基本信息
- 项目名称：
- 新型分光内窥镜系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 医用电子内窥镜已成为目前肿瘤诊疗的有效工具。分光内窥镜技术利用不同波长光线可对生理组织不同特性凸显的原理，得到反映不同组织性质的图像。本课题开发的分光内窥镜使用多种特定波长的光来照射组织，然后检测这些从组织中反射回来的光，通过图像处理的手段将得到的组织信息用图像的形式显示出来。分光内窥镜系统和通常内窥镜系统相比大大地提高了癌症组织与正常组织的图像对比度，从而提高了内窥镜对于癌症的早期诊断能力。
- 详细介绍：
- 医用电子内窥镜由于其具备同时进行观察和手术的能力，已成为目前肿瘤诊疗的有效工具。但是由于潜在病变组织和正常组织不易区分，内窥镜对于早期癌症的诊断能力尚不理想。如何进一步提高内窥镜早期癌症确诊率，降低漏诊率，已经成为内窥镜领域迫切需要解决的难题。分光内窥镜技术利用不同波长光线可对生理组织不同特性凸显的原理，得到反映不同组织性质的图像。本课题开发的分光内窥镜使用多种特定波长的光来照射组织，并检测从组织中反射回来的光，通过图像处理的手段将得到组织的信息用图像的形式显示出来。本系统和通常内窥镜系统相比提高了癌症组织与正常组织的图像对比度，提高了内窥镜的对于癌症早期诊断能力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 现有内窥镜对癌症的早期诊断能力有待提高，如大肠内窥镜检查对早期病变的漏诊率达30%。分光内窥镜技术利用不同波长光线可对生理组织不同特性凸显的原理，得到反映不同组织性质的图像。和普通内窥镜相比，分光内窥镜大大地提高了癌症组织与正常组织的图像对比度，提高了对早期癌症的诊断能力。光在人体组织中传递，不同组织对不同波长的光的吸收和散射的特性不同，不同波长的光可以得到不同深度的组织的信息。因此如果能将这些信息以图像的形式反映，就能通过直观观察把正常组织和癌症组织区分开来。目前临床上使用的内窥镜采用彩色CCD，获得的信息是三个波长范围内组织光谱信息的总和，不能很好的提取特定波长下的组织光谱信息。采用分光内窥镜技术，则可准确获取上述信息。 技术关键：1. 切割高感度黑白CCD。目前只能买到直径约10mm的高感度黑白CCD，无法放入内窥镜中，通过切割使其能与直径2mm的成像物镜高精度地组装在一起。2. 研制高速产生6种波长照射光的光源。根据内窥镜的图像显示要求，光源需每1/25秒钟内交替产生6种波长光强足够的照射光。3. 研制高速图像采集处理电路。为了保证内窥镜图像符合视频图像标准，不产生拖尾，我们通过对图像的奇偶场拆分和重组、控制CCD的曝光、提高CCD时钟频率这三种手段提高了CCD的采集速度，并开发了高速图像处理电路。 主要技术指标：1. 主灯色温：≥5500K，照度：≥18×104Lx；2. 具有手动/自动调光功能；3. 具有白平衡、色彩调节功能，具有图像冻结、回放功能；
科学性、先进性
- 不同组织对不同波长的光的吸收和散射的特性不同，不同波长的光可以得到不同深度的组织的信息。世界最大的内窥镜公司奥林巴斯于2007年10月推出了一种窄带光内窥镜，采用420nm和540nm的光照射组织，经过图像处理生成窄带光图像。癌症组织的粘膜中纤维和毛细血管丰富，纤维对420nm波长光吸收很强；毛细血管对540nm波长光吸收很强，利用这两种光生成的图像会看到通常的内窥镜图像看不到的组织性质。但该系统受制于滤光片数目。日本的富士公司开发了FICE模拟分光内窥镜。该项技术使用通常的RGB图像，来还原出任意波长光的分光图像。但由于采用的是普通彩色信号，还原的光谱精度不高。针对以上两种技术存在的问题，我们开发了这套分光内窥镜系统。系统用6种波长的光照射组织，成像后进行图像处理，将图像显示出来。系统不仅照射光的波长提高到6个，还改进了还原算法，提高了光谱还原的精度。在工程技术上实现普通CCD高速采集，解决了图像拖尾。这套系统以较低的成本达到并部分超过奥林巴斯窄带光内窥镜和富士公司FICE的性能。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年第五届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 完成样机
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，图片，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 分光内窥镜能有效地提高癌症组织与正常组织的图像对比度，改善目前内镜的诊断水平，即使是经验不足的医生也能容易诊断出早期癌症，促进肿瘤的早期诊断和内窥镜下治疗。分光内窥镜会逐渐替代现有的所有内窥镜。开发分光内窥镜具有巨大的技术和产业意义。 我国现有县级以上医院15000余家，每家医院目前所需的内窥镜系统少则2-3套，多则10-20套。现在国内医院的内窥镜90%以上是从国外进口，现有的奥林巴斯窄带光内窥镜系统价格昂贵（约120-200万/套），影响了分光内窥镜在我国的普及。而国产内窥镜仅占有不足10%的市场，且是低端市场。本课题开发的分光内窥镜产品化后，会逐渐占领一定的中高端市场，同时该产品的价格大大低于进口产品，因而会对中高端市场的整个价格体系造成冲击，降低进口产品的价格。国内的内窥镜仍处在普及阶段，市场规模约50亿元，年增长超过20%。分光内窥镜将逐步替代现有内窥镜系统，占到国内内窥镜相当份额。同时由于具备成本优势，在国际市场上也有一定的竞争能力。
同类课题研究水平概述
- 世界最大的内窥镜公司日本的奥林巴斯公司于2007年10月在日本推出了一种窄带光内窥镜，它采用的是420nm和540nm两钟长的窄带光技术。用这两种波长的光照射组织和组织发生相互作用后反射回内窥镜的CCD摄像头，在经过特定的图像处理生成窄带光图像。该技术基于以下的原理：粘膜中的纤维对420nm波长光吸收很强，粘膜下层的毛细血管对540nm波长光吸收能力很强，如果粘膜下层的毛细血管多，540nm波长光就会被大量吸收掉，通常癌症组织的毛细血管较多。利用这两种光生成的图像会看到一些通常的内窥镜图像看不到的组织性质，有利于早期病变的诊断。奥林巴斯公司的该项窄带光内窥镜产品荣获日本“日经2006年度最优秀产品奖”，足见该技术的社会影响力。但是奥林巴斯的窄带光内窥镜受制于采用的滤光片的数目，只能看两种特种波长的光，波长数量少，因而能提取出来的组织特性有限。如何能看到更多的波长成为其面临的难题。靠单纯地增加滤光片的数量获取波长的种类不是好办法，因为这样会带来图像采集负担过大，并产生图像拖尾现象，而且结构设计难度增大，波长也无法任意选择更换。 日本的富士公司(FUJI)开发了FICE的模拟分光内窥镜并且已经投放市场。该项技术是使用通常的RGB三色图像，通过软件算法来模拟还原出任意波长光的分光图像。这种方法看起来比较简便，但由于采用的是合成普通彩色图像的RGB三种滤光片，因而模拟出来的任意其他波长的光谱还原性不高，得不到真实的人体组织的分光图像，并不能起到有效地提高内窥镜诊断能力的作用。
