一种三向协同扫描光学相干层析成像手持探头的制作方法

本发明涉及医疗成像设备技术领域，具体涉及一种三向协同扫描光学相干层析成像的手持探头。

背景技术：

光学相干层析成像技术(opticalcoherencetomography,oct)作为一种高分辨率高速的成像技术，能够为生物组织提供其他成像技术无法达到的三维成像。在生物医学研究和临床应用方面，该项技术已经被成功地用到了血管外科的临床手术导航和结果诊断过程中，比如oct技术被用于血管缝合手术的术中评估、血管内斑块去除手术的手术导航。在将来血管类疾病的诊断、监控以及治疗过程中，oct技术将会发挥日益显著的作用。

无论是在手术过程中监控血管(正常的以及病变的)的状态抑或在术后监控血管的恢复状态，都对oct样品臂提出了小型便携化的需求，而传统的样品臂扫描系统通常因为其体积大导致在实际医用过程中操作的不方便，而手持探头的使用便可极大增强系统的灵活性，使其能够探测到传统oct样品臂无法检测到的地方。早期的扫描探头大多是基于微型马达技术、电磁效应、压电效应等设计的，其中基于微型马达技术的扫描探头主要用于管型结构组织的侧向扫描；基于电磁效应的扫描探头尺寸很难达到足够小；基于压电效应的扫描探头与光纤技术及内窥镜结合能够制作成体积小、扫描范围大的微型化光纤扫描探头，但是没法做到血管外检测。

此外血管内的血液对光信号存在着很强的散射和吸收现象，导致单方向的oct成像的深度往往不能够涵盖整个血管。这种问题随着血管直径的变大变得更加突出，比如直径大于1mm的血管。然而对血管壁的三维重建才是手术导航和评估的关键所在。因此需要一种成像方式能够绕开血液散射和吸收的影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种三向协同扫描光学相干层析成像手持探头，小型便携化，不仅继承了传统手持探头单一方向扫描的功能，同时也克服了单向扫描时由于血管内部散射和吸收造成成像深度不够的问题，三个视场方向的扫描弥补了单向扫描信息有限的缺点，并且具有防抖功能，极大提高成像的清晰度。

一种三向协同扫描光学相干层析成像手持探头，所述手持探头包括手持探头筒、防抖载物台及光学处理模块，所述光学处理模块设置在手持探头筒内，手持探头筒的前端与防抖载物台相卡合实现防抖；

所述光学处理模块包括mems振镜、镀膜反射镜、梯台形玻片、双胶合消色差物镜组、圆环形玻片、反射镜a及反射镜b；

零偏压状态下的mems振镜所处平面与入射光束成45°设置，入射光束照射到加载偏置电压信号的mems振镜上实现90±6.4°范围内的连续偏转，反射到下方的镀膜反射镜，镀膜反射镜所在平面与水平面成45°放置，入射光束经由镀膜反射镜二次反射后沿着中心光轴方向通过梯台形玻片后产生三部分光束，三部分光束进入一对双胶合消色差物镜组后平行出射，mems振镜中心点的镜像位置与双胶合消色物镜组入射侧的焦点重合，三部分光束继而进入中间为方形通孔的圆环形玻片，中路光束直接通过圆环形玻片的方形通孔沿光轴方向传播至双胶合消色差透镜组后焦面，中路光束扫描方向所在面与梯台形玻片的中心对称面、圆环形玻片的中心对称面共面，两侧光束通过所述圆环形玻片后形成的成像焦面后移，与中路光束焦面形成一个阶跃式错位，两侧扫描光束分别经过反射镜a以及反射镜b的反射后向中心轴方向偏折90°，实现三个方向的协同扫描，反射镜a与入射光束成45°放置，反射镜b所在平面与反射镜a所在平面互相垂直。

进一步地，所述手持探头筒包括末端控制组件、中间手持筒、前端探头筒及可调锁紧环；

所述末端控制组件上设有光纤接口和转接线缆接口，末端控制组件设置有mems振镜与镀膜反射镜，零偏压状态下的mems振镜与入射光束成45°且与镀膜反射镜互相平行，通过光纤接口传输的光学信号以及转接线缆接口传输的偏置电压信号控制mems振镜的偏转，产生连续型线性扫描光束进入中间手持筒中；

