深圳大学物理与光电工程学院,教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室,广东 深圳 518060
介绍各种非线性光学显微成像的基本原理,并阐述非线性光学成像的多模态耦合所面临的技术挑战与解决方案。从成像速度、空间分辨率以及信噪比三个方面介绍了多模态非线性光学成像的研究进展,并扩展了多模态非线性光学内窥镜和图像分析方法。最后展望了多模态非线性光学成像的发展趋势和所面临的挑战,以期给相关领域研究人员提供参考。
成像系统 显微成像 非线性光学 多模态光学成像 光学内窥镜
1 浙江大学光电信息科学与工程学院,浙江 杭州 310027
2 浙江省医疗器械审评中心,浙江 杭州 310009
3 之江实验室类人感知研究中心,浙江 杭州 311100
采用蒙特卡罗模拟技术对血管组织在可见光波段的多光谱成像进行建模仿真,通过分析不同血氧饱和度下血液后向散射功率的绝对值、相对值、绝对差值和对比度,并考虑可能的干扰因素,优选出适合内窥环境下使用的450 nm、525 nm、630 nm和660 nm 4个成像波段。基于4个优选的成像波段展开了血氧饱和度检测的实验验证。在血管仿体组织上的实验结果表明,在95%的置信水平下,血氧饱和度的检测偏差为1.24%。研究结果验证了利用四波段进行内窥组织血氧饱和度检测的可行性。
医用光学 多光谱成像 内窥镜 血氧饱和度 蒙特卡罗仿真
中国工程物理研究院 总体工程研究所, 四川 绵阳 621000
光纤内窥镜被广泛应用于复杂结构狭小空间里的破坏损伤探测, 但因其固有特性及外界噪声影响致使采集到的图像呈现蜂窝网格状, 且存在30%左右的桶形畸变。针对此问题, 提出了一种基于光纤内窥镜图像标定方法, 首先设计了可自由移动的标定系统, 然后采用高斯滤波、二值化处理、mark点识别、畸变矫正等方法对标定板图像中的光纤束进行处理, 最后使用该标定方法对光纤内窥镜拍摄的不同类型的标定板图像进行标定矫正。试验结果表明, 所提标定方法适合多种场景和不同质量图像的矫正识别, 测量误差仅为10 μm。
光纤内窥镜 标定系统 畸变矫正 微位移 optical fiber endoscope, calibration system, disto
小肠肠道发病原因隐匿并且小肠存在大量褶皱,大景深光学系统有利于在诊断过程中获得更多的病理信息,而目前市面上的胶囊内窥镜光学系统景深较小。所提胶囊内窥镜光学系统在保证一定分辨率的同时,还可在7~100 mm大景深范围内有效成像。该系统视场角为100°,F数为5,在全视场范围内调制传递函数均大于0.35(在125 lp/mm频率处),在与之搭配的OV9734成像芯片上能够满足成像要求。并对该光学系统进行了公差分析,结果表明其在可加工范围内能满足常规生产与装调。
成像系统 内窥镜成像 医用光学 大景深 光学设计 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2011002
1 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
2 之江实验室 类人感知研究中心, 浙江 杭州 311100
全景内窥成像技术可有效减小体内器官的观察盲区,具有缩短手术时间、降低术中出血风险、改善手术预后、缩短术后恢复时间等多种优点,在微创手术和术前检查中有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文从原理和产品应用两个方面对全景内窥成像技术进行了梳理。首先,综述了基于二维和三维成像的各种全景内窥成像技术,阐述了它们各自的实现方式,并分析了其关键指标和性能。其次,对比分析了由全景内窥成像技术衍生出来的胶囊内窥镜、全景结直肠镜等多种不同类型的产品,并展望了全景内窥成像技术的发展趋势和应用前景。
内窥镜 全景成像 3D重建 图像拼接 endoscope panoramic imaging 3D reconstruction image stitching
1 中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部,江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所光与健康研究中心,江苏 苏州 215163
共聚焦激光显微内窥镜(CLE)可以进行在体组织显微成像,实现实时病理学诊断,而光电探测器作为CLE系统的核心部件,影响共聚焦图像质量。对比分析光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)在CLE中的性能表现,建立基于PMT和APD探测电路的CLE成像信号信噪比分析模型,理论分析光电探测器及其放大电路噪声、放大增益、输入光信号等参数对成像信号信噪比的影响。搭建基于PMT和APD双光路探测系统,对均匀荧光溶液和组织样品进行成像。研究结果表明,当样品荧光功率大于10 nW时,所选取PMTSS与APD120A2的输出图像质量接近,信噪比相差小于0.67 dB,APD以更高的性价比实现与PMT相当的成像性能。
医用光学 共聚焦激光显微内窥镜 荧光成像 在体内窥 雪崩光电二极管 光电倍增管 光学学报
2023, 43(11): 1117001
1 暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室,广东 广州 511443
2 暨南大学附属第一医院消化内科,广东 广州 510632
3 广东省人民医院广东省心血管病研究所,广东 广州510080
4 广州信筑医疗技术有限公司,广东 广州 510535
微循环功能是反映危重病人器官生理状态的关键指标,为确定后续治疗手段提供了重要依据。传统上采用显微镜等手段观察体表微循环状态,但仅能获得组织毛细血管的空间形态,获取的功能性信息有限,难以满足临床需求。针对肠道内微循环监测需求构建了小型化光纤光声内窥镜,将成像探头伸入活体小动物直肠内以旋转扫描的方式进行内窥成像。在扫描过程中通过逐点探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波,能够获得消化道内壁血管空间分布;基于动静脉血在光学吸收谱上的差异,采用双波长激发获得了血氧饱和度的空间分布。基于数小时的连续监测,发现小动物患脓毒症后直肠内壁血管结构与血氧饱和度均发生明显变化。实验结果表明,该技术能够以无创方式表征典型微循环疾病模型的功能性变化,为微循环的无创监测提供了一种新的技术途径。
生物医学 光声成像 光声内窥镜 超声传感器 光纤传感器 微循环障碍
东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
胶囊内窥镜具有体积小、续航时间长、无疼痛等优势, 被广泛应用于人体内部空间的观察。但传统的胶囊内窥镜存在观察范围小、成像相对照度较低、图像质量较低等缺点。设计了一款成像范围大、相对照度高、分辨率高的胶囊内窥镜镜头, 镜头视场角(FOV)为150°, F数为2.8, 总长度小于6 mm, 平均视野中相对亮度超过90%。调制传递函数(MTF)在200 lp/mm时超过30%, 并且镜头仅用了5片球面镜, 结构紧凑, 解决了传统的胶囊内窥镜的劣势, 利于医护人员对病情进行准确的判断。
胶囊内窥镜 大视场 光学设计 像差 分辨率 capsule endoscope large field of view optical design aberration resolution