阅读说明：本技术 一种多模态内窥镜及内窥成像系统 (Multi-mode endoscope and endoscopic imaging system ) 是由 戴翠霞 杜奉献 孔瑞明 邱锐 高磊 葛坚坚 董柏文 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多模态内窥镜及内窥成像系统,通过结合超声成像,光学相干层析成像,荧光成像和电子内窥镜成像,具有拍摄光学系统和拍摄元件,被向被检体的消化道(食道、胃、十二指肠、大肠)或者呼吸道(气管、支气管)插入,能够进行消化道、呼吸道的拍摄；设有成像原理不同的光学相干成像装置和荧光成像装置,二者分别与图像处理装置信号连接,且利用波分复用器相结合作为荧光成像系统,可结合各种成像装置的优点获取组织器官的医学影像,有助于捕获更准确的组织器官的层析图。与现有技术相比,本发明可以提供一种性能优异的一种多模态成像内窥镜及内窥系统。(The present invention relates to a multi-modal endoscope and endoscopic imaging system, which combines ultrasonic imaging, optical coherence tomography, fluorescence imaging and electronic endoscopic imaging, and has an imaging optical system and an imaging element, which is inserted into the alimentary tract (esophagus, stomach, duodenum, large intestine) or respiratory tract (trachea, bronchus) of a subject to be examined, and can image the alimentary tract and the respiratory tract; the device is provided with an optical coherent imaging device and a fluorescence imaging device which have different imaging principles, are respectively in signal connection with an image processing device, and are combined by a wavelength division multiplexer to be used as a fluorescence imaging system, so that medical images of tissues and organs can be acquired by combining the advantages of various imaging devices, and more accurate tomograms of the tissues and organs are captured. Compared with the prior art, the invention can provide a multi-mode imaging endoscope and an endoscopic system with excellent performance.)

一种多模态内窥镜及内窥成像系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种多模态内窥镜及内窥成像系统。

背景技术

近些年来，新成像技术的不断发展为疾病的早期诊断提供了新的手段，包括超声内窥成像，光学相干层析成像，荧光成像，共聚焦成像等等。

超声内窥镜(Endoscopic Ultrasonography System，EUS)是一种集成超声波与内窥镜为一体的医疗设备。当超声内窥镜的弯曲部插入人体以后，通过前端部的内窥镜探头对内脏器官进行断层扫描，从而获得内脏器官的超声图像。由于超声成像的探测深度很深，所以超声内窥镜在国内大型医院内镜室的诊断和治疗都有着十分重要的作用。

光学相干成像(Optical Coherence Tomography，OCT)具有高分辨率，无接触，无损伤几个方面的特点。内窥OCT(Endoscopic OCT,E-OCT)作为OCT技术的重要分支，通过探头将光引导至待测器官组织处，可以克服光穿透深度有限的弱点，从而获得人体内器官深度高分辨的层析图像，通过组织形态学的研究，实现疾病的早期治疗。

荧光成像(Fluorescence Imaging)是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定范围内与荧光素的量呈线性关系。荧光是一种特异性高的分子，结合荧光成像和OCT就可以同时分析组织的结构和成分，可为胰胆管早期病变提供精准的影像手段。然而，目前尚无用于器官早期病变的OCT/荧光内窥成像研制。

综上所述，对于体内早期疾病的诊断，综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床要求。综合每种成像技术的特点，提供一种多模态的内窥镜和成像系统就显得尤为重要。

中国专利CN201910378525.1提供了一种能够抑制光纤的折损且安装性及操作性也优异的内窥镜。该内窥镜具备导光器，该导光器将由光源装置生成的照明光通过内窥镜的内部并从光源装置经过内窥镜的操作部引导至内窥镜的插入部的前端部。这种设计可进行实时成像，但却无法进行多模态的成像，从而无法提供更准确的组织器官的层析图像。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多模态内窥镜及内窥成像系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多模态内窥镜，包括：

插入部，用于将光信号转换为电信号，并在接受到电信号后经由信号线将信号传输至连接部，传输回的电信号进入电子内窥镜系统装置中，并经过图像处理后进显现；

所述的插入部包括依次设置的前端部、弯曲部和挠性管部，所述的前端部包括侧向列排布的用于与超声内窥成像装置通过信号线连接的超声波换能器，探头，用于与OCT成像观测装置通过光纤连接的光学聚焦模块，用于接收光学信号的摄像元件以及用于放置活检钳和其他治疗器械的处置器具通道；

