層析內窺顯微光譜成像裝置的制作方法

本發明涉及醫療器械領域，更具體地涉及一種層析內窺顯微光譜成像裝置。

背景技術：

腫瘤是嚴重威脅人類健康的重大疾病。近三十年，全球癌癥(惡性腫瘤)發病數以年均3％～5％的速度遞增，癌癥已成為人類最重要的死因之一。目前臨床研究發現，腫瘤早期不伴轉移，容易切除，因此，腫瘤的早期發現、早期診斷是提高腫瘤治療水平、降低治療成本、提高愈后生活質量的關鍵。大量研究表明90％以上的腫瘤來源于上皮細胞的病變，且在癌癥發生發展過程中會發生分子和細胞水平的變異。基于光纖束的高分辨率光學內窺成像技術，能達到微米或者亞微米的分辨率，使內鏡放大倍數達1000倍，相對于其他醫學成像技術(如ct、mri、pet等)具有無損、實時、在體檢測微小腫瘤性病變等技術優勢，能夠更好地提高腫瘤的早期診斷率。內窺成像的探頭端可深入到活體內部，完成微米級在體實時無損檢測，實現無需取樣的“在體活檢”，為早期細胞分子病變探測帶來新的技術手段。

技術實現要素：

考慮到上述問題而提出了本發明。本發明提供了一種層析內窺顯微光譜成像裝置，包括光發射單元、結構光單元、轉向單元和探測單元，其中所述光發射單元用于發射光束；所述結構光單元用于將所述光束轉變為結構光；所述轉向單元用于轉向所述結構光并透過樣品的熒光；以及所述探測單元用于采集所述熒光并形成所述樣品的空間圖像和光譜信息。

示例性地，所述光發射單元包括：光源，用于發射準直光束；以及擴束組件，設置在所述光源的出口處，用于將所述準直光束擴束。

示例性地，所述擴束組件包括依次設置的窄帶濾光器和擴束器，其中所述窄帶濾光器用于對所述準直光束進行濾光；所述擴束器用于對濾光后的光束進行擴束。

示例性地，所述轉向單元為二向色鏡。

示例性地，所述結構光單元包括：數字微鏡裝置；或者空間光調制器；或者光柵和控制所述光柵移動的驅動器。

示例性地，所述裝置還包括設置在所述轉向單元下游的內窺單元，所述內窺單元用于將轉向的光束傳導并聚焦到樣品上、并接收樣品發出的熒光；所述熒光經所述轉向單元后由所述面陣探測單元采集。

示例性地，所述內窺單元包括耦合物鏡和成像光纖束，其中：所述耦合物鏡設置在所述成像光線束的一端，用于將所述聚焦的光束耦合進入所述光纖束的近端；以及所述成像光纖束用于傳導進入的光束。

示例性地，所述內窺單元還包括微型物鏡，所述微型物鏡設置在所述成像光線束的另一端，用于將所述光纖束傳導的光束聚焦到所述樣品上。

示例性地，所述探測單元包括面陣探測單元、光譜探測單元和切換控制單元，其中：所述面陣探測單元，用于采集熒光并形成樣品的空間圖像；所述光譜探測單元，用于采集熒光并形成樣品的光譜信息；所述切換控制單元，用于對所述面陣探測單元和所述光譜探測單元進行切換選擇。

示例性地，所述探測單元還包括第一聚焦透鏡，所述第一聚焦透鏡設置在所述面陣探測單元與所述切換控制單元之間，用于將所述樣品發出的熒光聚焦到所述面陣探測單元。

示例性地，所述光譜探測單元為光譜相機。

示例性地，所述探測單元還包括第二聚焦透鏡，所述第二聚焦透鏡設置在所述光譜探測單元與所述切換控制單元之間，用于將所述樣品發出的熒光聚焦到所述光譜探測單元。

示例性地，所述光譜探測單元包括依次設置的棱鏡-光柵-棱鏡、匯聚透鏡和面陣探測器，其中所述棱鏡-光柵-棱鏡用于對所述轉向單元透射的熒光進行色散分光；所述匯聚透鏡用于將色散分光后的熒光聚焦到所述面陣相機的光敏面上；所述面陣探測器用于形成所述光譜信息。

示例性地，所述探測單元還包括依次設置在所述切換控制單元和所述光譜探測單元之間的第二聚焦透鏡和準直透鏡，其中所述第二聚焦透鏡用于將所述樣品發出的熒光聚焦；以及所述準直透鏡用于對通過聚焦后的熒光進行準直。

示例性地，所述探測單元還包括設置在所述第二聚焦透鏡下游的長通濾光器，用于濾除雜散光。

該層析內窺顯微光譜成像裝置采用面光源對樣品進行激發，并使用探測單元對樣品激發光探測，可以大大提高組織分子的成像速度，可實現實時空間成像，還可以獲取樣品的光譜信息。在層析內窺顯微光譜成像裝置中使用結構光重建技術，解決了寬場成像本身由于聚焦平面上下層背景光的干擾而造成的圖像模糊問題。

附圖說明

通過結合附圖對本發明實施例進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特征和優勢將變得更加明顯。附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中，相同的參考標號通常代表相同或相似部件或步驟。

圖1示出了根據本發明的一個實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置的示意性框圖；

圖2示出了根據本發明的第一組具體實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置的示意性框圖；以及

圖3示出了根據本發明的第一組具體實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置的光路示意圖；

圖4示出了根據本發明的第二組具體實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置的示意性框圖；以及

圖5示出了根據本發明的第二組具體實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置的光路示意圖。

具體實施方式

為了使得本發明的目的、技術方案和優點更為明顯，下面將參照附圖詳細描述根據本發明的示例實施例。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是本發明的全部實施例，應理解，本發明不受這里描述的示例實施例的限制。基于本發明中描述的本發明實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動的情況下所得到的所有其它實施例都應落入本發明的保護范圍之內。

圖1示意性地示出了根據本發明一個實施例的層析內窺顯微光譜成像裝置100的框圖。該層析內窺顯微光譜成像裝置100包括光發射單元110、結構光單元150、轉向單元120和探測單元140。該層析內窺顯微光譜成像裝置100可廣泛應用于消化道、呼吸道等各個部位的組織分子成像，實現腫瘤的早期診斷。

光發射單元110用于發射光束。在一個具體實施例中，如圖2-3所示，光發射單元110可以包括光源112和擴束組件114。光源112用于發射準直光束。光源112可以為發射特定波長的準直激光的激光器。所述特定波長范圍可以為20nm-2000nm。該波長范圍內的激光可以激發大范圍的熒光體。光源112可以為量子阱激光器、固態激光器、氣體激光器(例如氬離子激光器)或者激光二極管。擴束組件114設置在光源112的出口，用于將光源112發出的準直光束擴束。在一個優選實施例中，擴束組件114可以包括依次設置的窄帶濾光器(未示出)和擴束器。窄帶濾光器用于對光源112發出的準直光束進行濾光。窄帶濾光器可以過濾出所需波長的光，例如允許500nm-600nm的光線透過窄帶濾光器，用于激發大范圍的熒光。擴束器可以包括兩個擴束透鏡l1、l2，參見圖,3，它們相互配合將經過窄帶濾光器的光束進行擴束，以改變準直光束的直徑。

結構光單元150用于將光發射單元110發射的光束轉變為結構光，后文將對結構光單元150的多個實施例進行詳細描述。

轉向單元120位于結構光單元150的下游，用于轉向結構光單元150形成的結構光，并且能夠使樣品的熒光透射。在附圖中，實線用于表示光發射單元110發出的光束，虛線用于表示樣品受激發出的熒光。轉向單元120用于分離結構光單元150產生的結構光和樣品激發產生的熒光。轉向單元120對熒光的透射率可以達到90％以上，而對于其他波長的光基本上全部反射。于是，結構光單元150產生的結構光在經過轉向單元120時被反射到內窺單元130。沿與光束相同的光路返回的熒光在經過轉向單元120時幾乎全部透射，并傳導至探測單元140。滿足上述條件的轉向單元120可以為二向色鏡。優選地，該二向色鏡的波長范圍可以在40nm-2200nm波長范圍內。

該層析內窺顯微光譜成像裝置100還包括設置在轉向單元120下游的內窺單元130。圖2-3示出了根據本發明一個具體實施例的快速組織分子光譜成像裝置200的光路圖和框圖。在圖2-3中與圖1相同或相似的部件采用了相同的附圖標記。下面將參照圖2-3詳細地描述根據本發明的具體實施例中的內窺單元130以及探測單元140的具體實現方式。

