[发明专利]使用用于超光谱和荧光成像和形貌激光标测的单色图像传感器的宽动态范围

说明书

本发明公开了用于激光标测和具有增加的动态范围的彩色成像的系统、方法和装置。系统包括用于发射电磁辐射脉冲的发射器和包括用于感测反射的电磁辐射的像素阵列的图像传感器，其中该像素阵列包括多个像素，每个像素能够被配置成短曝光像素或长曝光像素。该系统包括控制器，该控制器包括与图像传感器和发射器电通信的处理器。该系统使得由发射器发射的电磁辐射脉冲的至少一部分包括以下中的一者或多者：具有约513nm至约545nm的波长的电磁辐射；具有约565nm至约585nm的波长的电磁辐射；具有约900nm至约1000nm的波长的电磁辐射；引起试剂发荧光的电磁辐射激发波长；或激光标测图案。

技术领域

本申请涉及数字成像，并且具体地涉及缺光环境中的超光谱成像、荧光成像和/或形貌激光标测。

背景技术

科技的进步已提供了医用成像能力的进步。内窥镜可用于观察身体内部并检查身体的器官或腔体的内部。内窥镜用于调查患者的症状、确认诊断或提供医学治疗。医学内窥镜可用于观察多种身体系统和部分，诸如胃肠道、呼吸道、尿道、腹腔等。内窥镜还可用于外科手术，诸如整形外科手术、在关节或骨上进行的手术、在神经系统上进行的手术、在腹腔内进行的手术等。

在内窥镜成像的一些情况下，观察彩色空间可能是有利的或有必要的。数字彩色图像包括累积形成具有一系列色调的图像的至少三个层或“颜色通道”。颜色通道中的每个测量光谱带的光的强度和色度。通常，数字彩色图像包括红色光谱带、绿色光谱带和蓝色光谱带的颜色通道(这可称为红绿蓝或RGB图像)。红色、绿色和蓝色颜色通道中的每个包括红色、绿色或蓝色光谱带的亮度信息。单独的红色层、绿色层和蓝色层的亮度信息被组合以生成彩色图像。因为彩色图像由单独层构成，所以常规数字相机图像传感器包括颜色滤光器阵列，该颜色滤光器允许红色可见光波长、绿色可见光波长和蓝色可见光波长击中所选择的像素传感器。每个单独的像素传感器元件对红色、绿色或蓝色波长敏感，并且将仅返回该波长的图像数据。将来自像素传感器的总阵列的图像数据组合以生成RGB图像。至少三种不同类型的像素传感器占用大量物理空间，使得完整的像素阵列不能装配在内窥镜的较小远侧端部中。

因为传统图像传感器不能装配在内窥镜的远侧端部中，所以图像传感器传统上位于内窥镜的手持件单元中，手持件单元由内窥镜操作者握持并且不放置在体腔内。在此类内窥镜中，光沿内窥镜的长度从手持件单元传输到内窥镜的远侧端部。该配置具有显著限制。具有该配置的内窥镜是精密的，并且当其在常规使用期间发生碰撞或冲击时可容易地不对准或损坏。这可显著降低图像的质量并且需要频繁修理或更换内窥镜。

具有放置在手持件单元中的图像传感器的传统内窥镜进一步被限制为仅捕获彩色图像。然而，在一些具体实施中，除了彩色图像数据之外，还可能希望利用荧光数据、超光谱数据和/或激光标测数据来捕获图像。荧光成像捕获已吸收电磁辐射的物质对光的发射并随着其发射弛豫波长而“发光”。超光谱成像可用于通过发射电磁辐射的不同分区并评估材料的光谱响应来识别不同的材料、生物过程和化学过程。激光标测成像可捕获对象和景观的表面形状并测量场景内的对象之间的距离。激光标测成像还可涵盖工具跟踪，其中可相对于彼此、相对于成像装置和/或相对于场景内的结构来跟踪场景内工具的距离和/或尺寸。在一些具体实施中，可能希望在对场景成像时组合使用荧光成像、超光谱成像和/或激光标测成像中的一者或多者。

然而，本领域已知的荧光成像技术、超光谱成像技术和激光标测技术的应用通常需要高度专业化的设备，这些设备对于多种应用可能是不可用的。此外，此类技术提供了有限的环境视图，并且通常必须与多个单独系统和多个单独图像传感器结合使用，该多个单独系统和该多个单独图像传感器被制成对特定电磁辐射频带敏感。因此希望开发一种可用于空间受限的环境中以生成荧光成像数据、超光谱成像数据和/或激光标测成像数据的成像系统。

鉴于上述情况，本文描述了用于在缺光环境中进行荧光成像、超光谱成像和激光标测成像的系统、方法和装置。此类系统、方法和装置可提供多个数据集，用于识别身体内的关键结构并提供关于体腔的精确且有价值的信息。

附图说明