一种深度敏感光纤探针制造技术

本实用新型专利技术涉及一种深度敏感光纤探针，包括：激发光纤、照明光纤、收集光纤、两路参考光纤、探针探测端面；激发光纤两端分别连接激发光源与探针探测端面，照明光纤两端分别连接照明光源与探针探头端面，第一参考光纤连接激发光源与第一光强探测器，第二参考光纤连通照明光源与光强探测器，收集光纤连通探针探测端面与光谱探测器。本实用新型专利技术克服了组织荧光光谱和后向散射光光谱测量过程中光谱强度依赖于激发和照明光源强度、探针探测端面与组织表面接触压力，且无法实现深度荧光成分光谱特性检测的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种深度敏感光纤探针
本技术涉及一种用于皮肤组织荧光光谱和后向散射光谱原位测量的深度敏感光纤探针，通过探针的结构设计，实现荧光光谱及后向散射光谱的原位、深度敏感探测，属于光电和医学结合

技术介绍
近年来，光学技术在基础生命科学研究以及生物医学诊断、治疗、监测和手术等方面取得了广泛、快速的发展，其典型应用包括：成像技术、光谱技术、组织内窥镜、血流监测、光动力治疗、激光手术等等。光学技术应用于生命科学和生物医学所面临的主要挑战包括：如何传输宽波段范围的照明光强到指定组织表面或特定部位；如何收集并传输组织微弱发射光信号(低于纳瓦量级)到探测器；如何以最少侵入性的方式使光学探针或辐射能量进入诊断和治疗区域。光学探针独特的物理和光传输特性使之可以帮助解决这些现实问题。因此，各种类型的光纤探针在生命科学相关的临床和科研中得以广泛应用。每一种光纤探针结构都有一定的优点和局限性，适用于不同的光谱波段和应用场景。皮肤是人体中最重要的器官之一，其厚度随着不同人和不同所在部位有较大差异，但其基本结构均分为三层，即表皮层、真皮层与皮下组织。表皮层位于皮肤的最外层，由复层扁平上皮组成，一般厚度在0.07mm～0.23mm之间。真皮层位于表皮深层，向内与皮下组织相连。真皮层由致密结缔组织组成，其内分布大量胶原纤维、弹性纤维和各种结缔组织细胞，使得皮肤既具有弹性又具有籾性，一般厚度在1mm～2mm之间。皮下组织位于皮肤的深层，由大量疏松结缔组织和脂肪小叶组成，其中分布有汗腺、毛根、血管、淋巴管和神经等，此层是皮肤与皮下肌肉组织，骨组织之间的连接层，是贮存脂肪的主要场所，对维持体温具有重要作用。皮肤组织中能发射荧光的物质有很多。每一种荧光物质具有特定的吸收光谱及荧光发射光谱，组织荧光来源于多种荧光物质的组合。组织中已经发现的较重要的荧光物质有糠氨酸、色氨酸、胶原、弹性蛋白、黄素腺嚓吟二核昔酸(FAD)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)及其硫化物(NADPH)、核黄素等。此外，皮肤组织结构决定了不同荧光物质在其中的分布存在差异，如角蛋白就仅存在于皮肤表皮层的角质层，而糠氨酸则主要存在于皮肤真皮层中。辐射传输理论将传输介质的光学特性分为吸收与散射性质。皮肤对可见及近红外波长光的吸收主要来自于黑色素，血液和水分。黑色素存在于人体表皮层中，是决定皮肤在紫外与可见波长吸收性质的主要成分。黑色素在紫外、可见及近红外波段有较宽的吸收光谱，对较短波长的光的吸收更强。血液对光的吸收主要来自于血红蛋白，血红蛋白在400至600nm有较强吸收。相比较黑色素和血液，水在可见波长的吸收非常地低，几乎可以忽略不计，但随着波长的增大，尤其在红外波段水成为皮肤中最主要的吸收介质。皮肤组织中不同成分的折射率变化使得组织具有较强的散射性质。组织中折射率较高的成分是连接纤维(包括胶原纤维、弹性纤维、网状纤维)，细胞膜，细胞器和细胞核。通常将这些折射率较高的组织成分定义为散射介质，其平均折射率范围约为1.39～1.47。折射率较低的成分为细胞质1.35与细胞间液1.37。散射性质主要来源于散射介质(连接纤维、细胞膜等)与背景介质(细胞质、细胞间液等)折射率的差异。对于皮肤组织荧光光谱测量而言，面临的主要问题包括：(1)皮肤组织中存在很多具有荧光特性的成分，而这些成分往往具有不同的纵向分布。为实现不同荧光物质的检测，使探测到的荧光尽可能多的来自目标荧光物所在的皮肤组织，就涉及对探测深度的控制。(2)皮肤组织是典型的混浊介质。可见波段范围内，皮肤组织的吸收性质主要来源于黑色素以及血液中的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白；而散射性质主要来源于散射介质(连接纤维、细胞膜等)与背景介质(细胞质、细胞间液等)折射率的差异。皮肤组织吸收、散射特性会对入射到组织的激发光和组织再发射的荧光造成双重干扰，从而导致实际测量的原始荧光光谱不能直接反映组织荧光特性。后向散射光谱中包含组织吸收、散射特性，可用于复原组织荧光。因此，在荧光光谱测量时，原位测量后向散射光谱非常必要。(3)皮肤组织不同区域的微观成分各有差异，即使空间位置差异不大，其吸收、散射特性也会不一样。因而，组织光谱测量时，测量位置变化会导致光谱形状和强度变化。(4)皮肤组织属于软性材质，探针端面与皮肤组织表面的接触压力不同，会导致组织表面形状和组织内部微观结构发生变化，导致激发光和荧光在组织中的传输路径会发生改变，进一步导致测量得到的荧光光谱发生变化。(5)此外，在一定范围内，组织荧光光谱强度与激发光强度线性相关，而激发光源光强会随光源老化或供电电流波动而变化，在实际测量过程中需要针对激发光源的实时波动对荧光进行修正。本技术主要针对以上几个问题，设计一种用于人体皮肤组织荧光光谱及后向散射光谱实时、原位、深度敏感测量的光纤探针。美国专利US8676283以及中国专利CN102697510公开了一种用于确定个体组织的组织状态的装置，所述装置中照明系统用于以激发光照射所述个体组织的一部分并检测由所述组织内化学物质所发出的荧光，包括：复数个激发纤维、和复数个彼此隔开并相对于所述激发纤维进行排列的接收纤维，使得能够优先收集来自皮肤真皮层的荧光信号。该照射系统仅简单的排列激发纤维和接收纤维，而忽略了光纤的数值孔径、组织光学参数等，无法实现深度分辨探测。GerdKeiser等在文献Reviewofdiverseopticalfibersusedinbiomedicalresearchandclinicalpractice中公开了光纤探针在不同研究中的应用。根据应用领域的不同，探针探测端面有不同的排布形式，但没有增加多个探测单元提高光谱测量稳定性的报道，且没有提出深度敏感的技术。
技术实现思路
本技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于组织荧光和后向散射光光谱测量的深度敏感光纤探针，克服了组织荧光光谱和后向散射光光谱测量过程中光谱强度依赖于激发和照明光源强度、探针探测端面与组织表面接触压力，且无法实现组织内部深层(如皮肤真皮层)荧光成分光谱特性检测的缺点。本技术技术解决方案：一种用于皮肤组织荧光光谱和后向散射光光谱原位测量的深度敏感光纤探针，包括：激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)、两路参考光纤、探针探测端面(5)；激发光纤(1)，连接荧光激发光源(81)与探针探测端面(5)，用于将光源发出的激发光传导到待测组织(11)，以激发组织中的各荧光成分产生荧光光谱信号；照明光纤(2)，连接照明光源(82)与探针探测端面(5)，用于将光源发出的照明光传导到待测组织(11)，以产生携带组织吸、散射特性的后向散射光光谱信号；收集光纤(3)，连接探针探测端面(5)与光谱探测器(10)，用于将待测组织(11)的荧光光谱和后向散射光谱传导到光谱探测器(10)，供数据分析处理；探针探测端面(5)，用于固定激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)，并以一定形式排布，保证三束光纤相对位置不变,实现深度敏感探测；两路参考光纤，第一路参考光纤(41)连接激发光源(81)和第一路光强探测器(91)；第二路参考光纤(42)连接照明光源(82)和第二路光强探测器(92)，用于实时监测光源波动；激发光纤(1)、照明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深度敏感光纤探针，其特征在于：包括激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)、两路参考光纤、探针探测端面(5)；激发光纤(1)，连接荧光激发光源(81)与探针探测端面(5)；照明光纤(2)，连接照明光源(82)与探针探测端面(5)，用于将光源发出的照明光传导到待测组织(11)；收集光纤(3)，连接探针探测端面(5)与光谱探测器(10)，用于将待测组织(11)的荧光光谱和后向散射光谱传导到光谱探测器(10)；探针探测端面(5)，用于固定激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)，保证三束光纤相对位置不变；两路参考光纤，第一路参考光纤(41)连接荧光激发光源(81)和第一路光强探测器(91)；第二路参考光纤(42)连接照明光源(82)和第二路光强探测器(92)，用于实时监测光源波动；激发光纤(1)、照明光纤(2)与两路参考光纤形成W形光纤束连接结构。

