塑料光纤如何实现荧光显微内窥成像？

技术背景

光纤凭借其灵活性、小横截面积、能远距离传输光能和光信号的优势，在临床上得到了广泛应用。相干光纤束(CFB)是一种用于成像的光纤类型，由数千根光导纤芯组成。这些纤芯在整个光纤束上保持相对空间位置，每根纤芯作为一个像素来成像。石英相干光纤束可在临床用于身体各种器官的微创荧光光纤束显微内窥镜(FBEμ)检查。如泌尿系统、胃肠系统、呼吸系统的瘤形成鉴定、异型增生、癌症、感染等检查，以及更一般的组织学评估。

相干光纤束用于内窥镜成像可追溯至1950年代，但是，材料价格和复杂制造导致的高昂成本阻碍了它的广泛商业应用。许多相干光纤束采用高度掺杂的石英纤芯，以最大化纤芯和包层的折射率差异和最小化纤芯串扰(因为这对成像性能有不可忽视的影响)。但是这种掺杂成本很高。聚合物相干光纤束(即塑料光纤)是一种低成本的替代物，它有极高的纤芯和折射率差异，更大的直径下还能保持相对的灵活性，且生产的材料和设备成本低。但是聚合物相干光纤束在用蓝光作为泵浦光时，会产生很强的荧光，这直接阻止了其在使用短波长作为激发光时的生物荧光成像。

在荧光光纤显微内窥镜里，样品照明通常采用宽场(WF)和扫描模态。宽场优势在于简单、低成本、高时间分辨率，但是图像对比度被高散射组织的离焦荧光所降低。扫描可以实现光学切片，从而消除不想要的背景，但是其系统复杂，成本高昂，且时间分辨率低。像光片显微镜这种平面选择照明显微镜(SPIM)可以有更高的时间分辨率和高对比度成像，但是想要做成内窥镜形式需要做出相当的改进方可。

文章创新点

基于此，西班牙坎塔布里亚大学的Pablo Roldán-Varona(一作)和英国赫瑞瓦特大学的Helen E. Parker(通讯)等人在商用塑料相干光纤束头端附加一个熔融石英端盖，使得激发光路和成像光路不共用光纤纤芯，既实现了平面选择照明，又实现了塑料光纤接收荧光成像而不产生背景荧光。

原理解析

(1) 激发光和荧光光路分离。使用环形激发光入射外围光纤，并照射在一个附加的反射镜片端盖上，反射镜面具有曲率，将光近似聚焦成一个与光纤光轴垂直的平面，激发的荧光被中心的光纤束接收成像。环形激发光由图1e的角锥透镜Lax实现。塑料光纤束为PMMA CFB(MCL-1500-1.75, Asahi Kasei Co.)。

(2) 图像处理。采集背景图像和原图，首先用原图减去相应的背景图像，随后做一个线性变换实现对比度增强。最后，为了缓解纤芯之间存在间隙的影响，用二维Weierstrass变换(标准差为4的高斯模糊)处理。