Cabezal óptico miniaturizado de alta resolución espacial y alta sensibilidad, particularmente para el diagnóstico por imagen de fluorescencia confocal fibrada.

Cabezal óptico miniaturizado previsto para equipar el extremo distal de un haz de fibras ópticas flexibles barridopor un haz láser,

estando dicho cabezal óptico destinado a entrar en contacto con una muestra y excitar dichamuestra de manera confocal; comprendiendo este cabezal óptico un bloque óptico de corrección de aberracionesesféricas y un bloque óptico de enfoque;

caracterizado porque el bloque de enfoque comprende:

- al menos una primera lente convergente (4; 18, 19) asociada con una lente esférica o semiesférica (5; 10)dispuesta en el extremo distal del cabezal óptico, y

- medios de corrección del cromatismo axial y lateral que se proporcionan con una sola lente divergente (3b) quetiene una curvatura centrada sobre la pupila del haz de fibras ópticas; estando esta lente divergente asociada conuna segunda lente convergente (3a) en forma de un doblete (3; 17)

comprendiendo el bloque de corrección de las aberraciones esféricas una tercera lente convergente (2);

estando los espesores de la primera (4) y tercera (2) lentes convergentes dispuestos para corregir la aberraciónesférica acumulada sobre las dioptrías convergentes,

estando también el espesor de la tercera lente convergente (2) dispuesto para obtener imágenes de la pupila sobrela segunda lente convergente (3).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2007/000723.

Solicitante: MAUNA KEA TECHNOLOGIES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 9, RUE D'ENGHIEN 75010 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: GENET, MAGALIE, VIELLEROBE, BERTRAND, MATHIEU, GILLES, DOUSSOUX,FRANÇOIS, BOULAROT,NICOLAS, LAVILLONNIERE,NICOLAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • A61B1/00 SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA.A61 CIENCIAS MEDICAS O VETERINARIAS; HIGIENE.A61B DIAGNOSTICO; CIRUGIA; IDENTIFICACION (análisis de material biológico G01N, p.ej. G01N 33/48). › Instrumentos para proceder al examen médico de las cavidades o conductos del cuerpo por inspección visual o fotográfica, p. ej. endoscopios (examen de las cavidades o conductos del cuerpo utilizando ondas ultrasónicas, sónicas o infrasónicas A61B 8/12; instrumentos endoscópicos para la toma de muestras celulares o para biopsias A61B 10/04; con fines quirúrgicos A61B 17/00; instrumentos quirúrgicos que utilizan un rayo láser dirigido a lo largo o a través de un conducto flexible A61B 18/22 ); Dispositivos de iluminación al efecto (para los ojos A61B 3/00).
  • G02B21/00 SECCION G — FISICA.G02 OPTICA.G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › Microscopios (oculares G02B 25/00; sistemas polarizantes G02B 27/28; microscopios de medida G01B 9/04; micrótomos G01N 1/06;   técnicas o aparatos de sonda de barrido G01Q).

PDF original: ES-2410538_T3.pdf

 

Cabezal óptico miniaturizado de alta resolución espacial y alta sensibilidad, particularmente para el diagnóstico por imagen de fluorescencia confocal fibrada.

Fragmento de la descripción:

Cabezal óptico miniaturizado de alta resolución espacial y alta sensibilidad, particularmente para el diagnóstico por imagen de fluorescencia confocal fibrada [0001] La invención presente se refiere a un cabezal óptico miniaturizado previsto para equipar un extremo distal de un haz de fibras ópticas flexibles, dicho cabezal está destinado a entrar en contacto con una superficie de análisis y a adaptarse para enfocar una señal de excitación transportada por dicho haz de fibras en un punto focal de excitación que puede estar situado en diferentes profundidades con respecto a la superficie de contacto del cabezal. El cabezal óptico está también adaptado para tomar una señal retroemitida que proviene del punto focal de excitación subsuperficial para que sea enviado por el haz de fibras particularmente hacia medios de detección y de los medios de análisis y de tratamiento digital de señal.

Los campos de aplicación en cuestión son los dispositivos de análisis subsuperficial de carácter confocal, las señales transportadas que pueden ser particularmente del ámbito del diagnóstico por imagen y/o de la espectroscopia según la o las fuentes de excitación y los medios de detección aplicados. El carácter confocal resulta de la utilización de la misma fibra para transportar la señal de excitación y la señal retroemitida, y de una dimensión espacial muy reducida de la fibra. Puede tratarse de análisis biológicos in situ, en humanos o animales, externos por ejemplo del campo de la dermatología, o internos y accesibles con ayuda de un canal operador de endoscopia en el cual se puede introducir el haz de fibras ópticas y el cabezal óptico. También puede tratarse de análisis celulares realizados ex vivo en muestras. Además, el cabezal óptico puede ser aplicado para el análisis del interior de un dispositivo manufacturado.