所述中间手持筒内壁上对称开有径向滑槽，中间手持筒内部设有限位压圈、梯台形玻片、圆环形玻片、玻片夹具及一对双胶合消色差透镜；

所述玻片夹具呈环形，内部孔径为楔形结构，外表面加工有与中间手持筒滑槽相匹配的凸棱；

所述圆环形玻片外表面加工有与中间手持筒滑槽相匹配的凸棱，内部孔径为方形；

玻片夹具通过中间手持筒滑槽安装在中间手持筒内壁，梯台形玻片固定在玻片夹具内，梯台形玻片通过一对双胶合消色差透镜与圆环形玻片配合，圆环形玻片通过中间手持筒滑槽安装在手持探头筒内壁，中间手持筒滑槽对玻片夹具和圆环形玻片周向限位，梯台形玻片中心对称面与圆环形玻片的中心对称面在同一平面上，限位压圈固定在中间手持筒内壁，分别安装在玻片夹具和圆环形玻片的外侧，限位压圈对玻片夹具和圆环形玻片轴向限位；

所述前端探头筒的前端呈锥形，前端对称设有贯穿端部的两个凹槽，两个凹槽的开放端位于前端探头筒该端的端面，前端探头筒的后端上表面加工有与中间手持筒的前端相匹配的凹槽；所述前端探头筒的前端内部设有反射镜a及反射镜b，反射镜a与入射光束成45°放置，反射镜b所在平面与反射镜a所在平面互相垂直；

所述中间手持筒与末端控制组件固定连接，中间手持筒插入前端探头筒后端上表面的凹槽同时通过可调锁紧环与前端探头筒实现轴向的伸缩调节，前端探头筒与防抖载物台相卡合。

进一步地，所述防抖载物台上加工有与前端探头筒凹槽相匹配的“凹”字型凸台，凹槽的宽度与“凹”字型凸台的宽度一致，“凹”字型凸台两个上表面上加工有载物凹槽，防抖载物台“凹”字型凸台的长度方向与前端探头筒两个凹槽的中心连线方向一致。

进一步地，所述“凹”字型凸台上表面所在平面与水平面夹角为3°。

进一步地，所述末端控制组件进一步包含微调机构，微调结构包括：弹簧栓、强力拉簧、微调螺丝、粗调螺丝、固紧压圈、万向轴连接杆、万向轴压圈、微调板及工作窗壳；

微调板所在平面与水平面呈45°，mems振镜通过四个固紧压圈固定在微调板一侧，三根强力拉簧固定在微调板另一侧的对应孔处，万向轴连接杆通过万向轴压圈限位于微调板另一侧的凹槽中，万向轴压圈与微调板螺纹连接，粗调螺丝沿万向轴轴线方向与万向轴连接杆螺纹连接，工作窗壳通过四颗微调螺丝与微调板固定。

进一步地，所述反射镜a及反射镜b通过卡具固定在前端探头筒的前端设置的切槽中。

进一步地，所述反射镜a及反射镜b通过压圈固定在卡具中。

进一步地，所述光纤接口与单模光纤跳线螺纹连接。

进一步地，所述中间手持筒前端均匀开有四个贯穿端部的凹槽将前端划分为四部分，凹槽的开放端位于中间手持筒该端的端面；前端探头筒后端上表面加工的与中间手持筒前端相匹配的凹槽为四个，与中间手持筒前端被划分的四部分结构一一对应。

有益效果：

1、本发明小型便携化，对4.5mm以内的血管具有很好的普适性，手持探筒中的光学模块能够实现对血管三个方向的协同扫描，正是因为侧向扫描的进行，使得我们不仅可以从传统的轴向角度观察血管断面结构，同时也可以从两边垂直于光轴的侧向观察血管的断面结构，既弥补了传统扫描方式因扫描深度不够而导致成像不清晰的缺陷，同时三个方向的实时扫描极大的提高了对血管断面结构，极大提高成像的清晰度，而与防抖载物台的相互配合，克服了医务人员操作时抖动的问题。

2、本发明设置的可调锁紧环，通过调节中间手持筒与前端探头筒之间的配合，保证了扫描区域定位的准确性。

3、本发明防抖载物台倾角的设置，可以实时测量血管内的流速，“凹”字型凸台上表面所在平面与水平面夹角为3°的倾角，保证了进行血液多普勒测速时测量的精准性。

4、本发明微调机构的设置保证了手持探头筒装配时内部光学模块光轴定位的精度。

5、本发明的反射镜a及反射镜b通过卡具固定在前端探头筒的前端设置的切槽中，便于安装和调整位置。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的侧向剖视图；

