專利名稱：光纖掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖掃描系統(tǒng)，其包括帶有光纖的外殼，光纖包括固定部分和自
由端，固定部分附連到外殼底部且光纖平行于外殼壁延伸。至少一個電線圈在光纖的固定 部分與自由端之間的位置附連到壁上，電線圈的繞組在平行于光纖的平面中。磁體附連到 光纖上使得電線圈可在磁體上感應(yīng)力。特別地，本發(fā)明涉及用于獲得組織的圖像或光譜測 量的光纖掃描系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了對各種癌癥疾病進(jìn)行正確診斷，要進(jìn)行活檢。這可經(jīng)由內(nèi)窺鏡的內(nèi)腔或者經(jīng) 由針活檢進(jìn)行。在圖7中示出針活檢的實例，其中經(jīng)由直腸從前列腺進(jìn)行活檢。為了找到 進(jìn)行活檢的正確位置，使用各種成像形式，諸如X射線、MRI和超聲。對于前列腺癌而言，在 大部分情況下，由超聲來引導(dǎo)活檢(參看圖7)。盡管這是有幫助的，但這些引導(dǎo)方法遠(yuǎn)非最 佳的。分辨率有限，而且，這些成像形式在大部分情況下不能區(qū)別良性組織與惡性組織。結(jié) 果，不能肯定地知道是否從組織的正確部分進(jìn)行活檢。進(jìn)行幾乎盲式活檢且甚至在對組織 進(jìn)行檢查后未檢測到癌細(xì)胞的情況下，我們也不能肯定地知道我們沒有簡單地錯過進(jìn)行活 檢的正確位點。 為了改進(jìn)活檢程序，需要在進(jìn)行活檢之前直接檢查活檢位置。實現(xiàn)這個目標(biāo)的 一種方式是在這個位置進(jìn)行顯微檢查。這需要微型化的共焦顯微鏡。在出版物Optical Fibers and Sensors for MedicalDiagnosis and Treatment Applications, 編者I Gannot， Proc. SPIE，第6083巻中，E. J. Seibel等人的文章"A full-color scanning fiberendoscope，，中描述了光纖掃描光纖內(nèi)窺鏡(fiber scanning fiberendoscope)(參看 圖8)，一種基于壓電致動器的光纖掃描系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的缺陷在于其以諧振方式操作。除 了較快之外，諧振掃描儀具有兩種缺陷。第一種缺陷在于掃描模式是固定的(參看圖9)。 如果僅圖像的特定部分是相關(guān)的或者如果希望在固定位置進(jìn)行測量，那么總是必須掃描完 整的對象。特別是在光譜成像和雙光子光譜成像的情況下，需要一些時間來收集光子以具 有充分的統(tǒng)計性。而且，所需的大約75伏的相對較高的電壓也對(例如)內(nèi)窺鏡或?qū)Ч茉?成額外限制。 另一缺陷在于，由于諧振模式，光纖端部末端的位置在很大程度上取決于光纖性 質(zhì)。光纖制造中的較小差異將會影響掃描性質(zhì)。另一缺陷在于，在諧振掃描情況下光纖末 端的偏轉(zhuǎn)是有限的。光纖越長，掃描越慢且超過致動裝置的光纖部分越大。較長光纖使得 系統(tǒng)公差敏感且使非諧振模式的其它模式的風(fēng)險高。這表示諧振掃描是較不優(yōu)選的。
在專利US6967772和US7010978中，描述了一種基于電動音叉的掃描光纖系統(tǒng)。同 樣，這種系統(tǒng)是以諧振模式操作，具有如上文所提到的缺陷中的某些缺陷。而且，音叉使得 系統(tǒng)相當(dāng)龐大，限制了系統(tǒng)的尺寸縮減。 在美國專利第7， 123， 790號中，描述了一種掃描光纖系統(tǒng)，其使用位于垂直于光 纖的平面中的四個帶繞組的電線圈。US 7，123，790的這個系統(tǒng)使用諧振驅(qū)動方法，用于以橢圓模式掃描光纖末端。 上述光纖掃描系統(tǒng)的缺點在于，它們采用光纖的諧振掃描，得到一種不易于調(diào)整 待掃描區(qū)域和光纖末端位置較不明確界定的系統(tǒng)。 在美國專利5， 317， 148中，附連到光纖上的永久磁體由具有繞組的兩個電磁體對 所圍繞，該繞組位于平行于光纖的平面中。通過控制到這些磁體中每一個的電壓，控制永 久磁體的精確位置。因此，控制光纖自由端的位置以使用各種模式來掃描目標(biāo)區(qū)域。在US 5， 317， 148中所公開的系統(tǒng)的缺點在于其相對較大且并不適合于微型化。舉例而言，為了在 患者檢查期間最小化組織損傷，醫(yī)療應(yīng)用微型化是一重要方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖掃描系統(tǒng)，其減輕了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一或多種缺 陷。更特別地，本發(fā)明的目的在于提供一種很小的非諧振光纖掃描系統(tǒng)。因此，在根據(jù)本發(fā) 明的系統(tǒng)中，磁體正好在電線圈之前或之后的位置附連到光纖上，磁體的寬度使得磁體在 電線圈上延伸。由于磁體與電線圈之間較小的距離，合力相對較大。因此，光纖末端可置于 掃描區(qū)域內(nèi)的任何位置。其可以掃描模式操作或者可保持固定于明確界定的位置。由于光 纖的偏轉(zhuǎn)由致動器(磁體_電線圈組合)限定而不是由光纖的諧振性質(zhì)限定，因此末端的 位置是明確界定的。 本發(fā)明的另一方面在于光纖也可以諧振模式掃描。這允許以較快時間尺度形成圖 像，且若需要，可以較長時間尺度測量組織特定點的光譜。這種雙模式掃描對于需要圖像形 成和光譜測量的組織檢查(例如，光學(xué)活檢)而言是特別重要的。 如圖IO所示的本發(fā)明的另一方面在于磁體優(yōu)選地附連到光纖上且線圈附連到外 殼上。 光纖可被布置成用于導(dǎo)光。以此方式，該系統(tǒng)可用于在系統(tǒng)前面從組織獲得圖像 或者獲得光譜測量。 本發(fā)明的再一方面在于這種光纖掃描系統(tǒng)用于醫(yī)療系統(tǒng)中，諸如內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管、活 檢或其它類型的針。 參看將在下文中描述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將顯然并被闡明。


在附圖中 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的光纖掃描系統(tǒng)的致動器部件， 圖2更詳細(xì)地示出致動器， 圖3以透視圖示出致動器部件， 圖4示出帶有兩個磁體的致動器， 圖5示出帶有三個磁體和兩組電線圈的致動器， 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的致動器的頂視圖， 圖7示出在超聲引導(dǎo)下經(jīng)由直腸進(jìn)行活檢的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))， 圖8示出包括耦接到光纖的激光器的掃描系統(tǒng)，其中光纖耦接到掃描系統(tǒng)(現(xiàn)有
技術(shù))，
圖9示出壓電驅(qū)動光纖的諧振掃描模式的實例(現(xiàn)有技術(shù))，
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的光纖掃描系統(tǒng)的實施例， 圖11示出光纖末端處于三個不同位置的根據(jù)本發(fā)明的光纖掃描系統(tǒng)的實施例，
圖12示出在定心環(huán)、磁體與光纖末端之間具有可調(diào)整距離的根據(jù)本發(fā)明的光纖 掃描系統(tǒng)的實施例，以及， 圖13示出具有調(diào)整的距離的圖12的實施例。
具體實施例方式
在第一實施例中，掃描儀包括上面安裝有兩個磁體的光纖。在掃描儀的外殼102 中安裝四個線圈12，線圈12并不接觸光纖13。光纖13自身安裝于定心環(huán)101中，定心環(huán) 101連接到外殼102(參看圖10)。當(dāng)電流施加到線圈12之一時，由于洛倫茨磁力，將取決 于電流方向在一個方向或其它方向推動磁體11。通過在線圈12中循序施加電流，可將光纖 末端放置于工作區(qū)域內(nèi)任何期望的位置。這在圖11中示出。 而且，能僅使用一個磁體替代兩個磁體和使用3個線圈替代4個線圈。在兩個相
對放置的線圈或者甚至一個線圈和一個磁體的情況下，能在一個方向進(jìn)行線掃描。 光纖末端的端部的行程取決于懸臂點與電動機(jī)(致動器)位置之間的長度和電動
機(jī)部件上光纖的自由長度。參看圖12中的Ll和L2。光纖末端的端部的行程還取決于外殼
的尺寸和磁體與線圈之間的電磁耦合。 長度L2還決定諧振頻率和在諧振模式可實現(xiàn)的行程。通過改變相對于電動機(jī)的 懸臂位置和光纖自由端的長度，可改變行程和頻率(參看圖13)。 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的掃描系統(tǒng)的致動器。致動器包括磁體11和電線圈12。磁 體可為永久磁體或是在磁場附近被磁化的一片鐵磁材料。由于附連到光纖13上的磁體11 與附連到外殼上的線圈12之間的力，光纖13在所示彎曲區(qū)域14中彎曲。這導(dǎo)致磁體11 和光纖13相對于外殼的行程15。 圖2更詳細(xì)地示出致動器的線圈12與磁體11。線圈12的繞組在平行于光纖13 的平面中且線圈12的方位垂直于光纖13。磁體11的磁化方向(NS方向)平行于光纖13。 當(dāng)電流經(jīng)過線圈12流動時線圈12與磁體11之間的合力垂直于光纖13，使得磁體11如圖 所示行進(jìn)。磁體11的大小使得磁體在其行進(jìn)期間接近線圈12，導(dǎo)致線圈12與磁體11之間 小的空氣間隙16。由于空氣間隙16小，合力相對較大，從而能將光纖13固定于所希望的 位置。如在圖1中可看出，磁體ll行進(jìn)的路徑是圓形。但是，由于半徑17相對較大，路徑 幾乎是直線。這使得空氣間隙16在行進(jìn)期間幾乎恒定且因此其可被選擇成很小。因此在 行進(jìn)期間，力大且恒定。為了進(jìn)行適當(dāng)操作，空氣間隙16應(yīng)至少大于5微米以避免磁體11 的移動受到線圈12的阻礙。優(yōu)選地，空氣間隙16的寬度在50與100微米之間。較大空氣 間隙16導(dǎo)致較小力。在圖2的實施例中，磁體11的大小使得在平衡位置，磁體在線圈長度 的大約50%的范圍上延伸。為了更強(qiáng)的力，磁體應(yīng)大且盡可能多地在線圈上延伸。但是， 由于機(jī)械限制，較大磁體可能會減小光纖末端的移動自由度。優(yōu)選地，磁體至少在線圈長度 10%的范圍上延伸。 圖3以透視圖示出其中相對于固定到外殼(未圖示)上的線圈12可在兩個方向 被掃描(即，定位)的磁體11和光纖13的實施例。為此目的，在此實施例中使用四個線圈
512和盤形磁體11。 圖4示出帶有兩個磁體11、41的實施例。此處，驅(qū)動光纖13的力幾乎是圖2中的兩倍。 圖5示出具有兩組線圈12、52和三個磁體11、41、51以進(jìn)一步增加光纖13上的力 的實施例。 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的致動器的頂視圖。清楚地示出可用于在四個線圈12之間 移動光纖13的相對較大的區(qū)域。這使得可根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)來掃描相對較大的區(qū)域。當(dāng) 使用四個線圈12中的僅一個線圈時已能在一個維度中進(jìn)行線掃描。在兩個方向中的掃描 需要至少兩個不平行且優(yōu)選地垂直放置的線圈12。 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的光纖掃描系統(tǒng)的實施例。光纖13的一端附連到外殼102 上。光纖13的自由端位于靠近透鏡103處，用于將光聚焦于目標(biāo)區(qū)域。兩個磁體11、41附 連到光纖13上。在磁體11、41之間，一組線圈12附連到外殼102上。線圈12和磁體11、 41被布置成使得線圈12可在磁體11、41上感應(yīng)出力以將光纖末端推動或拉動到所希望的 位置。 圖11示出光纖末端處于三個不同位置的圖10的實施例。在最左邊的圖中，通過 線圈12的電流使得所獲得的磁場向左邊推動或拉動磁體11、41。 圖12示出在定心環(huán)、磁體與光纖末端之間具有可調(diào)整的距離的根據(jù)本發(fā)明的光 纖掃描系統(tǒng)的實施例。光纖13在定心環(huán)101處附連到外殼上且在靠近定心環(huán)101的光纖 部分中彎曲。光纖末端的端部的行程取決于定心環(huán)101與致動器121的位置之間的長度和 致動器部件121上的光纖13的自由長度。參看圖12中的Ll和L2。長度L2也決定諧振頻 率和在諧振模式中可實現(xiàn)的行程。通過改變定心環(huán)101相對于致動器部件121的位置和光 纖自由端的長度，可改變行程和頻率。 圖13示出具有調(diào)整的距離的圖12的實施例。定心環(huán)101朝向致動器部件121移 動，從而使得長度Ll很小并增加光纖末端的行程。 在US7123790的圖9中公開了具有附連到光纖上的線圈和磁體的光纖掃描系統(tǒng)。
這個系統(tǒng)如其它現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)一樣以諧振模式操作。根據(jù)本實施例的光纖掃描系統(tǒng)具有將
其與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)區(qū)分開的多個特點。這些特點包括-在本系統(tǒng)中的線圈的方位相對于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90度。-在本系統(tǒng)中磁體的大小相對于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)增加且現(xiàn)基本上與線圈重疊。-將本系統(tǒng)中的線圈制成比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的線圈更短。
這些特點可全部同時采用以實現(xiàn)具有其固有優(yōu)點的優(yōu)選系統(tǒng)。這些優(yōu)點包括
-可在諧振和非諧振模式操作，S卩，將光纖定位于工作區(qū)域中的任意位置，
_用于移動光纖的相對較大的工作區(qū)域，
-光纖末端的明確界定的位置。 而且，應(yīng)當(dāng)指出的是，用于在電線圈與磁體之間形成力的慣常做法是使用如在 US7123790中所述的相對于磁體的線圈方位。如在發(fā)電機(jī)和電動機(jī)這樣熟知的應(yīng)用中都使 用線圈與磁體之間的這種方位。 應(yīng)當(dāng)指出的是上述實施例旨在說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明，且在不偏離所附權(quán)利 要求書的范疇的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能設(shè)計出許多替代實施例。在權(quán)利要求書中，置于括號之間的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被認(rèn)為限制該權(quán)利要求。使用動詞"包括"和其變化形式并不 排除權(quán)利要求書中所述元件或步驟之外的元件或步驟的存在。在元件之前的冠詞"一"并 不排除多個這樣的元件的存在。本發(fā)明可利用包括若干不同元件的硬件和利用合適編程的 計算機(jī)來實施。在列舉若干裝置的裝置項中，這些裝置中的若干裝置可由同一個硬件項目 來實施。在相互不同的附屬權(quán)利要求中陳述特定措施的簡單事實并不表示不可使用這些措 施的組合以取得益處。
權(quán)利要求
光纖掃描系統(tǒng)，其包括-外殼(102)，其具有底部和壁；-光纖(13)，其在所述外殼(102)內(nèi)并包括固定部分和自由端，所述固定部分附連到所述外殼的底部，所述光纖(13)平行于所述外殼(102)的壁延伸；-至少一個線圈(12)，其在所述光纖(13)的所述固定部分與所述自由端之間的位置附連到所述壁上，電線圈(12)的繞組在平行于所述光纖(13)的平面中；以及，-磁體(11)，其正好在所述電線圈(12)之前或之后的位置附連到所述光纖(13)，所述磁體(11)的寬度使得所述磁體(11)在所述電線圈(12)上延伸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述磁體(11)的位置使得所述電線圈 (12)與所述磁體(11)之間的空氣間隙(16)大于5微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述磁體(11)的寬度使得所述磁體 (11)在所述電線圈(12)上延伸超過所述線圈長度的10%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其還包括附連到所述光纖(13)的至少一第二 磁體(41,51)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其還包括至少一第二電線圈(52)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述磁體(11)是盤形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述光纖(13)的固定部分與所述磁體 (11)之間的距離是可調(diào)整的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述磁體(11)與所述光纖(13)的自由 端之間的距離是可調(diào)整的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述光纖(13)是導(dǎo)光光纖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖掃描系統(tǒng)，其中所述磁體(11)是永久磁體。
11. 一種醫(yī)療裝置，其包括_根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的光纖掃描系統(tǒng)； -光源，其通過所述光纖掃描系統(tǒng)的所述光纖(13)發(fā)送光； -光檢測器，其耦接到所述光纖(13)以用于檢測反射光；_處理裝置，其耦接到所述光檢測器以用于處理來自所述光檢測器的信號；以及， -輸出裝置，其耦接到所述處理裝置以向使用者提供經(jīng)處理的信號。
12. 將根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖掃描系統(tǒng)用于以諧振模式進(jìn)行掃描的用途。
13. 將根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的光纖掃描系統(tǒng)用于以非諧振模式進(jìn)行掃描 的用途。
全文摘要
提供一種光纖掃描系統(tǒng)，其包括帶有光纖(13)的外殼(102)，該光纖(13)包括固定部分和自由端，該固定部分附連到外殼(102)的底部且該光纖(13)平行于外殼(102)的壁延伸。至少一個電線圈(12)在光纖(13)的固定部分與自由端之間的位置附連到壁，電線圈(12)的繞組處于平行于光纖(13)的平面中。磁體(11)附連到光纖(13)上使得電線圈(12)可在該磁體(11)上感應(yīng)出力。該磁體(11)正好在該電線圈(12)之前或之后的位置附連到光纖(13)，該磁體(11)的寬度使得該磁體(11)在該電線圈(12)上延伸。
文檔編號G02B26/10GK101755233SQ200880025439
公開日2010年6月23日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者A·L·布勞恩, B·H·W·亨德里克斯, N·米哈洛維克, W·C·J·比爾霍夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司