CN113747826A

CN113747826A - 利用窄带成像的医学仪器

Info

Publication number: CN113747826A
Application number: CN202080026908.3A
Authority: CN
Inventors: 索汉姆·帕塔克; 安基塔·沙斯特里; 毕平·D·达马; 卡尔彭杜·沙斯特里; 饶·耶拉马蒂
Original assignee: Nashville Ltd
Current assignee: Nashville Ltd
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2021-12-03
Also published as: JP2022527642A; WO2020206261A1; JP7538142B2; GB202114824D0; GB2596758A; US20220183544A1; EP3945993A4; EP3945993A1

Abstract

一种照明源包括单独的发光二极管(LED)，发光二极管被专门地形成为在与存在于被检查的身体区域中的某些感兴趣生物分子的吸收光谱相关联的波长下操作。有利地，LED可以被配置为生成非常适合于这些医学成像目的的高强度窄带光束，其中，提供适当诊断的能力依赖于创建高对比度图像以供医学专业人士审核的能力。本发明的照明源还可以包括如之前用于一般观察目的的常规白光源，其中当需要创建特定ROI的高对比度图像时启动一个或更多个窄带LED。

Description

利用窄带成像的医学仪器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月4日提交的美国临时申请No.62/829,078的权益，并且通过引入并入本文。

技术领域

本发明涉及改进利用感兴趣区域的视觉成像的医学仪器，更具体地涉及利用以特定的预定波长发射的窄带光源以使得能够在不使用经滤光的白光的情况下观察(和捕获)高对比度数字图像。

背景技术

存在几种类型的医学过程，该医学过程利用对选定样本的图像分析来帮助开发适当的诊断。例如，皮肤镜可以在确定诊断中利用病变纹理和拓扑结构、或与黑色素细胞相关联的特定色素沉着特征的分析。已知阴道镜在评估患者的状况时广泛地利用血管系统的分析。这些只是在医学领域中使用成像分析的两个特定领域。

皮肤镜包括放大光学系统、(希望反射尽可能少的)照明待检查区域的光源和用于向光源提供电能的电源。在医学检查期间，在皮肤上皮肤镜通常放置有由玻璃制成的接触板，然后通过光学系统观察接触板。在某些实施例中，在皮肤与皮肤镜或接触板之间放置具有玻璃状折射率的皮肤镜油或另一液体。一些实施例利用偏振照明，因为一些医学诊断仅能在专门的照明配置下才能查看待检查的区域。

一种光学阴道镜包括双目显微镜，该双目显微镜具有内置白光源和附接到支撑机构上的物镜。通常需要各种放大级别来检测和识别指示存在更晚期的癌前病变或癌性病变的某些脉管图案。在阴道镜检查期间，通常将乙酸和碘溶液施加到宫颈表面以改善异常区的可视化。在阴道镜中，经常使用称为“Swede评分”的东西来评估宫颈组织的异常。此评分具体地考虑了宫颈组织的如脉管图案的关键特征，该关键特征可以被评估并被认为其落入以下三类之一：(1)“健康且规则的”；(2)“不存在”；或(3)“病程或不正常的”。在一些情况下，使用不同颜色的滤光器来使通过使用常规白光不能容易地看到的血管图案更明显。当观察针对与各种口腔癌相关联的癌前病变的存在的口腔粘膜和粘膜下层时，这种类型的脉管系统成像也是有用的。

然而，由于不存在针对这些滤光器所定义的标准波长或光谱带宽，不同的临床设置可以应用在不同波长下(可能具有不同带宽的)透射所谓的绿光的“绿色滤光器”。在一些情况下，此类滤光器的使用可产生不太有效的图像，或导致不同质量的不同图像之间的较少一致性。另外，放置在白光上的绿色滤光器不可避免地减少光的透射，并且所捕获的图像通常显得比它们应该显得的更暗。

最近，在这些努力中，数字成像和与成像相关的各种软件/算法技术的进步改进了图像的质量并且减少了使用偏振光或某些滤光器来捕获图像的需要。虽然被认为是现有技术的进步，但是这些技术是在创建和存储图像的过程之后应用的。仍然需要改进在第一实例中创建的图像的质量、分辨率和细节。

发明内容

现有技术中剩余的需要通过本发明来解决，本发明涉及针对脉管系统分析的数字成像，更具体地涉及利用以特定的、预定的波长发射的光源以使得能够在不使用滤光器的情况下进行窄带数字成像。