图3是本发明的光路结构设计图；

图4a、图4b是本发明手持探头末端控制组件结构图；

图5a、图5b是本发明微调机构结构示意图；

图6是本发明中间手持筒结构示意图；

图7是本发明前端探头筒剖视图；

图8是本发明防抖载物台结构示意图；

图9是本发明手持探头筒与防抖载物台配合使用的示意图。

其中，1-fc/apc单模光纤跳线，2-转接线缆，3-末端控制组件，4-工作窗壳，5-中间手持筒，6-可调锁紧环，7-前端探头筒，8-防抖载物台，9-光纤准直器，10-微调机构，11-螺纹通孔，12-梯台形玻片夹具，13-限位压圈，14-mems振镜，15-梯台形玻片，16-双胶合消色差物镜组，17-镀膜反射镜，18-圆环形玻片，19-反射镜a，20-反射镜b，21-微调螺丝，22-弹簧栓，23-强力拉簧，24-粗调螺丝，25-固紧压圈，26-万向轴连接杆，27-万向轴压圈，28-微调板，29-中间管，30-凹槽a，31-方形压圈，32-血管，33-螺纹孔，34-凹槽b。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种三向协同扫描光学相干层析成像手持探头，基于微机电系统技术(micro-electro-mechanicalsystem，简称mems)设计，如图1所示，手持探头包括手持探头筒、防抖载物台8及光学处理模块，光学处理模块设置在手持探头筒内，手持探头筒的前端与防抖载物台8相卡合实现防抖。

光学处理模块能够实现对血管32三个方向的协同扫描，如图3所示，光学处理模块包括mems振镜14、镀膜反射镜17、梯台形玻片15、双胶合消色差物镜组16、圆环形玻片18、反射镜a19及反射镜b20；mems振镜14直径2.4mm；镀膜反射镜17为圆形，直径10mm；梯台形玻片15材料为n-sf6ht；双胶合消色差透镜组16使用波段范围为1260～1360nm，介质材料n-baf10/n-sf6ht；圆环形玻片18材料为n-sf6ht，方形通孔尺寸为8*8mm；反射镜a19及反射镜b20尺寸5*5mm。

零偏压状态下的mems振镜14所处平面与入射光束成45°设置，入射光束照射到已加载偏置电压信号的mems振镜14上实现90°±6.4°范围内的偏转，扫描光束反射到下方的镀膜反射镜17，镀膜反射镜17所在平面与水平面成45°放置，入射光束经由镀膜反射镜17二次反射后沿着光轴方向通过梯台形玻片15后产生三部分光束，三部分光束进入一对双胶合消色差物镜组16后平行出射，mems振镜14中心点的镜像位置与双胶合消色物镜组16入射侧的焦点重合，三部分光束继而进入中间为方形通孔的圆环形玻片18，中路光束直接通过圆环形玻片18的方形通孔沿光轴方向传播至双胶合消色差透镜组16后焦面，中路光束扫描方向所在面与梯台形玻片15的中心对称面、圆环形玻片18的中心对称面共面，两侧光束通过圆环形玻片18后形成的成像焦面后移，与中路光束焦面形成一个阶跃式错位，达到的轴向错位距离为3mm。两侧扫描光束分别经过反射镜a19以及反射镜b20的反射后向中心轴方向偏折90°，实现三个方向的协同扫描，反射镜a19与入射光束成45°放置，反射镜b20所在平面与反射镜a19所在平面互相垂直。

如图1所示，手持探头筒包括末端控制组件3、中间手持筒5、前端探头筒7及可调锁紧环6；

末端控制组件3上设有光纤接口和转接线缆接口，末端控制组件3设置有mems振镜14与镀膜反射镜，零偏压状态下的mems振镜与入射光束成45°且与镀膜反射镜17互相平行，mems振镜14封装于11.4*11.4mm的tiny-pcb板上，最大扫描角度为±5.2°。fc/apc单模光纤跳线1与末端控制组件3尾部的光纤接口实现螺纹连接，通过光纤准直器9对进入手持探筒的中心波长为1310nm的光束准直。10pin转接线缆2通过转接线缆接口与外部bdq-picoamp的信号驱动板连接，通过输入正弦周期控制的偏置电压信号，使mems振镜14能在±3.2°的范围内线性偏转，实现mems振镜对光束扫描轨迹的实时控制，产生连续型线性扫描光束进入中间手持筒5中。

中间手持筒5内壁上对称开有径向滑槽，滑槽宽为1.2mm，滑槽内壁深度均为16mm，中间手持筒5内部设有限位压圈13、梯台形玻片15、圆环形玻片18、梯台形玻片夹具12及一对双胶合消色差透镜16；

梯台形玻片夹具12呈环形，内部孔径为楔形结构，外表面加工有与中间手持筒5滑槽相匹配的凸棱；圆环形玻片18外表面加工有与中间手持筒5滑槽相匹配的凸棱，内部孔径为方形；

如图2所示，梯台形玻片夹具12通过中间手持筒5滑槽安装在中间手持筒5内壁，梯台形玻片15固定在梯台形玻片夹具12内，梯台形玻片15通过一对双胶合消色差透镜16与圆环形玻片18配合，圆环形玻片18通过中间手持筒5滑槽安装在手持探头筒5内壁，中间手持筒5滑槽对梯台形玻片夹具12和圆环形玻片18周向限位，梯台形玻片15中心对称面与圆环形玻片18的中心对称面在同一平面上，限位压圈固定在中间手持筒5内壁，分别安装在梯台形玻片夹具12和圆环形玻片18的外侧，限位压圈对梯台形玻片夹具12和圆环形玻片18轴向限位；梯台形玻片15与双胶合消色差透镜组16表面贴合接触，同时圆环形玻片18亦与双胶合消色差透镜组16表面贴合，这种贴合式的接触一方面保证了轴向的固紧和结构的紧凑性，同时也使得装配以及操作过程中即使出现外界扰动，光学处理模块的抗干扰性也会随之增强。

如图7所示，前端探头筒7的前端呈锥形，前端对称设有贯穿端部的两个凹槽b34，两个凹槽b34的开放端位于前端探头筒7该端的端面，前端探头筒7的后端上表面加工有与中间手持筒5的前端相匹配的凹槽a30；前端探头筒7的前端内部设有反射镜a19及反射镜b20，前端开有一个5mm宽16mm深的切槽，两侧反射镜a19及反射镜b20的反射光束交汇区域也即手持探头的扫描区域即落在该切槽中间位置处，反射镜a19及反射镜b20通过卡具固定在前端探头筒7的前端设置的切槽中，并采用压紧贴合的方式将方形压圈31贴合至反射镜a19及反射镜b20上方。反射镜a19与入射光束成45°放置，反射镜b20所在平面与反射镜a19所在平面互相垂直。

优选的，如图6所示，中间手持筒5前端均匀开有四个贯穿端部的凹槽将前端划分为四部分，凹槽的开放端位于中间手持筒5该端的端面；前端探头筒7后端上表面加工的与中间手持筒5前端相匹配的凹槽a30为四个，与中间手持筒5前端被划分的四部分结构一一对应，能够限制中间手持筒5的转动，提高扫描精度。操作时，将中间手持筒5插入前端探头筒7的凹槽a30中，由于镜头存在自身固有的加工误差以及不可避免的元件定位误差，通过光学处理模块所形成扫描区域不能保证绝对的定位准确，因此通过上下滑动中间手持筒5，适宜调整其与前端探头筒7之间的相对距离，当调整到扫描轨迹所在平面落在所需位置时，通过旋转可调锁紧环6使其端面与前端探头筒7的凹槽a30端面相互顶住的时候即可实现锁死功能，这保证了扫描区域定位的准确性。

如图8所示，防抖载物台8为一直径32mm，高为10mm的圆柱形垫片结构，防抖载物台8上加工有与前端探头筒7凹槽b34相匹配的“凹”字型凸台，“凹”字型凸台上表面所在平面与水平面夹角为3°。凹槽b34的宽度与“凹”字型凸台的宽度一致，“凹”字型凸台两个上表面上加工有载物凹槽，载物凹槽断面为一渐进缓慢过渡的u形弧线槽，以适应4.5mm口径范围内的血管32，防抖载物台8“凹”字型凸台的长度方向与前端探头筒7两个凹槽b34的中心连线方向一致。

末端控制组件3左右两边各设有9个直径1mm的螺纹孔33，以实现与工作窗壳4的连接固紧。末端控制组件3与中间手持筒5之间通过一个直径2mm螺纹通孔11进行两侧铆接。中间手持筒5插入前端探头筒7后端上表面的凹槽a30同时通过可调锁紧环6与前端探头筒7实现轴向的伸缩调节，当前端探头筒7调整到合适的位置后，将血管32放置于防抖载物台8的凸台的载物凹槽内部，通过手持住中间手持筒5与防抖载物台8凸台侧壁相互卡合，实现血管32扫描位置的精准定位。

本实施例手持探头筒最大尺寸直径为25.4mm，长度为181mm，最大高度为66mm，扫描范围达到3*3mm，其中中部扫描光束的实际横向即垂直于光轴方向的扫描范围为4.5mm，两侧纵向即平行于光轴方向的扫描范围均为3mm，而中间光束在两端各冗余1.5mm的横向扫描范围则用作对3mm～4.5mm直径的血管进行扫描，因此对于4.5mm口径以内的血管进行高精度的需求均可以得到满足，正是因为侧向扫描的进行，使得我们不仅可以从传统的轴向角度观察血管断面结构，同时也可以从两边垂直于光轴的侧向观察血管的断面结构，既弥补了传统扫描方式因扫描深度不够而导致成像不清晰的缺陷，同时三个方向的实时扫描极大的提高了对血管断面结构以及血液流水检测时的效率。

进一步地，为了保证手持探头筒装配时内部光学模块光轴定位的精度，在末端控制组件3中设计了微调机构，如图4a、图4b所示，微调机构包括：弹簧栓22、强力拉簧23、微调螺丝21、粗调螺丝24、固紧压圈25、mems振镜14、万向轴连接杆26、万向轴压圈27、微调板28及工作窗壳4；

如图5a、图5b所示，微调板28所在平面与水平面呈45°，mems振镜14通过四个固紧压圈25固定在微调板28一侧，三根强力拉簧23固定在微调板28另一侧的对应孔处，万向轴连接杆26通过万向轴压圈27限位于微调板28另一侧的凹槽中，万向轴压圈27与微调板28螺纹连接，粗调螺丝24沿万向轴轴线方向与万向轴连接杆26螺纹连接，工作窗壳4通过四颗微调螺丝21与微调板28固定，通过调节微调螺丝21可对微调板28进行10°以内的平面倾斜度调节。

微调机构的装配方式按照以下顺序进行：(1)将mems振镜14用4个固紧压圈25固定在微调板28一侧；(2)将3根强力拉簧23置于微调板28对应孔处，然后从孔壁一侧插入弹簧栓22；(3)在微调板28背部凹槽放入万向轴连接杆26，通过螺纹连接旋入万向轴压圈27，使万向轴连接杆26的球状端约束于万向轴压圈27内部区域，可实现±10°范围内的扭转；(4)将3根拉簧以及万向轴连杆对准工作窗壳4的相应通孔，然后在3根拉簧另外一端插入对应的弹簧栓22；(5)沿万向轴轴线方向旋入粗调螺丝24，可实现沿垂直于mems振镜14圆心处轴线±3mm范围内的粗调；(6)在工作窗壳4上方拧入4颗微调螺丝21，在保证了粗调的位置前提下，即可通过旋转这四颗螺钉对mems振镜14所在平面进行倾斜度调节，保证了手持探头装配时的光轴定位进度。

如图9所示，为本发明实施方式提供的oct手持探头与防抖载物台8配合使用示意图。操作者手握手持探头筒，在调整好探头结构后，将其前端与防抖载物台8凸台侧壁贴合切入，当前端探头筒7与防抖载物台8相互抵住时，血管32即处于扫描的有效区域内，这时通过对mems振镜14的扫描方向进行实时调控，即可实现术中对血管32内部结构的三维扫描以及流速的实时测量。这种三向协同扫描oct手持探头不仅继承了传统手持探头单一方向扫描的功能，同时也克服了单向扫描时由于血管内部组织固有的散射和吸收特性造成成像深度不够的问题，三个视场方向的扫描弥补了单向扫描信息有限的缺点，使得医用人员获取患者血管组织信息更加具有信服力，而与防抖载物台8的相互配合，克服了医务人员操作时抖动的问题，因此，这种具有无创性、实时性、扫描精度高、扫描速度快、结构紧凑、适用血管类型众多的三向协同扫描oct手持探头的研发具有客观的价值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。