專利名稱：多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于外科手術(shù)手術(shù)野目標(biāo)定性定位的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
手術(shù)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(shù)是指對原發(fā)灶的廣泛切除，連同其周圍的淋巴結(jié)整塊切除。惡性腫瘤可以從局部向周圍組織浸潤和擴(kuò)散，因此手術(shù)治療的原則是切除原發(fā)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(xì)胞殘留。但手術(shù)切除的范圍過大，手術(shù)后有一定的后遺癥和功能障礙，所以腫瘤手術(shù)范圍是臨床外科醫(yī)生多年來一直在探討的問題，在醫(yī)學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的今天有必要深入研究?，F(xiàn)代術(shù)中腫瘤定性定位的技術(shù)包括如下 1.淋巴示蹤劑
前哨淋巴結(jié)(sentinel lymph node, SLN)是最先接受腫瘤區(qū)域淋巴引流并最早發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的特異淋巴結(jié)，它接受原始的淋巴液，引流量最大，最容易含有轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞。 SLN是癌細(xì)胞經(jīng)淋巴轉(zhuǎn)移的第一道屏障。如果SLN無轉(zhuǎn)移，該區(qū)域其他淋巴結(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)移的可能性很小。自1994年采用10 g · L-1的異硫藍(lán)進(jìn)行乳腺癌前哨淋巴結(jié)活檢(Sentinel lymph node biopsy，SLNB)以來，各國醫(yī)生嘗試不同的活性染料以期達(dá)到最佳的SLNB效果。 目前SLNB的方法有核素法、染料法和二法聯(lián)合應(yīng)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(jìn)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(lán)、專利藍(lán)和亞甲藍(lán)。近年來，亞甲藍(lán)作為淋巴示蹤劑已廣泛應(yīng)用于膀胱癌、乳腺癌、宮頸癌、結(jié)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(jié)染色，從而進(jìn)行淋巴結(jié)的清除，方便了臨床腫瘤治療。最新的淋巴結(jié)示蹤劑還有近紅外熒光量子點(diǎn)(Near-Infrared Fluorescent Quantum Dots)，在膀胱癌動物模型中應(yīng)用表明，能夠更好地示蹤淋巴結(jié)M，但淋巴示蹤劑都僅用于單純的淋巴結(jié)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(jié)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(shù)中醫(yī)生切除可疑的組織，取材后直接凍凍，經(jīng)恒溫式冰凍切片機(jī)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(yī)師操作的靈活性差、實時性差、重復(fù)性差、時間較長等缺點(diǎn)。
就目前而言，術(shù)中立即明確腫瘤的范圍，識別微小轉(zhuǎn)移瘤灶，證實瘤體被完整切除還有許多困難，缺乏循證醫(yī)學(xué)的指標(biāo)。如果術(shù)中使用X線能造成病人和醫(yī)護(hù)人員的損傷，大量造影劑引發(fā)毒副作用、超聲缺乏特異性、磁共振雖圖像清晰但設(shè)備笨重[1°]。腫瘤分子影像學(xué)的深入研究將有助于提高術(shù)中腫瘤識別的水平。4.術(shù)中成像技術(shù)
常規(guī)采用術(shù)前成像指導(dǎo)外科手術(shù)，然而由于術(shù)中病人體位的變化或環(huán)境變化帶來的解剖位置變化，導(dǎo)致術(shù)前圖像不能夠準(zhǔn)確的引導(dǎo)甚至帶來誤導(dǎo)。因此，術(shù)中成像技術(shù)便得到快速發(fā)展，如術(shù)中磁共振成像、術(shù)中三維超聲、術(shù)中CT、術(shù)中三維C臂X光成像等。但對于精細(xì)無菌的外科開放手術(shù)而言，這些笨重的成像設(shè)備對外科手術(shù)有一定的影響。所以需要研究簡單、方便、快捷、靈活的術(shù)中成像技術(shù)。進(jìn)一步分析近紅外光學(xué)成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足生物體內(nèi)的細(xì)胞或某種大分子標(biāo)記熒光染料或報告基因時，應(yīng)用體外特定波長的光波照射，穿過組織的光線，激發(fā)這些熒光材料發(fā)射熒光，體外光學(xué)影像設(shè)備攝取這些發(fā)射出的熒光，形成光學(xué)分子影像，這種光學(xué)分子影像將真實反映體內(nèi)某種基因的表達(dá)或大分子的生物學(xué)特性，并動態(tài)記錄和顯示分子事件及其動力學(xué)過程。然而，近紅外光人眼看不到，需要特殊的光學(xué)成像系統(tǒng)，以近紅外熒光團(tuán)為造影劑，當(dāng)一種波長的近紅外光照射外科手術(shù)野時，手術(shù)野發(fā)射出另外一種波長的近紅外光，攝取這種發(fā)射的近紅外光可以精確確定近紅外熒光團(tuán)的位置。當(dāng)近紅外熒光團(tuán)標(biāo)記到活體細(xì)胞、組織和器官時，通過手術(shù)野中的近紅外光就可以顯示組織的結(jié)構(gòu)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(jīng)在乳腺癌、胃癌和結(jié)腸癌的臨床治療中應(yīng)用。但是近紅外圖像只能顯示出目標(biāo)的大致輪廓，目標(biāo)與背景的對比度較低、邊緣模糊、細(xì)節(jié)無法分辨。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有腫瘤定性定位技術(shù)存在上述的缺陷，而現(xiàn)有術(shù)中成像技術(shù)對于外科手術(shù)腫瘤定性定位技術(shù)也存在目標(biāo)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(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)
一種多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，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(huán)形的白光LED和環(huán)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)據(jù)輸出端與融合處理板的數(shù)據(jù)輸入端連接，融合處理板的數(shù)據(jù)輸出端又與視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸入端連接，視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與監(jiān)視器的數(shù)據(jù)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(qiáng)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(jī)械性橫臂上，支架回轉(zhuǎn)角度360度，具有六個自由度運(yùn)動。圖像融合方法為代表手術(shù)野的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的彩色攝像CCD攝取的可見光彩色圖像，和代表手術(shù)野的血管、淋巴管、淋巴結(jié)和被熒光染料標(biāo)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(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)平均法計算重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量；
所述重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量用下列公式表示為
3)、根據(jù)公式
式中Pt為調(diào)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(qiáng)度分量I的均值，σ I為重樣彩色圖像[R，G，B] 的強(qiáng)度分量I的方差
采用重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量的均值和方差調(diào)整全色圖像P的均值和方差，使調(diào)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(qiáng)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(fā)明的原理本發(fā)明涉及多光譜圖像實時融合外科手術(shù)引導(dǎo)的方法主要用于精準(zhǔn)定位手術(shù)野中的血管、淋巴管、淋巴結(jié)和被熒光染料標(biāo)記的腫瘤組織。針對可見光圖像對比度相對較高，目標(biāo)包含一定的細(xì)節(jié)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(biāo)的大致輪廓，目標(biāo)與背景的對比度較低、邊緣模糊、細(xì)節(jié)無法分辨，本發(fā)明采用光學(xué)技術(shù)向外科手術(shù)野照射可見光和特定波段的近紅外光，通過分光攝像系統(tǒng)攝取手術(shù)野的解剖學(xué)彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學(xué)圖像，再采用圖像融合技術(shù)將同一視野同一時刻的圖像重疊融合，使目標(biāo)圖像更加清晰。具體來說采用分光鏡技術(shù)將手術(shù)野發(fā)射和反射的光分為可見光和近紅外光，彩色CCD攝取紅、綠、藍(lán)的多光譜彩色影像，近紅外 CCD攝取近紅外影像，兩路已配準(zhǔn)和同步的可見光與紅外模擬視頻信號經(jīng)視頻解碼器形成數(shù)字信號，DSP通過視頻口讀入并進(jìn)行融合處理，待處理的圖像和中間結(jié)果存放在片外大容量SDRAM中；融合處理后的數(shù)據(jù)通過視頻口進(jìn)入視頻編碼器，輸出到監(jiān)視器上，融合后的數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)硬盤。本發(fā)明所述的融合方法將彩色多光譜圖像和近紅外圖像進(jìn)行實時融合，使融合圖像具有很高的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力和豐富的光譜信息，從而增強(qiáng)對圖像實時判讀的可靠性和認(rèn)識能力，提高數(shù)據(jù)分類和目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的有益效果采用分光攝影分別攝取了手術(shù)野的解剖學(xué)彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學(xué)圖像，并可以分別顯示；采用圖像融合，能夠精準(zhǔn)定位顯示手術(shù)野中的血管、淋巴管、淋巴結(jié)和被熒光染料標(biāo)記的腫瘤組織。本發(fā)明可以應(yīng)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(shù)中殘余腫瘤的探查和識別、多種腫瘤前哨淋巴結(jié)定位、外科手術(shù)術(shù)中近紅外熒光膽道造影和肝葉區(qū)分、心血管外科術(shù)中評估冠狀動脈搭橋術(shù)效果、 腦血管外科術(shù)中腦血管畸形的確定，以及整形外科穿支皮瓣的監(jiān)測等，使現(xiàn)代外科發(fā)生根本的改變。


圖1為本發(fā)明的組成圖，
圖2為分光攝像裝置結(jié)構(gòu)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(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步說明。實施例
多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，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(huán)形的白光LED8和環(huán)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(shù)野明亮清晰；近紅外LED激發(fā)光源，光強(qiáng)度4 mff/cm2光源采用環(huán)型LED排列，所有LED都采用高度集成的LED驅(qū)動器控制，保持輸出功率穩(wěn)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(shù)野的圖像，距離一般是20-50厘米，太遠(yuǎn)太近都不適合，所以需要近焦鏡頭。分光鏡片2 將從手術(shù)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(jù)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(jù)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(yīng)的熒光截止濾光片； 截止波長根據(jù)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(shù)野的解剖學(xué)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(diǎn)信號通過連線傳出。支架固定于可移動的機(jī)械性橫臂上，支架回轉(zhuǎn)角度360度，具有六個自由度運(yùn)動，可實現(xiàn)鏡頭的前后、左右、上下的電動俯仰及旋轉(zhuǎn)移動，使醫(yī)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(shù)據(jù)輸出端與融合處理板的數(shù)據(jù)輸入端連接，融合處理板的數(shù)據(jù)輸出端又與視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸入端連接，視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與監(jiān)視器的數(shù)據(jù)輸入端連接。工作步驟如下
1、通過外科手術(shù)暴露腫瘤所在器官或位置，如圖3；
2、將系統(tǒng)的攝像頭對準(zhǔn)手術(shù)野，顯示圖3；
3、在腫瘤周圍注射近紅外熒光劑；
4、啟動系統(tǒng)攝像開關(guān)，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(shù)野解剖結(jié)構(gòu)圖，圖4為淋巴結(jié)近紅外影像，但圖4很難判斷其解剖部位；
5、同時系統(tǒng)采用圖像融合技術(shù)，顯示圖5；
6、圖5非系統(tǒng)直接攝取，而是圖3和4的融合；
7、醫(yī)生就可以通過圖5準(zhǔn)確判斷腫瘤和區(qū)域淋巴結(jié)的解剖部位，指導(dǎo)外科醫(yī)生徹底切除病灶。
權(quán)利要求
1.一種多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，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(huán)形的白光LED和環(huán)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(shè)置于同一軸線上，分光鏡片(2)的光入射角為 45°，設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)據(jù)輸出端與融合處理板的數(shù)據(jù)輸入端連接，融合處理板的數(shù)據(jù)輸出端又與視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸入端連接，視頻編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與監(jiān)視器的數(shù)據(jù)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，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(qiáng)度4 mW/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于近焦鏡頭(1)為50mm f/0. 95 光圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于分光鏡片(2)透射反射比是40/60。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于濾光片(4) 峰值透過率T>90%，帶寬20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于鏡筒(6)固定于支架之上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于支架固定于可移動的機(jī)械性橫臂上，支架回轉(zhuǎn)角度360度，具有六個自由度運(yùn)動。
8.根據(jù)權(quán)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(shù)弓I導(dǎo)系統(tǒng)，其特征在于圖像融合方法為代表手術(shù)野的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的彩色攝像CCD攝取的可見光彩色圖像，和代表手術(shù)野的血管、淋巴管、淋巴結(jié)和被熒光染料標(biāo)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(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)平均法計算重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量；所述重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量用下列公式表示為3)、根據(jù)公式式中Pt為調(diào)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(qiáng)度分量I的均值，σ I為重樣彩色圖像[R，G，B] 的強(qiáng)度分量I的方差采用重采樣重彩色圖像[R，G，B]的強(qiáng)度分量的均值和方差調(diào)整全色圖像P的均值和方差，使調(diào)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(qiáng)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(fā)明屬于外科手術(shù)手術(shù)野目標(biāo)定性定位的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種多光譜分光融合外科手術(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有術(shù)中成像技術(shù)對于外科手術(shù)腫瘤定性定位技術(shù)存在目標(biāo)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(huán)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(fā)明的有益效果采用分光攝影分別攝取了手術(shù)野的解剖學(xué)彩色圖像和肉眼看不到的近紅外光學(xué)圖像，并分別顯示；采用圖像融合，能夠精準(zhǔn)定位顯示手術(shù)野中的血管、淋巴管、淋巴結(jié)和被熒光染料標(biāo)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(yōu)先權(quán)日2011年10月3日
發(fā)明者楊曉峰 申請人:楊曉峰