許多醫療場景都要求觀察設備需要具有工作距離長、分辨率要求高和探頭直徑小的特點，此時光纖顯微内窺鏡則顯得必不可少。一些在 20 年前的技術手段下無法看清的東西，如今借助顯微内窺鏡這一基礎醫療診斷設備，已經能夠實現充分的觀察及描述了。而作為越來越重要的成像工具，顯微内窺鏡也有一些局限性。
近來，由來自 ICTER、丹麥技術大學、西澳大學和薩裡大學的研究人員報道了顯微内窺鏡研究的最新進展。結果顯示，内窺鏡成像探頭——尤其是側視成像探頭，結合了 GRIN 光纖和球形透鏡後，能夠在整個數值孔徑範圍内完成高性能成像。這一進展為更廣泛的成像應用開辟了道路，也使得内窺鏡成像探頭的性能甚至可與常用的單聚焦元件探頭相媲美。
論文截圖 | 參考文獻 [ 2 ]
顯微内窺鏡是什麼 ?
顯微内窺鏡，也稱為微型光纖探頭，能夠深入标本内部或患者體内對組織微結構進行成像。其中最有前景的是内鏡光學相幹層析成像（OCT）技術，該技術适用于外部組織和器官内部如上呼吸道、胃腸道或肺小管的容積成像。
光纖探頭根據分辨率可粗略劃分為三類。聚焦光斑大小在 30-100 μ m 範圍内的低分辨率高斯光束具有較深的成像深度，距離探頭表面可達 15 毫米以上，多用來研究大型中空器官如上呼吸道等；而 10-30 μ m 中等分辨率光束則在食管、小氣道、血管、膀胱、卵巢或耳道成像方面廣泛應用；而獲得分辨率高于 10 μ m 的光束難度較高，其潛在應用領域主要是動物模型研究等。
在開發探頭時，研究人員必須在設計參數和成像性能之間進行權衡。具有大數值孔徑（NA）的高分辨率光學系統往往需要較短的工作距離（WD），而如果減小探頭直徑，就難以獲得高分辨率和更長的工作距離。這對于側視探頭尤為要緊——與正視探頭相比，側視探頭所需的最小工作距離更長。如果探頭被包裹在導管中，最小工作距離就會增加，因而限制最低分辨率和探頭直徑設計。
設計者們盡量減小探頭直徑，以減少樣品擾動、提升患者舒适度。探頭更小意味着導管更靈活，病人在檢測過程中對内窺鏡适應性更高。因此，最好的解決方案之一是使用單片光纖探頭，其直徑會受到光纖厚度的限制。得益于光纖焊接技術，這種探頭易于制造，可以避免繁瑣的對準和連接微光學元件過程。
我們如何改進探測器 ?
目前最流行的光纖成像探頭設計基于兩種聚焦元件：GRIN 光纖探頭（GFP — GRIN fiber probes）和球透鏡探頭（ball lens probes）。Karnowski 博士領導的研究人員已經發現，帶有兩個聚焦元件，即同時使用 GRIN 和球形透鏡 GRIN- 球透鏡探頭（GBLP）能夠顯著提高單片光纖探頭的性能。他們的第一個建模結果已經在 2018 年和 2019 年的會議上展出。
比較 GBP 探頭與最常用的 GFP 和 BLP 探頭，GBP 探頭在需要更長的工作距離、更好的分辨率和更小尺寸的應用場景中尤其具有性能優勢。為了直觀地可視化探頭性能，研究人員引入了一種全新的方式來全面呈現模拟結果，通過對 GRIN 光纖長度和球面透鏡尺寸影響的分析，得出了兩個有趣的結論：為了獲得最佳效果，GRIN 光纖長度的範圍可以保持在 0.25 ~ 0.4 節距長度（pitch length）内；即使對于具有高數值孔徑的 GBLP 探頭，工作距離的增益并不顯著。但作者還表明，若觀察直徑擴大一倍，則 GBLP 在工作距離方面能獲得相同或更好的結果。此外，與 BLP 探頭相比，新型 GBLP 探頭具有更高的分辨率。
普通側視光學探頭和混合 GRIN 光纖和球透鏡設計的單片設計示意圖 | 參考文獻 [ 2 ]
在他們論文的結論中還寫道：" 我們已經證明了GBLP 探頭在增加工作距離和側視成像方面均有重大意義，同時還大大降低了探頭環境折射率的影響。且與 BLP 或 GFP 探頭相比，GBLP 尺寸明顯更小。這些優點使 GBLP 探頭成為生物及醫學研究中非常有潛力的成像工具。"
參考文獻
[ 1 ] https://phys.org/news/2022-10-microendoscopes-probe-biomedical-imaging.htmls
[ 2 ] https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9870801
編譯：綠洲
