CN108289596B - 用于主动地控制的光学成像设备的系统和方法 - Google Patents

用于主动地控制的光学成像设备的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于被配置成被集成到光学系统中以供医疗诊断的栓系式光学成像探针的系统和方法。在一种配置中，本公开提供了一种栓系式光学成像探针，其包括布置在可吞咽的胶囊内的电机。电机的旋转速度由反馈信号主动地控制。

Description

用于主动地控制的光学成像设备的系统和方法
相关申请的交叉引用
本公开基于2015年9月30日提交的题为“主动地控制的光学成像设备(ActivelyControlled Optical Imaging Device)”的美国临时专利申请号62/235,175，要求其优先权且通过引用将其整体结合于此。
关于联邦资助研究的说明
不适用。
背景技术
本公开大体上涉及光学成像系统，并且更具体地，涉及利用用于医学诊断的拴系式(tethered)光学成像探针的光学成像系统。
拴系式光学成像设备被用于一些医学成像应用中，以试图代替更侵入式的医疗程序。例如，通过患者被麻醉的内窥镜检查法典型地诊断的胃肠(GI)道中的疾病的诊断可以经由由患者吞咽的拴系式光学成像设备来执行。
图1中图示了当前的拴系式光学成像设备10。如图1所示，拴系式光学成像设备10包括通过鞘管16耦合到胶囊14的旋转接头12。旋转接头12是光学成像设备10的固定部件(即，非一次性的和必需的)，其呈现了显著的成本(例如，～10,000美元)。旋转接头12的显著成本由部件的复杂性导致。也就是说，旋转接头12包括布置在旋转接头12内的电机18和多个光学器件20。该多个光学器件20中的一些可旋转地被耦合到电机18以用于随其旋转。电机18也可旋转地耦合到布置在鞘管16内并延伸到胶囊14中的光纤22。
当前的拴系式光学成像设备10的设计导致与设备相关联的各种复杂性和缺陷。例如，需要该多个光学器件20中的一些在旋转接头12内旋转，这需要附加的部件以促进传输光通过那里。需要鞘管16定义较大的直径以便在其中容纳旋转光纤22。鞘管16和光纤22的机械性质必须在两个部件之间提供低摩擦以确保合适的操作。此外，旋转光纤22的光学性质(例如，传输效率、光束轮廓等)可以随着在操作期间弯曲鞘管而改变。
由于当前拴系式光学成像设备的缺陷，将期望具有容易地集成到光学系统中且完全地由低成本、一次性部件制造的拴系式光学成像探针。
发明内容
本公开提供了用于被配置成被集成到光学系统中以供医疗诊断的栓系式光学成像探针的系统和方法。在一种配置中，本公开提供了一种栓系式光学成像探针，其包括布置在可吞咽的胶囊内的电机。电机的旋转速度由反馈信号主动地控制。
在一个方面，本公开提供了一种栓系式光学成像探针，其包括电机、可旋转地耦合到电机的反射表面以及封围电机和反射表面的胶囊。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。栓系式光学成像探针进一步包括耦合到胶囊的第一端的系绳。系绳包括布置在其中的光波导。光波导被布置为在光波导的远端处接收源光并且将源光从光波导的近端投射到反射表面上和/或在光波导的近端处接收来自反射表面的反射光并将反射光传输到光波导的远端。
在一个方面，本公开提供了一种栓系式胶囊显微内镜系统，该系统包括布置成发射源光的光源，和光学成像探针。光学成像探针包括电机、可旋转地耦合到电机的反射表面以及封围电机和反射表面的胶囊。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。光学成像探针进一步包括耦合到胶囊的第一端的系绳。系绳包括布置在其中的光波导。光波导被布置为在光波导的远端处接收源光并且将源光从光波导的近端投射到反射表面上和/或在光波导的近端处接收来自反射表面的反射光并将反射光传输到光波导的远端。栓系式胶囊显微内镜系统还包括光学检测器，布置成检测来自反射表面的被传输到光波导的远端的反射光；以及控制器，配置为将由光学检测器检测到的反射光重构为横截面形态数据。
在一个方面，本公开提供了一种包括栓系式光学成像探针的光学成像系统。栓系式光学成像探针包括电机，被耦合到光学部件并且被配置为以旋转速度选择性地旋转光学部件；和胶囊，封围电机和光学部件。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。栓系式光学成像探针进一步包括布置在胶囊内的检测对象和耦合到胶囊的第一端的系绳。系绳包括布置在其中的光波导。当光学部件由电机可旋转地定位以将来自检测对象的发射光引导至光波导时，生成信号。该光学成像系统进一步包括控制器，该控制器与电机通信并被配置成基于来自信号的反馈将电机的旋转速度控制为期望的旋转速度。
在一个方面，本公开提供了一种光学成像系统，包括被布置成发射源光的光源，以及光学成像探针。光学成像探针包括电机、可旋转地耦合到电机的反射表面以及封围电机和反射表面的胶囊。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。光学成像探针进一步包括布置在胶囊内的检测对象和耦合到胶囊的第一端的系绳。系绳包括布置在其中的光波导。光波导被布置为在光波导的远端处接收源光并且将源光从光波导的近端投射到反射表面上和/或在光波导的近端处接收来自反射表面的反射光并将反射光传输到光波导的远端。当反射表面由电机可旋转地定位以将来自检测对象的发射光引导到光波导的近端以用于传输到光波导的远端时，生成信号。光学成像系统进一步包括光学检测器，布置成检测来自反射表面的被传输到光波导的远端的反射光；以及控制器，与电机通信且被配置为将由检测器检测到的反射光重构为横截面形态数据。控制器进一步被配置成基于来自信号的反馈将电机的旋转速度控制到期望的旋转速度。
在一个方面，本公开提供了一种用于控制栓系式光学成像探针的方法。栓系式光学成像探针包括电机、可旋转地耦合到电机的反射表面、封围电机和反射表面的胶囊，以及耦合到胶囊的第一端并且具有布置在其中的光波导的系绳。栓系式光学成像探针进一步包括布置在胶囊内的检测对象。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。光波导被布置为在光波导的远端处接收源光并且将源光从光波导的近端投射到反射表面上和/或在光波导的近端处接收来自反射表面的反射光并将反射光传输到光波导的远端。该方法包括将源光从光波导输出到反射表面上，以及经由电机旋转反射表面，由此当反射表面被旋转时，形成由从光波导输出到反射表面上的源光形成的周向(circumferential)光路。检测对象被布置在周向光路中。该方法进一步包括每次反射表面将从检测对象发射的光引导到光波导的近端时生成信号，以及使用所生成的信号来控制电机的旋转速度。
在一个方面，本公开提供了一种用于控制栓系式光学成像探针的方法。栓系式光学成像探针包括电机、可旋转地耦合到电机的反射表面、封围电机和反射表面的胶囊，以及耦合到胶囊的第一端并且具有布置在其中的光波导的系绳。栓系式光学成像探针进一步包括布置在胶囊内的发光对象。该胶囊的尺寸被设计为由患者可吞咽。光波导被布置成在光波导的近端处接收来自反射表面的反射光并且将反射光传输到光波导的远端。该方法包括经由电机旋转反射表面，由此形成周向视场，其中当反射表面被旋转时，发射光被周期性地引导到反射表面并且被反射到光波导的近端。发光对象被布置在周向视场中。该方法进一步包括每次反射表面将从发光对象发射的光引导到光波导的近端时生成信号，以及使用所生成的信号来控制电机的旋转速度。
本发明的先前以及其他方面和优点将从以下描述而显现。在该描述中，参考形成其一部分且作为说明示出本发明的优选实施例的附图。然而，这样的实施例不必要表示本发明的全部范围，并因此对权利要求和在本文中作出参考以用于解释本发明的范围。
附图说明
当考虑到以下的其详细描述时，本发明将会更好地被理解，并且除了上述阐述的那些之外的特征、方面和优点将变得显而易见。这样的详细描述参考了以下附图。
图1是根据现有技术的拴系式光学成像设备的示意图。
图2是根据本公开的一个方面的光学成像系统的示意图。
图3是根据本公开的一个方面的图2的光学系统的无线拴系式光学成像探针的示意图。
图4是根据本公开的另一个方面的图2的光学系统的无线拴系式光学成像探针的示意图。
图5是图4的包括布置在胶囊内的一个或多个支撑件的有线栓系式光学成像探针的示意图。
图6图示了根据本公开的一个方面的施加于或图3的无线栓系式光学成像探针或图4的有线光学成像探针的控制信号。
图7是根据本公开的一个方面的利用一个或多个线的电机控制反馈策略的示意图。
图8是根据本公开的一个方面的利用发光材料的电机控制反馈策略的示意图。
图9是根据本公开的一个方面的利用次级光波导的电机控制反馈策略的示意图。
图10是图示了在具有施加到电机的恒定电压的情况下作为时间的函数的电机速度的图。
图11是图示了在具有施加到电机的恒定电压、施加到电机的周期性控制信号以及带有反馈信号的施加到电机的周期性控制信号的情况下作为时间的函数的电机速度的图。
图12是图示了在具有施加到电机的恒定电压的情况下作为时间的函数的图11的电机速度的偏差分布的图。
图13是图示了在具有施加到电机的周期性电压的情况下作为时间的函数的图11的电机速度的偏差分布的图。
图14是图示了在具有带有反馈信号的施加到电机的周期性电压的情况下作为时间的函数的图11的电机速度的偏差分布的图。
图15是图示了在具有施加到电机的恒定电压、施加到电机的周期性控制信号以及带有反馈信号的施加到电机的周期性控制信号的情况下电机的作为时间的函数的位置误差的图。
图16是图示了在具有和没有耦合到电机的阻尼配重的情况下在电机速度为20Hz和40Hz时的作为时间的函数的电机速度的图。
具体实施方式
在进一步详细描述本发明之前，理解的是本发明不限于所描述的特定实施例。也要理解本文中所使用的术语仅是出于描述特定的实施的目的而不是旨在限制性。本发明的范围将仅由权利要求限定。如在此所使用的，单数形式“一(a、an)”和“所述(the)”包括复数实施例，除非上下文另有清楚地指出。
对本领域技术人员而言应该显而易见的是，除已描述的那些之外的许多附加的修改是可能的，并且不背离本文中的发明理念。在解释本公开时，所有术语应当以与上下文一致的尽可能最宽的方式来解释。术语“包括(comprising，including)”或“具有”的变体应当被解释为以非排他性方式引用元件、部件或步骤，因此所引用的元素、部件或步骤可以与没有明确提及的其他元素、部件或步骤结合。引用为“包括”或“具有”某些元素的实施例也被认为是“基本上由那些元素组成”和“由那些元素组成”的，除非上下文另有明确指出。应该领会，关于系统所描述的本公开的方面可应用于方法，反之亦然，除非上下文另有明确指出。
本文公开的数值范围包括它们的端点。例如，1和10之间的数值范围包括值1和10。当针对给定值公开一系列数值范围时，本公开明确考虑包括那些范围的上限和下限的所有组合的范围。例如，在1和10之间的或在2和9之间的数值范围旨在包括在1和9之间以及在2和10之间的数值范围。
图2图示了根据本公开的光学系统100的一个非限制性示例。光学系统100包括外部光学组件102，该外部光学组件102经由光波导106光学地耦合到栓系式光学成像探针104。外部光学组件102被配置为接收来自光源108的源光，并且包括分束器110以将源光反射到光波导106的远端112中。在一些非限制性示例中，光源108可以是被配置为扫描近红外光谱中的波长的宽带激光器的形式。
光波导106被配置为沿着光波导106有效地将源光从光波导106的远端112传输到近端114。光波导106的近端114被耦合到栓系式光学成像探针104并且被布置为将来自近端114的源光投射到栓系式光学成像探针104内的光学部件116上。
所图示的光学部件116为反射表面118的形式，所述反射表面被配置为将从光波导106的近端114发射的源光有效地反射到样本120(例如在患者体内的管腔器官或组织的一部分)上。光波导106的近端114被布置为接收离开反射表面118的来自样本120的反射光。反射光沿着光波导106从近端114传输到远端112。在一些非限制性示例中，光波导106可以是光纤、光纤束、多根光纤或光学领域普通技术人员已知的适合用作光波导106的其它结构。应领会，光波导106不限于执行源光和来自样本120的反射光两者的传输的单个光纤。也就是说，在一些非限制性示例中，光波导106可以包括光纤束，其中芯被布置为传输源光或来自样本120的反射光中的一个，并且围绕的光纤被布置为传输源光或来自样本120的反射光中的另一个。在其他非限制性示例中，光波导106可以包括两个完全分离的光纤，一个用于将源光传输到反射表面118，而另一个用于传输来自样本120的反射光。
从样本120被传输到光波导106的远端112的反射光传输通过分束器110到光学检测器122。在一些非限制性示例中，光学检测器122可以是CCD阵列、CMOS阵列，光电二极管(由硅、锗、InGaAs、硫化铅或其他材料制成)、光电池、光敏电阻、光电晶体管或其他光电传感器的形式。由光源108输出的源光的一部分传输通过分束器110到参考镜124。入射在参考镜124上的源光的该部分反射离开参考镜124并由分束器110引导到光学检测器122。因此，在操作中，光学检测器122接收从参考镜124反射的参考源光和来自样本120的离开反射表面118的反射光。
控制器126与栓系式光学成像探针104、光源108、光学检测器122和显示器128通信。控制器126可以与栓系式光学成像探针104、光源108、光学检测器122和/或显示器128处于有线通信(例如，经由以太网、USB、CAN等等)。替代地或附加地，控制器126可以与栓系式光学成像探针104、光源108、光学检测器122和/或显示器128处于无线通信(例如，经由
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WiFi等等)。
如将在下面描述，控制器126被配置为控制栓系式光学成像探针104的操作。控制器126进一步被配置为将由光学检测器122检测到的来自样本120的离开反射表面118的反射光重构为横截面形态数据。在一个非限制性示例中，光学系统100被配置为实施光学频域成像技术以生成横截面形态数据。顺序的横截面也可被编译以重构例如患者的整个管腔器官的三维表示。
图3图示了根据本公开的栓系式光学成像探针104的一个非限制性示例。栓系式光学成像探针104包括胶囊130和耦合到胶囊130的第一端133的系绳(tether)132。胶囊130的尺寸被设计为由患者可吞咽，在某些情况下患者可以为人类患者，诸如成人或小孩患者，并且在其他情况下可以是兽医患者。胶囊130定义具有半球形端部的大致上圆柱形形状。胶囊130定义胶囊直径D和胶囊长度L。在一些非限制性示例中，胶囊直径D可以在近似5毫米(mm)和近似20mm之间。在其他非限制性示例中，胶囊直径D可以在近似10mm和近似15mm之间。在一些非限制性示例中，胶囊长度L可以在近似20mm和近似30mm之间。在其他非限制性示例中，胶囊长度L可以在近似22mm和近似28mm之间。
胶囊130由生物相容性材料制成，其被配置为将从反射表面118反射的源光有效地传输通过胶囊130到样本120上，并且将来自样本120的反射光有效地传输通过胶囊130到反射表面118上。在一些非限制性示例中，胶囊130可以由与其他塑料或金属(如不锈钢或黄铜)组合的PMMA来制造。
系绳132包括布置在其中的光波导106。如将要描述的，设计的栓系式光学成像探针104不需要旋转光波导106。当与现有技术设备10的鞘管16相比时，系绳132可以定义显著减小的直径，并且不需要由低摩擦材料制成以补偿旋转的光纤。因此，当与现有技术设备10的鞘管16相比时，系绳132提供了更好的灵活性和显著降低的成本(例如，相比于～200美元的～0.01美元)。系绳132由生物相容性材料(例如聚酰亚胺、Pebax、PTFE、FEP)制成。
电机134和反射表面118被封围在胶囊130内。电机134包括将反射表面118可旋转地耦合到电机134的驱动轴136。在操作中，随着电机134旋转驱动轴136，反射表面118与驱动轴136一起旋转。在所图示的非限制性示例中，电机134由布置在胶囊130内的电源138供电。电源138可以是电池、可再充电电池、太阳能电池等形式。在所图示的非限制性示例中，控制器126被配置为与电机134无线通信。如将被描述的，控制器126被配置为向电机134供应周期性控制信号以控制电机的旋转速度。
电机134被布置在胶囊130内，使得驱动轴136朝向胶囊130的第一端133延伸，由此将可旋转地耦合到那里的反射表面118布置为与光波导106的近端114相邻。在其他非限制性示例中，电机134可以重新布置为朝向胶囊的与第一端133相反的第二端140延伸。也就是说，在胶囊130内的电机134、光波导106的近端114、以及反射表面118的方向取向并不意味着以任何方式进行限制，并且可以如本领域技术人员将领会的不同地进行布置。
在拴系式光学成像探针104中使用的电机134是一次性的并且成本低(例如在～1美元和10美元之间)。在一个非限制性示例中，电机134可以是典型地用于在蜂窝电话中生成振动的蜂窝电话电机。低成本电机通常不能够用于高精度成像应用；然而，如将描述的，本公开提供了准确且精确地控制电机134以促进获取高质量成像数据的方法。由于用于制造栓系式光学成像探针104的部件的低成本，栓系式光学成像探针104可以在使用后完全丢弃，而最终用户不会承受显著的成本。
电机134的驱动轴136可以包括耦合到其上用于随其旋转的阻尼配重142。如将描述的，阻尼配重142通过增加惯性矩来减小电机134的旋转速度中的短期波动。阻尼配重142定义大致上圆柱形的形状。阻尼配重142可以由金属材料(例如黄铜)制成。在一些非限制性示例中，阻尼配重142可定义在近似0.01克(g)和4g之间的重量。
图4图示了根据本公开的栓系式光学成像探针104的另一个非限制性示例。除了如下所述或者如图所示之外，图4的栓系式光学成像探针104类似于图3的栓系式光学成像探针104。类似的部件使用相同的附图标记来标识。如图4所示，栓系式光学成像探针104包括一个或多个延伸到胶囊130中且沿着胶囊130延伸的线144。线144中的每根都被耦合到电机134的对应的端子146。线144被布置在系绳132内并延伸到电源138。
在所图示的非限制性示例中，电源138被布置在胶囊130的外部。电源138与控制器126通信。在该非限制性示例中，控制器126可以与电源138处于有线或无线通信。在其他非限制性示例中，控制器126可以包括集成电源，在这种情况下，电源138可能不是必需的。
如将描述的，在一个非限制性示例中，线144可以以控制反馈策略来实施，以控制电机134的旋转速度。为了促进这样的控制反馈策略，胶囊130内的线144的周向位置可以是固定的。此外，为了确保在反射表面118与光波导106的近端114之间的适当的光学耦合，电机134和光波导106的近端114可以被固定在胶囊130内。
图5图示了用于将光波导106的近端114、电机134和线144固定在胶囊130内的机制的一个非限制性示例。如图5所示，栓系式光学成像探针104可以包括布置在胶囊130内的波导支撑件148和电机支撑件150。波导支撑件148被固定在胶囊130内，并且光波导106的近端114延伸通过其中以将光波导106的近端114固定在与反射表面118相邻的固定位置处。线144延伸通过波导支撑件148的周边并被固定在波导支撑件148的周边内。电机支撑件150被固定在胶囊130内，并且电机134的一部分延伸通过其中以将反射表面118固定在与光波导106的近端114相邻的固定位置处。线144延伸通过电机支撑件150的周边并被固定在电机支撑件150的周边内。通过线144延伸通过波导支撑件148和电机支撑件150中的每个且被固定在波导支撑件148和电机支撑件150中的每个内，在胶囊130内的线144的周向位置被固定。
应该领会到，图示的波导支撑件148和电机支撑件150并不意味着以任何方式进行限制。也就是说，在其他非限制性示例中，可以利用任何固定机制(例如，粘合剂)来将光波导106的近端114和/或电机134固定在胶囊130内。
如上所述，可以通过控制器126将周期性信号供应到电机134。图6图示了配置成供应到电机134的周期性控制信号152的一个非限制性示例。如将描述的，由于电机134的便宜的性质，向电机134供应恒定电压不足以产生适合用于高精度成像的可控的旋转速度。当控制电机134的旋转速度时，使用周期性控制信号促进显著增加的准确度和精确度。
所图示的周期性控制信号152是包括多个脉冲的方波的形式。该多个脉冲中的每个定义脉冲宽度TD和电压幅度V最大。在一些非限制性示例中，电压幅度V最大可以是在近似0伏特(V)和10V之间。在后续脉冲之间的时间或周期T被定义为大于电机134的固有时间常数。换句话说，由周期性控制信号152定义的频率(周期T的倒数)经选择为大于电机134的固有时间常数。在一个非限制性示例中，电机134的固有时间常数可以是感应电阻时间常数。在一些非限制性示例中，由周期性控制信号152定义的频率可以比近似50赫兹(Hz)大或比近似2千赫兹(kHz)大。在某些情况下，由周期性控制信号152定义的频率可以在50Hz和2kHz之间。
周期性控制信号152定义由脉冲宽度TD与周期T的比率定义的平均电压V平均。平均电压V平均与电机134的旋转速度成比例。因此，由周期性控制信号152定义的脉冲宽度TD和/或频率可被调制以控制电机134的旋转速度。
为了进一步促进对电机134的旋转速度的准确和精确的控制，可以将反馈信号供应到控制器126，以使控制器126能够主动地将电机134的旋转速度控制到期望的旋转速度。反馈信号可以使用软件(例如，经由图像处理)或使用硬件(例如，在胶囊130内生成并且由光波导106的近端114检测到的信号)来生成。
图7图示了用于生成反馈信号的一个非限制性的配置。如图7所示，在操作期间，源光从光波导106的近端114发射到反射表面118上。然后，源光以近似45°角度被径向向外反射通过胶囊130并且到样本120上。在某些情况下，可以从45°角度稍微调整反射角，以便减少和/或消除来自胶囊130的背反射。在某些情况下，反射角可以是41°或49°，尽管其他反射角被预期。随着电机134旋转反射表面118，源光围绕胶囊周向旋转以形成由源光穿过的周向光路154。定位电机134、反射表面118和光波导106的近端114以提供包围胶囊130的部分的周向视场156，用于检测从样本120反射的光。周向视场156大体上与由源光穿过的周向光路154重叠。以这种方式，反射表面118被布置为将源光从光波导106的近端114反射到样本120上，并将来自样本120的光反射回到光波导106的近端114。
在一些非限制性示例中，检测对象可以被布置在周向光路和/或周向视场中以促进反馈信号的生成。当反射表面118被电机134可旋转地定位成与检测对象对准，以将来自检测对象的反馈信号引导到光波导106的近端114以用于传输到光波导106的远端112时，由检测对象生成的或从检测对象生成的反馈信号可被检测。
在图7的非限制性示例中，检测对象可以是线144的形式，可以用于生成供应到控制器126的反馈信号。线144拥有在生成反馈信号方面有用的各种性质。例如，当反射表面118由电机134可旋转地定位以与线144对准时，线144可以在由光学检测器122获取的图像中径向地投影阴影。胶囊130可以在由光学检测器122所获取的图像中是可见的，除了阴影由线144投影之外。由于线144定义了已知的厚度并且周向地被固定在囊130内，所以在由光学检测器122获取的图像中由线144投影的阴影的径向位置的变化可被用于生成反馈控制信号。也就是说，如果电机134以大致上恒定的速度旋转，则来自线144的信号必须在电机134的每次旋转中周期性地发生一次。来自线144的信号中的周期性的任何偏差指示电机134的旋转速度的变化。周期性的这种变化可以被用来估计电机134的旋转速度中的变化并且将反馈信号供应到控制器126。
在一些非限制性示例中，可以实施图像处理算法以在由光学检测器122获取的图像中检测线144所投影的阴影的径向位置的变化。在一个非限制性示例中，图像处理算法可以涉及在由光学检测器122所获取的线144被预期存在的图像中和在胶囊130被预期存在的区中确定沿着径向方向的平均值。两个径向区平均值的比率或差值可以是用于生成反馈控制信号的一个可能的度量。应该领会，利用线144生成反馈信号的本文所描述的技术可能仅需要线144中的至少一个以便于生成反馈信号。
在一些非限制性示例中，线144可以涂覆有材料(例如涂料、指甲油)以增强反射源光从线144到反射表面118的反向散射。也就是说，线144可以对源光至少部分地反射。如上所述，可以经由图像处理或者经由硬件检测(例如，通过反射离开反射表面118到光波导106的近端114中的光学滤波和检测)来识别从线144的反向散射的反射源光或信号。同样，来自线144的信号的周期性的任何偏差指示电机134的旋转速度的变化，并且可以用来向控制器126提供反馈信号。
在一些非限制性示例中，线144可以涂覆有磷光涂层、荧光涂层、量子点涂层或其组合。在该非限制性示例中，施加到线144的涂层可以被配置为吸收从反射表面118反射的源光的部分并且随后发射不同于源光的波长下的信号光回到反射表面118并进入光波导106的近端114中。由线144发射的信号光可以被光学地滤波(例如，经由波分复用器、分色镜等)并且被用来向控制器126提供反馈控制信号。当反射表面118被电机134可旋转地定位以将来自发光材料的被发射信号光引导到光波导106的近端114时，可检测到从线144发射的信号光。同样，从线144发射的信号光的周期性中的任何偏差指示电机134的旋转速度的变化，并且可以用来向控制器126提供反馈信号。
图8图示了用于生成反馈信号的另一个非限制性的配置。如图8所示，胶囊130可以包括布置在胶囊130上并且在周向视场的部分和/或周向光路的部分内的检测对象158。在一个非限制性示例中，检测对象158可以是发光材料的形式。发光材料可以是磷光材料、荧光材料、量子点材料或其组合。发光材料可以被配置为吸收从反射表面118反射的源光的部分并且随后发射不同于源光的波长下的信号光回到反射表面118并进入光波导106的近端114中。从发光材料发射的信号光可以被光学地滤波(例如，经由波分复用器、分色镜等)并且被用来向控制器126提供反馈控制信号。当反射表面118被电机134可旋转地定位以将来自发光材料的被发射信号光引导到光波导106的近端114时，可检测到从发光材料发射的信号光。同样，从发光材料发射的信号光的周期性中的任何偏差指示电机134的旋转速度的变化，并且可以用来向控制器126提供反馈信号。
在其它非限制性示例中，检测对象158可以是光反射材料的形式。应该领会，虽然图8的非限制性配置图示了在栓系式光学成像探针104内的线144，但是反馈信号经由检测对象158生成。因此，在图8的非限制性示例中，线144可能不是必需的，并且栓系式光学成像探测器104可以替代地处于图3的无线配置中。
图9图示了用于生成反馈信号的另一个非限制性的配置。如图9所示，栓系式光学成像探针104可以包括插入到胶囊130的第一端133中的次级光波导160。检测对象可以是次级光波导160的形式。当反射表面118由电机134旋转时，次级光波导160被布置成接收从反射表面118反射的源光的部分。也就是说，次级光波导160包括至少部分地布置在周向光路内的次级近端162。当反射表面118被电机134可旋转地定位以将源光引导到次级光波导160的次级近端162中时，可生成反馈信号。由次级光波导160检测到的反馈信号可被传输到其次级远端164。同样，由次级光波导160检测到的反馈信号的周期性中的任何偏差指示电机134的旋转速度的变化，且可以用来向控制器126提供反馈信号。
应该领会，虽然图9的非限制性的配置图示了在栓系式光学成像探针104内的线144，但是反馈信号经由次级光波导160生成。因此，在图9的非限制性示例中，线144可能不是必需的，并且栓系式光学成像探测器104可以替代地处于图3的无线配置中。
示例
以下示例详细阐述了光学系统100和/或栓系式光学成像探针104可以被使用或实施的方式，并且将使本领域技术人员能够更容易地理解其原理。以下实施例以通过说明的方式呈现且不意味着以任何方式进行限制。
电机特性
用于在示例中的电机的示例性操作参数可以如下：施加到电机的最大电压(V_最大)可以是3V；施加到电机的脉冲电压的周期(T)可以是1ms；施加到电机的脉冲电压的脉冲持续时间(T_d)可以是166us；施加到电机的平均电压(V_平均)可以是0.5V；并且阻尼配重可以是1.7g。示例中使用的示例性电机是来自Precision Microdrives的电机103-100(可从英国伦敦的Precision Microdrives商购获得)。
测试低成本的蜂窝电话电机以确定在具有施加到其的恒定的DC电压的情况下作为时间的函数的电机的速度分布。如图10所示，在具有施加到电机的恒定DC电压的情况下电机速度(以旋转频率表示)作为时间的函数显著变化。因此，向电机134供应恒定的DC电压不足以促进高精度成像，其中电机的旋转速度必须被准确地控制。
接着，向电机施加周期性信号，以试图改善在电机的运行期间生成的速度分布的准确度和精确度。此外，将指示电机的旋转速度的变化的反馈信号供应到控制器以调制施加于电机的周期性信号。试图以40Hz的恒定速度控制电机。图11图示了测试结果，其中线200表示在没有反馈信号的情况下施加到电机的恒定DC电压，线202表示在没有反馈信号的情况下施加到电机的周期性控制信号，且线204表示在具有反馈信号的情况下施加到电机的周期性控制信号。如图11所示，在没有反馈信号(线200)的情况下将恒定的DC电压施加到电机导致偏离40Hz(即，平均的近似37Hz)的不稳定的速度分布。在没有反馈回路的情况下向电机施加周期性控制信号(线202)改善了作为时间的函数的速度分布中的精确度和准确度。最后，当在具有反馈回路的情况下将周期性信号施加到电机时(线204)，当与线200和线202相比时，速度分布在准确度和精确度上大大改善。
为了补充图11中所示的数据，图12、13和14分别图示线200、202和204中的每个的偏差分布。通过从它们的平均值中减去线200、202和204来计算偏差分布。由图12、13和14中的偏差分布定义的标准偏差分别为0.76、0.71和0.17。因此，向电机和反馈回路施加周期性控制信号大大改善了电机输出速度分布的精确度。
图15图示了作为电机的时间的函数的电机的位置误差，其中线300表示在没有反馈信号的情况下施加到电机的恒定DC电压，线302表示在没有反馈信号的情况下施加到电机的周期性控制信号，并且线304表示在具有反馈信号的情况下施加到电机的周期性控制信号。电机的位置被定义为(相对于绝对位置，例如像线的位置)激光束被引导在的方向。如果电机在“理想”状态或恒定速度下旋转，位置误差是在实际电机位置和预期的电机位置之间的差值。如图15所示，当在具有反馈信号的情况下将周期性控制信号施加到电机时，位置误差是可忽略的。
图16图示了在反馈回路性能上实施阻尼配重142的结果。对于线400和402，电机被控制到20Hz，其中线402包括阻尼配重142而线400不包括阻尼配重142。对于线404和406，电机被控制到40Hz，其中线406包括阻尼配重142而线404不包括阻尼配重142。如图16所示，当阻尼配重142被附接到电机时，速度分布的精确度在20Hz和40Hz两者处都显著改善(即，线400、402、404和406分别定义了2.5、0.07、3.06和0.166的标准偏差)。
因此，虽然以上已经结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定受如此限制，并且许多其他实施例、示例、用途、修改以及对所述实施例、示例和用途的偏离旨在被所附权利要求所包含。本文引用的每项专利和出版物的全部公开内容通过引用并入本文，如同每项此类专利或出版物通过引用单独并入本文。

Claims (23)

1.一种栓系式光学成像探针，包括：
电机；
被可旋转地耦合到所述电机的反射表面；
封围所述电机和所述反射表面的胶囊，其中所述胶囊的尺寸被设计为能由患者吞咽；以及
耦合到所述胶囊的第一端的系绳，所述系绳包括布置在其中的光波导，所述光波导被布置为在所述光波导的远端处接收源光并且将所述源光从所述光波导的近端投射到所述反射表面上以及在所述光波导的近端处接收来自所述反射表面的反射光并将所述反射光朝向所述光波导的远端传输，
其中，当所述反射表面由所述电机可旋转地定位时，所述栓系式光学成像探针生成指示所述电机正在旋转的速度的反馈信号，并且接收控制信号以基于所述反馈信号控制所述电机的所述旋转速度，
所述电机、所述反射表面和所述光波导被定位成提供包围所述胶囊的部分的周向视场，并且
所述栓系式光学成像探针进一步包括布置在所述胶囊的所述部分上的发光材料。
2.根据权利要求1所述的栓系式光学成像探针，其中所述反馈信号基于由所述发光材料发射的光在所述光波导的近端处被接收到的周期性的偏差。
3.根据权利要求2所述的栓系式光学成像探针，其中所述发光材料包括磷光材料或荧光材料中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的栓系式光学成像探针，其中所述发光材料被配置为吸收从反射表面反射的所述源光的部分并且随后发射不同于所述源光的波长下的信号光回到所述反射表面并进入所述光波导的所述近端中。
5.根据权利要求1所述的栓系式光学成像探针，进一步包括布置在所述胶囊的所述部分上的光反射材料，
其中所述反馈信号基于由所述光反射材料反射的光在所述光波导的所述近端处被接收到的周期性的第一偏差。
6.根据权利要求5所述的栓系式光学成像探针，进一步包括延伸到所述胶囊中并沿着所述胶囊延伸以电耦合到所述电机的至少一个线，
其中所述至少一个线包括所述光反射材料，并且
其中所述反馈信号基于在所述光波导的所述近端处接收的光包括指示存在所述至少一个线的信息的所述周期性的第二偏差。
7.根据权利要求6所述的栓系式光学成像探针，其中指示存在所述至少一个线的所述信息包括以下中的至少一个：
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在阴影，
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在由所述至少一个线发射的光，以及
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在由所述至少一个线反射的光。
8.根据权利要求1所述的栓系式光学成像探针，进一步包括插入到所述胶囊中并布置成接收从所述反射表面反射的所述源光的部分的次级光波导，其中所述反馈信号基于在所述光波导的所述近端处发射的光在所述次级光波导处被接收到的周期性的偏差。
9.根据权利要求1所述的栓系式光学成像探针，进一步包括耦合到所述电机的驱动轴以用于随其旋转的阻尼配重。
10.根据权利要求1所述的栓系式光学成像探针，其中所述控制信号是周期性控制信号，
其中所述周期性控制信号被供应给所述电机以控制所述电机的旋转。
11.根据权利要求10所述的栓系式光学成像探针，其中所述周期性控制信号是方波的形式，并且
其中所述周期性控制信号的占空比基于所述反馈信号来确定。
12.一种栓系式胶囊显微内镜系统，包括：
光源，布置为发射源光；
光学成像探针，包括：
电机；
被可旋转地耦合到所述电机的反射表面；
封围所述电机和所述反射表面的胶囊，其中所述胶囊的尺寸被设计为能由患者吞咽；以及
耦合到所述胶囊的第一端的系绳，所述系绳包括布置在其中的光波导，其中所述光波导被布置为在所述光波导的远端处接收源光并且将所述源光从所述光波导的近端投射到所述反射表面上和/或在所述光波导的所述近端处接收来自所述反射表面的反射光并将所述反射光朝向所述光波导的所述远端传输，
其中所述电机、所述反射表面和所述光波导被定位成提供包围所述胶囊的部分的周向视场，并且
所述光学成像探针进一步包括布置在所述胶囊的所述部分上的发光材料；
光学检测器，被布置成检测由所述光波导传输的来自所述反射表面的所述反射光；以及
控制器，所述控制器被配置成：
将由所述光学检测器检测到的所述反射光重构为横截面形态数据，
接收指示所述电机正在旋转的速度的反馈信号，以及
基于所述反馈信号生成控制信号以控制所述电机的所述旋转速度。
13.一种用于控制栓系式光学成像探针的方法，所述栓系式光学成像探针包括电机、被可旋转地耦合到所述电机的反射表面、尺寸被设计为能由患者吞咽的并且封围所述电机和所述反射表面的胶囊、耦合到所述胶囊的第一端并且具有布置在其中的光波导的系绳，所述光波导被布置为在所述光波导的远端处接收源光并且将所述源光从所述光波导的近端投射到所述反射表面上，并且所述光波导被布置为在所述光波导的所述近端处接收来自所述反射表面的反射光并将所述反射光朝向所述光波导的所述远端传输，其中所述电机、所述反射表面和所述光波导被定位成提供包围所述胶囊的部分的周向视场，所述方法包括：
将源光从所述光波导输出到所述反射表面上；
经由所述电机旋转所述反射表面，由此当所述反射表面被旋转时，形成由从所述光波导输出到所述反射表面上的所述源光形成的周向光路，检测对象被布置在所述周向光路中并且包括布置在所述胶囊的所述部分上的发光材料；
每次所述反射表面完成单次旋转时生成反馈信号，所述反馈信号指示所述电机正在旋转的速度；以及
基于所述反馈信号控制所述电机的旋转速度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述反馈信号进一步包括：
基于由所述发光材料发射的光在所述光波导的所述近端处被接收的周期性的偏差，生成所述反馈信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述发光材料包括磷光材料或荧光材料中的至少一种。
16.如权利要求14所述的方法，其中生成所述反馈信号进一步包括：
基于所述发光材料吸收从反射表面反射的所述源光的部分并且随后发射不同于所述源光的波长下的信号光回到所述反射表面并进入所述光波导的所述近端中来生成所述反馈信号。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测对象包括被布置在所述胶囊的所述部分上的光反射材料，并且
其中生成所述反馈信号进一步包括：
基于由所述光反射材料反射的光在所述光波导的所述近端处被接收到的周期性的第一偏差，生成所述反馈信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中至少一个线延伸到所述胶囊中并沿着所述胶囊延伸以电耦合到所述电机，
其中所述至少一个线包括所述光反射材料，并且
其中生成所述反馈信号进一步包括：
基于在所述光波导的所述近端处接收到的光包括指示存在所述至少一个线的信息的所述周期性的第二偏差生成所述反馈信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中指示存在所述至少一个线的所述信息包括以下中的至少一个：
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在阴影，
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在由所述至少一个线发射的光，或
在所述光波导的所述近端处接收的光中存在由所述至少一个线反射的光。
20.根据权利要求13所述的方法，其中次级光波导被插入到所述胶囊中并且被布置成接收从所述反射表面反射的所述源光的部分，并且
其中生成所述反馈信号进一步包括：
基于在所述光波导的所述近端处发射的光在所述次级光波导处被接收到的周期性的偏差，生成所述反馈信号。
21.根据权利要求13所述的方法，其中阻尼配重被耦合到所述电机的驱动轴以用于随其旋转。
22.根据权利要求13所述的方法，其中旋转所述反射表面进一步包括：基于向所述电机供应周期性控制信号来旋转所述反射表面。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述周期性控制信号是方波的形式，并且
其中所述周期性控制信号的占空比基于所述反馈信号来确定。
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