RU198741U1 - Устройство эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии - Google Patents

Abstract

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области катетеров и полых зондов и может быть использовано в медицине и ветеринарии для проведения диагностики в полостях и трактах организма, а также в физике для исследования или анализа материалов с помощью оптических средств.Технической задачей полезной модели является повышение информативности результатов сканирования полостей и трактов исследуемого объекта, вызванное сочетанием режимов кругового и бокового (секторного) сканирования.Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии для сканирования исследуемого биологического объекта используются линза с градиентным показателем преломления и двухкоординатный микроэлектромеханический гальвано-сканер с зеркалами продольного и поперечного сканирования, причем линза с градиентным показателем преломления жестко закреплена на фокусном расстоянии от дистального конца волоконного жгута плеча детектирования, а пучки излучения от источника посредством дистального конца оптического волокна доставляются к краю вышеуказанной линзы, который характеризуется коэффициентом преломления достаточным, чтобы излучение от источника попало на исследуемый объект.Повышение информативности результатов сканирования, оцененное площадью сканируемой поверхности за единицу времени (без потерь в качестве получаемых структурных изображений) составило 36%, что свидетельствует о достижении поставленной технической задачи.

Description

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области катетеров и полых зондов и может быть использовано в медицине и ветеринарии для проведения диагностики в полостях и трактах организма, а также в физике для исследования или анализа материалов с помощью оптических средств.

Оптическая когерентная томография представляет собой метод медицинской визуализации внутренней структуры биологических объектов и неразрушающего контроля сильно рассеивающих сред, основанный на зондировании исследуемого объекта излучением ближнего инфракрасного диапазона с последующим детектированием и анализом обратно отраженных и рассеянных назад фотонов. Ключевое преимущество оптической когерентной томографии по сравнению с другими методам медицинской визуализации заключается в очень высоком пространственном разрешении получаемых изображений, составляющем единицы микрон (2-6 микрон у современных систем). Однако это преимущество во многом нивелируется низкой глубиной когерентного зондирования, в идеальном случае не превышающей 2.5 миллиметров, а во многих реальных клинических случаях составляющей не более 1.5 миллиметров. В связи с вышесказанным применяются различные программные и аппаратные решения для расширения диагностических возможностей оптической когерентной томографии. Программные решения заключаются в более эффективной обработке интерференционных сигналов (А-сканов), позволяющей снизить уровень шумов, повысить контраст тканевых структур на изображениях, оценить доплеровские сдвиги несущей частоты, фазовые смещения между соседними А-сканами, спекл-контраст и т.п. Такие подходы улучшают качество получаемых структурных изображений и позволяют получать некоторые типы функциональных изображений (цветовые доплеровские картограммы и ангиограммы). Аппаратные решения по расширению диагностических возможностей оптической когерентной томографии во многом направлены на переход от время-разрешенных к частотно-разрешенным системам, повышение скорости и эффективности режимов сканирования, а также разработку мультимодальных систем. Весьма перспективным является сочетание лежащих в основе оптической когерентной томографии принципов низкокогерентной интерферометрии со спектроскопическими и эндоскопическими подходами к медицинской визуализации. Конструирование опорного плеча оптического когерентного томографа в виде эндоскопического позволяет использовать оптическую когерентную томографию не только в офтальмологии и дерматологии, но и для диагностики полостей и трактов организма человека, т.е. в гастроэнтерологии, стоматологии, оториноларингологии, урологии, гинекологии и т.п. Использование источников излучения с перестраиваемой длиной волны не только повышает качество получаемых изображений, но и позволяет оценивать уровень оксигенации исследуемой ткани. Тем не менее, не смотря на свою перспективность технические решения по использованию эндоскопических зондов, особенно в спектроскопической оптической когерентной томографии нуждаются в серьезном совершенствовании. В частности, отдельное использование зондов прямого, бокового, кругового, проградного и ретроградного сканирования является весьма неудобным. Имеется потребность в создании и использовании эндоскопического зонда с универсальной сканирующей головкой.

По патенту US 10022046 В2, МПК А61В 5/05 и А61В 3/10, опубл. 17.07.2018 г. известен многоканальный зонд для медицинских приложений оптической когерентной томографии, содержащий: первое множество оптических волокон, второе множество оптических волокон, сканирующую систему и корпус, причем первое множество оптических волокон представляет собой двумерную матрицу и выполнено с возможностью оптического соединения с источником излучения оптического когерентного томографа, второе множество оптических волокон также представляет собой двумерную матрицу и располагается в корпусе перпендикулярно первому множеству оптических волокон, таким образом, чтобы обеспечить возможность попарной радиальной оптической связи отдельных оптических волокон в составе первого и второго множеств оптических волокон, сканирующее устройство содержит исполнительный механизм и зеркало, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью вращения второго множества оптических волокон и зеркала относительно первого множества оптических волокон, зеркало расположено на оптическом пути между первым и вторым множествами оптических волокон таким образом, чтобы при его совместном вращении с вторым множеством оптических волокон попарные радиальные оптические связи отдельных волокон первого и второго множества оптических волокон синхронно сдвигались, но не нарушались. Известны варианты многоканального зонда для медицинских приложений оптической когерентной томографии в которых: дополнительно содержится по меньшей мере одна линза с градиентным показателем преломления для первого множества оптических волокон, причем эта линза расположена между торцами оптических волокон первого множества и зеркалом, и сконфигурирована для фокусировки излучения от первого множества оптических волокон на зеркало; дополнительно содержится по меньшей мере одна линза с градиентным показателем преломления для второго множества оптических волокон, причем линза с градиентным показателем преломления для второго множества оптических волокон расположена между зеркалом и торцами оптических волокон второго множества, и сконфигурирована для фокусировки излучения от зеркала на второе множество оптических волокон; дополнительно содержится по меньшей мере одна линза с градиентным показателем преломления для исследуемого объекта, причем эта линза расположена между вторым множеством оптических волокон и исследуемым объектом и предназначена для фокусировки излучения на заданном участке этого объекта; исполнительный механизм содержит гальванометр; первое и второе множества оптических волокон содержат одномодовые световоды; первое и второе множества оптических волокон содержат многомодовые световоды; первое и второе множества оптических волокон содержат волоконные пучки; корпус и второе множество оптических волокон являются сменными и предназначены для однократного использования. Техническим результатом использования многоканального зонда для медицинских приложений оптической когерентной томографии является коммерчески целесообразное получение структурных изображений исследуемого объекта с высокой чувствительностью к неоднородностям в его оптической структуре и высоким разрешением.

Недостатком многоканального зонда для медицинских приложений оптической когерентной томографии является низкая информативность результатов сканирования, вызванная тем, что второе множество оптических волокон и зеркало вращаются только в одной плоскости с осью вращения совпадающей с центром двумерной матрицы оптических волокон первого множества.

По патенту US 20190150715 А1, МПС А61В 1/00, А61В 1/05, А61В 1/06, А61В 1/07, А61В 5/00, опубл. 23.05.2019 г. известен эндоскопический зонд с микроэлектромеханическими зеркалами в иммерсионной жидкости для оптической когерентной томографии, содержащий: оболочку, средство захвата электромагнитного излучения и промежуточный слой между средством захвата электромагнитного излучения и оболочкой эндоскопического зонда, причем промежуточный слой содержит по меньшей мере одну иммерсионную жидкость или гель. Известны варианты эндоскопического зонда с микроэлектромеханическими зеркалами в иммерсионной жидкости для оптической когерентной томографии, в которых: дополнительно содержится первое зеркало, причем это зеркало расположено таким образом, чтобы излучение, проникающее через оболочку эндоскопического зонда, отражалось от первого зеркала и попадало на средство захвата электромагнитного излучения; первое зеркало является микроэлектромеханической сканирующей системой; первое зеркало выполнено с возможностью подниматься и опускаться; первое зеркало содержит биморфный исполнительный механизм или пьезоэлектрический кристалл для дефлекции излучения; средство захвата электромагнитного излучения представляет собой волокно или камеру; средство захвата электромагнитного излучения представляет одномодовое волокно; между первым зеркалом и средством захвата электромагнитного излучения дополнительно содержится линза; линза характеризуется градиентным показателем преломления; дополнительно содержится второе зеркало, сконфигурированное таким образом, чтобы отражать электромагнитное излучение от первого зеркала на средство захвата электромагнитного излучения; электромагнитное излучение представляет собой, или содержит видимый свет; электромагнитное излучение представляет собой, или содержит инфракрасное излучение; электромагнитное излучение представляет собой, или содержит ультрафиолетовое излучение; поперечное сечение оболочки эндоскопического зонда является овальным или круглым; оболочка эндоскопического зонда содержит уплощенное оптическое окно; дополнительно содержится уплотнительное кольцо; дополнительно содержится средство доставки электромагнитного излучения в эндоскопический зонд, при этом средство доставки электромагнитного излучения содержит оптическое волокно, либо светодиод, либо волоконный жгут. Техническим результатом использования эндоскопического зонда с микроэлектромеханическими зеркалами в иммерсионной жидкости для оптической когерентной томографии является получение высококачественных структурных изображений исследуемого объекта при компактных размерах зонда и боковом сканировании.

Недостатком эндоскопического зонда с микроэлектромеханическими зеркалами в иммерсионной жидкости для оптической когерентной томографии является низкая информативность результатов сканирования, вызванная тем, что сканирующие зеркала не имеют возможности вращаться.

По патенту US 7450244 В2, МПК G01B 9/02, опубл. 11.11.2008 г. известен зонд с полным круговым сканированием внутрисосудистого пространства посредством оптической когерентной томографии с использованием микроэлектромеханического зеркала, содержащий: опорное плечо, плечо образца, микроэлектромеханическое сканирующее зеркало и полую трубку, причем плечо образца расположено в полой трубке и включает в себя микроэлектромеханическое сканирующее зеркало, сочлененное со стенкой этой полой трубки таким образом, чтобы обеспечивать боковое сканирование первым и вторым оптическими пучками, при этом верхняя и нижняя поверхности микроэлектромеханического сканирующего зеркала обладают высокой отражательной способностью, первый оптический пучок падает на верхнюю поверхность микроэлектромеханического сканирующего зеркала, а второй оптический пучок, соответственно, падает на нижнюю поверхность микроэлектромеханического сканирующего зеркала, микроэлектромеханическое сканирующее зеркало поворачивается по меньшей мере на 90° вдоль своей оси, чтобы обеспечить 180° градусное сканирование верхней и нижней поверхностью своей правой части и 180° градусное сканирование верхней и нижней поверхностью своей левой части, что эквивалентно 360° полному круговому сканированию исследуемого объекта перпендикулярно оси вращения микроэлектромеханического сканирующего зеркала. Известны варианты зонда с полным круговым сканированием внутрисосудистого пространства посредством оптической когерентной томографии с использованием микроэлектромеханического зеркала в которых: дополнительно содержатся первое оптическое волокно для доставки первого оптического пучка на верхнюю поверхность микроэлектромеханического сканирующего зеркала, и второе оптическое волокно для доставки второго оптического пучка на нижнюю поверхность микроэлектромеханического сканирующего зеркала; в полой трубке дополнительно содержатся оптическое волокно плеча образца и первый разделитель пучка, причем первый разделитель пучка расщепляет пучок излучения на первый и второй оптические пучки; первый разделитель пучка из оптического волокна плеча образца представляет собой микроэлектромеханическое зеркало; дополнительно содержится микроэлектромеханический акселерометр, сконфигурированный таким образом, чтобы обеспечивать контроль положения зонда и возникающих вибраций; опорное плечо расположено в полой трубке совместно с плечом образца; в полой трубке дополнительно содержатся оптического волокно опорного плеча и второй разделитель пучка, причем второй разделитель пучка расщепляет пучок излучения на первый и второй опорные оптические пучки; второй разделитель пучка из оптического волокна опорного плеча представляет собой микроэлектромеханическое зеркало с большим вертикальным смещением. Техническим результатом использования зонда с полным круговым сканированием внутрисосудистого пространства посредством оптической когерентной томографии является получение высококачественных структурных изображений стенок исследуемого кровеносного сосуда.

Недостатком зонда с полным круговым сканированием внутрисосудистого пространства посредством оптической когерентной томографии с использованием микроэлектромеханического зеркала является низкая информативность результатов сканирования, вызванная тем, что микроэлектромеханическое сканирующее зеркало вращается только в одной плоскости, перпендикулярно стенке полой трубки, с которой оно сочленено.

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является вращающийся катетер оптической когерентной томографии с наконечником (US 8989849 В2, МПК А61В 8/00 и А61В 1/06, опубл. 25.03.2015 г.), содержащий: корпус, турбину, систему полых трубок, отражающий элемент и гидравлический привод, причем турбина расположена внутри корпуса, корпус и турбина содержат отверстия, которые при соосном совмещении образуют центральное отверстие, система полых трубок проходит, через корпус и турбину и представляет собой гидролинии, заполненные гидравлической жидкостью, отражающий элемент расположен на дистальном конце турбины, гидравлический привод функционально связан с корпусом и турбиной, причем корпус, турбина система полых трубок и отражающий элемент образуют вращающийся узел катетера, сконструированный таким образом, чтобы турбина вращалась вокруг центрального отверстия посредством гидравлической энергии, а отражающий элемент при любых пространственных позициях турбины перенаправлял отраженное излучение внутрь катетера посредством центрального отверстия. Известны варианты вращающегося катетера оптической когерентной томографии с наконечником, в которых: турбина содержит лопасти, выступающие наружу от центрального отверстия в радиальных направлениях и обеспечивающие вращающий момент относительно центральной оси; для передачи излучения от отражающего элемента внутрь катетера используется оптический волновод или оптическое волокно; оптический волновод или оптическое волокно располагаются в центральном отверстии; система полых трубок включает в себя впускные и выпускные трубки для гидравлической жидкости; корпус включает в себя цилиндр и крышку с множеством клапанов, причем цилиндр состоит из центральной камеры и дистального отверстия, а клапаны соединены с впускными и выпускными трубками для гидравлической жидкости; впускные и выпускные трубки соединены с емкостью для гидравлической жидкости; дополнительно используется фокусирующий элемент, который располагается между отражающим элементом и оптическим волноводом или оптическим волокном, находясь с ними в оптической связи; фокусирующий элемент прикреплен к специальному углублению в турбине по контуру центрального отверстия; узел катетера выполнен из биосовместимого прозрачного пластика; узел катетера дополнительно содержит призму или жидкий кристалл; узел катетера содержит специальный бугорок для указания углового положения катетера. Техническим результатом использования вращающегося катетера оптической когерентной томографии и наконечника к нему является получение высококачественных изображений внутреннего просвета кровеносного сосуда.

Недостатком вращающегося катетера оптической когерентной томографии с наконечником является низкая информативность результатов сканирования, вызванная тем, что отражательный элемент вращается только в одной плоскости, с осью вращения совпадающей с центральным отверстием.

Технической задачей полезной модели является повышение информативности результатов сканирования полостей и трактов исследуемого объекта, вызванное сочетанием режимов кругового и бокового (секторного) сканирования.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии, так же, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся корпус, турбину с лопастями, оптическое волокно, фокусирующий элемент, систему полых трубок и гидравлический привод, причем корпус включает в себя цилиндр и крышку с множеством клапанов, цилиндр состоит из центральной камеры и дистального отверстия, клапаны соединены с впускными и выпускными трубками для гидравлической жидкости, а впускные и выпускные трубки соединены с емкостью для гидравлической жидкости, турбина расположена внутри корпуса, корпус и турбина содержат отверстия, которые при соосном совмещении образуют центральное отверстие, система полых трубок проходит через турбину и представляет собой гидролинии заполненные гидравлической жидкостью, гидравлический привод функционально связан с корпусом и турбиной, причем корпус, турбина и система полых трубок образуют выполненный из биосовместимого прозрачного пластика вращающийся узел катетера, сконструированный таким образом, чтобы турбина вращалась вокруг центрального отверстия посредством гидравлической энергии и при любых пространственных позициях турбины отраженное излучение перенаправлялось внутрь катетера посредством расположенных в центральном отверстии оптически связанных фокусирующего элемента и оптического волокна.

Новым в разработанном устройстве эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии является то, что фокусирующим элементом является линза с градиентным показателем преломления, причем линза изготовлена таким образом, что показатель преломления возрастает в направлении от центра к краям, линза с градиентным показателем преломления жестко закреплена на фокусном расстоянии от дистального конца волоконного жгута плеча детектирования, волоконный жгут натянут вдоль центрального отверстия строго по оси вращения турбины, на дистальном конце турбины расположен двухкоординатный микроэлектромеханический гальвано-сканер с зеркалами продольного и поперечного сканирования, причем пучки излучения от источника посредством дистального конца оптического волокна доставляются к краю фокусирующей линзы, который характеризуется коэффициентом преломления достаточным, чтобы излучение от источника попало на исследуемый объект, отразившись сначала от зеркала продольного сканирования, а затем от оптически связанного с ним зеркала поперечного сканирования, проксимальный конец оптического волокна, проксимальный конец волоконного жгута, проксимальные концы впускных и выпускных трубок, а также электрический провод управления работой двухкоординатного микроэлектромеханического гальвано-сканер с зеркалами продольного и поперечного сканирования оснащены коннекторами в составе единого разъема для интеграции эндоскопического зонда с основным модулем системы спектроскопической оптической когерентной томографии.

Серия экспериментов с конкретными реализациями предложенной полезной модели показала высокую эффективность сочетания полного кругового сканирования (т.е. на 360°) вдоль исследуемых полостей или трактов с получением для каждой точки круговой траектории дополнительного сектора углом 120° поперек исследуемых полостей и трактов. Дальнейшее увеличение угла сканируемого сектора ограничивается потерями полезного сигнала, связанными с ростом расстояния от зонда до сканируемого объекта. Повышение информативности результатов сканирования, оцененное площадью сканируемой поверхности за единицу времени (без потерь в качестве получаемых структурных изображений) составило 36%, что свидетельствует о достижении поставленной технической задачи. Следует отметить, что полученный результат позволяет существенно сократить продолжительность диагностического обследования и снизить вероятность медицинских ошибок (меньше движений зонда - меньше рисков непреднамеренных повреждений мягких биологических тканей).

Предлагаемое устройство эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии предназначено для совместного использования с устройствами спектроскопической оптической когерентной томографии в качестве выносного и сменного плеча образца. Основным направлением практического использования полезной модели является медицина и ветеринария, где устройство эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии может быть применено для проведения диагностических исследований полостей и трактов организма, в первую очередь желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей, отдельных участков сердечно-сосудистой системы. Другие направления использования полезной модели связаны с физикой неразрушающего контроля, в частности, лабораторный контроль над качеством лекарственных препаратов в фармацевтической промышленности, лабораторный контроль над качеством жидкокристаллических дисплеев, интегральных схем, микроэлектромеханических систем в электронной и электротехнической промышленности, лабораторный контроль над качеством пластмасс и волокон в химической промышленности и т.п.

Claims (1)

1. Устройство эндоскопического зонда для спектроскопической оптической когерентной томографии, содержащее корпус, турбину с лопастями, оптическое волокно, фокусирующий элемент, систему полых трубок и гидравлический привод, причем корпус включает в себя цилиндр и крышку с клапанами, цилиндр состоит из центральной камеры и дистального отверстия, клапаны соединены с впускными и выпускными трубками для гидравлической жидкости, а впускные и выпускные трубки соединены с емкостью для гидравлической жидкости, турбина расположена внутри корпуса, корпус и турбина содержат отверстия, которые при соосном совмещении образуют центральное отверстие, система полых трубок проходит через турбину и представляет собой гидролинии, заполненные гидравлической жидкостью, гидравлический привод функционально связан с корпусом и турбиной, причем корпус, турбина и система полых трубок образуют выполненный из биосовместимого прозрачного пластика вращающийся узел катетера, сконструированный таким образом, чтобы турбина вращалась вокруг центрального отверстия посредством гидравлической энергии и при любых пространственных позициях турбины, отраженное излучение перенаправлялось внутрь катетера посредством расположенных в центральном отверстии оптически связанных фокусирующего элемента и оптического волокна, отличающееся тем, что фокусирующим элементом является линза с градиентным показателем преломления, причем линза изготовлена таким образом, что показатель преломления возрастает в направлении от центра к краям, линза с градиентным показателем преломления жестко закреплена на фокусном расстоянии от дистального конца волоконного жгута плеча детектирования, волоконный жгут натянут вдоль центрального отверстия строго по оси вращения турбины, на дистальном конце турбины расположен двухкоординатный микроэлектромеханический гальвано-сканер с зеркалами продольного и поперечного сканирования, причем пучки излучения от источника посредством дистального конца оптического волокна доставляются к краю фокусирующей линзы, который характеризуется коэффициентом преломления достаточным, чтобы излучение от источника попало на исследуемый объект, отразившись сначала от зеркала продольного сканирования, а затем от оптически связанного с ним зеркала поперечного сканирования, проксимальный конец оптического волокна, проксимальный конец волоконного жгута, проксимальные концы впускных и выпускных трубок, а также электрический провод управления работой двухкоординатного микроэлектромеханического гальвано-сканера с зеркалами продольного и поперечного сканирования оснащены коннекторами в составе единого разъема для интеграции эндоскопического зонда с основным модулем системы спектроскопической оптической когерентной томографии.