CN103462645A

CN103462645A - 前视光声内窥镜

Info

Publication number: CN103462645A
Application number: CN2012101865828A
Authority: CN
Inventors: 宋亮; 白晓淞
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN103462645B

Abstract

本发明涉及一种前视光声内窥镜，主要用于正对目标组织的端面进行内窥成像，其包括控制系统、激光光源、光路系统、扫描控制系统、数据采集系统、图像重建系统及显示系统。该前视光声内窥镜通过聚焦激光对正对的目标组织端面进行逐点扫描，探测目标组织吸收激光后产生的超声波信号（光声信号），进行分析处理成像，由于生物组织的光吸收特性与生理功能变化密切相关，因此，该光声内窥镜可以较为准确的反应目标组织的图像特性，具有较高的图像分辨率、对比度和灵敏度，能有效将传统的光声内窥成像的分辨率提高10～100倍，具有较好的光学分辨效果。

Description

前视光声内窥镜

技术领域

本发明涉及生物医疗器械领域，尤其涉及一种前视光声内窥镜。

背景技术

内窥成像作为一种无创成像方法，被广泛应用于生物医学和临床诊断的众多领域，内窥镜有效延长了人类视线，能准确观察生物组织表面和（或）内部的特征。

传统常用的内窥镜主要有光学类、超声类两种。光学内窥镜通过CCD只能对内部生物组织的表面成像，无法观察到表皮以下的组织情况，在一定程度上局限了其疾病诊断能力。新型的光学内窥镜，如OCT内窥镜，可以通过聚焦光束对消化道或冠状动脉的剖面成像，而且具有很高的分辨率，但是由于其只能使用未经过组织散射或只经过少数几次散射的弹道光子成像，其成像深度仅为1毫米左右，不能完全满足临床需要。更重要的是，OCT内窥镜无法直接区分被散射光子与被吸收光子，因而无法高灵敏度的直接探测到与光吸收密切相关的血氧含量、氧代谢等重要生理参数。超声内窥镜镜利用声学在组织中具有很大的穿透深度，可以实现数厘米深组织的成像，但它存在成像分辨率较低、软组织对比度不高、无法反映生理功能变化等局限。相比于侧视内窥镜能提供内腔侧向截面图像，前视内窥镜能对官腔中心区域成像，例如官腔狭窄等病理检测，同时在扫描成像过程中不需移动整个探头；在探头插入官腔过程中，前视内窥镜能够为医护人员提供一个前向区域（或体积）视场，能观察到在向目标组织移动过程中的障碍物，并且能获得距离目标组织不同位置的图像，从而得到最优的病理特性；前视内窥镜还能用于引导治疗，例如用于粥样斑块切除等治疗过程的图像引导。

发明内容

基于此，针对传统的内窥镜成像分辨率不高、成像深度较低且对端面扫描操作复杂等问题，有必要提供一种具有较高成像分辨率及成像深度的用于端面扫描的前视光声内窥镜。

一种前视光声内窥镜，用于对正对的目标组织的端面进行内窥成像，其特征在于，包括控制系统、激光光源、光路系统、扫描控制系统、内窥镜探头、数据采集系统、图像重建系统及显示系统，所述控制系统控制所述激光光源、所述扫描控制系统、所述数据采集系统、所述图像重建系统及所述显示系统；所述激光光源发射的激光通过所述光路系统进入所述内窥镜探头，所述扫描控制系统控制激光对目标组织进行二维扫描，所述内窥镜探头将激光聚焦后投射到目标组织并接收目标组织受激光激发产生的光声信号，所述数据采集系统将所述光声信号储存并传输至所述图像重建系统，所述图像重建系统接收所述光声信号并将所述光声信号转换为图像信号，所述显示系统接收所述图像重建系统发送的图像信号进行目标组织的光声图像显示。

在其中一个实施例中，所述激光光源为脉冲激光光源或幅度调制的连续激光光源，所述激光光源发射的激光的波长范围为400~2500nm。

在其中一个实施例中，还包括光电探测器；所述光路系统包括依次设置的光阑、聚光透镜、挡光片、衰减片、光纤耦合器、光纤分束器及单模光纤；所述挡光片的中部设有小孔，所述光阑、所述聚光透镜、所述小孔、所述衰减片及所述光纤耦合器共轴设置；所述光纤耦合器传输的激光信号经过所述光纤分束器分成两束分别进入所述光电探测器生成参考信号和所述扫描控制系统进行目标组织的内窥成像扫描；所述单模光纤包裹在光纤导管中。

在其中一个实施例中，所述扫描控制系统包括轴向移动装置；所述内窥镜探头与所述光纤导管的端部连接；所述轴向移动装置套设在所述光纤导管上，控制所述内窥镜探头在所述单模光纤的轴向移动，经过所述光纤分束器的激光的其中一束进入所述内窥镜探头对目标组织进行内窥成像扫描。

在其中一个实施例中，所述内窥镜探头包括固定组件、PZT扫描电机、聚焦组件及超声换能器；所述固定组件包括刚性导管及封装件；所述封装件设在所述刚性导管的一端且密封该端，且所述封装件与所述光纤导管垂直连接；所述PZT扫描电机固定在所述封装件上，且位于所述刚性导管内；所述单模光纤穿过所述封装件进入所述刚性导管内，由所述PZT扫描电机控制作面扫描；所述超声换能器设在所述刚性导管的另一端且封住该端，所述超声换能器的中部开设通孔，所述聚焦组件设在所述通孔位置且由所述通孔的内壁固定；所述单模光纤中传输的激光通过所述聚焦组件聚焦后出射至目标组织中，所述目标组织受所述激光激发而产生的超声波信号进入所述超声换能器转换成超声电信号而被所述数据采集系统接收。

在其中一个实施例中，还包括光电探测器；所述光路系统包括光阑、第一聚光透镜、挡光片、第二聚光透镜、反光镜、分光镜、第三聚光透镜、二维扫描装置、显微物镜及光纤束，所述激光光源发出的激光依次通过所述光阑、所述第一聚光透镜、所述挡光片及所述第二聚光透镜后由所述反光镜反射后经所述分光镜分成两束，其中一束通过所述第三聚光透镜后进入所述光电探测器生成参考信号，另一束通过二维扫描装置后再由所述显微物镜聚光后进入所述光纤束；所述光纤束包裹在光纤导管中，包括多个平行设置的单模光纤。

在其中一个实施例中，所述二维扫描装置包括两个反射片，来自所述第三聚光透镜中的激光依次经两个反射片反射后进入所述显微物镜；所述扫描控制系统控制所述反射片的反射角度将激光光束从不同角度输出再由所述显微物镜聚光后导入至所述光纤束的不同单模光纤中，从而在所述光纤束的端面的不同位置进入内窥镜探头。

在其中一个实施例中，所述内窥镜探头包括聚焦组件及超声换能器，所述超声换能器为中部设有通孔的柱状体，所述光纤导管与所述超声换能器的一端固接，所述光纤束部分插入所述通孔中，所述聚焦组件设在所述通孔中且由所述通孔的孔壁固定；来自所述光纤束中不同单模光纤传输的激光经所述聚焦组件聚焦后出射至目标组织中进行二维的内窥成像扫描，所述目标组织受所述激光激发而产生的超声波信号进入所述超声换能器转换成超声电信号而被所述数据采集系统接收。

在其中一个实施例中，所述聚焦组件为自聚焦透镜、单透镜或透镜组。

上述前视光声内窥镜可以直接探测正对的目标组织的端面吸收激光后产生的超声波信号（光声信号），操作简便，通过对接收的光声信号进行分析处理成像，由于生物组织的光吸收特性与生理功能变化密切相关，因此，该前视光声内窥镜可以较为准确的反应目标组织的图像特性，具有较高的图像分辨率、对比度和灵敏度，能有效将传统的光声内窥成像的分辨率提高10~100倍，具有较好的光学分辨效果。

附图说明

图1为一实施方式的前视光声内窥镜的模块结构示意图；

图2为实施例1中的光路系统示意图；

图3为实施例1中的内窥镜探头的结构示意图；

图4为实施例2中的光路系统示意图；

图5为实施例2中的内窥镜探头的结构示意图。

具体实施方式

下面主要结合附图及具体实施例对前视光声内窥镜作进一步详细的说明。

如图1所示，一实施方式的前视光声内窥镜100，主要用于对正对的目标组织的端面10进行内窥成像，其包括控制系统110、激光光源120、光路系统130、内窥镜探头140、扫描控制系统150、数据采集系统160、图像重建系统170及显示系统180。

控制系统110用于控制激光光源120、扫描控制系统140、数据采集系统160、图像重建系统170及显示系统180执行相应的功能。

激光光源120为脉冲激光光源或幅度调制的连续激光光源。激光光源120发射的激光的波长范围为400~2500nm。

激光光源120发射的激光通过光路系统130进入内窥镜探头140。内窥镜探头140将激光聚焦后投射到目标组织中。扫描控制系统150控制激光对目标组织进行二维扫描。数据采集系统160接收目标组织受激光激发产生的光声信号并将光声信号传输至图像重建系统170。图像重建系统170对接收的光声信号进行分析处理、图像重建而转换成显示系统180可显示的图像信号。显示系统180用于显示目标组织的光声图像。

以下为光路系统及内窥镜探头的具体实施例部分。

实施例1

请结合图2和图3，在本实施例中，光路系统230包括依次设置的光阑231、聚光透镜232、挡光片233、衰减片234、光纤耦合器235、光纤分束器236、光电探测器237及单模光纤238。挡光片233的中部设有小孔。光阑231、聚光透镜232、小孔、衰减片234及光纤耦合器235共轴设置。控制系统110控制激光光源120发射脉冲激光，经过光阑231控制光束后由聚光透镜232将光束汇聚到小孔，经过小孔滤波后再由衰减片234衰减后进入光纤耦合器235将激光耦合进入光纤分束器236。由光纤分束器236出射的一部分激光到达光电探测器237作为参考信号，另一部分到达内窥镜探头240中，经过内窥镜探头240的聚焦再出射到目标组织中。

单模光纤238包裹在光纤导管239中。

内窥镜探头240与光纤导管239的端部连接。

扫描控制系统150为一套设在光纤导管239上的轴向移动装置，可以控制内窥镜探头240沿单模光纤238的轴向移动。

经过光纤分束器236的激光的其中一束进入内窥镜探头240对目标组织进行内窥成像扫描。

在本实施例中，内窥镜探头240包括固定组件、PZT扫描电机243、聚焦组件244及超声换能器245。固定组件包括刚性导管246及封装件247。封装件247设在刚性导管246的一端且密封该端，且封装件247与光纤导管239的端部垂直连接。PZT扫描电机243固定在封装件247上，且位于刚性导管246内。单模光纤238穿过封装件247进入刚性导管246内，由PZT扫描电机243控制作面扫描。超声换能器245设在刚性导管246的另一端且封住该端。超声换能器245的中部开设通孔（未标示）。聚焦组件244设在通孔位置且由通孔的内壁固定。

超声换能器245的主频在1MHz~100MHz之间。整个内窥镜探头240的直径为0.5mm，在其他实施例中，内窥镜探头的240的尺寸可以在0.5~20mm之间，根据待测的目标组织官腔的内径而不同。

单模光纤238中传输的激光通过聚焦组件244聚焦后出射至目标组织中，目标组织受激光激发而产生的超声波信号进入超声换能器245转换成超声电信号而被数据采集系统接收。

PZT扫描电机243的导线及超声换能器245的导线包裹在光纤导管239内。

此外，本实施例的前视内窥镜100还包括前置放大器（图未示），前置放大器将内窥镜探头240采集的光声信号进行放大处理，再传输给数据采集系统160。

实施例2

请结合图4和图5，光路系统330包括光阑331、第一聚光透镜332、挡光片333、第二聚光透镜334、反光镜335、分光镜336、第三聚光透镜337、二维扫描装置350、显微物镜338及光纤束339。激光光源120发出的激光依次通过光阑331、第一聚光透镜332、挡光片333及第二聚光透镜334后由反光镜335反射后经分光镜336分成两束，其中一束通过第三聚光透镜337后进入光电探测器380生成参考信号，另一束通过二维扫描装置350后再由显微物镜338聚光后进入光纤束339。光纤束339包裹在光纤导管（未标示）中，光纤束339包括多个平行设置的单模光纤。

二维扫描装置350包括两个反射片351、352，来自第三聚光透镜337中的激光依次经两个反射片351、352反射后进入显微物镜338。扫描控制系统150控制反射片351、352的反射角度（图中弧形双向箭头表示偏转方向）将激光光束从不同角度输出再由显微物镜338聚光后导入至光纤束339的不同单模光纤中，从而在光纤束的端面的不同位置进入内窥镜探头340。

在本实施例中，内窥镜探头340包括刚性导管342、聚焦组件343及超声换能器344。聚焦组件343及超声换能器344包裹在刚性导管342中。超声换能器344为中部设有通孔的柱状体。光纤导管321与超声换能器344的一端固接，光纤束339部分插入通孔中。聚焦组件343设在通孔中且由通孔的孔壁固定。光纤束339传输的激光经聚焦组件343聚焦后出射至目标组织中，目标组织受激光激发而产生的超声波信号（光声信号）进入超声换能器344转换成超声电信号而被数据采集系统160接收。

超声换能器的主频在1MHz~100MHz之间。整个内窥镜探头340的直径为10mm，在其他实施例中，内窥镜探头的340的尺寸可以在0.5~20mm之间，根据待测的目标组织官腔的内径而不同。

上述实施例中的聚焦组件可以为自聚焦透镜、单透镜或透镜组。

该前视光声内窥镜100通过探测正对的目标组织吸收激光后产生的超声波信号（光声信号），进行分析处理成像，由于生物组织的光吸收特性与生理功能变化密切相关，因此，该前视光声内窥镜100可以较为准确的反应目标组织的图像特性，具有较高的图像分辨率、对比度和灵敏度，能有效将传统的光声内窥成像的分辨率提高10~100倍，具有较好的光学分辨效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种前视光声内窥镜，用于对正对的目标组织的端面进行内窥成像，其特征在于，包括控制系统、激光光源、光路系统、扫描控制系统、内窥镜探头、数据采集系统、图像重建系统及显示系统，所述控制系统控制所述激光光源、所述扫描控制系统、所述数据采集系统、所述图像重建系统及所述显示系统；所述激光光源发射的激光通过所述光路系统进入所述内窥镜探头，所述扫描控制系统控制激光对目标组织进行二维扫描，所述内窥镜探头将激光聚焦后投射到目标组织并接收目标组织受激光激发产生的光声信号，所述数据采集系统将所述光声信号储存并传输至所述图像重建系统，所述图像重建系统接收所述光声信号并将所述光声信号转换为图像信号，所述显示系统接收所述图像重建系统发送的图像信号进行目标组织的光声图像显示。

2.如权利要求1所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述激光光源为脉冲激光光源或幅度调制的连续激光光源，所述激光光源发射的激光的波长范围为400~2500nm。

3.如权利要求1所述的前视光声内窥镜，其特征在于，还包括光电探测器；所述光路系统包括依次设置的光阑、聚光透镜、挡光片、衰减片、光纤耦合器、光纤分束器及单模光纤；所述挡光片的中部设有小孔，所述光阑、所述聚光透镜、所述小孔、所述衰减片及所述光纤耦合器共轴设置；所述光纤耦合器传输的激光信号经过所述光纤分束器分成两束分别进入所述光电探测器生成参考信号和所述扫描控制系统进行目标组织的内窥成像扫描；所述单模光纤包裹在光纤导管中。

4.如权利要求3所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述扫描控制系统为一轴向移动装置；所述内窥镜探头与所述光纤导管的端部连接；所述轴向移动装置套设在所述光纤导管上，控制所述内窥镜探头在所述单模光纤的轴向移动，经过所述光纤分束器的激光的其中一束进入所述内窥镜探头对目标组织进行内窥成像扫描。

5.如权利要求4所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述内窥镜探头包括固定组件、PZT扫描电机、聚焦组件及超声换能器；所述固定组件包括刚性导管及封装件；所述封装件设在所述刚性导管的一端且密封该端，且所述封装件与所述光纤导管垂直连接；所述PZT扫描电机固定在所述封装件上，且位于所述刚性导管内；所述单模光纤穿过所述封装件进入所述刚性导管内，由所述PZT扫描电机控制作面扫描；所述超声换能器设在所述刚性导管的另一端且封住该端，所述超声换能器的中部开设通孔，所述聚焦组件设在所述通孔位置且由所述通孔的内壁固定；

所述单模光纤中传输的激光通过所述聚焦组件聚焦后出射至目标组织中，所述目标组织受所述激光激发而产生的超声波信号进入所述超声换能器转换成超声电信号而被所述数据采集系统接收。

6.如权利要求1所述的前视光声内窥镜，其特征在于，还包括光电探测器；所述光路系统包括光阑、第一聚光透镜、挡光片、第二聚光透镜、反光镜、分光镜、第三聚光透镜、二维扫描装置、显微物镜及光纤束，所述激光光源发出的激光依次通过所述光阑、所述第一聚光透镜、所述挡光片及所述第二聚光透镜后由所述反光镜反射后经所述分光镜分成两束，其中一束通过所述第三聚光透镜后进入所述光电探测器生成参考信号，另一束通过二维扫描装置后再由所述显微物镜聚光后进入所述光纤束；所述光纤束包裹在光纤导管中，包括多个平行设置的单模光纤。

7.如权利要求6所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述二维扫描装置包括两个反射片，来自所述第三聚光透镜中的激光依次经两个反射片反射后进入所述显微物镜；所述扫描控制系统控制所述反射片的反射角度将激光光束从不同角度输出再由所述显微物镜聚光后导入至所述光纤束的不同单模光纤中，从而在所述光纤束的端面的不同位置进入内窥镜探头。

8.如权利要求7所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述内窥镜探头包括聚焦组件及超声换能器，所述超声换能器为中部设有通孔的柱状体，所述光纤导管与所述超声换能器的一端固接，所述光纤束部分插入所述通孔中，所述聚焦组件设在所述通孔中且由所述通孔的孔壁固定；

来自所述光纤束中不同单模光纤传输的激光经所述聚焦组件聚焦后出射至目标组织中进行二维的内窥成像扫描，所述目标组织受所述激光激发而产生的超声波信号进入所述超声换能器转换成超声电信号而被所述数据采集系统接收。

9.如权利要求5或8所述的前视光声内窥镜，其特征在于，所述聚焦组件为自聚焦透镜、单透镜或透镜组。