自動充放氣設備在oct內窺掃描成像系統中的應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種自動充放氣設備，特別是將自動充放氣設備用于光學相干斷層掃 描系統的應用。
【背景技術】
[0002] 光學相干斷層成像（OpticalCoherenceTomography，簡稱OCT)，已廣泛應用在眼 科診斷領域，這項技術是建立在光學、電子學以及計算機技術科學的基礎上，是集光電及高 速數據采集和圖像處理等多項前沿學科為一體的新型成像技術，OCT憑借其具有高分辨率、 高速成像等優點而備受人們的關注，并在生物醫學與臨床診斷領域開始得到重視和應用。
[0003] 與現有的CT、超聲、MRI等其他成像方式相比，OCT具有極高的分辨率，與傳統的激 光共聚焦顯微鏡相比，OCT的成像深度具有明顯的優勢。傳統光學探頭的核心技術大多采 用光纖束進行光傳導并進行成像，或者采用CCD技術進行成像，此類內窺探頭僅能探測組 織表面的病變，然而早期癌癥的癥狀發生在表皮以下1-3毫米的深度，因此傳統光學內窺 探頭就顯得力不從心。目前也有通過超聲原理進行醫學成像的內窺探頭，雖然可獲得生物 組織表層以下較深的組織信息，但分辨率僅為毫米量級，對早期的癌癥易造成漏診。
[0004] 內窺式OCT技術是近十年伴隨OCT技術發展而誕生并蓬勃發展的一項OCT分支技 術，其核心目標是在不降低分辨率的前提下將OCT光學成像設備微型化，為人體內部臟器 管腔提供高分辨率OCT圖像。這項技術極大的擴展了OCT技術的應用領域，使得OCT檢查 對象已經涉及到各種消化道管腔，大消化道管腔（如食道，直腸），小消化道管腔（如膽道） 等。
[0005] 目前，在對病人食道、膽道、腸道等進行光學相干斷層掃描時，醫生對于進入人體 內的球囊需進行手動充氣和手動放氣的操作。它的局限性在于，充氣精度無法準確控制，充 氣放氣速度慢，醫生手動操作存在誤差，無過壓保護等。因此迫切需要一種能夠解決現有技 術局限性，滿足實際醫療工作的新技術。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的之一是提供一種自動充放氣設備在OCT內窺掃描成像系統中的應 用，所述OCT內窺掃描成像系統包括掃頻激光模塊、干涉模塊、探測器模塊、數據采集模塊、 數據處理模塊、圖像顯示模塊、執行機構、球囊導管、OCT微探頭，以及自動充放氣設備，所 述自動充放氣設備包括：控制和顯示模塊、氣泵、充放氣電磁閥、壓力傳感器、防爆壓力傳感 器、機械壓力開關。所述自動充放氣設備實現了自動充氣和吸氣，且具有設定不同氣壓參數 的功能，可對不同規格的球囊進行充放氣，設備在給球囊充氣過程中達到設定的氣壓值后 停止充氣，且具有過壓保護功能。
[0007] 本發明的另一目的是提供一種OCT內窺掃描成像系統，包括掃頻激光模塊、干涉 模塊、探測器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、圖像顯示模塊、執行機構、球囊導管、OCT 微探頭、以及所述自動充放氣設備，其中：
[0008] 所述掃頻激光模塊包括高速掃頻激光器、光纖隔離器與光纖耦合器，將從掃 頻激光器輸出的光學信號與后續光路隔離，防止后續光路返回的光學信號干擾激光器 正常工作；所述干涉模塊可采用光纖式馬赫一曾德爾干涉儀（MZI)或光纖式邁克爾遜 (Michelson)干涉儀結構。其中馬赫一曾德爾干涉儀結構主要由兩個光纖耦合器、兩個光 纖環形器以及兩個光纖偏振控制器組成，其中第一個光纖耦合器一般采用非對稱式光纖 耦合器，將大部分激光輸出至樣品臂的微探頭；在參考臂與樣品臂中均放置一個光纖環形 器以收集從兩個臂反射或散射回的光學信號；第二個光纖耦合器可采用對稱式2X2光纖 耦合器（即分光比為50/50)以產生光學干涉信號并降低直流共模信號，光纖偏振控制器 被對稱的放置在參考臂與樣品臂中，用于調整兩個臂的偏振狀態以獲得最佳的光學干涉信 號。邁克爾遜干涉儀結構則由一個對稱式2X2光纖耦合器、一個光纖環形器以及兩個光學 偏振控制器組成，掃頻激光首先經過光纖環形器后在進入光纖耦合器，從參考臂與樣品臂 反射或散射回的光學信號在經過同一個光纖耦合器產生干涉信號，光纖偏振控制器被對稱 的放置在參考臂與樣品臂中，用于調整兩個臂的偏振狀態以獲得最佳的光學干涉信號。馬 赫一曾德爾干涉儀（MZI)的優點在于結構對稱、色散管理簡單、探測靈敏度高。