CN104977298A - 一种旋转式光学和声学合并成像探头和导管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型高速旋转光学和声学合并成像探头和导管，该探头包括光传导光纤，格林透镜，声音发生信号导线，电声换能器，微电机驱动导线，微电机和反射镜。所述探头中电声换能器发出的检测声束和所述光纤和格林透镜发出的检测光束沿轴线方向往远端传播，被所述反射镜发射后沿径向传播并照射待检查样品。所述微电机用以旋转反射镜从而旋转检测光束和声束的方向，结合探头轴向运动实现合并光学和声学的螺旋扫描成像。以所述探头为核心可以制造出成像导管，让探头在外护套内运动并得到保护。本发明提高了光学和声学合并成像速度并增强了图像质量。

Description

一种旋转式光学和声学合并成像探头和导管

技术领域

本发明涉及光学和声学成像技术领域，特别涉及一种旋转式合并光学和声学成像探头和导管。

背景技术

光学成像技术历史悠久，但是近年来由于激光技术的发展，旋转扫描光学成像得到大发展，其原理是用光纤将光传送到远端发出光束，然后通过机械方法让光束旋转扫描，并配合回撤，以螺旋扫描的办法来得到物体表面的二维图像或者物体的三维图像。该技术特别适合对管状结构的成像，其代表技术包括激光扫描显微术，低相干成像术，红外光谱分析术和荧光成像术等。因为光的波长短，这些技术可以达到很高的分辨率（~10微米）,其中低相干成像术有一定的穿透力，可以进行皮下检测，而红外光谱分析和荧光分析可以分析样品的化学成分。

相对于常用光波的波长而言，声波的波长较长，即便使用实用中高频率的超声波，其分辨率一般也只能到50-100微米左右。虽然声学成像的分辨率不够，但是它的穿透力要高于光学成像，所以经常用来进行皮下成像，比如超声波成像。因为声学和光学成像存在技术互补性，所以声学和光学合并成像的诊疗优势已为医学界所共识。

有时需要在狭小空间内对样品进行成像，或者对内径比较小的管状样品的内壁进行成像，就需要制作外径较小而长度较长的探头，为此需要一种能够在狭小空间进行机械扫描的装置。由于尺寸限制，目前探头的机械旋转扫描主要是通过扭矩线缆实现，即把光纤或者导线包在扭矩线缆内部一直从近端到达远端，近端电机的旋转带动光电混合转动接头的动子，再通过扭矩线缆来带动远端的探头旋转。然而虽然经过不懈努力，扭矩线缆仍然存在稳定性和可靠性问题。理想情况下，近端的转动能够准确传送到远端，两端旋转的角速度是完全相同的。但是在实际使用中，往往远端旋转的角速度会有波动，导致光束或声束的扫描角速度出现波动，从而导致图像中出现非均匀旋转失真，降低图像质量。另外由于机械结构和材料强度限制，扭矩线缆的旋转速度也受到限制。

微型电机，也叫微型马达，是体积，容量较小的特殊电机，有低惯性，高对应性，高转速等特点，主要应用在小型精密的精密仪器和医疗等领域。近来随着显微加工能力的提高，微型电机的研究和生产突飞猛进，产品化的微型电机直径最小到2毫米，而研发阶段的微型电机直径更小。

为了保护高速旋转的探头和方便使用，一般要将探头放入保护外套中并做成导管。根据惯例，导管沿轴向可以分为近端和远端，近端为连接成像主机的一端，而远端为远离主机的一端。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术存在的不足，提供一种能够高速旋转成像的光学和声学合并成像探头。

根据本发明一个方面，提供一种旋转光学和声学合并成像探头，包括近端的光导光纤和电导线，光导光纤和电导线的末端的格林透镜和电声换能器，和更远端的微型电机。微型电机的定子与格林透镜和电声换能器通过内护套和胶固定在一起，位于定子外部的转子由过连接管连接到反射镜。该反射镜可以是平面镜，也可以是镀膜或不镀膜的棱镜。

有一组导线连接到电声换能器上，电声换能器的背胶面朝向近端，其发射面朝向远端，因此电声换能器发出的声束朝向远端传播。光导光纤连接到格林透镜上，格林透镜将从光纤发出来的光聚焦成光束也向远端传播，与声束基本上平行。光纤可以放在电声换能器中间的小孔内，光纤也可以放在电声换能器旁侧。光束和声束向远端传播，遇到固定在微型电机转子上的反射镜，转向侧面检查成像目标。另外一组导线连接在微型电机上，包括电源线和控制线，当微型电机开始转动时，侧面的声束和光束同步转动进行成像。除了电机转子和转子上附着的反射镜，其他组件，比如电声换能器和光纤，正常使用中并不进行高速旋转。

根据本发明的另一个方面，提供一种高速旋转成像的光学和声学合并成像导管。该导管从近端到远端有如下结构：外壳连接端口，光电混合连接头，侧管接头，鲁尔接头，伸缩管，近端导管鞘，远端导管鞘，成像探头和远端快速交换头。其中外壳连接头用以将导管在使用过程中固定到成像主机上，混合光电接头用以传导光信号和电信号，近端导管鞘，远端导管鞘用于保护探头，伸缩管还可以让成像探头可以在外护套内平移，侧管接头和鲁尔接头用以注射液体到导管中，快速交换头并非必须，只在某些场合使用，用于配合指引导丝来协助将探头放置到成像位置。

本发明具有如下优点：

1.合并了声学和光学成像，可以用一个成像元件同时实现激光扫描成像术，低相干成像术，红外光谱分析术和超声波成像技术，也可以用于光声断层成像术。

2.旋转电机在导管远端，因此不需要传动扭矩线缆，大大降低了非均匀旋转失真。

3.因为导管和探头近端和接头处不需要高速旋转，导管的可靠性大大增加。

4.因为微型电机旋转速度可以做的很高，因此大大提升了成像速度。

5.不再需要高成本的高性能光电混合转动接头，因此降低了成像系统成本。

6.寿命长。现有技术的电机位于距离探头较远的成像主机，仅通过扭矩线缆驱动探头旋转，由于扭矩线缆寿命有限，导致整个成像导管提前报废。本发明电机在导管远端，无需扭矩线缆，因此使用寿命大大加长。

附图说明

图1是一种光学和声学合并探头和导管与其配套的成像系统的整体示意图。

图2是一种光束和声束同轴的合并探头的结构示意图。

图3是一种侧面开孔的连接管的示意图。

图4是一种中段剖面呈U形的连接管的示意图。

图5是一种光束和声束不同轴的合并探头的结构示意图。

图6是一种电机位于远端的合并探头的结构示意图。

图7是一种反射镜呈曲面镜的合并探头的结构示意图。

图8是一种合并成像导管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施进行详细描述。

本发明是关于一种可以在合并声学和光学分析的系统上使用的探头和导管。该系统的结构框图由图1所示，包括：计算机1，光学系统2，声学系统3，运动控制系统4，平移台6，混合光电接头5和成像导管7。

计算机1用于控制整个系统，发出控制信号给光学系统2和声学系统3，获得系统返回的数据，并将数据作处理，进行图像重建，储存和显示。计算机1还给出控制信号给运动控制系统，该运动控制系统发出两组控制信号：第一组信号控制平移台6来实现导管7沿纵向轴线的往复平移运动，第二组信号通过混合光电接头5连接到导管7，控制导管7远端微型电机的旋转运动。光学系统2用于发射和接收光学信号，其中包含所需光源，光信号探测系统和一些相关的光学零件，比如干涉仪，光耦合器等。声学系统3用于发射和接收声学信号，其中包含所需发射电路，接收电路，发射接收转换器。光电混合接头5用于连接导管7和光学系统，声学系统和运动控制系统，其中既有光纤接口，也有一组电接头。

图2显示了本发明的一种合并声学和光学成像的成像探头（合并探头）的结构示意图。

参照图2，该合并探头包括：光纤8，格林透镜9，电声换能器10，微型电机11，声信号导线12，电机驱动电缆13，内护套18，连接管14，外护套15，反射镜16和反射镜座17。

图2所示合并探头基本结构是：内护套18和微型电机11的定子20固定连接，微型电机11是空心的，其转子19和连接管14的一端固定连接，连接管14的另一端和反射镜座17固定连接，反射镜座17和反射镜16固定连接。电声换能器10是环形的，位于微型电机11的远端。光纤8和格林透镜9固定连接，位于环形电声换能器10中间的空洞里，其纵向位置由所需要的最佳聚焦位置可作相应调节。声信号导线12可以是同轴电缆，或者双绞线，分别连接在电声换能器10的正负极上。根据不同的电机设计，电机驱动电缆13可能需要若干根导线，这些导线可以松散的放置在内护套18内，也可以集束成单根电缆。

图2所示合并探头的基本声学和光学工作原理是：光纤8和格林透镜9作为光信号通道，用以传送发射光和搜集自样品来的回射光（包括反射和散射）。自格林透镜9出来的光束的方向是沿轴线向远端传播，被反射镜16反射转向径向，透过内护套18上的窗口41和外护套15照射样品44，自样品44回射的光沿原光路返回通过格林透镜9再被光纤8收集。环形电声换能器10的背胶面朝向近端（图的左端），其发射面朝向远端（图的右端），因此环形电声换能器10发出来的声束也是沿轴线向远端传播，被同一反射镜16反射转向径向，透过内护套18上的窗口41和外护套15照射被探测样品44，自样品44回射的声波沿原路返回被电声换能器10捕捉转化成电信号并由声信号导线传回近端。为了将声束和光束有效向两侧反射，所述反射镜16的反射面应与纵轴线方向成一角度，该角度应该在30-60度之间，对应发射光束和反射声束与纵轴线成60-120度角。

图2所示合并探头的基本机械扫描原理是：内护套18，光纤8和声信号导线12的近端都是固定到导管近端的，因此它们本身都不旋转。内护套18远端固定在微型电机11的定子20上，光纤8远端固定到格林透镜9，声信号导线12远端固定到电声换能器10，因此这些结构本身都不旋转。在电流控制下，微型电机11的转子19会受控旋转，带动连接管14旋转，进而带动反射镜座17和反射镜16旋转，从而使径向传播的声束和光束作旋转扫描。通过连接在近端的平移台，整个合并探头可以在外护套内沿轴向平移，从而实现既旋转又平移的螺旋扫描。

连接管14可以使用透光和透声的材料制成，比如高分子材料，或者可以用其他材料制成，比如金属等。如果用不透光不透声的材料，需要在上面开个窗口，让光束和声束能够传播。该窗口可以比较小，如图3所示连接管21的窗口42，仅仅足够声束和光束通过，也可以很大，如图4所示连接管22的窗口43，把连接管22中段做成U型，这样不仅能让声束和光束通过，而且方便在装配过程中操作内部的部件。为了排除气泡确保声波传输效率和防止血液等其他不透光或者不透声的液体进入，连接管内可以填充能传导声束和光束的胶。连接管的远端可以做成半球状，也可以在远端连一个小弹簧，以协助探头在外护套内运动。

光纤8和格林透镜9通过光纤熔接机技术焊接在一起，也可以用胶粘连在一起，为了降低反射光强，可以在格林透镜9的端面上磨制出一个角度。

外护套15的作用是保护探头和提供探头运动的通道，以免在探头运动过程中损伤周围样品。外护套15可以使用透光和透声的材料制成，比如塑料。外护套15也可以分段使用不同材料，比如只在探头需要扫描的部位使用透声和透光材料，其他地方使用别的材料，比如另一种塑料或者金属，以增强机械性能。

反射镜16可以是平面镜，也可以是反射表面镀膜或不镀膜的棱镜。适当的镀膜可以增加通路效率。

图2显示了本发明的优选的一种合并探头的实施方式，还可以有若干变型。

图5显示了另外一种合并探头的实施方式，其与图2的区别在于光学通道不再位于电声换能器23内部，而是在外部并列排放。除此之外，其基本结构，光学声学原理和机械扫描原理与图2的实施方式类似。图3显示的实施方式的优点是电声换能器23不需要做成环状，因此比较容易制造。缺点是声束和光束不再同轴，增加了声束和光束准直的难度。

图6显示了另外一种合并探头的实施方式，其与图2的主要区别是微型电机28不再位于电声换能器10的近端，而是在反射镜16的远端。而且该微型电机28的中心的部件是转子25，而周围的部件被固定在延长了的内护套27上成了定子24。因为微型电机28通过反射镜座26直接驱动反射镜16，因此不再需要连接管14，而是把内护套27延长直到探头远端。而且因为光学通道和声学通道不需要再穿过微型电机28，微型电机28可以做成不是空心的，这样可以减小微型电机28的直径，从而减小最终成像导管的直径。然而，因为内护套27一直延伸到远端，而内护套27是不随反射镜16旋转的，所以内护套27不仅需要提供机械支撑，而且需要用透光或者透声的材料制作，或者提供一个透光或透声的窗口。另外，因为微型电机28的驱动电缆29也一直延伸到反射镜16的远端，而该驱动电缆29是不旋转的，因此在旋转扫描时，不可避免的在某些角度光束和声束会被电缆挡住，从而丢失部分成像角度。为了减少图像丢失的角度，驱动电缆29做的越细越好。因为如果丢失的单个成像角度比较小的情况下，往往可以利用插值等图像后处理方法来补偿，所以在实际使用中，一般希望降低最大连续丢失的成像角度，将驱动电缆29分成几股较细的导线在0度-360度角上大致均匀排列有助于降低最大连续丢失的成像角度。

图7显示了另外一种合并探头的实施方式，其与图2的主要区别在于反射镜30不再是平面镜，而是曲面镜。这种设计的优点是曲面镜本身具有聚焦能力，可部分或全部代替格林透镜的聚焦功能。这样不仅可以不再需要格林透镜，而且可以增大光束和声束的聚焦孔径面积，从而获得更好的光学和声学性能，提高最终的成像分辨率。该凹面镜结构也可以替代图5和图6中的反射镜16，同理也可获得上述设计改进效果。

上述发明实施例的光学和声学合并探头需要按照图1显示结合主机系统使用，因此需要以合并探头为核心，做出光学和声学合并成像导管。

图8显示了本发明的一种光学和声学混和成像导管的结构示意图。该合并成像导管包括：保护帽31，外壳连接端口32，光电混合连接头33，侧管接头34，鲁尔接头35，伸缩管36，近端导管鞘37，远端导管鞘38和远端快速交换头端39和上述合并探头40。

远端导管鞘38其实与图2显示的外护套15是同一结构，其远端与快速交换头端39连接，其近端与近端导管鞘37的远端连接，近端导管鞘37的近端连接到伸缩管36的远端，伸缩管36的近端连接到侧管接头34的远端，侧管接头34的近端连接到外壳连接端口32的远端，侧管接头34的侧面有一开口连接到鲁尔接头35。上述光学和声学合并探头40作为成像导管的内芯，其远端可以在远端导管鞘38内自由移动，而近端的内护套穿过远端导管鞘38，近端导管鞘37，伸缩管36和侧管接头34，固定在外壳连接端口32上。内护套内部的光纤和导线连接到光电混合连接头33上。因为冲洗液可以提高声学和光学成像的成像质量，侧管接头34和鲁尔接头35用于冲洗液入口。伸缩管36配合平移台实现合并探头在远端导管鞘38内的轴向平移。

所述远端导管鞘必须由能透光和透声的材料制成，其长度不能低于成像轴向往复运动所需要的长度。近端导管鞘不需要透光或透声，因此可以由不透光或者不透声的材料制成。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但是本技术领域的普通技术人员不脱离本发明技术原理的情况下做出各种改进和变型，这些改进和变型均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种光学和声学合并成像探头，所述探头至少包括，光纤，电声换能器，微型旋转电机，声信号导线，电机驱动电缆和反射镜，所述光纤端发射的光束和所述电声换能器发射的声束沿轴向指向反射镜，所述反射镜发射面与导管纵轴成30-60度角。

2.根据权利要求1所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，光纤前方有一个格林透镜，用于调节光的聚焦。

3.根据权利要求1所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，反射镜呈曲面型。

4.根据权利要求1所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于：微型电机定子在内，转子在外，定子是空心的，光纤和声信号导线从微型电机中间穿过。

5.根据权利要求4所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，微型旋转电机的定子和光纤和电声换能器是固定的，微型旋转电机的动子固定在连接管的一端上，所述连接管的另一端固定有反射镜。

6.根据权利要求5所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，所述连接管上对应反射镜方向有窗口，该窗口是空的或者由能透过所述检测光束和所述检测声束的材料制成，所述连接管内是空的或者填充有透光和透声的胶。

7.根据权利要求6所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，所述电声换能器中间是空心的，光路从中间穿过。

8.根据权利要求6所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，所述光纤和所述格林透镜，位于电声换能器的旁边。

9.根据权利要求1所述的光学和声学合并成像探头，其特征在于，微型电机位于反射镜的远端，定子在内或者转子在内，微型电机的定子与光纤和电声换能器通过套管固定，上述反射镜则固定在转子上。

10.一种光学和声学合并成像导管，所述导管至少包括：外壳连接端口，光电混合连接头，侧管接头，鲁尔接头，伸缩管，导管鞘和远端快速交换头端和上述光学和声学合并探头。

11.根据权利要求10所述的光学和声学合并成像导管，其特征在于：

光电混合连接头包含在外壳连接端口或在其内部；

所述外壳连接端口，伸缩管分别连接到侧管接头呈直线的两个接头上；

所述鲁尔接头连接到侧管接头的侧面的一个接头上；

所述导管鞘分成近端导管鞘和远端导管鞘，两者的材质可以不同；

所述近端导管鞘连接到伸缩管的另外一个接头上；

所述远端导管鞘连接到近端导管鞘的另一个接头上；

所述远端快速交换头端连接到远端导管鞘的另一个接头上；

所述光学和声学合并探头为使用权利要求1-9任一项所述的探头，所述探头的光纤和导线连接到光电混合连接头，所属探头在外壳连接端口，侧管接头，伸缩管，近端导管鞘，远端导管鞘中。

12.根据权利要求10所述的光学和声学合并成像导管，其特征在于：所述光学和声学合并探头通过控制伸缩管的运动在远端导管鞘内一起运动。

13.根据权利要求10所述的光学和声学合并成像导管，其特征在于：所述远端导管鞘由透光和透声的材料制成。