脉冲超光谱、荧光和激光标测成像系统中的噪声感知边缘增强的制作方法

1.本公开涉及数字成像，并且具体地涉及缺光环境中的超光谱成像、荧光成像和/或激光标测成像。


背景技术：

2.科技的进步已提供了医用成像能力的进步。内窥镜可用于观察身体内部并检查身体的器官或腔体的内部。内窥镜用于调查患者的症状、确认诊断或提供医学治疗。医学内窥镜可用于观察多种身体系统和部分，诸如胃肠道、呼吸道、尿道、腹腔等。内窥镜还可用于外科手术，诸如整形外科手术、在关节或骨上进行的手术、在神经系统上进行的手术、在腹腔内进行的手术等。
3.在内窥镜成像的一些情况下，观察彩色空间可能是有利的或有必要的。数字彩色图像包括累积形成具有一系列色调的图像的至少三个层或“颜色通道”。颜色通道中的每个测量光谱带的光的强度和色度。通常，数字彩色图像包括红色光谱带、绿色光谱带和蓝色光谱带的颜色通道(这可称为红绿蓝或rgb图像)。红色、绿色和蓝色颜色通道中的每个包括红色、绿色或蓝色光谱带的亮度信息。单独的红色层、绿色层和蓝色层的亮度信息被组合以生成彩色图像。因为彩色图像由单独层构成，所以常规数字相机图像传感器包括颜色滤光器阵列，该颜色滤光器允许红色可见光波长、绿色可见光波长和蓝色可见光波长击中所选择的像素传感器。每个单独的像素传感器元件对红色、绿色或蓝色波长敏感，并且将仅返回该波长的图像数据。将来自像素传感器的总阵列的图像数据组合以生成rgb图像。至少三种不同类型的像素传感器占用大量物理空间，使得完整的像素阵列不能装配在内窥镜的较小远侧端部中。
4.因为传统图像传感器不能装配在内窥镜的远侧端部中，所以图像传感器传统上位于内窥镜的手持件单元中，手持件单元由内窥镜操作者握持并且不放置在体腔内。在此类内窥镜中，光沿内窥镜的长度从手持件单元传输到内窥镜的远侧端部。该配置具有显著限制。具有该配置的内窥镜是精密的，并且当其在常规使用期间发生碰撞或冲击时可容易地不对准或损坏。这可显著降低图像的质量并且需要频繁修理或更换内窥镜。
5.具有放置在手持件单元中的图像传感器的传统内窥镜进一步被限制为仅捕获彩色图像。然而，在一些具体实施中，除了彩色图像数据之外，还可能希望利用荧光数据、超光谱数据和/或激光标测数据来捕获图像。荧光成像捕获已吸收电磁辐射的物质对光的发射并随着其发射弛豫波长而“发光”。超光谱成像可用于通过发射电磁辐射的不同分区并评估材料的光谱响应来识别不同的材料、生物过程和化学过程。激光标测成像可捕获对象和景观的表面形状并测量场景内的对象之间的距离。激光标测成像还可涵盖工具跟踪，其中可相对于彼此、相对于成像装置和/或相对于场景内的结构来跟踪场景内工具的距离和/或尺寸。在一些具体实施中，可能希望在对场景成像时组合使用荧光成像、超光谱成像和/或激光标测成像中的一者或多者。
6.然而，本领域已知的荧光成像技术、超光谱成像技术和激光标测技术的应用通常需要高度专业化的设备，这些设备对于多种应用可能是不可用的。此外，此类技术提供了有限的环境视图，并且通常必须与多个单独系统和多个单独图像传感器结合使用，该多个单独系统和该多个单独图像传感器被制成对特定电磁辐射频带敏感。因此希望开发一种可用于空间受限的环境中以生成荧光成像数据、超光谱成像数据和/或激光标测成像数据的成像系统。
7.鉴于上述情况，本文描述了用于在缺光环境中进行荧光成像、超光谱成像和激光标测成像的系统、方法和装置。此类系统、方法和装置可提供多个数据集，用于识别身体内的关键结构并提供关于体腔的精确且有价值的信息。
附图说明
8.参考以下附图描述了本公开的非限制性和非完全性的具体实施，其中除非另外指明，否则在各个视图中类似的附图标号指示类似的部分。参照以下说明和附图将更好地理解本公开的优点，其中：
9.图1是具有成对发射器和像素阵列的用于在缺光环境中进行数字成像的系统的示意图；
10.图2是用于向缺光环境提供照明以进行内窥镜成像的系统；
11.图2a是互补系统硬件的示意图；
12.图3a至图3d是用于构造曝光帧的传感器的操作循环的图示；
13.图4a是电磁发射器的一个实施方案的操作的图形表示；
14.图4b是改变所发射电磁脉冲的持续时间和量值以提供曝光控制的图形表示；
15.图5是将图3a至图4b的传感器的操作循环、电磁发射器和所发射电磁脉冲组合的本公开的一个实施方案的图形表示，示出了操作期间的成像系统；
16.图6a是用于在从t(0)至t(1)的时间段内用全光谱光记录视频的过程的示意图；
17.图6b是通过在从t(0)至t(1)的时间段内脉冲分区光谱光来记录视频的过程的示意图；
18.图7a至图7e示出了在一定时间间隔内用于记录全光谱光和分区光谱光两者的视频帧的过程的示意图；
19.图8是待由控制器或图像信号处理器实现以生成具有rgb图像帧和叠层在rgb图像帧上的专用图像数据的视频流的处理流程的示意图；
20.图9是用于将超分辨率和颜色运动伪影校正过程应用于图像数据以用于生成其上叠层有专用成像数据的ycbcr或rgb图像的处理流程的示意图，该图像数据可包括亮度、色度和超光谱数据；
21.图10是像素的亮度yi的形状、亮度的经滤波版本fi的形状和差平面di的形状的图形表示；
22.图11是α如何可被解释为取决于di的模量的图形表示；
23.图12是用于在图像帧上实现边缘增强过程的方法的示意性流程图；
24.图13是用于通过脉冲分区光谱光来生成其上叠层有专用图像数据的rgb图像的模式重建过程的示意图；
25.图14a至图14c示出了具有多个发射器的光源；
26.图15示出了在输出处经由漫射器输出以照明缺光环境中的场景的单根光纤；
27.图16示出了根据本公开的原理和教导内容的被分成可由光源的发射器发射的多个不同子光谱的电磁光谱的一部分；
28.图17是示出用于生成包括由脉冲光的不同分区产生的多个曝光帧的图像帧的发射和读出时序的示意图；
29.图18示出了包括用于过滤电磁辐射的波长的单个截止滤光器的成像系统；
30.图19示出了包括用于过滤电磁辐射波长的多个截止滤光器的成像系统；
31.图20示出了可被成像系统脉冲的示例性激光标测模式；
32.图21a和图21b示出了根据本公开的原理和教导内容的具有用于产生三维图像的多个像素阵列的具体实施；
33.图22a和图22b分别示出了构建在多个基板上的成像传感器的具体实施的透视图和侧视图，其中形成像素阵列的多个像素列位于第一基板上，并且多个电路列位于第二基板上，并且示出了一列像素与其相关联的或对应的电路系统列之间的电连接和通信；并且
34.图23a和图23b分别示出了具有用于产生三维图像的多个像素阵列的成像传感器的具体实施的透视图和侧视图，其中多个像素阵列和图像传感器构建在多个基板上。
具体实施方式
35.本文公开了用于可能主要适于医学应用诸如医学内窥镜成像的数字成像的系统、方法和装置。本公开的实施方案是用于缺光环境的荧光成像、超光谱成像和/或激光标测成像的内窥镜系统。
36.常规内窥镜被设计成使得图像传感器被放置在手持件单元内的装置的近侧端部处。该配置要求入射光通过精确耦合的光学元件行进内窥镜的长度。精确光学元件在正常使用期间容易不对准，并且这可导致图像失真或图像损失。本公开的实施方案将图像传感器放置在内窥镜本身的远侧端部内。与本领域中已知的具体实施相比，这提供了更大的光学简单性。然而，该方法的可接受的解决方案非常重要，并且引入了其自身的一套工程挑战，尤其是图像传感器必须适配在高度约束的区域内。
37.本文所公开的成像系统在图像传感器的尺寸上具有积极的约束。这使得图像传感器能够被放置在内窥镜的远侧端部中，从而实现内窥镜的改进的光学简单性和增加的机械稳健性的对应有益效果。然而，对图像传感器区域施加这些积极约束导致较少和/或较小的像素，并且可能会降低图像质量。本公开的实施方案通过结合具有最小外围电路系统、连接焊盘和逻辑的单色图像传感器来克服此挑战。本文所公开的成像系统提供了用于扩展所得图像的动态范围、传感器灵敏度和空间分辨率同时仍然通过噪声感知边缘增强来减少图像传感器的总体尺寸的装置。
38.对于数字成像系统，数字图像的最终质量取决于用于生成图像的电子捕获过程的工程细节。图像的感知质量取决于信噪比(snr)、动态范围(dr)、空间分辨率、可见非自然伪影的感知、空间失真的感知和图像的颜色保真度。这些因素中的每一者可通过减少图像传感器的总尺寸来负面地影响。因此，为了提高所得图像帧的感知质量，本领域已知的传统相机包括多个图像传感器或包括放大图像传感器。例如，可产生高分辨率图像的高端相机通
常包括至少三个单色传感器，这些单色传感器以棱镜和滤光器的复杂布置精确耦接。另一种传统解决方案是使用单个传感器，其中单独的像素大小的颜色滤光器以镶嵌布置制造到图像传感器上。最常用的镶嵌布置是拜耳模式。具有拜耳模式的图像传感器可便宜地制造，但无法实现通过高端相机中实现的三图像传感器解决方案来实现的图像质量。拜耳模式的附加的不期望副作用是颜色分割模式在所得图像帧中引入伪影，并且这些伪影在黑色边缘和白色边缘周围可能特别明显。
39.用于减少图像传感器的尺寸的一种传统方法是增加像素阵列中的像素的数量并减小单独像素的尺寸。然而，较小像素天然具有较低信号容量。较低信号容量减小由像素捕获的数据的动态范围，并且减小最大可能信噪比。减少单独像素的区域不仅与像素的捕获区域成比例地减小像素的灵敏度，而且还将其减小至更大程度。可通过加宽光圈来补偿像素的灵敏度损失，但这导致较浅的景深和较浅的焦深。较浅的景深影响所得图像的分辨率并且可导致较大的空间失真。另外，较小像素对于制造始终更具有挑战性，并且这可导致较大缺陷率。
40.根据与减少像素的捕获区域相关联的缺陷，本文公开了用于通过其他方式来减小像素计数和加强图像分辨率的系统、方法和装置。在一个实施方案中，单色图像传感器与像素阵列中的“颜色不定”像素一起使用。颜色信息通过响应于不同波长的电磁辐射脉冲来捕获独立的曝光帧而确定。另选脉冲可包括红色波长、绿色波长和蓝色波长，用于生成由红色曝光帧、绿色曝光帧和蓝色曝光帧组成的rgb图像帧。图像帧还可包括来自叠层在rgb图像帧上的专用曝光帧的数据。专用曝光帧可响应于电磁辐射的超光谱发射、电磁辐射的荧光激发波长、或光的激光标测发射而生成。激光标测脉冲可包括任何合适的激光标测脉冲方案，诸如网格阵列、多传感器工具跟踪脉冲方案、点阵列等。激光标测曝光帧可包括激光标测数据，该激光标测数据可被评估以用于识别场景内的尺寸，用于跟踪场景内的工具，用于生成场景的三维形貌图等。脉冲电磁辐射的波长交替允许利用全像素阵列并避免拜耳模式像素阵列引发的伪影。
41.在一个实施方案中，电磁辐射的每个脉冲或脉冲分组产生由像素阵列感测的曝光帧。可组合多个曝光帧以生成图像帧。图像帧可包括例如响应于红色脉冲而生成的红色曝光帧、响应于绿色脉冲而生成的绿色曝光帧、响应于蓝色脉冲而生成的蓝色曝光帧，以及响应于激光标测脉冲而生成的专用曝光帧。可将红色曝光帧、绿色曝光帧、蓝色曝光帧和专用曝光帧组合以生成其上叠层有专用数据的单个rgb图像帧。此方法导致所得图像帧中的增加的动态范围和空间分辨率。然而，这种方法可引入运动模糊，因为随时间推移捕获构成图像帧的多个曝光帧。另外，因为单独曝光帧供应不同的颜色分量，所以图像帧可具有在大边缘附近可能特别可见的非自然着色效应。根据前述内容，本文公开的系统、方法和装置校正由逐帧颜色切换引入的运动。
42.在一个实施方案中，在图像上执行方法以改善图像的感知质量。方法被部署成对图像执行噪声感知边缘增强，该噪声感知边缘增强将真实边缘和纹理信息与随机噪声分开。方法包括从图像提取亮度数据以及检测图像的边缘。可通过部署canny方法、不清晰掩模方法或某种其他合适的方式来检测图像的边缘。方法包括向图像的边缘施加增益因子，以及将所提取的亮度数据与已经通过所应用的增益因子修改的边缘数据合并。方法可被部署成生成具有增加的感知分辨率的改善的rgb彩色图像。
43.在一些情况下，希望生成具有彼此叠层的多种数据类型或多个图像的内窥镜成像。例如，可能希望生成彩色(“rgb”)图像，该图像还包括叠层在rgb图像上的超光谱成像数据、荧光成像数据和/或激光标测成像数据。这种性质的叠层图像可使得执业医生或计算机程序能够识别关键身体结构的高准确度尺寸和三维形貌结构，并且基于激光标测数据在缺光环境内进一步识别工具与其它结构之间的距离。过去，这将需要使用多个传感器系统，包括用于彩色成像的图像传感器和用于超光谱成像、荧光成像或激光标测成像的一个或多个附加图像传感器。在此类系统中，多个图像传感器将具有各自对不同范围的电磁辐射敏感的多种类型的像素传感器。在本领域已知的系统中，这包括用于生成rgb彩色图像的三种单独类型的像素传感器，以及用于生成超光谱数据、荧光数据和激光标测数据的附加传感器和系统。这些多个不同的传感器占用过大物理空间，并且不能位于内窥镜的远侧末端处。在本领域已知的系统中，一个或多个相机不放置在内窥镜的远侧末端处，而是放置在内窥镜手持件或机器人单元中。这引发了许多缺点并且导致内窥镜非常脆弱。当脆弱的内窥镜在使用期间受到碰撞或冲击时，可能损坏内窥镜并降低图像质量。考虑到上述情况，本文公开了用于在缺光环境中进行内窥镜成像的系统、方法和装置。本文所公开的系统、方法和装置提供了在单个成像会话中采用多种成像技术同时允许一个或多个图像传感器设置在内窥镜的远侧末端中的方式。
44.本文所讨论的荧光成像技术可与一种或多种荧光试剂或荧光染料组合使用。试剂的位置可通过发射使试剂发荧光的激发波长的电磁辐射来识别。试剂发射的弛豫波长可由图像传感器读取，以识别试剂在场景内的位置。根据所用试剂的类型，试剂的位置可进一步指示关键结构诸如某些类型的组织、癌细胞与非癌细胞等的位置。
45.本文所讨论的超光谱成像技术可用于“透视”场景的前景中的组织层，以识别特定类型的组织和/或特定的生物过程或化学过程。超光谱成像可用于医疗环境中，以定量地跟踪疾病的过程并确定组织病理。另外，超光谱成像可用于识别关键结构，诸如神经组织、肌肉组织、癌细胞等。在一个实施方案中，电磁辐射的分区被脉冲，并且响应于电磁辐射的分区，收集关于不同类型组织的光谱响应的数据。可生成并分析光谱响应的数据存储，以评估场景并基于感测到的光谱响应来预测场景内存在哪些组织。
46.可评估本文所讨论的激光标测成像技术，以生成场景的三维景观地图并计算场景内对象之间的距离。激光标测数据可与荧光成像和/或超光谱成像结合使用，以计算关键结构的精确位置和尺寸。例如，可用荧光成像和/或超光谱成像来识别关键结构的位置和边界。可随后基于激光标测数据来计算关键结构的位置、关键结构的尺寸以及从关键结构到其它对象的距离的精确测量。
47.超光谱成像
48.在一个实施方案中，本文所公开的系统、方法和装置提供了用于在缺光环境中生成超光谱成像数据的方式。光谱成像使用跨电磁光谱的多个频带。这不同于仅捕获跨越基于人眼可分辨的可见光谱的三个波长(包括红色、绿色和蓝色波长)的光以生成rgb图像的常规相机。光谱成像可使用电磁光谱中的任何波长带，包括红外波长、可见光谱、紫外光谱、x射线波长或各种波长带的任何合适的组合。
49.超光谱成像最初开发用于采矿和地质中的应用。不同于向人眼提供有限信息的正常相机图像，超光谱成像可基于不同矿物质的光谱特征来识别特定矿物质。超光谱成像即
便在捕获于航拍图像中时也很有用，并且可提供关于例如来自管道或天然井的油或气泄漏以及它们对附近植被的影响的信息。基于可通过超光谱成像识别的某些材料、对象或过程的光谱特征来收集该信息。
50.超光谱成像包括光谱和数字摄影。在超光谱成像的一个实施方案中，在图像平面中的每个像素处收集完整光谱或一些光谱信息。超光谱成像的目标可针对不同的应用而变化。在一个应用中，超光谱成像的目标是获得图像场景中每个像素的整个电磁光谱。这可使得能够找到原本在可见光波长带下可能不可识别的某些对象。这可使得能够精确地识别某些物质或组织，虽然这些物质或组织在可见光波长带下可能不可识别。此外，这可使得能够通过跨电磁光谱的所有波长捕获图像来检测某些过程。
51.在本公开的一个实施方案中，内窥镜系统照明源并脉冲用于光谱或超光谱成像的电磁辐射。光谱成像使用跨电磁光谱的多个频带。这不同于仅捕获跨越基于人眼可分辨的可见光谱的三个波长(包括红色、绿色和蓝色波长)的光以生成rgb图像的常规相机。光谱成像可使用电磁光谱中的任何波长带，包括红外波长、可见光谱、紫外光谱、x射线波长或各种波长带的任何合适的组合。光谱成像可将基于不可见频带(例如红外)生成的成像叠层在基于可见频带(例如标准rgb图像)的成像顶部，以提供可易于由人或计算机算法分辨的附加信息。
52.超光谱成像具有许多优于常规成像的优势。通过超光谱成像获得的信息使得执业医生和/或计算机实现的程序能够精确地识别在使用rgb成像的情况下可能不可识别的某些组织或病症。另外，在医学规程期间可使用超光谱成像来提供图像引导的外科手术，使得执业医生能够例如查看位于某些组织或流体后面的组织，识别与典型健康细胞形成对比的非典型癌细胞，识别某些组织或病症，识别关键结构等。超光谱成像提供不能用常规成像生成的关于组织生理、形态和组成的专用诊断信息。
53.在医学应用中，超光谱成像可提供优于常规成像的特定优点。通过超光谱成像获得的信息可使得执业医生和/或计算机实现的程序能够精确地识别可能导致在使用常规成像诸如rgb成像的情况下可能不可诊断或可能诊断不太准确的某些组织或病症。另外，在医学规程期间可使用超光谱成像来提供图像引导的外科手术，可使得执业医生能够例如查看位于某些组织或流体后面的组织，识别与典型健康细胞形成对比的非典型癌细胞，识别某些组织或病症，识别关键结构等。超光谱成像可提供不能用常规成像生成的关于组织生理、形态和组成的专用诊断信息。
54.在本公开的各种应用和具体实施中，内窥镜超光谱成像可呈现优于常规成像的优点。在医学具体实施中，内窥镜超光谱成像可允许执业医生或计算机实现的程序分辨例如神经组织、肌肉组织、各种血管、血流方向等。超光谱成像可使得非典型癌组织能够与典型健康组织精确区分，并且因此可使得执业医生或计算机实施的程序能够在手术或研究成像期间分辨癌性肿瘤的边界。另外，如本文所公开的缺光环境中的超光谱成像可与试剂或染料的使用相结合，以允许进一步区分某些组织或物质。在此类实施方案中，试剂或染料可以电磁光谱中的特定波长带发荧光，从而提供特定于该试剂或染料的目的的信息。本文所公开的系统、方法和装置可使得能够脉冲任何数量的波长带，使得一种或多种试剂或染料可在不同时间发荧光，并且进一步使得可脉冲电磁辐射的一个或多个分区，以用于同一成像会话中的超光谱成像。在某些具体实施中，这使得能够在单个成像规程期间识别或研究多
种医学病症。
55.荧光成像
56.本文所公开的系统、方法和设备提供了用于在缺光环境中生成荧光成像数据的手段。荧光成像数据可用于识别体腔或其它缺光环境内的某些材料、组织、部件或过程。在某些实施方案中，将荧光成像提供给执业医生或计算机实施的程序以使得能够识别体内的某些结构或组织。此类荧光成像数据可叠层在黑白或rgb图像上以提供附加信息和上下文。
57.荧光是已吸收光或其它电磁辐射的物质发射的光。当荧光物质经受紫外光或其它波长的电磁辐射时，某些荧光物质可“发光”或发出人眼可见的不同颜色。当辐射源停止时，某些荧光材料将几乎立即停止发光。
58.当分子、原子或纳米结构的轨道电子被光或其它电磁辐射激发，然后通过从激发态发射光子而弛豫至其基态时，出现荧光。激发轨道电子或在弛豫期间由光子发射的电磁辐射的具体频率取决于具体的原子、分子或纳米结构。在大多数情况下，由该物质发射的光具有比被该物质吸收的辐射更长的波长，并因此具有更低的能量。然而，当所吸收的电磁辐射强烈时，一个电子可以吸收两个光子。这种双光子吸收可导致具有比所吸收的辐射更短的波长并因此具有更高的能量的辐射的发射。另外，所发射的辐射也可具有与所吸收的辐射相同的波长。
59.荧光成像具有许多实际应用，包括矿物学、地质学、医学、化学传感器的光谱学、检测生物过程或信号等。荧光尤其可用于生物化学和医学中作为用于跟踪或分析生物分子的非破坏性手段。生物分子，包括某些组织或结构，可通过分析生物分子在被某些波长的电磁辐射激发后的荧光发射来跟踪。然而，相对较少的细胞组分是天然荧光的。在某些具体实施中，可视化本质上不发荧光的某些组织、结构、化学过程或生物过程可能是有利的。在此类具体实施中，可向身体施用染料或试剂，该染料或试剂可包括具有荧光特性的分子、蛋白质或量子点。然后，试剂或染料可在被某些波长的电磁辐射激发之后发荧光。不同的试剂或染料可包括将在特定波长的电磁辐射下发荧光的不同的分子、蛋白质和/或量子点。因此，可能需要用特定频带的电磁辐射激发试剂或染料以实现荧光并在体内识别期望的组织、结构或过程。
60.荧光成像可在医学领域中提供可用于诊断目的和/或可在医学规程期间实时可视化的有价值的信息。可向身体施用特定试剂或染料以使某些组织、结构、化学过程或生物过程发荧光。试剂或染料的荧光可突出显示身体结构，诸如血管、神经、特定器官等。另外，试剂或染料的荧光可突出显示病症或疾病，诸如癌细胞或经历可能与病症或疾病相关联的某些生物或化学过程的细胞。荧光成像可由执业医生或计算机程序实时使用，以用于在外科肿瘤提取期间区分例如癌细胞和非癌细胞。荧光成像还可用作非破坏性手段，以用于随时间推移跟踪和可视化体内原本人眼不可见或在rgb图像中不可辨别的病症。
61.用于生成荧光成像数据的系统、方法和设备可与试剂或染料配合使用。已知一些试剂或染料会附着在某些类型的组织上，并在电磁波谱的特定波长下发荧光。在一个具体实施中，向患者施用试剂或染料，该试剂或染料被配置成能够在被某些波长的光激活时发荧光。本文所公开的内窥镜成像系统用于激发试剂或染料并使其发荧光。通过内窥镜成像系统捕获试剂或染料的荧光，以帮助识别体腔中的组织或结构。在一个具体实施中，向患者施用多种试剂或染料，每种试剂或染料被配置成能够发出不同波长的荧光和/或提供不同
结构、组织、化学反应、生物过程等的指示。在此类具体实施中，内窥镜成像系统发射适用波长中的每个波长，以使适用试剂或染料中的每一者发荧光。这可消除针对多种试剂或染料中的每一者执行各个成像规程的需要。
62.成像试剂可增强制药、医学、生物技术、诊断和医学规程行业中的成像能力。许多成像技术诸如x射线、计算机断层摄影术(ct)、超声、磁共振成像(mri)和核医学主要分析解剖结构和形态，而不能检测到分子水平的变化。荧光试剂、染料和探针(包括量子点纳米粒子和荧光蛋白)通过提供关于成像区域内存在的某些组织、结构、化学过程和/或生物过程的附加信息来辅助医学成像技术。使用荧光试剂成像实现细胞跟踪和/或某些分子生物标志物的跟踪。荧光试剂可用于对癌症、感染、炎症、干细胞生物学等进行成像。许多荧光试剂和染料正在被开发并且应用于以非破坏性方式可视化和跟踪生物过程。此类荧光试剂可由某些波长或波长带的电磁辐射激发。类似地，这些荧光试剂在发荧光时可发出某些波长或波长带的弛豫能量，并且所发出的弛豫能量可由传感器读取以确定试剂或染料的位置和/或边界。
63.在本公开的一个实施方案中，内窥镜成像系统脉冲电磁辐射以用于激发荧光试剂或染料中的电子。内窥镜成像系统可在单个成像过程期间脉冲多个不同波长的电磁辐射，以用于使多种不同试剂或染料发荧光。内窥镜包括图像传感器，该图像传感器对一种或多种试剂或染料的弛豫波长敏感。由该图像传感器生成的成像数据可用于识别一种或多种试剂或染料的位置和边界。内窥镜系统还可脉冲可见光的红色波段、绿色波段和蓝色波段中的电磁辐射，使得荧光成像可叠层在rgb视频流上。
64.激光标测成像
65.在一个实施方案中，本文所公开的系统、方法和装置提供了用于利用内窥镜成像系统来生成激光标测数据的方式。激光标测数据可用于确定场景的精确测量和形貌轮廓。在一个具体实施中，激光标测数据用于确定例如体腔中的结构或器官、体腔中的装置或工具和/或体腔中的关键结构之间的精确测量。如本文所述，术语“激光标测”可涵盖被称为激光标测、激光扫描、形貌扫描、三维扫描、激光跟踪、工具跟踪等的技术。如本文所讨论的激光标测曝光帧可包括场景的形貌数据、场景内对象或结构之间的尺寸、场景内工具或对象的尺寸或距离等。
66.激光标测通常包括激光器束的受控偏转。在三维对象扫描领域，激光标测将激光器束的受控转向与激光测距仪组合。通过在每个方向上进行距离测量，激光测距仪可快速捕获对象、工具和景观的表面形状。全三维形貌的构造可包括组合从不同视角获得的多个表面模型。存在于本领域的各种测量系统和方法用于考古学、地理学、大气物理学、自动驾驶车辆等中的应用。一种此类系统包括光检测和测距(lidar)，其为三维激光标测系统。lidar已应用于导航系统诸如飞机或卫星中，以确定与其他系统和传感器结合的传感器的位置和取向。lidar使用有源传感器来照明对象并且检测从对象反射并回到传感器的能量。
67.如本文所述，术语“激光标测”包括激光跟踪。激光跟踪或激光用于工具跟踪的用途通过确定相对于对象保持的光学目标的位置来测量那些对象。激光跟踪器可在几米的距离内准确到0.025mm的量级。在一个实施方案中，内窥镜成像系统脉冲光以与激光跟踪系统结合使用，使得可跟踪并测量场景内的位置或工具。在此类实施方案中，内窥镜成像系统可脉冲由内窥镜成像系统成像的场景内的工具、对象或其它结构上的激光跟踪模式。可将目
标放置在场景内的工具、对象或其它结构上。可在选定点处触发并获取内窥镜成像系统与目标之间的测量，使得内窥镜成像系统可跟踪目标(以及附连到目标的工具、对象或其它结构)的位置。
68.脉冲成像
69.本公开的一些具体实施包括传感器和系统组合设计的各个方面，该设计能够在受限的照明环境中以减少的像素数生成高清晰度图像。这是通过以下来实现的：逐帧地脉冲单色波长，并且使用受控光源结合高帧捕获速率和特别设计的对应单色传感器在单个不同颜色波长之间切换或交替每个帧。像素可以是颜色不定的，使得每个像素生成针对每个电磁辐射脉冲的数据，该每个电磁辐射脉冲包括红色、绿色和蓝色可见光波长以及用于激光标测成像的其他波长的脉冲。
70.为了促进对根据本公开的原理的理解的目的，现在将参考附图中所示的实施方案，并且将使用特定的语言来描述这些实施方案。然而，应当理解，因此并不旨在限制本公开的范围。本文所示的本发明特征的任何改变和进一步修改，以及如本文所示的本公开的原理的任何附加的应用(其对于相关领域的技术人员和了解本公开内容的人通常将会发生)将被认为在受权利要求书保护的公开的范围内。
71.在公开和描述用于在缺光环境中产生图像的结构、系统和方法之前，应当理解，本公开不限于本文所公开的特定结构、配置、工艺步骤和材料，因为此类结构、配置、工艺步骤和材料可一定程度地变化。另外应当理解，本文所用的术语只是为了描述具体实施方案的目的，并不旨在进行限制，因为本发明的范围将仅由所附权利要求书及其等同形式来限定。
72.在描述及对本公开的主题提出权利要求时，将根据下列定义使用以下术语。
73.应当指出的是，如本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一种”、“一个”和“该”包括多个指代物，除非上下文中明确表示其它含义。
74.如本文所用，术语“包括”、“包含”、“其特征在于”以及它们的语法同等成分是非遍举的或开放式的术语，不排除额外的、未述及的要素或方法步骤。
75.如本文所用，短语“由
……
组成”及其语法同等成分排除未载入权利要求书的任何要素或步骤。
76.如本文所用，短语“主要由
……
组成”及其语法同等成分将权利要求的范围限制于规定的材料或步骤以及本质上不影响被要求保护的本公开的之一种或多种基本及新颖特征的材料或步骤。
77.如本文所用，术语“近侧”广义上是指靠近起始点的部分的概念。
78.如本文所用，术语“远侧”一般是指与近侧相反，因此根据上下文其是指距离起始点较远的部分或最远的部分的概念。
79.如本文所用，颜色传感器或多光谱传感器是那些已知具有颜色滤光器阵列(cfa)的传感器，在其上以便将入射电磁辐射过滤为其单个分量。在电磁光谱的可见范围中，此类cfa可以基于拜尔模板或其修改形式，以便分离光线中的绿色、红色和蓝色光谱分量。
80.如本文所用，单色传感器是指无过滤功能的成像传感器。因为像素是颜色不定的，所以其有效空间分辨率明显高于传统单传感器相机中的像素颜色(通常采用拜耳模式过滤)对等物。由于单个像素之间浪费的入射光子较少，因此单色传感器也可具有更高的量子效率。
81.如本文所用，发射器是能够生成和发射电磁脉冲的装置。发射器的各种实施方案可被配置为发射脉冲并且具有来自整个电磁光谱内的非常特定的频率或频率范围。脉冲可包括来自可见范围和不可见范围的波长。发射器可循环打开和关闭以产生脉冲，或者可利用快门机构产生脉冲。发射器可具有可变功率输出电平，或者可利用辅助装置诸如光圈或滤光器进行控制。发射器可发射可通过颜色滤光或快门开闭产生脉冲的宽光谱或全光谱电磁辐射。发射器可包括单独或协同起作用的多个电磁源。
82.应当指出，如本文所用，术语“光”既是粒子又是波长，并且旨在表示可被像素阵列122检测的电磁辐射，并且可包括来自可见光谱和不可见光谱的电磁辐射的波长。本文所用的术语“分区”是指电磁光谱的预定波长范围，其小于整个光谱，或者换句话讲，构成电磁光谱的某一部分的波长。如本文所用，发射器是关于所发射的电磁光谱的一部分可控制的光源，或是可操作其部件的物理性质、发射强度或发射持续时间或以上所有的光源。发射器可发射任何抖动的、漫射的或准直的发射中的光，并且可通过数字方式或通过模拟方法或系统来进行控制。如本文所用，电磁发射器是电磁能量爆发源，并且其包括光源，诸如激光、led、白炽光、或可进行数字控制的任何光源。
83.现在参见附图，图1示出了用于在缺光环境中进行序列脉冲成像的系统100的示意图。系统100可被部署成生成其上叠层有专用数据的rgb图像。系统100包括发射器102和像素阵列122。发射器102在缺光环境112中脉冲电磁辐射的分区，并且像素阵列122感测反射电磁辐射的实例。发射器102和像素阵列122依次工作，使得电磁辐射的分区的一个或多个脉冲产生由像素阵列122感测到的图像数据。
84.应当指出，如本文所用，术语“光”既是粒子又是波长，并且旨在表示可被像素阵列122检测的电磁辐射，并且可包括来自可见光谱和不可见光谱的电磁辐射的波长。本文所用的术语“分区”是指电磁光谱的预定波长范围，其小于整个光谱，或者换句话讲，构成电磁光谱的某一部分的波长。如本文所用，发射器是关于所发射的电磁光谱的一部分可控制的光源，或是可操作其部件的物理性质、发射强度或发射持续时间或以上所有的光源。发射器可发射任何抖动的、漫射的或准直的发射中的光，并且可通过数字方式或通过模拟方法或系统来进行控制。如本文所用，电磁发射器是电磁能量爆发源，并且其包括光源，诸如激光、led、白炽光、或可进行数字控制的任何光源。
85.图像传感器的像素阵列122可与发射器102以电子方式配对，使得发射器102和像素阵列122在操作期间同步，以用于接收发射和用于系统内所进行的调节两者。发射器102可被调谐成发射激光形式的电磁辐射，该电磁辐射可被脉冲以照明缺光环境112。发射器102可以对应于像素阵列122的操作和功能的间隔脉冲。发射器102可脉冲多个电磁分区中的光，使得像素阵列接收电磁能量并产生与每个特定电磁分区在时间上对应的数据集。例如，图1示出了一个具体实施，其中发射器102发射电磁辐射的四个不同分区，包括红色104波长、绿色106波长、蓝色108波长和专用110发射。专用110发射可包括用于使试剂发荧光的激发波长、电磁辐射的超光谱分区和/或激光标测模式。专用110发射可包括彼此分开且彼此独立的多个单独发射。专用110发射可包括用于使试剂发荧光的激发波长和激光标测模式的组合，其中发射彼此分开且彼此独立。可一前一后地分析由单独发射产生的数据，以基于荧光成像数据来识别场景内的关键结构，并且还基于激光标测数据与荧光成像数据的组合来识别关键结构的尺寸或定位。专用110发射可包括超光谱带的电磁辐射和激光标测模
式的组合，其中发射彼此分开且彼此独立。可一前一后地分析由单独发射产生的数据，以基于超光谱成像数据来识别场景内的关键结构，并且还基于激光标测数据与超光谱成像数据的组合来识别关键结构的尺寸或定位。在一个实施方案中，专用110发射包括发射的任何期望的组合，发射可与由脉冲红色104发射、脉冲绿色106发射和脉冲蓝色108发射所得的数据组合。专用110发射可分散在脉冲模式内，使得不同类型的专用110发射的脉冲不如脉冲红色104发射、脉冲绿色106发射和脉冲蓝色108发射的脉冲频繁。
86.缺光环境112包括反射红色114光、绿色116光和/或蓝色118光的组合的结构、组织和其它元件。被感知为红色114的结构将反射脉冲红色104光。来自红色结构的反射导致在脉冲红色104发射之后，像素阵列122感测到红色105。由像素阵列122感测到的数据产生红色曝光帧。被感知为绿色116的结构将反射脉冲绿色106光。来自绿色结构的反射导致在脉冲绿色106发射之后，像素阵列122感测到绿色107。由像素阵列122感测到的数据产生绿色曝光帧。被感知为蓝色118的结构将反射脉冲蓝色108光。来自蓝色结构的反射导致在脉冲蓝色108发射之后，像素阵列122感测到蓝色109。由像素阵列122感测到的数据产生蓝色曝光帧。
87.当结构为颜色的组合时，结构将反射脉冲红色104发射、脉冲绿色106发射和/或脉冲蓝色108发射的组合。例如，被感知为紫色的结构将反射来自脉冲红色104发射和脉冲蓝色108发射的光。由像素阵列122感测到的所得数据将指示光在脉冲红色104发射和脉冲蓝色108发射之后的相同区域中被反射。当所得红色曝光帧和蓝色曝光帧组合形成rgb图像帧时，rgb图像帧将指示结构是紫色的。
88.在其中缺光环境112包括荧光试剂或荧光染料或者包括一个或多个荧光结构、组织或其它元件的实施方案中，脉冲方案可包括某些荧光激发波长的发射。可选择某些荧光激发波长以使已知的荧光试剂、荧光染料或其它结构发荧光。荧光结构将对荧光激发波长敏感并且将发射荧光弛豫波长。在发射荧光激发波长之后，荧光弛豫波长将由像素阵列122感测到。由像素阵列122感测到的数据产生荧光曝光帧。荧光曝光帧可与多个其它曝光帧组合以形成图像帧。荧光曝光帧中的数据可叠层在包括来自红色曝光帧、绿色曝光帧和蓝色曝光帧的数据的rgb图像帧上。
89.在其中缺光环境112包括对电磁波谱的某些分区发出光谱响应的结构、组织或其它材料的实施方案中，脉冲方案可包括电磁辐射的超光谱分区的发射，以便引出来自缺光环境112中存在的结构、组织或其它材料的光谱响应。光谱响应包括某些波长的电磁辐射的发射或反射。光谱响应可由像素阵列122感测并产生超光谱曝光帧。超光谱曝光帧可与多个其它曝光帧组合以形成图像帧。超光谱曝光帧中的数据可叠层在包括来自红色曝光帧、绿色曝光帧和蓝色曝光帧的数据的rgb图像帧上。
90.在一个实施方案中，脉冲方案包括发射激光标测或工具跟踪模式。像素阵列122在激光标测或工具跟踪模式的发射之后感测到的经反射的电磁辐射产生激光标测曝光帧。激光标测曝光帧中的数据可被提供给对应的系统以识别例如缺光环境112中存在的工具之间的距离、缺光环境112中的场景的三维表面形貌、场景内的结构或对象的距离、尺寸或位置等。该数据可叠层在rgb图像帧上或以其它方式提供给系统的用户。
91.发射器102可以是能够发射脉冲红色104光的激光发射器，以用于生成感测到的红色105数据，从而识别缺光环境112内的红色114元件。发射器102还能够发射脉冲绿色106
光，以用于生成感测到的绿色107数据，从而识别缺光环境内的绿色116元件。发射器102还能够发射脉冲蓝色108光，以用于生成感测到的蓝色109数据，从而识别缺光环境内的蓝色118元件。发射器102还能够发射专用110发射，以用于标测缺光环境112内的场景的形貌120。发射器102能够以任何期望的顺序来发射脉冲红色104发射、脉冲绿色106发射、脉冲蓝色108发射和脉冲专用110发射。
92.像素阵列122感测反射电磁辐射。感测到的红色105数据、感测到的绿色107数据、感测到的蓝色109数据和感测到的专用111数据中的每一者可被称为“曝光帧”。感测到的专用111可产生彼此分开且彼此独立的多个单独曝光帧。例如，感测到的专用111可产生荧光曝光帧、超光谱曝光帧和/或包括激光标测数据的激光标测曝光帧。为每个曝光帧分配特定颜色分区或波长分区，其中分配基于来自发射器102的脉冲颜色或波长分区的定时。曝光帧与所分配的特定颜色或波长分区的组合可被称为数据集。即使像素122不是颜色专用的，也可基于关于发射器的先验信息为任何给定数据集分配颜色。
93.例如，在操作期间，在脉冲红色104光在缺光环境112中被脉冲后，像素阵列122感测反射电磁辐射。反射电磁辐射产生曝光帧，并且该曝光帧被归类为感测到的红色105数据，因为它在时间上与脉冲红色104光对应。曝光帧与其在时间上与脉冲红色104光对应的指示的组合是“数据集”。针对由发射器102发射的电磁辐射的每个分区重复该过程。像素阵列122形成的数据包括感测到的红色105曝光帧，其用于识别缺光环境中的红色114分量并且在时间上与脉冲红色104光对应。该数据还包括感测到的绿色107曝光帧，其用于识别缺光环境中的绿色116分量并且在时间上与脉冲绿色106光对应。该数据还包括感测到的蓝色109曝光帧，其用于识别缺光环境中的蓝色118分量并且在时间上与脉冲蓝色108光对应。该数据还包括感测到的专用111曝光帧，其用于识别形貌120并且在时间上与专用110发射对应。
94.在一个实施方案中，将代表red电磁脉冲、green电磁脉冲和blue电磁脉冲的三个数据集组合以形成单个图像帧。因此，将红色曝光帧、绿色曝光帧和蓝色曝光帧中的信息组合以形成单个rgb图像帧。表示其它波长分区的一个或多个附加数据集可叠层在单个rgb图像帧上。一个或多个附加数据集可表示例如激光标测数据、荧光成像数据和/或超光谱成像数据。
95.应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开不限于任何特定的颜色组合或任何特定的电磁分区，并且任何颜色组合或任何电磁分区均可用于代替red、green和blue，诸如青色、洋红色和黄色；紫外线；红外线；前述的任何组合或任何其它颜色组合，包括所有可见波长和不可见波长。在图中，待成像的缺光环境112包括红色114部分、绿色116部分和蓝色118部分，并且还包括可被感测并标测到三维渲染中的形貌120。如图所示，来自电磁脉冲的反射光仅包含对象的具有对应于脉冲颜色分区的特定颜色的部分的数据。这些单独的颜色(或颜色间隔)数据集可随后用于通过在126处组合数据集来重建图像。多个曝光帧(即，多个数据集)中的每一者中的信息可由控制器124、控制单元、相机控制单元、图像传感器、图像信号处理流水线或能够被配置为在126处处理多个曝光帧并组合数据集的一些其它计算资源组合。数据集可被组合以在内窥镜单元自身内或由一些其它处理资源在异地生成单个图像帧。
96.图2是用于向缺光环境提供照明诸如以进行内窥镜成像的系统200。系统200可与
本文所公开的系统、方法或装置中的任一者结合使用。系统200包括发射器202、控制器204、跳线波导206、波导连接器208、内腔波导210、内腔212和具有附带的光学部件(诸如透镜)的图像传感器214。发射器202(通常可被称为“光源”)生成行进穿过跳线波导206和内腔波导210的光，以照明内腔212的远侧端部处的场景。发射器202可用于发射任何波长的电磁能量，包括可见波长、红外波长、紫外波长、超光谱波长、荧光激励波长或其它波长。可将内腔212插入患者体内以进行成像，诸如在手术或检查期间。如虚线216所示输出光。可使用图像传感器214捕获由光照明的场景并且向医生或一些其他医学人员显示该场景。控制器204可向发射器202提供控制信号以控制何时向一个场景提供照明。在一个实施方案中，发射器202和控制器204位于内窥镜所连接的相机控制单元(ccu)或外部控制台内。如果图像传感器214包括cmos传感器，则可在所谓的消隐期间以图像传感器214的读出周期之间的一系列照明脉冲周期性地向场景提供光。因此，光可以受控方式被脉冲，以避免重叠到图像传感器214的像素阵列中的图像像素的读出周期中。
97.在一个实施方案中，内腔波导210包括一根或多根光纤。考虑到内腔波导210和/或内窥镜的其它部分的弃置，这些光纤可由低成本材料(诸如塑料)制成。在一个实施方案中，内腔波导210是直径为500微米的单根玻璃纤维。跳线波导206可永久性地附接到发射器202。例如，跳线波导206可从发射器202内的发射器接收光，并且在连接器208的位置处向内腔波导210提供光。在一个实施方案中，跳线波导106包括一根或多根玻璃光纤。跳线波导可包括用于将光引导至内腔波导210的任何其它类型的波导。连接器208可将跳线波导206选择性地耦合到内腔波导210，并且允许跳线波导206内的光传递到内腔波导210。在一个实施方案中，内腔波导210直接被耦合到光源，而无需任何居间跳线波导206。
98.图像传感器214包括像素阵列。在一个实施方案中，图像传感器214包括用于生成三维图像的两个或更多个像素阵列。图像传感器214可构成两个以上的图像传感器，每个图像传感器具有独立的像素阵列并且可彼此独立地操作。图像传感器214的像素阵列包括有效像素和光学黑色(“ob”)像素或光学盲像素。有效像素可以是能够针对任何波长的电磁辐射感测成像数据的透明的“颜色不定”像素。当“重置”或校准像素阵列时，在像素阵列的消隐周期期间读取光学黑色像素。在一个实施方案中，当读取光学黑色像素时，光在像素阵列的消隐周期期间脉冲。在读取了光学黑色像素之后，在像素阵列的读出周期期间读取有效像素。有效像素可由在消隐周期期间脉冲的电磁辐射充电，使得有效像素准备好在像素阵列的读出周期期间由图像传感器读取。
99.图2a是互补系统硬件诸如专用或通用计算机的示意图。处于本公开的范围内的具体实施也可包括用于承载或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理介质及其它非暂态计算机可读介质。此类计算机可读介质可为可通过通用或专用计算机系统访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质为计算机存储介质(装置)。承载计算机可执行指令的计算机可读介质为传输介质。因此，以举例而非限制性的方式，本公开的具体实施可包括至少两种明显不同种类的计算机可读介质：计算机存储介质(装置)和传输介质。
100.计算机存储介质(装置)包括ram、rom、eeprom、cd-rom、固态硬盘(“ssd”)(例如，基于ram)、闪存存储器、相变存储器(“pcm”)、其它类型的存储器、其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储器装置、或任何其它可用于存储所需的呈计算机可执行指令或数据结构的
形式的程序代码工具并可通过通用或专用计算机来访问的介质。
[0101]“网络”是指一个或多个数据链路，其能够使电子数据在计算机系统和/或模块和/或其它电子装置之间进行传输。在一个具体实施中，传感器与相机控制单元可网络化，以便彼此通信，以及与通过它们所连接网络进行连接的其它部件进行通信。当信息通过网络或另外的通信连接(硬连接、无线或者硬连接或无线的组合)传送或提供至计算机时，计算机合理地将该连接视作传输介质。传输介质可包括网络和/或数据链路，该网络和/或数据链路可用于承载期望的呈计算机可执行指令或数据结构的形式的程序代码工具并可通过通用或专用计算机来访问。上述组合也应涵盖在计算机可读介质的范围内。
[0102]
另外，在到达各种计算机系统部件时，呈计算机可执行指令或数据结构的形式的程序代码工具，其可由传输介质自动传送至计算机存储介质(装置)(反之亦然)。例如，通过网络或数据链路接收的计算机可执行指令或数据结构可缓存于网络接口模块(例如，“nic”)内的ram中，然后最终传送至计算机系统ram和/或计算机系统的非易失性计算机存储介质(装置)中。ram还可包括固态硬盘(ssd或基于pcix的实时存储器分层存储装置，诸如fusionio)。因此，应当理解，计算机存储介质(装置)可包括在计算机系统部件中，该计算机系统部件还(或甚至主要)利用了传输介质。
[0103]
计算机可执行指令包括例如在由一个或多个处理器执行时致使通用计算机、专用计算机或专用处理装置执行某些功能或功能群的指令和数据。计算机可执行指令可为(例如)二进制、中间格式指令(诸如汇编语言)、或者甚至为源代码。尽管在语言上针对结构特征和/或方法步骤阐述了本发明的主题，然而应当理解，随附权利要求书中所限定的主题未必仅限于上文所述的特征或步骤。更确切地说，上文所述的特征和步骤是作为实施权利要求书的例子形式而公开的。
[0104]
本领域的技术人员应当理解，本公开可在网络计算环境中实现，该网络计算环境具有多种类型的计算机系统配置，包括个人电脑、台式计算机、笔记本电脑、信息处理器、控制单元、相机控制单元、手持设备、手持件、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的电子消费品、网络pc、小型计算机、大型计算机、移动电话、pda、平板电脑、传呼机、路由器、交换机、各种存储设备等等。应当指出的是，任意上述计算设备都可由实体机构提供或位于实体机构内。本公开也可在分布式系统环境中实现，其中本地和远程计算机系统通过网络连接起来(通过硬连接数据链路、无线数据链路或硬连接数据链路与无线数据链路的组合)，两者均可执行任务。在分布式系统环境中，程序模块可位于本地和远程存储器存储装置二者中。
[0105]
另外，在适当的情况下，本文所述的功能可通过硬件、软件、固件、数字部件或模拟部件中的一种或多种来执行。例如，可对一种或多种专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列进行编程以执行本文所述的一种或多种系统和程序。在整个下面的描述和权利要求中所用的某些术语是指特定的系统部件。本领域的技术人员应当理解，部件可具有不同的名称。本文并非旨在在名称上而非功能上不同的部件之间进行辨别。
[0106]
图2a是示出了示例性计算装置250的框图。计算装置250可用于执行各种程序，诸如本文所讨论的那些程序。计算装置250可用作服务器、客户端或任何其他计算实体。计算装置250可执行本文所讨论的各种监测功能，并且可执行一种或多种应用程序，诸如本文所述的应用程序。计算装置250可以为各种计算装置中的任何一种，诸如台式计算机、笔记本
电脑、服务器电脑、掌上电脑、相机控制单元、平板电脑，等等。
[0107]
计算装置250包括一个或多个处理器252、一个或多个存储器装置254、一个或多个接口256、一个或多个大容量存储装置258、一个或多个输入/输出(i/o)装置260和显示装置280，所有这些均耦合到总线262。处理器252包括一个或多个处理器或控制器，其执行存储在存储器装置254和/或大容量存储装置258中的指令。处理器252还可以包括各种类型的计算机可读介质，诸如高速缓存存储器。
[0108]
存储器装置254包括各种计算机可读介质，诸如易失性存储器(例如，随机存取存储器(ram)264)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(rom)266)。存储器装置254还可包括可重写rom，诸如闪存存储器。
[0109]
大容量存储装置258包括各种计算机可读介质，诸如磁带、磁盘、光盘、固态存储器(例如，闪存存储器)等。如图2中所示，特定的大容量存储装置为硬盘驱动器274。各种驱动器也可包括在大容量存储装置258中以能够从各种计算机可读介质中进行读取和/或写入其中。大容量存储装置258包括可移动介质276和/或不可移动介质。
[0110]
i/o装置260包括允许向计算装置250输入或从计算装置检索数据和/或信息的各种装置。示例性i/o装置260包括数字成像装置、电磁传感器和发射器、光标控制装置、键盘、小键盘、麦克风、监测器或其他显示装置、扬声器、打印机、网络接口卡、调制解调器、透镜、ccd或其他图像捕获装置，等等。
[0111]
显示装置280包括能够向计算装置250的一个或多个用户显示信息的任何类型的装置。显示装置280的示例包括监测器、显示终端、视频投影装置，等等。
[0112]
接口256包括允许计算装置250与其他系统、装置或计算环境进行交互的各种接口。示例性接口256可包括任何数量的不同网络接口270，诸如连接局域网(lan)、广域网(wan)、无线网和互联网的接口。其他接口包括用户接口268和外围装置接口272。接口256还可包括一个或多个用户接口元件268。接口256还可包括一个或多个外围接口，诸如用于打印机、指示装置(鼠标、触控板等)、键盘等的接口。
[0113]
总线262允许处理器252、存储器装置254、接口256、大容量存储装置258和i/o装置260彼此通信，并且与耦合到总线262的其他装置或部件通信。总线262表示若干类型的总线结构(诸如系统总线、pci总线、ieee 1394总线、usb总线等等)中的一种或多种。
[0114]
出于示例性目的，本文所示的程序和其它可执行程序器件为分立块体，但应当理解，此类程序和器件可驻留在计算装置250的不同存储器件中的各个时间，并由处理器252执行。或者，本文所述的系统和程序可通过硬件来实现，或通过硬件、软件和/或固件的组合来实现。例如，可对一种或多种专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列进行编程以执行本文所述的一种或多种系统和程序。
[0115]
图3a示出了在滚动读出模式或在传感器读出300期间使用的传感器的操作循环。帧读出可在竖直线310处开始并且可由该竖直线表示。读出周期由对角线或斜线302表示。图像传感器的像素阵列的有效像素可逐行读出，向下倾斜边缘的顶部为传感器顶行312，向下倾斜边缘的底部为传感器底行314。在最后一行读出和下一读出循环之间的时间可被称为消隐周期316。应当指出，传感器像素行中的一些可覆盖有光屏蔽件(例如，金属涂层或另一种材料类型的任何其它大体上黑色的层)。这些被覆盖的像素行可被称为光学黑色行318和320。光学黑色行318和320可用作校正算法的输入。如图3a所示，这些光学黑色行318和
320可位于像素阵列的顶部上或像素阵列的底部或像素阵列的顶部和底部。
[0116]
