Система оптической когерентной томографии - RU2726272C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе ОСТ (оптической когерентной томографии), содержащей источник светового излучения OCT и вычислительный блок OCT. Настоящее изобретение также относится к сопутствующему способу.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

Оптическая когерентная томография (OCT) представляет собой способ построения изображений, известный из предшествующего уровня техники. Короткокогерентный свет OCT падает на объект, в частности, на человеческую ткань, и центры рассеяния в объекте выводятся по отраженным частям света. Траектория светового луча, отраженного объектом, и траектория опорного луча накладываются друг на друга в вычислительном блоке OCT. Информация в виде изображения получается за счет анализа интерференционной картины двух указанных траекторий.

Свет, испускаемый источником излучения OCT, передается на объект по световоду. Световой пучок, исходящий из выходного конца световода, падает на объект. Отраженный свет опять поступает в световод и направляется по нему обратно в вычислительный блок OCT. Следовательно, решающее значение для определения того, какая информация OCT может быть получена, имеет конфигурация и ориентация световода. Для получения другой единицы информации OCT с использованием этого же устройства OCT необходима перенастройка.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему OCT и сопутствующий способ для обеспечения ее максимально гибкого использования. Эта цель достигается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения с учетом указанного предшествующего уровня техники. Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению система OCT содержит первый световод OCT, второй световод OCT и модуль переключения. Свет, испускаемый источником светового излучения OCT, проходит через модуль переключения. Когда модуль переключения находится в своем первом состоянии, световой пучок OCT передается на входной конец первого световода. Когда модуль переключения находится в своем втором состоянии, световой пучок OCT передается на входной конец второго световода. Между модулем переключения и плоскостью объекта располагается сканирующее устройство, соотнесенное с первым световодом OCT.

С помощью системы OCT модуль переключения согласно настоящему изобретению позволяет быстро и просто получать разные единицы информации OCT. Если световой пучок OCT поступает на плоскость объекта через первый световод и сканирующее устройство, то может быть получена одна единица информации в виде участка изображения. Если световой пучок OCT проходит через второй световод, то световой пучок OCT доходит до плоскости объекта, не подвергаясь воздействию сканирующего устройства, соотнесенного с первым световодом. Следовательно, через второй световод OCT может быть получена другая единица информации OCT, отличная от той, которая может быть получена через первый световод OCT. Это открывает массу новых возможностей по применению.

В предпочтительном варианте система OCT содержит промежуточный световод, который располагается между источником светового излучения OCT и модулем переключения. Промежуточный световод соединен с входной стороной модуля переключения. Термины «входной» и «выходной» используются для обозначения направления движения от источника светового излучения OCT до плоскости объекта. Оптические элементы системы OCT могут пересекаться в противоположном направлении на обратном пути прохождения светового пучка OCT.

Модуль переключения может характеризоваться наличием первого выхода и второго выхода; причем с первым выходом соединен первый световод OCT, а со вторым выходом соединен второй световод OCT. В предпочтительном варианте внутри модуля переключения располагается гибкий участок световода, один конец которого соединен с входной стороной модуля переключения. Другой конец гибкого участка световода может быть предпочтительно соединен или с первым выходом, или со вторым выходом модуля переключения. Следовательно, световой пучок OCT поступает или в первый световод OCT, или во второй световод OCT. Модуль переключения может быть снабжен множеством концов световодов, установленных в фиксированном положении, а также содержать подвижный оптический элемент, который используется для передачи светового пучка OCT в разные световоды.

В модуле переключения может быть предусмотрен механический переключатель на два направления, выполненный с возможностью перемещения одного конца гибкого участка световода. Во время переключения другой конец световода предпочтительно остается в неизменном положении. Указанный переключатель может быть выполнен, например, в виде поворотного механизма или механизма скользящего типа.

В предпочтительном варианте переключение между первым световодом OCT и вторым световодом OCT инициируется управляющим сигналом, в частности, электрическим управляющим сигналом. Управляющий сигнал может быть сгенерирован оператором при выполнении им определенной операции, например, активации переключателя или выдачи входного сигнала.

Дополнительно или в качестве альтернативного варианта управляющий сигнал может быть также сгенерирован блоком управления. Блок управления может быть выполнен, например, с возможностью автоматического генерирования управляющего сигнала согласно заданной временной последовательности. Помимо всего прочего, это открывает возможность по существу одновременного выполнения различных измерений за счет переключения между двумя световодами OCT в течение очень коротких отрезков времени. Это представляет интерес, например, когда свойства исследуемого объекта изменяются с течением времени.

