一种可变焦OCT胶囊内窥口腔成像装置及其工作方法

一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置及其工作方法
1.技术领域
2.本发明涉及一种医疗器械技术领域，具体涉及一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置及其工作方法。
3.

背景技术：

4.口腔癌是常见的恶性疾病之一，由于其发病隐匿，早期症状不明显，患者就诊时多确诊为中晚期，中晚期患者一般治愈率低，预后较差；因此，实现口腔癌患者的早发现、早治疗对于提高患者的生存率具有重大的意义。
5.当前口腔癌的检查方法主要是依靠组织病理活检，然而一方面活检由于样本量的问题，容易造成假阴性；另一方面活检是有创操作，因此，需要开发一种无创、全方位、高分辨的口腔癌筛查方法，从而实现口腔癌的早期发现与治疗。
6.oct成像技术作为一种新兴的生物医学成像方法，与传统的光学成像技术相比可在毫米级成像深度上获得微米级的分辨率，基于弱相干光干涉的基本原理，在oct成像过程中，当近红外弱相干光照射到成像区域时，样品臂的组织信号光与参考臂的参考光发生干涉，通过扫描可获得生物组织高分辨率的三维形态结构信息，然而，目前大多基于oct的成像装置激发光束焦距固定，无法根据样品的形态变化实时调整光斑聚焦程度，这通常造成光束聚焦焦点的离焦与图像失真。
7.中国专利申请号为201720133946.4，专利名为《一种高分辨率oct胶囊内窥镜》，公开了一种高分辨率oct胶囊内窥镜，该内窥镜结构简单，通过设置消色差/扩束透镜组，提高了内窥成像的横向和轴向分辨率，然而，该内窥装置无法实时调节激发光束的聚焦深度，无法避免因样品形状不规则导致的图像失真。
8.中国专利申请号为202010020276.1，专利名为《工作距离可变的自聚焦oct内窥镜》，公开了一种工作距离可变的自聚焦oct内窥镜，该发明利用oct本身发射与接收的近红外激光信号作为调节内窥镜工作距离的依据，实现工作距离可变的自聚焦oct成像；然而，该方法采用的调焦元件为液态透镜，该元件容易漏液、受重力影响且其使用磁驱动时会产生电磁干扰，响应速度较慢、体积也较大、驱动电压过高，此外，该专利的内窥探头在进行环形扫描时，内部元件布局会对光束扫描区域差生干扰，从而影响成像质量。
9.

