CN114424931B - 一种oct探头组件及含有该oct探头组件的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种OCT探头组件，包括：光纤；球透镜，球透镜与光纤连接，其中，球透镜在远离光纤的一端具有一圆形切面，光纤的光轴与其在所述圆形切面上的垂直投影呈43°‑47°夹角，球透镜在圆形切面上形成有凹槽，凹槽的凹槽面为圆柱面，凹槽所在圆柱的轴线垂直于光纤光轴与垂直投影所在的平面，圆形切面的圆心位于凹槽在圆形切面上形成的槽口内；以及壳体，具有圆柱形内腔，用于容纳球透镜。采用上述技术方案，使用球透镜对光束进行聚焦，并在球透镜中形成有圆柱面的凹槽，可对成像像差在所需的成像深度内进行校正，从而使成像在所需的成像深度达到最佳分辨率。本发明还提供一种含有上述OCT探头组件的成像系统。

Description

一种OCT探头组件及含有该OCT探头组件的成像系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种OCT探头组件以及含有该OCT探头组件的成像系统。
背景技术
光学相干断层扫描(optical coherence tomography，OCT)可以对生物组织进行无创成像。OCT广泛应用于生物医学分析和医学诊断，可对生物组织进行高分辨率(约10μm)成像，其对生物散射组织的穿透深度约为1mm-2mm。在冠状动脉和食管成像的内窥OCT中，通过使用导丝或内窥镜仪器端口来引导导管进入被研究器官的管腔。
导管通常为透明的壳体，将被成像的组织与光纤部分分开，保护导管内部免受血液和机械损伤。然而，导管在有效地分离组织和内部器件的同时，由于导管作为一个凹凸形透镜，导致光束聚焦存在像差，从而产生成像像差的问题。
因此，对像差进行校正是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于解决成像存在像差的问题。本发明提供了一种OCT探头组件以及含有该OCT探头组件的成像系统，可对成像像差在所需的成像深度内进行校正，从而使成像在所需的成像深度达到最佳分辨率。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，包括：光纤；球透镜，球透镜与光纤连接，其中，球透镜在远离光纤的一端具有一圆形切面，光纤的光轴与其在所述圆形切面上的垂直投影呈43°-47°夹角，球透镜在圆形切面上形成有凹槽，凹槽的凹槽面为圆柱面，凹槽所在圆柱的轴线垂直于光纤光轴与垂直投影所在的平面，圆形切面的圆心位于凹槽在圆形切面上形成的槽口内；以及壳体，具有圆柱形内腔，用于容纳球透镜。
采用上述技术方案，使用球透镜对光束进行聚焦，并在球透镜中形成有圆柱面的凹槽，可对成像像差在所需的成像深度内进行校正，从而使成像在所需的成像深度达到最佳分辨率。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，凹槽面与圆形切面的相交线的长度不低于圆形切面直径的1/4。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，光纤的光轴与其在所述圆形切面上的垂直投影呈45°夹角。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，圆柱面的曲率半径为0.01mm-0.1mm，球透镜的曲率半径为0.125mm-0.25mm。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，光纤为单模光纤，单模光纤的远端与球透镜熔接。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，光纤包括单模光纤和无芯光纤，单模光纤的远端与无芯光纤的近端熔接，无芯光纤的远端与球透镜熔接。
根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开了一种OCT探头组件，壳体的内径为0.7mm-1.0mm，壳体的外径为0.9mm-1.2mm。
本发明还提供一种成像系统，包括上述实施方式中任意一项的的OCT探头组件。
附图说明
图1是包括本发明实施例提供的OCT探头组件的成像系统的示意图。
图2是本发明实施例提供的OCT探头组件的示意图。
图3是图2中熔接于无芯光纤的球透镜的放大示意图。
图4是对本发明实施例提供的OCT探头组件进行成像实验模拟得到的示意图。
图5是对对比例提供的OCT探头组件进行成像实验模拟得到的示意图。
附图标记说明：
光源部11、光纤干涉仪13、探测器15、处理器17、显示器19；
OCT探头组件20、壳体23、内腔231；
光纤21、单模光纤211、无芯光纤213、光轴21A、垂直投影21B、平面21AB；
球透镜25、圆形切面25A、曲面表面25B、凹槽251、凹槽面251A、凹槽的轴线251B、相交线252；
组织31；
准直透镜41、反射镜43；
低相干光S0、样品光S1、参考光S2、反射光S3、干涉信号S13、电信号S15。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示的是一种包括本发明实施例提供的OCT探头组件20的成像系统的示意图。
成像系统包括光源部11、光纤干涉仪13、OCT探头组件20、准直透镜41、反射镜43、探测器15、处理器17和显示器19。
其中，上述的光源部11能够发射低相干光S0，具体来说，低相干光S0可以是超辐射发光二极管。从光源部11发射的低相干光S0进入光纤干涉仪13后被分成参考光S2和样品光S1。
样品光S1进入OCT探头组件20内的光纤21，光纤21包括单模光纤211和无芯光纤213，单模光纤211的远端与无芯光纤213的近端熔接，无芯光纤213的远端与球透镜25熔接。经光纤21的传输样品光S1到达球透镜25，经球透镜25聚焦后偏转并穿过壳体23入射到待测的组织31中，待测的组织31反射样品光S1，产生反射光S3。
本文中，“近端”指靠近光源部11的端侧，“远端”指靠近待测的组织31的端侧。
反射光S3经由球透镜25的聚焦和偏转入射至光纤21中，并沿样品光S1传输的相反方向在光纤21中进行传输，最终反射光S3进入光纤干涉仪13中。
参考光S2通过参考光纤(图中未示出)传输，从参考光纤出射后由与参考光纤对接的准直透镜41准直照射到反射镜43后被反射镜43反射回来，反射回来的参考光S2通过参考光纤传输进入光纤干涉仪13中。
反射光S3和参考光S2在光纤干涉仪13中彼此干涉，光纤干涉仪13将反射光S3和参考光S2干涉图样所形成的干涉信号S13输出至探测器15。干涉信号S13由探测器15转换为电信号S15，电信号S15经处理器17进行处理，最后在显示器19上显示断层扫描图像，以评估待测的组织31的状况。
图2为本发明实施例所提供的OCT探头组件20的示意图，OCT探头组件20包括光纤21、球透镜25与壳体23。球透镜25可以是通过对一个具有完整曲面的透镜(图中未示出)进行研磨加工等方法切去该具有完整曲面的透镜的一部分以形成圆形切面后获得所剩余的部分，该具有完整曲面的透镜可以由折射率高且均匀的光学玻璃制成，该光学玻璃的折射率例如可以是1.44。由此获得的球透镜25具有一圆形切面25A和一曲面表面25B。
示例性地，球透镜25的曲率半径为0.125mm-0.25mm。球透镜25的曲率半径设置为0.125mm-0.25mm，可以保证光纤熔接机的工艺稳定性，并且可以降低OCT探头组件20的尺寸，适应更多的血管内成像场景。同时经过光纤21传输的光束可以在该曲率半径范围内进行有效的聚焦。
更示例性地，球透镜25的曲率半径为0.125mm。
该球透镜25的曲率半径指的是原具有完整曲面的透镜的曲率半径，也即球透镜25的曲率半径与原具有完整曲面的透镜的曲率半径一致。
