CN101755233B - 光纤扫描仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤扫描系统，其包括带有光纤(13)的外壳(102)，该光纤(13)包括固定部分和自由端，该固定部分附连到外壳(102)的底部且该光纤(13)平行于外壳(102)的壁延伸。至少一个电线圈(12)在光纤(13)的固定部分与自由端之间的位置附连到壁，电线圈(12)的绕组处于平行于光纤(13)的平面中。磁体(11)附连到光纤(13)上使得电线圈(12)可在该磁体(11)上感应出力。该磁体(11)正好在该电线圈(12)之前或之后的位置附连到光纤(13)，该磁体(11)的宽度使得该磁体(11)在该电线圈(12)上延伸。

Description

光纤扫描仪
技术领域
本发明涉及一种光纤扫描系统，其包括带有光纤的外壳，光纤包括固定部分和自由端，固定部分附连到外壳底部且光纤平行于外壳壁延伸。至少一个电线圈在光纤的固定部分与自由端之间的位置附连到壁上，电线圈的绕组在平行于光纤的平面中。磁体附连到光纤上使得电线圈可在磁体上感应力。特别地，本发明涉及用于获得组织的图像或光谱测量的光纤扫描系统。
背景技术
为了对各种癌症疾病进行正确诊断，要进行活检。这可经由内窥镜的内腔或者经由针活检进行。在图7中示出针活检的实例，其中经由直肠从前列腺进行活检。为了找到进行活检的正确位置，使用各种成像形式，诸如X射线、MRI和超声。对于前列腺癌而言，在大部分情况下，由超声来引导活检(参看图7)。尽管这是有帮助的，但这些引导方法远非最佳的。分辨率有限，而且，这些成像形式在大部分情况下不能区别良性组织与恶性组织。结果，不能肯定地知道是否从组织的正确部分进行活检。进行几乎盲式活检且甚至在对组织进行检查后未检测到癌细胞的情况下，我们也不能肯定地知道我们没有简单地错过进行活检的正确位点。
为了改进活检程序，需要在进行活检之前直接检查活检位置。实现这个目标的一种方式是在这个位置进行显微检查。这需要微型化的共焦显微镜。在出版物Optical Fibers and Sensors for MedicalDiagnosis and Treatment Applications，编者I Gannot，Proc.SPIE，第6083卷中，E.J.Seibel等人的文章“A full-color scanning fiberendoscope”中描述了光纤扫描光纤内窥镜(fiber scanning fiberendoscope)(参看图8)，一种基于压电致动器的光纤扫描系统。这种系统的缺陷在于其以谐振方式操作。除了较快之外，谐振扫描仪具有两种缺陷。第一种缺陷在于扫描模式是固定的(参看图9)。如果仅图像的特定部分是相关的或者如果希望在固定位置进行测量，那么总是必须扫描完整的对象。特别是在光谱成像和双光子光谱成像的情况下，需要一些时间来收集光子以具有充分的统计性。而且，所需的大约75伏的相对较高的电压也对(例如)内窥镜或导管造成额外限制。
另一缺陷在于，由于谐振模式，光纤端部末端的位置在很大程度上取决于光纤性质。光纤制造中的较小差异将会影响扫描性质。另一缺陷在于，在谐振扫描情况下光纤末端的偏转是有限的。光纤越长，扫描越慢且超过致动装置的光纤部分越大。较长光纤使得系统公差敏感且使非谐振模式的其它模式的风险高。这表示谐振扫描是较不优选的。
在专利US6967772和US7010978中，描述了一种基于电动音叉的扫描光纤系统。同样，这种系统是以谐振模式操作，具有如上文所提到的缺陷中的某些缺陷。而且，音叉使得系统相当庞大，限制了系统的尺寸缩减。
在美国专利第7,123,790号中，描述了一种扫描光纤系统，其使用位于垂直于光纤的平面中的四个带绕组的电线圈。US 7,123,790的这个系统使用谐振驱动方法，用于以椭圆模式扫描光纤末端。
上述光纤扫描系统的缺点在于，它们采用光纤的谐振扫描，得到一种不易于调整待扫描区域和光纤末端位置较不明确界定的系统。
在美国专利5,317,148中，附连到光纤上的永久磁体由具有绕组的两个电磁体对所围绕，该绕组位于平行于光纤的平面中。通过控制到这些磁体中每一个的电压，控制永久磁体的精确位置。因此，控制光纤自由端的位置以使用各种模式来扫描目标区域。在US 5,317,148中所公开的系统的缺点在于其相对较大且并不适合于微型化。举例而言，为了在患者检查期间最小化组织损伤，医疗应用微型化是一重要方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤扫描系统，其减轻了现有技术系统的一或多种缺陷。更特别地，本发明的目的在于提供一种很小的非谐振光纤扫描系统。因此，在根据本发明的系统中，磁体正好在电线圈之前或之后的位置附连到光纤上，磁体的宽度使得磁体在电线圈上延伸。由于磁体与电线圈之间较小的距离，合力相对较大。因此，光纤末端可置于扫描区域内的任何位置。其可以扫描模式操作或者可保持固定于明确界定的位置。由于光纤的偏转由致动器(磁体-电线圈组合)限定而不是由光纤的谐振性质限定，因此末端的位置是明确界定的。
本发明的另一方面在于光纤也可以谐振模式扫描。这允许以较快时间尺度形成图像，且若需要，可以较长时间尺度测量组织特定点的光谱。这种双模式扫描对于需要图像形成和光谱测量的组织检查(例如，光学活检)而言是特别重要的。
如图10所示的本发明的另一方面在于磁体优选地附连到光纤上且线圈附连到外壳上。
光纤可被布置成用于导光。以此方式，该系统可用于在系统前面从组织获得图像或者获得光谱测量。
本发明的再一方面在于这种光纤扫描系统用于医疗系统中，诸如内窥镜、导管、活检或其它类型的针。
参看将在下文中描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显然并被阐明。
附图说明
在附图中：
图1示出根据本发明的光纤扫描系统的致动器部件，
图2更详细地示出致动器，
图3以透视图示出致动器部件，
图4示出带有两个磁体的致动器，
图5示出带有三个磁体和两组电线圈的致动器，
图6示出根据本发明的致动器的顶视图，
图7示出在超声引导下经由直肠进行活检的示意图(现有技术)，
图8示出包括耦接到光纤的激光器的扫描系统，其中光纤耦接到扫描系统(现有技术)，
图9示出压电驱动光纤的谐振扫描模式的实例(现有技术)，
图10示出根据本发明的光纤扫描系统的实施例，
图11示出光纤末端处于三个不同位置的根据本发明的光纤扫描系统的实施例，
图12示出在定心环、磁体与光纤末端之间具有可调整距离的根据本发明的光纤扫描系统的实施例，以及，
图13示出具有调整的距离的图12的实施例。
具体实施方式
在第一实施例中，扫描仪包括上面安装有两个磁体的光纤。在扫描仪的外壳102中安装四个线圈12，线圈12并不接触光纤13。光纤13自身安装于定心环101中，定心环101连接到外壳102(参看图10)。当电流施加到线圈12之一时，由于洛伦茨磁力，将取决于电流方向在一个方向或其它方向推动磁体11。通过在线圈12中循序施加电流，可将光纤末端放置于工作区域内任何期望的位置。这在图11中示出。
而且，能仅使用一个磁体替代两个磁体和使用3个线圈替代4个线圈。在两个相对放置的线圈或者甚至一个线圈和一个磁体的情况下，能在一个方向进行线扫描。
光纤末端的端部的行程取决于悬臂点与电动机(致动器)位置之间的长度和电动机部件上光纤的自由长度。参看图12中的L1和L2。光纤末端的端部的行程还取决于外壳的尺寸和磁体与线圈之间的电磁耦合。
长度L2还决定谐振频率和在谐振模式可实现的行程。通过改变相对于电动机的悬臂位置和光纤自由端的长度，可改变行程和频率(参看图13)。
图1示出根据本发明的扫描系统的致动器。致动器包括磁体11和电线圈12。磁体可为永久磁体或是在磁场附近被磁化的一片铁磁材料。由于附连到光纤13上的磁体11与附连到外壳上的线圈12之间的力，光纤13在所示弯曲区域14中弯曲。这导致磁体11和光纤13相对于外壳的行程15。
