基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置

1.本发明涉及医学成像领域，特别涉及基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置。


背景技术：

2.甲状腺癌已跃升为头颈部的第一位恶性肿瘤，且大部分是甲状腺微小癌，甲状腺腔镜微创手术术式因具备精细解剖、功能保护、隐藏疤痕等优势而逐年增多，但目前的普通内镜较难实现甲状腺微小癌灶识别、转移淋巴结识别以及甲状旁腺的准确定位和功能保护。尤其是甲状腺中央区区域淋巴结、脂肪组织和甲状旁腺等组织常常交错、重叠生长，为常规的淋巴结清扫带来难题，无法在精准清扫肿瘤转移淋巴结的同时避免对甲状旁腺的功能损害。
3.甲状腺癌手术中较难鉴别癌变组织和正常组织等软组织。历史上的肉眼识别法，主要依耐高年资专科医师凭借解剖经验做出判断，主观性较强、不易推广、容易误判断；术中“组织沉浮法”、“冰冻切片判断法”等均为亡羊补牢，无法做到实时鉴别，导致需要保护的甲状旁腺组织量损失，或有术中等待时间较长等缺点。
4.目前临床上常用的染料示踪技术以纳米碳为代表，通过往甲状腺内注射纳米碳黑染转移的淋巴结，同时负显影甲状旁腺，以此色彩差异为术者提供组织分类，但可能存在以下问题：1.纳米碳不可吸收，残留纳米碳可能对人体存在长期影响，药物过敏的可能；2.纳米碳的注射方式、剂量较难标准化，漏出的纳米碳容易黑染手术视野，影响甲状腺手术中腔镜下的视觉反馈；3.癌转移严重的淋巴结会形成淋巴管阻塞，反而不会黑染，容易遗漏此类转移严重的淋巴结。其他的淋巴染料示踪剂同样存在以上问题。
5.以上现有方法和设备均无法适应于甲状腺内镜手术、无法实时识别、鉴别及定位区分甲状腺中央区各类组织，从而无法准确指导甲状腺内镜手术。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置，可避免现有技术中在甲状腺内镜手术时无法实时识别、鉴别及定位区分甲状腺中央区各类组织等问题。
7.根据本发明实施例的基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置，包括：光源组件，所述光源组件包括荧光寿命激发光源、拉曼激发光源、白光光源；内镜探头，用于传输所述荧光寿命激发光源、拉曼激发光源、白光光源输出的光波以照射人体内的甲状腺区域组织、以及传输所述甲状腺区域组织被照射后反射的光波；荧光寿命图像信号采集模块，用于采集所述甲状腺区域组织被所述荧光寿命激发光照射后生成的癌变组织荧光寿命图像信号；拉曼光谱信号采集模块，用于采集所述甲状腺区域组织被所述拉曼激发光源照射后生成的拉曼光谱信号；彩色图像采集模块，用于采集所述甲状腺区域组织被所述白光光源照射后生成的彩色图像；主机，所述主机包括控制单元、图像处理单元，所述控制
单元分别与所述荧光寿命激发光源、拉曼激发光源、白光光源连接以控制其工作；所述图像处理单元分别与所述荧光寿命图像信号采集模块、拉曼光谱信号采集模块、彩色图像采集模块连接，用于将所述拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像融合以区分癌变组织和正常组织，以及将所述拉曼光谱信号与所述彩色图像融合以定位甲状旁腺和颈部组织；显示器，与所述图像处理单元连接，用于显示拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像融合的图像、以及拉曼光谱信号与所述彩色图像融合的图像。
8.根据本发明实施例的基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置，至少具有如下有益效果：本发明利用拉曼光谱法显像甲状旁腺的自体荧光，其强度远高于比邻组织，具有极强区分度，可实现甲状旁腺的精准定位；同理拉曼光谱还可以实现甲状腺中央区区域淋巴结、脂肪组织等颈部组织的定位，但因为受限于微弱拉曼效应，导致积分时间较长，单用该技术较难实现实时组织定位，因此再结合荧光寿命成像可以提供颈部组织的荧光团(胶原蛋白、nadph、fad)的构象状态、它们与其他分子的结合状态，以及不同生物组织的微环境物理化学性质等差异，此成像不受激发光强度变化、光漂白等混杂因素影响，补充了实时成像信息，标记出癌变组织；两者的联合使用可以互补信息，提供生物组织结构、化学、功能以及组成特征、代谢表征的无标记信息，为甲状腺腔镜手术区分各解剖组织提供实时光学辅助定位。
