CN109497947A - 一种便携式oct测量装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式OCT测量装置，包括透镜光纤、OCT单元、压电堆栈、探针、以及保持件；所述压电堆栈固定连接至保持件下表面，所述探针固定连接至压电堆栈下表面以将压电堆栈产生的表面波加载于待测物体；所述保持件构造成便于手持或夹持的形状并且具有通孔，所述透镜光纤一端穿过所述通孔连接至OCT单元且另一端位于待测物体上方以获取其下方处的表面波数据。

Description

一种便携式OCT测量装置

技术领域

本发明涉及材料力学测量领域，特别涉及通过光学相干断层扫描技术测量物体的力学性能参数。

背景技术

光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography，简称OCT)采用近红外相干光干涉，生成高分辨率的图像，可以实现对活体组织的无辐射、无损伤及实时的探测和成像。光学相干断层扫描已经广泛的用于临床眼科疾病的检测，在心血管等领域的应用也越来越广泛。光学相干弹性成像(Optical Coherence Elastography，简称OCE)在被测组织受载变形时，通过光学相干断层扫描采集信号，经过特定的数据处理获得组织的变形或弹性模量等力学信息。表面波弹性成像技术通过测量表面波的速度可以直接获得生物组织的弹性模量，避免了通过应变和力学本构模型计算过程中产生的误差。中国专利CN106073824A公开了剪切波超声弹性成像，利用声辐射力产生剪切波并通过超声成像技术进行检测，该技术分辨率低且不能达到组织学分辨率，对力学信息的敏感度低，不能检测微小的变形，不利于疾病的早期诊断。光学相干断层扫描基于近红外低相干光干涉技术，具有微米级的空间分辨率，能够检测到纳米级的变形信息，所以基于光学相干断层扫描技术和表面波的光学相干弹性成像比相应的超声技术的分辨率高出至少一个数量级。

综上所述，通过现有技术结合OCT和表面波来实现测量物体的弹性模量等力学参数需要复杂的固定设备、OCT发生系统、连接设备等，结构复杂且集成度差，非常不便于携带和操作，难以实现对狭小复杂空间内的物体的测量。

发明内容

为了至少解决上述技术问题之一，本发明提出了一种便携式OCT测量装置，包括透镜光纤、OCT单元、压电堆栈、探针、以及保持件；所述压电堆栈固定连接至保持件下表面，所述探针固定连接至压电堆栈下表面以将压电堆栈产生的表面波加载于待测物体；所述保持件构造成便于手持或夹持的形状并且具有通孔，所述透镜光纤一端穿过所述通孔连接至OCT单元且另一端位于待测物体上方以获取其下方处的表面波数据。

所述保持件由硬质材料制成，并且所述保持件与压电堆栈之间的连接和所述压电堆栈与探针之间的连接均为刚性连接。所述便携式OCT测量装置还具有杆状固定件，所述杆状固定件穿过保持件的通孔中的一个，所述透镜光纤沿所述杆状固定件内部或外部延伸以防止透镜光纤弯曲导致焦距变化。所述便携式OCT测量装置中，所述透镜光纤下端与所述探针下端沿光纤延伸方向相距1～10mm。

所述便携式OCT测量装置中，所述OCT单元还可输出控制压电堆栈作业的信号、并可以存储和/或分析所述光纤采集到的信号。所述便携式OCT测量装置中，所述保持件外部设有外壳，所述外壳内壁具有用于固定保持件的凸缘，所述保持件通过所述凸缘固定于所述外壳内。所述便携式OCT测量装置中，所述外壳构造成可稳定放置在待测物体表面。所述便携式OCT测量装置中，所述外壳不与待测物体接触的一端设有导杆，所述外壳与导杆之间通过螺纹连接。

所述便携式OCT测量装置中，所述外壳和导杆之间通过球面副连接，使得所述导杆与外壳之间可以相对转动。所述便携式OCT测量装置中，所述球面副具有球副和面副，所述球副和面副中的一个与外壳连接，另一个与导杆连接，所述球副与面副之间过盈连接以便外壳与导杆之间自锁。

