醫(yī)用成像光纖背景噪聲研究

王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

醫(yī)用成像光纖背景噪聲研究

王浩，孟祥峰，劉艷珍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

本文針對醫(yī)用光纖在內(nèi)窺成像，特別是熒光分子成像和拉曼光譜成像過程中產(chǎn)生的背景噪聲問題進(jìn)行了研究，提出了一種醫(yī)用光纖背景噪聲的光譜測量分析方法。結(jié)果表明，成像光纖背景噪聲與光纖長度、激光功率均具有良好的線性關(guān)系。該研究結(jié)果對完善醫(yī)用光纖的質(zhì)量控制，引導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)提高醫(yī)用光纖的質(zhì)量，促進(jìn)醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術(shù)的發(fā)展提供了有用的參考。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡；分子影像；醫(yī)用光纖；背景噪聲；質(zhì)量控制

以醫(yī)用光纖為主要原料的醫(yī)用內(nèi)窺鏡在呼吸道、消化道、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等部位的醫(yī)學(xué)檢查以及各種微創(chuàng)內(nèi)窺手術(shù)中發(fā)揮著重要的作用[1]，其質(zhì)量控制一直是我國醫(yī)療器械監(jiān)管的重要環(huán)節(jié)[2]。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡依靠冷光源照明采集人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像/視頻，成像的質(zhì)量取決于冷光源自身的質(zhì)量[3]、內(nèi)窺鏡的視場角、分辨率和光纖的傳輸效率等因素[4]，光纖自身受冷光源照射產(chǎn)生的噪聲與收集到的冷光源信號相比可以忽略不計。國內(nèi)目前對醫(yī)用成像光纖（以下簡稱“成像光纖”）并沒有專門的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。醫(yī)用光纖領(lǐng)域目前僅有YY/T 0758-2009《治療用激光光纖通用要求》[5]可供參考，該要求主要針對激光治療用光纖，其主要參數(shù)包括適用的波長范圍、最小傳輸效率、抗拉強(qiáng)度、最小彎曲工作半徑等。

隨著光學(xué)分子影像技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用內(nèi)窺鏡的熱點發(fā)展方向是通過光纖探頭采集熒光[6-7]、拉曼[8]等信號進(jìn)而獲得分子活動的信息，從而大幅提高診斷的準(zhǔn)確性和特異性，并提供更精確的手術(shù)導(dǎo)航[9-10]。由于這幾類信號的量子效率較低，入射激光功率受限于光生物安全的要求，采集到的有用信號相對微弱，而成像光纖的背景噪聲（拉曼[11-12]、熒光[13]、磷光[14]）能干擾甚至湮沒有用信號[15]。

為了研究成像光纖背景噪聲的特性和規(guī)律，本文提出了一套測試系統(tǒng)和測試方法，考察了影響光纖背景噪聲的因素，重點研究了醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域新興的雙包層光纖的背景噪聲特征，以期對完善醫(yī)用光纖的質(zhì)量控制和促進(jìn)分子內(nèi)窺成像技術(shù)發(fā)展提供有用的參考。

1 醫(yī)用光纖背景噪聲測試試驗

1.1 試驗平臺

醫(yī)用光纖背景噪聲測試平臺主要由光源、濾光片、分色鏡、透鏡、三軸精密微調(diào)移動平臺、光譜儀、電荷耦合元件（ССD）和電腦組成。測試平臺設(shè)計圖，見圖1。在本次實驗中，633 nm He-Ne激光（Thorlabs Inc.，USA）提供激發(fā)光。濾光片1（帶通濾光，中心波長633 nm，帶寬10 nm，Semrock Inc.，USA）用于過濾光源自身的熒光噪聲。激發(fā)光經(jīng)分色鏡（高通濾光，截止波長635 nm，Semrock Inc.，USA）反射后被透鏡聚焦到被測光纖中心（光斑直徑＜ 6 μm，數(shù)值孔徑0.25）。三軸精密微調(diào)移動平臺（Thorlabs Inc.，USA）用于調(diào)整被測光纖位置（手動或自動）。背景噪聲信號反向傳播透過分色鏡和濾光片2（高通濾光，截止波長641 nm，Semrock Inc.，USA）之后由透鏡聚焦到光譜儀（數(shù)值孔徑0.25）。ССD記錄光纖背景噪聲光譜并傳輸?shù)诫娔X。圖1中的黃色光束示意激發(fā)光，紅色光束示意光纖背景噪聲信號。

圖1 光纖背景噪聲測試平臺設(shè)計圖

1.2 試驗材料

本次試驗涉及了具有代表性的3類醫(yī)用光纖：單模光纖（纖芯直徑10 μm，數(shù)值孔徑＜0.12，主要用于光學(xué)相干斷層掃描OСT成像）、多模光纖（纖芯直徑100 μm，數(shù)值孔徑0.22±0.02，主要用于拉曼光譜測量和成像，也適用于熒光分子成像）、雙包層光纖（單模內(nèi)芯直徑9 μm，數(shù)值孔徑＜0.12，多模外芯直徑100 μm，數(shù)值孔徑＞0.46，主要用于光學(xué)雙模態(tài)融合內(nèi)窺成像，例如OСT與熒光的結(jié)合）。

1.3 試驗方法

理論上，光纖背景噪聲取決于很多因素，例如光纖長度、激光功率、光纖材料等，在柱坐標(biāo)系下由通用公式(1)表述：

其中，z軸對應(yīng)光纖的中心軸；Bdet是探測器接收的總背景噪聲信號；V是光纖導(dǎo)光部分的總體積；c(r,φ，z)是反映系統(tǒng)探測效率的函數(shù)，與探測器的數(shù)值孔徑、光纖的數(shù)值孔徑、背景噪聲光子傳播路徑、光纖近端到探測器的距離等有關(guān)；p(r,φ，z)是光纖中激發(fā)光的功率密度；q(z)是反映光纖不同位置產(chǎn)生光纖背景噪聲的量子效率的函數(shù)。成像光纖作為被動光纖，可近似認(rèn)為材料均勻。由于光在玻璃光纖中的衰減一般低于10 dB/km[14]，對于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的長度而言可認(rèn)為光纖內(nèi)部的衰減可忽略不計。在光纖位置與檢測系統(tǒng)相對固定且無形變、無彎曲損耗的前提下，c(r,φ，z)、p(r,φ，z)、q(z)均為常數(shù)，分別記為С、P、Q。若光纖總長度為L，那么由公式(1)可以推測出線性關(guān)系：

為了觀察公式2的假設(shè)是否成立，本文進(jìn)行了兩種測試。

測試1：光纖背景噪聲與光纖長度的相關(guān)性

本實驗用于考察光纖背景噪聲與光纖長度之間是否存在線性關(guān)系。實驗對象是單模光纖、多模光纖和雙包層光纖的單模內(nèi)芯，長度分別為1、2、3 m。為保持其他實驗條件的一致性，出射光的功率保持為4 mW。

測試2：光纖背景噪聲與激發(fā)光功率的相關(guān)性

本實驗用于考察光纖中的摻雜物在不同激光功率照射下產(chǎn)生背景噪聲的量子效率變化，以確定光纖背景噪聲是否存在飽和閾值。實驗對象是雙包層光纖，長度為2 m，分別對單模內(nèi)芯和多模外芯進(jìn)行了測量。穿過光纖的激發(fā)光功率選取不同的數(shù)值，具體設(shè)定見表1。功率設(shè)定主要面向國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB7247.1-2012/國際標(biāo)準(zhǔn)IEС60825-1：2007中規(guī)定的Сlass IIIb激光對應(yīng)的范圍，符合實際應(yīng)用場合。

表1 雙包層光纖激發(fā)光功率設(shè)定

除此之外，本文還對不同廠家生產(chǎn)的雙包層光纖背景噪聲進(jìn)行了比較。實驗對象是目前國際市場上已經(jīng)商業(yè)化的幾種雙包層光纖。這些光纖具有相似的尺寸和數(shù)值孔徑，理論上均可以用于多模態(tài)光學(xué)成像，但其材料和工藝各不相同，對于背景噪聲幅度的影響值得探索。

1.4 試驗步驟

被測光纖的兩端分別剝?nèi)ヌ讓?0 mm，由光纖切割機(jī)切出光滑的斷面。光纖近端固定在三維精密微調(diào)移動平臺上，調(diào)節(jié)優(yōu)化入射光的耦合。遠(yuǎn)端固定在空氣中，出射光斑投射在光功率計上，當(dāng)傳輸效率達(dá)到最大時開始測量（每次試驗均不低于80%）。ССD曝光時間統(tǒng)一設(shè)置為0.1 s，光纖出射激光功率根據(jù)各個實驗的具體要求而設(shè)置。每次試驗之前均記錄環(huán)境背景噪聲光譜，在數(shù)據(jù)處理時作為偏置被減去，得到的光纖光譜除以對應(yīng)的傳輸效率作為校正。

2 實驗結(jié)果

2.1 實驗系統(tǒng)的驗證

為確認(rèn)采集到的光纖光譜來自光纖本身，對雙包層光纖內(nèi)芯光譜與石英玻璃的拉曼光譜進(jìn)行了形狀比對。兩個光譜各自除以最大值，得到的歸一化結(jié)果，見圖2。紅色實心曲線為雙包層光纖內(nèi)芯光譜，藍(lán)色虛線為石英玻璃光譜。可以看出，在660～680 nm之間，兩個光譜均顯示了石英玻璃的拉曼特征峰，驗證了信號來自光纖本身。雙包層光纖內(nèi)芯光譜的形狀表明，除了石英玻璃自身之外，還有其他物質(zhì)產(chǎn)生背景噪聲。

圖2 雙包層光纖內(nèi)芯產(chǎn)生的背景噪聲光譜

2.2 背景噪聲與光纖長度的關(guān)系

不同長度的雙包層內(nèi)芯光纖產(chǎn)生的背景噪聲光譜在640～760 nm的范圍內(nèi)進(jìn)行了積分，積分值與長度值之間進(jìn)行了線性擬合，得到的結(jié)果，見圖3。測量值用藍(lán)色圓圈表示，線性擬合值用紅色直線表示。可以看出，兩條曲線非常接近，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9901。單模光纖和多模光纖進(jìn)行了同樣的實驗，線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9785和0.9897。這些結(jié)果說明了光纖背景噪聲與長度之間存在良好的線性關(guān)系。本實驗結(jié)果驗證了公式(2)的假設(shè)，也進(jìn)一步說明了本測試平臺的準(zhǔn)確性，為下一步實驗奠定了基礎(chǔ)。

圖3 雙包層光纖內(nèi)芯背景噪聲與長度的線性關(guān)系

2.3 背景噪聲與入射激光功率的關(guān)系

分別對雙包層光纖的內(nèi)芯和外芯產(chǎn)生的背景噪聲與傳輸功率的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖4。紅色方塊為內(nèi)芯產(chǎn)生的背景噪聲積分，紅色直線為線性擬合線；黑色三角為外芯產(chǎn)生的背景噪聲積分，黑色直線為線性擬合線，積分區(qū)間依然為640～760 nm，光纖長度為2 m。內(nèi)芯和外芯背景噪聲與功率的線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9775和0.9483，顯示了良好的線性性。這說明在本實驗采用的功率范圍內(nèi)，雙包層光纖的背景噪聲隨激光功率線性變化，驗證了公式(2)的假設(shè)。

圖4 雙包層光纖內(nèi)芯背景噪聲與傳輸功率的線性關(guān)系

2.4 不同產(chǎn)品的比對

為直觀地觀察光譜成分的區(qū)別，本實驗將不同廠家的雙包層光纖背景噪聲先經(jīng)過歸一化之后再進(jìn)行了比對，結(jié)果見圖5。這些光譜共同顯示了石英玻璃的拉曼特征，但同時混雜有不同幅度的其他背景噪聲，這意味著在實際應(yīng)用中，這些光纖的信噪比將差別很大，盡管其光學(xué)結(jié)構(gòu)和參數(shù)非常接近。因此對于微弱信號光學(xué)檢測和分子影像內(nèi)窺鏡來說，篩選低背景噪聲的光纖將關(guān)系到成像的成敗。

圖5 不同廠家雙包層光纖背景噪聲光譜比對

3 討論

醫(yī)用光纖一般意義上來說來自通信等工業(yè)領(lǐng)域所采用的工業(yè)光纖，其生產(chǎn)方式和配方設(shè)計優(yōu)先滿足通訊的要求，如波長、帶寬、數(shù)值孔徑、機(jī)械強(qiáng)度、壽命等，這也決定了傳統(tǒng)的醫(yī)用光纖質(zhì)控的指標(biāo)設(shè)置比較簡單。隨著近年來光學(xué)分子影像技術(shù)和內(nèi)窺鏡技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用光纖開始面臨弱信號采集的需求，背景噪聲問題因而慢慢開始凸顯。本文的實驗結(jié)果表明，光纖背景噪聲主要取決于具體廠家。目前市場上的很多醫(yī)用雙包層光纖在背景噪聲方面差別很大。從光纖生產(chǎn)研發(fā)的角度看，可能的原因包括了摻雜物的配方、包層的清潔度和均勻度、非橋鍵氧離子空穴中心的形成與抑制、電離輻射等。廠家在生產(chǎn)過程中有必要針對降低背景噪聲的需求而進(jìn)行監(jiān)測和審視，以發(fā)現(xiàn)原材料供應(yīng)、生產(chǎn)工藝、配方等的具體影響。本文所提出的測量系統(tǒng)可以輔助上述實驗的進(jìn)行。

4 結(jié)論

本文提出了一種測量醫(yī)用成像光纖背景噪聲的平臺，并驗證了光譜測量的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明，成像光纖背景噪聲與光纖長度、激光功率（10 mW以下）均具有良好的線性關(guān)系。對于固定長度和配置的內(nèi)窺鏡而言，其背景噪聲的水平主要取決于生產(chǎn)廠家。不同廠家生產(chǎn)的光纖背景噪聲差別較大，反映了生產(chǎn)工藝和配方的區(qū)別，對于熒光、拉曼等分子影像測量將產(chǎn)生重要的影響。光纖背景噪聲值得作為醫(yī)用光纖新的質(zhì)控指標(biāo)加以重視。下一步，有必要對產(chǎn)生光纖背景噪聲的原因進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)提升光纖質(zhì)量，為光學(xué)分子內(nèi)窺成像的發(fā)展提供資源。

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Research on the Background Noise from Medical Imaging Optical Fiber

WANG Hao, MENG Xiang-feng, LIU Yan-zhen, REN Hai-ping
Division of Active Medical Device and Medical Optics, National Institutes for Food and Drug Сontrol, Beijing 100050, Сhina

This paper focused on the background noise generated by medical imaging optical fiber during endoscopic imaging, especially fuorescence molecular imaging and Raman spectroscopy. The paper proposed an analysis method that could conduct spectrum measurement of the background noise produced by medical imaging optical fber. The results indicated that the background noise generated by medical imaging optical fber was linearly correlated with the length of optic fbers and laser power. The results provide benefcial reference for improvement of quality control of medical optical fber. The research can also guide enterprises in their effort of improving the quality of medical optical fber, and thus serve as a reference for the development of medical endoscopy.

medical endoscopy; molecular imaging; optical fber; background noise; quality control

TN818；TH773

С

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.009

1674-1633(2016)05-0040-03

2016-04-05

任海萍，中國食品藥品檢定研究院光機(jī)電室主任，主任技師。主要研究方向：醫(yī)療器械質(zhì)量控制，生物醫(yī)學(xué)工程。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn