微血管超微结构成像装置.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710053312.2 (22)申请日 2017.01.24 (71)申请人 青岛大学附属医院 地址 266071 山东省青岛市市南区江苏路 16号 (72)发明人 董蒨 于綦悦 魏宾 夏楠 (74)专利代理机构 青岛联信知识产权代理事务 所 37227 代理人 段秀瑛 (51)Int.Cl. A61B 5/026(2006.01) A61B 5/00(2006.01) (54)发明名称 微血管超微结构成像装置 (57)摘要 本发明提出一种微血管超微结构成像装置， 用于将待

2、测体中微血管超微结构信息形成二维 图像， 包括光源， 把从光源中发射的线偏振光转 为环形圆偏振光的环光单元， 镜头单元， 以及用 于将镜头单元反射后带有微血流信息的反射光 处理形成二维图像的成像单元； 其中， 镜头单元 具有可接收环形圆偏振光的入射端以及可发射 聚集光线的出射端， 镜头单元包括设置于镜头单 元内部中心处的成像透镜， 以及环设在成像透镜 四周的圆锥形镜面， 镜面的尖端为光线的出射 端。 该装置能使透射至待测体的光线转为圆偏振 光， 提高了光线的透射能力和成像的清晰度。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 107049294 A 2017.08.18 CN 10704929

3、4 A 1.一种微血流成像装置， 用于将待测体中微血管超微结构信息形成二维图像， 其特征 在于： 包括 可发射线偏振光的光源， 把从光源中发射的线偏振光转为环形圆偏振光的环光单元， 可将环光单元中发出的环形圆偏振光射入于一点形成聚集光线的镜头单元； 以及 用于将镜头单元反射后带有微微血管超微结构信息的反射光处理形成二维图像的成 像单元； 其中， 从环光单元中发出的环形圆偏振光通过镜头单元透射于待测体内， 经过待测体 内部散射后， 光线携带待测体内的微血管超微结构信息至成像单元， 以形成二维图像。 2.根据权利要求1所述微血管超微结构成像装置， 其特征在于： 镜头单元具有可接收环 形圆偏振光的入

4、射端以及可发射聚集光线的出射端， 镜头单元包括设置于镜头单元内部中 心处的成像透镜， 以及环设在成像透镜四周的圆锥形镜面， 镜面的尖端为光线的出射端； 从 环光单元中发出的环形圆偏振光照射于镜头单元的圆锥形镜面， 并集中射入至出射端以透 射于待测体内， 经过待测体内部散射后， 光线携带待测体内的微血管超微结构信息从成像 透镜射入至成像单元， 以形成二维图像。 3.根据权利要求1或2所述微血管超微结构成像装置， 其特征在于： 环光单元包括可将 光源中发射的发散光形成平行光的准直透镜， 可将线偏振光转为环形的圆偏振光的光圈， 以及可将光圈中环形光反射至镜头单元内部的分光单元， 准直透镜、 光圈以及

5、分光单元顺 次间隔设置于光源与镜头单元之间， 其中， 光圈包括设置于中心部呈圆形的挡光体， 以及环 设挡光体设置的调光单元， 挡光体的直径大于镜头单元中部的成像透镜直径， 且小于镜头 单元入射端的直径。 4.根据权利要求3所述微血流成像装置， 其特征在于： 分光单元为非偏振分光器或半透 镜其中一种。 5.根据权利要求4所述微血流成像装置， 其特征在于： 分光单元的侧部设置有阻断透过 分光单元中线性光线的遮光板。 6.根据权利要求3所述微血流成像装置， 其特征在于： 光圈还包括可避免漏光的不透光 圆环， 不透光圆环环设于调光单元的外部。 7.根据权利要求6所述微血流成像装置， 其特征在于： 光圈

6、的左右两侧面均设置有可防 止可见光反射的防反射层。 8.根据权利要求3所述微血流成像装置， 其特征在于： 调光单元为1/4相位差膜或1/4波 长板其中之一种。 9.根据权利要求2-8中任一项所述微血流成像装置， 其特征在于： 成像单元包括设置于 镜头单元入射端上方的非球面透镜， 以将携带微血管超微结构成像信息的非平行镜头单元 输出光调制形成光束； 非球面透镜的上方设置有数字相机， 数字相机感应非球面透镜形成 的光束， 以根据光束上携带的微血管超微结构成像信息形成二维图像。 10.根据权利要求1所述微血管超微结构成像装置， 其特征在于： 镜头单元的镜头底部 套设有可贴合于待测体表面的镜头套。 权

7、 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 107049294 A 2 微血管超微结构成像装置 技术领域 0001 本发明涉及微血管超微结构观测领域， 尤其涉及一种微血管超微结构成像装置。 背景技术 0002 微循环是指微动脉与微静脉之间的血液与组织细胞进行物质交换的过程。 微循环 是生命形态和代谢的完整， 是维持人体器官正常功能所不可缺少的条件。 通过微循环的研 究， 便于进一步了解人体各脏器的特殊功能， 认知疾病的发病机理， 有利于疾病预防， 诊断 和治疗。 例如， 包括糖尿病， 高血压和冠心病等的疾病， 都会引起微循环的病态， 包括微血管 管径， 微血管密度以及微血管内的微血流速度等参数，

8、微血管内皮细胞和血细胞等超微结 构的变化。 因此通过了解微血管超微结构情况来把握微循环质量， 对于各类疾病的诊断和 治疗有着极其重要的作用。 0003 在现有技术中， 微血流成像技术包括使用侧流暗场成像， 即首先采用环形LED照明 围绕在成像显微镜头周围， LED发出的光源为特殊波长的光， 但不是偏振光， LED光从显微镜 头周围环形的照射到皮肤上， 在皮肤表面发生散射的同时在皮肤内部发生散射。 因为显微 镜头距离皮肤很近， 环状照射到皮肤上又反射回来的光很难进入镜头成像， 而内部散射光 的照射方向是随机的， 会有一部分照射到显微镜头而在CCD上成像， 这样就避免了皮肤表面 反射直接对微血流进

9、行成像。 0004 但是， 根据公知的偏振原理， 即偏振光比非偏振光在皮肤内的透射能力好， 而圆偏 振光比线偏振光具有更好的透射能力和成像清晰度， 而上述技术中， 其因使用非偏振光进 行投射， 光线透射入皮肤内的能力和成像清晰度均不足， 难以简便的方式获取清晰的图像， 因此上述技术不能对微血管超微结构进行清晰成像而难以观测。 发明内容 0005 为了解决上述问题， 本发明提供了一种微血管超微结构成像装置， 该装置能使透 射入待测体的光线转为圆偏振光， 提高了光线的透射能力和成像的清晰度。 0006 为了达到上述目的， 本发明采用的技术方案为： 0007 一种微血管超微结构成像装置， 用于将待测

10、体中微血管超微结构成像信息形成二 维图像， 包括可发射线偏振光的光源， 把从光源中发射的线偏振光转为环形圆偏振光的环 光单元， 可将环光单元中发出的环形圆偏振光射入于一点形成聚集光线的镜头单元； 以及 用于将镜头单元反射后带有微血流信息的反射光处理形成二维图像的成像单元； 其中， 从 环光单元中发出的环形圆偏振光通过镜头单元透射于待测体内， 经过待测体内部散射后， 光线携带待测体内的微血流信息至成像单元， 以形成二维图像。 0008 作为本发明的进一步优化， 镜头单元具有可接收环形圆偏振光的入射端以及可发 射聚集光线的出射端， 镜头单元包括设置于镜头单元内部中心处的成像透镜， 以及环设在 成像

11、透镜四周的圆锥形镜面， 镜面的尖端为光线的出射端； 从环光单元中发出的环形圆偏 振光照射于镜头单元的圆锥形镜面， 并集中射入至出射端以透射于待测体内， 经过待测体 说 明 书 1/5 页 3 CN 107049294 A 3 内部散射后， 光线携带待测体内的微血管超微结构信息从成像透镜射入至成像单元， 以形 成二维图像。 0009 作为本发明的进一步优化， 环光单元包括可将光源中发射的发散光形成平行光的 准直透镜， 可将线偏振光转为环形的圆偏振光的光圈， 以及可将光圈中环形光反射至镜头 单元内部的分光单元， 准直透镜、 光圈以及分光单元顺次间隔设置于光源与镜头单元之间， 其中， 光圈包括设置于

12、中心部呈圆形的挡光体， 以及环设挡光体设置的调光单元， 挡光体的 直径大于镜头单元中部的成像透镜直径， 且小于镜头单元入射端的直径。 0010 作为本发明的进一步优化， 分光单元为非偏振分光器或半透镜其中一种。 0011 作为本发明的进一步优化， 分光单元的侧部设置有阻断透过分光单元中线性光线 的遮光板。 0012 作为本发明的进一步优化， 光圈还包括可避免漏光的不透光圆环， 不透光圆环环 设于调光单元的外部。 0013 作为本发明的进一步优化， 调光单元为1/4相位差膜或1/4波长板其中之一种。 0014 作为本发明的进一步优化， 光圈的左右两侧面均设置有可防止可见光反射的防反 射层。 00

13、15 作为本发明的进一步优化， 成像单元包括设置于镜头单元入射端上方的非球面透 镜， 以将携带待测体微血流信息的非平行镜头单元输出光调制形成光束； 非球面透镜的上 方设置有数字相机， 数字相机感应非球面透镜形成的光束， 以根据光束上携带的待测体信 息形成二维图像。 0016 作为本发明的进一步优化， 镜头单元的镜头底部套设有可贴合于待测体表面的镜 头套。 0017 与现有技术相比， 本发明的优点和积极效果在于： 0018 1、 本发明的微血管超微结构成像装置， 其光源采用能发射线偏振光的光源， 使发 出的光线即为线偏振光， 进而通过使用可将线偏振光转为圆偏振光的环光单元， 环状偏振 圆光线经过

14、不易吸收反射光的镜头单元， 透射于待测体内部， 通过本发明中的光源、 环光单 元以及镜头单元的配合使用， 提高了光线的透射能力和成像的清晰度； 0019 2、 本发明的微血管超微结构成像装置， 因采用的镜头单元具有设置于中部的成像 透镜以及环设在成像透镜四周的圆锥镜面， 从环光单元中发出的光线在镜头单元圆锥镜面 周围射出， 并集中到镜头单元尖端位置， 由于光以斜面集中照射， 因此当待测体为平面时， 平面反射光会对称地反射到光源出射端， 而不会被镜头单元所接收， 但对于光散射物体， 散 射光的传播方向是随机的， 因此容易被镜头单元所接受以最终成像。 0020 3、 本发明的微血管超微结构成像装置

15、， 有效的减少了待测体表面反射光造成的成 像背景噪声， 同时也减少了设备体积。 附图说明 0021 图1为本发明微血流成像装置第一种实施例的结构示意图； 0022 图2为本发明微血流成像装置第一种实施例的光路示意图； 0023 图3为本发明微血流成像装置第二种实施例的结构示意图； 0024 图4为本发明微血流成像装置第二种实施例的光路示意图； 说 明 书 2/5 页 4 CN 107049294 A 4 0025 图5为本发明分光单元的第二种实施例示意图； 0026 图6为本发明中镜头单元内部光路的示意图； 0027 图7为光圈的示意图。 0028 以上各图中： 1、 光源； 2、 环光单元；

