CN111722389A - 一种高荧光收集率的微型内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗诊断成像设备技术领域，具体涉及一种高荧光收集率的微型内窥镜，包括微型成像探头，微型成像探头包括物镜，所述微型成像探头固定连接有光电检测器，光电检测器上开设有与物镜配合的孔，光电检测器包括保护元件、滤光片、光电敏感单元和驱动电路，驱动电路的输出端与外部放大电路和计算机相连。保护元件的表面还镀有防反射光学镀膜。本方案通过光电检测器收集物镜收集不到的散射荧光光子，在不改变现有内窥镜体积大小的前提下，提高内窥镜的荧光收集率，解决了现有技术中增设光路导致微型成像探头体积增大、荧光收集效率受限的问题。

Description

一种高荧光收集率的微型内窥镜

技术领域

本发明涉及医疗诊断成像设备技术领域，具体涉及一种高荧光收集率的微型内窥镜。

背景技术

随着科学技术的发展，医用内窥镜已经被广泛应用与医疗领域，它是人类窥视、治疗人体内器官的重要工具之一。内窥镜在200多年的发展过程中结构发生了四次大的改进，从最初的硬管式内窥镜、半曲式内窥镜到纤维内窥镜，又到如今的电子内窥镜，影像质量也发生了一次次质的飞跃。当今使用LED照明，内窥镜可以获得彩色相片或彩色电视图像，同时，其图像不再是组织器官的普通图像，而是如同在显微镜下观察到的微观图像，微小病变清晰可辨。根据现有的临床经验，内窥镜的微型成像探头体积越小，硬性段越短，能够最大程度减小病人的痛楚，所以内窥镜一直朝着小型化发展。

在非线性光学成像技术中，多光子荧光内窥镜，采用近红外激光脉冲被物镜聚焦后在样品中激发出各向同性发射的荧光信号。生物组织通常表现出较强吸收和高散射的光学特性。对于落射式(Epifluorescence)荧光检测，同一个物镜既被用于聚焦激发光，又被用于收集荧光信号。被物镜收集的荧光信号的强度取决于物镜的数值孔径和物镜前孔径。物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，物镜能收集的荧光信号的强度越大。

近年来出现了很多技术来提高物镜对荧光光子的收集率，其中通过在物镜周围安排5-8根高数值孔径的光纤来收集物镜收集不到的荧光，可以在高数值孔径物镜获得2倍荧光收集效率增强，在低数值孔径显微物镜获得20倍荧光收集效率增强。

不过上述采用额外光路来提高荧光光子收集效率的方式，由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光路的实际收集效率受限，同时额外光路的增设导致微型成像探头体积增大，不符合内窥镜的发展趋势。

发明内容

本发明意在提供一种高荧光收集率的微型内窥镜，在不改变现有内窥镜体积大小的前提下，提高内窥镜的荧光收集率，解决现有技术中增设光路导致微型成像探头体积增大、荧光收集效率受限的问题。

方案基本如下：一种高荧光收集率的微型内窥镜，包括微型成像探头，微型成像探头包括物镜，所述微型成像探头固定连接有光电检测器，光电检测器上开设有与物镜配合的孔，光电检测器包括依次串联连接的滤光片、光电转换用的光电敏感单元和驱动电路，驱动电路的输出端与外部放大电路和计算机相连。

有益效果：部分荧光光子通过光电检测器的孔从物镜进入微型成像探头，未通过物镜进入微型成像探头内的部分荧光光子穿过滤光片，在光电敏感单元上激发出电信号，驱动电路对光电敏感单元提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路和计算机相连，可将光电敏感单元产生的电信号传递到放大电路和计算机。现有微型成像探头，物镜周围需要外壳进行环绕以固定，本方案通过将物镜周围环绕的外壳提换为光电检测器，光电检测器收集物镜收集不到的荧光光子，从而在保持不增加微型成像探头的前提下，提高了显微成像探头的荧光收集率。

进一步，所述光电检测器还包括保护元件，滤光片、光电敏感单元和驱动电路均位于保护元件内。保护单元可以保护滤光片、光电敏感单元和驱动电路，避免滤光片、光电敏感单元和驱动电路直接与检测对象接触而受到污染。

进一步，所述保护元件为可透射可见光的绝缘保护元件，介电强度大于5MV/mm。这样使得光电检测器与微型成像探头和检测对象之间电气隔离，防止光电检测器的光电敏感单元的高电压对微型成像探头和患者造成危害。。

进一步，所述保护元件的表面还镀有防反射光学镀膜。减少荧光光子的反射，提高荧光光子的透射率。

进一步，所述光电敏感单元采用单一的雪崩二极管。单一雪崩二极管中央的孔可以通过过机械钻孔或腐蚀加工而成，雪崩二极管相对于其它的光敏器件整体性更好。

进一步，所述光电敏感单元采用CCD、CMOS、FPA和PMT中的一种或多种。以上类型的光电敏感单元均为二维像素光电传感器，相对于雪崩二极管，工作电压易于控制。

进一步，所述光电敏感单元设置有多个且呈环形阵列。光电敏感单元即可采用多片的雪崩二级管，也可采用多片的二维像素光电传感器，相对单一的雪崩二极管和二维像素光电传感器，不需进行孔的加工。

进一步，所述的光电检测器的保护元件与所述的光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列。光电敏感单元采用二维像素光电传感器时，微透镜可以将荧光聚焦到光电敏感单元的每个像素点上，提高感光效率。

附图说明

图1为本发明内窥镜微型成像探头整体结构示意图。

图2为本发明光电检测器的结构示意图。

图3为本发明实施例一光电检测器的示意图。

图4为本发明实施例二光电检测器的示意图。

图5为本发明实施例三光电检测器的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：物镜1、光电检测器2、保护元件2.1、滤光片2.2、光电敏感单元2.3、驱动电路2.4、检测对象9、孔11、微型成像探头5。

实施例一基本如下：

一种高荧光收集率的微型内窥镜，如图1所示，包括微型成像探头5，微型成像探头5包括外壳和物镜1，外壳上端连接激光光纤用于入射激发光，激发光经透射和折射后从物镜出射照到检测对象9上。外壳对应物镜1位置开设有通孔，通孔内固定连接有光电检测器2，光电检测器2中心位置开设有与物镜1匹配的孔，物镜1的下端穿过光电检测器2上的孔并与光电检测器2下表面齐平，同时物镜1通过孔与光电检测器2进行固定，固定方式可以采用过盈配合。如图2，光电检测器2包括保护元件2.1、滤光片2.2、光电敏感单元2.3和驱动电路2.4。保护元件2.1的输出端与滤光片2.2的输入端相连，滤光片2.2的输出端与光电敏感单元2.3的输入端相连，光电敏感单元2.3的输出端与驱动电路2.4的输入端相连，驱动电路2.4的输出端与外部放大电路和计算机相连。

物镜1用于收集检测对象9散射到孔径之内的荧光光子，光电检测器2用于收集物镜1收集不到的荧光光子。

其中，保护元件2.1用于将滤光片2.2、光电敏感单元2.3和驱动电路2.4与外部隔离；保护元件2.1的材质为可透射光波的绝缘材料，其介电强度大于5MV/mm，这样可以使得保护元件2.1还可用于电气隔离，防止光电检测器2的光电敏感单元2.3的高电压对检测对象9和操作人员造成危害；保护元件2.1的表面还镀有防反射光学镀膜，用于提高荧光光子的透射率。

其中，滤光片2.2用于滤出背向反射和背向散射的激发光，其材质为可透射可见光波长且介电强度大于5MV/mm的绝缘材料。

光电检测器2的光电敏感单元2.3用于将穿过滤光片2.2的荧光光子转化为电信号。

驱动电路2.4用于对光电敏感单元2.3提供高电压和驱动信号，并与外部放大电路和计算机相连，同时将光电敏感单元2.3产生的电信号传递到放大电路和计算机。

本实施例中，如图3所示，光电敏感单元2.3采用单一的大面积雪崩二极管(LargeArea Avalanche Photo Diode,LAAPD)，中心区域的孔11可通过机械钻孔或腐蚀加工而成，中心区域的孔11用于透过显微物镜1的激发光和接收部分荧光光子，大面积雪崩二极管的其余环形部分用于接收显微物镜1前孔径之外接收不到的荧光光子。

由于雪崩二极管需要工作在反向偏置模式下，阴极面对液浸液体和生物组织，驱动电压高达数百至2000伏特，因此保护元件2.1由透光的绝缘材料构成，可以避免高电压对样品、显微镜和操作人员造成伤害。

相对现有技术，本实施例在不增大内窥镜体积的前提下，提高了荧光收集率。

实施例二：

与实施例一区别在于，如图4所示，光电检测器2的光电敏感单元2.3由多片的普通尺寸雪崩二极管(Avalanche Photo Diode,LAAPD)组成环形阵列，中央的孔11或透明材料用于透过显微物镜1的激发光，多片的普通尺寸雪崩二极管用于接收显微物镜1接收不到的荧光光子，相对于实施例一，该实施例下的雪崩二极管更容易获得，加工难度较低。

实施例三：

与实施例一区别在于，如图5所示，光电检测器2的光电敏感单元2.3由二维像素光电传感器组成环形阵列，如CCD(光电耦合器件)器件，CMOS(金属半导体氧化物)器件，FPA(焦平面阵列)器件，PMT(光电倍增管)器件，单光子计数器件或基于任何以上多种光电转换原理的混合器件，如滨松公司混合光电探测器(HPD)，中央的孔11或透明材料用于透过显微物镜1的激发光，二维像素光电传感器的环形阵列用于接收显微物镜1接收不到的荧光光子。

其中保护元件2.1与所述的光电敏感单元2.3相对的表面可以采用微透镜阵列，微透镜可将荧光聚焦到二维像素光电传感器的每个像素点上，提高感光效率。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种高荧光收集率的微型内窥镜，包括微型成像探头，微型成像探头包括物镜和外壳，其特征在于：所述外壳固定连接有光电检测器，光电检测器上开设有与物镜配合的孔，光电检测器包括依次串联的滤光片、光电转换用的光电敏感单元和驱动电路，驱动电路输出端连接有放大电路和计算机，所述光电检测器还包括保护元件，滤光片、光电敏感单元和驱动电路均位于保护元件内。

2.根据权利要求1所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述保护元件为可透射可见光的绝缘保护元件，介电强度大于5MV/mm。

3.根据权利要求2所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述保护元件的表面还镀有防反射光学镀膜。

4.根据权利要求3所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述光电敏感单元采用单一的雪崩二极管。

5.根据权利要求3所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述光电敏感单元采用CCD、CMOS、FPA和PMT中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述光电敏感单元设置有多个且呈环形阵列。

7.根据权利要求5所述的一种高荧光收集率的微型内窥镜，其特征在于：所述的光电检测器的保护元件与所述的光电敏感单元相对的表面为微透镜阵列。

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