CN113784653A - 基于超紧凑型微系统的单轴共焦内窥镜 - Google Patents

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Abstract

提供一种紧凑型单轴共焦内窥镜，其能够满足2.8mm直径内窥镜空间要求。所述单轴共焦内窥镜使用在固定镜与横向平面扫描镜之间实现的折叠路径设计，由此产生允许具有表面下深度的衍射限制分辨率的高数值孔径。所述扫描镜形成在固定位置的扫描MEMS组件上，并且具有允许在所述折叠路径设计中扩展照明光束的中心孔口。一系列间隔件用于将光束聚焦光学元件保持在相对于所述扫描MEMS组件的固定位置，以便与单模光纤耦合。

Description

基于超紧凑型微系统的单轴共焦内窥镜
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年3月18日申请的第62/820,256号美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。
政府支持声明
本发明是在美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)授予的第CA142750号的政府支持下完成的。政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
本公开大体上涉及使用光学仪器对组织进行成像的技术，更具体地说，涉及使用超紧凑型单轴共焦配置内窥镜的技术。
背景技术
本文所提供的背景描述是出于总体上呈现本公开背景的目的。在此背景技术部分中所描述的程度范围内，当前署名的发明人的工作以及在申请时以其它方式可能未视为现有技术的描述方面，均不明确或暗示地承认为反对本公开的现有技术。
医用内窥镜已经发展成为使用白光照明在体内对遍布人体的中空器官中的上皮进行宽视野成像。在其它示例中，内窥镜已经用于通过经由柔性光纤传递光而远程产生荧光成像。
内窥镜正朝着更细的总直径发展，并且大多数内窥镜都配备了尺寸为2.8mm的仪器通道。能够通过此通道向前发展的仪器可具有广泛的临床应用。通道入口处的大弯曲角要求刚性尖端的尺寸为：直径小于2.4mm，长度小于10mm。这种小尺寸要求对包装和对准提出了重大挑战。
共焦显微镜是内窥镜的示例类型，用于医学成像应用以检查特定深度或焦点平面处的组织。共焦显微镜通常使用针孔仅收集来自焦点平面的光，同时阻挡由组织散射的光。共焦激光内窥镜(CLE)是使用光纤芯作为针孔的示例内窥镜技术。CLE已发展成用于进行实时体内成像，并且取得了一些成功。
CLE技术已在临床环境使用以通过亚细胞分辨率显示活组织。例如，这些技术已在临床环境中使用以在体内即时收集“光学活检”。理想情况下，这些技术可为医生在床边检测(point-of-care)提供快速的组织学评估，从而最大限度地减少物理组织活检的数量和成本。可减少过度诊断并且提高诊断良率。此外，可减少手术风险，例如出血、感染和穿孔。
然而，尽管CLE技术很有前景，但当前的设计是有限的。需要基于MEMS的CLE系统能够使用紧凑型2.8mm或更低的仪器形状因数进行实时体内成像。
发明内容
本申请描述了紧凑型设计的可用于在体内进行组织成像的单轴共焦内窥镜。所述技术可用于为“光学活检”和其它应用提供用于实时组织扫描和3D光学成像的手持式光学装置。
在一些示例中，本发明技术包含基于微系统的共焦激光内窥镜(CLE)装置，其使用折叠光学路径来在超紧凑封装中实现高数值孔径(NA)。在一些示例中，这些装置的远侧尖端的尺寸可缩小，以提供通过标准医用内窥镜的2.8mm仪器通道的轻松向前的通道，从而允许社区医生进行广泛的临床使用。
