一種熒光手術(shù)導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

1、<p><b>　　碩士學(xué)位論文</b></p><p>　　一種熒光手術(shù)導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在過去的幾年里，近紅外（NIR）熒光成像技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并在各個臨床的試驗中得到了廣泛的應(yīng)用。然而目前臨床上應(yīng)用的成像系統(tǒng)體積龐大，難以被

2、用于正如頭頸部腫瘤的手術(shù)切除中，因為外科手術(shù)醫(yī)生很難利用這樣的系統(tǒng)對深腔內(nèi)的腫瘤區(qū)域進(jìn)行成像以獲取腫瘤圖像信息。</p><p>　　為了克服目前成像系統(tǒng)的局限性，我們設(shè)計了這樣一套便攜式熒光導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)用于手術(shù)過程中腫瘤邊界的評估。該系統(tǒng)由計算機(jī)，頭盔顯示器（HMD），近紅外CCD相機(jī)，微型CMOS相機(jī)和780nm的激光光源組成。CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)分別用于獲取熒光圖像與背景圖像，通過配準(zhǔn)把融合的圖像實時地

3、顯示到頭盔顯示器上。</p><p>　　為了驗證系統(tǒng)的可行性，我們在離體的組織上進(jìn)行了模擬實驗。實驗結(jié)果很好地證明了手術(shù)導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)對于手術(shù)的引導(dǎo)與邊界檢測的有效性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：熒光成像 腫瘤邊界 導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Over t

4、he last few years, near-infrared (NIR) fluorescence imaging has witnessed rapid growth and is already used in clinical trials for various procedures. However, most clinically compatible imaging systems are optimized for

5、large and cannot be employed such as during head and neck oncologic surgeries because the system is not able to image inside deep cavities or allow the surgeon access to certain tumors due to the large footprint of the s

6、ystem.</p><p>　　To overcome the limitation of now exist imaging system, We describe a portable fluorescence goggle navigation system for tumor margin assessment during oncologic surgeries. The system consist

7、s of a computer, a head mount display (HMD) device, a near infrared (NIR) CCD camera, a miniature CMOS camera, and a 780nm laser diode excitation light source. The fluorescence and the background images of the surgical s

8、cene are acquired by the CCD camera and the CMOS camera respectively, co-registered, and </p><p>　　The technical feasibility of the proposed goggle system is tested in an ex vivo tumor model. Our experiments

9、 demonstrate the feasibility of using a goggle navigation system for intraoperative margin detection and surgical guidance.</p><p>　　Key Words: fluorescence imaging; tumor margin; goggle navigation system<

10、;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　目 錄3</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b&

11、gt;</p><p>　　1.1 課題背景5</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義7</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.4 本課題的目標(biāo)和主要工作9</p><p>　　第二章 近紅外熒光成像技術(shù)11</p><p>　　2.

12、1 引言11</p><p>　　2.2 熒光成像系統(tǒng)概述11</p><p>　　2.3 熒光成像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及系統(tǒng)組成12</p><p>　　2.3.1 視場（FOV）13</p><p>　　2.3.2 近紅外激發(fā)輻射度13</p><p>　　2.3.3 熒光激發(fā)光源13</p

13、><p>　　2.3.4 熒光成像相機(jī)15</p><p>　　2.3.5 熒光成像濾光片15</p><p>　　第三章 導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)的設(shè)計19</p><p>　　3.1 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)19</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的硬件部分19</p><p>　　3.1.1 光源

14、20</p><p>　　3.1.2 相機(jī)與鏡頭21</p><p>　　3.1.3 濾光片23</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的軟件部分24</p><p>　　3.2.1 相機(jī)的控制模塊24</p><p>　　3.2.2 圖像處理算法模塊27</p><p>　　3

15、.2 模擬手術(shù)現(xiàn)場的工作流程31</p><p>　　第四章 生物組織的光學(xué)特性及仿體的制備32</p><p>　　4.1 生物組織的光學(xué)特性32</p><p>　　4.2 生物組織光學(xué)仿體的制備流程34</p><p>　　第五章 實驗設(shè)計部分37</p><p>　　5.1 ICG水溶液的熒光

16、特性分析37</p><p>　　5.1.1 實驗?zāi)康?7</p><p>　　5.1.2 實驗儀器37</p><p>　　5.1.3 實驗步驟37</p><p>　　5.1.4 實驗結(jié)果38</p><p>　　5.2 ICG水溶液的熒光強(qiáng)度對比39</p><p>

17、　　5.2.1 實驗?zāi)康?9</p><p>　　5.2.2 實驗儀器39</p><p>　　5.2.3 實驗步驟39</p><p>　　5.2.4 實驗結(jié)果42</p><p>　　5.2.5 結(jié)果分析42</p><p>　　5.3 熒光成像系統(tǒng)配準(zhǔn)誤差分析43</p>&

18、lt;p>　　5.3.1 實驗?zāi)康?4</p><p>　　5.3.2 實驗步驟44</p><p>　　5.3.3 實驗結(jié)果44</p><p>　　5.3.4 結(jié)果分析45</p><p>　　5.4 熒光成像系統(tǒng)分辨率測試45</p><p>　　5.5.1 實驗?zāi)康?6</p

19、><p>　　5.5.2 實驗步驟46</p><p>　　5.5.3 實驗結(jié)果47</p><p>　　5.5.4 結(jié)果分析47</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望48</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)49</b></p><p><b>　

20、　致 謝52</b></p><p>　　在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的科研成果54</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　據(jù)聯(lián)合國最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球目前平均每8個死亡病例中就有1人死于癌

21、癥，這比瘧疾、艾滋病和結(jié)核病導(dǎo)致的死亡人數(shù)還要高，而且每年還有1000多萬人被確診為癌癥患者，在這龐大的數(shù)據(jù)當(dāng)中，超過60%的癌癥病例主要集中在亞洲、非洲以及南美洲等中低收入國家，其中中國的新增病例和死亡人數(shù)首當(dāng)其沖。中國目前每6分鐘內(nèi)就有一人被確診為癌癥，每天將近有8500人成為癌癥患者，每七到八人當(dāng)中就有一人死于癌癥。這一連串的灰色數(shù)字使得人們對癌癥談虎色變。雖然目前癌癥患者的比例還在不斷地擴(kuò)大當(dāng)中，但癌癥患者的生存率及癌癥的控制性

22、已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，人類對癌癥生物層面的理解已經(jīng)非常深入，癌癥的預(yù)防、診斷、治療等手段都取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，這主要得益于生物醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)能夠從基因水平上理解腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，并在攻克癌癥方面取得了顯著的進(jìn)步。</p><p>　　目前在腫瘤治療方面所用的方法主要有：</p><p>　　靶向療法：研究發(fā)現(xiàn)，不同腫瘤患者的基因有所不同，比如，即使同是患有肺癌的患者，其對藥

23、物的反應(yīng)也可以完全不同。究其原因，在于腫瘤細(xì)胞的基因變化不同。靶向治療的優(yōu)勢在于，治療藥物可以在細(xì)胞分子水平上，特異性地選擇結(jié)合點，干擾腫瘤細(xì)胞的生長，將其置之于死地，而不會波及周圍的正常細(xì)胞。通俗地說，就是只殺“壞細(xì)胞”，而不錯殺“好細(xì)胞”。因此，相對于化療，靶向治療不僅精準(zhǔn)，而且比較溫和，副作用少，患者可以在家中服藥治療，因而也更加方便。</p><p>　　腫瘤外科：如今，癌癥的外科手術(shù)更加精準(zhǔn)，微創(chuàng)手術(shù)的

24、廣泛開展使患者的創(chuàng)傷更小，恢復(fù)更快，切口也更美觀。臨床證據(jù)已充分證明了微創(chuàng)手術(shù)在治療癌癥方面的安全性，打消了人們的某些顧慮。在不影響手術(shù)效果的前提下，腫瘤外科并發(fā)癥更少、術(shù)后引起身體的變形得到更好的彌補(bǔ)。比如，乳腺癌術(shù)后接受乳房再造手術(shù)的病人比例越來越高，取得的整形效果也更滿意，提高了癌癥患者術(shù)后的生活質(zhì)量。</p><p>　　放射治療：由于計算機(jī)技術(shù)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、影像學(xué)的有力支持，腫瘤的放射治療技

25、術(shù)已經(jīng)取得了革命性的進(jìn)步。隨著放療精度的日益提高，精確放療有效地保證和提高了放療高劑量落在腫瘤靶區(qū)內(nèi)，而其周邊組織和器官處于低劑量照射。放療在腫瘤治療中的作用越來越大，世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，癌癥治愈患者中的近一半應(yīng)歸功于放療。</p><p>　　藥物研發(fā)：在現(xiàn)有的170多種抗癌藥物中，大多數(shù)都是近十年研發(fā)出來的新藥。此外，還有大約1000種抗癌藥物及癌癥疫苗在研發(fā)過程中。很多最新開發(fā)的抗癌藥物，有效地消除了惡心、疼

26、痛、脫發(fā)等副作用，給予患者較高的生活質(zhì)量。同時，另一些新開發(fā)的藥物較好解決了某些腫瘤治療的耐藥性問題。</p><p>　　腫瘤篩查：醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為，大約三分之一的癌癥可以得到有效預(yù)防。其主要方式是：調(diào)整生活方式、改善飲食結(jié)構(gòu)和早期篩查。例如，最新研究顯示，乙狀結(jié)腸鏡檢查能夠有效降低結(jié)腸直腸癌的發(fā)生率和死亡率。與此相反的是，另一項研究得出結(jié)論，每年一次的胸部X線檢查并不能夠在普通人群中降低肺癌的死亡風(fēng)險，因而不主

27、張人們定期做這一檢查。</p><p>　　雖然治療腫瘤的方法多種多樣，而腫瘤外科是目前治療腫瘤的首選方法，也是最古老和最有效的治療方法，該方法是將癌癥原發(fā)病灶（癌癥最初發(fā)生的部位）及轉(zhuǎn)移病灶（由原發(fā)性轉(zhuǎn)移的病灶）一并切除的治療方法，該方法現(xiàn)在已經(jīng)十分成熟，麻醉方法也很完善，病人可以接受安全的、沒有痛苦的手術(shù)治療，可以獲得比其他治療方法更多的治愈機(jī)會。</p><p>　　雖然手術(shù)切除方法

28、行之有效，但由于各種不可控因素的存在會導(dǎo)致腫瘤的復(fù)發(fā)。</p><p>　　首先，是腫瘤本身的性質(zhì)。從病理學(xué)的角度來講，每種惡性腫瘤有各自不同的特點。有的雖然是惡性但又相對溫和，我們稱之為低度惡性，手術(shù)切除后很少復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移。而有的生長迅速，侵襲性很強(qiáng)，較易轉(zhuǎn)移，可能腫瘤本身的體積很小，卻已經(jīng)有廣泛的淋巴結(jié)或血道轉(zhuǎn)移，這種我們稱為高度惡性，手術(shù)后非常容易復(fù)發(fā)。</p><p>　　第二，病程

29、時間，即從起病到治療之間的時間。我們以胃腸道腫瘤為例。如果病理診斷為粘膜內(nèi)癌，則是處于胃癌的早期階段，及時進(jìn)行手術(shù)切除，復(fù)發(fā)率低，預(yù)后好。如病理診斷為進(jìn)展性癌或已經(jīng)伴有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，提示已經(jīng)是晚期胃癌，手術(shù)后復(fù)發(fā)率較高，預(yù)后差。</p><p>　　第三，手術(shù)范圍。惡性腫瘤與周圍組織邊界不清，醫(yī)學(xué)上常形容為樹根樣浸潤性生長，局部切除范圍不夠，必然復(fù)發(fā)。因此選擇何種手術(shù)方式是醫(yī)生術(shù)前要考慮的重要問題。合理的手術(shù)方式既

30、要考慮將腫瘤徹底切除，同時還應(yīng)兼顧患者身體狀況能否承受及考慮患者生活質(zhì)量等諸多問題。</p><p>　　第四，是患者自身的體質(zhì)和營養(yǎng)狀況。患者術(shù)前的身體狀況及術(shù)后的恢復(fù)情況能影響機(jī)體對抗癌細(xì)胞的能力，在較弱的機(jī)體中，機(jī)體內(nèi)殘留癌細(xì)胞的生長可能容易占上風(fēng)而“死灰復(fù)燃”。反之，如機(jī)體免疫力強(qiáng)，可通過自身免疫反應(yīng)消滅殘留的腫瘤細(xì)胞。因此，加強(qiáng)營養(yǎng)，提高免疫力一直以來都是抗癌的基礎(chǔ)療法。</p><

31、p>　　總而言之，腫瘤復(fù)發(fā)的根本原因在于即使將腫瘤大本營切除，機(jī)體內(nèi)還可能存有少量殘留腫瘤細(xì)胞，這些細(xì)胞通過生長，不斷“發(fā)展壯大”，最終導(dǎo)致臨床復(fù)發(fā)。</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義</p><p>　　以最大限度減少患者創(chuàng)傷為目標(biāo)的微創(chuàng)治療和將創(chuàng)傷降至最低點的無創(chuàng)治療已經(jīng)成為近年來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新治療手段。由于在微創(chuàng)或無創(chuàng)治療過程中沒有生成傳統(tǒng)治療中的傷口，也就無法

32、對病灶進(jìn)行直接的肉眼觀察，因此需要影像的精確導(dǎo)航，以便準(zhǔn)確的將病變組織在不擴(kuò)大病變區(qū)域的前提下完全處理掉。通過影像的精確導(dǎo)航，疾病的治療可以更加準(zhǔn)確、系統(tǒng)和完善。分子影像技術(shù)不僅可以用于早期發(fā)現(xiàn)和精確診斷，還可以為基于影像的手術(shù)導(dǎo)航提供強(qiáng)有力的支持，從而極大地推動生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。對于基于分子影像技術(shù)的臨床手術(shù)導(dǎo)航而言，影像不僅起到導(dǎo)航的作用，同時也起到監(jiān)控成像和療效評價成像的作用。與傳統(tǒng)基于超聲波技術(shù)的臨床手術(shù)導(dǎo)航相比，基于分

33、子影像技術(shù)的臨床手術(shù)導(dǎo)航能夠從分子病理水平指導(dǎo)手術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的手術(shù)定位。</p><p>　　近年來，由于分子影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，繼放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計算機(jī)斷層和磁共振成像之后，出現(xiàn)了高分辨率的體內(nèi)光學(xué)成像，其中近紅外熒光成像倍受關(guān)注，目前前哨淋巴結(jié)成像、評價冠狀動脈搭橋術(shù)后通暢度、術(shù)中識別腫瘤、醫(yī)源性膽道損傷的診斷、以及淋巴管和血管的成像等都應(yīng)用了近紅外熒光成像技術(shù)，逐步形成

34、了近紅外熒光成像輔助外科手術(shù)導(dǎo)航的新的醫(yī)療技術(shù)、新的醫(yī)療設(shè)備和新的臨床學(xué)科。</p><p>　　在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域，如何早期發(fā)現(xiàn)腫瘤組織及如何在手術(shù)過程中實現(xiàn)腫瘤的精確定位一直是國際上的挑戰(zhàn)問題。外科手術(shù)過程中外科醫(yī)生主要依據(jù)組織的色澤、質(zhì)地、形態(tài)進(jìn)行腫瘤的切除，所以判斷切除的范圍與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗和切緣的病理陽性率有關(guān)。進(jìn)一步研究認(rèn)為醫(yī)生在術(shù)中能夠得到實時的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像，將提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)創(chuàng)傷、減少醫(yī)療

35、費(fèi)用、避免手術(shù)意外發(fā)生、促進(jìn)病人康復(fù)。而放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計算機(jī)斷層和磁共振成像等成像設(shè)備不可能搬到外科手術(shù)室，而且這些成像設(shè)備在操作過程中對醫(yī)生和病人有一定的損害，所以需要進(jìn)一步探索，手術(shù)過程實時成像、操作方便、非侵入、無損害的技術(shù)。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　2002年美國波士頓Beth Israel Deacones

36、s醫(yī)學(xué)中心首先介紹了第一代外科成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時攝取彩色和近紅外熒光，最大的特點是既能攝取近紅外熒光，又能看到手術(shù)野的解剖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)被稱為熒光輔助切割和探測外科成像系統(tǒng)（簡稱FLARETM），多年來該系統(tǒng)主要在大動物上進(jìn)行外科手術(shù)的研究，有望應(yīng)用到人類外科。在2009年世界分子影像大會上，2008年度諾貝爾化學(xué)獎獲得者錢永健先生報告了如何用熒光顯微鏡成像引導(dǎo)切除熒光標(biāo)記的小鼠腫瘤組織，開啟了光學(xué)分子影像技術(shù)在手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域的先河。2

37、011年，歐洲科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出分子影像手術(shù)導(dǎo)航的原型系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到人體卵巢癌的臨床手術(shù)中。中國科學(xué)院分子影像重點實驗室團(tuán)隊根據(jù)前期在分子影像領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，研發(fā)出光學(xué)分子影像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，目前美國波士頓Frangioni實驗室、日本濱松光電、法國Fluoptics公司、加拿大和荷蘭等研究機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研發(fā)。</p><p>　　FLARETM攝像系統(tǒng)[1,2]</p><p>　　FLA

38、RETM攝像系統(tǒng)首先是由美國波士頓Beth Israel Deaconess醫(yī)學(xué)中心和喬治亞州立大學(xué)在2002年研制成功，F(xiàn)LARE是 fluorescence - assisted resection and exploration的縮寫，即熒光輔助切除和探測。</p><p>　　FLARETM設(shè)計的基本方案是在外科手術(shù)時，顯示器上既能顯示外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)，還能顯示肉眼看不到的近紅外熒光，并且能夠重疊在彩色

39、圖像上。FLARETM系統(tǒng)的基本組成：⑴400W冷光源，其中白光40000 lux，波長400～650nm，其二近紅外激發(fā)光源之一，技術(shù)參數(shù)是光強(qiáng)度4mW/cm2，波長700nm (656～678nm)，其三近紅外激發(fā)光源之二，技術(shù)參數(shù)是光強(qiáng)度14mW/cm2，波長800nm (745～779nm)，近紅外光源采用環(huán)行LED排列，線性驅(qū)動集成；⑵攝像系統(tǒng)包括彩色攝像CCD， 400～650nm峰值量子率效高,700nm近紅外攝像CCD，

40、689～725nm峰值量子率效高，和800nm近紅外攝像CCD ，800～848nm峰值量子率效高,共三種CCD同時獲取、像素640×480、系統(tǒng)分辯力125×125μm (x,y)到 625×625μm (x,y)、顯示刷新15 Hz、NIR 暴光時間為100μsec到8sec，免持光學(xué)自動變焦和聚焦。</p><p>　　（2）Fluobeam手持式成像系統(tǒng)[2]</p&g

41、t;<p>　　Fluobeam是法國Grenoble的 Fluoptics公司研制，F(xiàn)luobeam是手持式成像系統(tǒng)，依據(jù)近紅外成像原理，具有高靈敏度，可探測到皮摩爾級（10-12）甚至飛摩爾級（10-15）的熒光信號開放式設(shè)計。成像速度快，10ms-1s即可完成清晰成像。開放式的成像設(shè)計，不受動物大小的限制，靈活可移動，操作簡易等特點，能夠在白光下直接檢測。目前，F(xiàn)luobeam成像系統(tǒng)分為Fluobeam 700和F

42、luobeam 800兩種型號，激發(fā)波長分別為680nm和780nm，被廣泛應(yīng)用于大動物成像，藥物示蹤，生物大分子體內(nèi)示蹤，腫瘤成像及體內(nèi)分布，淋巴結(jié)和血管成像，手術(shù)實時引導(dǎo)，其他疾病的早期診斷等。</p><p>　　（3）Artemis手持式成像系統(tǒng)</p><p>　　Artemis手持式成像系統(tǒng)是世界上首個同時采集全色和熒光的醫(yī)療成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將手術(shù)室成像提升到一個新的水平。能夠

43、同時顯示彩色圖像和點到點熒光疊加圖像讓這款儀器在精密手術(shù)和診斷中變得有價值。該成像系統(tǒng)通過使用一個簡單的切換鏡頭和腹腔鏡，可用于外科和微創(chuàng)手術(shù)。這款便攜式系統(tǒng)的一大優(yōu)點是體積小,比目前學(xué)術(shù)界的解決方案提供更好的操作性，具有800nm吲哚青綠和 700nm熒光探針成像兩種功能，適用于腹腔鏡和開放手術(shù)。成像系統(tǒng)分辨率是659×494像素、大約330000 pixels、圖像輸出5.6 x 5.6μm、幀頻5～60fps、讀取噪音3

44、0 electrons、井位能25000 electrons，還配置390mm和190mm兩種型號的腹腔鏡。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于心血管、切斷術(shù)、血管滲漏、前哨淋巴結(jié)定位、腫瘤檢測等。</p><p>　?。?）Novadaq探測成像系統(tǒng)[3]</p><p>　　Novadaq探測成像系統(tǒng)（Novadaq's SPY Imaging System）是由加拿大 Novadaq Techn

45、ologies Inc.研制，是目前第一個，也是唯一一個被FDA許可進(jìn)行心臟冠狀動脈搭橋術(shù)后評估通暢度的設(shè)備，是整形和重建外科手術(shù)，評估游離皮瓣血運(yùn)的重要工具。還可應(yīng)用于器官移植，小兒外科和泌尿外科等領(lǐng)域。Novadaq探測成像系統(tǒng)重要的功能之一是能夠在手術(shù)室中靈活使用，定量評定手術(shù)中的關(guān)鍵步驟。</p><p>　?。?）The Photodynamic Eye成像系統(tǒng)</p><p>

46、　　The Photodynamic Eye成像系統(tǒng)是由日本濱松光電研制，主要用于乳腺癌及其他惡性腫瘤前哨淋巴結(jié)定位，術(shù)中探查殘余腫瘤，膽道造影，冠狀動脈搭橋效果評估，腦血管的術(shù)中顯像，皮瓣血液供應(yīng)的探查，生物活體的熒光成像研究等領(lǐng)域，其圖像感受器是CCD，發(fā)射光源是LED 。</p><p>　　1.4 本課題的目標(biāo)和主要工作</p><p>　　本課題的目標(biāo)是針對術(shù)中導(dǎo)航的需求，旨在

47、開發(fā)一種輕型便攜式的可佩戴的手術(shù)導(dǎo)航目鏡，用于手術(shù)過程中的熒光造影，服務(wù)于實時腫瘤手術(shù)邊界的評估，使其在影像性能和質(zhì)量上達(dá)到大中型設(shè)備的水準(zhǔn)，填補(bǔ)醫(yī)療影像和導(dǎo)航手術(shù)領(lǐng)域的國內(nèi)和國際空白。</p><p>　　本文的主要工作包括：</p><p>　　方案的提出。調(diào)研目前國內(nèi)外相關(guān)的研究工作，針對目前國內(nèi)外現(xiàn)有的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的不足與缺陷，提出自己的設(shè)計方案，并分析方案的可行性。</p&

48、gt;<p>　　系統(tǒng)的搭建。購置相關(guān)的硬件設(shè)備，整合硬件設(shè)施，并從硬件和軟件的角度進(jìn)行相關(guān)的研究工作。硬件部分主要是硬件的選型與整合，照明光源的設(shè)計與改進(jìn)等。軟件部分主要是相機(jī)控制程序的設(shè)計，圖像處理算法的實現(xiàn)等。</p><p>　　系統(tǒng)的測試。主要從實驗的角度，如ICG水溶液的熒光強(qiáng)度測試，進(jìn)行系統(tǒng)的靈敏度分析，不同間距與粗細(xì)條紋的識別測試系統(tǒng)的分辨率，以及離體的模擬腫瘤切除實驗對系統(tǒng)的可行性

49、進(jìn)行了分析。</p><p>　　系統(tǒng)的優(yōu)化。針對初步搭建的系統(tǒng)的潛在性問題，結(jié)合臨床上腫瘤切除手術(shù)說要面臨的問題，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)。如提高系統(tǒng)的操作性與集成度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，圖像處理算法的優(yōu)化等。</p><p>　　第二章 近紅外熒光成像技術(shù)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>

50、;　　近年來，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，分子影像學(xué)作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一門新興的學(xué)科得到了廣泛的開展。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)主要以生物體本身的物理或者生理特性為載體進(jìn)行診斷成像，在細(xì)胞或者分子水平不具有特異性。而分子影像技術(shù)是在細(xì)胞或者分子水平對生物體進(jìn)行在體成像，從而獲取生物體本身的內(nèi)部特征，因此可以很好地促進(jìn)疾病的早期診斷，相關(guān)藥物的研制以及生命機(jī)理的分析。</p><p>　　分子影像技術(shù)按成像原理的不同可分為

51、光學(xué)、核醫(yī)學(xué)和磁共振（MRI）成像技術(shù)。在光學(xué)成像技術(shù)中，熒光分子成像（FI）在體內(nèi)和體外細(xì)胞和組織的可視化成像模式的應(yīng)用中有獨(dú)特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要包括：</p><p>　　對比度（也叫信噪比）高：通常，熒光的波段與周圍其他光的波段能夠很好地被分割出來，通過特定的成像系統(tǒng)能夠把只有熒光沒有背景的圖像很好地呈現(xiàn)出來。</p><p>　　靈敏高：熒光在造影劑濃度很低的情況下也能夠被光電傳

52、感器探測到，在大部分應(yīng)用中，其靈敏度近乎放射性同位素。</p><p>　　穩(wěn)定性高：熒光素標(biāo)記的物質(zhì)信號穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯，能夠穩(wěn)定存在較長時間，這為熒光標(biāo)記物的存儲提供了方便。</p><p>　　低毒性成本低：多數(shù)情況下，熒光標(biāo)記和檢測的全過程試驗用手套即可對實驗者提供足夠的保護(hù)，且易于運(yùn)輸和實驗后處理。</p><p>　　在熒光分子成像中，需要借助熒光探針或靶

53、向分子對某些特定的生物組織進(jìn)行觀察和定量分析，熒光分子探針按其成像過程的不同可分為非特異性探針、靶向探針和智能探針。其中智能探針不僅適用于光學(xué)成像，同時也適用于核磁共振成像。</p><p>　　熒光成像主要基于反射成像理論[4]，簡單地說就是光源與探測器處于被照物的同一側(cè)時，探測器能夠探測到光源所發(fā)出的光子。反射成像是目前被用于探測體內(nèi)熒光探針分布最典型的一種方法，該方法還可用于無需外界激發(fā)的，生物體的自發(fā)熒光

54、成像中。</p><p>　　2.2 熒光成像系統(tǒng)概述</p><p>　　熒光物質(zhì)被激發(fā)后所發(fā)射的熒光信號的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)是與熒光素存在的量成線性關(guān)系，這是熒光成像系統(tǒng)應(yīng)用于生物學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。在熒光成像系統(tǒng)研究領(lǐng)域，近紅外熒光成像技術(shù)主要針對于那些能夠被激發(fā)出的熒光波長通常在700nm到900nm的熒光造影劑，圖2.1所示的是一個典型的反射式熒光成像系統(tǒng)[4,6]。</p&

55、gt;<p>　　圖 2.1 一種典型的反射式熒光成像系統(tǒng) </p><p>　　與可見光相比，近紅外光具有：⑴生物組織對近紅外光的吸收和散射效應(yīng)小，可穿透更深層的組織；⑵由于生物組織的近紅外自體熒光較小，信噪比（Signal to background ratio，SBR)相對高等優(yōu)點，有可能成為未來臨床醫(yī)學(xué)在體實時成像的重要理論?？偟膩碚f，熒光成像系統(tǒng)主要由一個頻譜光源（安裝有濾光片的寬頻帶光

56、源，發(fā)光二極管或激光二極管）用于激發(fā)混有熒光團(tuán)的混濁介質(zhì)，被激發(fā)得到的熒光通常由CCD相機(jī)來捕捉并成像，而用于激發(fā)的光源通常會帶有一個濾光系統(tǒng)[5,7]。</p><p>　　2.3 熒光成像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及系統(tǒng)組成</p><p>　　熒光成像系統(tǒng)按成像方式可分為平面成像系統(tǒng)和斷層成像系統(tǒng)兩類。平面成像系統(tǒng)通過CCD相機(jī)直接采集某個方向的光子投影信號，由于其開發(fā)和操作簡單以及通率高等優(yōu)

57、點，因此在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于該成像系統(tǒng)的信號主要來源于多個深度的信號疊加而成，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的分辨率低，圖像模糊等特點，同時通過該系統(tǒng)得到的信號強(qiáng)度與組織的深度是非線性的，因而量化比較困難。而熒光分子斷層成像（FMT）可以很好解決上述成像系統(tǒng)所存在的問題，該系統(tǒng)對采集到的熒光圖像透過圖像重建來獲取目標(biāo)的深度信息，克服了平面成像系統(tǒng)的局限性，此外，熒光分子斷層成像成本低、性能穩(wěn)點、靈敏度高等優(yōu)點使得該系統(tǒng)在近幾年內(nèi)取得了很大的

58、發(fā)展[5]。目前商品化的熒光成像系統(tǒng)的應(yīng)用層出不窮，比較典型的如IVIS小動物活體成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過化學(xué)發(fā)光和熒光標(biāo)記技術(shù)，標(biāo)記基因、多肽和細(xì)胞，可以直接檢測活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為，觀測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、疾病的發(fā)生發(fā)展、基因的表達(dá)等生物學(xué)過程，可以直接實時觀察標(biāo)記的基因及細(xì)胞在活體動物體內(nèi)的活動及反應(yīng)，并可用于體外培養(yǎng)細(xì)胞實驗,因而在活體熒光成像中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　雖

59、然熒光成像系統(tǒng)在概念上很簡單，但是幾乎每一項設(shè)計參數(shù)都將影響到系統(tǒng)的性能及信噪比。</p><p>　　2.3.1 視場（FOV）</p><p>　　熒光成像系統(tǒng)的視場一般都是可調(diào)節(jié)的，并且它的調(diào)節(jié)可以通過縮放或者是固定放大倍率的透鏡來完成。通常為了使之適用于任何一項外科手術(shù)，熒光成像系統(tǒng)的視場最大范圍不能低于直徑為10cm當(dāng)然最好是20cm的圓[8]。當(dāng)然，為了切除一些小的腫瘤避免薄

60、壁神經(jīng)的干擾，最佳的視場大小一般會被定義在直徑為不低于1cm到2cm的圓。在熒光成像系統(tǒng)的設(shè)計中，視場的大小要與激發(fā)光通量，光子的收集率與相機(jī)的分辨率相權(quán)衡。視場的范圍越大，激發(fā)光的功率也要越大，而對于有限像素的CCD相機(jī)來說，對分辨率的要求也會降低。</p><p>　　2.3.2 近紅外激發(fā)輻射度</p><p>　　熒光成像的質(zhì)量很大程度上依賴于熒光信號強(qiáng)度，提高激發(fā)光強(qiáng)度固然可以

61、提高信號強(qiáng)度，但激發(fā)光的強(qiáng)度不是可以無限提高的，當(dāng)光源的輻射功率超過一定限度（50 mW/cm2）時[8]，光吸收趨于飽和，并不可逆地破壞激發(fā)態(tài)分子，出現(xiàn)光漂白現(xiàn)象。同時，高輻射度會使生物組織溫度過高，造成組織損傷。通常情況下，激發(fā)輻射度應(yīng)可調(diào)以適應(yīng)所有可能的臨床需求。</p><p>　　2.3.3 熒光激發(fā)光源</p><p>　　能夠用于熒光激發(fā)的光源主要有三種，安裝有濾光片的寬頻

62、帶光源，發(fā)光二極管和激光二極管，而對三種光源的選擇通常沒有一個嚴(yán)格的界限，因為它們各有各的優(yōu)勢與劣勢。</p><p>　　安裝有濾光片的寬頻帶光源：該光源最大的問題就是發(fā)光效率問題，該光源所產(chǎn)生的大部分光子通過窄帶濾光片會被濾除掉，只有一小部分用于熒光的激發(fā)，光源產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象要被及時地消散掉，否則就會損壞光源。這種光源通常會有一個相對比較大的立體角，也就意味著更少的一部分光照射到手術(shù)區(qū)域，而且想要把光線用透鏡

63、來聚焦也是比較困難的，基于這些因素的考慮，目前很少把這種光源應(yīng)用于熒光手術(shù)導(dǎo)航中。</p><p>　　發(fā)光二極管（LED）：LED在功率（能達(dá)到數(shù)十毫瓦以上），譜約束（半寬最大值[FWHM]<50nm），發(fā)光效率以及價格上都會提供一個比較好的選擇。而且，LED在消費(fèi)市場上所占的份額使得它們在性能和封裝尺寸上都有比較大的優(yōu)勢。然而，把LED應(yīng)用于熒光手術(shù)領(lǐng)域卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)，最主要的一點就是LED陣列的散

64、熱問題。為了減少LED的半寬最大值[FWHM]，必須在LED前安裝一個激發(fā)濾光片，同時需要附帶一個準(zhǔn)直器來限制光源的立體角以使LED發(fā)出的光基本上能夠被激發(fā)濾光片濾除。而且，無論在LED內(nèi)部或者外部都必須采用一個透鏡來聚光從而得到一個合適的視場大小。</p><p>　　激光二極管（LD）：相比較LED，LD具有以下特點：①單色性好。激光的顏色很純,其單色性比普通光源的光高10倍以上。因此，激光光源是一種優(yōu)良的相

65、干光源，可廣泛用于光通信。②方向性強(qiáng)。激光束的發(fā)散立體角很小,為毫弧度量級,比普通光或微波的發(fā)散角小2～3數(shù)量級。③光亮度高。激光焦點處的輻射亮度比普通光高10～100倍。但激光光源的缺點也很明顯，激光二極管的光譜帶寬通常比較窄并且很難被集成，高功率的激光器價格昂貴，而且很容易引發(fā)安全問題，所以用這類激光器時要做好個人防護(hù)，如佩戴激光護(hù)目鏡等。由于溫度的變化會引起波長的改變，高溫也會降低激光二極管的使用壽命，因此，激光二極管需要采用比例

66、-積分-微分控制回路對電流和溫度進(jìn)行精確的控制。近年來，功率在1w到2w范圍內(nèi)的近紅外激光二極管被應(yīng)用地越來越多，但并不是每一個波段都能用高功率來封裝。一種典型的采用激光二極管的熒光信號掃描收集系統(tǒng)，振鏡式掃描系統(tǒng)如下圖2.2所示：</p><p>　　圖 2.2 振鏡式掃描系統(tǒng)工作示意圖</p><p>　　該系統(tǒng)是通過快速擺動反射鏡將反射光信號捕獲，從而縮短了二維熒光信號的收集時間，

67、同時適用于收集較厚樣品的縱深熒光信號。與此同時，由于收集到的發(fā)射熒光信號的角度有一定差別，所以會引起一定的視差偏差效應(yīng)，通過適用f-theta透鏡可以使這種視差效應(yīng)引起的失真影響降到最低。</p><p>　　2.3.4 熒光成像相機(jī)</p><p>　　目前，在影像導(dǎo)航手術(shù)上用的比較多的是基于硅集成的CCD相機(jī)，但這種相機(jī)并不是最理想的。它們通常對于800nm左右的光的量子效率比較低（

68、一般小于25%），并且?guī)瑪?shù)也相對比較低（一般每秒在15到30幀左右），但是CCD相機(jī)在溫度較低的環(huán)境下其輸出噪聲也會很低（≤10 e- rms），而且CCD相機(jī)通常會有一個比較高的分辨率。另外一種我們用的比較多的相機(jī)是CMOS相機(jī)，相比較CCD相機(jī)，CMOS相機(jī)通常在尺寸，功耗和幀數(shù)上都有很大的改進(jìn)，但同樣，它的量子效率低，噪聲大。最近有一款新的相機(jī)科學(xué)型CMOS相機(jī)（SCMOS）能夠很好地滿足我們的要求，它們噪聲?。ǎ? e- rms

69、），在800nm光的量子效率低（≈33%）的特點能夠很好地被我們用在近紅外手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域，當(dāng)然價格會比較貴。</p><p>　　2.3.5 熒光成像濾光片</p><p>　　濾光片是熒光成像系統(tǒng)不可或缺的一部分，對熒光成像質(zhì)量的好壞起著關(guān)鍵性的作用。熒光成像濾光片分為激發(fā)濾光片和發(fā)射濾光片，分別安裝于激發(fā)光路和發(fā)射光路上，用于濾除不必要的光，得到我們所想要波段的光。目前，市面上有很多種

70、類型的濾光片，依據(jù)其工作原理可以分為兩大類：①顏色濾光片，這是各種顏色的平板玻璃或明膠片,其透射帶寬數(shù)百埃，多用在寬帶測光或裝在恒星攝譜儀中，以隔離重迭光譜級次。其主要特點是尺寸可做得相當(dāng)大。②薄膜濾光片，又分為薄膜吸收濾光片和薄膜干涉濾光片兩種。前者是在特定材料片基上，用化學(xué)浸蝕或真空蒸鍍方法形成單層薄膜，使本征吸收線正好位于需要的波長處。一般透過的波長較長，多用做紅外濾光片。后者是在一定片基上，用真空鍍膜法交替形成具有一定厚度的高折

71、射率或低折射率的金屬-介質(zhì)-金屬膜，或全介質(zhì)膜,構(gòu)成一種低級次的、多級串聯(lián)實心法布里-珀羅干涉儀。膜層的材料、厚度和串聯(lián)方式的選擇，由所需要的中心波長和透射帶寬確定。目前能夠制造從紫外到紅外任意波長、波長為 1到500埃的各種干涉濾光片。當(dāng)然，濾光片還有其他分類方法。光譜波段：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片；光譜特性：帶通濾光片、截止濾光片</p><p>　　濾光片的主要技術(shù)參數(shù)有：</p>

72、<p>　?。?）入射角度：入射光線和濾光片表面法線之間的夾角。當(dāng)光線正入射時，入射角為0。</p><p>　?。?）光譜特性：濾光片光譜參數(shù)（透過率、反射率、光密度、位相、偏振狀態(tài)等相對于波長變化的特性）。 </p><p>　?。?）中心波長：帶通濾光片的中心稱為中心波長（CWL）。通帶寬度用最大透過率一半處的寬度表示（FWHM），通常稱為半寬。 </p>&

73、lt;p>　　（4）有效孔徑：光學(xué)系統(tǒng)中有效利用的物理區(qū)域。通常于濾光片的外觀尺寸相似，同心，尺寸略小些。 </p><p>　?。?）截止位置/前-后：cut-on對應(yīng)光譜特性從衰減到透過的50%點，cut-off對應(yīng)光譜特性從透過到衰減的50%點。有時也定義為峰值透過率的5%或者10%點。 </p><p>　　（6）公差Tolerance：:任何產(chǎn)品都有制造公差。以帶通濾光片為

74、例，中心波長要有公差，半寬要有公差，因此定購產(chǎn)品時一定要標(biāo)明公差范圍。濾光片實際使用過程中并 非公差越小越好，公差越小，制造難度越大，成本越高。用戶可以根據(jù)實際需要，提出合理公差范圍。</p><p>　　2.4 近紅外熒光材料</p><p>　　近紅外熒光（NIRF）學(xué)是熒光光譜學(xué)領(lǐng)域一個新興的分支[9]。在過去的五十年里，熒光光譜學(xué)在分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。近年來，國內(nèi)外越來

75、越多學(xué)者也投入到了近紅外光譜（波段范圍在700-1000nm）的研究。該研究主要致力于開發(fā)一種新穎的近紅外熒光材料，并把這些材料作為一種熒光標(biāo)記試劑作用于生物體的樣本組織。與紫外區(qū)域熒光和可見區(qū)域熒光不同的是，近紅外熒光能夠從生物樣品中獲取到比較低的背景信號，并且對生物體更具有穿透性（其穿透性在生物組織中能夠達(dá)到2-5cm），而生物體的自發(fā)熒光現(xiàn)象在紫外和可見光區(qū)域會產(chǎn)生比較大的背景干擾。因此，如果用可見波段的熒光來探測生物樣本就會影響

76、探測的結(jié)果。而在近紅外區(qū)域內(nèi)，由于生物體對近紅外光的低散射和高穿透力以及生物體在該波段的低自發(fā)熒光現(xiàn)象，很容易可以通過近紅外激發(fā)來獲取生物體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)信息。基于這些特殊的性質(zhì)，通過把近紅外標(biāo)記和傳感器的結(jié)合，能夠使之更好地應(yīng)用于活體成像領(lǐng)域。因此，近紅外區(qū)域也通常被叫做“生物窗”，意在近紅外熒光成像對疾病的檢測，治療和評估有個顯著的效果。</p><p>　　目前近紅外熒光造影劑的種類繁多，常用的近紅外熒光造影劑

77、及其理化與光學(xué)特性如下表2.1所示。在這些試劑中，臨床上用的最多的就是吲哚菁綠（ICG），雖然它并不是很理想的熒光造影劑，但是它是目前唯一被美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)用于臨床的近紅外成像試劑。自從03年ICG熒光造影首次應(yīng)用于乳腺癌前哨淋巴結(jié)導(dǎo)航以來，其臨床應(yīng)用廣泛流傳，并迅速向其他領(lǐng)域擴(kuò)散。</p><p>　　表2.1 常用的近紅外熒光造影劑及其理化與光學(xué)特性[8]</p><p&

78、gt;　　2.4.1 吲哚菁綠（ICG）的理化特性</p><p>　　吲哚菁綠，英文名Indocyanine Green(ICG)，是三羧花氰系中的一種暗綠青色色素，分子式為C43H47N2NaO6S2，相對分子質(zhì)量774.96，由于其分子結(jié)構(gòu)（如圖2.3所示）是由碳鏈組成的兩個多環(huán)部分，而每個多環(huán)部分又帶有一個硫酸基團(tuán)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得吲哚菁綠具有兩性分子特性：水溶性和親脂性[8]。</p>

79、<p>　　圖 2.3 吲哚菁綠的分子結(jié)構(gòu)及光子特性</p><p>　　與很多羰花青染色劑一樣，吲哚菁綠也會形成聚合物，聚合的發(fā)生主要依賴于ICG濃度的大小與溶劑的性質(zhì)。在水溶液中，如果ICG的濃度低于5μM，吲哚菁綠主要為單體呈現(xiàn)，如果濃度達(dá)到100μM，吲哚菁綠就會形成低聚物，而在生理鹽水溶液中，吲哚菁綠就會形成聚合物。所以，吲哚菁綠在注射前必須溶解到水里。</p><p&

80、gt;　　2.4.2 吲哚菁綠（ICG）的光學(xué)特性</p><p>　　吲哚菁綠的吸收光譜特性主要依賴于ICG的濃度與溶劑的性質(zhì)，聚合過程一旦發(fā)生，就會影響ICG在水溶液中的吸收光譜形狀。其吸收峰值便會隨著ICG濃度的增加而減少。如圖2.4所示[8,10]不同濃度的ICG水溶液的吸收光譜曲線圖。當(dāng)ICG在水溶液中處于單體情況時，其吸收峰值在785nm，而當(dāng)ICG在水溶液中發(fā)生聚合時，其吸收峰值便會降低到690n

81、m。如果在ICG水溶液中同時又加入人體血清蛋白時，其吸收峰值就會達(dá)到805nm或810nm，主要原因在于血清蛋白與ICG的粘合會減少ICG聚合物的形成。因此，通過靜脈注射之后，ICG溶液的吸收波峰就會發(fā)生從780nm到達(dá)805nm偏移。</p><p>　　圖 2.4 不同濃度ICG水溶液的吸收光譜曲線圖</p><p>　　在水溶液中，ICG的發(fā)射光譜的峰值能夠達(dá)到810nm或820n

82、m[11-19]，同樣通過靜脈注射以后，其發(fā)射光譜的峰值也會發(fā)生變化。通常，在剛開始注射后的幾秒內(nèi)，ICG發(fā)射光譜的峰值發(fā)生快速的偏移，能夠達(dá)到820nm或830nm，而在注射后的一段時間，其峰值從834nm到826nm有個緩慢的下降之后趨于平穩(wěn)。變化趨勢如下圖2.5所示。</p><p>　　圖 2.5 熒光峰值在注射后隨時間的偏移量</p><p>　　2.4.3 吲哚菁綠熒光產(chǎn)生

83、過程</p><p>　　當(dāng)我們用特定波段（780nm）的近紅外激光器激發(fā)吲哚菁綠（ICG）時，會測量到一更高波段，中心位于810nm的熒光。那么該熒光是如何產(chǎn)生的呢？</p><p>　　首先，熒光的產(chǎn)生過程可用如下的動力學(xué)方程表示：</p><p>　　式中，為普朗克常數(shù)，為入射光光子的頻率，為產(chǎn)生的熒光的頻率。前一個式子為光化學(xué)初級過程，表示具有熒光性的分子吸

84、收入射光的能量后，其中的電子從基態(tài)（通常為自旋單重態(tài)）躍遷至具有相同自旋多重度的激發(fā)態(tài)。后一個式子為熒光產(chǎn)生步驟，表示處于激發(fā)態(tài)的電子可以通過各種不同的途徑釋放其能量回到基態(tài)，這個釋放出的能量就是熒光產(chǎn)生的。因此熒光是物質(zhì)在吸收了外來激發(fā)光后通過光化學(xué)過程后發(fā)射的波長長于激發(fā)光的光。</p><p><b>　　導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　3.1

85、 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)</p><p>　　本成像系統(tǒng)主要基于吲哚菁綠（ICG）的熒光光譜特性曲線參數(shù)來設(shè)計的[20]，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖3.1(a)所示。該系統(tǒng)主要由近紅外激光光源，CCD相機(jī)，CMOS相機(jī)，濾光片，頭盔顯示器及計算機(jī)等組成。近紅外激光光源的波長為780nm，用于激發(fā)埋有熒光仿體的生物組織，被激發(fā)得到熒光圖像被安裝有800nm的高通濾光片的CCD相機(jī)所捕獲并與固定于頭盔顯示器上的CMOS相機(jī)所拍攝的背景

86、圖像實時地進(jìn)行處理，傳輸并投影到頭盔顯示器上，操作人員便可通過頭戴式顯示器觀察到組織上的清晰的熒光邊界（也叫腫瘤邊界）圖像，通過手術(shù)切除的方式來實現(xiàn)對模擬腫瘤進(jìn)行有效切除的目的[21-29]。</p><p>　　圖 3.1 手術(shù)導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)。（a）系統(tǒng)原理圖（b）模擬手術(shù)現(xiàn)場</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的硬件部分</p><p>　　本系統(tǒng)的實現(xiàn)以硬件為

87、依托，主要有光源，相機(jī)，濾光片，頭盔顯示器和計算機(jī)。系統(tǒng)對硬件的各個部分都有嚴(yán)格的要求，可以說硬件的選擇對系統(tǒng)最終的實現(xiàn)起著決定性的作用。</p><p><b>　　3.1.1 光源</b></p><p>　　熒光成像系統(tǒng)所用到的光源主要分為兩種：激發(fā)光源和照明光源。激發(fā)光源用于激發(fā)熒光物質(zhì)（造影劑）產(chǎn)生熒光，針對不同的熒光造影劑，所選擇的激發(fā)光源的波段也不完全

88、相同，這主要依賴于熒光物質(zhì)的激發(fā)光譜特性曲線。例如，用于激發(fā)亞甲基藍(lán)（MB）熒光介質(zhì)，通常選擇的光源波段為650nm，而用于激發(fā)吲哚菁綠（ICG）熒光介質(zhì)，通常選擇的光源波段為780nm。激光器發(fā)出的點狀光斑需要配合一個激光擴(kuò)束鏡來使用，為的是能夠 得到一個更大更均勻的光斑，擴(kuò)束的大小可根據(jù)擴(kuò)束鏡的放大倍率來決定。照明光源也叫白光光源，主要為系統(tǒng)提供背景照明，也是熒光成像系統(tǒng)重要組成部分。在熒光成像系統(tǒng)中，照明光源設(shè)計主要由兩部分

89、構(gòu)成，LED和帶通濾光片。毫無疑問，LED是發(fā)光體，帶通濾光片只允許其特定范圍波段的光透過去，通常選擇的透過波段范圍在400nm到650nm之間。而某些成像系統(tǒng)的設(shè)計并不一定都要用到照明光源，可以借助環(huán)境光為其提供背景照明，這樣的成像系統(tǒng)對環(huán)境的要求并不是特別嚴(yán)格，而且非常適合在臨床上應(yīng)用。</p><p>　　本系統(tǒng)選定的激光器為長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MDL-III型紅外激光器（波長785nm，功率2

90、00mW），其外形如下圖3.2所示。</p><p>　　圖 3.2 導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)的激光光源</p><p>　　該激光器的波長范圍在7855nm。為了能夠獲得直徑在5cm左右均勻大小的光斑，激光器的出射端口耦合有一根光纖，并在光纖的末端安裝了一個固定放大倍率的擴(kuò)束鏡，這樣得到的關(guān)照輻射度能都達(dá)到8mw/cm2左右，滿足熒光激發(fā)的功率要求，從而達(dá)到激光器作為小型激發(fā)光源的目的。</

91、p><p>　　3.1.2 相機(jī)與鏡頭</p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計需要由兩個相機(jī)來實現(xiàn)，熒光成像相機(jī)與普通CMOS相機(jī)。基于相機(jī)的靈敏度，近紅外感光能力，信噪比及性價比等方面的綜合考慮，系統(tǒng)選定的熒光成像相機(jī)為維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司（Microvision）生產(chǎn)的MV-VEM033SM/SC型GigE小型千兆網(wǎng)工業(yè)數(shù)字相機(jī)。該相機(jī)的感光元件為SONY ICX618 CCD傳感器，該傳

92、感器的最大特點就是靈敏度高，近紅外感光能力強(qiáng)，其光譜響應(yīng)曲線如下圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 CCD相機(jī)的感光曲線圖</p><p>　　從圖中可以看出，該相機(jī)在近紅外波段600nm左右具有很強(qiáng)的感光能力，并且對于800nm波段的近紅外光，其感光效果也能達(dá)到60%以上，同時這款相機(jī)不僅輕便，而且價格也比較便宜。</p><p>　　相機(jī)的主要性能參

93、數(shù)如下表3.1所示。</p><p>　　表 3.1 CCD相機(jī)的主要性能參數(shù)</p><p>　　熒光成像相機(jī)被固定于距離工作臺面40cm左右的位置，為了能夠得到一個較大（≥20×20cm2）范圍的視場（FOV），對相機(jī)鏡頭的焦距有特別的要求。視場的大小與焦距的關(guān)系可用如下圖3.4描述。</p><p>　　圖 3.4 相機(jī)所能拍攝的視場大小與鏡頭焦

94、距的關(guān)系原理圖</p><p>　　由三角形的相似性可知鏡頭的焦距計算公式如下：</p><p>　　本系統(tǒng)所選擇的鏡頭焦距為5mm的定焦鏡頭，其光圈可調(diào)范圍為F1.4至F16,型號為H0514-MP。由相機(jī)CCD的光學(xué)尺寸為1/4英寸可知其對應(yīng)的靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm，不過，這里不是普通的“1英寸=25.4mm”，由于結(jié)合了CCD亮相前攝像機(jī)上使用的攝像管和顯

95、示方式，因此，習(xí)慣上采用比較特殊的尺寸。例如表3.2所示的是不同光學(xué)尺寸的CCD所對應(yīng)的靶面尺寸與對角線尺寸。</p><p>　　表 3.1 CCD的光學(xué)尺寸所對應(yīng)的靶面與對角線尺寸</p><p>　　當(dāng)然，目前采用的CCD芯片大多數(shù)為1/3英寸好1/4英寸。</p><p>　　結(jié)合上述鏡頭焦距的計算公式可知在這種鏡頭下能夠獲得的視場大小為：</p&g

96、t;<p>　　視場大小（FOV）=（3.2mm*2.4mm）x400mm/5mm=19.2cm*25.6cm</p><p>　　基本能夠滿足系統(tǒng)對視場（≥20*20cm2）的要求，所以該鏡頭還是比較合適的。</p><p>　　系統(tǒng)選定的另一款普通CMOS相機(jī)是由深圳市奧尼電子工業(yè)有限公司生產(chǎn)的奧尼ANC酷睿HD1080P超高清攝像頭，該相機(jī)采用的是CMOS傳感器，像素能

97、達(dá)到200萬，最大分辨率能夠達(dá)到1600×1200，采用USB接口，連接電腦方便，并且焦距可調(diào)，可以很好地用于可見光背景的拍攝。</p><p>　　3.1.3 濾光片</p><p>　　對于該導(dǎo)航目鏡系統(tǒng)來說，濾光片的應(yīng)用主要用于獲取800nm以上的近紅外熒光圖像，濾除不必要光線的干擾。根據(jù)濾光片的選取要求，系統(tǒng)選定的濾光片為從Thorlabs上訂購的一款優(yōu)質(zhì)長波通濾光片，

98、型號為FELH0800，截止波長為800nm，該濾光片的內(nèi)部直徑為21.1mm，能夠很好地被安裝于鏡頭與CCD相機(jī)的接口處，且不會影響相機(jī)與鏡頭之間的固定。該濾光片的光學(xué)特性如下圖3.5所示。</p><p>　　圖 3.5 FELH0800濾光片的關(guān)系特性曲線</p><p>　　從圖中可以看出，該濾光片對于800nm以上的光具有很好地透過性，其透射率最高能夠達(dá)到98%，在截止波長前衰

99、減度高，其光學(xué)密度OD＞5，并且具有垂直的斜率。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的軟件部分</p><p>　　熒光成像系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由兩個模塊構(gòu)成：相機(jī)的控制模塊與圖像處理算法的實現(xiàn)模塊。毫無疑問，相機(jī)的控制模塊主要用于控制相機(jī)的圖像采集，包括相機(jī)的參數(shù)（幀數(shù)，曝光時間與增益）控制。圖像處理算法模塊主要實現(xiàn)對采集的圖像通過計算機(jī)進(jìn)行處理分析，以達(dá)到所需的結(jié)果。</p>

100、<p>　　3.2.1 相機(jī)的控制模塊</p><p>　　相機(jī)的控制模塊主要針對固定的CCD相機(jī)，完成對熒光圖像的采集與相機(jī)參數(shù)的調(diào)整。CCD相機(jī)的控制流程圖如下圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 CCD相機(jī)的控制程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)CCD相機(jī)的程序控制界面主要基于VC++ 6.0，MFC單文檔應(yīng)用程序以及相機(jī)的SDK開

101、發(fā)包來設(shè)計實現(xiàn)的。設(shè)計過程中用到了一個最重要的類，Grabber類。該類提供了控制圖像數(shù)據(jù)從采集設(shè)備到計算機(jī)緩存或磁盤文件這個過程的基本功能。使用這個類可以實現(xiàn)以下功能：選擇視頻源（攝像機(jī)）、設(shè)置視頻參數(shù)（幀數(shù)、曝光時間及增益）、實時顯示圖像、控制圖像數(shù)據(jù)到緩存或存儲圖像數(shù)據(jù)到磁盤。常用的成員函數(shù)有：</p><p><b>　　（1）打開關(guān)閉設(shè)備</b></p><p&

102、gt;　　tVidCapDevListPtr getAvailableVideoCaptureDevices() const; 枚舉系統(tǒng)中可用的 視頻設(shè)備 </p><p>　　openDev 打開視頻設(shè)備 </p><p>　　openDevByDisplayName 打開視頻設(shè)備 </p><p>　　ope

103、nDevByUniqueName 打開視頻設(shè)備 </p><p>　　bool isDevValid() const; 判斷視頻設(shè)備是否有效 </p><p>　　bool isDevOpen() const; 判斷視頻設(shè)備是否打開 </p><p>　　bool closeDev(); 關(guān)閉視頻設(shè)備 </p

104、><p>　　還有一種打開視頻設(shè)備的方法，就是顯示設(shè)備屬性頁，用到下面函數(shù)： </p><p>　　bool showDevicePage( HWND hParent = 0 ); </p><p><b>　?。?）視頻顯示操作</b></p><p>　　bool setHWND( HWND hwnd );

105、 設(shè)置視頻顯示窗口 </p><p>　　bool setWindowPosition( long posx, long posy ); 設(shè)置視頻顯示位置 </p><p>　　bool setDefaultWindowPosition( bool bDefault ); 鎖定視頻顯示窗口大小 </p><p>　　bool set

106、WindowSize( long width, long height ); 設(shè)置視頻顯示窗口大小 </p><p>　　bool startLive( bool show = true ); 開始實時顯示視頻 </p><p>　　bool stopLive(); 停止實時顯示視頻</p&