操作部，用于对插入部的前端部进行供气、供水、负压吸引操作，对插入部的弯曲部进行弯曲操作，并控制处置器具通过处置器具通道输送至体腔；

连接部，用于将插入部与电子内窥镜系统装置连接。

进一步地，所述的前端部为顶端硬质结构，多个超声换能器侧向列排布在硬质结构的前端部外表面。

进一步地，所述的插入部还包括照明窗以及用以将光传输到照明窗进行照明的单模光纤。

进一步地，所述的操作部设于插入部的基端侧，所述的操作部包括用于对弯曲部进行弯曲操作的弯曲旋钮，用于向插入部的前端部进行供气、供水的供气供水管，用于通过内窥镜内部吸去插入部的前端部多余的液体的负压吸引管，以及用于与操作部的处置器具通道连接的处置器具插入口。

所述的探头包括用于保持位于前方视野照明的所述的照明窗，用于吸出多余的液体管的端部负压吸引装置窗，用于保持送水管的端部，并用于保持送气管的端部供水、供气窗，用于保持处置器具通道的端部的与处置器具插入口连通的处置器具通道窗，以及用于电子内窥镜装置的数据传输的摄像装置观察窗。

所述的光学聚焦模块为半球状聚焦球透镜，所述的半球状聚焦球透镜的水平底面上设有镀金反射膜，该水平底面与光纤的轴向呈45°角，所述的半球状聚焦球透镜除水平底面外的其他部分与多模光纤融合。

所述的摄像元件通过将接收到的光信号转变成电信号，并经由信号线传输至电子内窥镜成像装置中后，通过图像处理装置进行显现。

一种多模态内窥成像系统，该系统包括：

所述的多模态内窥镜；

图像处理装置，分别与OCT成像观测装置、荧光成像装置、超声成像装置信号连接，用于根据用户的操作输出控制信号，并根据接收到的反馈信号生成组织器官的多模态影像；

超声成像装置，与多模态内窥镜的超声换能器通过信号线连接，用于根据所述控制信号输出超声控制信号，使所述超声换能器向待测样品组织发射超声波、并将返回的反馈超声波转换为超声反馈信号；

OCT成像观测装置，与半球形聚焦球透镜通过光纤连接，用于根据控制信号输出光信号，所述的光信号通过半球形聚焦球透镜到达待测样品组织，并接收采集的待测样品组织反馈的光信号；

荧光成像观测装置，利用波分复用器与OCT成像观测装置构成荧光成像系统，用于将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路；

电子内窥镜系统装置，用于与多模态内窥镜的插入部连接，用于对插入部传输回的电信号进行图像处理并显现。

进一步地，本发明多模态内窥成像系统采用双包层光纤耦合器收集发射的光，并采用半导体激光作为荧光成像的激发光源。

进一步地，所述的OCT成像观测装置采用高速VECSEL光源，所述的荧光成像系统采用半导体可调激光的680-750nm波段作为激发光源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的多模态内窥成像系统设有成像原理不同的第一光学成像装置，即光学相干成像装置和第二光学成像装置，即荧光成像装置，其中光学相干成像技术相比于其他技术具有非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构，与内窥技术结合之后的OCT内窥成像技可直接对生物组织进行成像，能够完成对组织的高精度扫描，进而可对早期癌变和动脉粥样硬化进行早期诊断；荧光成像是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定范围内与荧光素的量呈线性关系；多模态系统将充分利用超声的深度组织成像能力、OCT的高分辨组织成像能力以及荧光分子靶向成像的高灵敏度和特异性，实现实时可视化的多模态成像。

2)本发明的多模态内窥镜相比于单模态内窥镜的单一性，不稳定性和成像分辨率差的特点，多模态内窥镜的镜头通过信号线、光纤可将声信号—电信号、光信号—电信号进行相互转换，具有综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点，综合平衡了这一系列问题，适合对于体内早期疾病的诊断，为早期癌变等提供精准的影像手段；此外，与传统单模态内窥镜相比，多模态内窥镜可实现对胃肠道断层成像，可检测出多种胃肠疾病的微小病变，有利于病人可提前治疗并提高治愈率。

3)本发明的多模态内窥镜的镜头内特殊的半球状聚焦球透镜和超声换能器能够确保通过一次下镜实现多重功能，半球形聚焦球透镜用于与OCT成像观测装置通过光纤连接，超声换能器用于与超声内窥成像装置通过信号线连接，不同的装置使用各自独立的通道，保证各自能够正常稳定工作而互不干扰，相比于传统内窥镜有效解决了目前普遍存在多次下镜存在的病变信号和图像配准问题，且大大降低了目前国内类似手术费用，节省手术时间，此外有助于在应用时较大程度减轻病患痛苦。

4)本发明的光学相干成像装置、荧光成像装置分别与图像处理装置信号连接，且利用波分复用器相结合作为荧光成像系统，可结合各种成像装置的优点获取组织器官的医学影像，有助于捕获更准确的组织器官的层析图。

附图说明

图1为本发明实施例中多模态内窥镜的插入部和操作部的侧面剖视结构示意图；

图2为本发明实施例中多模态内窥镜的插入部前端探头的结构示意图；

图3为本发明实施例中多模态内窥成像系统的结构示意图；

图中标号所示：

101、多模态内窥成像系统，102、多模态内窥镜，103、超声波观测装置，104、电子内窥镜观测装置，105、OCT成像观测装置，106、荧光成像观测装置，107、计算机，108、波分复用器，109、供水罐，110、插入部，111、操作部，112、处置器具插入口，113、通用线缆，114、连接器；203、待测样本组织，204、超声波换能器，205、半球状聚焦球透镜，206、第一信号线，207、多模光纤，208、单模光纤，209、第二信号线，210、负压吸引管，211、送气送水管，212、处置器具通道；301、探头，302、照明窗，303、负压吸引装置窗，304、供水、供气窗，305、处置器具通道窗，306、摄像装置观察窗。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种多模态内窥镜，多模态内窥镜的镜头通过信号线、光纤可将声信号—电信号、光信号—电信号进行相互转换，具有综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点，该内窥镜包括：

插入部，插入部，具有前端部，该前端部为顶端硬质结构，前端部包括侧向列排布的多个超声波换能器、探头以及用于接收光学信号的CCD/CMOS等摄像元件。摄像元件用于向被检体的消化道(食道、胃、十二指肠、大肠)或者呼吸道(气管、支气管)插入，能够进行消化道、呼吸道的拍摄。同时插入部还具有弯曲部以及挠性管部，弯曲部位于前端部后侧，其结构组成：最外层是橡皮，中间层是金属网，最里层是弯曲的蛇骨。蛇骨由许多环状的金属组成，能够上下左右四个方向弯曲活动。弯曲部作用是用来调节观察视场方向；挠性管部位于弯曲部后侧，其结构组成：挠性管部是基于螺旋管、网状管以及外皮的三层结构。挠性管部作用是具有挠性，使得挠性管部朝向体内插入的插入性提高，另外，挠性值越低，挠性管部越柔软，越难以插入体内。

操作部，可以控制插入部前端：送水，用于冲洗物镜镜面以及手术野使得视野保持清晰；送气，气体由此进入人体体腔使得扩张；负压吸引，当腔内有过多液体妨碍观察时可控制吸引按钮将液体吸入吸引瓶内；处置器具通道，活检钳和其他治疗器械也可由操作部控制进入体腔内。

连接部，用于将插入部与电子内窥镜系统装置连接。插入部的前端有接收光学信号的CCD或者CMOS，可以将光信号转换为电信号，在接受到电信号以后经由信号线将信号传输至连接部。同时，传输回来的电信号进入电子内窥镜系统装置中，并经过图像处理后显现出来；插入部的超声换能器通过信号线和连接部相连，信号线会驱使超声换能器发出高频超声并且射向待测样品组织。同时，从待测样本组织中反射回来的超声信号也会被超生换能器接收并且转换为电信号，在通过信号线经由连接部将电信号传输入超声成像系统中，并经过图像系统处理后显现出来。经过样品反射的光会原路返回至多模光纤中再经由连接部传输至光学模块中，并经过图像系统处理后显现出来。

