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CN101467877A - 在被照明区域中的视场的荧光分析系统 - Google Patents

在被照明区域中的视场的荧光分析系统 Download PDF

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CN101467877A CN200810186644.9A CN200810186644A CN101467877A CN 101467877 A CN101467877 A CN 101467877A CN 200810186644 A CN200810186644 A CN 200810186644A CN 101467877 A CN101467877 A CN 101467877A
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Abstract

本发明涉及一种用肉眼并根据在被照明区域中视场的荧光的分析系统，包括周期性激励的第一低剩磁白光照明光源；用于激励位于所述视场中的荧光成分的第二光源，其至少在第一光源关闭的时间周期中的一部分时间过程中工作；和在第一光源关闭且第二光源打开的时间周期中工作的荧光分析设备。

Description

在被照明区域中的视场的荧光分析系统
技术领域
本发明涉及在荧光成分发射的观察视场中的分析，该观察视场布置在一照明区域中，使得还能够用肉眼方式直接观察该视场及其周围区域。
背景技术
下面将主要以本发明的医学或兽医学应用为背景讨论技术状况和本发明，其中照明区域是手术室或其它医学或兽医学干预室，例如，皮肤病学干预室。该观察视场或手术区域则是病人身体的一部分，具有固定了指示特定生理特性的荧光成分的位置。例如，在皮肤上，被疾病侵袭或被寄生虫攻击的区域可能会固定比其它皮肤区域更多的荧光成分。这样，对荧光成分(或标记)的观察能够显示这些区域。类似的，在手术区域中，很可能会对例如癌变细胞等器官缺陷部分特别固定荧光成分。在上述这两种情况中，病人和其所在的房间必须被照明，使得医生能够观察到该病变区域并可能进行干预，而该荧光必须还能够被观察。更具体地，在外科医生必须手术的手术室中，手术区域确实被良好照明是非常重要的。
对于荧光区域的分析引出的问题在于，一般来说，与正常环境光相比，荧光光强非常低。在特定荧光成分的荧光波长范围中，荧光光强经常比在相关光谱范围中的环境光要低106至107倍。应当注意的是，为了给现场照明以给肉眼提供良好可视性的白光和通过相机观察的荧光之间的光强差别问题不会发生在同时使用相机来观察白光图像和荧光图像的情况下。在这样的情况下，例如，在内馈镜检查中，由白光照明产生的图像强度适于同荧光图像的强度处在相同的等级上。
对于手术室，在现有技术中，已经提出了通过过滤环境光中荧光成分发射的光谱部分来抑制荧光图像，和使用配有排除荧光光谱波段以外的所有光的滤光器的相机来探测荧光图像。这种方法具有很多缺点。由于环境光与荧光的比率是巨大的(>106)因此该滤光器必须具有突出的消光性能；经过滤的照明严重扰乱了色彩感；并且每种类型的荧光成分给照明系统强加一套滤光器。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种存在环境照明的情况下用于观察荧光的系统，其至少克服现有系统中的一些缺陷。
本发明的一种实施例的目的是能够采用一种可以在光强和光谱特性上进行优化的独立于荧光分析的环境照明。
本发明的一种实施例的目的是提供一种避免使用昂贵滤光的系统。
本发明的一种实施例的目的是提供一种能够自由选择具有截然不同光学特性的荧光成分的系统。
为实现这些目的，本发明的一种实施例提供了一种使用肉眼并根据被照明区域中视场的荧光的分析系统，其包括第一低剩磁白光照明光源，该光源由用大于24Hz的频率周期性激励的发光二极管组件构成；第二光源，用于激励位于所述视场中的荧光成分，至少在第一光源关闭时的时间周期中的一部分过程中工作；以及在第一光源关闭、第二光源打开时的时间周期内工作的荧光分析设备。
根据本发明的一种实施例，该周期性激励频率在100Hz的等级上。
根据本发明的一种实施例，该第二光源提供不覆盖该荧光成分的发射光谱的光谱范围内的光。
根据本发明的一种实施例，该分析设备是电子相机。
根据本发明的一种实施例，该电子相机包括行传送象素阵列。
根据本发明的一种实施例，该电子相机的图像与利用该第一照明光源的光观察所述视场的另一电子相机提供的图像相叠加。
根据本发明的一种实施例，该系统包括第三光源，其具有基本上与第二光源互补的光谱，基本上照明同一视场，并且与第二光源互补工作。
在下面联系附图的具体实施例的非限定性描述中将具体讨论本发明的上述目的、特征和优点。
附图说明
图1表示在观察视场中观察荧光的系统；
图2表示根据本发明一种实施例的在观察视场中观察荧光的系统；
图3是用于说明根据本发明一种实施例的系统的运行模式的时序图；和
图4非常示意性地表示了根据本发明一种实施例的可用象素阵列部分。
具体实施方式
图1表示布置在通过环境光源2照明的手术室中的要观察区域或手术区域1，一般该光源2是由白炽灯组构成的白光源。在分光器3的帮助下，一方面通过光学彩色相机5，另一方面通过对手术区域1的独有(sole)荧光敏感的相机7同时观察该手术区域。该荧光例如是通过特殊光源(未示出)照射而产生的。滤光器8分离发射荧光的光谱范围。优选地，通过处理装置将相机5和7的图像叠加到显示屏10上，显示屏10一方面显示整个手术区域，另一方面显示该区域中荧光成分特别密集(rich)的部分，例如使用特殊颜色或特殊标记标出这些部分。由此，用肉眼观察该屏幕的外科医生就能够进一步立即在显示器10上发现“有病”的区域并能够进而处理或消除它们。这种类型的装置会遇到前面提到的问题。
图2表示根据本发明实施方式的系统，类似于图1的系统，在显示屏10上提供正常观察手术区域的彩色相机5和对荧光敏感的相机7的合成图像，其中可能在相机7之前加有对应于该荧光成分的发射范围的滤光器8。通过分光镜3的帮助，这两种相机同时观察该手术区域1。
在图2的系统中，环境照明光源是不同于白炽灯的光源12，其具有非常低的剩磁，也就是说，只要其电源断开(或变为低于供给阈值)，所产生的照明非常快地下降到零值(例如在几微秒之内)。低剩磁白光源的一个例子是单色发光二极管(LED)的组件。
需要注意的是，LED白光源一般不是低剩磁的。实际上，所谓的白色LED的LED白光源一般包括例如蓝色或紫色的有色LED，并且在LED之外具有一种或多种磷光体，该磷光体其具有同LED所发射的光谱混合以产生具有一般包含在400nm和至少700nm之间的光谱的发射光谱。由此获得白光。这样结合了LED和磷光体的LED的缺陷在于磷光体的剩磁很大。尽管停用时来自LED的光强降低很快(小于1微秒)，但是有磷光体产生的光的光强下降得非常慢，通常是非指数型的。这样，对于磷光体的发射变为小于其最大发射的10—6的时间周期会非常长，超过数十毫秒。因此，这样的LED不是低剩磁光源。
低剩磁有色LED可以通过周期性脉冲供电，并且其在这样的条件下具有最佳光输出。由此，为了照明手术室，可以使用大量的不同颜色的二极管，，它们的组合能够提供可置色调(颜色)的光，特别适于提供良好的观察，同时具有非常低的剩磁时间。
通过设置提供给光源12的起始脉冲频率的同步装置14使荧光敏感相机7的操作同步。同步装置14仅在所选择的时间周期启动相机7或者观察相机5，随后将对此进行说明。一个附加光源16照明手术区域1。光源16也具有通过装置14同步的操作并能够以对于具体所使用的荧光成分最优的激励波长照明该手术区域。光源16由多个基本光源构成，例如是发光二极管或激光二极管，其可以结合有能够消除对应于所期望的荧光波长的滤光器。如果该荧光成分是荧光素，将使用具有接近488nm(在蓝光中)波长的激励光，这样荧光将是接近550nm(在绿光中)。如果该荧光成分是Alexa750，则激励光将具有接近690nm(在远红光中)的波长，这样荧光是接近750nm(在近红外光中)的波长。
将参考图3对图2中系统的操作进行说明。图3在横坐标中示出了时间t，在纵坐标中示出了光强。下面，假设以周期T发生所述的不同现象。选择所述周期T，使得由于视觉暂留现象让观察白光闪烁的人具有一种连续照明的感觉。该照明速率将大于24/s，优选在100/s的等级上。
低剩磁环境照明光源2在时间t0和t1之间的时间周期Tlit中是打开的。该占空比是较低的，也就是说，如果例如周期T是在10微秒的等级上(100Hz频率)，发光将很可能持续不超过1至2ms。在该照明脉冲的末端t1处，假设光强下降非常快，在图中相对于该照明时间不可见的时间周期中，例如，1至3微秒。
在提供环境光的低剩磁光源的发光结束时间t1和下一个开始发光时间t0之间，分析被照明区域的荧光。由此，对于在时间t2和t3之间的激励时间周期Texc，利用光源16照明要观察的场，并且在该时间周期中或者对于错开几微秒的时间周期Tint，由相机7接收的光被累积。应当注意到对于这种累积非常重要的一点是在下一个照明开始之前结束，但是也并不必须中断该激励光。所述光可以继续。如上所示，每个周期T包括一个光源的发光周期Tlit，其比收集荧光的周期Tint要短。因此，如果该周期T大约为10ms，则周期Tlit可以小于2ms，而周期Tint可以大于6ms。
