王忠連，任少鵬，高鵬，陰曉俊，趙帥鋒，班超，董明，王瑞生，婁海宇，于志強(qiáng)，劉添昊

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110043）

0 引言

隨著我國對精準(zhǔn)醫(yī)療需求的不斷提升，極大減小創(chuàng)傷的微創(chuàng)治療越來越得到醫(yī)患人員的重視。熒光內(nèi)窺鏡是外科微創(chuàng)手術(shù)的重要醫(yī)療器械之一，它的分子影像技術(shù)用于直接觀察指導(dǎo)微創(chuàng)治療全過程，其工作原理為：將吲哚菁綠（Indocyanine Green，ICG）［1-2］通過局部組織或靜脈注射的方式引入人體，用特定光譜近紅外光照射后產(chǎn)生熒光，進(jìn)而使熒光內(nèi)窺鏡同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外熒光成像。在評(píng)價(jià)對不同圖像融合方案的感知中，檢測和識(shí)別目標(biāo)效果最好的是近紅外光，而感知全局場景可見光效果最好［3］，因此，采用可見光獲取組織背景、場景位置等信息，采用熒光圖像捕獲腫瘤大小、邊界等信息，將兩者圖像特征信息精準(zhǔn)疊加，可幫助醫(yī)生更加精確地識(shí)別和定位腫瘤、檢出微小病灶、標(biāo)記腫瘤邊界，進(jìn)而順利切除腫瘤［4-5］。同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外熒光分子成像的熒光內(nèi)窺鏡，將是“靶向外科”必備視覺監(jiān)測系統(tǒng)，是內(nèi)窺鏡的新理論和前沿技術(shù)。其中熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片關(guān)鍵技術(shù)研究將決定著熒光內(nèi)窺鏡成像清晰度和病灶部位熒光圖像的準(zhǔn)確識(shí)別，決定了在臨床上是否可以有效地輔助診療和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療［6-7］，具有重要的臨床應(yīng)用前景和科學(xué)意義。

在熒光內(nèi)窺鏡的應(yīng)用過程中，需要在患者體內(nèi)注射吲哚菁綠，由于吲哚菁綠的量子產(chǎn)率低、熒光信號(hào)弱、熒光圖像信噪比低，因此，提高熒光內(nèi)窺鏡中的熒光弱信號(hào)的信噪比是急需解決的問題。而系統(tǒng)內(nèi)的濾光器件對于信噪比有較大的影響，目前針對熒光內(nèi)窺鏡的濾光片鮮有報(bào)道，本文設(shè)計(jì)并制備了用于熒光內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的陷波濾光片。

1 濾光片設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)參數(shù)

采用ICG 作為熒光探針，通過局部組織或靜脈注射方式［8］，與血液中的血漿蛋白結(jié)合，在750～810 nm近紅外光的激發(fā)下，釋放出835 nm 左右的熒光信號(hào)。ICG 的光譜響應(yīng)（Ex 為激發(fā)光譜，Em 為發(fā)射光譜）如圖1所示。根據(jù)ICG 熒光探針的特性，熒光內(nèi)窺鏡分別以白光光源和近紅外光源作為照明光源和熒光信號(hào)激發(fā)光源，雙光源通過內(nèi)窺鏡導(dǎo)光管對人體組織進(jìn)行照射，攝像系統(tǒng)采集攜帶有用信息的圖像信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對白光的組織信號(hào)成像和近紅外光激發(fā)的熒光組織信號(hào)成像，并可對圖像精準(zhǔn)疊加。

圖1 吲哚菁綠歸一化強(qiáng)度譜線Fig.1 Normalized intensity spectrum of Indocyanine green

為保障熒光內(nèi)窺鏡視野同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見光成像與近紅外熒光成像，光譜透射區(qū)設(shè)計(jì)為：T＞97%@435 nm～680 nm & @820 nm～880 nm；為避免激發(fā)光源信號(hào)對熒光信號(hào)干擾，截止帶背景設(shè)計(jì)為：OD≥6@750 nm～800 nm。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基底選擇：因使用的光譜波段為435～880 nm，所以選擇K9 光學(xué)玻璃（光譜如圖2）即可。

圖2 K9 玻璃光譜Fig.2 Spectrum of K9

為了提高光學(xué)系統(tǒng)的信噪比：1）濾光片的設(shè)計(jì)盡量提高透射區(qū)光譜的透射率；2）增加激發(fā)光背景截止深度。本文采用雙面鍍膜的結(jié)構(gòu)（如圖3），分別為陷波膜系（Notch）和增透膜系（AR）。

圖3 陷波濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structure of notch filer

1.3 膜系設(shè)計(jì)

1.3.1 陷波膜系設(shè)計(jì)

在應(yīng)用光譜波段范圍內(nèi)，濾光片透射大部分波長的光，有效截止特定波長阻帶內(nèi)的光，即從某一波段透射光譜中去除某一波帶的濾光片，稱之為陷波濾光片，其功能與帶通濾光片相反。陷波濾光片制造的關(guān)鍵技術(shù)是提高通帶的透射率和截止帶的深度。目前陷波濾光片的膜系設(shè)計(jì)方法［9-11］主要有：皺褶（Rugate）濾光片法［12-13］，折射率階梯變化的Rugate 濾光片法，高低折射率系數(shù)匹配法。Rugate 濾光片法指折射率沿基底表面隨膜厚有規(guī)律周期性變化，如按正弦波或余弦波變化，這種結(jié)構(gòu)的濾光片主要特點(diǎn)是消除了材料間折射率的突變，具有僅反射一定波段且透射所有其它波段光譜的特性，因此理想的Rugate 濾光片不會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次反射帶［14］。Rugate 濾光片的膜系設(shè)計(jì)已趨于成熟，然而Rugate 濾光片的制備仍然較困難，目前找不到一種材料可以按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)形狀連續(xù)變化的折射率的膜層。折射率階梯變化的Rugate 濾光片法是用折射率成階梯形變化的不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)代替Rugate 濾光片，雖然不是真正意義上的Rugate 濾光片，但可實(shí)現(xiàn)類似的性質(zhì)，抑制高級(jí)次反射帶。其實(shí)現(xiàn)原理為：由多層不連續(xù)薄膜組成一個(gè)周期的Rugate 濾光片的折射率輪廓。一個(gè)周期內(nèi)分的層數(shù)越多，越接近Rugate 濾光片，抑制高級(jí)次反射帶效果越好，反之一個(gè)周期內(nèi)分的層數(shù)越少，抑制高級(jí)次反射帶效果變差，可通過多種階梯變化折射率材料或兩種材料共鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)，然而階梯變化折射率材料難于尋找，共鍍技術(shù)對鍍膜機(jī)的膜厚工藝控制要求極高，不易實(shí)現(xiàn)。高低折射率系數(shù)匹配法是陷波濾光片的主要設(shè)計(jì)方法，針對本次陷波濾光片的光譜指標(biāo)要求，采用該方法更適合。

陷波膜系采用的初始結(jié)構(gòu)為

式中，Sub、Air 分別為入射、出射介質(zhì)；H、L分別為高、低折射率材料；α、β分別為高、低折射率材料系數(shù)；n為循環(huán)次數(shù)。由多層介質(zhì)高反射膜理論可得截止帶寬度Δg［15］為

本文采用Essential Macleod 軟件做為膜系設(shè)計(jì)輔助，結(jié)合光譜指標(biāo)，通過軟件的Reference Wavelength調(diào)整波長位置，Link All Materials 調(diào)整α、β系數(shù)，最終確定初始膜系為Sub|(2.7H1.4L)^45|Air，其中Sub 為K9基底，H為Nb2O5，L為SiO2。利用輔助軟件的Optimac 和Needle Synthesis 細(xì)化合成后的陷波膜系總厚度為14 μm，膜系設(shè)計(jì)光譜曲線如圖4所示，膜系光譜在435 nm～680 nm & 820 nm～880 nm 波段高透射，在750 nm～800 nm 深截止。

