CN115381388A - 集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法 - Google Patents

集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法 Download PDF

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CN115381388A CN202210608294.0A CN202210608294A CN115381388A CN 115381388 A CN115381388 A CN 115381388A CN 202210608294 A CN202210608294 A CN 202210608294A CN 115381388 A CN115381388 A CN 115381388A
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Abstract

本公开公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法，包括外部中空套管，外部中空套管内依次设置超声换能器、反射镜和内部套管，在外部中空套管上还设置成像窗口，成像窗口位于与超声换能器和反射镜的位置相对应处，内部套管的前端位于外部中空套管内，内部套管的后端伸出外部中空套管，在内部套管中设置光纤和成像通道，光纤的一端用于与激光发生器、冷光光源连接，另一端与光纤耦合器连接，光纤耦合器的前端设置自聚焦透镜，自聚焦透镜和成像通道的一端均位于内部套管的前端，成像通道上设置成像物镜，成像物镜与图像采集装置连接。通过光学、光声和超声三个模式对子宫内膜成像，实现了对子宫内膜的全面观测。

Description

集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法
技术领域
本发明涉及内窥镜技术领域，尤其涉及集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前主要通过磁共振成像和超声观测对子宫内膜进行无创观测。磁共振成像虽然可以评估子宫内膜肌层及宫颈浸润等特征信息，并能具备良好的组织对比度，但磁共振成像设备的空间分辨率和时间分辨率有限，同时因共振成像设备体积较为庞大而受到场地的限制，使用不方便；超声观测依据于不同组织的声阻抗特性对子宫内膜的组织成像，但是成像的空间分辨率较差，组织对比度也受到限制，且无法获取子宫内膜的表面图像。故目前的子宫内膜的无创观测均不能实现对子宫内膜方便的、全面的观测。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜及方法，能够通过光学、光声和超声三个模式对子宫内膜成像，实现了对子宫内膜的全面观测。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，包括外部中空套管，外部中空套管内依次设置超声换能器、反射镜和内部套管，在外部中空套管上还设置成像窗口，成像窗口位于与超声换能器和反射镜的位置相对应处，内部套管的前端位于外部中空套管内，内部套管的后端伸出外部中空套管，在内部套管中设置光纤和成像通道，光纤的一端用于与激光发生器、冷光光源连接，另一端与光纤耦合器连接，光纤耦合器的前端设置自聚焦透镜，自聚焦透镜和成像通道的一端均位于内部套管的前端，成像通道上设置成像物镜，成像物镜与图像采集装置连接。
第二方面，提出了集光学、光声、超声一体化的多模成像方法，包括：
当激光发生器发出激光时，激光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，激发出光声信号，光声信号由超声换能器检测获得子宫内膜光声图像；
当超声换能器发出超声信号时，超声信号传输到子宫内膜表面，子宫内膜反射的超声信号由超声换能器检测获得子宫内膜超声图像；
当冷光光源发出冷光时，冷光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，图像采集装置经成像装置获取子宫内膜表面光学图像；
通过光声图像、超声图像、光学图像对子宫内膜进行全面分析。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本发明能够通过光学、光声和超声三个模式对子宫内膜成像，集合了三种成像模式自身特有的优点，既可以利用光学成像获得子宫内膜的表层结构成像，又可以利用超声、光声成像获得内部信息，因而可获得多参数信息、多结构特征的子宫内膜物理图像，实现了对子宫内膜的全面观测。
2、本发明的图像采集装置对子宫内膜的图像采集和超声换能器对子宫内膜光声的采集均通过成像窗口进行，为对子宫内膜同一位置的观测成像，保证了对子宫内膜同一位置全面检测的准确性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1公开的子宫内窥镜的结构简图。
其中：1、保护套，2、外壳，3、外部中空套管，4、内部套管， 5、密封水槽，6、超声换能器，7、反射镜，8、成像窗口，9、多模光纤，10、光纤耦合器，11、自聚焦透镜，12、成像通道，13、电机， 14、图像采集装置，15、传动组件，16、轴承，17、固定组件，18、固定组件，19、超声高频数据线，20、电机控制线，21、图像采集装置数据线。
图2为实施例1公开的内部套管截面图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，包括外部中空套管，外部中空套管内依次设置超声换能器、反射镜和内部套管，在外部中空套管上还设置成像窗口，成像窗口位于与超声换能器和反射镜的位置相对应处，内部套管的前端位于外部中空套管内，内部套管的后端伸出外部中空套管，在内部套管中设置光纤和成像通道，光纤的一端用于与激光发生器、冷光光源连接，另一端与光纤耦合器连接，光纤耦合器的前端设置自聚焦透镜，自聚焦透镜和成像通道的一端均位于内部套管的前端，成像通道上设置成像物镜，成像物镜与图像采集装置连接。
进一步的，光纤采用多模光纤。
进一步的，成像窗口采用环形透明窗口。
进一步的，外部中空套管的外部套设外壳。
进一步的，外壳的外部套设保护套。
进一步的，内部套管上设置电机，电机的输出轴通过传动组件与外部中空套管连接，电机输出轴旋转时能够带动外部中空套管旋转。
进一步的，传动组件为齿轮传动、带传动或链传动。
进一步的，内部套管的后端套设手持部件，电机、传动组件和图像采集装置均位于手持部件内。
进一步的，外部中空套管通过轴承与内部套管连接。
对本实施例公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜进行详细说明。
为了实现对子宫内膜的全面观测，本实施例公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜集成了光学、光声和超声三种成像模式。
其中，光声观测是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的无损生物光子成像方法，结合了纯光学成像高对比度特性和纯超声成像高穿透深度特性的优点，当激光照射生物组织时，会产生局部的受热膨胀从而产生声波，被超声波检测到的信息传输到计算机，依据不同组织的光吸收度重建出组织图像，从而反映出组织内部的生理信息，通过光声观测能够反应组织光学吸收差异这一参数信息。
如图1、图2所示，本实施例公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜包括：外部中空套管3、内部套管4、光学传输通路、光学成像组件、成像窗口8、反射镜7、图像采集装置14及超声换能器6。
超声换能器6、反射镜7和内部套管4依次同轴设置于外部中空套管3中，内部套管4的前端位于外部中空套管3中，后端从外部中空套管3内伸出。
超声换能器为水浸式压电换能器，用于超声信号的激发以及光声信号、超声信号的检测，形成光声图像和超声图像。
为减少噪声及其他干扰，在超声换能器6上设置密封水槽5，在密封水槽5内放置超声耦合介质，超声耦合介质可以选用去离子水。
反射镜采用平面金属反射镜，以实现不同成像方式的需求。
外部中空套管3上还设置成像窗口8，成像窗口8位于与超声换能器6和反射镜7位置相对应处，从而使得经反射镜7反射后光线能够穿过成像窗口8照射在子宫内膜上，且子宫内膜受激发后产生的光声信号也能够通过成像窗口8被超声换能器6所接收。
光学传输通路包括光纤9、光纤耦合器10和自聚焦透镜11。
光学成像组件包括成像通道12和成像物镜。
内部套管4为圆柱形结构，沿内部套管4的轴向在内部套管4上开设光纤通道和成像通道12。
光纤通道与光纤9尺寸相适应，光纤9位于光纤通道内，光纤9 的一端用于与激光发生器、冷光光源连接，另一端与光纤耦合器10 连接，光纤耦合器10的前端设置自聚焦透镜11，自聚焦透镜11设置于内部套管4的前端，激光发生器或冷光光源发出的光线能够经光纤9进入光纤耦合器10进行耦合，耦合后的光线经自聚焦透镜11进行聚焦后进入反射镜7进行反射。
成像通道12上设置成像物镜，成像物镜选用白光成像物镜，成像物镜通过成像通道12采集子宫内膜表面图像。
将图像采集装置14穿过内部套管4与成像物镜连接，通过图像采集装置14获取子宫内膜表面的光学图像。
在具体实施时，配合使用的激光发生器为脉冲激光器，发出的脉冲激光波长范围为400nm～2600nm，波长范围覆盖可见光波段与近红外波段，脉冲宽度5ns～50ns，脉冲激光器的种类包括半导体激光器，固体激光器，染料激光器或气体激光器。本实施例选用EKSPKLA 公司的OPO激光器，输出波长范围为400nm～2600nm脉冲重复频率均为1KHz，脉冲宽度均小于10ns。
外部中空套管的外部直径为9mm，内部直径为8mm，内部套管外部直径为6mm。
成像窗口为环形透明片，允许光学和声波的传输。
超声换能器选用中心频率为40MHz，带宽为60％，尺寸为 0.6mm*0.5mm*0.2mm的水浸式超声换能器，该水浸式压电换能器能够实现高分辨成像。
光纤9选用多模光纤，多模光纤的制备材料为塑料、石英或者多组分玻璃纤维，并优选纤芯为50μm、包层为125μm的多模光纤。
成像物镜选用白色成像物镜。
图像采集装置选用微型可调焦光学摄像头，微型可调焦光学摄像头直径3.5mm，像素1280*720。
为了实现对子宫内膜组织的360°环形扫描成像，还设置了电机 13和传动组件15，电机13选用中空电机，固定于内部套管4上，电机13的输出轴经传动组件15与外部中空套管3连接，当电机13输出轴旋转时，通过传动组件15带动外部中空套管3旋转。
超声换能器6、反射镜7均与外部中空套管3机械连接，当外部中空套管3旋转时，带动超声换能器6和反射镜7一起旋转，实现对子宫内膜的360°环形扫描成像。
电机13选用微型步进电机。
传动组件15可以为齿轮传动、皮带传动或链传动，以齿轮传动为例进行说明，传动组件15包括内齿轮和外齿轮，内齿轮与外齿轮内啮合，内齿轮固定于电机13的输出轴上，并能够随输出轴旋转，外部中空套管3固定于外齿轮上，内齿轮带动外齿轮转动，进而带动外部中空套管3转动。
为了保证外部中空套管3旋转的平稳性，在外部中空套管3与内部套管4的连接处设置轴承16。
将外部中空套管3放置于外壳2内，作为该实施例公开子宫内窥镜的探头部分。
外壳2为透明的硬质外壳，采用亚克力材料，以实现对于整个探头部分的封装，外部直径为12mm，内部直径为10mm，长度为10cm。
将内部套管4的后端、电机13、传动组件和图像采集装置均放置于手持部件内，手持部件与外壳2连接。
电机13通过固定组件17与手持部件连接，内部套管4通过固定组件18与手持部件连接。
固定组件17和固定组件18均包括固定块，固定块均通过螺栓与电机、内部套管或手持部件连接。
光纤9、与超声换能器6连接的超声高频数据线19、与电机13 连接的电机控制线20，与图像采集装置连接的图像采集装置数据线 21均从手持部件内引出。
为避免内窥镜与子宫内膜组织的直接接触，提高内窥镜在短时间内的重复利用率，在外壳2的外部套设可以更换的保护套1，保护套 1与手持部件连接。
保护套1采用医疗级透光透声材料，保护套1在探头顶端部分为密封设置，与手持部件接触处为开口设计，并通过接口与手持部件连接固定，接口选用鲁尔接口。
电机、超声换能器、图像采集装置、激光发生器、冷光光源均与控制系统连接，控制系统接收超声换能器获取的光声图像、超声图像，及图像采集装置获取的光学图像，并对电机、超声换能器、激光发生器、冷光光源的启停进行控制。
本实施例公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，具体成像过程为：激光发生器发出激光，激光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，激发出光声信号，光声信号由超声换能器检测获得子宫内膜光声图像；
在激光发生器输出激光后延时一定时间，超声换能器发出超声信号，避免超声信号与光声信号的混叠，超声信号传输到子宫内膜表面，子宫内膜反射的超声信号由超声换能器检测获得子宫内膜超声图像；
由冷光光源发出冷光，冷光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，图像采集装置经成像装置获取子宫内膜表面光学图像；
通过光声图像、超声图像、光学图像对子宫内膜进行全面分析；
当采集完子宫内膜某一处的光声图像、超声图像以及光学图像后，控制微型步进电机带动位于外部中空套管的反射镜旋转，对下一处的子宫内膜组织进行光声图像、超声图像以及光学图像的采集，以此来完成对于子宫内膜的360°环形数据采集。
本实施例公开的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，能够通过光学、光声和超声三个模式对子宫内膜成像，集合了三种成像模式自身特有的优点，既可以利用光学成像获得子宫内膜的表层结构成像，又可以利用超声、光声成像获得内部信息，因而可获得多参数信息、多结构特征的子宫内膜物理图像，实现了对子宫内膜的全面观测。图像采集装置对子宫内膜的图像采集和超声换能器对子宫内膜光声的采集均通过成像窗口进行，为对子宫内膜同一位置的观测成像，保证了对子宫内膜同一位置全面检测的准确性。
实施例2
在该实施例中，公开了集光学、光声、超声一体化的多模成像方法，包括：
当激光发生器发出激光时，激光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，激发出光声信号，光声信号由超声换能器检测获得子宫内膜光声图像；
当超声换能器发出超声信号时，超声信号传输到子宫内膜表面，子宫内膜反射的超声信号由超声换能器检测获得子宫内膜超声图像；
当冷光光源发出冷光时，冷光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，图像采集装置经成像装置获取子宫内膜表面光学图像；
通过光声图像、超声图像、光学图像对子宫内膜进行全面分析。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，包括外部中空套管，外部中空套管内依次设置超声换能器、反射镜和内部套管，在外部中空套管上还设置成像窗口，成像窗口位于与超声换能器和反射镜的位置相对应处，内部套管的前端位于外部中空套管内，内部套管的后端伸出外部中空套管，在内部套管中设置光纤和成像通道，光纤的一端用于与激光发生器、冷光光源连接，另一端与光纤耦合器连接，光纤耦合器的前端设置自聚焦透镜，自聚焦透镜和成像通道的一端均位于内部套管的前端，成像通道上设置成像物镜，成像物镜与图像采集装置连接。
2.如权利要求1所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，光纤采用多模光纤。
3.如权利要求1所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，成像窗口采用环形透明窗口。
4.如权利要求1所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，外部中空套管的外部套设外壳。
5.如权利要求4所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，外壳的外部套设保护套。
6.如权利要求1所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，内部套管上设置电机，电机的输出轴通过传动组件与外部中空套管连接，电机输出轴旋转时能够带动外部中空套管旋转。
7.如权利要求6所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，传动组件为齿轮传动、带传动或链传动。
8.如权利要求6所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，内部套管的后端套设手持部件，电机、传动组件和图像采集装置均位于手持部件内。
9.如权利要求1所述的集光学、光声、超声一体化的多模成像子宫内窥镜，其特征在于，外部中空套管通过轴承与内部套管连接。
10.集光学、光声、超声一体化的多模成像方法，其特征在于，包括：
当激光发生器发出激光时，激光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，激发出光声信号，光声信号由超声换能器检测获得子宫内膜光声图像；
当超声换能器发出超声信号时，超声信号传输到子宫内膜表面，子宫内膜反射的超声信号由超声换能器检测获得子宫内膜超声图像；
当冷光光源发出冷光时，冷光通过光纤传输至光纤耦合器进行耦合，耦合后光线经自聚焦透镜进行聚焦后投射至反光镜处，由反光镜对光线进行反射，反射后光线穿过成像窗口进入子宫内膜表面，图像采集装置经成像装置获取子宫内膜表面光学图像；
通过光声图像、超声图像、光学图像对子宫内膜进行全面分析。
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