9.根据本发明的一些实施例，所述荧光寿命激发光源采用输出波长为375nm的第一激光器，所述拉曼激发光源采用输出波长为785nm的第二激光器，所述白光光源采用led灯管，所述led灯管通过led驱动器与所述控制单元连接。
10.根据本发明的一些实施例，所述内镜探头包括外壳以及设置在所述外壳内的一根荧光寿命发射光纤、一根荧光寿命收集光纤、一根拉曼激发光光纤、多根拉曼收集光纤、一根白色led发射光纤和多根ccd彩色摄像光纤，所述拉曼激发光光纤与白色led发射光纤位于中心位置，多根所述拉曼收集光纤排布在所述拉曼激发光光纤与白色led发射光纤外侧，所述荧光寿命发射光纤、荧光寿命收集光纤成对设置且与多根所述ccd彩色摄像光纤排布于多根所述拉曼收集光纤的外侧。
11.根据本发明的一些实施例，所述内镜探头还包括设置在所述外壳内的785nm长通滤光片，所述785nm长通滤光片位于多根所述拉曼收集光纤前侧。
12.根据本发明的一些实施例，所述荧光寿命图像信号采集模块包括分光谱单元和信号采集单元；所述分光谱单元包括依次设置的机械快门、平凸透镜、短通滤波片、第一二向色镜以及第一长通滤波片和第二长通滤波片，所述第一长通滤波片、第二长通滤波片分别位于所述第一二向色镜的反射光路和透射光路上；所述信号采集单元包括第一光电倍增管、第二光电倍增管、路由器、时间相关单光子计数采集卡，所述第一光电倍增管与所述第一长通滤波片的出射端对应，所述第二光电倍增管与所述第二长通滤波片的出射端对应，所述第一光电倍增管、第二光电倍增管的输出端皆与所述路由器连接，所述路由器的输出端与所述时间相关单光子计数采集卡连接，所述时间相关单光子计数采集卡与所述图像处理单元连接。
13.根据本发明的一些实施例，所述拉曼光谱信号采集模块包括第二二向色镜、甲状旁腺拉曼信号采集部、颈部组织拉曼信号采集部，所述甲状旁腺拉曼信号采集部、颈部组织拉曼信号采集部分别与所述第二二向色镜的透射端、反射端对应；所述甲状旁腺拉曼信号
采集部包括依次设置的785nm激光滤波片、第一带通滤光片、第一聚光透镜、第一荧光摄像机；所述颈部组织拉曼信号采集部包括依次设置的导向分光仪、第二荧光摄像机，所述第一荧光摄像机和第二荧光摄像机的输出端皆与所述图像处理单元连接。
14.根据本发明的一些实施例，所述第二二向色镜的前端设置有汇聚透镜。
15.根据本发明的一些实施例，所述主机还包括与所述控制单元连接的按键面板，所述按键面板设置有甲状旁腺定位键p1和病变组织定位键p2，所述甲状旁腺定位键p1用于启动并融合所述拉曼光谱信号与所述彩色图像，所述病变组织定位键p2用于启动并融合所述拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本发明实施例的甲状腺手术内镜装置原理图；
19.图2为本发明实施例的荧光寿命图像信号采集模块光路图；
20.图3为本发明实施例的拉曼光谱信号采集模块光路图；
21.图4为本发明实施例的内镜探头分解图；
22.图5为本发明实施例的内镜探头剖面图。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
26.如图1所示，为本发明实施例的一种基于荧光寿命和拉曼光谱成像的甲状腺手术内镜装置，包括：
27.光源组件，所述光源组件包括荧光寿命激发光源110、拉曼激发光源120、白光光源130；
28.内镜探头200，用于传输所述荧光寿命激发光源110、拉曼激发光源120、白光光源130输出的光波以照射人体内的甲状腺区域组织、以及传输所述甲状腺区域组织被照射后反射的光波；
29.荧光寿命图像信号采集模块300，用于采集所述甲状腺区域组织被所述荧光寿命
激发光照射后生成的癌变组织荧光寿命图像信号；
30.拉曼光谱信号采集模块400，用于采集所述甲状腺区域组织被所述拉曼激发光源120照射后生成的拉曼光谱信号；
31.彩色图像采集模块500，用于采集所述甲状腺区域组织被所述白光光源130照射后生成的彩色图像；
32.主机600，所述主机600包括控制单元610、图像处理单元620，所述控制单元610分别与所述荧光寿命激发光源110、拉曼激发光源120、白光光源130连接以控制其工作；所述图像处理单元620分别与所述荧光寿命图像信号采集模块300、拉曼光谱信号采集模块400、彩色图像采集模块500连接，用于将所述拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像融合以区分癌变组织和正常组织，以及将所述拉曼光谱信号与所述彩色图像融合以定位甲状旁腺和颈部组织；
33.显示器700，与所述图像处理单元620连接，用于显示拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像融合的图像、以及拉曼光谱信号与所述彩色图像融合的图像。
34.本发明利用拉曼光谱法显像甲状旁腺的自体荧光，其强度远高于比邻组织，具有极强区分度，可实现甲状旁腺的精准定位；同理拉曼光谱还可以实现甲状腺中央区区域淋巴结、脂肪组织等颈部组织的定位，但因为受限于微弱拉曼效应，导致积分时间较长，单用该技术较难实现实时组织定位，因此结合荧光寿命成像可以提供颈部组织的荧光团(胶原蛋白、nadph、fad)的构象状态、它们与其他分子的结合状态，以及不同生物组织的微环境物理化学性质等差异，此成像不受激发光强度变化、光漂白等混杂因素影响，补充了实时成像信息，标记出癌变组织；两者的联合使用可以互补信息，提供生物组织结构、化学、功能以及组成特征、代谢表征的无标记信息，为甲状腺腔镜手术区分各解剖组织提供实时光学辅助定位。
35.在本发明的一些实施例中，所述荧光寿命激发光源110采用输出波长为375nm的第一激光器，所述拉曼激发光源120采用输出波长为785nm的第二激光器，所述白光光源130采用led灯管，所述led灯管通过led驱动器131与所述控制单元610连接。
36.其中，第一激光器采用375nm激光二极管，工作频率为20mhz，并通过一根直径为200μm的光纤(高oh 0.22na光纤，以最大限度地减少紫外线范围内的衰减)引导至甲状腺中央区区域淋巴结、脂肪组织等颈部组织，该光纤集成在一根四米长的定制四分叉阶跃折射率多模光纤中，光纤产生的模式色散约为400ps，入射到组织上的平均功率保持在20μw以下。
37.如图4、图5所示，在本发明的一些实施例中，所述内镜探头200包括外壳以及设置在所述外壳内的一根荧光寿命发射光纤210、一根荧光寿命收集光纤220、一根拉曼激发光光纤230、多根拉曼收集光纤240、一根白色led发射光纤250和多根ccd彩色摄像光纤260，所述拉曼激发光光纤230与白色led发射光纤250位于中心位置，多根所述拉曼收集光纤240排布在所述拉曼激发光光纤230与白色led发射光纤250外侧，所述荧光寿命发射光纤210、荧光寿命收集光纤220成对设置且与多根所述ccd彩色摄像光纤260排布于多根所述拉曼收集光纤240的外侧。
38.进一步，在本发明的一些实施例中，所述内镜探头还包括设置在所述外壳内的
785nm长通滤光片270，所述785nm长通滤光片270位于多根所述拉曼收集光纤240前侧，可有效以抑制激光污染。
39.结合图2所示，在本发明的一些实施例中，所述荧光寿命图像信号采集模块300包括分光谱单元310和信号采集单元；所述分光谱单元310包括依次设置的机械快门s1、平凸透镜l1、短通滤波片f1、第一二向色镜dm1以及第一长通滤波片f2和第二长通滤波片f3，所述第一长通滤波片f2、第二长通滤波片f3分别位于所述第一二向色镜dm1的反射光路和透射光路上；第一二向色镜dm1将荧光寿命光谱信号分成两个内源性荧光团光谱带ch1和ch2，其中ch1：438
±
12nm(f2光路，用于捕获来自胶原蛋白和nad(p)h的荧光)和ch2：534
±
10nm(f3光路，捕获来自fad和富含脂质的组织的荧光)。
40.所述信号采集单元包括第一光电倍增管321、第二光电倍增管322、路由器323、时间相关单光子计数采集卡324，所述第一光电倍增管321与所述第一长通滤波片f2的出射端对应，所述第二光电倍增管322与所述第二长通滤波片f3的出射端对应，所述第一光电倍增管321、第二光电倍增管322的输出端皆与所述路由器323连接，所述路由器323的输出端与所述时间相关单光子计数采集卡324连接，所述时间相关单光子计数采集卡324与所述图像处理单元620连接。通过连接到路由器323的第一光电倍增管321、第二光电倍增管321检测得到的光谱分辨荧光，路由器323将电子信号串行化到时间相关单光子计数采集卡324。
41.如图3所示，在本发明的一些实施例中，所述拉曼光谱信号采集模块400包括第二二向色镜410、甲状旁腺拉曼信号采集部420、颈部组织拉曼信号采集部430，所述甲状旁腺拉曼信号采集部420、颈部组织拉曼信号采集部430分别与所述第二二向色镜410的透射端、反射端对应；所述甲状旁腺拉曼信号采集部420包括依次设置的785nm激光滤波片421、第一带通滤光片422、第一聚光透镜423、第一荧光摄像机424；所述颈部组织拉曼信号采集部430包括依次设置的导向分光仪431、第二荧光摄像机432，导向分光仪431配备有600线/毫米光栅，可将颈部组织(淋巴结、脂肪组织)的自体荧光滤过，再由第二荧光摄像机432获取颈部组织的定位图像，所述第一荧光摄像机424和第二荧光摄像机432的输出端皆与所述图像处理单元620连接。其中，785nm激光滤波片421用来将785nm的激发光过滤而允许近红外荧光通过，第一带通滤光片422采用808nm带通滤光片422，只允许1/100的可见光和几乎所有长于808nm的红外光通过，所以在突出甲状旁腺荧光图像的同时可以给出甲状旁腺的相对位置信息，第一聚光透镜423采用85mm透镜聚焦到第一荧光摄像机424。
42.在本发明的一些实施例中，所述第二二向色镜410的前端设置有汇聚透镜440，由于照射在组织上的光波发生了散射，汇聚透镜440可以收集散射的光波。
43.在本发明的一些实施例中，所述主机600还包括与所述控制单元610连接的按键面板630，所述按键面板630设置有甲状旁腺定位键p1和病变组织定位键p2，所述甲状旁腺定位键p1用于启动并融合所述甲状旁腺的拉曼光谱信号与所述彩色图像，所述病变组织定位键p2用于启动并融合所述颈部组织的拉曼光谱信号、癌变组织荧光寿命图像信号与所述彩色图像。
44.工作时，启动p1键，拉曼激发光源120与白光光源130同时开启，再由甲状旁腺拉曼信号采集部420与彩色图像采集模块500分别采集甲状旁腺的拉曼光谱信号、彩色图像，由图像处理单元620进行处理，将甲状旁腺的拉曼光谱信号、彩色图像定准融合成清晰显示甲状旁腺位置的甲状腺区域组织合成图，并由图像处理单元620将不同时间节点的甲状腺区
域组织合成图在显示器以动态画面的形式实时显示，可供医生手术时避开甲状旁腺，以免误操作切除甲状旁腺。
45.启动p2键，需要荧光寿命激发光源110、拉曼激发光源120、白光光源130三者工作，为了避免荧光寿命信号的采集被光污染，拉曼激发光源120与白光光源130的led彩色照明输出时必须与时间相关单光子计数采集卡324采集异步呈现。机械快门s1即可用于阻隔两者采集时相，其以25hz的频率运行，当led点亮时快门关闭(关闭2ms，此时停止时间相关单光子计数采集卡324采集开启照明)，由颈部组织拉曼信号采集部430与彩色图像采集模块500分别采集颈部组织的拉曼光谱信号、彩色图像；当led关闭时快门打开，允许在此间隔内实现时间相关单光子计数采集卡324测量(保持打开约18ms，此时时间相关单光子计数采集卡324开始采集)，获取癌变组织荧光寿命图像信号。再由图像处理单元620进行处理，将颈部组织的癌变组织荧光寿命图像信号与拉曼光谱信号、彩色图像定准融合成清晰显示癌变组织的甲状腺区域组织合成图，并由图像处理单元620将不同时间节点的甲状腺区域组织合成图在显示器以动态画面的形式实时显示，可供医生手术时精准切除癌变组织(肿瘤)，以免误操作切除正常淋巴结。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。