16、 21、 准直透镜； 22、 光圈； 221、 挡光体； 222、 1/4相 位差膜； 23、 半透镜； 231、 非偏振分光器； 24、 反光镜； 3、 镜头单元； 31、 成像透镜； 32、 镜面； 4、 非球面透镜； 5、 数字相机； 6、 支撑框架； 7、 待测体； 8、 遮光板。 具体实施方式 0029 下面， 通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。 然而应当理解， 在没有进一 步叙述的情况下， 一个实施方式中的元件、 结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式 中。 0030 在本发明的描述中， 需要说明的是， 微血流成像装置的高度方向为将本微血流成 像装置安装后的竖向； 术语

17、“内” 、“外” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 等指示的方位或位置关系为 基于图1所示的位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的 装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的 限制。 此外， 术语 “第一” 、“第二” 、“第三” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重 要性。 0031 需要说明的是， 在本发明中， 待测体中微血流信息包括以下信息： 微血管的分布密 度， 微血管的直径， 微血管或毛细血管血流的流速， 血流中的血细胞以及微血管的内皮细胞 等细胞微结构。 0032 参见图1以及图3， 分别是本发

18、明微血流成像装置的第一种实施例以及第二种实施 例的结构示意图。 如图1和图3所示， 用于将待测体7中微血流信息形成二维图像， 包括可发 射线偏振光的光源1， 该处的光源1可为激光器或者表面镀有线偏振膜的LED光源， 此处对光 源的限定仅在于其发射出的光线为线偏振光即可， 具体采用某一种单一形式并不做具体限 定； 另外， 此处使用镀线偏振膜的LED光源的优点为LED使用寿命长， 照射均匀， 不会出现斑 点噪声； 进一步包括把从光源1中发射的线偏振光转为环形圆偏振光的环光单元2， 可将环 光单元2中发出的环形圆偏振光射入于一点形成聚集光线的镜头单元3； 以及用于将镜头单 元3反射后带有微血流信息的

19、反射光处理形成二维图像的成像单元。 0033 同时参见图5， 图5是本发明中镜头单元内部的光路示意图。 结合图5， 上述中， 镜头 单元3可为显微镜物镜或着可变焦镜头其中之一种， 其中， 显微镜物镜包括有限远补正显微 物镜以及无限远补正显微物镜， 具有很高的光学分辨率， 能够实现对被观测物体部分宏观 结构以及内部微结构， 如血细胞和微血管内皮细胞的清晰成像； 可变焦镜头可以调节放大 倍数以实现对观测范围进行扩大和缩小， 不仅能够对被观测对象进行宏观结构的观测， 也 能够对被观测对象进行内部微结构， 如血细胞和血管内皮细胞的清晰成像； 在选择镜头单 元时， 可根据装置的使用目的和使用范围， 对显

20、微物镜和可变焦镜头进行选择性使用。 例如 既需要对大面积范围内的微血管分布密度进行统计， 也需要观测血细胞对血流流动情况进 行分析时， 使用可变焦镜头； 仅需要对血管内部血细胞和血管内皮细胞进行观测， 并对成像 质量要求较高时， 使用显微物镜。 0034 继续参见图5， 镜头单元3具有可接收环形圆偏振光的入射端以及可发射聚集光线 说 明 书 3/5 页 5 CN 107049294 A 5 的出射端， 该入射端为镜头单元3的上端， 出射端为镜头单元3的下端， 镜头单元3包括设置 于镜头单元内部中心处不透光的成像透镜31， 以及环设在成像透镜31四周的圆锥形镜面 32， 镜面32的尖端为光线的出

21、射端； 因镜面为圆锥形， 从镜头单元入射端入射的环形光线经 过镜面汇聚于一点， 从环光单元2中发出的环形圆偏振光照射于镜头单元的圆锥形镜面， 并 集中发射至出射端以透射于待测体7上， 光线经过待测体7内部散射后， 携带微血管超微结 构成像信息从成像透镜射入至成像单元， 以形成二维图像。 0035 上述进一步说明的是， 该圆锥形镜面可为透明的棱镜， 如该处为棱镜， 则从镜头单 元入射端入射的环形光线经过镜面发生折射， 进而汇聚于一点至出射端； 该圆锥形镜面也 可为反射镜， 如该处为反射镜， 则从镜头单元入射端入射的环形光线经过镜面发生反射， 进 而汇聚于一点至出射端。 因此， 该处的圆锥形镜面并

22、不限定其材质， 同时对其光线在此处发 生的具体光路也不做具体限定， 其只需要满足光线能从入射端射入并集中汇聚于出射端射 出即可。 0036 进一步参见图1-图6， 环光单元2包括可将光源1中发射的发散光形成平行光的准 直透镜21， 可将线偏振光转为环形的圆偏振光的光圈22， 以及可将光圈22中环形光反射至 镜头单元内部的分光单元， 准直透镜21、 光圈22以及分光单元顺次间隔设置于光源1与镜头 单元3之间， 其中， 光圈22包括设置于中心部呈圆形的挡光体221， 以及环设挡光体设置的调 光单元， 该调光单元可为1/4相位差膜或1/4波长板， 图中示出了作为调光单元的1/4相位差 膜222， 挡

23、光体221的直径大于镜头单元3中部的成像透镜31直径， 且小于镜头单元3入射端 的直径。 需要说明的是， 分光单元可为图4中的半透镜23或者图5中的非偏振分光器231， 其 中， 非偏振分光器或着半透镜可以将偏振光(包括圆偏振光和线偏振光)或着非偏振光一部 分透射， 一部分反射。 非偏振分光器与半透镜在功能上相同， 仅是形状不同， 即非偏振分光 器为立方体， 半透镜为平面形状。 0037 同时， 在本发明中， 分光单元的侧部还设置有遮光板8， 遮光板8可吸收透过分光单 元中的线性光线。 0038 光圈22中设置的调光单元， 因该调光单元本身对于光线相位的延迟， 从而使通过 调光单元时的线偏振光

24、转为圆形的偏振光， 同时因镜头单元内部设置有成像透镜， 侧部为 锥形镜面， 光圈相应的在中部设置有不透光的挡光体， 挡光体阻止了光线向前传播， 而调光 单元部分使光通过， 因此经过光圈反射后的光线为环形。 0039 结合图2、 图4和图5， 如图所示， 本发明的微血流成像装置其光路为： 光源1发射线 偏振光， 该线偏振光为发散光， 该发散光经过准直透镜21后形成平行光； 平行的线偏振光经 过光圈22后形成环形的圆偏振光， 圆偏振光通过半透镜23的反射进入至镜头单元3的入射 端， 环形圆偏振光通过镜头单元3圆锥形的镜面32汇聚于镜头单元3的出射端， 然后透射至 待测体7中； 由于光以斜面集中照射

25、至待测体7上， 因此当待测体7为平面时， 平面反射光会 对称的反射到镜头单元出射端， 而不会被镜头单元所接收， 但对于光散射物体， 散射光的传 播方向是随机的， 因此容易被镜头单元所接受最终成像。 本发明中充分利用了圆偏振光比 线偏振光具有更好的透射能力以及成像清晰度， 使本发明的微血流成像装置在观测微血流 时成像更清晰。 0040 另外， 为了进一步避免设备漏光， 防止造成对使用者的伤害， 上述光圈22还包括可 避免多余光线射出的不透光圆环， 该不透光圆环环设于调光单元的外部， 该不透光圆环的 说 明 书 4/5 页 6 CN 107049294 A 6 内环直径大于镜头单元入射端的直径。

26、0041 为了防止不必要的镜面反射， 光圈的左右两侧面均设置有可防止可见光反射的防 反射层， 该防反射层可为AR镀膜。 0042 进一步参见图1和图3详述， 成像单元包括设置于镜头单元入射端上方的非球面透 镜4， 非球面透镜4的透镜焦点与镜头单元3的后向焦点重合， 以将携带待测体微血流信息的 非平行镜头单元输出光调制形成光束； 非球面透镜4的上方设置有数字相机5， 该数字相机5 带有CMOS或者CCD传感器， 数字相机5感应非球面透镜4形成的光束， 以根据光束上携带的待 测体信息形成清晰的二维图像。 上述中， 非球面透镜4的位置仅取决于镜头单元， 因此非球 面透镜4的位置可能设置于如图1所示的

27、半透镜的上方， 也可能设置于如图3所示的半透镜 的下方。 0043 本发明中第一种实施例与第二种实施例的主要区别在于， 在半透镜23与光圈22之 间斜置有一个反光镜24， 该处优选为45度倾斜设置， 反光镜24设置在此处的作用在于， 可将 光圈22中射出的光线发射入半透镜23上。 在本发明的第一种实施例中示出只有一个半透镜 时， 该半透镜倾斜设置在光圈的出线端， 且其半透镜的反射面正对镜头单元的入射端， 以将 光圈中透过的光线反射至镜头单元中； 而在本发明的第二种实施例中示出辅助设置有反光 镜的方式， 其中设置的反射镜正对光圈的出线端， 其反射面正对半透镜， 半透镜的反射面同 时正对镜头单元的

28、入射端。 上述两个实施例仅是一种举例， 事实上， 通过上述举例， 我们可 进一步推出， 该处用于辅助光线发射的反射镜个数并不具体限定， 只要满足半透镜能直接 或间接接受到光圈射出的光线， 且该半透镜的反射面正对镜头单元入射端即可， 至于中间 设置几个反射镜进行反射， 其取决于具体的微血流成像装置的框架结构， 以及内部布置方 式， 在本发明中的第二种实施例中， 显然通过增加一个反射镜， 更有利于结构的排布。 0044 上述中采用第二种实施例时， 其具有的优势还在于， 通过采用反射镜来90度反射 激光光路， 能保持数字相机与光源的同向， 方便从一个接口引出通信线路， 另外， 本发明中 反射镜与半透

29、镜均固定在支撑框架中， 支撑框架用四个螺丝扣连接， 在连接的间隙处围绕 一周橡胶用于防水滴。 0045 另外， 本发明中为了便于操作镜头单元， 在镜头单元3的镜头底部套设有可贴合于 待测体表面的镜头套。 0046 本发明进一步包括设置于光源、 环光单元、 镜头单元外部的支撑框架6， 支撑框架6 环设于上述光学元件的外部， 包括但不限于光源、 环光单元、 镜头单元， 还可包括非球面透 镜、 数字相机等。 镜头单元等可用螺丝安装在支撑框架6中， 非球面透镜以及光圈使用两个 环状螺丝夹固的方式固定在微血流成像装置的内部。 同时， 镜头单元与半透镜用螺丝连接， 用手扭动伸缩镜筒， 可以改变数字相机和非

30、球面透镜之间的距离， 而非球面透镜与镜头单 元之间的距离不变， 这样保证了使用时对焦距的简单调节。 0047 该发明的微血流成像装置， 只用一个能发射线偏振光的光源就能够实现环形的圆 偏振光， 并且利用圆锥形镜面的特点， 有效减少表面反射光造成的成像背景噪声， 同时也减 少了设备体积。 说 明 书 5/5 页 7 CN 107049294 A 7 图1 说 明 书 附 图 1/6 页 8 CN 107049294 A 8 图2 说 明 书 附 图 2/6 页 9 CN 107049294 A 9 图3 说 明 书 附 图 3/6 页 10 CN 107049294 A 10 图4 说 明 书 附 图 4/6 页 11 CN 107049294 A 11 图5 图6 说 明 书 附 图 5/6 页 12 CN 107049294 A 12 图7 说 明 书 附 图 6/6 页 13 CN 107049294 A 13