圖4 陷波膜系設(shè)計(jì)光譜Fig.4 Design spectrum of single notch film

1.3.2 增透膜系設(shè)計(jì)

為了提升收光效率，濾光片采用另外一面增加增透膜的設(shè)計(jì)，減少透射區(qū)的光譜反射，即對435 nm～680 nm & 820 nm～880 nm 波段增透膜設(shè)計(jì)。采用Essential Macleod 軟件做為膜系設(shè)計(jì)輔助，最終優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為Sub|0.37L0.76H0.74L3.34H0.2L1.6H2.3L|Air，其中Sub 為K9 基底，H為Nb2O5，L為SiO2，經(jīng)過優(yōu)化后的增透膜光譜曲線如圖5所示，在435 nm～680 nm & 820 nm～880 nm 波段的平均透射率為95.5%。

圖5 增透膜系設(shè)計(jì)光譜Fig.5 Design spectrum of single anti-reflective film

陷波膜系與增透膜系組合的堆棧結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)光譜如圖6所示，所有光譜指標(biāo)優(yōu)于指標(biāo)要求。

圖6 陷波濾光片堆棧設(shè)計(jì)光譜Fig.6 Design spectrum of notch filter

2 濾光片制備

因陷波膜系的非規(guī)整性，涉及膜層厚度陡變（厚層和超薄層銜接）控制；另一方面，深截止的光譜指標(biāo)要求，必然會(huì)造成總膜層較多且較厚。所設(shè)計(jì)的膜系共108 層，膜層總厚度14 μm，各膜層的膜厚分布不規(guī)整，如圖7，有極薄層和超厚層，這對鍍制工藝實(shí)現(xiàn)要求較高。

圖7 陷波膜系各膜層的膜厚分布Fig.7 Every physical thickness of notch film

為獲得理想光譜效果的濾光片，采用Essential Macleod 軟件對膜系進(jìn)行誤差模擬，圖8 是標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5%的模擬結(jié)果，圖9 是標(biāo)準(zhǔn)偏差0.3%的模擬結(jié)果，從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)膜厚誤差控制0.5%，光譜在820～840 nm 的透射會(huì)出現(xiàn)較大波紋，透射率最低降到80%風(fēng)險(xiǎn)幾率較大，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)射光譜的收光率，使用效果變差；而膜厚誤差控制在0.3%以內(nèi)，可以保障整體光譜性能不會(huì)出現(xiàn)較大變化。因此采用工藝控制精度高的德國等離子體輔助反應(yīng)磁控濺射鍍膜設(shè)備HELIOS 400 進(jìn)行工藝實(shí)現(xiàn)。該鍍膜設(shè)備采用一種中頻孿生靶反應(yīng)磁控濺射與RF 等離子源輔助沉積相結(jié)合的濺射鍍膜技術(shù)［16-17］，并配有直接光控系統(tǒng)，具有成膜速率穩(wěn)定，膜厚控制精準(zhǔn)，膜層致密等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 膜厚0.5%標(biāo)準(zhǔn)偏差模擬Fig.8 Thickness standard deviation of 0.5%

圖9 膜厚0.3%標(biāo)準(zhǔn)偏差模擬Fig.9 Thickness standard deviation of 0.3%

增透膜系與陷波膜系采用相同的材料設(shè)計(jì)，因此用相同的濺射設(shè)備鍍制。在h=1 mm、Φ=25 mm 的K9 玻璃基底上鍍制，基底先經(jīng)超聲波清洗并烘干處理，保證潔凈；鍍膜真空室加熱200 ℃，保持30 min 除氣恒溫；離子對基底轟擊120 s 進(jìn)行表面活化；Nb2O5、SiO2的沉積速率均設(shè)定約為0.5 nm/s，進(jìn)行鍍膜沉積；沉積過程通過氧分壓傳感器λ-sensor 監(jiān)控氧含量，保證濺射膜層充分氧化；設(shè)備的OMS（Optical Monitoring System）膜厚控制系統(tǒng)通過Backward、Offset、Forward 多種算法結(jié)合的方式計(jì)算并矯正膜厚判停，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜膜系膜厚控制，獲得符合設(shè)計(jì)要求的膜層。

