CN105167736A - 新型多模态消化内镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多模态消化内镜系统，包括用于进入人体腔道采集影像信息的内镜模块，所述内镜模块包括镜管和安装在镜管前端的内镜探头，所述内镜探头内设置有照明光纤，内镜探头在轴向上还开设有若干通道，分别用于安装契伦科夫内镜的传像光纤束和激光共聚焦内镜的传像光纤束，以及白光电子内镜系统，内镜探头在轴向上还开设有一用于喷水清洗镜头的水道，本发明通过一次下镜即可实现多种功能，有效解决多次下镜存在的病变信号和图像配准的问题，并且能够节省手术时间减轻病患痛苦，并大大降低了目前国内此类手术的手术费用。

Description

新型多模态消化内镜系统

【技术领域】

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种新型多模态消化内镜系统。

【背景技术】

胃癌是严重威胁人类生命健康的恶性肿瘤之一，全球范围内，其发病率位居恶性肿瘤第四位，病死率位居第二，亚洲是胃癌的高发地区，尤以中国、日本和韩国为重，我国胃癌发病率位居恶性肿瘤第二位，病死率居第一位，且死亡人数占全球胃癌死亡人数的44％，因此，提高胃癌患者生存率是我国胃癌工作者的首要任务和工作难点，胃癌的高病死率与发现时病变已处于晚期密切相关，相关数据显示，晚期胃癌术后5年的生存率不足61％，而早期胃癌可达84％～99％，对于小胃癌和微小胃癌，术后10年生存率可达100％，因此胃癌的早期诊断是降低胃癌病死率的关键环节和有效手段；然而，早期胃癌没有特异性的症状出现，现行的胃镜加活检的诊断方法主要依据肿瘤形态学的改变，因而难以发现早期胃癌；研究表明，肿瘤细胞分子功能改变早于形态学变化，研发可识别早期胃癌分子功能改变，同时提高形态学诊断精确度的全新内镜系统，将大大提前胃癌诊断与处置时间，是未来胃镜系统设计和研发的发展方向。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种新型多模态消化内镜系统，通过一次下镜即可实现多种功能，有效解决多次下镜存在的病变信号和图像配准的问题，本发明的内镜系统能够节省手术时间减轻病患痛苦，并大大降低了目前国内此类手术的手术费用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：新型多模态消化内镜系统，包括用于进入人体腔道采集影像信息的内镜模块，所述内镜模块包括镜管和安装在镜管前端的内镜探头，所述内镜探头内设置有照明光纤，内镜探头在轴向上还开设有若干通道，分别用于安装契伦科夫内镜的传像光纤束和激光共聚焦内镜的传像光纤束，以及白光电子内镜系统，内镜探头在轴向上还开设有一用于喷水清洗镜头的水道。

所述白光电子内镜系统包括设置在内镜探头端面的图像传感耦合镜头和用于传输信号的视频传感器。

所述图像传感耦合镜头由微型光学镜头和微型图像传感器CCD摄像机构成，用于进行图像拍摄。

所述激光共聚焦内镜的传像光纤束可拆卸的设置于内镜探头的通道中，此通道取出激光共聚焦内镜后作为工作通道。

所述契伦科夫内镜传像光纤束、激光共聚焦内镜传像光纤束以及白光电子内镜系统安装于内镜探头的不同通道中。

所述内镜探头前端面上安装有镜头盖片。

所述镜管后端连接有用于处理信号的外部模块，所述外部模块连接至计算机。

所述外部模块包括：完成电子内镜探头所采集到的视频信号的模数转换与输出处理的白光电子内镜模块、完成激光扫描控制和共聚焦光信号采集的激光共聚焦内镜模块和完成契伦科夫荧光信号采集的契伦科夫荧光内镜模块。

所述白光电子内镜模块包括视频处理系统和照明光源，照明光源采用LED，照明光源通过照明光纤为白光电子内镜提供照明，设置于内镜探头前端的图像传感耦合镜头拍摄到的视频信号经过导线传输到视频处理系统处理后传给计算机；

激光共聚焦内镜模块包括光电探测器、激光器、二向色镜、X向扫描振镜、Y向扫描振镜、滤波片、针孔和设置在内窥探头中高耦合效率的耦合透镜和位置可调的物镜，激光器提供照明光源，经过光源针孔获得点光源被二向色镜反射进入扫描光路，计算机控制高精度的X和Y两个方向上的X向扫描振镜和Y向扫描振镜实现激发光导入传像光纤在成像焦平面上快速逐点扫描，成像平面上的反射光经过同样的光路通过二向色镜和滤波片后，最终只有荧光信号被探测针孔汇聚于光电探测器上；

所述契伦科夫荧光内镜模块包括光电信号采集设备、契伦科夫传像光纤束、耦合镜头和成像暗箱，契伦科夫内镜模块完成核素所发出的契伦科夫荧光图像的采集，核素高吸收的肿瘤组织所发出的契伦科夫荧光信号经由契伦科夫传像光纤束，经过耦合镜头，投射于高灵敏度CCD相机上，所采集的契伦科夫荧光图像经过视频数据线传输到视频处理系统进一步处理。

所述激光共聚焦内镜为探头式激光共聚焦内镜。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，基于白光电子内镜具有检查视野范围大的优点，在白光电子内镜检查结果的基础上，通过契伦科夫荧光内镜实现特异性分子功能成像，通过共聚焦内镜进行亚细胞水平分辨率的细胞结构成像和共聚焦显微成像，进一步进行黏膜层的体内组织学实时成像，本发明融合高清白光电子内镜、契伦科夫荧光内镜(eCLI)和基于探头的共聚焦显微内镜(pCLE)，将三种成像系统融于一体形成新型多模态消化内镜系统，针对早期消化道肿瘤微小病灶，实现了形态结构、代谢功能和显微结构三种信息融合成像，为消化道肿瘤的早期检测、良恶性判断、分期等诊断过程提供强有力的工具；而且本发明结构设计合理，将通过一次下镜即可实现多种功能，有效的解决了多次下镜存在的病变信号和图像配准的问题，而且一次下镜大大减轻了病患痛苦，并大大降低了目前国内此类手术的手术费用，节省手术时间。

进一步的，将激光共聚焦内镜取出后，激光共聚焦内镜所在通道作为工作通道进行套扎、扩张、活检或取异物等操作，结构设计合理，操作简单。

进一步的，本发明的多模态消化内镜系统中，不同的内镜使用各自独立的光学通道，保证各自能够正常稳定工作而不相互干扰。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明内镜探头端面结构示意图。

图3为本发明外部模块的结构示意图。

附图中：1-内镜模块，11-镜管，12-白光电子内镜模块，121-视频处理系统，122-照明光源，13-内镜探头，14-契伦科夫荧光内镜模块，141-光电信号采集设备，142-契伦科夫传像光纤束，143-耦合镜头，15-照明光纤，16-激光共聚焦内镜模块，161-激光器，162-光源针孔，163-二向色镜，164-X向扫描振镜，165-Y向扫描振镜，166-滤波片，167-探测针孔，168-光电探测器，31-契伦科夫内镜光路系统，33-激光共聚焦内镜，35-白光电子内镜系统，37-水道。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种新型多模态消化内镜系统，包括用于进入人体腔道采集影像信息的内镜模块1，内镜模块1包括镜管11和安装在镜管11前端的内镜探头13，镜管11后端连接有用于处理信号的外部模块，外部模块包括：完成电子内镜探头所采集到的视频信号的模数转换与输出处理的白光电子内镜模块12、完成激光扫描控制和共聚焦光信号采集的激光共聚焦内镜模块16和完成契伦科夫荧光信号采集的契伦科夫荧光内镜模块14，内镜探头13内设置有照明光纤15，外部模块的信号输出端连接计算机；

内镜探头13内设置有照明光纤15，内镜探头13在轴向上还开设有若干通道，分别用于安装契伦科夫内镜的传像光纤束31、激光共聚焦内镜的传像光纤束33和白光电子内镜系统35，契伦科夫内镜传像光纤束31、激光共聚焦内镜传像光纤束33以及白光电子内镜系统35安装于不同通道中，保证各自能够正常稳定工作而不相互干扰，激光共聚焦内镜的传像光纤束33可拆卸的设置于通道中，此通道取出激光共聚焦内镜后作为工作通道，进行套扎、扩张、活检或取异物等操作；

白光电子内镜系统35包括设置在内镜探头13端面的图像传感耦合镜头和用于传输信号的视频传感器，图像传感耦合镜头由微型光学镜头和微型图像传感器CCD摄像机构成，图像传感耦合镜头是进入身体内部用来观察和拍摄图像的，是图形采集部分，白光电子内镜镜头的视场、观察角度、方向等均可以调节，视频处理系统将图像传感耦合镜头拍摄到的视频信号经过模数转换提供给电脑进行后续处理；

内镜探头13在轴向上还开设有一用于喷水清洗镜头的水道37，内镜探头13前端面上安装有镜头盖片。

参见图3，白光电子内镜模块包括视频处理系统121和照明光源122，照明光源122采用LED，照明光源122通过照明光纤15为白光电子内镜提供照明，设置于内镜探头11前端的图像传感耦合镜头拍摄到的视频信号经过导线传输到视频处理系统处理后传给计算机；

激光共聚焦内镜模块包括传像光纤束、光电探测器168、激光器161、二向色镜163、扫描器、滤波片166、针孔和设置在内窥探头13中高耦合效率的耦合透镜和位置可调的物镜，耦合透镜和物镜实现了组织结构像的采集和光线到光纤束的耦合，耦合透镜和物镜之间通过压电陶瓷连接，利用压电陶瓷压电特性，改变压电晶体的外部输入电压致使压电晶体在Z轴方向上的物理尺寸发生精确伸缩，从而驱动物镜沿着深度方向进行精细地伸缩运动，调节物镜的位置，从而实现物镜位置的改变；传像光纤束是进行内窥成像不可缺少的关键器件，它主要有两个作用：一是作为光信号的传导介质，二是照明针孔，传像光纤束作为该系统的一个重要组成部分对系统的性能起着很大影响，本方案中选择传像光纤时应着重考虑如下四点：第一，单根光纤纤芯直径和共聚焦显微镜输出光斑直径的匹配，如果光斑直径大于纤芯直径一部分光将被损耗降低了系统的光输出效率；另外光还会同时耦合到若干根光纤中这就导致了光纤间的串扰，严重降低了图像的分辨率和对比度；第二，光纤数值孔径和物镜数值孔径的匹配，光纤的数值孔径应该小于或等于物镜的数值孔径，如光纤的数值孔径大于物镜的数值孔径将有部分有用信号不能被物镜接收从而降低光的输出效率；第三，光纤束的尺寸，从病人的角度考虑光纤束越细越好，而从成像视场来看光纤束的直径不能太细，因此选择时还需综合考虑这两个因素；第四，当照明光进入光纤端面时在其表面会产生反射并由探测器接收，这将增加系统噪声，降低图像对比度，采用倾斜光纤束和在光纤端面涂上折射率匹配液体这两种方法可以减小光纤端面反射以降低系统噪声；

光电探测器168采用PMT探测器，PMT探测器是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，具有较好的频率响应与时间响应特性，较好的光电特性，较高的光量子效率，较小的暗电流，广泛应用于光子计数和极微弱光探测等方面，这里采用高灵敏度、低噪声、响应快速的高性能PMT探测器作为光信号的采集单元；

激光器161为共聚焦内镜提供光源，采用高稳定的可变波长输出的连续波激光器作为激发光光源，输入波长范围覆盖400～700nm；

二向色镜163，实现激发光和共聚焦光信号的分离；扫描器包括完成共聚焦激发光源X向扫描振镜164和Y向扫描振镜165；滤波片166在结合荧光探针的共聚焦扫描时，针对荧光探针波段的特定滤波片滤除其他波段光信号获得有用的荧光信号；

针孔包括激光器前的光源针孔162和探测器前的探测针孔167，光源针孔162获得点光源，通过光路后实现在成像样本焦平面上逐点扫描，探测针孔167用于会聚物镜焦平面的焦点处发出的光；

参见图3，激光共聚焦内镜模块实现局部组织的微观细胞结构成像，激光器161提供照明光源，经过光源针孔162获得点光源被二向色镜163反射进入扫描光路，计算机控制高精度的X和Y两个方向上的X向扫描振镜164和Y向扫描振镜165实现激发光导入传像光纤在成像焦平面上快速逐点扫描，成像平面上的反射光经过同样的光路通过二向色镜163和滤波片166后，最终只有荧光信号被探测针孔167汇聚于PMT探测器168上，通过这种共轭聚焦成像光路和二维扫描探测最终可以实现成像物体的成像焦平面的逐点扫描式成像，结合焦距可调的内窥探头13，该激光共聚焦内镜模块16可以完成不同深度层面的二维扫描成像，进而实现三维共聚焦扫描成像。

所述契伦科夫荧光内镜模块包括光电信号采集设备141、契伦科夫传像光纤束142、耦合镜头143和成像暗箱，为了采集微弱的核素契伦科夫荧光信号，深制冷、背照式和高灵敏度的EM-CCD相机用作光电信号采集设备，它具有高灵敏度、高读出速率、低读出噪声和暗电流等优点，尤其是具有高达90％以上的量子效率和电子倍增功能，通过半导体制冷技术降温到-90℃，可以有效的降低电子噪声的影响，非常适合于契伦科夫荧光内镜(eCLI成像中微弱契伦科夫荧光信号检测；契伦科夫传像光纤束142选择光损失小的光纤，尤其使用在契伦科夫荧光谱段具有传输效率高的光纤，可以有效提高微弱契伦科夫荧光信号的检测效率；耦合镜头143选择数值孔径大的镜头，可以有效采集契伦科夫荧光信号；契伦科夫荧光非常微弱，对于成像环境要求较高，高度密闭的成像暗箱有助于采集到微弱的素契伦科夫荧光信号；

参见图3，契伦科夫内镜模块完成核素所发出的契伦科夫荧光图像的采集，核素高吸收的肿瘤组织所发出的契伦科夫荧光信号经由契伦科夫传像光纤束142，经过耦合镜头143，投射于高灵敏度CCD相机141上，所采集的契伦科夫荧光图像经过视频数据线传输到视频处理系统进一步处理。

白光电子内镜检查具有高阳性检出率和检查视野范围大的优点，但是白光电子内镜病变检测严重依赖检查医生的经验水平，尤其对于粘膜表面结构特征变化微小的早期胃癌，经验不足者极易漏诊，契伦科夫内镜(EndoscopicCerenkovLuminescenceImaging，eCLI灵敏度高、成像速度快、价格相对较低，利用内镜可以探测消化道等腔道系统，解决了光信号穿透力弱的问题，并能在术中成像，灵活方便，另外，探针为PET检查所用核素探针，避免了生物毒性问题，但是契伦科夫系统在光路上传播系统上的信号损失很大，这一方面对于信号本身较弱的契伦科夫成像来说，成像效果会因此大打折扣；另一方面，为达到良好的成像效果，就需要给动物体或病人注射大剂量的放射性核素，然而大剂量的核素会给病人及医生带来非必要的照射，另外，契伦科夫只提供功能成像，无法实现结构成像，并不能了解可疑病变部位的精细结构；共聚焦内镜是将共聚焦显微镜整合于内镜的前端，构成放大倍数在500～1000倍的放大内镜，其成像原理等同于共聚焦显微镜，能够提供亚细胞水平的高分辨率和活细胞成像，能进行黏膜层的体内组织学实时成像，能够实现胃癌特异性靶向成像，但其一次成像范围太小，并且不能提供细胞分子水平的生理病理信息，本发明针对早期消化道肿瘤微小病灶，同时获取消化道成像区域的形态信息、核素标记的细胞代谢功能信息和微观细胞结构信息，从多信息维度和多成像尺度上提供更全面、更精细的内窥式成像，有效的解决了多次下镜存在的病变信号和图像配准的问题，而且一次下镜大大减轻了病患痛苦，并大大降低了目前国内此类手术的手术费用，节省手术时间。

Claims (10)

1.新型多模态消化内镜系统，其特征在于，包括用于进入人体腔道采集影像信息的内镜模块(1)，所述内镜模块(1)包括镜管(11)和安装在镜管(11)前端的内镜探头(13)，所述内镜探头(13)内设置有照明光纤(15)，内镜探头(13)在轴向上还开设有若干通道，分别用于安装契伦科夫内镜的传像光纤束(31)和激光共聚焦内镜的传像光纤束(33)，以及白光电子内镜系统(35)，内镜探头(13)在轴向上还开设有一用于喷水清洗镜头的水道(37)。

2.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述白光电子内镜系统(35)包括设置在内镜探头(13)端面的图像传感耦合镜头和用于传输信号的视频传感器。

3.根据权利要求2所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述图像传感耦合镜头由微型光学镜头和微型图像传感器CCD摄像机构成，用于进行图像拍摄。

4.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述激光共聚焦内镜的传像光纤束(33)可拆卸的设置于内镜探头(13)的通道中，此通道取出激光共聚焦内镜后作为工作通道。

5.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述契伦科夫内镜传像光纤束、激光共聚焦内镜传像光纤束以及白光电子内镜系统安装于内镜探头的不同通道中。

6.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述内镜探头(13)前端面上安装有镜头盖片。

7.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述镜管(11)后端连接有用于处理信号的外部模块，所述外部模块连接至计算机(15)。

8.根据权利要求7所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述外部模块包括：完成电子内镜探头所采集到的视频信号的模数转换与输出处理的白光电子内镜模块(12)、完成激光扫描控制和共聚焦光信号采集的激光共聚焦内镜模块(16)和完成契伦科夫荧光信号采集的契伦科夫荧光内镜模块(14)。

9.根据权利要求8所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述白光电子内镜模块包括视频处理系统(121)和照明光源(122)，照明光源(122)采用LED，照明光源(122)通过照明光纤(15)为白光电子内镜提供照明，设置于内镜探头(11)前端的图像传感耦合镜头拍摄到的视频信号经过导线传输到视频处理系统处理后传给计算机；

激光共聚焦内镜模块包括光电探测器(168)、激光器(161)、二向色镜(163)、X向扫描振镜(164)、Y向扫描振镜(165)、滤波片(166)、针孔和设置在内窥探头(13)中高耦合效率的耦合透镜和位置可调的物镜，激光器(161)提供照明光源，经过光源针孔(162)获得点光源被二向色镜(163)反射进入扫描光路，计算机控制高精度的X和Y两个方向上的X向扫描振镜(164)和Y向扫描振镜(165)实现激发光导入传像光纤在成像焦平面上快速逐点扫描，成像平面上的反射光经过同样的光路通过二向色镜(163)和滤波片(166)后，最终只有荧光信号被探测针孔(167)汇聚于光电探测器(168)上；

所述契伦科夫荧光内镜模块包括光电信号采集设备(141)、契伦科夫传像光纤束(142)、耦合镜头(143)和成像暗箱，契伦科夫内镜模块完成核素所发出的契伦科夫荧光图像的采集，核素高吸收的肿瘤组织所发出的契伦科夫荧光信号经由契伦科夫传像光纤束(142)，经过耦合镜头(143)，投射于高灵敏度CCD相机(141)上，所采集的契伦科夫荧光图像经过视频数据线传输到视频处理系统进一步处理。

10.根据权利要求1所述的新型多模态消化内镜系统，其特征在于，所述激光共聚焦内镜为探头式激光共聚焦内镜。