根据示例，一种内窥镜组件包括：柔性管道，其具有套管和延伸到所述套管中的单模光纤，所述柔性管道具有被定位成当提供给所述单模光纤时发射照明光束的远侧端；紧凑型扫描组件，其安装到所述柔性管道，所述紧凑型扫描组件具有折叠光束配置以接收所述照明光束，将所述照明光束转换成更高数值孔径的照明光束，并且跨越横向样本区扫描所述更高数值孔径的照明光束，所述紧凑型扫描组件包括：刚性外壳；横向扫描组件，其固定地定位在所述刚性外壳内并且邻近于所述柔性管道的所述远侧端，所述横向扫描组件具有扫描镜，所述扫描镜具有与所述单模光纤对准的孔口以将所述照明光束接收到折叠光束路径中以用于转换成所述更高数值孔径的照明光束，所述折叠光束路径由所述扫描镜和固定镜限定，后面的扫描组件具有用于扫描所述扫描镜的梳状滤波器驱动器；透镜组件，其固定地定位在所述刚性外壳内，所述透镜组件定位在所述横向扫描组件的远侧，以跨越后面的样本区扫描所述更高数值孔径的照明光束；以及间隔件，其固定地定位在所述刚性外壳内并且在所述横向扫描组件的远侧，所述间隔件具有固定地悬挂所述固定镜的弹簧构件。
附图说明
为了更完整地理解本公开，应当参考以下详细描述和附图，其中，相同的附图标记表示图中的相同元件，并且其中：
图1示出了根据示例的具有单轴共焦内窥镜的内窥镜成像系统的示意图。
图2A-2G示出了根据示例的图1的单轴共焦内窥镜的示例实施方案的光学特性的模拟。
图3是用于图1的单轴共焦内窥镜的示例扫描单元的顶部平面图。
图4是根据示例的用于形成图3的扫描单元的深反应离子蚀刻(DRIE)工艺的侧视图。
图5示出了根据示例的具有组装到固定管(holder)上并且使用套管固定的扫描单元的内窥镜。
图6A和6B是根据示例的图3的扫描单元的x轴和y轴的频率响应的曲线图。
图7A示出了根据示例的单轴共焦内窥镜的横截面侧视图。
图7B-7D示出了根据示例的在内窥镜的不同位置截取的图7A的单轴共焦内窥镜的横截面视图。
图7E示出了根据示例的图7A的单轴共焦内窥镜示意图的横截面透视图。
图8示出了根据示例的具有用于光学活检的标准2.8mm直径并且使用单轴共焦内窥镜实施的超紧凑型医用成像内窥镜。
图9A和9B示出了根据示例的在单轴共焦内窥镜设计中使用光学元件L2、L3和L4沿着横向(图9A)方向和轴向(图9B)方向显示亚分辨率(100nm)荧光珠子的全宽半最大值(FWHM)的曲线图，所述曲线图分别示出1.5μm和12μm的分辨率。
图9C是根据示例的示出350×350μm2视野(FOV)的分散的10mm珠子的图像。
图10A和10B是根据示例的使用单轴共焦内窥镜拍摄的小鼠结肠的体内荧光图像，并且示出正常结肠(图10A)和CPC中的发育异常；Apc结肠(图10B)。图10C和10D是根据示例的正常结肠(图10C)和发育异常结肠(图10D)的组织学(H&E)图像。
图11A和11B是根据示例的使用单轴共焦内窥镜拍摄的小鼠的体外荧光图像，其示出小肠中存在的绒毛(v)(图11A)，并且示出具有肾小管(t)和肾小球(g)的肾脏(图11B)。图11C和11D分别是小肠和肾脏的组织学(H&E)图像。
图12描绘了根据示例的示例单轴内窥镜系统的示例框图。
图13A是示出在示例中从小鼠结肠体内收集的未校正共焦图像中的配准不良像素的模糊结果的图像。图13B是相位校正后的图像，其可区分包含来自腺瘤性腺窝(箭头)的细胞膜(箭状物)和杯状细胞(g)的亚细胞特征。
技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行绘示，并且不一定按比例绘制。举例来说，图中元件的一些的尺寸和/或相对定位可相对于其它元件放大以有助于改善对本发明的各种实施例的理解。另外，在商业上可行的实施例中为有用的或必要的常见但很好理解的元件通常未描绘以便于较少妨碍这些各种实施例的视图。还应当理解，可以特定的发生顺序描述或描绘某些动作和/或步骤，而本领域技术人员将理解，实际上不需要关于序列的这类特定性。还应当理解，除了不同的特定含义以在本文中另有阐述，否则本文使用的术语和表达具有如上所述的技术领域的技术人员对这类术语和表达所赋予的普通技术含义。
具体实施方式
一般来说，根据这些各种实施例，光学仪器具有致动器机构，所述致动器机构通过可快速深入扫描到组织中以产生体积图像来产生高图像分辨率。仪器的光学部件的尺寸可足够小，以便容易地在期望的组织中移动并被操纵。通过使用压电致动，低轮廓扫描装置可通过微致动实现光学部件(例如，镜)的大、高速位移，这允许组织的实时横截面和/或3D图像。
图1示出了光学成像系统的示意图100。系统100包含用于对样本执行光学扫描的单轴共焦内窥镜102。可对组织样本的外表面执行光学扫描。然而，在本文中关于图1详述的示例中，内窥镜在组织中的表面下焦平面处进行扫描，由此允许表面下体内扫描，包含光学活检扫描。
在所示的示例中，单轴共焦内窥镜102耦合到单模光纤(SMF)。SMF被耦合以接收从激光源提供的照明光束(又称为激发光束)，所述激光源被配置成经由双色镜(DM)和聚焦元件L1提供所述照明光束，从而将照明光束聚焦到SMF中。照明光束通过单轴共焦内窥镜102聚焦到组织中的焦平面表面下，并且可在如进一步描述的所述焦平面上扫描所述照明光束。
从所述焦平面反射的所收集的荧光由单轴共焦内窥镜102收集，并且通过第一聚焦元件L1、DM、光学长通边缘滤波器(LPF)、第二聚焦元件L5和多模光纤(MMF)提供给光电倍增管(PMT)。从PMT收集的荧光被提供给耦合到模数转换器(ADC)的放大器，所述ADC耦合到图像处理单元。图像处理单元分析所收集的荧光并且处理所收集的荧光束以在显示器上产生提供给医疗专业人员的输出图像。在一些示例中，图像处理单元可以是诊断系统的部分，其中图像处理单元分析所收集的荧光以在图像数据中标识病变和病变部位。在一些示例中，图像处理单元可以是治疗系统的部分，其中图像处理单元基于标识病变信息而产生治疗响应。
在所示的示例中，图像处理单元还控制单轴共焦内窥镜102的操作。图像处理单元耦合到数模转换器(DAC)并且产生扫描控制发送，所述扫描控制发送被发送到DAC，所述DAC将这些扫描控制信号发送到内窥镜102的MEMS驱动器。扫描控制信号控制单轴共焦内窥镜102的扫描操作。例如，MEMS驱动器可通过控制扫描镜M1的扫描来控制单轴共焦内窥镜102的扫描，如下文进一步论述。
在操作中，根据示例，在λex＝488nm的波长下提供荧光激发(又称为照明光束)。照明光束从DM反射，并且由L1聚焦到SMF。SMF的远侧端处的照明光束通过扫描镜M1中的中心孔口从固定镜M2反射，并且在组织样本中进行横向扫描。例如，沿着X轴和Y轴扫描照明光束，从而限定横向扫描平面。此照明光束扫描可由MEMS驱动器通过透镜(L2、L3和L4)控制镜M1的扫描来执行。来自组织样本的荧光由相同的光学器件(即透镜L4、L3和L2)收集，由M1去扫描，并且作为荧光光束聚焦回SMF。荧光光束通过DM和LPF(例如488nm边缘LPF)，通过透镜L5聚焦到MMF中。荧光光束由PMT检测。信号经由ADC放大和数字化，并且在图像处理单元中进行重构。
图2A示出了通过内窥镜102的透镜的示例光束传播，包含镜M1的扫描操作。照明光束存在于SMF中，并且穿过镜M1中的中心孔径，并且击中固定镜M2。当照明光束从固定镜M1反射并且返回到用于扫描的镜M1时，照明光束会扩展，其中M1以扫描角度θ进行扫描。从扫描镜M1反射的照明光束由消色差透镜L2(65568，爱特蒙特光学器件(Edmund Optics))和L3(65567，爱特蒙特光学器件)聚焦，然后由平凸透镜L4(90858，爱特蒙特光学器件)聚焦，从而使得总NA＝0.41。在所示的示例中，光学系统受到衍射限制，距图像中心的光斑大小从<0.71μm大至150μm，如图2B-2F所示。如图2B-2F分别所示，在距中心0μm、88μm、124μm、152μm和175μm的距离处，可获得0.23μm、0.7μm、1.56μm、2.02μm和2.77μm的光斑大小(RMS半径)。在480-600nm的波长范围内，色焦在Z轴上的移位<1.42μm，以与广泛的激发波长范围兼容。作为示例，在所示的示例中，当M1以θ＝±8.25度的机械扫描角度偏转时，创建350×350μm2的视野(FOV)，如图2G所示。
参考图3、4、5、6A和6B进一步论述内窥镜102的示例实施方案的扫描操作。图3示出了MEMS扫描镜组件200的示例实施方案，在此示例中所述MEMS扫描镜组件的外径为2mm，以允许超紧凑型内窥镜设计。在示例中，在MEMS组件200的中心，反射器镜M1的直径为550μm。在示例中，为了制造镜M1的反射器表面，在MEMS组件200的前侧喷镀铝以在400-700nm之间实现>90％的反射率。在镜M1的中心蚀刻了直径为50μm的孔口，以允许离开SMF的照明光束通过。镜M1安装在万向支架上。
