小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

　　0　引言

　　癌症严重威胁人类健康，早期诊断和治疗对提高患者的生存率和生活质量有非常重要的意义.传统内镜仅能观察黏膜表面的宏观图像，如需确诊需要将可疑组织钳取到体外，再固定、切片、染色，进行显微成像分析，伴随着出血、感染、早期漏诊等风险.激光共焦显微内窥镜无需取样活检即可实现体内器官的实时高分辨率显微成像诊断，并可使用荧光对比剂，特异性强，是早期病变微创诊断的重要方法，尤其对于常规内窥镜难以发现的癌变早期诊断具有重大意义，近年来一直是国际先进医疗器械的研究热点之一[1-4].

　　目前的激光共焦显微内窥镜均采用光纤束或单根光纤将激光和荧光信号分别导入体内和导出体外[5-6].采用光纤束允许将共焦扫描机构放置在体外，内窥镜探头细小，但视场小，图像的清晰度受到光纤束本身栅格排列的严重影响，分辨力较低，而且由于相邻芯径的光线串扰，图像的对比度难以提高，像差大[7-8].采用单根光纤时，共焦扫描机构必须放置在体内，虽然采用微电系统 (Micro-Electro-Mechanical　System，MEMS)技术可以缩小扫描机构尺寸，但目前的技术状况下还无法兼顾小尺寸和大扫描范围[9].还有一些内窥镜采用Hopkins传像系统，其数孔径均在0.1以下，导致分辨率不高，且由几十片透镜组合起来，光能损耗大，装配困难[10].

　　鉴于采用光纤束、单根光纤以及Hopkins传像系统的不足，本文设计望远式传像系统实现长距离的图像中继功能，将激光耦合进体内组织，并将荧光信号耦合至体外探测器，在获得高分辨率和高对比度荧光图像的同时，缩小内窥镜探头直径.同时，考虑到目前的激光共焦显微系统需要大尺寸、笨重的扫描机构，无法满足内窥镜应用所要求的便携式或手持式操作，本文进一步对显微内窥镜探头进行小型化设计，将扫描机构放置在体外，仅通过电缆和光纤将激光控制和荧光探测与显微内窥镜前端连接，减小了探头尺寸和重量.

　　1　系统设计

　　1.1　总体结构

　　激光共焦显微内窥镜的总体结构方案如图1，下方虚线框内为激光控制与荧光探测部分，包括激光光源、二维共聚焦扫描信号产生及光电倍增管(Photo　Multiplier　Tube，PMT)荧光成像等;左上方虚线框内为手持式操作部件，仅包括激光准直系统和XY扫描振镜，体积小、重量轻;右上方为外径8mm，长度250.3mm的望远式内窥镜探头.激光控制与荧光探测部分虽然体积大，但仅通过电缆和光纤与内窥镜探头连接，因此内窥镜探头的操作非常方便.

　　激光器发射出来的光束透过二色分光镜(激光反射，荧光透射)，经准直物镜的准直，形成光斑形状和发散角符合一定要求的光束，耦合进单模光纤中.光纤的另一端是手持操作部分，激光从光纤出射后经过准直透镜准直后先后入射到X向振镜和Y向振镜，这两个扫描振镜按照特定的方式组合，通过控制信号驱动两个振镜的快速旋转摆动，形成XY方向的扫描模式.此扫描模式将入射的激光束反射至内窥镜探头，由望远式传像系统耦合进显微物镜，聚焦在体内组织的某一位置，此位置与振镜的摆动角度相互对应.内窥镜探头为直径8mm，长度250.3mm的硬性内窥镜.组织细胞由荧光染料标记，在激光的照射下发出荧光，此荧光信号由内窥镜探头的显微物镜收集，经望远式传像系统导出，经准直物镜后耦合进光纤，出射后再一次经过准直物镜，然后透过二色分光镜并由荧光滤色片滤去杂散光，再由荧光会聚镜聚焦，通过共焦针孔后到达PMT.体内组织仅激光焦点处所发射的荧光能通过共焦针孔，进入PMT，而其它部分的荧光或杂散光将被阻挡，不能到达PMT，大大减小了背景荧光和杂散光，提高了荧光图像的信噪比.PMT转化后的电信号由数据采集卡获得后，经过软件重建，得到共焦扫描的图像.