照射到被检查对象，及成像单元，用于采集被检查对象的单色图像信号；图像处理单元，对所述单色图像信号进行处理而生成与所述窄带光相对应的光谱图像；显示单元，用于显示所述光谱图像；图像存储单元，可以实时存储至少一套所述一系列窄带光所对应的所有光谱图像。[0038]本实用新型中所述的滤光片组有两类彩色滤光片组和窄带光滤光片组。彩色滤光片组用于内窥镜常规状况下的彩色分光成像，窄带滤光片组用于所述的窄带光成像及光谱扫描。本实用新型有两种工作模式，一种是彩色分光模式，该模式下彩色滤光片组进入光路，窄带光滤光片组移出光路，此时光源发出的白光经过彩色滤光片后被过滤为彩色照明光，通过内窥镜体进入人体照射组织并被组织反射或吸收，然后通过CCD成像；另一种是窄带光扫描模式，该模式下彩色滤光片移出光路，窄带光滤光片组进入光路，并且窄带光滤光片不断切换。光源发出的白光经过窄带光滤光片后生成窄带照明光，经内窥镜体进入人体照射组织，被组织反弹或者吸收后，通过黑白CXD成像。本实用新型中所述窄带光滤波片组包括一窄带滤光片轮和安装在窄带滤光片轮上的滤光片；窄带光滤光片镶嵌在圆形转盘片轮或者其他几何形状片轮的平面上，有圆形，涡状线形，多圆形，矩形等各种轨迹的排布方式；或者窄带滤光片轮为圆柱体侧面，窄带光滤波片组中的窄带滤光片分别镶嵌在圆柱体的侧面上，呈螺旋线性排布；或者分布在多个圆形转轮上。本实用新型中获得的图像可以通过很多种指标来评价和选择，这些指标包括单幅图像的对比度，清晰度，频谱，亮度，亮度分布趋势，信息熵，动态范围，方差，均值，变化梯度等常见的图像指标；包括涉及多幅图像之间关系的，根据用户要求设定或者预定好的有生物学意义的指标或者特征，例如血红素指数；包括其他没有明确生物学意义的数学指标或者特征。本实用新型中所述的图像处理技术包括单幅图像的对比度强化，滤波，频谱提取强化，ga_a改变等基于单幅图像的处理技术及指标强化等；包括图像之间的亮度归一化，频谱对比，滤波对比，对比度对比，信息熵对比，做差，加权相乘及前述技术的组合等基于多幅图像的指标强化技术；包括选取任意波长的数幅图像组合，赋予伪彩色生成一幅彩色图像；包括根据用户要求或者提前设定好的有生物学意义的指标提取，及相应的图像强化算法，例如血红素强化；包括没有明确生物学意义的数学指标提取算法，及相应的图像强化算法。本实用新型中所述的图像显示方式包括列表或者目录形式的全部窄带光图像显示；包括每一张窄带光图像的详细显示；包括前述所有方式和算法生成或者强化了的图像的详细显示；包括被选取的两张图像的对比显示；包括一系列的窄带光图像的任意前述指标的图表等形式的显示，以方便医生比较，评价和挑选图像。与现有技术相比，本实用新型的积极效果为本实用新型在光谱上实现了至少可见光范围的全覆盖，在滤光片的控制方式及转换方式上都更加新颖和精确，实现也比较方便快捷，能够给用户提供全新的信息用于疾病的诊断。
图1是窄带光模式下系统结构示意图。图2是窄带光模式下另一种系统结构示意图。图3是彩色分光模式下系统结构示意图。图4是彩色分光模式下另一种系统结构示意图。[0049]图5是彩色分光模式下另一种系统结构示意图。图6是彩色分光模式下另一种系统结构示意图。图7是窄带光滤光片转轮上滤光片按照圆形轨迹的排布。图8是窄带光滤光片转轮上滤光片按照双圆形轨迹的排布。图9是窄带光滤光片转轮上滤光片按照涡状线轨迹的排布，轨迹两端有通光孔。图10是窄带光滤光片转轮上滤光片按照涡状线轨迹的排布，轨迹两端没有通光孔。图11是窄带光滤光片分布在多个转轮上的结构示意图。图12是窄带光滤光片分布在多个转轮上的另一种结构示意图。