全球最小3D打印光纤内窥镜成功研发

2020-08-24

据悉，一款超薄内窥镜成功研发，其尺寸小到可以扫描小鼠血管内部的图像。如果应用到人类医学，将帮助科学家更好地了解心脏病发作和疾病进展的原因，以及随后的治疗和预防方法。

通过内窥镜对内部器官进行高分辨率可视化的技术越来越多的应用于医学检测、手术过程中。特别是，使用光学相干断层扫描（OCT）的光纤内窥镜可提供深度分辨成像，已用于超过410,000名患者，以改善临床疗结果。小型内窥镜探头在对于不引起组织创伤的情况下对小管腔或脆弱器官成像是必需的。然而，当前的制造方法限制了高度小型化的探针的成像性能，从而限制了它们的广泛应用。

7月20日，来自澳大利亚阿德莱德大学医学院、光学先进传感研究所的Jiawen Li和德国斯图加特大学应用光学研究所（ITO）和SCoPE研究中心的Simon Thiele在Nacture上发布的《Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use》一文展示了他们利用3D微打印技术开发的新型超薄探针装置，为了制造这种装置，他们在一根不比人类头发厚的光纤末端上打印镜头，形成了探针结构（如下图所示）。据Simon Thiele介绍，他们研发出来的成像设备是目前世界上现存最小的内窥镜。

3D打印超薄内窥镜可对动脉成像。图片来源：Simon Thiele和Li Jiawen Li

尽管现在手术过程中利用内窥镜非常普遍，但对于微型高分辨率窥镜仍然存在实际但尚未满足的需求，这些光纤内窥镜不仅能够对细小狭窄的管腔器官和小型动物进行成像，而且还可以防止因插入探针而引起的潜在手术事故。具体而言，高分辨率和大深度的聚焦对于病理变化的有效监视是必要的但是用小型化的内窥镜来实现是极其困难的。

例如，小鼠模型是心血管疾病常用的动物模型，根据参考文献，直径为483μm的微型探针可用于小鼠血管内成像。但是，用于小鼠的该探针由于聚焦深度短，无法对深度小于100μm的微观结构进行成像，并且缺乏分辨率，无法提供相关结构的可视化显示，例如脂肪细胞，胆固醇晶体(CCs)和结缔组织，这些大小在几十微米范围内的组织。

常见的消化内镜手术

TS小鼠模型中的NIRAF成像和斑块内出血

当前的探针制造技术在高度小型化的探针这块时受到限制，导致球面像差、低分辨率或浅焦深。在光学设计中，传统上需要权衡高分辨率（大数值孔径，NA），从而导致光束发散迅速，聚焦深度较小，而分辨率差（NA较小），无法实现较大的聚焦深度。在光学相干断层扫描成像中，因为内窥镜和血管内探针部署在透明的导管鞘内，既保护动物或患者在探针旋转进行扫描时免受创伤，又防止在多个动物之间重复使用时的交叉污染。

在光学上，这种透明鞘相当于负柱面透镜，并引起散光。散光增加了小型化探针的横向分辨率的衰减。因此，对这些非色差的校正对于用微型探头在所希望的聚焦深度上获得尽可能好的分辨率是至关重要的，而当前的微光学制造方法缺乏减轻这些非色差的能力。

研究人员开发了一种超薄单片光学相干断层扫描内窥镜，通过使用双光子聚合将125微米直径的微光学器件直接印刷到光纤上，克服了这些限制（如下图所示）。

研究人员将一根450微米长度的无芯光纤拼接到一根20厘米长的单模光纤上，在光束到达3D打印自由曲面微光学器件之前对其进行扩展。为了实现这一段无芯光纤的拼接，他们首先将一段较长的无芯光纤拼接到单模光纤上，然后使用自动玻璃处理器和直列式切割刀将其切割到450±5微米。使用双光子光刻系统将光束整形微光学器件直接3D打印到无芯光纤的远端，该系统通过直接连接到系统的光纤支架进行了改进。

3D打印微光学器件的自由曲面通过全内反射改变光束的方向并使其聚焦。该表面还补偿了由透明聚合物导管鞘(内径为0.386毫米，外径为0.457毫米)。光纤组件固定在薄壁扭矩线圈(内径为0.26毫米，外径为0.36毫米，)内。扭矩线圈允许旋转和线性运动从成像探头的近端精确地传递到远端，从而实现3D扫描。成像探头在导管鞘内自由旋转，导管鞘保持静止，并在3D扫描期间保护生物组织。