邁克爾遜 (Michelson)干涉儀的優點在于結構簡單、且不會引入偏正模色散（PMD)，兩者的共同之處 在于兩個臂中間的光程差決定了發生光學時鐘的自由光譜區（FSR)，也最終決定了OCT圖 像的最大成像深度；探測器模塊可采用高速平衡光電探測器，主要用于將從干涉模塊輸出 的干涉光學信號轉換成電學信號；所述數據采集模塊是高速模數采集卡，主要用于將模擬 電學信號轉換成數字電學信號，并將數字信號提供給數據處理模塊進行數字信號處理；所 述數據處理模塊是具有數字信號處理能力的芯片（如CPU，GPGPU、DSP、FPGA等），主要用于 對原始信號進行處理并轉化為最終的圖像信號；所述圖像顯示模塊主要用于顯示圖像信號 并負責圖像的后處理以及測量工作；所述執行機構由光纖旋轉連接器、電機以及電動平移 臺組成，執行機構中的旋轉電機驅動OCT微探頭進行旋轉掃描，同時電動平移臺驅動執行 機構往某一方向移動，這時軟件將獲取到的旋轉掃描數據及平移臺移動數據進行重建，即 產生3D圖像；所述OCT微探頭主要用于進入人體內部臟器以傳輸掃頻激光并采集從生物組 織中背向散射的光學信號；所述球囊導管用于擴張人體內部臟器管道，消除皺褶并將OCT 微探頭穩定于球囊中心；所述自動充放氣設備主要用于擴張球囊導管。通過在OCT內窺掃 描成像系統中使用自動充放氣設備，其可實現的效果在于：首先，免去了醫生對球囊手動充 放氣的操作，縮短了醫生充放氣的時間，并提高了安全性，避免了球囊過充爆炸的風險；其 次，精確的氣壓控制使球囊充氣后的形狀一致性得到保證，由于光學成像對于球囊撐起的 被掃描物體的形狀敏感，這就對同一個被掃描對象進行多次掃描的重復性較好，醫生可對 于掃描后的圖像數據進行比對；再次，在緊急情況處理時，可實現自動放氣的同時醫生做其 他的操作。
[0009] 優選地，所述OCT微探頭包括單模光纖，套在彈簧管中；透鏡組件，使通過光纖傳 播的光聚集在預定的工作距離處，所述透鏡組件包括玻璃棒和自聚焦透鏡，通過改變玻璃 棒與單模光纖的膠合距離可以改變OCT微探頭的工作距離；通過自聚焦透鏡與玻璃棒的膠 合，增大自聚焦透鏡的通光孔徑，進而提高OCT探頭的數值孔徑和橫向分辨率。所述OCT微 探頭還可包括反射鏡、支撐不銹鋼管和開槽不銹鋼管，這些光學元件端面用光學膠水膠合。
[0010] 其中，所述單模光纖一端帶有光纖標準接頭，此接頭可與OCT系統的光纖旋轉端 相連接，所述單模光纖套在彈簧管中（覆有PTFE膜），彈簧管可以有效保護單模光纖，降低 了探頭旋轉時的阻力，使所述OCT微探頭整體掃描更平穩順暢，所述光纖標準接頭帶有支 撐不銹鋼管，此不銹鋼管在OCT微探頭進行掃描時起支撐作用，使整個探頭旋轉掃描時更 加平穩。所述單模光纖的另一端為斜面，與同樣也為斜面的玻璃棒一端端面膠合，膠合面的 傾斜有效降低了反射光對信號光的干擾，可以通過改變玻璃棒與單模光纖的膠合距離來改 變OCT微探頭的工作距離以達到所要求的預期工作距離。所述玻璃棒的另一端與所述自 聚焦透鏡以0°角端面膠合后封裝于開槽不銹鋼管內，玻璃棒的使用不僅增加了微探頭的 工作距離，并且增大了微探頭的數值孔徑，而數值孔徑的增加也導致橫向分辨率的提高，同 時這一設計也極大的減短了自聚焦透鏡的長度，保證了微探頭的過彎性，使得整個微探頭 可以通過內鏡鉗道與導管一起直接進入人體食道。所述自聚焦透鏡與所述玻璃棒膠合，其 中自聚焦透鏡與空氣接觸的面鍍有增透膜，可降低光線在光學面之間的反射及增加透光性 能，從而降低了由于光學面的反射光對信號光的影響，提高了OCT微探頭的靈敏度。所述單 模光纖與玻璃棒的膠合斜面的角度為4° -12°。所述反射鏡的反射面朝向不銹鋼管開槽 口封裝于不銹鋼管內，為了降低光源通過圓柱形內管的散光對成像的影響，此處的反射鏡 可以根據圓柱形內管的內外徑以及內管材料的折射率而設計柱面反射鏡，抵消內管的散光 影響，校正光斑的形狀，達到提高成像質量的目的。
[0011] 優選地，所述球囊導管包括：手柄，所述手柄的一個接口為主機接口，另一接口為 通氣接口；雙腔管，所述雙腔管可以允許OCT光學探頭通過；球囊，所述球囊的前端封堵且 球囊上有刻度；內管，所述內管與所述球囊的同心度在3個大氣壓下偏離不超過200微米； 軟頭，所述軟頭為實心結構，其中，所述雙腔管一端與所述手柄連接，另一端與所述內管及 所述球囊連接，所述球囊與所述內管另一端與所述軟頭連接。
[0012] 傳統的球囊導管需要導絲支撐及導弓丨，導絲直徑一般為0.018in、0.035in、 0. 014in、0. 038in，本發明的球囊導管可以通過0. 055in的OCT光學微探頭。所述球囊上有 油墨印刷刻度，線條寬度< 0. 1_，能夠辨別探頭掃描的方向，既不會影響正常圖像的掃描 判斷同時也能在顯示屏上分辨出掃描位置，所述球囊前端封堵，防止體液進入對光學掃描 造成影響，同時又采用軟性材料，不會劃傷病人食道。球囊的使用壓力為3個大氣壓，在較 低壓力下不會對正常食管造成破壞，同時球囊的熱定型工藝和焊接工藝可保證在3個大氣 壓下內管與球囊的同心度偏離不超過200微米，便于光學成像。所述軟頭為實心結構，能夠 防止體液進入。所述雙