图13是窄带光滤光片分布在矩形平面上的一种结构示意图，没有通光孔。图14是窄带光滤光片分布在矩形平面上的另一种结构示意图，其中一个圆孔位置是通光孔。图15和图16是窄带光滤光片分布在圆柱形结构表面，呈螺旋线形轨迹排布的示意图。图17是圆柱形结构表面的螺线凹槽与底面的驱动孔的示意图。图18是内有螺线纹理的固定模块示意图。图19是圆柱形结构驱动方式的系统示意图。图20是至少覆盖400-700纳米连续光谱的一系列窄带光光谱示意图。图21是内窥镜光谱扫描成像生成的数据立方与波长的关系示意图。图22是单波长在光谱上的扫描示意图。图23是控制机构对窄带光滤光片的控制时序图。图24是图像灰度评价指标的显示示意图。图25是图像一维频谱评价指标的显示示意图。图26是窄带光滤光片在色轮上呈涡状线轨迹排布时对应齿轮齿条主视图；图27是窄带光滤光片在色轮上呈涡状线轨迹排布时对应齿轮齿条侧视图；图28是窄带光滤光片在色轮上呈涡状线轨迹排布时对应齿轮齿条与支撑结构的示意图。图29是由一片滤光片产生的多中心波长的窄带光的光谱示意图。图30是血红蛋白的光谱吸收曲线。其中，1.彩色滤光片转轮，2.同步信号，3.窄带光滤光片转轮，4.窄带光滤光片，5.照明光源(发光装置)，6.接口，7.导光光纤，8.出光孔，9.发散装置，10.窗口，11.感光元件，12.信号线，13.控制结构，14.图像处理单元，15.图像存储单元，16.显示单元，19.多转轮结构，23.圆柱形结构，24.通光孔，27.待测组织，31.窄带光线，46.白光，47反射罩.，48.透镜组，49.光柱，50.转轮3的通过孔，51 53.滤光片，54.转轮I的通光孔，55.转轮I的控制信号，56.转轮3的控制信号，57.内窥镜镜体，58.图像信号，59.彩色照明光，60.电动机，61.齿轮，62.齿条，63.主轴，64.滑块上，65.滑轨，66.螺旋线轨迹，67.螺旋线状凹槽，68.固定模块，69.螺纹状凸起，70.通光孔，71.驱动孔，75 79.窄带光，80 84.窄带光对应的图像。
具体实施方式
现在结合附图详细地描述本实用新型的具体实施方式
。图1是内窥镜在窄带光扫描工作模式下的系统结构示意图。发光装置5可以是钨灯，氙灯，或者宽光谱LED等宽光谱光源，可以发出至少可以覆盖400纳米到700纳米连续光谱的白光46，白光46经过反射罩47的反射和汇聚，再经过透镜组48的调节，会成为近似平行的光柱49。窄带光滤光片4是干涉型或者吸收型滤光片，可以允许特定的波长及附近很窄范围的光透过，而其他波长的光无法透过。窄带光滤波片带宽很窄，至少有一个小于20纳米。同时为了满足窄带光光谱扫描时连续覆盖所有可见光范围的需要，所使用的窄带光滤光片数量很多，它们按照一定的几何轨迹(涡状线形)镶嵌在一个转盘3上，轨迹的前后两端有空洞位置50作为通光孔，这些空洞允许白光光柱49全部通过。在窄带光扫描模式下，49通过窄带光滤光片，这些通光孔不会被用到，所以轨迹的前后两端也可以不留有通光孔。这些通光孔在彩色分光模式下才会被用到，并对应两种实现结构，下文彩色分光模式结构会详细说明，此处无影响。49经过转轮3上的某一片滤光片4，会被过滤为与滤光片4所对应的窄带光，其典型带宽是10纳米。一片滤光片4产生的光谱不一定只有一个中心波长，根据需要，可以有两个以上的中心波长及带宽，如图29所示。结构I是嵌有彩色滤光片的转轮，拥有在转轮圆周上镶嵌四片滤光片的空间，我们只镶嵌三片滤光片51，52，53，分别可以允许红色，绿色，蓝色的宽光谱光通过，其他波长不通过，剩余一个滤光片的位置不安装滤光片，形成一个空洞54作为通光孔，可以允许窄带光31不受任何影响的通过。