具有高观察质量的体内观察设备的制作方法

专利名称：具有高观察质量的体内观察设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个用于对诸如活体或人造物体的内部进行观察的设备，该设备包括一个用来将图象从体内传输到体外的显示装置的可挠曲导管。该导管的可挠曲性使其可以行经体内的一部分而将体内的被观察区域与体外的观察控制面板联系起来。
该导管必须足够柔软以使其穿入体内诸部位，这些部位可能是特别曲折的。
通常该导管还须具有充分的刚度，以在体外对导管施力来导引导管的检测端。
在许多这类设备中，为了使导管接近光子从物体外面不能直接辐照到的体内观察区域，都要在导管的照明端上邻近该物体的地方来操纵该导管。
因此这些设备通常便构成为一些装置，这些装置用于对不可接近进行直接观察的区域进行检测。
如果被观察的物体是一个活的生物体，这种设备一般便称为内窥镜。
已知的内窥镜通常是建立在这样的原则上，即对一个区域以多色或单色光进行整体照明。光线通过一个照明通道传入，而可见信息则通过另一个通道传出。
这种内窥镜的观察装置是一个摄影敏感表面或一个电荷耦合器件(CCD)摄影机。因此要求有一个高的照明度。
它们的工作照明度基本上取决于图象承载系统的光学分辨率及光学系统的品质。它们所进行的观察不具有足够的深度方向的分辨率也得不到可接受的对比度，特别是在漫射的环境中。
另外，这些设备不能在一个有限的空间内同时具有一个大的视野和一个宽的数值口径。
在文件US 5,074,642中提出了一种内窥镜。该内窥镜包括一捆光纤，这捆光纤的朝观察者的一端对着一个光源而且对着该光源摆动，于是各条光纤便被光源扫描而实现对物体的一个区域的扫描。
这种设备只能以很低的速度对光纤进行扫描，特别是对于想要得到实时的视频图象来说这样的速度是太低了。
在显微镜领域中曾提到过一种称作“共焦点显微镜“的装置。这种装置不能用来进行内窥镜检测。共焦点显微镜是用来进行各种显微镜检测的，诸如透射照明条件下的断面检测、背后照明条件下的直接解剖学检测、或是以诸如荧光素、吲哚菁绿或吖啶橙等染色辅助的研究。
使用某些现代试验系统，诸如大脑路径(cerebral pathways)的功能活性研究或血管壁状态评估这样的功能性研究也是可能进行的了。但是，作为例子，大脑神经活性的观察，由于需要进行有关颅骨顶部部分切除术以安装一个用于观察的共焦点显微镜，因此这种观察只能在动物身上进行。
本发明的一个目的为提供一个用于观看诸如活的活体等物体内部的设备。该设备包括一个体内照明装置，一个图象显示装置，以及一个用来行经体内的一个区域并将图象从体内传输到显示装置的可挠曲导管。该设备能提供一个特别清楚的体内观察区域图象(用共焦点技术或基于干涉度量学的技术)。
本发明的另一个目的为提供一个内窥镜型的设备，该设备即使在观察部位为漫射介质的情况下仍具有可接受的深度分辨率及对比度。
本发明的另一个目的为提供一个具有高光子灵敏度的内窥镜。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备可以三维地并现时地将由于组织的反射造成的寄生照射通量分离出来。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备对被检测组织介质的上面一层及底下一层漫射介质的反射进行限制。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备可以消除与所安装的光学零件有关的反射。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备通过将光学装置放在与被检测表面或组织相接触或离开仅几微米处，而可以以宽散射角(wide-aperture)探查光束来形成图象。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备可以承受安装中可能产生的振动并且不需要特别的维护或调整。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备具有一群小直径的光纤因而可以提供足够的分辨率。
本发明的另一个目的为提供一个观看设备，该设备邻近被检测物体的部分上不存在任何在强磁场中可能毁坏或被吸引的电子或机械零件，因此该设备可以和磁共振观察设备配合使用。
本发明的另一个目的为提供一个设备，该设备可以对光学纤维进行特别快速的扫描。
使用如下的观察物体内部的设备可以达到以上各目标，该设备包括一个图象显示装置，一个并排地集束在一起的光纤群，及一个照明装置。所述光纤群的两端具有相同的光纤排列次序而成为一个图象传导装置，该光纤群用来穿过体内的一部分以将图象从体内传输到显示装置。所述照明装置位于光纤群的远离被检测物体的一端上，其用途为对所述光纤群的各条光纤进行扫描，其特征为该照明装置包括一些装置，这些装置对每条照明光束赋予相继的角偏转值并将所得到的角扫描转换成相对于光纤群进口端的主轴来说是横向扫描的装置，其中对光纤进行扫描的装置位于光纤群之外。
