熒光內(nèi)鏡G/R比值濾光片的研制

曹 軼 楊振華 郝天宇 田 丹 關(guān) 旭

（沈陽沈大內(nèi)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(fā)光時產(chǎn)生了能級躍遷后自然發(fā)射的光，也被用于區(qū)分源自人工添加的熒光標記（熒光團）。醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn)，人體組織內(nèi)含有特定的熒光基團，經(jīng)一定波長的光線照射后該熒光基團可發(fā)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(jié)構(gòu)存在差異，因此二者所含的熒光基團不同，導致激發(fā)出的熒光呈現(xiàn)不同顏色。熒光內(nèi)鏡是一種應(yīng)用固有熒光光譜技術(shù)進入腔內(nèi)診斷的新型診斷設(shè)備，其可根據(jù)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(shù)，設(shè)計了可在一片濾光片上實現(xiàn)雙通道（紅/綠）接收特定發(fā)射熒光光譜的濾光膜，用以隔離激發(fā)光和熒光鄰域干擾光譜，接收生物組織產(chǎn)生的紅色和綠色熒光峰。該文采用電子束蒸發(fā)方式制備濾光膜，簡化了光學結(jié)構(gòu)，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(qū)分正常和病變組織的性質(zhì)。

1 熒光內(nèi)鏡工作原理

熒光內(nèi)鏡是在普通白光內(nèi)窺鏡的基礎(chǔ)上增加紫色激發(fā)光，兩路光纖傳導，并利用細胞自發(fā)性熒光和電腦圖像分析技術(shù)開發(fā)的一種新型內(nèi)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(nèi)鏡還能同時實現(xiàn)表層以下組織的熒光顯影，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。組織細胞在受到特定波長的光線照射時會產(chǎn)生自體熒光，發(fā)生病變的組織發(fā)出的自體熒光與正常組織不同，因此可根據(jù)正常和異常黏膜組織熒光的不同而發(fā)現(xiàn)黏膜病變。進行熒光內(nèi)鏡檢查時，可使用熒光比值成像技術(shù)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(yīng)各點的熒光強度比值，并將其轉(zhuǎn)換為以相應(yīng)顏色顯示的自體熒光圖像信息，正常組織會產(chǎn)生極弱的紅色熒光和很強的綠色熒光。

2 濾光片設(shè)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(yōu)良以及自發(fā)熒光弱等特性，因此基片選用石英玻璃?？紤]到雙帶通濾光片的膜系層數(shù)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(wěn)定的折射率和化學性質(zhì)，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(yīng)力匹配極為優(yōu)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(fā)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(fā)溫度為1600℃，λ=0.55μm，T=250℃時，n=1.45。

圖1 熒光內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 膜系設(shè)計

雙帶通濾光膜可在特定波長范圍內(nèi)，使光學元件表面通過介質(zhì)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(chǎn)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(yīng)用要求為通帶內(nèi)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(shè)計是以Fabry-Perot模型為基礎(chǔ)，通過調(diào)整間隔層系數(shù)、耦合層系數(shù)和反射層（HL）數(shù)目，模擬通帶帶寬、通帶數(shù)量和通帶間距，在中心波長和臨近波段顯現(xiàn)兩個或兩個以上透射峰，再經(jīng)過合理、對稱地搭配高、低折射率材料，調(diào)整等效折射率，便可在兩個中心波長處顯現(xiàn)兩個透射帶。該設(shè)計借鑒了Smith雙帶通膜系算法和多通帶循環(huán)嵌套膜系。模擬了（HLHLHL aH LHLHLH bL′）^n和（HLHLHL cHdLeH LHLHLH L′）^n兩種膜系結(jié)構(gòu)，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(yīng)系數(shù)。

光譜設(shè)計參數(shù)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(shè)計軟件對兩種結(jié)構(gòu)膜系進行了系數(shù)試算模擬匹配中心波長和帶寬，確定基礎(chǔ)膜系為（HLHL2HLHLH 1.5L′）^9。運用軟件Needle和Optimac優(yōu)化算法交替計算，設(shè)置單層最大厚度合并薄層。優(yōu)化帶寬和通帶波紋后，主膜系層數(shù)為94層，對光譜透過率曲線和截止背景的設(shè)計如圖2和圖3所示。

該文結(jié)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(yīng)用Macleod膜系軟件優(yōu)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(shè)計光譜參數(shù)：紅/綠雙通道濾光片帶內(nèi)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(shè)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(huán)形坩堝，由XTC3膜厚晶控儀和背反射光控系統(tǒng)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(jié)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(shù)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(chǎn)品設(shè)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(yīng)用膜系軟件Reverse Engineer工程反演模塊，導入試驗光譜和設(shè)計光譜，算得各層厚度誤差百分比。②分析系統(tǒng)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(shù)。根據(jù)鍍制文件各層速率控制精度變化值，提前在程序設(shè)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(huán)（熔融成型）減少隨機誤差。石英環(huán)比顆粒材料（SiO）能更有效地改善蒸發(fā)均勻性、一致性和成膜表面節(jié)瘤缺陷。高折射率材料24穴坩鍋在蒸發(fā)時需要重復使用兩遍，下料要深，并分兩次加料預(yù)熔，第一遍加料預(yù)熔放在另一機臺，兩套坩堝交替使用。

表1 鍍膜工藝參數(shù)

3 測試結(jié)果

3.1 光譜測試結(jié)果

濾光片樣片在經(jīng)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(nèi)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(jié)果可以滿足熒光內(nèi)鏡成像要求。

3.2 環(huán)境試驗和機械強度測試

按照濾光片環(huán)境適應(yīng)性和醫(yī)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(xiàn)脫膜現(xiàn)象。2）濕度測試：在室溫下，該鍍膜件經(jīng)弱堿水浸泡24 h，未出現(xiàn)脫膜、裂紋等現(xiàn)象。3）牢固度測試：將3M膠帶在膜層表面粘牢，從邊緣朝內(nèi)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(jié)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(jié)論

該文根據(jù)熒光內(nèi)鏡成像G/R比值算法和光路系統(tǒng)需求，設(shè)計了雙帶通濾光膜系。該雙通道產(chǎn)品簡化了光路結(jié)構(gòu)，和以往的兩片單通道產(chǎn)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(shù)據(jù)比對，檢測速度提升一倍以上。且在檢測穩(wěn)定性和一致性上，雙通道產(chǎn)品也比單通道產(chǎn)品更有優(yōu)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(shù)和膜層誤差，使該雙通道產(chǎn)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(diào)節(jié)焦距（在寬光譜范圍內(nèi)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(guī)的檢測方法高4～5倍，可大幅度提高熒光內(nèi)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(chǎn)設(shè)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。