專利名稱：共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及內窺成像技術和光學相干層析成像技術，尤其是涉及一種 采用光纖傳像束作為內窺探頭的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)。
背景技術：
僅僅根據組織表面的形態(tài)變化來進行病變診斷有著很大的主觀性和局限 性，而組織內部的斷層圖像能為醫(yī)生的診斷提供更多的客觀依據。許多層析成
像技術，如計算機層析(CT)、核磁共振(MRI) 、 X射線、超聲等，被廣 泛運用于臨床診斷。然而，上述技術只能提供0.1 1 mm的分辨率，遠未達到 探測組織異常，如早期癌癥時的生物組織結構所要求的分辨率水平。
光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)是一種新 興的光學成像技術，能非侵入地對活體組織的內部結構、生理功能乃至分子信 息進行可視化觀察。它具備組織病理分析所需的高分辨率(達l 20Mm),能發(fā) 揮病變早期診斷、過程監(jiān)視和手術介導等臨床功能。OCT還具有成像速度快、 無輻射損傷、信息多元化、價格適中、與現有醫(yī)療儀器兼容性好等優(yōu)點，是目 前被廣泛看好的、可在臨床醫(yī)學上發(fā)揮重要作用的成像工具。尤其是OCT技術 與內窺成像技術相結合形成的內窺OCT技術，可對生物體內部的組織器官進行 成像，極大地拓展了OCT的運用范圍，能為醫(yī)生提供更為準確的診斷依據。內 窺OCT已在胃腸系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、血管成像等方面獲得了運用。
在現有的內窺OCT系統(tǒng)里，如美國MIT的Fujimoto小組(Guillermo J. Tearney, et al., In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography, Science, 276， 2037 2039, 1997)、加州大學的Chen小組(Tuqiang Xie, et al.， Fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography, Optics Letters, 30(14)， 1803 1805， 2005)等， 一般把作為內窺探頭傳光器件的光纖或光纖傳像束置于 干涉結構的樣品臂上。由于體內器官的內腔結構很不規(guī)則，進入其內的光纖或 光纖傳像束不可避免地存在著彎曲和扭曲現象，導致由光纖或光纖傳像束傳輸 光束的偏振態(tài)發(fā)生變化，再加上由它們引起的色散的影響，會使成像質量顯著 下降。因此，必須在參考臂中對上述因素進行精確匹配，從而使系統(tǒng)的構成和 調節(jié)變得異常復雜。而且，內窺探頭的每次更換，都需進行大行程范圍的光程 匹配、色散補償和偏振態(tài)調節(jié)等復雜操作。另外，光纖束端面的反射光會在探測器像面上形成背景信號，為非期望光束，必須使其偏出像面，故需把光纖傳像束端面研磨成與其軸線成8°傾角的斜 面。當采用格林透鏡(GRINlens，梯度折射率透鏡)對輸出光束聚焦時，還需 把格林透鏡與光纖傳像束相粘接的面也加工成8。傾角的斜面，二者粘接時應做 到方位準確，使得光纖傳像束和格林透鏡的加工和安裝工藝復雜化。這個角度 的存在，使得光束在光纖傳像束的不同位置傳輸時所經歷的光程存在差異，導 致整個像面的干涉信號強度不均勻。 發(fā)明內容為了克服背景技術的不足，本實用新型的目的是提供一種共路型內窺光學 相干層析成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)把作為內窺探頭的光纖傳像束的端面反射光作為參 考光，它和來自樣品的信號光通過同一光纖傳像束進行傳輸，構成一個共路的、 起傳感作用的干涉結構，參考光和信號光之間的光程差由另一共路干涉結構進行補償。