通过下面的详细叙述及附图，本发明的其它的特征、目标及优点将变得更清楚。其中

图1为符合本发明的设备的一个实施例的总的功能单元图；图2为符合图1所示原理图的一个内窥镜的详图。
图1及2所示设备具有八个主要部分光源装置100、扫描装置200、图象传输模块300、前光学装置400、后光学装置500、空间过滤装置600、光—电信号转换装置700、及电子设备800。
光源装置100以一个小功率激光源110及一个可见光源115来产生光线。可以以可见光波长或红外波长的激光束来进行照明。
这两个光源的发射方向互相垂直，分色镜120放在与可见光发射方向成45°的位置上以将可见光的方向偏转为与激光光源110的发射方向平行。该分色镜120选择为对激光光源110发射的射线没有偏转作用。这两个光源可以是氙弧灯类型的，也可选为白炽光源。
所使用的光源的配置及特性的选择取决于其用途的类型。短的波长和红外辐射可以对应地用来激发荧光素和吲哚菁绿。红外光束还有可能用来观察深层组织，而可见光则可清楚地揭示近表层的情况。
各种光源的强度的选择应符合与生物组织破坏有关的安全规定，具体地说即AFNOR标准C43-801，1992及ANSI标准Z136.1，1993。
这里所述的光源设备允许将激光及可见光相混，并对每种光源的射束功率进行调整。在两个光源110、115的前面各设有一个受电子或光学器件控制的调制器，这使其可以产生光脉冲串以对反射通量进行同步检测而消除反射，这一点下面还要叙述。脉冲串可以通过照明装置及检测装置的方向控制来生成。
在图2所述的具体例子中，是用红外线来对组织进行照明的。照明通量由一个红外激光二极管生成，波长约为800纳米。
更一般地说，光源装置100可包括一个或多个激光光源和/或不相干的单色光源和/或不相干的多色光源。在光源装置下游的发射光的光路上，设有扫描装置200，该装置构成了光源100所发射光线的偏转器。
在该扫描装置的下游安置了一个透镜L4，随后就是一群易挠曲的互相平行的光纤300。光纤群300或图象传导装置的邻近透镜L4的一端是一个与透镜L4平行的平面。
扫描装置200是由光学元件制成。在本实施例中该元件是光—声光学元件。在本发明的一个方案中，该元件可以是光—机械元件。
扫描装置200和透镜L4组件的作用是使光源100所发射的光束在水平和垂直两个方向上发生偏移，以对光导纤维图象传导装置300的进口截面进行扫描。
所以，扫描装置200使来自光源100的照明光束产生相继的角度偏转。此角度偏转由透镜L4转变成对准光纤图象传导装置300进口截面的横向偏移，从而使该光束相继地对光纤群300的各条光纤进行照明。这样，每一条光纤与扫描模块200出口处照明光束的一个，仅只一个，偏转角相对应。
偏转以后的各条光束被透镜L4重新定向，成为相对于图象传导装置300的入口主轴来说具有恒定方向的光束，在本实施例中，就是大致平行于图象传导装置300入口主轴的光束。
这样的一条根据选定的方向重新定向的光束，其方向大致恒定并且可能与光纤群入口主轴平行也可能不平行。这样的一条光束在扫描轨迹上具有一个相对于光纤群入口主轴的位置，该位置与传导装置光纤群中的一条选定的光纤相对应。
这样，我们便在透镜L4下游处实现了相对于传导装置入口轴来说是横向的扫描，使具有恒定方向(在本场合下为平行于入口轴的方向)的光束产生横向位移。
这样的横向扫描是利用透镜L4的作用在上游的角度扫描的基础上来获得的，而所述的角度扫描是用只占很小空间的装置非常快速地实现的。
也可以用一个显微镜物镜类型的光学组件来将射线重新定向到恒定的方向。于是，通过扫描装置200及透镜L4的交互作用，我们得到了一个能在图象传导装置300的输入接口平面上形成一个焦点的光学系统。
透镜L4可以将照明光束的角度扫描转变成平移扫描，使光束可以以与横断面垂直的恒定角度射到光纤上。
因此，光纤便以这样的方式在时间进程中被寻址，即在一个给定的瞬时，有一条或一组光纤将照明通量传输到光纤图象传导装置的另一端。
更确切地说，在本实施例中，来自光源100的准直光束被一个光—机械器件扫描装置200使其在X及Y方向上发生偏移。该光—机械器件包括一个伺服控制检流计和一个谐振频率为8千赫的振子。透镜L4的焦距为2.8毫米。
在多色照明的情况下，光的偏转必须依靠光—机械系统来实现。当使用激光光束或单色不相干光源来照明时，光的偏转也可以通过一个二维的光—声偏转器来实现，该偏转器放在合适的位置上以保证光导纤维图象传导装置的输入接口平面整个地得到扫描。
如果使用的光源是单色不相干性的，可以通过一个二维的光—声偏转器或两个一维的光—声偏转器来实现光束的偏转。这样的器件其优点是没有运动的机械零件。光—声偏转器对波长是敏感的，因此对每一种波长最好都提供一个偏转器。
如果使用的是光—机械偏转器，实现水平偏转的装置可以是光—机械的谐振镜，或是一个装有多面镜的旋转的电机，或是一个检流计镜子；实现垂直偏转的装置可以是一个具有心轴的检流计，心轴上带有一个镜子。
这样，此装置便可以在光纤图象传导装置300的输入接口平面上形成一个光源图象，该光源图象的直径小于或等于一条光纤横截面的直径。
由光源、装置200、及透镜L4组成的组件可以用一个有源的光发射阵列(photo-emitting active matrix)来替代。这种阵列可以是受电或光的序列控制的。在某些方案中，光源装置100可以直接耦合到光导纤维图象传导装置上(特别是在治疗性激光的情况下)。
图象传导装置300是用一群光纤制成的。在光纤群的输入及输出接口上，光纤以相同的次序排列。在光纤群的中段，光纤也以和图象传导装置两端相同的构造排列。
因此，作用在光纤群观察者一端上的扫描以相同的横向路径出现在光纤群被测物一端的光纤上。
由于光是从观察者一端的有序的光纤群上按扫描路径的次序取得的，因此光的采集扫描的横向路径和对观察区域的扫描路径是相同的。
位于光纤群的观察者一端上的照明装置和光采集装置分别对光纤群的该端头进行照明和从该端头上采光，这就象对物体的被检测区域照明并从该区域采光一样。所以说，由于光纤群的有序性，被检测物体的图象便被传输到传导装置的观察者一端。图象上的每一点，亦即每一条光纤在传导装置的输入及输出的图象上具有相同的位置。
在先前技术所提供的观察设备中，一般仅使用一种光纤组件，即使撇开光学放大不论，这种光纤组件的象场面与光纤束的横截面并不完全对应。
在本实施例中，撇开位于被检测组织和光纤图象传导装置的输出界面之间的光学系统的光学放大不论，光纤图象传导装置输出界面的范围等于观察视野或被检测组织图象的范围。
在本实施例中，图象传导装置由，例如10，000条光纤排列成每边100条光纤的正方形光纤群组成。一个具有例如800×600条或更多光纤的图象传导装置也是可能制成的。
更确切地说，光纤图象传导装置是用100×100条邻接的光纤制成，光纤的直径为4.5微米，数值口径为0.35。在本实施例中，光纤图象传导装置的长度为10米。图象传导装置的最小长度推荐为2米，以避免在光纤的输出端出现影锥效应。
光纤指向被观察物体的一端布置在透镜L3的焦平面上，该透镜属于前光学装置400。
前光学装置400包括光纤图象传导装置的出口端以及沿着光路次序朝被观察物体方向相继分布的第一透镜L3、第二透镜L2、平面LM1、及透镜L1。
图象传导装置的出口端安装在前光学装置400上。该光学装置最好是可以相对于该传导装置输出界面而运动的。
如上面已经描述的那样，装置200对光纤群的光学扫描效应是相继地对装置300的每条光纤进行照明。所以每条光纤的出口端也将在一个给定的瞬间成为一个二次光源，并且该光源等速地从一条光纤移到另一条光纤。
由于这些二次光源位于透镜L3的焦平面上，二次光源的横向移动便被透镜L3转换成为角度偏转。透镜L2和L3有一个位于二者之间的共同的焦点，这样，透镜L3输出的角度偏转又重新被透镜L2转换成为横向偏移。
该光束随后被透镜L1偏转到另一个光束上面，该光束聚焦在透镜L2焦平面的共轭平面的一个点上。透镜L1将照明光束聚焦到被观察物体面上。随着光纤群的各个光纤相继地被照明，输出光束的聚焦点便行经被观察物体的一个照明面。被照明物体上各点反射出来的光通量，通过透镜L1、L2及L3在照明光纤上形成一个点图象。因此，每条光纤都相继地起一个空间滤波器的作用。
所以，装置400的作用是使不同的聚焦点位置和光纤群300的不同光纤相对应。此对应关系为随着照明装置对诸光纤进行了扫描，聚焦点便对被观察区域进行了扫描。
在本实施例的具体例子中，透镜L3的焦距为2.8毫米。透镜L3使来自光纤的光束成为准直光束，并且将照明光束从一条光纤到另一条光纤的平移扫描转变成角度扫描，该角度扫描的转动中心位于L2—L3远焦系统的焦平面上。透镜L2及L3的焦距经过计算，使得被观察组织可以被一个2微米级的照明光点以10°×10°的观察范围进行扫描。调整光纤端头到透镜L3之间的距离便可将观察平面聚焦到所需观察的组织平面上。
调整由三个透镜L1、L2、及L3或某些特殊透镜制成的器件的位置，可以更大范围地改变组织的共焦点照明平面的位置。光纤的口径和光学装置400诸透镜各自的焦距，决定了照明光束的口径和组织被检测范围的大小。所以装置400相对于图象传输系统是可移动的并且是可互换的。
在光纤群的邻近物体的一端，在透镜L1和L2之间设有一个平板LM1。平板LM1是一块45°安放的反射板，该反射板对到达装置400的一个系列波长的射线横向地进行反射，以进行组织截面的横向观察。透镜L1可以是一个镜片组，以扩大由透镜L3和L2或镜片组组成的透镜组件所给出的视野。平板LM1使得使用者可以同时以各自的视野和放大率来进行轴向和横向观察。
