CN105011890B - 基于梯度型光纤的光声内窥装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于梯度型光纤的光声内窥装置，包括梯度型光纤、反射机构、超声换能器以及保护套，梯度型光纤的出射端、反射机构、超声换能器依次固定在保护套中；从梯度型光纤的出射端出射的激光经反射机构反射后，在保护套外部的目标组织处会聚，激发目标组织生成光声信号；超声换能器接收目标组织处生成的光声信号，并将其转换为电信号输出。本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，通过使用梯度型光纤来进行激光传输，无需引入其他会聚元件即可对出射激光进行会聚，减小了出射激光的发散角，使得入射到目标组织表面的脉冲光通量增大，有效提高了系统的成像信噪比以及成像速度，尺寸小，装配简单。

Description

基于梯度型光纤的光声内窥装置

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，尤其涉及一种基于梯度型光纤的光声内窥装置。

背景技术

光声成像技术是通过探测生物体组织吸收脉冲激光后，因瞬时热弹效应而产生的超声信号(即光声信号)来获取生物体组织光吸收的信息。在激发光照参数不变的情况下，光声信号的强度、频谱与生物体组织的光学特性(主要是光吸收特性)紧密相关。不同的组织有不同的光吸收特性，因此光声成像可以对组织中特定成分进行高对比的结构成像。光声成像的对比度源自光吸收，而分辨率主要源自超声信号，这使得光声成像从根本上突破了光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography，OCT)、共聚焦显微镜等高分辨率纯光学成像方法由于光散射导致的低穿透深度局限。基于不同分子的选择性光吸收和光声光谱方法，可反映极其微小的组织病变及血红蛋白浓度、血氧浓度、氧代谢率等一系列重要的生理参数，实现功能成像。目前，根据光声成像技术制成的光声内窥装置已广泛用于心血管疾病中动脉粥样硬化的斑块识别、直肠癌诊断等。

在临床应用中，对光声内窥装置的成像速度、外径以及干性长度有着严格的要求：首先，光声内窥装置的成像速度主要受限于可调谐激光器的脉冲光源的重复频率，可调谐激光器的脉冲光源的重复频率和其发出的激光脉冲能量成反比。激光脉冲能量在一定程度上决定了系统的信噪比，为提高光声内窥装置的成像速度，必须降低单脉冲能量，而单脉冲能量的降低也将带来信噪比的下降。所以，设计一种能够在低脉冲能量下获得高信噪比的光声内窥装置至关重要。其次，光声内窥装置的外径以及干性长度主要取决于其内部元器件，元器件的个数以及大小限制着其最小尺寸。

现有的光声内窥装置采用阶跃型光纤导光，由于其出射光束发散，系统分辨率较低，需要通过增大单脉冲能量或者引入自聚焦透镜等会聚光学元件来提高系统的信噪比。若增大单脉冲能量，一方面限制了系统对可调谐激光器的选择，另一方面严重制约了系统的成像速度，成像速度较慢。而引入自聚焦透镜对阶跃型光纤的出射光束进行会聚，虽然会大大改善系统的信噪比以及分辨率，使系统可以使用更高重复频率的可调谐激光器，从而获得高速成像，但是，同时限制了光声内窥装置的最小外径以及干性长度，增加了系统的装配难度。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种分辨率高、信噪比大、成像速度快，而且尺寸小、装配简单的基于梯度型光纤的光声内窥装置。

本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，包括梯度型光纤、反射机构、超声换能器以及保护套；

所述梯度型光纤的出射端、反射机构、超声换能器依次固定在所述保护套中；

从所述梯度型光纤的出射端出射的激光经所述反射机构反射后，在所述保护套外部的目标组织处会聚，激发所述目标组织生成光声信号；所述超声换能器接收所述目标组织处生成的所述光声信号，并将其转换为电信号输出。

本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，还包括柔性弹簧线圈；

所述柔性弹簧线圈设置在所述梯度型光纤的外部，其部分插入所述保护套中与所述保护套固定连接。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述梯度型光纤的长度为L，L＝(n+x)*Z，其中，n为正整数，x由实际工作距离决定，Z为所述梯度型光纤的节距。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述保护套为刚性套管；

