[0001] 本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种W型三包层光纤、光纤内窥镜及多模态内窥成像系统。

[0002] 全世界每年有数百万的人罹患管状器官和管腔内疾病，如结肠癌、食管癌、胰腺癌等。这些癌症通常会导致局部血管、结构、细胞和深度信息的显著变化，其中血管变化尤为明显，因为癌细胞释放的血管生成因子会促进新血管的生成，使得肿瘤周围的血管增多、变粗且排列不规则。因此，医学界一直致力于研发能够更早、更精准地诊断这些疾病的方法和技术，以避免癌症进展到中晚期，减少治疗难度，降低手术风险，从而显著提高患者的治愈率和生存率。这些具有高灵敏度、高特异性和临床适用性的早期诊断方法和技术，被视为治疗管腔疾病的重要前瞻性需求。

[0003] 传统检查技术广泛应用于管状器官和管腔内疾病的诊断，主要包括内镜检查、钡餐检查、穿刺活检病理检查、超声内窥(EUS)、CT和MRI等方法。然而，这些技术各有其局限性。内镜检查虽然能直接观察管腔表面，但对深层组织的检测能力有限，且可能给患者带来不适和痛苦。钡餐检查虽能描绘器官的轮廓和结构，但无法深入揭示组织内部的详细信息。穿刺活检病理检查虽然能获取组织样本，但患者可能感到疼痛和不适，且由于取材量有限，诊断的准确率存在不确定性。超声内窥镜(EUS)虽然结合了超声和内窥镜的功能，但操作技术复杂，设备较粗硬可能导致患者受伤，且需要特殊介质如无气水，可能影响诊断效率和安全性，同时成本也较高。CT成像的分辨率较低，对于早期癌症的诊断能力有限。MRI检查虽然功能强大，但图像有时会出现模糊和伪影。因此，开发光学相干断层成像和荧光结合的多模态内窥精确多模态成像技术对于精准表征和早期检测、手术引导、预后跟踪都具有重要意义。

[0004] 光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)具有高分辨率，无接触，无损伤几个方面的特点。内窥OCT(Endoscopic OCT,E‑OCT)作为OCT技术的重要分支，通过探头将光引导至待测器官组织处，可以克服光穿透深度有限的弱点，从而获得人体内器官深度高分辨的层析图像，通过组织形态学的研究，实现疾病的早期治疗。

[0005] 荧光成像(Fluorescence imaging,FI)通常为平面或反射成像，生物体外探测器上采集的二维图像是从活体动物体表射出的荧光信号的总和，并快速、便捷、远距离、无损伤地获得小型动物的整体在体成像。荧光成像将提供基于癌症特异性分子特征的早期肿瘤检测，结合荧光和OCT就可以同时分析组织的结构和成分，可以发现最初食管内皮细胞病变。

[0006] 光学相干成像和荧光成像组成的多模态成像系统，常采用双包层光纤进行传输光信号。双包层光纤具有高灵敏度、高分辨率、高特异性、多参数检测、多通道成像的优点，并且适用于荧光成像的高能量聚集和回收的特性，是包含荧光成像的多模态成像系统最常选用的光纤。但是存在OCT图像伪影问题。色散补偿光纤(DCF光纤)使用第一包层传输多模光束，导致在第一包层传输的OCT散射光在下一个光纤接口处由于不完全对准，导致OCT散射光由包层重新进入纤芯，从而形成多路径伪影问题。

[0007] 综上所述，采用常规OCT、荧光双模态成像系统对食管进行内窥成像时，伪影问题对采集结果产生影响。

[0053] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0054] 实施例1

[0055] 一种W型三包层光纤103，如图3所示，包括纤芯层1以及由内至外依次包覆于纤芯层1外的第一包层2、第二包层3和第三包层4；

[0056] 所述的第一包层2的折射率等于第三包层4；

[0057] 所述的第二包层3的折射率大于纤芯层1、第一包层2和第三包层4；

[0058] 所述的纤芯层1作为OCT光束传输层，所述的第二包层3作为其他模态光束传输层。

[0059] 更具体的，本实施例中：

[0060] 如图3所示，本实施例提出的W型三包层光纤103，其中心为纤芯层1、由内至外一侧包覆第一包层2、第二包层3和第三包层4，且纤芯层1、第一包层2、第二包层3和第三包层4均呈同心。

[0061] 本实施例提出的W型三包层光纤103与常规的DCF光纤的最大不同在于：

[0062] DCF光纤具有小直径rcore和高折射率纤芯1’ncore以及大数值孔径rclad1的折射率nclad1包层2’。由于不同传输模式折射率分布的连续性，从而导致杂散光在光纤不连续处，例如接头处，从包层2’rclad1的交叉耦合回纤芯1’rcore内，产生多径伪影。

[0063] DCF产生伪影是从成像探头端接收到的OCT信号进入包层2’中传输，然后在下一个接口端的时候由于纤芯1’的不完全匹配对准，导致包层2’中传输的光再次进入纤芯1’中，图5为光在DCF中传播示意图。图6(B)是DCF多路径伪影的B‑scan图。

[0064] 本实施例中的W型三包层光纤103是一种三包层折射率W型分布光纤，与传统DCF光纤从纤芯‑包层折射率梯度下降的方式不同，W型光纤具有一个与第一包层2折射率nclad1相同的额外包层nclad3，并具有作为多模通道的大直径高折射率第二包层3nclad2。其中纤芯层1设计为OCT光束传输，第二包层3设计为其他模态光束传输。在这种结构下，第二包层3的折射率高于第一包层2，同时也高于纤芯层1，nclad2>ncore>nclad1＝nclad3，如图3所示。基于该设计，第一包层2由于不满足光纤全反射结构，因此无法形成传输通道，从而不支持任何模式的传输。因此，第一包层2相当于纤芯的一个隔离带，如图4，从而避免了包层内传输的杂散光在光纤不连续处交叉耦合回纤芯，从而避免了多路径伪影的产生。图6(A)是光在W型三包层光纤103的B‑scan示意图。

[0065] 实施例2

[0066] 一种光纤内窥镜10，如图1所示，包括电机组件、光纤内窥探头107以及如实施例1所述的W型三包层光纤103；

[0067] 所述的光纤内窥探头107通过W型三包层光纤103与电机组件连接；

[0068] 所述的电机组件用于实现光纤内窥探头107的绕轴旋转和轴向移动。

[0069] 更具体的，本实施例中：

[0070] 如图1所示，该光纤内窥镜10中电机组件与光纤内窥探头107之间通过W型三包层光纤103连接。

[0071] 该电机组件包括驱动电机101和电机接口102，驱动电机101通过电机接口102与W型三包层光纤103的一端连接；并且，该驱动电机101内置有光电滑环，通过光电滑环和电机接口102与W型三包层光纤103连接，以在相对转动的过程中正常传输电信号、光信号等。驱动电机101用于驱动W型三包层光纤103旋转以实现光纤内窥探头107的绕轴旋转以及轴向运动，其中具体的传动结构可采用现有技术，没有限制。

[0072] 该光纤内窥探头107包括套管104和无芯光纤105，W型三包层光纤103的另一端接入套管104且与无芯光纤105的一端连接；无芯光纤105的另一端形成光纤聚焦模块，该光纤聚焦模块由W型三包层光纤103与无芯光纤105烧熔的光纤球透镜106熔接组成；光纤球透镜106将W型三包层光纤103传输的光信号照射在待测区域。

[0073] 本实施例中，较佳的是，光纤球透镜106的直径为0.35mm，研磨角度为39°。其低损耗拼接熔合的接口具有低反射、高机械完整性，保证传输光路的稳定性。

[0074] 此外，在光纤内窥镜10内还设置有一扭矩弹簧，设置于W型三包层光纤103与无芯光纤105之间(套设于光纤外侧)，该扭矩弹簧用于提供稳定的旋转动力来确保光纤内窥镜10在工作过程中的稳定性和可靠性(扭矩弹簧可以通过其弹性变形来储存和释放能量，为光纤内窥镜10的旋转提供持续且稳定的动力)。进而，这种稳定的旋转动力使得光纤内窥镜
10能够在复杂或狭小的空间内灵活转动，并清晰地捕捉图像信息。

[0075] 实施例3

[0076] 一种多模态内窥成像系统，如图2所示，包括W型三包层光纤耦合器11、波分复用器12、OCT成像装置、荧光成像装置以及如上任一所述的光纤内窥镜10；

[0077] 所述的OCT成像装置和荧光成像装置分别通过波分复用器12与W型三包层光纤耦合器11连接，所述的W型三包层光纤耦合器11与光纤内窥镜10连接。

[0078] 更具体的，本实施例中：

[0079] 如图2所示，该系统由成像导管30、光纤内窥镜10、W型三包层光纤耦合器11、波分复用器12、OCT成像装置和荧光成像装置共同构成。

[0080] 波分复用器12的一端与W型三包层光纤耦合器11的一端通过光信号连接，且另一端分别与OCT成像装置和荧光成像装置通过光纤连接。

[0081] OCT成像装置包括OCT宽带光源13、第一耦合器14(90:10光纤耦合器)、参考臂和样品臂。参考臂包括按照光路依次设置的第一环形器15、准直器16、第一透镜17和反射镜18；样品臂包括按照光路依次设置的第二环形器19、第二耦合器20(50:50光纤耦合器)和光电探测器21。

[0082] OCT成像装置包括参考臂部分和样品臂部分，其中：

[0083] 参考臂部分为：OCT宽带光源13发出的光进入90:10光纤耦合器的输入端口，10％功率的光通过第一环形器15的第一端口1进入第一环形器15，再由第一环形器15的第一端口2输出，通过准直器16准直到第一透镜17再聚焦到反射镜18，反射镜18将光沿原路返回，由第一环形器15的第一端口2进入第一环形器15，再由第一环形器15的第一端口3输出，然后进入50:50光纤耦合器；

[0084] 样品臂部分为：OCT宽带光源13发出的光进入90:10光纤耦合器的输入端口，90％功率的光通过第二环形器19的第二端口1进入第二环形器19，再由第二环形器19的第二端口2输出至波分复用器12，随后通过W型三包层光纤耦合器11输入光纤内窥镜10，再通过成像导管30到样品位置；样品反射的光路返回W型三包层耦合器和波分复用器12后，由第二环形器19的第二端口2进入第二环形器19，再由第二环形器19的第二端口3输出至50:50光纤耦合器，其和参考臂中进入50:50光纤耦合器的光相耦合并发生干涉，干涉信号被光电探测器21探测后转换为电压信号，经高速数据采集卡采集后传输至电脑29，再通过对采集到的数据进行处理，重建样品的层析结构图像。

[0085] 荧光成像装置包括荧光激光二极管22、二相色镜23、聚焦透镜24、第二透镜25、滤波器26、第三透镜27和光电倍增管28，其中：荧光激光二极管22注射荧光染料作为激发光，经由二相色镜23进入聚焦透镜24，通过波分复用器12和W型三包层耦合器后，进入光纤内窥镜10，再通过成像导管30到样品；样品中的荧光染料受激发射出荧光，荧光由光路返回W型三包层耦合器，再通过第二透镜25和滤波器26，然后由第三透镜27聚焦进入光电倍增管28(PMT)，通过分析点光强信息，可以重建出荧光图像。

[0086] 在本成像系统中，OCT成像装置可以采用高速垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)作为OCT宽带光源13，其在瞬时发出宽带窄带宽波长的光，出光速率为100khz，可实现长距离成像，OCT宽带光源13发出的光通过W型三包层光纤103和无芯光纤105传输至光纤球透镜106折射到样品上。荧光成像装置采用半导体可调激光的680‑750nm波段作为激发光源，实现对荧光分子成像。对双模态光路部分的集成，则是根据OCT成像装置和荧光成像装置不同波长的情况选取波分复用器12，将光学相干成像样品臂光源和荧光激励光源整合到同一单模宽带光纤光路，这种全光纤光路(透镜部分为空气光路)设计保证了双模态光路系统的稳定。

[0087] 综上，本发明将OCT成像技术和荧光成像技术耦合至成像系统，实现双模态成像，利用W型三包层光纤103实现OCT、荧光信号的耦合传输，解决双包层光纤存在的OCT图像多路径伪影问题。

[0088] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。