最好选用对色差敏感的平板LM1，并且平板LM1最好是可以根据用途和所述横向观察使用的波长而更换的。
使用这样的器件，就可能同时进行轴向和横向的观察。
在一个优选的设备中，平板LM1以45°角来反射红外波长及可见波长的射线而允许光谱上其它波长的射线沿着装置400的轴线朝着图象传导装置通过装置400。
平板LM1以45°角来反射红外波长(830纳米、800纳米)以及一个或多个可见波长(例如680纳米、514纳米、447纳米)，而允许其它波长通过。所以平板LM1使使用者可以以小视野高清晰度来横向地观察图象而以大视野低清晰度来轴向地观察图象。
于是，该设备中的一个图象显示装置可以用来观察一般区域而另一个显示装置则可提供一个局部区域的共焦点显微镜图象，该局部区域可能包含在该一般区域内也可能不包含在内。
这两个图象显示器还可以同时提供一个高倍图象及一个低倍图象。
以上所述的配置允许对被检测组织不同的平面进行聚焦。照明平面和观察平面是组织的共焦点观察平面，该平面的位置的调整是通过以下两个途径中的任何一个来达到的一个途径为改变光纤图象传导装置300的出口界面亦即位于被检测物体一端的界面相对于光学装置400的位置，该装置400在本配置中是固定式的并位于组织的前面；另一个途径为按当前的技术水平来调整透镜L1、L2、及L3组件以改变被检测物体内的聚焦平面而同时保持检测视野不变。
上述的第二个途径允许在既不改变对组织的检测视野又不改变数值口径的情况下以断层照相术来实施检测。独立地改变图象传导装置出口界面亦即下面将要叙述的过滤元件的直径意味着可以独立地选择被检测物体的检测位置及组织截面的深度。
所以，位于图象传导装置的被观察物体一侧端头的光学截面对组织的微小表面提供照明。被该微小面积的组织反射的短时存在的光通量遵循照明通量的路径逆向行进。于是，短时存在的被受照明的微小表面反射及背向散射的射线依次地通过透镜L1、平板LM1、透镜L2、透镜L3、以及该短暂瞬间中受到照明的光纤群光纤系统，然后再通过此时为稳定不动的光—机械扫描装置200。
然后，观察光束便到达一个45°角安装的二色性平板LM2。该平板LM2位于偏转器200和光源100之间的照明光束及观察光束混合的路径中。平板LM2选为允许来自光源100的照明通量通向光纤而将来自光纤的观察通量反射90°。
平板LM2放在光纤的观察者端一侧是为了将照明光束和被检测组织背向散射的光线分离开。根据本发明的一个有优势的方案，平板LM2是一个其特性是波长的函数的分色板。就象前面已叙述过的平板LM1一样，平板LM2可以用一个能将传播方向相反的射线分离开的棱镜或立方镜来替代。
将照明及检测光束的轨迹分离开的最简单的器件是由对组织发射通量有效的平板LM2构成。然后其它器件，只要能够将照明通量从组织背向散射通量中分离出来，都可以用来替代所述平板LM2。于是，在荧光性图象的情况下，便可以在检测轨迹中插入一个干涉过滤器。也有可能使用一种偏振照明光源及一个偏振光分离器件来作为分离装置。这种装置可以用来研究组织的自身荧光或来自固定和/或循环在组织中的染料的荧光放射，这种荧光放射是用波长经过合适选定的照明光来激发的。
然后，观察通量便通过透镜L5聚焦到一个选择性的空间过滤器600上。在选择性空间过滤器之后，感光元件700接受行经空间过滤器600后的光通量，在本实施例中该过滤器是一个空间过滤孔。于是，组织的各个被照明微小表面通过由透镜L1、L2、L3、L4及L5形成的光学系统与空间过滤元件共轭，并随之成象。
在本实施例中过滤装置600是由一个处于衍射或稍为更严的边界范围内的空间过滤孔构成。过滤装置600的作用为消除来自照明光纤维四周的其它光纤放射的寄生光。空间过滤孔的直径是根据光学系统的特征及图象传导装置光纤的直径按照这样的途径来确定，亦即只有来自这样的光纤的光线才给于分析，该光纤对组织进行照明并接受来自组织的通量。如上面已叙述过，过滤孔的位置是放在被检测组织的共轭或共焦点平面上。
于是，该空间过滤器件位于光纤传导装置的邻近分离器LM2一端的共轭图象平面中。该过滤器件的特性为消除寄生的反射光，并与检测器一侧的光纤端头相偶合。此过滤器使设备可以从诸光纤中挑选出当前的照明光纤。此过滤器放置在检测器前的组织共轭平面上，该检测器是打算形成组织图象的。
在本实施例中，感受器700是一个光电倍增器型的光感受器，该感受器与组织的被观察点光学共轭。此感受器也可以是一个雪崩光电二极管或其它任何可测量光通量的检测装置。此光电接受装置也可以由一个或多个具有放大或冷却作用的感受器制成，这使其可以给出一个电子图象。
如果系统中包括一个色过滤器件，那么便有可能装备几个平行的光检测器来产生不同照明波长形成的组织图象。光检测器各个点上的可数级次的数目取决于到达检测器的最大通量与寄生通量之比。在空间过滤器600和光检测器700之间设有一个45°安放的平板LM3。该平板LM3将被观察物体背向散射并被平板LM1拾取的光通量反射到第二光检测器上，并同时允许来自轴向观察的其它射线通过并传向轴向光检测器700。
在光检测器700之后设有一个可对所接受的信号进行处理并输出一个电信号的电子装置800。该电信号可以控制一个显象发送器和/或一个视频记录器和/或供一个微机进行处理。此结构10使其可以给出组织的光学截面的一个有尺度的图象。
将不同深度的截面数值化并储存起来便可重建出一个所研究的组织或工业产品表面的三维图象。
于是，光检测器700、装置800和显示监视器一起组成了一个用来显示物体内部图象的组件，其中光检测器700构成一个可将光信号转换成一个电信号的光—电接受装置。
因此可以理解为使用上述设备，被照明表面就相当于被观察图象中的一个点。通过相继地对光纤群300的诸光纤进行寻址便可实现该微小被照明表面的移动。这就是这些不同通量测量值的并置，借此可以重建图象。
为了做到这一点，设备包括了能够记录扫描过程中来自物体各个被照明部分的光信息的装置，以及能够在该光信息的基础上记录有关各个被照明部分在扫描区域中的位置信息的装置。利用这两套数据便可重建图象。
上述设备包括有一个选择性空间过滤器600。然而，这种设备中的主过滤元件却是光纤图象传导装置300的被检测组织一端所提供的共焦点过滤来提供的。
事实上，图象传导装置300的每一条光纤的被检测组织一端都提供了一个过滤光瞳。所以，传导装置的在t瞬时被照明的光纤末端便形成了一个共焦点过滤。这样的器件可称为“共焦点或共轭过滤器件”。将过滤光瞳的直径减到比光纤的直径更小，这使其可以消除来自邻近光纤的寄生反射。
为了进一步的改善过滤作用，改进对组织所发射出的微小通量(纳瓦级)的检测，要消除来自光纤图象传导装置两端的反射。
为此，将组织一侧的光纤端头切割或打磨出一个角度并但同时具有垂直于光纤轴的平面。这样做便足以消除反射了，这便是所谓的“泄漏”(leaky)模式。
更一般的是，将被检测物体一侧的光纤端头切割或打磨成与光纤的出口轴不相垂直的端面。
此外，在照明通量注入一侧的端头处，使用光脉冲串来作为光源100的光激励。
本发明使用了一个光—机械扫描装置，这使其可以对内窥镜图象传导装置的各条光纤进行依次的寻址。对各条光纤的依次寻址便可实现图象的共焦点空间过滤，这就可获得共焦点显微镜型的对深度的分辨能力。
由于器件是共焦点的，也就是说照明光点是光源和检测器的光学共轭点，因此该检测器便回收由受到瞬时照明的该点所反射及背向散射的射线，并且从该点周围组织所散射的其它射线中识别出来自该点的射线。
由模块400、图象传导装置300及偏转器200所形成的组件具有一个由透镜L1所形成的光学接受输入元件，该透镜经过调整使得到达该透镜上的射线中只有直接来自光集中点的回程射线才能传向图象显示装置。
因此模块400将来自区域中被照明部分的光线导引到该照明光纤的物体一侧的端头上，所以回程光纤和照明光纤是同一条光纤。
在上述过滤作用中，是用光学装置将照明光点和测光感受器光学地共轭起来的，但是在本发明的范围内也可以使用某些其它的装置来实现所述的过滤作用。
此外，由于可以在漫射环境中选择观察平面，亦即可以选择从上面提取信号的平面，这就可以对被检测物体的一个部分生成一个三维图象。
在本实施例中，要对发射元件100进行控制。根据本发明的一个方案，展望提出了一个对照明及检测元件实施光—声或电—光模块型的或直接控制的光学端口。
根据本发明的一个方案，照明装置实际上包括一个脉冲串光源，而图象显示装置包括一个用来对来自物体的射线进行检测的装置，该装置可以按与光脉冲发射相适应的时间方式对这些射线进行时间性选择。
由于使用一种光脉冲串来进行激励，对反射通量同步地进行了分析，分析中考虑了射线沿着光路的渡越时间，亦即射线“周游”光学装置、图象传导装置和组织所需的时间。
在反射信号中仅对与光源100照明发射几乎同时到达光检测器700的信号进行与该照明发射相关的分析。
发射与接受之间的延时指令是由一个电子控制器件来提供的。照明脉冲的延续时间对各种长度的图象传导装置及各种类型的光学器件都要进行校准计算并进行调整。任何来自不符合要求的光学端口的残存通量都用一个位于发射装置和接受装置之间的偏振器件来消除。
在上面引证的方案中，由于设有受控制装置800控制的光学和/或电子的端口器件，使其可以对反射通量实施同步检测。因此寄生的反射射线是得不到处理的。
控制装置800最好包括一个生成所有事件的序列并对所有信号进行处理的部件，这些信号包括感受器所发出的信号、照明通量的各个调制元件可能发出的信号以及接收放大系数控制元件所发出的信号。
此钟控装置对同步检测端口进行控制，其目的为将各光纤的扫描及光在光源和通量分析器之间的传输时间考虑进去。
更确切地说，在本优选方案中，控制模块800将偏转器200如上所述那样相继地定位在与光纤群300的不同光纤相对应的各自位置上。
对于偏转器的每一个位置，偏转器都将照明光束偏转到透镜L4上，致使该光束在与一条选定的光纤相对的地方离开该透镜并对准这一条光纤。
光束通过光纤后便照射到被观察物体上。该光束在被组织背向散射并反向地通过相同的光纤后便以与照明光束相同的角度重新出现在该相同的光纤上，该光束又渡越与照明光束相同的路径通过透镜L4及偏转器200并随后被引导到过滤孔600。
对于每一个这样的位置，偏转器200将照明光束引导到一条选定的光纤上然后又在不改变该位置的情况下对回程光束重新定心和定向。
根据一个优选的方案，显示在电视屏幕上的图象的每一个像素都使用一条光纤，而偏转器与电视屏幕扫描装置同步地进行扫描。
换一种说法，偏转器200将光束保持在一条光纤上的时间区间取决于电视屏幕像素的宽度。
此时间区间最好是分成两个独立的没有任何重叠的半区间。这两个半区间分别对应于第一阶段即光源对物体进行照明阶段和第二阶段即光检测器700接收来自物体的背向散射光阶段。
为了合理地使用这两个阶段，使得在这两个阶段中既不存在光的交叉干扰又不存在光纤中没有光线通过的时段，光纤的长度要经过选择，要使得光周游一周的延续时间等于偏转器定位在该光纤上的延续时间的一半。
这样，在周游了一周以后，背向散射光开始到达偏转器200上，这相当于偏转器200定位时段中第一阶段结束的时刻，照明光束在这一瞬时停止。
该瞬时位于偏转器200定位时段的一半处，在这一瞬间，照明光束消失而回程光束出现在偏转器上。
这样，我们就避免了出现在光纤的邻近偏转器一侧端头上的光线交叉，这种光线交叉会引起强烈的寄生光。同时，我们又从偏转器200的总定位时间上得到好处，因为紧靠偏转器的那一段光纤任何时刻都得到利用，不是朝前方向的光束正在通过就是朝后方向的光束正在通过。
对应于现有电视屏幕的像素宽度，所述光纤长度为10米数量级。
因此，所使用的光纤长度大大的超过根据观察物体尺寸所确定的范围。所以将光纤绕成盘状以占据更小的空间。
根据本发明的一个方案，我们展望使用一种如干涉仪器件或光谱仪器件的光学外差器件。
所有上述的这些器件使其所得到的反射通量有可能达到光学系统各个表面所发射的寄生通量的1/106数量级。
在该设备的一个特殊的方案中，当反射通量小于1纳瓦时，有一个装有距离可调的镜子的光纤支路可以在干涉仪原理的基础上提供光学外差放大作用。
上述器件使设备可以以20°×20°的角度来探测组织并以10°的角度来显示共焦点显微镜光学截面。研究人员可以在进行该共焦点显微镜光学截面观察的同时进行宽范围的轴向观察以确定方向。
宽范围检测是通过由透镜L3、L1及L5组成的装置来实现的，该装置按照技术规则而具有一个位于透镜L5的象平面上的大小为2到3厘米数量级的图象。透镜L5将光通量聚焦在检测器上。所述宽范围检测相当于40°的视界。图象的可分辨点数为100×100，整个图象每秒更新25次。所以说，这里使用了一种所谓“飞点”技术。
对于一个覆盖范围为400微米的100×100点的组织图象，其分辨率为4微米。
照明和观察使用同一条光纤带来很多好处。
与已知的设备相比，不遵循照明光瞳与观察光瞳分离的原则实际上意味着有可能使用大数值口径的光瞳。这样的配置有可能得到很好的图象分辨率，这种情况下图象分辨率完全取决于所使用的传导装置的质量。传导装置的质量依赖于其具体性能，特别是其光纤直径。
组织的照明和反射通量的分析使用同一条光纤，使得光源光点和反射通量的空间过滤点可以共轭起来。二者的共轭取决于使用相同的光学元件，具体地说就是相同的出口透镜特别是相同的光纤。二者的共轭不需要进行光源光点或照明光点以及空间过滤点或观察点的调整而总能保证。
更普遍地说，光纤的使用可以将照明装置100、扫描装置200和检测装置600、700、800布置在远处而同时仍可进行“飞点”型的逐点模式的分析。
光纤的使用使得观察视野、数值口径和观察平面的Z轴方向的位置亦即深度方向的位置，三者之间可以相互独立。
照明光束调制器件、可进行同步检测的光纤反射及扫描器件也都可放在远处。电子控制设备及各种庞大的光学部件也远离被检测组织。此外，位于被检测组织前面的零件都是体积很小的(几个立方毫米到几个立方厘米)。
所以，使用光纤图象传导装置的好处之一是可以将光源和实施照明及观察区域的二维扫描的偏转器搬走。这就使得位于组织前面的各个器件可以小型化并可以使用在所有部位上。
无论对于什么观察区域都使用相同的图象传导装置系统，这可以保持观察平面的聚焦特性不变。
体现在这个设备上的本发明的特征之一为可以用一个大的视野进行图象的轴向观察，而同时可以用一个小视野及高分辨率来进行横向观察。虽然轴向观察用的是一个波长但共焦点显微镜截面观察用的是另一个波长。所以，可以将轴向图象和共焦点显微镜截面同时显示在两个不同的屏幕上。
所以两个光学器件复合在一起而可给出一个宏观的轴向图象和一个微观的横向图象。
本发明的好处之一是由于使用了光纤，可以通过选择光纤的材料和机械加工方式来影响其数值口径，而位于组织前面的透镜的焦距则决定其视野。
通过改变光纤的数值口径和/或照明光束的界限直径，便可以改变光学系统的口径从而改变其空间分辨率。更进一步说，改变光纤的直径便可以改变光学截面的厚度，而不一定非要保持相同的放大率。
上面我们已经描述了一个设备，该设备的性能至少等同于常规设备，而由于其用于照明的图象传导组件和用于组织反射分析的图象传导组件是合一的，所以其总体尺寸大大地减小了。
当然，本发明的范围不限于上面已描述的那些例子。
根据本发明的一个小型化的方案，所需的光学路径是通过光纤束的折迭而实现的。所造成的损耗通过在AFNOR及ANSI标准规定范围内增加光源的功率来补偿。
此外，上面描述的本发明的实施例是设计用于对生物组织的检测的。使用符合本发明的设备也可以对任何其它表面进行研究，值得注意的是对工业设备进行实时的研究。所以，本发明涉及制成品和活体组织检测两个领域，或者甚至涉及对矿物内部的研究。
本发明不限于应用在医学及生物学中而是打算应用在任何类型的研究中，特别是在工业领域中，例如污染环境下的和/或不可直接接触进行观察的管道或涡轮机的检测，以及更一般地说为可应用于对人类有害的环境中，更一般地说为可应用于任何其它表面。
根据本发明，所有可以或可能被磁场吸引的的电子和机械元件或更一般地说为所有的元件，都放置在传导装置的与患者相反的一端，这一点是很有利的。
用来与组织相接触的材料都是经过选择而不会对磁场形成干扰的。由于患者附近的部件都不会被磁场吸引而可以放在磁共振成像(MRI)观察设备下。因此内窥镜和MRI可以同时进行操作，联合进行观察。
此设备可以对组织进行远距离的观察，几米长的图象传导装置使其可以在同时进行核磁共振研究的情况下进行内窥镜的共焦点显微镜成像。
在本发明的优选实施例中，操作者用另外一种诸如光致凝结激光器那样的仪器来接近组织而同时使用图象传导装置300。
在该实施例中，光源装置100可以按照指令向组织(更一般地说是向被观察物体的构成物质)发出一个特殊的能量束来实施一种处理或转变，在该实施例中这种转变是光致凝结。当设备是用于一个活体时，这种处理也可能是光化裂解，或更一般地说是光子治疗处理。
电子控制模块800包括一个光纤选择模块。该模块的用途为根据偏转器200的位置来控制光源装置100。
使用者可以在显示屏幕所显示的图象范围内指定一个窗口或区域，这个区域是他希望实施处理的。
由于所显示的图象与光纤群300的所有光纤相对应，使用者指定的区域便对应于一个光纤子群，该光纤子群是选择模块根据使用者给出的指示自动地推断得出的。
控制装置800考虑到这些选定光纤的坐标，根据偏转器200在正常扫描路径中所处的位置，按如下方法来操作光源装置100当偏转器200对准其中一条选定光纤时，光源装置100发射出一股特殊的能量束，在本实施例中是一股治疗性的激光束；当偏转器对准非选定的光纤时，光源装置100仅发射出普通的照明光束。
根据本实施例，光源装置100包括两个发射器110及115，发射器110是用于治疗的(例如激光器)而另一个发射器115用于普通的照明，模块800根据被照明光纤的不同来启动这个或那个发射器。
根据本发明的一个方案，使用了单个的发射器，该发射器可以根据被照明光纤的不同随着指令发射出或大或小功率的射束，射束是否具有处理作用取决于它的功率。
上述设备还使用了一个根据偏转器200的位置同步地对光探测器700所提供的电信号进行加工的模块，探测器700是受模块800控制的。所述信号加工模块对所接收的来自选定光纤的射束施加以特殊的加工并对所接收的来自处理部位射束的最高强度进行校正。
于是，处理光线也被用来作为背向散射后便要对其进行分析的照明光线。
所以，这里每次都用了同一条光纤来同时递送处理光线、照明光线及返回的观察光线。
根据本发明的一个方案，使用了各种光纤来递送观察光束和处理光束。
这里，同一条光纤既被用来进行观察又被用来进行处理，而该处理可以是治疗性的处理。
根据本发明的另一个方案，同一条光纤上还携带了一个输向光谱分析装置的信号，该装置的目的为，例如进行诊断。于是，在一个兼有这三种功能的设备中，在同一条光纤上携带了用于三个目的的三种信号观察、诊断及处理。
权利要求
1.一种用于对体内进行观察的设备，该设备包括一个图象显示装置(600、700、800)；一群并排地聚集在一起的光纤，该光纤群(300)的用于行经体内以将一个图象从体内传输到显示装置(600，700，800)；位于诸光纤远离物体一侧端头其用途为对光纤群(300)的诸光纤进行扫描的照明装置(110、115、200)，其特征为该照明装置(110、115、200)包括将许多角度偏转相继地施加给一条照明射束的装置；将所得到的角度偏转转换成相对于光纤群(300)的进口主轴来说是横向扫描的装置，其中对诸光纤进行扫描的装置(200)位于光纤群(300)之外；并且其中的光纤群(300)形成了图象传导装置(300)，该传导装置(300)两个端头处的纤维按相同的次序排列。
