多光譜分光融合外科手術引導系統的制作方法

專利名稱：多光譜分光融合外科手術引導系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于外科手術手術野目標定性定位的技術領域，具體涉及一種多光譜分光融合外科手術引導系統。
背景技術：
手術切除腫瘤，目前仍然是治療腫瘤的最有效方法。腫瘤的根治性手術是指對原發灶的廣泛切除，連同其周圍的淋巴結整塊切除。惡性腫瘤可以從局部向周圍組織浸潤和擴散，因此手術治療的原則是切除原發灶及可能受累的周圍組織，甚至切除一定范圍的正常組織，以免邊緣有癌細胞殘留。但手術切除的范圍過大，手術后有一定的后遺癥和功能障礙，所以腫瘤手術范圍是臨床外科醫生多年來一直在探討的問題，在醫學進一步發展的今天有必要深入研究。現代術中腫瘤定性定位的技術包括如下 1.淋巴示蹤劑
前哨淋巴結(sentinel lymph node, SLN)是最先接受腫瘤區域淋巴引流并最早發生腫瘤轉移的特異淋巴結，它接受原始的淋巴液，引流量最大，最容易含有轉移的腫瘤細胞。 SLN是癌細胞經淋巴轉移的第一道屏障。如果SLN無轉移，該區域其他淋巴結發生轉移的可能性很小。自1994年采用10 g · L-1的異硫藍進行乳腺癌前哨淋巴結活檢(Sentinel lymph node biopsy，SLNB)以來，各國醫生嘗試不同的活性染料以期達到最佳的SLNB效果。 目前SLNB的方法有核素法、染料法和二法聯合應用三種。染料法是一種重要的方法，選擇理想的染料作為淋巴示蹤劑是進一步提高SLNB成功率的重要保障。目前，SLNB中常用的淋巴示蹤劑有異硫藍、專利藍和亞甲藍。近年來，亞甲藍作為淋巴示蹤劑已廣泛應用于膀胱癌、乳腺癌、宮頸癌、結直腸癌、胃癌、甲狀腺乳頭狀癌、食管和骨科腫瘤等治療中。此外還有具有特異性淋巴示蹤作用的納米炭混懸液，該制劑是使用納米炭、聚乙烯吡咯烷酮和生理鹽水制備而成的納米混懸注射液，將其于腫瘤部位注射后，能夠迅速將周圍的淋巴結染色，從而進行淋巴結的清除，方便了臨床腫瘤治療。最新的淋巴結示蹤劑還有近紅外熒光量子點(Near-Infrared Fluorescent Quantum Dots)，在膀胱癌動物模型中應用表明，能夠更好地示蹤淋巴結M，但淋巴示蹤劑都僅用于單純的淋巴結示蹤，不能用于切緣的確定。2.放射性示蹤劑
T99m硫膠體等靜脈注射用一個手提式、探測器探查淋巴結并切除，也屬于淋巴示蹤劑的一種。3.冰凍切片
冰凍切片，比較熟悉，手術中醫生切除可疑的組織，取材后直接凍凍，經恒溫式冰凍切片機切片，冰凍固定液固定，HE染色。惡性診斷符合率大約95%以上。但冰凍切片需要切除組織送檢，醫師操作的靈活性差、實時性差、重復性差、時間較長等缺點。
就目前而言，術中立即明確腫瘤的范圍，識別微小轉移瘤灶，證實瘤體被完整切除還有許多困難，缺乏循證醫學的指標。如果術中使用X線能造成病人和醫護人員的損傷，大量造影劑引發毒副作用、超聲缺乏特異性、磁共振雖圖像清晰但設備笨重[1°]。腫瘤分子影像學的深入研究將有助于提高術中腫瘤識別的水平。4.術中成像技術
常規采用術前成像指導外科手術，然而由于術中病人體位的變化或環境變化帶來的解剖位置變化，導致術前圖像不能夠準確的引導甚至帶來誤導。因此，術中成像技術便得到快速發展，如術中磁共振成像、術中三維超聲、術中CT、術中三維C臂X光成像等。但對于精細無菌的外科開放手術而言，這些笨重的成像設備對外科手術有一定的影響。所以需要研究簡單、方便、快捷、靈活的術中成像技術。進一步分析近紅外光學成像技術的優點和不足生物體內的細胞或某種大分子標記熒光染料或報告基因時，應用體外特定波長的光波照射，穿過組織的光線，激發這些熒光材料發射熒光，體外光學影像設備攝取這些發射出的熒光，形成光學分子影像，這種光學分子影像將真實反映體內某種基因的表達或大分子的生物學特性，并動態記錄和顯示分子事件及其動力學過程。然而，近紅外光人眼看不到，需要特殊的光學成像系統，以近紅外熒光團為造影劑，當一種波長的近紅外光照射外科手術野時，手術野發射出另外一種波長的近紅外光，攝取這種發射的近紅外光可以精確確定近紅外熒光團的位置。當近紅外熒光團標記到活體細胞、組織和器官時，通過手術野中的近紅外光就可以顯示組織的結構和病變部位。目前吲哚青綠作為近紅外熒光顯影劑，采用近紅外光成像已經在乳腺癌、胃癌和結腸癌的臨床治療中應用。但是近紅外圖像只能顯示出目標的大致輪廓，目標與背景的對比度較低、邊緣模糊、細節無法分辨。

發明內容
本發明為了解決現有腫瘤定性定位技術存在上述的缺陷，而現有術中成像技術對于外科手術腫瘤定性定位技術也存在目標無法分辨等缺陷的問題，提供了一種多光譜分光融合外科手術引導系統。本發明采用如下的技術方案實現
一種多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于包括光源部分、分光攝像部分和圖像融合部分，
光源部分包括環形的白光LED和環形的近紅外LED ；
分光攝像部分包括近焦鏡頭、分光鏡片、中繼透鏡、濾光片以及將上述各部分連接在一起的鏡筒，鏡筒為避光材料制成；
所述的近焦鏡頭與分光鏡片配置于同一軸線上，分光鏡片的光入射角為45°，設置一片或一片以上；
分光鏡片所形成的第一個折射光路末端為彩色攝像CCD，其余光路末端為近紅外攝像 CCD，每個攝像CCD前面設置濾光片，近焦鏡頭和分光鏡片之間、分光鏡片與濾光片之間設置中繼透鏡；
圖像融合部分包括分別與近紅外攝像C⑶和彩色攝像CXD信號輸出端連接的若干臺視頻解碼器，各視頻解碼器的數據輸出端與融合處理板的數據輸入端連接，融合處理板的數據輸出端又與視頻編碼器的數據輸入端連接，視頻編碼器的數據輸出端與監視器的數據輸
5入端連接。白光LED的光亮度是40,000 lux，波長400 650nm，近紅外LED光強度4 mff/ cm2。近焦鏡頭為50mm f/0.95光圈。分光鏡片透射反射比是40/60。濾光片峰值透過率 T>90%，帶寬20nm。鏡筒固定于支架之上。支架固定于可移動的機械性橫臂上，支架回轉角度360度，具有六個自由度運動。圖像融合方法為代表手術野的解剖學結構的彩色攝像CCD攝取的可見光彩色圖像，和代表手術野的血管、淋巴管、淋巴結和被熒光染料標記的腫瘤組織的近紅外攝像CXD 攝取的近紅外圖像融合，具體步驟如下
1)、采用雙線性插值法對彩色圖像數據進行重采樣，獲得與全色圖像P大小相同的重彩色圖像[R，G，B]；
2)、采用算數平均法計算重彩色圖像[R，G，B]的強度分量；
所述重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量用下列公式表示為
3)、根據公式
式中Pt為調整后的全色圖像，μ ρ為原始全色圖像P的均值，σ ρ為原始全色圖像ρ的方差，μ I為采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量I的均值，σ I為重樣彩色圖像[R，G，B] 的強度分量I的方差
采用重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量的均值和方差調整全色圖像P的均值和方差，使調整后的全色圖像Pt的均值和方差于重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量的均值和方差匹配；
4)、將重樣彩色圖像[R，G，B]分量分別與(Pt-I)相加，獲得最終的彩色圖像[Re，Ge, Be]，所述的最終的彩色圖像[Re，Ge，Be]用公式表示 本發明的原理本發明涉及多光譜圖像實時融合外科手術引導的方法主要用于精準定位手術野中的血管、淋巴管、淋巴結和被熒光染料標記的腫瘤組織。針對可見光圖像對比度相對較高，目標包含一定的細節信息，但在黑暗背景下具有不易觀察的隱蔽性，而紅外圖像顯示出目標的大致輪廓，目標與背景的對比度較低、邊緣模糊、細節無法分辨，本發明采用光學技術向外科手術野照射可見光和特定波段的近紅外光，通過分光攝像系統攝取手術野的解剖學彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學圖像，再采用圖像融合技術將同一視野同一時刻的圖像重疊融合，使目標圖像更加清晰。具體來說采用分光鏡技術將手術野發射和反射的光分為可見光和近紅外光，彩色CCD攝取紅、綠、藍的多光譜彩色影像，近紅外 CCD攝取近紅外影像，兩路已配準和同步的可見光與紅外模擬視頻信號經視頻解碼器形成數字信號，DSP通過視頻口讀入并進行融合處理，待處理的圖像和中間結果存放在片外大容量SDRAM中；融合處理后的數據通過視頻口進入視頻編碼器，輸出到監視器上，融合后的數據存儲在計算機硬盤。本發明所述的融合方法將彩色多光譜圖像和近紅外圖像進行實時融合，使融合圖像具有很高的空間細節表現能力和豐富的光譜信息，從而增強對圖像實時判讀的可靠性和認識能力，提高數據分類和目標識別的準確性。本發明的有益效果采用分光攝影分別攝取了手術野的解剖學彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學圖像，并可以分別顯示；采用圖像融合，能夠精準定位顯示手術野中的血管、淋巴管、淋巴結和被熒光染料標記的腫瘤組織。本發明可以應用于生物活體近紅外熒光成像的研究，人體腫瘤外科切除術中殘余腫瘤的探查和識別、多種腫瘤前哨淋巴結定位、外科手術術中近紅外熒光膽道造影和肝葉區分、心血管外科術中評估冠狀動脈搭橋術效果、 腦血管外科術中腦血管畸形的確定，以及整形外科穿支皮瓣的監測等，使現代外科發生根本的改變。


圖1為本發明的組成圖，
圖2為分光攝像裝置結構示意圖， 圖3為實施例1中的可見光圖像， 圖4為近紅外線圖像， 圖5為圖3和4融合后的圖像，
圖中1-近焦鏡頭，2-分光鏡片，3-中繼透鏡，4-濾光片，5-彩色攝像(XD，6-鏡筒， 7-近紅外攝像CCD，8-白光LED，9-近紅外LED。
具體實施例方式結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。實施例
多光譜分光融合外科手術引導系統，包括光源部分、分光攝像部分和圖像融合部分， 光源部分包括環形的白光LED8和環形的近紅外LED9。白光LED，光亮度是40，000 lux,波長400 650nm，主要使手術野明亮清晰；近紅外LED激發光源，光強度4 mff/cm2光源采用環型LED排列，所有LED都采用高度集成的LED驅動器控制，保持輸出功率穩定。分光攝像部分包括近焦鏡頭1、分光鏡片2、中繼透鏡3、濾光片4以及將上述各部分連接在一起的鏡筒6，鏡筒6為避光材料制成。近焦鏡頭1，近焦鏡頭要求為50mm f/0. 95超大光圈，要攝取手術野的圖像，距離一般是20-50厘米，太遠太近都不適合，所以需要近焦鏡頭。分光鏡片2 將從手術野的光線分為可見光和近紅外光，分光鏡片2的功能是將一部分光反射，一部分光透射，也可以根據需要分成不同的波段，不同的光走不同光路；分光鏡片透射反射比是40/60，光入射角是45°，根據需要可以一片或多片。濾光片4 在每一個光路的末端及攝像CXD的前面，放置相應的熒光截止濾光片； 截止波長根據需要選擇，采用窄帶濾光片，峰值透過率T>90%，帶寬20nm。中繼透鏡3 在近焦鏡頭1與分光鏡片2之間，分光鏡片2和攝像CXD之間有中繼透鏡3。
攝像CXD : 2臺以上，分光鏡片2所形成的第一個折射光路末端為彩色攝像CXD 5，攝取手術野的解剖學圖像，接受通過第一片分光鏡反射的光，其余光路末端為近紅外攝像CXD 7依次類推。(本實施例以2臺為例)
鏡筒6 鏡筒6由避光材料制成，將鏡頭、分光鏡、中繼透鏡和攝像CXD連接在一起。整體鏡筒將被固定在一個支架上，攝像C⑶的點信號通過連線傳出。支架固定于可移動的機械性橫臂上，支架回轉角度360度，具有六個自由度運動，可實現鏡頭的前后、左右、上下的電動俯仰及旋轉移動，使醫生能得到最佳的觀察角度。圖像融合部分包括分別與近紅外攝像CXD和彩色攝像CXD信號輸出端連接的若干臺視頻解碼器，各視頻解碼器的數據輸出端與融合處理板的數據輸入端連接，融合處理板的數據輸出端又與視頻編碼器的數據輸入端連接，視頻編碼器的數據輸出端與監視器的數據輸入端連接。工作步驟如下
1、通過外科手術暴露腫瘤所在器官或位置，如圖3；
2、將系統的攝像頭對準手術野，顯示圖3；
3、在腫瘤周圍注射近紅外熒光劑；
4、啟動系統攝像開關，通過分光攝像頭攝取圖3和4，及可見光圖像和近紅外圖像，可見光為外科手術野解剖結構圖，圖4為淋巴結近紅外影像，但圖4很難判斷其解剖部位；
5、同時系統采用圖像融合技術，顯示圖5；
6、圖5非系統直接攝取，而是圖3和4的融合；
7、醫生就可以通過圖5準確判斷腫瘤和區域淋巴結的解剖部位，指導外科醫生徹底切除病灶。
權利要求
1.一種多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于包括光源部分、分光攝像部分和圖像融合部分，光源部分包括環形的白光LED和環形的近紅外LED ；分光攝像部分包括近焦鏡頭(1)、分光鏡片(2)、中繼透鏡(3)、濾光片(4)以及將上述各部分連接在一起的鏡筒(6)，鏡筒(6)為避光材料制成；所述的近焦鏡頭(1)與分光鏡片(2)設置于同一軸線上，分光鏡片(2)的光入射角為 45°，設置一片或一片以上；分光鏡片(2)所形成的第一個折射光路末端為彩色攝像CCD，其余光路末端為近紅外攝像CXD (7)，每個攝像CXD前面設置濾光片(4)，近焦鏡頭(1)和分光鏡片(2)之間、分光鏡片(2)與濾光片(4)之間設置中繼透鏡(3)；圖像融合部分包括分別與近紅外攝像C⑶和彩色攝像CXD信號輸出端連接的若干臺視頻解碼器，各視頻解碼器的數據輸出端與融合處理板的數據輸入端連接，融合處理板的數據輸出端又與視頻編碼器的數據輸入端連接，視頻編碼器的數據輸出端與監視器的數據輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于白光LED的光亮度是40，000 lux,波長400 650nm,近紅外LED光強度4 mW/cm2。
3.根據權利要求1所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于近焦鏡頭(1)為50mm f/0. 95 光圈。
4.根據權利要求1所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于分光鏡片(2)透射反射比是40/60。
5.根據權利要求1所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于濾光片(4) 峰值透過率T>90%，帶寬20nm。
6.根據權利要求1所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于鏡筒(6)固定于支架之上。
7.根據權利要求6所述的多光譜分光融合外科手術引導系統，其特征在于支架固定于可移動的機械性橫臂上，支架回轉角度360度，具有六個自由度運動。
8.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的多光譜分光融合外科手術弓I導系統，其特征在于圖像融合方法為代表手術野的解剖學結構的彩色攝像CCD攝取的可見光彩色圖像，和代表手術野的血管、淋巴管、淋巴結和被熒光染料標記的腫瘤組織的近紅外攝像CXD攝取的近紅外圖像融I=I，具體步驟如下1)、采用雙線性插值法對彩色圖像數據進行重采樣，獲得與全色圖像P大小相同的重彩色圖像[R，G，B]；2)、采用算數平均法計算重彩色圖像[R，G，B]的強度分量；所述重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量用下列公式表示為3)、根據公式式中Pt為調整后的全色圖像，μ ρ為原始全色圖像P的均值，σ ρ為原始全色圖像P的方差，μ I為采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量I的均值，σ I為重樣彩色圖像[R，G，B] 的強度分量I的方差采用重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量的均值和方差調整全色圖像P的均值和方差，使調整后的全色圖像Pt的均值和方差于重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強度分量的均值和方差匹配；4)、將重樣彩色圖像[R，G，B]分量分別與(Pt-I)相加，獲得最終的彩色圖像[Re，Ge, Be]，所述的最終的彩色圖像[Re，Ge，Be]用公式表示
全文摘要
本發明屬于外科手術手術野目標定性定位的技術領域，具體是一種多光譜分光融合外科手術引導系統，解決了現有術中成像技術對于外科手術腫瘤定性定位技術存在目標無法分辨的問題。其包括光源部分、分光攝像部分和圖像融合部分，光源部分包括環形的白光LED、近紅外LED；分光攝像部分包括近焦鏡頭、分光鏡片、中繼透鏡、濾光片以及鏡筒；圖像融合部分包括分別與近紅外和彩色攝像CCD信號輸出端連接的若干臺視頻解碼器。本發明的有益效果采用分光攝影分別攝取了手術野的解剖學彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學圖像，并分別顯示；采用圖像融合，能夠精準定位顯示手術野中的血管、淋巴管、淋巴結和被熒光染料標記的腫瘤組織。
文檔編號A61B19/00GK102397106SQ20111029237
公開日2012年4月4日 申請日期2011年10月3日 優先權日2011年10月3日
發明者楊曉峰 申請人:楊曉峰