光電探測器+像素化光譜濾波器，助力實現(xiàn)仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)

美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）的研究小組開發(fā)了一種仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS），該系統(tǒng)采用的仿生成像傳感器（BIS）的設計靈感來源于螳螂蝦，其在解析兩個近紅外（NIR）探針的同時可捕獲彩色圖像。

仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS）的仿生成像傳感器（BIS）垂直集成感光像素陣列和光譜濾波器，可以捕獲六個不同光譜通道上的光子（來源：UIUC）

基于當前熒光平臺微型化和高靈敏度要求的趨勢，光學診斷探針將在癌癥診斷和光學活檢中發(fā)揮越來越重要的作用。

熒光引導手術（FGS）是癌癥微創(chuàng)手術中的一種，在該手術中，患者被注射一種優(yōu)先結(jié)合腫瘤細胞的熒光探針，外科醫(yī)生在光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)發(fā)出的光照下便能夠輕松地識別出其病變部位。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）的一個研究小組開發(fā)了一種新型仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)（EIS），該系統(tǒng)采用了以螳螂蝦的視覺系統(tǒng)為模型的傳感器，可以同時捕捉彩色圖像并解析兩個近紅外（NIR）探針。

仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的小鼠體內(nèi)驗證

螳螂蝦的眼睛可以檢測線偏振光和圓偏振光，這對成像和數(shù)據(jù)存儲都有一定影響，一段時間以來，該功能一直吸引著光學設計師的目光。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究成果發(fā)表在《生物醫(yī)學光學雜志》（Journal of Biomedical Optics）上，該研究指出熒光引導手術能夠檢測使用多個近紅外熒光探針標記的腫瘤。這將克服目前的障礙——使用不同示蹤劑的混合物來適應腫瘤的異質(zhì)性，但用于分析的內(nèi)窺鏡只能檢測單一標記物。

螳螂蝦復眼頂部的感光細胞優(yōu)先記錄較短波長的光子，而底部的感光細胞則優(yōu)先記錄較長波長的光子。以該架構為藍圖，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究小組采用N型摻雜硅層和P型摻雜硅層，以及由不同介電材料層組成的干涉濾波器，設計了一種人工探測器。

更易檢測小腫瘤或隱藏腫瘤

“我們的仿生成像傳感器（BIS）將垂直堆疊的光電探測器與像素化光譜濾波器相結(jié)合，在近紅外光譜中進行三次觀測，同時捕捉彩色（RGB）圖像?！痹撗芯啃〗M在其發(fā)表的論文中提到，“這種方法與目前一流的多光譜成像系統(tǒng)截然不同，目前一流的多光譜成像系統(tǒng)雖然結(jié)合了多個攝像頭和復雜的光學元件，但仍然只對單個分子示蹤劑進行成像?！?/p>

該研究項目還必須考慮一個合適的激發(fā)源來激活熒光示蹤劑，研究小組設計定制的分叉光纖連接到三個獨立光源：白光LED、665納米近紅外激光器、785納米近紅外激光器。

在注射了兩種標記物的乳腺癌小鼠模型的臨床前試驗中，該系統(tǒng)可以清楚區(qū)分單個示蹤劑和混合物產(chǎn)生的熒光信號。研究小組在對從患者身上切除的人類肺癌結(jié)節(jié)進行的測試中，最初僅使用一個標記物來評估臨床效果，驗證了近紅外熒光和彩色靶點的同步成像以及檢測腫瘤的能力。

基于仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的術中熒光標記肺癌結(jié)節(jié)成像的臨床驗證

該研究小組評論道：“新開發(fā)的仿生光學內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)將幫助醫(yī)生更容易地檢測較小或隱藏的腫瘤。”該系統(tǒng)的設計初衷是用來治療肺癌的，但是研究人員預期其將為使用多示蹤劑熒光引導手術的儀器平臺鋪平道路，使其體積更小，更易于在臨床實踐中使用。