CN116439639B - 内窥成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种内窥成像系统，包括光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统、干涉系统和光纤内窥探头；光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统分别与光纤内窥探头连接，且共用光纤内窥探头；光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统共用干涉系统。本申请提供的内窥成像系统应用范围广，集成度高，体积小且成本低。
Description
技术领域
本申请涉及光学内窥成像技术领域，尤其涉及一种内窥成像系统。
背景技术
目前，恶性肿瘤已成为严重威胁人类健康的全球主要公共卫生问题之一，在恶性肿瘤发生的初期进行早诊早治是提高恶性肿瘤患者治愈率、降低患者痛苦和减轻患者经济负担的有效手段。内镜医生常用内窥镜有常规白光内窥镜，并常用窄带成像进行辅助，由于探测深度有限，不能对藏匿于粘膜表皮以下的早癌症状进行诊断。随着新型光学内窥成像技术的迅速发展，具有无创、高分辨率、断层成像、三维成像等特征的光学相干断层扫描技术(Optical coherence tomography，OCT)系统与光纤内窥镜成像系统引起了人们的关注，OCT与光纤内窥镜结合的OCT内窥镜越来越多地被用于临床研究，以提高疾病诊断准确率。OCT利用光对组织的散射特性，而光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)利用光信号对组织的吸收特性，通过将OCT与PAI结合，可以获得组织的全面信息。除此之外，OCT与多普勒特性结合可以获得功能信息，如血氧饱和度和血流速度；PAI同样可以获得功能信息，如血氧饱和度和血流速度，除此之外，PAI还可以获得血管结构。鉴于OCT和PAI具有众多优势，但肿瘤细胞分子特异性不强，而荧光成像具有较高的分子特异性和较高的灵敏度，但成像深度有限，不能观测到藏匿于粘膜表皮以下的病灶。另外目前OCT系统存在价格昂贵(～10万美元)和尺寸较大(～1m3)的问题，在进行包含OCT在内的多个光学成像模态集成时，系统价格更加昂贵、系统尺寸更大以及系统变得更加复杂。
发明内容
本申请提供一种成本较低，体积较小且集成度高的内窥成像系统。
本申请提供一种内窥成像系统，包括：光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统、干涉系统和光纤内窥探头；所述光学相干断层成像系统、所述非接触光声成像系统、所述荧光成像系统分别与所述光纤内窥探头连接，且共用所述光纤内窥探头；所述光学相干断层成像系统和所述非接触光声成像系统共用所述干涉系统。
可选的，所述光学相干断层成像系统包括第一宽带扫频光源、第一宽带耦合器、第一平衡探测器、第一数据采集器；所述第一宽带扫频光源通过所述干涉系统与所述第一宽带耦合器连接，所述第一平衡探测器分别与所述第一宽带耦合器、所述第一数据采集器连接；
所述非接触光声成像系统包括脉冲光源、第二宽带扫频光源、第二宽带耦合器、第二平衡探测器、第二数据采集器；所述脉冲光源与所述干涉系统连接，所述第二宽带扫频光源通过所述干涉系统与所述第二宽带耦合器连接，所述第二平衡探测器分别与所述第二宽带耦合器、所述第二数据采集器连接；
所述荧光成像系统包括荧光光源、光电倍增管、第三数据采集器，所述荧光光源通过所述干涉系统与光电倍增管连接，所述第三数据采集器与所述光电倍增管连接；
所述干涉系统包括第一合波器、第二合波器、偏振控制器、宽带保偏光纤环形器、宽带可调谐分束器、参考臂、合束器、波分器和双包层耦合器；其中，所述第一合波器用于连接所述第一宽带扫频光源与所述第二宽带扫频光源，所述第二合波器用于连接所述脉冲光源、所述荧光光源以及所述宽带可调谐分束器，所述偏振控制器用于连接所述第一合波器和宽带保偏光纤环形器，所述宽带可调谐分束器用于连接所述宽带保偏光纤环形器、合束器、第二合波器和所述参考臂，所述波分器用于连接所述合束器、所述第一宽带耦合器和第二宽带耦合器，所述双包层耦合器用于连接所述第二合波器、所述光电倍增管和所述光纤内窥探头。
可选的，所述内窥成像系统还包括光波导平台，所述干涉系统的所述第一合波器、所述第二合波器、所述宽带可调谐分束器、所述参考臂、所述合束器、所述波分器，以及所述第一宽带耦合器和所述第二宽带耦合器均集成在光波导平台上。
可选的，所述光波导平台为铌酸锂薄膜波导平台。
可选的，所述光波导平台为绝缘体上硅波导平台。
可选的，所述光波导平台为Si3N4波导平台。
可选的，所述光波导平台为SiO2波导平台。
可选的，所述内窥成像系统包括七通道光纤阵列，所述光波导平台通过所述七通道光纤阵列分别与所述第一宽带扫频光源、所述第二宽带扫频光源、所述偏振控制器、所述宽带保偏光纤环形器、所述脉冲光源及所述荧光光源连接；所述七通道光纤阵列的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面有倾斜角度，且所述光波导平台的端面的倾斜角度与所述七通道光纤阵列的端面倾斜角度一致。
可选的，所述七通道光纤阵列包括多模光纤和保偏光纤，所述荧光光源和所述脉冲光源通过所述多模光纤与所述第二合波器的输入通道连接，所述宽带保偏光纤环形器的两个通道分别通过所述保偏光纤与所述宽带可调谐分束器的输入通道、所述合束器的输入通道连接，所述偏振控制器通过所述保偏光纤与所述第一合波器的输出通道连接，所述第一宽带扫频光源和所述第二宽带扫频光源通过所述保偏光纤与所述第一合波器的两个输入通道连接。
可选的，与所述七通道光纤阵列连接的所述光波导平台的相邻的两个通道之间的间距为127μm；或250μm。
可选的，所述保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
可选的，所述内窥成像系统包括五通道光纤阵列，所述光波导平台通过所述五通道光纤阵列分别与所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器及所述双包层耦合器连接；所述五通道光纤阵列的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面的倾斜角度与所述五通道光纤阵列的端面倾斜角度一致。
可选的，所述五通道光纤阵列包括双包层光纤和保偏光纤，所述双包层耦合器通过所述双包层光纤与所述第二合波器的输出通道连接，所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器通过所述保偏光纤分别与所述第一宽带耦合器和所述第二宽带耦合器的四个输出通道连接。
可选的，与所述五通道光纤阵列连接的所述光波导平台的相邻的两个通道之间的间距为127μm；或250μm。
可选的，所述保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
可选的，所述第一宽带扫频光源、所述第二宽带扫频光源、所述脉冲光源、所述荧光光源、所述第一平衡探测器和所述第二平衡探测器与所述光波导平台异质集成或倒装集成。
可选的，所述第一宽带扫频光源的中心波长为1310nm。
可选的，所述第二宽带扫频光源的中心波长为1550nm。
可选的，所述第一宽带扫频光源的带宽大于130nm。
可选的，所述参考臂包括宽带可调谐光延迟线、宽带可调谐光衰减器和萨格纳克环，所述宽带可调谐光延迟线和所述宽带可调谐分束器连接，所述宽带可调谐光衰减器与所述宽带可调谐光延迟线连接，所述萨格纳克环与所述宽带可调谐光衰减器连接。
可选的，所述宽带可调谐光延迟线为连续可调谐光延迟线；所述宽带可调谐光延迟线包括1bit的延迟线结构与离散可调谐延迟线结构级联而成的延迟线；其中，所述离散可调谐延迟线结构包括开关单元和延迟单元，所述开关单元和所述延迟单元均设有电极；所述1bit的延迟线结构用于连续可调谐延迟部分，其最大的延迟范围与其级联的所述离散可调谐延迟线结构的延迟步长相等，所述离散可调谐延迟线结构包括光开关与不等长的波导对相间连接而成的延迟线，通过调谐所述光开关上的电极选择不同的路径以形成不同的延迟。
可选的，所述宽带可调谐光衰减器为MZI结构。
可选的，所述光纤内窥探头包括双包层光纤，其中所述双包层光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状。
可选的，所述光纤内窥探头包括双包层光纤和无芯光纤，所述双包层光纤与所述无芯光纤连接，其中所述无芯光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状。
可选的，所述光纤内窥探头包括双包层光纤和渐变折射率多模光纤，所述双包层光纤与所述渐变折射率多模光纤连接，其中所述渐变折射率多模光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状。
可选的，所述光纤内窥探头包括双包层光纤、无芯光纤和渐变折射率多模光纤，所述双包层光纤、所述无芯光纤和所述渐变折射率多模光纤依次连接；其中，所述渐变折射率多模光纤远离所述无芯光纤的一端烧结成球状，并磨抛成半球状。
可选的，所述双包层光纤包括纤芯和包裹于所述纤芯外的内包层，所述纤芯用于传输所述光学相干断层成像系统的光信号和所述非接触光声成像系统的光信号，所述内包层用于传输所述非接触光声成像系统的脉冲光和所述荧光成像系统的激发荧光和发射荧光。
可选的，所述光纤内窥探头包括双包层光纤、无芯光纤和渐变折射率多模光纤；部分的所述双包层光纤及全部的所述无芯光纤和全部的所述渐变折射率多模光纤被封装在带有通光孔的金属保护装置中；其中所述渐变折射率多模光纤相对所述双包层光纤更靠近设于所述通光孔的一端设置，其余未封装在所述金属保护装置中的所述双包层光纤被封在金属线圈中。
可选的，所述双包层光纤被封装在所述金属保护装置中的尺寸范围是2mm-5mm。
可选的，所述光纤内窥探头的直径小于等于1mm。
可选的，所述光纤内窥探头被封装在透明塑料套管中。
可选的，所述内窥成像系统包括第一连接器、轴组件及第二连接器，所述轴组件分别与所述第一连接器和所述第二连接器连接，所述双包层耦合器依次通过所述第一连接器、所述轴组件及所述第二连接器和所述光纤内窥探头连接；所述内窥成像系统包括螺旋式旋转组件，所述螺旋式旋转组件包括旋转直流电机、与所述旋转直流电机连接的传送带，所述传送带与所述轴组件连接，所述光纤内窥探头依次通过所述第二连接器、所述轴组件与所述传送带连接，所述旋转直流电机包括转子，所述旋转直流电机通过所述转子与所述传送带连接，且通过所述转子驱动所述传送带运动，从而带动整个所述光纤内窥探头旋转。
可选的，所述螺旋式旋转组件包括直线平移平台，所述旋转直流电机、所述传送带、所述第一连接器、所述轴组件及所述第二连接器集成于同一所述直线平移平台；所述螺旋式旋转组件包括直线电机、螺杆和螺母，所述直线电机通过所述螺杆、所述螺母与所述轴组件连接；所述直线电机转动带动所述螺杆转动，进而带动所述螺母移动，使所述直线平移平台直线平移，从而使所述直线平移平台的所述轴组件及所述轴组件内的双包层光纤、所述旋转直流电机、所述第一连接器、所述第二连接器直线平移，从而带动整个所述光纤内窥探头直线平移。
本申请实施例提供的内窥成像系统，光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统通过共用一个干涉系统，不仅降低了整体系统的尺寸，也进一步地降低了系统的价格，且光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统共用同一个光纤内窥探头，可以在狭小空间的多腔内器官中使用，进而扩大内窥成像系统在腔内器官中的应用范围，集成度高，空间利用率高。
附图说明
图1所示为本申请的内窥成像系统的结构示意图。
图2所示为图1所示的内窥成像系统的光纤内窥探头的截面示意图。
其中，附图标记如下：
1为第一宽带扫频光源，11为第二宽带扫频光源，13为偏振控制器，14为脉冲光源，15为荧光光源，17为双包层耦合器，2为宽带保偏光纤环形器，在2宽带保偏光纤环形器中，有三个端口，沿特定端口顺序传输，若从21端口输入，则从22端口输出；若从22端口输入，则从23端口输出；3为光波导平台，30为七通道光纤阵列，300为七通道光纤阵列中的多模光纤，301为七通道光纤阵列中的多模光纤，302-306为七通道光纤阵列中的保偏光纤，31为宽带可调谐分束器，311为用于传输荧光激发光信号的输入多模光波导，312为用于传输非接触光声成像系统中的脉冲光信号的多模光波导，313-317为单模光波导，316用于传输光学相干断层成像系统的光信号，317用于传输非接触光声成像系统的探测光信号，311-317相邻通道间距为127μm或250μm，318为半圆光波导，319为单模光波导，32为宽带可调谐光延迟线结构，33为宽带可调谐光衰减器，34为萨格纳克环，35为2×1合束器，36为波分器，361为第一宽带耦合器，362为第二宽带耦合器，37为第一合波器，用于合并光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的探测光信号，38为第二合波器，用于合并荧激发荧光信号，非接触光声成像系统脉冲光信号，非接触光声成像系统的探测光信号和光学相干断层成像系统的光信号，381为与五通道光纤阵列39相连的多模波导，382-385为与五通道光纤阵列39相连的单模波导，39为五通道光纤阵列，391为五通道光纤阵列中最上方通道的双包层光纤，用于传输从第二合波器传输过来的光信号，392-395为五通道光纤阵列中其余四通道的保偏光纤，用于传输从第一宽带耦合器和第二宽带耦合器传输来的3dB光信号，392和393用于传输光学相干断层成像系统的光信号，394和395用于传输非接触光声成像系统的探测光信号，40为连接双包层耦合器17的第二双包层光纤，41为第一连接器，42为轴组件，43为第二连接器，44为直线平移平台，51为传送带，52为旋转直流电机53的转子，53为旋转直流电机，54为直线电机，55为螺杆，56为螺母，6为光纤内窥探头，61为双包层光纤，62为无芯光纤，63为渐变折射率多模光纤，631为磨抛成的半球状，632为烧结球磨抛后表面镀的一层金属薄膜(例如，可以是Cr/Au膜)，64为带有通光孔65的金属套管，65为通光孔，66为透明塑料套管，67为能传送扭矩的金属线圈，68磨抛成的出光平面，7为连接双包层耦合器17的多模光纤，70为光电倍增管，用于接收发射的荧光信号；71为第一平衡探测器，用于接收光学相干断层成像系统的光信号；72为第二平衡探测器，用于接收非接触光声成像系统的探测光信号；80为第三数据采集器，81为第一数据采集器，82为第二数据采集器，9为计算机(数据处理器)。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供一种内窥成像系统，包括：光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统、干涉系统和光纤内窥探头；光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统分别与光纤内窥探头连接，且共用光纤内窥探头；光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统共用干涉系统。
本申请实施例提供的内窥成像系统，光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统通过共用一个干涉系统，不仅降低了整体系统的尺寸，也进一步地降低了系统的价格，且光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统共用同一个光纤内窥探头，可以在狭小空间的多腔内器官中使用，进而扩大内窥成像系统在腔内器官中的应用范围，集成度高，空间利用率高。
