Устройство спектроскопической оптической когерентной томографии эндоскопическим зондом

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области измерительных устройств, характеризующихся использованием волновых излучений, в частности к оптическим интерферометрам и может быть использовано в медицине и ветеринарии для проведения диагностики в полостях и трактах организма, а также в физике для исследования или анализа материалов с помощью оптических средств.
Спектроскопическая оптическая когерентная томография представляет собой разновидность метода классической оптической когерентной томографии в которой зондирование исследуемого биологического объекта или его отдельной части производится либо одновременно, либо последовательно на нескольких длинах волн излучения ближнего инфракрасного диапазона. Физический смысл такого многоволнового подхода заключается в получении более качественных структурных изображений исследуемого объекта, а также расширении возможностей для получения его функциональных изображений. Более высокое качество структурных изображений достигается за счет того, что при использовании длин волн зондирующего излучения из первого терапевтического окна прозрачности биологических тканей («NIR I», 700-900 нм) можно добиться максимально возможного для оптической когерентной томографии пространственного разрешения и минимального уровня шумов, а при использовании зондирующего излучения из второго терапевтического окна прозрачности биологических тканей («NIR II», 1000-1400 нм) можно добиться максимальной глубины когерентного зондирования. Комплексируя изображения, соответствующие двум вышеописанным диапазонам длин волн, можно получить выгодное сочетание высокого пространственного разрешение, минимального уровня шумов и высокой глубины когерентного зондирования. Расширение возможностей для функциональной визуализации объясняется двумя причинами. Из увеличенного набора обрабатываемых данных потенциально можно извлечь больше полезной информации о сдвигах в несущей частоте, спекл-контрасте между последовательностью структурных изображений одного и того же объекта и фазовых сдвигах между отдельными интерференционными сигналами (А-сканами), что является серьезной предпосылкой к повышению качества получаемых доплерограмм и ангиограмм. К тому же, в спектрах поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина присутствует изобестическая точка (805 нм), ниже которой значение коэффициента поглощения дезоксигемоглобина существенно превышает значение коэффициента поглощения оксигемоглобина, а выше все с точностью наоборот. Учет особенностей спектров поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина в сочетании с корректной обработкой получаемых наборов данных позволяет формировать недоступные для классической оптической когерентной томографии функциональные изображения оксигенации/дезоксигенации отдельных участков исследуемой ткани.
По патенту US 9696471 В2, МПК G01B 9/02 и G02D 5/22, опубл. 04.07.2017 г. известны перестраиваемый источник излучения и оптический когерентный томограф на его основе. Оптический когерентный томограф на основе перестраиваемого источника излучения содержит блок перестраиваемого источника излучения и интерферометр, причем блок перестраиваемого источника излучения включает в себя оптический столик, генератор широкополосного излучения, перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо и усилитель сигнала, причем перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо и усилитель сигнала расположены на оптическом столике, оптический фильтр Фабри-Перо сконструирован таким образом, чтобы проводить спектральную фильтрацию широкополосного излучения с максимальной шириной полосы пропускания менее 20 гигагерц, а усилитель сигнала содержит поменьше мере одну увеличивающую сигнал линзу предназначенную для усиления излучения получаемого от перестраиваемого оптического фильтра Фабри-Перо, интерферометр сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать передачу усиленных сигналов от блока перестраиваемого источника излучения в опорное плечо и плечо образца для последующего формирования интерференционного сигнала. Известны варианты оптического когерентного томографа на основе перестраиваемого источника излучения в которых: блок перестраиваемого источника излучения дополнительно содержит второй усилитель, причем второй усилитель расположен на оптическом столике и оптически связан с первым усилителем; блок перестраиваемого лазера дополнительно содержит второй перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо, причем второй перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо расположен на оптическом столике и оптически связан с первым усилителем и интерферометром; дополнительно содержится герметичный контейнер, причем оптический столик и расположенные на нем оптические элементы находятся в этом герметичном контейнере; дополнительно на тыльной стороне перестраиваемого источника излучения содержится термоэлектрический охладитель; перестраиваемые оптические фильтры Фабри-Перо представляют собой микроэлектромеханические структуры; первый и второй усилители представляют собой полупроводниковые оптические усилители; блок перестраиваемого источника излучения дополнительно содержит оптический изолятор, причем этот изолятор находится в оптической связи с первым перестраиваемым оптическим фильтром Фабри-Перо и первым усилителем. Техническим результатом использования оптического когерентного томографа на основе перестраиваемого источника излучения является высокая производительность и стабильность при получении структурных изображений исследуемых объектов.
Недостатком оптического когерентного томографа на основе перестраиваемого лазера является низкая точность детектирования интерференционного сигнала (и, как следствие из этого, низкая информативность получаемых изображений), вызванная отсутствием блоков или элементов синхронизирующих работу блока перестраиваемого источника излучения с блоком детекторов.
По патенту US 9823127 В2, МПК G01J 3/28 и G01B 9/02, опубл. 21.11.2017 г. известны устройство и способ для глубокой спектроскопической визуализации биологических образцов с использованием интерферометра и спектрометра. Устройство для глубокой спектроскопической визуализации биологических образцов с использованием интерферометра и спектрометра содержит широкополосный источник излучения, интерферометр, светоделитель спектрометра, спектрометр и процессор, причем интерферометр содержит светоделитель широкополосного источника излучения и оптический элемент, причем светоделитель широкополосного источника излучения выполнен таким образом, чтобы обеспечивать прием и разделение пучка излучения от широкополосного источника излучения на опорный пучок и зондирующий пучок, а оптический элемент расположен таким образом, чтобы принимать зондирующий пучок излучения со смещением относительно оптической оси, и сконфигурирован таким образом, что фокусировать зондирующий пучок на заданном расстоянии под поверхностью исследуемого биологического образца, а также принимать рассеянное этим биологическим образцом излучение, светоделитель спектрометра сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать интерференцию рассеянного от биологического образа излучения с опорным пучком, при этом пространственная протяженность опорного пучка ограничивает принимаемую порцию рассеянного излучения, спектрометр сконфигурирован для приема интерференционной карты от светоделителя спектрометра и последующей передачи оцифрованного интерференционного сигнала процессору, который выполнен таким образом, чтобы обрабатывать интерференционный сигнал в спектральной области для оценки разрешенных по глубине свойств исследуемого биологического образца. Известны варианты устройства для глубокой спектроскопической визуализации биологических образцов с использованием интерферометра и спектрометра в которых: в качестве широкополосного источника излучения используется источник суперконтинуума, вольфрамовая лампа, суперлюминесцентный диод или перестраиваемый лазер; спектрометр содержит в своем составе устройство с зарядовой связью и дифракционную решетку; зондирующий пучок излучения и рассеянный пучок излучения проходят сквозь разные апертуры; зондирующий пучок излучения и рассеянный пучок излучения собираются с использованием одного или нескольких оптических волокон; оптические волокна, используемые для сбора зондирующего пучка излучения и рассеянного пучка излучения, являются одномодовыми или многомодовыми; спектрометр имеет возможность одновременно генерировать один или несколько интерференционных сигналов, соответствующих одному или нескольким слоям исследуемой ткани; спектроскопическая информация выделяется из интерференционного сигнала посредством метода двойного окна, при этом одно или несколько окон применяются для создание одного или нескольких кратковременных преобразований Фурье, а комбинирование результатов эти преобразований обеспечивает получение высокого разрешения по длине пути и спектральной плотности; спектрометр сконфигурирован на усреднения результатов нескольких одномерных сканирований по глубине, таким образом чтобы повысить отношение сигнал/шум; дополнительно используется модулятор оптического излучения с регулируемой частотой модуляции; дополнительно содержится движущееся зеркало, расположенное и сконфигурированное таким образом, чтобы менять величину смещения относительно оптической оси для зондирующего пучка излучения и пучка рассеянного излучения; исследуемый биологический образец представляет собой кожный покров с сильными ожогами. Техническим результатом использования устройства для глубокой спектроскопической визуализации биологических образцов с использованием интерферометра и спектрометра является высокоточное получение спектроскопической информации об исследуемом объекте.
Недостатком устройства для глубокой спектроскопической визуализации биологических образцов с использованием интерферометра и спектрометра является низкая точность детектирования интерференционного сигнала (и, как следствие из этого, низкая информативность получаемых изображений), вызванная отсутствием блоков или элементов синхронизирующих работу широкополосного источника излучения и спектрометра.
По патенту US RE42497 E1, МПК G01B 9/02, опубл. 28.06.2011 г. известны способ и устройство низкокогерентной интерферометрии в Фурье-области для спектроскопического анализа рассеянного излучения. Устройство для низкокогерентной интерферометрии в Фурье-области для спектроскопического анализа рассеянного излучения содержит источник белого света, плечо образца, опорное плечо, детектор и блок обработки данных, причем плечо образца выполнено таким образом, чтобы доставлять излучение к исследуемому образцу и принимать отраженное и рассеянное этим образцом излучение, опорное плечо сконфигурировано таким образом, чтобы сформировать опорный пучок излучения и обеспечить корреляцию опорного пучка с отраженным и рассеянным излучением, детектор выполнен так, чтобы получать спектрально-разрешенный поперечно-коррелированный профиль отражения и спектр рассеяния, блок обработки данных сконфигурирован таким образом, чтобы сгенерировать профиль спектра отражения с разрешением по глубине, сформировать одно или несколько спектральных окон, соответствующих заданной центральной длине волны и восстановить спектральную информацию для исследуемого объекта на всех заданных длинах волн одновременно. Известны варианты устройства для низкокогерентной интерферометрии в Фурье-области для спектроскопического анализа рассеянного излучения в которых: блок обработки данных сконфигурирован таким образом, чтобы измерять частоты спектральной модуляции; блок обработки данных сконфигурирован таким образом, что формируемые спектральные окна являются Гауссовыми; плечо образца содержит разветвитель; разделитель плеча образца состоит из разделителя луча в свободном пространстве и разделителя для оптического волокна; опорный пучок излучения является коллимированным; в качестве источника белого света используется дуговая лампа или раскаленный нагревательный элемент; длина пути опорного пучка излучения жестко зафиксирована; плечо образца не содержит подвижных и перестраиваемых элементов; плечо образца собрано на кронштейне; детектор состоит из одного или нескольких дисперсионных элементов; дисперсионный элемент представляет собой спектрограф. Техническим результатом использования устройства низкокогерентной интерферометрии в Фурье-области для спектроскопического анализа рассеянного излучения является высокоточное определение структуры исследуемого объекта посредством измерение характеристик упругого рассеяния для отдельных участков этого объекта.
Недостатком устройства низкокогерентной интерферометрии в Фурье-области для спектроскопического анализа рассеянного излучения является низкая точность детектирования интерференционного сигнала (и, как следствие из этого, низкая информативность получаемых изображений), обусловленная тем, что источник белого света и используемая интерферометрическая схема (совокупность оптических связей между источником излучения, детектором и исследуемым объектом посредством опорного плеча и плеча образца) сконструированы с расчетом на получение спектроскопической информации в ущерб пространственному разрешению и глубине зондирования структурного изображения.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является устройство синхронизированной двухрежимной оптической когерентной томографии (US 9958253 В2, МПК G01B 9/02, А61В 5/00 и А61В 10/04, опубл. 01.05.2018 г.), содержащее: узкополосный источник излучения с регулируемой частотой, светоделитель для формирования пучков излучения опорного плеча и плеча образца из излучения узкополосного источника излучения с регулируемой частотой, узкополосный детектор излучения с регулируемой частотой, сконфигурированный таким образом, чтобы принимать пучки излучения из опорного плеча и плеча образца, контроллер, сконфигурированный таким образом, чтобы управлять частотой и шириной полосы излучения, синхронизировать работу узкополосного источника излучения и узкополосного детектора излучения и анализировать интерференционный сигнал для оценки распределений отражательной способности по глубине. Известны варианты устройства синхронизированной двухрежимной оптической когерентной томографии в которых: узкополосный источник излучения с регулируемой частотой является вертикально излучающим лазером; узкополосный источник излучения с регулируемой частотой является источником когерентного излучения; узкополосный детектор излучения включает в себя дефлектор излучения и матрицу датчиков, причем дефлектор излучения характеризуется зависимым от частоты углом отклонения пучка, а матрица датчиков включает в себя множество датчиков, каждый из которых соответствует узкой полосе детектируемого излучения, дефлектор излучения находится в оптической связи с матрицей датчиков, перенаправляя излучение из опорного плеча и плеча образца на датчик, соответствующий используемой длине волны; контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы регулировать частотную чувствительность узкополосного детектора излучения посредством активации датчика, соответствующего используемой длине волны; дополнительно содержится система для перевода датчиков из активного состояния в базовое; рабочие режимы дефлектора излучения конфигурируются посредством использования специального переключателя, чувствительного к электрическим сигналам контроллера; узкополосный источник излучения сконфигурирован таким образом, чтобы ширина полосы излучения была менее 10% от полного спектра используемого источника излучения; узкополосный детектор излучения сконфигурирован таким образом, чтобы ширина полосы детектирования была менее 10% от диапазона длин волн детектируемых матрицей датчиков. Техническим результатом использования устройства синхронизированной двухрежимной оптической когерентной томографии является получение структурных изображений с высоким пространственным разрешением.
Недостатком устройства синхронизированной двухрежимной оптической когерентной томографии является низкая точность детектирования интерференционного сигнала (и, как следствие из этого, низкая информативность получаемых изображений), обусловленная получением полезного сигнала для структурной визуализации в ущерб полезному сигналу для функциональной визуализации, что выражается в использовании узкополосного источника излучения с регулируемой частотой, обеспечивающего высокое пространственное разрешение структурных изображений, но плохо подходящего для получения спектроскопической информации (требует широкополосного излучения).
Технической задачей полезной модели является повышение точности детектирования интерференционного сигнала (и, как следствие из этого, информативности получаемых изображений), посредством использования совокупности узких полос излучения для получения структурной информации и широкой полосы излучения для получения спектроскопической информации.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве спектроскопической оптической когерентной томографии эндоскопическим зондом, так же, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся источник излучения, первый светоделитель для формирования пучков излучения опорного плеча и плеча образца из излучения источника излучения, детектор излучения, сконфигурированный таким образом, чтобы принимать пучки излучения из опорного плеча и плеча образца, контроллер, сконфигурированный таким образом, чтобы управлять частотой и шириной полосы излучения и анализировать интерференционный сигнал для оценки распределений отражательной способности по глубине.
Новым в разработанном устройстве спектроскопической оптической когерентной томографии эндоскопическим зондом является то, что источником излучения служит фемтосекундный титан-сапфировый лазер с широкой полосой генерируемого низкокогерентного излучения, источник излучения, световод источника излучения, первый расширитель пучка, перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо и первый светоделитель последовательно оптически связаны и формируют плечо источника излучения, причем перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо выполнен таким образом, чтобы посредством электрических сигналов контроллера конфигурироваться для пропускания полос излучения с заданной шириной и центральной длиной волны, первый расширитель пучка и перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо жестко сочленены, таким образом, чтобы перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо находился на фокусном расстоянии от первого расширителя пучка, последовательно оптически связанные световод плеча образца, второй светоделитель, коллиматор, фокусирующая линза, приемно-выводное волокно и второй расширитель пучка формируют плечо образца в виде эндоскопического зонда с оптически прозрачными стенками, причем световод плеча образца оптически связан с первым и вторым светоделителем, коллиматор и фокусирующая линза жестко сочленены таким образом, чтобы излучение из коллиматора преломлялось краем фокусирующей линзы на исследуемый объект, фокусирующая линза и приемно-выводное волокно соосно совмещены с соблюдением фокусного расстояния, таким образом, чтобы излучение, отраженное от исследуемого объекта проходило через центр фокусирующей линзы и падало на торец приемно-выводного волокна, второй расширитель пучка оптически связан с оптическим смесителем плеча детектирования, обработки и визуализации, второй светоделитель оптически связан с оптическим триггером, последовательно оптически связанные световод опорного плеча, третий расширитель пучка и нейтральный фильтр образуют плечо образца, нейтральный фильтр жестко закреплен на фокусном расстоянии от третьего расширителя пучка и находится в оптической связи с оптическим смесителем плеча детектирования, обработки и визуализации, детектором излучения служит широкополосный спектрометр, оптически связанные оптический смеситель и детектор излучения, а также последовательно электрически связанные детектор излучения, контроллер и блок визуализации формируют плечо детектирования, обработки и визуализации, оптический триггер сконфигурирован таким образом, чтобы синхронизировать работу плеча образца и плеча детектирования обработки и визуализации, посредством электрической связи с детектором излучения.
Следует отметить, при выборе источников излучения для оптической когерентной томографии наиболее важными параметрами влияющими на качество получаемых структурных и функциональных изображений являются ширина и форма спектра, длительность импульса существенно менее важный параметр. В связи с этим использование в полезной модели фемтосекундного титан-сапфирового лазера с широкой полосой генерируемого низкокогерентного излучения является эффективной мерой.
В случае, когда перестраиваемый оптический фильтр Фабри-Перо конфигурирован на всю ширину спектра титан-сапфирового лазера (может составлять сотни нанометров) можно получить высококачественное спектроскопическое изображение исследуемого объекта для последующей цифровой обработки. В случаях, последовательного перебора множества узких полос излучения в пределах спектра титан-сапфирового лазера можно получить множество структурных изображений, среди которых будут с изображения с более высоким разрешением, с более высокой глубиной когерентного зондирования и т.п. Выполнив процедуру комплексирования наиболее удачных изображений, можно добиться высокого качества структурной и функциональной визуализации.
Серия экспериментов с конкретными реализациями разработанной полезной модели устройства спектроскопической оптической когерентной томографии эндоскопическим зондом показала повышение точности детектирования интерференционного сигнала по меньшей мере на 21% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.
Предлагаемое устройство спектроскопической оптической когерентной томографии эндоскопическим зондом может использоваться в медицине и ветеринарии, в частности в гастроэнтерологии, стоматологии, отоларингологии, гинекологии, урологии и т.п. для осуществления диагностических исследований слизистых оболочек полостей и трактов организма, а также в физике для неразрушающего контроля, например, за качеством сложных технических изделий, содержащих в своем составе микроэлектромеханические структуры, интегральные схемы, элементы из тонкопленочных и волоконных материалов, а также имеющих монокристаллические, полимерные и поликристаллические покрытия.