用于生物组织层析成像的共聚焦内窥镜

　　1　引　言

　　利用光学技术[1-5]检测生物组织是否病变是当前的研究热点。该技术是根据生物组织在病变前后所体现出的光学特性的变化,通过检测来判断其发生何种病变、病变程度如何等。光学技术的优点是可以快速、无损、非接触地进行测量,能够为医生提供及时,甚至实时的组织病变信息,可以避免一般医学检测方法给患者带来的痛苦,并可有效降低医疗成本。

　　在这些光学检测技术中,光学成像技术尤其重要。因为通过组织的病变图像,医生可以直观地进行诊断。特别是对于早期癌症,由于它几乎没有任何症状,现在常规的医疗检测技术无法及时有效地发现病变。但是,组织早期癌变时,癌细胞的形态信息相对正常细胞有明显的差别,对组织细胞进行成像检测,可能有效地发现早期癌变。目前,国外很多研究机构利用共聚焦扫描成像技术,即根据组织细胞固有的折射率差别造成的光学对比度差异进行成像,通过光学层析技术获取组织不同深度的细胞形态信息,结合高性能的光电子设备对组织进行“光学活检”。另外,内窥镜作为目前常规的医疗检测设备,一直用于对人体内部器官的观测和治疗。因此,研制结合共聚焦扫描显微成像术的内窥镜很有意义,对胃、肠、食道和子宫等器官早期癌症的发现十分重要。本文利用共聚焦显微成像技术建立了一套共聚焦内窥镜的成像实验系统,通过对该系统轴向分辨能力和横向分辨能力的测试,说明系统的分辨能力可以满足部分组织细胞成像实验的要求;对猪皮肤组织的实验测试,证实该系统能够分辨猪皮肤不同层的部分细胞,有一定的层析能力。

　　2　共聚焦内窥镜的工作原理及构成

　　共聚焦内窥镜层析成像系统利用单模光纤导入外部照明光源,单模光纤出射光经物镜组会聚于被测样品,样品反射和后向散射的光学信息被单模光纤接收,经单模光纤和分束器进入光电探测器,光电探测器转换光信号并输入计算机处理显示,计算机发出控制信号给扫描器,通过扫描获取样品不同空间位置的图像信息。为了满足实验设计的要求,共聚焦内窥镜层析成像实验系统的基本结构采用图1所示的框架,主要包括以下几个组成部分:

　　(1)光路系统(如图2所示):它由光源、物镜、反射镜、单模光纤、针孔、光纤调整架和透镜支架等组成,可以获取样品被扫描区域的光学信息。它的基本工作流程是:光源发出的照明光通过准直以后,通过半反半透镜分束进入耦合物镜,由物镜耦合进单模光纤并传向光纤远端;光纤远端出射的照明光被准直物镜准直后进入会聚物镜,通过会聚物镜照明固定在扫描平台上的测试样品,在样品被照明区域反射或后向散射的信号光再通过会聚物镜和准直物镜后进入单模光纤;单模光纤近端输出信号光通过耦合透镜和半反半透镜转向探测物镜,经过针孔过滤后进入光电传感器。