內窺單元130用于將轉向單元120轉向的光束傳導并聚焦到樣品上，并且接收樣品發出的熒光。該熒光經轉向單元120后由探測單元140采集。在一個優選實施例中，如圖3所示，內窺單元130可以包括耦合物鏡132、微型物鏡136、以及耦合在耦合物鏡132和微型物鏡136之間的成像光纖束134。耦合物鏡132用于將光束耦合(例如聚焦)進入成像光纖束134的近端(靠近操作人員的一端)。成像光纖束134用于將光束傳導至成像光纖束134的遠端(遠離操作人員的一端)。微型物鏡136用于將成像光纖束134傳導的激光聚焦到樣品的檢測面上。檢測面可以位于樣品表面以下的所需深度處。樣品的該檢測面處的熒光團受激發出熒光。熒光信號經過微型物鏡136收集，經成像光纖束134和耦合物鏡132傳導，穿過轉向單元120進入光譜探測單元140。成像光纖束134所包括的光線束的數量可以大于十根。微型物鏡136不是必須的。

聚焦平面上被光束照亮樣品發出的熒光被接收，探測單元140每次能夠形成一幅完整圖像，即該層析內窺顯微光譜成像裝置的成像速度為面陣探測單元140的成像速度，進而可快速實現可觀測的組織分子圖像。

探測單元140采集依次經內窺單元130和轉向單元120返回的熒光，并形成樣品的空間圖像和光譜信息。所述樣品的空間圖像包括樣品的檢測面的二維圖像。所述光譜信息包括樣品受激產生的熒光在不同波段的能量分布，用于幫助獲取組織信息(例如用于分析腫瘤)。

在一個具體實施例中，探測單元140可以包括面陣探測單元142、光譜探測單元144和切換控制單元146，如圖2-3所示。

面陣探測單元142用于采集熒光并形成樣品的空間圖像。面陣探測單元142可以為各種類型的面陣相機，例如ccd(電荷耦合元件)面陣相機或cmos(互補金屬氧化物半導體)面陣相機等。面陣探測單元142的成像速度在幾十幀到幾千萬幀的范圍內。優選地，該探測單元140還包括第一聚焦透鏡l3，第一聚焦透鏡l3設置在面陣探測單元142與切換控制單元146之間，如圖3所示，用于將樣品發出的熒光聚焦到面陣探測單元142，以成清晰像。

光譜探測單元144用于采集熒光并形成樣品的光譜信息，后文將對光譜探測單元144進行詳細描述。

切換控制單元146用于對面陣探測單元142和光譜探測單元144進行切換選擇，以選擇性地獲取空間圖像或光譜信息。切換控制單元146例如對熒光的傳輸路徑進行選擇性地切換，使熒光進入面陣探測單元142或光譜探測單元144。示例性地，切換控制單元146可以為反光鏡、數字微鏡裝置(dmd)或空間光調制器。其中，數字微鏡裝置可以通過控制通斷，實現光路的投射或反射。圖3中示意性地示出了使用數字微鏡裝置作為切換控制單元146的實施例。使用時，首先控制切換控制單元146導通使熒光透射，由面陣探測單元142進行空間成像，尋找到目標區域(例如腫瘤)；然后在期望對該目標區域進行具體分析時，控制切換控制單元146阻斷，將熒光反射至光譜探測單元144，由光譜探測單元144獲取該目標區域的光譜信息。對于切換控制單元146采用反光鏡或空間光調制器的情況，本領域的技術人員可以根據本申請公開的原理對光路進行變型。

在一個優選實施例(例如圖2-3所示的實施例)中，光譜探測單元144為光譜相機。光譜相機可以為現有的或未來可能出現的各種類型的光譜相機，例如，美國瑞桑南(resonon)公司的pikal型光譜相機、和芬蘭斯佰瑟姆(specim)公司的fx10型光譜相機等，只要能夠根據采集到的熒光形成樣品的空間圖像和光譜信息即可。優選地，該探測單元140還包括第二聚焦透鏡l4，第二聚焦透鏡l4設置在光譜探測單元144與切換控制單元146之間，如圖3所示，用于將樣品發出的熒光聚焦到光譜探測單元144，以獲取更加可靠的光譜信息。

在另一個優選實施例中，如示出另一組具體實施例的圖4-5所示，光譜探測單元144包括依次設置的棱鏡-光柵-棱鏡(pgp棱鏡)144a、匯聚透鏡144b和面陣探測器144c。當通過切換控制單元146切換至光譜功能后，pgp棱鏡144a用于對轉向單元120透射的熒光進行色散分光。匯聚透鏡144b用于將色散分光后的熒光聚焦到面陣探測器144c的光敏面上。匯聚透鏡144b的數量與所獲得的光譜的通道數有關，即期望得到更多通道的光譜圖像，則采用較多的匯聚透鏡。面陣探測器144c用于形成樣品的光譜信息。面陣探測器144c可以為各種類型的面陣相機，例如ccd(電荷耦合元件)面陣相機或cmos(互補金屬氧化物半導體)面陣相機等。面陣探測器144c的成像速度在幾十幀到幾千萬幀的范圍內。

