Article Info

[摘要]本文针对医用光纤在内窥成像，特别是荧光分子成像和拉曼光谱成像过程中产生的背景噪声问题进行了研究，提出了一种医用光纤背景噪声的光谱测量分析方法。结果表明，成像光纤背景噪声与光纤长度、激光功率均具有良好的线性关系。该研究结果对完善医用光纤的质量控制，引导生产企业提高医用光纤的质量，促进医用内窥镜技术的发展提供了有用的参考。

[关键词]医用内窥镜；分子影像；医用光纤；背景噪声；质量控制

以医用光纤为主要原料的医用内窥镜在呼吸道、消化道、泌尿系统、生殖系统等部位的医学检查以及各种微创内窥手术中发挥着重要的作用[1]，其质量控制一直是我国医疗器械监管的重要环节[2]。传统的内窥镜依靠冷光源照明采集人体内部结构的图像/视频，成像的质量取决于冷光源自身的质量[3]、内窥镜的视场角、分辨率和光纤的传输效率等因素[4]，光纤自身受冷光源照射产生的噪声与收集到的冷光源信号相比可以忽略不计。国内目前对医用成像光纤（以下简称“成像光纤”）并没有专门的国家或行业标准。医用光纤领域目前仅有YY/T 0758-2009《治疗用激光光纤通用要求》[5]可供参考，该要求主要针对激光治疗用光纤，其主要参数包括适用的波长范围、最小传输效率、抗拉强度、最小弯曲工作半径等。

随着光学分子影像技术的发展，医用内窥镜的热点发展方向是通过光纤探头采集荧光[6-7]、拉曼[8]等信号进而获得分子活动的信息，从而大幅提高诊断的准确性和特异性，并提供更精确的手术导航[9-10]。由于这几类信号的量子效率较低，入射激光功率受限于光生物安全的要求，采集到的有用信号相对微弱，而成像光纤的背景噪声（拉曼[11-12]、荧光[13]、磷光[14]）能干扰甚至湮没有用信号[15]。

为了研究成像光纤背景噪声的特性和规律，本文提出了一套测试系统和测试方法，考察了影响光纤背景噪声的因素，重点研究了医学成像领域新兴的双包层光纤的背景噪声特征，以期对完善医用光纤的质量控制和促进分子内窥成像技术发展提供有用的参考。

1 医用光纤背景噪声测试试验

医用光纤背景噪声测试平台主要由光源、滤光片、分色镜、透镜、三轴精密微调移动平台、光谱仪、电荷耦合元件（ССD）和电脑组成。测试平台设计图，见图1。在本次实验中，633 nm He-Ne激光（Thorlabs Inc.，USA）提供激发光。滤光片1（带通滤光，中心波长633 nm，带宽10 nm，Semrock Inc.，USA）用于过滤光源自身的荧光噪声。激发光经分色镜（高通滤光，截止波长635 nm，Semrock Inc.，USA）反射后被透镜聚焦到被测光纤中心（光斑直径＜ 6 μm，数值孔径0.25）。三轴精密微调移动平台（Thorlabs Inc.，USA）用于调整被测光纤位置（手动或自动）。背景噪声信号反向传播透过分色镜和滤光片2（高通滤光，截止波长641 nm，Semrock Inc.，USA）之后由透镜聚焦到光谱仪（数值孔径0.25）。ССD记录光纤背景噪声光谱并传输到电脑。图1中的黄色光束示意激发光，红色光束示意光纤背景噪声信号。

图1 光纤背景噪声测试平台设计图

本次试验涉及了具有代表性的3类医用光纤：单模光纤（纤芯直径10 μm，数值孔径＜0.12，主要用于光学相干断层扫描OСT成像）、多模光纤（纤芯直径100 μm，数值孔径0.22±0.02，主要用于拉曼光谱测量和成像，也适用于荧光分子成像）、双包层光纤（单模内芯直径9 μm，数值孔径＜0.12，多模外芯直径100 μm，数值孔径＞0.46，主要用于光学双模态融合内窥成像，例如OСT与荧光的结合）。

