ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2005 года по МПК G01B9/02 G01J9/02 

Изобретение относится к технической физике, в частности к исследованиям внутренней структуры объектов оптическими средствами, и может быть использовано для получения изображения объекта методом рефлектометрии и оптической когерентной томографии в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем in vivo или in vitro, а также в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов.

Достоинством устройств, используемых для исследования объекта с помощью оптического низкокогерентного излучения, является возможность получения изображений мутных сред с высоким пространственным разрешением, а также возможность неинвазивной диагностики при проведении медицинских исследований и неразрушающего контроля при технической диагностике различного оборудования. Устройства такого типа содержат оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр. Оптические интерферометры, входящие в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, достаточно хорошо известны (см., например, интерферометры по пат. США №№ 5321501, 5383467, 5459570, 5582171, 6134003, международная заявка № WO 00/16034 и др.). Иногда оптическую схему интерферометра полностью или частично реализуют с использованием оптических элементов с сосредоточенными параметрами (пат. США № 5383467), но чаще оптические интерферометры такого назначения выполняют оптоволоконными (пат. США №№ 5321501, 5459570, 5582171).

Оптический интерферометр выполнен обычно в виде интерферометра Майкельсона (см., например, X.Clivaz et al. "High resolution reflectometry in biological tissues". Opt.Lett. /Vol.17, No. 1/January 1, 1992; J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. "Optical coherence microscopy in scattering media", Opt.Lett./ Vol.19, No. 8/April 15, 1994, p.590-592) либо интерферометра Маха-Цандера (см., например, J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. "Micron-resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography". Optics & Photonic News, October 1993, Vol.4, No.10, p.14-19; пат. США №5582171). Вне зависимости от используемой конкретной схемы оптического интерферометра он содержит один или два светорасщепителя, измерительное и опорное плечи и, по меньшей мере, один фотоприемник. Измерительное плечо, как правило, снабжено измерительным зондом, чаще всего оптоволоконным (например, A.Sergeev et al. "In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure", Proc.SPIE, v.2328,1994, p. 144; X.J.Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt. Lett./Vol.20, No.5, 1995, pp.524-526). В интерферометре Майкельсона измерительное и опорное плечи двунаправленные, а на конце опорного плеча установлено референтное зеркало. В интерферометре Маха-Цандера измерительное и опорное плечи однонаправленные. Известны также гибридные интерферометры, в которых измерительное плечо однонаправленное, а опорное плечо двунаправленное (например, международная заявка № WO 00/16034).

Принципиальной проблемой при построении любой из перечисленных оптических схем интерферометра, входящего в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, является обеспечение максимального согласования плеч оптического интерферометра, что определяется геометрической длиной плеч и их дисперсионными характеристиками. Несоблюдение этого условия приводит к уширению кросскорреляционной функции и, как следствие, к уменьшению разрешения по глубине. Для компенсации разницы в дисперсии, связанной с возможным неравенством длин плеч оптического интерферометра, а также с использованием фокусирующей оптики в измерительном плече, в опорное плечо включают блок компенсации дисперсии, который используют при первоначальной калибровке устройства (см, например, пат. США №№ 5459570, 5975697, 6134003).

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является оптическое устройство для исследования объекта, известное по пат. США № 6134003, содержащее оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр, включающий измерительное и опорное плечи. Измерительное плечо снабжено зондом, а опорное плечо включает блок компенсации дисперсии, который может содержать либо соответствующий отрезок оптического волокна, либо соответствующие дискретные оптические элементы. По меньшей мере, одно из плеч может включать оптическую линию задержки, а зонд может включать поперечный сканер. При использовании этого устройства в лабораторных условиях и для научных исследований квалифицированный исследователь может обеспечить компенсацию дисперсии и, следовательно, достаточно высокое разрешение по глубине подбором соответствующего количества оптического волокна и/или соответствующих оптических элементов в блоке компенсации дисперсии.

Однако при использовании устройства в клинических условиях при исследованиях in vivo или in vitro либо в промышленных условиях для технической диагностики пользователь, как правило, не является высококвалифицированным специалистом в области оптической низкокогерентной техники и не может устранить возникшую при эксплуатации устройства неидентичность плеч оптического интерферометра. Поскольку устройства для оптической когерентной томографии и рефлектометрии являются достаточно дорогими приборами, один и тот же прибор может использоваться с разными источниками низкокогерентного излучения и для исследования различных объектов при наличии, например, сменных зондов. Замена зонда может быть вызвана также его поломкой. Замена источника низкокогерентного излучения, смена объекта исследования и замена зонда приводят, как правило, к нарушению первоначальной калибровки устройства и необходимости компенсации дисперсии. Необходимость компенсации дисперсии особенно важна при замене оптоволоконного зонда, поскольку выпускаемое промышленностью оптическое волокно имеет весьма существенный разброс по дисперсии, что приводит к нарушению идентичности плеч оптического интерферометра и уменьшению разрешения по глубине.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции оптического устройства для исследования объекта, позволяющей простыми средствами обеспечить максимальное согласование плеч оптического интерферометра и тем самым высокое разрешение по глубине при эксплуатации устройства в клинических и промышленных условиях.

Сущность разработанного оптического устройства для исследования объекта заключается в том, что он так же, как и устройство, которое является ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр, включающий измерительное и опорное плечи, при этом измерительное плечо снабжено зондом.

Новым в разработанном устройстве для исследования объекта является то, что опорное плечо включает, по меньшей мере, одну сменную часть, заданные оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда.

В частном случае зонд выполнен оптоволоконным.

В другом частном случае сменная часть опорного плеча, оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда, выполнена оптоволоконной.

В другом частном случае устройство снабжено, по меньшей мере, одним сменным комплектом, включающим оптоволоконный зонд и сменную часть опорного плеча.

В другом частном случае оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих приблизительно одинаковые дисперсионные характеристики.

В другом частном случае оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из одного отрезка оптического волокна.

В другом частном случае оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих разные дисперсионные характеристики.

В другом частном случае в оптическом интерферометре измерительное и опорное плечи выполнены двунаправленными, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно равна геометрической длине зонда.

В другом частном случае в оптическом интерферометре измерительное плечо выполнено двунаправленным, а опорное плечо выполнено однонаправленным, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно вдвое больше геометрической длины зонда.

В другом частном случае в оптическом интерферометре измерительное плечо выполнено однонаправленным, а опорное плечо выполнено двунаправленным, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно вдвое меньше геометрической длины зонда.

Предпочтительно выполнить оптическое волокно одномодовым.

В частном случае оптическое волокно выполнено поляризационно сохраняющим.

Целесообразно включить в опорное плечо блок компенсации дисперсии.

Целесообразно также соединить зонд с остальной частью оптического интерферометра с помощью разъемного соединения.

В частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит оптическую линию задержки.

В другом частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит фазовый модулятор.

В другом частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра выполнено оптоволоконным.

В другом частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра выполнено оптоволоконным.

В другом частном случае источник низкокогерентного оптического излучения выполнен в виде источника излучения видимого или ближнего ИК диапазона длин волн.

В другом частном случае сменная часть опорного плеча, оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда, выполнена на дискретных оптических элементах.

Разработано оптическое устройство для исследования объекта, в котором опорное плечо включает, по меньшей мере, одну сменную часть, заданные оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда. При выполнении зонда оптоволоконным это позволяет снабдить устройство набором сменных комплектов, в который входит оптоволоконный зонд и соответствующая сменная оптоволоконная часть опорного плеча. При этом оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча могут быть изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих либо приблизительно одинаковые, либо разные дисперсионные характеристики. Оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча могут быть изготовлены из одного отрезка оптического волокна. Использование таких комплектов при эксплуатации устройства в клинических или промышленных условиях позволяет простыми средствами обеспечить максимальное согласование плеч оптического интерферометра и тем самым высокое разрешение по глубине.

На чертеже приведено схематичное изображение предложенного оптического устройства для исследования объекта.

Предложенное устройство иллюстрируется на примере устройства для оптической низкокогерентной томографии, включающего оптоволоконный интерферометр, хотя очевидно, что оно может быть реализовано в виде рефлектометра, а оптический интерферометр либо любая его часть могут быть выполнены с помощью оптических элементов с сосредоточенными параметрами. Оптоволоконная реализация предпочтительна для медицинских применений, особенно в эндоскопии, где гибкость и компактность оптического волокна обеспечивает удобный доступ к различным тканям и органам, включая внутренние органы, через эндоскоп.

Устройство, изображенное на чертеже, содержит источник 1 низкокогерентного оптического излучения, оптически связанный с оптическим интерферометром 2. Оптический интерферометр 2 в конкретной реализации выполнен в виде интерферометра Майкельсона и включает измерительное плечо 3 и опорное плечо 4, при этом измерительное плечо 3 снабжено оптоволоконным зондом 5. В конкретной реализации, приведенной на рисунке, оптоволоконный зонд 5 выполнен сменным и соединен с остальной частью оптического интерферометра 2 с помощью разъемного соединения 6. Если оптический интерферометр 2 выполнен на поляризационно сохраняющем волокне, разъемное соединение также должно быть поляризационно сохраняющим. Если зонд 5 сконструирован для получения изображения по окружности (например, катетер для получения изображения внутренней части сосудов), он может быть соединен с остальной частью интерферометра с помощью вращающегося соединения. Опорное плечо 4 снабжено на конце референтным зеркалом 7. Опорное плечо 4 может включать блок компенсации дисперсии (на чертеже не показан) для калибровки устройства при его изготовлении. Опорное плечо 4 включает, по меньшей мере, одну сменную часть в конкретной реализации, сменную часть 8, заданные оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда 5. При выполнении интерферометра 2 в виде интерферометра Майкельсона измерительное и опорное плечи являются двунаправленными, поэтому геометрическая длина сменной части 8 опорного плеча 4 приблизительно равна геометрической длине оптоволоконного зонда 5. При этом оптоволоконный зонд 5 и сменная часть 8 опорного плеча 4, являющиеся частью сменного комплекта, изготовлены из одного отрезка оптического волокна, что позволяет максимально сблизить дисперсионные характеристики оптоволоконного зонда 5 и сменной части 8. Сменная часть 8 опорного плеча 4 соединена с несменяемой частью опорного плеча 4 с помощью, по меньшей мере, одного разъемного соединения 9.

При использовании другой схемы оптического интерферометра 2, в которой измерительное плечо 3 выполнено двунаправленным, а опорное плечо 4 выполнено однонаправленным, геометрическая длина сменной части 8 опорного плеча 4 приблизительно вдвое больше геометрической длины зонда 5. При использовании схемы оптического интерферометра 2, в которой измерительное 3 плечо выполнено однонаправленным, а опорное плечо 4 выполнено двунаправленным, геометрическая длина сменной части 8 опорного плеча 4 приблизительно вдвое меньше геометрической длины зонда 5.

При проведении исследований на двух длинах волн может возникнуть необходимость компенсации дисперсии при переходе с одной рабочей длины волны на другую. В этом случае используют сменный комплект, в котором оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих разные дисперсионные характеристики.

Источник 1 представляет собой источник низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона длин волн; в качестве источника 1 могут быть использованы, например, полупроводниковые суперлюминисцентные диоды, суперлюмы на легированном оптическом волокне, твердотельные и оптоволоконные фемтосекундные лазеры.

Зонд 5 может иметь любую известную из уровня техники конструкцию, например, это может быть эндоскоп, эндоскопический зонд, катетер, проводниковый катетер, игла, либо он может быть имлантирован в тело для обеспечения мгновенного доступа к внутреннему органу. Зонд 5 может включать систему поперечного сканирования, которая может быть выполнена, например, так же, как в устройстве по пат. РФ № 2148378.

По меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра 2 может содержать оптическую линию задержки или фазовый модулятор для изменения разности оптических длин измерительного 3 и опорного 4 плеч, т.е. для сканирования вглубь объекта 10. Оптическая линии задержки может быть выполнена, например, по патенту РФ № 2100787, в виде встроенной оптоволоконной линии задержки (на чертеже не показано). Однако могут быть использованы любые известные из уровня техники средства для изменения оптической длины, например линии задержки, основанные на перемещении зеркала (зеркал), на перемещении призмы (призм), дифракционная линия задержки, вращающиеся зеркала, призмы, кулачковые механизмы и геликоидные зеркала.

В качестве оптического волокна в конкретной реализации используется одномодовое поляризационно сохраняющее оптическое волокно.

Разработанное оптическое устройство для исследования объекта работает следующим образом.

Источник 1 формирует низкокогерентное оптическое излучение, в конкретной реализации, видимого или ближнего ИК диапазона, которое поступает на оптический интерферометр 2. Оптоволоконный зонд 5, являющийся частью измерительного плеча 3 оптического интерферометра 2 обеспечивает доставку оптического излучения на объект 10. Интерферометр 2 обеспечивает формирование интерференционного сигнала, являющегося результатом смешения сигналов, прошедших по измерительному и опорному плечам 3, 4 соответственно. При смене оптоволоконного зонда 5 производят замену сменной части 8 опорного плеча 4, используя для этого сменную часть 8 из соответствующего комплекта. В зависимости от решаемой задачи используют либо комплект, в котором оптоволоконный зонд 5 и сменная часть 8 опорного плеча 4 изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих приблизительно одинаковые дисперсионные характеристики, либо комплект, в котором оптоволоконный зонд 5 и сменная часть 8 опорного плеча 4 изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих разные дисперсионные характеристики.

И в том, и в другом случае обеспечивается максимальное согласование плеч оптического интерферометра, вследствие чего реализуется необходимое разрешение по глубине.

Оптическое устройство для исследования объекта содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр, включающий измерительное и опорное плечи, при этом измерительное плечо снабжено зондом. Также опорное плечо включает, по меньшей мере, одну сменную часть, заданные оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда. Технический результат - обеспечение максимального согласования плеч оптического интерферометра и тем самым высокое разрешение по глубине. 19 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптическое устройство для исследования объекта, содержащее оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения и оптический интерферометр, включающий измерительное и опорное плечи, при этом измерительное плечо снабжено зондом, отличающееся тем, что опорное плечо включает, по меньшей мере, одну сменную часть, заданные оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда.2. Оптическое устройство для исследования объекта по п.1, отличающееся тем, что зонд выполнен оптоволоконным.3. Оптическое устройство для исследования объекта по п.2, отличающееся тем, что сменная часть опорного плеча, оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда, выполнена оптоволоконной.4. Оптическое устройство для исследования объекта по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним сменным комплектом, включающим оптоволоконный зонд и сменную часть опорного плеча.5. Оптическое устройство для исследования объекта по п.4, отличающееся тем, что оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих приблизительно одинаковые дисперсионные характеристики.6. Оптическое устройство для исследования объекта по п.5, отличающееся тем, что оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из одного отрезка оптического волокна.7. Оптическое устройство для исследования объекта по п.4, отличающееся тем, что оптоволоконный зонд и сменная часть опорного плеча изготовлены из отрезков оптического волокна, имеющих разные дисперсионные характеристики.8. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что в оптическом интерферометре измерительное и опорное плечи выполнены двунаправленными, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно равна геометрической длине зонда.9. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что в оптическом интерферометре измерительное плечо выполнено двунаправленным, а опорное плечо выполнено однонаправленным, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно вдвое больше геометрической длины зонда.10. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что в оптическом интерферометре измерительное плечо выполнено однонаправленным, а опорное плечо выполнено двунаправленным, при этом геометрическая длина упомянутой сменной части опорного плеча приблизительно вдвое меньше геометрической длины зонда.11. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.2-7, отличающееся тем, что оптическое волокно выполнено одномодовым.12. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.2-7, отличающееся тем, что оптическое волокно выполнено поляризационно сохраняющим.13. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что опорное плечо включает блок компенсации дисперсии.14. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что зонд соединен с остальной частью оптического интерферометра с помощью разъемного соединения.15. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра содержит оптическую линию задержки.16. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра содержит фазовый модулятор.17. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно из плеч оптического интерферометра выполнено оптоволоконным.18. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что зонд включает поперечный сканер.19. Оптическое устройство для исследования объекта по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что источник низкокогерентного оптического излучения выполнен в виде источника излучения видимого или ближнего ИК-диапазона длин волн.20. Оптическое устройство для исследования объекта по п.1, отличающееся тем, что сменная часть опорного плеча, оптические параметры которой определяются оптическими свойствами зонда, выполнена на дискретных оптических элементах.