CN103620458A - 光学探针 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学探针，即使测量具有高散射性的对象，光学探针也能进行低噪声的精密OCT测量。光学探针(20)设有：光纤(21)，其在近端(21a)和远端(21b)之间传送光；光学连接器(22)，其与光纤(21)的近端(21a)连接；聚焦光学系统(23)和偏转光学系统(24)，其与光纤(21)的远端(11b)连接；以及支撑管(25)和护套管(26)，其围绕光纤(21)并且沿光纤(21)延伸。光纤(21)包括：芯部区域(41)，其具有折射率n1；第一包层区域(42)，其围绕芯部区域并具有折射率n2；沟部区域(43)，其围绕第一包层区域并具有折射率n3；以及第二包层区域(44)，其围绕沟部区域并具有折射率n4。各折射率之间具有关系n1>n2>n3<n4。

Description

光学探针
技术领域
本发明涉及一种这样的光学探针：其用于通过利用光学相干断层成像（OCT）的方法测量诸如血管等具有管腔形状的对象的管腔的断层结构。
背景技术
美国专利No.6445939（专利文献1）描述了OCT作为用于测量具有管腔形状的对象的管腔的断层结构的方法，并且描述了插入到对象的管腔中并用于OCT测量的光学探针。在OCT测量中，与单模光纤的末端（远端）相连的渐变折射率光纤用作透镜，并且构造成具有大于1mm的工作距离和小于100μm的光点尺寸。因此，能够以小于100μm的空间分辨率光学地测量具有大于1mm内径的对象。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种这样的光学探针：即使测量具有高散射性的对象，所述光学探针也能进行低噪声的精密OCT测量。
技术方案
本发明的光学探针包括：光纤，其在近端和远端之间传送光；光学连接器，其与所述光纤的近端连接；聚焦光学系统，其具有与所述光纤的远端连接的一端，所述聚焦光学系统将从所述光纤的远端发射的光聚焦；偏转光学系统，其与所述光纤的远端光学地连接，所述偏转光学系统使从所述光纤的远端发射的光偏转；以及护套管，其围绕所述光纤，沿着所述光纤延伸，并且能够相对于所述光纤、所述光学连接器、所述聚焦光学系统以及所述偏转光学系统旋转。所述光纤包括：芯部区域，其含有中心轴线并具有折射率n1；第一包层区域，其围绕所述芯部区域并具有折射率n2；沟部区域，其围绕所述第一包层区域并具有折射率n3；以及第二包层区域，其围绕所述沟部区域并具有折射率n4。所述折射率之间具有关系n1>n2>n3<n4。所述偏转光学系统的一端可以与所述聚焦光学系统的另一端相连。作为选择，一端被倾斜地切割的GI透镜可以形成聚焦光学系统和偏转光学系统二者。
所述光学探针还可以包括支撑管，所述支撑管围绕所述光纤，沿着所述光纤延伸，布置在所述护套管的内侧，并且固定至所述光纤的至少一部分和所述光学连接器。所述支撑管可以具有由多个线状构件捻合而成的结构。所述支撑管可以优选地具有0.15mm以上的厚度和在100GPa至300GPa范围内的杨氏模量。所述光纤可以优选地构造成使得相对于1.26μm至1.625μm范围内的预定波长，由半径为5mm的弯曲所引起的基模的衰减低于1dB/圈，而由半径为140mm的弯曲所引起的LP11模的衰减高于10dB/m。
本发明的有益效果
利用本发明，即使测量具有高散射性的对象，也能进行低噪声的精密OCT测量。
附图说明
图1是示出包括根据比较例的光学探针的OCT仪器的概念图。
图2是示出包括根据实施例的光学探针的OCT仪器的概念图。
图3的区域（a）是示出用于根据实施例的光学探针的光纤的横截面结构的概念图。图3的区域（b）是示出光纤的折射率分布的概念图。
具体实施方式
下面，参考附图详细地描述用于实施本发明的实施例。需要注意的是，在对附图的描述中相同的元件采用相同的附图标记，并且省略重复的描述。此外，首先描述比较例，然后与比较例相比较地描述实施例。
在使用常规光学探针的OCT仪器中，如果要测量具有高散射性的对象，本发明人发现利用形成光学探针的光纤的高阶模可能会产生噪声，并且无法进行精确的测量。
图1是示出包括根据比较例的光学探针10的OCT仪器1的概念图。OCT仪器1包括光学探针10和测量部30，并且获取对象3的光学相干断层图像。光学探针10包括：光纤11，其在近端11a和远端11b之间传送光；光学连接器12，其与光纤11的近端11a连接；以及光学系统13，其与光纤11的远端11b连接。光学连接器12与测量部30光学地连接。
从测量部30输出的照明光通过光学连接器12入射到光纤11的近端11a，经由光纤11引导，从远端11b发射，并且通过光学系统13照射在对象3上。由照射在对象3上的照明光产生的后向反射光通过光学系统13入射到光纤11的远端11b，经由光纤11引导，从近端11a发射，并且通过光学连接器12而被测量部30探测到。测量部30通过分析后向反射光的相位来计算在对象3的各点处后向反射效率的分布，并基于所计算的分布获取对象3的断层图像。
从光纤11的远端11b发射的照明光到达对象3并再次返回到光纤11的远端11b的机制可以包括反射、折射和散射。然而，反射、折射和散射之间的差异不是本发明的要点，因此，为了简化说明，在本说明书中将反射、折射和散射统称为后向反射。
在OCT测量中，照明光以基模在光纤11的远端11b发射。如果对象3具有光散射特性，则在对象3处产生沿各个方向传播的后向反射光。在沿各个方向的后向反射光中，后向反射光的沿与照明光的传播方向成约180度（定量范围取决于探针顶端处的聚焦光学系统）的方向传播的分量与光纤11的基模耦合。测量部30探测后向散射光的该分量作为OCT信号。
相反，在对象3处产生的后向散射光中，形成一定角度（该角度相对于照明光的传播方向形成并且明显不同于180度）的光与光纤11的高阶模耦合。如果光纤11是理想的单模光纤，则光纤11不传送高阶模，并且不产生由高阶模引起的噪声。然而，在实际光纤的情况下，高阶模的衰减表现出单模特性。如果高阶模的衰减不够高，则相对于基模的幅值而言高阶模的幅值变得不可忽略，并且高阶模引起噪声。
ITU-T G.650.1（2004）中确定了单模的定义和光缆截止波长的定义。参考该资料，在长度为22m的光纤的长度为20m的中部缠绕成具有140mm的半径并且长度为1m的两端均以半径40mm缠绕一圈的状态下，如果LP11模的衰减比LP01基模的衰减高19.3dB，则将光纤定义为单模。此外，将提供单模的最小光波长定义为光缆截止波长。ITU-TG.652确定光缆截止波长在1.26μm以下的光纤为标准的单模光纤。该定义也被广泛应用在市场上。
然而，在OCT测量期间的实际使用中，光纤长度明显比22m的长度小。在OCT测量期间，通常以大约10μm的精度测量光程长度。由于光纤的折射率的温度依赖性通常为大约10-5/℃（G.B.Hocker,Applied Optics,Vol.18,No.9,pp.1445-1448（1979）），所以即使当长度为1m的光纤的温度改变1℃，也会产生大约10μm的光程长度的偏差，并且这不可忽略地影响光程长度的测量。因此，光纤的长度必须为几米或更小。在实际使用中，对于活组织的OCT测量，长度可以优选地在2m至3m的范围内，该长度是在测量部30和对象3之间传送光所需的最小长度。
如上所述，在用于OCT的光学探针的实际使用中，光纤长度小至截止波长的标准定义所期望的长度的约十分之一。由于这一点，光纤中的高阶模的衰减有可能减少。因此，即使光纤是根据定义的单模，在OCT测量期间的实际使用中，光纤也不可能经常按单模来操作。
为了避免该问题，必须选择并使用在用于OCT的光学探针的实际使用中按单模操作的单模光纤用作光纤11。然而，如果在单模特性中占主导地位的高阶模具有大的弯曲损耗，则基模也具有大的弯曲损耗。因此，在常规光学探针中使用的单模光纤中，如果在用于OCT的光学探针的实际使用中提供单模特性，则基模的弯曲损耗特性可能会增加。
测量部30中可能包括具有大约几米长度的单模光纤，并且有时包括高阶模滤波器。这些元件具有阻挡高阶模的作用。然而，光学探针在旋转接头处旋转，并且旋转接头实际上具有非零的轴向位移和非零的角位移。因此，在旋转接头处可能发生光学探针的高阶模与测量仪器处的光纤的基模之间的模耦合。在这种情况下，即使在测量部30中阻挡了高阶模，也不能限制由光学探针的高阶模引起的噪声。
图2是示出包括根据实施例的光学探针20的OCT仪器2的概念图。光学探针20包括可以在OCT测量期间限制高阶模噪声产生的光纤。光学探针20还可以减少可能由光纤产生的这种潜在风险。OCT仪器2包括光学探针20和测量部30，并且获取对象3的光学相干断层图像。光学探针20包括：光纤21，其在近端21a和远端21b之间传送光；光学连接器22，其与光纤21的近端21a连接；聚焦光学系统23和偏转光学系统24，其与光纤21的远端21b连接；以及支撑管25和护套管26，其围绕光纤21并且沿光纤21延伸。光学连接器22与测量部30光学地连接。
用作聚焦光学系统23的渐变折射率（GRIN）透镜和用作偏转光学系统24的反射镜在光纤21的远端21b利用熔接法相互串联。聚焦光学系统23将从光纤21的远端21b发射的光聚焦。偏转光学系统24使从聚焦光学系统23发射的光沿径向偏转。作为选择，一端被倾斜地切割的GI透镜可以形成聚焦光学系统23和偏转光学系统24二者。
光纤21被容纳在支撑管25的内腔中。支撑管25固定至光纤21的至少一部分和光学连接器22。因此，当光学连接器22旋转时，光纤21、聚焦光学系统23、偏转光学系统24和支撑管25一起旋转。光纤21、聚焦光学系统23、偏转光学系统24和支撑管25容纳在护套管26的内腔中，并且可以在护套管26中旋转。因此，能够防止由于旋转部分接触对象3而造成对象3的损坏。
图3的区域（a）是示出用在光学探针20中的光纤21的横截面结构的概念图。图3的区域（b）是示出光纤21的折射率分布的概念图。光纤21包括：芯部区域41，其含有中心轴线并具有折射率n1；第一包层区域42，其围绕芯部区域41并具有折射率n2；沟部区域43，其围绕第一包层区域42并具有折射率n3；第二包层区域44，其围绕沟部区域43并具有折射率n4；以及涂层45，其围绕第二包层区域44。在光纤21中，各区域的折射率之间具有关系n1>n2>n3<n4。
芯部区域41、第一包层区域42、沟部区域43和第二包层区域44的尺寸和折射率被调整为符合ITU-T G.657A或B的特性。此外，这些区域的尺寸和折射率均选择为使得当弯曲半径为140mm时，相对于1.26μm的波长，LP11模的衰减为10dB/m以上。
通常，由弯曲引起的衰减相对于波长单调增加。因此，相对于1.26μm以上的波长，光纤21的例如LP11模等高阶模具有足够高的衰减。如专利文献1所述，1.32μm的波长通常用在OCT测量中。因此，光纤21对于在OCT测量期间降低高阶模噪声而言是有效的。例如美国专利申请公开No.2009/0279835中披露了这种光纤21作为弯曲不敏感光纤（BIF光纤）。
此外，对于光纤21，在弯曲半径为5mm的情况下，对于1.625μm的波长，基模可以优选地具有低于1dB/圈的弯曲损耗。通常，由于由弯曲引起的衰减相对于波长单调增加，所以利用该光纤21，基模的弯曲损耗在波长小于1.625μm波长的情况下较小。因此，光学探针20可以经由曲率半径为大约5mm的管腔部分（类似于血管的分支部分）到达对象3，并且可以执行OCT测量。利用该效果和LP11模的弯曲损耗特性，提供了如下光学探针20，即，在1.26μm波长和1.625μm波长之间具有小的高阶模噪声，并且适用于具有弯曲的管腔。该波长带适合于活组织的OCT测量，这是因为活组织的光散射系数和水的光吸收都较小。
然而，如果光纤以小于5mm的曲率半径弯曲，则弯曲引起的变形可能会增加光纤损坏的风险。在用于常规光学探针的单模光纤中，如果产生可能导致光纤的破裂风险的弯曲，则弯曲损耗会增加。因此，OCT的操作者或测量仪器可以检测到严重弯曲的产生，并避免这种弯曲。然而，由于光纤21具有低的弯曲损耗，所以难以检测到和避免严重弯曲的产生，并且进一步增加了光纤21的破裂风险。
因此，如图2所示，光纤21可以优选地容纳在支撑管25的内腔中。支撑管可以优选地具有0.15mm以上的厚度和与不锈钢的杨氏模量类似的在100GPa至300GPa范围内的杨氏模量。支撑管25可以不必沿圆周方向相连。支撑管25可以具有由大约5至20根线捻合而成的结构，以调整柔性。因此，可以防止向光学探针20施加可能增大光纤21的破裂风险的小弯曲。美国专利申请公开No.2002/0151823披露了这种支撑管25。
支撑管25固定至光学连接器22，并且固定至光纤21的至少一部分。因此，当光学连接器22旋转时，支撑管25一起旋转，并且旋转扭矩传递到光纤21上。因此，与只有光纤21旋转的情形相比，施加给光纤21的扭矩减小，并且可以防止光纤21由于扭矩而破裂。
用作聚焦光学系统23的GRIN透镜具有如下的折射率分布：在垂直于轴线的横截面上折射率从中心向外围边缘减小。此外，用作偏转光学系统24的反射镜具有相对于光轴成大约45度角的反射面。因此，光纤21的基模聚焦成使得光束腰从远端21b沿径向偏移预定距离。专利文献1中披露了上述透镜和反射镜的构造。

Claims (6)

1.一种光学探针，包括：
光纤，其在近端和远端之间传送光，所述光纤包括：芯部区域，其含有中心轴线并具有折射率n1；第一包层区域，其围绕所述芯部区域并具有折射率n2；沟部区域，其围绕所述第一包层区域并具有折射率n3；以及第二包层区域，其围绕所述沟部区域并具有折射率n4，所述折射率之间具有关系n1>n2>n3<n4；
光学连接器，其与所述光纤的近端连接；
聚焦光学系统，其具有与所述光纤的远端连接的一端，并且将从所述光纤的远端发射的光聚焦；
偏转光学系统，其与所述光纤的远端光学地连接，并且使从所述光纤的远端发射的光偏转；以及
护套管，其围绕所述光纤，沿着所述光纤延伸，并且能够相对于所述光纤、所述光学连接器、所述聚焦光学系统以及所述偏转光学系统旋转。
2.根据权利要求1所述的光学探针，其中，所述偏转光学系统的一端与所述聚焦光学系统的另一端相连。
3.根据权利要求1所述的光学探针，还包括支撑管，所述支撑管围绕所述光纤，沿着所述光纤延伸，布置在所述护套管的内侧，并且固定至所述光纤的至少一部分和所述光学连接器。
4.根据权利要求3所述的光学探针，其中，所述支撑管具有由多个线状构件捻合而成的结构。
5.根据权利要求3所述的光学探针，其中，所述支撑管具有0.15mm以上的厚度和在100GPa至300GPa范围内的杨氏模量。
6.根据权利要求1所述的光学探针，其中，所述光纤构造成使得相对于1.26μm至1.625μm范围内的预定波长，由半径为5mm的弯曲所引起的基模的衰减低于1dB/圈，而由半径为140mm的弯曲所引起的LP11模的衰减高于10dB/m。
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