为了实现超紧凑型设计，在本文所描述的一些示例内窥镜中开发和实施了许多其它设计特征。例如，MEMS组件200包含蚀刻在MEMS组件200的边缘上的多个线夹结构，以连接驱动线并且在操作期间，具体地说是在扫描期间将MEMS组件200维持在适当位置。即使在扫描期间，驱动线也可缠绕在线夹上或粘合到线夹上以提供固定锚。线夹大大提高了稳定性和内窥镜的使用寿命。在一些示例中，使用四个线夹结构并且在相对配置中，其中每个线夹结构在MEMS组件200的相对侧上具有成对的线夹结构，从而在操作期间为整个装置提供反作用力稳定性。实际上，通过在相对配置中具有成对的线夹结构，MEMS组件200在整个横向扫描平面上，即在X轴和Y轴上表现出相当低的噪声。
其它设计特征包含弹簧构件，如图所示，所述弹簧构件用于悬挂镜M1以围绕Y轴进行旋转运动。在所示的示例中，示出了两个弹簧构件，镜M1的每侧各一个。两个弹簧构件定位在MEMS组件200的致动器配置的外部区上。
在所示的示例中，MEMS组件200采用包含两个致动轴的致动器配置，镜M1可围绕所述两个致动轴独立旋转。X轴的定义如图所示。镜M1经由内部梳状滤波器驱动器围绕X轴进行扫描。Y轴的定义如图所示，并且镜M1使用外部梳状滤波器驱动器围绕Y轴进行扫描。内部侧边和外部侧边可分别用作内部梳状滤波器驱动器和外部梳状滤波器驱动器的部分。内部梳状滤波器驱动器和外部梳状滤波器驱动器提供静电致动，使得当由驱动信号驱动时，镜M1分别围绕内轴(X轴)和外轴(Y轴)旋转。梳状滤波器驱动器由静电梳状驱动器形成，所述静电梳状驱动器安置在M1的侧面，以提供引起M1旋转的驱动力。梳状滤波器驱动器可被配置成响应于例如同相或异相驱动信号而提供旋转。梳状驱动器致动器可以是蛇形弹簧，这些弹簧的几何形状可确定用于扫描的共振频率。
内部梳状滤波器驱动器和外部梳状滤波器驱动器中的每一个分别可以共振频率，例如被选择在大约1kHz与大约4kHz之间的共振频率操作。此外，可使用到每个梳状驱动器的选择的共振频率驱动信号驱动MEMS组件200，使得镜M1经历正弦扫描图案。在示例中，MEMS组件200由共振频率驱动，以使用利萨如(Lissajous)扫描图案、并且以每帧400×400像素扫描以≥5帧/秒进行成像。
图4示出了在示例中用于形成MEMS组件200的示例深反应离子蚀刻(DRIE)工艺剖面。在示例中，MEMS组件是使用具有3个掩模的绝缘体上硅3步深反应离子蚀刻DRIE工艺制造的。图5示出了示例内窥镜，其在远侧端具有MEMS组件200(标记为MEMS芯片)，所述MEMS组件安装放置在通过套管连接到光纤的2mm外径的固定管上，如图所示。
图6A和6B是MEMS组件200的X轴和Y轴的频率响应的曲线图。通过在X轴或Y轴上将驱动信号从高频率扫到低频率(向下扫掠)，M1可实现大的扫描角度，分别如图6A和6B所示。从低频率到高频率(向上扫掠)以相反方向扫掠会产生较小的扫描角度。在一些示例中，选择驱动频率以按高重复率产生密集的利萨如扫描图案。在示例中，使用了振幅为60Vpp并且频率接近24kHz和6kHz的正弦波，并使得X轴和Y轴的倾斜频率分别为12kHz和3kHz。产生了350×350μm2的视野(FOV)，分别以每秒20帧或10帧的速度被300×300或400×400像素覆盖，像素间距分别为1.17μm或0.875μm。运动伪影可通过在更高的速度下成像而减少，但像素更少。
图7A-7E提供了在示例实施方案中所组装的内窥镜102的远侧端的不同横截面视图。如图7A所示，将内窥镜102的远侧端固定在外径(OD)和内径(ID)分别为2.4mm和2.0mm、长度为10mm的不锈钢外管中。如图所示，MEMS固定管用于将MEMS组件200与光纤套管对准。具体地说，由于MEMS固定管，SMF与镜M1的中心孔径轴向对准。在示例中，通过将OD和ID分别为2.0mm和1.6mm、长度为3mm的不锈钢端管插入刚性外管与柔性管道之间来以机械方式隔离MEMS组件200来将扫描器与不必要的机械振动隔离开，并且具体地说是扫描机构与不必要的振动隔离开。
在一些示例中，MEMS组件200可包含位置感测检测器(PSD)，所述PSD被配置成在扫描期间测量围绕X轴和Y轴中的一个或两个的倾斜角。因此，当照明光束不再与M1中的孔口对准时，PSD可检测未对准误差。在其它示例中，梳状滤波器驱动器可在闭环控制配置中驱动，所述闭环控制配置允许MEMS驱动器确定扫描角度以进行扫描并且防止未对准的情况。在一些示例中，压阻传感器可耦合到梳状滤波器驱动器的致动器以提供扫描角度的指示。通过闭环控制，此类传感器可提供反馈，MEMS驱动器使用所述反馈以调整驱动信号，以通过M1实现所需的扫描。
如图所示，微机械加工方法用于制造固定镜M2和用于安装远侧光学器件L2-L3的间隔件。固定镜M2的上表面涂有约70nm的铝层，以在488nm处实现>90％的反射率。0.29mm的直径覆盖照明光束的尺寸，并且被设计成完全覆盖从SMF发射出的光束，并且实现>80％的荧光收集效率。如图7B所示，为了便于操作和精确组装此微小部件，固定镜M2由8μm宽的直杆经由一对连接到环形支架的柔性弹簧支撑。所述环形支架(图7B)的OD和ID分别为1.97mm和1.6mm，并且所述环形支架被设计成与光学器件匹配并且不会阻挡照明或输出光束。如图7C所示，透镜L2与L3之间的间隔件的OD和ID分别为1.97mm和1.8mm。如图7D所示，透镜L3与L4之间的间隔件的OD和ID分别为1.97mm和1.7mm。所有间隔件均在厚度为0.5mm的硅晶片上制造。通过移动带有3D平移台的MEMS组件来调整MEMS组件与光学器件之间的距离，以实现WD＝50μm。图7E示出了示例配置的剖开视图。图8示出了具有内径通道，具体地说是内径为2.8mm的ID仪器通道的医用内窥镜300，通过所述通道绘制了超紧凑型单轴内窥镜102。在示例中，医用内窥镜200是奥林匹斯GIF-HQ190内窥镜。
图9A和9B示出了在单轴共焦内窥镜102中使用光学元件L2、L3和L4沿着横向(图9A)方向和轴向(图9B)方向显示亚分辨率(100nm)荧光珠子的全宽半最大值(FWHM)的曲线图，所述曲线图分别示出1.5μm和12μm的分辨率。图9C示出了使用示出350×350μm2视野的内窥镜的样本中分散的10mm珠子的图像。
示例
在λex＝488nm的激发下，使用根据本教示的超紧凑型单轴共焦内窥镜从CPC；Apc小鼠的结肠收集体内荧光图像。如图10A和10B所示，在静脉注射荧光素之后示出正常和发育异常的代表性图像。在图像中可标识具有中心内腔(l)、杯状细胞(g)和周围固有层(lp)的不同腺窝结构(箭头)。分别在图10C和10D示出了正常和异型增生的代表性组织学苏木精和伊红(H&E)染色图像。
根据本文示例，在图11A-11D中示出了使用超紧凑型单轴共焦内窥镜在体外收集的荧光图像。分别如图11A和11B所见，小肠图像示出了绒毛，并且肾脏图像示出了肾小管和肾小球。在图11D和11D中分别示出正常小肠和发育异常小肠的代表性组织学苏木精和伊红(H&E)染色图像。
在一些示例中，可根据利萨如扫描图案重构共聚焦图像。离散数据的时间序列可作为强度映射到每个像素位置。利萨如轨道可由输入驱动电压与镜在X轴和Y轴上的正弦运动之间的扫描频率fx、fy和相位延迟
Figure BDA0003299150690000081
确定。像素位置(x,y)可使用以下等式来映射，其中Px、Py表示像素方面的图像维度:
Figure BDA0003299150690000091
Figure BDA0003299150690000092
在这些示例中，利萨如扫描图案在图像的中心稀疏，并且向外围密度增加。未采样像素(未扫描光束的空白空间)可通过计算强度为零的像素数来计算。这些未采样的像素用八个相邻像素的平均强度填充，所述过程在体内成像期间实时执行。因此，在这些示例中，密集的扫描区使得将多个强度值分配给像素，所述像素被平均化以获得经过处理的图像。
在一些示例中，在体内成像之前，在实验室环境条件下校准了扫描镜的偏转振幅和相位延迟与驱动电压的关系。在将仪器插入对象之后，这些参数可能会随时间变动。由于环境对扫描镜动力学的影响，例如温度变化引起相位延迟的扰动，体内图像可能会显得模糊。在一些示例中，这些相移可能会在将强度值分配到像素位置时引起错误。通过优化由以下等式限定的清晰度度量S，使用相位校正算法恢复体内使用期间扫描器的实际相位延迟：
Figure BDA0003299150690000093
