光电探测器+像素化光谱滤波器助力实现仿生光学

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的研究小组开发了一种仿生光学内窥镜成像系统（EIS），该系统采用的仿生成像传感器（BIS）的设计灵感来源于螳螂虾，其在解析两个近红外（NIR）探针的同时可捕获彩色图像。

仿生光学内窥镜成像系统（EIS）的仿生成像传感器（BIS）垂直集成感光像素阵列和光谱滤波器，可以捕获六个不同光谱通道上的光子（来源：UIUC）

基于当前荧光平台微型化和高灵敏度要求的趋势，光学诊断探针将在癌症诊断和光学活检中发挥越来越重要的作用。

荧光引导手术（FGS）是癌症微创手术中的一种，在该手术中，患者被注射一种优先结合肿瘤细胞的荧光探针，外科医生在光学内窥镜成像系统发出的光照下便能够轻松地识别出其病变部位。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的一个研究小组开发了一种新型仿生光学内窥镜成像系统（EIS），该系统采用了以螳螂虾的视觉系统为模型的传感器，可以同时捕捉彩色图像并解析两个近红外（NIR）探针。

仿生光学内窥镜成像系统的小鼠体内验证

螳螂虾的眼睛可以检测线偏振光和圆偏振光，这对成像和数据存储都有一定影响，一段时间以来，该功能一直吸引着光学设计师的目光。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究成果发表在《生物医学光学杂志》（Journal of Biomedical Optics）上，该研究指出荧光引导手术能够检测使用多个近红外荧光探针标记的肿瘤。这将克服目前的障碍——使用不同示踪剂的混合物来适应肿瘤的异质性，但用于分析的内窥镜只能检测单一标记物。

螳螂虾复眼顶部的感光细胞优先记录较短波长的光子，而底部的感光细胞则优先记录较长波长的光子。以该架构为蓝图，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组采用N型掺杂硅层和P型掺杂硅层，以及由不同介电材料层组成的干涉滤波器，设计了一种人工探测器。

更易检测小肿瘤或隐藏肿瘤

“我们的仿生成像传感器（BIS）将垂直堆叠的光电探测器与像素化光谱滤波器相结合，在近红外光谱中进行三次观测，同时捕捉彩色（RGB）图像。”该研究小组在其发表的论文中提到，“这种方法与目前一流的多光谱成像系统截然不同，目前一流的多光谱成像系统虽然结合了多个摄像头和复杂的光学元件，但仍然只对单个分子示踪剂进行成像。”

该研究项目还必须考虑一个合适的激发源来激活荧光示踪剂，研究小组设计定制的分叉光纤连接到三个独立光源：白光LED、665纳米近红外激光器、785纳米近红外激光器。

在注射了两种标记物的乳腺癌小鼠模型的临床前试验中，该系统可以清楚区分单个示踪剂和混合物产生的荧光信号。研究小组在对从患者身上切除的人类肺癌结节进行的测试中，最初仅使用一个标记物来评估临床效果，验证了近红外荧光和彩色靶点的同步成像以及检测肿瘤的能力。

基于仿生光学内窥镜成像系统的术中荧光标记肺癌结节成像的临床验证

该研究小组评论道：“新开发的仿生光学内窥镜成像系统将帮助医生更容易地检测较小或隐藏的肿瘤。”该系统的设计初衷是用来治疗肺癌的，但是研究人员预期其将为使用多示踪剂荧光引导手术的仪器平台铺平道路，使其体积更小，更易于在临床实践中使用。

审核编辑：刘清