CN116509339A - 低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统。其由物镜，分束器，带准直透镜的适配器，套筒，激光器，LED，长波通二向色镜，带长通滤波片和聚焦透镜的适配器，消像差拉曼图谱仪，高灵敏度相机，带聚焦透镜的适配器，漫反射高光谱图谱仪，CMOS相机组成。利用低功率（低于人体安全阈值）激光激发拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱进行诊断识别，可以大幅增加信息获取量，提高诊断精度。系统也可以与内窥镜联合使用，同时获得病人体内空间信息以及对应的高光谱信息，对于术中快速精准判断肿瘤位置、指导切缘有着重要意义。
Description
技术领域
本发明属于高光谱技术领域，涉及一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统。
背景技术
肿瘤诊断是一种需要快速、准确、无创的检测方法，以便及时发现和治疗癌症。传统的肿瘤诊断方法如活检、病理切片等，需要对样品进行取样、制备、染色等步骤，耗时较长。高光谱成像技术是一种能同时获取生物组织的2维空间信息和1维光谱信息的无标记原位成像技术，覆盖可见光、红外和紫外等光谱范围，具有较高的光谱分辨率与空间分辨率，可提供有关组织生理、形态和生化成分的诊断信息，实现对肿瘤的快速识别，提高诊断的准确性和敏感性。
由于正常组织与癌变组织在分子结构上存在着一定的差异，导致其高光谱特征也不同。漫反射高光谱具有良好的形貌信息，而且不受荧光的影响，但是其光谱特异性不如拉曼光谱，搭建低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，可以同时测量拉曼光谱图像和无标记漫反射高光谱图像，在保留拉曼指纹信息的同时避免了高功率激光对活体的创伤，结合人工智能，实现对离体样本进行良恶性及分化程度快速识别，该技术可同时实现以下两个功能：（1）应用于切缘及浸润深度的快检及术中指导，确保癌组织没有漏切；（2）对于超低位直肠切除手术，减少不必要的组织切除，提高保肛率。
高光谱和腹腔镜结合可以提高疾病诊断的准确性和可靠性，提供更多波长的光谱信息，将普通光下无法看到的微小病灶或淋巴结转移呈现在医生的视野之中；可以实时观察到肿瘤边界、血液灌注、淋巴等，可以更精确地确定肿瘤的边界和切缘，避免残留肿瘤组织或者切除过多正常组织；可以提高结直肠癌的分期准确性，更清楚地判断肿瘤的浸润深度、淋巴结转移和远处转移，为手术方案选择和预后评估提供依据。而对于在体无标记检测而言，激发光源的安全性、成像信噪比以及扫描成像的快速性是最需要关注的。低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像可以提供病人体内的空间信息和光谱信息，在保留拉曼指纹信息的同时避免了高功率激光对活体的创伤，这对于肿瘤诊断和术中切缘指导等临床应用具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括前置模块、光源模块、拉曼成像模块、漫反射高光谱成像模块；前置模块包括物镜1，分束器2，带准直透镜的适配器3，套筒4，长波通二向色镜7；光源模块包括激光器5，LED 6；拉曼成像模块包括带长通滤波片和聚焦透镜的适配器8，消像差拉曼图谱仪9，高灵敏度相机10；漫反射高光谱成像模块包括带聚焦透镜的适配器11，漫反射高光谱图谱仪12，CMOS相机13；
光源模块的探测光聚焦在待测样本上，长波通二向色镜7将散/反射信号分光，拉曼成像模块和漫反射高光谱成像模块共轭成像，从而实现拉曼图谱和漫反射图谱的同时测量。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统选取LED 6的波长为400-700nm，选取激光器5的波长为785nm，如此漫反射信号波段为400-700nm，拉曼信号波长大于785nm，两路信号不存在波段重叠，可以实现漫反射图谱和拉曼图谱的同时测量。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统可以在前置模块前面加上微探头模块，微探头模块由前端探头、传像光纤、信号输出端组成，微探头模块通过标准内窥镜的活检孔道进入病人体内，前端探头将信号光耦合进传像光纤，信号光通过传像光纤传导到信号输出端，信号输出端将信号聚焦到物镜的物面处；利用低功率激光激发拉曼光谱辅助漫反射高光谱进行内窥诊断识别，也可用于术中快速精准判断肿瘤位置、指导切缘，提高诊断精度。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统采用低功率的激光器5以及高灵敏度相机10，在保证拉曼信号信噪比的同时，可以减少对样本的热损伤和光照损伤，以便能在内窥系统中应用。
所述的漫反射高光谱图谱仪12可以选用楔形棱镜-光栅-楔形棱镜（PGP）结构或液晶可调谐滤光片（LCTF）实现分光。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统采集到的拉曼与漫反射高光谱图谱数据以数字化方式送入计算机，利用DeepLab v3+ 神经网络分割框架提取空间特征，并与光谱特征融合，支持向量机（SVM）分类器用于分类。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统可以将激光器5换成线激光，利用空间偏移拉曼技术实现数毫米深度下高光谱成像。
所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱内窥成像系统中微探头模块的前端探头采用空间上有偏移的光纤探头，即收集光纤在内环，激发光纤在外环，如此可以实现更深层组织的探测，诊断肿瘤浸润深度。
本发明的有益效果
本发明提出的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，可以同时测量拉曼光谱和漫反射高光谱，对腹腔镜切除的离体样本进行无标记高光谱探测，结合人工智能，实现对离体样本进行良恶性及分化程度快速识别，也可以集成到腹腔镜中，同时获得病人体内空间信息以及对应的高光谱信息，在术中快速精准判断肿瘤位置、预测清扫范围外和侧方淋巴结转移的阳性情况，对医学诊断意义重大。
附图说明
图1为一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统示意图。
图2为一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统。
图3为一种低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱内窥成像系统。
图中各编号的含义：1、物镜；2、分束器；3、带准直透镜的适配器；4、套筒；5、激光器；6、LED；7、长波通二向色镜；8、带长通滤波片和聚焦透镜的适配器；9、消像差拉曼图谱仪；10、高灵敏度相机；11、带聚焦透镜的适配器；12、漫反射高光谱图谱仪；13、CMOS相机；14、可调透镜；15、液晶可调谐滤光片；16、带物镜的适配器；17、狭缝；18、消色差透镜；19、楔形棱镜-光栅-楔形棱镜（PGP）结构；20、消色差成像透镜；21、成像光纤；22、前端探头；23、标准内窥镜的活检孔道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
如附图1所示，低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统包括前置模块、光源模块、拉曼成像模块、漫反射高光谱成像模块；前置模块包括物镜1，分束器2，带准直透镜的适配器3，套筒4，长波通二向色镜7；光源模块包括激光器5，LED 6；拉曼成像模块包括带长通滤波片和聚焦透镜的适配器8，消像差拉曼图谱仪9，高灵敏度相机10；漫反射高光谱成像模块包括带聚焦透镜的适配器11，漫反射高光谱图谱仪12，CMOS相机13组成。
本实施例中，选取LED 6的波长为400-700nm，选取激光器5的波长为785nm，激光功率为0.3mw，无标记漫反射高光谱成像模块选用液晶可调谐滤光片15结构实现分光，如附图2所示。光源模块的探测光聚焦在待测样本上，长波通二向色镜7将散/反射信号分光，拉曼成像模块和漫反射高光谱成像模块共轭成像，从而实现拉曼图谱和漫反射图谱的同时测量。
本实施例中，通过采集及标注大量的高光谱正常与肿瘤组织图像来训练深度神经网络，反复迭代实验特征提取网络算法和结构的设计，以便于有效地利用高光谱图像所蕴含的丰富信息。最终实现对离体样本进行良恶性及分化程度快速识别，为应用于切缘及浸润深度的快检及术中指导，确保癌组织没有漏切打下基础。
实施例2：
如附图3所示，低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱内窥成像系统由成像光纤21，前端探头22，激光器5，LED 6，带物镜的适配器16，长波通二向色镜7，带长通滤波片和聚焦透镜的适配器8，消像差拉曼图谱仪9，高灵敏度相机10，带聚焦透镜的适配器11，狭缝17，消色差透镜18，楔形棱镜-光栅-楔形棱镜（PGP）结构19，消色差成像透镜20，CMOS相机13，标准内窥镜的活检孔道23组成。
本实施例中，选取LED 6的波长为400-700nm，选取激光器3的波长为785nm，激光功率为0.3mw，前端探头22采用空间上有偏移的光纤探头，即收集光纤在内环，激发光纤在外环，如此可以实现更深层组织的探测。成像光纤21和前端探头22组成的微探头模块通过消化道或呼吸道标准内窥镜如肠镜，胃镜，支气管镜或呼吸道内镜的活检孔道23进入病人体内，实现体内高光谱图谱探测；反/散射信号被探头22耦合至成像光纤21，并通过成像光纤传导到信号输出端，而后聚焦到物镜的物面处，长波通二向色镜7将散/反射信号分光，拉曼成像模块和漫反射高光谱成像模块共轭成像，从而实现拉曼图谱和漫反射图谱的同时测量。
本实施例中，低功率（低于人体安全激光功率）激光激发拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像，同时获得病人体内空间信息以及对应的高光谱信息，可以提高疾病诊断的准确性和可靠性，将普通光下无法看到的微小病灶或淋巴结转移呈现在医生的视野之中；可以实时观察到肿瘤边界、血液灌注、淋巴等，可以更精确地确定肿瘤的边界和切缘，避免残留肿瘤组织或者切除过多正常组织；可以提高结直肠癌的分期准确性，更清楚地判断肿瘤的浸润深度、淋巴结转移和远处转移，为手术方案选择和预后评估提供依据。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括前置模块、光源模块、拉曼成像模块、漫反射高光谱成像模块；前置模块包括物镜（1），分束器（2），带准直透镜的适配器（3），套筒（4），长波通二向色镜（7）；光源模块包括激光器（5），LED（6）；拉曼成像模块包括带长通滤波片和聚焦透镜的适配器（8），消像差拉曼图谱仪（9），高灵敏度相机（10）；漫反射高光谱成像模块包括带聚焦透镜的适配器（11），漫反射高光谱图谱仪（12），CMOS相机（13）；
光源模块的探测光聚焦在待测样本上，长波通二向色镜（7）将散/反射信号分光，拉曼成像模块和漫反射高光谱成像模块共轭成像，从而实现拉曼图谱和漫反射图谱的同时测量。
2.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于选取LED（6）的波长为400-700nm，选取激光器（5）的波长为785nm，如此漫反射信号波段为400-700nm，拉曼信号波长大于785nm，两路信号不存在波段重叠，可以实现漫反射图谱和拉曼图谱的同时测量。
3.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，可以在前置模块前面加上微探头模块，微探头模块由前端探头、传像光纤、信号输出端组成，微探头模块通过标准内窥镜的活检孔道进入病人体内，前端探头将信号光耦合进传像光纤，信号光通过传像光纤传导到信号输出端，信号输出端将信号聚焦到物镜的物面处；利用低功率激光激发拉曼光谱辅助漫反射高光谱进行内窥诊断识别，也可用于术中快速精准判断肿瘤位置、指导切缘，提高诊断精度。
4.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，采用低功率的激光器（5）以及高灵敏度相机（10），在保证拉曼信号信噪比的同时，可以减少对样本的热损伤和光照损伤，以便能在内窥系统中应用。
5.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，漫反射高光谱图谱仪（12）可以选用楔形棱镜-光栅-楔形棱镜（PGP）结构或液晶可调谐滤光片（LCTF）实现分光。
6.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，采集到的高光谱图谱数据以数字化方式送入计算机，利用DeepLab v3+ 神经网络分割框架提取空间特征，并与光谱特征融合，支持向量机（SVM）分类器用于分类。
7.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，可以将激光器（5）换成线激光，利用空间偏移拉曼技术实现数毫米深度下高光谱成像。
8.根据权利要求1所述的低功率拉曼光谱辅助无标记漫反射高光谱成像系统，其特征在于，可以在前置模块前面加上微探头模块，微探头模块的前端探头采用空间上有偏移的光纤探头，即收集光纤在内环，激发光纤在外环，用于诊断肿瘤浸润深度。
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