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是寬帶光源發(fā)出的光接第一光環(huán)行器端口 a，由第一光環(huán)行器端口 b發(fā)出的光依次經第一準直透鏡、二維掃描振鏡、顯微物鏡、光纖傳像束和格林透鏡至樣品，返回至端口b的光由第一光環(huán)行器端口C接第二光環(huán)行器端口d;由第二光 環(huán)行器端口 e發(fā)出的光經第二準直透鏡、寬帶分光平片后至裝在電控平移臺上 的反射鏡；返回至端口e的光由第二光環(huán)行器端口f出射后，依次經第三準直透 鏡、衍射光柵、成像透鏡至線陣CCD探測器；二維掃描振鏡、電控平移臺和線 陣CCD探測器均與控制系統(tǒng)連接。所述的控制系統(tǒng)包括圖像采集卡、計算機、函數發(fā)生器和步進電機控制器， 線陣CCD探測器經圖像采集卡接計算機，計算機輸出兩路信號， 一路經函數發(fā) 生器接二維掃描振鏡，另一路經步進電機控制器接電控平移臺。所述的由第一光環(huán)行器端口 b發(fā)出的光依次經第一準直透鏡、二維掃描振 鏡、顯微物鏡、光纖傳像束和格林透鏡后，再接直角棱鏡至樣品。所述的光纖傳像束的長度大于1000 mm，兩個端面被加工成與其軸線相垂 直的平面，前端面置于顯微物鏡的焦面上。所述的寬帶分光平片的透射率/反射率接近于62/38。 所述的反射鏡為寬帶高反射鏡，具體為金屬一介質膜寬帶高反射鏡。 所述的線陣CCD探測器的感光面位于成像透鏡的后焦面上，感光面的長度 方向與衍射光柵的刻線方向相垂直。所述的第一光環(huán)行器和寬帶光源、第一準直透鏡、第二光環(huán)行器之間，以 及第二光環(huán)行器和第二準直透鏡、第三準直透鏡之間，用單模光纖連接。 與背景技術相比，本實用新型具有的有益效果是1、 本實用新型具有成像質量受環(huán)境影響小、操作簡單的特點參考光和信 號光通過同一光纖傳像束傳輸，二者之間的光程差由另一共路干涉結構補償， 整個系統(tǒng)為共路干涉結構。光纖傳像束的色散、偏振態(tài)改變，以及環(huán)境溫度變 化、振動等因素對成像結果影響不大，無需特別考慮對它們進行匹配，使得系 統(tǒng)的構成和調節(jié)變得簡單起來；2、 本實用新型可根據需要更換使用不同的內窺探頭，而無需對系統(tǒng)進行色 散匹配和偏振態(tài)調節(jié)等復雜操作，只需進行小行程范圍的光程匹配即可；3、 本實用新型具有結構緊湊、使用安全的特點進入生物體內腔的探頭只 起信號傳感的作用，所有操作均在探頭外部進行，使得探頭內部的器件使用數 量降低到最少，便于實現探頭的小型化，從而更易進入各種器官進行成像；探 頭的內部無任何運動部件和驅動電流，系統(tǒng)具有非常高的使用安全性；4、 本實用新型使內窺探頭的加工和安裝工藝簡單化光纖傳像束后端面的 反射光作為參考光而被利用，故不必把光纖傳像束和格林透鏡端面加工成8°傾 角的斜面，安裝也容易得多；5、 本實用新型具有能量利用率高的特點采用的兩個光環(huán)行器的能量損失幾乎可忽略不計，系統(tǒng)的能量利用率高于采用分束器件的OCT系統(tǒng)。
圖1為本實用新型的系統(tǒng)示意圖。圖2為本實用新型用于腔道壁成像的內窺探頭示意圖。 圖3為本實用新型的控制系統(tǒng)示意圖。圖中l(wèi).寬帶光源，2.第一光環(huán)行器，3.第一準直透鏡，4.二維掃描振鏡， 5.顯微物鏡，6.光纖傳像束，7.格林透鏡，8.直角棱鏡，9.樣品，IO.第二光環(huán)行 器，ll.第二準直透鏡，12.寬帶分光平片，13.反射鏡，14.電控平移臺，15.第三 準直透鏡，16.衍射光柵，17.成像透鏡，18.線陣CCD探測器，19.圖像采集卡， 20.計算機，21.函數發(fā)生器，22.步進電機控制器。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明-本實用新型提出的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)如圖1所示，寬帶光 源1發(fā)出的光接第一光環(huán)行器2端口 a，再由第一光環(huán)行器2端口 b出射至第一準直透鏡3，準直后平行入射二維掃描振鏡4，反射后的光束被顯微物鏡5聚焦 后耦合進光纖傳像束6，傳輸至后端面時光束被分成后向反射光和透射光。透射 光被格林透鏡7聚焦于樣品9。圖1中使用的探頭為前向式內窺探頭，當需要對 腔道壁進行成像時，可采用側向式內窺探頭。側向式內窺探頭如圖2所示，它由光纖傳像束6的后端面粘接格林透鏡7、 格林透鏡7的另一面再粘接直角棱鏡8而成。使用側向式內窺探頭時，由光纖 傳像束6后端面透射的光被格林透鏡7聚焦后、再被直角棱鏡8改變方向后從 側面入射樣品9。在上述兩種形式內窺探頭里，光纖傳像束6的兩個端面被加工成與其軸線 相垂直的平面，且前端面置于顯微物鏡5的焦面上以收集入射光束，而后端面 為干涉系統(tǒng)的參考面，它和樣品9 一起，構成一個接近于共路的、起著信號傳 感作用的干涉儀。由于光纖傳像束6不是單模光纖，光束在其中以多種模式傳 輸，其中只有以基模方式傳輸的光束所形成的圖像才是樣品的真實圖像。隨著 光纖傳像束長度的增加，由高階模式形成的圖像和由基模形成的圖像在空間上 會分開。當光纖傳像束長度約為1000 mm時，由高階模式形成的圖像能從顯示 像面中完全偏出，而只顯示由基模形成的樣品圖像，從而保證了系統(tǒng)對該樣品 所能達到的成像深度不受多模傳輸的影響。因此，應使光纖傳像束6的長度大 于1000 mm。由樣品9反射或后向散射的光，和被光纖傳像束6后端面反射的光，沿原 路返回到第一光環(huán)行器2后，再由端口 c出射至第二光環(huán)行器10。由第二光環(huán) 行器10端口 e出射的光束被第二準直透鏡11準直后,平行入射至寬帶分光平片 12時被分成反射光和透射光。透射光平行入射反射鏡13，反射鏡13固定在電 控平移臺14上。寬帶分光平片12的透射率/反射率應接近于62/38，使得經它分 束后得到的兩光束的強度相匹配。為使系統(tǒng)具有較高的能量利用率，反射鏡13 采用寬帶高反射率鏡面，具體為金屬一介質膜寬帶高反射鏡。被反射鏡13和寬帶分光平片12反射后的光束沿原路返回到第二光環(huán)行器 10后，由端口f出射至第三準直透鏡15，準直后平行入射衍射光柵16，衍射后 色散開來的光束被成像透鏡17聚焦于線陣CCD探測器18的像面上。線陣CCD 探測器18的像面長度方向與衍射光柵16的刻線方向相垂直放置。第一光環(huán)行 器2和寬帶光源1、第一準直透鏡3、第二光環(huán)行器10之間，以及第二光環(huán)行 器10和第二準直透鏡11、第三準直透鏡15之間，用單模光纖連接。二維掃描 振鏡4、電控平移臺14和線陣CCD探測器18均與控制系統(tǒng)連接。本實用新型的控制系統(tǒng)如圖3所示，包括圖像采集卡19、計算機20、函數 發(fā)生器21和步進電機控制器22。計算機20通過圖像采集卡19控制線陣CCD 探測器18進行干涉信號采集，并把采集到的信號輸入計算機20進行處理和顯 示。計算機20輸出兩路控制信號 一路經函數發(fā)生器21控制二維掃描振鏡4 進行橫向掃描，以實現對樣品9不同位置的成像； 一路經步進電機控制器22驅 動電控平移臺14，由它帶著反射鏡13軸向移動，進行信號光和參考光之間的光 程匹配，直至出現最佳干涉信號為止，實現了在內窺探頭的外部對信號光和參 考光之間的光程差進行補償。線陣CCD探測器18、圖像采集卡19和函數發(fā)生器21均可從市場上購買， 它們分別如美國Atmel公司的AViiVA SM2CL線陣CCD探測器、美國NI公司 的PCIe-1430圖像采集卡、和美國STANFORD RESEARCH SYSTEM公司的 DS345型函數發(fā)生器。步進電機控制器22和電控平移臺14為配套產品，可一 起購買，如北京卓立漢光儀器有限公司的TSA30-C電控平移臺和SC3步進電機 控制器。本實用新型提出的共路型內窺光學相干層析成像方法，其具體步驟如下1) 電控平移臺帶著反射鏡軸向移動，直至出現最佳干涉信號為止；2) 由線陣CCD探測器采集干涉信號，得到光強關于波數A:的信號/(A)分布， 并經圖像采集卡輸入計算機；3) 由計算機對信號/(Q沿光譜展開方向進行一維傅立葉逆變換，得到光強關 于位置z的信號/(力分布，/(z)即為樣品沿深度方向z的圖像；4) 計算機通過函數發(fā)生器控制二維掃描振鏡沿x方向連續(xù)掃描，對;c方向上 的各點分別執(zhí)行步驟2)和3),得到各點沿深度方向z的圖像，由這些圖像可重 建出樣品沿x方向和深度方向r的二維圖像；5) 二維掃描振鏡沿y方向連續(xù)掃描，每掃描一個步距時均執(zhí)行步驟4)一次， 分別得到對應每個掃描步距時樣品沿:c方向和深度方向z的二維圖像，由這些圖 像可重建出樣品的三維圖像。上述具體實施方式
用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限 制，在本實用新型的精神和權利要求的保護范圍內，對本實用新型作出的任何 修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。
權利要求1. 共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于寬帶光源(1)發(fā)出的光接第一光環(huán)行器(2)端口a，由第一光環(huán)行器(2)端口b發(fā)出的光依次經第一準直透鏡(3)、二維掃描振鏡(4)、顯微物鏡(5)、光纖傳像束(6)和格林透鏡(7)至樣品(9)，返回至端口b的光由第一光環(huán)行器(2)端口c接第二光環(huán)行器(10)端口d；由第二光環(huán)行器(10)端口e發(fā)出的光經第二準直透鏡(11)、寬帶分光平片(12)后至裝在電控平移臺(14)上的反射鏡(13)；返回至端口e的光由第二光環(huán)行器(10)端口f出射后，依次經第三準直透鏡(1 5)、衍射光柵(16)、成像透鏡(17)至線陣CCD探測器(18)；二維掃描振鏡(4)、電控平移臺(14)和線陣CCD探測器(18)均與控制系統(tǒng)連接。
2、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的控制系統(tǒng)包括圖像采集卡(19)、計算機(20)、函數發(fā)生器(21)和步進電機 控制器(22)，線陣CCD探測器(18)經圖像采集卡(19)接計算機(20),計算機(20) 輸出兩路信號， 一路經函數發(fā)生器(21)接二維掃描振鏡(4)，另一路經步進電機控 制器(22)接電控平移臺(14)。
3、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的由第一光環(huán)行器(2)端口 b發(fā)出的光依次經第一準直透鏡(3)、 二維掃描振 鏡(4)、顯微物鏡(5)、光纖傳像束(6)和格林透鏡(7)后，再接直角棱鏡(8)至樣品(9)。
4、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的光纖傳像束(6)的長度大于1000 mm，兩個端面被加工成與其軸線相垂直 的平面，前端面置于顯微物鏡(5)的焦面上。
5、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的寬帶分光平片(12)的透射率/反射率接近于62/38。
6、 根據權利要求2所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的反射鏡(13)為寬帶高反射鏡，具體為金屬一介質膜寬帶高反射鏡。
7、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的線陣CCD探測器(18)的感光面位于成像透鏡(17)的后焦面上，感光面的長 度方向與衍射光柵(16)的刻線方向相垂直。
8、 根據權利要求1所述的共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的第一光環(huán)行器(2)和寬帶光源(1)、第一準直透鏡(3)、第二光環(huán)行器(10)之 間，以及第二光環(huán)行器(10)和第二準直透鏡(11)、第三準直透鏡(15)之間，用單模光纖連接。
專利摘要本實用新型公開了一種共路型內窺光學相干層析成像系統(tǒng)。寬帶光源發(fā)出的光接第一光環(huán)行器端口a，由端口b發(fā)出的光經第一準直透鏡、二維掃描振鏡、顯微物鏡、光纖傳像束和格林透鏡至樣品，返回至端口b的光由第一光環(huán)行器端口c接第二光環(huán)行器端口d；由端口e發(fā)出的光經第二準直透鏡、寬帶分光平片后至裝在電控平移臺上的反射鏡；返回至端口e的光由第二光環(huán)行器端口f出射后，經第三準直透鏡、衍射光柵、成像透鏡至線陣CCD探測器；二維掃描振鏡、電控平移臺和線陣CCD探測器均與控制系統(tǒng)連接。用光環(huán)行器來提高系統(tǒng)的能量利用率，用譜域探測技術來提高成像速度。本系統(tǒng)成像質量不受環(huán)境影響，內窺探頭加工安裝方便，系統(tǒng)能量利用率高。
文檔編號A61B1/06GK201101518SQ20072011151
公開日2008年8月20日 申請日期2007年7月3日 優(yōu)先權日2007年7月3日
發(fā)明者丁志華, 蘭 吳, 婕 孟, 楊亞良, 凱 王, 玲 王 申請人:浙江大學