CN114641233A - 用于高分辨率、高速胶囊内窥镜检查的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行内窥镜检查的探头，包括：光源；波导，所述波导耦合到光源；衍射光栅，波导将光从光源引导到衍射光栅；以及透镜，所述透镜具有第一非球面表面和第二双圆锥表面，来自衍射光栅的衍射光被引导到透镜的非球面表面中并且从透镜的双圆锥表面朝向探头的透明圆柱形表面发射。

Description

用于高分辨率、高速胶囊内窥镜检查的系统和方法
相关申请交叉引用
本申请基于2019年8月27日提交的美国临时申请第62/892,073号，要求该临时申请的权益并要求该临时申请的优先权，该临时申请籍此通过引用以其整体并入本文以用于所有目的。
关于联邦资助研究的说明
不适用
背景技术
光谱编码共焦显微镜检查(SECM)是一种高速成像技术，它可以提供比视频速率反射共焦显微镜检查快1-2个数量级的成像速度，同时通过用衍射光栅替换机械扫描设备来实现高度的探头小型化。然而，在现有设计中，在探头表面处引起的(例如，由SECM胶囊的圆柱形成像窗口引起的)不对称球面像差使得难以实现衍射限制的光学分辨率。一种解决方案是用水填充物镜与探头(例如，胶囊)中的成像窗口之间的间隙，以通过减少折射率错配来使像差最小化，从而努力提供衍射限制的光学分辨率(见图1，面板A和B)。图1的面板A显示了已知系统的物镜，该物镜在两侧上具有圆形表面，其中两个圆形表面都是径向对称的。
然而，用水填充诸如SECM胶囊之类的探头会带来许多额外的制造要求，包括需要使用防水环氧树脂(water-tight epoxy)来密封部件。此外，由于难以将水保持在探头内，填充水的SECM胶囊的寿命缩短(例如，小于1-2个月)。最终，在程序期间，水内的气泡可出现在探头内部，这可能会干扰最佳性能(见图2)。
发明内容
因此，寻求新的SECM探头设计，该新的SECM探头设计不需要用诸如水之类的液体填充探头，但仍能提供相当的光学性能。
因此，本文提供了用于执行内窥镜检查(endomicroscopy)的探头的实施例，包括：光源；波导，所述波导耦合到光源；衍射光栅，波导将光从光源引导到衍射光栅；以及透镜，所述透镜具有第一非球面表面和第二双圆锥(biconic)表面，来自衍射光栅的衍射光被引导到透镜的非球面表面中并且从透镜的双圆锥表面朝向探头的透明圆柱形表面发射。
在一个实施例中，本发明提供了用于使用探头执行内窥镜检查的方法。探头包括：光源、耦合到光源的波导、衍射光栅、以及具有第一非球面表面和第二双圆锥表面的透镜。该方法包括：波导将光从光源引导到衍射光栅，以及衍射光栅将衍射光引导到透镜的非球面表面并从透镜的双圆锥表面向探头的透明圆柱形表面发射。
本发明的这些和其他实施例、方面、优点和特征将部分地在下面的描述中被阐述，并且通过参考本发明的以下描述和参考附图或通过本发明的实践，对本领域技术人员来说将变得显而易见。附图示出了一个或多个实现，并且这些实现不一定表示本发明的全部范围。
附图说明
图1显示了SECM物镜的ZEMAX模拟，该物镜不具有双圆锥表面；面板A显示了具有光线跟踪的物镜的布局，并且面板B显示了作为场角度的函数的RMS波前误差。
图2显示了在胶囊已经填充水之后1天(左)、1周(中)和1个月(右)的填充水的SECM胶囊，显示了随时间推移水对探头的渐进影响。
图3显示了用于胶囊中的SECM光学装置，并且该SECM光学装置包括物镜，该物镜具有面向成像窗口的双圆锥表面。
图4显示了栓系胶囊，其中在所述栓系胶囊中设置了SECM光学器件。
图5显示了使用ZEMAX软件生成的透镜的示意图，该ZEMAX软件包括非球面表面、双圆锥表面和透镜材料的特定实施例的参数列表。
图6显示了具有非球面表面和双圆锥表面的物镜的设计，该物镜包括用于正确对准透镜的槽口，其中透镜以透视图(左)显示以及从侧面(右)显示。
图7显示了具有非球面表面和双圆锥表面的物镜的另一种设计，该物镜包括两个用于正确对准透镜的槽口，其中透镜从顶部(左上角)显示、以透视图(右上角)显示、从第一侧(左下角)显示、以及从与第一侧正交的第二侧(右下角)显示。
图8显示了栓系胶囊，所述栓系胶囊包括具有一对圆形槽口的物镜支架以及具有一对类似圆形槽口的透镜，其中两个陶瓷球插入由槽口形成的空间中，以在正确的取向上将透镜固定到位。
图9显示了将现有基于SECM的水浸式胶囊与包括具有双圆锥表面且不需要水浸的物镜的SECM胶囊的规格进行比较的表。
图10显示了带有圆柱形壳体的胶囊探头的示意图，其中探头的长轴与探头内的光学部件的双圆锥透镜的半径一起指示，其中第一轴(R1)平行于探头的长轴，并垂直于第二较短轴(R2)。
以下具体实施方式包括对附图的参考，该参考形成具体实施方式的一部分。附图通过图示的方式显示其中可以实践装置的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”或“选项”，它们被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实践本实施例。可以组合实施例，可以利用其他实施例，或者可以做出结构或逻辑改变，而不脱离本发明范围。因此，以下具体实施方式不应以限制性意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求及其法律等价物限定。在本文档中，除非另有说明，否则术语“一(a/an)”用于包括一个或不止一个，并且术语“或”用于指代非排他性的“或”。此外，应理解，本文中所使用的并且没有以其他方式定义的用语或术语仅用于描述的目的并且不具有限制性。
具体实施方式
本文公开了用于SECM探头的装置、方法和/或系统的实施例，该SECM探头包括具有双圆锥表面的物镜，并且因此SECM探头不需要浸水或被采取以实现衍射限制或接近衍射限制的光学分辨率的其他校正措施。
光谱编码共焦显微镜检查(SECM)是一种微型内窥镜检查技术，所述微型内窥镜检查技术使用波长对样品上的物理位置进行编码，以实现快速成像速度。简单地说，宽带或波长扫频(wavelength-swept)光源跨样本的带(swath)分散，使得每个波长或波长的子组用作单独的光束来照射样本(图3)，从而增加了可以在单次通过中从样本收集的数据量，因为这允许大量数据被并行收集。虽然已经开发出一些药丸大小的栓系SECM胶囊，以获取上消化道(GI)的细胞级分辨率图像，但迄今为止，此类SECM胶囊的成像质量受到包括光学分辨率不足、非均匀拉回以及非均匀旋转变形等问题的限制。
已开发的填充水的、药丸大小的栓系胶囊的一些版本与100kHz、1310nm波长扫频源SECM成像系统兼容。本文公开了利用以1060nm为中心的400kHz扫频源的栓系SECM内窥镜成像系统和胶囊的实施例。除了由于较短的波长而提供更高的分辨率外，新的1060nm胶囊设计不需要采取诸如浸水(即用诸如水之类的液体填充胶囊)之类的校正措施。
在所公开的各种实施例中，通过设计在物镜310的一侧(例如，面向源的一侧)上具有常规非球面表面320并且在另一侧(例如，面向样本的一侧)上具有双圆锥表面330的物镜310(图3、图5)来校正由胶囊的弯曲(通常为圆柱形)透明壁引起的非对称球面像差，来消除对浸水或其他校正措施的需要。
在各种实施例中，胶囊的直径也被增大，以改善与食道的物理接触，并延长可使用的光谱编码的线长度，从而产生更多可区分的波长，并且因此在光谱扩展的光带中产生更多像素。在各种实施例中，与使用100kHz、1310nm源的其他SECM胶囊设备和系统相比，当前公开的设计的成像速度可以增加5.2倍，并且横向分辨率可以提高15％。此外，在胶囊没有浸水的情况下实现SECM，简化了可制造性并增加了设备的寿命。这些进展显著提高了SECM在诸如上消化道诊断之类的应用中的临床可译性(translatability)。
