CN103040429A - 一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法，包括集成有OCT扫描成像系统和视觉成像系统的扫描成像装置；所述扫描成像装置用于实时获得样品组织的真实视频图像和目标区域的二维、三维光学断层图像。将OCT影像与视觉图像相结合，既可实时获得口腔组织的真实视频图像，还可以实时获得目标区域的二维、三维光学断层图像，且具有数微米级别的高分辨率，作为口腔影像检测装置可给医生提供足够丰富的样品组织信息，为医生对病理的准确诊断提供依据。

Description

一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法

 

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS微镜的手持光学扫描装置，尤其涉及一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法。

背景技术

口腔癌在全世界是居第六位的常肿瘤，可发生于舌、颊、颌骨、牙周组织任何部位。男性的发生率较女性高1至5倍。在发展中国家，口腔癌是一大问题。口腔癌的发生率与年龄的增加有关。40岁后发生率急剧上升。随着世界老龄人口的增加，将有更多的老年人处于发生口腔癌的高度危险之中。其危险随年龄增长急剧上升，由30岁男性的7-10万升至60岁时80-10万。吸烟和饮酒是导致口腔癌的最主要的危险因素。患口腔癌的危险随着每天吸烟的支数和吸烟的年数而增加。口腔癌发生率的增加与酒的消耗量呈正比。

随着OCT技术的发展，其已广泛应用于眼科与皮肤类疾病的检测诊断，但尚未有较灵活的检测装置可用于人体内器官组织的检测，主要受阻于OCT成像系统样品臂的小巧。将微机电系统技术（microelectromechanical systems，简称MEMS）的扫描微镜与OCT技术相结合进行OCT成像系统的开发,是专利申请单位重点研发项目之一。本发明人之一所申请发明专利说明书 201210322636.9 公开了一种OCT内窥镜成像装置，该成像装置采用了MEMS扫描微镜实现样品臂的扫描功能，是一种有效的OCT内窥成像检测方法。利用OCT扫描影像来分析数个参数，包括强度标准偏差、空间频谱分布以及上皮厚度等，可实时分辨口腔癌前病变的各个阶段，还可将OCT扫描结果与切片病理影像分析比较，为病理的分析提供诊断依据。本发明将提供一种用于口腔的光学影像检测系统，不仅能够满足OCT成像检测需要，还能实时定位，以便医生准确找到病变区。

扫描成像装置结构灵活多样，不仅可以手持使用，还可以固定于支架上，利用支架的多自由度对伸入端进行位置和角度调节，可用于口腔隐蔽组织或不易靠近组织的扫描成像。

另外根据MEMS微镜在扫描成像装置中的不同设置，可实现扫描成像装置在多种方向和不同角度进行扫描成像，包括侧向扫描成像、前向或侧前向扫描成像和环周向扫描成像。大大提高了此扫描成像装置的适应范围，不仅可用于口腔，还可用于其它较浅腔道或管道的扫描成像。

发明内容

本发明目的是为了将OCT光学成像技术应用于口腔病变检测和诊断，并同时兼并视频图像的功能，可用于口腔内早期病变的辅助检测和诊断，精确的活检取样和手术导航，以及术后监测等临床应用。本发明主要用于对口腔软硬组织的无创、实时、高分辨率三维成像，其分辨率高达1～10微米，能有效分辨出多数源于组织表层以下2-3毫米，上皮组织中几微米大小的早期癌细胞。可应用于牙齿、口腔粘膜、舌头等器官组织的早期病变检测。本发明光学影像装置不仅解决了视觉图像不能获得病变组织断层图像的问题，而且避免了X-ray摄影成像所带来的辐射危险和分辨率不高的缺陷。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种用于口腔的光学影像检测装置，包括集成有OCT扫描成像系统和视觉成像系统的扫描成像装置；所述扫描成像装置用于实时获得口腔组织的真实视频图像和目标区域的二维、三维光学断层图像。

进一步的，所述扫描成像装置包括带有光电接口的手柄、伸入端和设于所述伸入端内的MEMS扫描探头与图像传感器；所述MEMS扫描探头的输出端和所述图像传感器的输出端分别与所述光电接口连接；所述图像传感器的成像范围包含MEMS扫描探头的横向扫描范围。

