一種光學可視化手術導航系統的製作方法

2023-05-29 17:59:31

本發明涉及醫學成像技術，尤其是涉及一種光學可視化手術導航系統。

背景技術：

癌症治療最有療效的方法是手術切除和化療，而手術切除後遺留的癌症細胞的數量是衡量手術切除成功與否的一個指標，遺留的癌症細胞的多少和徹底清除的程度極大的影響了病情後期的發展，手術後如果有過多的癌症細胞遺留在器官上，則可能直接降低了隨後的化療效果和病人的存活機率。

對於尺寸較小的癌症組織或腫瘤邊界，醫生很難從肉眼和觸摸的經驗上給予準確判斷。而且，在病人的病灶區，癌症組織和血管、神經等正常組織交錯，肉眼無法分辨，在手術時，醫生如果在切除癌症細胞的同時，過多的切除血管和神經等正常組織，會對病人的健康和功能造成巨大傷害。

因此，能為醫生提供病灶區實時影像且能夠精確分辨癌症組織和正常組織的設備，成為現在研究的熱點。

目前，螢光造影劑成像技術已用於癌症組織和正常組織的分辨，其工作原理為：首先給術者注入螢光造影劑並等其聚集在腫瘤部位後，用一束激發光去照射，聚集了螢光物質的腫瘤就會發射出螢光，然後採集螢光物質所發射的波段的數據，最後經過數據處理成圖像為外科手術大夫提供手術視野來完成腫瘤的切除。不同的螢光造影劑的激發波長不同，而目前多採用可見光波段來作為激發波長，這與作為照明部分的光源波段產生了衝突，為了避免上述衝突，一般在相機前設置延遲凸鏡組件，其易導致相機接收的光功率下降，導致其信噪比低，從而不利於後續的圖像重建，增加了後續的圖像處理難度。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述技術不足，提出一種光學可視化手術導航系統，解決現有技術中可見光作為激發波長導致接收的光功率低、信噪比差及後續圖像重建難度大的技術問題。

為達到上述技術目的，本發明的技術方案提供一種光學可視化手術導航系統，包括：

照明器件，其用於形成一照明光束；

激發器件，其用於形成一近紅外激發光束；

合束器件，其用於將照明光束和近紅外激發光束合束形成一混合光束；及

導航頭，其包括用於將混合光束髮射至病灶區的發射頭、一用於將混合光束傳輸至發射頭的光波導、一用於採集病灶區的螢光信號的工業相機及一用於顯示病灶區圖像的顯示屏。

優選的，所述照明器件包括沿照明光線傳播方向依次設置的照明光源、聚集透鏡及第一濾光片；所述激發器件包括激發光源及設於激發光源與合束器件之間的第二濾光片。

優選的，所述近紅外激發光束的波長為783～787nm；所述照明光源的波長為380～760nm。

優選的，所述光波導包括光波導本體及設於光波導本體兩端的前端適配器和末端適配器。

優選的，所述導航頭包括一殼體，所述發射頭和工業相機內置於所述殼體，所述顯示屏設於所述殼體的一側外壁。

優選的，所述發射頭包括一內置於殼體的固定筒、設於所述固定筒前端的第一反射鏡架、嵌設於所述第一反射鏡架的第一反射鏡、內嵌於固定筒前端的發散透鏡及內嵌於所述殼體底部的第一透光窗片；所述前端適配器同軸內置於所述固定筒末端。

優選的，所述導航頭還包括採集頭，其包括嵌設於工業相機的鏡頭前端端面的第三濾光片、與所述第三濾光片配合設置的第二反射鏡架、嵌設於所述第二反射鏡架的第二反射鏡及內嵌於所述殼體底部的第二透光窗片。

優選的，所述第一反射鏡呈圓形、第二反射鏡呈矩形。

優選的，所述照明光源為白光led燈，所述第一濾光片為665nm低通濾光片，所述第二濾光片為785nm帶通濾光片，所述第三濾光片為785nm陷波濾波片。

與現有技術相比，本發明設置合束器件將照明光束和近紅外激發光束合束以發射至病灶區以便於照明、激發螢光，提高了工業相機的接收的光功率，其信噪比高，有利於工業相機對螢光信號的採集精確度，也便於後續的圖像處理。

附圖說明

圖1是本發明的光學可視化手術導航系統的連接結構示意圖；

圖2是本發明的導航頭的結構示意圖；

圖3是本發明的圖2的a-a向視圖；

圖4是本發明的圖2的b-b向視圖；

圖5是本發明的螢光成像的近紅外圖和彩色圖的對比示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

請參閱圖1～4，本發明提供了一種光學可視化手術導航系統，包括照明器件1、激發器件2、合束器件3及導航頭4。其中，照明器件1主要用於形成一照明光束，而激發器件2則用於形成一近紅外激發光束，合束器件3可用於合束器件3將照明光束和近紅外激發光束合束形成一混合光束；導航頭4包括發射頭41、光波導42、工業相機43和顯示屏44，光波導42用於將混合光束傳輸至發射頭41，發射頭41將混合光束髮射至病灶區，工業相機43則可採集病灶區的螢光信號，顯示屏44可顯示病灶區的圖像。

本實施例在進行手術時，一般在手術導航前，可注入近紅外螢光造影劑，當其聚集於腫瘤部位後進行手術導航，具體可開啟照明器件1和激發器件2，照明光束和近紅外激發光束在合束器件3的作用下合束，合束後的混合光束通過光波導42傳輸至發射頭41，發射頭41將合束後的混合光束髮射至病人的病灶區，其中的照明光束起到對病灶區進行照明的作用，同時其也提供了彩圖圖像的光源，而近紅外激發光束則激發聚集於腫瘤上的近紅外螢光造影劑發射光線，工業相機43實時採集病灶區的螢光信號，上述螢光信號可上傳到電腦進行處理以形成圖像，形成的圖像可反映出腫瘤的位置、形狀、大小等信息，從而便於手術中對腫瘤的完整、精確切除。同時，設置顯示屏44以用於顯示病灶區的圖像，其可用於為醫生提供視野，便於醫生更好的尋找病灶區，同時也可與電腦連接，便於獲取獲取腫瘤的相關信息。

具體的，所述照明器件1包括沿照明光線傳播方向依次設置的照明光源11、聚集透鏡12及第一濾光片13，照明光源11可採用白光led燈，其波長為380～760nm，從而便於為後續壁病灶區進行照明並提供彩色圖像的光源，而為了避免白光過多影響成像，本實施例第一濾光片13設置為為665nm低通濾光片，其可阻止波長大於665nm的光線通過，其有利於儘可能多的使通過的白光在工業相機43的rgb感光部分，避免形成的圖像顏色失真。而聚集透鏡12則可將照明光源11發射的大角度光線縮束，以避免光線的損失，提高照明效果。

激發器件2包括激發光源21及設於激發光源21與合束器件3之間的第二濾光片22，激發光源21可採用近紅外雷射器，其可發出波長為783～787nm的近紅外光線並形成783～787nm的近紅外激發光束，第二濾光片22可設置為785nm帶通濾光片，其濾除不需要的雜散光，避免其影響後續的螢光信號的採集，提高信噪比。

合束器件3可採用二向色鏡，其可將照明光束和近紅外激發光束進行合束，其可保證照明光束和近紅外激發光束對病灶區的同步照射，其避免了其他雜散光纖照射病灶區，其有利於提高後續工業相機43採集光信號的強度和精確度。在實際應用時，為了便於二向色鏡的合束精度，照明光束和近紅外激發光束可垂直設置。

本實施例光波導42包括光波導本體421及設於光波導本體421兩端的前端適配器422和末端適配器423，末端適配器423與合束器件3相配合，以便於混合光束的順利傳輸。其中，光波導本體421可採用液體光波導，其可對光線整齊化、均勻化處理，也利於光均勻出散。

導航頭4在具體設置時，其包括一殼體45，所述發射頭41和工業相機43內置於所述殼體45，所述顯示屏44設於所述殼體45的一側外壁。由於本實施例的導航頭4結構簡單，故殼體45的尺寸可設置長180mm、寬84mm、高83mm，其有利於後續的成像操作。殼體45可處於水平狀態，而顯示屏44與殼體45側壁之間具有一定的傾斜角度，以便於醫生手術至觀察為佳，也可將顯示屏44設置與殼體45為鉸接，便於觀察時醫生根據其需要實時調節。

本實施例發射頭41包括一內置於殼體45的固定筒411、設於所述固定筒411前端的第一反射鏡架412、嵌設於所述第一反射鏡架412的第一反射鏡413、內嵌於固定筒411前端的發散透鏡415及內嵌於所述殼體45底部的第一透光窗片414；所述前端適配器422同軸內置於所述固定筒411末端，固定筒411可對前端適配器422進行固定，以便於合束後的混合光束照射於第一反射鏡413，發散透鏡415嵌設於固定筒411前端可將混合光束進行適度發散，發散之後由第一反射鏡413反射穿過第一透光窗片414後將混合光束照射於病灶區。

為了便於對激發的螢光信號的採集，本實施例導航頭4還包括採集頭46，其包括嵌設於工業相機43的鏡頭前端端面的第三濾光片464、與所述第三濾光片464配合設置的第二反射鏡架461、嵌設於第二反射鏡架461的第二反射鏡462及內嵌於所述殼體45底部的第二透光窗片463，病灶區的反射的光束和激發的螢光均穿過第二透光窗片463並經過第二反射鏡462反射之後被工業相機43接收，而為了保證成像質量，工業相機43的鏡頭前端端面設置有第三濾光片464，可將近紅外激發光束在病灶區反射的光纖過濾，具體的，所述第三濾光片463可設置為785nm陷波濾波片，其可將近紅外激發光束在病灶區反射的光線過濾，即其可將波長為785nm的近紅外管線過濾，以便於白光和螢光通過，提高後續的成像質量。

其中，具體設置時，本實施例所述第一反射鏡413優選設置呈圓形、第二反射鏡462優選設置呈矩形，從而便於混合光束的反射及後續的成像。

本實施例採用上述結構，其光路設計簡單化，其有利於螢光信號的輸入功率增大，其可便於工業相機的自動聚焦以採集螢光信號，進而獲取更佳清晰的腫瘤信息，運用了液體光波導，使得光均勻出散，儀器更加小型化，其便於使用者的操作，而設置顯示屏配合導航，提高導航的靈活性。

為了證明本實施例具有更佳的成像效果，請參閱圖5所示，由於本實施例工業相機採用雙ccd攝像機，從而可以分別獲取近紅外圖像和彩色圖像，圖5為本實施例採用小鼠實驗後獲得的近紅外圖像和彩色成像的對比示意圖，在實際外科手術操作時，可將上述兩個圖像進行對照以更加精確判斷腫瘤位置。

與現有技術相比，本發明設置合束器件3將照明光束和近紅外激發光束合束以發射至病灶區以便於照明、激發螢光，提高了工業相機43的接收的光功率，其信噪比高，有利於工業相機43對螢光信號的採集精確度，也便於後續的圖像處理。

以上所述本發明的具體實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所做出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。