CN108634915A - 一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头 - Google Patents
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Abstract
一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，探头管壳上开有光学窗口，MEMS微镜基座嵌套安装在探头管壳的前端，C型柱状透镜套管嵌套安装在探头管壳的后端，C型柱状透镜和光纤组成光耦合与聚焦组件，光耦合与聚焦组件安装在C型柱状透镜套管内，MEMS微镜基座上有一倾斜部，MEMS微镜和柔性电路板固定安装在MEMS微镜基座的倾斜部上，光耦合与聚焦组件将光引入探头并会聚成光束，照射到MEMS微镜的镜面中心，然后从光学窗口射出。优点：使用C型柱状透镜代替GRIN lens聚焦透镜，解决了侧扫式OCT内窥探头聚焦长度短，成像范围小的技术问题，实现了成像范围超过5mm×5mm以上范围癌症组织的扫描图像。
Description
技术领域
本申请涉及的是一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，属于内窥镜成像技术领域。
背景技术
现有内窥镜成像系统已采用微机电系统（MEMS）扫描微镜与OCT技术相结合的方式实现病理组织的成像，成像方法主要为内窥镜的切片检查，因此在内窥镜选择上选择格林透镜进行扫描。
目前见于报道的侧扫式OCT内窥探头，都使用格林透镜（GRIN lens）作为光束聚焦透镜。参考文献：
参考文献1、Liu, L., L. Wu, J. J. Sun, E. Lin, and H. K. Xie, Miniatureendoscopic optical coherence tomography probe employing a two-axismicroelectromechanical scanning mirror with through-silicon vias. Journal ofBiomedical Optics, 2011. 16(2).
参考文献2、Jain, A., A. Kopa, Y. T. Pan, G. K. Fedder, and H. K. Xie, Atwo-axis electrothermal micromirror for endoscopic optical coherencetomography. Ieee Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2004. 10(31): p. 636-642.
参考文献3、Jung, W.G., D. T. McCormick, Y. C. Ahn, A. Sepehr, M. Brenner,B. Wong, N. C. Tien, and Z. P. Chen, In vivo three-dimensional spectraldomain endoscopic optical coherence tomography using a microelectromechanicalsystem mirror. Optics Letters, 2007. 32(22): p. 3239-3241.
参考文献4、J. Sun, S. Guo, L. Wu, L. Liu, S. Choe, B. S. Sorg, and H. Xie,“3D in vivo optical coherence tomography based on a low voltage, large-scan-range 2D MEMS mirror,” Opt. Express 18, 12065–12075 (2010).。
已经公布的有关OCT侧扫式探头的专利文件也都使用GRIN lens作为光束聚焦透镜。例如：
对比文件1：CN201110071103.3“低成本内窥镜微型光学探头”，该光学探头使用的是格林透镜（GRIN lens），用于较为隐蔽组织的扫描，扫描范围约为2mm×2mm。
对比文件2：CN201120078959.9“引线内置的内窥镜微型光学探头”仍然使用格林透镜光学组件，见说明书[0046]段，“……以便能够插入大多数医用内窥镜的切片检查通道来直接使用……”。
上述研究论文和专利中所涉及的侧扫式OCT内窥探头中利用的GRIN lens的聚焦长度都较短（2mm到5mm），因而在一定的MEMS转动角度下，扫描范围比较小，大约为1mm×1mm到2mm×2mm。上述基于GRIN lens的探头，由于聚焦长度短，所以对应的聚焦后的光斑直径也小，大约为20 微米，表示这种探头有20 微米横向分辨率。这种探头主要针对癌症早期和中期阶段的成像。
但是在癌症后期时，其癌症组织覆盖范围比较大，比如胃癌、肠癌。这种类型的癌症组织通常覆盖30mm-40mm直径的区域。对于这种癌症而言，1mm×1mm到2mm×2mm的成像范围不能显示有效信息，需要5mm×5mm以上的成像范围才能显示足够的癌症组织信息。同时，由于癌症后期的特点，其癌症组织聚团的尺寸比较大，不需要很高的横向分辨率，可以容忍50 微米甚至更低的横向分辨率。基于上述说明，针对后期癌症的OCT成像，我们需要一种成像范围更大的内窥探头，同时可以容忍更低横向分辨率。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是现有OCT内窥探头成像范围小的技术问题。
本申请采取的技术方案：一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，包括探头管壳1、MEMS微镜2、MEMS微镜基座3、柔性电路板4、C型柱状透镜5、光纤6、C型柱状透镜套管7和光学窗口8，探头管壳1上开有光学窗口8，MEMS微镜基座3嵌套安装在探头管壳1的前端，C型柱状透镜套管7嵌套安装在探头管壳1的后端，C型柱状透镜5和光纤6组成光耦合与聚焦组件，光耦合与聚焦组件安装在C型柱状透镜套管7内，MEMS微镜基座3上有一倾斜部3-1，MEMS微镜2和柔性电路板4固定安装在MEMS微镜基座3的倾斜部3-1上，其特征在于光耦合与聚焦组件将光引入探头并会聚成光束，照射到MEMS微镜2的镜面中心，然后从光学窗口8射出。
本申请的优点：本申请在内窥镜探头上，使用C型柱状透镜代替GRIN lens聚焦透镜，通过设计合理参数范围，获得更长的聚焦长度，从而能扫描更大的范围，解决了侧扫式OCT内窥探头聚焦长度短，成像范围小的技术问题，实现了成像范围超过5mm×5mm以上范围癌症组织的扫描图像。
附图说明
图1是一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头的结构图。
图2是光耦合与聚焦组件的高斯光束传输示意图。
图3是探头管壳示意图。
图4是MEMS基座示意图。
图5是C型柱状透镜套管示意图
其中，1是探头管壳，2是MEMS微镜，3是MEMS微镜基座，3-1是倾斜部，4是柔性电路板，5是C型柱状透镜，6是光纤，7是C型柱状透镜套管，8是光学窗口。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，包括探头管壳1、MEMS微镜2、MEMS微镜基座3、柔性电路板4、C型柱状透镜5、光纤6、C型柱状透镜套管7和光学窗口8，探头管壳1上开有光学窗口8，MEMS微镜基座3嵌套安装在探头管壳1的前端，C型柱状透镜套管7嵌套安装在探头管壳1的后端，C型柱状透镜5和光纤6组成光耦合与聚焦组件，光耦合与聚焦组件安装在C型柱状透镜套管7内，MEMS微镜基座3上有一倾斜部3-1，MEMS微镜2和柔性电路板4固定安装在MEMS微镜基座3的倾斜部3-1上，其特征在于光耦合与聚焦组件将光引入探头并会聚成光束，照射到MEMS微镜2的镜面中心，然后从光学窗口8射出。
所述C型柱状透镜5的直径d 的取值范围是0.2 mm～2.0 mm，长度L 取值范围是0.5 mm～15 mm。
所述探头管壳1为透明材料。
所述光纤6为单模光纤。
所述光纤6和C型柱状透镜5之间的距离b取值范围是0.1 mm～2.0 mm。
所述倾斜部3-1的倾角为20°～75°之间的一个角度。
所述MEMS微镜2是一维或二维电热驱动MEMS扫描微镜。
所述MEMS微镜2为一维或二维静电驱动MEMS扫描微镜。
所述MEMS微镜2为一维或二维电磁驱动MEMS扫描微镜。
实施例1
如图1所示，MEMS微镜2固定在柔性电路板4上，用金线将MEMS微镜2和柔性电路板4连接，从而可以通过柔性电路板4供给电能给MEMS微镜2，从而驱动MEMS微镜2振动。柔性电路板4连同MEMS微镜2被固定在MEMS微镜基座3上。MEMS微镜基座3上有45°角斜面，所以能够将水平入射的光束反射转折90°，指向垂直方向。MEMS微镜基座3嵌套安装在探头管壳1上，被探头管壳1封装保护。光耦合与聚焦组件插入C型柱状透镜套管7中，然后一同插入探头管壳1中。在探头管壳1上，开有光学窗口8，窗口位置的金属被切除，并固定一个透明玻璃以允许光束透射。C-lens组件基座的尺寸设计和探头管壳、MEMS基座的尺寸（按照实施例2的计算公式进行计算）能很好的配合，从而保证光耦合与聚焦组件的光束对准MEMS微镜2。C型柱状透镜套管7的设计方式为中间为圆柱通孔，底部是平面。这种设计可以相对固定C型柱状透镜套管7在探头管壳1中的位置，又能方便的调整光耦合与聚焦组件和MEMS微镜2之间的距离。
实施例2
如图2所示，该光耦合与聚焦组件的光学模型，将光束从光纤射出后进入C型柱状透镜5并被聚焦的光束是高斯光束。
设C型柱状透镜（以下简称C-lens）的直径为 d，长度为 L，后端球面的曲率半径为
r，材料的折射率为 n，空气的折射率为。光纤6和C-lens前端面的距离为 b。从C-lens
输出光束的束腰半径为 ，束腰位置为，光束的瑞利长度为。
根据上述设置，C-lens的ABCD矩阵如下：
。
从C-lens输入并到达位置 Z处的ABCD矩阵如下：
。
通过上述两个公式，可以确定整个高斯光束任意位置的参数。从光纤输出的光束
的束腰半径为，则其Q参数表述如下：
。
从C-lens输出光束在Z处Q参数为：
。
根据上式，Z处的光束半径和波前的曲率半径，分别为：
，
。
因此束腰位置的束腰半径、聚焦长度和瑞利长度
分别为：
，
，
。
为了实现光耦合与聚焦组件的聚焦长度为大于10 mm，腰斑直径小于50μm。
根据上述公式，各个参数的设计存在一定范围，C型柱状透镜的直径d 的取值范围是0.2 mm～2.0 mm，C型柱状透镜的长度L 取值范围是0.5 mm～15 mm， C型柱状透镜的曲率半径r 的取值范围是-1.6 mm～-2.0mm，C型柱状透镜的折射率n 取值范围是1.7～1.8。光纤和C型柱状透镜之间的距离b取值范围是0.1 mm～2.0 mm。MEMS微镜基座3的倾斜部3-1的倾角为20°～75°之间的一个角度。
Claims (9)
1.一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，包括探头管壳（1）、MEMS微镜（2）、MEMS微镜基座（3）、柔性电路板（4）、C型柱状透镜（5）、光纤（6）、C型柱状透镜套管（7）和光学窗口（8），探头管壳（1）上开有光学窗口（8），MEMS微镜基座（3）嵌套安装在探头管壳（1）的前端，C型柱状透镜套管（7）嵌套安装在探头管壳（1）的后端，C型柱状透镜（5）和光纤（6）组成光耦合与聚焦组件，光耦合与聚焦组件安装在C型柱状透镜套管（7）内，MEMS微镜基座（3）上有一倾斜部（3-1），MEMS微镜（2）和柔性电路板（4）固定安装在MEMS微镜基座（3）的倾斜部（3-1）上，其特征在于光耦合与聚焦组件将光引入探头并会聚成光束，照射到MEMS微镜（2）的镜面中心，然后从光学窗口（8）射出。
2.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述C型柱状透镜（5）的直径d 的取值范围是0.2 mm～2.0 mm，长度L 取值范围是0.5 mm～15mm。
3.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述探头管壳（1）为透明材料。
4.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述光纤（6）为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述光纤（6）和C型柱状透镜（5）之间的距离b取值范围是0.1 mm～2.0 mm。
6.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述倾斜部（3-1）的倾角为20°～75°之间的一个角度。
7.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述MEMS微镜（2）是一维或二维电热驱动MEMS扫描微镜。
8.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述MEMS微镜（2）为一维或二维静电驱动MEMS扫描微镜。
9.根据权利要求1所述的一种大扫描范围光学相干断面成像内窥探头，其特征为所述MEMS微镜（2）为一维或二维电磁驱动MEMS扫描微镜。
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