Actualmente se contemplan los ámbitos médicos de la gastroenterología, la neumología, la ginecología, la urología, la ORL, la dermatología, la oftalmología, la cardiología y la neurología.

Los medios de análisis y de tratamiento de señal previstos cerca del extremo próximo del haz de fibras ópticas permiten obtener una imagen o un gráfico interpretable por un usuario.

El documento WO 2004/065994 describe un cabezal óptico miniaturizado para un microscopio confocal.

El documento US 2004 / 02 522 380 describe una lente para objetivo que tiene una transmitancia por lo menos del 50% a unas longitudes de onda de 300 nm para un espesor de 10 mm.

Conocemos el documento WO 03 / 056379 que describe un cabezal óptico miniaturizado previsto para equipar el extremo distal de una guía de imagen. Este cabezal óptico consiste en un tubo portaóptica de sección circular en el que se introducen por un lado la parte final distal de la guía de imagen y por el otro los medios ópticos de enfoque. Los medios ópticos constan de lentes dispuestas en planos extrafocales. Las lentes están dispuestas para optimizar la relación señal / ruido minimizando la reflexión parásita en la salida de guía de imagen, optimizando, a cambio, el índice de acoplamiento y optimizando la transmisión del conjunto del cabezal. La invención presente tiene como objeto un cabezal óptico que ofrece una buena calidad de imagen particularmente para sistemas de fluorescencia.

También conocemos el documento. A.R. Rouse, A. Kano, J.A. Udovich, S.M. Kroto and A.F. Gmitro, «Design and demonstration of a miniature catheter for a confocal microendoscope», Applied Optics, vol. 43, Nº 31, págs. 5763-5771, 2004. Este documento describe un cabezal óptico que se coloca en la parte distal de una guía de imagen. Este cabezal óptico presenta las particularidades siguientes:

- Aumento = 1.6, lo que es bastante y no debería permitir obtener una gran resolución lateral;

- Apertura numérica sobre el tejido = 0, 46, lo que es un inconveniente para el conjunto de los fotones que provienen de la fluorescencia del tejido; la sensibilidad no puede ser muy importante con dicha solución óptica;

- Diámetro del cabezal = 3 mm;

- Longitud del cabezal = 13 mm, lo que es compatible con el paso por el canal operador de un endoscopio;

- Resolución axial puntual = 10 !m, lo que es un valor bastante grande para un cabezal óptico que con un diseño óptico relativamente complicado;

- Resolución axial planar = 25 !m (es decir para un campo entero de imágenes) , lo que es un valor importante para un cabezal óptico que con un diseño óptico complicado;

-Resolución lateral = 3 !m, bastante degradada para un cabezal óptico de este tipo.

El cabezal óptico según la técnica anterior no tiene rendimientos ópticos que permitan cualificarlo de cabezal óptico de alta resolución y de alta sensibilidad. Por otro lado, el documento Rouse describe un sistema de barrido línea por línea directamente y no un sistema de barrido punto por punto inyectando el haz óptico uno a uno en cada una de las fibras ópticas que constituyen la guía de imagen.

La invención presente tiene por objeto remediar los inconvenientes del cabezal óptico de la técnica anterior proponiendo un cabezal óptico en miniatura de alta calidad óptica: alta resolución (resolución lateral y resolución

axial) y alta sensibilidad, particularmente para el diagnóstico por imagen confocal de fluorescencia fibrada de barrido láser in vivo. La miniaturización debe permitir particularmente la inserción de toda la guía de imagen (haz de fibras ópticas o «bundle») y cabezal óptico en el canal operador de un endoscopio o bien ser lo menos invasivo posible en animales pequeños. La necesidad de una gran calidad óptica reside en la voluntad de detectar con una resolución muy buena los objetos pequeños (membranas, dendritas, orgánulos) y con una sensibilidad muy buena. Así, sería posible detectar de manera más fácil objetos situados más en profundidad en el tejido.

Otro objetivo de la invención es un cabezal de alta calidad particularmente adaptado para capturas en tiempo real.

Alcanzamos por lo menos uno de los objetivos citados anteriormente con un cabezal óptico miniaturizado según la reivindicación 1.

Más concretamente, el bloque de corrección de las aberraciones esféricas corrige también las aberraciones de coma y de astigmatismo.

Ventajosamente, el haz de fibras ópticas es barrido por el haz láser en tiempo real para obtener por lo menos doce imágenes por segundo.