接着，在累积结束的时间t5和时间t6之间，为时间周期Ttr，由相机收集的数据被传送到存储器。
如果荧光的强度特别低，在获得一个可观察图像之前可能需要多个累积周期Tint和多个紧接着的传送。这极好地与所述的系统相兼容。
因此，根据所述的实施例，提出将环境照明周期从荧光分析周期中分离出来。
按照能够满足对手术室更确切来说是对手术区域的照明的足够数量和足够能量来选择能够用周期性脉冲激励来提供环境照明的发光二极管或其它低剩磁光源，即使用占空比在从1/10至2/10等级上的脉冲来激励它们。
作为选择，取代提供特别激励源16来激励荧光成分，可以提供由给手术室照明的部分发光二极管组成的这些光源。
图4说明了适于集成到荧光敏感相机7中的图像传感器20部分的实施方式。在该图中，通过截面示出了象素Pi，j、Pi+1，j。象素Pi，j对应于阵列图像传感器的一行象素中的部分，而象素Pi+1，j对应于该同一图像传感器的相邻行中的象素。每个象素Pi，j能够通过第一开关连接到放电线Li，由与参考电压的连接表示。第二开关能够将每个象素Pi，j分别连接到存储器单元Ci。在通常的实施方式中，按象素行执行传送。在每个累积周期Tint(图3的时间t4)之前，将所有的象素连接到放电线以耗尽由照明产生的电荷。优选地，在整个时间周期Tlit中保持象素和放电线之间的连接。在此之后，在每个周期结束时，只有入射的荧光光强能够构成每个象素在根据由该象素接收的荧光的水平上的电荷，并且存储在每条象素线中的数据才会释放到存储器单元线Ci、Ci+1。这个实施例特别简单。可以在读取阵列成像器并将图像传送到处理和显示装置10之前，在例如5至10个周Tint期的大量周期Tint中积累所收集的电荷。这种实施方式可以积累荧光信号同时减少相应的读噪声。在这种实施方式中，该成像器可以是具有行间传送的CCD阵列，例如由Kodak制造的CCD KAI340或者由Sony制造的CCD阵列340。
许多其它的实施方式，倘若提供类似的图像传感器以在照明脉冲结束之后获取图像或图像部分，并且在下一个照明脉冲开始之前将该图像传送至存储器，也是可行的。
还可以提供在白光脉冲期间周期性遮蔽该荧光图像传感器的机械快门或液晶快门。而该图像传感器可以是CCD或CMOS传感器。由此，在传送到该处理和显示装置10之前，在该传感器上的荧光积累将增加，其时间周期例如等于5至10个周期Tint。
在荧光成分的激励光源16的中心波长处于可见光范围中的情况时，观察者的眼睛在每个周期中将由该光源提供的光与环境光源12的光整合。由此，由荧光激励源16照明的区域会呈现与正常观察或包括该观察视场的其它情况不同的色彩和/或对比度。根据本发明的变型，为了补偿该影响，激励光源16实际上可以是双光源，并且一方面包括如前所述的能够在用环境光照明的周期之间激励该荧光成分的光源，另一方面还包括根据光谱补充到该激励光源的光源。该补充光源至少在周期Texc、Tint、Ttr之外该激励光源关闭的部分时间周期中被激励。用足够的强度激励这些补充光源以具有由于视觉暂留被眼睛整合的对应于环境光或对应于为观察视场选择的颜色的合成光。
本发明很可能具有许多本领域技术人员很容易想到的其它变形。事实上，能够用脉冲激励并具有非常低的剩磁的任何光源都可以用于该环境光。
应当提醒的是，尽管已经在手术室的背景中介绍了本发明，但是其自然可以应用到任何系统，该系统希望一方面用肉眼在“自然”光下观察目标，而另一方面用相机观察可能提供在相应对象区域附近的荧光。
本领域技术人员还应当注意，可以为观察视场1提供可能包括多种不同特性的荧光成分。然后可以用多个相机分析该观察视场，其中每个相机对这些荧光成分中的一种光敏感。这种情况下，根据在不同荧光成分的光谱荧光区域之间的距离，可以用各种相机同时或依次进行对该荧光成分的分析。
在上述实施例中，已经提出了将“自然”图像叠加到荧光图像。为了这个目的，多个相机可以对准同一观察视场而不使用分光镜。在这种特定情况下，本领域技术人员可以仅显示该荧光图像，而不显示该自然图像。此外，该荧光图像可以叠加到例如绘图或X光片等固定图像上。还可以提供用同一相机交替探测该自然图像和该荧光图像。
这样的变化、修改和改进都视为本发明的一部分，并包含在本发明的精神和范围内。因此，上述说明仅仅是举例的形式而不是用于限制。本发明只由下面的权利要求书及其等效方式的定义限定。

Claims (8)

1、一种使用肉眼并根据被照明区域中视场的荧光的分析系统，包括：
第一低剩磁白光照明光源(12)，所述光源由大于24Hz的频率周期性激励的发光二极管组件构成；
第二光源(16)，用于激励位于所述视场中的荧光成分，至少在所述第一光源关闭的时间周期中的一部分过程中工作；和
在所述第一光源关闭且所述第二光源打开的时间周期内工作的荧光分析设备(7)。
2、根据权利要求1所述的系统，其中所述周期性激励频率在100Hz的等级上。
3、根据权利要求1或2所述的系统，其中所述第一光源导通状态的占空比低。
4、根据权利要求1所述的系统，其中所述第二光源提供不覆盖该荧光成分的发射光谱的光谱范围内的光。
5、根据权利要求1所述的系统，其中所述分析设备是电子相机。
6、根据权利要求5所述的系统，其中所述电子相机包括行传送象素阵列。
7、根据权利要求5所述的系统，其中所述电子相机的图像与利用所述第一照明光源(12)的光观察所述视场的另一电子相机提供的图像相叠加。
8、根据权利要求1至7中任一权利要求所述的系统，其中所述系统包括第三光源，其具有基本上与所述第二光源互补的光谱，基本上照明同一视场，并且与所述第二光源互补工作。
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