图3b示出了控制曝光至像素从而被像素集成或聚积的电磁辐射(例如，光)的量的方法。应当理解，光子是电磁辐射的基本粒子。光子被每个像素集成、吸收或累积并转换为电荷或电流。电子快门或卷帘式快门(点划线322所示)可用于通过复位像素来开始集成时间。然后光将集成直到下一读出阶段为止。电子快门322的位置可在两个读出循环302之间移动，以控制给定量的光的像素饱和度。应当指出，该技术允许在两个不同行之间的集成时间恒定，但在从顶行移动到底行时引入延迟。
[0117]
图3c示出了电子快门322已被移除的情况。在该配置中，入射光的集成可在读出302期间开始，并且可在下一读出循环302处结束，该下一读出循环也限定下一集成的开始。
[0118]
图3d示出了没有电子快门322但在消隐周期316期间具有受控和脉冲光330的配置。这确保所有行看到的光与从相同光脉冲330发出的光相同。换句话讲，每行将在黑暗环境中开始其集成，这可位于读出帧(m)的光学黑色后行320以获得最大的光脉冲宽度，并且然后将接收光通并且将在黑暗环境中结束其集成，这可位于下一后续读出帧(m+1)的光学黑色前行318以获得最大的光脉冲宽度。在例如图3d中，由光脉冲生成的图像将仅在帧(m+1)读出期间可用，而不会干扰帧(m)和帧(m+2)。应当指出，使光脉冲仅在一个帧中读出并且不干扰相邻帧的条件是在消隐周期316期间击发给定的光脉冲。因为光学黑色行318、320对光不敏感，所以可将帧(m)的光学黑色后行320时间和帧(m+1)的光学黑色前行318时间添加至消隐周期316，以确定光脉冲330的击发时间的最大范围。
[0119]
如图3a所示，传感器可循环多次以接收每种脉冲颜色或波长(例如，电磁光谱上的红色、绿色、蓝色或其它波长)的数据。每个循环可以是定时的。在一个实施方案中，循环可定时以在16.67ms的间隔内操作。在另一个实施方案中，循环可定时以在8.3ms的间隔内操作。应当理解，本公开设想了其它的定时间隔，并且旨在落入本公开的范围内。
[0120]
图4a以图形方式示出了电磁发射器的实施方案的操作。发射器可定时以对应于传感器的循环，使得电磁辐射在传感器操作循环内和/或传感器操作循环的一部分期间发射。图4a示出了402处的脉冲1、404处的脉冲2和406处的脉冲3。在一个实施方案中，发射器可在传感器操作循环的读出周期302期间脉冲。在一个实施方案中，发射器可在传感器操作循环的消隐部分316期间脉冲。在一个实施方案中，发射器可脉冲持续时间，该持续时间在两个或更多个传感器操作循环的部分期间。在一个实施方案中，发射器可在消隐部分316期间或在读出周期302的光学黑色部分320期间开始脉冲，并且在读出周期302期间或下一后续循环的读出周期302的光学黑色部分318期间结束脉冲。应当理解，只要发射器的脉冲和传感器的循环相对应，上述的任何组合旨在落入本公开的范围内。
[0121]
图4b以图形方式表示改变发射的电磁脉冲(例如，在412处的脉冲1、在414处的脉冲2、在416处的脉冲3)的持续时间和量值以控制曝光。具有固定输出量值的发射器可在上文结合图3d和图4a所述的任何循环期间脉冲一定间隔，以向像素阵列提供所需的电磁能量。具有固定输出量值的发射器可在较长的时间间隔内脉冲，从而为像素提供更多的电磁能量，或者发射器可在较短的时间间隔脉冲，从而提供较少的电磁能量。是否需要较长或较短的时间间隔取决于操作条件。
[0122]
与调节发射器脉冲固定输出量值的时间间隔相比，可增大发射量值本身以便向像素提供更多的电磁能量。类似地，减小脉冲的量值可为像素提供较少的电磁能量。应当指
出，如果需要的话，系统的实施方案可具有同时调节量值和持续时间的能力。另外，可调节传感器以根据最佳图像质量的需要来增加其灵敏度和持续时间。图4b示出了改变脉冲的量值和持续时间。在图示中，412处的脉冲1具有比414处的脉冲2或416处的脉冲3更高的量值或强度。另外，412处的脉冲1具有比414处的脉冲2或416处的脉冲3更短的持续时间，使得由该脉冲提供的电磁能量由图示中所示脉冲下的面积示出。在图示中，当与412处的脉冲1或416处的脉冲3相比时，414处的脉冲2具有相对较低的量值或强度和较长的持续时间。最后，在图示中，当与412处的脉冲1和414处的脉冲2相比时，416处的脉冲3具有中间量值或强度和持续时间。
[0123]
图5是根据本公开的原理和教导内容的组合图3a至图3d以及图4的操作循环、电磁发射器和发射电磁脉冲以在操作期间显示成像系统的本公开的实施方案的图形表示。如在图中可见，电磁发射器主要在图像传感器的消隐周期316期间脉冲发射，使得像素将被充电并且准备好在图像传感器循环的读出周期302期间被读取。图5中的点划线表示电磁辐射脉冲(来自图4a)。电磁辐射脉冲主要在图像传感器的消隐周期316期间发射，但可与图像传感器的读出周期302叠层。
[0124]
曝光帧包括在读出周期302期间由图像传感器的像素阵列读取的数据。曝光帧可与在读出周期302之前由发射器发射何种类型的脉冲的指示相组合。曝光帧与脉冲类型的指示的组合可被称为数据集。可组合多个曝光帧以生成黑白或rgb彩色图像。另外，超光谱成像数据、荧光成像数据和/或激光标测成像数据可叠层在黑白或rgb图像上。
[0125]
在一个实施方案中，rgb图像帧基于三个曝光帧生成，包括由图像传感器在红色发射之后生成的红色曝光帧、由图像传感器在绿色发射之后生成的绿色曝光帧以及由图像传感器在蓝色发射之后生成的蓝色曝光帧。荧光成像数据可叠层在rgb图像帧上。荧光成像数据可提取自一个或多个荧光曝光帧。荧光曝光帧包括在发射用于激发荧光试剂的激发波长的电磁辐射之后的读出周期302期间由图像传感器生成的数据。在激发荧光试剂之后由像素阵列感测到的数据可为由荧光试剂发射的弛豫波长。荧光曝光帧可包括多个荧光曝光帧，每个荧光曝光帧在不同类型的荧光激发发射之后由图像传感器生成。在一个实施方案中，荧光曝光帧包括多个荧光曝光帧，包括在发射具有从约770nm至约790nm的波长的电磁辐射之后由图像传感器生成的第一荧光曝光帧，以及在发射具有从约795nm至约815nm的波长的电磁辐射之后由图像传感器生成的第二荧光曝光帧。荧光曝光帧可包括由图像传感器基于成像应用根据需要在光的其它荧光激发发射之后生成的另外的附加荧光曝光帧。
[0126]
在一个实施方案中，曝光帧是在消隐周期316之后发生的读出周期302期间由像素阵列感测到的数据。电磁辐射的发射在消隐周期316期间发射。在一个实施方案中，电磁辐射的发射的一部分与读出周期316叠层。消隐周期316在像素阵列的光学黑色像素被读取时发生，并且读出周期302在像素阵列的有效像素被读取时发生。消隐周期316可与读出周期302叠层。
[0127]
图6a和图6b示出了用于记录图像帧的过程。可将多个图像帧串在一起以生成视频流。单个图像帧可包括来自多个曝光帧的数据，其中曝光帧是在发射电磁辐射之后由像素阵列感测到的数据。图6a示出了通常用彩色图像传感器实现的常规过程，该彩色图像传感器具有颜色滤光器阵列(cfa)以用于每个像素滤除某些波长的光。图6b是本文所公开的过程，并且可利用能够接收所有波长的电磁辐射的单色“颜色不定”图像传感器来实现。
[0128]
图6a所示的过程从时间t(0)到时间t(1)发生。该过程首先发射白光602并感测白光604。在606处，基于在604处的感测来处理并显示图像。
[0129]
图6b所示的过程从时间t(0)到时间t(1)发生。该过程首先发射绿光612并在发射绿光612之后感测反射电磁辐射614。该过程继续发射红光616并在发射红光616之后感测反射电磁辐射618。该过程继续发射蓝光620并在发射蓝光620之后感测反射电磁辐射622。该过程继续进行专用624发射的一个或多个发射并在专用624发射的一个或多个发射中的每一个发射之后感测反射电磁能量626。专用发射可包括一个或多个单独的发射，诸如荧光试剂的激发波长、超光谱发射和/或激光标测发射。单独的多个专用发射中的每一个发射可由图像传感器独立地感测，以生成单独且独立的曝光帧。在628处，基于感测到的反射电磁能量实例614、618、622和626中的每一者来处理并显示图像。
[0130]
图6b所示的过程提供较高分辨率图像并提供用于还包括专用数据的生成rgb图像的方式。当使用分区光谱光时(如图6b所示)，可使传感器对所有波长的电磁能量敏感。在图6b所示的过程中，指示单色像素阵列在每个循环中感测来自全光谱电磁能量的预定分区的电磁能量。因此，为了形成图像，传感器只需要循环全光谱光内的多个不同分区。基于多个循环来组合最终图像。因为来自每个颜色分区帧循环的图像具有更高分辨率(与cfa像素阵列相比)，所以当分区光帧被组合时所形成的所得图像也具有更高分辨率。换句话讲，因为阵列内的每个像素(而不是至多，具有cfa的传感器中的每隔一个像素)正感测给定脉冲和给定场景的能量量值，所以仅相隔一段时间，针对每个场景形成较高分辨率图像。
[0131]
如在图6a和图6b中所示的实施方案中在时间t(0)和t(1)之间可图形方式看出，用于图6b中的分区光谱系统的传感器对图6a中的全光谱系统中的每个系统循环至少四次。在一个实施方案中，显示装置(lcd面板)以每秒50帧至60帧的速度操作。在此类实施方案中，图6b中的分区光系统可以200帧/秒至240帧/秒的速率操作，以保持所显示视频的连续性和平滑性。在其它实施方案中，可存在不同的捕获和显示帧速率。此外，平均捕获速率可以是显示速率的任何倍数。
[0132]
在一个实施方案中，可能期望并非所有分区在系统帧速率内均相等地表示。换句话讲，并非所有光源都必须以相同的规律性脉冲，以便根据用户的需要来强调和取消强调所记录场景的各个方面。还应当理解，电磁频谱的不可见分区和可见分区可在系统内脉冲到一起，其中它们的相应数据值被接合(stitch)到视频输出中，以用于向用户显示。
[0133]
一个示例性实施方案可包括如下脉冲循环模式：
[0134]
i.绿色脉冲；
[0135]
ii.红色脉冲；
[0136]
iii.蓝色脉冲；
[0137]
iv.绿色脉冲；
[0138]
v.红色脉冲；
[0139]
vi.蓝色脉冲；
[0140]
vii.激光标测脉冲方案；
[0141]
viii.荧光激发脉冲；
[0142]
ix.超光谱脉冲；
[0143]
x.(重复)
[0144]
另一个示例性实施方案可包括如下脉冲循环模式：
[0145]
i.绿色脉冲；
[0146]
ii.红色脉冲；
[0147]
iii.蓝色脉冲；
[0148]
iv.荧光激发脉冲；
[0149]
v.超光谱脉冲；
[0150]
vi.绿色脉冲；
[0151]
vii.红色脉冲；
[0152]
viii.蓝色脉冲；
[0153]
ix.荧光激发脉冲；
[0154]
x.超光谱脉冲；
[0155]
xi.激光标测脉冲方案；
[0156]
xii.(重复)
[0157]
可改变脉冲模式以适应特定具体实施的成像目标。一个示例性成像目标是获得超光谱成像数据和荧光成像数据，并且还获得基于对超光谱成像数据和/或荧光成像数据的分析的激光标测数据和/或工具跟踪数据。在此类示例中，可针对场景的已被超光谱成像数据和/或荧光成像数据突出显示的某些区域来分析激光标测数据和/或工具跟踪数据。另一个示例性成像目标是获得超光谱成像数据或荧光成像数据，并且还获得激光标测数据和/或工具跟踪数据。另一个示例性成像目标是获得激光标测数据和/或工具跟踪数据。另一个示例性成像目标是获得超光谱成像数据。另一个示例性成像目标是获得荧光成像数据。应当理解，成像目标可以是专门的，具体取决于部署成像系统的原因。另外，成像目标可在单个成像会话期间改变，并且可改变脉冲模式以匹配变化的成像目标。
[0158]
如在该示例中可见，激光标测分区可以与其它分区脉冲的速率不同的速率脉冲。这样做可强调场景的某个方面，其中激光标测数据仅与视频输出中的其它数据叠层以做出希望的强调。应当指出，在红色分区、绿色分区和蓝色分区的顶部上方添加激光标测分区并不一定要求序列化的系统以全光谱非串行系统的速率的四倍操作，因为每个分区不必在脉冲模式中相等地表示。如在该实施方案中所见，添加在脉冲模式(上述示例中的激光标测)中表示较少的分区脉冲将导致小于传感器的循环速度的20％的增加，以适应不规则的分区取样。
[0159]
在各种实施方案中，脉冲循环模式还可以任何合适的顺序包括以下波长中的任一个波长。此类波长可特别适用于通过基于荧光试剂弛豫发射感测荧光试剂的弛豫发射来激发荧光试剂以产生荧光成像数据：
[0160]
i.770
±
20nm；
[0161]
ii.770
±
10nm；
[0162]
iii.770
±
5nm；
[0163]
iv.790
±
20nm；
[0164]
v.790
±
10nm；
[0165]
vi.790
±
5nm；
[0166]
vii.795
±
20nm；
[0167]
viii.795
±
10nm；
[0168]
ix.795
±
5nm；
[0169]
x.815
±
20nm；
[0170]
xi.815
±
10nm；
[0171]
xii.815
±
5nm；
[0172]
xiii.770nm至790nm；和/或
[0173]
xiv.795nm至815nm。
[0174]
在各种实施方案中，脉冲循环还可以任何合适的顺序包括以下波长中的任一个波长。此类波长可特别适用于生成超光谱成像数据：
[0175]
i.513nm至545nm；
[0176]
ii.565nm至585nm；
[0177]
iii.900nm至1000nm；
[0178]
iv.513
±
5nm；
[0179]
v.513
±
10nm；
[0180]
vi.513
±
20nm；
[0181]
vii.513
±
30nm；
[0182]
viii.513
±
35nm；
[0183]
ix.545
±
5nm；
[0184]
x.545
±
10nm；
[0185]
xi.545
±
20nm；
[0186]
xii.545
±
30nm；
[0187]
xiii.545
±
35nm；
[0188]
xiv.565
±
5nm；
[0189]
xv.565
±
10nm；
[0190]
xvi.565
±
20nm；
[0191]
xvii.565
±
30nm；
[0192]
xviii.565
±
35nm；
[0193]
xix.585
±
5nm；
[0194]
xx.585
±
10nm；
[0195]
xxi.585
±
20nm；
[0196]
xxii.585
±
30nm；
[0197]
xxiii.585
±
35nm；
[0198]
xxiv.900
±
5nm；
[0199]
xxv.900
±
10nm；
[0200]
xxvi.900
±
20nm；
[0201]
xxvii.900
±
30nm；
[0202]
xxviii. 900
±
35nm；
[0203]
xxix.1000
±
5nm；
[0204]
xxx.1000
±
10nm；
[0205]
xxxi.1000
±
20nm；
[0206]
xxxii.1000
±
30nm；或者
[0207]
xxxiii. 1000
±
35nm。
[0208]
可将分区循环划分为适应或近似各种成像和视频标准。在一个实施方案中，分区循环可包括如下如图7a至图7d中最佳地示出的红色、绿色和蓝色光谱中的电磁能量的脉冲。在图7a中，已通过在由竖直灰色虚线所示的工作范围内调制光脉冲宽度或持续时间来实现不同的光强度。在图7b中，已通过调制光功率或电磁发射器(其可为激光器或led发射器)的功率，但保持脉冲宽度或持续时间恒定来实现不同的光强度。图7c示出了光功率和光脉冲宽度均被调制从而得到更大灵活性的情况。分区循环可使用青色洋红色黄色(cmy)、红外线、紫外线、超光谱和荧光，其使用与可见脉冲源混合的不可见脉冲源以及产生图像所需的任何其它色彩空间或近似于当前已知或尚未开发的所需视频标准。还应当理解，系统能够在运行中的色彩空间之间切换以提供所需图像输出质量。
[0209]
在使用色彩空间绿色-蓝色-绿色-红色(如图7d中所示)的实施方案中，可能期望比色度分量更频繁地脉冲亮度分量，因为用户通常对光量值差异比对光色差更敏感。可使用如图7d中所示的单色传感器来利用该原理。在图7d中，包含最多亮度信息的绿色可在(g-b-g-r-g-b-g-r
……
)方案中更频繁地脉冲或具有更大强度以获得亮度数据。此类配置将创建具有可察觉的更多细节的视频流，而不创建和传输不可察觉的数据。
[0210]
