梯度折射率球透鏡探頭助力顯微內(nèi)窺鏡成像

雖然光纖顯微內(nèi)窺鏡正成為越來越重要的成像工具，但其在物理方面仍有一定局限性。尤其對于有長工作距離、高分辨率和最小探頭直徑需求的應(yīng)用來說，該局限性尤為明顯。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，波蘭國際轉(zhuǎn)化眼科研究中心（ICTER）的Karol Karnowski和Onur Cetinkaya、丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）的Gavrielle Untracht、西澳大利亞大學(xué)（University of Western Australia）的Michael Hackmann和英國薩里大學(xué)（University of Surrey）的David Sampson在IEEE Photonics Journal期刊上發(fā)表了一篇題為“Superior Imaging Performance of All-Fiber, Two-Focusing-Element Microendoscopes”的論文，對現(xiàn)代顯微內(nèi)窺鏡提出了新的見解。

研究人員表示，內(nèi)窺鏡成像探頭，特別是用于側(cè)視的探頭，結(jié)合了梯度折射率（GRIN）光纖和球面透鏡，“在一定范圍內(nèi)，不同孔徑的探頭均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，為更廣泛的成像應(yīng)用開辟了道路”。內(nèi)窺鏡成像探頭的性能可與常用的單聚焦元件探頭相媲美。

微型光纖探頭或微型內(nèi)窺鏡可以深入到樣本或患者組織的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。研究人員表示，內(nèi)窺鏡光學(xué)相干層析成像（OCT）特別有前景，因?yàn)椤八m用于器官內(nèi)外部組織的體成像”。

研究人員區(qū)分了光纖探頭的三種主要應(yīng)用模式。研究大型中空器官，如上呼吸道上方的器官，需要最大的成像深度范圍（距離探頭表面15 mm或更遠(yuǎn)），這通常可以通過低分辨率高斯光束（聚焦光斑尺寸在30μm~100μm范圍內(nèi)）實(shí)現(xiàn)。

光纖探頭的中等分辨率范圍（10μm ~30μm）應(yīng)用更為廣泛，如食管、小氣道、血管、膀胱、卵巢或耳道等的成像。而獲得分辨率優(yōu)于10μm的光束是目前面臨的最大挑戰(zhàn)，這將有助于動(dòng)物模型的研究。

開發(fā)探頭時(shí)，必須注意設(shè)計(jì)參數(shù)的權(quán)衡及其對成像性能的影響。大數(shù)值孔徑（高分辨率）的光學(xué)系統(tǒng)，其工作距離往往更短。此外，隨著探頭直徑的縮小，更優(yōu)的分辨率和更長的工作距離往往更難實(shí)現(xiàn)。

研究人員指出：“工程師通常更趨向于最小化探頭直徑，以減少對樣本的干擾，保證患者的舒適度?！备≈睆降奶筋^意味著對更柔韌導(dǎo)管的適用性，因此，患者對測試的耐受性更好。

最好的解決方案之一是使用單片光纖探頭，其直徑受光纖厚度的限制。由于采用了光纖焊接技術(shù)，這種探頭的特點(diǎn)是易于制造，避免了對單個(gè)微光學(xué)元件進(jìn)行繁瑣的對準(zhǔn)和連接步驟。

改善的成像性能

當(dāng)下最流行的光纖成像探頭設(shè)計(jì)基于兩種聚焦元件：梯度折射率（GRIN）光纖探頭和球透鏡探頭。梯度折射率光纖探頭易于制作，當(dāng)周圍介質(zhì)的折射率接近所用光纖的折射率時(shí)，其梯度折射率折射能力不會(huì)損失。

梯度折射率光纖芯徑和周圍介質(zhì)對探頭性能的影響

商用的梯度折射率光纖限制了可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。小芯徑梯度折射率光纖很難實(shí)現(xiàn)高分辨率。對于側(cè)視探頭，光纖曲面失真，對成像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。而球透鏡探頭（BLP）不會(huì)有這個(gè)問題，但通常需要比光纖直徑大的球體來實(shí)現(xiàn)與梯度折射率光纖探頭（GFP）相當(dāng)?shù)姆直媛省?/p>

梯度折射率球透鏡探頭（GBLP）設(shè)計(jì)相較于球透鏡探頭（BLP）和梯度折射率光纖探頭（GFP）的優(yōu)勢

改善探頭性能的一種解決方案是使用多個(gè)光聚焦元件，類似于長工作距離透鏡的設(shè)計(jì)。該研究表明，組合多個(gè)光聚焦元件為很多成像目標(biāo)提供了更好的示例。具有多個(gè)光聚焦元件的探頭可以在更小的直徑下獲得更好的分辨率，同時(shí)獲得更長的工作距離而不犧牲分辨率。

在最新的工作中，Karnowski博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已證明，使用梯度折射率片段和球面透鏡的兩個(gè)聚焦元件的探頭，顯著提高了單片光纖探頭的性能。他們的第一個(gè)建模結(jié)果已經(jīng)在2018年及2019年的會(huì)議上展示。

研究人員通過對梯度折射率光纖長度和球面透鏡尺寸對效果的影響分析，得出了兩個(gè)有趣的結(jié)論：為了獲得最佳效果，梯度折射率光纖的長度范圍可以保持在0.25~0.4基準(zhǔn)長度（所謂的基準(zhǔn)長度）的范圍內(nèi)；即使對于具有高數(shù)值孔徑的梯度折射率球透鏡探頭（GBLP），工作距離的增益也不那么顯著，但研究人員表示，對于兩倍直徑的探查，在工作距離方面可以實(shí)現(xiàn)相同或更好的性能。此外，與球透鏡探頭相比，新型梯度折射率球透鏡探頭具有更高的分辨率。

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9870801

審核編輯：劉清