进一步的，所述OCT扫描成像系统包括光源、光纤、混合器、参考臂、探测器、数据采集与处理模块、驱动控制板、CPU、显示单元和设于所述扫描成像装置内的MEMS扫描探头；所述光源将触发信号发送至数据采集与处理模块，同时将光源信号通过光纤传送至混合器，经混合器分光处理后得到的混合光源分别传送至参考臂和MEMS扫描探头；所述混合器另一输出端将经样品漫散射回来的光形成的两路光产生的干涉信号输入到探测器，并经该探测器差分处理后输入到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的OCT图像显示在显示单元上；其中，所述驱动控制板输入端与所述CPU连接，其输出端分别连接所述数据采集与处理模块和MEMS扫描探头的MEMS微镜驱动端；所述视觉成像系统包括设于所述扫描成像装置内的图像传感器，所述图像传感器感应样品的实时图像并通过光电转换发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视觉影像显示在显示单元上。

进一步的，所述扫描成像装置的伸入端可实现侧向扫描或前向扫描或侧前向扫描或环周向扫描。

进一步的，所述MEMS扫描探头的驱动信号和所述图像传感器通过有线或无线射频方式与系统进行信号传输控制。

进一步的，当所述扫描成像装置的伸入端为环周向扫描时，通过驱动控制板控制MEMS微镜驱动臂使出射光束做圆周扫描或椭圆形扫描或跑道形扫描或弧形扫描，并结合OCT成像系统得到环形光学断层图像。

进一步的，所述扫描成像装置设置成手持方式或设置成多自由度杆架夹持方式进行工作。

进一步的，所述扫描成像装置的伸入端采用便于对口腔不同组织扫描成像的弯曲结构。

进一步的，所述MEMS微镜采用电热驱动或静电驱动或电磁驱动或压电驱动。

进一步的，所述MEMS微镜由一个镀有光学涂层的镜面、边框与四个驱动臂构成，驱动臂均布设置于镜面与边框四周，在所述边框下端设置有用于导电连接的焊盘，所述驱动臂采用多层材料组成，施加电压给所述驱动臂加热或放热，其材料产生膨胀或收缩，从而带动镜面做偏转运动。

一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法，所述方法包括如下步骤：

1）图像传感器感应样品的实像后经过光电转换发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视频图像显示在显示单元上；

2）光源将触发信号发送至数据采集与处理模块，同时将光源信号传送至混合器，经混合器分光处理后分别传送至参考臂和样品臂，即MEMS扫描探头；

3）从MEMS扫描探头射出的光束照射在样品上，样品沿深度方向一定厚度的表里层漫散射回来的光与参考臂反射回来的光在混合器里发生干涉；

4）干涉光经探测器转变成干涉信号，干涉信号经探测器差分处理后输入到数据采集与处理模块和CPU，通过对差分处理后的干涉信号进行傅里叶变换，得到样品沿深度方向一定厚度的层析图像；

5）通过驱动控制板控制OCT成像探头中的MEMS微镜对视频图像区域中的目标区域进行一维或二维扫描，并在每个扫描点重复步骤3）—4），得到目标区域组织的二维和三维层析图，其与视频图像一并通过显示单元显示出来。

本发明的有益效果：（1）将OCT影像与视觉图像相结合，既可实时获得样品组织的真实视频图像，还可以实时获得目标区域的二维、三维光学断层图像，且具有数微米级别的高分辨率，作为口腔影像检测装置可给医生提供足够丰富的样品组织信息，为医生对病理的准确诊断提供依据。

(2)借助本发明光学影像检测装置，可无损无创的对口腔各种疑似病变组织进行精确扫描以获得其光学切片，从而可取代术前的生物组织取样和切片，大大减轻病人痛苦和缩短检测时间。

(3)鉴于本发明扫描成像装置采用了MEMS扫描探头，使得内窥镜伸入端直径足够小，且结构轻巧，可灵活使用。

(4)借助本发明MEMS扫描探头的4种扫描方式，根据病变组织所处位置可灵活选择扫描成像装置进行扫描检测，可针对不同的目标区域采用合适的扫描探头进行扫描成像。

(5)借助本发明扫描成像装置，可直接手持使用，手柄可根据人机工程特点进行设计，也可通过多关节支撑架固定使用，使用灵活方便，便于拆卸和组装，且便于维护；

(6)本发明采用电热驱动MEMS微镜，低功率、小电压驱动、二维扫描形状灵活，使用安全，结构小巧。

附图说明

图 1 本发明的光学影像检测装置结构示意图；

图 2 本发明的扫描成像装置结构示意图；

图 3 本发明的扫描成像装置侧向扫描伸入端示意图；

图 4 本发明的扫描成像装置前向扫描伸入端示意图；

图 5本发明的扫描成像装置侧前向扫描伸入端示意图；

图 6本发明的扫描成像装置环周向扫描伸入端；

图 7本发明的OCT环周向扫描成像横截面形状；

图 8本发明的MEMS微镜结构示意图；

图 9本发明的扫描成像装置为多自由度杆架夹持方式时结构示意图；

图 10本发明的扫描成像装置为手持式结构示意图。

具体实施方式

图1所示，为一种用于口腔的光学影像检测装置，包括集成有OCT扫描成像系统和视觉成像系统的扫描成像装置103；所述扫描成像装置103用于实时获得样品组织的真实视频图像和目标区域的二维、三维光学断层图像。

所述OCT扫描成像系统包括光源、混合器、参考臂、探测器、数据采集与处理模块、驱动控制板CPU、显示单元和设于所述扫描成像装置103内的MEMS扫描探头102；所述光源将触发信号106发送至数据采集与处理模块，同时将光源信号传送至混合器，经混合器分光处理后得到的混合光源分别传送至参考臂和MEMS扫描探头102；所述混合器另一输出端将经样品漫散射回来的光形成的两路光产生的干涉信号输入到探测器，并经该探测器差分处理后输入到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的OCT图像显示在显示单元上；其中，所述驱动控制板输入端与所述CPU连接，其输出端分别连接所述数据采集与处理模块和MEMS扫描探头102的MEMS微镜驱动端；所述视觉成像系统包括设于所述扫描成像装置103内的图像传感器101，所述图像传感器101感应样品的实时图像并通过光电转换得到视频图像信号105，然后发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视觉影像显示在显示单元上。通过R、G、B输出口或视频输出，经显示单元显示出来，可得到清晰放大的、真实的样品表面图像。通过图像传感器101获得样品的实像区域，同时可对其中感兴趣的区域采用MEMS扫描探头102进行光学扫描，可得到样品的OCT影像区域。所述图像传感器的成像范围包含MEMS扫描探头的横向扫描范围；同时为OCT成像区域提供定位功能。显示单元将同时显示样品的视觉图像和OCT图像。

图2中，所述扫描成像装置包括带有光电接口的手柄202、伸入端203和设于所述伸入端203内的MEMS扫描探头204、图像传感器205；所述MEMS扫描探头204的输出端和所述图像传感器205的输出端分别与所述光电接口201连接。光电接口201设置于手柄202尾端，与MEMS扫描探头204连接的光纤和电连接线分别安装于手柄202及伸入端203内部，分别用于光传输和为MEMS提供电驱动路径。MEMS扫描探头204与图像传感器205通过光、机、电的设计要求设置于扫描装置的伸入端203（细长端，伸入口腔部分），图像传感器205通过设置于扫描装置内部的电连接线与光电接口连通。所述MEMS扫描探头的驱动信号和所述图像传感器205可通过无线射频方式与系统进行信号传输控制。

伸入端详细结构如图3所示，其可采用弯曲结构，便于对口腔不同组织的扫描成像。伸入端内部包括MEMS扫描探头和图像传感器308。MEMS扫描探头包括MEMS微镜309、光纤301、透镜302和第一窗口303和第二窗口306。通过驱动控制板控制MEMS扫描探头使出射光束做光栅扫描，从而可获得探头的横向扫描范围，包括OCT成像范围（X向）304和与深度方向的Y向成像范围，结合OCT成像系统，将获得X向与Y向一同组成的横向扫描范围的光学断层影像，即可获得口腔组织样品的三维影像。图像传感器308的视觉成像范围307将包括探头的横向扫描范围，从而可通过此图像传感器308抓取的视觉图像对OCT三维影像的位置进行定位。

根据MEMS探头扫描方向的不同，所述扫描成像装置的伸入端内部各成像部件可以有4种不同的结构布置。图3中MEMS扫描探头（参考专利：201210039188.1 一种提高光学质量的光学探头）采用侧向扫描工作方式，图4中MEMS扫描探头（参考专利：201210363551.5，一种MEMS光学探头）采用前向扫描工作方式，图5中MEMS扫描探头采用侧前向扫描工作方式，图6中MEMS扫描探头（参考专利：一种基于MEMS微镜的光学扫描装置）采用环周向扫描工作方式。

图4中，包括光纤401 、透镜402 、MEMS微镜403、第一窗口404、OCT成像范围（X向）405、视觉成像范围406 、第二窗口407、图像传感器408、三棱反射镜409；

其中，三棱反射镜409起改变光路的作用，使光束射向MEMS微镜镜面，通过驱动控制MEMS微镜使出射光束做光栅扫描，从而获得X向与Y向的横向扫描范围。同时通过图像传感器408捕获样品真实视觉图像，并从视觉图像中对OCT成像范围进行定位。

图5中，包括光纤501 、透镜502 、MEMS微镜504、OCT成像范围（X向）505、视觉成像范围506 、图像传感器507和反射镜503，反射镜503起改变光路的作用，通过驱动控制MEMS微镜504使光束做光栅扫描，从而获得X向与Y向的横向扫描范围。同时通过图像传感器507捕获样品真实视觉图像，并从视觉图像中对OCT成像范围进行定位。

图6中，包括光纤601、透镜602、空心柱状反射镜603、MEMS微镜604、图像传感器605、样品组织内壁606和OCT环周向成像点507，

其中，空心柱状反射镜603前面锥形面起改变探头光路的作用，MEMS微镜镜面竖直设置。所述扫描成像装置的伸入端为环周向扫描时，通过驱动控制MEMS微镜604驱动臂使出射光束做圆周扫描、椭圆形扫描、跑道形扫描或弧形扫描，并结合OCT成像系统可获得图7所示环形光学断层图像。

如图8所示，本发明MEMS探头采用的MEMS微镜可采用电热驱动或静电驱动或电磁驱动或压电驱动。其中，所述MEMS微镜由一个镀有光学涂层的镜面800、边框和四个驱动臂801构成，驱动臂801均布设置于镜面800与边框四周，在所述边框下端设置有用于导电连接的焊盘802，所述驱动臂801采用多层材料组成，施加电压给所述驱动臂801加热或放热，其材料不停地产生膨胀或收缩，从而带动镜面800做偏转运动。

图9可知，将扫描成像装置900设置成多自由度杆架夹持方式进行工作，便于医生操作，特别是在牙科诊室可与躺椅操作台集成，医生可根据需要随时挪动成像扫描装置，并对其工作距离和角度进行调节，便于对口腔各个部位软硬组织的扫描，同时将获得稳定的样品组织图像。

图10中（a）、（b）所示，将扫描成像装置1000设置为手持使用方式，伸入端采用不同的弯曲结构满足口腔不同组织扫描成像，便于伸入同时通过图像传感器捕获样品真实视觉图像，并从视觉图像中对OCT成像范围进行定位。对于图像传感器与MEMS扫描探头的电信号，可采用无线射频方式进行信号传输。从而系统与扫描成像装置之间仅需要一根光纤进行光路传输，可起到简化系统结构的目的，便于组装。

本发明的一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法，所述方法包括如下步骤：

1）图像传感器感应样品的实像后经过光电转换发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视频图像显示在显示单元上；

2）光源将触发信号发送至数据采集与处理模块，同时将光源信号传送至混合器，经混合器分光处理后分别传送至参考臂和样品臂，即MEMS扫描探头；

3）从MEMS扫描探头射出的光束照射在样品上，样品沿深度方向一定厚度的表里层漫散射回来的光与参考臂反射回来的光在混合器里发生干涉；

4）干涉光经探测器转变成干涉信号，干涉信号经探测器差分处理后输入到数据采集与处理模块和CPU，通过对差分处理后的干涉信号进行傅里叶变换，得到样品沿深度方向一定厚度的层析图像；

5）通过驱动控制板控制OCT成像探头中的MEMS微镜对视频图像区域中的目标区域进行一维或二维扫描，并在每个扫描点重复步骤3）—4），得到目标区域组织的二维和三维层析图，其与视频图像一并通过显示单元显示出来。

