專利名稱：用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)相干層析成像(OCT)技術(shù)，尤其涉及一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析 成像的二維掃描光纖探頭。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)是一種新興的生 物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對生物組織的結(jié)構(gòu)與生理功能進(jìn)行非接觸、無損傷、高分辨率 成像，在疾病的早期檢測和在體活檢領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 光學(xué)相干層析成像技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成時(shí)域OCT系統(tǒng)、譜域OCT系統(tǒng)和掃頻 OCT系統(tǒng)三種型式。早期的時(shí)域OCT系統(tǒng)通過軸向機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)對生物樣品的層析成像， 譜域OCT系統(tǒng)和掃頻OCT系統(tǒng)無需軸向掃描即可成像，實(shí)現(xiàn)了高速高靈敏度的光學(xué)相干層 析成像。然而，對于上述三種型式的OCT系統(tǒng)，由于采用的光波段在組織中都只能穿透若干 毫米，無法在體外直接穿透人體對內(nèi)部組織器官進(jìn)行層析成像，相比于其他成像技術(shù)(如 超聲成像、CT成像)，有限的成像深度制約了 OCT技術(shù)對人體內(nèi)部組織器官病變的成像和 診斷。為了消除這一制約因素，只有研發(fā)基于OCT系統(tǒng)的內(nèi)窺技術(shù)，才能使OCT技術(shù)應(yīng)用于 人體內(nèi)部組織器官的高分辨率成像。國外很多科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究，如美國哈 佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的G. J. Tearney小組采用旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件構(gòu)建了能進(jìn)行360度圓周掃描的探頭 系統(tǒng)；Y. T. Pan和J. M. Zara提出基于旋轉(zhuǎn)光耦合器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的OCT微型探頭； 加州大學(xué)Irving分校的Zhongping Chen小組提出基于電致聚合物和光纖束的內(nèi)窺OCT探 頭；加州理工學(xué)院的ChanghueiYang提出基于旋轉(zhuǎn)GRIN透鏡組的內(nèi)窺OCT探頭；美國哈佛 大學(xué)的S. A. Bo卯a(chǎn)rt首次提出基于壓電彎曲驅(qū)動(dòng)器的掃描探頭；華盛頓大學(xué)的Xingde Li 小組提出基于壓電陶瓷管的掃描探頭。上述這些方法，都存在其固有的優(yōu)缺點(diǎn)，如基于旋轉(zhuǎn) 光學(xué)組件和光學(xué)耦合器的掃描探頭，其光能耦合效率比較低，需要進(jìn)行精確的光學(xué)對準(zhǔn)，且 探頭尺寸比較大；基于MEMS技術(shù)的微型探頭需要復(fù)雜的制造過程，其制造成本和制造難度 都比較高；而基于壓電陶瓷管的掃描探頭需要很高的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要較高的能耗，且應(yīng) 用在人體中存在一定的安全隱患。因此如何以比較簡易的制造工藝，在較低的制造成本和 調(diào)節(jié)難度的條件下，研制出結(jié)構(gòu)簡單緊湊、能耗低、且具有較高的光能利用效率的OCT掃描 探頭，就成為OCT探頭設(shè)計(jì)的一大目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的 二維掃描光纖探頭。該二維掃描光纖探頭基于非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)獨(dú)立且互不 影響的正交諧振模，利用包含兩個(gè)信號分量的單一驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)激發(fā)兩個(gè)正交諧振模，形 成二維的李薩如掃描圖案，利用單模光纖、梯度折射率光纖形成透鏡光纖(lensed fiber), 再與梯度折射率透鏡組合，實(shí)現(xiàn)樣品的照明和后向散射光的收集，利用集成于探頭內(nèi)部的 位置敏感探測器(PSD)，實(shí)時(shí)記錄光纖探頭出射光在成像橫斷面內(nèi)的二維掃描軌跡。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖 探頭，主要由非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)、梯度折射率透鏡、二向色膜層、位置敏感探測器、封裝外 殼、位置敏感探測器線纜、壓電陶瓷雙晶片線纜組成；梯度折射率透鏡固定在封裝外殼的一 端，在梯度折射率透鏡的光入射端面鍍有二向色膜層，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)一端固定在封 裝外殼的另一端，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)沿軸向?qū)?zhǔn)二向色膜層，位置敏感探測器靠近二向 色膜層固定在封裝外殼的內(nèi)壁。 進(jìn)一步地，所述非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)包括壓電陶瓷雙晶片、第一剛性光纖段、第二 剛性光纖段、透鏡光纖組成；透鏡光纖固定在壓電陶瓷雙晶片的上表面，第一剛性光纖段固 定在壓電陶瓷雙晶片的下表面并與透鏡光纖延伸方向一致，第二剛性光纖段固定在透鏡光 纖與第一剛性光纖段之間。壓電陶瓷雙晶片、第一剛性光纖段、第二剛性光纖段，以及透鏡 光纖形成非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)。 進(jìn)一步地，所述透鏡光纖由單模光纖和梯度折射率光纖組成；單模光纖和梯度折 射率光纖連接形成透鏡光纖，由透鏡光纖中的單模光纖輸出的激光經(jīng)梯度折射率光纖準(zhǔn) 直，輸出到梯度折射率透鏡，經(jīng)梯度折射率透鏡聚焦，照射在被測樣品上。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果 1、通過向掃描光纖懸臂引入剛性光纖段，形成非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)，使成像光纖 具有兩個(gè)獨(dú)立的、互不影響的正交諧振模。相比傳統(tǒng)的單光纖掃描結(jié)構(gòu)，光纖諧振從一維諧 振擴(kuò)展至二維諧振，擴(kuò)展了成像維度。同時(shí)采用的非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)，具有體積小、結(jié)構(gòu) 緊湊、制造工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)。 2、通過使壓電陶瓷雙晶片的驅(qū)動(dòng)信號包含對應(yīng)于非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)的兩個(gè)正 交諧振模的兩個(gè)分量信號，此單一驅(qū)動(dòng)信號可同時(shí)激發(fā)非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)在兩個(gè)正交方 向上諧振，實(shí)現(xiàn)成像光纖的二維掃描；相比于傳統(tǒng)的基于壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)電壓 從幾十伏特降低至幾伏特，減少了能耗，提高了安全性，驅(qū)動(dòng)信號從兩路減少為一路，從而 簡化了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度。 3、通過引入透鏡光纖對成像光纖中的激光進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)過梯度折射率透鏡對準(zhǔn)直 后的激光進(jìn)行聚焦，由于二維掃描是對平行光束進(jìn)行掃描，相比于傳統(tǒng)的單光纖點(diǎn)光源成 像掃描方式，避免了對軸外點(diǎn)成像時(shí)出現(xiàn)的漸暈現(xiàn)象，可以提高軸外點(diǎn)成像的光能利用率， 進(jìn)而提高系統(tǒng)總體的信噪比。 4、通過位置敏感探測器實(shí)時(shí)記錄二維掃描軌跡的位置信號，從而實(shí)現(xiàn)對樣品掃描 位置信息的準(zhǔn)確重構(gòu)。同時(shí)，在傳統(tǒng)掃描光纖成像中，由于光纖成像易受環(huán)境干擾的影響而 導(dǎo)致產(chǎn)生位置信息的假信號，由位置敏感探測器反饋的位置信號能緩解這種假信號對成像 帶來的錯(cuò)誤影響，保證了成像精度，提高了光纖型成像探頭系統(tǒng)的抗干擾能力。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是透鏡光纖的結(jié)構(gòu)及梯度折射率透鏡組合光路的示意圖； 圖中1、非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)，2、梯度折射率透鏡，3、二向色膜層，4、位置敏感探 測器，5、封裝外殼，6、位置敏感探測器線纜，7、壓電陶瓷雙晶片線纜，8、壓電陶瓷雙晶片，9、
4剛性光纖段，10、剛性光纖段，11、透鏡光纖，12、單模光纖，13、梯度折射率光纖，14、被測樣
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更 加明顯。 如圖l所示，本發(fā)明用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭包括非對 稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)1、梯度折射率透鏡2、二向色膜層3、位置敏感探測器4、封裝外殼5、位置敏 感探測器線纜6、壓電陶瓷雙晶片線纜7。其中梯度折射率透鏡2的光入射端面鍍有二向色 膜層3，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)1在振動(dòng)中發(fā)出的激光，一部分通過二向色膜層3的反射打在 位置敏感探測器4上，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)1、梯度折射率透鏡2、二向色膜層3、位置敏感探 測器4都封裝在封裝外殼5中，用于提供反饋位置信號的位置敏感探測器線纜6和提供壓 電陶瓷雙晶片驅(qū)動(dòng)信號的壓電陶瓷雙晶片線纜7通過封裝外殼5的后端口連至掃描探頭外 部。 位置敏感探測器4光敏面能夠探測可見光波段的光點(diǎn)位置，用于OCT系統(tǒng)中的典 型光波段為800nm和1300nm波段的低相干光。二向色膜層3能夠反射600nm波段的可見 光，且透射1300nm或800nm波段的低相干光，這樣能夠在不損失光學(xué)相干層析光能的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)位置信號的獲取。 本發(fā)明二維掃描光纖探頭，通常位于OCT系統(tǒng)中的樣品臂末端。在OCT系統(tǒng)的光 源部分，將用于層析成像的超輻射二極管發(fā)出的低相干光和用于位置敏感探測器位置標(biāo)定 的He-Ne激光器發(fā)出的可見光耦合成為一束光。通過二向色膜層3的反射，可見光照射在 位置敏感探測器4光敏面上；二向色膜層3透射的低相干光，經(jīng)梯度折射率透鏡2聚焦在被 測樣品上進(jìn)行層析成像。位置敏感探測器4實(shí)時(shí)記錄照射在其光敏面上的可見光掃描軌跡 的位置信號，經(jīng)過位置敏感探測器線纜6傳至電腦。由于位置敏感探測器4記錄的位置信 號能夠與低相干光打在被測樣品上的位置滿足一一對應(yīng)的關(guān)系，因此通過這些位置信號就 可以對樣品的掃描位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確重建。 典型的PSD參數(shù)可參考濱松公司生產(chǎn)的二維PSD(S2044)，其工作原理為，當(dāng)光斑 照射在PSD光敏面上時(shí)，根據(jù)光斑距離PSD的四個(gè)電極的距離分別產(chǎn)生四個(gè)光電流，通過電 流電壓轉(zhuǎn)換、電壓放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，可以得到光斑照射在PSD光敏面上的位置信息。當(dāng) 掃描探頭受到外部作用力等擾動(dòng)時(shí)，光纖懸臂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)出現(xiàn)微細(xì)的異常變化，但 是由于位置敏感探測器4內(nèi)置于掃描探頭內(nèi)部并且實(shí)時(shí)記錄掃描軌跡位置信號，因此利用 位置信號準(zhǔn)確重構(gòu)樣品掃描位置信息，能夠避免掃描軌跡的異常變化對位置信息引入的誤 差，提高了掃描探頭的抗干擾能力。 圖2所示為所述的非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)示意圖，包括壓電陶瓷雙晶片8、第一剛性 光纖段9、第二剛性光纖段10、透鏡光纖11。其中透鏡光纖11固定于壓電陶瓷雙晶片8的 上表面，第一剛性光纖段9的一端固定于壓電陶瓷雙晶片8的下表面，第二剛性光纖段10 的一端與第一剛性光纖段9相連，另一端與透鏡光纖11的中部相連接。壓電陶瓷雙晶片線 纜7分別連接壓電陶瓷雙晶片8的上表面壓電陶瓷層、中間彈簧片層和下表面壓電陶瓷層。
在非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)1中，由透鏡光纖11、第一剛性光纖段9、第二剛性光纖段
5IO和壓電陶瓷雙晶片8的前端面形成一個(gè)剛性框架。非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)1具有兩個(gè)獨(dú)立 的、互不干擾的正交諧振模，其中一個(gè)諧振方向在非對稱光纖懸臂面內(nèi)，另一個(gè)諧振方向垂 直于非對稱光纖懸臂平面，壓電陶瓷雙晶片8的單一驅(qū)動(dòng)信號由函數(shù)發(fā)生器提供，函數(shù)發(fā) 生器產(chǎn)生兩路分別對應(yīng)于兩個(gè)正交諧振模的分信號，通過混頻合成為一路單一驅(qū)動(dòng)信號。 連接壓電陶瓷雙晶片8的上表面壓電陶瓷層的第一壓電陶瓷雙晶片線纜7和連接壓電陶瓷 雙晶片8的下表面壓電陶瓷層的第二壓電陶瓷雙晶片線纜7連接起來，且連接單一驅(qū)動(dòng)信 號的正極，連接壓電陶瓷雙晶片8的中間彈簧片層的第三壓電陶瓷雙晶片線纜7連接至單 一驅(qū)動(dòng)信號的負(fù)極。利用包含兩個(gè)諧振信號的單一驅(qū)動(dòng)信號，能同時(shí)激發(fā)非對稱光纖懸臂 的兩個(gè)正交諧振模，形成二維的李薩如掃描圖案。 圖3所示為所述的透鏡光纖的結(jié)構(gòu)及梯度折射率透鏡組合光路的示意圖，透鏡光 纖11由單模光纖12和梯度折射率光纖13連接而成。由透鏡光纖11中的單模光纖12輸 出的激光經(jīng)梯度折射率光纖13準(zhǔn)直，輸出到梯度折射率透鏡2，經(jīng)梯度折射率透鏡2聚焦， 照射在被測樣品14上。 透鏡光纖11中的單模光纖12和梯度折射率光纖13使用光纖熔接機(jī)熔接在一起， 再使用光纖切割機(jī)將梯度折射率光纖13切割至四分之一節(jié)距長度，形成具有光束準(zhǔn)直功 能的透鏡光纖11。利用單模光纖12、梯度折射率光纖13形成透鏡光纖11和梯度折射率透 鏡2組合，實(shí)現(xiàn)對被測樣品14的照明和后向散射光的收集。由于采用透鏡光纖出射的準(zhǔn)直 光束進(jìn)行掃描，相比于傳統(tǒng)單模光纖的點(diǎn)光源掃描成像，避免了對軸外點(diǎn)成像時(shí)引起的漸 暈現(xiàn)象，使得對軸上點(diǎn)與軸外點(diǎn)成像都達(dá)到較高的光能利用率。 本發(fā)明公開的一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭，提出的非對 稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)獨(dú)立的、互不影響的正交諧振模，使用包含兩個(gè)諧振信號分量的 單一驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)激發(fā)非對稱光纖懸臂的兩個(gè)正交諧振模，形成二維的李薩如掃描圖案。 同時(shí)利用單模光纖、梯度折射率光纖形成的透鏡光纖和梯度折射率透鏡組合，實(shí)現(xiàn)樣品的 照明和后向散射光的收集，能夠避免軸外點(diǎn)掃描的漸暈現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)較高的光能利用效率，并 且利用集成于探頭內(nèi)部的位置敏感探測器(PSD)，實(shí)時(shí)反饋二維掃描軌跡信號用于位置信 息的準(zhǔn)確重構(gòu)，并且能夠避免外部干擾引起的掃描軌跡的異常變化，在OCT系統(tǒng)的內(nèi)窺應(yīng) 用中有重要意義。
權(quán)利要求
一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭，其特征在于它主要由非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)(1)、梯度折射率透鏡(2)、二向色膜層(3)、位置敏感探測器(4)、封裝外殼(5)、位置敏感探測器線纜(6)、壓電陶瓷雙晶片線纜(7)組成。梯度折射率透鏡(2)固定在封裝外殼(5)的一端，在梯度折射率透鏡(2)的光入射端面鍍有二向色膜層(3)，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)(1)一端固定在封裝外殼(5)的另一端，非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)(1)沿軸向?qū)?zhǔn)二向色膜層(3)，位置敏感探測器(4)靠近二向色膜層(3)固定在封裝外殼(5)的內(nèi)壁。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭，其特征在 于所述非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)(1)包括壓電陶瓷雙晶片(8)、第一剛性光纖段(9)、第二剛性 光纖段(10)、透鏡光纖(11)。其中，透鏡光纖(11)固定在壓電陶瓷雙晶片(8)的上表面， 第一剛性光纖段(9)固定在壓電陶瓷雙晶片(8)的下表面并與透鏡光纖(11)延伸方向一 致，第二剛性光纖段(10)固定在透鏡光纖(11)與第一剛性光纖段(9)之間。壓電陶瓷雙 晶片(8)、第一剛性光纖段(9)、第二剛性光纖段(IO)，以及透鏡光纖(11)形成非對稱光纖 懸臂結(jié)構(gòu)(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭，其特征在 于所述透鏡光纖(11)由單模光纖(12)和梯度折射率光纖(13)連接組成。由透鏡光纖 (11)中的單模光纖(12)輸出的激光經(jīng)梯度折射率光纖(13)準(zhǔn)直，輸出到梯度折射率透鏡 (2)，經(jīng)梯度折射率透鏡(2)聚焦，照射在被測樣品(14)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的二維掃描光纖探頭，該光纖探頭基于非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)，能夠形成兩個(gè)獨(dú)立的、互不影響的正交諧振模；利用包含兩個(gè)諧振信號分量的單一驅(qū)動(dòng)信號，能同時(shí)激發(fā)非對稱光纖懸臂的兩個(gè)正交諧振模，形成二維的李薩如掃描圖案。提出的基于非對稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)的二維掃描光纖探頭，利用單模光纖、梯度折射率光纖形成透鏡光纖，再與梯度折射率透鏡組合，實(shí)現(xiàn)樣品的照明和后向散射光的收集。提出的二維掃描光纖探頭利用集成于探頭內(nèi)部的位置敏感探測器，能夠?qū)崟r(shí)記錄光纖探頭出射光在成像橫斷面內(nèi)的二維軌跡，實(shí)現(xiàn)對掃描位置信息的準(zhǔn)確重構(gòu)。
文檔編號G01N21/45GK101711666SQ20091015425
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者丁志華, 吳彤, 孟婕, 徐磊, 王凱, 王川, 王玲, 陳明惠 申請人:浙江大學(xué)