CN105388604B - 一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及其配套装置与检测方法 - Google Patents

一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及其配套装置与检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及其配套装置与检测方法，共聚焦微探头包括传像光纤束连接器插头，保护光纤连接器插头，混装光纤和微物镜；混装光纤的远端与微物镜连接，混装光纤的近端分叉后分为传像光纤束分支和保护光纤分支；通过保护光纤分支检测混装光纤中光功率衰减或者反射谱偏移来判断光纤的弯曲程度；传像光纤束分支与传像光纤束连接器插头的一端连接，保护光纤分支与保护光纤连接器插头的一端连接；传像光纤束连接器插头的另一端和保护光纤连接器插头的另一端均用于与共聚焦显微内窥镜主机上的插座连接。本发明结构精巧，成本较低，解决了当前共聚焦显微内窥镜无法对微探头的过度弯曲进行检测的问题，加强了对微探头中核心组件传像光纤束的保护。

Description

一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及其配套装置与检测 方法
技术领域
本发明属于医学和生物学技术领域，更具体地，涉及一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及其配套装置与检测方法。
背景技术
共聚焦显微内窥镜是使用共聚焦成像原理进行显微成像的内窥镜，主要应用在医学和生物学领域，用于对生物组织进行成像，当前临床使用较多的是探头式共聚焦显微内窥镜。探头式共聚焦显微内窥镜使用一条由数万根光纤组成的传像光纤束进行成像。内窥镜主机侧使用扫描振镜，逐行扫描光纤束近端，将聚焦后的激光依次注入到传像光纤束的纤芯内，同时接收经由传像光纤束传回的荧光；光纤束远端带有微物镜，将经由传像光纤束传来的激光聚焦到生物组织上，同时接收激发出来的荧光，通过微物镜传回传像光纤束。传像光纤束、微物镜以及传像光纤束与内窥镜主机的连接装置共同组成了共聚焦微探头。
组成共聚焦微探头的传像光纤束价格昂贵，同时又非常脆弱，非常容易在使用过程中发生损坏，导致财产损失，并且有可能对病人造成伤害，酿成医疗事故。造成损坏的主要原因是由于使用过程中操作不当，导致传像光纤束的弯曲程度超出了传像光纤束的极限弯曲半径，引起传像光纤束内部的纤芯断裂。目前的共聚焦微探头只是在使用说明书中标明了光纤束的极限弯曲半径，但是并没有提供相应的保护或者告警机制，只能依靠操作者的经验和操作手法来保证微探头的安全使用，对操作者的要求很高。
现有的共聚焦微探头的结构如图1(a)所示；共聚焦微探头包括连接器插头01，传像光纤束02，微探头03；其中连接器插头01在工作时需要连接到共聚焦显微内窥镜主机上的连接器插座05上。共聚焦显微内窥镜主机发出的工作激光依次经过连接器插头01，传像光纤束02，微探头03，照射到被观测的生物组织04上，激发出与入射激光波长不同的荧光，沿同一路径返回到主机内。
现有的共聚焦微探头缺少一种能够检测探头是否发生了极限弯曲的装置。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头，其目的在于通过检测共聚焦微探头在使用过程中发生的过度弯曲来加强对共聚焦微探头中传像光纤束的保护。
本发明提供了一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头，包括传像光纤束连接器插头，保护光纤连接器插头，混装光纤和微物镜；所述混装光纤的远端与所述微物镜连接，所述混装光纤的近端分叉后分为传像光纤束分支和保护光纤分支；通过所述保护光纤分支检测所述混装光纤中光功率衰减来判断光纤的弯曲程度；所述传像光纤束分支与所述传像光纤束连接器插头的一端连接，所述保护光纤分支与所述保护光纤连接器插头的一端连接；所述传像光纤束连接器插头的另一端和所述保护光纤连接器插头的另一端均用于与共聚焦显微内窥镜主机上的插座连接。本发明结构精巧，成本较低，解决了当前共聚焦显微内窥镜无法对微探头的过度弯曲进行检测的问题，加强了对微探头中核心组件的保护。
更进一步地，所述传像光纤束分支和保护光纤分支封装在同一保护层的混装光纤中。二者封装在同一保护层中，使得传像光纤束分支与保护光纤分支在工作时保持相同的弯曲半径，因此可以使用保护光纤分支的弯曲半径来估计传像光纤束分支的弯曲半径。
更进一步地，所述传像光纤束分支与所述混装光纤保持同心；所述保护光纤分支位于所述传像光纤束分支与所述混装光纤之间的缝隙中，其余部分用软性树脂填充。二者保持同心的设置，可以使得混装光纤与微物镜的装配过程中，传像光纤束分支、混装光纤及微物镜三者均保持同心，装配过程顺畅稳定。传像光纤束分支位于第一台阶状结构中心，深入第一台阶状结构孔洞中；混装光纤整体位于第三台阶状结构中心，深入第三台阶状结构孔洞中。
更进一步地，所述传像光纤束分支的极限弯曲半径R1大于所述保护光纤分支的极限弯曲半径R2，且小于所述保护光纤分支的泄漏弯曲半径R3。这样的设计，当混装光纤的弯曲半径不断变小，达到R3时，系统进行报警，而此时传像光纤束分支和保护光纤分支的弯曲半径均为R3，均大于各自的极限弯曲半径(R1和R2)，这时传像光纤束分支与保护光纤分支都不会折断。R1>R2的原因更多的是工艺上的考虑，一般情况下光纤束的极限弯曲半径都会大于普通光纤的极限弯曲半径。
更进一步地，所述混装光纤的极限弯曲半径与所述传像光纤束分支的极限弯曲半径R2保持一致。
更进一步地，所述传像光纤束分支的直径为800微米，所述保护光纤分支的直径为125微米，所述混装光纤的外部保护层直径小于1200微米。
更进一步地，所述保护光纤分支的远端镀有高反膜，确保注入的检测激光在端面上不会有过度的损耗。
更进一步地，所述微物镜包括镜筒和成像单元；镜筒与成像单元保持同心，成像单元位于镜筒内部，成像单元远端与镜筒远端平齐或者略微凸出；成像单元可对微物镜前端的物体进行成像，通过成像单元的折射，将所成的像投射到混装光纤的传像光纤束分支端面上；所述镜筒的近端内壁由3个不同孔径的台阶状结构构成，第一台阶状结构的孔径小于第二台阶状结构的孔径，第二台阶状结构的孔径小于第三台阶状结构的孔径；第一台阶状结构的深度大于第二台阶状结构的深度，第二台阶状结构的深度大于第三台阶状结构的深度；所述第一台阶状结构便于所述传像光纤分支插入；所述保护光纤分支的远端放置在所述第二台阶状结构处；所述混装光纤的外部保护层可以插入到所述第三台阶状结构内；所述成像单元为镜片组或梯度折射率透镜。
本发明还提供了一种基于上述的带有弯曲报警功能的共聚焦微探头的配套装置，包括共聚焦显微内窥镜主机，设置在所述共聚焦显微内窥镜主机上的传像光纤束连接器插座和保护光纤连接器插座；所述传像光纤束连接器插座用于连接所述传像光纤束连接器插头，所述保护光纤连接器插座用于连接所述保护光纤连接器插头；所述共聚焦显微内窥镜主机包括：光纤环形器、激光器、探测器和控制系统；所述控制系统控制所述激光器发出检测激光，检测激光依次经过所述光纤环形器和所述保护光纤连接器插座后注入到所述保护光纤分支中；从所述保护光纤分支返回的光经过所述光纤环形器后进入所述探测器，所述探测器将检测的激光强度输出给所述控制系统；所述控制系统根据激光强度判断共聚焦微探头是否发生了过度弯曲，并当所述共聚焦微探头发生了过度弯曲时发出警告。
更进一步地，传像光纤束连接器插头，保护光纤连接器插头、传像光纤束连接器插座和保护光纤连接器插座，可以使用混装的插头/插座来代替。
本发明还提供了一种基于上述的带有弯曲报警功能的共聚焦微探头的检测方法，包括下述步骤：
(1)向保护光纤分支中注入检测激光，同时检测初始的返回功率，作为基准值；
(2)实时检测返回的激光功率，并与所述基准值进行比较，当实时检测到的激光功率与所述基准值相比发生了大于预设值的衰减时，发出警告，用于提示用户注意不要过度弯曲共聚焦微探头。
另一种方案使用带光栅结构的保护光纤。实时监测保护光纤的弯折导致反射谱偏移。反射谱偏移达到某个特定值时，控制系统就会发出“警告”信息，提示使用者不要过度弯曲光纤探头。
本发明通过保护光纤分支作为传感器，与传像光纤束封装在同一保护层内，通过保护光纤分支在弯曲半径较小时产生的传输泄漏或者反射谱偏移来检测整个共聚焦微探头的弯曲状态并决定是否发出告警信息。结构精巧，成本较低，解决了当前共聚焦显微内窥镜无法对微探头的过度弯曲进行检测的问题，加强了对微探头中核心组件的保护。
附图说明
图1(a)是现有技术提供的共聚焦微探头的结构示意图；
图1(b)是本发明实施例提供的共聚焦微探头的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的共聚焦微探头中保护光纤分支的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的共聚焦微探头中混装光纤的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的共聚焦微探头中微物镜与混装光纤的装配方式示意图；
图5是本发明实施例提供的共聚焦显微内窥镜主机的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的基于共聚焦微探头的检测方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对当前的共聚焦微探头缺少保护机制，容易在使用过程中发生损坏的问题，提出了一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头及配套装置，并提出检测方法，可以在微探头达到设计的极限弯曲半径之前发出报警，提示操作者。本发明结构精巧，成本较低，解决了当前共聚焦显微内窥镜无法对微探头的过度弯曲进行检测的问题，加强了对微探头中核心组件的保护。
在本发明实施例中，光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传输原理是基于光的全反射。光纤由同轴的内外两层透明介质组成，内层称为纤芯，外层称为包层，其中纤芯折射率大于包层折射率。当光以特定角度注入光纤纤芯时，由于入射角度较大，光在纤芯和包层之间发生全反射，就会一直沿着纤芯反射前进。但是，当光纤的弯曲半径小于某一特定值R时，光纤的弯曲会导致弯曲部位光的入射角度变小，不再发生全反射，有一部分光就折射进入包层，发生泄漏。
图2显示光纤传输中发生的泄漏，其中F1为光纤纤芯，F2为光纤包层，图中光纤发生了半径为R的弯曲，光线L1在弯曲处，入射角度变小，只有一部分光L2反射回到纤芯，另一部分L3折射后进入包层，通过光纤的功率发生了衰减。通过检测光纤中的光功率衰减，可以判断光纤的弯曲程度。
本发明实施例基于光纤的传像原理，将一根特殊的辅助光纤作为保护光纤，与传像光纤束封装在同一保护层内，通过保护光纤在弯曲半径较小时产生的传输泄漏来检测整个共聚焦微探头的弯曲状态并决定是否发出告警信息。
本发明对现有的共聚焦微探头进行改进，使用一根特殊的辅助光纤作为传感器，与传像光纤束封装在同一保护层内，通过辅助光纤在弯曲半径较小时产生的传输泄漏来检测整个共聚焦微探头的弯曲状态并决定是否发出告警信息。
本发明提出的带有弯曲报警功能的共聚焦微探头的主要结构如图1(b)所示；带有弯曲报警功能的共聚焦微探头包括传像光纤束连接器插头111，保护光纤连接器插头112，混装光纤12和带保护功能的微物镜13；其中，混装光纤12在近端分叉，分为传像光纤束分支121和保护光纤分支122，分别连接到传像光纤束连接器插头111和保护光纤连接器插头112；与插头对应，在带报警功能的共聚焦显微内窥镜主机15上有传像光纤束连接器插座151和保护光纤连接器插座152。在工作时，传像光纤束分支121的工作原理与现有共聚焦探头中的传像光纤束相同；保护光纤分支122从保护光纤连接器插座152处接收检测激光，经过整根光纤的传输，到达远端后在端面反射，原路返回。
在本发明实施例中，两组连接器插头/插座，也可以使用混装的插头/插座来代替，即一组连接器实现同时对接工作激光和检测激光。
保护光纤的光泄漏示意图如图2所示；其中，F1为光纤纤芯，F2为光纤包层，图中光纤发生了半径为R的弯曲，光线L1在弯曲处，入射角度变小，只有一部分光L2反射回到纤芯，另一部分L3折射后进入包层，通过光纤的功率发生了衰减。通过检测光纤中的光功率衰减，可以判断光纤的弯曲程度。
在这里，如果当R>R0时，光纤泄漏产生的功率衰减超过了特定预设值a，那么定义R0为该光纤的泄漏弯曲半径。这里特定预设值a可以根据需要来设定，如设定为5％。通过选择F1和F2的材料，可以制造出满足特定泄漏弯曲半径R0的光纤。由于保护光纤的结构与普通的光纤结构相同，因此相对于传像光纤束来说，成本非常低。
将传像光纤束与保护光纤封装在同一保护层的混装光纤结构示意图如图3所示；12为混装光纤，在混装光纤12的内部，包裹有传像光纤束分支121和保护光纤分支122；其中，传像光纤束分支121与混装光纤12保持同心；保护光纤分支122位于传像光纤束分支121与混装光纤12之间的缝隙中，其余部分用软性树脂(如聚氨酯、硅胶等)填充。传像光纤束分支121的极限弯曲半径R1大于保护光纤分支122的极限弯曲半径R2，小于保护光纤分支122的泄漏弯曲半径R3。
在混装光纤12中，传像光纤束分支121的直径约为800微米，保护光纤分支122的直径约为125微米，整根混装光纤12的外部保护层直径可以控制在1200微米以下，同时由于中间填充材料为软性树脂，混装光纤12的极限弯曲半径可以与传像光纤束分支121的极限弯曲半径R2保持一致。
当混装光纤12发送了弯曲半径小于R3的弯曲时，保护光纤分支122也发生了同样半径的弯曲，此时可以检测到超过了特定比例a的光损耗，进而判断过度弯曲的发生。
带保护功能的微物镜与混装光纤的装配方式示意图如图4所示；12为混装光纤，13为微物镜；微物镜13分为成像单元132与镜筒131，其中，成像单元132可以为一组设计好的镜片组，也可以为梯度折射率透镜。镜筒131的近端内壁加工成3个不同孔径的台阶状，三个台阶由细到粗依次为小径1311，中径1312和大径1313，其中直径最小的台阶1311最深，便于混装光纤12中的传像光纤分支121可以插入；直径居中的台阶1312的深度居中，便于保护光纤分支122的远端可以放置在1312处；混装光纤12的外部保护层可以插入到直径最大的台阶1313内，保护光纤分支122的远端镀有高反膜，确保注入的检测激光在端面上不会有过度的损耗。
这样台阶状的装配方式可以确保传像光纤分支121与成像单元132保持同心，混装光纤12与镜筒131也保持同心；同时，整个装配也比较简单。
共聚焦显微内窥镜主机内的配套装置示意图如图5所示；主机的控制系统19控制检测激光器17发出检测激光，检测激光经过光纤环形器16和保护光纤连接器插座152注入到保护光纤分支122中。从保护光纤分支122返回的光经过光纤环形器16后进入探测器18，探测器18检测收到的激光强度，将结果送给控制系统19。控制系统19判断共聚焦微探头发生了过度的弯曲后，会发出警告。
在本发明实施例中，光纤环行器16也可以用半反半透平面镜实现。
检测共聚焦微探头弯曲并报警的工作流程图如图6所示；当系统开始工作后，就向保护光纤分支122中注入检测激光，同时检测初始的返回功率，作为基准。然后系统实时检测返回的功率，并与基准作为对比。当发现实时检测到的功率与基准值相比发生了大于预设值的衰减时，就认为共聚焦微探头发生了超过泄漏弯曲半径的弯曲，给予警告，提示用户注意不要过度弯曲共聚焦微探头。
作为本发明的另一个实施例，可以采用带光栅结构的保护光纤；保护光纤的弯折引起的应力变化可以转变为保护光纤中反射谱偏移。反射谱偏移达到某个特定值时(比如反射谱中心正向偏移5nm时)，控制系统就会发出“警告”信息，提示使用者不要过度弯曲光纤探头。
本发明提出对共聚焦微探头过度弯曲的检测方法，有效保护了脆弱又昂贵的共聚焦微探头，具有良好的经济效益。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带有弯曲报警功能的共聚焦微探头，其特征在于，包括传像光纤束连接器插头(111)，保护光纤连接器插头(112)，混装光纤(12)和微物镜(13)；
所述混装光纤(12)的远端与所述微物镜(13)连接，所述混装光纤(12)的近端分叉后分为传像光纤束分支(121)和保护光纤分支(122)；通过所述保护光纤分支(122)检测所述混装光纤(12)中光功率衰减来判断光纤的弯曲程度；
所述传像光纤束分支(121)与所述传像光纤束连接器插头(111)的一端连接，所述保护光纤分支(122)与所述保护光纤连接器插头(112)的一端连接；
所述传像光纤束连接器插头(111)的另一端和所述保护光纤连接器插头(112)的另一端均用于与共聚焦显微内窥镜主机(15)上的插座连接；所述传像光纤束分支(121)的极限弯曲半径R1大于所述保护光纤分支(122)的极限弯曲半径R2，且小于所述保护光纤分支(122)的泄漏弯曲半径R3。
2.如权利要求1所述的共聚焦微探头，其特征在于，所述传像光纤束分支(121)和保护光纤分支(122)封装在同一保护层的混装光纤中。
3.如权利要求2所述的共聚焦微探头，其特征在于，所述传像光纤束分支(121)与所述混装光纤(12)保持同心；所述保护光纤分支(122)位于所述传像光纤束分支(121)与所述混装光纤(12)之间的缝隙中，其余部分用软性树脂填充。
4.如权利要求1所述的共聚焦微探头，其特征在于，所述混装光纤(12)的极限弯曲半径与所述传像光纤束分支(121)的极限弯曲半径R2保持一致。
5.如权利要求1所述的共聚焦微探头，其特征在于，所述保护光纤分支(122)的远端镀有高反膜，确保注入的检测激光在端面上不会有过度的损耗。
6.如权利要求1所述的共聚焦微探头，其特征在于，所述微物镜(13)包括镜筒(131)和成像单元(132)；
所述镜筒(131)的近端内壁由3个不同孔径的台阶状结构构成，第一台阶状结构(1311)的孔径小于第二台阶状结构(1312)的孔径，第二台阶状结构(1312)的孔径小于第三台阶状结构(1313)的孔径；第一台阶状结构(1311)的深度大于第二台阶状结构(1312)的深度，第二台阶状结构(1312)的深度大于第三台阶状结构(1313)的深度；所述第一台阶状结构(1311)便于所述传像光纤分支(121)插入；所述保护光纤分支(122)的远端放置在所述第二台阶状结构(1312)处；所述混装光纤(12)的外部保护层插入到所述第三台阶状结构(1313)内；
所述成像单元(132)为镜片组或梯度折射率透镜。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的带有弯曲报警功能的共聚焦微探头的配套装置，其特征在于，包括共聚焦显微内窥镜主机(15)，设置在所述共聚焦显微内窥镜主机(15)上的传像光纤束连接器插座(151)和保护光纤连接器插座(152)；
所述传像光纤束连接器插座(151)用于连接所述传像光纤束连接器插头(111)，所述保护光纤连接器插座(152)用于连接所述保护光纤连接器插头(112)；
所述共聚焦显微内窥镜主机(15)包括：光纤环形器(16)、激光器(17)、探测器(18)和控制系统(19)；所述控制系统(19)控制所述激光器(17)发出检测激光，检测激光依次经过所述光纤环形器(16)和所述保护光纤连接器插座(152)后注入到所述保护光纤分支(122)中；从所述保护光纤分支(122)返回的光经过所述光纤环形器(16)后进入所述探测器(18)，所述探测器(18)将检测的激光强度输出给所述控制系统(19)；所述控制系统(19)根据激光强度判断共聚焦微探头是否发生了过度弯曲，并当所述共聚焦微探头发生了过度弯曲时发出警告。
8.如权利要求7所述的共聚焦微探头的配套装置，其特征在于，所述传像光纤束连接器插头(111)，所述保护光纤连接器插头(112)、所述传像光纤束连接器插座(151)和所述保护光纤连接器插座(152)，使用混装的插头或插座来代替。
9.一种基于权利要求1-6任一项所述的带有弯曲报警功能的共聚焦微探头的检测方法，其特征在于，包括：
向保护光纤分支中注入检测激光，同时检测初始的返回功率，作为基准值；实时检测返回的激光功率，并与所述基准值进行比较，当实时检测到的激光功率与所述基准值相比发生了大于预设值的衰减时，发出警告，用于提示用户注意不要过度弯曲共聚焦微探头；
或者向带光栅结构的保护光纤分支中注入检测激光，同时检测反射谱偏移量，当反射谱偏移量达到特定值时，发出警告，用于提示用户注意不要过度弯曲共聚焦微探头。
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