CN103876701B - 光纤式穿透影像撷取方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种光纤式穿透影像撷取方法及其装置。光纤式穿透影像撷取装置包含一光纤、一光学旋转模块、一外管、一进气口及一出气口，其中光学旋转模块位于光纤的一端，外管包覆或固定光纤及光学旋转模块，进气口及出气口位于外管。光学旋转模块包含一光路选择器安装于一转子，转子具一扇叶。通过输入不同预设波段的光线，于光路选择器进行前向扫描路径或侧向扫描路径，或同时进行前向及侧向扫描路径；再以进气口对扇叶送气使转子带动光路选择器及其前向与侧向扫描路径旋转，收集照射至待测样品的散射光，可完成对待测样品所进行的前向及侧向影像的扫描及撷取。
Description
技术领域
本发明是有关于一种影像撷取方法及其装置，且特别是有关于一种同时具备前向扫描及侧向扫描的光纤式穿透影像撷取方法及其装置。
背景技术
内视镜、光学同调断层扫描（opticalcoherencetomography，OCT）或显微镜的探头，都需要体积小并且最好是非接触式的扫描探头。光纤式探头以光学方式进行，正具备了这些优点。
然而现有的光纤式探头几乎都只能作侧向扫描，有极少数可以做前向扫描，却仅限于前向扫描而无法兼顾侧向。这些单向扫描设计在扫描时，都有其缺点，以光学同调断层扫描光纤探头为例说明如下：
对于侧向扫描的光学同调断层扫描光纤探头，由于只能得知侧向信息，无法得知前向信息，因此在进行扫描时，通常必须将探头伸入足够深度，再将探头往回拉，以螺线方式进行组织的扫描，以配合光学侧向扫描。但由于无法得到前向信息，因此医学使用上仍有其风险与盲点；又因为系统扫描反射面的中心距探头末端通常仍有数毫米，使用上探头末端必须比扫描位置更前进数毫米，使得某些应用场合并不适用。
对于已知前向扫描设计的探头，则由于无法得知侧向信息，所以当需要进行侧向扫描时，必须将探头抽回，更换为侧向扫描探头以进行侧向扫描。这种使用方式并不理想，既耗费操作时间更增加系统成本。
发明内容
因此，本发明提供一种光纤式穿透影像撷取方法，包括选择预设波段的一光线，依据光线的不同波段，使光线可进行一前向扫描路径、一侧向扫描路径或同时进行前向扫描路径及侧向扫描路径。旋转前向扫描路径、侧向扫描路径或同时旋转前向扫描路径及侧向扫描路径，光线照射一待测样品，再收集待测样品的散射光，此收集的散射光可经后端影像处理产生待测样品深度影像，由前向扫描路径的散射光产生前向扫描的待测样品深度影像，由侧向扫描路径的散射光则可产生侧向扫描的待测样品深度影像。
依据本发明一实施方式，上述前向扫描路径可为光线经光路选择器折射而产生，侧向扫描路径可为光线经光路选择器反射而产生；同时进行前向扫描路径及侧向扫描路径则可为光线同时经光路选择器的折射与反射而产生。
本发明亦提供一种光纤式穿透影像撷取装置，包括一光纤，一光学旋转模块位于光纤的一端，光学旋转模块具有一光前出部及一光侧出部，及一外管包覆或固定光纤及光学旋转模块，外管具一进气口及一出气口。其中光学旋转模块包含一定子及一转子枢设于定子，转子具有一扇叶，一光路选择器安装于转子上，光路选择器具有一前向扫描路径及一侧向扫描路径。通过进气口，可对扇叶送气，使转子旋转，通过出气口可排出进气口所送入的气体。
依据本发明的一实施方式，上述光纤可为单模光纤，光路选择器可为一可透光、具有分光镀膜的平板，且平板两面夹角小于或等于10度，使得对于一波段的光线可经折射而通过平板，产生前向扫描路径，对于另一波段的光线则经反射而产生侧向扫描路径。此外还可具有一聚焦光学模块，位于光纤与光路选择器之间，以消除色差。
依据本发明的另一实施方式，除上述实施方式外，还可于光路选择器外围定位有一线圈组，设一磁极于光路选择器的端面。其中线圈组可定位于光学旋转模块与外管之间，也可定位于光路选择器与转子之间，只要位于光路选择器外围即可。当线圈通以电流时，所产生磁场可带动磁极旋转至一倾斜角度，通过控制不同大小的电流，可控制光路选择器的倾斜角度，进而控制光路选择器的折射角度。
当进行前向扫描时，输入相对应光路选择器会产生折射的波段的光线，于平板光路选择器产生折射，因光线遵循司乃尔定律(Snell’slaw)，所以光线穿透平板时的出射角度与原入射角度相同而平移一位移量；因此以进气口送气使转子与光路选择器旋转时，可得一前向扫描的圆形路径信息。再以线圈通以电流控制光路选择器旋转，因司乃尔定律，所以当光路选择器相对于入射的光线处于不同角度时，折射会产生不同的位移量，即不同半径大小的前向扫描圆形路径。以依照本实施方式的光纤式穿透影像撷取装置做为光学同调断层扫描探头，因光学同调断层扫描具深度方向解析功能，所以可得一前向扫描的柱状扫描信息。
