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，劉添昊

（沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽 110043）

0 引言

隨著我國對精準醫(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)手術的重要醫(yī)療器械之一，它的分子影像技術用于直接觀察指導微創(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，進而使熒光內(nèi)窺鏡同時實現(xiàn)可見光和近紅外熒光成像。在評價對不同圖像融合方案的感知中，檢測和識別目標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疊加，可幫助醫(yī)生更加精確地識別和定位腫瘤、檢出微小病灶、標記腫瘤邊界，進而順利切除腫瘤［4-5］。同時實現(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。其中熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片關鍵技術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確識別，決定了在臨床上是否可以有效地輔助診療和實現(xiàn)精準醫(yī)療［6-7］，具有重要的臨床應用前景和科學意義。

在熒光內(nèi)窺鏡的應用過程中，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道，本文設計并制備了用于熒光內(nèi)窺鏡光學系統(tǒng)的陷波濾光片。

1 濾光片設計

1.1 技術參數(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。ICG 的光譜響應（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激發(fā)光源，雙光源通過內(nèi)窺鏡導光管對人體組織進行照射，攝像系統(tǒng)采集攜帶有用信息的圖像信號，實現(xiàn)同時對白光的組織信號成像和近紅外光激發(fā)的熒光組織信號成像，并可對圖像精準疊加。

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

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

1.2 產(chǎn)品結構設計

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

圖2 K9 玻璃光譜Fig.2 Spectrum of K9

為了提高光學系統(tǒng)的信噪比：1）濾光片的設計盡量提高透射區(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構（如圖3），分別為陷波膜系（Notch）和增透膜系（AR）。

圖3 陷波濾光片結構設計Fig.3 Structure of notch filer

1.3 膜系設計

1.3.1 陷波膜系設計

在應用光譜波段范圍內(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鍵技術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計方法［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，這種結構的濾光片主要特點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 濾光片不會出現(xiàn)高級次反射帶［14］。Rugate 濾光片的膜系設計已趨于成熟，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計要求實現(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)的薄膜結構代替Rugate 濾光片，雖然不是真正意義上的Rugate 濾光片，但可實現(xiàn)類似的性質，抑制高級次反射帶。其實現(xiàn)原理為：由多層不連續(xù)薄膜組成一個周期的Rugate 濾光片的折射率輪廓。一個周期內(nèi)分的層數(shù)越多，越接近Rugate 濾光片，抑制高級次反射帶效果越好，反之一個周期內(nèi)分的層數(shù)越少，抑制高級次反射帶效果變差，可通過多種階梯變化折射率材料或兩種材料共鍍技術實現(xiàn)，然而階梯變化折射率材料難于尋找，共鍍技術對鍍膜機的膜厚工藝控制要求極高，不易實現(xiàn)。高低折射率系數(shù)匹配法是陷波濾光片的主要設計方法，針對本次陷波濾光片的光譜指標要求，采用該方法更適合。

陷波膜系采用的初始結構為

式中，Sub、Air 分別為入射、出射介質；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 軟件做為膜系設計輔助，結合光譜指標，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 細化合成后的陷波膜系總厚度為14 μm，膜系設計光譜曲線如圖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 陷波膜系設計光譜Fig.4 Design spectrum of single notch film

1.3.2 增透膜系設計

為了提升收光效率，濾光片采用另外一面增加增透膜的設計，減少透射區(qū)的光譜反射，即對435 nm～680 nm & 820 nm～880 nm 波段增透膜設計。采用Essential Macleod 軟件做為膜系設計輔助，最終優(yōu)化后的膜系結構為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 增透膜系設計光譜Fig.5 Design spectrum of single anti-reflective film

陷波膜系與增透膜系組合的堆棧結構的理論設計光譜如圖6所示，所有光譜指標優(yōu)于指標要求。

圖6 陷波濾光片堆棧設計光譜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，深截止的光譜指標要求，必然會造成總膜層較多且較厚。所設計的膜系共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 軟件對膜系進行誤差模擬，圖8 是標準偏差0.5%的模擬結果，圖9 是標準偏差0.3%的模擬結果，從模擬結果發(fā)現(xiàn)膜厚誤差控制0.5%，光譜在820～840 nm 的透射會出現(xiàn)較大波紋，透射率最低降到80%風險幾率較大，會嚴重影響發(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磁控濺射鍍膜設備HELIOS 400 進行工藝實現(xiàn)。該鍍膜設備采用一種中頻孿生靶反應磁控濺射與RF 等離子源輔助沉積相結合的濺射鍍膜技術［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，膜層致密等優(yōu)點。

圖8 膜厚0.5%標準偏差模擬Fig.8 Thickness standard deviation of 0.5%

圖9 膜厚0.3%標準偏差模擬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計，因此用相同的濺射設備鍍制。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 進行表面活化；Nb2O5、SiO2的沉積速率均設定約為0.5 nm/s，進行鍍膜沉積；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；設備的OMS（Optical Monitoring System）膜厚控制系統(tǒng)通過Backward、Offset、Forward 多種算法結合的方式計算并矯正膜厚判停，實現(xiàn)復雜膜系膜厚控制，獲得符合設計要求的膜層。

3 濾光片結果測試

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

圖10 陷波濾光膜光譜測試結果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行分析，結果如圖11所示，發(fā)現(xiàn)膜系中敏感度較高的膜層有47、49、53、55，重點對這4 層進行返演模擬，發(fā)現(xiàn)這四層設計膜厚基本相同，均為223.6 nm，若每層膜厚減少1 nm 便會出現(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，盡可能將敏感層設置在監(jiān)控片控制最精準層位置，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果如圖12所示，陷波兩側上升沿未現(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)品光譜測試和設計光譜如圖14所示，Tavg＞97%@435 nm～680 nm & @820 nm～880 nm，OD≥6@750 nm～800 nm，實測結果與設計光譜相符，滿足熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片所有光譜指標。

圖12 陷波濾光膜光譜測試結果Fig.12 Test spectrum of single notch film

圖13 增透膜光譜測試結果Fig.13 Test spectrum of single anti-reflective film

圖14 陷波濾光片產(chǎn)品光譜測試和設計光譜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 指標要求的基底，結合鍍膜工藝進行控制。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)的測試結果為0.076λPV @632.8 nm，滿足應用要求。

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 結論

以光學薄膜設計理論為基礎，設計并制備了高性能熒光內(nèi)窺鏡用陷波濾光片。該濾光片達到預期設計指標要求：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)窺鏡高清成像準確識別病灶部位起到關鍵作用。