Устройство эндоскопической оптической когерентной томографии

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области устройств, отличающихся оптическими средствами измерения, в частности к 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.
Эндоскопическая оптическая когерентная томография - разновидность метода оптической когерентной томографии, характеризующаяся выполненным в виде эндоскопического зонда и чаще всего сменным плечом образца. Диагностическая ценность эндоскопической оптической когерентной томографии заключается в том, что методы эндоскопической визуализации обеспечивают диагностику только поверхностей слизистых оболочек органов, а методы оптической когерентной томографии позволяют получать структурные изображения слизистого слоя толщиной до 2.5 миллиметров с высоким пространственным разрешением, т.е. обследовать слизистые оболочки в глубину. Таким образом, эндоскопическая оптическая когерентная томография позволяет не только обнаружить патологию (например, опухоль в желудке), но и оценить ее границы и глубину инвазии.
По патенту US 20110009752 А1, МПК А61В 1/267, А61В 6/00 и А61В 1/07, опубл. 13.01.2011 г. известны система эндоскопической оптической когерентной томографии в частотной области с перестраиваемым источником излучения с широким динамическим диапазоном длин волн, эндоскопический зонд для этой системы и способ трехмерной анатомической визуализации дыхательных путей. Система эндоскопической оптической когерентной томографии в частотной области с перестраиваемым источником излучения содержит: высокоскоростной перестраиваемый лазер с синхронизацией мод в частотной области и узким динамическим диапазоном, интерферометр оптического когерентного томографа с опорным плечом, плечом образца, плечом детектора и плечом источника излучения, соединенным с высокоскоростным перестраиваемым лазером, эндоскопический зонд, соединенный оптическим волокном с плечом образца и блок обработки данных, соединенный с плечом детектирования. Известны варианты системы эндоскопической оптической когерентной томографии в частотной области с перестраиваемым источником излучения с широким динамическим диапазоном длин волн, в которых: оптическое волокно имеет определенную длину; высокоскоростной перестраиваемый лазер представляет собой однонаправленный кольцевой лазерный резонатор; высокоскоростной перестраиваемый лазер сконфигурирован для работы в квазистационарном режиме; для стабилизации спектра дополнительно используется оптическое средство формирования маркера длины волны.
Система эндоскопической оптической когерентной томографии в частотной области с перестраиваемым источником излучения с широким динамическим диапазоном длин волн и эндоскопический зонд для этой системы предназначены для трехмерной анатомической визуализации дыхательных путей во время обструктивного апноэ сна. Техническим результатом использования системы и эндоскопического зонда являются непрерывность получения анатомических (структурных) изображений верхних дыхательных путей.
Недостатком системы эндоскопической оптической когерентной томографии в частотной области с перестраиваемым источником излучения с широким динамическим диапазоном длин волн и эндоскопического зонда для этой системы является низкий тканевой контраст для получаемых томографических изображений, вызванный тем, что измеряется только интенсивность рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения.
По патенту CN 102824154 B, МПК А61В 1/00, опубл. 04.09.2012 г. известны комбинированная система эндоскопии на основе оптической когерентной томографии и метод визуализации полученных изображений. Комбинированная система эндоскопии на основе оптической когерентной томографии содержит: эндоскоп с множеством каналов, оптический когерентный томограф на волоконной оптике и блок управления, причем оптический когерентный томограф включает в себя опорное плечо и выполненное в виде эндоскопического зонда плечо образца, а один из каналов эндоскопа представляет собой плечо образца оптического когерентного томографа. Известны варианты комбинированной системы эндоскопии на основе оптической когерентной томографии, в которых содержатся: перестраиваемый лазер, фотодетектор, теплоприемник, источник видимого света, оптический разветвитель и оптический смеситель; опорное плечо представляет собой жестко зафиксированное зеркало и фокусирующую линзу со специальным покрытием; блок управления состоит из платы сбора данных, центрального процессора, дисплея и дисковода; выполненное в виде эндоскопического зонда плечо образца включает в себя микроэлектромеханическую систему, линзы, сканирующее окно и соединительные элементы; один из множества каналов эндоскопа содержит в себе хирургический инструмент.
Комбинированная система эндоскопии на основе оптической когерентной томографии предназначена для получения видеоизображений и оптических томограмм для исследуемого биомедицинского объекта. Техническим результатом использования системы является трехмерная визуализация с высоким пространственным разрешением в реальном времени.
Недостатком комбинированной системы эндоскопии на основе оптической когерентной томографии является низкий тканевой контраст для получаемых томографических изображений, вызванный тем, что измеряется только интенсивность рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является система для оптической когерентной томографии тканей и органов человека и животных (патент US 7406346 В2, МПК А61 В 5/05, А61В 5/00, G06T 17/40, опубл. 29.06.2008 г. ), содержащая: катетер для введения в исследуемый биомедицинский объект, инжектирования и приема излучения, источник излучения, подключенный к катетеру таким образом, чтобы направлять излучение в исследуемый биомедицинский объект, блок вычислений и формирования томографического изображения, соединенный с детектором, в который поступает и интерферирует излучение опорного плеча и излучение плеча образца, датчик пространственного положения, расположенный на кончике катетера, блок определения пространственного положения катетера связанный с датчиком пространственного положения и блоком вычислений и формирования томографического изображения. Известен вариант системы для оптической когерентной томографии тканей и органов человека и животных, в котором: блок вычислений и формирования томографического изображения, формирует томографическое изображение, только при движении катетера в заданном направлении.
Система для оптической когерентной томографии тканей и органов человека и животных предназначена для формирования трехмерных изображений тканей и органов человека и животных с привязкой к заданной системе координат. Техническим результатом использования системы являются повышение точности позиционирования катетера.
Недостатком системы для оптической когерентной томографии тканей и органов человека и животных является низкий тканевой контраст для получаемых томографических изображений, вызванный тем, что измеряется только интенсивность рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения.
Технической задачей полезной модели является повышение тканевого контраста на получаемых структурных изображениях, за счет измерения поляризационных свойств (в дополнение к интенсивности) рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии, так же, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся катетер для введения в исследуемый биомедицинский объект, инжектирования и приема излучения, источник излучения, подключенный к катетеру таким образом, чтобы направлять излучение в исследуемый биомедицинский объект, блок вычислений и формирования томографического изображения, соединенный с детектором, опорное плечо и плечо образца.
Новым в разработанном устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии является то, что источник излучения находится в оптической связи с первой коллимирующей линзой, которая в свою очередь последовательно оптически связана с поляризатором, второй коллимирующей линзой и разделительной пластиной, опорное плечо содержит находящиеся в оптической связи четвертьволновую пластину, третью коллимирующую линзу и оптическую линию задержки, причем четвертьволновая пластина наклонена под углом 22.5° по отношению к оптически связанной с ней разделительной пластине, а оптическая линия задержки жестко зафиксирована на фокусном расстоянии от коллимирующей линзы, плечо образца содержит находящиеся в оптической связи вторую четвертьволновую пластину, отражающее зеркало и катетер, причем четвертьволновая пластина наклонена под углом 45° по отношению к оптически связанной с ней разделительной пластине, катетер имеет оптически прозрачную дистальную часть, содержит фокусирующую линзу и расположенную в оптически прозрачной дистальной части микроэлектромеханическую систему, а зеркало микроэлектромеханической системы помещено в плоскости фокусного расстояния от фокусирующей линзы таким образом, что бы при любом повороте этого зеркала фокусное расстояние сохранялось, детектор содержит два независимых блока, а именно блок детектирования горизонтально поляризованного излучения и блок детектирования вертикально поляризованного излучения, причем эти блоки оптически связаны с поляризационным разделителем пучка, который в свою очередь оптически связан с разделительной пластиной, блок детектирования горизонтально поляризованного излучения посредством первого усилителя, первого фильтра и первого аналого-цифрового преобразователя электрически связан с блоком вычислений и формирования томографического изображения, блок детектирования вертикально поляризованного излучения посредством второго усилителя, второго фильтра и второго аналого-цифрового преобразователя также электрически связан с блоком вычислений и формирования томографического изображения.
На фиг. 1 представлена схема реализации разработанного устройства эндоскопической оптической когерентной томографии в соответствии с формулой полезной модели.
Принцип работы устройства по фиг. 1 следующий. Поляризационно-чувствительный эндоскопический оптический когерентный томограф построен на основе схемы интерферометра Майкельсона. Излучение источника излучения (перестраиваемого лазера) до поступления в интерферометр с помощью коллимирующей линзы «КЛ1» преобразуется в параллельные лучи, которые линейно-поляризуется в вертикальном направлении при помощи поляризатора «П» и вновь коллимируются (линзой «КЛ2»). Разделительная пластина «РП» делит коллимированное линейно-поляризованное в вертикальном направлении излучение на два пучка, один из которых направляется в опорное плечо, а другой в плечо образца интерферометра Майкельсона. Опорный пучок излучения проходит через четвертьволновую пластину (пластину из поляризационного материала, дающую сдвиг на 1/4 длины волны) «ЧВП1» наклоненную по отношению к этому пучку под углом 22.5°, затем преобразуется с помощью коллимирующей линзы «КЛЗ» в параллельные лучи, которые направляются в оптическую линию задержки «ОЛД» для изменения оптического пути, пройденного этой частью излучения. Вернувшееся с оптической линии задержки «ОЛД» излучение повторно проходит через «КЛЗ» и «ЧВШ». Это приводит к накоплению волной временной задержки и линейной поляризации этого излучения в плоскости под углом 45° по отношению пучку излучения изначально пришедшему с разделительной пластины «РП». Пучок излучения в плече образца также проходит через четвертьволновую пластину («ЧВШ»), однако угол ее наклона равен 45° по отношению к этому пучку. Это приводит к круговой поляризации излучения плеча образца. Циркулярно поляризованное излучение с помощью отражающего зеркала «ОЗ» направляется в эндоскоп оптического когерентного томографа. В катетере эндоскопа излучение с помощью фокусирующей линзы «ФЛ» фокусируется на микроэлектромеханической системе «МЭМС» оптически прозрачной дистальной части катетера. С помощью «МЭМС» излучение доставляется к исследуемому биомедицинскому объекту. Рассеянное назад и обратно отраженное от исследуемого биомедицинского объекта излучение вновь проходит через все элементы плеча образца («МЭМС», «ФЛ», «ОЗ», «ЧВШ») и рекомбинируют (собирается) с излучением опорного плеча на разделительной пластине «РП». Рекомбинированное излучение затем расщепляется поляризационным расщепителем пучка «ПР» и направляется на независимые блоки детектора «БДГПИ» и «БДВПИ». Эти блоки измеряют амплитуду и фазу горизонтально («БДГПИ») и вертикально («БДВПИ») поляризованного излучения. Электрический сигнал с каждого блока детектора, поступает на усилитель, затем на фильтр и оцифровывается аналого-цифровыми преобразователем во временной области в пределах своего канала детектирования (1-й канал для горизонтально поляризованного излучения, 2-й канал для вертикально поляризованного излучения). Далее сигнал с обоих каналов детектирования поступает на блок вычислений и формирования томографического изображения (в данном случае в «ЭВМ»), где по амплитудам и фазам горизонтально и вертикально поляризованного излучения для множества точек исследуемого биомедицинского объекта вычисляются и визуализируются: запаздывания по фазе (частное от деления амплитуд горизонтально и вертикально поляризованного излучения), отражательная способность (сумма квадратов амплитуд горизонтально и вертикально поляризованного излучения), ориентация оси двулучепреломления (разность фаз горизонтально и вертикально поляризованного излучения) и параметры Стокса.
Наиболее важной отличительной особенностью предложенной полезной модели является наличие поляризационных оптических элементов: поляризатора, четвертьволновых пластин и поляризационного расщепителя пучка. Целесообразность использования поляризационных оптических элементов в устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии заключается в том, что:
1. Биомедицинские объекты, в большинстве своем являющиеся сильно рассеивающими средами, вызывают частичную деполяризацию падающего на них излучения, причем различные типы тканей деполяризуют излучение в разной степени.
2. Многие биологические ткани содержат двулучепреломляющие структуры. Для кожи - это коллагеновые пучки, для мышечной ткани - миозиновые пучки, для костной ткани - кристаллы гидроксиапатита, т.е. минерализованные пучки и т.п. Уменьшение макроскопического двулучепреломления можно условно считать критерием патологических изменений в биологической ткани.
В связи с вышесказанным, измеряя поляризационные свойства рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения, можно получить дополнительную структурную информацию об этом объекте и за счет нее повысить тканевой контраст получаемых структурных изображений.
Поляризатор устройства эндоскопической оптической когерентной томографии служит для линейной поляризации в вертикальном направлении коллимированного излучения от источника излучения. Первая четвертьволновая пластина (опорное плечо, угол 22.5° по отношению к пучку излучения, пришедшему с разделительной пластины) предназначена для обеспечения равной интенсивности излучения в обоих каналах детектирования, т.е. на блоке детектирования горизонтально поляризованного излучения и блоке детектирования вертикально поляризованного излучения. Вторая четвертьволновая пластина (плечо образца, угол 45° по отношению к пучку излучения, пришедшему с разделительной пластины) обеспечивает независимость измеряемых параметров поляризации от ориентации оси двойного лучепреломления исследуемого биомедицинского объекта. Отметим, что в общем случае, рассеянное назад и обратно отраженное от исследуемого биомедицинского объекта излучение находится в состоянии эллиптической поляризации. Поляризационный расщепитель пучка служит для выделения горизонтально и вертикально поляризованного излучения, которые затем детектируется соответствующими независимыми блоками детектора.
Другой заявленной отличительной особенностью полезной модели является двухканальное детектирование рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения. Причем в каждом канале (1-й канал для горизонтально поляризованного излучения, 2-й канал для вертикально поляризованного излучения) последовательно используются усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь, позволяющие снизить потери полезного сигнала при его конвертации из аналоговой формы в цифровую, а значит повысить тканевой контраст получаемых структурных изображений.
Также следует отметить отличительные особенности в конструкции опорного плеча и плеча образца. Жесткая фиксация оптической линии задержки на фокусном расстоянии от третьей коллимирующей линзы позволяет избежать дополнительных потерь полезного сигнала в опорном плече. Катетер плеча образца имеет оптически прозрачную дистальную часть, содержит фокусирующую линзу и расположенную в оптически прозрачной дистальной части микроэлектромеханическую систему. Он оптически связан со второй четвертьволновой пластиной посредством отражающего зеркала. Зеркало микроэлектромеханической системы помещено в плоскости фокусного расстояния от фокусирующей линзы таким образом, чтобы при любом повороте этого зеркала фокусное расстояние сохранялось. Использование отражающего зеркала для направления излучения в катетер (и получения излучения из катетера) плеча образца устройства эндоскопической оптической когертеной томографии, а также размещение зеркала микроэлектромеханической системы в плоскости фокусного расстояния от фокусирующей линзы, позволяет избежать дополнительных потерь полезного сигнала, что повышает тканевой контраст получаемых структурных изображений. Оптически прозрачная дистальная часть катетера защищает микроэлектромеханческую систему от загрязнений, что также способствует снижению потерь полезного сигнала и, следовательно, повышает тканевой контраст получаемых структурных изображений.
В конкретной реализации разработанного устройства эндоскопической оптической когерентной томографии в качестве источника излучения использован перестраиваемый лазер SL1310V1 (200 КГц). В качестве находящихся в составе 1-го и 2-го каналов детектирования независимых блоков детектирования горизонтально и вертикально поляризованного излучения, усилителей, фильтров и аналого-цифровых преобразователей использованы поляриметры PAX1000IR2/M. В качестве разделительных пластин применены сверхбыстрые светоделители с заданной дисперсией групповой задержки UFBS5050. В качестве поляризационной оптики (поляризатора, четвертьволновой пластины, поляризационного расщепителя пучка) использованы линейный поляризатор LPNIR050, четвертьволновая пластина WPQ 05M и кубический поляризационный расщепитель пучка ССМ5. В качестве отражающего зеркала использовано серебряное зеркало PF03-03-P01 со специальным, защищающим от окисления покрытием на основе диоксида кремния. Все вышеуказанное оборудование производства фирмы «Thorlabs» (США). В качестве коллимирующей линзы использована линза 74-DA фирмы «Осеап Optics» (США). В качестве фокусирующей линзы и микроэлектромеханического устройства дистальной части катетера использована микроэлектромеханическая система MOUNT-TINY фирмы «Mirrorcle Technologies)) (США). В качестве блока вычислений и формирования томографического изображения применен ноутбук Toshiba Satellite С670-14К с процессором Intel Core i3-2310M и оперативной памятью SO-DIMM DDR3 объемом 3 Гб. Оптическая линия задержки была собрана так, как показано на фиг. 2. из оптических элементов фирмы «Thorlabs)), в частности: двояковыпуклой линзы LB1757, коллиматора F240FC-C, зеркала ВВ2-Е04, 1D гальвано-сканера GVS001 и дифракционной решетки GTI25-ОЗА. Конструктивные особенности оптической линии задержки не вынесены в формулу полезной модели, т.к. не играют принципиального значения. Ее конструкция главным образом зависит от индивидуальной для конкретного источника излучения ширины спектра.
Таким образом, использование поляризационных оптических элементов в устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии позволяет определять не только деполяризующие свойства исследуемых биомедицинских объектов или их частей, но и параметры двулучепреломления, что означает получение дополнительной структурной информации об исследуемом биомедицинском объекте и, как следствие из этого, повышает тканевой контраст получаемых структурных изображений. Двухканальное детектирование рассеянного назад и обратно отраженного от исследуемого биомедицинского объекта излучения, а также особенности в конструкции опорного плеча и плеча образца, позволяют избежать дополнительных потерь полезного сигнала, что также способствует повышению тканевого контраста получаемых структурных изображений. В конкретной реализации тканевой контраст был повышен на 31% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.
Предлагаемое устройство эндоскопической оптической когерентной томографии может использоваться в медицине и ветеринарии для проведения диагностики состояния слизистых оболочек полостей и трактов организма (гастроэнтерология, отоларингология, стоматология, гинекология, урология и т.п.), а также в физике для неразрушающего контроля, например, за качеством оптических материалов, тонких пленок, волокон и т.п., особенно если они находятся внутри сложных изделий.