所述便携式OCT测量装置中，所述保持件中设置有滑槽、滑块以及旋转件，所述旋转件的杆部具有螺纹并穿过滑块可旋转地连接至所述滑槽端面，使得可以通过旋转所述旋转件以驱动滑块沿保持件平面水平运动以调整探针与透镜光纤之间的距离。进一步，所述便携式OCT测量装置还设有用于驱动所述旋转件转动的电机，以精确驱动所述滑块的移动。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的便携式OCT测量装置的基本结构的示意图，其中OCT单元的实际尺寸及比例与图中并不一定相同或近似；

图2示出了图1中OCT单元的原理结构示意图，其中，计算机(也称计算器或计算单元)可以包含于OCT单元内，可以与另行单独设置；

图3示出了根据本发明的具有外壳和导杆的便携式OCT测量装置；

图4示出了根据本发明的具有球面副的便携式OCT测量装置；

图5A和图5B示出了根据本发明的具有球面副的便携式OCT测量装置的球面副的球副和面副；

图6示出了具有位置调节装置的根据本发明的便携式OCT测量装置；

图7示出了图6中的位置调节装置，从图中可以清楚的看到滑槽、滑块以及旋转件。

具体实施方式

参照图1，一种便携式OCT测量装置，包括：透镜光纤1、导线2、保持件3，压电堆栈4和OCT单元；透镜光纤1穿过保持件3的通孔3A得以固定定位，压电堆栈4固定连接至保持件3的下表面，导线2连接至压电堆栈4以为其提供电源和驱动控制信号等；探针4A固定连接至压电堆栈4下表面从而将压电堆栈4产生的表面波传递至与探针4A接触的待测物体表面。所述保持件3由硬质塑料或金属等刚性材料制成，以防止压电堆栈4产生的表面波被所述保持件3吸收而减弱；所述保持件3可以构造成具有一定均匀厚度的圆片或者圆饼状，需要说明的是，所述保持件的俯视形状也可以是其它不规则形状，例如椭圆形、矩形等，以便所述保持件3能够便于握持或夹持固定，其厚度为1～15mm。此外，所述便携式的OCT测量装置还具有杆状固定件(未示出)，所述杆状固定件可以是空心杆或实心杆，所述杆状固定件穿过保持件的通孔，所述透镜光纤1沿所述杆状固定件内部或外部延伸以防止透镜光纤1弯曲导致其焦距变化。特别的，保持件具有至少一个通孔3A用于使得透镜光纤1定位，也在保持件3上的其他位置设置类似通孔以便导线2或其他线缆的固定和穿过，进一步的，还可以设置第三和/或第四通孔以便于穿过校正用光纤或其他辅助测量装置等；换言之，保持件上可以具有至少一个通孔，也可以具有多个通孔以便于引导透镜光纤1准确聚焦和采集信号，并且便于导线2或其他线缆穿过通孔为压电堆栈4输入控制信号或驱动电能等，或者便于其他导线或线缆穿过，以控制其他辅助调节或控制部件的作业，例如穿过线缆或导线以控制制动或调节单元从而改变透镜光纤1与压电堆栈4之间的距离等。

使用该OCT测量装置时，压电堆栈4所连接的探针4A与待测物体轻微接触，导线2提供压电堆栈4工作的驱动控制信号，压电堆栈4振动以产生表面波并通过探针4A将所述表面波加载于待测物体。透镜光纤1的自由端头部距待测物体表面距离由透镜光纤的焦距决定，其范围在1-10mm。透镜光纤1的光束可聚焦于待测物体表面，待测物体受到压电堆栈4所连接的探针4A所传递的轻微冲击后，将在其表面和浅层内部产生对应的表面波，所述表面波的波速由待测物体的物理特性决定，频率由压电堆栈4的振动频率决定，例如为600Hz、800Hz、1000Hz或1200Hz，对于人体组织优选为800Hz。表面波从所述探针4A与待测物体的接触加载点传播至透镜光纤1下方处的待测物体上的检测点，该处待测物体相位发生的变化将被透镜光纤1检测到并将所检测到的信号传送至OCT单元中的分析模块或外部分析模块或外部计算单元进行分析，根据表面波传播在待测物体上从加载点传播至待测点的水平距离和传播时间可分析计算得出表面波在该待测物体中的传播速度，从而，根据所述表面波速度与待测物体的力学参数之间的关系最终得到其诸如弹性模量等一系列力学参数。压电堆栈4由多个压电陶瓷块串联而成并通过502之类的粘结剂与探针4A连接，所述压电探针4A一般由金属或金属合金制成。

