CN103239210A

CN103239210A - 一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头

Info

Publication number: CN103239210A
Application number: CN2013101642646A
Authority: CN
Inventors: 米磊; 刘钊; 朱锐
Original assignee: Shenzhen Vivolight Medical Device Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Vivolight Medical Device Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头，所述探头包括单模光纤部分、梯度折射率透镜部分和反射棱镜部分，所述梯度折射率透镜部分黏贴于单模光纤部分一端，所述反射棱镜部分黏贴于梯度折射率透镜部分一端，且所述梯度折射率透镜部分的光程大于5mm。本发明一方面在既不消除反射面也不增大反射面角度的情况下，将反射光的距离拉远，使得产生的干涉环超出图像的显示范围，进而使反射光弱到不产生干涉现象，另一方面可以同时满足尺寸小于250um以及消除多次反射产生的干涉环的优点。

Description

一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头

【技术领域】

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种应用于心血管OCT或人体组织狭窄空间的检测，以防止出现干涉环的超微型光学相干断层成像探头。

【背景技术】

随着科学的发展，在医学和生物学中，先后出现了各种各样的成像仪器，例如：超声成像、X光成像、CT、MRT和PET等等，但是这些仪器多少都有自己的优点和不足之处。超声成像依赖于生物组织的声阻抗，对比度差，难以发现早期的癌变；X光成像依赖于生物组织的密度，密度越大，图像就越白，但是对于密度接近的不同器官和组织的图像则因对比度不高而无法分辨，而且X射线透视使组织遭受强离子辐射的作用，入射的高能量会使生物组织离化。另外，层析成像技术中的CT、MRT和PET设备和使用费用昂贵，对人体有一定的损伤作用；例如：X-CT具有较高的成像深度，可以探测整个身体，分辨率能达到0.7mm至2.0mm，不过扫描和大计算量的图像重建工作都要花费较长的时间，得到一幅完整的CT图像一般需要十几秒钟，因此它不适合作实时高分辨率成像；MRI基于强磁场和高频信号导致体内原子共振发出它们本身的信息，而且其分辨率也相对比较低。而光学成像技术成为了相对比较理想的技术，其中最主要的代表是光学相干断层成像技术（optical coherence tomography）OCT。它的优点在于：利用对人体无损伤的红外光做为光源（一般是830nm或1310nm），利用相干时间门的原理实现层析，具有很高的分辨率（微米级），可实现非接触、无辐射、高分辨率并实时成像和在体活检。其由于具备上述特别的优点，光学相干断层成像技术是近20年来发展最快的一种医学成像技术，主要用于眼科、皮肤、牙科、心血管、呼吸道和胃肠道、早期癌症检测等。

OCT技术的核心是迈克尔逊干涉仪，由于OCT技术其实最早来源于白光干涉测量法，光学相干域反射测量技术。该技术使用一宽带光源发出的相干光进行反射域的测量，并通过实验得到了10um的轴向分辨率和大于100dB的动态范围。而传统的影像方法主要包括核磁共振血管成像和血管造影成像，然而这些成像只能够呈现出血管的外形或者内部轮廓，对血管壁以及血管腔的细节部分显现非常模糊，包括血管壁动脉化斑块的大小、成分、裂纹等，这些信息对于血管完整性评估和预测有着重要的临床价值。而且，由于X射线具有很强的辐射性，这样也在一定程度上限制了使用性。因此，理想的血管成像技术应该在保证必要的安全性的前提下不仅可以发现血管的病灶区域而且可以对该区域的病灶特性进行分析，从而为临床诊断提供有效的科学依据。血管内超声成像（intravascular ultrasound tomography，IVUS）可以将一个微型的超声成像探头直接伸入血管内部进行血管的断面扫描成像。这种技术在一定程度上提高了血管成像的分辨率，可以发现某些明显的病灶区域，但是由于所采用超声探头的频率普遍在20-50MHz之间，对应图像分辨率大约为200-100μm左右，这个分辨率还不足以看清血管壁的细节，存在许多局限性。而采用近年发展起来的光学相干断层层析（optical coherence tomography，OCT）技术可以实现心血管内微米级高分辨率的成像，对临床鉴别和诊断冠状动脉粥样硬化以及干预治疗的效果进行跟踪评价。

