CN108378824B

CN108378824B - 具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统

Info

Publication number: CN108378824B
Application number: CN201810217726.9A
Authority: CN
Inventors: 罗斯特; 汤剑宇; 霍力; 谢会开; 刘浩; 李国新
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: CN108378824A

Abstract

本发明提出的一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统，属于内窥型光学相干层析成像系统技术领域。包括一壳体，位于壳体内的2×2型光耦合器、两个3端口光环形器、光电平衡探测器，位于壳体外的激光源、扫频光源、数据采集模块、1×n型光开关和阵列式环形扫描内窥探头；探头包括基座和设置在其上呈环形阵列式排布的多个扫描单元；各扫描单元均包括共光轴设置的柱状透镜光纤准直器和MEMS微振镜各一个，各微振镜分别与一块柔性PCB板电连接；基座整体呈柱状，由从上至下共轴设置的第一圆柱、正棱柱、正棱台和第二圆柱结构一体成型。本发明可同时兼顾环形360°扫描和局部扫描；在扫描中，探头无需转动，成像稳定性更好。

Description

具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统

技术领域

本发明属于内窥型光学相干层析成像系统技术领域，更具体的是涉及一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统。

背景技术

目前癌症的诊断方式主要基于计算机断层(Computed Tomography,CT)或核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)做出初步判断，再通过细胞病理学的病理切片做出确诊，细胞病理学也被认为是癌症确诊的金标准。但是组织病理切片或者活检取样都是抽样方式的检查，无法显示整个病变区域，其次，病理切片的检测结果的过程需要长达十几个小时的时间，无法在手术现场给出结果。所以在肠胃癌症手术过程中都是根据经验来判断癌症组织的范围，并尽可能多的切除周围组织，以保证能够将肿瘤组织切除干净。光学相干层析成像(optical coherence tomography:OCT)相比较CT、MRI成像，OCT的分辨率更高，而且无放射性。相比较细胞病理学，OCT可以实时成像，也可大区域的覆盖被检测区域。所以，OCT成像被认为是诊断癌症的有潜力的新工具。利用OCT内窥成像技术可以在术中实时的显示病变区域的成像结果，从而更好的指导手术。因此，内窥光学相干层析成像是OCT技术发展的最重要的领域，也是应用前景最广的领域。

现有的一种OCT系统，其结构如图1所示，该OCT系统包括一壳体，位于该壳体内的2×2型光耦合器56、两个均具有3个端口的光环形器57和58、光电平衡探测器54，以及位于该壳体外的可见光(如红色)激光源51、扫频光源52、数据采集模块53、反射镜55和振镜59；其中，激光源51和扫频光源52的输出端分别通过固定于壳体上的光纤法兰接口与两个光环形器57和58的第一端口连接；两个光环形器57和58的第二端口分别与2×2型光耦合器56的第一端口、第二端口连接；2×2型光耦合器56的第三端口与固定于壳体上的一准直器513光纤连接，该准直器与反射镜55共光轴设置，且该准直器与反射镜之间形成的空间光路构成参考臂；2×2型光耦合器56的第四端口与固定于壳体上的另一准直器513光纤连接，该准直器通过振镜59形成的反射光照射于样品510上，且该准直器、振镜59与样品510之间形成的空间光路共同构成样品臂；两个光环形器57和58的第三端口均与光电平衡探测器54的光输入端连接，光电平衡探测器54的电输出端与数据采集模块53连接，该数据采集模块53与外部的计算机平台511进行数据通讯。该系统是以干涉仪为核心，其中，从2×2型光耦合器56输出的光经过光纤准直器513后射向反射镜55并被反射镜55反射回来，该光路构成了参考臂；另外一条光路从另一光纤准直器513射出后经过振镜59反射向样品510，从样品反射回的光原路返回，该光路构成了样品臂；由2×2型光耦合器56、样品臂以及参考臂共同构成了干涉仪。

图1所示OCT系统的工作过程如下：激扫频光源52发出的光通过第二光环形器58，再经过2×2型光耦合器56后分成两束光，一束通向样品臂并返回，另一束通向参考臂并返回。两束返回的光在2×2型光耦合器56中进行反射干涉。干涉信号光被分开成两束分别进入两个光环形器57和58，并通过输出端口(即光环形器的第三端口)进入光电平衡探测器54的两个光输入端口。光电平衡探测器将探测的光信号转化为电信号后输入信号采集模块53，在该信号采集模块中电信号被转化成数字信号，这些信号被外部的计算机平台511记录并处理成图像。激光源51发出可见光(比如红色)，通过光路中第一光环形器57和光耦合器56到达样品，从而指示扫描样品的位置和区域。但是光电平衡探测器54对可见光不响应，所以该可见光信号不会对扫频光信号产生干扰。