Con el cabezal óptico según la invención, conseguimos rendimientos de calidad de frente de onda y de diagnóstico de imagen de gran apertura numérica, preferentemente superior a 0, 8, sin añadir necesariamente meniscos correctores: Una sola lente divergente así dispuesta permite alcanzar rendimientos muy buenos. De modo general podemos considerar que una apertura numérica es grande a partir de un valor de 0, 6. Una gran apertura numérica de imágenes permite obtener una alta sensibilidad. En un primer momento, permite enfocar el haz de excitación que proviene de la fibra de iluminación en un volumen de excitación muy limitado, lo que permite maximizar la densidad de energía en el punto focal y así excitar la muestra o el tejido de manera óptima. Por ejemplo, permite también maximizar el conjunto del número de fotones de fluorescencia que son emitidos de manera isótropa en la muestra. Una apertura numérica superior a 0, 8 puede obtenerse por la utilización de una lente o de un grupo de lentes convergentes que presentan radios de curvatura muy pequeños como por ejemplo un grupo de lentes muy convergentes que terminan por una lente esférica o semiesférica. La lente semiesférica presenta la ventaja de poderse fabricar con diámetros muy pequeños, y garantiza un buen contacto con la muestra con el fin de minimizar el movimiento inherente al operador o al sujeto analizado y de realizar una buena adaptación de índice para librarse de la señal que proviene de la superficie de análisis.

Por otro lado, el cabezal óptico según la invención presenta un gran aumento. El aumento del cabezal óptico se calcula como la relación entre:

-La apertura numérica del primer bloque óptico que sirve para la corrección de las aberraciones, una de cuyas funciones es adaptar la apertura numérica de las fibras ópticas; su valor está comprendido entre 0, 3 y 0, 32; y

- La apertura numérica (>0, 8) del segundo bloque óptico de enfoque, lado tejido, cuya función principal es el enfoque del haz en el tejido.

Así, los valores de aumento en este caso están comprendidos entre 2, 5 y 4. Esto permite obtener una resolución espacial mucho mejor que otras cabezas ópticas utilizadas en la técnica anterior. Esta ventaja... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Cabezal óptico miniaturizado previsto para equipar el extremo distal de un haz de fibras ópticas flexibles barrido por un haz láser, estando dicho cabezal óptico destinado a entrar en contacto con una muestra y excitar dicha muestra de manera confocal; comprendiendo este cabezal óptico un bloque óptico de corrección de aberraciones esféricas y un bloque óptico de enfoque; caracterizadoºoorque el bloque de enfoque comprende:

- al menos una primera lente convergente (4; 18, 19) asociada con una lente esférica o semiesférica (5; 10) dispuesta en el extremo distal del cabezal óptico, y

- medios de corrección del cromatismo axial y lateral que se proporcionan con una sola lente divergente (3b) que tiene una curvatura centrada sobre la pupila del haz de fibras ópticas; estando esta lente divergente asociada con una segunda lente convergente (3a) en forma de un doblete (3; 17)

comprendiendo el bloque de corrección de las aberraciones esféricas una tercera lente convergente (2) ; estando los espesores de la primera (4) y tercera (2) lentes convergentes dispuestos para corregir la aberración esférica acumulada sobre las dioptrías convergentes, estando también el espesor de la tercera lente convergente (2) dispuesto para obtener imágenes de la pupila sobre la segunda lente convergente (3) .

2. Cabezal óptico según la reivindicación 1, ºcaracterizado oorque el vidrio de la tercera lente (2) está determinado con una constringencia que minimiza la potencia de corrección cromática necesaria, y con un índice de refracción que limita el efecto de aberración esférica y de coma.

3. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque dicho doblete (3) contiene un par de cristales con una desviación de índice y una dispersión cromática que compensan las aberraciones cromáticas de las lentes convergentes.

4. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque la lente divergente está curvada para obtener una abertura numérica superior a 0, 8.

5. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque cada una de la primera (4) y tercera (2) lentes convergentes se obtienen a partir de una lente que tiene un pequeño radio y un gran radio, haciéndose dicho gran radio plano para obtener una lente plano-convexa.

6. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque la primera lente convergente (4) está diseñada y dispuesta para rechazar la imagen de la pupila con anticipación para minimizar el astigmatismo generado por la lente esférica o semiesférica (5) en el campo de imágenes.

7. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, º aracterizado oorque la lente semiesférica (5) es fabricada en una bola, cuya cara de salida plana se obtiene por abrasión sobre un pulidor plano.

8. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque el espesor de la lente semiesférica (5) se ajusta para obtener un área frontal predeterminado del cabezal óptico.

9. Cabezal óptico según la reivindicación 8, ºcaracterizadoºoorque la posición axial de la lente semiesférica (5) se determina de acuerdo con el espesor de dicha lente semiesférica (5) con el fin de optimizar los rendimientos ópticos del cabezal óptico para dicha área frontal.

10. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque comprende además de una placa (1) de caras planas para eliminar la reflexión parásita que se produce a la salida del haz de fibras ópticas.

11. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque la señal recogida por el cabezal óptico procedente de la muestra es una señal de fluorescencia.

12. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, ºcaracterizadoºoorque la señal recogida por el cabezal óptico procedente de la muestra es una señal de reflectancia.

13. Cabezal óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ºcaracterizadoºoorque el haz de fibras ópticas se barre por el haz láser en tiempo real para adquirir al menos doce imágenes por segundo.


 

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