通常，SECM允许通过紧凑型探头(诸如，导管或胶囊(图4))执行反射共焦显微镜检查。SECM使用波分复用(“WDM”)来对从样本反射的一维空间信息进行编码。快速扫描轴由一系列聚焦点代替，在该系列聚焦点中每个位置由不同波长的光340、350、360(图3)表示。可以通过测量反射光的光谱来确定作为空间位置的函数的汇寄(remittance)。可以通过探头的缓慢机械运动扫描经波长编码的轴来创建二维图像。因此，实现本发明的内窥镜设备允许对各种组织和器官进行SECM成像，或者与标准内窥镜集成或作为诸如胶囊之类的独立设备。参见美国专利第6,831,781号以及美国专利申请公开第2011/013178号，这些专利中的每一个出于所有目的在本文通过引用以其整体被并入。
在一些实施例中，SECM系统可以被构建在可吞咽的栓系胶囊400(图4)中。如图4所示，胶囊400包括成像窗口410(用虚线指示)、包括波导/光纤的系绳420、准直透镜430、衍射光栅440、物镜450和壳体460。系绳420连接到SECM系统470，在各种实施例中，SECM系统470可以包括以下各项中的一项或多项：光源(例如扫频源激光器)、旋转和/或线性扫描系统、光检测器、和用于控制一个或多个其他部件以及用于收集和处理数据的计算系统。
在各种实施例中，胶囊400的整体形状可以是光滑的，其中壳体460包括具有圆形(例如半球形)端部的圆柱形主体。这种整体形状允许胶囊400被吞咽并以低阻力移动通过腔通道(诸如GI道)，以允许它通过重力和/或蠕动性肌肉运动而移动，其中系绳420从壳体460的一端延伸(图4)。胶囊400的尺寸可以变化，但通常直径小于10mm，并且在一些实施例中为7mm，并且在其他实施例中为8mm。胶囊400的壳体460的至少一部分包括成像窗口410，该成像窗口410对合适的波长(例如，在UV处、可见光处和/或IR波长处)是光学透明的；通常，成像窗口410完全围绕胶囊400的周边延伸，以允许通过胶囊壳体460对样本进行旋转扫描。
来自容纳在系绳460内的波导的光被引导朝向衍射光栅440，衍射光栅440被设置成相对于波导成一定角度(例如，大约45°角)，并且离开衍射光栅440的光被引导到物镜450，物镜450进而将光聚焦通过胶囊400的侧面并朝向组织480(图4)。在一些实施例中，物镜450(在下文被进一步描述)可具有：面向衍射光栅440且具有非球面表面的第一侧，以及面向胶囊400和组织480外部的具有双圆锥表面的第二侧。如在下文被进一步描述，双圆锥表面被设计为校正可能由通过其发生成像的胶囊主体的弯曲/圆柱形外表面(即成像窗口410)引起的像差。在一些实施例中，准直透镜430可以被放置在波导的输出与衍射光栅440之间。鉴于探头内的光学部件是可旋转的，物镜450与成像窗口410之间存在间隙以促进胶囊400内的光学部件的自由旋转。在某些已知设备中，该间隙已填充有水、食品级油、矿物油或其他医疗级或食品级液体(通常是具有与水相似粘度且光学透明的液体)，以减少来自弯曲成像窗口410的像差，然而，本文公开的物镜450的双圆锥表面校正这些像差，而不需要诸如水之类的液体来填充间隙。代替用诸如水之类的液体填充壳体460内的空间，该空间可以填充有气体，诸如空气、氮气或任何其他合适的(例如医学上认可的)气体。
如下文进一步讨论的，光谱源(例如扫频源激光器)可用于SECM实现。来自源的发射通过胶囊侧面并发射到组织上的光以线性布置分布，该线性布置在与胶囊的长轴平行的方向上延伸，其中光谱源的不同波长沿线分布。从样本反射的光随后通过胶囊和波导传输到SECM系统470以用于构建成图像。
对于诸如GI道的各部分(例如食道或其他区域)之类的腔样本，胶囊可以在它向下移动通过管腔结构(例如在吞咽期间)或在取回胶囊期间沿相反方向移动时收集图像数据。在胶囊被平移(例如向上拉)通过腔样本时，光学部件可以旋转，以便获得来自腔样本的整个圆周的图像数据，这产生可以使用极坐标或直角坐标呈现的对样本的螺旋扫描。
在各种实施例中，透镜包括非球面表面和双圆锥表面。透镜可以由玻璃或塑料加工或注塑而成。透镜可使用聚合物(诸如OKP4或PMMA)通过金刚石车削加工，或使用玻璃材料(诸如D-ZK3)经由注射成型制造。在一些实施例中，预期透镜的注射成型显著降低每单位成本，例如降低至每单位10美元。在其他实施例中，非球面透镜可以具有约1.45mm的半径，但半径也可能更大或更小。在某些实施例中，折射率可在1.5和1.7之间，并且在一个特定实施例中，针对OKP4塑料折射率为1.607。图5显示了使用ZEMAX软件生成的透镜的示意图，该ZEMAX软件包括非球面表面、双圆锥表面和透镜材料的特定实施例的参数列表。
尽管具有双圆锥表面的透镜的外圆周可以是圆形的，但是透镜的双圆锥表面包括非径向对称的凸起部分。相反，凸起部分具有两个轴，例如x轴和y轴，每个轴具有相关联的曲率半径和圆锥常数K。与轴中的一个轴相比，另一个轴具有较大的曲率半径和圆锥常数，使得透镜在胶囊内被定向，其中具有较大曲率半径和圆锥常数的轴平行于圆柱形成像窗口的轴和圆柱形壳体的长轴(见图10)。至少部分地由x轴和y轴的半径和圆锥常数定义的双圆锥透镜的整体形状被选择成使得它校正由胶囊壳体(特别是透明弯曲的成像窗口)引起的像差，并且通常，透镜特性被匹配以与特定的成像窗口一起使用。在一些实施例中，虽然x轴的半径是-2.676并且x轴的圆锥常数是-27.735，并且y轴的半径是-2.725并且y轴的圆锥常数是-32.572，但是可以使用具有其他半径和圆锥常数的双圆锥透镜。
鉴于透镜的双圆锥表面具有细长的、非径向对称的形状，在一些实施例中，透镜可以包括一个或多个特征(诸如标记或槽口)，以确保透镜相对于其他光学部件和胶囊壳体的正确对齐。例如，虽然透镜可以在外边缘上包括一个(图6)或两个(图7)槽口，以促进透镜的对齐，但是其他形状和数量的对齐特征也是可能的。槽口透镜装配到具有互补形状的插座(receptacle)中，该互补形状将透镜固定在正确的取向上(图8)。在图8所示的实施例中，物镜支架810包括圆形槽口820(诸如图7中的透镜中所示的那些)，并且使用两个球形或圆柱形插入物(例如陶瓷球840)将透镜830固定就位。然而，可以使用其他形状和样式的槽口和插入物，并且在一些实施例中，透镜或插座可以包括一个或多个突起，所述一个或多个突起分别与插座或透镜中的槽口或其他形状互补。
用于SECM的光源可以是宽带或波长扫频源。相对于使用中心波长为1310nm、且重复率为100kHz的扫频源的SECM(尤其是基于胶囊的SECM)的先前实施例，利用具有如本文所公开的较短波长以及较高重复率的扫频源激光器提高了光学分辨率和成像速度两者。在各种实施例中，本文公开的基于胶囊的系统提供了利用扫频源激光器的技术，该扫频源激光器的波长以较短的波长(诸如1060nm，范围从1020nm到1100nm)为中心，并且具有较快的重复率，诸如400kHz。在一个特定实施例中，源是来自马萨诸塞州比尔里卡的阿克森科技公司(Axsun Technologies)的型号AXP50124-3。鉴于光学分辨率是波长的函数，其中较短的波长提供较小的衍射限制焦点尺寸并因此比较长的波长具有更好的分辨率，与先前使用的1300nm范围的激光器相比，本文公开的较短波长源提供较高的光学分辨率。此外，所公开激光器的400kHz重复率显著减少了在先前100kHz激光器系统中观察到的运动伪影。
图9中的表呈现了用于基于胶囊的SECM系统的光学器件的当前系统(右，“SECM-TCE-1060”)与先前系统(左，“SECM-TCE-1310”)的规格的比较。如图9所示，当前公开的实施例不需要将光学器件浸入诸如水之类的液体中，如上所讨论的，这简化了制造并延长了设备的使用寿命。此外，中心波长显著更短(1060nm对比(vs.)1290nm)，这提供了改进的分辨率。在某些实施例中，胶囊直径从7mm增加到8mm，这增加了胶囊与周围组织(诸如食道)之间的物理接触，并且还提供了延长的光谱编码的线长度，这进而增加了可区分的像素/样本的数量。成像视场从260μm增加到340μm，并且横向分辨率从1.44μm提高到1.25μm，同时成像深度从50μm提高到100μm。最后，与先前设备中使用的95.725°成像角度相比，使用具有双圆锥表面的透镜的设备以90°成像角度操作。具有近似垂直于成像窗口的成像角度提高了图像质量，因为物镜的双圆锥表面处于校正由弯曲成像窗口的弯曲表面产生的像差的最佳取向上。
图10显示了胶囊探头1000的实施例的示意图，该胶囊探头1000包括圆柱形壳体1060，其中探头的长轴1050与探头内的光学部件的双圆锥透镜半径一起显示，其中，第一轴R1(与第一曲率半径和第一圆锥常数相关联)平行于探头1000的圆柱形壳体1060的长轴1050，并垂直于第二轴R2(与第二曲率半径和第二圆锥常数相关联)，其中，第一曲率半径和第一圆锥常数大于第二曲率半径和第二圆锥常数。窗口1070(在某些实施例中是透明圆柱形表面)用虚线示出，其中窗口1070被包括在圆柱形壳体1060内。还指示了物镜支架1010，物镜支架1010包括圆形槽口1020，其中透镜1030可使用两个球形或圆柱形插入物1040(例如陶瓷球体)固定到位，以将透镜1030维持在正确的取向上，在正确的取向中第一轴R1平行于圆柱形壳体1060的长轴1050。
尽管本文所公开的示例通常在基于胶囊的SECM的背景下示出，但所公开的装置和方法更普遍地适用以用于与经受来自弯曲(例如圆柱形)成像窗口的像差影响的任何探头一起使用。因此，所公开的具有双圆锥表面的物镜可用于诸如胶囊之类的探头中，以实现各种成像模式，包括但不限于OCT、OFDI、SD-OCT和其他扫描成像模式。
本领域技术人员将认识到，尽管上文已结合特定实施例和示例描述了所公开的主题，但本发明不一定受限于此，并且许多其他实施例、示例、用途、修改、以及与该实施例、示例和用途的偏离旨在被包含在本文所附的权利要求中。本文引用的每个专利和出版物的全部公开内容通过引用并入本文，如同每个此类专利或出版物通过引用单独并入本文一样。
在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (34)

1.一种用于执行内窥镜检查的探头，包括：
光源；
波导，所述波导耦合到所述光源；
衍射光栅，
所述波导将光从所述光源引导到所述衍射光栅；以及透镜，所述透镜具有第一非球面表面和第二双圆锥表面，
来自所述衍射光栅的衍射光被引导到所述透镜的所述非球面表面中并且从所述透镜的所述双圆锥表面朝向所述探头的透明圆柱形表面发射。
2.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述透镜被包括在壳体内，并且
其中所述壳体包括所述透明圆柱形表面。
3.如权利要求2所述的探头，其特征在于，所述壳体不包含液体。
4.如权利要求2所述的探头，其特征在于，所述透镜被浸入所述壳体内的气体中。
5.如权利要求4所述的探头，其特征在于，所述气体包括空气。
6.如权利要求2所述的探头，其特征在于，所述透镜的所述第二双圆锥表面包括：与第一半径相关联的第一轴、以及与第二半径相关联的第二轴，
其中，所述第二轴垂直于所述第一轴，并且
其中，所述第一半径大于所述第二半径。
7.如权利要求6所述的探头，其特征在于，所述透镜被配置成使得所述第一轴被定向成平行于所述探头的所述透明圆柱形表面的长轴。
8.如权利要求7所述的探头，其特征在于，所述第一轴与第一圆锥常数相关联，并且所述第二轴与第二圆锥常数相关联，并且
其中，所述第一圆锥常数大于所述第二圆锥常数。
9.如权利要求1所述的探头，其特征在于，进一步包括设置在所述波导与所述衍射光栅之间的准直透镜，
其中，来自所述波导的所述光通过所述准直透镜到达所述衍射光栅。
10.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述探头包括栓系胶囊。
11.如权利要求10所述的探头，其特征在于，所述栓系胶囊具有8mm的外径。
12.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述透镜的所述双圆锥表面的形状被设计为校正来自所述探头的所述透明圆柱形表面的球面像差。
13.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述源包括扫频源激光器。
14.如权利要求13所述的探头，其特征在于，所述扫频源激光器具有1060nm的中心波长以及400kHz的重复率。
15.如权利要求14所述的探头，其特征在于，所述探头的目标成像深度为100μm，并且其中所述探头的横向分辨率为1.25μm。