图1为多模态内窥镜的插入部和操作部的侧面剖视图，在进行检测时，待测样本组织203与插入部的前端部相对应设置。

1)内窥镜的插入部包括超声波换能器204、半球状聚焦球透镜205、第一信号线206、多模光纤207、单模光纤208、第二信号线209、负压吸引管210、送气送水管211和处置器具通道212。其中，超声换能器204位于硬质部外表面，且位于前端部侧向列排布多个超声波换能器204。每一个超声波换能器204连接一个第一信号线206。超声换能器204用于与超声内窥成像装置通过信号线连接，能够使用超声波对其周围脏器(胰脏、胆嚢、胆管、胰管、淋巴结、纵隔内的脏器、血管等)进行拍摄。超声换能器用于将从超声波观测装置发送来的电脉冲信号转换为超声波脉冲(声脉冲)并向被检体照射，并将由被检体反射来的超声波回波转换为通过电压变化来表示的电回波信号并输出。超声成像则通过声发生器和接收器产生和检测超声信号。

插入部设有一个出光口，该出光口位于插入部前端的侧边，半球状聚焦球透镜205的球面与该出光口对应设置。半球状聚焦球透镜205可与OCT成像观测装置通过光纤连接，半球状聚焦球透镜205用于光学聚焦，其水平底面上设置有镀金反射膜，该水平底面与光纤的轴向呈45°角，使得该镀膜反射膜将光纤传输来的信号以90°角的方向照射在待测样本组织203上，半球状聚焦球透镜205的另一部分直接和多模光纤207融合，从而传输所得到的光学信号。优选地，出光孔采用光透镜。

插入部中单模光纤208直接将光传输到内窥镜所属插入部前端的照明窗302用于照明；CCD/COMS等摄像元件通过摄像窗口306接收光信号后将光信号转变成电信号经由第二信号线209传输至电子内窥镜成像装置中，在经过图像处理装置显现出来。

插入部中负压吸引管210与内窥镜内部所述插入部前端的负压吸引装置窗303连接，用于吸去肠胃里多余的粘液、消化物和组织液体。

插入部中供气供水管211与内窥镜内部所述插入部前端的供水、供气窗304连接，在临床遇到模糊视野的情况时，送水用于冲洗物镜镜面以及手术野使得视野保持清晰；送气用于人体体腔扩张；二者用来清除干净整个内窥镜视野的异物。

插入部中处置器具通道212用于放置活检钳和其他治疗器械。

2)操作部111是连结于插入部110的基端侧，用于接受来自医生等的各种操作的部分。该操作部111包括用于对弯曲部进行弯曲操作的弯曲旋钮和用于进行各种操作的多个操作构件。如，供水、供气、照明和负压吸引等等。操作部111设有处置器具插入口112，该处置器具插入口112和处置器具通道212连通，供处置器具贯穿路径连接至处置器具窗口305，可以帮助医生更精确的判断病情。

图2示出了一种多模态内窥镜的插入部前端部的探头301的正视图，该探头301包括照明窗302，其用于保持位于前方视野的照明；负压吸引装置窗303，其用于吸出多余的液体管的端部；供水、供气窗304，其用于保持送水管的端部，并用于保持送气管的端部；处置器具通道窗305，其用于保持处置器具通道212的端部，该窗口与处置器具插入口112连通；摄像装置观察窗306，其用于电子内窥镜装置的数据传输。

本发明还涉及一种多模态内窥成像系统，该系统结合超声成像，光学相干层析成像，荧光成像和电子内窥镜成像，具有拍摄光学系统和拍摄元件，被向被检体的消化道(食道、胃、十二指肠、大肠)或者呼吸道(气管、支气管)插入，能够进行消化道、呼吸道的拍摄。

具体地，该系统包括上述内容中的多模态内窥镜102，还包括图像处理装置(未在附图中示出)、超声成像装置(未在附图中示出)、超声波观测装置103、电子内窥镜装置104、OCT成像观测装置105(第一光学成像装置)、荧光成像装置106(第二光学成像装置)、计算机107、波分复用器108、供水罐109和通用线缆113。OCT成像观测装置105，超声成像装置103，荧光成像观测装置106和电子内窥镜系统装置104使用各自独立的通道，保证各自能够正常稳定工作而互不干扰，相比于传统内窥镜有效解决了目前普遍存在多次下镜存在的病变信号和图像配准问题，且大大降低了目前国内类似手术费用，节省手术时间，有助于在应用时较大程度减轻病患痛苦。

