《Chemical & Biomedical Imaging》：Beveled Fiber Probe for Improving Spectroscopic Signal Sensing from Bowel Mucosa Tissue
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本研究开发了一种新型斜面多源-探测器距离（multi-SDD）光纤探针，旨在通过改善光纤荧光光谱在生物组织接触测量中的信号收集能力，提升其对胃肠道（GI）癌症的诊断性能。实验证明，该设计在同等集成空间下，相比传统平头探针能显著增强从人体结肠活检组织中获取的自体荧光信号，为实现快速、准确的体外病理分析及未来内镜适配的体内实时无创早期诊断提供了关键技术支撑。
引言
胃肠道（GI）癌症是全球范围内的高发癌症，尤其在结肠、胃和食管部位。目前的诊断金标准依赖于内窥镜检查和组织病理学分析。然而，传统内窥镜难以可视化早期癌变迹象，而组织病理学则需要活检并耗费数周时间才能得出结论。因此，开发一种能够提供快速、稳健诊断的技术，对于改善患者管理、遏制癌症进展至关重要。光纤荧光光谱（FS）作为一种有潜力的纤维光谱方法，有望集成到现有内窥镜设备中，用于诊断和区分癌症的不同发展阶段。尽管已有研究展示了其在体内外诊断的潜力，但其诊断性能尚未达到金标准水平，信号收集效率是限制其准确性的关键因素之一。光纤探针的几何构型，特别是其远端尖端的设计，对于与组织接触时的信号收集效率具有决定性影响。
材料与方法
本研究共使用了26例人体结肠活检样本（13例肿瘤，13例正常）来评估斜面多-SDD光纤探针的自体荧光信号收集效率。光谱系统由光纤探针、激发波长为380 nm的LED、Ocean Insight HR4Pro光谱仪及控制软件组成。实验比较了三种实际探针和两种数学模型探针：
- 1.
斜面多-SDD光纤探针（探针-1）：尖端呈38°斜面，内含19根光纤（7根激发，12根收集），在尖端形成12个不同的源-探测器距离（SDD）。
- 2.
标准平头探针（探针-2）：采用“6绕1”布局，7根光纤，单SDD（约400 μm），默认6根环绕光纤用于激发，中心光纤用于收集。
- 3.
探针-2腿切换型（探针-2LS）：将探针-2的激发与收集功能对调。
- 4.
模型探针-3：基于探针-2建模，但在6根收集光纤的中心位置增加了一根收集光纤。
- 5.
模型探针-4：仅使用两根光纤（一收一发）。
所有测量确保激发光输入功率一致（约100 mW），且活检组织与探针远端端面完全接触。对每个样本依次用探针-1、探针-2和探针-2LS进行测量，并利用探针-2和探针-2LS的数据计算探针-3和探针-4的信号。
结果
所有探针配置采集到的组织自体荧光平均光谱模式基本一致，均成功检测到源自胶原蛋白、弹性蛋白、辅酶（NADH和FAD）及卟啉的关键内源性组织发射峰，并在540 nm和575 nm附近观察到明显的血红蛋白吸收谷。主要差异体现在信号强度上。
在非归一化结果中（），探针-1收集到的荧光信号强度最高，约为探针-2的2倍，探针-2LS的15.9倍。
为公平比较探针设计效率，将光谱数据按各探针的激发面积（EA）进行归一化。归一化后结果（）显示，探针-1的性能优势更为显著，其EA归一化信号强度分别是探针-3、探针-2/4和探针-2LS的约4.24倍、6.63倍和8.83倍。这明确表明，在提供同等激发光强的条件下，斜面多-SDD探针设计在信号收集方面最具效率。
讨论
光纤探针的光收集与传输效率是决定光纤光谱仪性能和准确性的关键。更高的光谱信号主要通过提升信噪比（SNR）来改善诊断性能，使得与癌症相关的生化变化所对应的微弱光谱特征（如内源性荧光团NADH、FAD、胶原蛋白、卟啉的峰值强度、谱形和相对比例变化）更容易被区分和检测。
斜面多-SDD探针的卓越性能归因于其独特的组合设计特征：
- 1.
斜面尖端：38°的斜面抛光增大了探针的数值孔径（NA），从而扩展了光接受锥角（达172°）。这使得激发光主要以35°至90°的入射角（0°为垂直）倾斜射入组织，大部分光指向探针尖端的远端边缘。这种倾斜入射避免了平头探针中小于40°入射角的光大量透入深层组织造成的信号损失，并将激发-检测区域主要导向浅表组织层，而胃肠道癌的早期病变恰好多发生在黏膜和黏膜下层。
- 2.
多源-探测器距离（SDD）：探针尖端光纤的对称排列形成了12个不同的SDD。SDD决定了光信号的采集深度，短SDD采集表层信号，长SDD采集深层信号。多SDD构成的格阵能同时从不同深度范围和更广的扫描区域收集信号，提高了对组织体积的探测效率。
- 3.
分离的激发光纤：7根激发光纤在尖端呈分离式分布，扩大了激发区域，从而在收集光纤的有效探测深度内产生更多荧光。
研究还指出，在类似探针-2LS的配置中，收集端缺少中心光纤会导致约60-62%的信号损失，这解释了其性能不佳的原因。与既往少数使用斜面或双SDD探针的研究相比，本工作首次将斜面、多SDD及分离式激发光纤三者结合，并首次在人体结肠活检组织上实验比较了斜面多-SDD探针与多种平头探针的光谱信号收集效能。
结论
本研究通过实验比较表明，在远端光纤束厚度（即所需内窥镜集成空间）相同的情况下，斜面多-SDD光纤探针在接触式光谱信号收集中显著优于传统设计的探针。其增强的信号收集效率可提供更高信噪比和分辨率的信号，从而更清晰地区分不同病理状态，有望实现对恶性病变与健康组织的明确鉴别。因此，采用此类升级设计的荧光光纤光谱技术有潜力发展为一种临床方法，支持快速的术中体外病理分析和实时的体内诊断，以改善胃肠道癌的患者管理。通过将升级版光纤探针与临床内窥镜整合，有望实现胃肠道癌的实时早期诊断，提高初期恶性肿瘤分析和手术切除的成效，并预防癌症复发。