控制机构13可以通过控制信号55，56控制转轮I和3的旋转，以此来实现在转轮上滤光片的切换或者通光孔的切换。在窄带光扫描模式下，49经过4后产生的窄带光31是经过I中的作为通光孔的空洞位置54的，此时彩色滤光片不对光路产生影响，即不在光路中。部件6是内窥镜镜体57与光源部分的接口，此时进入接口 6的照明光就是与某一片滤光片4对应的窄带光31。窄带照明光31经过接口 6进入57，通过导光光纤7到达出光孔8，经过发散装置9，将照明光照射到体内组织上，经过体内组织的反射或者吸收作用后产生的光信号经过窗口 10，被感光元件(CXD) 11接收，生成图像信号58，通过信号线12 (或无线方式)和接口 6，信号58被传入图像处理单元14以及图像存储单元15，经过处理，在显示单元16上显示。以上结构中，彩色转轮I与窄带光滤光片转轮3在光路上的位置没有前后的区别，白光光柱49可以先通过窄带光滤光片4产生31，然后通过54，也可以先通过54，然后通过4产生31。窄带光扫描模式还有另一种实现结构如图2所示。它与图1所示的第一种结构的差别在于，彩色转轮I上沿着圆周只有三片滤光片的空间，所以镶嵌了三片彩色滤光片51，52，53，而没有空洞位置。在这种情况下，控制机构13要通过控制彩色转轮I整体平移，远离光路，来实现移出光路。白光光柱49通过窄带光滤光片4产生窄带光31后，可以直接进入接口 6。在彩色分光模式下，系统工作示意图如图3所示。此时与图1所示结构的区别在于，转轮3上的滤光片排布轨迹的两端，一定有两个作为通光孔的空洞50。控制机构13控制转轮3旋转，白光49通过50，使得转轮3不对光柱49产生影响，从而达到移出光路的目的。而转轮I在13控制下旋转，使得51，或者52，53切换进入光路，49通过51，或者52，53产生彩色照明光59，然后进入接口 6。图3所示的结构还有另一种实现方式，如图4所示。其与图3所示结构的主要区别在于，彩色滤光片转轮I上只有三片彩色滤光片51，52，53，而没有通光孔54，此时13控制3旋转到空洞位置50，即窄带光滤光片组退出光路，而13控制I整体平移，进入光路，使得白光49通过I上的51，或者52，53产生彩色照明光59进入接口 6。图3所示的结构还有另一种实现方式，如图5所示。其与图3所示结构的主要区别在于，在窄带光滤光片转盘3上，窄带光滤光片4排布的轨迹两端没有作为通光孔的空洞50，此时13要控制3整体平移，使得整个转盘远离光路，白光49可以直接作用于彩色滤光片转盘I。图4所示的结构还有另一种实现方式，如图6所示。其与图4所示结构的主要区别在于，在窄带光滤光片转盘3上，窄带光滤光片4排布的轨迹两端没有作为通光孔的空洞50，此时13要控制转轮3整体平移，使得整个转盘远离光路，白光49可以直接作用于彩色滤光片转盘I。转轮3上的轨迹是涡状线形87，轨迹两端可以有通光孔设计，如图9所示，也可以没有通光孔，轨迹上全部嵌满滤光片，如图10所示。此时13设计很简单，可以通过齿条齿轮结构，只通过控制旋转来实现滤光片的切换，如图26，图27和图28所示。滤光片切换时，转轮3由中心共轴的电动机60带动，电动机60的转轴上同时安装一个齿轮61与转轮3共轴共圆心，齿轮61与同齿形的齿条62紧密耦合，齿条62固定。齿轮的周长等于涡状线相邻两圈之间沿着径向的距离Td。这种情况下，电动机带动色轮和齿轮旋转，切换色轮上沿着最外圈涡状线排布的滤光片，当旋转一圈时，齿轮也旋转一圈，齿轮沿着齿条产生了长度为齿轮周长的位移，色轮和电动机与齿轮是共轴的，所以色轮沿着齿条方向位移一个齿轮周长的距离。