超声波观测装置103、电子内窥镜装置104、OCT成像观测装置105、荧光成像观测装置106分别与计算机107连接。将多模态内窥镜102的操作部111连结于插入部110的基端侧，用于接受来自医生等的各种操作的部分。通用线缆113是从多模态内窥镜102的操作部112延伸且配设有用于传输各种信号的多个信号线缆以及用于传输从光源装置供给来的照明光的光纤等的线缆。通用线缆113的一端连接操作部112，另一端与连接器114连接。连接器114用于将通用线缆113分别连接超声波观测装置103、电子内窥镜装置104、波分复用器108和供水罐109。多模态内窥镜102内设有超声换能器204，超声换能器204将从超声波观测装置103发送来的电脉冲信号转换为超声波脉冲(声脉冲)并向被检体照射，并将由被检体反射来的超声波回波转换为通过电压变化来表示的电回波信号并输出。超声成像则通过声发生器和接收器产生和检测超声信号。

图像处理装置用于根据用户的操作输出控制信号，并根据接收到的反馈信号生成组织器官的多模态影像。图像处理装置分别与OCT成像观测装置105、荧光成像装置106、超声成像装置信号连接。

多模态内窥镜102也分别与两个光学成像装置、超声成像装置信号连接，多模态内窥镜102根据两个光学成像装置的光信号反馈光反馈信号，并根据超声成像装置的超声控制信号反馈超声反馈信号，最终图像处理装置根据光反馈信号和超声反馈信号得到胰胆管上样本组织的医学影像，以便用户能够根据该影像和相应的医学知识对组织器官的状态进行判断。

超声成像装置与多模态内窥镜102中的超声换能器采用信号线连接，用于根据控制信号输出超声控制信号，以使超声换能器向待测样品组织发射超声波、并将返回的反馈超声波转换为超声反馈信号。

OCT成像观测装置105与半球状聚焦球透镜205用光纤连接，用于根据控制信号输出光信号，光信号通过半球形聚焦球透镜205到达待测样品组织，并接收采集的待测样品组织反馈的光信号。

波分复用器108连接OCT成像观测装置105、荧光成像观测装置106，两个观测装置分别与图像处理装置信号连接。波分复用器108的一端通过光纤与OCT成像观测装置105信号连接，并通过另一根光纤与荧光成像观测装置106信号连接，波分复用器108的另一端则通过光纤与半球状聚焦球透镜205连接。利用波分复用器108可将OCT成像观测装置105、荧光成像观测装置106相结合，用于作为荧光成像系统。采用双包层光纤(DispersionCompensating Fiber，DCF)耦合器收集发射的光，以保证系统的紧凑和稳定。半导体激光用于荧光成像的激发光源，和DCF耦合器被纳入到激励光和发射光传输收集。在传输过程中，复合光束通过单点模式芯从输入端口到输出端口，单模芯的小直径保证对表面组织产生高的光能量密度，从而实现高效率的激励。发射回来的荧光经DCF输出到大直径的多模光纤可提高收集发射光的能力并经过相应滤波在PMT中获得荧光信息。

作为优选方案，在此多模态内窥成像系统中，OCT成像观测装置105采用高速VECSEL光源，可实现长距离成像，光源发出的光通过多模光纤传输至半球形的球透镜在90°折射到样品上。采用半导体可调激光的680-750nm波段作为激发光源，实现对荧光分子成像。对双模态光路部分的集成则根据OCT成像观测装置105和荧光成像观测装置106不同波长的情况选取波分复用器108将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路，这种全光纤光路设计保证了双模态光路系统紧凑和稳定。

本发明的多模态内窥成像系统设有成像原理不同的光学相干成像装置和荧光成像装置，其中光学相干成像技术相比于其他技术具有非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构，与内窥技术结合之后的OCT内窥成像技术可直接对生物组织进行成像，能够完成对组织的高精度扫描，进而可对早期癌变和动脉粥样硬化进行早期诊断。

本发明结合荧光成像技术和OCT成像技术可实现分析组织的结构和成分，可为胰胆管早期病变等提供精准的影像手段，相比单一模态的成像技术的单一性，不稳定性和成像分辨率差的特点，多模态的成像技术更适合对于体内早期疾病的诊断，综合在体、断层成像、高分辨率和成像深度几个方面的临床特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。