理论上，光纤背景噪声取决于很多因素，例如光纤长度、激光功率、光纤材料等，在柱坐标系下由通用公式(1)表述：

其中，z轴对应光纤的中心轴；Bdet是探测器接收的总背景噪声信号；V是光纤导光部分的总体积；c(r,φ，z)是反映系统探测效率的函数，与探测器的数值孔径、光纤的数值孔径、背景噪声光子传播路径、光纤近端到探测器的距离等有关；p(r,φ，z)是光纤中激发光的功率密度；q(z)是反映光纤不同位置产生光纤背景噪声的量子效率的函数。成像光纤作为被动光纤，可近似认为材料均匀。由于光在玻璃光纤中的衰减一般低于10 dB/km[14]，对于医用内窥镜的长度而言可认为光纤内部的衰减可忽略不计。在光纤位置与检测系统相对固定且无形变、无弯曲损耗的前提下，c(r,φ，z)、p(r,φ，z)、q(z)均为常数，分别记为С、P、Q。若光纤总长度为L，那么由公式(1)可以推测出线性关系：

本实验用于考察光纤背景噪声与光纤长度之间是否存在线性关系。实验对象是单模光纤、多模光纤和双包层光纤的单模内芯，长度分别为1、2、3 m。为保持其他实验条件的一致性，出射光的功率保持为4 mW。

本实验用于考察光纤中的掺杂物在不同激光功率照射下产生背景噪声的量子效率变化，以确定光纤背景噪声是否存在饱和阈值。实验对象是双包层光纤，长度为2 m，分别对单模内芯和多模外芯进行了测量。穿过光纤的激发光功率选取不同的数值，具体设定见表1。功率设定主要面向国内标准GB7247.1-2012/国际标准IEС60825-1：2007中规定的Сlass IIIb激光对应的范围，符合实际应用场合。

表1 双包层光纤激发光功率设定

除此之外，本文还对不同厂家生产的双包层光纤背景噪声进行了比较。实验对象是目前国际市场上已经商业化的几种双包层光纤。这些光纤具有相似的尺寸和数值孔径，理论上均可以用于多模态光学成像，但其材料和工艺各不相同，对于背景噪声幅度的影响值得探索。

被测光纤的两端分别剥去套层10 mm，由光纤切割机切出光滑的断面。光纤近端固定在三维精密微调移动平台上，调节优化入射光的耦合。远端固定在空气中，出射光斑投射在光功率计上，当传输效率达到最大时开始测量（每次试验均不低于80%）。ССD曝光时间统一设置为0.1 s，光纤出射激光功率根据各个实验的具体要求而设置。每次试验之前均记录环境背景噪声光谱，在数据处理时作为偏置被减去，得到的光纤光谱除以对应的传输效率作为校正。

2 实验结果

为确认采集到的光纤光谱来自光纤本身，对双包层光纤内芯光谱与石英玻璃的拉曼光谱进行了形状比对。两个光谱各自除以最大值，得到的归一化结果，见图2。红色实心曲线为双包层光纤内芯光谱，蓝色虚线为石英玻璃光谱。可以看出，在660～680 nm之间，两个光谱均显示了石英玻璃的拉曼特征峰，验证了信号来自光纤本身。双包层光纤内芯光谱的形状表明，除了石英玻璃自身之外，还有其他物质产生背景噪声。

图2 双包层光纤内芯产生的背景噪声光谱

不同长度的双包层内芯光纤产生的背景噪声光谱在640～760 nm的范围内进行了积分，积分值与长度值之间进行了线性拟合，得到的结果，见图3。测量值用蓝色圆圈表示，线性拟合值用红色直线表示。可以看出，两条曲线非常接近，线性相关系数R2为0.9901。单模光纤和多模光纤进行了同样的实验，线性相关系数R2分别为0.9785和0.9897。这些结果说明了光纤背景噪声与长度之间存在良好的线性关系。本实验结果验证了公式(2)的假设，也进一步说明了本测试平台的准确性，为下一步实验奠定了基础。

图3 双包层光纤内芯背景噪声与长度的线性关系

分别对双包层光纤的内芯和外芯产生的背景噪声与传输功率的关系进行线性拟合，结果见图4。红色方块为内芯产生的背景噪声积分，红色直线为线性拟合线；黑色三角为外芯产生的背景噪声积分，黑色直线为线性拟合线，积分区间依然为640～760 nm，光纤长度为2 m。内芯和外芯背景噪声与功率的线性相关系数R2分别为0.9775和0.9483，显示了良好的线性性。这说明在本实验采用的功率范围内，双包层光纤的背景噪声随激光功率线性变化，验证了公式(2)的假设。

图4 双包层光纤内芯背景噪声与传输功率的线性关系

为直观地观察光谱成分的区别，本实验将不同厂家的双包层光纤背景噪声先经过归一化之后再进行了比对，结果见图5。这些光谱共同显示了石英玻璃的拉曼特征，但同时混杂有不同幅度的其他背景噪声，这意味着在实际应用中，这些光纤的信噪比将差别很大，尽管其光学结构和参数非常接近。因此对于微弱信号光学检测和分子影像内窥镜来说，筛选低背景噪声的光纤将关系到成像的成败。

图5 不同厂家双包层光纤背景噪声光谱比对

3 讨论

医用光纤一般意义上来说来自通信等工业领域所采用的工业光纤，其生产方式和配方设计优先满足通讯的要求，如波长、带宽、数值孔径、机械强度、寿命等，这也决定了传统的医用光纤质控的指标设置比较简单。随着近年来光学分子影像技术和内窥镜技术的发展，医用光纤开始面临弱信号采集的需求，背景噪声问题因而慢慢开始凸显。本文的实验结果表明，光纤背景噪声主要取决于具体厂家。目前市场上的很多医用双包层光纤在背景噪声方面差别很大。从光纤生产研发的角度看，可能的原因包括了掺杂物的配方、包层的清洁度和均匀度、非桥键氧离子空穴中心的形成与抑制、电离辐射等。厂家在生产过程中有必要针对降低背景噪声的需求而进行监测和审视，以发现原材料供应、生产工艺、配方等的具体影响。本文所提出的测量系统可以辅助上述实验的进行。

4 结论

本文提出了一种测量医用成像光纤背景噪声的平台，并验证了光谱测量的准确性。实验结果表明，成像光纤背景噪声与光纤长度、激光功率（10 mW以下）均具有良好的线性关系。对于固定长度和配置的内窥镜而言，其背景噪声的水平主要取决于生产厂家。不同厂家生产的光纤背景噪声差别较大，反映了生产工艺和配方的区别，对于荧光、拉曼等分子影像测量将产生重要的影响。光纤背景噪声值得作为医用光纤新的质控指标加以重视。下一步，有必要对产生光纤背景噪声的原因进行分析，从而指导生产企业提升光纤质量，为光学分子内窥成像的发展提供资源。

[1] 陈庆.医用内窥镜关键技术的研究[J].中国医疗设备,2015,30(4): 68-70,60.

[2] 吴迎娟.医用内窥镜安全有效性要点探讨[J].中国医疗器械杂志,2003,27(3):209-212.

[3] 邵玉波,苑富强,刘艳珍,等.医用内窥镜冷光源质量控制研究[J].中国医疗器械杂志,2014,(5):378-380.

[4] 国家食品药品监督管理局.GB 11244-2005 医用内窥镜及附件通用要求[S].2005.

[5] 国家食品药品监督管理局.YY/T 0758-2009 治疗用激光光纤通用要求[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.多模态光学分子影像研究进展[A].中国体视学与图像分析学术会议[С].2013.

[10] 迟崇巍,叶津佐,王坤,等.术中精准医学诊疗方法--光学分子影像手术导航技术[J].生物产业技术,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.

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

Abstract：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.

Key words：medical endoscopy; molecular imaging; optical fber; background noise; quality control

通讯作者：任海萍，中国食品药品检定研究院光机电室主任，主任技师。主要研究方向：医疗器械质量控制，生物医学工程。

医用成像光纤背景噪声研究

1 医用光纤背景噪声测试试验

2 实验结果

3 讨论

4 结论