光纤21与球透镜25连接，具体的，光纤21包括单模光纤211与无芯光纤213，单模光纤211的远端与无芯光纤213的近端熔接，无芯光纤213的远端与球透镜25熔接，具体而言无芯光纤213的远端与球透镜25的曲面表面25B相熔接，球透镜25的圆形切面25A位于远离光纤21的一端。单模光纤211可以由玻璃制得，可以采用SMF-28E型号的光纤，该光纤的折射率为1.47；无芯光纤213同样可由玻璃制得，可以采用CL0-125-0-250型号的无芯光纤，该光纤的折射率为1.44。光纤21包括但不限于包括单模光纤211与无芯光纤213。在一种可能的实施方式中，光纤21可以仅为单模光纤，单模光纤的远端与球透镜25熔接。
通过光源所发射的光束在单模光纤211和无芯光纤213中进行传输，当光束入射球透镜25时，球透镜25会对光束进行聚焦。
上述的壳体23具有圆柱形内腔231，内腔231容纳球透镜25、单模光纤211及无芯光纤213。
示例性地，壳体23的内径为0.7mm-1.0mm，壳体23的外径为0.9mm-1.2mm。所述壳体23的内径与外径指的均为直径。
示例性地，壳体23的内径为0.70mm，壳体23的外径为0.90mm，以此设计的壳体23尺寸较小易于进入待测的组织31，也可以使待测的组织31免受到损伤，还能保护球透镜25免受待测的组织31的污染。
图3中，上述的光纤21的光轴21A在圆形切面25A上的垂直投影记为21B；上述的光纤21的光轴21A与光纤21的光轴21A在圆形切面25A上的垂直投影21B形成平面21AB。
球透镜25在圆形切面25A上形成有凹槽251，凹槽251可以通过激光光刻机或光纤熔接机等方式来快速形成。圆形切面25A的圆心位于凹槽251在圆形切面25A上形成的槽口内，保证了光束在凹槽面251A上进行反射，并且光纤21的光轴21A与光轴21A在圆形切面25A上的垂直投影21B的夹角为43°-47°，使球透镜25的凹槽面251A对射入球透镜25的光束进行反射，使反射后的光束能够垂直入射待测的组织31中。
示例性地，光纤21的光轴21A与光轴21A在圆形切面25A上的垂直投影21B的夹角可以为45°。
进一步地，凹槽251的凹槽面251A为圆柱面，示例性地，圆柱面的曲率半径为0.01mm-0.1mm。圆柱面的曲率半径设置在0.01mm-0.1mm，既可以有效地对光束在垂直于光轴21A的方向(图2中所示Y方向)上进行一定程度的发散，又可以使得光束不会出现漫反射情形。
示例性地，圆柱面的曲率半径为0.011mm。
结合体2和图3，当光束进入球透镜25后入射到凹槽251的凹槽面251A上时，光束的传播方向由平行于光纤21的光轴21A的方向(图2中所示X方向)改变为垂直于光纤21的光轴21A的方向(图2中所示Y方向)，并且由于凹槽面251A为圆柱面，凹槽251所在圆柱的轴线251B垂直于平面21AB，保证了光束入射到凹槽251的凹槽面251A后，光束只在垂直于光纤21的光轴21A的方向进行一定程度的发散，而平行于光纤21的光轴21A的方向没有光束发散。将凹槽面251A直接设立为圆柱面，还可以减小球透镜25的体积，也就减小了OCT组件20的体积，并且可通过激光光刻机或光纤熔接机等方式完成凹槽面251A的加工，在工艺上更具有可控制性和稳定性。
在光束继续传输到壳体23时，由于壳体23本身是一个凹凸形透镜，所以会对入射壳体23或出射壳体23的光束在垂直于光纤21的光轴21A的方向有聚焦作用，而对入射壳体23或出射壳体23的光束在平行于光纤21的光轴21A的方向无影响。光束入射到凹槽251的凹槽面251A后光束在垂直于光纤21的光轴21A的方向进行了一定程度发散，之后光束入射壳体23或出射壳体23时，由于壳体23为凹凸形透镜，此时光束在垂直于光纤21的光轴21A的方向又产生了聚焦作用，能够恰好对因壳体23的存在而导致的成像像差进行纠正。
在一种实施方式中，结合图2和图3，凹槽面251A与圆形切面25A的相交线252的长度不低于圆形切面25A直径的四分之一，保证了入射到凹槽面251A的光束均会反射至壳体23上。
本发明实施例所提供的OCT探头组件20，在壳体23内折射率为1.0，壳体23的折射率为1.55，待测的组织31为血液，血液的折射率为1.44下，对该OCT探头组件20进行成像实验模拟。
并设置一对比例，对比例所提供的OCT探头组件与本发明实施例所提供的OCT探头组件20的区别特征在于：未对球透镜25的圆形切面设置凹槽面。并对该对比例进行成像实验模拟。
模拟过程采用ZEMAX软件进行模拟，将绘制光束在壳体23外表面到血液的血管外壁这一成像深度内平行于光纤21的光轴21A的方向和垂直于光纤21的光轴21A的方向所聚焦形成的光斑半径大小的变化曲线，并观察平行于光纤21的光轴21A的方向和垂直于光纤21的光轴21A的方向的光斑半径大小差值。横坐标为血液的血管外壁到壳体23外表面的距离也即成像深度，纵坐标为所在成像深度下光斑半径的大小。
实验结果参看图4和图5，图4为对本发明实施例所提供的OCT探头组件20进行的成像实验模拟得到的成像深度与光斑半径的关系图，在所示成像深度内的平行于光纤21的光轴21A的方向和垂直于光纤21的光轴21A的方向光斑半径趋于相同，也就能保证在成像深度内能获得良好的圆形光束形状。
图5为对对比例所提供的OCT探头组件进行的成像实验模拟得到的成像深度与光斑半径的关系图，光束在与本发明实施例同一成像深度下的平行于光纤21的光轴21A的方向和垂直于光纤21的光轴21A的方向所形成的光斑半径差距较大，有明显的像差。这是由于壳体23为凹凸形透镜，导致入射至壳体23的光束会在垂直于光纤21的光轴21A的方向进行一定程度的聚焦，从而导致成像实验模拟得到的在所示成像深度下的平行于光纤21的光轴21A的方向和垂直于光纤21的光轴21A的方向所形成的光斑半径差距较大，聚焦存在像差，也就是说导致成像有像差。最终对比例所提供的OCT探头组件将导致成像像差，使成像在所需的成像深度无法达到最佳分辨率。
本发明所提供的OCT探头组件20可对成像像差进行校正，在对垂直于光纤21的光轴21A的方向的光束进行了很大程度的校正的同时，保证了平行于光纤21的光轴21A的方向的光束没有影响。这使得从壳体23出射的光束在所需成像深度内都有良好的圆形光束形状，可对成像像差在所需的成像深度内进行校正，从而使成像在所需的成像深度达到最佳分辨率。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种OCT探头组件，包括：
光纤；
球透镜，所述球透镜与所述光纤连接；其中，
所述球透镜在远离所述光纤的一端具有一圆形切面，所述光纤的光轴与其在所述圆形切面上的垂直投影呈43°-47°夹角；
所述球透镜在所述圆形切面上形成有凹槽，所述凹槽的凹槽面为圆柱面，所述凹槽所在圆柱的轴线垂直于所述光纤光轴与所述垂直投影所在的平面，所述圆形切面的圆心位于所述凹槽在圆形切面上形成的槽口内；以及
壳体，具有圆柱形内腔，用于容纳所述球透镜。
2.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述凹槽面与所述圆形切面的相交线的长度不低于所述圆形切面直径的1/4。
3.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述光纤的光轴与其在所述圆形切面上的垂直投影呈45°夹角。
4.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述圆柱面的曲率半径为0.01mm-0.1mm，所述球透镜的曲率半径为0.125mm-0.25mm。
5.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述光纤为单模光纤，所述单模光纤的远端与所述球透镜熔接。
6.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述光纤包括单模光纤和无芯光纤，所述单模光纤的远端与所述无芯光纤的近端熔接，所述无芯光纤的远端与所述球透镜熔接。
7.如权利要求1所述的OCT探头组件，其特征在于，所述壳体的内径为0.7mm-1.0mm，所述壳体的外径为0.9mm-1.2mm。
8.一种成像系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的OCT探头组件。
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