專利名稱：帶有光學(xué)畸變校正和旋轉(zhuǎn)控制的掃描微型光學(xué)探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超小型掃描成像探針的設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)用，更具體的，涉及帶有防止旋轉(zhuǎn)畸變功能的超小型掃描成像探針的設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
發(fā)展制造超小型掃描光學(xué)探針的需求十分緊迫。這種探針需要有超小型的成像鏡頭和相應(yīng)的掃描和光束定向元件。這種探針可以用于光學(xué)相干斷層掃描(OCT)和其他干涉成像和測距系統(tǒng)，也可以用于其它成像形態(tài)(如熒光)的傳輸或者醫(yī)用光源。未來的醫(yī)用(和非醫(yī)用)光學(xué)探針要求這些小型探針可以進(jìn)入微小并且彎曲的通道比如動脈、靜脈、和肺部的氣道。當(dāng)探針的直徑必須小于500微米，同時工作距離延長到幾個毫米并且用于做可控的、潛在復(fù)雜掃描圖案時，目前的技術(shù)一般不能完全滿足這些需要。
盡管已存在小型鏡片的設(shè)計(jì)和制造，例如一個導(dǎo)管的設(shè)計(jì)，使用小的漸變折射率透鏡(GRIN透鏡)(約1mm)同折疊反射鏡耦連，通過單模纖維的縫隙投像到導(dǎo)管壁上，但是這種設(shè)計(jì)當(dāng)縮小到小于500微米時存在多個問題。同時盡管制造非常小的具有小的工作距離的透鏡的技術(shù)已經(jīng)存在，并且這種透鏡可以耦合到激光二極管上和其它光學(xué)元件上，但這種透鏡通常不能提供大于1毫米的工作距離和大于1毫米的景深，而這在多個應(yīng)用中都非常需要。
進(jìn)一步的，現(xiàn)在已經(jīng)有多個市售的“扭矩線”——小型的繞線裝置，用在一個長而柔性的軸上傳輸扭矩。這些裝置目前通常應(yīng)用在血管內(nèi)超聲顯像(IVUS)上。這種超聲波探針同扭矩線相結(jié)合已經(jīng)應(yīng)用在冠狀動脈轉(zhuǎn)動掃描上。然而，這些裝置一般直徑至少為1毫米，比多個應(yīng)用中要求的裝置要大2到4倍。目前，這些扭矩線不能升級到所要求的尺寸，以用于小的光學(xué)掃描探針的制造。
專利6,165,127(‘127)披露了將一種粘性的流體置于一個超聲波導(dǎo)管內(nèi)腔的應(yīng)用。流體的作用是方便扭矩線的固定，從而使纖維以恰當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速率進(jìn)入高扭轉(zhuǎn)剛性的區(qū)域。如專利‘127中所述，這種流體放置入主導(dǎo)管內(nèi)部形成的獨(dú)立孔腔內(nèi)，將會提高整個裝置的體積，并且流體不能同成像尖端接觸，也不能像本發(fā)明一樣使超聲波能量通過流體傳播。
最后，保持整個裝置直徑小于500微米的同時，在單纖維的遠(yuǎn)端成功獲得均勻的旋轉(zhuǎn)掃描圖是目前主要的挑戰(zhàn)。由于在遠(yuǎn)端頂部安裝帶有拖線和其它體積附件的馬達(dá)非常的不合需要，所以必須找出一個方法使扭矩作用在近端，然后將扭矩傳遞到遠(yuǎn)端，而在導(dǎo)管應(yīng)用中，近端和遠(yuǎn)端的距離可長達(dá)三米。如果考慮到玻璃纖維極低的內(nèi)在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度(大約施加百萬分之一N-m的扭矩將引起125微米標(biāo)準(zhǔn)直徑的1厘米長的纖維扭曲1度)，通過作用近端而使遠(yuǎn)端均勻的扭轉(zhuǎn)是完全合適的。為獲得準(zhǔn)確的四周圖像，均勻的旋轉(zhuǎn)在內(nèi)窺鏡技術(shù)中非常的重要。術(shù)語“NURD”(非均勻旋轉(zhuǎn)畸變)就是為描述本領(lǐng)域中這種有害的影響而創(chuàng)造出的詞匯。
本發(fā)明涉及一種小的光學(xué)纖維探針的發(fā)明，其基本上沒有非均勻旋轉(zhuǎn)畸變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種光學(xué)探針，其包括一個護(hù)套；一個位于護(hù)套內(nèi)的有柔韌性的，可雙向旋轉(zhuǎn)的光傳輸系統(tǒng)和一種位于護(hù)套內(nèi)的粘滯阻尼流體。其中光傳輸系統(tǒng)能夠傳輸，聚焦以及收集預(yù)定波長的光波，而護(hù)套和粘滯阻尼流體對那些光波的至少部分波長的光是透明的。對粘性流體的折射率加以選擇以去除通過上述護(hù)套傳播所引起的光學(xué)方面的影響。在一個實(shí)施例中，光傳輸系統(tǒng)直徑本質(zhì)上小于300微米。在一些實(shí)例中，護(hù)套主要為圓柱結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，光學(xué)探針還進(jìn)一步包含一個內(nèi)腔可以提供靜脈管沖洗。在其它實(shí)施例中，靜脈管沖洗主要保持在體溫范圍內(nèi)，以降低粘滯阻尼流體由溫度引起的粘度變化。
在另一方面，光傳輸系統(tǒng)包括一個光纖和一個同光束定向裝置光學(xué)耦合的聚焦元件。這種聚焦元件可以產(chǎn)生半徑小于100微米的出射光束腰，工作距離范圍可以從零到幾毫米，景深可以到幾毫米。在一個實(shí)施例中，護(hù)套的直徑基本小于500微米。在一個實(shí)施例中，傳輸纖維在它的近端進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的操作。
在一個實(shí)施例中，聚焦元件和光束定向元件包含傳輸纖維，其附于二氧化硅纖維的第一部分。而二氧化硅纖維的第一部分附著在漸變折射率纖維上，同時漸變折射率纖維附著在無芯纖維的第二部分。在另一個實(shí)施例中，無芯纖維的第二部分有一個或者多個成角度的小面(facet)從而形成光束定向元件。還是在這一個實(shí)施例中，聚焦元件和光束定向元件包括一個傳輸纖維，其連接于一個漸變折射率纖維上，其中漸變折射率纖維的工作孔徑和折射系數(shù)范圍經(jīng)過設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生半徑小于100微米的光束腰，同時從透鏡末端測量，其工作距離為幾毫米。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個成像透鏡的實(shí)施例。
圖2為圖1中的成像透鏡中的焦點(diǎn)和景深的關(guān)系圖，假定為高斯光束。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的已知裝置的實(shí)施例的示意圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個實(shí)施例。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的帶有一個分離的折疊鏡的實(shí)施例。
圖6A示出保護(hù)性框架中的一個成像導(dǎo)線的實(shí)施例。
圖6B示出通過護(hù)套進(jìn)行光學(xué)無補(bǔ)償傳播和經(jīng)補(bǔ)償?shù)膫鞑サ木唧w示意圖。
圖7示出帶有一種光學(xué)透明粘滯阻尼流體的本發(fā)明的實(shí)施例。
圖8示出本發(fā)明的一個實(shí)施例，可以在光學(xué)粘滯阻尼流體內(nèi)利用全內(nèi)反射。
圖9示出本發(fā)明使用非均勻旋轉(zhuǎn)畸變補(bǔ)償裝置對一個平坦表面的成像圖。
圖10示出沒有非均勻旋轉(zhuǎn)畸變補(bǔ)償裝置所形成的一個平坦表面的成像圖。
圖11示出本發(fā)明的一個應(yīng)用，使用非均勻旋轉(zhuǎn)畸變補(bǔ)償裝置所拍攝的圓柱形組織顯影圖。
圖12示出沒有使用非均勻旋轉(zhuǎn)畸變補(bǔ)償裝置所拍攝的圓柱形組織顯影圖。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的一個描述性實(shí)施例的小型光學(xué)探針。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一個成像透鏡實(shí)施例的例子。在這個實(shí)施例中，一個單模纖維10同透鏡12接合或固定。透鏡12的直徑與纖維10大約相同。纖維10包括一些不同的薄的保護(hù)性涂層。光束定向裝置14，在此實(shí)施例中為45度(或者其它合適角度)折疊的反射鏡，使用融合粘結(jié)或者膠水粘附在透鏡12上。折疊反射鏡14可以涂附高反射系數(shù)材料或者根據(jù)內(nèi)部全反射原理操作。關(guān)于圖1所示，在所示實(shí)施例中，透鏡12的工作距離16長度從折疊反射鏡14的表面18到高斯光束的腰部位置20。透鏡12和光束定向元件14相結(jié)合放大(或者縮小)了原來位于單模纖維10出口處的光束腰，并且在位于工作距離16的圓點(diǎn)上產(chǎn)生新的束腰20。在工作距離16上，如圖2所示，光點(diǎn)尺寸變到最小，而相前部分幾乎是平的。
一般來說，在高度多模光束中(模數(shù)大約為10或者更大)，束腰位置20和經(jīng)典的成像部位幾乎重合。然而在這里的單模光束中，這兩者的位置相差很大。透鏡/成像系統(tǒng)有一個焦深22，其同光點(diǎn)尺寸成反比。在多個成像系統(tǒng)中，包括光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，纖維中發(fā)出的光在樣品上聚焦，并且反射光隨后通過透鏡反饋耦合，并進(jìn)入單模纖維。在這里和其它的成像或者光傳遞/收集應(yīng)用中，當(dāng)光撞擊的樣品位于焦深或者景深22之內(nèi)時，可以獲得最佳的光學(xué)性能。
單模高斯光束根據(jù)下面已知的關(guān)系式從它們的最小寬度(束腰20)處擴(kuò)展。
ω(z)=ω01+(zz0)2---(1)]]>其中，ω(z)指位于z處的光束半徑，ω0指光束腰的半徑，定義其出現(xiàn)的地方z＝0，并且z0為瑞利范圍，其代表在束腰處測量的強(qiáng)度為峰強(qiáng)度的1/2時的點(diǎn)之間的長度。瑞利范圍根據(jù)公式(nπω02/λ)獲得，其中λ為真空中光的波長，n為介質(zhì)的折射系數(shù)。瑞利范圍因而規(guī)定為景深22，典型的，定義為z0的兩倍并且經(jīng)常稱之為共焦參數(shù)。如圖1所示，從成像的光束腰所在位置20到表面18的長度在這里被定義為透鏡組12/14的工作距離。透鏡12本身的總的聚焦長度另外包括穿過光束定向元件14的光程。
高斯光束半徑的曲度R(z)通過另一個大家共知的關(guān)系式獲得。
R(z)=z0(zz0+z0z)---(2)]]>等式2顯示高斯光束在束腰處的曲率半徑為無限大(前面平坦階段)，并且在比瑞利范圍大的長度上，高斯光束將作為z＝0為中心的球形波傳播，并且在此區(qū)域能夠使用經(jīng)典光學(xué)(幾何學(xué)的)處理。然而在目前的情況下，想要的工作距離(z)和景深(z0)是同等的，并且經(jīng)典光學(xué)不能有效使用。為解決目前的問題，想要的工作距離16和景深22被首先選擇。這也決定了通過透鏡產(chǎn)生的需要的束腰的大小。在空間中，需要的束腰大小和束腰的位置16反過來決定必需的光束大小以及在透鏡表面27處的波前曲率半徑(出射光束)。這樣，透鏡系統(tǒng)12必須讓光束從纖維出口處擴(kuò)展，以同透鏡表面27所需要的光束大小相匹配，并且還必須使入射光束的相前彎曲，以同出射的光束匹配。因此，只要已知兩個輸入條件，即工作距離16和景深22，就可以唯一的確定透鏡系統(tǒng)。
盡管從彎曲表面制造出的透鏡能夠同樣有效的使用，使用漸變折射率材料(GRIN)制造微型透鏡是這里描述的探針的優(yōu)選實(shí)施例。形成漸變折射率透鏡的必要因素在于折射率的徑向變化，從而使波前產(chǎn)生彎曲，并且其同在傳統(tǒng)曲面透鏡所產(chǎn)生的相彎曲相似。在漸變折射率透鏡和標(biāo)準(zhǔn)曲面透鏡之間的簡單指導(dǎo)性的關(guān)系可以通過都看作薄透鏡處理而獲得，也就是透鏡內(nèi)的長度可以忽略。其關(guān)系式如下n1-n0R1=ncAa2lgrin---(3)]]>其中nc為GRIN材料的中心折射率，而A為漸變折射率，例如nr=nc(1-A2)(ra)2---(4)]]>其中nr為從中心到半徑r處的折射率，lg為GRIN材料的長度(這里長度僅僅用來確定薄漸變折射率透鏡的聚焦能力)，a為漸變折射率透鏡的半徑。如前面說述，這種材料已經(jīng)商業(yè)化，可以直接獲得。然而，因?yàn)闈u變曲線A和GRIN材料的大小(a)的影響，不能同時得到滿足要求的工作距離16和景深22，一般的商業(yè)上可以得到的漸變折射率透鏡不能滿足目前成像的要求。
因而，在一個實(shí)施例中，傳統(tǒng)的GRIN材料需變大以滿足這里所講的要求。為成功的達(dá)到要求，需要進(jìn)行更嚴(yán)格的計(jì)算，將GRIN長度對光束傳播和聚焦強(qiáng)度的影響也考慮進(jìn)去。也就是說，當(dāng)高斯光束通過GRIN材料傳播，高斯光束通過折射曲線不斷的改變。因?yàn)樵谶@里的透鏡要求具有相對大的孔徑和低的聚焦強(qiáng)度，它們不能像上面那樣看作是薄透鏡。
為計(jì)算所要求的GRIN漸變曲線，可以應(yīng)用眾所周知的處理高斯光束在近軸傳播中使用的ABCD矩陣形式。ABCD矩陣可以描述從單模纖維中的傳播，通過GRIN材料的傳播和進(jìn)入中間界質(zhì)的情況，具體如下所示ABCD=cos(lgrinA′)nsmfncA′-sin(lgrinA′)-ncAn0sin(lgrinA′)nsmfn0-cos(lgrinA′)---(5)]]>其中，A′為 nsmf是單模纖維的折射率。如在相關(guān)技術(shù)中所知，假設(shè)其它的參數(shù)，如以前所述，想要的景深22和工作距離26已經(jīng)設(shè)定，通過研究高斯光束變化的ABCD定律可以解決A′參數(shù)的問題。通過代數(shù)變換，可以獲得下面兩個等式1ωf2=1ωi2(cos2(lgrimA′)+(ncA′πωi2λ)2sin2(lgrinA′))---(6)]]>1WD=(nsmfn0)21sin(lgrinA′)cos(lgrinA′)((πωl2λsmf)2ncA′n0-nsmf2ncn0A′)+ncA′sin(lgrinA′)n0cos(lgrinA′)---(7)]]>其中，ωf為最終光束腰(想象中的)半徑，ωi為單模纖維出口處開始光束腰的半徑，λ為自由空間波長，λsmf為單模纖維內(nèi)部波長，WD為工作距離(舉例來說指成像腰的位置)。例如，假定想要的景深為4毫米，工作距離為3毫米，同時λ等于1.32微米，等式(7)和(8)可以通過疊代得到以一種標(biāo)準(zhǔn)單模光纖SMF-28開始，并在空氣中成像時，所得到的數(shù)值為A′＝1.2074mm-1，lgrin＝1.41毫米。
如果不能獲得準(zhǔn)確的GRIN參數(shù)，特別是不能獲得本設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確的梯度系數(shù)，其數(shù)值如在現(xiàn)有技術(shù)中所知道的明顯小于商業(yè)化GRIN纖維的梯度系數(shù)。我們可能在單模纖維和GRIN材料之間增加一個中間纖維介質(zhì)。目的在于使光束在從單模纖維射出，還沒有進(jìn)入GRIN纖維之前，使它能夠擴(kuò)散。這種中間纖維介質(zhì)優(yōu)選純二氧化硅，其沒有光束形狀或?qū)虻挠绊?，僅僅使光束在其中擴(kuò)散。擴(kuò)散裝置和GRIN材料的結(jié)合可以使梯度系數(shù)的選擇范圍更廣，并且可以成功獲得想要的工作距離和景深。因?yàn)樵黾友b置的矩陣僅僅需要乘以GRIN材料的矩陣，在ABCD矩陣公式中可以非常容易的加入擴(kuò)散系數(shù)。
ABCD=1L01---(8)]]>如果在增加裝置和漸變折射率透鏡之間存在折射指數(shù)的變化，計(jì)算指數(shù)變化的附加矩陣能夠插入等式。
圖3描述了現(xiàn)有技術(shù)中的小型成像探針的實(shí)施例。在此實(shí)例中，單模纖維10(在一個實(shí)施例中，直徑為125微米)使用紫外活化光引發(fā)粘合劑11(紫外光粘合劑)與市售的700微米的GRIN透鏡12’粘合，同時，漸變折射率透鏡又與一個700微米的光束定向裝置14’通過紫外光粘合劑粘合。這種光學(xué)傳遞系統(tǒng)包含在一個可轉(zhuǎn)動的扭矩電纜40中，而電纜40則粘附在漸變折射率透鏡12’近端。整個組裝系統(tǒng)都包含在一個護(hù)套44內(nèi)，并且護(hù)套對單模纖維10放射出的光的波長透明，或者在靠近棱鏡14’附近有一個透明窗。這種成像探針可以成功得到圖2所示的結(jié)果，景深和光點(diǎn)大小。
如圖2所示，盡管這種纖維的直徑只有125微米，并且所要求的最大光束尺寸小于100微米，整個組裝系統(tǒng)直徑大約為1毫米。這么大的直徑限制了此類裝置只能在通路直徑明顯大于1毫米時才能使用。例如，為在小血管內(nèi)部成像，探針的外徑(OD)必須小于350微米，以在現(xiàn)存導(dǎo)管導(dǎo)絲內(nèi)腔插入。進(jìn)一步的，目前所述的設(shè)計(jì)因?yàn)闈M足不同元件的反射指標(biāo)還存在困難，還存在背反射過大的缺點(diǎn)。這些背反射極大的影響透鏡的成像質(zhì)量，特別是光學(xué)相干斷層掃描的成像質(zhì)量。在光學(xué)相干斷層掃描應(yīng)用中，大的背反射會產(chǎn)生眾所周知的盲區(qū)，這樣大的反射會引起前端電子的飽和，從而只能提供小的無法探測到的反射。
圖4描述了一個光學(xué)組合體系的實(shí)施例，其中一個單模傳輸纖維10連在漸變折射率透鏡10上，透鏡10隨之連接到多面體光束定向元件14”上。彼此的連接通過纖維熔接粘結(jié)劑48，從而避免光學(xué)環(huán)氧化物的使用，盡管環(huán)氧化物在需要時也可以使用。本實(shí)例中的光束定向元件14”有兩個面，第一個小面50用來反射光，而第二個小面54用來傳輸光并避免經(jīng)常在光束通過圓柱形纖維時發(fā)生的畸變。在一個實(shí)施例中，第一個小面50同纖維10的縱軸之間的角度為50度。還是在此實(shí)例中，第二個小面54同纖維10縱軸之間的角度為5度。
第一個小面50可以有金屬或者電介質(zhì)涂覆層，也可以涂覆成一種二色性的分光器，以經(jīng)過不同的波長，同時得到正面圖像和側(cè)面圖像。可替換的，如果角度大于根據(jù)折射定律(Snell定律)獲得的全內(nèi)反射的角度(二氧化硅和空氣界面的度數(shù)為43度)，隨后對纖維進(jìn)行涂覆是沒有必要的。因?yàn)闉榱藘?nèi)反射在纖維頂端進(jìn)行涂覆是一個非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)(相反的外部反射非常容易)，因此這個結(jié)果極大的降低了裝置本身的花費(fèi)和復(fù)雜度。圖4中光學(xué)透鏡12’和光束定向元件14”的總直徑可以很容易的控制在300微米以下，同時可以滿足想要的例如圖2所示的光束參數(shù)。進(jìn)一步的，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的熔合，粘結(jié)和拋光技術(shù)制造，并且花費(fèi)能夠不昂貴的透鏡12’具有小的背反射和準(zhǔn)確的聚焦。圖4中粘附的光束定向元件14”優(yōu)選以下方法制造，首先熔解連接一部分短的無芯纖維到漸變折射率透鏡12’上，隨后以選定的角度拋光折疊鏡小面50和折疊鏡小面54。
在使用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)時，小面50和54之間角度的關(guān)系必須給予特別關(guān)注。因?yàn)镺CT系統(tǒng)常規(guī)的敏感度都超過100dB，防止從第二個小面54的背反射，從而耦合入傳輸纖維10非常重要。甚至4％的反射(二氧化硅和空氣界面)都足以飽和并有效的使敏感的OCT系統(tǒng)產(chǎn)生盲區(qū)。因此，角度必須仔細(xì)的選擇從而使背反射角大于單模傳輸纖維10所能接受的角度。例如，拋光的反射面入射角為50度，并且拋光的傳輸小面54同透鏡軸的角度為5度，返回光束將超過標(biāo)準(zhǔn)SMF-28單模纖維10的受光角。這些特定的角度還具有其它的優(yōu)點(diǎn)；50度角將超過玻璃和空氣界面的全內(nèi)反射角(通常為43度)。進(jìn)一步的，這種設(shè)計(jì)將允許纖維10，透鏡12’和光束定向元件14”的組合體在任何涂覆工藝之前在空氣中進(jìn)行檢測。
圖5描述了另一個實(shí)施例，其中光束定向元件14(折疊鏡面)同透鏡12是分離的。這種方法具有可以使光束定向元件14的鏡片進(jìn)行外反射涂覆，一種容易的多的工藝操作的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種方法的一個缺點(diǎn)在于將增加裝置的長度并且透鏡12的焦距作為補(bǔ)償也必須增加。因?yàn)橹睆?25微米的纖維10存在孔徑限制，同時成功得到長的焦距和小的光點(diǎn)尺寸非常困難，所以一般優(yōu)選緊湊的光束定向元件設(shè)計(jì)。
如圖6A所示，在每一個實(shí)施例中，纖維10和透鏡12組合體裝入一個保護(hù)性的護(hù)套44或者管道中。護(hù)套44之所以需要有下面幾個原因。第一個和最重要的是對纖維10的保護(hù)。第二，護(hù)套44提高了長纖維導(dǎo)管的可操作性。第三如下仔細(xì)描述的，護(hù)套44可以使旋轉(zhuǎn)纖維10具有機(jī)械阻尼從而獲得均勻的轉(zhuǎn)動速度。
然而，護(hù)套44必須允許OCT光以最小的損失和畸變反射到外出光束上，以使成功獲得最有效的光學(xué)系統(tǒng)成為可能。即使通過護(hù)套44沒有最小吸收，散射和變形損失，系統(tǒng)的敏感性損失也超過30dB。在這些損失中，光學(xué)變形更難以控制(在圓柱形的護(hù)套)，并且能夠占到損失的15～20dB。當(dāng)光束穿過護(hù)套44彎曲的可以作為透鏡的表面，畸變就會產(chǎn)生。透鏡的能量通過護(hù)套44的半徑和護(hù)套44和周圍介質(zhì)之間的折射率的差異來控制。
護(hù)套44本身可以是透明的，或者它可以包含對光束定向元件14的區(qū)域透明的合適材料。其中，因?yàn)橛卸鄠€材料可以降低OCT中吸收和散射的損失，同時保持良好的機(jī)械性能，所以優(yōu)選透明的護(hù)套44。具有這些性質(zhì)的材料包括聚四氟乙烯，丙烯酸，聚碳酸酯和幾種熱塑性材料，如杜邦公司的Hytrel，是一種熱塑性聚酯彈性體。值得注意的是盡管這些材料中有幾個對可見光是不透明的，但是它們可以對OCT中的波長的光進(jìn)行傳輸。一個透明的護(hù)套也是優(yōu)選的，因?yàn)樗试S旋轉(zhuǎn)的纖維在護(hù)套內(nèi)部縱向轉(zhuǎn)換，以提供三維成像而不用將纖維和護(hù)套作為一個單元前后運(yùn)動。
平面的窗面材料或者在護(hù)套44上形成的平面能夠用來降低光學(xué)畸變的影響，從而使光學(xué)圖像的性質(zhì)更容易處理，但這樣會極大的提高制造的復(fù)雜性和費(fèi)用。同時，平面的窗面也不適合于圓周掃描裝置所要求的360度的掃描。如果選擇圓柱形的護(hù)套44或者窗體，就必須考慮窗體材料和形狀對圖像質(zhì)量造成的影響。
經(jīng)典光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)等式(圓形的)對了解所遇到問題的本質(zhì)有很好的幫助。
n1f1=n2f2=n2-n1R1-n2-n3R2+(n2-n3)(n2-n1)tn2R1R2---(9)]]>其中n1為護(hù)套左部界質(zhì)的光折射率指數(shù)，n2為護(hù)套本身材料的光折射指數(shù)，n3為護(hù)套右部界質(zhì)的光折射率指數(shù)，R1為曲率內(nèi)半徑，R2為曲率外半徑，f1，2為到護(hù)套左部和右部的焦距，t為護(hù)套的厚度。在護(hù)套為圓柱形的情況下，等式(9)中的焦距只能用于圓周方向。
護(hù)套44對傳輸?shù)墓馐墓鈱W(xué)效應(yīng)是雙重的。首先，如圖1中所示，光束腰大小24發(fā)生變化，第二，光束腰20的位置改變。相對于完美情況的耦合損失最好通過重疊積分計(jì)算，但是對于圓周方向上的一維附加損失可以通過下面等式很好的估算近似值。
η=11+Lz0---(10)]]>其中，η為基點(diǎn)折射值，L為從圓周光束腰到理想光束腰的距離，z0為前面定義的瑞利范圍。
通過檢查上面的等式，很明顯可以發(fā)現(xiàn)為降低護(hù)套44的光學(xué)效應(yīng)(例如，將焦距f1和f2向無窮大移動，等價于一個平坦的表面)，最重要的方面是通過降低厚度以及提高曲率半徑使三個系數(shù)匹配(平衡)。可以理解的，上面的等式適用于球形表面，在這種表面上，只存在垂直于護(hù)套的軸的影響。然而，雖然這里提供了對影響的說明，但是一般來說，使三種材料的系數(shù)匹配非常的困難；減少厚度將引發(fā)對機(jī)械完整性的影響，而提高半徑則導(dǎo)致不能接受的探針直徑的增加。另一個可能是，通過護(hù)套內(nèi)界質(zhì)的合適選擇，使兩個折射作用的影響(護(hù)套/窗體的內(nèi)部和外部直徑)相互抵消到個位數(shù)，從而有效的中和彎曲表面的影響。具有正確折射指數(shù)的中和流體的選擇能夠通過下面的等式獲得。
n2-n1R1=n2-n3R2---(11)]]>在這里，n1為中和流體或凝膠的光學(xué)系數(shù)，n2為窗體材料的光學(xué)系數(shù)，n3為周圍界質(zhì)的折射系數(shù)。這種方法提供了一種新的自由度，從而使平衡護(hù)套的大小，厚度和可能的流體系數(shù)，從而使中和光學(xué)效應(yīng)到個位數(shù)成為可能(例如降低影響到他們原來水平的10％)。
中和流體的影響如圖6B所示。無補(bǔ)償性曲線60表示的是一個直徑為355微米，厚度為50微米的充滿空氣的丙烯酸護(hù)套，其使用纖維透鏡12在進(jìn)入鹽水2毫米的深度產(chǎn)生30微米的光束腰。無補(bǔ)償性的情況下，光束產(chǎn)生快速分叉，在界面左部大約400微米的地方產(chǎn)生一個外推的6微米的光束腰。補(bǔ)償形曲線64也在圖中顯示，通過一種已經(jīng)商業(yè)化的氟硅氧烷流體，在1800微米附近獲得一個圓周形的光束腰，其非常接近于理想狀態(tài)。在無補(bǔ)償情況下，全部的耦合損失超過12dB，而在有補(bǔ)償?shù)那闆r下，其耦合損失只有1dB，這意味著通過補(bǔ)償，不必要的損失降低了90％。
為避免被涂覆的內(nèi)反射小面50的復(fù)雜化，優(yōu)選全內(nèi)反射。如前面所提到的，對玻璃/空氣界面，全內(nèi)反射可以在大于43度的任何角度發(fā)生。然而，一旦纖維浸入一種環(huán)境，例如水或者鹽水，折射率將遠(yuǎn)大于同質(zhì)體(空氣)，全內(nèi)反射將變得不切實(shí)際。因此，保持玻璃/空氣界面非常必要。
圖7描述了獲得空氣反射光束定向元件14的優(yōu)選制造方法，其中全內(nèi)反射可以在流體環(huán)境內(nèi)，可應(yīng)用角度下使用。一個薄的透明的內(nèi)部護(hù)套44’同透鏡12/光束定向元件14結(jié)合，并且在遠(yuǎn)端端74密封。內(nèi)部護(hù)套44’可以使用光學(xué)環(huán)氧粘合劑或者通過熱引發(fā)收縮粘合。圖6A中的外部護(hù)套44也在圖7中顯示。
一旦光學(xué)效應(yīng)確定，獲得均勻旋轉(zhuǎn)掃描就變的十分關(guān)鍵，這樣高質(zhì)量，可理解，可重復(fù)的圖像也可以獲得。在內(nèi)窺鏡成像工業(yè)中，大量的努力都投入于解決這個問題?；旧嫌腥N可行的技術(shù)在以前的工藝中得到發(fā)展。第一個是已經(jīng)討論過的扭矩線40的研究，第二個是相位陣列系統(tǒng)的研究(在超聲成像領(lǐng)域)，其能夠通過末端轉(zhuǎn)換器的電子裝置有效的掌握光束。最后，軟件成像校正能夠用來嘗試通過圖像的后處理來對非均勻旋轉(zhuǎn)畸變(NURD)進(jìn)行補(bǔ)償。如前所述，扭矩線40一般不能升級到這里所考慮的尺寸并且會極大的增加花費(fèi)。相位陣列系統(tǒng)非常復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儼鄠€的轉(zhuǎn)換器和附加的控制型電子裝置。復(fù)式纖維解決方案是可能的，但是會極大的增加花費(fèi)。最后，以軟件為基礎(chǔ)的校正體系非常復(fù)雜，并且容易出錯，同時如果NURD可以避免先驗(yàn)，校正體系所得到的圖像一般質(zhì)量要差多個。
一種新的控制纖維光學(xué)探針的旋轉(zhuǎn)速率變化的方法在此揭露并被描述?？紤]到玻璃纖維極低的扭轉(zhuǎn)剛度(如前詳細(xì)描述)，可以期望在一定長度獲得有意義的纖維并使旋轉(zhuǎn)速度適合于應(yīng)用到多種領(lǐng)域，比如醫(yī)療應(yīng)用。例如，一個兩米長的經(jīng)7.5微米厚的聚酰亞胺涂覆層的直徑為125微米的纖維，在充滿水的導(dǎo)管框架內(nèi)部以10HZ的速率旋轉(zhuǎn)，可以經(jīng)歷10整圈以上的繞圈。盡管纖維圈的末端必須以平均10HZ的速度旋轉(zhuǎn)，(NURD)在因?yàn)槔@圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)片斷，摩擦變化引起的解鏈，導(dǎo)管的運(yùn)動，溫度變化等此類過程中，其也可以有速度的變化。
如圖8給予的概念性的描述，通過負(fù)反饋控制光傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)端的速度從而控制這些速度的變化是可能的。位于遠(yuǎn)端的粘滯阻尼可以提供這種反饋控制。通過在光傳輸系統(tǒng)和護(hù)套44之間引入一種粘滯阻尼流體本質(zhì)上可以產(chǎn)生一種光學(xué)透明的徑向軸承。一種光徑通過斷點(diǎn)箭頭表示出來，徑向軸承的機(jī)械性質(zhì)被很好的理解并徹底的證明。其中幾個關(guān)系式如下所示ShearStress(τ)=μ×Va=μ×RPS×2πra---(12)]]>Torque=μ×RPS×2πra×2πr×l×r---(13)]]>Winduplength=TorqueG·Iz---(14)]]>其中，μ代表粘度，a代表纖維和護(hù)套之間的間隔，V代表速率，RPS代表每秒鐘的旋轉(zhuǎn)，1代表護(hù)套內(nèi)粘性流體使用的長度，G代表剪切模量(纖維的硬度模量)，Iz表示纖維軸的慣性力矩。
因?yàn)檎扯纫l(fā)的扭矩負(fù)荷隨速度增加，并且會使解鏈纖維速度變慢，負(fù)反饋可以建立。通過控制變量a、l和μ，精確的控制光傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)端的旋轉(zhuǎn)特性成為可能。這種技術(shù)具有易于控制，低花費(fèi)，低復(fù)雜度和探針體積增加幾乎可以忽略的優(yōu)點(diǎn)，同時還可以在內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)中進(jìn)行無非均勻旋轉(zhuǎn)畸變的操作。例如，通過在不同的位置使用不同粘度的溶液，非均勻旋轉(zhuǎn)畸變甚至可以進(jìn)一步的得到控制，而且在這些不同的位置，除了在這些流體的邊界線以外，流體內(nèi)在的高粘度有助于防止混合。這在它們自由旋轉(zhuǎn)的同時，方便了不同流體的隔離。在導(dǎo)管整個長度上分布粘性流體也是可能的，但位于遠(yuǎn)端的粘滯阻尼對NURD的控制通常更為有效。最后，所使用的用于粘度控制的流體同時必須具有所要求的可透射性，優(yōu)選具有如前詳細(xì)描述的中和光學(xué)特性。有一些流體和凝膠，例如氟硅氧烷化合物，能夠同時適合前面描述的光學(xué)和機(jī)械效果。另外，合適的粘滯阻尼流體代表性的具有大小在500和20,000厘沲之間的動力學(xué)粘度并且在一些實(shí)施例中，折射率在1.32和1.65之間。
有幾種類型的流體滿足這些要求，包括氟硅氧烷，糖漿，合成和天然的油類，甚至用于多個干涉心臟病學(xué)過程中的X射線對照試劑(如RenoCal-76(tm)，一種優(yōu)路芬X射線造影劑溶液，新澤西州普林斯頓Bracco Diagnostics公司制造)。
多個粘性流體表現(xiàn)出粘度和溫度強(qiáng)的相互依賴性。這可以在不同的實(shí)施例中方便的使用。在一些實(shí)施例中，溫度影響能夠?qū)φ承粤黧w的使用產(chǎn)生不利的影響。本發(fā)明的一個方面就是關(guān)于控制粘性流體的溫度從而成功降低NURD的影響。例如，一個溫度依賴性的有利方面的應(yīng)用為，加熱粘滯阻尼流體從而使流體容易注射入非常緊的孔洞，比如一個長導(dǎo)管護(hù)套。一種潛在的有害的影響可以在血管內(nèi)成像應(yīng)用中看到，在此應(yīng)用中，經(jīng)常使用鹽水沖洗。如果鹽水不能在體溫范圍內(nèi)，粘滯阻尼流體的粘度將變化，并且傳輸纖維將旋緊或者解旋(取決于粘度升高還是降低)，從而引起所觀察到OCT圖像的旋轉(zhuǎn)。一種簡單的方法可以用來保證任何注射入的鹽水，或者其它恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)管洗液保持在體溫或者接近體溫的范圍。MED-36就是這樣一個溫度敏感的例子，MED-36是加州Carpinteria的NuSil公司制造的一種硅樹脂流體，其在室溫(25攝氏度)的粘度為1010厘沲，在體溫(38攝氏度)則下降到750厘沲。
圖9描述了使用圖7所示導(dǎo)管獲得的平面的無非均勻旋轉(zhuǎn)畸變(NURD)的光學(xué)相干斷層掃描圖像。圖10是同圖9相同表面的圖像，但是其沒有粘滯阻尼流體來去除非均勻旋轉(zhuǎn)畸變。相似的，圖11為使用圖7所示導(dǎo)管獲得的圓柱狀組織內(nèi)部的去非均勻旋轉(zhuǎn)畸變(NURD)的光學(xué)相干斷層掃描圖像。圖12為圖11中相同圓柱狀組織內(nèi)部的圖像，但是沒有使用粘滯阻尼流體。在圖10和圖12中，由于光學(xué)探針頂端不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)速度，圖像的畸變非常明顯。值得指出的是，用于降低NURD的定點(diǎn)分布的粘度流體的原理不僅僅使用于纖維光成像情況下。例如，超聲導(dǎo)管可以使用這種技術(shù)來替代標(biāo)準(zhǔn)的昂貴的扭矩線。
盡管本討論集中在醫(yī)療領(lǐng)域，很明顯，多個具有工業(yè)前景的非醫(yī)療應(yīng)用和其它材料的分析也可能使用本專利。進(jìn)一步的說，盡管單模纖維對OCT成像是優(yōu)選的，多模纖維也可以同樣使用在前面所提的實(shí)施例中。
本發(fā)明中的多個不同元素的相互關(guān)系在描述性的實(shí)施例圖13中的探針130上表現(xiàn)出來、一個單模纖維10放置在探針130內(nèi)部護(hù)套44’內(nèi)。內(nèi)部護(hù)套44’代表性的包括一個空氣密封間隙。聚焦元件135同光束定向元件137的關(guān)系顯示出來。聚焦元件135和光束定向元件137都放置在內(nèi)部護(hù)套44’內(nèi)。而內(nèi)部護(hù)套放置在前面不同的實(shí)例中都提到的外部護(hù)套44內(nèi)。一種粘滯阻尼流體140放置在外部護(hù)套44內(nèi)，并圍繞內(nèi)部護(hù)套44’的一部分。在一些實(shí)施例中，整個的內(nèi)部護(hù)套44’都被粘滯阻尼流體140包圍。在所顯示的不同實(shí)例中，外部護(hù)套44的直徑在500微米以下。一個密封球145特別的放置在外部護(hù)套內(nèi)來使粘度阻尼流體145在確定的體積內(nèi)。一個熱成型末端150也在不同的實(shí)施例中出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)探針，包括護(hù)套；安置在所述護(hù)套內(nèi)的柔性的、可雙向轉(zhuǎn)動的光傳輸系統(tǒng)；所述光傳輸系統(tǒng)能夠傳輸、聚焦和收集預(yù)定范圍波長的光；以及位于所述護(hù)套內(nèi)的粘滯阻尼流體，其中，所述護(hù)套和所述粘滯阻尼流體都至少對所述波長中的一些波長是透明的，且所述粘性流體的折射率經(jīng)過選擇，能夠基本消除通過所述護(hù)套的光傳播產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)。
2.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，所述光傳輸系統(tǒng)的直徑小于約300微米。
3.權(quán)利要求2所述的光學(xué)探針，其中，所述光傳輸系統(tǒng)包括傳輸纖維；和與光束定向元件光學(xué)耦合的聚焦元件。
4.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，所述光傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生一個出射光束腰，半徑小于100微米，工作距離從0到10毫米，景深可到10毫米。
5.權(quán)利要求4所述的光學(xué)探針，其中，所述工作距離和景深可以應(yīng)用于氣基或者流體基的成像環(huán)境。
6.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，所述護(hù)套的直徑小于約500微米。
7.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，所述粘度阻尼流體至少位于護(hù)套的一遠(yuǎn)端部分中。
8.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，纖維在所述護(hù)套內(nèi)能夠滑動地旋轉(zhuǎn)。
9.權(quán)利要求3所述的光學(xué)探針，其中，所述傳輸纖維能夠在一近端被旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。
10.權(quán)利要求3所述的光學(xué)探針，其中，所述聚焦元件和光束定向元件包括連接于第一段無芯二氧化硅纖維的傳輸纖維，該第一段無芯二氧化硅纖維連接到一漸變折射率纖維，該漸變折射率纖維連接到第二段無芯纖維，其中，所述第二段無芯纖維具有一個或多個成角度的面以構(gòu)成光束定向元件。
11.權(quán)利要求3所述的光學(xué)探針，其中，所述聚焦元件和光束定向元件包括連接到一個漸變折射率纖維的傳輸纖維，該漸變折射率纖維的工作孔徑和折射率曲線設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生半徑小于100微米的一光束腰，并且該光束腰位于在空氣或者流體中從透鏡末端開始測量的工作距離上，該工作距離不超過10毫米，并且連接于漸變折射率纖維的一個有小面的無芯纖維。
12.權(quán)利要求10所述的光學(xué)探針，其中，所述成角度的無芯纖維在一個成角度的面上被反射性涂覆。
13.權(quán)利要求10所述的光學(xué)探針，其中，所述成角度的無芯纖維具有第一面角，從而使光束定向元件利用全內(nèi)反射來定向光束。
14.權(quán)利要求3所述的光學(xué)探針，其中，所述光束定向元件包括兩個小面，第一小面作為一反射體，第二小面作為一透射元件，其中，從第二小面發(fā)出并通過聚焦元件從第一小面再次反射的殘留背反射光的角度大于傳輸纖維的受光角。
15.權(quán)利要求10所述的光學(xué)探針，其中，所述成角度的無芯纖維的所述第二段在一個小面上涂覆有一種二色性涂覆層，從而使光能量基本在一個波長范圍基本發(fā)生反射，在另一不同的第二波長范圍基本發(fā)生透射。
16.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其中，所述護(hù)套包括多個區(qū)域，每個區(qū)域都具有預(yù)定的長度并包含具有預(yù)定粘度系數(shù)的流體。
17.權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，還包括用于進(jìn)行導(dǎo)管沖洗的一內(nèi)腔。
18.權(quán)利要求17所述光學(xué)探針，其中，導(dǎo)管清洗保持在體溫下進(jìn)行以將導(dǎo)管遠(yuǎn)端處由溫度引起的粘度變化減到最小。
19.一種光學(xué)探針，包括光傳輸系統(tǒng)，該光傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在預(yù)定波長范圍內(nèi)操作，所述光傳輸系統(tǒng)包括帶有一孔洞的第一護(hù)套，所述第一護(hù)套在其遠(yuǎn)端密封；光束定向元件位于所述第一護(hù)套的所述孔洞內(nèi)；聚焦元件位于所述第一護(hù)套的所述孔洞內(nèi)并且與位于第一護(hù)套的所述孔洞中的所述光束定位元件光學(xué)耦合；帶有一孔洞的第二護(hù)套，所述第一護(hù)套位于所述第二護(hù)套的孔洞內(nèi)；位于所述第二護(hù)套的所述孔洞內(nèi)的粘滯阻尼流體，其中，所述流體的折射率被選擇成能夠基本消除在所述第二護(hù)套中的光傳播所引起的光學(xué)效應(yīng)；并且其中，所述第一護(hù)套在其遠(yuǎn)端封閉，且所述光傳輸系統(tǒng)裝在所述第一護(hù)套內(nèi)。
20.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述光傳輸系統(tǒng)的直徑小于約300微米。
21.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述光傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生一個半徑小于100微米的出射光束腰，其工作距離為0到10毫米，且景深不超過10毫米。
22.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述光束定向元件通過一個成角度的小面利用全內(nèi)反射。
23.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述第二護(hù)套的直徑小于約500微米。
24.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述光束定向元件只有一個單一的內(nèi)反射面。
25.權(quán)利要求19所述的光學(xué)探針，其中，所述聚焦元件包括帶有輻射式末端的一個無芯纖維。
26.權(quán)利要求19所述光學(xué)探針，其中，還包括用于進(jìn)行導(dǎo)管沖洗的一內(nèi)腔。
27.權(quán)利要求26所述光學(xué)探針，其中，導(dǎo)管沖洗保持在體溫下進(jìn)行，從而將導(dǎo)管遠(yuǎn)端處由溫度引起的粘度變化減到最小。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種光學(xué)探針(130)，其包括一個護(hù)套，一個位于護(hù)套(44)內(nèi)的柔性的，可雙向旋轉(zhuǎn)的光傳輸系統(tǒng)(10，135，137)和一種位于護(hù)套內(nèi)的粘度阻尼流體(140)。光傳輸系統(tǒng)能夠傳輸，聚焦和收集預(yù)定波長范圍的光。護(hù)套和粘度阻尼流體至少對那些光的一部分波長是透明的。粘性流體的折射率經(jīng)過特殊選擇，可以去除光在上述護(hù)套傳播時產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)。具有實(shí)際直徑500微米以下的用于掃描的光學(xué)探針從一個長的高柔性的纖維(10)到達(dá)樣品。在一個實(shí)施例中，探針包括一種粘滯阻尼流體，其適合于防止非均勻旋轉(zhuǎn)畸變(NURD)。這種探針被用于光學(xué)相干斷層掃描(OCT)和其它干涉成像和測距系統(tǒng)，也可以用于其它成像形態(tài)的傳輸(熒光)或者醫(yī)用光學(xué)資源。
文檔編號G02B23/24GK1684624SQ03823023
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月25日
發(fā)明者克里斯托弗·L·彼得森, 愛德華·I·麥克納馬拉, 羅納德·B·蘭波特, 麥克爾·阿特拉斯, 約瑟夫·M·施米特, 保羅·馬格寧, 埃里克·A·斯旺森 申請人:萊特萊圖像公司