激光共聚焦顯微內窺鏡的制作方法

專利名稱：激光共聚焦顯微內窺鏡的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療器械制造技術領域，特別涉及一種激光共聚焦顯微內窺鏡。
背景技術：
醫用內窺鏡是體內病變探察診斷和微創手術的必備醫療設備，其廣泛應用于臨床醫學的 各個領域。內窺鏡在宏觀尺度上觀察體內組織，識別可疑區域，必要時鉗取可疑組織到體外 進行組織病理學診斷，但這是一個帶有創傷的過程，常伴隨出血、感染、早期漏診等現象， 具有一定的風險性。而激光共聚焦顯微內窺鏡則無需取樣活檢即可實現體內器官的實時高分 辨率組織病理學診斷，并可使用熒光對比劑，特異性強，其是早期病變無創診斷的重要器具， 尤其對于常規內窺鏡難以發現的癌變早期診斷具有重大意義。
目前的激光共聚焦顯微內窺鏡采用光纖束或單根光纖將激光和熒光信號分別導入體內和 導出體外，光纖束允許將共聚焦掃描機構放置在體外，內窺鏡探頭可以細小，但圖像清晰度 受到光纖束本身柵格排列的嚴重影響，共聚焦圖像的分辨力較低，而且由于相鄰芯徑的光線 串擾，圖像的對比度難以提高；單根光纖則要求共聚焦掃描機構必須放置在體內，雖然采用 現有MEMS技術可以縮小掃描機構尺寸，但目前的技術下還無法兼顧小尺寸和大掃描范圍； 光纖束和單根光纖均無法校正內窺鏡系統的像差。因此，此類顯微內窺鏡的光學設計，特別 是微型顯微物鏡設計結構復雜。

發明內容
本發明提供了一種高分辨力的激光共聚焦顯微內窺鏡，本發明最大的優點是采用望遠式 棒狀鏡系統實現光束的耦合，不僅可以將高性能共聚焦掃描機制放置在體外，實現較小尺寸 的內窺鏡探頭，而且克服了傳像光纖束固有的缺點，可以獲得高清晰度的共聚焦掃描圖像。
本發明所采取的技術方案如下激光共聚焦顯微內窺鏡，包括顯微內窺鏡探頭、共聚焦 掃描模塊、電源與照明模塊、電纜和導光束，顯微內窺鏡探頭包括望遠式傳像系統、顯微物 鏡，共聚焦掃描模塊包括激光擴束鏡、光電探測器、共焦光闌、熒光會聚鏡、熒光濾色片、 二色鏡、二維共聚焦掃描器、掃描物鏡，電源與照明模塊包括信號處理單元、圖像工作站、 電源、激光驅動器、激光器；顯微內窺鏡探頭固定于共聚焦掃描模塊；電源為激光驅動器和 圖像工作站供電，激光驅動器驅動激光器發出激光，經導光束傳輸至激光擴束鏡，經擴束后 的激光束由二色鏡反射至二維共聚焦掃描器，二維共聚焦掃描器根據不同的控制信號將激光 束以不同的角度反射至掃描物鏡，透過掃描物鏡的激光束由望遠式傳像系統傳輸至顯微物鏡，經顯微物鏡聚焦至體內組織的表面或內部，體內組織標記有熒光物質，在激光的激發下發射 熒光信號，熒光信號被顯微物鏡收集，再由望遠式傳像系統輸出，透過掃描物鏡，經二維共 聚焦掃描器反射，透過二色鏡，經熒光濾色片濾波后，再由熒光會聚鏡聚焦在開有小孔的共 焦光闌處，體內組織僅在激光焦點處的熒光能穿過小孔到達光電探測器上，光電探測器將熒 光信號轉換為電信號，由電纜傳輸至信號處理單元，經信號處理單元處理后，再輸入圖像工 作站進行圖像重建、處理和分析。
所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，望遠式傳像系統為一倍物像放大率的棒狀鏡系統。 所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，二維共聚焦掃描器放置于體外，且為正交方向配置的兩 個一維掃描振鏡；光電探測器為單像元探測器。
所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，光電探測器采用雪崩光敏二極管、光電倍增管或光敏二 極管。
所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，二維共聚焦掃描器為空間光調制器，光電探測器為二維 多像元陣列器件，此時空間光調制器實現共焦光鬧的功能，即可省略共焦光闌。
所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，空間光調制器采用數字微鏡陣列，二維多像元陣列器件
采用CCD或CMOS圖像傳感器。
所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，當體內組織標記有熒光物質時，二色鏡為干涉濾色片， 對激光波長反射，對熒光波長透射，當體內組織沒有標記熒光物質時，二色鏡為偏振濾色片， 對某一偏振態的光束反射，對其正交的偏振態光束透射。
本發明激光共聚焦顯微內窺鏡采用望遠式傳像系統代替光纖束或單根光纖，將激光耦合 進體內組織，并將熒光信號耦合至體外探測器，實現高清晰度成像，圖像分辨率接近衍射極 限，相鄰像素無信號串擾，圖像對比度高，而且共聚焦掃描機構設置在體外，在獲得高性能 共聚焦掃描的同時，不增大內窺鏡探頭的尺寸，與目前的硬性內窺鏡相兼容。同時，采用望 遠式傳像系統，可以在整個內窺鏡探頭長度內進行像差校正，顯微物鏡的殘留像差可由傳像 系統補償，兩者結合起來可獲得更佳的成像質量。
本發明的激光共聚焦顯微內窺鏡主要由顯微內窺鏡探頭、小型共聚焦掃描模塊和電源及 照明模塊等組成，顯微內窺鏡探頭包括顯微物鏡和望遠式傳像系統，顯微物鏡的外徑在l 10mm左右，望遠式傳像系統的工作長度為100 500mm左右。為準確獲取體內組織細胞的 三維形態，顯微物鏡的分辨率接近衍射極限。望遠式傳像系統設計為一倍物像放大率的棒狀 鏡系統，在全視場內掃描激光束的光斑直徑接近衍射極限，減小場曲和像散等像差，最大程 度的保證光能傳輸效率，提高圖像清晰度。顯微物鏡與望遠式傳像系統通過優化的光學設計， 實現殘留像差的互相抵消，獲得最優性能的顯微內窺鏡光學系統。
小型共聚焦掃描模塊的徑向XY掃描由二維掃描振鏡實現，軸向Z掃描由精密注水機構實現。因為掃描振鏡無運動導軌，平面反射鏡的轉動慣量非常小，因此具有體積小、掃描速 度快、震動小、重復精度高的優點。軸向Z掃描由水壓實現，在體內組織與顯微物鏡之間灌 注不同體積的水，不僅可以調節物距，實現軸向移動，而且水增大了物鏡的數值孔徑，提高 了成像分辨率和熒光收集效率。各種光學元器件如激光擴束系統、掃描振鏡、光電探測器等 部件的尺寸都很小，可集成在一個小體積的操作部件內，滿足手持或采用機械手裝置靈活操 作。電源及照明模塊分別通過電源信號線和導光束與小型共聚焦掃描模塊連接，為其提供必 要的電能和控制信號。
電源及照明模塊主要包括電源、激光器和控制電路，完成激光共聚焦顯微內窺鏡的供電， 激光照明及控制操作。控制操作包括二維掃描振鏡的驅動控制，Z軸注水機構驅動，光電探 測器增益的自動控制和激光器輸出功率的調節等。


圖l是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明的顯微內窺鏡探頭的放大圖。
圖3是本發明的望遠式傳像系統的一種結構示意圖。
圖4是本發明的二維掃描振鏡的結構示意圖。
圖5是本發明的空間光調制器的結構示意圖。
圖6是本發明空間光調制器實現共焦光闌的功能效果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
如圖l、 2所示，本發明激光共聚焦顯微內窺鏡包括顯微內窺鏡探頭l、共聚焦掃描模塊 2、電源與照明模塊3、電纜4和導光束5，顯微內窺鏡探頭1包括望遠式傳像系統101、顯 微物鏡102、掃描腔103，共聚焦掃描模塊2包括激光擴束鏡201、光電探測器202、共焦光 闌203、熒光會聚鏡204、熒光濾色片205、 二色鏡206、 二維共聚焦掃描器207、掃描物鏡 208，電源與照明模塊3包括信號處理單元301、圖像工作站302、電源303、激光驅動器304、 激光器305。
顯微內窺鏡探頭1固定于小型共聚焦掃描模塊2上。電源303分別給激光驅動器304和 圖像工作站302提供電能，激光驅動器304驅動激光器305發出激光，經導光束5傳輸至激 光擴束鏡201。經擴束后的激光束由二色鏡206反射至二維(XY方向)共聚焦掃描器207， 二維共聚焦掃描器207根據不同的控制信號將激光束以不同的角度反射至掃描物鏡208，透
5過掃描物鏡208的激光束由望遠式傳像系統101傳輸至顯微物鏡102，經顯微物鏡102聚焦 至體內組織6的表面或內部。體內組織6標記有熒光物質，在激光的激發下發射熒光信號， 熒光信號被顯微物鏡102收集，再由望遠式傳像系統101輸出，透過掃描物鏡208，經二維 共聚焦掃描器207反射，再透過二色鏡206，經熒光濾色片205濾波后，再由熒光會聚鏡204 聚焦在開有小孔的共焦光闌203處，體內組織6僅在激光焦點處的熒光能穿過小孔到達光電 探測器202上。光電探測器202將熒光信號轉換為電信號，由電纜4傳輸至信號處理單元301, 經信號處理單元301處理后，再輸入圖像工作站302進行圖像重建、處理和分析。
激光束沿體內組織6的Z方向掃描由水壓控制實現，通過在顯微物鏡102第一和第二片 鏡片之間的掃描腔103灌注不同體積的水，使緊貼顯微物鏡102第一片鏡片的上皮組織6相 對顯微物鏡102的焦平面做Z向移動，顯微物鏡102裝配在內窺鏡探頭1的末端，第一鏡片 與鏡筒之間動密封。初始時，掃描腔103內的水最少，第一鏡片和上皮組織距離物鏡的第二 鏡片最近，Z軸掃描時，控制閥打開，通過微注射器將水注入掃描腔103，隨著掃描腔103 中水體積的增加，第一鏡片和上皮組織6會向遠離微型物鏡102的方向移動，位移量與注入 的水量成比例，形成Z軸掃描。這種掃描方式的優點是占用空間小，幾乎不增大內窺鏡探頭 1的尺寸，上皮組織6與內窺鏡探頭1位置固定，無運動模糊，同時水和顯微物鏡102的第 一鏡片與上皮組織6緊貼，增大了顯微物鏡102的數值孔徑，并且上皮組織受第一鏡片定形 作用，具有一定彎曲，光學設計容易校正像面彎曲，從而提高分辨率，獲得高熒光收集效率。
圖3是望遠式傳像系統101的一種結構示意圖，為一倍物像放大率的棒狀鏡系統。
圖4是本發明采用二維掃描振鏡時的構成示意圖，其工作原理如下所述激光器305發 射出來的光束經激光擴束鏡201后，形成光斑形狀和發散角符合一定要求的光束，透過二色 鏡206 (激光反射，熒光透射)后，先后入射到X向振鏡207-1和Y向振鏡207-2，將這兩個 掃描振鏡按照一定的方式組合，通過控制信號驅動兩個振鏡的快速旋轉擺動，就形成XY方 向的掃描模式。此掃描模式將激光束以不同的角度反射至掃描物鏡208，透過掃描物鏡208 的激光束由望遠式傳像系統101傳輸至顯微物鏡102，經顯微物鏡102聚焦至體內組織6的 表面或內部。體內組織6標記有熒光物質，在激光的激發下發射熒光信號，熒光信號被顯微 物鏡102收集，再由望遠式傳像系統101輸出，透過掃描物鏡208后，經振鏡207-2和207-1 的依次反射后，再透過二色鏡206，經熒光濾色片205濾波后，再由熒光會聚鏡204聚焦在 開有小孔的共焦光闌203處，體內組織6僅在激光焦點處的熒光能穿過小孔到達光電探測器 202上，而其它部分的熒光或雜散光將被共焦光闌203阻擋，不能到達光電探測器202，大大 減小了背景熒光和雜散光，提高了熒光圖像的信噪比。
雖然，逐點進行激光共聚焦掃描的速度較多點掃描或線掃描慢，但激光能量最集中，在 相同激發功率密度下對激光功率的要求最小，系統可選擇微小功率的固體激光器，體積小、功耗低、壽命長。而且沒有多點掃描時不同掃描點之間的信號串擾，或線掃描時一個方向共 焦性能的喪失，因此獲得的共聚焦熒光圖像分辨率和信噪比均最優。
圖5是本發明采用空間光調制器進行共聚焦掃描時的結構示意圖。此時，XY方向的二 維共聚焦掃描器為空間光調制器207，如美國TI公司的數字微鏡器件DMD。 DMD由尺寸為 13 pm (甚至更小)的1024x768 (甚至更多)個微反射鏡陣列構成，僅處于ON狀態的微鏡 將激光反射到掃描物鏡208的孔徑內，處于OFF狀態的微鏡將激光反射出掃描物鏡208，依 次逐點或以某一模式使微鏡處于ON狀態，就形成XY方向的掃描模式。此掃描模式由掃描 物鏡208耦合進內窺鏡探頭1。掃描獲得的熒光信號由內窺鏡探頭1收集，通過掃描物鏡208 后到達DMD器件207，被ON狀態的微鏡反射，到達二色鏡206和熒光濾色片205，經過熒 光會聚鏡204后，最終成像在二維光電探測器(如CCD器件)202上。
DMD器件207實現XY方向的二維掃描，這里設計為等間距柵格掃描，因為DMD器件 207的可編程性能，因此柵格模式可隨時自由調整，圖6所示為柵格周期為6的掃描模式。 若白色方塊代表DMD器件207上的ON狀態微鏡，黑色方塊代表DMD器件207上的OFF 狀態微鏡，則每次掃描的共焦模式為整幅圖像的1/36，完成固定Z軸的一整幅圖像需更替 DMD器件207的狀態36次。每個ON狀態微鏡同時起到光源及探測器前的共焦小孔作用， 若離焦圖像平均分布在DMD器件207上，僅1/36的背景亮度被收集到二維光電探測器202 上，而焦面上的熒光被100%收集到二維光電探測器202上。DMD器件207的刷新率可高達 數萬幀/秒，因此，可獲得快速的共聚焦內窺圖像。
權利要求
1、激光共聚焦顯微內窺鏡，包括顯微內窺鏡探頭、共聚焦掃描模塊、電源與照明模塊、電纜和導光束，其特征在于所述的顯微內窺鏡探頭包括望遠式傳像系統、顯微物鏡，共聚焦掃描模塊包括激光擴束鏡、光電探測器、共焦光闌、熒光會聚鏡、熒光濾色片、二色鏡、二維共聚焦掃描器、掃描物鏡，電源與照明模塊包括信號處理單元、圖像工作站、電源、激光驅動器、激光器；顯微內窺鏡探頭固定于共聚焦掃描模塊；電源為激光驅動器和圖像工作站供電，激光驅動器驅動激光器發出激光，經導光束傳輸至激光擴束鏡，經擴束后的激光束由二色鏡反射至二維共聚焦掃描器，二維共聚焦掃描器根據不同的控制信號將激光束以不同的角度反射至掃描物鏡，透過掃描物鏡的激光束由望遠式傳像系統傳輸至顯微物鏡，經顯微物鏡聚焦至體內組織的表面或內部，體內組織標記有熒光物質，在激光的激發下發射熒光信號，熒光信號被顯微物鏡收集，再由望遠式傳像系統輸出，透過掃描物鏡，經二維共聚焦掃描器反射，透過二色鏡，經熒光濾色片濾波后，再由熒光會聚鏡聚焦在開有小孔的共焦光闌處，體內組織僅在激光焦點處的熒光能穿過小孔到達光電探測器上，光電探測器將熒光信號轉換為電信號，由電纜傳輸至信號處理單元，經信號處理單元處理后，再輸入圖像工作站進行圖像重建、處理和分析。
2、 如權利要求l所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是所述的望遠式傳像系統為一 倍物像放大率的棒狀鏡系統。
3、 如權利要求1所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是所述的二維共聚焦掃描器放 置于體外，且為正交方向配置的兩個一維掃描振鏡；光電探測器為單像元探測器。
4、 如權利要求3所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是所述的光電探測器采用雪崩 光敏二極管、光電倍增管或光敏二極管。
5、 如權利要求l所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是所述的二維共聚焦掃描器為 空間光調制器，光電探測器為二維多像元陣列器件，此時空間光調制器實現共焦光闌的功能， 即可省略共焦光闌。
6、 如權利要求5所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是所述的空間光調制器采用數字微鏡陣列，二維多像元陣列器件采用CCD或CMOS圖像傳感器。
7、 如權利要求l所述的激光共聚焦顯微內窺鏡，其特征是當體內組織標記有熒光物質時，二色鏡為干涉濾色片，對激光波長反射，對熒光波長透射，當體內組織沒有標記熒光物 質時，二色鏡為偏振濾色片，對某一偏振態的光束反射，對其正交的偏振態光束透射。
全文摘要
本發明公開一種新型的高分辨力激光共聚焦顯微內窺鏡，采用望遠式傳像系統代替光纖束或單根光纖，將激光耦合進體內組織，并將反射光或熒光信號耦合至體外探測器，在獲得高分辨率和對比度熒光圖像的同時，縮小內窺鏡探頭直徑；共聚焦掃描機構設置在體外，在獲得高性能共聚焦掃描的同時，不增大內窺鏡探頭的尺寸，并且與現有硬管內窺鏡兼容，可實現高性能的體內組織病理學診斷。
文檔編號A61B1/06GK101449963SQ20081016389
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月29日 優先權日2008年12月29日
發明者段會龍, 王立強, 巖 石 申請人:浙江大學