VPH光谱仪在生物医学内窥镜领域的应用

技术介绍：

内窥镜技术在医学前期诊断领域已经有着很广泛的应用。随着内窥镜技术的发展，从用白光对人体内部部位的肉眼观测，已经发展到利用光与生物组织的相互作用，通过各种光学检测方法（如反射，吸收，荧光，散射等）进行分析，从而起到早期诊断，预防疾病的作用。

拉曼光谱分析是应用较广泛的一种光学检测方法。其工作特点是：1，无需样品制备；2，适合测量含水量较大的活体组织；3，可以实现与生物组织的无接触检测。因此与内窥镜诊断装置结合后，受到越来越广泛的关注和应用。

基于拉曼技术的内窥镜测试系统主要包含有如下几个部分：

1. 激发光源。一般针对生物组织拉曼散射的激发光使用低功率的近红外波段光源。相较于532nm或是紫外光源，有着更好的穿透性能，同时其对生物组织的损伤也较小，并且产生的自发荧光也比较小。目前常用的激发光波段为785nm或是830nm。

2. 内窥镜探头部件。它的主要功能是利用光纤将激发光引入，在出口端面激发生物组织产生拉曼信号，同时再由端面接收信号返回光学检测系统。因此内窥镜的光纤探头装置有着很高要求，需要在收集信号效率，数值孔径等方面有着很高的要求！

3. 光谱分析系统。生物组织经由内窥镜系统激发并收集信号后，经光纤进入光谱分析系统。因为需要实时对信号进行监测监控，光谱分析系统一般采用基于光栅和CCD（光电耦合器件）的光谱采集系统。基于CT结构和VPH（Volume Phase Holographic）结构的光谱仪是两种常见光谱测量系统。

随着VPH光栅的进一步优化和改进，VPH光栅越来越受到关注。其优越性主要体现在相较前者，其通光量更大，即接收信号的能力越大。生物组织的拉曼信号一般都较弱，这样高通光量VPH谱仪在同样的光学探测器的情况下可以有更好的信噪比。另外探测器一般使用硅基的CCD，根据在使用785nm或是830nm激光的情况下，可以轻松测量生物组织的拉曼信号，不仅是指纹区范围（Fingerprint）(200-2000cm-1),对与高波数范围（High Wavenumber）区域（2600-3500cm-1）也能轻松应对。

图1：基于VPH光谱仪的内窥镜系统简图

目前市面上已有多种VPH光谱仪，并且取得了较好的测量效果，甚至可以实现指纹区，高波数区的同时测量。

图2：正常人口腔粘膜内窥镜拉曼光谱，分别对应不同曝光时间，0.1s，0.5s，1s

北京卓立汉光经过多年的研究，推出一款基于体光栅的VPH光谱仪探测装置。

主要技术特点：

1，超高的光通量

23. 极小的F数：F/1.8

23. 完美的光纤耦合能力：能够100%收集NA:0.22光纤

23. 导入的光信号

2，超高的光收集效率

高透射VPH光栅保证了高衍射效率，增透镀膜透镜确保了*大的通光效率，从而实现了可见或近红外*大的通光量

3，极低的杂散光

VPH光栅--平滑的衍射效率曲线所造就的极低的杂散光

图3：衍射效率@785 光栅

4，几乎完美的光谱成像质量

与传统的C-T模式光谱仪相比，在30mm像面上进行了出色的光学像差校正，获得了极佳的图像质量，从而获得了更好的空间分辨率和光谱分辨率，也保证了近轴多通道采集的*小串扰和拉曼偏移。

图4：成像模式下的氖灯光谱

测试条件：20芯光纤束 / 100μm芯径

5，紧凑坚固的设计

所有部件作为一个整体模块进行预调校，光路稳定，不会受到运输过程中的碰撞影响

6，高光谱分辨率

图5：分辨率测试数据

应用：

一、乙醇溶剂拉曼光谱（Omni-iSpecT785A1 系统，带高通量探针）

图5：乙醇拉曼光谱，0.25%浓度，5s曝光时间，300mW激光器

二、人体皮肤拉曼光谱（Omni-iSpecT785A1 系统，高通量探头）

图6：皮肤拉曼光谱，20s曝光时间，20mW激光功率

引用文献：

1. Zhi wei Huang, Seng Khoon Teh, Wei Zheng, Opt. Lett. 34, 785 (2009).

2. Mads Sylvest Bergholt, Wei Zheng, Zhiwei Huang，Journal of Biomedical Optics，18，030502（2013）

3. Kan Lin, Wei Zheng, Chwee Ming Lim, Zhiwei Huang, Theranostics，7，3517 （2017）