CN104095604A - 工作距离自动连续调节的内窥oct探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工作距离自动连续调节的内窥OCT探头，在内窥OCT探头中增加超声测距探头（3）用于获得内部组织相对于探头的位置信息，计算机对所获得的位置信息做处理，针对不同的位置信息输出不同的控制信号对微型电磁马达驱动器（6）和梳状静电驱动器（7、8）进行控制，实现工作台（5）上带有不同焦距透镜的透镜组（9）位置的二维更改，从而使内窥OCT探头的工作距离自动连续可调。

Description

工作距离自动连续调节的内窥OCT探头

技术领域

 本发明涉及一种内窥OCT探头，特别是工作距离可以自动连续调节的内窥OCT探头。

背景技术

微光机电系统MOEMS（Micro-opto-electro-mechanical Systems）是MEMS（微机电系统）技术的一个重要方向，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。微光机电系统是一种可控的微光学系统，该系统的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射、反射等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫面、成像等功能。

光学相干层析技术（Optical coherence tomography, OCT）是近十年迅速发展起来的一种成像技术，OCT内窥镜是医用电子内窥镜与OCT技术的结合,将成像分辨率提高到微米量级，使医用电子内窥镜具备真正意义上探测人体内脏表层下微小病变的能力，从而实现早期病变诊断。

现有技术中的内窥OCT探头由于工作距离固定不可调节，工作时需要外接气囊，使组织按气囊的形状产生变形，已达到测量准确的目的。但这种探头存在需要人为调节气囊大小和位置等问题，在工作和工作结束后的处理中给医生带来操作上的不便；另外气囊虽然为透明物质，但在透射的过程中必然存在着光信息的衰减，信噪比降低，以至于计算机得到的癌变等信息不准确；气囊本身材料的选取具有一定的限制，身体组织具有一定的排异性，所以气囊材料应该具有生物相容性等诸多限制。由此，需要设计一种OCT探头来避免气囊带来的不便，在不存在气囊的情况下用自动连续改变探头的工作距离代替用气囊将组织变形。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种工作距离自动连续调节的内窥OCT探头

本发明通过如下的技术方案实现。

一种OCT探头，包括：

光源，用于产生OCT测量用的汇聚的光；

第一光学器件，用于将所述汇聚的光转换成平行光；以及

自动聚焦系统，用于使所述平行光在指定的距离处汇聚成光斑；

其中，所述自动聚焦系统进一步包括：

第二光学器件，其包括多个具有不同焦距的凸透镜；

测距装置，用于测量所述OCT探头当前的位置；

驱动装置，用于驱动所述第二光学器件相对于所述第一光学器件产生运动，使得所述平行光通过具有特定焦距的凸透镜，从而在指定的距离处汇聚成所述光斑，并且所述光斑在光轴方向上位置能够连续变化。

优选地，所述第一光学器件是凹透镜。

优选地，所述第一光学器件是既有凸透镜又有凹透镜的透镜组。

优选地，所述测距装置是超声测距探头。

优选地，所述驱动装置进一步包括：

工作台，其具有设定了相互垂直的X轴和Y轴的上表面；所述平行光与所述X轴平行，所述第二光学器件的多个不同具有不同焦距的凸透镜沿Y轴方向排列，并且光轴都与X轴平行；

基座，其设置于所述工作台的下面，并通过滑轨与所述工作台连接；

驱动器，其能够对所述基座进行驱动，从而使得所述工作台相对于所述第一光学器件产生X轴和/或Y轴方向的位移。

优选地，对于连续的两个凸透镜，焦距为f1凸透镜移动最近的距离与焦距为f2凸透镜移动最远的距离时产生的光斑重合。

优选地，所述驱动器是由固定梳齿和基座组成的梳状静电驱动器。

优选地，所述光源包括光纤、光纤套管和三角棱镜。

通过以上技术方案，本发明可以在不存在气囊的情况下用自动连续改变探头的工作距离代替用气囊将组织变形。

 

附图说明

图1为内窥OCT探头装置结构图

图2为系统原理图

图3为超声装置工作原理图

图4为系统实现连续性原理图

图5为带有不同焦距透镜的微透镜组示意图

图6为方案2的系统光路图

图7为 工作距离d同时随Δx和f'变化的三维图像

图8为在f'取等间隔离散值时d随Δx变化的二维图像

其中各附图标记含义如下：

1为单模光纤

2为光纤套管

3为固定在胶套上的微型超声测距探头

4为三角棱镜

5为侧面带齿条底面带滑轨的位移工作台

6为固定在基座上的带齿轮的微型电磁马达

7为侧面带梳齿上面带滑道的可移动基座

8为固定梳齿

7、8共同构成梳状静电驱动器

9为粘在工作台上的微透镜组、自动聚焦系统

10为格林透镜

11为方案1中所需的在三角棱镜4前放置的具有一定焦距使光平行输出的凹透镜

具体实施方式

【实施方案1】：

在内窥OCT探头的三角棱镜4后添加一个固定焦距的凹透镜11，使原本汇聚的光斑成平行光出射。平行光进入位移工作台5上的由不同焦距凸透镜组成的自动聚焦系统9。首先通过超声测距探头3获得当前的位置信息，获得的位置信息即为需要调整的光斑位置，然后计算机根据不同的位置信息输出控制信号，分别控制X 、Y两个方向的梳状静电驱动器7、8和电磁马达驱动器6工作。

在Y方向上有可移动的工作台5，与下面的基座7通过滑轨连接，放在基座7上的微型电磁马达驱动器6接收到控制信号产生精确地转动圈数，通过其上的齿轮和工作台5上的齿条将电磁马达驱动器6的转动转化为直线方向上的工作台5位移，工作台5上粘着带有不同焦距透镜的透镜组9，通过调整工作台5的移动，选择三角棱镜4所正对的透镜。由于入射光是平行光，光斑的汇聚点将是在透镜的焦距处，但是仅仅调动Y轴时由于透镜组9的焦距不能做到连续导致光斑在光轴方向是离散的，所以此时需要调节X轴方向。

对于X轴方向，基座7可移动并带有梳齿，通过基座下方的导轨进行传动，基座7在Y方向上固定，只能在X方向产生位移。计算机发出的控制信号加载在固定梳齿8和基座7组成的梳状静电驱动器上，由于电压信号的不同导致梳齿间电容的变化使基座上的梳齿产生X方向运动的力去改变梳齿间正对的面积，从而使基座7精确地产生位移。基座7的运动使其上面的工作台5产生同样的运动，由于入射光是平行光，光斑的位置始终在正对三角棱镜4的透镜的焦距处，所以光斑的位置同基座7产生相同的位移±ΔX。此时当焦距为f1透镜移动最近的距离与焦距为f2透镜移动最远的距离时产生的光斑重合即O₂ ^’’ 与O₁ ^’ 重合，就能使光斑在光轴方向上位置能够连续变化。可根据ΔX的限制选取对应的微透镜组9，使工作距离满足连续变化。

选好透镜组后根据d=f±ΔX来调节通过计算机控制X、Y两个方向的驱动器选取所需f和ΔX。

【实施方案2】：

根据方案1的原理，只需要制作全凸透镜即可满足光斑在光轴方向上连续运动。方案2不采用凹透镜产生平行光，而是制作一个既有凸透镜又有凹透镜的透镜组，三角棱镜4发出的光不加凹透镜11直接进入工作台5上的自动聚焦光学系统4。首先根据薄透镜成像公式                                               

导出像距为

        

所以光斑的距离为 

    

当透镜的位置变化Δx（Δx为正，反向移动时为-Δx）后像距变为

      

而光斑的距离将变为

                                    

显然光斑移动的方向受到透镜移动的Δx和像距的变化两个方面的影响，所以通过解析法观察工作距离的变化的图像，应用MATLAB求出d同时随Δx和f'变化的三维图像如图6和在f'取等间隔离散值时d随Δx变化的二维图像如图7（注：每条线代表一个f'值，此参数取值可改变）。分析图6和图7的曲线走势，当f'取特定的一组值的时候，可通过改变Δx使当取连续的两个f'时，如f1的最大光斑距离d1和f2的最小光斑距离d2相等，以此类推，此时这组f'值可实现连续可调。

人工选取一组可满足连续的f'值后，制作成对应的透镜组放置在工作台5上，当超声探头3获得了当前的位置信息d时，计算机读取位置信息d在不同焦距f'值时随Δx变化的二维图像中的点坐标，每一个位置d都对应着一个所需的f'值和一个Δx值，纵坐标代表所需要的光斑位置d，横坐标代表移动的需要移动的位移Δx，选取的曲线代表所需的f'值大小。然后由计算机输出控制信号，分别控制X 、Y两个方向的梳状静电驱动器7、8和电磁马达驱动器6工作，使其选取所需的f'值和产生Δx的位移。

在Y方向上有可移动的工作台5，与下面的基座7通过滑轨连接，放在基座7上的微型电磁马达驱动器6接收到控制信号产生精确地转动圈数，通过其上的齿轮和工作台5上的齿条将电磁马达驱动器6的转动转化为直线方向上的工作台5位移，工作台5上粘着一组人工选择的可满足连续的不同焦距透镜组成的透镜组，通过调整工作台5的移动，选择所需焦距的透镜使其正对三角棱镜4。

对于X轴方向，基座7是可移动的并带有梳齿，通过基座下方的导轨进行传动，基座7上的梳齿和固定梳齿8在Y方向上固定，只能在X方向产生位移。计算机发出的控制信号加载在固定梳齿8和基座7组成的梳状静电驱动器上，由于电压信号的不同导致梳齿间电容的变化使活动梳齿产生X方向运动的力去改变梳齿间正对的面积，从而精确地产生位移ΔX，X、Y两个方向移动后，此时产生的光斑即在所需位置。

Claims (8)

1.一种OCT探头，包括：

光源，用于产生OCT测量用的汇聚的光；

第一光学器件，用于将所述汇聚的光转换成平行光；以及

自动聚焦系统，用于使所述平行光在指定的距离处汇聚成光斑；

其中，所述自动聚焦系统进一步包括：

第二光学器件，其包括多个具有不同焦距的凸透镜；

测距装置，用于测量所述OCT探头当前的位置；

驱动装置，用于驱动所述第二光学器件相对于所述第一光学器件产生运动，使得所述平行光通过具有特定焦距的凸透镜，从而在指定的距离处汇聚成所述光斑，并且所述光斑在光轴方向上位置能够连续变化。

2.根据权利要求1所述的OCT探头，其特征在于，所述第一光学器件是凹透镜。

3.根据权利要求1所述的OCT探头，其特征在于，所述第一光学器件是既有凸透镜又有凹透镜的透镜组。

4.根据权利要求1所述的OCT探头，其特征在于，所述测距装置是超声测距探头。

5.根据权利要求1所述的OCT探头，其特征在于，所述驱动装置进一步包括：

工作台，其具有设定了相互垂直的X轴和Y轴的上表面；所述平行光与所述X轴平行，所述第二光学器件的多个不同具有不同焦距的凸透镜沿Y轴方向排列，并且光轴都与X轴平行；

基座，其设置于所述工作台的下面，并通过滑轨与所述工作台连接；

驱动器，其能够对所述基座进行驱动，从而使得所述工作台相对于所述第一光学器件产生X轴和/或Y轴方向的位移。

6.根据权利要求5所述的OCT探头，其特征在于，对于连续的两个凸透镜，焦距为f1凸透镜移动最近的距离与焦距为f2凸透镜移动最远的距离时产生的光斑重合。

7.根据权利要求5所述的OCT探头，其特征在于，所述驱动器是由固定梳齿和基座组成的梳状静电驱动器。

8.根据权利要求1所述的OCT探头，其特征在于，所述光源包括光纤、光纤套管和三角棱镜。