通过多芯光纤内窥镜的增强成像制造技术

提供了多芯光纤和内窥镜配置、以及对应的生产和使用方法。各种配置包括用于改善多芯光纤和传感器之间的接口的绝热渐细的近端光纤末梢和/或近端光学元件、减少沿着光纤的衰减的光子晶体光纤配置、在保持所需的柔性和光学保真度的同时减小衰减的用于内窥镜的图像处理方法和接合刚性连接件配置。各种配置包括增加通过光纤和内窥镜传递的辐射的信息内容的频谱复用方法，以及改进图像质量、增强视场、提供纵向信息的配置。各种配置包括基于光纤的波前传感器。本公开的许多配置增加了成像分辨率，并且使在保持内窥镜非常细的同时能够集成额外的操作模式，诸如频谱成像和三维成像。

Enhanced imaging through multi-core fiber endoscope

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过多芯光纤内窥镜的增强成像
本专利技术涉及内窥镜的领域，并且更具体地，涉及多芯光纤内窥镜。
技术介绍
各种配置的内窥镜使能有效地治疗一系列医疗问题，以及在有限的接触下操纵不同情况的手段。内窥镜操作的挑战在于照明、检测以及治疗被局限于长而窄的操作模式。光纤技术是这种技术的核心推动因素，并且基于光纤的内窥镜经历了不断的改进。
技术实现思路
以下是提供了本专利技术的初步理解的简化了的概述。该概述既不必定确定关键元素，也不限制本专利技术的范围，而是仅仅用作对以下描述的介绍。本专利技术的各种方面提供了多芯光纤和内窥镜配置、以及相应的生产和使用方法，其是用于改进多芯光纤和传感器之间的接口的绝热渐细的近端光纤末梢和/或近端光学元件、减小沿着光纤的衰减的光子晶体光纤配置、在保持所需的柔性和光学保真度的同时减小衰减的接合刚性连接件配置、增加通过光纤和内窥镜传递的辐射的信息内容的图像处理方法、频谱复用方法、以及基于光纤的波前传感器的任一种。本专利技术的这些附加的和/或其它方面和/或优点在以下的详细描述中进行阐述；可能从详细描述中推断；和/或可通过本专利技术的实践学习。附图说明图1A是根据本专利技术的一些实施方式的具有近端渐细端部(proximaltaperedend)的多芯成像光纤的高级别示意图。图1B是根据本专利技术的一些实施方式的具有近端光学元件的多芯成像光纤的高级别示意图。图2是根据本专利技术的一些实施方式的多芯光子晶体光纤的截面的高级别示意图。图3是根据本专利技术的一些实施方式的混合式内窥镜的高级别示意图。图4A至图4D是根据本专利技术的一些实施方式的内窥镜及其照明源的高级别示意图。图5A至图5C是根据本专利技术的一些实施方式的由此被配置为实现波长复用超分辨成像的内窥镜及照明源的高级别示意图。图6是根据本专利技术的一些实施方式的具有多模、多芯照明光纤的内窥镜的高级别示意图。图7A和图7B是根据本专利技术的一些实施方式的具有数十种模式的多模纤芯的多芯光纤的内窥镜的高级别示意图。图8A和图8B是根据本专利技术的一些实施方式的具有增强视场的内窥镜的高级别示意图。图9A至图9C是根据本专利技术的一些实施方式的纵向感测的内窥镜的高级别示意图。图10是根据本专利技术的一些实施方式的波前感测的内窥镜的高级别示意图。图11是示出根据本专利技术的一些实施方式的方法的高级别流程图。具体实施方式在以下的描述中，描述了本专利技术的各种方面。出于解释的目的，为了提供对本专利技术的透彻理解，阐述了具体的配置和细节。然而，对于本领域技术人员来说也将显而易见的是，本专利技术可以在没有本文呈现的具体细节下实践。此外，为了不使本专利技术不清楚，可以省略或简化众所周知的特征。具体参考附图，应当强调，所示的细节仅作为示例，且仅用于对本专利技术的说明性讨论的目的，并且呈现这些细节的原因是为了提供被认为是对本专利技术的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述。就这一点而言，没有试图比对本专利技术的所必须的基本理解更详细地示出本专利技术的结构细节，结合附图进行的描述的本专利技术的几种形式如何在实践中实施对本领域技术人员是显而易见的。在详细解释本专利技术的至少一种实施方式之前，应当理解，本专利技术在其应用中不限制于在以下描述中阐述的或在附图中示出的部件的配置和布置的细节。本专利技术适用于可以以各种方式实践或执行的其它实施方式以及本公开的实施方式的组合。此外，应当理解，本文采用的短语和术语是为了描述的目的，而不应当被视作限制性的。除非另有具体说明，如从以下的讨论中可以显而易见，应当理解，整个说明书的讨论中利用的诸如“处理”、“计算”、“算数”、“确定”、“增强”、“导出”等术语是指计算机或计算系统或类似的电子计算装置的动作和/或处理，其使计算系统的寄存器和/或存储器内的表示为物理(诸如电子)量的数据进行操作和/或转换为在计算系统的存储器、寄存器或其他这种的信息存储、传输或显示装置内的类似地表示为物理量的其他数据。本公开的模块或单元中的任一个可以至少部分地由计算机处理器实现。提供了多芯光纤和内窥镜的配置，以及对应的生产和使用方法。各种配置包括用于改进多芯光纤和传感器之间的接口的绝热渐细近端光纤末梢和/或近端光学元件、减小沿着光纤的衰减的光子晶体光纤配置、用于使内窥镜在减小衰减的同时保持所需的柔性和光学保真度的图像处理方法和接合刚性连接件(jointedrigidlinks)配置。各种配置包括增加通过光纤和内窥镜传递的辐射的信息内容的频谱复用方法、以及改进图像质量、增强视场、提供纵向信息的配置。各种配置包括基于光纤的波前传感器。本公开的许多配置提高了成像分辨率，并且使能在保持内窥镜非常细的同时集成额外的操作模式，诸如频谱成像和三维成像。应当注意，虽然以下的组织是指成像对象，但是任何其它元件、对象、表面或零件都可以由本公开的光纤和内窥镜成像，并且术语“组织”不应被认为以任何方式限制本专利技术。还应当注意，配置被单独公开仅仅是为了简化相应的解释，并且对于具有两种或多种配置的内窥镜，可以将这些配置组合，这些配置可以在不同的附图中示出和/或在不同的实施方式中公开，渐细端部图1A是根据本专利技术的一些实施方式的具有近端渐细端部120的多芯成像光纤100的高级别示意图。多芯成像光纤100在光纤100的远端部100A处从成像的组织90接收辐射95A(作为非限制性示例)，在光纤的整个长度上传输辐射，并且在光纤100的近端部100B处将辐射95B传递到传感器80。多芯成像光纤100可以包括公共包层和/或多包层结构112内的大量纤芯110，例如，多芯成像光纤100可包括数万或数十万个纤芯110。图1A仅示意性地示出几个纤芯110以用于解释的目的。某些实施方式包括包含多芯成像光纤100的内窥镜。例如，多芯成像光纤100可以包括具有公共包层112的至少10000个纤芯110(可能是50000个纤芯，100000个纤芯或任何中间或其它的数量)，并且具有被配置成传递来自在光纤100的远端部100B处的组织90的图像辐射95A的近端末梢100A。图像辐射105A可以被限制于纤芯110A(具有直径d1，例如在0.5～2μm之间，1～1.5μm之间等)，并且纤芯110A可以在光纤截面面积A1内被间隔开(A1具有直径D1，纤芯110A被间隔开L1，例如数μm，例如3～5μm)，以防止纤芯110A之间的串扰。截面100A可以从远端部100A开始并贯穿整个光纤100，但对于其渐细端部120，该截面100A被示出以显示每个纤芯110A由包层材料或结构112A包围，并且图像辐射105A被限制于纤芯110A。应当注意，纤芯110可以具有不同程度的有序性，并且可以以一定程度的随机性分散于光纤截面。纤芯110之间的间距或节距L1可以被理解为平均或中值间距。具有渐细端部120的近端末梢可以非常短，例如，如由长度T所示，短于例如2cm、1cm、0.5cm等，并且可以是绝热渐细的以减小光纤截面面积(例如，从光纤直径D1和截面面积A1到光纤直径D2和截面面积A2)并且可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多芯成像光纤，包括具有公共包层的至少10000个纤芯并且被配置为传递来自所述光纤的远端部处的组织的图像辐射，其中，所述图像辐射被限制于所述纤芯，并且所述纤芯在光纤截面面积内被间隔开以防止纤芯间的串扰，/n其中，所述多芯成像光纤包括近端末梢，所述近端末梢短于1cm并且是绝热渐细的以使所述光纤截面面积和纤芯直径至少减小至原来的三分之一，从而允许所述图像辐射离开变窄的所述纤芯，并且所述近端末梢被配置为将所述图像辐射传递至邻近传感器。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170717 US 62/533,1551.一种多芯成像光纤，包括具有公共包层的至少10000个纤芯并且被配置为传递来自所述光纤的远端部处的组织的图像辐射，其中，所述图像辐射被限制于所述纤芯，并且所述纤芯在光纤截面面积内被间隔开以防止纤芯间的串扰，
其中，所述多芯成像光纤包括近端末梢，所述近端末梢短于1cm并且是绝热渐细的以使所述光纤截面面积和纤芯直径至少减小至原来的三分之一，从而允许所述图像辐射离开变窄的所述纤芯，并且所述近端末梢被配置为将所述图像辐射传递至邻近传感器。


