CN201085617Y

CN201085617Y - 集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统

Info

Publication number: CN201085617Y
Application number: CNU2007201921983U
Authority: CN
Inventors: 王凌; 丁志华; 何梓昂; 杨亚良
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2017-10-25

Abstract

本实用新型公开了一种集成光学相干层析成像(OCT)与激光诱导荧光光谱(LIF)的单光纤内窥系统。采用光纤的波分复用技术，利用OCT与LIF两个诊断模式的工作波段不一致以及双包层光纤的双模式特性，实现OCT与LIF的单光纤内窥系统的整合。纤芯模式在为OCT诊断模式提供单模单模传输通道的同时，也作为荧光激发光的传输通道，而内包层模式则为荧光信号提供传输通道。双包层光纤耦合器将荧光信号从双包层光纤的内包层中分离出来，从而实现荧光光谱测量。本实用新型具有尺寸特别小，稳定性和可靠性高，成本低，以及背景干扰小的优点。

Description

集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统

技术领域

本实用新型涉及光学相干层析成像和激光诱导荧光光谱诊断技术，尤其是涉及一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统。

背景技术

近年发展起来的，用于诊断人体组织病变的光学活检方法已经成为现代光学技术应用的一大方向。光学活检的实用技术包括组织光谱诊断和成像诊断，相比较于传统诊断方法，其优越性主要表现为：(1)减少甚至摒弃对疑似组织的活检，从而减小病人痛苦；(2)在组织结构异常不明显的情况下，能够对活检手术进行有效指导；(3)在临床手术期间，对病变组织边界进行判断。

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能实现对非透明高散射介质内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像。已在生物医学领域和临床诊断上得到广泛应用，可用于眼科、皮肤等疾病的早期诊断上。

激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence，简称LIF)光谱以其极高的分辨率、灵敏度和精确度等优点成为了光学活检技术研究中的一个重要领域。目前，利用激光诱导荧光光谱诊断各种组织病变的研究已经进行得比较深入，包括消化道疾病、皮肤疾病、血管疾病以及其它部位组织的病变等。荧光辐射由生物体组织在一定波长的入射光激发下产生，荧光辐射光谱带有组织生物化学成分的信息。产生荧光的荧光基质包括生物体组织自带的如氨基酸，弹性蛋白，角蛋白，维生素和卟啉等，也包括外部添加的化学染色剂如罗丹明等。

常规的OCT技术只能提供样品的形态学信息，而荧光光谱只能探测组织的生化成分的变化却无法直观地给出三维结构图像。因此，OCT和LIF技术的整合将极大地提升疾病诊断的准确性和效率，尤其是对早期肿瘤等初级的组织病变将具有更高的灵敏度。对于疾病的预防和治疗将起到不可估量的推动作用。

光纤探头是内窥系统的关键部件，而探头的小型化则是实施在体内窥诊断的前提条件，成像探头只有满足小型化要求，才能进入人体内腔，实施在体光学活检。多种光学诊断模式的集成将增加探头光学系统，机械结构等方面的复杂度，从而增加探头尺寸，并可能降低系统的稳定性和可靠性。另外，探头的设计和制作成本也会大大增加。因此，如何在尽可能少的光学器件条件下整合多个诊断模式是减小探头尺寸，降低成本的有效途径。A.R.Tumlinson等人报道的双功能探头采用光纤分离的设计实现OCT和LIF的集成。(A.R.Tumlinson，L.P.Hariri，U.Utzinger，and J.K.Barton，“Miniature endoscope for simultaneousoptical coherence tomography and laser-induced fluorescence measurement”，AppliedOptics，43(1)：113-121，(2004))。在他们的探头中，一根单模光纤用于传导OCT成像中的光源与信号光，一根多模光纤用于传导激发光，另外两根多模光纤用于传导荧光信号。这一设计，仅仅是把两种探头在进行合并，做结构上的整合。由于光纤数没有减少，从而无法从本质上对系统进行简化。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，通过采用一种双包层光纤与双包层光纤耦合器，使得OCT与LIF两个诊断模式的光都只需要经过一根光纤传输整合到一个系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

包括光源单元、光纤干涉仪、双包层光纤耦合单元、内窥探头单元、LIF信号采集与处理单元、OCT信号采集与处理单元和计算机单元；光源单元中的第一单模光纤耦合器经单模光纤与光纤干涉仪中的第二单模光纤耦合器的第一端口连接，双包层光纤耦合单元中的熔接点经单模光纤与光纤干涉仪中的第二单模光纤耦合器第二端口连接，双包层光纤耦合单元中的双包层光纤耦合器的第一端口经双包层光纤接内窥探头单元，双包层光纤耦合器的第二端口经双包层光纤接LIF信号采集与处理单元的长波通滤波器，OCT信号采集与处理单元中的带通滤波器经单模光纤与光纤干涉仪中的第三端口连接，LIF信号采集与处理单元和OCT信号采集与处理单元与计算机单元连接。

所述的光源单元包括OCT光源、光隔离器、LIF光源和第一单模光纤耦合器；OCT光源发出的低相干光经光隔离器后，经单模光纤接第一单模光纤耦合器的第二端口，LIF光源发出的光经单模光纤接第一单模光纤耦合器的第三端口。

所述的光纤干涉仪包括第二单模光纤耦合器和参考臂；第二单模光纤耦合器的第四端口经单模光纤接入参考臂中的准直镜，参考臂中的准直镜同光轴依次设置色散补偿器、中性滤波片和反射镜。

所述的双包层光纤耦合单元包括熔接点、模剥离器和双包层光纤耦合器；熔接点经双包层光纤接模剥离器，模剥离器接双包层光纤耦合器的第三端口。

所述的内窥探头单元是在透明护套内依次同轴设有轴锥镜、直角棱镜和微马达，轴锥镜经双包层光纤与双包层光纤耦合单元中的双包层光纤耦合器第一端口连接。

所述的LIF信号采集与处理单元中，长波通滤波器和荧光光谱仪连接。

所述的OCT信号采集与处理单元中，带通滤波器和OCT信号探测器连接。

与背景技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型设计的光纤内窥探头只采用一根光纤实现了光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱两种医学诊断模式的整合，内窥探头尺寸可以小至一根普通单模光纤的直径。可以对更小直径的腔道组织进行光学活检，如输卵管、输精管、脑血管等。

2、单光纤结构大大简化探头单元光学系统光学和机械结构的设计与生产，提高系统的稳定性和可靠性，降低成本。

3、双包层光纤耦合器实现荧光激发光与信号光的分离，有效降低光纤本身的荧光背景对组织荧光信号的干扰。

附图说明

图1为本实用新型的框图结构原理示意图；

图2为本实用新型的系统结构原理示意图；

图3为本实用新型中的双包层光纤的结构示意图；

图4为本实用新型中采用的参考臂的光路示意图；

图5为本实用新型中采用的内窥探头结构示意图。

图中：1.光源单元，2.光纤干涉仪，3.双包层光纤耦合单元；4.内窥探头单元；5.LIF信号采集与处理单元；6.OCT信号采集与处理单元；7.计算机单元；8.单模光纤；9.双包层光纤；10.OCT光源；11.光隔离器；12.LIF光源；13.单模光纤耦合器；14.参考臂；15.熔接点；16.模剥离器；17.双包层光纤耦合器；18.长波通滤波器；19.荧光光谱仪；20.带通滤波器；21.OCT信号探测器；22.纤芯；23.内包层；24.外包层；25.准直镜；26.色散补偿器；27.中性滤波片；28.反射镜；29.轴锥镜；30.直角棱镜；31.微马达；32.透明护套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

在图1、图2中，本实用新型包括光源单元1、光纤干涉仪2、双包层光纤耦合单元3、内窥探头单元4、LIF信号采集与处理单元5、OCT信号采集与处理单元6和计算机单元7；光源单元1中的第一单模光纤耦合器13经单模光纤8与光纤干涉仪2中的第二单模光纤耦合器13的第一端口连接，双包层光纤耦合单元3中的熔接点15经单模光纤8与光纤干涉仪2中的第二单模光纤耦合器13第二端口连接，双包层光纤耦合单元3中的双包层光纤耦合器17的第一端口经双包层光纤9接内窥探头单元4，双包层光纤耦合器17的第二端口经双包层光纤9接LIF信号采集与处理单元5的长波通滤波器18，OCT信号采集与处理单元6中的带通滤波器20经单模光纤8与光纤干涉仪2中的第三端口连接，LIF信号采集与处理单元5和OCT信号采集与处理单元6与计算机单元7连接。

在图2中，所述的光源单元1包括OCT光源10、光隔离器11、LIF光源和第一单模光纤耦合器13；OCT光源10发出的低相干光经光隔离器11后耦合，经单模光纤8接第一单模光纤耦合器13的第二端口，LIF光源12发出的光经单模光纤8接第一单模光纤耦合器13的第三端口。OCT光源10与LIF光源12发出的光经单模光纤耦合器13耦合至同一根单模光纤中。

在图2、图4中，所述的光纤干涉仪2包括第二单模光纤耦合13参考臂14；第二单模光纤耦合器13的第四端口经单模光纤8接入参考臂14中的准直镜25，参考臂14中的准直镜25同光轴依次设置色散补偿器26、中性滤波片27和反射镜28。

在图2中，所述的双包层光纤耦合单元3包括熔接点15、模剥离器16和双包层光纤耦合器17；熔接点15经双包层光纤9接模剥离器16，模剥离器16接双包层光纤耦合器17的第三端口，在光纤熔接点15，纤芯直径相同的单模光纤8和双包层光纤9实现同轴熔接，模剥离器16保证在所述的双包层光纤9内包层23内传输的光在该处中断。

在图5中，所述的内窥探头单元4是在透明护套32内依次同轴设有轴锥镜29、直角棱镜30和微马达31，轴锥镜29经双包层光纤9与双包层光纤耦合单元3中的双包层光纤耦合器17第一端口连接。探头单元4的成像光学系统为透镜成像系统，或光纤透镜成像系统，或自聚焦透镜成像系统。探头单元4的扫描模式为正面平移扫描模式、侧面平移扫描模式或侧面旋转扫描模式。

在图2中，所述的LIF信号采集与处理单元5中，长波通滤波器1 8和荧光光谱仪19连接，长波通滤波器1 8阻挡LIF光源12的光进入荧光光谱仪19，实现荧光光谱的测量与分析，以及荧光成像。

在图2中，所述的OCT信号采集与处理单元6中，带通滤波器20和OCT信号探测21连接，带通滤波器20仅仅允许OCT光源10波长的光进入OCT信号探测器21，实现OCT信号的测量与分析。OCT信号与采集单元6的工作模式为时域OCT模式，或傅立叶域OCT模式。

在图3中，双包层光纤耦合器17与内窥探头单元4之间采用双包层光纤9，即：中间是纤芯22，内包层23和外包层24。在图2中，熔接点15和模剥离器16之间的双包层光纤9以及双包层耦合器17和长波通滤波器18采用同样结构。所述的双包层光纤9是双包层的熔融光纤或双包层的光子晶体光纤。

如图2所示，OCT光源10发出的低相干光(近红外波段)经光隔离器11后耦合进单模光纤8，保证OCT光源的光以单模模式传输；同时，LIF光源12发出的光(UV或蓝绿波段)耦合进单模光纤8。两路光经单模光纤耦合器13捆绑耦合至第三根单模光纤，再由第二个单模光纤耦合器13分成两路，一路至参考臂14并按原路返回作为参考光，一路经光纤熔接点15与一根双包层光纤9相接。双包层光纤的纤芯22与单模光纤纤芯直径相同，从而保证OCT光源的光仍旧以单模模式传播，模剥离器16用于除去泄漏至内包层23中的光能量，双包层光纤耦合器17只对内包层模式进行分光，对纤芯模式无影响。捆绑的两路光依次经过光纤熔接点15、模剥离器16、双包层光纤耦合器17后至探头单元4，探头单元4实现对样品的照明、信号的接收和机械扫描。探头单元4接收的OCT信号和荧光信号一部分进入双包层光纤的纤芯22，一部分进入内包层23。部分内包层的信号光经双包层光纤耦合器17后进入LIF信号采集与处理单元5，长波通滤波器18过滤掉LIF光源的激发光后，有荧光光谱仪19测得样品的荧光光谱，光谱数据再交由计算机分析处理。纤芯的信号光经双包层耦合器17，模剥离器16，光纤熔接点15返回至在单模光纤耦合器13处与参考臂14返回的光汇合并发生干涉，产生的干涉信号经带通滤波器20过滤后由OCT信号探测器21转换成电信号；最后经计算机处理，实现OCT成像。

所述的参考臂包括准直镜25，色散补偿器26，中性滤波片27，反射镜28。从参考臂单模光纤8出来的光经准直镜25准直后，通过色散补偿器26和中性滤波片27后入射到反射镜28上。色散补偿器26和中性滤波片27的作用分别是为了匹配两个臂之间的色散和光强，以确保最佳成像质量。从反射镜28返回的参考光再由原光路耦合回参考臂的光纤。

所述的内窥探头单元包括轴锥镜29；直角棱镜30；微马达31；透明护套32。从双包层光纤9纤芯22断面出来的光经轴锥镜29汇聚后入射到直角棱镜30上，直角棱镜30的斜面将光90度反射到侧面而照射到样品上，微马达31带动直角棱镜30旋转实现圆周扫描，从样品返回的信号光再由原光路耦合回样品臂的光纤。

本实用新型采用光纤的波分复用技术，利用OCT与LIF两个诊断模式的工作波段不一致以及双包层光纤的双模式特性，实现光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统的整合。其光纤内窥探头的直径最小可以控制在一根普通单模光纤直径的尺寸(100-200μm)，在无/微创内亏诊断领域极具应用潜力。

所述的双包层光纤具有纤芯和内包层两个传输模式，当光波长大于纤芯模式的截止波长时，纤芯模式将保持单模传输，而内包层由于直径比较大，将保持多模传输。此外，由于纤芯直径比内包层要小很多，其对内包层模式的影响可以忽略，因此，内包层模式等同于普通多模光纤模式。提出的双包层光纤探头用一根光纤实现光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的整合，纤芯模式的单模传输特性为OCT和荧光激发光提供光传输通道，内包层模式为荧光信号提供光传输通道。

Claims

1.一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：包括光源单元(1)、光纤干涉仪(2)、双包层光纤耦合单元(3)、内窥探头单元(4)、LIF信号采集与处理单元(5)、OCT信号采集与处理单元(6)和计算机单元(7)；光源单元(1)中的第一单模光纤耦合器(13)经单模光纤(8)与光纤干涉仪(2)中的第二单模光纤耦合器(13)的第一端口连接，双包层光纤耦合单元(3)中的熔接点(15)经单模光纤(8)与光纤干涉仪(2)中的第二单模光纤耦合器(13)第二端口连接，双包层光纤耦合单元(3)中的双包层光纤耦合器(17)的第一端口经双包层光纤(9)接内窥探头单元(4)，双包层光纤耦合器(17)的第二端口经双包层光纤(9)接LIF信号采集与处理单元(5)的长波通滤波器(18)，OCT信号采集与处理单元(6)中的带通滤波器(20)经单模光纤(8)与光纤干涉仪(2)中的第三端口连接，LIF信号采集与处理单元(5)和OCT信号采集与处理单元(6)与计算机单元(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的光源单元(1)包括OCT光源(10)、光隔离器(11)、LIF光源(12)和第一单模光纤耦合器(13)；OCT光源(10)发出的低相干光经光隔离器(11)后，经单模光纤(8)接第一单模光纤耦合器(13)的第二端口，LIF光源(12)发出的光经单模光纤(8)接第一单模光纤耦合器(13)的第三端口。

3.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的光纤干涉仪(2)包括第二单模光纤耦合器(13)和参考臂(14)；第二单模光纤耦合器(13)的第四端口经单模光纤(8)接入参考臂(14)中的准直镜(25)，参考臂(14)中的准直镜(25)同光轴依次设置色散补偿器(26)、中性滤波片(27)和反射镜(28)。

4.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的双包层光纤耦合单元(3)包括熔接点(1 5)、模剥离器(16)和双包层光纤耦合器(17)；熔接点(15)经双包层光纤(9)接模剥离器(16)，模剥离器(16)接双包层光纤耦合器(17)的第三端口。

5.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的内窥探头单元(4)是在透明护套(32)内依次同轴设有轴锥镜(29)、直角棱镜(30)和微马达(31)，轴锥镜(29)经双包层光纤(9)与双包层光纤耦合单元(3)中的双包层光纤耦合器(17)第一端口连接。

6.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的LIF信号采集与处理单元(5)中，长波通滤波器(18)和荧光光谱仪(19)连接。

7.根据权利要求1所述的一种集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥系统，其特征在于：所述的OCT信号采集与处理单元(6)中，带通滤波器(20)和OCT信号探测器(21)连接。