在一个实施方案中，复制较弱分区的脉冲可用于产生已针对较弱脉冲进行调节的输出。例如，认为蓝色激光相对于硅基像素的灵敏度弱，并且与红光或绿光相比，蓝色激光难以产生，因此可在帧循环期间更频繁地脉冲以补偿光的弱性。这些附加脉冲可随时间推移连续地完成，或者通过使用多个激光器同时脉冲以产生所需补偿效果。应当注意，通过在消隐周期(在此期间传感器不读出像素阵列的时间)期间脉冲，传感器对同一种类的激光器之间的差异/失配不敏感，并且简单地聚积光以用于期望的输出。在另一个实施方案中，最大光脉冲范围可能从帧到帧是不同的。这在图7e中示出，其中光脉冲从帧到帧是不同的。传感器可被构建成能够以2帧或3帧或4帧或n帧的重复模式对不同消隐周期进行编程。在图7e中，示出了四个不同的光脉冲，并且脉冲1可例如在脉冲4之后重复并且可具有不同消隐周期的四个帧的模式。该技术可用于将最大功率的分区放置于最小消隐周期上，并且因此允许最弱的分区在后续帧中的一帧上具有更宽的脉冲而无需增加读出速度。重建帧仍可具有帧到帧的规则模式，因为其由许多脉冲帧构成。
[0211]
图8是处理流程800的示意图，该处理流程将由控制器和/或单色图像信号处理器(isp)实现，用于生成具有在其上叠层有专用图像数据的rgb图像的视频流。专用数据可包括例如超光谱成像数据、荧光成像数据和/或激光标测或形貌成像数据。处理流程800产生具有增加的动态范围和空间分辨率的图像。可组装图像信号处理器(isp)链，以用于从在g-r-g-b-专用光脉冲方案的存在下产生的原始传感器数据生成rgb图像序列。处理流程800可应用于具有y-cb-y-cr脉冲方案的棋盘宽动态范围以及用于超光谱成像、荧光成像和/或激光标测或工具跟踪成像的附加脉冲。
[0212]
在处理流程800中，第一阶段涉及进行校正以解决传感器技术中最适合在原始数据域中工作的任何非理想因素。在下一阶段，缓冲多个曝光帧(例如，绿色曝光帧812a、红色-蓝色曝光帧812b和专用曝光帧812c)，因为每个最终曝光帧从多个原始帧导出数据。在
814处，帧重建通过对来自当前曝光帧和缓冲曝光帧(参见812a、812b和/或812c)的数据进行采样来继续。重建过程在线性rgb色彩空间中产生包括激光标测图像数据的全彩图像帧。
[0213]
处理流程800包括在802处从图像传感器接收数据。在804处执行传感器校正计算。这些传感器校正计算可用于在806处确定统计值，诸如自动曝光设置和宽动态范围设置。处理流程800继续并在808处处理宽动态范围融合。在810处处理宽动态范围压缩。可馈送来自810的宽动态范围压缩以生成绿色曝光帧812a、红色-蓝色曝光帧812和/或专用曝光帧812c。处理流程800继续并在814处处理帧重建，然后在816处处理颜色校正。处理流程800继续并且在818处将rgb(红色-绿色-蓝色)图像转换为ycbcr(亮度-色度蓝色-色度红色)图像。在820处处理边缘增强，然后在822处将ycbcr图像转换回rgb图像。在824处处理标量并在826处处理γ。然后在828处导出视频。
[0214]
用于执行边缘增强820的一个具体实施包括从图像提取亮度数据。如本文所讨论，“图像”可以是单个曝光帧或已经组合以创建图像帧的多个曝光帧。检测图像的边缘，并且将增益因子应用于边缘数据。然后将所提取的亮度数据与向其应用增益因子的经修改边缘数据组合。这种方法的一个挑战是将图像中的真实边缘和纹理信息与随机噪声分开。
[0215]
如果图像中的随机噪声被增强，则信噪比减小并且图像的感知质量降低。因此，边缘增强820可包括仅在高于阈值噪声分布时应用边缘增强的阈值水平。因为噪声根据信号增加，所以在较高信号电平下期望较大的边缘增强。如果阈值过高，则大边缘可变成相对于小过渡和纹理不成比例地增强。这可产生非自然的卡通状图像。了解随机时间噪声的起源使得能够实时预测阈值的最佳放置。如果本地信号在电子单元中是已知的，则主导散射噪声分量的σ是确切已知的，因为主导散射噪声分量的σ等于平均信号的平方根。
[0216]
在一个实施方案中，边缘增强820包括逐像素地连续改变阈值。可通过预期本地噪声的指示来指导阈值的确定。阈值的连续空间和时间改变提供噪声控制与边缘增强过程的功效之间的最理想折衷。
[0217]
在一个实施方案中，边缘增强820包括提取纯亮度分量。在提取纯亮度分量之后，存在可用于确定图像内的边缘的位置和幅度的多种方法。一种示例性方法可称为“不清晰掩模”方法。不清晰掩模方法可在硬件或软件中实现。一种其他方法是canny方法，其中将边缘检测运算子核(edge detect operator kernel)应用于图像的经空间滤波版本。一种其他方法是拉普拉斯方法，其包括检测二阶导数中的过零。一种其他方法包括susan方法。
[0218]
图9是用于将超分辨率(sr)和颜色运动伪影校正(cmac)过程应用于图像数据的处理流程900的示意图。超分辨率算法使用来自多个顺序曝光帧的数据，该多个顺序曝光帧被组合以生成具有增加的空间分辨率的单独图像帧。单独图像帧的生成取决于在多个曝光帧的本地区域内的准确运动检测。在一些实施方案中，亮度平面是用于确定空间分辨率的最关键平面。如果亮度平面是最关键平面，则在一个实施方案中仅组合相邻亮度曝光帧。在根据r-g-b-g脉冲调度的红色-蓝色脉冲的情况下，仅组合相邻绿色曝光帧以生成具有较高空间分辨率的单独图像帧。
[0219]
相对于有关图9的讨论，在y-cb-cr光脉冲的上下文中应用超分辨率算法。ycbcr是可用作视频和数字摄影系统中的彩色图像流水线的一部分的一系列色彩空间。y'是亮度分量(可称为“亮度”分量)并且表示图像的“黑白”或消色差部分。cb是蓝色差色度分量(可称为“色度”分量)并且cr是红色差色度分量。色度分量表示图像或视频流中的颜色信息。可将
模拟rgb图像信息转换成亮度和色度数字图像信息，因为与色度(颜色)差相比，人类视觉对于亮度(黑白)差具有更精细的空间灵敏度。因此，视频和成像系统可以较低分辨率存储和传输色度信息，并且在特定带宽下优化感知细节。y'(具有撇符号)与y(无撇符号)区分开，其中y是亮度并且指光强度。y’cbcr色彩空间由从相关联rgb色彩空间的数学坐标变换限定。如果根本rgb色彩空间为绝对的，则y’cbcr色彩空间也是绝对色彩空间。
[0220]
本文公开的系统和方法不限于任何特定的脉冲方案并且可应用于ycbcr脉冲或rgb脉冲。超分辨率算法可进一步应用于超光谱和/或荧光图像数据。在一个实施方案中，本文公开的内窥镜成像系统脉冲发射光以生成至少四种类型的捕获帧。所捕获的曝光帧包括：包含纯亮度信息的y曝光帧、包含y和cb数据的线性总和的cb曝光帧，以及包含y和cr数据的线性总和的cr曝光帧。在帧重建(即颜色融合)期间。在针对输入处的每个亮度曝光帧生成的ycbcr色彩空间中可存在一个全彩图像帧。亮度数据可与来自亮度帧之前的帧和亮度帧之后的帧的色度数据组合。需注意，给定这种脉冲序列，cb帧相对于y帧的位置在替代y情况的前时隙和后时隙之间来回移动，其互补cr分量也是如此。因此，来自每个捕获的cb或cr色度帧的数据可在两个所得的全彩图像帧中利用。可通过在色度(cb或cr)帧捕获期间执行颜色融合过程来提供最小帧延迟。
[0221]
在处理流程900中，在902处输入来自传感器的数据。对传感器数据执行传感器校正904。在906处实现超分辨率(sr)和颜色运动伪影校正(cmac)算法。sr和cmac过程906可以在相机图像信号处理器内对原始捕获的传感器数据执行。在完成所有数字传感器校正904过程之后，可以立即在906处执行sr和cmac过程。在传感器数据融合到线性rgb或ycbcr空间彩色图像中之前，可以执行sr和cmac过程906。在908处可以导出统计值，以确定图像的适当的自动曝光。
[0222]
此外，在处理流程900中，构建色度帧910a和亮度帧910b。基于亮度曝光帧按照到达顺序构建亮度帧910b。基于色度(cb和cr)曝光帧按照到达顺序构建色度帧910a。专用帧910c基于专用曝光帧按照到达顺序来构建，并且可包括一种或多种不同类型的专用曝光帧，诸如超光谱曝光帧、荧光曝光帧和/或激光标测曝光帧。由超分辨率算法(参见906)处理的曝光帧的数量是任选变量。亮度帧910b的先进先出深度通常为奇数，并且其大小可基于可用处理、存储器、存储器带宽、运动检测精度或可接受的延迟来确定。颜色运动伪影校正(cmac)过程可通过三个亮度帧910b和两个色度帧910a(用于cb和/或cr)的最小先进先出深度来执行。超分辨率算法可以通过使用五个亮度帧910b来生成更好的分辨率。
[0223]
处理图像数据以在912处实现帧重建并且在914处实现边缘增强。在916处将ycbcr图像转换为rgb图像。在918处可以导出对rgb图像的统计值以确定适当的白平衡。在920处应用适当的白平衡，并且在922处输入到颜色校正矩阵中。确定标量924和γ926，并且在928处导出视频。在从传感器捕获和接收图像数据时，处理流程900可以实时地在相机图像信号处理器中实现(参见902)。
[0224]
图10示出了像素的亮度yi的形状、亮度的经滤波版本fi的形状和差平面di的形状。在用于检测图像边缘的不清晰掩模方法中，可从原始图像识别和提取亮度平面的经空间滤波版本以生成差平面。平坦区域将具有零的净结果，而过渡将产生具有与空间频率成比例缩放的幅度的本地双极性信号。在一个实施方案中，空间滤波器可以是尺寸为7
×
7的高斯滤波器核。示例性高斯滤波器h如下所示：
[0225][0226]
如果fi是像素i的亮度yi的经滤波版本，则：
[0227]fi
＝(h)(yi)
[0228]
差平面di由以下定义：
[0229]di
＝y
i-fi[0230]
所得的差平面有效地是经高通滤波版本，其可乘以增益因子之后被添加回原始亮度平面。增益因子可控制边缘增强的强度。
[0231]
在边缘增强算法的该特定版本中，增益因子g是两个正实际分量(称为αi和β)的乘积，根据：
[0232]
g＝αi·
β
[0233]
因此，最终亮度表示yi由以下给出：
[0234]
yi＝yi+αi·
β
·di
[0235]
αi因子具有最大值一，并且其量值可基于在图像内本地发生的情况来确定。β因子是可向相机操作者呈现以根据审美观调谐的强度调节器。
[0236]
为了确定αi应为什么，应首先应用信号校准以将亮度平面转换到电子单元。以下表达式可用于计算校准因子k，如果内部传感器特性(称为转换增益ε和模数转换器(adc)电压摆动w)是已知的话，其中n是adc位的数量并且g是对传感器应用的绝对总线性增益。如果g以对数单位(db)计，则表达式成为：
[0237][0238]
如果g以对数单位(db)计，则表达式成为：
[0239][0240]
如果传感器设计参数为未知的，则k可通过针对宽增益范围绘制噪声相对于信号的光子转移曲线来凭经验确定。在这种情况下，kg等于每个增益的曲线图的线性区域内的梯度的倒数。一旦k是已知的，其可用于基于本地滤波亮度fi预测像素i的噪声预期σi的量值，其中b是输出处的传感器黑色偏移并且c是传感器读取噪声。
[0241][0242]
图11描绘了α如何可被解释为取决于di的模量的示例。在该示例中，αi遵循线性依赖性。可设想其他具体实施，其中αi不是线性的，但具有介于零和任何实数之间的某个其他数学级数。例如：
[0243][0244]
αi、t1和t2的过渡点将根据最美观的结果进行调谐并且可取决于所采用的αi的函数形式。
[0245]
类似方法是计算噪声方差而不是σ，并且基于差参数di的平方代替模量来确定αi。这对于以硬件的具体实施是有益的，因为它避免了平方根计算。
[0246]
在该情况下，方差预期；
[0247][0248][0249]
其中w1和w2替换t1和t2作为两种质量调谐参数。
[0250]
实际上，实时平方根运算和除法运算的实现不是容易解决的。一个具体实施涉及乘以倒数或使用预编译的查找表。如果除数是常数，则乘以倒数可很好地工作，并且如果查找表中的值范围较小，则预编译的查找表可很好地工作。
[0251]
可在硬件中实现的另一个具体实施可使用对所应用的增益和所得噪声的了解来在每帧基础上(而不是逐像素地)修改边缘增强的量。复杂(除法和平方根)运算将不取决于改变像素值，但取决于帧值差。
[0252]
在这种情况下，主要增强方程是：
[0253]
ye＝yo+d
·g·
(yf
a-yfb)
[0254]
其中yfa是图像的7
×
7高斯模糊，并且yfb是图像的3
×
3高斯模糊。
[0255]
yf
a-yfb是图像的模糊版本与图像的较不模糊版本之间的边缘检测。该差通过g和d的乘积来获得。
[0256]
g是范围为0至n的增益因子，其中n可以是大于0的任何数字，具有限定的上限。d是范围为0至1的加权因子。d通过设置旋转因子d
high
和d
low
来生成。d的方程是：
[0257][0258]
其中d
high
和d
low
在软件中设置。d
high
基于添加到传感器的增益的量。如果增益值为低的，则d
low
为低的，因为增益增加，d
high
也增加。当增益和d
high
增加时，d的斜率变平。因此，增强方程需要高通滤波器中的差的更大量，然后其将使所检测的边缘增益上升。因为增益添加噪声，所以系统通过在增强之前需要更大的边缘微分来响应于高增益情况。在低增益和低噪声情况下，系统可将较小差解释为边缘并且适当地增强它们。
[0259]
图12是用于数字图像的边缘增强的方法1200的示意性流程图。方法1200的一个或
多个步骤可由计算装置执行，诸如图像信号处理器、内窥镜成像系统的控制器、与内窥镜成像系统通信的第三方计算系统等。方法1200的一个或多个步骤可由内窥镜成像系统的部件执行，诸如用于发射电磁辐射的发射器、图像传感器的像素阵列、图像信号处理流水线等。另外，方法1200的一个或多个步骤可由内窥镜成像系统的操作者执行，诸如人类操作或计算机实施的操作者。
[0260]
方法1200开始并且在1202处，发射器通过电磁辐射照亮缺光环境。电磁辐射可包括可见光、红外光、紫外光、超光谱波长的电磁辐射、荧光激发波长的电磁辐射和/或激光标测或工具跟踪模式。方法1200继续并且在1204处，计算装置连续地聚焦在图像传感器的像素阵列上的缺光环境内的场景。图像传感器可位于内窥镜成像系统的远侧末端中。方法1200继续并且在1206处，图像传感器的像素阵列感测反射的电磁辐射以生成包括图像数据的曝光帧。方法1200继续并且在1208处，计算资源基于由像素阵列捕获的一个或多个曝光帧来生成图像帧。方法1200继续并且在1210处，计算资源检测图像帧内的纹理和/或边缘。方法1200继续并且在1212处，计算资源增强图像帧内的纹理和/或边缘。方法1200继续并且在1214处，计算资源从存储器检索与像素阵列和所应用的传感器增益有关的特性。特性可涉及使用噪声预期来控制边缘增强过程的应用。特性可涉及评估由图像传感器创建的图像帧内的噪声量值的预期。方法1200继续并且在1216处，计算资源通过顺序地组合多个图像帧来编译视频流。
[0261]
可应用方法1200以将边缘增强过程应用于图像帧。边缘增强可包括由像素阵列生成的原始图像内的多个增强，这些增强对应于由于光信号变化而引起的噪声变化。所应用的边缘增强的程度可由应用于所检测的边缘的数字增益因子控制，该数字增益因子取决于预期噪声。方法1200可包括通过组合设置在堆叠的多个基板上的多个像素阵列的图像帧来创建三维图像流。
[0262]
方法1200还可包括基于光子到达的泊松统计值以及由像素阵列和其读出电子器件产生的电子噪声的组合来计算噪声校正。方法1200可包括计算预期噪声，了解像素阵列内每个像素的转换增益、所应用的传感器增益和数字化器的电压范围。
[0263]
方法1200还可包括从针对像素阵列进行的实验室实验的数据库导出预期噪声的经验确定。方法1200可包括改变照明水平，以及绘制以数位计的信号相对于噪声dn2，并且将其重新编码到存储器中。可针对多个应用的传感器增益设置重复经验确定。应当理解，方法1200还可包括测量曲线图内的梯度。应当理解，在一个具体实施中，可针对每个像素本地评估或在本地像素组内评估数字增益因子。在一个具体实施中，可基于所应用的传感器增益来确定整个帧的数字增益因子。在一个具体实施中，数字增益因子可从边缘强度参数与位于每个像素附近的预期噪声的比较导出。在一个具体实施中，系统和方法还可包括控制边缘增强的程度，并且涉及将数字增益因子应用于边缘强度参数以及将结果添加到原始图像的亮度分量。
[0264]
在一个具体实施中，边缘强度参数可被视为原始图像的亮度分量的两个经空间滤波版本之间的差的模量，其中不同的滤波核应用于每个版本。在一个具体实施中，边缘强度参数可被视为在原始帧的亮度分量的一个经空间滤波版本和一个未滤波版本之间的差的模量。
[0265]
图13是模式重建过程的示意图。图13所示的示例性模式包括光的各自持续t1的持
续时间的红色脉冲、绿色脉冲、蓝色脉冲和专用脉冲。专用脉冲可包括用于生成超光谱曝光帧、荧光曝光帧和/或激光标测曝光帧的一种或多种不同类型的专用脉冲。专用脉冲可在任何合适的变化中散布在红色脉冲、绿色脉冲和蓝色脉冲之间。在各种实施方案中，光脉冲可具有相同的持续时间或不同的持续时间。将红色曝光帧、绿色曝光帧、蓝色曝光帧和专用曝光帧组合以生成其上叠层有专用图像数据的rgb图像。需要4*t1的时间段以生成包括红色曝光帧、绿色曝光帧、蓝色曝光帧和专用曝光帧的单个图像帧。图13所示的持续时间仅为示例性的并且可针对不同具体实施而变化。在其它实施方案中，可采用不同的脉冲方案。例如，实施方案可以基于每个颜色分量或帧(t1)的定时，并且重建帧具有的周期是输入彩色帧的周期的两倍(2
