一种双透镜大焦深散光矫正OCT探头

技术领域

本发明涉及生物医学成像领域的一种OCT探头，尤其涉及了一种双透镜大焦深散光矫正OCT探头。

背景技术

冠心病患者的死亡风险极高，经皮冠状动脉介入治疗技术(PercutaneousCoronary Intervention，PCI)在冠心病治疗中发挥着不可或缺的作用。光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography,OCT)通过与内镜技术结合，可实现精确检测血管内组织结构、识别血管病变特征和指导支架植入等功能。

OCT以其优异的分辨率(＜10um)，成为冠状动脉介入领域中不可替代的成像技术。然而，成像探头的横向分辨率与焦深相互制约，阻碍了OCT成像性能的提高。在中等工作距离下，实现高分辨率更为困难。因此，需要重新设计探头，以实现中等工作距离、高分辨率和长焦深范围的成像。研究人员提出了多种方法扩展焦深，比如锥透镜探头、相位掩膜探头、可调焦距探头、菲涅尔透镜探头、光纤型光瞳滤波器探头和共轴聚焦多模光束方案。其中，锥透镜虽然实现了贝塞尔光束聚焦，焦深扩展效果良好，但是这种探头的实际应用受限于其短工作距离、相对复杂的工艺以及突出的旁瓣效应。相位掩膜探头通过在传统光纤探头的聚焦光纤端面增加一段短的梯度折射率光纤，以实现焦深扩展，但是需要精确控制这段光纤的长度，较小的公差会造成较大的性能差异。通过微型电机或液体透镜可以实现焦距可调，但是数据量成倍增加和需要图像配准不利于实时显示高分辨图像。通过微型菲涅尔透镜将光束聚焦，可以实现光束焦深扩展，然而探头内部需要额外的准直透镜，使用粘接工艺还增加了成像中的干涉环。光纤型光瞳滤波器探头，虽然通过多模光纤实现了模式干涉场的调控和焦深的扩展，然而探头的工作距离仅有几百微米，难以适配于大多数医学成像场景。共轴聚焦多模光束方案成功实现了5倍焦深扩展，然而探头内部采用粘接工艺引入干涉环、光束强度的纵向均匀度差和探头外径较大限制了其在细小腔道中的应用。近年来，Balakrishnan等人和Karnowski等人分别介绍了基于双透镜结构的OCT探头，通过熔接梯度折射率光纤和球透镜，成功提高了探头的工作距离和横向分辨率。然而，在小距离和中等距离的成像中依然存在焦深不足的缺陷。

此外，光束在成像导管中依次经过各光纤单元传输，经过聚焦单元聚焦，通过反射面转折至侧面。值得注意的是，光束在导管侧向传输的过程中，由于经过成像窗口的圆柱面以及成像探头的内外壁面，引入了光斑发散的问题，从而影响OCT成像的质量。因此，需要重新设计导管，实现有效的散光矫正。研究人员提出了多种散光矫正的方案，比如采用柱面型反射元件、光纤端面反射面打磨成曲面、球透镜的反射面处设置圆柱面凹槽、透镜出光面做研磨处理、增加柱面透镜、飞秒激光3D打印光学透镜补偿散光、超表面透镜补偿散光。其中柱面型反射元件有效矫正了散光的问题，然而该反射元件作为单独的器件使用，降低了导管的集成度。光纤端面反射面打磨成柱面和球透镜的反射面处设置圆柱面凹槽的方法均是以柱面反射元件为原型做出的改进，然而光纤反射面制作成曲面的工艺复杂，耗时长。在导管原有聚焦透镜后再增加透镜，如增加柱面透镜、飞秒激光3D打印光学透镜和超表面透镜，显著增加了导管的成本，并且粘接的工艺在成像中引入了的干涉环。

目前通过设计新型探头完成对血管内及多场景的高分辨、长焦距深度以及消散光成像有迫切的需要，然而现有技术限制了OCT探头在心血管领域的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种双透镜大焦深散光矫正OCT探头，可优化探头的工作距离、横向分辨率和焦深。

本发明所采用的技术方案如下：

OCT探头包括透明套管、扭力线圈、成像窗口、球透镜和光纤单元；透明套管伸入待测样品内部，扭力线圈和成像窗口均位于透明套管的内部，所述的成像窗口为前端封闭后端开口的透明柱体结构，扭力线圈同轴连接在成像窗口的开口端，球透镜设置在成像窗口内部，光纤单元的后部设置在扭力线圈内，光纤单元的前部穿过扭力线圈后伸入到成像窗口中，且光纤单元的前端和球透镜连接，所述光束从探头的后端入射，通过球透镜经成像窗口出射。

所述的光纤单元主要由无芯光纤、梯度折射率光纤、多模光纤和单模光纤从前到后依次熔接组成；无芯光纤的前端熔接有球透镜，球透镜设有反射表面；光束经单模光纤后依次传导进入多模光纤、梯度折射率光纤、无芯光纤和球透镜中；

所述的单模光纤、多模光纤、梯度折射率光纤和无芯光纤的外表面均设有涂覆层。

所述探头为近端驱动和远端驱动中的任意一种。

所述反射表面的表面设有镀金属反射膜、介质反射膜和空气层中的任意一种。

所述光纤单元的轴线和反射表面之间的夹角为0°～60°。

所述多模光纤的长度是零和不为零的任意一种。

所述多模光纤纤芯的直径为10um～125um；梯度折射率光纤纤芯的直径为10um～125um，梯度折射率光纤的长度为自身在0～1节距时的物理长度；无芯光纤纤芯的直径为0，长度为0mm～2mm。

所述成像窗口的外侧壁上开设有条形槽，条形槽沿着光纤单元轴向设置，条形槽中槽面的曲率半径为≥20um。

所述成像窗口的外侧壁上设置有条形凸起，条形凸起沿着光纤单元轴向设置，条形凸起中外侧面的曲率半径为≥20um。

所述成像窗口主要由一种或多种折射率匹配胶水固化形成。

本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势：

1、本发明基于全光纤的结构，熔接的方式避免了反射面引起的干涉环，紧凑的结构将适用于封装微型成像探头。

2、本发明基于双透镜的结构，在相同成像距离的情况下可以提高探头的横向分辨率(相比于传统探头)。

3、本发明采用多模光纤中内部模式干涉形成焦深扩展探头，可扩展成像的焦深，以实现血管内各层结构的清晰成像，有利于血管结构的分层、斑块成分的识别以及支架的植入与监测。

4、本发明通过双透镜的设计，便于调整探头的数值孔径，因此工作距离覆盖范围更广。

5、本发明通过设计柱面成像窗口，优化了导管的像散问题。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图2为传统球透镜探头输出的光束二维强度分布图；

图3为本发明实施例输出的光束二维强度分布图；

图4为本发明实施例和传统球透镜探头在焦深范围内的输出光束横向分辨率随传输距离变化的关系对比图；

图5为本发明实施例的探头的成像窗口的放大示意图。

其中：101-待测样品；102-透明套管；103-扭力线圈；104-成像窗口；105-单模光纤；106-多模光纤；107-梯度折射率光纤；108-无芯光纤；109-反射表面；110-球透镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

如图1所示，探头包括透明套管102、扭力线圈103、定制化的成像窗口104、球透镜110和光纤单元；透明套管102伸入待测样品101内部，扭力线圈103和成像窗口104均位于透明套管102的内部，成像窗口104为前端封闭后端开口的透明柱体结构，扭力线圈(103)同轴固定连接在成像窗口(104)的开口端，球透镜110设置在成像窗口104内部，光纤单元的后部设置在扭力线圈103内，光纤单元的前部穿过扭力线圈103后伸入到成像窗口104中，且光纤单元的前端和球透镜110连接，光束从探头的后端入射，通过球透镜110经成像窗口104出射。定制化的成像窗口104可以采用柱面透镜结构，成像窗口104的前端设有半球体。

光纤单元主要由无芯光纤108、梯度折射率光纤107、多模光纤106和单模光纤105从前到后依次熔接组成；无芯光纤108的前端熔接有球透镜110，球透镜110设有反射表面109。

光束经过探头的后端射入，通过单模光纤105将光依次传导进入阶跃型的多模光纤106、梯度折射率光纤107、无芯光纤108和球透镜110中。单模光纤105中传导的光束在多模光纤106中形成模式干涉场，模式干涉场用于调控聚焦光束的焦深。基于梯度折射率光纤107和球透镜110的双透镜结构，可将光束聚焦于待测样品101表面。单模光纤105、多模光纤106、梯度折射率光纤107和无芯光纤108的外表面均设有涂覆层以保护光纤。

熔接的探头上设有成像窗口104，成像窗口104与扭力线圈103连接，成像窗口104外侧设有透明套管102。

反射表面109的表面设有镀金属反射膜、介质反射膜和空气层中的任意一种。

为了将出光的方向转折，光纤单元的轴线和反射表面109之间的夹角为0°～60°。当光纤单元的轴线与反射表面109的夹角为0°时，透明套管104的内侧还可以设有微型电机和反射棱镜，微型电机和反射棱镜连接，反射棱镜将平行于光纤的轴线的光束出射扫描成像或将光束转折至探头侧面扫描成像。

多模光纤106的长度是零和不为零的任意一种。

当多模光纤的长度不为零时，多模光纤106纤芯的直径为10um～125um，梯度折射率光纤107纤芯的直径为10um～125um。梯度折射率光纤107的长度为自身在0～1节距时的物理长度；无芯光纤108纤芯的直径为0，长度为0mm～2mm。

当多模光纤的长度不为零时，多模光纤的长度不大于光纤长度阈值，光纤长度阈值为当多模光纤内最大模式间色散等于OCT探头系统轴向分辨率时的多模光纤自身的长度。

多模光纤106采用阶跃型多模光纤，不同纤芯直径的多模光纤106可容纳的模式数量不同，因此多模光纤106的纤芯的直径为10um～125um。由模式间色散引起的图像重叠不应超过系统的纵向分辨率，因此阶跃型多模光纤106的长度阈值为当光纤内最大模式间色散等于OCT探头系统轴向分辨率时的多模光纤106的自身长度。

梯度折射率光纤107、无芯光纤108的长度和球透镜110的外径为满足各成像应用需求时的长度和外径，根据使用场景自行优化参数。

梯度折射率光纤107纤芯直径不同，通常表征于数值孔径和节距的差异，梯度折射率光纤107纤芯的直径为10um～125um，可根据实际需求选用不同规格的光纤。

如图5所示，成像窗口104具有两种结构形式：

一、成像窗口104的外侧壁上开设有横截面呈近似椭圆形的条形槽，条形槽沿着光纤单元轴向设置，条形槽中槽面的曲率半径为≥20um。具体实施中，条形槽中正对槽口的槽面为弧面，弧面的曲率半径大于20um。在成像窗口104中开设条形槽后，使得成像窗口104在条形槽位置处形成负圆柱面透镜结构。

二、成像窗口104的外侧壁上设置有横截面呈近似椭圆形的条形凸起，条形凸起沿着光纤单元轴向设置，条形凸起中外侧面的曲率半径为≥20um。

三、成像窗口104的外侧壁上设置有横截面呈近似椭圆形的条形凸起，条形凸起沿着光纤单元轴向设置，且条形凸起与圆柱面平滑过渡，条形凸起的外侧面的曲率半径为≥20um。

具体实施中，条形凸起中远离成像窗口104一侧的面为弧面，弧面的曲率半径大于20um。在成像窗口104的外侧壁上设有条形凸起后，条形凸起处形成了正圆柱面透镜结构。

光束通过光纤单元入射到球透镜110中，经球透镜110的光束再入射到成像窗口104中设有条形槽/条形凸起的位置处，条形槽/条形凸起用于将光束进行聚焦成像。通过球透镜110和成像窗口104的共同设置，形成了双层透镜结构，可使得光斑经过透明套管后不发生散光，最终提高成像质量。

成像窗口104由一种或多种折射率匹配胶水固化形成。具体实施中，折射率匹配胶水为Norland的NOA61胶、乐泰的3922UV胶、道康宁的3-6371胶等的一种或多种。

利用探头进行三维成像，探头为近端驱动和远端驱动的任意一种，近端驱动为利用电机驱动扭力线圈103，远端驱动为利用电机驱动整个探头，远端驱动包括微电机驱动和微机电扫描振镜驱动。

本发明实施例如图1所示，利用近端电机驱动扭力线圈，完成探头的螺旋形扫描。

图2和图3分别展示了传统球透镜探头和本发明提出的探头输出的光束二维强度分布图。其中，实施例中采用的光纤包层外径均为125um，其中单模光纤105的纤芯直径为8.2um，无芯光纤108的纤芯直径为0，球透镜303的外径为300um，阶跃型多模光纤106的纤芯直径为50um，梯度折射率光纤107的纤芯直径为50um。

图4比较了传统探头与本发明探头在焦深范围内的输出光束横向分辨率随传输距离变化的关系。图中显示，在相同工作距离下，双透镜的焦深扩展OCT探头在横向分辨率和焦深上分别提高了1.37倍和1.25倍。

图5为本发明实施例的探头的成像窗口104的放大示意图。在光斑出射方向，平行于光纤轴方向有一条形槽/条形凸起，通过球透镜110和成像窗口104的共同设置，形成了双层透镜结构，可以补偿由透明套管102凹凸面引起的散光。

上述结果充分说明：本发明基于全光纤的结构，熔接的方式避免了反射面引起的干涉环，制作工艺简单，有利于探头的微型化；本发明基于双透镜的结构，在相同成像距离的情况下可以提高探头的横向分辨率；本发明采用多模光纤中内部模式干涉形成焦深扩展探头，进一步优化了焦深；本发明通过双透镜的设计，便于调整探头的数值孔径，工作距离覆盖范围更广；本发明通过设计柱面成像窗口，优化了导管的像散问题。