一种内窥镜光学系统、内窥镜系统及图像采集方法与流程

本发明涉及内窥镜，特别是涉及一种内窥镜光学系统、内窥镜系统及图像采集方法。

背景技术：

1、医用内窥镜具体运用为经口腔或其他天然孔道进入体以观察人体内部特征。医用内窥镜的系统组成一般包括周边设备以及镜体，所述周边设备包括显示设备、图像处理设备以及冷光源等。其中，外科用内窥镜的镜体主要为硬质内窥镜，硬质内窥镜与冷光源通过导光软管连接，镜体的头端设置有作为所述导光软管光线输出端的照明通道、用于进行前方图像成像的物镜和设置在物镜后方的图像传感器。依据实现方案不同，图像传感器可设置在镜体的头端部，也可以设置在镜体后方，与镜体分离的摄像系统中。

2、荧光内窥镜是一种被临床广泛使用的内窥镜产品，区别于传统内窥镜，其工作特点包括：通过照射激发光诱发光敏剂或组织发射荧光，通过滤光片实现单色图像采集，而后由计算机转换为荧光图像并显示图像各点的伪彩色。

3、常见的，荧光内窥镜成像可分为以下几种方式：

4、方式一、采用同一个图像传感器进行成像，照明光源是可见光和荧光进行分时输出。同一个图像传感器分时采集可见光图像和荧光图像，最终进行图像融合。

5、方式二、在光学硬质内窥镜下，一般是光学镜与摄像头的组合，摄像头内放置2个或2个以上的图像传感芯片，同时进行信号采集，并且，其中一个图像传感芯片单独采集荧光图像，另外一个或几个图像传感芯片采集可见光图像(自然光图像)，最终进行图像融合。该方式的具体现有技术如公开(公告)号为cn115844311a的专利申请文件所述。

6、方式三、在电子硬质内窥镜下，一般是光学镜头与图像传感芯片的组合，一般设置有2个图像传感芯片，且可见光镜头和图像传感芯片都放置在镜体的头端部。该方式的具体现有技术如公开(公告)号为cn218356171u的专利申请文件所述。

7、关于内窥镜光学系统的其他方案，还包括如公开(公告)号为cn114468950a、wo2023045146a1等专利文献所公开的方案。

8、为使得内窥镜能够更好的服务于医疗事业，有必要对内窥镜的光学系统进行进一步优化。

技术实现思路

1、针对上述提出的对内窥镜的光学系统进行进一步优化的技术问题，本发明提供了一种内窥镜光学系统、内窥镜系统及图像采集方法。本方案的结构设计对内窥镜使用安全性有利、对内窥镜成像效果有利、对内窥镜使用成本有利。

2、针对上述问题，本发明提供的一种内窥镜光学系统、内窥镜系统及图像采集方法通过以下技术要点来解决问题：一种内窥镜光学系统，包括用于实现荧光成像的第二图像传感器、用于实现可见光成像的第一图像传感器，还包括设置在内窥镜的头端部中的物镜、分光装置，所述物镜收集来自生物组织的光线，分光装置将所述光线分光为荧光以及可见光，

3、所述第二图像传感器设置在所述头端部中并接收所述荧光；

4、还包括用于传输成像光线的中继系统，所述中继系统的输入端接收所述可见光并将可见光传递至第一图像传感器，所述第一图像传感器设置在头端部以及镜体管的外部。

5、现有技术中，以上方式一在具体实施时，由于对于生物组织采用的为分时照明、图像信息分时采集，存在图像帧率较低，容易造成图像拖影和图像融合不佳的问题；以上方式二为业内的常规方式，第一传感器板以及第二传感器板均设置在内窥镜摄像头中，所述内窥镜摄像头位于操作手柄上，在该方式中，图像传感芯片放置在相对于镜体为外部结构的摄像头内，对设计尺寸要求不高，空间容易满足图像传感芯片安装要求，故可以选择高性能的图像传感芯片，以获得较好的图像效果，但图像传感芯片成本较高；以上方式三在具体运用时，由于头端部的尺寸限制图像传感芯片只能选择小靶面芯片，相对大尺寸的图像传感器而言，图像采集质量较差。