Для получения единицы значимой информации с использованием системы OCT траектория светового пучка OCT должна быть сфокусирована на плоскости объекта. Соответственно, с помощью пучка OCT, направленного на конкретную точку в плоскости объекта с использованием второго световода OCT, может быть получена единица информации в виде по существу точечного изображения. Этого достаточно для определенных сфер применения, например, если предполагается использование системы OCT для определения расстояния между выходным концом световода OCT и объектом.

Для получения единицы информации в виде двухмерного изображения объект должен быть просканирован с использованием пучка OCT. Следовательно, пучок OCT перемещается в плоскости объекта для построения двухмерного изображения из множества единиц информации в виде по существу точечных изображений. Для этого за первым световодом OCT закрепляется сканирующее устройство, которое выполнено с возможностью отклонения пучка OCT таким образом, чтобы пучок OCT сканировал плоскость объекта. Если сканирующее устройство привязано к одному из световодов OCT, то это сканирующее устройство не будет влиять на пучок OCT, проходящий через другой световод OCT.

Сканирующее устройство может быть выполнено, например, таким образом, чтобы выходной конец световода OCT мог перемещаться для отклонения пучка OCT должным образом. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения сканирующее устройство располагается между выходным концом световода OCT и плоскостью объекта, и отклоняет пучок OCT надлежащим образом. Сканирующее устройство может содержать одно или два подвижных зеркала, отклоняющих пучок OCT. В одном из вариантов сканирующее устройство содержит два сканирующих зеркала, которые установлены таким образом, что они могут поворачиваться вокруг взаимно перпендикулярных осей.

Система OCT может содержать блок управления, который управляет сканирующим устройством. Соответствующие управляющие сигналы могут передаваться из блока управления на сканирующее устройство электрическими средствами. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения канал передачи управляющих сигналов проходит через модуль управления.

Система OCT согласно настоящему изобретению может быть отлажена таким образом, чтобы сканирующее устройство было привязано к первому световоду OCT. Такая система OCT может быть использована, например, если с помощью первого световода OCT предполагается получение двухмерного изображения, тогда как второй световод предназначен для измерения расстояния между выходным концом световода и объектом.

В других случаях может оказаться желательным получение единицы информации в виде двухмерного изображения с использованием обоих световодов OCT. Следовательно, система OCT может содержать первое сканирующее устройство, соотнесенное с первым световодом OCT, и второе сканирующее устройство, соотнесенное со вторым световодом OCT. Оба эти сканирующие устройства могут управляться блоком управления системы OCT, и в этом случае каналы передачи данных обоих сканирующих устройств могут проходить через модуль переключения. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения орган управления сканирующих устройств соединен с органом управления модуля переключения. Это означает, что управляющие сигналы, поступающие из блока управления, всегда направляются в сканирующее устройство того световода OCT, через который в данный момент времени проходит световой пучок OCT. Это позволяет задействовать различные автоматизированные последовательности, в которых система попеременно переключается между двумя световодами OCT.

Например, в модуле переключения может быть предусмотрен электрический переключатель на два направления, который может быть использован для переключения между двумя сканирующими устройствами. Этот электрический переключатель может управляться тем же управляющим сигналом, что используется также для обеспечения переключения между двумя световодами OCT. Следовательно, сканирующее устройство активируется при переключении между первым световодом OCT и вторым световодом OCT.

Для компенсации разности оптических путей двух световодов OCT один или оба световода OCT могут быть снабжены компенсационным блоком, корректирующим оптические пути. При разной длине оптических путей компенсационный блок предпочтительно содержит дополнительный воздушный зазор, через который проходит световой пучок OCT. Если два оптических пути характеризуются разностью рассеяния, то компенсационный блок предпочтительно содержит оптический элемент для коррекции рассеяния. Если два оптических пути характеризуются поляризационной разностью, то компенсационный блок предпочтительно содержит оптический элемент для коррекции поляризации, в частности, контроллер поляризации. Компенсационный блок может быть выполнен с возможностью коррекции одной или более такой разности.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения система согласно заявленному изобретению содержит хирургический микроскоп; при этом через основной объектив этого микроскопа проходит траектория пучка первого световода OCT. Траектория пучка OCT может быть введена в траекторию рабочего пучка хирургического микроскопа, например, через отверстие камеры или через траекторию осветительного пучка. Сканирующее устройство, привязанное к первому световоду, предпочтительно располагается между модулем переключения и основным объективом хирургического микроскопа.

