醫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 光機電室，北京 100050

醫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 光機電室，北京 100050

本文針對醫用光纖在內窺成像，特別是熒光分子成像和拉曼光譜成像過程中產生的背景噪聲問題進行了研究，提出了一種醫用光纖背景噪聲的光譜測量分析方法。結果表明，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系。該研究結果對完善醫用光纖的質量控制，引導生產企業提高醫用光纖的質量，促進醫用內窺鏡技術的發展提供了有用的參考。

醫用內窺鏡；分子影像；醫用光纖；背景噪聲；質量控制

以醫用光纖為主要原料的醫用內窺鏡在呼吸道、消化道、泌尿系統、生殖系統等部位的醫學檢查以及各種微創內窺手術中發揮著重要的作用[1]，其質量控制一直是我國醫療器械監管的重要環節[2]。傳統的內窺鏡依靠冷光源照明采集人體內部結構的圖像/視頻，成像的質量取決于冷光源自身的質量[3]、內窺鏡的視場角、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生的噪聲與收集到的冷光源信號相比可以忽略不計。國內目前對醫用成像光纖（以下簡稱“成像光纖”）并沒有專門的國家或行業標準。醫用光纖領域目前僅有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，其主要參數包括適用的波長范圍、最小傳輸效率、抗拉強度、最小彎曲工作半徑等。

隨著光學分子影像技術的發展，醫用內窺鏡的熱點發展方向是通過光纖探頭采集熒光[6-7]、拉曼[8]等信號進而獲得分子活動的信息，從而大幅提高診斷的準確性和特異性，并提供更精確的手術導航[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律，本文提出了一套測試系統和測試方法，考察了影響光纖背景噪聲的因素，重點研究了醫學成像領域新興的雙包層光纖的背景噪聲特征，以期對完善醫用光纖的質量控制和促進分子內窺成像技術發展提供有用的參考。

1 醫用光纖背景噪聲測試試驗

1.1 試驗平臺

醫用光纖背景噪聲測試平臺主要由光源、濾光片、分色鏡、透鏡、三軸精密微調移動平臺、光譜儀、電荷耦合元件（ССD）和電腦組成。測試平臺設計圖，見圖1。在本次實驗中，633 nm He-Ne激光（Thorlabs Inc.，USA）提供激發光。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。激發光經分色鏡（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，數值孔徑0.25）。三軸精密微調移動平臺（Thorlabs Inc.，USA）用于調整被測光纖位置（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（數值孔徑0.25）。ССD記錄光纖背景噪聲光譜并傳輸到電腦。圖1中的黃色光束示意激發光，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計圖

1.2 試驗材料

本次試驗涉及了具有代表性的3類醫用光纖：單模光纖（纖芯直徑10 μm，數值孔徑＜0.12，主要用于光學相干斷層掃描OСT成像）、多模光纖（纖芯直徑100 μm，數值孔徑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（單模內芯直徑9 μm，數值孔徑＜0.12，多模外芯直徑100 μm，數值孔徑＞0.46，主要用于光學雙模態融合內窺成像，例如OСT與熒光的結合）。

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，在柱坐標系下由通用公式(1)表述：

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

為了觀察公式2的假設是否成立，本文進行了兩種測試。

測試1：光纖背景噪聲與光纖長度的相關性

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系。實驗對象是單模光纖、多模光纖和雙包層光纖的單模內芯，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光功率的相關性

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，分別對單模內芯和多模外芯進行了測量。穿過光纖的激發光功率選取不同的數值，具體設定見表1。功率設定主要面向國內標準GB7247.1-2012/國際標準IEС60825-1：2007中規定的Сlass IIIb激光對應的范圍，符合實際應用場合。

表1 雙包層光纖激發光功率設定

除此之外，本文還對不同廠家生產的雙包層光纖背景噪聲進行了比較。實驗對象是目前國際市場上已經商業化的幾種雙包層光纖。這些光纖具有相似的尺寸和數值孔徑，理論上均可以用于多模態光學成像，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去套層10 mm，由光纖切割機切出光滑的斷面。光纖近端固定在三維精密微調移動平臺上，調節優化入射光的耦合。遠端固定在空氣中，出射光斑投射在光功率計上，當傳輸效率達到最大時開始測量（每次試驗均不低于80%）。ССD曝光時間統一設置為0.1 s，光纖出射激光功率根據各個實驗的具體要求而設置。每次試驗之前均記錄環境背景噪聲光譜，在數據處理時作為偏置被減去，得到的光纖光譜除以對應的傳輸效率作為校正。

2 實驗結果

2.1 實驗系統的驗證

為確認采集到的光纖光譜來自光纖本身，對雙包層光纖內芯光譜與石英玻璃的拉曼光譜進行了形狀比對。兩個光譜各自除以最大值，得到的歸一化結果，見圖2。紅色實心曲線為雙包層光纖內芯光譜，藍色虛線為石英玻璃光譜?？梢钥闯?，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。雙包層光纖內芯光譜的形狀表明，除了石英玻璃自身之外，還有其他物質產生背景噪聲。

圖2 雙包層光纖內芯產生的背景噪聲光譜

2.2 背景噪聲與光纖長度的關系

不同長度的雙包層內芯光纖產生的背景噪聲光譜在640～760 nm的范圍內進行了積分，積分值與長度值之間進行了線性擬合，得到的結果，見圖3。測量值用藍色圓圈表示，線性擬合值用紅色直線表示。可以看出，兩條曲線非常接近，線性相關系數R2為0.9901。單模光纖和多模光纖進行了同樣的實驗，線性相關系數R2分別為0.9785和0.9897。這些結果說明了光纖背景噪聲與長度之間存在良好的線性關系。本實驗結果驗證了公式(2)的假設，也進一步說明了本測試平臺的準確性，為下一步實驗奠定了基礎。

圖3 雙包層光纖內芯背景噪聲與長度的線性關系

2.3 背景噪聲與入射激光功率的關系

分別對雙包層光纖的內芯和外芯產生的背景噪聲與傳輸功率的關系進行線性擬合，結果見圖4。紅色方塊為內芯產生的背景噪聲積分，紅色直線為線性擬合線；黑色三角為外芯產生的背景噪聲積分，黑色直線為線性擬合線，積分區間依然為640～760 nm，光纖長度為2 m。內芯和外芯背景噪聲與功率的線性相關系數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，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。

圖4 雙包層光纖內芯背景噪聲與傳輸功率的線性關系

2.4 不同產品的比對

為直觀地觀察光譜成分的區別，本實驗將不同廠家的雙包層光纖背景噪聲先經過歸一化之后再進行了比對，結果見圖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，這意味著在實際應用中，這些光纖的信噪比將差別很大，盡管其光學結構和參數非常接近。因此對于微弱信號光學檢測和分子影像內窺鏡來說，篩選低背景噪聲的光纖將關系到成像的成敗。

圖5 不同廠家雙包層光纖背景噪聲光譜比對

3 討論

醫用光纖一般意義上來說來自通信等工業領域所采用的工業光纖，其生產方式和配方設計優先滿足通訊的要求，如波長、帶寬、數值孔徑、機械強度、壽命等，這也決定了傳統的醫用光纖質控的指標設置比較簡單。隨著近年來光學分子影像技術和內窺鏡技術的發展，醫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用雙包層光纖在背景噪聲方面差別很大。從光纖生產研發的角度看，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。廠家在生產過程中有必要針對降低背景噪聲的需求而進行監測和審視，以發現原材料供應、生產工藝、配方等的具體影響。本文所提出的測量系統可以輔助上述實驗的進行。

4 結論

本文提出了一種測量醫用成像光纖背景噪聲的平臺，并驗證了光譜測量的準確性。實驗結果表明，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系。對于固定長度和配置的內窺鏡而言，其背景噪聲的水平主要取決于生產廠家。不同廠家生產的光纖背景噪聲差別較大，反映了生產工藝和配方的區別，對于熒光、拉曼等分子影像測量將產生重要的影響。光纖背景噪聲值得作為醫用光纖新的質控指標加以重視。下一步，有必要對產生光纖背景噪聲的原因進行分析，從而指導生產企業提升光纖質量，為光學分子內窺成像的發展提供資源。

[1] 陳慶.醫用內窺鏡關鍵技術的研究[J].中國醫療設備,2015,30(4): 68-70,60.

[2] 吳迎娟.醫用內窺鏡安全有效性要點探討[J].中國醫療器械雜志,2003,27(3):209-212.

[3] 邵玉波,苑富強,劉艷珍,等.醫用內窺鏡冷光源質量控制研究[J].中國醫療器械雜志,2014,(5):378-380.

[4] 國家食品藥品監督管理局.GB 11244-2005 醫用內窺鏡及附件通用要求[S].2005.

[5] 國家食品藥品監督管理局.YY/T 0758-2009 治療用激光光纖通用要求[S].2009.

[6] Wang H,Gardecki JA,Ughi GJ,et al.Ex vivo catheter-based imaging of coronary atherosclerosis using multimodality OСT and NIRAF excited at 633 nm[J].Biomed Opt Express,2015, 6(4):1363-1375.

[7] Yoo H,Kim JW,Shishkov M,et al.Intra-arterial catheter for simultaneous microstructural and molecular imaging in vivo[J].Nat Med,2011,17(12):1680-1684.

[8] Сhau AH,Motz JT,Gardecki JA,et al.Fingerprint and highwavenumber Raman spectroscopy in a human-swine coronary xenograft in vivo[J].J Biomed Opt,2008,13(4):040501.

[9] 田捷.多模態光學分子影像研究進展[A].中國體視學與圖像分析學術會議[С].2013.

[10] 遲崇巍,葉津佐,王坤,等.術中精準醫學診療方法--光學分子影像手術導航技術[J].生物產業技術,2014,(5):7-11.

[11] Motz JT,Hunter M,Galindo LH,et al.Optical fiber probe for biomedical Raman spectroscopy[J].Appl Opt,2004,43(3):542-554.

[12] de Lima СJ,Sathaiah S,Silveira L,et al.Development of catheters with low fiber background signals for Raman spectroscopic diagnosis applications[J].Artif Organs,2000,24(3):231-234.

[13] Santos LF,Wolthuis R,Koljenovi? S,et al.Fiber-optic probes for in vivo Raman spectroscopy in the high-wavenumber region[J].Anal Chem,2005,77(20):6747-6752.

[14] Li T.Optical fiber communications: Fiber fabrication[M]. Academic Press,1985.

[15] Utzinger U,Richards-Kortum RR.Fiber optic probes for biomedical optical spectroscopy[J].J Biomed Opt,2003,8(1):121-147.

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電室主任，主任技師。主要研究方向：醫療器械質量控制，生物醫學工程。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn