MEMS 發表於 2021-01-15 14:15:59
近日，中國科學院研究人員開發了一種新型生物醫學內窺鏡，它可以同時獲得三維可見光和近紅外螢光圖像。它的光學設計結合了人類視覺的高解析度三維成像和螳螂蝦同時探測多波長光的能力。
具有三維成像能力的內窺鏡可以幫助外科醫生精確定位病變組織。增加螢光成像可以使癌變組織更容易切除，或突出解剖中需要避免的關鍵部位。
來自中國科學院的石晨英和他的同事描述並演示了這種新型的多模內窺鏡。雖然這是一個早期的示範，新的內窺鏡是設計直接取代現有的內窺鏡，而不需要臨床醫生學習如何使用新的儀器。
「現有的螢光3D內窺鏡要求外科醫生在手術過程中轉換工作模式，以看到螢光圖像，」施說。因為我們的三維內窺鏡可以同時獲取可見和螢光的3D圖像，它不僅提供了更多的視覺信息，而且大大縮短了手術時間，降低了手術風險。
輔助機器人手術
儘管它可以用於任何內窺鏡手術，研究人員設計了用於機器人手術系統的新型多模內窺鏡。這些系統有助於提高微創手術的精度和準確性，並能幫助外科醫生在身體狹窄的區域執行複雜的任務。對於機器人手術，新內窺鏡提供的增強視覺信息可以幫助外科醫生區分出外科領域中不同類型的組織。
「儘管今天的機器人手術系統要求外科醫生靠近，但基於這種多模3D內窺鏡的機器人手術有一天可能會讓外科醫生在遙遠的地方遠程執行手術，」施說。「這將有助於解決醫療資源分配不均的問題，使生活在醫療條件相對較差地區的人們受益。」
新的多模態內窺鏡利用兩種光學系統實現了高解析度的三維成像，形成了與人眼相似的雙目設計。然而，在這種情況下，光學設計既可以容納像人眼這樣的可見光，也可以容納螢光成像所需的近紅外波長。這種光是由螳螂蝦的複眼激發的傳感器檢測出來的，它不僅能探測多光譜信息，而且還能識別偏振光。該傳感器通過使用具有不同光譜和偏振響應的像素來檢測電磁頻譜的多個部分。
為了獲得高質量的三維圖像，雙目光學系統必須有兩個參數完全相同的光學系統。他說：「這對光學元件的加工精度提出了嚴格的要求。」「我們利用精密光學處理技術實現了這一精度，並將其與基於晶片的光譜學技術相結合，使這種多模態三維內窺鏡成為可能。」
結合可見光和螢光圖像
為了測試新的內窺鏡，研究人員分析了它的解析度、螢光成像能力以及同時獲得具有近紅外和可見顏色信息的三維圖像的能力。內窺鏡性能良好，在可見光下，解析度高達每毫米7條線對--與今天使用的最佳3D內窺鏡相同--以及近紅外照明下每毫米4條線對。
然後，他們使用內窺鏡獲取三種濃度的吲哚青綠的可見顏色和近紅外螢光圖像。這一近紅外螢光標記得到美國食品藥品管理局的批准，用於標記腫瘤組織.雖然人眼無法分辨這三種樣品，但用多模態三維內窺鏡可以清晰地分辨出這三種樣品。研究人員還測試了內窺鏡的三維成像性能，用它來拍攝一個具有許多縱橫交錯部分的玩具。內窺鏡能夠產生3D圖像，即使經過長時間的觀察，也不會導致眼睛疲勞。
研究人員計劃使用三維內窺鏡進行額外的生物和臨床成像。他們還計劃納入更多的波長和感知偏振的能力，以提供更多的視覺信息。
責任編輯：lq
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