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用于医学成像的设备和方法与流程

  • 国知局
  • 2024-09-14 14:52:31

本发明总体上涉及用于医学成像、特别是患者身体的待观察区域的术中成像的方法、设备、系统和装置。

背景技术:

1、诸如内窥镜或腹腔镜成像系统的术中医学成像系统典型地包括相机系统,所述相机系统被适配为放置在患者身体附近或患者身体内,以用于在医学介入或外科手术期间捕获实况图像。通常,实况图像是在诸如具有在400至780nm的范围中的波长的可见光范围中捕获的。在患者身体的组织中,可以存在如果由激发光激发则发出荧光的荧光特征。由荧光特征发出的荧光可以被捕获在实况图像中,然而,荧光在实况图像中通常是弱的。因此,术中医学成像系统典型地包括荧光相机传感器,以用于捕获由荧光特征发出的光的至少主要部分预期处于的波长范围中的荧光图像,使得荧光特征更加清晰可见。荧光的波长可以至少部分位于可见范围中,并且至少部分位于诸如在780nm至1000nm的波长范围中的红外光范围中。

2、美国专利us10694152 b2描述了一种具有相机的内窥镜视频系统,该相机包括用于荧光和彩色成像的单色图像传感器,其中荧光和彩色图像被同时显示。被检查的组织被用荧光激发光连续地照射,并且被进一步使用荧光激发波长范围之外的可见光周期性地照射。

3、在美国专利申请us2019/167083 a1中,描述了一种内窥镜系统,其包括光源装置,该光源装置被配置为发出用于激发荧光医学试剂的激发光以及照射光。内窥镜系统进一步包括图像传感器,该图像传感器被配置为获取响应于来自荧光医学试剂的激发光而发出的荧光和响应于照射光的施加而发出的反射光的图像。通过在像素阵列集中将反射光的第一图像与荧光的第二图像进行组合来生成组合图像,所述像素阵列彼此不重叠并且各自具有周期性。

4、在us 5667474 a中,描述了一种场序图像拾取装置,该场序图像拾取装置尤其提高关于移动的红外图像的信噪比。移动检测电路检测图片信号中的移动。如果没有在图像中检测到移动,则执行降噪操作。另一方面,如果检测到移动,则抑制降噪操作。

5、在jp 2012-085917 a中,描述了一种用于通过多个荧光图像帧的帧添加来增强荧光图像的图像质量的方法。用于形成所得到的荧光图像而添加的帧数取决于检测到的运动。

6、此外,jp 2002-336187 a、jp h-07250804a和jp 2012-085916 a描述了用于增强荧光图像质量和降噪的另外的方法。

7、尽管如此,术中实况图像中的荧光信号通常比可见光信号更弱。因此,当在一个重叠图像中可视化荧光图像和可见光图像时,要求荧光信号的相对高的放大。然而,荧光信号的相对高的放大也导致包含在荧光信号中的噪声放大。

8、因此,本发明的目的是提供一种用于具有荧光特征的增强表示的医学成像的改进设备和方法。

技术实现思路

1、该目的由根据权利要求1所述的用于医学成像的设备和根据权利要求15所述的用于医学成像的方法解决:

2、用于患者身体的待观察区域的医学成像、特别是术中成像的本发明设备包括:至少一个照射源,用于照射待观察区域;成像单元,被配置为捕获照射区域的实况图像和荧光图像;处理单元,通信连接到成像单元和显示单元。所述至少一个照射源被配置为利用照射光和/或激发光照射待观察区域。

3、照射光可以在可见光范围中,而激发光可以在可见光范围中或甚至在诸如紫外光或红外光的不可见光范围中。激发光可以例如包括大于500纳米或大于600纳米的波长,例如范围从600至800纳米、600至900纳米或650至1350纳米(这意味着在近荧光范围中)的波长。激发光例如也可以包括至少1400纳米、至少3000纳米、至少8000纳米或至少15000纳米的波长。

4、成像单元可以具有可见光图像传感器和荧光图像传感器,所述可见光图像传感器被配置为捕获实况图像,特别是在整个可见光范围中的实况图像;所述荧光图像传感器被配置为捕获照射区域的荧光图像,特别是在特定光范围中的荧光图像。成像单元可以例如包括二向色棱镜,该二向色棱镜将进入成像单元的光拆分成由可见光图像传感器捕获的可见光图像和由荧光图像传感器捕获的荧光图像。

5、处理单元被配置为确定实况图像和/或荧光图像是否处于静态运动状态。处理单元可以包括运动状态模块,该运动状态模块被配置为确定实况和/或荧光图像的运动状态。为了确定运动状态,处理单元可以例如通过应用和评估光流或者比较帧之间特别显著的图像特征来评估成像单元的图像数据的改变。附加地或可替代地,处理单元可以接收和评估来自惯性测量单元(imu)的运动数据,该惯性测量单元可以位于摄像头中。处理单元进一步被配置为适配在静态运动状态下捕获的一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数。例如,处理单元可以包括参数适配模块,以用于适配一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数。

6、由于成像单元相对于组织的移动、组织相对于成像单元的移动或这两者的组合,可能发生实况图像和/或荧光图像中的运动。静态运动状态可以由运动的绝对值来定义,该绝对值可以在对从成像单元接收的图像数据和/或从imu接收的运动数据的评估中计算。如果运动的绝对值低于至少一个预定阈值,则处理单元可以确定成像单元的运动状态是静态的。如果运动的绝对值高于预定阈值,则处理单元可以确定成像单元处于移动运动状态。图像捕获参数例如是图像传感器的快门速度、成像传感器的放大因子和/或成像传感器的曝光时间。图像处理参数例如是用于对先前的帧进行平均以便降低图像噪声的帧数。处理单元被配置为检测在静态运动状态下捕获的荧光图像中的感兴趣区,并且将该感兴趣区映射到对应实况图像中。感兴趣区被映射在其中的实况图像或其拷贝由显示单元显示。

7、本发明的一方面基于以下思想:在实况图像或实况图像和荧光图像处于静态运动状态的情况下,处理单元能够暂时适配一个或多个图像捕获或图像处理参数,使得图像噪声可以被降低。例如,处理单元可以减小快门速度和/或放大因子,使得可以获得具有长曝光时间、低噪声和高信噪比的荧光图像。在该情形下,成像单元停留在静态运动状态至关重要,否则荧光图像将模糊。在这些相应地低噪声或高信噪比的图像中,处理单元可以检测荧光图像中的感兴趣区,因为图像噪声被大大降低,并且荧光图像中的显著特征显著地不那么模糊。荧光图像和对应实况图像描绘了相同的场景,这导致了感兴趣区以及到对应实况图像的相对简单的映射。在荧光图像中,待观察区域中的患者身体的荧光特征——在利用照射和/或激发光照射待观察区域之后发出荧光——即使隐藏在生物组织的其他层后面或被血液或其他体液遮挡,也可以被清楚地看到。

8、荧光图像可以是仅收集预定波长范围、优选为窄带波长范围中的光的图像。荧光图像中收集的波长在可见光范围和/或不可见光范围中。如果荧光图像在可见光范围中,则它们可以例如包括大于500nm的波长。如果荧光图像在红外光范围中,则它们可以例如包括大于600nm的波长,例如范围从600至800nm、600至900nm或650至1350nm(即近红外(nir)范围)的波长。红外光例如还可以包括至少1400nm、至少3000nm、至少8000nm或至少15000nm的波长。

9、处理单元可以包括检测模块,所述检测模块被配置为例如通过特征检测来检测荧光图像中的感兴趣区。检测模块可以例如通过找到特定强度值、形状以及诸如此类并且将其定义为感兴趣区来检测荧光图像中的发荧光对象。感兴趣区可以例如被描述为紧密贴合在荧光图像中所检测对象周围的边界框。

10、此外,处理单元可以被配置为如果成像单元处于移动运动状态则跟踪先前检测的感兴趣区和后续实况图像。处理单元进一步被配置为将所跟踪的感兴趣区映射回后续荧光图像中。例如,处理单元可以包括跟踪模块,该跟踪模块被配置为跟踪实况图像中的感兴趣区。当成像单元处于移动运动状态时,处理单元被配置为相应地适配荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数。例如,快门速度或放大因子可以分别增加。这导致荧光图像中噪声的增加。因此,有必要将降噪算法应用于荧光图像。将跟踪的感兴趣区重新映射到后续荧光图像中增加了降噪算法的降噪能力。

11、特别地,处理单元被配置为对荧光图像进行空间选择性噪声滤波,其中以与荧光图像的其余区不同的方式对所述感兴趣区进行滤波。这可以导致更好的降噪结果。

12、例如,处理单元被配置为在空间选择性噪声滤波中在其余区中应用第一噪声滤波器,并且在荧光图像的感兴趣区上应用区分的第二噪声滤波器。例如,第一噪声滤波器是移动平均滤波器,其中排他地包括荧光图像的一个或多个先前帧的其余区。这允许在对若干个先前帧进行平均时避免检测到的感兴趣区模糊。例如,当在其余区上应用第一噪声滤波器时,感兴趣区可以被遮蔽。

13、附加地,第一噪声滤波器可以是荧光图像的一个或多个先前帧的中等平均滤波器和/或加权移动平均滤波器。将检测或跟踪的感兴趣区用于荧光图像的噪声滤波有助于避免在噪声滤波期间丢失荧光图像中的重要细节。

14、处理单元可以优选地被配置为特别是通过评估来自imu的实况图像和/或运动数据来连续确定运动状态。如果检测到静态运动状态,则处理单元可以例如通过增加快门时间、荧光图像的放大和/或累计的用于降噪的荧光图像的帧数来适配一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数,使得可以有效地降低这些荧光图像中的噪声。在这些荧光图像中重新检测感兴趣区,一旦重新检测到感兴趣区,它就被映射回对应实况图像或其拷贝中,以及在后续实况图像和/或荧光图像中被跟踪。

15、此外,处理单元可以被配置为确定后续实况图像中的饱和度水平。如果饱和度水平超过预定阈值,则处理单元可以执行以下步骤:

16、适配在静态运动状态下捕获的一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数。

17、基于在静态运动状态下捕获的荧光图像来检测感兴趣区,并且将荧光图像的感兴趣区映射到对应实况图像中。这允许处理单元回到可以在其中获得具有低噪声的高质量荧光图像以及在其中感兴趣区可以被再次检测到并且被映射到对应实况图像中的状态中。

18、特别地,处理单元被配置为经由评估从成像单元接收的图像数据和/或经由评估被包括在成像单元中的运动传感器的运动数据来确定成像单元是否处于静态运动状态。

19、在一个实施例中,第二噪声滤波器仅包括来自当前荧光图像的数据。这意味着第二噪声滤波器不包括先前荧光图像的任何历史数据,从而不发生感兴趣区的拖尾效应。例如,第一噪声滤波器是应用于荧光图像的其余区的空间中值滤波器,和/或第二噪声滤波器是应用于荧光图像的感兴趣区的空间高斯滤波器。在空间噪声滤波中,预定大小的窗口在噪声滤波器被应用在其上的图像区上滑动。第一和第二噪声滤波器这两者均可以是高斯和中值滤波器,其中第一和第二噪声滤波器的窗口的预定大小彼此偏离。例如,第一噪声滤波器的窗口大小可以大于第二噪声滤波器的窗口大小。

20、可替代地,如果第一和第二噪声滤波器包括用于平均的先前帧,则被包括在第一噪声滤波器中的先前帧的数量大于被包括在第二噪声滤波器中的先前帧的数量。这导致感兴趣区周围的减少的拖尾效应,因为第二噪声滤波器将更少的先前帧考虑在内。

21、此外,一个或多个图像捕获或图像处理参数包括成像单元的荧光相机传感器的快门速度、荧光图像的放大因子和/或通过帧平均来用于荧光图像的噪声滤波的先前帧的数量。

22、更进一步地,处理单元可以被配置为通过如下各项适配一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数:

23、如果图像单元处于静态运动状态,则减小图像单元的放大因子和/或快门速度,和/或

24、如果成像单元处于移动运动状态,则增加图像单元的放大因子和/或快门速度。这允许图像捕获或图像处理参数根据成像单元所处的运动状态来自适应地改变。

25、在优选的实施例中,本发明设备进一步包括内窥镜或腹腔镜,所述内窥镜或腹腔镜具有远端和近端,细长轴在远端和近端之间延伸。惯性测量单元可以被定位在内窥镜或腹腔镜的远端处。在内窥镜或腹腔镜中,照射源可以位于内窥镜的远端或近端处,其中细长轴包括当光源位于近端处时照射光和/或激发光被通过其从近端处的光源引导到远端的至少一个光学通道。此外,成像单元可以位于内窥镜的远端或近端处,其中细长轴包括当成像单元位于近端处时从待观察区域反射和/或发出的光被通过其从远端引导到近端的至少一个光学通道。

26、用于待观察区域的特别是术中成像的医学成像的本发明方法包括:利用照射光和/或激发光照射待观察区域;捕获照射区域的实况图像和荧光图像;确定成像单元是否处于静态运动状态;适配在静态运动状态下捕获的一个或多个荧光图像的一个或多个图像捕获或图像处理参数;基于在静态运动状态下捕获的荧光图像来检测感兴趣区;将荧光图像的感兴趣区映射到对应实况图像中;以及显示感兴趣区被映射在其中的实况图像或实况图像的拷贝。所显示的实况图像可以是原始实况图像的修改拷贝,例如混合到实况图像或实况图像的拷贝中的经处理的荧光图像。

27、关于本发明设备描述的所有特征和优点同样适用于本发明方法。

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