具有高光譜相機(jī)引導(dǎo)的探頭的成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)設(shè)備或裝備的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于識(shí)別生物組織中 的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，例如用于有效腫瘤邊緣評(píng)價(jià)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在腫瘤切除手術(shù)期間，對(duì)被切除組織的邊界是否是無(wú)腫瘤的評(píng)估是至關(guān)重要的。 當(dāng)腫瘤沒(méi)有被完全切除時(shí)，處置將沒(méi)有療效，伴隨著對(duì)于患者的所有災(zāi)難性后果。盡管組織 病理學(xué)是用于評(píng)估切除是否完全的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但是由于對(duì)被切除的標(biāo)本的評(píng)估所需要的時(shí) 間，這僅可以在手術(shù)已經(jīng)完成之后進(jìn)行。盡管可以對(duì)被切除組織的外層到陽(yáng)性邊緣的特定 深度進(jìn)行研宄的表面探頭在開(kāi)發(fā)中，但是這些方法仍然是相當(dāng)耗時(shí)的，這是因?yàn)楸仨氁宰?夠的準(zhǔn)確度并以足夠的分辨率來(lái)研宄外表面。另外，因?yàn)檫@些測(cè)量是點(diǎn)狀的（或小面積測(cè) 量），所以它們由于可能致使這些測(cè)量較不穩(wěn)定的異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)而易于波動(dòng)。
[0003] 因此，問(wèn)題是如何以時(shí)間高效且魯棒的方式針對(duì)陽(yáng)性邊緣來(lái)對(duì)被切除的腫瘤組織 的表面進(jìn)行檢驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 提供允許對(duì)生物組織內(nèi)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)（例如腫瘤組織）的穩(wěn)定且同時(shí)時(shí)間高效的識(shí) 別的系統(tǒng)和方法將是有利的。
[0005] 在第一方面中，本發(fā)明提供了一種被布置用于識(shí)別相關(guān)聯(lián)的生物組織中的目標(biāo)結(jié) 構(gòu)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0006] -高光譜相機(jī)系統(tǒng)，其被布置為提供覆蓋所述生物組織的第一表面區(qū)域的高光譜 圖像，其中，所述高光譜圖像的像素包含在不同的光波長(zhǎng)帶處的信息，
[0007] -探頭，其被布置為提供對(duì)于所述生物組織的第二表面區(qū)域的、具有指示所述目標(biāo) 結(jié)構(gòu)的信息的探頭測(cè)量，并且被布置為相應(yīng)地生成探頭測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，所述第二表面區(qū)域 比所述第一表面區(qū)域更小，并且其中，所述探頭被選擇為提供比所述高光譜相機(jī)系統(tǒng)更高 的關(guān)于對(duì)所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的識(shí)別的特異性，以及
[0008] -處理器，其在功能上被連接以接收所述高光譜圖像和所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)，其中， 所述處理器被布置為根據(jù)高光譜處理算法來(lái)分析所述高光譜圖像，以便識(shí)別所述高光譜圖 像的可能包含所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的部分，其中，所述處理器還被布置為分析所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù) 并響應(yīng)于所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)所述高光譜處理算法，從而提供具有增強(qiáng)的靈敏度的經(jīng) 校準(zhǔn)的高光譜處理算法，以在所述高光譜圖像中識(shí)別所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
[0009] 本發(fā)明解決了所提到的問(wèn)題，其中，所述高光譜圖像可以被用于非?？焖俚氐?相當(dāng)有限的光譜分辨率來(lái)提供足夠大的區(qū)域的圖像，并且因此具有關(guān)于對(duì)所述生物組織內(nèi) 的所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的識(shí)別的相當(dāng)?shù)偷奶禺愋?。然而，所述高光譜圖像還可以被用于識(shí)別可疑 區(qū)域，即能夠預(yù)期具有目標(biāo)結(jié)構(gòu)存在的一定可能性的區(qū)域。接著操作者可以例如借助于在 顯示器上的視覺(jué)指示來(lái)將所述高光譜圖像用作引導(dǎo)，所述引導(dǎo)指向選擇由所述高光譜圖像 覆蓋的所述第一表面區(qū)域內(nèi)的哪個(gè)（哪些）位置將要由選定的探頭來(lái)測(cè)量，以使得其提供 較高的關(guān)于對(duì)所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的識(shí)別的特異性。因此，所述探頭提供用于識(shí)別所述目標(biāo)結(jié)構(gòu) 的更好的數(shù)據(jù)，例如通過(guò)提供比所述高光譜圖像更高的光譜分辨率，但卻是以有限的測(cè)量 區(qū)域（例如以點(diǎn)測(cè)量或點(diǎn)狀測(cè)量的形式）為代價(jià)的。使用所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)修改或校準(zhǔn) 所述高光譜圖像處理算法，可以獲得具有關(guān)于識(shí)別所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)（例如腫瘤組織）的增強(qiáng) 的對(duì)比度和/或靈敏度的經(jīng)改進(jìn)的圖像。在已經(jīng)執(zhí)行了一次或有限次的探頭測(cè)量并且已經(jīng) 相應(yīng)地校準(zhǔn)了所述高光譜圖像處理算法后，利用經(jīng)校準(zhǔn)的算法來(lái)處理的實(shí)時(shí)高光譜圖像可 以被用于提供對(duì)另外的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的非?？焖俚臋z驗(yàn)。
[0010] 因此，所述高光譜相機(jī)的高速度被用于指出要被利用更耗時(shí)的探頭來(lái)檢查的可疑 區(qū)域。然而，事實(shí)證明，甚至一次單個(gè)的點(diǎn)狀探頭測(cè)量也可以被用于為了增大靈敏度來(lái)顯著 改進(jìn)所述高光譜圖像，以識(shí)別所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這樣，根據(jù)本發(fā)明的所述醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)可以提 供對(duì)切除后的陽(yáng)性邊緣的魯棒且時(shí)間高效的識(shí)別。這允許所述系統(tǒng)在手術(shù)期間被使用，并 且因此增加了在腫瘤手術(shù)期間去除所有腫瘤組織的機(jī)會(huì)，而不需要在稍后的檢查中證明沒(méi) 有成功地去除所有腫瘤組織的情況下重新進(jìn)行手術(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，探頭的類(lèi)型和對(duì)所述探頭 測(cè)量數(shù)據(jù)的后繼處理優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)為了提供有助于識(shí)別所考慮的具體目標(biāo)結(jié)構(gòu)的高靈敏度 而被選擇。
[0011] 在識(shí)別腫瘤的情況下，所述高光譜相機(jī)系統(tǒng)可以被用于制作組織標(biāo)本的表面的可 視圖像和高光譜圖像，接觸探頭或表面探頭能夠在靠近標(biāo)本的表面的組織里面局部地進(jìn)行 測(cè)量?；诓檎冶頂?shù)據(jù)針對(duì)可疑區(qū)域來(lái)分析所述高光譜圖像，并且所述高光譜圖像能夠針 對(duì)可疑標(biāo)志來(lái)對(duì)所述探頭進(jìn)行分析。所述探頭能夠產(chǎn)生指示所探測(cè)的表面是否包含陽(yáng)性邊 緣的信號(hào)，并且要利用所述表面探頭來(lái)檢驗(yàn)的區(qū)域基于高光譜圖像分析而被指示在可視圖 像中。例如在幾個(gè)位置處獲取的來(lái)自所述表面探頭的信號(hào)被用于校準(zhǔn)用于分析所述高光譜 圖像的2D圖像處理算法。特別可以以較大的光譜范圍并以較高的光譜分辨率來(lái)采集探頭 數(shù)據(jù)，并且所述探頭數(shù)據(jù)還可以覆蓋表面以下的組織的部分，因此允許對(duì)這些組織點(diǎn)的準(zhǔn) 確評(píng)價(jià)。想法是這些表面探頭測(cè)量在介入期間（例如當(dāng)2D光譜圖像處理指示大的重建不 確定性時(shí)）僅需要完成幾次，并且一旦已經(jīng)執(zhí)行這種利用表面探頭數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)并且所述系 統(tǒng)被重新校準(zhǔn)，操作者就可以使用從根據(jù)本發(fā)明的所述高光譜圖像獲得的實(shí)時(shí)2D結(jié)果。特 別地，所述表面探頭測(cè)量的信號(hào)基于對(duì)所述可視圖像的圖像分析而被注釋在所述可視圖像 和/或所述高光譜圖像中，以在測(cè)量時(shí)將探頭端部位置與標(biāo)本進(jìn)行配準(zhǔn)。
[0012] 除了識(shí)別腫瘤組織以外，所述成像系統(tǒng)也可以被用于例如在手術(shù)期間識(shí)別其他目 標(biāo)結(jié)構(gòu)，例如生物組織的表面以下的血管、神經(jīng)束等的存在。由此，在對(duì)耗時(shí)和/或介入探 頭的需要內(nèi)避免這樣的血管和神經(jīng)束的意外部分是可能的。
[0013] 在優(yōu)選實(shí)施例中，以比所述高光譜圖像更高的光譜分辨率來(lái)采集所述探頭測(cè)量。 特別地，所述高光譜圖像可以利用相當(dāng)?shù)偷墓庾V分辨率的交疊的光譜帶而被采集，或者所 述光譜帶可以是不交疊的并且因此具有沒(méi)有任何信息的光譜帶。因此，在全部?jī)煞N情況下， 所述探頭可以提供具有較高光譜分辨率的測(cè)量數(shù)據(jù)，這因此允許關(guān)于識(shí)別所述生物組織內(nèi) 的所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的更高的特異性。
[0014] 優(yōu)選地，所述第二表面區(qū)域被選擇為被定位在所述第一表面區(qū)域內(nèi)，并且因此所 述探頭測(cè)量在由所述高光譜圖像覆蓋的區(qū)域內(nèi)被執(zhí)行。在所述探頭是介入設(shè)備的情況下， 應(yīng)當(dāng)理解"在所述第一表面區(qū)域內(nèi)"被理解為在所述第一表面區(qū)域的表面以下的生物組織 中的點(diǎn)或小面積中執(zhí)行所述探頭測(cè)量。
[0015] 所述系統(tǒng)可以被布置為在利用所述高光譜處理算法處理所述高光譜圖像后視覺(jué) 顯示所述高光譜圖像，以及對(duì)諸如可以被用于以圖形的方式對(duì)被識(shí)別為可能包含所述目標(biāo) 結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分進(jìn)行指示的特殊陰影、著色、突出顯示或環(huán)繞的部分的視覺(jué)指示。
[0016] 所述系統(tǒng)優(yōu)選地被布置為在利用所述經(jīng)校準(zhǔn)的高光譜處理算法處理所述高光譜 圖像后視覺(jué)顯示所述高光譜圖像。由此，操作者（例如醫(yī)生）可以檢驗(yàn)得到的高光譜圖像， 現(xiàn)在所述高光譜圖像在由經(jīng)校準(zhǔn)的算法處理后關(guān)于更好地將所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)可視化得到增 強(qiáng)。
[0017] 所述處理器可以被布置為根據(jù)探頭處理算法來(lái)分析所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)，所述探頭 處理算法包括將所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)與查找表進(jìn)行比較。備選地或額外地，所述處理器可以 被布置為根據(jù)探頭處理算法來(lái)分析所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)，所述探頭處理算法包括計(jì)算多個(gè)測(cè) 量參數(shù)并將所述多個(gè)測(cè)量參數(shù)轉(zhuǎn)譯為指示所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的生理參數(shù)。
[0018] 所述處理器可以被布置為通過(guò)對(duì)所述高光譜圖像中的在所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)中被 識(shí)別為屬于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的像素的分組進(jìn)行細(xì)化來(lái)校準(zhǔn)所述高光譜處理算法。對(duì)高光譜圖 像中的像素的這樣的改進(jìn)的分組將提供對(duì)所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)的可視化。例如被分配有相 同顏色或亮度的像素的分組可以基于從所述探頭測(cè)量數(shù)據(jù)提取的參數(shù)而被改變或被調(diào)諧。
[0019] 所述探頭可以包括表面探頭和/或介入設(shè)備。所述探頭可以包括光學(xué)探頭和/或 超聲探頭。對(duì)使用哪種探頭的選擇取決于生物組織和其中待識(shí)別的所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型。 特別地，所述光學(xué)探頭可以包括以下中的一種：漫反射光譜探頭、漫射光學(xué)斷層攝影探頭、 差分路徑長(zhǎng)度光譜、熒光探頭、拉曼光譜探頭、共焦反射探頭、共焦熒光探頭、雙光子熒光探 頭、光學(xué)相干斷層攝影探頭、以及被布置為執(zhí)行共焦成像的掃描纖維顯微鏡。
[0020] 優(yōu)選地，所述高光譜相機(jī)系統(tǒng)被布置為提供二維實(shí)時(shí)圖像，因此允許當(dāng)所述高光 譜圖像在監(jiān)視器上被顯示給探頭操作者時(shí)對(duì)所述探頭端部的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。所述高光譜相機(jī)系 統(tǒng)可以總體上基于以下中的一種：（1)專(zhuān)用高光譜相機(jī)，其基于來(lái)自寬帶光源的光具有在 相機(jī)里面的波長(zhǎng)分離；（2)具有能調(diào)諧的波長(zhǎng)或能調(diào)諧的濾波器設(shè)置的光源和普通相機(jī)； 以及（3)在普通相機(jī)前面的寬帶光源和能調(diào)諧的濾波器。
[0021] 所述高光譜相機(jī)，即類(lèi)型（1)，典型地是昂貴的，而類(lèi)型（2)和⑶基于普通相機(jī)。 然而，它們具有其他優(yōu)勢(shì)。例如利用不同波長(zhǎng)的光照射的解決方案要求環(huán)境是暗的以產(chǎn)生 高質(zhì)量圖像。關(guān)于高光譜相機(jī)系統(tǒng)參見(jiàn)P. W. T. Yuen、M. Richardson的"An introduction to hyperspectral imaging and its application for security, surveillance and target acquisition"，The Imaging Science Journal，58 卷，2010 年，241-253 頁(yè)D 因此，在一個(gè) 實(shí)施例中，高光譜相機(jī)系統(tǒng)包括以下中的一種：
[0022] _高光譜相機(jī)，其被布置為提供所述高光譜圖像，
[0023] _普通相機(jī)和具有不同窄帶波長(zhǎng)的多個(gè)光源以及控制器，所述普通相機(jī)、多個(gè)光源 和控制器被布置為提供所述生物組織由所述多個(gè)光源順序照射的圖像，以及
[0024] -普通相機(jī)以及被布置在所述普通相機(jī)與所述生物組織之間的能調(diào)諧的光學(xué)濾波 器，從而提供具有對(duì)所述能調(diào)諧的光學(xué)濾波器的不同設(shè)置的序列圖像。
[0025] 所述處理器可以被布置為根據(jù)圖像處理算法來(lái)處理所述高光譜圖像，以便在所述 高光譜圖像中識(shí)別所述探頭的端部，從而識(shí)別所述探頭