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(duì)于有長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)樣本的干擾，保證患者的舒適度?！备≈睆降奶筋^意味著對(duì)更柔韌導(dǎo)管的適用性，因此，患者對(duì)測(cè)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(duì)單個(gè)微光學(xué)元件進(jìn)行繁瑣的對(duì)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(duì)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(duì)于側(cè)視探頭，光纖曲面失真，對(duì)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(shì)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)梯度折射率光纖長(zhǎng)度和球面透鏡尺寸對(duì)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(zhǎng)度范圍可以保持在0.25~0.4基準(zhǔn)長(zhǎng)度（所謂的基準(zhǔn)長(zhǎng)度）的范圍內(nèi)；即使對(duì)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(duì)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