CN107941782B - 可内窥光纤拉曼探针及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可内窥光纤拉曼探针及检测装置，可内窥光纤拉曼探针包括透镜、圆环透镜、滤波层、圆环滤波层、中心光纤束、拉曼收集光纤、光纤光缆、连接件、中心光纤束分支及拉曼收集光纤分支；拉曼收集光纤围绕中心光纤束环形布置，透镜和滤波层设置在中心光纤束的前端；圆环透镜和圆环滤波层设置在拉曼收集光纤前端；拉曼收集光纤和中心光纤束的组合光纤束通过光纤光缆延长；光纤光缆的另一端通过连接件分束成拉曼收集光纤束和激发/内窥光纤束。本发明实现了光纤拉曼和光纤内窥一体化设计，该装置体积小、价格低、高度灵活、探测准确，更加适用于生物在体原位拉曼检测，且维护保养相对简单方便。

Description

可内窥光纤拉曼探针及检测装置

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，尤其涉及一种在体原位检测生物组织及其病变、灵活监测化学反应的拉曼光谱测量探头。

背景技术

拉曼光谱学(Raman Spectroscopy)已被理论实践证明是可从分子结构层面进行医疗检测和诊断的有力工具。拉曼光谱所携带的分子信息可用于区分细胞和组织类型，以及患病与健康组织，进而开始被更多的应用到生物医学领域。拉曼光谱还与红外光谱起到相互补充的作用，可以鉴别特殊的分子结构特征或特征基团，因此拉曼光谱技术还被广泛应用到化学、物理学、材料学、环境学和考古学等领域，其对于纯定性分析、高度定量分析、测定分子结构和病情监测和诊断都有很重要的科学意义和应用前景。

拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼效应较弱，其应用因此受到限制。但随着激光技术和各类光电元件的发展，激光拉曼光谱技术逐渐成熟，并逐渐被广泛应用。目前已发展了多种拉曼光谱检测技术，如宏观拉曼检测、显微拉曼检测、探针拉曼检测等。宏观拉曼检测适合对样品表面和宏观体系进行检测，检测方式相对简便快捷，对样品不需要复杂的处理过程。显微拉曼检测则对样品切片、微区目标进行拉曼检测，需要制备样品玻片。激光束在聚焦部位的直径通常只有0.2-2.0mm，显微镜物镜可将激光束直径进一步聚焦至20μm，甚至更小，用于检测分析更小的样品细节。探针拉曼检测则利用光纤的柔性光传导优势，将激光导入到生物体内，并将拉曼信号传导出来，用于对生物体内组织的拉曼检测。

现有宏观及显微拉曼系统体积较大，主要应用于对生物的体外和离体(切片)组织的拉曼光谱采集，无法进行在体(活体内)生物组织拉曼检测。市场现有的光纤拉曼探针本身不具备内窥功能，无法确定具体激光拉曼激发位置，只有将探针放置于内窥镜器械通道内，内窥成像后再进行拉曼检测。

一种经典的光纤拉曼探针案例，主体由中心激发光纤与环绕中心激发光纤的收集光纤组成。激光通过中心激发光纤传导至探头后激发目标样本拉曼信号，由收集光纤收集并导出拉曼信号；光谱仪采集拉曼信号，用计算机处理分析拉曼光谱，从而获取样本信息。光纤拉曼探针与内窥镜联合运用部分解决了宏观、显微拉曼系统无法直接用于生物学和医学领域中在体原位检测的问题。然而，探针与内窥镜的结合增大了整体体积，限制了其应用范围；探针实际拉曼采集区域与内窥成像区域非重合，降低了拉曼光谱所采集的针对性和准确性。拉曼探针只有体积小，高度灵活，有一定长度，并具备良好的内窥功能，才能真正临床应用，探测更远距离或者常规监测很难到达的体内位置。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，实现光纤拉曼与光纤内窥一体化，本发明提供一种可内窥光纤拉曼探针。

本发明的另一目的是提供一种可内窥检测装置。

技术方案：一种可内窥光纤拉曼探针，包括透镜、圆环透镜、滤波层、圆环滤波层、中心光纤束、拉曼收集光纤、光纤光缆、连接件、激发/内窥光纤束及拉曼收集光纤束；所述拉曼收集光纤围绕中心光纤束环形布置，拉曼收集光纤和中心光纤束均包括前端和尾端，透镜和滤波层设置在中心光纤束的前端，且滤波层位于透镜和中心光纤束之间；圆环透镜和圆环滤波层设置在拉曼收集光纤前端；透镜位于圆环透镜的中间孔中，滤波层位于圆环滤波层的中间孔中；拉曼收集光纤的尾端和中心光纤束的尾端通过光纤光缆延长；光纤光缆的末端通过连接件分束成拉曼收集光纤束和激发/内窥光纤束。

优选的，还包括保护套，所述保护套包裹住透镜、圆环透镜、滤波层、圆环滤波层。保护套可以在探针进行在体检测时防止异物进入探针，也可以作为拉曼测量的内标校准。

优选的，所述保护套采用透过率范围为80％～100％的高透过率材料，避免保护套的拉曼峰与被测样品特征拉曼峰或指纹峰重合，对内窥成像效果影响弱。

优选的，所述圆环滤波层为长波滤波器。

优选的，所述滤波层为陷波或短通滤波器。

优选的，所述滤波层为滤波膜或滤光片；所述圆环滤波层为滤波膜或滤光片。

一种可内窥光纤拉曼检测装置，包括可内窥光纤拉曼探针、光谱仪、狭缝、成像CCD、半透半反镜、冷光源、激光器，可内窥光纤拉曼探针的拉曼收集光纤束检测到的拉曼信号经狭缝耦合后从光谱仪的入口输入；定义冷光源发射出的光源通过半透半反镜的反射进入激发/内窥光纤束的光路为第一光路，定义激光器的光源通过半透半反镜的反射进入激发/内窥光纤束的光路为第二光路，第一光路与第二光路相吻合；中心光纤束输出的内窥图像信号通过激发/内窥光纤束和半透半反镜被成像CCD接收。

优选的，所述拉曼收集光纤束的末端光纤按照光谱仪入口形状或狭缝形状排列。

有益效果：本发明提供一种可内窥光纤拉曼探针，相比较现有技术，将内窥镜与拉曼探针同轴设置，入射光路共用，并使拉曼采集区域与内窥成像区域重合，实现光纤拉曼和光纤内窥一体化设计；整体结构体积较小、价格经济、高度灵活、探测准确，更加适用于生物在体拉曼检测，且维护保养相对简单方便；填补现有拉曼光谱仪在体原位拉曼检测及临床运用的技术空白，也避免了内窥镜附加光纤拉曼探针装置价格昂贵，体积较大，活动困难，维护不便等问题。

本发明提供的一种可内窥光纤拉曼检测装置，实现了内窥成像与拉曼检测一体化，在提升成像清晰度的同时，使拉曼信号采集更加有效，增加了整体的检测能力。光路简单，最大限度的减少了系统中的光学元件，减少光经过光学元件造成的损耗，并保证了较大波段范围的通过性。整体结构简单，易维护保养，可以多环境应用，适用范围广。

附图说明

图1为可内窥光纤拉曼探针的结构示意图；

图2为可内窥光纤拉曼检测装置的拉曼检测和内窥成像的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，可内窥光纤拉曼探针包括保护套1、透镜2、圆环透镜3、圆环滤波膜4、滤波膜5、拉曼收集光纤6、中心光纤束7、光纤光缆8、连接件9、拉曼收集光纤束10及激发/内窥光纤束11。其中，滤波膜5和圆环滤波膜4也可以用滤光片和圆环滤光片代替。

所述拉曼收集光纤6围绕中心光纤束7环形布置，拉曼收集光纤6包围住中心光纤束7，目的是为了提高拉曼信号的收集效率。拉曼收集光纤6和中心光纤束7均包括前端和尾端，透镜2和滤波膜5设置在中心光纤束7的前端，且滤波膜5位于透镜2和中心光纤束7之间；圆环透镜3和圆环滤波膜4设置在拉曼收集光纤6前端；透镜2位于圆环透镜3的中间孔中，滤波膜5位于圆环滤波膜4的中间孔中。所述圆环滤波膜4为长波滤波器，所述滤波膜5为陷波或短通滤波器。

透镜2作为光纤内窥成像的物镜，用于提升内窥成像的视野范围和清晰度。圆环透镜3可以使拉曼收集区域与激光照射区域(即拉曼激发区域)重合，提高拉曼信号采集效率。

所述保护套1延伸至拉曼收集光纤6的外侧，严密包裹住透镜2、圆环透镜3、圆环滤波膜4、滤波膜5。所述保护套采用透过率范围为80％～100％的高透过率材料，且避免保护套的拉曼峰与被测样品特征拉曼峰或指纹峰重合，对内窥成像效果影响弱，本实施例中采用蓝宝石。保护套1可以在探针进行在体检测时防止异物进入探针，也可以利用其特定及强度稳定的特征带作为内标以定量分析和检测待测样本。

拉曼收集光纤6和中心光纤束7的组合光纤束通过光纤光缆8延长；光纤光缆8的末端通过连接件9分束成拉曼收集光纤束10和激发/内窥光纤束11，其中，激光/内窥光纤束11即为连接件前的中心光纤束7延伸出的光纤；拉曼收集光纤束10即为连接件前的拉曼收集光纤6延伸出的光纤。光纤光缆8的设计可以延伸探测距离，使得更方便探测更远距离或者通常很难到达的体内位置。

如图2所示，可内窥光纤拉曼检测装置，包括可内窥光纤拉曼探针、光谱仪12、狭缝13、激光器14、半透半反镜15、冷光源16、成像CCD17，可内窥光纤拉曼探针的拉曼收集光纤束10检测到的拉曼信号经狭缝13耦合后从光谱仪12的入口输入，拉曼收集光纤束10的末端光纤按照狭缝形状或光谱仪入口形状排列，本实施例采用竖状排列；冷光源16发射出的光源通过半透半反镜15的反射进入激发/内窥光纤束11，激光器14的光源通过半透半反镜15的反射进入激发/内窥光纤束11，激发/内窥光纤束11与半透半反镜15形成一定角度，使两个光路吻合；中心光纤束7输出的内窥图像信号通过激发/内窥光纤束11和半透半反镜15(透射)被成像CCD17接受。半透半反镜15的透反比根据成像效果做调整。

拉曼收集光纤6和中心光纤束7均包括多根光纤，整体探针直径确定后，拉曼收集光纤与中心光纤束根据拉曼激发与收集重合区域的大小来相互调整，同时保证中心光纤束的内窥功能；在中心光纤束直径确认后，拉曼收集光纤可安排区域确定；拉曼收集光纤的直径根据与光谱仪耦合效率(主要是光通量的低损耗)确定；最后在中心光纤束周围均匀排列拉曼收集光纤。其中，中心光纤束7有多种功能：在内窥成像时同时用作传像光纤束与传光(照明)光纤束；在拉曼检测时作为激发光纤传导激光。

如图2，拉曼检测的原理和过程如下：激光器14发出的激光通过半透半反镜15反射进入激发/内窥光纤束11，在中心光纤束7中传输，经滤波膜5和透镜2后激发目标区域拉曼信号；拉曼信号经圆环透镜3和圆环滤波膜4被拉曼收集光纤6收集，从拉曼收集光束10出射并耦合到狭缝13，最后入光谱仪12，实现对目标区域拉曼光谱检测。

内窥成像的原理和过程如下：冷光源16通过半透半反镜15反射进入激发/内窥光纤束11，在中心光纤束7中传输，经滤波膜5和透镜2照明目标区域，目标区域的反射光依次经过透镜2和滤波膜5，形成的内窥图像再从激发/内窥光纤束11反向传输出来，通过半透半反镜15透射后被成像CCD17接收，实现对目标区域的内窥成像。

Claims (9)

1.一种可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，对内窥成像和拉曼光谱的激发收集实现光路一体化设计，具体包括透镜、圆环透镜、滤波层、圆环滤波层、中心光纤束、拉曼收集光纤、光纤光缆、连接件、激发/内窥光纤束及拉曼收集光纤束；所述拉曼收集光纤围绕中心光纤束环形布置，拉曼收集光纤和中心光纤束均包括前端和尾端，透镜和滤波层设置在中心光纤束的前端，且滤波层位于透镜和中心光纤束之间；圆环透镜和圆环滤波层设置在拉曼收集光纤前端；透镜位于圆环透镜的中间孔中，滤波层位于圆环滤波层的中间孔中；拉曼收集光纤的尾端和中心光纤束的尾端通过光纤光缆延长；光纤光缆的末端通过连接件分束成拉曼收集光纤束和激发/内窥光纤束；内窥成像时，冷光源进入激发/内窥光纤束后照明目标区域，目标区域的内窥图像再从激发/内窥光纤束反向输出；拉曼光谱检测时，激光进入激发/内窥光纤束，激发目标区域拉曼信号；拉曼激发光路与内窥成像光路共用激发/内窥光纤束，用于内窥照明光、内窥图像以及拉曼激发光的传输，并使拉曼采集区域与内窥成像区域重合，拉曼收集光路则用于拉曼信号的收集和传输。

2.根据权利要求1所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，还包括保护套，所述保护套包裹住透镜、圆环透镜、滤波层、圆环滤波层。

3.根据权利要求2所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，所述保护套延伸至拉曼收集光纤的外侧。

4.根据权利要求2所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，所述保护套采用透过率范围为80%~100%的高透过率材料，且避免保护套的拉曼峰与被测样品特征拉曼峰或指纹峰重合。

5.根据权利要求1至3任一所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，所述圆环滤波层为长波滤波器。

6.根据权利要求1至3任一所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，所述滤波层为短通滤波器。

7.根据权利要求1至3任一所述的可内窥光纤拉曼探针，其特征在于，所述滤波层为滤波膜或滤光片；所述圆环滤波层为滤波膜或滤光片。

8.一种包含如权利要求1所述的可内窥光纤拉曼探针的检测装置，其特征在于，包括可内窥光纤拉曼探针、光谱仪、狭缝、成像CCD、半透半反镜、冷光源、激光器，可内窥光纤拉曼探针的拉曼收集光纤束检测到的拉曼信号经狭缝耦合后从光谱仪的入口输入；定义冷光源发射出的光源通过半透半反镜的反射进入激发/内窥光纤束的光路为第一光路，定义激光器的光源通过半透半反镜的反射进入激发/内窥光纤束的光路为第二光路，第一光路与第二光路相重合；中心光纤束输出的内窥图像信号通过激发/内窥光纤束和半透半反镜被成像CCD接收。

9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述拉曼收集光纤束的末端光纤按照光谱仪入口形状或狭缝形状排列。