其中，I(i,j)是重构图像的灰度强度，并且Iavg是图像中所有像素强度的平均值。M和N是沿着图像高度和宽度的像素总数。选择与最清晰图像对应的相位作为用于后续重构图像和视频的新估计。相位校正可按规律的时间间隔或根据需要执行。使用伽马校正对所得图像进行进一步处理，以增强图像亮度和对比度。在示例中，使用维纳(wiener)滤波器来减少来自PMT和放大器的散粒噪声和高斯噪声。此滤波器可在不模糊的情况下抑制噪声，以使图像退化最小化。在一些实验中，体内实验期间观察到的相移为约2-3°。与图13B相比，参见图13A，校正后的图像更加清晰，从而可区分亚细胞特征。因此，在体内成像期间可在不损失图像质量的情况下进行相位校正。
图12是用于实施单轴共焦内窥镜系统的示例实施例的各种部件的示例框图400。单轴共焦内窥镜402可定位成邻近于或可操作地耦合到样本401。控制装置403可具有控制器404，所述控制器经由连接到输入/输出(I/O)电路412的链路422可操作地连接到数据库414。应注意，虽然未示出，但是可以已知的方式将额外数据库链接到控制器404。控制器404包含程序存储器406、处理器408(其可为微控制器或微处理器)、随机存取存储器(RAM)410以及输入/输出(I/O)电路412，它们均经由地址/数据总线420互连。应理解，尽管仅示出了一个微处理器408，但是控制器404可包含多个微处理器408。类似地，控制器404的存储器可包含多个RAM 410和多个程序存储器406。尽管I/O电路412被示出为单个块，但应了解，I/O电路412可包含多个不同类型的I/O电路。例如，RAM 410和程序存储器406可实施为半导体存储器、磁性可读存储器和/或光学可读存储器。链路424可通过I/O电路412将控制器404可操作地连接到内窥镜402。I/O电路412可连接到将有线连接或无线连接提供到网络436的网络接口434。
程序存储器406和/或RAM 410可存储各种应用(即，机器可读指令)，以供微处理器408执行。例如，操作系统430通常可控制内窥显微镜402的操作并且向测试设备提供用户界面以实施本文所描述的过程。程序存储器406和/或RAM410还可存储用于访问内窥镜402的特定功能的各种执行指令432。作为示例而非限制，执行指令432可尤其包含：用于控制如本文所描述的内窥镜402或其它内窥镜装置的操作的指令；用于使用如本文所描述的内窥镜402捕获图像的指令；以及其它指令，例如，实施软件键盘功能、与内窥镜402中的其它硬件介接的指令等。程序存储器406和/或RAM 410可进一步存储与内窥镜402的配置和/或操作有关、和/或与一个或多个指令的操作有关的数据。例如，数据可以是由内窥镜402收集的数据、由处理器408确定和/或计算的数据等。除了控制器404之外，内窥镜402还可包含其它硬件资源。内窥镜402还可耦合到各种类型的输入/输出硬件，例如视觉显示器426和输入装置428(例如，小键盘、键盘等)，以微调横向扫描的致动。在实施例中，显示器426是触敏的，并且可与软件键盘例程协作作为软件例程432中的一个以接受用户输入。
本发明技术为基于微系统的共焦内窥镜提供了超紧凑型设计。使用本发明技术，可实现能够容易地穿过标准医学内窥镜的2.8mm活检通道的2.4mm直径的基于微系统的共焦激光内窥镜。据我们所知，这是迄今为止最小口径的基于微系统的仪器。超紧凑型远侧端包含封装在10mm和2mm直径的短刚性长度内以在通道入口处导航大弯曲角度的快速MEMS扫描器和压缩透镜组件。
光学设计使用折叠路径来扩展光束并且实现NA＝0.41以实现轴上衍射受限分辨率。使用静脉注射荧光素，可从体内组织(或在某些示例中为体外组织)收集实时图像，以例如使用静脉注射荧光素进行对比来区分正常粘膜和癌前(异型增生)粘膜。所得内窥镜可在床旁检测时使用以避免物理活检所需的长处理时间，并且在手术期间为医生提供即时病变反馈。
本文提供的超紧凑型形状因数与社区医生使用的各种医用内窥镜兼容，并且可用于广泛的临床应用。
我们展示了微系统封装的进步，以缩小仪器的尺寸以实现内窥镜兼容性。例如，MEMS芯片可被设计成具有线夹结构而非接合垫，以促进连接和穿过驱动线和信号线。此外，可将驱动信号调谐到扫描器以实现混合软化/硬化效应，以增加机械扫描角度，从而提高反射器的性能。微型制造技术用于生产具有严格公差的间隔件，以对准光学器件。此外，插入端管以将扫描器与由保护光纤的柔性管道引发的弯曲运动隔离开。因此，当内窥镜通过仪器通道进行体内成像时存在的大应力得到补偿。
贯穿整个说明书，多个实例可以实施被描述为单个实例的部件、操作或结构。尽管一种或多种方法的单独操作示出并被描述为单独的操作，但是单独操作中的一个或多个可以同时地执行，并且不需要按照所示顺序执行操作。在实例配置中呈现为独立部件的结构和功能可以实现为组合结构或部件。类似地，作为单个部件呈现的结构和功能可以实施为单独的部件。这些和其它变化、修改、添加和改进都落入本文主题的范围内。
另外，某些实施例在本文中被描述为包含逻辑或若干例程、子例程、应用程序或指令。这些可以构成软件(例如，体现在非暂时性机器可读介质上的代码)或硬件。在硬件中，例程等是能够执行某些操作的有形单元，并且可以某种方式配置或布置。在实例实施例中，一个或多个计算机系统(例如，独立的客户端或服务器计算机系统)或者计算机系统的一个或多个硬件模块(例如，处理器或处理器组)可以通过软件(例如，应用或应用部分)被配置成操作以执行如本文所描述的某些操作的硬件模块。
在各个实施例中，硬件模块可以机械地或电子地实施。例如，硬件模块可以包括被永久地配置成执行某些操作的专用电路或逻辑(例如，专用处理器，如场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))。硬件模块还可以包括通过软件被临时地配置成执行某些操作的可编程逻辑或电路(例如，如专用处理器或其它可编程处理器中所包含的)。应了解到，在专用且永久配置的电路中或在临时配置的电路中(例如，通过软件进行配置)机械地实施硬件模块的决策可能受成本和时间考虑驱使。
因此，术语“硬件模块”应被理解为涵盖有形实体，是指被物理地构造、永久地配置(例如，硬连线)或临时地配置(例如，编程)为按照一定方式操作或者执行本文所述的某些操作的实体。考虑到硬件模块被临时配置(例如，编程)的实施例，无需在任何一个时刻配置或实例化每个硬件模块。例如，在硬件模块包括使用软件来配置的通用处理器的情况下，通用处理器在不同时间可以被配置成对应的不同硬件模块。因此，软件可以配置处理器例如以在一个时刻构成特定模块并且在不同时刻构成不同模块。
硬件模块可以向其它硬件模块提供信息，或从其它硬件模块接收信息。因此，所述硬件模块可以被认为是通信地耦合的。在同时存在多个此类硬件模块的情况下，可以通过连接硬件模块的信号传输(例如，通过适当的电路和总线)来实现通信。在其中在不同时间配置或实例化多个硬件模块的实施例中，可以例如通过在多个硬件模块能够访问的存储器结构中存储和检索信息来实现此类硬件模块之间的通信。例如，一个硬件模块可以执行操作并将这种操作的输出存储在其所通信耦合的存储器装置中。然后，另一个硬件模块可以在以后的时间访问这一存储器装置以检索和处理所存储的输出。硬件模块还可以发起与输入或输出装置的通信，并且可以对资源(例如，信息的集合)进行操作。
本文所述的示例方法的各种操作可以至少部分地由被临时配置(例如，通过软件)或永久配置为执行相关操作的一个或多个处理器执行。无论是临时配置还是永久配置，此类处理器都可以构成处理器实现的模块，这些模块运行以执行一个或多个操作或功能。在一些示例实施例中，本文所指的模块可以包括处理器实现的模块。
类似地，本文所述的方法或例程可以至少部分地由处理器实现。例如，一种方法的至少一些操作可以由一个或多个处理器或处理器实现的硬件模块执行。操作中的某些的执行可以分布在不仅驻留在单个机器内还跨多个机器部署的一个或多个处理器之间。在一些实例实施例中，一个或多个处理器可以位于单个位置处(例如，在家庭环境中、在办公室环境中或作为服务器场)，但是在其它实施例中，处理器可以跨多个位置分布。
操作中的某些的执行可以分布在不仅驻留在单个机器内还跨多个机器部署的一个或多个处理器之间。在一些示例性实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以位于单个地理位置(例如，在家庭环境、办公室环境或服务器场内)。在其它示例实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以分布在多个地理位置。
