專利名稱：用于內窺光學相干層析成像的二維掃描光纖探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學相干層析成像(OCT)技術，尤其涉及一種用于內窺光學相干層析 成像的二維掃描光纖探頭。
背景技術：
光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)是一種新興的生 物醫學光學成像技術，能實現對生物組織的結構與生理功能進行非接觸、無損傷、高分辨率 成像，在疾病的早期檢測和在體活檢領域有著廣闊的應用前景。 光學相干層析成像技術發展至今，已經形成時域OCT系統、譜域OCT系統和掃頻 OCT系統三種型式。早期的時域OCT系統通過軸向機械掃描實現對生物樣品的層析成像， 譜域OCT系統和掃頻OCT系統無需軸向掃描即可成像，實現了高速高靈敏度的光學相干層 析成像。然而，對于上述三種型式的OCT系統，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部組織器官進行層析成像，相比于其他成像技術(如 超聲成像、CT成像)，有限的成像深度制約了 OCT技術對人體內部組織器官病變的成像和 診斷。為了消除這一制約因素，只有研發基于OCT系統的內窺技術，才能使OCT技術應用于 人體內部組織器官的高分辨率成像。國外很多科研機構都開展了這方面的研究，如美國哈 佛大學醫學院的G. J. Tearney小組采用旋轉光學組件構建了能進行360度圓周掃描的探頭 系統；Y. T. Pan和J. M. Zara提出基于旋轉光耦合器和微機電系統(MEMS)的OCT微型探頭； 加州大學Irving分校的Zhongping Chen小組提出基于電致聚合物和光纖束的內窺OCT探 頭；加州理工學院的ChanghueiYang提出基于旋轉GRIN透鏡組的內窺OCT探頭；美國哈佛 大學的S. A. Bo卯art首次提出基于壓電彎曲驅動器的掃描探頭；華盛頓大學的Xingde Li 小組提出基于壓電陶瓷管的掃描探頭。上述這些方法，都存在其固有的優缺點，如基于旋轉 光學組件和光學耦合器的掃描探頭，其光能耦合效率比較低，需要進行精確的光學對準，且 探頭尺寸比較大；基于MEMS技術的微型探頭需要復雜的制造過程，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行驅動，需要較高的能耗，且應 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 調節難度的條件下，研制出結構簡單緊湊、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探頭設計的一大目標。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于內窺光學相干層析成像的 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構，具有兩個獨立且互不 影響的正交諧振模，利用包含兩個信號分量的單一驅動信號同時激發兩個正交諧振模，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，實現樣品的照明和后向散射光的收集，利用集成于探頭內部的 位置敏感探測器(PSD)，實時記錄光纖探頭出射光在成像橫斷面內的二維掃描軌跡。
本發明通過如下技術方案實現一種用于內窺光學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構、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，非對稱光纖懸臂結構一端固定在封 裝外殼的另一端，非對稱光纖懸臂結構沿軸向對準二向色膜層，位置敏感探測器靠近二向 色膜層固定在封裝外殼的內壁。 進一步地，所述非對稱光纖懸臂結構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構。 進一步地，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梯度折射率光纖準 直，輸出到梯度折射率透鏡，經梯度折射率透鏡聚焦，照射在被測樣品上。
與背景技術相比，本發明具有如下技術效果 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構，使成像光纖 具有兩個獨立的、互不影響的正交諧振模。相比傳統的單光纖掃描結構，光纖諧振從一維諧 振擴展至二維諧振，擴展了成像維度。同時采用的非對稱光纖懸臂結構，具有體積小、結構 緊湊、制造工藝簡單的優點。 2、通過使壓電陶瓷雙晶片的驅動信號包含對應于非對稱光纖懸臂結構的兩個正 交諧振模的兩個分量信號，此單一驅動信號可同時激發非對稱光纖懸臂結構在兩個正交方 向上諧振，實現成像光纖的二維掃描；相比于傳統的基于壓電陶瓷管的驅動信號，驅動電壓 從幾十伏特降低至幾伏特，減少了能耗，提高了安全性，驅動信號從兩路減少為一路，從而 簡化了驅動電路的復雜度。 3、通過引入透鏡光纖對成像光纖中的激光進行準直，經過梯度折射率透鏡對準直 后的激光進行聚焦，由于二維掃描是對平行光束進行掃描，相比于傳統的單光纖點光源成 像掃描方式，避免了對軸外點成像時出現的漸暈現象，可以提高軸外點成像的光能利用率， 進而提高系統總體的信噪比。 4、通過位置敏感探測器實時記錄二維掃描軌跡的位置信號，從而實現對樣品掃描 位置信息的準確重構。同時，在傳統掃描光纖成像中，由于光纖成像易受環境干擾的影響而 導致產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 帶來的錯誤影響，保證了成像精度，提高了光纖型成像探頭系統的抗干擾能力。
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是非對稱光纖懸臂結構示意圖； 圖3是透鏡光纖的結構及梯度折射率透鏡組合光路的示意圖； 圖中1、非對稱光纖懸臂結構，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
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，本發明的目的和效果將變得更 加明顯。 如圖l所示，本發明用于內窺光學相干層析成像的二維掃描光纖探頭包括非對 稱光纖懸臂結構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，非對稱光纖懸臂結構1在振動中發出的激光，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，非對稱光纖懸臂結構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 電陶瓷雙晶片驅動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位置，用于OCT系統中的典 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相干層析光能的同時， 實現位置信號的獲取。 本發明二維掃描光纖探頭，通常位于OCT系統中的樣品臂末端。在OCT系統的光 源部分，將用于層析成像的超輻射二極管發出的低相干光和用于位置敏感探測器位置標定 的He-Ne激光器發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，經梯度折射率透鏡2聚焦在被 測樣品上進行層析成像。位置敏感探測器4實時記錄照射在其光敏面上的可見光掃描軌跡 的位置信號，經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的關系，因此通過這些位置信號就 可以對樣品的掃描位置信息進行準確重建。 典型的PSD參數可參考濱松公司生產的二維PSD(S2044)，其工作原理為，當光斑 照射在PSD光敏面上時，根據光斑距離PSD的四個電極的距離分別產生四個光電流，通過電 流電壓轉換、電壓放大、模數轉換過程，可以得到光斑照射在PSD光敏面上的位置信息。當 掃描探頭受到外部作用力等擾動時，光纖懸臂結構的運動軌跡會出現微細的異常變化，但 是由于位置敏感探測器4內置于掃描探頭內部并且實時記錄掃描軌跡位置信號，因此利用 位置信號準確重構樣品掃描位置信息，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構示意圖，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構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的前端面形成一個剛性框架。非對稱光纖懸臂結構1具有兩個獨立 的、互不干擾的正交諧振模，其中一個諧振方向在非對稱光纖懸臂面內，另一個諧振方向垂 直于非對稱光纖懸臂平面，壓電陶瓷雙晶片8的單一驅動信號由函數發生器提供，函數發 生器產生兩路分別對應于兩個正交諧振模的分信號，通過混頻合成為一路單一驅動信號。 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，且連接單一驅動信 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 一驅動信號的負極。利用包含兩個諧振信號的單一驅動信號，能同時激發非對稱光纖懸臂 的兩個正交諧振模，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構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 出的激光經梯度折射率光纖13準直，輸出到梯度折射率透鏡2，經梯度折射率透鏡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使用光纖熔接機熔接在一起， 再使用光纖切割機將梯度折射率光纖13切割至四分之一節距長度，形成具有光束準直功 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，實現對被測樣品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直 光束進行掃描，相比于傳統單模光纖的點光源掃描成像，避免了對軸外點成像時引起的漸 暈現象，使得對軸上點與軸外點成像都達到較高的光能利用率。 本發明公開的一種用于內窺光學相干層析成像的二維掃描光纖探頭，提出的非對 稱光纖懸臂結構具有兩個獨立的、互不影響的正交諧振模，使用包含兩個諧振信號分量的 單一驅動信號，同時激發非對稱光纖懸臂的兩個正交諧振模，形成二維的李薩如掃描圖案。 同時利用單模光纖、梯度折射率光纖形成的透鏡光纖和梯度折射率透鏡組合，實現樣品的 照明和后向散射光的收集，能夠避免軸外點掃描的漸暈現象，實現較高的光能利用效率，并 且利用集成于探頭內部的位置敏感探測器(PSD)，實時反饋二維掃描軌跡信號用于位置信 息的準確重構，并且能夠避免外部干擾引起的掃描軌跡的異常變化，在OCT系統的內窺應 用中有重要意義。
權利要求
一種用于內窺光學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構(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)，非對稱光纖懸臂結構(1)一端固定在封裝外殼(5)的另一端，非對稱光纖懸臂結構(1)沿軸向對準二向色膜層(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)的內壁。
2. 根據權利要求1所述的用于內窺光學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構(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 懸臂結構(1)。
3. 根據權利要求2所述的用于內窺光學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)輸出的激光經梯度折射率光纖(13)準直，輸出到梯度折射率透鏡 (2)，經梯度折射率透鏡(2)聚焦，照射在被測樣品(14)上。
全文摘要
本發明公開了一種用于內窺光學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構，能夠形成兩個獨立的、互不影響的正交諧振模；利用包含兩個諧振信號分量的單一驅動信號，能同時激發非對稱光纖懸臂的兩個正交諧振模，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構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，實現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部的位置敏感探測器，能夠實時記錄光纖探頭出射光在成像橫斷面內的二維軌跡，實現對掃描位置信息的準確重構。
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 優先權日2009年11月19日
發明者丁志華, 吳彤, 孟婕, 徐磊, 王凱, 王川, 王玲, 陳明惠 申請人:浙江大學