技术实现要素：

10.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，利用该成像装置可以实现oct内窥成像过程中激发光束的实时调焦，避免因口腔组织表面不规则、不平整引起的光斑离焦导致的图像失真等问题。
11.为了达到上述目的，本发明提供一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在
于：包括胶囊型壳体和设在胶囊型壳体内用于oct成像的光学元件组合，沿光路传播方向，光学元件组合依次包括同光轴设置的单模光纤、准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件和反射镜，经所述单模光纤输入的oct激发光被所述准直透镜准直形成第一准直光，所述第一准直光经所述消色差透镜、扩束透镜后扩束形成第二准直光，所述第二准直光经所述基于压电驱动的全固态可变焦元件调焦后被所述反射镜聚焦于所述胶囊型壳体外的样品上；所述基于压电驱动的全固态可变焦元件与由胶囊型壳体外伸入的第二电缆电性连接，由第二电缆供电驱动改变基于压电驱动的全固态可变焦元件表面的曲率半径，用以改变oct激发光的聚焦深度。
12.进一步的，上述基于压电驱动的全固态可变焦元件由压电陶瓷、玻璃薄膜、聚二甲基硅氧烷弹性聚合物和玻璃基底组成；该基于压电驱动的全固态可变焦元件由第二电缆供电驱动压电陶瓷使得玻璃薄膜和聚二甲基硅氧烷弹性聚合物发生形变，进而改变该元件表面的曲率半径来达到改变oct激发光的聚焦深度。
13.进一步的，上述胶囊型壳体包括内壳和外壳，两者均采用透明材料制成，内壳与外壳之间能够相对旋转。
14.进一步的，上述准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件依次固定于设置在胶囊型壳体内腔轴心的光学元件安装架中，该光学元件安装架固定在内壳上。
15.进一步的，上述胶囊型壳体的内壳顶部中心设有一个圆形孔洞，在圆形孔洞同一轴心的内壳内部固定有一个底部中空的管状反射镜固定基座，所述反射镜固定在反射镜固定基座上。
16.进一步的，上述胶囊型壳体的外壳顶部中心固定一个圆柱形定子；所述胶囊型壳体的口部内设有中空环形旋转电机，单模光纤从中空环形旋转电机的中心通道穿过，所述中空环形旋转电机的转轴部分与胶囊型壳体的内壳近端部相连，所述中空环形旋转电机的固定部分与胶囊型壳体的外壳近端部相连，胶囊型壳体的外壳远端顶部中心固定的定子插入内壳远端顶部中心的孔洞。
17.进一步的，上述中空环形旋转电机与第一电缆电性连接，第一电缆给电中空环形旋转电机，在中空环形旋转电机得电后带动胶囊型壳体内壳及光学元件组合转动从而实现环形扫描。
18.进一步的，上述单模光纤在未进入胶囊内腔时，由光纤套管对其进行包裹，单模光纤进入胶囊型壳体内腔部分沿所述胶囊型壳体的中心轴固定。
19.进一步的，上述胶囊型壳体的近端部呈流线型，远端部呈半球形，中段部呈圆筒状。
20.本发明一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置的工作方法，包括以下步骤：第一步：oct激发光源通过单模光纤输入入射光，入射光依次经过准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件后通过反射镜反射至样品表面，在此过程中根据成像效果调节基于压电驱动的全固态可变焦元件改变激发光束的聚焦深度，避免因样品的不平整、不规则造成的光斑离焦。
21.第二步：中空环形旋转电机带动胶囊型壳体的内壳进行360
°
环形扫描，得到的聚
焦光斑在样品上诱发组织产生的背向散射光信号通过相同的光路返回，通过单模光纤输出与参考臂信号光干涉后由探测器探测，经计算机图像处理后得到生物样品的oct图像。
22.本发明与现有技术相比，具有如下优势：1. 本发明实现了oct内窥成像过程中激发光束的实时调焦，避免因口腔黏膜组织表面不规则、不平整引起的光斑离焦导致的图像失真等问题。
23.2. 本发明采用压电驱动的全固态可变焦元件，与传统的液态透镜相比具有结构简单、体积小、功耗低、无电磁干扰等优点，并且不会受重力影响，调焦效果更加精准。
24.3. 本发明采用中空环形旋转电机实现内窥探头的环形扫描，所设计的新型内部元件布局避免了内部线缆对扫描成像的影响，进一步提高了成像的质量。
25.附图说明
26.图1为可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置结构示意图；图2为基于压电驱动的全固态可变焦元件结构示意图；其中：1、单模光纤；2、中空环形旋转电机；3、光纤套管；4、胶囊型壳体；5、准直透镜；6、消色差透镜；7、扩束透镜；8、基于压电驱动的全固态可变焦元件；9、反射镜；10、反射镜固定基座；11、定子；12、第一电缆；13、第二电缆；14、压电陶瓷；15、玻璃薄膜；16、聚二甲基硅氧烷弹性聚合物；17、玻璃基底。
27.具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
29.本实施例公开了一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其整体结构示意图如图1所示，包括胶囊型壳体4、中空环形旋转电机2、用于oct成像的光学元件组合，其中：沿光路传播方向，用于oct成像的光学元件组合依次包括同轴设置的单模光纤1、准直透镜5、消色差透镜6、扩束透镜7、基于压电驱动的全固态可变焦元件8、反射镜9；工作时经所述单模光纤1输入的oct激发光进入oct胶囊内窥成像装置后被所述准直透镜5准直形成第一准直光，所述第一准直光经所述消色差透镜6、扩束透镜7后扩束形成第二准直光，所述第二准直光经所述基于压电驱动的全固态可变焦元件8调焦后被所述反射镜9聚焦于所述胶囊型壳体4外的样品上。
30.基于压电驱动的全固态可变焦元件8与由胶囊型壳体外伸入的第二电缆13电性连接，由第二电缆13供电驱动改变基于压电驱动的全固态可变焦元件表面的曲率半径，用以改变oct激发光的聚焦深度。
31.具体的，准直透镜5、消色差透镜6、扩束透镜7、基于压电驱动的全固态可变焦元件8依次固定于设置在胶囊型壳体4内腔轴心的光学元件安装架中，该安装架根据各个光学元件的形状3d打印而成；基于压电驱动的全固态可变焦元件8由压电陶瓷14、玻璃薄膜15、聚
二甲基硅氧烷弹性聚合物16、玻璃基底17组成；该元件由第二电缆13供电并驱动压电陶瓷14使得玻璃薄膜15和聚二甲基硅氧烷弹性聚合物16发生形变，进而改变该元件表面的曲率半径来达到改变oct激发光束的聚焦深度。
32.准直透镜5是一种现有的光学部件，用以将光束对准于特定方向，以形成准直光线或平行光线。
33.消色差透镜6是一种现有的光学部件，这类透镜仅能校正轴上点的位置色差（红，蓝二色）和球差（黄绿光）以及消除近轴点慧差，不能校正其它色光的色差和球差，且场曲很大。
34.扩束透镜7是一种现有的光学部件，其能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。
35.基于压电驱动的全固态可变焦元件8还可以具体是中国专利一种基于pdms薄膜的全固态可变焦静电驱动式微透镜，专利申请号202010027467.0。
36.所述胶囊型壳体4分为内壳与外壳，两者均采用透明材料制成，内壳与外壳之间能够相对旋转从而可用于oct扫描成像，内壳与外壳的相对转动可以通过手动实现相对转动，或者通过外壳固定，内壳通过电机驱动转动。
37.具体的，胶囊型壳体4内壳顶部中心设有一个圆形孔洞，在孔洞同一轴心的内壳内部固定有一个中空的反射镜固定基座10，反射镜固定基座10呈管状，所述反射镜9固定在反射镜固定基座10内端部上，胶囊型壳体4外壳顶部中心固定一个圆柱形定子11。
38.为了实现内壳与外壳在电机作用下相对转动，在胶囊型壳体的口部内设有中空环形旋转电机2，单模光纤1从中空环形旋转电机2的中心通道穿过，所述中空环形旋转电机的转轴部分与胶囊型壳体的内壳401近端部相连，所述中空环形旋转电机的固定部分与胶囊型壳体的外壳402近端部相连，胶囊型壳体的外壳远端顶部中心固定的定子插入内壳远端顶部中心的孔洞，中空环形旋转电机与第一电缆电性连接，第一电缆12给电中空环形旋转电机2，在中空环形旋转电机得电后带动胶囊型壳体内壳及光学元件组合转动从而实现环形扫描。
39.单模光纤1在未进入胶囊内腔时，由光纤套管3对其进行包裹，光纤套管3在穿过中空环形旋转电机2后可以与内壳衔接。
40.单模光纤1进入胶囊内腔部分沿所述胶囊型壳体4的中心轴固定；胶囊型壳体4的前端部呈流线型，后端部呈半球形，中段部呈圆筒状。
41.本实施例涉及本发明装置的全景扫描方法，包括以下步骤：第一步：oct激发光源通过单模光纤1输入入射光，入射光依次经过准直透镜5、消色差透镜6、扩束透镜7、基于压电驱动的全固态可变焦元件8后通过反射镜9反射至样品表面，在此过程中可以根据成像效果调节基于压电驱动的全固态可变焦元件8改变激发光束的聚焦深度，避免因样品的不平整、不规则造成的光斑离焦。
42.第二步：中空环形旋转电机2带动胶囊型壳体4的内壳部分进行360
°
环形扫描，得到的聚焦光斑在样品上诱发组织产生的背向散射光信号通过相同的光路返回，通过单模光纤1输出与参考臂信号光干涉后由探测器探测，经计算机图像处理后得到生物样品的oct图像。
43.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的