2.如权利要求1的设备，其特征为每一条被照明的光纤也被用来传输一个回程射束，该回程射束源於体内的这样一个区域，该区域被该光纤所传输的照明射束所照明；以及其中向照明射束施加相继的角度偏转的装置(200)还被用来抵销来自相同光纤的回程射束的相同角度偏转(200)。
3.如权利要求2的设备，其特征为该设备还包括一个过滤装置(600)，该装置包括一个过滤孔，该过滤孔位于图象传导装置端头的共轭平面上。
4.如权利要求2或3的设备，其特征为与每个相继的角度偏转相对应的光纤(300)具有这样一个长度，光线通过该长度的光纤(300)所需的时间等于照明装置保持所述角度偏转的持续时间的一半；并且照明装置(110、115、200)在该持续时间的前一半时段内对光纤进行照明。
5.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为该设备包括两个图象显示装置，其中一个显示装置适于显示一个总的区域图象而另一个则适于显示一个更为有限的区域的显微镜图象；并且该设备还包括装置(LM1、LM2)以在同一个时间里将这两个图象显示在这两个图象显示装置上。
6.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为照明装置以这样的一种光线来照射光纤(300)，这种光线会使体内的构成材料发生转变。
7.如权利要求6的设备，其特征为图象显示装置(600、700、800)包括这样一种装置，该装置使得使用者可以在所显示的图象上选择一个想要进行处理的区域，而该装置会将所指定的区域转换成为一些光纤的坐标，以命令照明装置(110、115、200)根据这些坐标以所述会使体内的构成材料发生转变的光线来照射这些光纤。
8.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为该设备包括装置(110、115、200、300、400)，用于在体内的被扫描区提供一个照明光线的集中点。
9.如前述权利要求的设备，其特征为该设备包括用来调整光线集中点的深度方向位置的装置；该设备还包括用来存储所接收的各种深度的图象的装置，用于提供物体的所观察部位的三维图象。
10.如权利要求8和9组合的设备，其特征为用来使光线集中的装置(400)位于图象传导装置体侧的端头处，并且其中用来调整光线集中点的深度方向位置的装置是由这样一种装置来构成的，该装置对光线集中装置和图象传导装置之间的距离进行调整。
11.如权利要求8的设备，其特征为该设备包括具有一个光的接入口(L1)的装置(L1、L2、L3、300、200)，该装置能够仅仅将这样的信号传输给图象显示装置(600、700、800)，该信号仅是从往来于光集中点和光的接入口(L1)之间的直接光线得到的。
12.如权利要求8及前述权利要求的设备，其特征为光线集中装置和位于接入口(400)处的所述装置是由同一个模块(400)形成的，照明射束和回程射束在此模块(400)内具有相同的路径。
13.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为相继地对光纤进行照明的装置(200)一次对一条光纤进行照明。
14.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为该设备包括装置(800)，该装置(800)的用途为在扫描进程中记录来自物体被照明部分的发光信息，并在这些发光信息的基础上记录该被照明部分在被扫描区域中的位置信息，以在这两套数据的基础上重建图象。
15.如权利要求5的设备，其特征为两个图象显示装置其中的一个设置在导管(300)的邻近物体的一侧。
16.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为至少有一条光纤的体侧的端头形成一个不垂直于光纤出口轴线的平面。
17.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为该设备适于对一个活体的内部进行观察。
18.如以上任何一项权利要求的设备，其特征为该设备适于对一个人造装置的内部进行观察。
全文摘要
本发明涉及一个用于对诸如活体的内部进行观察的设备。该设备包括:体内照明装置(110,115,200，300，400),图象显示装置(600,700,800),以及一个用来行经体内的一部分并将图象从体内传输到显示装置(600,700,800)的可挠曲导管(300)。其中,照明装置(110,115,200,300,400)配置为自动地对物体的一个区域进行扫描而形成所显示的图象。
文档编号G02B21/00GK1326557SQ9981328
公开日2001年12月12日 申请日期1999年9月15日 优先权日1998年9月15日
发明者J·F·勒加加森, F·拉马奎, J·P·查杜克 申请人:巴黎公共救济院, 法国卫生与医疗研究所