技術(shù)背景
光纖憑借其靈活性、小橫截面積、能遠(yuǎn)距離傳輸光能和光信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，在臨床上得到了廣泛應(yīng)用。相干光纖束(CFB)是一種用于成像的光纖類型，由數(shù)千根光導(dǎo)纖芯組成。這些纖芯在整個(gè)光纖束上保持相對(duì)空間位置，每根纖芯作為一個(gè)像素來成像。石英相干光纖束可在臨床用于身體各種器官的微創(chuàng)熒光光纖束顯微內(nèi)窺鏡(FBEμ)檢查。如泌尿系統(tǒng)、胃腸系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)的瘤形成鑒定、異型增生、癌癥、感染等檢查，以及更一般的組織學(xué)評(píng)估。
相干光纖束用于內(nèi)窺鏡成像可追溯至1950年代，但是，材料價(jià)格和復(fù)雜制造導(dǎo)致的高昂成本阻礙了它的廣泛商業(yè)應(yīng)用。許多相干光纖束采用高度摻雜的石英纖芯，以最大化纖芯和包層的折射率差異和最小化纖芯串?dāng)_(因?yàn)檫@對(duì)成像性能有不可忽視的影響)。但是這種摻雜成本很高。聚合物相干光纖束(即塑料光纖)是一種低成本的替代物，它有極高的纖芯和折射率差異，更大的直徑下還能保持相對(duì)的靈活性，且生產(chǎn)的材料和設(shè)備成本低。但是聚合物相干光纖束在用藍(lán)光作為泵浦光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的熒光，這直接阻止了其在使用短波長(zhǎng)作為激發(fā)光時(shí)的生物熒光成像。
在熒光光纖顯微內(nèi)窺鏡里，樣品照明通常采用寬場(chǎng)(WF)和掃描模態(tài)。寬場(chǎng)優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單、低成本、高時(shí)間分辨率，但是圖像對(duì)比度被高散射組織的離焦熒光所降低。掃描可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)切片，從而消除不想要的背景，但是其系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，且時(shí)間分辨率低。像光片顯微鏡這種平面選擇照明顯微鏡(SPIM)可以有更高的時(shí)間分辨率和高對(duì)比度成像，但是想要做成內(nèi)窺鏡形式需要做出相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)方可。
文章創(chuàng)新點(diǎn)
基于此，西班牙坎塔布里亞大學(xué)的Pablo Roldán-Varona(一作)和英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)的Helen E. Parker(通訊)等人在商用塑料相干光纖束頭端附加一個(gè)熔融石英端蓋，使得激發(fā)光路和成像光路不共用光纖纖芯，既實(shí)現(xiàn)了平面選擇照明，又實(shí)現(xiàn)了塑料光纖接收熒光成像而不產(chǎn)生背景熒光。
原理解析
(1) 激發(fā)光和熒光光路分離。使用環(huán)形激發(fā)光入射外圍光纖，并照射在一個(gè)附加的反射鏡片端蓋上，反射鏡面具有曲率，將光近似聚焦成一個(gè)與光纖光軸垂直的平面，激發(fā)的熒光被中心的光纖束接收成像。環(huán)形激發(fā)光由圖1e的角錐透鏡Lax實(shí)現(xiàn)。塑料光纖束為PMMA CFB(MCL-1500-1.75, Asahi Kasei Co.)。光纖詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見附錄。
圖1（圖片來源：光學(xué)前沿）
(2) 圖像處理。采集背景圖像和原圖，首先用原圖減去相應(yīng)的背景圖像，隨后做一個(gè)線性變換實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)。最后，為了緩解纖芯之間存在間隙的影響，用二維Weierstrass變換(標(biāo)準(zhǔn)差為4的高斯模糊)處理。
圖2（圖片來源：光學(xué)前沿）
端蓋設(shè)計(jì)和加工流程
圖三（圖片來源：光學(xué)前沿）
參考文獻(xiàn)：Pablo Roldán-Varona, Calum A. Ross, Luis Rodríguez-Cobo, José Miguel López-Higuera, Erin Gaughan, Kevin Dhaliwal, Michael G. Tanner, Robert R. Thomson, and Helen E. Parker , "Selective plane illumination optical endomicroscopy with polymer imaging fibers", APL Photonics 8, 016103 (2023)DOI：https://doi.org/10.1063/5.0130486
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