ES2247427T3 - Aparato de formacion de imagenes confocal en particular para endoscopio. - Google Patents
Aparato de formacion de imagenes confocal en particular para endoscopio.Info
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Abstract
Aparato de formación de imágenes confocal particularmente para endoscopio que comprende una guía (1) de imagen constituida por fibras ópticas flexibles con: - en el lado del extremo proximal de la guía (1) de imagen - una fuente (2) que produce un haz de iluminación, unos medios de barrido angular (3) de dicho haz, unos medios de inyección (4) del haz desviado alternativamente en una de las fibras de la guía (1) de imagen, unos medios de separación (5) del haz de iluminación y de la señal retroemitida, unos medios de filtración espacial (6), unos medios de detección (7) de dicha señal, unos medios electrónicos (8) de control, de análisis, y de tratamiento digital de la señal detectada y de visualización; y - en el lado del extremo distal de la guía (1) de imagen: un cabezal (9) óptico adaptado para focalizar el haz de iluminación que sale de la fibra iluminada.
Description
Aparato de formación de imágenes confocal en
particular para endoscopio.
La presente invención se refiere a un aparato de
formación de imágenes confocal en particular para endoscopio y del
tipo que utiliza un haz de fibras ópticas flexibles. El carácter
confocal reside en la utilización del mismo camino para la
iluminación y para la detección, y en la filtración espacial de la
señal que vuelve del plano de análisis subsuperficial.
Los campos de aplicación de la invención son el
análisis de tejidos biológicos in vivo, en seres humanos o
animales, externos por ejemplo en el campo de la dermatología, o
internos y accesibles con ayuda de un canal operador de endoscopio
en el cual se puede introducir el haz de fibras ópticas flexibles, y
también al análisis ex vivo de muestras de tejido procedentes
de raspados para biopsia, y el análisis in vitro de cultivos
de biología celular. Además, el dispositivo puede servir para el
análisis del interior de un dispositivo fabricado.
Actualmente se consideran los campos médicos de
la gastroenterología, la neumología, la ginecología, la urología, la
otorrinolaringología, la dermatología, la oftalmología, la
cardiología y la neurología.
La incorporación de un haz de fibras ópticas
flexibles de pequeño diámetro (varios cientos de micras) es
necesaria para un acoplamiento con el canal operador de un
endoscopio, aunque también puede ser ventajosa para los sistemas de
pruebas automáticas en los que el haz de fibras ópticas, con un
cabezal óptico de focalización en su extremo, se manipula de forma
automatizada como un brazo de medición sobre una matriz de muestra.
Por otro lado, independientemente de una aplicación endoscópica,
también es ventajosa una miniaturización del cabezal óptico para
aumentar la precisión del posicionamiento y para minimizar además la
inercia mecánica en las aplicaciones automatizadas.
Más particularmente, el aparato según la
invención es del tipo que comprende una fuente que emite una
radiación con una longitud de onda dada y que produce un haz de
iluminación paralelo. Este haz de iluminación se separa a
continuación por ejemplo por una hoja separadora con el fin de
disociar la vía de iluminación y la vía de detección. A
continuación, se desvía angularmente en dos direcciones del espacio
(barrido) por un sistema optomecánico de espejos. Un medio óptico
recoge a continuación el haz barrido angularmente y lo inyecta en
una guía de imagen, situada en el plano focal de este último, y
constituida por un haz ordenado de varias decenas de miles de fibras
ópticas flexibles. De esta manera se inyecta, en un momento dado,
una de las fibras ópticas de la guía de imagen para una posición
anular dada del haz. Durante el transcurso del tiempo, se inyectan
sucesivamente las fibras ópticas que constituyen la guía de imagen
desviando angularmente el haz por medio de espejos, y esto punto por
punto para una línea dada y línea por línea para constituir una
imagen. El haz inyectado en la guía de imagen (si es necesario
previamente dispuesta en el canal operador de un endoscopio) se
guía, emerge, y se recoge por un medio óptico que permite iluminar
punto por punto el sitio que se desea observar. En cada instante, el
foco que ilumina el tejido se retrodispersa y sigue el trayecto
inverso del haz incidente. Este flujo retrodispersado se reinyecta
entonces en la guía de imagen, emerge, alcanza el sistema de barrido
y, a continuación, se reenvía a la vía de detección por medio de la
hoja separadora, después se focaliza en un orificio de filtración.
Entonces se detecta por ejemplo por un fotomultiplicador o un
fotodiodo de avalancha. La señal que sale del fotodetector se
integra a continuación, después se digitaliza para ser visualizada
en una
pantalla.
pantalla.
Un dispositivo de este tipo se describe
particularmente en la solicitud de patente internacional WO
00/16151.
En el caso del análisis de un tejido biológico,
las dificultades que se encuentran están relacionadas con la escasa
relación de la señal útil retrodispersada respecto a la señal
parásita, que necesita, para que la imagen producida sea aceptable,
la mejor calidad de haz de iluminación posible y conservada durante
todo el trayecto óptico, particularmente en el mismo nivel que la
calidad del frente de onda y del reparto espacial de la intensidad
de la mancha focal que debe ser lo más cercana posible al diámetro
del núcleo de una fibra. En el lado del extremo proximal de la guía
de imagen, la degradación del haz de iluminación tanto en el plano
energético como en el espacial se debe particularmente a las
reflexiones parásitas que se producen a la entrada de la guía de
imagen y a los fallos de transmisión óptica en el nivel de los
sistemas de barrido y de inyección (deformación de campo, error del
frente de onda).
En la solicitud de patente internacional WO
00/16151 mencionada anteriormente, el sistema de barrido comprende
espejos resonantes optomecánicos y/o galvanométricos y el sistema de
inyección en la guía de imagen, una lente L4 de focalización o un
objetivo de microscopio.
El documento US nº 5.995.867 describe un sistema
para realizar cirugía celular que comprende un haz láser y unos
medios de óptica confocal para barrer y focalizar el haz en el
tejido y generar a cambio imágenes confocales. Este sistema no
comprende ninguna guía de imagen constituida por fibras ópticas
flexibles y, por tanto, no describe medios de inyección del haz
barrido alrededor de una fibra.
La presente invención tiene por objetivo proponer
un aparato en el que se mejora la calidad del haz de iluminación en
la entrada de la guía de imagen y, por consiguiente, también se
mejora la calidad de la imagen. También tiene como objetivo proponer
una solución para esto con un coste escaso, fácil de poner en
práctica, que se pueda miniaturizar e industrializar.
Propone un aparato de formación de imágenes
confocal según la reivindicación 1.
Gracias a estos medios ópticos, se puede
garantizar una calidad del haz de iluminación y una proporción de
acoplamiento fibra a fibra homogénea y óptima.
Según un ejemplo particular, un sistema óptico de
afocales comprende cuatro lentes, entre las que un doblete corrector
está situado simétricamente con respecto al plano de imagen que
permite corregir la curvatura de campo y minimizar el error del
frente de onda.
Para minimizar también las aberraciones
residuales, los medios de inyección en la guía de imagen comprenden
un juego de lentes para transformar el barrido angular del haz de
iluminación en un barrido en translación de la guía de imagen que
comprende aguas arriba un doblete adaptado para corregir la
curvatura de campo residual de dicho juego de lentes.
De manera ventajosa según la invención, los
medios electrónicos de control, de análisis y de tratamiento digital
de la señal detectada y de visualización comprenden una tarjeta de
sincronización adaptada particularmente para controlar de forma
sincronizada el movimiento de los espejos línea y trama y adaptada
para conocer en todo momento la posición del haz de iluminación
barrido.
La presente invención se pondrá más claramente de
manifiesto y se descubrirán otras ventajas a partir de la
descripción siguiente de un ejemplo de realización, haciendo
referencia a la figura 1 en la que se representa esquemáticamente un
aparato según dicho ejemplo.
En la figura 1 se propone un aparato para
realizar una imagen de un sitio situado a una profundidad
determinada en un plano P de corte XY perpendicular al eje óptico,
comprendiendo dicho aparato una guía de imagen 1 constituida por
varias decenas de miles de fibras ópticas flexibles con:
- -
- en el lado del extremo proximal de la guía de imagen 1: una fuente 2 que produce un haz de iluminación, unos medios de barrido angular 3 de dicho haz, unos medios de inyección 4 del haz desviado alternativamente dentro de una de las fibras de la guía de imagen 1, unos medios de separación 5 del haz de iluminación y de la señal retroemitida, unos medios de filtración espacial 6, unos medios de detección 7 de dicha señal, unos medios electrónicos 8 de control, de análisis y de tratamiento digital de la señal detectada y de visualización; y
- -
- en el lado del extremo distal de la guía de imagen 1: un cabezal óptico 9 adaptado para focalizar el haz de iluminación que sale de la fibra iluminada de la guía de imagen 1 en un punto 10 focalizado en el plano P bajo la zona 11 de contacto del cabezal óptico 9.
Todos estos medios se describen a continuación
con detalle.
La guía de imagen 1 permite acceder a la
zona de análisis subsuperficial desviando la fuente 2. Si está
destinada, junto con el cabezal óptico 9, a insertarse en el canal
operador del endoscopio, debe presentar dimensiones que sean
compatibles (algunos milímetros de diámetro según la aplicación
clínica). Está constituida por un haz ordenado de fibras ópticas
flexibles envuelto por una funda. Se puede utilizar cualquier guía
que presente suficientes fibras y poca separación entre núcleos para
obtener una buena resolución espacial. A modo de ejemplo, se puede
utilizar una guía de la marca Sumitomo® constituida por 30.000
fibras de diámetro de núcleo de 2,5 \mum y con una separación
entre núcleos de 4 \mum, o bien una guía de la marca Fujikura®
constituida por 30.000 fibras de diámetro de núcleo de 2 \mum y
con una separación entre núcleos de 3,7 \mum. Según la invención,
las fibras se iluminan una por una alternativamente y de manera
dirigida, gracias a los medios de barrido 3 y a los medios de
inyección 4. El diámetro útil de la guía de imagen corresponde por
tanto al diámetro de núcleo de una fibra iluminada.
La guía de imagen 1 está equipada en sus dos
extremos por una hoja de cristal (no representados en la figura)
suficientemente espesa para rechazar las reflexiones parásitas fuera
de los medios de filtración 6 para la reflexión que se produce en la
entrada del haz de fibras, y fuera de la fibra óptica iluminada por
la reflexión que se produce a la salida de la guía de imagen. Las
hojas de cristal se tratan con antirreflejo para minimizar la luz
reflejada.
La fuente 2 está constituida por un diodo
láser de 683 nm que debe presentar una muy buena calidad de frente
de onda, inferior o igual a \lambda/10. Según la invención, este
diodo se pulsa para disociar por detección sincrónica la señal útil
de la reflexión parásita que se produce en la entrada de la guía de
imagen 1. Como variante, se puede utilizar un láser sólido o un gas,
pero la elección de la longitud de onda en la banda de 600 a 800 nm
o la absorción en los tejidos es menor, y está menos extendida;
además, el coste con potencia equivalente es mucho más
importante.
Los medios de separación 5 del haz de
iluminación y la señal de retorno están constituidos aquí por un
cubo separador 50/50 para comodidad de ajuste. También se puede
utilizar una hoja separadora 50/50.
Los medios de barrido 3 presentan la
función de reproducir una matriz de diodos de la misma calidad
óptica que el diodo láser de la fuente 2 y que se inyectará fibra a
fibra. Esto requiere una combinación de medios ópticos no habituales
que permitan corregir las aberraciones presentes en el sistema de
transporte y de duplicación de fuente para iluminar la guía de señal
fibra a fibra. El sistema de barrido está constituido por dos
espejos M1 y M2 y por dos sistemas ópticos. El espejo M1 es un
espejo "línea" resonante a una frecuencia de 4 kHz y el espejo
M2 es un espejo "trama" galvanométrico con una frecuencia
variable entre 0 y 300 Hz. Cada sistema óptico está constituido por
cuatro lentes L1 a L4 y L5 a L8, respectivamente, que permiten
conjugar los dos espejos en un primer momento, después el espejo M2
y la entrada de la guía de imagen. Estos sistemas ópticos no deben
presentar aberraciones que podrían:
- -
- ampliar el reparto espacial de la intensidad de la mancha focal (FDP: función de dispersión de puntos o PSF: "Point Spread Function" en inglés) después de los medios de inyección 4 y degradar así el acoplamiento en la guía de imagen 1;
- -
- propagar el flujo dentro de la funda de la guía de imagen 1, lo que degradaría la PSF al final de la guía y, en consecuencia, la resolución de la imagen.
Las lentes L2 a L3 y L6 a L7 son dobletes
correctores idénticos situados simétricamente con respecto al plano
de imagen. Esto permite homogeneizar la inyección en la guía de
imagen al corregir la curvatura de campo y al minimizar el error del
frente de onda, debidos a la utilización de los sistemas afocales
fuera de los ejes (L1 a L4 y L5 a L8).
Los medios de inyección 4: deben presentar
el mínimo de aberraciones y no deben degradar la calidad del frente
de onda para realizar una mancha focal cerca del límite de
difracción para realizar, de esta manera, un acoplamiento óptimo con
la fibra dirigida (una PSF igual al diámetro del núcleo de una
fibra). Comprenden un doblete L9 a medida y un triplete L10
estándar. El doblete L9 permite corregir las aberraciones residuales
del triplete L10, es decir, la curvatura de campo.
Los medios de filtración espacial 6
comprenden una lente L11 y un orificio T de filtración que permiten
seleccionar sólo la fibra óptica de iluminación y no las fibras
adyacentes que pueden generar una señal parásita. El tamaño del
orificio de filtración es tal que corresponde al diámetro del núcleo
de una fibra en aumento cerca del sistema óptico entre la entrada
del haz de fibras y el orificio de filtración.
El cabezal óptico 9 comprende varios
medios ópticos que permiten hacer converger el haz que emerge de la
fibra óptica iluminada y dos hojas de cristal, una es la descrita
anteriormente a la salida de la guía de imagen y la otra es un visor
adaptado para entrar en contacto con el lugar y que realiza una
adaptación de indicio. Los medios ópticos presentan las
características siguientes:
- -
- permitir un análisis del tejido a una profundidad de varias decenas a varias centenas de micras;
- -
- minimizar las aberraciones para transcribir la PSF a la salida de la guía de imagen sobre el tejido sin ampliarla ni deformarla;
- -
- optimizar la tasa de acoplamiento de retorno en la guía de imagen optimizando la calidad del frente de onda;
- -
- en caso necesario, dimensiones compatibles con las del canal operador de un endoscopio.
Los medios ópticos comprenden por ejemplo un
sistema de lentes que forman un objetivo a medida.
Los medios de detección 7 comprenden como
detector de señal un fotodiodo de avalancha que obtiene la señal de
forma continua, devolviendo la señal parásita que procede de los dos
extremos de la guía de señal al mismo orden de magnitud que la señal
útil para no saturar el detector. La eliminación del residuo de
reflexión parásita en la entrada de la guía de imagen se realiza a
continuación por un filtrado temporal digital.
Los medios electrónicos 8 de control, de
análisis y de tratamiento digital de la señal detectada, y de
visualización comprenden las siguientes tarjetas:
- -
- una tarjeta de modulación 20 de la fuente láser. Esta tarjeta permite modular la fuente a una frecuencia relativamente elevada (del orden de 100 MHz) para producir impulsos (10 ns \leq \tau \leq 100 ns) a intervalos regulares (relación cíclica del orden de 4).
- -
- una tarjeta de sincronización 21 que presenta las funciones de:
- -
- controlar de forma sincronizada el barrido, es decir, el movimiento de los espejos línea M1 y trama M2;
- -
- conocer en todo momento la posición del foco láser barrido de esta manera:
- -
- sincronizar la emisión de los impulsos de la fuente láser antes de la detección; y
- -
- gestionar todas las demás tarjetas por medio de un micro-controlador pudiendo él mismo ser dirigido;
- -
- una tarjeta de detección 22 que comprende un circuito analógico que realiza particularmente una adaptación de impedancia y una integración, un convertidor analógico digital y un componente lógico programable (por ejemplo un circuito FGPA) que da forma a la señal;
- -
- una tarjeta de obtención digital 23 que permite tratar una gran cantidad de datos digitales de frecuencia variable y visualizarlos en una pantalla 24; y
- -
- una tarjeta gráfica 25.
El tratamiento de la imagen se realiza de la
siguiente manera. Se da forma a la información bruta a la salida
de la tarjeta de detección y se trata para poder visualizarla y, por
tanto, interpretarla. El procedimiento de obtención de las imágenes
a través de la guía de imagen, constituida por varias decenas de
miles de fibras ópticas, y por barrido de esta última induce
especificaciones en la imagen y un tratamiento apropiado.
Se preven dos grupos de tratamiento:
- 1.
- El primer grupo está constituido por procedimientos de tratamiento de señal que sirven para calibrar la señal obtenida. De esta manera se evitan defectos de acoplamiento láser/guía inherentes al procedimiento de obtención, así como defectos debidos a ciertos ruidos del sistema. La calibración puede adoptar formas diferentes según la precisión de control del barrido y su estabilidad en el tiempo. Estos tratamientos son esencialmente monodimen- sionales.
- 2.
- El segundo grupo permite mejorar la interpretación al integrar tratamientos de imagen (2D y 2D+tiempo) específicos del procedimiento optomecánico. Estos tratamientos consisten en un procedimiento de restauración de imágenes, seguido de un procedimiento de reajuste rápido que permite evitar pequeños movimientos. Estos tratamientos son rápidos con respecto a la duración de la obtención. Estos algoritmos son totalmente automáticos y se adaptan a la naturaleza de la imagen.
Es evidente que son posibles variantes de
realización, particularmente en lo que respecta al espejo línea M1
que puede resonar a otra frecuencia, por ejemplo 8 kHz, los sistemas
ópticos afocales pueden ser completamente a medida o bien pueden
constar de otros juegos de lentes correctoras adaptadas.
Claims (9)
1. Aparato de formación de imágenes confocal
particularmente para endoscopio que comprende una guía (1) de imagen
constituida por fibras ópticas flexibles con:
- -
- en el lado del extremo proximal de la guía (1) de imagen: una fuente (2) que produce un haz de iluminación, unos medios de barrido angular (3) de dicho haz, unos medios de inyección (4) del haz desviado alternativamente en una de las fibras de la guía (1) de imagen, unos medios de separación (5) del haz de iluminación y de la señal retroemitida, unos medios de filtración espacial (6), unos medios de detección (7) de dicha señal, unos medios electrónicos (8) de control, de análisis, y de tratamiento digital de la señal detectada y de visualización; y
- -
- en el lado del extremo distal de la guía (1) de imagen: un cabezal (9) óptico adaptado para focalizar el haz de iluminación que sale de la fibra iluminada,
caracterizado porque los medios de barrido
angular (3) comprenden un espejo línea (M1) resonante y un espejo
trama (M2) galvanométrico con una frecuencia variable y dos sistemas
ópticos de afocales, adaptados para conjugar los dos espejos (M1,
M2) en un primer momento, después el espejo trama (M2) y el medio de
inyección (4) en la guía de imagen en un segundo momento, respetando
cada sistema óptico la calidad del frente de onda inicial (WFE) y
presentando un reparto espacial de la intensidad de la mancha focal
(PSF) igual al diámetro del núcleo de una fibra; y porque un sistema
óptico de afocales comprende lentes estándar y lentes correctoras
adaptadas para corregir las aberraciones residuales de dichas lentes
estándares.
2. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sistema óptico de afocales comprende
cuanto lentes (L1 a L4; L5 a L8) que incluyen un doblete corrector
(L2, L3; L6, L7) situado simétricamente con respecto al plano imagen
que permite corregir la curvatura de campo y minimizar el error del
frente de onda.
3. Aparato según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque los medios de inyección (4) comprenden
un juego de lentes (L10) adaptado para transformar el barrido
angular en un barrido en translación de la guía de imagen y aguas
arriba un doblete (L9) adaptado para corregir la curvatura de campo
residual de dicho juego de lentes (L10).
4. Aparato según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicho juego de lentes (L10) es un
triplete.
5. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque comprende una hoja de
cristal dispuesta a la entrada de la guía de imagen destinada a
rechazar las reflexiones parásitas fuera de los medios de filtración
(6) .
6. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque comprende una hoja de
cristal dispuesta en la salida de la guía de imagen destinada a
rechazar las reflexiones parásitas fuera de la fibra óptica
iluminada.
7. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el espejo línea (M1) es un
espejo resonante con una frecuencia de 4 kHz.
8. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espejo
trama (M2) presenta una frecuencia variable entre 0 y 300 Hz.
9. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
electrónicos (8) de control, de análisis y de tratamiento digital de
la señal detectada y de visualización comprenden una tarjeta de
sincronización (21) adaptada particularmente para controlar de
manera sincronizada el movimiento de los espejos línea (M1) y trama
(M2) y adaptada para conocer en todo momento la posición del haz de
iluminación barrido.
Applications Claiming Priority (2)
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