專利名稱：一種單光纖多光子熒光掃描內窺鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別涉及一種應用于人體各種粘膜癌癥的早期 篩選和診斷技術領域的光學系統(tǒng)。
背景技術：
當前癌癥診斷的金標準還是病變組織細胞的病理切片，診斷醫(yī)生使用顯微 鏡對病理切片進行放大觀察，獲得組織細胞的形態(tài)學特征變化，以此確定病理 切片中是否含有癌變細胞。
病理切片的方法雖然對于中晚期癌癥的確診有著重要意義，但是該方法有 創(chuàng)，診斷周期長，在獲取組織細胞過程中還有可能造成癌細胞的人為擴散；另 一方面，癌癥的早期發(fā)現(xiàn)可以大大提高癌癥的治愈率和延長癌癥患者的生存期。
對于一些粘膜癌癥，內窺鏡檢査往往只能發(fā)現(xiàn)中晚期癌癥，所以搭載于內 窺鏡系統(tǒng)的活體細胞形態(tài)檢測的光學系統(tǒng)成為當前國內外研究的熱點。
如采用共聚焦成像原理的內窺式激光共聚焦顯微鏡。Benjamin Abrat和 Andrew Masters在技術牛艮告"Endoscopic Confocal Microscopy Moves into the Clinic" (Biophotonics International/November 2006)中提出一禾中采用光纖 束將體外偏轉掃描的激光引入體內，并對一定深度的組織細胞進行共聚焦成像 的方法。由于激光共聚焦的方法多采用高能短波UV激光，熒光染色劑激發(fā)時間 較長，所以高能激光長時間照射熒光染色劑，產生"光毒"或者"光漂白"作 用，增加了成像時間，降低了圖像質量。
美國專利6975898公開了采用單光纖將激發(fā)激光引入體內，采用壓電晶體 振動光纖末端，以此實現(xiàn)掃描機制，而熒光染色劑受激之后的散射熒光則通過 另外的經RGB三色濾光后的光電傳感器通道采集的成像方法和裝置。該裝置可 以引入多光子激光，相對于激光共聚焦顯微鏡來說，由于多光子熒光技術采用 兩個或多個相同波長的光子連續(xù)激發(fā)熒光染色劑，激發(fā)激光采用波長較長的近 紅外線光子，近紅外線光子較不容易被組織細胞吸收及散射，激發(fā)強度隨到焦 平面的距離的平方變化，激發(fā)幾率隨到焦平面的距離的四次方衰減，熒光染色 劑的激發(fā)被限制在焦點附近很小的范圍內，所以不需要共聚焦針孔，提高了熒 光檢測效率，具有很好的"層析"能力。由于多光子熒光技術掃描速度較快， 多應用于神經細胞等變化較快細胞的活體檢測。
在內窺鏡系統(tǒng)中搭載多光子熒光成像裝置可以在常規(guī)內窺鏡檢査或者治療 時，附帶對一定深度的疑似癌變組織細胞進行在體活細胞熒光成像。當前的文獻和專利記載的多光子掃描機制和方法都采用微機械機構，或者壓電晶體驅動光纖未端，沿一定的橫軸和縱軸方向掃描目標區(qū)域，由于機械振動為非線性振動，并且結構復雜，制作成本高，而且存在機械慣性，不利于掃描速度的提高，而人體臟器時刻存在蠕動，造成圖像的運動模糊。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用于粘膜癌癥早期篩選的，應用多光子熒光成像原理的
內窺鏡系統(tǒng)；本發(fā)明采用目前多用于神經細胞快速成像的多光子熒光成像機制，提高了成像速度，減少了運動模糊。
本發(fā)明采用搭載于內窺鏡系統(tǒng)的單根單模光纖將超短脈沖激光引入體內耙細胞，其特點在于采用聲光偏轉器在光纖出射端對激光在兩個正交方向上進行偏轉；相對于目前微機械的掃描機構，聲光偏轉器的驅動更加簡單，克服了掃描器件的機械慣性，便于整個掃描成像末端一體化成形，更加小型化，便于和光纖耦合，并搭載于內窺鏡系統(tǒng)進入人體。
