阅读说明：本技术 一种光纤扫描成像装置及方法 (Optical fiber scanning imaging device and method ) 是由 邵鹏飞 陈伟 刘鹏 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤扫描成像装置及方法,包括：Y型光纤内部包含两根完全独立的光纤。光源所发出的光通过Y型光纤的一端输入,其对应的另一端光纤被固定在第二压电陶瓷管内,后者在压电陶瓷驱动的作用下,带动光纤形成扫描运动,光源发出的通过光纤传导的光投射到待成像目标上,形成的反射光通过Y型光纤的另一根独立光纤进行收集。与接收光纤对应的另一端光纤通过同样的第一压电陶瓷管带动进行扫描,通过光电检测单元对光纤扫描输出的光平面进行成像,从而得到待成像目标的图像。发射光纤和接收光纤同步扫描,可以自动实现物空间和像空间同步,提高成像速度。无需通过三色光合成,降低了系统的复杂程度。通过简单的改造,即可用于自发荧光成像。(The invention discloses an optical fiber scanning imaging device and method, comprising the following steps: the Y-fiber contains two completely separate fibers inside. The light emitted by the light source is input through one end of the Y-shaped optical fiber, the corresponding other end of the optical fiber is fixed in the second piezoelectric ceramic tube, the second piezoelectric ceramic tube drives the optical fiber to form scanning motion under the driving action of the piezoelectric ceramic, the light emitted by the light source and transmitted through the optical fiber is projected onto a target to be imaged, and the formed reflected light is collected through the other independent optical fiber of the Y-shaped optical fiber. And the other end of the optical fiber corresponding to the receiving optical fiber is driven by the same first piezoelectric ceramic tube to scan, and the optical plane scanned and output by the optical fiber is imaged through the photoelectric detection unit, so that an image of a target to be imaged is obtained. The synchronous scanning of the transmitting optical fiber and the receiving optical fiber can automatically realize the synchronization of object space and image space, and improve the imaging speed. And the complexity of the system is reduced without synthesizing three-color light. The method can be used for autofluorescence imaging through simple modification.)

一种光纤扫描成像装置及方法

技术领域

本发明涉及扫描成像技术领域，具体涉及一种光纤扫描成像装置及方法，可用于内窥镜成像系统。

背景技术

传统的光纤内窥镜采用光纤束进行图像的传输，每根光纤只能传输一个像素，因此光纤束的数量决定了成像的分辨率。高分辨率影像也代表着较大的内窥镜直径。光纤扫描内窥镜采用单根光纤扫描成像的方式，以其超小的直径优势，成为了下一代内窥镜技术方向。但目前存在的光纤扫描技术，其接收端都是采用固定的接收方式，并通过常规的光电二极管(PD)或者雪崩光电二极管(APD)进行测量，PD或者APD只有时间分辨率而缺乏空间分辨率，因此需要采用复杂的软硬件同步技术进行最终的数据处理从而成像(公布号：CN104936504A[0051])，容易出现图像畸变，而且会导致图像帧率很低,可能低于15帧/秒。同时这种方式对光纤扫描的运动控制精度要求也比较高，需要引入闭环反馈进行控制，系统较为复杂(公布号：US9872606B2)。其次，如果需要形成彩色光成像，发射光输入端需要三色光进行合成,相对应的接收端也需要采用分光片和多个光电接收元件(公布号：CN110794574A[0043]，CN110850588A[0045])，使得系统硬件和软件处理极为复杂。

发明内容

本发明的目的在于，采用简单的信号采集与处理系统，直接通过面阵成像单元在光传输单元输出端面成像，从而提高内窥镜的成像帧率。对于彩色成像，可采用普通的白光作为输入，无需进行三色光合成。当采用单色激光作为激发光时，该装置还可用于自发荧光成像。

本发明采用的技术方案为：一种光纤扫描成像装置，包括：数据处理单元1，压电陶瓷驱动2，传输线3，光电检测单元4，第一压电陶瓷管5，光源6，光纤7，固定基座8，Y型光纤9，电缆10，保护套管11，接收光纤12，第二压电陶瓷管13，发射光纤14，物镜15和待成像目标16，其中，Y型光纤9内部包含两根完全独立的光纤，光源6所发出的光通过Y型光纤9的一端输入，其对应的另一端光纤被固定在第二压电陶瓷管13内，后者在压电陶瓷驱动2的作用下，带动发射光纤14形成扫描运动，光源6发出的通过光纤传导的光投射到待成像目标16上，形成的反射光通过Y型光纤9的另一根独立接收光纤12进行收集，与接收光纤12对应的另一端光纤7通过同样的第一压电陶瓷管5带动进行扫描，通过光电检测单元4对光纤7扫描输出的光平面进行成像，从而得到待成像目标16的图像，其中待成像目标16是本装置需要直接测量的对象，物镜15可将发射光纤14从其位于Y型光纤9中的另一端耦合进来的激光聚焦到待成像目标16上，物镜15和待成像目标16的空间距离取决于所选物镜15的焦点长度，发射光纤14穿过第二压电陶瓷管13，其右端悬空处约为几个毫米，发射光纤14和第二压电陶瓷管13相接触的两端，可采用光胶或紫外胶方式进行粘接固定，光纤7和第一压电陶瓷管5之间可采用同样的粘接方式，发射光纤14用于传导光，其发射到待成像目标16上的光，其中一部分被反射回接收光纤12中，接收光纤12可以收集反射的光线，并将其传输到对应光纤的另一端光纤7，压电陶瓷驱动2可以输出两路正弦调制电压，其相位相差固定角度，第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13为相同的带有四个分区极化的陶瓷管，它们的一端固定在固定基座8上，另一端为自由悬空状态，压电陶瓷驱动2输出的两路电压通过电缆10以相同的方式分别连接到两个压电陶瓷管上，可以驱动压电陶瓷管悬空的一端做螺旋线或者行列扫描规则运动，压电陶瓷管带动光纤7和发射光纤14末端运动，保护套管11用于将所述第二压电陶瓷13和接收光纤12封装起来，保护其不受环境中液体损害，光源6可输出白光或者单色激光，其输出的光通过光纤传导至待成像目标16上起到照明作用，Y型光纤9作为内部光纤的载体，起到保护作用，光电检测单元4对第一压电陶瓷带动光纤扫描平面17进行成像，并通过传输线3传输到数据处理单元1，后者可对收集到的数据进行处理，从而得到彩色图像、荧光图像或者二者的叠加图像，并呈现给用户。

进一步地，数据处理单元1可选为计算机；压电陶瓷驱动2可选为信号发生器；传输线3可选为网线；光电检测单元4可选为CMOS相机。

一种光纤扫描成像方法，包括：

步骤(1)、第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13在相同的压电陶瓷驱动2的控制下，形成同样的扫描轨迹，两根光纤的端点轨迹形成空间上一一对应的关系；

步骤(2)、光电检测单元4对光纤7的扫描轨迹进行成像，由于两根光纤扫描轨迹在空间上的一一对应，光电检测单元4完成对待成像目标16的逐点扫描成像，光电检测单元4为CMOS相机，选取合适的第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13压电陶瓷扫描频率和CMOS相机的曝光时间，即可在CMOS相机的一帧图像采集中完成整个目标的成像；

步骤(3)、相机采集的图像可传输至数据处理单元1做进一步软件处理，去噪声，荧光图像和彩色图像叠加。

进一步地，陶瓷管扫描频率为100kHz，待成像区域需要扫描500圈，则完成整个目标区域的扫描时间为5ms，设置相机的曝光时间为5ms，则系统可达到200帧/秒的成像速度。

本发明原理在于：如背景描述中所述，当前技术都是采用普通的光电检测器作为信号接收单元，缺乏图像平面的空间分辨能力，为了获得二维图像，需要实现采集的信号和扫描位置的同步，并进行较为复杂的数据处理。本发明创新性的在发射扫描端和接收扫描端采用两个完全相同的压电陶瓷管，并采用同样的扫描控制信号。接收端采用具有空间分辨率的检测器件，典型的有CMOS，CCD，光电二极管阵列等，可以自动实现扫描位置和信号采集位置同步。图像的采集速度只取决于光电接收装置，例如CMOS相机的帧率，以及压电陶瓷管的扫描速度，而CMOS相机和压电陶瓷都可以达到极高的频率，因此可以预见整个系统的帧率会得到较大的提升。进一步的，当前的彩色CMOS或者CCD相机具有自动采集三色的功能，所以本发明区别与之前的技术，可以自动实现彩色成像。

与现有技术相比，此发明具有以下几大技术优点：

第一，发射光纤和接收光纤同步扫描，可以自动实现物空间和像空间同步，无需额外的软件编程进行数据处理，因此可以提高系统的成像速度。

第二，由于只需要保证发射光纤和接收光纤具有同样的扫描模式即可，无需形成专利(公布号：US9872606B2)中所要求的螺旋线扫描，或者专利(公布号：CN110850588A第[0045]段)中所展示的行列扫描模式。

第三，实施案例中的检测单元，例如CMOS相机具有自动彩色功能，RGB三色光无需分别采集，发射光源采用普通的白光即可，无需通过三色光合成，降低了系统的复杂程度。

第四，系统通过简单的改造，即可用于实施案例二中的自发荧光成像。

附图说明

图1为本发明一种光纤扫描成像装置的结构示意图；

图2为本发明中第一压电陶瓷和第二压电陶瓷同步扫描轨迹一示意图；

图3为本发明中第一压电陶瓷和第二压电陶瓷同步扫描轨迹二示意图；

图中附图标记含义为：

1：数据处理单元，典型为计算机； 2：压电陶瓷驱动，典型为信号发生器；

3：传输线，典型为网线； 4：光电检测单元，典型为CMOS相机；

5：第一压电陶瓷管； 6：光源；

7：光纤； 8：固定基座；

9：Y型光纤； 10：电缆；

11：保护套管； 12：接收光纤；

13：第二压电陶瓷管； 14：发射光纤；

15：物镜； 16：待成像目标；

17：第一压电陶瓷带动光纤扫描平面； 18：第二压电陶瓷带动光纤扫描平面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种光纤扫描成像装置，包括以下单元：

数据处理单元1，典型为计算机；压电陶瓷驱动2，典型为信号发生器；传输线3，典型为网线；光电检测单元4，典型为CMOS相机；第一压电陶瓷管5；光源6；光纤7；固定基座8；Y型光纤9；电缆10；保护套管11；接收光纤12；第二压电陶瓷管13；发射光纤14；物镜15；待成像目标16。

本发明所用Y型光纤9，其内部包含两根完全独立的光纤。光源6所发出的光通过Y型光纤9的一端输入，其对应的另一端光纤被固定在第二压电陶瓷管13内，后者在压电陶瓷驱动2的作用下，带动发射光纤14形成扫描运动，与此对应的，光源6发出的通过光纤传导的光投射到待成像目标16上，形成的反射光通过Y型光纤9的另一根独立接收光纤12进行收集。与接收光纤12对应的另一端光纤7通过同样的第一压电陶瓷管5带动进行扫描，通过光电检测单元4对光纤7扫描输出的光平面进行成像，从而得到待成像目标16的图像。图2和图3为本发明中第一压电陶瓷和第二压电陶瓷同步扫描轨迹示意图，扫描轨迹不局限于图中所示，可为任意图形。

实施案例一：彩色内窥镜成像。

本发明可用于彩色光纤内窥镜成像，如图1中所示的光源6采用的是白光光源，其输出的光耦合到Y型光纤9一端输入，所用Y型光纤典型为双芯直径50um-200um的多模光纤。输入的光通过发射光纤14射出并在待成像目标16上进行反射，反射的光通过收集光纤7在光电检测单元4上进行成像，为了形成彩色图像，光电检测单元4采用高速彩色面阵CMOS相机。发射光纤14和收集光纤7通过相同参数的第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13带动发生共振运动。为了减小光纤探头直径，第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13选用的是德国Morgan陶瓷公司的材料为PZT5A1的压电陶瓷管，陶瓷管的内径为0.3mm，外径为0.5mm。经过保护套管11进行封装后，典型的，光纤内窥镜探头直径可以做到1mm以下。第一压电陶瓷管5和第二压电陶瓷管13的特点在于其需要在其内外表面镀上金属电极，且内表面电极作为参考地，外表面电极需要进行分割和极化，在分割的电极上需要焊接典型的直径约0.1mm的漆包线。漆包线需要连接到压电陶瓷驱动2上，在此应用中，压电陶瓷管所需驱动电流较小，可以直接采用信号发生器作为替代，典型的采用SIGLENT公司的SDG5082信号发生器，具有信号发生器功能的类似产品均可，不局限于此型号。

实施案例二：荧光内窥镜成像。

本发明同样可用于荧光内窥镜成像，与实施案例一中系统类似，不同之处主要在于，如图1中所示的光源6采用的是单色激光光源，典型波长如785nm的近红外激光。所采用的Y型光纤9，选用低羟基的低自发荧光光纤，或者采用空芯光纤。光电检测单元4采用高速荧光成像CMOS相机,典型的可用于825nm波长附近的近红外成像相机。