除非另有明确说明，否则本文中使用诸如“处理”、“计算(computing)”、“计算(caculating)”、“确定”、“呈现”、“显示”等的词语进行的讨论可以是指机器(例如，计算机)的动作或进程，来操纵或转换在一个或多个存储器(例如，易失性存储器、非易失性存储器或其组合)、寄存器或接收、存储、传输或显示信息的其它机器部件中被表示为物理(例如，电、磁或光)量的数据。
如本文所用，对“一个实施例”或“实施例”的任何引用意思是结合这一实施例所描述的特定元件、特征、结构或特性包含在至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指同一实施例。
例如，一些实施例可能使用术语“耦合”来描述，以表示两个或更多个元件处于直接物理触点或电接触。例如，一些实施例可能使用术语“耦合”来描述，以表示两个或更多个元件处于直接物理接触或电接触。然而，术语“耦合”也可以是指两个或更多个元件彼此并不直接接触，但是仍然彼此协作或进行交互。实施例不限于此上下文。
本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可关于上文所述的实施例作出各种修改、改变和组合，并且此类修改、改变和组合被视为在本发明概念的范围内。

Claims (9)

1.一种内窥镜组件，其包括：
柔性管道，其具有套管和延伸到所述套管中的单模光纤，所述柔性管道具有被定位成当提供给所述单模光纤时发射照明光束的远侧端；
紧凑型扫描组件，其安装到所述柔性管道，所述紧凑型扫描组件具有折叠光束配置以接收所述照明光束，将所述照明光束转换成更高数值孔径的照明光束，并且跨越横向样本区扫描所述更高数值孔径的照明光束，所述紧凑型扫描组件包括：
刚性外壳；
横向扫描组件，其固定地定位在所述刚性外壳内并且邻近于所述柔性管道的所述远侧端，所述横向扫描组件具有扫描镜，所述扫描镜具有与所述单模光纤对准的孔口以将所述照明光束接收到折叠光束路径中以用于转换成所述更高数值孔径的照明光束，所述折叠光束路径由所述扫描镜和固定镜限定，后面的扫描组件具有用于扫描所述扫描镜的梳状滤波器驱动器；
透镜组件，其固定地定位在所述刚性外壳内，所述透镜组件定位在所述横向扫描组件的远侧，以跨越后面的样本区扫描所述更高数值孔径的照明光束；以及
间隔件，其固定地定位在所述刚性外壳内并且在所述横向扫描组件的远侧，所述间隔件具有固定地悬挂所述固定镜的弹簧构件。
2.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其中所述横向扫描组件进一步包括用于固定附接驱动线的一个或多个线夹元件，所述附接驱动线将所述横向扫描组件与扫描驱动器处理单元连接起来。
3.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其中所述透镜组件包括多个透镜元件和被定位成间隔开邻近透镜元件的一个或多个次级间隔件。
4.根据权利要求3所述的内窥镜组件，其中所述多个透镜元件包括两个消色差双合透镜。
5.根据权利要求4所述的内窥镜组件，其中所述多个透镜元件包括平凸透镜。
6.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其中所述紧凑型扫描组件的所述刚性外壳具有2.4mm的外径。
7.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其中所述紧凑型扫描组件的所述刚性外壳具有低于2.4mm的外径。
8.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其进一步包括刚性端管连接器，所述刚性端管连接器的外径大小与所述刚性外壳的内径和所述柔性管道的内径相匹配，所述刚性端管连接器被定位成使所述刚性外壳与所述柔性管道接合，同时允许两者之间的旋转运动。
9.根据权利要求1所述的内窥镜组件，其中所述梳状滤波器驱动器包括内部梳状滤波器驱动器和外部梳状滤波器驱动器，其各自被配置成提供静电致动以响应于驱动信号而分别围绕X轴和Y轴旋转所述扫描镜。
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