图2更详细地示出致动器的线圈12与磁体11。线圈12的绕组在平行于光纤13的平面中且线圈12的方位垂直于光纤13。磁体11的磁化方向(NS方向)平行于光纤13。当电流经过线圈12流动时线圈12与磁体11之间的合力垂直于光纤13，使得磁体11如图所示行进。磁体11的大小使得磁体在其行进期间接近线圈12，导致线圈12与磁体11之间小的空气间隙16。由于空气间隙16小，合力相对较大，从而能将光纤13固定于所希望的位置。如在图1中可看出，磁体11行进的路径是圆形。但是，由于半径17相对较大，路径几乎是直线。这使得空气间隙16在行进期间几乎恒定且因此其可被选择成很小。因此在行进期间，力大且恒定。为了进行适当操作，空气间隙16应至少大于5微米以避免磁体11的移动受到线圈12的阻碍。优选地，空气间隙16的宽度在50与100微米之间。较大空气间隙16导致较小力。在图2的实施例中，磁体11的大小使得在平衡位置，磁体在线圈长度的大约50％的范围上延伸。为了更强的力，磁体应大且尽可能多地在线圈上延伸。但是，由于机械限制，较大磁体可能会减小光纤末端的移动自由度。优选地，磁体至少在线圈长度10％的范围上延伸。
图3以透视图示出其中相对于固定到外壳(未图示)上的线圈12可在两个方向被扫描(即，定位)的磁体11和光纤13的实施例。为此目的，在此实施例中使用四个线圈12和盘形磁体11。
图4示出带有两个磁体11、41的实施例。此处，驱动光纤13的力几乎是图2中的两倍。
图5示出具有两组线圈12、52和三个磁体11、41、51以进一步增加光纤13上的力的实施例。
图6示出根据本发明的致动器的顶视图。清楚地示出可用于在四个线圈12之间移动光纤13的相对较大的区域。这使得可根据本发明的系统来扫描相对较大的区域。当使用四个线圈12中的仅一个线圈时已能在一个维度中进行线扫描。在两个方向中的扫描需要至少两个不平行且优选地垂直放置的线圈12。
图10示出根据本发明的光纤扫描系统的实施例。光纤13的一端附连到外壳102上。光纤13的自由端位于靠近透镜103处，用于将光聚焦于目标区域。两个磁体11、41附连到光纤13上。在磁体11、41之间，一组线圈12附连到外壳102上。线圈12和磁体11、41被布置成使得线圈12可在磁体11、41上感应出力以将光纤末端推动或拉动到所希望的位置。
图11示出光纤末端处于三个不同位置的图10的实施例。在最左边的图中，通过线圈12的电流使得所获得的磁场向左边推动或拉动磁体11、41。
图12示出在定心环、磁体与光纤末端之间具有可调整的距离的根据本发明的光纤扫描系统的实施例。光纤13在定心环101处附连到外壳上且在靠近定心环101的光纤部分中弯曲。光纤末端的端部的行程取决于定心环101与致动器121的位置之间的长度和致动器部件121上的光纤13的自由长度。参看图12中的L1和L2。长度L2也决定谐振频率和在谐振模式中可实现的行程。通过改变定心环101相对于致动器部件121的位置和光纤自由端的长度，可改变行程和频率。
图13示出具有调整的距离的图12的实施例。定心环101朝向致动器部件121移动，从而使得长度L1很小并增加光纤末端的行程。
在US7123790的图9中公开了具有附连到光纤上的线圈和磁体的光纤扫描系统。这个系统如其它现有技术系统一样以谐振模式操作。根据本实施例的光纤扫描系统具有将其与现有技术系统区分开的多个特点。这些特点包括：
-在本系统中的线圈的方位相对于现有技术系统旋转90度。
-在本系统中磁体的大小相对于现有技术系统增加且现基本上与线圈重叠。
-将本系统中的线圈制成比现有技术系统中的线圈更短。
这些特点可全部同时采用以实现具有其固有优点的优选系统。这些优点包括：
-可在谐振和非谐振模式操作，即，将光纤定位于工作区域中的任意位置，
-用于移动光纤的相对较大的工作区域，
-光纤末端的明确界定的位置。
而且，应当指出的是，用于在电线圈与磁体之间形成力的惯常做法是使用如在US7123790中所述的相对于磁体的线圈方位。如在发电机和电动机这样熟知的应用中都使用线圈与磁体之间的这种方位。
应当指出的是上述实施例旨在说明本发明而非限制本发明，且在不偏离所附权利要求书的范畴的情况下，本领域技术人员能设计出许多替代实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应被认为限制该权利要求。使用动词“包括”和其变化形式并不排除权利要求书中所述元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的冠词“一”并不排除多个这样的元件的存在。本发明可利用包括若干不同元件的硬件和利用合适编程的计算机来实施。在列举若干装置的装置项中，这些装置中的若干装置可由同一个硬件项目来实施。在相互不同的附属权利要求中陈述特定措施的简单事实并不表示不可使用这些措施的组合以取得益处。

Claims (13)

1.光纤扫描系统，其包括：
-外壳(102)，其具有底部和壁；
-光纤(13)，其在所述外壳(102)内并包括固定部分和自由端，所述固定部分附连到所述外壳的底部，所述光纤(13)平行于所述外壳(102)的壁延伸；
-至少一个电线圈(12)，其在所述光纤(13)的所述固定部分与所述自由端之间的位置附连到所述壁上，电线圈(12)的绕组在平行于所述光纤(13)的平面中；以及，
-磁体(11)，其正好在所述电线圈(12)之前或之后的位置附连到所述光纤(13)，所述磁体(11)的宽度使得所述磁体(11)在所述电线圈(12)上延伸。
2.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述磁体(11)的位置使得所述电线圈(12)与所述磁体(11)之间的空气间隙(16)大于5微米。
3.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述磁体(11)的宽度使得所述磁体(11)在所述电线圈(12)上延伸超过所述电线圈长度的10％。
4.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其还包括附连到所述光纤(13)的至少一第二磁体(41，51)。
5.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其还包括至少一第二电线圈(52)。
6.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述磁体(11)是盘形。
7.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述光纤(13)的固定部分与所述磁体(11)之间的距离是可调整的。
8.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述磁体(11)与所述光纤(13)的自由端之间的距离是可调整的。
9.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述光纤(13)是导光光纤。
10.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述磁体(11)是永久磁体。
11.一种医疗装置，其包括：
-根据权利要求1至10中任一项所述的光纤扫描系统；
-光源，其通过所述光纤扫描系统的所述光纤(13)发送光；
-光检测器，其耦接到所述光纤(13)以用于检测反射光；
-处理装置，其耦接到所述光检测器以用于处理来自所述光检测器的信号；以及，
-输出装置，其耦接到所述处理装置以向使用者提供经处理的信号。
12.将根据权利要求1-10中任一项所述的光纤扫描系统用于以谐振模式进行扫描的用途。
13.将根据权利要求1至10中任一项所述的光纤扫描系统用于以非谐振模式进行扫描的用途。
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