小型化探頭是內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像（Optical coherence tomography, OCT）中的普遍需求。介紹了包括基于球透鏡、光纖透鏡、自聚焦光纖、自由曲面透鏡、無透鏡的OCT技術(shù)的發(fā)展歷程,總結(jié)和比較了各種技術(shù)的優(yōu)劣,為探頭的小型化設(shè)計(jì)提出了建議。研究探頭的焦深拓展技術(shù)對(duì)分辨人體內(nèi)細(xì)胞的在體成像的發(fā)展具有重要意義。介紹了幾種重要的適用于小型化探頭的焦深拓展技術(shù),其中基于模式干涉的探頭由于易于制作、結(jié)構(gòu)緊湊、傳輸效率高,同時(shí)具有可以優(yōu)化工作距離、焦深和軸向光強(qiáng)均勻性的優(yōu)點(diǎn),在拓展小型化探頭的焦深方面具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;

【文章來源】：中國激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

探頭原理圖。(a)傳統(tǒng)探頭;(b)不含聚焦元件的

與其他生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如計(jì)算層析成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、超聲成像(US)相比,OCT技術(shù)雖然具有很高的分辨率(約10 μm),但在生物組織中的穿透深度僅有1～2 mm。在有限的穿透深度下,雖然能應(yīng)用于對(duì)人眼等相對(duì)透明的組織或皮膚、肌肉、牙齒等表面組織的高分辨率在體成像,但無法顯示發(fā)生在內(nèi)部的病變問題。1996年,Tearney等[23]提出一種外徑為1 mm尺度的內(nèi)窺OCT探頭原型,能夠通過血管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體內(nèi)部組織的成像。由SMF、自聚焦透鏡(GRIN lens,又稱格林透鏡)以及直角棱鏡組成,如圖2(a)所示。其中GRIN透鏡用于實(shí)現(xiàn)光束的聚焦和收集,直角棱鏡用于偏轉(zhuǎn)光軸,使入射光束或后向散射光經(jīng)過探頭側(cè)向開辟的窗口(稱為側(cè)向探頭)。使用中心波長為1300 nm的光源,可實(shí)現(xiàn)20 μm的分辨率以及3 mm的工作距離,適用于對(duì)大型動(dòng)脈內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的成像。由于該探頭結(jié)構(gòu)緊湊和光學(xué)分辨率高,可應(yīng)用于人體易破損動(dòng)脈斑塊的臨床研究和早期診斷,成為OCT最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。為了減輕探頭在插入過程中對(duì)組織的損壞程度,如何實(shí)現(xiàn)探頭的小型化是內(nèi)窺探頭設(shè)計(jì)的重要問題之一。2000年,Li等[24]提出一種外徑為亞mm尺度(約410 μm)的針式探頭原型。采用直徑為250 μm的微型GRIN透鏡和定制的微型直角棱鏡實(shí)現(xiàn)探頭的小型化,如圖2(b)所示。其中光學(xué)組件被置于側(cè)向開窗的醫(yī)用注射針內(nèi)部,在中心波長為1300 nm的激光下,實(shí)現(xiàn)了17 μm的最優(yōu)橫向分辨率以及80 μm的工作距離。工作距離較短一方面是因?yàn)樘筋^的尺寸較小,另一方面是由于光束在針管內(nèi)部傳播損耗了一定的工作距離。在相同的數(shù)值孔徑下,光學(xué)系統(tǒng)的尺寸越小,工作距離越短。因此,在如胃腸道等大型管腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,傳統(tǒng)透鏡由于具有更大的尺寸所以有更長的工作距離,優(yōu)勢(shì)較大。但對(duì)細(xì)小管腔的成像或者醫(yī)用注射針引導(dǎo)下的內(nèi)窺成像,由于探頭與生物組織直接接觸,對(duì)探頭的工作距離要求不高,且探頭的工作距離可以通過犧牲一定的橫向分辨率而提高。而亞mm級(jí)外徑的探頭能夠伸入到細(xì)針活檢或粗針活檢的管道中,并且在細(xì)胞或組織采樣前對(duì)該位置處的組織進(jìn)行在體成像,有效降低采樣誤差和提高診斷精確度,在減輕病人痛苦、防止誤診方面具有重要意義。

基于微型GRIN透鏡、球透鏡、光纖透鏡以及GIF的探頭雖然能通過改變探頭參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光束的工作距離、聚焦光斑大小以及焦深在一定范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào),但難以校正球差、像散或?qū)崿F(xiàn)非高斯光束照明。阿德萊德大學(xué)的Li等[34]利用基于雙光子聚合反應(yīng)的3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自由曲面微型光學(xué)元件的打印,并用于光纖型OCT探頭的制作,如圖6(a)所示。利用所打印的直徑約300 μm的微型離軸拋物反射面,在1300 nm的中心波長下實(shí)現(xiàn)了0.7 mm的工作距離、13.5 μm的橫向分辨率、1 mm的焦深以及高達(dá)94%的反射率。其對(duì)多層膠帶、黃瓜果肉以及人類手掌的成像圖顯示出高成像質(zhì)量,如圖6(b)～圖6(d)所示,圖中SC為角質(zhì)層,E為表皮,D為真皮。此外,結(jié)合像差補(bǔ)償以及無衍射光束技術(shù),自由曲面透鏡能有效推動(dòng)內(nèi)窺OCT探頭在橫向分辨率、工作距離、焦深、像散等方面的應(yīng)用。雖然自由曲面透鏡在探頭的全面優(yōu)化方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì),但由于其制作成本較高并且短時(shí)間內(nèi)難以下降,不利于新型探頭在科學(xué)研究和臨床研究上的普及。在探頭的小型化技術(shù)中,與之截然相反的思路是無透鏡探頭的設(shè)計(jì)。在基于透鏡的探頭設(shè)計(jì)中,探頭的出射光束與透鏡參數(shù),如球透鏡的直徑、光纖透鏡的弧面半徑、GIF的長度密切相關(guān)。因此為了保證制作探頭產(chǎn)生所需的出射光束特性,在制作過程中必須嚴(yán)格控制這些參數(shù),從而提高了探頭的制作難度。約翰霍普金斯大學(xué)的Liu等[35]使用一根SMF作為內(nèi)窺探頭,對(duì)人類手指皮膚以及指甲獲得了令人滿意的圖像。如圖7(a)、圖7(b)所示,手指皮膚表層的螺旋狀汗腺結(jié)構(gòu)、深層的血管以及指甲的層狀結(jié)構(gòu)清晰可見。由于無任何聚焦元件,探頭的理論插入損耗為0。在如此高的傳輸效率下,即使光束在深層快速發(fā)散,OCT的成像范圍也達(dá)到0.7 mm,與基于GIF的探頭的成像深度相當(dāng)。為了改善基于單根SMF探頭的快速發(fā)散及在深層較差的橫向分辨率問題,南韓國民大學(xué)的Moon等[7]提出一種基于逐步過渡纖芯的無透鏡探頭設(shè)計(jì)。該探頭由纖芯直徑為8.4 μm的SMF、纖芯直徑為12 μm的中等纖芯光纖以及纖芯直徑為20 μm的LCF組成,如圖7(c)所示。其中中等纖芯光纖作為過渡段用于減小由于模式不匹配引起的插入損耗和防止在后續(xù)的LCF中產(chǎn)生明顯的高階模式。探頭的直徑為125 μm,在1.3 μm的中心波長下,實(shí)現(xiàn)了低至1 dB的插入損耗、13 μm的橫向分辨率以及0.65 mm的焦深,對(duì)人類手指皮膚的成像結(jié)果如圖7(d)所示。但無論是采用模場(chǎng)直徑較小的SMF,還是發(fā)散性較大的LCF作為無透鏡探頭的設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)有透鏡的探頭相比,焦深都將減小一半。但因制作便利,其在要求低侵入、中等分辨率的應(yīng)用中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。一方面,隨著探頭尺寸的減小,傳統(tǒng)有透鏡的探頭的工作距離也隨之減小,因此與無透鏡探頭設(shè)計(jì)相比,傳統(tǒng)有透鏡探頭優(yōu)勢(shì)將不再明顯;另一方面,中等分辨率下探頭的焦深足夠長,所以犧牲一半的焦深帶來的劣勢(shì)也將不再明顯。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]內(nèi)窺掃頻光學(xué)相干層析探測(cè)牙齒根裂的研究[J]. 孫偉,李嘉男,戚藶源,朱銳,梁宇紅,米磊.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2019(08)



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