CN111568377B - 一种用于妇科检查的光学扫描探头及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于妇科检查的光学扫描探头及其工作方法，包括准直镜、扫描振镜和探头管，所述准直镜连接光纤，所述准直镜发出的光线经过扫描振镜反射进入探头管，所述探头管内设有2n+1个透镜，所述探头管的尾部为与倾斜窗口密封连接的斜口，所述窗口为平凸透镜，本发明的探头具有超高分辨率，首次实现了在体（in vivo）宫颈组织的细胞级成像，将平凸透镜作为窗口使用很大程度上减小了像差，改善了分辨率，本发明采用环形扫描的二维振镜为扫描振镜，环形扫描避免了突然的加速、减速，在相同的硬件条件（例如通光口径）下，具有更大的有效成像区域。

Description

一种用于妇科检查的光学扫描探头及其工作方法

技术领域

本发明涉及宫颈检查的技术领域，特别涉及一种用于妇科检查的光学扫描探头及其工作方法。

背景技术

宫颈癌是全球第三大女性恶性肿瘤，是中国女性第二大最常见恶性肿瘤。根据世界卫生组织（WHO）估计，全球每年新增宫颈癌病例超过47万例，而中国占到了28%。若缺乏适当有效的筛查方法及预防措施，到2025年，亚洲宫颈癌发病率将上升40%。

人乳头瘤病毒（HPV）是导致宫颈癌的罪魁祸首，这是一种极为常见的病毒，有高达75%的女性在一生的某一阶段都会感染HPV，大多数女性能够凭借自身免疫力将病毒清除；但如果是长期持续感染HPV，宫颈处于反复感染状况，细胞往往就会发生变异引发癌变。HPV持续感染是宫颈癌及其癌前病变——宫颈上皮内瘤变（CIN）的主要病因，且宫颈病变程度越重，高危HPV感染率越高。

幸运的是，宫颈癌病因明确且发展过程中存在较长的、可逆转的癌前病变期，是唯一一种能够通过医学干预降低发病率和死亡率的恶性肿瘤。这意味着宫颈癌在很大程度上是一种可以预防的疾病。

目前宫颈癌筛查诊断主要采取“三阶梯”方式：第一步，子宫颈细胞学检查（TCT）和（或）HPV病毒检测；第二步，阴道镜检查；第三步，子宫颈病理学活组织检查。

现有三阶梯模式存在一些局限：第一，分三步进行，环节多，时间长，不确定性大，病患心理压力较大。第二，最终要靠病理活检确诊，但活检是有损伤的，而且能取的点也是有限的，由于取样误差可能会引起漏检。第三，活检还可能会造成感染。第四，一些特殊人群不适合常规三阶梯检查方式，例如孕妇或宫颈手术后复查患者。

一些先进的光学影像检测手段，例如光学相干断层扫描（OCT）和共焦成像，可以在无需对组织样品进行采集及特别处理的情况下，实时无创的获取在体组织的高分辨率影像，从而帮助医生快捷、准确的获得诊断依据，有很大的临床应用价值。

OCT是一种高分辨率的无创光学成像技术，它的基本原理是低相干光干涉技术，利用低相干的近红外光照射生物组织，通过对散射回来的光信号进行干涉测量，获得生物组织微米级分辨率的二维横截面图像或者三维重构图像。在OCT中，图像对比度是由组织结构的光学折射率的变化产生的，无需外源性造影剂，在组织内成像深度约为2-3mm。OCT非常适合于表面应用，例如视网膜成像，随着近年来OCT探头导管技术的发展，OCT被越来越多的应用于内窥领域，包括心血管、消化道、肺部、喉部和泌尿生殖系统等。

共焦显微成像是一种正面（en face）成像的光学成像技术，通过使用针孔限制偏离焦点的光通过来获得高分辨率和高对比度的图像。通过改变样品中焦面位置，共焦显微成像也可以重建三维结构图像。一般来讲，共焦显微在横向分辨率方面优于OCT，而在纵向分辨率及成像深度方面不如OCT。由于OCT普遍使用单模光纤作为光传输器件，而单模光纤芯径极小，可以起到针孔作用，所以OCT和共焦显微在成像方面有一些类似的特点。和OCT技术类似，共焦成像技术也可以被应用于内窥领域，在内窥探头硬件技术方面，两种技术有一定共性。另外，在普通共焦扫描的硬件基础上，还可以加入光谱技术，实现共焦自发荧光成像或者外源性荧光染料的荧光成像等。

为把这些光学检测技术应用于宫颈疾病筛查诊断，很重要的一个环节就是将光束传输、聚焦至目标组织区域，并采集返回的光信号，传输至采集设备。这一过程中，光束传输和聚焦的质量，直接决定了光学影像的分辨率、信噪比等重要指标。由于宫颈组织在人体内部，以上过程需要借助满足某些特定功能的内窥探头来实现，这些功能要求与普通的内窥镜（例如胃镜、支气管镜等）有所不同。首先，无论OCT还是共聚焦成像，均是将光束聚焦一点，需要扫描成像，因此探头需要包含光束扫描功能。其次，OCT和共聚焦成像对于分辨率的要求比普通内窥镜要高，一般可达微米级别。目前这些先进光学影像技术在妇科的应用，主要还是在实验室研究阶段。为了将这些先进光学影像技术应用于妇科临床，我们发明了一种适用于高分辨率光学扫描成像的探头，可以满足临床使用的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于妇科检查的光学扫描探头及其工作方法。

本发明的技术方案是：一种用于妇科检查的光学扫描探头，包括准直镜、扫描振镜和探头管，所述准直镜连接光纤，所述光纤射出的发散光束经过准直镜的准直透镜折射后形成近平行光，所述准直镜发出的近平行光经过一段光路后再经扫描振镜反射进入探头管，所述扫描振镜为环形扫描的二维振镜，所述扫描振镜的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管内设有2n+1个透镜，所述探头管的尾部设置倾斜的窗口，所述探头管的末端为与窗口密封连接的斜口，所述窗口为平凸透镜，进入所述探头管的近平行光经过探头管内的透镜后聚焦到窗口的外表面。

优选的，所述斜口的下方向内侧倾斜。

优选的，所述窗口的内侧为凸面、外侧为平面。

优选的，所述窗口的外侧面不低于斜口的表面。

优选的，所述窗口的外侧面与斜口的表面平齐。

优选的，所述探头管内设有3个透镜。

优选的，所述准直镜与扫描振镜之间设置反射镜。

优选的，所述反射镜为镀高反射膜的平面镜、棱镜或全反射棱镜。

一种上述用于妇科检查的光学扫描探头的工作方法，探头中的准直镜由光纤接口和准直透镜组成，光纤接口连接成像设备光纤，光纤出射的发散光束经过准直透镜折射后形成近平行光，近平行光经过一段光路后照射在扫描振镜中心区域，提前调节探头管内透镜的间距，使光束经扫描振镜反射到探头管内切通过透镜后聚焦到窗口的外表面处，扫描振镜在电信号驱动下进行扫描时，近平行光的入射角度发生改变，窗口外表面处的聚焦点位置随之发生改变，从而达到对样品的不同位置进行取样。

进一步地，具体使用时，将待检查的样品组织紧贴在窗口表面，窗口每次采集覆盖一个扫描面积，操作者选取患者不同点位多次扫描，可以覆盖更多区域，为了避免交叉感染，在探头管的外面再套上一层很薄的透明隔离套

本发明的有益效果是：

本发明的探头具有超高分辨率，首次实现了在体（in vivo）宫颈组织的细胞级成像，将平凸透镜作为窗口使用很大程度上减小了像差，改善了分辨率。

本发明采用环形扫描的二维振镜作为扫描振镜，环形扫描避免了突然的加速、减速，在相同的硬件条件（例如通光口径）下，具有更大的有效成像区域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明使用不同光学镜片作为窗口时的几何像差仿真图；

