用于多光谱成像的方法和部件技术

本发明专利技术涉及样本、尤其生物组织的多光谱成像。本发明专利技术还涉及一种用于获取对象(400)的荧光图像和反射图像的方法，该方法包括如下步骤：利用至少第一光和第二光交替地照明对象(400)，其中，第一光和第二光在光谱上被成形，使得至少一个光具有被一个或多个低光强度的光谱区域分离的多个高光强度的光谱区域，其中，第一光和第二光的具有高强度的光谱区域至少部分不重叠，以及其中，这两种光中的至少一者具有波长比高光强度的相邻区域的波长长的至少一个低光强度的区域，以及在利用光中的至少一者照明对象(400)的同时记录至少对象(400)的第一图像和对象(400)的第二图像，其中，记录为第一图像的光被修改，从而使第二光的至少一个高强度的光谱区域衰减，以及其中，记录为第二图像的光被修改，从而使第一光的至少一个高强度的光谱区域衰减。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及样本、尤其生物组织的多光谱成像。
技术介绍
当使组织成像时，照明光可以被吸收或被散射。如果组织包含荧光分子，则通过将分子设置处于激发态而临时存储吸收的能量，然后吸收的能量被释放为较长波长的光子。来自荧光的光强度通常比反射的激发光的强度弱许多数量级，以及需要将反射的激发光与发射光分离或隔断。最实际的方式为在光束的激发路径和发射路径中使用带通滤波器，以限制光的光谱范围以避免反射的激发在记录的发射路径中的渗透。该方法的直接结果是，无法在同一检测路径中同时获得反射的激发图像与荧光图像。为了获取荧光图像和反射图像二者，需要在两种获取模式之间切换：具有滤波器和不具有滤波器。对于静态对象，即对于在获取荧光图像和反射图像期间不显著移动的对象，在滤波器之间切换以及按顺序获取两个图像从不是问题。然而，如果视野中的对象移动，则记录的图像不一致，以及甚至在密集图像处理之后，配准会非常困难。然而，可出现的另一问题是具有不同激发特性和发射特性的多种荧光剂的同时成像。在该情况下，必须使用不同组的用于激发和发射的成像滤波器来使不同的荧光染料成像，这最终增加了复杂度和获取图像的数量。此外，当使移动对象成像时，需要利用相当高的视频帧速率记录对象的发射的荧光和反射的激发。然后必须很快速地完成滤波器之间的切换。存在用于实现多光谱成像的几种方法。它们可以概略地以下列项为特征：a)所使用的传感器的数量、b)开关滤波器的使用、c)不同照明之间的切换、或d)多个带通滤波器的使用、分束器的使用等[Y.Garini、I.T.Young和G.McNamara的“Spectralimaging:Principlesandapplications”CytometryPartA69A，735-747(2006)]。在下文将详细地描述这些现有技术。[开关滤波器]一些多光谱成像系统具有单个图像传感器且实施反射成像模式和荧光成像模式之间的快速切换机制。这可以使用安装在滤光轮或滤波器立方块上的带通激发滤波器设置和发射滤波器设置来实现，该滤光轮或滤波器立方块被快速更换，从而以高频交替地记录反射图像和荧光图像。该方法为直接的且允许最高的光吞吐量，但是需要机械地移动零件，比如滤光轮。进一步地，根据滤波器配置，它允许一次仅记录一个荧光团的强度。处于接近视频速度频率的开关滤波器在技术上为复杂的且需要与照相机的抓帧序列的准确机械同步。为了避免机械组件，可以使用光谱可调滤波器，例如液晶可调滤波器。适合于不同荧光团的光谱设置之间的切换可以非常快速(<1ms)，然而可调滤波器的透射吞吐量被限制。此外，可调滤波器对光透射角度和光偏振高度敏感，且与相当高的成本相关联。[分束器]用于多光谱成像的替选方法为使用多个传感器，其中，在每个传感器的前面布置对应的发射滤波器。通过穿过单个物镜且使用光学分束器布置来将光传递到每个传感器，光可以到达每个传感器，或者每个传感器可以具有独立的物镜。在任一情况下，每个传感器与滤波器配对，该滤波器可以阻断激发波长且记录来自一个荧光团的发射[LuciaM.A.Crane等人的JVisExp.2010；(44)：2225]。附加传感器可以记录具有不同成像路径的反射图像。这个概念很简单，但是多个传感器、分束器或物镜的使用增大了尺寸、设计复杂度和成本。[快速切换照明]用于多光谱成像的另一方案使用不同激发光之间的切换。其中，替选地利用具有特定激发光谱的激发光束照明对象，滤波器阻断该特定激发光谱进入一个或多个照相机中。在US20130286176Al中，使用单个颜色传感器、激发荧光的激光激发、以及开启和关闭的宽带照明源。当仅激光激发源开启时，则传感器可以捕获发射的荧光，以及当宽带照明开启时，则传感器可以捕获反射的图像。该系统产生反射图像和荧光团的图像，但是观察者可以在视觉上体验由于不同源的开启-关闭切换而造成的令人烦扰的闪烁。[阻断多个带通图像]另一个方法使用与单色传感器配对的具有多个带通区域的滤波器。在该方法中，在单色传感器前面的滤波器阻断激发波长进入单色传感器中。可以单独地利用激发扫描使不同荧光团成像。可替选地，滤波后的多分量荧光可以被分为取决于波长的路径，然后使这些路径成像到单色传感器的不同空间区域上。利用该方法，可以利用单色传感器同时记录多个通道。在替选方法中，颜色传感器可以用于利用多通道(因此彩色)传感器记录多分量荧光。然后可以处理多通道传感器输出，从而获得各个荧光分量。附加传感器可以用于通过将反射的激发光分到不同的光学路径中而记录反射图像，该不同的光学路径使该光成像在该传感器上。这与反射一起提供多个荧光成像带，但是观察者将在视觉上感知伪彩色表示。根据特定激发波长，可能无法甚至在数字化上修正伪感知。可以进一步将反射和荧光二者分到多个附加颜色传感器上以增加光谱通道的数量。每个通道在传感器的前面具有窄带通滤波器，以及计算每个单独的窄滤波器带中的强度[US20120085932Al]。根据在具体应用中使用的激发滤波器和发射滤波器的精确组合，所使用的滤波器组被称为“Pinkel”、“Sedat”、或“全-多频带”。
技术实现思路
本专利技术旨在提供用于多光谱成像的方法和装置，该方法和装置避免了上文提及的现有技术的问题且为简单的、快速的且有成本效益的。该问题通过根据权利要求1的方法和根据权利要求12的装置以及根据权利要求17的内窥镜或外科显微镜及其根据权利要求18的用途来解决。附图说明在下文中提供本专利技术的不同示例。其中，针对类似的或相同的元件，使用类似的或相同的附图标记。在以下示例中，可以组合地描述对于本专利技术必需的特征和可选的特征的组合。然而，以这类组合描述的可选特征分别可以单独地且逐一地被使用以改进如在本权利要求中所描述的本专利技术。结合图1至图58示出多个示例，图1至图58全部示出本专利技术的示例的多个方面。具体实施方式示例1图1描述了本专利技术的一般概念。本专利技术的系统包括照明系统100，该照明系统100产生且引导包含光谱多路复用特性和时间多路复用特性的光以照明对象400。从对象400发出的光被成像系统200收集且检测或成像，该成像系统200包括多个元件，比如透镜、滤波器、分光器、和光传感器/检测器阵列(即照相机)等。照明系统100和检测系统200均连接到控制和处理单元300，该控制和处理单元300控制照明系统的操作、使操作同步且从检测系统200抓取图像、以及处理图像数据，用于后续评估、显示和存储。最终，显示/可视化系统500单独地或同时地/叠加地显示分解的图像。照明系统100在两个(或更多个)交替阶段中操作，如图2所示。在阶段1中，系统利用展示光谱形状的光照明对象，其中高强度和低强度的区域类似于图2A中所示的区域。在图2A和图2B中，对于每个照明阶段，提供在两个传感器阵列的前方的照明光谱和透射光谱。各种光谱形状是可能的，但是必不可少的是，光具有在比高强度区域的波长长的波长下具有非常低的强度的光谱区域。在那些区域中，在利用第一光激发时由对象发射的荧光可以被成像系统检测，而不检测相关量的反射光。在照明的阶段2中，通常利用具有不同光谱形状的光照明对象，该光谱形状优选地展现近似互补的结构，如图2B所示。成像系统200包括由分束器202或等效方法分离的两个(或更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于获取对象(400)的荧光图像和反射图像的方法，包括如下步骤：至少利用第一光和第二光交替地照明所述对象(400)，其中，所述第一光和所述第二光在光谱上被成形，使得至少一个光具有被一个或多个低光强度的光谱区域分离的多个高光强度的光谱区域，其中，所述第一光和所述第二光的具有高强度的所述光谱区域至少部分不重叠，以及其中，这两个光中的至少一者具有波长比高光强度的相邻区域的波长长的至少一个低光强度的区域，以及在利用所述光中的至少一者照明所述对象(400)的同时记录至少所述对象(400)的第一图像和所述对象(400)的第二图像，其中，记录为所述第一图像的光被修改，从而使所述第二光的至少一个高强度的光谱区域衰减，以及其中，记录为所述第二图像的光被修改，从而使所述第一光的至少一个高强度的光谱区域衰减。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.05 EP 14171378.4;2015.03.24 EP 15160630.81.一种用于获取对象(400)的荧光图像和反射图像的方法，包括如下步骤：至少利用第一光和第二光交替地照明所述对象(400)，其中，所述第一光和所述第二光在光谱上被成形，使得至少一个光具有被一个或多个低光强度的光谱区域分离的多个高光强度的光谱区域，其中，所述第一光和所述第二光的具有高强度的所述光谱区域至少部分不重叠，以及其中，这两个光中的至少一者具有波长比高光强度的相邻区域的波长长的至少一个低光强度的区域，以及在利用所述光中的至少一者照明所述对象(400)的同时记录至少所述对象(400)的第一图像和所述对象(400)的第二图像，其中，记录为所述第一图像的光被修改，从而使所述第二光的至少一个高强度的光谱区域衰减，以及其中，记录为所述第二图像的光被修改，从而使所述第一光的至少一个高强度的光谱区域衰减。2.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述图像中的一者或两者被传感器阵列(200)记录，其中，一个或两个传感器阵列(200)优选地为多通道阵列、优选地为颜色传感器阵列(200)，其中，每个通道具有不同的光谱灵敏度。3.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一图像和所述第二图像a)利用不同的传感器阵列(200)来记录，所述不同的传感器阵列(200)定位成彼此靠近或均定位在局部光路径中，或b)利用单个传感器阵列(200)来记录，其中，所述传感器阵列(200)的两个不同区域均定位在局部光路径中，其中，在a)和/或b)中，所述局部光路径通过将从所述对象(400)传出的光分为两个局部光来生成。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在利用所述第一光照明所述对象(400)时记录的第一图像和在利用所述第二光照明所述对象(400)时记录的第二图像被合成以生成第一合成图像，其中优选地，所述第一图像和所述第二图像为彼此相继记录的图像，和/或在利用所述第二光照明所述对象(400)时记录的第一图像和在利用所述第一光照明所述对象(400)时记录的第二图像被合成以生成第二合成图像，其中优选地，所述第一图像和所述第二图像为彼此相继记录的图像。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在记录的所述图像的通道图像空间、例如颜色传感器的彩色图像空间中提供的数据被转换为分量图像空间的值，其中，所述分量优选地为荧色物、吸收体、导出值或噪声的空间分布。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：a)针对所述光中的至少一者的处于较短波长的至少一个高强度区域与较长波长的至少一个低光强度区域之间的光强度的比大于或等于1×102，优选地大于或等于1×103，优选地大于或等于1×106，和/或b)待记录的所述光的未衰减的光谱区域与衰减的光谱区域的强度之间的衰减比大于或等于1×102，优选地大于或等于1×103，优选地大于或等于1×106，和/或c)待记录为所述第一图像的光在所述第二光的至少一个高强度的光谱区域中的衰减量使得记录在所述未衰减的光谱区域中的光的强度优选地高于记录在所述衰减的光谱区域的总和中的光的强度，和/或待记录为所述第二图像的光在所述第一光的至少一个高强度的光谱区域中的衰减量使得记录在所述未衰减的光谱区域中的光的强度优选地高于记录在所述衰减的光谱区域的总和中的光的强度。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光和/或所述第二光通过如下项来生成：a)来自两个宽带光源(111、121)的宽带光，例如白光，其中，所述宽带光被多带通滤波器(112、122)滤波以便生成所述第一光和所述第二光，其中，至少两个所述多带通滤波器(112、122)具有互补的光谱透射特性，或b)多个窄带光源，优选地多个发光二极管(LED)，其中，从所述窄带光源传出的光可选地被所述光路径中的多频带滤波器滤波，或c)根据a)的宽频带光源和根据b)的多个单独的LED的组合。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用多带通滤波器对记录为所述第一图像的光和记录为所述第二图像的光滤波，其中，用于对记录为所述第一图像的光滤波的所述多带通滤波器具有与用于对记录为所述第二图像的光滤波的所述滤波器的光谱透射特性互补的光谱透射特性。9.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，用于对记录为所述第一图像的光滤波的所述多带通滤波器和用于对记录为所述第二图像的光滤波的所述多带通滤波器分别具有对应于所述第一光和所述第二光的光谱形状的透射特性。10.根据前述权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯·迪米特里亚迪斯，尼古劳斯·德里奥拉尼斯，
申请(专利权)人：海德堡大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE