CN103393392B - 深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统,所述系统包括:激发源,分光镜,平面扫描装置,前端物镜,微型传输装置,内窥镜探头,滤波片组,后端物镜,空间共轭光阑以及成像单元;本发明具有能够进行不同深度层病灶组织学实时成像和不同荧光探针标记病灶病理学实时成像的优点,可应用于胃肠道疾病的临床诊断。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域,具体涉及一种深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统,该系统可应用于常见的胃肠道疾病诊断,尤其是较小病灶以及早期胃肠道疾病的诊断与病理学检查。
背景技术
激光共聚焦显微内镜来自于实验室常用的激光共聚焦显微镜,是将传统实验室桌面使用的激光共聚焦显微镜原理运用到内镜技术中,它结合了激光共聚焦显微镜和内镜的特点,可进行白光和共聚焦显微成像,提供亚细胞水平的空间分辨率。应用激光共聚焦显微内镜进行检查,可以在内镜检查的同时无需活检即可获得组织病理学资料,进行体内组织学实时成像,使内镜医生根据组织学诊断及时采取治疗措施,避免重复的内镜检查和多次活检的并发症。该系统可应用于常见的胃肠道疾病诊断,如食管炎、Barrett食管、食管癌、胃炎、胃肠上皮化生、胃不典型增生、溃疡性结肠炎、结肠息肉、结肠癌等,尤其是较小病灶以及早期胃肠道疾病的诊断具有快速、准确的优势,并有可能替代传统的内镜活检与病理学检查。
目前,商业化的激光共聚焦显微内镜可分为两类:PENTAX公司的内镜式激光共聚焦显微内镜和MKT公司的探头式激光共聚焦显微内镜。内镜式激光共聚焦显微内镜是将激光共聚焦显微镜集成到一个普通内镜的头端,使其成为激光共聚焦专用内镜。通过外部的控制器对普通内镜和共聚焦显微镜进行切换,可交替进行普通内镜成像和共聚焦显微成像;通过内镜式激光共聚焦显微内镜头端集成的平面扫描机械装置和轴向制动器,可同时实现平面和深度扫描成像。该专用内镜的轴向和侧向分辨率高,可进行深度扫描、扫描深度可达250μm,成像视场大;但是也存在一些问题,包括存在观察死角、不能与其他的普通内镜结合使用、扫描速度慢等。探头式激光共聚焦显微内镜是一种小型化的激光共聚焦显微内镜系统,在内镜头端只集成了物镜和光纤耦合透镜,其余控制部分集成到外面的主机,因此该类内镜只能进行激光共聚焦显微成像,不能进行普通内镜成像。探头式激光共聚焦显微内镜直径很小,一般2.5~2.6mm,不存在观察死角,可通过活检通道与任意的普通内镜结合使用,且扫描速度快。但是,由于探头式激光共聚焦显微内镜的所有控制部分集成在外部主机,因此这类内镜不能进行深度扫描的调节,只能进行一定深度层的组织学成像;并且,这类内镜也不能实现激发光强度和波长的调节。此外,较之内镜式激光共聚焦显微内镜,这类内镜的成像分辨率偏低,在胃肠道疾病诊断中略有不足。
为了解决上述成像分辨率低的问题,浙江大学在其专利为激光共聚焦显微内窥镜,专利申请号:200810163895.5,申请日:2008-12-29中提出了一种新型的高分辨力激光共聚焦显微内窥镜,公开了采用望远式传像系统代替光纤束或单根光纤,将激光耦合进体内组织,并将反射光和荧光信号耦合至体外探测器,在获得高分辨力和对比度荧光图像的同时,缩小内窥镜探头的直径;上海宁波汇通通信科技有限公司在其专利为一种激光共聚焦显微内窥镜,专利申请号:201110203428.2,申请日:2011-07-20中提出了一种激光共聚焦显微内窥镜,公开了该内窥镜的结构包括有光源照明系统、共聚焦扫描单元、耦合透镜组、传像光纤、物镜、光纤共聚焦光谱分析系和图像分析与重构系统,具有图像分辨率高、探头物理尺寸小、实时检测等多方面优势。但是,这两项技术均为了解决探头式激光共聚焦显微内镜的成像分辨率低的问题,而没有解决目前存在的扫描深度、激光强度和波长不可调的问题。因此,这两项技术并不能推动激光共聚焦显微内窥镜的进一步应用。
在非线性显微内窥成像技术领域,为了解决同时平面和深度扫描的问题,美国约翰霍普金斯大学的李兴德教授提出通过压电传感器(piezoelectric transducer, PZT)共振实现平面扫描,通过形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)实现深度扫描的新思路(参见YicongWu, Fiber-optic nonlinear endomicroscopy with focusscanning by using shape memory alloy actuation, Journal of Biomedical Optics, 15(6), 060506, 2010;吴一聪,利用形状记忆合金驱动实现焦点扫描的光导纤维非线性显微内窥镜,生物医学光子学杂志,15(6),060506,2010)。形状记忆合金是一种特殊种类的金属,可记忆其初始冷却状态的形状,加热时会产生形变,去除加热后还能够回到初始的形状。其收缩响应与所加电压之间的关系是非线性、可重复的,并且能够准确地校准。但是,该篇文章只讨论了该技术在双光子内窥成像领域应用的可行性,双光子内窥镜与激光共聚焦显微内窥镜在系统结构上还有较大差异。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有激光共聚焦显微内窥镜存在的不足,提出一种深度和强度可调的小型化探头式激光共聚焦显微内镜系统,通过形状记忆合金调节物镜的聚焦距离,可实现不同深度层病灶的组织学实时成像;其次,通过配置可调谐激光器,可实现激发光波长和强度的调节,用于不同类型荧光探针标记病灶的病理学实时成像,最终实现对深度与强度的调节。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统,所述系统包括:
激发源,用于激发受检对象表面的荧光探针;
分光镜,与所述激发源连接,用于透射所述激发源发射的激发光,以及反射所述荧光探针受激发后发出的发射光;
平面扫描装置,与所述分光镜连接,用于实现所述激发源对受检对象表面的水平方向扫描;
前端物镜,与所述平面扫描装置连接,用于聚焦经所述平面扫描装置后的激发光;
微型传输装置,一端与所述前段物镜连接,用于传输所述激发源发射的激发光,以及传输所述荧光探针受激发后发出的发射光;
内窥镜探头,与所述微型传输装置另一端连接,用于聚焦激发光于受检对象表面某一点,并收集该点荧光探针受激后发出的发射光;
滤波片组,与所述分光镜连接,用于滤除发射光中的杂散信号;
后端物镜,与所述滤波片组连接,用于收集并聚焦所述滤除杂散信号后的发射光;
空间共轭光阑,与所述后端物镜连接,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线;
成像单元,与所述空间共轭光阑连接,用于收集、存储和后处理所接收的发射光;
其中,所述激发源、分光镜以及所述平面扫描装置设置于同一光轴上,具体是,所述激发源发射的激发光经所述分光镜透射后照射到平面扫描装置中,激发光光线经所述平面扫描装置选择出射点照射到所述前端物镜中。
需要说明的是,所述内窥镜探头包括:探头前管,探头末端管以及设置在所述探头前管与探头末端管之间的深度调节单元,其中,所述探头前管由粗管,以及设置在所述粗管后端的细管构成,所述粗管的前端连接于微型传输装置,后端通过所述细管连接于所述探头末端管的前端,并穿入其内,所述探头末端管可沿所述细管往返移动;所述深度调节单元包括形状记忆合金线与压缩弹簧,其中,所述形状记忆合金线的两端与所述压缩弹簧的两端连接,所述压缩弹簧两端分别套接于所粗管后端与所述探头末端管的前端。
需要说明的是,所述微型传输装置包括光纤束与形状记忆合金温度导线,其中,所述光纤束一端连接于所述粗管的前端,所述形状记忆合金温度导线与所述形状记忆合金线连接,用于控制形状记忆合金线的温度。
需要进一步说明的是,作为一种优选的方案,所述形状记忆合金温度导线连接于靠近所述粗管后端上的形状记忆合金线。
需要说明的是,所述粗管中设有成像透镜。
作为一种优选的方案,所述光纤束为直径不大于2.6毫米,根数不少于1万根。
需要说明的是,所述激发源为可调谐激光器,其中,所述可调谐激光器对激发光波长和强度进行调节,可用于不同类型荧光探针标记病灶的病理学的实时成像。
需要说明的是,所述平面扫描装置中设有扫描震镜,用于调节经扫描震镜后光线的出射点位置,实现所述激发源对受检对象表面的水平方向扫描。
作为一种优选的方案,所述空间共轭光阑设有针孔准直器,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线。
需要说明的是,所述成像单元包括探测器系统与计算机系统,其中,所述探测器系统用于收集所述发射光;所述计算机系统用于存储和后处理所述收集的发射光。
本发明有益效果在于:
1、采用形状记忆合金调节探头端成像物镜的聚焦距离,克服了现有技术中的探头式激光共聚焦显微内镜将所有控制部分集成在外部主机而只能进行一定深度层的组织学成像的缺点,可实现不同深度层病灶的组织学实时成像;
2、采用可调谐激光器作为照射光源,克服了现有技术中采用固定波长和固定能量激光器带来的激发光波长和强度不可调的问题,可用于不同类型荧光探针标记病灶的病理学实时成像。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为图1中内窥镜探头的结构示意图;
图3为图1中微型传输装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的描述。所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而不应理解为对本发明的限制。
如图1所示,为本发明的一种深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统,所述系统包括:
激发源1,用于激发受检对象表面的荧光探针;
分光镜2,与所述激发源1连接,用于透射所述激发源1发射的激发光,以及反射所述荧光探针受激发后发出的发射光;
平面扫描装置3,与所述分光镜2连接,用于实现所述激发源1对受检对象表面的水平方向扫描;
前端物镜4,与所述平面扫描装置3连接,用于聚焦经所述平面扫描装置后的激发光;
微型传输装置5,一端与所述前段物镜4连接,用于传输所述激发源1发射的激发光,以及传输所述荧光探针受激发后发出的发射光;
内窥镜探头6,与所述微型传输装置5另一端连接,用于聚焦激发光于受检对象表面某一点,并收集该点荧光探针受激后发出的发射光;
滤波片组7,与所述分光镜2连接,用于滤除发射光中的杂散信号;
后端物镜8,与所述滤波片组7连接,用于收集并聚焦所述滤除杂散信号后的发射光;
空间共轭光阑9,与所述后端物镜8连接,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线;
成像单元10,与所述空间共轭光阑9连接,用于收集、存储和后处理所接收的发射光;
其中,所述激发源1、分光镜2以及所述平面扫描装置3设置于同一光轴上,具体是,所述激发源1发射的激发光经所述分光镜2透射后照射到平面扫描装置3中,激发光光线经所述平面扫描装置3选择出射点照射到所述前端物镜4中。
需要说明的是,所述激发源1为可调谐激光器11,其中,所述可调谐激光器11对激发光波长和强度进行调节,可用于不同类型荧光探针标记病灶的病理学的实时成像。
需要说明的是,所述平面扫描装置3中设有扫描震镜31,用于调节经扫描震镜31后光线的出射点位置,实现所述激发源1对受检对象表面的水平方向扫描。
需要说明的是,所述成像单元10包括探测器系统101与计算机系统102,其中,所述探测器系统101用于收集所述发射光;所述计算机系统102用于存储和后处理所述收集的发射光。
如图2、图3所示,所述内窥镜探头6包括:探头前管61,探头末端管62以及设置在所述探头前管61与探头末端管62之间的深度调节单元63,其中,所述探头前管61由粗管611,以及设置在所述粗管611后端的细管612构成,所述粗管611的前端连接于微型传输装置5,后端通过所述细管612连接于所述探头末端管62的前端,并穿入其内,所述探头末端管62可沿所述细管612往返移动,所述粗管611中设有成像透镜613;所述深度调节单元63包括形状记忆合金线631与压缩弹簧632,其中,所述形状记忆合金线631的两端与所述压缩弹簧632的两端连接,所述压缩弹簧632两端分别套接于所粗管611后端与所述探头末端管62的前端。
所述微型传输装置5包括光纤束51与形状记忆合金温度导线52,其中,所述光纤束51一端连接于所述粗管611的前端,所述形状记忆合金温度导线52与所述形状记忆合金线631连接,用于控制形状记忆合金线631的温度。
需要进一步说明的是,作为一种优选的方案,所述形状记忆合金温度导线连52接于靠近所述粗管611后端上的形状记忆合金线631。
为了有效传输,作为一种优选的方案,所述光纤束51为直径不大于2.6毫米,根数不少于1万根。
为了进一步减少外界干扰,作为一种优选的方案,所述空间共轭光阑9设有针孔准直器,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线。
为了进一步理解本发明,作为一种优选的实施方式,本发明实现如下:
使用时,可调谐激光器发射的激发光经分光镜透射后照射到扫描震镜,激发光光线经扫描震镜选择出射点照射到前端物镜中,前端物镜将经扫描震镜选择后出射的光线聚焦到微型传输装置中的某根光纤上,并传输至内窥镜探头中,内窥镜探头中的成像透镜接收并将激发光光线聚焦于受检物体某一深度层,并激发该深度层上的荧光探针,发出发射光,此时,便完成激发光的传输过程。
当反馈发射光时,发射光经内窥镜探头中的成像透镜聚焦于微型传输装置的传输光纤上,逆向经激发光光线的传输光路到达分光镜,发射光光线经分光镜反射到达滤波片组,滤除发射光中的杂散信号后传输到后端物镜,后端物镜将发射光光线聚焦到针孔准直器,并经针孔准直器传输到成像单元中的探测器系统,再经成像单元中的计算机系统后处理,获取受检对象在该深度层病灶的组织学和病理学实时影像,此时,便完成发射光的接收以及成像过程。
需要说明的是,通过与本发明系统匹配的软件控制可调节经扫描震镜后激发光光线的出射点位置,从而将激发光光线传递到不同的光纤上,实现同一深度层上聚焦平面的扫描成像。
进一步描述本发明调节深度时的过程,通过与本发明系统匹配的软件控制形状记忆合金温度导线,进而调控深度调节单元中的形状记忆合金线的温度,当形状记忆合金线的温度变化会造成其形状随温度变化而变化,从而带动探头末端管沿探头前管方向滑动,具体的说,由于探头末端管可沿细管往返移动,因此,当形状记忆合金线在受到温度变化而改变时将带动与其连接的压缩弹簧作压缩或延伸的运动,从而也同时带动套接在压缩弹簧上的探头末端管运动,此时,探头末端管将沿探头前管方向的滑动会,进而改变了成像透镜的物距,即改变成像透镜与受检对象聚焦层的距离,因此实现了受检对象不同深度层的组织学和病理学实时扫描成像。
对于本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及变形,而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.深度与强度可调式的探头激光共聚焦显微内窥镜系统,所述系统包括:激发源,用于激发受检对象表面的荧光探针;分光镜,与所述激发源连接,用于透射所述激发源发射的激发光,以及反射所述荧光探针受激发后发出的发射光;平面扫描装置,与所述分光镜连接,用于实现所述激发源对受检对象表面的水平方向扫描;前端物镜,与所述平面扫描装置连接,用于聚焦经所述平面扫描装置后的激发光;微型传输装置,一端与所述前端物镜连接,用于传输所述激发源发射的激发光,以及传输所述荧光探针受激发后发出的发射光;内窥镜探头,与所述微型传输装置另一端连接,用于聚焦激发光于受检对象表面某一点,并收集该点荧光探针受激后发出的发射光;滤波片组,与所述分光镜连接,用于滤除发射光中的杂散信号;后端物镜,与所述滤波片组连接,用于收集并聚焦所述滤除杂散信号后的发射光;空间共轭光阑,与所述后端物镜连接,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线;成像单元,与所述空间共轭光阑连接,用于收集、存储和后处理所接收的发射光;其中,所述激发源、分光镜以及所述平面扫描装置设置于同一光轴上,具体是,所述激发源发射的激发光经所述分光镜透射后照射到平面扫描装置中,激发光光线经所述平面扫描装置选择出射点照射到所述前端物镜中,其特征在于,所述内窥镜探头包括:探头前管,探头末端管以及设置在所述探头前管与探头末端管之间的深度调节单元,其中,所述探头前管由粗管,以及设置在所述粗管后端的细管构成,所述粗管的前端连接于微型传输装置,后端通过所述细管连接于所述探头末端管的前端,并穿入其内,所述探头末端管可沿所述细管往返移动;所述深度调节单元包括形状记忆合金线与压缩弹簧,其中,所述形状记忆合金线的两端与所述压缩弹簧的两端连接,所述压缩弹簧两端分别套接于所述粗管后端与所述探头末端管的前端;所述微型传输装置包括光纤束与形状记忆合金温度导线,其中,所述光纤束一端连接于所述粗管的前端,所述形状记忆合金温度导线与所述形状记忆合金线连接,用于控制形状记忆合金线的温度。
2.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述粗管中设有成像透镜。
3.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述光纤束为直径不大于2.6毫米,且其根数不少于1万根。
4.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述激发源为可调谐激光器,其中,所述可调谐激光器对激发光波长和强度进行调节,可用于不同类型荧光探针标记病灶的病理学的实时成像。
5.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述平面扫描装置中设有扫描震镜,用于调节经扫描震镜后光线的出射点位置,实现所述激发源对受检对象表面的水平方向扫描。
6.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述空间共轭光阑设有针孔准直器,用于阻挡受检对象焦平面以外的光线。
7.根据权利要求1所述的内窥镜系统,其特征在于,所述成像单元包括探测器系统与计算机系统,其中,所述探测器系统用于收集所述发射光;所述计算机系统用于存储和后处理所述收集的发射光。
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