光学探针的制作方法

专利名称：光学探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合小型应用的光学探针，所述小型应用例如体内医学检查和程 序或工业检查，例如食品或小设备的检查。本发明还涉及相应的成像系统和用于利用这种 成像系统成像的方法。
背景技术：
为了正确诊断各种疾病(例如癌症)，经常进行活检。这可以通过内窥镜的内腔 (lumen)或通过穿刺活检来进行。为了找到进行活检的正确位置，使用各种成像模态，例如 X射线、MRI和超声。在例如前列腺癌的情况下，在大多数情况下通过超声引导活检。这些 引导方法尽管是有帮助的，但是远远没有达到最佳。分辨率是受限的并且这些成像模态在 大多数情况下不能区分良性的和恶性的组织。结果，医生肯定不知道从组织的正确部分进 行活检。因此，医生进行几乎盲目的活检，并且即使在检查组织之后，没有检测到癌细胞，我 们肯定不知道要进行活检的正确位置(spot)的确被错过了。为了改进活检过程，需要在活检之前直接检查活检位置。实现这一点的方式是在 该位置进行微观检查。这需要小型共焦显微镜。为了进行更详细的组织检查，非线性光 学技术允许高分子对比度而无需着色组织(参见J. Palero等人的SPIE vol. 6089(2006) PP. IAl-IAlD0这些技术是基于双光子和第二谐波光谱成像的。为了使得扫描器与这些非 线性技术兼容，应当使用具有大芯径的光子晶体纤维，以便减少光纤自身中的非线性效应。 然而，双光子成像或其他非线性光学技术的收集效率可能低。增加收集的一种方式可以是 提高由光纤延伸的立体角。例如，L. Fu、X. Gan和M. Gu在Optics Express 13(2005)5528 上发表的"Nonlinear optical spectroscopy based on doub 1 e~c 1 adphotomic crystal fiber”示出了如何通过利用双包层光子晶体纤维(PCF)的内包层和芯来显著提高收集效 率。然而，所得的数值孔径对于实际应用来说仍然相当低。因此，一种改进的光学探针是有利的，并且特别地，一种更高效和/或可靠的光学 探针是有利的。

发明内容
因此，本发明优选地设法单独地或任意组合地减轻、缓解或消除上述一个或多个 缺陷。特别地，可以被看作本发明的目标的是，提供一种解决上面提及的现有技术的收集效 率问题的光学探针。在本发明的第一方面，该目的和若干其他目的通过提供一种光学探针而获得，该 探针包括光导，透镜系统，固定地位于光导的端部，外壳，具有用于光导和透镜系统的腔，该外壳在其远端具有透明窗，其中具有透镜系统的光导可移位地安装在外壳内，并且
其中所述外壳进一步包括光学连接到透明窗的辅助的、外围的光导。本发明特别地但非排他地有利于获得具有明显更高收集效率的光学探针。该光学 探针可以有利地结合双光子分光术(spectroscopy)来应用，其中弹道(ballisitic)光子 和扩散荧光光子二者都可以用于事件的检测。而且，根据本发明的光学探针可以有益地应 用于线性分光术和非线性分光术这两者的散射辐射的检测。在本发明的上下文中，应当理解，术语“光导”可以包括但不限于光纤(多模和单 模)、薄膜光路、光子晶体纤维、光子带隙纤维(PBG)、偏振保持纤维等等。该光学探针还可 以包括不止一个纤维，即多个纤维或纤维束。可以提及，在EricJ. Seibel 等人在 Proc. SPIE，Vol. 6083,608303，(2006)上发表 的Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnosticsand Treatment Applications VI中公开了具有用于从中心的、可移位光纤收集光的光纤环的扫描纤维内窥镜。然而，内窥 镜的中心纤维没有附接于其上的透镜系统并且因此有效数值孔径对于例如非线性光学成 像来说不足够高。在Seibel等人的成果中简要提及的所述双光子成像设置(setup)不可 与该引用文件的图2中所示内窥镜配置一起工作，并且不完全清楚如何进行这种双光子成 像。有益地，光导和透镜系统可以被设置用于共焦成像。可替换地或此外，所述辅助 的、外围的光导可以被设置用于非共焦成像。例如，所述光导可以被设置用于收集被散射多 次的扩散光子。因此，所述辅助的、外围的光导可以典型地设置用于接收由光学探针发射的 反射光。有利地，所述辅助的、外围的光导可以基本上沿着光学探针的端部的至少一半外 围延伸。典型地，该光导可以沿着整个外围延伸，但是它也可以沿着更少的外围延伸。所述 形状依赖于光学探针和其外壳，但是典型地，横截面可以在横截面中基本上为圆形，但这不 是必需的。因此，容易想象所述外围光导的各种形式和形状。典型地，所述光导可以是光纤，并且所述透镜系统可以定位在离光纤的光学出口 一定距离(L)处，该距离(L)明显大于光纤的芯径。距离(L)与出口位置处的光纤直径之 比可以是5、10、20或30，甚至更多。此外或可替换地，所述透镜系统可以利用固定在光导远 端处并固定在透镜系统上的中间支架(mount)固定地连接到所述光导。优选地，光导远端处的透镜系统可以可移位地安装在光导的横向方向上，以便增 强视场(FOV)。它可以被弹性地安装。所述外壳的透明窗可以包括另一个透镜系统，该另一个透镜系统固定地连接或固 定到外壳。优选地，所述辅助的、外围光导的横截面积可以沿着光学探针基本上不变。这将实 现扩展度守恒(etendue conservation)，但是形状可能依赖于探针和检测器出口的形状变 化。对于一些应用，所述透镜系统可以具有数值孔径，以实现非线性光学现象，例如下 面将更详细描述的双光子事件和混频。至少0. 3或至少0. 4或至少0. 5或至少0. 6的数值 孔径可以使实现非线性光学器件更容易。对于非线性应用，所述光导可以是单模光纤。可替换地或此外，所述光导可以是光 子晶体纤维或偏振保持纤维，因为这些种类的光导具有若干特别有益于在本发明的背景中使用的有利的光学属性。对于一些应用，所述光学探针可以形成内窥镜、导管、针、活检穿刺针或本领域技 术人员容易实现的其他类似应用的一部分。还预期，本发明的应用领域可以包括但不限于 其中小成像设备是有用的领域，例如在使用利用小型设备等的检查的产业中。在第二方面，本发明涉及一种光学成像系统，该系统包括-根据第一方面的光学探针，-光学耦合到所述光学探针的辐射源，该探针被设置用于将从辐射源发射的辐射 引导到感兴趣的区域(ROI)，以及-光学耦合到所述光学探针的成像检测器，该检测器被设置用于使用来自感兴趣 区域(ROI)的反射的辐射成像。在本发明的上下文中，应当理解，术语“辐射源”可以包括任何适当种类的辐射源， 其包括但不限于激光器(任意波长和任意操作模式的激光器，即任意周期(包括飞秒)的 连续或脉冲激光器)、LED、气体放电灯、任何种类的发光等等。优选地，所述光学成像系统的辐射源可以能够发射具有强度和/或具有空间和时 间分布的辐射，以便实现非线性光学现象，例如双光子成像和混频。因此，所述系统可以是双光子成像系统或二次谐波生成(SHG)成像系统或三次或 更高次谐波生成成像系统。优选地，所述辐射源是具有飞秒(fs)脉冲激光器的激光源。所 述成像系统于是可以包括合适的色散补偿(dispersion compensating)装置。然而，所述 成像系统也可以执行更加线性的光学成像，例如所述成像系统可以是荧光成像系统等等。在第三方面，本发明涉及一种用于光学成像的方法，该方法包括-提供根据第一方面的光学探针，-提供光学耦合到所述光学探针的辐射源(IS)，所述探针被配置用于将从辐射源 发射的辐射引导到感兴趣区域(ROI)，以及-利用光学耦合到所述光学探针的成像检测器(ID)进行成像过程，所述检测器被 设置用于使用从感兴趣区域(ROI)反射的辐射成像。本发明的第一、第二和第三方面中的每一个方面可以与任何其他方面结合。参照 下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚并被阐明。


