基于单多模光纤内均匀照明的散斑成像重建技术及其在微创内窥镜中的应用

针对多模光纤(MMF)成像中高斯照明导致的散斑分布不均问题，研究人员提出通过光束整形实现均匀照明的单MMF内窥镜系统，结合轻量化U型网络(USNet)提升重建质量。实验表明，该方法在MNIST等数据集上SSIM达0.81以上，且在热扰动下稳定性显著优于传统方案，为动态微创医学成像提供了新范式。

　　

在医疗内窥镜技术向微创化发展的浪潮中，多模光纤(MMF)因其优异的柔韧性和紧凑结构成为理想载体。然而传统基于高斯照明的MMF成像系统面临两大痛点：一是中心区域光强过曝导致散斑分布不均，二是环境扰动(如温度波动或光纤弯曲)会显著降低重建质量。尽管深度学习(DL)和传输矩阵(TM)等方法已取得进展，但系统复杂性和训练样本需求仍制约临床转化。

针对这些挑战，研究人员通过光束整形将高斯光束转化为均匀光束，使单根MMF同时承担照明与成像双重功能。这种创新设计不仅简化了系统架构，更通过激发更多高阶模式提升散斑特征丰富度。配合专门开发的轻量化U型网络(USNet)，在MNIST、Fashion-MNIST和SIPaKMeD数据集上分别实现0.8105、0.7056和0.8137的结构相似性指数(SSIM)，较传统UNet提升显著。

关键技术包括：1) 基于模式激发理论的光束均匀化改造；2) 构建包含1100-2200样本的小型训练集；3) 采用兼顾效率与精度的USNet架构；4) 设计热/机械扰动对照实验。

【静态成像性能】在无扰动条件下，均匀照明方案通过优化模式激发系数A_p，使输出光场u₁(x,y)呈现更均衡的散斑分布。与高斯照明相比，SIPaKMeD数据集的重建SSIM提升达12.7%，验证了均匀散斑对神经网络特征提取的促进作用。

【抗扰动能力】温度实验中，均匀照明在±5°C波动下SSIM波动幅度小于0.05，展现出显著稳定性优势。机械位移测试显示，虽然高斯照明在0-90 mm位移范围内略占优势，但均匀照明在临床常见20 mm位移内仍保持0.75以上SSIM。

【扩展性验证】通过引入主观散斑噪声和不同MMF长度测试，证实该方法在复杂环境下的强适应性。特别值得注意的是，均匀照明激发的低对比度散斑能有效抑制模态间干扰，这一发现为动态环境成像提供了新思路。

该研究首次系统论证了均匀照明对MMF成像稳定性的提升机制，其创新性体现在：1) 将照明优化与网络设计协同考虑；2) 突破双光纤架构限制；3) 建立小样本训练范式。相关成果发表于《Optics》，不仅为微创内窥镜提供了更可靠的技术方案，其揭示的模式激发规律更为光纤光学设计提供了新理论依据。未来通过进一步优化USNet的实时性，有望推动MMF成像在肿瘤早期诊断等场景的临床应用。