中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

Science:细如发丝的3D成像光纤内窥镜

2022-02-17

多模光纤(MMF) 在其细如头发丝般的横截面上,可以传输多个模式,是目前用来传输空间信息光的极其高效的媒介。目前被广泛应用于光学成像、信息传输等方面。

内窥镜成像是光学成像中一种较成熟的技术。传统的医学内窥镜尺寸与手指相当,在进行医学检查时将其置入患者体内,过程会使患者感到不适,目前虽有无痛内窥镜可供选择,但是价格较昂贵,且年龄较大的患者不适合使用该检查手段,所以人们急需一种直径小的内窥镜技术,进而减少医疗成像对患者的不适。

目前,由英国格拉斯哥大学、英国埃克塞特大学等多家研究团队联合,实现了用 5hz 的视频帧速率来捕获距离光纤尖端处几十毫米到几米范围内物体的 3D 图像。人们希望有朝一日该系统可以在各个领域大放异彩,如医疗图像诊断辅助、工业检测以及环境检测。


图 1:多模光纤艺术效果图

该成果“Time-of-flight 3D imaging through multimode optical fibers” 发表在 Science。


图 2:研究实验原理图

目前常用的内窥镜是由一束单模光纤组成,每个光纤成一个像素点,从而多个光纤组成一个图像。该方法虽然是目前的主流,但是多个单模光纤累加起来的尺寸较大,在一些应用领域会有些问题,如医疗成像检测中有些患者无法忍受 10 毫米的检测设备。而多模光纤虽尺寸极小,比常见的纤维束内窥镜要小几个数量级,却可以支持成千上万的空间光学模式,所以多模光纤方法一直备受关注。

该科研团队所研究的多模光纤成像系统通过 40 厘米长的光纤以 5hz 的速率提供 3D 图像,主要原理是一个单一的激光脉冲被传送到视场中的每个空间位置,每帧记录 4200 点光栅扫描时间为 200 MS。第二根光纤,放置在照明光纤旁边,用来收集背向散射的光。3D 图像可以在距离光纤端数十毫米到几米的距离内录制,其毫米距离分辨率和帧速率极高,足以在接近视频质量的情况下感知运动。

虽然多模光纤相比于单模光纤有许多独特优点,但一直无法应用的瓶颈是多模式之间的串扰干扰图像,在光线的输出端产生无法识别的散斑图案。幸运的是,研究发现,如果光纤保持在一个固定的位置,扰频过程也会保持固定,由此解决了这一棘手的问题。

该团队一个突破便是反复提到的 3D 成像,通过测量从现场反射的激光脉冲的往返飞行时间来计算深度,从而实现 3D 图像,这是从 2D 到 3D 的巨大飞跃。

在未来,利用超细多模光纤 3D 成像技术可以推广到更多的应用领域,包括对一些很难打开的内部腔进行 3D 检测,如进入喷气发动机和核反应堆等系统的内部,观察设备有无破裂。又如为医生在手术时对某些粘性空心器官进行观察提供便利,提供体积更小、侵入性更小的内窥镜。

目前,把该技术真正的应用到人们的生活当中还有很长的路要走,但这为我们带来了希望,期待该技术能够早日改变人们的生活。

来源:中国光学