基于GRIN透鏡的內(nèi)窺OCT探頭設(shè)計(jì)

盛守苗,朱永凱,張雪婷

(南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016)

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·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

基于GRIN透鏡的內(nèi)窺OCT探頭設(shè)計(jì)

盛守苗,朱永凱,張雪婷

(南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016)

提出一種用于在體活檢的光譜OCT內(nèi)窺探頭的設(shè)計(jì)方案,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物組織器官深度信息的在體內(nèi)快速動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)掃描成像,在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文中對(duì)探頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析,對(duì)探頭的加工和測(cè)試進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。針對(duì)傳統(tǒng)的GRIN探頭設(shè)計(jì),本文探頭的設(shè)計(jì)提高了光學(xué)質(zhì)量和機(jī)械健壯性。對(duì)于OCT探頭的成像質(zhì)量依賴于單模光纖和GRIN透鏡之間的距離(玻璃墊片長(zhǎng)度),進(jìn)行了建模和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)得出將玻璃墊片長(zhǎng)度控制在0.2 mm左右,探頭可以達(dá)到2 cm左右的工作距離,工作距離范圍內(nèi)探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角為0.0175°。

OCT探頭；ABCD矩陣；Matlab仿真；內(nèi)窺成像；機(jī)械健壯性

1 引 言

OCT是近年來對(duì)生物體組織進(jìn)行無損、高分辨成像的一種新技術(shù)[1]。隨著OCT技術(shù)的興起,對(duì)OCT內(nèi)窺探頭的研究也隨之廣泛。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Fujjmoto研究小組最先開始進(jìn)行內(nèi)窺譜域OCT系統(tǒng)的研究[2]。美國(guó)Li Xingde課題組在內(nèi)窺OCT領(lǐng)域也取得很好的進(jìn)展,在2000年他們就提出了可以實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)窺成像的微型OCT探針[3]。國(guó)內(nèi)的天津大學(xué)也進(jìn)行了內(nèi)窺探頭的研究工作[4-5]。

雖然國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者在基于GRIN透鏡的內(nèi)窺探頭的開發(fā)和研制工作取得了很大的成果,但是還是存在著一些問題。首先,微型探頭的反射鏡通過手工裝配,很難將其精確地固定到預(yù)定位置,導(dǎo)致光學(xué)探頭的工作參數(shù)(工作距離和聚焦光斑)很難調(diào)整和優(yōu)化[6]。其次,單模光纖、微型GRIN透鏡和微型反射鏡僅僅通過膠膠合在一起,缺乏機(jī)械健壯性[7]。再次,探頭中的光學(xué)窗大多使用光學(xué)膠,很容易在活體組織中被腐蝕破壞[8]。最后，復(fù)雜和精細(xì)的工藝使得制作難度增加,并且制作成本很高。針對(duì)以上這些情況,本文提出了一種新型的探頭設(shè)計(jì),增強(qiáng)了探頭的機(jī)械健壯性,而且制作方便。另外探頭的工作參數(shù)依賴于單模光纖和GRIN透鏡之間的距離,針對(duì)這種情況,提出了使用高斯光學(xué)的ABCD矩陣來進(jìn)行驗(yàn)證,并選擇合適的工作參數(shù)。對(duì)于OCT系統(tǒng)，隨著成像深度越高,聚焦深度越低的問題,國(guó)外研究學(xué)者給出了一系列液體變焦探頭的設(shè)計(jì)[9]。但是這種探頭的加工工藝十分復(fù)雜,成本較高。本文中的探頭在考慮成本問題的基礎(chǔ)上,采用了在探頭出射光的瑞利距離內(nèi)保持平行出射,探頭的平行工作距離可以達(dá)到2 mm,有效地解決工作深度小的問題。

2 探頭的設(shè)計(jì)及分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

OCT系統(tǒng)選用的850 nm光源的光強(qiáng)分布類似于高斯分布,因此探頭設(shè)計(jì)中的光路設(shè)計(jì)都是基于高斯光束問題的分析。由于GRIN透鏡體積小、數(shù)值孔徑高、焦距段、光譜寬、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為微小光學(xué)中十分重要的微型成像器件。探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中使用的GRIN透鏡的直徑為1.8 mm,截距為2.3。單模光纖和GRIN透鏡之間的玻璃墊片使得微型GRIN透鏡的數(shù)值孔徑的充分利用。1.2 mm的微型鍍膜反射片將GRIN透鏡的出射光轉(zhuǎn)折90°從光學(xué)天窗出射。光學(xué)透鏡和微反射鏡封裝在玻璃套管中,并用膠將玻璃套管固定在不銹鋼套管中,在玻璃套管和不銹鋼管的重合處就是玻璃天窗,這種玻璃套管的一體化封裝增加了天窗的機(jī)械健壯性。為了消除柱狀玻璃套管所引起的光線散射,在套管內(nèi)填充與玻璃折射率相同液體。探頭的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。探頭由HI1060單模光纖、0.23 mm玻璃墊片和鍍膜反射片組成。選定玻璃墊片的長(zhǎng)度為0.23 mm時(shí),可以得到2 mm的工作距離和0.4 mm的光斑尺寸。

圖1 OCT內(nèi)窺探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic structure of OCT endoscopic probe

2.2 理論分析玻璃墊片長(zhǎng)度對(duì)探頭工作參數(shù)的影響

探頭的工作參數(shù)會(huì)受到玻璃墊片長(zhǎng)度的影響,為了定量的分析這種影響并且結(jié)合實(shí)際需求來選擇合適的工作參數(shù),使用ABCD矩陣對(duì)整個(gè)探頭的光路進(jìn)行建模。探頭的光路圖如圖2所示。

圖2 探頭的光路圖Fig.2 Optical path of the probe

假設(shè)從單模光纖出射的高斯光纖的束腰半徑為w0,為了計(jì)算方便，假設(shè)束腰位置在單模光纖出射端,單模光纖的折射率為n2,單模光纖和GRIN透鏡間的氣隙長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,自聚焦透鏡的長(zhǎng)度為L(zhǎng),空氣的折射率為n1,自聚焦透鏡的中心折射折射率為n0,梯度常數(shù)為g。從自聚焦透鏡末端出射的束腰半徑為w1,自聚焦透鏡的出射端到出射束腰w1位置的距離為L(zhǎng)2,對(duì)于單向前向探頭來說L為工作距離。

根據(jù)高斯光學(xué)中的ABCD傳輸矩陣[10]的知識(shí),光學(xué)系統(tǒng)的總矩陣如下所示：

如果復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)由K個(gè)折射球面組成構(gòu)成,那么總傳輸矩陣可以因式分解為下式：

其中：

(i=1,2,…,k)

式中，Ri和fi′分別是第i面的曲率半徑和像方焦距；ni-1和ni分別為第i面和像方介質(zhì)折射率；di是第i面到第(i+1)面之間的距離。再由文獻(xiàn)[11]中得自聚焦透鏡的傳輸矩陣為:

因?yàn)榭諝忾g隙是起擴(kuò)束作用,因此焦距可看做無窮遠(yuǎn)處,自聚焦透鏡左右兩邊的折射矩陣和空氣間隙傳輸矩陣分別為：

因此總傳輸矩陣為：

(1)

簡(jiǎn)化為：

(2)

假設(shè)從單模光纖入射時(shí)的復(fù)參數(shù)為q0,從自聚焦透鏡出射時(shí)的復(fù)參數(shù)為q1,高斯光束的復(fù)參數(shù)q(z)定義為:

其中，z為高斯光束到束腰位置的距離；λ為光源波長(zhǎng)；w為束腰半徑。根據(jù)高斯光束中的復(fù)參數(shù)q滿足ABCD定律有：

(3)

其中，q0是高斯光束從單模光纖入射面處的復(fù)參數(shù),前面已經(jīng)假定了入射光線的束腰在單模光纖的出射面上,因此有：

(4)

(5)

根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)得到工作距離L:

(6)

(7)

實(shí)驗(yàn)室用的光源中心波長(zhǎng)λ為850 nm,空氣折射率n1=1,選用的單模光纖型號(hào)為HI1060,纖芯折射率n2為1.4676,GRIN透鏡型號(hào)為SLW180,直徑為1.8 mm,截距為0.23,中心折射率n0為1.4681,GRIN透鏡的長(zhǎng)度L為2 mm。將數(shù)值代入式(6)、(7)可以畫出探頭的工作距離以及光斑大小和空氣間隙L1之間的關(guān)系圖3所示。

圖3 氣隙與工作距離和光斑大小關(guān)系曲線Fig.3 The relational curve graph of air gap and working distance and focus size

由圖可知,工作距離和聚焦光斑都隨著間隙的增大而減小,然而探頭的工作期望值越大越好,而聚焦光斑越小越好,即工作距離越大,橫向分辨率越低。鑒于這種關(guān)系,間隙的大小取0.2 mm左右最佳。

3 工藝加工

探頭制作工藝包括以下幾部分：光纖頭制作、準(zhǔn)直器制作、準(zhǔn)直調(diào)節(jié)、45°角實(shí)現(xiàn)和整體封裝。準(zhǔn)直器制作工藝采用了高精度的玻璃套管,減少了人工調(diào)試工作量。整體封裝過程中使用了第二根開窗玻璃套管,增加了光學(xué)窗的機(jī)械健壯性。光纖頭制作：將剝線鉗剝?nèi)ス饫w尾纖包層,套上毛細(xì)管,點(diǎn)膠固化。用研磨機(jī)和研磨紙將端面拋光打磨成8°角(可以有效減小回波),在200×端面儀下檢測(cè)纖芯是否有劃痕損傷,確認(rèn)無損傷后在端面鍍膜處理；準(zhǔn)直器制作：通過高精度套管將GRIN透鏡和光纖頭預(yù)裝配,保證二者之間的軸向角度偏差和偏軸距離的要求,然后利用定位儀,調(diào)節(jié)毛細(xì)管對(duì)軸向間距進(jìn)行調(diào)整(由上節(jié)可知間距為0.2 mm),并點(diǎn)膠固定。最后將玻璃套管裝入SS套管(夾持器)；準(zhǔn)直調(diào)節(jié)和45°角調(diào)節(jié)：準(zhǔn)直調(diào)節(jié)關(guān)鍵在于控制截距,讓準(zhǔn)直光的束腰落在特定的位置。固定好準(zhǔn)直器,將鍍膜反射鏡貼附在45°研磨的玻璃圓柱體上,使得光纖轉(zhuǎn)折90°射出；整體封裝：將前面的SS套管和玻璃圓柱體同時(shí)裝入第二根玻璃套管中,然后將玻璃套管轉(zhuǎn)入開窗的不銹鋼套管內(nèi),用膠固定。

4 探頭測(cè)試

4.1 探頭工作距離和準(zhǔn)直測(cè)試

根據(jù)理論設(shè)計(jì),我們制作的探頭實(shí)物圖如圖4所示,探頭的總長(zhǎng)為3.7 cm,直徑0.5 cm。探頭微觀圖如圖5所示。

對(duì)探頭的工作距離和準(zhǔn)直測(cè)試時(shí),按圖6測(cè)試方案來進(jìn)行。

圖6 探頭測(cè)試方案示意圖Fig.6 The testing scheme of probe

光源信號(hào)進(jìn)入內(nèi)窺探頭,出射至線陣CCD,我們通過調(diào)節(jié)微位移平臺(tái)來改變工作距離d,并觀察信號(hào)所占像素點(diǎn)寬度來判斷準(zhǔn)直性能。當(dāng)工作距離d分別為1 cm、2 cm、3 cm和6 cm時(shí),線陣CCD上探測(cè)的光強(qiáng)信號(hào)如圖7所示。

圖7 CCD測(cè)試結(jié)果Fig.7 The testing result of CCD camera

5 結(jié) 論

本文提出了生物醫(yī)學(xué)成像中的內(nèi)窺探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高了探頭光學(xué)窗的機(jī)械健壯性并減小了玻璃套筒的光學(xué)色散。從理論上驗(yàn)證了探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作距離與聚焦光斑之間的距離的關(guān)系并進(jìn)行了具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這有利于對(duì)探頭工作參數(shù)的確定,為探頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。另外在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題,例如探頭缺少微機(jī)電一體化,因此不易實(shí)現(xiàn)二維成像。因此設(shè)計(jì)開發(fā)微型、實(shí)現(xiàn)快速掃描、精度高的內(nèi)窺探頭成像技術(shù),是目前OCT研究的一大熱點(diǎn)。

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Design of endoscopic OCT probe based on GRIN lens

SHENG Shou-miao,ZHU Yong-kai,ZHANG Xue-ting

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A design of OCT endoscopic probe for tissue biopsy is proposed,and this probe can be used for real time imaging of tissue profile based on tissue depth information,so it has broad prospect in clinical application.The design of probe was theoretically analyzed,and then the process and measurement of the probe were elaborated in detail.Compared with the traditional probe,the proposed probe can improve the optical quality and machine robust.The principle that the image quality depends on the distance between single mode fiber and GRIN lens was modeled and verified.The experimental results show that,when the length of glass spacer is about 0.2 mm,the working distance of the probe reaches about 2 cm and its divergence angle of far field is 0.0175°.

OCT probe;ABCDmatrix;Matlab simulation;endoscopic imaging;machine robust

1001-5078(2015)06-0678-05

機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(No.sklms201309);江蘇省科技支撐項(xiàng)目(No.BE2013605)資助。

盛守苗(1989-),男,碩士,主要研究方向?yàn)閮?nèi)窺OCT探頭設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制采集系統(tǒng)。E-mail:shengshm1989@163.com

2014-09-05

0734

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.016