【技术特征摘要】
1.一种深度敏感光纤探针，其特征在于：包括激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)、两路参考光纤、探针探测端面(5)；激发光纤(1)，连接荧光激发光源(81)与探针探测端面(5)；照明光纤(2)，连接照明光源(82)与探针探测端面(5)，用于将光源发出的照明光传导到待测组织(11)；收集光纤(3)，连接探针探测端面(5)与光谱探测器(10)，用于将待测组织(11)的荧光光谱和后向散射光谱传导到光谱探测器(10)；探针探测端面(5)，用于固定激发光纤(1)、照明光纤(2)、收集光纤(3)，保证三束光纤相对位置不变；两路参考光纤，第一路参考光纤(41)连接荧光激发光源(81)和第一路光强探测器(91)；第二路参考光纤(42)连接照明光源(82)和第二路光强探测器(92)，用于实时监测光源波动；激发光纤(1)、照明光纤(2)与两路参考光纤形成W形光纤束连接结构。2.根据权利要求1所述的一种深度敏感光纤探针，其特征在于：所述激发光纤(1)和照明光纤(2)采用相同的结构和材料，具有相同的芯径、数值孔径。3.根据权利要求1所述的一种深度敏感光纤探针，其特征在于：所述激发光纤(1)和照明光纤(2)到收集光纤(3)之间的纤芯距离相同。4.根据权利要求1所述的一种深度敏感光纤探针，其特征在于：所述激发光纤(1)和照明光纤(2)数值孔径大于0.2，纤芯直径范围0.2mm～1mm；所述收集光纤(3)数值孔径大于0.2，纤芯直径在0.3mm～1mm之间。5.根据权利要求1所述的一种深度敏感光纤探针，其特征在于：激发光纤(1)、照明光纤(2)与收集光纤(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，王贻坤，张元志，朱灵，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，安徽易康达光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽,34