[发明专利]一种基于亚像素的光纤束共聚焦荧光内窥成像方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于共聚焦显微内镜领域，特别涉及一种基于亚像素的光纤束共聚焦荧光内窥成像方法及装置。

背景技术

十几年前，光纤大部分的应用主要集中在通讯领域。之后光纤作为照明和探测器件逐渐被接受，也逐步被应用到扫描共聚焦系统中。因为光纤器件的灵活性，特种光纤逐渐被发明和生产，在一些场合逐步替代了传统光学器件，也产生了新的和独特的光学系统。这些新的光学器件也给活体内窥成像领域带来了新的进展和优势。

光纤式共聚焦内窥成像方式结合了激光共聚焦显微成像技术和内窥成像技术。既可以发挥光纤灵活性的优势，又保留了共聚焦显微镜高分辨率，高对比度和层析的特点。使用光纤束传递照明光和传输图像可以将扫描机制放置在光学系统的近端，基于光纤束的系统因为远端具有较小的尺寸，可以插入常规内镜的工作通道，在内镜检查过程中，借助荧光染色的手段，在体实时的给出被检查部位的结构信息。这些信息能够为疾病的诊断提供重要帮助，在组织活检和外科手术之前定位病变组织轮廓。

在传统的基于光纤束的共聚焦显微内镜装置(如图1所示)中，包括激光器1，第一滤光片2，二向分色镜3，双轴扫描振镜4，第一透镜5，第二透镜6，物镜7，光纤束8，显微物镜9，第二滤光片11，光电探测器12和计算机13。

采用图1所示的装置所实现的基于光纤束的共聚焦显微内镜，其过程如下：

(1)激光器1发出照明光，经第一滤光片2滤除杂散光后，被二向分色镜3和双轴扫描振镜4反射至扩束系统，扩束系统由第一透镜5和第二透镜6组成，然后被耦合物镜7耦合至光纤束8中的一根光纤中；

(2)从该根照明光纤出射的光经显微物镜9聚焦到荧光样品10上；

(3)激光照明荧光样品10后激发样品产生荧光，经过显微物镜9收集后聚焦到同一根照明光纤中，由该根光纤出射的荧光经过耦合物镜7、第二透镜6和第一透镜5，并由双轴扫描振镜4反射至二向分色镜3，荧光透过二向分色镜3，再经第二滤光片11滤光后滤除样品反射的激光及其他杂散光，仅使荧光出射，被光电探测器12收集；光电探测器12将光信号转变成电信号，并将电信号传送至计算机13，得到一个物点所对应的图像；

(4)计算机13控制双轴扫描振镜4将激发照明光耦合进光纤束8中不同的光纤中，所有的光纤均扫描完毕后，得到图像。

但在光纤式共聚焦内窥成像系统中，光纤束本身蜂窝状的排列会带给图像固有噪声。由于光纤的数量限制了像素点的数目，不足以满足奈奎斯特定律，因此得到的图像分辨率会在混叠效应的影响下降低，这种欠采样是成像系统中最常见的问题。光纤束将连续的图像进行了离散化处理，到成像面上每一个像素点只代表其附近的光强。两个像素点之间存在微小距离，在宏观上可以看作是连在一起的，但在微观上，它们之间还有无限的更小的东西存在，这个更小的东西称之为“亚像素(Sub-Pixel)”，如图2所示。这个问题的关键是在去除光纤束pattern时，改善图像质量，最小程度上模糊图像的细节。

发明内容

本发明提供了一种基于亚像素的光纤束共聚焦荧光内窥成像方法及装置，提出在基于光纤束的共聚焦显微内镜的基础上，利用双轴振镜实现对激光束的扫描，激光束在光纤的远端出射，通过远端微型透镜聚焦到样品上，同时在光纤束远端加入移动平台，增加对光纤束整体的移动，将每次移动后得到的图像做叠加和处理，从而得到高像素图像，提高分辨率，这种方法称为亚像素(Sub-Pixel)，可用于共聚焦显微内镜领域。

本发明利用亚像素(Sub-Pixel)这一概念，可以改善图像质量，得到高清的样品图像。相对于其他共聚焦显微内镜，该装置结构简单，便于操作，为活体内窥成像领域提供了良好的研究手段。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于亚像素的光纤束共聚焦荧光内窥成像方法，包括：照明光依次耦合至光纤束内不同的单模光纤，由单模光纤出射并聚焦到样品上，收集样品产生的荧光并聚焦到与入射照明光相同的单模光纤内，采集荧光信号得到扫描样品的第一帧图像；

控制光纤束的近样品端至少移动一次，在每次移动后的位置处，照明光依次耦合至光纤束内不同的单模光纤，由单模光纤出射并聚焦到样品上，收集样品产生的荧光并聚焦到与入射照明光相同的单模光纤内，采集荧光信号得到扫描样品的第二帧图像；

将每次位移后得到的第二帧图像与第一帧图像进行图像重建，得到最终的显微图像。

进一步的，控制光纤束的近样品端在Z轴方向移动，对样品进行三维扫描。