CN101500477A - 特别是用于流动测量的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发光装置(100)，其包括光波导，特别是光纤(1)，用于将初级光束(Bprim)引导到分光单元(101)中，分光单元(101)将初级光束(Bprim)分离为两个或更多部分光束(B1、B3、B4)，这些部分光束沿不同方向发射并且具有不同光学品质，例如不同的光谱组成或偏振。该装置可任选地包括检测器(4)，用于确定重新进入分光单元(101)的反射光的多普勒频移(Δλi)。这使得可能同时测量分光单元(101)周围的流体特别是血液的流速的两个或更多空间独立向量分量。

Description

特别是用于流动测量的发光装置
本发明涉及发光装置，其包括用于发射由光波导传导的光束的器件。此外，本发明涉及用于测量介质特别是血液的流速的方法。
血流速度的测量不仅在科学研究中而且在日常临床应用中都变得越来越重要。因此，例如，如果能够准确评估动脉瘤周围和其内的血流，则可以显著提高对动脉瘤的测量。WO 97/12210公开了用于远程流动测量的光纤传感器，其中所述传感器包括用于将光束引导到反射表面的第一光纤，将光束定向为从该反射表面通过窗口进入周围介质。然后来自介质的反向散射光可以重新进入相同窗口并且经由第二光纤到达探测器，该探测器测量所述光的多普勒频移。这使得有可能计算周围介质在发射光方向上的流速。
以该情况为出发点，本发明的目标是提供用于借助发射光对流体进行更通用的检查的器件。更具体地，本发明关注同时测量流速向量的独立分量。
通过根据权利要求1的发光装置和根据权利要求11的方法来实现这一目标。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据本发明的发光装置包括以下部件：
a)用于传导初级光束的光波导。该光波导可特别通过光纤来实现，并且该初级光束可以源自任何适当的光源(包括例如收集的环境光)
b)用于将由所述光波导传导的初级光束分离为具有不同光学品质并且沿不同方向发射的至少两个部分光束的分光单元。在上下文中的表述“光学品质”表示光束的一些内在物理属性，诸如其偏振或其光谱组成。
所描述的发光装置具有如下优势：允许通过使用一种用于传导(初级)光束的光波导的紧凑设计。同时，所述装置提供沿不同方向发射的两个(部分)光束，其允许在至少两个空间独立的维度上的操作和研究。此外，所述部分光束的不同的光学品质提供一种用于区分所述部分光束在周围介质中的效应的器件。由于光的传播通常可逆，因此还可能通过分光单元采集来自周围的光并且将其定向到光波导中。在本发明的优选实施例中利用该效应；但通常所述装置仅用于发射光，而不用于重新收集光。
建立分光单元有多种可能性。在本发明的优选实施例中，其可以包括，例如，至少一个分离部件，其由二向色分束器、光栅和/或光学偏振器实现，从而使得所述分离部件将入射光束(例如初级光束)分离为具有不同方向和不同光学品质的第一部分光束和第二部分光束。因此，二向色分束器和光栅会将入射光束分离为具有不同光谱组成的两个光束，而偏振器会将入射光束分离为具有不同偏振的两个光束。
如果在上述情况中在分光单元中仅存在一个分离部件，该分光单元将典型地仅从初级光束生成两个发射的部分光束。为了发射更多的部分光束，该分光单元可包括另一分离部件(诸如二向色分束器、光栅和/或光学偏振器)，以便将由该(第一)分离部件生成的第二部分光束分离为具有不同方向和光学品质的第三部分光束和第四部分光束。应注意到，在这方面由于离开第一分离部件的第一部分光束和第二部分光束的编号方式是任意的，因此将第二部分光束选择为第二分离部件的输入不限制所述装置的设计。第一、第三和第四部分光束优选沿不位于公共平面内的不同方向取向，即他们沿三个空间独立的维度从发光装置传出。
如果如上所述将两个二向色分束器以串联方式布置，他们可优选具有棱镜形状，并且取向为绕入射光束的轴旋转约45°角，该棱镜具有三角形底部。在这种情况下，离开分光单元的第一、第三和第四部分光束将基本被定向在三个互相正交的方向。
如果分光单元包括光栅，则优选对于特定波长具有闪耀角。在这种情况下，具有所述特定波长的入射光束的光将会被光栅以一定方向折射，然而入射光束的其余光将基本不受影响地通过光栅。
在本发明的另一实施例中，发光装置包括用于检测次级光束的检测器，所述次级光束包括由分光单元从其周围采集的光。在这种情况下，发光装置不仅可以用于将光发射到介质中，而且可以用于感测和评价来自所述介质的光。
在上述实施例的进一步发展中，检测器适用于分离地处理具有不同光学品质的次级光束的分量。因此可独立地处理所述分量，其保留这些分量携带的任何信息。该设计尤其重要的应用是用于以下情况：次级光束的分量源自离开分光单元的不同的部分光束。然后可能例如独立地观察部分光束的效应。
在具有检测器的发光装置的另一方案中，所述检测器包括评价模块，以便确定次级光束的至少一个分量相对于对应的部分光束的多普勒频移。测量部分光束在被例如周围介质中的粒子反射时经历的多普勒频移使得可能确定所述粒子沿部分光束的方向的速度。如果检测器适合于确定次级光束的源自不同部分光束的所有光分量的多普勒频移，则因此可能测量与部分光束一样数量的周围介质流速的空间独立分量。因此三个部分光束的使用将提供对三维流速向量的完全确定。
发光装置还可包括用于将初级光束发射到光波导中的光源，该发射的初级光束应包括具有各种光学品质的光，该具有各种光学品质的光可以通过分光单元分离为部分光束。该光源可以特别是激光器。
如果光源是激光器，则其应具有大于1mm且优选大于10mm且最优选大于100mm的相干长度。这样，由光生成的初级光束将适用于多普勒测量。
在发光装置的特定实施例中，发光装置被发展为医疗设备，特别是导管设备或内窥镜设备，以用于可以是非侵入性或微创(例如，基于内窥镜的)或侵入性(外科手术)过程的医学诊断或治疗过程。导管设备或内窥镜设备可以单独包括发光装置，或可以将发光装置合并到包括本领域技术人员公知的附加特征的导管设备或内窥镜设备中。
本发明还涉及一种测量流体特别是血液的流速的方法，其包括如下步骤：
a)从测量位置(流体内)沿不同方向发射具有不同光学品质的至少两个部分光束。
b)接收包括如下分量的次级光束，所述分量包括来自所述流体中反射的所述部分光束的光。
c)根据次级光束的所述分量的多普勒频移来确定所述流体(或至少为反射部分光束的那些流体组分)的流速。
通常形式的该方法包括可以用上述类型的发光装置执行的步骤。因此，参考前面的描述以得到该方法的细节、优势和其提供的改进的更多信息。
通过参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并得以阐明。将借助于附图以示例方式描述这些实施例，其中：
图1示意性地显示根据本发明的第一实施例用于血流测量的发光装置，其包括两个二向色分束器；
图2示意性地显示根据本发明的第二实施例的发光装置，其包括光栅；
图3示意性地显示根据本发明的第三实施例的发光装置，其包括光学偏振器；
图4示意性地显示根据本发明的第四实施例的发光装置，其包括以串联方式布置的光学偏振器和光栅；
附图中的相同附图标记和相差100的整数倍的附图标记指代相同或相似部件。
在许多临床设置中都需要对血流的准确和可靠测量，例如：
-在颅血管、头颈血管、胸腹血管和下肢血管中的动脉粥样硬化狭窄疾病中对血流阻塞严重程度的定义。在血管内或外科手术治疗之前和之后对血流改变的确定特别重要。
-用于对个体微血管中血流动力学的功能性评估的技术，这些技术可能成为越来越重要的工具，例如，在对新的血管活性药物的评价中。
-在血管内或外科手术治疗之前和之后对颅内动脉瘤和动静脉畸形(AVM)内或其周围的血流的测量，其会提供对所使用方法的适用性的解答，并且定义治疗之前和之后在血液速度和壁面切应力方面的血流改变。
-对恶性肿瘤和良性肿瘤内作为肿瘤生长的指示的血流变化的检测(例如，在卵巢肿瘤内的血管的定位和舒张期切迹的存在与否是卵巢肿瘤评价中的最有用的变量)。
对作为动脉瘤形成和生长的预测器的血流的评估以及对动脉瘤囊内血流的动力学评估是至关重要的，以便了解和预测动脉瘤性态。熟知的经临床证实的和可重复的流动评估将有可能提高血管介入学家或血管介入医师定义最优治疗策略的能力。此时的基本问题是确定是否需要介入特定病人。这转化为确定动脉以及动脉瘤内的血流速度的问题。对这些值以及他们随时间的波动的比较使得可能评估与特定动脉瘤相关的风险。
存在能够用于评估颅骨内血流和动脉瘤内流型的多种技术，例如彩色流超声、CT成像、MR成像、SPECT成像和PET成像。然而，这些技术中没有一个满足关于精确度、简单性、成本效率、分辨率和稳健性的临床要求。因此下面将描述根据本发明的发光装置的各种实施例，其特别适于血流测量。这些装置允许通过血管内光纤传感器执行的实时血流读出，该光纤传感器被定位在靠近目标解剖结构或在解剖结构自身内。更具体地，这些装置包括与特别构造的光学元件相结合的导管中的单个光纤，以能够在其附近进行三维流速测量。新的测速技术使得可能检测和显示在探测器附近的各个方向上的血流速度。
图1是发光装置的第一实施例的图示，其采用用于血流测量的导管设备100的形式，其中仅显示了对本发明重要的部件。导管设备100包括单模芯波导1，其包括嵌入在光纤包层内的光纤芯2。在波导1的第一端(图中左侧)，将激光器6布置为光源，其将初级光束Bprim经由分束器6发送到光纤芯2中。
在波导1的相对端(图中右侧)，将分光单元101布置为将初级光束Bprim分离为沿三个不同方向(在所示的情况中，这些方向互相垂直，例如光束B1和B4位于绘图平面内而光束B3从所述平面垂直投射)发射的三部分光束B1、B3和B4。基于共同构成初级光束Bprim的这些部分光束的不同光学品质进行分光。在所示的实施例中，所述光学品质是光束的光谱组成，并且分光单元101包括两个二向色分束器11和12，其具有棱镜形状并且绕初级光束Bprim的轴线相对于彼此旋转约45°角。在第一二向色分束器11处，将第一部分光束B1(包括波长≥λ1的入射光束Bprim的部分光谱)反射，而将剩余的光透射以作为中间部分光束B2。在第二二向色分束器12处，将第三部分光束B3(包括波长≥λ2的入射光束B2的部分光谱，其中λ2<λ1)反射，而将剩余的光透射以作为第四部分光束B4。
这两个波长λ1和λ2相对彼此接近(小于约100nm)，其中相应的二向色元件11和12对大于波长λ1和λ2的光进行反射，其优势在于血液的光学特性将基本与该范围内的波长无关。可替换地，这些波长可以是更分开的，便于构造二向色镜11和12。波长的选择将最终取决于人类血液的光学特性，诸如透射窗和散射率。当然，在通过选取滤波器通带来对各部分光束的波长进行选择方面有设计自由，即首先反射短波长而将长波长透射到端面，而不是图1所示的情况，在图1所示的情况中首先反射长波长而将短波长透射到端面。
图1中的小箭头还指示出在周围血液(例如细胞)中被反射的部分光束的光被分光单元101采集，并且作为次级光束Bsec沿与初级光束Bprim相反的方向通过光纤1行进。然后分束器6将次级光束Bsec定向到检测器4，其中评价单元5适于为次级光束Bsec的三个分量独立地确定多普勒频移Δλi，这三个分量源自不同的发射的部分光束B1、B3和B4。可以通过类似于分光单元101的设备在检测器4内实现对次级光束Bsec的分量的分离。
由评价单元5执行的激光多普勒测速使用由多普勒效应产生的频移来测量速度。其可用于监测血流或体内的其他组织运动(参看J.D.Briers的“Laser Doppler，speckle and related techniques for blood perfusion mappingand imaging”，Physiol.Meas.22，R35(2001))。就其本质而言，该方法通常测量沿朝向激光束的方向或沿远离激光束的方向的流动，例如，沿现有技术中已知的设备内的导管的轴向方向。然而这里提出的导管设备100使得能够用单个导管测量二维或三维流动，从而解析血流速度的所有向量分量。这种更复杂的流动评估显著增强了血管介入学家或血管介入医师定义最优治疗策略的能力。
导管设备100的典型尺寸使其容易适于神经血管应用：光纤1(包括芯2和包层)的直径可以约为1mm，从光纤末端通过这两个二向色元件11和12到达设备100末端的距离也可以在1mm的数量级。
图2显示了导管设备200的第二实施例，其中光源和检测器可以与图1中的类似，并且因此不再显示。该实施例的分光单元201包括设置在光纤1的出口的光栅21，该光栅具有适当选择的闪耀角α。当光栅具有闪耀角时，可能对于给定波长λ1以特定次序集中大部分衍射的能量。对于其他波长，衍射效率将更小，并且会将光透射而不改变其方向。改变波长λ1从而改变部分光束B1的方向α，该部分光束B1与沿正向方向发射的部分光束B2一起离开分光单元201。因此可以沿不同方向探测血流。这类似于图1中具有不同波长的情况。由于仅存在一个闪耀角α，因此可以解析血流向量的两个分量。这两个部分光束B1和B2之间的角α不需要成90°；假设存在实质差别，可以解析血流向量的两个分量。
图3显示了导管设备300的第三实施例，其中保偏光纤1与分光单元301中的光学偏振器31结合使用。这种(可购买得到的)光纤1可以分离地传播光的两个偏振π1、π2，并且在这些模式之间没有串扰。这两个偏振的分离可以通过光学偏振器31(诸如偏振分束器管或偏振敏感各向异性光栅)实现。光学偏振器针对光纤1中初级光束的具有两个偏振方向的两个部分光束B1和B2产生基本不同的出射角(由双重箭头表示，其中一个应垂直于绘图平面)。结果，光的这两个偏振方向探测血流中的不同方向。这类似于图1中具有不同波长的情况。由于在保偏光纤中的光有两个偏振方向，因此可以解析血流向量的两个分量。
图4显示了导管设备400的第四实施例，其通过在分光单元401中布置光学偏振器31与光栅21串联而将第二实施例和第三实施例相结合。保偏芯2波导波长λ1周围的不同颜色，该颜色在波长上基本接近(典型地小于约2倍)。在光学偏振器31处，将一个偏振方向π1反射为具有一定方向的第一部分光束B1而将另一偏振方向透射为中间第二部分光束B2。在光栅21处，第二部分光束B2的一个颜色λ1被衍射并且脱离为第三部分光束B3，而将剩余光透射为第四部分光束B4。
因此可以解析血流向量的全部三个分量，而不需要三个波长间隔或多个二向色元件。通过改变光的偏振或波长来改变离开分光单元401的部分光束B1、B3和B4的方向。这减小光纤末端处的光学器件的体积和复杂度。
在该实施例中，将光学偏振器31理想地放置在光栅21的前面，这是由于从光栅折射的光将不会相对于透射光成90°角传播。然而光学偏振器在具有闪耀角的光栅后面的实施例也是可行的。
上面描述的本发明实施例可特别用于在血管内过程期间动态评估动脉瘤附近的血流。应进一步注意到，这些实施例不包含任何金属零件并且因此可用于MR系统。
最后指出，本申请中的术语“包含”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个，单个处理器或其他单元可以完成多个器件的功能。本发明在于每个新颖性特征和每个特征的组合。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为对权利要求的范围的限制。

Claims (13)

1、一种发光装置(100、200、300、400)，包括：
a)光波导(1)，其用于传导初级光束(Bprim)；
b)分光单元(101、201、301、401)，其用于将所述初级光束(Bprim)分离为沿不同方向发射的具有不同光学品质的至少两个部分光束(B1、B2、B3、B4)。
2、根据权利要求1所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述光学品质包括偏振和/或光谱组成。
3、根据权利要求1所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述分光单元(101、201、301、401)包括选自包括二向色分束器(11、12)、光栅(21)和光学偏振器(31)的组的分离部件，以便将入射光束(Bprim、B2)分离为具有不同方向和不同光学品质的第一和第二部分光束(B1、B2、B3、B4)。
4、根据权利要求3所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述分光单元(101、201、301、401)包括选自包括二向色分束器(12)、光栅(21)和光学偏振器的组的另一分离部件，以便将所述第二部分光束(B2)分离为具有不同方向和不同光学品质的第三和第四部分光束(B3、B4)。
5、根据权利要求4所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述分离部件是二向色分束器(11、12)，其具有棱镜形状并且取向为绕所述入射光束(Bprim)的轴旋转约45°角，所述棱镜具有三角形底部。
6、根据权利要求3所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述分离部件是光栅(21)，其对于特定波长(λ1)具有闪耀角(α)。
7、根据权利要求1所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，其包括检测器(4)，用于检测次级光束(Bsec)，所述次级光束(Bsec)包括由所述分光单元(101、201、301、401)从其周围收集的光。
8、根据权利要求7所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述探测器(4)适用于分别处理具有不同光学品质的所述次级光束的分量。
9、根据权利要求8所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述检测器(4)包括评价模块(5)，以便确定所述次级光束(Bsec)的至少一个分量相对于对应的部分光束(B1、B2、B3、B4)的多普勒频移。
10、根据权利要求1所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，其包括光源，特别是激光光源(3)，以便将所述初级光束(Bprim)发射到所述光波导(1)中。
11、根据权利要求10所述的发光装置(100、200、300、400)，其特征在于，所述激光光源(3)具有大于1mm且优选大于10mm且最优选大于100mm的相干长度。
12、一种医学设备，包括根据权利要求1至11中一项所述的发光装置(100、200、300、400)。
13、一种测量流体特别是血液的流速的方法，包括如下步骤：
a)沿不同方向将具有不同光学品质的至少两个部分光束(B1、B2、B3、B4)从测量位置发射到所述流体；
b)接收包括如下分量的次级光束(Bsec)，所述分量包括来自所述流体中反射的所述部分光束(B1、B2、B3、B4)的光；
c)根据所述次级光束(Bsec)的所述分量的多普勒频移来确定所述流体的流速。
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