CN115708665A - 一种oct光学导管及取样成像装置与口腔oct成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OCT光学导管及取样成像装置与口腔OCT成像系统，OCT光学导管包括电热扫描机构与成像调节机构；其中电热扫描机构包括光纤、设于光纤端部的格林透镜、与光纤传动连接的电热驱动器、与电热驱动器电连接的PCB板，以及套设于电热驱动器上的固定套管；电热驱动器包括双热臂电热驱动器与设于双热臂电热驱动器的冷臂上的双晶片型电热驱动器；成像调节机构包括轴向滑动套设于固定套管上的移动管，以及嵌设于移动管内的平凹透镜。与现有技术相比，本发明驱动电压低，结构紧凑坚固，成像速度和范围、空间分辨率和非接触断层成像优于目前的口腔检测技术，将能够更清晰地分辨口腔中微小组织的结构特征，更好地为口腔疾病临床检测提供技术支持。

Description

一种OCT光学导管及取样成像装置与口腔OCT成像系统

技术领域

本发明属于生物医学光学技术领域，涉及一种OCT光学导管及取样成像装置与口腔OCT成像系统，尤其涉及一种电热式扫描的OCT光学导管及取样成像装置与口腔OCT成像系统。

背景技术

近年来，光学相干层析成像(OCT)技术的快速发展对口腔早期疾病的检测提供了有利的技术支持。OCT是一种非侵入，高分辨率，可在生物组织内部微结构进行成像的生物医学光学成像技术。其分辨率高达微米量级，是继X射线、CT、MRI、超声诊断技术之后的又一种新的层析成像方法，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或散射信号，通过扫描可得到生物组织二维或三维高分辨微观结构图像，实现对人体、生物体的活体无创检测，达到“光学活检”的目的。OCT技术广泛地应用在眼科、皮肤科、口腔科、内科、外科等多个领域。

自2005年起至今，OCT口腔检测技术的发展已日趋成熟，由最早可以成像口腔粘膜的OCT图，到如今健康和受损的牙龈组织和牙齿等的微观特征结构都可以通过OCT口腔检测技术清晰地分辨出来，这表现了口腔OCT技术在临床上“光学活检”的强大潜力。目前，国际上的口腔OCT系统已处于临床实验阶段，而口腔科OCT检测系统还没有国内设备。研发OCT口腔检测系统对于早期口腔疾病、无症状的口腔癌以及鳞状细胞癌的诊断有极大的研发和社会效益。

目前，用于口腔OCT内窥成像的光学导管部分采用4f系统的透镜组，部分采用自聚焦透镜。前者的扫描光驱动方式大都为X和Y振镜，这种扫描方式会导致帧内和帧间运动伪影从而对后期图像处理带来困难；此外，由于其为空气光路增大了光学导管的组装困难度。后者主要采用光纤光路传输，这很大程度上降低了光在空气中的损耗且便于安装，通常使用压电、电热、形状记忆合金或电活性离子聚合物致动器以共振频率激励光纤的近端。对于OCT系统的临床应用，如口腔内窥镜和咽喉内应用，出于安全考虑，首选低电压。此外，致动器必须结构简单，操作坚固，尺寸小，才能在内窥镜内正常工作，还要满足口腔内成像速度，成像范围的要求。因此电热式制动器驱动光纤近端形成扫描光束能够满足上述需求。目前基于电热式驱动的光学导管的研究主要用于生物体体内内窥镜成像，其尺寸和成像范围较小，这不满足口腔内窥探头的要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种OCT光学导管及取样成像装置与口腔OCT成像系统。本发明通过电流产生的焦耳热驱动光纤偏转，形成的扫描光束通过格林透镜和平凹透镜最后聚焦到样品上，同时平凹透镜可以有效增大扫描范围，从而克服现有口腔OCT成像探头驱动电压大、成像速度慢、成像范围小、探头结构复杂等至少一种缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种OCT光学导管，包括

电热扫描机构，包括光纤、设于光纤端部的格林透镜、与光纤传动连接的电热驱动器、与电热驱动器电连接的PCB板，以及套设于电热驱动器上的固定套管；

所述的电热驱动器包括双热臂电热驱动器(two-hot-arm horizontal thermalactuator)与设于双热臂电热驱动器的冷臂上的双晶片型电热驱动器(bimorphactuators)；所述的双晶片型电热驱动器与光纤相连接；

成像调节机构，包括轴向滑动套设于固定套管上的移动管，以及嵌设于移动管内的平凹透镜；所述的格林透镜设于移动管内，所述的平凹透镜设于格林透镜的进光光路上。

进一步地，所述的PCB板与外部电源电连接，并设有多个引脚，所述的双热臂电热驱动器、双晶片型电热驱动器与相应的引脚电连接。

进一步地，所述的双热臂电热驱动器与相应的引脚之间、双晶片型电热驱动器与相应的引脚之间设有电极，并通过电极电连接。

进一步地，所述的电热驱动器还包括嵌设于固定套管内起支撑固定作用的固定端，该固定端一侧上开设有供光纤穿过的光纤让位槽；另一侧用于固定PCB板。

进一步地，所述的移动管内设有格林透镜活动腔，该格林透镜活动腔的径向尺寸与轴向尺寸均大于格林透镜。

进一步地，所述的移动管端部设有与平凹透镜相适配的透镜容纳通孔。

一种设有如上所述的OCT光学导管的取样成像装置，包括手持柄，以及用于连接手持柄与OCT光学导管的连接部。

进一步地，所述的连接部包括连接套管；优选的，该连接套管包括直型连接套管与L型连接套管。

一种设有如上所述的OCT光学导管的口腔OCT成像系统。

本发明拟提供一种基于电热式扫描的口腔OCT检测系统，该系统的驱动电压低，结构紧凑坚固，且成像速度和范围优于目前其他电热扫描的光学探头，其空间分辨率和非接触断层成像也优于目前的口腔检测技术，将能够更清晰地分辨口腔中微小组织的结构特征，更好地为口腔疾病临床检测提供技术支持。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)相比基于压电陶瓷驱动的光学探头，本发明的驱动电压降低了1/2，可满足生物安全性的要求；

2)本发明的结构简单，避免复杂的空气光路搭建；

3)本发明的横向分辨率为12微米，能够更加清楚地分辨样品组织中的微小结构；

4)相比目前基于电热扫描的光学探头，本发明的成像范围扩大了7倍；

5)相比基于离子聚合物扫描的光学探头，本发明的成像速度增大了10～20 倍。

附图说明

图1、图3为本发明中一种OCT光学导管的结构示意图；

图2为电热扫描机构的结构示意图；

图4为电热驱动器的主视结构示意图；

图5、图6为电热驱动器的立体结构示意图；

图7为一种具有L型连接套管的取样成像装置的立体结构示意图；

图8为一种具有直型连接套管的取样成像装置的立体结构示意图；

图9为一种口腔OCT成像系统的结构示意图；

图中标记说明：

1-光纤、2-PCB板、3-电热制动器、4-固定套管、5-移动管、6-格林透镜、7- 平凹透镜、8-电极、9-光纤远端、10-格林透镜活动腔、11-透镜容纳通孔、12-冷臂、 13-光纤的水平运动驱动、14-光纤近端、15-光纤的垂直运动、16-热臂、17-光纤让位槽、18-手持柄、19-连接部、20-光学导管、21-波分复用器、22-CMOS相机、 23-CMOS相机图、24-OCT图、25-高CTE层、26-低CTE层、27-双热臂驱动器层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种电热驱动的OCT探头，优选的包括上下两个PCB板2，其上安置了2个金属板，其前端制成双热臂式的结构，同时其垂直方向的结构为双晶片型的电热驱动结构，整体构成一个电热制动器3，该电热制动器3以中空贯穿的形式安装在作为固定套管4的金属外壳中。电热制动器3下方中央开有凹槽，用于安置光纤1，光纤1近端与电热驱动器3相接，并使用金属管和UV胶将格林透镜6粘在光纤1 远端，格林透镜6与光纤1所在的空间足够大以容纳其各方向的位置偏移。格林透镜6后方安置一平凹透镜7，该透镜以凹槽的形式安装在作为移动管5的金属外壳中，其中移动管5可在固定套管4上沿轴向进行前后滑动，便于调节该光学导管 20的后焦面以适应不同位置的成像。

上述的电热制动器3通过PCB板2上的引脚以及金属电极8供电。其中，光纤1的水平运动驱动是由焦耳热引起的双热臂发生热膨胀，向冷臂12方向弯曲，从而带动与之相连的光纤1水平运动。光纤1的垂直运动是在硅悬臂和光纤1之间的双晶片结构引起光纤垂直运动。

上述的水平电热驱动采用双热臂的结构，电流仅流过外部热臂和内部热臂，而不通过冷臂12，从而产生的焦耳热全部用来驱动光纤1，相比传统单热臂的结构，这种双热臂免除了将冷臂12作为电路一部分的要求。它大大提高了功耗效率，因为这种热致动器中消耗的所有功率都会导致致动器的偏转。

上述的垂直电热驱动采用双晶片结构，该结构由两层组成：一层为高热膨胀系数(CTE)材料，另一层为低热膨胀系数材料。在驱动时，由于焦耳热的产生，高热膨胀层产生更多的膨胀，诱导应变将使整个结构向低热膨胀层弯曲。

上述的格林透镜6粘在光纤1的尖端，使光纤1带动格林透镜6一起扫描，这种结构比固定格林透镜6之前扫描光纤好，因为后者由于部分光离轴传播将会导致各种像差的产生，从而降低了光学探头的横向分辨率。

上述的平凹透镜7安置在格林透镜6后，其间距可调，从而改变探头后焦距。该透镜的主要作用是将由格林透镜6出射的扫描光范围增大，使光学导管的成像范围能够满足口腔OCT成像。

上述的光学导管呈一圆柱形管，为一独立结构，可以便携地安装在手持结构上，用于前视成像或侧视成像。手持结构分手持柄18和连接部19，手持柄18中以卡槽的形式安置光纤1和电线，连接结构的尺寸与光学导管20相同，主要作用是提供光学导管20和手持柄18之间的连接，完成前视及侧视成像。

上述光学导管20可以同时通过红外光和可见光，两种不同波长的光聚焦到待测样品上，反射光沿原路返回，在手持结构外部安置一波分复用器21，可见光经波分复用器21返回到CMOS相机22中成像，红外光则与由参考臂的返回光发生干涉并由光电探测器接收信号。最终在计算机的显示屏上成两种图像，分别是OCT 图24和CMOS相机图23。

上述的可见光主要作用是定位待检测的口腔组织，并通过显示屏实时显示。

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种OCT光学导管，包括电热扫描机构与成像调节机构。

如图2所示，电热扫描机构包括光纤1、设于光纤1端部的格林透镜6、与光纤1传动连接的电热驱动器3、与电热驱动器3电连接的PCB板2，以及套设于电热驱动器3上的固定套管4；其中，PCB板2与外部电源电连接，并设有多个引脚，双热臂电热驱动器、双晶片型电热驱动器与相应的引脚电连接。优选的，双热臂电热驱动器与相应的引脚之间、双晶片型电热驱动器与相应的引脚之间设有电极8，并通过电极8电连接。

电热驱动器3包括双热臂电热驱动器与设于双热臂电热驱动器的冷臂2上的双晶片型电热驱动器；双晶片型电热驱动器与光纤1相连接。

双热臂电热驱动器具体为双热臂驱动器层27(Si材料经由微加工制成)，包括冷臂2(cold arm)与热臂16(hot arm)，通过PCB板2向双晶片型电热驱动器供电，使电流仅流过热臂16不通过冷臂2，产生的焦耳热致使双热臂电热驱动器整体向冷臂2一侧横向偏转，进而引导光纤1产生横向振动；同时通过该结构亦可大大提高功耗效率。光纤1的纵向振动是通过双热臂驱动器和光纤1之间的双晶片型电热驱动器来实现的，该驱动器包括堆叠设置于双热臂驱动器层27下侧且具有不同热膨胀系数的高CTE层25(环氧树脂)与低CTE层26(石墨烯)，通过PCB 板2向双晶片型电热驱动器供电，产生的焦耳热致使双层材料产生不同膨胀程度，高CTE层25中产生更多膨胀，并且诱导应变将使整个结构向低CTE层26弯曲，进而驱动光纤1产生纵向偏转。通过光纤的横向与纵向偏转以带动格林透镜6一起振动，从而避免产生像差，由此提高横向分辨率。

电热驱动器3还包括嵌设于固定套管4内起支撑固定作用的固定端，该固定端一侧中央开设有用于安置光纤1的光纤让位槽17；另一侧用于固定PCB板2。

在一些优选的实施例中，固定端上下侧设有两个PCB板2，其上安置了2个金属板，金属板前端制成双热臂电热驱动器结构，上层或下层沉积高CTE材料或低CTE材料形成双晶片型电热驱动器结构。

在一些优选的实施例中，光纤1选用多模光纤，多模光纤中可以同时通过 1310nm的红外光及可见光，可见光定位待检测的口腔组织并实时显示。

在一些优选的实施例中，格林透镜6通过金属管与UV胶粘接在光纤1端部。

成像调节机构包括轴向滑动套设于固定套管4上的移动管5、设于移动管5端部的透镜容纳通孔11，以及嵌设于透镜容纳通孔11内的平凹透镜7。移动管5内设有格林透镜活动腔10，该格林透镜活动腔10的径向尺寸与轴向尺寸均大于格林透镜6，以提供格林透镜6容纳其各方向的位置偏移空间，避免格林透镜6与移动管5内壁发生碰撞。

平凹透镜7设于格林透镜6的进光光路上，用于提供更大的光扫描范围满足口腔组织成像。移动管5与固定套管4之间可相对滑动，使平凹透镜7与格林透镜6 的间距可调，由此可以灵活改变整个OCT光学导管的后焦距，以适应不同位置的成像。同时平凹透镜7还可增大出射光的扫描范围，使光学导管的成像范围能够满足口腔OCT成像。

在一些优选的实施例中，固定套管4与移动管5均为金属管。

为提高OCT光学导管的便携性，如图6、7所示，将手持柄18、连接部19、 OCT光学导管20相互组装以得到一种取样成像装置。其中，手持柄18中以卡槽的形式安置光纤1和电线，连接部19的尺寸与光学导管20相同，优选为直型连接套管与L型连接套管，主要作用是提供光学导管和手柄之间的连接，完成前视成像或侧视成像。

光学导管20可以同时通过红外光和可见光，可见光主要作用是定位待检测的口腔组织，并通过显示屏实时显示；红外光则与由参考臂的返回光发生干涉，最终在计算机的显示屏上成两种图像，分别是OCT图24和CMOS相机图23。

本实施例还包括如图5所示的一种配合取样成像装置使用的口腔OCT成像系统，包括参考臂部分以及样品臂部分。其中参考臂部分的光路原理与一般OCT系统参考臂一致，样品臂部分的光路原理为：可见光源发出的光经过光纤环形器到达波分复用器21，与扫频光源的光合并到一条光纤1中传输，经过样品臂入射到样品上，从样品反射的光经原路返回，到达波分复用器，重新将可见光和近红外光分别载波，其中可见光经环形器进入CMOS相机，近红外光经环形器与参考臂的返回光进行干涉。

实施例2：

一种基于电热式扫描的口腔OCT系统，其中用于该系统的光学导管由两部分构成，第一部分为固定的电热扫描仪结构，主要由PCB板2、电热驱动器3、多模光纤1、格林透镜6、固定套管4构成。其中，电热制动器3以中空贯穿的形式安装在固定套管4中。电热制动器3下方中央开有光纤让位槽17，用于安置多模光纤1，光纤近端14与电热驱动器3相接，并使用金属管和UV胶将格林透镜6粘在光纤远端9，格林透镜6与光纤所在的空间10足够大以容纳其各方向的位置偏移。第二部分可在第一部分的金属外壳上沿轴方向前后滑动，是一个可活动部分，主要由平凹透镜7和移动管5组成。其中，平凹透镜7以凹槽的形式安装在金属外壳5中，其中移动管5可在固定套管4上沿轴方向进行前后滑动，便于调节该光学导管的后焦面以适应不同位置的成像。

上述的电热制动器3通过PCB板2上的金属电极8供电。其中，光纤的水平运动驱动13是由焦耳热引起的双热臂16发生热膨胀，向冷臂12方向弯曲，从而带动与之相连的光纤1水平运动。光纤的垂直运动15是在硅悬臂和光纤1之间的双晶片结构引起光纤1垂直运动。其中，双晶片结构为两种不同热膨胀系数的材料构成的层状结构，启动时，焦耳热将在高CTE层25中产生更多膨胀，并且诱导应变将使整个结构向低CTE层26弯曲。

上述的光学导管20呈一圆柱形管，为一独立结构，可以便携地安装在手持结构上，用于前视成像或侧视成像。手持结构分手持柄18和连接部19，手持柄18 中以卡槽的形式安置光纤1和电线，连接部19的尺寸与光学导管20相同，主要作用是提供光学导管20和手持柄18之间的连接，完成前视及侧视成像。

上述光学导管20可以同时通过红外光和可见光，两种不同波长的光聚焦到待测样品上，反射光沿原路返回，在手持结构外部安置一波分复用器21，可见光经波分复用器返回到CMOS相机22中成像，红外光则与由参考臂的返回光发生干涉并由光电探测器接收信号。最终在计算机的显示屏上成两种图像，分别是OCT图和CMOS相机图。

具体的，上述电热扫描的口腔OCT系统结构如图5所示，包括参考臂部分以及样品臂部分。其中，参考臂部分的光路原理与一般OCT系统参考臂一致，样品臂部分的光路原理为：可见光源发出的光经过光纤环形器到达波分复用器21，与扫频光源的光合并到一条光纤1中传输，经过样品臂入射到样品上，从样品反射的光经原路返回，到达波分复用器，重新将可见光和近红外光分别载波，其中可见光经环形器进入CMOS相机，近红外光经环形器与参考臂的返回光进行干涉。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种OCT光学导管，其特征在于，包括

电热扫描机构，包括光纤(1)、设于光纤(1)端部的格林透镜(6)、与光纤(1)传动连接的电热驱动器(3)、与电热驱动器(3)电连接的PCB板(2)，以及套设于电热驱动器(3)上的固定套管(4)；

所述的电热驱动器(3)包括双热臂电热驱动器与设于双热臂电热驱动器的冷臂(2)上的双晶片型电热驱动器；所述的双晶片型电热驱动器与光纤(1)相连接；

成像调节机构，包括轴向滑动套设于固定套管(4)上的移动管(5)，以及嵌设于移动管(5)内的平凹透镜(7)；所述的格林透镜(6)设于移动管(5)内，所述的平凹透镜(7)设于格林透镜(6)的进光光路上。

2.根据权利要求1所述的一种OCT光学导管，其特征在于，所述的PCB板(2)与外部电源电连接，并设有多个引脚，所述的双热臂电热驱动器、双晶片型电热驱动器与相应的引脚电连接。

3.根据权利要求2所述的一种OCT光学导管，其特征在于，所述的双热臂电热驱动器与相应的引脚之间、双晶片型电热驱动器与相应的引脚之间设有电极(8)，并通过电极(8)电连接。

4.根据权利要求1所述的一种OCT光学导管，其特征在于，所述的电热驱动器(3)还包括嵌设于固定套管(4)内起支撑固定作用的固定端，该固定端一侧上开设有供光纤(1)穿过的光纤让位槽(17)。

5.根据权利要求1所述的一种OCT光学导管，其特征在于，所述的移动管(5)内设有格林透镜活动腔(10)，该格林透镜活动腔(10)的径向尺寸与轴向尺寸均大于格林透镜(6)。

6.根据权利要求1所述的一种OCT光学导管，其特征在于，所述的移动管(5)端部设有与平凹透镜(7)相适配的透镜容纳通孔(11)。

7.一种设有如权利要求1至6任一项所述的OCT光学导管的取样成像装置，其特征在于，该装置包括手持柄(18)，以及用于连接手持柄(18)与OCT光学导管(20)的连接部(19)。

8.根据权利要求7所述的取样成像装置，其特征在于，所述的连接部(19)包括连接套管。

9.根据权利要求8所述的取样成像装置，其特征在于，所述的连接套管包括直型连接套管与L型连接套管。

10.一种设有如权利要求1至6任一项所述的OCT光学导管的口腔OCT成像系统。

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