近日，中國(guó)科學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型生物醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡，它可以同時(shí)獲得三維可見(jiàn)光和近紅外熒光圖像。它的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合了人類視覺(jué)的高分辨率三維成像和螳螂蝦同時(shí)探測(cè)多波長(zhǎng)光的能力。

具有三維成像能力的內(nèi)窺鏡可以幫助外科醫(yī)生精確定位病變組織。增加熒光成像可以使癌變組織更容易切除，或突出解剖中需要避免的關(guān)鍵部位。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的石晨英和他的同事描述并演示了這種新型的多模內(nèi)窺鏡。雖然這是一個(gè)早期的示范，新的內(nèi)窺鏡是設(shè)計(jì)直接取代現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡，而不需要臨床醫(yī)生學(xué)習(xí)如何使用新的儀器。

“現(xiàn)有的熒光3D內(nèi)窺鏡要求外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中轉(zhuǎn)換工作模式，以看到熒光圖像，”施說(shuō)。因?yàn)槲覀兊娜S內(nèi)窺鏡可以同時(shí)獲取可見(jiàn)和熒光的3D圖像，它不僅提供了更多的視覺(jué)信息，而且大大縮短了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

輔助機(jī)器人手術(shù)

盡管它可以用于任何內(nèi)窺鏡手術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)了用于機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的新型多模內(nèi)窺鏡。這些系統(tǒng)有助于提高微創(chuàng)手術(shù)的精度和準(zhǔn)確性，并能幫助外科醫(yī)生在身體狹窄的區(qū)域執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。對(duì)于機(jī)器人手術(shù)，新內(nèi)窺鏡提供的增強(qiáng)視覺(jué)信息可以幫助外科醫(yī)生區(qū)分出外科領(lǐng)域中不同類型的組織。

“盡管今天的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)要求外科醫(yī)生靠近，但基于這種多模3D內(nèi)窺鏡的機(jī)器人手術(shù)有一天可能會(huì)讓外科醫(yī)生在遙遠(yuǎn)的地方遠(yuǎn)程執(zhí)行手術(shù)，”施說(shuō)。“這將有助于解決醫(yī)療資源分配不均的問(wèn)題，使生活在醫(yī)療條件相對(duì)較差地區(qū)的人們受益。”

新的多模態(tài)內(nèi)窺鏡利用兩種光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高分辨率的三維成像，形成了與人眼相似的雙目設(shè)計(jì)。然而，在這種情況下，光學(xué)設(shè)計(jì)既可以容納像人眼這樣的可見(jiàn)光，也可以容納熒光成像所需的近紅外波長(zhǎng)。這種光是由螳螂蝦的復(fù)眼激發(fā)的傳感器檢測(cè)出來(lái)的，它不僅能探測(cè)多光譜信息，而且還能識(shí)別偏振光。該傳感器通過(guò)使用具有不同光譜和偏振響應(yīng)的像素來(lái)檢測(cè)電磁頻譜的多個(gè)部分。

為了獲得高質(zhì)量的三維圖像，雙目光學(xué)系統(tǒng)必須有兩個(gè)參數(shù)完全相同的光學(xué)系統(tǒng)。他說(shuō)：“這對(duì)光學(xué)元件的加工精度提出了嚴(yán)格的要求。”“我們利用精密光學(xué)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一精度，并將其與基于芯片的光譜學(xué)技術(shù)相結(jié)合，使這種多模態(tài)三維內(nèi)窺鏡成為可能。”

結(jié)合可見(jiàn)光和熒光圖像

為了測(cè)試新的內(nèi)窺鏡，研究人員分析了它的分辨率、熒光成像能力以及同時(shí)獲得具有近紅外和可見(jiàn)顏色信息的三維圖像的能力。內(nèi)窺鏡性能良好，在可見(jiàn)光下，分辨率高達(dá)每毫米7條線對(duì)--與今天使用的最佳3D內(nèi)窺鏡相同--以及近紅外照明下每毫米4條線對(duì)。

然后，他們使用內(nèi)窺鏡獲取三種濃度的吲哚青綠的可見(jiàn)顏色和近紅外熒光圖像。這一近紅外熒光標(biāo)記得到美國(guó)食品藥品管理局的批準(zhǔn)，用于標(biāo)記腫瘤組織.雖然人眼無(wú)法分辨這三種樣品，但用多模態(tài)三維內(nèi)窺鏡可以清晰地分辨出這三種樣品。研究人員還測(cè)試了內(nèi)窺鏡的三維成像性能，用它來(lái)拍攝一個(gè)具有許多縱橫交錯(cuò)部分的玩具。內(nèi)窺鏡能夠產(chǎn)生3D圖像，即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察，也不會(huì)導(dǎo)致眼睛疲勞。

研究人員計(jì)劃使用三維內(nèi)窺鏡進(jìn)行額外的生物和臨床成像。他們還計(jì)劃納入更多的波長(zhǎng)和感知偏振的能力，以提供更多的視覺(jué)信息。

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