ОПТОВОЛОКОННОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к оптическим устройствам для управления направлением света, в частности к сканирующим системам, и может быть использовано в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем человека in vivo в составе зонда оптического когерентного томографа, а также в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов.

В последнее время в связи с бурным развитием оптических технологий наблюдается их активное проникновение и применение в медицине. Появляются и развиваются новые методы, исследующие различные оптические характеристики биоткани. Оптическая когерентная томография - неинвазивный метод получения прижизненного изображения биотканей на глубину до 2 мм с пространственным разрешением 10-15 мкм в реальном времени, основанный на интерферометрическом детектировании обратно рассеянного света ближнего инфракрасного диапазона. Создание относительно дешевых, компактных, портативных, легко управляемых томографов с обеспечением эндоскопического доступа делает метод привлекательным для использования в клинической практике.

В оптическом когерентном томографе сканирование по глубине исследуемого объекта осуществляется оптическими методами, а сканирование вдоль поверхности объекта - за счет перемещения зондирующего луча при помощи сканирующего устройства.

При перемещении зондирующего луча с помощью оптоволоконного сканирующего устройства только в одном направлении вдоль поверхности исследуемого объекта и за счет сканирования по глубине получается двумерное изображение исследуемого объекта. По такому изображению иногда невозможно диагностировать биоткань вследствие недостаточной информативности получаемого изображения. Например, на двумерном изображении железа и сосуд могут выглядеть одинаково. Поэтому необходимо проводить сканирование исследуемого объекта в плоскости, перпендикулярной оси оптического волокна для получения более информативного изображения (границ микроструктур). Это достигается за счет перемещения оптического волокна по двум приблизительно перпендикулярным направлениям. В результате, совместно со сканированием по глубине объекта, возможно получение трехмерных изображений, по которым более точно производится диагностирование.

Сканирующее устройство является частью зонда оптического когерентного томографа, поэтому должно иметь миниатюрные размеры для совмещения зонда с эндоскопическим оборудованием.

Известно оптоволоконное сканирующее устройство (патент US 5317148, МПК⁵ G02B 26/08, публ. 31.05.1994), содержащее стационарную часть, включающую в себя опорный элемент, электромагнит и линзовую систему, и подвижную часть, состоящую из оптического волокна и закрепленного на его дистальном конце постоянного магнита. Проксимальный конец оптического волокна закреплен в опорном элементе. Под воздействием переменных магнитных полей, создаваемых электромагнитом, дистальный конец оптического волокна с закрепленным на нем постоянным магнитом, отклоняется в направлениях, перпендикулярных его оси.

Недостатком данного устройства является то, что амплитуда отклонения оптического волокна ограничена допустимой массой закрепленного на нем магнита, а также сложность создания переменного магнитного поля достаточной напряженности при малых габаритах устройства.

Известно оптоволоконное сканирующее устройство (патент US 3941927, МПК² G02B 5/14, публ. 02.03.1976), содержащее стационарную часть, включающую в себя опорный элемент, электромагнит и линзовую систему, и подвижную часть, содержащую оптическое волокно с нанесенным на него токопроводящим покрытием. При протекании по покрытию управляющего тока создается магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем электромагнита, отклоняет оптическое волокно с покрытием в направлении, перпендикулярном его оси.

Недостатком данного устройства является то, что амплитуда отклонения оптического волокна ограничена малой массой токопроводящего покрытия, а также возможность отклонения оптического волокна только в одном направлении.

Известно другое исполнение данного устройства, в котором дополнительно используется второй электромагнит для создания магнитного поля, отклоняющего оптическое волокно с покрытием во втором направлении. Однако размещение оптического волокна между полюсами электромагнитов, как в первом, так и во втором исполнениях, определяет сравнительно большие габариты устройства.

Ближайшим аналогом разработанного устройства является оптоволоконное сканирующее устройство, известное по патенту RU 2148378, МПК⁷ G02B 26/10, публ. 10.05.2000, содержащее стационарную и подвижную часть. Стационарная часть содержит опорный элемент, магнитную систему и линзовую систему. Подвижная часть включает в себя установленный с возможностью перемещения токопровод и жестко скрепленное с ним оптическое волокно, закрепленное в опорном элементе с возможностью перемещения дистальной части оптического волокна. Торцевая поверхность оптически связана с линзовой системой, а токопровод связан с источником управляющего тока. Магнитная система обеспечивает формирование стационарного магнитного поля. При протекании по токопроводу управляющего тока возникает сила, с которой действует стационарное магнитное поле на проводник с током, и вызывает перемещение токопровода и дистальной части оптического волокна в направлении, приблизительно перпендикулярном оси оптического волокна.

В отличие от предыдущих устройств данное устройство обеспечивает необходимую амплитуду отклонения оптического волокна, и габариты устройства позволяют использовать его в миниатюрном оптоволоконном зонде оптического когерентного томографа. Однако перемещение оптического волокна происходит только в одном направлении, что позволяет проводить сканирование только по одной координате.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптоволоконного сканирующего устройства, обеспечивающего сканирование исследуемого объекта в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна, за счет перемещения оптического волокна по двум приблизительно перпендикулярным направлениям и имеющего миниатюрные размеры при реализации необходимой амплитуды перемещения оптического волокна для использования его в оптоволоконном зонде оптического когерентного томографа.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное оптоволоконное сканирующее устройство так же, как и ближайший аналог, содержит стационарную часть, подвижную часть, линзовую систему и источник управляющего тока. Стационарная часть состоит из опорного элемента и магнитной системы, содержащей по меньшей мере один постоянный магнит. Подвижная часть включает в себя установленный с возможностью перемещения первый токопровод и жестко скрепленное с ним оптическое волокно, закрепленное в опорном элементе с возможностью перемещения дистальной части оптического волокна. Торцевая поверхность оптического волокна оптически связана с линзовой системой. Первый токопровод связан с источником управляющего тока.

Новым в разработанном устройстве является то, что в подвижную часть введен соединенный со своим источником управляющего тока второй токопровод, жестко скрепленный с первым токопроводом и с упомянутым оптическим волокном, каждый токопровод выполнен в виде по меньшей мере одного витка провода, часть первого токопровода и часть второго токопровода, параллельные оси оптического волокна, расположены относительно магнитной системы так, что направление поля магнитной системы приблизительно перпендикулярно части первого и части второго токопроводов, при этом направление поля магнитной системы в месте расположения упомянутой части первого токопровода приблизительно перпендикулярно направлению поля в месте расположения упомянутой части второго токопровода.

В первом частном случае реализации устройства первый и второй токопроводы следует выполнить в виде плоских рамок и жестко скрепить друг с другом под углом соприкасающимися сторонами.

Во втором частном случае реализации устройства первый и второй токопроводы целесообразно выполнить в виде изогнутых рамок и жестко скрепить друг с другом двумя плоскостями рамок.

В третьем частном случае реализации устройства первый и второй токопроводы следует выполнить в виде плоских жестко скрепленных рамок, вставленных одна в другую.

В четвертом частном случае реализации устройства линзовую систему следует расположить на торцевой поверхности дистальной части оптического волокна.

В пятом частном случае реализации устройства магнитную систему целесообразно дополнить одним постоянным магнитом.

В шестом частном случае реализации устройства магнитную систему следует дополнить двумя постоянными магнитами.

В седьмом частном случае реализации устройства магнитную систему следует дополнить тремя постоянными магнитами.

В восьмом частном случае реализации устройства в магнитной системе следует по меньшей мере один дополнительный постоянный магнит заменить на магнитопровод.

На фиг.1 представлены общий вид и поперечные сечения разработанного оптоволоконного сканирующего устройства в конкретном случае его реализации с одним постоянным магнитом и токопроводами, выполненными в виде плоских рамок, жестко скрепленных друг с другом под углом соприкасающимися сторонами.

На фиг.2 (а и б) представлены поперечные сечения частных случаев реализации разработанного оптоволоконного сканирующего устройства.

На фиг.3 представлен общий вид и поперечные сечения разработанного оптоволоконного сканирующего устройства в конкретном случае его реализации с тремя постоянными магнитами и токопроводами, выполненными в виде изогнутых рамок, жестко скрепленных друг с другом двумя плоскостями.

Разработанное оптоволоконное сканирующее устройство по фиг.1 содержит стационарную часть и подвижную часть. Стационарная часть включает в себя опорный элемент 1, магнитную систему 2, содержащую в данной реализации один постоянный магнит 3. Подвижная часть состоит из жестко скрепленных первого токопровода 4, второго токопровода 5 и оптического волокна 6. В оптоволоконном сканирующем устройстве по фиг.1 первый токопровод 4 и второй токопровод 5 выполнены в виде плоских рамок, жестко скрепленных друг с другом под углом соприкасающимися сторонами. В данной реализации первый токопровод 4 и второй токопровод 5 выполнены в виде одного витка провода.

Проксимальная часть 7 оптического волокна 6 закреплена в опорном элементе 1. Дистальная часть 8 оптического волокна 6 размещена с возможностью перемещения в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна 6. Торцевая поверхность 9 дистальной части 8 оптического волокна 6 оптически связана с линзовой системой 10.

Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 связаны с соответствующими источниками управляющего тока (на чертеже не показаны). Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 находятся в стационарном магнитном поле, сформированном магнитной системой 2, при этом часть 11 первого токопровода 4 и часть 12 второго токопровода 5, параллельные оси оптического волокна 6, находятся в более сильном магнитном поле. Поэтому наибольшее влияние на работу устройства оказывают именно часть 11 первого токопровода 4 и часть 12 второго токопровода 5, остальные части токопроводов оказывают незначительное влияние. Направление 13 поля магнитной системы 2 в месте расположения части 11 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно указанной части 11. Направление 14 поля магнитной системы 2 в месте расположения части 12 второго токопровода 5 приблизительно перпендикулярно части 12. Направление 13 поля в месте расположения части 11 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно направлению 14 поля в месте расположения части 12 второго токопровода 5.

Оптическое волокно 6 обеспечивает прохождение оптического излучения от проксимальной части 7 к дистальной части 8. Линзовая система 10 фокусирует оптическое излучение, вышедшее из торцевой поверхности 9 оптического волокна 6, на поверхности исследуемого объекта.

При протекании управляющего тока через первый токопровод 4 в части 11 возникает сила, действующая на часть 11 в направлении I-I. Эта сила, пропорциональная силе тока, протекающего через первый токопровод 4, и напряженности магнитного поля, сформированного магнитной системой 2, вызывает перемещение первого токопровода 4 и жестко с ним скрепленных второго токопровода 5 и оптического волокна 6 в том же направлении I-I.

При протекании управляющего тока по второму токопроводу 5 в части 12 возникает сила, действующая на часть 12 в направлении II-II, пропорциональная силе тока во втором токопроводе 5, напряженности магнитного поля, сформированного магнитной системой 2. Эта сила вызывает перемещение второго токопровода 5 и жестко с ним скрепленных первого токопровода 4 и оптического волокна 6 в направлении II-II.

Так как направление поля в месте расположения части 11 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно направлению поля в месте расположения части 12 второго токопровода 5, то направление силы, возникающей в части 11 при протекании по первому токопроводу 4 управляющего тока приблизительно перпендикулярно направлению силы, возникающей в части 12 при протекании управляющего тока по второму токопроводу 5. Поэтому направления I-I и II-II, в которых происходят перемещения подвижной части устройства при протекании управляющего тока по первому токопроводу и по второму токопроводу соответственно, приблизительно перпендикулярны.

При одновременном протекании управляющих токов по первому токопроводу 4 и второму токопроводу 5 происходит перемещение подвижной части устройства в направлении, определяемом суммарным действием двух сил, возникающих одновременно в части 11 первого токопровода 4 и части 12 второго токопровода 5, в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна 6.

Таким образом, использование в устройстве второго токопровода 5 и расположение части 11 первого токопровода 4 и части 12 второго токопровода 5, параллельных оси оптического волокна 6, относительно магнитной системы 2 так, что направления 13 и 14 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярны части 11 первого и части 12 второго токопроводов соответственно, при этом направление 13 поля магнитной системы 2 в месте расположения упомянутой части 11 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно направлению 14 поля в месте расположения упомянутой части 12 второго токопровода 5, обеспечивает сканирование исследуемого объекта в плоскости, перпендикулярной оси оптического волокна, за счет перемещения оптического волокна по двум приблизительно перпендикулярным направлениям. При этом устройство имеет миниатюрные размеры при реализации необходимой амплитуды перемещения оптического волокна 6 для использования его в оптоволоконном зонде оптического когерентного томографа.

Работа устройств с другими исполнениями токопроводов по п.3 и п.4 формулы и магнитной системой, содержащей один постоянный магнит, аналогична работе описанной выше реализации устройства.

Первый и второй токопроводы могут быть выполнены в виде плоских рамок и жестко скреплены друг с другом под углом соприкасающимися сторонами. Выполнение токопроводов в виде плоских рамок наиболее просто в изготовлении. При скреплении рамок под углом приблизительно 90° достигается наибольшая эффективность разработанного устройства.

В другом случае первый и второй токопроводы могут быть выполнены в виде изогнутых рамок и жестко скреплены друг с другом двумя плоскостями рамок. В этом случае токопроводы наиболее удобно скреплять друг с другом и с оптическим волокном. При этом наибольшая эффективность разработанного устройства достигается при изготовлении токопроводов в виде изогнутых приблизительно под углом 90° рамок и жестком скреплении их друг с другом двумя плоскостями так, что две свободные плоскости рамок образуют угол приблизительно 180°.

В третьем случае первый и второй токопроводы могут быть выполнены в виде плоских жестко скрепленных рамок, вставленных одна в другую. Наибольшая эффективность разработанного устройства достигается при скреплении рамок приблизительно взаимно перпендикулярно.

На фиг.2а представлено поперечное сечение одной из конкретных реализаций оптоволоконного сканирующего устройства. В оптоволоконном сканирующем устройстве по фиг.2а первый токопровод 4 и второй токопровод 5 выполнены в виде плоских жестко скрепленных рамок, вставленных одна в другую приблизительно взаимно перпендикулярно. К жестко скрепленному первому токопроводу 4 и второму токопроводу 5 крепится оптическое волокно 6. Магнитная система 2 содержит в данной реализации два постоянных магнита 3 и 15.

Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 находятся в стационарном магнитном поле, сформированном магнитной системой 2. В месте расположения части 11 и части 16 первого токопровода 4, параллельных оси оптического волокна 6, направление 13 и направление 17 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно указанным частям 11 и 16 соответственно. В месте расположения части 12 и части 18 второго токопровода 5, параллельных оси оптического волокна 6, направление 14 и направление 19 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно частям 12 и 18 соответственно. В месте расположения части 11 первого токопровода 4 направление 13 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно направлению 14 поля в месте расположения части 12 второго токопровода 5. Направление 17 поля магнитной системы 2 в месте расположения части 16 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно направлению 19 поля в месте расположения части 18 второго токопровода 5.

При протекании управляющего тока через первый токопровод 4 в части 11 и в части 16 возникают силы, действующие на часть 11 и часть 16 в направлениях, перпендикулярных направлению тока и направлению поля в части 11 и части 16 соответственно. Результирующая этих двух сил вызывает перемещение первого токопровода 4 и жестко скрепленных с ним второго токопровода 5 и оптического волокна 6 в направлении I-I.

При протекании управляющего тока по второму токопроводу 5 в части 12 и части 18 возникают силы, действующие на часть 12 и часть 18 в направлениях, перпендикулярных направлению тока и направлению поля в части 12 и части 18 соответственно. Результирующая этих двух сил вызывает перемещение второго токопровода 5 и жестко скрепленных с ним первого токопровода 4 и оптического волокна 6 в направлении II-II.

Направления I-I и II-II, в которых происходят перемещения подвижной части устройства при протекании управляющего тока по первому токопроводу 4 и по второму токопроводу 5 соответственно, приблизительно перпендикулярны.

При одновременном протекании управляющих токов по первому токопроводу 4 и второму токопроводу 5 происходит перемещение подвижной части устройства в направлении, определяемом суммарным действием двух сил, возникающих одновременно в первом токопроводе 4 и втором токопроводе 5, в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна 6.

Работа устройств с другими исполнениями токопроводов по п.2 и п.3 формулы и магнитной системой, содержащей два постоянных магнита, аналогична работе описанной выше реализации устройства.

На фиг 2б представлено поперечное сечение другой конкретной реализации оптоволоконного сканирующего устройства. В оптоволоконном сканирующем устройстве по фиг.2б первый токопровод 4 и второй токопровод 5 выполнены в виде плоских жестко скрепленных рамок, вставленных одна в другую приблизительно взаимно перпендикулярно. К жестко скрепленному первому токопроводу 4 и второму токопроводу 5 крепится оптическое волокно 6. Магнитная система 2 содержит в данной реализации четыре постоянных магнита 3, 15, 20, 21. В этом случае магнитная система 2 формирует стационарное, более сильное и равномерное магнитное поле, что повышает эффективность работы устройства. Далее работа устройства совпадает с работой устройства с таким же исполнением токопроводов и магнитной системой из двух постоянных магнитов, описанной выше.

Разработанное оптоволоконное сканирующее устройство по фиг.3 в конкретном случае реализации содержит стационарную часть и подвижную часть. Стационарная часть включает в себя опорный элемент 1, магнитную систему 2, состоящую в данной реализации из трех постоянных магнитов 3, 15 и 20. Подвижная часть состоит из жестко скрепленных первого токопровода 4, второго токопровода 5 и оптического волокна 6. Первый и второй токопроводы выполнены в виде изогнутых приблизительно под углом 90° рамок и жестко скреплены друг с другом двумя плоскостями рамок так, что две свободные плоскости рамок образуют угол приблизительно 180°. В этом случае токопроводы наиболее удобно скреплять друг с другом и с оптическим волокном. На чертеже первый токопровод 4 и второй токопровод 5 выполнены в виде одного витка провода.

Проксимальная часть 7 оптического волокна 6 закреплена в опорном элементе 1. Дистальная часть 8 оптического волокна 6 размещена с возможностью перемещения в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна 6. На торцевую поверхность 9 дистальной части 8 оптического волокна 6 прикреплена линзовая система 10. Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 связаны с соответствующими источниками управляющего тока (на чертеже не показаны).

Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 находятся в стационарном магнитном поле, сформированном магнитной системой 2. В месте расположения части 11 и части 16 первого токопровода 4, параллельных оси оптического волокна, направление 13 и направление 17 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно части 11 и части 16 первого токопровода 4. В месте расположения части 12 и части 18 второго токопровода 5, параллельных оси оптического волокна, направление 14 и направление 19 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно указанным частям 12 и 18 второго токопровода 5. В месте расположения части 11 первого токопровода 4 направление 13 поля магнитной системы 2 приблизительно перпендикулярно направлению 14 поля в месте расположения части 12 второго токопровода 5. Направление 17 поля магнитной системы 2 в месте расположения части 16 первого токопровода 4 приблизительно перпендикулярно направлению 19 поля в месте расположения части 18 второго токопровода 5.

В конкретной реализации оптоволоконного сканирующего устройства в качестве оптического волокна 6 было использовано оптическое волокно типа SMF-28 производства Corning Inc. Первый токопровод 4 и второй токопровод 5 были выполнены из изолированного медного провода. Постоянные магниты 3, 15, 20, предназначенные для формирования стационарного магнитного поля заданной напряженности, были выполнены из материала NdFeB. В качестве линзовой системы, расположенной на торцевой поверхности дистальной части оптического волокна, была использована GRIN линза GT-LFRL-050-025-50-СС производства GRINTECH GmbH.

Оптическое волокно 6 обеспечивает прохождение оптического излучения от проксимальной части 7 к дистальной части 8. Линзовая система 10, прикрепленная к торцевой поверхности дистальной части оптического волокна 6, фокусирует оптическое излучение, прошедшее через оптическое волокно 6, на поверхности исследуемого объекта.

При протекании управляющего тока по первому токопроводу 4 в частях 11 и 16 возникают силы, действующие на часть 11 и часть 16 в направлениях, перпендикулярных направлению тока и направлению поля в части 11 и части 16. Результирующая этих двух сил вызывает перемещение первого токопровода 4 и жестко скрепленных с ним второго токопровода 5 и оптического волокна 6 в направлении I-I.

При протекании управляющего тока по второму токопроводу 5 в частях 12 и 18 возникают силы, действующие на часть 12 и часть 18 в направлениях, перпендикулярных направлению тока и направлению поля в части 12 и части 18. Результирующая этих двух сил вызывает перемещение второго токопровода 5 и жестко скрепленных с ним первого токопровода 4 и оптического волокна 6 в направлении II-II.

Результирующие силы, возникающие при протекании управляющего тока по первому токопроводу 4 и по второму токопроводу 5, действуют в перпендикулярных направлениях и вызывают перемещение подвижной части устройства в приблизительно перпендикулярных направлениях I-I и II-II соответственно.

При одновременном протекании управляющих токов по первому токопроводу 4 и второму токопроводу 5 происходит перемещение подвижной части устройства в направлении, определяемом суммарным действием двух сил, возникающих одновременно в первом токопроводе 4 и втором токопроводе 5, в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна 6.

В конкретной реализации амплитуда перемещения дистальной части 8 оптического волокна 6 составляла ±0,25 мм, при этом сканирующее устройство имело размеры, позволяющие использовать его в оптоволоконном зонде, длина корпуса которого не превышала 27 мм, а диаметр не превышал 2,7 мм.

Использование линзовой системы, прикрепленной на торцевой поверхности дистальной части оптического волокна, позволяет уменьшить габариты устройства.

Замена в магнитной системе дополнительных постоянных магнитов на магнитопроводы позволяет повысить жесткость и прочность конструкции, а также снизить габариты устройства.

Область применения разработанного устройства может быть весьма широкой благодаря возможности сканирования исследуемого объекта в плоскости, приблизительно перпендикулярной оси оптического волокна, за счет перемещения оптического волокна по двум приблизительно перпендикулярным направлениям. Также устройство имеет миниатюрные размеры при реализации необходимой амплитуды перемещения оптического волокна.