×
t1)。序列内的不同帧可具有不同帧周期，并且平均捕获速率可为最终帧速率的任何倍数。
[0266]
在一个实施方案中，通过改变图像传感器的像素阵列内的像素的像素灵敏度来增加系统的动态范围。一些像素可感测第一灵敏度水平的经反射的电磁辐射，其它像素可感测第二灵敏度水平的经反射的电磁辐射等等。可将不同的像素灵敏度组合以增加由图像传感器的像素配置提供的动态范围。在一个实施方案中，相邻像素以不同的灵敏度设置，使得每个循环包括由相对于彼此更敏感和更不敏感的像素产生的数据。当在像素阵列的单个循环中记录多个灵敏度时，动态范围增加。在一个实施方案中，可通过具有多个全局tx来实现宽动态范围，每个tx仅在不同的像素组上击发。例如，在全局模式下，全局tx1信号正在击发像素组1，全局tx2信号正在激发像素组2，全局txn信号正在激发像素组n等等。
[0267]
图14a至图14c各自示出了具有多个发射器的光源1400。发射器包括第一发射器1402、第二反射器1404和第三发射器1406。可包括附加的发射器，如下文进一步讨论。发射器1402、1404和1406可包括发射具有不同波长的光的一个或多个激光发生器。例如，第一发射器1402可发射与蓝色激光一致的波长，第三发射器1404可发射与绿色激光一致的波长，并且第三发射器1406可发射与红色激光一致的波长。例如，第一发射器1402可包括一个或多个蓝色激光器，第二发射器1404可包括一个或多个绿色激光器，并且第三发射器1406可包括一个或多个红色激光器。激光器1402、1404、1406朝收集区域1408发射激光器束，该收集区域可以是波导、透镜或用于收集光和/或向波导(诸如图2的跳线波导206或内腔波导210)提供光的其他光学部件的位置。
[0268]
在一个具体实施中，发射器1402、1404和1406发射超光谱波长的电磁辐射。某些超光谱波长可穿透组织并且使执业医生能够“透视”前景中的组织，以识别位于前景中的组织的后面的化学过程、结构、化合物、生物过程等。可专门选择超光谱波长以识别已知具有某些光谱响应的特定疾病、组织状况、生物过程、化学过程、组织类型等。
[0269]
在已向患者施用有助于识别某些组织、结构、化学反应、生物过程等的试剂或染料的具体实施中，发射器1402、1404和1406可发射用于使试剂或染料发荧光的波长。此类波长可基于施用给患者的试剂或染料来确定。在此类实施方案中，发射器可能需要是高度精确的，以便发射所需波长以使某些试剂或染料发荧光或活化。
[0270]
在一个具体实施中，发射器1402、1404和1406发射激光标测模式，用于标测场景的形貌和/或用于计算场景中对象之间的尺寸和距离。在一个实施方案中，结合多个工具(诸如手术刀、牵开器、夹钳等)使用内窥镜成像系统。在此类实施方案中，发射器1402、1404和1406中的每一者可发射激光标测模式，使得激光标测模式单独地投影到每个工具上。在此
类实施方案中，可分析工具中的每一者的激光标测数据以识别场景中工具与其它对象之间的距离。
[0271]
在图14b的实施方案中，发射器1402、1404、1406各自以不同的角度向收集区域1408递送激光。角度的变化可导致电磁能量在输出波导中的位置的变化。例如，如果光在收集区域1408处立即进入纤维束(玻璃或塑料)中，则变化的角度可导致不同量的光进入不同的纤维。例如，角度可导致横跨收集区域1408的强度变化。此外，来自不同发射器的光可不会被均匀地混合，因此一些纤维可接收不同量的不同颜色的光。不同纤维中的光的颜色或强度的变化可导致场景的非最佳照明。例如，递送光或光强度的变化可在场景和所捕获图像处导致。
[0272]
在一个实施方案中，居间光学元件可放置在纤维束和发射器1402、1404、1406之间，以在进入纤维或其他波导中之前混合不同颜色(波长)的光。示例性居间光学元件包括漫射器、混合棒、一个或多个镜片，或用于混合光使得给定纤维接收每种颜色(波长)的相同量的其它光学部件。例如，纤维束中的每根纤维可具有相同的颜色。该混合可导致每根纤维中的相同的颜色，但是，在一些实施方案中，仍可导致递送到不同纤维的不同的总亮度。在一个实施方案中，居间光学元件也可在收集区域上传播或均匀地传播光，使得每根纤维携带相同总量的光(例如，光可能在顶帽式轮廓中散开)。漫射器或混合棒可导致光损失。
[0273]
尽管收集区域1408在图14a中表示为物理部件，但收集区域1408可以只是如下区域，在该区域处递送来自发射器1402、1404和1406的光。在一些情况下，收集区域1408可包括光学部件，诸如漫射器、混合棒、透镜，或处于发射器1402、1404、1406和输出波导之间的任何其他居间光学部件。
[0274]
图14c示出了具有以相同或基本上相同的角度向收集区域1408提供光的发射器1402、1404、1406的光源1400的实施方案。光以大致垂直于收集区域1408的角度提供。光源1400包括多个二向色镜，包括第一二向色镜1410、第二二向色镜1412和第三二向色镜1414。二向色镜1410、1412、1414包括反射第一波长的光但透射第二波长(或对其透明)的光的镜。例如，第三二向色镜1414可反射由第三发射器提供的蓝色激光，而对第一发射器1402和第二发射器1404各自提供的红光和绿光透明。第二二向色镜1412可对来自第一发射器1402的光透明，但对来自第二发射器1404的光是反射的。如果包括其它颜色或波长，则可选择二向色镜以反射对应于至少一个发射器的光并且对其它发射器透明。例如，第三二向色镜1414反射来自第三发射器1406的光，但对其“后面”的发射器诸如第一发射器1402和第二发射器1404透明。在其中存在数十或数百个发射器的实施方案中，每个二向色镜可反射对应发射器和其前面的发射器，同时对其后面的发射器透明。这可允许数十或数百个发射器以基本上相同的角度将电磁能量发射到收集区域1408。
[0275]
因为这些二向色镜允许其他波长透射或穿过，这些波长中的每个可从相同的角度和/或以相同的中心点或焦点到达收集区域1408。从相同的角度和/或相同的焦点/中心点提供光可显著改善在收集区域1408处的接收和颜色混合。例如，特定纤维可以接收不同的颜色，这些颜色的比例与它们由发射器1402、1404、1406和镜1410、1412、1414透射/反射的比例相同。与图14b的实施方案相比，可在收集区域处显著改善光混合。在一个实施方案中，本文所讨论的任何光学部件可在收集区域1408处使用，以在向纤维或纤维束提供光之前收集光。
[0276]
图14c示出了具有也以相同或基本上相同的角度向收集区域1408提供光的发射器1402、1404、1406的光源1400的实施方案。例如，入射在收集区域1408上的光从垂直偏移。角度1416指示从垂直偏移的角度。在一个实施方案中，激光发射器1402、1404、1406可具有高斯横截面强度轮廓。如前所述，纤维之间的光能量的改善的分布可通过形成更平坦或顶帽形的强度轮廓来实现。在一个实施方案中，随着角度1416的增大，横跨收集区域1408的强度接近顶帽式轮廓。例如，通过增大角度1416直到轮廓足够平坦，顶帽式轮廓甚至可近似为非平坦输出光束。顶帽式轮廓也可使用一个或多个透镜、漫射器、混合棒，或处于发射器1402、1404、1406和输出波导、纤维或光纤束之间的任何其他居间光学部件来实现。
[0277]
图15是示出了在输出处经由漫射器1504输出的单根光纤1502的示意图。在一个实施方案中，光纤1502具有500微米的直径、0.65的数值孔径，并且在没有漫射器1504的情况下发射约70度或80度的光锥1506。在有漫射器1504的情况下，光锥1506可具有从约110度或120度的角度。光锥1506可以是所有光所到达并且均匀分布的地方的大部分。漫射器1504可允许由图像传感器观察到的场景的电磁能量的更均匀分布。
[0278]
在一个实施方案中，内腔波导210包括约500微米的单根塑料或玻璃光纤。塑料纤维的成本较低，其宽度可允许纤维将足够量的光传携带到场景，但具有耦合、漫射或其它损耗。例如，较小的纤维可能不能携带与较大纤维一样多的光或功率。内腔波导210可包括单根或多根光纤。内腔波导210可直接从光源或经由跳线波导接收光。漫射器可用于加宽光输出206以获得图像传感器214或其它光学部件的所需视场。
[0279]
虽然在图14a至图14c中示出了三个发射器，但在一些实施方案中可使用数量从一个到数百个或更多个不等的发射器。发射器可具有它们发射的不同波长或光谱的光，并且这些光可用于连续覆盖电磁光谱的所需部分(例如，可见光谱以及红外光谱和紫外光谱)。发射器可被配置为发射可见光诸如红光、绿光和蓝光，并且还可被配置为发射电磁辐射的超光谱发射、用于使试剂发荧光的荧光激发波长和/或用于计算参数和场景中对象之间的距离的激光标测模式。
[0280]
图16示出了被分成二十个不同子光谱的电磁光谱1600的一部分。子光谱的数量仅为示例性的。在至少一个实施方案中，光谱1600可被分成数百个子光谱，每个子光谱具有小波带。光谱可从红外光谱1602延伸，穿过可见光谱1604，并且进入紫外光谱1606。子光谱各自具有覆盖光谱1600的一部分的波带1608。每个波带可由上波长和下波长限定。
[0281]
超光谱成像包括来自横跨电磁光谱1600的成像信息。电磁辐射的超光谱脉冲可包括跨越电磁光谱1600的一个或多个部分或整个电磁光谱1600的多个子脉冲。电磁辐射的超光谱脉冲可包括电磁辐射的单个波长分区。所得超光谱曝光帧包括在电磁辐射的超光谱脉冲之后由像素阵列感测到的信息。因此，超光谱曝光帧可包括电磁光谱1600的任何合适分区的数据，并且可包括电磁光谱1600的多个分区的多个曝光帧。在一个实施方案中，超光谱曝光帧包括多个超光谱曝光帧，使得组合的超光谱曝光帧包括整个电磁光谱1600的数据。在一个实施方案中，像素阵列响应于发射以下一者或多者而感测超光谱曝光帧：具有从约513nm至约545nm；从约565nm至约585nm；和/或从约900nm至约1000nm的波长的电磁辐射。
[0282]
在一个实施方案中，针对每个子光谱，至少一个发射器(诸如激光发射器)包括在光源(诸如光源202、1400)中以提供对整个光谱1600的完整且连续的覆盖。例如，用于提供对所示子光谱的覆盖的光源可包括至少20个不同的发射器，每个子光谱至少有一个发射
器。在一个实施方案中，每个发射器覆盖覆盖40纳米的光谱。例如，一个发射器可发射500nm至540nm的波带内的光，而另一个发射器可发射540nm至580nm的波带内的光。在另一个实施方案中，发射器可覆盖其它尺寸的波带，这取决于可用发射器的类型或成像需要。例如，多个发射器可包括覆盖500nm至540nm的波带的第一发射器、覆盖540nm至640nm的波带的第二发射器，以及覆盖640nm至650nm的波带的第三发射器。每个发射器可覆盖范围从远红外、中红外、近红外、可见光、近紫外和/或远紫外的电磁光谱的不同片段。在一些情况下，可包括相同类型或波长的多个发射器以提供用于成像的足够输出功率。特定波带所需的发射器数量可取决于单色传感器对波带的灵敏度和/或该波带中发射器的功率输出能力。
[0283]
可选择由发射器提供的波带宽度和覆盖率以提供光谱的任何所需组合。例如，使用非常小的波带宽度(例如，10nm或更小)的光谱的连续覆盖可允许高度选择性的超光谱成像和/或荧光成像。该波带宽度可允许针对一种或多种特定荧光试剂选择性地发射激发波长。另外，该波带宽度可允许选择性地发射超光谱电磁辐射的某些分区，以用于识别特定结构、化学过程、组织、生物过程等。因为波长来自可选择性激活的发射器，所以可实现在检查期间使一种或多种特定荧光试剂发荧光的极致灵活性。另外，可实现通过超光谱成像来识别一个或多个对象或过程的极致灵活性。因此，更多荧光信息和/或超光谱信息可在更少时间内并且在单次检查内实现，这原本需要多次检查、由于施用染料或染色剂而延迟等。
[0284]
图17是示出用于生成图像的发射和读出的时序图1700的示意图。实线表示用于捕获一系列曝光帧1704至1714的读出(峰1702)和消隐周期(谷)。一系列曝光帧1704至1714可包括可用于生成可叠层在rgb视频流上的激光标测、超光谱和/或荧光数据的一系列重复的曝光帧。在一个实施方案中，单个图像帧包括来自多个曝光帧的信息，其中一个曝光帧包括红色图像数据，另一个曝光帧包括绿色图像数据，并且另一个曝光帧包括蓝色图像数据。另外，单个图像帧可包括超光谱图像数据、荧光图像数据和激光标测数据中的一者或多者。多个曝光帧被组合以产生单个图像帧。单个图像帧是具有超光谱成像数据的rgb图像。曝光帧系列包括第一曝光帧1704、第二曝光帧1706、第三曝光帧1708、第四曝光帧1710、第五曝光帧1712和第n曝光帧1726。
[0285]
另外，可组合使用超光谱图像数据、荧光图像数据和激光标测数据以识别关键组织或结构并进一步测量那些关键组织或结构的尺寸。例如，可将超光谱图像数据提供给对应的系统以识别身体中的某些关键结构，诸如神经、输尿管、血管、癌组织等。关键结构的位置和识别可从对应的系统接收，并且还可用于使用激光标测数据来生成关键结构的形貌。例如，对应的系统基于超光谱成像数据确定癌性肿瘤的位置。由于基于超光谱成像数据知晓癌性肿瘤的位置，因此可随后基于激光标测数据来计算癌性肿瘤的形貌和距离。当基于荧光成像数据来识别癌性肿瘤或其它结构时，此示例也可适用。
[0286]
在一个实施方案中，基于电磁能量的至少一个脉冲生成每个曝光帧。电磁能量脉冲被图像传感器反射并检测，并且随后在后续读出(1702)中读出。因此，每个消隐周期和读出得到用于特定光谱的电磁能量的图像帧。例如，第一曝光帧1704可基于第一一个或多个脉冲1716的光谱生成，第二曝光帧1706可基于第二一个或多个脉冲1718的光谱生成，第三曝光帧1708可基于第三一个或多个脉冲1720的光谱生成，第四曝光帧1710可基于第四一个或多个脉冲1722的光谱生成，第五曝光帧1712可基于第五一个或多个脉冲1724的光谱生成，并且第n曝光帧1726可基于第n一个或多个脉冲1726的光谱生成。
[0287]
脉冲1716至1726可包括来自单个发射器或来自两个或更多个发射器的组合的能量。例如，可选择包括在单个读出周期中或多个曝光帧1704至1714内的光谱以用于对特定组织或状况的所需检查或检测。根据一个实施方案，一个或多个脉冲可包括用于生成rgb或黑白图像的可见光谱光，而一个或多个附加脉冲被发射以感测针对超光谱波长的电磁辐射的光谱响应。例如，脉冲1716可包括红光，脉冲1718可包括蓝光，并且脉冲1720可包括绿光，而其余脉冲1722至1726可包括用于检测特定组织类型、使试剂发荧光和/或标测场景的形貌的波长和光谱。又如，单个读出周期的脉冲包括由可用于检测特定组织类型的多个不同发射器生成的光谱(例如，电磁光谱的不同片段)。例如，如果波长的组合导致像素具有超过或低于阈值的值，则该像素可被分类为对应于特定类型的组织。每个帧可用于进一步缩小存在于该像素(例如，以及图像中的每个像素)处的组织的类型，以基于组织的光谱响应和/或组织中是否存在荧光试剂来提供组织的非常特化的分类和/或组织的状态(患病/健康)。
[0288]
多个帧1704至1714被示出为具有不同长度的读出周期并且具有不同长度或强度的脉冲。消隐周期、脉冲长度或强度等可基于单色传感器对特定波长的灵敏度、发射器的功率输出能力和/或波导的携带能力来选择。
[0289]
在一个实施方案中，双图像传感器可用于获得三维图像或视频馈送。三维检查可允许对检查区域的三维结构的改善的理解以及对该区域内的不同组织或物质类型的标测。
[0290]
在一个示例性具体实施中，向患者提供荧光试剂，并且该荧光试剂被配置为附着到癌细胞。已知该荧光试剂在被特定分区的电磁辐射辐射时发荧光。该荧光试剂的弛豫波长也是已知的。在该示例性具体实施中，如本文所述使用内窥镜成像系统对患者成像。内窥镜成像系统脉冲光的红色波长、绿色波长和蓝色波长的分区，以生成患者身体内部的rgb视频流。另外，内窥镜成像系统针对施用给患者的荧光试剂脉冲激发波长的电磁辐射。在示例中，患者具有癌细胞并且荧光试剂已粘附到癌细胞。当内窥镜成像系统针对荧光试剂脉冲激发波长时，荧光试剂将发荧光并发射弛豫波长。如果癌细胞存在于由内窥镜成像系统成像的场景中，则荧光试剂也将存在于该场景中并且由于激发波长的发射而在发荧光之后发射其弛豫波长。内窥镜成像系统感测荧光试剂的弛豫波长，并由此感测场景中荧光试剂的存在。因为已知荧光试剂附着于癌细胞，所以荧光试剂的存在进一步指示场景内癌细胞的存在。内窥镜成像系统由此识别场景内癌细胞的位置。内窥镜成像系统还可发射用于生成场景的形貌并计算场景内对象的尺寸的激光标测脉冲方案。癌细胞的位置(如由荧光成像数据所识别)可与基于激光标测数据计算出的形貌和尺寸信息组合。因此，可识别癌细胞的精确位置、大小、尺寸和形貌。可将该信息提供给执业医生以帮助切除癌细胞。另外，可将该信息提供给机器人外科系统以使外科系统能够切除癌细胞。
[0291]
在另一个示例性具体实施中，使用内窥镜成像系统对患者成像以识别关于患者组织病理的定量诊断信息。在示例中，患者疑似或已知患有疾病，该疾病可利用超光谱成像跟踪以观察疾病在患者组织中的进展。内窥镜成像系统脉冲光的红色波长、绿色波长和蓝色波长的分区，以生成患者身体内部的rgb视频流。另外，内窥镜成像系统脉冲光的一个或多个超光谱波长，这些波长允许系统“透视”一些组织并生成受疾病影响的组织的成像。内窥镜成像系统感测反射超光谱电磁辐射以生成患病组织的超光谱成像数据，并由此识别患病组织在患者体内的位置。内窥镜成像系统还可发射用于生成场景的形貌并计算场景内对象的尺寸的激光标测脉冲方案。患病组织的位置(如由超光谱成像数据所识别)可与用激光标
测数据计算出的形貌和尺寸信息组合。因此，可识别患病组织的精确位置、大小、尺寸和形貌。可将该信息提供给执业医生以帮助切除、成像或研究患病组织。另外，可将该信息提供给机器人外科系统以使外科系统能够切除患病组织。
[0292]
图18是具有单个截止滤光器的成像系统1800的示意图。系统1800包括内窥镜1806或具有用于缺光环境的光源1808的其他合适的成像装置。内窥镜1806包括图像传感器1804和滤光器1802，该滤光器用于在到达图像传感器1804之前滤除不需要的波长的光或其他电磁辐射。光源1808传输可在缺光环境诸如体腔中照明表面1812的光。光1810从表面1812反射并在击中图像传感器1804之前穿过滤光器1802。
[0293]
滤光器1802可用于已施用荧光试剂或染料的具体实施中。在此类实施方案中，光源1808发射激发波长以用于使荧光试剂或染料发荧光。通常，由荧光试剂或染料发射的弛豫波长将具有与激发波长不同的波长。可选择滤光器1802来滤除激发波长，并且仅允许弛豫波长穿过滤光器并被图像传感器1804感测。
[0294]
在一个实施方案中，滤光器1802被配置为滤除电磁辐射的引起试剂或染料发荧光的激发波长，使得仅允许发荧光的试剂或染料的预期弛豫波长穿过滤光器1802并到达图像传感器1804。在一个实施方案中，滤光器1802滤除至少介于770nm和790nm之间的荧光试剂激发波长。在一个实施方案中，滤光器1802滤除至少介于795nm和815nm之间的荧光试剂激发波长。在一个实施方案中，滤光器1802滤除至少介于770nm和790nm之间以及介于795nm和815nm之间的荧光试剂激发波长。在这些实施方案中，滤光器1802滤除试剂的激发波长，并且允许由图像传感器1804读取荧光试剂的仅弛豫波长。图像传感器1804可以是波长不定图像传感器，并且滤光器1802可被配置为允许图像传感器1804仅接收荧光试剂的弛豫波长而不接收试剂的发射激发波长。然后由图像传感器1804确定的数据可指示由试剂或染料的位置确定的关键身体结构、组织、生物过程或化学过程的存在。
[0295]
滤光器1802还可用于尚未施用荧光试剂或染料的具体实施中。可选择滤光器1802以允许对应于所需光谱响应的波长穿过图像传感器1804并由该图像传感器读取。图像传感器1804可为单色图像传感器，使得可将所捕获图像的超过阈值或低于阈值的像素表征为对应于某些光谱响应或荧光发射。由图像传感器1804捕获的像素确定的光谱响应或荧光发射可指示某些身体组织或结构、某些病症、某些化学过程等的存在。
[0296]
图19是具有多个截止滤光器的成像系统1900的示意图。系统1900包括内窥镜1906或具有用于缺光环境的光源1908的其他合适的成像装置。内窥镜1906包括图像传感器1904和两个滤光器1902a、1902b。应当理解，在另选的实施方案中，系统1900可包括任何数量的滤光器，并且可针对某些目的选择滤光器的数量和滤光器的类型，例如，用于采集特定身体组织、身体病症、化学过程等的成像信息。滤光器1902a、1902b被配置用于防止图像传感器1904感测到不需要的波长的光或其他电磁辐射。滤光器1902a、1902b可被配置为从可由光源1908发射的白光或其他电磁辐射中滤除不需要的波长。
[0297]
相对于图18进一步描述本公开，滤光器1902a、1902b可用于已施用荧光试剂或染料的具体实施中。滤光器1902a、1902b可被配置用于阻挡试剂或染料的发射激发波长并允许图像传感器1904仅读取试剂或染料的弛豫波长。此外，滤光器1902a、1902b可用于尚未施用荧光试剂或染料的具体实施中。在此类具体实施中，可选择滤光器1902a、1902b以允许对应于所需光谱响应的波长穿过图像传感器1904并被该图像传感器读取。
[0298]
多个滤光器1902a、1902b可各自被配置用于滤除电磁光谱的不同范围的波长。例如，一个滤光器可被配置用于滤除长于所需波长范围的波长，并且附加滤光器可被配置用于滤除短于所需波长范围的波长。两个或更多个滤光器的组合可导致仅某些波长或波长带由图像传感器1904读取。
[0299]
在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于513nm和545nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于565nm和585nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于900nm和1000nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于425nm和475nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于520nm和545nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于625nm和645nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于760nm和795nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于795nm和815nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于370nm和420nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被定制为使得介于600nm和670nm之间的电磁辐射接触图像传感器1904。在一个实施方案中，滤光器1902a、1902b被配置用于允许仅某些荧光弛豫发射穿过滤光器1902a、1902b并接触图像传感器1904。在一个实施方案中，第一滤光器阻挡具有从约770nm至约790nm的波长的电磁辐射，并且第二滤光器阻挡具有从约795nm至约815nm的波长的电磁辐射。
[0300]
在一个实施方案中，系统1900包括多个图像传感器1904，并且可具体地包括用于生成三维图像的两个图像传感器。图像传感器1904可以是颜色/波长不定的，并且被配置用于读取从表面1912反射的任何波长的电磁辐射。在一个实施方案中，图像传感器1904各自是颜色相关的或波长相关的，并且被配置用于读取从表面1912反射并返回到图像传感器1904的特定波长的电磁辐射。另选地，图像传感器1904可包括具有多个不同像素传感器的单个图像传感器，该多个不同像素传感器被配置用于读取不同波长或颜色的光，诸如拜耳滤光器滤色器阵列。另选地，图像传感器1904可包括一个或多个颜色不定图像传感器，这些图像传感器可被配置用于根据脉冲调度(诸如图5至图7e中所示的那些)读取不同波长的电磁辐射。
[0301]
图20是示出用于在缺光环境中通过激光标测成像来标测表面和/或跟踪对象的系统2000的示意图。在一个实施方案中，内窥镜2006在缺光环境中脉冲网格阵列2006(可称为激光标测图模式)到表面2004上。在如图20中所示的一个实施方案中，网格阵列2006包括竖直散列2008和水平散列2010。应当理解，网格阵列2006可包括用于标测表面2004的任何合适的阵列，包括例如离散点的光栅网格、占用网格标测图、点阵列等。另外，内窥镜2006可脉冲多个网格阵列2006，并且可例如在缺光环境内在多个对象或结构中的每一者上脉冲一个或多个单独的网格阵列。
[0302]
在一个实施方案中，系统2000脉冲网格阵列2006，该网格阵列可用于在缺光环境中标测表面的三维形貌和/或跟踪对象诸如工具或另一装置的位置。在一个实施方案中，系统2000向第三方系统或计算机算法提供数据，以用于通过光检测和测距(lidar)标测的方
式来确定表面尺寸和配置。系统2000可脉冲网格阵列2006中的任何合适波长的光或电磁辐射，包括例如紫外光、可见光、光、和/或红外光或近红外光。可以非常高的分辨率并且以非常高的准确度和精度映射和跟踪环境内的表面2004和/或对象。
[0303]
在一个实施方案中，系统2000包括成像装置，该成像装置具有管、一个或多个图像传感器和透镜组件，该透镜组件具有对应于该一个或多个图像传感器的光学元件。系统2000可包括具有发射器和内腔的光引擎，该发射器生成一个或多个电磁辐射脉冲，该内腔将一个或多个电磁辐射脉冲传输到缺光环境诸如体腔内的内窥镜的远侧末端。在一个实施方案中，该一个或多个电磁辐射脉冲的至少一部分包括发射到缺光环境内的表面(诸如，体腔内的身体组织的表面和/或工具或其它装置的表面)上的激光标测图模式。内窥镜2006可包括二维、三维或n维相机，用于标测和/或跟踪缺光环境内的表面、尺寸和配置。
[0304]
在一个实施方案中，系统2000包括处理器，该处理器用于确定内窥镜或工具与对象诸如表面2004的距离。处理器还可确定内窥镜或工具与对象之间的角度。处理器还可确定关于对象的表面积信息，包括例如外科工具的尺寸、结构的尺寸、解剖结构的尺寸、位置信息以及其它位置数据和度量。系统2000可包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器提供输出到控制系统的图像数据，以用于确定内窥镜或工具与对象诸如表面2004的距离。图像传感器可将信息输出到控制系统以用于确定内窥镜或工具与对象之间的角度。另外，图像传感器可将信息输出到控制系统，以用于确定关于对象的表面积信息、外科工具的尺寸、结构的尺寸、解剖结构的尺寸、位置信息以及其它位置数据和度量。
[0305]
在一个实施方案中，内窥镜2006的发射器以足够的速度脉冲网格阵列2006，使得网格阵列2006对于用户不可见。在各种具体实施中，在内窥镜成像规程和/或内窥镜外科手术期间看到网格阵列2006可能使用户分心。可以足够短的周期脉冲网格阵列2006，使得网格阵列2006不能被人眼检测到。在另选的实施方案中，内窥镜2006以足够的复现频率脉冲网格阵列2006，使得网格阵列2006可被用户查看。在此类实施方案中，网格阵列2006可叠层在显示器上的表面2004的图像上。网格阵列2006可叠层在表面2004的黑白或rgb图像上，使得网格阵列2006在系统2000的使用期间可对用户可见。系统2000的用户可指示网格阵列2006是否应叠层在表面2004的图像上和/或网格阵列2006是否应对用户可见。系统2000可包括显示器，该显示器提供从内窥镜2006到缺光环境内的表面2004或另一个对象的距离的实时测量。显示器还可提供关于缺光环境内的表面2004和/或任何对象、结构或工具的实时表面积信息。测量的准确度可精确到小于一毫米。
[0306]
在一个实施方案中，系统2000脉冲多个网格阵列2006。在一个实施方案中，多个网格阵列2006中的每一个对应于存在于缺光环境内的工具或其他装置。可通过脉冲和感测多个网格阵列2006来跟踪工具和其他装置中的每一者的精确位置和参数。可评估通过感测反射网格阵列2006而生成的信息，以识别缺光环境内的工具和其他装置的相对位置。
[0307]
内窥镜2006可根据脉冲调度(诸如本文所示的那些)脉冲电磁辐射，这还可包括脉冲网格阵列2006并且脉冲用于生成rgb图像并进一步生成可叠层在rgb图像上并且/或者用于标测并跟踪缺光环境内的表面2004和对象的网格阵列2006的红光、绿光和蓝光。可另外结合超光谱或荧光激发波长的电磁辐射来脉冲网格阵列2006。可组合来自rgb成像、激光标测成像、超光谱成像和荧光成像中的每一者的数据，以识别体内关键结构的位置、尺寸和表面形貌。
[0308]
在一个实施方案中，内窥镜2006包括一个或多个颜色不定图像传感器。在一个实施方案中，内窥镜2006包括用于生成缺光环境的三维图像或标测图的两个颜色不定图像传感器。图像传感器可根据如本文所公开的脉冲调度生成缺光环境的rgb图像。另外，图像传感器可基于在脉冲网格阵列2006时确定的数据来确定用于映射缺光环境并跟踪缺光环境内的一个或多个对象的数据。另外，图像传感器可根据脉冲调度来确定光谱或超光谱数据以及荧光成像数据，该脉冲调度可由用户修改以适应成像规程的特定需要。在一个实施方案中，脉冲调度包括红色、绿色和蓝色脉冲以及网格阵列2006的脉冲和/或用于生成超光谱图像数据和/或荧光图像数据的脉冲。在各种具体实施中，脉冲调度可包括根据用户需要的电磁辐射脉冲的任何合适的组合。不同波长的电磁辐射的复现频率可基于例如某些脉冲的能量、用户的需要、某些数据(例如，超光谱数据和/或荧光成像数据)需要连续更新还是可更新较不频繁等来确定。
[0309]
根据用户或用于某些成像规程的计算机实现的程序的需要，脉冲调度可以任何合适的方式修改，并且某些电磁辐射脉冲可以任何合适的频率重复。例如，在将基于网格阵列2006生成的表面跟踪数据提供给计算机实现的程序以用于例如机器人外科手术的实施方案中，网格阵列2006可比在将表面跟踪数据提供给在成像规程期间可视化场景的用户的情况下更频繁地脉冲。在表面跟踪数据用于机器人外科手术的此类实施方案中，表面跟踪数据可能需要更频繁地更新或者可能需要极为准确，使得计算机实现的程序可精密而准确地执行机器人外科手术。
[0310]
在一个实施方案中，系统2000被配置为生成占用网格标测图，该占用网格标测图包括被划分为网格的单元阵列。系统2000被配置为存储相应网格单元中的每个网格单元的高度值以确定缺光环境中的三维环境的表面映射。
[0311]
图21a和图21b分别示出根据本公开的教导内容和原理的单片传感器2100的具体实施的透视图和侧视图，该单片传感器具有用于产生三维图像的多个像素阵列。此类具体实施可能是三维图像捕获所希望的，其中在使用期间两个像素阵列2102和2104可被偏移。在另一个具体实施中，第一像素阵列2102和第二像素阵列2104可专用于接收预先确定的波长范围的电磁辐射，其中第一像素阵列专用于与第二像素阵列不同波长范围的电磁辐射。
[0312]
图22a和图22b分别示出了构建在多个基板上的成像传感器2200的具体实施的透视图和侧视图。如图所示，形成该像素阵列的多个像素列2204位于第一基板2202上并且多个电路列2208位于第二基板2206上。图中还示出了一个像素列与其相关联的或对应的电路列之间的电连接和通信。在一个具体实施中，图像传感器可具有与全部或大部分支撑电路分开的像素阵列，而其可能以其它方式被制造成它的像素阵列和支撑电路处于单个、单片基板/芯片上。本公开可使用至少两个基板/芯片，这些基板/芯片将使用三维堆叠技术被堆叠在一起。两个基板/芯片中的第一个2202可使用图像cmos工艺加工。第一基板/芯片2202可仅仅由像素阵列构成，或可由被有限电路围绕的像素阵列构成。第二或后续基板/芯片2206可使用任何工艺加工，而不是必须来自图像cmos工艺。第二基板/芯片2206可以是但不限于，为了将各种和多个功能集成到基板/芯片上非常有限空间或面积中的高密度数字工艺、或为了集成例如精确模拟功能的混合模式或模拟工艺、或为了实现无线能力的rf工艺、或为了集成mems器件的mems(微电子机械系统)。图像cmos基板/芯片2202可使用任何三维技术与第二或后续基板/芯片2206堆叠。第二基板/芯片2206可支撑将可能另外在第一图像
cmos芯片2202中实现(如果在单片基板/芯片上实现)为外围电路的电路的绝大部分或大部分，并且因此当保持像素阵列大小恒定并尽最大可能优化时增加了整个系统面积。两个基板/芯片之间的电连接可通过互联器完成，这些互联器可为接合引线、凸耳和/或tsv(硅通孔)。
[0313]
图23a和图23b分别示出了具有多个像素阵列用于产生三维图像的成像传感器2300的具体实施的透视图和侧视图。三维图像传感器可被构建在多个基板上并且可包括多个像素阵列和其他相关联的电路系统，其中形成第一像素阵列的多个素列2304a和形成第二像素阵列的多个像素列2304b分别位于相应的基板2302a和2302b上，并且多个电路列2308a和2308b位于单独的基板2306上。还示出了像素列与相关联的或对应的电路列之间的电连接和通信。
[0314]
多个像素阵列可同时感测信息，并且可组合来自多个像素阵列的信息以生成三维图像。在一个实施方案中，内窥镜成像系统包括可被部署成生成三维成像的两个或更多个像素阵列。内窥镜成像系统可包括用于在像素阵列的消隐周期期间发射电磁辐射脉冲的发射器。像素阵列可被同步，使得针对两个或更多个像素阵列同时读取光学黑色像素(即，发生消隐周期)。发射器可发射用于对两个或更多个像素阵列中的每个像素阵列充电的电磁辐射脉冲。两个或更多个像素阵列可同时读取其相应的带电像素，使得两个或更多个像素阵列的读出周期同时或大致同时发生。在一个实施方案中，内窥镜成像系统包括多个发射器，每个发射器与多个像素阵列中的一个或多个像素阵列单独同步。可组合来自多个像素阵列的信息以生成三维图像帧和视频流。
[0315]
应当理解，本公开的教导内容和原理可用于可重复使用的装置平台、有限使用的装置平台、可重新设置使用的装置平台或单次使用/一次性的装置平台，而不脱离本公开的范围。应当理解，在可重复使用的装置平台中，最终使用人负责该装置的清洁和消毒。在有限使用的装置平台中，在变得不能操作之前，装置可被使用一些规定量的次数。典型的新装置在交付前已经过无菌处理，如果要用作其它用途，应在其它使用之前由最终用户进行清洗和消毒。在可重新设置使用的装置平台中，第三方可重新处理装置(例如，清洁、包装和消毒)单次使用的装置，以比新单元更低的成本用于另外使用。在单次使用/一次性的装置平台中，装置以无菌方式提供至手术室并且在被弃置掉之前只能使用一次。
[0316]
实施例
[0317]
以下实施例涉及另外的实施方案的优选特征：
[0318]
实施例1是一种方法。该方法包括致动发射器以发射多个电磁辐射脉冲；以及通过图像传感器的像素阵列感测由该多个电磁辐射脉冲产生的反射电磁辐射以生成多个曝光帧。该方法包括将边缘增强应用于该多个曝光帧的中曝光帧内的边缘。该方法使得由发射器发射的电磁辐射脉冲的至少一部分包括以下一者或多者：具有从约513nm至约545nm的波长的电磁辐射；具有从约565nm至约585nm的波长的电磁辐射；具有从约900nm至约1000nm的波长的电磁辐射；致使试剂发荧光的电磁辐射激发波长；或激光标测模式。
[0319]
实施例2是根据实施例1所述的方法，还包括：通过以下方式检测该曝光帧内的该边缘：从存储器检索该像素阵列的已知转换增益和应用的传感器增益；基于该像素阵列的该已知转换增益和所应用的传感器增益来计算该曝光帧中可接受的噪声的阈值量值；以及基于该曝光帧中可接受的噪声的该阈值量值来调整所应用的边缘增强的量值。
[0320]
实施例3是根据实施例1至2中任一项所述的方法，其中，将该边缘增强应用于该曝光帧内的该边缘包括：从该曝光帧提取亮度数据；检测该曝光帧内的该边缘；将增益因子应用于该图像帧内的所检测的边缘以生成经修改的边缘数据；以及合并该亮度数据和该经修改的边缘数据。
[0321]
实施例4是根据实施例1至3中任一项所述的方法，还包括基于以下一者或多者来计算由该像素阵列生成的该多个曝光帧的预期噪声：该像素阵列内的每个像素的已知转换增益、该像素阵列的已知应用的传感器增益、或与该图像传感器电子通信的图像处理系统的数字化器的电压范围。
[0322]
实施例5是根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中，应用该边缘增强包括响应于包括大于噪声的阈值量值的该曝光帧而应用该边缘增强。
[0323]
实施例6是根据实施例1至5中任一项所述的方法，其中应用该边缘增强包括响应于包括大于噪声的阈值量值的像素而在每像素基础上应用该边缘增强，并且其中，该方法还包括基于预期的本地噪声来确定该像素阵列中的多个像素的噪声的每像素阈值量值。
[0324]
实施例7是根据实施例1至6中任一项所述的方法，还包括通过以下方式检测该曝光帧内的该边缘：将空间滤波器应用于该曝光帧，其中，该空间滤波器是高斯滤波器；从该曝光帧提取亮度平面；通过从该亮度平面减去该曝光帧的该经空间滤波版本来生成差平面；以及通过识别该差平面中的具有与空间频率按比例缩放的幅度的本地双极性信号来检测该边缘。
[0325]
实施例8是根据实施例1至7中任一项所述的方法，还包括通过以下方式检测该曝光帧内的该边缘：将空间滤波器应用于该曝光帧，其中，该空间滤波器是高斯滤波器；以及将边缘检测运算子核应用于该曝光帧的该经空间滤波版本。
[0326]
实施例9是根据实施例1至8中任一项所述的方法，还包括计算增益因子，该增益因子用于控制应用于该曝光帧内的该边缘的该边缘增强的量值，其中计算该增益因子包括基于以下来进行计算：与该图像传感器电子通信的模数转换器(adc)的电压摆动；该像素阵列的已知转换增益；应用于该图像传感器的绝对整体线性增益；以及从用户接收的强度调节器设置。
[0327]
实施例10是根据实施例1至9中任一项所述的方法，还包括计算增益因子，该增益因子用于控制应用于该曝光帧内的该边缘的该边缘增强的量值，其中计算该增益因子包括：通过针对潜在增益范围绘制噪声相对于信号的光子转移曲线来绘制增益曲线图；识别等于该增益曲线图的线性区域内的梯度的倒数的校准因子；基于该校准因子来预测噪声预期的量值；以及基于所预测的噪声预期的量值和从用户接收的强度调整设置来计算该增益因子。
[0328]
实施例11是根据实施例1至10中任一项所述的方法，其中，感测该反射电磁辐射包括在该像素阵列的读出周期期间进行感测，其中，该读出周期是当该像素阵列中的有效像素被读取时的持续时间。
[0329]
实施例12是根据实施例1至11中任一项所述的方法，其中，致动该发射器包括致动该发射器以便在脉冲持续时间期间发射电磁辐射的多个子脉冲，该多个子脉冲具有短于该脉冲持续时间的子持续时间。
[0330]
实施例13是根据实施例1至12中任一项所述的方法，其中，致动该发射器包括致动
该发射器以便同时发射两个或更多个波长作为单个脉冲或单个子脉冲。
[0331]
实施例14是根据实施例1至13中任一项所述的方法，其中，感测该反射电磁辐射包括响应于由该发射器发射荧光激发脉冲而生成荧光曝光帧，并且其中，该方法还包括将该荧光曝光帧提供给对应的荧光系统，该对应的荧光系统基于该荧光曝光帧确定场景内的关键组织结构的位置。
[0332]
实施例15是根据实施例1至14中任一项所述的方法，还包括：从该对应的荧光系统接收该关键组织结构的该位置；生成包括该关键组织结构的该位置的叠层帧；以及将该叠层帧与描绘该场景的彩色图像帧组合，以指示该场景内的该关键组织结构的该位置。
[0333]
实施例16是根据实施例1至15中任一项所述的方法，其中，通过该像素阵列感测反射电磁辐射包括感测由该激光标测模式产生的反射电磁辐射以生成激光标测曝光帧，并且其中，该方法还包括：将该激光标测曝光帧提供给对应的激光标测系统，该对应的激光标测系统确定该场景的形貌和/或该场景内一个或多个对象的尺寸；将该关键组织结构的该位置提供给该对应的激光标测系统；以及从该对应的激光标测系统接收该关键组织结构的形貌和/或尺寸。
[0334]
实施例17是根据实施例1至16中任一项所述的方法，其中，该关键组织结构包括神经、输尿管、血管、动脉、血流或肿瘤中的一者或多者。
[0335]
实施例18是根据实施例1至17中任一项所述的方法，还包括在该图像传感器的消隐周期期间同步待发射的该多个电磁辐射脉冲的定时，其中，该消隐周期对应于该像素阵列中的最后一行有效像素的读出与该像素阵列中的有效像素的下一次后续读出开始之间的时间。
[0336]
实施例19是根据实施例1至18中任一项所述的方法，其中，感测该反射电磁辐射包括通过第一像素阵列和第二像素阵列进行感测，使得能够基于所感测的反射电磁辐射来生成三维图像。
[0337]
实施例20是根据实施例1至19中任一项所述的方法，其中，致动该发射器包括致动该发射器以便重复发射电磁辐射脉冲序列，该电磁辐射脉冲序列足以生成包括多个图像帧的视频流，其中，该视频流中的每个图像帧包括来自多个曝光帧的数据，并且其中，该曝光帧中的每一个曝光帧对应于电磁辐射脉冲。
[0338]
实施例21是根据实施例1至20中任一项所述的方法，其中，由该发射器发射的该多个电磁辐射脉冲的至少一部分是用于使试剂发荧光的激发波长，并且其中，由该像素阵列感测到的该反射电磁辐射的至少一部分是该试剂的弛豫波长。
[0339]
实施例22是根据实施例1至21中任一项所述的方法，其中，由该像素阵列感测反射电磁辐射包括：通过感测由该发射器脉冲该激光标测模式产生的反射电磁辐射来生成激光标测曝光帧，其中，该激光标测曝光帧包括用于确定实时测量的信息，该信息包括以下一者或多者：从内窥镜到对象的距离；内窥镜与所述对象之间的角度；或关于对象的表面形貌信息。
[0340]
实施例23是根据实施例1至22中任一项所述的方法，其中，该激光标测曝光帧包括用于以小于10厘米的精度确定该实时测量的信息。
[0341]
实施例24是根据实施例1至23中任一项所述的方法，其中，该激光标测曝光帧包括用于以小于一毫米的精度确定该实时测量的信息。
[0342]
实施例25是根据实施例1至24中任一项所述的方法，其中，致动该发射器以发射该多个电磁辐射脉冲包括致动该发射器以便发射场景内的多个工具中的每个工具的多个特定于工具的激光标测模式。
[0343]
实施例26为根据实施例1至25中任一项所述的方法，其中，由该发射器发射的该激光标测模式包括彼此独立的第一输出和第二输出，其中，该第一输出用于光照明并且该第二输出用于工具跟踪。
[0344]
实施例27是根据实施例1至26中任一项所述的方法，其中，该多个电磁辐射脉冲的至少一部分包括超光谱发射，该超光谱发射包括以下一者：具有从约513nm至约545nm的波长的电磁辐射和具有从约900nm至约1000nm的波长的电磁辐射；或者具有从约565nm至约585nm的波长的电磁辐射和具有从约900nm至约1000nm的波长的电磁辐射；其中，通过该像素阵列感测反射电磁辐射包括基于该超光谱发射来生成超光谱曝光帧。
[0345]
实施例28是根据实施例1至27中任一项所述的方法，还包括：向将该超光谱曝光帧提供给对应的超光谱系统，该对应的超光谱系统基于该超光谱曝光帧来确定关键组织结构的位置；从该对应的超光谱系统接收该关键组织结构的该位置；生成包括该关键组织结构的该位置的叠层帧；以及将该叠层帧与描绘该场景的彩色图像帧组合，以指示该场景内的该关键组织结构的该位置。
[0346]
实施例29是根据实施例1至28中任一项所述的方法，其中，通过该像素阵列感测反射电磁辐射包括基于该激光标测模式的发射来生成激光标测曝光帧，并且其中，该方法还包括：将该激光标测曝光帧提供给对应的激光标测系统，该对应的激光标测系统确定该场景的形貌和/或该场景内一个或多个对象的尺寸；将该关键组织结构的该位置提供给该对应的激光标测系统；以及从该对应的激光标测系统接收该关键组织结构的形貌和/或尺寸。
[0347]
实施例30是根据实施例1至29中任一项所述的方法，其中，该关键组织结构是神经、输尿管、血管、动脉、血流、癌组织或肿瘤中的一者或多者。
[0348]
实施例31是一种系统。该系统包括发射器，该发射器用于发射多个电磁辐射脉冲。该系统包括图像传感器，该图像传感器包括用于感测反射电磁辐射的像素阵列以生成多个曝光帧。该系统包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器可被配置为执行存储在非暂态计算机可读存储介质中的指令，该指令包括将边缘增强应用于该多个曝光帧的中曝光帧内的边缘。所述系统使得由所述发射器发射的所述电磁辐射脉冲的至少一部分包括激光标测模式。
[0349]
实施例32是根据实施例31所述的系统，其中，该指令还包括：检测该曝光帧内的该边缘；从存储器检索该像素阵列的已知转换增益和应用的传感器增益；基于该像素阵列的该已知转换增益和所应用的传感器增益来计算该曝光帧中可接受的噪声的阈值量值；以及基于该曝光帧中可接受的噪声的该阈值量值来调整所应用的边缘增强的量值。
[0350]
实施例33是根据实施例31至32中任一项所述的系统，其中，该指令使得将该边缘增强应用于该曝光帧内的该边缘包括：从该曝光帧提取亮度数据；检测该曝光帧内的该边缘；将增益因子应用于该图像帧内的所检测的边缘以生成经修改的边缘数据；以及合并该亮度数据和该经修改的边缘数据。
[0351]
实施例34是根据实施例31到33中任一项所述的系统，其中，该指令还包括基于以下一者或多者来计算由该像素阵列生成的该多个曝光帧的预期噪声：该像素阵列内的每个
像素的已知转换增益、该像素阵列的已知应用的传感器增益、或与该图像传感器电子通信的图像处理系统的数字化器的电压范围。
[0352]
实施例35是根据实施例31至34中任一项所述的系统，其中，由该发射器发射的该电磁辐射脉冲的至少一部分导致由该图像传感器产生的荧光曝光帧，并且其中，该指令还包括将该荧光曝光帧提供给对应系统，该对应系统基于该荧光曝光帧确定场景内关键组织结构的位置。
[0353]
实施例36是根据实施例31至35中任一项所述的系统，其中，该指令还包括：从该对应系统接收该关键组织结构的该位置；生成包括该关键组织结构的该位置的叠层帧；以及将该叠层帧与描绘该场景的彩色图像帧组合，以指示该场景内的该关键组织结构的该位置。
[0354]
实施例37是根据实施例31至36中任一项所述的系统，其中，该关键组织结构包括神经、输尿管、血管、动脉、血流或肿瘤中的一者或多者。
[0355]
实施例38是根据实施例31至37中任一项所述的系统，其中，由该发射器发射的该激光标测模式包括场景内的多个工具中的每个工具的多个特定于工具的激光标测模式。
[0356]
实施例39为根据实施例31至38中任一项该的系统，其中，由该发射器发射的该激光标测模式包括彼此独立的第一输出和第二输出，其中，该第一输出用于光照明并且该第二输出用于工具跟踪。
[0357]
实施例40是用于执行根据实施例1至30所述的方法步骤中的任一者的装置。
[0358]
应当理解，本文所公开的各种特征在本领域中提供了显著优势和进步。下列权利要求为那些特征中的一些的示例。
[0359]
在上述本公开具体实施方式中，出于简化本公开的目的，将本公开的各个特征集中于单个实施方案中。本公开的方法不应理解为体现了这样的意图：受权利要求书保护的公开内容要求比每项权利要求中所明确列举的更多的特征。相反，创新方面未能体现上文公开的单个实施例的所有特征。
[0360]
应当理解，上述布置方式、实施例和实施方案的任何特征可在包括从任何所公开的布置方式、实施例和实施方案中获得的特征的组合的单个实施方案中组合。
[0361]
应当理解，上述设置只是本公开原理的示例性应用。在不脱离本公开精神和范围的前提下，本领域的技术人员可以设计许多修改和另选设置，并且所附权利要求书旨在涵盖这些修改和设置。
[0362]
因此，当本公开以图示显示并且以特殊性和细节进行上述描述时，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本文所述原则和理念的前提下，显而易见可进行大量修改，这些修改包括但不限于尺寸、材料、形状、形式、功能和操作方式、组装和使用方式的变化。
[0363]
另外，在适当的情况下，本文所述的功能可通过硬件、软件、固件、数字部件或模拟部件中的一种或多种来执行。例如，可对一种或多种专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列进行编程以执行本文所述的一种或多种系统和程序。在整个下面的描述和权利要求中所用的某些术语是指特定的系统部件。本领域的技术人员应当理解，部件可具有不同的名称。本文并非旨在在名称上而非功能上不同的部件之间进行辨别。
[0364]
为了举例说明和描述的目的，已经提供了上述具体实施方式。这些具体实施方式并非意图为详尽的或将本公开限制为所公开的具体形式。根据上述教导内容可以对本公开
进行许多修改和改变。另外，应当指出的是，任何或所有前述另选的具体实施可以任何期望的组合使用，以形成本公开的另外的混合的具体实施。
[0365]
另外，虽然已描述和说明了本公开的特定具体实施，但是本公开并不限于如描述和说明的特定形式或部件布置。本公开的范围将由此处所附的权利要求、此处和不同申请中提交的任何未来的权利要求以及它们的等效物来限定。