生物启发内窥镜同时提供3-D可见和近红外图像

研究人员开发了一种新的生物启发医用内窥镜，可以同时获得3-D可见光和近红外荧光图像。它具有光学设计，将人类视觉的高分辨率3-D成像与螳螂虾的能力相结合，以同时检测多个波长的光。

具有3d成像功能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发光，更容易切除，或者突出手术中需要避免的解剖学关键部位。

发表在光学学会(OSA)杂志上光学表达，从中国科学院和同事院的Chenyoung Shi描述并展示了新的多模式内窥镜。虽然这是早期的演示，但新的内窥镜旨在直接替换现有内窥镜不需要临床医生学习如何使用新仪器。

“现有荧光3-D内窥镜需要外科医生在操作期间切换工作模式以查看荧光图像，”Shi表示。“因为我们的3-D内窥镜可以同时获取可见光和荧光3-D图像，但它不仅提供更多视觉信息但也可以大大缩短手术时间并减少手术期间的风险。“

协助机器人手术

尽管它可以用在任何地方内镜手术，研究人员为机器人外科系统设计了新的多模式内窥镜。这些系统有助于提高微创手术的精度和准确性，并可以帮助外科医生在主体的限制区域中对复杂的任务进行复杂的任务。对于机器人外科，新内窥镜提供的增强视觉信息可以帮助一个外科医生，该外科医生可以在患者中的不同房间内清楚地区分类领域中的各种类型组织。

“虽然今天的机器人外科系统需要外科医生接近，但基于这种多模式3-D内窥镜的机器人手术可能有一天，请允许外科医生在遥远的位置进行远程执行程序，”Shi说。“这有助于解决医疗资源分布不均匀的问题，并使生活在医疗状况相对较差的地区的人们。”

新的多模式内窥镜使用两种光学系统实现高分辨率3-D成像，以形成类似的双目设计人类的眼睛。然而，在这种情况下光学设计可以容纳像人眼一样的可见光和荧光成像所需的近红外波长。该光由由螳螂虾的复合眼睛的传感器检测，这不仅检测多光谱信息，而且还识别偏振光。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。“这对光学元件的加工精度提出了严格的要求，”石磊说。“我们能够通过精密光学处理实现这种精度，并将其与基于芯片的光谱技术结合起来，使这种多模态3d内窥镜成为可能。”

结合可见和荧光图像

为了测试这种新型内窥镜，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色彩信息的三维图像的能力。该内窥镜性能良好，分辨率高达每毫米7行对可见光- 与今天使用的最佳3-D内窥镜以及每毫米在近红外照明下使用的最佳3-D内窥镜。

然后，他们使用内窥镜获取了三种不同浓度吲哚菁绿的可见颜色和近红外荧光图像。这种近红外荧光标记被FDA批准，用于标记肿瘤组织。虽然这三个样本不能被人眼识别，但使用多模态三维内窥镜可以清晰地识别出来。研究人员还测试了内窥镜的3d成像性能，用它来成像一个有许多交叉部分的玩具。这种内窥镜能够产生3d图像，即使在长时间观看后也不会引起眼睛疲劳。

研究人员计划使用3d内窥镜进行额外的生物和临床成像。他们还计划加入更多的波长和感知偏振的能力，从而提供更多的视觉信息。

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