CN105828696A - 二维前向扫描探头 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描探头，该光学扫描探头包括：用以接收来自导光件的光束的手柄；套管，该套管从该手柄的远端延伸；光纤，该光纤被定位为部分地在该手柄内部并且部分地在该套管内部，以朝向该套管的远端引导所接收的光束；旋转扫描器，该旋转扫描器被可旋转地至少部分地定位在该套管内部、并且被配置为容纳该光纤的近侧部分；以及偏转扫描器，该偏转扫描器被可移动地联接至该旋转扫描器的远端、被配置为使该光纤的远侧部分偏转，其中该光纤的该远侧部分被配置为发射并且在目标区域中扫描被引导的光。

Description

二维前向扫描探头

技术领域

该专利文件涉及扫描探头。更精确的说，该专利文件涉及具有二维扫描能力的前向扫描探头。

背景技术

前向扫描光学探头被用在各种应用中，包括成像装置、诊断装置和手术装置中。前向扫描光学探头，或者简称扫描探头，在扫描探头的远端发射光，并且扫描跨目标区域的发射光。在成像应用中，这些扫描探头还收集从目标区域反射的光，并且将所收集的光递送到成像系统。

扫描探头利用扫描机构，扫描机构的实例包括微机电扫描器和压电扫描器。然而，在扫描探头的狭窄限制内(例如在具有小于1mm直径的医学内探头的套管内)实施这些扫描机构以用于医学应用被证明是极具挑战性的。

扫描可以沿着一维(1D)线、或沿着二维(2D)图样进行。一种用以实现2D扫描能力的设计包含“成对的角度旋转扫描”(PARS)探头。已经提出此类PARS探头，例如用于光学相干断层成像术(OCT)成像应用。PRAS探头利用一对斜切GRIN透镜，一个利用外套管旋转，并且另外一个利用容纳于外套管内的内套管以相反的方向反向旋转。两个GRIN透镜的同步反向旋转可以沿着各种2D扫描图样在探头尖前方的或朝向探头尖的目标区域中偏转并扫描OCT探头光束。它证明设计外径是1.65mm的PARS探头是可能的。然而，PARS设计具有其本身的如下局限性。

1.PARS探头的两个反向旋转的套管需要具挑战性的高精度制造。

2.实施广泛使用的扫描图样中的一些可以是另一个挑战。例如，为了实现1D线性扫描，两个套管必须以相反方向以完全一样的角速度进行反向旋转。角速度的甚至很小的差异、或者不匹配会不利的导致非线性扫描图样，典型地甚至不是闭环。

另一个例子是将扫描光束移动到特定点，例如以开始新的扫描。进行如此操作还需要两个GRIN透镜在相反方向上同步旋转相同的角度。如果两个GRIN透镜的旋转不是以足够高精度同步化并且结果是将扫描光束移动到移变的位置，则该特定点的坐标的移变需要用成像系统的校准的移变来补偿。

一些系统尝试改进该反向旋转的精度，但是那些系统典型地将另外的复杂性引入探头的已经紧密的空间中。

发明内容

为了解决以上挑战，在本专利文件中描述的实施例包括光学扫描探头，该光学扫描探头包括：手柄，该手柄被配置为接收来自导光件的光束；套管，该套管从该手柄的远端延伸；光纤，该光纤被定位为部分地在该手柄内部，并且部分地在该套管内部，被配置为朝向该套管的远端引导所接收的光束；旋转扫描器，该旋转扫描器被可旋转地至少部分地定位在该套管内部，并且被配置为容纳该光纤的近侧部分；以及偏转扫描器，该偏转扫描器被可移动地联接至该旋转扫描器的远端，被配置为使该光纤的远侧部分偏转，其中该光纤的该远侧部分被配置为发射并且扫描目标区域中的引导的光。

在另一个实施例中，一种用扫描探头进行扫描的方法包括操作旋转扫描器，该旋转扫描器可旋转地至少部分地定位在从手柄的近端延伸的套管内部，并且被配置为容纳光纤的近侧部分，该光纤的近侧部分被配置为接收来自导光件的光并且将其引导到该光纤的远端；并且操作偏转扫描器，该偏转扫描器可移动地至少部分地定位在该套管内部，并且可移动地联接至该旋转扫描器的远端，该偏转扫描器被配置为偏转该光纤的远侧部分，其中该光纤的该远侧部分被配置为朝向目标区域发射所引导的光，并且对该旋转扫描器和该偏转扫描器的该操作跨该目标区域扫描所发射的光。

附图说明

图1展示了插入眼睛中的探头。

图2展示了扫描探头的实施例。

图3展示了扫描探头的另一个实施例。

图4A-D展示了扫描探头的扫描致动的类型。

图5A-B展示了扫描图样。

具体实施方式

该文件描述了如下的解决上述问题中的一些的扫描探头的实施例。

1.在此描述的扫描探头的一些实施例提供了在不具有两个反向旋转套管的情况下的二维扫描能力。此类实施例可以制造为具有比具有两个旋转套管的探头更低的精度。换言之，描述的实施例具有用于制造该探头的更低的公差。

2.一些实施例提供了更准确且可靠的2D扫描操作。具体而言，一些实施例可以从旋转扫描和线性扫描(取代两个反向旋转的运动)建立2D扫描操作。这样，这些实施例的操作对于这两种类型的扫描的小的不匹配是不太敏感的。

3.在这些实施例的一些中，变换为1D扫描模式是自然的且容易的。在描述的实施例中，使该旋转扫描立即停止导致线性扫描操作，而无需使两个反向旋转扫描运动同步化。

4.由于实施例不需要容纳外套管和内套管，这些实施例可以制造为具有更小的、更紧凑的形式因子、或更小的直径。

与本披露一致的实施例的一些方面已经披露在于2011年3月22日由迈克尔(Michael)J.帕帕茨(Papac)、迈克尔亚德洛斯基(MichaelYadlowsky)、以及约翰胡察卢克(JohnHuculak)提交的题为“气动驱动的眼扫描内探头(PneumaticallyDrivenOphthalmicScanningEndoprobe)”的美国临时专利申请号61/466,364中；于2011年1月21日由迈克尔亚德洛斯基、迈克尔J.帕帕茨、以及约翰胡察卢克提交的题为“反向旋转眼扫描器驱动机构(Counter-rotatingOphthalmicScannerDriveMechanism)”的美国临时专利申请号61/434,942中；于2011年12月19日由迈克尔亚德洛斯基、迈克尔J.帕帕茨、以及约翰胡察卢克提交的题为“使驱动光学扫描器往复以用于手术内探头(ReciprocatingDriveOpticalScannerforSurgicalEndoprobes)”的美国临时专利申请系列号61/577,371中；以及于2011年12月19日由迈克尔帕帕茨、约翰胡察卢克、以及迈克尔亚德洛斯基提交的题为“同心驱动扫描探头(ConcentricDriveScanningProbe)”的美国临时专利申请61/577,379中。将所有四个引用的专利申请以其全文结合在此。

图1展示了根据一些实施例的眼睛100和光学扫描探头200的总体布局。眼睛100典型地包括巩膜102、角膜104、眼前房106、眼后房108、以及在房106和108之间的晶状体110。眼睛100的远侧内表面支持视网膜112。扫描探头200通常被插入通过出入孔，形成于侧面并且远离眼睛100的主光轴，例如通过巩膜102，如所示。

探头200可以包括手柄210，该手柄形成为由操作者例如外科医生抓握。手柄210的近端可以联接至导光件220，该导光件被配置为引导来自成像系统230的光。手柄210可以被配置为接收来自导光件220的光束。在一些手柄210中，该光由光纤240接收。光纤240可以是单模或多模光纤。

在一些设计中，套管250可以从手柄210的远端突出。光纤240可以定位为部分地在手柄210内部并且部分地在套管250内部。光纤240可以引导从导光件220接收的光束朝向套管250的远端。

一些扫描探头200包括在套管250的远端的聚焦元件260。另外，如上所述，一些扫描探头可以联接至成像系统230。成像系统230的一些实施例可以包括光学相干断层成像术(OCT)系统。成像系统230的OCT实施例将由光源232产生的光分为成像光束和参考光束。成像光束可以利用导光件220和光纤240被引导至目标区域。扫描探头200可以收集从目标区域返回的成像光。一旦返回的成像光被引导回OCT成像系统230，OCT处理器234可以建立参考光束与返回的成像光束之间的干涉并且检测干涉。OCT处理器234可以进而基于检测的干涉建立目标区域的深度图像。该深度或OCT图像提供了目标区域的在一个深度范围中针对成像光束指向的每个点的图像。与目标区域的表面(例如视网膜112的表面)上的单一点相对应的OCT图像称为A-扫描。在对通过一组目标点的成像光束进行扫描的成像系统中，OCT图像变为一组或一个集合的A-扫描，典型地称为B-扫描。B-扫描显现为目标区域的横截面图像，典型地在XZ或YZ平面中取向，其中X和Y方向横向于探头200的光轴，并且Z轴平行于探头200的光轴。

这些操作可以在控制器236的控制下进行，并且包括OCT图像的结果可以通过用户界面238显示。

在不扫描成像光束时，OCT成像系统230被配置为建立A-扫描。在扫描成像光束时，OCT成像系统能够产生B-扫描。扫描可以由外科医生手动进行，但在此情况下图像的校准和图像点的真实坐标的确定会缺乏精确性。以更高精度和校准来扫描OCT图像可以利用扫描探头200产生，该扫描探头可以按1D或甚至2D扫描成像光束。

图2展示了扫描探头200的实施例，其被配置为按二维(2D)对成像光束进行扫描。扫描探头200可以包括旋转扫描器310，该旋转扫描器可旋转地至少部分地定位在套管250内部，并且被配置为容纳光纤240的近侧光纤部分322。扫描探头200还可以包括偏转扫描器320，该偏转扫描器可移动地至少部分地定位在套管250内部，并且可移动地联接至旋转扫描器310的远端，被配置为偏转远侧光纤部分324。远侧光纤部分324形成为发射成像光束，该成像光束被光纤240从导光件220引导。发射的成像光束可以利用聚焦元件260聚焦为聚焦光束262。

偏转扫描器320可以偏转远侧光纤部分324，由此扫描目标区域中的引导的成像光。详细而言，偏转扫描器320可以绕横轴旋转，由此在横向或侧向上弯曲或偏转远侧光纤部分324。旋转扫描器310可以旋转该横轴。因此，旋转扫描器310和偏转扫描器320的同步操作可以将旋转扫描和线性扫描组合，如在图2中所示，由此在目标区域中沿着2D扫描图样对成像光进行扫描。

一些扫描探头200可以包括旋转致动器330，该旋转致动器被配置为旋转该旋转扫描器310。旋转致动器330可以赋予旋转扫描器310旋转运动、或旋转扫描。旋转致动器330可以包括马达、气动旋转器、机械旋转器、压电系统、或电磁旋转器。旋转致动器330可以利用例如对旋转扫描器310的套管进行旋转的齿轮组件或扭矩缆线赋予旋转扫描。旋转扫描器310的旋转扫描可以由任选的滚珠轴承312来辅助。

在一些扫描探头200中，偏转扫描器320可以包括横向扫描器、侧向扫描器、径向扫描器、或角扫描器。偏转扫描器320可以利用联接器340可移动地联接至旋转扫描器310，该联接器可以包括铰接件、枢轴、柔性套管、连接套管、接头、或连接器。

扫描探头200可以包括用以使偏转扫描器320偏转的偏转致动器350。偏转致动器350可以赋予偏转扫描器320线性运动、线性扫描、或偏转扫描。偏转致动器350可以包括旋转马达、线性马达、气动致动器、可通电的电线圈、压电致动器、压电悬臂、微机电(MEMS)系统、静电致动器、或光纤束。

在所示的实施例中，偏转致动器350赋予偏转扫描器320偏转扫描，换言之，该偏转致动器通过牵拉联接至偏转扫描器上的拉线326来致动该偏转扫描器320。

在其他实施例中，偏转致动器350可以通过移动推杆以致动偏转扫描器来赋予偏转扫描器320线性运动。

在一些扫描探头200中，偏转扫描器320、偏转致动器350或两者可以包括复原机构360，例如复位机构、返回机构、弹簧加载的机构、弹性套管、柔性元件、静电机构、或记忆合金。复原机构360可以通过将偏转致动器320复原至平衡或中性位置(例如与扫描探头200的光轴202对齐)抵消拉线326的致动。

图3展示了在扫描探头200的一些实施例中，偏转扫描器320包括在远侧弯曲的护套，该在远侧弯曲的护套被配置为容纳远侧光纤部分324。护套320可以包括柔性材料或记忆合金。在这些实施例中，偏转致动器350可以按线性向前-向后方式移动偏转扫描器/护套320。在一些情况中，这可以通过从旋转扫描器/护套310和偏转扫描器/护套320形成组件、并且以线性方式移动该组件来实现。这可以相对于限制结构例如套管250来移动远侧弯曲的柔性护套320。如在图3中所示，该向前-向后运动迫使柔性护套320向上和向下弯曲，由此线性地或以偏转图样扫描远侧光纤部分324。

在扫描探头200的不同实施例中，例如在图2和3的实施例中，偏转扫描器320可以被配置为使远侧光纤部分324从套管250的光轴202偏转达到最大偏转角。该最大偏转角可以是30度、45度、60度、或90度。

在扫描探头200的一些实施例中，近侧光纤部分322或远侧光纤部分324能够相对于旋转扫描器310和偏转扫描器320中的至少一者进行旋转。此类实施例可以完全减少或避免在扫描期间光纤240的扭转变形。

在扫描探头200的一些实施例中，近侧光纤部分322可以非旋转地附着至旋转扫描器310，或远侧光纤部分324可以非旋转地附着至偏转扫描器320。这些非旋转连接可以将远侧光纤部分324保持为与聚焦元件260处于限定的对齐，由此改进扫描探头200的光学性能。同时，在光纤部分非旋转地附着至旋转扫描器310或偏转扫描器320的这些实施例中，旋转扫描可以扭转光纤240，这是由于在旋转扫描期间非旋转地附着的光纤部分实际上会相对于导光件220旋转。为了减少或消除该扭矩，一些扫描探头200可以包括旋转接头332，该旋转接头定位在非旋转地附着的光纤部分和导光件220之间，如在图2中所示。

在扫描探头200的一些实施例中，旋转扫描器310可以单向地或双向地旋转。用双向(前后)旋转进行的扫描可以降低光纤240的扭转，这在其中光纤部分非旋转地附着至扫描器的实施例中可以是有用的。

在扫描探头200的一些实施例中，定位在远侧光纤部分324的远侧、在套管250的远侧区域处的聚焦元件260可以包括梯度折射率或GRIN透镜。在一些实施例中，远侧光纤部分324可以附着至聚焦元件260的近侧部分。在一些情况下，这是通过熔接实现的。最后，在一些设计中，远侧光纤部分324联接至与聚焦元件260附接的玻璃间隔件或间隔元件328。

图4A-D展示了扫描探头200可以沿着2D图样264通过将由旋转致动器330致动的旋转或旋转型扫描与由偏转致动器350致动的偏转扫描以经设计的关系同步化来扫描光束262。

图4A展示了当偏转致动器350不致动线性或偏转性扫描时的情况，因此仅有的致动是旋转致动器330的致动，导致沿着圆形扫描图样264对聚焦光束262进行扫描的旋转扫描。

图4B展示了当旋转致动器330不致动旋转扫描时的互补情况，因此仅有的致动是偏转致动器350的致动，导致沿着线性扫描图样264对聚焦光束262进行扫描的偏转扫描。

图4C最后展示了当由旋转致动器330致动的旋转扫描与由偏转致动器350致动的线性或偏转性扫描同步化时，多种多样的2D扫描图样264可以用光束262扫描，例如示出的螺旋扫描图样264。

最后，图4D展示了虽然在图4A-C的实施例中，偏转扫描器320可以部分地定位在套管250内部，在其他实施例中，偏转扫描器320可以完全定位在远侧并且在套管250外部。

图5A-B展示了在两种扫描致动之间的其他形式的同步化，导致不同的扫描图样264。

图5A展示了当经设计的关系是使得旋转的周期快于偏转的周期时的情况。扫描周期的这种关系沿着先前描述的螺旋扫描图样264扫描光束262。

图5B展示了当经设计的关系是使得旋转的周期慢于偏转的周期时的情况。扫描周期的这种关系沿着星状扫描图样264扫描聚焦光束262。在图5A-B的以上实施例的任一个中，旋转的周期和偏转的周期中的至少一者可以处于0-10Hz、0-100Hz、0-1kHz、0-10kHz以及0-100kHz的范围的至少一个中。

这些范围中的每一个可以具有其用于不同应用的自身优势。这些应用包括以下扫描探头200，该扫描探头是光学相干断层成像术成像系统、手术工具、双光子成像系统、多光子成像系统、荧光成像系统、扫描全视网膜光凝系统、或光束投射系统的部分。

在实施例中，当扫描探头200是OCT成像系统230的部分或与其联接时，扫描探头200可以接收返回的发射光(从成像目标区域返回)，并且将接收的光转送至OCT成像系统230。

在一些实施例中，一种用扫描探头进行扫描的方法可以包括：(a)操作旋转扫描器，该旋转扫描器被可旋转地至少部分地定位在从手柄的近端延伸的套管内部，并且被配置为容纳光纤的近侧部分，该光纤的近侧部分被配置为接收来自导光件的光并且将其引导到该光纤的远端；并且(b)操作偏转扫描器，该偏转扫描器可移动地联接至该旋转扫描器的远端，该偏转扫描器被配置为偏转该光纤的远侧部分。在此，该光纤的远侧部分可以被配置为朝向目标区域发射所引导的光，并且对该旋转扫描器和该偏转扫描器的该操作跨该目标区域扫描所发射的光。

虽然本文件包含许多细节，但这些不应解读为对本发明的范围或者要求保护的范围的限制，而是解读为对本发明的具体实施例特异性的特征的描述。在单独的实施例的背景下，在本文件中描述的某些特征还可以按组合以单一实施例实施。相反，描述于单一实施例的背景下的不同特征还可以单独地或以任何适合的亚组合在多个实施例中实施。并且，虽然以上将特征描述为以某些组合起作用，并且甚至最初按此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从该组合中切离，并且要求保护的组合可以针对亚组合或亚组合的变体。

Claims (25)

1.一种光学扫描探头，其包括：

手柄，该手柄被配置为接收来自导光件的光束；

套管，该套管从该手柄的远端延伸；

光纤，该光纤被定位为部分地在该手柄内部并且部分地在该套管内部、被配置为朝向该套管的远端引导所接收的光束；

旋转扫描器，该旋转扫描器被可旋转地至少部分地定位在该套管内部、并且被配置为容纳该光纤的近侧部分；以及

偏转扫描器，该偏转扫描器被可移动地联接至该旋转扫描器的远端、被配置为偏转该光纤的远侧部分，其中

该光纤的该远侧部分被配置为在目标区域中发射并扫描所引导的光。

2.如权利要求1所述的扫描探头，其包括：

旋转致动器，该旋转致动器被配置为旋转该旋转扫描器，其中

该旋转致动器包括马达、气动旋转器、机械旋转器、压电系统和电磁旋转器中的至少一者。

3.如权利要求1所述的扫描探头，该偏转扫描器包括以下项中的至少一者：

横向扫描器、侧向扫描器、径向扫描器、以及角扫描器。

4.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该偏转扫描器被配置为绕着横轴旋转。

5.如权利要求1所述的扫描探头，其包括：

联接器，该联接器被配置为可移动地将该偏转扫描器联接至该旋转扫描器，该联接器包括以下各项中的至少一者：铰接件、枢轴、柔性套管、连接套管、接头以及连接器。

6.如权利要求1所述的扫描探头，其包括：

偏转致动器，该偏转致动器被配置为偏转该偏转扫描器，其中

该偏转致动器包括旋转马达、线性马达、气动致动器、可通电的电线圈、压电致动器、压电悬臂、微机电系统、静电致动器以及光纤束中的至少一者。

7.如权利要求6所述的扫描探头，其中：

该偏转致动器被配置为通过拉动与该偏转扫描器联接的拉线来致动该偏转扫描器。

8.如权利要求6所述的扫描探头，其中：

该偏转致动器被配置为通过移动推杆以致动该偏转扫描器来致动该偏转扫描器。

9.如权利要求6所述的扫描探头，其中：

该偏转扫描器和该偏转致动器中的至少一者包括复原机构，该复原机构包括复位机构、返回机构、弹簧加载的机构、弹性套管、柔性元件、静电机构以及记忆合金中的至少一者。

10.如权利要求6所述的扫描探头，其中：

该偏转扫描器包括在远侧弯曲的护套，该在远侧弯曲的护套被配置为容纳该光纤的远侧部分并且包括柔性材料和记忆合金中的至少一者；并且

该偏转致动器被配置为导致该在远侧弯曲的柔性护套和限制结构的相对运动。

11.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该偏转扫描器被配置为使该光纤的该远侧部分从该套管的光轴偏转达到最大偏转角，其中该最大偏转角是30度、45度、60度、和90度中的一者。

12.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该光纤的一部分被配置为能够相对于该旋转扫描器和该偏转扫描器中的至少一者进行旋转。

13.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

以下的至少一者：该光纤的该近侧部分非旋转地附着至该旋转扫描器，以及

该光纤的该远侧部分非旋转地附着至该偏转扫描器。

14.如权利要求13所述的扫描探头，其中：

旋转接头定位于该光纤的该非旋转地附着的部分与该导光件之间。

15.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该旋转扫描器被配置为以单向和双向中的至少一种方式旋转。

16.如权利要求1所述的扫描探头，其包括：

聚焦元件，该聚焦元件定位在该光纤的该远侧部分的远侧、在该套管的远侧区域处。

17.如权利要求16所述的扫描探头，其中：

该光纤的该远侧部分附着至该聚焦元件的近侧部分。

18.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该探头包括旋转致动器和偏转致动器；并且

该探头被配置为使得由该旋转致动器致动的旋转和由该偏转致动器致动的偏转按经设计的关系同步化。

19.如权利要求18所述的扫描探头，其中：

该经设计的关系是以下中的一种

该旋转的周期慢于该偏转的周期，以及

该旋转的周期快于该偏转的周期。

20.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该旋转的周期和该偏转的周期中的至少一者是处于0-10Hz、0-100Hz、0-1kHz、0-10kHz以及0-100kHz的范围的至少一个中。

21.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该旋转扫描器和该偏转扫描器中的一个可以在另一个扫描器不运行时运行。

22.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该探头不包含两个反向旋转扫描器。

23.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该探头被配置为接收返回的发射光，该光是从成像目标返回，并且

将所接收的光转送至成像系统。

24.如权利要求1所述的扫描探头，其中：

该扫描探头是光学相干断层成像术系统、手术工具、双光子成像系统、多光子成像系统、荧光成像系统、扫描全视网膜光凝系统、以及光束投射系统中的至少一者的部分。

25.一种采用扫描探头进行扫描的方法，该方法包括：

操作旋转扫描器，该旋转扫描器被可旋转地至少部分地定位在从手柄的近端延伸的套管内部、并且被配置为容纳光纤的近侧部分，该光纤的近侧部分被配置为接收来自导光件的光并且将其引导到该光纤的远端；并且

操作偏转扫描器，该偏转扫描器可移动地联接至该旋转扫描器的远端，该偏转扫描器被配置为使该光纤的远侧部分偏转，其中该光纤的该远侧部分被配置为朝向目标区域发射所引导的光，并且

对该旋转扫描器和该偏转扫描器的该操作跨该目标区域扫描所发射的光。