CN117617902A - 基于双芯光纤的全光纤超声传感器、制作方法和传感系统 - Google Patents
基于双芯光纤的全光纤超声传感器、制作方法和传感系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，制作方法和超声传感系统，涉及传感技术领域，双芯光纤包含第一纤芯，第二纤芯和双芯光纤包层；所述双芯光纤的末端进行选择性的45度抛磨，形成第一反射面、第二反射面和第三反射面；所述第一纤芯末端被完全抛磨位于第一反射面内；所述第二纤芯末端被部分抛磨，一部分位于第一反射面内，另一部分位于第二反射面内；所述第三反射面位于双芯光纤包层和外界介质的交界面；所述第一反射面、第二反射面和第三反射面均镀有增反膜。本发明提供一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器的制造方法和传感系统；可为临床应用提供小巧安全、灵敏度高、温度串扰小、成本低的内窥镜。
Description
技术领域
本申请涉及传感技术领域，特别是涉及一种基于双芯光纤的光纤超声传感探头的光声激发和制作方法以及其传感系统。
背景技术
结肠癌是一种常见的胃肠道恶性肿瘤，是造成人类癌症相关死亡的第二大原因。对于早期结肠癌，通过手术切除肿瘤，可以有效地控制病情的发展，提高患者的生存率。对于发生转移的早期结肠癌，可以通过姑息手术和放化疗来缓解症状，提高患者的生活质量。而手术或其它治疗前往往采用医用内窥镜以无创或微创的方式将小型化成像探头搭载柔性管道深入消化道等器官，观察表面或深层结构中的肿瘤、炎症等病灶，例如结肠癌内窥镜可以直接观察到结肠内部的情况，发现结肠肿瘤或其他异常病变。结肠癌内窥镜通常与病理活检结合使用，以确定病变的性质和分期，它可以准确地发现肿瘤或其他异常病变，有助于早期诊断和治疗。结肠癌内窥镜是一种非侵入性的检查方法，不会对患者造成大的创伤，并且操作简单，检查过程快捷，患者通常不需要住院，俨然已经成为了消化道疾病诊断与筛查中不可或缺的技术手段。目前应用于内窥镜的成像方式有超声成像，光声成像等。其中光声成像是一种新型的非入侵式和非电离式生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域产生超声信号，生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了光学成像的高对比度和基于光谱的特异性以及超声成像的高穿透性，克服了传统医学成像手段的不足，实现了深层活体内组织成像。
传统基于压电传感器的光声内窥镜具有连续扫描能力，但成像深度通常较浅，不能很好地应用于深层组织的成像，所以还需要使用精密的超声探测器来检测微弱的超声信号，这会增加设备的复杂性和成本。传统的压电传感器本身具有探测灵敏度与尺寸不兼容的局限性，设备通常比较笨重，需要放置在实验室内使用，不便于移动和携带。因此，现有的技术缺陷有可能造成信息缺失，影响疾病诊断结果，且无法适用于人体躯干等部位的成像，对实现完整成像的环境空间大小有较大的要求，极大地限制了其应用场景，不利于广泛应用。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷和改进需求提供了一种基于双芯光纤的全光纤超声传感器、制作方法和传感系统，其目的在于解决传统基于压电传感器装置测量不便、精度不高、灵敏度低的技术问题，利用高度集成化和小型化的双芯光纤扇入扇出单元实现一种基于双芯光纤的多功能全光纤光声激发和传感系统的内窥成像技术。通过光纤抛磨技术制成的基于双芯光纤两个输入端末端全部抛磨形成45度反射面实现超声的激发，另一个输入端末端部分抛磨形成一种基于双芯光纤的多功能全光纤迈克逊光声传感器可以实现超声回波检测。超声回波信号通过信号采集转化单元将受超声回波信号调制的光学信号转换为电学信号进行传输。在性能上，优于压电式传感器的性能，因此本发明可以为临床应用提供更好的超声、光声内窥成像结果，增强整体适用性，减少对于待测物和环境空间的限制，以解决现实生活中临床存在的成本高昂、结构复杂、灵敏度低、对人体有害、不易操作等技术问题。
为了实现上述的目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，双芯光纤包含第一纤芯，第二纤芯和双芯光纤包层；所述双芯光纤的末端进行选择性的45度抛磨，形成第一反射面、第二反射面和第三反射面；所述第一纤芯末端被完全抛磨位于第一反射面内；所述第二纤芯末端被部分抛磨，一部分位于第一反射面内，另一部分位于第二反射面内；所述第三反射面位于双芯光纤包层和外界介质的交界面；所述第一反射面、第二反射面和第三反射面均镀有增反膜。
所述双芯光纤连接到双芯光纤扇入扇出单元的光纤输出端；所述双芯光纤扇入扇出单元具有两个输入光纤入端口，两个光纤输入端的纤芯分别联通至所述第一纤芯和所述第二纤芯。
在一种可选的实施方式中，所述增反膜为金属增反膜或者介质增反膜。
在一种可选的实施方式中，所述双芯光纤末端利用光纤抛磨机器进行特定角度的选择性抛磨。
所述双芯光纤的第一纤芯末端被全部抛磨形成具有角度的反射面，位于第一反射面内；
所述双芯光纤的第二纤芯末端被部分抛磨，一部分位于第一反射面内，另一部分位于第二反射面内；
在一种可选的实施方式中，将经过抛磨后的所述双芯光纤末端和包层进行增反膜的镀膜。
第二方面，本发明实施例还提供一种传感系统，该光纤超声传感系统包括：超声激发光源、准直扩束光路单元、激发光传输光纤、探测激光、基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器、内窥探头、光电转化单元、信号采集单元、信号处理单元和计算机终端。
在一种可选的实施方式中，准直扩束光路单元由透镜、孔径光阑、高反镜等组成。
在一种可选的实施方式中，双芯光纤扇入扇出单元具有两个输入光纤入端口。
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器包括双芯光纤和增反膜；所述双芯光纤包含第一纤芯和第二纤芯；所述第一纤芯末端被完全抛磨形成特定角度的反射面；所述第二纤芯末端被部分抛磨与包层形成迈克逊干涉仪；所述增反膜可以调控相应端面的反射率。
所述超声激发光通过透镜组将激光耦合至激发光传输光纤。
所述激发光传输光纤传输超声激发激光至双芯扇入扇出单元的其中一个输入端，所述探测激光输入双芯扇入扇出单元的另一个输入端，所述双芯扇入扇出单元的输出端连接到所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器。
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器封装在所述内窥探头内。
所述超声激发光源输入末端全部抛磨形成45度反射面的纤芯，所述超声激发光在纤芯末端将反射一定比例能量的光到侧向并出射出光纤，超声激发光照射到外界超声激发材料（如生物组织等）表面将激发出一定能量的超声波信号。
所述超声波信号在遇到探测目标之后将有部分反射回所述双芯光纤，引起双芯光纤的径向尺寸的变化，即引起双芯光纤其中一个纤芯末端的迈克逊干涉仪的相位变化。
所述探测激光输入末端部分抛磨45度的纤芯，所述探测激光经纤芯末端形成的迈克逊干涉仪作用之后，将携带超声波信号扰动信息并反射回所述光电转化单元。
所述光电转化单元经所述信号采集单元和信号处理单元之后，将最终解调得到超声波信号的信息传输至所述计算机终端进行处理和显示。
所述内窥探头末端一侧具有开口，允许激光通过该开口出射和入射到所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器。
所述信号采集单元和信号处理单元与所述超声激发光源进行同步触发。
在一种可选的实施方式中，应用场景为超声成像时，所述光路中使用的光纤、激发光传输光纤等均为单模光纤。
在一种可选的实施方式中，所述超声激发光源由超短脉冲激光器提供。
在一种可选的实施方式中，所述探测激光由波长可调谐激光器提供。
本发明使用时，按照设计要求和实际需要，将一种基于双芯光纤的全光纤超声传感器、制作方法和传感系统应用于临床内窥镜，基于光声成像原理的内窥镜是一种新型的医学成像技术，它结合了光学成像和超声成像的优点，同时实现光学成像的超分辨以及超声成像探测深度深的优势，可以在体内提供原位的生物组织结构和功能信息。是一种采用光学激发和超声波探测的新型成像方式，在光声成像中，脉冲激光被用来激发生物组织产生超声信号，然后这些超声信号被超声传感器探测并重建出生物组织图像。这种内窥镜是基于光纤抛磨技术双芯光纤的末端抛磨和末端反射膜以及光声成像原理实现，它利用血红蛋白对脉冲激光的内源性吸收，不仅能够提供高对比度的血管图像，还能实现血氧饱和度的量化表征。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用了上述技术方案，进一步发展了一种基于双芯光纤的全光纤超声传感器、制作方法和传感系统。它具有结构新型实用，相较于传统压电传感器在探测超声信号时存在尺寸与灵敏度之间的制约关系，当用于内窥成像时，由于尺寸受限而无法提供足够的探测灵敏度，本发明利用基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器对超声压力信号进行捕捉，结构新型实用，体积小，更加轻便。
2. 本发明装置采用双芯光纤并利用光纤抛磨技术将双芯光纤末端第一纤芯和第二纤芯进行特定角度的选择性抛磨和选择性光纤镀增反膜实现多功能全光纤的迈克逊光声传感器，其结构温度串扰小、灵敏度高。
3.本发明装置所需材料易于获取，整个装置容易实现、成本较低，运行可靠。
4.本发明装置能够实现对活体深层组织的高分辨、高对比度成像，并且能够提供原位的生物组织结构和功能信息。
5.由于将光路激发单元和内窥探头分离设置，使得该装置工作于探测目标远端的扫描机制不仅能够消除对内窥探头的限制并减小在近端扫描存在的安全隐患，又减小了内窥探头的体积，从而能够实现小巧安全、高效的需求。
6. 声内窥镜探头直径可小至1毫米。探头内有一根双芯光纤，其中第一纤芯用于引导脉冲激光激发目标组织，第二纤芯用于探测生物组织发出的微弱超声信号。集成激发与传感，实现小型化。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出一种基于双芯光纤的全光纤超声传感器的反射光谱的结构示意图。
图2是一种基于双芯光纤的全光纤超声传感系统的结构示意图。
图3是一种基于双芯光纤的全光纤超声传感器示意图。
图中的附图标记有：1、脉冲激光器；2、透镜a；3、孔径光阑；4、透镜b；5、高反镜；6、双芯光纤扇入扇出单元输入端a；7、双芯光纤扇入扇出单元输入端b；8、基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器；9、探测激光；10、环形器；11、光电转化单元；12、数据采集单元；13、计算机终端；14、内窥成像探头；15、不锈钢管；16、生物组织；17、激发光传输光纤；18、双芯光纤包层；19、第一纤芯；20、第二纤芯；21、第一反射面；22、第二反射面；23、第三反射面。
具体实施方式
结合附图，对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例，即但凡以本发明申请专利范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围之内。
如图1所示，一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，包括双芯光纤18和增反膜21；所述双芯光纤18包含第一纤芯19和第二纤芯20；所述第一纤芯末端被完全抛磨形成具有角度的反射面；所述第二纤芯末端被部分抛磨与包层形成迈克逊干涉仪；所述增反膜用于调控相应有特定角度的端面的反射率。
所述双芯光纤连接到双芯光纤扇入扇出单元的光纤输出端；所述双芯光纤扇入扇出单元具有两个光纤输入端口，两个光纤输入端的纤芯分别连通至所述第一纤芯和所述第二纤芯。
所述增反膜为金属增反膜或者介质增反膜。
一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器的制作方法，所述双芯光纤末端利用光纤抛磨机器进行特定角度的选择性抛磨；所述双芯光纤的第一纤芯末端被全部抛磨形成具有角度的反射面；所述双芯光纤的第二纤芯末端被部分抛磨；
将经过抛磨后的所述双芯光纤末端和包层进行增反膜的镀膜。
一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，包括：超声激发光源、准直扩束光路单元、激发光传输光纤、探测激光、基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器、内窥探头、光电转化单元、信号采集单元、信号处理单元和计算机终端单元。
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器包括双芯光纤和增反膜；所述双芯光纤包含第一纤芯和第二纤芯；所述第一纤芯末端被完全抛磨形成特定角度的反射面；所述第二纤芯末端被部分抛磨与包层形成迈克逊干涉仪；所述增反膜用于调控相应端面的反射率。
所述超声激发光源发出的超声激发光通过准直扩束光路单元的透镜组耦合至激发光传输光纤。
所述激发光传输光纤传输超声激发光至双芯扇入扇出单元的其中一个输入端，所述探测激光输入双芯扇入扇出单元的另一个输入端，所述双芯扇入扇出单元的输出端连接到所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器。
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器封装在所述内窥探头内。
所述超声激发光源输入末端全部抛磨形成45度反射面的纤芯，所述超声激发光在纤芯末端将反射部分光到侧向并出射出光纤，超声激发光照射到外界超声激发材料表面激发出超声波信号。
所述超声波信号在遇到探测目标之后部分反射回所述双芯光纤，引起双芯光纤的径向尺寸的变化，即引起双芯光纤其中一个纤芯末端的迈克逊干涉仪的相位变化。
所述探测激光输入末端部分抛磨45度的纤芯，所述探测激光经纤芯末端形成的迈克逊干涉仪作用之后，携带超声波信号扰动信息并反射回所述光电转化单元。
所述光电转化单元经所述信号采集单元和信号处理单元之后，将最终解调得到超声波信号的信息传输至所述计算机终端单元进行处理和显示。
如图1、图2、图3所示，本实施例中一种基于双芯光纤的全光纤超声传感系统 包括脉冲激光器1、透镜a2、孔径光阑3、透镜b4、高反镜5、双芯光纤扇入扇出单元输入端a 6、双芯光纤扇入扇出单元输入端b 7、基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器8、探测激光9、环形器10、光电转化单元11、数据采集单元12、计算机终端13、内窥成像探头14、不锈钢管15、生物组织16、激发光传输光纤17、双芯光纤包层18、第一纤芯19、第二纤芯20、第一反射面21、第二反射面22、第三反射面23。
所述Nd:YAG脉冲激光器1与计算机终端13连接； Nd:YAG脉冲激光器1出射的脉冲激光经透镜组，透镜组将激光耦合至激发光传输光纤17。
所述准直扩束光路单元的透镜组依次由透镜a2、孔径光阑3、透镜b4、高反镜5组成。所述透镜组的激光聚焦耦合进将激光耦合至激发光传输光纤17后与双芯光纤扇入扇出单元输入端a 6相连，在双芯光纤扇入扇出单元输入端a 6末端全部抛磨形成的45度反射面，反射一定比例能量的光到侧向并出射出光纤。
所述双芯光纤扇入扇出单元输入端a 6末端投射超声激发光照射到待探测目标（生物组织16）中，反射镜5可以被设置成能转动以将光束反射到被成像对象上的不同位置。所述探测目标受激光照射后，探测目标会吸收光能，导致局部轻微变热并产生快速的热弹性膨胀。这种瞬时的组织弹性热膨胀在满足一定的热限制和压力限制条件下会产生压力波，将有部分反射回所述双芯光纤。
所述可调谐激光器9连接环形器10后将探测激光传输到所述内窥探头14中基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器8中，当压力波有部分反射回所述双芯光纤，所述双芯光纤末端受到高频超声回波信号影响时，其将发生径向应变，即引起双芯光纤其中一个纤芯末端的迈克逊干涉仪的相位变化。
所述内窥探头14中所述探测激光9经纤芯末端形成的迈克逊干涉仪8作用之后，将携带超声波信号扰动信息并反射回所述光电转化单元11，所述光电转化单元11对超声信号进行光电转换后直流信号用于电流控制器进行基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器8的相位点锁定，交流信号输入数据采集单元12。
所述数据采集单元12与计算机终端连接，计算机终端13从电学信号中提取并还原超声回波信号信息，通过对电信号进行处理和重建，可以获得高对比度、高分辨率的组织图像。
所述数据采集单元12和信号处理单元与与Nd:YAG脉冲激光器1、同步触发。
以上所述实施例的各技术特征可以进行进一步的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同技术方案给出。
Claims (10)
1.一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，其特征在于，双芯光纤包含第一纤芯，第二纤芯和双芯光纤包层；所述双芯光纤的末端进行选择性的45度抛磨，形成第一反射面、第二反射面和第三反射面；所述第一纤芯末端被完全抛磨位于第一反射面内；所述第二纤芯末端被部分抛磨，一部分位于第一反射面内，另一部分位于第二反射面内；所述第三反射面位于双芯光纤包层和外界介质的交界面；所述第一反射面、第二反射面和第三反射面均镀有增反膜。
2.根据权利要求1 所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，其特征在于，所述双芯光纤连接到双芯光纤扇入扇出单元的光纤输出端；所述双芯光纤扇入扇出单元具有两个光纤输入端口，两个光纤输入端的纤芯分别连通至所述第一纤芯和所述第二纤芯。
3.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器，其特征在于，所述增反膜为金属增反膜或者介质增反膜。
4.一种根据权利要求1所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器的制作方法，其特征在于，所述双芯光纤末端利用光纤抛磨机器进行特定角度的选择性抛磨；
所述双芯光纤的第一纤芯末端被全部抛磨形成具有角度的反射面，位于第一反射面内；
所述双芯光纤的第二纤芯末端被部分抛磨，一部分位于第一反射面内，另一部分位于第二反射面内；
将经过抛磨后的所述双芯光纤末端和包层进行增反膜的镀膜。
5.一种基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，包括：超声激发光源、准直扩束光路单元、激发光传输光纤、探测激光、基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器、内窥探头、光电转化单元、信号采集单元、信号处理单元和计算机终端；
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器包括双芯光纤和增反膜；所述双芯光纤包含第一纤芯和第二纤芯；所述第一纤芯末端被完全抛磨形成特定角度的反射面；所述第二纤芯末端被部分抛磨与包层形成迈克逊干涉仪；所述增反膜用于调控相应端面的反射率；
所述超声激发光源发出的超声激发光通过准直扩束光路单元的透镜组耦合至激发光传输光纤；
所述激发光传输光纤传输超声激发光至双芯扇入扇出单元的其中一个输入端，所述探测激光输入双芯扇入扇出单元的另一个输入端，所述双芯扇入扇出单元的输出端连接到所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器；
所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器封装在所述内窥探头内；
所述超声激发光源输入末端全部抛磨形成45度反射面的纤芯，所述超声激发光在纤芯末端将反射部分光到侧向并出射出光纤，超声激发光照射到外界超声激发材料表面激发出超声波信号；
所述超声波信号在遇到探测目标之后部分反射回所述双芯光纤，引起双芯光纤的径向尺寸的变化，即引起双芯光纤其中一个纤芯末端的迈克逊干涉仪的相位变化；
所述探测激光输入末端部分抛磨45度的纤芯，所述探测激光经纤芯末端形成的迈克逊干涉仪作用之后，携带超声波信号扰动信息并反射回所述光电转化单元；
所述光电转化单元经所述信号采集单元和信号处理单元之后，将最终解调得到超声波信号的信息传输至所述计算机终端进行处理和显示。
6.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，所述内窥探头末端一侧具有开口，允许激光通过该开口出射和入射到所述基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感器。
7.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，所述信号采集单元和信号处理单元与所述超声激发光源进行同步触发。
8.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，应用场景为超声成像时，所述光路中使用的光纤、信号传输光纤均为单模光纤。
9.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，所述超声激发光源由超短脉冲激光器提供。
10.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的多功能全光纤超声传感系统，其特征在于，所述探测激光由波长可调谐激光器提供。
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