6、针对内窥镜光学系统设计，本方案提供一种对内窥镜使用安全性有利、对内窥镜成像效果有利、对内窥镜使用成本有利的结构设计。具体的：

7、本方案为一种荧光内窥镜，以上荧光成像即为：在诱发光源/激发光源照射并诱发生物组织或光敏剂产生荧光后，采集所述荧光并获得荧光图像，在具体实施时，采用图像传感器捕捉荧光；所述可见光即为：在可见光光源的照射下，采集所述可见光并获得可见光图像，在具体实施时，多采用白光光源或可见窄带光照射生物组织并通过图像传感器采集图像。在具体工作时，物镜接收前方的光线并传递至分光装置，分光装置将光线分光为荧光以及可见光并沿不同光路传播，第二图像传感器接收荧光并实现荧光成像，中继系统接收可见光并进一步将可见光传递至第一图像传感器，第一图像传感器实现可见光成像。

8、本方案中，设置为采用分光装置以及包括第一图像传感器以及第二图像传感器，可实现荧光成像与可见光成像能够同步进行，避免出现图像拖影和图像融合不佳等问题。

9、本方案中，设置为第二图像传感器位于头端部中，第一图像传感器设置在头端部以及镜体管的外部，这样，用于荧光传递的光路具有较短的光路距离，用于安装第一图像传感器的空间不受镜体尺寸以及头端部尺寸的限制，第一图像传感器可以采用高性能、大靶面(图像传感器尺寸)的芯片，保障可见光成像的图像清晰度以及图像质量，相较于现有技术，这样的设置方式的具体特点为：内窥镜的荧光成像中，光学图像分辨率主要由可见光(比如白光)光路提供，故对可见光光路的成像清晰度要求较高，将用于可见光成像的第一图像传感器设置在头端部以及镜体管的外部，在进行第一图像传感器选型或者设计时，头端部以及镜体管的尺寸并不构成对第一图像传感器的靶面尺寸限制，采用较大靶面的第一图像传感器可获得光学图像分辨率较高的图像，达到保障光学图像清晰度以及图像质量的目的；荧光成像主要用于观察病灶的边界暨外轮廓，对成像细节分辨率要求不高，但希望接收到较强的荧光信号，从而能够更好定义边界轮廓，本方案中，荧光信号只经过物镜以及分光装置即成像在第二图像传感器上，物镜的光学系统f#比(有效焦距(efl)与有效孔径(epd)之间的比值)光学镜整体系统(内窥镜光学系统整体)的f#小，这样，对于设置在头端部中的第二图像传感器，荧光信号的传递效率会大大增强，在传递效率可得到保障的前提下，内窥镜系统的荧光激发光功率可以适当降低，对于患者，达到增加内窥镜系统使用安全性的目的，同时，由于荧光图像只要求图像边界清晰及荧光强度较高，对图像的细节分辨率要求不高，故将第二图像传感器设置在头端部中，即使头端部的尺寸限制了仅可以选择小靶面的第二图像传感器，第二图像传感器也能够满足荧光成像要求，相对而言，小靶面的第二图像传感器成本较低，从制造和使用角度均对成本控制有利。

10、作为所述内窥镜光学系统更进一步的技术方案：

11、所述分光装置为分光棱镜，所述分光棱镜的前端与物镜的后端相接，可见光由分光棱镜的后端输出，荧光由分光棱镜的侧面输出，第二图像传感器设置在分光棱镜的侧面。本方案中提供了一种具体的分光装置设置方式，具体为分光棱镜透射可见光反射荧光。采用分光棱镜作为所述分光装置，为一种尺寸小、适合头端部空间要求的方案，同时为一种性能可靠的方案，采用侧面输出荧光、后端输出可见光的方案，为一种方便布设分光装置与第二图像传感器的相对位置、方便可见光通过中继系统继续向第一图像传感器传递的方案。比如，设置为中继系统采用棒镜组作为光路路径，棒镜组的前端与分光装置的后端相接并向第一图像传感器所在位置延伸。