16.如权利要求13所述的探头，其特征在于，所述内窥镜检查包括光谱编码共焦显微镜检查(SECM)。
17.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述透镜包括用于对齐所述透镜的槽口。
18.一种用于执行内窥镜检查的方法，包括探头，所述探头包括：
光源，
波导，所述波导耦合到所述光源，
衍射光栅，以及
透镜，所述透镜具有第一非球面表面和第二双圆锥表面，
所述方法包括：
所述波导将光从所述光源引导到所述衍射光栅，以及
所述衍射光栅将衍射光引导到所述透镜的所述非球面表面中并且从所述透镜的所述双圆锥表面朝向所述探头的透明圆柱形表面发射。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述透镜被包括在壳体内，并且
其中所述壳体包括所述透明圆柱形表面。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述壳体不包含液体。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述透镜被浸入所述壳体内的气体中。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述气体包括空气。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述透镜的所述第二双圆锥表面包括：与第一半径相关联的第一轴、以及与第二半径相关联的第二轴，
其中，所述第二轴垂直于所述第一轴，并且
其中，所述第一半径大于所述第二半径。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述透镜被配置成使得所述第一轴被定向成平行于所述探头的所述透明圆柱形表面的长轴。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一轴与第一圆锥常数相关联，并且所述第二轴与第二圆锥常数相关联，并且
其中，所述第一圆锥常数大于所述第二圆锥常数。
26.如权利要求18所述的方法，其特征在于，将光从所述光源引导到所述衍射光栅进一步包括：
将来自所述光源的光从所述波导引导到设置在所述波导与所述衍射光栅之间的准直透镜，
其中，来自所述准直透镜的所述光被引导到所述衍射光栅。
27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述探头包括栓系胶囊。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述栓系胶囊具有8mm的外径。
29.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述透镜的所述双圆锥表面的形状被设计为校正来自所述探头的所述透明圆柱形表面的球面像差。
30.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述源包括扫频源激光器。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述扫频源激光器具有1060nm的中心波长以及400kHz的重复率。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述探头的目标成像深度为100μm，并且其中所述探头的横向分辨率为1.25μm。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述内窥镜检查包括光谱编码共焦显微镜检查(SECM)，并且其中所述探头为SECM探头。
34.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述透镜包括用于对齐所述透镜的槽口。
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