CN115670385A - 一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置及控制方法，包括光声效应激发光源、成像光源、光合束器、近端扫描装置和光纤微探头，光纤微探头包括光纤波导、至少部分由光声吸收材料制成的光束聚焦部件、反射器件、保护罩和扭矩管，激发光和成像光在光合束器处汇合，光合束器通过近端扫描装置、扭矩管连接至光纤波导，光纤波导将激发光和成像光传送至光束聚焦部件，激发光能够被光声吸收材料吸收，成像光经光束聚焦部件透射聚焦后通过反射器件改变方向至被试腔道，保护罩设置在光纤波导、光束聚焦部件和反射器件的外部。本发明可以在深度方向高速扫描，全光学构成，不损失光纤电磁兼容和生物相容性优势，探头结构简单、紧凑、体积小。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息技术领域，尤其涉及一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置及控制方法。
背景技术
光纤波导是在人体腔道(如消化道、血管等)进行光学成像和治疗的主要媒介，具有精准、柔性、体积小、生物相容、电磁兼容等优势，被大量应用于临床，如基于光热/非热、光化学等机理的治疗，基于荧光、光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)、多光谱等各类光学内镜，以及光学导航的靶向药物递送等。
由于光纤输出端光束发散，要利用到光学的精准性优势，需结合额外元件或设计(如采用渐变折射率透镜或球透镜)，以实现光束的再聚焦，然后通过逐点扫描的方式，实现微米级乃至亚微米级精度的成像或治疗。通常，这种逐点扫描是在体外控制，以机械方式实现光纤在人体腔道内的轴向移动和周向旋转的方式实现的，也被称为近端扫描。近年来，随着微机电系统(Micro Electromechanical System,MEMS)、压电器件等技术的发展，逐点扫描可通过对输出端的光束进行偏移，或微移光纤输出端实现，也被称为远端扫描。但远端扫描由于探头成本远高于近端扫描，且尺寸较大，目前仍很少被临床采用。
前向扫描，通常用于病灶位置与腔道轴向接近正交，或腔道直径较大时。通过远端光束或光纤调制二维面扫描(或通过近端特殊光机设计)，结合光纤腔道内轴向移动实现深度方向扫描，可协同实现三维扫描(各类设计请参照综述Biomed.Opt.Express8,2405-2444,2017)。然而，侧向扫描，通常用于小口径的腔道侧壁的成像和治疗，如血管内OCT用于动脉粥样硬化诊疗。然而，目前仍很少有方法实现侧向的三维扫描。通过光纤周向旋转和轴向移动可以焦点实现二维扫描，但不能进行深度方向扫描。因此，现有的临床血管OCT系统只能适用于特定的管径范围，无法进行调谐。也难以实现三维逐点扫描(多光子效应)适形的激光消融。通过文献调研，仅有的深度方向可调的报道是Opt.Lett.42,4040-4043,2017。该工作采用了加热/冷却性状记忆合金弹簧的方式，实现了1.5毫米的调焦范围。然而，这一方法调节速度较慢，无法满足临床应用中对治疗时间的控制需求。例如，由于血液对消融治疗激光的强吸收作用，因此在治疗过程中需隔断血液，若治疗时间过长则会引发缺血反应。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置及控制方法，以克服现有血管内光学侧向扫描技术的上述局限性。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何针对现有血管内光学侧向扫描技术的上述局限性，设计一种血管内光纤探头侧向三维扫描控制方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置，包括光声效应激发光源、成像光源、光合束器、近端扫描装置和光纤微探头，所述光纤微探头包括光纤波导、至少部分由光声吸收材料制成的光束聚焦部件、反射器件、保护罩和扭矩管，所述光声效应激发光源输出的激发光和所述成像光源的输出的成像光在所述光合束器处汇合，所述光合束器通过所述近端扫描装置、扭矩管连接至所述光纤波导，所述光纤波导被配置为将所述激发光和所述成像光传送至所述光束聚焦部件，所述激发光能够被所述光声吸收材料吸收，所述成像光被配置为经所述光束聚焦部件透射聚焦后通过所述反射器件改变方向至被试腔道，所述保护罩设置在所述光纤波导、光束聚焦部件和反射器件的外部。
进一步地，所述光声效应激发光源与成像光源的输出光谱范围至少有部分不重合。
进一步地，所述光声效应激发光源的输出光谱范围与所述光声吸收材料的吸收光谱范围至少有部分重合。
进一步地，所述光合束器包括空间光器件和光纤器件中的一种。
进一步地，所述近端扫描装置被配置为通过旋转所述光纤微探头，实现被试腔道的侧向三维扫描中的周向扫描，以及通过前后移动所述光纤微探头，实现被试腔道的侧向三维扫描中的轴向扫描。
进一步地，所述光声吸收材料被配置为吸收所述激发光，引发自身的热膨胀，进而改变所述成像光的聚焦状态，以实现径向调焦。
进一步地，所述光束聚焦部件包括依次相连的吸收部和聚焦部，所述吸收部由所述光声吸收材料制成。
更进一步地，所述聚焦部包括微透镜、渐变折射率透镜、渐变折射率光纤、球透镜中的一种。
进一步地，光束聚焦部件由顶端具有弧面的所述光声吸收材料制成。
本发明还提供了一种如上所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、将侧向三维扫描装置的光纤微探头远端置于被试腔道中；
步骤2、成像光从光纤波导输出后依次经过至少部分由光声吸收材料制成的光束聚焦部件、反射器件，形成聚焦光束；
步骤3、通过近端扫描装置结合扭矩管实现光纤微探头的自旋，实现被试腔道周向扫描；同时通过近端扫描装置对光纤的轴向推拉，实现被试腔道轴向扫描；
步骤4、在光声效应激发光束的作用下，光声吸收材料发生热致膨胀改变光程，导致焦点在被试腔道径向上的移动，实现被试腔道径向扫描。
与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：
(1)深度方向高速扫描，缩短成像、治疗所需时间。本发明利用光声效应实现焦点在深度方向的往复扫描，通过调节激发光的脉冲宽度和重复频率可实现对扫描速度的控制。光声效应可获得兆赫兹以上的声学频率，故能实现高速扫描。
(2)全光学构成，不损失光纤电磁兼容和生物相容性优势。本发明中血管的周向和轴向扫描采用近端机械控制方式。径向(深度方向)扫描利用光声效应，由位于探头远端的光声吸收材料和光纤波导传输的激光脉冲协同实现。无额外的电子学、机械部件。
(3)探头结构简单、紧凑、体积小，血管通过率高。本发明中三个维度扫描实现和控制均在近端(体外)完成。相较于现有临床和研究中使用的血管内二维光学扫描探头，仅在探头远端增加了光声效应中所需的光声吸收材料，对探头复杂度和体积的影响较小。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的装置整体的结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的血管内探头三维扫描方式的实现示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的血管深度方向(径向)扫描方式的具体示意图；
图4是本发明的另一些较佳实施例的血管深度方向(径向)扫描装置的光束聚焦部件示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1是本发明的一种优选实施例的装置整体结构示意图，其构成包括光声效应激发光源11、成像(或治疗)光源12、光合束器13、近端扫描装置14和光纤微探头15。光纤微探头15中进一步包括光纤波导16、光声吸收材料17、光束聚焦器件18、反射器件19、保护罩20和扭矩管21。
上述各部件的连接关系如下：
光声效应激发光源11和成像(或治疗)光源12的输出光在光合束器13处汇合，之后依次通过近端扫描装置14和光纤微探头15，到达远端血管内指定位置，进行侧向扫描成像(或治疗)。在光纤微探头15的远端，激发光和成像(或治疗)光由光纤波导16输出。接着，激发光被光声吸收材料17吸收，成像(或治疗)光则透射经过光声吸收材料17到达光束聚焦器件18。随后，成像(或治疗)光束被反射器件19改变方向至血管壁，即侧向。上述部件外部有保护罩20和扭矩管21。
光声效应激发光源11与成像(或治疗)光源12的输出光谱范围至少有部分不重合。
光声效应激发光源11的输出光谱范围与光声吸收材料17吸收光谱范围至少有部分重合。
光声效应激发光源11和成像(或治疗)光源12的输出光通过光合束器13实现共光路，光合束器13具体可以选择空间光器件，如分束器、二向色镜等，也可以选择光纤器件，如波分复用器、合束器等。
近端扫描装置14通过旋转和前后移动光纤微探头15，实现血管侧向三维扫描中的轴向和周向扫描。其中的驱动和控制具体可由电机和控制电路实现。
光纤波导16将光声效应激发光和成像(或治疗)光传输到远端，即血管内，具体采用经皮、经腔道等介入方式。
光纤波导16可根据传输光的特征和用途采用不同类型的光纤，具体如单模光纤、多模光纤、双包层光纤、光子晶体光纤、氟化物光纤等。
光声吸收材料17的作用是吸收光声效应激发光源11的输出光，引发自身的热膨胀，进而改变成像(或治疗)光源12输出光的聚焦状态，以实现深度方向(径向)调焦。光声吸收材料17具体可为聚二甲基硅氧烷、共聚酯硅胶、氢氧化镍等。
光束聚焦器件18将成像(或治疗)光束聚焦，以实现高空间分辨率成像或精准治疗定位，具体可为微透镜、渐变折射率透镜(或光纤)、球透镜等。
反射器件19的作用是将成像(或治疗)光由前向变为侧向，具体可由镀有金属或介质反射膜的斜面或全内反射器件等实现。
保护罩20旨在避免血液和异物对光路的影响，具体可由石英、光学透明聚合物等材料制成。
扭矩管21将近端扫描装置14处提供的旋转扭矩传递到远端，以实现远端的旋转周向扫描，具体可由铝合金等材料制成。
图2是本发明中血管内探头三维扫描方式整体实现示意图。近端扫描装置14结合扭矩管21以实现光纤微探头15的自旋，由于旋转方向与成像(或治疗)光出射方向垂直，即可实现血管周向扫描。近端扫描装置14同时通过对光纤的轴向推拉实现血管轴向扫描。第三个维度，即径向(深度方向)，则是通过光声吸收材料17和光声效应激发光源11协同实现的，实现位置在远端。
图3即为本发明中血管深度方向(径向)扫描方式的具体示意。参照图3左半部，成像(或治疗)光束31从光纤波导16输出后依次经过光声吸收材料17、光束聚焦器件18和反射器件19，形成聚焦光束。参照图3右半部，在光声效应激发光束32的作用下，光声吸收材料17发生热致膨胀改变光程，导致焦点33在血管径向上的移动，即可实现深度方向的扫描。
图4是本发明中血管深度方向(径向)扫描装置的另外两种典型实现方式。第一种方式(图4左半部示出)中，光纤波导41依次与光束聚焦器件42和光声吸收材料43连接。这一方式相较于图1和3中设计仅连接顺序不同，但可达到类似效果。第二种方式(图4右半部示出)中，光纤波导44与光声吸收材料45相连。不同于第一种方式，光声吸收材料45是通过调节顶端弧面的曲率半径来改变焦点位置。在光声效应激发光束32的作用下，光声吸收材料45发生热膨胀，进而引起顶端弧面曲率变化，进而改变焦距，这一过程可由平凸透镜来近似：
其中，f为焦距，r为顶端弧面的曲率半径，n为光声吸收材料的折射率。
本发明主要具有以下优点：
(1)深度方向高速扫描，缩短成像、治疗所需时间。本发明利用光声效应实现焦点在深度方向的往复扫描，通过调节激发光的脉冲宽度和重复频率可实现对扫描速度的控制。光声效应可获得兆赫兹以上的声学频率，故能实现高速扫描。
(2)全光学构成，不损失光纤电磁兼容和生物相容性优势。本发明中血管的周向和轴向扫描采用近端机械控制方式。径向(深度方向)扫描利用光声效应，由位于探头远端的光声吸收材料和光纤波导传输的激光脉冲协同实现。无额外的电子学、机械部件。
(3)探头结构简单、紧凑、体积小，血管通过率高。本发明中三个维度扫描实现和控制均在近端(体外)完成。相较于现有临床和研究中使用的血管内二维光学扫描探头，仅在探头远端增加了光声效应中所需的光声吸收材料，对探头复杂度和体积的影响较小。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，包括光声效应激发光源、成像光源、光合束器、近端扫描装置和光纤微探头，所述光纤微探头包括光纤波导、至少部分由光声吸收材料制成的光束聚焦部件、反射器件、保护罩和扭矩管，所述光声效应激发光源输出的激发光和所述成像光源的输出的成像光在所述光合束器处汇合，所述光合束器通过所述近端扫描装置、扭矩管连接至所述光纤波导，所述光纤波导被配置为将所述激发光和所述成像光传送至所述光束聚焦部件，所述激发光能够被所述光声吸收材料吸收，所述成像光被配置为经所述光束聚焦部件透射聚焦后通过所述反射器件改变方向至被试腔道，所述保护罩设置在所述光纤波导、光束聚焦部件和反射器件的外部。
2.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述光声效应激发光源与成像光源的输出光谱范围至少有部分不重合。
3.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述光声效应激发光源的输出光谱范围与所述光声吸收材料的吸收光谱范围至少有部分重合。
4.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述光合束器包括空间光器件和光纤器件中的一种。
5.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述近端扫描装置被配置为通过旋转所述光纤微探头，实现被试腔道的侧向三维扫描中的周向扫描，以及通过前后移动所述光纤微探头，实现被试腔道的侧向三维扫描中的轴向扫描。
6.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述光声吸收材料被配置为吸收所述激发光，引发自身的热膨胀，进而改变所述成像光的聚焦状态，以实现径向调焦。
7.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述光束聚焦部件包括依次相连的吸收部和聚焦部，所述吸收部由所述光声吸收材料制成。
8.如权利要求7所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，所述聚焦部包括微透镜、渐变折射率透镜、渐变折射率光纤、球透镜中的一种。
9.如权利要求1所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置，其特征在于，光束聚焦部件由顶端具有弧面的所述光声吸收材料制成。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的血管内光纤探头侧向三维扫描装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将侧向三维扫描装置的光纤微探头远端置于被试腔道中；
步骤2、成像光从光纤波导输出后依次经过至少部分由光声吸收材料制成的光束聚焦部件、反射器件，形成聚焦光束；
步骤3、通过近端扫描装置结合扭矩管实现光纤微探头的自旋，实现被试腔道周向扫描；同时通过近端扫描装置对光纤的轴向推拉，实现被试腔道轴向扫描；
步骤4、在光声效应激发光束的作用下，光声吸收材料发生热致膨胀改变光程，导致焦点在被试腔道径向上的移动，实现被试腔道径向扫描。
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