CN104688172A - 一种微型光学相干断层成像探头 - Google Patents

一种微型光学相干断层成像探头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学相干断层成像探头，该光学相干断层成像探头包括单模光纤、一维梯度折射率透镜组和反射棱镜，一维梯度折射率透镜设置于单模光纤一端，反射棱镜设置于梯度折射率透镜另一端。本发明通过一维梯度折射率透镜可以输出椭圆光斑，整个光斑经过反射棱镜和透明保护套管内外径柱面曲率的补偿后，在被探测表面形成一个圆形光斑，可以有效的消除透明保护套管带来的象散。

Description

一种微型光学相干断层成像探头
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种应用于心血管OCT或人体组织狭窄空间的检测的微型光学相干断层成像探头。
背景技术
随着科学的发展，在医学和生物学中，先后出现了各种各样的成像仪器，例如：超声成像、X光成像、CT、MRT和PET等等，但是这些仪器多少都有自己的优点和不足之处。超声成像依赖于生物组织的声阻抗，对比度差，难以发现早期的癌变；X光成像依赖于生物组织的密度，密度越大，图像就越白，但是对于密度接近的不同器官和组织的图像则因对比度不高而无法分辨，而且X射线透视使组织遭受强离子辐射的作用，入射的高能量会使生物组织离化。另外，层析成像技术中的CT、MRT和PET设备和使用费用昂贵，对人体有一定的损伤作用；例如：X-CT具有较高的成像深度，可以探测整个身体，分辨率能达到0.7mm至2.0mm，不过扫描和大计算量的图像重建工作都要花费较长的时间，得到一幅完整的CT图像一般需要十几秒钟，因此它不适合作实时高分辨率成像；MRI基于强磁场和高频信号导致体内原子共振发出它们本身的信息，而且其分辨率也相对比较低。而光学成像技术成为了相对比较理想的技术，其中最主要的代表是光学相干断层成像技术(optical coherence tomography)OCT。它的优点在于：利用对人体无损伤的红外光做为光源(一般是830nm或1310nm)，利用相干时间门的原理实现层析，具有很高的分辨率(微米级)，可实现非接触、无辐射、高分辨率并实时成像和在体活检。其由于具备上述特别的优点，光学相干断层成像技术是近20年来发展最快的一种医学成像技术，主要用于眼科、皮肤、牙科、心血管、呼吸道和胃肠道、早期癌症检测等。
OCT技术的核心是迈克尔逊干涉仪，由于OCT技术其实最早来源于白光 干涉测量法，光学相干域反射测量技术。该技术使用一宽带光源发出的相干光进行反射域的测量，并通过实验得到了10um的轴向分辨率和大于100dB的动态范围。而传统的影像方法主要包括核磁共振血管成像和血管造影成像，然而这些成像只能够呈现出血管的外形或者内部轮廓，对血管壁以及血管腔的细节部分显现非常模糊，包括血管壁动脉化斑块的大小、成分、裂纹等，这些信息对于血管完整性评估和预测有着重要的临床价值。而且，由于X射线具有很强的辐射性，这样也在一定程度上限制了使用性。因此，理想的血管成像技术应该在保证必要的安全性的前提下不仅可以发现血管的病灶区域而且可以对该区域的病灶特性进行分析，从而为临床诊断提供有效的科学依据。血管内超声成像(intravascular ultrasound tomography，IVUS)可以将一个微型的超声成像探头直接伸入血管内部进行血管的断面扫描成像。这种技术在一定程度上提高了血管成像的分辨率，可以发现某些明显的病灶区域，但是由于所采用超声探头的频率普遍在20-50MHz之间，对应图像分辨率大约为200-100μm左右，这个分辨率还不足以看清血管壁的细节，存在许多局限性。而采用近年发展起来的光学相干断层层析(optical coherence tomography，OCT)技术可以实现心血管内微米级高分辨率的成像，对临床鉴别和诊断冠状动脉粥样硬化以及干预治疗的效果进行跟踪评价。
内窥OCT的出现，为将来进行体内组织病变以及癌症诊断提供了强有力的帮助。血管内OCT成像(Intravascular OCT，IV-OCT)具有能够呈现出动脉硬化的微观细节的独特功能，特别是那些被认为是很容易就会突然破裂的硬块。这种技术的最大优势就是它的高分辨率，比血管内超声成像的分辨率高出10倍，可以从组织形态上观察动脉粥样硬化斑块和冠状动脉微小结构变化。此外，对于血管内植入支架的观察和定位，血管内OCT成像是普通造影技术和血管内超声成像所无法比拟的。从OCT成像的结果中医生能够清晰地观察到支架是否完全贴壁、是否完全扩张、组织撕裂、组织脱垂和支架支撑杆是否分布均匀等情况，这些为评价手术支架的使用具有极其重要的意义。目前随着OCT技术的发展，已经能够实现冠状动脉内的高速高分辨率成像， 并且由于小型化光纤成像导管探头的出现，可以实现狭窄动脉管内壁的成像，这些都是普通成像技术所难以达到的。OCT成像导管与血管内超声导管比较，OCT导管仅由一条光纤构成，不需要任何传感器，结构简单实用。
血管内OCT成像系统是最近几年才开始发展起来的，它主要结合了光学成像、机械扫描、信号处理等技术，是多学科交叉结合的产物。微型OCT成像导管不但用于动脉、静脉还可用于肺气道，还可以用于各种狭窄空间的探测比如飞秒激光器加工的微孔。针对心血管成像的特点，需要特别的内窥探头解决以下关键问题：光学相干探头的像散问题。
参见图1，由于常规的探头都是由单模光,1加上准直或聚焦透镜2，将光斑汇聚成一个圆光斑。但是由于内窥探头都是需要进入人体组织成像，光学探头不能直接接触人体组织，必须经过一个医用的保护套管51。参见图2-1、2-2，经过保护套管51后，由于保护套管51的内外壁两个面都是圆柱面，因此会对光束产生影响，产生单方向发散的效应，原本是圆光斑，参见图2-3，经过塑料保护套管后就变成了椭圆光斑，造成了象散，严重时会大幅影响OCT的成像效果。因此，如何消除保护套管带来的象散就成了一个最大的难题。
发明内容
为了克服现有技术中存在无法消除象散问题的技术问题，本发明提供一种消除光学畸变的光学相干断层成像探头。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种微型光学相干断层成像探头，其特殊之处在于：所述探头包括单模光纤、一维梯度折射率透镜组和反射棱镜，一维梯度折射率透镜设置于单模光纤一端，反射棱镜设置于梯度折射率透镜另一端。
上述一维梯度折射率透镜组由两个光轴十字交叉的一维透镜梯度折射率透镜构成或两个以上光轴十字交叉的成对的一维透镜梯度折射率透镜构成。
上述探头的一维梯度折射率透镜和反射棱镜部分的直径或边长均为125um-500um。
上述单只一维梯度折射率透镜的长度范围为2-5mm。
上述反射棱镜的角度为43°-55°。
上述探头的反射棱镜上还镀有全反射膜层。
上述全反射膜层为金属膜层。
上述探头外侧还有直径为250um-500um的透明保护套管。
上述透明保护套管的材料为塑料或者玻璃。
本发明的提出了一种全新的微型光学相干断层成像探头，使用两个或两个以上成对的一维梯度折射率透镜分别对单模光纤输出的两个方向或多个方向的光进行准直或汇聚控制，通过一维梯度折射率透镜可以输出椭圆光斑，整个光斑经过反射棱镜和透明保护套管内外径柱面曲率的补偿后，有效的消除透明保护套管带来的象散，即修正外加透明保护套管后带来的光学畸变，确保探头汇聚的光斑形状为圆形。
由于本发明多应用于细小腔体成像的内窥镜，例如：人体血管内壁断层成像需要应用直径或边长为125um探头、食道内断层成像需要应用直径或边长为500um探头，因此本发明选用的维梯度折射率透镜和反射棱镜部分的直径或边长均为125um-500um。
由于不同外形的探头应用的腔体大小不同，所以对汇聚点的距离也不同，汇聚点的大小和距离都与透镜的长度相关。直径或边长均为125um-500um的维梯度折射率透镜和反射棱镜的外形刚好就在2-5mm的范围之内，同时透镜组的长短还与探头在腔体内的可弯曲的半径(穿透性)有直接关系，因此本发明选用的单只一维梯度折射率透镜的长度范围为2-5mm。
由于本发明的棱镜是应用折射率N＝1.46的玻璃，为了满足棱镜的全反射条件，角度必须大于43°，光学断层相干成像是应用探头出射光照射在被测表面后检测反射光与参考光干涉成像，所以角度不能大于55°，过大会影响反射光接受效率。因此本发明反射棱镜的角度为43°-55°。
由于套管外形的大小直接影响可探测腔体的尺寸，250um是心血管探头的尺寸要求，500um是食道探头尺寸，因此本发明选用了直径为250um-500um 的透明保护套管。
附图说明
图1为原有光学OCT探头的结构示意图；
图2-1为在原有光学OCT探头外加装透明保护套管后，在Y、Z轴面的汇聚光路图。
图2-2为在原有光学OCT探头外加装透明保护套管后，在Y、X轴面的汇聚光路图。
图2-3为在原有光学OCT探头外加装透明保护套管后，汇聚光斑的形状图。
图3-1为本发明实施例的探头结构在Y、Z轴面的汇聚光路示意图。
图3-2为本发明实施例的探头结构在Y、X轴面的汇聚光路示意图。
图3-3为本发明实施例的探头结构汇聚光斑的形状图。
附图标记说明：
1、单模光纤，2、自聚焦透镜，4、反射棱镜，13、单模光纤，23、梯度折射率透镜，33、反射棱镜，51、透明保护套管。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
参见图3-1、3-2，本发明一个具体实施例提供的微型光学相干断层成像探头，光学探头包括直径为125um的单模光纤13与两个十字交叉相接的一维透镜梯度折射率透镜构成的一维梯度折射率透镜组23，分别对光纤出射光在X\Y分别进行汇聚或准直，来补偿透明套管对光速的发散。一维梯度折射率透镜组23也可由两个以上十字交叉的成对的一维透镜梯度折射率透镜构成，如十字交叉的两个、四个、六个等偶数个一维透镜梯度折射率透镜成对构成，即两个为一对十字交叉一维透镜梯度折射率透镜一维透镜梯度折射率透镜、四个为两对十字交叉一维透镜梯度折射率透镜、六个为三对十字交叉一维透镜梯度折射率透镜，以此类推。
一维透镜梯度折射率透镜组23一端与单模光纤13熔接或粘接，另一端 粘接一个反射棱镜33，反射棱镜33的反射角度是50°。
本实施例中选择的一维透镜梯度折射率透镜组23边长为500umX500um，根号A为0.53，0.27P周期的长度为3.26mm，反射棱镜33的边长为500umX500um，长度为1mm。
参见图3-3，本实施例中探头结构汇聚光斑的形状为圆形。

Claims (9)

1.一种微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头包括单模光纤、一维梯度折射率透镜组和反射棱镜，所述一维梯度折射率透镜设置于单模光纤一端，所述反射棱镜设置于梯度折射率透镜另一端。
2.根据权利要求1所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述一维梯度折射率透镜组由两个十字交叉的一维透镜梯度折射率透镜构成或两个以上十字交叉的成对的一维透镜梯度折射率透镜构成。
3.根据权利要求2所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的一维梯度折射率透镜和反射棱镜部分的直径或边长均为125um-500um。
4.根据权利要求3所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述单只一维梯度折射率透镜的长度范围为2-5mm。
5.根据权利要求4所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述反射棱镜的角度为43°-55°。
6.根据权利要求5所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头的反射棱镜上还镀有全反射膜层。
7.根据权利要求6所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述全反射膜层为金属膜层。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述探头外侧还有直径为250um-500um的透明保护套管。
9.根据权利要求8所述的超微型光学相干断层成像探头，其特征在于：所述透明保护套管的材料为塑料或者玻璃。
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