12、所述中继系统包括棒镜组，所述棒镜组由镜体管内侧沿着镜体管延伸，所述第一图像传感器设置在内窥镜的操作手柄中或周边设备中。本方案提供了一种中继系统的具体实现方式，具体为棒镜组的前端与分光装置相接以接收可见光，后端输出的光线作用于第一图像传感器上以实现可见光成像，棒镜组作为镜体管内的内藏物。所述棒镜组即为棒镜系统，包括由分光装置至第一图像传感器、沿着镜体管延伸方向依次排布的多个镜组，当第一图像传感器设置在周边设备中时，镜体管至周边设备的可见光传递依然采用镜组实现，所述镜组可设置为包括沿光路依次排布的前方透镜组和后方透镜组，以实现物镜采集的来自生物组织的可见光在第一图像传感器上清晰成像。作为本领域技术人员，所述操作手柄即为与镜体管后端刚性连接的部件，该部件相对于镜体管以及头端部具有更大的尺寸，满足设置大靶面第一图形传感器要求，所述周边设备为其他外部设备，可以是内窥镜的手持摄像系统，也可以是放置光源、图像处理器、显示屏的地面平台或桌面平台。

13、所述中继系统包括棒镜组以及设置在棒镜组输出端的转接镜，棒镜组输出的可见光经所述转接镜成像于第一图像传感器上，转接镜用于增加所述可见光成像后的图像大小。本方案中提供了一种具体的中继系统实现方式以及中继系统对第一图像传感器的光线作用方式，所述棒镜组用于接收和传递可见光，所述转接镜用于改变光线经棒镜组输出后的照射角度，即改变光路，以实现：光线经过棒镜组后端输出后，能够较好覆盖具有较大靶面的第一图像传感器，利用第一图像传感器上更大的像面实现可见光成像，实现高分辨率成像。

14、还包括光源，所述光源包括用于发出可见光的第一光源以及用于发出激发光的第二光源，所述激发光用于激发生物组织发出荧光；

15、还包括聚焦模块以及照明光纤，所述第一光源以及第二光源所发出的光通过聚焦模块传递至照明光纤，所述照明光纤用于将光源发出的光照射至生物组织。本方案提供了一种具体的光源实现方式，相关可见光以及激发光通过聚焦模块作用于照明光纤的输入端，而后经照明光纤作用于生物组织上，可使得同一时刻可见光与激发光作用于生物组织的相同位置，对荧光成像图像、可见光成像图像两者进行图像融合后得到的融合图像成像质量有利。

16、还包括目镜系统，所述可见光通过中继系统传递至目镜系统；

17、所述第一图像传感器设置在所述目镜系统中。本方案提供了一种具体第一图像传感器设置位置，采用该方案，可采用同一中继系统传递可见光至目镜系统以及第一图像传感器。

18、所述目镜系统包括目镜，所述可见光通过中继系统传递至所述目镜；

19、还包括转接镜，所述第一图像传感器通过转接镜采集来自目镜的可见光。本方案提供了一种具体的可见光光路，该光路中可见光经过目镜、转接镜后传递至第一图像传感器，用于实现：通过第一图像传感器获得的图像与目镜观察到的图像具有相同或相近的图像形式。

20、本方案还公开了一种内窥镜系统，包括如上任意一项所述的内窥镜光学系统。作为本领域技术人员，所述内窥镜系统为采用所述内窥镜光学系统的内窥镜系统，为所述内窥镜光学系统在内窥镜上的具体运用。

21、本方案还公开了一种内窥镜图形采集方法，方法采用如上任意一项所述的内窥镜光学系统采集生物组织的图像，其中：

22、利用所述第二图像传感器实现荧光成像；

23、利用所述第一图像传感器实现可见光成像。

24、作为所述内窥镜图形采集方法更进一步的技术方案：

25、将荧光成像获得的荧光图像与可见光成像获得的可见光图像进行图像融合后输出。

26、本发明具有以下有益效果：

27、本方案中，所述内窥镜系统包括所述光学系统，所述图像采集方法基于所述光学系统。本方案中，设置为第二图像传感器位于头端部中，第一图像传感器设置在头端部以及镜体管的外部，这样，用于荧光传递的光路具有较短的光路距离，荧光传递效率高，可用于优化激发光的功率需求，达到利于使用安全性的目的，同时，第二图像传感器的设置位置对第二图像传感器尺寸提出的要求下，第二图像传感器仍然可以采集到符合要求的荧光图像；本方案中，用于安装第一图像传感器的空间不受镜体尺寸以及头端部尺寸的限制，第一图像传感器可以采用高性能、大靶面(图像传感器尺寸)的芯片，保障可见光成像的图像清晰度以及图像质量，对光学图像分辨率有利。