近日，中国科学院研究人员开发了一种新型生物医学内窥镜，它可以同时获得三维可见光和近红外荧光图像。它的光学设计结合了人类视觉的高分辨率三维成像和螳螂虾同时探测多波长光的能力。
具有三维成像能力的内窥镜可以帮助外科医生精确定位病变组织。增加荧光成像可以使癌变组织更容易切除，或突出解剖中需要避免的关键部位。
来自中国科学院的石晨英和他的同事描述并演示了这种新型的多模内窥镜。虽然这是一个早期的示范，新的内窥镜是设计直接取代现有的内窥镜，而不需要临床医生学习如何使用新的仪器。
“现有的荧光3D内窥镜要求外科医生在手术过程中转换工作模式，以看到荧光图像，”施说。因为我们的三维内窥镜可以同时获取可见和荧光的3D图像，它不仅提供了更多的视觉信息，而且大大缩短了手术时间，降低了手术风险。
辅助机器人手术
尽管它可以用于任何内窥镜手术，研究人员设计了用于机器人手术系统的新型多模内窥镜。这些系统有助于提高微创手术的精度和准确性，并能帮助外科医生在身体狭窄的区域执行复杂的任务。对于机器人手术，新内窥镜提供的增强视觉信息可以帮助外科医生区分出外科领域中不同类型的组织。
“尽管今天的机器人手术系统要求外科医生靠近，但基于这种多模3D内窥镜的机器人手术有一天可能会让外科医生在遥远的地方远程执行手术，”施说。“这将有助于解决医疗资源分配不均的问题，使生活在医疗条件相对较差地区的人们受益。”
新的多模态内窥镜利用两种光学系统实现了高分辨率的三维成像，形成了与人眼相似的双目设计。然而，在这种情况下，光学设计既可以容纳像人眼这样的可见光，也可以容纳荧光成像所需的近红外波长。这种光是由螳螂虾的复眼激发的传感器检测出来的，它不仅能探测多光谱信息，而且还能识别偏振光。该传感器通过使用具有不同光谱和偏振响应的像素来检测电磁频谱的多个部分。
为了获得高质量的三维图像，双目光学系统必须有两个参数完全相同的光学系统。他说：“这对光学元件的加工精度提出了严格的要求。”“我们利用精密光学处理技术实现了这一精度，并将其与基于芯片的光谱学技术相结合，使这种多模态三维内窥镜成为可能。”
结合可见光和荧光图像
为了测试新的内窥镜，研究人员分析了它的分辨率、荧光成像能力以及同时获得具有近红外和可见颜色信息的三维图像的能力。内窥镜性能良好，在可见光下，分辨率高达每毫米7条线对–与今天使用的最佳3D内窥镜相同–以及近红外照明下每毫米4条线对。
然后，他们使用内窥镜获取三种浓度的吲哚青绿的可见颜色和近红外荧光图像。这一近红外荧光标记得到美国食品药品管理局的批准，用于标记肿瘤组织.虽然人眼无法分辨这三种样品，但用多模态三维内窥镜可以清晰地分辨出这三种样品。研究人员还测试了内窥镜的三维成像性能，用它来拍摄一个具有许多纵横交错部分的玩具。内窥镜能够产生3D图像，即使经过长时间的观察，也不会导致眼睛疲劳。
研究人员计划使用三维内窥镜进行额外的生物和临床成像。他们还计划纳入更多的波长和感知偏振的能力，以提供更多的视觉信息。
