CN105054901B - 集成光学相干层析与血流储备分数检测的单光纤内窥系统 - Google Patents
集成光学相干层析与血流储备分数检测的单光纤内窥系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及集成光学相干层析与血流储备分数检测的单光纤内窥系统。本发明利用OCT检测与FFR检测的工作波段不同，在内窥探头中使用微型二向色镜分离OCT检测光路和FFR检测光路,实现OCT检测与FFR检测在单光纤内窥系统的整合；在探测上，使用光纤波分复用器分离OCT干涉信号和FFR压力信号，通过计算机处理后实时显示血管结构图像和FFR信息，从而满足临床医生对观察血管内各种组织特征和功能性分析的要求。本发明由于探头实现了OCT和FFR检测的整合，不需要对患者分别进行OCT和FFR两次检测，减少了患者的痛苦，降低了成本，保证了检测区域的一致性，提高了检测的准确度和成功率。
Description
技术领域
本发明属于光学相干层析成像技术、血流储备分数检测技术领域，具体涉及一种集成光学相干层析成像与血流储备分数检测技术的单光纤内窥系统。
背景技术
用于诊断人体组织病变的光学内窥活检方法已经成为现代光学技术应用的一大方向。传统的光学内窥镜只能观察内部组织表面，超声内窥技术可以对器官断层的组织形态进行观察，但由于其分辨率较低，往往难以达到准确诊断所需的分辨率水平。
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能实现对非透明高散射介质内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像。光学相干层析成像技术与内窥技术的结合，使得内窥探头可以对器官断层的组织形态进行高分辨率观察。
血流储备分数(Fractional Flow Reserve, 简称FFR)是1993年由荷兰科学家提出的一个推算血流的指标，被定义为在病变的远侧获取的狭窄主动脉中的最大血液流量与正常最大流量之比，即远侧压力与近侧压力的比。这个比值决定了狭窄病变的生理学意义和其对患者的影响。通过测试FFR，医生可以更加准确地识别和血流动力学相关的狭窄病变，从而降低过度治疗、死亡、心肌梗死和重复血运重建的发生率。
常规的OCT内窥技术可以提供血管的形态学信息，而FFR检测可以提供血管的功能性信息。因此，OCT和FFR检测技术的整合可以实现对感兴趣的区域解剖学和功能学的同时评估。最新的圣犹达（St. Jude Medical）ILUMIEN系统，需要使用单独的OCT内窥镜和FFR压力丝，通过分别的两次插入血管内并进行测试。这样的测量需要后期处理，整合功能和结构信息。两次插入增加了患者的痛苦，两只探头的成本也较高，且不能保证检测区域的一致性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种集成光学相干层析(OCT)与血流储备分数(FFR)检测的单光纤内窥系统。本发明利用OCT检测与FFR检测的工作波段不同，在内窥探头中使用微型二向色镜分离OCT检测光路和FFR检测光路, 实现OCT检测与FFR检测在单光纤内窥系统的整合；在探测上，使用光纤波分复用器分离OCT干涉信号和FFR压力信号，通过计算机处理后实时显示血管结构图像和FFR信息，从而满足临床医生对观察血管内各种组织特征和功能性分析的要求。
本发明所采用的技术方案是：
包括扫频光源、FFR光纤压力传感器光源、两个光纤耦合器、两个光纤波分复用器、两个光环形器、内窥探头单元、参考臂单元、FFR光纤压力传感器信号光探测器、平衡探测器、计算机。
扫频光源发出的光经光纤传输到第一光纤耦合器后分成两路，一路在第一光纤波分复用器和FFR光纤压力传感器光源发出的光汇合，通过第一光环形器进入样品臂内窥探头单元；另一路由第二光环形器进入参考臂单元。
从样品臂内窥探头单元返回的光由第一光环形器进入第二光纤波分复用器，第二光纤波分复用器对光进行筛选，其中一路输出内窥探头单元的FFR光纤压力传感器信号光并被FFR光纤压力传感器信号光探测器探测；另一路输出内窥探头单元的OCT信号光，并与由参考臂单元返回的OCT信号光在第二光纤耦合器干涉，干涉信号被平衡探测器探测。FFR光纤压力传感器信号光探测器和平衡探测器分别把FFR光纤压力传感器信号光和OCT干涉信号光转化为电信号并传输到计算机中进行处理。
所述的内窥探头单元包括内窥探头光纤、传动套管、内窥探头保护套、无芯光纤、格林透镜、微型二向色镜、透明照明窗口、FFR压力感应悬臂、微型反射镜、不透射线引导端。进入内窥探头单元的光经内窥探头光纤传输到无芯光纤并经格林透镜聚焦后，传输到微型二向色镜，微型二向色镜反射OCT光源输出的光，经由透明照明窗口照射到血管内壁；微型二向色镜透过FFR光纤压力传感器光源发出的光，照射到附在FFR压力感应悬臂上的微型反射镜，在不同管壁压力下FFR压力感应悬臂位置不同导致微型反射镜位置不同，返回的光强不同。OCT样品信号光和FFR光纤压力传感器信号光由原路返回至第一光环形器。
所述的参考臂单元包括参考臂光纤、光纤准直镜、色散补偿器、聚焦透镜、反射镜。进入参考臂单元的光经参考臂光纤传输到光纤准直镜，通过色散补偿器后被聚焦透镜照射到平面反射镜，从平面反射镜反射回来的光经由原路返回至第二光环形器。
与背景技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明设计的光纤内窥探头只采用一根光纤实现了OCT与FFR检测的整合，可以对小直径的腔道组织进行光学活检，如心血管、脑血管等。OCT和FFR检测的组合可以帮助医生实时选定最优化的治疗方案。
2、整合后的单光纤探头结构提高了系统的稳定性和可靠性，降低成本。
3、OCT和FFR检测的整合，不需要对患者分别进行OCT和FFR两次检测，减少了患者的痛苦，保证了检测区域的一致性，提高了检测的准确度和成功率。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理示意图；
图2为本发明中内窥探头单元结构示意图；
图3为本发明中参考臂单元的光路示意图。
图中：1.扫频光源；2.FFR光纤压力传感器光源；3.第一光纤耦合器；4.第一光纤波分复用器；5.第一光环形器；6.第二光环形器；7.内窥探头单元；8.参考臂单元；9.第二光纤波分复用器；10.FFR光纤压力传感器信号光探测器；11.第二光纤耦合器；12.平衡探测器；13.计算机；14.内窥探头光纤；15传动套管；16.内窥探头保护套；17.无芯光纤；18.格林透镜；19.微型二向色镜；20.透明照明窗口；21.血管内壁；22.FFR压力感应悬臂；23.微型反射镜；24.不透射线引导端；25.参考臂光纤；26.光纤准直镜；27.色散补偿器；28.聚焦透镜；29.反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
如图1所示，一种集成光学相干层析与血流储备分数检测的单光纤内窥系统，包括扫频光源1、FFR光纤压力传感器光源2、第一光纤耦合器3、第一光纤波分复用器4、第一光环形器5、第二光环形器6、内窥探头单元7、参考臂单元8、第二光纤波分复用器9、FFR光纤压力传感器信号光探测器10、第二光纤耦合器11、平衡探测器12、计算机13。
扫频光源1与第一光纤耦合器3的输入端通过光纤连接，第一光纤耦合器3的一个输出端以及FFR光纤压力传感器光源2均通过光纤与第一光纤波分复用器4的输入端连接，第一光纤波分复用器4的输出端与第一光环形器5的输入端a通过光纤连接，第一光环形器5的输入输出端b连接内窥探头单元7，第一光纤耦合器3的另一个输出端与第二光环形器6的输入端d通过光纤连接，第二光环形器6的输入输出端e连接参考臂单元8。
扫频光源1发出的光经光纤传输到第一光纤耦合器3后分成两路，一路在第一光纤波分复用器4和FFR光纤压力传感器光源2发出的光汇合，通过第一光环形器5进入样品臂内窥探头单元7；另一路由第二光环形器6进入参考臂单元8。
第一光环形器5的输出端c与第二光纤波分复用器9的输入端通过光纤连接，第二光纤波分复用器9的一个输出端与FFR光纤压力传感器信号光探测器10通过光纤连接；第二光纤波分复用器9的另一个输出端以及第二光环形器6的输出端f与第二光纤耦合器11的输入端连接，第二光纤耦合器11的输出端与平衡探测器12连接；FFR光纤压力传感器信号光探测器10和平衡探测器12均与计算机13连接。
从样品臂内窥探头单元7返回的光由第一光环形器5进入第二光纤波分复用器9，第二光纤波分复用器9对光进行筛选，其中一路输出内窥探头单元7的FFR光纤压力传感器信号光并被FFR光纤压力传感器信号光探测器10探测；另一路输出内窥探头单元7的OCT信号光，并与由参考臂单元8返回的OCT信号光在第二光纤耦合器11干涉，干涉信号被平衡探测器12探测。FFR光纤压力传感器信号光探测器10和平衡探测器11分别把FFR光纤压力传感器信号光和OCT干涉信号光转化为电信号并传输到计算机13中进行处理。
如图2所示，内窥探头单元7包括内窥探头光纤14、传动套管15、内窥探头保护套16、无芯光纤17、格林透镜18、微型二向色镜19、透明照明窗口20、FFR压力感应悬臂22、微型反射镜23、不透射线引导端24。
传动套管15包覆在内窥探头光纤14外，内窥探头保护套16内依次设置有无芯光纤17、格林透镜18、微型二向色镜19；内窥探头保护套16一侧对应微型二向色镜19位置开有透明照明窗口20，内窥探头保护套16另一侧对应透明照明窗口20位置设置有FFR压力感应悬臂22，微型反射镜23设置在FFR压力感应悬臂22上，并位于微型二向色镜19的出射光路上；内窥探头光纤14连同传动套管15设置在内窥探头保护套16的一端，不透射线引导端24设置在内窥探头保护套16的另一端；内窥探头单元7通过内窥探头光纤14与第一光环形器5连接。
进入内窥探头单元7的光经内窥探头光纤14传输到无芯光纤17并经格林透镜18聚焦后，传输到微型二向色镜19，微型二向色镜19反射OCT光源输出的光，经由透明照明窗口20照射到血管内壁21；微型二向色镜19透过FFR光纤压力传感器光源2发出的光，照射到附在FFR压力感应悬臂22上的微型反射镜23，在不同管壁压力下FFR压力感应悬臂22位置不同导致微型反射镜23位置不同，返回的光强不同；OCT样品信号光和FFR光纤压力传感器信号光由原路返回至第一光环形器5。
如图3所示，参考臂单元8包括参考臂光纤25、光纤准直镜26、色散补偿器27、聚焦透镜28、反射镜29。参考臂光纤25的端部对准光纤准直镜26的一侧，色散补偿器27、聚焦透镜28、反射镜29依次设置在光纤准直镜26另一侧的光路上；参考臂单元8通过参考臂光纤25与第二光环形器6连接。
进入参考臂单元8的光经参考臂光纤25传输到光纤准直镜26，通过色散补偿器27后被聚焦透镜28照射到平面反射镜29，从平面反射镜29反射回来的光经由原路返回至第二光环形器6。
本发明利用OCT检测与FFR检测的工作波段不同，在样品臂内窥探头中使用二向色镜分离OCT检测光路和FFR压力检测光路, 实现OCT检测与FFR检测单光纤内窥系统的整合；在外径不到1mm的内窥镜系统中，压力信号和光学图像可以同时采集。OCT和OCT-FFR系统还可在支架术后可评价支架梁贴壁、扩张情况，捕捉内膜撕裂、组织脱垂等信息，并同时进行功能性分析，降低手术相关并发症、支架植入后潜在再狭窄和支架内血栓形成的风险。在支架术后的远期随访中，可以观察支架（尤其是药物支架）内再狭窄或内皮修复情况等，并进行血管动力学分析，可以帮助医生及时对这些并发症治疗，具有重要临床意义。
Claims (1)
1.集成光学相干层析与血流储备分数检测的单光纤内窥系统，其特征在于：包括扫频光源、FFR光纤压力传感器光源、两个光纤耦合器、两个光纤波分复用器、两个光环形器、内窥探头单元、参考臂单元、FFR光纤压力传感器信号光探测器、平衡探测器、计算机；
扫频光源(1)与第一光纤耦合器(3)的输入端通过光纤连接，第一光纤耦合器(3)的一个输出端以及FFR光纤压力传感器光源(2)均通过光纤与第一光纤波分复用器(4)的输入端连接，第一光纤波分复用器(4)的输出端与第一光环形器(5)的输入端通过光纤连接，第一光环形器(5)的输入输出端连接内窥探头单元(7)，第一光纤耦合器(3)的另一个输出端与第二光环形器(6)的输入端通过光纤连接，第二光环形器(6)的输入输出端连接参考臂单元(8)；
扫频光源(1)发出的光经光纤传输到第一光纤耦合器(3)后分成两路，一路在第一光纤波分复用器(4)和FFR光纤压力传感器光源(2)发出的光汇合，通过第一光环形器(5)进入样品臂内窥探头单元(7)；另一路由第二光环形器(6)进入参考臂单元(8)；
第一光环形器(5)的输出端与第二光纤波分复用器(9)的输入端通过光纤连接，第二光纤波分复用器(9)的一个输出端与FFR光纤压力传感器信号光探测器(10)通过光纤连接；第二光纤波分复用器(9)的另一个输出端以及第二光环形器(6)的输出端与第二光纤耦合器(11)的输入端连接，第二光纤耦合器(11)的输出端与平衡探测器(12)连接；FFR光纤压力传感器信号光探测器(10)和平衡探测器(12)均与计算机(13)连接；
从样品臂内窥探头单元(7)返回的光由第一光环形器(5)进入第二光纤波分复用器(9)，第二光纤波分复用器(9)对光进行筛选，其中一路输出内窥探头单元(7)的FFR光纤压力传感器信号光并被FFR光纤压力传感器信号光探测器(10)探测；另一路输出内窥探头单元(7)的OCT信号光，并与由参考臂单元(8)返回的OCT信号光在第二光纤耦合器(11)干涉，干涉信号被平衡探测器(12)探测；FFR光纤压力传感器信号光探测器(10)和平衡探测器(11)分别把FFR光纤压力传感器信号光和OCT干涉信号光转化为电信号并传输到计算机(13)中进行处理；
所述的内窥探头单元(7)包括内窥探头光纤(14)、传动套管(15)、内窥探头保护套(16)、无芯光纤(17)、格林透镜(18)、微型二向色镜(19)、透明照明窗口(20)、FFR压力感应悬臂(22)、微型反射镜(23)、不透射线引导端(24)；
所述的传动套管(15)包覆在内窥探头光纤(14)外，内窥探头保护套(16)内依次设置有无芯光纤(17)、格林透镜(18)、微型二向色镜(19)；内窥探头保护套(16)一侧对应微型二向色镜(19)位置开有透明照明窗口(20)，内窥探头保护套(16)另一侧对应透明照明窗口(20)位置设置有FFR压力感应悬臂(22)，微型反射镜(23)设置在FFR压力感应悬臂(22)上，并位于微型二向色镜(19)的出射光路上；内窥探头光纤(14)连同传动套管(15)设置在内窥探头保护套(16)的一端，不透射线引导端(24)设置在内窥探头保护套(16)的另一端；内窥探头单元(7)通过内窥探头光纤(14)与第一光环形器(5)连接；
进入内窥探头单元(7)的光经内窥探头光纤(14)传输到无芯光纤(17)并经格林透镜(18)聚焦后，传输到微型二向色镜(19)，微型二向色镜(19)反射OCT光源输出的光，经由透明照明窗口(20)照射到血管内壁；微型二向色镜(19)透过FFR光纤压力传感器光源(2)发出的光，照射到附在FFR压力感应悬臂(22)上的微型反射镜(23)，在不同管壁压力下FFR压力感应悬臂(22)位置不同导致微型反射镜(23)位置不同，返回的光强不同；OCT样品信号光和FFR光纤压力传感器信号光由原路返回至第一光环形器(5)；
所述的参考臂单元(8)包括参考臂光纤(25)、光纤准直镜(26)、色散补偿器(27)、聚焦透镜(28)、反射镜(29)；参考臂光纤(25)的端部对准光纤准直镜(26)的一侧，色散补偿器(27)、聚焦透镜(28)、反射镜(29)依次设置在光纤准直镜(26)另一侧的光路上；参考臂单元(8)通过参考臂光纤(25)与第二光环形器(6)连接；
进入参考臂单元(8)的光经参考臂光纤(25)传输到光纤准直镜(26)，通过色散补偿器(27)后被聚焦透镜(28)照射到平面反射镜(29)，从平面反射镜(29)反射回来的光经由原路返回至第二光环形器(6)。
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