现在将仅仅通过实例并参照附图解释本发明，在附图中图1是根据本发明的光学图像探针的示意性横截面图，图2是根据本发明的光学成像系统的示意图，图3示出根据本发明的成像感兴趣区域(ROI)的光学探针的光路的示意图，图4示出光学探针的两个辅助的、外围的光导的示意图，图5示出改变形状的辅助的、外围光导的示意图，以及图6是根据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式图1是根据本发明的光学图像探针1的示意性横截面图，该探针1用于在图1的右手侧指示的样本S中的感兴趣区域(ROI)中进行成像。光学探针1包括光导2 (例如光 纤)和具有其中可以嵌入光导1的腔的外壳3。外壳3在其远端或采样端处具有透明的且 基本上非聚焦的窗4。窗4可以是光学传输玻璃或聚合物的平截面。窗4优选地是非聚焦 的，即它没有光焦度(optical power)，但是预期窗4对于一些应用具有一些聚焦效应。然 而，这不是通常的情况，因为它可能影响透镜系统6的性能。然而，预期在一些情况下，出射 窗4可以是白场透镜(field flattener lens)以使图像简单(plain)平坦而非弯曲并且 这需要少量的光焦度(optical power)。外壳3进一步包括可以嵌入外壳内或定位在外壳3的内或外表面上或与之邻近定 位的辅助的、外围光导5。为了收集光，所述光导或纤维2可以以共焦设置(setup)应用以 成像R0I，但是也存在穿过光导5的附加的收集光路，其在收集由探针1前面的双光子过程 产生的光子的共焦光路之外。所述附加光路利用窗4a的远离中心部分，其不用于形成激励 束的焦点，参见下面的图3。探针1可以具有与透明窗4基本上邻近定位(即面对所述窗， 如图1所示)的辅助的、外围光导5的远端。透明窗的光学连接到辅助的外围光导5的该 远离中心部分4a在从光学探针1发射光期间基本上不使用。因此，为了共焦成像，不使用 窗的远离中心部分4a。透镜系统6固定地耦合到光导2的端部2a。仅仅为了清楚起见，透镜系统6在附 图中被示为单个透镜。如下面将显而易见的，透镜系统6也可以具有不止一个透镜并且也 可以包含衍射元件或反射镜元件。透镜系统6与光导2之间的耦合优选地是机械的，即存 在一个中间支架7，其保持透镜6和光导2的光学出口的位置相对于彼此处于固定位置。还提供了能够移位透镜系统6的致动装置8。致动装置8可以或多或少地直接在 透镜系统6上致动，如由箭头Al指示。在实际实现方式中，致动装置8最有可能与支架7 机械接触。可替换地或此外，致动装置8可以经由光导2的端部2a间接致动透镜系统6，如 箭头A2指示。致动装置8的功能在于，致动装置8被设置用于移位透镜系统6，以便实现 对窗4之外的感兴趣区域ROI的光学扫描。典型地，光导2由柔性材料制成，从而方便了在 不容易接近的位置上的检查，例如体内医学检查和/或样本获取，并且在这种情况下，光导 2可以固定或位于距端部2a某距离的点处，从而使得可以由致动装置8弹性地移位光导2 的至少一部分。在通过引用整体合并于此的US2001/0055462中讨论了用于移位探针末端 处的光导2的各种解决方案。为了获得紧凑的光学探针1，透镜系统6优选地包括非球面透镜，由此使得其可以 具有相对较高的数值(NA)，例如超过0. 3,0. 4或0. 5或甚至更高的数值孔径。图2是根据本发明的光学成像系统100的示意图。该光学成像系统在样本臂20 的端部处包括如上所述的光学探针1。样本臂20优选地是高度柔性的，并且可以进行某种 程度的弯曲。示出了探针1的放大的部分并且与图1类似。此外，辐射源RS经由耦合器C光学耦合到光学探针1。探针1相应地被设置用于 将从辐射源RS发射的辐射(例如激光)引导到感兴趣区域R0I，并且另外，成像检测器ID 光学耦合到光学探针1。该成像检测器被设置用于使用从样本中的感兴趣区域ROI (未示 出)反射的辐射来成像。成像检测器ID还可以包括用于访问结果和/或控制成像过程的 用户接口(UI)。图3示出根据本发明的用于成像感兴趣区域ROI的光学探针的光路的示意图。
在图3的上部A中，来自探针1的发射束30聚焦在期望成像的ROI内的焦点中。 例如，在体内检查期间，这可以是患者内可疑的恶性组织部分。在图3的下部B中，示出两个可能的光学返回路径。在路径32中，由双光子过程 产生的光子可以使用透镜6经由相同的返回光路30到达扫描纤维2，所谓的弹道光子。所 产生的光子的另一部分变得被散射(所谓的扩散光子)并且不能再到达扫描纤维2的末 端。这些散射光子的一部分现在根据本发明被窗的远离中心部分4a收集，并且被导向辅助 光波导5中。因此，根据本发明的探针显著提高了收集效率，特别是结合例如双光子成像的 成像技术更是如此，在双光子成像中扩散的光子和弹道光子都可以用于成像。这与共焦成 像不同，在共焦成像中，只有穿过有区别的针孔的弹道光子被应用于成像目的。图4示出具有各种形状的光学探针的两个辅助的、外围光导的示意图。在实例 405a中，远端处的初始环形形状光波导终止于一个在近端处连接到检测器ID的矩形形状 的光波导。在实例405b中，所述光导终止于两个矩形形状的光波导以改进光收集。为了使 在远端处收集数值孔径保持为大，在远端处被环形圈覆盖的区域与矩形形状近端覆盖的区 域相比，在尺寸方面是可比的(comparable)。这是因为如光学器件领域的技术人员理解的 扩展度的守恒。关于这些锥形纤维的更多细节，可以查阅Polymicro，Phoenix, AZ, USA的 目录。在图4中，外围光导405a或405b被示为一个实体，但是该外围光导可以包括多个 光学连接的元件以形成围绕中心光导2外围定位的连贯的光导，参见图1。图5示出形状从环形形状变化为矩形形状的辅助的、外围光导的示意图。所述环 面和矩形的面积是可比的。所述矩形形状适于连接到图像检测器ID(该图中未示出，参见 图2)中的光谱仪的入射狭缝。在坐标系统505a、505b和505c中，示出了光导505变化形 状的各种横截面。图6是根据本发明的方法的流程图。该方法包括Sl提供光学探针1，参见图1。S2提供经过C光学耦合到所述光学探针1的辐射源RS，该探针被设置用于将从辐 射源发射的辐射引导到感兴趣的区域R0I，以及S3利用光学耦合到光学探针1的成像检测器ID进行成像过程，所述检测器被设置 用于使用从感兴趣区域ROI反射的辐射成像。本发明可以以包括硬件、软件、固件或其任意组合的任何合适的形式实现。本发明 或本发明的一些特征可以被实现为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运 行的计算机软件。本发明的实施例的元件和组件可以以任何合适的方式物理地、功能地和 逻辑地实现。事实上，所述功能可以在单个单元中、在多个单元中或作为其他功能单元的一 部分实现。同样，本发明可以在单个单元中实现，或可以物理地或功能地分布在不同单元和 处理器之间。尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但是本发明不旨在受限于本文所阐述的 特定形式。相反地，本发明的范围仅仅由所附权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不 排除存在其他元件或步骤。此外，尽管单独的特征可以包含在不同权利要求中，但是这些特 征可以有利地组合，并且在不同权利要求中包含上述单独特征并不意味着特征的组合不可 行和/或不是有利的。此外，单数引用不排除多个。因此，“一”、“第一”、“第二”等的引用不排除多个。而且权利要求中的附图标记不应当被解释为限制其范围。
权利要求
一种光学探针(1)，该探针包括光导(2)，透镜系统(6)，其固定地位于所述光导的端部(2a)，外壳(3)，其具有用于所述光导(2)和所述透镜系统(6)的腔，该外壳在其远端具有透明窗(4)，其中具有所述透镜系统(6)的光导(2)可移位地安装在所述外壳内，并且其中所述外壳(3)进一步包括光学连接到所述透明窗(4)的辅助的、外围的光导(5)。
2.根据权利要求1的光学探针，其中所述光导(2)和所述透镜系统(6)被设置用于共 焦成像。
3.根据权利要求1或2的光学探针，其中所述辅助的、外围的光导(5)被设置用于非共 焦成像。
4.根据权利要求1的探针，其中所述辅助的、外围的光导(5)被设置用于接收由所述光 学探针发射的反射光。
5.根据权利要求1的探针，其中所述辅助的、外围的光导(5)基本上沿着所述光学探针 的端部的至少一半外围延伸。
6.根据权利要求1的探针，其中所述光导(2)是光纤，所述透镜系统(6)定位在离所述 光纤的光学出口一定距离(L)处，该距离(L)明显大于所述光纤的芯径(Df)。
7.根据权利要求1或权利要求6的探针，其中所述透镜系统(6)利用固定在光导远端 (2a)处并固定在所述透镜系统(6)上的中间支架固定地连接到所述光导。
8.根据权利要求7的探针，光导远端(2a)处安装的透镜系统(6)可移位地安装在光导 (2)的横向方向(A3)上。
9.根据权利要求1的探针，其中所述透明窗(4)包括另一个透镜系统，该另一个透镜系 统固定地连接到所述外壳(3)。
10.根据权利要求1的探针，其中所述透镜系统(130)具有数值孔径，以实现非线性光 学现象。
11.根据权利要求1的探针，其中所述光导是光子晶体纤维或偏振保持纤维。
12.一种光学成像系统(100)，该系统包括-根据权利要求1的光学探针(1)，-光学耦合到所述光学探针(1)的辐射源(RS)，该探针被设置用于将从辐射源发射的 辐射引导到感兴趣的区域(ROI)，以及-光学耦合到所述光学探针(1)的成像检测器(ID)，该检测器被设置用于使用来自感 兴趣区域(ROI)的反射的辐射成像。
13.根据权利要求12的光学成像系统，其中所述光学成像系统的辐射源(RS)能够发射 具有强度和/或具有空间和时间分布的辐射，以便实现非线性光学现象。
14.根据权利要求12的光学成像系统，所述系统是双光子成像系统、二次或三次谐波 产生(SHG)成像系统或荧光成像系统。
15.一种用于光学成像的方法，该方法包括-提供根据权利要求1的光学探针(1)，-提供光学耦合到所述光学探针的辐射源(RS)，所述探针被设置用于将从辐射源发射的辐射引导到感兴趣区域(ROi)，以及-利用光学耦合到所述光学探针的成像检测器(ID)进行成像过程，所述检测器被设置 用于使用从所述感兴趣区域(ROI)反射的辐射成像。
全文摘要
本发明涉及一种适用于非线性光学器件(例如用于医疗目的的双光子成像)的光学探针(1)。该探针具有光导(2)和固定地位于该光导的端部(2a)处的透镜系统(6)。此外，具有用于光导(2)和透镜系统(6)的腔的外壳(3)(该外壳在其远端具有透明窗(4))包含在所述探针中。具有透镜系统(6)的光导(2)可移位地安装在外壳内，优选地横向地安装。外壳(3)还具有光学连接到透明窗(4)的辅助的、外围的光导(5)。本发明有利于获得具有明显更高收集效率的光学探针。所述光学探针可以有利地结合双光子分光术来应用，其中弹道光子和扩散荧光光子二者都可以用于事件的检测。
文档编号G02B6/00GK101909513SQ200880123812
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年1月4日
发明者B·H·W·亨德里克斯, G·特胡夫特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司