由于此时光柱不动，所以光柱在色轮上的相对位置就由涡状线轨迹的最外圈移动到了相邻圈上，可以在相邻圈上继续切换滤光片。同理，色轮不断旋转，继续切换此圈上的滤光片，同时在齿轮带动下不断位移，逐渐切换不同的圈。由此，只通过控制旋转就可以实现沿着涡状线轨迹排布的所有滤光片的切换。电动机和转轮有一定的支撑结构，电动机被固定在一个滑块64上,64放置在一个滑轨65上，65与62平行，当电动机转动，使得转盘整体沿着齿条移动时，电动机60与滑块64本身也沿着65滑动，以此实现结构的整体移动和切换。转轮3上滤光片是按照一定的几何轨迹排布的，如前述的涡状线轨迹，而这种轨迹还有很多种选择。这种轨迹还可以是圆形，如图7所示，此时如果是前述的需要有通光孔的设计，那么在轨迹上的任何一个镶嵌窄带光滤光片的位置都可以不镶嵌滤光片，而是留出空洞作为通光孔50使用。由于转盘上要镶嵌的滤光片数量很多，这种轨迹对应的转轮3直径比较大。但是控制机构13设计简单，只需要利用电动机控制转轮3的旋转，或者使转轮3整体移出光路即可。转轮3上的轨迹还可以是两个或者更多个共圆心的圆形，如图8所示，此时如果是需要有通光孔的设计，那么在轨迹上的任何一个镶嵌窄带光滤光片的位置都可以不镶嵌滤光片，而是留出空洞作为通光孔50使用。此时转轮3直径比较小，但是13需要利用电动机控制转轮3的旋转，来实现一个圆形轨迹上滤光片的切换，同时还需要利用另一个电动机控制3的整体平移，使得光柱在转盘上的相对位置能够由一个圆形轨迹切换到另一个圆形轨迹。此外，转轮3可以被包括多个转轮的结构19所代替，如图11所示，其中每一个转轮21上镶嵌有数个窄带光滤光片4，13可以通过多个电动机控制每一个21的旋转和整体平移来实现4的切换和扫描。当需要一个转轮21进入光路时，电动机控制这个转轮平移，进入光路，然后通过另一个电动机控制共轴的转轮旋转，切换滤光片，其他转轮被其他电动机控制整体平移，切换出光路。如果每一个转轮上都有用作通光孔的空洞54，那么其他电动机控制对应的共轴的转轮旋转到空洞位置，使其不对光路产生影响，只有需要的转轮旋转，切换滤光片，如图12所不。这种转盘3还可以是矩形的。这种情况下，窄带光滤光片4可以按照行列形式均匀分布在这种矩形平面上，这时驱动电机需要有两个，分别沿矩形的两个边的方向驱动该平面，使得该平面可以在两个方向上运动，从而达到按照行列的方式选择和定位滤光片的 目的。图13示意了所有滤光片4在一个平面上的结构情况，此时没有通光孔。当在常规彩色分光模式下时，电动机驱动该矩形平面远离光路，在窄带光扫描模式下时，电动机驱动该平面切换进入光路。图14示意了所有滤光片在一个矩形平面上，同时有通光孔50存在的情况。在常规彩色分光模式下时，电动机驱动矩形平面，使得光柱通过通光孔50，而在窄带光扫描模式下时，通过窄带光滤光片4。转盘3还可以被图15和图16所示的圆柱形结构23所代替，在圆柱面上，4按照螺旋线轨迹66排布，同时,每一个4对应的圆柱面的对侧都有一个直径大于4本身直径的通光孔24对应，白光49通过4形成窄带光31，窄带光光柱31穿过圆柱体内部，再经过对侧的通光孔24，射出圆柱体，进入后续光路。先通过通光孔，再通过4形成31也可以。13通过控制23的旋转和轴向移动来控制4的切换，每当需要切换下一个滤光片时，圆柱体旋转，使得按照螺旋线轨迹镶嵌的下一个滤光片与光柱位于同等高度，同时圆柱体整体平行移动，使得光柱相对移动，通过新的滤光片和对应的通光孔。通过图16更明确的显示了 4与24的对应关系，由于4按照螺旋线轨迹镶嵌，所以24也是按照螺旋线轨迹排布。图15和图16所示的圆柱形结构可以通过与圆柱共轴的电动机驱动。圆柱形结构外表有螺旋线状凹槽67，如图17所示。一个固定模块68内表面有螺纹状凸起69，如图18所示，70是两个通光孔，用于圆柱形结构的进光和出光。该凸起69与圆柱形结构外表的凹槽67吻合，且两者的螺距与圆柱面上的窄带光滤光片排布的螺旋线轨迹的螺距相同。同时，电动机60的主轴63有与驱动孔71相同的截面形状，且与23相对位置并不固定，23可以沿着主轴63滑动，63只通过特定形状的驱动孔71控制23的旋转。这样，由于模块68固定，23旋转时，会使得67沿着69滑行，从而实现23在旋转时按照螺旋线轨迹移动，进而实现电动机控制的滤光片的选择和切换。在窄带光扫描工作模式下，一次照明成像后，13控制转轮或者其他镶嵌有滤光片4的结构体切换，改换滤光片波长，完成另一次照明和成像，以此往复，窄带光31在400-700纳米范围光谱上扫描，如图22所示。这就可以得到覆盖400-700纳米连续光谱范围的图像，其扫描后的一系列窄带光的总光谱如图20所示。[0098]在扫描过程中，嵌有滤光片的转轮或者其他类似功能结构用步进电机控制。在一次旋转切换滤光片之后，有一定的停顿时间，用于曝光和CCD感光成像。如图23所示为步进电机控制信号56的控制时序，每一片滤光片对应的工作时间为72，72包括73和74两部分，73时间段用于电机的旋转和整体结构的平移，即用于滤光片的定位和切换，74时间段电机静止，CXD曝光成像。同步信号2由控制结构13产生，通过接口 6进入镜体控制CXD，同时与图像处理单元的处理程序同步，以实现照明光产生，曝光，信号获取与处理，成像之间的同步关系。73时间段根据预先设计定好的每个滤光片之间的距离而定，可以是固定的时间长度，也可以根据需要变化。73时间长度与步进电机的步数有关，根据现有步进电机的精确程度，只要预先计算好滤光片之间的角度和距离，设定好步进电机的步距，就可以保证每一个滤光片切换的时间精度和空间定位的准确程度。一般来说，曝光时间74是固定一致的。本实用新型可以在很短的时间(小于3秒)和一次连续操作内，完成覆盖400-700纳米光谱的一系列窄带光成像。经过扫描，某组织27经过内窥镜装置28，就可以得到与其对应的数据立方29，如图21所示。在光谱上的每一个窄带光75，76，77，78，79在29中都有 对应的一幅图像80，81，82，83，84。每一副图像，都是组织27在某一特定的窄带光31下的成像。对于经过窄带光扫描成像得到的一系列窄带光图像，可以通过一系列指标加以评价和选择。这些指标包括单幅图像的指标对比度，亮度，频谱，局部频谱，亮度分布，动态范围，信息熵，方差，清晰度，变化梯度等等，还包括图像之间的对比数值，以及生物学意义上的指标和特征，例如血红素指标IHb = 32*log2(Sr/Sg)，以及数学意义上的各种指标。图24和图25所示为可以用于评价一系列窄带光图像29的指标的界面，图24是图像灰度指标，图25是图像的一维频谱指标。显示方式包括曲线图，柱状图等形式，以一个坐标轴显示图像对应的波长或者其他信息，另一坐标轴显示用于评价图像的指标数值。所有的指标都有固定的提取算法用于从图像的原始信号中提取数值，这些算法及其他用于图像处理的算法都被预先编写好并固定存储在图像处理单元的器件中，例如FPGA，CPLD，单片机等。可以跟据用户的需要选择所使用的指标提取算法接入数据流，或者调用图像存储单元的数据，来实现指标数值的提取。图像处理单元14除了可以提取分析前述的各种指标或者特征，还可以根据用户需要选取任意的数幅图像，经过图像识别，配准，和伪彩色赋值，来形成一幅彩色图像用于显示。如果所选取的图像对应的波长是对特定疾病组织敏感的波长，那么这就可以有针对性的丰富疾病组织的显示信息，通过伪彩色处理提高图像的对比度，可以有效的提高特定疾病的检出率。在图像显示单元16上显示图像时，可以有多种显示方式，比如一种图像详细显示的界面。界面上包括有目录选择栏，标注每一张图像和经过处理后的图像的标号，可供用户选择，有功能栏，用于显示的图像的格式以及各种评价指标，图像处理单元根据用户选择的指标对图像的原始信号进行处理。图像显示区域用来详细显示图像内容或者单个图像的评价指标图表。或者一种用于图像对比的显示方式。通过界面上的功能栏可以选择用于显示的各种指标，格式，以及图像处理的方式，所选择的各种功能同时作用于用于对比的两幅图像。[0104] 另一种图像显示的界面上有功能栏，用于显示的各种指标，格式，以及图像处理方式。经过选择其中某一幅图像或者选择显示所有图像的评价指标，就可以切换到详细显示界面的切换。界面上还提供图像处理算法选择界面，用于让用户自定义图像处理方法。用户可以选择已经被预先编写并设定好的各种算法，包括做差，相乘，亮度比较，相加，加权， Ga_a，归一化，滤波等等操作。当用户确定了算法，算法作用的对象以及数值大小后，可以详细显示图像处理效果或者新生成的图像。
权利要求1.一种内窥镜装置，其特征在于包括发光单元，窄带光滤光片组，滤光片组控制机构，内窥镜体，图像处理单元，显示单元，图像存储单元；其中 发光单元，用于发射至少涵盖可见光波长范围的连续光谱的照明光； 窄带光滤光片组，用于从所述照明光中滤出一系列窄带光；所述一系列窄带光不间断覆盖所述照明光的全部光谱范围； 滤光片组控制机构与窄带光滤光片组连接，用于控制所述窄带光滤波片组上的窄带光滤光片进入或者退出所述照明光的光路； 内窥镜体分别与显示单元、图像处理单元连接，所述内窥镜体包括一导光单元，用于将所述照明光或窄带光引导照射到被检查对象，以及一成像单元，用于采集被检查对象的图像信号； 图像处理单元，用于对所述图像信号进行处理而生成光谱图像； 显示单元与图像处理单元连接，用于显示所述光谱图像； 图像存储单元与图像处理单元连接，用于实时存储至少一套所述一系列窄带光所对应的所有光谱图像。
2.如权利要求1所述的内窥镜装置，其特征在于所述一系列窄带光中的至少一个窄带光的波长带宽小于20纳米。
3.如权利要求2所述的内窥镜装置，其特征在于还包括一彩色滤光片组，用于从所述照明光中滤取出红、绿、蓝颜色的照明光；所述滤光片组控制机构与该彩色滤光片组连接，用于控制该彩色滤光片组与所述窄带光滤光片组切换进入所述光路。
4.如权利要求3所述的内窥镜装置，其特征在于所述窄带光滤波片组的滤光片安装在一窄带滤光片轮上；所述窄带滤光片轮上没有通光孔，在所述彩色滤光片组切换进入光路时，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮整体平移，使得所述窄带光滤光片组切换出光路。
5.如权利要求2所述的内窥镜装置，其特征在于还包括一彩色滤光片组，用于从所述照明光中滤取出红、绿、蓝颜色的照明光；所述窄带光滤波片组的滤光片安装在一窄带滤光片轮上；所述窄带滤光片轮上有至少一个不安装窄带滤光片的通光孔，用于在所述彩色滤光片组切换入光路时接收所述照明光。
6.如权利要求5所述的内窥镜装置，其特征在于所述彩色滤光片组安装在一滤光片轮上；所述滤光片轮有一全光谱通过的通光空间，用于在所述窄带光滤光片组切换入光路，并且所述彩色滤光片组切换出光路时通光；或所述彩色滤光片轮没有通光空间，在所述窄带光滤光片组切换进入光路时，所述滤光片组控制机构控制所述彩色滤光片轮整体平移，使得所述彩色滤光片组切换出光路。
7.如权利要求4或5所述的内窥镜装置，其特征在于各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按圆形轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮转动；或各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按两个或者多个圆形轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮转动及圆形轨迹位置在光路中的切换；或各个所述滤光片在所述窄带滤光片轮上按涡状线轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述窄带滤光片轮转动；或各个所述窄带滤光片分布在两个以上窄带滤光片轮上，所述滤光片组控制机构控制所述两个以上窄带滤光片轮转动及每一个窄带滤光片轮进入或者退出光路。
8.如权利要求7所述的内窥镜装置，其特征在于所述滤光片组控制机构通过齿条齿轮结构控制窄带滤光片轮转动；其中，所述滤光片组控制机构的电动机(60)的转轴上安装一齿轮(61)与窄带滤光片转轮共轴共圆心，齿轮(61)与同齿形的齿条(62)紧密耦合，齿条(62)固定；齿轮(61)的周长等于滤光片所在涡状线相邻两圈之间沿着径向的距离Td ;电动机(60 )固定在一个滑块(64)上，滑块(64)放置在一个滑轨(65 )上，轨道(65 )与齿条(62 )平行。
9.如权利要求4或5所述的内窥镜装置，其特征在于所述窄带滤光片轮为一中空的柱体结构；各个所述滤光片在所述柱体结构的表面成螺旋线轨迹排布，所述滤光片组控制机构控制所述柱体结构旋转或者平移。
10.如权利要求9所述的内窥镜装置，其特征在于所述滤光片组控制机构的电动机(60)与所述柱体结构(23)的驱动孔(71)共轴；所述柱体结构外表有螺旋线状凹槽(67); —固定模块(68)内表面有螺纹状凸起(69)，该凸起(69)与凹槽(67)吻合且两者的螺距与柱体表面上的光滤光片排布的螺旋线轨迹的螺距相同；所述柱体结构的表面设有若干对进光和出光相对应的通光孔(70);电动机(60)的主轴(63)有与驱动孔(71)相同的截面形状，柱形结构(23)可沿主轴(63)滑动，实现电动机控制滤光片的选择和切换。
11.如权利要求1或2所述的内窥镜装置，其特征在于所述窄带光滤光片组所包含的每一个滤光片产生对应一个特定波长和带宽的窄带光，或者产生对应两个以上的波长和带宽的窄带光。
专利摘要本实用新型公开了一种内窥镜装置，本实用新型包括发光单元，窄带光滤光片组，滤光片组控制机构，内窥镜体，图像处理单元，显示单元，图像存储单元；其中，窄带光滤光片组，用于从照明光中滤出一系列窄带光；该一系列窄带光不间断覆盖照明光的全部光谱范围；滤光片组控制机构与窄带光滤光片组连接，用于控制窄带光滤波片组上的窄带光滤光片进入或者退出照明光的光路；内窥镜体分别与显示单元、图像处理单元连接。本实用新型可以提供病变组织和正常组织的全光谱图像数据，同时可以近似实时的提供病变组织与正常组织有明显视觉差异的组织成像，提高医生的诊断准确率和活体取样准确率，还可以作为光学活检替代有创伤的组织活检和耗时的实验室化验。
文档编号A61B1/00GK202843568SQ20122052048
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者谢天宇, 韩志敏, 陈明达 申请人:北京大学