一种新型的探头可以探测8mm直径内部

通过使用先进的多芯光纤和梯度折射率光学技术，一个德国的研究组成功将三种非线性光学成像技术融合到单个内窥镜中，他们使用的是一个商用的8mm直径探头。研究人员认为这种内窥镜结合了相干反斯托克斯拉曼散射、二次谐波发生和双光子激发自发荧光三种功能，将能够取代癌症治疗中费时的活体检查技术，特别是在实时的手术过程中。

省去切片和染色步骤

将癌细胞与正常细胞分离开的传统活体检查流程包含切除部分可疑器官组织，送往实验室，经染色后放置在用于检查的显微镜下，由训练有素的病理医师进行观察。整个流程需要花费数天时间，这将使得恶性肿瘤切除手术变得特别复杂。

近年来，多模非线性显微技术逐渐成为一种强有力的技术手段，有望取代癌症或者其他情况如炎症性肠病中常用到的活体检查，特别是结合了相干反斯托克斯拉曼散射、二次谐波发生和双光子激发自发荧光三种功能的显微技术。将多种非线性光学成像技术应用到一层薄的组织切片上，可以省去标记或染色的过程，利用合适的设备可以提供接近衍射极限的图像。

问题在于，多模成像技术通常会包含多个庞大的台面大小元件，要将这些元件集成到一个简单的手持仪器设备上并运用到手术中是一个重大的技术难题。

最难处理的是相干反斯托克斯拉曼散射组件（CARS）。与二次谐波发生和双光子激发自发荧光组件仅需要单个激发光源不同， CARS需要两个不同波长相互交叠的高强度光源。这种多光束的需求增加了CARS的封装体积，而这些光束的扫描过程很难适用于光纤内窥镜的探头中。另外，这么高强度的脉冲容易与光纤通道本身产生非线性相互作用，造成非谐振的背景噪音，导致微弱的CARS信号被湮没。

多芯光纤和梯度折射率光学组件

为了能使用手持光纤工具进行多模成像，位于德国耶拿的莱布尼茨光子技术研究所Jürgen Popp教授领衔的研究小组从光纤部分开始着手。他们的装置依赖于一种先进的多芯光纤（日本藤仓公司生产），半毫米直径，包含有10000个光导管。这种材料在成像光纤中用于传输激光信号时，能够在输入和输出端保持空间信息。因此激光的扫描过程可以在光纤的尾部（实验室一端）展开，而不需在样品端进行，进而不用将庞大且耗电的光学器件封装到商用的光纤内窥镜探头上。

（上图）将10000个光导管封装到一个0.5mm直径的多芯成像光纤中。（下图）探头设计，其中有梯度折射率镜头起到准直光束的目的，而长通滤波器将非线性噪声收集到一个单独的束波器中。

当激光进入光纤时，通过一个直径约1.8mm的梯度折射率镜头（Grintech Gmbh公司设计），它起到准直光束的作用。然后光束再经过一个长通滤波器，它允许激发光通过，而将非谐振的背景噪声被收集到探头内的一个束波器中。第二个梯度折射率镜头又将光束导向样品，然后样品发出的非线性信号又经过数个梯度折射率镜头返回到一个用于成像的收集光纤中。

促成快速决策

耶拿的研究小组已经成功在人类皮肤样品表面展示了内窥镜的使用效果，得到一个300*300微米大小样品的2048*2048分辨率多模图像，成像效果可以和大型成像仪器相媲美。不过这些图像在边缘处存在一些光晕，研究人员相信这些光晕可以通过调整梯度折射率镜头的方位和折射率变化曲线等方法消除。

同时，Popp和小组成员对于这个工具在临床诊断特别是手术室中的应用前景感到乐观。Popp在一份报告中表示：“我们希望有一天多模内窥镜成像技术能够帮助医生在手术过程中快速做出决策，再也不需要使用染色处理或者复杂的病理学流程等活体检查手段。”

来源： http://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/april/toward_endoscopic_cancer_imaging/

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