梯度折射率球透镜探头助力显微内窥镜成像

虽然光纤显微内窥镜正成为越来越重要的成像工具，但其在物理方面仍有一定局限性。尤其对于有长工作距离、高分辨率和最小探头直径需求的应用来说，该局限性尤为明显。

据麦姆斯咨询报道，近日，波兰国际转化眼科研究中心（ICTER）的Karol Karnowski和Onur Cetinkaya、丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的Gavrielle Untracht、西澳大利亚大学（University of Western Australia）的Michael Hackmann和英国萨里大学（University of Surrey）的David Sampson在IEEE Photonics Journal期刊上发表了一篇题为“Superior Imaging Performance of All-Fiber, Two-Focusing-Element Microendoscopes”的论文，对现代显微内窥镜提出了新的见解。

研究人员表示，内窥镜成像探头，特别是用于侧视的探头，结合了梯度折射率（GRIN）光纤和球面透镜，“在一定范围内，不同孔径的探头均表现出优异的性能，为更广泛的成像应用开辟了道路”。内窥镜成像探头的性能可与常用的单聚焦元件探头相媲美。

微型光纤探头或微型内窥镜可以深入到样本或患者组织的微结构进行成像。研究人员表示，内窥镜光学相干层析成像（OCT）特别有前景，因为“它适用于器官内外部组织的体成像”。

研究人员区分了光纤探头的三种主要应用模式。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围（距离探头表面15 mm或更远），这通常可以通过低分辨率高斯光束（聚焦光斑尺寸在30μm~100μm范围内）实现。

光纤探头的中等分辨率范围（10μm ~30μm）应用更为广泛，如食管、小气道、血管、膀胱、卵巢或耳道等的成像。而获得分辨率优于10μm的光束是目前面临的最大挑战，这将有助于动物模型的研究。

开发探头时，必须注意设计参数的权衡及其对成像性能的影响。大数值孔径（高分辨率）的光学系统，其工作距离往往更短。此外，随着探头直径的缩小，更优的分辨率和更长的工作距离往往更难实现。

研究人员指出：“工程师通常更趋向于最小化探头直径，以减少对样本的干扰，保证患者的舒适度。”更小直径的探头意味着对更柔韧导管的适用性，因此，患者对测试的耐受性更好。

最好的解决方案之一是使用单片光纤探头，其直径受光纤厚度的限制。由于采用了光纤焊接技术，这种探头的特点是易于制造，避免了对单个微光学元件进行繁琐的对准和连接步骤。

改善的成像性能

当下最流行的光纤成像探头设计基于两种聚焦元件：梯度折射率（GRIN）光纤探头和球透镜探头。梯度折射率光纤探头易于制作，当周围介质的折射率接近所用光纤的折射率时，其梯度折射率折射能力不会损失。

梯度折射率光纤芯径和周围介质对探头性能的影响

商用的梯度折射率光纤限制了可实现的设计。小芯径梯度折射率光纤很难实现高分辨率。对于侧视探头，光纤曲面失真，对成像质量产生不利影响。而球透镜探头（BLP）不会有这个问题，但通常需要比光纤直径大的球体来实现与梯度折射率光纤探头（GFP）相当的分辨率。

梯度折射率球透镜探头（GBLP）设计相较于球透镜探头（BLP）和梯度折射率光纤探头（GFP）的优势

改善探头性能的一种解决方案是使用多个光聚焦元件，类似于长工作距离透镜的设计。该研究表明，组合多个光聚焦元件为很多成像目标提供了更好的示例。具有多个光聚焦元件的探头可以在更小的直径下获得更好的分辨率，同时获得更长的工作距离而不牺牲分辨率。

在最新的工作中，Karnowski博士领导的研究人员已证明，使用梯度折射率片段和球面透镜的两个聚焦元件的探头，显著提高了单片光纤探头的性能。他们的第一个建模结果已经在2018年及2019年的会议上展示。

研究人员通过对梯度折射率光纤长度和球面透镜尺寸对效果的影响分析，得出了两个有趣的结论：为了获得最佳效果，梯度折射率光纤的长度范围可以保持在0.25~0.4基准长度（所谓的基准长度）的范围内；即使对于具有高数值孔径的梯度折射率球透镜探头（GBLP），工作距离的增益也不那么显著，但研究人员表示，对于两倍直径的探查，在工作距离方面可以实现相同或更好的性能。此外，与球透镜探头相比，新型梯度折射率球透镜探头具有更高的分辨率。

论文链接：

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

审核编辑：刘清