CN101711666B - 用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，该光纤探头基于非对称光纤悬臂结构，能够形成两个独立的、互不影响的正交谐振模；利用包含两个谐振信号分量的单一驱动信号，能同时激发非对称光纤悬臂的两个正交谐振模，形成二维的李萨如扫描图案。提出的基于非对称光纤悬臂结构的二维扫描光纤探头，利用单模光纤、梯度折射率光纤形成透镜光纤，再与梯度折射率透镜组合，实现样品的照明和后向散射光的收集。提出的二维扫描光纤探头利用集成于探头内部的位置敏感探测器，能够实时记录光纤探头出射光在成像横断面内的二维轨迹，实现对扫描位置信息的准确重构。

Description

用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的生物医学光学成像技术，能实现对生物组织的结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广阔的应用前景。

光学相干层析成像技术发展至今，已经形成时域OCT系统、谱域OCT系统和扫频OCT系统三种型式。早期的时域OCT系统通过轴向机械扫描实现对生物样品的层析成像，谱域OCT系统和扫频OCT系统无需轴向扫描即可成像，实现了高速高灵敏度的光学相干层析成像。然而，对于上述三种型式的OCT系统，由于采用的光波段在组织中都只能穿透若干毫米，无法在体外直接穿透人体对内部组织器官进行层析成像，相比于其他成像技术(如超声成像、CT成像)，有限的成像深度制约了OCT技术对人体内部组织器官病变的成像和诊断。为了消除这一制约因素，只有研发基于OCT系统的内窥技术，才能使OCT技术应用于人体内部组织器官的高分辨率成像。国外很多科研机构都开展了这方面的研究，如美国哈佛大学医学院的G.J.Tearney小组采用旋转光学组件构建了能进行360度圆周扫描的探头系统；Y.T.Pan和J.M.Zara提出基于旋转光耦合器和微机电系统(MEMS)的OCT微型探头；加州大学Irving分校的Zhongping Chen小组提出基于电致聚合物和光纤束的内窥OCT探头；加州理工学院的ChanghueiYang提出基于旋转GRIN透镜组的内窥OCT探头；美国哈佛大学的S.A.Boppart首次提出基于压电弯曲驱动器的扫描探头；华盛顿大学的Xingde Li小组提出基于压电陶瓷管的扫描探头。上述这些方法，都存在其固有的优缺点，如基于旋转光学组件和光学耦合器的扫描探头，其光能耦合效率比较低，需要进行精确的光学对准，且探头尺寸比较大；基于MEMS技术的微型探头需要复杂的制造过程，其制造成本和制造难度都比较高；而基于压电陶瓷管的扫描探头需要很高的电压进行驱动，需要较高的能耗，且应用在人体中存在一定的安全隐患。因此如何以比较简易的制造工艺，在较低的制造成本和调节难度的条件下，研制出结构简单紧凑、能耗低、且具有较高的光能利用效率的OCT扫描探头，就成为OCT探头设计的一大目标。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头。该二维扫描光纤探头基于非对称光纤悬臂结构，具有两个独立且互不影响的正交谐振模，利用包含两个信号分量的单一驱动信号同时激发两个正交谐振模，形成二维的李萨如扫描图案，利用单模光纤、梯度折射率光纤形成透镜光纤(lensed fiber)，再与梯度折射率透镜组合，实现样品的照明和后向散射光的收集，利用集成于探头内部的位置敏感探测器(PSD)，实时记录光纤探头出射光在成像横断面内的二维扫描轨迹。

本发明通过如下技术方案实现：一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，主要由非对称光纤悬臂结构、梯度折射率透镜、二向色膜层、位置敏感探测器、封装外壳、位置敏感探测器线缆、压电陶瓷双晶片线缆组成；梯度折射率透镜固定在封装外壳的一端，在梯度折射率透镜的光入射端面镀有二向色膜层，非对称光纤悬臂结构一端固定在封装外壳的另一端，非对称光纤悬臂结构沿轴向对准二向色膜层，位置敏感探测器靠近二向色膜层固定在封装外壳的内壁。

进一步地，所述非对称光纤悬臂结构包括压电陶瓷双晶片、第一刚性光纤段、第二刚性光纤段、透镜光纤组成；透镜光纤固定在压电陶瓷双晶片的上表面，第一刚性光纤段固定在压电陶瓷双晶片的下表面并与透镜光纤延伸方向一致，第二刚性光纤段固定在透镜光纤与第一刚性光纤段之间。压电陶瓷双晶片、第一刚性光纤段、第二刚性光纤段，以及透镜光纤形成非对称光纤悬臂结构。

进一步地，所述透镜光纤由单模光纤和梯度折射率光纤组成；单模光纤和梯度折射率光纤连接形成透镜光纤，由透镜光纤中的单模光纤输出的激光经梯度折射率光纤准直，输出到梯度折射率透镜，经梯度折射率透镜聚焦，照射在被测样品上。

与背景技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、通过向扫描光纤悬臂引入刚性光纤段，形成非对称光纤悬臂结构，使成像光纤具有两个独立的、互不影响的正交谐振模。相比传统的单光纤扫描结构，光纤谐振从一维谐振扩展至二维谐振，扩展了成像维度。同时采用的非对称光纤悬臂结构，具有体积小、结构紧凑、制造工艺简单的优点。

2、通过使压电陶瓷双晶片的驱动信号包含对应于非对称光纤悬臂结构的两个正交谐振模的两个分量信号，此单一驱动信号可同时激发非对称光纤悬臂结构在两个正交方向上谐振，实现成像光纤的二维扫描；相比于传统的基于压电陶瓷管的驱动信号，驱动电压从几十伏特降低至几伏特，减少了能耗，提高了安全性，驱动信号从两路减少为一路，从而简化了驱动电路的复杂度。

3、通过引入透镜光纤对成像光纤中的激光进行准直，经过梯度折射率透镜对准直后的激光进行聚焦，由于二维扫描是对平行光束进行扫描，相比于传统的单光纤点光源成像扫描方式，避免了对轴外点成像时出现的渐晕现象，可以提高轴外点成像的光能利用率，进而提高系统总体的信噪比。

4、通过位置敏感探测器实时记录二维扫描轨迹的位置信号，从而实现对样品扫描位置信息的准确重构。同时，在传统扫描光纤成像中，由于光纤成像易受环境干扰的影响而导致产生位置信息的假信号，由位置敏感探测器反馈的位置信号能缓解这种假信号对成像带来的错误影响，保证了成像精度，提高了光纤型成像探头系统的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是非对称光纤悬臂结构示意图；

图3是透镜光纤的结构及梯度折射率透镜组合光路的示意图；

图中：1、非对称光纤悬臂结构，2、梯度折射率透镜，3、二向色膜层，4、位置敏感探测器，5、封装外壳，6、位置敏感探测器线缆，7、压电陶瓷双晶片线缆，8、压电陶瓷双晶片，9、刚性光纤段，10、刚性光纤段，11、透镜光纤，12、单模光纤，13、梯度折射率光纤，14、被测样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头包括：非对称光纤悬臂结构1、梯度折射率透镜2、二向色膜层3、位置敏感探测器4、封装外壳5、位置敏感探测器线缆6、压电陶瓷双晶片线缆7。其中梯度折射率透镜2的光入射端面镀有二向色膜层3，非对称光纤悬臂结构1在振动中发出的激光，一部分通过二向色膜层3的反射打在位置敏感探测器4上，非对称光纤悬臂结构1、梯度折射率透镜2、二向色膜层3、位置敏感探测器4都封装在封装外壳5中，用于提供反馈位置信号的位置敏感探测器线缆6和提供压电陶瓷双晶片驱动信号的压电陶瓷双晶片线缆7通过封装外壳5的后端口连至扫描探头外部。

位置敏感探测器4光敏面能够探测可见光波段的光点位置，用于OCT系统中的典型光波段为800nm和1300nm波段的低相干光。二向色膜层3能够反射600nm波段的可见光，且透射1300nm或800nm波段的低相干光，这样能够在不损失光学相干层析光能的同时，实现位置信号的获取。

本发明二维扫描光纤探头，通常位于OCT系统中的样品臂末端。在OCT系统的光源部分，将用于层析成像的超辐射二极管发出的低相干光和用于位置敏感探测器位置标定的He-Ne激光器发出的可见光耦合成为一束光。通过二向色膜层3的反射，可见光照射在位置敏感探测器4光敏面上；二向色膜层3透射的低相干光，经梯度折射率透镜2聚焦在被测样品上进行层析成像。位置敏感探测器4实时记录照射在其光敏面上的可见光扫描轨迹的位置信号，经过位置敏感探测器线缆6传至电脑。由于位置敏感探测器4记录的位置信号能够与低相干光打在被测样品上的位置满足一一对应的关系，因此通过这些位置信号就可以对样品的扫描位置信息进行准确重建。

典型的PSD参数可参考滨松公司生产的二维PSD(S2044)，其工作原理为，当光斑照射在PSD光敏面上时，根据光斑距离PSD的四个电极的距离分别产生四个光电流，通过电流电压转换、电压放大、模数转换过程，可以得到光斑照射在PSD光敏面上的位置信息。当扫描探头受到外部作用力等扰动时，光纤悬臂结构的运动轨迹会出现微细的异常变化，但是由于位置敏感探测器4内置于扫描探头内部并且实时记录扫描轨迹位置信号，因此利用位置信号准确重构样品扫描位置信息，能够避免扫描轨迹的异常变化对位置信息引入的误差，提高了扫描探头的抗干扰能力。

图2所示为所述的非对称光纤悬臂结构示意图，包括压电陶瓷双晶片8、第一刚性光纤段9、第二刚性光纤段10、透镜光纤11。其中透镜光纤11固定于压电陶瓷双晶片8的上表面，第一刚性光纤段9的一端固定于压电陶瓷双晶片8的下表面，第二刚性光纤段10的一端与第一刚性光纤段9相连，另一端与透镜光纤11的中部相连接。压电陶瓷双晶片线缆7分别连接压电陶瓷双晶片8的上表面压电陶瓷层、中间弹簧片层和下表面压电陶瓷层。

在非对称光纤悬臂结构1中，由透镜光纤11、第一刚性光纤段9、第二刚性光纤段10和压电陶瓷双晶片8的前端面形成一个刚性框架。非对称光纤悬臂结构1具有两个独立的、互不干扰的正交谐振模，其中一个谐振方向在非对称光纤悬臂面内，另一个谐振方向垂直于非对称光纤悬臂平面，压电陶瓷双晶片8的单一驱动信号由函数发生器提供，函数发生器产生两路分别对应于两个正交谐振模的分信号，通过混频合成为一路单一驱动信号。连接压电陶瓷双晶片8的上表面压电陶瓷层的第一压电陶瓷双晶片线缆7和连接压电陶瓷双晶片8的下表面压电陶瓷层的第二压电陶瓷双晶片线缆7连接起来，且连接单一驱动信号的正极，连接压电陶瓷双晶片8的中间弹簧片层的第三压电陶瓷双晶片线缆7连接至单一驱动信号的负极。利用包含两个谐振信号的单一驱动信号，能同时激发非对称光纤悬臂的两个正交谐振模，形成二维的李萨如扫描图案。

图3所示为所述的透镜光纤的结构及梯度折射率透镜组合光路的示意图，透镜光纤11由单模光纤12和梯度折射率光纤13连接而成。由透镜光纤11中的单模光纤12输出的激光经梯度折射率光纤13准直，输出到梯度折射率透镜2，经梯度折射率透镜2聚焦，照射在被测样品14上。

透镜光纤11中的单模光纤12和梯度折射率光纤13使用光纤熔接机熔接在一起，再使用光纤切割机将梯度折射率光纤13切割至四分之一节距长度，形成具有光束准直功能的透镜光纤11。利用单模光纤12、梯度折射率光纤13形成透镜光纤11和梯度折射率透镜2组合，实现对被测样品14的照明和后向散射光的收集。由于采用透镜光纤出射的准直光束进行扫描，相比于传统单模光纤的点光源扫描成像，避免了对轴外点成像时引起的渐晕现象，使得对轴上点与轴外点成像都达到较高的光能利用率。

本发明公开的一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，提出的非对称光纤悬臂结构具有两个独立的、互不影响的正交谐振模，使用包含两个谐振信号分量的单一驱动信号，同时激发非对称光纤悬臂的两个正交谐振模，形成二维的李萨如扫描图案。同时利用单模光纤、梯度折射率光纤形成的透镜光纤和梯度折射率透镜组合，实现样品的照明和后向散射光的收集，能够避免轴外点扫描的渐晕现象，实现较高的光能利用效率，并且利用集成于探头内部的位置敏感探测器(PSD)，实时反馈二维扫描轨迹信号用于位置信息的准确重构，并且能够避免外部干扰引起的扫描轨迹的异常变化，在OCT系统的内窥应用中有重要意义。

Claims (3)

1.一种用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在于：它主要由非对称光纤悬臂结构(1)、梯度折射率透镜(2)、二向色膜层(3)、位置敏感探测器(4)、封装外壳(5)、位置敏感探测器线缆(6)、压电陶瓷双晶片线缆(7)组成；梯度折射率透镜(2)固定在封装外壳(5)的一端，在梯度折射率透镜(2)的光入射端面镀有二向色膜层(3)，非对称光纤悬臂结构(1)一端固定在封装外壳(5)的另一端，非对称光纤悬臂结构(1)沿轴向对准二向色膜层(3)，位置敏感探测器(4)靠近二向色膜层(3)固定在封装外壳(5)的内壁。

2.根据权利要求1所述的用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在于：所述非对称光纤悬臂结构(1)包括压电陶瓷双晶片(8)、第一刚性光纤段(9)、第二刚性光纤段(10)、透镜光纤(11)；其中，透镜光纤(11)固定在压电陶瓷双晶片(8)的上表面，第一刚性光纤段(9)固定在压电陶瓷双晶片(8)的下表面并与透镜光纤(11)延伸方向一致，第二刚性光纤段(10)固定在透镜光纤(11)与第一刚性光纤段(9)之间；压电陶瓷双晶片(8)、第一刚性光纤段(9)、第二刚性光纤段(10)，以及透镜光纤(11)形成非对称光纤悬臂结构(1)。

3.根据权利要求2所述的用于内窥光学相干层析成像的二维扫描光纤探头，其特征在于：所述透镜光纤(11)由单模光纤(12)和梯度折射率光纤(13)连接组成；由透镜光纤(11)中的单模光纤(12)输出的激光经梯度折射率光纤(13)准直，输出到梯度折射率透镜(2)，经梯度折射率透镜(2)聚焦，照射在被测样品(14)上。

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