本发明装置的OCT图像具有微米级分辨率，可探测到人体内脏表层下微小病变的能力，从而实现早期病变诊断，尤其是在人类的第一杀手--癌症的早期诊断上，具有广阔前景。本发明具有无损无创及实时的特点，无需进行取样切片，便可精确无误的找到病变组织，可将诊断和手术同时进行，帮助医生施行更精确的手术超作，准确的切除病变组织，另可大大减轻病人的痛苦和缩短术后恢复时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1. 一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，包括集成有OCT扫描成像系统和视觉成像系统的扫描成像装置；所述扫描成像装置用于实时获得口腔组织的真实视频图像和目标区域的二维、三维光学断层图像。

2.如权利要求1所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述扫描成像装置包括带有光电接口的手柄、伸入端和设于所述伸入端内的MEMS扫描探头与图像传感器；所述MEMS扫描探头的输出端和所述图像传感器的输出端分别与所述光电接口连接；所述图像传感器的成像范围包含MEMS扫描探头的横向扫描范围。

3.如权利要求1所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述OCT扫描成像系统包括光源、光纤、混合器、参考臂、探测器、数据采集与处理模块、驱动控制板、CPU、显示单元和设于所述扫描成像装置内的MEMS扫描探头；所述光源将触发信号发送至数据采集与处理模块，同时将光源信号通过光纤传送至混合器，经混合器分光处理后得到的混合光源分别传送至参考臂和MEMS扫描探头；所述混合器另一输出端将经样品漫散射回来的光形成的两路光产生的干涉信号输入到探测器，并经该探测器差分处理后输入到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的OCT图像显示在显示单元上；其中，所述驱动控制板输入端与所述CPU连接，其输出端分别连接所述数据采集与处理模块和MEMS扫描探头的MEMS微镜驱动端；所述视觉成像系统包括设于所述扫描成像装置内的图像传感器，所述图像传感器感应样品的实时图像并通过光电转换发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视觉影像显示在显示单元上。

4.如权利要求1所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述扫描成像装置的伸入端可实现侧向扫描或前向扫描或侧前向扫描或环周向扫描。

5.如权利要求2所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述MEMS扫描探头的驱动信号和所述图像传感器通过有线或无线射频方式与系统进行信号传输控制。

6.如权利要求4所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，当所述扫描成像装置的伸入端为环周向扫描时，通过驱动控制板控制MEMS微镜驱动臂使出射光束做圆周扫描或椭圆形扫描或跑道形扫描或弧形扫描，并结合OCT成像系统得到环形光学断层图像。

7.如权利要求2所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述扫描成像装置设置成手持方式或设置成多自由度杆架夹持方式进行工作。

8.如权利要求1—7任一项所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述扫描成像装置的伸入端采用便于对口腔不同组织扫描成像的弯曲结构。

9.如权利要求3所述的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述MEMS微镜采用电热驱动或静电驱动或电磁驱动或压电驱动。

10.如权利要求9的一种用于口腔的光学影像检测装置，其特征在于，所述MEMS微镜由一个镀有光学涂层的镜面、边框与四个驱动臂构成，驱动臂均布设置于镜面与边框四周，在所述边框下端设置有用于导电连接的焊盘，所述驱动臂采用多层材料组成，施加电压给所述驱动臂加热或放热，其材料产生膨胀或收缩，从而带动镜面做偏转运动。

11.如权利要求1至10任一项所述的一种用于口腔的光学影像检测装置和成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）图像传感器感应样品的实像后经过光电转换发送到所述数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将处理后的电信号发送至CPU进行图像处理和复原，最后形成的视频图像显示在显示单元上；

2）光源将光源信号传送至混合器，经混合器分光处理后分别传送至参考臂和样品臂，即MEMS扫描探头；

3）从MEMS扫描探头射出的光束照射在样品上，样品沿深度方向一定厚度的表里层漫散射回来的光与参考臂反射回来的光在混合器里发生干涉；

4）干涉光经探测器转变成电信号，再将所述电信号输入到数据采集与处理模块和CPU，通过所述电信号进行系列信号处理，其中包括傅里叶变换，得到样品沿深度方向一定厚度内的层析图像；

5）通过驱动控制板控制OCT成像探头中的MEMS微镜对视频图像区域中的目标区域进行一维或二维扫描，并在每个扫描点重复步骤3）—4），得到目标区域组织的二维和三维层析图，其与视频图像一并通过显示单元显示出来。

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