一種旋轉式光學和聲學合并成像探頭和導管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學和聲學成像技術領域，特別涉及一種旋轉式合并光學和聲學成像探頭和導管。
[0002]
【背景技術】
[0003]光學成像技術歷史悠久，但是近年來由于激光技術的發展，旋轉掃描光學成像得到大發展，其原理是用光纖將光傳送到遠端發出光束，然后通過機械方法讓光束旋轉掃描，并配合回撤，以螺旋掃描的辦法來得到物體表面的二維圖像或者物體的三維圖像。該技術特別適合對管狀結構的成像，其代表技術包括激光掃描顯微術，低相干成像術，紅外光譜分析術和熒光成像術等。因為光的波長短，這些技術可以達到很高的分辨率(~10微米)，其中低相干成像術有一定的穿透力，可以進行皮下檢測，而紅外光譜分析和熒光分析可以分析樣品的化學成分。
[0004]相對于常用光波的波長而言，聲波的波長較長，即便使用實用中高頻率的超聲波，其分辨率一般也只能到50-100微米左右。雖然聲學成像的分辨率不夠，但是它的穿透力要高于光學成像，所以經常用來進行皮下成像，比如超聲波成像。因為聲學和光學成像存在技術互補性，所以聲學和光學合并成像的診療優勢已為醫學界所共識。
[0005]有時需要在狹小空間內對樣品進行成像，或者對內徑比較小的管狀樣品的內壁進行成像，就需要制作外徑較小而長度較長的探頭，為此需要一種能夠在狹小空間進行機械掃描的裝置。由于尺寸限制，目前探頭的機械旋轉掃描主要是通過扭矩線纜實現，即把光纖或者導線包在扭矩線纜內部一直從近端到達遠端，近端電機的旋轉帶動光電混合轉動接頭的動子，再通過扭矩線纜來帶動遠端的探頭旋轉。然而雖然經過不懈努力，扭矩線纜仍然存在穩定性和可靠性問題。理想情況下，近端的轉動能夠準確傳送到遠端，兩端旋轉的角速度是完全相同的。但是在實際使用中，往往遠端旋轉的角速度會有波動，導致光束或聲束的掃描角速度出現波動，從而導致圖像中出現非均勻旋轉失真，降低圖像質量。另外由于機械結構和材料強度限制，扭矩線纜的旋轉速度也受到限制。
[0006]微型電機，也叫微型馬達，是體積，容量較小的特殊電機，有低慣性，高對應性，高轉速等特點，主要應用在小型精密的精密儀器和醫療等領域。近來隨著顯微加工能力的提高，微型電機的研宄和生產突飛猛進，產品化的微型電機直徑最小到2毫米，而研發階段的微型電機直徑更小。
[0007]為了保護高速旋轉的探頭和方便使用，一般要將探頭放入保護外套中并做成導管。根據慣例，導管沿軸向可以分為近端和遠端，近端為連接成像主機的一端，而遠端為遠離主機的一端。
[0008]
【發明內容】

[0009]本發明的目的是解決上述技術存在的不足，提供一種能夠高速旋轉成像的光學和聲學合并成像探頭。
[0010]根據本發明一個方面，提供一種旋轉光學和聲學合并成像探頭，包括近端的光導光纖和電導線，光導光纖和電導線的末端的格林透鏡和電聲換能器，和更遠端的微型電機。微型電機的定子與格林透鏡和電聲換能器通過內護套和膠固定在一起，位于定子外部的轉子由過連接管連接到反射鏡。該反射鏡可以是平面鏡，也可以是鍍膜或不鍍膜的棱鏡。
[0011]有一組導線連接到電聲換能器上，電聲換能器的背膠面朝向近端，其發射面朝向遠端，因此電聲換能器發出的聲束朝向遠端傳播。光導光纖連接到格林透鏡上，格林透鏡將從光纖發出來的光聚焦成光束也向遠端傳播，與聲束基本上平行。光纖可以放在電聲換能器中間的小孔內，光纖也可以放在電聲換能器旁側。光束和聲束向遠端傳播，遇到固定在微型電機轉子上的反射鏡，轉向側面檢查成像目標。另外一組導線連接在微型電機上，包括電源線和控制線，當微型電機開始轉動時，側面的聲束和光束同步轉動進行成像。除了電機轉子和轉子上附著的反射鏡，其他組件，比如電聲換能器和光纖，正常使用中并不進行高速旋轉。
[0012]根據本發明的另一個方面，提供一種高速旋轉成像的光學和聲學合并成像導管。該導管從近端到遠端有如下結構:外殼連接端口，光電混合連接頭，側管接頭，魯爾接頭，伸縮管，近端導管鞘，遠端導管鞘，成像探頭和遠端快速交換頭。其中外殼連接頭用以將導管在使用過程中固定到成像主機上，混合光電接頭用以傳導光信號和電信號，近端導管鞘，遠端導管鞘用于保護探頭，伸縮管還可以讓成像探頭可以在外護套內平移，側管接頭和魯爾接頭用以注射液體到導管中，快速交換頭并非必須，只在某些場合使用，用于配合指引導絲來協助將探頭放置到成像位置。
[0013]本發明具有如下優點:
1.合并了聲學和光學成像，可以用一個成像元件同時實現激光掃描成像術，低相干成像術，紅外光譜分析術和超聲波成像技術，也可以用于光聲斷層成像術。
[0014]2.旋轉電機在導管遠端，因此不需要傳動扭矩線纜，大大降低了非均勻旋轉失真。
[0015]3.因為導管和探頭近端和接頭處不需要高速旋轉，導管的可靠性大大增加。
[0016]4.因為微型電機旋轉速度可以做的很高，因此大大提升了成像速度。
[0017]5.不再需要高成本的高性能光電混合轉動接頭，因此降低了成像系統成本。
[0018]6.壽命長。現有技術的電機位于距離探頭較遠的成像主機，僅通過扭矩線纜驅動探頭旋轉，由于扭矩線纜壽命有限，導致整個成像導管提前報廢。本發明電機在導管遠端，無需扭矩線纜，因此使用壽命大大加長。
[0019]
【附圖說明】
[0020]圖1是一種光學和聲學合并探頭和導管與其配套的成像系統的整體示意圖。
[0021]圖2是一種光束和聲束同軸的合并探頭的結構不意圖。
[0022]圖3是一種側面開孔的連接管的示意圖。
[0023]圖4是一種中段剖面呈U形的連接管的示意圖。
[0024]圖5是一種光束和聲束不同軸的合并探頭的結構不意圖。
[0025]圖6是一種電機位于遠端的合并探頭的結構示意圖。
[0026]圖7是一種反射鏡呈曲面鏡的合并探頭的結構示意圖。
[0027]圖8是一種合并成像導管的結構示意圖。
[0028]
【具體實施方式】
[0029]下面將結合附圖對本發明的實施進行詳細描述。
[0030]本發明是關于一種可以在合并聲學和光學分析的系統上使用的探頭和導管。該系統的結構框圖由圖1所示，包括:計算機I，光學系統2，聲學系統3，運動控制系統4，平移臺6，混合光電接頭5和成像導管7。
[0031]計算機I用于控制整個系統，發出控制信號給光學系統2和聲學系統3，獲得系統返回的數據，并將數據作處理，進行圖像重建，儲存和顯示。計算機I還給出控制信號給運動控制系統，該運動控制系統發出兩組控制信號:第一組信號控制平移臺6來實現導管7沿縱向軸線的往復平移運動，第二組信號通過混合光電接頭5連接到導管7，控制導管7遠端微型電機的旋轉運動。光學系統2用于發射和接收光學信號，其中包含所需光源，光信號探測系統和一些相關的光學零件，比如干涉儀，光耦合器等。聲學系統3用于發射和接收聲學信號，其中包含所需發射電路，接收電路，發射接收轉換器。光電混合接頭5用于連接導管7和光學系統，聲學系統和運動控制系統，其中既有光纖接口，也有一組電接頭。
[0032]圖2顯示了本發明的一種合并聲學和光學成像的成像探頭(合并探頭)的結構示意圖。
[0033]參照圖2，該合并探頭包括:光纖8，格林透鏡9，電聲換能器10，微型電機11，聲信號導線12，電機驅動電纜13，內護套18，連接管14，外護套15，反射鏡16和反射鏡座17。
[0034]圖2所示合并探頭基本結構是:內護套18和微型電機11的定子20固定連接，微型電機11是空心的，其轉子19和連接管14的一端固定連接，連接管14的另一端和反射鏡座17固定連接，反射鏡座17和反射鏡16固定連接。電聲換能器10是環形的，位于微型電機11的遠端。光纖8和格林透鏡9固定連接，位于環形電聲換能器10中間的空洞里，其縱向位置由所需要的最佳聚焦位置可作相應調節。聲信號導線12可以是同軸電纜，或者雙絞線，分別連接在電聲換能器10的正負極上。根據不同的電機設計，電機驅動電纜13可能需要若干根導線，這些導線可以松散的放置在內護套18內，也可以集束成單根電纜。
[0035]圖2所示合并探頭的基本聲學和光學工作原理是:光纖8和格林透鏡9作為光信號通道，用以傳送發射光和搜集自樣品來的回射光(包括反射和散射)。自格林透鏡9出來的光束的方向是沿軸線向遠端傳播，被反射鏡16反射轉向徑向，透過內護套18上的窗口 41和外護套15照射樣品44，自樣品44回射的光沿原光路返回通過格林透鏡9再被光纖8收集。環形電聲換能器10的背膠面朝向近端(圖的左端)，其發射面朝向遠端(圖的右端)，因此環形電聲換能器10發出來的聲束也是沿軸線向遠端傳播，被同一反射鏡16反射轉向徑向，透過內護套18上的窗口 41和外護套15照射被探測樣品44，自樣品44回射的聲波沿原路返回被電聲換能器10捕捉轉化成電信號并由聲信號導線傳回近端。為了將聲束和光束有效向兩側反射，所述反射鏡16的反射面應與縱軸線方向成一角度，該角度應該在30-60度之間，對應發射光束和反射聲束與縱軸線成60-120度角。
[0036]圖2所示合并探頭的基本機械掃描原理是:內護套18，光纖8和聲信號導線12的近端都是固定到導管近端的，因此它們本身都不旋轉。內護套18遠端固定在微型電機11的定子20上，光纖8遠端固定到格林透鏡9，聲信號導線1