随着集成光学技术平台的发展和众多光波导材料的开发，利用光波导平台的结构紧凑、价格低廉和大批量生产的优势，本申请提出了由结构紧凑和系统简单的光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统和荧光成像构成的内窥成像系统，其中光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统共用一个干涉系统，进一步简化内窥成像系统的结构，使内窥成像系统更简洁紧凑，且光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统和荧光成像系统共用一个光纤内窥探头，结合光纤内窥探头在腔内肿瘤的诊断和治疗以及对疗效评估方面具有潜在的应用。
下面结合附图，对本申请的内窥成像系统进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请的内窥成像系统100的结构示意图。图2所示为图1所示的内窥成像系统100的光纤内窥探头6的截面示意图。结合图1至图2所示，本申请提供的内窥成像系统100包括光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统、干涉系统和光纤内窥探头。光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统分别与光纤内窥探头连接，且共用光纤内窥探头6；光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统共用干涉系统。如此设置，光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统通过共用一个干涉系统，不仅降低了整体系统的尺寸，也进一步地降低了系统的价格，且光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统共用同一个光纤内窥探头6，可以在狭小空间的多腔内器官中使用，进而扩大内窥成像系统在腔内器官中的应用范围，集成度高，空间利用率高。且内窥成像系统具有灵活性，有助于更换光纤内窥探头，增加系统的实用性。
光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统构成的内窥成像能够获得组织结构和分子成分的全面组织信息，从原理上解决了早期疾病诊断率不高的问题，提高了早期疾病的诊断率。该内窥成型系统具有结构紧凑、系统简单和稳定、成本低的优势，又能充分利用光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统无接触和无损伤的优势，结合光纤内窥探头有望应用于腔内肿瘤的诊断和可视化治疗以及对疗效进行可视化的评估。
在一些实施例中，光学相干断层成像系统包括第一宽带扫频光源1、第一宽带耦合器361、第一平衡探测器71、第一数据采集器81；第一宽带扫频光源1通过干涉系统与第一宽带耦合器361连接，第一平衡探测器71分别与第一宽带耦合器361、第一数据采集器81连接。
在一些实施例中，非接触光声成像系统包括脉冲光源14、第二宽带扫频光源11、第二宽带耦合器362、第二平衡探测器72、第二数据采集器82；脉冲光源14与干涉系统连接，第二宽带扫频光源11通过干涉系统与第二宽带耦合器362连接，第二平衡探测器72分别与第二宽带耦合器362、第二数据采集器82连接。
在一些实施例中，荧光成像系统包括荧光光源15、光电倍增管70、第三数据采集器80，荧光光源15通过干涉系统与光电倍增管70连接，第三数据采集器80与光电倍增管70连接。
在一些实施例中，干涉系统包括第一合波器37、第二合波器38、偏振控制器13、宽带保偏光纤环形器2、宽带可调谐分束器31、参考臂、合束器35、波分器36和双包层耦合器17。其中，第一合波器37用于连接第一宽带扫频光源1与第二宽带扫频光源11，第二合波器38用于连接脉冲光源14、荧光光源15以及宽带可调谐分束器31，偏振控制器13用于连接第一合波器37和宽带保偏光纤环形器2，宽带可调谐分束器31用于连接宽带保偏光纤环形器2、合束器35、第二合波器38和参考臂，波分器36用于连接合束器35、第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362，双包层耦合器17用于连接第二合波器38、光电倍增管70和光纤内窥探头6。第一合波器37用于连接光学相干断层成像系统与非接触光声成像系统的第一宽带扫频光源1和第二宽带扫频光源11。第二合波器38用于连接非接触光声成像系统的脉冲光源14、荧光光源15、以及进入样品臂中的光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的探测光信号。波分器36用于分离光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统的探测光信号。双包层耦合器17用于分离发射的荧光信号与光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统返回的光信号。合束器35为2×1合束器，用于收集光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统的干涉信号。
在本实施例中，样品臂包括宽带可调谐分束器31与第二合波器38之间的单模光波导319、第二合波器38与五通道光纤阵列39之间的多模波导381、第二合波器38、光纤内窥探头6、第一连接器41、第二连接器43、轴组件42里面的单通道双包层光纤、光波导平台3与光纤内窥探头6之间连接的五通道保偏光纤阵列39、双包层耦合器17、第二双包层光纤40、双包层光纤391、光纤内窥探头6到组织样品表面的光传输路径、组织样品表面到组织结构不同层面的之间传输与反射路径，以及从光纤内窥探头6到宽带可调谐分束器31之间的相逆传输过程。在本实施例中，参考臂包括宽带可调谐光延迟线结构32、宽带可调谐光衰减器33和萨格纳克环34，宽带可调谐光延迟线结构32和宽带可调谐分束器31连接，宽带可调谐光衰减器33与宽带可调谐光延迟线结构32连接，萨格纳克环34与宽带可调谐光衰减器33连接。
在一些实施例中，宽带可调谐光延迟线结构32为连续可调谐光延迟线。宽带可调谐光延迟线结构32包括1bit的延迟线结构与离散可调谐延迟线结构级联而成的延迟线；其中，离散可调谐延迟线结构包括开关单元和延迟单元，开关单元和延迟单元均设有电极；1bit的延迟线结构用于连续可调谐延迟部分，其最大的延迟范围与其级联的离散可调谐延迟线结构的延迟步长相等，离散可调谐延迟线结构包括光开关与不等长的波导相间连接而成的延迟线，通过调谐光开关上的电极选择不同的路径以形成不同的延迟。
在光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统的干涉系统中，通过调谐参考臂上的可调谐延迟线使从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光程一致，这里采用非接触光声成像系统，充分利用了光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统对目标组织非接触和无损伤的优势。通过调谐宽带可调谐分束器31和微调宽带可调谐衰减器33使从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光强一致。
在一些实施例中，宽带可调谐光衰减器33为MZI结构。MZI结构由两个3dB耦合器分光结构(如多模干涉耦合器)和两干涉臂组成，其工作原理为光从MZI的输入波导进入，经过3dB耦合器分成两束光，均匀地进入两干涉臂，通过调谐干涉臂上的电极，进而调谐两干涉臂之间的相位差。通过调谐两干涉臂之间的相位差，进而调谐输出端的分光比。因此，通过调谐MZI结构上的电极实现连续可调谐光衰减器的功能。
在一些实施例中，内窥成像系统100还包括光波导平台3，干涉系统的第一合波器37、第二合波器38、宽带可调谐分束器31、参考臂、合束器35、波分器36，以及第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362均集成在光波导平台3上。
在一些实施例中，内窥成像系统100包括七通道光纤阵列30，光波导平台3通过七通道光纤阵列30分别与第一宽带扫频光源1、第二宽带扫频光源11、偏振控制器13、宽带保偏光纤环形器2、脉冲光源14及荧光光源15连接；七通道光纤阵列30的端面具有倾斜角度，光波导平台3的端面具有倾斜角度，光波导平台3的端面的倾斜角度与七通道光纤阵列30的端面的倾斜角度一致。在本实施例中，光波导平台3的端面与七通道光纤阵列30的端面均被磨抛为8°角，以减少不必要的端面反射光信号对系统的影响，实现高的回波损耗。
在一些实施例中，七通道光纤阵列30包括多模光纤300、301和保偏光纤302-306，荧光光源15和脉冲光源14分别通过多模光纤300、301与第二合波器38的输入通道311和312连接，宽带保偏光纤环形器2的两个通道22和23分别通过保偏光纤302、303与宽带可调谐分束器31的输入通道313、合束器35的输入通道314连接，偏振控制器13通过保偏光纤304与第一合波器37的输出通道315连接，第一宽带扫频光源1和第二宽带扫频光源11通过保偏光纤305、306分别与第一合波器37的两个输入通道316和317连接。
在一些实施例中，七通道光纤阵列30均采用FC/APC连接头。FC/APC连接头用于连接荧光光源15、脉冲光源14、宽带保偏光纤环形器的端口22和端口23、偏振控制器13、第一宽带扫频光源1和第二宽带扫频光源11。在一些实施例中，与七通道光纤阵列30连接的光波导平台3的相邻的两个通道之间的间距为127μm；或250μm。在一些实施例中，保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
在一些实施例中，内窥成像系统100包括五通道光纤阵列39，光波导平台3通过五通道光纤阵列39分别与第一平衡探测器71、第二平衡探测器72及双包层耦合器17连接；五通道光纤阵列39的端面具有倾斜角度，光波导平台3的端面具有倾斜角度，光波导平台3的端面的倾斜角度与五通道光纤阵列39的端面倾斜角度一致。在本实施例中，光波导平台3的端面与五通道光纤阵列39的端面均被磨抛为8°角，以减少不必要的端面反射光信号对系统的影响，实现高的回波损耗。
在一些实施例中，五通道光纤阵列39包括双包层光纤391和保偏光纤392-395，双包层耦合器17通过双包层光纤391与第二合波器38的多模波导输出通道381连接，第一平衡探测器71、第二平衡探测器72通过保偏光纤392-395分别与第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362的四个输出通道连接。
在一些实施例中，五通道光纤阵列39均采用FC/APC连接头。FC/APC连接头用于连接双包层耦合器17、第一平衡探测器71和第二平衡探测器72。在一些实施例中，与五通道光纤阵列39连接的光波导平台3的相邻的两个通道之间的间距为127μm；或250μm。在一些实施例中，保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
在一些实施例中，光波导平台3为铌酸锂薄膜(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)波导平台。在本实施例中，光波导平台3可采用LNOI技术平台，LNOI具有高的电光系数和高的透明窗口(0.4μm-4.5μm)，在宽带可调谐光衰减器和宽带可调谐光延迟线中实现快速的切换，进而提高响应时间。在其他一些实施例中，光波导平台3为绝缘体上硅(Siliconon Insulator，SOI)波导平台。光波导平台3可采用SOI波导技术平台，Si波导具有结构紧凑，且具有CMOS兼容的特性。在另一些实施例中，光波导平台3为Si3N4波导平台。在又一些实施例中，光波导平台3为SiO2波导平台。
在一些实施例中，第一宽带扫频光源1、第二宽带扫频光源11、脉冲光源14、荧光光源15、第一平衡探测器71和第二平衡探测器72与光波导平台3异质集成或倒装集成。光波导平台3通过倒装键合或异质集成实现片上集成，进一步降低系统的尺寸和价格。
在一些实施例中，第一宽带扫频光源1的中心波长为1310nm。在一些实施例中，第二宽带扫频光源11的中心波长为1550nm。在一些实施例中，第一宽带扫频光源1的带宽大于130nm。但不仅限于此。
通过采用光波导平台取代空间光学器件，解决了系统尺寸较大、损耗较大、系统复杂、稳定性差以及价格昂贵的问题，采用光纤内窥探头，可以在腔内狭小空间中多腔内器官中使用，进而扩大多模态内窥成像系统在腔内器官中的应用范围。参考臂中宽带可调谐光延迟线的可调谐性，以及系统与光纤内窥探头之间通过连接头连接有助于光纤内窥探头的更换，提高系统的使用价值。提出的新型多模态内窥系统，具有疾病正确诊断率高、体积小、集成度高、空间利用率高、成本低等优点。
在一些实施例中，光纤内窥探头6包括双包层光纤61，其中双包层光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状631。在其他一些实施例中，光纤内窥探头6包括双包层光纤61和无芯光纤62，双包层光纤61与无芯光纤62连接，其中无芯光纤62的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状631。在另一些实施例中，光纤内窥探头6包括双包层光纤61和渐变折射率多模光纤63，双包层光纤61与渐变折射率多模光纤63连接，其中渐变折射率多模光纤63的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状631。
在本实施例中，光纤内窥探头6包括双包层光纤61、无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63，双包层光纤61、无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63依次连接。其中渐变折射率多模光纤63远离无芯光纤62的一端烧结成球状，并磨抛成半球状631。在本实施例中，部分的双包层光纤61及全部的无芯光纤62和全部的渐变折射率多模光纤63被封装在带有通光孔65的金属保护装置64中，其中渐变折射率多模光纤63相对双包层光纤更靠近设于通光孔65的一端设置，其余未封装在所述金属保护装置中的双包层光纤61被封在金属线圈67中。光纤内窥探头6为样品臂中的核心部分，光纤内窥探头6未连接的一端的光学器件被封装在带有通光孔65的金属保护装置64中，为保护双包层光纤61以及使光纤内窥探头6具有灵活性，部分双包层光纤61被封在金属线圈67中。在一些实施例中，双包层光纤61被封装在金属保护装置中的尺寸范围是2mm-5mm。在一些实施例中，双包层光纤61被封装在金属保护装置中的尺寸是2mm或3mm或4mm或5mm。
在一些实施例中，光纤内窥探头6的双包层光纤61、无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63通过光纤熔接机融合而成，除出光口平面68以外的金属线圈67内部的光纤内窥探头6进行金属化，以增强光纤的强度，光纤内窥探头6与系统通过第二连接器43、轴组件42内部的双包层光纤和第一连接器41连接。在本实施例中，它们之间通过光纤熔接机进行融接，一定长度的渐变折射率多模光纤的远端端面通过光纤熔接机烧结成球状，并在烧结成的球状的一侧磨抛成47°(或43°)角形成半球状631，以减少护套或样品表面的镜面反射，全反射面为平面，为了减少像差，出光面磨抛成平面。为了提高全反射效率可以在用于全反射的磨抛面上镀金属薄膜632(例如依次镀Cr和Au膜)，用于全反射入射到磨抛面上的光信号，在镀的过程中遮盖出光面依次放在磁控溅射仪和热蒸发仪腔室中分别镀一层Cr膜和Au膜632，用于将入射到磨抛界面上的光信号实现全反射操作并将光信号传输到样品中以及用于接收从样品中散射或反射回来的光信号。光纤内窥探头6的无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63长度需精确控制，以实现出射的光信号具有合适的工作距离以及光束斑径。
在其他一些实施例中，光纤内窥探头6由双包层光纤61与无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63按照一定排列组合而成。例如，可以多个无芯光纤62和多个渐变折射率多模光纤63的排列组合，它们之间通过光纤熔接机融合连接，无芯光纤62的端面被光纤熔接机烧结成球状，烧结球的一侧被磨抛成47°(或43°)的角形成半球状631，以减少护套或样品表面的镜面反射，在出光面磨抛成平面，全反射面也为平面，为了提高光信号的全反射效率，可以在光纤烧结球磨抛面镀一层金属薄膜，用于反射入射到端面的光信号，在镀的过程中除了磨抛面其他均被遮盖住并依次放在磁控溅射仪和热蒸仪腔室中分别镀一层Cr和Au膜用于反射入射到界面上的光信号到达样品中和用来接收从样品中散射或反射回来的光信号。
在一些实施例中，双包层光纤61包括纤芯和包裹于纤芯外的内包层，纤芯用于传输光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的光信号，内包层用于传输非接触光声成像系统的脉冲光和荧光成像系统的激发荧光和发射荧光。在本实施例中，内包层的外侧设有能传送扭矩的金属线圈67，如此设置可以通过金属线圈67传送扭矩。
在其他一些实施例中，光纤内窥探头包括双包层光纤61，其中双包层光纤61的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状631。如此设置，可省略无芯光纤62和渐变折射率多模光纤63。
在一些实施例中，内窥成像系统100包括第一连接器41、轴组件42及第二连接器43，轴组件42分别与第一连接器41、第二连接器43连接，双包层耦合器17依次通过第一连接器41、轴组件42和第二连接器43与光纤内窥探头6连接。第一连接器41用于连接第一双包层光纤40和轴组件42中的单通道双包层光纤。即第一连接器41的一端连接第一双包层光纤40，用于与双包层耦合器17的输出端连接，第一连接器41的另一端连接轴组件42中的单通道双包层光纤。第二连接器43用于连接轴组件42中的另一单通道双包层光纤和光纤内窥探头6。
在一些实施例中，内窥成像系统100包括螺旋式旋转组件。螺旋式旋转组件用于驱动光纤内窥探头6旋转运动或直线运动。在一些实施例中，螺旋式旋转组件包括旋转直流电机53、与旋转直流电机53连接的传送带51，传送带51与轴组件42连接。旋转直流电机53包括转子52，旋转直流电机53通过转子52与传送带51连接，且通过转子52驱动传送带51运动，从而带动整个光纤内窥探头6旋转。在本实施例中，旋转直流电机53通过转子52驱动传送带51运动，并通过双包层光纤61上的金属线圈67传递扭矩，实现光纤探头6的旋转。
在一些实施例中，螺旋式旋转组件包括直线平移平台44，旋转直流电机53、传送带51、第一连接器41、轴组件42及第二连接器43集成于同一直线平移平台44上。在一些实施例中，螺旋式旋转组件包括直线电机54、螺杆55和螺母56，直线电机54依次通过螺杆55和螺母56与轴组件42连接，直线电机54转动带动螺杆55转动，进而带动螺母56移动，使直线平移平台44直线平移，从而使直线平移平台44的轴组件42及轴组件42内的双包层光纤、旋转直流电机53、第一连接器41、第二连接器43直线平移，从而带动整个光纤内窥探头6直线平移。在本实施例中，直线电机54可实现光纤内窥探头6从远端到近端沿着双包层光纤61的延伸方向上进行线性平移，使直线平移平台44带动旋转直流电机53、传送带51、第一连接器41、轴组件42及第二连接器43直线平移运动，从而使光纤内窥探头6实现往回拉的操作。如此设置，旋转直流电机与直线电机结合使用，带动光纤内窥探头6进行螺旋式旋转。
在一些实施例中，光纤内窥探头6被封装在透明塑料套管中。整个光纤内窥探头6最后封装在透明塑料套管66中，用于保护光纤内窥探头6，使光纤内窥探头6在使用过程中避免与液体直接接触，同时也便于消毒。在一些实施例中，光纤内窥探头6的直径小于等于1mm。如此设置，实用范围更广，可以在腔内多器官中使用，实用性强。
在图1和图2所示的实施例中，第一合波器37用于将第一宽带扫描光源1发出的光学相干断层成像系统的光信号与第二宽带扫描光源11发出的非接触光声成像系统的探测光信号合成一束，使光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统共用一个干涉系统，使系统更加简单以及价格低廉，同时使内窥成像系统结构更加紧凑。偏振控制器13的一端口与第一合波器37相连，另一端口与宽带保偏光纤环形器2的一端口21相连。
宽带保偏光纤环形器2具备三个端口，沿特定端口顺序传输，其一端口21与偏振控制器13的一端口相连，沿特定顺序的另一端口22与光波导平台3内的宽带可调谐分束器31的输入端口313通过七通道光纤阵列30的其中一个通道302相连，最后一端口23与光波导平台3内的合束器35的一输入端口314通过七通道光纤阵列30的其中一个单模光纤303连接的通道相连。宽带保偏光纤环形器2具有宽带宽、高隔离度(>40dB)、低插入损耗(～0.6dB)、低偏振相关损耗(0.15dB)、低通道串扰(>50dB)、高回波损耗(>50dB)、高稳定性和高可靠性的特点。
宽带可调谐分束器31为光波导平台内的器件，其结构为2×2MZI结构，可通过调谐MZI结构上的电极实现分束比连续可调谐，有助于实现从样品臂和参考臂中返回的光信号强度相近，增强系统的实用性。其输入端口的一端口313通过七通道光纤阵列30中的单模光纤302与宽带保偏光纤环形器2的一端口22相连，另一端口通过半圆光波导318与合束器35的输入端口相连。宽带可调谐分束器31的两输出端口分别与参考臂和样品臂相连接。与第二合波器38的四个端口相连的波导包括与宽带可调谐分束器31相连的单模光波导319，两条与七通道光纤阵列30相连的两个输入多模波导311、312，以及与五通道光纤阵列39相连的多模波导381。其中两个输入多模波导311、312分别与荧光光源15和脉冲光源14通过七通道光纤阵列30中的两个多模光纤300、301相连。一个输入单模光波导319与宽带可调谐分束器31相连，一个输出多模波导381通过五通道光纤阵列39中的最上方双包层光纤通道391与双包层耦合器17相连。
第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362为宽带3dB耦合器，为光波导平台3中的2×2器件，它们各自的一个输入端口分别与波分器36的两输出端口相连，它们各自的两个输出端口通过七通道光纤阵列39的保偏光纤392与393和第一平衡探测器71的两输入端口，保偏光纤394与395和第二平衡探测器72的两输入端口相连。第一平衡探测器71和第二平衡探测器72均包括基于InGaAs材料的两个平衡PIN和一个低噪高速互阻放大器，可为台式的，也可为InGaAs材料制成的两个平衡PIN与光波导平台3通过倒装集成在一起再与低噪放大器连接。
第一平衡探测器71和第二平衡探测器72的工作波长为1200-1700nm,中心波长为1300nm，输入接口为FC/APC，监控的输出带宽DC～3MHz，3dB带宽为30kHz-1.6GHz，PD损伤阈值为8mW，RF输出阻抗为50ohm。其工作原理为将两个平衡PIN探测到的信号做相减处理，作平衡接收器，消除共模噪声，进而从干扰噪声中获得信号电路中的微小变化。所述平衡探测器的两输入端口与宽带3dB耦合器的两输出端口相连接。其工作原理为将两个平衡PIN探测到的信号做相减处理，作平衡接收器，消除共模噪声，进而从干扰噪声中获得信号电路中的微小变化。
第一平衡探测器71和第二平衡探测器72的两输入端口分别与第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362的两输出端口相连接。第一数据采集器81和第二数据采集器82均为高速数据采集卡，分别对第一平衡探测器71和第二平衡探测器72输出的差分电压信号进行模数转换并上传到数据处理模块。第一数据采集器81和第二数据采集器82的输入端口与第一平衡探测器71和第二平衡探测器72的输出端口相连接。内窥成像系统还包括计算机，为数据处理模块，对第一数据采集器81和第二数据采集器82采集到的信息进行处理，从而进一步得到样品的信息。内窥成像系统中各个模态之间的集成通过合波器(第一合波器37和第二合波器38)完成，通过合波器(第一合波器37和第二合波器38)可以增加或减少模态数，系统更具有可扩展性。
光学相干断层成像系统与非接触光声成像系统共用一个干涉系统，它们在内窥成像系统中的传输过程为，从第一宽带扫频光源1出来的光学相干断层成像系统的光信号与从第二宽带扫频光源11出来的非接触光声成像系统的光信号输入到光波导平台3中的第一合波器37合成一束，从第一合波器37的输出端输出的光信号依次经过偏振控制器13、宽带保偏光纤环形器2，再次进入光波导平台3中，在光波导平台3中首先通过一个2×2宽带可调谐分束器31，首先分成10％和90％两束光信号，分别进入参考臂和样品臂，进入参考臂中的光信号依次通过宽带可调谐光延迟线结构32、宽带可调谐光衰减器33以及萨格纳克环34。从萨格纳克环34返回的光信号又依次通过宽带可调谐光衰减器33、宽带可调谐光延迟线结构32，再接着进入宽带可调谐分束器31中与样品臂返回的光信号发生干涉。进入样品臂中的光学相干断层成像系统的和非接触光声成像系统的光信号与脉冲光源14一起通过第二合波器38、光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的光信号与脉冲光源14的脉冲光信号一起通过部分波导样品臂中的多模波导，通过光波导平台3与五通道光纤阵列39通过端面耦合，耦合到五通道光纤阵列39中，通过双包层光纤391传输到双包层耦合器17中，双包层耦合器17的输出端为第二双包层光纤40，光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的光信号在第二双包层光纤40的芯中传输，脉冲光源14发出的脉冲光在第二双包层光纤40的内包层中传输，通过第一连接器41与轴组件42内的一个单通道双包层光纤的连接头耦合，轴组件42内的另一单通道双包层光纤的连接头通过第二连接器43与光纤内窥探头6的双包层光纤61连接。轴组件42可以起到固定和保护单通道双包层光纤的作用。轴组件42可以包括夹具或导管，两单通道双包层光纤在轴组件内通过非常短的空间耦合。旋转直流电机53通过转子52与传送带51连接，且通过转子52驱动传送带51运动，以带动光纤内窥探头6旋转，用于实现侧向螺旋式扫描周围的组织，组织不同深度的反射回来的光信号返回到光纤内窥探头6，通过光纤内窥探头6返回到系统中。直线电机54转动带动螺杆55转动，进而带动螺母56移动，使直线平移平台44直线平移，从而使直线平移平台44的轴组件42内的双包层光纤、旋转直流电机53、第一连接器41、第二连接器43直线平移，从而带动整个光纤内窥探头6直线平移。从样品中收集到的光信号通过反射界面依次通过渐变折射率多模光纤63和无芯光纤62按照一定排列组合而成的部分光纤探头中，接着进入双包层光纤61光纤探头中，通过第二连接器43进入轴组件42固定着的单通道双包层光纤中，接着通过非常短的空间进行耦合然后传输到轴组件42另一固定着的单通道双包层光纤中，再通过第一连接器41耦合到双包层耦合器17中，光学相干断层成像系统的光信号与非接触光声成像系统的光信号从单模保偏光纤输出，通过双包层光纤391进入到五通道光纤阵列39中，通过端面耦合进入光波导平台3的部分样本波导臂中的多模波导381中，返回到第二合波器38，通过宽带可调谐光分束器31与参考臂中返回的光信号发生干涉，并分成两束，一束离开光波导平台3依次通过宽带保偏光纤环形器2的端口22和23，进入光波导平台3中的2×1合束器35中，一束通过半圆光波导318直接进入2×1合束器35中。从2×1合束器35输出的干涉信号通过波分器36中被分为光学相干断层成像系统的光信号与非接触光声成像系统的光信号，其中光学相干断层成像系统的光信号通过第一宽带耦合器361，均分成两束光信号，非接触光声成像系统的光信号通过第二宽带耦合器362，均分成两束光信号，通过光波导平台3与五通道光纤阵列39耦合，离开光波导平台3，两束等功率的光学相干断层成像系统的光信号通过保偏光纤392和393输入到第一平衡探测器71中的两个输入端，两束等功率的非接触光声成像系统的光信号通过保偏光纤394和395输入到第二平衡探测器72的两个输入端，光学相干断层成像系统的光信号与非接触光声成像系统的光信号分别通过第一平衡探测器71和第二平衡探测器72进行差分探测，从第一平衡探测器71和第二平衡探测器72输出的差分电信号分别进入第一数据采集器81和第二数据采集器82，进行模数转换，接着传输到计算机9进行数据处理，可以获得样品的层析信息或血氧饱和度或血流量等信息。
荧光成像信号在内窥成像系统中的传输情况为，首先荧光光源15发出的荧光信号通过多模光纤300传输到七通道光纤阵列30中，荧光信号与非接触光声成像系统中的脉冲光源14发出的脉冲光的光谱没有交叠，荧光信号在七通道光纤阵列30中，通过端面耦合传输到光波导平台3中的多模波导311中，接着输入到第二合波器38中，荧光信号与光学相干断层成像系统的光信号、非接触光声成像系统的探测光信号、非接触光声成像系统的脉冲光信号在第二合波器38中合成一束并在多模波导381中传输，通过端面耦合到五通道光纤阵列39中的最上方的双包层光纤通道391中，通过双包层光纤391，进入双包层耦合器17中，从双包层耦合器17输出的光信号，在第二双包层光纤40的内包层中传输，其传输过程与非接触光声成像系统的脉冲光传输情况类似，与非接触光声成像系统的脉冲光不同的是，荧光激发光照射组织后，会发射荧光，从样品中收集到的发射荧光信号通过反射界面依次通过无芯光纤62、渐变折射率多模光纤63和双包层光纤61按一定排列组合而成的光纤内窥探头，通过第二连接器43进入轴组件42被固定着的单通道双包层光纤中，接着通过非常短的空间进行耦合然后传输到另一被轴组件42固定着的单通道双包层光纤中，再通过第一连接器41耦合到双包层耦合器17中，发射荧光光信号从多模光纤7中输出，通过多模光纤7，被光电倍增管70接收，转换为电信号，接着被第三数据采集器80采集，最后传输到计算机9(数据处理器)进行处理。
从第一宽带扫频光源1和从第二宽带扫频光源11发出的光信号通过七通道光纤阵列30依次经过第一合波器37、偏振控制器13、宽带保偏光纤环形器2的端口21和端口22，经过七通道光纤阵列中30中的进入通道313，经过宽带可调谐分束器31，具体分光比根据样品臂和参考臂中的光信号的衰减情况而定，这里以分光比95/5为例，5％的光信号进入参考臂，95％的光信号进入样品臂，进入参考臂中的光信号依次经过宽带可调谐光延迟线结构32、宽带可调谐光衰减器33和萨格纳克环34中，通过萨格纳克环34返回的光信号再依次通过宽带可调谐光衰减器33、宽带可调谐光延迟线结构32，返回到宽带可调谐分束器31中与从样品臂返回的光信号发生干涉；进入样品臂中的光信号，首先通过第二合波器38，与荧光光源15输出的激发荧光信号以及非接触光声成像系统的脉冲光源14发出的脉冲信号合成一束，为后续进入光纤内窥探头准备，首先经过多模波导381通道，通过与五通道保偏光纤阵列39端面耦合进入最上方通道双包层光纤391，通过双包层光纤391，进入到双包层耦合器17中，从第二双包层光纤40输出的光信号，依次通过第一连接器41、轴组件42和第二连接器43进入光纤内窥探头6。光信号在光纤内窥探头6中进行侧式螺旋扫描周围的组织，组织不同层次的反射回来的光学相干断层成像系统的光信号、发射的荧光信号以及反射的非接触光声成像系统的探测光信号进入出光口平面68中，并通过烧结球磨抛后表面镀的一层Cr/Au膜63进行全反射进入光纤内窥探头中，其中光学相干断层成像系统的光信号以及非接触光声成像系统的探测的光信号在双包层光纤中的纤芯传输，发射的荧光信号在双包层光纤中的内包层中传输，在光纤内窥探头6中从远端向近端传输，最后返回到双包层耦合器17中，发射的荧光信号从多模光纤7输出，反射的光学相干断层成像系统的光信号和非接触光声成像系统的探测光信号，从双包层光纤391中输出，发射的荧光信号被光电倍增管70接收，光电倍增管70带有滤波器，能够滤掉反射的激发荧光信号以及非接触光声成像系统的脉冲信号，发射的荧光信号被光电倍增管70接收后，接着通过第三数据采集器80和计算机9。从双包层耦合器17输出的反射的光学相干断层成像系统的光信号和反射的非接触光声成像系统的探测光信号，进入五通道光纤阵列39中的391双包层光纤通道，经过端面耦合进入到多模波导381通道中，接着进入第二合波器38中，从单模光波导319中输出，其中进入道双包层光纤391的发射荧光信号传输到单模光波导319端口时，被转化为泄露模式而被滤除掉，而反射的光学相干断层成像系统的光信号和反射的非接触光声成像系统的探测光信号接着进入宽带可调谐分束器31中，通过宽带可调谐分束器31与从参考臂中返回的光信号发生干涉，经过宽带可调谐分束器31后，来自样品臂和参考臂中的光信号被分成两束，一束通过半圆光波导318直接进入2×1合束器35中，一束经过单模波导通道313进入七通道光纤阵列30中，通过保偏光纤302进入宽带保偏光纤环形器2的端口22，并从端口23输出，通过保偏光纤303，再次进入七通道光纤阵列30中，通过端面耦合进入单模波导通道314中，进入2×1合束器35中，与通过半圆光波导318的光信号合成一束，通过波分器36，光学相干断层成像系统的干涉光信号与非接触光声成像系统探测的干涉光信号分开，分别进入第一宽带耦合器361和第二宽带耦合器362中，被均分成功率相等的两束光学相干断层成像系统的光信号分别进入通道382和383中，被均分成功率相等的两束非接触光声成像系统探测的干涉光信号分别进入通道384和385中，382-385中的光信号分别通过五通道保偏光纤阵列39的通道392-395中，两束等功率的光学相干断层成像系统探测的干涉光信号通过第一平衡探测器71中，由第一数据采集器81采集，最后由计算机9进行数据处理，两束等功率的非接触光声成像系统探测的干涉光信号通过第二平衡光电探测器72中，由第二数据采集器82采集，最后由计算机9进行数据处理。
本申请实施例的内窥成像系统，光学相干断层成像系统利用组织对光信号的背向散射特性能够获得组织横截面或三维结构图像表征，结合多普勒效应获得功能特性，非接触光声成像系统利用组织对光信号的吸收特性可以对组织结构特性和功能特性进行表征，荧光成像具有特异性强以及灵敏度高的优势，可以揭示分子成分的变化，具有靶向识别能力，三者结合的内窥成像系统可以提高患者早期疾病的诊断率和治愈率以及患者的适应性。采用非接触光声成像系统使得光学相干断层成像系统的非接触无损伤的优势得到充分利用，同时光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统共用干涉系统以及光纤内窥探头，使得系统变得紧凑而简单，光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统以及荧光成像系统三者结合能够充分利用各自的优势获得组织结构和分子的全面信息。且利用光波导平台结构紧凑、能大批量生产、价格低廉的优势，光学相干断层成像系统和非接触光声成像系统的共用干涉系统采用光波导平台技术实现，同时三种成像模态的结合均采用光波导平台技术来实现，使得内窥成像系统具有系统简单和结构紧凑的优势，结合光纤内窥探头有望对内腔肿瘤的诊断和治疗以及疗效进行可视化的评估。
本申请的光波导平台可以为LNOI平台、SOI波导平台、Si3N4波导平台、SiO2波导平台等，这些集成波导平台均具有CMOS兼容性。集成波导平台上通过键合III-V族元素与光源和探测器实现集成，进一步降低系统尺寸和价格。本实施例以LNOI平台为例，LNOI具有高的电光系数、低的驱动电压、低的传输损耗、光损伤阈值大、波导纤芯与内包层折射率差大、结构紧凑、响应速度快、CMOS兼容的优势，有望与光源和探测器的集成通过与III-V族元素倒装键合的方式进一步实现结构紧凑、价格低、损耗低、系统稳定的优势。在铌酸锂薄膜平台中，考虑到LNOI波导对光的限制作用强，宽带可调谐分束器31、宽带可调谐延迟线结构32、宽带可调谐光衰减器33、萨格纳克环34、单模光波导319样品臂、多模波导381样品臂、第二合波器38、2×1合束器35、波分器36、第一宽带耦合器361、第二宽带耦合器362均可以在较小的光波导平台3上实现。通过调谐宽带可调谐光延迟线结构32使从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光程一致。通过调谐宽带可调谐分束器31和微调宽带可调谐衰减器33，使从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光强一致。由于内窥成像系统与光纤内窥探头之间通过连接器(第一连接器41，第二连接器43)连接，连接器具有可重复且方便地使光信号接通或断开的功能，使该系统具有灵活性，更有助于更换光纤内窥探头，增加系统的实用性。LNOI较大的电光系数有助于实现参考臂中宽带可调谐光延迟线以及可调谐光延迟线的快速调谐。LNOI波导平台优异的性质有助于实现高性能的系统，并有望与光源、探测器、放大器等有源器件实现集成。光纤内窥探头采用全光纤制作可以实现内窥探头直径小于等于1mm。该系统有望应用在内腔肿瘤的诊断和治疗以及对疗效进行可视化的评估。采用集成光波导技术平台和光纤内窥镜方式相结合的方式，即节省了成本，又能降低了尺寸，解决了现有内窥光学相干断层成像系统价格昂贵，尺寸较大的问题，同时又解决了多模态内窥系统集成时系统庞大价格昂贵的问题。另外，光纤内窥探头6与多模态光学成像系统之间通过连接器(第一连接器41，第二连接器43)连接，结合集成光波导技术平台上的宽带连续可调谐延迟线有助于光纤内窥探头6的更换，提高系统的实用性和应用范围。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (14)
1.一种内窥成像系统，其特征在于，包括：光学相干断层成像系统、非接触光声成像系统、荧光成像系统、干涉系统和光纤内窥探头；所述光学相干断层成像系统、所述非接触光声成像系统、所述荧光成像系统分别与所述光纤内窥探头连接，且共用所述光纤内窥探头；所述光学相干断层成像系统和所述非接触光声成像系统共用所述干涉系统；所述光学相干断层成像系统包括第一宽带扫频光源、第一宽带耦合器，所述非接触光声成像系统包括脉冲光源、第二宽带扫描光源、第二宽带耦合器，所述荧光成像系统包括荧光光源，所述干涉系统包括第一合波器、第二合波器、偏振控制器、宽带保偏光纤环形器、宽带可调谐分束器、参考臂、合束器、波分器；
其中，所述内窥成像系统还包括光波导平台，所述第一合波器、所述第二合波器、所述宽带可调谐分束器、所述参考臂、所述合束器、所述波分器，所述第一宽带耦合器和所述第二宽带耦合器均集成在光波导平台上；
所述内窥成像系统包括七通道光纤阵列，所述光波导平台通过所述七通道光纤阵列分别与所述第一宽带扫频光源、所述第二宽带扫频光源、所述偏振控制器、所述宽带保偏光纤环形器、所述脉冲光源及所述荧光光源连接；所述七通道光纤阵列的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面的倾斜角度与所述七通道光纤阵列的端面的倾斜角度一致。
2.根据权利要求1所述的内窥成像系统，其特征在于，所述光学相干断层成像系统包括第一平衡探测器、第一数据采集器；所述第一宽带扫频光源通过所述干涉系统与所述第一宽带耦合器连接，所述第一平衡探测器分别与所述第一宽带耦合器、所述第一数据采集器连接；
所述非接触光声成像系统包括第二平衡探测器、第二数据采集器；所述脉冲光源与所述干涉系统连接，所述第二宽带扫频光源通过所述干涉系统与所述第二宽带耦合器连接，所述第二平衡探测器分别与所述第二宽带耦合器、所述第二数据采集器连接；
所述荧光成像系统包括光电倍增管、第三数据采集器，所述荧光光源通过所述干涉系统与光电倍增管连接，所述第三数据采集器与所述光电倍增管连接；
所述干涉系统包括双包层耦合器；其中，所述第一合波器用于连接所述第一宽带扫频光源与所述第二宽带扫频光源，所述第二合波器用于连接所述脉冲光源、所述荧光光源以及所述宽带可调谐分束器，所述偏振控制器用于连接所述第一合波器和宽带保偏光纤环形器，所述宽带可调谐分束器用于连接所述宽带保偏光纤环形器、合束器、第二合波器和所述参考臂，所述波分器用于连接所述合束器、所述第一宽带耦合器和第二宽带耦合器，所述双包层耦合器用于连接所述第二合波器、所述光电倍增管和所述光纤内窥探头。
3. 根据权利要求1所述的内窥成像系统，其特征在于，所述光波导平台为铌酸锂薄膜波导平台；或
所述光波导平台为绝缘体上硅波导平台；或
所述光波导平台为Si3N4波导平台；或
所述光波导平台为SiO2波导平台。
4. 根据权利要求1所述的内窥成像系统，其特征在于，所述七通道光纤阵列包括多模光纤和保偏光纤，所述荧光光源和所述脉冲光源通过所述多模光纤与所述第二合波器的输入通道连接，所述宽带保偏光纤环形器的两个通道分别通过所述保偏光纤与所述宽带可调谐分束器的输入通道、所述合束器的输入通道连接，所述偏振控制器通过所述保偏光纤与所述第一合波器的输出通道连接，所述第一宽带扫频光源和所述第二宽带扫频光源通过所述保偏光纤与所述第一合波器的两个输入通道连接；和/或
与所述七通道光纤阵列连接的所述光波导平台的相邻的两个通道之间的间距为127 μm；或250 μm；和/或
所述保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
5. 根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述内窥成像系统包括五通道光纤阵列，所述光波导平台通过所述五通道光纤阵列分别与所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器及所述双包层耦合器连接；所述五通道光纤阵列的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面有倾斜角度，所述光波导平台的端面的倾斜角度与所述五通道光纤阵列的端面倾斜角度一致。
6. 根据权利要求5所述的内窥成像系统，其特征在于，所述五通道光纤阵列包括双包层光纤和保偏光纤，所述双包层耦合器通过所述双包层光纤与所述第二合波器的输出通道连接，所述第一平衡探测器、所述第二平衡探测器通过所述保偏光纤分别与所述第一宽带耦合器和所述第二宽带耦合器的四个输出通道连接；和/或
与所述五通道光纤阵列连接的所述光波导平台的相邻的两个通道之间的间距为127 μm；或250 μm；和/或
所述保偏光纤包括熊猫保偏光纤；或蝶形保偏光纤。
7. 根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述第一宽带扫频光源、所述第二宽带扫频光源、所述脉冲光源、所述荧光光源、所述第一平衡探测器和所述第二平衡探测器与所述光波导平台异质集成或倒装集成；和/或
所述第一宽带扫频光源的中心波长为1310 nm；和/或
所述第二宽带扫频光源的中心波长为1550 nm；和/或
所述第一宽带扫频光源的带宽大于130 nm。
8. 根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述参考臂包括宽带可调谐光延迟线、宽带可调谐光衰减器和萨格纳克环，所述宽带可调谐光延迟线和所述宽带可调谐分束器连接，所述宽带可调谐光衰减器与所述宽带可调谐光延迟线连接，所述萨格纳克环与所述宽带可调谐光衰减器连接。
9. 根据权利要求8所述的内窥成像系统，其特征在于，所述宽带可调谐光延迟线为连续可调谐光延迟线；所述宽带可调谐光延迟线包括1 bit的延迟线结构与离散可调谐延迟线结构级联而成的延迟线；其中，所述离散可调谐延迟线结构包括开关单元和延迟单元，所述开关单元和所述延迟单元均设有电极；所述1 bit的延迟线结构用于连续可调谐延迟部分，其最大的延迟范围与其级联的所述离散可调谐延迟线结构的延迟步长相等，所述离散可调谐延迟线结构包括光开关与不等长的波导相间连接而成的延迟线，通过调谐所述光开关上的电极选择不同的路径以形成不同的延迟；和/或
所述宽带可调谐光衰减器为MZI结构。
10. 根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述光纤内窥探头包括双包层光纤，其中所述双包层光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状；或
所述光纤内窥探头包括双包层光纤和无芯光纤，所述双包层光纤与所述无芯光纤连接，其中所述无芯光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状；或
所述光纤内窥探头包括双包层光纤和渐变折射率多模光纤，所述双包层光纤与所述渐变折射率多模光纤连接，其中所述渐变折射率多模光纤的未连接的一端烧结成球状，并磨抛成半球状；或
所述光纤内窥探头包括双包层光纤、无芯光纤和渐变折射率多模光纤，所述双包层光纤、所述无芯光纤和所述渐变折射率多模光纤依次连接；其中，所述渐变折射率多模光纤远离所述无芯光纤的一端烧结成球状，并磨抛成半球状。
11.根据权利要求10所述的内窥成像系统，其特征在于，所述双包层光纤包括纤芯和包裹于所述纤芯外的内包层，所述纤芯用于传输所述光学相干断层成像系统的光信号和所述非接触光声成像系统的光信号，所述内包层用于传输所述非接触光声成像系统的脉冲光和所述荧光成像系统的激发荧光和发射荧光。
12. 根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述光纤内窥探头包括双包层光纤、无芯光纤和渐变折射率多模光纤；
部分的所述双包层光纤及全部的所述无芯光纤和全部的所述渐变折射率多模光纤被封装在带有通光孔的金属保护装置中；其中所述渐变折射率多模光纤相对所述双包层光纤更靠近设于所述通光孔的一端设置，其余未封装在所述金属保护装置中的所述双包层光纤被封在金属线圈中；和/或
所述双包层光纤被封装在所述金属保护装置中的尺寸范围是2 mm-5 mm；和/或
所述光纤内窥探头的直径小于等于1 mm；和/或
所述光纤内窥探头被封装在透明塑料套管中。
13.根据权利要求2所述的内窥成像系统，其特征在于，所述内窥成像系统包括第一连接器、轴组件及第二连接器，所述轴组件分别与所述第一连接器和所述第二连接器连接，所述双包层耦合器依次通过所述第一连接器、所述轴组件及所述第二连接器和所述光纤内窥探头连接；
所述内窥成像系统包括螺旋式旋转组件，所述螺旋式旋转组件包括旋转直流电机、与所述旋转直流电机连接的传送带，所述传送带与所述轴组件连接，所述光纤内窥探头依次通过所述第二连接器、所述轴组件与所述传送带连接，所述旋转直流电机包括转子，所述旋转直流电机通过所述转子与所述传送带连接，且通过所述转子驱动所述传送带运动，从而带动整个所述光纤内窥探头旋转。
14.根据权利要求13所述的内窥成像系统，其特征在于，所述螺旋式旋转组件包括直线平移平台，所述旋转直流电机、所述传送带、所述第一连接器、所述轴组件及所述第二连接器集成于同一所述直线平移平台；所述螺旋式旋转组件包括直线电机、螺杆和螺母，所述直线电机通过所述螺杆、所述螺母与所述轴组件连接；所述直线电机转动带动所述螺杆转动，进而带动所述螺母移动，使所述直线平移平台直线平移，从而使所述直线平移平台的所述轴组件及所述轴组件内的双包层光纤、所述旋转直流电机、所述第一连接器、所述第二连接器直线平移，从而带动整个所述光纤内窥探头直线平移。
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