Второй световод OCT может быть соединен с хирургическим инструментом, в результате чего появляется возможность определения расстояния между наконечником инструмента и объектом. Это может быть использовано во время хирургических операций для предотвращения нанесения неумышленных повреждений хирургическим инструментом. Пучок OCT может направляться в область перед наконечником инструмента. Пучок OCT может также дополнительно захватывать часть наконечника инструменты, благодаря чему указанное расстояние может быть установлено непосредственно с помощью OCT-анализа.

В одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения сканирующим устройством также снабжен и второй световод OCT. Второй световод OCT может быть соединен, например, с наконечником OCT, который помещается непосредственно на исследуемую ткань. В альтернативном варианте второй световод OCT может быть введен в траекторию пучка эндоскопа. Предусмотрена возможность регистрации изображений OCT с разных ракурсов с использованием хирургического микроскопа и наконечника или эндоскопа OCT. Настоящее изобретение также включает в себя иные комбинации указанных оптических устройств и иные инструменты.

Может быть также предусмотрен модуль переключения, который обеспечивает возможность переключения между более чем двумя положениями, причем в каждом из этих состояний активны разные световоды OCT. Например, модуль переключения может быть выполнен с возможностью осуществления переключения между тремя или четырьмя световодами OCT.

Модуль переключения может быть выполнен в виде отдельного конструктивного элемента, который располагается между блоком OCT и световодами OCT. Модуль переключения может быть также встроен в корпусе блока OCT. В этом случае корпус блока OCT предпочтительно снабжен множеством выходов, к которым могут быть подключены световоды OCT.

Настоящее изобретение также относится к способу проведения измерений OCT. В этом способе световой пучок OCT из источника светового излучения передается на объект через модуль переключения и первый световод OCT со сканирующим устройством; а свет, отраженный объектом, анализируется в вычислительном блоке OCT. Модуль переключения активируется для подачи светового пучка OCT из источника светового излучения OCT на объект через второй световод OCT; а свет, отраженный объектом, анализируется в вычислительном блоке OCT. Описываемый способ может характеризоваться дополнительными признаками, которые описаны а рамках системы согласно настоящему изобретению. Описываемая система может характеризоваться дополнительными признаками, которые описаны в контексте способа согласно настоящему изобретению.

Краткое описание фигур

Настоящее изобретение раскрыто ниже на примере предпочтительных вариантов своего осуществления в привязке к прилагаемым чертежам, где:

На фиг. 1 представлено схематическое изображение системы OCT согласно настоящему изобретению;

На фиг. 2 представлено схематическое изображение модуля переключения согласно настоящему изобретению в двух состояниях (A и B);

На фиг. 3 показан один из альтернативных вариантов осуществления модуля переключения согласно настоящему изобретению;

На фиг. 4 показан один из альтернативных вариантов осуществления системы OCT согласно настоящему изобретению;

На фиг. 5 представлен вид, соответствующий виду на фиг. 3, еще одного варианта осуществления модуля переключения согласно настоящему изобретению; а

На фиг. 6 показано устройство OCT и модуль переключения в еще одном из вариантов осуществления системы согласно настоящему изобретению.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Как показано на фиг. 1, система OCT согласно настоящему изобретению включает в себя устройство 14 OCT, в котором располагаются источник 15 излучения OCT и вычислительный блок 16 OCT. Свет, испускаемый источником светового излучения OCT, поступает на входную сторону модуля 18 переключения через промежуточный световод 17.

Первый световод 19 OCT и второй световод 20 OCT соединены с выходной стороной модуля 18 переключения. Первый световод 19 OCT доходит до хирургического микроскопа 21. Второй световод 20 OCT доходит до хирургического инструмента 22.

Хирургический микроскоп задает траекторию 23 стереоскопического рабочего пучка, который отходит от плоскости 24 объекта, проходит через основной объектив 25 и систему увеличения изображений с регулируемой кратностью увеличения, которая не показана на фиг. 1, и доходит до бинокулярной насадки 26 с двумя окулярами 27. Наблюдатель видит увеличенное изображение с плоскости 24 объекта через окуляры 27.

Первый световод 19 OCT доходит до отверстия 28 камеры хирургического микроскопа 21. На траектории рабочего пучка хирургического микроскопа 21 находится расщепитель пучка, который выводит часть светового пучка, отходящего от плоскости объекта, и отклоняет ее в направлении отверстия 28 камеры. С другой стороны, световой пучок, проходящий через отверстие 28 камеры, вводится в траекторию рабочего пучка и поступает на плоскость 24 объекта по траектории рабочего пучка.

