熒光內鏡G/R比值濾光片的研制

曹 軼 楊振華 郝天宇 田 丹 關 旭

（沈陽沈大內窺鏡有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

自體熒光是生物組織在吸收特定激發光時產生了能級躍遷后自然發射的光，也被用于區分源自人工添加的熒光標記（熒光團）。醫學研究發現，人體組織內含有特定的熒光基團，經一定波長的光線照射后該熒光基團可發射出色彩鮮艷的熒光。由于病變組織和正常組織的生物化學結構存在差異，因此二者所含的熒光基團不同，導致激發出的熒光呈現不同顏色。熒光內鏡是一種應用固有熒光光譜技術進入腔內診斷的新型診斷設備，其可根據人體組織自體熒光光譜特征自動識別、診斷并立即提示被測組織是否為正常組織，可鑒別被測組織的良惡性病變，提高早期癌和異型增生的診斷率。該文通過光學薄膜技術，設計了可在一片濾光片上實現雙通道（紅/綠）接收特定發射熒光光譜的濾光膜，用以隔離激發光和熒光鄰域干擾光譜，接收生物組織產生的紅色和綠色熒光峰。該文采用電子束蒸發方式制備濾光膜，簡化了光學結構，可同時采集紅/綠信號比值，且兩種信號隔離度高，通過兩組熒光信號強弱對比可區分正常和病變組織的性質。

1 熒光內鏡工作原理

熒光內鏡是在普通白光內窺鏡的基礎上增加紫色激發光，兩路光纖傳導，并利用細胞自發性熒光和電腦圖像分析技術開發的一種新型內鏡，其工作光譜為400nm～900nm。除了能提供人體組織表層的圖像外，熒光內鏡還能同時實現表層以下組織的熒光顯影，其結構如圖1所示。組織細胞在受到特定波長的光線照射時會產生自體熒光，發生病變的組織發出的自體熒光與正常組織不同，因此可根據正常和異常黏膜組織熒光的不同而發現黏膜病變。進行熒光內鏡檢查時，可使用熒光比值成像技術采集熒光，基于雙通道濾光片的對比度特性，由影像傳感器同時捕捉綠色（530nm～570nm）和紅色（610nm～660nm）熒光圖像，計算兩個圖像對應各點的熒光強度比值，并將其轉換為以相應顏色顯示的自體熒光圖像信息，正常組織會產生極弱的紅色熒光和很強的綠色熒光。

2 濾光片設計

2.1 基片和膜料選擇

由于石英玻璃具有耐溫性高、光學透射比優良以及自發熒光弱等特性，因此基片選用石英玻璃。考慮到雙帶通濾光片的膜系層數較多，所以選用了折射率較高的五氧化二鉭（TaO）作為高折射率材料，該材料具有穩定的折射率和化學性質，以及較好的機械牢固度。低折射率材料選用與高折射率材料應力匹配極為優良的二氧化硅（SiO）材料。其中TaO材料特性：密度為8.7g/cm，熔點為1800℃，在真空下蒸發溫度為2100℃，λ=0.55μm，基板溫度T=250℃時，折射率n=2.16。二氧化硅材料特性：密度為2.1g/cm，熔點為1700℃，在真空下蒸發溫度為1600℃，λ=0.55μm，T=250℃時，n=1.45。

圖1 熒光內鏡結構示意圖

2.2 膜系設計

雙帶通濾光膜可在特定波長范圍內，使光學元件表面通過介質膜層透過兩組特定通帶能量，同時抑制其余波段輸出。帶有雙帶通濾光膜產品的基片兩面共有兩種不同的膜系，一面是由多個諧振腔組成的雙通道帶通膜系，另一面是寬帶截止膜系。其儀器應用要求為通帶內具有高透射性，兩個通帶信號隔離度高（交叉背景OD6以上），400nm～1000nm通帶外鄰域截止背景＞OD5。

雙帶通或多帶通膜系設計是以Fabry-Perot模型為基礎，通過調整間隔層系數、耦合層系數和反射層（HL）數目，模擬通帶帶寬、通帶數量和通帶間距，在中心波長和臨近波段顯現兩個或兩個以上透射峰，再經過合理、對稱地搭配高、低折射率材料，調整等效折射率，便可在兩個中心波長處顯現兩個透射帶。該設計借鑒了Smith雙帶通膜系算法和多通帶循環嵌套膜系。模擬了（HLHLHL aH LHLHLH bL′）^n和（HLHLHL cHdLeH LHLHLH L′）^n兩種膜系結構，其中H為高折射率材料，L為低折射率材料，a、b、c、d、e和n代表對應系數。

光譜設計參數要求為通帶1中心波長550nm，通帶范圍540nm～565nm；通帶2中心波長630nm，通帶范圍620nm～650nm。通帶平均透過率＞92%，兩通帶間隔50nm，交叉背景＞OD6。通過設計軟件對兩種結構膜系進行了系數試算模擬匹配中心波長和帶寬，確定基礎膜系為（HLHL2HLHLH 1.5L′）^9。運用軟件Needle和Optimac優化算法交替計算，設置單層最大厚度合并薄層。優化帶寬和通帶波紋后，主膜系層數為94層，對光譜透過率曲線和截止背景的設計如圖2和圖3所示。

該文結合主膜通帶外截止范圍（圖3），采用長波通（0.5HL0.5H）+短波通（0.5LH0.5L）濾光膜系疊加組合（H、L分別為高、低折射率材料），截止400nm～1000nm通帶外鄰域波長，并應用Macleod膜系軟件優化透射帶（530nm～670nm）波紋，計算后如圖4所示，寬帶截止膜共85層。

在基片正反面分別疊加雙通道主膜系和寬帶截止膜，得到理論設計光譜參數：紅/綠雙通道濾光片帶內平均透射率＞97%、兩通道交叉截止背景＞OD6、光譜（400nm～1000nm）通帶外截止背景＞OD5，如圖5所示。

2.3 鍍制工藝

該文采用的鍍制設備為光池OTFC1300真空鍍膜機，并配置JEOL雙電子槍和RF射頻離子源，24穴坩堝和環形坩堝，由XTC3膜厚晶控儀和背反射光控系統精確控制沉積速率和膜層厚度。離子輔助的作用是在鍍前清潔基片表面，提高膜基結合力；在鍍制過程中增加沉積原子的動能，提升致密度。工藝參數見表1。

圖2 雙通主膜透過率

圖3 雙通主膜截止率

圖4 寬帶截止輔助膜透過率

圖5 雙面產品設計透過率

該試驗主要解決對雙帶通主膜非周期膜厚的控制，解決步驟如下：①應用膜系軟件Reverse Engineer工程反演模塊，導入試驗光譜和設計光譜，算得各層厚度誤差百分比。②分析系統誤差，得出誤差從前到后的遞增步進值，將整個膜系分成前后三部分以相似誤差值修正光控Tooling（工具因子）系數。根據鍍制文件各層速率控制精度變化值，提前在程序設定換晶振片序號。③由于膜層較厚，低折射率材料需要使用三遍，利用石英環（熔融成型）減少隨機誤差。石英環比顆粒材料（SiO）能更有效地改善蒸發均勻性、一致性和成膜表面節瘤缺陷。高折射率材料24穴坩鍋在蒸發時需要重復使用兩遍，下料要深，并分兩次加料預熔，第一遍加料預熔放在另一機臺，兩套坩堝交替使用。

表1 鍍膜工藝參數

3 測試結果

3.1 光譜測試結果

濾光片樣片在經過安捷倫-Cary7000光譜儀測試后得到的透過率和截止背景光譜曲線如圖6和圖7所示：紅（620nm～650nm）/綠（540nm～565nm）雙通道濾光片帶內平均透射率＞93%、兩通道交叉截止背景＞OD6、光譜（400nm～1000nm）通帶外截止背景＞OD5。測試結果可以滿足熒光內鏡成像要求。

3.2 環境試驗和機械強度測試

按照濾光片環境適應性和醫用光學元件檢測國標要求，進行了以下三項檢測。1）高、低溫測試：將將鍍膜件樣品放入高、低溫箱中，鍍膜件在-60℃和70℃的溫度中各保持2h，再放置到23℃室溫下，膜層未出現脫膜現象。2）濕度測試：在室溫下，該鍍膜件經弱堿水浸泡24 h，未出現脫膜、裂紋等現象。3）牢固度測試：將3M膠帶在膜層表面粘牢，從邊緣朝內以垂直方向迅速將膠帶拉起，膜層無脫落、裂紋等損傷。

圖6 透過率測試曲線

圖7 光密度測試曲線

檢測結果：上述測試完成后，光譜曲線漂移量小于1nm，可知膜層牢固度能滿足使用要求。

4 結論

該文根據熒光內鏡成像G/R比值算法和光路系統需求，設計了雙帶通濾光膜系。該雙通道產品簡化了光路結構，和以往的兩片單通道產品切換使用相比，其可在一片濾光片上透過兩個特定波段的光，因此可同時采集熒光能量進行數據比對，檢測速度提升一倍以上。且在檢測穩定性和一致性上，雙通道產品也比單通道產品更有優勢。該文還利用膜系軟件Reverse Engineer反向工程模塊修正了光控Tooling工具因子系數和膜層誤差，使該雙通道產品具有高透過率和高對比度，從白光圖切換到熒光圖時不需調節焦距（在寬光譜范圍內矯正相差），對被測組織的檢測靈敏度高、特異性強，檢出率比常規的檢測方法高4～5倍，可大幅度提高熒光內鏡對早期癌的檢測率。而對于批量加工的工藝重復性、透過率的提升和生產設備傘具上的里、外圈時的帶寬一致性問題還需要進一步研究。