CN113784658A - 用于生物组织的增强成像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提出了用于在血管造影成像中使用的系统和方法。该系统包括：光源单元，以及包括检测器阵列的至少一个成像单元，其中检测器阵列包括至少第一和第二类型的检测器单元，检测器单元具有分别定义第一和第二光谱峰的相应的第一和第二不同光谱响应函数；以及光源单元被配置为发射由至少第一和第二离散波长范围形成的光，该至少第一和第二离散波长范围被选择为与所述第一和第二类型的检测器单元的所述第一和第二光谱峰对准。

Description

用于生物组织的增强成像的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于生物组织的增强成像的技术，并且具体地涉及用于对包含血液的组织进行成像以用于分析生物参数的技术。

背景

生物组织的成像在各种应用中为医生提供重要的数据。血管造影术是允许血管的活体成像(vivo imaging)的技术。该技术可以在医疗状况的诊断中并作为在不同医疗手术中的辅助工具被使用。

用于血管造影术的当前技术利用将不透射线(radio-opaque)的造影剂施用到活体(living subject)的血液中。这之后是在X射线波长范围内的期望图像的获取，以提供血管在生物组织的背景上的清晰成像。

为了避免X射线辐射的使用，提出了几种成像技术，其使用在荧光剂(例如荧光素钠或吲哚菁绿)的施用和选定照明之后拍摄的图像来提供来自被照亮组织的在合适波长范围内的荧光响应。这样的成像技术可以提供身体的各种区域(包括例如视网膜、巩膜以及粘膜组织(例如胃肠腔壁))的有效血管造影术。

额外的技术使全光学血管造影术成为可能，因而避免了向血流施用任何材料的需要。一般来说，可见光彩色图像提供不足以清楚地辨别较小的血管的对比度。然而，在选定波长范围(颜色)中收集的不同图像的处理可以提供血管与组织背景对照的增加的对比度。在一些情况下，“无红色(red-free)”图像(例如，在摄像机透镜与绿色滤光器在功能上相关联以防止红光聚集的情况下获取的图像)提供了与自然彩色图像对照的提高的对比度。

概述

在本领域中需要一种实现非侵入式的、有效的血管造影成像的新技术，该血管造影成像是可操作的而不需要向患者的血流施用造影增强剂。

本发明利用在选定照明和获取条件下的感兴趣区域(例如视网膜、巩膜、胃肠腔壁等)的光学成像以提供相对于血管具有高对比度的图像数据。本技术使生物组织的成像成为可能，同时收集具有血管与周围组织对照的增加的对比度的图像数据，并且省略了对组合在不同时间和/或通过不同成像布置拍摄的图像所需的配准处理(registrationprocessing)。

本发明还可以克服需要对两个或更多个图像应用处理而产生的配准问题。通常，根据一些实施例，本技术利用同时发生的照明和图像获取，使得当感兴趣区域用选定照明条件被照亮时，图像获取被执行，如下面进一步指示的。另外，根据一些实施例，本技术可以利用单个检测器阵列(例如具有用于收集不同颜色的检测器单元(detector cell)的阵列)用于收集图像数据。用单个检测器阵列进行的这样的同时发生的照明和图像收集可以用来省略对复杂图像配准和处理的需要。

更具体地，本发明提供了一种用于在生物组织的成像中使用以及优选地用于在包含组织的血管的增强成像中使用的系统。该系统包括成像单元(imaging unit)和光源单元，并且还可以包括处理单元或与处理单元相关联。

成像单元包括检测器阵列，检测器阵列包括多个检测器单元的布置，包括布置在预定阵列(二维阵列)中的两种或更多种不同类型的检测器单元。不同类型的检测器单元在它们的光谱响应函数(即检测器单元对不同波长的光的灵敏度)方面不同于彼此。通常，以交错布置将不同类型的检测器单元布置在检测器阵列内。因此，由一种类型的检测器单元收集的输出图像数据使用某个波长范围(与检测器单元的光谱响应对应)提供视场的图像。由不同类型的检测器单元中的每一个收集的图像与公共视场相关联，从而不需要额外的配准处理。

检测器阵列一般与光学透镜装置相关联/配备有光学透镜装置。光学透镜装置被配置为在可见光处以及可能还在近可见光波长范围处操作，并且提供选定视场到检测器阵列上的成像。

通常，一般在传统摄像机单元中使用的彩色检测器阵列包括被配置为收集不同颜色(例如红色、绿色和蓝色(RGB))光的三种不同类型的检测器单元。应当注意，光谱响应函数的这样的变化可以例如在拜耳滤波器(Bayer filter)中由检测器单元的波长选择滤波器提供。每种类型的检测器单元的光谱响应函数在某些波长处具有峰值响应，一般提供响应函数的全局最大值。例如，第一类型的检测器单元的光谱响应函数在大约600nm-700nm的波长处具有峰值响应，以及第二类型的检测器单元的光谱响应函数在大约420nm-480nm的波长处具有峰值响应。考虑到被配置为收集原色(RGB)的光的检测器单元的示例，第三类型的检测器单元的响应函数在大约500nm-550nm具有峰值响应。

光源单元被配置成提供与相应的至少两种不同类型的检测器单元的峰值响应的波长对准的至少两个不同的波长范围的照明。更具体地，第一波长范围的照明包括对应于第一类型的检测器单元的峰值响应的波长，以及第二波长范围的照明包括对应于第二类型的检测器单元的峰值响应的波长。为此目的，光源单元可以包括产生分别在至少两个不同的选定波长范围内的相对窄带宽的照明的至少两个光源(例如LED光源)。

成像系统被配置为在两个或更多个离散波长范围的照明下在生物组织的成像中使用，以提供具有两个或更多个波长分量的图像数据。指示不同波长范围的图像数据段(image data piece)的使用实现图像数据的处理和生成具有血管相对于周围组织的高对比度的增强图像。为此目的，术语“两个或更多个离散波长范围”指示照明对于在所述两个或更多个波长范围之间的某个波长具有光强度的至少一个最小值(因此所述两个或更多个波长范围不完全覆盖可见光谱)。

因此，根据一个广泛方面，本发明提供了一种系统，该系统包括：光源单元以及包括检测器阵列的至少一个成像单元，其中检测器阵列包括具有分别定义第一和第二光谱峰的相应的第一和第二不同光谱响应函数的至少第一和第二类型的检测器单元；以及光源单元被配置为发射形成包括至少第一和第二离散波长范围的照明的光，所述至少第一和第二离散波长范围与所述第一和第二类型的检测器单元的所述第一和第二光谱峰对准。

根据一些实施例，检测器阵列可以包括波长选择滤波器阵列，该波长选择滤波器阵列过滤所收集的光并定义所述至少第一和第二类型的检测器单元的第一和第二光谱响应函数的至少一部分。

根据一些实施例，检测器阵列适合于同时使用所述至少第一和第二类型的检测器阵列来收集图像数据。

根据一些实施例，检测器阵列包括在检测器阵列的公共平面内以交错顺序布置的至少第一和第二类型的检测器单元，使得由所述检测器阵列生成的图像数据包括公共视场的至少第一和第二图像部分，并且与所述第一和第二不同光谱响应函数相关联。

此外或可选地，根据一些实施例，检测器阵列可以包括三种或更多种不同类型的检测器单元，其包括至少所述第一和第二类型的检测器单元以及至少第三类型的检测器单元。三种或更多种类型的检测器单元可以包括具有光谱响应函数的检测器单元，该光谱响应函数具有对应于红光、绿光和蓝光的光谱峰。

根据一些实施例，光源单元可以适合于或被配置为朝着成像单元的视场的至少一部分发射对应于所述至少第一和第二离散波长范围的光学照明的至少第一和第二光束。

根据一些实施例，至少第一和第二离散波长范围在光谱上不重叠。

根据一些实施例，第一和第二光谱峰可以对应于蓝色和橙红色照明颜色。

根据一些实施例，光源单元可以包括被配置为分别发射包括所述至少第一和第二离散波长范围的所述光的至少第一和第二光源。第一和第二光源可以是窄带光源。此外或可选地，第一和第二光源可以被配置成发射具有被定义的颜色的光。

根据一些实施例，两个或更多个离散波长的照明可以包括在范围400nm-570nm和580nm-770nm内的照明。第一和第二不同波长可以对应于在范围400nm-480nm和580nm-700nm内的波长。优选地，第一和第二不同波长可以对应于在范围405nm-420nm和630nm-670内的波长。可选地，第一和第二不同波长可以对应于在范围410nm-420nm和640nm-660nm内的波长。

根据一些实施例，成像单元还可以包括被配置为阻断选定输入辐射的波长阻断滤波器(wavelength blocking filter)。阻断滤波器可以包括被配置为滤出红外照明的红外阻断滤波器。

根据一些实施例，光源单元可以适合于或被配置为同时地并且至少部分地与用于获取图像数据的所述成像单元的操作同时地提供在所述至少第一和第二离散波长范围内的照明，使得成像单元的曝光时间至少部分地与所述照明的时间段重叠。

该系统与处理单元相关联(即包括或可连接到处理单元)，处理单元适合于在由所述成像单元对从受到所述照明的感兴趣区域收集的光进行的图像获取期间从所述检测器阵列接收图像数据，并适合于处理所述图像数据以从其提取对应于在至少两个不同波长范围内的所收集的光的第一和第二图像数据段，并且生成指示感兴趣区域(例如生物组织)的增强图像的输出数据。这样的输出数据可以指示基于在至少第一和第二图像数据段的选定函数之间的关系的图像图(image map)，提供对感兴趣区域(例如血管)的选定部分与所述感兴趣区域(例如组织区域)的周围部分对照的对比度的增强。

处理单元可以包括适合于在定义强度校准条件的校准模式中操作的强度校准模块，由所述光源单元在至少第一和第二离散波长范围内生成的照明强度根据该强度校准条件为由所述第一和第二类型的检测器单元获得基本上相似的强度响应做准备。

处理单元可以适合于自动操作所述强度校准模块，并且在确定所述照明强度满足校准条件时操作检测器阵列用于获取图像数据并处理所述第一和第二图像数据段以生成输出数据。

根据一些实施例，强度校准模块可以适合于操作所述光源单元和成像单元以用于在所述至少第一和第二离散波长范围的照明下收集图像数据，确定所述第一和第二类型的检测器单元的饱和度水平，并根据选定饱和度水平校准所述至少第一和第二离散波长范围的照明强度。

根据一些实施例，处理单元可以适合于操作所述光源单元和所述成像单元用于同时照亮视场和收集图像数据。

根据一些实施例，处理单元可以适合于在连续照明模式中和/或在闪光照明模式中操作光源单元。

根据一些实施例，成像单元还可以包括光学透镜装置，该光学透镜装置适合于根据关于由所述至少第一和第二类型的检测器单元中的选定一个单独地收集的光的数据来选择性地改变聚焦距离以用于成像。

成像单元可以适合于根据所述第一或第二波长范围的光选择性地确定聚焦条件。

根据一些实施例，本文描述的系统可以被配置为获得生物组织的增强图像数据。例如，该系统可以被配置为获得与组织区域的血管相关联的增强图像数据。这样的增强图像在用于照明和收集的波长(例如，检测器单元的类型和相应的最大响应波长)的适当选择的情况下可以实现血氧水平的检测。根据一些实施例，本文描述的系统可以适合于或被配置为获得与在患者眼睛的视网膜和巩膜中的至少一个中的血管相关联的增强图像数据。

根据一个其他广泛方面，本发明提供了一种用于获取生物组织的图像的方法，该方法包括：提供图像数据，该图像数据对应于感兴趣区域对至少第一和第二不同波长范围的照明的光响应并且由包括至少第一和第二不同类型的检测器单元的检测器阵列收集，该至少第一和第二不同类型的检测器单元具有分别定义分别与所述至少第一和第二不同波长范围对准的第一和第二光谱峰的对应的第一和第二不同光谱响应函数；通过从图像数据提取与由所述至少第一和第二不同类型的检测器单元收集的光响应相关联的至少第一和第二图像数据段来处理所述图像数据，并且根据在所述至少第一和第二图像数据段之间的关系来生成指示图像图的输出数据，所述图像图从而提供感兴趣区域的增强对比度图像。

感兴趣区域的增强对比度图像以感兴趣区域的选定部分与被成像的所述感兴趣区域的周围部分对照的对比度的增强为特征。

根据一些实施例，在至少部分地与所述照明的时间段重叠的所述检测器阵列的曝光时间期间收集所述图像数据。

根据一些实施例，所述图像数据对应于由所述至少第一和第二不同波长范围对感兴趣区域进行的同时照明。

根据一些实施例，至少第一和第二波长范围在光谱上不重叠或者在光谱上至少部分地不重叠。

根据一些实施例，该方法还可以包括根据所述至少第一和第二不同波长范围中的一个的光的收集来确定用于收集所述图像数据的光学装置的聚焦状态。

根据一些实施例，该方法还可以包括根据适合于收集光的检测器单元的选定类型来选择性地确定用于收集所述图像数据的光学装置的聚焦状态。

根据一些实施例，该方法还可以包括：确定提供清晰图像(相对地)的初始聚焦状态，将聚焦状态改变选定的量以提供模糊图像(相对地)，以多个小聚焦步长(focus step)将聚焦状态调整(返回)到所述初始聚焦状态，对于所述多个小聚焦步长中的每一个，确定指示所收集的图像的清晰度的聚焦水平是所述至少第一和第二波长范围中的所述一个，以及根据具有最大聚焦水平的聚焦步长确定聚焦状态。

多个小聚焦步长可以使初始聚焦状态越过(pass)(例如超越(overshoot))它的另一聚焦侧。

根据又一广泛方面，本发明提供了一种用于在生物组织的成像中使用的方法，该方法包括提供图像数据，该图像数据对应于生物组织对至少第一和第二波长范围的照明的光响应并且使用包括至少第一和第二类型的检测器单元的检测器阵列被收集，检测器阵列由分别具有在与照明的所述第一和第二波长范围对准的不同的第一和第二波长处的第一和第二光谱峰的相应的第一和第二光谱响应函数表征。

第一和第二波长范围可以不重叠。

根据一些实施例，该方法还可以包括通过提取与由所述至少第一和第二类型的检测器单元收集的图像部分相关联的至少第一和第二图像数据段来处理由检测器阵列收集的图像数据，以及通过确定在所述第一和第二图像数据部分之间的关系来确定生物组织的增强图像。

根据一些实施例，该方法还可以包括校准所述第一和第二波长范围的照明强度；所述校准包括确定具有所述第一和第二波长范围的照明的初始强度水平，收集第一图像数据，确定所述第一和第二类型的检测器单元的检测器单元的饱和度水平，以及调整具有所述第一和第二波长范围中的一个或更多个的照明的强度水平以提供预定饱和度水平。

所述校准照明强度可以包括迭代地重复所述校准，直到达到所述预定饱和度水平和预定迭代循环中的至少一个为止。

所述饱和度水平可以由相同类型的检测器单元的强度直方图确定。

根据一些实施例，所述预定饱和度水平可以与在预定限制内的第一和第二类型的检测器单元的强度直方图之间的差异相关联。

根据一些实施例，所述校准所述第一和第二波长范围的照明强度包括确定至少第一和第二图像部分的一个或更多个对比度测量值，以及确定第一和第二波长范围中的至少一个的照明水平的变化以优化第一和第二图像部分的对比度。

附图简述

为了更好地理解在本文中公开的主题并且例示它可以如何在实践中被执行，现在将参考附图仅通过非限制性示例描述实施例，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于在血管造影成像中使用的系统；

图2例示了RGB光学检测器阵列的典型光谱响应函数；

图3示出了例示根据本发明的一些实施例的用于提供具有增强对比度的图像的技术的流程图；

图4示出了例示根据本发明的一些实施例的用于调整照明校准的技术的流程图；以及

图5例示了根据本发明的一些实施例的处理单元的框图配置。

实施例的详细描述

如上面所指示的，本技术提供了一种用于在生物组织的增强血管造影成像中使用的系统和相应方法。参考图1，其示意性地示出了包括成像单元110和光源单元120的系统100。

系统100与被配置为提供用于操作成像单元110和光源单元120的操作数据的处理单元500相关联(即，包括或可连接到处理单元500)。在一些实施例中，如下面详细描述的，处理单元500还被配置为处理由成像单元生成的图像数据。

成像单元110包括检测器阵列112和可选的相应光学装置114，光学装置114被配置和定位成在成像阶段期间限定选定视场FOV用于从其到检测器阵列112上的光收集。检测器阵列112包括例如一般布置在二维阵列中的多个检测器单元，包括具有分别定义第一和第二光谱峰的不同光谱响应函数的两种或更多种类型的检测器单元，通常在112A和112B处的两种这样类型的检测器单元在图1的非限制性示例中被例示。不同类型的检测器单元可以以任何合适的方式分布在选定布置中。

更具体地，检测器阵列112包括不同响应函数的检测器单元。这可以通过或者使用配备有合适滤波器的相同类型的检测器单元或者使用不同类型的(即具有不同光谱灵敏度的)检测器单元来实现。因此，不同响应函数的检测器单元被配置为根据它们的光谱响应函数来收集选定的不同波长(波长范围)的光分量。这允许检测器阵列112通过将所收集的光分离到光谱部分来收集彩色图像数据。

例如，典型颜色检测器阵列包括被配置为收集三种不同颜色(例如原色RGB，即红色、绿色和蓝色)的光的三种类型的检测器单元(通常使用单色检测器单元和拜耳滤波器阵列)。本技术可以利用这样的检测器配置，并且还可以使用具有两种或更多种不同类型的检测器单元的布置的检测器配置。

为了简单起见，检测器阵列112在本文被描述为包括具有相应的第一和第二不同光谱响应函数的第一和第二不同类型的检测器单元112A和112B。然而应当理解，本发明的原理不限于该特定示例，以及不限于任何特定数量n≥2的不同类型的检测器单元。

如也在图1中所示的，成像单元还可以包括被配置为阻断选定光谱范围的收集的光谱阻断滤波器116。

光源单元120被配置成提供指向在成像单元的视场FOV内的感兴趣区域的具有至少两个离散且不同的波长(或波长范围)的照明。光源单元120一般可以包括被配置为发射根据第一和第二类型的检测器单元的光谱响应函数而选择的至少第一和第二不同波长范围的光的两个或更多个光源122和124(例如LED光源)。例如，光源可以发射两个或更多个光束，包括包含第一波长范围的光束和第二波长范围的光束的光束。

光源单元120优选地被配置成提供窄带照明，使得至少两个波长范围在光谱带宽上不重叠，提供具有两种不同颜色的光的照明。在一些配置中，照明的至少两个波长对应于具有部分重叠的至少两个波长范围，同时与在不同类型的检测器单元的响应函数中的光谱峰对准。更具体地，照明的至少两个波长在其照明被检测器阵列112的检测器单元收集时是可区分的。

根据本技术，根据检测器阵列112的第一和第二类型的检测器单元的光谱响应函数来选择照明的至少两个波长(波长范围)。图2示出了具有RGB颜色配置(例如，使用拜耳滤波器)的示例性彩色检测器阵列的光谱响应函数。该图示出了被配置为收集蓝光的检测器单元、被配置为收集绿光的检测器单元和被配置为收集红光的检测器单元的光谱响应函数。如所示，每个光谱响应函数具有特定波长的光谱峰，其不同于其他响应函数的光谱峰。在该特定和非限制性的示例中，蓝光的光谱峰在大约465nm的波长处，绿光的光谱峰在大约540nm的波长处，以及红光的光谱峰在大约600nm的波长处。

如上面所指示的，根据对应于第一和第二类型的检测器单元的相应的第一和第二光谱响应函数的第一和第二光谱峰的波长来选择用于照明的第一和第二波长范围。更具体地，根据本技术的一些实施例，第一和第二类型的检测器单元包括被配置为收集蓝光分量和收集红光分量的检测器单元。根据图2的示例，光源单元120通常可以包括被配置为发射在“蓝色型”检测器单元的光谱峰周围的波长范围处的光的光源122和被配置为发射在“红色型”检测器单元的光谱峰周围的波长范围处的光的光源124。因此，光源单元120提供具有与至少第一和第二类型的检测器单元的响应函数的光谱峰在光谱上对准的一组至少第一和第二离散波长范围的照明。

光源单元120可以包括被配置为提供在与检测器阵列112的两种或更多种类型的检测器单元的光谱峰对准的离散波长范围内的照明的两个或更多个光源122和124。更具体地，为了供被配置为通过相应的三种不同类型的检测器单元收集在三个不同的波长范围内的光的典型检测器阵列112使用，光源单元120可以包括用于发射在两个或三个不同波长范围(不重叠)内的光的两个或三个不同的光源。例如，典型RGB检测器可以具有检测器单元，其具有对450nm(蓝色)、550nm(绿色)和650nm(红色)的波长的最大响应。为了供这样的检测器阵列使用，光源单元可以包括被配置为发射在来自450nm、550nm和650nm的波长中的至少两个周围的窄带中的光的光源(例如LED光源)。

在一些示例中，光源单元120被配置成提供两个或更多个离散波长范围的照明，其包括在400nm-570nm的范围内的相对窄带的第一波长范围和在580nm-770nm的范围内的相对窄带的第二波长范围。第一和第二不同波长范围可以对应于具有在范围400nm-480nm和580nm-700nm内的10nm-50nm的带宽的波长范围。

在一些示例中，第一和第二不同波长范围可以包括在405nm-420nm和630nm-670nm的范围内或者在范围410nm-420nm和640nm-660nm内的光。

另外，在一些配置中，成像单元110还可以包括被配置为阻断选定光谱范围的收集的光谱阻断滤波器116。例如，成像单元110可以利用被配置为滤出红外照明的红外阻断滤波器。如图2所示，一些RGB检测器单元可以具有关于在超过800nm的波长处的入射光的相似的光谱响应函数。因此，光谱阻断滤波器116可用于减少在检测器单元的类型之间的光的检测中的重叠，并因而用于增加信噪比。

返回到图1，系统100可以与处理单元500相关联。处理单元500通常(通过有线或无线数据通信)连接到成像单元110和光源单元120。处理单元500包括照明控制器500B、检测器控制器500C和图像数据读取器500A。处理单元500因此能够向光源单元和成像单元提供操作数据(操作命令)，并且能够从检测器阵列112接收图像数据。处理单元500还可以包括一个或更多个处理器和存储器实用工具(memory utility)。例如，图像数据读取器500A可以并且适合于处理和分析来自检测器阵列112的图像数据以生成以增强血管造影图像的形式的输出数据。如也在图中所示的，系统100优选地还包括校准模块510，其目的和操作将在下面进一步被描述。如在图中进一步所示的并且将在下面进一步描述的，处理单元500可以包括自动聚焦模块520。

处理单元500的照明控制器500B可以操作光源单元120以(例如，使用光源122和124)发射具有第一和第二波长范围的光并照亮在检测器的视场FOV内的感兴趣区域。处理单元500的检测器控制器500C被配置为操作成像单元110以在与照明时间段至少部分地重叠的时间段(曝光时间)期间执行用于图像数据的收集的一个或更多个成像阶段。光源单元120可以在闪光模式中操作，即在短时间期间提供高强度照明，或者在连续照明模式中操作以在相对于检测器阵列112的曝光时间明显更长的时间段期间提供照明。检测器阵列112被操作来收集来自视场FOV的光分量，并生成与从视场FOV到达的光的至少第一和第二波长范围相关联的相应图像数据。

至少第一和第二波长范围的使用基于发明人的下面的理解：在至少两个不同波长范围内的所收集的图像数据之间的关系使血管的成像与生物组织的背景对照的对比度增强成为可能。更具体地，使用组织样本的至少两个图像部分——其中一个图像在第一(例如蓝色)波长范围处被收集以及另一个图像在第二(例如红色)波长范围处被收集——允许基于在至少两个图像部分的选定函数之间的关系(例如比率)来确定图像图。这样的图像图提供血管与周围生物组织对照的对比度的增强。为此目的，本技术利用处理从检测器阵列112接收的图像数据用于提取与由第一类型的检测器单元(例如蓝色检测器单元)收集的图像相关联的至少两个图像部分和与由第二类型的检测器单元(例如红色检测器单元)收集的图像相关联的图像部分。例如，检测器阵列112生成以RGB图像的形式的图像数据(例如位图或压缩彩色图像)，并且图像数据的处理可以包括图像数据的红色图像部分和蓝色图像部分的提取以及对应于在红色图像部分和蓝色图像部分之间的选定比率的对比度增强图像的确定。

因此，本发明利用由公共检测器阵列收集的、在图像获取的公共实例中收集的图像部分来避免对在不同图像的像素之间的配准的需要。

在这一点上，对在流程图中例示本技术的操作的图3进行参考。如所示，本技术利用以至少第一和第二波长范围照亮视场3010。第一和第二波长范围如上所述的被选择为通常离散的，并且与成像单元的第一和第二类型的检测器单元的光谱响应函数的峰值在光谱上对准。结合图像收集，该技术可以利用如下面进一步详细描述的确定具有选定波长范围的照明的强度水平3012，并且可以包括基于检测器单元的类型中的选定类型来确定聚焦状态3014。步骤3012和3014的顺序不重要，且因此它可以是可互换的。

在该照明条件下，该技术包括使用具有至少第一和第二类型的检测器单元的检测器阵列来收集图像数据3020。该图像数据通常可以是视场的彩色图像，同时被第一和第二波长范围的照明条件影响。在一些实施例中，一个或更多个如此收集的图像数据段可用于进一步的处理3030。该处理可以包括提取与第一和第二类型的检测器单元相关联的至少第一和第二图像部分3040。例如，使用RGB彩色图像检测器，图像数据段可以由指示由三种类型的检测器单元收集的光的强度的三像素图来形成。更具体地，三像素图可以指示由红色检测器单元、绿色检测器单元和蓝色检测器单元收集的光的强度。应当注意，在本文参考图3指示的某些动作可以同时地和/或以变化的顺序被执行。此外，如图3所示，某些动作用虚线标记以示出这些动作可以是可选的，并且可以提供对技术的进一步改进，但是也可以根据特定配置被省略。

该处理包括确定在至少第一和第二图像部分之间的关系的图以用于生成增强对比度图像3050，以及生成指示增强对比度图像的输出数据3060。例如，可以对于每个像素根据在由不同类型(例如红色和蓝色类型)的检测器单元检测到的光强度之间的比率来确定增强对比度图像。

例如，输出图像可以是以下式的形式：

其中Im(i，j)是增强对比度图像像素(i，j)，Im^R(i，j)是红色图像部分的像素(i，j)，以及Im^B(i，j)是蓝色图像部分的像素(i，j)，n和m是实数。应当注意，在一些配置中，可以根据在绿色和蓝色图像部分或红色和绿色图像部分之间的关系来确定增强对比度图像。在一些附加示例中，输出图像可以是以下式的形式：

其中Im¹(i，j)、Im²(i，j)和Im³(i，j)与在红色、绿色或蓝色图像部分中的像素(i，j)相关，以及α、β和γ是选定系数。在一些配置中，像素的求和可以在读出阶段中被执行以简化处理。

本技术利用具有至少两个不同且不重叠的波长范围的照明以及使用具有至少两种不同类型的检测器单元(对不同波长范围敏感的检测器单元)的检测器阵列对图像数据的收集，以用于使用公共光学器件在公共图像获取中提供图像部分。这使图像数据的处理成为可能，同时避免对应用配准过程的需要，在配准过程中一个图像部分的像素需要与另一个图像部分的像素对准。这对于获得倾向于以高速度移动的生物组织的血管造影图像是有利的。例如，在患者眼睛中的组织的血管造影图像可能一般需要高速图像获取以用于补偿高速眼运动。

为了实现图像对比度的进一步增强、允许改进的血管造影术，本技术可以利用照明校准过程。更具体地，校准过程目的在于将不同波长范围的照明强度调整到不同类型的检测器单元(即，具有不同的光谱响应函数)的灵敏度。为此目的，本发明的系统包括被配置成和可操作来执行照明校准过程的校准模块(图1中的510)。该照明校准过程在图4中被例示。

通常，初始的第一和第二强度水平被确定(步骤4010)，以用于操作光源以提供具有至少第一和第二波长范围的照明。这样的初始强度水平对于不同波长的照明可以是相似的或不同的，并且可以由操作者预先确定或选择。执行成像阶段，以及通过用选定强度水平的不同波长范围照亮视场(步骤4020)并且由具有两种或更多种类型的检测器单元(其具有不同的光谱响应函数)的检测器阵列收集被照亮的感兴趣区域的光响应(步骤4030)来获取图像，如上所述。如此检测的光响应提供对至少第一和第二波长敏感的所收集的“彩色”图像数据。

通过从图像数据提取对应于两种不同类型的检测器单元的图像部分并确定所收集的图像部分的强度水平(饱和度水平)来处理图像数据4040。

例如，使用8位数字检测器单元，所获取的图像部分的强度水平的范围可以在0和255之间。大量像素测量强度处于255可以指示检测器的饱和度，而如果没有像素测量处于高强度(例如，没有高于250的像素测量)，则检测的范围被限制。

应当注意，可以通过任何已知的合适技术(例如使用小波并确定在高空间频率下的振幅、使用第一和第二图像部分的对比度的分析等)来确定光强度。

通常，为了提供高质量的提高的对比度，在不同图像部分中的强度水平优选地是基本上相似的，同时利用检测器单元的动态范围。

根据对应于两种不同类型的检测器单元的图像部分的强度水平，校准模块510与照明控制器500B一起操作，以用于调整在一个或更多个波长范围内的照明的强度(步骤4050)，以及重复(步骤4060)校准过程(步骤4020、4030和4040)，直到在不同图像部分中的基本上相似的强度水平的条件被提供为止。通常，当在至少两个不同图像部分中的检测到的光的强度水平足够接近时，如此获取的图像可以用于处理(步骤4070)。

通过利用检测器单元的全动态范围，调整照明强度水平可以进一步增强血管造影成像的对比度。考虑到在受验者的身体上的感兴趣区域的成像，照明强度的上面所述的校准实现了根据对不同波长范围的反射特性的变化来增强在感兴趣区域的图像数据内的血管的检测。

参考图5，其通过框图示出了根据本发明的一些实施例的处理单元500的功能实用工具的特定但非限制性的示例。处理单元500通常被配置为包括数据输入/输出模块700和存储器实用工具800的计算单元，并且包括照明控制器500B和检测器控制器500C以及图像数据读取器500A。照明控制器500B和检测器控制器500C被配置为和可操作来分别生成操作命令和将操作命令引导到光源单元120以及成像单元110。

图像数据读取器500A被配置为和可操作来处理和分析由检测器阵列提供的图像数据。为此目的，图像数据读取器500A包括：图像部分提取模块514和增强图像生成模块516，图像部分提取模块514被配置为从检测器阵列接收多色图像数据(例如RGB图像数据)并提取与不同的两种或更多种类型的检测器单元相关联的图像部分；增强图像生成模块516被配置为使用从图像部分提取模块514接收的两个或更更多个图像部分以及预先存储在存储器实用工具800中的预定或选定参数，用于确定在视场中的感兴趣区域的增强对比度图像。

处理单元500还可以包括自动聚焦模块520和/或照明校准模块510。上面描述了照明校准模块510的操作。应当理解，照明校准模块630可以是照明控制器510的部件。

自动聚焦模块520被配置为和可操作来基于由提取模块从检测到的图像数据提取的一个或更多个图像部分来调节成像单元的聚焦状态。通常，自动聚焦模块520可以操作来确定与成像单元110相关联的光学透镜装置(图1中的114)的最佳聚焦状态。自动聚焦模块520利用指示一个或更多个所提取的图像部分的数据以用于确定光学透镜装置的聚焦水平。因此，自动聚焦模块520被操作来根据一种或更多种颜色(波长范围)的图像部分而不是使用通常单色的图像数据来调节光学透镜装置114的焦点。

上述技术允许利用相应波长范围的光进入具有被成像的感兴趣区域的不同组织部分(生物组织)内的穿透深度的差异，以用于对在选定深度处的组织部分(血管)成像。

更具体地，在典型RGB成像(即，使用有具有相应地在650nm、550nm和450nm处的峰值响应的三个颜色通道R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的标准工业彩色摄像机并提供在至少两个峰值响应水平上的照明(例如，在650nm和450nm中和可能也在550nm中的照明))的示例中，不同波长的光分量具有在生物组织内的稍微不同的穿透深度。更具体地，大约450nm的波长的光可以具有在200微米-400微米的范围内的穿透深度，而在650nm的波长处的光分量可以更深地穿透到组织内，并提供500微米或更大的穿透深度。因此，根据光学透镜装置的聚焦深度，基于蓝色检测器单元的输入来确定聚焦可以导致在进入组织内的200微米-400微米穿透深度处的平面的成像，以及使用红色检测器单元来确定聚焦可以提供组织的更深层(通常500微米-1000微米)的成像。应当注意，用于照明的波长的选择根据检测器单元的峰值响应来被执行，并且也可以根据被成像的组织的反射特性的变化来被选择。

自动聚焦模块520可以利用用于确定聚焦水平的任何已知的合适技术。例如，在一些配置中，自动聚焦模块520可以被配置为确定在从所收集的图像的一个或更多个区域选择的选定类型的检测器单元的子组之间的对比度。在相邻像素之间的对比度可以提供图像的清晰度的指示。额外的自动聚焦技术可以利用相位检测。在这些配置中，从被检查组织(样本)中的公共位置到达并穿过光学透镜装置的不同区域的光分量在检测器平面处被比较。当光学装置被适当地聚焦时，这样的光分量在检测器平面处重叠，而如果光学透镜装置焦点失调，则两个或更多个不重叠的图像区域可以被识别。

如所指示的，优选地使用选定的一种类型的检测器单元来确定聚焦状态/水平。然而，可以基于单色成像或不同波长范围的组合来确定初始聚焦水平。聚焦检测的这个配置与和对不同类型的检测器单元的最大响应对准的两个或更多个不同波长范围的照明相结合，来使在选定波长范围的光进入生物组织内的选定穿透深度处的物平面(object plane)上聚焦成为可能。

为了提供合适的聚焦同时使在组织内的穿透深度之间的差异的检测成为可能，自动聚焦模块520可以适合于确定在一个或更多个物平面处的聚焦状态/水平，并且聚焦状态可以使用选定类型的检测器单元来被确定。

通常，该技术可以包括：确定提供清晰图像的初始聚焦状态，将聚焦状态改变选定的量以提供模糊图像，以多个小聚焦步长使聚焦状态返回到所述初始聚焦状态，对于所述多个小聚焦步长中的每一个，确定指示所收集的图像的清晰度的聚焦状态是所述至少第一和第二波长范围中的所述一个，以及根据具有最大聚焦状态的聚焦步长确定聚焦状态。

在一些示例中，多个小聚焦步长使所述初始聚焦状态越过它的另一个聚焦侧。更具体地，如果从初始聚焦状态的第一次转移涉及在离成像单元更远的物平面上聚焦，则该技术可以对于相对于成像单元更近地定位的物平面利用小聚焦步长的行进(progress)和朝着离焦(defocusing)的超越，反之亦然。应该注意，通常本技术可以利用优选穿透深度的选择，最佳聚焦对于优选穿透深度是需要的。根据优选穿透深度，基于相应照明波长的穿透深度来选择用于自动聚焦的检测器单元的波长或类型。

因此，本技术提供使改进和增强的对比度成像成为可能的新的成像技术。该技术可以通过使从不需要造影剂的施用的光学成像检测血管成为可能来实现允许血管造影成像的生物组织的改进的成像。本发明的技术可以有利地用于眼睛区域(例如视网膜和巩膜)的血管造影成像，其中快速眼运动不允许分离图像的收集。

Claims (46)

1.一种系统，包括：

光源单元以及包括检测器阵列的至少一个成像单元，

其中，所述检测器阵列包括具有分别定义第一光谱峰和第二光谱峰的相应的第一和第二不同光谱响应函数的至少第一类型和第二类型的检测器单元；以及光源单元被配置为发射形成包括至少第一离散波长范围和第二离散波长范围的照明的光，所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围与所述第一类型和第二类型的检测器单元的所述第一光谱峰和所述第二光谱峰对准。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源单元适合于同时地并且至少部分地与所述成像单元的用于获取图像数据的操作同时地提供在所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围内的照明，使得所述成像单元的曝光时间至少部分地与所述照明的时间段重叠。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述检测器阵列适合于同时使用所述至少第一类型和第二类型的检测器阵列来收集图像数据。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统，其中，所述检测器阵列包括过滤所收集的光并定义所述至少第一类型和第二类型的检测器单元的所述第一和第二光谱响应函数的至少一部分的波长选择滤波器阵列。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的系统，其中，所述检测器阵列包括在所述检测器阵列的公共平面内以交错顺序布置的至少第一类型和第二类型的检测器单元，使得由所述检测器阵列生成的图像数据包括公共视场的至少第一图像部分和第二图像部分，并且与所述第一和第二不同光谱响应函数相关联。

6.根据权利要求1到5中的任一项所述的系统，其中，所述检测器阵列包括三种或更多种不同类型的检测器单元，所述三种或更多种不同类型的检测器单元包括至少所述第一类型和第二类型的检测器单元以及至少第三类型的检测器单元。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述三种或更多种类型的检测器单元包括具有光谱响应函数的检测器单元，所述光谱响应函数具有对应于红光、绿光和蓝光的光谱峰。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的系统，其中，所述光源单元适合于朝着所述成像单元的视场的至少一部分发射对应于所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围的所述照明的至少第一光束和第二光束。

9.根据权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中，所述第一光谱峰和第二光谱峰对应于蓝色和橙红色。

10.根据权利要求1到9中的任一项所述的系统，其中，所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围在光谱上基本上不重叠。

11.根据权利要求1到10中的任一项所述的系统，其中，所述光源单元包括被配置为分别发射由所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围形成的所述光的至少第一光源和第二光源。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一光源和第二光源是窄带光源。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述第一光源和第二光源被配置成发射具有被定义的颜色的光。

14.根据权利要求1到13中的任一项所述的系统，其中，所述成像单元还包括被配置为阻断选定输入辐射的波长阻断滤波器。

15.根据权利要求15所述的系统，其中，所述阻断滤波器包括被配置为滤出红外照明的红外阻断滤波器。

16.根据权利要求1到15中的任一项所述的系统，还包括处理单元，所述处理单元适合于在由所述成像单元对从受到所述照明的感兴趣区域收集的光进行的图像获取期间从所述检测器阵列接收图像数据，并适合于处理所述图像数据以从其提取对应于在至少两个不同波长范围内的所收集的光的第一图像数据段和第二图像数据段并生成指示所述感兴趣区域的增强图像的输出数据。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述输出数据指示基于在所述至少第一图像数据段和第二图像数据段的选定函数之间的关系的图像图，提供对所述感兴趣区域的选定部分与所述感兴趣区域的周围部分对照的对比度的增强。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述关系包括在所述至少第一图像数据段和第二图像数据段的选定函数之间的比率。

19.根据权利要求16到18中的任一项所述的系统，其中，所述处理单元包括适合于在定义强度校准条件的校准模式中操作的强度校准模块，由所述光源单元在至少第一离散波长范围和第二离散波长范围内生成的照明强度根据所述强度校准条件为由所述第一类型和第二类型的检测器单元获得基本上相似的强度响应做准备。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理单元适合于自动操作所述强度校准模块，并且在确定所述照明强度满足所述校准条件时操作所述检测器阵列以用于获取图像数据并处理所述第一图像数据段和第二图像数据段以生成输出数据。

21.根据权利要求19或20所述的系统，其中，所述强度校准模块适合于操作所述光源单元和所述成像单元以用于在所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围的照明下收集图像数据，确定所述第一类型和第二类型的检测器单元的饱和度水平，并根据选定饱和度水平校准所述至少第一离散波长范围和第二离散波长范围的照明强度。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述强度校准模块适合于同时校准所述至少第一波长和第二波长的照明强度。

23.根据权利要求16到22中的任一项所述的系统，其中，所述处理单元适合于操作所述光源单元和所述成像单元以用于同时照亮视场并收集图像数据。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述处理单元适合于在连续照明模式中操作所述光源单元。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述处理单元适合于在闪光照明模式中操作所述光源单元。

26.根据权利要求1到25中的任一项所述的系统，其中，所述成像单元还包括光学透镜装置，所述光学透镜装置适合于根据关于由所述至少第一类型和第二类型的检测器单元中的选定一个单独地收集的光的数据来选择性地改变聚焦状态以用于成像。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述成像单元适合于根据所述第一波长范围或第二波长范围的光选择性地确定所述聚焦状态。

28.根据权利要求1到27中的任一项所述的系统，其中，根据所述第一光谱峰和第二光谱峰选择所述检测器阵列，用于获得在所述感兴趣区域中的生物组织的增强图像数据。

29.根据权利要求28所述的系统，被配置为获得与组织区域的血管相关联的增强图像数据。

30.根据权利要求29所述的系统，被配置为获得与在患者眼睛的视网膜和巩膜中的至少一个中的血管相关联的增强图像数据。

31.一种用于获取生物组织的图像的方法，所述方法包括：提供图像数据，所述图像数据对应于感兴趣区域对至少第一和第二不同波长范围的照明的光响应并且由包括至少第一和第二不同类型的检测器单元的检测器阵列收集，所述至少第一和第二不同类型的检测器单元具有分别定义分别与所述至少第一和第二不同波长范围对准的第一光谱峰和第二光谱峰的对应的第一和第二不同光谱响应函数；通过从所述图像数据提取与由所述至少第一和第二不同类型的检测器单元收集的光响应相关联的至少第一图像数据段和第二图像数据段来处理所述图像数据，并且根据在所述至少第一图像数据段和第二图像数据段之间的关系来生成指示图像图的输出数据，所述图像图从而提供所述感兴趣区域的增强对比度图像。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述感兴趣区域的所述增强对比度图像以所述感兴趣区域的选定部分与被成像的所述感兴趣区域的周围部分对照的对比度的增强为特征。

33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，在至少部分地与所述照明的时间段重叠的所述检测器阵列的曝光时间期间收集所述图像数据。

34.根据权利要求31到33中的任一项所述的方法，其中，所述图像数据对应于由所述至少第一和第二不同波长范围对所述感兴趣区域进行的同时照明。

35.根据权利要求31到34中的任一项所述的方法，其中，所述至少第一波长范围和第二波长范围被选择为在光谱上不重叠。

36.根据权利要求31到35中的任一项所述的方法，包括根据所述至少第一和第二不同波长范围中的一个的光的收集来确定用于收集所述图像数据的光学装置的聚焦状态。

37.根据权利要求31到36中的任一项所述的方法，还包括根据适合于收集光的检测器单元的选定类型来选择性地确定用于收集所述图像数据的光学装置的聚焦状态。

38.根据权利要求36或37所述的方法，还包括：确定提供相对清晰的图像的初始聚焦状态，将聚焦状态改变选定的量以提供相对模糊的图像，以多个小聚焦步长使聚焦状态返回到所述初始聚焦状态，对于所述多个小聚焦步长中的每一个，确定指示所收集的图像的清晰度的聚焦水平是所述至少第一波长范围和第二波长范围中的所述一个，以及根据具有所述聚焦水平的最大值的聚焦步长确定所述聚焦状态。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述多个小聚焦步长使所述初始聚焦状态越过它的另一聚焦侧。

40.根据权利要求31到39中的任一项所述的方法，其中，被成像的所述感兴趣区域包括生物组织。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述生物组织的所述增强对比度图像以血管与被成像的所述组织的周围部分对照的对比度的增强为特征。

42.根据权利要求31到41中的任一项所述的方法，还包括校准所述第一波长范围和第二波长范围的照明强度；所述校准包括确定具有所述第一波长范围和第二波长范围的照明的初始强度水平，收集第一图像数据，确定所述第一类型和第二类型的检测器单元的检测器单元的饱和度水平，以及调整具有所述第一波长范围和第二波长范围中的一个或更多个的照明的强度水平以提供预定饱和度水平。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述校准照明强度包括迭代地重复所述校准，直到达到所述预定饱和度水平和预定迭代循环中的至少一个为止。

44.根据权利要求42或43所述的方法，其中，所述饱和度水平由相同类型的检测器单元的强度直方图确定。

45.根据权利要求42到44中的任一项所述的方法，其中，所述预定饱和度水平与在预定限制内的所述第一类型和第二类型的检测器单元的强度直方图之间的差异相关联。

46.根据权利要求42所述的方法，其中，所述校准所述第一波长范围和第二波长范围的照明强度包括确定至少第一图像部分和第二图像部分的一个或更多个对比度测量值，以及确定所述第一波长范围和第二波长范围中的至少一个的照明水平的变化以优化所述第一图像部分和第二图像部分的对比度。

Images