内窥OCT 的出现，为将来进行体内组织病变以及癌症诊断提供了强有力的帮助。血管内OCT成像（Intravascular OCT，IV-OCT）具有能够呈现出动脉硬化的微观细节的独特功能，特别是那些被认为是很容易就会突然破裂的硬块。这种技术的最大优势就是它的高分辨率，比血管内超声成像的分辨率高出10倍，可以从组织形态上观察动脉粥样硬化斑块和冠状动脉微小结构变化。此外，对于血管内植入支架的观察和定位，血管内OCT成像是普通造影技术和血管内超声成像所无法比拟的。从OCT成像的结果中医生能够清晰地观察到支架是否完全贴壁、是否完全扩张、组织撕裂、组织脱垂和支架支撑杆是否分布均匀等情况，这些为评价手术支架的使用具有极其重要的意义。目前随着OCT技术的发展，已经能够实现冠状动脉内的高速高分辨率成像，并且由于小型化光纤成像导管探头的出现，可以实现狭窄动脉管内壁的成像，这些都是普通成像技术所难以达到的。OCT成像导管与血管内超声导管比较，OCT导管仅由一条光纤构成，不需要任何传感器，结构简单实用。

血管内OCT成像系统是最近几年才开始发展起来的，它主要结合了光学成像、机械扫描、信号处理等技术，是多学科交叉结合的产物。微型OCT成像导管不但用于动脉、静脉还可用于肺气道，还可以用于各种狭窄空间的探测比如飞秒激光器加工的微孔。针对心血管成像的特点，需要特别的内窥探头解决以下几个关键问题：

1、探头微型化问题，由于心血管OCT探头要进入到人体的管状动脉血管，是人体中最狭窄的部位，要求探头尺寸小于250um甚至更小。而传统的内窥OCT探头由光纤和自聚焦透镜和棱镜组成，一般的自聚焦透镜尺寸为1.8mm、1mm。因此制作的内窥OCT探头一般尺寸外径尺寸最小仅为1mm，很难制作出达到心血管OCT探头尺寸要求。

2、消除干涉环的难题，由于内窥OCT探头由光纤和自聚焦透镜和棱镜组成，一般的光学系统回损为60dB左右，但是由于OCT系统的信噪比可以达到100dB以上，因此在光路上的各个端面产生的反射光还是会产生相互干涉的现象，造成干涉环的出现，而干涉环很严重的干涉到了图像的质量，必须彻底消除干涉环。

美国专利US4740047号公开了一种微型光纤探头，但是由于光纤探头没有增加透镜来准直光束，所以无法让光束会聚，因此信号很弱，无法达到OCT探头的使用要求。

中国专利CN100407980C号，公开了一种扫描微型光学探针，可以满足尺寸微型化的需求，但是由于整个光学探针由光纤、无芯光纤、自聚焦光纤、带角度无芯光纤制成的微棱镜组成，造成中间出现多个反射面，每个反射面都会产生一定的反射光，从而造成出现干涉环的现象，而且多个连接面进行连接时，工艺较复杂，制造难度大，生产成本高。图1就是专利中公布的一种方案是由一种小于300um的自聚焦透镜和反射镜和光纤组成。自聚焦透镜的两个端面都是平面，两个平面产生的反射光会产生干涉环，具体的干涉环见图2。在光学相干断层成像系统中，沿着光传播路径上的反射面之间的反射强度关系会被检测出来。在图2中两个反射面在很近的距离内产生较强反射光，光在两个反射面内多次反射，多次反射的光经过相干成像就会造成干涉环（俗称鬼影）的出现，而之所以称之为鬼影是因为这个干涉环本来在图像中是不存在的，这会造成成像质量的下降。尤其是当干涉环与实际的组织成像重叠时，会造成无法分辨干涉环和真实的图像，这是OCT探头的一个最大的难题。而且由于专利中采用了塑料保护套管，有两个十分不利的因素，第一，塑料保护套的折射率和玻璃反射棱镜的折射率不匹配，因此会造成更多的反射光出现，也有可能造成干涉环。另外由于塑料套管只能做成圆形的截面，因此准直光束经过塑料套管后相当于经过了一个柱面透镜，会对光束进行一个汇聚作用，造成出射光斑为椭圆光斑，产生光学畸变，这样会极大的影响OCT的成像质量。

在此，美国专利US7805034介绍了一种消除鬼影（即干涉环）的微型光纤探头，其为了解决干涉环的问题，必须消除探头之间的两个平面，因此，专利中描述了一种采用球透镜熔接的办法，用两个球面代替透镜和反射镜的两个平面，大大的减少了平面反射光，因此可以消除干涉环（俗称鬼影）。但是此专利的缺点是使用了一个球透镜，尺寸为直径500um，无法满足心血管OCT探头要求的透镜直径尺寸小于250um的要求。综上所述，需要设计一种应用于心血管OCT或人体组织狭窄空间的检测，以防止出现干涉环的成像探头。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在不能同时满足尺寸小于250um以及消除多次反射产生的干涉环的技术问题，本发明提供一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头，所述探头包括单模光纤部分、梯度折射率透镜部分和反射棱镜部分，所述梯度折射率透镜部分黏贴于单模光纤部分一端，所述反射棱镜部分黏贴于梯度折射率透镜部分一端，且所述梯度折射率透镜部分的光程大于5mm。

根据本发明的一优选实施例：所述探头的梯度折射率透镜部分和反射棱镜部分的直径均为125um-250um。

根据本发明的一优选实施例：所述探头的梯度折射率透镜部分的长度大于4mm。

根据本发明的一优选实施例：所述探头的梯度折射率透镜部分的长度大于4mm，且节距大于0.75P+NP，其中，N为整数。

根据本发明的一优选实施例：所述探头的反射棱镜部分的角度为42°-60°。

根据本发明的一优选实施例：所述探头的反射棱镜部分上还设镀有全反射膜层，且所述全反射膜层为金属膜层。

根据本发明的一优选实施例：所述探头外侧还有直径为250um-500um的石英玻璃保护层，且所述光学相干断层探头的出光端面为平面。

相对于现有技术来说，本发明的有益效果为：一方面在既不消除反射面也不增大反射面角度的情况下，将反射光的距离拉远，使得产生的干涉环超出图像的显示范围，进而使反射光弱到不产生干涉现象，另一方面可以同时满足尺寸小于250um以及消除多次反射产生的干涉环的优点。

【附图说明】

图1为原有光学OCT探头的结构示意图；

图2为光学OCT探头成像后有干涉环的图像；

图3为光学OCT探头成像后消除干涉环的图像；

图4为实施例一中使用250um直径梯度折射率透镜和棱镜制作的光学探头结构示意图；

图5实施例二带平面玻璃管的光学探头结构示意图。

附图标记说明：

1、单模光纤，2、自聚焦透镜，4、反射棱镜，13、单模光纤部分，23、梯度折射率透镜部分，33、反射棱镜部分，43、汇聚光束，51、石英玻璃保护层，55、倾斜反射面。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1为一般的心血管OCT探头，1是单模光纤，2是自聚焦透镜，4是反射棱镜，自聚焦透镜2的两个平面分别于单模光纤1和反射棱镜4粘接或熔接，这两个平面产生的反射光就会造成干涉环。平面的反射光可以通过以下公式计算：

Figure 2013101642646100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

式中：为平面反射率，在光纤和自聚焦透镜端面熔接或粘接处，

Figure 2013101642646100002DEST_PATH_IMAGE006

为1.4681（光纤纤芯折射率），

Figure 2013101642646100002DEST_PATH_IMAGE008

为自聚焦透镜折射率，

=1.55。在自聚焦透镜与反射棱镜端面粘接处或熔接处，由于反射棱镜一般为无芯光纤制成，因此折射率与单模光纤相同

=1.4681。从上式可以看出，两个折射率越接近反射率越低，因此要尽可能的将两个折射率匹配。因此两个反射面反射光强基本相当。计算回波损耗的公式如下：

RL₁= 10lgR₀₁ （2）

通过计算可知，两个面的反射回波损耗均为31dB，因此，两个近距离相同反射强度的光会形成干涉，产生干涉环（即鬼影）。

要解决这个问题，有以下三种办法：

1、彻底消除这两个反射面，就不会产生反射光。

2、不消除反射面的情况下，增大连接面角度，大幅度降低反射光强度，使反射光弱到不能产生干涉。

当斜面角度为8度时，回波损耗大于90dB，当斜面角度为10度时，回波损耗大于100dB。

3、不消除反射面也不增大反射面角度的情况下，将反射光的距离拉远，使得产生的干涉环超出图像的显示范围。

由于OCT图像的成像深度一般为2-3mm，因此，只要是半径大于5mm以外的图像就不会显示出来，干涉环的直径公式为2nd+λ/2，n为透镜折射率，d为两个反射面的间距。透镜的折射率为1.55,只要2nd大于10mm就不会在图像上显示出干涉环。而消除干涉环的成像的图像如图3所示。

下面即针对上述提出来的既在不消除反射面也不增大反射面角度的情况下，将反射光的距离拉远，使得产生的干涉环超出图像的显示范围的具体实施例。

实施例一

参阅图4所示，为本实施例提供一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头，光学探头包括直径为125um的单模光纤部分13与一个周期长度为1.27P的梯度折射率透镜部分23或梯度折射率光纤熔接或粘接，然后粘接一个反射棱镜部分33，反射棱镜部分33的反射角度是50°。本实施例中选择的梯度折射率透镜部分23直径为250um，根号A为1.2975，1.27P周期的长度为6.15mm，反射棱镜部分33的直径为250um，长度为1mm。由于两个倾斜反射面55之间的光程差为6.15×1.6=9.8mm，其汇聚光束43从倾斜反射面55出来，因此干涉环的半径为9.8mm，超过了oct系统的5mm半径的显示范围，因此可以在图像中消除干涉环。

实施例二

上述实施例一至四中的超微型光学相干断层成像探头均可以在外增加石英玻璃保护层51，其结构示意图如图5所示。

上述详细描述仅是示范性描述，本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，根据不同的实际需要设计出的各种实施方式，皆应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种消除干涉环的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头包括单模光纤部分（13）、梯度折射率透镜部分（23）和反射棱镜部分（33），所述梯度折射率透镜部分（23）黏贴于单模光纤部分（13）一端，所述反射棱镜部分（33）黏贴于梯度折射率透镜部分（23）一端，且所述梯度折射率透镜部分（23）的光程大于5mm。

2.根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的梯度折射率透镜部分（23）和反射棱镜部分（33）的直径均为125um-250um。

3. 根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的梯度折射率透镜部分（23）的长度大于4mm。

4. 根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的梯度折射率透镜部分（23）的长度大于4mm，且节距大于0.75P+NP，其中，N为整数。

5. 根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的反射棱镜部分（33）的角度为42°-60°。

6. 根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的反射棱镜部分（33）上还设镀有全反射膜层，且所述全反射膜层为金属膜层。

7. 根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头外侧还有直径为250um-500um的石英玻璃保护层（51），且所述光学相干断层探头的出光端面为平面。