Оптические элементы располагаются на траектории светового пучка OCT, которая отходит от устройства 14 OCT к плоскости 24 объекта через модуль 18 переключения, первый световод 19 и хирургический микроскоп 21 таким образом, что траектория пучка OCT фокусируется на плоскости объекта OCT. Плоскость объекта OCT может совпадать с плоскостью 24 объекта хирургического микроскопа. Плоскость объекта OCT может также лежать немного ниже поверхности объекта, поскольку световой пучок может проникать в человеческую ткань на определенное расстояние.

Таким способом может быть получена единица информации в виде точечного изображения с плоскости объекта OCT с использованием траектории пучка OCT. Для получения единицы информации в виде двухмерного изображения, которая обуславливает дополнительную информацию, относящуюся к оптическому изображению, видимому в хирургическом микроскопе 21, объект сканируется с использованием светового пучка OCT. Для этого между первым световодом 19 OCT и отверстием 28 камеры располагается сканирующее устройство 29. Сканирующее устройство 29 содержит два сканирующих зеркала, которые установлены таким образом, что они могут поворачиваться вокруг взаимно перпендикулярных осей, и которые снабжены приводами, обеспечивающими соответствующее вращение. Также возможны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых сканирование выполняется с помощью одного сканирующего зеркала, отклоняющегося в двух направлениях с использованием системы MEMS (микроэлектромеханической системы). Приводы управляются надлежащим образом с помощью контроллера 30 устройства OCT через электрический кабель 31 так, что пучок OCT сканирует плоскость объекта. Вычислительный блок 16 OCT может составить двухмерное изображение по сумме единиц информации в виде точечных изображений.

Хирургический инструмент 22 проходит от ручки 32 по валу 33, заканчиваясь наконечником 34. С валом 33 хирургического инструмента 22 соединен выходной конец второго световода 20 OCT. Выходной конец второго световода 20 OCT ориентирован таким образом, что пучок OCT проходит по существу параллельно продольному направлению хирургического инструмента 22. Пучок OCT может проходить дальше наконечника инструмента, или же он может частично захватывать наконечник инструмента. В обоих случаях единица информации в виде точечного изображения может быть получена с участка перед наконечником 34 инструмента с использованием пучка OCT.

Информация в виде точечного изображения анализируется в вычислительном блоке 16 устройства 14 OCT для определения расстояния между наконечником 34 хирургического инструмента 22 и объектом, находящимся перед наконечником 34 инструмента. Таким путем хирург может осуществлять непрерывный контроль расстояния и, соответственно, обеспечивать недопущение непреднамеренного контакта с тканью и, следовательно, нанесения повреждений. Если пучок OCT дополнительно захватывает часть наконечника инструмента, расстояние между наконечником инструмента и объектом может замеряться напрямую.

Устройство 14 OCT может анализировать сигналы, поступающие с первого световода 19 OCT и второго световода 20 OCT, только поочередно, а не одновременно. Модуль 18 переключения выполнен с возможностью соединения промежуточного световода 17 или с первым световодом 19 OCT, или со вторым световодом 20 OCT. Это гарантирует, что в каждый момент времени будет активен только один световод из числа световодов 19 и 20 OCT.

Как показано на фиг. 2, модуль 18 переключения характеризуется наличием входа, с которым соединен промежуточный световод 17, и двух выходов, с которыми соединен первый световод 19 OCT и второй световод 20 OCT. Все световоды 17 доходят до соответствующего коллиматора 47, который располагается внутри модуля 18 переключения. Модуль 18 переключения содержит переключатель 36 на два направления, который может быть использован для перемещения зеркала 48, расположенного между коллиматорами 47. Когда переключатель 36 находится в первом положении (см. фиг. 2A), зеркало 48 располагается перед коллиматором 47 промежуточного световода 17, вследствие чего свет, испускаемый промежуточным световодом 17, отражается в первый световод 19 OCT. Когда переключатель 36 находится во втором положении (см. фиг. 2B), зеркало 48 смещено вниз, вследствие чего свет, испускаемый промежуточным световодом 17, передается непосредственно во второй световод 20 OCT.

Модуль 18 переключения содержит активационную кнопку 37 для переключения между двумя положениями переключателя 36. Активационная кнопка 37 приводится в действие хирургом в случае необходимости. Если хирург желает получить единицу дополнительной визуальной информации OCT, относящуюся к оптическому изображению в хирургическом микроскопе 21, он переводит модуль 18 переключения в первое положение. Если же хирург желает получить единицу информации, относящую к расстоянию между наконечником 34 хирургического инструмента 22 и объектом, находящимся перед указанным наконечником, он переводит модуль 18 переключения во второе положение.

При переводе модуля 18 переключения из одного положения в другое управляющий сигнал одновременно передается на устройство 14 OCT, вследствие чего устройство 14 OCT получает информацию, относящуюся к тому, какой из двух световодов 19 и 20 OCT находится в активном состоянии. Если активен первый световод 19 OCT, контроллер 30 передает управляющие сигналы на сканирующее устройство 29, и вычислительный блок 16 OCT начинает анализировать визуальную информацию OCT с плоскости объекта. Если активен второй световод 20 OCT, контроллер 30 бездействует, а вычислительный блок 16 определяет расстояние между наконечником 34 инструмента и объектом.

Для оценки сигнала OCT предпочтительно, чтобы длина оптического пути, проходящего через первый световод 19 OCT, была точно такой же, что и длина оптического пути, проходящего через второй световод 20 OCT. Однако это совершенно не так, поскольку воздушный тракт между основным объективом 25 хирургического микроскопа 21 и плоскостью 24 объекта покрывает большее расстояние в сравнении с расстоянием от плоскости объекта до наконечника 34 хирургического инструмента 22, который располагается ближе к указанной плоскости. Для компенсации этой разности система OCT согласно настоящему изобретению может характеризоваться наличием канала компенсации. В примере осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 3, канал компенсации располагается в модуле 18 переключения, в котором гибкий участок 35 световода соединяется или с первым световодом 19 OCT, или со вторым световодом 20 OCT посредством переключателя 36. Когда переключатель 36 находится в положении переключения, перед выходным концом гибкого участка 35 световода располагается первая линза 38, которая преобразует световое излучение OCT в коллимированный пучок, вследствие чего пучок OCT может преодолеть воздушный зазор, проходящий между двумя зеркалами 39 и 40 и второй линзой 41, и через который световое излучение OCT подается на входной конец второго световода 20 OCT.

Во втором примере осуществления системы согласно настоящему изобретению, проиллюстрированному на фиг. 4, второй световод 20 OCT доходит до отверстия 42 камеры эндоскопа 43. Между выходным концом второго световода 20 OCT и отверстием 42 камеры располагается второе сканирующее устройство 44, которое также управляется контроллером 30 устройства 14 OCT по второй электролинии 45.

Хирург может переключаться между хирургическим микроскопом 21 и эндоскопом 43 путем активации модуля 18 переключения. В первом положении модуля 18 переключения хирург получает единицу дополнительной визуальной информации OCT, относящуюся к оптическому изображению в хирургическом микроскопе 21. Во втором положении модуля 18 переключения хирург получает единицу дополнительной визуальной информации, относящуюся к оптическому изображению в эндоскопе 43.

На фиг. 5 показан вариант осуществления модуля 18 переключения согласно настоящему изобретению, в котором модуль 18 переключения содержит гибкий участок 35 световода, входная сторона которого соединена с промежуточным световодом 17. Переключатель 36 может быть использован для соединения гибкого участка 35 световода или с первым световодом 19 OCT, или со вторым световодом 20 OCT. Переключатель 36 обеспечивает переключение не только между двумя световодами 19 и 20 OCT, но также и между двумя электролиниями 31 и 45. Таким образом, помимо гибкого участка 35 световода через модуль 18 переключения проходит также электрический кабель 46, отходящий от устройства 14 OCT.

На фиг. 6 показан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором переключатель 36 управляется контроллером 30 устройства 14 OCT посредством управляющего сигнала. Следовательно, переключение между первым световодом 19 OCT и вторым световодом 20 OCT осуществляется без вмешательства оператора.

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу и системе OCT (оптической когерентной томографии), содержащей источник светового излучения OCT и вычислительный блок OCT. Заявленная система оптической когерентной томографии (OCT) содержит источник светового излучения OCT, вычислительный блок OCT, первый световод OCT, второй световод OCT и модуль переключения. При этом свет из источника светового излучения проходит через модуль переключения, причем световой пучок OCT передается на входной конец первого световода OCT, когда модуль переключения находится в своем первом состоянии, а когда модуль переключения находится в своем втором состоянии, световой пучок OCT передается на входной конец второго световода OCT. Между модулем переключения и плоскостью объекта располагается сканирующее устройство, соотнесенное с первым световодом OCT. Причем траектория пучка ОСТ первого световода ОСТ введена в траекторию пучка хирургического микроскопа, а траектория пучка ОСТ второго световода ОСТ введена в траекторию пучка эндоскопа, хирургического инструмента или наконечника ОСТ. Технический результат – возможность быстрого и простого получения разных единиц информации OCT (оптической когерентной томографии). 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула