文学博士在Photonics Research发表研究论文：基于高通量中继的一次性光声-超声内窥镜用于胃肠道活体解剖学成像
在这篇文章中，文学博士首次提出一种基于高通量光学中继的一次性光声-超声内窥镜系统原型，用于消化道内窥检测。该工作通过结合先进透镜光纤技术与滑环技术，将光学中继应用于内窥的光学波导系统，极大地降低级联光损耗，提高光学活动器件间的光传输稳定性，基于此首次提出并实现可插拔切换的一次性光声-超声原型导管。此外，通过声、光共线共焦的微导管设计，克服了在内窥模式下光声信号激发/采集效率低的难题。实验结果表明，该技术方法可以实现光声-超声双模同时成像，光声用于无损高分辨的血管造影成像，超声用于配准的消化道结构膜层成像，有望成为腔内肿瘤疾病发生发展有效探测工具。其一次性导管概念符合临床应用导向，具有临床前瞻性。
作为一种无损非侵入、非电离式的生物医学成像方法，光声成像（PAI）利用人体内源物质如血红细胞、脂质、蛋白质等对相应波长激光的特异性吸收产生热弹波，通过采集成像可以反演吸收体的三维体积图像，在皮肤、脑、乳腺等诸多领域受到广泛研究。光声内窥结合超声（PAEM-US）用于胃肠道肿瘤检查一直是人们的期待的愿景。然而，在实际的机械扫描式光声内窥成像中，为了保证末端激光扫描成像的分辨率，小芯径光纤被用于内窥光波导往往导致光学端面损伤以及严重的光学插损，因此成像系统的光路稳定性难以得到保障。此外，在腔内有限的激光激发下，光声信号微弱，声学换能器接收权重受限，光声成像灵敏度低下也是光声内窥一直面临的巨大挑战之一。
针对以上问题，杨教授团队提出了一种一次性PAEM-US导管原型和相应的电源接口装置（PIU），具有导管可切换性、管内三维螺旋扫描和系统可重复等特点。PAEM-US导管通过临床电子内镜2.8 mm内径钳道搭载介入腔道，小探头在透明光窗管内旋转回撤扫描，光束、声束同时扫描腔道，并通过换能器统一采集光声、超声回波信号用于图像重建。只需要单次贴壁扫描，便可以同时获取光声、超声双模态影像。以超声结构膜层影像为基准，光声成像可以原位共配准地将各膜层的大小血管高灵敏性、特异性地呈现，真正实现了多模态、跨尺度、多参数成像。
如图1所示，利用透镜光纤技术研制出高通量光学中继器件，将0.25截距的渐变折射率光纤（GRIN-F）熔接于单模光纤（SCF），又名端帽光纤（ECF）。通过光学中继制备的光学滑环、光学连接接口以及末端的光学整形器件，将光波导的级联插损降到了0.6 dB,极大地提高了激光传输通量的同时提高了光学活动组件之间的光学损伤阈值，因此导管可以独立于PIU装置实现一次性。
此外，为了解决腔内光声成像灵敏度不佳的问题，该团队设计了一个可定制焦距的的声光同轴共焦探头，用于高灵敏度的光分辨率光声成像，如图2所示。光学中继的透镜光纤的一大特点在于输出的光束在一定轴向距离内能够保持准直特性，因此配合微型聚焦透镜可以实现可定制的工作距离，在腔内扫描成像下，保证了光学焦点能够准确定位于肠道膜层，既获取了高的光学分辨率又保证成像穿透深度。通过透光反声的结构设计，该团队实现了2.5 mm直径声光共线共焦设计的光声-超声小探头，成像灵敏度得到了极大提升。经仿体实验测得该系统的光学横向分辨率为18 μm，声学轴向分辨率为63 μm。
图3展示了一次性PAEM-US导管与对应的电源接口单元，光学中继被应用于光滑环与光电接口，导管独立于PIU，通过光学接口与PIU实现连接，激光和电信号得以耦合传输。PIU为导管内部的扭力线圈提供1：1的扭力力矩传导，驱动末端探头螺旋回撤扫描。
图4展示了实时（30 fps）大鼠结直肠光声-超声双模态活体解剖学成像结果。成像结果 显示了大鼠结直肠的微血管和结构分层的共配准显微可视化图像，在1 mm成像深度内，超声生理膜层（粘膜层、黏膜下层、肌层、浆膜层）得以展示，各膜层深度的血管分布一览无余。与CD31抗体标记的免疫组化切片对照，其结构形态高度一致。以膜层厚度与血管为靶标，光声-超声双模态成像真正做到了活体解剖学影像。通过3D扫描成像，体积血管形貌得以全新展示。光声-超声双模态成像为肿瘤发展过程中膜层增生以及血管形态学异变提供直接有效的影像判断工具，具有重大的应用潜力。
总结：本文提出了一种基于高通量光学中继的一次性光声-超声内窥镜用于消化道检查。该系统可以同时光声-超声实时成像，以血管和膜层结构为靶标，获取3D重建图像。光学中继光路方案的应用攻克了光插损以及系统光稳定性问题，实现了一次性可替换光声导管。共线、共焦的探头设计提高了腔内光声成像的灵敏度。该研究为腔内光声-超声双模态的临床转化应用打下了坚实基础，具有临床前瞻性。
原文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.470737
文章DOI: 10.1364/prj.470737
Citation: Xue Wen, Peng Lei, Shengxin Huang, Xiaoyu Chen, Yanchi Yuan, Di Ke, Rui Liu, Jiaxi Liang, Erqi Wang, Bo Wei*, Kedi Xiong*, and Sihua Yang*, "High-fluence relay-based disposable photoacoustic-ultrasonic endoscopy for in vivo anatomical imaging of gastrointestinal tract," Photon. Res. 11, 55-64 (2023)