先進光纖雷射技術研究進展及展望（西北工大研發光纖顯微內窺鏡）

2023-05-03 11:24:09 5

「我預計今年年底提前博士畢業，雖然我的德國導師希望我繼續留下做博後，但我更希望能回到老家江蘇做科研。

而在最近發表的論文裡，我和所在團隊首次將定量相位成像技術，用於超細光纖顯微內窺鏡中，實現了最高 1 微米的解析度、以及納米級的三維重建。並通過光纖實現無透鏡光場成像，藉此製備出一款新型無透鏡光纖顯微內窺鏡。」德勒斯登工業大學生物醫學計算雷射系統能力中心博士生孫佳偉表示。

▲圖 | 孫佳偉（來源：孫佳偉）

此次提出的無透鏡光纖顯微內窺鏡，具備 1000 倍的放大倍率，可通過圖像重建讓醫生「看清」腦部神經元或是組織表面的細胞。

（來源：Light: Science & Applications）

研究中，他和同事使用無透鏡光纖顯微內窺鏡，對無標記的癌細胞進行高對比度成像，讓光纖內窺鏡能進一步對體內癌症組織表面進行細胞級的高解析度成像。這意味著，人們可通過此內窺鏡儘早找出病變的癌細胞，實現癌症的早期預警。

同時，鑑於光纖內窺鏡探針只有頭髮絲量級，因此可在極大降低創口大小的同時，深入體內的狹小部位，如細微血管、肺泡、耳蝸等進行顯微成像。另外，其所搭載的系統基於量產的多芯光纖，可做一次性的內窺鏡探頭，用完後可以輕鬆換上新的光纖以作為探頭，從而徹底消除交叉感染的風險。

據介紹，內窺鏡成像（endoscopy）作為臨床常用的體內成像方法之一，其常規直徑至少在幾十毫米以上，且圖像放大倍率只有大約 50 倍，只能看清組織大概的形貌。

而孫佳偉的無透鏡光纖顯微內窺鏡的探測端，沒有使用任何透鏡，探針的直徑只有 0.35 毫米，大約在頭髮絲量級，能大大減輕創口的大小。

對於神經外科手術來說，常常需要在大腦或脊柱開非常小的切口，進而通過內窺鏡和特殊器械，進行複雜精密的手術。而內窺鏡的尺寸越小，手術對患者造成的額外損傷就越小，患者術後恢復得也就越快。

▲圖 | 新型無透鏡光纖顯微內窺鏡，探針直徑僅為 0.35 毫米（來源：孫佳偉）

多年來，螢光顯微成像已成為生物醫學中廣泛使用的成像方法，通過對樣品進行螢光標記、激發和檢測，可對螢光標記的樣品做以選擇性成像，從而提升成像的對比度。

此前市面上最新的光纖顯微內窺鏡，是通過共聚焦掃描來實現體內螢光顯微成像，但其需要昂貴的光學系統和複雜的校準流程，同時還得預先對體內組織進行特殊螢光染色。

然而，某些情況下螢光劑會影響組織正常功能，用後也不易去除。因此，無標記成像技術對內窺鏡尤為重要。

定量相位成像，是一種無標記顯微成像技術。其原理是通過組織中不同成分的微小相位差，來實現生物醫學樣品的高對比度成像。

從技術手段來講，進一步重建光場的相位信息，還能實現納米級軸向解析度的三維成像，這讓定量相位成像也常被用於晶片表面檢測。

但是，此次提出的光纖內窺鏡系統，使用量產化的多芯光纖束作為體內成像探針。雖然多芯光纖束只有三根頭髮絲那樣粗，裡面卻包含著一萬根單模的光纖芯，每一根光纖芯都能獨立傳播光學信號，而把這一萬根光纖芯的光學信號組合起來，就相當於有了一萬個能成像的像素。

但是，光在每一根纖芯中的傳播距離有著微小的差別，而光波的相位又非常敏感，即使是 10 納米以下的光傳播距離差，也會引起可觀的相位變化。

由於光在這一萬根光纖芯中的傳播距離各不相同，這會帶來非常嚴重的相位失真，就像把樣品的光學信息進行了「加密」，故在多芯光纖束中實現定量相位成像，是一個頗具挑戰性的難題。

（來源：Light: Science & Applications）

找到「解碼」光場的「鑰匙」

那麼，如何從「加密」光場信息中恢復樣品信息呢？孫佳偉等人提出一種名為遠場散斑轉換的算法，可從光纖輸出端的散斑中，重建出光纖中的固有相位差，這就相當於拿到了「解碼」光場的「鑰匙」。

這樣一來，當使用無透鏡光纖顯微內窺鏡去探測樣品時，用這把「鑰匙」來「解碼」樣品的光場信息，就能得到樣品的相位信息。

另外，鑑於可通過光纖顯微內窺鏡重建完整的光場信息，這時只用一張散斑圖像重建出不同深度的圖像，即可實現數字重新對焦，並能把無透鏡光纖顯微內窺鏡的工作距離從 10 微米提到 10 毫米。

得益於這樣的數字對焦，以後醫生們再也不用手動調整焦距，通過程序即可實現實時數字對焦，讓無透鏡光纖顯微內窺鏡的易用性得到極大提升。

近日，相關論文以《通過超薄無透鏡光纖內窺鏡進行定量相位成像》（Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope）為題發表在 Light: Science & Applications 上。

▲圖 | 相關論文（來源：Light: Science & Applications）

孫佳偉擔任一作兼通訊，德勒斯登工業大學測量和傳感器系統技術實驗室于爾根·W·查斯克（Juergen W. Czarske）教授、以及同一實驗室的內克塔裡奧斯·庫庫拉基斯（Nektarios Koukourakis）博士擔任共同通訊作者。該工作還得到清華大學精密儀器系曹良才教授和馬克思普朗克光科學研究所約亨·顧克（Jochen Guck）教授的指導。

其中一位審稿人評價稱，「論文中的實驗結果令人信服，清楚地標明該方法能夠對樣品進行定量相位成像，並驗證了三維成像的可能性。該項新技術開闢了在超細內窺鏡進行相位成像的廣闊前景。」

另一個審稿人表示，「作者使用一種全新的計算重建算法，以便遠場強度圖像獲得相位信息，實現了基於光纖的定量相位成像。」

（來源：Light: Science & Applications）

據悉，該研究主要由德國科學基金會支持，旨在通過自適應控制多芯光纖的輸出光場，精準控制癌細胞的旋轉。與此同時，對細胞進行全息成像，最終得到癌細胞完整的三維重建圖。

為了實現在納米級精度下，用光精準地去控制癌細胞，孫佳偉耗時一年搭建出一個非常複雜且昂貴的光學系統，單單研發實驗器件的控制程序，他就寫了近一萬行代碼。

後來，又泡在實驗室幾個月，終於通過光纖光場調控，對細胞多軸旋轉做以實時控制。這項成果的實現也是世界首次，相關論文在更早之前已發表在 Biomedical Optics Express 上 [1]。

▲圖 | 利用光纖輸出光場，癌細胞進行光學無接觸操控，實時控制細胞旋轉軸（來源：孫佳偉）

他說：「當時有一個誤區，覺得越複雜的系統越高級，固然系統越複雜，需要解決的技術難題也就越多，其中的技術含量也就越高，但是繁雜的系統也就意味著高成本、高投入，難以獲得廣泛的應用。很多經典的研究，後人看起來其實只是解決了一個很小的問題，但最難的是從零到一的突破過程。」

捨棄複雜昂貴的光學器件，只用一根光纖、一個相機和一些基本光學元件，在有限的成本內，通過程序提升成像性能。所以他一直在思考，如何把光學系統化繁為簡？於是就有了關於此次論文的初步想法[2]。

正好那時，清華大學精密儀器系曹良才教授課題組的吳佳琛博士來德國交流，曹教授團隊在計算光學領域有著很深的造詣。

「在和佳琛溝通了我的想法之後，他也對此特別感興趣。因為光纖輸出端的散斑太過複雜，一開始的算法效果並不理想。後來我們不斷改進算法，終於在有天深夜，佳琛激動地跟我說算法成功了。我連忙從床上蹦下來打開電腦，把他的算法和我的代碼整合起來，那天晚上興奮地沒怎麼睡著。第二天一大早就立馬趕去實驗室驗證算法，結果發現真的能在實驗中完美重建出相位圖像。」孫佳偉說。

（來源：Light: Science & Applications）

計劃將光纖顯微內窺鏡用於臨床研究

另據悉，因為光學儀器大多都非常精密，外界的微弱幹擾都有可能對實驗結果產生影響。因此為了減小外部震動，孫佳偉所在的實驗室專門建在地下一層。

但是，他的實驗室離馬路比較近，每次有大型車輛經過的時候，都能在儀器數據上觀測到微納級的抖動。

為了得到最佳的實驗數據，那幾周他每天等到半夜路上沒有車的時候，一個人在漆黑的實驗室裡做實驗。功夫不負有心人，最後的實驗結果也非常穩定。

家庭，也給他提供了軟動力支持。他說：「我老婆雖然沒有直接參與此次研究，但每次我的實驗沒有進展、焦頭爛額的時候，她總能耐心地安慰我、鼓勵我，等我焦躁的心安靜下來後，理性地幫我梳理思緒找到問題所在。」

▲圖 | 孫佳偉和家屬萬文君（來源：孫佳偉）

據介紹，孫佳偉是江蘇南通人。本科就讀於西北工業大學信息對抗技術專業。讀研時，他來到德國留學，在波鴻大學讀雷射與光子學專業。那時，他開始接觸到光學實驗，並開始從事數字全息成像方面的研究。

其說道：「一開始只是單純覺得雷射特別酷，但在實驗室待久了之後，我深刻體會到光學實驗是一個慢工出細活的過程，慢慢地也喜歡上泡在實驗室的感覺。我的碩士論文獲得了接近滿分的成績，導師把我推薦到現在的課題組繼續攻讀博士，我也得以繼續從事光學成像的研究。」

（來源：Light: Science & Applications）

在德國讀博更像是工作，他作為一名博士生的同時也是學校僱員，目前其還擔任助理研究員一職，要承擔一定的教學任務，以及指導本科生和碩士生的畢業論文。

為此，孫佳偉還開設了一門叫做「數字全息技術」的實驗課程。疫情期間，他把實驗課搬到線上，通過視頻給學生呈現光學實驗的過程，同時也在線上輔導學生處理數據。

當下，他的重心依然是科研。目前的圖像重建算法對電腦的硬體要求比較高，後續他計劃使用人工智慧提升算法效率，讓圖像重建程序在普通筆記本電腦上也能輕鬆運行，並能實時重建三維圖像。

同時，他和導師也申請了與所在大學的附屬醫院的合作項目，計劃進一步將光纖顯微內窺鏡用於臨床研究。

參考資料：1.Sun J, Koukourakis N, Guck J, et al. Rapid computational cell-rotation around arbitrary axes in 3D with multi-core fiber[J]. Biomedical Optics Express, 2021, 12（6）: 3423-3437.https://doi.org/10.1364/BOE.4230352.Sun J, Wu J, Wu S, et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11（1）: 1-10.https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2