当进行侧向扫描时，输入另一相对应光路选择器会产生反射的波段的光线，于平板的光路选择器产生反射，光路选择器角度相对于转子可维持固定，以进气口送气使转子与光路选择器旋转，获得一侧向扫描的圆形路径扫描信息；接着可将依照本实施方式的装置整体进行前后移动，得一侧向扫描的圆柱面信息。若以依照本实施方式的光纤式穿透影像撷取装置做为光学同调断层扫描探头，因光学同调断层扫描具深度方向解析功能，所以可得一侧向扫描的中空柱状扫描信息。
当同时进行前向及侧向扫描时，则同时输入一相对应光路选择器会产生折射波段的光线及一相对应光路选择器会产生反射波段的光线，因依照本实施方式的光纤式穿透影像撷取装置同时具有光前出部及光侧出部，所以通过上述本实施方式进行前向扫描及进行侧向扫描的相同原理，可同时进行前向扫描及侧向扫描。
综合上述，应用本发明的光纤式穿透影像撷取装置的探头的优点在于可使用单一探头即可撷取前向及侧向扫描信息，以供后端影像处理产生深度影像。探头末端毋需比扫描位置更前进即可撷取前方信息，且需要侧向信息时也毋需更换探头，使用同一探头即可达成前向扫描及侧向扫描，不仅节省操作时间，更简化系统设备。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是绘示依照本发明一方法的一实施方式的光纤式穿透影像撷取方法的流程图；
图2是绘示依照本发明一方法的另一实施方式的光纤式穿透影像撷取方法的流程图；
图3是绘示光线经一平行平板折射而产生位移量D的示意图；
图4是绘示光线经一非平行板折射而产生位移量D的示意图；
图5是绘示依照本发明一装置的一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图；
图6是绘示依照本发明一装置的另一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图；
图7是绘示依照本发明一装置的又一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图。
具体实施方式
请参照图1，其绘示依照本发明一方法的一实施方式的光纤式穿透影像撷取方法的流程图。输入步骤910为选择并输入一预设波段光线，光路选择步骤920分离所输入光线，使符合前向扫描波段光线进行一前向扫描路径，符合侧向扫描波段光线则进行一侧向扫描路径，旋转步骤930旋转前述的前向扫描路径及侧向扫描路径，照射步骤940使光线照射至一待测样品，收集步骤950收集待测样品的散射光；后端可再连结影像处理系统，利用所收集散射光产生深度组织影像。
请参照图2，其绘示依照本发明一方法的另一实施方式的光纤式穿透影像撷取方法的流程图，主要在图1的实施方式外更详细说明并且还增加步骤911使光线聚焦，又增加反复步骤960，使所完成的前向扫描及侧向扫描能更完整。输入步骤910为选择一预设波段光线并输入，步骤911将光线聚焦；光路选择步骤920包含步骤921至925，步骤921依据所输入聚焦光线的不同波段分离光线，步骤922使得符合折射波段的光线可继续进行步骤924使符合折射波段的光线以折射进行前向扫描路径；步骤923依据所输入聚焦光线的不同波段分离光线，步骤923使得符合反射波段的光线可继续进行步骤925使符合反射波段的光线以反射进行侧向扫描路径。步骤924及步骤925的后，接着进行旋转步骤930旋转前述的前向扫描路径及侧向扫描路径，照射步骤940光线照射至待测样品，收集步骤950收集待测样品散射光。反复步骤960决定是否继续进行扫描，此步骤可由已设定好的系统判断，亦可由操作者视情况决定，反复步骤960包含步骤961决定是否继续进行前向扫描，若是则进行步骤963设定前向扫描半径，步骤963可通过设定折射角度达成，接着回到步骤924进行另一回的前向扫描路径；反复步骤960也包含步骤962决定是否继续进行侧向扫描，若是则进行步骤964设定并移动所在位置，接着回到步骤925进行另一回的侧向扫描路径。若步骤961及步骤962决定为否，则步骤970表示完成这一轮的扫描，可传回所收集的待测样品散射光，再经后端影像处理系统可产生深度影像。
请参照图3，其绘示光线经一厚度T且折射系数N的平行板432折射而产生位移量D示意图，其中平行板432为其二面互相平行的平板。假设光线是走折射路径，光线以一入射角为θ10入射平行板432的一面后，因光线遵循司乃尔定律，折射角θ20为sin-1(sin(θ1)/N)，又通常折射系数N大于1，所以折射角θ20小于入射角θ10。当光线继续前进最后出射平行板432的另一面时，光线再次折射，因光线遵循司乃尔定律，出射角度θ30大小再度等同于入射角θ10大小。意即出射光与入射光平行。而因过程中经折射，所以出射光与入射光之间会产生一位移量D，位移量D可以数学式表示为：
D=T*sin(θ10)-T*(1/N)*(tan(θ10)-1/(1-sin2(θ10)/N2)1/2)。
当平行板432厚度T为1毫米，折射系数N为1.5，入射角θ10为45度，则可知位移量D约为0.329毫米。当入射角θ10为46度，则位移量D约为0.340毫米。
请参照图4，其绘示光线经一非平行板431折射而产生位移量D的示意图，其中非平行板431为其二面具有一夹角P的平板，又光线遵循述司乃尔定律，光线以一入射角θ11进入非平行板431的一面后，折射产生一折射角θ21，再折射以一出射角度θ31出射此非平行板431的另一面，所以出射光与入射光之间也可产生一位移量D，但因出射角度θ31不等于入射角θ11，使得位移量D并非定值，会造成光学像差或影像扭曲。但是当此二面夹角P为介于0至10度时，通常光学像差品质仍可接受。
请参照图5，其绘示依照本发明一装置的一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图。包括一单模光纤100用来传输光学能量及信号，及一光纤套管200以强化与固定此单模光纤100，当光源包含波段L1及波段L2的光线耦合进单模光纤100时，单模光纤100会将光线沿单模光纤100传递，最后由单模光纤100另一端出射，然后入射一聚焦光学模块300。光线通过聚焦光学模块300后，成为聚焦光线，接着沿一光线入射轴向110入射光学旋转模块400。其中聚焦光学模块300为一聚焦透镜组。
其中光学旋转模块400具有一光前出部410及一光侧出部420，光前出部410位于此光学旋转模块400相对于光线入射的另一侧，为一个可以让光线通过的开口区域，使得此光纤式穿透影像撷取装置可以进行一前向扫描路径500；光侧出部420则位于此光学旋转模块400的侧向，为一个可以让光线通过的开口区域，使得此光纤式穿透影像撷取装置可以进行一侧向扫描路径600。光学旋转模块400包含一光路选择器平板430、一转子440及一定子450。光路选择器平板430利用一固定轴460与转子440结合，定子450则固定于一外管700，外管700包覆单模光纤100及光学旋转模块400。其中光路选择器平板430可采用如图3所绘示的平行板432或如图4所绘示的非平行板431。
于是本实施方式能提供前向扫描路径及侧向扫描路径的原理如下：依照本实施方式的一实施例，可以光路选择器平板430做为光路选择器，于光路选择器平板430表面镀有分光薄膜，使得波段L1光线穿透，而波段L2光线反射。当光线入射光学旋转模块400，首先进入光路选择器平板430，由司乃尔定律及图3及图4所示原理可知，此波段L1聚焦光线通过光路选择器平板430后可产生一位移量D。若此光学旋转模块400绕光线入射轴向110旋转，则此位移量D等同于前向扫描路径500的半径R，波段L1聚焦光线通过光前出部410后沿一前向扫描路径500前进，最后聚焦在前向待测物上，进行前向扫描。而波段L2聚焦光线则被光路选择器平板430反射，通过光侧出部420后沿侧向扫描路径600前进，最后聚焦在侧向待测物上，进行侧向扫描。
又光学旋转模块400为一中空型的风扇结构，利用一进气管710作为进气口朝转子440上的叶片吹气使其转动，带动光路选择器平板430跟着旋转。在光学旋转模块400另一侧的外管700有一开口接另一根出气管720作为出气口，以排出多余气体，维持进气管710吹气稳定，使光学旋转模块400转动更稳定。又因进气管710的吹气流量与光学旋转模块400的转速相关，因此可利用不同吹气流量达成控制扫描的角速度。
当进行前向扫描路径500时，由进气管710开始吹气，可得到半径R圆形的前向扫描路径500。其中半径R与折射后的位移量D相关，依照图3与图4所示原理，位移量D则与光路选择器平板430的材质及光路选择器平板430相对光线入射轴向110的一预设角度θ1相关，可改变预设角度θ1可改变半径R，而达成依需要控制前向扫描路径500的半径R。
当进行侧向扫描路径600时，可利用被光路选择器平板430反射的波段L2聚焦光线在侧向进行扫描。若此时光路选择器平板430的预设角度θ1为45度则反射的波段L2聚焦光线会垂直光线入射轴向110而聚焦于侧向待测物上，此时，进气管710进行吹气使光学旋转模块400稳定旋转，完成在侧向的环形扫描。进行侧向扫描时，维持光路选择器平板430的预设角度θ1的精准，可避免光学上不对称造成额外相差产生，但仍可容许少量的角度误差，约0至10度的角度误差是可以接受的。除上述外，并可再搭配一外部移动机构（未图示）带动光纤式穿透影像撷取装置前后移动，于是完成在侧向的中空圆柱形扫描。
上述光纤式穿透影像撷取装置，也可以有其他变化方式，例如单模光纤100可以采用多条单模光纤（未图示）取代，利用多条单模光纤出光点相对聚焦光学模块300距离不同设计，可以进行对待测样品不同深度的前向或侧向扫描。或者聚焦光学模块300还可装设于一固定座（未图示）而固定在外管700，或固定在其前方的定子450上。此聚焦光学模块300可以是传统球面聚焦透镜或非球面聚焦透镜，也可以是渐变折射率透镜(Gradedindexlens，GRINlens)或微型透镜；而渐变折射率透镜或微型透镜当然更可以和单模光纤100直接接合（请参照图6），达到更简单的装置设计。
除上述结构外，还可增设一固定结构730与外管700结合，使得单模光纤100与进气管710更加稳定。固定结构730在中央挖空使单模光纤100及光纤套管200通过并固定，固定结构730边缘在靠近外管700处可再挖一小孔，使进气管710通过并固定。
上述的出气管720也可省略不设，改而在外管700的内相对进气管710的另一侧设一出气管750即可，亦可同时设置有出气管720、750。其中出气管750不限于如图5所绘示的管状，亦可采用一开口取代，只要能达成出气的效果即可。
请参照图6，其绘示依照本发明一装置的另一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图，其绘示将上述图5实施方式中的聚焦光学模块300变更为渐变折射率透镜，并直接与单模光纤100接合。如同前述图5的说明，图6所绘示装置也可以有其他变化方式，例如单模光纤100可以采用多条单模光纤（未图示）取代，利用多条单模光纤出光点相对聚焦光学模块300距离不同设计，可以进行对待测样品不同深度的前向或侧向扫描。
请参照图7，其绘示依照本发明一装置的又一实施方式的光纤式穿透影像撷取装置的侧视图。在上述图5的实施方式外，还可包含设于光路选择器平板430上的一磁性元件及一线圈组800。磁性元件使得光路选择器平板430的两端分别具有磁极471及磁极472（分别为磁北极与磁南极），磁性元件470具一磁场强度H；线圈组800则设置于定子450与外管700之间。
于是本实施方式能额外提供不同的前向扫描路径半径的原理如下：当由一线圈导线810通入一电流I于线圈组800时，由电磁原理可知会在光学旋转模块400产生一均匀磁场B，若光学旋转模块400的中空部份的导磁系数为m0，而线圈组800单位长度的绕线扎数为n扎时，则磁场B=m0*n*I。此磁场B与光路选择器平板430上的磁极471及磁极472作用，若磁场强度H向量与磁场B向量的夹角为θ’，则产生一位能U为U=-H*B*cos(θ’)，再将位能U取梯度数学运算（Gradient）可得知磁力大小；此磁力使光路选择器平板430产生旋转，直到固定轴460承受的扭力与此磁力大小相等时，则光路选择器平板430达平衡状态停止旋转而固定于一倾斜角度θ2。当光路选择器平板430改变至倾斜角度θ2时，由司乃尔定律及图3与图4所示原理可知，位移量D即相应改变，又利用电流I不同大小可调整光路选择器平板430的倾斜角度θ2，因此可使波段L1聚焦光线在通过光路选择器平板430后产生不同大小的位移量D，即不同大小的前向扫描路径500的半径R；因此通过控制电流I的大小，可达成控制前向扫描路径500半径R的大小。再通过进气管710吹气，可以使光学旋转模块400旋转，进而完成不同半径R的圆形前向扫描。
而进行侧向扫描路径600时，线圈组800不通入电流I，使光路选择器平板430处于一预设的倾斜角度θ2，预设的倾斜角度θ2可为45度，则反射的波段L2聚焦光线会垂直光线入射轴向110通过光侧出部420而聚焦于侧向待测物上，此时，进气管710进行吹气使光学旋转模块400稳定旋转，如此可在侧向完成环形扫描。亦可再搭配一外部移动机构带动光纤式穿透影像撷取装置，于是完成在侧向的中空圆柱形扫描。进行侧向扫描时，维持光路选择器平板430倾斜角度θ1=45度的精准，可避免光学上不对称造成额外相差产生，但仍可容许少量的角度误差，约0至10度的角度误差是可以接受的。
除上述外，线圈组800不一定设置于定子450与外管700之间，线圈组800只要设于可包住光路选择器平板430的位置，且不干涉其他结构即可。例如线圈组800可设于转子440与光路选择器平板430之间，或线圈组800可设于外管700外面。如同前述图5及图6的说明，本实施例也可以有其他变化方式，例如单模光纤100可以采用多条单模光纤（未图示）取代，利用多条单模光纤出光点相对聚焦光学模块300距离不同设计，可以进行对待测样品不同深度的前向或侧向扫描。
由上述本发明实施方式可知，应用本发明具有下列优点：
1、以单一装置，即可进行前向扫描及侧向扫描，方便操作及使用。
2、节省传统需抽换扫描探头以分别实施前向扫描及侧向扫描的时间。
3、简化扫描设备。
4、可同时达成体积小、非接触式扫描及驱动电压低，适合应用于医学外科影像扫描。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，其包含：
一光纤；
一光学旋转模块，其位于该光纤的一端，该光学旋转模块具有一光前出部及一光侧出部，该光学旋转模块包含：
一定子，其相对该光纤固定；
一转子，其具有一扇叶，该转子枢设于该定子；及
一光路选择器，其安装于该转子，该光路选择器具有一前向扫描路径及一侧向扫描路径；
一外管，其包覆或固定该光纤及该光学旋转模块；
一进气口，其位于该外管内，借以对该扇叶送气；
一出气口，其位于该外管上，借以排出该进气口所送气体；
一线圈组，其定位于该光路选择器外围；及
至少一磁极，其位于该光路选择器的端面；
其中，依据一光线的不同预设频段，使该光线透过该光路选择器进行该前向扫描路径、该侧向扫描路径或同时进行该前向扫描路径及该侧向扫描路径，接着透过该线圈组及该磁极产生的磁场变化旋转该前向扫描路径、该侧向扫描路径或同时旋转该前向扫描路径及该侧向扫描路径，并于照射于一待测物品后收集该待测物品的散射光。
2.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该光纤为多条光纤。
4.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该线圈组定位于该光学旋转模块及该外管之间。
5.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该线圈组定位于该光路选择器及该转子之间。
6.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该光路选择器依照输入不同预设波段的一该光线而使该光线导向该光前出部或该光侧出部。
7.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该光路选择器为一两面夹角小于或等于10度的平板。
8.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该光路选择器具有一镀膜。
9.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，还包含：
一固定轴，其固定于该转子，该光路选择器通过枢设于该固定轴而安装于该转子。
10.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，还包含：
一聚焦光学模块，其位于该光纤与该光学旋转模块之间。
11.根据权利要求10的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该聚焦光学模块为球面聚焦透镜、非球面聚焦透镜、渐变折射率透镜或微型透镜。
12.根据权利要求10的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，该聚焦光学模块直接与该光纤结合。
13.根据权利要求1的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，还包含：
一光纤套管，其包覆于该光纤。
14.根据权利要求13的光纤式穿透影像撷取装置，其特征在于，还包含：一固定结构，用以固定该光纤及该光纤套管于该外管。
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