限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于：包括胶囊型壳体和设在胶囊型壳体内用于oct成像的光学元件组合，沿光路传播方向，光学元件组合依次包括同光轴设置的单模光纤、准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件和反射镜，经所述单模光纤输入的oct激发光被所述准直透镜准直形成第一准直光，所述第一准直光经所述消色差透镜、扩束透镜后扩束形成第二准直光，所述第二准直光经所述基于压电驱动的全固态可变焦元件调焦后被所述反射镜聚焦于所述胶囊型壳体外的样品上；所述基于压电驱动的全固态可变焦元件与由胶囊型壳体外伸入的第二电缆电性连接，由第二电缆供电驱动改变基于压电驱动的全固态可变焦元件表面的曲率半径，用以改变oct激发光的聚焦深度。2.根据权利要求1所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述基于压电驱动的全固态可变焦元件由压电陶瓷、玻璃薄膜、聚二甲基硅氧烷弹性聚合物和玻璃基底组成；该基于压电驱动的全固态可变焦元件由第二电缆供电驱动压电陶瓷使得玻璃薄膜和聚二甲基硅氧烷弹性聚合物发生形变，进而改变该元件表面的曲率半径来达到改变oct激发光的聚焦深度。3.根据权利要求2所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述胶囊型壳体包括内壳和外壳，两者均采用透明材料制成，内壳与外壳之间能够相对旋转。4.根据权利要求3所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件依次固定于设置在胶囊型壳体内腔轴心的光学元件安装架中，该光学元件安装架固定在内壳上。5.根据权利要求4所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述胶囊型壳体的内壳顶部中心设有一个圆形孔洞，在圆形孔洞同一轴心的内壳内部固定有一个底部中空的管状反射镜固定基座，所述反射镜固定在反射镜固定基座上。6.根据权利要求5所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述胶囊型壳体的外壳顶部中心固定一个圆柱形定子；所述胶囊型壳体的口部内设有中空环形旋转电机，单模光纤从中空环形旋转电机的中心通道穿过，所述中空环形旋转电机的转轴部分与胶囊型壳体的内壳近端部相连，所述中空环形旋转电机的固定部分与胶囊型壳体的外壳近端部相连，胶囊型壳体的外壳远端顶部中心固定的定子插入内壳远端顶部中心的孔洞。7.根据权利要求6所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述中空环形旋转电机与第一电缆电性连接，第一电缆给电中空环形旋转电机，在中空环形旋转电机得电后带动胶囊型壳体内壳及光学元件组合转动从而实现环形扫描。8.根据权利要求1所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述单模光纤在未进入胶囊内腔时，由光纤套管对其进行包裹，单模光纤进入胶囊型壳体内腔部分沿所述胶囊型壳体的中心轴固定。9.根据权利要求1所述的一种可变焦oct胶囊内窥口腔成像装置，其特征在于，所述胶囊型壳体的近端部呈流线型，远端部呈半球形，中段部呈圆筒状。10.根据权利要求1-9任一所述装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：oct激发光源通过单模光纤输入入射光，入射光依次经过准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件后通过反射镜反射至样品表面，在此过程
中根据成像效果调节基于压电驱动的全固态可变焦元件改变激发光束的聚焦深度，避免因样品的不平整、不规则造成的光斑离焦；第二步：中空环形旋转电机带动胶囊型壳体的内壳进行360
°
环形扫描，得到的聚焦光斑在样品上诱发组织产生的背向散射光信号通过相同的光路返回，通过单模光纤输出与参考臂信号光干涉后由探测器探测，经计算机图像处理后得到生物样品的oct图像。

技术总结
本发明涉及一种可变焦OCT胶囊内窥口腔成像装置及其工作方法，该装置包括光纤套管、单模光纤、中空环形旋转电机、准直透镜、消色差透镜、扩束透镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件、反射镜、胶囊型壳体，其中OCT激发光通过单模光纤进入OCT胶囊内窥口腔成像装置中，经准直透镜准直后依次通过消色差透镜、扩束镜、基于压电驱动的全固态可变焦元件、反射镜后将光束聚焦于样品上，来自样品的OCT信号通过相同的光路回到准直透镜，通过单模光纤输出OCT信号进行图像重建。本发明通过全固态可变焦元件实现了OCT激发光束的动态调节，避免了因成像组织表面不规则、不平整而引起的光斑离焦。不平整而引起的光斑离焦。不平整而引起的光斑离焦。


技术研发人员：周康为 林李嵩 黄立 江灿洋 黄建平 王日辉 阮鑫 王光兴 赵庆亮
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/9/7