本發(fā)明涉及內(nèi)窺成像測量領(lǐng)域，尤其涉及一種頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

偏振光學(xué)成像方法具有無損傷，分辨率高，并且能夠?qū)Ρ粶y組織進(jìn)行功能成像等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有研究表明偏振光學(xué)成像方法相對于傳統(tǒng)的非偏振光學(xué)成像方法而言，能夠提供更加明顯的組織對比分辨能力，能直觀地反映組織微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的不同，并已經(jīng)顯示出在早期癌變診斷中的潛力。

內(nèi)窺檢測相對于傳統(tǒng)的活檢方法能夠提供更方便、快捷、高效的檢查方式，并且不會對個(gè)體造成較大的創(chuàng)傷。當(dāng)前的傳統(tǒng)內(nèi)窺檢測方法所采用的大部分為普通光學(xué)成像，不能很好地區(qū)分體內(nèi)病變組織與正常組織。因此出現(xiàn)了一些將偏振光學(xué)成像與內(nèi)窺檢測相結(jié)合的技術(shù)。

公開號為CN104161493A、發(fā)明名稱為“偏振成像內(nèi)窺鏡系統(tǒng)及內(nèi)窺成像方法”的發(fā)明申請公布了一種采用液晶相位延遲波片作為起偏器件以分焦平面為檢偏方式的偏振成像系統(tǒng)及成像方法。

文獻(xiàn)“Ji Q,Elson D S.A high definition Mueller polarimetric endoscope for tissue characterisation.[J].Scientific Reports,2016,6.”公布了一種采用體外轉(zhuǎn)動進(jìn)行偏振調(diào)制和解調(diào)的內(nèi)窺偏振測量系統(tǒng)及方法。

上述兩種測量方式所依托的是硬管內(nèi)窺鏡作為導(dǎo)光及成像介質(zhì)，并且其光源及成像端都遠(yuǎn)離內(nèi)窺鏡頭端，由于偏振光在介質(zhì)中的傳輸過程中對外部環(huán)境非常敏感，并且硬管內(nèi)窺鏡由于不能彎曲，導(dǎo)致上述兩種測量方式在實(shí)際中的使用會受到限制。

文獻(xiàn)“Vizet J,Manhas S,Deby S,et al.Demonstration of Mueller polarimetry through an optical fiber for endoscopic applications[C]//CLEO:Applications and Technology.2014:3047-54.”、文獻(xiàn)“Vizet J,Manhas S,Tran J,et al.Optical fiber-based full Mueller polarimeter for endoscopic imaging using a two-wavelength simultaneous measurement method.[J].Journal of Biomedical Optics,2016,21(7).”和文獻(xiàn)“Rivet S,Bradu A,Podoleanu A.Fast full 4x4 Mueller polarimeter for endoscopic applications[C]//SPIE BiOS.2016.”公布了利用光纖作為導(dǎo)光和成像介質(zhì)的內(nèi)窺偏振測量方法，均需要在頭端加上機(jī)械位移裝置才能進(jìn)行面成像，否則只能進(jìn)行單點(diǎn)測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述缺陷，提供一種頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像系統(tǒng)及測量方法，在內(nèi)窺鏡頭端實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制與解調(diào)功能，可對被測組織進(jìn)行偏振成像。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像系統(tǒng)，包括光源、偏振發(fā)生裝置、偏振分析裝置、成像裝置、頭端機(jī)械固定件、運(yùn)動控制器、圖像采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理終端。

所述光源發(fā)出的光經(jīng)過所述偏振發(fā)生裝置照射在被測物上被散射，通過所述偏振分析裝置進(jìn)入所述成像裝置成像，經(jīng)由所述圖像采集設(shè)備采集并傳輸至所述數(shù)據(jù)處理終端。

所述偏振發(fā)生裝置、偏振分析裝置安裝在所述頭端機(jī)械固定件上，與光源、成像裝置集成于內(nèi)窺鏡頭端。

所述數(shù)據(jù)處理終端連接并控制所述運(yùn)動控制器，分別控制偏振發(fā)生裝置的偏振產(chǎn)生狀態(tài)與偏振分析裝置的偏振檢測狀態(tài)。

所述偏振發(fā)生裝置包括起偏偏振片、起偏軸承、起偏被傳動部件、起偏傳動部件以及起偏微型馬達(dá)。

所述起偏被傳動部件和起偏傳動部件為摩擦傳動輪。

所述起偏被傳動部件和起偏傳動部件為齒輪或皮帶傳動輪。

所述起偏微型馬達(dá)安裝固定在頭端機(jī)械固定件上，所述起偏傳動部件安裝在起偏微型馬達(dá)的輸出軸上，起偏傳動部件與起偏被傳動部件貼合裝配，起偏被傳動部件固定在起偏軸承的外圈，起偏軸承的內(nèi)圈安裝固定在頭端機(jī)械固定件上，起偏偏振片固定貼合在起偏軸承的外圈。

通過起偏微型馬達(dá)的轉(zhuǎn)動帶動起偏軸承轉(zhuǎn)動以改變起始偏振片的偏振狀態(tài)，用于將光調(diào)制成不同預(yù)設(shè)偏振態(tài)的線偏振光。

所述偏振分析裝置包括檢偏偏振片、檢偏軸承、檢偏被傳動部件、檢偏傳動部件以及檢偏微型馬達(dá)。

所述檢偏被傳動部件和檢偏傳動部件為摩擦傳動輪。

所述檢偏被傳動部件和檢偏傳動部件為齒輪或皮帶傳動輪。

所述檢偏微型馬達(dá)安裝固定在頭端機(jī)械固定件上，檢偏傳動部件安裝在檢偏微型馬達(dá)的輸出軸上，檢偏傳動部件與檢偏被傳動部件貼合裝配，檢偏被傳動部件固定在檢偏軸承的外圈，檢偏軸承的內(nèi)圈安裝固定在頭端機(jī)械固定件上，檢偏偏振片固定貼合在檢偏軸承的外圈。

通過檢偏微型馬達(dá)的轉(zhuǎn)動帶動檢偏軸承轉(zhuǎn)動以改變檢偏偏振片的偏振狀態(tài)，用于檢測經(jīng)被測物散射后不同偏振態(tài)的線偏振光。

所述光源包括用于產(chǎn)生寬帶光的寬帶光源近端、用于對所述寬帶光進(jìn)行濾波以產(chǎn)生預(yù)設(shè)窄帶光的帶通濾光片、用于進(jìn)行窄帶光傳輸?shù)膶?dǎo)光介質(zhì)以及用于出射經(jīng)由所述導(dǎo)光介質(zhì)傳輸后的窄帶光的光源遠(yuǎn)端。

所述起偏偏振片的偏振角度θ₁取值范圍為[0，π]，所述數(shù)據(jù)處理終端根據(jù)所述角度θ₁以及起偏齒輪與起偏傳動齒輪的傳動比計(jì)算起偏微型馬達(dá)需要轉(zhuǎn)動的角度，發(fā)送指令到運(yùn)動控制器控制起偏微型馬達(dá)轉(zhuǎn)動到指定位置。

所述檢偏偏振片的偏振角度θ₂取值為范圍為[0，π]，所述數(shù)據(jù)處理終端根據(jù)所述角度θ₂以及檢偏齒輪與檢偏傳動齒輪的傳動比計(jì)算檢偏微型馬達(dá)需要轉(zhuǎn)動的角度，發(fā)送指令到運(yùn)動控制器控制起偏微型馬達(dá)轉(zhuǎn)動到指定位置。

所述的數(shù)據(jù)處理終端為計(jì)算機(jī)或者嵌入式處理系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像測量方法，測量的步驟如下：

a.將光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振發(fā)生裝置起偏后照射到被測物上；

b.偏振分析裝置檢測經(jīng)由被測物散射并經(jīng)過檢偏的光并由成像裝置進(jìn)行強(qiáng)度成像；

c.分別改變步驟a和b中的起偏偏振態(tài)N次以及檢偏偏振態(tài)M次，拍攝MN幅被測物表面偏振圖像，建立關(guān)于被測物入射光和出射光的系統(tǒng)方程，獲得被測物表面的mueller矩陣信息。

所述步驟c求解被測物表面的mueller矩陣的系統(tǒng)方程可描述為AM′_s＝P，其中A為MN×9階矩陣，是根據(jù)步驟c所設(shè)定的偏振發(fā)生態(tài)以及偏振分析態(tài)的組合所確定的系數(shù)矩陣，P為MN×1階列向量，向量的每一行代表每次測量得到的偏振圖像強(qiáng)度值，求解系統(tǒng)方程可以獲得以9×1階列向量代表的被測物的mueller矩陣M′_s，經(jīng)過元素重新排列即可得到被測物的mueller矩陣M_s。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將偏振調(diào)制與解調(diào)設(shè)備集成于內(nèi)窺鏡頭端，使之為一個(gè)整體，可以靈活方便地對不同的位置進(jìn)行大范圍內(nèi)窺區(qū)域偏振檢測，對入射偏振光的調(diào)制和經(jīng)過解調(diào)后的偏振光的接收不經(jīng)過其它的光傳輸介質(zhì)，大幅度地減小了傳輸路徑以及外部環(huán)境對光偏振狀態(tài)的影響，提高了成像質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是圖1中的偏振測量頭端結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中的光源結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖1中的成像端結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圖2中頭端機(jī)械固定件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

參見圖1和圖2，本發(fā)明所描述的基于頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像系統(tǒng)包括醫(yī)療冷光源400、偏振發(fā)生裝置110、偏振分析裝置120、成像裝置310、頭端機(jī)械固定件100、運(yùn)動控制器200、圖像采集設(shè)備300、數(shù)據(jù)處理終端500。

由醫(yī)療冷光源400所產(chǎn)生的光進(jìn)入偏振發(fā)生裝置110，經(jīng)過偏振發(fā)生裝置的光變?yōu)榫€偏振光，照射至被測組織600，經(jīng)由被測組織散射后經(jīng)過偏振分析裝置120檢測進(jìn)入成像裝置310，偏振分析裝置120檢測預(yù)定角度的線偏振光。

偏振發(fā)生裝置110和偏振分析裝置120由運(yùn)動控制器件200控制偏振片旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度以產(chǎn)生不同的起偏和檢偏狀態(tài)。

醫(yī)療冷光源的遠(yuǎn)端402、偏振發(fā)生裝置110，偏振分析裝置120以及成像裝置310都固定在頭端機(jī)械固定件110上，形成內(nèi)窺偏振測量頭端。經(jīng)過成像裝置310采集后的圖像由圖像采集設(shè)備300采集并傳輸至數(shù)據(jù)處理終端500進(jìn)行記錄與處理。

參見圖2所提供的一種優(yōu)選的偏振發(fā)生裝置，其包括起偏偏振片114、起偏軸承115、起偏齒輪113、起偏傳動齒輪112以及起偏微型馬達(dá)111，用于對通過該裝置的入射光調(diào)制成指定偏振態(tài)的線偏振光。

一種優(yōu)選的安裝方式為，起偏微型馬達(dá)111安裝固定在頭端機(jī)械固定件110的底座101上，起偏傳動齒輪112安裝在起偏微型馬達(dá)111的輸出軸上，起偏傳動齒輪112與起偏齒輪113貼合裝配，起偏齒輪113固定在起偏軸承115的外圈，起偏軸承115的內(nèi)圈安裝固定在頭端機(jī)械固定件底座111上，起偏偏振片114固定貼合在起偏軸承115的外圈。

參見圖2所提供的一種優(yōu)選的偏振分析裝置，其包括檢偏偏振片124、檢偏軸承125、檢偏齒輪123、檢偏傳動齒輪122以及檢偏微型馬達(dá)121，用于對通過該裝置的接收光指定偏振態(tài)的線偏振光。

一種優(yōu)選的安裝方式為，檢偏微型馬達(dá)121安裝固定在頭端機(jī)械固定件110的底座101上，檢偏傳動齒輪122安裝在檢偏微型馬達(dá)121的輸出軸上，檢偏傳動齒輪122與檢偏齒輪123貼合裝配，檢偏齒輪123固定在檢偏軸承125的外圈，檢偏軸承125的內(nèi)圈安裝固定在頭端機(jī)械固定件底座101上，檢偏偏振片124固定貼合在檢偏軸承125的外圈。

本實(shí)施例中，所采用的起偏偏振片和檢偏偏振片均為薄膜線偏振片，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以了解，起偏偏振片和檢偏偏振片可以采用其它材料的線偏振片。本實(shí)施例中所采用的傳動方式為齒輪貼合的傳動方式，除此之外還可采用非齒輪的傳動方式，例如皮帶傳動或滾動摩擦傳動。

在圖3所示的實(shí)施例中，醫(yī)療冷光源400包括光源后端401、窄帶濾光片402、導(dǎo)光介質(zhì)403和光源頭端404。光源后端401發(fā)出的寬帶光經(jīng)過窄帶濾光片402后為變?yōu)檎瓗Ч?，窄帶光?jīng)過導(dǎo)光介質(zhì)403傳輸?shù)焦庠搭^端404。在本實(shí)施例中，光源后端401采用寬譜氙燈，但不限制于此并可以采用其余光源，例如LED或貢燈；濾光片402為632nm的窄帶光濾光片，但不限制只采用此波段；導(dǎo)光介質(zhì)404為光纖束，但不限制于此，可采用其它導(dǎo)光介質(zhì)，例如液體光波導(dǎo)束。

在圖4所示的實(shí)施例中，成像裝置310的組成包括廣角CMOS頭端成像鏡頭311和CMOS芯片312。

參見圖5(a)所示的一種優(yōu)選的頭端機(jī)械固定件，包括固定件底座101和固定件蓋102。固定件底座101包括起偏微型馬達(dá)的固定孔C110、起偏微型馬達(dá)的頭端軸通過孔K111、起偏齒輪的安置孔C109、檢偏微型馬達(dá)的固定孔C106、檢偏微型馬達(dá)的頭端軸通過孔K108、檢偏齒輪的安置孔C107、光源的通過固定孔K104、起偏軸承、起偏齒輪和起偏偏振片的安置孔C102、CMOS的安置孔C105、CMOS頭端成像鏡頭311通過固定孔K103以及檢偏軸承、檢偏齒輪和檢偏偏振片的安置孔C101。圖5(b)所示的固定件蓋包括用于出射由光源發(fā)出的光出射光通孔K202和用于接收被測組織散射光的接收光通孔K201。

傳統(tǒng)的偏振成像方法所采用的偏振發(fā)生器件和偏振分析器件都較大，所以一般安置在體外，偏振光在導(dǎo)光介質(zhì)傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡遠(yuǎn)端的過程中偏振態(tài)會發(fā)生改變，從而對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。本實(shí)施例中將偏振發(fā)生裝置、偏振分析裝置、光源以及成像裝置都安裝在內(nèi)窺鏡的頭端，可以克服上述傳輸問題所造成的影響。

本發(fā)明還提供一種基于頭端調(diào)制的內(nèi)窺偏振成像方法，結(jié)合一種優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行說明：

進(jìn)行內(nèi)窺偏振測量的步驟如下：

a.將光源400發(fā)出的光經(jīng)過偏振發(fā)生裝置110起偏后照射到被測組織上。

b.由偏振分析裝置120檢測經(jīng)由被測組織散射后的光并由成像裝置310進(jìn)行強(qiáng)度成像。

c.分別改變步驟a中的起偏偏振態(tài)N(N≥3)次以及b中的檢偏偏振態(tài)M(M≥3)次，拍攝MN幅被測組織表面偏振圖像并存儲在數(shù)據(jù)處理終端500中，建立關(guān)于被測組織入射和出射的系統(tǒng)方程，獲得被測組織表面的mueller矩陣信息。

通過數(shù)據(jù)處理終端500控制運(yùn)動控制器200發(fā)送指定數(shù)目的脈沖到對應(yīng)的起偏微型馬達(dá)111和檢偏微型馬達(dá)121，實(shí)現(xiàn)步驟a和步驟b的偏振發(fā)生裝置110和偏振分析裝置120偏振態(tài)的改變，待起偏微型馬達(dá)和檢偏微型馬達(dá)轉(zhuǎn)動到指定位置后，記錄當(dāng)前的起偏及檢偏偏振狀態(tài)下被測組織表面圖像。

根據(jù)獲取圖像對應(yīng)的起偏偏振態(tài)和檢偏偏振態(tài)，在內(nèi)窺探頭所確定的局部坐標(biāo)系下可以確定當(dāng)前所拍攝圖像每一像素點(diǎn)灰度值(m,n)與被測組織所決定的mueller矩陣陣元之間的線性方程。

根據(jù)偏振測量原理，入射光經(jīng)過起偏器件后照射到被測組織上會發(fā)生散射，散射后的光會攜帶與組織光學(xué)特性相關(guān)的偏振信息，經(jīng)過檢偏器件篩選后由成像器件進(jìn)行強(qiáng)度成像，這個(gè)過程可以描述為：

I_out(m,n)和I_in(m,n)分別對應(yīng)成像器件上點(diǎn)(m,n)所接收到光強(qiáng)值和光源所發(fā)出的光強(qiáng)值，對成像器件上的每個(gè)像素來說，在測量過程中I_in(m,n)不會發(fā)生改變，而I_out(m,n)會隨著起偏器件和檢偏器件偏振態(tài)的不同而不同，這就是光強(qiáng)信號的調(diào)制。A表示起偏器件對應(yīng)偏振態(tài)的儀器mueller矩陣，P表示檢偏器件對應(yīng)偏振態(tài)的mueller矩陣，u_ij＝a_ip_j為A的第一行的第i個(gè)矩陣陣元與P的第一列的j個(gè)矩陣陣元的乘積，將M_s展開為9×1階的列向量M′_s，上述表達(dá)式可以表示為：

該線性方程可簡化描述為：UM_s(i,j)＝I′_out(i,j)，對于待求解的mueller矩陣M_s(i,j)，可由線性方程組求偽逆的方法得到：

M′_s(i,j)＝(U^TU)^-1U^T·I′_out(i,j)；

9×1階的列向量M′_s(i,j)＝[m₁₁,m₁₂,m₁₃,m₂₁,m₂₂,m₂₃,m₃₁,m₃₂,m₃₃]^T經(jīng)過重新排列后得到被測樣品的mueller矩陣M_s(i,j)。

特別的，在本實(shí)施例中，選取N＝4，起偏偏振片和檢偏偏振片相對于內(nèi)窺頭端預(yù)設(shè)水平位置的角度分別設(shè)置為θ₁＝0°,45°,90°,135°，θ₂＝0°,45°,90°,135°。如此可求解M_s(i,j)與獲取的灰度圖像中某一特定像素點(diǎn)取值向量I′_out(i,j)的線性關(guān)系，改變像素坐標(biāo)進(jìn)行相同的運(yùn)算可獲得整幅圖像的mueller矩陣M_s。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。