光學探頭和光學測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光學測量方法以及適用于該方法的光學探頭，其中，即使光學探頭彎曲，仍然能夠抑制檢測靈敏度的波動。光學探頭（10）設置有：光纖（11），其在近端（11a）與遠端（11b）之間傳送光；光學連接器（12），其與光纖（11）的近端（11a）側耦合；聚焦光學系統(tǒng)（13）和偏轉光學系統(tǒng)（14），其與光纖（11）的遠端（11b）側光學地耦合；以及支撐管（15）和護套管（16），其圍繞光纖（11）并沿著光纖（11）延伸。光纖（11）以光纖的軸線為中心在1-50圈/m的圈數(shù)范圍內扭轉，由此固定到支撐管（15）上。
【專利說明】光學探頭和光學測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及使用光學相干斷層掃描(OCT)的方法來測量諸如血管等具有管腔形狀的對象的管腔的斷層構造的光學探頭。
【背景技術】
[0002]美國專利N0.6，445，939描述了 OCT作為用于測量具有管腔形狀的對象的管腔的斷層構造的方法并且描述了插入所述對象的管腔中并用于OCT測量的光學探頭。關于OCT測量，與單模光纖的末端(遠端)相連的漸變折射率光纖起到透鏡的作用，并且構造成具有大于Imm的作業(yè)距離和小于100 μ m的光斑尺寸。因此，能夠以小于100 μ m的空間分辨率來光學地測量內徑大于Imm的對象。
[0003]在OCT測量中，從光源輸出的光被分成兩路:照明光和基準光。光學探頭用照明光來照射對象，將對象處因為照射而產生的向后反射光引導到光學檢測器，并且將基準光引導到光學檢測器。然后，光學檢測器檢測向后反射光與基準光的干涉光。分析部分析向后反射光的光譜并且獲取對象內物質的分布信息作為圖像信息。

【發(fā)明內容】

[0004]〈技術問題〉
[0005]本發(fā)明旨在提供一種光學測量方法和適用于該光學測量方法的光學探頭，該光學測量方法即使在光學探頭發(fā)生彎曲的情況下仍然能夠抑制檢測靈敏度的變化。
[0006]<技術方案>
[0007]—種根據(jù)本發(fā)明的光學探頭包括:(1)光纖,其在近端與遠端之間傳送光；(2)光學連接器，其與所述光纖的近端側相連；(3)聚焦光學系統(tǒng)，其一端與所述光纖的遠端相連，所述聚焦光學系統(tǒng)使從所述光纖的遠端發(fā)出的光聚焦；(4)偏轉光學系統(tǒng)，其與所述光纖的遠端側光學地相連，所述偏轉光學系統(tǒng)使從所述光纖的遠端發(fā)出的光偏轉；(5)支撐管，其圍繞所述光纖，沿著所述光纖延伸，在所述近端側相對于所述光學連接器固定，并在所述遠端側相對于所述光纖、所述聚焦光學系統(tǒng)和所述偏轉光學系統(tǒng)中的任意一者固定；以及(6)護套管，其圍繞所述支撐管，沿著所述支撐管延伸，并能相對于所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管旋轉。此外，所述光纖以所述光纖的軸線為中心在I圈/m至50圈/m的圈數(shù)(節(jié)距)范圍內扭轉，并固定于所述支撐管。所述偏轉光學系統(tǒng)的一端可以與所述聚焦光學系統(tǒng)的另一端相連。可選地，一端被傾斜地切除的漸變折射率(GI)透鏡可以形成所述聚焦光學系統(tǒng)和所述偏轉光學系統(tǒng)兩者。
[0008]在本發(fā)明的光學探頭中，所述支撐管可以具有多根線狀體相絞合并扭轉的構造，并且在沒有從所述光學連接器導入旋轉的自由狀態(tài)下，所述光纖的扭轉方向與所述支撐管的扭轉方向可以彼此相反。
[0009]一種采用上述光學探頭、光源、偏振調節(jié)部、光分支部、光學檢測器和分析部實施的根據(jù)本發(fā)明的光學測量方法，所述光源發(fā)射近紅外光，所述偏振調節(jié)部將所述光源所發(fā)射的近紅外光轉換成圓偏振狀態(tài)的近紅外光并輸出近紅外光，所述光分支部將所述偏振調節(jié)部所輸出的所述近紅外光分成照明光和基準光這兩路光并輸出所述照明光和所述基準光，所述光學檢測器檢測所述近紅外光，所述分析部分析所述近紅外光的衰減光譜并獲取分析結果作為圖像信息；所述方法包括:利用照明光來照射對象，所述照明光從所述光分支部輸出，進入所述光纖的近端并從所述光纖的遠端射出；通過使照射所述對象而產生的向后反射光進入所述光纖的遠端并從所述光纖的近端射出來把所述向后反射光引導到所述光學檢測器，同時把從所述光分支部輸出的所述基準光引導到所述光學檢測器；利用所述光學檢測器來檢測所述向后反射光和所述基準光的干涉光；以及利用所述分析部來分析所述向后反射光的光譜，并獲取所述對象中的物質的分布信息作為所述圖像信息。
[0010]在本發(fā)明的光學測量方法中，所述支撐管可以具有多根線狀體相絞合并扭轉而成的構造，在沒有從所述光學連接器導入旋轉的自由狀態(tài)下，所述光纖的扭轉方向與所述支撐管的扭轉方向可以彼此相反，并且在所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管沿與所述支撐管的扭轉方向相反的方向一起旋轉的同時，可以利用所述照明光來掃描所述對象的內部。另外，可以通過使所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管一起旋轉，使所述光纖在5圈/m至50圈/m的圈數(shù)范圍內扭轉。
[0011]〈本發(fā)明的有益效果〉
[0012]利用本發(fā)明，即使在光學探頭發(fā)生彎曲的情況下仍然能夠抑制檢測靈敏度的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的包括光學探頭的OCT裝置的概念圖。
[0014]圖2是示出根據(jù)實施例的光學探頭的內部構造的概念圖。
[0015]圖3是根據(jù)實施例的光學探頭中的支撐管的概念圖。
[0016]圖4是示出基準扭轉率和彎曲半徑之間的關系的曲線圖。
【具體實施方式】
[0017]下面參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。附圖是出于解釋的目的，而不意圖限制本發(fā)明的范圍。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，以避免重復的描述。各幅附圖中的尺寸的比例不一定精確。
[0018]使用現(xiàn)有光學探頭的OCT裝置存在如下問題:如果光學探頭發(fā)生彎曲，則經由光學探頭傳播的照明光的偏振狀態(tài)以及向后反射光的偏振狀態(tài)改變，由此導致檢測靈敏度變化?？梢岳萌缦路椒▉斫鉀Q上述問題:例如，對向后反射光的各種偏振狀態(tài)進行檢測。然而，該方法需要附加的檢測器，并且增加了裝置成本。
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的包括光學探頭10的OCT裝置I的概念圖。OCT裝置I包括光學探頭10和測量單元30，并獲取對象3的光學相干斷層掃描圖像。
[0020]光學探頭10包括:光纖11，其在近端Ila與遠端Ilb之間傳送光；光學連接器12，其與光纖11的近端Ila側相連；聚焦光學系統(tǒng)13和偏轉光學系統(tǒng)14,其與光纖11的遠端Ilb側相連；以及支撐管15和護套管16，其圍繞光纖11并且沿著光纖11延伸。光學連接器12與測量單元30光學地相連。
[0021]測量單元30包括:光源31，其發(fā)射近紅外光；偏振調節(jié)部38，其將光源31所發(fā)射的近紅外光轉換成偏振狀態(tài)的近紅外光并輸出該近紅外光；光分支部32，其將從偏振調節(jié)部38輸出的近紅外光分成照明光和基準光這兩路光，并輸出照明光和基準光；光學檢測器33，其檢測來自光分支部32的光；光學終端34，其輸出從光分支部32到達的基準光；反射鏡35，其將從光學終端34輸出的基準光反射到光學終端34 ;分析部36，其分析光學檢測器33所檢測到的光的光譜；以及輸出口 37，其輸出分析部36所做分析的分析結果。
[0022]在測量單元30中，光源31輸出線偏振狀態(tài)的近紅外光，偏振調節(jié)部38將上述近紅外光轉換成圓偏振狀態(tài)的近紅外光。從偏振調節(jié)部38輸出的圓偏振狀態(tài)的近紅外光被光分支部32分成照明光和基準光這兩路光，并輸出為照明光和基準光。從光分支部32輸出的照明光經由光學連接器12入射到光纖11的近端Ila上，由光纖11引導，從遠端Ilb射出，并且經由聚焦光學系統(tǒng)13和偏轉光學系統(tǒng)14照射到對象3上。照明光照射到對象3上，由此產生的向后反射光經由偏轉光學系統(tǒng)14和聚焦光學系統(tǒng)13入射到光纖11的遠端Ilb上。然后，上述光由光纖11引導，從近端Ila射出，并經由光學連接器12及光分支部32與光學檢測器33耦合。
[0023]從光分支部32輸出的基準光從光學終端34射出，被反射鏡35反射，穿過光學終端34及光分支部32,并與光學檢測器33稱合。在光學檢測器33中，來自對象3的向后反射光與基準光發(fā)生干涉。光學檢測器33檢測干涉光。將干涉光的光譜輸出到分析部36。分析部36分析干涉光的光譜，由此計算出對象I中相應點處的向后反射率的分布?；谟嬎憬Y果來計算對象3的斷層掃描圖像。
[0024]光學探頭10的光纖11、聚焦光學系統(tǒng)13、偏轉光學系統(tǒng)14和支撐管15可以在護套管15中一起旋轉。利用這種旋轉，可以利用照明光來掃描對象3。在利用照明光來掃描對象3的各點的同時，計算各部分的反射率分布，由此計算出對象3的斷層掃描圖像并且從信號輸出口 37輸出斷層掃描圖像作為圖像信號。
[0025]在上述機構中，從光纖11的遠端Ilb發(fā)射的照明光到達對象3并重新返回到光纖11的遠端11b，嚴格地說，這種機構可能包含反射、折射和散射。然而，對本發(fā)明而言，不必區(qū)分反射、折射和散射之間的差異；因此，在本說明書中，為了便于描述，將反射、折射和散射統(tǒng)稱為向后反射。
[0026]圖2是示出根據(jù)實施例的光學探頭10的內部構造的概念圖。光纖11是典型的單模光纖。該光纖具有如下構造:用樹脂涂層Ild覆蓋玻璃纖維11c。玻璃纖維Ilc包括:芯部，其具有高折射率；以及包層，其具有低折射率。光纖11在近端Ila側相對于光學連接器12固定，并且在遠端Ilb側利用粘合劑17粘接并固定到支撐管15。光纖11扭轉并具有圓雙折射率(circular birefringence),所述圓雙折射率是由于光纖11扭轉而產生的。從固定至光學連接器12的部分和固定至支撐管15的部分上移除樹脂涂層lid。光學連接器12和支撐管15相對于玻璃纖維Ilc固定。因此，當光學連接器12旋轉時，可以將扭矩高效地傳遞到玻璃纖維He。
[0027]在光纖11的遠端Ilb處，用作聚焦光學系統(tǒng)13的漸變折射率(GRIN)透鏡和用作偏轉光學系統(tǒng)14的反射鏡借助熔接法而被串聯(lián)地連接起來。聚焦光學系統(tǒng)13會聚從光纖11的遠端Ilb射出的光。偏轉光學系統(tǒng)14使從聚焦光學系統(tǒng)13射出的光沿徑向偏轉?？蛇x地，一端被傾斜地切除的GI透鏡可以形成聚焦光學系統(tǒng)13和偏轉光學系統(tǒng)14兩者。透鏡(聚焦光學系統(tǒng)13)和反射鏡(偏轉光學系統(tǒng)14)由石英玻璃或硼娃酸鹽玻璃形成。
[0028]光纖11容納在支撐管15的內腔中。支撐管15在遠端Ilb側粘接并固定到光纖11，并且在近端Ila側相對于光學連接器12固定。因此，當光學連接器12旋轉時，支撐管15 —起旋轉。此外,轉矩傳遞到光纖11，因而光纖11、聚焦光學系統(tǒng)13、偏轉光學系統(tǒng)14和支撐管15—起旋轉。
[0029]圖3是根據(jù)實施例的光學探頭10中的支撐管15的概念圖。支撐管15在近端15a側與光學連接器12相連，并在遠端15b側與光纖11相連。支撐管15具有如下構造:由不銹鋼、Co-Cr合金或N1-Ti合金形成的多根(典型的是5至50根)金屬線15c絞合并扭轉成空心形狀。支撐管15的厚度為0.15mm以上，楊氏模量在100至300GPa的范圍內。因此，支撐管15可以具有撓性，從而允許支撐管15插入例如血管等柔軟且彎曲的對象中。同時，支撐管15可以將施加到近端Ila側的轉矩高效地傳遞到遠端Ilb側。
[0030]支撐管15的扭轉方向用從近端Ila觀察遠端Ilb并且視點朝遠端Ilb移動時的旋轉方向來定義。另外，在使用期間施加到光纖11的近端Ila上的旋轉的旋轉方向用從近端Ila觀察遠端Ilb時近端Ila的旋轉方向來定義。支撐管15的扭轉方向是與使用期間施加到光纖11的近端Ila上的旋轉的旋轉方向相反的方向，也就是因旋轉而使支撐管15更加強烈地扭轉的方向。
[0031]當沿順時針方向提供旋轉時，施加使得近端Ila相對于遠端Ilb沿順時針方向移動的力。遠端Ilb由于慣性和摩擦而無法移動。因此，由于上述力，近端Ila相對于遠端Ilb沿順時針方向扭轉。此時的扭轉方向是逆時針方向。也就是說，當沿逆時針方向扭轉的支撐管15沿順時針方向旋轉時，支撐管15更加強烈地扭轉。因此，支撐管15能夠高效地傳遞轉矩。
[0032]此外，支撐管15優(yōu)選地通過絞合呈多個同心環(huán)的形式的金屬線來形成。因此，可以進一步提高支撐管15的扭矩傳遞性能。在這種情況下，最外層環(huán)上的支撐管15的扭轉方向優(yōu)選地與使用期間的轉矩的方向相反。
[0033]光纖11在使用期間的扭轉方向和旋轉方向是順時針方向(cw方向)(參見圖2)，支撐管的扭轉方向是與上述方向相反的逆時針方向(CCW方向)(參見圖3)。因此，當使用期間施加轉矩時，該轉矩使得支撐管15進一步沿逆時針方向扭轉。光纖11沿順時針方向的扭轉一旦恢復，然后光纖11沿逆時針方向扭轉。
[0034]因此，光纖11沿逆時針方向的扭轉的減少量為光纖11最初沿順時針方向的扭轉量。當光學探頭10高速旋轉時，轉矩向光纖11施加大的扭轉，從而光纖11有可能被上述大的扭轉破壞，因而存在斷裂的風險。然而，通過預先使光纖11朝與轉矩方向相反的方向扭轉，可以降低斷裂的風險?？蛇x地，光纖11的扭轉方向和旋轉方向可以是逆時針方向，并且支撐管15的扭轉方向可以是順時針方向。
[0035]已知的是:如果光纖扭轉,貝U會產生圓雙折射率。如R.E.Schuh, Electronics Letters, Vol.31, N0.20, pp.1172-1173 (1995)中描述的，令Y是扭轉率(每單位長度的扭轉角)，圓雙折射率的傳播常數(shù)差Λ β t如下:
