《Sensors and Actuators A: Physical》：Lissajous multi-modal endomicroscopy with optical coherence tomography and confocal fluorescence microscopy
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多模态内窥镜系统通过集成共聚焦荧光显微术（CFM）与光学相干断层扫描（OCT），采用双D型光纤悬臂共振扫描技术实现同步成像，轴向/横向分辨率达2.19 μm/23.66 μm（CFM）和24.77 μm/6.98 μm（OCT），并验证了空间关联的互补成像能力。
李明镐|林镇泰|赵吉灿|张妍希|宋哲
韩国大邱市贤坪区Techno Jungang-daero 333号，DGIST机器人与机电一体化工程系，42988
摘要
我们提出了一种多模态内窥镜系统，该系统将共聚焦荧光显微镜（CFM）和光学相干断层扫描（OCT）集成到一个紧凑的、具有共振特性的光纤扫描器中。该探针采用非对称的双D形光纤悬臂结构，实现了轴依赖的频率分离，从而能够进行Lissajous扫描。通过结合几何放大效应、品质因数增强以及频率依赖的传递函数，我们建立了一个分析模型来预测探针尖端的位移。该模型能够捕捉到特定轴方向的动态变化，并通过仿真指导悬臂支架的优化设计。在CFM模式下，探针的横向和轴向分辨率分别为2.19微米和23.66微米；在OCT模式下，分别为24.77微米和6.98微米。对离体猪胃组织的荧光染色成像实验验证了该系统能够同时获取荧光图像和深度分辨的OCT图像。这些结果证明了该系统能够在紧凑的平台上提供互补的对比度和空间相关的结构信息。这种多模态方法有望在临床环境中实现实时手术引导和辅助诊断。
引言
内窥镜技术能够高分辨率地观察黏膜下组织和细胞结构，而这些结构是传统内窥镜中低分辨率CCD相机无法捕捉到的，因此它是内窥镜检查中早期癌症诊断的重要工具[1]、[2]、[3]、[4]。这种成像技术对于实时识别可疑病变中的恶性细胞以及精确评估病变边界和侵袭深度至关重要[5]。这样的能力使临床医生能够及时做出明智的治疗决策，从而提高早期癌症治疗的疗效[6]。尽管光学相干断层扫描（OCT）和共聚焦荧光显微镜（CFM）已经分别被用于内窥镜成像，但目前还没有一个紧凑型前视系统能够将这两种模式集成到一个探针中以实现同时的多模态采集[7]、[8]。
尽管一些多模态内窥镜系统已经展示了观察细胞结构的能力，但大多数系统依赖于复杂的自由空间光学配置或笨重的台式平台，这限制了它们在临床应用中的潜力[9]、[10]、[11]、[12]。最近的研究致力于将OCT与基于荧光的技术相结合，以同时获取形态学和分子信息[13]、[14]、[15]、[16]。已报道的组合包括OCT与双光子荧光（TPF）[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、自发荧光成像（AFI）[13]、激光诱导荧光（LIF）[12]、荧光光谱[11]、多光子显微镜[14]以及荧光分子成像[16]。这些系统中的许多都需要多个光源（如飞秒激光器和宽带激光器），并通过波长分复用（WDM）和双包层光纤耦合器（DCFC）进行光学耦合，这会导致较大的光学损耗[17]、[18]、[19]。Makhlouf等人[7]尝试将OCT和CFM集成到一个前视探针中，但最终得到的系统仍然体积庞大，不适合实时内窥镜使用。
已经探索了几种用于前视内窥镜的光纤扫描策略，包括光栅扫描、螺旋扫描和Lissajous扫描[20]、[21]、[22]、[23]。光栅扫描控制简单，但受扫描范围有限和帧率较低的制约[24]。螺旋扫描利用机械共振产生平滑的扫描轨迹，但常常存在照明不均匀和局部热量积聚的问题。相比之下，Lissajous扫描通过正交共振驱动实现高速、大面积成像，并提供更均匀的照明[25]、[26]、[27]、[28]。考虑到这些优势，我们提出的系统采用了基于Lissajous的扫描方式，以平衡成像速度、覆盖范围和照明均匀性。
实现共振扫描的一种简化结构方法是将两根光纤并排粘合形成悬臂，从而无需复杂的非对称配置即可实现正交共振[29]。虽然这种方法制造简单，但会导致光纤的扫描中心偏离光轴一定距离（大约等于两根光纤半径之和），从而降低光学对准精度。为克服这一限制，我们提出了一种双D形悬臂结构，在粘合前将每根光纤进行侧面抛光处理使其呈D形。这种非对称几何形状使得光纤与透镜轴的偏差最小化，从而实现了OCT和CFM光束的精确光学对准。紧凑且坚固的设计简化了光学集成，非常适合前视多模态内窥镜成像。
本研究提出了一种新型的多模态内窥镜系统，它在简化的光学结构中集成了OCT和CFM，减少了光学损耗，并实现了实时、同时的前视成像。该系统采用双D形光纤悬臂构成一个紧凑的共振扫描器，优化了Lissajous扫描性能。与传统非对称悬臂设计相比，这种配置使得扫描更加简单高效。光纤的抛光深度和对准精度经过优化，以解决双光纤粘合带来的光轴偏差问题。除了基于ZEMAX的光学建模外，我们还开发了一个分析框架来描述扫描系统的机械响应，包括静态杠杆放大效应、共振驱动的品质因数增益以及频域传递函数。通过参数仿真评估了杠杆长度和支架厚度等设计参数对共振行为和扫描幅度的影响。性能通过使用USAF分辨率目标样本和离体组织成像进行了实验验证。这种紧凑高效的设计为未来的临床应用和其他双模态光学系统的开发提供了坚实的基础。
系统配置
本研究设计的系统集成了多模态成像技术，包括光学相干断层扫描（OCT）和共聚焦荧光显微镜（CFM），如图1所示。系统由三个主要部分组成：光学组件、电气系统和探针组件。光学组件包括用于CFM和OCT成像的激光器、光纤和滤光片。电气系统负责信号生成、放大和同步，确保成像和数据处理的精确性。
机械模型和共振行为参数分析的验证
首先通过有限元仿真评估了悬臂结构的动态行为，随后对分析模型进行了实验验证[48]。图5(a)展示了包括组装好的移动支架和双D形光纤悬臂在内的CAE仿真设置。图5(c)和(d)分别显示了x轴和y轴方向上的第一共振模式形状，证实了适合Lissajous扫描的正交振动特性。
图6展示了验证结果
结论
我们开发了一种多模态内窥镜系统，将共聚焦荧光显微镜（CFM）和光学相干断层扫描（OCT）集成到一个紧凑的探针中。基于非对称双D形悬臂的机械共振光纤扫描器通过分析建模并经过实验验证，实现了轴依赖的共振分离。该分析框架考虑了静态杠杆放大效应、共振驱动的品质因数增益以及频域传递函数等因素。
作者贡献声明
李明镐：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件开发、资源准备、方法论设计、数据分析、概念构思。林镇泰：软件开发、资源准备、方法论设计、概念构思。赵吉灿：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、资源准备、方法论设计。张妍希：软件开发、资源准备、方法论设计。宋哲：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、方法论设计、资金管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供资金支持，项目编号：RS-2024-00333986），同时得到了韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的技术创新计划（项目编号：20023168，旨在开发适用于三种疼痛介入程序的临床协作机器人平台技术，该平台基于跨药物处理器和仪器模块）的支持。
