據(jù)悉，一款超薄內(nèi)窺鏡成功研發(fā)，其尺寸小到可以掃描小鼠血管內(nèi)部的圖像。如果應(yīng)用到人類醫(yī)學(xué)，將幫助科學(xué)家更好地了解心臟病發(fā)作和疾病進(jìn)展的原因，以及隨后的治療和預(yù)防方法。

通過內(nèi)窺鏡對(duì)內(nèi)部器官進(jìn)行高分辨率可視化的技術(shù)越來越多的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)、手術(shù)過程中。特別是，使用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的光纖內(nèi)窺鏡可提供深度分辨成像，已用于超過410,000名患者，以改善臨床療結(jié)果。小型內(nèi)窺鏡探頭在對(duì)于不引起組織創(chuàng)傷的情況下對(duì)小管腔或脆弱器官成像是必需的。然而，當(dāng)前的制造方法限制了高度小型化的探針的成像性能，從而限制了它們的廣泛應(yīng)用。

7月20日，來自澳大利亞阿德萊德大學(xué)醫(yī)學(xué)院、光學(xué)先進(jìn)傳感研究所的Jiawen Li和德國(guó)斯圖加特大學(xué)應(yīng)用光學(xué)研究所（ITO）和SCoPE研究中心的Simon Thiele在Nacture上發(fā)布的《Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use》一文展示了他們利用3D微打印技術(shù)開發(fā)的新型超薄探針裝置，為了制造這種裝置，他們?cè)谝桓槐热祟愵^發(fā)厚的光纖末端上打印鏡頭，形成了探針結(jié)構(gòu)（如下圖所示）。據(jù)Simon Thiele介紹，他們研發(fā)出來的成像設(shè)備是目前世界上現(xiàn)存最小的內(nèi)窺鏡。

3D打印超薄內(nèi)窺鏡可對(duì)動(dòng)脈成像。圖片來源：Simon Thiele和Li Jiawen Li

盡管現(xiàn)在手術(shù)過程中利用內(nèi)窺鏡非常普遍，但對(duì)于微型高分辨率窺鏡仍然存在實(shí)際但尚未滿足的需求，這些光纖內(nèi)窺鏡不僅能夠?qū)?xì)小狹窄的管腔器官和小型動(dòng)物進(jìn)行成像，而且還可以防止因插入探針而引起的潛在手術(shù)事故。具體而言，高分辨率和大深度的聚焦對(duì)于病理變化的有效監(jiān)視是必要的但是用小型化的內(nèi)窺鏡來實(shí)現(xiàn)是極其困難的。

例如，小鼠模型是心血管疾病常用的動(dòng)物模型，根據(jù)參考文獻(xiàn)，直徑為483μm的微型探針可用于小鼠血管內(nèi)成像。但是，用于小鼠的該探針由于聚焦深度短，無法對(duì)深度小于100μm的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并且缺乏分辨率，無法提供相關(guān)結(jié)構(gòu)的可視化顯示，例如脂肪細(xì)胞，膽固醇晶體(CCs)和結(jié)締組織，這些大小在幾十微米范圍內(nèi)的組織。

常見的消化內(nèi)鏡手術(shù)

TS小鼠模型中的NIRAF成像和斑塊內(nèi)出血

當(dāng)前的探針制造技術(shù)在高度小型化的探針這塊時(shí)受到限制，導(dǎo)致球面像差、低分辨率或淺焦深。在光學(xué)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)上需要權(quán)衡高分辨率（大數(shù)值孔徑，NA），從而導(dǎo)致光束發(fā)散迅速，聚焦深度較小，而分辨率差（NA較?。?，無法實(shí)現(xiàn)較大的聚焦深度 。在光學(xué)相干斷層掃描成像中，因?yàn)閮?nèi)窺鏡和血管內(nèi)探針部署在透明的導(dǎo)管鞘內(nèi)，既保護(hù)動(dòng)物或患者在探針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描時(shí)免受創(chuàng)傷，又防止在多個(gè)動(dòng)物之間重復(fù)使用時(shí)的交叉污染。

在光學(xué)上，這種透明鞘相當(dāng)于負(fù)柱面透鏡，并引起散光。散光增加了小型化探針的橫向分辨率的衰減。因此，對(duì)這些非色差的校正對(duì)于用微型探頭在所希望的聚焦深度上獲得盡可能好的分辨率是至關(guān)重要的，而當(dāng)前的微光學(xué)制造方法缺乏減輕這些非色差的能力。

我們開發(fā)了一種超薄單片光學(xué)相干斷層掃描內(nèi)窺鏡，通過使用雙光子聚合將125微米直徑的微光學(xué)器件直接印刷到光纖上，克服了這些限制（如下圖所示）。

圖解：a. 這款3D打印OCT內(nèi)窺鏡在動(dòng)脈內(nèi)的示意圖；b. 熔接到導(dǎo)光單模光纖上的無芯光纖尖端，及位于其上的3D打印離軸自由面全內(nèi)反射（TIR）鏡的顯微鏡圖像；c. 系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)；d. 3D打印OCT內(nèi)窺鏡的照片，通過旋轉(zhuǎn)并向后拉以完成完整的3D OCT掃描

研究人員將一根450微米長(zhǎng)度的無芯光纖拼接到一根20厘米長(zhǎng)的單模光纖上，在光束到達(dá)3D打印自由曲面微光學(xué)器件之前對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)這一段無芯光纖的拼接，他們首先將一段較長(zhǎng)的無芯光纖拼接到單模光纖上，然后使用自動(dòng)玻璃處理器和直列式切割刀將其切割到450±5微米。使用雙光子光刻系統(tǒng)將光束整形微光學(xué)器件直接3D打印到無芯光纖的遠(yuǎn)端，該系統(tǒng)通過直接連接到系統(tǒng)的光纖支架進(jìn)行了改進(jìn)。

3D打印微光學(xué)器件的自由曲面通過全內(nèi)反射改變光束的方向并使其聚焦。該表面還補(bǔ)償了由透明聚合物導(dǎo)管鞘(內(nèi)徑為0.386毫米，外徑為0.457毫米)。光纖組件固定在薄壁扭矩線圈(內(nèi)徑為0.26毫米，外徑為0.36毫米，)內(nèi)。扭矩線圈允許旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)從成像探頭的近端精確地傳遞到遠(yuǎn)端，從而實(shí)現(xiàn)3D掃描。成像探頭在導(dǎo)管鞘內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)管鞘保持靜止，并在3D掃描期間保護(hù)生物組織。

探針表征

嚴(yán)重患病的人頸動(dòng)脈的光學(xué)相干斷層掃描成像。

圖解：a. OCT圖像橫截面圖；b. a圖部分的Masson三色染色顯示，藍(lán)色箭頭表示似乎含有纖維蛋白、血小板和細(xì)胞碎片的血栓；c. 另一幅OCT圖像的橫截面圖；d. c圖同一區(qū)域的Masson三色染色顯示，紅色箭頭指向纖維帽和鄰近的壞死核心。

小鼠主動(dòng)脈的原位光學(xué)相干斷層掃描成像

動(dòng)脈粥樣硬化小鼠主動(dòng)脈的原位光學(xué)相干斷層掃描成像

該技術(shù)避免了光纖和微光學(xué)器件之間的手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，并確保亞微米對(duì)準(zhǔn)精度。這項(xiàng)技術(shù)是第一個(gè)實(shí)用和可靠的制造方法，像差校正高度小型化內(nèi)窺鏡探頭。