荧光内镜G/R比值滤光片的研制

曹 轶 杨振华 郝天宇 田 丹 关 旭

（沈阳沈大内窥镜有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

自体荧光是生物组织在吸收特定激发光时产生了能级跃迁后自然发射的光，也被用于区分源自人工添加的荧光标记（荧光团）。医学研究发现，人体组织内含有特定的荧光基团，经一定波长的光线照射后该荧光基团可发射出色彩鲜艳的荧光。由于病变组织和正常组织的生物化学结构存在差异，因此二者所含的荧光基团不同，导致激发出的荧光呈现不同颜色。荧光内镜是一种应用固有荧光光谱技术进入腔内诊断的新型诊断设备，其可根据人体组织自体荧光光谱特征自动识别、诊断并立即提示被测组织是否为正常组织，可鉴别被测组织的良恶性病变，提高早期癌和异型增生的诊断率。该文通过光学薄膜技术，设计了可在一片滤光片上实现双通道（红/绿）接收特定发射荧光光谱的滤光膜，用以隔离激发光和荧光邻域干扰光谱，接收生物组织产生的红色和绿色荧光峰。该文采用电子束蒸发方式制备滤光膜，简化了光学结构，可同时采集红/绿信号比值，且两种信号隔离度高，通过两组荧光信号强弱对比可区分正常和病变组织的性质。

1 荧光内镜工作原理

荧光内镜是在普通白光内窥镜的基础上增加紫色激发光，两路光纤传导，并利用细胞自发性荧光和电脑图像分析技术开发的一种新型内镜，其工作光谱为400nm～900nm。除了能提供人体组织表层的图像外，荧光内镜还能同时实现表层以下组织的荧光显影，其结构如图1所示。组织细胞在受到特定波长的光线照射时会产生自体荧光，发生病变的组织发出的自体荧光与正常组织不同，因此可根据正常和异常黏膜组织荧光的不同而发现黏膜病变。进行荧光内镜检查时，可使用荧光比值成像技术采集荧光，基于双通道滤光片的对比度特性，由影像传感器同时捕捉绿色（530nm～570nm）和红色（610nm～660nm）荧光图像，计算两个图像对应各点的荧光强度比值，并将其转换为以相应颜色显示的自体荧光图像信息，正常组织会产生极弱的红色荧光和很强的绿色荧光。

2 滤光片设计

2.1 基片和膜料选择

由于石英玻璃具有耐温性高、光学透射比优良以及自发荧光弱等特性，因此基片选用石英玻璃。考虑到双带通滤光片的膜系层数较多，所以选用了折射率较高的五氧化二钽（TaO）作为高折射率材料，该材料具有稳定的折射率和化学性质，以及较好的机械牢固度。低折射率材料选用与高折射率材料应力匹配极为优良的二氧化硅（SiO）材料。其中TaO材料特性：密度为8.7g/cm，熔点为1800℃，在真空下蒸发温度为2100℃，λ=0.55μm，基板温度T=250℃时，折射率n=2.16。二氧化硅材料特性：密度为2.1g/cm，熔点为1700℃，在真空下蒸发温度为1600℃，λ=0.55μm，T=250℃时，n=1.45。

图1 荧光内镜结构示意图

2.2 膜系设计

双带通滤光膜可在特定波长范围内，使光学元件表面通过介质膜层透过两组特定通带能量，同时抑制其余波段输出。带有双带通滤光膜产品的基片两面共有两种不同的膜系，一面是由多个谐振腔组成的双通道带通膜系，另一面是宽带截止膜系。其仪器应用要求为通带内具有高透射性，两个通带信号隔离度高（交叉背景OD6以上），400nm～1000nm通带外邻域截止背景＞OD5。

双带通或多带通膜系设计是以Fabry-Perot模型为基础，通过调整间隔层系数、耦合层系数和反射层（HL）数目，模拟通带带宽、通带数量和通带间距，在中心波长和临近波段显现两个或两个以上透射峰，再经过合理、对称地搭配高、低折射率材料，调整等效折射率，便可在两个中心波长处显现两个透射带。该设计借鉴了Smith双带通膜系算法和多通带循环嵌套膜系。模拟了（HLHLHL aH LHLHLH bL′）^n和（HLHLHL cHdLeH LHLHLH L′）^n两种膜系结构，其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，a、b、c、d、e和n代表对应系数。

光谱设计参数要求为通带1中心波长550nm，通带范围540nm～565nm；通带2中心波长630nm，通带范围620nm～650nm。通带平均透过率＞92%，两通带间隔50nm，交叉背景＞OD6。通过设计软件对两种结构膜系进行了系数试算模拟匹配中心波长和带宽，确定基础膜系为（HLHL2HLHLH 1.5L′）^9。运用软件Needle和Optimac优化算法交替计算，设置单层最大厚度合并薄层。优化带宽和通带波纹后，主膜系层数为94层，对光谱透过率曲线和截止背景的设计如图2和图3所示。

该文结合主膜通带外截止范围（图3），采用长波通（0.5HL0.5H）+短波通（0.5LH0.5L）滤光膜系叠加组合（H、L分别为高、低折射率材料），截止400nm～1000nm通带外邻域波长，并应用Macleod膜系软件优化透射带（530nm～670nm）波纹，计算后如图4所示，宽带截止膜共85层。

在基片正反面分别叠加双通道主膜系和宽带截止膜，得到理论设计光谱参数：红/绿双通道滤光片带内平均透射率＞97%、两通道交叉截止背景＞OD6、光谱（400nm～1000nm）通带外截止背景＞OD5，如图5所示。

2.3 镀制工艺

该文采用的镀制设备为光池OTFC1300真空镀膜机，并配置JEOL双电子枪和RF射频离子源，24穴坩埚和环形坩埚，由XTC3膜厚晶控仪和背反射光控系统精确控制沉积速率和膜层厚度。离子辅助的作用是在镀前清洁基片表面，提高膜基结合力；在镀制过程中增加沉积原子的动能，提升致密度。工艺参数见表1。

图2 双通主膜透过率

图3 双通主膜截止率

图4 宽带截止辅助膜透过率

图5 双面产品设计透过率

该试验主要解决对双带通主膜非周期膜厚的控制，解决步骤如下：①应用膜系软件Reverse Engineer工程反演模块，导入试验光谱和设计光谱，算得各层厚度误差百分比。②分析系统误差，得出误差从前到后的递增步进值，将整个膜系分成前后三部分以相似误差值修正光控Tooling（工具因子）系数。根据镀制文件各层速率控制精度变化值，提前在程序设定换晶振片序号。③由于膜层较厚，低折射率材料需要使用三遍，利用石英环（熔融成型）减少随机误差。石英环比颗粒材料（SiO）能更有效地改善蒸发均匀性、一致性和成膜表面节瘤缺陷。高折射率材料24穴坩锅在蒸发时需要重复使用两遍，下料要深，并分两次加料预熔，第一遍加料预熔放在另一机台，两套坩埚交替使用。

表1 镀膜工艺参数

3 测试结果

3.1 光谱测试结果

滤光片样片在经过安捷伦-Cary7000光谱仪测试后得到的透过率和截止背景光谱曲线如图6和图7所示：红（620nm～650nm）/绿（540nm～565nm）双通道滤光片带内平均透射率＞93%、两通道交叉截止背景＞OD6、光谱（400nm～1000nm）通带外截止背景＞OD5。测试结果可以满足荧光内镜成像要求。

3.2 环境试验和机械强度测试

按照滤光片环境适应性和医用光学元件检测国标要求，进行了以下三项检测。1）高、低温测试：将将镀膜件样品放入高、低温箱中，镀膜件在-60℃和70℃的温度中各保持2h，再放置到23℃室温下，膜层未出现脱膜现象。2）湿度测试：在室温下，该镀膜件经弱碱水浸泡24 h，未出现脱膜、裂纹等现象。3）牢固度测试：将3M胶带在膜层表面粘牢，从边缘朝内以垂直方向迅速将胶带拉起，膜层无脱落、裂纹等损伤。

图6 透过率测试曲线

图7 光密度测试曲线

检测结果：上述测试完成后，光谱曲线漂移量小于1nm，可知膜层牢固度能满足使用要求。

4 结论

该文根据荧光内镜成像G/R比值算法和光路系统需求，设计了双带通滤光膜系。该双通道产品简化了光路结构，和以往的两片单通道产品切换使用相比，其可在一片滤光片上透过两个特定波段的光，因此可同时采集荧光能量进行数据比对，检测速度提升一倍以上。且在检测稳定性和一致性上，双通道产品也比单通道产品更有优势。该文还利用膜系软件Reverse Engineer反向工程模块修正了光控Tooling工具因子系数和膜层误差，使该双通道产品具有高透过率和高对比度，从白光图切换到荧光图时不需调节焦距（在宽光谱范围内矫正相差），对被测组织的检测灵敏度高、特异性强，检出率比常规的检测方法高4～5倍，可大幅度提高荧光内镜对早期癌的检测率。而对于批量加工的工艺重复性、透过率的提升和生产设备伞具上的里、外圈时的带宽一致性问题还需要进一步研究。