白 茹，劉海龍，陳生生

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051;2.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

癌癥已經(jīng)成為一個(gè)世界性醫(yī)學(xué)難題，癌癥的早期發(fā)現(xiàn)是癌癥成功治愈的關(guān)鍵。如何在患者出現(xiàn)癥狀前，對(duì)癌癥進(jìn)行早期診斷和手術(shù)治療從而降低癌癥患者的死亡率就顯得尤為重要。由于OCT 成像技術(shù)只需要對(duì)人體組織器官的表面掃描就能獲得被測組織器官的斷層圖像，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)或微創(chuàng)獲得人體內(nèi)部組織器官的影像資料，對(duì)影像進(jìn)行病理分析，對(duì)人體內(nèi)部組織官器官是否癌變做出早期預(yù)警和診斷，可以進(jìn)一步提高癌癥患者的生存率［2］。

1 OCT 系統(tǒng)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 OTC 系統(tǒng)原理

OCT 成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)是低相干干涉和共聚焦掃描技術(shù)。如圖1 所示，關(guān)于發(fā)出的近紅外光，光纖耦合器把光束分成兩束，一束進(jìn)入樣品臂，另一束進(jìn)入?yún)⒖急?。?dāng)條件(兩筆反射回來的光束的光程差小于光源的相干長度)滿足時(shí)，反射 回來的兩束光在光纖耦合器處發(fā)生干涉，光電探測器可以接收到含有被測組織信息的干涉光。通過移動(dòng)樣品和參考鏡來獲取被測組的二維圖像。OTC 基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OCT 基本結(jié)構(gòu)

1.2 OTC 系統(tǒng)光源選擇

OCT 成像分辨率與光源波長有關(guān)，波長越短頻譜越寬，成像分辨率越高，短波的缺點(diǎn)是光譜頻率較高時(shí)散射時(shí)間短，從這點(diǎn)來說選擇長波比較好，但是水分對(duì)長波的吸收程度大。帶寬也決定著OCT 系統(tǒng)的分辨率，比較寬的帶寬分辨率相對(duì)較高。

研究表明，近紅外光波段的光可以使組織對(duì)光的吸收減到最低，并且滿足OCT 成像對(duì)光波的頻率、波長等要求。超輻射發(fā)光二極管(SLD)和飛秒固體激光器是目前為止比較理想的光源。SLD 實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 SLD 帶寬光源

2 全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

針對(duì)先前提出的幾種全光纖共臂OCT 技術(shù)的缺點(diǎn)研究人員提出了一種新型的全光纖共臂OCT 內(nèi)窺鏡技術(shù)，這種技術(shù)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在提出的共臂技術(shù)可以避免了先前提到的共臂技術(shù)的缺點(diǎn)，并且保證了傳統(tǒng)OCT 技術(shù)測量范圍大得優(yōu)點(diǎn)。成像分辨率高，結(jié)構(gòu)相對(duì)輕巧，有利于實(shí)現(xiàn)在癌癥早期診斷方面投入臨床使用［3］。

2.1 全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理

這種新型系統(tǒng)的關(guān)鍵部分就是內(nèi)窺鏡的探針，如圖3 所示新型全光纖共臂OCT 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理圖，虛線框里是內(nèi)窺鏡探針的示意圖。

光源發(fā)出的低相干光經(jīng)過單模光纖傳送到光纖循環(huán)器窗口1，然后光從循環(huán)器的窗口2 射出后射入OCT 內(nèi)窺鏡的探針，探針前端依次是由單模(SMF28e)和多模(GI-MMF)光纖，此處的多模光纖是一種非線性梯度折射率多模光纖，光束進(jìn)入探針后被探針內(nèi)部的單模與多膜光纖組成的特殊的耦合結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束和準(zhǔn)直。多膜光纖另一端連接的是特殊的玻璃管，玻璃管的外徑一定要小于被擴(kuò)束和準(zhǔn)直后的光束的光斑直徑，這些條件滿足之后，準(zhǔn)直后的光束分成兩部分，其中一部分經(jīng)過細(xì)玻璃管的外層即沿著管臂傳輸(圖中藍(lán)線部分)，當(dāng)光束到達(dá)玻璃管另一側(cè)時(shí)被反射回來(端面部分鍍了銀)，經(jīng)過多膜光纖后被聚焦，這個(gè)光路當(dāng)做參考光路使用。另外一部分光束則經(jīng)過玻璃管中心的真空管進(jìn)入到轉(zhuǎn)向棱鏡，轉(zhuǎn)向后光束進(jìn)入聚焦透鏡，射入被測組織，產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)過轉(zhuǎn)向透鏡和聚焦透鏡回到玻璃管中心的真空管(圖中紅線部分)，這部分光作為信號(hào)光。