本發(fā)明采用壓電晶體微調聲光偏轉掃描前端透鏡組的焦距，從而調節(jié)熒光激發(fā)深度，結合計算機三維重建技術，可以快速建立組織細胞三維模型，便于對耙細胞與周邊細胞進行比對。
本發(fā)明裝置操作簡單，使用便捷，可在常規(guī)內窺鏡檢查時，對耙細胞感興趣區(qū)域進行附帶細胞形態(tài)學檢査，從而彌補常規(guī)內窺鏡檢查只能發(fā)現(xiàn)粘膜表層病變，無法深入粘膜淺層組織細胞的缺點，以此提高早期粘膜癌癥的檢出率。
本發(fā)明的技術方案為單光纖多光子熒光掃描內窺鏡，包括鈦藍寶石激光器、電光調制器、色散補償單元、單根單模光纖、分光鏡、光電感應器、A/D轉換器、編碼器，以及聲光偏轉掃描前端。
所述鈦藍寶石激光器輸出一定波長和強度的激光，作為多光子熒光染色劑的激發(fā)光源；所述電光調制器將鈦藍寶石激光器輸出的激光調制成具有一定時間脈寬的超短脈沖激光；所述色散補償單元用于抵消聲光偏轉器造成的時間和空間上的色散。以上三個部件為激光發(fā)生裝置，都置于體外。
所述單根單模光纖，引入所產生的調制后的超短脈沖激光；所述分光鏡將激光擴束后反射，經透鏡聚焦后引入另一根單根單模光纖，該光纖和聲光偏轉掃描前端直接耦合，搭載于內窺鏡管道，進入體內。
所述聲光偏轉掃描前端包括，x方向聲光偏轉器晶體、y方向聲光偏轉器晶體、電聲換能器、聚光鏡和物鏡組成的透鏡組，以及z軸方向壓電晶體。
所述x方向聲光偏轉器晶體和y方向聲光偏轉器晶體在所述電聲換能器的驅動下，對激光進行兩個正交方向上的偏轉；根據(jù)不同的掃描方式和順序，分別驅動x方向和y方向的電聲換能器，產生不同頻率的聲波，以此實現(xiàn)對激光的偏轉；偏轉之后的激光經過透鏡組聚焦后照射在焦點附近的吸收了熒光染色劑的靶細胞上；靶細胞的熒光染色劑吸收了兩個或多個一定波長的激光光子后，激發(fā)出熒光光子。
所述z軸方向壓電晶體微調聲光偏轉掃描前端的透鏡組之間的距離，以此微調焦距，使激光達到不同深度的靶細胞。
所述光電感應器接收經過透鏡組和分光鏡聚焦的散射的熒光光子，并輸出電信號；所述的A/D轉換器將接收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號；所述編碼器將數(shù)字信號和偏轉控制信號綜合起來，形成二維的光強信號，這些信號最終由計算機重建為二維圖像；綜合z軸方向焦距調節(jié)控制信號，以及計算機三維重建技術，可以將不同深度的二維圖像重建為三維細胞模型。上述信號處理和圖像重建部件都置于體外。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用單根單模光纖將體外調制激光引入體內耙細胞，并采用聲光偏轉器實現(xiàn)激光的兩個正交方向上的偏轉；聲光偏轉器取代微機械偏轉裝置，使掃描偏轉前端更加小型化， 一體化，驅動方式更加簡單，并消除了機械慣性，提高了掃描速度，降低了人體臟器蠕動造成的運動模糊；由于癌變細胞和正常細胞對熒光染色劑的吸收特性不同，通過對人體臟器粘膜淺層不同深度細胞的熒光成像，可以捕獲早期癌變細胞，從而實現(xiàn)粘膜癌癥的早期篩選；所以，本發(fā)明提供的裝置大大提高了早期癌變細胞的檢出率，并大大降低了檢測成本。


圖1是本發(fā)明單光纖多光子熒光掃描內窺鏡的系統(tǒng)光路圖2是本發(fā)明單光纖多光子熒光掃描內窺鏡的聲光偏轉掃描前端結構圖。
具體實施例方式
如圖1所示單光纖多光子熒光掃描內窺鏡的系統(tǒng)光路圖，本發(fā)明采用鈦藍寶石激光器ll作為激發(fā)光源，輸出中心波長為800nm，帶寬10nm的激光；經過電光調制器12，產生超短脈沖激光；由于激光經過聲光偏轉器會產生時間和空間色散，所以在激光的入射端加裝色散補償單元13;所產生的激發(fā)激光經過單根單模光纖14，透鏡15，由分光鏡16反射，經過透鏡17聚焦后，耦合輸入單根單模光纖22，單根單模光纖22搭載于內窺鏡管道內進入體內，光纖直徑大約0.5mm，可以直接穿入內窺鏡預留的管道內；單根單模光纖22的前端為聲光偏轉掃描前端23。如圖2所示單光纖多光子熒光掃描內窺鏡的聲光偏轉掃描前端結構圖，聲 光偏轉掃描前端23包括，x方向聲光偏轉器晶體31、 y方向聲光偏轉器晶體32、 電聲換能器30、聚光鏡33和物鏡34組成的透鏡組，以及z軸方向壓電晶體37。
所述的電聲換能器30由頻率源(未在圖中給出)和功率放大器(未在圖中 給出)產生的一定頻率正弦信號驅動，產生同頻率的聲波；所述x方向聲光偏 轉器晶體31和y方向聲光偏轉器晶體32正交方向前后依次排列；由于聲波為 疏密波，會造成聲光晶體沿聲波傳播方向上密度的周期性分布，從而造成聲光 晶體折射率的周期性分布，相當于光柵，其光柵常量等于聲波的波長，入射光 通過晶體發(fā)生衍射，當入射光的入射角滿足布拉格條件時，輸出光的能量幾乎 完全集中于第一衍射級，改變聲波的頻率即改變聲光晶體光柵的光柵常量，也 即改變了第一衍射級相對于入射角的夾角，從而實現(xiàn)對激光的偏轉，前后正交 排列的x方向聲光偏轉晶體31和y方向聲光偏轉晶體32實現(xiàn)了對激光的二維 偏轉，可以通過x方向和y方向的不同的偏轉控制信號的組合，實現(xiàn)不同的二 維偏轉順序。
所述聚光鏡33和物鏡34組成透鏡組，對偏轉之后的激光進行聚焦，聚焦 之后的激光的主要能量照射在焦點靶細胞36上，由于多光子激發(fā)吸收了熒光染 色劑的細胞被局限在焦點附近很小的一個空間內，所以不需要制作精度很高的 共聚焦針孔，降低了制造聲光偏轉掃描前端23的工藝難度。
所述z軸方向壓電晶體37微調聚光鏡33和物鏡34之間的距離，從而微調 透鏡組的焦距，使焦平面35在z軸方向發(fā)生lmm以內的移動，從而實現(xiàn)對粘膜 表層lmm深度以內的淺層細胞進行熒光掃描。
所述焦點靶細胞36吸收了熒光染色劑之后受到超短脈沖激光的照射，散射 出熒光，經過聚光鏡33和物鏡34組成的透鏡組、聲光偏轉器，以及單根單模 光纖22，透鏡17組成的光路送回；在接收散射熒光時，偏轉控制信號停止驅動 電聲換能器30，散射熒光通過y方向聲光偏轉晶體32以及x方向聲光偏轉晶體 31，不發(fā)生偏轉直接耦合進入單根單模光纖22。
所述分光鏡16和透鏡18，將接收到的散射熒光聚焦到光電感應器19，由 高速A/D轉換器20轉換成數(shù)字信號，再經過編碼器21將偏轉控制信號和光電 數(shù)字信號綜合起來，在時序上整合成二維掃描圖像格式信號，傳入計算機(未 在圖中給出)顯示及處理。
所述z軸方向壓電晶體37在接收散射熒光時，保持透鏡組焦距不變，使得
從受激發(fā)的熒光染色劑散射出的熒光仍然按照原先焦距的光路送回，從而減少 了熒光能量的損耗；而在掃描不同深度細胞時，驅動z軸方向壓電晶體37微調 透鏡組的焦距；不同深度細胞的二維圖像最終可在計算機中進行三維重建。
權利要求
1、一種單光纖多光子熒光掃描內窺鏡，包括鈦藍寶石激光器、電光調制器、色散補償單元、單根單模光纖、分光鏡、光電感應器、A/D轉換器、編碼器，以及聲光偏轉掃描前端。
2、 根據(jù)權利要求l所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于所述聲光偏轉 掃描前端實現(xiàn)激發(fā)激光的二維偏轉，所述聲光偏轉掃描前端包括x方向聲光偏 轉器晶體、y方向聲光偏轉器晶體、電聲換能器、聚光鏡和物鏡組成的透鏡組， 以及z軸方向壓電晶體。
3、 根據(jù)權利要求l所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于通過置于體外 的所述鈦藍寶石激光器、電光調制器以及色散補償單元，產生超短脈沖激光， 作為熒光染色劑的激發(fā)光源，利用多光子熒光激發(fā)原理，進行粘膜淺層細胞在 體成像。
4、 根據(jù)權利要求l所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于通過所述單根 單模光纖將激發(fā)激光引入體內，所述單根單模光纖可以搭載于內窺鏡系統(tǒng)進入 體內。
5、 根據(jù)權利要求2所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于通過所述x方 向聲光偏轉晶體和y方向聲光偏轉晶體實現(xiàn)入射激光的二維偏轉掃描。
6、 根據(jù)權利要求2所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于通過所述z軸 方向壓電晶體實現(xiàn)微調聚光鏡和物鏡組成的透鏡組的焦距，實現(xiàn)粘膜淺層不同 深度細胞的熒光激發(fā)。
7、 根據(jù)權利要求2所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于在接收散射熒 光時，所述x方向聲光偏轉晶體和y方向聲光偏轉晶體停止偏轉驅動，從而使 散射熒光直接耦合進入單根單模光纖。
8、 根據(jù)權利要求2所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于所述z軸方向 壓電晶體在接收散射熒光時，仍然保持原有焦距，從而使得不同深度的散射熒 光按照原有放大光路收集返回。
9、 根據(jù)權利要求l所述的單光纖多光子掃描內窺鏡，其特征在于通過所述光電 傳感器和A/D轉換器將熒光信號轉變成電信號，所述編碼器綜合偏轉控制信號， 產生二維圖像信號，進而實現(xiàn)組織細胞三維重建。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單光纖多光子熒光掃描內窺鏡，應用于人體各種粘膜癌癥的早期篩選和診斷。采用在內窺鏡系統(tǒng)中搭載單根單模光纖進入人體，將體外的超短脈沖激光引入體內靶細胞，采用聲光偏轉器對激光在兩個正交方向上進行偏轉，采用壓電晶體微調透鏡組的焦距，從而調節(jié)熒光激發(fā)深度，采用多光子熒光成像機制消除了共聚焦針孔，降低了制造聲光偏轉掃描前端的工藝難度，同時也克服了采用微機械實現(xiàn)偏轉掃描的器件的機械慣性，便于整個掃描成像末端一體化成型，以及小型化。本發(fā)明提供的系統(tǒng)可以在常規(guī)內窺鏡檢查中，對疑似癌癥細胞進行低成本的細胞形態(tài)學分析。
文檔編號A61B1/07GK101485558SQ20091009599
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權日2009年2月27日
發(fā)明者云 凌, 朱安定, 趙文敏, 邢建國 申請人:浙江工商大學