专利名称：激光共聚焦显微内窥镜的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗器械制造技术领域，特别涉及一种激光共聚焦显微内窥镜。
背景技术：
医用内窥镜是体内病变探察诊断和微创手术的必备医疗设备，其广泛应用于临床医学的 各个领域。内窥镜在宏观尺度上观察体内组织，识别可疑区域，必要时钳取可疑组织到体外 进行组织病理学诊断，但这是一个带有创伤的过程，常伴随出血、感染、早期漏诊等现象， 具有一定的风险性。而激光共聚焦显微内窥镜则无需取样活检即可实现体内器官的实时高分 辨率组织病理学诊断，并可使用荧光对比剂，特异性强，其是早期病变无创诊断的重要器具， 尤其对于常规内窥镜难以发现的癌变早期诊断具有重大意义。
目前的激光共聚焦显微内窥镜采用光纤束或单根光纤将激光和荧光信号分别导入体内和 导出体外，光纤束允许将共聚焦扫描机构放置在体外，内窥镜探头可以细小，但图像清晰度 受到光纤束本身栅格排列的严重影响，共聚焦图像的分辨力较低，而且由于相邻芯径的光线 串扰，图像的对比度难以提高；单根光纤则要求共聚焦扫描机构必须放置在体内，虽然采用 现有MEMS技术可以縮小扫描机构尺寸，但目前的技术下还无法兼顾小尺寸和大扫描范围； 光纤束和单根光纤均无法校正内窥镜系统的像差。因此，此类显微内窥镜的光学设计，特别 是微型显微物镜设计结构复杂。
发明内容
本发明提供了一种高分辨力的激光共聚焦显微内窥镜，本发明最大的优点是采用望远式 棒状镜系统实现光束的耦合，不仅可以将高性能共聚焦扫描机制放置在体外，实现较小尺寸 的内窥镜探头，而且克服了传像光纤束固有的缺点，可以获得高清晰度的共聚焦扫描图像。
本发明所采取的技术方案如下激光共聚焦显微内窥镜，包括显微内窥镜探头、共聚焦 扫描模块、电源与照明模块、电缆和导光束，显微内窥镜探头包括望远式传像系统、显微物 镜，共聚焦扫描模块包括激光扩束镜、光电探测器、共焦光阑、荧光会聚镜、荧光滤色片、 二色镜、二维共聚焦扫描器、扫描物镜，电源与照明模块包括信号处理单元、图像工作站、 电源、激光驱动器、激光器；显微内窥镜探头固定于共聚焦扫描模块；电源为激光驱动器和 图像工作站供电，激光驱动器驱动激光器发出激光，经导光束传输至激光扩束镜，经扩束后 的激光束由二色镜反射至二维共聚焦扫描器，二维共聚焦扫描器根据不同的控制信号将激光 束以不同的角度反射至扫描物镜，透过扫描物镜的激光束由望远式传像系统传输至显微物镜，经显微物镜聚焦至体内组织的表面或内部，体内组织标记有荧光物质，在激光的激发下发射 荧光信号，荧光信号被显微物镜收集，再由望远式传像系统输出，透过扫描物镜，经二维共 聚焦扫描器反射，透过二色镜，经荧光滤色片滤波后，再由荧光会聚镜聚焦在开有小孔的共 焦光阑处，体内组织仅在激光焦点处的荧光能穿过小孔到达光电探测器上，光电探测器将荧 光信号转换为电信号，由电缆传输至信号处理单元，经信号处理单元处理后，再输入图像工 作站进行图像重建、处理和分析。
所述的激光共聚焦显微内窥镜，望远式传像系统为一倍物像放大率的棒状镜系统。 所述的激光共聚焦显微内窥镜，二维共聚焦扫描器放置于体外，且为正交方向配置的两 个一维扫描振镜；光电探测器为单像元探测器。
所述的激光共聚焦显微内窥镜，光电探测器采用雪崩光敏二极管、光电倍增管或光敏二 极管。
所述的激光共聚焦显微内窥镜，二维共聚焦扫描器为空间光调制器，光电探测器为二维 多像元阵列器件，此时空间光调制器实现共焦光闹的功能，即可省略共焦光阑。
所述的激光共聚焦显微内窥镜，空间光调制器采用数字微镜阵列，二维多像元阵列器件
采用CCD或CMOS图像传感器。
所述的激光共聚焦显微内窥镜，当体内组织标记有荧光物质时，二色镜为干涉滤色片， 对激光波长反射，对荧光波长透射，当体内组织没有标记荧光物质时，二色镜为偏振滤色片， 对某一偏振态的光束反射，对其正交的偏振态光束透射。
本发明激光共聚焦显微内窥镜采用望远式传像系统代替光纤束或单根光纤，将激光耦合 进体内组织，并将荧光信号耦合至体外探测器，实现高清晰度成像，图像分辨率接近衍射极 限，相邻像素无信号串扰，图像对比度高，而且共聚焦扫描机构设置在体外，在获得高性能 共聚焦扫描的同时，不增大内窥镜探头的尺寸，与目前的硬性内窥镜相兼容。同时，采用望 远式传像系统，可以在整个内窥镜探头长度内进行像差校正，显微物镜的残留像差可由传像 系统补偿，两者结合起来可获得更佳的成像质量。
本发明的激光共聚焦显微内窥镜主要由显微内窥镜探头、小型共聚焦扫描模块和电源及 照明模块等组成，显微内窥镜探头包括显微物镜和望远式传像系统，显微物镜的外径在l 10mm左右，望远式传像系统的工作长度为100 500mm左右。为准确获取体内组织细胞的 三维形态，显微物镜的分辨率接近衍射极限。望远式传像系统设计为一倍物像放大率的棒状 镜系统，在全视场内扫描激光束的光斑直径接近衍射极限，减小场曲和像散等像差，最大程 度的保证光能传输效率，提高图像清晰度。显微物镜与望远式传像系统通过优化的光学设计， 实现残留像差的互相抵消，获得最优性能的显微内窥镜光学系统。
小型共聚焦扫描模块的径向XY扫描由二维扫描振镜实现，轴向Z扫描由精密注水机构实现。因为扫描振镜无运动导轨，平面反射镜的转动惯量非常小，因此具有体积小、扫描速 度快、震动小、重复精度高的优点。轴向Z扫描由水压实现，在体内组织与显微物镜之间灌 注不同体积的水，不仅可以调节物距，实现轴向移动，而且水增大了物镜的数值孔径，提高 了成像分辨率和荧光收集效率。各种光学元器件如激光扩束系统、扫描振镜、光电探测器等 部件的尺寸都很小，可集成在一个小体积的操作部件内，满足手持或采用机械手装置灵活操 作。电源及照明模块分别通过电源信号线和导光束与小型共聚焦扫描模块连接，为其提供必 要的电能和控制信号。
电源及照明模块主要包括电源、激光器和控制电路，完成激光共聚焦显微内窥镜的供电， 激光照明及控制操作。控制操作包括二维扫描振镜的驱动控制，Z轴注水机构驱动，光电探 测器增益的自动控制和激光器输出功率的调节等。
图l是本发明的结构示意图。
图2是本发明的显微内窥镜探头的放大图。
图3是本发明的望远式传像系统的一种结构示意图。
图4是本发明的二维扫描振镜的结构示意图。
图5是本发明的空间光调制器的结构示意图。
图6是本发明空间光调制器实现共焦光阑的功能效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图l、 2所示，本发明激光共聚焦显微内窥镜包括显微内窥镜探头l、共聚焦扫描模块 2、电源与照明模块3、电缆4和导光束5，显微内窥镜探头1包括望远式传像系统101、显 微物镜102、扫描腔103，共聚焦扫描模块2包括激光扩束镜201、光电探测器202、共焦光 阑203、荧光会聚镜204、荧光滤色片205、 二色镜206、 二维共聚焦扫描器207、扫描物镜 208，电源与照明模块3包括信号处理单元301、图像工作站302、电源303、激光驱动器304、 激光器305。
显微内窥镜探头1固定于小型共聚焦扫描模块2上。电源303分别给激光驱动器304和 图像工作站302提供电能，激光驱动器304驱动激光器305发出激光，经导光束5传输至激 光扩束镜201。经扩束后的激光束由二色镜206反射至二维(XY方向)共聚焦扫描器207， 二维共聚焦扫描器207根据不同的控制信号将激光束以不同的角度反射至扫描物镜208，透
5过扫描物镜208的激光束由望远式传像系统101传输至显微物镜102，经显微物镜102聚焦 至体内组织6的表面或内部。体内组织6标记有荧光物质，在激光的激发下发射荧光信号， 荧光信号被显微物镜102收集，再由望远式传像系统101输出，透过扫描物镜208，经二维 共聚焦扫描器207反射，再透过二色镜206，经荧光滤色片205滤波后，再由荧光会聚镜204 聚焦在开有小孔的共焦光阑203处，体内组织6仅在激光焦点处的荧光能穿过小孔到达光电 探测器202上。光电探测器202将荧光信号转换为电信号，由电缆4传输至信号处理单元301, 经信号处理单元301处理后，再输入图像工作站302进行图像重建、处理和分析。
激光束沿体内组织6的Z方向扫描由水压控制实现，通过在显微物镜102第一和第二片 镜片之间的扫描腔103灌注不同体积的水，使紧贴显微物镜102第一片镜片的上皮组织6相 对显微物镜102的焦平面做Z向移动，显微物镜102装配在内窥镜探头1的末端，第一镜片 与镜筒之间动密封。初始时，扫描腔103内的水最少，第一镜片和上皮组织距离物镜的第二 镜片最近，Z轴扫描时，控制阀打开，通过微注射器将水注入扫描腔103，随着扫描腔103 中水体积的增加，第一镜片和上皮组织6会向远离微型物镜102的方向移动，位移量与注入 的水量成比例，形成Z轴扫描。这种扫描方式的优点是占用空间小，几乎不增大内窥镜探头 1的尺寸，上皮组织6与内窥镜探头1位置固定，无运动模糊，同时水和显微物镜102的第 一镜片与上皮组织6紧贴，增大了显微物镜102的数值孔径，并且上皮组织受第一镜片定形 作用，具有一定弯曲，光学设计容易校正像面弯曲，从而提高分辨率，获得高荧光收集效率。
图3是望远式传像系统101的一种结构示意图，为一倍物像放大率的棒状镜系统。
图4是本发明采用二维扫描振镜时的构成示意图，其工作原理如下所述激光器305发 射出来的光束经激光扩束镜201后，形成光斑形状和发散角符合一定要求的光束，透过二色 镜206 (激光反射，荧光透射)后，先后入射到X向振镜207-1和Y向振镜207-2，将这两个 扫描振镜按照一定的方式组合，通过控制信号驱动两个振镜的快速旋转摆动，就形成XY方 向的扫描模式。此扫描模式将激光束以不同的角度反射至扫描物镜208，透过扫描物镜208 的激光束由望远式传像系统101传输至显微物镜102，经显微物镜102聚焦至体内组织6的 表面或内部。体内组织6标记有荧光物质，在激光的激发下发射荧光信号，荧光信号被显微 物镜102收集，再由望远式传像系统101输出，透过扫描物镜208后，经振镜207-2和207-1 的依次反射后，再透过二色镜206，经荧光滤色片205滤波后，再由荧光会聚镜204聚焦在 开有小孔的共焦光阑203处，体内组织6仅在激光焦点处的荧光能穿过小孔到达光电探测器 202上，而其它部分的荧光或杂散光将被共焦光阑203阻挡，不能到达光电探测器202，大大 减小了背景荧光和杂散光，提高了荧光图像的信噪比。
虽然，逐点进行激光共聚焦扫描的速度较多点扫描或线扫描慢，但激光能量最集中，在 相同激发功率密度下对激光功率的要求最小，系统可选择微小功率的固体激光器，体积小、功耗低、寿命长。而且没有多点扫描时不同扫描点之间的信号串扰，或线扫描时一个方向共 焦性能的丧失，因此获得的共聚焦荧光图像分辨率和信噪比均最优。
图5是本发明采用空间光调制器进行共聚焦扫描时的结构示意图。此时，XY方向的二 维共聚焦扫描器为空间光调制器207，如美国TI公司的数字微镜器件DMD。 DMD由尺寸为 13 pm (甚至更小)的1024x768 (甚至更多)个微反射镜阵列构成，仅处于ON状态的微镜 将激光反射到扫描物镜208的孔径内，处于OFF状态的微镜将激光反射出扫描物镜208，依 次逐点或以某一模式使微镜处于ON状态，就形成XY方向的扫描模式。此扫描模式由扫描 物镜208耦合进内窥镜探头1。扫描获得的荧光信号由内窥镜探头1收集，通过扫描物镜208 后到达DMD器件207，被ON状态的微镜反射，到达二色镜206和荧光滤色片205，经过荧 光会聚镜204后，最终成像在二维光电探测器(如CCD器件)202上。
DMD器件207实现XY方向的二维扫描，这里设计为等间距栅格扫描，因为DMD器件 207的可编程性能，因此栅格模式可随时自由调整，图6所示为栅格周期为6的扫描模式。 若白色方块代表DMD器件207上的ON状态微镜，黑色方块代表DMD器件207上的OFF 状态微镜，则每次扫描的共焦模式为整幅图像的1/36，完成固定Z轴的一整幅图像需更替 DMD器件207的状态36次。每个ON状态微镜同时起到光源及探测器前的共焦小孔作用， 若离焦图像平均分布在DMD器件207上，仅1/36的背景亮度被收集到二维光电探测器202 上，而焦面上的荧光被100%收集到二维光电探测器202上。DMD器件207的刷新率可高达 数万帧/秒，因此，可获得快速的共聚焦内窥图像。
权利要求
1、激光共聚焦显微内窥镜，包括显微内窥镜探头、共聚焦扫描模块、电源与照明模块、电缆和导光束，其特征在于所述的显微内窥镜探头包括望远式传像系统、显微物镜，共聚焦扫描模块包括激光扩束镜、光电探测器、共焦光阑、荧光会聚镜、荧光滤色片、二色镜、二维共聚焦扫描器、扫描物镜，电源与照明模块包括信号处理单元、图像工作站、电源、激光驱动器、激光器；显微内窥镜探头固定于共聚焦扫描模块；电源为激光驱动器和图像工作站供电，激光驱动器驱动激光器发出激光，经导光束传输至激光扩束镜，经扩束后的激光束由二色镜反射至二维共聚焦扫描器，二维共聚焦扫描器根据不同的控制信号将激光束以不同的角度反射至扫描物镜，透过扫描物镜的激光束由望远式传像系统传输至显微物镜，经显微物镜聚焦至体内组织的表面或内部，体内组织标记有荧光物质，在激光的激发下发射荧光信号，荧光信号被显微物镜收集，再由望远式传像系统输出，透过扫描物镜，经二维共聚焦扫描器反射，透过二色镜，经荧光滤色片滤波后，再由荧光会聚镜聚焦在开有小孔的共焦光阑处，体内组织仅在激光焦点处的荧光能穿过小孔到达光电探测器上，光电探测器将荧光信号转换为电信号，由电缆传输至信号处理单元，经信号处理单元处理后，再输入图像工作站进行图像重建、处理和分析。
2、 如权利要求l所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是所述的望远式传像系统为一 倍物像放大率的棒状镜系统。
3、 如权利要求1所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是所述的二维共聚焦扫描器放 置于体外，且为正交方向配置的两个一维扫描振镜；光电探测器为单像元探测器。
4、 如权利要求3所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是所述的光电探测器采用雪崩 光敏二极管、光电倍增管或光敏二极管。
5、 如权利要求l所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是所述的二维共聚焦扫描器为 空间光调制器，光电探测器为二维多像元阵列器件，此时空间光调制器实现共焦光阑的功能， 即可省略共焦光阑。
6、 如权利要求5所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是所述的空间光调制器采用数字微镜阵列，二维多像元阵列器件采用CCD或CMOS图像传感器。
7、 如权利要求l所述的激光共聚焦显微内窥镜，其特征是当体内组织标记有荧光物质时，二色镜为干涉滤色片，对激光波长反射，对荧光波长透射，当体内组织没有标记荧光物 质时，二色镜为偏振滤色片，对某一偏振态的光束反射，对其正交的偏振态光束透射。
全文摘要
本发明公开一种新型的高分辨力激光共聚焦显微内窥镜，采用望远式传像系统代替光纤束或单根光纤，将激光耦合进体内组织，并将反射光或荧光信号耦合至体外探测器，在获得高分辨率和对比度荧光图像的同时，缩小内窥镜探头直径；共聚焦扫描机构设置在体外，在获得高性能共聚焦扫描的同时，不增大内窥镜探头的尺寸，并且与现有硬管内窥镜兼容，可实现高性能的体内组织病理学诊断。
文档编号A61B1/06GK101449963SQ20081016389
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者段会龙, 王立强, 岩 石 申请人:浙江大学