根据本发明，提出了消除基于颜色的滤光器的使用，并且，相反地，基于存在于正在被检查的身体的区域中的某些感兴趣的生物分子的吸收光谱，提供由专门形成为在感兴趣的波长(例如，“绿色”、“蓝色”、“红色”、“黄色”等)下操作的单独的发光二极管(LED)组成的照明源。有利地，LED可以被配置为生成非常适合于这些医学成像目的的高强度窄带光束，其中，提供适当诊断的能力依赖于创建高对比度图像以供医学专业人士审核的能力。

在一个示例性实施例中，本发明采取照明源的形式，该照明源用于与医学观测仪器结合执行数字成像。(如果感兴趣区域(ROI)中的生物分子具有两个单独的吸收峰值，例如血红蛋白)照明源包括在与研究中的解剖学ROI中存在的生物分子的第一吸收峰值相关联的第一中心波长λ₁下操作的至少一个窄带LED，以及可能在与研究中的解剖学感兴趣区域(ROI)中存在的相同或不同的生物分子的第二吸收峰值相关联的第二中心波长λ₂下操作的另一窄带LED。以增强ROI中的特定特征集与周围材料之间的对比度的方式控制LED，使得能够生成ROI的高对比度数字图像。

本发明的照明源还可以包括如之前用于一般观察目的的常规白光源，其中当需要创建特定ROI的高对比度图像时启动一个或更多个窄带LED。窄带LED的“打开”和“关闭”可以由执行检查的个体控制，其中，当需要捕获高对比度图像的特定时间给处于第一波长的LED通电，其他LED可能在检查期间的另一个时间点通电。所捕获的高对比度图像可被数字化并被存储以供稍后的时间点、由远程位置处的个体等进行分析。

本发明的其它和进一步的实施例和特征在以下讨论的过程中并且通过参考附图将变得显而易见。

附图说明

现在参考附图，其中在若干视图中，相同的元件包括相同的附图标记：

图1描绘了用于执行光学成像的医学仪器的示例；

图2是根据本发明形成的示例性照明源的简化等轴测视图；

图3是图2的照明源的框图侧视图；

图4是在本发明的照明源内的窄带LED的示例性布置的前视图；

图5是在本发明的照明源内的窄带LED的替代性布置的前视图；

图6示出了根据本发明的原理形成的照明源内的窄带LED的又一个布置；

图7是用白光捕获的现有技术数字图像的照片再现；以及

图8是如图7所示的相同ROI的照片再现，在这种情况下，用具有与ROI中存在的生物分子的吸收峰值相关联的特定波长的窄带LED照明。

具体实施方式

如上所述，选定样本的清晰、高对比度图像对于诊断印象、特别是当进行癌症前期和癌症筛查时是至关重要的。根据本发明的原理，提出了使用在特定预定波长下操作的窄带光源来产生所研究的解剖学部分(即，“兴趣区域”或ROI)的极高对比度图像。

图1展示了示例性类型的医学仪器，这些医学仪器用于执行光学成像并且包括照明源，该照明源可以被形成为包括本发明的基于LED的系统。特别地，图1描绘了用于宫颈检查(例如，以研究宫颈的脉管系统)的示例性阴道镜1的侧视图。虽然图1中所示的特定仪器相当紧凑(并且因此是便携式的)，但是许多阴道镜系统是位于检查室中的元件的大组合。示例性皮肤镜2也示于图1中。这种类型的医学仪器用于观察皮肤(通常在使皮肤镜接触之前将某种类型的油或润肤乳施加到皮肤的表面上)。

医学仪器(如图1中所示的医学仪器)典型地基于使用“白光”(全可见光谱)源来帮助医学专业人士进行检查以清楚地看到“感兴趣区域”(在下文中被称为“ROI”)。然而，多年来已知某些波长的光可以有助于改善血管、皮肤色素、粘液等的可视化。例如，已经发现，用“绿色”或“蓝色”光对宫颈进行成像比用白光照明产生了下层脉管系统的更高对比度的图像，因为血红蛋白(血管的主要组分)的吸收光谱包括在约415nm(“蓝色”过滤光)和约540nm(“绿色”过滤光)的波长处的光谱的可见光部分中的峰值。类似的绿/蓝过滤器也用于研究口腔粘膜和粘膜下层是否存在癌前病变。通过使用“红色”过滤光(约625nm的波长)或“黄色”过滤光(约580nm的波长)可以更好地区分皮肤的表面上(或紧靠表面下方的组织层中)的异常病变或黑素细胞。

在现有技术中，医学成像设备利用各种“彩色”滤光器结合标准白光源来改变ROI的颜色。如上所述，由于不存在针对这些滤光器定义的标准波长或光谱带宽，所以不同的临床设置可以应用“绿色”滤光器(仅使用“绿色”作为一个示例)，这些“绿色”滤光器在不同波长(可能具有不同带宽)下透射所谓的绿光。此外，这些滤光器中的许多滤光器可以是宽带(例如，50nm以上的带宽)装置，其在频谱响应上太宽以至于不能创建清楚地描绘正常组织与异常组织之间的边界的图像。因此，在一些情况下，此类滤光器的使用可产生不太有效的图像，或导致不同质量的不同图像之间的较少一致性。另外，将这些滤光器与白光源组合的使用不可避免地降低了透射光束的强度，并且所捕获的图像通常显得比它们应该显得的更暗。

根据本发明的原理，提出了消除这种基于颜色的滤光器的使用，并且相反地，提供由专门形成为在感兴趣的波长(例如，“绿色”、“蓝色”、“红色”、“黄色”等)下操作的单独发光二极管(LED)组成的照明源。有利地，LED可以被配置为生成非常适合于这些医学成像目的的高强度窄带光束，其中，提供适当诊断的能力依赖于创建高对比度图像以供医学专业人士审核的能力。

当用作阴道镜的照明源时，本发明的基于LED的源利用在被称为“绿色”和“蓝色”的特定定义的波长下发射的一个或更多个LED。由LED发射的绿色和蓝色波长被血管吸收，同时被缺少血红蛋白的周围组织反射。这增加了图像中血管显示的对比度。血红蛋白的吸收峰值周围的蓝光和绿光的带宽越窄(即，约30nm数量级的带宽，或可能更小)，所得图像中的血管的对比度越大。组织与血管之间的高对比度显著改善了血管图案的可视化，其中某些图案是组织异常的已知指标。因此，以这种清晰度水平创建(并且此后存储)数字图像的能力是癌症前期和癌症(同样用于研究口腔粘膜和粘膜下层)的诊断印象的至关重要的需要。

如以下还将讨论的，由于两个不同的波长穿透到ROI内的不同深度，通过控制这些LED的照明序列(例如，“绿色”曝光，接着是“蓝色”曝光)，可以辨别组织内的不同级别的脉管系统的变化，从而提供“三维”成像结果。

当用作皮肤镜的照明源时，“红色”和“黄色”光束的波长已知与医学相关色素(例如，黑素细胞)的吸收峰值一致。

根据本发明的原理，所使用的单独LED的数量以及它们在照明源内的相对放置提供了单独操纵窄带照明的亮度的能力，从而使得以足够的亮度和清晰度捕获高质量、高对比度图像。

在本发明的特定实施例中，使用观测诊断工具来用在特定明确定义的波长下操作的照明源的集合照亮特定ROI。在许多情况下，(全部在第一定义波长λ₁下操作的)第一组LED和(全部在第二定义波长λ₂下操作的)第二组LED被用作这些范围的成像系统的一部分。LED被特别地选择为展现窄带宽以产生高对比度结果，特别地帮助绘制ROI内的正常区与异常区之间的边界。例如，可以使用展现30nm的半峰全宽(FWHM)的在λ₁≈540nm的“绿色”波长下操作的LED，和展现12nm的FWHM的在λ₂≈415的“蓝色”波长下操作的LED，其中FWHM是定义其中输出发射下降到最大发射值的一半以下的给定中心波长的距离的良好理解的品质因数。给定LED的中心波长优选地保持在窄范围内以确保使用不同仪器收集的图像将具有相似的质量。

图2是根据本发明形成的示例性照明源10的简化等轴测视图，该照明源将在诸如图1中所示出的医学仪器内使用。在这个特定配置中，照明源10被形成为包括一对相对的孔12、14，来自所包括的LED的窄带光束通过该一对相对的孔12、14发射并且被引导至ROI。中心孔16包括捕获来自ROI的返回光的光探测布置。例如，光探测布置可以采取CCD照相机的形式或优选地采取具有适当滤光以阻挡LED波长之外的杂散光的CMOS探测器的形式。如下面将详细讨论的，一个或更多个LED可以位于每个孔12和14处(在大多数情况下白光源与LED位于同一位置)。附加孔可设置在围绕中心孔16的周边的不同位置处，以允许多组LED用于根据本发明的原理的窄带成像。