所述刚性套管上开设有用于激光出射和声光信号接收的窗口，所述反射机构和超声换能器位于所述窗口处。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述梯度型光纤的出射端、反射机构、超声换能器通过胶水固定在所述保护套中。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述胶水为紫外固化胶或环氧树脂胶。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述超声换能器为单阵列超声换能器。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述反射机构为设置在所述梯度型光纤的出射端的反射元件。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，所述反射元件为反射棱镜或反射柱面镜。

在本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，在所述梯度型光纤的出射端加工有一45度至60度倾斜夹角，形成所述反射机构。

本发明的有益效果：本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，根据梯度型光纤自聚焦的特性，通过使用梯度型光纤来进行激光传输，无需引入其他会聚元件即可对出射激光进行会聚，减小了出射激光的发散角，使得入射到目标组织表面的脉冲光通量增大，有效提高了系统的成像信噪比；其降低了激光激发光声信号所需的最小单脉冲能量，可选用低脉冲能量高重复频率的可调谐激光器，因此大大提高了系统的成像速度，而且尺寸小，装配简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置的结构示意图；

图2为图1中所示的基于梯度型光纤的光声内窥装置的光路模拟示意图；

图3a至图3d为不同长度的梯度型光纤的出射激光的会聚和发散示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

参见图1，本发明实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，包括梯度型光纤100、反射机构200、超声换能器300以及保护套400。其中，梯度型光纤100的出射端、反射机构200、超声换能器300依次固定在保护套400中，从梯度型光纤100的出射端出射的激光经反射机构200反射后，在保护套400外部的目标组织处会聚，激发目标组织生成光声信号；超声换能器300接收目标组织处生成的光声信号，并将其转换为电信号输出。图2所示为本实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置的光路模拟图。

梯度型光纤又称自聚焦光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减。光束在光纤中传播，可以自动聚焦。自梯度型光纤的折射率分布一般为具有抛物线型的折射率梯度分布，如图2所示，梯度型光纤中光线的轨迹是正弦型的。

本发明根据上述梯度型光纤自聚焦的特性，采用梯度型光纤对激光进行传输，并与反射机构以及超声换能器相配合，实现对目标组织光声信号的采集。与传统的采用阶跃型光纤导光的光声内窥装置相比较，其出射激光的发散角小，入射到目标组织表面的脉冲光通量较大，有效的提高了成像信噪比，降低了激光激发光声信号所需的最小单脉冲能量，为高速成像奠定了基础；而且无需其他会聚元件，一方面降低了装配难度，另一方面也消除了会聚元件引入对尺寸的限制。

上述实施例中，反射机构200的设置，主要是利用全反射原理对从梯度型光纤100的出射端射出的激光进行反射，使其到达目标组织处。反射机构200可以为独立设置在梯度型光纤100的出射端的反射元件，例如反射棱镜、反射柱面镜等具有反射功能的光学元件。反射机构200还可以是梯度型光纤100的一部分。例如，可以在梯度型光纤100的出射端加工一45度至60度倾斜夹角，形成该反射机构200。

继续参见图1，进一步地，本发明实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，还包括柔性弹簧线圈500，柔性弹簧线圈500设置在梯度型光纤100的外部，其部分插入保护套400中与保护套400固定连接，主要用于光声内窥装置的扫描。如图1所示，梯度型光纤100以及超声换能器300的导线可以置于柔性弹簧线圈500中，以保证100％力矩传递。传统的光声内窥装置通过在内窥镜中放置微型步进电机实现扫描，就目前技术而言，微型步进电机尺寸一般在2mm以上，所以限制了光声内窥装置的最小尺寸。而本发明通过设置柔性弹簧线圈500代替微型步进电机实现扫描，大大缩小了光声内窥装置的最小尺寸。

梯度型光纤长度的选取决定了出射光束的会聚、发散情况，所以通过对梯度型光纤长度的选择可以获得不同的出射光束情况。由于本发明的基于梯度型光纤的光声内窥装置需要对出射激光进行会聚，所以选择梯度型光纤的长度为L，L＝(n+x)*Z，其中，n为正整数，x由实际工作距离决定，Z为梯度型光纤的节距(如图2所示)。如图3a、图3b、图3c以及图3d所示，分别为x取0、1/4、1/2、3/4时从梯度型光纤出射光束的会聚、发散情况。特别是如图3b所示情况，整个成像范围内光束会聚，相比同脉冲能量条件下，具有更高的光通量。

进一步地，参见图1，在上述实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，保护套400主要用于封装梯度型光纤100、反射机构200以及超声换能器300，其可以采用任意结构，在保证上述各个器件封装稳定的前提下尺寸要尽可能的小。作为一种可实施方式，本发明实施例提供的保护套400为刚性套管，该刚性套管上开设有用于激光出射和声光信号接收的窗口，反射机构200和超声换能器300位于窗口处。梯度型光纤100传输的激光经反射机构200反射后从该窗口射出，到达目标组织处；目标组织受激光激发产生的光声信号通过该窗口被超声换能器300接收。

作为一种可实施方式，梯度型光纤100的出射端、反射机构200、超声换能器300可以通过紫外固化胶或环氧树脂胶等胶水或其他方式固定在保护套400中，以便于装配。由于本发明基于梯度型光纤自身特性对出射光束会聚，并未引入自聚焦透镜、微透镜等聚焦元件，在简化了装配的同时，也消除了聚焦元件对光声内窥装置前段直径以及长度的限制，因此，本发明基于梯度型光纤的光声内窥装置具有更小的尺寸。

上述实施例提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置中，超声换能器300可以为单阵列超声换能器。本发明采用梯度型光纤100导光，光纤外径仅有0.2mm，现有的单阵元超声换能器(即探测器)的尺寸可以达到0.5mm×0.6mm×0.2mm，所以本发明的光声内窥装置外径可以做到很小。其次，本发明利用梯度型光纤100对出射激光进行会聚，入射到目标组织上的光斑决定了光声内窥装置的分辨率，不受限于超声换能器300。

本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置使用时，可以借助于外部激光器发射激光，激光经梯度型光纤传输，再经反射机构反射后到达目标组织处产生光声信号，被超声换能器接收，从而获取目标组织处的光声信号；也可以只开启超声换能器，向目标组织发射超声信号，目标组织反馈的超声信号再被超声换能器接收，从而获取目标组织处的超声信号。

本发明提供的基于梯度型光纤的光声内窥装置，根据梯度型光纤自聚焦的特性，通过使用梯度型光纤来进行激光传输，无需引入其他会聚元件即可对出射激光进行会聚，减小了出射激光的发散角，使得入射到目标组织表面的脉冲光通量增大，有效提高了系统的成像信噪比；其降低了激光激发光声信号所需的最小单脉冲能量，可选用低脉冲能量高重复频率的可调谐激光器，因此大大提高了系统的成像速度，而且尺寸小，装配简单。其可以应用到血管内、消化道以及腹腔等内窥型的光束成像系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于梯度型光纤的光声内窥装置，其特征在于，包括梯度型光纤、反射机构、超声换能器以及保护套；

所述梯度型光纤的出射端、反射机构、超声换能器依次固定在所述保护套中；

从所述梯度型光纤的出射端出射的激光经所述反射机构反射后，在所述保护套外部的目标组织处会聚，激发所述目标组织生成光声信号；所述超声换能器接收所述目标组织处生成的所述光声信号，并将其转换为电信号输出；

其中，所述梯度型光纤的长度为L，L＝(n+x)*Z，其中，n为正整数，x由实际工作距离决定，Z为所述梯度型光纤的节距；

所述光声内窥装置还包括柔性弹簧线圈，所述柔性弹簧线圈设置在所述梯度型光纤的外部，其部分插入所述保护套中与所述保护套固定连接；

所述梯度型光纤以及超声换能器的导线置于所述柔性弹簧线圈中；

所述反射机构为设置在所述梯度型光纤的出射端的反射元件，所述反射元件为反射棱镜或反射柱面镜；或者，

在所述梯度型光纤的出射端加工有一45度至60度倾斜夹角，形成所述反射机构。

2.根据权利要求1所述的基于梯度型光纤的光声内窥装置，其特征在于，所述保护套为刚性套管；

所述刚性套管上开设有用于激光出射和声光信号接收的窗口，所述反射机构和超声换能器位于所述窗口处。

3.根据权利要求1所述的基于梯度型光纤的光声内窥装置，其特征在于，所述梯度型光纤的出射端、反射机构、超声换能器通过胶水固定在所述保护套中。

4.根据权利要求3所述的基于梯度型光纤的光声内窥装置，其特征在于，所述胶水为紫外固化胶或环氧树脂胶。

5.根据权利要求1所述的基于梯度型光纤的光声内窥装置，其特征在于，所述超声换能器为单阵列超声换能器。