在上述便携式的OCT测量装置中OCT单元不仅可以产生OCT物光以测量待测物体中表面波的相位变化，同时也可以对透镜光纤1所采集到的信号进行分析计算并输出相应的结果，特别的，所述OCT单元中可设置有存储器以存储相关程序和数据。此外，OCT单元中还设有电源和控制器(未示出)，所述导线2的一端连接至该电源和控制器，另一端连接至压电堆栈4以为其提供电源和控制信号。另一方面，导线2的一端也可以单独连接至外部的电源或控制器以为压电堆栈4提供电源和控制信号。可选择的，导线2可穿过保持件3上的通孔3A或其它通孔(未示出)以连接至压电堆栈4，或者，也可以从保持件3外部或沿保持件3的外表面连接至压电堆栈4。

特别的，在根据本发明的便携式的OCT测量装置工作时，保持件3可被固定于外部的固定装置上，或者，使用者可以手持保持件3以使其相对固定以完成加载和测量工作，所述保持件3的外形可以是俯视为矩形、正方形、圆形、椭圆形的任意块体或片，其材质可以是金属或非金属，只要其能够起到固定透镜光纤1、导线2、压电堆栈4并便于被固定和/或握持即可。

作为本发明的非限制性变体，压电堆栈4可由压电陶瓷堆叠而成，规格为分立式、75V、8.0μm自由行程位移、长宽高为3.0mm×3.0mm×10.0mm；透镜光纤自由端距离探头端面的距离为焦距的长度1～10mm；探针材料可以为45钢等金属材料，也可以采用非金属材料如硬塑料，探针直径大体为1mm，长8mm，测量时深入待测物体表面约0.1mm。

如图2所示，图1中的OCT单元可包括扫频OCT系统和表面波发生系统，其中OCT发生系统与透镜光纤1相连，表面波发生系统与导线2相连，扫频OCT系统和表面波发生系统一起共用扫频OCT系统中的计算模块。其中，扫频OCT系统的基本原理是利用迈克尔逊干涉仪使样品臂里样品的后向散射光与参考臂里反射回来的参考光进行干涉，通过低相干光源干涉的空间定位特性，就能够获得样品内部的结构信息。扫频激光源发出的相干光经过耦合器后分为两束，一束进入参考臂，另一束进入样品臂，两束光波分别被参考镜和样品反射，参考臂和样品臂的两束回波进入另一耦合器发生干涉，探测器探测光波的干涉信号并将其转化为电信号传输到计算模块的采集卡中，对采集到的干涉数据进行加窗、傅里叶变换、提取幅值信息等一系列处理后即可得到样本的成像信息。

采集数据时，计算模块给信号发生器一个触发信号，保证压电堆栈4产生表面波与透镜光纤1采集OCT信号能够同时进行以保证数据的精确。

如图3所示，可进一步在上述OCT测量装置外侧设置外壳5及与外壳5连接的导杆6，外壳5可以是内部设有凸缘的空心圆杆，保持件3通过所述凸缘得以固定设置在外壳5内部；此外，外壳5内部可设有螺纹并且导杆6外壳也设有与之配合的螺纹，从而使得外壳5与导杆6通过螺纹得以连接。其中，外壳5经优选采用聚乙烯(PE)材料，具有易加工、稳定性高等优点。通过外壳5和导杆6，可以将所述OCT测量装置中的部件保护起来，增强了测量装置的稳定性和可靠性，同时在操作使用所述OCT测量装置时也便于固定或手握该装置的外壳和/或导杆6以进一步进行加载和测量作业。

具体而言，透镜光纤1为球透镜光纤，也可以采用光纤与GRIN透镜的组合；透镜下端与探针4A端部的水平距离为1-8mm，使OCT单元所发出的OCT物光通过透镜光纤1聚焦在待测物体表面，并且被待测物体反向散射的光能够通过透镜光纤1传播到OCT单元中的干涉仪(未示出)；探针4A伸出探头外壳5最下端约0.1mm，使测试过程中探针4A与待测物体表面之间产生约0.1mm的预变形，即施加一定的预载荷，探头外壳5与待测物体表面接触起到一定的支撑和固定作用，特别地，可以将具有外壳5的OCT测量装置直接放置于待测物体表面而不需要借助外界其它固定手段进而开展测量作业，此时，外壳5起到了支撑整个OCT测量装置的作用，并且由于探针4A伸出探头外壳5最下端约0.1mm，此时也恰好实现了探针4A对待测物体的预加载效果。

作为根据本发明的便携式OCT测量装置的另一种变体，如图4和图5A和图5B所示，导杆6与外壳5之间可以通过球面副7进行连接从而使得外壳5及其中的测量器件可以相对于导杆6旋转，从而更便于操作所述便携式OCT测量装置以便将外壳5的前端置于拐角中的待测物体上从而实现对非水平放置的待测物体的测量。图4中，所述球面副7包括与导杆6下部相连的面副9、面副10和与外壳5上部连接的球副11，面副9与面副10彼此相对固定连接以形成用于容置球副10的球状空间，面副9和面副10可由螺钉连接组成一个完整的面副绕球副11转动，并且可以通过调整螺钉连接以调整所述球副11与面副之间的夹紧力和摩擦力，从而实现该球面副7的转动和自锁，进而实现导杆6与外壳5之间的相对转动及自锁固定；作为改进，球副11可与外壳5一体化成型或一体化固定连接，甚至可与外壳5一起模制而成。需要注意的是，球副11上部设有通孔以供导线2和透镜光纤1穿过，球副11和面副9、面副10之间一般采用过盈连接，靠球副外表面与面副内表面之间的摩擦力实现彼此之间的位置锁定；球副11的下端竖直部分可通过其内侧或外侧的螺纹(未示出)与外壳5相连，面副9和面副10上部竖直部分可通过其内侧或外侧设置的螺纹(未示出)与导杆6相连。

需要注意的是，上述方案中的球副11的竖直伸长端可通过螺纹与导杆6连接，面副9和10的竖直伸长端可通过螺纹与外壳5连接。

作为本发明的另一个改进方面，对于不同待测物体，一般希望能够调节压电探针4A与透镜光纤1之间的距离使其达到最佳距离以获得更精确的测量结果；或者，对于同一待测物体，希望能够测量压电探针4A与透镜光纤1之间的不同距离以获得表面波在待测物体内的传播速度的平均值从而提高最终的测量精度。

如图5A、图5B和图6所示，压电堆栈4不再固定连接至保持件3下表面，而是固定连接至保持件3内设置的调整滑块13的下表面，所述调整滑块13通过螺纹与具有杆部的调整旋钮12配合连接，以实现通过旋转调整旋钮12来改变调整滑块13在平行于保持件3的上下表面的平面沿调整旋钮12的杆部轴线直线运动，从而调整压电探针4A与透镜光纤1之间的距离，该距离一般为1～8mm。

具体而言，保持件3上设有主槽14和滑槽15，滑块13两侧的凸出端13A位于滑槽15内滑行使得滑块13可滑动的设置于主槽14内，所述主槽14和滑槽15配合用于限定滑块在保持件3内的移动范围，使得滑块13向保持件中心移动时不超过保持件3的中心，并且使得滑块13远离保持件3A中心移动至远处时，连接于保持件3下表面的压电堆栈4不与外壳5接触；滑块13面对外壳5内壁的侧面设置有连接至该侧面对面的螺纹通孔，调整旋钮12的具有螺纹的杆部与该螺纹通孔配合连接，该杆部穿过外壳5使其自由端可旋转的固定连接于主槽14中心处，使得当从外壳5外部旋转调整旋钮12时可以带动滑块13沿所述杆部水平运动，从而使压电堆栈4移动以调整压电探针4A与透镜光纤1之间的距离。

换言之，调整旋钮12和调整滑块13安装在保持件3中，调整旋钮12由具有螺纹的杆部和旋转端组成，固定在保持件3的槽中只能轴向转动；调整滑块13沿水平方向设置有螺纹通孔，调整旋钮12可以带动调整滑块13在滑槽中移动来调整压电堆栈4和透镜光纤1光路焦点的距离。调整旋钮12上具有刻度，可以精确调整滑块13的位移。调整旋钮12的杆部自由端与保持件3之间的可旋转连接可采用轴承连接实现，因此，可在保持件3的主槽14的内端面开设轴承孔。特别的，所述调整旋钮12与其杆部可以是一体成型的，也可以是分别独立连接而成的，所述杆部在探头外壳5内侧部分设置有止动端，以此限制调整旋钮12的轴向运动防止压电堆栈触碰到外壳5的内壁影响其产生的表面波的参数。

此外，调整滑块13的外端面可设置成与保持件外壁形状相似或相同的圆弧状以增加调整滑块13的行程，还可以另外设置电机(未示出)以驱动调整旋钮12的杆部转动从而带动调整滑块13的移动。

需要说明的是，尽管本发明中采用了透镜光纤1用于传输、发射OCT信号并采集相应的光电反射信号以获取表面波的相位信息，实际应用过程中也可以采用光纤结合透镜或透镜组件的方式实现上述功能及技术效果；实际上，本发明的透镜光纤1可以视为一种光纤与透镜或透镜组件的组合。另外，本发明中的OCT单元的作用也可以局限为仅用于产生OCT信号，其它的信号接收及信号处理作业由其它单独设置的单元完成，特别的，可以单独设置一个单元用于控制压电堆栈4的作业，并且单独设置计算机单元或计算单元用于处理、输入、输出相关的数字或模拟信号，这些并领域技术人员可以理解的方案应该被视作上述实施例的变体的一种或多种。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种便携式OCT测量装置，包括透镜光纤、OCT单元、压电堆栈、探针、以及保持件，所述压电堆栈固定连接至保持件下表面，所述探针固定连接至压电堆栈下表面以将压电堆栈产生的表面波加载于待测物体，所述保持件构造成便于手持或夹持并且具有至少一个通孔，所述透镜光纤一端穿过所述通孔连接至OCT单元且另一端位于待测物体上方以测量其下方的表面波。

2.如权利要求1所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述保持件硬质材料制成，并且所述保持件与压电堆栈之间的连接和所述压电堆栈与探针之间的连接均为刚性连接。

3.如权利要求1所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，还具有杆状固定件，所述杆状固定件穿过所述通孔中的一个，所述透镜光纤沿所述杆状固定件内部或外部延伸以防止透镜光纤弯曲导致焦距变化。

4.如权利要求1所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述透镜光纤下端与所述探针下端沿光纤延伸方向相距1～10mm。

5.如权利要求1所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述OCT单元还可输出控制压电堆栈作业的信号、并可以存储和/或分析所述光纤采集到的信号。

6.如权利要求1～4中任一项所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述保持件外部设有外壳，所述外壳内壁具有用于固定保持件的凸缘，所述保持件通过所述凸缘固定于所述外壳内。

7.如权利要求4所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述外壳构造成使其自身可稳定放置在待测物体表面。

8.如权利要求4所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述外壳不与待测物体接触的一端设有导杆，所述外壳与导杆之间通过螺纹连接。

9.如权利要求6所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述外壳和导杆之间通过球面副连接，使得所述导杆与外壳之间可以相对转动。

10.如权利要求7所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述球面副具有球副和面副，所述球副和面副中的一个与外壳连接，另一个与导杆连接，所述球副与面副之间过盈连接以便外壳与导杆之间自锁。

11.如权利要求8所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，所述保持件中设置有滑槽、滑块以及旋转件，所述旋转件的杆部具有螺纹并穿过滑块可旋转地连接至所述滑槽端面，使得可以通过旋转所述旋转件以驱动滑块沿保持件平面水平运动以调整探针与透镜光纤之间的距离。

12.如权利要求9所述的便携式OCT测量装置，其特征在于，还设有用于驱动所述旋转件转动的电机，以精确驱动所述滑块的移动。