图3是照明源10的示例性配置的框图侧视图，在这个图示中示出为与特定ROI相关联地使用。在这个示例中，(以第一特定定义的波长λ₁操作的)第一窄带LED 32被定位成与孔12对齐。当照明源10是阴道镜系统的一部分时，第一窄带LED 32可以是“绿色”LED，该“绿色”LED具有30nm的FWHM值且在中心波长λ₁≈540nm下发射。当照明源10是皮肤镜的一部分时，第一窄带LED 32可以是“红色”LED，该“红色”LED具有16nm的FWHM值且在中心波长λ₁≈625nm下发射。透镜元件33定位在来自第一LED 32的输出之外并且用于使来自第一LED 32的窄带输出能够朝向ROI聚焦。

图3还示出了第二窄带LED 34，第二窄带LED 34在第二特定定义的波长下操作并且定位在仪器10的孔14后面。当照明源10是阴道镜的一部分时，第二窄带LED 34可以是“蓝色”LED，该“蓝色”LED具有12nm的FWHM值且在中心波长λ₂≈415nm下发射。当照明源10是皮肤镜的一部分时，第二窄带LED 34可以是“黄色”LED，该“黄色”LED具有22nm的FWHM值且在中心波长λ₂≈580nm下发射。透镜元件35被定位在来自第二LED 34的输出之外并且被用于使来自第二LED 34的窄带输出能够朝向ROI聚焦。

图3中还示出了常规的白光源31，其中应理解的是，包括白光源31是任选的，但是优选的是，在大多数情况下，医学仪器使用白光源31来照明检查对象的部位的ROI，之后根据需要使窄带LED 32、34通电。实际上，LED 32和34的“打开”和“关闭”典型地受执行检查的个体控制，从而允许在检查过程期间在特定时间点捕获高对比度图像。如上所述，也可以控制窄带LED的启动，给第一波长LED 32通电一段时间，然后给第二波长LED 34通电不同的时间段，其中，单独的启动可以提供与由不同波长穿透的不同深度相关联的子表面元件的附加成像清晰度。

光接收元件40在图3中被示出为定位在中心孔16后面，其中透镜元件39被布置在光接收元件40的入口处。根据医学仪器的光学成像特性，从ROI朝向照明源10反射回的照明由光接收元件40捕获并且使用本领域中众所周知的(并且当前正在发展的)各种类型的分析来处理。光接收元件40可以包括例如具有适当波长滤波的基于CCD的照相机或CMOS探测器。

图4是如图3所示的LED 32和34的具体布置的前视图。图5是利用围绕中心孔16设置的成对孔的替代照明系统50的前视图。在该特定布置中，第一孔52定位在围绕照明系统50的圆形形状的0°位置处，第二孔54定位在180°位置处。第二对孔被设置为与孔52和54正交，其中一个孔56位于90°位置，剩余孔58位于270°位置。在该特定配置中，第一波长(λ₁)LED 32-1和32-2(分别)设置在孔52和54的后面，并且第二波长(λ₂)LED 34-1和34-2(分别)设置在孔56和58的后面。

图6示出了又一个不同的布置。这里，照明系统60保持如图5所示的相同组的四个孔52、54、56和58，但是在这种情况下，照明系统60被配置为在如上关于图5的布置所限定的四个象限位置中的每一个处使用(λ₁,λ₂)LED对。第一对被标识为(LED 32₁，LED 34₁)；第二对被标识为(LED 32₂，LED 34₂)；第三对被标识为(LED 32₃，LED 34₃)；并且第四对被标识为(LED 32₄，LED 34₄)。

在这些实施例中的每一个中，可以使用特定的切换序列来控制单独LED的照明，其中，如上所述，执行检查的个体通常控制何时“打开”和“关闭”LED。然而，应理解的是，在某些应用中还可以实施LED定序的基于计算机的控制。

通过比较图7中显示的现有技术数字图像(使用传统白光源捕获)的照片再现与图8中显示的数字图像，示出了窄带、波长特定的LED提供更高质量、更清晰的示例性ROI图像的能力，其中，图8中显示的数字图像是根据本发明的教导，使用绿色LED作为照明源捕获的。图8的较高对比度结果在ROI的详细脉管系统中、(例如)特别是在比较区域A中是明显的。

应注意的是，如以上提及的，根据本发明形成的示例性的基于LED的照明源最有可能还包括标准白光照明源，因为对于捕获ROI的各种其他细节仍然是重要的。在一个示例性过程中，例如，白光照明源可以用于大多数检查，其中基于窄带LED的照明源在脉管系统、皮肤色素沉着、粘膜等需要详细成像的特定时间段期间(也许如由临床医生控制)被启动。

总体上，窄带照明系统的细节和实施例的描述已经出于说明的目的而呈现，但不旨在是穷尽性的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。选择本文使用的术语以最佳地解释实施例的原理、实际应用或对现有技术中发现的技术的技术改进。

Claims

1.一种用于与医学观测仪器结合执行数字成像的照明源，所述照明源包括：

至少一个窄带第一波长LED，所述至少一个窄带第一波长LED在与研究中的解剖学感兴趣区域(ROI)的第一吸收峰值相关联的第一中心波长λ₁下操作；以及

至少一个窄带第二波长LED，所述至少一个窄带第二波长LED在与研究中的所述解剖学感兴趣区域(ROI)的第二吸收峰值相关联的第二中心波长λ₂下操作，以产生ROI的高对比度数字图像的方式控制所述至少一个窄带第一波长LED和所述至少一个窄带第二波长LED的通电。

2.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述照明源还包括用于所述ROI的替代照明的白光源。

3.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述源还包括被定位为接收来自所述ROI的反射光的光接收元件。

4.根据权利要求3所述的照明源，其中，所述光接收元件包括CMOS探测器和与波长相关的滤光器的组合。

5.根据权利要求1所述的照明源，其中，每个窄带LED展现不大于30nm的FWHM。

6.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述至少一个窄带第一波长LED包括多个单独的LED，所述多个单独的LED被布置成照明所述ROI的选定区。

7.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述至少一个窄带第二波长LED包括多个单独的LED，所述多个单独的LED被布置成照明所述ROI的选定区。

8.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述照明源还包括白光源，所述白光源用于检查所述解剖的一般部分。

9.根据权利要求1所述的照明源，其中，不同波长的LED以阵列的形式彼此靠近地布置在围绕居中布置的光接收元件的外围的限定位置处。

10.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述照明源与用于观察脉管系统的观测系统结合使用，所述第一中心波长和所述第二中心波长选择为接近血红蛋白的吸收峰值。

11.根据权利要求10所述的照明源，其中，所述至少一个窄带第一波长LED在波长λ₁≈540nm下操作并且被称为至少一个绿色LED，并且所述至少一个窄带第二波长LED在波长λ₂≈415nm下操作并且被称为至少一个蓝色LED。

12.根据权利要求11所述的照明源，其中，所述至少一个绿色LED包括全部在波长λ₁≈540nm下操作的多个绿色LED。

13.根据权利要求11所述的照明源，其中，所述至少一个蓝色LED包括全部在波长λ₂≈415nm下操作的多个蓝色LED。

14.根据权利要求10所述的照明源，其中，所述至少一个绿色LED包括全部在波长λ₁≈540nm下操作的多个绿色LED，并且所述至少一个蓝色LED包括全部在波长λ₂≈415nm下操作的多个蓝色LED。

15.根据权利要求1所述的照明源，其中，所述照明源与皮肤镜结合使用，所述第一中心波长和所述第二中心波长被选择为接近皮肤色素的吸收峰值。

16.根据权利要求15所述的照明源，其中，所述至少一个窄带第一波长LED在波长λ₁≈625nm下操作并且被称为至少一个红色LED，并且所述至少一个窄带第二波长LED在波长λ₂≈580nm下操作并且被称为至少一个黄色LED。

17.根据权利要求16所述的照明源，其中，所述至少一个红色LED包括全部在波长λ₁≈625nm下操作的多个红色LED。

18.根据权利要求16所述的照明源，其中，所述至少一个黄色LED包括全部在波长λ₂≈580nm下操作的多个黄色LED。

19.根据权利要求16所述的照明源，其中，所述至少一个红色LED包括全部在波长λ₁≈625nm下操作的多个红色LED，并且所述至少一个黄色LED包括全部在波长λ₂≈580nm下操作的多个黄色LED。

20.一种用于与医学仪器结合执行数字成像的照明源，所述照明源包括：

至少一个窄带LED，所述至少一个窄带LED在与研究中的解剖学感兴趣区域(ROI)中存在的生物分子的吸收峰值相关联的中心波长下操作，增强ROI中特定特征集与周围材料之间的对比度，生成所述ROI的高对比度数字图像。