光電探測(cè)器+像素化光譜濾波器，助力實(shí)現(xiàn)仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的研究小組開發(fā)了一種仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS），該系統(tǒng)采用的仿生成像傳感器（BIS）的設(shè)計(jì)靈感來源于螳螂蝦，其在解析兩個(gè)近紅外（NIR）探針的同時(shí)可捕獲彩色圖像。

仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS）的仿生成像傳感器（BIS）垂直集成感光像素陣列和光譜濾波器，可以捕獲六個(gè)不同光譜通道上的光子（來源：UIUC）

基于當(dāng)前熒光平臺(tái)微型化和高靈敏度要求的趨勢(shì)，光學(xué)診斷探針將在癌癥診斷和光學(xué)活檢中發(fā)揮越來越重要的作用。

熒光引導(dǎo)手術(shù)（FGS）是癌癥微創(chuàng)手術(shù)中的一種，在該手術(shù)中，患者被注射一種優(yōu)先結(jié)合腫瘤細(xì)胞的熒光探針，外科醫(yī)生在光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)發(fā)出的光照下便能夠輕松地識(shí)別出其病變部位。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種新型仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS），該系統(tǒng)采用了以螳螂蝦的視覺系統(tǒng)為模型的傳感器，可以同時(shí)捕捉彩色圖像并解析兩個(gè)近紅外（NIR）探針。

仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的小鼠體內(nèi)驗(yàn)證

螳螂蝦的眼睛可以檢測(cè)線偏振光和圓偏振光，這對(duì)成像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都有一定影響，一段時(shí)間以來，該功能一直吸引著光學(xué)設(shè)計(jì)師的目光。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究成果發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)雜志》（Journal of Biomedical Optics）上，該研究指出熒光引導(dǎo)手術(shù)能夠檢測(cè)使用多個(gè)近紅外熒光探針標(biāo)記的腫瘤。這將克服目前的障礙——使用不同示蹤劑的混合物來適應(yīng)腫瘤的異質(zhì)性，但用于分析的內(nèi)窺鏡只能檢測(cè)單一標(biāo)記物。

螳螂蝦復(fù)眼頂部的感光細(xì)胞優(yōu)先記錄較短波長的光子，而底部的感光細(xì)胞則優(yōu)先記錄較長波長的光子。以該架構(gòu)為藍(lán)圖，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究小組采用N型摻雜硅層和P型摻雜硅層，以及由不同介電材料層組成的干涉濾波器，設(shè)計(jì)了一種人工探測(cè)器。

更易檢測(cè)小腫瘤或隱藏腫瘤

“我們的仿生成像傳感器（BIS）將垂直堆疊的光電探測(cè)器與像素化光譜濾波器相結(jié)合，在近紅外光譜中進(jìn)行三次觀測(cè)，同時(shí)捕捉彩色（RGB）圖像?！痹撗芯啃〗M在其發(fā)表的論文中提到，“這種方法與目前一流的多光譜成像系統(tǒng)截然不同，目前一流的多光譜成像系統(tǒng)雖然結(jié)合了多個(gè)攝像頭和復(fù)雜的光學(xué)元件，但仍然只對(duì)單個(gè)分子示蹤劑進(jìn)行成像。”

該研究項(xiàng)目還必須考慮一個(gè)合適的激發(fā)源來激活熒光示蹤劑，研究小組設(shè)計(jì)定制的分叉光纖連接到三個(gè)獨(dú)立光源：白光LED、665納米近紅外激光器、785納米近紅外激光器。

在注射了兩種標(biāo)記物的乳腺癌小鼠模型的臨床前試驗(yàn)中，該系統(tǒng)可以清楚區(qū)分單個(gè)示蹤劑和混合物產(chǎn)生的熒光信號(hào)。研究小組在對(duì)從患者身上切除的人類肺癌結(jié)節(jié)進(jìn)行的測(cè)試中，最初僅使用一個(gè)標(biāo)記物來評(píng)估臨床效果，驗(yàn)證了近紅外熒光和彩色靶點(diǎn)的同步成像以及檢測(cè)腫瘤的能力。

基于仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的術(shù)中熒光標(biāo)記肺癌結(jié)節(jié)成像的臨床驗(yàn)證

該研究小組評(píng)論道：“新開發(fā)的仿生光學(xué)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)將幫助醫(yī)生更容易地檢測(cè)較小或隱藏的腫瘤?！痹撓到y(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是用來治療肺癌的，但是研究人員預(yù)期其將為使用多示蹤劑熒光引導(dǎo)手術(shù)的儀器平臺(tái)鋪平道路，使其體積更小，更易于在臨床實(shí)踐中使用。