[0036]Δ β t=gX Y
[0037]其中，在玻璃光纖的情況下，比例系數(shù)g典型地是0.14。[0038]另外，已知的是:如果向光纖施加彎曲，則在光纖中產生線雙折射率(linearbirefringence)。如 R.Ulrich, Optics Letters, Vol.5, N0.6, pp.273-275 (1980)中描述的，令r是光纖的玻璃半徑，R是彎曲半徑，線雙折射率的傳播常數(shù)差Λ Pb如下:
[0039]Δ ^b=0.25Xn3XkX ΔρΧ (1+ ν) X (r/R)2
[0040]其中，n是折射率，k是波數(shù)，Δρ是光學應變各向異性系數(shù)(anisotropy of anoptical strain coefficient), v是泊松比。在玻璃光纖的情況下,對于1.3 μ m的波長，n=l.447，Λρ=-0.15，ν=0.17。
[0041]當向光纖同時施加扭轉和彎曲時，光纖會產生圓雙折射率和線雙折射率。此時，大的雙折射率的效果成為主導。因此，盡管向光纖施加的彎曲有可能根據(jù)使用狀態(tài)而變化，但通過預先扭轉光纖來產生比彎曲所導致的線雙折射率更大的雙折射率，并使處于圓偏振狀態(tài)的光進入光纖，可以穩(wěn)定地保持經由光纖傳播的光的偏振狀態(tài)。可以通過向光纖施加比基準扭轉率YO更大的扭轉來實現(xiàn)這種條件?；鶞逝まD率YO的表達式如下:
[0042]y 0=(0.25/g) Xn3XkX | Δρ X (1+ ν) X (r/R)2。
[0043]圖4是示出基于旋轉圈數(shù)的基準扭轉率和彎曲半徑之間的關系的曲線圖。在對血管等的測量中，光學探頭10的光纖11可能典型地、不可避免地具有大于50mm的彎曲半徑，而且偶爾可能具有大于25mm的彎曲半徑。如圖4所示，與50mm的彎曲半徑相對應的基準扭轉率是1.11圈/m，與25mm的彎曲半徑相對應的基準扭轉率是4.5圈/m。因此，通過典型地向光纖11施加I圈/m的扭轉，可以穩(wěn)定地保持經由光纖11傳播的照明光的偏振狀態(tài)和向后反射光的偏振狀態(tài)。另外，通過向光纖11施加5圈/m以上的彎曲，更可以穩(wěn)定地保持照明光的偏振狀態(tài)和向后反射光的偏振狀態(tài)。
[0044]然而,還已知的是:如果扭轉率過大,貝U斷裂的風險增大。如M.Legre, Journal ofLightwave technology, Vol.21, N0.12, pp.3374-3378 (2003)中描述的,已知的是當扭轉率是70至80圈/m時，斷裂的風險增大。為了保證斷裂的風險足夠低，光纖11的扭轉率優(yōu)選的是每米50圈以下。
[0045]當旋轉光纖11以利用照明光掃描對象3時，由轉矩而產生的附加扭轉被施加至光纖11。為了高速地執(zhí)行測量，優(yōu)選的是提高轉速。然而，附加扭轉隨之增大。如上所述，在本實施例中，通過預先沿與旋轉所導致額外扭轉的方向的相反的方向向光纖11施加扭轉，旋轉期間的扭轉的絕對值減小，因而光纖11斷裂的風險降低。更具體地說，旋轉期間光纖11的扭轉率優(yōu)選的是50圈/m以下。此外，為了保持照明光的偏振狀態(tài)和向后反射光的偏振狀態(tài)恒定，光纖11的扭轉率優(yōu)選的是5圈/m以下。另外，即使當僅測量對象3的一部分而無旋轉時，為了保持照明光的偏振狀態(tài)和向后反射光的偏振狀態(tài)恒定，優(yōu)選的是預先向光纖11施加I圈/m以上的扭轉。
【權利要求】
1.一種光學探頭，包括: 光纖，其在近端與遠端之間傳送光； 光學連接器，其與所述光纖的近端側相連； 聚焦光學系統(tǒng)，其一端與所述光纖的遠端相連，所述聚焦光學系統(tǒng)使從所述光纖的遠端發(fā)出的光聚焦； 偏轉光學系統(tǒng)，其與所述光纖的遠端側光學地相連，所述偏轉光學系統(tǒng)使從所述光纖的遠端發(fā)出的光偏轉； 支撐管，其圍繞所述光纖，沿著所述光纖延伸，在所述近端側相對于所述光學連接器固定，并在所述遠端側相對于所述光纖、所述聚焦光學系統(tǒng)和所述偏轉光學系統(tǒng)中的任意一者固定；以及 護套管，其圍繞所述支撐管，沿著所述支撐管延伸，并能相對于所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管旋轉， 其中，所述光纖以所述光纖的軸線為中心在I圈/m至50圈/m的圈數(shù)范圍內扭轉，并相對于所述支撐管固定。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學探頭，其中， 所述偏轉光學系統(tǒng)的一端與所述聚焦光學系統(tǒng)的另一端相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學探頭，其中， 所述支撐管具有多根線狀體相絞合并扭轉的構造，并且` 在沒有從所述光學連接器導入旋轉的自由狀態(tài)下，所述光纖的扭轉方向與所述支撐管的扭轉方向彼此相反。
4.一種采用根據(jù)權利要求1所述的光學探頭、光源、偏振調節(jié)部、光分支部、光學檢測器和分析部實施的光學測量方法，所述光源發(fā)射近紅外光，所述偏振調節(jié)部將所述光源所發(fā)射的近紅外光轉換成圓偏振狀態(tài)的近紅外光并輸出近紅外光，所述光分支部將所述偏振調節(jié)部所輸出的所述近紅外光分成照明光和基準光這兩路光并輸出所述照明光和所述基準光，所述光學檢測器檢測所述近紅外光，所述分析部分析所述近紅外光的衰減光譜并獲取分析結果作為圖像信息；所述方法包括: 利用照明光來照射對象，所述照明光從所述光分支部輸出，進入所述光纖的近端并從所述光纖的遠端射出； 通過使照射所述對象而產生的向后反射光進入所述光纖的遠端并從所述光纖的近端射出來把所述向后反射光引導到所述光學檢測器，同時把從所述光分支部輸出的所述基準光引導到所述光學檢測器； 利用所述光學檢測器來檢測所述向后反射光和所述基準光的干涉光；以及利用所述分析部來分析所述向后反射光的光譜，并獲取所述對象中的物質的分布信息作為所述圖像信息。
5.根據(jù)權利要求4所述的光學測量方法，其中， 所述支撐管具有多根線狀體相絞合并扭轉而成的構造， 在沒有從所述光學連接器導入旋轉的自由狀態(tài)下，所述光纖的扭轉方向與所述支撐管的扭轉方向彼此相反，并且 在所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管沿與所述支撐管的扭轉方向相反的方向一起旋轉的同時，利用所述照明光來掃描所述對象的內部。
6.根據(jù)權利要求4所述的光學測量方法，其中， 通過使所述光纖、所述光學連接器、所述聚焦光學系統(tǒng)、所述偏轉光學系統(tǒng)和所述支撐管一起旋轉，使所述光纖 在5圈/m至50圈/m的圈數(shù)范圍內扭轉。
【文檔編號】G01N21/17GK103703355SQ201380002324
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權日:2012年3月21日
【發(fā)明者】長谷川健美, 平野充遙 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社