图2中a为本发明使用平面镜作为窗口时的几何像差仿真图；

图2中b为本发明使用平凸透镜作为窗口时的几何像差仿真图；

图3为本发明使用不同光学镜片作为窗口时对USAF1951分辨率板进行的实测图；

图3中a为本发明使用平面镜作为窗口时对USAF1951分辨率板进行的实测图；

图3中b为本发明使用平凸透镜作为窗口时对USAF1951分辨率板进行的实测图；

图4为本发明的探头对在体的人体宫颈组织进行OCT扫描得到的图像。

图中：1、光纤；2、准直镜；3、反射镜；4、扫描振镜；5、探头管；6、透镜；7、窗口；8、样品组织。

具体实施方式

本发明的具体实施方式参见图1：

本发明的技术方案为：

一种用于妇科检查的光学扫描探头，如图1，包括准直镜2、反射镜3、扫描振镜4和探头管5，所述准直镜2连接光纤1，所述光纤1射出的发散光束经过准直镜2的准直透镜折射后形成近平行光，所述准直镜2发出的近平行光先后经过反射镜3和扫描振镜4反射进入探头管5，所述扫描振镜4的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管5内设有3个透镜6，所述探头管的尾部设置倾斜的窗口，所述探头管5的尾端为与窗口7密封连接的斜口，斜口的下方向内侧倾斜，所述窗口7是内侧为凸面、外侧为平面的平凸透镜，所述窗口7的外侧面不低于斜口的表面，所述窗口7的外侧面与斜口的表面平齐或者伸出斜口的表面，进入所述探头管的近平行光经过探头管内的透镜后聚焦到窗口的外表面，所述扫描振镜4采用能够环形扫描的二维振镜。

本发明的探头具有超高分辨率，如图4，首次实现了在体（in vivo）宫颈组织的细胞级成像，将平凸透镜作为窗口7使用很大程度上减小了像差，改善了分辨率。

本发明中光纤1和扫描设备主机的光输出端口相连接，光信号通过光纤1传输至扫描探头，经过探头一系列光路到达样品组织8后，被样品组织8反射的信号经原路返回，由同一光纤1传输回设备主机，由于光纤1端口芯径非常小，光纤1除了起到光传输作用，光纤1端口同时也起到了共焦扫描所需的发射和采集针孔滤波作用。

本发明中的准直镜2包含一个或一组透镜6，它的作用是将光纤1输出的发散光变换为接近平行出射的准直光，在光信号返回时，准直镜2还起到聚焦作用，将返回的光信号聚焦到很小的面积，从而耦合进入光纤1，准直镜2和光纤1的配合方式可以是固定结构，让光纤1端口位于准直镜2的焦面上；也可以是可调节结构，通过可调节结构配合让光纤1端口和准直透镜6之间的距离通过手动或者电动方式调节，从而起到成像质量优化或者共聚焦焦面扫描的作用。

准直镜2和振镜之间、振镜和探头管5之间可以不包含或者包含一个至若干个反射镜3；反射镜3不改变光束的发散或会聚状态，只为改变光束的传播方向，以便进行探头结构的设计，例如设计为适合手持的形状，或者为了满足光学元件的入射角度要求，反射镜3可以为镀高反射膜的平面镜、棱镜，或者全反射棱镜

扫描振镜4是一类角度在一定范围内可调的反射镜3，通过电子系统控制镜面角度，从而改变反射光束方向，最终在探头焦面上实现聚焦点的平移扫描，本发明中的扫描振镜4为环形扫描的二维振镜，本发明中的扫描振镜4在两个扫描方向分别施加正弦或余弦信号，形成环形轨迹，在扫描一周后，改变环形半径继续扫描，在一定半径区间内形成类似于同心圆的轨迹。和直线扫描相比，此环形扫描方式的主要优势在于：直线扫描下振镜在每一行扫描起始和结束时有较大的加速减速过程，会使这部分图像出现畸变，因此减少有效成像区域；环形扫描避免了突然的加速减速，在相同的硬件条件（例如通光口径）下，具有更大的有效成像区域。

本发明中的探头管5两端密封，探头管5材料满足医疗产品的生物相容性要求，探头管5尾部的窗口7是光束出射探头的最后一个光学元件，同时保证了探头顶端的密封，窗口7倾斜设置，其法线方向与光轴成一小的角度，这是为了减少窗口7界面直接反射的光信号进入光路，对样品组织8返回的光信号有所干扰，成像时倾斜的平面镜会引入较大像差，降低成像质量，而使用平凸镜透的窗口7可以很大程度上抑制这种像差，获得更高的横向分辨率。

本发明中的探头在使用时，样品组织8紧贴在窗口7表面，为了避免交叉感染，探头外面可以套上一层很薄的透明隔离套；探头管的窗口每次采集覆盖一个扫描面积，操作者选取患者不同点位多次扫描，可以覆盖更多区域，探头中的准直镜由光纤接口和准直透镜组成，光纤接口连接成像设备光纤，光纤出射的发散光束经过准直镜2的准直透镜折射后形成近平行光，近平行光经过一段光路后照射在扫描振镜中心区域，扫描振镜表面为平面镜，镀有高反射膜，近平行光经过扫描振镜反射进入探头管，在探头管内设置2n+1个透镜，通过调节透镜间距，使光束聚焦到探头管尾部窗口的外表面处，扫描振镜在电信号驱动下进行扫描时，近平行光的入射角度发生改变，窗口外表面处的聚焦点位置随之发生改变，从而达到对样品的不同位置进行取样，探头管的尾部为与倾斜的窗口密封连接的斜口，该窗口为平凸透镜。

如图2-图4，本发明使用平凸透镜作为窗口7的光学镜片相比平面镜能够获得更高分辨率的图像，能够清晰分辨宫颈组织的表皮细胞，这也是本发明能够用于妇科宫颈检查的主要特点。

Claims (5)

1.一种用于妇科检查的光学扫描探头，包括准直镜、扫描振镜和探头管，其特征在于：所述准直镜连接光纤，所述光纤射出的发散光束经过准直镜的准直透镜折射后形成近平行光，所述准直镜发出的近平行光经过一段光路后再经扫描振镜反射进入探头管，所述扫描振镜为环形扫描的二维振镜，所述扫描振镜的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管内设有2n+1个透镜，所述探头管的尾部设置倾斜的窗口，所述窗口的法线方向与光轴成一定夹角，所述探头管的末端为与窗口密封连接的斜口，所述窗口为平凸透镜，进入所述探头管的近平行光经过探头管内的透镜后聚焦到窗口的外表面，所述斜口的下方向内侧倾斜，所述窗口的内侧为凸面、外侧为平面，所述窗口的外侧面与斜口的表面平齐，样品组织紧贴在所述窗口的表面。

2.根据权利要求1所述的用于妇科检查的光学扫描探头，其特征在于：所述探头管内设有3个透镜。

3.根据权利要求1所述的用于妇科检查的光学扫描探头，其特征在于：所述准直镜与扫描振镜之间设置反射镜。

4.根据权利要求3所述的用于妇科检查的光学扫描探头，其特征在于：所述反射镜为镀高反射膜的平面镜、棱镜或全反射棱镜。

5.一种如权利要求1或4所述用于妇科检查的光学扫描探头的工作方法，其特征在于：探头中的准直镜由光纤接口和准直透镜组成，光纤接口连接成像设备光纤，光纤出射的发散光束经过准直透镜折射后形成近平行光，近平行光经过一段光路后照射在扫描振镜中心区域，提前调节探头管内透镜的间距，使光束经扫描振镜反射到探头管内切通过透镜后聚焦到窗口的外表面处，扫描振镜在电信号驱动下进行扫描时，近平行光的入射角度发生改变，窗口外表面处的聚焦点位置随之发生改变，从而达到对样品的不同位置进行取样。