進一步優選地，如圖5所示，檢測光路上，探測單元140優選地還包括第二聚焦透鏡l4和準直透鏡l5，它們在切換控制單元146與光譜探測單元144之間，沿著光路方向依次設置，如圖4-5所示。第二聚焦透鏡l4用于將樣品發出的熒光聚焦。準直透鏡l5用于對聚焦后的熒光進行準直。可選地，探測單元140還可以包括長通濾光器。長通濾光器(未示出)設置在第二聚焦透鏡l4和準直透鏡l5之間，用于濾除雜散光。

概括地說，光源112發出的準直光束，經擴束組件114擴束光束，由結構光單元150轉變為結構光，轉向單元120將該結構光折轉進入內窺單元130，內窺單元130將光束傳導至樣品，激發出熒光并傳遞回探測單元140，從而形成樣品的空間圖像和光譜信息。

示例性地，探測單元采集到的數據可以發送至計算機，由計算機接收并處理。此外，該計算機還可以對結構光單元、探測單元的曝光和增益、以及光發射單元的發射功率等進行控制。

結構光單元150設置在光發射單元110與轉向單元120之間，用于將光發射單元110發出的光束轉變為結構光。所述結構光屬于特征化后的光束。結構光單元150通過調制光的相位達到光波調制的目的。

在一個優選實施例中，結構光單元150可以包括光柵和控制該光柵移動的驅動器(例如馬達)。所述光柵可以為余弦光柵。光發射單元110發出的光束經過光柵投影到樣品上，形成結構光照明。當每個周期(即光柵移動周期)形成三幅源圖像時，每次移動光柵周期的1/3，相當于光柵圖案相移2π/3。同時探測單元140的曝光速度與光柵的移動同步。三次相移(0，2π/3，4π/3)得到樣品的三幅源圖像，再經過結構光重建獲得樣品的一幅層析圖像。舉例來說，如果期望達到的幀率為10幀/秒，則光柵需每秒移動30次，以形成30幅源圖像。此外，光柵也可以在一個周期內移動6次或9次等，對應地，每次相移光柵周期的1/6或1/9等。所述“結構光重建”的算法可以是現有的或未來可能出現的各種算法，由于結構光重建不屬于本發明的發明點，因此本發明不對其進一步詳細地描述。所述光柵可以為每毫米大于或等于10線對的光柵，例如10線對/毫米、20線對/毫米、30線對/毫米或40線對/毫米等。

在另一個優選實施例中，該結構光單元150也可以采用空間光調制器。空間光調制器可以在主動控制下調制光的相位進行光波調制。它可以方便地將信息加載到一維或二維的光場中，利用光的寬帶寬，多通道并行處理等優點對加載的信息進行快速處理。

在還一個優選實施例中，該結構光單元150也可以采用現有的各種數字微鏡裝置(dmd)。dmd是一種電子輸入、光學輸出的微機電系統(mems)，通過電子輸入對內部陣元的翻轉進行控制，以形成所期望的光柵，由此操作人員可借助該系統執行高速、高效及可靠的空間光調制。

在層析內窺顯微光譜成像裝置中使用結構光重建技術，解決了寬場成像本身由于聚焦平面上下層背景光的干擾而造成的圖像模糊問題。

盡管這里已經參考附圖描述了示例實施例，應理解上述示例實施例僅僅是示例性的，并且不意圖將本發明的范圍限制于此。本領域普通技術人員可以在其中進行各種改變和修改，而不偏離本發明的范圍和精神。所有這些改變和修改意在被包括在所附權利要求所要求的本發明的范圍之內。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的設備和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的設備實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個設備，或一些特征可以忽略，或不執行。

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

類似地，應當理解，為了精簡本發明并幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應將該本發明的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如相應的權利要求書所反映的那樣，其發明點在于可以用少于某個公開的單個實施例的所有特征的特征來解決相應的技術問題。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。

本領域的技術人員可以理解，除了特征之間相互排斥之外，可以采用任何組合對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的每個特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征來代替。

此外，本領域的技術人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發明的范圍之內并且形成不同的實施例。例如，在權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

應該注意的是上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，并且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本發明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當編程的計算機來實現。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式或對具體實施方式的說明，本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。