圖3 新型全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理

玻璃與空氣的折射率不同，光在玻璃管臂中的光程和真空管那部分的信號(hào)光不同，這樣就能在玻璃管的后邊某處虛擬一個(gè)參考面，這個(gè)參考面的位置與玻璃管材料的折射率有關(guān)，通過設(shè)計(jì)玻璃管長度可以使信號(hào)光與參考光的光程差為零，達(dá)到最優(yōu)干涉狀態(tài)。干涉信號(hào)經(jīng)過多模、單模光纖后進(jìn)入循環(huán)器的2 號(hào)窗口，從窗口3 處進(jìn)入光電檢測裝置，經(jīng)過一系列的過程進(jìn)入計(jì)算機(jī)，從而獲得被測組織的圖像［4］。

2.2 全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡探針機(jī)械結(jié)構(gòu)

整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的原理圖如圖4 所示，內(nèi)窺鏡探針和光纖探頭已經(jīng)棱鏡與透鏡通過機(jī)械裝置連在一起。為了方便后期對(duì)零件進(jìn)行更換和維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)分為三塊，分別是光纖探頭，玻璃管與單模、多膜光纖，棱鏡和透鏡。棱鏡與透鏡組合放在一個(gè)獨(dú)立的機(jī)械結(jié)構(gòu)中［5］。并且在透鏡與被測組織之間開一個(gè)窗口，使得光線順利照射被測組織。探針位于整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的中心，探針的中心線與控制棱鏡旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的中心軸線共線，離合器控制轉(zhuǎn)子和定子。

圖4 新型全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡探針機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡探針機(jī)械結(jié)構(gòu)的不足

新型全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡探針的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很巧妙，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還存在以下問題:

1)橫向掃描與縱向掃描是通過離合器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來控制的，在同一時(shí)間離合器的狀態(tài)只能處于打開或者關(guān)閉，沒法實(shí)現(xiàn)橫向與縱向掃描同時(shí)進(jìn)行。

2)當(dāng)棱鏡與透鏡裝置到達(dá)指定的掃描區(qū)域后，固定棱鏡與透鏡裝置無法實(shí)現(xiàn)調(diào)整光程點(diǎn)的要求［5］。

3)無法精確控制橫向掃描的速度。對(duì)被測組織器官掃描時(shí)無法調(diào)整橫向掃描與橫向掃面的速度達(dá)到最佳成像效果。

3 全光纖化共臂OCT 內(nèi)窺鏡探針機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，此裝置去掉了離合器裝置和轉(zhuǎn)子。A 和B都是相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)。分別用三個(gè)電機(jī)控制橫向掃描、縱向掃描和圓周掃描。1 號(hào)電機(jī)的中軸前端刻有螺紋，因?yàn)榭刂? 號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)B 的左右移動(dòng)，此時(shí)玻璃管與棱鏡隨B 儀器移動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)橫向掃描［6］。電機(jī)2 控制玻璃管的左右移動(dòng)來改變光程差，實(shí)現(xiàn)了縱向掃描。3 號(hào)電機(jī)控制棱鏡裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓周掃描。

圖5 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的機(jī)械結(jié)構(gòu)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的機(jī)械結(jié)構(gòu)除了保留改進(jìn)前共臂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外在以下幾個(gè)方面有很大優(yōu)勢:

1)可以同時(shí)進(jìn)行橫向、縱向、圓周掃描。控制更加方便。并且可以根據(jù)實(shí)際情況，分別調(diào)節(jié)三個(gè)電機(jī)的速度，使三個(gè)方向上的掃描速度達(dá)到最佳匹配。這是因?yàn)樵趯?duì)不同的組織器官的密度、含水量等不同，對(duì)掃描速度的要求也會(huì)不同，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)能夠針對(duì)不同組織器官調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速保證成像質(zhì)量［7］。

2)在對(duì)被測組織器官檢測時(shí)1 號(hào)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的定位，電機(jī)控制橫向掃描代替了手動(dòng)控制，控制起來更加有效，還能減少內(nèi)窺鏡導(dǎo)管在人體腔道內(nèi)前后移動(dòng)，這樣做的目的是為了在后面光路調(diào)整時(shí)方便找到光程點(diǎn)。

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［2］劉賞漢.癌癥早期檢測中的新方法［J］.中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2011，8(3):13－14.

［3］陳曉東，汪毅，李婉暉，等.用于內(nèi)窺鏡的OCT 成像技術(shù)［J］.現(xiàn)代儀器，2006，3:4－6.

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［5］袁啟明.醫(yī)用內(nèi)窺鏡的新進(jìn)展［J］.中國醫(yī)療機(jī)械信息，2000，3(6):17－20.

［6］陳曉冬，郁道銀，宋玲玲，等.醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的研制［J］.2005，10(26):1047－1051.

［7］李景艷，劉德森，劉剛，等.醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.醫(yī)療裝備，2005，7:9－11.