2.根据权利要求1所述的多芯成像光纤，其中，接收来自所述近端末梢的所述图像辐射的所述邻近传感器的有效面积是所述邻近传感器的总面积的至少50％。


3.根据权利要求1或2所述的多芯成像光纤，其中，所述近端末梢短于0.5cm并且是坚硬的。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的多芯成像光纤，其中，减小后的所述光纤截面面积小于0.1mm2，减小后的所述纤芯直径小于0.5μm，并且减小后的纤芯节距小于2μm。


5.一种内窥镜，包括权利要求1至4中任一项所述的多芯成像光纤。


6.一种方法，包括：
使多芯成像光纤的近端末梢绝热渐细，所述多芯成像光纤包括具有公共包层的至少10000个纤芯、被配置为传递来自所述光纤的远端部处的组织的图像辐射，其中，所述图像辐射被限制于所述纤芯，并且所述纤芯在光纤截面面积内被间隔开以防止纤芯间的串扰，以及
将绝热渐细的近端末梢配置为短于1cm并且具有相对于所述多芯成像光纤至少减小至原来的三分之一的所述光纤截面面积和纤芯直径，以允许所述图像辐射离开变窄的所述纤芯并且将所述图像辐射传递至邻近传感器。


7.一种多芯成像光纤，包括具有公共包层的至少10000个纤芯并且被配置为传递来自所述光纤的远端部处的组织的图像辐射，其中，所述图像辐射被限制于所述纤芯，并且所述纤芯在光纤截面面积内被间隔开以防止纤芯间的串扰，
其中，所述多芯成像光纤包括近端光学元件，所述近端光学元件被配置为在光学上减小光纤截面中的所述纤芯的填充因子并将所述图像辐射传递到邻近传感器。


8.根据权利要求7所述的多芯成像光纤，其中，所述近端光学元件包括至少一个棱镜和/或至少一个光栅，所述棱镜和/或所述光栅被配置为重定向从所述纤芯传递的所述图像辐射以填充所述邻近传感器上的相对于所述光纤截面面积的更小的面积。


9.根据权利要求8所述的多芯成像光纤，其中，所述更小的面积和所述传感器的面积小至所述光纤截面面积的三分之一或更小。


10.一种内窥镜，包括权利要求7至9中任一项所述的多芯成像光纤。


11.一种方法，包括在光学上减小多芯成像光纤的光纤截面中的纤芯的填充因子，所述多芯成像光纤包括具有公共包层的至少10000个纤芯、被配置为传递来自所述光纤的远端部处的组织的图像辐射，其中，所述图像辐射被限制于所述纤芯，并且所述纤芯在光纤截面面积内被间隔开以防止纤芯间的串扰，通过重定向从所述纤芯传递的所述图像辐射来填充邻近传感器上的相对于所述光纤截面面积的更小的面积。


12.一种具有由多个空气孔组成的光子晶体结构的多芯光纤，所述多芯光纤被配置为具有至少两种类型的所述空气孔：
纤芯型空气孔，在光纤截面面积内以指定的纤芯节距间隔开，所述指定的纤芯节距被选定以使图像辐射限制在所述纤芯型空气孔内，以及
包层空气孔，在所述纤芯型空气孔之间，所述包层空气孔在所述光纤截面面积内以指定的包层节距间隔开，所述指定的包层节距被选定以防止所述纤芯型空气孔之间的串扰。


13.根据权利要求12所述的多芯光纤，具有多于10000个纤芯型空气孔。


14.根据权利要求12或13所述的多芯光纤，对于10cm的长度，所述多芯光纤的衰减系数相比具有相同数量的聚合物纤芯的可比较的多芯光纤的衰减系数小至二分之一。


15.一种内窥镜，包括根据权利要求12至14中任一项所述的多芯成像光纤。


16.一种方法，包括通过使空气孔被设计成至少两种类型，从由多个所述空气孔组成的光子晶体结构配置多芯光纤：
纤芯型空气孔，在光纤截面面积内以指定的纤芯节距间隔开，所述指定的纤芯节距被选定以使图像辐射限制在所述纤芯型空气孔内，以及
包层空气孔，在所述纤芯型空气孔之间，所述包层空气孔在所述光纤截面面积内以指定的包层节距间隔开，所述指定的包层节距被选定以防止所述纤芯型空气孔之间的串扰。


17.一种内窥镜，包括：
远端多芯成像光纤，被配置为从所述远端多芯成像光纤的近端部处的组织接收图像辐射并且将所述图像辐射传递至所述远端多芯成像光纤的远端部，以及
多个刚性图像中继元件，所述刚性图像中继元件通过相应的多个接头互连，其中，所述刚性图像中继元件中的远端的刚性图像中继元件经由对应的接头连接至所述远端多芯成像光纤的所述近端部，
其中，所述接头被配置为保留在所述刚性图像中继元件相对于彼此的角运动时从所述远端多芯成像光纤的所述近端部传递的所述图像辐射，以在所述内窥镜的近端部传递所述图像辐射。


18.根据权利要求17所述的内窥镜，还包括近端多芯成像光纤，所述近端多芯成像光纤经由对应的接头连接至所述刚性图像中继元件中的近端的刚性图像中继元件，并且被配置为从近端的所述刚性图像中继元件传递所述图像辐射。


19.根据权利要求17或18所述的内窥镜，其中，所述刚性图像中继元件是玻璃GRIN(梯度折射率)连接件，并且所述接头包括定位在机械接头内的球形球透镜，其中，所述机械接头机械地连接至邻近的所述刚性图像中继元件或光纤，并且所述球形球透镜被定位以保留朝向近端传递的所述图像辐射。


20.一种方法，包括：
从远端多芯成像光纤和多个刚性图像中继元件配置内窥镜，其中，所述远端多芯成像光纤被配置为从所述远端多芯成像光纤的近端部处的组织接收图像辐射并且将所述图像辐射传递至所述远端多芯成像光纤的远端部，以及
通过相应的多个接头互连所述刚性图像中继元件，其中，所述刚性图像中继元件中的远端的刚性图像中继元件经由对应的接头连接至所述远端多芯成像光纤的所述近端部，
其中，所述接头被配置为保留在所述刚性图像中继元件相对于彼此的角运动时从所述远端多芯成像光纤的所述近端部传递的所述图像辐射，以在所述内窥镜的近端部传递所述图像辐射。


21.根据权利要求20所述的方法，还包括经由对应的接头将近端多芯成像光纤连接至所述刚性图像中继元件中的近端的刚性图像中继元件，以从近端的所述刚性图像中继元件传递所述图像辐射。


22.一种内窥镜，包括：
照明源，被配置为以指定的多个不同的波长传递照明，
检测器，包括分光计，所述分光计被配置为解码检测到的在所述指定的多个不同的波长中的辐射，
多芯成像光纤，包括多个纤芯并且被配置为将从所述照明源照亮的组织接收到的图像辐射通过所述纤芯传递到所述检测器，以及
处理单元，被配置为从每一个纤芯的已解码的检测到的所述图像辐射导出对应于所述指定的多个不同的波长的图像数据。


23.根据权利要求22所述的内窥镜，其中，所述处理单元还被配置为利用每个所述纤芯的对应于多个波长的多个输入来实现超分辨成像。


24.根据权利要求22或23所述的内窥镜，其中，所述照明源包括：
光纤激光器，包括：
宽带布拉格滤波镜，用于所述指定的多个(N)不同的波长的范围，
可控制的1至N开关，连接至N个窄带布拉格滤波镜以用于对应的不同的波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿萨夫·莎蒙，泽夫·扎列夫斯基，
申请(专利权)人：Z思快尔有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL