紅外濾光片在生物醫(yī)療成像與激光治療中的應(yīng)用

近紅外光以其獨(dú)特的組織穿透能力和對(duì)關(guān)鍵生物分子（如血紅蛋白）的光譜敏感性，已成為現(xiàn)代生物醫(yī)療診斷與治療不可或缺的工具。在寬譜近紅外成像（如組織血氧分布監(jiān)測(cè)）和980nm激光治療這兩大核心應(yīng)用中，濾光片扮演著至關(guān)重要的“光譜守門(mén)人”角色，其性能直接決定了系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、靈敏度和安全性。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、寬譜近紅外成像：揭示組織深處的奧秘

寬譜近紅外成像（通常覆蓋650-950nm）的核心目標(biāo)是捕獲組織內(nèi)部因吸收和散射特性變化而產(chǎn)生的微弱光學(xué)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的生理信息圖，如血氧飽和度分布圖。

核心挑戰(zhàn)：

強(qiáng)激發(fā)光干擾： 用于照亮組織的激發(fā)光源（通常是LED或激光）強(qiáng)度遠(yuǎn)高于組織返回的微弱信號(hào)。

自體熒光與環(huán)境雜光： 組織自身可能產(chǎn)生熒光，環(huán)境光也會(huì)侵入系統(tǒng)。

多波長(zhǎng)分離需求： 血氧監(jiān)測(cè)等應(yīng)用需要精確分離多個(gè)特征波長(zhǎng)（如730nm,810nm,850nm）的信號(hào)。

（BP850帶通濾光片）

關(guān)鍵濾光片及其作用：

激發(fā)濾光片：

類(lèi)型： 窄帶通濾光片。

位置： 緊貼光源前方。

作用： 精確篩選出所需波長(zhǎng)的激發(fā)光（如特定LED的峰值波長(zhǎng)），去除光源光譜中不需要的成分（尤其是有害的紫外光和可見(jiàn)光），保證激發(fā)光的純凈性。帶寬通常在10-30nm（FWHM），具體取決于應(yīng)用對(duì)光譜分辨率和光通量的要求。

發(fā)射濾光片：

類(lèi)型： 長(zhǎng)波通濾光片、帶通濾光片（窄帶或?qū)拵В?/p>

位置： 探測(cè)器（如CCD、CMOS相機(jī)）前方。

作用： 這是成像系統(tǒng)的核心“守門(mén)員”。

阻擋激發(fā)光： 最核心的任務(wù)是極其高效地阻擋（OD4-6） 激發(fā)波長(zhǎng)及其附近的雜散光，防止其淹沒(méi)微弱的組織反射/散射信號(hào)。

透過(guò)信號(hào)光： 允許目標(biāo)信號(hào)波段（如>750nm的組織反射光或特定熒光波長(zhǎng)）高效透過(guò)。

多通道應(yīng)用： 在需要多波長(zhǎng)成像（如血氧雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)成像）時(shí)，會(huì)使用濾光片輪或可切換濾光片，依次在探測(cè)器前放置不同中心波長(zhǎng)的帶通濾光片（帶寬可能為20-50nm），以分離不同波長(zhǎng)的信號(hào)。

（LP780長(zhǎng)波通濾光片）

二向色鏡：

類(lèi)型： 邊緣陡峭的長(zhǎng)波通二向色鏡。

位置： 光路中激發(fā)光路和探測(cè)光路的交叉點(diǎn)（通常呈45度角放置）。

作用： 物理分離激發(fā)光和發(fā)射光路。 它以高反射率（>95%）反射激發(fā)光，使其照射到樣品；同時(shí)以高透射率（>90%）透過(guò)樣品返回的長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)光，使其進(jìn)入探測(cè)器。其截止邊緣的陡峭度對(duì)系統(tǒng)信噪比至關(guān)重要。

（透紅反綠二向色鏡）

長(zhǎng)波通濾光片：

位置： 有時(shí)作為發(fā)射濾光片的一部分或補(bǔ)充，放置在探測(cè)器前。

作用： 在寬譜成像中，用于整體去除所有低于特定波長(zhǎng)（如700nm）的光，包括殘余的激發(fā)光和大部分可見(jiàn)光背景噪聲，只允許近紅外及更長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)通過(guò)。這對(duì)提升信噪比非常有效。

二、980nm激光治療窗口：安全高效的保障

980nm激光因其在組織中的吸收特性（水吸收峰附近）和一定的穿透深度，被廣泛用于軟組織消融、血管閉合、理療等治療領(lǐng)域。在激光治療系統(tǒng)中，濾光片主要用于保護(hù)成像或?qū)Ш皆O(shè)備。

（BP980帶通濾光片）

核心挑戰(zhàn)：

極強(qiáng)的治療激光： 980nm治療激光功率可達(dá)數(shù)十瓦，遠(yuǎn)超成像探測(cè)器的飽和閾值。

防止探測(cè)器損傷： 直接照射會(huì)瞬間損壞昂貴的成像傳感器（CCD/CMOS）。

確保導(dǎo)航/監(jiān)控圖像清晰： 在需要實(shí)時(shí)成像引導(dǎo)治療時(shí)（如內(nèi)窺鏡激光手術(shù)），必須完全濾除治療激光的干擾，保證導(dǎo)航圖像的清晰度和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵濾光片及其作用：

窄帶通（陷波）濾光片：

類(lèi)型： 這是最核心、要求最高的濾光片。

位置： 緊貼在成像探測(cè)器前方。

作用：極致阻擋980nm激光： 在980nm±5-10nm范圍內(nèi)，需要達(dá)到極高的光學(xué)密度（OD6-8+），意味著將入射的激光能量衰減到億分之一至千萬(wàn)分之一以下，絕對(duì)保護(hù)探測(cè)器不被燒毀。

高透射成像波段： 在治療激光阻擋帶之外（通常是可見(jiàn)光或特定的近紅外監(jiān)控波段，如可見(jiàn)光區(qū)域或810nm監(jiān)控光），保持高透射率（>85-90%），確保導(dǎo)航/監(jiān)控圖像足夠明亮清晰。

技術(shù)關(guān)鍵： 深阻擋深度、窄阻擋帶寬（以最小化對(duì)鄰近有用成像波段的影響）、高帶外透過(guò)率、良好的角度穩(wěn)定性（尤其在廣角鏡頭中）。

帶通濾光片：

位置： 在特定系統(tǒng)中，可能作為窄帶通濾光片的補(bǔ)充或替代方案。

作用： 如果導(dǎo)航/監(jiān)控使用特定波長(zhǎng)（如810nm），可以使用中心波長(zhǎng)在810nm、帶寬適當(dāng)?shù)膸V光片。它本身對(duì)980nm就有一定的天然阻擋能力（取決于其帶外抑制性能），但通常不如專(zhuān)門(mén)針對(duì)980nm優(yōu)化的陷波濾光片阻擋得徹底。對(duì)于高功率980nm激光，通常仍需專(zhuān)門(mén)的高OD阻擋設(shè)計(jì)。

其他考慮：

熱效應(yīng)： 高功率激光照射濾光片時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，需要選擇熱穩(wěn)定性好、不易破裂或性能退化的基材和鍍膜材料，有時(shí)需要主動(dòng)冷卻。

激光防護(hù)眼鏡： 操作人員佩戴的防護(hù)眼鏡也包含針對(duì)980nm激光的高OD阻擋濾光片，保護(hù)人眼安全。

在生物醫(yī)療光學(xué)的前沿應(yīng)用——寬譜近紅外功能成像和980nm激光治療中，濾光片絕非簡(jiǎn)單的光學(xué)元件。它們是實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)、高特異性識(shí)別和高安全保障的關(guān)鍵技術(shù)基石：

寬譜成像： 通過(guò)激發(fā)濾光片、發(fā)射濾光片、二向色鏡、長(zhǎng)波通濾光片的精密組合，構(gòu)建純凈的光路，從強(qiáng)背景噪聲中提取微弱的生理信號(hào)。

980nm激光治療： 依賴(lài)于高性能的窄帶通（陷波）濾光片，在保護(hù)昂貴成像設(shè)備的同時(shí)，確保治療過(guò)程的可視化引導(dǎo)安全可靠。

隨著生物光子學(xué)向更高分辨率、更深穿透、多模態(tài)融合方向發(fā)展，對(duì)濾光片的要求也日益嚴(yán)苛：更窄的帶寬、更陡的邊沿、更高的透過(guò)率、更深的阻擋、更強(qiáng)的環(huán)境耐受性。濾光片技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，將繼續(xù)為解鎖生命奧秘、提升醫(yī)療水平提供強(qiáng)大的光譜“守護(hù)”力量。

未來(lái)趨勢(shì)： 可調(diào)諧濾光片、超窄帶濾光片、具備更優(yōu)熱性能和損傷閾值的濾光片、以及集成化微型化的濾光解決方案（如MEMS濾光器），將是滿足下一代生物醫(yī)療光學(xué)設(shè)備需求的關(guān)鍵方向。