用于内窥光学相干层析成像探头的小型化及焦深拓展技术
发布时间：2021-10-13 21:34
小型化探头是内窥光学相干层析成像（Optical coherence tomography, OCT）中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
探头原理图。(a)传统探头;(b)不含聚焦元件的
与其他生物医学成像技术如计算层析成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声成像(US)相比,OCT技术虽然具有很高的分辨率(约10 μm),但在生物组织中的穿透深度仅有1～2 mm。在有限的穿透深度下,虽然能应用于对人眼等相对透明的组织或皮肤、肌肉、牙齿等表面组织的高分辨率在体成像,但无法显示发生在内部的病变问题。1996年,Tearney等[23]提出一种外径为1 mm尺度的内窥OCT探头原型,能够通过血管网络实现对生物体内部组织的成像。由SMF、自聚焦透镜(GRIN lens,又称格林透镜)以及直角棱镜组成,如图2(a)所示。其中GRIN透镜用于实现光束的聚焦和收集,直角棱镜用于偏转光轴,使入射光束或后向散射光经过探头侧向开辟的窗口(称为侧向探头)。使用中心波长为1300 nm的光源,可实现20 μm的分辨率以及3 mm的工作距离,适用于对大型动脉内壁结构的成像。由于该探头结构紧凑和光学分辨率高,可应用于人体易破损动脉斑块的临床研究和早期诊断,成为OCT最重要的应用领域之一。为了减轻探头在插入过程中对组织的损坏程度,如何实现探头的小型化是内窥探头设计的重要问题之一。2000年,Li等[24]提出一种外径为亚mm尺度(约410 μm)的针式探头原型。采用直径为250 μm的微型GRIN透镜和定制的微型直角棱镜实现探头的小型化,如图2(b)所示。其中光学组件被置于侧向开窗的医用注射针内部,在中心波长为1300 nm的激光下,实现了17 μm的最优横向分辨率以及80 μm的工作距离。工作距离较短一方面是因为探头的尺寸较小,另一方面是由于光束在针管内部传播损耗了一定的工作距离。在相同的数值孔径下,光学系统的尺寸越小,工作距离越短。因此,在如胃肠道等大型管腔结构的应用中,传统透镜由于具有更大的尺寸所以有更长的工作距离,优势较大。但对细小管腔的成像或者医用注射针引导下的内窥成像,由于探头与生物组织直接接触,对探头的工作距离要求不高,且探头的工作距离可以通过牺牲一定的横向分辨率而提高。而亚mm级外径的探头能够伸入到细针活检或粗针活检的管道中,并且在细胞或组织采样前对该位置处的组织进行在体成像,有效降低采样误差和提高诊断精确度,在减轻病人痛苦、防止误诊方面具有重要意义。
基于微型GRIN透镜、球透镜、光纤透镜以及GIF的探头虽然能通过改变探头参数实现对出射光束的工作距离、聚焦光斑大小以及焦深在一定范围内的连续可调,但难以校正球差、像散或实现非高斯光束照明。阿德莱德大学的Li等[34]利用基于双光子聚合反应的3D打印技术实现了自由曲面微型光学元件的打印,并用于光纤型OCT探头的制作,如图6(a)所示。利用所打印的直径约300 μm的微型离轴抛物反射面,在1300 nm的中心波长下实现了0.7 mm的工作距离、13.5 μm的横向分辨率、1 mm的焦深以及高达94%的反射率。其对多层胶带、黄瓜果肉以及人类手掌的成像图显示出高成像质量,如图6(b)～图6(d)所示,图中SC为角质层,E为表皮,D为真皮。此外,结合像差补偿以及无衍射光束技术,自由曲面透镜能有效推动内窥OCT探头在横向分辨率、工作距离、焦深、像散等方面的应用。虽然自由曲面透镜在探头的全面优化方面具有不可替代的优势,但由于其制作成本较高并且短时间内难以下降,不利于新型探头在科学研究和临床研究上的普及。在探头的小型化技术中,与之截然相反的思路是无透镜探头的设计。在基于透镜的探头设计中,探头的出射光束与透镜参数,如球透镜的直径、光纤透镜的弧面半径、GIF的长度密切相关。因此为了保证制作探头产生所需的出射光束特性,在制作过程中必须严格控制这些参数,从而提高了探头的制作难度。约翰霍普金斯大学的Liu等[35]使用一根SMF作为内窥探头,对人类手指皮肤以及指甲获得了令人满意的图像。如图7(a)、图7(b)所示,手指皮肤表层的螺旋状汗腺结构、深层的血管以及指甲的层状结构清晰可见。由于无任何聚焦元件,探头的理论插入损耗为0。在如此高的传输效率下,即使光束在深层快速发散,OCT的成像范围也达到0.7 mm,与基于GIF的探头的成像深度相当。为了改善基于单根SMF探头的快速发散及在深层较差的横向分辨率问题,南韩国民大学的Moon等[7]提出一种基于逐步过渡纤芯的无透镜探头设计。该探头由纤芯直径为8.4 μm的SMF、纤芯直径为12 μm的中等纤芯光纤以及纤芯直径为20 μm的LCF组成,如图7(c)所示。其中中等纤芯光纤作为过渡段用于减小由于模式不匹配引起的插入损耗和防止在后续的LCF中产生明显的高阶模式。探头的直径为125 μm,在1.3 μm的中心波长下,实现了低至1 dB的插入损耗、13 μm的横向分辨率以及0.65 mm的焦深,对人类手指皮肤的成像结果如图7(d)所示。但无论是采用模场直径较小的SMF,还是发散性较大的LCF作为无透镜探头的设计,与传统有透镜的探头相比,焦深都将减小一半。但因制作便利,其在要求低侵入、中等分辨率的应用中具有一定的竞争力。一方面,随着探头尺寸的减小,传统有透镜的探头的工作距离也随之减小,因此与无透镜探头设计相比,传统有透镜探头优势将不再明显;另一方面,中等分辨率下探头的焦深足够长,所以牺牲一半的焦深带来的劣势也将不再明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]内窥扫频光学相干层析探测牙齿根裂的研究[J]. 孙伟,李嘉男,戚苈源,朱锐,梁宇红,米磊. 光学学报. 2019(08)
本文编号：3435441
【文章来源】：中国激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
探头原理图。(a)传统探头;(b)不含聚焦元件的
与其他生物医学成像技术如计算层析成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声成像(US)相比,OCT技术虽然具有很高的分辨率(约10 μm),但在生物组织中的穿透深度仅有1～2 mm。在有限的穿透深度下,虽然能应用于对人眼等相对透明的组织或皮肤、肌肉、牙齿等表面组织的高分辨率在体成像,但无法显示发生在内部的病变问题。1996年,Tearney等[23]提出一种外径为1 mm尺度的内窥OCT探头原型,能够通过血管网络实现对生物体内部组织的成像。由SMF、自聚焦透镜(GRIN lens,又称格林透镜)以及直角棱镜组成,如图2(a)所示。其中GRIN透镜用于实现光束的聚焦和收集,直角棱镜用于偏转光轴,使入射光束或后向散射光经过探头侧向开辟的窗口(称为侧向探头)。使用中心波长为1300 nm的光源,可实现20 μm的分辨率以及3 mm的工作距离,适用于对大型动脉内壁结构的成像。由于该探头结构紧凑和光学分辨率高,可应用于人体易破损动脉斑块的临床研究和早期诊断,成为OCT最重要的应用领域之一。为了减轻探头在插入过程中对组织的损坏程度,如何实现探头的小型化是内窥探头设计的重要问题之一。2000年,Li等[24]提出一种外径为亚mm尺度(约410 μm)的针式探头原型。采用直径为250 μm的微型GRIN透镜和定制的微型直角棱镜实现探头的小型化,如图2(b)所示。其中光学组件被置于侧向开窗的医用注射针内部,在中心波长为1300 nm的激光下,实现了17 μm的最优横向分辨率以及80 μm的工作距离。工作距离较短一方面是因为探头的尺寸较小,另一方面是由于光束在针管内部传播损耗了一定的工作距离。在相同的数值孔径下,光学系统的尺寸越小,工作距离越短。因此,在如胃肠道等大型管腔结构的应用中,传统透镜由于具有更大的尺寸所以有更长的工作距离,优势较大。但对细小管腔的成像或者医用注射针引导下的内窥成像,由于探头与生物组织直接接触,对探头的工作距离要求不高,且探头的工作距离可以通过牺牲一定的横向分辨率而提高。而亚mm级外径的探头能够伸入到细针活检或粗针活检的管道中,并且在细胞或组织采样前对该位置处的组织进行在体成像,有效降低采样误差和提高诊断精确度,在减轻病人痛苦、防止误诊方面具有重要意义。
基于微型GRIN透镜、球透镜、光纤透镜以及GIF的探头虽然能通过改变探头参数实现对出射光束的工作距离、聚焦光斑大小以及焦深在一定范围内的连续可调,但难以校正球差、像散或实现非高斯光束照明。阿德莱德大学的Li等[34]利用基于双光子聚合反应的3D打印技术实现了自由曲面微型光学元件的打印,并用于光纤型OCT探头的制作,如图6(a)所示。利用所打印的直径约300 μm的微型离轴抛物反射面,在1300 nm的中心波长下实现了0.7 mm的工作距离、13.5 μm的横向分辨率、1 mm的焦深以及高达94%的反射率。其对多层胶带、黄瓜果肉以及人类手掌的成像图显示出高成像质量,如图6(b)～图6(d)所示,图中SC为角质层,E为表皮,D为真皮。此外,结合像差补偿以及无衍射光束技术,自由曲面透镜能有效推动内窥OCT探头在横向分辨率、工作距离、焦深、像散等方面的应用。虽然自由曲面透镜在探头的全面优化方面具有不可替代的优势,但由于其制作成本较高并且短时间内难以下降,不利于新型探头在科学研究和临床研究上的普及。在探头的小型化技术中,与之截然相反的思路是无透镜探头的设计。在基于透镜的探头设计中,探头的出射光束与透镜参数,如球透镜的直径、光纤透镜的弧面半径、GIF的长度密切相关。因此为了保证制作探头产生所需的出射光束特性,在制作过程中必须严格控制这些参数,从而提高了探头的制作难度。约翰霍普金斯大学的Liu等[35]使用一根SMF作为内窥探头,对人类手指皮肤以及指甲获得了令人满意的图像。如图7(a)、图7(b)所示,手指皮肤表层的螺旋状汗腺结构、深层的血管以及指甲的层状结构清晰可见。由于无任何聚焦元件,探头的理论插入损耗为0。在如此高的传输效率下,即使光束在深层快速发散,OCT的成像范围也达到0.7 mm,与基于GIF的探头的成像深度相当。为了改善基于单根SMF探头的快速发散及在深层较差的横向分辨率问题,南韩国民大学的Moon等[7]提出一种基于逐步过渡纤芯的无透镜探头设计。该探头由纤芯直径为8.4 μm的SMF、纤芯直径为12 μm的中等纤芯光纤以及纤芯直径为20 μm的LCF组成,如图7(c)所示。其中中等纤芯光纤作为过渡段用于减小由于模式不匹配引起的插入损耗和防止在后续的LCF中产生明显的高阶模式。探头的直径为125 μm,在1.3 μm的中心波长下,实现了低至1 dB的插入损耗、13 μm的横向分辨率以及0.65 mm的焦深,对人类手指皮肤的成像结果如图7(d)所示。但无论是采用模场直径较小的SMF,还是发散性较大的LCF作为无透镜探头的设计,与传统有透镜的探头相比,焦深都将减小一半。但因制作便利,其在要求低侵入、中等分辨率的应用中具有一定的竞争力。一方面,随着探头尺寸的减小,传统有透镜的探头的工作距离也随之减小,因此与无透镜探头设计相比,传统有透镜探头优势将不再明显;另一方面,中等分辨率下探头的焦深足够长,所以牺牲一半的焦深带来的劣势也将不再明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]内窥扫频光学相干层析探测牙齿根裂的研究[J]. 孙伟,李嘉男,戚苈源,朱锐,梁宇红,米磊. 光学学报. 2019(08)
本文编号：3435441
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