最新研发内窥镜成像探头，增加工作距离，并能降低环境折射率影响

随风西阳

许多医疗场景都要求观察设备需要具有工作距离长、分辨率要求高和探头直径小的特点，此时光纤显微内窥镜则显得必不可少。一些在20年前的技术手段下无法看清的东西，如今借助显微内窥镜这一基础医疗诊断设备，已经能够实现充分的观察及描述了。而作为越来越重要的成像工具，显微内窥镜也有一些局限性。



近来，由来自ICTER、丹麦技术大学、西澳大学和萨里大学的研究人员报道了显微内窥镜研究的最新进展。结果显示，内窥镜成像探头——尤其是侧视成像探头，结合了GRIN光纤和球形透镜后，能够在整个数值孔径范围内完成高性能成像。这一进展为更广泛的成像应用开辟了道路，也使得内窥镜成像探头的性能甚至可与常用的单聚焦元件探头相媲美。

论文截图 | 参考文献[2]


显微内窥镜是什么?


显微内窥镜，也称为微型光纤探头，能够深入标本内部或患者体内对组织微结构进行成像。其中最有前景的是内镜光学相干层析成像（OCT）技术，该技术适用于外部组织和器官内部如上呼吸道、胃肠道或肺小管的容积成像。


光纤探头根据分辨率可粗略划分为三类。聚焦光斑大小在30-100 μm范围内的低分辨率高斯光束具有较深的成像深度，距离探头表面可达15毫米以上，多用来研究大型中空器官如上呼吸道等；而10-30 μm中等分辨率光束则在食管、小气道、血管、膀胱、卵巢或耳道成像方面广泛应用；而获得分辨率高于10 μm的光束难度较高，其潜在应用领域主要是动物模型研究等。


在开发探头时，研究人员必须在设计参数和成像性能之间进行权衡。具有大数值孔径（NA）的高分辨率光学系统往往需要较短的工作距离（WD），而如果减小探头直径，就难以获得高分辨率和更长的工作距离。这对于侧视探头尤为要紧——与正视探头相比，侧视探头所需的最小工作距离更长。如果探头被包裹在导管中，最小工作距离就会增加，因而限制最低分辨率和探头直径设计。


设计者们尽量减小探头直径，以减少样品扰动、提升患者舒适度。探头更小意味着导管更灵活，病人在检测过程中对内窥镜适应性更高。因此，最好的解决方案之一是使用单片光纤探头，其直径会受到光纤厚度的限制。得益于光纤焊接技术，这种探头易于制造，可以避免繁琐的对准和连接微光学元件过程。


我们如何改进探测器?


目前最流行的光纤成像探头设计基于两种聚焦元件：GRIN光纤探头（GFP—GRIN fiber probes）和球透镜探头（ball lens probes）。Karnowski博士领导的研究人员已经发现，带有两个聚焦元件，即同时使用GRIN和球形透镜GRIN-球透镜探头（GBLP）能够显著提高单片光纤探头的性能。他们的第一个建模结果已经在2018年和2019年的会议上展出。


比较GBP探头与最常用的GFP和BLP探头，GBP探头在需要更长的工作距离、更好的分辨率和更小尺寸的应用场景中尤其具有性能优势。为了直观地可视化探头性能，研究人员引入了一种全新的方式来全面呈现模拟结果，通过对GRIN光纤长度和球面透镜尺寸影响的分析，得出了两个有趣的结论：为了获得最佳效果，GRIN光纤长度的范围可以保持在0.25 ~ 0.4节距长度（pitch length）内；即使对于具有高数值孔径的GBLP探头，工作距离的增益并不显著。但作者还表明，若观察直径扩大一倍，则GBLP在工作距离方面能获得相同或更好的结果。此外，与BLP探头相比，新型GBLP探头具有更高的分辨率。

普通侧视光学探头和混合 GRIN 光纤和球透镜设计的单片设计示意图 | 参考文献[2]


在他们论文的结论中还写道：“我们已经证明了GBLP探头在增加工作距离和侧视成像方面均有重大意义，同时还大大降低了探头环境折射率的影响。且与BLP或GFP探头相比，GBLP尺寸明显更小。这些优点使GBLP探头成为生物及医学研究中非常有潜力的成像工具。”


参考文献

[1]https://phys.org/news/2022-10-microendoscopes-probe-biomedical-imaging.htmls
[2]https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9870801


编译：绿洲
编辑：靳小明
排版：尹宁流
题图来源：Wikimedia Commons，melvil / CC BY-SA 4.0 （https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）


研究团队


第一/通讯作者 Karol Karnowsk


课题组主页http://www.karolkarnowski.com


论文信息


发布期刊IEEE Photonics Journal


发布时间 2022年8月31日


论文标题 Superior Imaging Performance of All-Fiber, Two-Focusing-Element Microendoscopes
(DOI：https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219）


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来源：https://www.toutiao.com/article/7184********3784995
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