3 濾光片結(jié)果測試

采用Varian 分光光度計(jì)Cary 5000 進(jìn)行光譜測試，單面第一次鍍制陷波濾光膜光譜測試結(jié)果如圖10所示，陷波左側(cè)上升沿出現(xiàn)塌肩現(xiàn)象，右側(cè)上升沿出現(xiàn)塌坑現(xiàn)象，而右側(cè)沿對于熒光信號(hào)的捕獲至關(guān)重要，會(huì)減少原本較弱的發(fā)射光的能量獲取，降低熒光成像的信噪比，進(jìn)而造成熒光圖像不清晰，影響病灶部位邊界的精準(zhǔn)識(shí)別。

圖10 陷波濾光膜光譜測試結(jié)果Fig.10 Test spectrum of single notch film

采用Essential Macleod 軟件對陷波膜系各層敏感度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示，發(fā)現(xiàn)膜系中敏感度較高的膜層有47、49、53、55，重點(diǎn)對這4 層進(jìn)行返演模擬，發(fā)現(xiàn)這四層設(shè)計(jì)膜厚基本相同，均為223.6 nm，若每層膜厚減少1 nm 便會(huì)出現(xiàn)圖10 鍍制光譜效果。針對該問題采取措施：對這四層膜采用多監(jiān)控片的膜厚控制方式，合理分配監(jiān)控片，盡可能將敏感層設(shè)置在監(jiān)控片控制最精準(zhǔn)層位置，減少敏感層誤差對整體光譜的影響。

圖11 陷波膜系膜層敏感度分析Fig.11 Layer sensitivity of notch film

調(diào)整敏感層工藝控制后，鍍制單面陷波濾光膜光譜測試結(jié)果如圖12所示，陷波兩側(cè)上升沿未現(xiàn)塌肩、塌坑現(xiàn)象，光譜Tavg＞95%@435 nm～680 nm & @820 nm～880 nm，OD≥6@750 nm～800 nm；單面增透膜光譜測試結(jié)果如圖13所示，Tavg＞95.4%@435 nm～680 nm & 820 nm～880 nm；雙面鍍膜后陷波濾光片的產(chǎn)品光譜測試和設(shè)計(jì)光譜如圖14所示，Tavg＞97%@435 nm～680 nm & @820 nm～880 nm，OD≥6@750 nm～800 nm，實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)光譜相符，滿足熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片所有光譜指標(biāo)。

圖12 陷波濾光膜光譜測試結(jié)果Fig.12 Test spectrum of single notch film

圖13 增透膜光譜測試結(jié)果Fig.13 Test spectrum of single anti-reflective film

圖14 陷波濾光片產(chǎn)品光譜測試和設(shè)計(jì)光譜Fig.14 Test spectrum and design spectrum of notch filter

因該濾光片用于透射式成像系統(tǒng)，為減少因該濾光片引入的像差，提高成像質(zhì)量，濾光片的透射波前畸變控制要求≤λ/4 CA PV @632.8 nm。為此采用透射波前畸變精度高于≤λ/4 CA PV @632.8 nm 指標(biāo)要求的基底，結(jié)合鍍膜工藝進(jìn)行控制。圖15 是采用zygo 干涉儀測試的透射波前畸變，在通光孔徑內(nèi)的測試結(jié)果為0.076λPV @632.8 nm，滿足應(yīng)用要求。

圖15 陷波濾光片產(chǎn)品透射波前畸變測試Fig.15 Test transmission wavefront distortion of notch filter

4 結(jié)論

以光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制備了高性能熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片。該濾光片達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：在可見光和熒光發(fā)射光譜波段高透射T＞97%@435 nm～680 nm & @820 nm～880 nm，熒光激發(fā)光譜陷波波段深截止OD≥6@750 nm～800 nm，透射波前畸變控制在0.076λCA PV @632.8 nm，為高端熒光內(nèi)窺鏡高清成像準(zhǔn)確識(shí)別病灶部位起到關(guān)鍵作用。