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1、(10)申请公布号 CN 102427758 A(43)申请公布日 2012.04.25CN102427758A*CN102427758A*(21)申请号 201080021181.6(22)申请日 2010.05.1009160441.3 2009.05.15 EPA61B 5/00(2006.01)G02B 23/24(2006.01)G02B 26/10(2006.01)G02B 21/00(2006.01)(71)申请人皇家飞利浦电子股份有限公司地址荷兰艾恩德霍芬(72)发明人 CA赫齐芒斯BHW亨德里克斯WCJ比尔霍夫 AL布劳恩N米哈伊洛维奇(74)专利代理机构永新专利商标代理有限。
2、公司 72002代理人陈松涛 夏青(54) 发明名称具有反馈校正的光学探头(57) 摘要本发明涉及一种适于微型应用的光学探头(1)。范例应用是基于光纤的共焦微型显微镜。光学探头包括基于线圈的致动系统(9，10)，其包括能够使光学探头容纳(4)的光波导(2)的远端(3)发生位移的驱动线圈(9)。该探头利用了反馈环路，该反馈环路在两种模式之间交替：通过驱动电流通过驱动线圈来驱动光波导发生位移，以及切断通过驱动线圈的电流，在切断驱动电流时，测量光波导的远端的速度。将测量的速度与设定点速度比较，如果探测到差值，调节驱动电流以消除或至少降低这种差值。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日20。
3、11.11.15(86)PCT申请的申请数据PCT/IB2010/052044 2010.05.10(87)PCT申请的公布数据WO2010/131181 EN 2010.11.18(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页CN 102427764 A 1/2页21.一种光学探头(1，20)，所述探头包括：具有远端(3)的光波导(2，25)；外壳(4，22)，所述光波导安装在所述外壳内部，使得所述远端能够相对于所述外壳发生位移；以及包括驱动线圈(9，23)的基于线圈的致动系统(9，10，21，23)，所述致动系。
4、统能够通过将驱动电流驱动通过所述驱动线圈诱发的位移力使所述远端发生位移；其中所述驱动电流包括调节项和与位置设定点相关的设定点电流；其中所述调节项由反馈环路确定，包括以下步骤：-向所述驱动线圈施加所述驱动电流；-暂时切断所述驱动电流，在切断所述驱动电流的同时测量所述远端的速度；以及-通过如下任一种方式比较所述位置设定点和所测量的速度-从所述位置设定点导出设定点速度，并且比较所述设定点速度和所测量的速度以导出差值；或-从所测量的速度导出测量的位置，并且比较所述位置设定点和所测量的位置以导出差值，如果所述差值高于预设水平，则调节所述驱动电流。2.根据权利要求1所述的探头，其中通过在切断所述驱动电流的。
5、同时测量所述驱动线圈(23)两端的电压(26)来测量所述远端的速度。3.根据权利要求1所述的探头，其中通过在暂时切断所述驱动电流的同时接通适于测量所述远端的速度的测量电路来测量所述远端的速度。4.根据权利要求1所述的探头，其中所述驱动电流适于以基本等于所述探头的共振频率的频率使所述光波导发生位移。5.根据权利要求1所述的探头，其中所述反馈环路的环路增益大于1。6.根据权利要求1所述的探头，其中所述致动系统包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括轴向极化的磁体(10，21)，所述第二部分包括电磁线圈(9，23)；其中所述第一部分和第二部分之一安装在所述外壳(4，22)上，所述第一部分和第二部分中。
6、的另一个安装在所述光波导(2，25)上。7.根据权利要求1所述的探头，其中所述调节项还包括前馈项，所述前馈项基于一个或多个机械和/或电气参数。8.根据权利要求1所述的探头，其中所述光波导是具有自由远端的光纤。9.根据权利要求1所述的探头，其中所述探头是内窥镜、导管、针或活检样本系统的一部分。10.一种光学成像系统，包括：-根据权利要求1所述的光学探头(60)；-光耦合到所述光学探头的辐射源(62)，所述探头被布置成将从所述辐射源发射的辐射(64，600)引导到感兴趣的区域(63)；以及-光耦合到所述光学探头的辐射探测器(66)，所述探测器被布置成探测从所述感兴趣的区域接收的辐射(65，601)。
7、。11.一种操作探头(1，20)的方法；权 利 要 求 书CN 102427758 ACN 102427764 A 2/2页3所述探头包括：具有远端(3)的光波导(2，25)；外壳(4，22)，所述光波导安装在所述外壳内部，使得所述远端能够相对于所述外壳发生位移；以及包括驱动线圈(9，23)的基于线圈的致动系统(9，10，21，23)，所述致动系统能够通过将驱动电流驱动通过所述驱动线圈诱发的位移力使所述远端发生位移；其中所述驱动电流包括调节项和与位置设定点相关的设定点电流；其中所述方法包括：-向所述驱动线圈施加所述驱动电流；-暂时切断所述驱动电流并且测量所述远端的速度；以及通过如下任一种方式比。
8、较所述位置设定点和所测量的速度-从所述位置设定点导出设定点速度并且比较所述设定点速度和所测量的速度以导出差值；或-从所测量的速度导出测量的位置，并且比较所述位置设定点和所测量的位置以导出差值；如果所述差值高于预设水平，则调节所述驱动电流。权 利 要 求 书CN 102427758 ACN 102427764 A 1/6页4具有反馈校正的光学探头技术领域0001 本发明涉及一种适于微型应用的光学探头。本发明还涉及一种光学成像系统和一种操作探头的方法。背景技术0002 在诊断各种疾病，例如各种癌症时，会进行活检。在进行活检且未检测到任何恶性细胞时，重要的是能够排除这并非仅仅是因为从错误部位采集的活。
9、检样本所致。为了提高活检采样的确定性，可以使用引导式活检。这样的引导式活检采样可以基于很多图像样式，范例包括X射线、CT、MRI、超声波和光学。0003 出于很多目的，使用利用微型针显微镜的光学成像。使用针显微术成像有下列好处，即其不涉及有害的X射线或昂贵的CT或MRI扫描机器械。此外，它支持集成到活检针自身中，由此能够在活检之前、期间和之后直接目测检查活检部位。0004 欧洲专利申请No.1901107A1公开了一种微型化共焦针显微镜的范例，其包括安装在外壳内部的光纤形式的振动光发射器，其中发射器的振动执行扫描图案，该振动基于包括电磁线圈和永磁体的激励系统。0005 扫描光纤的问题在于，如果。
10、光纤末端的真实位置偏离设定点位置，图像构造会带来赝像。发明内容0006 本发明的发明人认识到避免与位置偏差相关的赝像一种方式是改善光纤或光波导的运动以确保光波导遵循期望的路径。在依据基于线圈的致动系统(其中驱动电流通过线圈)驱动光波导运动的光学探头系统中，在施加的电流和运动光波导的实际位置之间始终会有与线性之间的偏差。因此，仅仅知道电流不足以构造出没有失真的图像，除了驱动线圈所施加的电流之外，还需要提供度量振动光纤或其他相关光学元件的位置信息的反馈信号。为此，本发明的目的是提供一种光学探头，其在图像构造中使来自探头运动的赝像最小化、基本没有赝像或甚至避免赝像。另一目的是提供一种适于微型化的探头。
11、。0007 优选地，本发明单独地或以任何组合方式减轻、缓解或消除了一种或多种以上或其他缺点。0008 在第一方面中，本发明通过提供一种光学探头解决了以上需求，该探头包括：0009 具有远端的光波导；0010 外壳，所述光波导安装在所述外壳内部，使得所述远端可以相对于所述外壳发生位移；以及0011 包括驱动线圈的基于线圈的致动系统，所述致动系统能够通过将驱动电流驱动通过所述驱动线圈诱发的位移力使所述远端发生位移；其中所述驱动电流包括调节项和与位置设定点相关的设定点电流；0012 其中所述调节项由反馈环路确定，包括以下步骤：说 明 书CN 102427758 ACN 102427764 A 2/6。
12、页50013 -向所述驱动线圈施加所述驱动电流；0014 -暂时切断所述驱动电流，在切断所述驱动电流的同时测量所述远端的速度；以及0015 -通过如下任一种方式比较所述位置设定点和所测量的速度0016 -从所述位置设定点导出设定点速度并比较所述设定点速度和所测量的速度以导出差值；或0017 -从所测量的速度导出测量的位置，并比较所述位置设定点和所测量的位置以导出差值，0018 如果所述差值高于预设水平，调节所述驱动电流。0019 该探头包括具有远端的光波导，所述光波导安装在外壳内部，其中远端可以相对于外壳发生位移。在实施例中，探头的形式为针形探头，例如微型化共焦显微镜。位移通常的形式为振动，由。
13、基于线圈的致动系统实现，该致动系统包括驱动线圈，驱动线圈通过将驱动电流驱动通过驱动线圈来诱发位移力。在实施例中，该光波导是具有自由远端的光纤。自由的意义是它能够自由地相对于外壳发生位移。光波导可以包括一个或多个光学元件。0020 在本发明中，该探头利用了反馈环路，反馈环路在两种模式之间交替：通过驱动电流通过驱动线圈来驱动光波导发生位移，以及切断通过驱动线圈的电流，在切断驱动电流时，测量光波导远端的速度。将测量的速度与位置设定点进行比较，如果探测到差值，则调节驱动电流以消除或至少降低这种差值。0021 可以通过用于在电路中比较量的任何适当手段来实施位置设定点和测量的速度的比较以导出差值。设置适当。
14、的预设水平在技术人员的能力之内。在一实施例中，这个水平可以是零，因此任何差值都得到最小化，在另一实施例中，可以将其设置到所探测的或估计的噪声极限附近。0022 出于很多理由，本发明的实施例是有利的。通过在驱动线圈，以及关闭驱动线圈同时测量远端速度之间交替，能够在系统中使用两个线圈(每个方向一个线圈系统)进行驱动和测量，因此可以避免将线圈对分成驱动线圈和测量线圈。这使得驱动和测量系统比基于线圈分离的系统线性更好。此外，它将致动系统的灵敏度提高了几乎4倍。在每个驱动线圈功耗相同的情况下，所得的更低失真连同更高的灵敏度使得更大的驱动力成为可能。由于不需要独立的测量线圈，所以系统很适于微型化，因为致动。
15、系统可能占据较小空间。此外，降低了生产成本。0023 可以通过如下任一种方式确定差值：从所述位置设定点导出设定点速度并比较所述设定点速度和所测量的速度以导出差值；或从所测量的速度导出测量的位置，并比较所述位置设定点和所测量的位置以导出差值。可能有利的是为反馈环路利用速度比较，因为在这种情况下不需要对测量的速度进行积分来获得位置。于是，与基于位置比较的反馈环路相比，该反馈环路可以更快且以更直接的方式来实施。0024 在有利的实施例中，通过在切断所述驱动电流的同时测量所述驱动线圈两端的电压来测量所述远端的速度。电压是驱动线圈的电动势emf的度量。已知电动势是磁场中运动的对象的速度的度量。0025 。
16、可以以若干频率使光波导发生位移，不过可能有利的是以探头系统的共振频率或接近共振频率的频率使光波导发生位移。以探头系统的共振频率或接近共振频率的频率驱说 明 书CN 102427758 ACN 102427764 A 3/6页6动光波导可能仅需要中等的驱动电流，这样能够使用微型化的线圈。0026 有利地，反馈环路的总环路增益大于1，例如远大于1。在实施例中，环路增益可以尽可能大，而不会危害到环路增益的功能，例如，环路增益不应高到需要保护线圈的程度。设置环路增益的适当极限在技术人员的能力范围内。利用高的环路增益，进一步确保将与位置相关的参数差值保持在低值，从而可以使用位置设定点以高可信度确定远端的。
17、位置。0027 在有利实施例中，调节项还可以包括基于一个或多个机械和/或电气参数的前馈项。在低环路增益的情况下，例如以非共振频率驱动探头系统的情况下，使用前馈项与反馈项结合可能是相关的。机械和电气参数可以是诸如系统的弹簧常数、运动质量的重量、阻尼因数等参数。0028 在应用中，光学探头可以形成内窥镜、导管、活检针或其他类似应用的一部分，例如，结合体内医学检查，例如结合癌症诊断，监测伤口愈合或研究组织中的分子过程。还想到应用的领域可以包括，但不限于微型成像装置有用的领域，例如结合小尺度装置的检查等。0029 在第二方面中，除了根据第一方面的光学探头之外，还提供了一种光学成像系统，该光学系统包括：。
18、0030 -光耦合到所述光学探头的辐射源，所述探头被布置成将从所述辐射源发射的辐射引导到感兴趣的区域；以及0031 -光耦合到所述光学探头的辐射探测器，所述探测器被布置成探测从所述感兴趣的区域接收的辐射。0032 在本发明的第三方面中，提供了一种操作根据本发明第一方面的探头的方法，0033 所述方法包括：0034 -向所述驱动线圈施加所述驱动电流；0035 -暂时切断所述驱动电流并测量所述远端的速度；以及0036 通过如下任一种方式比较所述位置设定点和所测量的速度0037 -从所述位置设定点导出设定点速度并比较所述设定点速度和所测量的速度以导出差值；或0038 -从所测量的速度导出测量的位置，。
19、并比较所述位置设定点和所测量的位置以导出差值；0039 如果所述差值高于预设水平，调节所述驱动电流。0040 总之，可以通过本发明范围之内任何可能方式组合和耦合本发明的各方面。从下文所述实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见并参考实施例而得到阐释。附图说明0041 将参考附图仅以举例方式描述本发明的实施例，附图中：0042 图1示出了光学探头第一实施例的示意截面图；0043 图2示出了光学探头第二实施例的示意截面图；0044 图3示出了具有反馈环路的示意性驱动电路；0045 图4A和4B示出了驱动开关和反馈开关的操作；说 明 书CN 102427758 ACN 10242。
20、7764 A 4/6页70046 图4C和4D示出了线圈两端的电压和零阶采样及保持的输出；0047 图5示出了具有反馈环路和前馈环路结合的示意性驱动电路；0048 图6结合光学成像系统示意性示出了光学探头实施例的操作。具体实施方式0049 图1是根据本发明实施例的光学探头1的示意截面图。光学探头的形式可以是共焦显微镜。光学探头包括光波导2，光波导2具有远端3和外壳4。在外壳之内有一定空间，光波导末端可以在其中运动的意义上，光波导的远端可以相对于外壳自由运动5。外壳在其远端具有窗口6，例如玻璃或聚合物窗口。在图示的实施例中，光波导包括透镜系统7，透镜系统可能借助于安装件8附着于波导。不过，本发明。
21、不限于有任何具体的光学部件。仅仅出于例示性目的示出部件。通常，如技术人员公知的那样，可以使用任何适当的透镜系统。通过适当装置(未示出)将光波导自身安装在外壳内部，使得光波导具有固定部分和可动部分。0050 在实施例中，光波导可以是光纤(多模和单模)、薄膜光路、光子晶体光纤、光子带隙纤维(PBG)、保偏光纤等。光学探头还可以包括超过一根光纤，即，多根光纤或光纤束。0051 可以借助于基于线圈的致动系统9、10使光波导发生位移。致动系统能够通过将电流驱动通过驱动线圈9使远端发生位移。在图示的实施例中，致动系统包括第一部分和第二部分，第一部分包括轴向极化的磁体10，第二部分包括电磁线圈9，其中线圈安。
22、装在外壳上，磁体安装在光波导上。图2示出了相反的情况，其中线圈安装在光波导上，磁体安装在外壳上。当在线圈9中施加电流时，由于洛伦兹力，根据电流的方向，将把磁体10推离中央位置。通过这种方式，可以将光波导的远端放在外壳操作区之内的任何希望位置。在实施例中，沿着光学探头的轴使磁体10磁化。仅示出了单组线圈，允许沿单个方向发生位移，例如，沿着附图标记5表示的方向。线圈的绕组在平行于光波导轴的平面中。使用垂直取向的线圈组(未示出)在垂直于图示方向5的方向上发生位移，此外还可以使用一组为了沿该方向位移而取向的线圈，这种线圈也未示出。0052 图2示出了光学探头20的示意截面图。在该图中，磁体21附着于外。
23、壳22，而线圈23附着于光波导24的外部。在图示的实施例中，光波导包括芯25和用于保护芯的柔性支撑管24。图2还示出了两个线圈的串联连接28以及两个线圈上的相关电压降26。线圈23中通过的电流，与来自轴向磁化的磁体21的磁场一起沿附图标记27所示的方向施力。在线圈相对于磁体沿方向27运动时，这个力生成系统还将产生反电动势emf。导线26两端的电压降反映出这个emf。0053 图3示出了根据本发明实施例具有反馈环路的示意性驱动电路。图3示出了通过推导设定点位置来确定设定点速度的情形。功率放大器30提供驱动电流，用于驱动线圈。线圈电连接到端子31。端子31通过开关32(驱动开关)与功率放大器30分。
24、开，可以由开关控制器33控制开关32。在开关32闭合时，经由端子31向线圈馈送驱动电流。由位置设定点发生器34控制功率放大器30。位置设定点发生器向图像构造单元35输出透镜的期望位置。在实施例中，确定位置的导数作为期望的驱动速度。在求导单元36处确定位置的导数并馈送到比较器37中。将比较器37的输出馈送到功率放大器30中用于驱动线圈。0054 如果驱动开关32打开，即切断驱动电流，且开关38闭合，电路测量经由端子31的说 明 书CN 102427758 ACN 102427764 A 5/6页8驱动线圈的反emf。可以由开关控制器33控制开关38(反馈开关)。例如可以借助于低通滤波器39对测量。
25、的反电动势成形并可以在比较器37比较之前进行放大300。0055 在实施例中，基于从测量的速度导出测量的位置以及比较位置设定点和测量的位置，省略了求导单元36。除了集成单元之外，也可以实施用于从测量的速度导出位置的其他模块，作为低通滤波器39和放大器300之间插入的独立单元或实现为低通滤波器39或放大器300的一部分。0056 图4A和4B示出了开关32、38的操作。值1对应于开关闭合，即电流能够通过开关，而值0对应于开关打开，即没有电流通过。水平轴是时间轴。图4A示出了驱动开关32的操作，显示出线圈被交替供应驱动电流或交替关闭。图4B示出了反馈开关38的操作，在切断驱动电流时短暂闭合反馈开关。
26、，允许反馈电路测量端子31两端的电压。图3的电路确保了，如果远端光波导的速度偏离了设定点速度，则调节驱动电流，直到测量的速度与设定点速度一致。0057 闭合驱动开关32之后打开反馈开关38的时刻以及打开-闭合状态的持续时间在技术人员的能力范围内，他们可以适当加以设置。不过，在有利的实施例中，延迟反馈开关38以允许放电，使得线圈的噪声降低到可接受水平以下。噪声是由开关、线路、线圈中的电容中的能量以及由线圈中的自感导致的。电容301是零阶采样及保持电路的一部分。在接通反馈开关38时，电容被emf充电，emf与光学探头相对于外壳的速度成比例，在切断反馈开关38时，emf保持在电容上，从而可以对电压进。
27、行测量、过滤、放大以及进一步用于反馈控制。在切断两个开关的一瞬间，通过开关的电阻释放线圈的电压。0058 图4C和4D示出了线圈两端的电压和零阶采样及保持的输出。图4C示出了如图4A和4B所示切换期间的线圈电压。在图4C中，首先在这期间打开驱动开关38(参考图4A)，测量的emf仅与光波导远端的运动相关。在闭合驱动开关时，测量的电动势反映出由控制器馈送的驱动电压，当再次打开驱动开关时，电压接近测量的电动势再次仅与光波导远端速度相关时的水平。图4D示出了零阶采样及保持的输出，每次打开反馈开关时(参考图4B)，由于电容器301充电，电压跳变到闭合反馈开关的时刻驱动线圈处存在的水平(参考图4C)。从。
28、图4D可以看出，光学探头相对于外壳的速度在时间上是斜变形状的。水平轴是时间轴。0059 为了获得速度设定点和远端实际速度之间的小误差，可能在光波导应当运动的频率处需要比1高得多的环路增益。可以通过如下方式实现这种目的：选择高的总增益，导致高带宽，或者选择较低的增益以及仅一个频率来移动光波导：共振频率。如果运动机械部分的阻尼非常低，将在线圈中导致低带宽和低耗散，且速度误差仍然很低，这最后一种选择特别有利。速度误差可以足够低，以可靠地使用位置设定点作为共振频率下的位置信息。不过，非共振频率下远端相对于不运动部分的位置可以通过在这些频率下不运动部分上的加速力以及远端的共振频率来确定。0060 图5示。
29、出了具有反馈环路和前馈环路结合的驱动电路。图示电路的主要部分类似于图3所示的电路。不过，额外地将设定点位置34输出到基于一个或多个机械和/或电气参数确定前馈项的单元50。在组合器51处将前馈项与反馈项组合以输入到功率放大器30中。0061 可以结合在非共振模式下驱动系统有利地使用前馈项以补偿低环路增益和高反说 明 书CN 102427758 ACN 102427764 A 6/6页9馈误差。对于前馈方法而言，可能需要首先确定光波导的弹簧常数、运动质量和阻尼以及其几何结构。这些参数可以根据外加力通过独特的方式确定位置和速度。这个力是所加电流的函数。例如，可以将前馈项实现为包含光学探头机械或电气参。
30、数和运动之间已知关系的查找表。可以从理想化测试知道这种关系。0062 图6结合光学成像系统示意性示出了光学探头实施例的操作。0063 图6示意性示出了光学探头60，例如，如参考图1和2所示。由61示意性表示探头的位移。光学探头光耦合到辐射源62，使得探头将辐射600，64从辐射源引导到感兴趣的区域63。辐射源可以是任何适当的源，例如，但不限于任何种类的激光器、LED、气体放电灯或荧光源。0064 从探头发射的辐射64与感兴趣的区域63中的被研究对象交互作用。在交互作用之后，辐射的一部分65可能被探头接收，例如反射的辐射、背散射的辐射、再次发射的辐射或任何其他类型的辐射。探测到的辐射65、601。
31、可以经由来自探头的耦合被指引到探测器66。0065 探测到的辐射65可以与从位置发生器34(图3)知道的位置数据67一起被输入到图像构造单元68，用于产生感兴趣的区域的图像69。0066 由于驱动电流的反馈以及任选的前馈校正，所产生的图像没有位置失真或至少位置失真相对最小化。本发明实施例提供的位置校正迫使光学探头遵循预设或期望的路径，在探头位移或扫描期间，实际位置紧密匹配光学探头的预设位置。0067 可以借助于硬件、软件、固件或其任意组合实现本发明。也可以将本发明或其一些特征实现为运行于一个或多个数据处理器上的软件和/或数字信号过程。0068 可以通过任何适当的方式，例如在单个单元中，在多个单。
32、元中，或作为独立功能单元的一部分，在物理上、功能上和逻辑上实现本发明实施例的各个元件。本发明可以实现于单个单元中，或者在物理上和功能上都分布于不同单元和处理器之间。0069 尽管已经结合指定实施例描述了本发明，但不应认为以任何方式限于所提供的范例。应当按照所附权利要求组解释本发明的范围。在权利要求的语境中，术语“包括”不排除其他可能元件或步骤。而且，提到诸如“一”等指示词不应被解释为排除复数。在权利要求中针对图中指出的元件使用附图标记也不应被视为限制本发明的范围。此外，可以有利地组合在不同权利要求中提到的各个特征，在不同权利要求中提到这些特征不排除特征组合是不可能和有利的。说 明 书CN 102427758 ACN 102427764 A 1/3页10图1图2说 明 书 附 图CN 102427758 A。