目前，内窥OCT最成熟的技术方案就是环扫式内窥OCT[Gora,M.J.,Melissaj.Suter,Guillermo j.Tearney,Xingde Li..,Endoscopic optical coherencetomography:technologies and clinical applications Invited.Biomedical opticalExpress,8(5):2444-2484(2017).]。该内窥OCT系统所采用的环扫式内窥探头的工作原理是使用柱状透镜将光纤发出的光聚焦，在聚焦光路上放置转折棱镜将光束反射指向垂直于光纤的方向，通过将整个探头或者利用微马达转动棱镜环形扫描360°，从而实现环扫成像，通过探头沿管道状样品方向向前推或者向后拉的方式来获得3-D成像。这种方式的缺点在于不能针对局部区域进行成像，并要通过推或者拉动探头对一段管道状样品成像并重建后才能看到该样品的某些细节。

此外，还有学者研究出了单个扫描单元，该扫描单元由一根光纤、一个柱状透镜和一个MEMS微振镜构成。光纤和柱状透镜构成了一个光纤准直器，能将光纤发出的光聚焦。在聚焦光路的MEMS微振镜将光束反射指向垂直于光纤的方向，微机电系统(microelectromechanicalsystems:MEMS)微振镜可以在平行镜面的两个维度上转动，从而将光束反射向不同的角度实现扫描[J.Sun,S.Guo,L.Wu,L.Liu,S.Choe,B.S.Sorg,andH.Xie,“3D in vivo optical coherence tomography based on a low voltage,large-scan-range 2D MEMS mirror,”Opt.Express 18,12065–12075(2010)和K.H.Kim,B.H.Park,G.N.Maguluri,T.W.Lee,F.J.Rogomentich,M.G.Bancu,B.E.Bouma,J.F.deBoer,and J.J.Bernstein,“Two-axis magnetically-driven MEMS scanning catheterfor endoscopic high-speed optical coherence tomography,”Opt.Express 15,18130–18140(2007).]。但是如何利用该扫描单元实现360°的环形扫描，目前未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析内窥成像系统，本发明具有能同时兼顾环形扫描和局部细节扫描的特点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统，包括一壳体，位于该壳体内的2×2型光耦合器、两个均具有3个端口的光环形器、光电平衡探测器，以及位于该壳体外的可见光激光源、扫频光源和数据采集模块；该系统还包括位于壳体外的1×n型光开关和阵列式环形扫描内窥探头；其中，所示可见光激光源和扫频光源的输出端分别通过固定于壳体上的光纤法兰接口与两个光环形器的第一端口连接；两个光环形器的第二端口分别与2×2型光耦合器的第一端口、第二端口连接；两个光环形器的第三端口均与光电平衡探测器的光输入端连接，光电平衡探测器的电输出端与数据采集模块连接；所述2×2型光耦合器的第三端口与固定于壳体上的一准直器光纤连接，该准直器与反射镜共光轴设置；所述2×2型光耦合器的第四端口通过固定于壳体上的另一准直器依次与所述1×n型光开关和阵列式环形扫描内窥探头光纤连接；

所述阵列式环形扫描内窥探头包括一个基座和设置在该基座上呈环形阵列式排布的n个相同的扫描单元；其中，各扫描单元均包括共光轴设置的柱状透镜光纤准直器和MEMS微振镜各一个，各柱状透镜光纤准直器分别与1×n型光开关中的相应分支接口光纤连接，各MEMS微振镜分别与一块柔性PCB板电连接，该PCB板用于为MEMS微振镜供给电能，并使该MEMS微振镜在平行镜面的两个维度上转动；所述基座整体呈柱状，由从上至下共轴设置的第一圆柱结构、正棱柱结构、正棱台结构和第二圆柱结构一体成型，所述基座上沿其中轴线方向设有用于容纳柔性PCB板电线的第一通孔，所述第一圆柱结构内还设有用于固定各柱状透镜光纤准直器且呈环形排列的第二通孔，所述正棱台结构的各侧面上分别设置一个MEMS微振镜，各MEMS微振镜下方所对应的第二圆柱结构区域内分别开设一个用于固定柔性PCB板的凹槽。

进一步地，所述基座中，正棱柱结构和正棱台结构所具有的侧面个数、扫描单元的个数与1×n型光开关的分支接口个数相同，n的取值为5～10。

进一步地，所述基座中，正棱台结构的各侧面与底面所成夹角为45°～60°。

进一步地，所述基座中的第一通孔向上延伸，形成一个凸出于第一圆柱结构顶部10～20mm的空心结构，该空心结构侧壁用于辅助固定柱状透镜光纤准直器中的光纤。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的阵列式环形扫描光学相干层析成像系统是对现有OCT系统样品臂段的改进，具有能同时兼顾环形扫描和局部细节扫描的特点，所采用的阵列式环形扫描光学相干层析成像内窥探头，在环形扫描的过程中，探头不需要转动，没有转动力矩扭转光纤产生应力，因此成像质量更高；在进行3D柱状成像的过程中，不需要像传统的环扫式探头持续的推或者拉，因而成像稳定性更好；且每一个扫描单元都可以单独重建图像，即无需等待全部柱状扫描完成后才能统一重建，实时性更好。

附图说明

图1是现有的一种光学相干层析成像系统的结构示意图。

图2是本发明具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统的整体结构示意图。

图3是图2中内窥探头的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统，结合附图及一个实施例详细说明如下：

本发明的光学相干层析成像系统相比于图1所示OCT系统的主要区别在于，对样品臂段进行了改进。本发明成像系统的整体结构如图2所示，包括一壳体，位于该壳体内的2×2型光耦合器56、两个均具有3个端口的光环形器57和58、光电平衡探测器54，以及位于该壳体外的可见光(如红色)激光源51、扫频光源52和数据采集模块53；该系统还包括位于壳体外的1×n(本实施例n＝6)型光开关514和一个阵列式环形扫描内窥探头515；其中，激光源51和扫频光源52的输出端分别通过固定于壳体上的光纤法兰接口与两个光环形器57和58的第一端口连接；两个光环形器57和58的第二端口分别与2×2型光耦合器56的第一端口、第二端口连接；两个光环形器57和58的第三端口均与光电平衡探测器54的光输入端连接，光电平衡探测器54的电输出端与数据采集模块53连接，该数据采集模块53与外部的计算机平台511进行数据通讯；2×2型光耦合器56的第三端口与固定于壳体上的一准直器513光纤连接，该准直器与反射镜55共光轴设置，且该准直器与反射镜55之间形成的空间光路构成参考臂；2×2型光耦合器56的第四端口通过固定于壳体上的另一准直器513依次与1×n型光开关514和阵列式环形扫描内窥探头515光纤连接，工作时，该内窥探头位于管道式样品(图2中未示意出样品)内部，该另一准直器与样品之间形成的光路构成样品臂。阵列式环形扫描内窥探头515整体结构如图3所示，包括一个基座2和设置在该基座上呈环形排列的多个相同的扫描单元；各扫描单元均包括共光轴设置的柱状透镜光纤准直器1和MEMS微振镜3各一个，各柱状透镜光纤准直器1分别与1×n型光开关中的一个相应分支接口光纤连接；各MEMS微振镜3分别与一块柔性PCB板(印刷电路板)4电连接，由该PCB板供给电能，并使相应的MEMS微振镜3在平行镜面的两个维度上转动；基座2整体呈柱状，由从上至下共轴设置的第一圆柱结构21、正棱柱结构22、正棱台结构23和第二圆柱结构24一体成型，沿基座2的中轴线方向设有用于容纳柔性PCB板电线(该电线在图3中未示意出)的第一通孔，在第一圆柱结构21内还设有用于固定各柱状透镜光纤准直器1且呈环形排列的第二通孔，在正棱台结构23的各侧面上分别设置一个MEMS微振镜3，各MEMS微振镜3下方所对应的第二圆柱结构24区域内分别开设一个用于固定柔性PCB板4的凹槽25。

基座2中正棱柱结构22和正棱台结构23所具有的侧面个数、扫描单元的个数与1×n型光开关的分支接口个数相同，n的取值为5～10；正棱台结构23的各侧面与底面所成夹角为45°～60°。

作为本发明的进一步优化，基座2中的第一通孔向上延伸，形成一个凸出于第一圆柱结构21顶部10～20mm的空心结构26，该空心结构侧壁用于辅助固定柱状透镜光纤准直器中的光纤(该光纤在图3中未示意出)。

本发明各部件的具体实现方式分别说明如下：

本实施例的1×6型光开关514采用1×6型MEMS光开关514，作为分光器件，光束切换时间为0.5ms。在每一个时间段内，只有一个扫描单元有光束，即只有该扫描单元完成OCT成像。下一个时间段，光束被光开关切换到下一个扫描单元进行成像。

基座2用于固定各扫描单元，本实施例的基座2采用树脂材料3D打印而成，该基座中心设置的第一通孔为边长是4.5mm的正六边形；第二通孔为直径1.6mm的圆孔，扫描单元中的柱状透镜光纤准直器1通过胶水固定在各第二通孔内；第一圆柱结构21和第二圆柱结构24的直径均为10mm，正棱柱结构22和正棱台结构23均具有六个侧面，正棱台结构23的各侧面与底面所成夹角均为45°；凸出于第一圆柱结构顶部的空心结构26为空心六面柱，高度为15mm、边长为4.5mm，将柱状透镜光纤准直器1末端的光纤通过胶水固定在该空心六面柱的侧壁上，可防止其在扫描过程中的摆动。

本实施例设有6个扫描单元，各扫描单元中的各组成器件均为常规产品，其中，柱状透镜光纤准直器1采用西安飞秒光电公司生产的型号为Collimator-C-lens-11mm-40的准直器；MEMS微振镜3采用无锡微奥科技公司生产的型号为U2的MEMS微振镜；用于为MEMS微振镜3供电的PCB板4，一部分固定在正棱台结构23上，其余部分固定在第二圆柱结构上，故采用柔性PCB板，利用该PCB板便于MEMS微振镜的封装，PCB板上的电路可通过本领域的常规技术予以实现。

本发明的其他组成器件均与现有的OCT系统相同，均可采用市售产品或本领域的常规技术予以实现，此处不再赘述。

本发明内窥探头实施例的工作原理为：柔性PCB板4用于给相应的一个MEMS微振镜3供给电能，从而使该MEMS微振镜3在平行镜面的两个维度上转动。各柱状透镜光纤准直器1从第二通孔中穿过，并刚好对准相应的一个MEMS微振镜3，从而把光束射到该微振镜面上。MEMS微振镜面初始角度和光束在空间中成45°角，从而将光束射向探头的径向方向并聚焦在样品表面。本实施例的各MEMS微振镜3可以将光束扫描60°，6个这样扫描单元环形阵列排布，可以实现整个360°扫描。每一个扫描单元都是独立的，因而可以单独控制并成像，可以获得样品的局部OCT图像，即无需等待全部柱状扫描完成后才能统一重建，实时性更好。

综上，本发明可克服传统的内窥式OCT系统于不能针对局部区域进行成像，并要通过推或者拉动探头对一段管道组织成像并重建后才能看到管道器官某些细节的弊端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含的本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统，包括一壳体，位于该壳体内的2×2型光耦合器、两个均具有3个端口的光环形器、光电平衡探测器，以及位于该壳体外的可见光激光源、扫频光源和数据采集模块；其特征在于，该系统还包括位于壳体外的1×n型光开关和阵列式环形扫描内窥探头；其中，所示可见光激光源和扫频光源的输出端分别通过固定于壳体上的光纤法兰接口与两个光环形器的第一端口连接；两个光环形器的第二端口分别与2×2型光耦合器的第一端口、第二端口连接；两个光环形器的第三端口均与光电平衡探测器的光输入端连接，光电平衡探测器的电输出端与数据采集模块连接；所述2×2型光耦合器的第三端口与固定于壳体上的一准直器光纤连接，该准直器与反射镜共光轴设置；所述2×2型光耦合器的第四端口通过固定于壳体上的另一准直器依次与所述1×n型光开关和阵列式环形扫描内窥探头光纤连接；

2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于，所述基座中，正棱柱结构和正棱台结构所具有的侧面个数、扫描单元的个数与1×n型光开关的分支接口个数相同，n的取值为5～10。

3.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于，所述基座中，正棱台结构的各侧面与底面所成夹角为45°～60°。

4.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于，所述基座中的第一通孔向上延伸，形成一个凸出于第一圆柱结构顶部10～20mm的空心结构，该空心结构侧壁用于辅助固定柱状透镜光纤准直器中的光纤。